TWI791148B - 陣列式結構光圖案投射裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種陣列式結構光圖案投射裝置，係包含一繞射光學組、一繞射光學元件、一光源組、一基板、至少一光源晶片、至少一發光點組、至少一發光點、一繞射光點圖案、一屏幕，其中，透過光源晶片上設置至少一發光點組，發光點組上更設置有至少一發光點，並將至少一光源晶片設置於基板上組成光源組，將繞射光學元件緊密排列組成繞射光學組，透過光源組發出之光線照射通過繞射光學組並於屏幕上呈現出繞射光點圖案；特別要說的是，發光點組之數量與繞射光學元件在設置時之數量相同。

Description

陣列式結構光圖案投射裝置

本案係關於一種藉由緊密排列多個繞射光學元件，並搭配與其數量相同且可分別獨立設置之發光點組，藉此可以產生更多設計彈性和功能性的結構光投射裝置。

現今的圖案投射裝置中繞射光學元件(Diffractive Optical Element,DOE)為技術之核心元件，且已能使其兼具有準直鏡(collimation lens)與點光束分配器(beam splitter)之功能，不僅能夠簡化在設置時所需的必要元件，也能讓繞射光學元件(Diffractive Optical Element,DOE)有更多的應用，大大的精簡了在使用繞射光學元件時所需之必要的硬體設備。

雖然已經讓硬體設備更加的精良，但在使用上仍然無法滿足現今日新月異的科技發展，在實際使用後發現圖案投射裝置雖然透過升級繞射光學元件來簡化組裝時所需的必要元件，但所呈現出來的效果與先前之設備可說是大同小異，然，圖案投射裝置雖然在設計繞射光學元件時上有做精簡及效能上的提升，但針對於發光源的部分仍然是使用舊有的發光方式，僅能在全亮及全暗的調控上做操作，因此需要搭配現有的技術讓光源可以依照需求做改善，讓光源不僅能具有調控光源明亮度、調整發光源中光點與光點之間裝設的距離及改變發光源中光點設置分佈的不同模式之功效，來因應現有的需求。

所以若能夠使圖案投射裝置透過改良光源中發光點的相關技術，並搭配將繞射光學元件改良後之特性能夠使其發揮更大效能的應用，希望能達到將投射出的光點圖案投射角度擴大及改變光源中發光點設置時的分佈及可以分別點亮單獨的發光點之功效，進而使圖案投射裝置得以獲得更多在應用上的設計彈性及更廣泛應用於各領域之設備，據此，光源中發光點的優化、繞射光學元件使用的方式及光源及繞射光學元件兩者間如何搭配應用，是本發明欲解決的關鍵問題所在。

有鑑於此，本發明即在提供一種陣列式結構光圖案投射裝置，係包含：繞射光學組，包含多個繞射光學元件彼此緊密排列；光源組，包含至少一光源晶片，光源晶片上更具有至少一發光點組，發光點組係由至少一發光點組成，發光點發出光線照射通過繞射光學元件並投射出繞射光點圖案於屏幕上；其中，光源組可由至少一光源晶片設置於基板上，且光源晶片上之發光點組數量與繞射光學元件設置數量相同。

所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，繞射光點圖案可為完全重疊、部分重疊、互相銜接或產生偏移。

所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，相鄰複數發光點組中心與中心間之第一間隔距離大於與之相匹配複數繞射光學元件中心與中心間之第二間隔距離，用以增加光源晶片所投射出來之繞射光點圖案之亮度。

所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，繞射光點圖案可透過控制光源組的點亮時間，使繞射光點圖案為全亮、部分亮或循序亮。

所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，發光點之排列方式可為規則排列或不規則排列。

所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，各光源晶片上之發光點數目及設置位置可相同或相異。

所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，繞射光學組之間更具有不透明區域，用以遮擋溢出繞射光學組範圍之光線。

所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，繞射光學元件之排列方式至少為方形排列、矩形排列、六角形排列、三角形排列、圓形排列、不規則形排列之陣列式構型。

所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，與繞射光學元件相匹配的光源晶片，其設置之排列方式與繞射光源元件所呈現之構型相同。

所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，發光點為面射型雷射。

如此，本發明透過將多個兼具準直鏡及點光束分配器功能之繞射光學元件DOE近距離緊密排列後，搭配光源組中的多個光源晶片分別設置於基板上，再透過控制光源組的點亮時間，來達到將繞射光點圖案投射為全亮、部分亮或循序亮，據此來達成掃描式動態光點、可調性光點間距、增加光點亮度、擴大投射張角、增加光點密度、改變光點分佈模式的功能。

由於本發明揭露一種陣列式結構光圖案投射裝置，其中所使用之各種光學投射及繞射原理為本領域具有通常知識者所能明瞭，故以下中文之說明，不再做完整描述。同時，以下文中所對照之圖式，係表達與本發明特徵有關之實施態樣示例，並未亦不需要依照實際尺寸完整繪製，盍先敘明。

請參閱圖1，在此實施例中，為本案陣列式結構光圖案投射裝置1之基本架構，係包含有：繞射光學組10，包含四片兼具有準直鏡及點光束分配器功能之繞射光學元件11，分別為第一繞射光學元件111、第二繞射光學元件112、第三繞射光學元件113及第四繞射光學元件114，彼此緊密排列且各自繞射光學元件11之設計圖案可相同或相異；光源組20，包含有光源晶片21，且光源晶片21上設有複數發光點組22，分別為第一發光點組221、第二發光點組222、第三發光點組223及第四發光點組224，各發光點組22可同時點亮、部分點亮及循序點亮，且各發光點組22上更具有複數個發光點24，發光點24所設置之數量及設置在光源晶片21上之位置皆不設限，且不同光源晶片21上之發光點24設置數量及位置皆可不相同，可依照使用者需求進行增加或減少，圖1中每個發光點組22上係以4個發光點24為例，但不以此為限；發光點24所發出之光線照射通過繞射光學元件11並投射出繞射光點圖案12於一屏幕30上，在此實施例中分別具有第一繞射光點圖案121、第二繞射光點圖案122、第三繞射光點圖案123及第四繞射光點圖案124，其投射方式為，由第一發光點組221上之發光點24射出光線通過第一繞射光學元件111後投射出第一繞射光點圖案121於屏幕30上；第二發光點組222上之發光點24射出光線通過第二繞射光學元件112後投射出第二繞射光點圖案122於屏幕30上；第三發光點組223上之發光點24射出光線通過第三繞射光學元件113後投射出第三繞射光點圖案123於屏幕30上；第四發光點組224上之發光點24射出光線通過第四繞射光學元件114後投射出第四繞射光點圖案124於屏幕30上，透過獨立設置的發光點組22所產生之光源，搭配上與發光點組22位置相對應的繞射光學元件11進而投射出相對應的繞射光點圖案12來分別進行投影成像以滿足各種不同應用所需之效能；其中，光源組20中之光源晶片21係透過高精度黏晶(Die bond)的方式設置於基板23上，可透過調控基板23通電的方式使其上所設置之光源晶片21分別通電點亮各發光點組22，且光源晶片21上所設置之發光點組22數量與搭配之繞射光學元件11所設置之數量需相同，發光點組22與繞射光學元件11在設置時兩者之位置需相對應排列，如圖1中所示。

值得一提的是，由於上述之投射方式為單獨的發光點24射出光線至相對應之獨立設計之繞射光學元件11，所以得以於屏幕30上分別成像出與繞射光學元件11數量相同種類之各種繞射光點圖案12，使投射出之繞射光點圖案12在成像時可以相互的搭配應用，並配合光源晶片21上發光點組22的數量及位置的設置，使投射出之繞射光點圖案12可以呈現出各投射出之繞射光點圖案12完全重疊，透過繞射光點圖案12之重疊可以呈現出更多的細節使成像之解析度得以提升，除此之外，還可以增加投射出之繞射光點圖案12之亮度；也可透過投射後之各繞射光點圖案12設計為部分重疊，使成像出來之繞射光點圖案12可以呈現出明亮度之間的差異，使成像出的繞射光點圖案12可以設計為更具有層次感之成像；此外，更可以將光源晶片21上之發光點組22之位置經過計算調整設計投射於繞射光學元件11後於屏幕30成像之繞射光點圖案12之位置相互的銜接，亦即彼此之間不產生重疊，使其可以擴大成像之範圍。

請參閱圖2，位於基板23上之光源晶片21與發光點組22的一種實施方式，即是將複數發光點組22分別設置於相對應數量的光源晶片21上，此種設置方式可以依照使用者需求，排列出各發光點組22彼此之間不同的排列方式，且依照此種方式設置時，由於各發光點組22分別處於不同的光源晶片21上，在通電後，電流會進入各自的光源晶片21中，使設置於不同光源晶片21上各發光點組22產生全亮、部分亮、分區亮及循序亮的功效，所以各發光點組22之間的距離由於設置於不同光源晶片21上，不會因為電流干擾的問題，各發光點組22之距離可以排列的較緊密。

請參閱圖3，位於基板23上之光源晶片21與發光點組22的另一種實施方式，將複數發光點組22全數設置於同一光源晶片21上，此種方式仍然可以依照使用者需求，排列各發光點組22中至少一發光點24的位置，且若以此種方式設置發光點組22，則發光點組22所設置的位置能較精準，降低發光點24設置偏移或誤差的機率，但由於各發光點組22是設置於同一光源晶片21上，各發光點組22彼此位置之距離需間隔較大，避免通電時因為電流干擾，影響發光點組22的發光順序。

請參閱圖4，為另一控制繞射光點圖案12亮度的實施方式，詳述如下：圖4中的第一繞射光學元件111及第二繞射光學元件112為相同之設計，且第一發光點組221及第二發光點組222之排列方式與發光點組22中之發光點24排列方式也須相同，此時，當相鄰兩發光點組22(如圖4中第一發光點組221及第二發光點組222)中心與中心之第一間隔距離A，與相對應之繞射光學元件11(如圖4中第一繞射光學元件111及第二繞射光學元件112)中心與中心之第二間隔距離B來的寬時，則可使得從第一發光點組221及第二發光點組222中心所發出的光線向相對應的第一繞射光學元件111及第二繞射光學元件112中心連線且繼續向後延伸之延伸線，相交於遠處之屏幕，此時兩相異發光點所發出的光線會在屏幕處重疊，使其可以增加光點亮度，據此在設置發光點組22時可以透過排列發光點組22的位置來控制繞射光點圖案12的光點亮度。

請參閱圖5，在此實施方式中之陣列式結構光圖案投射裝置1陣列式成像投射方式如下，由第一發光點組221射出光線通過第一繞射光學元件111後投射出第一繞射光點圖案121於屏幕30上；第二發光點組222上射出光線通過第二繞射光學元件112後投射出第二繞射光點圖案122於屏幕30上；第三發光點組223上射出光線通過第三繞射光學元件113後投射出第三繞射光點圖案123於屏幕30上；第四發光點組224上射出光線通過第四繞射光學元件114後投射出第四繞射光點圖案124於屏幕30上；將各發光點組22上之各發光點24分別設計為直列式的光點分佈，且各直列式發光點24間保留有固定間距，所投射出之繞射光點圖案12區可成像為完全重疊或部分重疊，且透過調控各發光點組22的發光順序並搭配相對應繞射光學元件11之方式來使其投射出繞射光點圖案12，且其成像可依照發光點24的設計及發光點組22點亮之順序呈現為全亮、部分亮或循序點亮，操作方式為：第一至第四發光點組221~224照射至第一至第四繞射光學元件111~114，投射出第一至第四繞射光點圖案121~124，據此可以隨時調整光點密度或透過光點做位置動態掃瞄的作用，其中，控制各發光點組22的點亮時間，使投射光點圖案12為全亮、部分亮或循序亮，據此，可增加或減少瞬間點軌跡重疊距離，提高或降低可偵測的深度範圍同時兼顧點深度偵測的解析度。

請參閱圖6，在此實施方式中之陣列式結構光圖案投射裝置1分佈式成像之投射方式如下，由第一發光點組221射出光線通過第一繞射光學元件111後投射出第一繞射光點圖案121於屏幕30上；第二發光點組222射出光線通過第二繞射光學元件112後投射出第二繞射光點圖案122於屏幕30上；第三發光點組223射出光線通過第三繞射光學元件113後投射出第三繞射光點圖案123於屏幕30上；第四發光點組224射出光線通過第四繞射光學元件114後投射出第四繞射光點圖案124於屏幕30上；將各發光點組22上之發光點24分別設計為散狀分佈的位置，且各相異發光點組22上之發光點24間可在成像時之位置調整為完全重疊或部分重疊，再搭配可調控之發光點組22使其部分點亮或全部點亮之特性，以控制繞射光點圖案12在屏幕30上之密度，據此可以使此陣列式結構光圖案投射裝置1可以適應不同距離所需之不同繞射光點圖案12之成像密度。

在以上實施例中，各相異發光點組22上之發光點24的數目及設置位置可相同或相異，依照使用者的需求進行設置，其設置方式可如圖5透過直列式規則排列的發光點24投射成像出之直列式規則排列繞射光點圖案12所示，亦可為如圖6透過分佈式不規則排列的發光點24投射出之繞射光點圖案12為散狀不規則排列的方式所示，除此之外，可以依照不同的需求將發光點24集中設置，此集中設置處所投射出的繞射光點圖案12之亮度，相較於發光點24設計的較稀疏所呈現出的繞射光點圖案12之亮度來的更亮，但由於發光點24過於集中，所以會使呈現出之繞射光點圖案12產生漸層。

請參閱圖7，為本發明之另一實施例，同樣透過上述由第一發光點組221射出光線通過第一繞射光學元件111後投射出第一繞射光點圖案121於屏幕30上；第二發光點組222射出光線通過第二繞射光學元件112後投射出第二繞射光點圖案122於屏幕30上；第三發光點組223射出光線通過第三繞射光學元件113後投射出第三繞射光點圖案123於屏幕30上；第四發光點組224射出光線通過第四繞射光學元件114後投射出第四繞射光點圖案124於屏幕30上；在設置發光點24時透過計算發光點24發出光線的位置來設置發光點組22中各發光點24之位置，使其在投射時可以將相對應之繞射光點圖案12之分佈成像為互相銜接的繞射光點圖案12，據此增加投射的角度。

更值得一提的是，在基板23上具有複數個分別獨立設置的光源晶片21，各光源晶片21上之複數發光點組22在設置時，位於同一片基板23上相異的兩片光源晶片21上之發光點組22中發光點24之數目及設置位置可以為相同或相異的設置方式，在此不做限制。

請參閱圖8，為本發明之另一實施例，繞射光學組10在緊密排列設置時，其銜接處更具設計有一不透明區域C，其不透明區域的設置方式可為印刷、塗佈、鍍膜、黏貼等可阻擋光線通過之方式，且不透明區域之材質可為金屬或非金屬等不透光之材質，透過以上的設置方式及選用之材質，用以遮擋由光源組20照射之溢出繞射光學組10範圍之光線，使緊密銜接相鄰之繞射光學元件在透過光學組20投射成像時可以透過此設置阻絕或減少光線的相互干擾，提升繞射光點圖案12的解析度及所呈現之亮度。

請參閱圖9，繞射光學元件11在設置時之排列方式至少為方形排列如圖9A、矩形排列如圖9B、六角形排列如圖9C、三角形排列如圖9D、圓形排列如圖9E、不規則形排列如圖9F之構型，可以透過不同排列形狀之構型來滿足不同使用者在成像上的需求，不僅如此，由於可以改變排列的形狀，還可以將圖案投射器應用在更多不同的領域之中，透過改變排列的方式也可以形成更多的成像的方式。

請再次參閱圖1至圖8，更值得一提的是，各繞射光學元件11雖然可以呈現上述不同的陣列式構型，但與之相匹配的各發光點組22在設置於光源晶片21上時，須依照與之匹配的陣列式繞射光學元件11之排列順序進行設置，由於本案設定發光點組22與繞射光學元件11需相互搭配才得以成像，且其光線為直線式的投射，據此，在設計完成繞射光學元件11陣列式構型後須同步將與之匹配發光點組22的排列方式依照陣列式構型的位置設置於基板23上。

最後，特別要說的是，發光點24之設置為面射型雷射(VCSEL)，其特性具備高速操作、低耗電、體積小且價格較低的優勢，據此，面射型雷射(VCSEL)可以勝任本發明發光點24中的應用需求，因為在裝置上所需使用的發光點24眾多，所以其特性低耗電、體積小正是可以廣泛應用在發光點24上，在光源晶片21上緊密的排列，不僅可以排列較多增加發光點24的密度來達到增加亮度的需求，更是因為其省電的特性來減少使用上所帶來的消耗。

綜上所述，本發明藉由將發光點組22設置在光源晶片21上，且至少一光源晶片21分別/獨立設置於基板23上，使基板23可以透過光源晶片21分別調控各發光點組22點亮之順序，使發光點組22在發光時可以達到符合使用者需求進行全部點亮、部分點亮或循序點亮的功效，並搭配將繞射光學元件11緊密排列進行成像，使繞射光點圖案12透過發光點組22可調控的特性搭配發光點24可以自由設置其數量及位置的特性，來完成使繞射光點圖案12在成像上可以呈現出圖案完全重疊、圖案部分重疊、圖案之間互相銜接或產生偏移之功效，除此之外，更透過將光源晶片21上發光點組22之排列方式除了規則排列及不規則排列外，在同一基板23上各相同/相異光源晶片21之發光點組22所設置之數量、位置及密度皆可依照使用者需求進行設置，並不做限制，據此達到掃瞄式動態光點、可調性光點間距、增加光點亮度、擴大投射張角、增加光點密度、改變光點分佈模式之功效。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之申請專利權利；同時以上的描述，對於熟知本技術領域之專門人士應可明瞭及實施，因此其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在申請專利範圍中。

1:陣列式結構光圖案投射裝置 10:繞射光學組 11:繞射光學元件 111:第一繞射光學元件 112:第二繞射光學元件 113:第三繞射光學元件 114:第四繞射光學元件 12:繞射光點圖案 121:第一繞射光點圖案 122:第二繞射光點圖案 123:第三繞射光點圖案 124:第四繞射光點圖案 20:光源組 21:光源晶片 22:發光點組 221:第一發光點組 222:第二發光點組 223:第三發光點組 224:第四發光點組 23:基板 24:發光點 30:屏幕 A:第一間隔距離 B:第二間隔距離 C:不透明區域

圖1係為陣列式結構光圖案投射裝置基本架構配置立體示意圖；

圖2係為陣列式結構光圖案投射裝置複數光源晶片實施方式示意圖；

圖3係為陣列式結構光圖案投射裝置一片光源晶片實施方式示意圖；

圖4係為陣列式結構光圖案投射裝置控制繞射光點圖案亮度示意圖；

圖5係為陣列式結構光圖案投射裝置陣列式成像示意圖；

圖6係為陣列式結構光圖案投射裝置分佈式成像示意圖；

圖7係為陣列式結構光圖案投射裝置增加投射角度示意圖；

圖8係為陣列式結構光圖案投射裝置不透光區示意圖；

圖9係為陣列式結構光圖案投射裝置DOE形狀排列示意圖。

1:陣列式結構光圖案投射裝置

10:繞射光學組

11:繞射光學元件

111:第一繞射光學元件

112:第二繞射光學元件

113:第三繞射光學元件

114:第四繞射光學元件

12:繞射光點圖案

121:第一繞射光點圖案

122:第二繞射光點圖案

123:第三繞射光點圖案

124:第四繞射光點圖案

20:光源組

21:光源晶片

22:發光點組

221:第一發光點組

222:第二發光點組

223:第三發光點組

224:第四發光點組

23:基板

24:發光點

30:屏幕

Claims (9)

1. 一種陣列式結構光圖案投射裝置，係包含：一繞射光學組，包含複數繞射光學元件彼此緊密排列；一光源組，包括至少一光源晶片，該光源晶片上更具有至少一發光點組，該發光點組係由至少一發光點組成，該發光點發出一光線照射通過一繞射光學元件並投射出一繞射光點圖案於一屏幕上，上述投射方式為單獨的該發光點射出該光線至相對應之獨立設計之該繞射光學元件；其中，該光源組係由至少一光源晶片設置於一基板上，且該光源晶片上之該發光點組數量與該繞射光學元件設置之數量相同；其中，各該發光點組中之該發光點數目及設置位置可相同或相異；其中，該光源晶片上之該發光點組之位置經過計算調整設計投射於該繞射光學元件後於該屏幕成像之該繞射光點圖案之位置相互的銜接，亦即彼此之間不產生重疊，使其擴大成像之範圍。
2. 如請求項1所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，該繞射光點圖案可為完全重疊、部分重疊、互相銜接或產生偏移。
3. 如請求項1所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，相鄰複數發光點組中心與中心間之一第一間隔距離大於與之相匹配複數繞射光學元件中心與中心間之一第二間隔距離，且相鄰複數發光點組中之該發光點排列方式需相同，用以加強該發光點組所投射出來之該繞射光點圖案之亮度。
4. 如請求項1所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，該繞射光點圖案可透過控制該光源組的點亮時間，使該繞射光點圖案為全亮、部分亮或循序亮。
5. 如請求項1所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，該發光點之排列方式可為規則排列或不規則排列。
6. 如請求項1所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，該繞射光學組之間更具有一不透明區域，用以遮擋溢出該繞射光學組範圍之該光線。
7. 如請求項1所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，該繞射光學元件之排列方式至少為一方形排列、一矩形排列、一六角形排列、一三角形排列、一圓形排列或一不規則形排列之陣列式構型。
8. 如請求項7所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，與該繞射光學元件相匹配的該發光點組，其設置之排列方式與該繞射光源元件所呈現之構型相同。
9. 如請求項1所述之陣列式結構光圖案投射裝置，其中，該發光點為面射型雷射。

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