TWI802574B - 圖案產生裝置 - Google Patents

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TWI802574B
TWI802574B TW107117129A TW107117129A TWI802574B TW I802574 B TWI802574 B TW I802574B TW 107117129 A TW107117129 A TW 107117129A TW 107117129 A TW107117129 A TW 107117129A TW I802574 B TWI802574 B TW I802574B
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Abstract

一種圖案產生裝置，包括光源、第一全像聚合物分散液晶元件、第二 全像聚合物分散液晶元件和電源供應器。第一全像聚合物分散液晶元件，位於光源的光路下游，第一全像聚合物分散液晶元件設有第一相位資訊的圖案。第二全像聚合物分散液晶元件，位於第一全像聚合物分散液晶元件的光路下游，第二全像聚合物分散液晶元件設有一定義光柵的圖案。電源供應器分別與第一全像聚合物分散液晶元件和第二全像聚合物分散液晶元件電性連接。

Description

圖案產生裝置
本發明關於一種圖案產生裝置。
關於求解物體表面的形貌，編碼結構光被認為是可靠的技術。結構光指的是一些具有特定圖案的光，從最簡單的線，面到格狀等更複雜的圖形都有。基本原理就是將一個或多個結構光投射到物件或場景上，並從一個或多個視角取像。由於圖案已被編碼，取像的點和投射點之間的對應關係，可以很容易地找到。解碼後的各點可以利用三角函數法求解物體的三維信息。應用實例包括目標深度量測、距離偵測、製造零件之檢測、逆向工程、手勢識別和三維地圖的建立。
「先前技術」段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在「先前技術」段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在「先前技術」段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。
本發明的其他目的和優點可以從本發明實施例所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
根據本發明的一個觀點，提供一種圖案產生裝置，包括光源、第一全像聚合物分散液晶元件、第二全像聚合物分散液晶元件和電源供應器。第一全像聚合物分散液晶元件，位於光源的光路下游，第一全像聚合物分散液晶元件設有第一相位資訊的圖案。第二全像聚合物分散液晶元件，位於第一全像聚合物分散液晶元件的光路下游，第二全像聚合物分散液晶元件設有一定義光柵的圖案。電源供應器分別與第一全像聚合物分散液晶元件和第二全像聚合物分散液晶元件電性連接。藉由電源供應器沒有施加電壓給第一全像聚合物分散液晶元件，使光源發出的光線經過第一全像聚合物分散液晶元件，轉換成對應於第一相位資訊圖案的第一圖案影像光，再藉由電源供應器施加或沒有施加電壓給第二全像聚合物分散液晶元件，使第一圖案影像光離開第二全像聚合物分散液晶元件時，直線或被偏折一角度，投射到待測物上。根據本發明的另一個觀點，提供一種圖案產生裝置，包括光源、可在繞射狀態和非繞射狀態切換的第一光柵、可在繞射狀態和非繞射狀態切換的第二光柵、光學繞射元件和電源供應器。第一光柵，位於光源的光路下游。第二光柵，位於第一光柵的光路下游。光學繞射元件，位於第二光柵的光路下游，設有相位資訊的圖案。電源供應器分別與第一光柵和第二光柵電性連接。藉由電源供應器提供電壓給第一光柵或第二光柵其中之一，使光源發出的光線經過第一光柵或第二光柵，被轉折第一角度或第二角度入射到光學繞射元件，再轉換成相對應相位資訊圖案的圖案影像光，直線或被偏折一角度，投射到待測物上。
根據本發明的另一個觀點，一種圖案產生裝置包括光源、可在繞射狀態和非繞射狀態切換的第一繞射元件、及可在繞射狀態和非繞射狀態切換的第二繞射元件。光源發出光線，第一繞射元件位於光源的光路下游，且第一繞射元件設有第一相位資訊的圖案。第二繞射元件位於光源的光路下游，且第二繞射元件設有一定義光柵的圖案。光線通過第一繞射元件及第二繞射元件， 且離開第一繞射元件及第二繞射元件的光線具有至少一結構光圖案。可在繞射狀態和非繞射狀態切換的繞射元件可為一全像聚合物分散液晶元件或光柵。
本發明實施例的一種圖案產生裝置，可提供一個光線相對準直，低功耗，低成本並可產生週期性圖案的光學裝置，進而擴大結構光可以應用的領域。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例並配合所附圖式，作詳細說明如下。
100:深度量測系統
110、310、410:圖案產生裝置
120:攝像裝置
130:待測物
140:計算單元
200:光源
210、210a、210b、210c、210d:全像聚合物分散液晶元件
211、212:玻璃基板
213、214:導電玻璃
216:全像聚合物分散液晶層
217:聚合物
218:液晶
219:珠子
220:電源供應器
230:開關
240、260、270:圖案
242:相位資訊圖案
250:全像片
280:光閥
290:投影透鏡組
295:光學繞射元件
α1、α2:角度
L:光線
圖1為一種深度量測系統的架構示意圖。
圖2為本發明一實施例圖案產生裝置的架構示意圖。
圖3A和圖3B分別是圖2中全像聚合物分散液晶元件的截面圖及透視圖。
圖4A和圖4B分別是可在繞射狀態和非繞射狀態切換的光柵在被施加電壓和沒有被施加電壓下的截面示意圖。
圖5為本發明一實施例圖案產生裝置將圖案投射在待側物的示意圖。
圖6A和圖6B分別是本發明另一實施例圖案產生裝置架構在不同運作狀態下的示意圖。
圖6C為圖6A和圖6B中圖案產生裝置分別將不同圖案投射在待側物的示意圖。
圖6D為圖6A和圖6B中圖案產生裝置分別將不同圖案投射在手體的示意圖。
圖7A和圖7B分別是本發明再一實施例圖案產生裝置架構在不同運作狀態下的示意圖。
圖8為本發明又一實施例圖案產生裝置的架構示意圖。
圖9為本發明另一實施例圖案產生裝置的架構示意圖。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。另外，下列實施例中所使用的用語“第一”、“第二”是為了辨識相同或相似的元件而使用，幷非用以限定該元件。
圖1是一種深度量測系統的架構示意圖。請參照圖1，深度量測系統100包括圖案產生裝置110以及攝像裝置120。深度量測系統100用以量測待測物130的表面深度，其中待測物130的深度可透過圖案產生裝置110投射結構光至待側物130上，以及攝像裝置120擷取待側物130上的結構光來求得。詳細而言，圖案產生裝置110用以將編碼後的結構光光束L投影至待測物130表面上。深度量測系統100更包括計算單元140，計算單元140電性連接至攝像裝置120，用以根據攝像裝置120所擷取的待測物130上的圖案光束L的影像計算出待測物130的深度，例如是藉由圖案光束L的解碼結果以及三角法(triangulation)原理計算出待測物130的表面深度。攝像裝置120可以是帶有CCD或CMOS的攝像頭、相機、手機或可攜式裝置，計算單元140可以是CPU、MCU、DSP、MPU或GPU等具有運算功能的處理器。
圖2用以顯示本發明一實施例圖案產生裝置110的架構示意圖。圖3A和圖3B分別是用以顯示圖2之全像聚合物分散液晶元件210的截面圖及透視圖。於一實施例中，全像聚合物分散液晶元件(Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal,HPDLC)210可以是在繞射狀態和非繞射狀態切換的光柵210。請參照圖2，圖案產生裝置110包括光源200、多個全像聚合物分散液晶元件210a/210b/210c(210)、電源供應器220及多個開關230。於一實施例中，電源供應器220提供電壓信號到全像聚合物分散液晶元件210。於另一實施例中，電源供應器220提供電流信號到全像聚合物分散液晶元件210。光源200所發射的光線L穿透HPDLC元件210到達待測物130的表面，另外，藉由多個開關230管理電源供應器220，使電壓信號被施加或沒有被施加到各個HPDLC元件210a/210b/210c(210)上。光源200可以是雷射(laser)、發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)、雷射二極體(LD)、垂直腔面發射激光器(VCSEL)、邊緣射出的邊射型雷射、燈泡、可發出熱感應波長區間光束(紅外光、不可見光等)的發光單元、單點光源、多點光源、面光源等光源。
參照圖3A和圖3B，全像聚合物分散液晶元件210包括上玻璃基板211、下玻璃基板212、透明電極213和214、全像聚合物分散液晶(HPDLC)層216及複數個珠子219。上玻璃基板211和下玻璃基板212以預定距離作相對的配置，透明電極213和214配置於上下玻璃基板211和212的內表面上，HPDLC層216配置在透明電極213與214之間，HPDLC層216由聚合物217及液晶218製成。光源200所發射的光線L可穿透全像聚合物分散液晶元件210所包含的各層。不過，光線穿透路徑取決於全像聚合物分散液晶元件210是否被施加電壓或電流，和聚合物217和液晶218所形成的特定圖案，藉由聚合物217與液晶218之間的折射率差異來產生光繞射現象。多個珠子219配置於透明電極213與214之間的兩側，珠子219的數目並無限制，不過，較佳的是在兩側的每一側上配置有至少兩個珠子，珠 子219係扮演維持HPDLC層216厚度的角色。於一實施例中，透明電極213和214是ITO導電電極。
圖4A和圖4B分別是用以顯示圖2中全像聚合物分散液晶元件210被當作可在繞射狀態和非繞射狀態切換的光柵210，且在被施加電壓和沒有被施加電壓下的截面圖。當電壓被施加在可在繞射狀態和非繞射狀態切換的光柵210，液晶218依特定圖案作規則的排列，如圖4A所示。因此，當由光源200產生的光線L入射到可在繞射狀態和非繞射狀態切換的光柵210時，因為液晶218和聚合物217的折射率變得幾乎完全相同，光線L可在沒有繞射現象下穿透規則排列的液晶218而近乎直線傳送。於一實施例中，光線L透射比可達到98%以上。當沒有被施加電壓在可在繞射狀態和非繞射狀態切換的光柵210時，液晶218可如圖4B所示作另一規則的排列。因此，當由光源200發射出的光線L入射到可在繞射狀態和非繞射狀態切換的光柵210上時，可由液晶218與聚合物217之間的折射率差異來產生光繞射現象，進而改變光線L離開可在繞射狀態和非繞射狀態切換的光柵210的角度，如圖4B所示。
HPDLC 210除了當作可在繞射狀態和非繞射狀態切換的光柵210，用以改變出射光線的角度以外，還可以將投射在待測物表面的影像光圖案，其對應的相位資訊圖案製作在HPDLC 210內。一種製作原理是將HPDLC層216內，未位於相位資訊圖案區域的聚合物217，加以照射光束進行硬化。如此一來，因為液晶218具有某個程度的流體性，故在HPDLC層216之聚合物217硬化時，受到推擠的液晶218會流動到位於相位資訊圖案的區域內。當沒有施加電壓給HPDLC 210，且光線L入射到包含位於相位資訊圖案的HPDLC 210，對應於相位資訊圖案的影像光圖案就被顯示在待側物130上。請參照圖5，本發明之一實施例中，多個開關230施加電壓給HPDLC 210a和210c，且沒有施加電壓給HPDLC 210b。此時，來自光源200的入射光線L穿透HPDLC 210a之後入射到HPDLC 210b，藉 由HPDLC 210b包含的相位資訊圖案242將入射光線L轉換成具有相對應圖案240的影像光，再依原樣穿透HPDLC 210c，將圖案240的影像光顯示在待側物130的表面上。
圖6A和圖6B用以顯示本發明另一實施例圖案產生裝置310的架構示意圖。相同結構以相同的符號表示，其後就不再重複敘述。此架構的HPDLC 210是當作可在繞射狀態和非繞射狀態切換的光柵210，來用以改變光線L的出射角度，配合設有依據入射角度不同而產生不同的全像圖案的全像光學元件250，一實施例中，全像光學元件可以是全像片250或全息片。圖6A為多個開關230施加電壓給HPDLC 210a和210c，且沒有施加電壓給HPDLC 210b。此時，來自光源200的入射光線L約略直線穿透HPDLC 210a之後入射到HPDLC 210b，藉由HPDLC 210b將光線L偏折一角度α1，再入射到HPDLC 210c，約略直線穿透HPDLC 210c之後入射到全像片250，藉由全像片250對應於圖案260的相位資訊圖案(圖中未顯示)，產生如圖6C的圖案260顯示在待側物130上。圖6B為多個開關230施加電壓給HPDLC 210a和210b，且沒有施加電壓給HPDLC 210c。此時，來自光源200的入射光線L約略直線穿透HPDLC 210a和210b之後入射到HPDLC 210c，藉由HPDLC 210c將光線L偏折一角度α2，再入射到全像片250，藉由全像片250對應於圖案270的相位資訊圖案(圖中未顯示)，產生如圖6C的圖案270顯示在待側物130上。要注意的是，相位資訊是指透過裝置形成最後投影圖案的資訊，所以投射在待側物130表面的影像光圖案260和270，和全像片250中相對應的相位資訊圖案，兩者是不相同的。
請參閱圖6D，圖6D顯示待測物130為一手體，且手體因呈現一手勢而使得手體上的每一區塊與攝像裝置120的距離皆不盡相同，透過攝像裝置120擷取待測物130手體的影像，可擷取到待測物130手體上所投射出的圖案260以及圖案270，再透過圖案260以及圖案270之間的多個相對位置關係，即可獲得 手體上之每一區塊的深度距離，當然，待測物130手體上的每一區塊大小(即能夠被解析的程度)係取決於圖案260的樣式及/或圖案270的樣式，例如線圖案與線圖案之間的間距越小，及/或點圖案與點圖案之間的間距越小，可使待測物130手體上的每一區塊被解析的越精細。於本發明實施例中圖案的樣式並不限制，可以是相同粗細的條紋、粗細不同的條紋、不規則的圖案、周期性圖案、點狀圖案、線狀圖案等。
圖7A和圖7B用以顯示本發明再一實施例圖案產生裝置410的架構示意圖。相同結構以相同的符號表示，其後就不再重複敘述。此架構的HPDLC 210是當作可在繞射狀態和非繞射狀態切換的光柵210，來用以改變光線L的出射角度，配合設有圖案(圖中未顯示)的透光基板280和投影透鏡組290。圖7A為多個開關230施加電壓給HPDLC 210a和210c，且沒有施加電壓給HPDLC 210b。此時，來自光源200的入射光線L先穿越設有圖案(圖中未顯示)的透光基板280，轉變成帶有圖案的影像光，再約略直線穿透HPDLC 210a之後入射到HPDLC 210b，藉由HPDLC 210b將光線L偏折一角度α1，再入射到HPDLC 210c，約略直線穿透HPDLC 210c之後，將透光基板的圖案顯示在待側物130上。圖7B為多個開關230施加電壓給HPDLC 210a和210b，且沒有施加電壓給HPDLC 210c。此時，來自光源200的入射光線L先穿越設有圖案(圖中未顯示)的透光基板280，轉變成帶有圖案的影像光，約略直線穿透HPDLC 210a和210b之後入射到HPDLC 210c，藉由HPDLC 210c將光線L偏折一角度α2，將透光基板的圖案顯示在待側物130上。雖然在圖7A和圖7B中，都是將透光基板的圖案顯示在待側物130上，但是由於光線L在圖7A和圖7B偏折的角度α1和α2不相同，所以兩個相同圖案會產生一位移，透過攝像裝置120擷取待測物130的影像，可擷取到待測物130上所投射出的有位移的兩個相同圖案，再透過有位移的兩個相同圖案之間的多個相對位置關係，即可獲得待測物130上每一區塊的深度距離。
帶有圖案的透光基板280也可以用光閥(Light valve)來取代，光閥一詞已為投影產界廣泛使用，在此產業中大多可用來指一種空間光調變器(Spatial Light Modulator,SLM)中的一些獨立光學單元。所謂空間光調變器，含有許多獨立單元(獨立光學單元)，這些獨立單元在空間上排列成一維或二維陣列。每個單元都可獨立地接受光學信號或電學信號的控制，利用各種物理效應(泡克爾斯效應、克爾效應、聲光效應、磁光效應、半導體的自電光效應或光折變效應等)改變自身的光學特性，從而對照明在該複數個獨立單元的照明光束進行調製，並輸出影像光束。獨立單元可為微型反射鏡或液晶單元等光學元件。亦即，光閥可以是數位微鏡元件(Digital Micro-mirror Device,DMD)、矽基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS Panel)或是穿透式液晶面板等。帶有圖案的透光基板280也可以是光罩和投影片等。
圖8用以顯示本發明又一實施例圖案產生裝置的架構示意圖。相同結構以相同的符號表示，其後就不再重複敘述。此架構與圖案產生裝置410架構的差異點在於光源200和設有圖案(圖中未顯示)的透光基板280是位在HPDLC 210d的側邊。此時，來自光源200的入射光線L先穿越設有圖案(圖中未顯示)的透光基板280，轉變成帶有圖案的影像光，再藉由HPDLC 210d將光線L偏折約90度，再入射到HPDLC 210a，其後的光路就不再重複敘述。
圖9A和圖9B用以顯示本發明另一實施例圖案產生裝置的架構示意圖。相同結構以相同的符號表示，其後就不再重複敘述。此架構與圖案產生裝置310架構的差異點在於用具有一圖案的光學繞射元件(DOE)295取代全像片250。此時，在圖9A和圖9B利用HPDLC 210偏折光線L的角度α1和α2不相同，所以DOE 295投影到待測物130的上的兩個相同圖案會產生一位移，透過攝像裝置120擷取待測物130的影像，可擷取到待測物130上所投射出的有位移的兩個相 同圖案，再透過有位移的兩個相同圖案之間的多個相對位置關係，即可獲得待測物130上每一區塊的深度距離。
本發明實施例的一種圖案產生裝置，可提供一個光線相對準直，低功耗，低成本並可產生週期性圖案的光學裝置，進而擴大結構光可以應用的領域。
以上各具體實施例中所列出的表格中的參數僅為例示之用，而非限制本發明。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
110:圖案產生裝置
200:光源
210、210a、210b、210c:全像聚合物分散液晶元件
220:電源供應器
230:開關

Claims (9)

  1. 一種圖案產生裝置，包括：一光源，發出一光線；一可在繞射狀態和非繞射狀態切換的第一繞射元件，位於該光源的光路下游，且該第一繞射元件設有一第一相位資訊的圖案；以及一可在繞射狀態和非繞射狀態切換的第二繞射元件，位於該光源的光路下游，且該第二繞射元件設有一定義光柵的圖案，其中該光線通過該第一繞射元件及該第二繞射元件，且離開該第一繞射元件及該第二繞射元件的該光線具有至少一結構光圖案。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之圖案產生裝置，其中該第一繞射元件為一第一全像聚合物分散液晶元件，且該第二繞射元件為一第二全像聚合物分散液晶元件。
  3. 如申請專利範圍第1至2項任一項所述之圖案產生裝置，其中該光源係從下列中選出：雷射、發光二極體、有機發光二極體、雷射二極體、垂直腔面發射激光器、邊緣射出的邊射型雷射、燈泡、可發出熱感應波長區間光束的發光單元、單點光源、多點光源和面光源。
  4. 如申請專利範圍第1至2項任一項所述之圖案產生裝置，其中該光線在一成像面形成一預設圖案。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之圖案產生裝置，其中圖案產生裝置還包含一電源供應器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之圖案產生裝置，其中該圖案產生裝置設有下列狀態之一：(1)當該電源供應器沒有送出一電壓至該第一全像聚合物分散液晶元件，該第一全像聚合物分散液晶元件處於繞射狀態，離開該第 一全像聚合物分散液晶元件的該光線被轉換成帶有對應於該相位資訊圖案的結構光圖案影像光，(2)當該電源供應器沒有送出一電壓至該第二全像聚合物分散液晶元件，該第二全像聚合物分散液晶元件處於繞射狀態，該光線離開該第二全像聚合物分散液晶元件被偏折一角度，(3)當該電源供應器分別送出一電壓至該第一全像聚合物分散液晶元件和該第二全像聚合物分散液晶元件，該第一全像聚合物分散液晶元件和該第二全像聚合物分散液晶元件都處於非繞射狀態，該光線以約略直線穿透該第一全像聚合物分散液晶元件和該第二全像聚合物分散液晶元件。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之圖案產生裝置，其中該第一繞射元件係為可在繞射狀態和非繞射狀態切換的第一光柵，該圖案產生裝置更包含可在繞射狀態和非繞射狀態切換的第二光柵，且該第二光柵位於該第一光柵的光路上游。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之圖案產生裝置，其中該圖案產生裝置還包含一電源供應器，且該圖案產生裝置設有下列狀態之一：(1)當該電源供應器沒有送出一電壓至該第一光柵，該第一光柵處於繞射狀態，該光線離開該第一光柵被偏折一第一角度，(2)當該電源供應器沒有送出一電壓至該第二光柵，該第二光柵處於繞射狀態，該光線離開該第二光柵被偏折一第二角度，(3)當該電源供應器分別送出一電壓至該第一光柵和該第二光柵，該第一光柵和該第二光柵都處於非繞射狀態，該光線以約略直線穿透該第一光柵和該第二光柵。
  9. 如申請專利範圍第1、2、8項任一項所述之圖案產生裝置，應用在一深度量測系統，其中該深度量測系統還包含一攝像裝置和一計算單元。
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