TWI816264B - 光投射裝置 - Google Patents

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Abstract

一種光投射裝置，包含光源、可調光學元件和繞射光學元件。光源經配置為發射光線。可調光學元件設置於光源上方以折射光線。可調光學元件為位置可調或有效焦距可調。繞射光學元件設置於可調光學元件上方，以繞射光線至空間區域。

Description

光投射裝置
本發明是有關於一種光投射裝置，且特別是指一種整合結構光投射和泛光投射的光投射裝置。
三維立體影像感測技術已逐漸採用於各種應用上，例如臉部辨識和障礙物檢測。對於臉部辨識而言，泛光照明器通常用於驗證人臉，而結構光投影器通常用於計算人臉的表面輪廓。一些傳統的電子設備，例如行動電話，包含泛光照明器和結構光投影器，以進行各種應用的臉部辨識功能，例如設備解鎖和行動支付等。
本發明的目的是在於提供一種光投射裝置，其整合結構光投射和泛光投射功能，以降低生產成本。
本發明之一方面是指一種光投射裝置，其包含光源、可調光學元件和繞射光學元件（diffractive optical element；DOE）。光源經配置為發射光線。可調光學元件設置於光源上方以折射光線。可調光學元件為位置可調或有效焦距（effective focal length）可調。繞射光學元件設置於可調光學元件上方，以繞射光線至空間區域。
依據本發明一或多個實施例，若上述光源在可調光學元件的聚焦面上，則投射在空間區域的光線具有結構光（structured light）圖案，且若上述光源自可調光學元件的聚焦面散焦，則投射在空間區域的光線具有泛光（flood light）圖案。
依據本發明一或多個實施例，上述光源自可調光學元件之聚焦面散焦大約200微米至大約600微米，以投射泛光至空間區域。
依據本發明一或多個實施例，上述繞射光學元件為二維扇出型（fan out）繞射光學元件。
依據本發明一或多個實施例，上述光源為垂直共振腔面射型雷射源（vertical cavity surface emitting laser；VCSEL）陣列。
依據本發明一或多個實施例，上述光投射裝置更包含步進馬達，其經配置為調整可調光學元件相對於光源的位置。
依據本發明一或多個實施例，上述可調光學元件為液晶透鏡，且上述光投射裝置更包含液晶透鏡驅動器，其經配置為施加電壓訊號至液晶透鏡，以調整液晶透鏡的有效焦距。
依據本發明一或多個實施例，上述光投射裝置更包含光感測器，其經配置為感測在空間區域反射的光線。
依據本發明一或多個實施例，上述光感測器為結構光感測器、飛時測距（time of flight；ToF）感測器或上述組合。
本發明另一方面是指一種光投射裝置，其包含第一和第二光源、第一和第二光學元件、以及第一和第二繞射光學元件。第一光源經配置為發射第一光線。第一光學元件設置於第一光源上方，以折射第一光線。第一光源在第一光學元件的聚焦面上。第一繞射光學元件設置於第一光學元件上方，以繞射第一光線至空間區域。第二光源經配置為發射第二光線。第二光學元件設置於第二光源上方，以折射第二光線。第二光源自第二光學元件的聚焦面散焦。第二繞射光學元件設置於第二光學元件上方，以繞射第二光線至空間區域。第一光源和第一光學元件分別與第二光源和第二光學元件相同。
依據本發明一或多個實施例，上述第一與該二繞射光學元件為相同。
以下仔細討論本揭露的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論、揭示之實施例僅供說明，並非用以限定本揭露之範圍。
可被理解的是，雖然在本文可使用「第一」、「第二」等用語來描述各種元件和/或零件，但此些用語不應限制此些元件和/或零件。此些用語僅用以區別一元件和/或零件與另一元件和/或零件。
在本文中所使用的用語僅是為了描述特定實施例，非用以限制申請專利範圍。除非另有限制，否則單數形式的「一」或「該」用語也可用來表示複數形式。另外，空間相對性用語的使用是為了說明裝置在使用或操作時的不同方位，而不只限於圖式所繪示的方向。裝置也可以其他方式定向（旋轉90度或在其他方向），而在此使用的空間相對性描述也可以相同方式解讀。
為了簡化和明確說明，本文可能會在各種實施例中重複使用元件符號和/或字母，但這並不表示所討論的各種實施例及/或配置之間有因果關係。
圖1為依據本發明一些實施例之光投射裝置100的示意圖。光投射裝置100 可以是例如行動電話、平板電腦或智慧型眼鏡，但本發明不限於此。如圖1所示，光投射裝置100包含光源110、可調光學元件120、繞射光學元件（diffractive optical element；DOE）130和光感測器140。光源110經配置為發射光線。發射出的光線可在可見光波長範圍或近紅外光波長範圍內，但本發明不限於此。光源110可以是雷射源，例如垂直共振腔面射型雷射源（vertical cavity surface emitting laser；VCSEL）、垂直共振腔面射型雷射源陣列、分佈反饋式（distributed feedback；DFB）半導體雷射源或其他合適的光源。可調光學元件120設置於光源110上方，以折射由光源110發出的光線至繞射光學元件130。可調光學元件120的位置和/或有效焦距可被調整，以決定經折射的光線成分在繞射光學元件130上的分布。可調光學元件120可以是凸透鏡、凹透鏡、液晶透鏡或相似者。繞射光學元件130 設置於光源110上方，以將經折射的光線轉換為投射光線圖案並將投射光線圖案投射至空間區域。繞射光學元件130可具有光柵結構、微透鏡結構、菲涅爾（Fresnel）結構、全像光學元件（holographic optical element；HOE）結構或其他適於繞射光線的結構，使得經折射的光線藉由繞射光學元件130的繞射原理而轉換為投射光線圖案。繞射光學元件130可以是二維扇出型（fan out）繞射光學元件，其在所投射之空間區域的多個分區投射相同的結構光圖案。光感測器140經配置為感測在空間區域的光線圖案，以擷取對應光學圖案的影像。光感測器140可以是結構光感測器、飛時測距（time of flight；ToF）感測器或上述組合，且可包含電荷耦合元件（charge-coupled device；CCD）感測器、互補式金屬氧化物半導體（complementary metal-oxide semiconductor；CMOS）感測器或相似者。依據光源110、可調光學元件120和繞射光學元件130的設置，光投射裝置100可被操作為結構光投射器（亦稱為點陣投影器）或泛光投射器（亦稱為泛光照明器）。
在某些實施例中，繞射光學元件130 可改變為光學設置於光源110與可調光學元件120之間。此外，可調光學元件120和繞射光學元件130可整合為單個模組。
圖2示意性地繪示依據一示例之光投射裝置100的元件投射結構光圖案至空間區域P1。在此示例中，光源110為垂直共振腔面射型雷射源照明器陣列，且繞射光學元件130為3×3扇出型繞射光學元件，其在所投射之空間區域的3×3分區中投射相同的結構光圖案。隨著光源110在可調光學元件120的聚焦面上，繞射光學元件130圖案化反射光線以產生結構光圖案，且投射結構光圖案至空間區域P1。
圖3示意性地繪示依據一示例之光投射裝置100的元件投射泛光圖案至空間區域P2。光源110和繞射光學元件130可分別相同於對應圖2之示例的元件。隨著光源110自可調光學元件120的聚焦面散焦，繞射光學元件130圖案化經折射的光線以產生泛光圖案，且投射泛光圖案至空間區域P2。用於泛光照射的散焦量可由光源110的密度決定。一般而言，若光源110的密度相對為稀疏，則散焦量相對為大以用於泛光照射。根據光源110、可調光學元件120和繞射光學元件130的設計，光源110可自可調光學元件120的聚焦面散焦大約200微米至大約600微米。
根據上述說明，可調光學元件120可經配置為聚焦發射出的光線而投射結構光，且可經控制為散焦發射出的光線而投射泛光，以達成結構光投射和泛光投射等功能整合在單一光投射裝置中，從而降低生產成本。
圖4為依據本發明一些實施例之光投射裝置200的示意圖。如圖4 所示，光投射裝置200包含光源210、可調光學元件220、繞射光學元件230、光感測器240和步進馬達250。光源210、繞射光學元件230和光感測器240可分別相同或相似於圖1所示之光源110、繞射光學元件130和光感測器140。可調光學元件220可以是準直透鏡，例如凸透鏡、凹透鏡或相似者，且步進馬達250可經配置為調整可調光學元件220相對於步進馬達250的位置。在步進馬達250移動可調光學元件220至距離光源210約為可調光學元件220之有效焦距的位置下，光投射裝置200作為投射結構光（例如光點和/或線光）的結構光投射器。相對地，若步進馬達250移動可調光學元件220而使得光源210自可調光學元件220的聚焦面散焦，則光投射裝置200作為投射泛光（例如光斑）的泛光投射器。
圖5為依據本發明一些實施例之光投射裝置300的示意圖。如圖5所示，光投射裝置300包含光源310、可調光學元件320、繞射光學元件330、光感測器340和液晶透鏡驅動器350。光源310、繞射光學元件330和光感測器340可分別相同或相似於圖1所示之光源110、繞射光學元件130和光感測器140。可調光學元件320可設置在距離光源310大約為可調光學元件320之有效焦距的位置而不由液晶透鏡驅動器350驅動。可調光學元件320為液晶透鏡，且液晶透鏡驅動器350可藉由分別施加電壓訊號至可調光學元件320的兩相對電極（圖未繪示）而調整可調光學元件320的有效焦距。若液晶透鏡驅動器350不施加電壓訊號至可調光學元件320，則光投射裝置300作為投射結構光（例如光點和/或線光）的結構光投射器。相對地，若液晶透鏡驅動器350施加電壓訊號至可調光學元件320，則光投射裝置300作為投射泛光（例如光斑）的泛光投射器。
圖6為依據本發明一些實施例之光投射裝置400的示意圖。如圖6所示，光投射裝置400包含光源410A、410B、光學元件420A、420B、繞射光學元件430A、430B和光感測器440。光源410A、410B、繞射光學元件430A、430B和光感測器440可分別相同或相似於圖1所示之光源110、繞射光學元件130和光感測器140。光源410A、光學元件420A和繞射光學元件430A可經配置為結構光投射器，而光源410B、光學元件420B和繞射光學元件430B可經配置為泛光投射器。光感測器440經配置為接收自繞射光學元件430A或繞射光學元件430B反射的光線。在某些實施例中，繞射光學元件430B可由微透鏡陣列取代。
在一些實施例中，光源410A、光學元件420A和繞射光學元件430A分別相同於光源410B、光學元件420B和繞射光學元件430B，光源410A在光學元件420A的聚焦面上，且光源410B自的聚焦面散焦。依據系統設計，光源410A/410B、光學元件420A/420B和繞射光學元件430A/430B可分別相同或相似於圖4所示之光源210、可調光學元件220和繞射光學元件230，或可分別相同或相似於圖5所示之光源310、可調光學元件320和繞射光學元件330。
圖7示出由相同的光源且通過光投射裝置（例如圖1所示之光投射裝置）之相同的3×3扇出型繞射光學元件並由相同的光感測器擷取的結構光投射和泛光投射。若光源在可調光學元件的聚焦面上，則通過扇出型繞射光學元件而投射的光學圖案為如圖7所示之結構光投射。當光源自可調光學元件散焦200微米時，通過扇出型繞射光學元件而投射的光學圖案為如圖7所示之泛光投射。對於相同的光投射裝置而言，對應泛光投射的視角（field of view；FOV）小於對應結構光投射的視角。
圖8示出由相同的光源且通過具特定強度設計之相同的9×11扇出型繞射光學元件並由相同的光感測器擷取的結構光投射和泛光投射。相較於圖7所示之結構光投射和泛光投射，對於相同的視角而言，圖8所示之結構光投射具有更多的投射光點（其光點密度相對為大），且圖8所示之泛光投射更為擴散。由圖7和圖8可看出，具較大扇出數量的繞射光學元件可具有更大的輪廓設計自由度。
圖9示出由相同的光源且通過具特定強度設計之相同的9×11扇出型繞射光學元件並由相同的光感測器擷取的結構光投射和泛光投射。由圖 8和圖9可看出，結構光投射和泛光投射的圖案可隨著繞射光學元件的結構圖案而改變。繞射光學元件的結構圖案可藉由利用演算法進行最佳化設計，例如迭代傅立葉轉換演算法（iterative Fourier Transform algorithm；IFTA）、模擬退火（simulated annealing）演算法、和/或相似者，且此演算法可由軟體程式實現，並由處理器執行處理器，例如中央處理單元（central processing unit；CPU）。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100,200,300,400:光投射裝置 110,210,310,410A,410B:光源 120,220,320:可調光學元件 130,230,330,430A,430B:繞射光學元件 140,240,340,440:光感測器 250:步進馬達 350:液晶透鏡驅動器 420A,420B:光學元件 P1,P2:空間區域
為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中： [圖1]為依據本發明一些實施例之光投射裝置的示意圖； [圖2]示意性地繪示依據一示例之[圖1]所示之光投射裝置的元件投射結構光圖案至空間區域； [圖3]示意性地繪示依據一示例之[圖1]所示之光投射裝置的元件投射泛光圖案至空間區域； [圖4]為依據本發明一些實施例之光投射裝置的示意圖； [圖5]為依據本發明一些實施例之光投射裝置的示意圖； [圖6]為依據本發明一些實施例之光投射裝置的示意圖； [圖7]示出由相同的光源且通過光投射裝置之相同的3×3扇出型繞射光學元件並由相同的光感測器擷取的結構光投射和泛光投射； [圖8]示出由相同的光源且通過具特定強度設計之相同的9×11扇出型繞射光學元件並由相同的光感測器擷取的結構光投射和泛光投射；以及 [圖9]示出由相同的光源且通過具其他強度設計之相同的9×11扇出型繞射光學元件並由相同的光感測器擷取的結構光投射和泛光投射。
100:光投射裝置
110:光源
120:可調光學元件
130:繞射光學元件
140:光感測器

Claims (13)

  1. 一種光投射裝置，包含：一光源，經配置為發射一光線；一可調光學元件，設置於該光源上方以折射該光線，該可調光學元件係位置可調或有效焦距(effective focal length)可調；以及一二維扇出型(fan out)繞射光學元件(diffractive optical element；DOE)，設置於該可調光學元件上方，以繞射該光線至一空間區域，並在該空間區域的複數個分區投射相同的結構光圖案或泛光圖案；其中該可調光學元件設置於該光源與該二維扇出型繞射光學元件之間；其中當欲使得在該空間區域的該些分區投射者為相同的結構光圖案時，該可調光學元件被調整以使得該可調光學元件的有效焦距實質等於該光源與該可調光學元件之間的距離；其中當欲使得在該空間區域的該些分區投射者為相同的泛光圖案時，該可調光學元件被調整以使得該光源自該可調光學元件之一聚焦面散焦。
  2. 如請求項1所述之光投射裝置，其中，若該光源在該可調光學元件之該聚焦面上，則投射在該空間區域之該光線具有一結構光(structured light)圖案；若該光源自該可調光學元件之該聚焦面散焦，則投射在該空 間區域之該光線具有一泛光(flood light)圖案。
  3. 如請求項2所述之光投射裝置，其中該光源自該可調光學元件之該聚焦面散焦大約200微米至大約600微米，以投射泛光至該空間區域。
  4. 如請求項1所述之光投射裝置，其中該光源係一垂直共振腔面射型雷射源(vertical cavity surface emitting laser；VCSEL)陣列。
  5. 如請求項1所述之光投射裝置，更包含：一步進馬達，經配置為調整該可調光學元件相對於該光源的位置。
  6. 如請求項1所述之光投射裝置，其中該可調光學元件係一液晶透鏡，且該光投射裝置更包含：一液晶透鏡驅動器，經配置為施加電壓訊號至該液晶透鏡，以調整該液晶透鏡之一有效焦距。
  7. 如請求項1所述之光投射裝置，更包含：一光感測器，經配置為感測在該空間區域反射之該光線。
  8. 如請求項7所述之光投射裝置，其中該光感 測器係一結構光感測器、一飛時測距(time of flight；ToF)感測器或上述組合。
  9. 一種光投射裝置，包含：一第一光源，經配置為發射一第一光線；一第一光學元件，設置於該第一光源上方，以折射該第一光線，其中該第一光源在該第一光學元件之一聚焦面上；一第一二維扇出型(fan out)繞射光學元件(diffractive optical element；DOE)，設置於該第一光學元件上方，以繞射該第一光線至一空間區域，並在該空間區域的複數個分區投射相同的結構光圖案；一第二光源，經配置為發射一第二光線；一第二光學元件，設置於該第二光源上方，以折射該第二光線，其中該第二光源自該第二光學元件之該聚焦面散焦；以及一第二二維扇出型繞射光學元件，設置於該第二光學元件上方，以繞射該第二光線至該空間區域，並在該空間區域的該些分區投射相同的泛光圖案；其中該第一光源和該第一光學元件分別與該第二光源和該第二光學元件相同；其中該第一光學元件設置於該第一光源與該第一二維扇出型繞射光學元件之間；其中該第二光學元件設置於該第二光源與該第二二維扇 出型繞射光學元件之間；其中該第一光學元件的有效焦距實質等於該第一光源與該第一光學元件之間的距離。
  10. 如請求項9所述之光投射裝置，其中該第一二維扇出型繞射光學元件與該第二二維扇出型繞射光學元件為相同。
  11. 如請求項9所述之光投射裝置，其中該第一光源與該第二光源中之每一者係一垂直共振腔面射型雷射源(vertical cavity surface emitting laser；VCSEL)陣列。
  12. 如請求項9所述之光投射裝置，更包含：一光感測器，經配置為感測在該空間區域反射之該第一光線或該第二光線。
  13. 如請求項12所述之光投射裝置，其中該光感測器係一結構光感測器、一飛時測距(time of flight；ToF)感測器或上述組合。
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