TWI838490B - 基於飛行時間的三維感測系統 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種光塑形光學元件，其可包括基板。該光塑形光學元件可包括安置在該基板上的結構，其中該結構經建構以接收具有均勻強度場且小於一臨限總強度的一或多個輸入光束，且其中該結構經建構以對該一或多個輸入光束進行塑形以形成具有不均勻強度場且小於該臨限總強度的一或多個輸出光束。

Description

基於飛行時間的三維感測系統

本申請案關於一種基於飛行時間的三維感測系統。

量測系統可用於深度感測量測。舉例而言，光達系統可傳輸雷射光脈衝，且可量測反射脈衝以判定物件距離光達系統的距離。在此狀況下，光達系統可執行雷射脈衝的飛行時間量測，且可產生物件的三維表示。閃光光達系統使用照明裝置及光學光塑形元件，該光學光塑形元件以單個脈衝照亮場景（閃光光達系統的視場）。在此狀況下，閃光光達系統可使用對光束之單個脈衝之反射的飛行時間量測來產生場景的三維表示。掃描（或掃掠）光達系統可使用照明單元、光學塑形元件及一或多個活動鏡，以橫跨場景移動雷射光束的多個脈衝。舉例而言，光學光塑形元件可使雷射光束的每一脈衝散佈成線，且活動鏡可在雷射光束的多個脈衝上方使該線掃過場景。在此狀況下，掃描光達系統可使用來自雷射光束的多個脈衝的反射的多次量測來產生場景的三維表示。

根據一些可能實施方案，一種光塑形光學元件可包括結構，其中該結構經建構以接收具有均勻強度場及小於臨限總強度的一或多個輸入光束，且其中該結構經建構以對該一或多個輸入光束進行塑形以形成具有不均勻強度場且小於該臨限總強度的一或多個輸出光束。

在光塑形光學元件中，不均勻強度場包含一組較高強度光區域和一組較低強度光區域。該不均勻強度場至少部分經照明。在該光塑形光學元件中，不均勻強度場的至少一部分未經照明。在光塑形光學元件中，不均勻強度場形成一圖案，且其中該圖案為以下中之至少一者：點圖案、柵格圖案、環形圖案、干涉圖案、階梯圖案、鋸齒圖案、連續圖案、基於正弦的圖案。在光塑形光學元件中，一或多個輸入光束為光達系統的均勻掃描線，且一或多個輸出光束形成光達系統的不均勻掃描線。

根據一些可能實施方案，一種系統可包括光學傳輸器，用以提供經引導朝向物件的光束，其中該光束與橫跨視場的恆定強度相關聯。該系統可包括一光塑形光學元件，用以將該光束聚集至一或多個聚集區域，其中該視場的一或多個聚集區域較之該視場的一或多個其他區域與較高光聚集度相關聯。該系統可包括光學接收器，用以接收自物件反射的光束的反射並對該光束執行複數個飛行時間量測。在系統中，光塑形光學元件為工程漫射器。該系統經建構以使用該光束照明該物件，使得該物件由該一或多個聚集區域不均勻地照明。在該系統中，光學接收器經建構以針對該視場的一或多個聚集區域中之該視場的每一聚集區域執行飛行時間量測。該系統進一步包括處理器，該處理器經建構以使用複數個飛行時間量測來產生物件的深度點雲。在該系統中，視場的一或多個聚集區域形成複數個強度點；且該複數個強度點與一臨限密度相關聯。在該系統中，該系統經建構以判定該複數個飛行時間量測大於系統相對於該物件的臨限距離。在該系統中，光束的強度滿足眼睛安全性等級臨限值。該系統進一步包括：處理器，其用以基於複數個飛行時間量測及由光學傳輸器提供的另一光束的成像量測來產生物件的三維表示，其中另一束光與恆定強度相關聯且經引導朝向物件而無需經塑形為一或多個聚集區域。在該系統中，光學接收器為包括複數個感測器元件的感測器陣列；且該複數個感測器元件中之每一感測器元件經建構以產生複數個飛行時間量測的飛行時間量測。

根據一些可能實施方案，光學裝置可包括基板。光學裝置可包括安置在該基板上之一或多個光學傳輸器。光學裝置可包括安置在一或多個光學傳輸器的光路中的光塑形光學元件，以向物件提供不均勻圖案化強度光束，以實現對物件的三維量測。光學元件為光達系統的組件。光學元件進一步包含安置在基板上之感測器元件陣列。在光學元件中，感測器元件陣列經建構以判定不均勻圖案化強度光束的複數個飛行時間量測，以判定與物件相關聯的複數個距離。

以下對範例性實施方案的詳細描述參考隨附圖式。不同圖式中之相同元件符號可識別相同或相似元件。以下描述使用光達系統作為實例，然而，本文中所描述的校準原理、程序及方法可與任何感測器一起使用，包括但不限於其他光學感測器。

諸如光達系統的三維成像系統可提供均勻強度場，以實現視場中之物件的成像。例如，閃光光達系統可傳輸視場的均勻強度場（即，閃光光達系統的視場），且可執行對均勻強度場的反射的量測以產生物件的三維表示。類似地，掃描光達系統可提供一組均勻強度場掃描線以掃過視場，且可執行對一組均勻強度場掃描線的反射的量測以產生物件的三維表示。

然而，由三維成像系統提供的光的強度可被限制為小於臨限強度。舉例而言，遵守眼睛安全性等級要求可能會阻止三維成像系統提供超過臨限值的光強度。眼睛安全性的臨限值可基於功率、發散角、脈衝持續時間、曝光方向、波長及/或其類似者。類似地，在日益小型化裝置（諸如行動電話）中之功率容量限制可能會限制三維成像系統能夠提供的光強度。因此，在大於距物件的臨限距離處時，反射回至三維成像系統以進行量測的光量可能不足以使得能夠執行準確量測。舉例而言，當光達系統欲判定至視野中一組物件的距離時，一些物件可能在臨限距離之內，且可能由光達系統準確地深度感測，且其他一些物件可能超出臨限距離且光達系統可能接收不到足夠的反射光以進行準確深度感測。

本文中所描述的一些實施方案可使用不均勻強度場來執行三維成像。舉例而言，光學系統可包括：光學傳輸器，其提供均勻的強度場；以及光學光塑形元件或光塑形光學元件，其用以將均勻的強度場塑形為不均勻強度場。在此狀況下，藉由使用不均勻強度場，光學系統可使得大於臨限強度的光經引導朝向視場的一些部分，且小於臨限量的光經引導朝向視場的其他部分。舉例而言，光學系統可使得光聚集區域能夠包括大於臨限強度的光，此可使得能夠增加範圍以進行準確深度感測。以此方式，光學系統可在比使用均勻強度場大的距離處實現三維量測，而不會超過整個視場上的光強度臨限值。此外，如本文中所描述，藉由用多個聚集區域塑形不均勻強度場，光學系統可實現用於深度感測的增加大範圍，且可相對於例如傳輸單個聚集雷射脈衝以執行測距的雷射測距系統減少與聚集相關聯的解析度損失。

圖1A及圖1B為本文中所描述的範例性實施方案100的圖。如圖1A及圖1B中所示出，範例性實施方案100可包括用於對物件執行三維量測的感測器系統105。

如圖1A中所示出，感測器系統105可包括：傳輸器系統110，其可包括光學傳輸器115及光塑形光學元件120，以及接收器系統125，其可包括光學接收器130及一或多個其他光學元件，諸如濾光器135、透鏡140及/或其類似者。在一些實施方案中，感測器系統105可包括處理器，以處理由光學接收器130執行的一或多個量測。在一些實施方案中，感測器系統105可包括一或多個其他光學傳輸器115及/或一或多個其他光學接收器130，以便提供及量測具有不同特性（諸如不同類型的光場）的多個光束，如本文中更詳細描述。在一些實施方案中，感測器系統105可在行動裝置、行動電話、安全裝置、機器人裝置、光達裝置、自動駕駛汽車系統、手勢辨識系統、接近感測器系統、計數系統，及/或其類似者。

在一些實施方案中，感測器系統105可為距離感測系統。舉例而言，感測器系統105可為光達系統（例如，閃光光達系統、掃描光達系統及/或其類似者）、深度感測器及/或其類似者。在一些實施方案中，感測器系統105可為三維成像系統。舉例而言，感測器系統105可經建構以判定物件的二維影像以及與該物件及/或該物件的一或多個部分相關聯的一或多個距離，以產生該物件的三維表示。在此狀況下，感測器系統105可經建構以將物件的二維影像與物件及/或其一或多個部分的距離組合以產生三維表示。

在一些實施方案中，光學傳輸器115可為雷射、發光二極體（LED）及/或其類似者。舉例而言，光學傳輸器115可為雷射，其經建構以提供具有均勻強度場的光束用於飛行時間距離判定。另外或替代地，光學傳輸器115可包括垂直腔表面發射雷射（VCSEL）。在一些實施方案中，光學傳輸器115可提供多個光束。舉例而言，光學傳輸器115及光塑形光學元件120可經整合。在此狀況下，單個基板可包括一或多個光學傳輸器115及一或多個光塑形光學元件120。

在一些實施方案中，光學傳輸器115可為光譜識別系統、物件識別系統、成像系統、運動追蹤系統、生物測定系統、安全系統及/或其類似者的傳輸器。在一些實施方案中，光學傳輸器115可傳輸與特定光譜範圍相關聯的光束。舉例而言，光學傳輸器115可傳輸可見光範圍、近紅外線範圍、中紅外線範圍、光達範圍及/或其類似者的光。儘管根據一組特定光譜範圍描述一些實施方案，但其他光譜範圍亦可為可能的。

在一些實施方案中，光學接收器130可為包括多個感測器元件的感測器陣列，以對反射光束或其部分進行多次量測。舉例而言，光學接收器130可包括安置在基板上的多個感測器元件，以接收多個光束或單個光束的多個部分。

在一些實施方案中，光塑形光學元件120可經建構從而以特定圖案將均勻強度場擴散或塑形為不均勻強度場，如本文中更詳細地描述。以此方式，藉由將光束的光子聚集在場景的特定區域處，增加在場景的特定區域處返回至光學接收器130的光子的數量，從而較之使用均勻強度場，能夠以較大準確度、在較遠距離處及/或在更密集環境光條件下實現飛行時間量測。在一些實施方案中，光塑形光學元件120以不均勻密度分佈點的圖案以產生不均勻強度場。

在一些實施方案中，光塑形光學元件120可為具有特定結構的特定類型光學元件。舉例而言，光塑形光學元件120可為及/或包括光學漫射器、濾光器、準直儀、透鏡、反射鏡、漫射器（例如，工程漫射器、全像漫射器等）、另一光學元件及/或其類似者。在一些實施方案中，光塑形光學元件120可為繞射光學元件（DOE），以繞射由光學傳輸器115提供的光以形成不均勻強度場。在一些實施方案中，光塑形光學元件120可為折射光學元件（DOE），以折射由光學傳輸器115提供的光以形成不均勻強度場。在一些實施方案中，光塑形光學元件120可為一組微透鏡，以塑形由光學傳輸器115提供的光以形成不均勻強度場。在一些實施方案中，光塑形光學元件120可變更光束的發散以形成不均勻強度場。

在一些實施方案中，光塑形光學元件120可為工程漫射器，其可提供介於為用DOE可實現的特徵大小的大約100倍與1000倍之間的特徵大小（例如，大約20微米（μm）且其中深度小於80μm），減少的製造誤差及/或其類似者。另外或替代地，使用工程漫射器可提供介於大約0.25度與150度之間的發散角靈活性。在一些實施方案中，光塑形光學元件120可為矩形分佈工程漫射器、圓形分佈工程漫射器及/或任何其他形狀的分佈型工程漫射器。在此狀況下，可在例如厚度為大約0.3毫米（mm），在0.1 mm與0.01 mm之間及/或其類似者的玻璃基板上圖案化及/或形成光塑形光學元件120。另外或替代地，可將光塑形光學元件120壓印至附接至基板的基板上，及/或其類似者。另外或替代地，光塑形光學元件120可獨立於基板且可由光學構件的一或多個組件所形成。在一些實施方案中，光塑形光學元件120可具有非平面形狀。

在一些實施方案中，光塑形光學元件120可經光學耦合至多個光學傳輸器115以使得能夠產生不均勻強度場。另外或替代地，多個光塑形光學元件120可引導多個波束或單個光束的多個部分朝向共同區域的以產生不均勻強度場。在一些實施方案中，光塑形光學元件120可包括多個光塑形光學元件（例如，多個不同光塑形光學元件）以形成不均勻強度場光的單個圖案、不均勻強度場光的多個不同圖案、均勻強度場光（例如，與不均勻強度場光組合使用）及/或其類似者。在一些實施方案中，多個光塑形光學元件120可光學耦合至多個光學傳輸器115，以形成單個圖案、多個圖案及/或其類似者。另外或替代地，單個光塑形光學元件120可光學耦合至單個光學傳輸器115，單個光塑形光學元件120可光學耦合至多個光學傳輸器115，多個光塑形光學元件120可光學耦合至單個光學傳輸器115，及/或其類似者。

在一些實施方案中，光塑形光學元件120可與提供一或多個其他功能的一或多層相關聯及/或包括該一或多層。舉例而言，光塑形光學元件120可包括及/或耦合至帶通濾光層，長通濾光層、短通濾光層、抗反射塗層、聚焦層、光學傳輸導電層及/或其類似者。

如在圖1A中且由元件符號145進一步示出，光學傳輸器115可朝向光塑形光學元件120傳輸輸入光束。舉例而言，光學傳輸器115可傳輸具有均勻強度場的輸入光束。在此狀況下，輸入光束可與小於臨限強度相關聯，諸如小於眼睛安全性等級臨限值（例如，小於與眼睛安全性等級相關聯的臨限功率的功率，諸如小於在給定發散角、脈衝持續時間、曝光方向、波長及/或其類似者下，小於臨限值的功率）、小於與功率容量相關的臨限值，及/或其類似者。在一些狀況下，臨限值功率可與光學傳輸器的特定類別有關，例如，用於類別1雷射、類別2雷射、類別3雷射及/或其類似者等的功率臨限值。在一些實施方案中，臨限強度可與均勻強度場的總強度有關。另外或替代地，臨限強度可與均勻強度場的淨強度、平均強度、最大強度及/或其類似者有關。在一些實施方案中，輸入光束可與大於臨限強度（例如，關於眼睛安全性）相關聯。在此狀況下，光塑形光學元件120及/或一或多個其他光學元件可減小輸出光束的強度，如本文中所描述，以使其在輸出光束的整個照明場上具有小於臨限值的強度。在一些實施方案中，輸入光束可具有恆定強度。在一些實施方案中，輸入光束可具有在均勻強度場的臨限值部分內恆定的強度（例如，強度在均勻強度場的中心95%內恆定且在邊緣處逐漸減小）。

如在圖1A中進一步示出，光塑形光學元件120可對輸入光束進行塑形，以形成具有經引導朝向物件150的特定圖案的輸出光束。舉例而言，光塑形光學元件120可聚集輸入光束、擴散輸入光束，在輸入光束中引起干涉圖案及/或其類似者。以此方式，光塑形光學元件120可以不均勻強度場來引導輸出光束。舉例而言，光塑形光學元件120可將一組離散照明點引導朝向物件150，該等離散照明點可各自為單獨輸出光束（輸出光束的光束部分）。另外或替代地，光塑形光學元件120可形成輸出光束，該輸出光束具有在該輸出光束的視場中之一組聚集區域及在該輸出光束的視場中之另一組區域，在該聚集區域中該輸出光束與相對較高光強度相關聯，且在該另一組區域中該輸出光束與相對較低光強度相關聯，如在本文中更詳細地描述。在此狀況下，輸出光束可為以下形式：具有變化強度的單個輸出光束，具有變化強度的多個輸出光束，具有不同強度的多個輸出光束及/或其類似者。另外或替代地，光塑形光學元件120可形成其他類型及配置的聚集區域，諸如柵格配置、干涉圖案配置及/或其類似者，如本文中更詳細地描述。

如在圖1B中併用元件符號155示出，基於一或多個輸出光束經引導朝向物件150，輸出光束的反射可經引導朝向接收器系統125。舉例而言，輸出光束的反射可由透鏡140及濾光器135聚集、濾光、塑形及/或其類似者，且可由光學接收器130接收。在此狀況下，光學接收器130可使用感測器元件陣列接收自物件150反射的輸出光束的一部分集合。在此狀況下，輸出光束的每一部分可對應於光的聚集區域，且光學接收器130可使用感測器元件來執行與每一聚集區域相關聯的飛行時間量測。另外或替代地，光學接收器130可接收多個反射光束。舉例而言，當光塑形光學元件120致使將多個離散輸出光束引導朝向物件150時，光學接收器130可接收多個離散輸出光束的反射。在一些實施方案中，光學接收器130可安置在透鏡140後面，且多個輸出光束的多次反射可在由光學感測器接收之前穿過透鏡140及濾光器135。另外或替代地，透鏡140及濾光器135可不安置在物件150與光學接收器130之間的光學路徑中。儘管本文中所描述的一些實施方案係根據自由空間光學組態來描述，但其他實施方案亦可為可能的，諸如將傳輸器系統110、接收器系統125及/或其類似者整合至單個共同基板中。

如在圖1B中且由元件符號160進一步示出，感測器系統105可判定物件150的一或多個三維量測。舉例而言，光學接收器130及/或與其相關聯的處理器可對光的輸出光束的反射執行一或多個飛行時間量測且可判定物件150及/或其一或多個部分距感測器系統105的距離。在此狀況下，光學接收器130及/或與其相關聯的處理器可基於一或多個飛行時間量測來判定物件150及/或其部分距感測器系統105的距離，且可基於物件150及/或其部分距感測器系統105的距離產生物件150的三維量測。在一些實施方案中，感測器系統105可執行直接飛行時間量測（例如，藉由量測時間）、閘控飛行時間量測（例如，藉由使用快門結構，諸如電動快門來打開及關閉閘）、間接飛行時間量測（例如，藉由量測相位）及/或其類似者。

在一些實施方案中，感測器系統105可產生物件150的深度點雲。舉例而言，當感測器系統105以點圖案提供具有多個強度點的不均勻強度場時，如本文中更詳細地描述，感測器系統105可產生表示由點圖案中之多個強度點照明的物件150的多個部分的多個距離量測的深度點雲。在此狀況下，藉由在視場中提供臨限密度的強度點，感測器系統105實現物件150的所產生三維表示的臨限級解析度。

在一些實施方案中，感測器系統105可組合多組量測以產生物件150的三維量測或三維表示。舉例而言，感測器系統105可向物件150提供具有均勻強度的另一光束，以執行物件150的二維成像，且可將二維成像與物件150的一或多個基於飛行時間的距離量測組合，以產生物件150的三維表示。以此方式，感測器系統105可使用單獨光束來實現三維成像。另外或替代地，感測器系統105可使用與飛行時間量測相同的光束來執行二維成像。舉例而言，感測器系統105可判定關於輸出光束的反射的飛行時間量測及成像量測兩者以實現物件150的三維成像。以此方式，感測器系統105可執行三維成像，而無需將單獨光束引導朝向物件150，此可減小與感測器系統105相關聯的大小及/或成本。

如上文所指示，圖1A及圖1B僅提供作為一或多個實例。其他實例可與關於圖1A及圖1B所描述的實例不同。

圖2A至圖2G為可由光塑形光學元件120塑形的不均勻強度光場的範例性實施方案200-250的圖。

如圖2A中所示出，範例性實施方案200示出不均勻強度場的實例。如由圖表202所示出，不均勻強度場可包括呈階梯圖案的較高強度光的離散區域204及較低強度光（例如，零強度光）的離散區域206。換言之，視場的一些區域由輸出光束照明，而視場的其他區域為由輸出光束照明。在此狀況下，離散區域204可為經照明的視野的聚集區域，而離散區域206可為視場的未經照明區域。在某些情況下，圖2A中所示出的每一點實際上可表示聚集至特定區域中之多個點。例如，光塑形光學元件可將多個點聚集至視場之每一區域中，以將光聚集在視場的每一區域中，而非橫跨視場中提供光點的均勻分佈。

以此方式，不均勻強度場可形成點圖案（即，其中每一點表示光束或其一部分），以聚集光束且用光束不均勻地照明物件，從而增加感測器系統105可相對於藉由使光穿過漫射器而產生的均勻強度場執行深度感測量測。在一些實施方案中，較高強度光的離散區域204可與超過臨限值的強度相關聯，而較低強度光的離散區域206可與不超過臨限值的強度相關聯，使得形成不均勻強度場的光束的總強度小於臨限值。以此方式，感測器系統105可在光的總強度不超過臨限值的情況下增加深度感測的範圍。在另一實例中，感測器系統105可為不均勻強度場提供柵格圖案、條紋圖案及/或其類似者，而非點圖案。

如圖2B中所示出，範例性實施方案210示出不均勻強度場的另一實例。如由圖表212所示出，不均勻強度場可包括呈階梯圖案的較高強度光的離散區域214及較低強度光（例如，零強度光）的離散區域216。在另一實例中，不均勻強度場可為鋸齒圖案而非階梯圖案。在此狀況下，如由圖表212所示出，每一離散區域214可與多個不同光強度相關聯。以此方式，不均勻強度場增加點圖案的點的大小，從而相對於例如更小的點大小，增加物件的三維量測的解析度。在一些實施方案中，根據輻射量測的餘弦定律，光塑形光學元件可產生點、線或圖案，其中點、線或圖案的中心在投影強度上不相等。在一些實施方案中，根據輻射量測的餘弦定律，視場邊緣處的光可具有比中心中之圖案高的強度，以在反射光的點的中心處產生均勻強度。舉例而言，邊緣處的點可具有比視場的中心處的點高的中心強度，以使得邊緣處的點反射與中心處的點反射平衡。替代地，在另一任意選定位置（例如，邊緣、中心、邊緣與中心之間的點等）處的強度可與比另一任意選定位置高的圖案的中心處的強度相關聯。

如在圖2C中所示出，範例性實施方案220示出不均勻強度場的另一實例。如由圖表222所示出，不均勻強度場可包括呈階梯圖案的較高強度光的離散區域224及較低強度光（例如，非零強度光）的離散區域226。換言之，視場的所有區域至少部分經照明，但一些區域經照明小於其他區域。在此狀況下，離散區域224可為經照明的聚集區域，且離散區域226可為亦經照明但比離散區域224用更少光的區域。舉例而言，相對於離散區域224，離散區域226可與小於10%的照明強度相關聯，從而與使用均勻強度場的情況相比，使得離散區域226能夠在臨限距離處將較大數量的光子返回至感測器系統105。另外或替代地，相對於離散區域204，離散區域226可與小於90%照明強度，小於80%照明強度，介於80%與10%之間的照明強度及/或其類似物相關聯。在一些實施方案中，感測器系統105可能能夠在離散區域226處執行感測。舉例而言，當在離散區域226處提供非零強度且物件在臨限值內時，感測器系統105可判定物件及/或其部分橫跨視野的範圍。以此方式，感測器系統105可實現使用對離散區域224執行的飛行時間量測進行的深度感測及使用對離散區域226執行的量測進行的成像兩者。此外，基於橫跨整個視場提供至少一些光，相對於例如視場的部分不包括用於執行量測的光的不均勻強度場，感測器系統105實現物件的三維量測的解析度的改良。

如在圖2D中所示出，範例性實施方案230示出用於掃描類型的感測器系統105（例如，掃描光達系統）的非統一強度場的另一實例。如由圖表232所示出，不均勻強度場可包括呈階梯圖案的較高強度光的離散線234及較低強度光（例如，零強度光）的間隙236。例如，光學傳輸器115可提供均勻掃描線，且光塑形光學元件120可將均勻掃描線塑形為包括離散線234（即，形成線的線段或強度點）及間隙236的不均勻掃描線。在另一實例中，間隙236可用比離散線234小的強度來部分地照明，而非間隙236具有零強度光。在此狀況下，感測器系統105可藉由提供離散線234來掃描視場而橫跨視場進行水平掃掠。另外或替代地，感測器或系統105可提供水平離散線234及間隙236，且可垂直地掃描以掃描視場以執行深度感測量測。以此方式，相對於使用較低強度連續線來掃描視場，感測器系統105增加用於掃描深度感測的範圍。

如在圖2E中所示出，範例性實施方案240示出不均勻強度場的另一實例。如由圖表242所示出，不均勻強度場可包括由光的環形圖案（例如，其形成光的干涉圖案）形成的光強度的連續圖案（例如，基於正弦的圖案）。在此狀況下，連續圖案可包括較高強度的光的聚集區域244及較低強度的非聚集區域246。

如在圖2F中所示出，範例性實施方案250示出不均勻強度場及均勻強度場的實例。如由圖表251所示出，不均勻強度場可包括呈階梯圖案的較高強度光的離散區域及較低強度光（例如，零強度光）的離散區域，且其可與小於臨限值的總強度相關聯（但其可包括超過臨限值的高強度光的離散區域）。與此對比，如由圖表255所示出，均勻強度場可為恆定強度（例如，非零強度）場，其可與小於臨限值的強度相關聯。在此狀況下，感測器系統105可使用不均勻強度場傳輸第一光束以執行深度感測，且使用均勻強度場傳輸第二光束以執行影像感測。另外或替代地，感測器系統105可傳輸單個光束，且可包括光塑形光學元件（例如，光塑形光學元件120的光塑形光學元件），以將單個光束分裂成用於塑形為不均勻強度場的第一光束及用於擴散至均勻強度場的第二光束。在一些實施方案中，感測器系統105可包括多個VCSEL陣列以提供多個光束，且多個VCSEL陣列可同時、依序及/或其類似者進行脈衝，以使用光學接收器130的單個影像感測器捕獲深度點雲及二維影像兩者。以此方式，感測器系統105可實現使用對不均勻強度場執行的飛行時間量測進行的深度感測及使用對均勻強度場執行的量測進行的成像兩者。儘管本文中根據一組特定圖案描述一些實施方案，但其他圖案亦可為可能的，且可與本文中所描述的不同。舉例而言，其他圖案可包括聚集區域的其他重複圖案、聚集區域的其他非重複圖案、聚集區域的規則圖案、聚集區域的不規則圖案及/或其類似者。在一些實施方案中，感測器系統105可投影多個不同圖案（例如，用於單獨成像，用於組合以產生單個影像等）。

如圖2G中所示出，範例性實施方案260示出不均勻強度場的實例。如由圖表262所示出，基於相對於區域266由光塑形光學元件將較高密度的強度點引導至離散區域264，不均勻強度場可包括具有較高強度光的離散區域264。

如上文所指示，圖2A至圖2G僅提供作為一或多個實例。其他實例可能與關於圖2A至圖2G所描述的實例不同。

圖3A至圖3C為可由光塑形光學元件120塑形的不均勻強度光場的範例性實施方案300至320的圖。

如在圖3A中且由範例性實施方案300所示出，一些圖案可具有自第一組區域中之聚集光強度至第二組區域中之較低光強度變化的強度（例如，其大於臨限光強度），其中強度隨函數（例如正弦函數）而變化。在此狀況下，臨限光強度可介於最高濃度點處的強度的10%至90%之間。相比而言，如由圖3B且由範例性實施方案310所示出，可使用在點之間具有均勻強度場的均勻強度點。相比而言，如由圖3C所示出，可在三維中提供不均勻強度場。在另一實例中，可以變化強度產生線圖案、重複圖案、非重複圖案、多個不同圖案，或其組合及/或其類似者。

如上文所指示，圖3A至圖3C僅提供作為一或多個實例。其他實例可能與關於圖3A至圖3C所描述的實例不同。

以此方式，藉由產生不均勻強度場，感測器系統105可確保在量測期間可接收臨限數量個光子而不增加總強度，從而相對於使用均勻強度，能夠在增大的範圍處進行準確深度感測。

前述揭示內容提供了說明和描述，但並不企圖要將實施方案全面地或限制為所揭示的精確形式。可鑒於以上揭示內容進行修改和變化，或可自實施方案的實踐中獲得修改和變化。

如本文中所使用，取決於上下文，滿足臨限值係指值大於臨限值、多於臨限值、高於臨限值、大於或等於臨限值、小於臨限值、少於臨限值、低於臨限值、小於或等於臨限值、等於臨限值等。

即使特定特徵組合在申請專利範圍中敍述及/或在說明書中揭示，但此等組合並非旨在限制各種實施方案的揭示內容。實際上，此等特徵中之諸多者可以申請專利範圍中未具體敍述及/或說明書中未揭示的方式組合。儘管下面列出的每一從屬請求項可能僅直接取決於僅一個請求項，但各種實施方案的揭示內容包括與請求項集中之每一其他請求項相組合的每一從屬請求項。

除非明確如此說明，否則本文中使用的任何元素、動作或指令皆不得解釋為關鍵或必要的。此外，如本文中所使用，冠詞「一（a）」和「一（an）」旨在包括一或多個項目，且可與「一或多個」互換使用。此外，如本文中所使用的，術語「組」旨在包括一或多個項目（例如，相關項目、不相關項目、相關和不相關項目的組合等），且可與「一或多個」互換使用。在僅意指一個項目的情況下，使用短語「僅一個」或類似語言。另外，如本文中所使用的，術語「具有（has）」、「具有（have）」、「具有（having）」等旨在為開放式術語。此外，短語「基於」旨在意指「至少部分地基於」，除非另有明確說明。

100:實施方案 105:感測器系統 110:傳輸器系統 115:光學傳輸器 120:光塑形光學元件 125:接收器系統 130:光學接收器 135:濾光器 140:透鏡 145:元件符號 150:物件 155:元件符號 160:元件符號 200:實施方案 202:圖表 204:離散區域 206:離散區域 210:實施方案 212:圖表 214:離散區域 216:離散區域 220:實施方案 222:圖表 224:離散區域 226:離散區域 230:實施方案 232:圖表 234:離散線 236:間隙 240:實施方案 242:圖表 244:聚集區域 246:非聚集區域 250:實施方案 251:圖表 255:圖表 260:實施方案 262:圖表 264:離散區域 266:區域 300:實施方案 310:實施方案 320:實施方案

[圖1A]及[圖1B]為本文中所描述的範例性實施方案的圖。

[圖2A]至[圖2G]為不均勻強度場的圖。

[圖3A]至[圖3C]為不均勻強度場的圖。

100:實施方案

105:感測器系統

110:傳輸器系統

115:光學傳輸器

120:光塑形光學元件

125:接收器系統

130:光學接收器

135:濾光器

140:透鏡

145:元件符號

150:物件

Claims (19)

1. 一種光塑形光學元件，其包含：結構，其中該結構經建構以接收具有均勻強度場且小於臨限總強度的一或多個輸入光束；且其中該結構經建構以對該一或多個輸入光束進行塑形以形成具有不均勻強度場且小於該臨限總強度的一或多個輸出光束；其中，該臨限總強度為特定發散角、特定脈衝持續時間及特定曝光方向的至少一或多者的臨限值。
2. 如請求項1之光塑形光學元件，其中該不均勻強度場包含一組較高強度光區域及一組較低強度光區域。
3. 如請求項1之光塑形光學元件，其中該不均勻強度場至少部分被照明。
4. 如請求項1之光塑形光學元件，其中該不均勻強度場的至少一部分未被照明。
5. 如請求項1之光塑形光學元件，其中該不均勻強度場形成一圖案，且其中該圖案為以下中之至少一者：點圖案，柵格圖案，環形圖案，干擾圖案，階梯圖案，鋸齒圖案， 連續圖案，基於正弦的圖案。
6. 如請求項1之光塑形光學元件，其中該一或多個輸入光束為光達系統的均勻掃描線，且該一或多個輸出光束形成該光達系統的不均勻掃描線。
7. 一種飛行時間量測系統，其包含：光學傳輸器，其用以提供引導朝向物件的光束，其中該光束與橫跨視場的恆定強度相關聯；光塑形光學元件，其用以將該光束聚集至一或多個聚集區域，其中該視場的該一或多個聚集區域相較於該視場的一或多個其他區域與較高光聚集度相關聯，且其中該一或多個聚集區域的總強度滿足特定發散角、特定脈衝持續時間及特定曝光方向的至少一或多者的臨限值；及光學接收器，其用以接收自該物件反射的該光束的反射並對該光束執行複數個飛行時間量測。
8. 如請求項7之飛行時間量測系統，其中該光塑形光學元件為工程漫射器。
9. 如請求項7之飛行時間量測系統，其中該系統經建構以使用該光束照明該物件，使得該物件由該一或多個聚集區域不均勻地照明。
10. 如請求項7之飛行時間量測系統，其中該光學接收器經建構以針對該視場的該一或多個聚集區域中之該視場的每一聚集區域執行飛行時間量測。
11. 如請求項7之飛行時間量測系統，其進一步包含：處理器，其經建構以使用該複數個飛行時間量測來產生該物件的深度點雲。
12. 如請求項7之飛行時間量測系統，其中該視場的該一或多個聚集區域形成複數個強度點，且 其中該複數個強度點與臨限密度相關聯。
13. 如請求項7之飛行時間量測系統，其中該系統經建構以判定該複數個飛行時間量測大於該系統相對於該物件的臨限距離。
14. 如請求項7之飛行時間量測系統，其進一步包含：處理器，其用以基於該複數個飛行時間量測及由該光學傳輸器提供的另一光束的成像量測來產生該物件的三維表示，其中該另一光束與恆定強度相關聯，且經引導朝向該物件而無需經塑形為一或多個聚集區域。
15. 如請求項7之飛行時間量測系統，其中該光學接收器為包括複數個感測器元件的感測器陣列，且其中該複數個感測器元件中之每一感測器元件經建構以產生該複數個飛行時間量測中之飛行時間量測。
16. 一種光學元件，其包含：基板；及光塑形光學元件，其用以提供一不均勻經圖案化強度光束，其中該不均勻經圖案化強度光束包括具有第一強度的一組第一區域及具有第二強度的一組第二區域，其中該第二強度介於該第一強度的10%與90%之間，且其中，該不均勻經圖案化強度光束之總強度小於特定發散角、特定脈衝持續時間及特定曝光方向的至少一或多者的臨限值。
17. 如請求項16之光學元件，其中該光學元件為光達系統的組件。
18. 如請求項16之光學元件，其進一步包含：感測器元件陣列，其安置在該基板上。
19. 如請求項18之光學元件，其中該感測器元件陣列經建構以判定該不均勻經圖案化強度光束的複數個飛行時間量測，以判定與物件相關聯的複 數個距離。