TWI845374B - 結構光投影系統 - Google Patents

Abstract

提供一種結構光投影系統。結構光投影系統包括聚光鏡片組、光源、光罩、成像組件以及承載座。聚光鏡片組包括第一端以及第二端。光源設置於聚光鏡片組的第一端。光源發射光。 成像組件將通過光罩的光投影至目標元件。承載座設置於聚光鏡片組的第二端。承載座承載光罩以及成像組件。由光源發射的光依序通過聚光鏡片組、光罩以及成像組件。

Description

結構光投影系統

本發明是關於一種結構光投影系統，特別是關於一種以發光二極體(light-emitting diode，LED)作為光源之結構光投影系統。

結構光掃描為現今三維掃描的其中一種方式，其設備一般包括一影像擷取元件以及可投影出特定圖案的一光源系統。在習知技術中，光源系統的部分一般使用雷射作為光源，並透過繞射式光學元件(Diffractive Optical Elements，DOE)投射出特定圖案。

然而，採用以上方式形成特定圖案的缺點在於影像的畸變(distortion)程度大、雷射中心光斑明顯、整體亮度不均等，以上問題不但使結構光掃描的光學效果不佳，還會影響後續在軟體的判斷。不僅如此，在設計投影圖案的方面，透過繞射式光學元件投射出特定的圖案需先依據繞射式光學元件推導波動光學公式來進行，其過程較為複雜。

因此，需要一種能夠解決上述問題且使設計投影圖案更簡單的方式，以將複雜的過程簡化且進一步達到改善的光學效果。

本發明提供一種結構光投影系統，包括聚光鏡片組、光源、光罩、成像組件以及承載座。聚光鏡片組包括第一端以及第二端。光源設置於聚光鏡片組的第一端。光源發射一光。 成像組件將通過光罩的光投影至目標元件。承載座設置於聚光鏡片組的第二端。承載座承載光罩以及成像組件。由光源發射的光依序通過聚光鏡片組、光罩以及成像組件。

根據本揭露的一些實施例，光源可為發光二極體。

根據本揭露的一些實施例，結構光投影系統更包括影像擷取元件。影像擷取元件設置在承載座附近。影像擷取元件接收從目標元件反射回來的光。

根據本揭露的一些實施例，光罩包括透明區域以及遮蔽區域。透明區域允許光通過，遮蔽區域阻擋光通過，使得通過光罩的光形成特定圖案。

根據本揭露的一些實施例，通過光罩的光所形成的特定圖案為直條紋圖案或棋盤格圖案之一者。

根據本揭露的一些實施例，光罩的遮蔽區域塗佈有鉻金屬。

根據本揭露的一些實施例，聚光鏡片組更包括第一區域、第二區域、第一鏡片以及第二鏡片。光源以及第一鏡片分別在第一區域的兩端，第一鏡片以及第二鏡片分別在第二區域的兩端。

根據本揭露的一些實施例，承載座包括容納部。容納部容納聚光鏡片組的第二端。

根據本揭露的一些實施例，承載座更包括第一承載部以及第二承載部。第一承載部承載光罩。第二承載部承載成像組件，第一承載部相鄰於第二承載部。第二承載部以及容納部分別位在承載座的兩側。

根據本揭露的一些實施例，成像組件包括成像鏡組以及固定部。成像鏡組包括螺紋。螺紋接觸固定部。成像鏡組可藉由螺紋相對固定部移動。

多種實施例被參照附圖描述，在整個附圖中相似的參考符號被用來指定相似或均等物元件。附圖並未按比例繪製，且提供附圖僅用以示出本發明。應當理解許多具體細節、關係和方法被闡述以提供全面的理解。然而，本領域具有通常知識者將容易的想到，多種實施例可在沒有一個或多個特定細節之下或在其他方法下實踐。在其他情況下，為詳細示出公知的結構或操作，以避免隱蔽多種實施例的某些特點。多種實施例不受限於動作或事件的示出順序，如一些動作可以不同的順序及/或與其他動作或事件同時發生。此外，並非全部示出動作或事件都是實施依據本發明的方法所需的。

所揭露的元件和限制，例如，在摘要、發明內容、實施方式段落，但未明確地闡述在申請專利範圍中，不應藉由暗示、推斷或其他方式單獨地或集體地併入申請專利範圍。為了本實施方式的目的，除非明確地說明並非如此，單數包括複數且反之亦然。用語「包括」意為「包括而不限於」。此外，近似詞如「大約(about, almost, substantially, approximately)」以及其相似詞，可在此意為例如「在(at)」、「近於(near , nearly at)」、「在3%到5%之內(within 3-5% of)」、「在可接受的製造公差內(within acceptable manufacturing tolerances)」或任何其邏輯組合。

結構光投影是一種光學技術，其藉由將特殊的光線圖樣(例如，以特定圖案投射光)投射到物體表面上，以獲取有關物體形狀、輪廓或表面紋理的三維訊息。結構光通常使用光投影系統和相機來捕捉由光線圖樣產生的變化，並利用軟體(例如，影像處理)進行分析和重建。以下將針對本發明之結構光投影系統1000進行詳細說明。

第1圖顯示根據本揭露的一些實施例的結構光投影系統1000的剖視圖。結構光投影系統1000包括一聚光鏡片組1100、一光源1200、一承載座1300、一光罩1400、一成像組件1500以及一影像擷取元件1600(第5圖)。

如第1圖中所顯示，以下為了說明用途，以下將聚光鏡片組1100之延伸方向稱為一第一方向D1，將與之垂直的方向稱為一第二方向D2。

根據本揭露的一些實施例，聚光鏡片組1100包括一第一端1110、一第二端1120、一第一區域1130、一第二區域1140、一第一鏡片1150以及一第二鏡片1160。

根據本揭露的一些實施例，聚光鏡片組1100的第一端1110以及第二端1120分別位在聚光鏡片組1100相對的兩端。第一端1110以及第二端1120沿著第一方向D1排列。

為了說明用途，可大致將聚光鏡片組1100分為第一區域1130以及第二區域1140的兩個區域。第一區域1130以及第二區域1140依序形成在第一方向D1上。

根據本揭露的一些實施例，第一區域1130鄰近於第一端1110。第二區域1140鄰近於第二端1120。由第一鏡片1150將第一區域1130以及第二區域1140區隔開來。第二鏡片1160被設置在第二端1120。

應當理解的是，第1圖中結構光投影系統1000的元件比例僅出於示意用途提供，例如，第一鏡片1150以及第二鏡片1160之間的距離(也就是第二區域1140在第一方向D1的長度)可相較於第1圖所顯示的更短，其實際比例將依據產品需求而進行對應的設置。

根據本揭露的一些實施例，光源1200以及第一鏡片1150分別在第一區域1130的兩端，第一鏡片1150以及第二鏡片1160分別在第二區域1140的兩端。

根據本揭露的一些實施例，光源1200設置於聚光鏡片組1100的第一端1110。光源1200發射一光。在本揭露的一些實施例中，光源1200可為發光二極體。由光源1200發射的光依序通過聚光鏡片組1100、光罩1400以及成像組件1500。

於一具體實施例中，第一鏡片1150包括至少一鏡片，第二鏡片1160包括至少一鏡片。

請短暫地參照第2圖，第2圖顯示光源1200在結構光投影系統1000中發射光的示意圖。應當理解的是，第2圖所顯示的由光源1200發射的光僅出於示意用途提供。實際上，在使用高功率發光二極體(High power LED)的情況下，光源1200所發射的光的一發光角度θ在大約從100度到160度的範圍。

如第2圖中所顯示，光源1200所發射的光在經過第一鏡片1150時被第一鏡片1150匯聚。光源1200所發射的光在經過第二鏡片1160時再被第二鏡片1160匯聚。

如此一來，在第一鏡片1150以及第二鏡片1160的對光的匯聚之下，使通過第一鏡片1150以及第二鏡片1160的光的強度變強，且使外溢的光收斂，而藉此達到調整發光角度、均勻光斑、增強整體發光強度的功效。

請參照回第1圖，根據本揭露的一些實施例，承載座1300設置於聚光鏡片組1100的第二端1120。承載座1300承載光罩1400以及成像組件1500。關於承載座1300的細節將相關於第4圖詳細說明。

根據本揭露的一些實施例，光罩1400設置在承載座1300。詳而言之，光罩1400被設置於鏡頭焦平面的位置。聚光鏡片組1100將光源1200所發射的光聚集於光罩1400，且透過光罩1400將此光以特定圖案輸出，其細節將相關於第3A圖到第3D圖詳細說明。

根據本揭露的一些實施例，成像組件1500設置於承載座1300。成像組件1500使通過光罩1400的光投影至一目標元件(第4圖)，例如一物體的外表。關於成像組件1500的細節將顯示於第4圖。

第3A圖顯示根據本揭露的一實施例的光罩1400A的示意圖。第3B圖顯示根據本揭露的另一實施例的光罩1400B的示意圖。第3C圖顯示根據本揭露的另一實施例的光罩1400C的示意圖。第3D圖顯示根據本揭露的另一實施例的光罩1400D的示意圖。

如第3A圖中所顯示，光罩1400A包括透明區域1410A以及遮蔽區域1420A，其中透明區域1410A允許光通過，遮蔽區域1420A阻擋光通過，使得通過光罩1400A的光在目標元件(第4圖、第5圖)形成特定圖案。在第3A圖中所顯示的實施例中，此特定圖案為直條紋圖案。

相似地，如第3B圖中所顯示，光罩1400B包括透明區域1410B以及遮蔽區域1420B，其中透明區域1410B允許光通過，遮蔽區域1420B阻擋光通過，使得通過光罩1400B的光在目標元件(第4圖、第5圖)形成特定圖案。在第3B圖中所顯示的實施例中，此特定圖案為棋盤格圖案。

相似地，如第3C圖中所顯示，光罩1400C包括透明區域1410C以及遮蔽區域1420C，其中透明區域1410C允許光通過，遮蔽區域1420C阻擋光通過，使得通過光罩1400C的光在目標元件(第4圖、第5圖)形成特定圖案。在第3C圖中所顯示的實施例中，此特定圖案為散斑圖案。

相似地，如第3D圖中所顯示，光罩1400D包括透明區域1410D以及遮蔽區域1420D，其中透明區域1410D允許光通過，遮蔽區域1420D阻擋光通過，使得通過光罩1400D的光在目標元件(第4圖、第5圖)形成特定圖案。

在本揭露的一些實施例中，光罩1400A、1400B、1400C、1400D可以石英玻璃作為基板。光罩1400A、1400B、1400C、1400D的遮蔽區域1420A、1420B、1420C、1420D塗佈有作為遮光用途的鉻金屬。

在本揭露的一些實施例中，光罩1400A、1400B、1400C、1400D的透明區域1410A、1410B、1410C、1410D可透過雷射蝕刻形成。

詳而言之，在本揭露的一些實施例中，可使用電腦輔助設計(computer-aided design，CAD)直接繪圖以設計結構光投影系統所要投影的圖案，再利用雷射蝕刻在塗佈有鉻金屬的石英玻璃上形成透明區域以及遮光的遮蔽區域。

應當理解的是，本發明使用電腦輔助設計(computer-aided design，CAD)直接繪圖以對光罩所要投影的圖案進行設計，因此應當容易地理解所投影的圖案並不受限於第3A圖到第3D圖中所顯示的示例，而是可根據使用者需求透過電腦輔助設計(CAD)進行相應的設計和調整。

此外，以上使用雷射蝕刻對光罩進行加工的方式僅以示例的方式提供，而不應作為對本發明的限制。本發明之光罩也可以其他合理的方式進行加工而形成。

第4圖顯示根據本揭露的一些實施例的結構光投影系統1000的部分示意圖。如第4圖中所顯示，集中在光罩1400上的光經由成像組件1500將具有特定圖案的結構光投射至目標元件2000。目標元件例如一物體的外表。

應當理解的是，第4圖中所顯示的通過成像組件1500的光路L以及目標元件2000之比例僅是出於示意用途，而並未按照實際比例繪製。實際上，成像組件1500與目標元件2000之間的距離可在例如5公分到50公分的範圍中，或是任意由本領域具有一般知識者所認定的合理範圍中。在一些實施例中，成像組件1500與目標元件2000之間的距離可為15公分。

在本揭露的一些實施例中，承載座1300包括一第一表面1310、一第二表面1320、一容納部1330、一第一承載部1340以及一第二承載部1350。

在本揭露的一些實施例中，承載座1300的第一表面1310以及第二表面1320分別為平行於第二方向D2的承載座1300上彼此相對的兩個表面。

在本揭露的一些實施例中，承載座1300的容納部1330容納聚光鏡片組1100的第二端1120。在本揭露的一些實施例中，承載座1300的容納部1330為從第一表面1310朝向第一方向D1凹陷的凹陷結構。

在本揭露的一些實施例中，第一承載部1340承載光罩1400，第二承載部1350承載成像組件1500。容納部1330以及第二承載部1350分別位在承載座1300的兩側。

在本揭露的一些實施例中，第一承載部1340相鄰於第二承載部1350。詳而言之，第二承載部1350為從第二表面1320朝向負第一方向D1凹陷的凹陷結構，第一承載部1340為從第二承載部1350朝向負第一方向D1凹陷的凹陷結構。

在本揭露的一些實施例中，承載座1300的第一承載部1340在第二方向D2上的長度小於承載座1300的第二承載部1350在第二方向D2上的長度。

請繼續參照第4圖，成像組件1500包括一固定部1510以及一成像鏡組1520。成像組件1500的固定部1510設置在承載座1300的第二承載部1350。

在本揭露的一些實施例中，成像鏡組1520包括螺紋1521。螺紋1521接觸固定部1510，成像鏡組1520可藉由螺紋1521相對固定部1510移動，藉此可調整成像鏡組1520與目標元件2000之間的距離，而達到更好的光學效果。

第5圖顯示根據本揭露的一些實施例的具有影像擷取元件1600的結構光投影系統1000的示意圖。如第5圖中所顯示，影像擷取元件1600設置在承載座1300附近。在一些實施例中，影像擷取元件1600可設置在承載座1300上。影像擷取元件1600接收從目標元件2000反射回來的光，以將所接收的影像轉換成數位訊號。於一具體實施例中，影像擷取元件1600包括電荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)。

綜上所述，本發明之結構光投影系統使用發光二極體作為光源，透過聚光鏡片組將光源所發射的光集中在光罩上，再經由成像組件將具有特定圖案的結構光投射出來。

相較於習知技術中以雷射作為光源打在繞射式光學元件(DOE)以形成具有特定圖案的結構光的方式，本案使用發光二極體作為光源，其使投影出的圖案具有整體亮度均勻性佳、無畸變、無雷射光斑等的有利功效。

此外，本發明之光罩的加工方式相較於習知技術更簡單，對於圖案的設計方式，本發明可直接透過電腦輔助設計(CAD)直接繪圖以設計要投影的圖案，而無須像習知技術中依據繞射式光學元件推導波動光學公式來設計要投影的圖案。

儘管已關於一個或多個實施方式示出和描述本發明，本領域具有通常知識者經閱讀和理解本說明書和附圖後，將想到均等物和修改。另外，雖然可能已經關於幾種實施方式的僅一種實施方式揭露本發明的特定特徵，對於任何給予或特定的應用，這種特徵如可能有需求和有利的可與其他實施方式的一個或多個其他特徵組合。

在此所使用的用語僅出於描述特定實施例為目的，且不旨在限制本發明。如在此所使用的，單數形式「一(a, an, the)」也旨在包括複數形式，除非上下文另外明確指出。此外，用語「包括(including, includes)」、「具有(having, has, with)」或其變化形，為使用在實施方式及/或申請專利範圍，這樣的用語旨在以相似用語「包括」的方式包括在內。

除非其他的界定，在此使用的所有用語(包括技術和科學用語)，具有本技術領域通常知識者普遍理解的相同意義。此外，例如那些定義在常用字典的用語，應被解讀為具有與其在該相關技術領域的語境中意義一致的意義，除非在此明確定義，不會被解讀為理想化或過度正式的意義。

1000:結構光投影系統 1100:聚光鏡片組 1110:第一端 1120:第二端 1130:第一區域 1140:第二區域 1150:第一鏡片 1160:第二鏡片 1200:光源 1300:承載座 1310:第一表面 1320:第二表面 1330:容納部 1340:第一承載部 1350:第二乘載部 1400:光罩 1410A,1410B,1410C,1410D:透明區域 1420A,1420B,1420C,1420D:遮蔽區域 1500:成像組件 1510:固定部 1520:成像鏡組 1521:螺紋 1600:影像擷取元件 2000:目標元件 D:距離 D1:第一方向 D2:第二方向 θ:發光角度

從以下實施例的描述結合參考附圖，將更好理解本揭露。 第1圖顯示根據本揭露的一些實施例的結構光投影系統的剖視圖。 第2圖顯示光源在結構光投影系統中發射光的示意圖。 第3A圖顯示根據本揭露的一實施例的光罩的示意圖。 第3B圖顯示根據本揭露的另一實施例的光罩的示意圖。 第3C圖顯示根據本揭露的另一實施例的光罩的示意圖。 第3D圖顯示根據本揭露的另一實施例的光罩的示意圖。 第4圖顯示根據本揭露的一些實施例的結構光投影系統的部分示意圖。 第5圖顯示根據本揭露的一些實施例的具有影像擷取元件的結構光投影系統的示意圖。 本揭露易於進行多種修改和替代形式。在附圖中已經藉由示例的方式示出一些代表性實施例，且將在此詳細描述。然而，應當理解本發明非旨在受限於所揭露的特定形式。而是，本揭露將涵蓋落入如申請專利範圍所界定的本發明的精神和範圍內的所有修改、均等物和替代形式。

1000:結構光投影系統

1100:聚光鏡片組

1110:第一端

1120:第二端

1130:第一區域

1140:第二區域

1150:第一鏡片

1160:第二鏡片

1200:光源

1300:承載座

1400:光罩

1500:成像組件

D1:第一方向

D2:第二方向

Claims (10)

1. 一種結構光投影系統，包括：一聚光鏡片組，包括一第一端以及一第二端；一光源，設置於該聚光鏡片組的該第一端，且發射一光；一光罩；一成像組件，將通過該光罩的該光投影至一目標元件；以及一承載座，設置於該聚光鏡片組的該第二端，且承載該光罩以及該成像組件；其中，由該光源發射的該光依序通過該聚光鏡片組、該光罩以及該成像組件。
2. 如請求項1之結構光投影系統，其中該光源可為一發光二極體。
3. 如請求項1之結構光投影系統，更包括一影像擷取元件，設置在該承載座附近，接收從該目標元件反射回來的該光。
4. 如請求項1之結構光投影系統，其中該光罩包括一透明區域以及一遮蔽區域，其中該透明區域允許該光通過，該遮蔽區域阻擋該光通過，使得通過該光罩的該光形成一特定圖案。
5. 如請求項4之結構光投影系統，其中通過該光罩的該光所形成的該特定圖案為一直條紋圖案或一棋盤格圖案。
6. 如請求項4之結構光投影系統，其中該光罩的該遮蔽區域塗佈有鉻金屬。
7. 如請求項1之結構光投影系統，其中該聚光鏡片組更包括一第一區域、一第二區域、一第一鏡片以及一第二鏡片，該光源以及該第一鏡片分別在該第一區域的兩端，該第一鏡片以及該 第二鏡片分別在該第二區域的兩端。
8. 如請求項1之結構光投影系統，其中該承載座包括一容納部，該容納部容納該聚光鏡片組的該第二端。
9. 如請求項8之結構光投影系統，其中該承載座更包括一第一承載部以及一第二承載部，該第一承載部承載該光罩，該第二承載部承載該成像組件，該第一承載部相鄰於該第二承載部，該第二承載部以及該容納部分別位在該承載座的兩側。
10. 如請求項1之結構光投影系統，其中該成像組件包括一成像鏡組以及一固定部，該承載座承載該固定部，該成像鏡組包括一螺紋，該螺紋接觸該固定部，該成像鏡組可藉由該螺紋相對該固定部移動。