TWM509339U

TWM509339U - 光學裝置及其發光裝置

Info

Publication number: TWM509339U
Application number: TW104207561U
Authority: TW
Inventors: Jyh-Long Chern; Chih-Ming Yen
Original assignee: Everready Prec Ind Corp
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2015-09-21

Description

光學裝置及其發光裝置

本創作係關於一種光學裝置及其發光裝置，尤其關於一種應用於可攜式電子裝置的光學裝置及其發光裝置。

近年來，隨著電子工業的演進以及工業技術的蓬勃發展，各種電子裝置設計及開發的走向逐漸朝輕便、易於攜帶的方向發展，以利使用者隨時隨地應用於行動商務、娛樂或休閒等用途。舉例而言，各式各樣的影像擷取裝置正廣泛應用於各種領域，例如智慧型手機、穿戴式電子裝置等可攜式電子裝置，其具有體積小且方便攜帶之優點，使用者得以於有使用需求時隨時取出並進行影像擷取並儲存，或進一步透過行動網路上傳至網際網路之中，不僅具有重要的商業價值，更讓一般大眾的日常生活更添色彩。

再者，隨著生活品質的提升，人們對影像擷取裝置所擷取的影像有更多的訴求，舉例來說，人們希望所獲得的影像可為3D立體影像，且該3D立體影像包括有準確的深度(depth)資訊，再舉例來說，人們希望可攜式電子裝置具有距離量測的功能，進而可進行手勢辨識。而有關的深度資訊的量測或距離的量測，目前可透過飛行時間量距法(Time of Flight,TOF)、單一結構光 (structure light)量距法或雙鏡頭(dual camera)量距法來獲得，惟其皆係為熟知本技藝人士所知悉，在此及不再予以贅述。

然而，雖然飛行時間量距法所獲得的量測結果具有較佳的準確性，但其如要推廣到面或多點情鏡應用時在軟體運算上極為複雜，多需引入特定運算晶片與積體電路(IC)，故功率消耗量大，運算成本也高，此外，飛行時間量距法還因容易受到環境亮度的影響，使得其在外界光害大的情況下所能獲得的量測結果準確性較低；而雙鏡頭量距法雖然在軟體運算上也有相當程度的複雜性，並不較為簡易，且功率消耗量以及運算成本因為使用雙鏡，雖與飛行時間法相比較有優勢，但其對平滑表面的量距表現較差，因此對平滑表面所獲得的量測結果準確性較低；又，由於單一結構光量距法是透過對影像中之光形畸變(distortion)的偵測而獲得深度資訊或距離資訊，故其量測結果亦容易受到環境亮度的影響，也就是說，在外界光害大的情況下所能獲得的量測結果準確性較低。

根據以上的說明可知，習知可用以獲得3D立體影像之深度資訊、可用以進行3D立體重建或可用以距離量測而進行手勢辨識的可攜式電子裝置及其影像擷取裝置(光學裝置)仍具有改善的空間。

本創作之目的在提供一種光學裝置及其發光裝置，特別是可利用至少二結構光對受測標的進行距離(深度資訊)量測的光學裝置及其發光裝置，以帶來高量距準確性且其量測結果也不易受到環境亮度影響的效果。

於一較佳實施例中，本創作提供一種發光裝置，包括：一第一結構光產生單元，用以提供一第一結構光(structure light)，且該第一結構光係投射至一受測標的而使相對應於該第一結構光之一第一圖案(pattern)組合中之至少一第一圖案呈現在該受測標的上；以及一第二結構光產生單元，用以提供一第二結構光，且該第二結構光係投射至該受測標的而使相對應於該第二結構光之一第二圖案組合中之至少一第二圖案呈現在該受測標的上，而該第二結構光之一第二光軸方向不同於該第一結構光之一第一光軸方向；其中，該受測標的上所呈現之該至少一第一圖案與該至少一第二圖案之間具有至少一相對位置關係，且該至少一相對位置關係，係用以獲得該受測標的之至少一深度距離。

於一較佳實施例中，該第一結構光產生單元包括一第一發光源以及相應於該第一圖案組合之一第一透鏡組，且該第二結構光產生單元包括一第二發光源以及相應於該第二圖案組合之一第二透鏡組。

於一較佳實施例中，該第一發光源係包括一雷射二極體(LD)、一發光二極體(LED)、一有機發光二極體(OLED)中之至少一者以及用以輸出具有一熱感應波長區間之光束的一發光單元；及/或該第二發光源係包括一雷射二極體(LD)、一發光二極體(LED)、一有機發光二極體(OLED)以及用以輸出具有一熱感應波長區間之光束的一發光單元中之至少一者；及/或該發光裝置更包括一殼體，該殼體用以供該第一結構光產生單元以及該第二結構光產生單元中之至少一者設置於其中，且該殼體係為一表面固定元件(SMD)。

於一較佳實施例中，該第一發光源係用以輸出具有一第一波長之光束及/或具有一第二波長之光束。

於一較佳實施例中，具有該第一波長之光束係為一可見光束，而具有該第二波長之光束係為一不可見光束。

於一較佳實施例中，該第二發光源係用以輸出具有一第一波長之光束及/或具有一第二波長之光束。

於一較佳實施例中，該第一結構光以及該第二結構光係分別呈一第一錐形以及一第二錐形。

於一較佳實施例中，該第一錐形係包括一圓錐形、一橢圓錐形以及一方錐形中之至少一者；及/或該第二錐形係包括一圓錐形、一橢圓錐形以及一方錐形中之至少一者。

於一較佳實施例中，該至少一第一圖案係包括至少一點圖案，及/或該第二圖案係包括至少一線圖案或至少一矩形圖案。

於一較佳實施例中，本創作亦提供一種光學裝置，包括：一發光裝置，用以提供一第一結構光(structure light)以及一第二結構光，且該第一結構光以及該第二結構光係分別投射至一受測標的而使相對應於該第一結構光之一第一圖案(pattern)組合中之至少一第一圖案以及相對應於該第二結構光之一第二圖案組合中之至少一第二圖案分別呈現在該受測標的上；其中，該第二結構光之一第二光軸方向不同於該第一結構光之一第一光軸方向；以及一感應單元，用以感應該受測標的上所呈現之該至少一第一圖案與該至少一第二圖案；其中，該受測標的上所呈現之該至少一第一圖案與該至少一第二圖案之間具有至少一相對位置關係，且該至少一相對位置關係，係用以獲得該受測標的之至少一深度距離。

於一較佳實施例中，該發光裝置包括至少一發光源、相應於該第一圖案組合之一第一透鏡組以及相應於該第二圖案組合之一第二透鏡組，且該至少一發光源之一第一複數光束係經由該第一透鏡組後形成該第一結構光，而該至少一發光源之一第二複數光束係經由該第二透鏡組後形成該第二結構光。

於一較佳實施例中，該至少一發光源係包括一雷射二極體(LD)、一發光二極體(LED)、一有機發光二極體(OLED)以及用以輸出具有一熱感應波長區間之光束的一發光單元中之至少一者。

於一較佳實施例中，該第一複數光束包括有一第一波長之光束及/或具有一第二波長之光束。

於一較佳實施例中，該第二複數光束包括具有一第一波長之光束及/或具有一第二波長之光束。

於一較佳實施例中，該發光裝置以及該感應單元係被整合於一電路板(PCB)。

於一較佳實施例中，光學裝置係應用於可攜式電子裝置。

1‧‧‧光學裝置

4‧‧‧可攜式電子裝置

11‧‧‧發光裝置

12‧‧‧感應單元

21‧‧‧第一圖案組合

22‧‧‧第二圖案組合

71‧‧‧影像

72‧‧‧影像

81‧‧‧受測標的

82‧‧‧受測標的

91‧‧‧光束

92‧‧‧光束

111‧‧‧第一結構光產生單元

112‧‧‧第二結構光產生單元

113‧‧‧第一結構光

114‧‧‧第二結構光

115‧‧‧殼體

121‧‧‧可見光感測單元

122‧‧‧不可見光感測單元

211‧‧‧第一圖案

221‧‧‧第二圖案

1131‧‧‧光軸

1141‧‧‧光軸

1111‧‧‧第一發光源

1112‧‧‧第一透鏡組

1121‧‧‧第二發光源

1122‧‧‧第二透鏡組

A‧‧‧交錯區域

D11‧‧‧間距

D12‧‧‧間距

D21‧‧‧間距

D22‧‧‧間距

X1‧‧‧點圖案

X2‧‧‧點圖案

L1‧‧‧線圖案

L2‧‧‧線圖案

圖1：係為本創作光學裝置於一較佳實施例之結構概念示意圖。

圖2：係為圖1所示之發光裝置及其第一結構光與第二結構光於另一視角的概念示意圖。

圖3：係為圖2所示第一結構光與第二結構光投射至受測標的而使受測標的上呈現第一圖案與第二圖案的概念示意圖。

圖4A：係為感應單元於受測標的位於第一結構光以及第二結構光之交錯區域中之一第一位置時所擷取之影像的一較佳概念示意圖。

圖4B：係為感應單元於受測標的位於第一結構光以及第二結構光之交錯區域中之一第二位置時所擷取之影像的一較佳概念示意圖。

圖5：係為本創作光學裝置應用於可攜式電子裝置的一較佳結構示意圖。

請參閱圖1與圖2，圖1為本創作光學裝置於一較佳實施例之結構概念示意圖，圖2為圖1所示之發光裝置及其第一結構光與第二結構光於另一視角的概念示意圖，圖3為圖2所示第一結構光與第二結構光投射至受測標的而使受測標的上呈現第一圖案與第二圖案的概念示意圖。

光學裝置1包括發光裝置11以及感應單元12，發光裝置11係用以提供可投射至一受測標的81而使受測標的81上呈現第一圖案(pattern)組合21中之至少一第一圖案211的第一結構光(structure light)113以及用以提供可投射至受測標的81而使受測標的81上呈現第二圖案組合22中之至少一第二圖案221的第二結構光114，且第一結構光113之光軸1131(第一光軸)的方向與第二結構光114之光軸1141(第二光軸)的方向不同。

再者，感應單元12包括可見光感測單元121以及不可見光感測單元122，並用以感應受測標的81上所呈現的至少一第一圖案211與至少一第二圖案221，而受測標的81上所呈現的至少一第一圖案211與至少一第二圖案221之間具有至少一相對位置關係，且該至少一相對位置關係，係用以獲得受測標的81的至少一深度距離，稍後以圖3與圖4進一步詳述。

於本較佳實施例中，發光裝置11包括第一結構光產生單元111以及第二結構光產生單元112，且第一結構光產生單元111包括第一發光源1111以及第一透鏡組1112，第一發光源1111可包括雷射二極體(LD)、發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)以及用以輸出具有一熱感應波長區間之光束的一發光單元中之至少一者，及/或第一發光源1111還可包括類似於雷射二極體、發光二極體以及有機發光二極體等半導體類的其它發光單元；又，第一發光源1111係用以輸出複數光束91，且光束91可為具有第一波長的光束(如可見光束)及/或具有第二波長的光束(如不可見光束或具有熱感應波長之光束)，而第一透鏡組1112則至少包括有相應於第一圖案組合21的一光學元件(圖未示，如繞射元件)，並供第一發光源1111所輸出之光束91通過其中，以進而使第一結構光產生單元111產生輸出具有第一圖案組合21並呈第一錐形的第一結構光113。

其中，雖然本較佳實施例的第一結構光113所呈的第一錐形為一圓錐形，但其亦可為一橢圓錐形或一方錐形等，而上述透過第一透鏡組1112及其光學元件產生第一結構光113的方式係僅為一實施例，並為熟知本技藝人士所知悉，故在此即不再予以贅述，且產生第一結構光113的方式也並不以上述為限。

再者，第二結構光產生單元112包括第二發光源1121 以及第二透鏡組1122，第二發光源1121可包括雷射二極體(LD)、發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)以及用以輸出具有一熱感應波長區間之光束的一發光單元中之至少一者，及/或第一發光源1111還可包括類似於雷射二極體、發光二極體以及有機發光二極體等半導體類的其它發光單元；又，第二發光源1121輸出複數光束92，且光束92可為具有第三波長的光束(如可見光束)及/或具有第四波長的光束(如不可見光束或具有熱感應波長之光束)，而第二透鏡組1122則至少包括有相應於第二圖案組合22的另一光學元件(圖未示，如繞射元件)，並供第二發光源1121所輸出之光束92通過其中，以進而使第二結構光產生單元112產生輸出具有第二圖案組合22並呈第二錐形的第二結構光114。

同樣地，雖然本較佳實施例的第二結構光114所呈的第二錐形為一圓錐形，但其亦可為一橢圓錐形或一方錐形等，而上述透過第二透鏡組1122及其光學元件產生第二結構光114的方式係僅為一實施例，並為熟知本技藝人士所知悉，故在此即不再予以贅述，且產生第二結構光114的方式也並不以上述為限。

當然，上述僅為實施例，發光源的數量、透鏡組的數量以及感應單元的數量皆可依據實際應用需求而進行任何均等的變更設計；舉例來說，感應單元的數量可為多個，用以分別接收具有不同波長及/或不同方位與指向的光束。而可選擇地，上述第一發光源1111以及第二發光源1121可為同一發光源，且發光裝置11更可包括一表面固定元件(SMD)形式的殼體115，用以供第一發光源1111、第一透鏡組1112、第二發光源1121及/或第二透鏡組1122固設於其中，以提升可靠度並達到保護的功效；此外，發光裝置11以及感應單元12還能夠被整合在同一電路板(PCB)上。

接下來說明本案透過第一結構光113以及第二結構光114進行測距(深度距離)的原理。請同步參閱圖1與圖2，由圖2所示可知，於本較佳實施例中，相應於第一結構光113的第一圖案組合21包括複數個第一圖案211(即複數個點圖案)，而相應於第二結構光114的第二圖案組合22包括由複數個第二圖案212(即複數個橫/直線圖案)所組成的多個矩形圖案；又，由於第一結構光113之光軸1131(第一光軸)的方向與第二結構光114之光軸1141(第二光軸)的方向不同，故呈第一錐形的第一結構光113與呈第二錐形的第二結構光114之間會具有一交錯區域A(見圖1中之斜線區域)，使得位於交錯區域A中的受測標的81上呈現有第一圖案組合21中的至少部份者以及第二圖案組合22中的至少部份者，並且受測標的81上所呈現的至少一第一圖案211與至少一第二圖案221之間的至少一相對位置關係會因應其所在位置不同而有所變化，而藉由這樣的變化便可快速且精確地推得受測標的81之深度距離。

舉例來說，請先參閱圖4A與圖4B，圖4A為感應單元於受測標的位於第一結構光以及第二結構光之交錯區域中之一第一位置時所擷取之影像的一較佳概念示意圖，圖4B為感應單元於受測標的位於第一結構光以及第二結構光之交錯區域中之一第二位置時所擷取之影像的一較佳概念示意圖。為了方便說明，圖4A與圖4B所示的受測標的82為同一受測標的且呈平面形式，也就是說，若受測標的82位在同一位置，則受測標的82上每一區塊皆與感應單元12具有近乎相同的距離；由圖4A與圖4B可知，複數個第一圖案211(即複數個點圖案)以及複數個第二圖案221(即複數個線圖案)的相對位置關係會因應受測標的82位在第一位置或位在第二位置而不同，例如，當受測標的82位於第一結構光113以及第二結構光114之交錯區域A中之一第一位置時，感應單元12所擷取之影像71中之受測標的82上的點圖案X1與線圖案L1的間距為D11，點圖案X2與線圖案L2的間距為D21；而當受測標的82位於第一結構光113以及第二結構光114之交錯區域A中之一第二位置時，感應單元12所擷取之影像72中之受測標的82上的點圖案X1與線圖案L1的間距為D12，點圖案X2與線圖案L2的間距為D22；其中，間距D11不同於間距D12，間距D21不同於間距D22，而根據間距D11、間距D21及/或當受測標的82在第一位置時其它點圖案與線圖案的間距，即可推得第一位置的深度距離(如透過查表的方式推得)，同樣地，根據間距D12、間距D22及/或當受測標的82在第二位置時其它點圖案與線圖案的間距，即可快速推得第二位置的深度距離(如透過查表的方式推得)，如此一來，還能進而獲得第一位置與第二位置的深度差距。

依據同樣的原理，請再度參閱圖3，圖3所示受測標的81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感應單元12的距離皆不盡相同，但經由以上的說明可知，透過感應單元12擷取受測標的81的影像，可擷取到受測標的81上所映射出的複數個第一圖案211以及複數個第二圖案221，再透過複數個第一圖案211以及複數個第二圖案221之間的複數個相對位置關係，即可獲得手體上之每一區塊的深度距離；當然，上述手體上之每一區塊大小(即能夠被解析的程度)係取決於第一圖案211的樣式及/或第二圖案221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，可使手體上的每一區塊被解析的越精細。

請參閱圖5，其為本創作光學裝置應用於可攜式電子裝置的一較佳結構示意圖。可攜式電子裝置4可為手機、平板電腦或穿戴式裝置，但不以上述為限，並包括發光裝置11以及感應單元12，而發光裝置11以及感應單元12係如同上述說明，在此即不再予以贅述。是以，可攜式電子裝置4能夠擷取3D立體影像、並提供3D立體重建以及手勢辨識的功能。而根據以上的說明，本創作光學裝置1的量距準確性佳，且其量測結果也不易受到環境亮度的影響，因此能為可攜式電子裝置4帶來更實質的效益。

以上所述僅為本創作之較佳實施例，並非用以限定本創作之申請專利範圍，因此凡其它未脫離本創作所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含於本案之申請專利範圍內。