TWM572994U - 多點光源式圖案投射器 - Google Patents

Abstract

一種多點光源式圖案投射器，包括提供球面波形式的複數個雷射發光 點的一多點光源模組以及接收該些雷射發光點的一繞射光學元件間隔設置。複數雷射發光點排列成一第一圖案，單點雷射光源通過繞射光學元件可產生單元圖案，多點雷射光源通過繞射光學元件後產生的該些單元圖案可組成一新的圖案。

Description

多點光源式圖案投射器

本案是關於一種以雷射點組成圖案產生器的領域，尤其是一種以多點光源產生圖案或亂點的圖案產生器。

參考圖1，單點雷射光100發出一雷射光束111通過準直透鏡110和繞射光學元件112(Diffractive Optical Element,DOE)後，可產生一圖案116投射於一距離內的投影面114上，此時出現在圖案116上或圖案116外的零階(zero order)光點115的亮度通常遠大於圖案116。參考圖2，圖1的架構下、通過繞射光學元件113後投射在投影面114上的也可以是規則或不規則排列的多光點118，其中零階光點115的亮度仍遠大於其他光點118，如此存在亮度突出的零階光點限制了此種設計的應用。

本案提供一種多點光源式圖案投射器，於圖案投射前的光路上無須使用透鏡或微透鏡陣列，避免組裝透鏡或微透鏡陣列的繁複工序。

本案提供一種多點光源式圖案投射器，多點雷射光源發出的光直接通過繞射光學元件(Diffractive Optical Element,DOE)後所投射出圖案不會形成干涉暗紋或斑點(speckle)，亦不會有特別亮的零階亮點。

本案提供一種多點光源式圖案投射器，以繞射光學元件取代全像光學元件(Holographic Optical Element,HOE)的深紋路繞射元件，產生較大張角且強度均勻的圖案。

依據上述，一種多點光源式圖案投射器，包括：一多點光源模組，其提供球面波形式的複數雷射發光點作為多點光源並發射出多點光源球面波，其中，該些雷射發光點排列成一第一圖案；及一繞射光學元件，其置於多點光源球面波的發射方向路徑上並和該多點光源模組之間有一間隔距離，其中，任一該雷射發光點通過該繞射光學元件後產生一單元圖案，該些雷射發光點通過該繞射光學元件後產生該複數單元圖案，該複數單元圖案組成一第二圖案。

一例中，該些單元圖案以拼接方式或錯位重疊方式組成該第二圖案。

一例中，構成該單元圖案的一圖案光點是一擴大的光斑，且該第二圖案由該複數光斑組成。

一例中，該第一圖案為一維點陣列，該單元圖案為另一一維點陣列，該第二圖案為連續的一直線圖案。

一例中，該第一圖案為規則排列的點陣列，該單元圖案為另一規則排列的點陣列，該第二圖案為點陣列。

一例中，該第一圖案為一規則排列的點陣列，該單元圖案為一不規則排列的點陣列，該第二圖案為由該複數單元圖案以拼接方式組成的點陣列。

一例中，該第一圖案為一不規則排列的點陣列，該單元圖案為一規則排列的點陣列，該第二圖案為由該複數單元圖案以錯位重疊方式組成的圖形。

一例中，該第一圖案為一不規則排列的點陣列，該單元圖案為另一不規則排列的點陣列，該第二圖案為由該複數單元圖案以錯位重疊方式組成的點陣列。

一例中，該第一圖案和該單元圖案的任一該不規則排列的點陣列的一中間區域的點分布密度高於一旁邊區域的點分布密度，該第二圖案的點陣列的大部分區域的點分布密度均勻。

1、3、5‧‧‧多點光源式圖案投射器

6、7、9‧‧‧垂直共振腔面射雷射

10‧‧‧多點光源模組

12‧‧‧單點光源

14、16‧‧‧雷射點光束

13、31、33、35、37‧‧‧垂直共振腔面射雷射開孔

15、38、39‧‧‧第一圖案

20‧‧‧繞射光學元件

50‧‧‧目標處

43、51、59、63、63a、63b、63c、63d‧‧‧圖案光點

53、57、61、65、69、71、73、75‧‧‧單元圖案

54、56、58、60、62、64、66、74、76‧‧‧第二圖案

67‧‧‧區塊

55‧‧‧光斑

100‧‧‧單點雷射光

111‧‧‧雷射光束

110‧‧‧準直透鏡

112、113‧‧‧繞射光學元件

114‧‧‧投影面

115‧‧‧零階光點

116‧‧‧圖案

118‧‧‧光點

L‧‧‧軸

圖1為習知的一雷射光源圖案投射器的第一實施例模組的配置立體示意圖。

圖2為習知的一雷射光源圖案投射器的第二實施例模組的配置立體示意圖。

圖3為本案的多點光源式圖案投射器之任一單點光源的第一實施例模組的配置立體示意圖。

圖4為圖3之多點光源的第一實施例模組的配置立體示意圖。

圖5為本案的多點光源式圖案投射器之任一單點光源的第二實施例模組的配置立體示意圖。

圖6為圖5之多點光源的第二實施例模組的配置立體示意圖。

圖7為本案的多點光源式圖案投射器第三實施例的多個垂直共振腔面射雷射開孔、單點光源經過繞射光學元件後形成的單元圖案和多點光源經過繞射光學元件後形成的第二圖案的正面示意圖。

圖8為本案的多點光源式圖案投射器第四實施例的多個垂直共振腔面射雷射開孔、單點光源經過繞射光學元件後形成的單元圖案和多點光源經過繞射光學元件後形成的第二圖案的正面示意圖。

圖9為本案的多點光源式圖案投射器第五實施例的多個垂直共振腔面射雷射開孔、單點光源經過繞射光學元件後形成的單元圖案和多點光源經過繞射光學元件後形成的第二圖案的正面示意圖。

圖10為本案的多點光源式圖案投射器第六實施例的多個垂直共振腔面射雷射開孔、單點光源經過繞射光學元件後形成的單元圖案和多點光源經過繞射光學元件後形成的第二圖案的正面示意圖。

圖11為本案的多點光源式圖案投射器第六實施例的第二圖案的區塊的正面示意圖。

圖12為本案的多點光源式圖案投射器第七實施例的多個垂直共振腔面射雷射開孔、單點光源經過繞射光學元件後形成的單元圖案和多點光源經過繞射光學元件後形成的第二圖案的正面示意圖。

圖13為本案的多點光源式圖案投射器第八實施例的多個垂直共振腔面射雷射開孔、單點光源經過繞射光學元件後形成的單元圖案和多點光源經過繞射光學元件後形成的第二圖案的正面示意圖。

本案以下所述的目標處為一特定著光面，其可以是經過繞射光學元件(DOE)後雷射光點分布投射的一平面、弧面、曲面或凹凸不一的輪廓，以下的實施例以平面做說明，而一般的觀察者，無論是人或是攝像機(camera)皆可看 到在目標處之雷射光點所形成的圖案、亂點分布、多點規則排列等視覺效果。為方便說明，以下實施例將以圖式將各部分以不同比例放大說明，圖式各部分的比例並非用以限制本案的創作精神。

以下所稱的多點光源模組，其係發出多道雷射點光束的雷射發光點。原則上，本案應用的每一雷射點光束為球面波，就同一發光平面(光束發射共同面)來看，剛離開同一發光平面(光束發射共同面)的多道雷射點光束係以同一發光平面的法線方向發出，故此謂本案的多道雷射點光束的球面波或平面波彼此平行但不重疊。但可理解的，雷射點光束為具有小發光角的光，是以，在發光平面(光束發射共同面)到繞射光學元件(DOE)之間，具有發光角的多道雷射點光束是有交錯的情形。實現上，本案的每一雷射點光束可由一垂直共振腔面射雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)提供，一垂直共振腔面射雷射經由開孔位置的安排可提供本案的多道雷射點光束，開孔數量、大小和排列是可以設計的。另外，本案以下所謂開孔的點光源，也可更細膩的建立小面光源的波前真實分布模型，更精確地做相位調制，故以下所稱的點光源係涵蓋小面光源，若和繞射光學元件接受多道雷射點光束入射的接收面來比較，發出點光源的開孔的孔大小為幾微米或幾十微米等級，而繞射光學元件接受多道雷射點光束入射的接收面則為1*1或數平方毫米(mm2)的等級。

圖3和圖4分別為本案的多點光源式圖案投射器之任一單點光源和其多點光源的第一實施例模組的配置立體示意圖。參考圖3和圖4，多點光源式圖案投射器1包括一多點光源模組10和一繞射光學元件20，二者以一間隔距離設置且繞射光學元件20在多點光源球面波的發射方向路徑上，其中，多點光源模組10包括複數個單點光源12，每一單點光源12發出一道球面波形式的雷射點光束14， 該些雷射點光束14組合以構成多點光源模組10所提供的複數道球面波形式的雷射點光束16。雷射點光束14、16是直接入射至繞射光學元件20，在多點光源模組10和繞射光學元件20之間，或謂每一單點光源12和繞射光學元件20之間，並不設置其他光學元件，例如透鏡或光纖等，對雷射點光束14、16進行干預，此處所謂的干預，舉例但不限地，例如準直化雷射點光束14、16或改變雷射點光束14、16的行進方向。其次，雷射點光束14、16通過繞射光學元件20並離開多點光源式圖案投射器1後投射至一目標處50而產生圖案、多點規則排列或亂點分布等圖樣在目標處50。為方便說明，多點光源模組10、繞射光學元件20和目標處50沿著L軸間隔設置者。其次，多點光源模組10可利用一垂直共振腔面射雷射的複數個垂直共振腔面射雷射開孔13來實現，雷射光由垂直共振腔面射雷射和單一垂直共振腔面射雷射開孔13即構成單點光源12。

續參考圖3和圖4，於第一實施例中，複數個垂直共振腔面射雷射開孔13是間隔地排列以在垂直共振腔面射雷射上構成一第一圖案15，例如圖4中放大顯示的第一圖案15為一箭號。其次，單點光源12提供的雷射點光束14在通過繞射光學元件20時可被繞射光學元件20複製成複數個光點，因此，在目標處50可得到緊密相接的複數個圖案光點51所構成的單元圖案53為一圖案光塊。其中，此些圖案光點51的亮度大小是相同或相近，不會有亮度突出的情形出現。是以，多點光源模組10提供的包括複數道雷射點光束14的雷射點光束16通過繞射光學元件20時，由於每道雷射點光束14被繞射光學元件20複製，故在目標處50形成由緊密相接或重合的複數個單元圖案53構成的第二圖案54，其中，第一圖案15和第二圖案54的幾何形狀以及個數相同。再者，由於第二圖案54實質上是由單元圖案53緊密相接所構成，故觀察者觀察到的第二圖案54是由連續線條所表現，且不會有突 出的亮點。是以，本案的多點光源式圖案投射器1投射出的第二圖案54具有清晰的幾何形狀，且構成圖案的線條亮度均勻，可做為警示標誌顯示之用。

圖5和圖6分別為本案的多點光源式圖案投射器之任一單點光源和其多點光源的第二實施例模組的配置立體示意圖。和第一實施例的差異在於，透過繞射光學元件的圖案安排，多點光源式圖案投射器3所配備的繞射光學元件23是將雷射點光束14的單點擴大成亮度範圍較廣但仍有較清晰幾何形狀的光斑55(單元圖案)，此處的光斑55的幾何形狀雖以圓形說明，但實現時不以圓形為限。是以，當包括雷射點光束14的雷射點光束16的複數點被繞射光學元件23擴大並投射至目標處50時，所顯示的第二圖案56的幾何形狀仍相同於排列在垂直共振腔面射雷射上的複數個垂直共振腔面射雷射開孔13所形成的第一圖案15。而由亮度範圍較廣的複數個光斑55所構成的第二圖案56仍具有一清晰可辨的幾何形狀，不會變成模糊難辨的圖案。

依據上述實施例，本案可利用垂直共振腔面射雷射開孔所構成的第一圖案和單點光源經過繞射光學元件後形成的單元圖案來安排及由多點光源經過繞射光學元件後形成的第二圖案的變化。圖7為本案的多點光源式圖案投射器第三實施例的多個垂直共振腔面射雷射開孔、單點光源經過繞射光學元件後形成的單元圖案和多點光源經過繞射光學元件後形成的第二圖案的正面示意圖。請參考圖7，多點光源式圖案投射器第三實施例的垂直共振腔面射雷射5具有排列成3*3矩形陣列的垂直共振腔面射雷射開孔33，即9個垂直共振腔面射雷射開孔33間距排列成的第一圖案34為一矩形。其次，由通過任一垂直共振腔面射雷射開孔33發出的單點雷射點光束通過繞射光學元件後在目標處50投射出一單元圖案57，此處的單元圖案57的幾何形狀以一箭號說明但不以箭號為限。再者，由 通過多個垂直共振腔面射雷射開孔33發出的多點雷射點光束通過繞射光學元件後在目標處50投射出一第二圖案58，其中第二圖案58由9個排列成3*3矩形陣列的單元圖案57所組成，可謂第二圖案58的幾何形狀和第一圖案34的幾何形狀一致，且構成第二圖案58的單元圖案57的數目及排列方式是和垂直共振腔面射雷射開孔33的數目及排列方式一致，並且第二圖案58中不會出現特別亮的點。

圖8為本案的多點光源式圖案投射器第四實施例的多個垂直共振腔面射雷射開孔、單點光源經過繞射光學元件後形成的單元圖案和多點光源經過繞射光學元件後形成的第二圖案的正面示意圖。和第三實施例不同之處在於，垂直共振腔面射雷射6具有排列成一維線性陣列的垂直共振腔面射雷射開孔35，故第一圖案36是一長條，其中垂直共振腔面射雷射開孔35可以緊密相接或分開。通過任一垂直共振腔面射雷射開孔35發出的單點雷射點光束通過繞射光學元件後在目標處50投射出一單元圖案61是由複數圖案光點59所構成的長條圖案，其中圖案光點59的間距、光點大小和數目可依繞射光學元件的設計決定，且圖案光點59亦不會有特別亮的點。又，通過多垂直共振腔面射雷射開孔35發出的多點雷射點光束通過繞射光學元件後在目標處50投射出一第二圖案62是由複數單元圖案61所構成的線性圖案，其中數目和排列間距皆可設計的彈性使得所顯示的第二圖案62可以為一連續的直線。是以，光源的點數(開孔數)、點間距、及DOE受單一點光源時的點數、點間距可互相匹配，使多點光源各發光點經DOE後產生的多個光點，在屏幕或牆壁或物體上，組合成均勻的直線且無特亮的零階光點。

依據上述，多個單元圖案組合成本案的第二圖案，組合的方式包括二種：拼接方式和錯位重疊方式。於本案中，拼接方式是指相鄰的二個單元圖案之間無重疊地組成第二圖案；錯位重疊方式則是指相鄰的二個單元圖案之間有 錯位而形成部分重疊地組成第二圖案。其次，第一圖案和單元圖案皆可為規則圖案或不規則圖案，其組合變化詳述如後。

圖9為本案的多點光源式圖案投射器第五實施例，第五實施例為單元圖案以拼接方式組成第二圖案。多個垂直共振腔面射雷射7的多開孔37呈規則二維矩形矩陣圖案38(第一圖案)，單點光源通過DOE後投射的單元圖案65由呈規則二維矩形矩陣排列的圖案光點63所組成，多點光源通過DOE後投射的第二圖案64則由單元圖案65規則拼接所形成。

圖10為本案的多點光源式圖案投射器第六實施例，圖11為圖10的部分放大示意圖，第六實施例為單元圖案以錯位重疊方式組成第二圖案。參考圖10和圖11，在二維方向上、單元圖案65以錯位重疊的方式構成第二圖案66的區塊67，其中，區塊67包括四個單元圖案65的全部和部分的圖案光點。如圖11所示，區塊67包括第一單元圖案的9個圖案光點63a、第二單元圖案的3個圖案光點63b、第三單元圖案的3個圖案光點63c以及第四單元圖案的1個圖案光點63d，即以二維方向來看，每一維皆以錯位重疊方式排列單元圖案。可以理解的，上述第二圖案的區塊大小、區塊所包括的單元圖案數目和其圖案光點數目係用以舉例而非限制本創作範圍

圖12為本案的第七實施例，多個垂直共振腔面射雷射7的多開孔37呈規則排列的二維矩形矩陣，單點光源通過DOE後投射的單元圖案75為不規則排列但分布密度均勻的圖案光點。多點雷射點投射出的第二圖案76則是通過多個單元圖案75以拚接方式形成的，形成不規則排列但分布密度均勻的二維點矩陣圖案。

圖13為本案的第八實施例，和圖12的第七實施例相較，第八實施例的第一圖案39為不規則排列的二維矩形矩陣，單元圖案69為圖案光點規則排列的二維矩形矩陣，第二圖案74則由單元圖案69以錯位重疊方式組成的。

可以理解的，透過開孔的設計讓多點雷射發光點的分布密度差異化，經過繞射光學元件後，投射出的圖案光點的分布密度仍可以是均勻或是差異化的。本案的垂直共振腔面射雷射的多開孔所排列的第一圖案和單點雷射投射的單元圖案亦皆可為不規則排列和分布密度均勻或不均(包括密度差異化)，經過多點雷射點投射出的第二圖案可透過適當的部分重疊或鄰接的方式拼接成分布密度均勻或不均勻、規則或不規則排列的圖案。

可以理解的，本案的第一圖案和單元圖案亦可皆為不規則的。舉例來說，第一圖案或單元圖案的不規則排列可以是位於圖案的中間區域的開孔或圖案光點的密度較高；位於圖案的旁邊區域的開孔或圖案光點的密度較疏。透過錯位重疊的方式使得相鄰的單元圖案的錯位較多，如此組合成的第二圖案的大部分區域的圖案光點的點密度分布可以是均勻的，僅有邊緣處的點密度分布除外。

依據上述，本案的多點光源式圖案投射器可以產生變化豐富的投射點。多開孔的規則或不規則排列構成第一圖案；任一開孔發出的單點雷射通過DOE後可形成多圖案光點規則或不規則排列的光點分布構成單元圖案；多開孔發出的多點雷射發光點通過DOE後可形成多圖案光點規則或不規則排列的光點分布組成第二圖案，多個單位圖案可以以拼接或錯位重疊方式使得第二圖案中的圖案光點的分布更加多樣化，並且沒有特別亮的光點。

以上所述僅為本創作的較佳實施例，並非用以限定本創作的權利要求範圍，因此凡其他未脫離本創作所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含于本創作的範圍內。

Claims (10)

1. 一種多點光源式圖案投射器，包括：一多點光源模組，其提供球面波形式的複數雷射發光點作為多點光源並發射出多點光源球面波，其中，該些雷射發光點排列成一第一圖案；及一繞射光學元件，其置於多點光源球面波的發射方向路徑上並和該多點光源模組之間有一間隔距離，其中，任一該雷射發光點通過該繞射光學元件後產生一單元圖案，該些雷射發光點通過該繞射光學元件後產生複數該單元圖案，該複數單元圖案組成一第二圖案。
2. 如請求項1所述的多點光源式圖案投射器，其中，該些單元圖案以拼接方式或錯位重疊方式組成該第二圖案。
3. 如請求項2所述的多點光源式圖案投射器，其中，構成該單元圖案的一圖案光點是一擴大的光斑，且該第二圖案由該複數光斑組成。
4. 如請求項2所述的多點光源式圖案投射器，其中，該第一圖案為一維點陣列，該單元圖案為另一一維點陣列，該第二圖案為連續的一直線圖案。
5. 如請求項2所述的多點光源式圖案投射器，其中，該第一圖案為一規則排列的點陣列，該單元圖案為另一規則排列的點陣列，該第二圖案為一點陣列。
6. 如請求項1所述的多點光源式圖案投射器，其中，該第一圖案為一規則排列的點陣列，該單元圖案為一不規則排列的點陣列，該第二圖案為由該複數單元圖案以拼接方式組成的點陣列。
7. 如請求項1所述的多點光源式圖案投射器，其中，該第一圖案為一不規則排列的點陣列，該單元圖案為一規則排列的點陣列，該第二圖案為由該複數單元圖案以錯位重疊方式組成的圖形。
8. 如請求項1所述的多點光源式圖案投射器，其中，該第一圖案為一不規則排列的點陣列，該單元圖案為另一不規則排列的點陣列，該第二圖案為由該複數單元圖案以錯位重疊方式組成的點陣列。
9. 如請求項8所述的多點光源式圖案投射器，其中，該第一圖案和該單元圖案的任一該不規則排列的點陣列的一中間區域的點分布密度高於一旁邊區域的點分布密度。
10. 如請求項9所述的多點光源式圖案投射器，其中，該第二圖案的點陣列的大部分區域的點分布密度均勻。