光学装置以及具有光学装置的智能系统的制作方法

本实用新型是关于一种光学装置，尤其是关于一种提供结构光的光学装置以及具有光学装置的智能系统。

背景技术：

随着生活水准的提升，人们对于光学装置能提供的功能有更多的诉求，其中立体(3d)感测技术正蓬勃发展，并被广泛地应用于各种领域，如人脸识别、人机互动等。目前，立体感测技术主要可分为立体视觉(stereovision)、结构光(structuredlight)以及飞行时间(timeofflight，tof)，且上述技术的发展皆已具备商业化应用的水准。

其中，现有利用立体感测技术的电子装置大都以垂直腔面发射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglaser，vcsel)搭配设置于光路上的扩散片(diffuser)作为用来量测距离及/或获得深度信息的发光源，如苹果公司(appleinc)所生产的手机(iphone)，亦如公开号为us20170370554的美国专利所揭露。然而，垂直腔面发射激光器的能量转换效率过低，约仅有28％～35％，且单一垂直腔面发射激光器搭配单一扩散片能投射出的光点数量不多，约2000点～4000点，导致光学装置的量测分辨率无法被有效提升。若是为了提升量测分辨率而采用多个垂直腔面发射激光器搭配多个扩散片，却会增加制造成本以及光学装置的体积。是以，现有的光学装置具有改善的空间。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种光学装置，能够提升光学装置的感测分辨率并达到微型化光学装置的效果。

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种具有上述光学装置并可依据光学装置所提供的场景信息而进行控制作业、监管作业及/或大数据分析作业的智能系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种光学装置，该光学装置包括一结构光投射模块以及一深度感测模块，该结构光投射模块包括一边射型激光单元、一反射光学元件以及一衍射光学元件，该边射型激光单元用以输出一激光光束；该反射光学元件用以反射该激光光束；该衍射光学元件用以对来自该反射光学元件的该激光光束进行光束整型，而使该激光光束形成一结构光并予以向外投射至一受测场景；该深度感测模块用以感测该受测场景的该结构光而产生并输出至少一结构光感测信号至一信号处理模块，且该信号处理模块依据该至少一结构光感测信号获得该受测场景的至少一深度信息。

较佳地，该光学装置还包括一彩色摄像头(rgbcamera)，该彩色摄像头用以拍摄该受测场景而产生并输出至少一彩色感测信号至该信号处理模块，且该信号处理模块依据该至少一彩色感测信号获得该受测场景的至少一彩色信息。

较佳地，该信号处理模块用以对该至少一深度信息以及该至少一彩色信息进行映射匹配而产生一彩色深度图像(rgb-dimage)。

较佳地，该深度感测模块包括两个近红外线(nir)摄像头，且每一该近红外线摄像头包括一近红外线镜头以及一近红外线感测元件，其中，该近红外线镜头位于该受测场景与该近红外线感测元件之间。

较佳地，该信号处理模块包括一双目与彩色信号处理单元，该双目与彩色信号处理单元用以依据该两个近红外线摄像头所产生并输出的该至少一结构光感测信号而获得该至少一深度信息，并对该至少一深度信息以及该至少一彩色信息进行映射匹配而产生输出该彩色深度图像。

较佳地，该信号处理模块还包括一场景信息产生单元，该场景信息产生单元电性连接于该双目与彩色信号处理单元以接收该彩色深度图像；其中，该场景信息产生单元是透过对一关联数据资料库进行深度学习(deeplearning)而获得一数据模型，并依据该数据模型以及该彩色深度图像而获得该受测场景的一场景信息。

较佳地，该信号处理模块还包括一信息传输端口，而该场景信息包括手部姿势及/或手部位置；其中，该场景信息是经由该信息传输端口而被传送至一外部装置以供该外部装置应用。

较佳地，该深度感测模块包括一飞行时间(tof)摄像头，且该飞行时间摄像头包括一飞行时间镜头以及一飞行时间感测元件；其中，该飞行时间镜头位于该受测场景与该飞行时间感测元件之间。

较佳地，该信号处理模块包括一飞行时间与彩色信号处理单元，该飞行时间与彩色信号处理单元用以依据该飞行时间感测元件所产生并输出的该至少一结构光感测信号而获得该至少一深度信息，并对该至少一深度信息以及该至少一彩色信息进行映射匹配而产生输出该彩色深度图像。

较佳地，该信号处理模块还包括一场景信息产生单元，该场景信息产生单元电性连接于该飞行时间与彩色信号处理单元以接收该彩色深度图像；其中，该场景信息产生单元是透过对一关联数据资料库进行深度学习(deeplearning)而获得一数据模型，并依据该数据模型以及该彩色深度图像获得该受测场景的一场景信息。

较佳地，该信号处理模块还包括一信息传输端口，而该场景信息为人数信息；其中，该人数信息是经由该信息传输端口而被传送至一外部装置，以供该外部装置应用。

较佳地，该结构光投射模块还包括一准直光学元件，该准直光学元件设置于该反射光学元件与该衍射光学元件之间，用以准直被该反射光学元件反射的该激光光束。

较佳地，该光学装置还包括该信号处理模块。

较佳地，当该结构光投射至该受测场景时，该受测场景中呈现多个结构光图案，且该多个结构光图案的数量大于或等于一万。

本实用新型还提供一种光学装置，该光学装置包括一结构光投射模块、一第一近红外线(nir)摄像头以及一第二近红外线(nir)摄像头，该结构光投射模块包括一边射型激光单元、一反射光学元件以及一衍射光学元件，该边射型激光单元用以输出一激光光束；该反射光学元件用以反射该激光光束；该衍射光学元件用以对来自该反射光学元件的该激光光束进行光束整型，而使该激光光束形成一结构光并予以向外投射至一受测场景；该第一近红外线摄像头以一第一摄像角度感测该受测场景的该结构光而产生并输出至少一第一结构光感测信号至一信号处理模块；该第二近红外线摄像头以一第二摄像角度感测该受测场景的该结构光而产生并输出至少一第二结构光感测信号至该信号处理模块；其中，该信号处理模块依据该至少一第一结构光感测信号以及该至少一第二结构光感测信号获得该受测场景的至少一深度信息。

较佳地，该信号处理模块至少透过该至少一深度信息而获得该受测场景的一手部姿势及/或一手部位置。

较佳地，该光学装置还包括一彩色摄像头(rgbcamera)，该彩色摄像头用以拍摄该受测场景而产生并输出至少一彩色感测信号至该信号处理模块，且该信号处理模块依据该至少一彩色感测信号获得该受测场景的至少一彩色信息，并对该至少一深度信息以及该至少一彩色信息进行映射匹配而产生一彩色深度图像(rgb-dimage)。

本实用新型亦提供一种光学装置，该光学装置包括一结构光投射模块以及一飞行时间(tof)摄像头，该结构光投射模块包括一边射型激光单元、一反射光学元件以及一衍射光学元件，该边射型激光单元用以输出一激光光束；该反射光学元件用以反射该激光光束；该衍射光学元件用以对来自该反射光学元件的该激光光束进行光束整型，而使该激光光束形成一结构光并予以向外投射至一受测场景；该飞行时间摄像头用以感测该受测场景的该结构光而产生并输出至少一结构光感测信号至一信号处理模块，且该信号处理模块依据该至少一结构光感测信号获得该受测场景的至少一深度信息。

较佳地，该信号处理模块至少透过该至少一深度信息而获得该受测场景的一人数信息。

较佳地，该光学装置还包括一彩色摄像头(rgbcamera)，该彩色摄像头用以拍摄该受测场景而产生并输出至少一彩色感测信号至该信号处理模块，且该信号处理模块依据该至少一彩色感测信号获得该受测场景的至少一彩色信息，并对该至少一深度信息以及该至少一彩色信息进行映射匹配而产生一彩色深度图像(rgb-dimage)。

本实用新型还提供一种智能系统，该智能系统包括多个光学装置以及一外部装置，每一光学装置包括一结构光投射模块、一深度感测模块以及一信号处理模块，该结构光投射模块是将一边射型激光单元所输出的一激光光束形成一结构光并予以向外投射至一受测场景；该深度感测模块用以感测该受测场景的该结构光而产生并输出至少一结构光感测信号；该信号处理模块信号连接于该深度感测模块以接收该至少一结构光感测信号，并至少依据该至少一结构光感测信号获得该受测场景的至少一场景信息；该外部装置信号连接于该多个光学装置以接收该多个光学装置所输出的该场景信息，并依据该场景信息而进行一控制作业、一监管作业及/或一大数据分析作业。

较佳地，该信号处理模块是透过对一关联数据资料库进行深度学习(deeplearning)而获得一数据模型，并至少依据该数据模型以及该至少一结构光感测信号而获得该受测场景的该至少一场景信息。

本实用新型的光学装置将衍射光学元件设置于边射型激光单元所输出的激光光束的光路径上，以此对激光光束进行光束整型而向受测场景投射结构光，且受测场景于被结构光投射时可呈现众多数量的特定结构光图案，进而提升光学装置的感测分辨率并达到微型化光学装置的效果。

附图说明

图1：为本实用新型光学装置于一第一较佳实施例的方块概念示意图。

图2：为图1所示光学装置的结构光投射模块的结构概念示意图。

图3：为图1所示光学装置的第一近红外线摄像头的一较佳方块概念示意图。

图4：为图1所示光学装置的彩色摄像头的一较佳方块概念示意图。

图5：为图1所示光学装置的信号处理模块的一较佳方块概念示意图。

图6：为本实用新型光学装置于一第二较佳实施例的方块概念示意图

图7：为图6所示光学装置的飞行时间摄像头的一较佳方块概念示意图。

图8：为图6所示光学装置的信号处理模块的一较佳方块概念示意图。

图9：为本实用新型智能系统于一较佳实施例的方块概念示意图。

具体实施方式

本实用新型的实施例将借由下文配合相关图式进一步加以解说。尽可能的，于图式与说明书中，相同标号是代表相同或相似构件。于图式中，基于简化与方便标示，形状与厚度可能经过夸大表示。可以理解的是，未特别显示于图式中或描述于说明书中的元件，为所属技术领域中普通技术人员所知的形态。本领域的普通技术人员可依据本实用新型的内容而进行多种的改变与修改。

请参阅图1，其为本实用新型光学装置于一第一较佳实施例的方块概念示意图，光学装置1包括结构光投射模块11、深度感测模块12以及彩色摄像头(rgbcamera)13；其中，当结构光投射模块11将其所产生的结构光向外投射至受测场景时，深度感测模块12可感测受测场景的结构光而产生相对应的结构光感测信号s12，而彩色摄像头13亦可拍摄受测场景而产生相对应的彩色感测信号s13。可选择地，光学装置1还包括电性连接于深度感测模块12以及彩色摄像头13的信号处理模块14，用以分别接收由深度感测模块12所输出的结构光感测信号s12以及由彩色摄像头13所输出的彩色感测信号s13，并分别依据结构光感测信号s12及彩色感测信号s13而获得受测场景的深度信息及彩色信息，进而对深度信息与彩色信息进行映射匹配(mapping)而产生彩色深度图像(rgb-dimage)。

请参阅图2，其为图1所示光学装置的结构光投射模块的结构概念示意图。结构光投射模块11包括边射型激光(edgeemittinglaser，eel)单元111、反射光学元件112以及衍射光学元件113，且边射型激光单元111与反射光学元件112于空间上呈水平相邻设置，而衍射光学元件113设置于边射型激光单元111与反射光学元件112的上方；其中，边射型激光单元111用以输出激光光束l，且激光光束l是以近乎水平的方式入射至反射光学元件112上，再从反射光学元件112上近乎垂直地向上反射以往衍射光学元件113的方向行进，而衍射光学元件113则可对通过其中的激光光束l进行光束整型而使激光光束l形成结构光并予以向外输出。其中，透过对衍射光学元件113的设计，如透过对衍射光学元件113中的纹路或微结构设计，受测场景可于被结构光投射时呈现特定数量的特定结构光图案。较佳者，但不以此为限，结构光投射模块11还包括设置于反射光学元件112与衍射光学元件113之间的准直光学元件114，用以准直被反射光学元件112反射的激光光束l。

再者，于本较佳实施例中，为了不影响受测场景的视觉呈现，边射型激光单元111所输出的激光光束l为不可见光束，如近红外线(nir)光束，而深度感测模块12包括第一近红外线摄像头121以及第二近红外线摄像头122。请同步参阅图3，其为图1所示光学装置的第一近红外线摄像头的一较佳方块概念示意图。第一近红外线摄像头121包括近红外线感测元件1211以及近红外线镜头1212，且近红外线镜头1212位于受测场景与近红外线感测元件1211之间，而近红外线感测元件1211用以感测来自受测场景并穿经近红外线镜头1212的近红外线光束。此外，第二近红外线摄像头122的结构组成如同第一近红外线摄像头121的结构组成，故不再予以赘述。其中，当结构光投射模块11投射结构光至受测场景而使得受测场景中呈现结构光图案时，第一近红外线摄像头121可以第一摄像角感测呈现在受测场景的结构光图案而产生输出至少一第一结构光感测信号s121，而第二近红外线摄像头122可以第二摄像角感测呈现在受测场景的结构光图案而产生输出至少一第二结构光感测信号s122。

此外，请同步参阅图4，其为图1所示光学装置的彩色摄像头的一较佳方块概念示意图。彩色摄像头13包括彩色感测元件131以及位于受测场景与彩色感测元件131之间的彩色镜头132，彩色感测元件131可例如为感光耦合元件(chargecoupleddevice，ccd)或互补性金属氧化物半导体(complementarymetal-oxidesemiconductor，cmos)，用以感测来自受测场景并穿过彩色镜头132的彩色光束，并依据其感测结果而产生输出至少一彩色感测信号s13。较佳者，但不以此为限，彩色摄像头13还包括设置于彩色感测元件131与彩色镜头132之间的红外切除滤波器133，用以过滤来自受测场景的近红外线光束，避免近红外线光束投射至彩色感测元件131而影响彩色感测元件131的感测结果。

请参阅图5，其为图1所示光学装置的信号处理模块的一较佳方块概念示意图。于本较佳实施例中，信号处理模块14为可以提供andriod作业环境或linux作业环境并采用系统单芯片(systemonachip，soc)的硬件装置，但不以上述为限。其中，信号处理模块14包括双目与彩色信号处理单元141，其接收来自第一近红外线摄像头121的第一结构光感测信号s121以及来自第二近红外线摄像头122的第二结构光感测信号s122并予以进行相应的标定与校正，借以获得受测场景的至少一深度信息，双目与彩色信号处理单元141还接收来自彩色摄像头13的彩色感测信号s13并予以进行相应的标定与校正，借以获得受测场景的至少一彩色信息；之后，双目与彩色信号处理单元141再对深度信息以及彩色信息进行映射匹配而产生输出彩色深度图像s141。

于一实施态样中，信号处理模块14还包括电性连接于双目与彩色信号处理单元141的场景信息产生单元142，其用以接收从双目与彩色信号处理单元141输出的彩色深度图像s141，并透过人工智能的方式对彩色深度图像s141进行影像处理与分析而获得受测场景的场景信息s142。

进一步而言，于本实施态样中，场景信息产生单元142可透过对一关联数据资料库进行深度学习(deeplearning)而获得一数据模型，进而可依据该数据模型及其所接收的彩色深度图像s141而获得受测场景的场景信息s142，其中，深度学习(deeplearning)的方式可透过类神经网络1421的方式实现，但不以上述为限。于一使用情境中，场景信息产生单元142所获得的场景信息s142可包括受测场景中的手部姿势及/或手部位置，故本实用新型光学装置1可被应用于手势识别及/或手部运动轨迹的追踪，进而能够提供使用者人机互动的作业环境。

较佳者，但不以此为限，信号处理模块14还包括电性连接于人体器官信息撷取单元142的信息传输端口143，其可为通用串行总线(usb)接口、吉比特以太网(gigbitethernet，gige)接口或无线热点(wifi)接口，但不以上述为限，且场景信息产生单元142所获得的场景信息s142可经由信息传输端口143而被传送至外部装置9以供外部装置9使用。

于一使用情境中，外部装置9可为一游戏装置或游戏装置中的一部件，当外部装置9经由信息传输端口143而接收场景信息s142(例如为手部姿势及/或手部位置)时，可依据场景信息s142而进行相关的游戏控制。于一另一使用情境中，外部装置9可为一电梯或电梯中的一部件，当外部装置9经由信息传输端口143而接收场景信息s142(例如为手部姿势及/或手部位置)时，可依据场景信息s142而进行相关的电梯控制，例如当使用者比出手势2时可控制电梯往二楼行进。

请参阅图6，其为本实用新型光学装置于一第二较佳实施例的方块概念示意图。光学装置2包括结构光投射模块21、深度感测模块与彩色摄像头(rgbcamera)23，其中，本较佳实施例的结构光投射模块21与彩色摄像头23的具体实施结构大致类似于第一较佳实施例中所述者(亦大致类似图2与图4所示)，故在此不再予以赘述。而本较佳实施例与第一较佳实施例的不同处之一在于深度感测模块采用的是飞行时间(tof)摄像头22。

请参阅图7，其为图6所示光学装置的飞行时间摄像头的一较佳方块概念示意图。飞行时间摄像头22包括飞行时间感测元件221以及位于受测场景与飞行时间感测元件221之间的飞行时间镜头222，当结构光投射模块21投射结构光至受测场景而使得受测场景中呈现多个光点形式的结构光图案时，飞行时间感测元件221可分别感测从每一呈光点形式的结构光图案处反射且进而穿经飞行时间镜头222的激光光束，并分别依据接收到每一激光光束的时间而产生输出多个结构光感测信号s22至信号处理模块24。较佳者，但不以此为限，飞行时间摄像头22还包括设置于飞行时间感测元件221与飞行时间镜头222之间的近红外带通滤波器223，用以使符合特定波段区间的激光光束投射至飞行时间感测元件221。

请参阅图8，其为图6所示光学装置的信号处理模块的一较佳方块概念示意图。于本较佳实施例中，信号处理模块24为可以提供andriod作业环境或linux作业环境并采用系统单芯片(systemonachip，soc)的硬件装置，但不以上述限。其中，信号处理模块24包括飞行时间与彩色信号处理单元241，其接收来自飞行时间摄像头22的结构光感测信号s22并予以进行相应的标定与校正，借以获得受测场景的至少一深度信息，飞行时间与彩色信号处理单元241还接收来自彩色摄像头23的彩色感测信号s23并予以进行相应的标定与校正，借以获得受测场景的至少一彩色信息；之后，飞行时间与彩色信号处理单元241再对深度信息以及彩色信息进行映射匹配而产生输出彩色深度图像s241。

于一实施态样中，信号处理模块24还包括电性连接于飞行时间与彩色信号处理单元241的场景信息产生单元242，其用以接收从飞行时间与彩色信号处理单元241输出的彩色深度图像s241，并透过人工智能的方式对彩色深度图像s241进行影像处理与分析而获得受测场景的场景信息s242。

进一步而言，于本实施态样中，场景信息产生单元242可透过对一关联数据资料库进行深度学习(deeplearning)而获得一数据模型，进而可依据该数据模型及其所接收的彩色深度图像s241而获得受测场景的场景信息s242，其中，深度学习(deeplearning)的方式可透过类神经网络2421的方式实现，但不以上述为限。于一使用情境中，场景信息产生单元242所获得的场景信息s242可包括受测场景的人数信息，故本实用新型光学装置2可被应用于人流监控及/或客流量的计数。惟，本实用新型光学装置2可获得的场景信息并不以人数信息为限，例如亦可以是包裹数量信息、信件数量信息等。

较佳者，但不以此为限，信号处理模块24还包括电性连接于场景信息产生单元242的信息传输端口243，其可为通用串行总线(usb)接口、吉比特以太网(gigbitethernet，gige)接口或无线热点(wifi)接口，但不以上述为限，且场景信息产生单元242所获得的场景信息s242可经由信息传输端口243而被传送至一外部装置8以供外部装置8使用。

基于上述的说明，本实用新型光学装置可被应用于智能系统。请参阅图9，其为本实用新型智能系统于一较佳实施例的方块概念示意图。智能系统3包括多个光学装置31以及信号连接于该多个光学装置31的外部装置32，且任一光学装置31可为第一较佳实施例中所述的光学装置1，亦可为第二较佳实施例中所述的光学装置2，当然，任一光学装置31也可整合上述二者于其中，亦即任一光学装置31可同时包括有第一近红外线摄像头121、第二近红外线摄像头122、飞行时间摄像头22、双目与彩色信号处理单元141以及飞行时间与彩色信号处理单元241，再依据实际应用需求而选择驱动其中的至少一者。其中，外部装置32是用以接收该多个光学装置31所输出的多个场景信息s31，并依据这些场景信息s31而进行控制作业、监管作业及/或大数据分析作业。

于一使用情境中，智能系统3的多个光学装置31分别设置于一栋大楼的多个电梯，用来进行人数的侦测，而外部装置32可作为这些电梯的中控台，亦即外部装置32可借由收集及整合多个光学装置31所输出的场景信息s31而监控每一电梯的承载人数，并依据每一电梯的承载人数而对这些电梯进行流程控管。于一另一使用情境中，智能系统3的多个光学装置31分别设置于一展场活动的多个展场出入口，用来进行人流的侦测，而外部装置32可作为展场活动结束时的疏流控制台，亦即当展场活动结束时，外部装置32可借由收集及整合多个光学装置31所输出的场景信息s31而获得每一展场出入口的客流量，进而可据以动态决定每一展场出入口应发派的接驳交通工具的数量。当然，上述皆仅为实施例，本技术领域普通技术人员可依据实际应用需求而进行任何均等的变更设计。

特别说明的是，为了有效提升光学装置的深度感测模块的感测分辨率，本实用新型设计将衍射光学元件设置于边射型激光单元所输出的激光光束的光路径上，借此对激光光束进行光束整型，使受测场景于被结构光投射时可呈现数量达一万以上的结构光图案。更进一步而言，由于仅使用单一结构光投射模块就能达成应有的感测分辨率，故光学装置不须再额外增设其它的光源模块而有利于微型化。是以，本实用新型光学装置极具产业利用价值。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的权利要求范围，因此凡其它未脱离本实用新型所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含于本实用新型的权利保护范围内。