可调式光投射器与可调式光侦测器的制作方法

1.本发明是有关于一种光投射器及感测装置，且特别是有关于一种光学感测装置、结构光投射器及可调式光投射器。


背景技术：

2.目前三维感测(3d sensing)的主流技术分为飞行时间法(time of flight；tof)以及结构光技术(structured illumination)。tof技术是利用脉冲激光(pulsed laser)以及互补式金属氧化物半导体(cmos)传感器来测量光反射时间换算成距离。因成本以及构造，一般较适合长距离的物体解析。在结构光技术，利用红外光源(ir source)投影到绕射光学元件(diffractive optical element；doe)以产生二维的绕射图案，再利用传感器来收集反射光。物体的三维距离可利用三角法来换算出来。结构光技术受限于具有固定焦距的投影镜头，因此绕射图型清楚成像的距离也是有限制的，最终导致可被解析物体的距离局限于一小范围内。
3.为解决上述结构光技术的问题，有人提出在镜组中加入变迹透镜(apodized lens)以产生多个焦距的系统。然而，此做法会牺牲掉光效率以及二维绕射图案的点数以及分辨率。
4.此外，在行动装置的三维脸部辨识中，泛光系统与结构光系统皆被采用以达到三维脸部辨识。泛光系统先被用来判断接近的物体是否为人脸，如果接近的物体是人脸，结构光系统便随后被启动且用以判断所侦测到的人脸是否为此行动装置的用户的脸。然而，在一个行动装置中同时采用两个系统(即泛光系统与结构光系统)会占用许多空间，且较为昂贵。


技术实现要素：

5.本发明提供一种可调式光投射器，其使用可调式液晶面板以使光束在结构光与泛光之间切换。
6.根据本发明的一实施例所提供的一种可调式光投射器，其包括光源用以发出光束。固定式光学相位调制器配置于光束的路径上，且用以调制光束的相位。可调式液晶面板配置于光束的路径上，并且可调式液晶面板的一部分区域被配置用以使光束在结构光与泛光之间切换。可调式液晶面板包括：第一基板、第二基板，其中第一基板比第二基板更靠近光源。液晶层，配置于第一基板和第二基板之间；第一电极层；以及一第二电极层，其中第一电极层和第二电极层均配置于第一基板和第二基板其中的一者上，或者分别配置于第一基板和第二基板上；以及驱动器电性连接至光源及可调液晶面板且用以控制光源及控制可调液晶面板以使光束在结构光和泛光之间切换。
7.根据本发明的一实施例所提供的一种可调式光侦测器，其包括：可调式光投射器，包括：光源用以发出光束；固定式光学相位调制器配置于光束的路径上，且用以调制光束的相位；可调式液晶面板配置于光束的路径上，其中可调式液晶面板的一部分区域被配置用
以使光束在结构光与泛光之间切换，可调式液晶面板包括：第一基板、第二基板，其中第一基板比第二基板更靠近光源；液晶层，配置于第一基板和第二基板之间；第一电极层；以及第二电极层，其中第一电极层与第二电极层均配置于第一基板与第二基板的其中之一上，或分别配置于第一基板与第二基板上；以及一驱动器，电性连接至光源及可调液晶面板，且用以控制光源及控制可调液晶面板以使光束在结构光与泛光之间切换；以及传感器，用以感测由可调式光投射器发射，经反射的结构光或泛光。
8.根据本发明的一实施例所提供的一种可调式光投射器中，可调式液晶面板的一部分区域被配置用以使光束在结构光与泛光之间切换，因此，本发明的一实施例将液晶面板、泛光系统和结构光系统集成到单个系统中，降低了具有结构光和泛光功能的电子装置的成本和体积。
9.为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
10.包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
11.图1a是根据本发明一些实施例的可调式光投射器的剖面示意图；
12.图1b是根据本发明一些实施例的液晶面板的上视示意图；
13.图2a、2b、2c以及2d分别是根据本发明一些实施例的可调式光投射器在结构光模式和泛光模式的剖面示意图；
14.图3a-3d是根据本发明一些实施例的可调式光投射器的剖面示意图
15.图4a-4d是根据本发明一些实施例的第一电极层的上视示意图；
16.图5a及5b是根据本发明一些实施例的可调式液晶面板的剖面示意图；
17.图6a-6c分别是图4d所示的第一电极层的不同变化的上视示意图；
18.图7a-7d是根据本发明一些实施例的可调式液晶面板的剖面示意图；
19.图8a及8b是根据本发明一些实施例的液晶层的上视示意图；
20.图9是根据本发明一些实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。
21.附图标号说明：
22.10：电子装置
23.100、100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g、100h：可调式液晶面板
24.110：第一基板
25.112：第二基板
26.120、120g：第一电极层
27.120a：微开口
28.122、122g、122h：第二电极层
29.130：液晶层
30.130a：液晶分子
31.132：聚合物网络
32.140：滤光片
33.150：第一偏振片
34.152：第二偏振片
35.160：背光层
36.170、170d：第一配向层
37.172、172d：第二配向层
38.200：可调式光投射器
39.210：光源
40.211：光束
41.220：固定式光学相位调制器
42.230：驱动器
43.300：传感器
具体实施方式
44.现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。
45.另外，为了易于描述，本文中可使用诸如“之下(underlying)”、“下方(below)”、“下(lower)”、“上覆(overlying)”、“上(upper)”、“顶(top)”、“底(bottom)”、“左(left)”、“右(right)”及类似者的空间相对术语，来描述如图中所绘示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。除了诸图中所描绘的定向以外，空间相对术语亦意欲涵盖装置在使用或操作中的不同定向。装置可以其他方式定向(旋转90度或处于其他定向)，且本文中所使用的空间相对描述词可同样相应地进行解译。
46.图1a是根据本发明一些实施例的可调式光投射器的剖面示意图。请参照图1a，该实施例中的可调式光投射器200至少包括一个光源210(图1a示出多个光源210)、一固定式光学相位调制器220、一可调式液晶面板100以及一驱动器230。光源210用以发出多个光束211(图1a示出了发射光束211的光源210)。在本实施例中，光源210分别是垂直共振腔面射型激光(vcsel)的多个发光区域(或发光点)、多个边射型激光(eel)，或多个其他适当的激光发射器或激光二极管。在本实施例中，光源210发出红外光(ir)。
47.固定式光学相位调制器220配置于光束211的路径上，且用以调制光束的相位。在本实施例中，固定式光学相位调制器220为绕射光学元件(doe)或微透镜阵列，其将光束211调制成结构光或泛光。
48.可调式液晶面板100配置于来自固定式光学相位调制器220的光束211的路径上，并且被配置以使光束211在结构光与泛光之间切换。在一些实施例中，可调式液晶面板100用以将结构光切换为泛光。在一些实施例中，可调式液晶面板100用以将泛光切换为结构光。
49.可调式液晶面板100包括第一基板110、第二基板112、液晶层130、第一电极层120以及第二电极层122。
50.液晶层130配置于第一基板110和第二基板112之间，其中第一基板110在更靠近光源的一侧，而第二基板112在远离光源的一侧。在本实施例中，第一基板110及第二基板112为透明基板，例如为玻璃基板或塑料基板。第一电极层120及第二电极层122可以是由氧化
铟锡(indium tin oxide,ito)、其他导电金属氧化物或其他透明导电材料所制成。
51.图1a绘示第一电极层120是图案化层。然而，在其他实施例中，第二电极层122可以是非图案化层、图案化层或者第一电极层120与第二电极层122两者皆为图案化层。在一些实施例中，第一电极层120与第二电极层122中的至少一者是图案化层。在一些实施例中，第一电极层120与第二电极层122皆为非图案化层。
52.第一电极层120与第二电极层122皆配置于第一基板110与第二基板112的其中之一上，或分别配置于第一基板110与第二基板112上。驱动器230电性连接至光源210及可调液晶面板100。更具体地，驱动器230电性连接至第一电极层120与第二电极层122，且用以改变第一电极层120与第二电极层122之间的电压差，进而使光束211从结构光切换到泛光或从泛光切换到结构光。具体而言，液晶层130的光学空间相位分布会随着此电压差的改变而改变，进而使光束211在结构光与泛光之间切换。
53.可调式液晶面板100更包括彩色滤光片140，第一偏振片150、第二偏振片152以及背光层160。第一偏振片150位于第一基板110以及背光层160之间。彩色滤光片140位于第二基板112以及第二偏振片152之间。
54.当彩色滤光片140接收到由背光层160发射的可见光时，彩色滤光片140将光过滤以产生多种颜色，例如红色、绿色以及蓝色。第一偏振片150以及第二偏振片152用于使背光层160发射的可见光产生偏振。
55.背光层160未覆盖可调式液晶面板100的部分区域，其中部分区域位于可调式光投射器200上方，并且可调液晶面板100的部分区域的面积基本上等同于可调式光投射器200的面积。因此，由光源210发射的光束211能够穿透可调式液晶面板100，且不会被彩色滤光片140、第一偏振片150以及第二偏振片152所阻挡。在一些实施例中，彩色滤光片140、第一偏振片150以及第二偏振片152是可穿透红外光。并且，金属布线以及薄膜晶体管(未绘示)同样未覆盖可调式液晶面板100的部分区域，因此从光源210发射的光束211能够穿透可调式液晶面板100。换言之，在可调式光投射器200前的可调式液晶面板100的材料尽可能减少以提高光源210所发出的结构光或是泛光的强度。
56.对于可调式液晶面板100的部分区域以外的区域则当作一般液晶屏幕使用。
57.在一些实施例中，为了将结构光切换为泛光或将泛光切换为结构光，可调式液晶面板100的部分区域中的液晶分子的取向不同于可调式液晶面板100的其余区域的液晶分子的取向。
58.图1b是根据本发明一些实施例的液晶面板的上视示意图。电子装置10包括可调式液晶面板100。可调式光投射器200占据可调式液晶面板100的一部分区域。传感器300配置于可调式光投射器200附近并且在可调式液晶面板100的外部。可调式光投射器200将结构光或泛光发射向被检测物，传感器用于感测被检测物反射的结构光或泛光。传感器300的位置不限于此。在一些实施例中，传感器300可以在可调式液晶面板100内部。
59.图2a、2b、2c以及2d分别是根据本发明一些实施例的可调式光投射器在结构光模式和泛光模式的剖面示意图。在一些实施例中，固定式光学相位调制器220被配置用以将光束211调制成结构光。例如，在一些实施例中，参照图2a，第一电极层120和第二电极层122之间的电压差大约为零，并且液晶层130的折射率分布是均匀的，使得液晶层130类似透明层。所以，来自固定光学相位调制器220的结构化光会穿透此透明层而仍然为结构光，且可调式
光投射器200是处于结构光模式中。在图2b中，第一电极层120和第二电极层122之间的电压差不等于零，且液晶层130的折射率分布为不均匀，因此液晶层130类似透镜阵列。所以，来自固定式光学相位调制器220的结构光被此透镜阵列转换为泛光，并且可调式光投射器200处于泛光模式。此结构光可以照射在物体上而在物体上形成具有多个点、条纹或具有其他适当图案的光图案。此泛光可均匀地照射物体。
60.在一些实施例中，固定光学相位调制器220被配置用以将光束211调制成泛光。例如，在一些实施例中，请参照图2c，第一电极层120和第二电极层122之间的电压约为零时，且液晶层130的折射率分布是均匀的，因此液晶层130类似透明层。所以，来自固定光学相位调制器220的泛光会穿透此透明层而仍然为泛光，且可调式光投射器200是处于泛光模式中。请参照图2d，第一电极层120和第二电极层122之间的电压差不等于零，且液晶层130的折射率分布为不均匀，使得液晶层130类似透镜阵列。所以，来自固定光学相位调制器220的结构光被此透镜阵列转换为结构光，且可调式光投射器200处于结构光模式。
61.在本实施例中，可调式液晶面板100被用来使光束211从结构光切换为泛光或将光束211从泛光切换为结构光，因此将泛光系统和结构光系统整合成为单一系统，期减少了具有结构光与泛光功能的电子装置的成本与体积。
62.图3a是根据本发明另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。请参照图3a，可调式液晶面板100a类似于图1中的可调式液晶面板100。其主要差异如下所述。在本实施例中，可调液晶面板100a还包括第一配向层170和第二配向层172。第一配向层170配置于第一基板110和液晶分子130a之间，第二配向层172配置于第二基板112和液晶分子130a之间。在本实施例中，第一配向层170配置于第一电极层120和液晶分子130a之间，第二配向层172配置于第二电极层122和液晶分子130a之间。在本实施例中，第一配向层170和第二配向层172是反平行配向层。换句话说，第一配向层170和第二配向层172的配向方向彼此相反。
63.图3b是根据本发明另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。请参照图3b，可调式液晶面板100b类似于图3a中的可调式液晶面板100a。其主要差异如下所述。在本实施例的可调式液晶面板100b中，第一配向层170d和第二配向层172d为垂直配向层。
64.图3c是根据本发明另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。请参照图3c，可调式液晶面板100c类似于图3a中的可调式液晶面板100a。其主要差异如下所述。在本实施例的可调式液晶面板100c中，第一配向层170与第二配向层172d为垂直配向层与一水平配向层的组合。举例而言，第一配向层170为水平配向层，而第二配向层172d为垂直配向层。
65.图3d是根据本发明另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。请参照图3d，可调式液晶面板100c类似于图3a中的可调式液晶面板100a。其主要差异如下所述。在本实施例的可调液晶面板100c中，第一配向层170和第二配向层172d是水平配向层，且第一配向层170的配向方向和第二配向层172的配向方向彼此垂直。在本实施例中，第一配向层170与第二配向层172是配向方向垂直于彼此的水平配向层。
66.藉由第一配向层170和第二配向层172的不同定向组合，当第一电极层120和第二电极层122之间的电压差约为零时，液晶层130中的液晶分子可具有不同的定向，从而产生不同的光学相位。
67.图4a-4d是根据本发明一些实施例的第一电极层的上视示意图。
68.在图4a和图4b中，第一电极层120g和第二电极层122g均配置于同一基板上(例如
第一基板110)，且第一基板120g和第二基板122g皆为图案化层。第一电极层120g和第二电极层122g具有横向电场切换(in-plane switch,ips)的电极设计。具体而言，第一电极层120g包括多个导电微图案120g，第二电极层122g包括多个导电微图案122g。导电微图案120g和导电微图案122g沿一方向(例如图4a和4b中的右方向)交替布置。导电微图案120g和导电微图案122g可以具有如图4a所示的直线形状，称为氧化铟锡(ito)狭缝设计。在一些实施例中，导电微图案120g和导电微图案122g中的每一者可沿着垂直于图4a的图面的一方向延伸。在一些实施例中，导电微图案120g和导电微图案122g可具有如图4b所示的之字形状(zigzag shape)。在一些实施例中，例如图4a和图4b所示，在可调式液晶面板的部分区域中的图案化氧化铟锡(ito)层的电极宽度或电极之间的间距不同于可调式液晶面板的其余区域。在一些实施例中，例如图4a和图4b所示，在可调式液晶面板的部分区域中的图案化氧化铟锡(ito)层的电极的宽度或电极之间的间距与可调液晶面板的其余部分相同。
69.在图4c中，第一电极层120g和第二电极层122g具有边缘场切换(fringe-field switch,ffs)的电极设计。第二电极层122g为平坦连续层，其介于第一电极层120g与第一基板110之间，且第一电极层120g和第二电极层122g通过配置于它们之间的绝缘层110a将彼此绝缘。图4c中的第一电极层120g相同于图4a与图4b中的第一电极层120g的描述。
70.在图4d中，第一电极层120g具有孔图案的电极设计。第二电极层122g为平坦连续层，其介于第一电极层120g与第一基板110之间，且第一电极层120g和第二电极层122通过配置于它们之间的绝缘层110a将彼此绝缘。如图4d所示，第一电极层120g具有多个微开口，形状例如是圆形，也就是孔图案的电极设计。
71.由于第一电极层120和第二电极层122已被图案化，当第一电极层120和第二电极层122之间的电压差不为零时，液晶层130中的液晶分子会根据第一电极层120和第二电极层122之间的电场排列。因此，液晶层130的折射率分布是不均匀的，而可将光绕射成所需的图案。
72.图5a是根据本发明一些实施例，例如图4a和图4b的可调式液晶面板的剖面示意图。请参照图5a，在本实施例中的可调液晶面板100d类似于图3a中的可调液晶面板100a，其主要差异如下所述。在根据该实施例的可调式液晶面板100d中，第一电极层120g和第二电极层122g均配置于同一基板上(例如第一基板110)，且第一基板120g和第二基板122g皆为图案化层。第一电极层120g和第二电极层122g横向电场切换(in-plane switch,ips)的电极设计。具体而言，第一电极层120g包括多个导电微图案120g，且第二电极层122g包括多个导电微图案122g。导电微图案120g和导电微图案122g沿着一方向(例如图5a中的右方向)交替布置。
73.图5b是根据本发明一些实施例，例如图4c和图4d的可调式液晶面板的剖面示意图。本实施例中的可调液晶面板100e类似于图5a的可调液晶面板100d，且其主要差异如下所述。在本实施例的可调式液晶面板100e中，第一电极层120g和第二电极层122h具有边缘场切换(fringe-field switch,ffs)的电极设计。第二电极层122g为平坦连续层，其介于第一电极层120g与第一基板110之间，且第一电极层120g和第二电极层122g通过配置于它们之间的绝缘层110a将彼此绝缘。图5b中的第一电极层120g相同于图5a中的第一电极层120g的描述。
74.图6a-6c分别是图4d和图5b所示的第一电极层的不同变化的上视示意图。请参考
crystal,pnlc)，其包括液晶分子130a与聚合物网络(polymer network)132。
83.当第一电极层120与第二电极层122之间的电压差大约为零时，液晶层中的液晶分子130a具有垂直的定向，因此液晶层130的折射率分布是均匀的。因此，液晶层130类似透明层。所以，穿透液晶层的结构光仍然为结构光，且可调式液晶面板100是处于结构光模式中。
84.当第一电极层120和第二电极层122之间的电压差不为零时，液晶分子130a沿第一电极层120和第二电极层122之间的电场方向定向。然而，在具有聚合物网络132情况下，液晶分子130a的定向方向在液晶层中为随机地分布。因此，液晶层130的折射率分布为不均匀。因此，穿透液晶层130的结构光转换为泛光，并且可调式液晶面板100是处于泛光模式。
85.综上所述，在本发明的实施例的可调式光投射器中，利用可调式液晶面板来使光束在结构光与泛光之间切换，因此本发明的实施例将泛光系统与结构光系统整合成单一系统，其减少了具有结构光与泛光功能的电子装置的成本与体积。上述多种可调式光投射器的每一者可取代光学感测装置中的前述多种结构光投射器的任一者，以形成一个兼具泛光辨识功能与结构光辨识功能的光学感测装置。在泛光辨识功能中，传感器可感测物体，并判断物体是否为人脸。在结构光辨识功能中，传感器可感测物体上的光图案，并判断所侦测到的人脸是否为电子装置的用户的脸。
86.虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。