光学感测装置及结构光投射器的制作方法

本发明涉及一种感测装置以及光投射器，且特别涉及一种光学感测装置以及结构光(structuredlight)投射器。

背景技术：

结构光三维感测装置通过投射光图案于物体上并且感测此图案的形变来测量该物体的表面轮廓，结构光三维感测装置因其同时感测多个点而不是每次一个点而有快速与精准的优点。

而为了产生光图案，可将衍射光学组件用于例如为激光束的单色光，而将激光束分割为多个光束，以形成结构光。然而，这些分割后的光束的光强度并不相近。此外，当衍射光学组件与激光光源之间的配置并不合适时，对应于直接传递的光强度(即零阶光的强度)可能会太强而导致安全性的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种光学感测装置以及结构光投射器，其使用简单且有效的方式去倍增激光束以形成结构光。

本发明的实施例提出一种光学感测装置，适用于使用结构光来侦测物体，光学感测装置包括结构光投射器以及传感器。结构光投射器包括光源以及至少一个光束倍增膜。光源用以发出光束。至少一个光束倍增膜设置在光束的传递路径上，且由具各向异性折射率的材料制成，其中由光源所发出的光束通过至少一个光束倍增膜后产生多个分离的光束，以形成结构光。传感器用以感测从物体反射的结构光。

本发明的实施例提出一种结构光投射器，其包括光源、至少两个光束倍增膜以及波片。光源用以发出光束。至少两个光束倍增膜设置在光束的传递路径上，且由具各向异性折射率的材料制成，其中由光源所发出的光束通过至少两个光束倍增膜的任何一个后产生多个分离的光束，以形成结构光。波片设置于该至少两个光束倍增膜两相邻者之间，其中光束通过波片后，光束的偏振态从线偏振被改变为圆偏振或是椭圆偏振。

本发明的另一实施例提出一种结构光投射器，其包括光源以及至少两个光束倍增膜。光源用以发出光束。至少两个光束倍增膜设置于光束的传递路径上，其中由光源所发出的光束通过至少两个光束倍增膜的任何一个后产生多个分离的光束，以形成结构光，且至少两个光束倍增膜的光轴相对于从光源所发出的光束的传递方向倾斜。

基于上述，本发明实施例的结构光投射器包括由具各向异性折射率的材料制成的至少一个光束倍增膜。由于由光源所发出的光束被至少一个光束倍增膜分割为对应于多个偏振方向的多个光束，因此本发明实施例的结构光投射器通过使用简单的结构而能有效的产生结构光。此外，本发明实施例所提出的光学感测装置使用上述的结构光投射器，因此可通过简单且有效的方式而产生结构光。

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，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1绘示为依照本发明的实施例的光学感测装置的剖面示意图。

图2绘示为图1的结构光投射器的剖面示意图。

图3绘示为于光束倍增膜中的光传递的剖面示意图。

图4a以及图4b绘示为依照本发明一些实施例的结构光投射器所产生的光图案的示意图。

图5a以及图5b绘示为依照本发明的实施例的结构光投射器于不同视点的剖面示意图。

图6绘示为依照本发明的实施例的结构光投射器的剖面示意图。

具体实施方式

图1绘示为依照本发明的实施例的光学感测装置的剖面示意图。图2绘示为图1的结构光投射器的剖面示意图。首先，请参照图1，本实施例的光学感测装置10适用于使用结构光sl来侦测物体12，光学感测装置10包括结构光投射器100以及传感器14。结构光投射器100用以产生结构光sl。传感器14用以感测从物体12所反射的结构光sl。此外，光学感测装置10可更包括设置于传感器14前方的镜头16。

在本实施例中，物体12例如是人脸、手或是具有三维表面轮廓的物体。当结构光sl投射在物体12上时，结构光sl的光图案可能会因物体12的凹凸表面而形变，传感器14感测于物体12上的光图案的形变而用以计算物体12表面的深度，即与传感器14的相机的距离。

接着，请参照图2，结构光投射器100包括光源110以及至少一个光束倍增膜120(例如，图2绘示一个光束倍增膜120)。光源110用以发出光束l。光束倍增膜120设置在光束l的传递路径上，且由具各向异性折射率的材料制成，其中由光源110所发出的光束l通过光束倍增膜120后产生多个分离的光束(例如绘示于图3)，以形成结构光sl。于本实施例中，光束倍增膜120可为柔性膜(flexiblefilm)，例如由类似于液晶显示器的补偿膜的卷对卷(roll-to-roll)制程所制成。于本实施例中，光束倍增膜120可为单轴相位延迟膜(uniaxialretardationfilm)、双轴相位延迟膜(biaxialretardationfilm)或斜轴相位延迟膜(obliqueaxialretardationfilm)，但本发明不以此为限。此外，光束倍增膜120的光轴a1相对于从光源110所发出的光束l的传递方向td(例如图2的左右方向)倾斜角度θ1，也就是说，光轴a1不平行或垂直于传递方向td，例如，角度θ1可为大于0度且小于90度，或是大于90度且小于180度。

以下将介绍光束倍增膜120的光学机制。图3绘示为于光束倍增膜中的光传递的剖面示意图。请参照图3，当无偏振的光束l入射至光束倍增膜120a，例如为单轴相位延迟膜，光束l被分割为沿不同路径的寻常光束(ordinarybeam)l1以及非常光束(extraordinarybeam)l2，寻常光束l1具有垂直于参考平面(例如为平行于yz平面)的偏振方向pd1，此参考平面为光束倍增膜120a的光轴a的倾斜角θ所在的平面，且非常光束l2具有垂直于偏振方向pd1的偏振方向pd2。光束倍增膜120a的厚度d、相对于光束l的传递方向td的光束倍增膜120a的光轴a的倾斜角θ以及寻常光束l1与非常光束l2之间的横向位移d满足关系式：d＝d×tanα以及其中α为在光束倍增膜120a里的寻常光束l1与非常光束l2之间的夹角，且ne和no分别为光束倍增膜120a的非常折射率(extraordinaryrefractiveindex)和寻常折射率(ordinaryrefractiveindex)。

藉由通过设置光束倍增膜120a的光轴a相对于光束l的传递方向td倾斜，一道光束l可被分割为两道光束，因此，通过所设计的多层膜，一道光束l可被分割为多道光束。此外，每一道寻常光束l1以及非常光束l2的光强度约为原来的光束l的光强度的50％，因此，本发明实施例的结构光投射器能够产生具有多道强度相近的光束的结构光。

在本实施例中，光源110可例如为边射型激光(edgeemittinglaser)或垂直共振腔面射型激光(vertical-cavitysurface-emittinglaser,vscel)，但本发明不以此为限。如果光源110为边射型激光，边射型激光以及光束倍增膜120可用以模拟为垂直共振腔面射型激光。如果光源110为垂直共振腔面射型激光，则垂直共振腔面射型激光以及光束倍增膜120可用以模拟较小节距(pitch)的垂直共振腔面射型激光，以实现较高密度的照射点且没有因照射点之间的微小节距而产生的散热问题，此模拟出的较小节距的垂直共振腔面射型激光有益于垂直共振腔面射型激光的可靠度以及分辨率。

请再参照图2，结构光投射器100更包括衍射光学组件130以及波片140。衍射光学组件130用以执行光束成形与光束倍增的至少其中之一，且光束倍增膜120设置在光源110与衍射光学组件130之间。波片140设置于光束倍增膜120与衍射光学组件130之间。在实施例中，波片140例如为四分之一波片(quarterwaveplate)，特别是，当一些衍射光学组件可能对光束l的偏振态敏感时，光束l的偏振态在通过光束倍增膜120后被改变为线偏振。当偏振光束l通过波片140，偏振光束l的偏振态可由线偏振被改变为圆偏振或是椭圆偏振。因此，波片140的配置可防止衍射光学组件130被光束l的偏振所影响。然而，如果衍射光学组件130不对光束l的偏振敏感，则结构光投射器100可不包括波片140。

除此之外，通过使用光束倍增膜120，衍射光学组件130的制造公差(fabricationtolerance)可被增加。具体而言，由于由光源110所发出的光束l通过光束倍增膜120后，多个分离的光束预先被产生，则对衍射光学组件130的光束倍增能力的要求可被降低。例如，如果结构光投射器100需要产生两万个光束，则由光源110(例如是边射型激光)所发出的光束l在通过光束倍增膜120后被分割例如为16道光束。在通过衍射光学组件130后，16道光束，而不是一道光束，被分割为两万道光束(亦即，在通过衍射光学组件130后，一道光束仅需要被分割为1250道光束)。

在实施例中，结构光投射器100可更包括设置在光束l的传递路径上的透镜模块150，且透镜模块150用以执行光束成形与光束准直的至少其中之一。在本实施例中，透镜模块150设置在光源110与光束倍增膜120之间。在其它实施例中，透镜模块150可被设置在光束倍增膜120和波片140之间，或是可被设置在波片140和衍射光学组件130之间，但不以此为限。

图4a以及图4b绘示为依照本发明一些实施例的结构光投射器所产生的光图案的示意图。请参照图4a以及图4b，图4a绘示了规则光图案p1，而图4b绘示了准随机(quasi-random)光图案p2。规则光图案p1以及准随机光图案p2例如是当结构光照射在与结构光投射器的光轴垂直的平面上时所被产生光图案。如同上述，寻常光束l1以及非常光束l2之间的横向位移d与光束倍增膜120a的厚度d以及光轴a的倾斜角θ有关，因此，通过光束倍增膜120的厚度以及对准方向(alignmentdirection)的合适的设计，如同图4a所示的规则光图案p1以及图4b所示的准随机光图案p2可被产生。特别是，如果光源110是垂直共振腔面射型激光，通过使用具有不同厚度或对准方向的光束倍增膜120，则不需要使用另一个光罩来制造另一种垂直共振腔面射型激光的照射点的图案，因此可以降低成本。

图5a以及图5b绘示为依照本发明的实施例的结构光投射器于不同视点的剖面示意图。图5b所示的结构光投射器例如为沿着图5a所示的结构光投射器的z轴逆时针旋转45度所得的图。请参照图5a以及图5b，本实施例的结构光投射器200大体上和结构光投射器100相似，而两者间的差异如下：光束倍增膜的数量为两个，且这两个光束倍增膜的光轴相对于从光源110所发出的光束l的传递方向td所倾斜的角度分别在不互相平行或垂直的不同的参考平面上。

具体而言，结构光投射器200具有另一个光束倍增膜220，设置于光束倍增膜120与波片140之间。光束倍增膜220的光轴a2相对于由光源110所发出的光束l的传递方向td倾斜角度θ2，其中角度θ2不同于角度θ1。在本实施例中，角度θ1在参考平面上，例如是在yz平面上，且角度θ2在另一个参考平面上，例如是x+y轴以及z轴所在的平面上。在其它实施例中，角度θ1以及角度θ2所在的参考平面可以是其它不互相平行或垂直的平面，但本发明不以此为限，换句话说，角度θ1以及角度θ2所在的两个参考平面之间的夹角可以是大于0度且小于90度，但不等于45度。再者，于其它实施例中，角度θ1的数值可以和角度θ2的数值相同。

由于光束l的偏振态在通过光束倍增膜120后被改变为线偏振，因此光束倍增膜220的光轴a2的倾斜角度θ2可在不同于光束倍增膜120的光轴a1的倾斜角度θ1所在的参考平面的另一参考平面上，所以在通过光束倍增膜220后，这些通过光束倍增膜120的光束可进一步被分割为多个光束。

在本实施例中，光束倍增膜120的厚度d1可以和光束倍增膜220的厚度d2相同，或是光束倍增膜120的厚度d1可以和光束倍增膜220的厚度d2不同，但本发明不以此为限。此外，在其它实施例，光束倍增膜的数量可以为三个以上(即三个或更多个)，且这三个以上的光束倍增膜的光轴相对于从光源110所发出的光束的传递方向所倾斜的角度分别在不互相平行或垂直的不同的参考平面上。

图6绘示为依照本发明的实施例的结构光投射器的剖面示意图。请参照图6，本实施例的结构光投射器300大体上相似于结构光投射器200，而两者间的差异如下：结构光投射器300更包括波片340，设置于相邻的光束倍增膜120与光束倍增膜220之间。由于在通过波片340后，光束l的偏振态从线偏振被改变为圆偏振或是椭圆偏振，因此光束倍增膜220的光轴a2的倾斜角度θ2与光束倍增膜120的光轴a1的倾斜角度θ1可以在相同的参考平面上。当然，光束倍增膜220的光轴a2的倾斜角度θ2也可以在不同于光束倍增膜120的光轴a1的倾斜角度θ1所在的参考平面的另一个参考平面上，但本发明不以此为限。

在其它实施例中，光束倍增膜的数量可以是三个以上(即三个或更多个)，且结构光投射器300更包括两个以上(即两个或更多个)的波片340，每一个波片340被设置于此三个以上的光束倍增膜的相邻两者之间。

综上所述，本发明实施例提出的结构光投射器包括由具各向异性折射率的材料所制成的至少一个光束倍增膜。由于由光源所发出的光束被此至少一个光束倍增膜分割为对应于多个偏振方向的多个光束，因此本发明实施例的结构光投射器通过使用简单结构而能有效的产生结构光。此外，本发明实施例提出的光学感测装置使用上述的结构光投射器，因此，通过使用简单且有效的方式而能产生结构光。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的一般技术人员，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所附的权利要求书所界定者为准。