CN106289092B - 光学装置及其发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光学装置及其发光装置。该光学装置包括发光装置以及感应单元，且发光装置用以提供投射至一受测标的的一第一结构光(structure light)以及一第二结构光，使相对应于第一结构光的一第一图案组合中的至少一第一图案以及相对应于第二结构光的一第二图案组合中的至少一第二图案呈现在受测标的上，其中，该第二结构光的一第二光轴方向不同于该第一结构光的一第一光轴方向。而感应单元用以感应受测标的上所呈现的至少一第一图案与至少一第二图案；其中，该至少一第一图案与该至少一第二图案之间具有至少一相对位置关系，且该至少一相对位置关系是用以获得受测标的至少一深度距离。本发明具有量距准确性高且量测结果不易受到环境亮度影响的优点。
Description
技术领域
本发明关于一种光学装置及其发光装置，尤其是关于一种应用于可携式电子装置的光学装置及其发光装置。
背景技术
近年来，随着电子工业的演进以及工业技术的蓬勃发展，各种电子装置设计及开发的走向逐渐朝轻便、易于携带的方向发展，以利使用者随时随地应用于移动商务、娱乐或休闲等用途。举例而言，各式各样的影像撷取装置正广泛应用于各种领域，例如智能型手机、穿戴式电子装置等可携式电子装置，其具有体积小且方便携带的优点，使用者得以于有使用需求时随时取出并进行影像撷取并储存，或进一步透过移动网络上传至互联网之中，不仅具有重要的商业价值，更让一般大众的日常生活更添色彩。
再者，随着生活质量的提升，人们对影像撷取装置所撷取的影像有更多的诉求，举例来说，人们希望所获得的影像可为3D立体影像，且该3D立体影像包括有准确的深度(depth)信息，再举例来说，人们希望可携式电子装置具有距离量测的功能，进而可进行手势辨识。而有关的深度信息的量测或距离的量测，目前可透过飞行时间量距法(Time ofFlight，TOF)、单一结构光(structure light)量距法或双镜头(dual camera)量距法来获得，惟其皆为本技术领域普通技术人员所知悉，在此及不再予以赘述。
然而，虽然飞行时间量距法所获得的量测结果具有较佳的准确性，但其如要推广到面或多点情镜应用时在软件运算上极为复杂，多需引入特定运算芯片与集成电路(IC)，故功率消耗量大，运算成本也高，此外，飞行时间量距法还因容易受到环境亮度的影响，使得其在外界光害大的情况下所能获得的量测结果准确性较低；而双镜头量距法在软件运算上也有相当程度的复杂性，并不较为简易，且功率消耗量以及运算成本因为使用双镜，虽与飞行时间法相比较有优势，但其对平滑表面的量距表现较差，因此对平滑表面所获得的量测结果准确性较低；又，由于单一结构光量距法是透过对影像中的光形畸变(distortion)的侦测而获得深度信息或距离信息，故其量测结果亦容易受到环境亮度的影响，也就是说，在外界光害大的情况下所能获得的量测结果准确性较低。
根据以上的说明可知，现有可用以获得3D立体影像的深度信息、可用以进行3D立体重建或可用以距离量测而进行手势辨识的可携式电子装置及其影像撷取装置(光学装置)仍具有改善的空间。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种可利用至少两个结构光对受测标的进行距离(深度信息)量测的光学装置及其发光装置，以带来高量距准确性且其量测结果也不易受到环境亮度影响的效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种发光装置，包括第一结构光产生单元以及第二结构光产生单元，该第一结构光产生单元用以提供一第一结构光(structure light)，且该第一结构光投射至一受测标的而使相对应于该第一结构光的一第一图案(pattern)组合中的至少一第一图案呈现在该受测标的上；该第二结构光产生单元用以提供一第二结构光，且该第二结构光投射至该受测标的而使相对应于该第二结构光的一第二图案组合中的至少一第二图案呈现在该受测标的上，而该第二结构光的一第二光轴方向不同于该第一结构光的一第一光轴方向；其中，该受测标的上所呈现的该至少一第一图案与该至少一第二图案之间具有至少一相对位置关系，且该至少一相对位置关系是用以获得该受测标的的至少一深度距离。
较佳地，该第一结构光产生单元包括第一发光源以及相应于该第一图案组合的第一透镜组，且该第二结构光产生单元包括第二发光源以及相应于该第二图案组合的第二透镜组。
较佳地，该第一发光源包括激光二极管(LD)、发光二极管(LED)以及有机发光二极管(OLED)中的至少一者。
较佳地，该第一发光源用以输出具有一热感应波长区间的光束。
较佳地，该第二发光源包括激光二极管(LD)、发光二极管(LED)以及有机发光二极管(OLED)中的至少一者。
较佳地，该第二发光源用以输出具有一热感应波长区间的光束。
较佳地，该发光装置还包括壳体，该壳体用以供该第一结构光产生单元以及该第二结构光产生单元中的至少一者设置于其中，且该壳体为一表面贴装元件(SMD)。
较佳地，该第一发光源用以输出具有一第一波长的光束及/或具有一第二波长的光束。
较佳地，该具有该第一波长的光束为可见光束，而该具有该第二波长的光束为不可见光束。
较佳地，该第二发光源用以输出具有一第一波长的光束及/或具有一第二波长的光束。
较佳地，该具有该第一波长的光束为可见光束，而该具有该第二波长的光束为不可见光束。
较佳地，该第一结构光以及该第二结构光分别呈第一锥形以及第二锥形。
较佳地，该第一锥形包括圆锥形、椭圆锥形或方锥形。
较佳地，该第二锥形包括圆锥形、椭圆锥形或方锥形。
较佳地，该至少一第一图案包括至少一点图案，及/或该第二图案包括至少一线图案或至少一矩形图案。
本发明还提供一种光学装置，包括发光装置以及感应单元，该发光装置用以提供一第一结构光(structure light)以及一第二结构光，且该第一结构光以及该第二结构光分别投射至一受测标的而使相对应于该第一结构光的一第一图案(pattern)组合中的至少一第一图案以及相对应于该第二结构光的一第二图案组合中的至少一第二图案分别呈现在该受测标的上；其中，该第二结构光的一第二光轴方向不同于该第一结构光的一第一光轴方向；该感应单元用以感应该受测标的上所呈现的该至少一第一图案与该至少一第二图案；其中，该受测标的上所呈现的该至少一第一图案与该至少一第二图案之间具有至少一相对位置关系，且该至少一相对位置关系是用以获得该受测标的的至少一深度距离。
较佳地，该发光装置包括至少一发光源、相应于该第一图案组合的第一透镜组以及相应于该第二图案组合的第二透镜组，且该至少一发光源输出的多个第一光束经过该第一透镜组后形成该第一结构光，而该至少一发光源输出的多个第二光束经过该第二透镜组后形成该第二结构光。
较佳地，该至少一发光源包括激光二极管(LD)、发光二极管(LED)以及有机发光二极管(OLED)中的至少一者。
较佳地，该至少一发光源用以输出具有一热感应波长区间的光束。
较佳地，该多个第一光束包括具有一第一波长的光束及/或具有一第二波长的光束。
较佳地，该多个第二光束包括具有一第一波长的光束及/或具有一第二波长的光束。
较佳地，该第一结构光以及该第二结构光分别呈第一锥形以及第二锥形。
较佳地，该第一锥形包括圆锥形、椭圆锥形或方锥形。
较佳地，该第二锥形包括圆锥形、椭圆锥形或方锥形。
较佳地，该至少一第一图案包括至少一点图案，及/或该至少一第二图案包括至少一线图案或至少一矩形图案。
较佳地，该发光装置以及该感应单元被整合于一电路板(PCB)。
较佳地，该光学装置应用于可携式电子装置。
本发明利用至少两个结构光对受测标的进行距离(深度信息)量测，量距准确性高，且量测结果不易受到环境亮度的影响，应用于可携式电子装置时，使得可携式电子装置能够撷取3D立体影像，并提供3D立体重建以及手势辨识的功能。
附图说明
图1：为本发明光学装置于一较佳实施例的结构概念示意图。
图2：为图1所示的发光装置及其第一结构光与第二结构光于另一视角的概念示意图。
图3：为图2所示第一结构光与第二结构光投射至受测标的而使受测标的上呈现第一图案与第二图案的概念示意图。
图4A：为感应单元于受测标的位于第一结构光以及第二结构光的交错区域中的一第一位置时所撷取的影像的一较佳概念示意图。
图4B：为感应单元于受测标的位于第一结构光以及第二结构光的交错区域中的一第二位置时所撷取的影像的一较佳概念示意图。
图5：为本发明光学装置应用于可携式电子装置的一较佳结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1与图2，图1为本发明光学装置于一较佳实施例的结构概念示意图，图2为图1所示的发光装置及其第一结构光与第二结构光于另一视角的概念示意图，图3为图2所示第一结构光与第二结构光投射至受测标的而使受测标的上呈现第一图案与第二图案的概念示意图。
光学装置1包括发光装置11以及感应单元12，发光装置11用以提供可投射至一受测标的81而使受测标的81上呈现第一图案(pattern)组合21中的至少一第一图案211的第一结构光(structure light)113以及用以提供可投射至受测标的81而使受测标的81上呈现第二图案组合22中的至少一第二图案221的第二结构光114，且第一结构光113的光轴1131(第一光轴)的方向与第二结构光114的光轴1141(第二光轴)的方向不同。
再者，感应单元12包括可见光感测单元121以及不可见光感测单元122，并用以感应受测标的81上所呈现的至少一第一图案211与至少一第二图案221，而受测标的81上所呈现的至少一第一图案211与至少一第二图案221之间具有至少一相对位置关系，且该至少一相对位置关系是用以获得受测标的81的至少一深度距离，稍后以图3与图4A-4B进一步详述。
于本较佳实施例中，发光装置11包括第一结构光产生单元111以及第二结构光产生单元112，且第一结构光产生单元111包括第一发光源1111以及第一透镜组1112。第一发光源1111可包括激光二极管(LD)、发光二极管(LED)以及有机发光二极管(OLED)中的至少一者，及/或第一发光源1111还可包括类似于激光二极管、发光二极管以及有机发光二极管等半导体类的其它发光单元。又，第一发光源1111是用以输出多个光束91，且光束91可为具有第一波长的光束(如可见光束)及/或具有第二波长的光束(如不可见光束或具有热感应波长区间的光束)。而第一透镜组1112则至少包括有相应于第一图案组合21的一光学元件(图未示，如衍射元件)，并供第一发光源1111所输出的光束91通过其中，以进而使第一结构光产生单元111产生输出具有第一图案组合21并呈第一锥形的第一结构光113。
其中，虽然本较佳实施例的第一结构光113所呈的第一锥形为一圆锥形，但其亦可为一椭圆锥形或一方锥形等，而上述透过第一透镜组1112及其光学元件产生第一结构光113的方式仅为一实施例，并为本技术领域普通技术人员所知悉，故在此即不再予以赘述，且产生第一结构光113的方式也并不以上述为限。
再者，第二结构光产生单元112包括第二发光源1121以及第二透镜组1122。第二发光源1121可包括激光二极管(LD)、发光二极管(LED)以及有机发光二极管(OLED)中的至少一者，及/或第二发光源1121还可包括类似于激光二极管、发光二极管以及有机发光二极管等半导体类的其它发光单元。又，第二发光源1121输出多个光束92，且光束92可为具有第三波长的光束(如可见光束)及/或具有第四波长的光束(如不可见光束或具有热感应波长区间的光束)。而第二透镜组1122则至少包括有相应于第二图案组合22的另一光学元件(图未示，如衍射元件)，并供第二发光源1121所输出的光束92通过其中，以进而使第二结构光产生单元112产生输出具有第二图案组合22并呈第二锥形的第二结构光114。
同样地，虽然本较佳实施例的第二结构光114所呈的第二锥形为一圆锥形，但其亦可为一椭圆锥形或一方锥形等，而上述透过第二透镜组1122及其光学元件产生第二结构光114的方式仅为一实施例，并为本技术领域普通技术人员所知悉，故在此即不再予以赘述，且产生第二结构光114的方式也并不以上述为限。
当然，上述仅为实施例，发光源的数量、透镜组的数量以及感应单元的数量皆可依据实际应用需求而进行任何均等的变更设计，举例来说，感应单元的数量可为多个，用以分别接收具有不同波长及/或不同方位与指向的光束。而可选择地，上述第一发光源1111以及第二发光源1121可为同一发光源，且发光装置11更可包括一表面贴装元件(SMD)形式的壳体115，用以供第一发光源1111、第一透镜组1112、第二发光源1121及/或第二透镜组1122固设于其中，以提升可靠度并达到保护的功效。此外，发光装置11以及感应单元12还能够被整合在同一电路板(PCB)上。
接下来说明本发明透过第一结构光113以及第二结构光114进行测距(深度距离)的原理。请同步参阅图1与图2，由图2所示可知，于本较佳实施例中，相应于第一结构光113的第一图案组合21包括多个第一图案211(即多个点图案)，而相应于第二结构光114的第二图案组合22包括由多个第二图案212(即多个横/直线图案)所组成的多个矩形图案。又，由于第一结构光113的光轴1131(第一光轴)的方向与第二结构光114的光轴1141(第二光轴)的方向不同，故呈第一锥形的第一结构光113与呈第二锥形的第二结构光114之间会具有一交错区域A(见图1中的斜线区域)，使得位于交错区域A中的受测标的81上呈现有第一图案组合21中的至少部分以及第二图案组合22中的至少部分，并且受测标的81上所呈现的至少一第一图案211与至少一第二图案221之间的至少一相对位置关系会因应其所在位置不同而有所变化，而藉由这样的变化便可快速且精确地推得受测标的81的深度距离。
举例来说，请先参阅图4A与图4B，图4A为感应单元于受测标的位于第一结构光以及第二结构光的交错区域中的一第一位置时所撷取的影像的一较佳概念示意图，图4B为感应单元于受测标的位于第一结构光以及第二结构光的交错区域中的一第二位置时所撷取的影像的一较佳概念示意图。为了方便说明，图4A与图4B所示的受测标的82为同一受测标的且呈平面形式，也就是说，若受测标的82位于同一位置，则受测标的82上每一区块皆与感应单元12具有近乎相同的距离；由图4A与图4B可知，多个第一图案211(即多个点图案)以及多个第二图案221(即多个线图案)的相对位置关系会因应受测标的82位于第一位置或位于第二位置而不同。
例如，当受测标的82位于第一结构光113以及第二结构光114的交错区域A中的一第一位置时，感应单元12所撷取的影像71中的受测标的82上的点图案X1与线图案L1的间距为D11，点图案X2与线图案L2的间距为D21；而当受测标的82位于第一结构光113以及第二结构光114的交错区域A中的一第二位置时，感应单元12所撷取的影像72中的受测标的82上的点图案X1与线图案L1的间距为D12，点图案X2与线图案L2的间距为D22；其中，间距D11不同于间距D12，间距D21不同于间距D22，而根据间距D11、间距D21及/或当受测标的82在第一位置时其它点图案与线图案的间距，即可推得第一位置的深度距离(如透过查表的方式推得)，同样地，根据间距D12、间距D22及/或当受测标的82在第二位置时其它点图案与线图案的间距，即可快速推得第二位置的深度距离(如透过查表的方式推得)，如此一来，还能进而获得第一位置与第二位置的深度差距。
依据同样的原理，请再度参阅图3，图3所示受测标的81为一手体，且手体因呈现一手势而使得手体上的每一区块与感应单元12的距离皆不尽相同，但经由以上的说明可知，透过感应单元12撷取受测标的81的影像，可撷取到受测标的81上所映像出的多个第一图案211以及多个第二图案221，再透过多个第一图案211以及多个第二图案221之间的多个相对位置关系，即可获得手体上的每一区块的深度距离；当然，上述手体上的每一区块大小(即能够被解析的程度)取决于第一图案211的样式及/或第二图案221的样式，例如线图案与线图案之间的间距越小，及/或点图案与点图案之间的间距越小，可使手体上的每一区块被解析的越精细。
请参阅图5，其为本发明光学装置应用于可携式电子装置的一较佳结构示意图。可携式电子装置4可为手机、平板电脑或穿戴式装置，但不以上述为限，并包括发光装置11以及感应单元12，而发光装置11以及感应单元12如同上述说明，在此即不再予以赘述。是以，可携式电子装置4能够撷取3D立体影像、并提供3D立体重建以及手势辨识的功能。而根据以上的说明，本发明光学装置1的量距准确性佳，且其量测结果也不易受到环境亮度的影响，因此能为可携式电子装置4带来更实质的效益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求范围，因此凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含于本发明的专利保护范围内。
Claims (20)
1.一种发光装置，其特征在于，包括：
第一结构光产生单元，用以提供一第一结构光，且该第一结构光投射至一受测标的而使相对应于该第一结构光的一第一图案组合中的至少一第一图案呈现在该受测标的上；以及
第二结构光产生单元，用以提供一第二结构光，且该第二结构光投射至该受测标的而使相对应于该第二结构光的一第二图案组合中的至少一第二图案呈现在该受测标的上，而该第二结构光的一第二光轴方向不同于该第一结构光的一第一光轴方向；
其中，该受测标的上所呈现的该至少一第一图案与该至少一第二图案之间具有至少一间距，且该至少一间距是用以获得该受测标的的至少一深度距离。
2.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该第一结构光产生单元包括第一发光源以及相应于该第一图案组合的第一透镜组，且该第二结构光产生单元包括第二发光源以及相应于该第二图案组合的第二透镜组。
3.如权利要求2所述的发光装置，其特征在于，该第一发光源包括激光二极管、发光二极管以及有机发光二极管中的至少一者；及/或
该第一发光源用以输出具有一热感应波长区间的光束；及/或
该第二发光源包括激光二极管、发光二极管以及有机发光二极管中的至少一者；及/或
该第二发光源用以输出具有一热感应波长区间的光束；及/或
该发光装置还包括壳体，该壳体用以供该第一结构光产生单元以及该第二结构光产生单元中的至少一者设置于其中，且该壳体为一表面贴装元件。
4.如权利要求2所述的发光装置，其特征在于，该第一发光源用以输出具有一第一波长的光束及/或具有一第二波长的光束。
5.如权利要求4所述的发光装置，其特征在于，该具有该第一波长的光束为可见光束，而该具有该第二波长的光束为不可见光束。
6.如权利要求2所述的发光装置，其特征在于，该第二发光源用以输出具有一第一波长的光束及/或具有一第二波长的光束。
7.如权利要求6所述的发光装置，其特征在于，该具有该第一波长的光束为可见光束，而该具有该第二波长的光束为不可见光束。
8.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该第一结构光以及该第二结构光分别呈第一锥形以及第二锥形。
9.如权利要求8所述的发光装置，其特征在于，该第一锥形包括圆锥形、椭圆锥形或方锥形；及/或
该第二锥形包括圆锥形、椭圆锥形或方锥形。
10.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该至少一第一图案包括至少一点图案，及/或该第二图案包括至少一线图案或至少一矩形图案。
11.一种光学装置，其特征在于，包括：
发光装置，用以提供一第一结构光以及一第二结构光，且该第一结构光以及该第二结构光分别投射至一受测标的而使相对应于该第一结构光的一第一图案组合中的至少一第一图案以及相对应于该第二结构光的一第二图案组合中的至少一第二图案分别呈现在该受测标的上；其中，该第二结构光的一第二光轴方向不同于该第一结构光的一第一光轴方向；以及
感应单元，用以感应该受测标的上所呈现的该至少一第一图案与该至少一第二图案；其中，该受测标的上所呈现的该至少一第一图案与该至少一第二图案之间具有至少一间距，且该至少一间距是用以获得该受测标的的至少一深度距离。
12.如权利要求11所述的光学装置，其特征在于，该发光装置包括至少一发光源、相应于该第一图案组合的第一透镜组以及相应于该第二图案组合的第二透镜组，且该至少一发光源输出的多个第一光束经过该第一透镜组后形成该第一结构光，而该至少一发光源输出的多个第二光束经过该第二透镜组后形成该第二结构光。
13.如权利要求12所述的光学装置，其特征在于，该至少一发光源包括激光二极管、发光二极管以及有机发光二极管中的至少一者；及/或
该至少一发光源用以输出具有一热感应波长区间的光束。
14.如权利要求12所述的光学装置，其特征在于，该多个第一光束包括具有一第一波长的光束及/或具有一第二波长的光束。
15.如权利要求12所述的光学装置，其特征在于，该多个第二光束包括具有一第一波长的光束及/或具有一第二波长的光束。
16.如权利要求11所述的光学装置，其特征在于，该第一结构光以及该第二结构光分别呈第一锥形以及第二锥形。
17.如权利要求16所述的光学装置，其特征在于，该第一锥形包括圆锥形、椭圆锥形或方锥形；及/或
该第二锥形包括圆锥形、椭圆锥形或方锥形。
18.如权利要求11所述的光学装置，其特征在于，该至少一第一图案包括至少一点图案，及/或该至少一第二图案包括至少一线图案或至少一矩形图案。
19.如权利要求11所述的光学装置，其特征在于，该发光装置以及该感应单元被整合于一电路板。
20.如权利要求11所述的光学装置，其特征在于，该光学装置应用于可携式电子装置。
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- 2015-05-15 CN CN201510249502.2A patent/CN106289092B/zh active Active
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