TWI489079B - 投影裝置與深度量測系統 - Google Patents

Description

投影裝置與深度量測系統

本發明是有關於一種光學裝置與量測系統，且特別是有關於一種投影裝置與深度量測系統。

關於求解物體表面的形貌，編碼結構光被認為是可靠的技術。結構光指的是一些具有特定圖案的光，從最簡單的線，面到格狀等更複雜的圖形都有。

基本原理就是將結構光投射到物件或場景上，並從一個或多個視角取像。由於圖案已被編碼，取像的點和投射點之間的對應關係，可以很容易地找到。解碼後的各點可以利用三角函數法求解物體的三維信息。應用實例包括目標距離偵測、製造零件之檢測、逆向工程、手勢識別和三維地圖的建立。

結構光編碼系統是基於投射一個單一的圖案或一組的圖案到測量場景上，之後由一個單一的攝像機或多個攝像機進行取像。圖案都是經過專門設計，使編碼代號被分配到一組像素上。每一個編碼像素具有其自己的編碼代號，所以從編碼代號直接映 射到對應的圖案中像素的坐標。根據使用者的編碼策略，區分為時間編碼、空間編碼和直接編碼。其中最常使用的策略是基於時間的編碼。時間編碼(temporal encoding based systems)的優點是將多個不同的編碼圖案按時序先後投射到景物表面，以得到相應的編碼圖像序列。之後，將編碼圖像序列組合起來進行解碼．它具有高準確度、高解析度等優點。

在使用時間編碼的情況下，一組圖案需依時間次序投射到測量表面。過去最典型的投影裝置是使用幻燈機，幻燈機需要機構切換幻燈片，造成體積龐大且笨重，使用操作較為不易，而近年常用的投影裝置為採用矽基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS panel)或數位微鏡元件(digital micro-mirror device,DMD)的視頻投影機，雖改善了笨重性，但投影機的設備不僅價值昂貴且只投影數個圖案，故顯得浪費。

美國專利第5135308號揭露一投影系統。美國專利第5636025號則揭露一測量系統。美國專利第7397550號揭露一種三維掃描裝置。美國專利第5636025號揭露一種測量系統。美國專利第6263234號揭露一種使用視頻投影機的投影系統。美國專利第7742633號揭露一種快速建立足部三維形貌的裝置。美國專利第4212073號揭露一種圖案投影機。美國專利第4641972、4657394號揭露一種投影系統。美國專利第6977732號揭露一種微型量測儀。美國專利第6509559號揭露一種投影系統。美國專利第 6577405號揭露一種光柵投影機相位輪廓量測系統。其他應用實例包含美國專利第6501554號的三維掃描器以及美國專利第6750899號的檢測系統。中華民國專利第I358525號揭露一種應用條紋反射法量測物體表面形貌的方法。中華民國專利第I358606號揭露一種三維環場掃描裝置。中華民國專利第I371699號揭露一種影像快速量測足部三維尺寸方法與裝置。中華民國專利第I372554號揭露一種影像位移偵測方法。中華民國專利第M395155號揭露一種動態物像取樣裝置。中華民國專利第580556號揭露一種物體表面三維形貌量測方法。

本發明提供一種投影裝置，具有較低的成本、較高的操作速度與較高的精確度。

本發明提供一種深度量測系統，具有較低的成本、較高的操作速度與較高的精確度。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明的一實施例提出一種投影裝置，其包括至少一光源、至少一圖案單元與投影鏡頭。至少一光源提供至少一照明光束。至少一圖案單元具有固定不變的圖案，且對應地配置於至少一照明光束的至少一傳遞路徑上，以將至少一照明光束轉換為至少一圖案光束。 投影鏡頭配置於圖案光束的傳遞路徑上。至少一光源提供至少一發光組合，至少一圖案光束對應地具有至少一圖案組合。

本發明的一實施例提出一種深度量測系統，其適於量測待測物的深度。深度量測系統包括上述的投影裝置以及攝像裝置。投影鏡頭用以將圖案光束投射至待測物，以在待測物上形成參考圖案。攝像裝置用以擷取參考圖案。

在本發明的一實施例中，圖案單元包括穿透式圖案單元或反射式圖案單元的至少其一。

在本發明的一實施例中，當光源的數量為多個且圖案單元的數量為多個時，圖案單元分成多個圖案單元對，每一圖案單元對包括穿透式圖案單元與反射式圖案單元，光源分成多個光源對，光源對分別與圖案單元對相對應，每一光源對的其一光源與對應的圖案單元對的反射式圖案單元相對應，每一光源對的另一光源與對應的圖案單元對的穿透式圖案單元相對應。

在本發明的一實施例中，光源包括雷射光源、發光二極體、有機發光二極體、汞燈、鹵素燈或其組合。

在本發明的一實施例中，當光源的數量為多個時，照明光束的顏色不相同。

在本發明的一實施例中，當光源的數量為多個時，投影裝置更包括控制單元，控制單元電性連接至光源，以控制光源的發光組合。

在本發明的一實施例中，當光源的數量為多個且圖案單 元的數量為多個時，投影裝置更包括合光單元，合光單元配置於圖案光束的傳遞路徑上，且用以合併圖案光束。在一實施例中，合光單元包括分色X稜鏡、分色X板、偏振分光稜鏡或偏振分光板。

在本發明的一實施例中，當光源的數量為多個且圖案單元的數量為多個時，投影裝置更包括合光單元以及內部全反射稜鏡。合光單元配置於照明光束的傳遞路徑上，內部全反射稜鏡配置於照明光束與圖案光束的傳遞路徑上。

在本發明的一實施例中，深度量測系統更包括計算單元，計算單元電性連接至攝像裝置，且用以根據攝像裝置所擷取的參考圖案來計算出待測物的深度。

本發明之實施例可以達到下列優點或功效的至少其中之一。在本發明的實施例的深度量測系統與投影裝置中，藉由光源的不同發光組合與圖案單元的搭配，可使投影出的圖案光束具有多種不同的組合。由於圖案單元為成本較低的固定不變的圖案，因此本發明的實施例的深度量測系統與投影裝置可以在較低成本的情況下達到較高的操作速度與較高的精確度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧深度量測系統

100a、200a、300a、400a‧‧‧投影裝置

10‧‧‧待測物

120、120a、120b、120c‧‧‧光源

120a1、120a2、120b1、120b2、120c1、120c2‧‧‧光源對

B1、B1'、B1a、B1b、B1c、B1d、B1e、B1f‧‧‧照明光束

B2、B2'、B2a、B2b、B2c、B2d、B2e、B2f‧‧‧圖案光束

140、140a、140a1、140a2、140a3、140b1、140b2、140b3‧‧‧圖案單元

150a、150a1、150a2、150a3、150a4、150a5、150a6‧‧‧透鏡

150b1、150b3‧‧‧反射鏡

150d1、150d2、150d3‧‧‧四分之一波長板

160、170、170a、170b、170c‧‧‧合光單元

160a、160b‧‧‧第一分色膜、第二分色膜

180‧‧‧投影鏡頭

190‧‧‧內部全反射稜鏡

220‧‧‧攝像裝置

240‧‧‧控制單元

260‧‧‧計算單元

T'‧‧‧相位

S1、S2、S3‧‧‧正弦週期圖案

G1-8‧‧‧格雷碼圖案

A、B、C、D、E、F、G、H‧‧‧點

圖1A是本發明第一實施例的一種深度量測系統的架構示意 圖。

圖1B是圖1A中的一種投影裝置的架構示意圖。

圖1C是採用格雷碼編排的圖案光束的示意圖。

圖1D是採用正弦週期圖案的圖案光束的示意圖。

圖1E是圖1D的圖案光束的強度對時間變化圖。

圖2A是本發明第二實施例中深度量測系統的投影裝置的示意圖。

圖2B是另一實施例的投影裝置中的部分示意圖。

圖3是本發明第三實施例中深度量測系統的投影裝置的示意圖。

圖4是本發明第四實施例中深度量測系統的投影裝置的示意圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

圖1A是本發明第一實施例的一種深度量測系統的架構示意圖，而圖1B是圖1A中的一種投影裝置的架構示意圖。請參照圖1A，在本實施例中，深度量測系統100包括投影裝置100a 以及攝像裝置220。深度量測系統100用以量測待測物10的表面深度，其中待測物10的深度可透過投影裝置100a投射參考圖案(容後詳述)至待側物10上以及攝像裝置220擷取待側物10上的參考圖案來求得。詳細而言，投影裝置100a用以將編碼後的圖案光束B2投影至待測物10表面上。本實施例的深度量測系統100更包括計算單元260，計算單元260電性連接至攝像裝置220，用以根據攝像裝置220所擷取的待測物10上的圖案光束B2的影像計算出待測物10的深度，例如是藉由圖案光束B2的解碼結果以及三角法(triangulation)原理計算出待測物10的深度。

請參照圖1B，本實施例的投影裝置100a包括多個光源120(例如是光源120a、120b及120c)、多個圖案單元140(例如是圖案單元140a1、140a2及140a3)、合光單元160以及投影鏡頭180。這些光源120分別提供多個照明光束B1。這些圖案單元140具有固定不變的圖案，且每一圖案單元140配置於對應的照明光束B1的傳遞路徑上，以將照明光束B1轉換為圖案光束B2。具體而言，在本實施例中，光源120包括光源120a、光源120b及光源120c，其中光源120a、120b及120c分別提供不同波段的照明光束B1a、B1b及B1c於不同的光傳遞路徑上。光源120例如為發光二極體(light-emitting diode,LED)，然而，在其他實施例中，光源120亦可以是其他適當的光源，例如雷射光源、有機發光二極體、汞燈、鹵素燈或其組合。此外，在本實施例中的圖案單元140例如為穿透式圖案單元，然而，本發明不以此為限，舉例來說， 在其他實施例中，可採用反射式圖案單元或採用穿透式圖案單元與反射式圖案單元的組合。在本實施例中，圖案單元140例如為遮光片、幻燈片或其他可使入射光束部分穿透及部分反射的光學元件。

進一步而言，在本實施例中，投影裝置100a的光源120a提供第一波段的照明光束B1a，其中照明光束B1a傳遞於第一光學路徑上。照明光束B1a通過透鏡150a1後而被傳遞至反射鏡150b1，且反射鏡150b1將照明光束B1a反射至穿透式圖案單元140a1。而穿透式圖案單元140a1配置於照明光束B1a的傳遞路徑上，以將照明光束B1a轉換為圖案光束B2a。接著，圖案光束B2a被傳遞至合光單元160。另外，光源120b提供第二波段的照明光束B1b，其中照明光束B1b傳遞於第二光學路徑上，照明光束B1b通過透鏡150a2後直接被傳遞至穿透式圖案單元140a2，而穿透式圖案單元140a2配置於照明光束B1b的傳遞路徑上，以將照明光束B1b轉換為圖案光束B2b。接著，圖案光束B2b被傳遞至合光單元160。此外，光源120c提供第三波段的照明光束B1c，其中照明光束B1c傳遞於第三光學路徑上，照明光束B1c通過透鏡150a3後而被傳遞至反射鏡150b3，反射鏡150b3將照明光束B1c反射至穿透式圖案單元140a3。而穿透式圖案單元140a3配置於照明光束B1c的傳遞路徑上，以將照明光束B1c轉換為圖案光束B2c。接著，圖案光束B2c被傳遞至合光單元160。

承上述，合光單元160配置於圖案光束B2a、B2b及B2c 的傳遞路徑上，且接收並傳遞圖案光束B2a、B2b及B2c，以進一步將圖案光束B2a、B2b及B2c合併。本實施例中的合光單元160例如為分色X稜鏡，在其他實施例中，合光單元160例如為分色X板，本發明不以此為限。具體而言，合光單元160具有第一分色膜160a與第二分色膜160b，並配置於第一光學路徑、第二光學路徑及第三光學路徑上，且圖案光束B2a、B2b及B2c的波段不同。在本實施例中，合光單元160將圖案光束B2a、B2b及B2c合併為圖案光束B2，並傳遞至投影鏡頭180。詳言之，圖案光束B2a被第一分色膜160a反射至投影鏡頭180，且第一分色膜160a讓圖案光束B2b以及圖案光束B2c穿透。另一方面，圖案光束B2c被第二分色膜160b反射至投影鏡頭180，且第二分色膜160b讓圖案光束B2a以及圖案光束B2b穿透。圖案光束B2c則是穿透第一分色膜160a與第二分色膜160b並傳遞至投影鏡頭180。

另外，在本實施例中，至少一光源120發出照明光束B1，因而光源120可提供至少一發光組合，進而使合光單元160所傳遞的圖案光束B2可對應地具有至少一圖案組合。具體而言，在本實施例中，投影裝置100a包括控制單元240，控制單元240電性連接至光源120a、120b及120c，以控制各光源120的發光組合。控制單元240控制各光源120分別於不同的傳遞路徑發出三個照明光束B1a、B1b及B1c，照明光束B1a、B1b及B1c分別通過相對應的穿透式圖案單元140a1、140a2、140a3後而分別轉換為圖案光束B2a、B2b及B2c，以使被合光單元160所合併的圖案光束 B2可同時包含圖案光束B2a、B2b及B2c三者。或者，在其他實施例中，控制單元240控制三個光源120選擇性地發出照明光束，例如三個光源120a、120b及120c中之任意一者發出照明光束，或三個光源120a、120b及120c中之任意二者發出照明光束，或三個光源120a、120b及120c皆發出照明光束。如此一來，由合光單元160所傳遞的圖案光束可具有至少一種圖案組合，即本實施例可提供B2a圖案光束、B2b圖案光束、B2c圖案光束、B2a與B2b所構成的圖案光束、B2a與B2c所構成的圖案光束、B2b與B2c所構成的圖案光束、B2a、B2b與B2c所構成的圖案光束等七種圖案組合。

更進一步而言，請同時參照圖1A與圖1B，深度量測系統100中的投影裝置100a的投影鏡頭180配置於來自合光單元160的所傳遞的圖案光束B2的傳遞路徑上，並用以將圖案光束B2投影至待測物10。在本實施例中，深度量測系統100更包括計算單元260，計算單元260電性連接至攝像裝置220。當投影裝置100a將圖案光束B2投射至待測物10表面上時，則深度量測系統100中的攝像裝置220擷取待測物10上的圖案光束B2，並可進一步藉由解碼圖案光束B2或運用三角法原理來計算出待測物10的深度。在本實施例中，由於圖案單元140為固定不變的圖案因而成本較低，因此本發明的實施例可以在低成本的情況下提高深度量測系統與投影裝置的操作速度與精確度。

請參照圖1C，本實施例的圖案光束採用格雷碼(Gray code)編排，其中格雷碼圖案G1至格雷碼圖案G8可依序投影至待測物10的表面。然而，依格雷碼方式編碼的圖案數量可依照實際上解析度的需求來增減圖案的數量。在其他實施例中，例如可使用九張格雷碼圖案，本發明不以此為限。

請參照圖1D，本實施例的三個圖案光束分別為彼此相差一特定相位差的正弦週期圖案S1、S2及S3。舉例而言，正弦週期圖案S1、S2及S3兩兩之間的相位差例如為2π/3度。另外，本實施例的正弦週期圖案S1、S2及S3依序投影至待測物10表面上。然而，本發明並不限制圖案光束的態樣，舉例來說，圖案光束也可以是上述圖案的組合或其他編碼圖案。

詳細而言，請參照圖1A及圖1E，本實施例的投影裝置100a中的三個光源120所提供三個照明光束B1分別經由三個圖案單元140而產生具有正弦週期圖案S1、S2及S3的圖案光束B2a、B2b以及B2c，且依據三步相位移原理，使得原始的照明光束B1轉換成包含特定編碼資訊與結構的圖案光束B2，而後圖案光束B2被投影至待測物10表面，攝像裝置220藉由擷取待測物10表面上的影像並將擷取結果傳輸至計算單元260，經計算後所獲得相位T’與高度之間的對應關係及三角法原理可進一步得到待測物10的表面輪廓或計算出待測物10的深度。

圖2A是本發明第二實施例中深度量測系統的投影裝置的示意圖。請參照圖2A，在本實施例中，投影裝置200a中的光源120a1、120a2、120b1、120b2、120c1及120c2所發出的不同波 段的照明光束B1a、B1b、B1c、B1d、B1e及B1f皆為偏振光束。投影裝置200a更包括多個合光單元170a、170b及170c，合光單元170a、170b及170c為偏振分光器，且分別配置於來自不同的圖案單元對的圖案光束B2a、B2b、B2c、B2d、B2e及B2f的傳遞路徑上，用以傳遞圖案光束B2。合光單元170a、170b及170c位於對應的圖案單元對與合光單元160之間的圖案光束B2的傳遞路徑上。詳細而言，圖案單元140分成多個圖案單元對，每一圖案單元對包括穿透式圖案單元與反射式圖案單元，即穿透式圖案單元140a1與反射式圖案單元140b1所構成的圖案單元對、穿透式圖案單元140a2與反射式圖案單元140b2所構成的圖案單元對以及穿透式圖案單元140a3與反射式圖案單元140b3所構成的圖案單元對。此外，光源120具有分別與多個圖案單元對相對應的多個光源對。舉例而言，由光源120a1及光源120a2所構成的光源對與由穿透式圖案單元140a1與反射式圖案單元140b1所構成的圖案單元對相互對應，其中光源120a1與反射式圖案單元140b1對應設置，而光源120a2與穿透式圖案單元140a1對應設置；由光源120b1及光源120b2所構成的光源對與由穿透式圖案單元140a2與反射式圖案單元140b2所構成的圖案單元對相互對應，其中光源120b1與穿透式圖案單元140a2對應設置，而光源120b2與反射式圖案單元140b2對應設置；由光源120c1及光源120c2所構成的光源對與由穿透式圖案單元140a3與反射式圖案單元140b3所構成的圖案單元對相互對應，其中光源120c1與反射式圖 案單元140b3對應設置，而光源120c2與穿透式圖案單元140a3對應設置。

在本實施例中，合光單元170a、170b及170c例如為偏振分光稜鏡，而在其他實施例中，合光單元170a、170b及170c也可以是偏振分光板。舉例而言，本實施例的光源120a1提供照明光束B1a，且照明光束B1a例如為具有S偏振方向的偏振光。照明光束B1a通過透鏡150a1後被傳遞至合光單元170a，合光單元170a可使照明光束B1a被反射至四分之一波長板150d1，其中四分之一波長板150d1配置於反射式圖案單元140b1與合光單元170a之間。之後，照明光束B1a被傳遞至對應於光源120a1的反射式圖案單元140b1，反射式圖案單元140b1將照明光束B1a轉換成圖案光束B2a，且圖案光束B2a被反射至四分之一波長板150d1並再次通過四分之一波長板150d1，此時圖案光束B2a的光偏振方向為P偏振方向並在穿透合光單元170a後傳遞至合光單元160。另一方面，與光源120a1同屬於同一光源對的另一光源120a2所發出的照明光束B1b為偏振光束且其偏振方向例如為S偏振方向。照明光束B1b通過透鏡150a2後，接著通過相對應的圖案單元對的穿透式圖案單元140a1並被轉換成圖案光束B2b。接著圖案光束B2b被傳遞至合光單元170a並被反射至合光單元160。圖案光束B2a與圖案光束B2b穿透合光單元160中的第一分光膜160b，且圖案光束B2a與圖案光束B2b兩者皆被合光單元160中的第一分光膜160a反射至投影鏡頭180。

另一光源對的光源120b2所發出的照明光束B1c被相對應的圖案單元對的反射式圖案單元140b2反射成圖案光束B2c，且同一光源對的另一光源120b1所發出的照明光束B1d穿透相對應的圖案單元對的穿透式圖案單元140a2而形成圖案光束B2d。詳細而言，光源120b2提供照明光束B1c，且照明光束B1c例如為具有S偏振方向的偏振光，通過透鏡150a4後傳遞至合光單元170b。S偏振方向的照明光束B1c被合光單元170b反射並通過四分之一波長板150d2，其中四分之一波長板150d2配置於反射式圖案單元140b2與合光單元170b之間。之後，照明光束B1c傳遞至對應於光源120b2的反射式圖案單元140b2，照明光束B1c被反射式圖案單元140b2轉換成圖案光束B2c，並再次通過四分之一波長板150d2。此時圖案光束B2c的光偏振方向為P偏振方向並穿透合光單元170b後傳遞至合光單元160。另一方面，與光源120b2同屬於同一光源對的另一光源120b1所發出的照明光束B1d且其偏振方向例如為S偏振方向。照明光束B1d通過透鏡150a3後，接著穿透相對應的圖案單元對的穿透式圖案單元140a2而形成圖案光束B2d。接著，圖案光束B2d被傳遞至合光單元170b並被反射至合光單元160。圖案光束B2c與圖案光束B2d兩者皆被合光單元160中的第二分光膜160b反射至投影鏡頭180，且圖案光束B2c與圖案光束B2d穿透合光單元160中的第一分光膜160a。

又一光源對的光源120c1提供照明光束B1e，且照明光束B1e例如為具有S偏振方向的偏振光，通過透鏡150a6後會傳遞 至合光單元170c。S偏振方向的照明光束B1e被合光單元170c反射並通過四分之一波長板150d3，其中四分之一波長板150d3配置於反射式圖案單元140b3與合光單元170c之間。之後，照明光束B1e傳遞至對應於光源120c1的反射式圖案單元140b3，其將照明光束B1e轉換成圖案光束B2e且被反射式圖案單元140b3反射，照明光束B1e接著再次通過四分之一波長板150d3。此時圖案光束B2e的光偏振方向為P偏振方向並穿透合光單元170c後傳遞至合光單元160。另一方面，與光源120c1同屬於同一光源對的另一光源120c2所發出的照明光束B1f，照明光束B1f為偏振光束且偏振方向例如為S偏振方向。照明光束B1f通過透鏡150a5後，再穿透相對應的圖案單元對的穿透式圖案單元140a3而形成圖案光束B2f。接著圖案光束B2f被傳遞至合光單元170c並被反射至合光單元160。圖案光束B2e與圖案光束B2f穿透合光單元160中的第一分光膜160a與第二分光膜160b並傳遞至投影鏡頭180。基於上述，可知本實施例的深度量測系統藉由不同波段的光源與圖案單元的搭配，即可使投影至待測物上的圖案光束具有至少一種組合。

需說明的是，上述每一光源提供不同波段的照明光束B1a、B1b、B1c、B1d、B1e及B1f例如為偏振光，但本發明不以此為限，即每一照明光束也可為非偏振光。此外，由於控制單元240控制可六個光源120a1、120a2、120b1、120b2、120c1及120c2選擇性地發出照明光束，例如六個光源120a1、120a2、120b1、 120b2、120c1及120c2中至少其一發出照明光束，如此一來，本實施例可提供六十三種圖案組合。

圖2B是另一實施例的投影裝置中的部分示意圖。請參照圖2A，光源120a1提供照明光束B1a，其中照明光束B1a例如為具有P偏振方向的偏振光束。照明光束B1a通過透鏡150a1後被傳遞至合光單元170a，合光單元170a可使P偏振方向的光束穿透，因此P偏振方向的照明光束B1a穿透合光單元170a並通過四分之一波長板150d1，其中四分之一波長板150d1配置於反射式圖案單元140b1與合光單元170a之間。之後，照明光束B1a被傳遞至對應於光源120a1的反射式圖案單元140b1，反射式圖案單元140b1將照明光束B1a轉換成圖案光束B2a且將圖案光束B2a反射至四分之一波長板150d1，圖案光束B2a再次通過四分之一波長板150d1，此時圖案光束B2a的光偏振方向為S偏振方向並被合光單元170a反射後可再被傳遞至後續的合光單元(未繪示)。

圖3是本發明第三實施例中深度量測系統的投影裝置的示意圖。請參照圖3，在本實施例中，深度量測系統的投影裝置300a包含的圖案單元140皆為反射式圖案單元140b1、140b2及140b3。在本實施例中，合光單元160包括第一分色膜160a及第二分色膜160b，合光單元170例如為分色X稜鏡，然而在另一實施例中，合光單元170可為分色X板。合光單元170配置於來自光源120a、120b及120c的照明光束B1a、B1b及B1c的傳遞路徑上，以將分別通過透鏡150a1、150a2及150a3的照明光束B1a、 B1b及B1c合併為照明光束B1’，照明光束B1’被傳遞至內部全反射稜鏡190的點A附近，由於照明光束B1’的入射角與入射路徑經由適當的設計而照明光束B1’的入射角得以大於臨界角，如此使得照明光束B1’全反射至合光單元160中的點B附近。

此外，在本實施例中的每一光源120a、120b及120c所發出的照明光束B1a、B1b及B1c的波段不相同，照明光束B1a、B1b及B1c的波段例如分別為第一波段、第二波段及第三波段。本實施例的第一波段、第二波段以及第三波段例如分別為藍色、綠色以及紅色，但本發明不以此為限，舉例來說，第一波段、第二波段以及第三波段也可分別為藍色、綠色以及紅色的其他組合。在本實施例中，合光單元160中的第一分色膜160a可使第三波段的光束反射且使第一波段與第二波段的光束穿透，然而在其他實施例中，第一分色膜160a可使第二波段的光束反射且使第一波段與第三波段的光束穿透；或者，第一分色膜160a也可使第一波段的光束反射且使第二波段與第三波段的光束穿透，本發明不以此為限。另外，由於本實施例的合光單元160中的第二分色膜160b可使第三波段的光束反射且使第二波段的光束穿透，因此當照明光束B1’傳遞至第一分色膜160a中的點B附近時，照明光束B1’中第三波段的照明光束B1c被第一分色膜160a反射至合光單元160中的點C附近，此時照明光束B1c的入射角大於臨界角，因此照明光束B1c全反射至反射式圖案單元140b1，照明光束B1c被反射式圖案單元140b1轉換成圖案光束B2c並被反射回第一分 色膜160a的點D附近。接著，圖案光束B2c於點D附近再次反射並被傳遞至合光單元160之外。

另一方面，照明光束B1’中的第一波段與第二波段於點B附近穿透第一分色膜160a並被傳遞至第二分色膜160b上的點E附近，第二分色膜160b使照明光束B1’中的第一波段的照明光束B1a反射且使第二波段的照明光束B1b穿透。進一步而言，照明光束B1b於點E附近穿透第二分色膜160b並被傳遞至反射式圖案單元140b2，照明光束B1b被反射式圖案單元140b2轉換成圖案光束B2b並被反射回第二分色膜160b的點H附近。接著，圖案光束B2b於點H穿透第二分色膜160b及於點D附近穿透第一分色膜160a並被傳遞至合光單元160之外。

另外，第一波段的照明光束B1a於第二分色膜160b上的點E附近反射至第一分色膜160a上的點F附近，由於此時照明光束B1a的入射角大於臨界角，照明光束B1a於點F附近上全反射至反射式圖案單元140b3。照明光束B1a被反射式圖案單元140b3轉換成圖案光束B2a並再次被反射式圖案單元140b3反射至第一分色膜160a上的點G附近，且此時再次因圖案光束B2a的入射角大於臨界角，圖案光束B2a全反射至第二分色膜160b上的點H附近，第二分色膜160b將圖案光束B2a反射傳遞至第一分色膜160a的點D附近，而後圖案光束B2a於點D附近穿透第一分色膜160a並被傳遞至合光單元160之外。

基於上述，被傳遞至合光單元160之外的圖案光束B2’ 包含圖案光束B2a、B2b及B2c並穿透內部全反射稜鏡190，而後再被傳遞至投影鏡頭180。此外，本實施例中的深度量測系統更包括控制單元240，控制單元240電性連接至光源120a、120b及120c，以控制各光源的發光組合。舉例而言，在本實施例中，控制單元240可控制光源120a、120b及120c同時提供照明光束B1a、B1b及B1c；或者亦可控制光源120a、120b及120c的其中兩者同時提供照明光束；或者更可控制光源120a、120b及120c的其中之一提供照明光束。在本實施例中，可以不需如數位微鏡元件、矽基液晶面板、穿透式液晶面板或其他空間光調變器等昂貴的元件，亦可以不需用以切換幻燈片的可動機構件。藉由擷取圖案光束投影至待測物上的影像，即可得到待測物的輪廓或深度。

圖4是本發明第四實施例中深度量測系統的投影裝置的示意圖。請參照圖4，在本實施例中，深度量測系統中的投影裝置400a包含光源120、圖案單元140a及投影鏡頭180。在本實施例中，光源120例如為發光二極體或其他非同調光源，即光源120可以不是雷射光源，其中光源120提供照明光束B1。圖案單元140a為穿透式圖案單元。本實施例的投影裝置400a可具有單一圖案單元140a且可透過控制單元240控制單一光源120來達成，因此可降低生產成本。

綜上所述，本發明的實施例至少具有下列其中一個優點：在本發明的實施例的深度量測系統與投影裝置中，藉由光源的不同發光組合與圖案單元的搭配，可使投影出的圖案光束具有 多種不同的組合。本發明的實施例中，深度量測系統與投影裝置可藉由不同波段的光源搭配對應的圖案單元而使投影至待測物上的圖案光束具有多種組合。由於圖案單元為成本較低的固定不變的圖案，且可以不需如數位微鏡元件、矽基液晶面板、穿透式液晶面板或其他空間光調變器等昂貴的元件，亦可以不需用以切換幻燈片的可動機構件。藉由擷取圖案光束投影至待測物上的影像，即可得到待測物的輪廓或深度，並具有成本低廉、高精確度以及量測快速的特性。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

100a‧‧‧投影裝置

120、120a、120b、120c‧‧‧光源

B1、B1a、B1b、B1c‧‧‧照明光束

B2、B2a、B2b、B2c‧‧‧圖案光束

140、140a1、140a2、140a3‧‧‧圖案單元

150a1、150a2、150a3‧‧‧透鏡

150b1、150b3‧‧‧反射鏡

160‧‧‧合光單元

160a‧‧‧第一分色膜

160b‧‧‧第二分色膜

180‧‧‧投影鏡頭

240‧‧‧控制單元

Claims (17)

1. 一種投影裝置，包括：多個光源，提供多個照明光束；多個圖案單元，且對應地配置於該些照明光束的多個傳遞路徑上，以將該些照明光束轉換為多個圖案光束；一投影鏡頭，配置於該些圖案光束的一傳遞路徑上，其中，該些光源提供至少一發光組合，該些圖案光束對應地具有至少一圖案組合；一第一合光單元，配置於該些照明光束的該些傳遞路徑上；以及一內部全反射稜鏡，配置於該些照明光束與該些圖案光束的該些傳遞路徑上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的投影裝置，其中該些圖案單元包括至少一穿透式圖案單元或至少一反射式圖案單元的至少其一。
3. 如申請專利範圍第1項所述的投影裝置，其中該些圖案單元分成多個圖案單元對，每一該圖案單元對包括一穿透式圖案單元與一反射式圖案單元，該些光源分成多個光源對，該些光源對分別與該些圖案單元對相對應，每一該光源 對的其一該光源與對應的該圖案單元對的該反射式圖案單元相對應，每一該光源對的另一該光源與對應的該圖案單元對的該穿透式圖案單元相對應。
4. 如申請專利範圍第1項所述的投影裝置，其中該些光源包括雷射光源、發光二極體、有機發光二極體、汞燈、鹵素燈或其組合。
5. 如申請專利範圍第1項所述的投影裝置，其中該些照明光束的顏色不相同。
6. 如申請專利範圍第1項所述的投影裝置，更包括一控制單元，該控制單元電性連接至該些光源，以控制該些光源的發光組合。
7. 如申請專利範圍第1項所述的投影裝置，更包括：一第二合光單元，配置於該些圖案光束的該些傳遞路徑上，且用以合併該些圖案光束。
8. 如申請專利範圍第7項所述的投影裝置，其中該第二合光單元包括分色X稜鏡、分色X板、偏振分光稜鏡或偏振分光板。
9. 一種深度量測系統，適於量測一待測物的深度，該深度量測系統包括： 一投影裝置，包括：多個光源，提供多個照明光束；多個圖案單元，且對應地配置於該些照明光束的多個傳遞路徑上，以將該些照明光束轉換為多個圖案光束；一投影鏡頭，配置於該些圖案光束的一傳遞路徑上，該投影鏡頭用以將該些圖案光束投射至該待測物，以在該待測物上形成一參考圖案；一第一合光單元，配置於該些照明光束的該些傳遞路徑上；以及一內部全反射稜鏡，配置於該些照明光束與該些圖案光束的該些傳遞路徑上；以及一攝像裝置，用以擷取該參考圖案，且該參考圖案能用以計算出該待測物的深度，其中，該些光源提供至少一發光組合，該些圖案光束對應地具有至少一圖案組合。
10. 如申請專利範圍第9項所述的深度量測系統，其中該些圖案單元包括至少一穿透式圖案單元或至少一反射式圖案單元的至少其一。
11. 如申請專利範圍第9項所述的深度量測系統，該些 圖案單元分成多個圖案單元對，每一該圖案單元對包括一穿透式圖案單元與一反射式圖案單元，該些光源分成多個光源對，該些光源對分別與該些圖案單元對相對應，每一該光源對的其一該光源與對應的該圖案單元對的該反射式圖案單元相對應，每一該光源對的另一該光源與對應的該圖案單元對的該穿透式圖案單元相對應。
12. 如申請專利範圍第9項所述的深度量測系統，其中該些光源包括雷射光源、發光二極體、有機發光二極體、汞燈、鹵素燈或其組合。
13. 如申請專利範圍第9項所述的深度量測系統，其中該些照明光束的顏色不相同。
14. 如申請專利範圍第9項所述的深度量測系統，更包括一控制單元，該控制單元電性連接至該些光源，以控制該些光源的發光組合。
15. 如申請專利範圍第9項所述的深度量測系統，更包括一計算單元，電性連接至該攝像裝置，且用以根據該攝像裝置所擷取的該參考圖案來計算出該待測物的深度。
16. 如申請專利範圍第9項所述的深度量測系統，更包括：一第二合光單元，配置於該些圖案光束的該些傳遞路徑上，且用以合併該些圖案光束。
17. 如申請專利範圍第16項所述的深度量測系統，其中該第二合光單元包括分色X稜鏡、分色X板、偏振分光稜鏡或偏振分光板。