TWI696121B - 光學投射系統 - Google Patents

Abstract

光學投射系統包含圖像感測器、發光電路以及處理器。圖像感測器用以擷取目標物件的圖像。處理器電性耦接於圖像感測器以及發光電路。處理器用以分析圖像以判斷目標物件的尺寸，更控制發光電路以發射光學圖案，並依據目標物件的尺寸扇出光學圖案以涵蓋目標物件。

Description

光學投射系統

本案涉及一種光學投射系統以及方法，尤為一種用於物件偵測的光學投射系統以及光學投射方法。

臉部偵測技術被廣泛地應用於許多領域當中。其中，某些臉部偵測裝置(或系統)僅能於限定之範圍內投射光點。應理解，由於臉部偵測裝置係用以偵測不同使用者的臉部，該些受限的先前技術亟待改進。

本案的一實施態樣係涉及一種光學投射系統。該光學投射系統包含一圖像感測器、一發光電路以及一處理器。該圖像感測器用以擷取一目標物件的一圖像。該處理器電性耦接於該圖像感測器以及該發光電路。該處理器用以分析該圖像以判斷該目標物件的一尺寸，更控制該發光電路以發射一光學圖案，並依據該目標物件的該尺寸扇出該光學圖案以涵蓋該目標物件。

本案的另一實施態樣係涉及一種光學投射方法。該光學投射方法包含下列步驟：藉由一圖像感測器擷取一目標 物件的一圖像；藉由一處理器分析該圖像以判斷該目標物件的一尺寸；藉由該處理器控制一發光電路以發射一光學圖案，並依據該目標物件的該尺寸扇出該光學圖案以涵蓋該目標物件。

應理解，前述的發明內容以及後述的實施方式僅係示例，其旨在具體申請專利範圍涵蓋之內容。

100‧‧‧光學投射系統

110‧‧‧圖像感測器

120‧‧‧發光電路

121‧‧‧圖案產出裝置

122‧‧‧相位調變裝置

130‧‧‧處理器

140‧‧‧紅外線感測器

S201~S204‧‧‧步驟流程

121a‧‧‧邊射型雷射光源

121b‧‧‧透鏡

121c‧‧‧貼磚狀繞射光學元件

121d‧‧‧垂直腔面發射雷射陣列

121e‧‧‧透鏡

第1圖為基於本案一實施例所繪示的光學投射系統之示意圖；第2圖為基於本案一實施例所繪示的光學投射方法的步驟流程圖；第3A圖為基於本案一實施例所繪示的該圖像感測器擷取的一圖像的示意圖；第3B圖為基於本案一實施例所繪示的該圖像感測器擷取的一圖像的示意圖；第4A圖為基於本案一實施例所繪示的圖案產出裝置的示意圖；第4B圖為基於本案第4A之實施例所繪示的圖案產出裝置以及相位調變裝置之設置的示意圖；第4C圖為基於本案一實施例所繪示的圖案產出裝置以及相位調變裝置之設置的示意圖；第5A圖係為基於本案一實施例所繪示的圖案產出裝置的示意圖； 第5B圖為基於本案第5A之實施例所繪示的圖案產出裝置以及相位調變裝置之設置的示意圖；第5C圖為基於本案一實施例所繪示的圖案產出裝置以及相位調變裝置之設置的示意圖；第6圖係為基於本案一實施例所繪示的一投射範例的示意圖；以及第7圖係為基於本案一實施例所繪示的一投射範例的示意圖。

以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本案之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本案之實施例後，當可由本案所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本案之精神與範圍。

關於本文中所使用之用詞(terms)，除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在本案之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本案之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本案之描述上額外的引導。

關於本文中所使用之『包含』、『包括』、『具有』、『含有』等等，均為開放性的用語，即意指包含但不限於。

關於本文中所使用之『實施例』，係指某一特定的特徵、結構、實施方式或技術特點可應用於本案的至少一實 施例當中。因此，本文中所述的『實施例』所指涉的可非同一實施例。此外，前述的特定的特徵、結構、實施方式或技術特點可於一或多個實施例之間適當地結合。

關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件或裝置相互直接作實體接觸，或是相互間接作實體接觸，亦可指二或多個元件或裝置相互操作或動作。

第1圖為基於本案一實施例所繪示的光學投射系統100之示意圖。該光學投射系統100包含一圖像感測器110、一發光電路120、一處理器130以及一紅外線感測器140。在一些實施例中，該圖像感測器110、該發光電路120以及該紅外線感測器140皆電性耦接於該處理器130。該發光電路120包含一圖案產出裝置121以及一相位調變裝置122。應注意的是，該處理器130可電性耦接於至少一記憶體(圖中未示)以獲取複數指令。藉由執行該些指令，該處理器130可與該光學投射系統100當中的其他元件協同運作以執行某些預定程序，由該處理器130執行的該些預定程序將於下面段落中詳細解釋。

應注意的是，在一些實施例中，該光學投射系統100可整合於一行動裝置當中。藉此，該圖像感測器110、該發光電路120以及該紅外線感測器140可被設置以指向該行動裝置的某個特定方向。例如，該光學投射系統100可指向該行動裝置的前側，當一使用者握持該行動裝置時，該圖像感測器110、該發光電路120以及該紅外線感測器140可指向該使用者的臉部。

第2圖為基於本案一實施例所繪示的光學投射方 法的步驟流程圖。該光學投射方法可由第1圖所示的光學投射系統100所實施，因此，請一併參考第1圖所示的光學投射系統100當中的各部件組成。該光學投射方法的各步驟將於下面段落中詳細解釋。

步驟S201：藉由該圖像感測器110擷取一目標物件的一圖像。

如第1圖所示之實施例，該圖像感測器110可為但不限於一色彩(RGB)感測器(或照相機)，其具有一視角。在該視角中，該圖像感測器110可擷取具色彩的複數圖像。其擷取的該些圖像當中包含至少一目標物件，該至少一目標物件可為生物體的一部份(例如，人類的臉部)或者背景的一部份(例如，桌面上的硬幣)。在上述實施例中，當該光學投射系統100指向該行動裝置上的一方向，由該圖像感測器110擷取的該些圖像中可包含該使用者的身體的一部分資訊，例如臉部資訊。在此實施例中，該使用者的身體的該部分可為該些圖像中的該至少一目標物件。為了更佳地理解本案，請一併參照第3A圖，其係為基於本案一實施例所繪示的該圖像感測器110擷取的一圖像的示意圖。如第3A圖所示，由該圖像感測器110擷取的一圖像中包含背景部分以及一人類臉部。

步驟S202：藉由該處理器130分析該圖像以判斷該目標物件的一尺寸。

承前所述，該圖像感測器110可擷取具色彩的該些圖像，由該圖像感測器110擷取的該些圖像可被傳輸至該處理器130以供分析。詳細而言，該處理器130可分析該至少一 目標物件的一尺寸。例如，若圖像感測器110擷取如第3A圖所示的該圖像，該處理器130可選定該使用者的臉部作為該至少一目標物件並判斷該至少一目標物件的尺寸。如第3A圖以及第3B圖所示，可藉由下列步驟推算該使用者的臉部的該尺寸。應理解，第3B圖亦為基於本案一實施例所繪示的該圖像感測器110擷取的一圖像的示意圖。

首先，在被擷取的該圖像當中，該處理器130可偵測該至少一目標物件的複數邊緣。承前所述，由該圖像感測器110擷取的該圖像具有色彩資訊(例如，各畫素對應的數值)。在一些實施例中，該處理器130可辨認該圖像中的某些畫素(或點)之間的亮度或色彩具有大幅變化或不連續之處，藉以偵測該目標物件的邊緣。舉例而言，物件的某些部分，例如人類的肢體或屋前的草地等，應當具相近的色彩或亮度。因此，藉由分析該影像中的色彩資訊，該處理器130可大致判斷該影像中的物件的邊緣。如第3B圖的實施例所示，藉由人臉膚色與背景顏色的色彩對比度差異，該處理器130可執行該使用者臉部的邊緣偵測(亦即，圖中的虛線標示部位)。

應理解，前述的邊緣偵測方法僅係本案的一示例而已，其他可行的邊緣偵測方法亦應包含於本案的保護範圍當中。

其次，該處理器130可分析該圖像以定位該至少一目標物件。應注意的是，在一些實施例中，當該至少一目標物件的位置被確定時，該處理器130可調整該圖像感測器110的焦距以聚焦於該至少一目標物件。藉此，該圖像感測器110 可擷取具更高清晰度的該至少一目標物件的複數影像。在此狀況下，該處理器130可於更高清晰度的該些影像中再偵測該至少一目標物件的複數邊緣。

再者，依據該至少一目標物件的該些邊緣，該處理器130可進一步計算該至少一目標物件的該尺寸。詳細而言，該至少一目標物件的該尺寸可依據該至少一目標物件於該些影像中對應的畫素數量計算之。舉例而言，當判斷出該至少一目標物件的該些邊緣後，計算該些邊緣的內部區域所涵蓋的畫素數量為一第一數量，其對應於該至少一目標物件。依據被擷取的該些影像的解析度，可獲取該些影像包含的全部畫素數量，其係為一第二數量。藉由計算該第一數量以及該第二數量的一比例，可獲取該至少一目標物件的該尺寸。如第3A圖的實施例所示，依據前述程序，可計算出對應於該使用者的臉部的該尺寸。

步驟S203：藉由該處理器130控制該發光電路120以發射一光學圖案，並依據該目標物件的該尺寸扇出該光學圖案以涵蓋該目標物件。

如第1圖的實施例所示，該發光電路120可用以發射複數光束以形成一光學圖案。應注意的是，該發光電路120可用以將該光學圖案投射於該至少一目標物件上。該發光電路120可藉由若干方式發射該些光束。為了更佳地理解本案，下面段落中將列出數種示例，然而，應理解，該些示例並非用以限定本案。

在一些實施例中，為了形成該光學圖案，該發光 電路120可包含一邊射型雷射(Edge Emitting Laser,EEL)光源。如第1圖所示，該發光電路120包含該圖案產出裝置121以及該相位調變裝置122。為了更佳地理解本案，請一併參照第4A圖。第4A圖係為基於本案一實施例所繪示的第1圖中的該圖案產出裝置121的示意圖。在第4A圖的實施例中，該發光電路120包含一邊射型雷射光源121a、一透鏡121b以及一貼磚狀繞射光學元件(tile diffractive optical element)121c。如第4A圖所示，該邊射型雷射光源121a、該透鏡121b以及該貼磚狀繞射光學元件121c三者呈列狀設置，在此設置下，由該邊射型雷射光源121a發射出的雷射光可經由該透鏡121b被導引至該貼磚狀繞射光學元件121c。應注意的是，該貼磚狀繞射光學元件121c係用以將投射於其上的準直雷射光束繞射為具特定結構形狀的若干雷射光束。當該些雷射光束被投射於物件時，該些雷射光束的落點將於該物件的至少一表面上形成該特定結構形狀。

第4B圖係為基於本案一實施例所繪示的第1圖中的該圖案產出裝置121以及該相位調變裝置122之設置的示意圖。如第4B圖所示之實施例，該相位調變裝置122係設置於如第4A圖所示的該貼磚狀繞射光學元件121c的一側。如第4B圖所示，該邊射型雷射光源121a、該透鏡121b、該貼磚狀繞射光學元件121c以及該相位調變裝置122四者呈列狀設置。該相位調變裝置122係用以調變投射於其上的雷射光束。因此，藉由該相位調變裝置122，由該貼磚狀繞射光學元件121c繞射出的該光學形狀可被扇出，成為對應該光學形狀的複數複製圖 案，如第4B圖所示。

第4C圖係為基於本案另一實施例所繪示的第1圖中的該圖案產出裝置121以及該相位調變裝置122之設置的示意圖。在一些實施例中，該發光電路120可僅包含該邊射型雷射光源121a以及該貼磚狀繞射光學元件。如第4C圖所示，該邊射型雷射光源121a以及該貼磚狀繞射光學元件121c兩者呈列狀設置，在此設置下，由該邊射型雷射光源121a發射出的非準直雷射光可直接被導引至該貼磚狀繞射光學元件121c。該貼磚狀繞射光學元件121c可將該非準直雷射光束繞射為具特定結構形狀的若干雷射光束。該相位調變裝置122係用以扇出該光學形狀為相應的複數複製圖案，如第4C圖所示。

在一些實施例中，為了形成該光學圖案，該發光電路120可包含一垂直腔面發射雷射(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)陣列。為了更佳地理解本案，請一併參照第5A圖。第5A圖係為基於本案一實施例所繪示的第1圖中的該發光電路120的示意圖。如第5A圖所示之實施例，該發光電路120包含一垂直腔面發射雷射陣列121d以及一透鏡121e。如第5A圖所示，該垂直腔面發射雷射陣列121d以及該透鏡121e兩者呈列狀設置，在此設置下，由該垂直腔面發射雷射陣列121d發射出的雷射光可被導引至該透鏡121e。應注意的是，該垂直腔面發射雷射陣列121d係用以依據特定結構形狀發射雷射光束，當該些雷射光束經由該透鏡121e被投射於物件時，該些雷射光束的落點將於該物件的至少一表面上形成該特定結構形狀。

第5B圖係為基於本案一實施例所繪示的第1圖中的該圖案產出裝置121以及該相位調變裝置122之設置的示意圖。如第5B圖所示之實施例，該相位調變裝置122係設置於如第5A圖所示的該透鏡121e的一側。如第5B圖所示，該垂直腔面發射雷射陣列121d、該透鏡121e以及該相位調變裝置122三者呈列狀設置，該相位調變裝置122係用以扇出投射於其上的雷射光束。因此，藉由該相位調變裝置122，由該垂直腔面發射雷射陣列121d發射出的該光學形狀可被扇出為對應該光學形狀的複數複製圖案，如第5B圖所示。

第5C圖係為基於本案另一實施例所繪示的第1圖中的該圖案產出裝置121以及該相位調變裝置122之設置的示意圖。在一些實施例中，該發光電路120可僅包含該垂直腔面發射雷射陣列121d。如第5C圖所示，由該垂直腔面發射雷射陣列121d發射的非準直雷射光可直接被導引至該相位調變裝置122，該相位調變裝置122可將該非準直雷射光束繞射為具特定結構形狀的若干雷射光束。因此，藉由該相位調變裝置122，由該垂直腔面發射雷射陣列121d發射的該光學形狀可被扇出為相應的複數複製圖案，如第5C圖所示。

應注意的是，在如第4B~4C圖以及第5B~5C所示的實施例中，該相位調變裝置122係用以沿一水平方向扇出該光學形狀為相應的該些複製圖案，然而本案並不以此為限。在一些實施例中，該光學形狀可沿一垂直方向被扇出為相應的複數複製圖案。因此，應當理解，在本案的不同實施例中，藉由設置複數個相位調變裝置122，該光學形狀可同時於水平方向 以及垂直方向上被扇出為相應的複數複製圖案。

此外，在如第4B~4C圖以及第5B~5C所示的實施例中，該相位調變裝置122可具有若干種不同的實施方式。在一些實施例中，該相位調變裝置122可由間距可調式(tunable pitches)的光學繞射元件所實施，在此設置下，投射於該相位調變裝置122的雷射光束將經特定間距的光柵而繞射。在一些實施例中，該相位調變裝置122可由一疊代傅立葉轉換演算法(iterative Fourier transform algorithm,IFTA)所實施，在此設置下，投射於該相位調變裝置122的雷射光束將因特定電場分佈之影響而繞射。

如第3A圖以及第3B圖所示之實施例，該處理器130可選定該使用者的臉部作為該至少一目標物件並判斷該至少一目標物件的該尺寸。在一些實施例中，該處理器130可用以控制該發光電路120，藉以向該行動裝置前側的該使用者扇出對應於該光學形狀的該些複製圖案。應理解，為了更佳的能源效率，由該發光電路120扇出的該些複製圖案應當僅投射於該使用者的臉部即可，而非散佈於整體空間中。在一些實施例中，對應於該光學形狀的該些複製圖案具有一尺寸，該尺寸可匹配(大致上等於)於該使用者的臉部的該尺寸。換言之，若能控制該發光電路120的一投射視角(field of view,FOV)僅聚焦於該至少一目標物件上，應為較佳的光束投射方式。

如前述實施例所示，該目標物件的該尺寸可藉由計算該目標物件的邊緣內部與整體影像所包含的畫素數之比值而獲取之。如第3A圖以及第3B圖所示之實施例，若該圖像 感測器110的一視角大致為60度，該影像的一寬度為720畫素，而該使用者的臉部的一寬度為360畫素。在此實施例中，可依據以下公式計算用以涵蓋該使用者的臉部的一投影視角大致為32.2度，該計算公式可表示為：θ=2*arctan(tan(FOV/2)*h/H)，其中，θ係為該投影視角，h係為該目標物件的該寬度，H係為該影像的該寬度。亦即，若以該發光電路120完全涵蓋該影像擷取範圍的一完整視角係為60度，可推算該發光電路120用以涵蓋該使用者的臉部的該投影視角大致為32.2度，大約為該完整視角的一半數值。

應理解，前述的各數值僅係本案的一示例而已，在一些實施例中，投射視角範圍、該目標物件的寬度以及長度可包含其他數值。

為了更佳地理解本案，請一併參照第6圖。第6圖係為基於本案一實施例所繪示的一投射範例的示意圖。如第6圖所示的該圖像類似於第3A圖以及第3B圖的實施例，該處理器130選定該使用者的臉部作為該至少一目標物件。在一些實施例中，若該發光電路120配置的係為垂直腔面發射雷射光源，如第5A-5B圖所示，由該發光電路120發射的該光學圖案大致可涵蓋的角度為10.61度。承前所述，該發光電路120可涵蓋該使用者的臉部的該投影視角大致為32.2度。亦即，若欲以不相互重疊的該些複製圖案涵蓋該使用者的臉部，所需的複製圖案數量大致為3個，該複製圖案的數量可依據以下公式計算：N=sin(θ/2)/sin(φ/2)，其中，N係為初步結果，θ係為該投影視角，φ係為單一光學圖案所能涵蓋的視角。應注意的是， 該複製圖案的數量應為大於該初步結果N的最小整數值。亦即，為了涵蓋該使用者的臉部，該處理器130可控制該發光電路120以沿該水平方向扇出該光學圖案為三個複製圖案，藉此，由該發光電路120投射出的光點可有效地涵蓋於該使用者的臉部上。

承前所數，在一些實施例中，藉由複數個相位調變裝置122之設置，該光學形狀可同時於水平方向以及垂直方向上被扇出為相應的複數複製圖案。因此，若該處理器130判斷須沿兩個方向扇出該些複製圖案方能匹配該至少一目標物件的該尺寸，進而涵蓋該至少一目標物件，該理器130可控制該光電路120當中的該些相位調變裝置122以沿兩個方向扇出該些複製圖案。在此配置下，無論該至少一目標物件的該尺寸為何，該處理器130皆可判斷出有效的投射方式，使該些複製圖案得以涵蓋該至少一目標物件。

為了更佳地理解本案，請一併參照第7圖。第7圖係為基於本案一實施例所繪示的一投射範例的示意圖。應注意的是，在一些實施例中，由該發光電路120投射的該些複製圖案係為可相互重疊的。詳細而言，依據應用的需求或該目標物件的該尺寸，該發光電路120可發射雷射光束以形成相互重疊的該些複製圖案，藉此，可較佳地以密度更高的光點散佈來涵蓋該目標物件。例如，如圖中所示，若判斷一目標物件(例如使用者臉部)須以兩個半的複製圖案方能涵蓋，該發光電路120仍可發射雷射光以形成三個部份重疊的複製圖案。藉此，形成該些複製圖案的光點將更緊密的散佈於該目標物件上。應理 解，以更高密度的光點散佈涵蓋該使用者的臉部有助於提升臉部辨識的準確率。

步驟S204：藉由一紅外線感測器140接收投射於該至少一目標物件上的該光學圖案，並藉由該處理器130計算該紅外線感測器140與該至少一目標物件之間的一距離，或依據接收的該光學圖案的一形變量該計算該目標物件的一深度圖。

如前述實施例，該發光電路120可用以沿該水平方向扇出該光學圖案為三個複製圖案。在此狀況下，位於該行動裝置前側的該使用者的臉部將由雷射光點所涵蓋。換言之，本案可有效地將該光學圖案散佈於該使用者的臉部上。藉此，該紅外線感測器140可檢測該些光學圖案投射於該使用者的臉部上的一結構形狀。由於該使用者的臉部係為具有複雜輪廓的一表面，投射於該使用者的臉部的該些光學圖案可能產生形變，該紅外線感測器140可擷取該些光學圖案的該形變。依據該些光學圖案的該形變，該處理器130可計算投射於使用者的臉部上的各雷射光點的深度。藉此，該處理器130可獲取該使用者的臉部幾何並據以建構一深度圖。應注意的是，本案之技術亦可實施於除人臉辨識之外的其他領域。承前所述，該處理器130可控制該發光電路120以更有效率的方式扇出該些光學圖案，使該些光學圖案僅涵蓋於感興趣物件(例如，人物臉部)上。相較於先前技術，以本案實施物件辨識之效率可大幅提升。

雖然本案以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當 可作各種之更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧光學投射系統

110‧‧‧圖像感測器

120‧‧‧發光電路

121‧‧‧圖案產出裝置

122‧‧‧相位調變裝置

130‧‧‧處理器

140‧‧‧紅外線感測器

Claims (10)

1. 一種光學投射系統，包含：一圖像感測器，用以擷取一目標物件的一圖像；一發光電路；以及一處理器，電性耦接於該圖像感測器以及該發光電路，該處理器用以：分析該圖像以判斷該目標物件的一尺寸；以及控制該發光電路以發射一光學圖案，並依據該目標物件的該尺寸扇出該光學圖案以涵蓋該目標物件；其中該發光電路包含：一圖案產出裝置，包含一光源，該光源用以發射複數光束以形成該光學圖案；以及一相位調變裝置，用以調變該些光束以形成對應該光學圖案的複數複製圖案，以扇出該光學圖案。
2. 如請求項1所述之光學投射系統，其中對應該光學圖案的該些複製圖案當中至少兩者相互重疊。
3. 如請求項1所述之光學投射系統，其中該光源係為一邊射型雷射光源(edge emitting laser source)，且該圖案產出裝置更包含：一貼磚狀(tile)繞射光學元件，用以繞射該些光束以形成該光學圖案，並導引由該些光束形成的該光學圖案至該相位調變裝置，其中該些光束係為複數非準直光束。
4. 如請求項1所述之光學投射系統，其中該光源係為一邊射型雷射光源，且該圖案產出裝置更包含：一透鏡，用以導引該些光束為複數準直光束；以及一貼磚狀繞射光學元件，用以繞射該些準直光束以形成該光學圖案，並導引由該些光束形成的該光學圖案至該相位調變裝置。
5. 如請求項1所述之光學投射系統，其中該光源係為一垂直腔面發射雷射陣列(vertical cavity surface emitting laser array)，且該些光束係為複數非準直雷射光束。
6. 如請求項1所述之光學投射系統，其中該光源係為一垂直腔面發射雷射陣列，且該圖案產出裝置更包含：一透鏡，用以導引由該些光束形成的該光學圖案至該相位調變裝置。
7. 如請求項1所述之光學投射系統，其中該處理器分析該圖像以判斷該目標物件的該尺寸至少包含：依據該圖像偵測該目標物件的複數輪廓；以及依據該目標物件的該些輪廓計算該目標物件的該尺寸。
8. 如請求項1所述之光學投射系統，其中該處理器控制該發光電路以扇出該光學圖案至少包含： 判斷以該光學圖案涵蓋該目標物件的該尺寸的一投射視角；以及控制該發光電路調變該些光束，以依據該投射視角形成對應該光學圖案的該些複製圖案。
9. 如請求項1所述的光學投射系統，更包含：一紅外線感測器，用以接收投射於該目標物件上的該光學圖案，其中該處理器更用以計算該紅外線感測器與該目標物件之間的一距離，或依據接收的該光學圖案的一形變量該計算該目標物件的一深度圖。
10. 如請求項1所述的光學投射系統，其中被扇出的該光學圖案的一尺寸匹配於該目標物件的該尺寸。

Images