CN111580281A - 光学装置 - Google Patents

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Abstract

一种光学装置包含垂直共振腔面射型激光光源与透镜阵列。垂直共振腔面射型激光光源用以发射具有至少一光点的光。透镜阵列用以接收从垂直共振腔面射型激光光源所发射来的光，从而投影结构光。结构光包含具有数个光点的点图案。多个凸透镜沿着透镜阵列的第一表面设置，且凸透镜用以产生点图案的光点。

Description

光学装置
技术领域
本公开实施例是有关于一种光学装置，且特别是有关于一种用以提供具有特定图案的结构光的光学装置。
背景技术
结构光(structured light)是具有特定图案的光。结构光可被投影在一个或多个感兴趣的物体上。接着，被物体所反射的反射光由一个或多个成像感测器所感测，以产生用于立体图像匹配的三维图像。结构光的应用显著地增加，且相关的技术已被广泛的研究与开发。
一种已知的结构光产生单元包含多点(multi-dots)发射光源、投影透镜与衍射式光学元件(diffractive optical element，DOE)，然而，由于后聚焦(back-focusing)与投影透镜的长度较长，这种已知的结构光产生单元的空间利用率较差。另一种已知的结构光产生单元包含光源、硬质光罩(hard mask)与投影透镜，然而，硬质光罩会遮挡部分从光源所发射的光，因此这种已知的结构光产生单元的效率较差。又另一种已知的结构光产生单元包含边射型激光(edge emitting laser)、准直透镜与衍射式光学元件，然而，衍射式光学元件的制作控制不易，因此衍射式光学元件存在着零序功率(zero order power)的问题，对人眼较易有安全疑虑。再另一种已知的结构光产生单元包含多点发射光源、衍射透镜与衍射式光学元件，然而，将衍射透镜与衍射式光学元件做在同一元件内的制作相当严苛，使得这种已知的结构光产生单元的衍射效率较差。
发明内容
本公开的目的在于提出一种光学装置，包含垂直共振腔面射型激光(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)光源与透镜阵列。垂直共振腔面射型激光光源用以发射具有至少一光点的光。透镜阵列用以接收从垂直共振腔面射型激光光源所发射来的光，从而投影结构光(structured light)。结构光包含具有数个光点的点图案。多个凸透镜沿着透镜阵列的第一表面设置，且凸透镜用以产生点图案的光点。
在一些实施例中，其中多个凹透镜沿着透镜阵列的第二表面设置，且第一表面与第二表面彼此相对；其中第一表面相应于透镜阵列的入光面，且第二表面相应于透镜阵列的出光面；其中凹透镜用以增加光学装置的视野(field of view，FOV)。
在一些实施例中，其中根据垂直共振腔面射型激光光源的发散角(divergenceangle)、垂直共振腔面射型激光光源的节距(pitch)、垂直共振腔面射型激光光源的光点的数量、每个凸透镜的节距、每个凸透镜的球高、透镜阵列的基板厚度以及介于垂直共振腔面射型激光光源与透镜阵列之间的后焦距(back focal length，BFL)的至少一者，来决定结构光的点图案。
在一些实施例中，其中根据垂直共振腔面射型激光光源的发散角、垂直共振腔面射型激光光源的节距、垂直共振腔面射型激光光源的光点的数量、每个凹透镜的节距、每个凹透镜的球高、每个凸透镜的节距、每个凸透镜的球高、透镜阵列的基板厚度以及介于垂直共振腔面射型激光光源与透镜阵列之间的后焦距的至少一者，来决定结构光的点图案。
在一些实施例中，其中根据每个凸透镜的节距来设计垂直共振腔面射型激光光源的光点的排列方式，从而决定结构光的点图案的光点的排列方式或增加结构光的点图案的光点的数量。
本公开的目的在于另提出一种光学装置，包含垂直共振腔面射型激光光源、透镜阵列与衍射式光学元件(diffractive optical element，DOE)。垂直共振腔面射型激光光源用以发射具有至少一光点的光。透镜阵列用以接收从垂直共振腔面射型激光光源所发射来的光，从而提供具有数个光点的图案光(patterned light)。衍射式光学元件用以扇出(fan out)图案光，从而投影结构光。结构光包含具有数个光点的点图案。其中衍射式光学元件用以增加光学装置的视野且用以产生点图案的光点。其中点图案的光点的数量大于图案光的光点的数量。
在一些实施例中，其中多个凸透镜沿着透镜阵列的第一表面设置，且凸透镜用以产生图案光的光点。
在一些实施例中，其中多个凹透镜沿着透镜阵列的第二表面设置，且第一表面与第二表面彼此相对。其中第一表面相应于透镜阵列的入光面，且第二表面相应于透镜阵列的出光面。其中凹透镜用以增加光学装置的视野。
在一些实施例中，其中根据垂直共振腔面射型激光光源的发散角、垂直共振腔面射型激光光源的节距、垂直共振腔面射型激光光源的光点的数量、每个凸透镜的节距、每个凸透镜的球高、透镜阵列的基板厚度以及介于垂直共振腔面射型激光光源与透镜阵列之间的后焦距的至少一者，来决定结构光的点图案。
在一些实施例中，其中根据垂直共振腔面射型激光光源的发散角、垂直共振腔面射型激光光源的节距、垂直共振腔面射型激光光源的光点的数量、每个凸透镜的节距、每个凸透镜的球高、每个凹透镜的节距、每个凹透镜的球高、透镜阵列的基板厚度以及介于垂直共振腔面射型激光光源与透镜阵列之间的后焦距的至少一者，来决定结构光的点图案。
在一些实施例中，其中根据每个凸透镜的节距来设计垂直共振腔面射型激光光源的光点的排列方式，从而决定结构光的点图案的光点的排列方式或增加结构光的点图案的光点的数量。
在一些实施例中，其中衍射式光学元件的结构被设计为用以散射图案光，从而决定结构光的点图案的光点的排列方式或增加结构光的点图案的光点的数量。
附图说明
通过阅读实施例的以下详细描述，且参考如下附图，可以更完整地理解本公开。
图1是根据本公开的第一实施例的光学装置的示意图。
图2是根据本公开的第一实施例的光学装置的垂直共振腔面射型激光光源的光点的一种排列方式的示意图。
图3是根据本公开的第一实施例的光学装置的垂直共振腔面射型激光光源的光点的另一种排列方式的示意图。
图4是根据本公开的第二实施例的光学装置的示意图。
【附图标记说明】
1：第一组光点
2：第二组光点
3：第三组光点
100、200：光学装置
120、220：垂直共振腔面射型激光光源
140、240：透镜阵列
142、242：入光面
144、244：出光面
180、280：平面
260：衍射式光学元件
d、x12、y12、x13、y13：距离
具体实施方式
下文举实施例配合附图作详细说明，但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，而结构运行的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等功效的装置，皆为本发明所涵盖的范围。此外，附图仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。
图1是根据本公开的第一实施例的光学装置100的示意图。光学装置100包含垂直共振腔面射型激光(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)光源120与透镜阵列140。垂直共振腔面射型激光光源120用以朝向透镜阵列140发射光。在本公开的第一实施例中，垂直共振腔面射型激光光源120可为单点光源或多点光源，例如具有1x1个光点、3x3个光点或9x9个光点的光源。
透镜阵列140用以接收从垂直共振腔面射型激光光源120所发射来的光，从而投影结构光(structured light)于平面180上。结构光包含用于特定目的(例如三维(3D)感测或立体图像匹配)的具有数个光点的点图案。结构光的点图案的光点的数量多于垂直共振腔面射型激光光源120的光点的数量。透镜阵列140具有彼此相对的两个表面，即入光面142与出光面144。入光面142比出光面144更靠近垂直共振腔面射型激光光源120。
多个凹透镜沿着透镜阵列140的入光面142设置，且多个凸透镜沿着透镜阵列140的出光面144设置。然而，本公开的第一实施例不限于此。举例来说，入光面142可为平坦的表面且多个凸透镜沿着透镜阵列140的出光面144设置。举另一例来说，多个凸透镜沿着透镜阵列140的入光面142设置且出光面144可为平坦的表面。
应注意的是，凸透镜用以产生结构光的点图案的多个光点。应注意的是，凹透镜用以增加光学装置100的视野(field of view，FOV)。
在本公开的第一实施例中，当透镜阵列140具有凹透镜与凸透镜分别沿着透镜阵列140的两个相对表面设置时，透镜阵列140所投影的结构光的点图案根据垂直共振腔面射型激光光源120的发散角(divergence angle)、垂直共振腔面射型激光光源120的节距(pitch)、垂直共振腔面射型激光光源120的光点的数量、每个凹透镜的节距、每个凹透镜的球高、每个凸透镜的节距、每个凸透镜的球高、透镜阵列140的基板厚度、介于垂直共振腔面射型激光光源120与透镜阵列140之间的后焦距(back focal length，BFL)、或其组合来决定。举例来说，当介于垂直共振腔面射型激光光源120与透镜阵列140之间的后焦距减少时，光学装置100的视野(field of view，FOV)相应地增加，但结构光的点图案的光点的数量相应地减少。
在本公开的第一实施例中，当透镜阵列140具有一个平坦的表面与一个非平坦表面，其中非平坦表面具有凸透镜分别沿着该非平坦表面设置时，透镜阵列140所投影的结构光的点图案根据垂直共振腔面射型激光光源120的发散角、垂直共振腔面射型激光光源120的节距、垂直共振腔面射型激光光源120的光点的数量、每个凸透镜的节距、每个凸透镜的球高、透镜阵列140的基板厚度、介于垂直共振腔面射型激光光源120与透镜阵列140之间的后焦距(back focal length，BFL)、或其组合来决定。举例来说，当垂直共振腔面射型激光光源120的发散角增加时，光学装置100的视野(field of view，FOV)相应地增加，且结构光的点图案的光点的数量相应地增加。
在本公开的第一实施例中，垂直共振腔面射型激光光源120的光点的排列方式被设计，以决定结构光的点图案的光点的排列方式或增加结构光的点图案的光点的数量。应注意的是，垂直共振腔面射型激光光源120的光点的排列方式根据透镜阵列140的每个凸透镜的节距来设计。
图2是根据本公开的第一实施例的光学装置100的垂直共振腔面射型激光光源120的光点的一种排列方式的示意图。垂直共振腔面射型激光光源120包含第一组光点、第二组光点与第三组光点，其中第一组光点即图2中以符号1圈起所标示者；第二组光点即图2中以符号2圈起所标示者；第三组光点即图2中以符号3圈起所标示者。应注意的是，距离d为透镜阵列140的每个凸透镜的节距。如图2所示，距离d+x12代表第一组光点与第二组光点之间的最近的水平间距，距离y12代表第一组光点与第二组光点之间的最近的垂直间距，距离x13代表第一组光点与第三组光点之间的最近的水平间距，距离d+y13代表第一组光点与第三组光点之间的最近的垂直间距。
图3是根据本公开的第一实施例的光学装置100的垂直共振腔面射型激光光源120的光点的另一种排列方式的示意图。应注意的是，距离d为透镜阵列140的每个凸透镜的节距。如图3所示，距离x12代表第一组光点与第二组光点的其中两个光点之间的最近的水平间距，距离y12代表第一组光点与第二组光点的其中两个光点之间的最近的垂直间距，距离x13代表第一组光点与第三组光点的其中两个光点之间的最近的水平间距，距离y13代表第一组光点与第三组光点的其中两个光点之间的最近的垂直间距。应注意的是，如图2与图3所示的垂直共振腔面射型激光光源120的光点的排列方式的设计是为了增加结构光的点图案的不规则性，从而降低辨识特定物体的困难度。
图4是根据本公开的第二实施例的光学装置200的示意图。光学装置200包含垂直共振腔面射型激光光源220、透镜阵列240与衍射式光学元件(diffractive opticalelement，DOE)260。垂直共振腔面射型激光光源220用以朝向透镜阵列240发射光。在本公开的第二实施例中，垂直共振腔面射型激光光源220可为单点光源或多点光源，例如具有1x1个光点、3x3个光点或9x9个光点的光源。
透镜阵列240用以接收从垂直共振腔面射型激光光源220所发射来的光，从而投影具有数个光点的图案光(patterned light)。图案光的光点的数量多于垂直共振腔面射型激光光源220的光点的数量。衍射式光学元件260用以扇出(fan out)图案光，从而投影结构光于平面280上。结构光包含用于特定目的(例如三维(3D)感测或立体图像匹配)的具有数个光点的点图案。结构光的点图案的光点的数量大于图案光的光点的数量。透镜阵列240具有彼此相对的两个表面，即入光面242与出光面244。入光面242比出光面244更靠近垂直共振腔面射型激光光源220。
多个凹透镜沿着透镜阵列240的入光面242设置，且多个凸透镜沿着透镜阵列240的出光面244设置。然而，本公开的第二实施例不限于此。举例来说，入光面242可为平坦的表面且多个凸透镜沿着透镜阵列240的出光面244设置。举另一例来说，多个凸透镜沿着透镜阵列240的入光面242设置且出光面244可为平坦的表面。
应注意的是，凸透镜用以产生结构光的点图案的多个光点。应注意的是，凹透镜用以增加光学装置100的视野(field of view，FOV)。应注意的是，衍射式光学元件260用以增加光学装置的视野且用以产生结构光的点图案的光点。
在本公开的第二实施例中，由衍射式光学元件260所投影的结构光的点图案根据垂直共振腔面射型激光光源220的发散角、垂直共振腔面射型激光光源220的节距、垂直共振腔面射型激光光源220的光点的数量、每个凹透镜的节距、每个凹透镜的球高、每个凸透镜的节距、每个凸透镜的球高、透镜阵列240的基板厚度、介于垂直共振腔面射型激光光源220与透镜阵列240之间的后焦距、或其组合来决定。
在本公开的第二实施例中，根据透镜阵列240的每个凸透镜的节距来设计垂直共振腔面射型激光光源220的光点的排列方式，以决定结构光的点图案的光点的排列方式或增加结构光的点图案的光点的数量。
在本公开的第二实施例中，衍射式光学元件260的结构被设计为用以散射图案光，从而决定结构光的点图案的光点的排列方式或增加结构光的点图案的光点的数量。举例来说，衍射式光学元件260可提供图案光的散射，以产生不同的衍射阶数(diffractionorders)，从而增加结构光的点图案的光点的数量。具体而言，衍射式光学元件260可增加结构光的点图案的光点的密度。
综合上述，本公开提出一种光学装置包含垂直共振腔面射型激光光源与透镜阵列，本公开还提出一种光学装置包含垂直共振腔面射型激光光源、透镜阵列与衍射式光学元件。本公开所提出的光学装置用以提供包含数个光点的结构光。本公开所提出的光学装置使用透镜阵列，从而具有较佳的空间利用率。本公开所提出的光学装置使用透镜阵列与衍射式光学元件，从而具有较低的能量损失。
以上概述了数个实施例的特征，因此所属领域技术人员可以更了解本公开的态样。所属领域技术人员应了解到，其可轻易地把本公开当作基础来设计或修改其它的制作与结构，借此实现和在此所介绍的这些实施例相同的目标及/或达到相同的优点。所属领域技术人员也应可明白，这些等效的构型并未脱离本公开的精神与范围，并且他们可以在不脱离本公开精神与范围的前提下做各种的改变、替换与变动。

Claims (12)

1.一种光学装置，包含：
一垂直共振腔面射型激光光源，用以发射具有至少一光点的光；以及
一透镜阵列，用以接收从所述垂直共振腔面射型激光光源所发射来的光，从而投影一结构光，其中所述结构光包含具有数个光点的一点图案；
其中复数个凸透镜沿着所述透镜阵列的一第一表面设置，且所述复数个凸透镜用以产生所述点图案的所述数个光点。
2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，
其中复数个凹透镜沿着所述透镜阵列的一第二表面设置，且所述第一表面与所述第二表面彼此相对；
其中所述第一表面相应于所述透镜阵列的一入光面，且所述第二表面相应于所述透镜阵列的一出光面；
其中所述复数个凹透镜用以增加所述光学装置的视野。
3.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，根据所述垂直共振腔面射型激光光源的一发散角、所述垂直共振腔面射型激光光源的一节距、所述垂直共振腔面射型激光光源的所述数个光点的数量、所述复数个凸透镜的每一个凸透镜的一节距、所述复数个凸透镜的每一个凸透镜的一球高、所述透镜阵列的一基板厚度以及介于所述垂直共振腔面射型激光光源与所述透镜阵列之间的一后焦距的至少一者，来决定所述结构光的所述点图案。
4.如权利要求2所述的光学装置，其特征在于，根据所述垂直共振腔面射型激光光源的一发散角、所述垂直共振腔面射型激光光源的一节距、所述垂直共振腔面射型激光光源的所述数个光点的数量、所述复数个凹透镜的每一个凹透镜的一节距、所述复数个凹透镜的每一个凹透镜的一球高、所述复数个凸透镜的每一个凸透镜的一节距、所述复数个凸透镜的每一个凸透镜的一球高、所述透镜阵列的一基板厚度以及介于所述垂直共振腔面射型激光光源与所述透镜阵列之间的一后焦距的至少一者，来决定所述结构光的所述点图案。
5.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，根据所述复数个凸透镜的每一个凸透镜的一节距来设计所述垂直共振腔面射型激光光源的所述数个光点的一排列方式，从而决定所述结构光的所述点图案的所述数个光点的一排列方式或增加所述结构光的所述点图案的所述数个光点的数量。
6.一种光学装置，包含：
一垂直共振腔面射型激光光源，用以发射具有至少一光点的光；
一透镜阵列，用以接收从所述垂直共振腔面射型激光光源所发射来的光，从而提供具有数个光点的一图案光；以及
一衍射式光学元件，用以扇出所述图案光，从而投影一结构光，其中所述结构光包含具有数个光点的一点图案，其中所述衍射式光学元件用以增加所述光学装置的视野且用以产生所述点图案的所述数个光点；
其中所述点图案的所述数个光点的数量大于所述图案光的所述数个光点的数量。
7.如权利要求6所述的光学装置，其特征在于，复数个凸透镜沿着所述透镜阵列的一第一表面设置，且所述复数个凸透镜用以产生所述图案光的所述数个光点。
8.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于
其中复数个凹透镜沿着所述透镜阵列的一第二表面设置，且所述第一表面与所述第二表面彼此相对；
其中所述第一表面相应于所述透镜阵列的一入光面，且所述第二表面相应于所述透镜阵列的一出光面；
其中所述复数个凹透镜用以增加所述光学装置的视野。
9.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于，根据所述垂直共振腔面射型激光光源的一发散角、所述垂直共振腔面射型激光光源的一节距、所述垂直共振腔面射型激光光源的所述数个光点的数量、所述复数个凸透镜的每一个凸透镜的一节距、所述复数个凸透镜的每一个凸透镜的一球高、所述透镜阵列的一基板厚度以及介于所述垂直共振腔面射型激光光源与所述透镜阵列之间的一后焦距的至少一者，来决定所述结构光的所述点图案。
10.如权利要求8所述的光学装置，其特征在于，根据所述垂直共振腔面射型激光光源的一发散角、所述垂直共振腔面射型激光光源的一节距、所述垂直共振腔面射型激光光源的所述数个光点的数量、所述复数个凸透镜的每一个凸透镜的一节距、所述复数个凸透镜的每一个凸透镜的一球高、所述复数个凹透镜的每一个凹透镜的一节距、所述复数个凹透镜的每一个凹透镜的一球高、所述透镜阵列的一基板厚度以及介于所述垂直共振腔面射型激光光源与所述透镜阵列之间的一后焦距的至少一者，来决定所述结构光的所述点图案。
11.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于，根据所述复数个凸透镜的每一个凸透镜的一节距来设计所述垂直共振腔面射型激光光源的所述数个光点的一排列方式，从而决定所述结构光的所述点图案的所述数个光点的一排列方式或增加所述结构光的所述点图案的所述数个光点的数量。
12.如权利要求6所述的光学装置，其特征在于，所述衍射式光学元件的一结构被设计为用以散射所述图案光，从而决定所述结构光的所述点图案的所述数个光点的一排列方式或增加所述结构光的所述点图案的所述数个光点的数量。
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