TWI661233B - 點陣投影器結構，以及利用點陣投影器結構擷取圖像的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種點陣投影器結構，包含 一可動基座，一光源發射器，位於該可動基座上方，一準直鏡(collimator)，位於該光源發射器的一前端方向，一繞射光學元件(Diffractive Optical Elements)，位於該光源發射器的該前端方向，以及一致動器，連接該可動基座，其中可藉由提供一信號至該致動器，以改變該可動基座的傾斜角度。

Description

點陣投影器結構，以及利用點陣投影器結構擷取圖像的方法
本發明係有關於光學領域，尤其是一種可改變照射角度的點陣投影器結構，以及上述點陣投影器結構擷取圖像的方法。
隨著科技進步，手機已成為現代人不可或缺的隨身物品之一，因此對於個人手機內資料的保護技術，也不斷地被研究與發展。
近年來， 藉由發展3D 立體影像感測技術，具有人臉辨識功能的電子產品也逐漸出現於市面上。以手機為例，目前具有人臉辨識功能的手機，至少包含有泛光照射器、點陣投影器與紅外線鏡頭等裝置。習知手機進行人臉辨識的流程，大致上依序包含有三步驟，分別為接近感測(判斷是否有物體接近手機)、泛光照射器感測以及點陣投影器感測。其中值得注意的是，泛光照射器的感測方式，包含藉由泛光照射器發出一較大照射角度的光源(例如紅外線)，投射至一物體(例如人臉)的表面，接著由紅外線鏡頭接收從物體反射回來的光源，並且經由處理器等元件經計算後，粗略地判定該物體是否為人臉。當確定物體為人臉之後，點陣投影器發出多個光點(例如數千至數萬個)投影至人臉上，搭配紅外線鏡頭接收反射的光點變化，計算出虛擬人臉表面輪廓，用以精細判斷所偵測的人臉是否為手機的使用者本人或其他經過認證的人物。
對於點陣投影器而言，一點陣投影機至少包含有一光源發射器以及一繞射光學元件(Diffractive Optical Elements，DOE)，光源發射器產生的光源通過繞射光學元件後，將產生多個光點照射至物體或人臉。對於同一繞射光學元件，在單位面積內所能產生出固定能量的光點數量有限。若需要擴大偵測範圍，以辨識較大的物體時(例如，環境重現技術)，則需要增加點陣投影器的投射角度。但是，若利用擴散鏡等元件直接放大點陣投影器的照射角度，由於照射總能量為固定，因此每一單位面積內各光點的能量以及光點密度都會相應減小，如此一來將影響紅外線鏡頭接收反射的光點變化，進而降低偵測及重建虛擬物體的精確度。另一方面，若採用精細度更高的繞射光學元件(例如，單位面積內可以產生更多光點)，則整體製作成本也隨之提高。
本發明提供一種點陣投影器結構，包含 一可動基座，一光源發射器，位於該可動基座上方，一準直鏡(collimator)，位於該光源發射器的一前端方向，一繞射光學元件(Diffractive Optical Elements)，位於該光源發射器的該前端方向，以及一致動器，連接該可動基座，其中可藉由提供一信號至該致動器，以改變該可動基座的傾斜角度。
本發明另提供一種利用一點陣投影器擷取圖像的方法，包含提供一點陣投影器結構，其中該點陣投影器結構至少包含有一可動基座，一紅外線鏡頭，位於該可動基座旁，一光源發射器，位於該可動基座上方，一準直鏡(collimator)，位於該光源發射器的一前端方向，一繞射光學元件(Diffractive Optical Elements)，位於該光源發射器的該前端方向，以及一致動器，連接該可動基座，其中可藉由提供一信號至該致動器，以改變該可動基座的傾斜角度。接著該點陣投影器的該光源發射器發出一光源，該光源經該繞射光學元件後產生複數個光點投射至一物體的一第一部位，且各該光點經該物體反射後，被該紅外線鏡頭所偵測，並連接至一計算系統產生一第一圖像，然後藉由啟動該致動器，以調整該可動基座的傾斜角度，以及在該可動基座的傾斜角度被調整後，該點陣投影器的該光源發射器發出的該光源，經該繞射光學元件後產生複數個光點投射至該物體的一第二部位，且各該光點經該物體反射後，被該紅外線鏡頭所偵測，並連接至該計算系統產生一第二圖像。
本發明將點陣投影器設置於可動基座上，藉由致動器改變可動基座的傾斜角度，使得點陣投影器的照射方向可以改變。當偵測一較大物體而需要更大的照射角度時，可利用掃描的方式將圖像分段擷取，再於計算系統中將各分段的圖像整合成所需圖像。如此一來，在不降低偵測精細度的情況下，也不需要提供高精度的繞射光學元件，仍可以擴大點陣投影器的照射角度。
為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。
為了方便說明，本發明之各圖式僅為示意以更容易了解本發明，其詳細的比例可依照設計的需求進行調整。在文中所描述對於圖形中相對元件之上下關係，在本領域之人皆應能理解其係指物件之相對位置而言，因此皆可以翻轉而呈現相同之構件，此皆應同屬本說明書所揭露之範圍，在此容先敘明。
請參考第1圖，其繪示本發明點陣投影器的結構示意圖。本發明的點陣投影器結構1包含有一光源發射器10，此處定義光源發射器發出光源(例如可見光、紅外線等)的方向為一前端。在光源發射器10朝向前端方向發射一光源12，一準直鏡(collimator)14以及一繞射光學元件(Diffractive Optical Elements，DOE)16沿著前端方向設置，位於光源12的路徑上。其中準直鏡14位於光源發射器10以及繞射光學元件16之間。也就是說，當光源12由光源發射器10發出之後，將會依序經過準直鏡(collimator)14以及繞射光學元件16。其中光源12較佳為雷射光，但不限於此，準直鏡14的主要作用就是將原本發向不同方向的光線彙聚成平行光，而平行光源(即通過準直鏡14之後的光源12)通過繞射光學元件16時，將會產生複數個 (例如數千或數萬個)光點12’。該些光點投影至物體(例如人臉)並被反射，搭配紅外線鏡頭接收反射後的光點變化，即可計算出虛擬人臉輪廓，並與認證過的人臉資訊進行比對。
另外，光源發射器10設置於可動基座20上，可動基座20包含有一傳動支撐結構22，因此可動基座20可藉由傳動支撐結構22，在一固定範圍內進行一定角度內的傾斜或旋轉。而可動基座20下方設置有致動器24，在本發明中，致動器24可能為電控裝置，例如音圈馬達(Voice Coil Motor，VCM)、微機電系統(Micro Electro Mechanical System，MEMS)或記型合金(Shape Memory Alloys, SMA)等，但本發明的致動器24不以此為限，其餘可藉由信號控制產生結構變化的裝置也可以適用於本發明所述的致動器。致動器24連接一控制晶片(圖未示)，而控制晶片發出一信號控制致動器24，進而改變可動基座20的角度。更詳細而言，以本實施例為例，致動器24包含一音圈馬達，其包含有四個支撐支架26，其中可控制每個支撐支架26分別伸長或縮短。因此當特定的支撐支架26伸長後則推動可動基座20，造成可動基座20產生傾斜(舉例來說，當右方的支撐支架26伸長，則造成可動基座20可能會往左方傾斜)。除此之外，本發明的可動基座20不僅可以朝向單一方向(例如水平方向)傾斜，也可以朝向不同的方向(例如垂直方向)傾斜。因此，藉由控制致動器24，位於可動基座20上的光源發射器10的照射角度也可以產生依照需求而改變。換句話說，藉由傾斜可動基座20，光源發射器10的照射角度可以增大。當需要擴大點陣投影器的照射角度以偵測較大物體時(例如環境重現)，此時點陣投影器可利用掃描的方式，依次掃過大型物體的所有範圍。
第2圖繪示利用本發明所提出的點陣投影器10擷取圖像的方法示意圖。首先，提供點陣投影器1，此處的點陣投影器1例如為第1圖中所示的點陣投影器。其特徵在於包含有可動基座以及致動器，因此可依照需求改變點陣投影器1的照射角度。接著，提供一物體30，此處的物體30假設為一較大體積的物體，因此其範圍超出原先點陣投影器1的照射角度(此處指點陣投影器1在固定的狀態下最大的照射角度，舉例來說，例如為70度)。此時，控制點陣投影器1的照射角度，依序掃描物體30的不同範圍，舉例來說，本實施例中將物體30分成區域R1、區域R2與區域R3，而點陣投影器1的照射角度則依序掃描過上述區域R1、區域R2與區域R3。其中區域R1、區域R2與區域R3可以部份互相重疊，或是彼此之間不重疊。點陣投影器1發出複數個光點投射至區域R1後，被區域R1反射的光點變化被紅外線鏡頭40所接收，並且紅外線鏡頭40連接至一計算系統50。在此將經區域R1反射並被紅外線鏡頭40所接收的光點變化圖像定義為P1。同樣地，點陣投影器1發出複數個光點投射至區域R2後，被區域R2反射的光點變化被紅外線鏡頭40所接收，在此將經區域R2反射並被紅外線鏡頭40所接收的光點變化圖像定義為P2。點陣投影器1發出複數個光點投射至區域R3後，被區域R3反射的光點變化被紅外線鏡頭40所接收，在此將經區域R3反射並被紅外線鏡頭40所接收的光點變化圖像定義為P3。上述三個光點變化圖像P1、P2、P3分別儲存於計算系統50內，接著計算系統50將光點變化圖像P1、P2、P3整合成一完整光點變化圖像A，並且根據完整光點變化圖像P，重建一虛擬物體輪廓。本發明提供的點陣投影器，比起習知的點陣投影器，其照射角度的總和可明顯增加，以本實施例為例，若點陣投影器1為固定，照射角度總合A1約為70度，而藉由掃描的方式，照射角度總合B1約為100度以上。
此外，第2圖中的點陣投影器1僅以單一方向進行掃描(例如水平方向)，但在本發明的其他實施例中，可同時進行不同方向的掃瞄，例如以水平以及垂直方向進行掃描，如此可進一步擴大點陣投影器的照射角度，其也屬於本發明的涵蓋範圍內。
本發明將點陣投影器設置在可動基座上，因此點陣投影器可以利用掃描的方式偵測大型物體，同時由於單位照射面積內的光點數量並未改變，因此本發明也不會降低偵測物體的精確度。習知的點陣投影器，僅能照射固定角度，若需要精確地偵測物體(例如人臉)，則需要搭配精細的繞射光學元件，舉例來說，光源通過繞射光學元件時，大約需要產生3萬個光點，方能精確地判斷人臉輪廓。相較於習知的點陣投影器，本發明可以用較低精度的繞射光學元件取代高價位的高精度繞射光學元件，舉例來說，光源通過繞射光學元件時，大約只需要產生數千至1萬個以下的光點。以本實施例為例，光源通過繞射光學元件後產生的光點數量小於1萬個，甚至可以小於5千個光點。後續再搭配掃描的方式，仍可達到偵測完整物體的目的。由於不需要製作高精度的繞射光學元件，因此整體製作成本也可以降低。
綜上所述，本發明特徵在於，將點陣投影器設置於可動基座上，藉由致動器改變可動基座的角度，使得點陣投影器的照射方向可以改變。當需要擴大照射角度以偵測一較大物體時，可利用掃描的方式將圖像分段擷取，再於計算系統中將各分段的圖像整合成所需圖像。如此一來，在不降低偵測精細度的情況下，也不需要提供高精度的繞射光學元件，仍擴大點陣投影器的照射角度。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1‧‧‧點陣投影器
10‧‧‧光源發射器
12‧‧‧光源
12’‧‧‧光點
14‧‧‧準直鏡
16‧‧‧繞射光學元件
20‧‧‧可動基座
22‧‧‧傳動支撐結構
24‧‧‧致動器
26‧‧‧支撐支架
30‧‧‧物體
40‧‧‧紅外線鏡頭
50‧‧‧計算系統
A1、B1‧‧‧照射角度
P、P1、P2、P3‧‧‧光點變化圖像
R1、R2、R3‧‧‧區域
第1圖繪示本發明點陣投影器的結構示意圖。 第2圖繪示利用本發明所提出的點陣投影器擷取圖像的方法示意圖。

Claims (13)

  1. 一種點陣投影器結構，包含：一可動基座；一光源發射器，位於該可動基座上方；一準直鏡(collimator)，位於該光源發射器的一前端方向；一繞射光學元件(Diffractive Optical Elements)，位於該光源發射器的該前端方向；一致動器，連接該可動基座，其中可藉由提供一信號至該致動器，以改變該可動基座的傾斜角度；一紅外線鏡頭，用以接收複數個光點變化圖像；以及一計算系統，用以合成該複數個光點變化圖像為一完整光點變化圖像，並儲存該完整光點變化圖像。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的點陣投影器結構，其中該致動器包含音圈馬達(Voice Coil Motor，VCM)、微機電系統(Micro Electro Mechanical System，MEMS)或記型合金(Shape Memory Alloys,SMA)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的點陣投影器結構，其中該可動基座的可變動角度大於100度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的點陣投影器結構，其中該可動基座的可變動角度之方向，包含水平方向以及垂直方向。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的點陣投影器結構，其中該光源發射器發出一光源，且該光源通過該繞射光學元件後產生複數個光點，其中該光點的數量小於1萬個。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的點陣投影器結構，其中該可動基座包含有一傳動支撐結構。
  7. 一種利用一點陣投影器擷取圖像的方法，包含：提供一點陣投影器結構，其中該點陣投影器結構至少包含有：一可動基座；一紅外線鏡頭，位於該可動基座旁；一光源發射器，位於該可動基座上方；一準直鏡(collimator)，位於該光源發射器的一前端方向；一繞射光學元件(Diffractive Optical Elements)，位於該光源發射器的該前端方向；以及一致動器，連接該可動基座，其中可藉由提供一信號至該致動器，以改變該可動基座的傾斜角度；該點陣投影器的該光源發射器發出一光源，經該繞射光學元件後產生複數個光點投射至一物體的一第一部位，且各該光點經該物體反射後，被該紅外線鏡頭所偵測，並連接至一計算系統產生一第一圖像；藉由啟動該致動器，以調整該可動基座的角度；以及在該可動基座的角度被調整後，該點陣投影器的該光源發射器發出的該光源，經該繞射光學元件後產生複數個光點投射至該物體的一第二部位，且各該光點經該物體反射後，被該紅外線鏡頭所偵測，並連接至該計算系統產生一第二圖像，其中該計算系統將該第一圖像與該第二圖像組合，並產生一最終圖像。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中該物體的該第一部位與該物體的該第二部位彼此部分互相重疊。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中該物體的該第一部位與該物體的該第二部位彼此不互相重疊。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中該致動器包含音圈馬達(Voice Coil Motor，VCM)、微機電系統(Micro Electro Mechanical System，MEMS)或記型合金(Shape Memory Alloys,SMA)。
  11. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中該可動基座的可變動角度大於100度。
  12. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中該光源發射器發出該光源，且該光源通過該繞射光學元件後產生複數個光點，其中該光點的數量小於1萬個。
  13. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中該可動基座包含有一傳動支撐結構。
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