TWI691736B - 發光裝置及應用其之圖像採集裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供了一種發光裝置，包括發光元件，用於發出光源光；數字微鏡器件，用於對所述光源光進行調製得到結構光；反射棱鏡，設置於所述發光元件之出光光路上，用於引導所述光源光入射至所述數字微鏡器件；以及外殼，所述外殼形成一容納腔，所述發光元件、所述反射棱鏡及所述數字微鏡器件容置於所述容納腔內，所述外殼開設有一出光口，所述結構光自所述出光口出射。本發明還提供一種包含上述發光裝置之圖像採集裝置。發光裝置使用數字微鏡器件對發光元件發出之光源光進行光調製，有利於匹配不同之應用場景產生具有多種特定圖案之結構光。

Description

發光裝置及應用其之圖像採集裝置

本發明涉及結構光技術領域，尤其涉及一種發光裝置及應用該發光裝置之圖像採集裝置。

習知之3D視覺結構光技術中，若實現深度信息之測量，則需要採用攜帶特定之光學圖案(如，雷射散斑)之結構光投射至待測物表面，由於光源發出之光束並沒有攜帶特徵信息，因而常使用饒射光學元件(Diffractive Optical Elements,DOE)對光源發出之光束進行散射使光束具備特徵結構，得到所需之圖案。由於饒射光學元件對於光束進行散射之角度(FOV)有限，是以需要光柵將圖案進行饒射“複製”後，擴大其投射角度。饒射光學元件是基於光之饒射原理，利用計算機輔助設計，並採用半導體芯片製造工藝，在基片上(或傳統光學器件表面)蝕刻產生臺階型或連續浮雕結構(習知為光柵結構)，藉由不同之設計來控制光束之發散角及形成光斑之形貌，實現光束形成特定圖案。是故，饒射光學元件需要根據其應用場景定制且只對應一種特定圖案，缺乏實用性及靈活性。

又習知技術使用常規之側向出光之雷射器作為光源，如圖1所示，曲線a至曲線g分別代表常規之側向出光之雷射器在0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃及60℃時之發光波長，由此可見常規之側向出光之雷射器之發光波長隨溫度之變化量大約為0.3nm/℃，故雷射器受溫度影響後發光波長很容易被改變，從而影響結構光投射之準確率。

本發明第一方面提供一種發光裝置，包括：發光元件，用於發出光源光； 數字微鏡器件，用於對所述光源光進行調製得到結構光；反射棱鏡，設置於所述發光元件之出光光路上，用於引導所述光源光入射至所述數字微鏡器件；以及外殼，所述外殼形成一容納腔，所述發光元件、所述反射棱鏡及所述數字微鏡器件容置於所述容納腔內，所述外殼開設有一出光口，所述結構光自所述出光口出射。

本發明第二方面提供一種圖像採集裝置，包括：上述發光裝置，用於發射結構光至待測物；圖像傳感器，用於根據待測物反射回之結構光圖案生成結構光圖像；以及圖像處理器，用於根據所述結構光圖像之圖像數據，計算得到所述待測物之位置信息及深度信息，還原得到所述待測物之三維立體圖像。

本發明提供之發光裝置使用數字微鏡器件對發光元件發出之光源光進行光調製，有利於匹配不同之應用場景產生具有多種特定圖案之結構光。另，本發明之發光裝置及圖像採集裝置中各部分元器件結構較為緊湊，可應用於手機等便攜式移動設備上。

10:圖像採集裝置

100:發光裝置

110:發光元件

120:反射棱鏡

130:數字微鏡器件

131:微反射鏡

132:畫素

140:透鏡

150:外殼

151:容納腔

152:出光口

160:電路板

170:控制裝置

180:光吸收元件

200:圖像傳感器

300:圖像處理器

400:待測物

圖1為常規之側向出光之雷射器之在不同溫度下發光波長之曲線示意圖，其中橫坐標為雷射器之發光波長，縱坐標為溫度每變化1℃時發光波長之變化量。

圖2為本發明實施例之發光裝置之立體示意圖。

圖3為圖2所示之發光裝置沿II-II線之剖面示意圖。

圖4為圖2所示之發光裝置之分解示意圖。

圖5為本發明實施例之發光裝置之數字微鏡器件之工作原理示意圖。

圖6為本發明實施例之圖像採集裝置之工作原理示意圖。

請一併參閱圖2及圖3，本發明之發光裝置100包括發光元件110、反射棱鏡120、數字微鏡器件130及外殼150。發光元件110用於發出光源光。反 射棱鏡120設置於發光元件110之出光光路上，用於引導光源光入射至數字微鏡器件130。數字微鏡器件130用於對光源光進行調製得到結構光。外殼150形成一容納腔151，發光元件110、反射棱鏡120及數字微鏡器件130容置於容納腔151內，外殼150開設有一出光口152，結構光自出光口152出射。

本實施例中，外殼150包括鏡筒及鏡座，所述鏡筒及所述鏡座可由相互配合之螺紋連接。出光口152設於所述鏡筒之出光軸上。發光裝置100還包括透鏡140，透鏡140設置於數字微鏡器件130之出光光路上，數字微鏡器件130出射之結構光經透鏡140準直後沿所述鏡筒之出光軸之方向自出光口152出射。透鏡140之具體形狀及數量可根據實際需求進行設計。

請參閱圖4，本實施例中發光裝置100還包括電路板160，電路板160之一部分蓋設在外殼150與出光口152相對之一側上並與外殼150圍合形成容納腔151。發光元件110及數字微鏡器件130分別設置於電路板160上並與電路板160電性連接。本實施例中，電路板160為軟硬結合板(Rigid Flex Printed Circuits,RFPC)。

具體地，發光元件110可為紅外雷射二極體芯片(包括複數紅外雷射二極體)或紅外發光二極體(包括複數紅外發光二極體)。本實施例中，紅外雷射二極體為垂直腔面發射雷射器。垂直腔面發射雷射器所需之驅動電壓及電流較小，功耗較低；可調變頻率高，可達數GHz；與半導體製造工藝兼容，適合大規模集成製造。又，垂直腔面發射雷射器之發光波長隨溫度之變化量大約只有0.07nm/℃，故使用垂直腔面發射雷射器有利於降低溫度對雷射器之發光波長之影響來提高結構光投射之準確率。

請再參閱圖3，具體地，反射棱鏡120固接於外殼150之內壁上，反射棱鏡120之傾斜角度及數字微鏡器件130與發光元件110之相對位置為能夠調整的，可藉由調整反射棱鏡120之傾斜角度以及數字微鏡器件130與發光元件110之相對位置，使得反射棱鏡120反射之光源光投射至數字微鏡器件130。本實施例中，反射棱鏡120為平面反射棱鏡，可調整反射棱鏡120固接之外殼150之內壁上與電路板160之相對傾斜角度，來改變反射棱鏡120反射之光源光之出射方向。在其他實施例中，反射棱鏡120還可為直角棱鏡、梯形棱鏡等。

本實施例中，數字微鏡器件130為數字微鏡器件(Digital Micromirror Device,DMD)。具體地，請參閱圖5，數字微鏡器件130包括間隔排佈之複數 微反射鏡131組成之陣列，每個微反射鏡131對應結構光圖案之一個畫素132。微反射鏡131之數量可根據實際情況選擇，微反射鏡131之數量越多，則發光裝置100出射之結構光圖案之分辨率越高，微反射鏡131之數量越少，則發光裝置100出射之結構光圖案之分辨率越低。每個微反射鏡131用於對光源光選擇性投射到出光口152，以出射得到不同之結構光圖案。進一步地，每個微反射鏡131可將發光元件110發出之光源光選擇性反射到出光口152或光吸收元件180上，當微反射鏡131為“開”狀態時，微反射鏡131將光源光反射到出光口152，對應之畫素132為“亮”狀態；當微反射鏡131為“關”狀態時，微反射鏡131將光源光反射到出光口152以外之光吸收元件180上，對應之畫素132為“暗”狀態。光吸收元件180由非反射材質製成，設置於外殼150內(所述鏡座內)且於數字微鏡器件130之另一出光光路上，光吸收元件180與出光口152不在同一光路上。藉此，數字微鏡器件130對光源光進行調製後，可得到具有不同光強分佈、不同樣式之二維結構光圖案(如，線性圖案或點斑圖案)。是故，本發明提供之發光裝置100使用數字微鏡器件130對發光元件110發出之光源光進行光調製，有利於匹配不同之應用場景之需求產生具有多種特定圖案之結構光。

具體地，請參閱圖5，發光裝置100還包括控制裝置170，控制裝置170用於根據所需之結構光圖案對數字微鏡器件130發出光調製訊號，數字微鏡器件130根據光調製訊號調節每個微反射鏡131之偏轉狀態以將光源光反射至出光口152內或出光口152外。

具體地，請再參閱圖3，外殼150可由金屬材料(如，銅、鋁、鐵或不銹鋼等)製成以便於散熱，有利於改善發光元件110之發光溫度過高導致之熱飽及現象(即隨著工作電流之增大，發光元件110之發光強度隨著工作電流之增大不再明顯地增大甚至下降)。另由於外殼150需與發光元件110之間保持絕緣，是故可對外殼150進行陽極氧化表面處理(如，黑色陽極氧化處理)。為降低外殼150之製作成本，外殼150亦可使用塑膠材質進行製作。

相比於現有技術中之饒射光學元件，本實施中使用數字微鏡器件(DMD)實現光源光之調製，無需專門定制特定之結構光圖案，且能對應多種不同之圖案，實用性及靈活性較高。

請參閱圖6，本發明之圖像採集裝置10包括實施例一提供之發光裝置100，用於發射結構光至待測物400；圖像傳感器200，用於根據待測物400反 射回之結構光圖案生成結構光圖像；圖像處理器300，用於根據結構光圖像之圖像數據，計算得到待測物400之位置信息及深度信息，還原得到待測物400之三維立體圖像。

發光裝置100發出之結構光圖案具有規則形狀，由於待測物400習知並非處在同一平面上，當結構光投射到待測物400之表面後被待測物400高度調製，結構光圖案之規則形狀會被改變成不規則形狀，因而待測物400反射回發光裝置100之是已變形之結構光圖案。

反射回發光裝置100之結構光經過透鏡140之收集後投射至圖像傳感器200，圖像傳感器200可例如為電荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)或互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)。被調製後之結構光被圖像傳感器200採集，圖像傳感器200所得到之結構光圖像包含已變形之結構光圖案，圖像傳感器200採集之結構光圖像之圖像數據被傳輸到圖像處理器300，圖像處理器300可根據結構光圖案之變形程度來計算得到待測物400之位置信息及深度信息，從而還原待測物400之三維立體圖像。待測物400可例如為人臉。

本發明之發光裝置100及圖像採集裝置10中各部分元器件結構較為緊湊，可應用於手機等便攜式移動設備上。本發明之發光裝置100及圖像採集裝置10可應用於3D掃描、人臉識別等領域。

100:發光裝置

110:發光元件

120:反射棱鏡

130:數字微鏡器件

140:透鏡

150:外殼

151:容納腔

152:出光口

160:電路板

Claims (9)

1. 一種發光裝置，其改良在於，包括：發光元件，用於發出光源光；數字微鏡器件，用於對所述光源光進行調製得到結構光；反射棱鏡，設置於所述發光元件之出光光路上，用於引導所述光源光入射至所述數字微鏡器件；以及外殼，所述外殼形成一容納腔，所述發光元件、所述反射棱鏡及所述數字微鏡器件容置於所述容納腔內，所述外殼開設有一出光口，所述結構光自所述出光口出射，所述反射棱鏡安裝於所述外殼之內壁上，所述反射棱鏡之傾斜角度及所述數字微鏡器件與所述發光元件之相對位置為能夠調整的，以使所述反射棱鏡反射之所述光源光投射至所述數字微鏡器件。
2. 如請求項1所述之發光裝置，其中，所述發光裝置還包括：透鏡，設置於所述數字微鏡器件之出光光路上，所述數字微鏡器件出射之結構光經所述透鏡準直後自所述出光口出射。
3. 如請求項1所述之發光裝置，其中，所述發光元件為紅外雷射二極體芯片或紅外發光二極體芯片。
4. 如請求項3所述之發光裝置，其中，所述紅外雷射二極體芯片為垂直腔面發射雷射器芯片。
5. 如請求項1所述之發光裝置，其中，所述發光裝置還包括電路板，所述電路板與所述外殼圍合形成所述容納腔，所述發光元件、所述數字微鏡器件分別與所述電路板電連接。
6. 如請求項1所述之發光裝置，其中，所述數字微鏡器件包括複數微反射鏡組成之陣列，每個微反射鏡對應一個結構光圖案之一個畫素，每個微反射鏡用於對所述光源光選擇性投射到所述出光口，以出射得到不同之結構光圖案。
7. 如請求項6所述之發光裝置，其中，所述發光裝置還包括控制裝置，所述控制裝置用於根據所需之結構光圖案對所述數字微鏡器件發出光調製訊號，所述數字微鏡器件根據所述光調製訊號調節每個微反射鏡之偏轉狀態。
8. 如請求項1所述之發光裝置，其中，所述外殼由經過陽極氧化表面處理之金屬材料或塑膠製成。
9. 一種圖像採集裝置，其改良在於，包括：如請求項1-8中任意一項所述之發光裝置，用於發射結構光至待測物；圖像傳感器，用於根據待測物反射回之結構光圖案生成結構光圖像；以及圖像處理器，用於根據所述結構光圖像之圖像數據，計算得到所述待測物之位置信息及深度信息，還原得到所述待測物之三維立體圖像。

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