TWI777329B - 光學切換式深度感測相機 - Google Patents

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Abstract

一種光學切換式深度感測相機，包括紅外光雷射模組、影像感測器、第一光學鏡頭、第二光學鏡頭、切換機構以及微控制器。其中，影像感測器接收紅外光雷射模組輸出的紅外光雷射，第一光學鏡頭固設於影像測器上，第二光學鏡頭可移除地配置於第一光學鏡頭之上，切換機構耦接第二光學鏡頭且控制第二光學鏡頭的位置。

Description

光學切換式深度感測相機
本發明係有關一種深度感測相機，尤指結合可切換的多個鏡頭以及單個影像感測器的一種光學切換式深度感測相機。
隨著智慧型裝置的應用越來越廣泛，現代人將越來越多的個人資訊應用於可電子傳輸的數位產品上，例如目前已相當普及的智慧型手機與電腦。為了想要更加地保障個人資訊以及隱私內容不會容易地遭受他人窺探或竊取，各個製造商亦積極地開發各種數位防盜方案，在擴增實境(augmented reality,AR)亦蓬勃發展的同時，具3D感測技術的臉部辨識將成為極具潛力的個人隱私防護解決方案。所述3D感測技術不僅僅可以應用於可攜式數位產品的臉部辨識，還可以進一步地用來進行地理探測以及強化3D模型建置等等功能。
然而，普通的3D感測技術是使用固定式的光學方案，即對於單個影像感測器而言，僅配置有固定焦距範圍以及固定視角的光學鏡頭。對於靜止目標例如對臉部辨識時，固定焦距範圍以及固定視角的光學鏡頭即可滿足需求。然而，對於結構複雜或相對於影像感測器正在移動的非靜止目標而言，很容易會因為目標移動幅度過大而超出光學鏡頭的焦距 範圍或視角之外，不僅造成感測上的困擾，且容易產生嚴重失真的感測結果。
為此，如何設計出一種光學切換式深度感測相機，特別是解決現有技術之前述技術問題，乃為本案發明人所研究的重要課題。
本發明之一目的在於提供一種光學切換式深度感測相機，可以解決現有技術對於結構複雜或相對於影像感測器正在移動的非靜止目標而言，很容易會因為目標移動幅度過大而超出光學鏡頭的焦距範圍或視角之外的技術問題，達到方便操作使用之目的。
為了達到前述目的，本發明所提出的光學切換式深度感測相機包括紅外光雷射模組、影像感測器、第一光學鏡頭、第二光學鏡頭、切換機構以及微控制器。其中，紅外光雷射模組輸出紅外光雷射；影像感測器接收紅外光雷射；第一光學鏡頭固設於影像感測器之上；第二光學鏡頭可移除地配置於第一光學鏡頭之上；切換機構耦接第二光學鏡頭且控制第二光學鏡頭的位置；微控制器耦接影像感測器、切換機構以及紅外光雷射模組。
進一步而言，紅外光雷射模組包括第一發光單元以及第二發光單元，且第一發光單元於第一光學鏡頭之上無第二光學鏡頭時輸出至少部分紅外光雷射，第二發光單元於第一光學鏡頭之上有第二光學鏡頭時輸出至少部分紅外光雷射。
進一步而言，微控制器依據影像感測器獲得飛時測距資料，微控制器依據飛時測距資料控制紅外光雷射模組輸出紅外光雷射的調制頻率以及功率。
進一步而言，切換機構包括步進馬達、伺服馬達以及線性致動器的其中至少一者。
進一步而言，第一光學鏡頭的焦距大於第二光學鏡頭的焦距，且第一光學鏡頭的視角小於第二光學鏡頭的視角。
進一步而言，第一光學鏡頭的焦距介於2公尺與30公尺之間，第二光學鏡頭的焦距介於15公分與3公尺之間。
本發明之另一目的在於提供一種光學切換式深度感測相機，可以解決現有技術對於結構複雜或相對於影像感測器正在移動的非靜止目標而言，很容易會因為目標移動幅度過大而超出光學鏡頭的焦距範圍或視角之外的技術問題，達到方便操作使用之目的。
為了達到前述另一目的，本發明所提出的光學切換式深度感測相機包括光學模組、紅外光雷射模組、影像感測器以及微控制器。其中，光學模組包括切換機構、第一光學鏡頭以及第二光學鏡頭，切換機構耦接第一光學鏡頭以及第二光學鏡頭的其中至少一者，且控制第一光學鏡頭以及第二光學鏡頭的位置；紅外光雷射模組輸出紅外光雷射；影像感測器接收紅外光雷射，且影像感測器之上可移除地配置有第一光學鏡頭或第二光學鏡頭；微控制器耦接影像感測器、切換機構以及紅外光雷射模組。
進一步而言，紅外光雷射模組包括第一發光單元以及第二發光單元，且第一發光單元於第一光學鏡頭配置於影像感測器之上時輸出 至少部分紅外光雷射，第二發光單元於第二光學鏡頭配置於影像感測器之上時輸出至少部分紅外光雷射。
進一步而言，微控制器依據影像感測器獲得飛時測距資料，微控制器依據飛時測距資料控制紅外光雷射模組輸出紅外光雷射的調制頻率以及功率。
進一步而言，切換機構包括步進馬達、伺服馬達以及線性致動器的其中至少一者。
進一步而言，第一光學鏡頭的焦距大於第二光學鏡頭的焦距，且第一光學鏡頭的視角小於第二光學鏡頭的視角。
進一步而言，第一光學鏡頭的焦距介於2公尺與30公尺之間，第二光學鏡頭的焦距介於15公分與3公尺之間。
在使用本發明所述任一光學切換式深度感測相機時，紅外光雷射模組輸出紅外光雷射至待測區域，影像感測器通過第一光學鏡頭以及第二光學鏡頭的其中至少一者而接收反射自待測區域的紅外光雷射。且進一步地，微控制器可通過飛時測距(time of flight,ToF)方法獲得包括探測深度的飛時測距資訊，從而使得微控制器得知待測區域的立體態樣。並且，在微控制器運行所述飛時測距方法的同時，可以通過切換機構而決定第一光學鏡頭或第二光學鏡頭是否位於影像感測器的光軸上，使得微控制器能夠快速地得知影像感測器與待測區域的距離。微控制器可針對不斷更新的所述距離，立即地控制第一光學鏡頭以及第二光學鏡頭的位置，以使第一光學鏡頭以及第二光學鏡頭的其中至少一者所具有的焦距以及視角 可以正確地對應待測區域，使影像感測器可以獲得完整(待測區域位於視角內)且清晰(待測區域的位置符合焦距)的影像。
為此，本發明所述的光學切換式深度感測相機，可以解決現有技術對於結構複雜或相對於影像感測器正在移動的非靜止目標而言，很容易會因為目標移動幅度過大而超出光學鏡頭的焦距範圍或視角之外的技術問題，達到方便操作使用之目的。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
10:紅外光雷射模組
11:第一發光單元
12:第二發光單元
20:影像感測器
30:第一光學鏡頭
40:第二光學鏡頭
50:切換機構
50’:光學模組
50”:光學模組
51:撥桿
51’:切換機構
51”:切換機構
52:樞軸
53:馬達
60:微控制器
101:上殼體
102:中殼體
103:下殼體
104:第一連接埠
105:第二連接埠
111:第一通孔
121:第二通孔
131:第三通孔
200:滑軌
S1~S5:步驟
圖1為本發明光學切換式深度感測相機的外觀示意圖；圖2為本發明光學切換式深度感測相機的分解示意圖；圖3、圖4為本發明光學切換式深度感測相機的窄角長焦模式示意圖；圖5、圖6為本發明光學切換式深度感測相機的廣角短焦模式示意圖；圖7、圖8為本發明光學切換式深度感測相機之光學模組的示意圖；以及圖9為本發明光學切換式深度感測相機之切換機構的判斷流程示意圖。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
請參閱圖1至圖6所示。其中，圖1為本發明光學切換式深度感測相機的外觀示意圖，圖2為本發明光學切換式深度感測相機的分解示意圖。圖3、圖4為本發明光學切換式深度感測相機的窄角長焦模式示意圖。圖5、圖6為本發明光學切換式深度感測相機的廣角短焦模式示意圖。
在本發明之第一實施例中，本發明所提出的光學切換式深度感測相機可包括紅外光雷射模組10、影像感測器20、第一光學鏡頭30、第二光學鏡頭40、切換機構50以及微控制器60。其中，紅外光雷射模組10輸出紅外光雷射(IR laser)。影像感測器20接收紅外光雷射。第一光學鏡頭30固設於影像感測器20之上。第二光學鏡頭40可移除地配置於第一光學鏡頭30之上。切換機構50耦接第二光學鏡頭40且控制第二光學鏡頭40的位置。微控制器60耦接影像感測器20、切換機構50以及紅外光雷射模組10。在本發明之所述第一實施例中，第一光學鏡頭30的焦距可大於第二光學鏡頭40的焦距，且第一光學鏡頭30的視角可小於第二光學鏡頭40的視角。即第一光學鏡頭30可以是窄角鏡頭(narrow angle lens)，其具有長焦距的特性。第二光學鏡頭40可以是廣角鏡頭(wide angle lens)，其具有短焦距的特性。此外，第一光學鏡頭30的焦距可介於2公尺與30公尺之間，第二光學鏡頭40的焦距可介於15公分與3公尺之間或可介於70公分至4公尺之間，即第一光學鏡頭 30的焦距與第二光學鏡頭40的焦距可以部份重疊，除部分重疊之外，第一光學鏡頭30的焦距大於第二光學鏡頭40的焦距。
進一步而言，所述紅外光雷射可以是單一發光角(field of illumination,FoI)而同時可涵蓋窄角與廣角兩種鏡頭的範圍，抑或是分別提供窄角與廣角的發射光源的兩組雷射。在本發明之所述第一實施例中，紅外光雷射模組10可包括第一發光單元11以及第二發光單元12。其中，第一發光單元11於第一光學鏡頭30之上無第二光學鏡頭40時輸出至少部分紅外光雷射。第二發光單元12於第一光學鏡頭30之上有第二光學鏡頭40時輸出至少部分紅外光雷射。在本發明之所述第一實施例中，所述紅外光雷射模組10的第一發光單元11以及第二發光單元12的輸出波長可以介於800奈米(nm)與1350奈米(nm)之間，且進一步而言，第一發光單元11以及第二發光單元12均可在其出光方向上整合有擴散片(圖中未示)，所述擴散片可依據所需要的出光角度而進行調整。在本發明之所述第一實施例中，第一發光單元11可以被設計為窄角長焦模式時使用(即影像感測器20的光路上僅具有第一光學鏡頭30)，第二發光單元12可以被設計為廣角短焦模式時使用(即影像感測器20的光路上同時地具有第一光學鏡頭30以及第二光學鏡頭40)。
其中，切換機構50可包括步進馬達、伺服馬達以及線性致動器(linear actuator)的其中至少一者。所述線性致動器還可以包括形狀記憶合金(shape memory alloys,SMA)，所述SMA是一種能夠記憶原有形狀的材料，當SMA在低於相變態溫度時受到一有限度的塑性變形後，可藉由加熱的方式使SMA恢復到變形前的原始形狀，這種特殊的現象稱為形狀記憶效應(shape memory effect,SME)。在本發明之所述第 一實施例中，切換機構50可包括撥桿51、樞軸52以及馬達53，其中，撥桿51的一端配置有第二光學鏡頭40，撥桿51的另一端配置有樞軸52，且撥桿51藉由樞軸52而受馬達53的驅動，以進一步地控制第二光學鏡頭40的位置是配置於第一光學鏡頭30之上，或自第一光學鏡頭30之上移開。
進一步而言，微控制器60可通過飛時測距(time of flight,ToF)方法自影像感測器20獲得包括探測深度的飛時測距資訊(圖中未示)，從而使得微控制器60得知待測區域的立體態樣，且微控制器60可依據飛時測距資料控制紅外光雷射模組10輸出紅外光雷射的調制頻率(modulation frequency，或稱為調變頻率)以及功率。所述調制頻率需要與影像感測器20的畫面更新速率(frame rate)(或可稱之為幀率)以及影像感測器20與待測區域的距離維持有固定之倍頻比例關係，為此紅外光雷射模組10才能同時將紅外光雷射的調制頻率同步提供給影像感測器20做為深度距離。
如圖3以及圖4所示，當影像感測器20的光路上僅具有第一光學鏡頭30時，微控制器60可控制第一發光單元11輸出較高功率的紅外光雷射，可以使紅外光雷射位於感測區域的範圍包覆第一光學鏡頭30之視角位於感測區域的範圍，以滿足窄角長焦模式的需求。如圖5以及圖6所示，當影像感測器20的光路上同時地具有第一光學鏡頭30以及第二光學鏡頭40時，微控制器60可控制第二發光單元12輸出較低功率的紅外光雷射，可以使紅外光雷射位於感測區域的範圍包覆第一光學鏡頭30結合第二光學鏡頭40後之視角位於感測區域的範圍，以滿足廣角短焦模式的需求。前述將第一光學鏡頭30結合第二光學鏡頭40可改變 整個光學系統的光程(optical path length)以及焦距(focal length)，尤其是將光學系統的視角(field of view,FoV)(或可稱之為視野)擴大，讓鏡頭在近距離時，仍然能夠涵蓋足夠的範圍。
進一步地，所述微控制器60可以是影像處理晶片(image process IC)或影像感測單晶片(image sensor SoC)，在微控制器60運行所述飛時測距方法的同時，可以通過切換機構50而決定第一光學鏡頭30或第二光學鏡頭40是否位於影像感測器20的光軸上，使得微控制器60能夠快速地得知影像感測器20與待測區域的距離。微控制器60可針對不斷更新的所述距離，立即地控制第一光學鏡頭30以及第二光學鏡頭40的位置，以使第一光學鏡頭30以及第二光學鏡頭40的其中至少一者所具有的焦距以及視角可以正確地對應待測區域，使影像感測器20可以獲得完整(待測區域位於視角內)且清晰(待測區域的位置符合焦距)的影像。
在本發明之所述第一實施例中，所述光學切換式深度感測相機可更包括上殼體101、中殼體102以及下殼體103。其中，上殼體101穿設有第一通孔111、第二通孔121以及第三通孔131。第一通孔111用以使樞軸52穿設於其中，且第一通孔111周圍形成矛形的凹槽以限制撥桿51的旋轉範圍。第二通孔121供第一光學鏡頭30自上殼體101之外接收紅外光雷射。第三通孔131供紅外光雷射模組10將紅外光雷射輸出於上殼體101之外。中殼體102夾設於上殼體101以及下殼體103之間，且用以固定紅外光雷射模組10、影像感測器20以及微控制器60，且本發明之所述第一實施例中，可更包括第一連接埠104以及第二 連接埠105，所述第一連接埠104以及第二連接埠105可用於供應電源、傳輸資料、遠端控制等用途。
請參閱圖7、圖8所示，為本發明光學切換式深度感測相機之光學模組的示意圖，其餘元件編號請參閱前述內容，在此不再贅述。
在本發明之第二實施例中，與前述第一實施例大致相同，惟切換機構51’、第一光學鏡頭30以及第二光學鏡頭40構成光學模組50’，且第一光學鏡頭30以及第二光學鏡頭40相對於影像感測器20都是可移動地。
如圖7所示，切換機構51’是圓盤狀，切換機構51’耦接第一光學鏡頭30以及第二光學鏡頭40，且切換機構51’可通過樞軸52受馬達53的驅動，以改變第一光學鏡頭30以及第二光學鏡頭40的位置是否位於影像感測器20之上。
如圖8所示，與前述圖7不同的是切換機構51”、第一光學鏡頭30以及第二光學鏡頭40構成光學模組50”，切換機構51”僅耦接第二光學鏡頭40，但第一光學鏡頭30並不是固設於影像感測器20之上，第一光學鏡頭30以及第二光學鏡頭40相對於影像感測器20都是可移動地。切換機構51”可通過樞軸52受馬達53的驅動。其中，第一光學鏡頭30可配置於滑軌200中，且第一光學鏡頭30可通過切換機構51”的推動而在滑軌200中改變位置。
在使用本發明所述任一光學切換式深度感測相機時，紅外光雷射模組10輸出紅外光雷射至待測區域，影像感測器20可通過第一光學鏡頭30以及第二光學鏡頭40的其中至少一者而接收反射自待測區 域的紅外光雷射。且進一步地，微控制器60可通過飛時測距(ToF)方法獲得包括探測深度的飛時測距資訊，從而使得微控制器60得知待測區域的立體態樣。並且，在微控制器60運行所述飛時測距方法的同時，可以通過切換機構50、51’、51”而決定第一光學鏡頭30或第二光學鏡頭40是否位於影像感測器20的光軸上，使得微控制器60能夠快速地得知影像感測器20與待測區域的距離。微控制器60可針對不斷更新的所述距離，立即地控制第一光學鏡頭30以及第二光學鏡頭40的位置，以使第一光學鏡頭30以及第二光學鏡頭40的其中至少一者所具有的焦距以及視角可以正確地對應待測區域，使影像感測器20可以獲得完整(待測區域位於視角內)且清晰(待測區域的位置符合焦距)的影像。
請參閱圖9所示，為本發明光學切換式深度感測相機之切換機構50、51’、51”的判斷流程示意圖，其餘元件編號請參閱前述內容，在此不再贅述。在微控制器60運行所述飛時測距方法時，微控制器60會判斷待測區域是否適用廣角短焦的模式(步驟S1)。若微控制器60判斷待測區域適用廣角短焦時，紅外光雷射模組10啟動第二發光單元12，且微控制器60依據飛時測距資料控制紅外光雷射模組10輸出紅外光雷射的調制頻率以及功率(步驟S2)。繼而，通過切換機構50、51’、51”控制第一光學鏡頭30以及第二光學鏡頭40的位置，使影像感測器20運行於廣角短焦模式(步驟S3)。此外，微控制器60可進一步地結合廣角短焦模式的深度資訊以及飛時測距時關於窄角長焦模式的深度資訊，作3D深度的資料融合(depth data fusion)，依據事先的視角校正資料表(圖中未示)，將不同視角以及距離所蒐集所量測的深度資訊作疊加(overlapping)以及轉換，達成為全深度感測的效果。
若微控制器60判斷待測區域不適用廣角短焦時，紅外光雷射模組10啟動第一發光單元11，且微控制器60依據飛時測距資料控制紅外光雷射模組10輸出紅外光雷射的調制頻率以及功率(步驟S4)。繼而，通過切換機構50、51’、51”控制第一光學鏡頭30以及第二光學鏡頭40的位置，使影像感測器20運行於窄角長焦模式(步驟S5)。此外，微控制器60可進一步地結合窄角長焦模式的深度資訊以及飛時測距時關於廣角短焦模式的深度資訊，作3D深度的資料融合。微控制器60可依據事先的視角校正資料表，將不同視角以及距離所蒐集所量測的深度資訊作疊加以及轉換，達成為全深度感測的效果。
為此，本發明所述的光學切換式深度感測相機，可以解決現有技術對於結構複雜或相對於影像感測器正在移動的非靜止目標而言，很容易會因為目標移動幅度過大而超出光學鏡頭的焦距範圍或視角之外的技術問題，達到方便操作使用之目的。
以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包括於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本發明之專利範圍。
本說明書所附圖式繪示之結構、比例、大小、元件數量等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技術之人士瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之 功效及所能達成之目的下，均應落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。
10:紅外光雷射模組
11:第一發光單元
12:第二發光單元
30:第一光學鏡頭
40:第二光學鏡頭
50:切換機構
51:撥桿
52:樞軸
101:上殼體
102:中殼體
103:下殼體

Claims (10)

  1. 一種光學切換式深度感測相機，包括：一紅外光雷射模組，包括一第一發光單元以及一第二發光單元，且該紅外光雷射模組輸出一紅外光雷射；一影像感測器，接收該紅外光雷射；一第一光學鏡頭，固設於該影像感測器之上；一第二光學鏡頭，可移除地配置於該第一光學鏡頭之上；一切換機構，耦接該第二光學鏡頭，且控制該第二光學鏡頭的位置；以及一微控制器，耦接該影像感測器、該切換機構以及該紅外光雷射模組；其中，該第一發光單元於該第一光學鏡頭之上無該第二光學鏡頭時輸出至少部分該紅外光雷射，該第二發光單元於該第一光學鏡頭之上有該第二光學鏡頭時輸出至少部分該紅外光雷射。
  2. 如請求項1所述之光學切換式深度感測相機，其中，該微控制器依據該影像感測器獲得一飛時測距資料，該微控制器依據該飛時測距資料控制該紅外光雷射模組輸出該紅外光雷射的調制頻率以及功率。
  3. 如請求項1所述之光學切換式深度感測相機，其中，該切換機構包括一步進馬達、一伺服馬達以及一線性致動器的其中至少一者。
  4. 如請求項1所述之光學切換式深度感測相機，其中，該第一光學鏡頭的焦距大於該第二光學鏡頭的焦距，且該第一光學鏡頭的視角小於該第二光學鏡頭的視角。
  5. 如請求項1所述之光學切換式深度感測相機，其中，該第一光學鏡頭的焦距介於2公尺與30公尺之間，該第二光學鏡頭的焦距介於15公分與3公尺之間。
  6. 一種光學切換式深度感測相機，包括：一光學模組，包括一切換機構、一第一光學鏡頭以及一第二光學鏡頭，該切換機構耦接該第一光學鏡頭以及該第二光學鏡頭的其中至少一者，且控制該第一光學鏡頭以及該第二光學鏡頭的位置；一紅外光雷射模組，包括一第一發光單元以及一第二發光單元，且該紅外光雷射模組輸出一紅外光雷射；一影像感測器，接收該紅外光雷射，且該影像感測器之上可移除地配置有該第一光學鏡頭或該第二光學鏡頭；以及一微控制器，耦接該影像感測器、該切換機構以及該紅外光雷射模組；其中，該第一發光單元於該第一光學鏡頭之上無該第二光學鏡頭時輸出至少部分該紅外光雷射，該第二發光單元於該第一光學鏡頭之上有該第二光學鏡頭時輸出至少部分該紅外光雷射。
  7. 如請求項6所述之光學切換式深度感測相機，其中，該微控制器依據該影像感測器獲得一飛時測距資料，該微控制器依據該飛 時測距資料控制該紅外光雷射模組輸出該紅外光雷射的調制頻率以及功率。
  8. 如請求項6所述之光學切換式深度感測相機，其中，該切換機構包括一步進馬達、一伺服馬達以及一線性致動器的其中至少一者。
  9. 如請求項6所述之光學切換式深度感測相機，其中，該第一光學鏡頭的焦距大於該第二光學鏡頭的焦距，且該第一光學鏡頭的視角小於該第二光學鏡頭的視角。
  10. 如請求項6所述之光學切換式深度感測相機，其中，該第一光學鏡頭的焦距介於2公尺與30公尺之間，該第二光學鏡頭的焦距介於15公分與3公尺之間。
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