偏振分光系统的制作方法

1.本发明涉及偏振分光技术领域，特别涉及一种偏振分光系统。


背景技术：

2.人脸辨识是近年来模式辨识、图像处理、以及认知科学等领域，研究的热门课题之一，被广泛应用于公共安全(罪犯辨识等)、安全验证系统、信用卡验证等各个方面，同时随着智能型手机的进步，如今智能型手机的安全功能亦进入了人脸辨识技术时代。飞时测距法(time-of-fight,tof)为近年来经常受到应用的主动式3d扫描技术，主要原因为可测距离范围大、分辨率高且软件复杂度低，有利于市场的拓展及技术的开发。飞时测距法的感测技术是在传统的影像传感器上再增加另一个可量测深度信息的感测组件，此一组件是以感测光反射接收的时间变化来计算深度信息。
3.就目前而言，现有的飞时测距法的感测技术中的光源一般采用非偏极光，近年来逐渐有发展出采取偏极光的感测技术，必须采用两个光源以及多个偏振片，以便产生两偏振正交的光源作为发射光，其原因在于两偏振正交的光源，在光传感器接收下不受环境光的干扰，这样才能取得较清晰的深度信息。
4.然而，随着智能型手日渐轻薄，智能型手机内部空间所能放入的的组件数量将随之减少，因此如何减少智能型手机内部组件，以及组件所占用的使用空间则为研发人员应解决的问题之一。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种偏振分光系统，该偏振分光系统通过偏光分束器将原本需要两个光源产生两偏振正交的光源，缩减至仅需要一个光源且不需要多个偏振片，即能执行tof感测技术的运算，有效减少组件使用的数量并减少成本。
6.本发明的另一目的是提供一种偏振分光系统，该偏振分光系统进一步包括反射镜，实现将单一光源分为两偏振正交的光源，并通过调整偏光分束器与反射镜之间的距离以符合光传感器的反应时间，进一步降减少根据本发明的偏振分光系统所需的使用空间。
7.本发明的另一目的是提供一种偏振分光的方法，通过选定步骤及调整步骤，选定固定分辨率的光传感器后，调整偏光分束器与反射镜之间的距离，使光通过该距离的时间大于等于光传感器的反应时间，以提升光传感器感测的准确度。
8.为达上述目的，本发明提供一种偏振分光系统，包括：光发射器，发射具有预设偏极化方向的脉冲光；偏光分束器，设于光发射器前方，偏光分束器接收具有预设偏极化方向的脉冲光，并且将具有预设偏极化方向的脉冲光，分为具有第一偏极化方向的第一脉冲光及具有第二偏极化方向的第二脉冲光，其中，第一偏极化方向正交于第二偏极化方向；光传感器，用于感测反射后的第一脉冲光与第二脉冲光；以及信号处理电路，耦接光发射器与光传感器。
9.根据本发明的光发射器，其可以为激光器、发光二极管或有机发光二极管。
10.根据本发明的光发射器，其可以产生谐波雷射光或准分子雷射光作为该脉冲光。
11.较佳地，在本发明的实施方式中，光发射器可以采用面射型雷射(vcsel)，面射型雷射所放出的光的偏振方向为椭圆偏振或圆偏振。
12.根据本发明第一实施例的偏光分束器，可以由双折射材料所制成，当偏振方向为椭圆偏振或圆偏振的光通过双折射材料后，将分为两道相互正交的偏振光，两道偏振光在通过双折射晶体后朝相同方向前进，且两道偏振光会具有一距离，该距离随不同的双折射晶体的参数而改变。
13.较佳地，根据本发明第二实施例的偏光分束器包括：偏振分光棱镜，当偏振方向为椭圆偏振或圆偏振的光通过偏振分光棱镜后，将分为具有第一偏极化方向的第一脉冲光及具有第二偏极化方向的第二脉冲光，其中，第一偏极化方向正交于第二偏极化方向，且第一脉冲光的行进方向与第二脉冲光的行进方向垂直。
14.根据上述结构，本发明第二实施例的偏光分束器，进一步包括反射镜，反射镜用于改变脉冲光的行进方向，其中反射镜与偏光分束器相距一间距，并且根据光传感器的反应时间调整至适当的间距。
15.根据上述结构，本发明第二实施例的偏光分束器进一步包括衰减片，衰减片位于偏振分光棱镜发射第一脉冲光处，并与第一偏振分光棱镜相对设置。
16.较佳地，根据本发明第三实施例的偏光分束器，其包括：
17.第一偏振分光棱镜，设于光发射器前方，第一偏振分光棱镜接收具有预设偏极化方向的脉冲光，并且将具有预设偏极化方向的脉冲光分为具有第一偏极化方向的该第一脉冲光及具有第二偏极化方向的第二脉冲光；
18.第二偏振分光棱镜，其位于第一偏振分光棱镜发射第二脉冲光处，并与第一偏振分光棱镜相对设置，并且第一偏振分光棱镜与第二偏振分光棱镜相距第一间距，第二偏振分光棱镜用于接收第二脉冲光，并将第二脉冲光反射为具有第三偏极化方向的第三脉冲光；
19.第一波片，设置在介于第二偏振分光棱镜发射第三脉冲光处与反射镜之间，具有第三偏极化方向的第三脉冲光通过第一波片后，变为具有第四偏极化方向的第四脉冲光；
20.其中，反射镜与第二偏振分光棱镜相距第二间距，并且反射镜将第四脉冲光反射至第二偏振分光棱镜时，第四脉冲光再次通过第一波片变为具有第五偏极化方向的第五脉冲光，第二偏振分光棱镜将第五脉冲光分为具有第六偏极化方向的第六脉冲光；
21.第二波片，其位于第二偏振分光棱镜发射第六脉冲光处，并与第二偏振分光棱镜相对设置，第六脉冲光通过该第二波片后，变为具有第七偏极化方向的第七脉冲光，且该第七脉冲光的行进方向与第一脉冲光的行进方向平行；其中第一偏极化方向正交于第六偏极化方向。
22.根据上述结构，本发明第三实施例的第一波片为四分之一的波片，并且第二波片为二分之一的波片。
23.根据上述结构，本发明第三实施例的偏光分束器进一步包括衰减片，衰减片位于第一偏振分光棱镜发射第一脉冲光处，并与第一偏振分光棱镜相对设置。
24.进一步地，本发明提供一种进行偏振分光系统的方法，包括下列步骤：一选定步骤，根据用户需求，选择一定分辨率的光传感器；一调整步骤，根据使用者选定的光传感器，
调整偏光分束器与反射镜之间的距离；一发射步骤，通过光发射器发射具有预设偏极化方向的脉冲光；一分光步骤，通过偏光分束器，将脉冲光分为具有第一偏极化方向的第一脉冲光及具有第二偏极化方向的第二脉冲光，其中，第一偏极化方向正交于第二偏极化方向，且第一脉冲光的行进方向与第二脉冲光平行；一感测步骤，通过光传感器感测感测目标反射的脉冲光，以输出第一感测信号以及第二感测信号；一运算步骤，依据脉冲光以及脉冲信号来决定感测目标的深度信息。
25.根据本发明的信号处理电路，其依据第一感测信号以及第二感测信号来决定脉冲信号。信号处理电路依据脉冲光以及脉冲信号以计算感测目标的深度信息，并且信号处理电路可以为数字电路或模拟电路。
26.综上，本发明所提供的偏振分光系统及其方法，主要利用本发明的偏振分光系统并搭配其方法，让使用者仅使用单一光源的情况下，将具有预设偏极化方向的脉冲光分为两个偏振正交的光源，以执行tof感测技术的运算，达到减少使用空间、广泛适用性以及节省成本等目的。
27.为使熟悉该项技艺人士了解本发明的目的、特征及功效，因此通过下述具体实施例，并配合所附的图式，对本发明详加说明如下。
附图说明
28.图1表示为本发明提供的偏振分光系统的示意图；
29.图2表示为本发明第一实施例提供的偏光分束器的示意图；
30.图3表示为本发明第二实施例提供的偏光分束器的示意图；
31.图4表示为本发明实施例提供的光传感器接收脉冲光的示意图；
32.图5表示为本发明实施例提供的光传感器的分辨率示意图；
33.图6为说明执行本发明提供的偏振分光系统的方法的步骤的流程图；
34.图7表示为本发明第二实施例提供的偏光分束器的示意图；
35.图8表示为本发明第三实施例提供的偏光分束器的示意图；
36.图9表示为本发明第三实施例提供的偏光分束器的示意图。
37.附图标记说明：
38.100-偏振分光系统；110-光发射器；120-偏光分束器；121-反射镜；122-偏振分光棱镜；123-衰减片；124-第一偏振分光棱镜；125-第二偏振分光棱镜；126-第一波片；127-第二波片；130-光传感器；140-信号处理电路；150-感测目标；220-双折射晶体；d-间距；d1-第一间距；d2-第二间距；l-距离；r-脉冲光；r1-第一脉冲光；r2-第二脉冲光；r3-第三脉冲光；r4-第四脉冲光；r5-第五脉冲光；r6-第六脉冲光；r7-第七脉冲光；s1-选定步骤；s2-调整步骤；s3-发射步骤；s4-感测步骤；s5-计算步骤；t-时间差；w-厚度；x-行经距离。
具体实施方式
39.以下配合图式及组件符号对本创作的实施方式作更详细的说明，俾使其所属技术领域中具有通常知识者在研读本说明书后能据以实施。
40.然而，本创作不限于本文所公开的实施例，而是将以各种形式实现。
41.以下实施例仅作为示例提供，使得所属技术领域中具有通常知识者可以完全理解
本创作的公开内容和本创作所公开的范围。
42.因此，本发明将仅由所附申请专利范围限定。
43.用于描述本发明的各种实施例的附图中，所示出的形状、尺寸、比率、数量等仅仅为示例性，并且本发明不限于此。
44.在本说明书中，相同的附图标记通常表示相同的组件。
45.除非另有明确说明，否则对单个的任何引用可以包含多个。
46.图1为根据本发明的偏振分光系统的示意图。图1中所示的偏振分光系统100包括：光发射器110、偏光分束器120、光传感器130以及信号处理电路140。其中，光发射器110可以是激光器、发光二极管或有机发光二极管，并且光发射器110可以产生谐波雷射光或准分子雷射光作为脉冲光r，具体地，光发射器110可以为面射型雷射，面射型雷射可以放出偏振方向为椭圆偏振或圆偏振的脉冲光。
47.进一步地，偏光分束器120设于光发射器110前方，偏光分束器120用于接收光发射器110所放出的具有预设偏极化方向的脉冲光r，并且将所述脉冲光r分为具有第一偏极化方向的第一脉冲光r1及具有第二偏极化方向的第二脉冲光r2，其中第一偏极化方向正交于第二偏极化方向。
48.具体地，光传感器130可以为例如互补式金属氧化物半导体影像传感器(cmos image sensor,cis)，光传感器130设置为同时感测多个脉冲光，并且通过光传感器130感测目标反射后的第一脉冲光r1与第二脉冲光r2。信号处理电路140可以为数字电路或模拟电路，信号处理电路140耦接光发射器110及光传感器130。
49.图2为根据本发明第一实施例的偏光分束器的示意图；偏光分束器120可以为双折射晶体220(例如：方解石)，如图2所示，通过偏光分束器120接收光发射器110所放出具有预定方向(例如：圆偏振或椭圆偏振)的脉冲光r，并将其分为具有第一偏极化方向的第一脉冲光r1及具有第二偏极化方向的第二脉冲光r2，其中第一偏极化方向正交于第二偏极化方向，第一脉冲光r1及第二脉冲光r2离开双折射晶体220后会平行且朝向同一方向行进，需要进一步说明的是，第一脉冲光r1及第二脉冲光r2之间具有距离l，当距离l太小时光传感器无法有效辨识两道脉冲光，而所述距离l随着晶体厚度t改变，当晶体厚度t越大距离l也逐渐变大，两者呈正相关。
50.然而本发明不限于此，图3为根据本发明第二实施例的偏光分束器的示意图；如图3所示，根据本发明第二实施例的偏光分束器120可以进一步包括反射镜121及偏振分光棱镜122。其中，偏振分光棱镜122能把入射的脉冲光r分为具有第一偏极化方向的第一脉冲光r1及具有第二偏极化方向的第二脉冲光r2。其中，具有第一偏极化方向的第一脉冲光r1会穿透偏振分光棱镜122，而具有第二偏极化方向的第二脉冲光r2被偏振分光棱镜122反射，离开偏振分光棱镜122后第一脉冲光r1与第二脉冲光r2的行进方向垂直，并且第一偏极化方向正交于第二偏极化方向，接着通过反射镜121改变第二脉冲光r2的行进方向，使第一脉冲光r1及第二脉冲光r2两者平行且朝向同一方向行进。
51.需要进一步说明的是，根据本发明第二实施例的偏光分束器120与第一实施例的差别在于，当偏光分束器120为双折射晶体时，由于当距离l太小时光传感器无法有效辨识两道脉冲光，使得晶体厚度t必须具有较大的厚度，进而需要占据较大的使用空间。另一方面，当偏光分束器120使用反射镜121及偏振分光棱镜122时，因不受晶体厚度t的影响，从而
能够有效减少根据本发明的偏振分光系统100所占据的使用空间，达到减少使用空间以及节省成本的目的。
52.具体地，如图3所示，其中偏振分光棱镜122的厚度为w，第一脉冲光r1与第二脉冲光r2的行经距离为x，并且反射镜121与偏振分光棱镜122表面之间具有间距d，如此一来，间距d造成第一脉冲光r1与第二脉冲光r2之间产生光程差。具体地，在假设偏振分光棱镜122的折射率为n的情况下，当第一脉冲光r1行经距离为x时，第一脉冲光r1的光程如公式(1)所示，同理可得，当第二脉冲光r2行经距离为x时，第二脉冲光r2的光程如公式(2)所示，因此第一脉冲光r1与第二脉冲光r2之间产生的光程差如公式(3)所示。
[0053][0054][0055][0056]
图4及图5为根据本发明实施例的光传感器接收脉冲光及其分辨率的示意图；参阅图4，光传感器接收第一脉冲光r1以及第二脉冲光r2从被发射到感测到反射的时间相距一时间差t，因此在光速(c)为定值得情况下，可以根据以下公式(4)间距d与时间差t之间的关系，换算得第一脉冲光r1与第二脉冲光r2之间的光程差。具体地，根据本发明实施例的光传感器130可以采用单点式传感器，如图5所示，此光传感器130的反应速度可达到100m～10g频率(frame rate)，而两道雷射光的时间差需大于或等于光传感器130的时间分辨率，以防止光传感器130失准。因此当光传感器接收第一脉冲光r1以及第二脉冲光r2两者的时间相距为时间差t，其中时间差t必须大于或等于光传感器130的反应时间。
[0057]
具体地，参阅图3，根据本发明实施例的光传感器130的frame rate＝10g(相对应时间＝0.1ns)，经由公式(4)的推导，在光速(c)为为定值得情况下，可得当使用反应速度为10g的光传感器130时，反射镜121与偏振分光棱镜122之间的间距至少须大于或等于30(mm)。
[0058][0059]
参考图6并搭配图1以及图3，用以显示说明执行本发明的偏振分光系统的方法的流程步骤，可进行以下步骤。
[0060]
首先，于选定步骤s1，通过信号处理电路114经用户输入所使用的光传感器130的反应速度及分辨率，从而将所述些信息传输至偏光分束器120。
[0061]
接着，进入调整步骤s2，偏光分束器120根据使用者输入的光传感器130的反应速度及分辨率，调整反射镜121与偏振分光棱镜122之间的间距d，以便使光传感器130接收第一脉冲光r1以及第二脉冲光r2从被发射到感测到反射的时间，两者相距的时间差t大于等于光传感器130的反应时间。
[0062]
之后，进入发射步骤s3，通过信号处理电路114经用户控制发出电压信号，光发射器110依据所述电压信号发射具有预定偏极化方向的脉冲光，所述些具有预定偏极化方向的脉冲光r在经过偏光分束器120之后分为具有第一偏极化方向的第一脉冲光r1及具有第
二偏极化方向的第二脉冲光r2。
[0063]
进而，进入感测步骤s4，在信号处理电路114经用户控制发出电压信号的同时，光传感器130启动并持续进行感测，以便接收感测目标150反射后的第一脉冲光r1及第二脉冲光r2，并输出第一电压信号及第二电压信号。
[0064]
最后，进入计算步骤s5，信号处理电路140可以根据第一电压信号、第二电压信号和根据光发射器120发射脉冲光r的发生时间，三者之间的时间差来计算飞时测距传感器130与感测目标150之间的距离。
[0065]
需要进一步说明的是，根据本发明的实施方式，仅需通过简单的相减运算而不需通过复杂的软件运算即可消除环境中自然光所造成的背景噪声信号，有效降低信号处理电路140的处理时间降低软件复杂度。
[0066]
较佳地，如图7所示，根据本发明第二实施例的偏光分束器120进一步包括衰减片123，衰减片123设置于偏振分光棱镜122发射第一脉冲光r1处，其用于调整第一脉冲光r1的强度，以使第一脉冲光r1和第二脉冲光r2的强度一致。
[0067]
然而本发明不限于此，图8为根据本发明第三实施例的偏光分束器的示意图；如图8所示，根据本发明第三实施例的偏光分束器120可包括：
[0068]
第一偏振分光棱镜124，设于光发射器110前方，第一偏振分光棱镜124接收具有预设偏极化方向的脉冲光r，并且将具有预设偏极化方向的脉冲光分为具有第一偏极化方向的所述第一脉冲光r1及具有第二偏极化方向的第二脉冲光r2；
[0069]
第二偏振分光棱镜125，其位于第一偏振分光棱镜124发射第二脉冲光r2处，并与第一偏振分光棱镜124相对设置，并且第一偏振分光棱镜124与第二偏振分光棱镜125相距第一间距d1，第二偏振分光棱镜125用于接收第二脉冲光r2，并将第二脉冲光r2反射为具有第三偏极化方向的第三脉冲光r3；
[0070]
第一波片126，设置在介于第二偏振分光棱镜125发射第三脉冲光r3处与反射镜123之间，具有第三偏极化方向的第三脉冲光r3通过第一波片126后，变为具有第四偏极化方向的第四脉冲光r4；其中，反射镜123与第二偏振分光棱镜125相距第二间距d2，并且反射镜123将第四脉冲光r4反射至第二偏振分光棱镜125时，第四脉冲光r4再次通过第一波片126变为具有第五偏极化方向的第五脉冲光r5，第二偏振分光棱镜125将第五脉冲光r5分为具有第六偏极化方向的第六脉冲光r6；
[0071]
第二波片127，其位于第二偏振分光棱镜125发射第六脉冲光r6处，并与第二偏振分光棱镜125相对设置，第六脉冲光r6通过所述第二波片127后，变为具有第七偏极化方向的第七脉冲光r7，且所述第七脉冲光r7的行进方向与第一脉冲光r1的行进方向平行；其中第一偏极化方向正交于第六偏极化方向。
[0072]
具体地，根据本发明第三实施例的偏光分束器，其中第一偏振分光棱镜124可以和第二偏振分光棱镜125相同，第一波片126可以为四分之一的波片，而第二波片127可以为二分之一的波片。
[0073]
如此一来，由光发射器110所发射具有预设偏极化方向的脉冲光，通过第一偏振分光棱镜124后分为具有第一偏极化方向的所述第一脉冲光及具有第二偏极化方向的第二脉冲光r2，其中第一脉冲光r1及第二脉冲光r2的行进方向相互垂直。接着，第二脉冲光r2进入第二偏振分光棱镜125，由于第一偏振分光棱镜124与第二偏振分光棱镜125相同，因此第二
脉冲光r2无法穿透第二偏振分光棱镜125而被反射至与第一脉冲光r1相反的行进方向。之后，第二脉冲光r2穿过四分之一的波片后，第二脉冲光r2偏振方向旋转45度，经过反射镜121反射后再次通过四分之一的波片后，第二脉冲光r2偏振方向再度旋转45度，因此第二脉冲光r2的偏振方向共旋转90度，使得第二脉冲光r2的偏振方向与第一脉冲光r1的偏振方向一致且振幅相同，亦即第二脉冲光r2的偏振方向共旋转90度后变为第一脉冲光r1，因此可以直接穿透第二偏振分光棱镜125而不被反射。最后，穿透第二偏振分光棱镜125后的第一脉冲光r1，穿过二分之一的波片后变回第二脉冲光r2，以产生两偏振正交的光源作为tof的发射光。
[0074]
需要进一步说明的是，在许多的实际应用中都需要将根据本发明第二实施例中之间距d限缩在较小的尺寸，因此若间距d无法满足使用者的需求时，就必需延长间距d以外的光路。根据本发明第三实施例的偏光分束器120与第二实施例的的偏光分束器120的差别在于，第一偏振分光棱镜124与第二偏振分光棱镜125相距第一间距d1，且反射镜123与第二偏振分光棱镜125相距第二间距d2，如此一来，可以在不过度增加偏光分束器120使用面积的情况下大幅增加整体光路。
[0075]
较佳地，如图9所示，根据本发明第三实施例的偏光分束器120进一步包括衰减片123，衰减片123设置于第一偏振分光棱镜124发射第一脉冲光r1处，其用于调整第一脉冲光r1的强度，以使第一脉冲光r1和第二脉冲光r2的强度一致。
[0076]
因此，本发明具有以下的实施功效及技术功效：
[0077]
其一，本发明通过偏光分束器120，设于所述光发射器110前方，以接收由光发射器110所发射的具有预设偏极化方向的脉冲光r，并且将具有预设偏极化方向的脉冲光r分为具有第一偏极化方向的第一脉冲光r1及具有第二偏极化方向的第二脉冲光r2，成功将原本需要采用两个光源以及多个偏振片，以便产生两偏振正交的光源作为发射光的tof感测系统，缩减至仅需一个光源即可，达成减少使用空间及节省成本的目的。
[0078]
其二，本发明通过反射镜121及偏振分光棱镜122，解决使用双折射材料时，晶体厚度太大的影响，进一步减少本发明的偏振分光系统的使用空间。
[0079]
其三，利用本发明的偏振分光系统，并搭配执行本发明的偏振分光系统的方法，让用户可以通过两个偏振正交的脉冲光，有效消除环境中自然光所造成的背景噪声影响并执行tof感测技术的运算，进一步提升测距的精准度以及实用性。
[0080]
其四，本发明进一步通过偏振分光棱镜及波片的搭配，解决因光传感器分辨率，所造成反光镜121与偏振分光棱镜122之间的预设间距d过长的问题，大幅增加本发明的适用性
[0081]
以上是通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，所属技术领域具有通常知识者可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0082]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包括在下述的专利范围内。