CN103713734A - 微型化光学系统、光源模组和可携式电子装置 - Google Patents

Abstract

一种微型化光学系统，包含保护盖、光源、图像传感器及至少一干涉薄膜。所述保护盖具有第一面和第二面。所述光源和所述图像传感器相对所述保护盖的所述第一面设置。所述干涉薄膜设置在所述光源与所述保护盖之间以使所述光源在所述保护盖的所述第二面前方形成预设光形，和/或设置在所述图像传感器与所述保护盖之间以使所述图像传感器接收所述保护盖的所述第二面前方一预设范围内的光。

Description

微型化光学系统、光源模组和可携式电子装置

技术领域

本发明是关于一种光学系统，特别是关于一种可控制发光光形及感光视野的微型化光学系统以及可携式电子装置。

背景技术

随着智慧型手机产品的多样化，人性化操作以及节省耗能一直以来都是重要的课题。例如，手势识别功能可应用于智慧型手机以增加可操作功能以及操作便利性；近接检测功能也可应用于智慧型手机以当使用者接听电话时关闭屏幕以节省耗能。这些功能通常通过设置光源以及用以感测所述光源反射光的图像传感器来予以实现。

例如图1显示一种已知光学系统，其可用以实现手势识别或近接感测的功能。已知光学系统9包含光源91、传感器92及玻璃罩93；所述光源91用以照明所述玻璃罩93前方的物体以使所述物体产生反射光，所述传感器92则用以检测来自所述物体的反射光并据此进行手势检测或近接检测。

然而，所述光源91所发出的光有一部分可能会于所述玻璃罩93内形成全反射，例如光束911，或于所述玻璃罩93表面形成直接反射，如光束912，直接被所述传感器92所接收而不会穿透出所述玻璃罩93，因而对所述传感器92所输出的图像造成干扰。因此，已知为了消除杂散光，例如光束911及912的干扰，会于所述光源91前方或所述传感器92前方设置二次光学透镜（secondary optics lens）94以调整发光光形及感光视野。然而，二次光学透镜94具有较大的厚度而不利于微型化，尤其不适合于目前可携式电子装置朝向微型化发展的趋势。

有鉴于此，本发明还提出一种微型化光学系统及可携式电子装置，其可随设计控制发光光形以及感光视野，以符合微型化及低成本的要求。

发明内容

本发明的目的在提供一种微型化光学系统及可携式电子装置，其利用干涉薄膜具有随入射光角度不同而产生频谱偏移（spectrum shift）的物理特性，以达到控制发光光形及感光视野的目的。

本发明另一目的在提供一种光源模组，其通过干涉薄膜产生预设光形的照明范围。

本发明提供一种微型化光学系统，包含保护盖、光源、图像传感器以及至少一干涉薄膜。所述保护盖具有第一面及第二面。所述光源及所述图像传感器相对于所述保护盖的所述第一面设置。所述至少一干涉薄膜设置于所述光源与所述保护盖间以使所述光源通过所述干涉薄膜于所述保护盖的所述第二面前方形成预设光形和/或设置于所述图像传感器与所述保护盖间以使所述图像传感器通过所述干涉薄膜接收所述保护盖的所述第二面前方一预设范围的光。

本发明还提供一种光源模组，包含保护盖、光源及干涉薄膜。所述保护盖具有第一面及第二面。所述光源相对于所述保护盖的所述第一面设置。所述干涉薄膜设置于所述保护盖与所述光源间，以使所述光源通过所述干涉薄膜于所述保护盖的所述第二面前方形成预设光形。

本发明还提供一种可携式电子装置，包含保护盖、光源、图像传感器、透镜及至少一干涉薄膜。所述保护盖具有第一面及第二面。所述光源相对所述保护盖的所述第一面设置，用以照明所述第二面侧的物体。所述图像传感器相对所述保护盖的所述第一面设置，用以接收来自所述物体的反射光。所述透镜设置于所述图像传感器与所述保护盖间。所述至少一干涉薄膜设置于所述光源与所述保护盖间和/或设置于所述透镜与所述保护盖间。

一实施例中，所述干涉薄膜包含衬底及镀膜层（coating layer）；其中，所述衬底可为玻璃衬底或塑胶衬底。

一实施例中，第一干涉薄膜设置于所述光源与所述保护盖间，其中所述第一干涉薄膜包含位于所述第一干涉薄膜面向所述保护盖的表面的第一镀膜层。

一实施例中，第二干涉薄膜设置于所述图像传感器与所述保护盖间，其中所述第二干涉薄膜包含位于所述第二干涉薄膜面向所述图像传感器或所述透镜的表面的第二镀膜层。

一实施例中，所述干涉薄膜可形成带通滤光器（band pass filter）或截止滤光器（cut filter）。

本发明实施例的微型化光学系统、光源模组及可携式电子装置中，由于所述干涉薄膜的穿透频谱（transmittance spectrum）具有随入射光角度而偏移的物理特性，因而可用以限制固定光源频谱的穿透角度，据此阻挡入射角过大的杂散光；其中，所述入射角是指入射至所述干涉薄膜的角度。

附图说明

图1显示已知光学系统的示意图；

图2显示本发明实施例的微型化光学系统的示意图；

图3A显示一干涉薄膜的运作示意图，其中所述干涉薄膜形成带通滤光器；

图3B显示另一干涉薄膜的运作示意图，其中所述干涉薄膜形成截止滤光器；

图4显示本发明实施例的微型化光学系统应用于可携式电子装置的示意图。

附图标记说明

1微型化光学系统              11保护盖

111保护盖的第一面            112保护盖的第二面

12光源                       13图像传感器

14、14′干涉薄膜             141、141′干涉薄膜的衬底

142、142′干涉薄膜的镀膜层   15透镜

16阻隔件                     θ₁、θ₂入射角

λ₁₁光源中心波长             λ_bf干涉薄膜波长范围

λ_b11光源波长范围            λ_c截止波长

Δλ（θ）波长偏移率         8物体

9光学系统                    91光源

911、912光束                 92传感器

93玻璃罩                     94二次光学透镜。

具体实施方式

为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显，下文将配合所附图示，作详细说明如下。在本发明的说明中，相同的构件是以相同的符号表示，在此合先叙明。

请参照图2所示，其显示本发明实施例的微型化光学系统1的示意图，包含保护盖11、光源12、图像传感器13、至少一干涉薄膜（例如此处显示为14及14′）以及透镜15。本发明实施例的微型化光学系统1例如可为近接感测装置（proximity sensing device）、手势识别装置（gesture recognitiondevice）或光学手指滑鼠（optical finger mouse）等，其可适用于可携式电子装置，例如手机、平板电脑、笔记型电脑及数位行动助理等，用以检测物体8相对所述微型化光学系统1的动作。此外，所述微型化光学系统1还可适用于其他固定式电子装置，例如监视系统等，并无特定限制，只要是包含光源用以照明物体以及图像传感器用以接收所述物体反射光的电子装置即可。本发明的主要精神在于利用所述干涉薄膜，例如14及14′的干涉原理控制所述光源的预设发光光形（illumination light shape）以及所述图像传感器的预设感光视野（field of view）。其他实施例中，所述微型化光学系统1可还具有介于所述光源12与所述图像传感器13间的阻隔件16，用以阻止所述光源12所发出的光直接被所述图像传感器13所接收；其中，所述阻隔件16例如可为不透光元件或内部镂空的透光元件；根据不同设计，所述阻隔件16可不予实施。

下列说明中，是将微型化光学系统1应用于可携式电子装置为例进行说明，但如前所述所述微型化光学系统1的应用并不限于可携式电子装置。

所述保护盖11具有第一面111（如图示下表面）及第二面112（如图示上表面）。所述保护盖11例如可为玻璃盖体、塑胶盖体或其他相对所述光源12所发出的光为透明的盖体（cover），用以保护设置于所述保护盖11内侧（例如所述第一面11侧）的各元件并防止尘垢进入。所述保护盖11例如可为可携式电子装置的壳体的一部分，但也可与所述壳体分别形成。

所述光源12较佳为发光二极体，其相对所述保护盖11的第一面111设置，用以照明所述保护盖11的第二面112侧的物体8，例如手指、人体其他部分或触控元件等，视其应用而决定。一种实施例中，所述光源12例如发出中心波长大约为850nm或940nm的红外光，必须说明的是此处所述波长仅为例示性，并非用以限定本发明。其他实施例中，所述光源12可发出适当波长的可见光或不可见光，视其应用而决定。

所述图像传感器13例如可为CCD图像传感器、CMOS图像传感器或其他用以将光信号转换为电信号的光电元件，其相对所述保护盖11的第一面111设置，用以接收来自所述物体8的反射光。所述图像传感器13例如以一采样频率获取反射光并输出图像帧至处理单元（未绘示）以进行后处理。所述处理单元根据处理结果控制电子装置执行的功能已为已知，故于此不再赘述。

所述透镜15可为单一透镜或透镜组（lens set），其设置于所述图像传感器13与所述保护盖11间用以确定所述图像应传感器13的视野范围（field ofview）。

第一干涉薄膜14设置于所述光源12与所述保护盖11间以使所述光源12通过所述第一干涉薄膜14于所述保护盖11的第二面112前方形成预设光形，例如此处显示发光角度为2θ₁的照明范围，其中所述第一干涉薄膜14可包含衬底141及第一镀膜层142，由于所述第一干涉薄膜14具有极小的厚度（例如低于0.4mm），所述第一镀膜层142较佳位于所述第一干涉薄膜14的衬底141面向所述保护盖11的表面，以尽可能增加所述发光角度为2θ₁的照明范围。

第二干涉薄膜14′设置于所述图像传感器13与所述保护盖11间以使所述图像传感器13通过所述第二干涉薄膜14′接收所述保护盖11的第二面112前方预设范围的光，例如此处显示感光视野为2θ₂的感光范围，其中所述第二干涉薄膜14′可包含衬底141′及第二镀膜层142′，由于所述第二干涉薄膜14′具有极小的厚度（例如低于0.4mm），所述第二镀膜层142′较佳位于所述第二干涉薄膜14′的衬底141′面向所述图像传感器13的表面，以尽可能增加所述感光视野为2θ₂的感光范围。一实施例中，所述第二干涉薄膜14′较佳设置于所述透镜15与所述保护盖11间，以在光线进入所述透镜15前即限制入射角度，以避免入射角过大的杂散光到达所述透镜15；此时，所述第二镀膜层142′则较佳位于所述第二干涉薄膜14′的衬底141′面向所述透镜15的表面。

本实施例中，可择一选择实施所述第一干涉薄膜14或所述第二干涉薄膜14′，或两者均予以实施。所述第一干涉薄膜14用以限制所述光源12所产生的发光光形，所述第二干涉薄膜14′用以限制所述图像传感器13的感光范围，因具有不同的功效，若同时实施可达到有效避免所述图像传感器13接收到杂散光。本实施例中，所述衬底141、141′可为玻璃衬底或塑胶衬底，并无特定限制，只要是能通过于所述衬底的一侧表面形成镀膜层以制作干涉薄膜的衬底即可。

请参照图3A所示，其显示干涉薄膜的运作示意图，其中干涉薄膜14、14′是可设计成带通滤光器（band pass filter）。此处假设所述光源12所发出光的中心波长为λ₁₁并具有波长范围λ_b11，例如λ₁₁-5mn≤λ_b11≤λ₁₁+5mn，但不以此为限；所述干涉薄膜14、14′的穿透波长范围例如为λ_bf并具有截止波长λ_c，可以了解的是所述穿透波长范围λ_bf较佳地含盖所述波长范围λ_b11。图中以实线绘制的穿透波长范围λ_bf假设为光线与所述干涉薄膜14、14′的入射角为零度时的情形（例如θ₁=0或θ₂=0）；当入射角增加时，所述穿透波长范围λ_bf则朝向一侧偏移，例如向左偏移为以虚线绘制的部份，当所述截止波长λ_c因入射角增加偏移超出或即将超出所述波长范围λ_b11时，光线则无法穿透所述干涉薄膜14、14′，据此则可于一预设范围限制入射角，以达到控制所述光源12的发光光形以及所述图像传感器13的感光视野的目的。本发明中，所述穿透波长范围λ_bf随入射角偏移的波长偏移率Δλ（θ）可于制作所述干涉薄膜14、14′时即予以控制，例如Δλ（θ）可为0.5nm/degree~1.5nm/degree，据此可有效控制发光光形（即入射角θ₁）及感光视野（即入射角θ₂）。一种实施例中，所述截止波长λ_c例如可为880nm或970nm，但并不以此为限，其实际数值是根据想要控制的入射角度以及光源的中心波长而决定。

请参照图3B所示，其显示另一干涉薄膜的运作示意图，其中干涉薄膜14、14′是可设计成截止波长为λ_c的截止滤光器（cut filter）。如图所示，在入射角为零度时（例如θ₁=0或θ₂=0），所述干涉薄膜14、14′的穿透波长范围是含盖所述光源12的波长范围λ_b11。当入射角增加时，所述穿透波长范围λ_bf则同样会朝向一侧偏移Δλ（θ）（例如图中左侧），当所述截止波长λ_c因入射角增加偏移超出或即将超出所述波长范围λ_b11时，光线则无法穿透所述干涉薄膜14、14′。

此外，为避免所述第二干涉薄膜14′的可穿透角度范围（例如2θ₂）限制所述透镜15的视角范围，所述可穿透角度范围较佳地是配合所述透镜15的视角范围，如前所述所述可穿透角度范围可于制作所述第二干涉薄膜14′时予以控制，使超过预设入射角的光线无法穿透所述第二干涉薄膜14′。

另一实施例中，本发明还提供一种光源模组，是利用干涉薄膜定义出光源的发光光形。例如图2中如果仅考虑光源部份（右半部），本发明实施例的光源模组包含保护盖11、光源12及干涉薄膜14。所述保护盖11具有第一面111及第二面112；所述光源12相对所述保护盖11的第一面111设置；所述干涉薄膜14则设置于所述保护盖11与所述光源12间，以使所述光源12通过所述干涉薄膜14于所述保护盖11的第二面112前方形成预设光形，例如照明范围2θ₁。利用所述干涉薄膜14的频谱偏移特性（如图3A及图3B所示），大于预设入射角的光线则无法穿透所述干涉薄膜14，据此定义所述照明范围2θ₁。

同理，所述干涉薄膜14可通过在衬底141（例如玻璃衬底或塑胶衬底）上形成镀膜层142来制作，且所述镀膜层142较佳地位于所述干涉薄膜14面向所述保护盖11的表面，以尽可能增加所述照明范围2θ₁。所述干涉薄膜14同样可形成为带通滤光器或截止滤光器，其频宽及截止波长则可配合所述光源12的中心波长及发光频带来设计，并无特定限制。

请参照图4所示，当本发明实施例的微型化光学系统1应用于可携式电子装置2时，则可于所述光源12前方产生预设光形（例如照明范围2θ₁），并确定所述图像传感器13的感光视野（例如感光范围2θ₂），以避免所述图像传感器13接收到来自所述光源12的杂散光，据此增加所述图像传感器13所获取图像帧的图像品质。

综上所述，已知光学系统因使用二次光学透镜来调整光形，因而具有难以微型化的问题。本发明还提出一种微型化光学系统（图2）、光源模组以及可携式电子装置（图4），其利用干涉薄膜的频谱偏移特性达成控制发光光形及感光视野的目的，而干涉薄膜的厚度可低于保护盖，可符合微型化及低成本的要求。

虽然本发明通过以前述实施例披露，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的申请权利要求所界定的范围为准。

Claims (20)

1.一种微型化光学系统，该微型化光学系统包含：

保护盖，具有第一面及第二面；

光源，相对所述保护盖的所述第一面设置；

图像传感器，相对所述保护盖的所述第一面设置；以及

至少一干涉薄膜，设置在所述光源与所述保护盖之间以使所述光源透过所述干涉薄膜而在所述保护盖的所述第二面前方形成预设光形，和/或设置在所述图像传感器与所述保护盖之间以使所述图像传感器透过所述干涉薄膜接收所述保护盖的所述第二面前方一预设范围内的光。

2.根据权利要求1所述的微型化光学系统，其中所述干涉薄膜包含玻璃衬底或塑胶衬底。

3.根据权利要求1所述的微型化光学系统，该微型化光学系统还包含设置在所述保护盖与所述图像传感器之间的透镜。

4.根据权利要求3所述的微型化光学系统，其中所述干涉薄膜设置在所述透镜与所述保护盖之间。

5.根据权利要求1所述的微型化光学系统，该微型化光学系统包含设置在所述光源与所述保护盖之间的第一干涉薄膜，其中所述第一干涉薄膜包含第一镀膜层，该第一镀膜层位于所述第一干涉薄膜面向所述保护盖的表面。

6.根据权利要求1或5所述的微型化光学系统，该微型化光学系统包含设置在所述图像传感器与所述保护盖之间的第二干涉薄膜，其中所述第二干涉薄膜包含第二镀膜层，该第二镀膜层位于所述第二干涉薄膜面向所述图像传感器的表面。

7.根据权利要求1所述的微型化光学系统，其中所述微型化光学系统为近接感测装置或手势识别装置。

8.根据权利要求1或7所述的微型化光学系统，其中所述光源发出不可见光。

9.根据权利要求1所述的微型化光学系统，其中所述干涉薄膜形成带通滤光器或截止滤光器。

10.根据权利要求1所述的微型化光学系统，该微型化光学系统还包含介于所述光源与所述图像传感器之间的阻隔件，用以阻挡所述光源所发出的光。

11.一种光源模组，该光源模组包含：

保护盖，具有第一面和第二面；

光源，相对所述保护盖的所述第一面设置；以及

干涉薄膜，设置在所述保护盖与所述光源之间，以使所述光源通过所述干涉薄膜在所述保护盖的所述第二面前方形成预设光形。

12.根据权利要求11所述的光源模组，其中所述干涉薄膜包含玻璃衬底或塑胶衬底。

13.根据权利要求11或12所述的光源模组，其中所述干涉薄膜包含镀膜层，该镀膜层位于所述干涉薄膜面向所述保护盖的表面。

14.根据权利要求11或12所述的光源模组，其中所述干涉薄膜形成带通滤光器或截止滤光器。

15.一种可携式电子装置，该可携式电子装置包含：

保护盖，具有第一面和第二面；

光源，相对于所述保护盖的所述第一面设置，用以照明所述第二面侧的物体；

图像传感器，相对所述保护盖的所述第一面设置，用以接收来自所述物体的反射光；

透镜，设置在所述图像传感器与所述保护盖之间；以及

至少一干涉薄膜，设置在所述光源与所述保护盖之间，和/或设置在所述透镜与所述保护盖之间。

16.根据权利要求15所述的可携式电子装置，其中所述干涉薄膜包含玻璃衬底或塑胶衬底。

17.根据权利要求15所述的可携式电子装置，该可携式电子装置包含设置在所述光源与所述保护盖之间的第一干涉薄膜，其中所述第一干涉薄膜包含第一镀膜层，该第一镀膜层位于所述第一干涉薄膜面向所述保护盖的表面。

18.根据权利要求15或17所述的可携式电子装置，该可携式电子装置包含设置在所述透镜与所述保护盖之间的第二干涉薄膜，其中所述第二干涉薄膜包含第二镀膜层，该第二镀膜层位于所述第二干涉薄膜面向所述透镜的表面。

19.根据权利要求15所述的可携式电子装置，其中所述干涉薄膜形成带通滤光器或截止滤光器。

20.根据权利要求15所述的可携式电子装置，其中所述保护盖为所述可携式电子装置的壳体的一部分。

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