CN106468975A - 藉由提高信噪比而降低能源消耗的光学侦测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种藉由提高信噪比而降低能源消耗的光学侦测装置，装设于一穿戴式装置上。该光学侦测装置包含有一底座、一光侦测组件以及一发光模块。该光侦测组件设置在该底座，该光侦测组件具有一侦测面法向量。该发光模块设置在该底座。该发光模块输出一取样讯号以照射一外部对象，使该光侦测组件接收从该外部对象反射的该取样讯号。该发光模块与该光侦测组件相向倾斜以让该取样讯号在空间中光强分布的一光轴和该侦测面法向量相交，并形成一偏移夹角。

Description

藉由提高信噪比而降低能源消耗的光学侦测装置

技术领域

本发明是提供一种光学侦测装置，尤指一种使取样讯号光轴相交于侦测面法向量以提高信噪比的光学侦测装置。

背景技术

请参阅图8，图8为现有技术的光学侦测装置80的示意图。光学侦测装置80包含底座82、光侦测组件84以及发光单元86。光侦测组件84与发光单元86都设置在底座82的同一平面上，所以光侦测组件84的侦测面法向量和发光单元86的取样光轴都平行于底座82的平面法向量。因为发光单元86的取样光轴没有指向底座82的触控平面821，所以发光单元86输出的取样光讯号虽投射到外部对象(例如操作者手指)，但其反射光讯号无法全部为光侦测组件84所接收，意即取样光讯号的光通量(flux)可能只有60-70％经由外部对象的反射传递到光侦测组件84，造成信噪比降低及能源的大幅浪费。因此，如何改善光学侦测装置中光侦测组件对于取样讯号的接收效能，便为相关产业的重点发展课题。

发明内容

本发明是提供一种使取样讯号光轴相交于侦测面法向量以提高信噪比的光学侦测装置，以解决上述的问题。

本发明的申请专利范围是揭露一种藉由提高信噪比而降低能源消耗的光学侦测装置，装设于一穿戴式装置上。该光学侦测装置包含有一底座、一光侦测组件以及一发光模块。该光侦测组件设置在该底座，该光侦测组件具有一侦测面法向量。该发光模块设置在该底座。该发光模块输出一取样讯号以照射一外部对象，使该光侦测组件接收从该外部对象反射的该取样讯号。该发光模块与该光侦测组件相向倾斜以让该取样讯号在空间中光强分布的一光轴和该侦测面法向量相交，并形成一偏移夹角。该底座具有一触控平面，该外部对象置于该触控平面以反射该取样讯号，该光轴不平行于该底座的一触控面法向量、且指向该触控平面的中心区。其中该光轴相较于该侦测面法向量的偏移夹角实质介于5～40度之间。

本发明的申请专利范围另揭露该发光模块包含一发光单元以及一光调变组件，该光调变组件设置于该发光单元上，用来偏折该发光单元的出光方向以倾向该光侦测组件。该发光单元经该光调变组件收窄后的该发光角度实质介于20～90度之间。

本发明的申请专利范围另揭露该光调变组件为一导光件、或由复数个微棱镜单元组成。

本发明的申请专利范围另揭露该光调变组件为一对称式光学透镜，该发光单元设置在该对称式光学透镜的部分区域下，以收窄该发光单元的发光角度。该对称式光学透镜以一中心轴分成尺寸实质对称的两区域，该发光单元设置在该两区域中邻近该光侦测组件的一区域下。

本发明的申请专利范围另揭露该光调变组件为一非对称光学透镜，设置在该发光单元上以收窄该发光单元的发光角度。该非对称光学透镜具有两两相连的一侧面、一入射面以及一出射面，该侧面上是设置一反射层。

本发明的申请专利范围另揭露该发光模块包含一发光单元以及一支撑件，该发光单元设置在该支撑件上，该支撑件的一支撑面法向量相交于该侦测面法向量。该发光模块另包含一光调变组件，设置于该发光单元上，用来偏折该发光单元的出光方向。

本发明的申请专利范围另揭露该光学侦测装置另包含一承载件，斜向地承载该光侦测组件，使该侦测面法向量相交于该发光模块的该光轴。

本发明的申请专利范围另揭露该光学侦测装置更包含至少一个发光模块，该等发光模块分别设置在该光侦测组件的相对侧边，且该等发光模块的光轴是相向倾斜。

本发明的光学侦测装置让发光模块输出的取样讯号集中投射到触控平面的中心区，除了可降低取样讯号亮度以节省能源使用，另能避免部分取样讯号因照射到触控平面以外区域而造成能源浪费，在提高光学侦测装置的信噪比亦具有优异表现。

附图说明

图1为本发明第一实施例的光学侦测装置的示意图。

图2为本发明第二实施例的光学侦测装置的示意图。

图3为本发明第三实施例的光学侦测装置的示意图。

图4为本发明第四实施例的光学侦测装置的示意图。

图5为本发明第五实施例的光学侦测装置的示意图。

图6为本发明第六实施例的光学侦测装置的示意图。

图7为本发明第七实施例的光学侦测装置的示意图。

图8为现有技术的光学侦测装置的示意图。

附图标号说明：

10 光学侦测装置

12 底座

121 触控平面

14 光侦测组件

16 发光模块

18 外部对象

20 发光单元

22、22A、22B、22C、22D 光调变组件

221 侧面

222 入射面

223 出射面

24 反射层

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1与图2，图1为本发明第一实施例的光学侦测装置10的示意图，图2为本发明第二实施例的光学侦测装置10的示意图。光学侦测装置10是装设在诸如智能型手表、智能型手环等穿戴式装置上，用来侦测穿戴者的生理特征信息(例如心跳率)，具有高信噪比及低能源消耗的特点。光学侦测装置10包含底座12、光侦测组件14以及发光模块16。底座12通常为穿戴式装置的部分壳体，然不限于此。光侦测组件14为可见光或不可见光讯号的讯号接收器，设置在底座12上。一般情况下，底座12是以平整面承载光侦测组件14。光侦测组件14由多个感测单元排成数组而形成一侦测面，光侦测组件14具有侦测面法向量N1，且侦测面法向量N1实质平行于底座12的平面法向量。

发光模块16的数量可为一个或多个。单个发光模块16设置在底座12上的光侦测组件14的一侧、或多个发光模块16对称分设在光侦测组件14的相对侧边，视不同实施例的设计需求而定。外部对象18(例如穿戴者手指)置放于底座12的触控平面121时，发光模块16输出的取样讯号(可见光或不可见光)会投射到外部对象18上；接着，光侦测组件14取得从外部对象18反射的取样讯号，依该反射取样讯号的光学特性变化得知穿戴者的生理特征信息。

第一实施例中，光学侦测装置10只设置一个发光模块16在底座12上。发光模块16包含发光单元20以及光调变组件22A。发光单元20通常是发光二极管，初始发光角度(意即光线散射范围)约为120度。光调变组件22A是任意形状的对称式光学透镜，光调变组件22A(对称式光学透镜)以中心轴S区分成尺寸实质对称的两区域A1、A2，光调变组件22A(对称式光学透镜)设置在发光单元20上方，且发光单元20是位于光调变组件22A(对称式光学透镜)的邻近光侦测组件14的区域A1下。如图1所示，光调变组件22A(对称式光学透镜)除了将发光单元20的发光角度收敛在20～90度之间，还会将发光单元20的取样讯号从出光方向D1偏折为光轴N2，以倾向光侦测组件14。如此一来，发光模块16在空间中光强分布的光轴N2便会和侦测面法向量N1相交，形成偏移夹角。其中光轴N2相较侦测面法向量N1(或相较出光方向D1)的偏移夹角实质介于5～40度之间。

特别一提的是，出光方向D1是定义为发光单元20的机械轴(GeometricAxis)，表示发光单元20在外型上尺寸对称的中心轴；在发光单元20与光侦测组件14设置于底座12上同一平整面的前提下，出光方向D1实质平行侦测面法向量N1。发光单元20经光调变组件22A调变后，其发光角度会从原先的120度范围收窄成20～90度之间，而光轴(Optical Axis)N2即表示调变后光强分布(20～90度的发光角度)的对称轴。光调变组件22A可偏折发光单元20的取样讯号，使发光模块16的光轴N2指向触控平面121的中心区，意即光轴N2不平行于侦测面法向量N1及触控平面121的触控面法向量。

与第一实施例不同，第二实施例的光学侦测装置10包含两个发光模块16，分别设置在光侦测组件14的相对侧边。该些发光模块16都具有发光单元20及光调变组件22A，且光调变组件22A是如第一实施例所述态样错位设置于发光单元20上方，因此两个发光模块16的光轴N2会面对面地相向倾斜，同样指向触控平面121的中心区、相交于光侦测组件14的侦测面法向量N1。第一实施例与第二实施例的发光模块16利用光调变组件22A(对称式光学透镜)收敛及偏折发光单元20的发光角度与出光方向，将发光单元20的取样讯号集中投射到外部对象18上接近光侦测组件14的区域，例如触控平面121的中心区，使用低亮度取样讯号仍可维持良好的取样讯号质量，可以有效减少能源消耗量。

请参阅图3，图3为本发明第三实施例的光学侦测装置10的示意图。光学侦测装置10包含底座12、光侦测组件14与发光模块16。第三实施例的特点在于发光模块16的光调变组件22B可为任意形状的非对称光学透镜。举例来说，将前述实施例的光调变组件22A(对称式光学透镜)的区域A2裁切掉，即可形成本实施例的非对称光学透镜，然不限于此。如图3所示，光调变组件22B(非对称光学透镜)具有两两相连的侧面221、入射面222、出射面223。光调变组件22B(非对称光学透镜)的入射面222对齐且设置在发光单元20上。发光单元20输出的取样讯号经由入射面222沿出光方向D1进入光调变组件22B(非对称光学透镜)，从出射面223透出光调变组件22B(非对称光学透镜)而偏折为光轴N2。光调变组件22B为非对称凸透镜时可收窄发光单元20的发光角度。除此的外，侧面221选择性涂布反射层24，用来避免取样讯号经由侧面221透出光调变组件22B(非对称光学透镜)，可显著提升发光模块16的取样讯号的输出光量。

其中，第三实施例的发光模块16的数量不限于图3所示，例如：光学侦测装置10可包含两个发光模块16，该些发光模块16可具有对称式光学透镜或非对称光学透镜的光调变组件22，分别设置在光侦测组件14的相对侧边。

请参阅图4与图5，图4为本发明第四实施例的光学侦测装置10的示意图，图5为本发明第五实施例的光学侦测装置10的示意图。第四实施例的发光模块16主要由发光单元20及光调变组件22C组成。光调变组件22C可为导光件，发光单元20输出的取样讯号沿着出光方向D1进入光调变组件22C(导光件)，再经由光调变组件22C的导光作用沿着光轴N2投射到外部对象18，使光轴N2倾向侦测面法向量N1而形成偏移夹角。另外，第五实施例的发光模块16包含发光单元20与光调变组件22D，光调变组件22D在其出射面是设置复数个微棱镜单元26。微棱镜单元26可以将发光单元20的取样讯号从出光方向D1偏折为光轴N2的方向，让发光模块16输出的侦测光强对称轴(意即光轴N2)和侦测面法向量N1相交以形成偏移夹角。

在第四实施例及第五实施例中，光调变组件22(包含光调变组件22C与光调变组件22D)除了将取样讯号从出光方向D1偏折为光轴N2外，光调变组件22本身的结构宽窄变化另能控制取样讯号进入光调变组件22的进光量及出光幅度，用以收窄发光单元20的发光角度。虽然第四实施例与第五实施例只在光学侦测装置10内设置单个发光模块16，然实际应用态样不限于此，例如可在光侦测组件14的相对侧边分别设置多个发光模块16，端视设计需求而定。只要该些发光模块16的光轴N2都倾向光侦测组件14、或指向触控平面121的中心区，即符合本发明的设计范畴。

请参阅图6，图6为本发明第六实施例的光学侦测装置10的示意图。第六实施例的发光模块16至少包含发光单元20以及支撑件28。支撑件28具有倾斜的支撑面281，且支撑面法向量N3相交于侦测面法向量N1。发光单元20设置在支撑件28的支撑面281，可让发光单元20的出光方向D1与光轴N2皆倾向光侦测组件14而相交于侦测面法向量N1形成偏移夹角。第六实施例另可选择性设置光调变组件22于发光单元20上方，用来收窄发光单元20的发光角度、并可进一步偏折发光单元20的出光方向D1。发光模块16的数量亦不限于图6所示实施态样，例如发光模块16可将多个发光模块16分设在光侦测组件14的相对侧边，只要该些发光模块16的光轴N2通过支撑件28倾向光侦测组件14，就符合本发明的设计需求。

请参阅图7，图7为本发明第七实施例的光学侦测装置10的示意图。第七实施例的光学侦测装置10包含底座12、光侦测组件14、发光模块16以及承载件30。发光模块16设置在光侦测组件14的侧边，发光模块16的光调变组件22可任意选择为前述各实施例所提出的对称式光学透镜、非对称光学透镜、导光件或微棱镜结构；或者发光模块16只有发光单元20而不设置光调变组件22和/或支撑件28。本实施例的光侦测组件14是经由承载件30设置在底座12上。承载件30是一个斜面结构，斜向地承载光侦测组件14，使得光侦测组件14的侦测面法向量N1可倾向发光模块16的一侧，让侦测面法向量N1相交于发光模块16的光轴N2而形成偏移夹角。

综上所述，为了提高光学侦测装置的信噪比以降低能源消耗，本发明选择在发光单元的上方设置光调变组件、或在发光单元的下方设置支撑件、或在光侦测组件的下方设置承载件。光调变组件会收窄发光单元的发光角度，提高发光模块照射到外部对象的取样讯号亮度；还会引导取样讯号转向，从自发光单元出射的出光方向偏折为倾向光侦测组件的光轴。光轴相交于侦测面法向量，意即取样讯号集中投射到触控平面的中心区，可在低亮度情况下维持良好的取样讯号质量，光学侦测装置自可相应减少能源消耗量。支撑件和承载件的功能也是用来将发光模块的光轴转向，并可选择性搭配光调变组件，达到更佳的光轴偏折效果。

相较于现有技术，本发明的光学侦测装置让发光模块输出的取样讯号集中投射到触控平面的中心区，除了可降低取样讯号亮度以节省能源使用，另能避免部分取样讯号因照射到触控平面以外区域而造成能源浪费，在提高光学侦测装置的信噪比亦具有优异表现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (15)

1.一种藉由提高信噪比而降低能源消耗的光学侦测装置，其特征在于，装设于一穿戴式装置上，该光学侦测装置包含有：

一底座；

一光侦测组件，设置在该底座，该光侦测组件具有一侦测面法向量；以及

一发光模块，设置在该底座，该发光模块输出一取样讯号以照射一外部对象，使该光侦测组件接收从该外部对象反射的该取样讯号，该发光模块与该光侦测组件相向倾斜以让该取样讯号在空间中光强分布的一光轴和该侦测面法向量相交，并形成一偏移夹角。

2.如权利要求1所述的光学侦测装置，其特征在于，该光轴相较于该侦测面法向量的偏移夹角实质介于5～40度之间。

3.如权利要求1所述的光学侦测装置，其特征在于，该发光模块包含一发光单元以及一光调变组件，该光调变组件设置于该发光单元上，用来偏折该发光单元的出光方向以倾向该光侦测组件。

4.如权利要求3所述的光学侦测装置，其特征在于，该光调变组件为一导光件。

5.如权利要求3所述的光学侦测装置，其特征在于，该光调变组件由复数个微棱镜单元组成。

6.如权利要求3所述的光学侦测装置，其特征在于，该光调变组件为一对称式光学透镜，该发光单元设置在该对称式光学透镜的部分区域下，以收窄该发光单元的发光角度。

7.如权利要求6所述的光学侦测装置，其特征在于，该对称式光学透镜以一中心轴分成尺寸实质对称的两区域，该发光单元设置在该两区域中邻近该光侦测组件的一区域下。

8.如权利要求3所述的光学侦测装置，其特征在于，该光调变组件为一非对称光学透镜，设置在该发光单元上以收窄该发光单元的发光角度。

9.如权利要求8所述的光学侦测装置，其中该非对称光学透镜具有两两相连的一侧面、一入射面以及一出射面，该侧面上是设置一反射层。

10.如权利要求6或8所述的光学侦测装置，其特征在于，该发光单元经该光调变组件收窄后的该发光角度实质介于20～90度之间。

11.如权利要求1所述的光学侦测装置，其特征在于，该发光模块包含一发光单元以及一支撑件，该发光单元设置在该支撑件上，该支撑件的一支撑面法向量相交于该侦测面法向量。

12.如权利要求11所述的光学侦测装置，其特征在于，该发光模块另包含一光调变组件，设置于该发光单元上，用来偏折该发光单元的出光方向。

13.如权利要求1所述的光学侦测装置，其特征在于，其另包含：

一承载件，斜向地承载该光侦测组件，使该侦测面法向量相交于该发光模块的该光轴。

14.如权利要求1所述的光学侦测装置，其特征在于，该底座具有一触控平面，该外部对象置于该触控平面以反射该取样讯号，该光轴不平行于该底座的一触控面法向量、且指向该触控平面的中心区。

15.如权利要求1所述的光学侦测装置，其特征在于，该光学侦测装置更包含至少一个发光模块，该等发光模块分别设置在该光侦测组件的相对侧边，且该等发光模块的光轴是相向倾斜。