CN107132596B

CN107132596B - 结构光模块

Info

Publication number: CN107132596B
Application number: CN201610107978.7A
Authority: CN
Inventors: 陈志隆; 颜智敏
Original assignee: Everready Precision Ind Corp
Current assignee: Gaozhun International Technology Co., Ltd
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2018-12-18
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: CN107132596A

Abstract

本发明提供一种结构光模块，包括光源、准直光学部件以及扩散光学部件。该光源提供具有一光源光束大小的一光源光束。该准直光学部件准直该光源光束并且输出一准直光束。该扩散光学部件扩散该准直光束以形成一结构光，该结构光相对于该准直光束具有一光束扩散角，该扩散光学部件包括多个透镜元件，该多个透镜元件以每隔一间距间隔设置的方式一维地重复分布着。其中准直光学部件发出的准直光束和结构光之间具有间距大小和光束扩散角的关系存在，如此形成多样的结构光。

Description

结构光模块

技术领域

本发明是关于一种结构光模块，特别是关于一种用于穿戴或移动装置的结构光模块。

背景技术

穿戴装置是未来的明星产品，利用穿戴装置进行外界互动或侦测外界情形是使用穿戴装置的目的之一，其中，结构光的发出和接收对于互动和侦测功能是很重要的媒介之一，因此，如何产生结构光是穿戴装置或移动装置等虚拟实境装置所不可缺少的升等功能之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种结构光模块，利用以每隔一间距间隔设置的方式一维地重复分布着的多个透镜元件来形成结构光，透镜元件的排列间距大小和相对方位可丰富结构光的多样性。

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种结构光模块，利用准直光学部件搭配以每隔一间距间隔设置的方式一维地重复分布着的多个透镜元件来形成结构光，上述两者和光源可置入一壳体中，使得结构光模块的体积微型化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种结构光模块，其包括光源、准直光学部件以及扩散光学部件，该光源提供具有一光源光束大小的一光源光束；该准直光学部件准直该光源光束并且输出一准直光束；该扩散光学部件扩散该准直光束以形成一结构光，该结构光相对于该准直光束具有一光束扩散角，该扩散光学部件包括多个透镜元件，该多个透镜元件以每隔一间距间隔设置的方式一维地重复分布着，其中，该间距的一间距大小小于该光源光束大小，该光束扩散角满足以下的等式：

θ＝S*θ_n

θ_n＝-3.63*z^³+3.69*z^²-9.383*z+103

其中z＝(p-0.368)/0.0665，p表示毫米(mm)单位的该间距大小，S表示无因次的一缩放因子，θ表示度(degree)单位的该光束扩散角，θ_n则表示当该光源光束的一额定波长为650纳米(nm)和该多个重复分布的透镜元件的材料为聚碳酸酯时的该光束扩散角。

较佳地，该结构光模块还包括壳体，该壳体安置该光源、该准直光学部件和该扩散光学部件。

较佳地，该结构光模块还包括整合该准直光学部件和该扩散光学部件两者至少之一的壳体，其中该壳体安置该光源、该准直光学部件和该扩散光学部件。

较佳地，该扩散光学部件还包括：具有该多个重复分布的透镜元件构成的一凸起轮廓的一第一表面，该第一表面面向该准直光学部件；或者具有该多个重复分布的透镜元件构成的一混合凸起轮廓的一第一表面，该第一表面面向该准直光学部件。

较佳地，该扩散光学部件还包括相对于该第一表面的一第二表面，该第二表面具有一平面轮廓或结合一反射镀膜的一平面轮廓。

较佳地，位于该第一表面上的该多个透镜元件安排成单一方位或多个相对不同的方位，其中安排成该多个方位的该多个透镜元件所形成的多个该结构光具有多个方向。

较佳地，该间距具有单一数值的该间距大小、一系列递增数值的多个该间距大小、一系列递减数值的多个该间距大小或不同数值的多个该间距大小。

较佳地，该光源光束的波长大于650纳米，且该缩放因子为介于0和1之间的数值。

较佳地，该扩散光学部件的一折射率小于聚碳酸酯的折射率，且该缩放因子为介于0和1之间的数值。

较佳地，该光源光束的波长为650纳米，该扩散光学部件的材料为聚碳酸酯，并且该缩放因子等于1。

本发明还提供一种结构光模块，包括光源、准直光学部件以及扩散光学部件，该光源提供一光源光束；该准直光学部件准直该光源光束并且输出一准直光束；该扩散光学部件扩散该准直光束以形成一结构光，该结构光相对于该准直光束具有一光束扩散角，该扩散光学部件包括多个透镜元件，该多个透镜元件以每隔一间距间隔设置的方式一维地重复分布着，其中，该多个透镜元件的至少一有效焦距介于-0.15到0.15之间，该扩散光学部件的一折射率介于1.01到3.65之间，该光束扩散角满足以下的等式：

θ＝2*tan^-1(p/(2*|f|))

其中p表示该间距的毫米(mm)单位的一间距大小，θ表示度(degree)单位的该光束扩散角，|f|表示该有效焦距的绝对值。

较佳地，该结构光模块还包括安置该光源、该准直光学部件和该扩散光学部件的壳体；或整合该准直光学部件和该扩散光学部件两者至少之一的壳体，其中，该壳体安置该光源、该准直光学部件和该扩散光学部件。

较佳地，该扩散光学部件还包括：具有该多个重复分布的透镜元件构成的一凹入轮廓的一第一表面，该第一表面面向该准直光学部件；或者具有该多个重复分布的透镜元件构成的一凸起轮廓的一第一表面，该第一表面面向该准直光学部件；或者具有该多个重复分布的透镜元件构成的一混合凸起轮廓的一第一表面，该第一表面面向该准直光学部件；或者具有该多个重复分布的透镜元件构成的一混合凹入轮廓的一第一表面，该第一表面面向该准直光学部件。

较佳地，位于该第一表面的该多个透镜元件安排成单一方位或多个相对不同的方位，其中安排成该多个方位的该多个透镜元件所形成的多个该结构光具有多个方向。

较佳地，该扩散光学部件还包括固定于该多个透镜元件上的一透明平面基板，并且该透明平面基板提供该第二表面。

较佳地，该扩散光学部件包括由该多个透镜元件组成的光学区以及位于该光学区旁的非光学区，该非光学区具有一固定结构以固定于一壳体。

较佳地，该壳体还固定该准直光学部件。

较佳地，该多个透镜元件之间设有一不连续的区域，并且该扩散光学部件在该不连续的区域上设有衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)。

本发明利用一维重复分布的透镜元件的间距来设计所需的结构光样式，并可利用安排透镜元件的不同方位来调整结构光发出的方位，达到产生多样结构光的目的；此外，本发明的准直光学部件、扩散光学部件和光源可置入一壳体中，使得结构光模块的体积微型化。

附图说明

图1为本发明的结构光模块实施例的元件侧面示意图。

图2为本发明的扩散光学部件的一第一实施例部分立体示意图。

图3为本发明的扩散光学部件的第一实施例部分的第一侧面示意图。

图4为本发明的扩散光学部件的第一实施例部分的第二侧面示意图。

图5为本发明的间距和光束扩散角的一关系图。

图6为本发明的扩散光学部件的一第二实施例部分的正面示意图。

图7为本发明的扩散光学部件的一第三实施例部分立体示意图。

图8为本发明的扩散光学部件的一第四实施例部分的正面示意图。

图9为本发明的扩散光学部件的一第五实施例部分立体示意图。

图10为本发明的扩散光学部件的一第六实施例部分立体示意图。

图11为本发明的扩散光学部件的一第七实施例部分立体示意图。

图12为本发明的结构光模块实施例的部分元件分解示意图。

图13为本发明的扩散光学部件的一第八实施例部分立体示意图。

具体实施方式

以下所称的扩散光学部件，其包括光学区和非光学区，光学区主要包括处理或转换源自光源的光束的光学部件。相对于光学区而言，非光学区则可提供其它非处理或非转换光束的作用，例如非光学区具有起固定作用的治具或结构，或是具有起连接作用的结构或电路区域。要说明的是，非光学区仍可具有简单的光学性质，例如光穿透、光折射或光反射。其次，以下所称的光学区，其主要包括多个重复的透镜元件，这些重复的透镜元件主要是规则重复的且连续的，或是规则重复的但不连续的。是以，在规则重复的但不连续的透镜元件的情形时，多个透镜元件之间可以包括其它的光学元件，例如衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)。要说明的是，如衍射光学元件的这些其它的光学元件亦应满足以下本发明的透镜元件的特征或限制。

图1为本发明的结构光模块实施例的元件侧面示意图。参考图1，结构光模块5包括一光源10、一扩散光学部件30以及设置于光源10和扩散光学部件30之间的一准直光学部件20，其中通过准直光学部件20的光心(optical centre)定义一主光轴Z(primary opticalaxis)。光源10提供具有一光源光束大小的一光源光束12，准直光学部件20，例如准直光透镜与其镜座，接收光源光束12并且准直化光源光束12后输出一圆形的准直光束22，其中准直光束22大致上平行主光轴Z。扩散光学部件30接收准直光束22并扩散准直光束22以形成一结构光32，其中结构光32为一种具有光束扩散角的线性化光束，即结构光32相对于准直光束22具有一光束扩散角θ。于一实施例中，准直光学部件20为一单一或复合式准直镜，扩散光学部件30包括一光学区36和一或多个非光学区34，光学区36用以扩散准直光束22以形成结构光32，非光学区34则可设计成其它结构以提供其它用途。

图2为本发明的扩散光学部件的一第一实施例部分立体示意图，图3为本发明的扩散光学部件的第一实施例部分的第一侧面示意图，以及图4为本发明的扩散光学部件的第一实施例部分的第二侧面示意图。请同时参照图1-4，扩散光学部件30垂直于主光轴Z轴设置，扩散光学部件30的光学区36的长度L的方向和宽度W的方向垂直于主光轴Z轴，厚度T在主光轴Z轴上延伸，其中长度L和宽度W远大于厚度T。其次，扩散光学部件30包括多个以一间距p间隔设置的方式排列的透镜元件38，透镜元件38的分布是一维地重复分布着并且在扩散光学部件30上形成一光学区36的一部分或全部，例如图2和图3所示在长度L方向上包括多个重复的透镜元件38，而在图3和图4所示则在宽度W和在厚度T上则仅包括单一透镜元件38。要说明的是，此处所谓的多个透镜元件38，在实作上，可以是由单一材料一体成型，或是复合材料一体成型，或是复合材料结合成型。另外，扩散光学部件30可包括非光学区34，光学区36和非光学区34也可以是由单一材料一体成型，或是复合材料一体成型，或是复合材料结合成型。

其次，每一透镜元件38具有一球面或非球面表面，多个透镜元件38构成了一凸起轮廓，故扩散光学部件30包括一具有该凸起轮廓的第一表面35，第一表面35亦为光学区36的表面。准直光束22则由第一表面35入射扩散光学部件30。另外，每一透镜元件38的相对于球面或非球面表面为一平面，则扩散光学部件30包括相对于第一表面35的一第二表面37，且第二表面37为一平坦面。可以选择的，扩散光学部件30的光学区36的第二表面37上可以镀上一反射镀膜，反射镀膜的面积可以等于或大于光学区36。

再者，光学区36的透镜元件38的分布和几何形状可将入射的准直光束扩散，形成具有光束扩散角θ的结构光。光束扩散角θ满足以下的等式：

θ＝S*θ_n

θ_n＝-3.63*z^³+3.69*z^²-9.383*z+103

其中z＝(p-0.368)/0.0665，p表示毫米(mm)单位的间距大小，S表示无因次的一缩放因子，θ表示度(degree)单位的光束扩散角，θ_n则表示当光源光束12的一额定波长为650纳米(nm)和这些重复分布的透镜元件38的材料为聚碳酸酯时的光束扩散角，如图5所示。参考图1-5，光源光束12的额定波长为650纳米，透镜元件38的凸起深度d固定为0.22毫米，光源光束12通过准直光学部件20后产生的准直光束22的一光束大小大于间距大小p。由图5所示，利用本发明的等式，可以得到间距大小p为0.3、0.33、0.39和0.45的情形时，光束扩散角分别为120、110、100和90度。其次，若光源光束12的波长大于650纳米时，缩放因子S为介于0和1之间的数值，即光源光束愈长，间距大小p固定时，光束扩散角会变小。再者，若扩散光学部件30的折射率小于聚碳酸酯的折射率时，缩放因子S为介于0和1之间的数值。即扩散光学部件30的折射率小于聚碳酸酯的折射率，间距大小p固定时，光束扩散角会变小。反之，则缩放因子S是大于1的数值。

另外，于第一实施例中，间距包括单一间距大小p的数值，即这些透镜元件38以相同的间距大小p排列，包括了采用几何尺寸完全相同的透镜元件38，但本发明不以此为限，图6为本发明的扩散光学部件的一第二实施例部分的正面示意图。参考图6，扩散光学部件的光学区46包括的多个透镜元件48的分布间距包括一系列以递增或递减规则变化的数值的间距大小，其采用了几何尺寸递增或递减的不同透镜元件48。可以理解的，采用一系列递增或递减数值的间距排列也可于一光学区46中重复着。此外，由一系列递增或递减数值的间距分布的透镜元件48仍于扩散光学部件的光学区46建构具有凸起轮廓的第一表面，此第一表面由不同曲率的凸起组成一混合凸起轮廓。

图7为本发明的扩散光学部件的一第三实施例部分立体示意图。和图2的第一实施例不同之处在于，光学区56的多个透镜元件58是在宽度W方向上重复分布着，即透镜元件58于垂直主光轴的平面上的方位和图2的第一实施例不同。并且，光学区56更包括承载这些透镜元件58的一透明平面基板54，即扩散光学部件采用复合材料或以复合方式形成光学区56。此种态样中，可引入透镜元件的有效焦距f来得到光束扩散角θ。于第三实施例中，这些透镜元件58的至少一有效焦距f介于-0.15到0.15之间，扩散光学部件的一折射率介于1.01到3.65之间，则光束扩散角θ满足以下的等式：

θ＝2*tan^-1(p/(2*|f|))

图8为本发明的扩散光学部件的一第四实施例部分的正面示意图。和图7的第三实施例不同之处在于，光学区66包括两种具有不同几何尺寸和不同有效焦距的透镜元件68，其交替地分布于一透明平面基板64上，利用θ＝2*tan^-1(p/(2*|f|))代入不同的间距大小p和有效焦距，能够得到不同几何尺寸的透镜元件68所提供的光束扩散角θ，即；

θ_a＝2*tan^-1(p_a/(2*|f_a|))

θ_b＝2*tan^-1(p_b/(2*|f_b|))

其中，p_a和p_b表示不同的间距大小，f_a和f_b表示不同值的有效焦距长度，则θ_a和θ_b则表示其对应的光束扩散角。

图9为本发明的扩散光学部件的一第五实施例部分立体示意图。和图2的第一实施例不同之处在于，第五实施例的扩散光学部件的光学区76包括多个平凹透镜形式的透镜元件78，此种情形下，扩散光学部件具有一凹入轮廓的第一表面75和一平面状的第二表面77。再者，平凹透镜形式的透镜元件78的有效焦距f为负值，可利用θ＝2*tan^-1(p/(2*|f|))求得光束扩散角θ。可以理解的，本发明亦可利用不同有效焦距f或不同间距大小的平凹透镜形式的透镜元件来重复排列，而本发明也可以用不同材料或不同波长或不同温度来造成不同有效焦距f等等，如同前述平凸形式的透镜元件，于此不赘述。

图10为本发明的扩散光学部件的一第六实施例部分立体示意图。和图2的第一实施例不同之处在于，扩散光学部件的光学区86具有的多个透镜元件88具有相同的间距大小，但透镜元件88具有两个不同方位r1、r2，并且光学区86的几何形状为圆盘状。因此，不同方位r1、r2的透镜元件88能够产生两种或两种以上不同方位的光束扩散角。图11为本发明的扩散光学部件的一第七实施例部分立体示意图。和图10的第六实施例部分不同之处在于，扩散光学部件的光学区96具有两个或两个以上不同间距大小的透镜元件92和透镜元件98，两不同间距大小的透镜元件92和98可以具有相同或不同的方位，于此不赘述。

图12为本发明的结构光模块实施例的部分元件分解示意图。结构光模块81包括光源83和其连接的可挠性电路板87、散热板9、壳体85、准直光学部件82和扩散光学部件80。于本实施例中，扩散光学部件80包括可和壳体85固定的固定结构89，固定结构89设置于扩散光学部件80的非光学区。此外，壳体85亦可包括固定准直光学部件82的结构，用以固定准直光学部件81。因此，壳体85安置光源83、散热板9、可挠性电路板87、准直光学部件82和扩散光学部件80，准直光学部件82和扩散光学部件80的一部分亦可整合于壳体85，成为壳体85的一部分。

图13为本发明的扩散光学部件的一第八实施例部分立体示意图。和图7的第三实施例部分不同之处在于，光学区91包括的多个透镜元件93是规则重复的但不连续的，其间可形成或置入一衍射光学元件95。于本实施例中，单一的衍射光学元件95相当于单一的透镜元件93，因此衍射光学元件95亦具有一有效焦距，并满足图7的第三实施例部分中所述的光束扩散角条件，于此不赘述。

根据上述，本发明利用一维重复分布的透镜元件的间距来设计所需的结构光样式，并利用安排透镜元件的不同方位来调整结构光发出的方位，达到产生多样结构光的目的。

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权利要求范围，因此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，均应包含于本发明的范围内。

Claims

1.一种结构光模块，其特征在于，包括：

光源，其提供具有一光源光束大小的一光源光束；

准直光学部件，其准直该光源光束并且输出一准直光束；以及

扩散光学部件，其扩散该准直光束以形成一结构光，该结构光相对于该准直光束具有一光束扩散角，该扩散光学部件包括多个透镜元件，该多个透镜元件以每隔一间距间隔设置的方式一维地重复分布着，其中，该间距的一间距大小小于该光源光束大小，该光束扩散角满足以下的等式：

θ＝S*θ_n

θ_n＝-3.63*z^³+3.69*z^²-9.383*z+103

其中z＝(p-0.368)/0.0665，p表示毫米单位的该间距大小，S表示无因次的一缩放因子，θ表示度单位的该光束扩散角，θ_n则表示当该光源光束的一额定波长为650纳米和该多个重复分布的透镜元件的材料为聚碳酸酯时的该光束扩散角。

2.如权利要求1所述的结构光模块，其特征在于，该结构光模块还包括壳体，该壳体安置该光源、该准直光学部件和该扩散光学部件。

3.如权利要求1所述的结构光模块，其特征在于，该结构光模块还包括整合该准直光学部件和该扩散光学部件两者至少之一的壳体，其中该壳体安置该光源、该准直光学部件和该扩散光学部件。

4.如权利要求1所述的结构光模块，其特征在于，该扩散光学部件还包括：

具有该多个重复分布的透镜元件构成的一凸起轮廓的一第一表面，该第一表面面向该准直光学部件；或者

具有该多个重复分布的透镜元件构成的一混合凸起轮廓的一第一表面，该第一表面面向该准直光学部件。

5.如权利要求4所述的结构光模块，其特征在于，该扩散光学部件还包括相对于该第一表面的一第二表面，该第二表面具有一平面轮廓或结合一反射镀膜的一平面轮廓。

6.如权利要求4所述的结构光模块，其特征在于，位于该第一表面上的该多个透镜元件安排成单一方位或多个相对不同的方位，其中安排成该多个方位的该多个透镜元件所形成的多个该结构光具有多个方向。

7.如权利要求1所述的结构光模块，其特征在于，该间距具有单一数值的该间距大小、一系列递增数值的多个该间距大小、一系列递减数值的多个该间距大小或不同数值的多个该间距大小。

8.如权利要求1所述的结构光模块，其特征在于，该光源光束的波长大于650纳米，且该缩放因子为介于0和1之间的数值。

9.如权利要求1所述的结构光模块，其特征在于，该扩散光学部件的一折射率小于聚碳酸酯的折射率，且该缩放因子为介于0和1之间的数值。

10.如权利要求1所述的结构光模块，其特征在于，该光源光束的波长为650纳米，该扩散光学部件的材料为聚碳酸酯，并且该缩放因子等于1。

11.一种结构光模块，其特征在于，包括：

光源，其提供一光源光束；

扩散光学部件，其扩散该准直光束以形成一结构光，该结构光相对于该准直光束具有一光束扩散角，该扩散光学部件包括多个透镜元件，该多个透镜元件以每隔一间距间隔设置的方式一维地重复分布着，其中，该多个透镜元件的至少一有效焦距介于-0.15到0.15之间，该扩散光学部件的一折射率介于1.01到3.65之间，该光束扩散角满足以下的等式：

θ＝2*tan^-1(p/(2*|f|))

其中p表示该间距的毫米单位的一间距大小，θ表示度单位的该光束扩散角，|f|表示该有效焦距的绝对值。

12.如权利要求11所述的结构光模块，其特征在于，该结构光模块还包括：

安置该光源、该准直光学部件和该扩散光学部件的壳体；或

整合该准直光学部件和该扩散光学部件两者至少之一的壳体，其中，该壳体安置该光源、该准直光学部件和该扩散光学部件。

13.如权利要求11所述的结构光模块，其特征在于，该扩散光学部件还包括：

具有该多个重复分布的透镜元件构成的一凹入轮廓的一第一表面，该第一表面面向该准直光学部件；或者

具有该多个重复分布的透镜元件构成的一混合凸起轮廓的一第一表面，该第一表面面向该准直光学部件；或者

具有该多个重复分布的透镜元件构成的一混合凹入轮廓的一第一表面，该第一表面面向该准直光学部件。

14.如权利要求13所述的结构光模块，其特征在于，该扩散光学部件还包括相对于该第一表面的一第二表面，该第二表面具有一平面轮廓或结合一反射镀膜的一平面轮廓。

15.如权利要求13所述的结构光模块，其特征在于，位于该第一表面的该多个透镜元件安排成单一方位或多个相对不同的方位，其中安排成该多个方位的该多个透镜元件所形成的多个该结构光具有多个方向。

16.如权利要求14所述的结构光模块，其特征在于，该扩散光学部件还包括固定于该多个透镜元件上的一透明平面基板，并且该透明平面基板提供该第二表面。

17.如权利要求11所述的结构光模块，其特征在于，该间距具有单一数值的该间距大小、一系列递增数值的多个该间距大小、一系列递减数值的多个该间距大小或不同数值的多个该间距大小。

18.如权利要求11所述的结构光模块，其特征在于，该扩散光学部件包括由该多个透镜元件组成的光学区以及位于该光学区旁的非光学区，该非光学区具有一固定结构以固定于一壳体。

19.如权利要求18所述的结构光模块，其特征在于，该壳体还固定该准直光学部件。

20.如权利要求11所述的结构光模块，其特征在于，该多个透镜元件之间设有一不连续的区域，并且该扩散光学部件在该不连续的区域上设有衍射光学元件。