CN110389457A - 结构光投射系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种结构光投射系统，包括基板、半导体激光芯片、第一光学模块以及第二光学模块。半导体激光芯片电性连接于基板上，且第一光学模块设置于基板上，第二光学模块设置于第一光学模块上。通过将第一光学模块以一次光学设计方式直接封装设置于基板上，藉此改善光学模块的光轴的偏差率及校正时间，藉以提升制造良率。

Description

结构光投射系统
技术领域
本发明涉及一种光学系统，尤其涉及一种结构光投射系统。
背景技术
随着光学技术的蓬勃发展，结构光(structured light)进而被应用于许多领域，例如：3D轮廓重现、距离测量、防伪识别等领域，然而，现有的技术中，结构光的产生方式大多是由发光模块、透镜转换模块、准直透镜以及绕射光学元件(diffractive opticalelement,DOE)组成，例如中国台湾发明专利号第I608252号“光学装置”乙案中所揭示，壳体内包括准直透镜、转换透镜模块与光学元件组，且转换透镜模块是由多片不同屈光度的光学镜片以适当的间隔组合堆叠而成，因此，壳体内至少具有五片以上的光学镜片，当多片不同屈光度的光学镜片组合时，各光学镜片的光学中心轴(optical axis)需要精密对齐以避免解析度降低的问题，且各转换光学镜片也需要以一定间距排列组合而成，故将耗费许多的工序与精密校正，导致产量无法提高，成本也难以下降，又，当转换透镜模块内的多个光学镜片在相互堆叠时，倘若其中一光学镜片的中心轴产生偏移时，将影响转换透镜模块整体光学效果，进而影响制造良率；此外，因转换透镜模块上的各个镜片都具备各自独立的光轴，因此当一光学镜片堆叠在另一片光学镜片上时，会因为镜片层数增加，而导致光轴对准的误差的累积，使得制造良率更低，且无法达到薄型化的效果。此外，现有的技术中，大都采用晶圆级光学镜头封装(Wafer lens Packaging,WLP)制成，即为一种直接建立在“III-V三五族化合物半导体”基板上的封装制程，然而，其制造成本昂贵且设计不易，易导致终端产品易出现稳定度问题。
发明内容
有鉴于上述的问题，本发明人依据多年来从事相关产品研发的经验，针对光学领域与封装技术进行研究及分析，期能设计出符合上述需求的实体产品；缘此，本发明提供一种通过一次光学(primary optics)设计来简化光学元件的光轴对准次数，藉此提升结构光投射系统的精密度及制造良率。
本发明提供一种结构光投射系统，其中，包括：非半导体材料的基板，具有安装面；半导体激光芯片，用以产生至少光束，组设于所述安装面上且具有第一光轴；第一光学模块，配置于所述至少一光束的传递路径上，具有第二光轴，且包括光学透镜，所述光学透镜具有出光面，所述光学透镜与所述半导体激光芯片之间无空气间隙；以及第二光学模块，设置于所述第一光学模块上且具有第三光轴，所述第二光学模块包括中空壳体与至少一绕射光学元件，所述至少一绕射光学元件配置所述至少一光束的传递路径上，且将所述至少一光束转换成结构光，其中，所述第一光学模块容置于所述中空壳体内，且沿着所述第一光轴射出的光束继续依序沿着所述第二光轴与所述第三光轴传递。本发明的实施例通过将第一光学模块以一次光学设计方式，简化第二光学模块的光学镜片的层数，藉此降低光轴对准的误差率，以提升产品制造良率。
进一步地，该半导体激光芯片用于产生波长落在750至1000纳米的范围内的红外光，较佳地，可用于产生波长落在790至830纳米的范围内、波长落在830至870纳米的范围内或波长落在900至1000纳米的范围内的红外光。
进一步地，该第一光学模块的至少一光学透镜的屈光度可为正或负，且该至少一光学透镜具有出光面，其用以扩展或会聚半导体激光芯片产生的光束，以改变其路径。
进一步地，该半导体激光芯片具有第一光轴，该第一光学模块具有第二光轴，该第二光学模块具有第三光轴，当半导体激光芯片与各光学模块相互组设完成后，各光轴之间呈同一轴心。
进一步地，该第一光轴与第二光轴之间的误差偏值小于等于20微米。
进一步地，该第二光轴与第三光轴之间的误差偏值小于等于50微米。
进一步地，该第一光轴、该第二光轴与第三光轴之间的误差偏值小于等于50微米。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明的一实施例的结构光投射系统的结构分解图；
图2为图1的结构光投射系统的剖面示意图；
图3为本发明的另一实施例的结构光投射系统的剖面示意图；
图4为本发明的又一实施例的结构光投射系统的剖面示意图；
图5为图4的结构光投射系统中的半导体激光芯片与反射元件的立体示意图。
附图标记说明
10、10b：结构光投射系统
101：基板
1011：安装面
102、302：半导体激光芯片
1021：第一光轴
1022：镜像
103：第一光学模块
1031：光学透镜
1032：第二光轴
1033：出光面
104、104a：第二光学模块
1041：壳体
1042：绕射光学元件
1043：光学元件
1045：第三光轴
1046：接合部
40：反射元件
41：反射面
L：光束
L1：输出光束
L2：准直光束
L3：结构光
P：投射面
θ1：夹角
θ2：发散角
W：长度
S：距离
具体实施方式
图1为本发明的一实施例的结构光投射系统的结构分解图。图2为图1的结构光投射系统的剖面示意图。请参阅图1与图2，如图所示，结构光投射系统10包含基板101、半导体激光芯片102、第一光学模块103以及第二光学模块104，其中，基板101可为非半导体材料或半导体材料制成，所述的非半导体材料可为金属基板、陶瓷基板、或玻纤基板(例如FR-4、FR-5、G-10或G-11)等，但不局限于此，该基板101具有安装面1011，半导体激光芯片102是电性组设于该基板101的安装面1011上，其具有第一光轴1021，半导体激光芯片102是用以产生可见或不可见光，例如:激光二极管(laser diode，LD)、垂直腔面射型激光(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)芯片、边射型激光(edge emitting laser,EEL)等，但不以此为限，该半导体激光芯片102可产生波长落在约700至1000纳米(nanometer,nm)的范围内的红外线不可见光或产生波长落在约380至780nm的范围内的可见光(例如:波长落在450-480nm的范围内的蓝光、波长落在500-560nm的范围内的绿光或波长落在600-700nm的范围内的红光)，又，第一光学模块103以模塑(molding)方式设置于安装面1011上，该第一光学模块103具有第二光轴1032，其包含光学透镜1031，该光学透镜1031的屈光度(refractive power)为正(或为负)，且该光学透镜1031具有出光面1033，具体而言，该光学透镜1031的材料选自环氧树脂、压克力树脂、硅树脂或硅胶，且折射率是落在1.4至1.6的范围内，较佳地落在1.4至1.43的范围内或落在1.5至1.53的范围内，但不以此为限，出光面1033设计可为球面、非球面、弧形面、抛物面、双曲面及自由曲面中任一种，进一步地，该非球面的方程式例如为:
其中，r为非球面曲线上的点与光轴的距离；z为非球面深度，即非球面上距离光轴为r的点，与相切于非球面光轴上顶点的切面，两者间的垂直距离；c为密切球面(osculating sphere)的半径的倒数，也就是接近光轴处的曲率半径；k为圆锥系数(conicconstant)；ai为第i阶非球面系数。c＝1/R，其中R为接近光轴处的曲率半径。在一实施例中，k<0且1.5毫米≦R≦5毫米。
光学透镜1031直接封装覆盖在半导体激光芯片102上，且与半导体激光芯片102紧密贴合，使得光学透镜1031与基板101的安装面1011及半导体激光芯片102之间无空气间隙，所述模塑方式先将模具的腔内注入光学透镜1031的材料，接着插入已固接于安装面1011上的半导体激光芯片102后，直接加温让光学透镜1031的材料固化，再将其从模腔中脱出即成型，或者将半导体激光芯片102固接于安装面1011上后设置于模具中，并将上下两副模具用液压机合模并抽真空，再将光学透镜1031的材料放入注胶道的入口，并施加压力使该材料顺着胶道进入各个成型槽中并加热固化，再将其从模腔中脱出即成型，通过上述方式可使光学透镜1031直接一体成型于半导体激光芯片102之上，又，通过出光面1033可直接调整半导体激光芯片102产生的光束的路径，同时通过上述方式可使第一光轴1021与第二光轴1032于制程中即呈同一轴心，藉此简化校正时间达到大量生产的功效，且于较佳实施例中，第一光轴1021与第二光轴1032之间的误差偏值不超过20微米。在一实施例中，第一光轴1021与第二光轴1032之间的误差偏值不超过10微米。再者，第二光学模块104设置于第一光学模块103上，所述的第二光学模块104包含有壳体1041与绕射光学元件(diffractionoptical element，DOE)1042，其具有第三光轴1045，其中，壳体1041具有中空的容室，且两端分别有一开口，使其内部相连通，该壳体1041其中一端成型有接合部1046，该接合部1046可用粘合剂或以机械组设方式(例如卡扣、插拔等)设置于该安装面1011上。当接合部1046以粘合剂的方式设置于安装面1011上时，可先使第三光轴1045确定对准于第二光轴1032后，再使粘合剂固化(例如照光固化或加热固化)，以提升各光轴间的同心度。又，绕射光学元件1042相对设置于该接合部1046的壳体1041的另一端，且于较佳实施中，绕射光学元件1042可与开口切齐，如图所示，绕射光学元件1042用于将一输入光束分裂复制成多个输出光束，即改变入射光的相位与振幅，使入射光能量波前重新分配，进而产生光栅图型(grating pattern)投射至投射面P上，且第二光学模块104设置于第一光学模块103上时，第一光学模块103容置于第二光学模块104的壳体1041内，故，仅需将第二光轴1032与第三光轴1045呈同一轴心对位即可，藉此改善现有需调整多组光学镜片校正对准时间及误差率，进而提升制造良率，具体而言，第二光轴1032与第三光轴1045之间的误差偏值不超过50微米。在本实施例中，沿着第一光轴1021射出的光束继续依序沿着第二光轴1032与第三光轴1045传递。在一实施例中，第二光轴1032与第三光轴1045之间的误差偏值不超过20微米。此外，第一光轴1021、第二光轴1032与第三光轴1045之间的误差偏值小于等于50微米。
请再参阅图2，首先，半导体激光芯片102会产生至少一光束L，第一光学模块103配置于此至少一光束L的传递路径上，且将该光束L会聚或扩展呈输出光束L1(即通过出光面1033的一次光学设计将光束L会聚或扩展呈输出光束L1)，再经由第二光学模块104将输出光束L1投射至壳体1041之外的投射面P，且该投射面P与结构光投射系统10之间具有一定的距离D，具体而言，距离D落在从300至500厘米的范围内，既使输出光束L1入射至绕射光学元件1042后，被绕射至投射面P而形成数个绕射光点。也就是说，绕射光学元件1042配置于输出光束L1的传递路径上，且将输出光束L1转换成结构光L3，而结构光L3投射于投射面P后在投射面P上形成多个绕射光点。
在本实施例中，出光面1033为光滑的(smooth)折射曲面，可有效地会聚光束L(当出光面1033为凸面时)或发散光束L(当出光面1033为凹面时)。此外，当基板101采用非半导体材料的基板时，可以不必使用成本较高的晶圆级光学(wafer level optics)制程来制作第一光学模块103与第二光学模块104。因此，可以有效降低结构光投射系统10的制作成本。此外，相较于晶圆级光学制程，本实施例利用模塑制程所制作的光学透镜1031的出光面1033可以较为精准，且设计自由度较高(即设计成球面、非球面或自由曲面皆可)，因此可有效提升结构光投射系统10的光学品质。
图3为本发明的另一实施例的结构光投射系统的剖面示意图。请参阅图3，在本实施例中，非半导体材质的基板101上设置有半导体激光芯片102，该半导体激光芯片为垂直腔面射型激光芯片，其具有m个发光点(m为大于1的正整数)，且200≦m≦600，又，第一光学模块103设置于该基板101上，且光学透镜1031直接封装覆盖于半导体激光芯片102上，且该光学透镜1031的出光面1033为自由曲面。然而，在其他实施例中，出光面1033亦可以是非球面或球面。又，第二光学模块104a包括有壳体1041、至少一光学元件1043与绕射光学元件1042，其中，壳体1041具有中空的容室，且壳体1041高度小于5毫米(millimeter,mm)或小于3mm，其两端分别有一开口，该壳体1041其中一端成型有接合部1046，该接合部1046设置于该基板101上，且第一光学模块103容置于壳体1041内，又，绕射光学元件1042相对设置于该接合部1046的壳体1041的另一端，该光学元件1043设置于光学透镜1031与绕射光学元件1042之间，且光学元件1043、光学透镜1031与绕射光学元件1042之间各具有适当距离，且该适当距离不超过3mm或不超过1mm，又，该光学元件1043可为屈光度为正(或为负)的光学镜片，其镜片材质可为塑胶或玻璃，其中，塑胶材质可以是树脂或高分子聚合物等材料所制成，特别是由包含聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃共聚物或聚酯树脂等材料所制成，但不限于此，当光学镜片的材质为塑胶，可以有效降低生产成本与重量，反之，当光学镜片的材质为玻璃，则可以增加第二光学模块104a屈光度配置的自由度及设计空间，又，该光学镜片的数量介于1至3，其各自具有小于5mm或小于3mm的厚度，且可具有在例如1mm至5mm、或1mm至3mm的范围内的厚度，再者，绕射光学元件的阶数落在5×5至13×13阶的范围之内，此处的阶数是指绕射光点的复制数，故，当半导体激光芯片102产生光束L时，其先经由出光面1033发射输出光束L1，该输出光束L1经过光学镜片(即光学元件1043)的折射后会输出至少一准直光束L2，该准直光束L2朝绕射光学元件1042射入后，经由绕射光学元件1042衍射后于投射面P呈现多个绕射光点的绕射光栅图型，较佳地，该绕射光点数量可能为10000、15000、20000、30000或落在10000～40000的范围内。
图4为本发明的又一实施例的结构光投射系统的剖面示意图，图5为图4的结构光投射系统中的半导体激光芯片与反射元件的立体示意图。请参阅图4与图5，如图，结构光投射系统10b包含基板101、半导体激光芯片302、第一光学模块103以及第二光学模块104a，其中，该半导体激光芯片302为边射型激光芯片，且具有第一光轴1021(如图4与图5所示)，本实施例与上述实施例的不同之处在于：结构光投射系统10b还包括反射元件(reflector)40组设或一体成型于基板101上，该反射元件40具有反射面41，该反射面41与半导体激光芯片302的出光端形成间隔设置，可使半导体激光芯片302射出的光束L往出光面1033反射，并使光束L远离安装面1011。在一实施例中，半导体激光芯片302与反射面41的关系符合0.17≦W/S≦0.73，其中W为反射面41的长边的长度，而S为半导体激光芯片302至反射面41在第一光轴1021上的距离。其中，假设半导体激光芯片302在水平方向上的发散角为θ2，则θ2大致上是落在10度至40度的范围内。因此当半导体激光芯片302与反射面41的关系符合0.17≦W/S≦0.73，半导体激光芯片302所发出的光束L可至少大部分照射于反射面41上。在本实施例中，从半导体激光芯片302射出的光束L能通过该反射面41垂直于基板101向上反射，使该光束L由出光面1033射出，其中，该反射面41与半导体激光芯片302的第一光轴1021形成夹角θ1，该夹角θ1是落在30～60度的范围内，较佳地该夹角θ1可为45度，故，本实施例通过反射元件40来改变半导体激光芯片302的光束L的出光方向，进而使第一光学模块103的高度降低，达到更轻薄化的效果，在本实施例中，第一光学模块103的高度约落在1mm至2mm的范围内，是以，本实施例的结构光投射系统整体的总高度低于5mm。
在本实施例中，光学透镜1031是以模塑方式设置于安装面1011上，并覆盖封装于半导体激光芯片302与反射元件40。也就是说，光学透镜1031与半导体激光芯片302之间及光学透镜1031与反射元件40之间没有空气间隙。如此一来，第一光轴1021的关于反射面41的镜像1022便能够容易地在模塑制程时与第二光轴1032之间呈同一轴心对位。在本实施例中，第一光轴1021的关于反射面41的镜像1022与第二光轴1032之间呈同一轴心对位，且其误差偏值小于等于20微米。镜像1022与第一光轴1021是以反射面41为对称面而彼此镜像对称。此外，在本实施例中，第一光轴1021的关于反射面41的镜像1022、第二光轴1032与第三光轴1045之间呈同一轴心对位，且其误差偏值小于等于50微米。
由上所述可知，本发明的实施例的结构光投射系统，包括基板、半导体激光芯片、第一光学模块以及第二光学模块，其中，半导体激光芯片具有第一光轴，第一光学模块具有第二光轴，第二光学模块具有第三光轴，当半导体激光芯片电性组设于基板上后，其将第一光学模块利用模塑方式直接封装该半导体激光芯片，使得第一光学模块与基板及半导体激光芯片之间无空气间隙(即一次光学设计)，并使第一光轴与第二光轴呈同一轴心，又，第二光学模块设置于第一光学模块上，并使第三轴心与第二轴心可相互重合呈同一轴心，使其达到预期的光学效果；是以，本发明据以实施后，确实可达到一种通过一次光学设计来简化光轴对准次数，藉此提升精密度、制造良率的结构光投射系统。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (20)

1.一种结构光投射系统，包括：
非半导体材料的基板，具有安装面；
半导体激光芯片，用以产生至少一光束，组设于所述安装面上且具有第一光轴；
第一光学模块，配置于所述至少一光束的传递路径上，具有第二光轴，且包括光学透镜，所述光学透镜具有出光面，所述光学透镜与所述半导体激光芯片之间无空气间隙；以及
第二光学模块，设置于所述第一光学模块上且具有第三光轴，所述第二光学模块包括中空壳体与至少一绕射光学元件，所述至少一绕射光学元件配置所述至少一光束的传递路径上，且将所述至少一光束转换成结构光，
其中，所述第一光学模块容置于所述中空壳体内，且沿着所述第一光轴射出的光束继续依序沿着所述第二光轴与所述第三光轴传递。
2.根据权利要求1所述的结构光投射系统，其中，所述光学透镜以模塑方式设置于所述安装面上，并覆盖封装于所述半导体激光芯片。
3.根据权利要求2所述的结构光投射系统，其中，所述壳体一端成型有接合部，所述接合部设置于所述安装面上，所述绕射光学元件相对设置于所述接合部的壳体的另一端。
4.根据权利要求3所述的结构光投射系统，其中，所述第二光学模块还包括至少一光学元件，至少一所述光学元件设置于所述第一光学模块与所述绕射光学元件之间。
5.根据权利要求4所述的结构光投射系统，其中，所述光学透镜的所述出光面用以将所述光束朝所述光学元件射入，所述光束经由所述光学元件折射后产生至少一准直光束，并朝所述绕射光学元件射入，所述准直光束经由所述绕射光学元件衍射后，在投射面上呈现多个绕射光点。
6.根据权利要求4所述的结构光投射系统，其中，所述壳体厚度小于5mm。
7.根据权利要求5所述的结构光投射系统，其中，所述绕射光学元件与所述投射面之间的距离落在从300cm至500cm的范围内。
8.根据权利要求5所述的结构光投射系统，其中所述半导体激光芯片为垂直腔面射型激光芯片。
9.根据权利要求8所述的结构光投射系统，其中所述垂直腔面射型激光芯片具有200至600个发光点。
10.根据权利要求9所述的结构光投射系统，其中所述绕射光学元件的阶数是落在从5×5阶至13×13阶的范围内。
11.根据权利要求10所述的结构光投射系统，其中，所述多个绕射光点的数量是落在从10000至40000的范围内。
12.根据权利要求2所述的结构光投射系统，其中所述第一光轴、所述第二光轴与所述第三光轴之间呈同一轴心对位，且其误差偏值小于等于50微米。
13.根据权利要求2所述的结构光投射系统，其中所述第一光轴与所述第二光轴之间呈同一轴心对位，且其误差偏值小于等于20微米。
14.根据权利要求1所述的结构光投射系统，其中所述非半导体材料的基板为金属基板、陶瓷基板或玻璃纤维基板。
15.根据权利要求1所述的结构光投射系统，其中所述半导体激光芯片为边射型激光芯片，所述结构光投射系统还包括反射元件，其设置于所述安装面上，所述反射元件具有反射面，所述反射面用以将所述边射型激光芯片射出的所述光束往所述出光面反射，并使所述光束远离所述安装面，所述光学透镜与所述基板、所述边射型激光芯片以及所述反射元件之间无空气间隙。
16.根据权利要求15所述的结构光投射系统，其中所述第一光轴的关于所述反射面的镜像、所述第二光轴与所述第三光轴之间呈同一轴心对位，且其误差偏值小于等于50微米。
17.根据权利要求15所述的结构光投射系统，其中所述第一光轴的关于所述反射面的镜像与所述第二光轴之间呈同一轴心对位，且其误差偏值小于等于20微米。
18.根据权利要求15所述的结构光投射系统，所述光学透镜以模塑方式设置于所述安装面上，并覆盖封装于所述边射型激光芯片与所述反射元件。
19.根据权利要求18所述的结构光投射系统，其中，所述反射面与所述第一光轴形成夹角，且所述夹角介于30至60度之间。
20.根据权利要求19所述的结构光投射系统，其中所述壳体厚度小于5mm。
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