CN112965152A - 复合扩散片、照明模块以及三维扫描装置 - Google Patents

复合扩散片、照明模块以及三维扫描装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种复合扩散片，用于结合于一面光源元件，以组成一照明模块。所述照明模块应用于三维扫描装置。复合扩散片包含一基底层、一第一光学微结构层以及一第二光学微结构层。基底层的一光学结构面具有一第一区域以及至少邻接第一区域的相对二侧的一第二区域。第一光学微结构层覆盖于第一区域，以及第二光学微结构层覆盖于第二区域。第一光学微结构层的光学特性，不同于第二光学微结构层的光学特性。

Description

复合扩散片、照明模块以及三维扫描装置
技术领域
本发明有关于光三维扫描装置，特别是关于一种复合扩散片，以及应用复合扩散片的照明模块以及三维扫描装置。
背景技术
在3D ToF装置(3D飞时测距，3D Time of Flight)三维扫描装置中，系以面光源朝向目标照明区域投射光线，在接收以影像感测阵列接收反射光，据以取得多个距离值分布，而建立三维扫描结果。
面光源发出的光线，需要经过扩散片的扩散、散射，以加大光线投射的角度范围，以涵盖到三维扫描装置的视角(Filed-of-View)。在扩散片的扩散作用下，远景中心位置的照明光线往往强度不足，而无法反射强度足够的轮廓信号，导致细节部分无法解析。
现有技术的设计是在面光源元件，例如垂直共振腔面射型激光芯片(VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser)上区分多个区域光源，利用控制电路分区控制光源，以强化远景中心的照明光线强度。前述的多个区域光源需要相对复杂的电路设计以及控制逻辑。同时，VCSEL芯片发出的光线需要经过准直镜以产生准直光束再投射至扩散片，也使得三维扫描装置的照明模块厚度增加，不利于小型化配置。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出一种复合扩散片，系可透过相对简单的机制，加强远景中心的照明光线强度，以利三维扫描装置对于远景中心的细节解析。
本发明实施例提出一种复合扩散片，包含一基底层、一第一光学微结构层以及一第二光学微结构层。基底层的一光学结构面具有一第一区域以及至少邻接第一区域的相对二侧的一第二区域。第一光学微结构层覆盖于第一区域，以及第二光学微结构层覆盖于第二区域。第一光学微结构层的光学特性，不同于第二光学微结构层的光学特性。
在本发明至少一实施例中，第二区域环绕第一区域。
在本发明至少一实施例中，第一区域位于光学结构面的中心位置。
在本发明至少一实施例中，定义光学结构面为矩形，且边缘分别平行于一水平方向以及一垂直方向，第一区域的位置在水平方向或垂直方向相对于光学结构面为置中。
在本发明至少一实施例中，当第一区域在水平方向相对于光学结构面为置中，第一区域的型态为相对于垂直方向对称；且当第一区域在垂直方向相对于光学结构面为置中时，第一区域的型态为相对于水平方向对称。
在本发明至少一实施例中，第一光学微结构层以及第二光学微结构层分别是一光扩散层以及一衍射光学元件层的组合。
在本发明至少一实施例中，第一光学微结构层以及第二光学微结构层分别是一光扩散层。
在本发明至少一实施例中，第一光学微结构层以及第二光学微结构层分别是一衍射光学元件层。
在本发明至少一实施例中，光学特性是对光束进行散射的角度范围，且第一光学微结构层对光束进行散射的角度范围，大于第二光学微结构层光束进行散射的角度范围。
在本发明至少一实施例中，第一光学微结构层是透过机械加工、激光加工或化学蚀刻形成于第一区域，或是透过涂布高分子材料于第一区域所形成。
在本发明至少一实施例中，第二光学微结构层是透过机械加工、激光加工或化学蚀刻形成于第一区域，或是透过涂布高分子材料于第一区域所形成。
本发明至少一实施例还提出一种照明模块，包含一面光源元件以及前述的复合扩散片。复合扩散片设置于面光源元件之上，且面光源元件用以朝向复合扩散片发出多个光束。
在本发明至少一实施例中，面光源元件是一垂直共振腔面射型激光芯片。
在本发明至少一实施例中，照明模块更包含一底壳件，具有一底板以及一支架，面光源元件设置于底板，支架延伸于底板，且复合扩散片固定于支架。
本发明至少一实施例还提出一种三维扫描装置，包含一基板、一面光源元件、前述的复合扩散片以及一影像感测元件阵列。基板具有一上表面。面光源元件设置于上表面。复合扩散片设置于面光源元件之上，且面光源元件用以朝向复合扩散片发出多个光束。影像感测元件阵列设置于上表面，且与面光源元件保持一间隔距离。
在本发明至少一实施例中，三维扫描装置更包含一底壳件，具有一底板以及一支架，底板设置于上表面，面光源元件设置于底板，支架延伸于底板，且复合扩散片固定于支架。
本发明透过复合扩散片的光学特性分布，直接改变投射光线的强度分布，加强远景中心的照明强度。因此，面光源元件不需再进行分区控制，且可省略准直镜的配置，简化了三维扫描装置的复杂度，同时可以有效降低照明模块的厚度。
附图说明
图1是本发明实施例中复合扩散片的俯视图。
图2是本发明实施例中复合扩散片的剖面示意图。
图3是本发明实施例中照明模块的剖面示意图。
图4是本发明实施例中复合扩散片的局部剖面示意图。
图5是本发明实施例中复合扩散片的另一局部剖面示意图。
图6是本发明实施例中复合扩散片的又一局部剖面示意图。
图7是本发明实施例中复合扩散片的再一局部剖面示意图。
图8是本发明实施例中三维扫描装置的剖面示意图。
图9是本发明实施例中面光源元件发射的光束于X-Y平面形成照明光分布的示意图(一)。
图10以及图11为图9中光束强度分布示意图。
图12是本发明实施例中面光源元件发射的光束于X-Y平面形成照明光分布的示意图(二)。
图13是本发明实施例中面光源元件发射的光束于X-Y平面形成照明光分布的示意图(三)。
图14是本发明实施例中复合扩散片的第一变化例。
图15是本发明实施例中复合扩散片的第二变化例。
图16是本发明实施例中复合扩散片的第三变化例。
图17是本发明实施例中复合扩散片的第四变化例。
图18、图19以及图20是本发明实施例中，ToF取景之例示。
其中，附图标记：
1:照明模块
2:三维扫描装置
100:复合扩散片
110:基底层
111:光学结构面
121:第一光学微结构层
122:第二光学微结构层
110a:第一区域
110b:第二区域
200:面光源元件
300:底壳件
310:底板
320:支架
400:基板
410:上表面
500:影像感测元件阵列
R1:第一照明光分布区域
R2:第二照明光分布区域
FOV1,FOV2:角度范围
I1,I2:光束强度
X:水平方向
Y:垂直方向
A:近景物件
B:远景物件
具体实施方式
请参阅图1、图2以及图3所示，为本发明实施例所揭露的一种复合扩散片100，用于结合于一面光源元件200，以组成一照明模块1。所述照明模块1应用于三维扫描装置2。
如图1以及图2所示，复合扩散片100包含一基底层110、一第一光学微结构层121以及一第二光学微结构层122。如图所示，基底层110的一光学结构面111具有一第一区域110a以及至少邻接第一区域110a的相对二侧的一第二区域110b。在实施例中，第二区域110b是环绕第一区域110a，亦即第二区域110b邻接第一区域110a的所有侧边，且第一区域110a位于光学结构面111的中心位置。第一光学微结构层121覆盖于第一区域110a，且第二光学微结构层122覆盖于第二区域110b。
如图4以及图5所示，第一光学微结构层121的光学特性，不同于第二光学微结构层122的光学特性。具体而言，第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122分别是一光扩散层，光学特性是对光束进行散射的角度范围；第一光学微结构层121对光束进行散射的角度范围FOV1(FOV，Field-of-View)，大于或小于第二光学微结构层122光束进行散射的角度范围FOV2。在不同实施例中，第一光学微结构层121是一光扩散层，且第二光学微结构层122是一衍射光学元件层(Diffractive Optical Layer)。在不同实施例中，第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122分别是一衍射光学元件层。
如图5、图6以及图7所示，第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122可以是附加于光学结构面111的外加结构，也可以是对光学结构面111加工所形成的结构。如图5所示，第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122是透过涂布高分子材料于第一区域110a以及第二区域110b所形成。如图6所示，第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122是透过机械加工、激光加工或化学蚀刻形成于第一区域110a以及第二区域110b。如图7所示，第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122可以透过不同方式形成，例如第一光学微结构层121是透过涂布高分子材料于第一区域110a，而第二光学微结构层122是透过机械加工、激光加工或化学蚀刻形成于第二区域110b；图7中第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122的加工方式也可以互相替换。
如图2、图4以及图5所示，在第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122是涂布高分子材料层的场合，第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122的厚度可介于20～200μm，具体数值视微结构层121,122所需要的粗糙度而定，而基底层110可以为厚度大于0.2mm以上的玻璃层。全玻璃的成本较为昂贵，而高分子材料层的加工较为困难，因此，可另采用如图6的全玻璃设计或如图7的复合设计，以在成本以及加工难度之间取得平衡。
参阅图3所示，基于上述复合扩散片100，本发明实施例进一步提出一种照明模块1，包含面光源元件200、一底壳件300以及复合扩散片100。所述面光源元件200可为但不限定于垂直共振腔面射型激光芯片(VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，用以透过阵列排列的多个发光点发出多个光束。底壳件300具有一底板310以及一支架320。支架320延伸于底板310，具体而言，支架320可垂直地延伸于底板310的边缘，并且环绕边缘的局部或全部。面光源元件200设置于底板310，且复合扩散片100固定于支架320。复合扩散片100与面光源元件200大致上呈现平行配置，且面光源元件200用于对复合扩散片100投射光束，分别通过第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122。光束经由第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122形成不同的扩散效果。
请参阅图8所示，基于前述照明模块1，本发明实施例进一步提出一种三维扫描装置2，所述三维扫描装置2可为但不限定于3D ToF装置(3D飞时测距，3D Time of Flight)。三维扫描装置2包含一基板400、一面光源元件200、一复合扩散片100以及一影像感测元件阵列500。
请参阅图8所示，基板400可为独立元件，固定于电子装置的壳体的内侧面。基板400也可以是前述电子装置的壳体的一部分。基板400具有一上表面410。前述照明模块1直接或间接地设置于上表面410。在具体实施例中，底壳件300的底板310设置于上表面410，使得支架320朝向远离基板400的方向延伸。面光源元件200设置于底板310，藉以使得面光源元件200间接地设置于上表面410。复合扩散片100固定于支架320，使得复合扩散片100设置于面光源元件200之上。在不同实施例中，底壳件300的底板310可以省略，面光源元件200直接地设置于上表面410，复合扩散片100透过支架320的固定而设置于面光源元件200之上。
如图8所示，影像感测元件阵列500设置于上表面410，且与面光源元件200保持一间隔距离。面光源元件200发射的光束，经由第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122形成不同的扩散效果，而在目标照明角度范围内上形成不同的光强度分布，以被物体反射形成反射光。影像感测元件阵列500可接受些反射光，据以得到检测距离数据组，以分析得到三维扫描结果。
参阅图9所示，为面光源元件200发射的光束于一X-Y平面形成照明光分布的示意图(一)。于图9的例示中，第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122分别是一光扩散层，使得X-Y平面上的照明光分布为具有两种不同均匀光的第一照明光分布区域R1以及第二照明光分布区域R2。其中，于图9的例示中，第一光学微结构层121对光束进行散射的角度范围FOV1，小于第二光学微结构层122光束进行散射的角度范围FOV2，使得第一光学微结构层121散射的光束尽可能落入第一照明光分布区域R1；亦即，第一照明光分布区域R1主要是由通过第一光学微结构层121的光束所形成，第二照明光分布区域R2主要是由通过第二光学微结构层122的光束所形成。
需注意的是，图9中第一照明光分布区域R1以及第二照明光分布区域R2的边界仅为概括的区分，而非完全区隔第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122的光线投射范围。图9所示者，系指第一光学微结构层121的扩散后的光线集中于中间区域(即第一照明光分布区域R1)，但并不表示第一光学微结构层121的扩散后的光线不会落在第二照明光分布区域R2；同样地，第二光学微结构层122的扩散后的光线主要落在中间区域的外围(即第二照明光分布区域R2)，但并不表示其扩散后的光线不会落在第一照明光分布区域R1。
如图10以及图11所示，为图9中通过第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122的光束强度I1,I2分布示意图；其中，图10为沿着水平方向X的分布，图11为沿着垂直方向Y的分布。如图10以及图11所示，远景中心部位的光束有明显迭加效果，而形成信号强度较强的第一照明光分布区域R1，此时，远景中心光源被加强，使得远方的轮廓信号可以提升，强化远景中心的轮廓辨识。
第一光学微结构层121对光束进行散射的角度范围FOV1，需要不等于第二光学微结构层122光束进行散射的角度范围FOV2，以使得远景中心光源可以被加强。例如第一光学微结构层121对光束进行散射的角度范围FOV1，在水平方向X可以为60度，在垂直方向Y为45度(60x45)；第二光学微结构层122对光束进行散射的角度范围FOV2，在水平方向X可以为72度，在垂直方向Y为55度(72x55)。前述数值仅为例示，并非用以限定本发明的实施，且FOV1并不必然需要小于FOV2，也可以是FOV1大于FOV2。以下表一例示几个不同的数值组合。
表一
FOV1/FOV2 60x45 72x55 90x70 110x90 其他角度范围
60x45 ━ ● ● ● ●
72x55 ● ━ ● ● ●
90x70 ● ● ━ ● ●
110x90 ● ● ● ━ ●
其他角度范围 ● ● ● ● ●
参阅图12所示，为面光源元件200发射的光束于一X-Y平面形成照明光分布的示意图(二)。于图12的例示中，第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122分别是一光扩散层以及一衍射光学元件层，使得X-Y平面上的照明光分布为具有均匀光的第一照明光分布区域R1以及具有散射光斑的第二照明光分布区域R2，并且第二照明光分布区域R2的散射光斑呈现较为稀疏的配置。同样地，第一照明光分布区域R1可以加强远景中心光源，使得远方的轮廓信号可以提升，强化远景中心的轮廓辨识。
参阅图13所示，为面光源元件200发射的光束于一X-Y平面形成照明光分布的示意图(三)。于图13的例示中，第一光学微结构层121以及第二光学微结构层122分别是衍射光学元件层，使得X-Y平面上的照明光分布为分别具有散射光斑的第一照明光分布区域R1以及具有的第二照明光分布区域R2，并且第一照明光分布区域R1的散射光斑呈现较为密集的配置，第二照明光分布区域R2的散射光斑呈现较为稀疏的配置。同样地，第一照明光分布区域R1可以加强远景中心光源，使得远方的轮廓讯号可以提升，强化远景中心的轮廓辨识。
第一区域110a以及第二区域110b的型态并不以图1所例示者为限。定义光学结构面111为矩形，且边缘分别平行于一水平方向X以及一垂直方向Y。大致上而言，第一区域110a的位置需要在水平方向X或垂直方向Y相对于光学结构面111为置中。当第一区域110a在水平方向X为置中时，第一区域110a的型态为相对于垂直方向Y对称(左右对称)；当第一区域110a在垂直方向Y为置中时，第一区域110a的型态为相对于水平方向X对称(上下对称)。第二区域110b为环绕包覆第一区域110a，或是相邻包夹第一区域110a，而使得第二区域110b邻接第一区域110a的相对二侧。
如图14所示，为复合扩散片100的第一变化例。其中，第一区域110a为圆形，并且位置在水平方向X或垂直方向Y都是置中，亦即第一区域110a位于光学结构面111的中心位置，使得第一区域110a的形态在上下、左右都是对称。
如图15所示，为复合扩散片100的第二变化例。其中，第一区域110a为正方形，并且位置在水平方向X或垂直方向Y都是置中，使得第一区域110a的形态在上下、左右都是对称。
如图16所示，为复合扩散片100的第三变化例。其中，第一区域110a为椭圆形，并且位置在水平方向X或垂直方向Y都是置中。椭圆形的长轴平行于水平方向X，使得第一区域110a的形态是上下对称；同时，椭圆形的短轴平行于垂直方向Y，使得第一区域110a的形态是左右对称。
如图17所示，为复合扩散片100的第四变化例。其中，第一区域110a为长方形，并且位置在水平方向X是置中，同时在垂直方向Y延伸至复合扩散片100的相对二侧，而使得第一区域110a为左右对称。于水平方向X上，第二区域110b分割为二部分，并且左右相邻并包夹第一区域110a。
如图18、图19以及图20所示，为一ToF取景之例示。如图18所示，设定三维扫描中，轮廓信号是设定250cm为一个间距(颜色深度循环)，近景物件A距离约30cm，远景物件B距离约180cm。图19以及图20中，上方的横向条块系用以示意不同距离的颜色深度。
如图19所示的ToF实际取景，当采用现有技术的扩散片，远景中心光源并未被加强，此时在ToF实际取景中，位于远方的远景对象B会与远景平面呈现相同颜色(180cm)，而无法辨识其轮廓。
如图20所示的ToF实际取景，当采用本发明的复合扩散片100，远景中心光源被加强，使得远景对象B也能反射足够强的轮廓信号，此时在ToF实际取景中，位于远方的远景对象B的颜色会与远景平面有所差异呈现不同颜色(180cm-250cm)，而可辨识其轮廓。
本发明透过复合扩散片100的光学特性分布，直接改变投射光线的强度分布，加强远景中心的照明强度。因此，面光源元件200不需再进行分区控制，且可省略准直镜的配置，简化了三维扫描装置2的复杂度，同时可以有效降低照明模块1的厚度。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (16)

1.一种复合扩散片，其特征在于，包含：
一基底层，其一光学结构面具有一第一区域以及至少邻接该第一区域的相对二侧的一第二区域；
一第一光学微结构层，覆盖于该第一区域；以及
一第二光学微结构层，覆盖于该第二区域；其中，该第一光学微结构层的光学特性，不同于该第二光学微结构层的光学特性。
2.如权利要求1所述的复合扩散片，其中，该第二区域环绕该第一区域。
3.如权利要求2所述的复合扩散片，其中，该第一区域位于该光学结构面的中心位置。
4.如权利要求1所述的复合扩散片，其中，定义该光学结构面为矩形，且边缘分别平行于一水平方向以及一垂直方向，该第一区域的位置在该水平方向或该垂直方向相对于该光学结构面为置中。
5.如权利要求4所述的复合扩散片，其中，当该第一区域在该水平方向相对于该光学结构面为置中，该第一区域的型态为相对于该垂直方向对称；且当该第一区域在该垂直方向相对于该光学结构面为置中时，该第一区域的型态为相对于该水平方向对称。
6.如权利要求1所述的复合扩散片，其中，该第一光学微结构层以及该第二光学微结构层分别是一光扩散层以及一衍射光学元件层的组合。
7.如权利要求1所述的复合扩散片，其中，该第一光学微结构层以及该第二光学微结构层分别是一光扩散层。
8.如权利要求1所述的复合扩散片，其中，该第一光学微结构层以及该第二光学微结构层分别是一衍射光学元件层。
9.如权利要求1所述的复合扩散片，其中，该光学特性是对光束进行散射的角度范围，且该第一光学微结构层对光束进行散射的角度范围，大于该第二光学微结构层光束进行散射的角度范围。
10.如权利要求1所述的复合扩散片，其中，该第一光学微结构层是透过机械加工、激光加工或化学蚀刻形成于该第一区域，或是透过涂布高分子材料于该第一区域所形成。
11.如权利要求1所述的复合扩散片，其中，该第二光学微结构层是透过机械加工、激光加工或化学蚀刻形成于该第一区域，或是透过涂布高分子材料于该第一区域所形成。
12.一种照明模块，其特征在于，包含：
一面光源元件；以及
权利要求1至11任一项所述的复合扩散片，设置于该面光源元件之上，且该面光源元件用以朝向该复合扩散片发出多个光束。
13.如权利要求12所述的照明模块，其中，该面光源元件是一垂直共振腔面射型激光芯片。
14.如权利要求12所述的照明模块，更包含一底壳件，具有一底板以及一支架，该面光源元件设置于该底板，该支架延伸于该底板，且该复合扩散片固定于该支架。
15.一种三维扫描装置，其特征在于，包含：
一基板，具有一上表面；
一面光源元件，设置于该上表面；
权利要求1至11任一项所述的复合扩散片，设置于该面光源元件之上，且该面光源元件用以朝向该复合扩散片发出多个光束；以及
一影像感测元件阵列，设置于该上表面，且与该面光源元件保持一间隔距离。
16.如权利要求15所述的三维扫描装置，更包含一底壳件，具有一底板以及一支架，该底板设置于该上表面，该面光源元件设置于该底板，该支架延伸于该底板，且该复合扩散片固定于该支架。
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