CN115079129A - 光学感测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学感测系统，该光学感测系统包括光源、投射模块以及感测模块。光源用以提供照明光束。投射模块配置于照明光束的传递路径上。照明光束借由投射模块传递至目标物件。目标物件反射照明光束以产生感测光束。感测模块配置于感测光束的传递路径上。感测模块包括至少一感测单元。各感测单元包括收光元件以及感测元件，且感测单元具有光轴。收光元件位于目标物件与感测元件之间，用以将感测光束沿着光轴导引至感测元件，其中收光元件于光轴上具有焦点，且感测元件不位于焦点上。本发明的光学感测系统可提高光信号的接收量，以提高光学感测效果。

Description

光学感测系统
技术领域
本发明关于一种电子装置，且特别是关于一种光学感测系统。
背景技术
光达(Light(Laser)Detection and Ranging,LiDAR)是一种光学遥距感测技术，利用光来测量目标的距离。光达能高精度地测得距离、辨识物体外型并建立周遭的立体地理信息模型，具有高量测距离、高精度、高辨识度等优点，且不受环境亮度影响，可以不分昼夜地感测周遭障碍物形状、距离等信息。光达的扫描范围为100至200米，故能满足自驾车需要更远、更精准的感测需求。
在光学感测中，如果能收到更多的信号光能量，量测的距离就越远，也能提高讯杂比，抗杂光(例如是阳光或环境光)的能力就越好，也越不容易误判。从光感测器能收信号光能量的经验公式中可以得知，光感测器所能收信号光能量正比于收光面积。而当没有任何收光元件时，收光面积等于光感测器的面积，且收光效率为1。若有收光元件时，则收光面积等于收光元件面积，且需计算收光效率。然而，此种作法将会导致在大角度(50°以上)入射时，部分光会在收光元件内全反射无法出光，进而造成损耗，使部分光会偏折也无法收到光感测器。故不但无增益，还有更多损耗。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所公开的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的现有技术。在“背景技术”段落所公开的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种光学感测系统，可提高光信号的接收量，以提高光学感测效果。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所公开的技术特征中得到进一步的了解。
为达到上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明提供一种光学感测系统，包括光源、投射模块以及感测模块。光源用以提供照明光束。投射模块配置于照明光束的传递路径上。照明光束借由投射模块传递至目标物件。目标物件反射照明光束以产生感测光束。感测模块配置于感测光束的传递路径上。感测模块包括至少一感测单元。各感测单元包括收光元件以及感测元件，且感测单元具有光轴。收光元件位于目标物件与感测元件之间，用以将感测光束沿着光轴导引至感测元件，其中收光元件于光轴上具有焦点，且感测元件不位于焦点上。
基于上述，在本发明的光学感测系统中，感测模块包括光源、投射模块以及感测模块，其中感测模块配置于感测光束的传递路径上，且感测模块包括至少一感测单元。各感测单元包括收光元件以及感测元件。其中，收光元件于光轴上具有焦点，且感测元件不位于收光元件的焦点上。如此一来，可避免传递至收光元件的边缘处的感测光束传递至感测元件外，进而导致光信号损失。故本发明设计可提高光信号的接收量，以提高光学感测效果。
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为本发明一实施例的光学感测系统的示意图。
图2为图1的感测模块的示意图。
图3为本发明一实施例的感测模块的示意图。
图4为本发明另一实施例的感测模块的示意图。
图5为本发明另一实施例的感测模块的示意图。
图6为本发明另一实施例的感测模块的示意图。
图7为本发明另一实施例的感测模块的示意图。
附图标记列表
10:目标物件
100:光学感测系统
110:光源
120:投射模块
130,130A,130B,130C,130D,130E:感测模块
132:收光元件
134:感测元件
136:遮光件
138:反射件
140:处理器
B:夹角
C:中心轴
F:焦点
L1:照明光束
L2:感测光束
I:光轴
S:感测面
U,U1,U2:感测单元。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1为本发明一实施例的光学感测系统的示意图。请参考图1。本实施例提供一种光学感测系统100，用以感测目标物件10，例如可以是具有实体形状的任意物体。光学感测系统100包括光源110、投射模块120以及感测模块130。光源110用以提供照明光束L1。投射模块120配置于照明光束L1的传递路径上。在本实施例中，光学感测系统100中光源110及投射模块120与感测模块130以非共轴方式配置。照明光束L1借由投射模块120传递至目标物件10。目标物件10反射照明光束L1以产生感测光束L2。在本实施例中，光源110例如是使用红外光的半导体激光(Semiconductor laser)，但本发明并不限于此。
在本实施例中，投射模块120例如是任意数量的光学元件(例如透镜)、平场激光聚焦透镜(F-theta lens)或反射镜与微机电系统(Microelectromechanical Systems,MEMS)的组合，但本发明并不限于此。意即，在本实施例中，光源110所提供照明光束L1可借由投射模块120中的微机电系统搭配平场激光聚焦透镜而以扫描方式进行投射。
在本实施例中，光学感测系统100还包括处理器140，电连接于光源110以及感测模块130，用以控制光源110、对感测模块130进行读取数据及/或进一步依据上述数据进行控制。处理器140例如为中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，或是其他可编程的一般用途或特殊用途的微处理器(Microprocessor)、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、可编程控制器、特殊应用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，ASIC)或其他类似元件或上述元件的组合，本发明并不限于此。举例而言，在本实施例中，处理器140可依据感测模块130所接收的光信号，而即时或随时性地开启/关闭光源110，或者是调整光源110的功率，本发明并不限于此。
图2为图1的感测模块的示意图。请同时参考图1及图2。感测模块130配置于感测光束L2的传递路径上，用以接收感测光束L2以进行信号辨识。感测模块130包括至少一感测单元U。在本实施例中，感测单元U的数量例如为一组。换句话说，本实施例的感测模块130由单一个感测单元U构成。但在其他实施例中，感测单元U的数量可以是多个。各组感测单元U包括收光元件132以及感测元件134，且感测单元U具有一光轴I。收光元件132用以将感测光束L2沿着光轴I导引至感测元件134，以及用以增加收光面积。在本实施例中，收光元件132包括透镜，例如是屈光度为正的透镜，但本发明并不限于此。因此，收光元件132于光轴I上具有焦点F。
感测单元U的感测元件134位于感测光束L2的传递路径上，且收光元件132位于目标物件10与感测元件134之间。感测元件134例如是光电二极管(Photodiode,PD)、崩溃光电二极管(Avalanche photodiode,APD)，本发明亦不限于此。在本实施例中，收光元件132的收光面积大于感测元件134的感测面的面积，如图2所显示。值得一题的是，感测元件134不位于收光元件132的焦点F上。举例而言，在本实施例中，感测元件134位于收光元件132与其焦点F之间。因此，当感测光束L2传递通过收光元件132时，感测光束L2借由通过收光元件132而产生折射并收聚，且可继续传递至感测元件134。如此一来，可避免传递至收光元件132的边缘处的感测光束L2(即通过收光元件132后无法聚焦于焦点F上的光)传递至感测元件134之外，进而导致光信号损失。换句话说，本实施例设计可提高光信号的接收量，以提高光学感测效果。
图3为本发明一实施例的感测模块的示意图。请参考图3。本实施例的感测模块130A类似于图2所显示的感测模块130。两者不同之处在于，在本实施例中，感测单元U的数量为多个，且该些感测单元U的光轴I的方向彼此不同。具体而言，本实施例的感测单元U的数量为两个。两个感测单元U中的感测元件134的感测面S与感测模块130A的中心轴C之间分别具有大于90度的夹角B，且两个感测单元U各自的光轴I垂直于对应的感测面S。换句话说，本实施例的感测元件134的感测面S背向且倾斜于中心轴C。因此，当单一感测单元U的可接收光角度为60度时，本实施例的感测模块130A的光接收角度即可达到120度。即，两感测单元U分别接收负60度至0度的入射光以及0度至正60度的入射光，如图3所显示。在本实施例中，入射角为正负50度的感测光束L2的综合光学效率(其可被收光面积与收光效率的乘积对感测面积的比值所定义)相较于传统方式可达128％。
图4为本发明另一实施例的感测模块的示意图。请参考图4。本实施例的感测模块130B类似于图2所显示的感测模块130。两者不同之处在于，在本实施例中，感测单元U的数量增加为三个，三个感测单元U各自的光轴I垂直于对应的感测面S，且相邻感测单元U的光轴I彼此之间夹设的角度相同。因此，当单一感测单元U的可接收光角度为60度时，本实施例的感测模块130B的光接收角度即可达到180度。即，三个感测单元U分别接收负90度至负30度的入射光、负30度至正30度的入射光以及正30度至正90度的入射光，如图4所显示。
图5为本发明另一实施例的感测模块的示意图。请参考图5。本实施例的感测模块130C类似于图3所显示的感测模块130A。两者不同之处在于，在本实施例中，两感测单元U中的感测元件134的感测面S与感测模块130C的中心轴C分别具有小于90度的夹角B。换句话说，本实施例的感测元件134的感测面S面向且倾斜于中心轴C。因此，当单一感测单元U的可接收光角度为60度时，本实施例的感测模块130C的光接收角度即可达到120度。同时，本实施例的配置可适用于不同体积的感测模块130C。
图6为本发明另一实施例的感测模块的示意图。请参考图6。本实施例的感测模块130D类似于图2所显示的感测模块130。两者不同之处在于，在本实施例中，感测单元U1还包括遮光件136，环绕配置于收光元件132，且收光元件132位于遮光件136与感测元件134之间，即遮光件136可配置于收光元件132的入光侧。详细而言，遮光件136配置于收光元件132可接收最大入射角度的交界处，以阻挡外界杂讯光传递进入收光元件132。如此一来，可提高良好的感测效果。在本实施例中，收光元件132的入光侧及出光侧皆配置有遮光件136，但在其他实施例中，遮光件136可仅配置于收光元件132的入光侧，本发明并不限于此。
图7为本发明另一实施例的感测模块的示意图。请参考图7。本实施例的感测模块130E类似于图6所显示的感测模块130D。两者不同之处在于，在本实施例中，遮光件136仅配置于收光元件132的入光侧，感测单元U2还包括反射件138，配置于收光元件132与感测元件134之间。详细而言，反射件138例如是环状且内壁具有反射材质的反射柱体或反射环，如图7所绘示。详细而言，反射件138配置于收光元件132的出光侧至感测元件134之间的光传递路径周围，以反射在内部传递的感测光束L2直至感测光束L2传递至感测元件134。如此一来，可提高感测强度。此外，收光元件132的焦点F位于收光元件132与感测元件134之间。意即，感测元件134配置于收光元件132的焦点F的后方，以使通过收光元件132且传递进入反射件138中的感测光束L2借由离焦作用而达到均匀入射的效果。如此一来，可提高良好的感测效果。
综上所述，在本发明的光学感测系统中，感测模块包括光源、投射模块以及感测模块，其中感测模块配置于感测光束的传递路径上，且感测模块包括至少一感测单元。各感测单元包括收光元件以及感测元件。其中，收光元件于光轴上具有焦点，且感测元件不位于收光元件的焦点上。如此一来，可避免传递至收光元件的边缘处的感测光束传递至感测元件外，进而导致光信号损失。故本发明设计可提高光信号的接收量，以提高光学感测效果。
以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，即凡是依照本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，说明书摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

Claims (12)

1.一种光学感测系统，用以感测目标物件，其特征在于，所述光学感测系统包括光源、投射模块以及感测模块；其中，
所述光源用以提供照明光束；
所述投射模块配置于所述照明光束的传递路径上，所述照明光束借由所述投射模块传递至所述目标物件，所述目标物件反射所述照明光束以产生感测光束；以及
所述感测模块配置于所述感测光束的传递路径上，所述感测模块包括至少一感测单元，各所述至少一感测单元包括收光元件以及感测元件，且各所述至少一感测单元具有光轴，所述收光元件位于所述目标物件与所述感测元件之间，用以将所述感测光束沿着所述光轴导引至所述感测元件，其中所述收光元件于所述光轴上具有焦点，且所述感测元件不位于所述焦点上。
2.根据权利要求1所述的光学感测系统，其特征在于，所述至少一感测单元的数量为多个。
3.根据权利要求2所述的光学感测系统，其特征在于，所述多个感测单元的所述多个光轴的方向彼此不同。
4.根据权利要求2所述的光学感测系统，其特征在于，相邻所述多个感测单元的所述多个光轴彼此之间夹角的角度相同。
5.根据权利要求2所述的光学感测系统，其特征在于，所述多个感测元件的多个感测面中至少两个与所述感测模块的中心轴之间分别具有大于90度的夹角，所述光轴垂直于所述感测面。
6.根据权利要求2所述的光学感测系统，其特征在于，所述多个感测元件的多个感测面中至少两个与所述感测模块的中心轴分别具有小于90度的夹角，所述光轴垂直于所述感测面。
7.根据权利要求1所述的光学感测系统，其特征在于，所述感测元件位于所述收光元件与所述焦点之间。
8.根据权利要求1所述的光学感测系统，其特征在于，所述焦点位于所述收光元件与所述感测元件之间。
9.根据权利要求1所述的光学感测系统，其特征在于，所述至少一感测单元还包括遮光件，环绕配置于所述收光元件，且所述收光元件位于所述遮光件与所述感测元件之间。
10.根据权利要求1所述的光学感测系统，其特征在于，所述至少一感测单元还包括反射件，配置于所述收光元件与所述感测元件之间。
11.根据权利要求1所述的光学感测系统，其特征在于，所述收光元件的收光面积大于所述感测元件的感测面的面积。
12.根据权利要求1所述的光学感测系统，其特征在于，所述收光元件包括透镜。
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