CN115655232A - 导航装置及其光束整形元件 - Google Patents

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Abstract

一种导航装置，包含光束整形元件以及不同特性的第一光源及第二光源。所述光束整形元件用于整形所述第一光源及所述第二光源所发出的光束以大致相同的入射角和/或大致相同的光束尺寸照明工作表面。

Description

导航装置及其光束整形元件
本申请是申请号为201910047251.8、申请日为2019年01月18日、名称为“导航装置及其照明系统和光束整形元件”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明有关一种导航装置，更特别有关一种具有多个不同特性的光源的导航装置及其照明系统和光束整形元件，该光束整形元件使所述多个光源以大致相同的入射角照明工作表面。
背景技术
光学式导航装置通常具有光源、图像传感器以及处理器。所述光源用于照明工作表面。所述图像传感器用于检测所述工作表面的反射光。所述处理器用于根据所述图像传感器所获取的图像帧中的图像特征计算相对所述工作表面的移动。
例如参照图1，其为已知光学式导航装置9的示意图。光学式导航装置9除了包含光源91及图像传感器93以外，还包含导光元件95用于将所述光源91所发出的光引导至工作表面S，并接着引导所述工作表面S的反射光至所述图像传感器93。
某些情况下，光学式导航装置9可能需要多个光源。此时，由于所述多个光源的设置位置不同且甚至具有不同发光特征，例如不同发光角、不同波长等，已知的导光元件95则不适合用于同时引导不同光源发出的光束。
有鉴于此，有需要提出一种能够同时引导不同光源所发出的光束具有大致相同的入射角的照明系统以维持图像传感器93相对不同光源的感光效率。
发明内容
本发明提供一种可使多个不同特性的光源所发出的光束相对工作表面具有大致相同的入射角和/或光束尺寸的导航装置及其照明系统和光束整形元件，以增加可适用工作表面及增加应用范围。
本发明还提供一种相对不同光源的每一个具有各自对应的整形机构的导航装置及其照明系统和光束整形元件。
本发明提供一种运作于工作表面上的导航装置。所述导航装置包含第一光源、第二光源以及光束整形元件。所述第一光源具有第一发光角，用于发出第一波长的第一光束。所述第二光源具有第二发光角，用于发出第二波长的第二光束。所述光束整形元件用于整形所述第一光束及所述第二光束，以使所述第一光束及所述第二光束经过所述光束整形组件后，在所述工作表面的光束尺寸相同。所述光束整形组件包含第一整形机构、第二整形机构及第三整形机构。所述第一整形机构面对所述第一光源。所述第二整形机构面对所述第二光源。所述第三整形机构面对所述工作表面，且所述第三整形机构与所述第一整形机构及所述第二整形机构分别位于所述光束整形组件的两相对面，其中，所述第一光束及所述第二光束从所述第三整形机构射出，且所述第一光束及所述第二光束在所述第三整形机构的射出区域部分重迭。
本发明还提供一种导航装置的光束整形元件，该光束整形元件用于整形经过其内的光束，并包含第一整形机构、第二整形机构以及第三整形机构。所述第一整形机构位于所述光束整形元件的第一侧，用于接收第一光束。所述第二整形机构位于所述光束整形元件的所述第一侧，用于接收第二光束。所述第三整形机构位于所述光束整形元件的第二侧，用于在第一射出区域输出从所述第一整形机构行进至所述第三整形机构的所述第一光束及在第二射出区域输出从所述第二整形机构行进至所述第三整形机构的所述第二光束。所述第一侧与所述第二侧为所述光束整形元件的两相对侧，且所述第一射出区域及所述第二射出区域部分重迭。所述第一光束及所述第二光束经过所述第三整形机构后在工作表面的光束尺寸相同。所述第一整形机构对所述第一光束的整形效果不同于所述第二整形机构对所述第二光束的整形效果，且所述第三整形机构对所述第一光束及所述第二光束具有相同的整形效果。
本发明还提供一种运作于工作表面上的导航装置照。所述导航装置包含第一光源、第二光源以及光束整形元件。所述第一光源用于发出第一波长的第一光束。所述第二光源用于发出第二波长的第二光束。所述光束整形元件具有第一光入射面、第二光入射面及出射面，其中所述第一光束及所述第二光束分别传递至所述第一光入射面及所述第二光入射面，且所述第一光束及所述第二光束从相同的所述出射面射出后在所述工作表面的光束尺寸相同，且所述第一光入射面及所述第二光入射面与所述出射面为所述光束整形元件的两相对面。
本发明实施方式的导航装置及其照明系统和光束整形元件中，光源的不同特性例如是指具有不同的波长、不同的相干度(degree of coherence)、不同的发光角、不同的强度等。不同的光束整形机构对光束具有不同的整形效果(shaping effect)。
光束整形元件优选为一体成型，以同时具有第一整形机构、第二整形机构、第三整形机构以及反射光整形机构。光束整形元件的其他部分，例如承载于装置壳体的脚部或与导航装置的其他元件结合的部分可与上述整形机构一体成型或以黏胶黏合至上述整形机构。
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，详细说明如下。此外，于本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，于此合先述明。
附图说明
图1是已知光学导航装置的示意图；
图2是本发明实施例的导航装置及其照明系统和光束整形元件的示意图。
附图标记说明
200 导航装置
20 基板
21 第一光源
22 第二光源
23 图像传感器
25 光束整形元件
251 第一整形机构
252 第二整形机构
25S 第三整形机构
253 反射光整形机构
29 壳体
S 工作表面
D1、D2 预定距离
A 感兴趣区域
具体实施方式
请参照图2所示，其为本发明实施例的导航装置200及其照明系统和光束整形元件的示意图。导航装置200包含照明系统、图像传感器23和壳体29，其中，图2仅显示壳体29的底部并省略了其他部分以简化图示。所述照明系统设置于壳体29内部以受到壳体的保护，并设置于壳体29的底部上。
例如，所述导航装置200为光学鼠标、扫地机器人等运作于工作表面S上的电子装置。其他实施例中，是工作表面S相对导航装置200动作，例如光学手指导航鼠标。因此，根据不同应用，工作表面S例如为桌面、地面或手指表面。导航装置200还可包含处理器(未绘示)，例如中央处理器(CPU)，微处理器(MCU)或特定功能集成电路(ASIC)，用于计算其相对所述工作表面S的运动轨迹。
照明系统包含基板20、第一光源21、第二光源22以及相对基板20配置的光束整形元件25。此外，导航装置200还包含图像传感器23，其可为CCD图像传感器或CMOS图像传感器，用于以预定频率输出图像帧。所述图像传感器23设置于所述基板20，用于检测被所述工作表面S反射并穿过所述光束整形元件25的反射第一光束及反射第二光束。为简化图式，图2中的反射第一光束及反射第二光束仅显示其传递方向。
基板20可为印刷电路板(PCB)、软性电路板(FCB)等，用以于其上设置所述第一光源21、所述第二光源22、所述图像传感器23、处理器及其他主被动元件。一般而言，所述基板20与所述工作表面S具有预定距离D2。该预定距离D2优选在导航装置出厂前即已决定，以决定所述光束整形元件25的各光学参数。
第一光源21设置于所述基板20并具有第一发光角(emission angle)，用于发出第一波长的第一光束LB1。该第一光束LB1穿过所述光束整形元件25以照明工作表面S上的感兴趣区域(ROI)A。所述第一光源21可为发光二极管(LED)、激光二极管(例如VCSEL，但不限于)或其他部分相干光源。
第二光源22设置于所述基板20并具有第二发光角，用于发出第二波长的第二光束LB2。该第二光束LB2穿过所述光束整形元件25以照明工作表面S上的所述感兴趣区域A。所述第二光源22可为发光二极管、激光二极管(例如VCSEL，但不限于)或其他部分相干光源。
可以了解的是，第一光源21及第二光源22所发出的光会有部分光并非朝向第一光束LB1及第二光束LB2的方向传递。本发明中，所述第一光束LB1及所述第二光束LB2是指所述第一光源21及所述第二光源22发出的主光束(main beam)。
一种非限定的实施例中，所述第一光源21的第一发光角等于所述第二光源22的第二发光角，例如所述第一光源21及所述第二光源22是相同种类的光源(同样是LED或激光二极管)而具有大致相同的发光角。然而，所述第一光源21的第一波长(其主波长)不同于所述第二光源22的第二波长(其主波长)。某些实施例中，不同波长光可适用于照明不同材质的工作表面以产生不同的反射效果。第一波长及第二波长例如介于红光和/或红外光的范围。
另一种非限定的实施例中，所述第一光源21的第一发光角不同于所述第二光源22的第二发光角，例如所述第一光源21及所述第二光源22是不同种类的光源。同时，所述第一光源21的主波长不同于所述第二光源22的主波长。
另一种非限定的实施例中，第一光源21的第一发光角不同于第二光源22的第二发光角，而所述第一光源21的主波长等于所述第二光源22的主波长。某些实施例中，不同发光角表示第一光源21及第二光源22具有不同的光强度或相干度，以适用于照明不同材质的工作表面，产生不同的反射效果。
光束整形元件25用于整形第一光束LB1及第二光束LB2，以使所述第一光束LB1及所述第二光束LB2经过所述光束整形元件25后，相对工作表面S的入射角和光束尺寸至少其中一者大致相同。或者，所述第一光束LB1及所述第二光束LB2射出所述光束整形元件25后，即具有大致相同的光束尺寸和/或传递角度。本发明中，所述整形是指改变光束的尺寸和/或行进方向。
一种非限定的实施例中，光束整形元件25包含第一整形机构251、第二整形机构252、第三整形机构25S以及反射光整形机构253。
第一整形机构251位于所述光束整形元件25的第一侧(例如图2的上侧)并具有第一光入射面面对第一光源21，用于接收所述第一光源21发出的第一光束LB1。该第一光束LB1经过所述第一整形机构251及光束整形元件25内部后，从第三整形机构25S的出射面射出所述光束整形元件25。图2中，第一整形机构251显示相对所述光束整形元件25的第一侧表面为突起面而具有聚集光束的功效，但本发明并不以此为限。相对不同的第一光源21，第一整形机构251可为平面或凹陷面。
第二整形机构252位于所述光束整形元件25的所述第一侧并具有第二光入射面面对第二光源22，用于接收所述第二光源22发出的第二光束LB2。该第二光束LB2经过所述第二整形机构252及光束整形元件25内部后，从第三整形机构25S的出射面射出所述光束整形元件25。图2中，第二整形机构252显示为相对所述光束整形元件25的第一侧表面为凹陷面而具有扩增光束的功效，但本发明并不以此为限。相对不同的第二光源22，第二整形机构252可为平面或突起面。
本实施例中，第一光束LB1及第二光束LB2分别传递至所述第一光入射面及所述第二光入射面，且光束整形元件25中的所述第一光束LB1及所述第二光束LB2从所述出射面射出所述光束整形元件25至工作表面S。
第三整形机构25S位于所述光束整形元件25的第二侧(例如图2的下侧)面对所述工作表面S，用于输出所述第一光束LB1及所述第二光束LB2。第三整形机构25S的面积优选大于所述第一光束LB1及所述第二光束LB2。图2中，第三整形机构25S显示相对所述光束整形元件25的第二侧表面为突起面而具有聚集光束的功效，但本发明并不以此为限。相对不同的第一整形机构251及第二整形机构252，第三整形机构25S可为平面或凹陷面。
本发明中，由于第一光源21及第二光源22位于不同位置并具有不同特性(例如不同发光角、主波长、相干度等)，所述第一整形机构251对第一光束LB1的整形效果不同于所述第二整形机构252对第二光束LB2的整形效果，以使整形过的光束具有类似的光束尺寸和/或传递方向。例如，所述第一整形机构251及所述第二整形机构252其中一者是用于扩展光束而其中另一者是用于聚集光束。
此外，为了使所述第一光束LB1及所述第二光束LB2皆到达所述第三整形机构25S，可选择下列至少一种配置：(1)所述第一整形机构251及所述第二整形机构252在所述光束整形元件25的所述第一侧具有不同高度，以与相对应的第一光源21及第二光源22具有不同距离；(2)所述第一整形机构251及所述第二整形机构252在所述光束整形元件25的所述第一侧具有不同倾斜角，其中在距离D1、D2固定的情形下，该倾斜角则根据整形机构的相对位置、光束整形元件25的厚度及光源特性所决定。
由于所述第一光束LB1及所述第二光束LB2皆从第三整形机构25S射出光束整形元件25，该第三整形机构25S对所述第一光束LB1及所述第二光束LB2具有大致相同的整形效果。亦即，本发明的光束整形元件25是通过第一整形机构251及第二整形机构252将不同特性的光束调整为具有大致相同的尺寸和/或传递方向，所述第三整形机构25S用于将出射光束引导至感兴趣区域A。该感兴趣区域A的期望大小会影响所述第三整形机构25S的配置。
反射光整形机构253例如为双凸透镜，用以整形反射第一光束及反射第二光束，以使其有效地被图像传感器23检测。一种非限定的实施例中，所述反射第一光束及所述反射第二光束优选为通过所述反射光整形机构253的中心，藉此即使反射第一光束及反射第二光束具有不同光波长，反射光整形机构253中也不致发生折射。亦即，只要第一光束LB1及第二光束LB2相对工作表面S具有大致相同的入射角，反射光则能够以大致相同的传递方向入射至图像传感器23。此外，反射光整形机构253也可选择为双凹透镜或其他形式，其根据感兴趣区域A的大小而定。
请再参照图2所示，一种非限定的实施例中，所述第一光源21为发光二极管用于发出第一波长的第一光束LB1；而所述第二光源22为激光二极管用于发出第二波长的第二光束LB2。第一整形机构231面对所述发光二极管。第二整形机构232面对所述激光二极管。由于发光二极管通常比激光二极管具有较大的发光角度，因此所述第一整形机构231聚集所述第一光束LB1，所述第二整形机构232扩展所述第二光束LB2，以使整形过的第一光束与整形过的第二光束的光束尺寸彼此接近。
图2中，第一整形机构251显示为距离发光二极管较远而第二整形机构232显示为距离激光二极管较近，但其仅用以说明而非用以限定本发明。若选择第一整形机构251距离发光二极管较近且第二整形机构232距离激光二极管较远，同步改变第一整形机构251及第二整形机构252的曲度、截面积和倾斜角度，以使第一光束LB1及第二光束LB2皆传递至第三整形机构25S。
必须说明的是，虽然图2显示第一光源21及第二光源22相对于图像传感器23的第一方向(例如图2的左右方向)配置于所述基板20，且所述第一光源21距离所述图像传感器23较近而所述第二光源22距离所述图像传感器23较远，但其仅为示意而非用以限定本发明。
其他非限定的实施例中，所述第一光源21可配置成距离所述图像传感器23较远而所述第二光源22距离所述图像传感器23较近。或者，所述第一光源21及所述第二光源22与所述图像传感器23大致等距。此实施例中，光束整形元件25中相对应第一光源21及第二光源22的整形机构的位置及倾斜方向也同步调整。
光束整形元件25设置于壳体29上，例如图2显示光束整形元件25具有脚承载于壳体29的底部上。于制作光束整形元件25时，基板20与工作表面S的距离D2以及壳体29的厚度(例如距离D1)优选为固定值，如此能够根据感兴趣区域A位于壳体29底部开口的位置来决定第一整形机构251、第二整形机构252、第三整形机构25S以及反射光整形机构253的光学特性，例如光束缩放比例(例如曲率)、折射角度、倾斜角、相对光源的距离、相对工作表面S的距离、相对图像传感器23的距离等。
必须说明的是，虽然图2显示第一光源21和第二光源22位于同一空间内(例如由不透光元件所围绕)，但本发明并不限于此。其他非限定的实施例中，第一光源21和第二光源22是分别位于不同空间内，例如所述第一光源21和所述第二光源22之间具有挡光件以避免发出的光彼此干扰。
必须说明的是，虽然图2显示第一光束LB1和第二光束LB2在光束整形元件25中并未经过反射而直接从第三整形机构25S的区域射出光束整形元件25，但本发明并不限于此。一种非限定的实施例中，第一光束LB1和第二光束LB2至少其中之一在光束整形元件25中被反射至少一次后再从第三整形机构25S的区域射出光束整形元件25，以使第一光束LB1和第二光束LB2在射出光束整形元件25后具有大致相同的光束尺寸和/或传递角度。
必须说明的是，虽然图2显示光束整形元件25是一体成型的透明(相对第一光源21及第二光源22为透明)玻璃制品或塑料制品，但本发明并不限于此。一种非限定的实施例中，光束整形元件25包含一个以上(例如相对每个光源一个)的分离透明整形元件，以使得入射至工作表面S的第一光束LB1及第二光束LB2具有大致相同的入射角和/或光束尺寸。
此外，导航装置200还具有遮光部分(例如斜线部分)包围于第一光源21、第二光源22及图像传感器23的周围，以防止杂散光干扰。
其他实施例中，导航装置200包含两个以上的光源，光束整形元件25则包含多个整形机构分别相对所述多个光源，以使所述多个光源发出的光束以大致相同的入射角和/或光束尺寸照明工作表面S的感兴趣区域A。
控制图像传感器23相对第一光源21及第二光源22的发光(同步或分时)以获取图像帧的方式已为习知，故于此不再赘述。
综上所述，已知的光学式导航装置具有单一照明频道(如图1)而在使用上受到限制。因此，本发明另提供一种导航装置及其照明系统和光束整形元件(图2)，其具有多个照明频道及相对应的光束整形机构。所述多个照明频道的多个光束经过所述光束整形机构后，被调整为具有大致相同的发散角以及入射角，以增加可应用的环境。
虽然本发明已通过前述实例披露，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种导航装置，该导航装置用于运作于工作表面上，并包含：
第一光源，该第一光源具有第一发光角，用于发出第一波长的第一光束；
第二光源，该第二光源具有第二发光角，用于发出第二波长的第二光束；以及
光束整形元件，该光束整形元件用于整形所述第一光束及所述第二光束，以使所述第一光束及所述第二光束经过所述光束整形元件后，在所述工作表面的光束尺寸相同，其中所述光束整形元件包含：
第一整形机构，该第一整形机构面对所述第一光源；
第二整形机构，该第二整形机构面对所述第二光源；及
第三整形机构，该第三整形机构面对所述工作表面，且所述第三整形机构与所述第一整形机构及所述第二整形机构分别位于所述光束整形元件的两相对面，
其中，所述第一光束及所述第二光束从所述第三整形机构射出，且所述第一光束及所述第二光束在所述第三整形机构的射出区域部分重迭。
2.根据权利要求1所述的导航装置，其中，
所述第一发光角等于所述第二发光角，且
所述第一波长不同于所述第二波长。
3.根据权利要求1所述的导航装置，其中，
所述第一发光角不同于所述第二发光角，且
所述第一波长不同于所述第二波长。
4.根据权利要求1所述的导航装置，其中，
所述第一发光角不同于所述第二发光角，且
所述第一波长等于所述第二波长。
5.根据权利要求1所述的导航装置，还包含：
基板；及
图像传感器，该图像传感器设置于所述基板，并用于检测被所述工作表面反射并穿过所述光束整形元件的反射第一光束及反射第二光束，
其中，所述第一光源及所述第二光源沿着相对于所述图像传感器的第一方向配置于所述基板，并与所述图像传感器具有不同距离。
6.根据权利要求5所述的导航装置，其中，
所述第一整形机构对所述第一光束的整形效果不同于所述第二整形机构对所述第二光束的整形效果，所述第三整形机构对所述第一光束及所述第二光束具有相同的整形效果。
7.根据权利要求6所述的导航装置，其中，所述第一整形机构与所述第一光源的距离不同于所述第二整形机构与所述第二光源的距离。
8.根据权利要求1所述的导航装置，其中所述第一整形机构及所述第二整形机构其中一者是用于扩展光束而其中另一者是用于聚集光束。
9.一种导航装置的光束整形元件，该光束整形元件用于整形经过其内的光束，并包含：
第一整形机构，该第一整形机构位于所述光束整形元件的第一侧，用于接收第一光束；
第二整形机构，该第二整形机构位于所述光束整形元件的所述第一侧，用于接收第二光束；以及
第三整形机构，该第三整形机构位于所述光束整形元件的第二侧，用于在第一射出区域输出从所述第一整形机构行进至所述第三整形机构的所述第一光束及在第二射出区域输出从所述第二整形机构行进至所述第三整形机构的所述第二光束，其中，
所述第一侧与所述第二侧为所述光束整形元件的两相对侧，且所述第一射出区域及所述第二射出区域部分重迭，
所述第一光束及所述第二光束经过所述第三整形机构后在工作表面的光束尺寸相同，及
所述第一整形机构对所述第一光束的整形效果不同于所述第二整形机构对所述第二光束的整形效果，且所述第三整形机构对所述第一光束及所述第二光束具有相同的整形效果。
10.一种导航装置，该导航装置用于运作于工作表面上，所述导航装置包含：
第一光源，该第一光源用于以第一发光角发出第一光束；
第二光源，该第二光源用于以第二发光角发出第二光束；以及
光束整形元件，该光束整形元件具有第一光入射面、第二光入射面及出射面，其中所述第一光束及所述第二光束分别传递至所述第一光入射面及所述第二光入射面，且所述第一光束及所述第二光束从相同的所述出射面射出后在所述工作表面的光束尺寸相同，且所述第一光入射面及所述第二光入射面与所述出射面为所述光束整形元件的两相对面。
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