CN116931243A - 光耦合装置 - Google Patents

Abstract

一种光耦合装置包括导光板、第一光耦合件及第二光耦合件。导光板包括外环周、第一表面及第二表面，外环周包括彼此相对的第一侧与第二侧，第一表面具有入光区，入光区提供入射光照射进入导光板内部，且入光区邻近于第一侧，第二侧具有弧形导光面。入射光经由第一光耦合件反射而于厚度内进行多次全反射以形成内部全反射光，且内部全反射光由第一侧朝第二侧的方向传递以照射于弧形导光面，使内部全反射光经由弧形导光面反射至第一表面或第二表面而形成聚光区，聚光区邻近于第二侧，且聚光区的范围大于或小于入光区的范围。照射至聚光区的光线经由第二光耦合件的反射而照射出导光板外部。

Description

光耦合装置

技术领域

本发明是关于一种光学装置，特别是指一种光耦合装置。

背景技术

影像侦测与处理广泛应用于日常生活中，例如物体识别、物体追踪、动作识别、行车辅助或影像监控等。一般来说，影像的侦测主要是透过摄像装置撷取影像来达成，举例来说，移动装置(例如智能手机或平板计算机)上可安装摄像装置以撷取外部影像，作为后续影像处理的用途。

目前已知的摄像装置通常包括光学透镜与感光元件，外部光线由光学透镜入光后可传递至感光元件感光取得影像，然而，此种影像侦测方式，无论是感光元件或光学透镜的设置位置皆为受到限制，亦即感光元件必须设置在光学透镜的聚焦位置，从而限制摄像装置的应用范围。

发明内容

鉴于上述，于一实施例中，提供一种光耦合装置包括导光板、第一光耦合件及第二光耦合件。导光板具有厚度，导光板包括外环周以及彼此相对的第一表面与第二表面，外环周连接于第一表面与第二表面的周围，外环周包括彼此相对的第一侧与第二侧，第一表面具有入光区，入光区提供入射光照射进入导光板内部，且入光区邻近于第一侧，第二侧具有弧形导光面。第一光耦合件设置于第二表面并对应于入光区，其中入射光经由第一光耦合件反射而于厚度内进行多次全反射以形成内部全反射光，且内部全反射光由第一侧朝第二侧的方向传递以照射于弧形导光面，使内部全反射光经由弧形导光面反射至第一表面或第二表面而形成聚光区，聚光区邻近于第二侧，且聚光区的范围大于或小于入光区的范围。第二光耦合件设置于第一表面或第二表面并对应于聚光区，且照射至聚光区的光线经由第二光耦合件的反射而照射出导光板外部。

于另一实施例中，提供一种光耦合装置包括导光板、光学透镜单元、第一光耦合件及第二光耦合件。导光板具有厚度，导光板包括外环周以及彼此相对的第一表面与第二表面，外环周连接于第一表面与第二表面的周围，外环周包括彼此相对的第一侧与第二侧，第一表面具有入光区，入光区提供入射光照射进入导光板内部，且入光区邻近于第一侧。光学透镜单元设置于第一表面并覆盖于入光区，入射光经过光学透镜单元而照射进入导光板内部。第一光耦合件设置于第二表面并对应于入光区，其中入射光经由第一光耦合件反射而于厚度内进行多次全反射以形成内部全反射光，且内部全反射光由第一侧朝第二侧的方向传递并于第一表面或第二表面形成聚光区，聚光区邻近于第二侧。第二光耦合件设置于第一表面或第二表面并对应于聚光区，且照射至聚光区的光线经由第二光耦合件的反射而照射出导光板外部。

综上，根据本发明实施例的光耦合装置，透过第一光耦合件反射由邻近于第一侧的入光区的入射光，使入射光能够于导光板的厚度内进行多次全反射以形成内部全反射光并传递至导光板的第二侧，可达到使影像感测的距离不受限制。此外，透过第二侧的弧形导光面反射内部全反射光并聚光至第一表面或第二表面或者透过光学透镜单元设置于第一表面并覆盖于入光区，可进一步根据实际需求调整照射出导光板的范围而产生影像放大或缩小的效果。

附图说明

图1是本发明光耦合装置第一实施例的立体图；

图2是本发明光耦合装置第一实施例的平面图；

图3是本发明光耦合装置第一实施例的侧视图；

图4是本发明光耦合装置第二实施例的平面图；

图5是本发明光耦合装置一实施例的应用示意图；

图6是本发明光耦合装置第三实施例的侧视图；

图7是本发明光耦合装置第四实施例的平面图；

图8是本发明光耦合装置第五实施例的立体图；

图9是本发明光耦合装置第五实施例的侧视图；

图10是本发明光耦合装置一实施例的应用示意图；

图11是本发明光耦合装置一实施例的应用示意图；

图12是本发明光耦合装置一实施例的应用示意图。

【符号说明】

1,2:光耦合装置

10,10a,10b:导光板

T:厚度

11:外环周

12:贯穿孔

111,111a:第一侧

115,115a:第二侧

116,116a:弧形导光面

117:反射膜

15,15a:第一表面

151,151a:入光区

152,152a:聚光区

16,16a:第二表面

20,20’,20a:第一光耦合件

30,30’,30a:第二光耦合件

40:光感测器

41:收光区

50,50’:光学透镜

51:微透镜

60:发光源

70:透明屏幕

71:人体部位感测区

80:光学元件

90:光学透镜单元

F:人体部位

TR:内部全反射光

L1:入射光

L2:光线

具体实施方式

图1为本发明光耦合装置第一实施例的立体图，图2为本发明光耦合装置第一实施例的平面图，图3为本发明光耦合装置第一实施例的侧视图。如图1至图3所示，光耦合装置1包括导光板10、第一光耦合件20、第二光耦合件30，其中光耦合装置1可用于导引外部入射光线以产生影像放大或缩小的效果，此容后详述。在一些实施例中，上述光耦合装置1可应用于物体识别、物体追踪、动作识别、行车辅助或影像监控等，举例来说，光耦合装置1可应用于移动装置的生物辨识模块或者光耦合装置1也可应用于影像投影装置(例如扩增实境或虚拟实境)。

如图1至图3所示，导光板10为具有厚度T的透明板体，导光板10包括外环周11以及彼此相对的第一表面15与第二表面16，外环周11连接于第一表面15与第二表面16的周围，也就是说，第一表面15与第二表面16为导光板10的相对二表面，且第一表面15与第二表面16的间距构成上述厚度T。

如图1至图3所示，导光板10的外环周11包括彼此相对的第一侧111与第二侧115，也就是说，第一侧111与第二侧115为导光板10的相对二侧，第一表面15具有入光区151，入光区151为第一表面15的局部区域(如图中虚线框围的区域)且入光区151邻近于第一侧111，入光区151提供入射光L1照射进入导光板10内部，第二侧115具有弧形导光面116，其中弧形导光面116可为凸弧面或凹弧面(在本实施例中，弧形导光面116为凸弧面)，此外，弧形导光面116可为半圆弧面或者弧形导光面116的圆心角亦可大于或小于180度。

在一些实施例中，上述导光板10具体上可由导光材料所制成，例如导光板10可由聚碳酸酯(PC)、压克力塑胶(PMMA)或玻璃材质所制成而具有导光功能。其中，导光板10可为硬质导光薄板或者可挠曲的软质导光薄膜，使光耦合装置1所应用的产品能够更薄型化。

如图1至图3所示，第一光耦合件20设置于第二表面16并对应于入光区151，使入射光L1照射进入导光板10内部时，入射光L1可第一时间照射至第一光耦合件20，且入射光L1经由第一光耦合件20反射后能够在导光板10的厚度T内进行多次全反射以形成一内部全反射光TR，也就是说，第一光耦合件20可将入射光L1反射成能够在导光板10的厚度T内部进行全反射的特定角度，并使内部全反射光TR由第一侧111朝第二侧115的方向传递以照射于第二侧115的弧形导光面116。

在一些实施例中，上述第一光耦合件20可为微透镜(Microlens)、超颖透镜(Metalens)、全像光学元件(Holographic Optical Element,HOE)、绕射式光学元件(Diffractive Optical Element,DOE)或菲涅尔镜(Fresnel Lens)。此外，第一光耦合件20可一体形成于导光板10表面或者第一光耦合件20也可为独立元件并安装至导光板10表面。

如图1至图3所示，在本实施例中，由于弧形导光面116为凸弧面而具有聚光功能，使内部全反射光TR可经由弧形导光面116反射并聚光于第一表面15或第二表面16(在此为聚光至第一表面15)上而形成一聚光区152(如图中虚线框围的区域)，其中聚光区152为第一表面15或第二表面16上的局部发光区域，聚光区152邻近于导光板10的第二侧115，且聚光区152的范围小于入光区151的范围，从而达到影像缩小的效果。此外，弧形导光面116的外部或内部可设有一反射膜117以加强反射效果。

在一些实施例中，上述弧形导光面116也可为凹弧面以达到影像放大的效果。举例来说，如图4所示，为本发明光耦合装置第二实施例的平面图，本实施例与上述第一实施例的差异在于，本实施例的导光板10的第二侧115的弧形导光面116a为凹弧面而具有发散光线的作用。因此，透过弧形导光面116a的设置，可使上述聚光区152范围大于入光区151的范围，从而达到影像放大的效果。

再如图1至图3所示，第二光耦合件30设置于第一表面15或第二表面16(在此为设置于第一表面15)并对应于聚光区152，且照射至聚光区152的光线可经由第二光耦合件30的反射而照射出导光板10外部，也就是说，第二光耦合件30可使照射至聚光区152的光线不再进行全反射而能穿透出导光板10，以进行影像撷取或影像投影。

在一些实施例中，上述第二光耦合件30亦可为微透镜(Microlens)、超颖透镜(Metalens)、全像光学元件(Holographic Optical Element,HOE)、绕射式光学元件(Diffractive Optical Element,DOE)或菲涅尔镜(Fresnel Lens)。此外，第二光耦合件30可一体形成于导光板10表面或者第二光耦合件30也可为独立元件并安装至导光板10表面。

借此，本发明实施例可根据产品的实际需求选择弧形导光面116的类型或弧度，以控制聚光区152的范围大小，从而达到影像放大或缩小的效果。举例来说，如图5所示，为本发明光耦合装置的应用示意图，其中光耦合装置1可为一影像感测装置而包括光感测器40，光感测器40包括收光区41，收光区41朝向聚光区152以接收照射出导光板10外部的光线L2。因此，当聚光区152的范围小于入光区151的范围时，即可选用尺寸较小的光感测器40而大幅减省成本与产品的体积。除此之外，由于入射光L1是在导光板10的厚度T内进行多次全反射以形成内部全反射光TR并传递至导光板10的另一侧(即第二侧115)，因此，光线的强度不会受到衰减，可达到使影像感测或影像投影的位置或距离不受限制。

在一些实施例中，上述光感测器40具体上可为感光耦合元件(charge-coupleddevice,CCD)、互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)、或互补式金属氧化物半导体主动像素传感器(CMOS Active pixel sensor)。

在一些实施例中，光耦合装置1亦可应用于影像投影装置，例如照射出导光板10外部的光线L2可对应照射于投影幕或空间中以形成影像。

再如图5所示，在本实施例中，光耦合装置1还包括一光学透镜50与一光学元件80，光学透镜50设置于光感测器40的收光区41与导光板10之间，其中光学透镜50可为聚光透镜、发散透镜或其组合，使照射出导光板10外部的光线L2能够先经由光学透镜50聚光或发散才照射至光感测器40的收光区41，达到可根据不同使用需求选用不同的光学透镜50，以进一步控制光线L2的照射位置、照射角度或照射范围。光学元件80设置于第一表面15并位入光区151上，其中光学元件80可为聚光透镜、发散透镜或其组合，使入射光L1能够先经由光学元件80聚光或发散才由入光区151进入导光板10内部，同样可达到根据不同使用需求选用不同的光学元件80，以控制入射光L1的入射位置、入射角度或入射范围。

如图1至图3所示，在本实施例中，第一光耦合件20、第二光耦合件30及导光板10彼此堆叠设置，入光区151可位于第一光耦合件20的投影范围内，以确保由入光区151进入的入射光L1都能够照射至第一光耦合件20。

在一些实施例中，上述第一光耦合件20或第二光耦合件30亦可为一体形成于导光板10的光学微结构。举例来说，如图6所示，为本发明光耦合装置第三实施例的侧视图，本实施例与上述第一实施例的差异在于，本实施例的第一光耦合件20’与第二光耦合件30’为一体形成于导光板10的锯齿状的光学微结构，同样可使入射光L1经由第一光耦合件20’反射形成内部全反射光TR以及使照射至聚光区152的光线经由第二光耦合件30’的反射而照射出导光板10外部。

图7为本发明光耦合装置第四实施例的平面图，如图7所示，本实施例与上述第一实施例的差异在于，导光板10更具有贯穿孔12，贯穿孔12贯穿第一表面15与第二表面16并位于入光区151与聚光区152之间。借此，透过贯穿孔12的设置，可使大部分的内部全反射光TR都能照射至弧形导光面116，达到减少杂光直接照射聚光区152而影响影像感测或影像投影的效果。

图8为本发明光耦合装置第五实施例的立体图，图9为本发明光耦合装置第五实施例的侧视图。如图8与图9所示，本实施例与上述第一实施例的差异在于，本实施例的光耦合装置2包括光学透镜单元90，其中光学透镜单元90可为菲涅尔透镜、凸透镜、发散透镜或其组合(在本实施例中，光学透镜单元90为菲涅尔透镜而具有聚光功能)。光学透镜单元90设置于第一表面15a并覆盖于入光区151a，入射光L1是先经过光学透镜单元90才照射进入导光板10a内部，且导光板10a的第二侧115a不具有上述弧形导光面116而为平面，借此，本实施例的光耦合装置2可先透过光学透镜单元90调整入射光L1的入射范围以产生影像放大或缩小的效果。

举例来说，如图8与图9所示，假设光学透镜单元90为菲涅尔透镜或凸透镜等聚光透镜，入射光L1在进入导光板10a前，可先经过光学透镜单元90聚光后再从入光区151a照射进入导光板10a内部，借以缩小入射光L1的入射范围，从而产生影像缩小的效果。具体而言，入射光L1进入导光板10a后，可经由第一光耦合件20a反射而形成内部全反射光TR，且内部全反射光TR可由第一侧111a朝第二侧115a的方向传递以聚光形成聚光区152a。由于入射光L1的入射范围缩小，因此，聚光区152a也会同步缩小，使聚光区152a的光线经由第二光耦合件30a的反射而照射出导光板10a外部(在此为照射出第二表面16a)并传递至光感测器40，故本实施例同样可达到能够选用尺寸较小的光感测器40进行感测而大幅减省成本与产品的体积。

在一些实施例中，上述各实施例的光耦合装置1,2应用于生物辨识。请对照图5与图10所示，在本实施例中，光耦合装置1应用于指纹辨识，光耦合装置1包括发光源60，导光板10的第一表面15的入光区151为生物辨识入光区，上述入射光L1为发光源60照射人体部位F(在此为人体的手指)所反射的光线，也就是说，发光源60(例如红外光源)照射至人体部位F时，反射光线(即入射光L1)可由入光区151进入导光板10内部而照射至第一光耦合件20，第一光耦合件20即可将入射光L1反射形成内部全反射光TR，使内部全反射光TR传递至第二侧115的弧形导光面116而聚光形成聚光区152，第二光耦合件30再反射聚光区152的光线而照射出导光板10外部，以由导光板10外部的光感测器40感测取得指纹影像而能进行后续指纹辨识作业。

然而，上述实施例仅为举例，在一些实施例中，光耦合装置1,2亦可应用于人脸辨识或虹膜辨识等其他生物辨识方式。

再如图10所示，在本实施例中，光耦合装置1还包括一透明屏幕70，透明屏幕70覆盖于导光板10，透明屏幕70具有人体部位感测区71，人体部位感测区71的位置对应于入光区151的位置，上述人体部位F可放置于透明屏幕70的人体部位感测区71上以进行生物辨识作业。

再如图11所示，在本实施例中，设置于光感测器40与导光板10之间的光学透镜50’包括多个微透镜51，且多个微透镜51排列形成一微透镜阵列，使照射出导光板10外部的光线能够透过光学透镜50’调整聚焦位置或聚焦范围，从而进一步控制影像放大或缩小。

图12为本发明光耦合装置一实施例的应用示意图，如图12所示，本实施例与上述各实施例的差异在于，本实施例的导光板10b为可挠曲的软质导光薄膜，使导光板10b能够弯曲而减少导光板10b在透明屏幕70下的占用面积，从而达到提升透明屏幕70的屏占比的优点。

虽然本发明的技术内容已经以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神所作些许的更动与润饰，皆应涵盖于本发明的范畴内，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (23)

1.一种光耦合装置，其特征在于，包括：

一导光板，具有一厚度，该导光板包括一外环周以及彼此相对的一第一表面与一第二表面，该外环周连接于该第一表面与该第二表面的周围，该外环周包括彼此相对的一第一侧与一第二侧，该第一表面具有一入光区，该入光区提供一入射光照射进入该导光板内部，且该入光区邻近于该第一侧，该第二侧具有一弧形导光面；

一第一光耦合件，设置于该第二表面并对应于该入光区，其中该入射光经由该第一光耦合件反射而于该厚度内进行多次全反射以形成一内部全反射光，且该内部全反射光由该第一侧朝该第二侧的方向传递以照射于该弧形导光面，使该内部全反射光经由该弧形导光面反射至该第一表面或该第二表面而形成一聚光区，该聚光区邻近于该第二侧，且该聚光区的范围大于或小于该入光区的范围；以及

一第二光耦合件，设置于该第一表面或该第二表面并对应于该聚光区，且照射至该聚光区的光线经由该第二光耦合件的反射而照射出该导光板外部。

2.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，该第一光耦合件、该第二光耦合件及该导光板彼此堆叠设置。

3.如权利要求2所述的光耦合装置，其特征在于，该第一光耦合件或该第二光耦合件为一微透镜、一超颖透镜、一全像光学元件、一绕射式光学元件或一菲涅尔透镜。

4.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，该第一光耦合件或该第二光耦合件为一体形成于该导光板的一光学微结构。

5.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，该导光板为一硬质导光板或一软质导光薄膜。

6.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，还包括一光感测器，该光感测器包括一收光区，该收光区朝向该聚光区以接收照射出该导光板外部的光线。

7.如权利要求6所述的光耦合装置，其特征在于，还包括一光学透镜，该光学透镜设置于该光感测器的该收光区与该导光板之间。

8.如权利要求7所述的光耦合装置，其特征在于，该光学透镜包括多个微透镜，该些微透镜排列形成一微透镜阵列。

9.如权利要求6所述的光耦合装置，其特征在于，还包括一发光源，该入光区为一生物辨识入光区，该入射光为该发光源照射一人体部位所反射的光线。

10.如权利要求9所述的光耦合装置，其特征在于，还包括一透明屏幕，该透明屏幕覆盖于该导光板，该透明屏幕具有一人体部位感测区，该人体部位感测区的位置对应于该入光区的位置。

11.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，还包括一光学元件，该光学元件设置于该第一表面并位该入光区上。

12.如权利要求11所述的光耦合装置，其特征在于，该光学元件为一菲涅尔透镜、一凸透镜、一发散透镜或其组合。

13.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，该导光板更具有一贯穿孔，该贯穿孔贯穿该第一表面与该第二表面并位于该入光区与该聚光区之间。

14.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，该弧形导光面更设有一反射膜。

15.一种光耦合装置，其特征在于，包括：

一导光板，具有一厚度，该导光板包括一外环周以及彼此相对的一第一表面与一第二表面，该外环周连接于该第一表面与该第二表面的周围，该外环周包括彼此相对的一第一侧与一第二侧，该第一表面具有一入光区，该入光区提供一入射光照射进入该导光板内部，且该入光区邻近于该第一侧；

一光学透镜单元，设置于该第一表面并覆盖于该入光区，该入射光是经过该光学透镜单元而照射进入该导光板内部；

一第一光耦合件，设置于该第二表面并对应于该入光区，其中该入射光经由该第一光耦合件反射而于该厚度内进行多次全反射以形成一内部全反射光，且该内部全反射光由该第一侧朝该第二侧的方向传递并于该第一表面或该第二表面形成一聚光区，该聚光区邻近于该第二侧；以及

一第二光耦合件，设置于该第一表面或该第二表面并对应于该聚光区，且照射至该聚光区的光线经由该第二光耦合件的反射而照射出该导光板外部。

16.如权利要求15所述的光耦合装置，其特征在于，该光学透镜单元为一菲涅尔透镜、一凸透镜、一发散透镜或其组合。

17.如权利要求15所述的光耦合装置，其特征在于，该第一光耦合件、该第二光耦合件及该导光板彼此堆叠设置。

18.如权利要求15所述的光耦合装置，其特征在于，该第一光耦合件或该第二光耦合件为一微透镜、一超颖透镜、一全像光学元件、一绕射式光学元件或一菲涅尔透镜。

19.如权利要求15所述的光耦合装置，其特征在于，该第一光耦合件或该第二光耦合件为一体形成于该导光板的一光学微结构。

20.如权利要求15所述的光耦合装置，其特征在于，该导光板为一硬质导光板或一软质导光薄膜。

21.如权利要求15所述的光耦合装置，其特征在于，还包括一光感测器，该光感测器包括一收光区，该收光区朝向该聚光区以接收照射出该导光板外部的光线。

22.如权利要求21所述的光耦合装置，其特征在于，还包括一发光源，该入光区为一生物辨识入光区，该入射光为该发光源照射一人体部位所反射的光线。

23.如权利要求22所述的光耦合装置，其特征在于，还包括一透明屏幕，该透明屏幕覆盖于该导光板，该透明屏幕具有一人体部位感测区，该人体部位感测区的位置对应于该入光区的位置。