CN204269853U - 结构光产生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种结构光产生装置，包括红外激光二极管、透镜单元以及壳体。该红外激光二极管发出一红外激光光点。该透镜单元至少包括可将该红外激光光点转换成一线性结构光的一透镜元件，该透镜元件朝向该红外激光二极管的一第一表面将该红外激光光点准直化，相较于该第一表面较远离该红外激光二极管的一第二表面则将输出该线性结构光。该壳体容置该红外激光二极管和该透镜单元。本实用新型的透镜单元可同时将红外激光准直化和线性化，藉以将红外激光光点塑形成侦测所需的结构光，且本实用新型的尺寸非常精巧，适合用于如走向薄型化的手机。

Description

结构光产生装置

技术领域

本实用新型是关于一种结构光产生装置的领域，特别是一种不可见光的结构光产生装置的领域。

背景技术

用于侦测互动手势、姿势或3D扫描式的元件、装置或设备是近年来非常蓬勃发展的领域，例如红外结构光可用于上述的侦侧，其提供平面扫描的结构光，藉以辨识互动动作或是重要的指示元素。如此的需求需要使用已经准直的红外光。然而，目前结合准直光的激光二极管模块的体积不够精简，无法被适用于现今薄型化的手机上。

另一方面，现今的激光二极管模块通常配备一防尘镜于壳体的一侧，然而此防尘镜在现在若干的需求中是可以省略的，但移除防尘镜恐造成光程长度或工作距离的改变，如此增加使用此种激光二极管模块的困扰。因此，对于手机配备结构光产生装置而言，发展精简尺寸且方便应用的结构光产生装置是3D手势应用或扫描的重要课题之一。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题之一在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种结构光产生装置，其包括具有一透镜元件的透镜单元，此透镜元件具有可准直化不可见激光和将准直化后的不可见激光光点塑形成线性光束的两个表面，藉以产生平行的线性光束。

本实用新型要解决的技术问题之一在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种结构光产生装置，其包括具有一透镜元件的透镜单元，此透镜元件具有可准直化不可见激光的一非球曲面或一有绕射功能的平面，以及具有柱状镜阵列的另一平面。

本实用新型要解决的技术问题之一在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种结构光产生装置，应用于3D感测中，其可配置形成至少两种不同光程长度的透镜单元，以增加使用者使用此装置的弹性。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种结构光产生装置，其包括红外激光二极管、透镜单元以及壳体，该红外激光二极管发出一红外激光光点；该透镜单元至少包括可将该红外激光光点转换成一线性结构光的一透镜元件，该透镜元件朝向该红外激光二极管的一第一表面将该红外激光光点准直化，相较于该第一表面较远离该红外激光二极管的一第二表面则将输出该线性结构光；该壳体容置该红外激光二极管和该透镜单元。

较佳地，该第一表面是一非球曲面或具有绕射结构的一平面。

较佳地，第二表面包括一柱状镜阵列。

较佳地，该透镜单元还包括设置于该红外激光二极管和该透镜元件之间的一防尘玻璃片。

较佳地，该透镜元件的厚度不大于1.2毫米。

较佳地，该透镜元件对于该红外激光光点构成一第一光程长度，该透镜元件与该防尘玻璃片对于该红外激光光点构成一第二光程长度，该第一光程长度与该第二光程长度的差异小于1.2毫米。

较佳地，该第一表面的半径大于0.189毫米，且该第一表面的有效聚焦长度小于1.2毫米。

本实用新型结构光产生装置，其配备的透镜单元所设的透镜元件具有可准直化不可见激光和将准直化后的不可见激光光点塑形成线性光束的两个表面，可同时进行红外激光准值化和线性化，藉以将红外激光光点塑形成侦测所需的结构光；且该透镜单元还可于结构光产生装置的精简壳体中构成两种不同长度的光程路径，使得本实用新型的结构光产生装置的光学系统具有极大的弹性，方便使用者使用；此外，本实用新型的结构光产生装置的尺寸非常精巧，适合用于如走向薄型化的手机。

为了能进一步了解本实用新型为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本实用新型的详细说明及附图。本实用新型的目的、特征或特点，当可由此得到一深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用以对本实用新型加以限制者。

附图说明

图1为本实用新型结构光产生装置第一实施例的组件侧剖面示意图。

图2为本实用新型结构光产生装置第二实施例的组件侧剖面示意图。

图3为本实用新型结构光产生装置第三实施例的组件侧剖面示意图。

图4为本实用新型结构光产生装置第四实施例的组件侧剖面示意图。

具体实施方式

图1为本实用新型一结构光产生装置的组件侧剖面示意图。请参考图1，结构光产生装置1包括一激光二极管10(Laser Diode，LD)、一壳体12以及一透镜单元14，其中，壳体12提供容置激光二极管10以及透镜单元14的一容置空间。基本上壳体12为不透光的，其包括相对的一第一侧121和一第二侧123，以及设置于壳体12内的固持结构122。于第一实施例中，固持结构122固定激光二极管10于第一侧121，并且固定透镜单元14于第二侧123，但本实用新型不限于此，固持结构122可以是一件式或组合式地安装于壳体12内，或直接成形于壳体12内。其次，本实用新型的结构光产生装置1适合应用于照相手机，因此壳体12具有精简的尺寸，例如第一侧121和第二侧123可分别为4～6毫米(mm)*6毫米大小，第一侧121和第二侧123之间的距离约为2.5～7毫米，较佳的距离为4.0毫米，但本实用新型不限于此，第一侧121和第二侧123的形状不限于上述的正方形。

其次，激光二极管10，其主要包括可发出不可见光，例如波长为830nm、扩散角(diffusion angle)约20度(degree)的红外激光的半导体芯片102以及将半导体芯片封装的封装体101。封装于封装体101中的设置于一或多个基板上的半导体芯片102的数量可以是一或多个，例如12片半导体芯片102分布于一基板上的不同位置，再由封装体101将之包覆，图1中显示单一芯片102仅用于说明，而非限制本实用新型的应用。封装体101的形式，举例但不限地，例如CAN形式、直插式DIP形式、扁平QFP形式等等。上述封装体101基本上皆包括一主体105和一或多个突出于主体105外或位于主体105表面的接脚103，例如图1中的接脚103垂直第一侧121的方向突出于壳体12外，而主体105的厚度(垂直第一侧121的方向)则约不大于1毫米(mm)，但本实用新型不限于上述。其次，本实用新型所称的激光二极管10可发出对称(圆形光点)或不对称(椭圆光点)的发射形式(emitting pattern)，即本实用新型所称透镜单元14可应用于对称和非对称发射形式的激光二极管10。

其次，于第一实施例中，透镜单元14为一透镜元件，其数值孔径(numericalaperture)约0.2，该透镜元件包括半径大于0.189毫米曲面的一第一表面141和具有另一光学结构的一第二表面143，其中，第一表面141朝向激光二极管10(壳体12的第一侧121)，第二表面143则朝向第二侧123，第一表面141设置于距离激光二极管10约1.00毫米处。于第一实施例中，透镜单元14对于激光二极管10所发出的不可见光点构成一第一光程长度(optical path length)，并且透镜元件的第一表面141为用以将激光二极管10所发出的不可见光点准直化的一非球面。较佳的，透镜元件的第一表面141半径为0.18935～0.1894毫米，该非球面的轮廓可用非球面上的某一点到非球面顶点的Z轴坐标(Z轴为平行光轴)来表示如下:

$z=\frac{{\mathrm{cvr}}^2}{1+\sqrt{1+{\mathrm{cv}}^2(\mathrm{cc}+1)r^2}}+\mathrm{ax}0+\mathrm{as}1r^2+\mathrm{as}2r^4+{\mathrm{as}3r}^6+{\mathrm{as}5r}^{10}+\mathrm{as}6r^{12}+..$

其中z为非球面上的某一点到非球面顶点的Z轴坐标，cv为曲率半径(radius ofcurvature)，cc为圆锥系数(conic coefficient)，(asn)则为不同级数半径的对应非球面系数(n为0和正整数)，举例但不限地，as0＝as1＝0.0；as2＝9.6037*10^1；as3＝-4.1955*10^3；as4＝-2.5357*10^4；as5＝-7.2472*10^1；as6＝-3.0699。本实用新型的透镜元件的有效聚焦长度以小于1.2毫米为佳，可以小于1.0毫米。另外，透镜元件可以以聚丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate)，PMMA)的材料制作，或是以其它适当的透明材料制成，例如聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、环烯烃聚合物(Cyclo-olefin Polymer，COP树脂)等等。

另外，于第一实施例中，透镜元件的第二表面143用以将准直化后的不可见激光光点转变成一线状激光后输出至结构光产生装置1外，例如以柱状镜阵列结构作为透镜元件的第二表面143，于垂直光轴的X方向上呈现-64度的曲率。再者，整个透镜元件的厚度较佳地不大于1.2毫米，如此可将壳体12的厚度(Z轴或光轴方向)控制于不大于4毫米以达到薄型化要求。

图2为另一结构光产生装置的组件侧剖面示意图。请参考图2，结构光产生装置2的透镜单元24包括透镜元件16和一防尘玻璃片18，其中透镜元件16相当于第一实施例中的透镜单元14，即在第一实施例中增加设置防尘玻璃片18于壳体12中。防尘玻璃片18的设置是由于一般市售的激光二极管模块会配置防尘玻璃片18于壳体上以避免外界的灰尘等异物进入激光二极管模块中，如此的防尘玻璃片18一般是以BK7的材料制作，厚度约0.25毫米，设置于距离激光二极管10约0.5毫米处，但本实用新型不限于此，防尘玻璃片18的材料亦可同于透镜元件16。其次，防尘玻璃片18设置于激光二极管10和透镜元件16之间，相当于在原来的第一光程长度中设置防尘玻璃片18。在结构光产生装置2中，如此的透镜单元24为激光二极管10发出的不可见激光光点构成一第二光程长度，由于防尘玻璃片18的折射率不同于一般空气，故第二光程长度不同于第一光程长度。与成像光学装置不同，虽然由于防尘玻璃片等不同的介质介入构成不同的光程长度，但本实用新型的透镜元件可适用于两种不同的光程长度，将不可见激光光点转换成线状激光以构成结构光，达到将不可见激光塑形的目的即可，与成像的目的是无关的。一般而言，光程长度为工作距离与介质折射率的乘积的加总，应用于本实用新型的适用两种或两种以上不同光程长度的各工作距离之间的差距，以小于1毫米为佳。

图3为本实用新型结构光产生装置第三实施例的组件侧剖面示意图。请参考图3，与第一实施例(图1)不同之处在于，结构光产生装置3的透镜单元34为一透镜元件，其朝向激光二极管10的第一表面341为具有绕射功能的一平面，第二表面343则与第一实施例中的第二表面143相同地为一柱状镜阵列表面。上述的透镜单元34亦于结构光产生装置3中构成一第一光程长度。于此第三实施例中，具有绕射功能的第一表面341可以以下列的相分布(phase distribution)的式子表示：

$\mathrm{\φ}\left(r\right)=\mathrm{dor}\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}(\mathrm{df}0+{\mathrm{df}1r}^2+{\mathrm{df}2r}^4+{\mathrm{df}3r}^6+{\mathrm{df}4r}^8+...)$

其中r²＝x²+y²

φ(r)为相分布，r为任一点和第一表面341的中心的距离，x、y为垂直光轴(Z轴)的两对应坐标。对应的系数，较佳地为dor＝1；df0＝0.0；df1＝-6.1691*10^(-1)；df2＝2.8442*10^1；df3＝-4.8405*10^3；df4＝2.800*10^5；df5＝4.6892*10^(-2)；df6＝3.1385*10^(-4)。

图4为本实用新型结构光产生装置第四实施例的组件侧剖面示意图。请参考图4，与第三实施例(图1)不同之处在于，将第二实施例中的防尘玻璃片18放置于激光二极管10和透镜单元44的透镜元件46之间，其中结构光产生装置4的透镜元件46相当于第三实施例中的透镜单元34。依据上述，透镜单元34(透镜元件46)的安排与配置，可以使得结构光产生装置在包括两种不同的光程长度时仍可适用，其当然也涵盖当激光二极管10有多个半导体芯片而形成各个不同的工作距离，只要任两工作距离差异小于1.2毫米皆可。

依据上述，对于整个结构光产生装置而言，选择可同时进行准值化以及塑形光束功能的透镜元件作为透镜单元的基本元件，其可应用于至少两种光程长度的光学系统中，构成光程距离的一或多个工作距离可以相同或不同，只要差异小于1.0毫米，皆可应用于本实用新型的产生红外光的结构光产生装置上，使得本实用新型的结构光产生装置的光学系统具有极大的弹性，方便使用者使用。又，由于本实用新型的结构光产生装置的尺寸非常精巧，适合用于如走向薄型化的手机，如此使手机具有产生结构光的功能，不论是手机的前方或是背面皆可。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的权利要求范围，因此凡其它未脱离本实用新型所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含于本实用新型的范围内。

Claims (7)

1.一种结构光产生装置，其特征在于，包括：

红外激光二极管，其发出一红外激光光点；

透镜单元，其至少包括可将该红外激光光点转换成一线性结构光的一透镜元件，该透镜元件朝向该红外激光二极管的一第一表面将该红外激光光点准直化，相较于该第一表面较远离该红外激光二极管的一第二表面则将输出该线性结构光；以及

壳体，其容置该红外激光二极管和该透镜单元。

2.如权利要求1所述的结构光产生装置，其特征在于，该第一表面是一非球曲面或具有绕射结构的一平面。

3.如权利要求1所述的结构光产生装置，其特征在于，该第二表面包括一柱状镜阵列。

4.如权利要求1、2或3所述的结构光产生装置，其特征在于，该透镜单元还包括设置于该红外激光二极管和该透镜元件之间的一防尘玻璃片。

5.如权利要求4所述的结构光产生装置，其特征在于，该透镜元件的厚度不大于1.2毫米。

6.如权利要求4所述的结构光产生装置，其特征在于，该透镜元件对于该红外激光光点构成一第一光程长度，该透镜元件与该防尘玻璃片对于该红外激光光点构成一第二光程长度，该第一光程长度与该第二光程长度的差异小于1.2毫米。

7.如权利要求1、2或3所述的结构光产生装置，其特征在于，该第一表面的半径大于0.189毫米，且该第一表面有效聚焦长度小于1.2毫米。