TW201706810A - 可提高信噪比以降低能源消耗的光學偵測裝置 - Google Patents

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Abstract

一種藉由提高信噪比而降低能源消耗的光學偵測裝置，裝設於一穿戴式裝置上。該光學偵測裝置包含有一底座、一光偵測元件以及一發光模組。該光偵測元件設置在該底座，該光偵測元件具有一偵測面法向量。該發光模組設置在該底座。該發光模組輸出一取樣訊號以照射一外部物件，使該光偵測元件接收從該外部物件反射的該取樣訊號。該發光模組與該光偵測元件相向傾斜以讓該取樣訊號在空間中光強分佈的一光軸和該偵測面法向量相交，並形成一偏移夾角。

Description

可提高信噪比以降低能源消耗的光學偵測裝置
本發明係提供一種光學偵測裝置，尤指一種使取樣訊號光軸相交於偵測面法向量以提高信噪比的光學偵測裝置。
請參閱第8圖，第8圖為先前技術之光學偵測裝置80之示意圖。光學偵測裝置80包含底座82、光偵測元件84以及發光單元86。光偵測元件84與發光單元86都設置在底座82的同一平面上，所以光偵測元件84的偵測面法向量和發光單元86的取樣光軸都平行於底座82的平面法向量。因為發光單元86的取樣光軸沒有指向底座82的觸控平面821，所以發光單元86輸出的取樣光訊號雖投射到外部物件(例如操作者手指)，但其反射光訊號無法全部為光偵測元件84所接收，意即取樣光訊號的光通量(flux)可能只有60-70%經由外部物件之反射傳遞到光偵測元件84，造成信噪比降低及能源的大幅浪費。因此，如何改善光學偵測裝置中光偵測元件對於取樣訊號之接收效能，便為相關產業的重點發展課題。
本發明係提供一種使取樣訊號光軸相交於偵測面法向量以提高信噪比的光學偵測裝置，以解決上述之問題。
本發明之申請專利範圍係揭露一種藉由提高信噪比而降低能源消耗的光學偵測裝置，裝設於一穿戴式裝置上。該光學偵測裝置包含有一底座、一光偵測元件以及一發光模組。該光偵測元件設置在該底座，該光偵測元件具有一偵測面法向量。該發光模組設置在該底座。該發光模組輸出一取樣訊號以照射一外部物件，使該光偵測元件接收從該外部物件反射的該取樣訊號。該發光模組與該光偵測元件相向傾斜以讓該取樣訊號在空間中光強分佈的一光軸和該偵測面法向量相交，並形成一偏移夾角。該底座具有一觸控平面，該外部物件置於該觸控平面以反射該取樣訊號，該光軸不平行於該底座之一觸控面法向量、且指向該觸控平面之中心區。其中該光軸相較於該偵測面法向量的偏移夾角實質介於5~40度之間。
本發明之申請專利範圍另揭露該發光模組包含一發光單元以及一光調變元件，該光調變元件設置於該發光單元上，用來偏折該發光單元之出光方向以傾向該光偵測元件。該發光單元經該光調變元件收窄後的該發光角度實質介於20~90度之間。
本發明之申請專利範圍另揭露該光調變元件為一導光件、或由複數個微稜鏡單元組成。
本發明之申請專利範圍另揭露該光調變元件為一對稱式光學透鏡，該發光單元設置在該對稱式光學透鏡的部分區域下，以收窄該發光單元之發光角度。該對稱式光學透鏡以一中心軸分成尺寸實質對稱的兩區域，該發光單元設置在該兩區域中鄰近該光偵測元件的一區域下。
本發明之申請專利範圍另揭露該光調變元件為一非對稱光學透鏡，設置在該發光單元上以收窄該發光單元之發光角度。該非對稱光學透鏡具有兩兩相連的一側面、一入射面以及一出射面，該側面上係設置一反射層。
本發明之申請專利範圍另揭露該發光模組包含一發光單元以及一支撐件，該發光單元設置在該支撐件上，該支撐件之一支撐面法向量相交於該偵測面法向量。該發光模組另包含一光調變元件，設置於該發光單元上，用來偏折該發光單元之出光方向。
本發明之申請專利範圍另揭露該光學偵測裝置另包含一承載件，斜向地承載該光偵測元件，使該偵測面法向量相交於該發光模組之該光軸。
本發明之申請專利範圍另揭露該光學偵測裝置更包含至少一個發光模組，該等發光模組分別設置在該光偵測元件之相對側邊，且該等發光模組的光軸係相向傾斜。
本發明之光學偵測裝置讓發光模組輸出的取樣訊號集中投射到觸控平面之中心區，除了可降低取樣訊號亮度以節省能源使用，另能避免部分取樣訊號因照射到觸控平面以外區域而造成能源浪費，在提高光學偵測裝置之信噪比亦具有優異表現。
請參閱第1圖與第2圖，第1圖為本發明第一實施例之光學偵測裝置10之示意圖，第2圖為本發明第二實施例之光學偵測裝置10之示意圖。光學偵測裝置10係裝設在諸如智慧型手錶、智慧型手環等穿戴式裝置上，用來偵測穿戴者的生理特徵資訊(例如心跳率)，具有高信噪比及低能源消耗之特點。光學偵測裝置10包含底座12、光偵測元件14以及發光模組16。底座12通常為穿戴式裝置的部分殼體，然不限於此。光偵測元件14為可見光或不可見光訊號的訊號接收器，設置在底座12上。一般情況下，底座12係以平整面承載光偵測元件14。光偵測元件14由多個感測單元排成陣列而形成一偵測面，光偵測元件14具有偵測面法向量N1，且偵測面法向量N1實質平行於底座12之平面法向量。
發光模組16之數量可為一個或多個。單個發光模組16設置在底座12上之光偵測元件14的一側、或多個發光模組16對稱分設在光偵測元件14之相對側邊，視不同實施例的設計需求而定。外部物件18(例如穿戴者手指)置放於底座12之觸控平面121時，發光模組16輸出的取樣訊號(可見光或不可見光)會投射到外部物件18上；接著，光偵測元件14取得從外部物件18反射的取樣訊號，依該反射取樣訊號的光學特性變化得知穿戴者的生理特徵資訊。
第一實施例中，光學偵測裝置10只設置一個發光模組16在底座12上。發光模組16包含發光單元20以及光調變元件22A。發光單元20通常是發光二極體，初始發光角度(意即光線散射範圍)約為120度。光調變元件22A是任意形狀的對稱式光學透鏡，光調變元件22A(對稱式光學透鏡)以中心軸S區分成尺寸實質對稱的兩區域A1、A2，光調變元件22A(對稱式光學透鏡)設置在發光單元20上方，且發光單元20係位於光調變元件22A(對稱式光學透鏡)之鄰近光偵測元件14的區域A1下。如第1圖所示，光調變元件22A(對稱式光學透鏡)除了將發光單元20之發光角度收斂在20~90度之間，還會將發光單元20的取樣訊號從出光方向D1偏折為光軸N2，以傾向光偵測元件14。如此一來，發光模組16在空間中光強分佈的光軸N2便會和偵測面法向量N1相交，形成偏移夾角。其中光軸N2相較偵測面法向量N1(或相較出光方向D1)的偏移夾角實質介於5~40度之間。
特別一提的是，出光方向D1係定義為發光單元20的機械軸(Geometric Axis)，表示發光單元20在外型上尺寸對稱的中心軸；在發光單元20與光偵測元件14設置於底座12上同一平整面的前提下，出光方向D1實質平行偵測面法向量N1。發光單元20經光調變元件22A調變後，其發光角度會從原先的120度範圍收窄成20~90度之間，而光軸(Optical Axis)N2即表示調變後光強分佈(20~90度之發光角度)的對稱軸。光調變元件22A可偏折發光單元20的取樣訊號，使發光模組16的光軸N2指向觸控平面121的中心區，意即光軸N2不平行於偵測面法向量N1及觸控平面121之觸控面法向量。
與第一實施例不同，第二實施例的光學偵測裝置10包含兩個發光模組16，分別設置在光偵測元件14的相對側邊。該些發光模組16都具有發光單元20及光調變元件22A，且光調變元件22A係如第一實施例所述態樣錯位設置於發光單元20上方，因此兩個發光模組16的光軸N2會面對面地相向傾斜，同樣指向觸控平面121的中心區、相交於光偵測元件14的偵測面法向量N1。第一實施例與第二實施例的發光模組16利用光調變元件22A(對稱式光學透鏡)收斂及偏折發光單元20之發光角度與出光方向，將發光單元20的取樣訊號集中投射到外部物件18上接近光偵測元件14的區域，例如觸控平面121的中心區，使用低亮度取樣訊號仍可維持良好的取樣訊號品質，可以有效減少能源消耗量。
請參閱第3圖，第3圖為本發明第三實施例之光學偵測裝置10之示意圖。光學偵測裝置10包含底座12、光偵測元件14與發光模組16。第三實施例的特點在於發光模組16的光調變元件22B可為任意形狀的非對稱光學透鏡。舉例來說，將前述實施例之光調變元件22A(對稱式光學透鏡)的區域A2裁切掉，即可形成本實施例的非對稱光學透鏡，然不限於此。如第3圖所示，光調變元件22B(非對稱光學透鏡)具有兩兩相連的側面221、入射面222、出射面223。光調變元件22B(非對稱光學透鏡)的入射面222對齊且設置在發光單元20上。發光單元20輸出的取樣訊號經由入射面222沿出光方向D1進入光調變元件22B(非對稱光學透鏡)，從出射面223透出光調變元件22B(非對稱光學透鏡)而偏折為光軸N2。光調變元件22B為非對稱凸透鏡時可收窄發光單元20的發光角度。除此之外，側面221選擇性塗佈反射層24，用來避免取樣訊號經由側面221透出光調變元件22B(非對稱光學透鏡)，可顯著提升發光模組16之取樣訊號的輸出光量。
其中，第三實施例之發光模組16的數量不限於第3圖所示，例如：光學偵測裝置10可包含兩個發光模組16，該些發光模組16可具有對稱式光學透鏡或非對稱光學透鏡的光調變元件22，分別設置在光偵測元件14的相對側邊。
請參閱第4圖與第5圖，第4圖為本發明第四實施例之光學偵測裝置10之示意圖，第5圖為本發明第五實施例之光學偵測裝置10之示意圖。第四實施例的發光模組16主要由發光單元20及光調變元件22C組成。光調變元件22C可為導光件，發光單元20輸出的取樣訊號沿著出光方向D1進入光調變元件22C(導光件)，再經由光調變元件22C的導光作用沿著光軸N2投射到外部物件18，使光軸N2傾向偵測面法向量N1而形成偏移夾角。另外，第五實施例的發光模組16包含發光單元20與光調變元件22D，光調變元件22D在其出射面係設置複數個微稜鏡單元26。微稜鏡單元26可以將發光單元20的取樣訊號從出光方向D1偏折為光軸N2的方向，讓發光模組16輸出的偵測光強對稱軸(意即光軸N2)和偵測面法向量N1相交以形成偏移夾角。
在第四實施例及第五實施例中，光調變元件22(包含光調變元件22C與光調變元件22D)除了將取樣訊號從出光方向D1偏折為光軸N2外，光調變元件22本身的結構寬窄變化另能控制取樣訊號進入光調變元件22的進光量及出光幅度，用以收窄發光單元20的發光角度。雖然第四實施例與第五實施例只在光學偵測裝置10內設置單個發光模組16，然實際應用態樣不限於此，例如可在光偵測元件14的相對側邊分別設置多個發光模組16，端視設計需求而定。只要該些發光模組16的光軸N2都傾向光偵測元件14、或指向觸控平面121的中心區，即符合本發明之設計範疇。
請參閱第6圖，第6圖為本發明第六實施例之光學偵測裝置10之示意圖。第六實施例的發光模組16至少包含發光單元20以及支撐件28。支撐件28具有傾斜的支撐面281，且支撐面法向量N3相交於偵測面法向量N1。發光單元20設置在支撐件28之支撐面281，可讓發光單元20的出光方向D1與光軸N2皆傾向光偵測元件14而相交於偵測面法向量N1形成偏移夾角。第六實施例另可選擇性設置光調變元件22於發光單元20上方，用來收窄發光單元20的發光角度、並可進一步偏折發光單元20的出光方向D1。發光模組16之數量亦不限於第6圖所示實施態樣，例如發光模組16可將多個發光模組16分設在光偵測元件14的相對側邊，只要該些發光模組16的光軸N2通過支撐件28傾向光偵測元件14，就符合本發明之設計需求。
請參閱第7圖，第7圖為本發明第七實施例之光學偵測裝置10之示意圖。第七實施例的光學偵測裝置10包含底座12、光偵測元件14、發光模組16以及承載件30。發光模組16設置在光偵測元件14的側邊，發光模組16的光調變元件22可任意選擇為前述各實施例所提出的對稱式光學透鏡、非對稱光學透鏡、導光件或微稜鏡結構；或者發光模組16只有發光單元20而不設置光調變元件22和/或支撐件28。本實施例的光偵測元件14係經由承載件30設置在底座12上。承載件30是一個斜面結構，斜向地承載光偵測元件14，使得光偵測元件14的偵測面法向量N1可傾向發光模組16的一側，讓偵測面法向量N1相交於發光模組16的光軸N2而形成偏移夾角。
綜上所述，為了提高光學偵測裝置的信噪比以降低能源消耗，本發明選擇在發光單元的上方設置光調變元件、或在發光單元的下方設置支撐件、或在光偵測元件的下方設置承載件。光調變元件會收窄發光單元之發光角度，提高發光模組照射到外部物件的取樣訊號亮度；還會引導取樣訊號轉向，從自發光單元出射之出光方向偏折為傾向光偵測元件的光軸。光軸相交於偵測面法向量，意即取樣訊號集中投射到觸控平面之中心區，可在低亮度情況下維持良好的取樣訊號品質，光學偵測裝置自可相應減少能源消耗量。支撐件和承載件的功能也是用來將發光模組的光軸轉向，並可選擇性搭配光調變元件，達到更佳的光軸偏折效果。
相較於先前技術，本發明之光學偵測裝置讓發光模組輸出的取樣訊號集中投射到觸控平面之中心區，除了可降低取樣訊號亮度以節省能源使用，另能避免部分取樣訊號因照射到觸控平面以外區域而造成能源浪費，在提高光學偵測裝置之信噪比亦具有優異表現。   以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10‧‧‧光學偵測裝置
12‧‧‧底座
121‧‧‧觸控平面
14‧‧‧光偵測元件
16‧‧‧發光模組
18‧‧‧外部物件
20‧‧‧發光單元
22、22A、22B、22C、22D‧‧‧光調變元件
221‧‧‧側面
222‧‧‧入射面
223‧‧‧出射面
24‧‧‧反射層
26‧‧‧微稜鏡單元
28‧‧‧支撐件
281‧‧‧支撐面
30‧‧‧承載件
80‧‧‧光學偵測裝置
82‧‧‧底座
821‧‧‧觸控平面
84‧‧‧光偵測元件
86‧‧‧發光單元
A1、A2‧‧‧區域
D1‧‧‧出光方向
N1‧‧‧偵測面法向量
N2‧‧‧光軸
N3‧‧‧支撐面法向量
第1圖為本發明第一實施例之光學偵測裝置之示意圖。 第2圖為本發明第二實施例之光學偵測裝置之示意圖。 第3圖為本發明第三實施例之光學偵測裝置之示意圖。 第4圖為本發明第四實施例之光學偵測裝置之示意圖。 第5圖為本發明第五實施例之光學偵測裝置之示意圖。 第6圖為本發明第六實施例之光學偵測裝置之示意圖。 第7圖為本發明第七實施例之光學偵測裝置之示意圖。 第8圖為先前技術之光學偵測裝置之示意圖。
10‧‧‧光學偵測裝置
12‧‧‧底座
121‧‧‧觸控平面
14‧‧‧光偵測元件
16‧‧‧發光模組
18‧‧‧外部物件
20‧‧‧發光單元
22、22A‧‧‧光調變元件
A1、A2‧‧‧區域
D1‧‧‧出光方向
N1‧‧‧偵測面法向量
N2‧‧‧光軸

Claims (15)

  1. 一種藉由提高信噪比而降低能源消耗的光學偵測裝置，裝設於一穿戴式裝置上，該光學偵測裝置包含有： 一底座； 一光偵測元件，設置在該底座，該光偵測元件具有一偵測面法向量；以及 一發光模組，設置在該底座，該發光模組輸出一取樣訊號以照射一外部物件，使該光偵測元件接收從該外部物件反射的該取樣訊號，該發光模組與該光偵測元件相向傾斜以讓該取樣訊號在空間中光強分佈的一光軸和該偵測面法向量相交，並形成一偏移夾角。
  2. 如請求項1所述之光學偵測裝置，其中該光軸相較於該偵測面法向量的偏移夾角實質介於5~40度之間。
  3. 如請求項1所述之光學偵測裝置，其中該發光模組包含一發光單元以及一光調變元件，該光調變元件設置於該發光單元上，用來偏折該發光單元之出光方向以傾向該光偵測元件。
  4. 如請求項3所述之光學偵測裝置，其中該光調變元件為一導光件。
  5. 如請求項3所述之光學偵測裝置，其中該光調變元件由複數個微稜鏡單元組成。
  6. 如請求項3所述之光學偵測裝置，其中該光調變元件為一對稱式光學透鏡，該發光單元設置在該對稱式光學透鏡的部分區域下，以收窄該發光單元之發光角度。
  7. 如請求項6所述之光學偵測裝置，其中該對稱式光學透鏡以一中心軸分成尺寸實質對稱的兩區域，該發光單元設置在該兩區域中鄰近該光偵測元件的一區域下。
  8. 如請求項3所述之光學偵測裝置，其中該光調變元件為一非對稱光學透鏡，設置在該發光單元上以收窄該發光單元之發光角度。
  9. 如請求項8所述之光學偵測裝置，其中該非對稱光學透鏡具有兩兩相連的一側面、一入射面以及一出射面，該側面上係設置一反射層。
  10. 如請求項6或8所述之光學偵測裝置，其中該發光單元經該光調變元件收窄後的該發光角度實質介於20~90度之間。
  11. 如請求項1所述之光學偵測裝置，其中該發光模組包含一發光單元以及一支撐件，該發光單元設置在該支撐件上，該支撐件之一支撐面法向量相交於該偵測面法向量。
  12. 如請求項11所述之光學偵測裝置，其中該發光模組另包含一光調變元件，設置於該發光單元上，用來偏折該發光單元之出光方向。
  13. 如請求項1所述之光學偵測裝置，其另包含： 一承載件，斜向地承載該光偵測元件，使該偵測面法向量相交於該發光模組之該光軸。
  14. 如請求項1所述之光學偵測裝置，其中該底座具有一觸控平面，該外部物件置於該觸控平面以反射該取樣訊號，該光軸不平行於該底座之一觸控面法向量、且指向該觸控平面之中心區。
  15. 如請求項1所述之光學偵測裝置，其中該光學偵測裝置更包含至少一個發光模組，該等發光模組分別設置在該光偵測元件之相對側邊，且該等發光模組的光軸係相向傾斜。
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