TWI390751B - 具有一體成型光學元件之光學指向裝置與相關電子裝置 - Google Patents

Description

具有一體成型光學元件之光學指向裝置與相關電子裝置

本發明係提供一種光學指向裝置及其相關電子裝置，尤指一種具有一體成型光學元件之光學指向裝置及其相關電子裝置。

一般來說，指向裝置係被廣泛地應用於輸入板、軌跡球、滑鼠、光線槍，以及遊戲搖桿等人機介面裝置。舉例來說，目前電視遊戲或電腦遊戲已是常見的休閒娛樂方式，而為了提供玩家更活潑有趣及更具臨場感的遊戲體驗，遊戲主機一般都搭配有互動式的控制裝置，例如光線槍等指向裝置或遊戲搖桿等動作感應裝置，使得遊戲主機可根據指向裝置所指的位置或是動作感應裝置的動作，進行相對應的反應。光學式指向裝置之作用原理係為利用一光源投射光線至光管或稜鏡等光學元件，以將該光線由內部導向至包覆於該光源與該光學元件之外之一外殼，此時若使用者之手指於該外殼上滑移時，手指會將穿透出該外殼之光線反射回該外殼內部，且再透過內部其他光學元件將該光線導向至一光學感測器，運用該光學感測器追蹤不同位置所反射回去之光線，電連接於該光學感測器之內部處理器會分析收到的影像，依照影像的變化來計算出手指的移動位置和移動方向。

然而，習知光學指向裝置之結構為具有多件式之光學元件，如分離之光管、稜鏡元件、透鏡元件等，以達到導光之目的，故使得結構複雜化且增加組裝公差與製造成本；再者，光學元件與外部覆蓋之外殼間需要額外增設結構固定件來達到固定光學元件與光源於外殼內部之目的，此亦會造成結構複雜化；另外，習知光學指向裝置之外殼上通常會嵌合一由紅外線可穿透性材質所組成之結構物，以使該光源所發出之光線(如紅外線)可有效地穿透該外殼，此亦使得結構複雜化且會增加組裝公差與製造成本。故如何設計出一結構簡易化且可降低組裝公差與製造成本之光學指向裝置，便為現今光學指向裝置機構設計所需努力之課題。

本發明係提供一種具有一體成型光學元件之光學指向裝置及其相關電子裝置，以解決上述之問題。

本發明之申請專利範圍係揭露一種具有一體成型光學元件之光學指向裝置，其包含有一外罩，其具有一透光部分用以提供光線射出與進入；以及一感測元件，其係安裝於該外罩內部，該感測元件包含有一出光模組，其係用來發出光線；以及一感光模組，其係用來感測從該透光部分進入之光線，藉以產生一相對應感測訊號。該光學指向裝置另包含一導光元件，其係安裝於該外罩以及該感測元件之間，該導光元件包含有一反射部分，其係用來將該出光模組所發出之光線導出至該透光部分；以及一聚焦部分，其係用來將由該透光部分所進入之光線聚焦至該感光模組，該聚焦部分與該反射部分係為一體成型。其中該出光模組所發出之光線係經由該反射部分反射至該外罩之該透光部分，再經該外罩上一遮蔽物反射傳回該透光部分以及該聚焦部分，該聚焦部分係用來將由該透光部分所進入之光線聚焦至該感光模組。

本發明之申請專利範圍係另揭露一種電子裝置，其包含有一光學指向裝置，其包含有一外罩，其具有一透光部分用以提供光線射出與進入；以及一感測元件，其係安裝於該外罩內部，該感測元件包含有一出光模組，其係用來發出光線；以及一感光模組，其係用來感測從該透光部分進入之光線，藉以產生一相對應感測訊號。該光學指向裝置另包含有一導光元件，其係安裝於該外罩以及該感測元件之間，該導光元件包含有一反射部分，其係用來將該出光模組所發出之光線導出至該透光部分；以及一聚焦部分，其係用來將由該透光部分所進入之光線聚焦至該感光模組，該聚焦部分與該反射部分係為一體成型。該電子裝置另包含有一控制單元，其係電連接於該感光模組，該控制單元係用來依據該感光模組所傳來之該感測訊號控制該電子裝置執行相對應之操作。其中該出光模組所發出之光線係經由該反射部分反射至該外罩之該透光部分，再經該外罩上一遮蔽物反射傳回該透光部分以及該聚焦部分，該聚焦部分係用來將由該透光部分所進入之光線聚焦至該感光模組。

請參閱第1圖，第1圖為本發明較佳實施例一電子裝置50之功能方塊示意圖，電子裝置50包含有一光學指向裝置52，其係可為一光學搖桿裝置(optical joystick)或一光學觸控裝置等。光學指向裝置52包含有一感測元件53與一導光元件56，而感測元件53包含有一出光模組54與一感光模組58。出光模組54係用來發出光線，如雷射光、或紅外光等，導光元件56係用來調變出光模組54所發出之光線，以將光線投射出光學指向裝置52之外，且將由光學指向裝置52外部反射回來之光線導向至感光模組58，而感光模組58係用來感測由導光元件56所傳來之光線，藉以產生相對應之感測訊號，感光模組58係可為一感測晶片。電子裝置50另包含有一控制單元60，其係電連接於感光模組58，控制單元60係用來依據感光模組58所傳來之感測訊號控制電子裝置50執行相對應之操作，控制單元60係可以硬體、軟體，或韌體之方式呈現。舉例來說，運用感光模組58追蹤不同位置所反射回去之光線，此時電連接於感光模組58之內部控制單元60會分析收到的影像，依照影像的變化來計算出遮蔽光學指向裝置52之遮蔽物(如手指)的移動位置和移動方向。

請參閱第2圖，第2圖為本發明較佳實施例光學指向裝置52之內部結構示意圖，光學指向裝置52另包含有一外罩62，其係用來包覆與定位出光模組54、導光元件56，以及感光模組58等元件，外罩62具有一透光部分621，用以提供光線射出與進入，透光部分621係可由具光穿透性之材質所組成，例如為具紅外線可穿透性之材質所組成，或可由經染色加工之塑膠材質所組成，如於塑膠材質中加入染色粉等。出光模組54係可為一發光晶片，感測元件53另包含有一載板55，其係用來承載出光模組54以及感光模組58。其中出光模組54係可為一光電半導體晶片，如一雷射二極體(Laser Diode)或一發光二極體(Light Emitting Diode)等，且出光模組54係可以不同封裝方式安裝於載板55上，例如出光模組54係可為一塑膠引線晶片載具(Plastic Leaded Chip Carrier,PLCC)封裝發光晶片或為一表面黏著型(Surface Mounting Device,SMD)發光晶片等。請參閱第3圖與第4圖，第3圖與第4圖分別為本發明不同實施例感測元件534之結構示意圖，如第3圖所示，感測元件534之封裝方式可為將出光模組54與感光模組58分別安裝於載板55之上，再將一封裝膠體57封裝包覆出光模組54與感光模組58，封裝膠體57係可為環氧樹脂或矽膠等材質所組成，並可內含螢光材料、散光材料，或顏料等，封裝膠體57係用來保護出光模組54與感光模組58。或是如第4圖所示，出光模組54與感光模組58之外部可設置一蓋體59，其係分隔出光模組54與感光模組58且分別包覆出光模組54與感光模組58，藉以用來保護出光模組54與感光模組58。

導光元件56係安裝於外罩62內，且導光元件56包含有一反射部分561、一聚焦部分562、一折射部分563，以及一固定結構564。反射部分561係可為一稜鏡結構，反射部分561與外罩62間係形成有一中空容室；聚焦部分562係可為一透鏡結構，且其相對於外罩62之透光部分621以及感光模組58之兩端面係分別為一凸面，外罩62相對於聚焦部分562之端面係為一凹面，且聚焦部分562與外罩62以及感測元件53間係分別形成有一中空容室；折射部分563係可為一透鏡結構，其相對於出光模組54之端面係為一凸面，且折射部分563與感測元件53間係形成有一中空容室。反射部分561係設置於出光模組54之一側，反射部分561係用來將出光模組54所發出之光線反射至外罩62；折射部分563係設置於出光模組54與反射部分561間之光路徑上，折射部分563係用來折射出光模組54所發出之光線至反射部分561，其中反射部分561之一反射面5611與折射部分563間係形成有一小於九十度之夾角；聚焦部分562係設置於外罩62與感光模組58間之光路徑上，且聚焦部分562係用來匯聚由外罩62傳來之光線藉以將光線匯聚於感光模組58；固定結構564係設置於反射部分561、聚焦部分562，與折射部分563之外側，且固定結構564係用來與外罩62以及載板55結合，藉以將導光元件56與感測元件53固定於外罩62內。

本發明之持有技術特徵在於反射部分561、聚焦部分562、折射部分563，以及固定結構564彼此間係以一體成型之方式結合，意即反射部分561、聚焦部分562、折射部分563，以及固定結構564係可被整合為以單一結構物形式呈現之光學元件。於此對導光元件56之作用原理作一詳細描述，首先出光模組54會發射出光線至折射部分563，折射部分563會折射出光模組54所發出之光線至反射部分561，而反射部分561會將折射部分563折射傳來之光線反射至外罩62之透光部分621，由於外罩62之透光部分621係由具光穿透性之材質所組成，故經由反射部分561反射至外罩62之透光部分621之光線會穿透出外罩62，此時若外罩62上有一遮蔽物64(如使用者之手指)於外罩62上滑移，則由反射部分561反射至外罩62之透光部分621且穿透出外罩62之光線會受到遮蔽物64阻擋，且會被遮蔽物64反射回外罩62之內部。之後設置於外罩62之透光部分621與感光模組58間光路徑上之聚焦部分562會匯聚經外罩62上之遮蔽物64反射傳來之光線，藉以將光線匯聚於感光模組58。而感光模組58可感測由聚焦部分562所匯聚傳來之光線，藉以產生相對應之感測訊號，而控制單元60係用來依據感光模組58所傳來之感測訊號控制電子裝置50執行相對應之操作，舉例來說，感光模組58可追蹤不同位置所反射回去之光線，此時電連接於感光模組58之內部控制單元60會分析收到的影像，依照影像的變化來計算出遮蔽光學指向裝置52之遮蔽物64(如手指)的移動位置和移動方向，進而控制電子裝置50執行相對應之操作。

綜上所述，本發明之反射部分561、聚焦部分562、折射部分563，以及固定結構564彼此間係以一體成型之方式結合，也就是說反射部分561、聚焦部分562、折射部分563，以及固定結構564係可被整合為以單一結構物形式呈現之光學元件，如此一來可有效地簡化內部光學結構且減少光學元件零組件數，進而降低組裝公差與製造成本；再者，用來固定導光元件56與感測元件53於外罩62內之固定結構564係以一體成型之方式結合於導光元件56，意即導光元件56可包含用來與外罩62結合之固定結構564，如此一來便無須額外增設結構固定件來達到固定導光元件56與感測元件53於外罩62內部之目的，故可有效地使結構簡易化；另外，本發明之外罩62之部分或整體係可由具光穿透性之材質所組成，而無須額外嵌合一由具光穿透性之材質所組成之結構物，此亦可使得結構簡易化且會降低組裝公差與製造成本。本發明導光元件56所包含之光學元件可不侷限於上述結構體，例如可選擇性地減少其中之光學結構或額外增設其他光學結構，只要是將各光學結構以一體成型之方式整合為單一光學元件之發明概念皆屬於本發明所保護之範疇。

相較於先前技術，本發明光學指向裝置之各光學結構與固定結構彼此間係以一體成型之方式相結合，如此一來便可達到結構簡易化以及可降低組裝公差與製造成本之目的。

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，皆應屬本發明專利之涵蓋範圍。

50．．．電子裝置

52．．．光學指向裝置

53．．．感測元件

54．．．出光模組

55．．．載板

56．．．導光元件

561．．．反射部分

5611．．．反射面

562．．．聚焦部分

563．．．折射部分

564．．．固定結構

57．．．封裝膠體

58．．．感光模組

59．．．蓋體

60．．．控制單元

62．．．外罩

621．．．透光部分

64．．．遮蔽物

第1圖為本發明較佳實施例電子裝置之功能方塊示意圖。

第2圖為本發明較佳實施例光學指向裝置之內部結構示意圖。

第3圖與第4圖分別為本發明不同實施例出光元件之結構示意圖。

52．．．光學指向裝置

53．．．感測元件

54．．．出光模組

55．．．載板

56．．．導光元件

561．．．反射部分

5611．．．反射面

562．．．聚焦部分

563．．．折射部分

564．．．固定結構

58．．．感光模組

62．．．外罩

621．．．透光部分

64．．．遮蔽物

Claims (23)

1. 一種具有一體成型光學元件之光學指向裝置，其包含有：一外罩，其具有一透光部分用以提供光線射出與進入；一感測元件，其係安裝於該外罩內部，該感測元件包含有：一出光模組，其係用來發出光線；以及一感光模組，其係用來感測從該透光部分進入之光線，藉以產生一相對應感測訊號；以及一導光元件，其係安裝於該外罩以及該感測元件之間，該導光元件包含有：一反射部分，其係用來將該出光模組所發出之光線導出至該透光部分；以及一聚焦部分，其係用來將由該透光部分所進入之光線聚焦至該感光模組，該聚焦部分與該反射部分係為一體成型，其中該聚焦部分係為一透鏡結構，其相對於該外罩之該透光部分以及該感光模組之兩端面係分別為一凸面，該外罩相對於該聚焦部分之端面係為一凹面，該聚焦部分與該外罩以及該感測元件間係分別形成有一中空容室；其中該出光模組所發出之光線係經由該反射部分反射至該外罩之該透光部分，再經該外罩上一遮蔽物反射 傳回該透光部分以及該聚焦部分，該聚焦部分係用來將由該透光部分所進入之光線聚焦至該感光模組。
2. 如請求項1所述之光學指向裝置，其中該外罩之該透光部分係由具紅外線可穿透性之材質或經染色加工之塑膠材質所組成。
3. 如請求項1所述之光學指向裝置，其中該出光模組係為一發光晶片，且該感測元件另包含一載板，用來承載該發光晶片與該感光模組。
4. 如請求項3所述之光學指向裝置，其中該發光晶片係為一發光二極體(Light Emitting Diode)或一雷射二極體(Laser Diode)。
5. 如請求項3所述之光學指向裝置，其中該發光晶片係為一塑膠引線晶片載具(Plastic Leaded Chip Carrier,PLCC)封裝發光晶片或一表面黏著型(Surface Mounting Device,SMD)發光晶片。
6. 如請求項1所述之光學指向裝置，其中該感測元件另包含有一封裝膠體，其係用來封裝包覆該出光模組與該感 光模組。
7. 如請求項6所述之光學指向裝置，其中該封裝膠體係由環氧樹脂或矽膠物質所組成。
8. 如請求項1所述之光學指向裝置，其中該感測元件另包含有一蓋體，其係用來包覆該出光模組與該感光模組。
9. 如請求項3所述之光學指向裝置，其中該導光元件另包含一固定結構，其係以一體成型之方式連接於該反射部分與該聚焦部分，該固定結構係用來與該外罩以及該載板結合，藉以將該導光元件與該感測元件固定於該外罩內。
10. 如請求項1所述之光學指向裝置，其中該導光元件另包含一折射部分，其係以一體成型之方式連接於該反射部分與該聚焦部分且設置於該出光模組與該反射部分間之光路徑上，該折射部分係用來折射該出光模組所發出之光線至該反射部分，該反射部分之一反射面與該折射部分間係形成有一小於九十度之夾角，該折射部分相對於該出光模組之端面係為一凸面，且該折射部分與該感測元件間係形成有一中空容室。
11. 如請求項1所述之光學指向裝置，其中該反射部分係為一稜鏡結構，且該反射部分與該外罩間係形成有一中空容室。
12. 如請求項1所述之光學指向裝置，其係為一光學搖桿裝置(optical joystick)或一光學觸控裝置。
13. 一種具有光學指向裝置之電子裝置，其包含有：一光學指向裝置，其包含有：一外罩，其具有一透光部分用以提供光線射出與進入；一感測元件，其係安裝於該外罩內部，該感測元件包含有：一出光模組，其係用來發出光線；以及一感光模組，其係用來感測從該透光部分進入之光線，藉以產生一相對應感測訊號；以及一導光元件，其係安裝於該外罩以及該感測元件之間，該導光元件包含有：一反射部分，其係用來將該出光模組所發出之光線導出至該透光部分；以及一聚焦部分，其係用來將由該透光部分所進入之光線聚焦至該感光模組，該聚焦部分與該反射部分係為一體成型，其中該聚焦部分係為 一透鏡結構，其相對於該外罩之該透光部分以及該感光模組之兩端面係分別為一凸面，該外罩相對於該聚焦部分之端面係為一凹面，該聚焦部分與該外罩以及該感測元件間係分別形成有一中空容室；以及一控制單元，其係電連接於該感光模組，該控制單元係用來依據該感光模組所傳來之該感測訊號控制該電子裝置執行相對應之操作；其中該出光模組所發出之光線係經由該反射部分反射至該外罩之該透光部分，再經該外罩上一遮蔽物反射傳回該透光部分以及該聚焦部分，該聚焦部分係用來將由該透光部分所進入之光線聚焦至該感光模組。
14. 如請求項13所述之電子裝置，其中該外罩之該透光部分係由具紅外線可穿透性之材質或經染色加工之塑膠材質所組成。
15. 如請求項13所述之電子裝置，其中該出光模組係為一發光晶片，且該感測元件另包含一載板，用來承載該發光晶片與該感光模組。
16. 如請求項15所述之電子裝置，其中該發光晶片係為一 發光二極體或一雷射二極體。
17. 如請求項15所述之電子裝置，其中該發光晶片係為一塑膠引線晶片載具封裝發光晶片或一表面黏著型發光晶片。
18. 如請求項13所述之電子裝置，其中該感測元件另包含有一封裝膠體，其係用來封裝包覆該出光模組與該感光模組。
19. 如請求項18所述之電子裝置，其中該封裝膠體係由環氧樹脂或矽膠物質所組成。
20. 如請求項13所述之電子裝置，其中該感測元件另包含有一蓋體，其係用來包覆該出光模組與該感光模組。
21. 如請求項15所述之電子裝置，其中該導光元件另包含一固定結構，其係以一體成型之方式連接於該反射部分與該聚焦部分，該固定結構係用來與該外罩以及該載板結合，藉以將該導光元件與該感測元件固定於該外罩內。
22. 如請求項13所述之電子裝置，其中該導光元件另包含 一折射部分，其係以一體成型之方式連接於該反射部分與該聚焦部分且設置於該出光模組與該反射部分間之光路徑上，該折射部分係用來折射該出光模組所發出之光線至該反射部分，該反射部分之一反射面與該折射部分間係形成有一小於九十度之夾角，該折射部分相對於該出光模組之端面係為一凸面，該折射部分與該感測元件間係形成有一中空容室。
23. 如請求項13所述之電子裝置，其中該反射部分係為一稜鏡結構，且該反射部分與該外罩間係形成有一中空容室。