TWI464445B - 薄型化光學系統、光源模組及可攜式電子裝置 - Google Patents

薄型化光學系統、光源模組及可攜式電子裝置 Download PDF

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Wen Yen Su
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Description

薄型化光學系統、光源模組及可攜式電子裝置
本發明係關於一種光學系統，特別是關於一種可控制發光光形及感光視野之薄型化光學系統以及可攜式電子裝置。
隨著智慧型手機產品的多樣化，人性化操作以及節省耗能一直以來為重要的課題。例如，手勢辨識功能可應用於智慧型手機以增加可操作功能以及操作便利性；近接偵測功能亦可應用於智慧型手機以當使用者接聽電話時關閉螢幕以節省耗能。這些功能通常透過設置一光源以及用以感測該光源反射光之一影像感測器來予以實現。
例如第1圖顯示一種習知光學系統，其可用以實現手勢辨識或近接感測的功能。習知光學系統9包含一光源91、一感測器92及一玻璃罩93；該光源91用以照明該玻璃罩93前方的物件以使該物件產生反射光，該感測器92則用以偵測來自該物件的反射光並據以進行手勢偵測或近接偵測。
然而，該光源91所發出的光有一部分可能會於該玻璃罩93內形成全反射，例如光束911，或於該玻璃罩93表面形成直接反射，如光束912，而直接被該感測器92所接收而不會穿透出該玻璃罩93， 因而對該感測器92所輸出的影像造成干擾。因此，習知為了消除雜散光，例如光束911及912的干擾，會於該光源91前方或該感測器92前方設置二次光學透鏡(secondary optics lens)94以調整發光光形及感光視野。然而，二次光學透鏡94具有較大的厚度而不利於薄型化，尤其不適合於目前可攜式電子裝置朝向薄型化發展的趨勢。
有鑑於此，本發明另提出一種薄型化光學系統及可攜式電子裝置，其可隨設計控制發光光形以及感光視野，以符合薄型化及低成本的訴求。
本發明之一目的在提供一種薄型化光學系統及可攜式電子裝置，其利用干涉薄膜具有隨入射光角度不同而產生頻譜偏移(spectrum shift)的物理特性，以達到控制發光光形及感光視野的目的。
本發明另一目的在提供一種光源模組，其透過一干涉薄膜產生一預設光形的照明範圍。
本發明提供一種薄型化光學系統，包含一保護蓋、一光源、一影像感測器以及至少一干涉薄膜。該保護蓋具有一第一面及一第二面。該光源及該影像感測器相對於該保護蓋之該第一面設置。該至少一干涉薄膜設置於該光源與該保護蓋間以使該光源透過該干涉薄膜於該保護蓋之該第二面前方形成一 預設光形及/或設置於該影像感測器與該保護蓋間以使該影像感測器透過該干涉薄膜接收該保護蓋之該第二面前方一預設範圍的光。
本發明另提供一種光源模組，包含一保護蓋、一光源及一干涉薄膜。該保護蓋具有一第一面及一第二面。該光源相對於該保護蓋之該第一面設置。該干涉薄膜設置於該保護蓋與該光源間，以使該光源透過該干涉薄膜於該保護蓋之該第二面前方形成一預設光形。
本發明另提供一種可攜式電子裝置，包含一保護蓋、一光源、一影像感測器、一透鏡及至少一干涉薄膜。該保護蓋具有一第一面及一第二面。該光源相對該保護蓋之該第一面設置，用以照明該第二面側之一物件。該影像感測器相對該保護蓋之該第一面設置，用以接收來自該物件之反射光。該透鏡設置於該影像感測器與該保護蓋間。該至少一干涉薄膜設置於該光源與該保護蓋間及/或設置於該透鏡與該保護蓋間。
一實施例中，該干涉薄膜包含一基板及一鍍膜層(coating layer)；其中，該基板可為一玻璃基板或一塑膠基板。
一實施例中，一第一干涉薄膜設置於該光源與該保護蓋間，其中該第一干涉薄膜包含一第一鍍膜 層位於該第一干涉薄膜面向該保護蓋之一表面。
一實施例中，一第二干涉薄膜設置於該影像感測器與該保護蓋間，其中該第二干涉薄膜包含一第二鍍膜層位於該第二干涉薄膜面向該影像感測器或該透鏡之一表面。
一實施例中，該干涉薄膜可形成一帶通濾光器(band pass filter)或一截止濾光器(cut filter)。
本發明實施例之薄型化光學系統、光源模組及可攜式電子裝置中，由於該干涉薄膜的穿透頻譜(transmittance spectrum)具有隨入射光角度而偏移的物理特性，因而可用以限制固定光源頻譜的穿透角度，藉以阻擋入射角過大的雜散光；其中，所述入射角係指入射至該干涉薄膜的角度。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。於本發明之說明中，相同的構件係以相同的符號表示，於此合先敘明。
請參照第2圖所示，其顯示本發明實施例之薄型化光學系統1之示意圖，包含一保護蓋11、一光源12、一影像感測器13、至少一干涉薄膜(例如此處顯示為14及14' )以及一透鏡15。本發明實施例之薄型化光學系統1例如可為一近接感測裝置 (proximity sensing device)、一手勢辨識裝置(gesture recognition device)或一光學手指滑鼠(optical finger mouse)等，其可適用於一可攜式電子裝置，例如手機、平板電腦、筆記型電腦及數位行動助理等，用以偵測一物件8相對該薄型化光學系統1的動作。此外，該薄型化光學系統1另可適用於其他固定式電子裝置，例如監視系統等，並無特定限制，只要是包含一光源用以照明一物件以及一影像感測器用以接收該物件反射光之電子裝置即可。本發明的主要精神在於利用該干涉薄膜，例如14及14' 的干涉原理控制該光源的一預設發光光形(illumination light shape)以及該影像感測器的一預設感光視野(field of view)。其他實施例中，該薄型化光學系統1可另具有一阻隔件16介於該光源12與該影像感測器13間，用以阻止該光源12所發出的光直接被該影像感測器13所接收；其中，該阻隔件16例如可為不透光元件或內部鏤空的透光元件；根據不同設計，該阻隔件16可不予實施。
下列說明中，係將薄型化光學系統1應用於一可攜式電子裝置為例進行說明，但如前所述該薄型化光學系統1的應用並不限於可攜式電子裝置。
該保護蓋11具有一第一面111(如圖示下表面)及一第二面112(如圖示上表面)。該保護蓋11例如 可為一玻璃蓋體、一塑膠蓋體或其他相對該光源12所發出的光為透明的蓋體(cover)，用以保護設置於該保護蓋11內側(例如該第一面11側)的各元件並防止塵垢進入。該保護蓋11例如可為可攜式電子裝置之一殼體的一部分，但也可與該殼體分別形成。
該光源12較佳為一發光二極體，其相對該保護蓋11之第一面111設置，用以照明該保護蓋11之第二面112側之一物件8，例如手指、人體其他部分或觸控元件等，端視其應用而決定。一種實施例中，該光源12例如發出中心波長大約為850nm或940nm的紅外光，必須說明的是此處所述波長僅為例示性，並非用以限定本發明。其他實施例中，該光源12可發出適當波長的可見光或不可見光，端視其應用而決定。
該影像感測器13例如可為一CCD影像感測器、一CMOS影像感測器或其他用以將光信號轉換為電信號的光電元件，其相對該保護蓋11之第一面111設置，用以接收來自該物件8的反射光。該影像感測器13例如以一取樣頻率擷取反射光並輸出影像圖框至一處理單元(未繪示)以進行後處理。該處理單元根據處理結果控制電子裝置執行的功能已為習知，故於此不再贅述。
該透鏡15可為單一透鏡或一透鏡组(lens set)， 其設置於該影像感測器13與該保護蓋11間用以決定該影像應感測器13之一視野範圍(field of view)。
一第一干涉薄膜14設置於該光源12與該保護蓋11間以使該光源12透過該第一干涉薄膜14於該保護蓋11之第二面112前方形成一預設光形，例如此處顯示一發光角度為2θ1 的照明範圍，其中該第一干涉薄膜14可包含一基板141及一第一鍍膜層142，由於該第一干涉薄膜14具有極小的厚度(例如低於0.4mm)，該第一鍍膜層142較佳位於該第一干涉薄膜14之基板141面向該保護蓋11之一表面，以盡可能增加該發光角度為2θ1 的照明範圍。
一第二干涉薄膜14' 設置於該影像感測器13與該保護蓋11間以使該影像感測器13透過該第二干涉薄膜14' 接收該保護蓋11之第二面112前方一預設範圍的光，例如此處顯示一感光視野為2θ2 的感光範圍，其中該第二干涉薄膜14' 可包含一基板141' 及一第二鍍膜層142' ，由於該第二干涉薄膜14' 具有極小的厚度(例如低於0.4mm)，該第二鍍膜層142' 較佳位於該第二干涉薄膜14' 之基板141' 面向該影像感測器13之一表面，以盡可能增加該感光視野為2θ2 的感光範圍。一實施例中，該第二干涉薄膜14' 較佳設置於該透鏡15與該保護蓋11間，以在光線進入該透鏡15前即限制入射角度，以避免入射角過 大的雜散光到達該透鏡15；此時，該第二鍍膜層142' 則較佳位於該第二干涉薄膜14' 之基板141' 面向該透鏡15之一表面。
本實施例中，可擇一選擇實施該第一干涉薄膜14或該第二干涉薄膜14' ，或兩者均予以實施。該第一干涉薄膜14用以限制該光源12所產生的發光光形，該第二干涉薄膜14' 用以限制該影像感測器13的感光範圍，因具有不同的功效，若同時實施可達到有效避免該影像感測器13接收到雜散光。本實施例中，該基板141、141' 可為一玻璃基板或一塑膠基板，並無特定限制，只要是能透過於該基板的一側表面形成一鍍膜層以製作干涉薄膜的基板即可。
請參照第3A圖所示，其顯示一干涉薄膜之運作示意圖，其中干涉薄膜14、14' 係可設計成一帶通濾光器(band pass filter)。此處假設該光源12所發出光的中心波長為λ11 並具有一波長範圍λb11 ，例如λ11 -5nmλb11 λ11 +5nm，但不以此為限；該干涉薄膜14、14' 的穿透波長範圍例如為λbf 並具有一截止波長λc ，可以了解的是該穿透波長範圍λbf 較佳含蓋該波長範圍λb11 。圖中以實線繪製的穿透波長範圍λbf 假設為光線與該干涉薄膜14、14' 的入射角為零度時的情形(例如θ1 =0或θ2 =0)；當入射角增加時，該穿透波長範圍λbf 則朝向一側偏移，例如向左偏移 為以虛線繪製的部份，當該截止波長λc 因入射角增加偏移超出或即將超出該波長範圍λb11 時，光線則無法穿透該干涉薄膜14、14' ，藉此則可限制入射角於一預設範圍，以達到控制該光源12的發光光形以及該影像感測器13的感光視野的目的。本發明中，該穿透波長範圍λbf 隨入射角偏移的波長偏移率△λ(θ)可於製作該干涉薄膜14、14' 時即予以控制，例如△λ(θ)可為0.5nm/degree~1.5nm/degree，藉此可有效控制發光光形(即入射角θ1 )及感光視野(即入射角θ2 )。一種實施例中，該截止波長λc 例如可為880nm或970nm，但並不以此為限，其實際數值係根據所欲控制的入射角度以及光源的中心波長而決定。
請參照第3B圖所示，其顯示另一干涉薄膜之運作示意圖，其中干涉薄膜14、14' 係可設計成截止波長為λc 的一截止濾光器(cut filter)。如圖所示，於入射角為零度時(例如θ1 =0或θ2 =0)，該干涉薄膜14、14' 的穿透波長範圍係含蓋該光源12的波長範圍λb11 。當入射角增加時，該穿透波長範圍λbf 則同樣會朝向一側偏移△λ(θ)(例如圖中左側)，當該截止波長λc 因入射角增加偏移超出或即將超出該波長範圍λb11 時，光線則無法穿透該干涉薄膜14、14' 。
此外，為避免該第二干涉薄膜14' 的可穿透角度範圍(例如2θ2 )限制該透鏡15的視角範圍，該可穿 透角度範圍較佳係配合該透鏡15的視角範圍，如前所述該可穿透角度範圍可於製作該第二干涉薄膜14' 時予以控制，使超過預設入射角的光線無法穿透該第二干涉薄膜14' 。
另一實施例中，本發明另提供一種光源模組，係利用一干涉薄膜定義出光源之一發光光形。例如第2圖中如果僅考慮光源部份(右半部)，本發明實施例之光源模組包含一保護蓋11、一光源12及一干涉薄膜14。該保護蓋11具有一第一面111及一第二面112；該光源12相對該保護蓋11之第一面111設置；該干涉薄膜14則設置於該保護蓋11與該光源12間，以使該光源12透過該干涉薄膜14於該保護蓋11之第二面112前方形成一預設光形，例如照明範圍2θ1 。利用該干涉薄膜14的頻譜偏移特性(如第3A及3B圖所示)，大於預設入射角的光線則無法穿透該干涉薄膜14，藉以定義該照明範圍2θ1 。
同理，該干涉薄膜14可透過於一基板141(例如玻璃基板或塑膠基板)上形成一鍍膜層142來製作，且該鍍膜層142較佳位於該干涉薄膜14面向該保護蓋11之一表面，以盡可能增加該照明範圍2θ1 。該干涉薄膜14同樣可形成為一帶通濾光器或一截止濾光器，其頻寬及截止波長則可配合該光源12之中心波長及發光頻帶來設計，並無特定限制。
請參照第4圖所示，當本發明實施例之薄型化光學系統1應用於可攜式電子裝置2時，則可於該光源12前方產生於一預設光形(例如照明範圍2θ1 )，並決定該影像感測器13之一感光視野(例如感光範圍2θ2 )，以避免該影像感測器13接收到來自該光源12的雜散光，藉以增加該影像感測器13所擷取影像圖框之影像品質。
綜上所述，習知光學系統因使用二次光學透鏡來調整光形，因而具有難以薄型化的問題。本發明另提出一種薄型化光學系統(第2圖)、光源模組以及可攜式電子裝置(第4圖)，其利用干涉薄膜的頻譜偏移特性達成控制發光光形及感光視野的目的，而干涉薄膜的厚度可低於保護蓋，可符合薄型化及低成本的訴求。
雖然本發明已以前述實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧薄型化光學系統
11‧‧‧保護蓋
111‧‧‧保護蓋之第一面
112‧‧‧保護蓋之第二面
12‧‧‧光源
13‧‧‧影像感測器
14、14' ‧‧‧干涉薄膜
141、141' ‧‧‧干涉薄膜之基板
142、142' ‧‧‧干涉薄膜之鍍膜層
15‧‧‧透鏡
16‧‧‧阻隔件
θ1 、θ2 ‧‧‧入射角
λ11 ‧‧‧光源中心波長
λbf ‧‧‧干涉薄膜波長範圍
λb11 ‧‧‧光源波長範圍
λc ‧‧‧截止波長
△λ(θ)‧‧‧波長偏移率
8‧‧‧物件
9‧‧‧光學系統
91‧‧‧光源
911、912‧‧‧光束
92‧‧‧感測器
93‧‧‧玻璃罩
94‧‧‧二次光學透鏡
第1圖顯示習知光學系統之示意圖。
第2圖顯示本發明實施例之薄型化光學系統之示意圖。
第3A圖顯示一干涉薄膜之運作示意圖，其中該干涉薄膜形成一帶通濾光器。
第3B圖顯示另一干涉薄膜之運作示意圖，其中該干涉薄膜形成一截止濾光器。
第4圖顯示本發明實施例之薄型化光學系統應用於一可攜式電子裝置之示意圖。
1‧‧‧薄型化光學系統
11‧‧‧保護蓋
111‧‧‧保護蓋之第一面
112‧‧‧保護蓋之第二面
12‧‧‧光源
13‧‧‧影像感測器
14、14' ‧‧‧干涉薄膜
141、141' ‧‧‧干涉薄膜之基板
142、142' ‧‧‧干涉薄膜之鍍膜層
15‧‧‧透鏡
16‧‧‧阻隔件
θ1 、θ2 ‧‧‧入射角
8‧‧‧物件

Claims (20)

  1. 一種薄型化光學系統，包含：一保護蓋，具有一第一面及一第二面；一光源，相對該保護蓋之該第一面設置並用以發光；一影像感測器，相對該保護蓋之該第一面設置，其中該光源與該影像感測器相對該保護蓋互不重疊；及一第一干涉薄膜，設置於該光源與該保護蓋間，並具有隨入射光線之入射角偏移之一第一截止波長以限制一入射角在一第一預設範圍外的入射光線無法穿透，藉以使該光源透過該第一干涉薄膜於該保護蓋之該第二面前方形成一預設光形及/或一第二干涉薄膜，設置於該影像感測器與該保護蓋間，並具有隨入射光線之入射角偏移之一第二截止波長以限制一入射角在一第二預設範圍外的入射光線無法穿透，藉以使該影像感測器透過該第二干涉薄膜接收該保護蓋之該第二面前方一預設範圍的光。
  2. 依申請專利範圍第1項之薄型化光學系統，其中該第一干涉薄膜及該第二干涉薄膜包含一玻璃基板或一塑膠基板。
  3. 依申請專利範圍第1項之薄型化光學系統，另包含一透鏡設置於該保護蓋與該影像感測器間。
  4. 依申請專利範圍第3項之薄型化光學系統，其中該第二干涉薄膜設置於該透鏡與該保護蓋間。
  5. 依申請專利範圍第1項之薄型化光學系統，其中該第一干涉薄膜包含一第一鍍膜層位於該第一干涉薄膜面向該保護蓋之一表面。
  6. 依申請專利範圍第1或5項之薄型化光學系統，其中該第二干涉薄膜包含一第二鍍膜層位於該第二干涉薄膜面向該影像感測器之一表面。
  7. 依申請專利範圍第1項之薄型化光學系統，其中該薄型化光學系統為一近接感測裝置或一手勢辨識裝置。
  8. 依申請專利範圍第1或7項之薄型化光學系統，其中該光源發出不可見光。
  9. 依申請專利範圍第1項之薄型化光學系統，其中該第一干涉薄膜及該第二干涉薄膜分別形成一帶通濾光器或一截止濾光器。
  10. 依申請專利範圍第1項之薄型化光學系統，另包含一阻隔件介於該光源與該影像感測器間，用以阻擋該光源所發出的光。
  11. 一種光源模組，包含：一保護蓋，具有一第一面及一第二面；一光源，相對該保護蓋之該第一面設置並用以發光；以及一干涉薄膜，設置於該保護蓋與該光源間，並具有隨入射光線之入射角偏移之一截止波長以限制一入射角在一預設範圍外的入射光線無法穿透，藉以使該 光源透過該干涉薄膜於該保護蓋之該第二面前方形成一預設光形。
  12. 依申請專利範圍第11項之光源模組，其中該干涉薄膜包含一玻璃基板或一塑膠基板。
  13. 依申請專利範圍第11或12項之光源模組，其中該干涉薄膜包含一鍍膜層位於該干涉薄膜面向該保護蓋之一表面。
  14. 依申請專利範圍第11或12項之光源模組，其中該干涉薄膜形成一帶通濾光器或一截止濾光器。
  15. 一種可攜式電子裝置，包含：一保護蓋，具有一第一面及一第二面；一光源，相對於該保護蓋之該第一面設置，用以照明該第二面側之一物件；一影像感測器，相對該保護蓋之該第一面設置，用以接收來自該物件之反射光，其中該光源與該影像感測器相對該保護蓋互不重疊；一透鏡，設置於該影像感測器與該保護蓋間；以及一第一干涉薄膜，設置於該光源與該保護蓋間，並具有隨入射光線之入射角偏移之一第一截止波長以限制一入射角在一第一預設範圍外的入射光線無法穿透及/或一第二干涉薄膜，設置於該透鏡與該保護蓋間，並具有隨入射光線之入射角偏移之一第二截止波長以限制一入射角在一第二預設範圍外的入射光線無法穿透。
  16. 依申請專利範圍第15項之可攜式電子裝置，其中該第一干涉薄膜及該第二干涉薄膜分別包含一玻璃基板或一塑膠基板。
  17. 依申請專利範圍第15項之可攜式電子裝置，其中該第一干涉薄膜包含一第一鍍膜層位於該第一干涉薄膜面向該保護蓋之一表面。
  18. 依申請專利範圍第15或17項之可攜式電子裝置，其中該第二干涉薄膜包含一第二鍍膜層位於該第二干涉薄膜面向該透鏡之一表面。
  19. 依申請專利範圍第15項之可攜式電子裝置，其中該第一干涉薄膜及該第二干涉薄膜分別形成一帶通濾光器或一截止濾光器。
  20. 依申請專利範圍第15項之可攜式電子裝置，其中該保護蓋為該可攜式電子裝置之一殼體的一部分。
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