TWI570444B - 結構光模組 - Google Patents

Description

結構光模組

本發明是關於一種結構光模組，特別是用於穿戴或行動裝置的結構光模組。

穿戴裝置是未來的明星產品，利用穿戴裝置來外界互動或偵測外界情形是使用穿戴裝置的目的之一，其中，結構光的發出和接收對於互動和偵測功能是很重要的媒介之一，因此，如何產生結構光是穿戴裝置或行動裝置等虛擬實境裝置所不可缺少的升等功能之一。

依據上述，本案提供一種結構光模組，利用以每隔一間距間隔的方式一維地重複分布著的複數個透鏡元件來形成結構光束，透鏡元件的排列間距大小和相對方位可豐富結構光束的多樣性。

依據上述，本案提供一種結構光模組，利用準直光學透鏡搭配以每隔一間距間隔的方式一維地重複分布著的複數個透鏡元件來形成結構光束，上述兩者和光源可置入一殼體中，使得結構光模組的體積微型化。

依據上述，一種結構光模組，包括：一光源，其提供具有一光源光束大小的一光源光束；一準直光學部件，其準直該光源光束並且輸出一準直光束；以及一擴散光學部件，其擴散該準直光束以形成一結構光束，該結構 光相對於該準直光束具有一光束擴散角，該擴散光學部件包括複數個透鏡元件，該些透鏡元件以每隔一間距間隔的方式一維地重複分布著，其中，該間距的一間距大小小於該光源光束大小，該光束擴散角滿足以下的等式：θ=S*θ_n θ_n=-3.63*□_^ ³+3.69*□_^ ²-9.383*□+103其中□=(p-0.368)/0.0665，p表示毫米(mm)單位的該間距大小，S表示無因次的一縮放因子，θ表示度(degree)單位的該光束擴散角，θ_n則表示當該光源光束的一額定波長為650奈米(nm)和該些重複分布的透鏡元件的材料為聚碳酸酯的條件時的該光束擴散角。

又，一種結構光模組，包括：一光源，其提供一光源光束；一準直光學部件，其準直該光源光束並且輸出一準直光束；以及一擴散光學部件，其擴散該準直光束以形成一結構光，該結構光相對於該準直光束具有一光束擴散角，該擴散光學部件包括複數個透鏡元件，該些透鏡元件以每隔一間距間隔的方式一維地重複分布著，其中，該些透鏡元件的至少一有效焦距介於-0.15到0.15之間，擴散光學部件的一折射率介於1.01到3.65之間，該光束擴散角滿足以下的等式：θ=2*tan^-1(p/(2*|f|))其中p表示該間距的毫米(mm)單位的一間距大小，θ表示度(degree)單位的該光束擴散角，|f|表示該有效焦距的絕對值。

一實施例中，結構光模組更包括安置該光源、該準直光學部件和該擴散光學部件一殼體；或整合該準直光學部件和該擴散光學部件兩者至少之一的一殼體，其中，該殼體安置該光源、該準直光學部件和該擴散光學部件。

一實施例中，該擴散光學部件更包括：該些重複分布的透鏡元件的一凹入輪廓的一第一表面，該第一表面面向該準直光學部件；或該些重複分布的透鏡元件的一凸起輪廓的一第一表面，該第一表面面向該準直光學部件；或該些重複分布的透鏡元件的一混合凸起輪廓的一第一表面，該第一表面面向該準直光學部件；或是該些重複分布的透鏡元件的一混合凹入輪廓的一第一表面，該第一表面面向該準直光學部件。

一實施例中，該擴散光學部件更包括相對於該第一表面的一第二表面，該第二表面具有一平面輪廓或結合一反射鍍膜的一平面輪廓。

一實施例中，相對於在該第一表面上而言，該些透鏡元件安排成單一方位或複數個相對不同的方位，並且安排成該些方位的該些透鏡元件所形成的複數該結構光束具有複數個方向。

一實施例中，該擴散光學部件更包括固定於該些透鏡元件上的一透明平面基板，並且該透明平面基板提供該第二表面。

一實施例中，該間距具有單一數值的該間距大小、一系列遞增數值的複數個該間距大小、一系列遞減數值的複數個該間距大小或不同數值的複數個該間距大小。

一實施例中，該擴散光學部件包括由該些透鏡元件組成的一光學區以及在光學區旁的一非光學區，該非光學區具有一固定結構以固定於一殼體。

一實施例中，該些透鏡元件的分布有一不連續的區域，並且在該一不連續的區域上包括一繞射光學元件(Diffractive Optical Element,DOE)。

5‧‧‧結構光模組

10‧‧‧光源

20‧‧‧準直光學部件

30‧‧‧擴散光學部件

Z‧‧‧主光軸

12‧‧‧光源光束

22‧‧‧準直光束

32‧‧‧結構光

θ‧‧‧光束擴散角

34‧‧‧非光學區

36‧‧‧光學區

L‧‧‧長度

W‧‧‧寬度

T‧‧‧厚度

p‧‧‧間距

38‧‧‧透鏡元件

35‧‧‧第一表面

37‧‧‧第二平面

d‧‧‧深度

46‧‧‧光學區

48‧‧‧透鏡元件

56‧‧‧光學區

58‧‧‧透鏡元件

54‧‧‧透明平面基板

66‧‧‧光學區

68‧‧‧透鏡元件

64‧‧‧透明平面基板

76‧‧‧光學區

78‧‧‧透鏡元件

75‧‧‧第一表面

77‧‧‧第二表面

86‧‧‧光學區

88‧‧‧透鏡元件

r1、r2‧‧‧方位

96‧‧‧光學區

92‧‧‧透鏡元件

98‧‧‧透鏡元件

81‧‧‧結構光模組

83‧‧‧光源

87‧‧‧可撓性電路板

85‧‧‧殼體

82‧‧‧準直光學部件

80‧‧‧擴散光學部件

89‧‧‧固定結構

9‧‧‧散熱板

圖1為本案的結構光模組實施例的元件側面示意圖。

圖2為本案之擴散光學部件的一第一實施例部分立體側視示意圖。

圖3為本案之擴散光學部件的第一實施例部分的第一側面示意圖。

圖4為本案之擴散光學部件的第一實施例部分的第二側面示意圖。

圖5為本案之間距和光束擴散角的一關係圖。

圖6為本案之擴散光學部件的一第二實施例部分的正面示意圖。

圖7為本案之擴散光學部件的一第三實施例部分立體側視示意圖。

圖8為本案之擴散光學部件的一第四實施例部分的正面示意圖。

圖9為本案之擴散光學部件的一第五實施例部分立體側視示意圖。

圖10為本案之擴散光學部件的一第六實施例部分立體側視示意圖。

圖11為本案之擴散光學部件的一第七實施例部分立體側視示意圖。

圖12為本案之結構光模組實施例的部份元件爆炸示意圖。

圖13為本案之擴散光學部件的一第八實施例部分立體側視示意圖。

以下所稱的擴散光學部件，其包括光學區和非光學區，光學區主要包括處理或轉換源自光源的光束的光學部件。相對於光學區而言，非光學區則可提供其他非處理或非轉換光束的作用，例如非光學區具有固定作用的治具或結構，或是具有連接作用的結構或電路區域。要說明的是，非光學區仍可具有簡單的光學性質，例如光穿透、光折射或光反射。其次，以下所稱的光學區，其主要包括複數個重複的透鏡元件，此些重複的透鏡元件主要是規則重複的且連續的，或是規則重複的但不連續的。是以，在規則重複的但不連續的透鏡元件的情形時，複數個透鏡元件之間可以包括其他的光學元件， 例如繞射光學元件(Diffractive Optical Element,DOE)。要說明的是，如繞射光學元件的此些其他的光學元件亦應滿足以下本案的透鏡元件的特徵或限制。

圖1為本案的結構光模組實施例的元件側面示意圖。參考圖1，結構光模組5包括一光源10、一擴散光學部件30以及設置於光源10和擴散光學部件30之間的一準直光學部件20，其中通過準直光學部件20的光心(optical centre)定義一主光軸Z(primary optical axis)。光源10提供具有一光源光束大小的一光源光束12，準直光學部件20，例如準直光透鏡與其鏡座，接收光源光束12並且準直化光源光束12後輸出一圓形的準直光束22，其中準直光束22大致上平行主光軸Z。擴散光學部件30接收準直光束22並擴散準直光束22以形成一結構光32，其中結構光32為一種具有光束擴散角的線性化光束，即結構光32相對於準直光束22具有一光束擴散角θ。於一實施例中，準直光學部件20為一單一或複合式準直鏡，擴散光學部件30包括一光學區36和一或多個非光學區34，光學區36用以擴散準直光束22以形成結構光32，非光學區34則可設計成其他結構以作為其他用途。

圖2為本案之擴散光學部件的一第一實施例部分立體側視示意圖，圖3為本案之擴散光學部件的第一實施例部分的第一側面示意圖，以及圖4為本案之擴散光學部件的第一實施例部分的第二側面示意圖。請同時參照圖1-4，擴散光學部件30垂直於主光軸Z軸設置，擴散光學部件30的光學區36的長度L和寬度W垂直於主光軸Z軸，厚度T在主光軸Z軸上延伸，其中長度L和寬度W遠大於厚度T。其次，擴散光學部件30包括複數個以一間距p間隔的方式排列的透鏡元件38，透鏡元件38的分布是一維地重複分布著並且在擴散光學部件30上形成一光學區36的一部分或全部，例如圖2和圖3所示在長度L上 包括複數個重複的透鏡元件38，而在圖3和圖4所示則在寬度W和在厚度T上則僅包括單一透鏡元件38。要說明的是，此處所謂的複數個透鏡元件38，在實作上，可以是由單一材料一體成形，或是複合材料一體成型，或是複合材料結合成型。另外，擴散光學部件30可包括非光學區34，光學區36和非光學區34也可以是由單一材料一體成型，或是複合材料一體成型，或是複合材料結合成型。

其次，每一透鏡元件38具有一球面或非球面表面，複數個透鏡元件38構成了一凸起輪廓，故擴散光學部件30包括一具有該凸起輪廓的第一表面35，第一表面35亦為光學區36的表面。準直光束22則由第一表面35入射擴散光學部件30。另外，每一透鏡元件38的相對於球面或非球面表面為一平面，則擴散光學部件30包括相對於第一表面35的一第二平面37，且第二平面37為一平坦面。可以選擇的，擴散光學部件30的光學區36的第二平面37上可以鍍上一反射鍍膜，反射鍍膜的面積可以等於或大於光學區36。

再者，光學區36的透鏡元件38的分布和幾何形狀可將入射的準直光束擴散，形成具有光束擴散角θ的結構光。光束擴散角θ滿足以下的等式：θ=S*θ_n θ_n=-3.63*□_^ ³+3.69*□_^ ²-9.383*□+103其中□=(p-0.368)/0.0665，p表示毫米(mm)單位的間距大小，S表示無因次的一縮放因子，θ表示度(degree)單位的光束擴散角，θ_n則表示當光源光束12的一額定波長為650奈米(nm)和該些重複分布的透鏡元件38的材料為聚碳酸酯的條件時的光束擴散角，如圖5所示。參考圖1-5，光源光束12的額定波長為650奈米，透鏡元件38的凸起深度d固定為0.22毫米，光源光束12通過準直光學部件20後的準直光束22的一光束大小大於間距大小p。由圖5所示，利用本 案的等式，可以得到間距大小p為0.3、0.33、0.39和0.45的情形時，光束擴散角分別為120、110、100和90度。其次，若光源光束12的波長大於650奈米時，縮放因子S為介於0和1之間的數值，即光源光束愈長，間距大小p固定時，光束擴散角會變小。再者，若擴散光學部件30的折射率小於聚碳酸酯時，縮放因子S為介於0和1之間的數值。即擴散光學部件30的折射率小於聚碳酸酯，間距大小p固定時，光束擴散角會變小。反之，則縮放因子S是大於1的數值。

另外，於第一實施例中，間距包括單一間距大小p的數值，即該些透鏡元件38以相同的間距大小p排列，包括了採用幾何大小完全相同的該些透鏡元件38，但本案不以此為限，圖6為本案之擴散光學部件的一第二實施例部分的正面示意圖。參考圖6，擴散光學部件的光學區46包括的複數個透鏡元件48的分布間距包括一系列遞增或遞減規則變化的數值的間距大小，其採用了幾何大小遞增或遞減的不同透鏡元件48。可以理解的，採用一系列遞增或遞減數值的間距排列也可於一光學區46中重複著。此外，由一系列遞增或遞減數值的間距分布的透鏡元件48仍於擴散光學部件的光學區46建構具有凸起輪廓的第一表面，此第一表面由不同曲率的凸起組成一混合凸起輪廓。

圖7為本案之擴散光學部件的一第三實施例部分立體側視示意圖。和圖2的第一實施例不同之處在於，光學區56的複數個透鏡元件58是在寬度W上重複分布著，即透鏡元件58於垂直主光軸的平面上的方位和圖2的第一實施例不同。並且，光學區56更包括承載該些透鏡元件58的一透明平面基板54，即擴散光學部件採用複合材料或以複合方式形成光學區56。此種態樣中，可引入透鏡元件的有效焦距f來得到光束擴散角θ。於第三實施例中，該些透鏡元件58的至少一有效焦距f介於-0.15到0.15之間，擴散光學部件的一折 射率介於1.01到3.65之間，則光束擴散角θ滿足以下的等式：θ=2*tan^-1(p/(2*|f|))其中p表示該間距的毫米(mm)單位的一間距大小，θ表示度(degree)單位的該光束擴散角，|f|表示該有效焦距的絕對值。

圖8為本案之擴散光學部件的一第四實施例部分的正面示意圖。和圖7的第三實施例不同之處在於，光學區66包括兩種不同幾何大小和不同有效焦距的透鏡元件68交替地分布於一透明平面基板64上，利用θ=2*tan^-1(p/(2*|f|))代入不同的間距大小p和有效焦距，能夠得到不同幾何大小的透鏡元件68所提供的光束擴散角θ，即；θ_a=2*tan^-1(p_a/(2*|f_a|)) θ_b=2*tan^-1(p_b/(2*|f_b|))其中，p_a和p_b表示不同的間距大小，f_a和f_b表示不同值的有效焦距長度，則θ_a和θ_b則表示其對應的光束擴散角。

圖9為本案之擴散光學部件的一第五實施例部分立體側視示意圖。和圖2的第一實施例不同之處在於，第五實施例的擴散光學部件的光學區76包括複數個平凹透鏡形式的透鏡元件78，此種情形下，擴散光學部件具有一凹入輪廓的第一表面75和一平面狀的第二表面77。再者，平凹透鏡形式的透鏡元件78的有效焦距f為負值，可利用θ=2*tan^-1(p/(2*|f|))求得光束擴散角θ。 可以理解的，本案亦可利用不同有效焦距f或不同間距大小的平凹透鏡形式的透鏡元件來重複排列，而本案也可以用不同材料或不同波長或不同溫度下來造成不同有效焦距f等等，如同前述平凸形式的透鏡元件，於此不贅述。

圖10為本案之擴散光學部件的一第六實施例部分立體側視示意圖。和圖2的第一實施例不同之處在於，擴散光學部件的光學區86具有的複數個 透鏡元件88具有相同的間距大小，但透鏡元件88具有兩個不同方位r1、r2，並且光學區86的幾何形狀呈圓盤狀。因此，不同方位r1、r2的透鏡元件88能夠產生兩種或兩種以上不同方位的光束擴散角。圖11為本案之擴散光學部件的一第七實施例部分立體側視示意圖。和圖10的第六實施例部分不同之處在於，擴散光學部件的光學區96具有二或二以上不同間距大小的透鏡元件92和透鏡元件98，兩不同間距大小的透鏡元件92和98可以具有相同或不同的方位，於此不贅述。

圖12為本案之結構光模組實施例的元件爆炸示意圖。結構光模組81包括光源83和其連接的可撓性電路板87、散熱板9、殼體85、準直光學部件82和擴散光學部件80。於本實施例中，擴散光學部件80包括可和殼體85固定的固定結構89，固定結構89設置於擴散光學部件80的非光學區。此外，殼體85亦可包括固定準直光學部件82的結構，用以固定準直光學部件81。因此，殼體85安置光源83、散熱板9、可撓性電路板87、準直光學部件82和擴散光學部件80，準直光學部件82和擴散光學部件80的一部分亦可整合於殼體85，成為殼體85的一部分。

圖13為本案之擴散光學部件的一第八實施例部分立體側視示意圖。和圖7的第三實施例部分不同之處在於，光學區91包括複數個透鏡元件93是規則重複的但不連續的，其間可形成或置入一繞射光學元件95。與本實施例中，單一的繞射光學元件95相當於單一的透鏡元件93，因此繞射光學元件95亦具有一有效焦距，並滿足圖7的第三實施例部分中所述的光束擴散角條件，於此不贅述。

根據上述，本案利用一維重複分布的透鏡元件的間距來設計所需的結構光樣式，並利用安排透鏡元件的不同方位來調整結構光發出的方位，達到產生多樣結構光的目的。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並非用以限定本發明的權利要求範圍，因此凡其他未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含于本發明的範圍內。

5‧‧‧結構光模組

10‧‧‧光源

20‧‧‧準直光學部件

30‧‧‧擴散光學部件

Z‧‧‧主光軸

12‧‧‧光源光束

22‧‧‧準直光束

32‧‧‧結構光

θ‧‧‧光束擴散角

34‧‧‧非光學區

36‧‧‧光學區

Claims (20)

1. 一種結構光模組，包括：一光源，其提供具有一光源光束大小的一光源光束；一準直光學部件，其準直該光源光束並且輸出一準直光束；以及一擴散光學部件，其擴散該準直光束以形成一結構光束，該結構光相對於該準直光束具有一光束擴散角，該擴散光學部件包括複數個透鏡元件，該些以每隔一間距間隔的方式一維地重複分布著，其中，該間距的一間距大小小於該光源光束大小，該光束擴散角滿足以下的等式：θ=S*θ_n θ_n=-3.63*z^³+3.69*z^²-9.383*z+103其中z=(p-0.368)/0.0665，p表示毫米(mm)單位的該間距大小，S表示無因次的一縮放因子，θ表示度(degree)單位的該光束擴散角，θ_n則表示當該光源光束的一額定波長為650奈米(nm)和該些重複分布的透鏡元件的材料為聚碳酸酯的條件時的該光束擴散角。
2. 如請求項1所述的結構光模組，更包括一殼體，該殼體安置該光源、該準直光學部件和該擴散光學部件。
3. 如請求項1所述的結構光模組，更包括整合該準直光學部件和該擴散光學部件兩者至少之一的一殼體，其中該殼體安置該光源、該準直光學部件和該擴散光學部件。
4. 如請求項1所述的結構光模組，其中，該擴散光學部件更包括：該些重複分布的透鏡元件的一凸起輪廓的一第一表面，該第一表面面向該 準直光學部件；或是該些重複分布的透鏡元件的一混合凸起輪廓的一第一表面，該第一表面面向該準直光學部件。
5. 如請求項4所述的結構光模組，其中，該擴散光學部件更包括相對於該第一表面的一第二表面，該第二表面具有一平面輪廓或結合一反射鍍膜的一平面輪廓。
6. 如請求項4所述的結構光模組，其中，相對於在該第一表面上而言，該些透鏡元件安排成單一方位或複數個相對不同的方位，並且安排成該些方位的該些透鏡元件所形成的複數該結構光束具有複數個方向。
7. 如請求項1所述的結構光模組，其中，該間距具有單一數值的該間距大小、一系列遞增數值的複數個該間距大小、一系列遞減數值的複數個該間距大小或不同數值的複數個該間距大小。
8. 如請求項1所述的結構光模組，其中，該光源光束的波長大於650奈米，且該縮放因子為介於0和1之間的數值。
9. 如請求項1所述的結構光模組，其中，該擴散光學部件的一折射率小於聚碳酸酯，且該縮放因子為介於0和1之間的數值。
10. 如請求項1所述的結構光模組，其中，該光源光束的波長為650奈米，以及該擴散光學部件的材料為聚碳酸酯，並且該縮放因子等於1。
11. 一種結構光模組，包括：一光源，其提供一光源光束；一準直光學部件，其準直該光源光束並且輸出一準直光束；以及一擴散光學部件，其擴散該準直光束以形成一結構光，該結構光相對於該準直光束具有一光束擴散角，該擴散光學部件包括複數個透鏡元件，該些透鏡元件以每隔一間距間隔的方式一維地重複分布著，其中，該些透鏡元 件的至少一有效焦距介於-0.15到0.15之間，擴散光學部件的一折射率介於1.01到3.65之間，該光束擴散角滿足以下的等式：θ=2*tan^-1(p/(2*|f|))其中p表示該間距的毫米(mm)單位的一間距大小，θ表示度(degree)單位的該光束擴散角，|f|表示該有效焦距(毫米(mm)單位)的絕對值。
12. 如請求項11所述的結構光模組，更包括：安置該光源、該準直光學部件和該擴散光學部件一殼體；或整合該準直光學部件和該擴散光學部件兩者至少之一的一殼體，其中，該殼體安置該光源、該準直光學部件和該擴散光學部件。
13. 如請求項11所述的結構光模組，其中，該擴散光學部件更包括：該些重複分布的透鏡元件的一凹入輪廓的一第一表面，該第一表面面向該準直光學部件；或該些重複分布的透鏡元件的一凸起輪廓的一第一表面，該第一表面面向該準直光學部件；或該些重複分布的透鏡元件的一混合凸起輪廓的一第一表面，該第一表面面向該準直光學部件；或是該些重複分布的透鏡元件的一混合凹入輪廓的一第一表面，該第一表面面向該準直光學部件。
14. 如請求項13所述的結構光模組，其中，該擴散光學部件更包括相對於該第一表面的一第二表面，該第二表面具有一平面輪廓或結合一反射鍍膜的一平面輪廓。
15. 如請求項13所述的結構光模組，其中，相對於在該第一表面上而言，該些透鏡元件安排成單一方位或複數個相對不同的方位，並且安排成該些方位的該些透鏡元件所形成的複數該結構光束具有複數個方向。
16. 如請求項13所述的結構光模組，其中，該擴散光學部件更包括固定於該些透鏡元件上的一透明平面基板，並且該透明平面基板提供該第二表面。
17. 如請求項11所述的結構光模組，其中，該間距具有單一數值的該間距大小、一系列遞增數值的複數個該間距大小、一系列遞減數值的複數個該間距大小或不同數值的複數個該間距大小。
18. 如請求項11所述的結構光模組，其中，該擴散光學部件包括由該些透鏡元件組成的一光學區以及在光學區旁的一非光學區，該非光學區具有一固定結構以固定於一殼體。
19. 如請求項18所述的結構光模組，其中，該殼體更包括用以固定該準直光學部件。
20. 如請求項11所述的結構光模組，其中，該些透鏡元件的分布有一不連續的區域，並且在該一不連續的區域上包括一繞射光學元件(Diffractive Optical Element,DOE)。