TWI663432B - 結構光照明模組 - Google Patents

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TWI663432B TW107138646A TW107138646A TWI663432B TW I663432 B TWI663432 B TW I663432B TW 107138646 A TW107138646 A TW 107138646A TW 107138646 A TW107138646 A TW 107138646A TW I663432 B TWI663432 B TW I663432B
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Abstract

提供一種結構光照明模組，包括：一光源，包括一雷射二極管並配置用以發射光線；一光學元件，包括：一光穿透部，配置用以接受該光源發射的光線並允許準直的光線穿過該光穿透部；以及一全內反射部，其中該全內反射部的一反射表面與該光學元件的一光軸之間的一角度θ被配置使得該全內反射部的反射表面對該光源發射的光線的至少一部份進行全內反射；一繞射元件，被配置用於將從該光學元件發射的光線轉換為一結構化光圖案；以及一能量回收機構，設置在該光學元件的一入射面或一出射面的至少一部分上。

Description

結構光照明模組
本發明關於一種結構光照明的技術領域，尤指一種具有改良的光能利用率的結構光照明模組。
一般而言，手持式裝置(如手機)、攝影機或工業或安全攝影機需要有結構光照明模組的輔助來達成三維感測的功能，而該照明模組須藉由創新的設計以最佳地使用光源。因此勢必要發展出具有改良的光能利用率的結構光照明模組。
本發明的一主要目標提供一種結構光照明模組，用以改良光能利用率。本發明的一方面中，該結構光照明模組包括：一光源，包括一雷射二極管並配置用以發射光線；一光學元件，包括：一光穿透部，配置用以接受該光源發射的光線並允許準直的光線穿過該光穿透部；以及一全內反射部，其中該全內反射部的一反射表面與該光學元件的一光軸之間的一角度θ被配置使得該全內反射部的反射表面對該光源發射的光線的至少一部份進行全內反射；一繞射元件，被配置用於將從該光學元件發射的光線轉換為一結構化光圖案；以及 一能量回收機構，設置在該光學元件的一入射面或一出射面的至少一部分上。
根據本發明的一實施例，該角度θ的範圍為7度至-18度。
根據本發明的一實施例，該全內反射部分的反射面對該光源發射的光線的發散角大於0度且小於或等於9度的部分於所述光學元件中進行多次全內反射，以均化該光源發射的光線。
根據本發明的一實施例，該光學元件由折射率約為1.5的一塑膠料材料製成。
根據本發明的一實施例，該結構光照明模組，還包括：一透鏡組件，該透鏡組件設置在該光學元件和該繞射元件之間，並且被配置用以調節通過該光學元件的光穿透部的光線，以適用於該繞射元件。
根據本發明的一實施例，該入射面和該出射面包括一球形表面、一非球形表面、一菲涅耳表面或一自由曲面。
根據本發明的一實施例，該能量回收機構的面積佔該光學元件的入射面的面積的0%至90%的範圍內。
根據本發明的一實施例，該光學元件的形狀為一截頭錐形、一截頭四角錐形或一圓柱形。
根據本發明的一實施例，該光學元件的出射面包括一準直器或一準直系統的一部分。
根據本發明的一實施例，該光源的至少一部份包括一反射表面，配置用以將從該光學元件的光穿透部離開的光線反射進入該光學元件。
本發明的另一方面中，該結構光照明模組包括： 一種結構光照明模組，包括：一光源，配置用以發射光線；一截頭錐形光學元件，包括：一入射面、一出射面和一側面，其中該入射面和該出射面中的各者皆具有一光穿透區，配置用以接受該光源發射的光線並允許準直的光線穿過該光穿透部，以及該側面與該光學元件的一光軸之間的一角度θ被配置使得該側面對該光源發射的光線的至少一部分進行全內反射；一繞射元件，被配置用於將從該光學元件發射的光線轉換為一結構化光圖案；以及一能量回收機構，設置在該光學元件的一入射面或一出射面的至少一部分上。
根據本發明的一實施例，該角度θ的範圍為7度至-18度。
根據本發明的一實施例，該側面對該光源發射的光線的發散角大於0度且小於或等於9度的部分於所述光學元件中進行多次全內反射，以均化該光源發射的光線。
根據本發明的一實施例，該光學元件由折射率約為1.5的一塑膠料材料製成。
根據本發明的一實施例，該結構光照明模組，還包括：一透鏡組件，該透鏡組件設置在該光學元件和該繞射元件之間，並且被配置用以調節通過該光學元件的光穿透區的光線，以適用於該繞射元件。
根據本發明的一實施例，該光源包括一雷射二極管。
根據本發明的一實施例，該入射面和該出射面包括一球形表 面、一非球形表面、一菲涅耳表面或一自由曲面。
根據本發明的一實施例，該光學元件的出射面包括一準直器或一準直系統的一部分。
根據本發明的一實施例，該光學元件的入射面的面積大於或小於該光學元件的出射面的面積。
根據本發明的一實施例，該光源的至少一部份包括一反射表面，配置用以將從該光學元件的光穿透區離開的光線反射進入該光學元件。
在根據本發明的該結構光照明模組中，該全內反射部分的反射面(或該光學元件的側表面)對該光源發射的光線的發散角大於0度且小於或等於9度的部分進行全內反射，並且在一些情況下在該光學元件中進行多次反射，以均化該光源發射的光線，隨後通過該光穿透部從該光學元件離開，以準直該光源發射的光線並增加該結構光照明模組的光輸出。此外，該能量回收機構，設置在該光學元件的一入射面的至少一部分上或該光學元件的一出射面的至少一部分上，以反射該光源發射到該入射面或該出射面上但無法通過該光穿透部離開該光學元件的光線。在該全內反射部分的反射表面(或該光學元件的側面)與該能量回收機構的組合中，從該光源發出的光線可以首先被該能量回收機構反射，然後被該全內反射部分的反射表面(或該光學元件的側面)反射，或者可以首先被該全內反射部分的反射表面(或該光學元件的側面)反射，然後被該能量回收機構反射，從而達到協同效應，大幅提高光能利用率。
10‧‧‧光源
20‧‧‧光學元件
21‧‧‧光穿透部
22‧‧‧反射部
23‧‧‧安裝部
24‧‧‧入射面
25‧‧‧出射面
26‧‧‧側面
27‧‧‧能量回收機構
28‧‧‧光軸
30‧‧‧繞射元件
40‧‧‧透鏡
51‧‧‧底座
52‧‧‧側壁
53‧‧‧上蓋
參考以下詳細描述並結合附圖，本發明的前述方面和許多伴隨的優點將變得更容易理解，其中：第1圖是一分解圖，顯示根據本發明的一方面的一結構化光照明模組；第2圖顯示一俯視圖和一側視圖，顯示根據本發明的一實施例的一結構光照明模組中的一光學元件；第3圖是一側視圖，顯示在根據本發明的一實施例中，從一光源發射的光線的一發散角，以及一光學元件的一側面與該光學元件的一光軸之間的一角度θ；第4圖是一側視圖，顯示在根據本發明的一實施例中，一能量回收機構及其回收光能的原理，其設置在一光學元件的一入射面和一出射面上；第5圖顯示根據本發明的其他實施例中的示例性光學元件的示意圖；第6圖為一分解圖，顯示根據本發明的另一方面的結構光照明模組。
以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可用以實施的特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」、「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。在詳細說明請本發明的具體實施方式之前，於此先介紹關於此發明的技術原理及術語。
以下結合附圖參考實施例詳細描述本公開的內容。
關於本文提及的“實施例”，該實施例中描述的特定特徵、結構或特性可以結合實施例描述並可以包括在本公開的至少一實施例中。出 現在說明書中的各個位置的術語不一定是指相同的實施例，也不一定是與其他實施例相互替換、相互排斥或獨立的實施例。本領域普通技術人員明確且隱含地理解，本文描述的實施例可以與其他實施例組合。
參見第1圖，其為一分解圖，顯示根據本發明的一方面的一結構化光照明模組。
在本發明中，提供一種結構光照明模組1，並且包括一光源10、一光學元件20和一繞射元件30。在一實施例中，該光源10、該光學元件20和該繞射元件30包含在一殼體中，該殼體包括一底部51、一側壁52和一上蓋53。該光源10連附至該底部51。該殼體內部的構件，例如該光源10、該光學元件20、該繞射元件30是直接或間接地被底部51支撐，被側壁52圍繞，並且被上蓋53覆蓋。在該上蓋中限定一孔洞或一窗口，該光源10所發出的光線通過該孔洞或該窗口。結構光照明模組1可封裝以形成單一緊密模組。而該殼體不是必需，例如取決於該結構光照明模組1所應用於的裝置。在一實施例中，該結構光照明模組1還可以包括位於該光學元件20和該繞射元件30之間的一透鏡組件40，但是該透鏡組件40取決於該光學元件20的設計是可選的。
該光緣10包括一雷射二極體。因為該雷射二極體的功率較低，故該光學元件30可採用塑膠材質，使該光學元件20的生產工序更便宜並提升良率(例如與玻璃材質比較時)。此外，不同塑膠材質之採用將影響到折射率及該光學元件30的設計。
因為該雷射二極體設計以產生具有大約一特定角度(如正負9度)的發散角的紅外光，故該光學元件20可經由設計使紅外光在該光學元 件2內部依循全內反射原理(total internal reflection principle)進行多次反射以達到光線均化。並且藉由該光學元件20的入射面24與出射面25之設計以準直光線。進一步地，該光學元件20可設計以回收光能量，以增加光能利用率。
此外，該繞射元件30與該光學元件20間的該透鏡組件40，目的在於進一步調整光線以達到最佳的光準直效果。例如，該光學元件20或該透鏡組件40需具有菲涅耳(Fresnel)特性的光學面，使得紅外光線穿透並進入該繞射元件30後，可出射具有特定幾何形狀之光圖型，稱之為結構光。藉由整合該透鏡組件40的一部分至該光學元件20(例如不超過兩片透鏡)，可降低該透鏡組件40之複雜度。
參照第2圖，其顯示一俯視圖和一側視圖，顯示根據本發明的一實施例的一結構光照明模組中的一光學元件。
如第2圖所示，該光學元件20可分為一穿透部21、一反射部22和一夾持部23。穿透部21為光線可穿透之物理部分，反射區22為反射光線之物理部分，夾持區23為輔助構件組裝的物理部分，與光學作用無關。
此外，在光學元件中，靠近該光源10的面在此被稱為入射面24，遠離光源的面在此被稱為出射面25。進一步地，在兩者間之側面26，相對於所述光軸具有一特定角度以用於全反射。
進一步地，該穿透21之幾何形狀可能為圓形、方形、長方形、或橢圓形。為達成最高能量利用效率及照明區的最佳均勻度，穿透區未必處於該出射面25的正中心。
參照第3圖，其為一側視圖，顯示在根據本發明的一實施例 中，從一光源發射的光線的一發散角，以及一光學元件的一側面與該光學元件的一光軸之間的一角度θ。
如第3圖所示，該光學元件20的側面26與該光學元件20的光軸28的夾角為θ。為了設計成讓紅外光線可進行至少一至兩次之全反射(符合Snell’s law)以使光均勻化效果最佳(若光線在該光學元件20內部多次反射，等同於在該反射面26後面形成該光緣10的多個虛像，因而產生均化照明的效果)，該夾度θ可為相對於該光軸正7度到負18度之內的斜角。舉例而言，假設該光源10射出一發散角為正負9度的雷射光，且若此光學元件採用折射率約為1.5的塑膠材質而製成，依據Snell’s law，在該光學元件內的光發散角約為6度(空氣折射率約為1)。此時，若從該光源10射出的光線於該光學元件20內的發角度大於6度，或從該光源10射出的光線於該光學元件20外的發角度大於9度，則該光線無法在行徑中接觸該側面26上造成全反射效果。
在一實施例中，該側表面26對該光源10發射的光線的一發散角大於0度且小於或等於9度的部分進行全內反射，並且在一些情況下在該光學元件20中進行多次反射，以均化該光源10發射的光線，隨後通過該光穿透部21從該光學元件20離開，以準直該光源發射的光線並增加該結構光照明模組1的光輸出。
在一實施例中，該光學元件20的出射端25可包含：一準直區塊。該區塊可為一準直鏡(collimator)或準直系統的一部分，可設計為一球面或非球面、菲涅耳(Fresnel)表面、或一自由曲面，以將均化後的入射光導向一被照明區。舉例而言，該被照明區可以為該繞射元件30或該透鏡組件40。
此外，相似于該出射端25概念，該入射端24亦可設計為一平 面、一球面、一非球面、一菲涅耳(Fresnel)表面、或一自由曲面。進一步地，相較于該準直區塊，該光學元件20的其他部分可稱為一均化區塊，故該光學元件20可具有兩區塊：均化區塊與準直區塊。
參照第4圖，其為一側視圖，顯示在根據本發明的一實施例中，一能量回收機構及其回收光能的原理，其設置在一光學元件的一入射面和一出射面上。
如第4圖所示，為了達成一次以上的反射，該光學元件20可具有一能量回收機構。在該出射面25的能量回收機構27說明如下：因為製作工藝，可能無法使得該光學元件面對被照明區的一面的幾何形狀完全匹配被照明區的幾何形狀。為了使光能做最有效利用，在此面上增加反射面，使其部分能量被反射回該光學元件20內。此反射功能之實現，可經由光學膜層直接製作在該光學元件20上，或由具備反射功能的部件貼合在該光學元件20之出射面25上。
在該入射面24的能量回收機構27說明如下：因為製作工藝，可能無法使得該光學元件面對該光源10的一面的幾何形狀完全匹配該光源10的幾何形狀。為了使光能做最有效利用，在此面上增加反射面，使其部分能量被反射回該光學元件20內。此反射功能之實現，可經由光學膜層直接製作在該光學元件20上，或由具備反射功能的部件貼合在該光學元件20之入射面24上。
此外，若不計入該夾持區23，該入射面24的反射面可佔有該光學元件20的入射面24的面積比例之0%至90%。進一步地，該光源的一部份本具有有反射能力的亮面，亦可使其部分光能經由反射回到該光學元件 10內。
綜上所述，無法在第一次出射即進入被照明區的光線，經由該側面及該能量回收機構的反射，即有可能有效地進入被照明區，因此達成將原先無法利用的光線能量回收，提升整體效率。
參照第5圖，其顯示根據本發明的其他實施例中的示例性光學元件的示意圖。參照第6圖，其為一分解圖，顯示根據本發明的另一方面的結構光照明模組。
如第5圖所示，該光學元件20的幾何形狀可為截頭椎、截頭四角錐、或圓柱。此外，因該光學元件20的側面26與光軸28的夾角θ可以為正角度或負角度，該光學元件20的入射面24的面積可大於或小於出射面25的面積。故結構光照明模組之另一態樣可為如第6圖所示。
在根據本發明的該結構光照明模組中，該光學元件的側表面對該光源發射的光線的發散角大於0度且小於或等於9度的部分進行全內反射，並且在一些情況下在該光學元件中進行多次反射，以均化該光源發射的光線，隨後通過該光穿透部從該光學元件離開，以准直該光源發射的光線並增加該結構光照明模組的光輸出。此外，該能量回收機構，設置在該光學元件的一入射面的至少一部分上或該光學元件的一出射面的至少一部分上，以反射該光源發射到該入射面或該出射面上但無法通過該光穿透部離開該光學元件的光線。在該光學元件的側面與該能量回收機構的組合中，從該光源發出的光線可以首先被該能量回收機構反射，然後被該光學元件的側面反射，或者可以首先被該光學元件的側面反射，然後被該能量回收機構反射，從而達到協同效應，大幅提高光能利用率。
所屬領域之技術人員當可瞭解，在不違背本發明精神下，依據本發明實施態樣所能進行的各種變化。因此，顯見所列之實施態樣並非用以限制本發明，而是企圖在所附申請專利範圍的定義下，涵蓋于本發明的精神與範疇中所做的修改。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，但上述較佳實施例並非用以限制本發明，本領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與潤飾，因此本發明的保護範圍以權利要求界定的範圍為准。

Claims (20)

  1. 一種結構光照明模組，包括：一光源，包括一雷射二極管並配置用以發射光線；一光學元件，包括：一光穿透部，配置用以接受該光源發射的光線並允許準直的光線穿過該光穿透部；以及一全內反射部，其中該全內反射部的一反射表面與該光學元件的一光軸之間的一角度θ被配置使得該全內反射部的反射表面對該光源發射的光線的至少一部份進行全內反射；一繞射元件，被配置用於將從該光學元件發射的光線轉換為一結構化光圖案；以及一能量回收機構，設置在該光學元件的一入射面或一出射面的一部分上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的結構光照明模組，其中該角度θ的範圍為7度至-18度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的結構光照明模組，其中該全內反射部的反射表面對該光源發射的光線的發散角大於0度且小於或等於9度的部分於所述光學元件中進行多次全內反射，以均化該光源發射的光線。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的結構光照明模組，其中該光學元件由折射率約為1.5的一塑膠料材料製成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的結構光照明模組，還包括：一透鏡組件，該透鏡組件設置在該光學元件和該繞射元件之間，並且被配置用以調節通過該光學元件的光穿透部的光線，以適用於該繞射元件。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的結構光照明模組，其中該光穿透部於該入射面和該出射面包括一球形表面、一非球形表面、一菲涅耳表面或一自由曲面。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的結構光照明模組，其中該能量回收機構的面積佔該光學元件的入射面的面積的0%至90%的範圍內。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的結構光照明模組，其中該光學元件的形狀為一截頭錐形或一圓柱形。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的結構光照明模組，其中該光穿透部於出射面包括一準直器或一準直系統的一部分。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的結構光照明模組，其中該光源的至少一部份包括一反射表面，配置用以將從該光學元件的光穿透部於入射表面離開的光線反射進入該光學元件。
  11. 一種結構光照明模組，包括：一光源，配置用以發射光線；一截頭錐形光學元件，包括：一入射面、一出射面和一側面，其中該入射面和該出射面中的各者皆具有一光穿透部，配置用以接受該光源發射的光線並允許準直的光線穿過該光穿透部，以及該側面與該光學元件的一光軸之間的一角度θ被配置使得該側面對該光源發射的光線的至少一部分進行全內反射；一繞射元件，被配置用於將從該光學元件發射的光線轉換為一結構化光圖案；以及一能量回收機構，設置在該光學元件的一入射面或一出射面的一部分上。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的結構光照明模組，其中該角度θ的範圍為7度至-18度。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的結構光照明模組，其中該側面對該光源發射的光線的發散角大於0度且小於或等於9度的部分於所述光學元件中進行多次全內反射，以均化該光源發射的光線。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的結構光照明模組，其中該光學元件由折射率約為1.5的一塑膠料材料製成。
  15. 如申請專利範圍第11項所述的結構光照明模組，還包括：一透鏡組件，該透鏡組件設置在該光學元件和該繞射元件之間，並且被配置用以調節通過該光學元件的光穿透部的光線，以適用於該繞射元件。
  16. 如申請專利範圍第11項所述的結構光照明模組，其中該光源包括一雷射二極管。
  17. 如申請專利範圍第11項所述的結構光照明模組，其中該光穿透部於該入射面和該出射面包括一球形表面、一非球形表面、一菲涅耳表面或一自由曲面。
  18. 如申請專利範圍第11項所述的結構光照明模組，其中該光穿透部於出射面包括一準直器或一準直系統的一部分。
  19. 如申請專利範圍第11項所述的結構光照明模組，其中該光學元件的入射面的面積大於或小於該光學元件的出射面的面積。
  20. 如申請專利範圍第11項所述的結構光照明模組，其中該光源的至少一部份包括一反射表面，配置用以將從該光學元件的光穿透部於入射面離開的光線反射進入該光學元件。
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