TWI679452B - 微型化結構光投射模組 - Google Patents

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TWI679452B
TWI679452B TW107121694A TW107121694A TWI679452B TW I679452 B TWI679452 B TW I679452B TW 107121694 A TW107121694 A TW 107121694A TW 107121694 A TW107121694 A TW 107121694A TW I679452 B TWI679452 B TW I679452B
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任永昌
Yung Chang Jen
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Abstract

一種微型化結構光投射模組包括一光源組合及一投影鏡片。所述光源組合具有多個光源單元，每一所述光源單元具有一預設投影圖案於其表面。所述投影鏡片置於所述光源組合的上方。所述光源單元的該些預設投影圖案置於所述投影鏡片的一前焦面。

Description

微型化結構光投射模組
本發明涉及一種微型化結構光投射模組，用以投影多個光點或條紋的光投射模組，特別是指一種可應用於立體臉部辨識技術的光投射模組。
目前立體(或稱三維)臉部辨識技術是藉由點陣投影器(Dot Projector)投影多個紅外線光點到使用者的臉上，並利用光點反射回到紅外線相機(Infrared Camera)的位移距離，以紀錄並回傳使用者的臉部特徵，並且與資料庫進行比對。
立體臉部辨識技術，不同於一般數位相機所取得的人臉平面二維彩色影像，其另外包括臉部的「深度資訊」，以感測出人臉的立體結構，用來當作辨識的依據。目前較成熟的立體辨識技術可分為兩種，分別是飛時測距與結構光。
關於飛時測距(Time of Flight)，從二極體發射出來的紅外光照射至人臉，並依臉部五官的高低與深度，造成反射至紅外光影像感測器不同的時間，因為光速是固定的，故可利用紅外光反射至感測器的時間差來推斷臉部五官的高低、深度。
關於結構光(Structured Light)，二極體或數位光源處理器發射出數條光線，經過光柵(grating)調整，繞射出欲投射之結構光(line,dot or others)。然而因為人臉有高低與深度，因此照射至人臉時，依據臉部五官的高低與深度反射不同且扭曲的光線。當這 些扭曲的光線反射到紅外光影像感測器後，便可反推出臉部結構。
其中特別是結構光技術的整體體積如何縮小，以置於可攜式電子產品，例如手機上，是業界想要達成的課題。
本發明所要解決的技術問題，在於提供一種微型化結構光投射模組，以縮小整體的體積，以供置於可攜式電子產品上。
為了解決上述技術問題，根據本發明之其中一種方案，提供一種微型化結構光投射模組，其包括一光源組合及一投影鏡片。所述光源組合具有多個光源單元，每一所述光源單元具有一預設投影圖案在所述光源單元的表面；所述投影鏡片置於所述光源單元的上方，所述投影鏡片形成有多個鏡片單元，多個所述鏡片單元排列成陣列方式並且彼此相接，所述投影鏡片具有一前焦面；所述光源單元的所述預設投影圖案置於所述投影鏡片的所述前焦面。
本發明具有以下有益效果：本發明可調整控制光源表面的預設投影圖樣，加上陣列式的鏡片單元。藉此可以縮小整體的體積，以供置於可攜式電子產品上。
為了能更進一步瞭解本發明為達成既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明、圖式，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得以深入且具體之瞭解，然而所附圖式與附件僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
100、100a、100b‧‧‧微型化結構光投射模組
10、10a‧‧‧承載板
20‧‧‧底墊
30、30a‧‧‧光源單元
31‧‧‧金屬支架
32‧‧‧基底
33‧‧‧殼體
34、34a、34b、34c‧‧‧發光晶片
341‧‧‧條紋
343‧‧‧穿孔
342、344、346‧‧‧導電墊
345‧‧‧孔洞
36‧‧‧封裝體
40‧‧‧反射殼體
50、50a、50b‧‧‧投影鏡片
51‧‧‧鏡片單元
60‧‧‧連接柱
TS‧‧‧目標屏幕
C‧‧‧光軸
Cd‧‧‧總寬度
d‧‧‧投影距離
D0‧‧‧高度
Di‧‧‧尺寸
f‧‧‧焦距
g‧‧‧距離
Lw‧‧‧寬度
S0,Si‧‧‧偏離距離
Sx0、Sy0‧‧‧離軸量
Sxi‧‧‧成像離軸量
Wx‧‧‧寬度
R‧‧‧半徑
圖1本發明的微型化結構光投射模組第一實施例的立體分解圖。
圖2為本發明的光源單元的剖視圖。
圖3A為本發明第一實施例的發光晶片的俯視圖。
圖3B為本發明第二實施例的發光晶片的俯視圖。
圖3C為本發明第三實施例的VCSEL晶片的俯視圖。
圖4為本發明的預設投影圖案與投影鏡片位於同光軸的示意圖。
圖5為本發明的預設投影圖案的中心偏離鏡片單元的光軸的示意圖。
圖6為本發明組合後的微型化結構光投射模組的剖視圖。
圖7為本發明組合後的微型化結構光投射模組的俯視透視圖。
圖8為本發明兩個發光晶片投影至目標屏幕的示意圖。
圖9本發明的微型化結構光投射模組第二實施例的立體分解圖。
圖10為本發明的光源單元另一實施例的剖視圖。
圖11為本發明第二實施例組合後的微型化結構光投射模組的俯視透視圖。
圖12為本發明第二實施組合後的微型化結構光投射模組的剖視圖。
圖13為本發明微型化結構光投射模組第三實施例的立體分解圖。
圖14為本發明第三實施例組合後的微型化結構光投射模組的俯視透視圖。
請參考圖1，為本發明的微型化結構光投射模組第一實施例的立體分解圖。微型化結構光投射模組100包括承載板10、底墊20、光源組合、反射殼體40及投影鏡片50。
本實施例的光源組合具有多個光源單元30。光源單元可以為一發光晶片或一發光封裝結構。請參閱圖2，為本發明的光源單元的剖視圖。本實施例的光源單元30可以為陶瓷基板型，每一光源單元30包括一基底32、一發光晶片34及一封裝體36覆蓋於所述發光晶片34。每一光源單元30具有一預設投影圖案，預設投影圖案形成在發光晶片34的表面或封裝體36的表面。本發明的發光 晶片可以有兩種，一種是採用紅外線LED晶片，另一個是垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)晶片。雷射二極體(或稱半導體雷射)晶片的體積小，適用於可攜式的電子裝置。
請參閱圖2，關於本發明的光源單元30，舉例說明。發光晶片34設置於基底32上，預設投影圖案可以是先形成於發光晶片34的表面，再將封裝體36以矽膠模塑技術(silicone encapsulation molding process)將熱固性高分子材料(thermosetting polymers)，例如環氧模壓樹脂(Epoxy Molding Compounds,EMC)，覆蓋於基底32以及發光晶片34。具體的說，將膠餅狀的環氧樹脂(EMC)先在預熱箱中預熱一段時間，等達到預定的溫度，環氧樹脂軟化後，利用導螺桿加壓傳送的方式，射出融熔狀態的環氧樹脂，經澆道(Runner)、澆口(Gate)，最後到達模穴，而充滿整個模穴，經過冷卻熟化，即完成初步的構裝。此方式或稱為轉移成型法(transfer molding)。
關於預設投影圖案形成在發光晶片表面的實施方式，發光晶片可以是紅外線的發光晶片。如圖3A所示，為本發明第一實施例的發光晶片34a，預設投影圖案可以是多條直線狀且平行的條紋(finger)341，發光晶片的導電墊342呈長條狀且靠近發光晶片34a的上方邊緣。舉例而言，本實施例可以使用42x42mil(密耳)紅外線發光晶片。其中條紋341的寬度可以介於0.02mm至0.08mm之間；條紋341的間距可以介於0.04mm至0.16mm之間。
如圖3B所示，為本發明第二實施例的發光晶片34b，預設投影圖案可以是陣列狀的穿孔(via)343，發光晶片的導電墊344呈長條狀且靠近發光晶片30b的上方邊緣。其中所述預設投影圖案具有呈陣列狀的多個穿孔343。為使本發明的微型化結構光投射模組可以小型化，舉例而言，本實施例可以使用42x42mil(密耳，即千分之一英寸，等於0.0254mm(毫米))紅外線發光晶片，約為1.067mm x 1.067mm。其中一種較佳的實施方式，每一穿孔343的 直徑介於0.02mm至0.08mm之間，所述穿孔343之間的間距介於0.04mm至0.16mm之間。
關於預設投影圖案形成在封裝體36表面的實施方式，可以是將封裝體36覆蓋於基底32以及發光晶片34後，將所述預設投影圖案印刷於封裝體36的表面。或者，具有金屬支架31的光源單元30a(參閱圖10)，可以是在封裝體36覆蓋於所述殼體33內以及所述發光晶片34，將預設投影圖案印刷於封裝體36的表面。
如圖3C所示，為本發明第三實施例的發光晶片34c，若是垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)晶片，預設投影圖案可以是陣列狀的孔洞(apertures)345，發光晶片的導電墊346呈塊狀且靠近發光晶片的角落，導電墊346可以呈方形或圓形。
關於垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)晶片的結構，舉例說明，是直接在砷化鎵晶圓上成長數層N型砷化鋁鎵磊晶，並且每層磊晶的折射率不同，再成長一層砷化鎵磊晶為發光區，再成長數層P型砷化鋁鎵磊晶，而且每層磊晶的折射率不同，最後在晶圓的上下兩面各成長一層金屬電極。預設投影圖案可以是使用化學蝕刻將上方的金屬電極打開一個圓形的孔洞(aperture)，讓雷射光可由上方發射出來。由於雷射光是從晶粒表面射出，因此屬於「面射型雷射」(Surface Emitting Laser，SEL)。
關於光源單元30的預設投影圖案形成封裝體36的表面，其形狀與數量可以如圖3A至圖3C所示的。
投影鏡片50置於光源組合的上方，也就是位於多個光源單元30的上方。請配合圖1，本實施例的投影鏡片50為著小形化，較佳是形成有四個鏡片單元51。每一鏡片單元可以是菲涅爾透鏡(Fresnel lens)，菲涅爾透鏡比一般鏡片較薄且焦距較短，更有利於縮小本實施例的體積。然而，本實施例組成投射鏡片的各透鏡可不侷限為菲涅爾透鏡，任何型式的透鏡其焦平面位置在結構面即可。四個鏡片單元51排列成陣列方式並且彼此相接，投影鏡片50 具有一前焦面(front focal plane)；前焦面是指通過前焦點(front focal point，第一焦點或物方焦點)且垂直於系統主光軸的平面，又稱第一焦平面或物焦面。所述光源單元的預設投影圖案置於投影鏡片50的前焦面上。換句話說，當所述預設投影圖案位在發光晶片30的表面，發光晶片30的表面至投影鏡片50的距離等於前焦距(front focal length,FFL)。當預設投影圖案位在所述封裝體36的表面，所述封裝體36的表面至所述投影鏡片50的距離等於前焦距(front focal length,FFL)，如圖4所示意的。本發明的實施例可以減小微型化結構光投射模組的體積。但並不限制於此，例如，也可以是將一個具有預設投影圖案的繞射光學元件(Diffractive.Optics Element，簡稱DOE)置放於封裝體36的表面。較佳的，本實施例也可以省略繞射光學元件，藉此更為縮小體積。
請參閱圖4，本實施例的預設投影圖案與投影鏡片50的光軸可以是一對一位於相同的光軸上。也就是說，具有預設投影圖案的發光晶片30一對一地置於投影鏡片50的光軸C上，以此實施例可視為一個鏡片單元51的光軸C，並將光線投影至目標屏幕TS。假設其中發光晶片30的高度為D0，鏡片單元51的左邊焦距(前焦距)與右邊焦距均為f，並且投影距離預設為d。以42x42mil(密耳)的發光晶片為例，D0=1.067mm；投影距離d預設在40公分的位置，d=400mm，並設計鏡片單元51的焦距f為4mm。由上述關係，目標屏幕TS的尺寸為Di，可依下列關係式求得：公式(1)...Di=(d-f)/f * D0
將上述數據代入公式(1)Di=(400-4)/4 * 1.067=105.6mm，換句話說，大約等於10cm。以一個發光晶片配合一個鏡片的關係，配合上述的假設條件，可獲得約10cm正方的像於目標屏幕TS。
請參閱圖5，當預設投影圖案的中心是偏離所述鏡片單元的光軸。也就是說，具有預設投影圖案的發光晶片30的中心偏離於投 影鏡片50的光軸C，以此實施例為一個鏡片單元51的光軸C，並將光線投影至目標屏幕TS。假設發光晶片30的中心偏離於鏡片單元51的光軸C的偏離距離S0為1mm。其餘假設條件相同於圖4，以42x42mil(密耳)的發光晶片為例，D0=1.067mm；投影距離d預設在40公分的位置，d=400mm，並設計鏡片單元51的焦距f為4mm。目標屏幕TS的尺寸為Di已於圖4求得為105.6mm。藉此，目標屏幕TS偏離光軸C的距離Si，可依在焦點兩側的三角形近似關係，由下列關係式求得：公式(2)…Si-(Di/2)=(d-f)/f *(S0-D0/2)
也就是說，Si=(d-f)/f *(S0-D0/2)+(Di/2)
將上述已知的預設數值代入公式(2)Si=(400-4)/4 *(1-1.067/2)+(105.6/2)=99*(1-0.5335)+52.8=98.18mm,換句話說，約等於10cm。以一個發光晶片配合一個鏡片的關係，配合上述的假設條件，可獲得約10mm正方的目標屏幕TS。
請參閱圖6及圖7，分別為本發明組合後的微型化結構光投射模組的剖視圖，以及俯視的透視圖。考慮一顆發光晶片30對應到兩個離軸的鏡片單元51，可得到上下的晶片成像(pattern)；對稱放置另一顆發光晶片30以及另兩個離軸的鏡片單元51則可完整拼湊出整面的結構光結果。從結果來看，可以知道Y軸方向的距離須大於零，才會有中間的縫隙(gap)產生，而X軸方向則是需要越小越好，若為負值則會產生交疊的現象。另，若結果希望為晶片成像產生橫向的條紋，則發光晶片30的線條(finger)方向也需要為橫向。
舉例而言，依本發明的圖3A，第一實施例的發光晶片的預設投影圖案34a，為多條直線狀且平行的條紋(finger)341。投影於目標屏幕的線條數量為條紋(如圖3A的標號341)的數量(n)的兩倍加一。換句話說，投影於目標屏幕的線條數量較佳為2n+1，其中n為自然數。舉例而言，發光晶片34a上面的條紋341有9條，投 至屏幕上總共會有19條。另，打線點盡量遠離晶片中央，避免wire pad以及wire成像於屏幕上。
此外，依本發明的圖3B，第二實施例的發光晶片34b的預設投影圖案而言，為陣列狀的穿孔(via)343。投影於目標屏幕呈現黑色點，黑色點的數量為所述穿孔343的數量(n)的四倍。換句話說，投影於目標屏幕的黑色點數量為4n，其中n為自然數。
此外，依本發明的圖3C，第三實施例的發光晶片34c的預設投影圖案而言，為陣列狀的孔洞(apertures)345，發光晶片的導電墊346。其中投影於目標屏幕為亮點，亮點數量為所述孔洞的數量(n)的四倍。換句話說，投影於目標屏幕的亮點數量為4n，其中n為自然數。
請同時參考圖8，顯示兩個發光晶片30投影至目標屏幕的情況，其中預設投影圖案的中心偏離鏡片單元的光軸。本發明的目標屏幕TS的視野FOV(field of view)與鏡片單元51的焦距f及其他參數的關係描述如下。預設鏡片單元51的焦距f、發光晶片30的尺寸D0、鏡片至目標屏幕TS的距離為400mm。定義各項的參數如下：Wx為目標屏幕TS沿X軸的寬度；Wy為目標屏幕TS沿Y軸的寬度(圖略)；以比例為4：3的目標屏幕TS而言，(tan(FOV)*400)*2*4/5=Wx
(tan(FOV)*400)*2*3/5=Wy Sx0為晶片的中心沿X軸偏離於鏡片單元的光軸C的距離(簡稱，離軸量)；Sy0為晶片的中心沿Y軸偏離於鏡片單元的光軸C的距離；Sxi為晶片成像的中心沿X軸偏離於鏡片單元的光軸C的距離(簡稱，成像離軸量)；Syi為晶片成像的中心沿Y軸偏離於鏡片單元的光軸C的距離(圖 略)。
此外，由圖8可知兩個晶片成像之間的距離g為2*(Si-Di/2)可由下列關係式求得目標屏幕TS沿X軸的寬度Wx公式(3)…Wx=2* Di-2*(Si-Di/2)=3* Di-2*Sxi
將上述已知的預設數值、Di以公式(1)、Sxi以公式(2)，代入公式(3)，可得下列式子Wx=3*((400-f)/f*D0)-2*((400-f)/f)Sx0、上述即為單一晶片對單一鏡片單元的離軸量與成像離軸量的關係。
另外，Wy<3* Di-2*Syi=3*((400-f)/f*D0)-2*((400-f)/f)Sy0
依據上述Y軸方向的距離須大於零，才會有中間的縫隙產生，因此可得知下列公式：公式(4) Syi-Di/2>0
換句說話，其中所述光軸C至所述發光晶片30投射出的晶片成像的中心偏離距離沿著Y軸(垂直方向)的分量(Syi)，減去所述晶片成像的一半寬度(Di/2)，不等於零。
依據上述X軸方向需要越小越好，若為負值則會產生成像交疊的現象，因此可得知下列公式：公式(5) Sxi-Di/2較佳是小於零(負值)。
換句說話，其中所述光軸至所述發光晶片投射出的晶片成像的中心偏離距離沿著X軸(水平方向)的分量(Sxi)，減去所述晶片成像的一半寬度(Di/2)，等於或小於零，較佳範圍是-1至0。
本發明的實施例的優點在於，投影的圖案可由發光晶片表面的預設投影圖案或封裝體表面的預設投影圖案得以控制。以42x42mil(密耳)的發光晶片為例，發光晶片30併排後的總寬度Cd約5mm，鏡片單元51的焦距f為4mm，整體尺寸約為5mm x 5mm x 5mm。投影鏡片50的寬度Lw約4mm。此外，本發明的發光晶片擺放為離軸方式，於軸向上還可放置LED閃光燈，例如置於圖7 的兩個發光晶片30之間。
請參閱圖9至圖12為本發明另一實施例的微型化結構光投射模組100a。兩個光源單元30a置於六角形金屬的承載板10a，投影鏡片50a配合承載板10a的形狀，也可作成六角形。投影鏡片50a形成有四個鏡片單元51。投影鏡片50a與承載板10a之間以六個圓形的連接柱60連接固定。投影鏡片50a形成有四個鏡片單元51。
如圖10所示，本發明的光源單元並不限制於上述實施例，其中光源單元30a可以是包括一金屬支架31及一殼體33連接於所述金屬支架31。殼體33也可以是熱固性的環氧樹酯(epoxy molding compound，EMC)。將發光晶片34設置於金屬支架31上，預設投影圖案可以是形成於所述發光晶片34的表面，封裝體36以填膠(dispensing)或以矽膠模塑技術(silicone encapsulation molding process)填入於殼體33內並覆蓋發光晶片34。另外，填膠需要齊平於殼體33的頂面，避免額外像差的產生，造成投影光形的變形。封裝體36的折射率(Refractive index)較佳位於1.4~1.5。
請參閱圖13及圖14，為本發明第三實施例的微型化結構光投射模組。本實施例的微型化結構光投射模組100b，相似於第一實施例，具有兩個顆發光晶片30及四個離軸的鏡片單元51。差異處在於，投影鏡片50b的四個鏡片單元51之間並沒有重疊，彼此相隔一間距。其中發光晶片30的尺寸D0大於鏡片單元51的直徑(2*R，R為半徑)。
綜上所述，本發明的特點在於，本發明的微型化結構光投射模組可以調整控製發光晶片上表面的投影圖樣或是封裝體上表面的投影圖樣，加上陣列式的鏡片單元。將結構光投出，透鏡的焦平面為發光晶片的上表面或是封裝體的上表面。調整控製上述投影圖樣的單元為晶片結構或是封裝結構。本發明可以不需要額外的光柵以形成預設投影圖案，可以省略體積。藉此可以縮小整體 微型化結構光投射模組的體積，以供置於可攜式電子產品上。
以上所述僅為本發明的較佳可行實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。

Claims (9)

  1. 一種微型化結構光投射模組，包括：一光源組合，具有多個光源單元，每一所述光源單元包括一基底、一發光晶片及一封裝體，所述封裝體覆蓋於所述發光晶片，所述封裝體覆蓋於所述基底以及所述發光晶片，每一所述光源單元具有一預設投影圖案，所述預設投影圖案形成在所述發光晶片的表面或所述封裝體的表面；一投影鏡片，置於所述光源單元的上方，所述投影鏡片形成有多個鏡片單元，多個所述鏡片單元排列成陣列方式並且彼此相接，所述投影鏡片具有一前焦面；所述預設投影圖案位於所述發光晶片與所述投影鏡片之間；所述光源單元的所述預設投影圖案置於所述投影鏡片的所述前焦面，所述預設投影圖案與所述投影鏡片相距一前焦距，從而所述發光晶片的光線經過所述預設投影圖案後，藉由所述投影鏡片形成結構光。
  2. 如請求項1所述的微型化結構光投射模組，其中所述預設投影圖案具有多條直線狀且平行的條紋，其中所述條紋的寬度介於0.02mm至0.08mm之間，所述條紋之間的間距介於0.04mm至0.16mm之間，其中投影於目標屏幕的線條數量為所述條紋的數量兩倍加一。
  3. 如請求項1所述的微型化結構光投射模組，其中所述預設投影圖案具有多個穿孔呈陣列狀，其中所述穿孔的直徑介於0.02mm至0.08mm之間，所述穿孔之間的間距介於0.04mm至0.16mm之間，其中投影於目標屏幕的黑點數量為所述穿孔的數量四倍。
  4. 如請求項1所述的微型化結構光投射模組，其中所述發光晶片為垂直共振腔面射型雷射結構，所述發光晶片的金屬電極形成多個孔洞供雷射光發射出來，其中投影於目標屏幕的光點數量為所述孔洞的數量四倍。
  5. 如請求項1所述的微型化結構光投射模組，其中所述發光晶片的所述預設投影圖案與所述鏡片單元的光軸呈一對一位於相同的光軸上。
  6. 如請求項1所述的微型化結構光投射模組，其中所述發光晶片的所述預設投影圖案的中心偏離所述鏡片單元的光軸。
  7. 如請求項6所述的微型化結構光投射模組，其中所述光軸至所述發光晶片投射出的晶片成像的中心偏離距離沿著垂直方向的分量，減去所述晶片成像的一半寬度，不等於零。
  8. 如請求項6所述的微型化結構光投射模組，其中所述光軸至所述發光晶片投射出的晶片成像的中心偏離距離沿著水平方向的分量，減去所述晶片成像的一半寬度，等於或小於零。
  9. 如請求項6所述的微型化結構光投射模組，其中所述光軸進一步置放一閃光燈單元。
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