TWI693431B - 結構光投射系統 - Google Patents

Abstract

一種結構光投射系統，包括一基板、一半導體雷射晶片、一第一光學模組以及一第二光學模組。半導體雷射晶片電性連接於基板上，且第一光學模組設置於基板上，第二光學模組設置於第一光學模組上。藉由將第一光學模組以一次光學設計方式直接封裝設置於基板上，藉此改善光學模組之光軸的偏差率及校正時間，藉以提升製造良率。

Description

結構光投射系統

本發明是有關於一種光學系統，尤指是有關於一種結構光投射系統。

隨著光學技術的蓬勃發展，結構光(structured light)進而被應用於許多領域，例如：3D輪廓重現、距離量測、防偽辨識等領域，然而，現有的技術中，結構光之產生方式大多是由一發光模組、一透鏡轉換模組、一準直透鏡以及一繞射光學元件(diffractive optical element,DOE)組成，例如中華民國發明專利號第I608252號「光學裝置」乙案中所揭露，殼體內包括準直透鏡、轉換透鏡模組與光學元件組，且轉換透鏡模組是由多片不同屈光度的光學鏡片以適當的間隔組合堆疊而成，因此，殼體內至少具有五片以上之光學鏡片，當多片不同屈光度的光學鏡片組合時，各光學鏡片的光學中心軸(optical axis)需要精密對齊以避免解析度降低的問題，且各轉換光學鏡片也需要以一定間距排列組合而成，故將耗費許多的工序與精密校正，導致產量無法提高，成本也難以下降，又，當轉換透鏡模組內的多個光學鏡片在相互堆疊時，倘若其中一光學鏡片之中心軸產 生偏移時，將影響轉換透鏡模組整體光學效果，進而影響製造良率；此外，因轉換透鏡模組上的各個鏡片都具備各自獨立的光軸，因此當一光學鏡片堆疊在另一片光學鏡片上時，會因為鏡片層數增加，而導致光軸對準的誤差的累積，使得製造良率更低，且無法達到薄型化之效果。

鑑於上述的問題，本發明人係依據多年來從事相關產品研發的經驗，針對光學領域與封裝技術進行研究及分析，期能設計出符合上述需求的實體產品；緣此，本發明提供一種藉由一次光學(primary optics)設計來簡化光學元件之光軸對準次數，藉此提升結構光投射系統的精密度及製造良率。

本發明之一實施例提出一種結構光投射系統，包括一基板、至少一半導體雷射晶片、一第一光學模組以及一第二光學模組構成，其中，該基板材質為半導體或非半導體材質所製成，其具有一安裝面，至少有一半導體雷射晶片電性連接於該基板之安裝面上，用以產生至少一光束，又，第一光學模組係以模塑方式設置於該安裝面上，意即，第一光學模組係採用一次光學封裝設計之方式直接設置於半導體雷射晶片上，使得第一光學模組與半導體雷射晶片及基板之間無空氣間隙，再者，所述之第一光學模組係由至少一光學透鏡組成，又，第二光學模組係設置於第一光學模組上，該第二光學模組包含有一殼體以及 至少一繞射光學元件。本發明的實施例藉由將第一光學模組以一次光學設計方式，簡化第二光學模組之光學鏡片之層數，藉此降低光軸對準的誤差率，以提升產品製造良率。

進一步地，該半導體雷射晶片用於產生波長落在750至1000奈米的範圍內之紅外光，較佳地，可用於產生波長落在790至830奈米的範圍內、波長落在830至870奈米的範圍內或波長落在900至1000奈米的範圍內之紅外光。

進一步地，該第一光學模組的至少一光學透鏡之屈光度可為正或負，且該至少一光學透鏡具有一出光面，其用以擴展或會聚半導體雷射晶片產生之光束，以改變其路徑。

進一步地，該半導體雷射晶片具有一第一光軸，該第一光學模組具有一第二光軸，該第二光學模組具有一第三光軸，當半導體雷射晶片與各光學模組相互組設完成後，各光軸之間呈同一軸心。

進一步地，該第一光軸與第二光軸之間的誤差偏值小於等於20微米。

進一步地，該第二光軸與第三光軸之間的誤差偏值小於等於50微米。

進一步地，該第一光軸、該第二光軸與第三光軸之間的誤差偏值小於等於50微米。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10、10b‧‧‧結構光投射系統

101‧‧‧基板

102、302‧‧‧半導體雷射晶片

1011‧‧‧安裝面

1021‧‧‧第一光軸

1022‧‧‧鏡像

103‧‧‧第一光學模組

104、104a‧‧‧第二光學模組

1031‧‧‧光學透鏡

1041‧‧‧殼體

1032‧‧‧第二光軸

1042‧‧‧繞射光學元件

1033‧‧‧出光面

1043‧‧‧光學元件

1045‧‧‧第三光軸

1046‧‧‧接合部

40‧‧‧反射元件

41‧‧‧反射面

L‧‧‧光束

L1‧‧‧輸出光束

L2‧‧‧準直光束

L3‧‧‧結構光

P‧‧‧投射面

θ1‧‧‧夾角

θ2‧‧‧發散角

W‧‧‧長度

S‧‧‧距離

圖1為本發明之一實施例的結構光投射系統的結構分解圖。

圖2為圖1之結構光投射系統的剖面示意圖。

圖3為本發明之另一實施例的結構光投射系統的剖面示意圖。

圖4為本發明之又一實施例的結構光投射系統的剖面示意圖。

圖5為圖4的結構光投射系統中的半導體雷射晶片與反射元件的立體示意圖。

圖1為本發明之一實施例的結構光投射系統的結構分解圖。圖2為圖1之結構光投射系統的剖面示意圖。請參閱圖1與圖2，如圖所示，結構光投射系統10包含一基板101、一半導體雷射晶片102、一第一光學模組103以及一第二光學模組104，其中，基板101可為一非半導體材料或半導體材料製成，所述之非半導體材料可為金屬基板、陶瓷基板、或玻纖基板等，但不局限於此，該基板101具有一安裝面1011，半導體雷射晶片102係電性組設於該基板101之安裝面1011上，其具有一第一光軸1021，半導體雷射晶片102是用以一產生可見或不可見光，例如：雷射二極體(laser diode，LD)、垂直腔面射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)晶片、邊射型雷射(edge emitting laser,EEL)等，但不以此為限，該半導體雷射晶片102可產生一波長落在約700至1000奈米(nanometer,nm)的範圍內的紅外線不可見光或產生一波長落在約380至780nm的範圍內的可見光(例如：波長落在450-480nm的範圍內的藍光、波長落在500-560nm的範圍內的綠光或波長落在600-700nm的範圍內的紅光)，又，第一光學模組103係以模塑(molding)方式設置於安裝面1011上，該第一光學模組103具有一第二光軸1032，其包含一光學透鏡1031，該光學透鏡1031的屈光度(refractive power)為正(或為負)，且該光學透鏡1031具有一出光面1033，具體而言，該光學透鏡1031的材料選自環氧樹脂、壓克力樹脂、矽樹脂或矽膠，且折射率是落在1.4至1.6的範圍內，較佳地係落在1.4至1.43的範圍內或落在1.5至1.53的範圍內，但不以此為限，出光面1033設計可為球面、非球面、弧形面、拋物面、雙曲面及自由曲面中任一種，進一步地，該非球面之方程式例如為：

其中，r為非球面曲線上的點與光軸的距離；z為非球面深度，即非球面上距離光軸為r的點，與相切於非球面光軸上頂點之切面，兩者間的垂直距離；c為密切球面(osculating sphere)的半徑之倒數，也就是接近光軸處的曲率半徑；k為圓錐係數(conic constant)；a_i為第i階非球面係數。c=1/R，其中R為接近 光軸處的曲率半徑。在一實施例中，k<0且1.5毫米≦R≦5毫米。

光學透鏡1031係直接封裝覆蓋在半導體雷射晶片102上，且與半導體雷射晶片102緊密貼合，使得光學透鏡1031與基板101之安裝面1011及半導體雷射晶片102之間無空氣間隙，所述模塑方式係先將一模具的腔內注入光學透鏡1031之材料，接著插入已固接於安裝面1011上的半導體雷射晶片102後，直接加溫讓光學透鏡1031之材料固化，再將其從模腔中脫出即成型，或者將半導體雷射晶片102固接於安裝面1011上後設置於模具中，並將上下兩副模具用液壓機合模並抽真空，再將光學透鏡1031之材料放入注膠道的入口，並施加一壓力使該材料順著膠道進入各個成型槽中並加熱固化，再將其從模腔中脫出即成型，透過上述方式可使光學透鏡1031直接一體成型於半導體雷射晶片102之上，又，透過出光面1033可直接調整半導體雷射晶片102產生之光束的路徑，同時透過上述方式可使第一光軸1021與第二光軸1032於製程中即呈同一軸心，藉此簡化校正時間達到大量生產之功效，且於較佳實施例中，第一光軸1021與第二光軸1032之間的誤差偏值不超過20微米。在一實施例中，第一光軸1021與第二光軸1032之間的誤差偏值不超過10微米。再者，第二光學模組104係設置於第一光學模組103上，所述之第二光學模組104包含有一殼體1041與一繞射光學元件(diffraction optical element，DOE)1042，其具有一第三光軸1045，其中，殼體1041具有一中空之容室，且兩端分別有一開口，使其內部 相連通，該殼體1041其中一端成型有一接合部1046，該接合部1046可用一黏合劑或以機械組設方式(例如卡扣、插拔等)設置於該安裝面1011上。當接合部1046以黏合劑的方式設置於安裝面1011上時，可先使第三光軸1045確定對準於第二光軸1032後，再使黏合劑固化(例如照光固化或加熱固化)，以提升各光軸間的同心度。又，繞射光學元件1042係相對設置於該接合部1046之殼體1041的另一端，且於較佳實施中，繞射光學元件1042可與開口切齊，如圖所示，繞射光學元件1042係用於將一輸入光束分裂複製成一複數個輸出光束，即改變入射光的相位與振幅，使入射光能量波前重新分配，進而產生一光柵圖型(grating pattern)投射至一投射面P上，且第二光學模組104設置於第一光學模組103上時，第一光學模組103係容置於第二光學模組104的殼體1041內，故，僅需將第二光軸1032與第三光軸1045呈同一軸心對位即可，藉此改善習知需調整多組光學鏡片校正對準時間及誤差率，進而提升製造良率，具體而言，第二光軸1032與第三光軸1045之間的誤差偏值不超過50微米。在本實施例中，沿著第一光軸1021射出的光束繼續依序沿著第二光軸1032與第三光軸1045傳遞。在一實施例中，第二光軸1032與第三光軸1045之間的誤差偏值不超過20微米。此外，第一光軸1021、第二光軸1032與第三光軸1045之間的誤差偏值小於等於50微米。

請再參閱圖2，首先，半導體雷射晶片102會產生至少一光束L，第一光學模組103配置於此至少一光束L的傳遞路徑上， 且將該光束L會聚或擴展呈一輸出光束L1(即透過出光面1033之一次光學設計將光束L會聚或擴展呈輸出光束L1)，再經由第二光學模組104將輸出光束L1投射至殼體1041之外的投射面P，且該投射面P與結構光投射系統10之間具有一定的距離D，具體而言，距離D落在從300至500公分的範圍內，既使輸出光束L1入射至繞射光學元件1042後，被繞射至投射面P而形成數個繞射光點。也就是說，繞射光學元件1042配置於輸出光束L1的傳遞路徑上，且將輸出光束L1轉換成一結構光L3，而結構光L3投射於投射面P後在投射面P上形成多個繞射光點。

在本實施例中，出光面1033為一光滑的(smooth)折射曲面，可有效地會聚光束L(當出光面1033為凸面時)或發散光束L(當出光面1033為凹面時)。此外，當基板101採用非半導體材料之基板時，可以不必使用成本較高的晶圓級光學(wafer level optics)製程來製作第一光學模組103與第二光學模組104。因此，可以有效降低結構光投射系統10的製作成本。此外，相較於晶圓級光學製程，本實施例利用模塑製程所製作的光學透鏡1031的出光面1033可以較為精準，且設計自由度較高(即設計成球面、非球面或自由曲面皆可)，因此可有效提升結構光投射系統10的光學品質。

圖3為本發明之另一實施例的結構光投射系統的剖面示意圖。請參閱圖3，在本實施例中，一非半導體材質的基板101上設置有一半導體雷射晶片102，該半導體雷射晶片為一垂直腔 面射型雷射晶片，其具有m個發光點(m為大於1的正整數)，且200≦m≦600，又，第一光學模組103設置於該基板101上，且光學透鏡1031直接封裝覆蓋於半導體雷射晶片102上，且該光學透鏡1031的出光面1033為自由曲面。然而，在其他實施例中，出光面1033亦可以是非球面或球面。又，第二光學模組104a包括有一殼體1041、至少一光學元件1043與一繞射光學元件1042，其中，殼體1041具有一中空之容室，且殼體高度小於5毫米(millimeter,mm)或小於3mm，其兩端分別有一開口，該殼體1041其中一端成型有一接合部1046，該接合部1046設置於該基板101上，且第一光學模組103容置於殼體1041內，又，繞射光學元件1042係相對設置於該接合部1046之殼體1041的另一端，該光學元件1043係設置於光學透鏡1031與繞射光學元件1042之間，且光學元件1043、光學透鏡1031與繞射光學元件1042之間各具有一適當距離，且該適當距離不超過3mm，又，該光學元件1043可為一屈光度為正(或為負)的光學鏡片，其鏡片材質可為塑膠或玻璃，其中，塑膠材質可以是樹脂或高分子聚合物等材料所製成，特別是由包含聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲酯、環烯烴共聚物或聚酯樹脂等材料所製成，但不限於此，當光學鏡片的材質為塑膠，可以有效降低生產成本與重量，反之，當光學鏡片的材質為玻璃，則可以增加第二光學模組104a屈光度配置的自由度及設計空間，又，該光學鏡片的數量介於1至3，其各自具有小於5mm或小於3mm之厚度，且可具有在例如1mm至5mm、或1mm至3mm 之範圍內的厚度，再者，繞射光學元件的階數落在5×5至13×13階的範圍之內，此處的階數是指繞射光點的複製數，故，當半導體雷射晶片102產生一光束L時，其先經由出光面1033發射一輸出光束L1，該輸出光束L1經過光學鏡片(即光學元件1043)的折射後會輸出至少一準直光束L2，該準直光束L2朝繞射光學元件1042射入後，經由繞射光學元件1042衍射後於投射面P呈現複數個繞射光點之繞射光柵圖型，較佳地，該繞射光點數量可能為10000、15000、20000、30000或落在10000~40000的範圍內。

圖4為本發明之又一實施例的結構光投射系統的剖面示意圖，圖5為圖4的結構光投射系統中的半導體雷射晶片與反射元件的立體示意圖。請參閱圖4與圖5，如圖，結構光投射系統10b包含一基板101、一半導體雷射晶片302、一第一光學模組103以及一第二光學模組104a，其中，該半導體雷射晶片302為邊射型雷射晶片，本實施例與上述實施例的不同之處在於：結構光投射系統10b更包括一反射元件(reflector)40組設或一體成型於基板101上，該反射元件40具有一反射面41，該反射面41與半導體雷射晶片302的出光端形成間隔設置，可使半導體雷射晶片302射出的光束L往出光面1033反射，並使光束L遠離安裝面1011。在一實施例中，半導體雷射晶片302與反射面41的關係符合0.17≦W/S≦0.73，其中W為反射面41的長邊的長度，而S為半導體雷射晶片302至反射面41在第一光軸1021上的距離。其中，假設半導體雷射晶片302在水平方向上的發散角為θ2，則θ2 大致上是落在10度至40度的範圍內。因此當半導體雷射晶片302與反射面41的關係符合0.17≦W/S≦0.73，半導體雷射晶片302所發出的光束L可至少大部分照射於反射面41上。在本實施例中，從半導體雷射晶片302射出的光束L能透過該反射面41垂直於基板101向上反射，使該光束L由出光面1033射出，其中，該反射面41與半導體雷射晶片302的第一光軸1021形成一夾角θ1，該夾角θ1是落在30~60度的範圍內，較佳地該夾角θ1可為45度，故，本實施例透過一反射元件40來改變半導體雷射晶片302之光束L的出光方向，進而使第一光學模組103之高度降低，達到更輕薄化之效果，在本實施例中，第一光學模組103之高度約落在1mm至2mm的範圍內，是以，本實施例之結構光投射系統整體之總高度低於5mm。

在本實施例中，光學透鏡1031是以模塑方式設置於安裝面1011上，並覆蓋封裝於半導體雷射晶片302與反射元件40。也就是說，光學透鏡1031與半導體雷射晶片302之間及光學透鏡1031與反射元件40之間沒有空氣間隙。如此一來，半導體雷射晶片302之關於反射面41的鏡像1022便能夠容易地在模塑製程時與第二光軸1032之間呈同一軸心對位。在本實施例中，第一光軸1021之關於反射面41的鏡像1022與第二光軸1032之間呈同一軸心對位，且其誤差偏值小於等於20微米。鏡像1022與第一光軸1021是以反射面41為對稱面而彼此鏡像對稱。此外，在本實施例中，第一光軸1021之關於反射面41的鏡像1022、第二光 軸1032與第三光軸1045之間呈同一軸心對位，且其誤差偏值小於等於50微米。

由上所述可知，本發明之實施例的結構光投射系統，係包括一基板、一半導體雷射晶片、一第一光學模組以及一第二光學模組，其中，半導體雷射晶片具有第一光軸，第一光學模組具有第二光軸，第二光學模組具有第三光軸，當半導體雷射晶片電性組設於基板上後，其將第一光學模組利用模塑方式直接封裝該半導體雷射晶片，使得第一光學模組與基板及半導體雷射晶片之間無空氣間隙(即一次光學設計)，並使第一光軸與第二光軸呈同一軸心，又，第二光學模組設置於第一光學模組上，並使第三軸心與第二軸心可相互重合呈同一軸心，使其達到預期之光學效果；是以，本發明據以實施後，確實可達到一種藉由一次光學設計來簡化光軸對準次數，藉此提升精密度、製造良率的結構光投射系統。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧結構光投射系統

101‧‧‧基板

102‧‧‧半導體雷射晶片

1011‧‧‧安裝面

1021‧‧‧第一光軸

103‧‧‧第一光學模組

104‧‧‧第二光學模組

1031‧‧‧光學透鏡

1041‧‧‧殼體

1032‧‧‧第二光軸

1042‧‧‧繞射光學元件

1033‧‧‧出光面

1045‧‧‧第三光軸

1046‧‧‧接合部

Claims (16)

1. 一種結構光投射系統，包括：一非半導體材料之基板，具有一安裝面；一半導體雷射晶片，用以產生至少一光束，組設於該安裝面上，且該導體雷射晶片具有一第一光軸；一第一光學模組，配置於至少一該光束的傳遞路徑上，具有一第二光軸；該第一光學模組包括一光學透鏡，以模塑方式設置於該安裝面上，並覆蓋封裝於該半導體雷射晶片，該光學透鏡具有一出光面，該光學透鏡與該半導體雷射晶片之間呈無空氣間隙；一第二光學模組，具有一第三光軸，該第二光學模組設置於該第一光學模組上，該第二光學模組包括一中空殼體、至少一光學元件與至少一繞射光學元件，至少一該光學元件設置於該第一光學模組與至少一該繞射光學元件之間，該中空殼體一端成型有一接合部，該接合部設置於該安裝面上，至少一該繞射光學元件相對設置於該接合部之另一端，至少一該繞射光學元件配置至少一該光束的傳遞路徑上，其中，該第一光學模組容置於該中空殼體內，且沿著該第一光軸射出的光束繼續依序沿著該第二光軸與該第三光軸傳遞；以及當該光學透鏡的該出光面用以將至少一該光束朝至少一該光學元件射入，至少一該光束經由至少一該光學元件折射後產生至少一準直光束，並朝至少一該繞射光學元件射入，至少 一該準直光束經由至少一該繞射光學元件衍射後，於一投射面上呈現多個繞射光點進而轉換成一結構光。
2. 如申請專利範圍第1項所述的結構光投射系統，其中，該殼體厚度小於5mm。
3. 如申請專利範圍第2項所述的結構光投射系統，其中，該繞射光學元件與該投射面之間的距離落在從300cm至500cm的範圍內。
4. 如申請專利範圍第2項所述的結構光投射系統，其中該半導體雷射晶片為垂直腔面射型雷射晶片。
5. 如申請專利範圍第4項所述的結構光投射系統，其中該垂直腔面射型雷射晶片具有200至600個發光點。
6. 如申請專利範圍第3項或第5項所述的結構光投射系統，其中該繞射光學元件的階數是落在從5×5階至13×13階的範圍內。
7. 如申請專利範圍第6項所述的結構光投射系統，其中，該些繞射光點的數量是落在從10000至40000的範圍內。
8. 如申請專利範圍第1項所述的結構光投射系統，其中該第一光軸、該第二光軸與該第三光軸之間呈同一軸心對位，且其誤差偏值小於等於50微米。
9. 如申請專利範圍第1項所述的結構光投射系統，其中該第一光軸與該第二光軸之間呈同一軸心對位，且其誤差偏值小於等於20微米。
10. 如申請專利範圍第1項所述的結構光投射系統，其中該非半導 體材料之基板為一金屬基板、陶瓷基板或玻璃纖維基板。
11. 如申請專利範圍第1項所述的結構光投射系統，其中該半導體雷射晶片為一邊射型雷射晶片，該結構光投射系統更包括一反射元件，其設置於該安裝面上，該反射元件具有一反射面，該反射面用以將該邊射型雷射晶片射出的該光束往該出光面反射，並使該光束遠離該安裝面，該光學透鏡與該基板、該邊射型雷射晶片以及該反射元件之間無空氣間隙。
12. 如申請專利範圍第11項所述的結構光投射系統，其中該第一光軸之關於該反射面的鏡像、該第二光軸與該第三光軸之間呈同一軸心對位，且其誤差偏值小於等於50微米。
13. 如申請專利範圍第11項所述的結構光投射系統，其中該第一光軸之關於該反射面的鏡像與該第二光軸之間呈同一軸心對位，且其誤差偏值小於等於20微米。
14. 如申請專利範圍第11項所述之結構光投射系統，該光學透鏡以模塑方式設置於該安裝面上，並覆蓋封裝於該邊射型雷射晶片與該反射元件。
15. 如申請專利範圍第14項所述之結構光投射系統，其中，該反射面與該第一光軸形成一夾角，且該夾角介於30至60度之間。
16. 如申請專利範圍第15項所述之結構光投射系統，其中該殼體厚度小於5mm。

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