TWI717604B

TWI717604B - 光學基站

Info

Publication number: TWI717604B
Application number: TW107116698A
Authority: TW
Inventors: 曾健治; 甘碩傑
Original assignee: 宏達國際電子股份有限公司
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2021-02-01
Also published as: CN109491074A; TW201913181A

Abstract

一種光學基站，包括一底座、一光源以及一第一微機電反射鏡。光源配置於底座，用以提供一光束。第一微機電反射鏡配置於光束的光路上，用以反射光束並使光束進行空間掃描。

Description

光學基站

本發明是有關於一種基站，且特別是有關於一種光學基站。

隨著科技進步，人們追求逼真且有如身歷其境的影音享受，因此虛擬實境(Virtual Reality, VR)系統受到市場的熱烈歡迎。當使用者配戴虛擬實境裝置，便可透過虛擬實境裝置觀賞三維立體影像並得到良好的觀賞體驗。然而，要建構正確的虛擬實境空間，必須搭配光學基站提供空間定位的基準。

圖1是習知的光學基站(optical base station)的示意圖。請參照圖1，為了進行二維的空間掃描，習知的光學基座200採用了兩個轉子220A與220B，並搭配兩個光源210A與210B。光源210A提供的光束L20A進入轉子220A後會隨轉子220A轉動而掃描四周的空間。光源210B提供的光束L20B進入轉子220B後會隨轉子220B轉動而以不同於光束L20A的方向掃描四周的空間。然而，因為轉子的旋轉頻率與光學基站設定的掃描頻率之間存在誤差，且轉子旋轉時分別會有重力及相對應配重的問題，進而產生跳動效應(jitter effect)，並降低習知的光學基站的掃描精確度。另外，使用兩個轉子220A與220B也導致光學基座200的體積難以縮小。

本發明提供一種光學基站，可降低跳動效應。

本發明的光學基站包括一底座、一光源以及一第一微機電反射鏡。光源配置於底座，用以提供一光束。第一微機電反射鏡配置於光束的光路上，用以反射光束並使光束進行空間掃描。

在本發明的一實施例中，上述的光學基站更包括一透鏡模組，配置於光束的光路上，其中光束被第一微機電反射鏡反射後通過透鏡模組而轉換為具有線型光斑。

在本發明的一實施例中，上述的透鏡模組包括一發散透鏡與一柱狀透鏡片。

在本發明的一實施例中，上述的柱狀透鏡片朝向第一微機電反射鏡呈內凹曲面狀。

在本發明的一實施例中，上述的光學基站更包括一分光鏡與一第二微機電反射鏡，其中光束通過分光鏡後被分光為一第一子光束與一第二子光束，第一微機電反射鏡配置於第一子光束的光路上，用以反射第一子光束並使第一子光束進行空間掃描，第二微機電反射鏡配置於第二子光束的光路上，用以反射第二子光束並使第二子光束進行空間掃描。

在本發明的一實施例中，上述的光學基站更包括一第一透鏡模組與一第二透鏡模組，分別配置於第一子光束與第二子光束的光路上，其中第一子光束被第一微機電反射鏡反射後通過第一透鏡模組而轉換為具有線型光斑，第二子光束被第二微機電反射鏡反射後通過第二透鏡模組而轉換為具有線型光斑。

在本發明的一實施例中，上述的第一子光束的線型光斑的長軸垂直於第二子光束的線型光斑的長軸。

基於上述，在本發明的光學基站中，利用微機電反射鏡取代轉子，因此光學基站具有較小的跳動效應，可提升光學掃描的精確度。

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。

圖2是依照本發明的一實施例的光學基站的示意圖，圖3是依照本發明的一實施例的光學基站的部分構件的示意圖。請參照圖2及圖3，本實施例的光學基站100包括一底座110、一光源120以及一第一微機電反射鏡130。光源120配置於底座110，用以提供一光束L10。第一微機電反射鏡130配置於光束L10的光路上，用以反射光束L10並使光束L10進行空間掃描，例如是使光束L10的光斑在一掃描角度θ10内反覆移動。在本實施例中，第一微機電反射鏡130是單軸旋轉的微機電反射鏡，在其他實施例中，第一微機電反射鏡130也可以是多軸旋轉的微機電反射鏡，本發明不侷限於此。此外，第一微機電反射鏡130的鏡面依據需求可以由單一鏡片或多個鏡片的陣列構成。以本實施例來說，第一微機電反射鏡130的鏡面由單一鏡片構成，本發明不侷限於此。

在本實施例的光學基站100中，以第一微機電反射鏡130取代了習知技術中的轉子。第一微機電反射鏡130能夠利用電磁效應使鏡面擺動。當光束L10照射至第一微機電反射鏡130時，隨著第一微機電反射鏡130的擺動，被第一微機電反射鏡130反射的光束L10也會擺動，因此第一微機電反射鏡130可以達成與轉子相同的使光束移動的效果。

第一微機電反射鏡130的擺動能夠以控制系統準確地控制，且第一微機電反射鏡130的重量相較於傳統的轉子的重量輕了許多。因此，本實施例的光學基站100不會如習知技術般因為跳動效應而影響到光學基站100的掃描精確度。由此，本實施例的光學基站100可以提供精確的光學掃描結果。此外，微機電反射鏡的體積相較於轉子小，因此光學基站100所需的內部空間也縮小，進而可以縮小整體的體積而符合消費者的使用偏好。

在本實施例中，光學基站100可更包括一罩蓋150，配置於底座110。光源120與旋轉台130位於罩蓋150與底座110所構成的一容納空間S10中。罩蓋150可使光源120與第一微機電反射鏡130與外界隔絕，避免受到異物的干擾或污染，以提升光學基站100的可靠度並延長使用壽命。罩蓋150相對光束L10是透明的。進一步而言，上述的透明是指光束L10能夠不被罩蓋150遮蔽且傳送出罩蓋150，而光束L10的光強度大致上並不會減弱。但是，人眼不一定能夠由罩蓋150外側看到罩蓋150內部。換言之，人眼觀察罩蓋150是否呈現透明並不重要，重要的是罩蓋150的材質可供光束L10的波段通過而不會阻礙光束L10或明顯減弱光束L10的強度。此外，本實施例的罩蓋150可以是整體都透明的，也可以僅於光束L10的光路所經過的區域是透明的。

在本實施例中，光學基站100更包括一透鏡模組140，配置於光束L10的光路上。光束L10由光源120輸出後原本的光斑例如是點狀的，可以利用透鏡模組140將光束L10的光斑轉換為線型光斑以利進行光學掃描。光束L10具有線型光斑的意思是，光束L10打在一個與光束L10正交的平面上時光斑的形狀大致呈線型。本實施例的透鏡模組140包括一發散透鏡142與一柱狀透鏡片(lenticular lens sheet)144，但本發明不侷限於此。發散透鏡142在本實施例中為圓形透鏡。在其他實施例中，因為發散透鏡142上真正會被光束L10通過區域是長條狀的，所以發散透鏡142也可以是對應的矩形透鏡，進而縮小發散透鏡142的體積。

請參考圖3，在本實施例中，光學基站100的掃描範圍是光束L10被擺動的第一微機電反射鏡130反射後，光束L10的光路的通過區域。光束L10被擺動的第一微機電反射鏡130反射，並隨著擺動的第一微機電反射鏡130反射至不同的位置。第一微機電反射鏡130的鏡面擺動的角度有限，為了使掃描範圍進一步增加，可以在光束L10的光路上設置發散透鏡142。發散透鏡142能夠使掃描角度θ10增加至掃描角度θ20，讓掃描範圍擴大。發散透鏡142能夠完整涵蓋光束L10的光路的通過區域。換言之，不論光束L10被第一微機電反射鏡130以掃描角度θ10中的任一角度反射後，都能入射發散透鏡142並發散。

光束L10經過發散透鏡142發散後入射柱狀透鏡片144。柱狀透鏡片144主要用於改變光斑的形狀，例如是從點狀的光斑變成線型光斑。藉由適當設計柱狀透鏡片144，可以讓光束L10在其線型光斑上的每一處都有大致相同的光強度。在本實施例中，柱狀透鏡片144朝向第一微機電反射鏡130呈內凹曲面狀，以使光束L10被第一微機電反射鏡130以任意角度反射後都能垂直入射柱狀透鏡片144，但本發明不侷限於此。

圖4是依照本發明的另一實施例的光學基站的示意圖。請參照圖4，本實施例的光學基站300與圖2的光學基站100大致相同，在此僅說明兩者的差異處。本實施例的光學基站300更包括一分光鏡160以及一第二微機電反射鏡170。光束L10進入分光鏡160後，被分光且從兩個不同的方向分別輸出一第一子光束L10A與一第二子光束L10B。第一微機電反射鏡130以及第二微機電反射鏡170分別配置於第一子光束L10A與第二子光束L10B的光路上，並分別以一第一掃描角度θ12及一第二掃描角度θ14擺動。第一微機電反射鏡130以及第二微機電反射鏡170分別繞不同軸向轉動，因此被反射後的第一子光束L10A與第二子光束L10B的光路會在兩個互相不平行的平面上擺動。因此，光學基站300可同時利用第一子光束L10A與第二子光束L10B以不同的方向對周遭進行光學掃描，再搭配距離的測定，進而建構出空間中的物體的三維座標。

圖5是圖4的線型光斑的示意圖。請同時參照圖4及圖5，在本實施例中，光學基站300可更包括一第一透鏡模組140A與一第二透鏡模組140B，分別配置於第一子光束L10A與第二子光束L10B的光路上。第一子光束L10A通過第一透鏡模組140A而轉換為具有一第一線型光斑F12，第二子光束L10B通過第二透鏡模組140B而轉換為具有一第二線型光斑F14。當第一線型光斑F12及第二線型光斑F14投影至一牆面，將會如圖5所示，第一線型光斑F12的長軸AL12與第二線型光斑F14的長軸AL14互相垂直。此外，第一線型光斑F12及第二線型光斑F14分別隨著第一微機電反射鏡130以及第二微機電反射鏡170擺動而移動，第一線型光斑F12的移動方向D12及第二線型光斑F14的移動方向D14互相垂直，但本發明不以此為限。

當第一微機電反射鏡130以及第二微機電反射鏡170擺動而使第一子光束L10A與第二子光束L10B同時掃描周圍空間時，位於空間中的同一個光接收器（未繪示）會接收到第一子光束L10A與第二子光束L10B。藉由第一子光束L10A與第二子光束L10B的接收時間的時間差可換算出光接收器與光學基站300的距離，而第一子光束L10A與第二子光束L10B的入射角度則可定位出光接收器相對於光學基站300的方位，進而達成對光接收器進行空間定位的目的。由此，本實施例的光學基站300以第一微機電反射鏡130以及第二微機電反射鏡170取代習知技術的兩個轉子220A、220B（繪示於圖1）就可以對空間進行二維掃描，大幅節省了元件所佔用的空間以及材料與組裝成本。

圖6是圖2的光學基站的應用架構的示意圖。請參照圖6，在此應用架構中使用了兩個圖2的光學基站100。當使用者配戴頭戴式顯示裝置52且雙手各持一個控制手把54時，光學基站100持續週期性地向使用者所處的空間射出光束。頭戴式顯示裝置52與控制手把54上都有多個光感測器56，圖6中僅標示出頭戴式顯示裝置52上的光感測器56。這些光感測器56能夠偵測光學基站100所發出的光束。藉由分析這些光感測器56偵測到光束的時間資訊以及這些光感測器56在頭戴式顯示裝置52與控制手把54上的幾何位置即可獲得頭戴式顯示裝置52與控制手把54在空間中的即時位置資訊，進而提供使用者各種虛擬實境的應用。

綜上所述，本發明的光學基站的微機電反射鏡可以達成與轉子相同的使光束移動的效果。相較於習知技術採用的轉子，微機電反射鏡的尺寸微小許多，且零件數量少而可以降低製造公差與組裝公差所導致的控制誤差。因此，本發明的光學基站具有較小的跳動效應，因此可以提升光學掃描的精確度。此外，相較於習知技術採用的轉子，本發明採用微機電反射鏡具有較小的耗電量。當本發明的光學基站具有內建電池時，本發明的光學基站更方便隨身攜帶，且也無須外接電源線。

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。

200‧‧‧光學基座210A、210B‧‧‧光源220A、220B‧‧‧轉子230‧‧‧殼體L20A、L20B‧‧‧光束100、300‧‧‧光學基站110‧‧‧底座120‧‧‧光源130‧‧‧第一微機電反射鏡140‧‧‧透鏡模組142‧‧‧發散透鏡144‧‧‧柱狀透鏡片150‧‧‧罩蓋160‧‧‧分光鏡170‧‧‧第二微機電反射鏡L10‧‧‧光束θ10、θ20‧‧‧掃描角度S10‧‧‧容納空間140A‧‧‧第一透鏡模組140B‧‧‧第二透鏡模組θ12‧‧‧第一掃描角度θ14‧‧‧第二掃描角度F12‧‧‧第一線型光斑F14‧‧‧第二線型光斑AL12、AL14‧‧‧長軸L10A‧‧‧第一子光束

L10B:第二子光束

D12、D14:移動方向

52:虛擬實境裝置

54:手把

56:光感測器

圖1是習知的光學基站的示意圖。圖2是依照本發明的一實施例的光學基站的示意圖。圖3是依照本發明的一實施例的光學基站的部分構件的示意圖。圖4是依照本發明的另一實施例的光學基站的示意圖。圖5是圖4的線型光斑的示意圖。圖6是圖2的光學基站的應用架構的示意圖。

100‧‧‧光學基站

110‧‧‧底座

120‧‧‧光源

130‧‧‧第一微機電反射鏡

140‧‧‧透鏡模組

142‧‧‧發散透鏡

144‧‧‧柱狀透鏡片

150‧‧‧罩蓋

L10‧‧‧光束

S10‧‧‧容納空間

Claims

一種光學基站，包括：一底座；一光源，配置於該底座，用以提供一光束；一第一微機電反射鏡，配置於該光束的光路上，用以反射該光束並使該光束進行空間掃描；以及一透鏡模組，配置於該光束的光路上，該透鏡模組包括一柱狀透鏡片，其中該光束被該第一微機電反射鏡反射後通過該透鏡模組而轉換為具有線型光斑。
如申請專利範圍第1項所述的光學基站，其中該透鏡模組更包括一發散透鏡，配置於該第一微機電反射鏡與該柱狀透鏡片之間。
如申請專利範圍第2項所述的光學基站，其中該柱狀透鏡片朝向該第一微機電反射鏡呈內凹曲面狀。
一種光學基站，包括一底座；一光源，配置於該底座，用以提供一光束；一第一微機電反射鏡；一第二微機電反射鏡；一分光鏡，其中該光束通過該分光鏡後被分光為一第一子光束與一第二子光束，該第一微機電反射鏡配置於該第一子光束的光路上，用以反射該第一子光束並使該第一子光束進行空間掃描，該第二微機電反射鏡配置於該第二子光束的光路上，用以反射該第二子光束並使該第二子光束進行空間掃描；一第一透鏡模組，配置於該第一子光束的光路上，該第一透鏡模組包括一第一柱狀透鏡片，該第一子光束被該第一微機電反射鏡反射後通過該第一透鏡模組而轉換為具有線型光斑；以及一第二透鏡模組，配置於該第二子光束的光路上，該第二透鏡模組包括一第二柱狀透鏡片，該第二子光束被該第二微機電反射鏡反射後通過該第二透鏡模組而轉換為具有線型光斑。
如申請專利範圍第4項所述的光學基站，其中該第一子光束的線型光斑的長軸垂直於該第二子光束的線型光斑的長軸。
如申請專利範圍第4項所述的光學基站，其中該第一透鏡模組更包括一第一發散透鏡，配置於該第一微機電反射鏡與該第一柱狀透鏡片之間，以及該第二透鏡模組更包括一第二發散透鏡，配置於該第二微機電反射鏡與該第二柱狀透鏡片之間。
如申請專利範圍第6項所述的光學基站，其中該第一柱狀透鏡片朝向該第一微機電反射鏡呈內凹曲面狀，該第二柱狀透鏡片朝向該第二微機電反射鏡呈內凹曲面狀。