TWI783409B - 複合擴散片、照明模組以及三維掃描裝置 - Google Patents

Abstract

一種複合擴散片，用於結合於一面光源元件，以組成一照明模組。所述照明模組應用於三維掃描裝置。複合擴散片包含一基底層、一第一光學微結構層以及一第二光學微結構層。基底層的一光學結構面具有一第一區域以及至少鄰接第一區域的相對二側的一第二區域。第一光學微結構層覆蓋於第一區域，以及第二光學微結構層覆蓋於第二區域。第一光學微結構層的光學特性，不同於第二光學微結構層的光學特性，其中第一光學微結構層及第二光學微結構層厚度介於20~200微米。

Description

複合擴散片、照明模組以及三維掃描裝置

本發明有關於光三維掃描裝置，特別是關於一種複合擴散片，以及應用複合擴散片的照明模組以及三維掃描裝置。

在3D ToF裝置(3D飛時測距，3D Time of Flight)三維掃描裝置中，係以面光源朝向目標照明區域投射光線，在接收以影像感測陣列接收反射光，據以取得多個距離值分佈，而建立三維掃描結果。

面光源發出的光線，需要經過擴散片的擴散、散射，以加大光線投射的角度範圍，以涵蓋到三維掃描裝置的視角(Filed-of-View)。在擴散片的擴散作用下，遠景中心位置的照明光線往往強度不足，而無法反射強度足夠的輪廓訊號，導致細節部分無法解析。

現有技術的設計是在面光源元件，例如垂直共振腔面射型雷射晶片(VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser)上區分多個區域光源，利用控制電路分區控制光源，以強化遠景中心的照明光線強度。前述的多個區域光源需要相對複雜的電路設計以及控制邏輯。同時，VCSEL晶片發出的光線需要經過準直鏡以產生準直光束再投射至擴散片，也使得三維掃描裝置的照明模組厚度增加，不利於小型化配置。

鑑於上述問題，本發明提出一種複合擴散片，係可透過相對簡單的機制，加強遠景中心的照明光線強度，以利三維掃描裝置對於遠景中心的細節解析。

本發明實施例提出一種複合擴散片，包含一基底層、一第一光學微結構層以及一第二光學微結構層。基底層的一光學結構面具有一第一區域以及至少鄰接第一區域的相對二側的一第二區域。第一光學微結構層覆蓋於第一區域，以及第二光學微結構層覆蓋於第二區域。第一光學微結構層的光學特性，不同於第二光學微結構層的光學特性。其中，光學特性是對光束進行散射的角度範圍，且第一光學微結構層對光束進行散射的角度範圍，大於第二光學微結構層對光束進行散射的角度範圍。其中，第一光學微結構層及第二光學微結構層厚度介於20~200微米。

在本發明至少一實施例中，第二區域環繞第一區域。

在本發明至少一實施例中，第一區域位於光學結構面的中心位置。

在本發明至少一實施例中，定義光學結構面為矩形，且邊緣分別平行於一水平方向以及一垂直方向，第一區域的位置在水平方向或垂直方向相對於光學結構面為置中。

在本發明至少一實施例中，當第一區域在水平方向相對於光學結構面為置中，第一區域的型態為相對於垂直方向對稱；且當第一區域在垂直方向相對於光學結構面為置中時，第一區域的型態為相對於水平方向對稱。

在本發明至少一實施例中，第一光學微結構層以及第二光學微結構層是一光擴散層以及一繞射光學元件層的組合。

在本發明至少一實施例中，第一光學微結構層以及第二光學微結構層分別是一光擴散層。

在本發明至少一實施例中，第一光學微結構層以及第二光學微結構層分別是一繞射光學元件層。

在本發明至少一實施例中，第一光學微結構層是透過機械加工、雷射加工或化學蝕刻形成於第一區域，或是透過塗佈高分子材料於第一區域所形成。

在本發明至少一實施例中，第二光學微結構層是透過機械加工、雷射加工或化學蝕刻形成於第二區域，或是透過塗佈高分子材料於第二區域所形成。

本發明至少一實施例還提出一種照明模組，包含一面光源元件以及前述的複合擴散片。複合擴散片設置於面光源元件之上，且面光源元件用以朝向複合擴散片發出多個光束。

在本發明至少一實施例中，面光源元件是一垂直共振腔面射型雷射晶片。

在本發明至少一實施例中，照明模組更包含一底殼件，具有一底板以及一支架，面光源元件設置於底板，支架延伸於底板，且複合擴散片固定於支架。

本發明至少一實施例還提出一種三維掃描裝置，包含一基板、一面光源元件、前述的複合擴散片以及一影像感測元件陣列。基板具 有一上表面。面光源元件設置於上表面。複合擴散片設置於面光源元件之上，且面光源元件用以朝向複合擴散片發出多個光束。影像感測元件陣列設置於上表面，且與面光源元件保持一間隔距離。

在本發明至少一實施例中，三維掃描裝置更包含一底殼件，具有一底板以及一支架，底板設置於上表面，面光源元件設置於底板，支架延伸於底板，且複合擴散片固定於支架。

本發明透過複合擴散片的光學特性分佈，直接改變投射光線的強度分佈，加強遠景中心的照明強度。因此，面光源元件不需再進行分區控制，且可省略準直鏡之配置，簡化了三維掃描裝置的複雜度，同時可以有效降低照明模組的厚度。

1:照明模組

2:三維掃描裝置

100:複合擴散片

110:基底層

111:光學結構面

121:第一光學微結構層

122:第二光學微結構層

110a:第一區域

110b:第二區域

200:面光源元件

300:底殼件

310:底板

320:支架

400:基板

410:上表面

500:影像感測元件陣列

R1:第一照明光分佈區域

R2:第二照明光分佈區域

FOV1,FOV2:角度範圍

I1,I2:光束強度

X:水平方向

Y:垂直方向

A:近景物件

B:遠景物件

圖1是本發明實施例中，複合擴散片的俯視圖。

圖2是本發明實施例中，複合擴散片的剖面示意圖。

圖3是本發明實施例中，照明模組的剖面示意圖。

圖4是本發明實施例中，複合擴散片的局部剖面示意圖。

圖5是本發明實施例中，複合擴散片的另一局部剖面示意圖。

圖6是本發明實施例中，複合擴散片的又一局部剖面示意圖。

圖7是本發明實施例中，複合擴散片的再一局部剖面示意圖。

圖8是本發明實施例中，三維掃描裝置的剖面示意圖。

圖9是本發明實施例中，面光源元件發射的光束於X-Y平面形成照明光分佈的示意圖(一)。

圖10以及圖11為圖9中，光束強度分佈示意圖。

圖12是本發明實施例中，面光源元件發射的光束於X-Y平面形成照明光分佈的示意圖(二)。

圖13是本發明實施例中，面光源元件發射的光束於X-Y平面形成照明光分佈的示意圖(三)。

圖14是本發明實施例中，複合擴散片的第一變化例。

圖15是本發明實施例中，複合擴散片的第二變化例。

圖16是本發明實施例中，複合擴散片的第三變化例。

圖17是本發明實施例中，複合擴散片的第四變化例。

圖18、圖19以及圖20是本發明實施例中，ToF取景之例示。

請參閱圖1、圖2以及圖3所示，為本發明實施例所揭露的一種複合擴散片100，用於結合於一面光源元件200，以組成一照明模組1。所述照明模組1應用於三維掃描裝置2。

如圖1以及圖2所示，複合擴散片100包含一基底層110、一第一光學微結構層121以及一第二光學微結構層122。如圖所示，基底層110的一光學結構面111具有一第一區域110a以及至少鄰接第一區域110a的相對二側的一第二區域110b。在實施例中，第二區域110b是環繞第一區域110a，亦即第二區域110b鄰接第一區域110a的所有側邊，且第一區域110a位於光學結構面111的中心位置。第一光學微結構層121覆蓋於第一區域110a，且第二光學微結構層122覆蓋於第二區域110b。

如圖4以及圖5所示，第一光學微結構層121的光學特性，不同於第二光學微結構層122的光學特性。具體而言，第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122分別是一光擴散層，光學特性是對光束進行散射的角度範圍；第一光學微結構層121對光束進行散射的角度範圍FOV1(FOV，Field-of-View)，大於或小於第二光學微結構層122光束進行散射的角度範圍FOV2。在不同實施例中，第一光學微結構層121是一光擴散層，且第二光學微結構層122是一繞射光學元件層(Diffractive Optical Layer)。在不同實施例中，第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122分別是一繞射光學元件層。

如圖5、圖6以及圖7所示，第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122可以是附加於光學結構面111的外加結構，也可以是對光學結構面111加工所形成的結構。如圖5所示，第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122是透過塗佈高分子材料於第一區域110a以及第二區域110b所形成。如圖6所示，第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122是透過機械加工、雷射加工或化學蝕刻形成於第一區域110a以及第二區域110b。如圖7所示，第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122可以透過不同方式形成，例如第一光學微結構層121是透過塗佈高分子材料於第一區域110a，而第二光學微結構層122是透過機械加工、雷射加工或化學蝕刻形成於第二區域110b；圖7中第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122的加工方式也可以互相替換。

如圖2、圖4以及圖5所示，在第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122是塗佈高分子材料層的場合，第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122的厚度可介於20~200μm，具體數值視微結構層121,122所需要的粗糙度而定，而基底層110可以為厚度大於0.2mm以上的玻璃層。全玻璃的成本較為昂貴，而高分子材料層的加工較為困難，因此，可另採用如圖6的全玻璃設計或如圖7的複合設計，以在成本以及加工難度之間取得平衡。

參閱圖3所示，基於上述複合擴散片100，本發明實施例進一步提出一種照明模組1，包含面光源元件200、一底殼件300以及複合擴散片100。所述面光源元件200可為但不限定於垂直共振腔面射型雷射晶片(VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，用以透過陣列排列的多個發光點發出多個光束。底殼件300具有一底板310以及一支架320。支架320延伸於底板310，具體而言，支架320可垂直地延伸於底板310的邊緣，並且環繞邊緣的局部或全部。面光源元件200設置於底板310，且複合擴散片100固定於支架320。複合擴散片100與面光源元件200大致上呈現平行配置，且面光源元件200用於對複合擴散片100投射光束，分別通過第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122。光束經由第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122形成不同的擴散效果。

請參閱圖8所示，基於前述照明模組1，本發明實施例進一步提出一種三維掃描裝置2，所述三維掃描裝置2可為但不限定於3D ToF裝 置(3D飛時測距，3D Time of Flight)。三維掃描裝置2包含一基板400、一面光源元件200、一複合擴散片100以及一影像感測元件陣列500。

請參閱圖8所示，基板400可為獨立元件，固定於電子裝置的殼體的內側面。基板400也可以是前述電子裝置的殼體的一部分。基板400具有一上表面410。前述照明模組1直接或間接地設置於上表面410。在具體實施例中，底殼件300的底板310設置於上表面410，使得支架320朝向遠離基板400的方向延伸。面光源元件200設置於底板310，藉以使得面光源元件200間接地設置於上表面410。複合擴散片100固定於支架320，使得複合擴散片100設置於面光源元件200之上。在不同實施例中，底殼件300的底板310可以省略，面光源元件200直接地設置於上表面410，複合擴散片100透過支架320的固定而設置於面光源元件200之上。

如圖8所示，影像感測元件陣列500設置於上表面410，且與面光源元件200保持一間隔距離。面光源元件200發射的光束，經由第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122形成不同的擴散效果，而在目標照明角度範圍內上形成不同的光強度分佈，以被物體反射形成反射光。影像感測元件陣列500可接受些反射光，據以得到偵測距離數據組，以分析得到三維掃描結果。

參閱圖9所示，為面光源元件200發射的光束於一X-Y平面形成照明光分佈的示意圖(一)。於圖9的例示中，第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122分別是一光擴散層，使得X-Y平面上的照明光分佈為具有兩種不同均勻光的第一照明光分佈區域R1以及第二照明光分 佈區域R2。其中，於圖9的例示中，第一光學微結構層121對光束進行散射的角度範圍FOV1，小於第二光學微結構層122光束進行散射的角度範圍FOV2，使得第一光學微結構層121散射的光束盡可能落入第一照明光分佈區域R1；亦即，第一照明光分佈區域R1主要是由通過第一光學微結構層121的光束所形成，第二照明光分佈區域R2主要是由通過第二光學微結構層122的光束所形成。

需注意的是，圖9中第一照明光分佈區域R1以及第二照明光分佈區域R2的邊界僅為概括的區分，而非完全區隔第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122的光線投射範圍。圖9所示者，係指第一光學微結構層121的擴散後的光線集中於中間區域(即第一照明光分佈區域R1)，但並不表示第一光學微結構層121的擴散後的光線不會落在第二照明光分佈區域R2；同樣地，第二光學微結構層122的擴散後的光線主要落在中間區域的外圍(即第二照明光分佈區域R2)，但並不表示其擴散後的光線不會落在第一照明光分佈區域R1。

如圖10以及圖11所示，為圖9中通過第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122的光束強度I1,I2分佈示意圖；其中，圖10為沿著水平方向X的分佈，圖11為沿著垂直方向Y的分佈。如圖10以及圖11所示，遠景中心部位的光束有明顯疊加效果，而形成訊號強度較強的第一照明光分佈區域R1，此時，遠景中心光源被加強，使得遠方的輪廓訊號可以提昇，強化遠景中心的輪廓辨識。

第一光學微結構層121對光束進行散射的角度範圍FOV1，需要不等於第二光學微結構層122光束進行散射的角度範圍FOV2，以使得遠景中心光源可以被加強。例如第一光學微結構層121對光束進行散射的角度範圍FOV1，在水平方向X可以為60度，在垂直方向Y為45度(60x45)；第二光學微結構層122對光束進行散射的角度範圍FOV2，在水平方向X可以為72度，在垂直方向Y為55度(72x55)。前述數值僅為例示，並非用以限定本發明的實施，且FOV1並不必然需要小於FOV2，也可以是FOV1大於FOV2。以下表一例示幾個不同的數值組合。

參閱圖12所示，為面光源元件200發射的光束於一X-Y平面形成照明光分佈的示意圖(二)。於圖12的例示中，第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122分別是一光擴散層以及一繞射光學元件層，使得X-Y平面上的照明光分佈為具有均勻光的第一照明光分佈區域R1以及具有散射光斑的第二照明光分佈區域R2，並且第二照明光分佈區域R2的散射光斑呈現較為稀疏的配置。同樣地，第一照明光分佈區域R1可以加強遠景中心光源，使得遠方的輪廓訊號可以提昇，強化遠景中心的輪廓辨識。

參閱圖13所示，為面光源元件200發射的光束於一X-Y平面形成照明光分佈的示意圖(三)。於圖13的例示中，第一光學微結構層121以及第二光學微結構層122分別是繞射光學元件層，使得X-Y平面上的照明光分佈為分別具有散射光斑的第一照明光分佈區域R1以及具有的第二照明光分佈區域R2，並且第一照明光分佈區域R1的散射光斑呈現較為密集的配置，第二照明光分佈區域R2的散射光斑呈現較為稀疏的配置。同樣地，第一照明光分佈區域R1可以加強遠景中心光源，使得遠方的輪廓訊號可以提昇，強化遠景中心的輪廓辨識。

第一區域110a以及第二區域110b的型態並不以圖1所例示者為限。定義光學結構面111為矩形，且邊緣分別平行於一水平方向X以及一垂直方向Y。大致上而言，第一區域110a的位置需要在水平方向X或垂直方向Y相對於光學結構面111為置中。當第一區域110a在水平方向X為置中時，第一區域110a的型態為相對於垂直方向Y對稱(左右對稱)；當第一區域110a在垂直方向Y為置中時，第一區域110a的型態為相對於水平方向X對稱(上下對稱)。第二區域110b為環繞包覆第一區域110a，或是相鄰包夾第一區域110a，而使得第二區域110b鄰接第一區域110a的相對二側。

如圖14所示，為複合擴散片100的第一變化例。其中，第一區域110a為圓形，並且位置在水平方向X或垂直方向Y都是置中，亦即第一區域110a位於光學結構面111的中心位置，使得第一區域110a的形態在上下、左右都是對稱。

如圖15所示，為複合擴散片100的第二變化例。其中，第一區域110a為正方形，並且位置在水平方向X或垂直方向Y都是置中，使得第一區域110a的形態在上下、左右都是對稱。

如圖16所示，為複合擴散片100的第三變化例。其中，第一區域110a為橢圓形，並且位置在水平方向X或垂直方向Y都是置中。橢圓形的長軸平行於水平方向X，使得第一區域110a的形態是上下對稱；同時，橢圓形的短軸平行於垂直方向Y，使得第一區域110a的形態是左右對稱。

如圖17所示，為複合擴散片100的第四變化例。其中，第一區域110a為長方形，並且位置在水平方向X是置中，同時在垂直方向Y延伸至複合擴散片100的相對二側，而使得第一區域110a為左右對稱。於水平方向X上，第二區域110b分割為二部分，並且左右相鄰並包夾第一區域110a。

如圖18、圖19以及圖20所示，為一ToF取景之例示。如圖18所示，設定三維掃描中，輪廓訊號是設定250cm為一個間距(顏色深度循環)，近景物件A距離約30cm，遠景物件B距離約180cm。圖19以及圖20中，上方的橫向條塊係用以示意不同距離的顏色深度。

如圖19所示的ToF實際取景，當採用先前技術的擴散片，遠景中心光源並未被加強，此時在ToF實際取景中，位於遠方的遠景物件B會與遠景平面呈現相同顏色(180cm)，而無法辨識其輪廓。

如圖20所示的ToF實際取景，當採用本發明的複合擴散片100，遠景中心光源被加強，使得遠景物件B也能反射足夠強的輪廓訊號，此時在ToF實際取景中，位於遠方的遠景物件B的顏色會與遠景平面有所差異呈現不同顏色(180cm-250cm)，而可辨識其輪廓。

本發明透過複合擴散片100的光學特性分佈，直接改變投射光線的強度分佈，加強遠景中心的照明強度。因此，面光源元件200不需再進行分區控制，且可省略準直鏡之配置，簡化了三維掃描裝置2的複雜度，同時可以有效降低照明模組1的厚度。

1:照明模組

100:複合擴散片

110:基底層

121:第一光學微結構層

122:第二光學微結構層

200:面光源元件

300:底殼件

310:底板

320:支架

Claims (15)

1. 一種複合擴散片，包含：一基底層，其一光學結構面具有一第一區域以及至少鄰接該第一區域的相對二側的一第二區域；一第一光學微結構層，覆蓋於該第一區域；以及一第二光學微結構層，覆蓋於該第二區域；其中，該第一光學微結構層的光學特性，不同於該第二光學微結構層的光學特性；其中，該光學特性是對光束進行散射的角度範圍，且該第一光學微結構層對光束進行散射的角度範圍，大於該第二光學微結構層對光束進行散射的角度範圍；其中，該第一光學微結構層及該第二光學微結構層厚度介於20~200微米。
2. 如請求項1所述的複合擴散片，其中，該第二區域環繞該第一區域。
3. 如請求項2所述的複合擴散片，其中，該第一區域位於該光學結構面的中心位置。
4. 如請求項1所述的複合擴散片，其中，定義該光學結構面為矩形，且邊緣分別平行於一水平方向以及一垂直方向，該第一區域的位置在該水平方向或該垂直方向相對於該光學結構面為置中。
5. 如請求項4所述的複合擴散片，其中，當該第一區域在該水平方向相對於該光學結構面為置中，該第一區域的型態為相對於該垂直方向對稱；且當該第一區域在該垂直方向相對於該光學結構面為置中時，該第一區域的型態為相對於該水平方向對稱。
6. 如請求項1所述的複合擴散片，其中，該第一光學微結構層以及該第二光學微結構層是一光擴散層以及一繞射光學元件層的組合。
7. 如請求項1所述的複合擴散片，其中，該第一光學微結構層以及該第二光學微結構層分別是一光擴散層。
8. 如請求項1所述的複合擴散片，其中，該第一光學微結構層以及該第二光學微結構層分別是一繞射光學元件層。
9. 如請求項1所述的複合擴散片，其中，該第一光學微結構層是透過機械加工、雷射加工或化學蝕刻形成於該第一區域，或是透過塗佈高分子材料於該第一區域所形成。
10. 如請求項1所述的複合擴散片，其中，該第二光學微結構層是透過機械加工、雷射加工或化學蝕刻形成於該第二區域，或是透過塗佈高分子材料於該第二區域所形成。
11. 一種照明模組，包含：一面光源元件；以及如請求項1至10任一項所述的複合擴散片，設置於該面光源元件之上，且該面光源元件用以朝向該複合擴散片發出多個光束。
12. 如請求項11所述的照明模組，其中，該面光源元件是一垂直共振腔面射型雷射晶片。
13. 如請求項11所述的照明模組，更包含一底殼件，具有一底板以及一支架，該面光源元件設置於該底板，該支架延伸於該底板，且該複合擴散片固定於該支架。
14. 一種三維掃描裝置，包含：一基板，具有一上表面；一面光源元件，設置於該上表面；如請求項1至10任一項所述的複合擴散片，設置於該面光源元件之上，且該面光源元件用以朝向該複合擴散片發出多個光束；以及一影像感測元件陣列，設置於該上表面，且與該面光源元件保持一間隔距離。
15. 如請求項14所述的三維掃描裝置，更包含一底殼件，具有一底板以及一支架，該底板設置於該上表面，該面光源元件設置於該底板，該支架延伸於該底板，且該複合擴散片固定於該支架。

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