TWI792305B - 光路共軸的光學裝置（六） - Google Patents

Abstract

一種光學裝置，包括一測距模組，該測距模組包括一第一聚光單元、一光發射單元及一光接收單元。第一聚光單元包括一光軸，該第一聚光單元沿該光軸設置一孔洞。其中，該第一聚光單元、該光發射單元及該光接收單元沿該光軸依序排列。該光發射單元發射一光線經該孔洞至一物體，經該物體反射及該第一聚光單元匯聚，由該光接收單元接收後產生一電訊號。

Description

光路共軸的光學裝置(六)

本發明係有關於一種光學裝置，特別是有關於一種可有效提高近端的測距精度以及測距範圍可達到360度的光學裝置。

旋轉式測距儀之光發射器與光接收器有共軸與不共軸兩種設置方式。採共軸方式的測距儀，在測距時僅有上方的45度反射鏡旋轉，其他部份不動，因需預留訊號線的通道以控制上方的反射鏡，所以測距範圍無法達到360度。而採不共軸方式的測距儀，雖然旋轉測距範圍可達360度，但因光發射器與光接收器不共軸，在近端會有測距盲區，使測距值的誤差會比較大。

有鑑於此，本發明於是提供一種鏡頭模組來解決上述問題。本發明之光學裝置包括一測距模組，該測距模組包括一第一聚光單元、一光發射單元及一光接收單元。第一聚光單元包括一光軸，該第一聚光單元沿該光軸設置一孔洞。其中，該第一聚光單元、該光發射單元及該光接收單元沿該光軸依序排列。該光發射單元發射一光線經該孔洞至一物體，經該物體反射及該第一聚光單元匯聚，由該光接收單元接收後產生一電訊號。

本發明光學裝置可更包括一控制模組，令該光發射單元發射該光線，然後從該接收單元接收該電訊號，再計算令該光發射單元發射該 光線與由該光接收單元接收該電訊號的時間差，進而得到該物體與該光學裝置的距離。

光學裝置可更包括一驅動模組，用於驅動該測距模組旋轉，進而使該測距模組之該第一聚光單元、該光發射單元及該光接收單元同步旋轉；其中更包括一套筒，該套筒設於該光發射單元與該聚光單元之間，其中該套筒為一前後相通且中空之筒狀物，該套筒之的後端靠近該光發射單元，該套筒之的前端靠近該聚光單元。

其中該第一聚光單元可包括一雙凸透鏡、一平凸透鏡或一凹凸透鏡；其中更包括一罩體，該罩體設於該聚光單元跟該物體之間，該罩體具有朝向該聚光單元之一內側面，一套筒且為一前後相通且中空之筒狀物，該套筒之的後端靠近該光發射單元，該發射套筒之前段則穿設且通過該孔洞而靠近或抵接於該罩體的內側面。

本發明光學裝置可更包括一控制模組，用於使該驅動模組作動以驅動該測距模組旋轉，使該光發射單元發射該光線，然後從該光接收單元接收該電訊號，再計算令該光發射單元發射該光線與由該光接收單元接收該電訊號的時間差，進而得到該物體與該光學裝置的距離。

其中該測距模組可更包括一第二聚光單元，設置於該光軸上以及在該光發射單元及該光接收單元之間，用以將經該第一聚光單元匯聚的光線更進一步匯聚在該光接收單元上。

本發明光學裝置可更包括一驅動模組，用於驅動該測距模組旋轉，進而使該第一聚光單元、該光發射單元、該第二聚光單元及該光接收單元同步旋轉。

其中該測距模組可繞一旋轉軸旋轉，且該旋轉軸垂直於該光軸。

其中該第二聚光單元可包括一雙凸透鏡、一平凸透鏡或一凹凸透鏡。

其中該測距模組可更滿足任一條件式0.05<d1/d2<0.3；0.05<D1/D2<0.3，其中d1為該孔洞的直徑，d2為該第一聚光單元的直徑，D1為該光發射單元與該第一聚光單元之間的距離，D2為該第二聚光單元的出光面與該第一聚光單元的出光面之間的距離。

1:物體

2:光學裝置

21:測距模組

22:驅動模組

23:控制模組

24:罩體

25:套筒

211:聚光單元

212:孔洞

213:光發射單元

215:光接收單元

217:聚光單元

d1:直徑

d2:直徑

D1:距離

D2:距離

L1:光軸

L2:旋轉軸

第1圖係依據本發明之光學裝置之第一實施例的示意圖。

第2圖係依據本發明之光學裝置之第二實施例的示意圖。

第3圖顯示第2圖測距模組中之聚光單元及光發射單元之間的距離。

請參閱第1圖，第1圖係依據本發明之光學裝置之第一實施例的示意圖。本發明光學裝置2包括一測距模組21、一驅動模組22以及一控制模組23。底下詳細說明各元件的構造及動作：

測距模組21包括一聚光單元211、一光發射單元213以及一光接收單元215。在本實施例中，聚光單元211為一平凸透鏡(也可改為雙凸透鏡或凹凸透鏡等其他聚光透鏡)，聚光單元211沿其光軸L1設置一孔洞212。值得注意的是，聚光單元211、光發射單元213及光接收單元215沿光軸L1依序排列。

測距時，控制模組23使驅動模組22作動，以驅動測距模組21產生旋轉，亦即聚光單元211、光發射單元213及光接收單元215繞著旋轉軸L2同步旋轉，另一方面控制模組23令光發射單元213發射一光線，穿過聚光單元211的孔洞212而到達一物體1，光線被物體1反射回到光學裝置2，經聚光單元211匯聚，而後被光接收單元215所接收，光接收單元215在接收反射光後將其轉換成一電訊號，並以無線方式傳送給控制模組23，控制模組23將命令該光發射單元發射該光線與由該光接收單元收到訊號的時間差，利用算式”距離等於光速乘上時間”，進而計算得到物體1與光學裝置2的距離。

在本實施例中，旋轉軸L2與聚光單元211的光軸L1互為垂直。

由於光發射單元213及光接收單元215為共軸，因此在近端不會產生盲區，可有效提高近端的測距精度。另一方面，光接收單元215的訊號以無線方式傳送給控制模組23，不需要預留訊號線的通道，因此本發明之光學裝置可360度旋轉，測距範圍可達到360度。

本實施例的光發射單元213可為一雷射二極體(Laser Diode,LD)或其他光源。光接收單元215可為一光電二極體(photoelectric diode,PD)、一光電倍增管(photomultiplier tube,PMT)、電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)、累崩式光電二極體(avalanche photodiode,APD)、或單光子崩潰二極體(single-photon avalanche diode,SPAD)等光偵測器。

本實施例的控制模組23可為微處理器(Micro Controller Unit,MCU)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor,DSP)、中央處理器(Center Processing Unit,CPU)、現場可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)或複雜可程式邏輯元件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)等。

本實施例的驅動模組22可為一馬達或其他動力輸出裝置。

其中，該測距模組21可更包括有一罩體24，該罩體24設於該聚光單元211跟物體1之間，該罩體24具有朝向該聚光單元211之內側面以及朝向該物體1之外側面，為了避免該光發射單元213發射之該光線會被該罩體之內側面反射而影響該光接收單元215的接收，因此，還可以在該光發射單元213與該聚光單元211之間再增設一套筒25，其中該套筒25為一前後相通且中空之筒狀物，該套筒25之的後端朝向該光發射單元213，且該套筒25之前段則延伸穿設且通過該孔洞212而靠近或抵接於該罩體24的內側面，將可以大幅度降低發射之光束在該罩體24的內側面反射的可能性；或者，該套筒(未圖示)之後端朝向該光發射單元213，該套筒之前端朝向該聚光單元211，以確保該光發射單元213發射之該光線可以準直的通過該孔洞212，如此也是能夠降低發射之光束在該罩體24之內側面反射的可能性。

請參閱第2圖，第2圖係依據本發明之光學裝置之第二實施例的示意圖。本實施例與第一實施例不同處在於測距模組21更包括另一聚光單元217，此聚光單元217設置在光接收元件215前面，用以將經聚光單元211匯聚的光線更進一步匯聚在光接收單元215上。與聚光單元211相同，聚光單元217可為一平凸透鏡、雙凸透鏡或凹凸透鏡等聚光透鏡。至於本實施例其餘部份因與第一實施例相同故省略其說明。其中，該測距模組21更包括一準直單元(未圖示)，設置於該光軸L1上以及在該光發射單元213及該聚光單元211之間，使該光發射單元213發射之該光線準直經該孔洞212，如此該 光發射單元213發射之該光線將可以準直的通過該孔洞212，而降低發射之光束發散的可能，也進而降低進入該聚光單元211之可能，而降低發射光束與反射光束相互干擾之可能；其中，該光發射單元213之該光線自一發射端發射出，該準直單元設在靠近該光發射單元213之發射端，其中，該光發射單元213與該準直單元可以封裝整合成單一元件，其中因為該光發射單元213與該準直單元可以封裝整合成該單一元件，故在元件組裝上，已經可以先確定該光發射單元213與該準直單元的同心或同軸關係，故就主要剩下該聚光單元217與該光接收元件215的同心/同軸以及相對於該單一元件的同心/同軸的組裝，因此本案會相較於該光發射單元與該準直單元非封裝整合該單一元件的實施例，較易組裝及調整。

另外，聚光單元211的大小會受到孔洞212大小的影響，如果聚光單元211的面積不夠大，將降低其收光能力，進而影響測距模組21的測距範圍。本發明只開設一小的孔洞212，讓準直後的光線通過，可使聚光單元211能保有最大的面積，也就是有最大的聚光效果，可以增加測距範圍(增加收集反射回來的訊號)，為達此目的，本發明測距模組21滿足底下任一條件式：

0.05<d1/d2<0.3 (1)

0.05<D1/D2<0.3 (2)

其中d1為孔洞212的直徑，d2為聚光單元211的直徑，D1為光發射單元213與聚光單元211之間的距離，D2為聚光單元217的出光面與聚光單元211的出光面之間的距離。

請參閱表一，表一所示為四個實例可驗證上述條件式(1)、 (2)，其中長度單為公厘(mm)。

表一

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此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。

1:物體

2:光學裝置

21:測距模組

22:驅動模組

23:控制模組

24:罩體

25:套筒

211:聚光單元

212:孔洞

213:光發射單元

215:光接收單元

L1:光軸

L2:旋轉軸

Claims (10)

1. 一種光路共軸的光學裝置，包括：一測距模組，包括：一第一聚光單元，包括一光軸，該第一聚光單元沿該光軸設置一孔洞；一光發射單元；一光接收單元；其中，該第一聚光單元、該光發射單元及該光接收單元沿該光軸依序排列；其中，該光發射單元發射一光線經該孔洞至一物體，經該物體反射及該第一聚光單元匯聚，由該光接收單元接收後產生一電訊號。
2. 一種光路共軸的光學裝置，包括一測距模組、一驅動模組及一套筒，其中：該測距模組包括一第一聚光單元、一光發射單元及一光接收單元；該第一聚光單元包括一光軸，該第一聚光單元沿該光軸設置一孔洞；該第一聚光單元、該光發射單元及該光接收單元沿該光軸依序排列；該光發射單元發射一光線經該孔洞至一物體，經該物體反射及該第一聚光單元匯聚，由該光接收單元接收後產生一電訊號；該驅動模組用於驅動該測距模組旋轉，進而使該測距模組之該第一聚光單元、該光發射單元及該光接收單元同步旋轉；該套筒設於該光發射單元與該聚光單元之間，其中該套筒為一前後相通且中空之筒狀物，該套筒之的後端靠近該光發射單元，該套筒之的前端靠近該聚光單元。
3. 一種光路共軸的光學裝置，包括一測距模組，其中： 該測距模組包括一第一聚光單元、一光發射單元及一光接收單元；該第一聚光單元包括一光軸，該第一聚光單元沿該光軸設置一孔洞；該第一聚光單元、該光發射單元及該光接收單元沿該光軸依序排列；該光發射單元發射一光線經該孔洞至一物體，經該物體反射及該第一聚光單元匯聚，由該光接收單元接收後產生一電訊號；該第一聚光單元包括一雙凸透鏡、一平凸透鏡或一凹凸透鏡；該光學裝置更包括一罩體，該罩體設於該聚光單元跟該物體之間，該罩體具有朝向該聚光單元之一內側面，一套筒且為一前後相通且中空之筒狀物，該套筒之的後端靠近該光發射單元，該發射套筒之前段則穿設且通過該孔洞而靠近或抵接於該罩體的內側面。
4. 一種光路共軸的光學裝置，包括一測距模組，其中：該測距模組包括一第一聚光單元、一光發射單元及一光接收單元；該第一聚光單元包括一光軸，該第一聚光單元沿該光軸設置一孔洞；該第一聚光單元、該光發射單元及該光接收單元沿該光軸依序排列；該光發射單元發射一光線經該孔洞至一物體，經該物體反射及該第一聚光單元匯聚，由該光接收單元接收後產生一電訊號；該測距模組更包括一第二聚光單元，設置於該光軸上以及在該光發射單元及該光接收單元之間，用以將經該第一聚光單元匯聚的光線更進一步匯聚在該光接收單元上；其中，該測距模組更包括一準直單元，設置於該光軸上以及在該光發射單元及該第一聚光單元之間，使該光發射單元發射之該光線準直經該孔洞；其中，該測距模組滿足底下條件式：0.05<d1/d2<0.3 其中d1為該孔洞的直徑，d2為該第一聚光單元的直徑。
5. 一種光路共軸的光學裝置，包括一測距模組，其中：該測距模組包括一第一聚光單元、一光發射單元及一光接收單元；該第一聚光單元包括一光軸，該第一聚光單元沿該光軸設置一孔洞；該第一聚光單元、該光發射單元及該光接收單元沿該光軸依序排列；該光發射單元發射一光線經該孔洞至一物體，經該物體反射及該第一聚光單元匯聚，由該光接收單元接收後產生一電訊號；該測距模組更滿足底下任一條件式：0.05<d1/d2<0.3 0.05<D1/D2<0.3其中d1為該孔洞的直徑，d2為該第一聚光單元的直徑，D1為該光發射單元與該第一聚光單元之間的距離，D2為該第二聚光單元的出光面與該第一聚光單元的出光面之間的距離。
6. 如申請專利範圍第2項所述之光路共軸的光學裝置，更包括一控制模組，用於使該驅動模組作動以驅動該測距模組旋轉，使該光發射單元發射該光線，然後從該光接收單元接收該電訊號，再計算令該光發射單元發射該光線與由該光接收單元接收該電訊號的時間差，進而得到該物體與該光學裝置的距離。
7. 如申請專利範圍第4項所述之光路共軸的光學裝置，更包括一驅動模組，用於驅動該測距模組旋轉，進而使該第一聚光單元、該光發射單元、該第二聚光單元、該準直單元及該光接收單元同步旋轉；其中，該光發 射單元之該光線自一發射端發射出，該準直單元設在該光發射單元之發射端。
8. 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述之光路共軸的光學裝置，更包括一控制模組，令該光發射單元發射該光線，然後從該接收單元接收該電訊號，再計算令該光發射單元發射該光線與由該光接收單元接收該電訊號的時間差，進而得到該物體與該光學裝置的距離。
9. 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述之光路共軸的光學裝置，其中該測距模組係繞一旋轉軸旋轉，且該旋轉軸垂直於該光軸。
10. 如申請專利範圍第4項或第7項所述之光路共軸的光學裝置，其中該第二聚光單元包括一雙凸透鏡、一平凸透鏡或一凹凸透鏡。

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