TWM495524U

TWM495524U - 結構光產生裝置

Info

Publication number: TWM495524U
Application number: TW103219360U
Authority: TW
Inventors: Jyh-Long Chern; Chih-Ming Yen
Original assignee: Everready Prec Ind Corp
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2015-02-11

Description

結構光產生裝置

本案是關於一種結構光產生裝置的領域，特別是一種不可見光的結構光產生裝置的領域。

用於偵測互動手勢、姿勢或3D掃描式的元件、裝置或設備是近年來非常蓬勃發展的領域，例如紅外光結構光可用於上述的偵側，其提供平面掃描的結構光，藉以辨識互動動作或是重要的指示元素。如此的需求需要使用已經準直的紅外光。然而，目前結合準直光的雷射二極體模組的體積不夠精簡，無法被應用於現今薄型化的手機尺寸上。

另一方面，現今的雷射二極體模組通常配備一防塵鏡於殼體的一側，然而此防塵鏡在現在若干的需求中是可以省略的，但移除防塵鏡恐造成光程長度或工作距離的改變，如此增加使用此種雷射二極體模組的困擾。因此，對於手機配備結構裝產生裝置而言，發展精簡尺寸且方便應用的結構裝產生裝置是3D手勢應用或掃描的重要課題之一。

為解決上述問題，本案提供一種結構光產生裝置，應用於3D感測中，其可配置形成至少兩種不同光程長度的透鏡單元，以增加使用者使用此裝置的彈性。

為解決上述問題，本案提供一種結構光產生裝置，其包括具有一透鏡元件的透鏡單元，此透鏡元件具有可準直化不可見雷射光和將準直化後的不可見雷射光點塑形成線性光束的兩個表面，藉以產生平行的線性光束。

為解決上述問題，本案提供一種結構光產生裝置，其包括具有一透鏡元件的透鏡單元，此透鏡元件具有可準直化不可見雷射光的一非球曲面或一繞射功能的平面，以及具有柱狀鏡陣列的另一平面。

依據上述，一種結構光產生裝置，包括：一紅外光雷射二極體，其發出一紅外光雷射光點；一透鏡單元，其至少包括可將該紅外光雷射光點轉換成一線性結構光的一透鏡元件，該透鏡元件朝向該紅外光雷射二極體的一第一表面將該紅外光雷射光點準直化，相較於該第一表面較遠離該紅外光雷射二極體的一第二表面則將輸出該線性結構光；以及一殼體，其容置該紅外光雷射二極體和該透鏡單元。

較佳地，該第一表面是一非球曲面或具有繞射結構的一平面。

較佳地，該第二表面包括一柱狀鏡陣列。

較佳地，該透鏡單元更包括設置於該紅外光雷射二極體和該透鏡元件之間的一防塵玻璃片。

較佳地，該透鏡元件的厚度不大於1.2毫米。

較佳地，該透鏡元件對於該紅外光雷射光點構成一第一光程長度，該透鏡元件與該防塵玻璃片對於該紅外光雷射光點構成一第二光程長度，該第一光程長度與該第二光程長度的差異小於1.2毫米。

較佳地，該第一表面的半徑大於0.189毫米，且具有一有效聚焦長度小於1.2毫米。

一種結構光產生裝置，其配備的透鏡單元可於結構光產生裝置的精簡殼體中構成兩種不同長度的光程路徑長度，並將紅外光雷射光準直化和線性化，藉以將紅外光雷射光點塑形成偵測所需的結構光。

為了能進一步了解本新型為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本新型的詳細說明及附圖。本新型的目的、特徵或特點，當可由此得到一深入且具體的瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用以對本新型加以限制者。

1、2、3、4‧‧‧結構光產生裝置

10‧‧‧雷射二極體

12‧‧‧殼體

14、24、34、44‧‧‧透鏡單元

121‧‧‧第一側

123‧‧‧第二側

122‧‧‧固持結構

102‧‧‧半導體晶片

101‧‧‧封裝體

105‧‧‧主體

103‧‧‧接腳

141‧‧‧第一表面

143‧‧‧第二表面

16‧‧‧透鏡元件

18‧‧‧防塵玻璃片

341‧‧‧第一表面

343‧‧‧第二表面

46‧‧‧透鏡元件

圖1為第一結構光產生裝置的組件側剖面示意圖。

圖2為第二結構光產生裝置的組件側剖面示意圖。

圖3為第三結構光產生裝置的組件側剖面示意圖。

圖4為第四結構光產生裝置的組件側剖面示意圖。

圖1為一結構光產生裝置的組件側剖面示意圖。請參考圖1，結構光產生裝置1包括一雷射二極體10(Laser Diode,LD)、一殼體12以及一透鏡單元14，其中，殼體12提供容置雷射二極體10以及透鏡單元14的一容置空間。基本上殼體12為不透光的，其包括相對的一第一側121和一第二側123，以及設置於殼體12內的固持結構122。於第一實施例中，固持結構122固定雷射二極體10於第一側121，並且固定透鏡單元14於第二側123，但本案不限於此，固持結構122可以是一件式或組合式地安裝於殼體12內，或直接成形於殼體12內。其次，本案的結構光產生裝置1係適合應用於照相手機，因此殼體12具有精簡的尺寸，例如第一側121和第二側123可分別為4~6毫米(mm)*6毫米大小，第一側121和第二側123之間的距離約為2.5~7毫米，較佳的距離為4.0毫米，但本案不限於此，第一側121和第二側123的形狀不限於上述的正方形。

其次，雷射二極體10，其主要包括可發出不可見光，例如波長為830nm、擴散角(diffusion angle)約20度(degree)的紅外光雷射的半導體晶片102以及將半導體晶片封裝的封裝體101。封裝於封裝體101中的設置於一或多個基板上的半導體晶片102的數量可以是一或多個，例如12片半導體晶片102分布於一基板上的不同位置，再由封裝體101將之包覆，圖1中顯示單一晶片102僅用於說明，而非限制本案的應用。封裝體101的形式，舉例但不限地，例如CAN形式、直插式DIP形式、扁平QFP形式等等。上述封裝體101基本上皆包括一主體105和一或複數個突出於主體105外或位於主體105表面的接腳103，例如圖1中的接腳103垂直第一側121的方向突出於殼體12外，而主體105的厚度(垂直第一側121的方向)則約不大於1毫米(mm)，但本案不限於上述。其次，本案所稱的雷射二極體10可發出對稱(圓形光點)或不對稱(橢圓光點)的發射形式(emitting pattern)，即本案所稱透鏡單元14可應用於對稱和非對稱發射形式的雷射二極體10。

其次，於第一實施例中，透鏡單元14為一透鏡元件，其數值孔徑(numerical aperture)約0.2，該透鏡元件包括半徑大於0.189毫米曲面的一第一表面141和具有另一光學結構的一第二表面143，其中，第一表面141朝向雷射二極體10(殼體12的第一側121)，第二表面143則朝向第二側123，第一表面141設置於距離約1.00毫米處。於第一實施例中，透鏡單元14對於雷射二極體10所發出的不可見光點構成一第一光程長度(optical path length)，並且透鏡元件的第一表面141為用以將雷射二極體10所發出的不可見光點準直化的一非球面。較佳的，透鏡元件的第一表面141半徑為0.18935~0.1894毫米，該非球面的輪廓可用非球面上的某一點到非球面頂點的Z軸座標(Z軸為平行光軸)來表示如下：其中z為非球面上的某一點到非球面頂點的Z軸座標，CV為曲率半徑(radius of curvature)，CC為圓錐係數(conic coefficient)，(asn)則為不同級數半徑的對應非球面係數(n為0和正整數)，舉例但不限地，as0=as1=0.0；as2=9.6037*10^1；as3=-4.1955*10^3；as4=-2.5357*10^4；as5=-7.2472*10^1；as6=-3.0699。本案的透鏡元件的有效聚焦長度以小於1.2毫米為佳，可以小於1.0毫米。另外，透鏡元件可以以聚丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate),PMMA)的材料製作，或是其他適當的透明材料，例如聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)、環烯烴聚合物(Cyclo-olefin Polymer，COP樹脂)等等。

另外，於第一實施例中，透鏡元件的第二表面143係用以將準直化後的不可見雷射光點轉變成一線狀雷射光後輸出至結構光產生裝置1外，例如以柱狀鏡陣列結構作為透鏡元件的第二表面143，於垂直光軸的X方向上呈現-64度的曲率。再者，整個透鏡元件的厚度較佳地以不大於1.2毫米，如此可將殼體12的厚度(Z軸或光軸方向)控制於不大於4毫米以達到薄型化要求。

圖2為另一結構光產生裝置的組件側剖面示意圖。請參考圖圖2，結構光產生裝置2的透鏡單元24包括透鏡元件16和一防塵玻璃片18，其中透鏡元件16相當於第一實施例中的透鏡單元14，即在第一實施例中增加設置防塵玻璃片18於殼體12中。防塵玻璃片18的設置係由於一般市售的雷射二極體模組會配置防塵玻璃片18於殼體上以避免外界的灰塵等異物進入雷射二極體模組中，如此的防塵玻璃片18一般是以BK7的材料製作，厚度約0.25毫米，設置於距離雷射二極體10約0.5毫米處，但本案不限於此，防塵玻璃片18的材料亦可同於透鏡元件16。其次，防塵玻璃片18設置於雷射二極體10和透鏡元件16之間，相當於在原來的第一光程長度中設置防塵玻璃片18。在結構光產生裝置2中，如此的透鏡單元24為雷射二極體10發出的不可見雷射光點構成一第二光程長度，由於防塵玻璃片18的折射率不同於一般空氣，故第二光程長度不同於第一光程長度。與成像光學裝置不同的，雖然由於防塵玻璃片等不同的介質介入構成不同的光程長度，但本案的透鏡元件可適用於兩種不同的光程長度，將不可見雷射光點轉換成線狀雷射光以構成結構光，達到將不可見雷射光塑形的目的即可，與成像的目的是無關的。一般而言，光程長度為工作距離與介質折射率的乘積的加總，應用與本案之適用兩種或兩種以上不同光程長度的各工作距離之間的差距，以小於1豪米為佳。

圖3為第三結構光產生裝置的組件側剖面示意圖。請參考圖圖3，與第一實施例(圖1)不同之處在於，結構光產生裝置3的透鏡單元34為一透鏡元件，其朝向雷射二極體10的第一表面341為具有繞射功能的一平面，第二表面343則與第一實施例中的第二表面143相同地為一柱狀鏡陣列表面。上述的透鏡單元34亦於結構光產生裝置3中構成一第一光程長度。於此第三實施例中，具有繞射功能的第一表面341可以以下列的相分布(phase distribution)的式子表示：

其中r ² =x ² +y ² (r)為相分布，r為任一點和第一表面341的中心的距離，x、y為垂直光軸(Z軸)的兩對應座標。對應的係數，較佳地為dor=1；df0=0.0；df1=-6.1691*10^(-1)；df2=2.8442*10^1；df3=-4.8405*10^3；df4=2.800*10^5；df5=4.6892*10^(-2)；df6=3.1385*10^(-4)。

圖4為第四結構光產生裝置的組件側剖面示意圖。請參考圖圖4，與第三實施例(圖1)不同之處在於，將第二實施例中的防塵玻璃片18放置於雷射二極體10和透鏡單元44的透鏡元件46之間，其中結構光產生裝置4的透鏡元件46相當於第三實施例中的透鏡單元34。依據上述，透鏡單元34(透鏡元件46)的安排與配置，可以使得結構光產生裝置在包括兩種不同的光程長度時仍可適用，其當然也涵蓋當雷射二極體10有複數個半導體晶片而形成各個不同的工作距離，只要任兩工作距離差異小於1.2毫米皆可。

依據上述，對於整個結構光產生裝置而言，選擇可同時進行準值化以及塑形光束功能的透鏡元件作為透鏡單元的基本元件，其可應用於至少兩種光程長度的光學系統中，構成光程距離的一或多個工作距離可以相同或不同，只要差異小於1.0毫米，皆可應用於本案的產生紅外光結構光產生裝置上，使得本案的結構光產生裝置的光學系統是具有極大的彈性，方便使用者使用。又，由於本案的結構光產生裝置的尺寸非常精巧，適合用於如走向薄型化的手機，如此使手機具有產生結構光的功能，不論是手機的前方或是背面皆可。

以上所述僅為本新型的較佳實施例，並非用以限定本新型的權利要求範圍，因此凡其他未脫離本新型所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含于本新型的範圍內。

1‧‧‧結構光產生裝置