TWM531601U

TWM531601U - 結構光產生裝置

Info

Publication number: TWM531601U
Application number: TW105203816U
Authority: TW
Inventors: 陳志隆; 顏智敏
Original assignee: 高準精密工業股份有限公司
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2016-11-01

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，特別是一種薄形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，目前結合準直光的發光源模組的體積不夠精簡，無法被應用於現今薄型化的攜帶型裝置如手機或穿戴裝置。

另一方面，現今的發光源模組通常配備一防塵鏡於殼體的一側，以增加光源對惡劣環境的抵抗力，並提升光源品質的穩定性。然而此防塵鏡在現在若干的需求中是可以省略的或整合到其他部件，但移除防塵鏡恐造成光程長度或工作距離的改變，如此增加使用此種發光源模組的困擾。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空間資訊萃取或手勢應用或3D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可見或不可見雷射光和將準直化後的光線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：一發光源，其發出一光線；一透鏡單元，其轉換該光線成為一線狀光；以及一殼體，其容置該發光源和該透鏡單元，其中，於該殼體中，該透鏡單元對於該光線構成一第一光程長度(optical path length)和一第二光程長度，該第一光程長度不同於該第二光程長度，其中，該透鏡單元包括一透鏡元件，該透鏡元件具有相對的一第一表面以及一第二表面，該第一表面為朝向該發光源，且該第一表面的半徑大於0.189毫米或具有繞射功能。

於一較佳實施例中，該透鏡元件的該第一表面係為一非球狀表面，該第二表面係為一柱狀鏡陣列，抑或，該透鏡元件的該第一表面係為一柱狀鏡陣列，該第二表面係為一非球狀表面。

於一較佳實施例中，該透鏡單元更包括設置於該發光源與該透鏡元件之間的一防塵玻璃片，該透鏡元件和該防塵玻璃片的材料相同或不同。

於一較佳實施例中，該透鏡單元包括一混合式光學結構，該混合式光學結構包括一繞射結構、一反射結構及/或一折射結構，且該混合式光學結構設置於該發光源以及該透鏡元件之間。

於一較佳實施例中，該第一表面的相分布依據一式子為：

其中 r ²=x ²+y ² Φ(r)為相分布，r為任一點和該第一表面的中心的距離，x、y為垂直光軸(Z軸)的兩對應座標，並且其中dor等於1；df0等於0.0；df1等於-6.1691*10^(-1)；df2等於2.8442*10^1；df3等於-4.8405*10^3；df4等於2.800*10^5；df5等於4.6892*10^(-2)；df6等於3.1385*10^(-4)，以及具有該非球狀表面的該透鏡元件的一有效聚焦長度小於1.2毫米。

於一較佳實施例中，該透鏡元件的該第一表面用以將該光線準直化，該透鏡元件的該第二表面用以將該準直化後的該光線轉變成該線狀光。

於一較佳實施例中，該透鏡單元更包括設置於該發光源與該透鏡元件之間的一防塵玻璃片，該透鏡元件和該防塵玻璃片的材料相同或不同，以及該透鏡元件的材料包括透明的聚丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或環烯烴聚合物。

於一較佳實施例中，該第一表面具有一非球狀表面，該第二表面包括一柱狀鏡陣列，該非球狀表面的輪廓依據式子： z是非球面上的某一點到該非球狀表面的頂點的Z軸座標，CV為曲率半徑，CC為圓錐係數，as0和as1皆等於0.0；as2等於9.6037*10^1；as3等於-4.1955*10^3；as4等於-2.5357*10^4；as5等於-7.2472*10^1；以及as6等於-3.0699。

於一較佳實施例中，該第一表面具有一繞射功能的平面，該第一表面的相分布依據式子：

其中 r ²=x ²+y ² Φ(r)為相分布，r為任一點和該第一表面的中心的距離，x、y為垂直光軸(Z軸)的兩對應座標，並且其中dor等於1；df0等於0.0；df1等於-6.1691*10^(-1)；df2等於2.8442*10^1；df3等於-4.8405*10^3；df4等於2.800*10^5；df5等於4.6892*10^(-2)；以及df6等於3.1385*10^(-4)。

於一較佳實施例中，該第一表面包括一柱狀鏡陣列平面，該第二表面具有一非球狀表面，該非球狀表面的輪廓依據式子： z是非球面上的某一點到該非球狀表面的頂點的Z軸座標，CV為曲率半徑，CC為圓錐係數，as0和as1皆等於0.0；as2等於9.6037*10^1；as3等於-4.1955*10^3；as4等於-2.5357*10^4；as5等於-7.2472*10^1；以及as6等於-3.0699。

於一較佳實施例中，該第一光程長度或該第二光程長度包括一或複數個工作距離，該些工作距離之間的差異小於1.2毫米。

於一較佳實施例中，該發光源包括包括複數發光晶片，該透鏡元件包括複數透光區域，各該發光晶片所發射出的光線行經該透鏡元件的相對應各該透光區域後，各該相對應透光區域各自將光線轉換成至少一線狀光束，其中，該些線性光束局部(locally)地、全域性地(globally)堆疊、或不相互堆疊。

本案提供一種結構光產生裝置，其包括：一發光源，其發出一光線；一透鏡單元，其轉換該光線成為一線狀光；以及一殼體，其容置該發光源和該透鏡單元，其中，該殼體包括開放的相對的一第一側以及一第二側，該第一側與該第二側之間的距離不大於4毫米，該發光源設置於接近該第一側，該透鏡單元設置於接近該第二側的位置，以及於該殼體中，該透鏡單元對於該光線構成一第一光程長度和一第二光程長度，該第一光程長度不同於該第二光程長度。

於一較佳實施例中，該透鏡單元包括一透鏡元件，該透鏡元件包括半徑大於0.189毫米的一第一表面，該第一表面為朝向該發光源，且為一非球狀表面或一柱狀鏡陣列，該第一表面的有效聚焦長度小於1.2毫米。

於一較佳實施例中，該透鏡元件的一第二表面包括一柱狀鏡陣列或一非球狀表面，該第二表面貼近該第二側並朝向該殼體外。

於一較佳實施例中，該透鏡單元更包括設置於該發光源與該透鏡元件之間的一防塵玻璃片。

於一較佳實施例中，該透鏡元件包括具有繞射功能平面的一第一表面，該第一表面的相分布依據式子：

於一較佳實施例中，該發光源包括複數發光晶片，該透鏡元件包括複數透光區域，各該發光晶片所發射出的光線行經該透鏡元件的相對應各該透光區域後，各該相對應透光區域各自將光線轉換成至少一線狀光束，其中，該些線性光束局部(locally)地、全域性地(globally)堆疊、或不相互堆疊。

於一較佳實施例中，該發光源的該些發光晶片各自獨立地且可程式化地於相同或不同的預定時段啟動或關閉。

於一較佳實施例中，該發光源包括單一發光晶片、或是該發光源包括複數發光晶片分佈於一曲面。

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‧‧‧發光源

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‧‧‧發光晶片

101‧‧‧封裝體

105‧‧‧主體

103‧‧‧接腳

141‧‧‧第一表面

143‧‧‧第二表面

143’‧‧‧第二表面

141”‧‧‧第一表面

16‧‧‧透鏡元件

143”‧‧‧第二表面

341‧‧‧第一表面

18‧‧‧防塵玻璃片

341’‧‧‧第一表面

343’‧‧‧第二表面

46‧‧‧透鏡元件

343‧‧‧第二表面

5‧‧‧結構光產生裝置

50‧‧‧發光源

501‧‧‧發光晶片

502‧‧‧電路基板

52‧‧‧殼體

54‧‧‧透鏡單元

541‧‧‧第一透鏡元件

542‧‧‧第二透鏡元件

542a‧‧‧透光區域

542b‧‧‧透光區域

542c‧‧‧透光區域

542d‧‧‧透光區域

542e‧‧‧透光區域

6‧‧‧結構光產生裝置

60‧‧‧發光源

64‧‧‧透鏡單元

62‧‧‧殼體

642‧‧‧第二透鏡元件

641‧‧‧第一透鏡元件

642a‧‧‧透光區域

642b‧‧‧透光區域

642c‧‧‧透光區域

642d‧‧‧透光區域

642e‧‧‧透光區域

圖1為本案第一實施例的結構光產生裝置的一實施態樣的組件側剖面示意圖。

圖2為本案第一實施例的結構光產生裝置的另一實施態樣的組件側剖面示意圖。

圖3為本案第一實施例的結構光產生裝置的再一實施態樣的組件側剖面示意圖。

圖4為本案第二實施例的結構光產生裝置的組件側剖面示意圖。

圖5為本案第三實施例的結構光產生裝置的一實施態樣的組件側剖面示意圖。

圖6為本案第三實施例的結構光產生裝置的另一實施態樣的組件側剖面示意圖。

圖7為本案第四實施例的結構光產生裝置的組件側剖面示意圖。

圖8為本案第五實施例的結構光產生裝置的立體示意圖。

圖9為本案第五實施例的結構光產生裝置的爆炸示意圖。

圖10為本案第五實施例的結構光產生裝置的另一爆炸示意圖。

圖11為本案第五實施例的結構光產生裝置的再一爆炸示意圖。

圖12為本案第六實施例的結構光產生裝置的立體示意圖。

圖13為本案第六實施例的結構光產生裝置的爆炸示意圖。

圖1為本案第一實施例的結構光產生裝置的一實施態樣的組件側剖面示意圖。請參考圖1，結構光產生裝置1包括一發光源10、一殼體12以及一透鏡單元14，其中，殼體12提供容置發光源10以及透鏡單元14的一容置空間。於此需先說明者為，這裡發光源10所指可為一雷射二極體(LD)、一發光二極體(LED)以及一有機發光二極體(OLED)或熱光源(thermal source)其中之一者，為較佳選擇。殼體12為不透光，其包括位置相對的一第一側121和一第二側123，以及設置於殼體12內的一固持結構122。於第一實施例中，固持結構122固定發光源10於第一側121，並且固定透鏡單元14於第二側123，但並不以此作限制。另外像是固持結構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設計成具有精簡的尺寸，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，第一側121和第二側123的形狀可以是正方形或圓形，但亦不於此作限制。

其次，舉例而言，發光源10可發出不可見光，例如波長為830nm、擴散角(diffusion angle)約20度(degree)的紅外光雷射的至少一發光晶片102以及將發光晶片封裝的一封裝體101。封裝於封裝體101中的基板上的發光晶片102的數量可以是一或多個，比如是多個發光晶片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中所顯示的單一晶片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，本案所稱的發光源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發光源10。

其次，於一較佳實施態樣中，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朝向發光源10(即朝向殼體12的第一側121)，第二表面143則朝向殼體12的第二側123，第一表面141與發光源10之間的距離約1.00毫米。於本實施態樣中，透鏡單元14對於發光源10所發出的光線構成一第一光程長度(optical path length)，並且透鏡元件的第一表面141為用以將發光源10所發出的光線準直化的一非球狀表面或自由曲面。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，或是其他對應波段適當的透明材料，例如聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)、環烯烴聚合物(Cyclo-olefin Polymer，COP樹脂)等等、或乃至高密度聚乙烯(HDPE)等。

另外，於此實施態樣中，透鏡元件的第二表面143係用以將準直化後的光線轉變成一線狀光後輸出至結構光產生裝置1外，如圖2所示，第二表面143’的形狀可以為柱狀鏡陣列，於垂直光軸的X方向上呈現-64度的曲率。但於另一較佳的實施態樣中，因應實際應用情形而將透鏡元件的第一表面141與第二表面143的外形結構對調設置，亦屬可行，即如圖3所示，透鏡元件的第一表面141”係為柱狀鏡陣列，而透鏡元件的第二表面143”係為非球狀表面或自由曲面。此外，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4為本案第二實施例的結構光產生裝置的組件側剖面示意圖。請參考圖4，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，即本實施例的內容為在第一實施例中增加設置防塵玻璃片18於殼體12內。防塵玻璃片18的設置係為避免外界的灰塵等異物進入發光源10中，以增加發光源10對惡劣環境的抵抗力，並提升光源品質的穩定性。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，設置於距離發光源10約0.5毫米處，但並不僅限於此。此外，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設置於發光源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為發光源10發出的光線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，將光線轉換成線狀光以構成結構光，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毫米為佳。

圖5為本案第三實施例的結構光產生裝置的一實施態樣的組件側剖面示意圖。請參考圖圖5，結構光產生裝置3的透鏡單元34為一透鏡元件，透鏡元件的第二表面343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，第三實施例與第一實施例(圖2)不同之處在於，透鏡元件朝向發光源10的第一表面341為具有繞射功能的一平面，。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。於此本實施例中，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)。

另一較佳的實施態樣中，因應實際應用情形而將透鏡元件的第一表面341與第二表面343的外形結構對調設計，亦屬可行，即如圖6所示，透鏡元件所朝向發光源10的第一表面341’為一柱狀鏡陣列表面，第二表面343’則為一平面。

圖7為本案第四實施例的結構光產生裝置的組件側剖面示意圖。請參考圖7，第四實施例與第三實施例(圖6)不同之處在於，第四實施例加入防塵玻璃片18，防塵玻璃片18放置於發光源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，其當然也涵蓋當發光源10有複數個發光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。

如圖8至圖11所示，圖8為本案第五實施例的結構光產生裝置的立體示意圖，圖9為第五實施例的結構光產生裝置的前視圖。圖10及圖11為本案第五實施例的結構光產生裝置的爆炸示意圖。於本實施例中，結構光產生裝置5包括一發光源50、一殼體52以及一透鏡單元54，發光源50包括有複數個發光晶片501，發光晶片501散佈設置於一電路基板502上，而發光晶片501、電路基板502、透鏡單元54皆容納於殼體52內部。於本實施例中，透鏡單元54為由兩片透鏡元件以上所組成的一透鏡組，透鏡組包括一第一透鏡元件541以及具有複數透光區域542a~542e的一第二透鏡元件542，而第二透鏡元件542可視為一混合式光學結構，其中第二透鏡元件542的透光區域542a~542e位於發光晶片501所發射出的光線的光路徑上，且透光區域542a~542e與發光晶片501呈一對一的相對應設置，於本實施態樣中，發光晶片的個數為五個，透光區域的個數為五個，各透光區域542a~542e的內表面(即面對於發光源的表面)形狀為各自獨立，各發光晶片501所發射出的光線行經透鏡元件的各相對應透光區域542a~542e後，各相對應透光區域542a~542e各自將光線轉換成至少一線狀光束，並繼續向外射出以共同投影出一設計者所欲呈現的結構光圖案，其中，該些線性光束可以局部(locally)地堆疊、全域性地(globally)堆疊、或不相互堆疊。除此之外，每一發光晶片501亦可設計成各自獨立地且可程式化地於相同或不同的預定時段啟動或關閉。

於本實施態樣中，透光區域542a、542b、542c、542d的內表面的形狀為柱狀鏡陣列，透光區域542e的內表面的形狀為兩種方向的柱狀鏡陣列相互垂直交錯。當然，如上所述透光區域的內表面的形狀於此僅為方便說明一列舉，透光區域的內表面亦可以為各式方向不同或傾角不同的柱狀鏡陣列堆疊等，於此並不作限制。

於第五實施例中，殼體52呈方形套筒的結構外形，而電路基板502以及第一透鏡元件541呈方形板的結構外形。除此之外，可如圖10所示，殼體52與第一透鏡元件541兩者之間係一體成形射出或是以其它方式一體結合。亦可如圖11所示，殼體52與第一透鏡元件541及第二透鏡元件542 三者之間係一體成形射出或是以其它方式一體結合，藉此以精簡本案結構光產生裝置5花費在製程上的步驟與時間。

如圖12及圖13所示，圖12為本案第六實施例的結構光產生裝置的立體示意圖，圖13為本案第六實施例的結構光產生裝置的爆炸示意圖。第六實施例相似於第五實施例，結構光產生裝置6包括一發光源60、一殼體62以及一透鏡單元64，發光源6包括有複數個發光晶片601，發光晶片601散佈設置於一電路基板602上，而發光晶片601、電路基板602、透鏡單元64皆容納於殼體內部。透鏡單元64為由兩片透鏡元件以上所組成的一透鏡組，於本實施例中，透鏡組包括一第一透鏡元件641以及具有複數透光區域642a~642e的一第二透鏡元件642。其中，第二透鏡元件透光區域642a~642e位於發光晶片601所發射出的光線的光路徑上，且透光區域642a~642e與發光晶片601呈一對一的相對應設置，且各透光區域642a~642e的內表面(即面對於發光源的表面)形狀為各自獨立。第六實施例異於第五實施者為，第六實施例的殼體呈圓形套筒的結構外形，且電路基板602以及第一透鏡元件641呈圓板的結構外形。

依據上述，對於整個結構光產生裝置而言，選擇可同時進行準直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。