TWI849631B - 光學感測裝置 - Google Patents

Abstract

一種光學感測裝置，包括一底座、一光感測元件、一取像鏡頭、至少一光源及一上蓋。光感測元件設置於底座上，取像鏡頭設置在光感測元件上方。此至少一光源設置在底座上，位於光感測元件旁，且用以發出至少一光束。上蓋覆蓋此至少一光源，且具有至少一狹縫圖案，狹縫圖案包括至少一狹縫。此至少一狹縫圖案設置於此至少一光束的路徑上，以繞射此至少一光束。取像鏡頭用以收集外界的一物體將經繞射的此至少一光束反射成的一訊號光，且用以將訊號光傳遞至光感測元件。

Description

光學感測裝置

本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種光學感測裝置。

隨著光學感測與監視技術的進步，可見光波段與紅外光波段的影像感測與監視裝置逐漸被發展出來。紅外光感測可應用於夜視鏡頭，其可在低照明或無照明的情形下感測外界環境的變化。

此外，隨著影像處理軟體的進步，光學感測硬體可搭配軟體演算法而達到更多的自動監控或狀況辨識效果。一般的紅外線夜視鏡頭通常會搭配紅外光源投射紅外光至外界物體，而外界物體將此紅外光反射後，被夜視鏡頭及其光感測器所感測。然而，若紅外光源投射均勻的紅外光至外界物體時，演算法會比較難計算外體的移動參數。

本發明提供一種光學感測裝置，其可產生虛擬邊界，以幫 助演算法的處理。

本發明的一實施例提出一種光學感測裝置，包括一底座、一光感測元件、一取像鏡頭、至少一光源及一上蓋。光感測元件設置於底座上，取像鏡頭設置在光感測元件上方。此至少一光源設置在底座上，位於光感測元件旁，且用以發出至少一光束。上蓋覆蓋此至少一光源，且具有至少一狹縫圖案。狹縫圖案包括至少一狹縫。此至少一狹縫圖案設置於此至少一光束的路徑上，以繞射此至少一光束。取像鏡頭用以收集外界的一物體將經繞射的此至少一光束反射成的一訊號光，且用以將訊號光傳遞至光感測元件。

在本發明的實施例的光學感測裝置中，狹縫圖案可繞射光源所發出的光束，以在外界的物體上產生繞射條紋，而這些繞射條紋可作為虛擬邊界的用途，供演算法計算物體的移動參數。因此，本實施例的光學感測裝置可產生虛擬邊界，以幫助演算法的處理。

50:物體

52:訊號光

62:第一繞射條紋

64:第二繞射條紋

100:光學感測裝置

110、110a:底座

112:凸出部

113:傾斜面

120:光感測元件

130:取像鏡頭

140、140a:光源

142:光束

150:上蓋

152:內表面

154:外表面

160:狹縫圖案

162:第一狹縫

164:第二狹縫

166:交叉點

170:保護罩

A1:中心軸

D1:偏移距離

W1、W2:寬度

圖1為本發明的一實施例的光學感測裝置的上視示意圖。

圖2為圖1的光學感測裝置沿著I-I線的剖面示意圖。

圖3為圖1的光學感測裝置的傾斜視角的示意圖。

圖4為本發明的另一實施例的光學感測裝置的剖面示意圖。

圖5為本發明的另一實施例的光學感測裝置的剖面示意圖。

圖6為本發明的另一實施例的光學感測裝置的剖面示意圖。

圖7為圖2中的光束照射於一牆面時所形成的繞射條紋的示意圖。

圖1為本發明的一實施例的光學感測裝置的上視示意圖，圖2為圖1的光學感測裝置沿著I-I線的剖面示意圖，而圖3為圖1的光學感測裝置的傾斜視角的示意圖。請參照圖1至圖3，本實施例的光學感測裝置100包括一底座110、一光感測元件120、一取像鏡頭130、至少一光源140(圖2中是以多個光源140為例)及一上蓋150。光感測元件120設置於底座110上，取像鏡頭130設置在光感測元件120上方。光源140設置在底座110上，位於光感測元件120旁。底座110可包括電路板(例如印刷電路板)，其電性連接至光源140。每一光源140用以發出一光束142。上蓋150覆蓋光源140，且具有至少一狹縫圖案160(圖1與圖2中是以多個狹縫圖案160為例)，每一狹縫圖案160包括至少一狹縫。狹縫圖案160設置於光束142的路徑上，以繞射光束142。在本實施例中，上蓋150適於讓光束142穿透，也就是上蓋150可選擇以適於讓光束142穿透的材料來製作。取像鏡頭130用以收集外界的一物體50將經繞射的光束142反射成的一訊號光52，且用以將訊號光52傳遞至光感測元件120。此外，光感測元件120用以感測訊號光52。在本實施例中，光感測元件120為影像感測器， 例如為互補式金屬氧化物半導體影像感測器(complementary metal oxide semiconductor image sensor,CMOS image sensor)或電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)。在本實施例中，光學感測裝置100還包括一保護罩170，覆蓋取像鏡頭130與光感測元件120。在本實施例中，來自物體50的訊號光52會穿透保護罩而傳遞至取像鏡頭130，進而被取像鏡頭130成像於光感測元件120上。然而，在其他實施例中，光學感測裝置100也可以不具有保護罩170，而讓取像鏡頭130裸露於環境中。在本實施例中，光束142例如為紅外光束，其波長可落在850奈米至940奈米的範圍內，但本發明不以此為限。在其他實施例中，光束142也可以是可見光束或紫外光束。

在圖2中，光束142從狹縫圖案160傳遞至物體50的過程中，圖中繪示有一雙S形省略符號，表示事實上物體50可位於離狹縫圖案160較遠處，只是礙於圖面空間有限，所以畫得比較近且採用省略符號來表示。同理，訊號光52從物體50傳遞至取像鏡頭130的過程中亦有一雙S形省略符號，也是代表物體50相對於取像鏡頭130的距離可以更遠。

在本實施例中，狹縫圖案160包括一第一狹縫162及一第二狹縫164，第一狹縫162及第二狹縫164交叉於一交叉點166。在本實施例中，第一狹縫162與第二狹縫164位於上蓋150的朝向光源140的內表面152上，且未貫穿上蓋150。為了能從圖1看到狹縫圖案160的位置，在圖1中，部分上蓋150以透明的方式 繪示，因此可以透視上蓋150而看到位於上蓋150的內表面152上的狹縫圖案160。然而，在另一實施例中，如圖4所繪示，第一狹縫162與第二狹縫164也可以是貫穿上蓋150，此時上蓋150對光束142而言可以是不透光的。或者，在其他實施例中，第一狹縫162與第二狹縫164也可以是位於上蓋150的背對光源140的外表面154上而未貫穿上蓋150。

請參照圖1至圖3，在本實施例中，光束142具有一中心軸A1，且中心軸A1通過狹縫圖案160的交叉點166。在本實施例中，中心軸A1垂直地通過狹縫圖案160。此外，在本實施例中，第一狹縫162及第二狹縫164互相垂直。然而，在另一實施例中，如圖5所繪示，中心軸A1通過狹縫圖案160的交叉點166附近，且中心軸A1相對於交叉點166的偏移距離D1在0.2毫米以內，且可往任一方向偏移。請參照圖1至圖3，在本實施例中，狹縫圖案160相對於底座110傾斜，而光源140為斜向出光的發光二極體。斜向出光的效果可藉由發光二極體的一次透鏡或二次透鏡的設計來達成，此為所屬技術領域中具有通常知識者所熟知的技術，在此不再詳述。然而，在另一實施例中，如圖6所繪示，光源140a也可以是正向出光的發光二極體，其配置於底座110a的凸出部112的一傾斜面113上。

圖7為圖2中的光束照射於一牆面時所形成的繞射條紋的示意圖。請參照圖1、圖2及圖7，當圖2的物體50處設有一牆面時，光束142經狹縫圖案160的繞射後，會在牆面上形成如 圖7的多個第一繞射條紋62與多個第二繞射條紋64。

在本實施例中，第二狹縫164與底座110平行，而底座110可置於一水平面上，因此第二狹縫164可繞射光束142而形成多條水平方向的第二繞射條紋64，這些第二繞射條紋64在鉛直方向上排列。另外，第一狹縫162因垂直於第二狹縫164，因此第一狹縫162可繞射光束142而形成多條鉛直方向的第一繞射條紋62，這些鉛直方向的第一繞射條紋62在水平方向上排列。在本實施例中，第一繞射條紋62可垂直於第二繞射條紋64。

在本實施例中，這些光源140及這些狹縫圖案160環繞取像鏡頭130。這些光源140與這些狹縫圖案160可以是一對一的關係，因此圖1中所繪示的6個狹縫圖案160會對應至6個光源140。然而，本發明並不限制狹縫圖案160與光源140的數量，在其他實施例中可以是其他數量。在本實施例中，取像鏡頭130為魚眼鏡頭。此外，在本實施例中，這些光源140發出的這些光束142分別通過這些狹縫圖案160後，分別形成多個繞射條紋(如圖7的第一繞射條紋62與第二繞射條紋64)，這些繞射條紋圍繞取像鏡頭130的視場。在一實施例中，上述至少一光源140發出的至少一光束142通過狹縫圖案160後，形成多個繞射條紋，而這些繞射條紋形成於取像鏡頭130的視場。

然而，在其他實施例中，取像鏡頭130也可以是視場角比魚眼鏡頭的視場角小的廣角鏡頭或非廣角鏡頭，而光源140與狹縫圖案160的數量可以各為一個，且光源140的光束142傳遞 至狹縫圖案160的方向可大致平行於取像鏡頭130的光軸，但本發明不以此為限。或者，在其他實施例中，狹縫圖案160也可以僅具有第一狹縫162與第二狹縫164其中之一，而繞射光束142以形成第一繞射條紋62與第二繞射條紋64中的其中一種條紋。

在本實施例的光學感測裝置中，狹縫圖案160可繞射光源140所發出的光束142，以在外界的物體50上產生繞射條紋(如第一繞射條紋62及/或第二繞射條紋64)，而這些繞射條紋可作為虛擬邊界的用途，供演算法計算物體的移動參數。具體而言，由於光感測元件120所拍攝到的物體50的影像有明顯的繞射條紋的圖案(其可視為虛擬邊界)，當物體50移動時，便會很明顯地相對繞射條紋移動，如此與光感測元件120電性連接的處理器或控制器中所執行的演算法便能夠根據物體50相對於繞射條紋的移動，而計算出物體50的移動參數。第一繞射條紋62有助於演算法計算出物體50水平移動的參數，第二繞射條紋64有助於演算法計算出物體鉛直移動的參數，而當狹縫圖案160僅具有第一狹縫162與第二狹縫164其中之一而形成第一繞射條紋62與第二繞射條紋64中的其中一種條紋時，第一繞射條紋62與第二繞射條紋64中的其中一種繞射條紋形成於取像鏡頭130的視場，則可有助於演算法計算出物體50往對應方向的移動參數。

在本實施例中，如圖1所繪示，6個狹縫圖案160搭配6個光源140可產生6組虛擬邊界，而這6組虛擬邊界圍繞取像鏡頭130的視場，搭配取像鏡頭130與光感測元件120形成無死角 環景360度攝影效果。

在本實施例中，第一狹縫162的寬度W1大於等於0.01毫米且小於等於0.02毫米，且與第二狹縫164的寬度W2大於等於0.01毫米且小於等於0.02毫米。

第一狹縫162與第二狹縫164對光束142的繞射公式符合以下單狹縫繞射公式：y=mλd/a 式(1)

其中，m為繞射階數，也就是從中央繞射條紋(即0階繞射條紋)往旁數算的第m個繞射條紋；y為第m個繞射條紋與中央繞射條紋的距離；λ為光束142的波長，a為狹縫寬度，即圖1的寬度W1或寬度W2；d為光源140與繞射條紋所投射的牆面的距離。

以下表一與表二是本實施例的光學感測裝置100的兩組實驗數據：

綜上所述，在本發明的實施例的光學感測裝置中，狹縫圖案可繞射光源所發出的光束，以在外界的物體上產生繞射條紋，而這些繞射條紋可作為虛擬邊界的用途，供演算法計算物體的移動參數。因此，本實施例的光學感測裝置可產生虛擬邊界，以幫助演算法的處理。

50:物體 52:訊號光 100:光學感測裝置 110:底座 120:光感測元件 130:取像鏡頭 140:光源 142:光束 150:上蓋 152:內表面 154:外表面 160:狹縫圖案 162:第一狹縫 166:交叉點 170:保護罩 A1:中心軸

Claims (18)

1. 一種光學感測裝置，包括：一底座；一光感測元件，設置於該底座上；一取像鏡頭，設置在該光感測元件上方；至少一光源，設置在該底座上，位於該光感測元件旁，且用以發出至少一光束；以及一上蓋，覆蓋該至少一光源，且具有至少一狹縫圖案，該狹縫圖案包括至少一狹縫，其中該至少一狹縫圖案設置於該至少一光束的路徑上，以繞射該至少一光束，該取像鏡頭用以收集外界的一物體將經繞射的該至少一光束反射成的一訊號光，且用以將該訊號光傳遞至該光感測元件；該狹縫圖案包括一第一狹縫及一第二狹縫，該第一狹縫及該第二狹縫交叉於一交叉點。
2. 如請求項1所述的光學感測裝置，其中該至少一光束具有一中心軸，且該中心軸通過該交叉點。
3. 如請求項2所述的光學感測裝置，其中該中心軸垂直地通過該狹縫圖案。
4. 如請求項1所述的光學感測裝置，其中該第一狹縫及該第二狹縫互相垂直。
5. 如請求項1所述的光學感測裝置，其中該至少一光束具有一中心軸，該中心軸通過該交叉點附近，且該中心軸相對於該交叉點的偏移距離在0.2毫米以內。
6. 如請求項1所述的光學感測裝置，其中該至少一光源為多個光源，該至少一狹縫圖案為多個狹縫圖案，該些光源及該些狹縫圖案環繞該取像鏡頭。
7. 如請求項6所述的光學感測裝置，其中該些光源發出的該些光束分別通過該些狹縫圖案後，分別形成多個繞射條紋，該些繞射條紋圍繞該取像鏡頭的視場。
8. 如請求項7所述的光學感測裝置，其中該些繞射條紋用以作為虛擬邊界的用途，供演算法計算該物體的移動參數。
9. 如請求項1所述的光學感測裝置，其中該第一狹縫與該第二狹縫位於該上蓋的朝向該光源的內表面上，且未貫穿該上蓋。
10. 如請求項1所述的光學感測裝置，其中該第一狹縫與該第二狹縫貫穿該上蓋，且該上蓋對該至少一光束而言是不透光的。
11. 如請求項1所述的光學感測裝置，還包括一保護罩，覆蓋該取像鏡頭與該光感測元件。
12. 如請求項1所述的光學感測裝置，其中該取像鏡頭為魚眼鏡頭。
13. 如請求項1所述的光學感測裝置，其中該第一狹縫與該第二狹縫的寬度大於等於0.01毫米且小於等於0.02毫米。
14. 如請求項1所述的光學感測裝置，其中該至少一光束為紅外光束。
15. 如請求項1所述的光學感測裝置，其中該光感測元件為影像感測器。
16. 如請求項1所述的光學感測裝置，其中該光源為斜向出光的發光二極體。
17. 如請求項1所述的光學感測裝置，其中該光源為正向出光的發光二極體，其配置於該底座的凸出部的傾斜面上。
18. 如請求項1所述的光學感測裝置，其中該至少一光源發出的該至少一光束通過該狹縫圖案後，形成多個繞射條紋，該些繞射條紋形成於該取像鏡頭的視場。

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