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TWI825390B - 光學擴散元件及用於三維感測的光發射組件 - Google Patents

光學擴散元件及用於三維感測的光發射組件 Download PDF

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TWI825390B
TWI825390B TW110103751A TW110103751A TWI825390B TW I825390 B TWI825390 B TW I825390B TW 110103751 A TW110103751 A TW 110103751A TW 110103751 A TW110103751 A TW 110103751A TW I825390 B TWI825390 B TW I825390B
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蔡榮智
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Abstract

一種光學擴散元件包括出光面，出光面具有多個微結構，各微結構具有邊界，各微結構的邊界完全與相鄰的微結構的邊界連接，各微結構具有表面輪廓，表面輪廓之函數式為：

Description

光學擴散元件及用於三維感測的光發射組件
本發明關於一種光學擴散元件及用於三維感測的光發射組件。
目前飛時(Time of Flight，TOF)三維感測技術常使用光學擴散元件達到光型控制的效果。具體來說，當光源產生的光線入射光學擴散元件後，經由光學擴散元件的微結構產生散射，使得從微結構射出的光線具有特定光型，如此達到光型控制。為控制不同光型，微結構的設計利用機率分布函數隨機調整深度、邊界、空間控制參數，來調控微結構的成型分佈，以達到控制不同光型的效果。
利用機率分布函數隨機調整深度、邊界、空間控制參數，雖可微調部分區域內的光型使光型更符合預期，但在相鄰微結構之間的空白區域仍須要額外設計相似的表面輪廓(sag profile)去填補，在邊界處理上極為複雜。因此，現有技術的光學擴散元件雖然可達到光型控制效果，但具有設計複雜的問題。
本發明提供一種光學擴散元件，其於具有控制光型功能之同時，還具有簡化設計之優點。
本發明提供一種用於三維感測的光發射組件，其兼具有控制光型及設計簡單之優點。
本發明所提供的光學擴散元件包括出光面，出光面具有多個微結構，各微結構具有邊界，各微結構的邊界完全與相鄰的微結構的邊界連接，且各微結構具有表面輪廓，表面輪廓之函數式如下：
Figure 110103751-A0305-02-0004-1
 其中，s(x)代表各微結構於x坐標軸上的表面輪廓，x代表表面輪廓於x坐標軸上的垂直投影位置，R代表各微結構的頂點的曲率半徑，κ代表各微結構的圓錐係數，微結構具有相同的R值以及κ值。
在本發明的一實施例中，上述的圓錐係數與曲率半徑之比值(κ/R)滿足下述條件：-180 1/μm<κ/R<-20 1/μm。
在本發明的一實施例中，上述的各微結構適於形成光型，光型具有發散角，發散角之函數式如下：FOV=A(κ/R)+B；其中，FOV代表光型的視野角，A及B滿足下述條件：-0.1<A<-1，B為大於0的常數。
在本發明的一實施例中，上述的各微結構具有虛擬孔徑φ，虛擬孔徑為表面輪廓之函數式的s(x)為0時的二個x值的差值，其中20μm<φ<100μm。
在本發明的一實施例中，上述的微結構以隨機方式排列於出光面上。
在本發明的一實施例中，上述的各微結構的邊界於出光面的正投影呈現多邊形。
在本發明的一實施例中，上述的微結構凸出出光面。
在本發明的一實施例中，上述的微結構凹入出光面。
本發明所提供的用於三維感測的光發射組件包括上述的光學擴散元件以及光源。光學擴散元件具有相反於出光面的入光面，光源向入光面發出照明光束，照明光束通過入光面進入光學擴散元件後由出光面的微結構出光，形成發射光束。
在本發明的一實施例中，上述的發射光束相對於入光面的法線具有平均最大發光角，平均最大發光角為15°至65°。
在本發明的光學擴散元件及用於三維感測的光發射組件中，微結構的表面輪廓具有相同的R值以及κ值，各微結構的邊界完全與相鄰的微結構的邊界連接，相鄰微結構之間不會具有空白區域，則無需額外設計填補於空白區域的表面輪廓，可簡化光學擴散元件設計上的邊界處理。且光學擴散元件於使用上藉由微結構，可達到控制光型的效果，使光線通過微結構產生散射作用後形成特定光型。因此，本發明的光學擴散元件及用於三維感測的光發射組件，於維持控制光型之功能之同時，還具有簡化設計之優點。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
100:光學擴散元件
110:出光面
120:微結構
121:邊界
130:入光面
200:光發射組件
210:光源
220:殼體
221:開口部
FOV:發散角
L1:照明光束
L2:發射光束
NL:法線
P:頂點
R:曲率半徑
x:坐標軸
y:坐標軸
s(x):表面輪廓
α:平均最大發光角
φ:虛擬孔徑
圖1為本發明一實施例的光學擴散元件的上視示意圖；圖2為本發明一實施例的光學擴散元件的微結構在x座標軸上的表面輪廓示意圖；圖3為本發明一實施例的光學擴散元件的微結構的外觀示意圖；圖4為本發明一實施例的光學擴散元件的使用示意圖； 圖5為本發明一實施例的光學擴散元件的微結構的在x座標軸上的表面輪廓示意圖；圖6為本發明一實施例的光學擴散元件於邊界運算中的微結構的中心分布示意圖；圖7為本發明一實施例的光學擴散元件於邊界運算中的微結構的中心分布示意圖；圖8A本發明一實施例的光學擴散元件於邊界運算中的微結構上視示意圖；以及圖8B本發明一實施例的光學擴散元件於邊界運算中的微結構的表面輪廓之分布示意圖。
圖1為本發明一實施例的光學擴散元件的上視示意圖。圖2為本發明一實施例的光學擴散元件的微結構在x座標軸上的表面輪廓示意圖，圖2中s(x)坐標軸、x坐標軸與y坐標軸正相交。圖3為本發明一實施例的光學擴散元件的微結構的外觀示意圖。圖4為本發明一實施例的光學擴散元件的使用示意圖。如圖1至4所示，本發明的光學擴散元件100具有出光面110，出光面110具有多個微結構120，各微結構120具有邊界121，各微結構120的邊界121完全與相鄰的微結構120的邊界121連接，且各微結構120具有表面輪廓，表面輪廓之函數式如下：
Figure 110103751-A0305-02-0006-2
 其中，s(x)代表各些微結構120於x坐標軸上的表面輪廓，x值代表表面輪廓於x坐標軸上的垂直投影位置，R值代表各微結構120的頂點P的曲率半徑，κ值代表各微結構120的圓錐係數，且微結構120具有相同的R值以及κ值。
在本實施例的光學擴散元件100中，微結構120的表面輪廓具有相同的R值以及κ值，各微結構120的邊界121完全與相鄰的微結構120的邊界121連接，相鄰微結構120之間不會具有空白區域，則無需額外設計填補於空白區域的表面輪廓，可簡化光學擴散元件100設計上的邊界121處理。且本實施例的光學擴散元件100於使用上藉由微結構120，可達到控制光型的效果，使光線通過微結構120產生散射作用後形成特定光型。
上述的各微結構120具有虛擬孔徑φ，虛擬孔徑為s(x)為0時的二個x值的差值，其中20μm<φ<100μm。在一實施例中，虛擬孔徑φ例如是但不限於30μm、50μm或70μm。
上述的圓錐係數與曲率半徑之比值(κ/R)滿足下述條件：-180 1/μm<κ/R<-20 1/μm。在一實施例中，κ/R值例如是但不限於-150、-120、-100或-50。此外，照明光束L1從光學擴散元件100的入光面130進入光學擴散元件100後經由出光面110的微結構120出光，形成發射光束L2，發射光束L2的光型具有視野角α，即各微結構120適於形成具有所述視野角的光型；在一實施例中，視野角的函數式如下：FOV=A(κ/R)+B其中，FOV代表光型的視野角，A值及B值滿足下述條件：-0.1<A<-1，B為大於0的常數。舉例來說，A值例如是但不限於-0.05、0或0.05，B值例如是但不限於1、2.5或10。在一實施例中，視野角介於30°至130°，舉例來說，視野角例如是但不限於60°、90°或120°。
上述的微結構120以隨機方式排列於出光面110上，各微結構120的邊界121於出光面110的正投影可呈現多邊形，在一實施例中，如圖1所示，多邊形例如是至少具有四個邊的多邊形。另外，如圖3所示，微結構120的頂點P高於邊界121，即微結構120凸出出光面110，但本發明不以此為限。圖5為本發明一實施例的光學擴散元件的微結構在x座標軸上的表面輪廓示意圖，如圖5所示，微結構120的頂點P低於邊界121，即微結構120也可以凹入出光面110。
在本發明中，光學擴散元件100可經過下述的邊界運算處理而完成設計以供製作。邊界運算處理的步驟如下：預先決定要套入的微結構120的表面輪廓的函數(即選定滿足前述條件的R值以及κ值)。接著，運算製作面積內各微結構120的中心(頂點P)位置(如圖6所示，中心於x-y平面呈規則排列)，並利用機率分布函數隨機調整各微結構120在空間中的位置(如圖7所示，中心於x-y平面呈隨機排列)。接下來，從各微結構120的中心的位置由內而外寫入預先決定要套入的微結構120的表面輪廓的函數，並且延伸至四周與相鄰的微結構120之邊界121相接(由圖8A所示的微結構120上視示意圖及圖8B所示的表面輪廓之分布圖可見，兩相鄰微結構120之邊界121相接)，從而完成本發明的光學擴散元件100的設計。
在一實施例中，如圖1至4所示，上述的光學擴散元件100與光源210搭配使用構成用於三維感測的光發射組件200，光學擴散元件100的入光面130相反於出光面110，光源210朝向入光面130發出照明光束L1，照明光束L1通過入光面130進入光學擴散元件100後由出光面110的微結構120出光，形成發射光束L2。此外，上述的用於三維感測的光發射組件200還可具有殼體220，殼體220具有開口部221，光源210配置於殼體220內，光學擴散元件100配置於開口部221，入光面130位於出光面110與光源210之間。另外，在 本實施例中，光學擴散元件100雖然是以圖1至3所示的光學擴散元件100作為例示，但光學擴散元件100也可以替換為上述任一實施例的光學擴散元件100。此外，光源210例如但不限於紅外線光源。
上述的發射光束L2相對於入光面130的法線NL具有平均最大發光角α，平均最大發光角α為15°至65°。在一實施例中，平均最大發光角α例如但不限於15°、45°或65°。
綜上所述，本發明實施例的光學擴散元件及用於三維感測的光發射組件中，微結構的表面輪廓具有相同的R值以及κ值，各微結構的邊界完全與相鄰的微結構的邊界連接，相鄰微結構之間不會具有空白區域，則無需額外設計填補於空白區域的表面輪廓，可簡化光學擴散元件設計上的邊界處理。且本實施例的光學擴散元件於使用上藉由微結構，可達到控制光型的效果，使光線通過微結構產生散射作用後形成特定光型。因此，本發明實施例的光學擴散元件及用於三維感測的光發射組件，於維持控制光型之功能之同時，還具有簡化設計之優點。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:光學擴散元件
110:出光面
120:微結構
121:邊界
P:頂點

Claims (10)

  1. 一種光學擴散元件，包括：一出光面，該出光面具有多個微結構，各微結構具有一邊界，各微結構的該邊界完全與相鄰的微結構的邊界連接，且各該些微結構具有一表面輪廓，該表面輪廓之函數式如下：
    Figure 110103751-A0305-02-0011-3
     其中，s(x)代表各該些微結構於一x坐標軸上的該表面輪廓，x值代表表面輪廓於x坐標軸上的垂直投影位置，R值代表各該些微結構的一頂點的一曲率半徑，κ值代表各該些微結構的一圓錐係數，該些微結構具有相同的R值以及κ值。
  2. 如請求項1所述的光學擴散元件，其中，該圓錐係數與該曲率半徑之比值(κ/R)滿足下述條件：-180 1/μm<κ/R<-20 1/μm。
  3. 如請求項2所述的光學擴散元件，其中，各該些微結構適於形成一光型，該光型具有一視野角，該視野角之函數式如下：FOV=A(κ/R)+B其中，FOV代表該光型的該視野角，A值及B值滿足下述條件：-0.1<A<-1，B為大於0的常數。
  4. 如請求項1所述的光學擴散元件，其中，各該些微結構具有一虛擬孔徑φ，該虛擬孔徑為該表面輪廓之函數式的s(x)為0時的二個x值的差值，其中20μm<φ<100μm。
  5. 如請求項1所述的光學擴散元件，其中，該些微結構以隨機方式排列於該出光面上。
  6. 如請求項1所述的光學擴散元件，其中，各該些微結構的該邊界於該出光面的正投影呈現多邊形。
  7. 如請求項1所述的光學擴散元件，其中，該些微結構凸出該出光面。
  8. 如請求項1所述的光學擴散元件，其中，該些微結構凹入該出光面。
  9. 一種用於三維感測的光發射組件，包括：一如請求項1至8中任一項所述的光學擴散元件；以及一光源，其中，該光學擴散元件具有相反於該出光面的一入光面，該光源向該入光面發出一照明光束，該照明光束通過該入光面進入該光學擴散元件後由該出光面的該些微結構出光，形成一發射光束。
  10. 如請求項9所述的用於三維感測的光發射組件，其中該發射光束相對於該入光面的一法線具有一平均最大發光角，該平均最大發光角為15°至65°。
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