TW202235902A - 光學感測系統 - Google Patents

Abstract

一種光學感測系統，包括光源、投射模組以及感測模組。光源用以提供照明光束。投射模組配置於照明光束的傳遞路徑上。照明光束藉由投射模組傳遞至目標物件。目標物件反射照明光束以產生感測光束。感測模組配置於感測光束的傳遞路徑上。感測模組包括至少一感測單元。各感測單元包括收光元件以及感測元件，且感測單元具有光軸。收光元件位於目標物件與感測元件之間，用以將感測光束沿著光軸導引至感測元件，其中收光元件於光軸上具有焦點，且感測元件不位於焦點上。

Description

光學感測系統

本發明是有關於一種電子裝置，且特別是有關於一種光學感測系統。

光達（Light(Laser) Detection and Ranging, LiDAR）是一種光學遙距感測技術，利用光來測量目標的距離。光達能高精度地測得距離、辨識物體外型並建立周遭的立體地理資訊模型，具有高量測距離、高精度、高辨識度等優點，且不受環境亮度影響，可以不分晝夜地感測周遭障礙物形狀、距離等資訊。光達的掃描範圍為100至200公尺，故能滿足自駕車需要更遠、更精準的感測需求。

在光學感測中，如果能收到更多的訊號光能量，量測的距離就越遠，也能提高訊雜比，抗雜光（例如是陽光或環境光）的能力就越好，也越不容易誤判。從光感測器能收訊號光能量的經驗公式中可以得知，光感測器所能收訊號光能量正比於收光面積。而當沒有任何收光元件時，收光面積等於光感測器的面積，且收光效率為1。若有收光元件時，則收光面積等於收光元件面積，且需計算收光效率。然而，此種作法將會導致在大角度（50°以上）入射時，部分光會在收光元件內全反射無法出光，進而造成損耗，使部分光會偏折也無法收到光感測器。故不但無增益，還有更多損耗。

“先前技術”段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在“先前技術”段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在“先前技術”段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。

本發明提供一種光學感測系統，可提高光訊號的接收量，以提高光學感測效果。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明提供一種光學感測系統，包括光源、投射模組以及感測模組。光源用以提供照明光束。投射模組配置於照明光束的傳遞路徑上。照明光束藉由投射模組傳遞至目標物件。目標物件反射照明光束以產生感測光束。感測模組配置於感測光束的傳遞路徑上。感測模組包括至少一感測單元。各感測單元包括收光元件以及感測元件，且感測單元具有光軸。收光元件位於目標物件與感測元件之間，用以將感測光束沿著光軸導引至感測元件，其中收光元件於光軸上具有焦點，且感測元件不位於焦點上。

根據一實施方式，在上述光學掃描系統中，所述至少一感測單元的數量為多個。

根據一實施方式，在上述光學掃描系統中，所述多個感測單元的所述多個光軸的方向彼此不同。

根據一實施方式，在上述光學掃描系統中，相鄰所述多個感測單元的所述多個光軸彼此之間夾角的角度相同。

根據一實施方式，在上述光學掃描系統中，所述多個感測元件的多個感測面中至少二個與所述感測模組的中心軸之間分別具有大於90度的夾角，所述光軸垂直於所述感測面。

根據一實施方式，在上述光學掃描系統中，所述多個感測元件的多個感測面中至少二個與所述感測模組的中心軸分別具有小於90度的夾角，所述光軸垂直於所述感測面。

根據一實施方式，在上述光學掃描系統中，所述感測元件位於所述收光元件與所述焦點之間。

根據一實施方式，在上述光學掃描系統中，所述焦點位於所述收光元件與所述感測元件之間。

根據一實施方式，在上述光學掃描系統中，所述至少一感測單元還包括遮光件，環繞配置於所述收光元件，且所述收光元件位於所述遮光件與所述感測元件之間。

根據一實施方式，在上述光學掃描系統中，所述至少一感測單元還包括反射件，配置於所述收光元件與所述感測元件之間。

根據一實施方式，在上述光學掃描系統中，所述收光元件的收光面積大於所述感測元件的感測面的面積。

根據一實施方式，在上述光學掃描系統中，所述收光元件包括一透鏡。

基於上述，在本發明的光學感測系統中，感測模組包括光源、投射模組以及感測模組，其中感測模組配置於感測光束的傳遞路徑上，且感測模組包括至少一感測單元。各感測單元包括收光元件以及感測元件。其中，收光元件於光軸上具有焦點，且感測元件不位於收光元件的焦點上。如此一來，可避免傳遞至收光元件的邊緣處的感測光束傳遞至感測元件外，進而導致光訊號損失。故本發明設計可提高光訊號的接收量，以提高光學感測效果。

為讓本發明的上述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。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

圖1為本發明一實施例的光學感測系統的示意圖。請參考圖1。本實施例提供一種光學感測系統100，用以感測目標物件10，例如可以是具有實體形狀的任意物體。光學感測系統100包括光源110、投射模組120以及感測模組130。光源110用以提供照明光束L1。投射模組120配置於照明光束L1的傳遞路徑上。在本實施例中，光學感測系統100中光源110及投射模組120與感測模組130以非共軸方式配置。照明光束L1藉由投射模組120傳遞至目標物件10。目標物件10反射照明光束L1以產生感測光束L2。在本實施例中，光源110例如是使用紅外光的半導體雷射（Semiconductor laser），但本發明並不限於此。

在本實施例中，投射模組120例如是任意數量的光學元件（例如透鏡）、平場雷射聚焦透鏡（F‐theta lens）或反射鏡與微機電系統（Microelectromechanical Systems, MEMS）的組合，但本發明並不限於此。意即，在本實施例中，光源110所提供照明光束L1可藉由投射模組120中的微機電系統搭配平場雷射聚焦透鏡而以掃描方式進行投射。

在本實施例中，光學感測系統100還包括處理器140，電性連接於光源110以及感測模組130，用以控制光源110、對感測模組130進行讀取數據及/或進一步依據上述數據進行控制。處理器140例如為中央處理單元（Central Processing Unit，CPU），或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器（Microprocessor）、數位信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）或其他類似元件或上述元件的組合，本發明並不限於此。舉例而言，在本實施例中，處理器140可依據感測模組130所接收的光訊號，而即時或隨時性地開啟/關閉光源110，或者是調整光源110的功率，本發明並不限於此。

圖2為圖1的感測模組的示意圖。請同時參考圖1及圖2。感測模組130配置於感測光束L2的傳遞路徑上，用以接收感測光束L2以進行訊號辨識。感測模組130包括至少一感測單元U。在本實施例中，感測單元U的數量例如為一組。換句話說，本實施例的感測模組130由單一個感測單元U構成。但在其他實施例中，感測單元U的數量可以是複數個。各組感測單元U包括收光元件132以及感測元件134，且感測單元U具有一光軸I。收光元件132用以將感測光束L2沿著光軸I導引至感測元件134，以及用以增加收光面積。在本實施例中，收光元件132包括透鏡，例如是屈光度為正的透鏡，但本發明並不限於此。因此，收光元件132於光軸I上具有焦點F。

感測單元U的感測元件134位於感測光束L2的傳遞路徑上，且收光元件132位於目標物件10與感測元件134之間。感測元件134例如是光電二極體（Photodiode, PD）、崩潰光電二極體（Avalanche photodiode, APD），本發明亦不限於此。在本實施例中，收光元件132的收光面積大於感測元件134的感測面的面積，如圖2所顯示。值得一題的是，感測元件134不位於收光元件132的焦點F上。舉例而言，在本實施例中，感測元件134位於收光元件132與其焦點F之間。因此，當感測光束L2傳遞通過收光元件132時，感測光束L2藉由通過收光元件132而產生折射並收聚，且可繼續傳遞至感測元件134。如此一來，可避免傳遞至收光元件132的邊緣處的感測光束L2（即通過收光元件132後無法聚焦於焦點F上的光）傳遞至感測元件134之外，進而導致光訊號損失。換句話說，本實施例設計可提高光訊號的接收量，以提高光學感測效果。

圖3為本發明一實施例的感測模組的示意圖。請參考圖3。本實施例的感測模組130A類似於圖2所顯示的感測模組130。兩者不同之處在於，在本實施例中，感測單元U的數量為多個，且該些感測單元U的光軸I的方向彼此不同。具體而言，本實施例的感測單元U的數量為兩個。兩個感測單元U中的感測元件134的感測面S與感測模組130A的中心軸C之間分別具有大於90度的夾角B，且兩個感測單元U各自的光軸I垂直於對應的感測面S。換句話說，本實施例的感測元件134的感測面S背向且傾斜於中心軸C。因此，當單一感測單元U的可接收光角度為60度時，本實施例的感測模組130A的光接收角度即可達到120度。即，兩感測單元U分別接收負60度至0度的入射光以及0度至正60度的入射光，如圖3所顯示。在本實施例中，入射角為正負50度的感測光束L2的綜合光學效率（其可被收光面積與收光效率的乘積對感測面積的比值所定義）相較於傳統方式可達128%。

圖4為本發明另一實施例的感測模組的示意圖。請參考圖4。本實施例的感測模組130B類似於圖2所顯示的感測模組130。兩者不同之處在於，在本實施例中，感測單元U的數量增加為三個，三個感測單元U各自的光軸I垂直於對應的感測面S，且相鄰感測單元U的光軸I彼此之間夾設的角度相同。因此，當單一感測單元U的可接收光角度為60度時，本實施例的感測模組130B的光接收角度即可達到180度。即，三個感測單元U分別接收負90度至負30度的入射光、負30度至正30度的入射光以及正30度至正90度的入射光，如圖4所顯示。

圖5為本發明另一實施例的感測模組的示意圖。請參考圖5。本實施例的感測模組130C類似於圖3所顯示的感測模組130A。兩者不同之處在於，在本實施例中，兩感測單元U中的感測元件134的感測面S與感測模組130C的中心軸C分別具有小於90度的夾角B。換句話說，本實施例的感測元件134的感測面S面向且傾斜於中心軸C。因此，當單一感測單元U的可接收光角度為60度時，本實施例的感測模組130C的光接收角度即可達到120度。同時，本實施例的配置可適用於不同體積的感測模組130C。

圖6為本發明另一實施例的感測模組的示意圖。請參考圖6。本實施例的感測模組130D類似於圖2所顯示的感測模組130。兩者不同之處在於，在本實施例中，感測單元U1還包括遮光件136，環繞配置於收光元件132，且收光元件132位於遮光件136與感測元件134之間，即遮光件136可配置於收光元件132的入光側。詳細而言，遮光件136配置於收光元件132可接收最大入射角度的交界處，以阻擋外界雜訊光傳遞進入收光元件132。如此一來，可提高良好的感測效果。在本實施例中，收光元件132的入光側及出光側皆配置有遮光件136，但在其他實施例中，遮光件136可僅配置於收光元件132的入光側，本發明並不限於此。

圖7為本發明另一實施例的感測模組的示意圖。請參考圖7。本實施例的感測模組130E類似於圖6所顯示的感測模組130D。兩者不同之處在於，在本實施例中，遮光件136僅配置於收光元件132的入光側，感測單元U2還包括反射件138，配置於收光元件132與感測元件134之間。詳細而言，反射件138例如是環狀且內壁具有反射材質的反射柱體或反射環，如圖7所繪示。詳細而言，反射件138配置於收光元件132的出光側至感測元件134之間的光傳遞路徑周圍，以反射在內部傳遞的感測光束L2直至感測光束L2傳遞至感測元件134。如此一來，可提高感測強度。此外，收光元件132的焦點F位於收光元件132與感測元件134之間。意即，感測元件134配置於收光元件132的焦點F的後方，以使通過收光元件132且傳遞進入反射件138中的感測光束L2藉由離焦作用而達到均勻入射的效果。如此一來，可提高良好的感測效果。

綜上所述，在本發明的光學感測系統中，感測模組包括光源、投射模組以及感測模組，其中感測模組配置於感測光束的傳遞路徑上，且感測模組包括至少一感測單元。各感測單元包括收光元件以及感測元件。其中，收光元件於光軸上具有焦點，且感測元件不位於收光元件的焦點上。如此一來，可避免傳遞至收光元件的邊緣處的感測光束傳遞至感測元件外，進而導致光訊號損失。故本發明設計可提高光訊號的接收量，以提高光學感測效果。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的“第一”、“第二”等用語僅用以命名元件（element）的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。

10:目標物件 100:光學感測系統 110:光源 120:投射模組 130,130A,130B,130C,130D,130E:感測模組 132:收光元件 134:感測元件 136:遮光件 138:反射件 140:處理器 B:夾角 C:中心軸 F:焦點 L1:照明光束 L2:感測光束 I:光軸 S:感測面 U,U1,U2:感測單元

圖1為本發明一實施例的光學感測系統的示意圖。 圖2為圖1的感測模組的示意圖。 圖3為本發明一實施例的感測模組的示意圖。 圖4為本發明另一實施例的感測模組的示意圖。 圖5為本發明另一實施例的感測模組的示意圖。 圖6為本發明另一實施例的感測模組的示意圖。 圖7為本發明另一實施例的感測模組的示意圖。

10:目標物件

100:光學感測系統

110:光源

120:投射模組

130:感測模組

132:收光元件

134:感測元件

140:處理器

L1:照明光束

L2:感測光束

U:感測單元

Claims (12)

1. 一種光學感測系統，用以感測目標物件，包括：光源、投射模組以及感測模組；其中， 所述光源用以提供照明光束； 所述投射模組配置於所述照明光束的傳遞路徑上，所述照明光束藉由所述投射模組傳遞至所述目標物件，所述目標物件反射所述照明光束以產生感測光束；以及 所述感測模組配置於所述感測光束的傳遞路徑上，所述感測模組包括至少一感測單元，各所述至少一感測單元包括收光元件以及感測元件，且各所述至少一感測單元具有一光軸，所述收光元件位於所述目標物件與所述感測元件之間，用以將所述感測光束沿著所述光軸導引至所述感測元件，其中所述收光元件於所述光軸上具有焦點，且所述感測元件不位於所述焦點上。
2. 如請求項1所述的光學感測系統，其中所述至少一感測單元的數量為多個。
3. 如請求項2所述的光學感測系統，其中所述多個感測單元的所述多個光軸的方向彼此不同。
4. 如請求項2所述的光學感測系統，其中相鄰所述多個感測單元的所述多個光軸彼此之間夾角的角度相同。
5. 如請求項2所述的光學感測系統，其中所述多個感測元件的多個感測面中至少二個與所述感測模組的中心軸之間分別具有大於90度的夾角，所述光軸垂直於所述感測面。
6. 如請求項2所述的光學感測系統，其中所述多個感測元件的多個感測面中至少二個與所述感測模組的中心軸分別具有小於90度的夾角，所述光軸垂直於所述感測面。
7. 如請求項1所述的光學感測系統，其中所述感測元件位於所述收光元件與所述焦點之間。
8. 如請求項1所述的光學感測系統，其中所述焦點位於所述收光元件與所述感測元件之間。
9. 如請求項1所述的光學感測系統，所述至少一感測單元還包括遮光件，環繞配置於所述收光元件，且所述收光元件位於所述遮光件與所述感測元件之間。
10. 如請求項1所述的光學感測系統，所述至少一感測單元還包括反射件，配置於所述收光元件與所述感測元件之間。
11. 如請求項1所述的光學感測系統，所述收光元件的收光面積大於所述感測元件的感測面的面積。
12. 如請求項1所述的光學感測系統，所述收光元件包括一透鏡。

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