TWI829200B - 光學裝置（八） - Google Patents

Abstract

一種光學裝置包括一光源、一反射單元、一偏轉單元、一鏡頭模組及一光接收器。該光源發出一發射光。該反射單元包括一光通過單元。該鏡頭模組具有負屈光力。該發射光穿透該光通過單元射向該偏轉單元，該偏轉單元反射該發射光射向該鏡頭模組，該發射光穿透該鏡頭模組後射向一物體。該物體反射該發射光，使得來自該物體之一反射光先入射該鏡頭模組，該反射光穿透該鏡頭模組射向該偏轉單元，該偏轉單元反射該反射光射向該反射單元，該反射單元反射該反射光射向該光接收器。

Description

光學裝置(八)

本發明係有關於一種光學裝置，特別是有關於一種適用於光學雷達(LiDAR)的光學裝置。

現今車載光學雷達之發展趨勢，除了不斷朝向小型化、低成本發展外，為了因應車輛的快速移動，還需具備高速掃描特性，習知的光學雷達已經無法滿足現今車用市場的需求，需要有另一種新架構的光學裝置，才能同時滿足小型化、低成本及高速掃描的車載光學雷達需求。

有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種光學裝置，其體積較小、成本較低及掃描速度較快，適用於車載光學雷達。

本發明提供一種光學裝置包括一光源、一反射單元、一偏轉單元、一鏡頭模組及一光接收器。該光源發出一發射光。該反射單元包括一光通過單元。該鏡頭模組具有負屈光力。該發射光穿透該光通過單元射向該偏轉單元，該偏轉單元反射該發射光射向該鏡頭模組，該發射光穿透該鏡頭模組後射向一物體。該物體反射該發射光，使得來自該物體之一反射光先入射該鏡頭模組，該反射光穿透該鏡頭模組射向該偏轉單元，該偏轉單元反射該反射光射向該反射單元，該反射單元反射該反射光射向該 光接收器。

其中可更包括一第一準直透鏡以及一聚焦透鏡，其中該發射光先入射該第一準直透鏡，再穿透該光通過單元射向該偏轉單元，由該反射單元反射的該反射光，先射向該聚焦透鏡再射向該光接收器。

本發明提供另一種光學裝置包括一光源、一反射單元、一偏轉單元、一鏡頭模組、一光接收器及一第二準直透鏡。該光源發出一發射光。該反射單元包括一光通過單元。該鏡頭模組具有負屈光力。該發射光先射向該反射單元，該反射單元反射該發射光射向該偏轉單元，該偏轉單元反射該發射光射向該鏡頭模組，該發射光穿透該鏡頭模組後射向一物體。該物體反射該發射光，使得來自該物體之一反射光先入射該鏡頭模組，該反射光穿透該鏡頭模組射向該偏轉單元，該偏轉單元反射該反射光使該反射光先入射該第二準直透鏡再射向該光通過單元，該反射光再穿透該光通過單元射向該光接收器。

其中可更包括一第一準直透鏡以及一聚焦透鏡，其中該發射光先入射該第一準直透鏡再射向該反射單元，該反射單元將該發射光反射射向該偏轉單元，穿透該光通過單元的該反射光先射向該聚焦透鏡再射向該光接收器。

其中該偏轉單元可以轉動，使得該發射光入射該偏轉單元後的反射角度改變，進一步使得該發射光入射該鏡頭模組的入射角度改變，最終使得該光學裝置之一偏折角度改變，其中該偏折角度為該鏡頭模組之一光軸與射出該鏡頭模組的該發射光之夾角；或者，該鏡頭模組包括沿一光軸依序排列之一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡，其中該第二 透鏡及該第三透鏡可沿該光軸移動以調整各透鏡間距，即當該第二透鏡及該第三透鏡與該偏轉單元間距改變時也可改變該偏折角度。

其中該鏡頭模組包括一第一透鏡、一第二透鏡以及一第三透鏡，該第一透鏡具有負屈光力，該第二透鏡具有負屈光力，該第三透鏡具有正屈光力，該第一透鏡、該第二透鏡以及該第三透鏡沿著一光軸依序排列。

其中該第一透鏡為平凹透鏡，且包括一平面朝向該物體以及一凹面朝向該偏轉單元，該第二透鏡為雙凹透鏡，且包括一凹面朝向該物體以及另一凹面朝向該偏轉單元，該第三透鏡為雙凸透鏡，且包括一凸面朝向該物體以及另一凸面朝向該偏轉單元。

其中該偏轉單元可以轉動，該第一透鏡固定不動、該第二透鏡可沿著該光軸移動以及該第三透鏡可沿著該光軸移動，以改變該光學裝置之一偏折角度，該偏折角度為該鏡頭模組之該光軸與射出該鏡頭模組的該發射光之夾角，該偏折角度之範圍為+/-25度至+/-40度，其中，該光學裝置可更滿足以下至少一公式：Y=6.491X-0.161；0.45

(d1+d2)/TTL

0.75；其中，Y為該偏折角度，X為該偏轉單元之一轉動角度，公式Y=6.491X-0.161代表該偏折角度與該偏轉單元之該轉動角度呈線性關係，d1是該第一透鏡與該第二透鏡的間距，d2是該第二透鏡與該第三透鏡的間距，TTL是該鏡頭模組總長度。

其中該光學裝置之一偏折角度與該鏡頭模組之一鏡頭總長度、該第一透鏡與該第二透鏡之一間距以及該第二透鏡與該第三透鏡之一間距成正比。

其中該光源為一雷射光源，該雷射光源波長為904nm、1064nm或1550nm。

為使本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明。

1:光學裝置

10:光源

20:第一準直透鏡

30:反射單元

40:偏轉單元

50:鏡頭模組

60:聚焦透鏡

70:光接收器

101:發射光

102:反射光

301:反射面

302:光通過單元

A:偏折角度

L1:第一透鏡

L2:第二透鏡

L3:第三透鏡

S1:第一透鏡物體側面

S2:第一透鏡偏轉單元側面

S3:第二透鏡物體側面

S4:第二透鏡偏轉單元側面

S5:第三透鏡物體側面

S6:第三透鏡偏轉單元側面

OA1:光軸

第1圖係依據本發明之光學裝置之第一實施例的示意圖。

第2圖係依據本發明之光學裝置之第一實施例的發射光之光學路徑示意圖。

第3圖係依據本發明之光學裝置之第一實施例的反射光之光學路徑示意圖。

本發明提供一種光學裝置，包括：一光源，此光源發出一發射光；一反射單元，此反射單元包括一光通過單元；一偏轉單元；一鏡頭模組，此鏡頭模組具有負屈光力；及一光接收器；其中此發射光穿透此光通過單元射向此偏轉單元，此偏轉單元反射此發射光射向此鏡頭模組，此發射光穿透此鏡頭模組後射向一物體；其中此物體反射此發射光，使得來自此物體之一反射光先入射此鏡頭模組，此反射光穿透此鏡頭模組射向此偏轉單元，此偏轉單元反射此反射光射向此反射單元，此反射單元反射此反射光射向此光接收器。

本發明提供另一種光學裝置，包括：一光源，此光源發出一發射光；一反射單元，此反射單元包括一光通過單元；一偏轉單元；一 鏡頭模組，此鏡頭模組具有負屈光力；一光接收器；及一第二準直透鏡；其中此發射光先射向此反射單元，此反射單元反射此發射光射向此偏轉單元，此偏轉單元反射此發射光射向此鏡頭模組，此發射光穿透此鏡頭模組後射向一物體；其中此物體反射此發射光，使得來自此物體之一反射光先入射此鏡頭模組，此反射光穿透此鏡頭模組射向此偏轉單元，此偏轉單元反射此反射光使此反射光先入射此第二準直透鏡再射向此光通過單元，此反射光再穿透此光通過單元射向此光接收器。

現詳細說明本發明之光學裝置之第一實施例。請參閱第1圖。光學裝置1包括一光源10、一第一準直透鏡20、一反射單元30、一偏轉單元40、一鏡頭模組50、一聚焦透鏡60及一光接收器70。反射單元30包括一反射面301及一光通過單元302。鏡頭模組50包括一第一透鏡L1、一第二透鏡L2及一第三透鏡L3，第一透鏡L1、第二透鏡L2及第三透鏡L3沿著一光軸OA1依序排列。

請同時參閱第2圖及第3圖，第2圖係依據本發明之光學裝置之第一實施例的發射光之光學路徑示意圖，第3圖係依據本發明之光學裝置之第一實施例的反射光之光學路徑示意圖。光源10發出一發射光101，發射光101先射向第一準直透鏡20，第一準直透鏡20將發散的發射光101調整成平行的發射光101，光通過單元302位於反射單元30的中心處，發射光101直接穿過光通過單元302射向偏轉單元40，偏轉單元40反射發射光101射向鏡頭50，射向鏡頭50的發射光101依序通過第三透鏡L3、第二透鏡L2及第一透鏡L1，最後射向一物體(未圖示)，射出鏡頭50的發射光101與光軸OA1的夾角即為此光學裝置1之一偏折角度A。物體(未圖 示)再將入射的發射光101反射，使得來自物體(未圖示)之一反射光102先入射鏡頭模組50，入射鏡頭模組50的反射光102依序通過第一透鏡L1、第二透鏡L2及第三透鏡L3，再射向偏轉單元40，偏轉單元40反射反射光102射向反射單元30，反射單元30的反射面301將反射光102反射射向聚焦透鏡60，聚焦透鏡60將反射光102聚焦最後由光接收器70接收。

上述第一實施例中，鏡頭模組50具有負屈光力。第一透鏡L1為平凹透鏡具有負屈光力，其面向物體側面S1為平面，面向偏轉單元側面S2為凹面。第二透鏡L2為雙凹透鏡具有負屈光力，其面向物體側面S3為凹面，面向偏轉單元側面S4為凹面。第三透鏡L3為雙凸透鏡具有正屈光力，其面向物體側面S5為凸面，面向偏轉單元側面S6為凸面。

表一為第1圖中鏡頭模組50之各透鏡之相關參數表。

上述第一實施例中，光源10為一雷射光源，其光波長為904nm，偏轉單元40可以轉動，使得被偏轉單元40反射的發射光101產生偏折，造成發射光101入射鏡頭模組50的角度改變，最終造成發射光101離開鏡頭模組50時與光軸OA1不同軸。也就是說利用控制偏轉單元40的轉動角度，相對使發射光101離開鏡頭模組50的角度改變，即改變光學裝置 1的偏折角度A，使得射出鏡頭模組50的發射光101可在相對光軸OA1一定範圍的角度內掃描。上述第一實施例中，偏轉單元40的轉動角度範圍為+/-5度，使得發射光101會以+/-10度的變動範圍入射鏡頭模組50，最終以+/-32.3度的變動範圍射出鏡頭模組50，即光學裝置1的偏折角度A的範圍為+/-32.3度。表二為偏轉單元40的轉動角度相對於光學裝置1的偏折角度A之關係表，表二中的偏折角度A的誤差範圍為+/-5%，以數值區間呈現數據。當以偏折角度A為Y軸數值、偏轉單元轉動角度為X軸數值進行作圖分析，可得到偏折角度A與偏轉單元轉動角度呈線性關係，兩者關係式為二元一次方程式之公式：Y=6.491X-0.161。

上述第一實施例係利用控制偏轉單元40的轉動角度以改變光學裝置1的偏折角度A，此時鏡頭模組50之第一透鏡L1、第二透鏡L2及第三透鏡L3皆固定不動，即第一透鏡L1與第二透鏡L2的間距以及第二透鏡L2與第三透鏡L3的間距固定不變。也可以控制偏轉單元40的轉動角度同時調整第一透鏡L1與第二透鏡L2的間距以及第二透鏡L2與第三透鏡L3的間距，如此可進一步擴大光學裝置1之偏折角度A的範圍。各透鏡間距調整的方法係將第一透鏡L1固定不動，第二透鏡L2及第三透鏡L3沿著光軸OA1移動。表三為當偏轉單元40轉動角度範圍為+/-5度時，在不同鏡 透間距下所得到的偏折角度A的範圍之關係表。由表三可知，當偏轉單元40轉動角度範圍為+/-5度，在不同的鏡透間距下，可得到偏折角度A的範圍為+/-25度、+/-32.3度或+/-40度，當偏折角度A的範圍為+/-32.2度時為本發明之一較佳實施例之一。從表三可以發現當偏折角度A的範圍越大，則鏡頭總長度愈長、第一透鏡L1與第二透鏡L2的間距愈大以及第二透鏡L2與第三透鏡L3的間距越大，也就是說偏折角度A的範圍與鏡頭總長度、第一透鏡L1與第二透鏡L2的間距以及第二透鏡L2與第三透鏡L3的間距成正比；換句話說，即當該第二透鏡及該第三透鏡與該偏轉單元間距改變時也可改變該偏折角度；其中從表三可以得知各透鏡之間距與該鏡頭模組總長度的比例關係符合公式：0.45

(d1+d2)/TTL

0.75。其中公式：Y=6.491X-0.161及公式：0.45

(d1+d2)/TTL

0.75至少滿足其一即可，但當公式：Y=6.491X-0.161與公式：0.45

(d1+d2)/TTL

0.75同時滿足時，則會是較佳實施例之一。

現詳細說明本發明之光學裝置之第二實施例。光學裝置2(未圖式)包括一光源、一第一準直透鏡、一反射單元、一偏轉單元、一鏡頭模組、一第二準直透鏡、一聚焦透鏡及一光接收器。反射單元包括一反射面及一光通過單元。鏡頭模組包括一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透 鏡，第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡沿著一光軸依序排列。第二實施例的光學裝置(未圖式)比第一實施例的光學裝置1增設第二準直透鏡，其被設置於光通過單元與偏轉單元之間。因第二實施例與第一實施例近似，所以省略第二實施例的光學裝置之圖示。第二實施例的光學裝置(未圖式)，其光源、第一準直透鏡、光接收器及聚焦透鏡的設置位置不同於第一實施例的光學裝置1，將第一實施例的光學裝置1之光源10與光接收器70的位置互換以及第一準直透鏡20與聚焦透鏡60的位置互換，即為第二實施例的光學裝置(未圖式)之光源、第一準直透鏡、光接收器及聚焦透鏡的設置位置。第二實施例的光學裝置(未圖式)由光源發出一發射光，發射光先射向第一準直透鏡，第一準直透鏡將發散的發射光調整成平行的發射光射向反射單元，經由反射面將發射光反射射向偏轉單元，偏轉單元反射發射光射向鏡頭模組，射向鏡頭模組的發射光依序通過第三透鏡、第二透鏡及第一透鏡，最後射向一物體(未圖示)，射出鏡頭模組的發射光與光軸的夾角即為光學裝置(未圖示)之一偏折角度。物體(未圖示)再將入射的發射光反射，使得來自物體(未圖示)之一反射光先入射鏡頭模組，入射鏡頭模組的反射光依序通過第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡，再射向偏轉單元，偏轉單元反射反射光射向第二準直透鏡，第二準直透鏡將發散的反射光調整成平行的反射光，光通過單元位於反射單元的中心處，反射光直接穿過光通過單元射向聚焦透鏡，聚焦透鏡將反射光聚焦最後由光接收器接收。所以第二實施例的光學裝置(未圖式)其發射光與反射光的光學路徑不同於第一實施例的光學裝置1。

上述實施例中的反射單元可以為一反射鏡，光通過單元可以為一洞孔，偏轉單元可以為一微機電反射鏡，光接收器可以為一崩潰光二極體(APD)。

雖然本發明已以較佳實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1:光學裝置

10:光源

20:準直透鏡

30:反射單元

40:偏轉單元

50:鏡頭模組

60:聚焦透鏡

70:光接收器

301:反射面

302:光通過單元

OA1:光軸

L1:第一透鏡

L2:第二透鏡

L3:第三透鏡

S1:第一透鏡物體側面

S2:第一透鏡偏轉單元側面

S3:第二透鏡物體側面

S4:第二透鏡偏轉單元側面

S5:第三透鏡物體側面

S6:第三透鏡偏轉單元側面

Claims (10)

1. 一種光學裝置，包括：一光源，該光源發出一發射光；一反射單元，該反射單元包括一光通過單元；一偏轉單元；一鏡頭模組，該鏡頭模組具有負屈光力；以及一光接收器；其中該鏡頭模組包括一第一透鏡以及一第二透鏡，該第一透鏡具有負屈光力，該第二透鏡具有負屈光力，該第一透鏡以及該第二透鏡沿著一光軸依序排列；其中該發射光穿透該光通過單元射向該偏轉單元，該偏轉單元反射該發射光射向該鏡頭模組，該發射光穿透該鏡頭模組後射向一物體；其中該物體反射該發射光，使得來自該物體之一反射光先入射該鏡頭模組，該反射光穿透該鏡頭模組射向該偏轉單元，該偏轉單元反射該反射光射向該反射單元，該反射單元反射該反射光射向該光接收器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其更包括一第一準直透鏡以及一聚焦透鏡，其中：該發射光先入射該第一準直透鏡，再穿透該光通過單元射向該偏轉單元；以及由該反射單元反射的該反射光，先射向該聚焦透鏡再射向該光接收器。
3. 一種光學裝置，包括：一光源，該光源發出一發射光； 一反射單元，該反射單元包括一光通過單元；一偏轉單元；一鏡頭模組，該鏡頭模組具有負屈光力；一光接收器；以及一第二準直透鏡；其中該鏡頭模組包括一第一透鏡以及一第二透鏡，該第一透鏡具有負屈光力，該第二透鏡具有負屈光力，該第一透鏡以及該第二透鏡沿著一光軸依序排列；其中該第一透鏡為平凹透鏡；其中該第二透鏡為雙凹透鏡；其中該發射光先射向該反射單元，該反射單元反射該發射光射向該偏轉單元，該偏轉單元反射該發射光射向該鏡頭模組，該發射光穿透該鏡頭模組後射向一物體；其中該物體反射該發射光，使得來自該物體之一反射光先入射該鏡頭模組，該反射光穿透該鏡頭模組射向該偏轉單元，該偏轉單元反射該反射光使該反射光先入射該第二準直透鏡再射向該光通過單元，該反射光再穿透該光通過單元射向該光接收器。
4. 如申請專利範圍第3項所述之光學裝置，其更包括一第一準直透鏡以及一聚焦透鏡，其中：該發射光先入射該第一準直透鏡再射向該反射單元，該反射單元將該發射光反射射向該偏轉單元；以及穿透該光通過單元的該反射光先射向該聚焦透鏡再射向該光接收器。
5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之光學裝置，其中該偏轉單元可以轉動，使得該發射光入射該偏轉單元後的反射角度改變，進一步使得該發射光入射該鏡頭模組的入射角度改變，最終使得該光學裝置之一偏折角度改變，其中該偏折角度為該鏡頭模組之一光軸與射出該鏡頭模組的該發射光之夾角；或者，該鏡頭模組包括沿該光軸依序排列之該第一透鏡、該第二透鏡及一第三透鏡，其中該第二透鏡及該第三透鏡可沿該光軸移動以調整各透鏡間距，即當該第二透鏡及該第三透鏡與該偏轉單元間距改變時也可改變該偏折角度。
6. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之光學裝置，其中該鏡頭模組更包括一第三透鏡，該第三透鏡具有正屈光力，其中該第一透鏡、該第二透鏡以及該第三透鏡沿著該光軸依序排列。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光學裝置，其中：該第一透鏡為平凹透鏡，且包括一平面朝向該物體以及一凹面朝向該偏轉單元；該第二透鏡為雙凹透鏡，且包括一凹面朝向該物體以及另一凹面朝向該偏轉單元；以及該第三透鏡為雙凸透鏡，且包括一凸面朝向該物體以及另一凸面朝向該偏轉單元。
8. 如申請專利範圍第6項所述之光學裝置，其中該偏轉單元可以轉動，該第一透鏡固定不動、該第二透鏡可沿著該光軸移動以及該第三透鏡可沿著該光軸移動，以改變該光學裝置之一偏折角度，該偏折角度為該鏡頭 模組之該光軸與射出該鏡頭模組的該發射光之夾角，其中該偏折角度之範圍為+/-25度至+/-40度，其中，該光學裝置更滿足以下至少一公式：Y=6.491X-0.161；0.45

   

   (d1+d2)/TTL

   

   0.75；其中，Y為該偏折角度，X為該偏轉單元之一轉動角度，公式Y=6.491X-0.161代表該偏折角度與該偏轉單元之該轉動角度呈線性關係，d1是該第一透鏡與該第二透鏡的間距，d2是該第二透鏡與該第三透鏡的間距，TTL是該鏡頭模組總長度。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光學裝置，其中該光學裝置之該偏折角度與該鏡頭模組之一鏡頭總長度、該第一透鏡與該第二透鏡之一間距以及該第二透鏡與該第三透鏡之一間距成正比。
10. 如申請專利範圍第1項或第3項所述之光學裝置，其中該光源為一雷射光源，該雷射光源波長為904nm、1064nm或1550nm。

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