TWI808731B - 改善零級繞射的面光源投射裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種改善零級繞射的面光源投射裝置，包括：發光模組以及繞射光學元件模組。其中，該繞射光學元件模組上具有兩層微米繞射層，該等微米繞射層包含有複數微米結構，該等微米結構上設置有第一凹部，該第一凹部具有第一深度以及第一外徑，又，該等微米結構的總外徑介於該窄半波寬入射波長的5倍至200倍之間，該第一凹部的第一外徑介於該總外徑的0.3至0.7倍之間。藉此，提供一種可產生光斑強度均勻的繞射圖案兼具長時間照射的面光源投射裝置。
Description
本發明是關於一種改善零級繞射的面光源投射裝置，係應用於飛時測距裝置(Time-of-Flight,ToF)。本發明特別是關於一種包括設置有凹部之微米結構的面光源投射裝置。
近年來，隨著電子工業的演進以及工業技術的蓬勃發展，各種電子設備大都朝著輕便、易於攜帶的方向進行開發與設計，以利使用者隨時隨地進行行動商務或娛樂休閒等用途。其中，3D感測技術因互動式的遊戲機應用成功，逐漸帶動風潮，並且3D感測技術亦可以應用於近距離的人臉或物體辨識、中距離的AR/VR應用、建築物室內檢測及自動駕駛所需的光學雷達以及遠距離的物體遙測，使得各種3D感測技術蓬勃發展，目前為人所知的3D技術分別是立體視象感測、飛時測距感測、以及結構光感測。
其中，飛時測距感測技術是透過光源發射時間與接收到回授光之時間差，以取得多個距離值分佈，而建立三維掃描結果。目前市面上主流用於飛時測距感測技術的發射光源可以分為準直光系統以及面光源系統(例如：垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)，但由於準直光系統係由一光源經由至少由兩片透鏡組成的光準直鏡組形成準直光，再經由繞射元件投射而出數百至數萬個光斑，這些光斑投射的距離與光源的發光功率成正比關係，適合短距離至長距離的應用，但是，這將增加面光源投射裝置的厚度，並不適合行動裝置的薄型化；採用面光源系統是最適合行動裝置使用的發射光源，但是其投射距離受限於其發光功率，應用只能限於中短距離。
然而，面光源投射裝置發出的光線，需要經過擴散片或者繞射片的擴散、散射，以加大光線投射的角度範圍，以涵蓋到三維掃描裝置的視角(Filed-of-View)，目前的擴散片或者繞射片皆是採用高分子材料壓印的方式製作，與面光源投射裝置中的雷射光源搭配使用時，存在熱累積的問題，尤其是在某些特殊環境需要使用短波長雷射(藍光雷射或紫光雷射)，高分子材料更容易吸收這些波長造成材料結構劣化及形變，因而失去光擴散或光繞射功能的缺點，同時由於雷射光源集束性高以及光能量強，如果持續照射於膠材結構上，可能造成膠材結構熱聚積起火等風險，並且這些問題難以透過物理特性的變化預防監控，因此，如何提供一種穩定安全且有效發散光束的擴散片或者繞射元件，此為一亟待解決的問題。
然而，使用擴散片，雖然可以均勻的將一束光發散投射且對光源的準直性要求不高，但有三個使用上的問題。一、會破壞光的偏振性，二、光的使用效率差，三、會破壞光的指向性，僅適用於中短距離投射及一般感測。另一方面，繞射元件是將一束光形成數百個至數萬個光斑投射，因此繞射元件的光源對準直性的要求高，且設計不良的繞射元件會有嚴重的零級光斑(Zero order)。但是，繞射元件具有對於光的使用效率高且可保持光的偏振性及指向性等優點，因此適用於短距離至長距離的感測及有助於須維持光偏振性的特殊感測需求。
此外，上述方式經過擴散片或者繞射片的擴散、散射的面光源投射裝置，其繞射光所形成的零級(zero order)光點的亮度通常遠大於其他的光點，進而限制了此種面光源投射裝置的應用。舉例而言，當使用飛時測距感測技術計算物體深度時，由於零級光點的亮度影響周圍光點的強度，將導致系統無法準確辨識零級光點周圍之深度，容易造成深度運算上的錯誤。
有鑑於上述缺點，發明人乃針對該等缺點研究改進之道，終於有本發明產生。
本發明的目的係提供一種面光源投射裝置，其係具有一繞射光學元件模組，該繞射光學元件模組上具有兩層微米繞射層，該等微米繞射層包含有複數微米結構，其中，該等微米結構上設置有第一凹部，微米結構的總外徑
介於光束之窄半波寬入射波長的5倍至200倍之間，且第一凹部的第一外徑介於總外徑的0.3至0.7倍之間，達到減少繞射光所形成的繞射圖案之零級繞射強度之效果，使得繞射圖案之光斑具備均勻光強度以及高密集度等優點，以實現遠距離感測之功效。
本發明的又一目的係提供一種面光源投射裝置，其係可適用於飛時測距感測技術且耐受高能雷射照射後的熱累積，以利長時間照射以及遠距離感測，也適用於短波長雷射照射的耐光劣化的特殊環境影像感測。
為達上述目的，本發明提供一種面光源投射裝置，包括：一繞射光學元件模組，其係具有一入光面和一出光面，並且該繞射光學元件模組上設置有兩層微米繞射層，該等微米繞射層包含有複數微米結構，該等微米結構的形狀設置為錐形、圓盤狀或以上任一之組合，且該等微米結構具有一高度以及一總外徑；以及一發光模組，其係用於輸出具有準直性之一光束，該光束具有一窄半波寬入射波長，該光束從該入光面入射進該繞射光學元件模組，並通過該繞射光學元件模組後從該出光面輸出一繞射光；其中，該等微米結構上設置有一第一凹部，該第一凹部具有一第一深度以及一第一外徑，又，該等微米結構的該總外徑介於該窄半波寬入射波長的5倍至200倍之間，該第一凹部的該第一外徑介於該總外徑的0.3至0.7倍之間。
較佳地，根據本發明之面光源投射裝置的繞射元件，其中，該等微米結構的高度介於該總外徑的0.05倍至0.2倍之間，且該第一凹部的該第一深度介於該高度的0.3至0.7倍之間。
較佳地，根據本發明之面光源投射裝置的繞射元件，其中，該等微米結構兩兩之間的間距介於該總外徑的0.5倍至5倍之間。
較佳地，根據本發明之面光源投射裝置，其中，該等微米結構上係進一步包含有一第二凹部，該第二凹部設置於該第一凹部內，該第二凹部具有一第二深度以及一第二外徑，該第二凹部的該第二外徑介於該第一外徑的0.3至0.7倍之間，且該第二凹部的該第二深度介於該第一深度的0.3至0.7倍之間。
較佳地，根據本發明之面光源投射裝置，其中，該繞射光學元件模組包含有一基板，該等微米繞射層係設置於該基板上，又，該基板與該等微米結構係由乾式蝕刻形成，該繞射光學元件模組的材料為透明晶體或玻璃。
較佳地，根據本發明之面光源投射裝置，其中，該等微米繞射層分別為一第一微米繞射層以及一第二微米繞射層。
較佳地，根據本發明之面光源投射裝置，其中，該第一微米繞射層設置於該繞射光學元件模組的該入光面，該第二微米繞射層設置於該繞射光學元件模組的該出光面。
較佳地，根據本發明之面光源投射裝置，其中，該繞射光學元件模組包含有：一第一繞射光學元件，該第一繞射光學元件具有一第一上表面以及一第一下表面；以及一第二繞射光學元件，該第二繞射光學元件具有一第二上表面以及一第二下表面；其中，該第一微米繞射層設置於該第一繞射光學元件的該第一上表面，該第二微米繞射層設置於該第二繞射光學元件，該光束從該第一下表面入射進該繞射光學元件模組，並通過該繞射光學元件模組後從該第二上表面輸出該繞射光。
較佳地，根據本發明之面光源投射裝置，其中，該第二微米繞射層設置於該第二下表面。
較佳地，根據本發明之面光源投射裝置，其中，該第二微米繞射層設置於該第二上表面。
本發明所提供之面光源投射裝置，主要利用微米結構上設置有第一凹部，微米結構的總外徑介於光束之窄半波寬入射波長的5倍至200倍之間，且第一凹部的第一外徑介於總外徑的0.3至0.7倍之間，達到減少繞射光所形成的繞射圖案之零級繞射強度之效果，使得光束通過繞射光學元件模組後產生具有均勻光強度以及高密集度的點矩陣之繞射光。此外，本發明之兩層微米繞射層由乾式蝕刻形成，且繞射光學元件模組的材料為透明晶體或玻璃，使得本發明提供一種面光源投射裝置可適用於飛時測距感測技術且耐受高能雷射照射後的熱累積，以利長時間照射以及遠距離感測，也適用於短波長雷射照射的耐光劣化的特殊環境影像感測，具有廣泛適用性及高度穩定性等功效。
為使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體實施例，並配合所附之圖式，對本發明詳加說明如下。
100,100A,100B:面光源投射裝置
11,11A,11B:發光模組
12,12A,12B:繞射光學元件模組
121,121B:第一繞射光學元件
1211,1211B:第一上表面
1212,1212B:第一下表面
122,122B:第二繞射光學元件
1221,1221B:第二上表面
1222,1222B:第二下表面
21,21A:入光面
22,22A:出光面
31,31A:微米繞射層
311,311B:第一微米繞射層
312,312B:第二微米繞射層
32,32-1,32-2,32A:微米結構
321,321A:第一凹部
322A:第二凹部
33:基板
41:第一方向
42:第二方向
D1:第一深度
D2:第二深度
H:高度
d,L:間距
R:光束
Rd:繞射光
Φ:總外徑
Φ1:第一外徑
Φ2:第二外徑
θ:相對角度
圖1為根據本發明之面光源投射裝置的示意圖；圖2為說明根據本發明之發光模組發射入射光至繞射光學元件模組的示意圖；圖3為根據本發明之微米結構的示意圖；圖4為根據本發明第一實施例之面光源投射裝置的示意圖；圖5為根據本發明第一實施例之繞射光學元件模組的示意圖；圖6為根據本發明第一實施例之微米結構的示意圖；圖7為根據本發明第一實施例之微米結構的剖面示意圖；圖8為示例性說明第一繞射光學元件與第二繞射光學元件之間的夾角示意圖；圖9為根據本發明第二實施例之繞射光學元件模組的示意圖；圖10為根據本發明第二實施例之微米結構的剖面示意圖；圖11為根據本發明第三實施例之繞射光學元件模組的示意圖。
現在將參照其中示出本發明概念的示例性實施例的附圖在下文中更充分地闡述本發明概念。以下藉由參照附圖更詳細地闡述的示例性實施例，本發明概念的優點及特徵以及其達成方法將顯而易見。然而，應注意，本發明概念並非僅限於以下示例性實施例，而是可實施為各種形式。因此，提供示例性實施例僅是為了揭露本發明概念並使熟習此項技術者瞭解本發明概念的類別。在圖式中，本發明概念的示例性實施例並非僅限於本文所提供的特定實例且為清晰起見而進行誇大。
本文所用術語僅用於闡述特定實施例，而並非旨在限制本發明。除非上下文中清楚地另外指明，否則本文所用的單數形式的用語「一」及「該」旨在亦包括複數形式。本文所用的用語「及/或」包括相關所列項其中一或多者的任意及所有組合。應理解，當稱元件「連接」或「耦合」至另一元件時，所述元件可直接連接或耦合至所述另一元件或可存在中間元件。
相似地，應理解，當稱一個元件(例如層、區或基板)位於另一元件「上」時，所述元件可直接位於所述另一元件上，或可存在中間元件。相比之下，用語「直接」意指不存在中間元件。更應理解，當在本文中使用用語「包
括」、「包含」時，是表明所陳述的特徵、整數、步驟、操作、元件、及/或組件的存在，但不排除一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件、及/或其群組的存在或添加。
此外，將藉由作為本發明概念的理想化示例性圖的剖視圖來闡述詳細說明中的示例性實施例。相應地，可根據製造技術及/或可容許的誤差來修改示例性圖的形狀。因此，本發明概念的示例性實施例並非僅限於示例性圖中所示出的特定形狀，而是可包括可根據製造製程而產生的其他形狀。圖式中所例示的區域具有一般特性，且用於說明元件的特定形狀。因此，此不應被視為僅限於本發明概念的範圍。
亦應理解，儘管本文中可能使用用語「第一」、「第二」、「第三」等來闡述各種元件，然而該些元件不應受限於該些用語。該些用語僅用於區分各個元件。因此，某些實施例中的第一元件可在其他實施例中被稱為第二元件，而此並不背離本發明的教示內容。本文中所闡釋及說明的本發明概念的態樣的示例性實施例包括其互補對應物。本說明書通篇中，相同的參考編號或相同的指示物表示相同的元件。
此外，本文中參照剖視圖及/或平面圖來闡述示例性實施例，其中所述剖視圖及/或平面圖是理想化示例性說明圖。因此，預期存在由例如製造技術及/或容差所造成的相對於圖示形狀的偏離。因此，示例性實施例不應被視作僅限於本文中所示區的形狀，而是欲包括由例如製造所導致的形狀偏差。因此，圖中所示的區為示意性的，且其形狀並非旨在說明裝置的區的實際形狀、亦並非旨在限制示例性實施例的範圍。
請參照圖1，圖1為根據本發明之面光源投射裝置的示意圖。如圖1所示，根據本發明之面光源投射裝置100包括：發光模組11以及繞射光學元件模組12。
請同時配合參照圖2，圖2為說明根據本發明之發光模組發射入射光至繞射光學元件模組的示意圖。如圖2所示，根據本發明之發光模組11，其係用於輸出光束R，光束R具有特定的窄半波寬入射波長，並且光束R可以是具高度指向性的光束。在一些實施例中，發光模組11可以是可同時發射出多道光束的垂直共振腔面射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)模組。在其他實施例中，發光模組11也可以是可發出單一光束的邊射型雷射二極體
(edge-emitting laser diode)模組、經過準直後的發光二極體(light-emitting diode，LED)模組或是其他適當的光源，且光源的數量可以是一個，也可以是多個，然而本發明不限於此。
請參照圖2及圖3所示，圖3為根據本發明之微米結構的示意圖。根據本發明之繞射光學元件模組12，其係用於供光束R通過而形成向外投射之繞射光Rd，繞射光學元件模組12具有入光面21和出光面22，入光面21係用於接收該光束R，並且出光面22係用於輸出該繞射光Rd，其中，繞射光學元件模組12具有兩層微米繞射層31，並且該等微米繞射層31具有複數微米結構32，該等微米結構32的總外徑Φ介於該光束R之窄半波寬入射波長的5倍至200倍之間。
需要進一步說明的是，微米結構32的總外徑Φ係可以供使用者調整繞射光Rd所形成的繞射圖案之光斑密度，當總外徑Φ越大時，繞射光Rd所形成的繞射圖案的光斑密度越低，其優點在於繞射光Rd所形成的繞射圖案範圍較大，可以在較小尺寸的面光源投射裝置100上實現3D感測，但缺點在於光斑密度低的情況下難以實現遠距離感測，反之，當總外徑Φ越小時，繞射光Rd所形成的繞射圖案的光斑密度越高，其優點在於3D感測精準度高，且可以實現遠距離感測，但缺點在於過小的總外徑Φ將導致產生的繞射圖案之範圍過小，造成面光源投射裝置100的尺寸難以縮減，不符合實際應用需求。
具體地，在一些實施例中，根據本發明之微米結構32的形狀可以設置為錐形、圓盤狀或以上任一之組合。需要進一步說明的是，本文中所稱的總外徑Φ，其係可以是任意微米結構32的寬度之表示，當微米結構32為圓盤狀時，總外徑Φ可以為微米結構32的外徑，當微米結構32非圓盤狀時，總外徑Φ可以使用最接近微米結構32之圓柱型結構的外徑表示，然而本發明不限於此。
具體地，請參照圖2及圖3所示，根據本發明之微米結構32上設置有第一凹部321，該等第一凹部321的第一外徑Φ1介於該總外徑Φ的0.3至0.7倍之間。需要進一步說明的是，利用夫朗和斐繞射(Fraunhofer diffraction)理論所推算出的繞射光強度分布可知，繞射光Rd之零級繞射所產生的光點之亮度通常遠大於其他的光點，然而，本發明透過設置有第一凹部321之微米結構32，並透過該等第一凹部321的第一外徑Φ1介於該總外徑Φ的0.3至0.7倍之間的設計，可以有效避免習見之面光源裝置之雷射光束的單一零級光太亮而影響後續繞射圖案的表現。在一些實施例中，根據本發明之第一外徑Φ1較佳為總外徑Φ的0.5倍，就製
程的準確度而言，第一外徑Φ1為總外徑Φ的0.5倍相較其他大小在製程上的精度可以更為準確，大幅提升本發明之穩定性及可靠性，然而本發明不限於此。此外，根據本發明之微米繞射層31之微米結構32可以由單一材料經由乾式蝕刻形成，如此微米結構32的外觀形狀得以有效控制，亦可以有效形成具有第一凹部321之微米結構32，非常方便大量生產，並能控制品質。
藉此，根據本發明之面光源投射裝置100，其係藉由繞射光學元件模組12將原本的光束R轉換為繞射光Rd，同時搭配將微米結構32以及第一凹部321的設置，其中，微米結構32的總外徑Φ介於該光束R之窄半波寬入射波長的5倍至200倍之間，且第一凹部321的第一外徑Φ1介於該總外徑Φ的0.3至0.7倍之間，達到減少繞射光Rd所形成的繞射圖案之零級繞射強度之效果，使得繞射圖案之光斑具備均勻光強度以及高密集度等優點，以實現遠距離感測之功效。
值得一提的是，根據本發明之繞射光學元件模組12必須具備兩層微米繞射層31，其原因在於，當僅使用單層微米繞射層作為繞射光學元件模組12時，在小尺寸的面光源投射裝置100上繞射光Rd所形成的繞射圖案之光斑密度不足覆蓋大面積的投射範圍，同上所述，光斑密度低的情況下難以實現遠距離感測，同時亦造成遠距離感測的精準度大幅下降。因此，本發明藉由兩層微米繞射層31相互搭配，使得繞射光Rd形成一種具有高密度的點矩陣之繞射圖案。值得說明的是，微米繞射層31相互搭配不限於兩層，上述的實際製程僅為舉例說明之用，並非用於限制本發明。
具體地，在一些實施例中，該等微米結構32的高度介於總外徑Φ的0.05倍至0.2倍之間，且第一凹部321的第一深度介於該高度的0.3至0.7倍之間。需要進一步說明的是，微米結構32的高度以及第一凹部321的第一深度係可以供使用者調整繞射光Rd所形成的繞射圖案之光斑光強均勻度，其原因在於，高度和第一深度與總外徑Φ和第一外徑Φ1之搭配，將影響繞射光Rd的繞射因子和干涉因子，使得繞射圖案之光斑光強均勻度產生變化。可以理解的是，當微米結構32的高度過小，或者第一凹部321的第一深度過大的情況下，光束R穿過繞射光學元件模組12後將無法形成繞射光Rd。此外，在實際製程上，微米結構32的高度越高，則微米結構32的晶體之均勻度亦將下降，從而進一步影響繞射光Rd所形成的繞射圖案之光斑光強均勻度。值得說明的是，上述的實際製程僅為舉例說明之用，並非用於限制本發明。
具體地，在一些實施例中，該等微米結構32兩兩之間的間距L係可以供使用者調整繞射光Rd所形成的繞射圖案之範圍，其中，當間距L越大時，繞射光Rd所形成的繞射圖案的範圍越大，反之，當間距L越小時，繞射光Rd所形成的繞射圖案的範圍越小。可以理解的是，使用者可以視其需求，選擇何種間距L搭配上述之微米結構32的總外徑Φ較為適切。值得一提的是，在本發明較佳實施例中，該等微米結構32的兩兩之間的距離必須介於總外徑Φ的0.5倍至5倍之間，其原因在於，該等微米結構32的兩兩之間的距離小於r的0.5倍時，將導致繞射光Rd所形成的繞射圖案的範圍過小，不符合實際應用的需求，反之，當為了提升繞射光Rd所形成的繞射圖案的範圍而提高間距L時，由於總外徑Φ相較於間距L過小將導致光束R穿過繞射光學元件模組12後無法形成繞射光Rd。
藉此，根據本發明之面光源投射裝置100，其係藉由調整微米結構32的高度H以及間距L，搭配調整第一凹部321的第一深度D1，進一步加強繞射光Rd所形成之繞射圖案的強度均勻度以及光斑密集度，提升遠距離感測之穩定度以及準確度，實現一種具有大範圍及高光強均勻度的點矩陣之繞射圖案，同時微米結構32亦具有良好的光學特性符合實際應用需求。
值得再提的是，在一些實施例中，根據本發明之微米繞射層31的該等微米結構32係呈六角最密排列，六角最密排列係為空間利用率最高的排列方式，如此一來，透過將微米結構32呈六角最密排列進一步提升繞射光Rd所形成之繞射圖案的光斑密集度，大幅提升遠距離感測之準確度，然而本發明不限於此。
值得一提的是，相較於先前技術中由有機材料形成的光學結構來說，本發明的實施例的微米結構32不易產生裂化或裂解，也耐受物理性磨擦，因此微米繞射層31可具有穩定的光學性質。此外，在一些實施例中，微米繞射層31的材料可以包括透明晶體或玻璃，例如為藍寶石(sapphire)或石英(Quartz)。具體來說，藍寶石具有高硬度、高熔點以及高折射率等特性。藍寶石的莫氏硬度為9，屬於硬度高且耐磨的材料，因此可使微米繞射層31的微米結構32不易受損。再者，藍寶石的熔點大於攝氏2000度且導熱性佳，因此即使長時間受到光源照射，也不易產生形變，有助於微米繞射層31保持穩定的光學性質。此外，由於藍寶石的晶格堆積亦為六角系統(Hexagonal System)，在一些實施例中，可
以與呈六角最密排列的微米結構32相互搭配，進一步提升繞射光Rd所形成之繞射圖案的光斑密集度，然而本發明不限於此。
具體地，在一些實施例中，微米繞射層31可以分別設置於繞射光學元件模組12的入光面21以及出光面22。在另一些實施例，繞射光學元件模組12可以進一步包含有第一繞射光學元件以及第二繞射光學元件，其中，第一繞射光學元件上設置有第一微米繞射層，第二繞射光學元件上設置有第二微米繞射層。如此一來，透過雙層的光學元件之設置，使用者可以根據自身需求調整光學元件之間的夾角，以控制繞射光Rd所形成之繞射圖案以及光斑密集度，大幅提升本發明之面光源投射裝置100應用範圍，使得本發明具有廣泛適用性，然而本發明之不限於此。
藉此，本發明透過調整微米繞射層31的該等微米結構32的排列方式，進一步提升繞射光Rd所形成之繞射圖案的光斑密集度，大幅提升遠距離感測之準確度，同時搭配雙層的光學元件之設置，使得本發明具有廣泛適用性。
(第1實施例)
以下，參照圖式，說明本發明的面光源投射裝置100的第一實施之實施形態。
請參閱圖4及圖5所示，圖4為根據本發明第一實施例之面光源投射裝置的示意圖；圖5為根據本發明第一實施例之繞射光學元件模組的示意圖。如圖4所示，根據本發明第一實施例之面光源投射裝置100，其係應用於3D感測系統，該面光源投射裝置100包括：發光模組11以及繞射光學元件模組12，其中，繞射光學元件模組12包含有第一繞射光學元件121以及第二繞射光學元件122，第一繞射光學元件121上設置有第一微米繞射層311，第二繞射光學元件122上設置有第二微米繞射層312，並且第一微米繞射層311以及第二微米繞射層312皆具有複數微米結構32，分別為微米結構32-1以及微米結構32-2，另，在本實施例中，繞射光學元件模組12具有基板33，基板33與微米結構32為一體成形。
具體地，如圖4所示，根據本發明之第一實施例之繞射光學元件模組12的第一微米繞射層311以及第二微米繞射層312的該等微米結構32係透過蝕刻之製程實現一體成形，該繞射光學元件模組12的材料為晶體，例如為藍寶石，由於藍寶石屬於硬度高且耐磨的材料，可提供繞射光學元件模組12保持穩定的光學性質外，如上所述，藍寶石的晶格堆積亦為六角系統，可以與呈六角
最密排列的微米結構32相互搭配，進一步提升繞射光Rd所形成之繞射圖案的光斑密集度，然而本發明不限於此。
具體地，如圖4及圖5所示，根據本發明第一實施例之第一繞射光學元件121，其係具有第一上表面1211以及第一下表面1212，在本實施例中，第一下表面1212相當於繞射光學元件模組12的入光面21，並且第一繞射光學元件121上設置有第一微米繞射層311，第一微米繞射層311設置於第一上表面1211。根據本發明第一實施例之第二繞射光學元件122，其係具有第二上表面1221以及第二下表面1222，在本實施例中，第二上表面1221相當於繞射光學元件模組12的出光面22，並且第二繞射光學元件122上設置有第二微米繞射層312，第二微米繞射層312設置於第二上表面1221。具體地，在本實施例中，光束R通過繞射光學元件模組12而形成向外投射之繞射光Rd，光束R從第一下表面1212入射進繞射光學元件模組12，並且從第二上表面1221輸出該繞射光Rd，然而本發明不限於此。
值得一提的是，在本實施例中，第一微米繞射層311的微米結構32-1與第二微米繞射層312的微米結構32-2完全相同，以保證繞射光Rd所形成之光斑在未重疊的情況下可以具有一致的光斑光強度，以保證遠距離感測的準確度，然而本發明不限於此。
具體地，請參閱圖6及圖7所示，圖6為根據本發明第一實施例之微米結構的示意圖；圖7為根據本發明第一實施例之微米結構的剖面示意圖。如圖6及圖7所示，根據本發明第一實施例之微米結構32係呈六角最密排列，六角最密排列係為空間利用率最高的排列方式，又，本發明第一實施例之晶體材料亦為六角最密堆積，並且微米結構32係為圓柱狀，藉此大幅繞射光Rd所形成之繞射圖案兼具均勻的光斑光強度以及高光斑密集度，達成提升遠距離感測準確度之功效。具體地，在本實施例中，該等微米結構32上設置有第一凹部321，該第一凹部321具有第一深度D1以及第一外徑Φ1，其中，微米結構32的總外徑Φ介於該光束R之窄半波寬入射波長的5倍至200倍之間，微米結構32的高度H介於總外徑Φ的0.05倍至0.2倍之間，該等微米結構32的兩兩之間的間距d介於總外徑Φ的0.5倍至5倍之間，又，第一凹部321的第一外徑Φ1介於該總外徑Φ的0.3至0.7倍之間，且第一凹部321的第一深度D1介於高度H的0.3至0.7倍之間。如此一來，根據本發明第一實施例之面光源投射裝置100，其係進一步加強繞射光Rd所形成之
繞射圖案的光斑之強度均勻度以及光斑密集度，提升遠距離感測之穩定度以及準確度。
值得一提的是，第一凹部321的剖面也可以是彎曲的形狀，而非直線的形狀。在另一些實施例中，第一凹部321可以設置為曲線形，曲線形之第一凹部321可以進一步提供聚焦或準直等功效，使用者可視其需求選擇何種方式較為適切，本發明不應被解釋為僅限於此。此外，本文中所稱的第一外徑Φ1，其係可以是任意第一凹部321的寬度之表示，當第一凹部321的剖面為直線的形狀時，第一外徑Φ1可以為第一凹部321的剖面之長度，當微米結構32非直線的形狀時，第一外徑Φ1可以使用最接近第一凹部321剖面之直線形狀的長度表示，然而本發明不限於此。
請參閱圖8所示，圖8為示例性說明第一繞射光學元件與第二繞射光學元件之間的夾角示意圖。如圖8所示，在本實施例中，第一微米繞射層311的中心點與第二微米繞射層312的中心點垂直對位，第二微米繞射層312以中心點為圓心相對第一微米繞射層311旋轉一相對角度θ，使通過第一微米繞射層311中心點的第一方向41與通過第二微米繞射層312中心點的第二方向42之間具有相對角度θ。較佳地，在本實施例中，該相對角度θ為12度時繞射光Rd可以具有最佳的光斑之強度均勻度以及光斑密集度，然而本發明不限於此。
需要進一步說明的是，在本實施例中相對角度θ理想為12度，然而本發明之實施例可能受制於量測儀器之誤差，根據本發明所使用之量測儀器所量測第一方向41與第二方向42之間的相對角度θ理想是介於10度至14度之範圍。然而，使用者可視需求，選擇誤差範圍更小的量測相對角度θ，其量測值可能更小。在此僅為示例性說明，本發明不限於此。另外，本發明所指的相對角度θ可界定為光束R為紅外光範圍(例如830nm以上)下所測量，並且第一微米繞射層311與第二微米繞射層312完全相同；或者，為了方便說明，本發明所指的相對角度θ可界定光束R為940nm下量測。
具體地，當利用前述方式調整通過第一微米繞射層311中心處的第一方向41與通過第二微米繞射層312中心處的第二方向42之間的相對角度θ為5度時，所產生之繞射光Rd的光斑分布係呈六角分布的繞射圖案，其原因在於，本發明第一實施例之晶體材料為六角最密堆積，同時由於部分的繞射光Rd的光斑(亦即繞射點)相互重疊排列，造成繞射點中具有較高光強度之光斑覆蓋較低光
強度之光斑，使得繞射光Rd所形成的光斑之強度均勻度較差。另一方面，當第一微米繞射層311的中心處的第一方向41與第二微米繞射層312的中心處的第二方向42之間的相對角度θ為12度時，所產生之繞射光Rd的光斑分布係呈均勻地分布，其原因在於，本實施例透過調整相對角度θ改變繞射光Rd的光斑位置，減少繞射光Rd的光斑相互重疊，從而大幅提升繞射光Rd的光斑之強度均勻度以及光斑密集度，藉此，使得遠距離感測之感測訊號可以提昇，強化遠距離感測的輪廓辨識。可以理解的是，使用者可以視其需求調整相對角度θ，相對角度θ的範圍可以介於0度至90度之間，例如相對角度θ可以是5度、10度以及20度等，以選擇何種繞射光Rd所形成之繞射圖案較為適切，本發明不應被解釋為僅限於此。
藉此，根據本發明第一實施例之面光源投射裝置100，其係藉由調整第一微米繞射層311與第二微米繞射層312之間的相對角度θ，以調整第一微米繞射層311之微米結構32與第二微米繞射層312之微米結構32的相對位置，實現一種具有高密度的點矩陣的繞射圖案以適用於飛時測距感測系統。
以下提供面光源投射裝置的其他示例，以使本發明所屬技術領域中具有通常知識者更清楚的理解可能的變化。以與上述實施例相同的元件符號指示的元件實質上相同於上述參照圖1至圖3所敘述者。與面光源投射裝置100相同的元件、特徵、和優點將不再贅述。
具體地，請參閱圖9所示，圖9為根據本發明第二實施例之繞射光學元件模組的示意圖。第二實施例之面光源投射裝置100A與第一實施例之面光源投射裝置100的不同之處在於，在本實施例中，面光源投射裝置100A的繞射光學元件模組12A為單基板結構，該等微米繞射層31A分別設置於繞射光學元件模組12A的入光面21A以及出光面22A，並且該等微米繞射層31A可以具有完全相同的微米結構32A。在本實施例中，微米繞射層31A可以先透過蝕刻的方式設置於入光面21A以及出光面22A其中之一者，第一層的微米繞射層31A設置完成後，將繞射光學元件模組12A旋轉相對角度θ後，再設置另一層的微米繞射層31A於該入光面21A以及該出光面22A其中之另一者，然而本發明不限於此。
具體地，請參閱圖10所示，圖10為根據本發明第二實施例之微米結構的剖面示意圖。在本實施例中，微米結構32A係進一步包含有第二凹部322A，第二凹部322A設置於該第一凹部321A內，該第二凹部322A具有第二深度D2以及第二外徑Φ2，第二凹部322A的第二外徑Φ2介於該第一外徑Φ1的0.3至0.7
倍之間，且第二凹部322A的該第二深度D2介於該第一深度D1的0.3至0.7倍之間。如此一來，本發明第二實施例之微米結構32A透過第一凹部321A與第二凹部322A之設置，進一步分散繞射光Rd所形成的繞射圖案之零級繞射強度，從而不會產生有亮度過量的特定點，使得繞射圖案之光斑具備均勻光強度以及高密集度等優點。
具體地，請參閱圖11所示，圖11為根據本發明第三實施例之繞射光學元件模組的示意圖。第三實施例之面光源投射裝置100B與第一實施例之面光源投射裝置100的不同之處在於，在本實施例中，面光源投射裝置100B的繞射光學元件模組12B具有第一繞射光學元件121B以及第二繞射光學元件122B，第一微米繞射層311B設置於第一繞射光學元件121B的第一上表面1211B，第二微米繞射層312B設置於第二繞射光學元件122B的第二下表面1222B。值得一提的是，在本實施例中，第一微米繞射層311B與第二微米繞射層312B的微米結構32完全相同，以保證繞射光Rd所形成之光斑在未重疊的情況下可以具有一致的光斑光強度，以保證遠距離感測的準確度。
可以理解的是，第二微米繞射層312B的設置位置皆不會大幅影響面光源投射裝置100所形成之繞射光Rd，以及繞射光Rd所形成繞射圖案的光斑之強度均勻度以及密集度，並且本發明所屬技術領域中具有通常知識者能夠基於上述示例再作出各種變化和調整，在此不再一一列舉。
以上係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，所屬技術領域具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
儘管本發明是透過參考附圖中所描繪的實施例進行說明，但其僅為實施例，本領域中具有通常知識者應當理解的是可以對其進行各種改變以及變形。然而，這些改變以及變形不應脫離本發明所保護的範圍。因此，本發明的保護範圍必須被限定於所附的申請專利範圍。
100:面光源投射裝置
11:發光模組
12:繞射光學元件模組
21:入光面
22:出光面
31:微米繞射層
32:微米結構
Claims (10)
- 一種改善零級繞射的面光源投射裝置，包括：一繞射光學元件模組，其係具有一入光面和一出光面，並且該繞射光學元件模組上設置有兩層微米繞射層，該等微米繞射層包含有複數微米結構，該等微米結構的形狀設置為錐形、圓盤狀或以上任一之組合，且該等微米結構具有一高度以及一總外徑；以及一發光模組，其係用於輸出具有準直性之一光束，該光束具有一窄半波寬入射波長，該光束從該入光面入射進該繞射光學元件模組，並通過該繞射光學元件模組後從該出光面輸出一繞射光；其中，該等微米結構上設置有一第一凹部，該第一凹部具有一第一深度以及一第一外徑，又，該等微米結構的該總外徑介於該窄半波寬入射波長的5倍至200倍之間，該第一凹部的該第一外徑介於該總外徑的0.3至0.7倍之間。
- 如請求項1所述之面光源投射裝置，其中，該等微米結構的該高度介於該總外徑的0.05倍至0.2倍之間，且該第一凹部的該第一深度介於該高度的0.3至0.7倍之間。
- 如請求項1所述之面光源投射裝置，其中，該等微米結構兩兩之間的間距介於該總外徑的0.5倍至5倍之間。
- 如請求項1所述之面光源投射裝置，其中，該等微米結構上係進一步包含有一第二凹部，該第二凹部設置於該第一凹部內，該第二凹部具有一第二深度以及一第二外徑，該第二凹部的該第二外徑介於該第一外徑的0.3至0.7倍之間，且該第二凹部的該第二深度介於該第一深度的0.3至0.7倍之間。
- 如請求項1所述之面光源投射裝置，其中，該繞射光學元件模組包含有一基板，該等微米繞射層係設置於該基板上，又，該基板與該等微米結構係由乾式蝕刻形成，該繞射光學元件模組的材料為透明晶體或玻璃。
- 如請求項1所述之面光源投射裝置，其中，該等微米繞射層分別為一第一微米繞射層以及一第二微米繞射層。
- 如請求項6所述之面光源投射裝置，其中，該第一微米繞射層設置於該繞射光學元件模組的該入光面，該第二微米繞射層設置於該繞射光學元件模組的該出光面。
- 如請求項6所述之面光源投射裝置，其中，該繞射光學元件模組包含有：一第一繞射光學元件，該第一繞射光學元件具有一第一上表面以及一第一下表面；以及一第二繞射光學元件，該第二繞射光學元件具有一第二上表面以及一第二下表面；其中，該第一微米繞射層設置於該第一繞射光學元件的該第一上表面，該第二微米繞射層設置於該第二繞射光學元件，另，該光束從該第一下表面入射進該繞射光學元件模組，並通過該繞射光學元件模組後從該第二上表面輸出該繞射光。
- 如請求項8所述之面光源投射裝置，其中，該第二微米繞射層設置於該第二下表面。
- 如請求項8所述之面光源投射裝置，其中，該第二微米繞射層設置於該第二上表面。
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