本發(fā)明是提供一種光學(xué)偵測(cè)裝置，尤指一種使取樣訊號(hào)光軸相交于偵測(cè)面法向量以提高信噪比的光學(xué)偵測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

請(qǐng)參閱圖8，圖8為現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)偵測(cè)裝置80的示意圖。光學(xué)偵測(cè)裝置80包含底座82、光偵測(cè)組件84以及發(fā)光單元86。光偵測(cè)組件84與發(fā)光單元86都設(shè)置在底座82的同一平面上，所以光偵測(cè)組件84的偵測(cè)面法向量和發(fā)光單元86的取樣光軸都平行于底座82的平面法向量。因?yàn)榘l(fā)光單元86的取樣光軸沒有指向底座82的觸控平面821，所以發(fā)光單元86輸出的取樣光訊號(hào)雖投射到外部對(duì)象(例如操作者手指)，但其反射光訊號(hào)無法全部為光偵測(cè)組件84所接收，意即取樣光訊號(hào)的光通量(flux)可能只有60-70％經(jīng)由外部對(duì)象的反射傳遞到光偵測(cè)組件84，造成信噪比降低及能源的大幅浪費(fèi)。因此，如何改善光學(xué)偵測(cè)裝置中光偵測(cè)組件對(duì)于取樣訊號(hào)的接收效能，便為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是提供一種使取樣訊號(hào)光軸相交于偵測(cè)面法向量以提高信噪比的光學(xué)偵測(cè)裝置，以解決上述的問題。

本發(fā)明的申請(qǐng)專利范圍是揭露一種藉由提高信噪比而降低能源消耗的光學(xué)偵測(cè)裝置，裝設(shè)于一穿戴式裝置上。該光學(xué)偵測(cè)裝置包含有一底座、一光偵測(cè)組件以及一發(fā)光模塊。該光偵測(cè)組件設(shè)置在該底座，該光偵測(cè)組件具有一偵測(cè)面法向量。該發(fā)光模塊設(shè)置在該底座。該發(fā)光模塊輸出一取樣訊號(hào)以照射一外部對(duì)象，使該光偵測(cè)組件接收從該外部對(duì)象反射的該取樣訊號(hào)。該發(fā)光模塊與該光偵測(cè)組件相向傾斜以讓該取樣訊號(hào)在空間中光強(qiáng)分布的一光軸和該偵測(cè)面法向量相交，并形成一偏移夾角。該底座具有一觸控平面，該外部對(duì)象置于該觸控平面以反射該取樣訊號(hào)，該光軸不平行于該底座的一觸控面法向量、且指向該觸控平面的中心區(qū)。其中該光軸相較于該偵測(cè)面法向 量的偏移夾角實(shí)質(zhì)介于5～40度之間。

本發(fā)明的申請(qǐng)專利范圍另揭露該發(fā)光模塊包含一發(fā)光單元以及一光調(diào)變組件，該光調(diào)變組件設(shè)置于該發(fā)光單元上，用來偏折該發(fā)光單元的出光方向以傾向該光偵測(cè)組件。該發(fā)光單元經(jīng)該光調(diào)變組件收窄后的該發(fā)光角度實(shí)質(zhì)介于20～90度之間。

本發(fā)明的申請(qǐng)專利范圍另揭露該光調(diào)變組件為一導(dǎo)光件、或由復(fù)數(shù)個(gè)微棱鏡單元組成。

本發(fā)明的申請(qǐng)專利范圍另揭露該光調(diào)變組件為一對(duì)稱式光學(xué)透鏡，該發(fā)光單元設(shè)置在該對(duì)稱式光學(xué)透鏡的部分區(qū)域下，以收窄該發(fā)光單元的發(fā)光角度。該對(duì)稱式光學(xué)透鏡以一中心軸分成尺寸實(shí)質(zhì)對(duì)稱的兩區(qū)域，該發(fā)光單元設(shè)置在該兩區(qū)域中鄰近該光偵測(cè)組件的一區(qū)域下。

本發(fā)明的申請(qǐng)專利范圍另揭露該光調(diào)變組件為一非對(duì)稱光學(xué)透鏡，設(shè)置在該發(fā)光單元上以收窄該發(fā)光單元的發(fā)光角度。該非對(duì)稱光學(xué)透鏡具有兩兩相連的一側(cè)面、一入射面以及一出射面，該側(cè)面上是設(shè)置一反射層。

本發(fā)明的申請(qǐng)專利范圍另揭露該發(fā)光模塊包含一發(fā)光單元以及一支撐件，該發(fā)光單元設(shè)置在該支撐件上，該支撐件的一支撐面法向量相交于該偵測(cè)面法向量。該發(fā)光模塊另包含一光調(diào)變組件，設(shè)置于該發(fā)光單元上，用來偏折該發(fā)光單元的出光方向。

本發(fā)明的申請(qǐng)專利范圍另揭露該光學(xué)偵測(cè)裝置另包含一承載件，斜向地承載該光偵測(cè)組件，使該偵測(cè)面法向量相交于該發(fā)光模塊的該光軸。

本發(fā)明的申請(qǐng)專利范圍另揭露該光學(xué)偵測(cè)裝置更包含至少一個(gè)發(fā)光模塊，該等發(fā)光模塊分別設(shè)置在該光偵測(cè)組件的相對(duì)側(cè)邊，且該等發(fā)光模塊的光軸是相向傾斜。

本發(fā)明的光學(xué)偵測(cè)裝置讓發(fā)光模塊輸出的取樣訊號(hào)集中投射到觸控平面的中心區(qū)，除了可降低取樣訊號(hào)亮度以節(jié)省能源使用，另能避免部分取樣訊號(hào)因照射到觸控平面以外區(qū)域而造成能源浪費(fèi)，在提高光學(xué)偵測(cè)裝置的信噪比亦具有優(yōu)異表現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置的示意圖。

圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置的示意圖。

圖3為本發(fā)明第三實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置的示意圖。

圖4為本發(fā)明第四實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置的示意圖。

圖5為本發(fā)明第五實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置的示意圖。

圖6為本發(fā)明第六實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置的示意圖。

圖7為本發(fā)明第七實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置的示意圖。

圖8為現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)偵測(cè)裝置的示意圖。

附圖標(biāo)號(hào)說明：

10 光學(xué)偵測(cè)裝置

12 底座

121 觸控平面

14 光偵測(cè)組件

16 發(fā)光模塊

18 外部對(duì)象

20 發(fā)光單元

22、22A、22B、22C、22D 光調(diào)變組件

221 側(cè)面

222 入射面

223 出射面

24 反射層

本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)、功能特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合實(shí)施例，參照附圖做進(jìn)一步說明。

具體實(shí)施方式

應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請(qǐng)參閱圖1與圖2，圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置10的示意圖，圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置10的示意圖。光學(xué)偵測(cè)裝置10是裝設(shè)在諸如智能型手表、智能型手環(huán)等穿戴式裝置上，用來偵測(cè)穿戴者的生理特征信息(例如心跳率)，具有高信噪比及低能源消耗的特點(diǎn)。光學(xué)偵測(cè)裝置10包含底座12、光偵測(cè)組件14以及發(fā)光模塊16。底座12通常為穿戴式裝置的部分殼體，然不限于此。光偵測(cè)組件14為可見光或不可見光訊號(hào)的訊號(hào)接收器，設(shè)置在底座12上。一般情況下，底座12是以平整面承載光偵測(cè)組件14。光偵測(cè)組件14由多個(gè)感測(cè)單元排成數(shù)組而形成一偵測(cè)面，光偵測(cè)組件14具有偵測(cè)面法向量N1，且偵測(cè)面法向量N1實(shí)質(zhì)平行于底座12的平面法向量。

發(fā)光模塊16的數(shù)量可為一個(gè)或多個(gè)。單個(gè)發(fā)光模塊16設(shè)置在底座12上的光偵測(cè)組件14的一側(cè)、或多個(gè)發(fā)光模塊16對(duì)稱分設(shè)在光偵測(cè)組件14的相對(duì)側(cè)邊，視不同實(shí)施例的設(shè)計(jì)需求而定。外部對(duì)象18(例如穿戴者手指)置放于底座12的觸控平面121時(shí)，發(fā)光模塊16輸出的取樣訊號(hào)(可見光或不可見光)會(huì)投射到外部對(duì)象18上；接著，光偵測(cè)組件14取得從外部對(duì)象18反射的取樣訊號(hào)，依該反射取樣訊號(hào)的光學(xué)特性變化得知穿戴者的生理特征信息。

第一實(shí)施例中，光學(xué)偵測(cè)裝置10只設(shè)置一個(gè)發(fā)光模塊16在底座12上。發(fā)光模塊16包含發(fā)光單元20以及光調(diào)變組件22A。發(fā)光單元20通常是發(fā)光二極管，初始發(fā)光角度(意即光線散射范圍)約為120度。光調(diào)變組件22A是任意形狀的對(duì)稱式光學(xué)透鏡，光調(diào)變組件22A(對(duì)稱式光學(xué)透鏡)以中心軸S區(qū)分成尺寸實(shí)質(zhì)對(duì)稱的兩區(qū)域A1、A2，光調(diào)變組件22A(對(duì)稱式光學(xué)透鏡)設(shè)置在發(fā)光單元20上方，且發(fā)光單元20是位于光調(diào)變組件22A(對(duì)稱式光學(xué)透鏡)的鄰近光偵測(cè)組件14的區(qū)域A1下。如圖1所示，光調(diào)變組件22A(對(duì)稱式光學(xué)透鏡)除了將發(fā)光單元20的發(fā)光角度收斂在20～90度之間，還會(huì)將發(fā)光單元20的取樣訊號(hào)從出光方向D1偏折為光軸N2，以傾向光偵測(cè)組件14。如此一 來，發(fā)光模塊16在空間中光強(qiáng)分布的光軸N2便會(huì)和偵測(cè)面法向量N1相交，形成偏移夾角。其中光軸N2相較偵測(cè)面法向量N1(或相較出光方向D1)的偏移夾角實(shí)質(zhì)介于5～40度之間。

特別一提的是，出光方向D1是定義為發(fā)光單元20的機(jī)械軸(Geometric Axis)，表示發(fā)光單元20在外型上尺寸對(duì)稱的中心軸；在發(fā)光單元20與光偵測(cè)組件14設(shè)置于底座12上同一平整面的前提下，出光方向D1實(shí)質(zhì)平行偵測(cè)面法向量N1。發(fā)光單元20經(jīng)光調(diào)變組件22A調(diào)變后，其發(fā)光角度會(huì)從原先的120度范圍收窄成20～90度之間，而光軸(Optical Axis)N2即表示調(diào)變后光強(qiáng)分布(20～90度的發(fā)光角度)的對(duì)稱軸。光調(diào)變組件22A可偏折發(fā)光單元20的取樣訊號(hào)，使發(fā)光模塊16的光軸N2指向觸控平面121的中心區(qū)，意即光軸N2不平行于偵測(cè)面法向量N1及觸控平面121的觸控面法向量。

與第一實(shí)施例不同，第二實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置10包含兩個(gè)發(fā)光模塊16，分別設(shè)置在光偵測(cè)組件14的相對(duì)側(cè)邊。該些發(fā)光模塊16都具有發(fā)光單元20及光調(diào)變組件22A，且光調(diào)變組件22A是如第一實(shí)施例所述態(tài)樣錯(cuò)位設(shè)置于發(fā)光單元20上方，因此兩個(gè)發(fā)光模塊16的光軸N2會(huì)面對(duì)面地相向傾斜，同樣指向觸控平面121的中心區(qū)、相交于光偵測(cè)組件14的偵測(cè)面法向量N1。第一實(shí)施例與第二實(shí)施例的發(fā)光模塊16利用光調(diào)變組件22A(對(duì)稱式光學(xué)透鏡)收斂及偏折發(fā)光單元20的發(fā)光角度與出光方向，將發(fā)光單元20的取樣訊號(hào)集中投射到外部對(duì)象18上接近光偵測(cè)組件14的區(qū)域，例如觸控平面121的中心區(qū)，使用低亮度取樣訊號(hào)仍可維持良好的取樣訊號(hào)質(zhì)量，可以有效減少能源消耗量。

請(qǐng)參閱圖3，圖3為本發(fā)明第三實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置10的示意圖。光學(xué)偵測(cè)裝置10包含底座12、光偵測(cè)組件14與發(fā)光模塊16。第三實(shí)施例的特點(diǎn)在于發(fā)光模塊16的光調(diào)變組件22B可為任意形狀的非對(duì)稱光學(xué)透鏡。舉例來說，將前述實(shí)施例的光調(diào)變組件22A(對(duì)稱式光學(xué)透鏡)的區(qū)域A2裁切掉，即可形成本實(shí)施例的非對(duì)稱光學(xué)透鏡，然不限于此。如圖3所示，光調(diào)變組件22B(非對(duì)稱光學(xué)透鏡)具有兩兩相連的側(cè)面221、入射面222、出射面223。 光調(diào)變組件22B(非對(duì)稱光學(xué)透鏡)的入射面222對(duì)齊且設(shè)置在發(fā)光單元20上。發(fā)光單元20輸出的取樣訊號(hào)經(jīng)由入射面222沿出光方向D1進(jìn)入光調(diào)變組件22B(非對(duì)稱光學(xué)透鏡)，從出射面223透出光調(diào)變組件22B(非對(duì)稱光學(xué)透鏡)而偏折為光軸N2。光調(diào)變組件22B為非對(duì)稱凸透鏡時(shí)可收窄發(fā)光單元20的發(fā)光角度。除此的外，側(cè)面221選擇性涂布反射層24，用來避免取樣訊號(hào)經(jīng)由側(cè)面221透出光調(diào)變組件22B(非對(duì)稱光學(xué)透鏡)，可顯著提升發(fā)光模塊16的取樣訊號(hào)的輸出光量。

其中，第三實(shí)施例的發(fā)光模塊16的數(shù)量不限于圖3所示，例如：光學(xué)偵測(cè)裝置10可包含兩個(gè)發(fā)光模塊16，該些發(fā)光模塊16可具有對(duì)稱式光學(xué)透鏡或非對(duì)稱光學(xué)透鏡的光調(diào)變組件22，分別設(shè)置在光偵測(cè)組件14的相對(duì)側(cè)邊。

請(qǐng)參閱圖4與圖5，圖4為本發(fā)明第四實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置10的示意圖，圖5為本發(fā)明第五實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置10的示意圖。第四實(shí)施例的發(fā)光模塊16主要由發(fā)光單元20及光調(diào)變組件22C組成。光調(diào)變組件22C可為導(dǎo)光件，發(fā)光單元20輸出的取樣訊號(hào)沿著出光方向D1進(jìn)入光調(diào)變組件22C(導(dǎo)光件)，再經(jīng)由光調(diào)變組件22C的導(dǎo)光作用沿著光軸N2投射到外部對(duì)象18，使光軸N2傾向偵測(cè)面法向量N1而形成偏移夾角。另外，第五實(shí)施例的發(fā)光模塊16包含發(fā)光單元20與光調(diào)變組件22D，光調(diào)變組件22D在其出射面是設(shè)置復(fù)數(shù)個(gè)微棱鏡單元26。微棱鏡單元26可以將發(fā)光單元20的取樣訊號(hào)從出光方向D1偏折為光軸N2的方向，讓發(fā)光模塊16輸出的偵測(cè)光強(qiáng)對(duì)稱軸(意即光軸N2)和偵測(cè)面法向量N1相交以形成偏移夾角。

在第四實(shí)施例及第五實(shí)施例中，光調(diào)變組件22(包含光調(diào)變組件22C與光調(diào)變組件22D)除了將取樣訊號(hào)從出光方向D1偏折為光軸N2外，光調(diào)變組件22本身的結(jié)構(gòu)寬窄變化另能控制取樣訊號(hào)進(jìn)入光調(diào)變組件22的進(jìn)光量及出光幅度，用以收窄發(fā)光單元20的發(fā)光角度。雖然第四實(shí)施例與第五實(shí)施例只在光學(xué)偵測(cè)裝置10內(nèi)設(shè)置單個(gè)發(fā)光模塊16，然實(shí)際應(yīng)用態(tài)樣不限于此，例如可在光偵測(cè)組件14的相對(duì)側(cè)邊分別設(shè)置多個(gè)發(fā)光模塊16，端視設(shè)計(jì)需求而定。只要該些發(fā)光模塊16的光軸N2都傾向光偵測(cè)組件14、或指向觸控平面121 的中心區(qū)，即符合本發(fā)明的設(shè)計(jì)范疇。

請(qǐng)參閱圖6，圖6為本發(fā)明第六實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置10的示意圖。第六實(shí)施例的發(fā)光模塊16至少包含發(fā)光單元20以及支撐件28。支撐件28具有傾斜的支撐面281，且支撐面法向量N3相交于偵測(cè)面法向量N1。發(fā)光單元20設(shè)置在支撐件28的支撐面281，可讓發(fā)光單元20的出光方向D1與光軸N2皆傾向光偵測(cè)組件14而相交于偵測(cè)面法向量N1形成偏移夾角。第六實(shí)施例另可選擇性設(shè)置光調(diào)變組件22于發(fā)光單元20上方，用來收窄發(fā)光單元20的發(fā)光角度、并可進(jìn)一步偏折發(fā)光單元20的出光方向D1。發(fā)光模塊16的數(shù)量亦不限于圖6所示實(shí)施態(tài)樣，例如發(fā)光模塊16可將多個(gè)發(fā)光模塊16分設(shè)在光偵測(cè)組件14的相對(duì)側(cè)邊，只要該些發(fā)光模塊16的光軸N2通過支撐件28傾向光偵測(cè)組件14，就符合本發(fā)明的設(shè)計(jì)需求。

請(qǐng)參閱圖7，圖7為本發(fā)明第七實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置10的示意圖。第七實(shí)施例的光學(xué)偵測(cè)裝置10包含底座12、光偵測(cè)組件14、發(fā)光模塊16以及承載件30。發(fā)光模塊16設(shè)置在光偵測(cè)組件14的側(cè)邊，發(fā)光模塊16的光調(diào)變組件22可任意選擇為前述各實(shí)施例所提出的對(duì)稱式光學(xué)透鏡、非對(duì)稱光學(xué)透鏡、導(dǎo)光件或微棱鏡結(jié)構(gòu)；或者發(fā)光模塊16只有發(fā)光單元20而不設(shè)置光調(diào)變組件22和/或支撐件28。本實(shí)施例的光偵測(cè)組件14是經(jīng)由承載件30設(shè)置在底座12上。承載件30是一個(gè)斜面結(jié)構(gòu)，斜向地承載光偵測(cè)組件14，使得光偵測(cè)組件14的偵測(cè)面法向量N1可傾向發(fā)光模塊16的一側(cè)，讓偵測(cè)面法向量N1相交于發(fā)光模塊16的光軸N2而形成偏移夾角。

綜上所述，為了提高光學(xué)偵測(cè)裝置的信噪比以降低能源消耗，本發(fā)明選擇在發(fā)光單元的上方設(shè)置光調(diào)變組件、或在發(fā)光單元的下方設(shè)置支撐件、或在光偵測(cè)組件的下方設(shè)置承載件。光調(diào)變組件會(huì)收窄發(fā)光單元的發(fā)光角度，提高發(fā)光模塊照射到外部對(duì)象的取樣訊號(hào)亮度；還會(huì)引導(dǎo)取樣訊號(hào)轉(zhuǎn)向，從自發(fā)光單元出射的出光方向偏折為傾向光偵測(cè)組件的光軸。光軸相交于偵測(cè)面法向量，意即取樣訊號(hào)集中投射到觸控平面的中心區(qū)，可在低亮度情況下維持良好的取樣訊號(hào)質(zhì)量，光學(xué)偵測(cè)裝置自可相應(yīng)減少能源消耗量。支撐件 和承載件的功能也是用來將發(fā)光模塊的光軸轉(zhuǎn)向，并可選擇性搭配光調(diào)變組件，達(dá)到更佳的光軸偏折效果。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的光學(xué)偵測(cè)裝置讓發(fā)光模塊輸出的取樣訊號(hào)集中投射到觸控平面的中心區(qū)，除了可降低取樣訊號(hào)亮度以節(jié)省能源使用，另能避免部分取樣訊號(hào)因照射到觸控平面以外區(qū)域而造成能源浪費(fèi)，在提高光學(xué)偵測(cè)裝置的信噪比亦具有優(yōu)異表現(xiàn)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。