测距装置的制作方法

本发明涉及一种测距装置，特别涉及一种具有光栅元件的测距装置。

背景技术：

一般设置于手机或平板电脑上的相机镜头通常仅能提取二维的彩色影像，而并不具备有提取三维立体影像的功能。然而，随着虚拟实境(virtualreality,vr)及扩增实境(augmentedreality,ar)技术的日益发展，如何设计出一种可同时提取三度空间中的物体的色彩与距离信息的测距装置始成为一重要课题。

技术实现要素：

有鉴于前述现有技术的问题点，本发明的一实施例提供一种测距装置，用以感测一物体的距离，包括一光发射模块、一驱动组件以及一光接收模块。前述光发射模块具有一外壳、一光源、一光栅元件以及一光路调整元件，其中光源设置于前述外壳内并发出一感测光线，其中前述感测光线沿一第一轴依序穿过前述光路调整元件以及前述光栅元件。前述驱动组件设置于光发射模块内，用以驱使光栅元件或光路调整元件相对于外壳移动。前述光接收模块接收被物体反射后的感测光线，以获得前述物体的一距离信息。

于一实施例中，前述驱动组件驱使光路调整元件相对于外壳沿第一轴移动。

于一实施例中，前述驱动组件驱使光路调整元件相对于外壳沿一第二轴移动，且第二轴垂直于第一轴。

于一实施例中，前述驱动组件驱使光路调整元件相对于外壳绕一旋转轴旋转，且旋转轴垂直于第一轴。

于一实施例中，前述光路调整元件为一准直镜或一光束扩束器。

于一实施例中，前述光栅元件唯一菲涅耳透镜。

于一实施例中，前述测距装置还包括一影像提取模块，设置于光发射模块以及光接收模块之间，用以提取前述物体的一彩色影像。

于一实施例中，前述光接收模块具有一影像感测器，且前述影像感测器包含有多个以矩阵方式排列的感光单元，其中每一感光单元包括一第一感测元件以及多个第二感测元件，第一感测元件接收被物体反射后的前述感测光线，且第二感测元件接收被物体反射后的可见光。

于一实施例中，前述感光单元由第一感测元件与三个第二感测元件以矩阵方式排列所组成。

于一实施例中，前述光接收模块还具有一滤光元件，且滤光元件包含有多个以矩阵方式排列的滤光单元，其中每一滤光单元包括至少一红外线通过滤光部以及一红外线截止滤光部，分别对应于第一感测元件以及第二感测元件。

于一实施例中，前述光源包含有多个以矩阵方式排列的发光单元，其中每一发光单元包含一第一发光元件以及多个第二发光元件，其中第一发光元件发射感测光线，且第二感测元件发射可见光。

于一实施例中，前述发光单元由第一发光元件与第二发光元件以矩阵方式排列组成。

于一实施例中，前述感测光线为红外线光。

于一实施例中，前述测距装置还包括一控制单元，光接收模块将被物体反射后的感测光线转换为一电信号，并将电信号传送至控制单元，且控制单元根据前述电信号产生一驱动信号至驱动组件，以驱使光栅元件或光路调整元件相对于外壳移动。

于一实施例中，当前述光接收模块接收到的感测光线强度小于一预设值时，驱动组件驱使光栅元件或光路调整元件相对于外壳沿第一轴移动。

于一实施例中，当前述物体超出感测光线的一感测角度范围时，驱动组件驱使光栅元件或光路调整元件相对于外壳沿一第二轴移动或绕一旋转轴转动，其中第二轴及旋转轴垂直于第一轴。

于一实施例中，前述测距装置还包括一影像提取模块以及一影像处理模块，光接收模块接收被物体反射后的感测光线并产生一非彩色影像，且影像提取模块提取物体的一彩色影像，其中影像处理模块接收并合成前述非彩色影像以及彩色影像，以产生一三维的合成影像。

于一实施例中，前述光发射模块还具有两个反射元件，这两个反射元件设置于外壳内，用以反射前述感测光线。

于一实施例中，前述光发射模块还具有两个光源以及两个光路调整元件，其中前述光源分别发出一红外线光以及一可见光，且前述红外线光以及可见光分别穿过前述光路调整元件以及光栅元件。

于一实施例中，前述光栅元件贴附于前述反射元件的其中一者的表面。

附图说明

图1表示本发明一实施例的测距装置示意图。

图2表示利用图1所示的测距装置感测一物体5的示意图。

图3表示图1、图2中的光发射模块1的分解图。

图4、图5表示图3中的可动机构13于不同视角的立体图。

图6、图7表示图3中的光发射模块1与电路板4结合后的剖视图。

图8表示本发明另一实施例的准直镜l、承载件h以及设置于承载件h外侧表面的线圈c1、c2于组合后的示意图。

图9表示图8中的准直镜l、承载件h、线圈c1、c2以及磁性元件m1、m2于组合后的相对位置关系示意图。

图10则表示图9中的准直镜l、承载件h、线圈c1、c2、磁性元件m1、m2与其他元件组合后构成光发射模块1的剖视图。

图11表示本发明另一实施例的光栅元件11、承载件h以及设置于承载件h外侧表面的线圈c1、c2于组合后的示意图。

图12表示图11中的光栅元件11、承载件h、线圈c1、c2以及磁性元件m1、m2于组合后的相对位置关系示意图。

图13则表示图12中的光栅元件11、承载件h、线圈c1、c2、磁性元件m1、m2与其他元件组合后构成一光发射模块1的剖视图。

图14表示图1的测距装置剖视图。

图15表示本发明另一实施例的测距装置剖视图。

图16表示图15中的光源19的俯视图。

图17表示图15中的滤光元件23的俯视图。

图18表示图15中的影像感测器24的俯视图。

图19表示本发明另一实施例的光发射模块1内部光学元件配置示意图。

图20表示本发明另一实施例的光发射模块1内部光学元件配置示意图。

图21表示本发明另一实施例的光发射模块1内部光学元件配置示意图。

图22表示在光发射模块1内部设置反射元件r1、r2的示意图。

图23表示在光接收模块2内部设置反射元件r1、r2的示意图。

图24表示在影像提取模块3内部设置反射元件r1、r2的示意图。

附图标记说明：

光发射模块1

光栅元件11

外壳12、22、32

内部空间12’

可动机构13

电路单元14

微型线圈141

软性电路板142

底座15

支撑件16

光束扩束器17

基板18

光源19

发光单元19u

第一发光元件19ir

第二发光元件19r、19g、19b

光接收模块2

光学透镜21、31

滤光元件23、33

滤光单元23u

第一滤光部23ir

第二滤光部23c

影像感测器24、34

感光单元24u

第一感测元件24ir

第二感测元件24r、24g、24b

影像提取模块3

电路板4

物体5

线圈c、c1、c2

框架f

承载件h

准直镜l

感测光线l1

反射光l2、l3

磁性元件m、m1、m2

光轴o1、o2

反射元件r1、r2

旋转轴rx、ry

上簧片s1

下簧片s2

金属件w

具体实施方式

以下说明本发明实施例的测距装置。然而，可轻易了解本发明实施例提供许多合适的发明概念而可实施于广泛的各种特定背景。所揭示的特定实施例仅仅用于说明以特定方法使用本发明，并非用以局限本发明的范围。

除非另外定义，在此使用的全部用语(包括技术及科学用语)具有的含义与本发明所属技术领域的一般技术人员所通常理解的相同。能理解的是这些用语，例如在通常使用的字典中定义的用语，应被解读成具有一与相关技术及本申请的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式来解读，除非在此特别定义。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下各实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，实施方式中所使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

首先请一并参阅图1、图2，其中图1表示本发明一实施例的测距装置(distancemeasuringdevice)示意图，图2则表示利用图1所示的测距装置感测一物体5的示意图。如图1、图2所示，本实施例的测距装置例如可设置于手机或平板电脑等可携式电子装置上，其主要包括一光发射模块1、一光接收模块2、一影像提取模块3以及一电路板4，前述光发射模块1、光接收模块2以及影像提取模块3均设置于电路板4上。

从图1、图2中可以看出，前述光发射模块1可由其内部的光源发出一感测光线l1，且感测光线l1穿过位于光发射模块1顶侧的光栅元件11，之后再经由一物体5反射而产生不同角度的反射光l2、l3。接着，经物体5反射后的反射光l2会穿过光接收模块2的光学透镜21及其内部的一红外线通过滤光元件(irpassfilter)而到达一影像感测器；此外，经物体5反射后的另一反射光l3则会穿过影像提取模块3的光学透镜31及其内部的一红外线截止滤光元件(ircutfilter)而到达另一影像感测器。

如前所述，光接收模块2主要用以接收经物体5反射后的红外线光，以获得前述物体5的深度或距离信息，影像提取模块3则用以接收经物体5反射后的可见光，以获得前述物体5的彩色影像及其色彩信息。于一实施例中，前述感测光线l1可在物体5上投射出以矩阵方式排列的光斑(lightspot)，并经由光接收模块2以及影像提取模块3分别接收经物体5反射后的红外线光以及可见光，借以建构出物体5在三度空间中的彩色立体模型。

接着请参阅图3，其中图3表示图1、图2中的光发射模块1的分解图。如图3所示，前述光发射模块1主要包括一光栅元件11、一中空的外壳12、一可动机构13、一电路单元14、一底座15、一支撑件16、一光束扩束器17(beamexpanders)、一基板18以及一光源19，其中前述光栅元件11例如为设置于外壳12上方的一菲涅耳透镜(fresnellens)或其他绕射光学元件(diffractionopticalelement,doe)，前述可动机构13、电路单元14、底座15、支撑件16、光束扩束器17、基板18以及光源19则容置于外壳12的一内部空间中。

应了解的是，前述光束扩束器17固定于支撑件16上，前述光源19则固定于基板18上；此外，前述底座15以及支撑件16叠设于基板18上，且前述外壳12以及电路单元14固定于底座15上，其中电路单元14包含有一微型线圈141(fp-coil)以及一软性电路板142，前述软性电路板142可电性连接微型线圈141与一外部电路。另一方面，前述可动机构13活动地设置于外框12内，且在可动机构13中央设有一准直镜l(collimatinglens)。

前述准直镜l以及光束扩束器17可作为光路调整元件，用以调整光源19到光栅元件11之间的光路径(opticalpath)，前述光源19所发出的感测光线l1可大致朝z轴(第一轴)方向依序穿过光束扩束器17、准直镜l以及光栅元件11，之后再经由物体5反射后到达光接收模块2以及影像提取模块3，借此可获得物体5在三度空间中的色彩以及距离信息。

请一并参阅图4、图5，其中图4、图5表示图3中的可动机构13于不同视角的立体图。如图4、图5所示，本实施例的可动机构13主要包含有一框架f、一承载件h、多个磁性元件m(例如磁铁)、至少一线圈c以及设置于承载件h中央的一准直镜l，其中前述磁性元件m固定于框架f上，前述线圈c则环绕承载件h。

具体而言，前述承载件h可透过多个上簧片s1以及一下簧片s2而与框架f相互连接，借以使得承载件h和准直镜l可相对于框架f及外壳12沿z轴(第一轴)方向移动；此外，前述框架f透过多个细长的可挠性金属件w连接电路单元14，借以使得承载件h以及框架f可相对于电路单元14及底座15沿一水平方向移动，其中前述水平方向垂直于z轴。

需特别说明的是，前述磁性元件m和承载件h上的线圈c可构成一驱动组件。举例而言，前述光接收模块2或影像提取模块3可将被物体5反射后的光线转换为一电信号，并将电信号经由电路板4传送至一控制单元(未图示)，若光接收模块2或影像提取模块3所接收到的光线强度小于一预设值时，前述控制单元便可根据前述电信号产生一驱动信号至驱动组件(例如可施加适当的电流到前述线圈c)，此时前述线圈c和磁性元件m之间会产生一电磁驱动力，以驱使承载件h以及准直镜l一起相对于框架f和外壳12沿z轴(第一轴)方向运动，从而能调整并改善感测光线l1的强度及品质。

此外，前述磁性元件m和位于磁性元件m下方的微型线圈141也可以构成一驱动组件。举例而言，当物体5超出测距光线l1的一感测角度范围时，光接收模块2或影像提取模块3可能无法提取到物体5的完整轮廓，此时前述控制单元则可产生一驱动信号至驱动组件(例如可施加电流到前述微型线圈141)，借以在微型线圈141和磁性元件m之间产生一电磁驱动力，从而能驱使前述承载件h、准直镜l以及框架f一起相对于外壳12沿x轴或y轴(第二轴)方向移动，以调整并改善感测光线l1的角度及品质。

接着请一并参阅图6、图7，其中图6、图7表示图3中的光发射模块1与电路板4结合后的剖视图。由图6、图7中可以看出，光源19、光束扩束器17、准直镜l以及光栅元件11依序沿着z轴方向排列，其中透过前述控制单元可提供驱动信号使磁性元件m和线圈c之间产生电磁驱动力，以驱使承载件h以及准直镜l相对于框架f以及外壳12沿z轴(第一轴)方向运动；此外，也可透过使微型线圈141和磁性元件m之间产生电磁驱动力，以驱使前述承载件h、准直镜l以及框架f一起相对于外壳12沿x轴或y轴(第二轴)方向移动，从而调整感测光线l1的强度及角度。

再请一并参阅图8～图10，其中图8表示本发明另一实施例的准直镜l、承载件h以及设置于承载件h外侧表面的线圈c1、c2于组合后的示意图，图9表示图8中的准直镜l、承载件h、线圈c1、c2以及磁性元件m1、m2于组合后的相对位置关系示意图，图10则表示图9中的准直镜l、承载件h、线圈c1、c2、磁性元件m1、m2与其他元件组合后构成光发射模块1的剖视图。

由图8～图10可以看出，本实施例中的线圈c1、c2具有椭圆形结构且分别设置于承载件h上的不同侧边，其中一对线圈c1设置于四边形承载件h上的相反侧，且分别对应于固定在框架f上的磁性元件m1(例如磁铁)；另外四个线圈c2则分别设置在承载件h的四个角落处，对应于固定在框架f上的四个磁性元件m2(例如磁铁)。

应了解的是，由于承载件h透过上、下簧片s1、s2悬吊于框架f内部，因此当前述线圈c1被施加电流时，线圈c1和磁性元件m1之间可产生电磁驱动力以驱使承载件h以及准直镜l一起相对于框架f和外壳12沿z轴(第一轴)方向运动；需特别说明的是，当物体5超出测距光线l1的一感测角度范围时，可施加不同大小的电流到位在承载件h角落处的线圈c2，借以对承载件h和准直镜l产生一力矩，使得承载件h以及准直镜l可一起相对于框架f和外壳12绕旋转轴rx或旋转轴ry旋转(如图8中箭头方向所示)，从而能调整并改善感测光线l1的角度及品质，其中前述旋转轴rx、ry垂直于准直镜l的光轴o1以及z轴(第一轴)方向。

再请一并参阅图11～图13，其中图11表示本发明另一实施例的光栅元件11、承载件h以及设置于承载件h外侧表面的线圈c1、c2于组合后的示意图，图12表示图11中的光栅元件11、承载件h、线圈c1、c2以及磁性元件m1、m2于组合后的相对位置关系示意图，图13则表示图12中的光栅元件11、承载件h、线圈c1、c2、磁性元件m1、m2与其他元件组合后构成一光发射模块1的剖视图。

如图13所示，本实施例的光发射模块1与图10的实施例主要不同之处在于：本实施例中的准直镜l设置于底座15上，光栅元件11则是设置在承载件h上，其中框架f固定于外壳12的内侧表面，且承载件h透过上、下簧片s1、s2连接框架f，从而可活动地悬吊于框架f内部。

由图11、图12可以看出，本实施例的线圈c1、c2具有椭圆形结构且分别设置于承载件h的不同侧边，其中一对线圈c1设置在承载件h的相反侧，且分别对应于固定在框架f上的磁铁m1；另外四个线圈c2则分别设置在承载件h的四个角落处，且分别对应于固定在框架f上的四个磁铁m2。

如此一来，当线圈c1被施加电流时，前述线圈c1和磁性元件m1之间可产生一电磁驱动力，以驱使承载件h以及光栅元件11相对于框架f以及外壳12沿z轴(第一轴)方向运动；另一方面，当物体5超出测距光线l1的一感测角度范围时，位在承载件h角落处的线圈c2则可被施加不同大小的电流时，借以对承载件h和光栅元件11产生一力矩，使得承载件h以及光栅元件11可相对于框架f以及外壳12绕旋转轴rx或旋转轴ry旋转(如图11中箭头方向所示)，以调整并改善感测光线l1的角度及品质，其中前述旋转轴rx、ry垂直于光栅元件11的光轴o2以及z轴(第一轴)方向。

同理，除了前述准直镜l以及光栅元件11外，也可将前述光束扩束器17或其他光路调整元件设置于悬吊在框架f内部的承载件h上，并可透过磁铁以及线圈所构成的驱动组件驱使其相对于外壳12沿x、y或z轴方向移动，或绕旋转轴rx、ry旋转，以调整并改善感测光线l1的强度、角度及品质。

图14表示图1的测距装置剖视图，其中为了便于理解，在图14中省略了光发射模块1、光接收模块2以及影像提取模块3的若干内部元件。如图14所示，前述光发射模块1可从光源19发射出感测光线l1，且前述感测光线l1会大致沿z轴(第一轴)方向依序穿过光束扩束器17、准直镜l以及光栅元件11，借以在一物体5(图2)上投射出以矩阵排列的光斑；接着，感测光线l1会经由物体5反射后形成反射光l2、l3，其中反射光l2会依序穿过位于光接收模块2的外壳22内部的光学透镜21以及滤光元件23(例如红外线通过滤光元件)，然后再到达影像感测器24：此外，另一被物体反射的反射光l3则会依序穿过位于影像提取模块3的外壳32内部的光学透镜31以及滤光元件33(例如红外线截止滤光元件)，然后再到达影像感测器34。

如前所述，光接收模块2可用以接收被物体5反射后的红外线光，以获得前述物体5的一非彩色影像及其相关深度或距离信息，而影像提取模块3则可用以接收被物体5反射后的可见光，以获得前述物体5的一彩色影像及其相关色彩信息，之后光接收模块2和影像提取模块3会将前述非彩色影像以及彩色影像信息透过电路板4传送到一影像处理模块(imageprocessingmodule)，且该影像处理模块(未图示)可根据前述非彩色影像以及彩色影像产生一三维(3d)的合成影像，借以建构出物体5在三度空间中的彩色立体模型。

接着请参阅图15，其中图15表示本发明另一实施例的测距装置剖视图。如图15所示，本实施例的测距装置与图14的测距装置主要不同之处在于：本实施例中的测距装置仅设有一光发射模块1以及一光接收模块2，而不需要设置前述影像提取模块3，其中光发射模块1内部的光源19可同时发出可见光以及红外线光，光接收模块2内部的影像感测器24则可同时接收经由物体5反射后的可见光以及红外线光。

具体而言，如图16所示，位于光发射模块1内部的光源19包含有多个以矩阵方式排列的发光单元19u，其中每一发光单元19u包含有以矩阵方式排列的一第一发光元件19ir以及多个第二发光元件19r、19g、19b，其中第一发光元件19ir可产生红外线光，第二发光元件19r、19g、19b则可分别产生红色光、绿色光以及蓝色光等可见光；如此一来，光发射模块1便可同时投射可见光和红外线光于前述物体5上。

此外，如图17所示，前述光接收模块2内部的滤光元件23包含有多个以矩阵方式排列的滤光单元23u，其中每一滤光单元23u包含有一第一滤光部23ir(红外线通过滤光部)以及一l形的第二滤光部23c(红外线截止滤光部)；另一方面，如图18所示，光接收模块2内部的影像感测器24包含有多个以矩阵方式排列的感光单元24u，其中每一感光单元24u包含有一第一感测元件24ir以及多个第二感测元件24r、24g、24b，前述第一感测元件24ir可用以感测被物体5反射后的红外线光，前述第二感测元件24r、24g、24b则可用以分别感测被物体5反射后的红色光、绿色光以及蓝色光等可见光。

应了解的是，前述第一感测元件24ir的位置对应于滤光元件23上的第一滤光部23ir，前述第二光感测元件24r、24g、24b的位置则对应于滤光元件23上的第二滤光部23c；如此一来，被物体5反射的光线即可经由前述滤光元件23过滤后产生对应的可见光以及红外线光，前述影像感测器24则可透过前述第一感测元件24ir以及第二感测元件24r、24g、24b而分别接收前述可见光以及红外线光，以同时获得前述物体5的色彩以及距离信息，从而能建构出物体5在三度空间中的彩色立体模型。

接着请参阅图19，其中图19表示本发明另一实施例的光发射模块1内部光学元件配置示意图。如图19所示，在前述各实施例的光发射模块1中，也可于光源19和光栅元件11之间的光路径额外设置反射元件r1、r2，其中光源19、准直镜l(或其他光路调整元件)以及反射元件r1、r2容置在外壳12的一内部空间12’，且前述光源19所发出的光线可依序经由反射元件r1、r2反射后再朝上方穿出光栅元件11。

需特别说明的是，本实施例经由在外壳12的内部空间12’中设置反射元件r1、r2，不仅可增加光源19和光栅元件11间的光路径长度，同时能有效缩减光发射模块1在垂直方向上的尺寸，从而可达到测距装置微型化的目的。

接着请参阅图20，其中图20表示本发明另一实施例的光发射模块1内部光学元件配置示意图。如图20所示，本实施例的光发射模块1与图19的实施例主要不同之处在于：本实施例的光发射模块1还包含有两组光源19、准直镜l(或其他光路调整元件)、反射元件r1、r2以及光栅元件11，其中两个不同光源19可分别发出红外线光以及可见光，接着可透过前述光接收模块2和影像提取模块3分别接收经由物体5反射后的红外线光以及可见光，借以建构出物体在三度空间中的彩色立体模型。

此外，如图21所示，于另一实施例的光发射模块1中也可仅设置一组光栅元件1、反射元件r1、r2以及两组相互搭配的光源19和准直镜l(或其他光路调整元件)，其中两个不同光源19可分别发出红外线光以及可见光，且前述红外线光以及可见光可穿过不同的准直镜l后，经同样的反射元件r1、r2反射后穿过同一个光栅元件11。

最后请一并参阅图22～图24，在前述各实施例中的光发射模块1、光接收模块2以及影像提取模块3内部也可设置反射元件r1、r2，借以有效缩减测距装置在垂直方向上的尺寸，其中前述反射元件r2可为一棱镜(prism)。如图22所示，前述光发射模块1中的光栅元件11可贴附于反射元件r2的表面上，由光源19所发出的光线可依序经过反射元件r1、r2反射后再穿出光栅元件11。

此外，如图23所示，前述光接收模块2中的光学透镜21也可贴附于反射元件r2的表面上，其中经物体5反射后的光线可穿过光学透镜21并依序经由反射元件r2、r1反射后穿过滤光元件23而到达影像感测器24。

同理，如图24所示，前述影像提取模块3中的光学透镜21也可贴附于反射元件r2的表面上，其中经物体5反射后的光线可穿过光学透镜31并依序经由反射元件r2、r1反射后穿过滤光元件33而到达影像感测器34。

虽然本发明的实施例及其优点已揭露如上，但应该了解的是，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动、替代与润饰。此外，本发明的保护范围并未局限于说明书内所述特定实施例中的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，任何所属技术领域中普通技术人员可从本发明揭示内容中理解现行或未来所发展出的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，只要可以在此处所述实施例中实施大抵相同功能或获得大抵相同结果均可根据本发明使用。因此，本发明的保护范围包括上述工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤。另外，每一申请专利范围构成个别的实施例，且本发明的保护范围也包括各个申请专利范围及实施例的组合。

虽然本发明已以较佳实施例揭露于上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以随附的权利要求范围所界定者为准。