本发明关于一种光学装置，尤其关于一种可输出结构光的光学装置。
背景技术：
“结构光(structurelight)”指的是具有特定形态的光，举例像是当光投射至远处的一屏幕时所呈现的线性化光束、条形化图案光束、格网状光束等等。随着光学技术的蓬勃发展，结构光可被设计成有着狭窄线宽的线形态、有着特定一致的面形态、有着特定较广角度的网格形态、甚至更复杂形态的光形，进而被应用于许多领域，如3d轮廓重现、距离量测、防伪辨识等。因此，结构光逐渐受到重视，且其相关技术亦被广泛地研究。
请参阅图1，其为现有结构光产生单元的内部结构侧视示意图。结构光产生单元1包括发光源11、准直透镜12以及衍射光学元件(diffractiveopticalelement，doe)13，发光源11可输出复数光束111，而准直透镜12设置于发光源11与衍射光学元件13之间，其功能为准直复数光束111，使复数光束111入射至衍射光学元件13。衍射光学元件13被嵌入一特定的图案(就是一投影图案131)，当复数光束111入射至投影图案131时，就会产生结构光。基于衍射理论，衍射光学元件13的功能能够实现，且因协同或部分协同的光会交互作用而形成新的光形式，而藉此能够呈现出相当复杂的图案。当复数光束111通过准直透镜12且通过投影图案131时，结构光产生单元1可输出对应于投影图案131的结构光110。
接下来说明结构光产生单元1的运作情形。请参阅图2，其为现有结构光产生单元输出结构光的结构侧视示意图。结构光产生单元1因应其内部结构而产生结构光110，且当结构光110的光束111投射至投射面14时，投射面14会因应该些光束111而呈现出对应于结构光110的结构光图案15，亦即对应于投影图案131的结构光图案15。其中，结构光图案15为网格形态。由图2可看出，由结构光产生单元1所输出的结构光110具有光扩散角θ，且结构光110会随着其光束111行进的距离越远而扩散。因此，当投射面14与结构光产生单元1之间的距离较近时，投射面14上所呈现的结构光图案15a较小，其如图3a所示。反之，当投射面14与结构光产生单元1间的距离较远时，投射面14上所呈现的结构光图案15b较大，其如图3b所示。
结构光图案的大或小何者较为适宜则视使用者应用情境而决定。而投射产生的结构光图案通常被要求要有较高质量。换言之，由入射的光束至转换成结构光的效率要高，其关键之一在于发光源11所输出的复数光束111的光束分布(或称光斑)涵盖到衍射光学元件13的投影图案131上的面积要能有效匹配。较佳者，复数光束111的光束分布略大于或等于投影图案131面积时，其效率最高，亦即复数光束111的光束分布与衍射光学元件13有效匹配。
然而，随着科技的进步及使用者的需求变化，电子装置的外形必须轻薄，才可符合使用者的要求。请参阅图4，其为现有结构光产生单元不同配置的内部结构侧视示意图。图4显示出小体积的结构光产生单元2，结构光产生单元2包括发光源21、准直透镜22以及衍射光学元件23，结构光产生单元2的结构以及功能大致与结构光产生单元1相同，而该两者不同之处仅在于，准直透镜22的位置较接近于发光源21，且结构光产生单元2的厚度较小。虽然结构光产生单元2具有较小的厚度，但其发光源21与准直透镜22间的距离过小，使得入射至衍射光学元件23的复数光束211的光束分布较小。此时，为了使复数光束211的光束分布与衍射光学元件23有效匹配，衍射光学元件23的面积必须设计为较小的结构，因此，所产生的结构光图案则变小。另外，使用小面积的衍射光学元意味着对装置的组装公差要求会比较高，其将提升组装难度。
因此，需要一种具有轻薄体积且光束的光束分布可与衍射光学元件有效匹配，以产生适当尺寸的结构光图案的光学装置。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种具备轻薄外形且能提供适当尺寸的结构光图案的光学装置。
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种具备轻薄外形且其光束的光束分布可与结构光产生单元的光学元件组有效匹配的光学装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种光学装置，包括结构光产生单元、转换透镜模块、准直透镜以及壳体。该结构光产生单元用以输出一结构光(structurelight)，该结构光产生单元包括至少一发光源以及光学元件组(例如衍射光学元件)，该至少一发光源用以产生复数光束；而该光学元件组具有一投射图案，且该投射图案被该复数光束穿透而输出该结构光。该转换透镜模块位于该至少一发光源与该光学元件组之间，用以扩展该复数光束，使该复数光束通过该转换透镜模块后投射至一投射面，而于该投射面上呈现一结构光图案；其中，该转换透镜模块中的所有转换透镜具有负屈折力(negativeopticalpower)。该准直透镜设置于该转换透镜模块的一侧，用以准直被扩展的该复数光束。该壳体用以容置该结构光产生单元、该转换透镜模块以及该准直透镜。
较佳地，该转换透镜模块中的该转换透镜的数量为1，且该转换透镜模块的一光轴为一直线，该转换透镜沿该光轴的屈折力(opticalpower)为负，其惯用符号为(－)，而该准直透镜的屈折力为正。
较佳地，该转换透镜模块中的该转换透镜的数量为2，且该转换透镜模块的一光轴为一直线，该两个转换透镜由该至少一发光源至该光学元件组沿该光轴的屈折力依序为负、负，其惯用符号为(－，－)，而该准直透镜的屈折力为正。
较佳地，该转换透镜模块中的该转换透镜的数量为3，且该转换透镜模块的一光轴为一直线，该三个转换透镜由该至少一发光源至该光学元件组沿该光轴的屈折力依序为负、负、负，其惯用符号为(－，－，－)，而该准直透镜的屈折力为正。
较佳地，该转换透镜模块包括第一转换透镜、第二转换透镜以及第三转换透镜。该第一转换透镜接近于该至少一发光源，用以扩张该复数光束；该第二转换透镜，位于该第一转换透镜与该光学元件组之间，用以反射该复数光束。该第三转换透镜位于该第一转换透镜与该光学元件组之间，用以反射被该第二转换透镜反射的该复数光束；其中，该复数光束通过该第三转换透镜后投射至该准直透镜。
较佳地，该转换透镜模块为一自由型透镜组，且该转换透镜模块的光轴非为一直线，而入射至该光学元件组的该复数光束与该光学元件组的一法向量间的夹角小于5度。
较佳地，该第一转换透镜的一数值孔径(numericalaperature，n.a.)小于0.8，且该复数光束呈现矩形分布或环状分布。
较佳地，该第一转换透镜于一垂直方向上的一第一数值孔径小于0.6，而该第一转换透镜于一水平方向上的一第二数值孔径小于0.5，且该复数光束呈现矩形分布或环状分布。
较佳地，该第一转换透镜为非对称于该转换透镜模块的光轴，且该第一转换透镜于一水平方向上的曲率与于一垂直方向上的曲率不同，以控制该复数光束的分布以及投射方向。
较佳地，该第一转换透镜以及该准直透镜中的至少一者具有高抗反射镀膜(anti-reflectioncoating)，该第二转换透镜以及该第三转换透镜中的至少一者具有高反射镀膜(highreflectivecoating)，以控制该复数光束的分布以及投射方向。
较佳地，该准直透镜为非对称于该转换透镜模块的光轴，且该准直透镜于一水平方向上的曲率与于一垂直方向上的曲率不同，以控制该复数光束的分布以及投射方向。
较佳地，该光学装置还包括空间滤波器，该空间滤波器设置于该准直透镜与该光学元件组之间，或设置于该至少一发光源与该转换透镜模块之间，用以过滤该复数光束中的噪声。
较佳地，该光学元件组包括对应于该结构光图案的一衍射光学元件(diffractiveopticalelement，doe)、一折射式光学元件以及一折射式阵列光学元件中的至少一者。
较佳地，该壳体的厚度小于4毫米(mm)。
较佳地，该壳体的厚度小于6毫米(mm)。
本发明还提供一种光学装置，包括结构光产生单元、转换透镜模块、准直透镜以及壳体。该结构光产生单元用以输出一结构光，该结构光产生单元包括至少一发光源以及光学元件组，该至少一发光源用以产生复数光束；而该光学元件组具有一投射图案，且该投射图案被该复数光束穿透而输出该结构光。该转换透镜模块位于该至少一发光源与该光学元件组之间，用以扩展该复数光束，使该复数光束通过该转换透镜模块后投射至一投射面，而于该投射面上呈现一结构光图案。该准直透镜设置于该转换透镜模块的一侧，用以准直被扩展的该复数光束。该壳体用以容置该结构光产生单元、该转换透镜模块以及该准直透镜；其中，该壳体的厚度小于4毫米。
较佳地，该转换透镜模块中的转换透镜的数量为1，且该转换透镜模块的一光轴为一直线，该转换透镜沿该光轴的屈折力为负，而该准直透镜的屈折力为正。
较佳地，该转换透镜模块中的转换透镜的数量为2，且该转换透镜模块的一光轴为一直线，该两个转换透镜由该至少一发光源至该光学元件组沿该光轴的屈折力依序为负、负，而该准直透镜的屈折力为正。
较佳地，该转换透镜模块中的转换透镜的数量为3，且该转换透镜模块的一光轴为一直线，该三个转换透镜由该至少一发光源至该光学元件组沿该光轴的屈折力依序为负、负、负，而该准直透镜的屈折力为正。
较佳地，该转换透镜模块包括第一转换透镜、第二转换透镜以及第三转换透镜。该第一转换透镜接近于该至少一发光源，用以扩张该复数光束；而该第二转换透镜位于该第一转换透镜与该光学元件组之间，用以反射该复数光束。该第三转换透镜位于该第一转换透镜与该光学元件组之间，用以反射被该第二转换透镜反射的该复数光束；其中，该复数光束通过该第三转换透镜后投射至该准直透镜。
本发明光学装置藉由具有负屈折力的转换透镜模块及正屈折力的准直透镜而可于有限厚度的壳体内有效扩展及准直复数光束，以输出较广的结构光且可呈现出较广的结构光图案。本发明亦可采用自由型透镜组形态的转换透镜模块，从而达成轻薄外形的壳体的实施且产生适当尺寸的结构光图案的功效。其中，本发明的发光源所产生的光束可被扩展，与其互相匹配的光学元件组的投射图案面积则不需缩小，故可解决高组装公差要求的问题，而易于组装。
附图说明
图1：为现有结构光产生单元的内部结构侧视示意图。
图2：为现有结构光产生单元输出结构光的结构侧视示意图。
图3a～3b：为现有结构光产生单元所输出结构光于不同距离所产生的结构光图案的示意图。
图4：现有结构光产生单元不同配置的内部结构侧视示意图。
图5：为本发明光学装置于第一较佳实施例的结构侧视示意图。
图6：为本发明光学装置于第二较佳实施例的结构侧视示意图。
图7：为本发明光学装置于第三较佳实施例的结构侧视示意图。
图8：为本发明光学装置于第四较佳实施例的结构侧视示意图。
图9：为本发明光学装置于第五较佳实施例的结构侧视示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术存在的问题，本发明提供一种可解决现有技术问题的光学装置。请参阅图5，其为本发明光学装置于第一较佳实施例的结构侧视示意图。光学装置3包括结构光产生单元31、转换透镜模块32、壳体33以及准直透镜34，而壳体33可容置结构光产生单元31、转换透镜模块32以及准直透镜34于其中。结构光产生单元31包括至少一个发光源311以及光学元件组312，发光源311位于转换透镜模块32的一侧，其可产生复数光束313。光学元件组312位于转换透镜模块32的另一侧，其具有投射图案314，使得复数光束313穿透投射图案314而输出相对应的结构光315。于本较佳实施例中，发光源311包括激光二极管(ld)、发光二极管(led)以及有机发光二极管(oled)中的至少一者，且发光源311所输出的光束为具有第一波长区间的光束、具有第二波长区间的光束以及具有热感应波长区间的光束中的至少一者。
转换透镜模块32位于发光源311与光学元件组312之间，其功能为可扩展复数光束313，使复数光束313通过转换透镜模块32、准直透镜34以及光学元件组312后，可投射至壳体33之外的投射面35，而于投射面35上呈现结构光图案3151。其中，转换透镜模块32的光轴a1为直线。图5显示出转换透镜模块32中的转换透镜的数量为3，也就是说，转换透镜模块32包括第一转换透镜321、第二转换透镜322以及第三转换透镜323，第一转换透镜321、第二转换透镜322以及第三转换透镜323可扩展复数光束313，使复数光束313的分布较广。而准直透镜34设置于转换透镜模块32的另一侧且位于第三转换透镜323与光学元件组312之间，其功能为准直被扩展的复数光束313，使复数光束313尽可能地与光轴a1平行。
于本较佳实施例中，该三个转换透镜321、322、323由发光源311至光学元件组312沿光轴a1的屈折力(opticalpower)依序为负、负、负，以(－，－，－)表示之，而准直透镜34的屈折力为正。光学元件组312包括对应于结构光图案3151的衍射光学元件(diffractiveopticalelement，doe)、折射式光学元件以及折射式阵列光学元件中的至少一者。
本发明光学装置3采用皆具有负屈折力的三个转换透镜321、322、323，而可扩展复数光束313，以产生较广的光束分布。再利用具有正屈折力的准直透镜34来准直被扩展的复数光束313。当光束分布较广的复数光束313入射光学元件组312时，复数光束313穿透光学元件组312上的投射图案314而形成结构光315，且结构光315投射至投射面35上而呈现出对应于投射图案314的较广的结构光图案3151。由于本发明光学装置3是藉由皆具有负屈折力的三个转换透镜321、322、323以及具有正屈折力的准直透镜34，而准直以及扩展复数光束313，故本发明光学装置不需如传统的克卜勒(kepler)透镜配置需要较大的壳体才可容纳之，因此本发明光学装置可于维持轻薄外形的壳体的前提下，产生适当的或较大的结构光图案。其中，壳体33的厚度小于6毫米(mm)，较佳者，壳体33的厚度可小于4毫米。
再者，本发明更提供与上述做法不同的第二较佳实施例。请参阅图6，其为本发明光学装置于第二较佳实施例的结构侧视示意图。光学装置4包括结构光产生单元41、转换透镜模块42、壳体43以及准直透镜44，且结构光产生单元41包括至少一个发光源411以及光学元件组412，而光学元件组412具有投射图案414。本较佳实施例的光学装置4的结构大致上与上述第一较佳实施例的光学装置3相同，且相同之处不再赘述，至于其不同之处则在于，转换透镜模块42的结构。
转换透镜模块42位于发光源411与光学元件组412之间，其功能为可扩展发光源411所输出的复数光束413，使复数光束413通过转换透镜模块42以及准直透镜44后投射至壳体43之外的投射面45，而结构光415于投射面45上呈现结构光图案4151。其中，转换透镜模块42的光轴a2为直线。图6显示出转换透镜模块42中的转换透镜的数量为2，也就是说，转换透镜模块42包括第一转换透镜421以及第二转换透镜422，第一转换透镜421以及第二转换透镜422可扩展复数光束413，使复数光束413的分布较广。而准直透镜44则可准直复数光束413，使复数光束413尽可能地与光轴a2平行。于本较佳实施例中，该二个转换透镜421、422由发光源411至光学元件组412沿光轴a2的屈折力依序为负、负，以(－，－)表示之，而准直透镜44的屈折力为正。
再者，本发明更提供与上述做法不同的第三较佳实施例。请参阅图7，其为本发明光学装置于第三较佳实施例的结构侧视示意图。光学装置5包括结构光产生单元51、转换透镜模块52、壳体53、准直透镜54以及空间滤波器55，且结构光产生单元51包括至少一个发光源511以及光学元件组512，而光学元件组512具有投射图案514。本较佳实施例的光学装置5的结构大致上与上述第一较佳实施例的光学装置3相同，且相同之处不再赘述，至于其不同之处有二，第一，转换透镜模块52的结构；第二，本较佳实施例的光学装置5更包含有空间滤波器55。
首先，转换透镜模块52位于发光源511与光学元件组512之间，其功能为可扩展发光源511所输出的复数光束513，使复数光束513通过转换透镜模块52以及准直透镜54后投射至壳体53之外的投射面56，而结构光515于投射面56上呈现结构光图案5151。其中，转换透镜模块52的光轴a3为直线。图7显示出转换透镜模块52中的转换透镜的数量为1，故转换透镜模块52中的转换透镜521可扩展复数光束513，使复数光束513的分布较广。接下来被扩展的复数光束513可藉由通过准直透镜54而被准直，从而尽可能地与光轴a3平行。于本较佳实施例中，该转换透镜521的屈折力为负，以(－)表示之，而准直透镜54的屈折力为正。
其次，空间滤波器55设置于准直透镜54与光学元件组512之间，其功能为过滤复数光束513中的噪声。其仅为例示，而非以此为限，于另一较佳实施例中，空间滤波器亦可设置于发光源与转换透镜模块之间。需特别说明的是，空间滤波器55的设置是为了过滤噪声，但其并非指转换透镜模块52中的转换透镜的数量较少会增加噪声，仅说明光学装置5亦可于需要时设置空间滤波器55于其中，而与转换透镜模块52中的转换透镜的数量无关。
此外，本发明更提供与上述做法不同的第四较佳实施例。请参阅图8，其为本发明光学装置于第四较佳实施例的结构侧视示意图。光学装置6包括结构光产生单元61、转换透镜模块62、壳体63、准直透镜64以及空间滤波器65，且结构光产生单元61包括至少一个发光源611以及光学元件组612，而光学元件组612具有投射图案614。本较佳实施例的光学装置6的结构大致上与上述第一较佳实施例的光学装置3相同，且相同之处不再赘述，至于其不同之处则在于，转换透镜模块62的结构。
转换透镜模块62位于发光源611与光学元件组612之间，其功能为可扩展发光源611所输出的复数光束613，使复数光束613通过转换透镜模块62以及准直透镜64后投射至壳体63之外的投射面66，而结构光615于投射面66上呈现结构光图案6151。转换透镜模块62包括第一转换透镜621、第二转换透镜622以及第三转换透镜623，第一转换透镜621接近于发光源611，其可扩张复数光束613。第二转换透镜622位于第一转换透镜621与准直透镜64之间，其可反射复数光束613，第三转换透镜623亦位于第一转换透镜621与准直透镜64之间，其可反射经过第二转换透镜622的复数光束613，且使复数光束613入射至准直透镜64。
于本较佳实施例中，转换透镜模块62为自由型(free-form)透镜组，且转换透镜模块62的光轴a4非为直线，经准直透镜64而被准直后的复数光束613与光学元件组612的法向量n间的夹角小于5度，较佳者，复数光束613与光学元件组612的法向量(与光学元件组612垂直的向量)平行。
转换透镜模块62中，第一转换透镜621的数值孔径(numericalaperature，n.a.)小于0.8，且因应转换透镜模块62的设计，使得复数光束613可呈现不同的光束分布，例如可为矩形分布或环状分布。
另外，第一转换透镜621以及准直透镜64具有高抗反射镀膜(anti-reflectioncoating)，以减少被第一转换透镜621以及准直透镜64反射的光量，而可提升穿透第一转换透镜621以及准直透镜64的光量。另一方面，第二转换透镜622以及第三转换透镜623具有高反射镀膜(highreflectivecoating)，而可具有反射功能，且可控制复数光束613的光束分布以及投射方向。其中，第二转换透镜622以及第三转换透镜623亦可以设有高反射镀膜的对象取代之。
藉由本较佳实施例中的自由型透镜组形态的转换透镜模块62亦可扩张及准直复数光束614，而输出较广的结构光615，且可于投射面66上呈现对应于投射图案614的结构光图案6151。同时，壳体63的厚度可小于4毫米，以具有轻薄的外形。另外，于复数光束613于转换透镜模块62中行进的过程中，有可能产生噪声，故于转换透镜模块62与光学元件组612之间设置空间滤波器65，以过滤噪声。
需特别说明的是，自由型透镜组形态的转换透镜模块亦可采用以下设计：第一转换透镜于垂直方向上的第一数值孔径小于0.6，而第一转换透镜于水平方向上的第二数值孔径小于0.5，也就是说，第一转换透镜可使用非对称于光轴的设计，因此，第一转换透镜于水平方向上的曲率与垂直方向上的曲率不同，以控制复数光束的光束分布以及投射方向。抑或是，准直透镜为非对称于光轴的设计，且准直透镜于水平方向上的曲率与垂直方向上的曲率不同，以控制复数光束的光束分布以及投射方向。其中，因应非对称于光轴的第一转换透镜或准直透镜的结构，使得输出于转换透镜模块的复数光束发生偏移光轴的情形，故光学元件组可配合偏移的复数光束以偏移方式设置，而可输出不偏移的结构光。
另外，本发明光学装置可因应不同应用场合而采用不同形态的转换透镜模块，图9显示出不同实施态样的自由型透镜组形态的转换透镜模块72以及准直透镜73，以与其光学元件组712互相匹配，而可产生所需要的结构光。
需特别说明的是，本发明光学装置中所使用的发光源并非限定仅能使用小型发光源、符合近轴(paraxial)光学定义的发光源、具有小发光角度的发光源、朗伯特(lambertian)光源、高斯(gaussian)光源或均匀光源等，换言之，本发明光学装置亦可使用与上述多种光源不同形式的光源。例如：大型发光源、非符合近轴光学定义的发光源、具有大发光角度的发光源、非朗伯特光源、非高斯光源或非均匀光源的蝠翼(bat-wing)光源或arc-like光源等。
根据上述可知，本发明光学装置藉由具有负屈折力的转换透镜模块及正屈折力的准直透镜而可于有限厚度的壳体内有效扩展及准直复数光束，以输出较广的结构光且可呈现出较广的结构光图案。或者，亦可采用自由型透镜组形态的转换透镜模块，其也可达成轻薄外形的壳体的实施，且产生适当尺寸的结构光图案的功效。其中，发光源所产生的光束可被扩展，与其互相匹配的光学元件组的投射图案面积则不需缩小，故可解决高组装公差要求的问题，而易于组装。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求，因此凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含于本发明的权利要求范围内。