扫描模块及包含扫描模块的三维感测装置的制作方法

本实用新型是关于一种扫描模块及包含其的三维感测装置。

背景技术：

三维感测是用以侦测环境、现实物体形状或外观等的测量技术，其可应用于工业、医学、生物等众多领域中。

然而，请参阅图1所示，现有的三维感测装置的最小可感测距离d、感测范围e、解析度及整体体积等特性，受限于扫描模块tx与接收模块rx之间的配置方式或扫描模块tx内使用的元件类型，难有所改进。

请参阅图2所示，即便有尝试改善三维感测装置的最小可感测距离，例如以倾斜整个扫描模块tx、或于扫描模块tx中增加透镜元件(图未示)的方式来改变投射光路，然而此不可避免地增加了三维感测装置的整体体积，提升三维感测装置的组装定位难度。

有鉴于此，如何提供改善上述缺失，乃为业界待解决的问题。另说明的是，上述的技术内容是用于帮助对本实用新型所欲解决问题的理解，其不必然是本领域已公开或公知者。

技术实现要素：

本实用新型的一目的在于提供一种扫描模块，其无须额外的支撑结构或二次光学元件即可偏移扫描范围；本实用新型的另一目的在于提供一种三维感测装置，其可包含前述的扫描模块，从而可缩减其最小可感测距离，且可缩减其整体体积。

为达上述目的，本实用新型提供的一种扫描模块，包含一基板、一激光光源、一振镜及一光束整形单元。基板包含一第一平面及一第二平面。第一平面与第二平面相倾斜地连接，且第一平面与第二平面之间定义有一夹角，大于45°、且不大于60°。激光光源设置于基板上。振镜设置于基板的第二平面上。光束整形单元设置于基板上且位于激光光源与振镜之间。

于一实施态样中，本实用新型的扫描模块所具有的第一平面与第二平面之间的夹角大于45°且不大于50°。

于一实施态样中，本实用新型的扫描模块所具有的基板更包含一第三平面，第三平面与第一平面相垂直连接，而激光光源设置于第三平面上。

于一实施态样中，本实用新型的扫描模块所具有的基板更包含一定位标记，其设置于第一平面、第二平面及第三平面的至少其中一者上。

于一实施态样中，本实用新型的扫描模块所具有的定位标记为一凹陷、凸起、通孔或印刷图案的结构。

于一实施态样中，本实用新型的扫描模块所具有的激光光源设置于第一平面上。

于一实施态样中，本实用新型的扫描模块所具有的光束整形单元包含一体成形的一透镜部及一框体部。

于一实施态样中，本实用新型的扫描模块所具有的振镜是一种一维振镜或是一种二维振镜。

于一实施态样中，本实用新型的振镜为一种微机电系统(mems)扫描振镜。

本实用新型所提供的三维感测装置可包含上述任一种的扫描模块及一接收模块。接收模块位于扫描模块的一侧，用以接收扫描模块发射出的一扫描光线被待测物件反射后的一反射光线。

为了让上述的目的、技术特征和优点能够更为本领域的人士所知悉并应用，下文是以本实用新型的数个较佳实施例以及附图进行详细的说明。

附图说明

图1为一种三维感测装置及其感测范围的示意图；

图2为另一种三维感测装置及其感测范围的示意图；

图3a为本实用新型的三维感测装置与图1所示的三维感测装置的感测范围比较示意图；

图3b为本实用新型的三维感测装置的感测示意图；

图4为本实用新型的一较佳实施例的扫描模块的示意图；

图5为本实用新型的另一较佳实施例的扫描模块的示意图；

图6为本实用新型的扫描模块具有定位标记的示意图；

图7a为本实用新型的扫描模块的一种定位标记的示意图；

图7b为本实用新型的扫描模块的另一种定位标记的示意图；以及

图8为本实用新型的扫描模块的振镜倾斜角度与深度解析度之间的变化示意图。

符号说明

10三维感测装置

20扫描模块

30接收模块

100基板

110第一平面

120第二平面

130第三平面

200激光光源

210激光

300振镜

400光束整形单元

410透镜部

420框体部

a夹角

d最小可感测距离

d1感测距离

e感测范围

l扫描光线

p待测物件

r扫描范围

r1扫描范围

r2视场范围

r3感测范围

rl反射光线

rx接收模块

tx扫描模块

m定位标记

w投射光线摆动角度

v法线

具体实施方式

以下将具体地描述根据本实用新型的具体实施例；惟，在不背离本实用新型的精神下，本实用新型尚可以多种不同形式的实施例来实践，不应将本实用新型保护范围解释为限于说明书所陈述者。另，上述实用新型内容中的各实施态样的技术内容亦可作为实施例的技术内容，或是作为实施例的可能变化态样。此外，除非上下文清楚地另外指明，否则本文所用的单数形式「一」亦包含复数形式，当本说明书中使用用语「包含」或「包括」时，是用以指出特征、元件或组件等的存在，不排除含有一个或多个其他特征、元件或组件等的存在或添加。另，所述方位(如前、后、上、下、两侧、内、外等)是为相对者，可依据扫描模块的使用状态而定义，而不是指示或暗示扫描模块须有特定方位、以特定方位构造或操作；所述方位因此不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型的扫描模块20可应用于环境扫描、产品检测等多种感测装置中，而为方便说明本实用新型的扫描模块20可达到的效果，以下实施例是以应用于三维感测装置中作为示例，但不限于此。首先，如图3a至图3b所示为应用扫描模块20的本实用新型的三维感测装置10的示意图，其至少包含扫描模块20及接收模块30，两者相光耦合，也就是，扫描模块20可发射一扫描光线l，而光耦合的接收模块30可接收扫描光线l经一待测物件p反射产生的一反射光线rl。为此，接收模块30邻设于扫描模块20，位于扫描模块20的一侧，两者之间的距离足以让两者达成上述的光耦合。所以，只要接收模块30能接受反射光线rl，即属于邻设或光耦合的关系。另，两者不限定需位于相同水平面上，两者之间的高低差仍能达成光耦合。

详细而言，扫描模块20发射的扫描光线l可经由振动(摆动)以形成一扫描范围r1，接收模块30包含一照相机，其具有一视场范围(fov)r2，扫描范围r1与视场范围r2可产生一感测范围r3，感测范围r3中经测试可获得有效侦测数据的部分为三维感测装置10的有效处理范围。而在感测范围r3中，扫描范围r1与视场范围r2中最接近三维感测装置10的交会处至三维感测装置10的垂直距离，便是为最小可感测距离，或简称为感测距离d1。

于本实用新型中的扫描模块20当应用于三维感测装置10时，可使三维感测装置10具有较小的感测距离d1及较大的感测范围r3。扫描模块20依据应用装置的不同可具有其他元件，因非本实施例的重点、且不影响本实施例的尔后技术内容的描述，故将省略描述及绘制。

如图4所示，为本实用新型的扫描模块20的示意图，其可包含一基板100、一激光光源200、一振镜300及一光束整形单元400，各组件的技术内容依序说明如下。

基板100可包括印刷电路(塑料)基板、陶瓷基板、金属机板等本技术领域中应知悉的基板类型。而本实用新型的扫描模块20的基板100可是为一铝合金基板，且通常可与一外壳(图未示)相互固定以保护基板100上的元件。于一较佳实施例中，请同时参考图4至图6，基板100可包含第一平面110、第二平面120及第三平面130。第二平面120相对于第一平面110倾斜且与第一平面110相连接，第三平面130相对第一平面110垂直地与第一平面110连接。也就是，第二平面120与第三平面130是设置于第一平面110的两侧。第一平面110及第二平面120之间具有一夹角a(第二平面120自第一平面110逆时针转动的一角度)，夹角a可大于45°，但不大于50°或不大于60°。而依据应用的装置的不同，第三平面130的法线v可通过第二平面120(如图4所示)，或平行第二平面120(如图5所示)，方便其他组件的配置。

激光光源200可为一激光二极管(例如面射型激光或边射型激光)或其他可发出激光210的发光组件(如图3b所示)，其设置于第三平面130上。振镜300设置于第二平面120上，因而同样具有自第一平面110逆时针旋转夹角a的放置角度，振镜300是一种微机电系统(microelectromechanicalsystems,简称mems)扫描振镜，通常可分成在一轴摆动的一维振镜或是在两轴摆动的二维振镜。在本实施例中振镜300采用一维振镜作为范例，当激光光源200投射激光210到振镜300上，振镜300在一轴快速地摆动形成一投射光线摆动角度w(如图3b所示)，其例如可介于正负45°之间，使投射至振镜300的激光210反射后产生扫描范围r1。在振镜300的具体内容可参考us2017/0044003a1公开号的美国专利申请案、us7,329,930公告号及us9,219,219的美国专利等，振镜300亦可为申请人所贩卖的微机电扫描晶片等，然不局限于此。

光束整形单元400包含一透镜，其设置于第一平面110上，并位于激光光源200与振镜300之间，从而使激光光源200发出的激光210(如图3b所示)经由光束整形单元400准直并整束成一线光束射向振镜300。此外，较佳地，光束整形单元400是与第一平面110垂直地设置，以与入射的激光210垂直。

除此之外，基板100亦可仅具有第一平面110及第二平面120，激光光源200可直接设置于基板100上或第一平面110上(图未示)，仍可将激光210发射至光束整形单元400，再射向振镜300。

请参阅图3a至图4，经由摆动且倾斜夹角a设置的振镜300反射而出的激光210，产生一个与视场范围r2交会更多的扫描范围r1。也就是说，由于扫描范围r1相较图1的扫描范围r更向接收模块30偏移，因此本实用新型的扫描模块20可具有较小的感测距离d1以及较大的感测范围r3。经由上述设置，扫描模块20(或接收模块30)整体上可不用倾斜即达到期望的功效，所以当扫描模块20与接收模块30设置于同一平面时，更可有效减少其所占用的空间，因此应用于三维感测装置10时，便有效减少三维感测装置10的整体体积。

请参考图6，基板100更包含至少一定位标记(alignmentmark,orfiducialmark)m，其可设置于第一平面110、第二平面120及第三平面130的至少其中一者上，且可是为一凸起(图未示)、凹陷、通孔或印刷图案的结构，而其形状可包含圆形、矩形、三角形、菱形、十字等。举例而言，如图7a所示，定位标记m可为椭圆形孔；或如图7b所示为复数直线图案。藉由定位标记m的设置，扫描模块20便可透过外部辨识影像系统及机械设备(如机械手臂)自动化组装内部元件，例如将振镜300设置于第二平面120上、将光束整形单元400设置于第一平面110上等(图未示)。如此一来，自动化生产的扫描模块20可具有较高的一致性及校准效率。换言之，若有其他方式可达到自动化组装的效果，亦可配合使用于其中的一元件，三个平面便不须皆具有定位标记m。

以在第二平面120上设置振镜300为例，扫描模块20的自动化组装过程可例如包含：识别第二平面120上的定位标记m于装配空间的位置；辨识振镜300于装配空间的位置；以及计算定位标记m与振镜300之间的位置关系之后进行组装。更可包含：再次识别第二平面120上的定位标记及振镜300，以检查、校验组装是否有瑕疵。因应自动化的组装过程，于一实施例中，光束整形单元400更可包含一体成型的一透镜部410与一框体部420(如图5所示)，使机械设备移动光束整形单元400时是夹住或扣住框体部420因而不伤到透镜部410，并可更精准地放置固定光束整形单元400于第一平面110上。

请参阅图8所示，已测试不同的振镜300倾斜角度(夹角a)对于三维成像解析度的影响。图中所示的每一曲线都代表一光轴夹角，其定义为：扫描模块20的光轴与接收模块30的光轴之间的夹角，其中夹角a与光轴夹角的关系为：夹角a＝45°+(光轴夹角)/2，因此，图中六条曲线由上至下依序光轴夹角为0°、2.5°、5°、7.5°、10°及12.5°，亦代表振镜300倾斜角度(夹角a)为：45°(45°+0°)、46.25°(45°+2.5°/2)、47.5°(45°+5°/2)、48.75°(45°+7.5°/2)、50°(45°+10°/2)和51.25°(45°+12.5°/2)；上述的光轴夹角0°是表示两光轴相平行、无交错。而由测试结果可知，当振镜300摆放角度越大(即第一平面110与第二平面120的夹角a越大)，具有较佳的解析度。例如当振镜300倾斜51.25°时，相较于倾斜46.25°或47.5°，无论待测物体位于400mm或800mm的距离，接收模块30所感测到的影像皆具有最佳的深度解析度(depthresolution)。

然后，经由另一测试结果可知，扫描模块20与接收模块30之间的距离会影响三维感测装置10的有效处理范围(如图3a所示的感测范围r3)，因此为同时保有最大的有效处理范围与较佳的解析度，振镜300的倾斜角度需依据扫描模块20与接收模块30之间的距离而调整；换言之，在不同的间隔距离下，振镜300会有不同的较佳倾斜角度(而非越大越好)，以使三维感测装置10有较大的有效处理范围。

综上所述，本实用新型所揭示的一种扫描模块20，其包含倾斜设置的振镜300，因此应用于三维感测装置10时，可具有较大的感测范围r3、较佳的解析度以及减小最小可感测距离d。同时扫描模块20未倾斜，因此更可减少其所占用的空间，使三维感测装置10应用其时具有更小的整体体积。此外，定位标记m的设置，还可使扫描模块20经由自动化组装，提高一致性及校准效率。

上述的实施例仅用来例举本实用新型的实施态样，以及阐释本实用新型的技术特征，并非用来限制本实用新型的保护范畴。任何熟悉此技术者可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本实用新型所主张的范围，本实用新型的权利保护范围应以申请专利范围为准。