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CN110159941B - 具有均匀投射光强度之光源模组 - Google Patents

具有均匀投射光强度之光源模组 Download PDF

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CN110159941B CN201910456621.3A CN201910456621A CN110159941B CN 110159941 B CN110159941 B CN 110159941B CN 201910456621 A CN201910456621 A CN 201910456621A CN 110159941 B CN110159941 B CN 110159941B
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Abstract

本发明提供一种具有均匀投射光强度之光源模组，其包括至少一发光元件阵列，包括复数发光二极管，其为二第一型发光二极管，分别具有一第一倾斜角；或为至少一该第一型发光二极管及至少一对第二型发光二极管，该第二型发光二极管系设于该第一型发光二极管之外围，每一对该第二型发光二极管具有一第二倾斜角，该第二倾斜角大于该第一倾斜角，藉由将发光二极管倾斜或旋转，扩大投影面上的光强度分布范围，使照射出去的光强度能更加均匀。

Description

具有均匀投射光强度之光源模组
技术领域
本发明系有关一种光源模组，特别是指一种具有均匀投射光强度之光源模组。
背景技术
深度传感器主要应用在3D感测，其系由于传统2D的平面影像辨识只有X、Y轴，在判断影像的景深时较易受到拍摄角度和环境照明等因素的干扰，而3D感测则多了深度侦测，从平面的X、Y轴增加到X、Y、Z三轴立体坐标，撷取目标物的深度影像并得到空间的立体资讯，不但提高辨识的精准度，应用也更加广泛，其中，飞行时间(time of flight,TOF)是深度感测的其中一种技术，如图1所示，利用光源模组100发射主动光源投射至目标物，被目标物反射后经滤光片110滤光，再利用光感测器120接收相关光源之反射，透过光线折返的时间计算出时间相位差，以得到待测物的深度讯息。然而，投射在物体上的光源均匀度会影响到计算深度距离的误差，传统使用红外线做为主动光源，其光源投射至物体上时光强度分布会随光束角度而变化。
然而将LED应用在深度传感器上具有以下缺点：单个LED功率低，为了获得大功率，需要多个并联使用；LED只在直视的狭小角度内有高亮度，而偏离该角度后光线迅速减弱；以及照射角度有限制，一般只能照射120°。特别是其中LED照射角度太小、超过范围亮度会迅速减弱等二点为深度传感器的硬伤，因为LED发光太具有指向性、光线太过集中，反而使光强度不够均匀，而最大只能照射120°会影响到光源发射的视场角度，限制在空间的应用范围。上述的问题都是直接限制3D深度感测系统的应用范围。
因此，本发明即提出一种具有均匀投射光强度之光源模组，有效解决上述该等问题，具体架构及其实施方式将详述于下。
发明内容
本发明之主要目的在提供一种具有均匀投射光强度之光源模组，其使用不同光束角的发光二极管互相搭配组成一发光组件阵列，且靠中间部分的为散射型发光二极管，靠外围部分的为标准型发光二极管，以使光强度均匀化。
本发明之另一目的在提供一种具有均匀投射光强度之光源模组，其将发光组件阵列中的复数发光二极管以两两成对的方式、以不同的光束中心线倾斜角或旋转角度改变发光二极管的照射方向，以扩大投影面上的光强度分布范围。
本发明之再一目的在提供一种具有均匀投射光强度之光源模组，其可将多组发光组件阵列加以排列，以在不同工作距离时补强光强度。
为达上述目的，本发明提供一种具有均匀投射光强度之光源模组，包括：至少一发光组件阵列，包括：二第一型发光二极管，分别具有一第一倾斜角；或至少一该第一型发光二极管及至少一对第二型发光二极管，该第二型发光二极管系设于该第一型发光二极管之外围，每一对该第二型发光二极管具有一第二倾斜角，该第二倾斜角大于该第一倾斜角。
根据本发明之实施例，该第一倾斜角为该第一型发光二极管之光束中心线与一垂直线之夹角，且该第一型发光二极管中愈靠近该发光组件阵列之中心者，其所具有的该第一倾斜角愈小。
根据本发明之实施例，该第二倾斜角为该第二型发光二极管之光束中心线与一垂直线之夹角。
根据本发明之实施例，该第一型发光二极管为散射型发光二极管，其更包括一第一光束角，其为该第一型发光二极管之视场范围夹角。该第一光束角约为45°～90°。
根据本发明之实施例，该第二型发光二极管为标准型发光二极管，其更包括一第二光束角，其为该第二型发光二极管之视场范围夹角。该第二光束角约为20°～45°。
根据本发明之实施例，该第一型发光二极管之数量为偶数时，其系两两成对并对称倾斜，愈靠中心者，其第一倾斜角愈小。而当该第一型发光二极管之数量为奇数时，位于正中间之该第一型发光二极管之第一倾斜角为0°。
根据本发明之实施例，其中每一对该第二型发光二极管系对称倾斜。该第二型发光二极管中愈靠近该发光组件阵列之边缘者，其所具有的该第二倾斜角愈大。
附图说明
图1为应用于深度传感器之侧面示意图。
图2为本发明之发光组件阵列之示意图。
图3为本发明具有均匀投射光强度之光源模组之第一实施例之示意图，其中发光二极管之数量为二。
图4为本发明具有均匀投射光强度之光源模组之第二实施例之示意图，其中发光二极管之数量为三。
图5为本发明具有均匀投射光强度之光源模组之第三实施例之示意图，其中发光二极管之数量为四。
图6为应用本发明之光源模组的光强度对应极坐标之关系图。
图7A为正规化光强度对应发射角度(LED倾斜角)之光强度分布模拟示意图。
图7B及图7C分别为本发明第二实施例中，二颗第二型发光二极管倾斜40度及50度之光强度分布模拟示意图。
图8为本发明第一实施例中，二颗第一型发光二极管具有不同倾斜角时之光强度分布模拟示意图。
图9为本发明第一实施例中，二颗第一型发光二极管的光束中心线倾斜(或旋转)不同角度时，光强度在20％均匀度的视场角变化模拟示意图。
图10为本发明第一实施例中，当二颗第一型发光二极管的倾斜角为27度时，在不同工作距离下之光强度变化模拟示意图。
附图标记：
100 光源模组
110 滤光片
120 光感测器
10 发光二极管
102 第一型发光二极管
104 第二型发光二极管
12 发光组件阵列
16 光束中心线
18 垂直线
具体实施方式
本发明提供一种具有均匀投射光强度之光源模组，其可应用在如图1所示之深度传感器中，在使用复数发光二极管之光源模组中使投影面积增加，且使投影面的光强度均匀化，解决先前技术中当光源发射后，光强度随着光束发散而导致投射到投影面的光线产生强度分布的改变或衰减，而使光强度的均匀度不佳。
由于单颗发光二极管能提供的亮度有限，在一个大环境的空间中，为了应付不同工作距离的使用，必须要并联多颗发光二极管来提供足够的亮度和视场，图2即为本发明之发光组件阵列之示意图，将m*n颗发光二极管10排列成一发光组件阵列12。
在本发明中，发光组件阵列12上之发光二极管10假设只有二颗，则为第一型发光二极管，当发光二极管10的数量大于二，则包含第一型发光二极管及第二型发光二极管等二种，其中设于中间的是第一型发光二极管，为视角较大的散射型发光二极管，通常做为指示灯使用，包括约45°～90°之一第一光束角，光束角为第一型发光二极管之视场范围夹角，且若加大散射剂的量还可使第一光束角更大；第二型发光二极管系设于第一型发光二极管之外围，此第二型发光二极管为标准型发光二极管，其包括约20°～45°之一第二光束角，为第二型发光二极管之视场范围夹角。
此外，第一、第二型发光二极管还分别具有一第一、第二倾斜角，请同时参考图3，倾斜角为发光二极管之光束中心线16与一垂直线18之夹角，每一对第二型发光二极管系对称倾斜，且第二倾斜角系大于第一倾斜角，进一步，第二型发光二极管中愈靠近发光组件阵列之边缘者，其所具有的第二倾斜角还可增大，换言之，愈靠近边缘的第二型发光二极管，其照射的角度可愈倾斜，如此一来发光组件阵列12便可覆盖较大的视场范围。以下将详述在发光组件阵列12中第一、第二型发光二极管之配置。
请参考图3，其为本发明具有均匀投射光强度之光源模组之第一实施例之示意图，由于发光二极管之数量为二，没有中央、边缘之分，因此皆为第一型发光二极管102，亦即散射型发光二极管，此二颗第一型发光二极管102系互相对称倾斜，以发光组件阵列之垂直线18为基准向外倾斜或旋转，分别得到第一光束角
Figure BDA0002076783540000041
及光束中心线16之第一倾斜角θ1。若此二颗第一型发光二极管102没有第一倾斜角θ1，都是垂直向上照射，显然照射面积会缩小，且重叠部分的亮度会特别亮，使光强度不均匀。而本发明将发光二极管倾斜或旋转后，不但可得到较大的照射角度与照射面积，还可使光强度均匀。
图4为本发明具有均匀投射光强度之光源模组之第二实施例之示意图，其中发光二极管之数量为三。由于发光二极管之数量为奇数，因此中间者为第一型发光二极管102(亦即散射型发光二极管)，其第一倾斜角θ1为0°(图中未示)，而外侧两颗为第二型发光二极管104，亦即标准型发光二极管，其第二倾斜角为θ2，此外，第一型发光二极管102具有第一光束角
Figure BDA0002076783540000042
第二型发光二极管104具有第二光束角
Figure BDA0002076783540000043
由图中可看出，中间的第一型发光二极管102视场范围大，而两侧的第二型发光二极管104视场范围较小，结合第二型发光二极管104适当的倾斜或偏转θ2，使三颗发光二极管102、104之视场范围增加、减少照射的重叠面积，并使投影面上的光强度均匀化。
当发光二极管之数量大于四、且为奇数时，第一型发光二极管102可为一颗或奇数颗，除了正中间的是垂直设置之外，其他的第一型发光二极管102则是两两成对，具有第一倾斜角θ1。而第二型发光二极管104本身就是成对设置，可包括不只一对，举例而言，若发光二极管之数量为7，则可包括三颗第一型发光二极管102(其中二颗成对)及两对第二型发光二极管104；或是只有中间者为第一型发光二极管102，其余六颗则分成三对第二型发光二极管104，每一对具有相同或不同的第二倾斜角为θ2，当第二倾斜角θ2不同时，愈靠外围的第二型发光二极管104，其第二倾斜角为θ2愈大。
图5为本发明具有均匀投射光强度之光源模组之第三实施例之示意图，其中发光二极管之数量为四。由于发光二极管之数量为偶数，因此中间者为一对第一型发光二极管102(亦即散射型发光二极管)，其具有第一倾斜角θ1，使二颗第一型发光二极管102的照射重叠面积减小，而外侧两颗为第二型发光二极管104，亦即标准型发光二极管，其具有第二倾斜角为θ2，使第一、第二发光二极管102、104的照射重叠面积减小，增加视场范围。此外，第一型发光二极管102具有第一光束角
Figure BDA0002076783540000051
第二型发光二极管104具有第二光束角
Figure BDA0002076783540000052
当发光二极管之数量大于四、且为偶数时，则第一型发光二极管102可为二颗或偶数颗，两两成对设置，具有第一倾斜角θ1。而第二型发光二极管104本身就是成对设置，可包括不只一对，举例而言，若发光二极管之数量为8，则可包括四颗(二对)第一型发光二极管102及两对第二型发光二极管104，且二对第一型发光二极管102的第一倾斜角θ1相同或不同，当第一倾斜角θ1不同时，靠中间者的第一倾斜角θ1较小，二对第二型发光二极管104的第二倾斜角θ2也可为相同或不同，当第二倾斜角θ2不同时，靠外围者的第二倾斜角θ2较大；或是只有靠中间的一对为第一型发光二极管102，其余六颗则分成三对第二型发光二极管104，每一对具有相同或不同的第二倾斜角为θ2，第二倾斜角θ2不同时，愈靠外围的第二型发光二极管104，其第二倾斜角为θ2愈大。
本发明之光源模组可制作于任何材质之基板上，基板之材质不受限制。
本发明之光强度均匀性之公式如下式：
Figure BDA0002076783540000053
其中Imax为最大光强度，I光束角为发光二极管的光束角不同时之光强度。
以下以实际实验数据为实施例说明。当光源模组中之发光二极管数量为三颗时，假设中间的第一型发光二极管之光束角为90度，两侧之第二行发光二极管之光束角为45度，则光强度对应极坐标之关系图如图6所示。再模拟光强度分布，图7A为先前技术中正规化的光强度对应发射角度(LED倾斜角)之光强度分布模拟示意图，可看出光强度都集中在中间位置，而往两侧会迅速下降，图7B及图7C则分别为二颗第二型发光二极管分别倾斜40度及50度之光强度分布模拟示意图，显然倾斜角40度之结构时，光强度的总和是渐进式缓坡下降，而不是迅速下降。
图8为本发明第一实施例中，二颗第一型发光二极管具有不同倾斜角时之光强度分布模拟示意图。由图中可清楚看出，发光二极管倾斜或旋转之角度不同时，对光强度分布之影响极大，当倾斜角大于27度时显然光强度较为均匀。
图9为本发明第一实施例中，二颗第一型发光二极管的光束中心线倾斜(或旋转)不同角度时，光强度在20％均匀度的视场角变化模拟示意图。此部分系利用Zemax模拟一对称光束角90°的第一型发光二极管，依不同的光轴倾斜/旋转角度θ＝0°、3°、6°、9°、12°、15°、18°、21°、24°、27°、30°和33°时的光强度分布。在依照上述公式定义的光强度均匀度所归纳之当光强度均匀度在20％时的视场角变化。当θ＞24度时，视场角迅速扩大。
图10为本发明第一实施例中，当二颗第一型发光二极管的倾斜角为27度时，在不同工作距离下之光强度变化模拟示意图。工作距离愈大，光强度愈小。
综上所述，本发明之具有均匀投射光强度之光源模组，包含多颗两两成对、互相对称的发光二极管，该对称系以一光束中心线之倾斜/旋转角度进行，且当发光二极管之数量为奇数时，正中间者不倾斜/旋转，其余者对称倾斜或旋转，倾斜角可自由调整；同时，本发明采用不同光束角之发光二极管，其中内侧为光束角较大的第一型发光二极管，外侧则使用光束角较小的第二型发光二极管来补强不同角度的光强度，以优化不同角度光强度的均匀性，且光束角亦可自由调整。当工作距离增加时，由于光强度会变弱，因此本发明还可增加发光二极管之数目(例如点亮旁边的另一发光组件阵列)来优化工作距离的亮度。因此，本发明不但可将投影面的光强度均匀化，还可扩大投影范围，节省光学扩散膜设计的需求，有利兼顾光强度均匀特性和降低制作成本。
唯以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施之范围。故即凡依本发明申请范围所述之特征及精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明之申请专利范围内。

Claims (7)

1.一种具有均匀投射光强度的光源模组，其特征在于，包括：
至少一发光组件阵列，包括复数发光二极管，其为二第一型发光二极管，互相对称倾斜，且分别具有一第一倾斜角；或为至少一该第一型发光二极管及至少一对第二型发光二极管，该第二型发光二极管是设于该第一型发光二极管的外围，每一对该第二型发光二极管具有一第二倾斜角，该第二倾斜角大于该第一倾斜角，该第一型发光二极管为散射型发光二极管，其更包括一第一光束角，其为该第一型发光二极管的视场范围夹角，该第二型发光二极管为标准型发光二极管，其更包括一第二光束角，其为该第二型发光二极管的视场范围夹角，该第一光束角大于该第二光束角，该第一光束角为45º～90º，该第二光束角为20º～45º。
2.如权利要求1所述的具有均匀投射光强度的光源模组，其中该第一倾斜角为该第一型发光二极管的光束中心线与一垂直线的夹角，且该第一型发光二极管中愈靠近该发光组件阵列的中心者，其所具有的该第一倾斜角愈小。
3.如权利要求1所述的具有均匀投射光强度的光源模组，其中该第二倾斜角为该第二型发光二极管的光束中心线与一垂直线的夹角。
4.如权利要求1所述的具有均匀投射光强度的光源模组，其中该第一型发光二极管的数量为偶数时，其是两两成对并对称倾斜，愈靠中心者，其第一倾斜角愈小。
5.如权利要求1所述的具有均匀投射光强度的光源模组，其中每一对该第二型发光二极管是对称倾斜。
6.如权利要求1所述的具有均匀投射光强度的光源模组，其中该第二型发光二极管中愈靠近该发光组件阵列的边缘者，其所具有的该第二倾斜角愈大。
7.如权利要求1所述的具有均匀投射光强度的光源模组，其中该第一型发光二极管的数量为奇数时，位于正中间的该第一型发光二极管的第一倾斜角为0º。
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