本發(fā)明是提供一種利用光學元件集中光束的光學偵測裝置，尤指一種能有效提高訊號信噪比的多截面式光學元件、及利用該多截面式光學元件的光學偵測裝置。

背景技術：

請參閱圖1與圖2，圖1為現(xiàn)有技術之光學偵測裝置50之示意圖，圖2為傳統(tǒng)菲涅爾透鏡(Fresnel lens)之結構側視圖。光學偵測裝置50利用發(fā)光元件52輸出光偵測訊號，光偵測訊號打到外部物體56反射而由光偵測元件54讀取，光學偵測裝置50藉由分析反射的光偵測訊號來取得外部物體56的信息。外部物體56可包含表皮層561、真皮組織層562以及血管563。若是外部物體56沒有完全貼緊光學偵測裝置50的觸控區(qū)，光偵測元件54會接收到表皮散射訊號S1、組織散射訊號S2與血管散射訊號S3。組織散射訊號S2和血管散射訊號S3可以幫助光學偵測裝置50取得所需的外部物體56信息，表皮散射訊號S1則屬于噪聲，會影響光學偵測裝置50分析外部物體56信息的準確性。

現(xiàn)有技術是設計將傳統(tǒng)菲涅爾透鏡58設置在發(fā)光元件52上以提高偵測光量。傳統(tǒng)菲涅爾透鏡58主要由中心透鏡部581與多個旁透鏡部582組成。中心透鏡部581的曲率半徑r1實質相等于旁透鏡部582的曲率半徑r2、r3及r4。中心透鏡部581的曲率中心O1和旁透鏡部582的曲率中心O2、O3及O4都會落在中心透鏡部的對稱軸S上。傳統(tǒng)菲涅爾透鏡58仍無法解決表皮散射訊號S1造成的噪聲干擾問題，故如何設計一種能有效排除表皮散射訊號以提高偵測精度的光學偵測裝置，便為相關光學系統(tǒng)廠商的發(fā)展目標之一。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是提供一種能有效提高訊號信噪比的多截面式光學元件、及利用該多截面式光學元件的光學偵測裝置，以解決上述之問題。

本發(fā)明之申請專利范圍是揭露一種能夠有效提高訊號信噪比的多截面式光學元件，該多截面式光學元件包含有一基底、一中心透鏡部、一第一隔絕透鏡部以及一第一集光透鏡部。該中心透鏡部設置在該基底的中央。該第一隔絕透鏡部設置在該中心透鏡部之一側。該第一集光透鏡部設置在該中心透鏡部相對于該第一隔絕透鏡部之另一側。該第一隔絕透鏡部與該第一集光透鏡部的至少其中之一的曲率半徑不同于該中心透鏡部之曲率半徑，且該第一隔絕透鏡部之該曲率半徑相同或相異于該第一集光透鏡部之該曲率半徑。該中心透鏡部具有一中心軸，該第一隔絕透鏡部與該第一集光透鏡部的至少其中之一的圓心不落在該中心軸上。

本發(fā)明之申請專利范圍另揭露一種可有效提高訊號信噪比的光學偵測裝置，其包含有一發(fā)光元件、一光偵測元件以及至少一多截面式光學元件。該發(fā)光元件投射一光偵測訊號到一外部物體。該光偵測元件接收來自該外部物體的一反射光訊號。該至少一多截面式光學元件設置于該發(fā)光元件和/或該光偵測元件上，能夠會聚該光偵測訊號和/或隔絕部分的該反射光訊號。該至少一多截面式光學元件包含一基底、一中心透鏡部、一第一隔絕透鏡部以及一第一集光透鏡部。該中心透鏡部設置在該基底的中央。該第一隔絕透鏡部設置在該中心透鏡部之一側。該第一集光透鏡部設置在該中心透鏡部相對于該第一隔絕透鏡部之另一側。該第一隔絕透鏡部與該第一集光透鏡部的至少其中之一的曲率半徑不同于該中心透鏡部之曲率半徑，且該第一隔絕透鏡部之該曲率半徑相同或相異于該第一集光透鏡部之該曲率半徑。該中心透鏡部具有一中心軸，該第一隔絕透鏡部與該第一集光透鏡部的至少其中之一的圓心不落在該中心軸上。

本發(fā)明之申請專利范圍另揭露該至少一多截面式光學元件設置在該光偵測元件上方時，該光偵測元件對齊該至少一多截面式光學元件之該中心透鏡部偏向該第一隔絕透鏡部的位置。該至少一多截面式光學元件設置在該發(fā)光元件上是偏向該光偵測元件的位置。

本發(fā)明提供了一款全新設計的多截面式光學元件，多截面式光學元件的 概念類同于傳統(tǒng)菲涅爾透鏡，但是本發(fā)明的多截面式光學元件進一步將所有旁透鏡部的曲率半徑設計成不同于中心透鏡部的曲率半徑，且所有旁透鏡部的曲率中心亦不會座落在中心透鏡部的中心軸上。如此一來，多截面式光學元件便能利用散射隔絕區(qū)防止表皮散射訊號進入光偵測元件，另利用集光功能區(qū)集中收集血管散射訊號和/或組織散射訊號，因而更能大幅提高光學偵測裝置的訊號信噪比，即使外部物體沒有直接碰觸光學偵測裝置的觸控區(qū)仍可取得精確的偵測結果。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術之光學偵測裝置之示意圖。

圖2為傳統(tǒng)菲涅爾透鏡之結構側視圖。

圖3為本發(fā)明實施例之光學偵測裝置之示意圖。

圖4為圖3的部分區(qū)域放大示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例之多截面式光學元件之示意圖。

圖6為本發(fā)明實施例之多截面式光學元件之側視圖。

圖7為本發(fā)明實施例之多截面式光學元件和發(fā)光元件與光偵測元件之位置關是示意圖。

附圖標號說明：

10 光學偵測裝置

12 底座

14 發(fā)光元件

16 光偵測元件

18、18a、18b 多截面式光學元件

20 外部物體

201 表皮層

202 真皮組織層

203 血管

22 基底

24 中心透鏡部

26 第一隔絕透鏡部

28 第一集光透鏡部

30 第二隔絕透鏡部

32 第二集光透鏡部

34 第三隔絕透鏡部

36 第三集光透鏡部

38 第一隔絕透鏡部之反射面

40 第一集光透鏡部之反射面

S1 表皮散射訊號

S2 組織散射訊號

S3 血管散射訊號

Ax 中心軸

R0 中心透鏡部的曲率半徑

R11 第一隔絕透鏡部的曲率半徑

R12 第一集光透鏡部的曲率半徑

R21 第二隔絕透鏡部的曲率半徑

R22 第二集光透鏡部的曲率半徑

R31 第三隔絕透鏡部的曲率半徑

R32 第三集光透鏡部的曲率半徑

C0 中心透鏡部的曲率中心

C11 第一隔絕透鏡部的曲率中心

C12 第一集光透鏡部的曲率中心

C21 第二隔絕透鏡部的曲率中心

C22 第二集光透鏡部的曲率中心

C31 第三隔絕透鏡部的曲率中心

C32 第三集光透鏡部的曲率中心

D1 第一隔絕透鏡部之曲率中心和中心軸之距離

D2 第二隔絕透鏡部之曲率中心和中心軸之距離

D3 第三隔絕透鏡部之曲率中心和中心軸之距離

Da 第一集光透鏡部之曲率中心和中心軸之距離

Db 第二集光透鏡部之曲率中心和中心軸之距離

Dc 第三集光透鏡部之曲率中心和中心軸之距離

θ1 第一隔絕透鏡部之反射面與中心軸之夾角

θa 第一集光透鏡部之反射面與中心軸之夾角

Ds 發(fā)光元件與光偵測元件的間距

R1 中心透鏡部的曲率半徑

R2 第一旁透鏡部的曲率半徑

R3 第二旁透鏡部的曲率半徑

R4 第三旁透鏡部的曲率半徑

50 光學偵測裝置

52 發(fā)光元件

54 光偵測元件

56 外部物體

561 表皮層

562 真皮組織層

563 血管

58 傳統(tǒng)菲涅爾透鏡

581 中心透鏡部

582 旁透鏡部

r1 中心透鏡部的曲率半徑

r2、r3、r4 旁透鏡部的曲率半徑

O1 中心透鏡部的曲率中心

O2、O3、O4 旁透鏡部的曲率中心

本發(fā)明目的的實現(xiàn)、功能特點及優(yōu)點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。

具體實施方式

應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請參閱圖3與圖4，圖3為本發(fā)明實施例之光學偵測裝置10之示意圖， 圖4為圖3所示區(qū)域A的放大示意圖。光學偵測裝置10包含底座12、發(fā)光元件14、光偵測元件16以及多截面式光學元件18。發(fā)光元件14與光偵測元件16分別設置在底座12內(nèi)的不同位置處。發(fā)光元件14朝向光學偵測裝置10外面投射光偵測訊號以偵測外部物體20，光偵測元件16接收來自外部物體20的反射光訊號，并根據(jù)光訊號的光體積變化信號(Photoplethysmography,PPG)分析外部物體20的信息。外部物體20可為用戶皮膚，例如手指或腕部。外部物體20可包含表皮層201、真皮組織層202以及血管203。光偵測訊號照射到外部物體20會生成表皮散射訊號S1、組織散射訊號S2與血管散射訊號S3。光偵測元件16主要是藉由血管散射訊號S3取得外部物體20的血管信息。

光學偵測裝置10將多截面式光學元件18設置在發(fā)光元件14和/或光偵測元件16上方。發(fā)光元件14的光偵測訊號通過多截面式光學元件18投射到外部物體20，光偵測元件16接收通過多截面式光學元件18的反射光訊號。多截面式光學元件18能夠會聚光偵測訊號及隔絕部分反射光訊號，減少皮膚表皮散射且提高血管散射訊號，據(jù)此顯著提高光學偵測裝置10的訊號信噪比。多截面式光學元件18可選擇性分成多截面式光學元件18a及多截面式光學元件18b，其結構大致相同。多截面式光學元件18a較佳應用在光偵測元件16，多截面式光學元件18b較佳應用在發(fā)光元件14，于后將詳細說明兩者之結構特征定義。

請參閱圖3至圖6，圖5為本發(fā)明實施例之多截面式光學元件18a之示意圖，圖6為本發(fā)明實施例之多截面式光學元件18a之側視圖。多截面式光學元件18a主要包含基底22、中心透鏡部24以及多個旁透鏡部。中心透鏡部24設置在基底22中央，多個旁透鏡部順序地分設在中心透鏡部24的兩旁。本實施例在多截面式光學元件18a上繪示三組旁透鏡部，然實際態(tài)樣并不限于此，端視設計需求而定。舉例來說，第一旁透鏡部包含第一隔絕透鏡部26與第一集光透鏡部28。第一隔絕透鏡部26設置在中心透鏡部24之一側，且第一集光透鏡部28設置在中心透鏡部24相對于第一隔絕透鏡部26之另一側；第二旁透鏡部包含第二隔絕透鏡部30與第二集光透鏡部32，分設在第一旁透 鏡部之兩旁相對于中心透鏡部24的位置；第三旁透鏡部包含第三隔絕透鏡部34與第三集光透鏡部36，分設在第二旁透鏡部之兩旁相對于中心透鏡部24的位置。

中心透鏡部24具有中心軸Ax以及曲率半徑R0，中心透鏡部24的曲率中心C0是落在中心軸Ax上。第一隔絕透鏡部26的曲率半徑R11與第一集光透鏡部28的曲率半徑R12的至少其中之一是不同于曲率半徑R0，且曲率半徑R11可以選擇性地相同或相異于曲率半徑R12。因此，第一隔絕透鏡部26的圓心(曲率中心C11)與第一集光透鏡部28的圓心(曲率中心C12)的至少其中之一不會落在中心軸Ax上。一般來說，第一隔絕透鏡部26的曲率半徑R11較佳可為曲率半徑R0的0.86～0.97倍，第一集光透鏡部28的曲率半徑R12較佳可為曲率半徑R0的0.7～0.82倍，然不限于此。

相應地，第二隔絕透鏡部30的曲率半徑R21與第二集光透鏡部32的曲率半徑R22的至少其中之一是不同于曲率半徑R0，且第三隔絕透鏡部34的曲率半徑R31與第三集光透鏡部36的曲率半徑R32的至少其中之一是不同于曲率半徑R0。第二旁透鏡部的圓心(曲率中心C21和曲率中心C22)的至少其中之一不會落在中心軸Ax上，且第三旁透鏡部的圓心(曲率中心C31和曲率中心C32)的至少其中之一不會落在中心軸Ax上。另外，第二隔絕透鏡部30的曲率半徑R21較佳可為曲率半徑R0的0.93～1.1倍，第二集光透鏡部32的曲率半徑R22較佳可為曲率半徑R0的0.66～0.77倍，第三隔絕透鏡部34的曲率半徑R31較佳可為曲率半徑R0的0.91～1倍，且第三集光透鏡部36的曲率半徑R32較佳可為曲率半徑R0的0.78～0.89倍。該些參數(shù)設定不限于上述數(shù)據(jù)，可視設計需求更動。

如圖6所示，多截面式光學元件18a的所有旁透鏡部的圓心都沒有落在中心軸Ax上。本實施例另外定義第二隔絕透鏡部30之曲率中心C21和中心軸Ax之距離D2為第一隔絕透鏡部26之曲率中心C11和中心軸Ax之距離D1的1.2～1.6倍，第二集光透鏡部32之曲率中心C22和中心軸Ax之距離Db是為第一集光透鏡部28之曲率中心C12和中心軸Ax之距離Da的2.2～2.6倍， 第三隔絕透鏡部34之曲率中心C31和中心軸Ax之距離D3是為第一隔絕透鏡部26之曲率中心C11和中心軸Ax之距離D1的1.6～2倍，第三集光透鏡部36之曲率中心C32和中心軸Ax之距離Dc是為第一集光透鏡部28之曲率中心C12和中心軸Ax之距離Da的2.8～3.2倍，然不限于此。

特別一提的是，第一隔絕透鏡部26之反射面38與中心軸Ax之夾角θ1可實質異于第一集光透鏡部28之反射面40與中心軸Ax之夾角θa。第二隔絕透鏡部30及第二集光透鏡部32之反射面與中心軸Ax的夾角也可選擇性有所差異，第三隔絕透鏡部34及第三集光透鏡部36反射面與中心軸Ax的夾角也可選擇性有所差異，合先敘明。

請參閱圖7，圖7為本發(fā)明實施例之多截面式光學元件18b和發(fā)光元件14與光偵測元件16之位置關是示意圖。多截面式光學元件18b能將發(fā)光元件14輸出的光偵測訊號集中在特定范圍，藉此減少皮膚表皮散射訊號進入光偵測元件16的光量。此實施例中，發(fā)光元件14與光偵測元件16的間距定義為Ds，多截面式光學元件18b的中心透鏡部24的曲率半徑R1較佳設計為間距Ds的0.04～0.08倍。多截面式光學元件18b的第一旁透鏡部(第一隔絕透鏡部26或第一集光透鏡部28)的曲率半徑R2較佳設計為間距Ds的0.2～0.26倍，第二旁透鏡部(第二隔絕透鏡部30或第二集光透鏡部32)的曲率半徑R3較佳設計為間距Ds的0.33～0.4倍，第三旁透鏡部(第三隔絕透鏡部34或第三集光透鏡部36)的曲率半徑R4較佳設計為間距Ds的0.52～00.58倍，然不限于此。

本發(fā)明的多截面式光學元件18具有曲率半徑不一定相同、曲率中心不一定落在中心軸Ax上的復數(shù)個旁透鏡部。詳而言之，第一隔絕透鏡部26的曲率半徑R11、第一集光透鏡部28的曲率半徑R12、第二隔絕透鏡部30的曲率半徑R21、第二集光透鏡部32的曲率半徑R22、第三隔絕透鏡部34的曲率半徑R31、及第三集光透鏡部36的曲率半徑R32彼此不全然相同，意即該些隔絕透鏡部與集光透鏡部至少有一個或多個的曲率半徑不同于中心透鏡部24的曲率半徑R0。第一隔絕透鏡部26的曲率中心C11、第一集光透鏡部28的曲率中心C12、第二隔絕透鏡部30的曲率中心C21、第二集光透鏡部32的曲率 中心C22、第三隔絕透鏡部34的曲率中心C31、及第三集光透鏡部36的曲率中心C32不一定全都重迭于中心軸Ax，該些曲率中心的至少一個或多個不會落在中心軸Ax上。

本發(fā)明依據(jù)需求將不同類型的多截面式光學元件18分設在發(fā)光元件14與光偵測元件16上。多截面式光學元件18a設置在光偵測元件16的上方時，光偵測元件16是對齊多截面式光學元件18a之中心透鏡部24偏向第一隔絕透鏡部26的位置，以充分利用散射隔絕區(qū)(主要由第一隔絕透鏡部26、第二隔絕透鏡部30及第三隔絕透鏡部34組成)阻擋表皮層201生成的表皮散射訊號S1，并利用集光功能區(qū)(主要由第一集光透鏡部28、第二集光透鏡部32及第三集光透鏡部36組成)提高血管散射訊號S3和/或組織散射訊號S2的收集量，如圖4所示。多截面式光學元件18b設置在發(fā)光元件14的上方時，多截面式光學元件18b較佳朝著光偵測元件16有些微偏移，如圖7所示，用來收窄發(fā)光元件14的大角度發(fā)光以集中在特定范圍內(nèi)，藉此減少表皮散射訊號S1進入光偵測元件16的訊號量。

相較現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供了一款全新設計的多截面式光學元件，多截面式光學元件的概念類同于傳統(tǒng)菲涅爾透鏡，但是本發(fā)明的多截面式光學元件進一步將所有旁透鏡部的曲率半徑設計成不同于中心透鏡部的曲率半徑，且所有旁透鏡部的曲率中心亦不會座落在中心透鏡部的中心軸上。如此一來，多截面式光學元件便能利用散射隔絕區(qū)防止表皮散射訊號進入光偵測元件，另利用集光功能區(qū)集中收集血管散射訊號和/或組織散射訊號，因而更能大幅提高光學偵測裝置的訊號信噪比，即使外部物體沒有直接碰觸光學偵測裝置的觸控區(qū)仍可取得精確的偵測結果。

以上所述僅為本發(fā)明之較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明之涵蓋范圍。