CN110716377A - 投影模组、光电装置和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影模组、光电装置和电子设备。投影模组包括光源、准直元件和衍射光学元件。光源用于发射激光；准直元件用于准直光源发射的激光；衍射光学元件包括相背的入射面及出射面，入射面与准直元件相对并设置有菲涅尔微结构，菲涅尔微结构用于与准直元件配合实现激光的准直调整，衍射光学元件用于接收准直元件准直的激光并将激光扩束以形成激光图案。本发明实施方式的投影模组、光电装置和电子设备通过在衍射光学元件的入射面设置菲涅尔微结构，可以在减少准直元件的镜片数量的情况下达到同样的光学性能，有利于投影模组的小型化并降低准直元件的成本。同时菲涅尔微结构与衍射光学元件为一体结构，可进一步提高了激光扩束效果和质量。

Description

投影模组、光电装置和电子设备

技术领域

本发明涉及光电技术领域，更具体而言，涉及一种投影模组、光电装置和电子设备。

背景技术

目前，投影模组常采用准直元件来汇聚光源发射的激光以使得激光平行投射出去，但当前的准直元件为了实现准直效果一般镜片数量较多，不利于投影模组的小型化。

发明内容

本发明实施方式提供一种投影模组、光电装置和电子设备。

本发明实施方式的投影模组包括光源、准直元件和衍射光学元件。所述光源用于发射激光；所述准直元件用于准直所述光源发射的激光；所述衍射光学元件包括相背的入射面及出射面，所述入射面与所述准直元件相对并设置有菲涅尔微结构，所述菲涅尔微结构用于与所述准直元件配合实现所述激光的准直调整，所述衍射光学元件用于接收所述准直元件准直的所述激光并将所述激光扩束以形成激光图案。

本发明实施方式的投影模组通过在衍射光学元件的入射面设置菲涅尔微结构，可以在减少准直元件的镜片数量的情况下达到同样的光学性能，有利于投影模组的小型化。同时基于菲涅尔微结构与衍射光学元件为一体结构，使得光线位置、对齐效果更好，进一步提高了激光扩束效果和质量。

在某些实施方式中，所述菲涅尔微结构包括包含所述入射面中心的第一区域及环绕所述第一区域的第二区域，所述第二区域的所述菲涅尔微结构的深度较所述第一区域的所述菲涅尔微结构的深度深。

如此，通过设置所述第二区域的所述菲涅尔微结构的深度较所述第一区域的所述菲涅尔微结构的深度深，可满足投影模组的光学性能需求。

在某些实施方式中，所述出射面上设置有绕射微结构，所述绕射微结构用于将准直的所述激光扩束以形成激光图案。

如此，通过绕射微结构可以精确的控制激光的发散角和形成光斑的形貌，将一束激光扩束以形成特定的激光图案。

在某些实施方式中，所述绕射微结构为纳米级绕射微结构并均匀分布在所述出射面上；和/或所述菲涅尔微结构为纳米级菲涅尔微结构。

纳米级的纳米级菲涅尔微结构比普通的菲涅尔结构的结构更为精细，精度更高，可以在减少准直元件的镜片数量的前提下保证良好的聚光性和成像性能，还可以在一定程度上减小准直元件的球面像差对激光品质的影响。有利于缩短投影模组在出光方向的长度及降低准直元件的成本。纳米级别的绕射微结构相比普通的微米级别的绕射结构具有更精细的结构，从而可以将一束激光扩束为更多束激光以形成更为精细的激光图案。

在某些实施方式中，所述投影模组还包括棱镜，所述棱镜用于反射所述光源发出的激光以使所述激光垂直入射到所述准直元件。

棱镜和配合光源可以实现潜望式结构，有利于缩短投影模组在出光方向的长度。

在某些实施方式中，所述棱镜、所述准直元件和所述衍射光学元件沿出光光路依次设置，所述棱镜包括反射面，所述光源包括发光面，所述发光面与所述反射面间隔相对并互成夹角。

如此，通过反射面可以将发光面发出的激光反射至准直元件，通过夹角的调节可以控制激光的反射方向，从而以更合理的角度入射准直元件。

在某些实施方式中，所述光源包括垂直腔面发射器或边发射型激光器。

边发射型激光器作为光源，为单点发光结构，无需设计阵列结构，制作简单，激光投射模组的光源成本较低，而且较垂直腔面发射器而言，边发射型激光器的温飘较小。采用垂直腔面发射器作为光源，则激光图案的不相关性会更高，有利于获取高精度的深度图像。

在某些实施方式中，具有所述菲涅尔微结构的所述入射面为非球面。

入射面为非球面，有利于菲涅尔微结构的制作。

本发明实施方式的光电装置包括投影模组和相机模组。所述投影模组用于朝目标物体发射激光图案；所述相机模组用于接收经目标物体调制后的激光图案。

本发明实施方式的光电装置通过在衍射光学元件的入射面设置菲涅尔微结构，可以在减少准直元件的镜片数量的情况下达到同样的光学性能，有利于投影模组的小型化。同时基于菲涅尔微结构与衍射光学元件为一体结构，使得光线位置、对齐效果更好，进一步提高了激光扩束效果和质量。

本发明实施方式的电子设备通过在衍射光学元件的入射面设置菲涅尔微结构，可以在减少准直元件的镜片数量的情况下达到同样的光学性能，有利于投影模组的小型化。同时基于菲涅尔微结构与衍射光学元件为一体结构，使得光线位置、对齐效果更好，进一步提高了激光扩束效果和质量。另外，壳体对光电装置有保护作用。

本发明的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施方式的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施方式的电子设备的结构示意图；

图2为本发明实施方式的光电装置的结构示意图；

图3为本发明实施方式的投影模组的结构示意图；和

图4为图3中投影模组的衍射光学元件的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。附图中相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

另外，下面结合附图描述的本发明的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明的实施方式，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参阅图1，本发明实施方式的电子设备1000包括壳体200和光电装置100。电子设备1000可以是监控相机、手机、平板电脑、手提电脑、游戏机、头显设备、门禁***、柜员机等，本发明实施例以电子设备1000是以手机为例进行说明，可以理解，电子设备1000的具体形式可以是其他，在此不作限制。光电装置100设置在壳体200上以获取图像，具体地，光电装置100设置在壳体200内并从壳体200暴露，壳体200可以给光电装置100提供防尘、防水、防摔等保护，壳体200上开设有与光电装置100对应的孔，以使光线从孔中穿出或穿入壳体200。

请参阅图2，光电装置100包括投影模组10、相机模组20和处理器30。投影模组10用于朝目标物体发射激光图案。相机模组20用于接收经目标物体调制后的激光图案。处理器30用于根据相机模组20接收的激光图案以成像(深度图像)。

请参阅图3，投影模组10包括光源11、准直元件12和衍射光学元件13。光源11用于发射激光L。准直元件12用于准直光源11发射的激光L。衍射光学元件13包括相背的入射面132及出射面134。入射面132与准直元件12相对并设置有菲涅尔微结构136，菲涅尔微结构136用于与准直元件12配合实现激光的准直调整。衍射光学元件13用于接收准直元件12准直的激光L并将激光L扩束以形成激光图案。

具体地，光源11用于发射激光L，激光L经过准直元件12准直后射向衍射光学元件13的入射面132，经过菲涅尔微结构136对激光L进行调整后从衍射光学元件13的出射面134射出以形成激光图案。

本发明实施方式的投影模组10通过在衍射光学元件13的入射面132设置菲涅尔微结构136，可以在减少准直元件12的镜片数量的情况下达到同样的光学性能，有利于投影模组10的小型化。且在准直元件12本身材质、制作工艺等条件不变的情况下，减少了准直元件12的镜片数量，从而降低了准直元件12的成本。同时基于菲涅尔微结构136与衍射光学元件13为一体结构，使得光线位置、对齐效果更好，进一步提高了激光扩束效果和质量。

请继续参阅图3和图4，投影模组10包括光源11、准直元件12、衍射光学元件13、棱镜14、基板15和镜筒16。

基板15可以是柔性电路板、硬质电路板或软硬结合电路板中的至少一种。

镜筒16设置在基板15上并与基板15形成收容空间17，镜筒16与基板15的连接方式包括螺合、胶合、卡合等。光源11、准直元件12、衍射光学元件13和棱镜14均收容在收容空间17内。衍射光学元件13、准直元件12和棱镜14沿着出光光路依次设置。镜筒16对光源11、准直元件12、衍射光学元件13和棱镜14具有保护作用。

光源11可设置基板15上。光源11包括发光面112，激光从发光面112射出。光源11可以为边发射型激光器(例如为分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB))或垂直腔面发射器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)。光源11用于朝棱镜14发射激光。边发射型激光器作为光源11，为单点发光结构，无需设计阵列结构，制作简单，激光投射模组的光源11成本较低，而且较垂直腔面发射器而言，边发射型激光器的温飘较小。采用垂直腔面发射器作为光源11，则激光图案的不相关性会更高，有利于获取高精度的深度图像。

准直元件12设置在镜筒16上，可通过卡合、胶合等方式固定在镜筒16内。准直元件12用于准直激光。准直元件12为透镜，可以为单独的透镜，该透镜为凸透镜或凹透镜；或者准直元件12为多枚透镜，多枚透镜可均为凸透镜或凹透镜，或部分为凸透镜，部分为凹透镜。

衍射光学元件13也设置在镜筒16上并与准直元件12相对，可通过卡合、胶合等方式固定在镜筒16内。衍射光学元件13包括相背的入射面132和出射面134。入射面132与准直元件12相对并形成有菲涅尔微结构136。出射面134设置有绕射微结构138，绕射微结构138用于将准直的激光扩束以形成激光图案。菲涅尔结构一般为多个由小到大的锯齿状同心圆，需要说明的是，所刻录的同心圆纹理是根据光的干涉、衍射、相对灵敏度以及接收角要求设计的。在光学透镜聚焦或准直领域，激光的折射能量一般仅仅发生在透镜的光学表面，适当的减少透镜的部分不相干光学材料并不会影响透镜对激光的折射能量。由于衍射光学元件13的入射面132上形成有菲涅尔微结构136，可以准直元件12配合共同起到对光源11发出的激光进行准直的作用的同时，且不会影响准直后的激光的折射能量。同时基于菲涅尔微结构136与衍射光学元件13为一体结构，使得光线位置、对齐效果更好，可进一步提高了激光扩束效果和质量。本发明实施方式的菲涅尔微结构136包括第一区域1362及环绕第一区域1362的第二区域1364，第一区域1362环绕入射面132中心。第二区域1364的菲涅尔微结构136的深度较第一区域1362的菲涅尔微结构136的深度深，也即是说，第二区域1364的同心圆的高度较第一区域1362的同心圆的高度高。如此，可满足投影模组10的光学性能需求。另外，入射面132为非球面，有利于菲涅尔微结构136的制作。菲涅尔微结构136设置在衍射光学元件13的入射面132，可以在减少准直元件12的镜片数量的前提下保证良好的聚光性和成像性能，还可以在一定程度上减小准直元件12的球面像差对激光品质的影响，有利于缩短投影模组10的长度及降低准直元件12的成本。更进一步地，本发明实施方式的菲涅尔微结构136为纳米级的菲涅尔微结构136，纳米级的菲涅尔微结构136比普通的菲涅尔结构的结构更为精细，精度更高，光学性能更佳。

衍射光学元件13(Diffractive Optical Elements，DOE)是基于光的衍射原理，利用计算机辅助设计，并通过半导体芯片制造工艺，在基片上(或传统光学器件表面)刻蚀产生台阶型或连续浮雕结构(一般为光栅结构)，形成同轴再现、且具有极高衍射效率的一类光学元件。激光通过时产生不同的光程差，满足布拉格衍射条件。通过不同的设计来控制激光的发散角和形成光斑的形貌，实现激光形成特定图案的功能。本发明实施方式的衍射光学元件13的出射面134设置有绕射微结构138，绕射微结构138为多个具有一定深度的台阶(即光栅结构)，相比于一般衍射光学结构的微米级别的绕射微结构138而言，本发明的绕射微结构138为纳米级绕射微结构138，纳米级绕射微结构138均匀分布在出射面134上，从而更加精确的控制激光的发散角和形成光斑的形貌，将一束激光扩束以形成特定的激光图案。而且，纳米级别的绕射微结构138的光栅结构的密度更大，相较于一般的微米级别的绕射结构，可以将一束激光扩束为更多束激光以形成更为精细的激光图案。

棱镜14形成有反射面142并可设置在基板15上。棱镜14可以为三角形、梯形等等，在此不做限制，本发明实施方式的棱镜14为三角形棱镜。反射面142与发光面112间隔相对且互成夹角，通过控制夹角可以控制激光的反射角度。例如夹角为45度，如此，光线从发光面112射出后经过棱镜14反射，光线中的平行入射的光线经过反射面142反射后会垂直入射准直元件12，其他极少部分的未平行入射的光线先经过反射面142反射，反射后的光线未垂直入射准直元件12，这些光线在经过准直元件12准直及菲涅尔微结构136调整后与平行入射的光线一起从入射衍射光学元件13的入射面132进入衍射光学元件13内部，从而有利于激光在衍射光学元件13中进行绕射复制从而形成激光图案。另外，棱镜14可以配合光源11实现潜望式结构，有利于缩短投影模组10在出光方向上的长度。

本发明实施方式的投影模组10通过在衍射光学元件13的入射面132设置菲涅尔微结构136，可以在减少准直元件12的镜片数量的情况下，通过菲涅尔微结构136对激光进行调整以保证良好的聚光性和成像性能，还可以在一定程度上减小准直元件12的球面像差对激光品质的影响。且在准直元件12本身材质、制作工艺等条件不变的情况下，减少了准直元件12的镜片数量，从而降低准直元件12的成本。

请参阅图2至图4，光电装置100上可以形成有与相机模组20对应的采集窗口50，和与投影模组10对应的投射窗口40。投影模组10用于通过投射窗口40向目标空间投射激光图案，相机模组20用于接收经过目标物体调制后的激光图案以成像。在投影模组10发光时，光源11发射激光，激光经过棱镜14反射后入射到准直元件12，然后激光经过准直元件12准直后，再经过设置在入射面132的菲涅尔微结构136进行调整后来到衍射光学元件13的出射面134，激光经过绕射微结构138后会被扩束以形成激光图案。例如，投影模组10朝目标物体发射激光图案，该激光图案为散斑图案。相机模组20通过采集窗口50采集经目标物体调制反射回来的激光图案。处理器30与相机模组20及投影模组10均连接，处理器30用于处理上述激光图案以获得深度图像。具体地，处理器30通过将激光图案与参考图案进行比对，根据该激光图案和参考图案的差异以生成深度图像。在其他实施方式中，该激光图案为具有特定的图案即具有特定编码的编码结构光图像，这时通过提取激光图案中的编码结构光图像，与参考图案进行对比从而获取深度图像。在得到深度图像即可应用于人脸识别、3D建模等领域。

本发明实施方式的光电装置100通过在衍射光学元件13的入射面132设置菲涅尔微结构136，可以在减少准直元件12的镜片数量的情况下保证良好的聚光性和成像性能，还可以在一定程度上减小准直元件12的球面像差对激光品质的影响。且在准直元件12本身材质、制作工艺等条件不变的情况下，减少了准直元件12的镜片数量，从而降低准直元件12的成本。另外，光电装置100通过相机模组20及处理器30的配合，可以将经目标物体调制的激光图案进行接收以及处理以获取深度图像，从而可以应用在人脸识别、3D建模等领域。

在本说明书的描述中，参考术语“某些实施方式”、“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种投影模组，其特征在于，所述投影模组包括：

光源，所述光源用于发射激光；

准直元件，所述准直元件用于准直所述光源发射的激光；和

衍射光学元件，所述衍射光学元件包括相背的入射面及出射面，所述入射面与所述准直元件相对并设置有菲涅尔微结构，所述菲涅尔微结构用于与所述准直元件配合实现所述激光的准直调整，所述衍射光学元件用于接收所述准直元件准直的所述激光并将所述激光扩束以形成激光图案。

2.根据权利要求1所述的投影模组，其特征在于，所述菲涅尔微结构包括包含所述入射面中心的第一区域及环绕所述第一区域的第二区域，所述第二区域的所述菲涅尔微结构的深度较所述第一区域的所述菲涅尔微结构的深度深。

3.根据权利要求1所述的投影模组，其特征在于，所述出射面上设置有绕射微结构，所述绕射微结构用于将准直的所述激光扩束以形成激光图案。

4.根据权利要求3所述的投影模组，其特征在于，所述绕射微结构为纳米级绕射微结构并均匀分布在所述出射面上；和/或

所述菲涅尔微结构为纳米级菲涅尔微结构。

5.根据权利要求1所述的投影模组，其特征在于，所述投影模组还包括棱镜，所述棱镜用于反射所述光源发出的激光以使所述激光垂直入射到所述准直元件。

6.根据权利要求5所述的投影模组，其特征在于，所述棱镜、所述准直元件和所述衍射光学元件沿出光光路依次设置，所述棱镜包括反射面，所述光源包括发光面，所述发光面与所述反射面间隔相对并互成夹角。

7.根据权利要求1所述的投影模组，其特征在于，所述光源包括垂直腔面发射器或边发射型激光器。

8.根据权利要求1所述的投影模组，其特征在于，具有所述菲涅尔微结构的所述入射面为非球面。

9.一种光电装置，其特征在于，所述光电装置包括：

权利要求1至8任意一项所述的投影模组，所述投影模组用于朝目标物体发射激光图案；和

相机模组，所述相机模组用于接收经目标物体调制后的激光图案。

10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

壳体；和

权利要求9所述的光电装置，所述光电装置设置在所述壳体上以获取图像。

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