CN110320673B - 光学模块和用于投影的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学模块和用于投影的方法，该光学模块尤其是光学投影仪模块，所述光学模块包括：至少光源、光学透镜结构和衍射光学元件(DOE)，其中所述光学透镜结构包括至少第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组和所述第二透镜组各自包括两个透镜面，所述透镜面具有不同的光学性质，其中所述第一透镜组位于与所述光源相邻的位置。

Description

光学模块和用于投影的方法
技术领域
本发明涉及光学模块、特别是光学投影仪模块，其中该光学模块至少包括光源、光学透镜结构和衍射光学元件(DOE)。
背景技术
光学模块非常普遍地用在消费类电子装置中。例如，几乎所有当前的便携式电话和计算机都包括微型照相机模块。微型光学投影模块正越来越多地用在便携式消费类装置中以用于各种目的。
2017年，苹果公司(Apple)向其新款iPhone X添加了3D感测照相机，从而开启了移动电话行业的新纪元。3D感测照相机实现了与外部环境的真实互动，并且为您的认证、移动支付系统、增强现实和虚拟现实铺平了道路。在这样的iPhone X中，集成有五个子装置，即光谱传感器、接近传感器、泛光照明器、点阵投影仪和近红外(NIR)照相机。IR点阵投影仪是结构光“发射器”，并且在智能电话前方产生30000个红外点阵的图案，从而照亮面部，以便可以通过NIR照相机以照相方式拍摄这些面部。发射器使用四个子元件来投影其点阵，并使VCSEL激光二极管阵列、陶瓷多芯片封装、由夹持折叠光学光导的两个晶圆级透镜制成的光学器件、以及有源衍射光学元件(DOE)集合到一起。这些子元件组装成微小的棱镜光导，以获得高度仅为3.7mm的低矮的投影仪光学器件。
在US2008240502中已论述了用于三维(3D)物体的映射、并且具体是光学3D映射的系统。根据该美国公布文本，将点阵图案投影到物体上，并且处理该物体上的图案的图像以重建该物体的3D映射图。通过经由包含图案的透明正片对光辐射进行投影来创建物体上的图案。这种用于映射物体的设备包括：照明组件，其包括含有固定点阵图案的单个透明正片；光源，其被配置为用光辐射来透照单个透明正片，以便将图案投影到物体上；图像拍摄组件，其被配置为拍摄使用单个透明正片投影到物体上的图案的图像；以及处理器，其被耦接以处理图像拍摄组件所拍摄到的图像，以便重建物体的三维(3D)映射图。
WO2016195791公开了一种光学模块，其包括透明基板和安装在该基板上的折射光学元件。该光学模块包括诸如包含激光二极管或激光二极管阵列的芯片等的发射器，其中该发射器将光(其可以是可见的、红外的和/或紫外的)发射到光学模块中。光学模块中的透镜使该光准直并引导该光穿过诸如衍射光学元件(DOE)或微透镜阵列等的光学输出元件(例如，图案化元件26)，以便产生可以投影到场景上的结构光的图案。
US2009185274公开了一种用于投影图案的设备，该设备包括：第一衍射光学元件(DOE)，其被配置为使输入光束发生衍射，以在表面的第一区域上生成第一衍射图案，其中该第一衍射图案包括零级光束；以及第二DOE，其被配置为使零级光束发生衍射，以在表面的第二区域上生成第二衍射图案，使得第一区域和第二区域一起至少部分覆盖该表面。
CN107741682涉及一种光源投影装置，其包括光源、透镜系统和衍射光学元件。该中国公布文本公开了一种透镜系统，其包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中第一透镜是用于接收多个子光源所发射的阵列入射光束的双凸面透镜。第二透镜是用于将第一透镜发射的光束阵列进行扩散以提高光束宽度的双凹面透镜；并且第三透镜是具有正光焦度的弯月透镜。
US 2017/187997涉及一种投影仪，包括：激光模块，用于生成激光光束；以及晶圆级光学器件，其包括：第一基板；第一准直透镜，其制造在第一基板的第一表面上，用于接收来自激光模块的激光光束以生成准直激光光束；以及衍射光学元件，其中准直激光光束直接穿过衍射光学元件以生成投影仪的投影图像，其中衍射光学元件压印在第一基板的第二表面上，并且第二表面与第一表面相对；以及间隔件。
US 2015/097947涉及一种深度照相机系统，包括：照明模块，用于输出照射拍摄区域的结构光；图像检测器模块，该照明模块包括包含多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)的VCSEL阵列，其中各个VCSEL发射单独光束，以及其中多个VCSEL集体发射光图案；以及投影光学器件，用于接收VCSEL阵列的VCSEL所发射的光图案并投影该光图案，其中，照明模块所输出的结构光是至少部分基于投影光学器件所投影的光图案而创建的。投影光学器件包括场镜和物镜，其中场镜接收VCSEL阵列的VCSEL所发射的光束并使这些光束会聚到单个光瞳，其中位于光瞳处的物镜接收来自场镜的会聚光束并使这些光束发散以产生投影光学器件所投影的光图案。
US 2016/127713涉及一种投影系统，其被配置为沿着投影光轴发射图案光，所述投影系统包括：衍射光学元件，其具有第一刻面和第二刻面，其中该第一刻面被配置为进行扩展光学功能并且该第二刻面被配置为进行准直光学功能和图案生成功能；以及光发射器，其被配置为向着衍射光学元件发射光，其中该准直光学功能被配置为使来自光发射器的光准直，以及其中该图案生成功能被配置为复制准直光以产生图案光。由于混合光学元件的第一刻面进行扩展功能并且第二刻面进行准直功能和图案生成功能，由此增加第一刻面和第二刻面之间的间隔(例如，增加光学元件的厚度)可以提高混合光学元件的性能，这是因为该光学元件的厚度是光束发散所经过的光学长度的一部分。
EP 2 116 882涉及一种摄像镜头，其包括透镜块，所述透镜块具有：作为平面平行板的透镜基板；以及透镜，其与透镜基板的物体侧基板面和图像侧基板面至少之一相邻，并且施加正或负的光焦度，其中摄像镜头还包括用于限制光量的孔径光圈。
以本申请人的名义的WO 2012/161570涉及一种光学单元，其在从物体侧向成像面的方向观看的情况下包括第一透镜、第二透镜以及存在于第一透镜和第二透镜之间的光路中的光阑，其中距离[(顶点第一透镜)和(顶点第二透镜)]为250～650微米。
在微型光学投影模块中，尺寸使这些模块起重要作用。本发明人发现，减小微型光学投影模块的高度需要折叠光学器件以适应至少为6.5mm的总轴向长度(TAL)或总径迹长度(TTL)。
另外，在诸如使用反射镜的周视配置等的折叠结构中，衍射光学元件(DOE)和光源之间的距离受到限制。在这种情况下，值得一提的是，VCSEL光源的发散小于20度、通常小于15度。
这些使用反射镜的周视配置的另一缺点与制造过程有关。由于大小微小(特别是小于10mm)，因而发生形状控制、对准和复杂组装过程方面的严重制造问题，由此使制造过程非常昂贵。
此外，对光学模块(特别是光学投影仪模块)的技术要求是与TAL的值有关的光斑大小的质量。
发明内容
因而，本发明的目的是开发一种避免了包括棱镜和反射镜的复杂几何结构的光学模块(特别是光学投影仪模块)。
本发明的另一目的是开发一种在维持微小尺寸的同时具有高质量的光斑大小的光学模块(特别是光学投影仪模块)。
因而，本发明涉及一种光学模块、尤其是光学投影仪模块，所述光学模块包括：至少光源、光学透镜结构和衍射光学元件即DOE，其中所述光学透镜结构包括至少第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组和所述第二透镜组各自包括两个透镜面，所述透镜面具有不同的光学性质，其中所述第一透镜组位于与所述光源相邻的位置。
上述目的中的一个或多个通过这样的光学模块来实现。本光学模块的大小可以如下：约<10mm×10mm×10mm的尺寸是可以的。术语“不同的光学性质”包括形状、尺寸和材料的组中的一个或多个。例如，用于制造透镜面的材料可以是相同的，而透镜面的形状(例如，平面vs凸面、凸面vs凹面或平面vs凹面)和/或尺寸可以是不同的。要用于制造透镜面的材料的典型光学性质是例如折射率和阿贝数。在该光学模块的实施例中，存在两个或更多个折射光学元件(DOE)。
术语“所述第一透镜组和所述第二透镜组各自包括两个透镜面，所述透镜面具有不同的光学性质”是指如下的情形：对于包括两个透镜面的特定透镜组，该特定透镜组内的两个透镜面具有不同的光学性质。
在该光学模块的实施例中，所述第一透镜组包括透镜面A和透镜面B，所述透镜面A位于与所述光源相邻的位置，其中所述透镜面A是凸型透镜面并且所述透镜面B是凹型透镜面。
在该光学模块的实施例中，所述第二透镜组包括透镜面C和透镜面D，所述透镜面C位于与所述第一透镜组相邻的位置，其中所述透镜面C是凹型透镜面并且所述透镜面D是凸型透镜面。
在该光学模块的实施例中，所述轴向长度(径迹长度)可以在最大为约10mm的范围内。
在本发明的实施例中，所述光学模块包括光学透镜结构，其中存在第三透镜组，所述第三透镜组包括每两个透镜面，所述透镜面具有不同的光学性质。
在这样的光学模块的实施例中，第三透镜组包括透镜面E和透镜面F，其中透镜面F位于与所述衍射光学元件(DOE)相邻的位置。
在光学模块的实施例中，所述光学透镜结构包括凸面型的透镜面A、凸面型的透镜面B、凹面型的透镜面C、凸面型或平面型的透镜面D、凸面型或平面型的透镜面E、以及凸面型的透镜面F。
在该光学模块的实施例中，透镜面所使用的聚合物材料的折射率(n)的范围在1.45～1.6之间。
在该光学模块的另一实施例中，透镜面所使用的聚合物材料的折射率(n)的范围在1.6～1.8之间。
在该光学模块的实施例中，透镜面A、透镜面B、透镜面C和透镜面D的折射率(n)值是相同的、即在聚合物材料的标准公差内的值。
在该光学模块的实施例中，透镜面A、透镜面B、透镜面C、透镜面D、透镜面E和透镜面F的折射率(n)值是相同的、即在聚合物材料的标准公差内的值。
在光学模块的实施例中，光源选自以下类型的组：诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)等的半导体激光二极管、以及单个任何其它相干光源或多个任何其它相干光源(任何其它相干光源阵列)。
在光学模块的实施例中，所述透镜组各自是根据复制技术制造的。这种制造方法使用晶圆级复制技术。本透镜优选是通过复制技术粘合在一起的(例如，根据WO2009048320 Al所制造的)相邻透镜元件的组。WO 2009048320的内容被视为整体并入本文。
在光学模块的实施例中，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第三透镜组内的至少一个透镜元件的厚度在约50微米～约400微米的范围内，其中所述厚度由穿过透镜组的光线的最短路径来确定。厚度是根据光轴从顶点起直到基板为止。如这里在本上下文中使用的术语“透镜元件”是指透镜面。换句话说，透镜元件是具有光学功能(即，透镜功能)的元件，其中这种光学功能通过透镜面来获得。因而，透镜面可被视为透镜元件的一部分。
在光学模块的实施例中，特别是在光学透镜结构中，存在一个或多个附加层，所述一个或多个附加层选自以下组：集成中间基板、IR滤波器、UV滤波器、孔径和光阑、或者它们的组合。
基板材料的示例是玻璃。这种玻璃基板的厚度等于或小于1.5mm，优选等于或小于0.5mm，并且这种玻璃基板的厚度等于或大于0.1mm，优选等于或大于0.25mm。在根据复制技术制造了透镜组的情况下，优选使用基板材料。玻璃基板所使用的材料的折射率(n)的范围约为1.52。
透镜组的材料优选选自UV可固化聚合物的组，优选环氧型聚合物、丙烯酸型聚合物和尼龙型聚合物的组。对于高折射率应用，可以使用：包含诸如五溴苯基甲基丙烯酸酯、三溴苯氧基乙基丙烯酸酯、苯硫基乙基丙烯酸酯、双(甲基丙烯酰基硫代苯基)硫醚、以及聚氨酯甲基丙烯酸酯等的含杂原子(氮、磷、卤素、硫)的光聚合物；以及高折射率纳米粒子(例如，TiO2、Sb2O4)改性的光聚合物。
本发明还涉及一种用于投影的方法，所述方法包括：引导所输入的辐射光束穿过如以上论述的光学模块，其中所述衍射光学元件(DOE)被配置为生成各个光束角度的多个衍射图案，其中各所述衍射图案包括与输出光束中的相应输出光束的各个衍射级相对应的一组光斑，并且将包括所述光斑的各个衍射图像投影到空间中的区域上。
在从属权利要求中构想了本发明的优选实施例。
附图说明
将通过使用附图和实施例来说明本发明。
图1示出光学模块的实施例的布局。
图2示出在700mm距离处的光斑图。
图3示出光学模块的实施例的布局。
图4示出在700mm距离处的光斑图。
图5示出光学模块的实施例的布局。
图6示出在700mm距离处的光斑图。
图7示出光学模块的实施例的布局。
图8示出在700mm距离处的光斑图。
图9示出投影组件的示意侧视图。
具体实施方式
图1和图3分别示出光学模块100、300的实施例的布局，该光学模块100、300包括光源1和衍射光学元件4(DOE)、以及位于光源1和衍射光学元件4(DOE)之间的光学透镜结构。光源所发射的光穿过光学透镜结构并到达衍射光学元件4。图1和图3均分别示出穿过光学模块100、300的光线的路径。光学透镜结构包括第一透镜组2和第二透镜组3。第一透镜组2包括透镜面7和透镜面8。第二透镜组3包括透镜面12和透镜面11。第一透镜组2包括设置有透镜面7的基板5和设置有透镜面8的聚合物层6。透镜组3在其一侧包括设置有透镜面11的基板9，并且在其另一侧包括设置有透镜面12的聚合物层10。第一透镜组2中的透镜面7、8具有不同的光学性质，并且第二透镜组3中的透镜面12、11具有不同的光学性质。
图2示出利用根据图1的光学模块100获得的在700mm距离处的光斑图。图2涉及聚合物材料的折射率为1.55。从图2可以看出，在700mm处，光斑的能量集中度的90％在直到0.55mm的物体的范围中位于284～813微米之间的半径。
图4示出利用根据图3的光学模块300获得的在700mm距离处的光斑图。图4涉及聚合物材料的折射率为1.68。从图4可以看出，在700mm处，光斑的能量集中度的90％在直到0.55mm的物体的范围中位于213～367微米之间的半径。
图5和图7分别示出光学模块500、700的实施例的布局，该光学模块500、700包括光源1和衍射光学元件4(DOE)、以及位于光源1和衍射光学元件4(DOE)之间的光学透镜结构。光源所发射的光穿过光学透镜结构并到达衍射光学元件4。图5和图7均分别示出穿过光学模块500、700的光线的路径。光学透镜结构包括第一透镜组50、第二透镜组51和第三透镜组52。第一透镜组50包括透镜面53和透镜面54。第二透镜组51包括透镜面57和透镜面58。第三透镜组52包括透镜面59和透镜面60。第一透镜组50包括设置有透镜面53和透镜面54的基板62。第二透镜组51包括设置有透镜面58的基板56，其中基板56在其另一侧设置有聚合物层55，该聚合物层55设置有透镜面57。第三透镜组52包括一侧设置有透镜面59且另一侧设置有透镜面60的基板61。各个透镜组内的透镜面53、54、57、58和59、60具有不同的光学性质。例如，第一透镜组50中的透镜面53、54、第二透镜组51中的透镜面57、58和第三透镜组52中的透镜面59、60分别具有不同的光学性质。
图6示出利用根据图5的光学模块500获得的在700mm距离处的光斑图。图6涉及聚合物材料的折射率为1.55。从图6可以看出，在700mm处，光斑的能量集中度的90％在直到0.55mm的物体的范围中位于104～182微米之间的半径。
图8示出利用根据图7的光学模块700获得的在700mm距离处的光斑图。图8涉及聚合物材料的折射率为1.68。从图8可以看出，在700mm处，光斑的能量集中度的90％在直到0.55mm的物体的范围中位于35～122微米之间的半径。
图9示出投影组件的示意侧视图，其中使用根据图7的光学模块。光源1所发射的光穿过光学透镜结构50、51和52并到达衍射光学元件4。衍射光学元件4将包括光斑的各个衍射图像91投影到空间90中的区域上。
在以下的表1中，示出与相关的图1、图2、图3和图4相对应的结果。
本发明人发现，通过包括三个透镜组的光学模块，可以获得对总轴向长度小于10mm的光斑直径(能量集中度距离)的非常有益的效果。在这种情况下，本发明人发现，通过包括三个透镜组和具有高折射率材料(1.6<n<1.8)的透镜面的结构获得了最优选结果(参见图7)，其中能量集中度距离在35～122微米的范围内。在这种情况下，本发明人发现，通过包括三个透镜组和具有正常折射率材料(1.4<n<1.6)的透镜面的结构获得了优选结果(参见图5)，其中能量集中度距离在104～182微米的范围内。在这种情况下，本发明人发现，通过包括两个透镜组和具有高折射率材料(1.6<n<1.8)的透镜面的结构获得了可接受结果(参见图3)，其中能量集中度距离在284～367微米的范围内。在这种情况下，本发明人发现，通过包括两个透镜组和具有正常折射率材料(1.4<n<1.6)的透镜面的结构获得了不可接受结果(参见图3)，其中能量集中度距离在204～806微米的范围内。基于上述，质量标准可以基于能量集中度距离的值而被量化为：最佳结果(小于或等于100微米)、良好结果(小于或等于200微米)、可接受结果(小于或等于400微米)和不可接受结果(大于或等于400微米)。
表1：光斑图的数据
本光学模块可以用在投影组件(例如，如在US 2017/116757的图2中示出的投影组件)中。该图2是投影组件的示意侧视图，所述组件包括诸如激光二极管等的光源，其中该光源将所输入的(可能是准直的)辐射光束经由光学器件生成并投影到表面上。该光学器件在该表面上生成图案。本光学模块可以用作如在US 2017/116757的图2中示出的投影组件中使用的光学器件。在本投影组件的实施例中，选择发散角度和扇出角度，使得图案的多个相邻实例覆盖该区域。在一个这样的实施例中，图案的各实例的发散角度为2βTile，相邻实例之间的扇出角度为βFO，并且选择发散角度和扇出角度，使得sin(βFO)＝2sin(βTile)。
通过光线追踪(例如，Zemax)软件来获得用于光学元件和模拟以及用于DOE元件的光学功能的光学设计。这些计算提供针对所公开的要制造的透镜元件的形状和位置的输入。以下的Zemax表提供了再现在本发明的实施例中公开的光学面所需的参数。在US20170116757和US9740019中公开了用于设计光源阵列以及用于相关的DOE元件的设计规则和方法。使用特定软件来设计DOE元件的光学面的形状。可以通过诸如注塑成型等的成型技术、玻璃加工并且优选通过晶圆级复制和堆叠技术来制造光学元件和DOE元件。
用于图7所示的实施例的光学表
表面数据详情：
以上所示的透镜编号对应于图7，即分别如下：透镜1对应于附图标记53，透镜2对应于附图标记54，透镜3对应于附图标记57，透镜4对应于附图标记58，透镜5对应于附图标记59，透镜6对应于附图标记60。
在图7中提到的附图标记以及在Zemax面中提供的信息如下。
图7中的附图标记 Zemax面(表2)
53 2(透镜1)
54 7(透镜2)
57 8(透镜3)
58 11(透镜4)
59 12(透镜5)
60 17(透镜6)

Claims (15)

1.一种光学模块，所述光学模块包括：
至少光源、光学透镜结构和衍射光学元件，其中所述光学透镜结构由第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组组成，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第三透镜组各自包括两个透镜面，所述透镜面具有不同的光学性质，其中所述第一透镜组位于与所述光源相邻的位置，
其中，所述第一透镜组包括透镜面A和透镜面B，所述透镜面A位于与所述光源相邻的位置，其中所述透镜面A是凸型透镜面并且所述透镜面B是凸型透镜面，
其中，所述第二透镜组包括透镜面C和透镜面D，所述透镜面C位于与所述第一透镜组相邻的位置，其中所述透镜面C是凹型透镜面并且所述透镜面D是凸型透镜面或平面型透镜面，以及
其中，所述第三透镜组包括透镜面E和透镜面F，所述透镜面F位于与所述衍射光学元件相邻的位置，所述透镜面E是凸型或平面型透镜面，所述透镜面F是凸型透镜面。
2.根据权利要求1所述的光学模块，其中，所述光学模块是光学投影仪模块。
3.根据权利要求1或2所述的光学模块，其中，所述透镜面使用聚合物材料制成。
4.根据权利要求1或2所述的光学模块，其中，轴向长度或径迹长度最多为10mm。
5.根据权利要求1或2所述的光学模块，其中，所述至少光源选自以下类型的组：半导体激光二极管、以及单个相干光源或相干光源阵列。
6.根据权利要求5所述的光学模块，其中，所述半导体激光二极管包括垂直腔面发射激光器。
7.根据权利要求1或2所述的光学模块，其中，各所述透镜组是根据复制技术而制造的。
8.根据权利要求1所述的光学模块，其中，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第三透镜组内的至少一个透镜元件的厚度在50微米～400微米的范围内，其中所述厚度由穿过透镜组的光线的最短路径来确定。
9.根据权利要求1或2所述的光学模块，其中，在各透镜组中的一个或多个中，存在一个或多个附加层，所述一个或多个附加层选自以下组：集成中间基板、IR滤波器、UV滤波器、孔径和光阑、或者它们的组合。
10.根据权利要求8所述的光学模块，其中，各所述透镜元件的材料选自UV可固化聚合物的组。
11.根据权利要求10所述的光学模块，其中，所述UV可固化聚合物的组是环氧型聚合物、丙烯酸型聚合物以及尼龙型聚合物的组。
12.根据权利要求1或2所述的光学模块，其中，所述光学性质选自以下组：形状、尺寸和材料、或者它们的组合。
13.根据权利要求1或2所述的光学模块，其中，所述透镜面由折射率在1.6～1.8的范围内的材料制成。
14.根据权利要求1或2所述的光学模块，其中，所述透镜面由折射率在1.4～1.6的范围内的材料制成。
15.一种用于投影的方法，所述方法包括：
引导所输入的辐射光束穿过根据权利要求1至14中任一项所述的光学模块，其中所述衍射光学元件被配置为生成各个光束角度的相应的多个衍射图案，其中各所述衍射图案包括与输出光束中的相应输出光束的各个衍射级相对应的一组光斑，并且各所述衍射图案将包括所述光斑的各个衍射图像投影到空间中的区域上。
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