CN110389456A - 衍射光学元件和结构光投影装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种衍射光学元件，该衍射光学元件包括多个晶片、间隔件和除水部。在至少一个晶片上形成一个或多个衍射光学机构。间隔件设置在多个晶片之间，以限定用于容纳一个或多个衍射光学机构的空腔。除水部去除一个或多个衍射光学机构中的水。本申请还提供了采用上述衍射光学元件的结构光投影装置以及具有该结构光投影装置的装置。
Description
技术领域
本申请涉及一种衍射光学元件，具体地，本申请涉及一种防水的衍射光学元件、配置有该衍射光学元件的结构光投影装置、配置有该结构光投影装置的深度相机以及配置有该深度相机的电子设备。
背景技术
本领域众所周知的是，深度相机可以获取拍摄目标的深度信息，从而能够实现3D扫描、成像、建模等功能。深度相机技术日趋完善，逐渐受到各个行业的重视，开始出现在大量的电子设备上，带给人们更好的拍摄体验。
作为深度相机的重要构成部件，结构光投影装置的功能直接影响整个深度相机的功能，例如结构光投影模组投影效果差，会导致整个深度相机成像质量差。
在结构光装置的领域中，结构光投影装置是结构光装置中的重要部件。衍射光学元件和光源是结构光投影装置中重要的元件，其对材料和制造过程的要求很高。然而，在制造过程中会有微量的水汽进入到衍射光学元件的微结构与玻璃基材中的区域中，而非常精细的衍射图案的有效表面上附着有少量水分或其他污染物会导致精细衍射图案发生改变，并且可能降低衍射光学元件的效率，从而造成衍射光学元件由于存在水汽而造成光学性能的改变。同时，这种改变会引起安全问题，例如，由于暴露于偏转的激光而导致眼睛受伤和/或系统性能降低，还可由于光线聚焦而损害眼睛。因此，不论是在工艺流程中，还是在使用过程中，尽可能地排除存的水分或者污染物都是很重要的。
为了解决该问题，本领域已知的一些密封方法通常在300℃或更高的温度下应用密封，也可采用低温气密密封的方式。
因此，现在市场需要能够解决水汽问题的光学衍射元件。
发明内容
本申请旨在提供一种具有防水功能的衍射光学元件、配置有该衍射光学元件的结构光投影装置、配置有该结构光投影装置的深度相机以及配置有该深度相机的电子设备。
根据本申请的一个实施方式，提供了一种衍射光学元件。该衍射光学元件可包括多个晶片、间隔件和除水部。在至少一个晶片上可形成一个或多个衍射光学机构。间隔件可设置在多个晶片之间，以限定用于容纳一个或多个衍射光学机构的空腔。除水部可去除一个或多个衍射光学机构中的水。
根据本申请的实施方式，除水部可包括填充在一个或多个衍射光学机构内的透明吸水物质。该透明吸水物质在吸收水后，会导致光学性能的改变，从而削弱光线的能量，以尽量避免对人眼造成的损伤。
根据本申请的实施方式，除水部可包括用于使一个或多个衍射光学机构内的水汽凝结的凝结粒子。该凝结粒子能够使气态水在凝结粒子处液化(凝结成液态水)，限制水汽液化的区域，从而使该液化的区域受控，以使得不会因为水汽在不期望的位置液化而造成危害。
根据本申请的实施方式，除水部可包括第一电路，第一电路可位于一个或多个衍射光学机构的两侧，并对一个或多个衍射光学机构内的液态水进行电解。该第一电路是透明的，例如ITO膜等位置均采用电阻元件作为电极，因此能够作为电解水的阴阳电极。
根据本申请的实施方式，除水部可包括第二电路，第二电路位于一个或多个衍射光学机构内的部分可包括电阻，电阻在通电后变热以蒸发存留在所述衍射光学机构内的水。
根据本申请的实施方式，除水部可包括设置在间隔件中的微小通孔，以通过毛细现象来排除一个或多个衍射光学机构内的水，并防止外部水进入一个或多个衍射光学机构。
根据本申请的实施方式，微小通孔的直径可为10nm—10um。
根据本申请的实施方式，除水部可包括凹陷部，凹陷部位于一个或多个衍射光学机构处的晶片的侧表面上，以实现对部分光线的分散，晶片的该侧表面靠近外部。
根据本申请的实施方式，凹陷部可设置在一个或多个衍射光学机构的射出光路之外。
根据本申请的实施方式，凹陷部上可设置有凝结核粒子，凝结核粒子使水汽在凹陷部中液化以防止光线聚焦。
根据本申请的实施方式，晶片上衍射光学机构两侧可设置有凝结核粒子，该凝结核粒子使水汽在衍射光学机构两侧处液化，以减少能够直接影响衍射光学性能的衍射光学机构上的液态水，从而降低对人眼的影响。相应地，在衍射光学机构两侧与凝结核粒子相对应的位置设置电路以实现电解或加热汽化。
根据本申请的实施方式，间隔件可为防水透气间隔件。
根据本申请的一个实施方式，提供了一种结构光投影装置。该结构光投影装置可包括光源、准直透镜部和衍射光学部。准直透镜部可位于光源所发出的光线的光路上，将光源所发出的光线准直为平行光束。衍射光学部可对来自准直透镜部的平行光束进行衍射，并可包括上述实施方式中所述的衍射光学元件。
根据本申请的一个实施方式，提供了一种深度相机。该深度相机可包括上述实施方式中所述的结构光投影装置。
根据本申请的一个实施方式，提供了一种电子设备，该电子设备可包括上述实施方式中所述的深度相机。
根据本申请的实施方式，电子设备可为手机、平板、电脑、电子书阅读器等。
附图说明
通过参照以下附图进行的详细描述，本申请的实施方式的以上及其它优点将变得显而易见，附图旨在示出本申请的示例性实施方式而非对其进行限制。在附图中：
图1示出了包括根据本申请的衍射光学元件的实施例1的集成光学模块的示意性剖视图；
图2示出了根据本申请的衍射光学元件的实施例2的形成过程的示意性剖视图；
图3示出了根据本申请的衍射光学元件的实施例3的形成过程的示意性剖视图；
图4示出了根据本申请的衍射光学元件的实施例4的形成过程的示意性剖视图；
图5示出了根据本申请的衍射光学元件的实施例5的形成过程的示意性剖视图；
图6示出了根据本申请的衍射光学元件的实施例6的形成过程的示意性剖视图；
图7是根据本申请的衍射光学元件的实施例的示意性剖视图，示出了防水透气间隔件的口径或排水通道；
图8是根据本申请的衍射光学元件的实施例的沿线A-A示意性剖视图，示出了凹陷机构使水液化的效果；以及
图9示出了图2至图6中叠加晶片之前的晶片的实施例的示意性剖视图。
具体实施方式
为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。
本文使用的术语是为了描述特定示例性实施方式的目的，并且不意在进行限制。当在本说明书中使用时，术语“包含”、“包含有”、“包括”和/或“包括有”指定所述特征、整体、元件、部件和/或它们的组的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、元件、部件和/或它们的组合的存在。
本文参考示例性实施方式的示意图来描述示例性实施方式。本文公开的示例性实施方式不应被解释为限于区域的具体示出的形状，而是包括能够实现相同功能的各种等效结构以及由例如制造产生的形状偏差。附图中所示的位置本质上是示意性的，并且它们的形状并不旨在示出装置的实际形状，并且不旨在进行限制。
除非另有限定，否则本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属技术领域的普通技术人员的通常理解相同的含义。诸如常用词典中定义的术语应被解释为具有与其在相关领域的语境下的含义一致的含义，并且将不以理想化或过度正式的意义来解释，除非本文明确地如此定义。
以下对本申请的特征、原理和其他方面进行详细描述。
本申请提供了一种衍射光学元件。该衍射光学元件可包括多个晶片、间隔件和除水部。在至少一个晶片上可形成一个或多个衍射光学机构。间隔件可设置在多个晶片之间，以限定用于容纳一个或多个衍射光学机构的空腔。除水部可去除一个或多个衍射光学机构中的水。
在示例性实施方式中，除水部可包括填充在一个或多个衍射光学机构内的透明吸水物质。
在示例性实施方式中，除水部可包括用于使一个或多个衍射光学机构内的水汽凝结的凝结粒子。
在示例性实施方式中，除水部可包括第一电路，第一电路可位于一个或多个衍射光学机构的两侧，并对一个或多个衍射光学机构内的液态水进行电解。
在示例性实施方式中，除水部可包括第二电路，第二电路位于一个或多个衍射光学机构内的部分可包括电阻，电阻在通电后变热以蒸发存留在衍射光学机构内的水。
在示例性实施方式中，除水部可包括设置在间隔件中的微小通孔，以通过毛细现象来排除一个或多个衍射光学机构内的水，并防止外部水进入一个或多个衍射光学机构。
在示例性实施方式中，微小通孔的直径可为10nm—10um。
在示例性实施方式中，除水部包括凹陷部，凹陷部位于一个或多个衍射光学机构处的晶片的侧表面上以实现对部分光线的分散，晶片的侧表面靠近外部。。
在示例性实施方式中，凹陷部可设置在一个或多个衍射光学机构的射出光路之外。
在示例性实施方式中，凹陷部上可设置有凝结核粒子，凝结核粒子使水汽在凹陷部中液化以防止光线聚焦。
在示例性实施方式中，间隔件可为防水透气间隔件。
在示例性实施方式中，提供了一种结构光投影装置。该结构光投影装置可包括光源、光源、准直透镜部和衍射光学部。准直透镜部可位于光源所发出的光线的光路上，将光源所发出的光线进行准直为平行光束。衍射光学部可对来自准直透镜部的平行光束进行衍射，并可包括上述实施方式中所述的衍射光学元件。
在示例性实施方式中，提供了一种深度相机。该深度相机可包括上述实施方式中所述的结构光投影装置。
在示例性实施方式中，提供了一种电子设备，该电子设备可包括上述实施方式中所述的深度相机。
在示例性实施方式中，该电子设备可为手机、平板、电脑、电子书阅读器等。
下面参照图1至图8进一步描述可适用于上述实施方式的衍射光学元件的具体实施例。在以下实施例中，光学衍射元件的制造过程中所使用的原材料为晶片。使用晶圆级光学元件制造工艺在晶片上制造出多个衍射光学元件堆栈，然后切割成单个衍射光学元件。晶片可为正方形和圆形，并且可具有任何其他合适尺寸，例如，边长为150mm到200mm的正方形，或直径为150mm到200mm的圆形。晶片可由任何适当材料制成，例如，玻璃、亚克力等。在以下实施例中，光学衍射元件的制造过程中均使用一对晶片。
实施例1
图1示出了包括根据本申请的衍射光学元件的实施例1的集成光学模块的示意性剖视图。
如图1所示，该集成光学模块为结构光投影装置1。结构光投影装置1包括光源20、准直透镜部30和衍射光学部40。
光源20包括相干或非相干固态光源发射器。图1中以实线示意性地示出了由光源20发出的光线。光源20安装到提供机械性能和电学性能的基板50上。光源20可例如为垂直腔面发射激光器(VCSEL)或边发射光源，诸如GaAs激光二极管，其平行于基板50或垂直于基板50面发射光线。另外，光源20也可以按照光学设计相对于基板50成所需角度来发射光线。在例如结构光(structured light)装置、飞行时间(TOF、Time Of Flight)装置中，光源20发射人眼可见的波段外的光线，诸如波长为940nm的红外线、波长1000nm的光线作为检测用的光线。
准直透镜部30位于光源20所发出的光线的光路上，将光源20所发出的光线准直为平行光束。具体而言，准直透镜部30收集光源20发射的光线，并对光源20发射的光线进行准直。然后，引导经过准直的光线穿过衍射光学部40。
衍射光学部40对来自准直透镜部30的平行光束进行衍射。衍射光学部40包括衍射光学元件41(DOE)，也可称为DOE(Diffractive Optical Elements)组件和衍射光学组件。如图1所示，衍射光学元件41包括一对晶片42，在该对晶片42中形成的腔45内设置有一个或多个衍射光学机构43，该衍射光学机构43对从准直透镜部30出射的光束进行定制化，即，以近场衍射理论和远场衍射理论为基础，功能上以对光线进行造型，例如，对光线进行扩散、对光线进行整形、对光线进行互联操作、通过衍射元件所具有的衍射微光学变换效应，生成在可见光、红外等光学图像。本领域的技术人员应该知道以衍射光学理论为基础进行功能拓展的元件均落在本发明的范围内。
该一个或多个衍射光学机构43形成在一对晶片42中的至少一个晶片上。在一些实施方案中，通过在沉积在晶片中的一个晶片42上的例如环氧聚合物层的聚合物层中，通过模制来复制衍射图案来制备衍射光学机构43。
另外，在晶片42之间设置间隔件44，以在一对晶片42之间形成腔45，以便形成DOE组件。在一些实施方案中，只在一个晶片42形成衍射光学机构43就能满足需求。间隔件44通常和晶片42一起进行切割。
在本实施例中，基板50被实施为线路板等，以便提供机械性能和光学性能。
在本实施例中，结构光投影装置1还包括支承架60。支承架60用于为准直透镜部30和衍射光学部40提供支承。
衍射光学部40的工作原理例如为将光线投射到场景的一个或多个对象上，光从对象反射到一个或多个传感器，以便形成对象的一组三维和/或二维的映射。
另外，可利用间隔部将衍射光学部40、光源20、准直透镜部30等安装至支承架60和基板50。值得注意的是，本实施例中的衍射光学元件41的基础结构为旨在描述工作原理的基础元件，仅为示例。根据本申请的衍射光学元件41还可在不同的应用中使用，例如分束器、光纤应用、图案发生器和各种投影应用。
本实施例中的衍射光学元件41还可包括用于电解水的电解电路(未示出)。例如，在采用包括可溶性核的凝结核凝结水汽后，通过设置在衍射光学元件41两侧的电解电路实现对该液态水的电解。电解后的水变成氢气和氧气，氢气和氧气均为无色透明气体，因而不会对衍射光学元件41的性能造成不良影响。在该实施例中，可以使用任意合适的公知电解电路。
该电解电路的电压为1.5v即可完成工作需求，且满足安全要求。
由于在衍射光学元件41的两个晶片42之间可通过ITO镀膜、LDS电路、线路板引脚的方式来实现将正负极交错地排开，所以该电解电路可在使用时处于下侧，其中，下侧指的是重力方向上的定位。因此，在通过该电解电路实现了正负极分别对应凝结后的水后，正负极区域附件的水在电解的作用下从水变成气体。另外，由于在液态水变成气体后，凝结粒子会受到水电解后气体的向下作用力，从而将凝结粒子重新置于衍射光学元件41的晶片42的表面。
本实施例中的衍射光学元件41还可包括用于蒸发水的电阻电路(未示出)。该电阻电路通过电阻的加热对液化后的水进行加热，从而使水蒸发为水蒸气，使得不会影响衍射光学元件41的性能。另外。由于在水蒸发后凝结核粒子会受到其他向下的冲击力，凝结核粒子会重新置于衍射光学元件41的晶片42的表面。可使用任意公知的电阻电路对液化后的水进行加热。
本实施例中的衍射光学部40包括如下各实施例所述的衍射光学元件41。
实施例2
以下参照图2来描述本申请的衍射光学元件41的实施例2。为清晰起见，附图中仅示出了单个衍射光学元件41。
为了更清楚地描述根据本申请的衍射光学元件41，图2中示出了根据本申请的衍射光学元件41的实施例2的形成过程，该过程包括以下步骤：
步骤1：选用一个晶片42，在本实施例中，该晶片42由玻璃制成。
为了清楚地示意，在图2至图8中仅示出了晶片42的一部分。在实际工艺中，该晶片42实际包括图中所示部分的周期性二维阵列。
该晶片42可以是正方形等规则阵列图形，其边长在150mm至200mm的范围内或任何其他合适的尺寸。另外，该晶片42可具有直径在上述范围内的圆形形状。该晶片42的厚度为大约100μm-1000μm。在其他实施例中，晶片42可具有其他合适的形状、尺寸和/或厚度，以满足器件规范和/或基础制造技术的要求。
步骤2：在晶片42的中心区域蚀刻深度为约20μm-100μm的腔45。因而，经蚀刻的晶片42具有厚度为20μm-100μm的环形凸台46。该环形凸台46作为间隔部，为下文所述的一对晶片提供连接面，以便在晶片42之间形成空腔45，该空腔45有足够的空间容纳衍射光学机构43以及其他组成部件。
步骤3：采用上文所述的复制技术，在晶片42中的腔45内的水平表面上模制出一个或多个衍射光学机构43，即，在晶片42的水平表面上的开口处形成一个或多个衍射光学机构43。
步骤4：在位于衍射光学机构43与环形凸台46之间的区域内，在腔45内的水平表面上蚀刻出深度为约10um-180um的侧部区域47。
步骤5：在步骤4中蚀刻出的侧部区域47中沉积金属层48，通过涂覆导电聚合物或溅镀ITO膜的方式，形成电极或者电阻，以用于后面所述的电解水或者加热汽化水过程。
在本实施例中，衍射光学元件41的蚀刻出的侧部区域47中通过导电的电解电路来实现对液体水的电解。
在该实施例中，电解电路为包括正极板和负极板的电路。一个晶片42上设置有正极和负极，从而通过电解将正极和负极之间的液态水转化为氧气和氢气。
在其他实施例中，电解电路还可为两个晶片42分别包括电解电路中的正极板和负极板。一对晶片42中的一个晶片42上设置有正极板，而另一晶片42上则设置有负极板，从而通过电解将正极板和负极板之间的液态水转化为氧气和氢气。
步骤6：以掺杂的方式，在晶片42表面的电极的附近设置凝结核粒子49。
具体来说，在衍射光学结构43的侧部区域47填充凝结核粒子49。该凝结核粒子49设置成使得水汽在进入衍射光学元件41后凝结成水。该凝结核粒子49能够吸收大量水汽，从而保证其余位置处的环境的干燥。
该凝结核粒子49可例如为可溶性核、不溶于水但表面能为水所湿润的凝结核或其混合体。可溶性核可例如为NaCl、MgCl2和MgSO4。另外，燃煤过程中产生的Na2SO4等也都是性质活跃的凝结核。不溶于水但表面能为水所湿润的凝结核可例如为CaCO3。对于可溶性核和不溶于水但表面能为水所湿润的凝结核的混合体，每个凝结核同时含有可溶成分与不可溶成分。例如，某种气体溶入云滴后，由化学反应生成可溶性盐类，随后水分蒸发，残留的盐类结晶附着于云滴中不可溶核上。本发明中，采用不溶于水的凝结核例如CaCO3，该种凝结核不溶于水，在每次使得水汽液化成固定位置的时候。当然凝结核粒子49优选以掺杂的方式掺杂在元件表面。因而能够每次只在表面进行水汽的凝结。
另外，以游离的方式设置凝结核粒子49，即不与元件表面掺杂，该种方式考虑到游离性的凝结核粒子49会有随着环境的变化而造成位置的不固定，从而容易造成凝结核粒子49随着环境的抖动而进入衍射机构中，损坏性能。
为了清晰示出凝结层和电极层，在图1和图2中分别采用上下层来示出凝结层和电极层。经过该步骤后，所得产物已能实现基础的光学元件的功能，且设置有除水部进行水的液化。
步骤7：在另一相同晶片42上重复步骤1至步骤6，以获得具有相同结构的另一晶片42，并对这两个晶片42进行定位以使其对齐。
步骤8：对该对晶片进行键合。该键合过程可使用激光辅助焊接技术。
具体地，焊接激光仅加热该对晶片42表面之间的界面，以使该对晶片42的其他区域保持相对较低的温度，从而使DOE组件在整个焊接过程期间保持为室温(例如，25℃)。
应注意的是，在键合步骤前，应把上述导电机构的电路从腔45内引出至外部，从而控制腔45内的电阻、电极以汽化水的操作。在步骤6中无需执行该操作。
该键合过程也可采用如下所述通过在晶片42上设置有间隔件44的方式来实施。
步骤9：在位于两个相邻腔45之间的切割区域70处切割已键合的一对晶片，以便产生DOE组件的多个单个气密组件的阵列。
具体地，在切割区域70上使用任何合适的切割技术切割该衍射光学元件41堆栈，以形成多个衍射光学元件41的堆栈单元。每个衍射光学元件41的堆栈均包括密封的封装，该封装保护了位于腔45中的衍射光学机构43不受湿气或污染物的影响。
实施例3
以下参照图3来描述本申请的衍射光学元件41的实施例3。为清晰起见，附图中仅示出了单个衍射光学元件41。
为了更清楚地描述根据本申请的衍射光学元件41，图3中示出了根据本申请的衍射光学元件41的实施例3的形成过程。
在本实施例3中描述的衍射光学元件41的形成过程与实施例1中描述的衍射光学元件41的形成过程类似。为了简洁起见，将省略与实施例1相似的步骤的描述。
在实施例3中，在步骤7中采用另一晶片71与步骤6的晶片42对齐。该另一晶片71为平坦晶片，未经过实施例1中的步骤1至步骤6的处理。
在步骤9中，在对晶片42进行切割之前，通过蚀刻的方式，在该另一晶片71的上表面上生成凹陷部72。该凹陷部72设置成使得水滴的表面张力区域收缩至最小的表面积，因而能够将液体的至少部分表面沿着凹陷部72形成有平面的液体表面，从而尽可能降低汇聚光线的可能性。凹陷部72优选设置在另一晶片71由光源发出的光线并通过衍射光学结构43后不经过另一镜片71的区域，从而防止凹陷部72对于光线造成干扰的可能性。
该凹陷部72上设置有凝结核粒子49，凝结核粒子49使水汽在凹陷部72中液化。
该凹陷部72设置成使得水滴的表面张力区域收缩至最小的表面积，因而能够将液体的至少部分表面沿着凹陷部72形成有平面的液体表面，从而尽可能降低汇聚光线的可能性。
具体地，图3示出了具有凹陷部72的衍射光学元件41中未填充凝结的水的视图。其中，凹陷部72可位于衍射结构的两侧，即，光学元件的基底上。在单层衍射元件的情况下，凹陷部72位于晶片71的外表面上。
表面张力会使水滴的向表面积最小的趋势收缩，而球是体积相同时表面积最小的形状。重力使这个球形成非正圆。如果在真空状态下,水滴是完美的球体。而这部分对于衍射光学元件41的光学性能就能改变，从而在水汽凝结后会使部分光线进行聚焦，从而造成光线能量的聚焦，因此影响到使用者的安全。
在该种方式下，尽管由于水存在表面张力，水的整体尺寸保持了有一尽可能平整出射面的方式，因此该种方式下水汽凝结后的衍射光学元件41并不直接对该光线进行聚焦，从而影响到使用安全。
实施例4
以下参照图4来描述本申请的衍射光学元件41的实施例4。为清晰起见，附图中仅示出了单个衍射光学元件41。
为了更清楚地描述根据本申请的衍射光学元件41，图4中示出了根据本申请的衍射光学元件41的实施例4的形成过程。
在本实施例4中描述的衍射光学元件41的形成过程与实施例1中描述的衍射光学元件41的形成过程类似。为了简洁起见，将省略与实施例1相似的步骤的描述。
在实施例4中，与实施例2不同的是，在步骤2中，在晶片42的两端形成间隔件，而不是在晶片42上进行蚀刻。该间隔件通过在晶片42的两端沉积金属层75、蒸镀金属层75等方式形成。例如，在晶片42之间插入间隔件。间隔件上在与边缘的金属层75处相对应的位置处镀有金属层(未示出)，使其包围间隔件。该金属层75上进一步加工有金属膜层(未示出)。该金属膜层用于键合过程。
在一些实施例中，在每个晶片42对应衍射光学元件41的堆栈的边缘处，用金属沉积的方式形成金属层。该晶片42边缘处的金属层随后用于键合过程。该金属层由金制成，并具有1μm至10μm的典型厚度。
另外，该间隔件还可以包括涂覆有相同或相似厚度的金的铟层。
在其他实施例中，该间隔件可包括具有80％金和20％锡的合金。
在步骤3中，采用上文所述的复制技术，直接在晶片42的水平表面上模制出一个或多个衍射光学机构43。
在步骤7中，在步骤2中形成的间隔件上设置聚合物间隔件73，该聚合物间隔件73利用腔45内的水汽进行固化。
在本实施例中，通过在晶片42之间插入适当的聚合物防水透气间隔件73来结合两个晶片42，从而形成晶片级衍射光学元件41的堆栈。其中，聚合物防水透气间隔件73也在衍射光学机构43所在位置设有开口。该聚合物间隔件73可采用湿气固化胶的方式，也可采用在结合后吸收水汽后固化的方式。另外，也可采用在间隔件73设置有通过由高分子材料、聚烯烃微孔膜、高分子材料通过热压复合而成的防水透气间隔件。在该实施例中，该防水透气间隔件73例如为薄膜的方式设置在间隔件73外侧以实现对水汽的排除。
由于水滴的最小直径为约20微米，而水蒸气分子的直径仅为约0.0004微米左右，两者直径存在着巨大差异，所以水蒸气可藉扩散原理通过微孔膜。而液态水因其表面张力的作用，水分子无法通过，从而防止水的渗透，因而该透气膜具有有了防水透气功能。该方式结合到电解电路可以实现对水汽的单向通过和阻止液态水的作用。
该聚合物间隔件73内设置有微小通孔的方式，该微小通孔通过毛细现象来实现从排除内侧水汽且阻挡外界水汽的作用。
该微小通孔的尺寸例如为10nm—10um，以实现毛细现象。通过毛细现象实现将内部的水分通过管道的方式实现对内部液态水的排除。
为了使位于两个晶片42之间的聚合物间隔件73能够实现毛细现象，聚合物间隔件73的微小通孔满足以下公式：
h＝2γcosθ/(ρgr)
其中，γ表示表面张力；θ表示接触角；ρ表示液体密度；g表示重力加速度；以及r表示细管半径。
当θ>90度，这表示弯液面为凸面；同时h<0，表示液体在微小通孔下降，即液体在微小通孔的情况。
根据此方程式，理论上在1m宽的管中，水可以上升0.014mm(因此极不容易被察觉)；另外在1cm宽的管中，水可以上升1.4mm；而在半径0.1mm的毛细管中，水可以上升14cm。该公式表示了毛细现象与尺寸的关系。
另外，在每个单独的衍射光学元件41堆栈上镀导电层，以形成密封衍射光学元件41堆栈。因而只有导电层表面进行涂覆，包覆膜、金属键环层以及玻璃晶片42是没有涂覆的，所以为VCSEL的激光束提供了明确的光学孔径。
实施例5
以下参照图5来描述本申请的衍射光学元件41的实施例5。为清晰起见，附图中仅示出了单个衍射光学元件41。
为了更清楚地描述根据本申请的衍射光学元件41，图5中示出了根据本申请的衍射光学元件41的实施例5的形成过程。
在本实施例5中描述的衍射光学元件41的形成过程与实施例1中描述的衍射光学元件41的形成过程类似。为了简洁起见，将省略与实施例1相似的步骤的描述。
在步骤7中，在经蚀刻的晶片42的环形凸台46上，用金属沉积的方式形成金属层76。该环形凸台46上的金属层76随后用于键合过程。
在步骤8中，将晶片42压在一起并加热到温度足够高，从而使金属层76和金属层76之间实现金属键合，使得中晶片42之间形成密封部，该密封部包括在其中用于容纳衍射光学机构43的腔45。
在步骤10中，在对晶片42进行切割之后，对形成的基础衍射光学元件41进行进一步定位。
然后，在步骤11中，通过蚀刻的方式，在该衍射光学元件41的一个晶片42的上表面上生成凹陷部72。
该凹陷部72设置成使得水滴的表面张力区域收缩至最小的表面积，因而能够将液体的至少部分表面沿着凹陷部72形成有平面的液体表面，从而尽可能降低汇聚光线的可能性。
实施例6
以下参照图6来描述本申请的衍射光学元件41的实施例6。为清晰起见，附图中仅示出了单个衍射光学元件41。
为了更清楚地描述根据本申请的衍射光学元件41，图6中示出了根据本申请的衍射光学元件41的实施例6的形成过程。
在本实施例6中描述的衍射光学元件41的形成过程与实施例1中描述的衍射光学元件41的形成过程类似。为了简洁起见，将省略与实施例1相似的步骤的描述。
在步骤4中，在衍射机构内设置有吸水强的材料78。
具体地，在衍射光学元件41的空腔45内填充有吸水能力强的物质78，例如玻尿酸(500倍)、吸水树脂(几百到几千倍水)。在这种情况下，吸水能力强的物质在吸水后会改变衍射光学元件41的光学性能。当该衍射光学元件41堆栈形成单一的衍射光学元件41后，其在空腔45内的物质78因为吸收了大量的水后体积也发生了相应的变化，从而造成对投影光线的散射作用。在某些极端情况下，衍射光学元件41破损后在大量水汽的外界环境中使用，由于吸水能力强的物质78吸收了大量水汽体积一直在变大，体积变大时可以导致衍射光学机构43的光学作用失效。
由于该种方式实现了对光线的分散，所以可通过上面提到的电阻加热的方式来实现对该吸水后变成水凝胶的物质的再次排水的过程。
另外，在衍射光学元件41的微结构中填充有该物质78，由于该吸水树脂为透明的材料，从而不影响整体的光线的透过率。
该吸水能力强的物质78也可以是指那些与水汽接触后产生流动效果后聚集在一起的物质，例如上面提到的不溶于水的凝结核。在这种情况下，实现了凝结核在水中流动后聚集后以改变尺寸的效果，以及实现了对粒子尺寸的增大从而影响到光的散射的效果。
为了详细示出防水透气间隔件73的工作原理，图7中示出了本申请的衍射光学元件的另一实施例的示意性剖视图，图中示出了防水透气间隔件73的口径或排水通道。如图7所示，该衍射光学元件41与实施例6或7中的衍射光学元件结构相似，但晶片中间间隔部采用实施例4中所采用的防水透气间隔件73。
该聚合物间隔件73内设置有微小通孔79，该微小通孔79通过毛细现象来实现从排除内侧水汽且阻挡外界水汽的作用。
该微小通孔79的尺寸例如为10nm—10um，以实现毛细现象。通过毛细现象实现将内部的水分通过管道的方式实现对内部液态水的排除。
图8示出了图7中所示衍射光学元件的另一视图，该视图示出了凹陷机构使水液化的效果，并以放大A-A剖视图的形式示出了腔45中衍射光学机构43、金属层48和凝结核粒子49的示例性配置。
本申请还提出了一种深度相机，该深度相机装配有如上所述的结构光投影装置1。
本申请还提出了一种电子设备。该电子设备装配有如上所述的深度相机。该电子设备可为任何适当的设置，例如手机、平板、电脑、电子书阅读器。
图9示出了图2至图6中不采用晶片与晶片叠加的方式，由单晶片直接切割所得，该种方式不采用晶片密封晶片地方式，但是由于设置有多个对于防水、除水具有较强能力的结构，例如凹陷部72和形成电极或者电阻的金属层48，因而可以实现单晶片防水。其中，凹陷部72设置成使得水滴的表面张力区域收缩至最小的表面积，因而能够将液体的至少部分表面沿着凹陷部72形成有平面的液体表面，从而尽可能降低汇聚光线的可能性；金属层48形成的电极或者电阻用于电解水或者加热汽化水过程。
以上参照附图对本申请的示例性实施例进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施例仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来限制本申请的范围。凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。
Claims (15)
1.衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件包括：
多个晶片，在至少一个所述晶片上形成一个或多个衍射光学机构；
间隔件，设置在所述多个晶片之间，以限定用于容纳所述一个或多个衍射光学机构的空腔；以及
除水部，去除所述一个或多个衍射光学机构中的水。
2.如权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述除水部包括填充在所述一个或多个衍射光学机构内的透明吸水物质。
3.如权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述除水部包括用于使所述一个或多个衍射光学机构内的水汽凝结的凝结粒子。
4.如权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述除水部包括第一电路，所述第一电路位于所述一个或多个衍射光学机构的两侧，并对所述一个或多个衍射光学机构内的液态水进行电解。
5.如权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述除水部包括第二电路，所述第二电路的、位于所述一个或多个衍射光学机构内的部分包括电阻，所述电阻在通电后变热以蒸发存留在所述衍射光学机构内的水。
6.如权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述除水部包括设置在所述间隔件中的微小通孔，以通过毛细现象来排除所述一个或多个衍射光学机构内的水，并防止外部水进入所述一个或多个衍射光学机构。
7.如权利要求6所述的衍射光学元件，其特征在于，所述微小通孔的直径为10nm—10um。
8.如权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述除水部包括：
凹陷部，位于所述一个或多个衍射光学机构处的晶片靠近外部的侧表面上以实现对部分光线的分散。
9.如权利要求8所述的衍射光学元件，其特征在于，所述凹陷部设置在所述一个或多个衍射光学机构的射出光路之外。
10.如权利要求8所述的衍射光学元件，其特征在于，所述凹陷部上设置有凝结核粒子，所述凝结核粒子使水汽在所述凹陷部中液化以防止光线聚焦。
11.如权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述间隔件为防水透气间隔件。
12.结构光投影装置，其特征在于，所述结构光投影装置包括：
光源；
准直透镜部，位于所述光源所发出的光线的光路上，将所述光源所发出的光线准直为平行光束；以及
衍射光学部，对来自所述准直透镜部的所述平行光束进行衍射，所述衍射光学部包括如权利要求1至11中的任一项所述的衍射光学元件。
13.深度相机，其特征在于，包括如权利要求12所述的结构光投影装置。
14.电子设备，其特征在于，包括如权利要求13所述的深度相机。
15.如权利要求14所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备为以下组合中的一个：手机、平板、电脑、电子书阅读器。
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- 2018-04-23 CN CN201810367708.9A patent/CN110389456A/zh active Pending
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