CN111413807A - 一种光源投射装置和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光源投射装置和电子设备，该光源投射装置包括光源、光束压缩元件光源以及光学扩散元件；所述光源用于发射初始光束；光束压缩元件位于所述初始光束的光路上，用于压缩所述初始光束的出光发射角，以形成出光发射角小于所述初始光束的出光发射角的压缩光束；光学扩散元件位于所述压缩光束的光路上，用于对所述压缩光束进行衍射形成具有预设视场角的出射光束，所述出射光束投射至被测物体上。本申请提供的光源投射装置可有效缩小深度相机的出光尺寸，减小光学扩散元件的尺寸，进而实现在更窄边框的电子设备上的应用。

Description

一种光源投射装置和电子设备

技术领域

本申请属于激光应用技术领域，更具体地说，是涉及一种光源投射装置和电子设备。

背景技术

目前，为获取被测物体的深度信息实现，在现有的电子设备，例如手机、平板电脑等移动终端中，经常采用利用TOF(time-of-flight，飞行时间)技术原理制成的深度相机作为3D测量器件。该深度相机包括光源投射模组，且光源投射模组通常由垂直腔面发射器(VCSEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)、光学扩散元件(Diffuser)等部件组成。由于垂直腔面激光发射器是达到毫米见方级别的面阵光源，故其发射的出射光束就具有一定的出光发散角，这会导致其后续的光学扩散元件的尺寸很难再缩小，进而很难应用于更窄边框的手机、平板电脑等电子设备产品中。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种光源投射装置，以解决现有技术中存在的因出射光束的出光发射角较大而导致不能应用于更窄边框的电子设备中的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：一种光源投射装置，包括：

光源，用于发射初始光束

光束压缩元件，位于所述初始光束的光路上，用于压缩所述初始光束的出光发射角，以形成出光发射角小于所述初始光束的出光发射角的压缩光束；以及，

光束压缩元件，位于所述压缩光束的光路上，用于对所述压缩光束进行衍射形成具有预设视场角的出射光束，所述出射光束投射至被测物体上。

可选地，所述光束压缩元件呈锥形体设置，所述锥形体具有相对的入光面和出光面以及连接所述入光面和所述出光面的周向侧面，所述入光面的面积大于所述出光面的面积，并位于所述光束压缩元件靠近所述光源的一侧；所述周向侧面为全反射面，该全反射面将进入所述光束压缩元件内部的所述初始光束反射形成所述压缩光束。

可选地，所述光束压缩元件由实心透明材质制成；所述周向侧面上设有内反射层，所述初始光束从所述入光面进入所述光束压缩元件内部，经所述内反射层全反射后从所述出光面射出形成所述压缩光束。

可选地，所述光学扩散元件包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括透镜元件，所述透镜元件被配置成使所述压缩光束发散。

可选地，所述光源为垂直腔面发射激光器，或垂直腔面发射激光器组成的光源阵列；或是边发射激光器。

可选地，所述光源投射装置还包括聚光透镜，所述聚光透镜设于所述光束压缩元件和所述光学扩散元件之间的光路上，所述压缩光束经所述聚光透镜汇聚后进入所述光学扩散元件。

可选地，所述光源投射装置还包括反射元件，所述反射元件设于所述聚光透镜和所述光学扩散元件之间的光路上，所述压缩光束经所述聚光透镜汇聚，再经所述反射元件反射后进入所述光学扩散元件。

可选地，所述光源投射装置还包括整形元件，所述整形元件设于所述光束压缩元件和所述光学扩散元件之间的光路上。

本申请还提出一种电子设备，该电子设备包括显示屏、边框和如前所述的光源投射装置，所述边框包围所述显示屏的外边缘，所述边框上设有通光孔，所述光源投射装置内置于所述边框中，且所述光源投射装置发射的出射光束通过所述通光孔投射至被测物体上。

可选地，所述显示屏为触摸屏或非触摸敏感屏，所述触摸屏包括并入性触摸电极或触摸传感器。

本申请提供的光源投射装置的有益效果在于：与现有技术相比，由于本光源投射装置在光源和光学扩散元件之间设有光束压缩元件，故光源发射的初始光束经过光束压缩元件后，就会形成出光发射角变小的压缩光束，然后，具有较小出光发射角的压缩光束经光学扩散元件的衍射后即可形成具有预设场角的出射光束，来投射至被测物体上。换言之，在本申请的技术方案中，由于初始光束的出光发射角经压缩后变小，故压缩光束的衍射就可通过更小尺寸的光学扩散元件来完成，这样，就可以简单有效的缩小本光源投射装置的出光尺寸，进而顺利实现其在更窄边框的电子设备上的应用，即本申请的技术方案具有操作简单，成本低，体积小，可集成到微型窄边框电子设备上等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的光源投射装置的结构示意图；

图2为本申请另一实施例提供的光源投射装置的结构示意图；

图3为本申请又一实施例提供的光源投射装置的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的电子设备的俯视图。

附图标号说明：

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

还需要说明的是，本申请实施例中的左、右、上和下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请实施例提供一种光源投射装置。

请参阅图1，在一实施例中，该光源投射装置100包括光源110、光束压缩元件120以及光学扩散元件130。其中，光源110用于发射初始光束；光束压缩元件120，位于初始光束的光路上，用于压缩初始光束的出光发射角，以形成出光发射角小于初始光束的出光发射角的压缩光束；光学扩散元件130，位于压缩光束的光路上，用于对压缩光束进行衍射形成具有预设视场角的出射光束，出射光束投射至被测物体上。

基于此结构设计，在本实施例中，由于本光源投射装置100在光源110和光学扩散元件130之间设有光束压缩元件120，故光源110发射的初始光束经过光束压缩元件120后，就会形成出光发射角变小的压缩光束，然后，具有较小出光发射角的压缩光束经光学扩散元件130的衍射后即可形成具有预设场角的出射光束，来投射至被测物体上。换言之，在本申请的技术方案中，由于初始光束的出光发射角经压缩后变小，故压缩光束的衍射就可通过更小尺寸的光学扩散元件130来完成，这样，就可以简单有效的缩小本光源投射装置100的出光尺寸，进而顺利实现其在更窄边框220的电子设备200上的应用，即本申请的技术方案具有操作简单，成本低，体积小，可集成到微型窄边框220电子设备200上等优点。

在此需说明的是，本光源投射装置100特别适用于窄边框220的移动电子设备200，例如但不限于手机、平板电脑等边框220尺寸小于2mm的更窄边框220的移动终端设备中，当然，在其他具有边框220且结构合适的电子设备200中，也可适用本申请的技术方案。具体地，本光源投射装置100作为TOF深度相机的关键部件，可集成设计在微型相机中，以和其他部件，例如光传感器等实现电子设备200的3D测量功能，进而确保了手机等电子设备200可以顺利进行三维重建、人脸识别与支付等功能。此外，在一实施例中，光源110的主要作用是用来发射初始光束，其具体的类型可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)，当然，也可以是多个垂直腔面发射激光器组成的光源阵列。于其他实施例中，光源110还可以但不限于是边发射激光器或LED等，在此不做限制。

如图1所示，在一实施例中，光束压缩元件120具体呈锥形体设置，该锥形体具有相对的入光面121和出光面123以及连接入光面121和出光面123的周向侧面，入光面121的面积大于出光面123的面积，并位于光束压缩元件120靠近光源110的一侧。周向侧面为全反射面，该全反射面将进入光束压缩元件120内部的初始光束反射形成压缩光束，当然，也可以是周向侧面上设有内反射层122，初始光束从入光面121进入光束压缩元件120内部，经内反射层122全反射后从出光面123射出形成压缩光束。可以理解，当光束压缩元件120成圆锥体设计时，由于其周向侧面上设有内反射层122，且圆锥体在沿轴向朝向光学扩散元件130的方向上渐缩设置的，故光束压缩元件120的内部就可以通过该内反射层122实现对初始光束的压缩。具体来说，具有一定出光发散角的初始光束可从较大面积的入光面121进入光束压缩元件120的内部，然后该初始光束在周向侧面上进行全反射，并从面积较小的出光面123射出形成压缩光束；然后，该压缩光束向光学扩散元件130投射，并经光学扩散元件130扩散后通过光束传播通道向外投射到被测物体上，被测物体再反射光束被光传感器接收以获取相关图像信息；然后，通过与光传感器连接的处理器对图像信息的基于TOF原理的数据处理，而得到被测目标的深度信息。换言之，在本实施例中，采用锥形镜和棱镜的组合设计方法，就可以压缩初始光束的出光孔径，进而实现减小光学扩散元件130的尺寸的技术目的。

在此，光束压缩元件120由实心透明材质制成，例如但不限于可由玻璃或透明的光学级塑料材质等一体制作而成。该圆锥体状的实心的光束压缩元件120具有一定的折射率，在实际用用时，可通过合理的材料选择和尺寸设计，来达到提高光束的能量利用率的目的。

在一实施例中，光学扩散元件130包括微透镜阵列(未示出)，微透镜阵列包括多个透镜元件，每一个透镜元件被配置成使压缩光束发散。透镜元件可实现的发散程度可受用于形成这些透镜的材料的折射率的影响。当透镜曲率增加时，光逼近总内部反射限制。然而，通过增加折射率，所选的发散角可用相比较而言较小的光弯曲来实现，例如，透镜元件可用具有约1.6的折射率的光学级聚碳酸酯制成。应当理解的是，任何合适的光学级材料均可用于制造透镜元件，包括聚合物及光学级玻璃等。

请参阅图2，在另一实施例中，光源投射装置100除了包括前述的光源110、光束压缩元件120以及光学扩散元件130之外，还包括聚光透镜140，聚光透镜140设于光束压缩元件120和光学扩散元件130之间的光路上，压缩光束经聚光透镜140汇聚后进入光学扩散元件130。具体地，光源110发射初始光束至光束压缩元件120，初始光束从光束压缩元件120的入光面121进入其周向侧面的内反射层122进行全反射，并从光束压缩元件120的出光面123射出；然后，经光束压缩元件120压缩后耦出的压缩光束在聚光透镜140的作用下，能进一步汇聚到光学扩散元件130中，这样，不但可以提高光束的能量利用率，而且，经过聚光透镜140的汇聚作用，压缩光束还可以进一步使其出光孔径得到压缩，从而使得光学扩散元件130的尺寸可以设置得更小，更有利于本光源投射装置100集成到窄边框220的电子设备200上。

请参阅图3，在又一实施例中，光源投射装置100还包括反射元件150，该反射元件150可以但不限于是一块反射镜等。反射元件150设于聚光透镜140和光学扩散元件130之间的光路上，压缩光束经聚光透镜140汇聚，再经反射元件150反射后进入光学扩散元件130。具体地，经过聚光透镜140汇聚后的压缩光束汇聚至反射元件150，在反射元件150的反射作用下，压缩光束被反射至光学扩散元件130，以形成一个转折光路，最后经光学扩散元件130向外散射。可以理解，通过在光路中增加反射元件150，就可以很方便的实现对光束压缩元件120长度的增加，有利于进一步提高光束能量的利用率，亦有利于减小本光源投射装置100的体积，实现设备微型化。

此外，在一实施例中，光源投射装置100还可以包括整形元件(未示出)，整形元件设于光束压缩元件120和光学扩散元件130之间的光路上。例如，该整形元件可以是一透镜，光束可通过该整形元件实现更好的准直、去畸变等整形效果。当然，于其他实施例中，该整形元件还可以是其他光学元件，以实现不同的光束整形功能，在此不做限制。

本申请还提出一种电子设备200，该电子设备200包括光源投射装置，该光源投射装置的具体结构参照上述实施例，由于本电子设备200采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。此外，该电子设备200还包括显示屏210和边框220等部件，其中，边框220包围显示屏210的外边缘，边框220上设有通光孔230，光源投射装置内置于边框220中，且光源投射装置发射的出射光束通过通光孔230投射至被测物体上。具体如图4所示，在一实施例中，以电子设备200具体为一手机为例，该手机具有包围显示屏210外边缘的宽度小于2mm的窄边框220，该边框220包括位于显示屏210顶部的顶部分框221，通光孔230优选设于顶部分框221上，并偏移显示屏210的上下中线一段距离，相应地，本光源投射装置内置于顶部分框221中，如此，不但手机外表更加美观，还可以尽量避免电子设备200实际使用时对出射光束的遮挡。

此外，在一实施例中，显示屏210可以是包括并入性触摸电极或其他触摸传感器部件的触摸屏，也可以是非触摸敏感屏。具体地，显示屏210可以包括发光二极管(LED)，有机发光二极管(OLED)，等离子体单元，电泳显示元件，电润显示元件，液晶显示(LCD)等部件或其他合适的显示像素结构形成的显示像素，即任何合适类型的显示技术都可用于形成显示屏210，此处不作限制。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光源投射装置，其特征在于，包括：

光源，用于发射初始光束；

光束压缩元件，位于所述初始光束的光路上，用于压缩所述初始光束的出光发射角，以形成出光发射角小于所述初始光束的出光发射角的压缩光束；以及，

光学扩散元件，位于所述压缩光束的光路上，用于对所述压缩光束进行衍射形成具有预设视场角的出射光束，所述出射光束投射至被测物体上。

2.如权利要求1所述的光源投射装置，其特征在于，所述光束压缩元件呈锥形体设置，所述锥形体具有相对的入光面和出光面以及连接所述入光面和所述出光面的周向侧面，所述入光面的面积大于所述出光面的面积，并位于所述光束压缩元件靠近所述光源的一侧；所述周向侧面为全反射面，所述全反射面将进入所述光束压缩元件内部的所述初始光束反射形成所述压缩光束。

3.如权利要求2所述的光源投射装置，其特征在于，所述光束压缩元件由实心透明材质制成；所述周向侧面上设有内反射层，所述初始光束从所述入光面进入所述光束压缩元件内部，经所述内反射层全反射后从所述出光面射出形成所述压缩光束。

4.如权利要求1所述的光源投射装置，其特征在于，所述光学扩散元件包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括透镜元件，所述透镜元件被配置成使所述压缩光束发散。

5.如权利要求1所述的光源投射装置，其特征在于，所述光源为垂直腔面发射激光器，或垂直腔面发射激光器组成的光源阵列；或边发射激光器。

6.如权利要求1至5任一项所述的光源投射装置，其特征在于，所述光源投射装置还包括聚光透镜，所述聚光透镜设于所述光束压缩元件和所述光学扩散元件之间的光路上，所述压缩光束经所述聚光透镜汇聚后进入所述光学扩散元件。

7.如权利要求6所述的光源投射装置，其特征在于，所述光源投射装置还包括反射元件，所述反射元件设于所述聚光透镜和所述光学扩散元件之间的光路上，所述压缩光束经所述聚光透镜汇聚，再经所述反射元件反射后进入所述光学扩散元件。

8.如权利要求1至5任一项所述的光源投射装置，其特征在于，所述光源投射装置还包括整形元件，所述整形元件设于所述光束压缩元件和所述光学扩散元件之间的光路上。

9.一种电子设备，其特征在于，包括显示屏、边框和如权利要求1至8任意一项所述的光源投射装置，所述边框包围所述显示屏的外边缘，所述边框上设有通光孔，所述光源投射装置内置于所述边框中，且所述光源投射装置发射的出射光束通过所述通光孔投射至被测物体上。

10.如权利要求9所述的一种电子设备，其特征在于，所述显示屏为触摸屏或非触摸敏感屏，所述触摸屏包括并入性触摸电极或触摸传感器。。

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