CN112835139A - 一种光学元件及光学模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学元件及光学模组，涉及光学技术领域。包括衍射光学元件，以及与所述衍射光学元件连接的菲涅尔透镜，以使经菲涅尔透镜透过所述衍射光学元件的光束形成预设图案。能够降低组装成本，且有利于光学模组的小型化。

Description

一种光学元件及光学模组

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种光学元件及光学模组。

背景技术

光学模组在现代产品中的应用越来越广泛，如电子设备中的结构光(structurelight)，结构光是通过投射特定的图案至物体表面，并通过接收模组采集，根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置及深度信息，进而复原整个深度空间。该图案可被设计成条纹形态、规则点阵形态、网格形态、散斑形态、编码形态等，甚至更复杂形态的光形。随着光学技术的发展，结构光的应用范围越来越广泛，比如人脸识别、手势识别、投影仪、三维(Three-dimensional，3D)轮廓重现、深度测量、防伪辨识等。因此光学模组成为人们研究的重点。

现有技术中的一种光学模组主要包括光源、准直透镜以及光学元件。其中，光源发出的光束经准直透镜调制为准直光，在进入光学元件并衍射出多个光斑图案阵列后投影至物体上。然而，在对光束进行准直衍射时一般需要多组镜片，多组镜片在装载过程中容易产生偏差，影响光束传播的可靠性，多组镜片经组装或可靠性测试后容易出现失效，使得光学模组的组装不良率高，且采用多组镜片组合占用空间大，耗费组装工时，生产成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学元件及光学模组，能够降低组装成本，且有利于光学模组的小型化。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例的一方面，提供一种光学元件，包括衍射光学元件，以及与所述衍射光学元件连接的菲涅尔透镜，以使经菲涅尔透镜透过所述衍射光学元件的光束形成预设图案。

可选地，所述衍射光学元件包括透明基底，以及设置在所述透明基底上的衍射层。

可选地，所述衍射层上填充有覆盖所述衍射层的填充层，或，所述衍射层上设置有盖板。

可选地，所述菲涅尔透镜设置在所述透明基底上，或，所述菲涅尔透镜设置在所述填充层上。

可选地，所述衍射光学元件的折射率n₁与所述填充层的折射率n₂之间的差值为：|n₁-n₂|≥0.2。

可选地，所述透明基底的一侧面设置有透明导电层。

可选地，所述菲涅尔透镜包括基体，以及设置在所述基体上的准直层，以使透过所述菲涅尔透镜的光束平行射出，其中，所述准直层位于所述基体背离所述透明基底的一侧。

可选地，所述衍射层和所述准直层的结构类型分别采用台阶型和连续型的任意一种。

可选地，所述透明基底或所述填充层的透光面设置有抗反膜层、耐磨层或疏水疏油层的至少一种。

本申请实施例的另一方面，提供一种光学模组，包括如上所述任意一项所述的光学元件以及光源，其中，所述光源位于所述光学元件的菲涅尔透镜的焦平面处，且所述菲涅尔透镜的准直部朝向所述光源。

本发明实施例的有益效果包括：

本申请实施例提供的光学元件及光学模组，通过将衍射光学元件与菲涅尔透镜连接，使得结构光学件形成一个整体，同时具有准直和衍射的光学性能。在对光学元件进行加工时，衍射光学元件与菲涅尔透镜之间的对位误差取决于晶圆之间的对位能力，与传统的采用镜组装配的形式相比，远高于镜组之间的对位精度。另外，采用本申请实施例提供的光学元件，组装时只需要对单个光学元件进行装配即可，装配效率更高，与使用分立的准直镜组和DOE元件相比，能够降低组装成本和组装难度。另外，采用单个的光学元件，占用的空间更小，有利于光学模组的小型化设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的光学元件的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的光学元件的结构示意图之二；

图3为本发明实施例提供的光学元件的结构示意图之三；

图4为本发明实施例提供的光学元件的结构示意图之四；

图5为本发明实施例提供的光学元件的结构示意图之五；

图6为本发明实施例提供的光学元件的结构示意图之六；

图7为本发明实施例提供的光学模组的结构示意图之一；

图8为本发明实施例提供的光学模组的结构示意图之二；

图9为本发明实施例提供的光学模组的结构示意图之三；

图10为本发明实施例提供的光学模组的结构示意图之四；

图11为本发明实施例提供的光学模组的结构示意图之五。

图标：100-光学元件；110-衍射光学元件；112-透明基底；114-衍射层；120-菲涅尔透镜；122-基体；124-准直层；130-填充层；140-盖板；200-光学模组；210-光源。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

光学元件被广泛应用在众多场景中，如3D结构光的整个系统包含结构光投影模组、摄像机、图像采集处理系统。其过程就是投影模组发射光束到被测物体上，摄像机拍摄在被测物体上形成的三维光图形，拍摄图像经采集处理系统处理后获得被测物体表面数据。在这个系统中，当相机和投影模组相对位置一定时，投射在被测物体上的光束畸变程度取决于物体表面的深度，所以在拍摄图像中可以得到一张拥有深度的光束图像。

投影模组是整个3D视觉重要的组件之一，用于发射经过特殊调制的不可见红外光至拍摄物体，其发射图像的质量对整个识别效果至关重要。投影模组在使用时，需要通过不可见红外光发射源发射出不可见红外光，不可见红外光通过准直镜头进行校准，校准后的不可见红外光通过光学衍射元件(Diffractive Optical Element，DOE)进行衍射，进而得到所需的光斑图案。

传统投影模组中，准直镜头和DOE为分立元件，使得整个模组存在占用空间大，对位精度低，组装成本高等问题，具有较大的局限性。本申请实施例通过单个光学元件，并同时实现准直和衍射的功能，以解决上述问题。

请参照图1和图2，本实施例提供一种光学元件100，包括衍射光学元件110，以及与衍射光学元件110连接的菲涅尔透镜120，以使经菲涅尔透镜120透过衍射光学元件110的光束形成预设图案。

具体的，通过将衍射光学元件110与菲涅尔透镜120连接形成一体结构，或者在同一基材上进行压印、刻蚀或激光直写的形式一体成型，使得衍射光学元件110与菲涅尔透镜120之间的对位误差取决于晶圆之间的对位能力(微米级)，要远小于传统方法中元器件之间的对位误差(毫米级)。采用上述方式，可以提高光学元件100整体的光学性能。

在使用本申请实施例提供的光学元件100时，将光源置于菲涅尔透镜120的焦平面处，光源发射出的散射光斑通过光学元件100中的菲涅尔透镜120时会被准直，然后平行入射到衍射光学元件110，衍射光学元件110会对准直光进行衍射，形成预设图案。其中，改预设图案可以根据实际需要设计成条纹形态、规则点阵形态、网格形态、散斑形态、编码形态等，本申请实施例对此不做具体。

本申请实施例提供的光学元件100，通过将衍射光学元件110与菲涅尔透镜120连接，使得光学元件100形成一个整体，同时具有准直和衍射的光学性能。在对光学元件100进行加工时，衍射光学元件110与菲涅尔透镜120之间的对位误差取决于晶圆之间的对位能力，与传统的采用镜组装配的形式相比，远高于镜组之间的对位精度。另外，采用本申请实施例提供的光学元件100，组装时只需要对单个光学元件100进行装配即可，装配效率更高，与使用分立的准直镜组和DOE元件相比，能够降低组装成本和组装难度。另外，采用单个的光学元件100，占用的空间更小，有利于光学模组200的小型化设计。

如图1和图2所示，衍射光学元件110包括透明基底112，以及设置在透明基底112上的衍射层114。

具体的，透明基底112的组成材料可以是玻璃或者树脂，衍射层114可采用微纳刻蚀工艺对衍射层114进行图案化，以使激光经过每个衍射单元后发生衍射，形成特定的光强分布，如产生点阵，也可以根据实际需要产生匀光的扩散片。其中，衍射光学元件110的衍射单元具体图案由工作波长、使用的面射型激光(Vertical Cavity Surface EmittingLaser，VCSEL)点阵分布和最终需要的衍射图案分布共同决定，衍射光学元件110的高度由工作波长和使用的两种材料的折射率之差以及台阶数目来决定。另外，衍射层114可以采用纳米压印成型，以形成所需的衍射单元。

如图4、图5或图6所示，衍射层114上填充有覆盖衍射层114的填充层130，或，衍射层114上设置有盖板140。

具体的，如图4和图5所示，当衍射光学元件110和菲涅尔透镜120分别位于透明基底112的相对两侧时，在透明基底112上采用刻蚀或压印或激光直写等形式形成衍射层114之后，为了保证衍射层114结构的稳定性，避免因外界的磕碰影响衍射层114的结构，可在衍射层114上填充覆盖填充层130，使衍射层114包覆于填充层130之内，以保证衍射层114结构的稳定性。如图6所示，也可以在衍射光学元件110的衍射部上设置盖板140，以对衍射光学元件110的衍射层114起到保护的作用，从而保证光学元件100使用时的稳定性。

为了保证经菲涅尔透镜120准直后的光束能够被衍射层114衍射形成所需的图案，需要使衍射光学元件110的折射率n₁与填充层130的折射率n₂之间的差值为：|n₁-n₂|≥0.2。

具体的，可以是形成衍射光学元件110的材料具有相对较高折射率，组成填充层130的材料具有相对较低折射率。也可以是组成衍射光学元件110的材料具有相对较低折射率，组成填充层130的材料具有相对较高折射率，本申请实施例对此不做具体。当|n₁-n₂|≥0.2时，衍射效果更好，获得的预设图案更优。

需要说明的是，采用不同的折射率，是为了保证衍射的正常形成，如果采用同一折射率的材料，则可以认为填充层130与衍射层114形成了同一结构，也就不再具有衍射层114了，因此需要填充层130与衍射光学元件110之间的折射率不同。另外，当不具有填充层130时，衍射光学元件110与空气之间也具有不同的折射率，同样可以保证所需图案的正常生成。

如图3和图4所示，菲涅尔透镜120设置在透明基底112上，或，菲涅尔透镜120设置在衍射层114上。

具体的，图3为菲涅尔透镜120设置在衍射层114的结构示意图，在制备菲涅尔透镜120时，在菲涅尔透镜120与衍射光学元件110位于透明基底112的同一侧时，可以直接在填充层130上采用压印或者刻蚀或者激光直写等形式成型。这样一来，使得填充层130与菲涅尔透镜120的材料相同，而且有利于菲涅尔透镜120与填充层130之间更稳定的结合。其中，菲涅尔透镜120和填充层130的材质可采用紫外光固化胶等。可以理解的，填充层130的材质也可以与菲涅尔透镜120的材质不同，此时，需要将填充层130在衍射层114上填充包覆并平整后，再设置新的层级并压印形成菲涅尔透镜120。

图4为菲涅尔透镜120设置在透明基底112的结构示意图，在衍射光学元件110的母版和菲涅尔透镜120的母版制作完成之后，可直接在透明基底112的相对两侧分别压印衍射光学元件110和菲涅尔透镜120的主体结构，最后脱模形成所需的光学元件100，为了保证形成光学元件100中对衍射光学元件110的有效保护，可在衍射光学元件110的衍射层114上填充覆盖填充层130。其中，当采用上述方式制备光学元件100时，衍射光学元件110和菲涅尔透镜120的材质可以相同，也可以不同。需要说明的是，不管采用何种制备形式，可以通过添加对位标记的方法减小对位误差。

在本申请的可选实施例中，透明基底112的一侧面设置有透明导电层。

具体的，透明导电层可采用透明的金属氧化物或金属掺杂氧化物，如铟锡氧化物、氧化锌、氧化锡、铟掺杂一氧化锡、锡掺杂三氧化二镓、锡掺杂银铟氧化物、铟锡氧化物、锌掺杂三氧化二铟、锑掺杂二氧化锡、铝掺杂氧化锌等。当采用图1或图3的方式时，透明导电层可以整层设置在透明基板背离衍射光学元件110的一侧面。当采用图2、图4或图5中的方式时，透明导电层可以先整层设置在透明基底112的一侧面，之后采用双侧压印的形式分别在透明基板上分别形成衍射光学元件110和菲涅尔透镜120，此时，透明导电层可能在衍射光学元件110或菲涅尔透镜120上。采用上述方式，当光学元件100破裂时，透明导电层会断开，以使检测线路中断，光学模组200对应的控制器，可以根据透明导电层的通断确定光学元件100的状态。在光学元件100完好时，光源210可以正常发光，此时光源210发出的激光经过光学元件100的衍射作用，不会对人眼造成伤害。当光学元件100破裂时，控制器控制光源210关闭，以免光源210发出的光束直接射出，从而有效保护使用者，以提升产品使用时的安全性。

如图2所示，菲涅尔透镜120包括基体122，以及设置在基体122上的准直层124，以使透过菲涅尔透镜120的光束平行射出，其中，准直层124位于基体122背离透明基底112的一侧。

具体的，菲涅尔透镜120可采用在透明基底112上压印、刻蚀或激光直写的形式成型，当采用上述形式时，基体122与透明基体122可认为是同一特征。另外，也可以在透明基底112上涂布压印胶，并在压印胶表面压印成型，从而使菲涅尔透镜120与透明基底112之间连接成型。其中，当采用压印成型时，可采用刻蚀或激光直写的形式制备所需的母版，通过母版压印有利于降低生产成本，并有利于进行量产，提升生产效率。另外，透光菲涅尔透镜120的光束平行射出具体指出射光束之间是相互平行的，但是出射光束与透明基底112所在平面之间相互垂直，以保证光束的有效准直校准。

在本申请的可选实施例中，衍射层114和准直层124的结构类型分别采用台阶型和连续型的任意一种。

具体的，衍射光学元件110的衍射层114包括衍射单元，形成衍射单元的个体可采用台阶型或连续性，其中，衍射层114采用台阶型结构时，可以采用二阶、四阶或八阶等台阶型结构。同样的，菲涅尔透镜120的准直层124也可采用台阶型(如图1所示)或连续型(如图2所示)。其中，准直层124采用台阶型结构时，可以采用四阶、八阶或根据需要设置更高阶等台阶型结构。另外，本申请实施例采用的菲涅尔透镜120优选微纳米级菲涅尔透镜，这种微结构相比普通的菲涅尔结构更为精细，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。需要说明的是，连续型的菲涅尔透镜120高度差不多10～30um，是基于折射的原理。而台阶型的菲涅尔透镜120高度差不多1～2um，是基于衍射的原理，通过菲涅尔波带片的相位变化，以获得较高的衍射效率。

在本申请的可选实施例中，透明基底112或填充层130的透光面设置有抗反膜层、耐磨层或疏水疏油层(Anti-fingerprint)的至少一种。这样一来，当在透明基底112或填充层130的透光面设置有抗反膜层时，可以提升光束的透过率，从而提升光束的有效利用率。另外，在本申请的可选实施例中，也可以在透明基底112或填充层130的出光面设置耐磨层，以保证光学元件100在装配或使用过程中的稳定性，减少因表面磨损也影响光束传播的几率。同样的，也可以根据实际需要设置疏水疏油层，以提升抗指纹能力，保证透明基底112或填充层130的透光面保持光洁亮丽。

如图7和图8所示，本申请实施例还提供一种光学模组200，包括前述实施例中的光学元件100以及光源210，其中，光源210位于光学元件100的菲涅尔透镜120的焦平面处，且菲涅尔透镜120的准直部朝向光源210。

具体的，光学模组200中的光源210可以采用面射型激光，或激光二极管(LaserDiode，LD)，其中，面射型激光具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点有利于光束的多元化出射。通过将光源210设置在菲涅尔透镜120的焦平面处，有利于对光束更好的准直校准，以保证形成预设图案的质量。

本申请的光学模组200结构简单，只包含光源210和光学元件100，无需添加其他准直镜片，相较传统的光学模组200组装成本低，且光学元件100结合了准直和衍射功能，整体尺寸可控制在1mm之内，有利于光学模组200的小型化。

如图6、图9和图10所示，为菲涅尔透镜120采用台阶型，且分别采用激光二极管或面射型激光的结构示意图，该结构为菲涅尔透镜120和衍射光学元件110分别设置在透明基板两侧的情形，在该状态下，为了对衍射光学元件110进行有效的保护，可以在衍射光学元件110上设置盖板140，以使结构光学模组200使用时更加稳定。也可以在衍射光学元件110上设置填充层130(如图11所示)，以达到和盖板140等同的作用。

如图1、图7和图8所示，该结构为菲涅尔透镜120和衍射光学元件110设置在透明基板同一侧的情形。不管采用何种形式，通过将菲涅尔透镜120和衍射光学元件110设置成一个整体，有效降低了占用空间，有利于在保证高效率，加工难度低的同时能够提高模组的对位精度，降低组装成本，有利于光学模组200的小型化。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学元件，其特征在于，包括衍射光学元件，以及与所述衍射光学元件连接的菲涅尔透镜，以使经菲涅尔透镜透过所述衍射光学元件的光束形成预设图案。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件包括透明基底，以及设置在所述透明基底上的衍射层。

3.根据权利要求2所述的光学元件，其特征在于，所述衍射层上填充有覆盖所述衍射层的填充层，或，所述衍射层上设置有盖板。

4.根据权利要求3所述的光学元件，其特征在于，所述菲涅尔透镜设置在所述透明基底上，或，所述菲涅尔透镜设置在所述填充层上。

5.根据权利要求3所述的光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件的折射率n₁与所述填充层的折射率n₂之间的差值为：|n₁-n₂|≥0.2。

6.根据权利要求2-5任意一项所述的光学元件，其特征在于，所述透明基底的一侧面设置有透明导电层。

7.根据权利要求2-5任意一项所述的光学元件，其特征在于，所述菲涅尔透镜包括基体，以及设置在所述基体上的准直层，以使透过所述菲涅尔透镜的光束平行射出，其中，所述准直层位于所述基体背离所述透明基底的一侧。

8.根据权利要求7所述的光学元件，其特征在于，所述衍射层和所述准直层的结构类型分别采用台阶型和连续型的任意一种。

9.根据权利要求3-5任意一项所述的光学元件，其特征在于，所述透明基底或所述填充层的透光面设置有抗反膜层、耐磨层或疏水疏油层的至少一种。

10.一种光学模组，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的光学元件以及光源，其中，所述光源位于所述光学元件的菲涅尔透镜的焦平面处，且所述菲涅尔透镜的准直部朝向所述光源。

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