CN208521088U - 光学器件、结构光投射装置、深度相机和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于互电容检测光学衍射元件的光学器件，该光学器件包括光学衍射元件、第一电容电极、第二电容电极和检测电路，其中第一电容电极位于光学衍射元件的一侧；第二电容电极与第一电容电极相对地位于光学衍射元件的另一侧；以及检测电路与第一电容电极和第二电容电极电连接，以检测第一电容电极与第二电容电极之间的互电容。

Description

光学器件、结构光投射装置、深度相机和电子设备

技术领域

本申请涉及基于互电容检测光学衍射元件的光学器件，更具体地，涉及能够通过检测设置在光学衍射元件上的一对电极之间的电容变化来判断光学衍射元件的完整性的光学器件。

背景技术

随着结构光技术完善，利用结构光的深度相机也逐渐被应用到各类移动终端上，例如IphoneX采取深度相机进行人脸识别。一般深度相机包括结构光投射装置和接收装置，而投射装置对应的光源普遍采取的是红外光，红外光属于不可见光，即人眼无法识别红外光的存在。当红外光过强时，容易对人眼造成伤害，故在使用结构光投射装置时，需要确保避免对人眼造成伤害。

结构光投射装置包括光源(VCSEL)、准直镜系统以及光学衍射元件(DOE)，光源所发出的激光通过准直镜系统准直，然后通过光学衍射元件衍射(分束、复制)，最后投射至空间目标表面。其中，光学衍射元件对经过准直的光束进行分束时，会相应地减少结构光的能量，从而能够避免对人眼等空间目标造成伤害。

但是在使用过程中，由于外力的作用，使得光学衍射元件可能发生破裂，或者当水滴等附着至光学衍射元件时，使得投射装置投射出的结构光图案发生变化，从而使接收装置接收的图案不准确，最终影响成像效果。此外，光学衍射元件的变化甚至可能使结构光投射装置投射出的结构光对人眼等造成伤害，例如光学衍射元件的破裂可以理解为光源发出的激光被准直后直接投射至人眼等空间目标，此时，由于光束的能量过大而对空间目标造成伤害。

此外，现有技术中公开有电容电极分别放置于两个衬底上从而检测DOE的结构完整性的技术方案，但是在该方案中，当两个电容电极各自的两侧出现破裂或附着水珠时，可能无法准确地检测出异常情况的发生。例如在同一衬底上，DOE微结构的相对平整的表面处形成水珠时，也可能会导致结构光投射质量变差。其次，在上述方案中，两个衬底之间存在间隙层，间隙层可能由于温度的变化而使得电容值发生较大改变，由此提高检测过程中的误差率。另外，由于这种间隙层的存在，需要确保间隙层良好的密封性，使得工艺难度大大增加。

实用新型内容

为解决以上提出的问题，本申请提供一种基于互电容检测光学衍射元件的光学器件。该光学器件能够通过检测设置在光学衍射元件上的一对电极之间的电容变化来判断光学衍射元件的完整性，从而避免经过光学衍射元件衍射的光束图案发生变化而影响投射效果以及光束能量过大对空间目标可能造成的伤害。

本申请示例性实施方式提供一种基于互电容检测光学衍射元件的光学器件，该光学器件可包括光学衍射元件、第一电容电极、第二电容电极和检测电路，其中，第一电容电极可位于光学衍射元件的一侧；第二电容电极可与第一电容电极相对地位于光学衍射元件的另一侧；以及检测电路可与第一电容电极和第二电容电极电连接，以检测第一电容电极与第二电容电极之间的互电容。

根据本申请示例性实施方式，第一电容电极和第二电容电极可以是平面电极，且分别位于光学衍射元件的相对的两个表面上。

根据本申请示例性实施方式，第一电容电极和第二电容电极也可位于光学衍射元件的相同的表面上。

根据本申请示例性实施方式，第一电容电极和第二电容电极可以是交叉指型电极。

根据本申请示例性实施方式，光学衍射元件可包括衍射层和图案生成层，衍射层上设置有用于衍射光束的微结构，且经衍射的光束通过图案生成层形成为图案光束。

根据本申请示例性实施方式，第一电容电极和第二电容电极可分别设置在衍射层的两个相对的表面上。

根据本申请示例性实施方式，第一电容电极可设置在衍射层上，且第二电容电极可与第一电容电极相对地设置在图案生成层上。

根据本申请另一示例性实施方式，光学衍射元件可包括衍射层，衍射层上设置有用于衍射光束的微结构；并且光学器件还可包括透明保护层，透明保护层覆盖衍射层的微结构，使得透明保护层与衍射层之间形成密封空间。

根据本申请另一示例性实施方式，第一电容电极可设置在衍射层的一表面上，且第二电容电极与第一电容电极相对地位于衍射层的另一表面上。

根据本申请另一示例性实施方式，第一电容电极可设置在衍射层上，且第二电容电极可设置在透明保护层上。

根据本申请另一示例性实施方式，透明保护层可以是平面透镜、凸透镜和凹透镜之一。

根据本申请另一示例性实施方式，透明保护层可由透明玻璃构成。

根据本申请又一示例性实施方式的光学器件还可包括一对参考电容电极，上述一对参考电容电极可位于光学衍射元件的稳定操作区域中，并分别电连接至检测电路，其中，检测电路可将检测到的第一电容电极与第二电容电极之间的电容与一对参考电容电极之间的电容进行比较。

根据本申请又一示例性实施方式的光学器件还可包括接地单元，接地单元可位于第一电容电极与光学衍射元件之间以及第二电容电极与光学衍射元件之间并配置成接地，以减少寄生电容对所检测的第一电容电极与第二电容电极之间的互电容的影响。

本申请示例性实施方式还提供一种结构光投射装置，该结构光投射装置可包括基于互电容检测光学衍射元件的光学器件，该光学器件可包括光学衍射元件、第一电容电极、第二电容电极和检测电路，其中，第一电容电极可位于光学衍射元件的一侧；第二电容电极可与第一电容电极相对地位于光学衍射元件的另一侧；以及检测电路的两端分别与第一电容电极和第二电容电极连接，以检测第一电容电极与第二电容电极之间的电容。另外，结构光投射装置还包括激光发射器、准直系统和控制单元，其中，准直系统可位于激光发射器所发出的光束的光路上，以对所发出的光束进行准直；控制单元可根据检测电路检测到的第一电容电极和第二电容电极之间的互电容来控制激光发射器的发光。

附图说明

以上和/或其他方面将通过参照附图描述某些示例性实施方式而变得更加显而易见。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是根据本申请一示例性实施方式的光学器件的立体图；

图2是根据本申请一示例性实施方式的光学器件的正面示意图；

图3是根据本申请一示例性实施方式的光学器件的反面示意图；

图4是根据本申请另一示例性实施方式的光学器件的结构示意图；

图5是根据本申请又一示例性实施方式的光学器件的结构示意图；

图6是根据本申请又一示例性实施方式的光学器件的结构示意图；

图7是示出可适用根据本申请又一实施方式的结构光投射装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图对某些示例性实施方式进行更详细的描述，其中，在全文中，相同的附图标记指代相同的元件。在这方面，示例性实施方式可具有不同的形式，并且不应被解释为限于本文所记载的描述。相应地，以下通过参照附图描述示例性实施方式仅用于解释本申请的各方面。为了说明的便利性，附图中的元件的尺寸可被夸大。也就是说，由于图中的部件的尺寸和厚度为便于说明而被任意地示出，因此以下示例性实施方式不应受其限制。

另外，本说明书中使用的术语仅用于描述特定的实施方式，并非旨在限制本申请。单数形式的表述包括复数形式的表述，除非其在上下文中具有明显不同的含义。在本说明书中，应理解，术语例如“包括”或“具有”等旨在表明本说明书中公开的特征、数字、操作、部件、零件或它们的组合的存在，并非旨在排除存在或附加有一个或多个其他特征、数字、操作、部件、零件或它们的组合。

下面将参照附图详细描述根据本申请示例性实施方式的基于互电容检测光学衍射元件的光学器件。

图1示出根据本申请一示例性实施方式的基于互电容检测光学衍射元件的光学器件100的立体图，且图2和图3分别为根据该示例性实施方式的光学器件100的正面示意图和反面示意图。

根据本申请的光学器件100包括光学衍射元件(DOE；Diffractive OpticalElements)110、第一电容电极120、第二电容电极130以及检测电路140。第一电容电极120可作为驱动电极，第二电容电极130可作为感测电极，反之亦然。在本实施方式中，第一电容电极120和第二电容电极130分别为平面电极，并且分别位于光学衍射元件110的两个表面上，并彼此相对。

例如，如图2所示，在将光学衍射元件110的具有蚀刻凹槽的一面限定为正面的情况下，第一电容电极120可覆盖设置在光学衍射元件110 的正面。由于第一电容电极120可由ITO等透明材料制成，因此不影响光学衍射元件110的衍射效果。此外，第二电容电极130可覆盖设置在光学衍射元件110的反面，并与第一电容电极120相对。

在该实施方式中，第一电容电极120和第二电容电极130所覆盖的面积可大于光学衍射元件110的蚀刻凹槽的面积。

在这种情况下，光学衍射元件110的正反两个表面的外周边缘处可分别设置导体单元141和142。导体单元141和142的各自一端分别与第一电容电极120和第二电容电极130连接，且它们的另一端分别与检测电路140连接。由此，检测电路140能够检测第一电容电极120与第二电容电极130之间的电容。导体单元141和142不对衍射效果构成影响。进一步地，上述导体单元141和142可分别一体成型于检测电路140。

在另一个实施方式中，导体单元141和142可分别一体成型于上述第一电容电极120和第二电容电极130，即在形成第一电容电极120和第二电容电极130时，分别在第一电容电极120和第二电容电极130的相应位置处(例如，电容电极的边缘等位置)形成导体单元141和142。

检测电路140还可包括振荡器(未示出)，以构成振荡器电路，并由此检测电容值。可以理解的是，在正常操作的情况下，第一电容电极120 与第二电容电极130之间的电容差值保持在预定电容值范围内。然而，当光学衍射元件的结构发生改变时，例如，发生破碎、破裂、变形或者水分冷凝在光学衍射元件的表面处时，将改变衍射元件的光学特性，由此导致第一电容电极120与第二电容电极130之间的电容差值也随之发生变化。此时，可根据检测电路检测到的电容变化来判断光学衍射元件 110是否发生故障。

图4是根据本申请另一示例性实施方式的光学器件200的结构示意图。在该示例性实施方式中，第一电容电极120和第二电容电极130可交叉布置在光学衍射元件110的相同的表面上。如图4所示，第一电容电极120和第二电容电极130可以是交叉指型电极。值得一提的是，所述交叉指型电极可以设置于光学衍射元件110的一个表面上，或者也可以同时设置在其两个表面上。当第一电容电极120和第二电容电极130 同时设置于光学衍射元件110的两个表面上时，除了同一表面上的第一电容电极120和第二电容电极130交叉对应地形成互电容结构外，位于一表面上的第一电容电极120和位于另一表面上的第二电容电极130也可彼此形成互电容结构。

图5是根据本申请又一示例性实施方式的光学器件300的结构示意图。在该示例性实施方式中，第一电容电极120和第二电容电极130可设置在光学衍射元件110的两侧边缘处，并分别与检测电路140连接，使得检测电路140能够测量第一电容电极120与第二电容电极130之间的电容。

根据本申请的光学器件还可包括一对参考电容电极(未示出)。一对参考电容电极可设置在光学衍射元件的稳定操作区域中，其中，上述稳定操作区域限定为光学衍射元件中相对不易受到外部影响或发生故障的区域。检测电容可将一对参考电容电极之间的电容与所检测到的第一电容电极和第二电容电极之间的电容进行比较，进而确定光学衍射元件是否正常操作。

此外，根据本申请的光学器件还可包括接地单元(例如，接地电路)。该接地单元可设置在衍射光学元件的外周边缘位置处。接地单元被施加接地电位，从而能够在检测电路检测第一电容电极与第二电容电极之间的电容时减少由寄生电容或噪声导致的影响。

图6是示出根据本申请又一示例性实施方式的光学器件400的结构示意图。在该示例性实施方式中，光学器件400还包括用于保护光学衍射元件210的衍射层211的透明保护层212，光学衍射元件210的衍射层 211和透明保护层212上可分别设置有两个电容电极120和130。具体地，衍射层211上可设置有微结构(DOE)，且透明保护层212可由透明玻璃构成并位于衍射层211中设置有微结构的表面上，由此在衍射层211与透明保护层212之间形成密封空间。通过这种密封保护结构，能够防止外部的水分或微尘等杂质接触到微结构从而影响微结构的性能甚至对其造成破坏。在该示例性实施方式中，透明保护层212可具有平坦的表面，且不影响光束的衍射。然而，本申请并不限于此。根据其他实施方式，透明保护层212可实现为凸透镜以用于对光束进行进一步准直，或者也可实现为凹透镜，以预防光束的汇聚。应理解，在透明保护层的材料不限于本文所描述的具体实施方式。

尽管图6示出了第一电容电极120和第二电容电极130分别位于光学衍射元件210的衍射层211和透明保护层213的实施方式，但是本申请并不限于此。例如，类似于参照图1至图5所描述的实施方式，第一电容电极120和第二电容电极130也可分别设置在衍射层121(此处，相当于单层光学衍射元件)的两个相对的位置处，以形成互电容结构。

图7是示出可适用根据本申请又一实施方式的结构光投射装置的结构示意图。

根据本申请又一实施方式的结构光投射装置1000还包括激光发射器 10、准直系统20和光学衍射元件30，光学衍射元件30包括衍射层301 和图案生成层302，其中，准直系统位于激光发射器所发出的光束的光路上，以对所发出的光束进行准直；经准直后的光束通过所述图案生成层形成图案光束，图案光束再经过衍射层进行衍射，投射至空间目标。由于光学衍射元件可以生成图案光束，故在本申请该实施例中，激光发射器设置为规则的光源。值得注意的是，优选地，第一电容电极320和第二电容电极330分别位于衍射层的两个相对的表面上，第一电容电极320 和第二电容电极330构成互电容结构，从而通过检测电路来检测电容值，由此实现对光学衍射元件30的监测。除此之外，第一电容电极320和第二电容电极330可采用交叉式方式排布于光学衍射元件30的表面，以实现对光学衍射元件30的监测。

应注意，根据本申请的其他实施方式，也可设置多对电容电极。例如，在衍射层和图案生成层的各自相对的两个表面上分别设置一对电容电极，从而使得每对电容电极之间都能够形成互电容，实现全面的监测。进一步地，也可设置一对电容电极，其中，一个电容电极可设置在衍射层的一个表面上，且另一个电容电极可设置在图案生成层的一个表面上，并使得两个电容电极形成互电容。

另外，根据该实施方式的结构光投射装置还包括激光发射器、准直系统和控制单元，其中，准直系统位于激光发射器所发出的光束的光路上，以对所发出的光束进行准直；控制单元根据检测电路检测到的第一电容电极和第二电容电极之间的互电容来控制激光发射器的发光。

进一步地，控制单元可将检测电路检测到的第一电容电极和第二电容电极之间的互电容与预设电容值进行比较，并根据比较结果来判断光学衍射元件是否正常操作。

替代地，控制单元还可包括一对参考电容电极，一对参考电容电极可位于光学衍射元件的稳定操作区域中，并分别连接至检测电路。此外，控制单元将由检测电路检测到的第一电容电极和第二电容电极之间的电容与一对参考电容电极之间的电容进行比较，并根据比较结果判断光学衍射元件是否正常操作。

例如，如果根据测量出的电容值判断为光学衍射元件发生异常时，控制单元控制并关闭激光发射器，从而避免激光发射器发出的光束投射效果不佳或者对空间目标对象造成损害。

进一步地，根据本申请示例性实施方式的结构光投射装置还可应用于智能手机、可穿戴设备、计算机设备、电视机、交通工具、照相机、摄像机、监控装置等各种电子设备。

虽然已经示出并描述了本申请的一些实施方式，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本申请的原则和精神的情况下可以对这些实施方式进行改变，本申请的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (22)

1.一种光学器件，其特征在于,包括：

光学衍射元件；

第一电容电极，位于所述光学衍射元件的一侧；

第二电容电极，与所述第一电容电极相对地位于所述光学衍射元件的另一侧；以及

检测电路，与所述第一电容电极和所述第二电容电极电连接，以检测所述第一电容电极与所述第二电容电极之间的互电容。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述第一电容电极和所述第二电容电极为平面电极，且分别位于所述光学衍射元件的相对的两个表面上。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述第一电容电极和所述第二电容电极位于所述光学衍射元件的相同的表面上。

4.根据权利要求3所述的光学器件，其特征在于，所述第一电容电极和所述第二电容电极为交叉指型电极。

5.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，

所述光学衍射元件包括衍射层和图案生成层，所述衍射层上设置有用于衍射光束的微结构，且经衍射的光束通过所述图案生成层形成为图案光束。

6.根据权利要求5所述的光学器件，其特征在于，

所述第一电容电极和所述第二电容电极分别设置在所述衍射层的两个相对的表面上。

7.根据权利要求5所述的光学器件，其特征在于，

所述第一电容电极设置在所述衍射层上，且所述第二电容电极与所述第一电容电极相对地设置在所述图案生成层上。

8.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，

所述光学衍射元件包括衍射层，所述衍射层上设置有用于衍射光束的微结构；以及

所述光学器件还包括：

透明保护层，所述透明保护层覆盖所述衍射层的所述微结构，使得所述透明保护层与所述衍射层之间形成密封空间。

9.根据权利要求8所述的光学器件，其特征在于，所述第一电容电极设置在所述衍射层的一表面上，且所述第二电容电极与所述第一电容电极相对地位于所述衍射层的另一表面上。

10.根据权利要求8所述的光学器件，其特征在于，所述第一电容电极设置在所述衍射层上，且所述第二电容电极设置在所述透明保护层上。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的光学器件，其特征在于，

所述透明保护层是平面透镜、凸透镜和凹透镜之一。

12.根据权利要求8所述的光学器件，其特征在于，所述透明保护层由透明玻璃构成。

13.根据权利要求1至10中任一项所述的光学器件，其特征在于,还包括：

一对参考电容电极，位于所述光学衍射元件的稳定操作区域中，并分别连接至所述检测电路，

其中，所述检测电路将检测到的所述第一电容电极与所述第二电容电极之间的电容与所述一对参考电容电极之间的电容进行比较。

14.根据权利要求1至10中任一项所述的光学器件，其特征在于，还包括：

接地单元，所述接地单元位于所述第一电容电极与所述光学衍射元件之间以及所述第二电容电极与所述光学衍射元件之间并配置成接地，以减少寄生电容对所述第一电容电极与所述光学衍射元件之间的互电容的影响。

15.一种结构光投射装置，其特征在于，包括：

根据权利要求1所述的光学器件，

激光发射器；

准直系统，位于所述激光发射器所发出的光束的光路上，以对所发出的光束进行准直；

控制单元，所述控制单元根据所述检测电路检测到的所述第一电容电极和所述第二电容电极之间的互电容来控制所述激光发射器的发光。

16.根据权利要求15所述的结构光投射装置，其特征在于，

所述控制单元将所述检测电路检测到的所述第一电容电极和所述第二电容电极之间的互电容的差值与预设电容值进行比较，并根据比较结果来判断所述光学衍射元件是否正常操作。

17.根据权利要求15所述的结构光投射装置，其特征在于，

所述光学器件还包括一对参考电容电极，所述一对参考电容电极位于所述光学衍射元件的稳定操作区域中，并分别连接至所述检测电路，以及，

所述控制单元将由所述检测电路检测到的所述第一电容电极和所述第二电容电极之间的电容与所述一对参考电容电极之间的电容进行比较，并根据比较结果判断所述光学衍射元件是否正常操作。

18.根据权利要求16或17所述的结构光投射装置，其特征在于，

如果所述控制单元根据比较结果判断为所述光学衍射元件操作异常，则关闭所述激光发射器。

19.根据权利要求16或17所述的结构光投射装置，其特征在于，

所述光学衍射元件还包括接地单元，所述接地单元位于所述第一电容电极与所述光学衍射元件之间以及所述第二电容电极与所述光学衍射元件之间并配置成接地，以减少寄生电容对所述第一电容电极与所述光学衍射元件之间的互电容的影响。

20.一种深度相机，其特征在于，包括：

如权利要求15至17中任一项所述的结构光投射装置，用于向空间目标的表面投射结构光光束，以形成可识别区域；

采集模组，用于采集所述空间目标的表面上所形成的所述可识别区域，

其中，所述采集模组的景深范围大于或等于所述结构光投射装置的投射范围。

21.一种电子设备，其特征在于，包括：如权利要求20所述的深度相机。

22.根据权利要求21所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备为智能手机、可穿戴设备、计算机设备、电视机、交通工具、照相机、摄像机中的一种。