CN211375111U - 一种菲涅尔透镜、结构光投影模组及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种菲涅尔透镜、结构光投影模组及电子设备，包括：透镜基层，具有入光面以及与入光面相对的出光面；准直部，设于透镜基层的表面，准直部配置成可调制由入光面入射的光线，以使得光线穿过准直部后以垂直于出光面的方向出射，准直部具有背离透镜基层的工作面；衍射部，设于工作面，衍射部配置成对穿过衍射部的光线进行衍射。本申请的菲涅尔透镜通过在透镜基层上设置准直部，可起到调制光线准直的作用，并在准直部的工作面上设置衍射部，可起到衍射光线的作用，使菲涅尔透镜集成了准直镜头与衍射光学元件的功能，结构更加稳定，在组装或经可靠性测试后不会出现失效，降低了组装工时及生产成本，占用的空间更小。

Description

一种菲涅尔透镜、结构光投影模组及电子设备

技术领域

本申请涉及光学元件领域，尤其涉及一种菲涅尔透镜、结构光投影模组及电子设备。

背景技术

3D成像技术是新一代人机交互技术的核心，目前，可采用结构光投影模组来进行3D成像。现有技术中的结构光投影模组主要包括垂直腔面发射激光器 (Vertical CavitySurface Emitting Laser，VCSEL)、准直镜头以及衍射光学元件(Diffractive OpticalElement，DOE)。其中，垂直腔面发射激光器发射的光斑图案经准直镜头调制为准直光线后，进入衍射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，准直镜头一般具有多片镜片，准直镜头的多片镜片经组装或可靠性测试后容易出现失效，使得结构光投影模组的组装不良率高，耗费组装工时，生产成本高。且采用准直镜头与衍射光学元件组合占用空间大，成本高。

实用新型内容

本申请提供一种菲涅尔透镜、结构光投影模组及电子设备，能够降低结构光投影模组的组装工时及生产成本，同时减小模组占用空间。

根据本申请的一个方面，提供了一种菲涅尔透镜，包括：

透镜基层，具有入光面以及与入光面相对的出光面；

准直部，设于透镜基层的表面，准直部配置成可调制由入光面入射的光线，以使得光线穿过准直部后以垂直于出光面的方向出射，准直部具有背离透镜基层的工作面；

衍射部，设于工作面，衍射部配置成对穿过衍射部的光线进行衍射。该设计同时具有调制光线准直以及衍射光线的作用，可以降低菲涅尔透镜的组装工时及生产成本，同时减小其占用空间。

根据一些实施例，准直部设于入光面；和/或

准直部设于出光面。该设计可以灵活调整准直部在菲涅尔透镜上的设置位置，根据不同的使用场景和使用需求调整菲涅尔透镜的结构。

根据一些实施例，准直部包括第一表面以及工作面，第一表面垂直于透镜基层的表面，工作面的一端连接第一表面，工作面的另一端连接透镜基层的表面。该设计中准直部的结构相对简单，便于准直部的成型。

根据一些实施例，准直部包括第一表面、第二表面以及工作面，第一表面与第二表面均垂直于透镜基层的表面，且第一表面与第二表面间隔设置，工作面的一端连接第一表面，工作面的另一端连接第二表面。该设计中准直部的占用空间减小，可以提降低准直部之间的图像干扰，提高透光质量。

根据一些实施例，衍射部的数量为多个，各衍射部在工作面上阵列排布。该设计可以对穿过衍射部的光线具有更好的衍射效果，提高获得的深度图像数据的数据量。

根据一些实施例，还包括：

镀层，镀层设于入光面。该设计可以扩展菲涅尔透镜的使用性能，使其满足多种不同的使用需求。

根据一些实施例，镀层为导电玻璃层、抗反射膜层以及耐磨层中的至少一种。该设计可以使菲涅尔透镜具备更好的使用性能，提升使用寿命。

根据本申请的第二个方面，还提供了一种结构光投影模组，包括：

上述任一的菲涅尔透镜；

垂直腔面发射激光器，用于发射光线至透镜基层的入光面。该设计可以降低结构光投影模组的组装工时及生产成本，并减小其占用空间。

根据一些实施例，菲涅尔透镜的数量为多个，各菲涅尔透镜层叠设置，且各透镜基层的入光面均面向垂直腔面发射激光器。该设计可以在降低结构光投影模组的组装工时及生产成本的同时增强结构光投影模组的衍射能力，使用效果更好。

根据本申请的第三个方面，还提供了一种电子设备，包括：

上述的结构光投影模组。该设计可以降低电子设备中结构光投影模组的组装工时及生产成本，并减小其占用空间，可以更加灵活地对其组装位置进行调整。

本申请提供一种菲涅尔透镜、结构光投影模组及电子设备，该菲涅尔透镜包括透镜基层、准直部以及衍射部。本申请的菲涅尔透镜通过在透镜基层上设置准直部，可起到调制光线准直的作用，并在准直部的工作面上设置衍射部，可起到衍射光线的作用，使菲涅尔透镜集成了准直镜头与衍射光学元件的功能，相对于具有多片镜片的准直镜头，结构更加稳定，在组装或经可靠性测试后不会出现失效，降低了组装工时及生产成本，且相对于准直镜头与衍射光学元件的组合，占用的空间更小。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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的附图。

图1为现有技术中的结构光投影模组的整体结构示意图；

图2为本申请第一实施例中的菲涅尔透镜的截面结构示意图；

图3为本申请第一实施例中的菲涅尔透镜的整体结构示意图；

图4为图2中准直部以及衍射部的结构放大示意图；

图5为本申请第二实施例中的菲涅尔透镜的截面结构示意图；

图6为图5中准直部以及衍射部的结构放大示意图；

图7为本申请第三实施例中的菲涅尔透镜的截面结构示意图；

图8为本申请第四实施例中的结构光投影模组的整体结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。

请参阅图1，由于现有技术中结构光投影模组主要包括垂直腔面发射激光器200、准直镜头300以及衍射光学元件400。其中，垂直腔面发射激光器200 发射的光斑图案经准直镜头300调制为准直光线后，进入衍射光学元件400并衍射出多种光斑图案阵列后投影至物体上。然而，准直镜头300一般具有多片镜片，准直镜头300的多片镜片经组装或可靠性测试后容易出现失效，使得结构光投影模组的组装不良率高，耗费组装工时，生产成本高。且采用准直镜头 300与衍射光学元件400组合占用空间大，成本高。

请参阅图2至图4，为了解决上述技术问题，本申请的第一实施例提出一种菲涅尔透镜100，该菲涅尔透镜100包括透镜基层110、准直部120以及衍射部130。菲涅尔透镜100又名螺纹透镜，是拿掉普通透镜中尽可能多的光学材料，仅仅保留普通透镜的光学表面的弯曲度制作而成的更轻更薄的透镜。也可理解为将普通透镜的连续表面部分坍陷到一个平面上制作而成。菲涅尔透镜 100的制作材料可以采用玻璃、树脂或硅材等光学材料。

透镜基层110具有入光面111以及与入光面111相对的出光面112。透镜基层110是用于承载菲涅尔透镜100其它各部分元件的一个基层。为了便于其它各部分元件的设置，以实现菲涅尔透镜100的光学成像功能，同时减小透镜基层110所占的尺寸，透镜基层110可以设置为两侧均为平面的不具备屈光度的平光镜片。透镜基层110两侧的表面按照其所处方位及透光功能的不同，可以分为入光面111以及出光面112。如本领域技术人员所熟知的，透镜基层110 的靠近光源且光线由此射入的一侧为入光面111，与之相对的，透镜基层110 的另一侧，即光线由此射出的一侧为出光面112。

其中，菲涅尔透镜100的准直部120设于透镜基层110的表面。准直部120 为菲涅尔透镜100上的实现光线准直调制的作用的部件，采用光学材料制作。准直部120的功能为可调制由入光面111入射的光线，以使得光线穿过准直部 120后以垂直于出光面112的方向出射。只要具备将入射光线调制为平行光的功能的结构均可作为准直部120。

为了满足不同的使用场景下的使用需求，准直部120可以设于透镜基层110 的入光面111，也可以设于透镜基层110的出光面112，还可以同时设于透镜基层110的入光面111以及出光面112。当准直部设于不同的表面时，为了将由入光面111入射的光线调制为垂直于出光面112的方向出射，可以对准直部的结构作出适应性调整。

准直部设于出光面。可以灵活调整准直部在菲涅尔透镜上的设置位置，根据不同的使用场景和使用需求调整菲涅尔透镜的结构。例如，准直部120可以是透镜基层110的表面上凸出设置的一个具有光学表面的凸出部。为了实现准直部120的透光功能，准直部120需要具有一个工作面121，且该工作面121 背离透镜基层110的表面设置，由透镜基层110的入光面111入射的光线在穿过准直部120时，经过该工作面121，受到工作面121的折射作用而使其传播方向发生改变，变化为垂直于透镜基层110的出光面112的方向出射。工作面121可以是一个平面或一个曲面，也可以是由多个平面或曲面组成的面的集合。而入射的光线穿过菲涅尔透镜100的准直部120时，不经过的表面则不是准直部120的工作面121。

菲涅尔透镜100的衍射部130设于准直部120的工作面121。衍射部130 为菲涅尔透镜100上的起到衍射光线的作用的部件，采用光学材料制作。衍射部130的功能为对穿过衍射部130的光线进行衍射。衍射部130可以利用光的衍射原理将入射的一道光束分解为多道光束，并且形成为预设的图案、角度以及强度分布等。由此，在对入射光线进行光线准直调制以及衍射后就可以获得深度图像数据以实现3D成像技术测量。

为了方便加工成型，并且提高整体的透光质量，菲涅尔透镜100的透镜基层110、准直部120以及衍射部130等部件可以是一体成型的。可以在硅材基材上采用半导体光罩刻蚀成型，也可以在高分子紫外光固化胶上采用纳米压印成型。

本申请的第一实施例的菲涅尔透镜100通过在透镜基层110上设置准直部 120，可起到调制光线准直的作用，并在准直部120的工作面121上设置衍射部 130，可起到衍射光线的作用，使菲涅尔透镜100集成了准直镜头与衍射光学元件的功能，相对于具有多片镜片的准直镜头，结构更加稳定，在组装或经可靠性测试后不会出现失效，降低了组装工时及生产成本，且相对于准直镜头与衍射光学元件的组合，占用的空间更小。

为了提高菲涅尔透镜100上光学表面的覆盖面积，从而提高菲涅尔透镜100 的透光效率，可以将准直部120设置为绕透镜基层110的表面的中心分布的环形，以占据透镜基层110上的更大面积。透镜基层110的表面的中心可以是它的形心，例如，当透镜基层110为平光镜片时，透镜基层110的表面为一个圆形，则它的中心即是其圆心。而环形则是以该圆心为对称中心的首尾相连的中心对称图形，如圆环或矩形环。为了能将透镜基层110上各个方位的入射光线均调制为平行光，准直部120的数量可以设置为多个，各准直部120绕透镜基层110的表面的中心同心排布，即各准直部120均为以上述圆心为中心的同心环。准直部120的数量越多，其调制光线的密集程度就越高，但加工难度及加工成本也随之上升，因此，可以根据实际的使用需求灵活调整准直部120的数量。

准直部120的结构可以有不同的形式，请参阅图4，在本申请的第一实施例中，准直部120包括第一表面122以及工作面121。该第一表面122垂直于出光面112，该工作面121的一端连接第一表面122，工作面121的另一端连接出光面112。即环形的准直部120在经过出光面112的中心的任意平面上的截面为一个直角三角形，出光面112与该截面的交线为直角三角形的一个直角边，第一表面122与该截面的交线为直角三角形的另一个直角边，工作面121与该截面的交线为直角三角形的斜边。这种结构的准直部120成型方便。为了使由入光面111入射的光线在穿过准直部120后能够以垂直于出光面112的方向出射，需要调整工作面121的姿态以改变准直部120的光学特性，可以将工作面 121设置于第一表面122的背离出光面112的中心的一侧，即沿平行于出光面 112并指向出光面112的中心的方向，准直部120的垂直于出光面112的方向的厚度尺寸逐渐增大。随着准直部120的厚度尺寸变化，其光学特性也发生变化，调整准直部120的厚度尺寸至适当的值，可以使穿过准直部120的出射光线为垂直于出光面112的平行光。

在本申请的第二实施例中，请参阅图5至图6，准直部120包括第一表面 122、第二表面123以及工作面121。该第一表面122与第二表面123均垂直于出光面112，且第一表面122与第二表面123间隔设置，工作面121的一端连接第一表面122，工作面121的另一端连接第二表面123。此时，环形的准直部 120在经过出光面112的中心的任意平面上的截面为一个直角梯形，出光面112 与该截面的交线为直角梯形的一条腰，第一表面122、第二表面123与该截面的交线分别为直角梯形的两条底边，工作面121与该截面的交线为直角梯形的另一条腰。调整工作面121的姿态以改变准直部120的光学特性，其中，沿平行于出光面112并指向出光面112的中心的方向，令准直部120的垂直于出光面112的方向的厚度尺寸逐渐增大。调整准直部120的厚度尺寸至适当的值，可以使穿过准直部120的出射光线为垂直于出光面112的平行光。

衍射部130可以是在准直部120的工作面121上凸起的微小结构，它的形状可以是三棱柱、三棱锥、四棱柱、四棱锥等规则立体结构，也可以是没有规则外形的立体结构，根据需要达到的预设的图案、角度以及强度分布等情况来确定。在本实施例中，衍射部130的形状为四棱柱，且衍射部130的一部分融合至准直部120中。衍射部130的数量为多个，各衍射部130在工作面121上阵列排布，以在经过入光面111的中心的任意平面上的截面形成阶梯状。多个衍射部130可以对穿过衍射部130的光线具有更好的衍射效果，提高获得的深度图像数据的数据量。

当菲涅尔透镜100的准直部120与衍射部130仅集成在透镜基层110的入光面111或出光面112时，而透镜基层110的另一个表面是没有设置任何光学元件的平面，因此，可以在透镜基层110的另一个表面设置若干光学元件以扩展菲涅尔透镜100的光学性能，使其满足多种不同的使用需求。例如，参阅图 7所示，在本申请的第三实施例中，菲涅尔透镜100还包括镀层140，该镀层 140设于透镜基层110的背离准直部120的表面。

该镀层140可以是导电玻璃层、抗反射膜层以及耐磨层中的至少一种。其中，导电玻璃层是在普通玻璃层上镀上一层导电膜而形成的具备导电性能的玻璃层。导电玻璃层具有较高的机械强度、防腐性能以及透光率，并且其是以锡和氧空位为施主的n型简并半导体，在常温下有很好的导电性。其本征吸收在紫外区，可起到阻挡紫外线的作用，对人眼起到很好的保护效果。抗反射膜层又称为增透膜层、减反射膜层或低反射膜层，是由若干层抗反射膜层叠而成的具有减小反射率效果的膜层。抗反射膜层可使经由各个界面反射回来的光波与光波之间产生破坏性的干涉，增加玻璃透过率，减少反射率，从而减少图像失真，以达到减少眩光的效果，可提升成像的清晰度。耐磨层是一种添加了耐磨材料的表层，可对透镜基层110的表面形成全方位的保护，避免其直接与外界接触，降低菲涅尔透镜100的磨损程度，提高使用寿命。

镀层140还可以是其它各种具有不同功能的膜层，可根据实际使用需求选取。镀层140可以单独使用，也可以混合叠加使用。当采用多种不同的镀层140 叠加使用时，各镀层140的叠加顺序以互不产生干扰，均能很好地实现其功能的顺序为准。

请参阅图8，本申请的第四实施例还提出一种结构光投影模组10，该结构光投影模组10包括上述任一的菲涅尔透镜100以及垂直腔面发射激光器200。垂直腔面发射激光器200用于发射光线至透镜基层110的入光面111，它是一种从集成电路的顶面发出激光的光源，相比于边射型激光器，垂直腔面发射激光器200可以直接在芯片上测试，以节省半导体制作过程中装置的花费及使用。这也允许垂直腔面发射激光器200的制作不再只是一维，而可以是二维的排列。该结构光投影模组10通过设置集成了准直镜头与衍射光学元件的功能的菲涅尔透镜100，相对于采用传统准直镜头的结构光模组，结构更加稳定，在组装或经可靠性测试后不会出现失效，降低了组装工时及生产成本，且相对于准直镜头与衍射光学元件的组合，占用的空间更小。

在其它的实施例中，菲涅尔透镜100的数量为多个，各菲涅尔透镜100层叠设置，且各透镜基层110的入光面111均面向垂直腔面发射激光器200。这里采用的多个菲涅尔透镜100的准直部120、衍射部130的设置位置及结构可以均相同，也可以有所不同，只需要它们均能配合实现准直、衍射的功能即可。该设计可以在降低结构光投影模组10的组装工时及生产成本的同时增强结构光投影模组10的衍射能力，使用效果更好。

本申请的实施例还提出一种电子设备，该电子设备包括上述的结构光投影模组10。由于本申请实施例的结构光投影模组10占用的空间更小，它在电子设备中的位置可以更加灵活地进行调整。电子设备可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、个人数位助理、智能手环、智能手表等穿戴式设备中的任意一种。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本申请的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。

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)

1.一种菲涅尔透镜，其特征在于，包括：

透镜基层，具有入光面以及与所述入光面相对的出光面；

准直部，设于所述透镜基层的表面，所述准直部配置成可调制由所述入光面入射的光线，以使得所述光线穿过所述准直部后以垂直于所述出光面的方向出射，所述准直部具有背离所述透镜基层的工作面；

衍射部，设于所述工作面，所述衍射部配置成对穿过所述衍射部的所述光线进行衍射。

2.如权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：

所述准直部设于所述入光面；和/或

所述准直部设于所述出光面。

3.如权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：

所述准直部包括第一表面以及工作面，所述第一表面垂直于所述透镜基层的表面，所述工作面的一端连接所述第一表面，所述工作面的另一端连接所述透镜基层的表面。

4.如权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：

所述准直部包括第一表面、第二表面以及工作面，所述第一表面与第二表面均垂直于所述透镜基层的表面，且所述第一表面与所述第二表面间隔设置，所述工作面的一端连接所述第一表面，所述工作面的另一端连接所述第二表面。

5.如权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：

所述衍射部的数量为多个，各所述衍射部在所述工作面上阵列排布。

6.如权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，还包括：

镀层，所述镀层设于所述透镜基层的背离所述准直部的表面。

7.如权利要求6所述的菲涅尔透镜，其特征在于：

所述镀层为导电玻璃层、抗反射膜层以及耐磨层中的至少一种。

8.一种结构光投影模组，其特征在于，包括：

如权利要求1至7任一所述的菲涅尔透镜；

垂直腔面发射激光器，用于发射光线至所述透镜基层的所述入光面。

9.如权利要求8所述的结构光投影模组，其特征在于：

所述菲涅尔透镜的数量为多个，各所述菲涅尔透镜层叠设置，且各所述透镜基层的所述入光面均面向所述垂直腔面发射激光器。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：

如权利要求8或9所述的结构光投影模组。

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