CN214542910U - 照明投射器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种照明投射器，包括激光芯片和微透镜板；激光芯片包括至少一个发光孔，激光芯片通过至少一个发光孔发出激光，且激光芯片发出的激光至少包括第一模态激光和第二模态激光；微透镜板与激光芯片间隔固定，且微透镜板包括正对发光孔的入光面，入光面包括多个微透镜曲面，且第一模态激光和第二模态激光均穿过微透镜板后向外投射。本申请照明投射器能够使得激光芯片发出的激光具有至少两种模态，且通过将形成的至少两种模态的激光照射在微透镜板上的多个微透镜曲面上，以使得投射出的画面具有较好的均匀性，并且能够避免投射出的画面出现干涉条纹的现象。本申请还涉及一种包括该照明投射器的电子设备。

Description

照明投射器及电子设备

技术领域

本申请涉及光学测距技术领域，具体涉及一种照明投射器及电子设备。

背景技术

在激光器的应用中，会使用透镜来进行激光的整形、扩大激光的照射角度、以及能量分布的均匀化等。但是一般透镜的厚度较厚，为了缩减系统高度，会使用微透镜阵列(Micro Lens Array，MLA)作为激光整形的光学器件来改变光线的投射角度与分布特性。

使用一般的单模态激光搭配规则排列的微透镜阵列会使得各个微透镜之间产生间歇性干涉的光斑，进而使得投射出去的画面具有亮暗不均的现象。虽然采用一般的单模态激光器搭配不规则排列的微透镜阵列，能够得到较好的投射画面。但在其制造过程中，需经过光刻工艺的曝光显影，不规则的微透镜阵列外形对于光刻参数的反应不一，会产生不同的变化，完成多道工艺制程才能得到最终的微透镜阵列成品，然后验证该组设计是否满足投射画面的需求，整段制作过程具有一定的复杂性，通常需要来回多次迭代才能找到最佳的光刻参数。

实用新型内容

本申请的目的在于解决现有技术的不足，提出了一种照明投射器，以解决所投射的画面具有亮暗不均的现象，具体包括如下技术方案：

一种照明投射器，包括激光芯片和微透镜板；

所述激光芯片包括至少一个发光孔，所述激光芯片通过所述至少一个发光孔发出激光，且所述激光芯片发出的激光至少包括第一模态激光和第二模态激光；

所述微透镜板与所述激光芯片间隔固定，所述微透镜板包括正对所述发光孔的入光面，所述入光面包括多个微透镜曲面，所述第一模态激光和所述第二模态激光均穿过所述微透镜板后向外投射。

本申请提供的照明投射器，通过将所述激光芯片上的至少一个所述发光孔与所述微透镜板上的所述入光面相对设置，且通过所述激光芯片上的至少一个所述发光孔发出至少所述第一模态激光和所述第二模态激光。通过将所述第一模态激光和所述第二模态激光发射至所述微透镜板上，激光经所述微透镜板上的多个所述微透镜曲面折射后向外投射，以形成较好的投射画面。本申请照明投射器采用的所述激光芯片能够发射出多种模态的激光，且多种模态的激光照射在所述微透镜板上使得投射出的画面具有较好的均匀性，同时能够避免投射出的画面出现干涉条纹的现象。

可选地，每个所述发光孔对应设有一个谐振腔，所述谐振腔用于发出激光，并对激光进行谐振以形成所述第一模态激光和/或所述第二模态激光。

所述发光孔和所述谐振腔一一对应，所述谐振腔内能够激发出多个相位接近相同的光子，并经由所述谐振腔放大激光强度，且能够在同一谐振腔内存在多种模态的激光。

可选地，所述发光孔为多个，多个所述发光孔至少包括第一发光孔和第二发光孔，且所述第一发光孔的面积和所述第二发光孔的面积不同。

所述第一发光孔和所述第二发光孔的面积不同，其所对应的谐振腔的尺寸也不相同，因此能够在所述第一发光孔和所述第二发光孔上分别产生不同模态的激光。

可选地，所述第一发光孔的直径d1满足条件：6μm≤d1≤30μm，所述第二发光孔的直径d2也满足条件：6μm≤d2≤30μm。

所述第一发光孔和所述第二发光孔的直径对应各自的所述谐振腔的尺寸，不同直径的所述第一发光孔和所述第二发光孔能够形成所述第一模态激光和所述第二模态激光。

可选地，相邻的所述第一发光孔和所述第二发光孔之间的孔距L满足条件：15μm≤L≤60μm。

相邻的所述第一发光孔和所述第二发光孔之间的孔距过近会使得所述激光芯片的发光效率较低，而相邻的所述第一发光孔和所述第二发光孔之间的孔距过远则会造成所述激光芯片面积的浪费。

可选地，多个所述第一发光孔和多个所述第二发光孔在所述激光芯片上阵列排布。

阵列排布且面积不同的所述第一发光孔和所述第二发光孔，使得发射出的不同模态的激光所投射的位置不同，发射至所述微透镜板的位置不同，以形成不同的折射效果。

可选地，所述发光孔在所述激光芯片上交错分布。

所述发光孔在所述激光芯片上交错分布，使得各个激光的投射方向不同，同样能够在所述微透镜板上形成不同的折射效果。

可选地，所述入光面上的多个所述微透镜曲面阵列排布。

激光的多种模态照射到阵列排布的多个所述微透镜曲面上，使得各激光在多个阵列排布的所述微透镜曲面上折射的方向不同，因此投射出去的画面不容易产生干涉条纹。

可选地，多个所述微透镜曲面材质的折射率α满足：1.4≤α≤2.0。

激光的多种模态激光照射到阵列排布的多个所述微透镜曲面上，控制多个所述微透镜曲面的曲率，能够使得各激光在所述微透镜曲面上折射的方向不同，且由于激光具有多种模态的激光，因此投射出去的画面不容易产生干涉条纹。

本申请还涉及一种电子设备，包括上述的照明投射器。

本申请提供的电子设备能够实现较好的画面效果，且所述电子设备上的画面不易产生干涉条纹现象。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型一些实施方式，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的附图。

图1为本实用新型照明投射器的结构示意图；

图2和图3为本实用新型照明投射器中微透镜板的结构示意图；

图4为本实用新型照明投射器的一种实施例的原理示意图；

图5为本实用新型照明投射器所投射的干涉画面的示意图；

图6-图7为本实用新型照明投射器的其余实施例的原理示意图；

图8为本实用新型照明投射器中激光的能量分布图；

图9为现有技术中不规则排列的微透镜阵列的示意图；

图10-图17为本实用新型照明投射器中发光孔排布的各种实施例的结构示意图；

图18为本实用新型照明投射器中第一发光孔和第二发光孔之间的孔距示意图。

附图标记说明：

1-照明投射器；10-激光芯片；20-微透镜板；11-发光孔；12-谐振腔；21-入光面；22-微透镜曲面；121-谐振腔反射面；122-谐振腔出光面；123-谐振腔侧壁；111-第一发光孔；112-第二发光孔；001-第一方向；002-第二方向。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应当明确，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

本申请所涉及的照明投射器1应用于3D-Sensing iToF投射器、FLOOD手机补光灯以及激光照明领域，能够进行3D(Three Dimensions)人脸辨识或是室内3D景物建模，且该照明投射器1主要将画面投射到人脸或物体上。具体请参见图1所示的照明投射器1的结构示意图，照明投射器1包括激光芯片10和微透镜板20，且激光芯片10与微透镜板20间隔固定并对齐设置。激光芯片10用于向微透镜板20投射激光，激光穿过微透镜板20后向外投射。激光芯片10上包括有至少一个发光孔11(参见图11)，不同的发光孔11能够发射出不同模态的激光，且激光芯片10能够发射出至少第一模态激光和至少第二模态激光。第一模态激光和第二模态激光均发射至微透镜板20上，经微透镜板20折射后投射出。

激光芯片10还包括谐振腔12，谐振腔12包括有谐振腔反射面121、谐振腔出光面122和谐振腔侧壁123，且谐振腔12和发光孔11一一对应设置。谐振腔12用于将其自身生成的光子进行谐振和反射，以使得光子在谐振腔12内部的谐振腔反射面121、谐振腔出光面122和谐振腔侧壁123上来回行进，以激发出更多方向与相位接近一致的光子并形成较高强度的激光。同时，部分光子从谐振腔出光面122穿透出去，当新产生的光子和穿透的光子达到平衡状态后，在谐振腔出光面122上能够得到较为稳定的激光，并由谐振腔出光面122穿过发光孔11将所形成的激光投射至微透镜板20上。此时，激光经过谐振腔12后增加了激光的强度，并形成了至少第一模态激光和第二模态激光。一种实施例，谐振腔反射面121和/或谐振腔侧壁123可以具有约99％的反射功能以及约1％的穿透功能。

需要说明的是，不同发光孔11对应的谐振腔12中可以仅形成第一模态激光、可以仅形成第二模态激光、还可以在谐振腔12的内部同时形成有第一模态激光和第二模态激光。此时，位于激光芯片10上发光孔11上可以发射出具有不同模态的激光，且多个不同的发光孔11搭配不同的谐振腔12可以使得激光芯片10上形成多种模态的激光，并通过多个不同的发光孔11将多种模态的激光发射至微透镜板20上。可以理解的，本申请所提出的多种模态的激光包括有基础模态的激光以及多种高阶模态的激光。

请继续参见图1，并配合参见图2和图3所示的微透镜板20的结构示意图，微透镜板20包括入光面21，且入光面21朝向激光芯片10上的谐振腔出光面122，以接收激光芯片10上发射出的激光。入光面21上包括多个微透镜曲面22，且多个微透镜曲面22的大小和曲率半径等参数均相同。第一模态激光和第二模态激光在微透镜曲面22折射后投射出。在一种实施例中，多个微透镜曲面22正对发光孔11设置。

一种实施例请配合参见图4、图5和图8，当激光芯片10发出的激光仅具有如图4所示的基础模态时，其投射形成的画面可以为图8中A的示意，且具有基础模态的激光投射至微透镜阵列MLA上，会形成如图5所示的具有间歇性干涉的光斑的画面。现有技术中，规则排列的MLA微透镜阵列已经应用在LED光源相关的均匀照明上，且由于激光具有同调性(coherent)，将具有基础模态的激光搭配规则排列的微透镜阵列MLA，各微透镜之间会产生如图5所示的间歇性干涉的光班，使得投射出去的画面出现亮暗不均的现象。

一种实施例，请参见图6-图8，激光芯片10发出的激光具有至少两种模态。其中，图6中的示意表示激光芯片10发出的激光形成有两种不同的模态，其投射形成的画面可以为图8中B或E的示意。图7中的示意表示激光芯片10发出的激光形成有多种不同的模态，其投射形成的画面可以为图8中任意一种高阶模态的示意。可以理解的，因为谐振腔12所发射出的激光能够形成如图8中任意一种高阶模态的激光，因此微透镜板20上个别位置上所能接收到的激光分量不同，且由于各种模态的激光的偏振方向也不同，因此在各个微透镜曲面22的电场偏振方向也不同。多种模态的激光从微透镜板20上投射出后，能够形成具有较好均匀性的照射面，同时能够保证投射形成的照射面不容易出现干涉条纹。

现有技术中还使用不规则的微透镜阵列MLA来搭配激光，能够改善所形成的画面亮暗不均的现象，但不规则的MLA微透镜阵列上各微透镜的单元面积不一致，在排列上也须避免在同一直线，且位置要不停交错横移，各单元的透镜曲率半径也不一致，不规则的微透镜阵列MLA如图9所示。

但不论是规则排列，或是不规则排列的MLA微透镜，其制造工艺皆为光刻加工光阻之后曝光显影，经过多次转印，才得到最终MLA的成品，并且须完成许多道工艺制程才能验证一组设计。由于使用光刻工艺来加工，MLA的外型常与设计值有较大差异，为了优化MLA的外型，除了修改光学设计之外，另外需将光刻工艺的制程条件做展开，找到较佳的优化方向，慢慢微调来取得较佳的结果。

由于多次改变工艺制程分布条件，从宏观上是所有透镜的高度及曲率都同时会被影响，且因为不规则的MLA微透镜阵列之中的透镜有大有小，可能针对某个透镜修正了曲率，却发现另一透镜形状跟高度也发生变化，需多次迭代才能找到较佳解。而一般规则排列的MLA微透镜阵列，由于微透镜外形一致，因此只须以显微镜扫描成品的某一个微透镜，取得轮廓之后，对照此微透镜的外型与理论值的微透镜之差异，从整体上对所有透镜做出一致的改变，能很快优化到光学设计要求的外型。

本申请提供的照明投射器1，通过将激光芯片10上的至少一个发光孔11与微透镜板20上的入光面21相对设置，且通过激光芯片10上的至少一个发光孔11发出至少第一模态激光和第二模态激光。通过将第一模态激光和第二模态激光发射至微透镜板20上，激光经微透镜板20上的多个微透镜曲面22折射后向外投射，以形成较好的投射画面。本申请照明投射器1采用的激光芯片10能够发射出多种模态的激光，且多种模态的激光照射在微透镜板20上能够使得投射出的画面具有较好的均匀性，同时能够避免投射出的画面出现干涉条纹的现象。

一种实施例请参见图10和图11，发光孔11为多个，多个发光孔11至少包括图10所示的第一发光孔111和图11所示的第二发光孔112，且第一发光孔111的面积和第二发光孔112的面积不同。

具体的，在本实施例中，面积不同的多个第一发光孔111和多个第二发光孔112设置在激光芯片10上。需要提出的是，当发光孔11内部谐振腔12的直径或是横向边长尺寸满足激光波长λ一半的自然倍数时，谐振腔12内部可形成不同模态的激光。也即，由于第一发光孔111和第二发光孔112所对应设置的谐振腔尺寸不同，第一模态激光能够穿过第一发光孔111，第二模态激光能够穿过第二发光孔112。示例性的，发光孔11的形状为圆形。

在一种实施例中，从谐振腔12中发出的激光的波长λ满足：800nm≤λ≤1500nm。示例性的，谐振腔12发出的激光的波长λ满足：935nm≤λ≤945nm。

在另一种实施例中，配合谐振腔12发出的激光的波长λ，第一发光孔111的直径d1可以设置为：6μm≤d1≤30μm，第二发光孔112的直径d2可以设置为：6μm≤d2≤30μm。可以理解的，第一发光孔111对应的内部的谐振腔12的尺寸满足条件：d3＝n*λ/2，第二发光孔112对应的内部的谐振腔12的尺寸满足条件：d4＝m*λ/2，且n和m均为自然数。

一种实施例请参见图12和图13，多个第一发光孔111和多个第二发光孔112在激光芯片10上阵列排布。

具体的，在本实施例中，定义第一发光孔111和第二发光孔112具有阵列的第一方向001和第二方向002。可以理解的，多个第一发光孔111和多个第二发光孔112阵列排布，包括有沿第一方向001间隔设置的阵列排布和沿第二方向002间隔设置的阵列排布。如图12所示，多个第一发光孔111沿第二方向002并排设置，多个第二发光孔112沿第二方向002并排设置，且多排第一发光孔111和多排第二发光孔112沿第一方向001间隔设置时。同样地，如图13所示，多个第一发光孔111沿第一方向001并排设置，多个第二发光孔112沿第一方向001并排设置，且多排第一发光孔111和多排第二发光孔112沿第二方向002间隔设置。多个第一发光孔111和多个第二发光孔112阵列排布，使得激光芯片10上能够投射出多种规则方向的光线至微透镜板20上，以使得经由微透镜板20投射出的画面具有较好的均匀性。

一种实施例请参见图14，多个第一发光孔111和第二发光孔112在激光芯片10上交错分布。且通过多个第一发光孔111的交错排布以及多个第二发光孔112的交错分布，以形成整个激光芯片10上多个发光孔11的交错分布。可以理解的，在交错分布的多个第一发光孔111和多个第二发光孔112中，每一个第一发光孔111的四周均设置为第二发光孔112，同样地，每一个第二发光孔112的四周均设置为第一发光孔111，以此来实现多个第一发光孔111和多个第二发光孔112之间的交错分布。

在一种实施例中，请配合参见图15，多个第一发光孔111与多个第二发光孔112之间无序排布，此时各个第一发光孔111与各个第二发光孔112的位置不受限制，可以设置在激光芯片10上的任意位置。优选地，任意一个第一发光孔111的四周均可以设置为第二发光孔112，或任意一个第二发光孔112的四周均可以设置为第一发光孔111。也即，将第一发光孔111和第二发光孔112的位置交错排布或无序排布，以便于从激光芯片10上投射出的第一模态激光和第二模态激光均能够从不同的角度发射至微透镜板20上，以增加发射光线的无序性，进而能够得到较好的投射效果。

需要提出的是，激光芯片10上还可以包括第三发光孔，第三发光孔的面积区别于第一发光孔111的面积和第二发光孔112的面积，且第三发光孔的直径同样需要满足条件：6μm≤d3≤30μm。在一种实施例中，第一发光孔111、第二发光孔112和第三发光孔均处于无序排布状态；在另一些实施例中，还可以将第一发光孔111、第二发光孔112和第三发光孔共同组成阵列排布。

可以理解的，在一些实施例中，激光芯片10上还可以包括第四发光孔、第五发光孔以及更多发光孔11，且各组发光孔11之间的面积各不相同。请参见图16，多个不同直径的发光孔11在激光芯片10上无序排布。示例性的，激光芯片10上的其余发光孔11的直径均满足：9μm≤d≤12μm。

需要提出的是，由于激光芯片10上还可以包括第二发光孔112、第三发光孔、第四发光孔、第五发光孔以及更多的发光孔11，且各组发光孔11之间的面积各不相同。请参见图17，激光芯片10上的各个不同直径的发光孔11之间还可以规则阵列排布。

一种实施例请参见图18，相邻的第一发光孔111和第二发光孔112之间的孔距L满足：16μm≤L≤60μm。

具体的，在本实施例中，为保证激光芯片10上经激光芯片10上投射出来的激光具有较好的投射效果，同时能够保证芯片10的发光效率，因此需要对相邻的第一发光孔111和第二发光孔112之间的孔距L进行限制。可以理解的，当相邻的第一发光孔111和第二发光孔112之间的孔距L低于16μm时，会导致位于激光芯片10上各个第一发光孔111和第二发光孔112上的电流密度不均匀，容易造成芯片表面的电流短路且会影响芯片10的成品质量，并相应的影响激光芯片10的发光效率。当任意相邻的第一发光孔111和第二发光孔112之间的孔距L高于60μm时，任意相邻的第一发光孔111和第二发光孔112之间的孔距L过大，会造成芯片10上发光的有效面积减少，进而会造成激光芯片10的面积的浪费。

一种实施例，入光面21上的多个微透镜曲面22阵列排布。

具体的，在本实施例中，规则阵列排布的多个不同直径的微透镜曲面22使得在对微透镜板20进行优化设计时，能够对所有的微透镜进行一致性地尺寸改变，进而能够较快速地使得微透镜板20达到优化值，并同时能够形成较好的投射效果。

在一种实施例中，多个微透镜曲面22所形成的阵列排布还可以与激光芯片10上的多个不同直径的发光孔11所形成的阵列排布具有一定的偏移角度，以使得多个不同模态的激光在微透镜板20上具有不同的投射角度，进而增加由微透镜板20折射出的光线之混乱程度，从而能够得到具有较好均匀性的画面。

一种实施例，多个微透镜曲面22材质的相对折射率α满足：1.4≤α≤2.0。

具体的，在本实施例中，微透镜曲面22朝向激光芯片10，并接收在谐振腔12内形成的多种模态的激光，且当多个微透镜曲面22材质的折射率α介于1.4-2.0之间时，能够保证所制作的微透镜板20足够轻薄，以此能够减小照明投射1的制作体积和重量。示例性的，多个微透镜曲面22的折射率α满足：1.5≤α≤1.7。

在另一种实施例中，多个微透镜曲面22不规则排布，且多个微透镜曲面22的折射率α也介于1.4-2.0之间，此时在谐振腔12内形成的多种模态的激光照射到不规则排布的多个微透镜曲面22，同样能够使得经微透镜板20折射形成的画面具有较好的均匀性，且能够避免投射出的画面出现干涉条纹的现象。

本申请还涉及一种电子设备(图中未示)，包括上述的照明投射器1。具体的，在本实施例中，照明投射器1设置在电子设备中，用于实现电子设备的照明及显示功能，同时能够使得在电子设备上显示的画面清晰，且不易产生干涉条纹的现象。

以上是本实用新型实施例的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种照明投射器，其特征在于，包括激光芯片和微透镜板；

所述激光芯片包括至少一个发光孔，所述激光芯片通过所述至少一个发光孔发出激光，且所述激光芯片发出的激光至少包括第一模态激光和第二模态激光；

所述微透镜板与所述激光芯片间隔固定，所述微透镜板包括正对所述发光孔的入光面，所述入光面包括多个微透镜曲面，所述第一模态激光和所述第二模态激光均穿过所述微透镜板后向外投射。

2.如权利要求1所述的照明投射器，其特征在于，每个所述发光孔对应设有一个谐振腔，所述谐振腔用于发出激光，并对激光进行谐振以形成所述第一模态激光和/或所述第二模态激光。

3.如权利要求1所述的照明投射器，其特征在于，所述发光孔为多个，多个所述发光孔至少包括第一发光孔和第二发光孔，且所述第一发光孔的面积和所述第二发光孔的面积不同。

4.如权利要求3所述的照明投射器，其特征在于，所述第一发光孔的直径d1满足条件：6μm≤d1≤30μm，所述第二发光孔的直径d2也满足条件：6μm≤d2≤30μm。

5.如权利要求4所述的照明投射器，其特征在于，相邻的所述第一发光孔和所述第二发光孔之间的孔距L满足条件：15μm≤L≤60μm。

6.如权利要求3-5任一项所述的照明投射器，其特征在于，多个所述第一发光孔和多个所述第二发光孔在所述激光芯片上阵列排布。

7.如权利要求3-5任一项所述的照明投射器，其特征在于，所述发光孔在所述激光芯片上交错分布。

8.如权利要求1-5任一项所述的照明投射器，其特征在于，所述入光面上的多个所述微透镜曲面阵列排布。

9.如权利要求8所述的照明投射器，其特征在于，多个所述微透镜曲面材质的折射率α满足：1.4≤α≤2.0。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的照明投射器。

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