TWI699526B - 光學組件及其組裝方法、光學裝置與電子設備 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種光學組件及其組裝方法、光學裝置與電子設備，光學組件，包括殼體，殼體包括側壁與底壁，底壁連接於側壁的一端，側壁的另一端設置有第一開口，光學組件還包括設置於殼體內部的：準直元件，用於對入射的光線進行準直並產生準直光；繞射光學元件，相對於準直元件鄰近底壁設置，繞射光學元件包括：繞射部，用於將準直光轉換為結構光；及邊框，圍繞繞射部設置；第一膠層，連接於準直元件的一側表面與邊框之間，並延伸至側壁，第一膠層與側壁、準直元件之間形成一狹縫，狹縫的開口朝向第一開口；及第二膠層，設置於狹縫中。

Description

光學組件及其組裝方法、光學裝置與電子設備
本發明涉及光學成像領域，尤其涉及一種光學組件及其組裝方法、光學裝置與電子設備。
隨著科技發展，結構光技術越來越完善，基於結構光獲得的深度圖像的3D立體感更強，同時具有真實性更強，精度高，安全係數高等優點，因此結構光技術，以及應用結構光技術的深度相機等裝置，正在逐步被應用於各種移動終端上。
結構光發射裝置作為深度相機的重要構成部件，其功能的好壞直接影響到整個深度相機的功能，例如結構光發射裝置投影效果差，會使得整個深度相機成像質量差。
結構光發射裝置的原理是光源發出的照明光經準直元件準直後照射到繞射光學元件(Diffractive Optical Elements，DOE)，再經DOE繞射形成具有預設圖案的結構光並投影至空間目標表面。如圖1所示，DOE15包括大致位於中央部位的繞射部15a以及圍繞所述繞射部15a的周邊設置的邊框15b，邊框15b上設置有導電引腳。在光線繞射的過程中，DOE15中的繞射部15a用於對入射光進行繞射，輸出具有預設圖案的結構光。
結構光發射裝置包括光源與結構光發射組件，習知技術中，結構光發射組件的組裝過程如圖1所示，藉由第一膠層16黏結準直元件14與DOE15的邊框15b，再利用局部點膠的方式在殼體11的底壁11a的邊緣位置設置導電膠18，將黏結在一起的準直元件14與DOE15裝入殼體11內，利用導電膠18將邊框15b背離準直元件14的一側黏結於殼體11底壁11a上，在殼體11的內壁(主要為側壁11b)與其內部其他器件(準直元件14、DOE15等)之間的狹縫x中點入第二膠體形成第二膠層17，然而第二膠體容易溢流到DOE15的繞射 部105a正對殼體11的底壁11a表面，造成結構光的圖案不符預期，從而影響深度相機的成像質量。
本發明第一方面提供一種光學組件，包括殼體，所述殼體包括側壁與底壁，所述底壁連接於所述側壁的一端，所述側壁的另一端設置有第一開口，所述光學組件還包括設置於所述殼體內部的：準直元件，用於對入射的光線進行準直並產生準直光；繞射光學元件，相對於所述準直元件鄰近所述底壁設置，所述繞射光學元件包括：繞射部，用於將所述準直光轉換為結構光；及邊框，圍繞所述繞射部設置；第一膠層，連接於所述準直元件的一側表面與所述邊框之間，並延伸至所述側壁，所述第一膠層與所述側壁、所述準直元件之間形成一狹縫，所述狹縫的開口朝向所述第一開口；及第二膠層，設置於所述狹縫中。
本發明第二方面提供一種光學裝置，包括光源與如上所述的光學組件，所述光源用於發出入射至所述準直元件的照明光。
本發明第三方面提供一種電子設備，包括：如上所述的光學裝置；採集裝置，採集所述結構光投影到空間目標或場景後反射的結構光，並形成結構光圖像；及圖像處理器，基於所述結構光圖像計算空間目標或場景的深度圖像。
本發明第四方面提供一種光學組件的組裝方法，包括以下步驟：將繞射光學元件中邊框的第一表面固定於殼體的底壁，所述邊框設置於所述繞射光學元件的邊緣，所述邊框還包括與所述第一表面相對設置的第二表面；在所述第二表面上塗覆第一膠體並形成第一膠層； 將準直元件黏結於所述第一膠層背離所述繞射光學元件的一側，使得所述第一膠體從所述邊框與所述準直元件之間溢出，並接觸所述殼體的側壁，所述側壁的一端與所述底壁連接；固化所述第一膠體；在所述側壁、所述準直元件以及所述第一膠層之間形成的狹縫中設置第二膠體；固化所述第二膠體。
本發明提供的光學組件與其組裝方法中，所述第一膠層接觸所述殼體的側壁，避免了第二膠層接觸到所述繞射光學元件的繞射部，保證了所述繞射光學元件出射結構光的圖案符合預期，並有效降低了制程的時效性限制。
10:電子設備
100:光學裝置
11、101:殼體
11a、111:底壁
11b、112:側壁
102:基板
103:光源
14、104:準直元件
15、105:DOE
15a、105a:繞射部
15b、105b:邊框
105c:第一表面
105d:第二表面
16、106:第一膠層
17、107:第二膠層
18、108:導電膠
109:光學組件
600:採集裝置
700:線路板
800:控制器
900:圖像處理器
a:第一開口
b:出光孔
f:開口
e、h:收容空間
x、C:狹縫
圖1為習知技術中結構光發射組件的組裝流程示意圖。
圖2為本發明提供的電子設備的結構框圖。
圖3為圖2所示的結構光發射裝置的剖視圖。
圖4A為本發明提供的結構光組件的組裝方法的組裝順序剖視圖之一。
圖4B為本發明提供的結構光組件的組裝方法的組裝順序剖視圖之二。
圖4C為本發明提供的結構光組件的組裝方法的組裝順序剖視圖之三。
圖4D為本發明提供的結構光組件的組裝方法的組裝順序剖視圖之四。
圖5A為本發明提供的結構光組件的組裝方法的組裝順序俯視圖之一。
圖5B為本發明提供的結構光組件的組裝方法的組裝順序俯視圖之二。
圖5C為本發明提供的結構光組件的組裝方法的組裝順序俯視圖之三。
圖5D為本發明提供的結構光組件的組裝方法的組裝順序俯視圖之四。
圖5E為本發明提供的結構光組件的組裝方法的組裝順序俯視圖之五。
為了能夠更清楚地理解本發明之上述目之、特徵和優點，下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。需要說明，在不衝突之情況下，本申請之實施例及實施例中之特徵可以相互組合。
在下面之描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，所描述之實施例僅係本發明一部分實施例，而不係全部之實施例。基於本發明中之實施例，所屬技術領域普通人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得之所有其他實施例，都屬本發明保護之範圍。
除非另有定義，本文所使用之所有之技術和科學術語與屬本發明之技術領域之技術人員通常理解之含義相同。本文中在本發明之說明書中所使用之術語只係為了描述具體之實施例之目之，不係旨在於限制本發明。
本發明提供一種光學組件、包括該光學組件的光學裝置、以及包括該光學裝置的電子設備，電子設備可以是深度相機、手機、平板電腦、個人數字助理、車載電腦、導航儀等。本發明還提供一種上述光學組件的組裝方法，應用該光學組件的組裝方法能夠得到該光學組件，該光學組件中的膠體不會溢流到DOE的複數繞射單元上，保證了DOE出射結構光的圖案符合預期並有效降低了制程的時效性限制。
請參閱圖2，本發明提供一種電子設備10，電子設備10包括光學裝置100、採集裝置600、線路板700、控制器800與圖像處理器900。其中，圖像處理器900、控制器800均設於線路板700上，光學裝置100、採集裝置600與線路板700通訊連接。
控制器800控制光學裝置100出射符合預設圖案的結構光到空間目標或場景上；採集裝置600採集結構光圖案投影到空間目標或場景後形成的結構光圖像；圖像處理器900比較發射的結構光圖案與接收到的結構光圖像，獲得各像素點的差異值，基於差異值計算得到空間目標或場景的深度圖像。在一 種實施方式中，控制器800根據深度圖像的質量，調節並控制光學裝置100出射一種圖案的結構光。
請參閱圖3，光學裝置100包括基板102、光源103以及光學組件109，其中，光學組件109包括殼體101、準直元件104、DOE105、第一膠層106以及第二膠層107。
殼體101包括底壁111與側壁112，側壁112呈中空筒狀，底壁111連接於側壁112的一端，側壁112的另一端設置有第一開口a，第一開口a用於組裝時放置元件以及設置膠水。底壁111設置有出光孔b，用於便利光線從光學裝置出射。
基板102覆蓋於第一開口a上，光源103容置於基板102和殼體101圍成的收容空間e中，並固定於基板102的一側表面上；殼體101內部依次層疊設置準直元件104以及DOE105，其中準直元件104相對於DOE105鄰近光源103設置。光源103用於發出入射至準直元件104的照明光，準直元件104用於對入射的光線(照明光)進行準直並產生準直光，DOE105用於將準直光轉換為結構光。第一膠層106連接於準直元件104與DOE105之間，並延伸至側壁112，第二膠層107設置於側壁112、準直元件104以及第一膠層106圍成的狹縫C中。
在本實施方式中，殼體101為黑色金屬殼體，從而實現遮光的目的，避免殼體101內部的光源103發出的照明光穿過殼體101的基材透射至光學裝置100之外。殼體101由金屬材料製成，用於與DOE105實現電連接，並導通電信號。在一種實施方式中，底壁111設置有用於傳導電信號的第二導電部。
在一種實施方式中，光源103包括邊射型雷射二極管，在又一種實施方式中，光源103包括垂直腔面射型雷射(vertical-cavity surface-emittinglaser,VCSEL)二極管陣列，並根據預定陣列排列。垂直腔面射型雷射(VCSEL)二極管作為光源103，同時執行光發射與圖案化。垂直腔面射型雷射(VCSEL)二極管可用以製造小型且高密度光源。在一種實施方式中，光源103的半導體二極管可依序點亮，因而得以在近區域達到功耗降低、解碼率增強或/且效能改善。光源103的半導體二極管的形狀與大小可彼此相異。
準直元件104接收(來自光源103的)照明光並限縮準直光的截面，因而形成準直光。在一較佳實施方式中，準直元件104可包含準直透鏡，準直 透鏡可包含透明材質(例如塑膠或玻璃)，且可使用晶圓級光學(WLO)技術製造。在一種實施方式中，準直透鏡為平凸透鏡，準直透鏡在面向光源103的一側為平面，而在另一為凸面。可以理解的是，準直元件104可以包含單一透鏡，然而也可使用複數透鏡或多組透鏡以建構準直元件104。
DOE105包括：繞射部105a與邊框105b。其中，繞射部105a設置於DOE105的幾何中心區域，用於接收準直光，並將準直光轉換為符合預設圖案的結構光；邊框105b圍繞繞射部105a設置。邊框105b可以由金屬材料製成，以導通電信號，在一種實施方式中，邊框105b由非金屬材料製成，DOE105包括設置於邊框105b上的用於傳輸電信號的第一導電部。
第一膠層106連接於準直元件104的一側表面與DOE105的邊框105b之間，從而將準直元件104與DOE105黏結固定，第一膠層106延伸至側壁112；側壁112、準直元件104以及第一膠層106之間形成的狹縫C中設置第二膠層107。由於第一膠層106從邊框105b與準直元件104之間溢出並接觸側壁112，第一膠層106阻擋了第二膠層107接觸DOE105，特別是DOE105的繞射部105a，從而保證了第二膠層107中的第二膠體不會溢流到DOE105的繞射部105a上，有利於DOE105出射結構光的圖案與預設圖案相符合，保證了深度圖像的成像質量。
在本實施方式中，第一膠層106被設置成圍繞側壁112一圈，以阻擋狹縫C向底壁111方向延伸，從而避免第二膠體溢流到繞射部105a的表面。在一種實施方式中，第一膠層106包括設置於邊框105b上的複數區段，進而在狹縫C中的一部分被第一膠層106阻擋，狹縫C中的其他部分被其他結構阻擋，使得狹縫C不會延伸至繞射部105a表面，從而保證了第二膠層107中的第二膠體不會溢流到DOE105的繞射部105a。
第一膠層106用於阻隔第二膠層107接觸繞射部105a，第一膠層106中包括第一膠體，第一膠體為接著劑，用於黏結準直元件104、邊框105b以及側壁112，在一種實施方式中，第一膠體包括光敏膠，藉由照射紫外線可以實現預固化。第二膠層107中的第二膠體用於填充狹縫C，可以選用加固膠。第一膠體的黏度高於第二膠體，即第一膠體的流動性相較於第二膠體較弱，以便於降低固化第一膠體的時間限制。
光學組件還包括導電膠108，用於將邊框105b或設置於DOE105遠離準直元件104一側的第一導電體(例如金屬連接墊)黏結於底壁111的內壁或設置於底壁111的第二導電體(例如金屬連接墊)，導電膠108可以為導電銀膠。
本發明還提供的光學組件109的組裝方法，適用於上述的光學組件109中，需要說明的是，適用於上述光學組件109的各種技術方案同樣適用於光學組件的組裝方法中，如圖4A-圖4D、圖5A-圖5E所示，光學組件的組裝方法具體包括以下步驟：
S1：提供殼體101，在殼體101的底壁111上設置導電膠108。
如圖4A與圖5A所示，殼體101包括底壁111與側壁112，底壁111連接於側壁112的一端，側壁112的另一端設置有第一開口a，底壁111的中央設置有出光孔b，底壁111的內側表面上環繞出光孔b設置有複數第二導電部101a(圖5A)，具體地，底壁111呈方形，底壁111環繞出光孔b的四個角落位置分別設置一第二導電部101a，在每個第二導電部101a上均設置有導電膠108，導電膠108可以為導電銀膠。
S2：將DOE105中邊框105b的第一表面105c固定於底壁111。邊框105b還包括與第一表面105c相對設置的第二表面105d。
如圖4B與圖5B所示，在本實施方式中，DOE105包括繞射部105a與邊框105b，其中繞射部105a用於對光線進行繞射，邊框105b由金屬材料製成以導通電信號，或者邊框105b上設置有用於導電的第一導電部。利用導電膠108將邊框105b與殼體101的底壁111的內側表面進行黏結以實現固定DOE105的目的。導電膠108用於黏結邊框105b與殼體101內壁上的導電部分。
S3：在第二表面105d上塗覆第一膠體並形成第一膠層106。
如圖5C所示，第二表面105d為邊框105b背離底壁111的一側表面。第二表面105d用於黏結其他光學元件。第一膠體可以為光敏膠，光敏膠的黏度較大，且觸發性高，在紫外線的照射下可以實現預固化。
控制塗覆於第二表面105d上的第一膠體的形狀與尺寸，使得將準直元件104黏結於第一膠層背離DOE105的一側時，第一膠體能夠從邊框105b與準直元件104之間溢出，並接觸側壁112的內側表面。第一膠層106在底壁111上的投影呈方框形並具有一開口f。
S4：將準直元件104黏結於第一膠層106背離DOE105的一側，使得第一膠體從邊框105b與準直元件104之間溢出，並接觸側壁112。
如圖4C與圖5D所示可以採用模式識別的方法判斷第一膠體是否已接側壁112的內側表面，若是，則將準直元件104放置於殼體101內部；若否，則沿朝向DOE105方向推動準直元件104以擠壓第一膠體，使得第一膠體從邊框105b與準直元件104之間溢出。模式識別(PR識別，Pattern Recognition)為圖像識別中的模式識別，是一種從大量資訊和資料出發，在專家經驗和已有認識的基礎上，利用電腦和數學推理的方法對形狀、模式、曲線、數位、字元格式和圖形自動完成識別、評價的過程。S5：固化第一膠體。
在第一膠體為光敏膠的實施方式中，固化第一膠體的步驟具體可以為利用紫外線照射第一膠體實現預固化。可以理解的是，在一種實施方式中，在步驟S5中的預固化之後，還包括：烘烤第一膠體以實現第一膠體的完全固化。如圖4C所示，第一膠層106、DOE105以及準直元件104圍成收容空間h，在烘烤第一膠體的過程中，收容空間h中的氣體膨脹後可以從開口f(圖5C)流出，從而避免熱脹冷縮造成氣體破壞元件以及元件之間的連接結構。
可以理解的是，在其他實施方式中，第一膠體還可以採用其他類型的膠體，相應地，固化方式有所區別。
可以理解的是，在完成步驟S4之後，得到第一半成品，具體地，第一半成品包括殼體101、導電膠108、DOE105、第一膠層106以及準直元件104。由於第一膠體流動性較差，可以將第一半成品擱置一段時段，並繼續根據步驟S1-S4進行組裝其他第一半成品。當組裝複數第一半成品之後，可以對同時複數第一半成品進行步驟S5，有效降低了制程的時效性限制，並有利於提高生成效率。
第一半成品經過步驟S5之後得到第二半成品，由於第二半成品中的第一膠體經過固化流動性較差，可以擱置第二半成品一段時間，繼續按照步驟S1-S5的順序繼續組裝其他第二半成品。當組裝複數第二半成品之後，可以對複數第二半成品進行自步驟S6開始的組裝步驟，有效降低了制程的時效性限制。
S6：在側壁112、準直元件104以及第一膠層之間形成的狹縫C中設置第二膠體。
如圖4D與圖5E所示，本步驟中，利用第二膠體填充狹縫C並形成第二膠層107，一方面增加產品的牢固性。第一膠體固化後，阻擋了第二膠體溢流至繞射部105a上，保證了DOE出射結構光的圖案符合預期，另一方面，克服了在側壁112與其內部元件之間形成的狹縫C中點膠以阻隔第二膠層107的困難。本實施方式中，第一膠體的黏度高於第二膠體，有利於第二膠體用於填充狹縫C。
S7：固化第二膠體。在第二膠體為加固膠實施方式中，第二膠體的加固方法可以藉由加熱固化。可以理解的是，在步驟S5為對第一膠體進行預固化的實施方式中，步驟S7可以同時實現對第一膠體與第二膠體的固化。
可以理解的是，在上述光學組件109的組裝方法的基礎上，再組裝光源103與基板102即可得到光學裝置100。
根據本發明提供的光學組件109的組裝方法獲得光學組件，膠體不會溢流到DOE105的繞射部105a上，保證了DOE105出射結構光的圖案符合預期，同時克服了在殼體101與其內部元件之間形成的狹縫C中點膠的困難，有效縮短制程的時效性。
本發明光學組件的組裝方法獲並不受限於上述步驟的順序，且在其他實施方式中，光學組件的組裝方法獲可以只包括以上述步驟的其中一部分，或者其中的部分步驟可以被刪除。
對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附申請專利範圍而不是上述說明限定，因此旨在將落在申請專利範圍的等同要件的含義和範圍內的所有變化涵括在本發明內。不應將申請專利範圍中的任何附圖標記視為限制所涉及的申請專利範圍。此外，顯然“包括”一詞不排除其他單元或步驟，單數不排除複數。裝置申請專利範圍中陳述的複數裝置也可以由同一個裝置或系統藉由軟件或者硬件來實現。第一，第二等詞語用來表示名稱，而並不表示任何特定的順序。
最後應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員 應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。
100:光學裝置
101:殼體
111:底壁
112:側壁
102:基板
103:光源
104:準直元件
105:DOE
105a:繞射部
105b:邊框
106:第一膠層
107:第二膠層
108:導電膠
109:光學組件
a:第一開口
b:出光孔
e:收容空間
C:狹縫

Claims (10)

  1. 一種光學組件，其改良在於，包括殼體，所述殼體包括側壁與底壁，所述底壁連接於所述側壁的一端，所述側壁的另一端設置有第一開口，所述光學組件還包括設置於所述殼體內部的：準直元件，用於對入射的光線進行準直並產生準直光；繞射光學元件，相對於所述準直元件鄰近所述底壁設置，所述繞射光學元件包括：繞射部，用於將所述準直光轉換為結構光；及邊框，圍繞所述繞射部設置；第一膠層，連接於所述準直元件的一側表面與所述邊框之間，並延伸至所述側壁，所述第一膠層與所述側壁、所述準直元件之間形成一狹縫，所述狹縫的開口朝向所述第一開口；以及第二膠層，設置於所述狹縫中。
  2. 如請求項1所述的光學組件，其中，所述第一膠層被設置成圍繞所述側壁一圈，以阻擋所述狹縫向所述底壁方向延伸。
  3. 如請求項1所述的光學組件，其中，所述第一膠層為光敏膠。
  4. 一種光學裝置，其改良在於，包括如請求項1-3任意一項所述的光學組件以及光源，所述光源用於發出入射至所述準直元件的照明光。
  5. 一種電子設備，其改良在於，包括：如請求項4所述的光學裝置；採集裝置，採集所述結構光投影到空間目標或場景後反射的結構光，並形成結構光圖像；及圖像處理器，基於所述結構光圖像計算空間目標或場景的深度圖像。
  6. 一種光學組件的組裝方法，其改良在於，包括以下步驟：將繞射光學元件中邊框的第一表面固定於殼體的底壁，所述邊框設置於所述繞射光學元件的邊緣，所述邊框還包括與所述第一表面相對設置的第二表面；在所述第二表面上塗覆第一膠體並形成第一膠層； 將準直元件黏結於所述第一膠層背離所述繞射光學元件的一側，使得所述第一膠體從所述邊框與所述準直元件之間溢出，並接觸所述殼體的側壁，所述側壁的一端與所述底壁連接；固化所述第一膠體；在所述側壁、所述準直元件以及所述第一膠層之間形成的狹縫中設置第二膠體；以及固化所述第二膠體。
  7. 如請求項6所述的光學組件的組裝方法，其中，所述將準直元件黏結於所述第一膠層背離所述繞射光學元件的一側，使得所述第一膠體從所述邊框與所述準直元件之間溢出，並接觸所述殼體的側壁，包括：採用模式識別的方法判斷所述第一膠體是否已接觸所述殼體的側壁，若是，則將所述準直元件放置於所述殼體內部；若否，則沿朝向所述繞射光學元件方向推動所述準直元件以擠壓所述第一膠體，使得所述第一膠體從所述邊框與所述準直元件之間溢出。
  8. 如請求項6或7所述的光學組件的組裝方法，其中，所述第一膠體為光敏膠；所述固化所述第一膠體，包括：利用紫外線照射所述第一膠體實現預固化。
  9. 如請求項6或7所述的光學組件的組裝方法，其中，所述邊框的第一表面上設置有用於傳導電信號的第一導電部，及/或所述底壁設置有用於傳導電信號的第二導電部，所述將繞射光學元件中邊框的第一表面固定於殼體的底壁，包括：將所述第一表面/所述第一導電部與所述殼體的底壁/所述第二導電部藉由導電膠黏結。
  10. 如請求項6所述的光學組件的組裝方法，其中，所述在所述第二表面上塗覆第一膠體並形成第一膠層，包括：控制塗覆於所述第二表面上的第一膠體的形狀與尺寸，使得將所述準直元件黏結於所述第一膠層背離所述繞射光學元件的一側時，所述第一膠體能夠從所述邊框與所述準直元件之間溢出，並接觸所述殼體的內壁。
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