TWI703395B - 光學投影模組 - Google Patents

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TWI703395B TW107113410A TW107113410A TWI703395B TW I703395 B TWI703395 B TW I703395B TW 107113410 A TW107113410 A TW 107113410A TW 107113410 A TW107113410 A TW 107113410A TW I703395 B TWI703395 B TW I703395B
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宋建超
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Abstract

一種光學投影模組，包括：電路板；電連接地設置於所述電路板上、且用於發射光束的垂直腔面發射雷射器陣列晶片，以及設置於所述電路板上的光學器件，所述光學器件包括：透鏡，用於接收及準直所述光束；繞射光學元件，用於將所述光束經擴束後形成固定的光束圖案並向外發射；以及鏡筒，用於固定所述透鏡及所述繞射光學元件；所述鏡筒包括內鏡筒與外鏡筒，所述透鏡設置在所述內鏡筒，所述內鏡筒固定於所述外鏡筒。

Description

光學投影模組
本發明涉及一種用於深度相機中的光學投影模組。
深度相機可以獲取目標的深度資訊借此實現3D掃描、場景建模、手勢交互，與目前被廣泛使用的RGB相機相比，深度相機正逐步受到各行各業的重視。例如利用深度相機與電視、電腦等結合可以實現體感遊戲以達到遊戲健身二合一的效果。另外，穀歌的tango項目致力於將深度相機帶入移動設備，如平板、手機，以此帶來完全顛覆的使用體驗，比如可以實現非常真實的AR遊戲體驗，可以使用其進行室內地圖創建、導航等功能。
深度相機中的核心部件是光學投影模組，隨著應用的不斷擴展，光學投影模組將向越來越小的體積以及越來越高的性能上不斷進化。一般地，光學投影模組由電路板、光源以及光學器件等部件組成，目前晶圓級大小的垂直腔面發射雷射器(VCSEL)陣列光源使得光學投影模組的體積可以減小到被嵌入到手機等微型電子設備中。一般地，將VSCEL製作在半導體襯底上，並將半導體襯底與柔性電路板(FPC)進行連接。但是，VCSEL在通電工作時溫度較高，熱量上傳至光學器件時難以快速散出，VCSEL產生的熱量很容易致使光學器件變形，最終導致光學投影模組所發出結構光變形失效。
因此，有必要提供一種能克服以上技術問題的光學投影模組。
本發明目的在於提供一種能解決上述問題的光學投影模組。
一種光學投影模組，包括：電路板；電連接地設置於所述電路板上、且用於發射光束的垂直腔面發射雷射器陣列晶片以及設置於所述電路板上的光學器件，所述光學器件包括：用於接收及準直所述光束的透鏡；用於將所述光束經擴束後形成固定的光束圖案並向外發射的繞射光學元件；以及用於固定所述透鏡及所述繞射光學元件的鏡筒；所述鏡筒包括內鏡筒與外鏡筒，所述透鏡設置在所述內鏡筒，所述內鏡筒固定於所述外鏡筒。
在一個優選實施方式中，所述內鏡筒通過膠體固定於所述外鏡筒。
在一個優選實施方式中，所述繞射光學元件設置在所述內鏡筒的背離所述電路板的一端，且繞射光學元件的上表面未凸出於所述外鏡筒的上端。
在一個優選實施方式中，所述電路板包括主體部及與主體部連接的延伸部，所述垂直腔面發射雷射器陣列光源及所述外鏡筒設置在所述主體部。
在一個優選實施方式中，所述外鏡筒的底端通過黏性膠固定於電路板上。
在一個優選實施方式中，所述外鏡筒的側壁嵌入成型有導線，且所述導線的兩端暴露於所述外鏡筒的相對兩端。
在一個優選實施方式中，所述主體部上設置有第一導電部，所述繞射光學元件背離所述電路板的表面設置有導電膜及與所述導電膜電性連接的第二導電部，第一導電部與第二導電部之間通過所述導線電連接。
在一個優選實施方式中，所述外鏡筒的內壁上端處設置有多個導角，所述光學繞射元件設置在所述導角且通過膠體固定於所述外鏡筒的內壁。
在一個優選實施方式中，所述外鏡筒包括板體以及位於板體上表面的接收部，及自板體下表面延伸形成的圍合部，圍合部及接收部之間設置有擋止部，所述內鏡筒設置在所述擋止部上。
在一個優選實施方式中，所述內鏡筒的熱膨脹係數小於所述外鏡筒的熱膨脹係數。
與現有技術相比較，本發明提供的光學投影模組，通過將鏡筒形成分段式設計，分為內鏡筒與外鏡筒，透鏡設置於所述內鏡筒，所述內鏡筒固定於所述外鏡筒，在垂直腔面發射雷射器陣列光源通電工作時產生的高溫先傳導至外鏡筒，外鏡筒受熱變形時產生的擠壓力被內外鏡筒之間的間隙和膠水緩衝，當擠壓力傳至內鏡筒時已經變小很多，此時的擠壓力再經過內鏡筒均勻壁厚的分攤，最終傳至透鏡的擠壓力已經非常微小，不會使鏡片之間再相互移動錯位，從而保證光學投影模組所發的出結構光的品質。
100:光學投影模組
10:電路板
20:垂直腔面發射雷射器晶片
30:光學器件
31:外鏡筒
41:內鏡筒
51:透鏡
61:繞射光學元件
71:保護蓋
310:板體
312:上表面
314:下表面
320:接收部
322:導角
340:擋止部
33:導線
350:膠體
53:間隔元件
63:導電膜
65:第二導電部
67:濾光片
330:圍合部
12:主體部
14:延伸部
16:被動元件
17:第一導電部
18:電連接器
圖1為本發明第一實施例提供的光學投影模組的立體圖。
圖2為圖1所示的光學投影模組的爆炸圖。
圖3為圖1所示的光學投影模組沿中心面的剖面圖。
圖4為圖1提供的光學投影模組包括的光學器件的爆炸圖。
圖5為圖1提供的光學投影模組包括的光學器件的俯視圖。
圖6為光學器件包括的外鏡筒的結構圖。
下面將結合附圖，對本發明提供的光學投影模組進一步的詳細的說明。
需要說明的是，當元件被稱為“固定於”、“設置於”或“安裝於”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者間接在該另一個元件上。當一個元件被稱為是“連接於”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或間接 連接至該另一個元件上。另外，連接即可以是用於固定作用也可以是用於電路連通作用。
需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“豎直”、“水準”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
請參閱圖1~2，為本發明提供的一種光學投影模組100。所述光學投影模組100包括電路板10、電連接地設置於所述電路板10上的垂直腔面發射雷射器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)晶片20、以及設置在所述電路板10上的光學器件30。
所述電路板10為硬板、軟板或者軟硬結合版。所述電路板10包括主體部12以及與所述主體部12連接的延伸部14。主體部12用於設置所述VCSEL晶片20。所述VCSEL晶片20周圍還設置有多個被動元件16及多個第一導電部17。被動元件16包括電阻、電容、電感等電子元件。
所述延伸部14用於設置電連接器18。
所述VCSEL晶片20設置在所述主體部12的中間位置且用於發射光束。所述VCSEL晶片20擁有體積小、光源發射角小、穩定性好等優點用來作為光學投影模組的光源時能減小整體的體積。VCSEL晶片20包括半導體襯底及以陣列的形式佈置在所述半導體襯底上的VCSEL光源。在同一個半導體襯底上同時製造多個VCSEL光源能提高光源功率，也可以大幅提高製造效率。VCSEL晶片20目前可以達到晶圓級的尺度，即可以在1mm2的晶片上佈置成百上千個VCSEL光源。對光源的控制可以有不同的模式，晶片上所有的VCSEL光源被同步控制打開與關閉，或者，晶片上的VCSEL被獨立或分組控制以產生不同的光照密度。在一些實施例中，採用第一種模式，即晶片上所有的VCSEL光源被同步控制打開與關閉。在另一些實施例中，可以採用第二種模式，即晶片上的 VCSEL光源被獨立或分組控制以產生不同的光照密度。VCSEL光源的形式及排列按照具體的應用需求可以有多種，比如均勻規則地排列或者以一定的不相關圖案進行不規則排列。
請參閱圖3、圖4及圖5，所述光學器件30包括：外鏡筒31、固定設置在所述外鏡筒31內的內鏡筒41，設置在內鏡筒41中的透鏡51，繞射光學元件(Diffractive Optical Element,DOE)61以及保護蓋71。
所述外鏡筒31通過膠體350固定在所述主體部12且罩設在所述VCSEL晶片20週邊。所述外鏡筒31包括板體310以及位於板體310上表面312的接收部320，及自所述板體310下表面314延伸形成的圍合部330。圍合部330罩設所述VCSEL晶片20。圍合部330及接收部320之間設置有擋止部340。所述外鏡筒31的內壁上端處設置有多個導角322。在本實施方式中，所述導角322的數量為4個，分別均勻分別在所述接收部320的內壁上端。所述外鏡筒31的側壁還嵌入成型(Insert Molding)有導線33，且所述導線33的兩端暴露於所述外鏡筒31的相對兩端。所述導線33用於電性連接電路板10。圖2的爆炸圖是為了看清楚內部結構，所以，將導線33移出了外鏡筒31外，實際上，導線是成型在所述外鏡筒31側壁。
請參閱圖6，所述內鏡筒41大致呈圓柱形狀，所述內鏡筒41設置在所述接收部320且抵持所述擋止部340，所述內鏡筒41且顯露所述導角322。所述內鏡筒41通過設置在其外周側表面的膠體350與所述外鏡筒31固定。所述內鏡筒41的熱膨脹係數小於所述外鏡筒31的熱膨脹係數，以減少內鏡筒41的受熱變形，進而減少透鏡51的位置偏移。
所述透鏡51設置在所述內鏡筒41中，用於接收及準直所述VCSEL光源發出的光束。所述透鏡51的數量為1個或者多個。在本實施方式中，所述透鏡51的數量為多個，所述透鏡51之間通過間隔元件53相間隔。
請參閱圖5，所述繞射光學元件61大致呈方形形狀，其設置在所述外鏡筒31中的所述導角322且通過膠體350固定於所述外鏡筒31的內壁。所 述繞射光學元件61用於將來自所述透鏡51的所述光束經擴束後形成固定的光束圖案並向外發射。
所述繞射光學元件61的上表面設置有導電膜63及與所述導電膜電性連接的第二導電部65，所述導電膜63為氧化銦錫(ITO)形成。導電膜63可以電鍍形成在所述繞射光學元件61的表面。
由於所述導線33的相對兩端分別連接所述電路板10上的第一導電部17及第二導電部65，從而所述導電膜63通過所述導線33能連接所述電路板10。所述導電膜63用於偵測VCSEL晶片上的所述光源發出的光功率。所述光學投影模組100一般用於人臉識別。當導電膜63偵測到光功率時，會將此光功率傳輸至電路板10，電路板10上設置有反饋回路，所述反饋回路對所述光功率進行判斷，若光功率對人眼有傷害時，電路板10上的控制模組會調節VCESL光源發出的功率至合適範圍以避免傷害人眼。
在本實施方式中，所述透鏡51及繞射光學元件61之間還設置有濾光片67。濾光片67用於濾除雜光，只保留所需要的光波段。譬如，人臉識別時，需要的光波段為940nm左右。濾光片67的形狀與所述繞射光學元件61的尺寸一致。
所述光學投影模組100在使用時，也即在形成深度相機時，需要在電路板10上設置採集模組(圖未示)以及處理器，所述採集模組及光學投影模組100分別具有進光口，所述光學投影模組100用於向目標空間中投射經編碼的結構光圖案，採集模組採集到該結構光圖像後通過所述處理器處理以得到目標空間的深度圖像。
本發明的光學投影模組100在組裝時，第一，先分別成型所述內鏡筒41與外鏡筒31；第二，將透鏡51組裝至所述內鏡筒41；第三，將內鏡筒組裝至外鏡筒並且利用膠體固定；第四，將所述繞射光學元件組裝至外鏡筒且利用膠體固定；第五，提供設置有VCSEL晶片20的電路板10，將外鏡筒31組裝至電路板 10，且實現繞射光學元件61表面的導電膜63與電路板上第一導電部17電性連接，如此，便可以得到所述光學投影模組100。
綜上所述，本發明提供的光學投影模組100，通過將鏡筒形成分段式設計，分為外鏡筒31與內鏡筒41，透鏡51設置於所述內鏡筒41，所述內鏡筒41固定於所述外鏡筒31，在垂直腔面發射雷射器光源通電工作時產生的高溫先傳導至外鏡筒31，外鏡筒31受熱變形時產生的擠壓力被內外鏡筒31之間的間隙緩衝，當擠壓力傳至內鏡筒41時已經變小很多，此時的擠壓力再經過內鏡筒41均勻壁厚的分攤，最終傳至透鏡51的擠壓力已經非常微小，不會使鏡片之間再相互移動錯位，從而保證光學投影模組100所發的出結構光的品質。
可以理解的是，以上實施例僅用來說明本發明，並非用作對本發明的限定。對於本領域的普通技術人員來說，根據本發明的技術構思做出的其它各種相應的改變與變形，都落在本發明請求項的保護範圍之內。
10:電路板
20:垂直腔面發射雷射器晶片
30:光學器件
31:外鏡筒
41:內鏡筒
51:透鏡
61:繞射光學元件
71:保護蓋
350:膠體
53:間隔元件
67:濾光片
330:圍合部

Claims (10)

  1. 一種光學投影模組，包括：電路板；電連接地設置於所述電路板上、且用於發射光束的垂直腔面發射雷射器陣列晶片以及設置於所述電路板上的光學器件，所述光學器件包括：用於接收及準直所述光束的透鏡；用於將所述光束經擴束後形成固定的光束圖案並向外發射的繞射光學元件；以及用於固定所述透鏡及所述繞射光學元件的鏡筒；其中，所述鏡筒包括內鏡筒與外鏡筒，所述透鏡設置在所述內鏡筒，所述內鏡筒固定於所述外鏡筒。
  2. 如請求項1所述的光學投影模組，其中：所述內鏡筒通過膠體固定於所述外鏡筒。
  3. 如請求項1所述的光學投影模組，其中：所述繞射光學元件設置在所述內鏡筒的背離所述電路板的一端，且繞射光學元件的上表面未凸出於所述外鏡筒的上端。
  4. 如請求項1所述的光學投影模組，其中：所述電路板包括主體部及與主體部連接的延伸部，所述垂直腔面發射雷射器陣列光源及所述外鏡筒設置在所述主體部。
  5. 如請求項4所述的光學投影模組，其中：所述外鏡筒的底端通過黏性膠固定於所述主體部上。
  6. 如請求項5所述的光學投影模組，其中：所述外鏡筒的側壁嵌入成型有導線，且所述導線的兩端暴露於所述外鏡筒的相對兩端。
  7. 如請求項6所述的光學投影模組，其中：所述主體部上設置有第一導電部，所述繞射光學元件背離所述電路板的表面設置有導電膜及與所述導電膜電性連接的第二導電部，第一導電部與第二導電部之間通過所述導線電連接。
  8. 如請求項1所述的光學投影模組，其中：所述外鏡筒的內壁上端處設置有多個導角，所述光學繞射元件設置在所述導角且通過膠體固定於所述外鏡筒的內壁。
  9. 如請求項8所述的光學投影模組，其中：所述外鏡筒包括板體以及位於板體上表面的接收部，及自所述板體下表面延伸形成的圍合部，圍合部及接收部之間設置有擋止部，所述內鏡筒設置在所述擋止部上。
  10. 如請求項1所述的光學投影模組，其中：所述內鏡筒的熱膨脹係數小於所述外鏡筒的熱膨脹係數。
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