光学模组及电子设备

技术领域

本申请属于电子产品技术领域，具体涉及一种光学模组及电子设备。

背景技术

时差法(Time of flight，TOF)也可以称为飞行时间法，其工作原理是传感器发出经调制的近红外光，遇到物体后反射，传感器通过计算光线的发射和反射的时间差或相位差，来换算被拍摄对象的距离，以产生深度信息。其中，根据发射端所发射的光线为点阵或面阵，可以分为点阵TOF和面阵TOF。

目前，主流的TOF方案通常采用垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)光源作为发射端器件，对于面阵投射，一般在光源上方设置扩散片(diffusor)；而对于点阵投射，则需要对VCSEL光源进行准直，然后经过衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)产生均匀点阵。

可见，相关技术中的基于TOF方案的面阵投射和点阵投射存在兼容性差的问题。

发明内容

本申请旨在提供一种光学模组及电子设备，能够解决相关技术中的基于TOF方案的面阵投射和点阵投射存在兼容性差的问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提出了一种光学模组，包括：光源发射端和投射镜头，所述投射镜头沿所述光源发射端的光线发射方向设置；

所述投射镜头包括投影透镜和液体透镜，且所述投影透镜位于所述光源发射端的发光面和所述液体透镜之间；

所述投射镜头包括离焦状态和合焦状态，在所述投射镜头处于所述离焦状态的情况下，所述光源发射端发射的光线经所述投影透镜和液体透镜折射后转换为面阵投射光线；在所述投射镜头处于所述合焦状态的情况下，所述光源发射端发射的光线经所述投影透镜和液体透镜折射后转换为点阵投射光线。

第二方面，本申请实施例提出了一种电子设备，包括第一方面所述的光学模组。

在本申请的实施例中，可以基于投影透镜和液体透镜的特性，以使投射镜头能够在离焦状态和合焦状态之间切换，进而使光学模组既能输出面阵投射光线，也能输出点阵投射光线，提高了光学模组对点阵投射和面阵投射的兼容性。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请实施例提供的光学模组的结构示意图；

图2是图1中所示的光学模组的点阵投射示意图；

图3是图1中所示的光学模组的面阵投射示意图；

图4是图1中所示的光源发射端的发光点的分布示意图；

图5是本申请实施例提供的弥散斑的示意图；

图6是图4中所示的发光点的位置示意图；

图7是图5中的弥散斑的重叠示意图；

图8是本申请实施例提供的空间网格建图的场景示意图；

图9是本申请实施例提供的手势识别的场景示意图；

图10是图1中所示的液体透镜的结构示意图；

图11是图10中的液滴形态与输入电压大小的关系对应图。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

为使本领域技术人员能够更好地理解本申请实施例，先进行如下说明。

投影透镜，也可以称为投射透镜，投影透镜的逆向光路为成像系统，当成像系统的离焦量大时，成像系统变得模糊。

液体透镜，也可以称为液态透镜，其可以通过改变施加的电压来控制液体在固定表面上的湿润特性。电湿润效应是一种物理化学现象，通过改变液体-固体界面的外加电压来控制液体在固体面上的润湿特性，从而改变液滴的接触角，使其能像人眼的晶状体一样改变曲率实现变焦。同时，对施加电压的不同，其表面曲率会发生变化，实现焦距在一定程度的变化。

如图1至图7所示，本申请实施例提供一种光学模组，包括：光源发射端10和投射镜头20，该投射镜头20沿光源发射端10的光线发射方向设置；

投射镜头20包括投影透镜21和液体透镜22，且投影透镜21位于光源发射端10的发光面和液体透镜22之间；

投射镜头20包括离焦状态和合焦状态，在投射镜头20处于离焦状态的情况下，光源发射端10发射的光线经投影透镜21和液体透镜22折射后转换为面阵投射光线；在投射镜头20处于合焦状态的情况下，光源发射端10发射的光线经投影透镜21和液体透镜22折射后转换为点阵投射光线。

上述光学模组还包括接收端(未图示)，光源发射端10发射的光线依次经投影透镜21和液体透镜22折射后，可以转换为面阵投射光线或者点阵投射光线，并射向目标对象，接收端用于接收射向目标对象的面阵投射光线或者点阵投射光线经由目标对象反射后的光线；然后可以通过计算光线的发射和反射时间差或者相位差，来换算目标对象的距离，以产生深度信息。

其中，时间差的计算类型包括：直接计算时间差(direct Time of flight，d-TOF)和间接计算时间差(indirect Time of flight，i-TOF)，比如可以通过相位差的方式实现时间差的间接计算。

上述光源发射端10可以理解为光线发射器，用于发射光线，比如发射激光光线。其中，上述光源发射端10可以是VCSEL光源、激光发射器等等。在本申请实施例中上述光源发射端10为VCSEL光源。

其中，当光源发射端10为VCSEL光源时，由于VCSEL光源的发光点的数量决定了最终投射点数，当VCSEL光源的发光点的数量越多时，其所需的发光面积也会越大；因此，在选择VCSEL光源时，通常会选用发光点数量在500～100个的VCSEL光源。

可选地，投射镜头20可基于液体透镜22的输入电压的变化在离焦状态和合焦状态之间切换，即可以控制液体透镜22的输入电压，以使投射镜头20在离焦状态和合焦状态之间切换。

比如，通过对液体透镜22施加一定的电压，可以使液体透镜22的表面曲率发生变化，实现焦距在一定程度上的变化；对于原本处于离焦状态的投射镜头20来说，当液体透镜的曲率变少时，可以使投射镜头20切换至合焦状态。

其中，上述以使投射镜头20处于合焦状态，可以理解为当光源发射端10发射的光线经投影透镜21折射后处于离焦状态，然后再将经投影透镜21折射后的光线射向具有一定曲率的液体透镜22，并经具有一定曲率的液体透镜22的二次折射，可以使经二次折射后的光线处于合焦状态，即可以通过改变液体透镜22的输入电压，以改变液体透镜22的曲率，进而使投射镜头从离焦状态切换为合焦状态，从而实现投影透镜21在离焦状态和合焦状态之间切换。

由于投影透镜21的逆向光路为成像系统，因此当成像系统的离焦量变大时，成像系统会变得模糊。对于VCSEL投射系统而言，即投射出去的光斑变大发生重叠，最终叠加成面阵投射；即通过控制投射镜头处于离焦状态，可以使光学模组输出面阵投射光线。相应地，通过控制投射镜头处于合焦状态，可以使光学模组输出点阵投射光线。

上述投影透镜21和液体透镜22可以组成光学模组的投射镜头，即投影透镜21和液体透镜22可以作为一个整体，以便可以基于投射镜头对光源发射端10发射的光线进行折射，并使经投射镜头折射后的投射光线能够转换成点阵投射光线或者面阵投射光线。

本申请实施例中，通过设置投影透镜21和液体透镜22，并通过调整液体透镜22的输入电压以改变液体透镜22曲率，可以控制投射镜头在离焦状态和合焦状态之间切换，进而使光学模组既能输出面阵投射光线，也能输出点阵投射光线，提高了光学模组对点阵投射和面阵投射的兼容性。

而且，现有的光学组件在需要满足点阵投射和面阵投射的情况下，通常需要设置两个光学模组，以便满足光学组件的点阵投射需求和面阵投射需求；而在本申请中，仅需设置一个光学模组，就可以满足光学组件的点阵投射需求和面阵投射需求，即采用本申请实施例提供的光学模组，还可以降低配置该光学组件时所需的安装空间。

比如，在对应的光学组件为摄像头的情况下，还可以降低摄像头所需的安装空间。

基于上述光学模组的TOF方案可以用于空间网格(Mesh)建图、平面检测、安全区异物侦测、地板高度估计和手势识别等应用。其中，空间Mesh建图可以如图8所示，手势识别可以如图9所示。

可以理解的是，上述光学模组输出点阵投射光线时，该光学模组可以实现点阵TOF方案；上述光学模组输出面阵投射光线时，该光学模组可以实现面阵TOF方案。

比如，对于手势识别，需要角度很大，通常水平方向角度需要150度以上；工作距离相小，通常在1米以内，同时手势识别对精度要求较高。若采用点阵TOF方案，由于大角度时，点会变得稀疏，可能点没有落在手指上，尽管后续可配合可见光摄像头进行稠密化，即将稀疏深度变成面阵深度，但对动作识别上效果依然没有采用面阵TOF方案好。而对于大角度面阵TOF方案，在远距离应用如空间Mesh建图、平面检测，对角度要求会小于手势识别，且通常水平方向角度需要120度以上，此时工作距离需要如5米，功耗会非常高，采用点阵TOF方案会成为比较好的选择。

可选地，如图4所示，光源发射端10的发光面板包括第一发光区域11和两个第二发光区域12，两个第二发光区域12分别位于第一发光区域11的两侧；

第一发光区域11中的发光点的出光孔径小于第二发光区域12中的发光点的出光孔径。

上述第一发光区域11可以理解为发光面板的中心发光区域，上述第二发光区域12可以理解为发光面板的周边发光区域。

本实施例中，通过将光源发射端10的发光面板设置为第一发光区域11和第二发光区域12，可以使光源发射端10发射的光线能够满足不同视场角(Field of view，FOV)的需求。

其中，第一发光区域11中的发光点的出光孔径小于第二发光区域12中的发光点的出光孔径，可以理解为第一发光区域11中的发光点的发光亮度小于第二发光区域12中的发光点的发光亮度，即发光面板的周边发光区域的发光亮度大于发光面板的中心发光区域的亮度；通过这样设置，可以减少大角度投射时亮度的衰减，并提升接收端接收到的光线的均匀性，达到改善光学模组的性能的目的。

进一步地，第一发光区域11的发光点工作的情况下，可以通过改变液体透镜22的输入电压，比如控制液体透镜22的输入电压设置为高电压，以增大液体透镜22中的液滴的表面曲率，并使投射镜头处于合焦状态，即实现通过液体透镜22控制投射镜头处于合焦状态；在第一发光区域11的发光点和第二发光区域12的发光点均工作的情况下，可以通过改变液体透镜22的输入电压，比如控制液体透镜22的输入电压设置为0，以减小液体透镜22中的液滴的表面曲率，并使投射镜头处于离焦状态，即实现通过液体透镜22控制投射镜头处于离焦状态。

比如，第一发光区域11的发光点工作时，基于上述光学组件的TOF方案可以用于空间Mesh建图、平面检测、安全区异物侦测、地板高度估计等应用场景；而当第一发光区域11的发光点和第二发光区域12的发光点均工作时，基于上述光学组件的TOF方案可以用于手势识别等应用场。

具体地，在空间Mesh建图、平面检测、安全区异物侦测、地板高度估计等应用场景下，可以控制第一发光区域11的发光点工作，即控制第一发光区域11点亮，并通过对给液体透镜22施加一电压，使得投射镜头处于合焦状态，实现点阵的投射，其投射角度可以设置为A。在手势识别等应用场景下，可以控制第一发光区域11的发光点和第二发光区域12的发光点同时发光，即将第一发光区域11和第二发光区域12均点亮，此时不对液体透镜22施加电压，使得投射镜头处于离焦状态，实现面阵投射，其投射角度可以设置为B。其中，投射角度B大于投射角度A。

这样可以通过改变液体透镜22的输入电压控制投射镜头处于离焦状态还是合焦状态，且在投射镜头处于离焦状态时，光学模组输出点阵投射光线；在投射镜头处于合焦状态时，光学模组输出面阵投射光线。而且，点阵投射光线和面阵投射光线的切换，还可以与第一发光区域11和第二发光区域12配合实现不同FOV场景的需求。

一些实施方式中，假设第一发光区域11中的发光点的单孔功率为1，则可以将第二发光区域12中的发光点的单孔功率设置为1.2～1.5，以增大第二发光区域12中的发光点的发光亮度，并减少大角度投射时亮度的衰减。

进一步可选地，第一发光区域11中任意两个相邻的发光点之间的间距小于第二发光区域12中任意两个相邻的发光点之间的间距。

本实施例中，由于第二发光区域12中的发光点的发光孔径较大，即第二发光区域12中的发光点的发热效果大于第一发光区域11中的发光点的发热效果，因此通过将第一发光区域11中任意两个相邻的发光点之间的间距小于第二发光区域12中任意两个相邻的发光点之间的间距设置，可以降低第二发光区域12中的发光点之间的热影响，并改善光源发射端10的散热性能。

可选地，发光面板可以为长方形结构，第一发光区域11可以为圆形发光区，且第一发光区域11的直径尺寸可以为发光面板的对角线尺寸的0.3～0.5倍。

可以理解的是，第二发光区域12可以是发光面板的除去第一发光区域11之外的其他发光区域。

而且，分别位于第一发光区域11的两侧的两个第二发光区域12可以定义为左发光区域和右发光区域。

可选地，第一发光区域11包括相邻设置的第一发光点、第二发光点和第三发光点，第二发光点为第一方向上与第一发光点相邻的发光点，第三发光点为第二方向上与第一发光点相邻的发光点，且第一方向和第二方向垂直；

第二发光点与第一发光点在第一方向上的间距为第一值，第三发光点与第一发光点在第二方向上的间距为第二值；

其中，第一发光点发射的光线经投射镜头折射后形成的弥散斑的直径大于或等于目标值，目标值为第一值和第二值中的最大值。

本实施例中，通过将第一发光点发射的光线经投射镜头折射后形成的弥散斑的直径大于或等于目标值设置，可以使经投射镜头折射后形成的光斑能够发生重叠，并最终叠加成面阵投射光线，从而实现光学模组的面阵投射。

相应地，第二发光区域12包括第四发光点、第五发光点和第六发光点，第五发光点为第一方向上与第四发光点相邻的发光点，第六发光点为第四方向上与第一发光点相邻的发光点，且第一方向和第二方向垂直；

第五发光点与第四发光点在第一方向上的间距为第三值，第六发光点与第四发光点在第二方向上的间距为第四值。

可以理解的是，第四发光点发射的光线经投射镜头折射后形成的弥散斑的直径大于或等于对应的目标值，该目标值为第三值和第四值中的最大值。

如图6所示，第一方向可以是X方向，第二方向可以是Y方向，第二发光点与第一发光点在第一方向上的间距为第一值为a，第三发光点与第一发光点在第二方向上的间距为第二值为b；假如a≥b,则第一发光点发射的光线经投射镜头折射后形成的弥散斑的直径需≥a。

其中，第一发光点、第二发光点和第三发光点各自对应的弥散斑的重叠示意图如图7所示。

可选地，光学模组还包括电路板30、陶瓷基板40和透镜支架50，电路板30包括相背设置的第一面和第二面，且电路板30的对应光源发射端10的位置设置有通孔31，陶瓷基板40设置于电路板30的第二面；

光源发射端10穿过通孔31设置于陶瓷基板40上；

投影透镜21和液体透镜22通过透镜支架50设置于电路板30的第一面。

本实施例中，由于陶瓷基板40的散热能力要强于常规的电路板，因此通过将光源发射端10设置于陶瓷基板40上，使得光源发射端10工作时产生的热量可以通过陶瓷基板40向外传导，以改善光源发射端10的散热效果。

其中，光源发射端10可以通过导电银胶设置于陶瓷基板40上，以满足光源发射端10的电连接需求和散热需求。

而且，投影透镜21和液体透镜22通过透镜支架50设置于电路板30的第一面，可以避免投影透镜21和液体透镜22悬空。

进一步可选地，透镜支架50可以是金属透镜支架，且投影透镜21和液体透镜22可以通过石墨膜60设置于透镜支架50上。

本实施例中，通过石墨膜60实现透镜支架50与投影透镜21及液体透镜22的连接，不仅可以避免投影透镜21和液体透镜22悬空，还可以通过石墨膜60将投影透镜21和液体透镜22上的热量传导至透镜支架50上，以避免热量堆积影响光学模组的性能。

可以理解的是，透镜支架50与外部通过空气对流散热，以进一步改善整个光学模组的散热能力。

一些实施方式中，还可以用热传导性能好的金属连接件实现透镜支架50与投影透镜21及液体透镜22的连接，以达到改善光学模组的散热能力的目的。

如图10所示，本申请实施例提供的液体透镜22包括：依次层叠设置的第一电极221、绝缘层222、电解液层223和第二电极224，第一电极221和第二电极224可以与电源连接，以便电源为液体透镜22的第一电极221和第二电极224提供一定电压；电解液层223中包括电解液以及液滴，在第一电极221和第二电极224通电的情况下，即对第一电极221和第二电极224提供一定电压的情况下，液滴的湿润特性会发生变化，进而使液滴的形态也会发生变化，即液滴表面的曲率发生变化，实现液体透镜22的焦距在一定程度上变化。

如图11所示，液滴表面的曲率与输入电压的大小正相关，即输入电压越大，液滴表面的曲率越大；输入电压越小，液滴表面的曲率越小。而且，当输入电压为0的时候，液滴表面的曲率最小，即使得液体透镜22的设置不会影响投射镜头的离焦状态，并可以使投射镜头处在离焦状态。

一些实施方式中，上述液滴可以是油滴。

本申请实施例还提供一种电子设备，包括上述光学模组。

需要说明的是，上述光学模组实施例的实现方式同样适应于该电子设备的实施例中，并能达到相同的技术效果，在此不再赘述。

其中，电子设备可以是为扩展现实(Extended Reality，XR)、手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、车载电子设备、可穿戴设备、超级移动个人计算机(ultra-mobilepersonal computer，UMPC)、上网本或者个人数字助理(personal digital assistant，PDA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。