CN109477911A - 微透镜阵列漫射器 - Google Patents

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Abstract

一种可操作以产生实质上漫射照明的微透镜阵列漫射器包括微透镜阵列，其中每一微透镜具有各自的周期性影响特性和各自的表面轮廓。微透镜阵列包括至少两个微透镜，所述至少两个微透镜具有彼此不同的各自的周期性影响特性和彼此不同的各自的表面轮廓。每一表面轮廓经设置以产生实质上相等的照明场。微透镜阵列漫射器可以集成为可操作以产生实质上漫射照明的照明器的一部分。

Description

微透镜阵列漫射器
技术领域
本发明涉及微透镜阵列漫射器。
背景技术
光电模块(例如光学测距系统和接近传感器)通常经设置以使用漫射照明来操作。这样的光电模块可以包括：可操作以在特定照明场(FOI)上的场景中产生漫射照明的照明器模块和可操作以在特定视场(FOV)上收集光的光敏组件。在通常操作中，由光敏组件收集的大部分光源自已从场景中的物体反射的漫射照明。在一些情况下，所收集的光的一部分可归因于背景光。照明器可包括漫射器(例如，光学元件或一系列光学元件)和光产生组件(例如，LED、VCSEL，或LED或VCSEL阵列)，可共同操作以产生漫射照明。
照明器可(例如，通过漫射器)调试以产生具有允许光电模块的最佳性能的特定特性的漫射照明。这些特性可包括：1)在特定FOI的漫射照明内的光分布或角度分布(例如，空间功率分布、辐射强度)；2)空间中漫射照明的终止(即，边缘特性)；和3)在漫射照明内的高频分量(即，高频分量存在与否)。
一些照明器可操作以产生具有实质上均匀的光分布(例如，均匀空间功率分布、辐射强度)的漫射照明。其他照明器可操作以产生具有逐渐改变的光分布(例如，线性改变的空间功率分布、辐射强度)的漫射照明。在其边缘附近具有较高功率的漫射照明可在一些应用中提供优势。可操作以在特定FOI上产生均匀光分布或逐渐改变的光分布的照明器可促进(例如)接近和/或测距应用。
一些照明器可操作以产生具有特定高对比度边缘的漫射照明，以有效利用光。例如，由于光学测距系统和接近传感器的光敏组件在特定FOV上收集光，漫射照明仅需在此FOV上延伸。在一些情况下，当FOV大于FOI时，背景光可由光敏组件收集，从而混淆接近和/或测距功能。而在其他情况下，当FOV小于FOI时，落在FOV外的光被浪费。因此，特定有效设置利用匹配的FOI和FOV，其中漫射照明突然终止高对比度边缘，从而允许资源(例如用于驱动光产生组件的电功率)的有效利用。
除上述特性以外，一些照明器产生具有高频分量的漫射照明。高频分量可源自衍射假影和/或干扰假影。通常，高频分量或热点造成资源(例如电功率)浪费。在一些情况下，所述高频分量或热点可不利地影响旨在用于漫射照明的特定应用(例如，接近、测距)的精确度和/或准确度。
一些照明可包括由简单漫射表面(例如喷砂表面)组成的漫射器。此照明器可产生具有逐渐改变的光分布(例如，空间功率分布、辐射强度)的漫射照明；然而，照明通常将不终止于高对比度边缘(例如，照明可具有实质上高斯特性)。此外，此漫射器将展现特定高反向散射(即，在漫射器上的一些入射光将不促成漫射照明)，导致减少可操作效率。
一些照明器包括由微透镜阵列组成的漫射器。微透镜阵列漫射器可克服上文描述的漫射器的一些限制。例如，在微透镜阵列漫射器内的每一微透镜的轮廓可经设置以产生精确地受控光分布，并可经设置以产生具有高对比度边缘的照明。然而，此微透镜阵列漫射器可展现明显的衍射假影和干扰假影，从而导致非最佳性能。通常，由于微透镜的相对小的有效孔径尺寸，由微透镜阵列漫射器内(例如，在每一微透镜的边缘)的每一微透镜产生衍射假影。此外，干扰假影(通常)由此微透镜阵列漫射器内的微透镜的周期性排列产生。
因此，可期望实现可操作产生具有以下特性的漫射照明：1)在特定FOI上的均匀光分布或逐渐改变的光分布、2)高对比度边缘和/或3)最小高频分量。
发明内容
本发明描述可操作以在特定FOI上产生具有均匀光分布或逐渐改变的光分布的漫射照明的微透镜阵列漫射器。本发明还描述可操作以产生终止于高对比度边缘的漫射照明的微透镜阵列漫射器。此外，本发明描述可操作以产生具有最小误差高频分量的漫射照明的微透镜阵列漫射器。更进一步，本发明描述并入这些微透镜阵列漫射器的照明器。
在一方面，例如，微透镜阵列漫射器包括微透镜阵列，其中在所述微透镜阵列内的每一微透镜具有周期性影响特性和表面轮廓。所述微透镜阵列包括至少两个微透镜，所述至少两个微透镜具有不同的各自的周期性影响特性(例如不同微透镜高度、微透镜有效孔径尺寸、微透镜有效孔径形状和/或微透镜位置)。此外，具有不同的各自的周期性影响特性的所述至少两个微透镜进一步具有不同的各自的表面轮廓。然而，每一所述不同的各自的表面轮廓可操作以产生实质上相同照明场。
在一些实施方案中，所述微透镜阵列漫射器可操作以产生终止于实质上高对比度边缘的实质上漫射照明。
其他方面、特征和优势将根据以下具体实施方式、附图和权利要求书变得显而易见。
附图说明
图1A、图1B和图1C图示微透镜阵列漫射器的实例。
图2图示包括微透镜阵列漫射器的照明器的实例。
具体实施方式
图1A、图1B和图1C描述可操作以产生实质上漫射照明的微透镜阵列漫射器的实例。图1A描述包括100至1000个微透镜的示例性微透镜阵列漫射器的概述。图1B描述在图1A中描述的微透镜阵列漫射器的一部分的放大。图1C描述在图1A中描述的微透镜阵列漫射器的一部分的三维轮廓。
在图1A至图1C中描述的微透镜阵列漫射器100可具有(例如)小于1mm2至若干mm2至上百mm2(例如1mm x 1mm、2mm x 2mm或甚至10mm x 10mm)的微透镜阵列漫射器有效孔径尺寸。其他微透镜阵列漫射器有效孔径尺寸可适用于一些实施方案。微透镜阵列漫射器100包括微透镜101阵列。在微透镜阵列漫射器100内的每一微透镜101具有周期性影响特性。周期性影响特性的实例包括微透镜阵列内的有效孔径尺寸103、孔径形状105、微透镜高度107和微透镜位置(例如，微透镜的周期性、伪随机或随机(例如，非周期)定位)。在一些情况下，微透镜101可具有其他周期性影响特性。在微透镜阵列漫射器100内的每一微透镜101的特征进一步是各自的表面轮廓109。在此实例中，微透镜101为自由形式透镜，其中每一微透镜的表面轮廓109可不同于其他微透镜的一个表面轮廓(只要微透镜的有效孔径尺寸、形状和/或高度也不同)。
在图1A至图1C中描述的示例性实施方案中，微透镜阵列漫射器100内的每一微透镜101的高度107可由以每一透镜为中心的双变量x、y多项式描述；即，每一微透镜的x、y坐标以微透镜阵列漫射器100内的每一微透镜为中心：
其中H是微透镜阵列漫射器100内的每一微透镜101的高度(在此实例中，H＝0为最深透镜的高度)；Cp,q是双变量系数；且xp,q和yp,q是每一透镜p,q的坐标。在此实例中，由于对称性而仅使用沿着x、y的多项式的偶数度数。表1图示微透镜阵列漫射器100内的二十个透镜的示例性双变量系数和沿着x、y的多项式的每一透镜(p,q)的坐标。本发明不限于表1中公开的高度，并且在一些情况下，高度107可在从10μm的最小值到100μm或更大的范围中。
表1
表1(续)
表1(续)
在所示实例中，每一微透镜101的有效孔径形状是矩形；然而，形状可在一些实施方案中使用。有效孔径形状105可为(例如)矩形(如在图1A至图1C中描述)、方形、圆形对称或这些或其他几何形状的组合。在表2中图示有效孔径尺寸的实例(即，定义各自的有效孔径尺寸)；其他有效孔径尺寸可应用于一些实施方案。例如，在一些情况下，有效孔径尺寸可改变以使得有效孔径尺寸103可在从30μm到80μm或甚至100μm的范围中。
表2
此外，在表3A和表3B中图示此实例中的二十个透镜的一组x坐标，并且在表3C和表3D中图示相同二十个透镜的一组对应y坐标。x、y坐标皆以毫米(mm)给出。在表3A至表3D中给出的x、y坐标是微透镜位置的实例；其他微透镜位置可应用于其他实施方案中。例如，在一些实施方式中，坐标可指派给每一微透镜101，以使得微透镜被周期性、伪随机或随机排列。
表3A
表3B
表3C
表3D
根据一些实施方案，微透镜阵列漫射器可操作以产生实质上漫射照明，并具有至少两个微透镜，所述至少两个微透镜具有不同周期性影响特性和不同各自的表面轮廓，例如，在图1A至图1C中描述的微透镜阵列漫射器100。不同周期性影响特性可经选择(在一些情况下)以最小化产生的漫射照明中的干扰假影。在一些情况下，不同周期性影响特性可经选择以增加或最大化产生的漫射照明中衍射假影的重叠。更进一步，不同周期影响特性可经选择以减少或最小化干扰假影并且还增加或最大化衍射假影的重叠。
优选地，微透镜周期性影响特性和表面轮廓可操作以产生具有均匀光分布或逐渐改变的光分布的实质上漫射照明。在一些实施方案中，光分布是线性改变的空间功率分布或辐射强度。在其他实施方案中，光分布的特征是在垂直于微透镜阵列漫射器的光轴的平面上的恒定辐照度；即，辐射强度可遵循1/cos3(θ)，其中θ是角度分布的角度。仍在其他实施方案中，光分布的特征是在垂直于微透镜阵列漫射器的光轴的平面上的恒定辐射强度；即，辐照度可遵循cos3(θ)，其中θ是角度分布的角度。优选地，微透镜周期性影响特性和表面轮廓可操作以产生终止于高对比度边缘的实质上漫射照明。
在所描述的实例中，在微透镜阵列漫射器100内的每一微透镜101可操作以产生100°x 70°矩形照明场；然而，在一些实施方案中，微透镜阵列漫射器可操作以产生其他照明场。例如，在一些情况下，微透镜阵列漫射器可操作以产生70°x 50°照明场，而在其他情况下，微透镜阵列漫射器可操作以产生高达120°或甚至130°的照明场。在一些实施方案中，在微透镜阵列漫射器100内的每一微透镜101可操作以产生用于具有4:3、16:9或甚至100:1的纵横比的照明场的照明。在一些情况下，照明场可具有其他纵横比。
微透镜阵列漫射器(例如上文描述的微透镜阵列漫射器)可被并入(例如)如图2中描述的照明器200。照明器200包括光产生组件201和漫射器100。光产生组件201可包括(例如)发光二极管(LED)、超辐射二极管(SLED)或激光二极管(例如边缘发射激光器或垂直腔面发射激光器(VCSEL))。在其他实施方案中，光产生组件201可包括发光二极管阵列和/或激光二极管阵列。例如，光产生组件201可包括2x 2离散光产生组件(例如，LED、SLED或VCSEL)阵列，或可包括数十、数百或数千离散光产生组件(例如，LED、SLED或VCSEL)。光产生组件201可操作以产生适合特定应用的任何波长或波长范围的光203。
在图1A至图1C的所描述实例中，850nm的波长用于确定上文公开的特定参数；然而，其他波长或波长范围可适用于一些实施方案。例如，在一些情况下，漫射照明将无法被观察者看见，因此，在此情况下，波长范围可对应于近红外光和/或红外光。在一些情况下，光产生组件201可操作以产生具有850nm或940nm的波长的光203。仍在一些情况下，其他波长可适用。在一些实施方案中，光产生组件可操作以产生例如可用于飞行时间应用的脉冲光或调制光(例如，频域调制光)。
在实际实施方案中，一些残余高频分量仍可存在。然而，此处描述的微透镜阵列漫射器仍可操作以产生具有实质上高对比度边缘和足以用于特定应用的实质上均匀功率的实质上漫射照明。
在本发明的精神内，可作出各种修改。相应地，其他实施方案在权利要求书的范围内。

Claims (13)

1.一种可操作以产生实质上漫射照明的微透镜阵列漫射器，所述微透镜阵列漫射器包含：
微透镜阵列，每一微透镜具有各自的周期性影响特性和各自的表面轮廓；
所述微透镜阵列包括至少两个微透镜，所述至少两个微透镜具有彼此不同的各自的周期性影响特性；和
各自的周期性影响特性彼此不同的所述至少两个微透镜进一步具有彼此不同的各自的表面轮廓；
其中每一表面轮廓经设置以产生实质上相同照明场。
2.如权利要求1所述的微透镜阵列漫射器，其中可操作的所述微透镜阵列漫射器可操作以产生终止于实质上高对比度边缘的实质上漫射器照明。
3.如权利要求1所述的微透镜阵列漫射器，其中所述周期性影响特性包括微透镜高度、微透镜有效孔径尺寸、微透镜有效孔径形状或微透镜位置中的至少一者。
4.如权利要求1所述的微透镜阵列漫射器，其中各自的周期性影响特性彼此不同的所述至少两个微透镜的所述各自的表面轮廓可操作以将衍射假影引导至所述实质上漫射照明内的实质上相邻区域，以使得所述衍射假影的各自的边缘部分实质上重叠，以形成具有实质上均匀功率的漫射照明。
5.如权利要求1所述的微透镜阵列漫射器，其中所述至少两个微透镜的所述各自的周期性影响特性可操作以减少所述实质上漫射照明内的干扰假影。
6.如权利要求1所述的微透镜阵列漫射器，其中所述至少两个微透镜的所述各自的周期性影响特性可操作以产生具有实质上均匀光分布的漫射照明。
7.如权利要求1所述的微透镜阵列漫射器，其中所述至少两个微透镜的所述各自的周期性影响特性可操作以产生具有实质上线性光分布的漫射照明。
8.如权利要求1所述的微透镜阵列漫射器，其中所述至少两个微透镜的所述各自的周期性影响特性可操作以产生具有较少高频分量的漫射照明。
9.如权利要求1所述的微透镜阵列漫射器，其中各自的周期性影响特征彼此不同并具有彼此不同的各自的表面轮廓的所述至少两个微透镜在所述微透镜阵列内的非周期性排列中。
10.如上述权利要求任一项所述的微透镜阵列漫射器，其中所述微透镜阵列中的至少一个微透镜是矩形。
11.一种可操作以产生实质上漫射照明的照明器，所述照明器包含：
根据权利要求1-10中的任一项所述的微透镜阵列漫射器，和相应的光产生组件，
其中所述光产生组件包括发光二极管、激光二极管、发光二极管阵列或激光二极管阵列中的至少一者。
12.如权利要求11所述的照明器，其中所述光产生组件可操作以产生光的红外波长。
13.如权利要求11所述的照明器，其中所述光产生组件安装至基板，并且所述微透镜阵列漫射器通过间隔物安装至所述基板。
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