CN110187594A - 一种线型光场投射器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线型光场投射器，属于扩散片技术领域。本发明包括面阵发散光源和光线扩散结构，面阵发散光源由密集排布的发光点组成，每个发光点出射光发散角为5~50°；光线扩散结构由第一扩散结构和第二扩散结构构成；第一扩散结构为透镜阵列结构，第二扩散结构为菲尼尔透镜结构或平凸透镜结构；面阵发散光源与第二扩散结构之间的间距等于第二扩散结构的焦距。使用本发明可使水平发散角为50～150°，垂直发散角为1～40°，出射光场成线型分布；本发明在水平方向与垂直方向均可对出射光线的扩散角度进行单独控制；可以保证水平方向大角度扩散的同时实现垂直方向的小角度扩散，而不再受限于面阵光源本身发散角度。
Description
技术领域
本发明涉及扩散片技术领域，特别涉及一种线型光场投射器。
背景技术
随着3D视觉技术的发展，3D传感已经逐渐在人脸解锁、人脸支付、工业检测等领域得到广泛应用，而3D传感的主流技术之一是TOF技术，TOF是Time of flight的简写，直译为飞行时间的意思。所谓飞行时间法3D成像，是通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行（往返）时间来得到目标物距离。
光场投射器就是TOF中的核心组件，用于投射探测光脉冲到所需视场，被光照射到的部分即可被传感器感知计算出3D信息。处于成本、模组体积、性能考虑，目前市面上主流使用的投射器结构为VCSEL（垂直腔面发射激光器）光源加上扩散片，VCSEL为点阵发散光源，本身存在较大发散角度，再有扩散片实现更大角度的光场投射。
但是随着TOF应用领域的细化，目前有很多领域只需要实现一条线型区域的探测，即一个方向大角度，另一方向小角度探测。传统的投射器模组无法将投射光场的角度压缩至小于VCSEL本身发散角，故会造成在小角度方向的能量浪费；新型模组也有使用衍射光学元件进行光场的投射，理论上可以投射出任意形状光场，但是效率较低。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，实现针对VCSEL类点阵发散光源的线型光场投射本发明提供了一种耦入、扩瞳、耦出一体化的线型光场投射器。
本发明的技术方案为：
一种线型光场投射器，包括面阵发散光源和光线扩散结构，所述面阵发散光源由密集排布的发光点组成，每个发光点出射光发散角为5~50°；所述光线扩散结构由第一扩散结构和第二扩散结构构成；所述第一扩散结构为透镜阵列结构，第二扩散结构为菲尼尔透镜结构或平凸透镜结构；所述面阵发散光源与第二扩散结构之间的间距等于第二扩散结构的焦距。
面阵发散光源的发散角度为5~50°，光源光线经第一扩散片后水平方向角度扩散为50°～150°，光源光线经第二扩散片后垂直方向角度压缩为1°～40°。
作为优选方案，所述透镜阵列结构为一维柱透镜阵列结构。
进一步的，所述一维柱透镜阵列结构的曲率半径为5μm~150μm，重复周期为5μm~300μm。
作为优选方案，所述第二扩散结构的焦距为1~20mm。
作为优选方案，所述第二扩散结构为菲尼尔透镜结构。
作为优选方案，所述第一扩散结构和第二扩散结构处于同一平板基底的两面。
进一步的，所述平板基底为K9玻璃。
作为优选方案，所述第一扩散结构和第二扩散结构分别处于不同的平板基底表面，第一扩散结构位于第二扩散结构后面或者位于面阵发散光源与第二扩散结构之间。
第一扩散结构、第二扩散结构可以位于同一平板基底上，也可以相互独立，第二扩散结构与面阵发散光源之间的间距为第二扩散结构的焦距，第一扩散结构的位置不作限定，只要面阵发散光源发出的光线光线能经过第一扩散结构即可。
本发明的有益效果为：
1、本发明的线型光场投射器，光源光线经各第一扩散结构和第二扩散结构后水平发散角为50～150°，垂直发散角为1～40°，出射光场成线型分布。
2、本发明在水平方向与垂直方向均可对出射光线的扩散角度进行单独控制；可以保证水平方向大角度扩散的同时实现垂直方向的小角度扩散，而不再受限于面阵光源本身发散角度。本发明可适用于扫地机器人、工业扫描等3D视觉领域。
3、本发明光能利用率高；本发明使用的是几何光学元件，而非使用衍射类光学元件，不像衍射光学元件受到衍射效率的限制，会有能量的浪费。
4、本发明结构简单，扩散片易于加工，模组体积小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明线型光场投射器的一种结构示意图；
图2为图1中面阵光源的结构图；
图3为图1中一维透镜阵列的侧视图，图中，R表示一维透镜阵列的曲率半径；T表示重复周期；
图4为图1中一维柱透镜阵列的俯视图；
图5为图1中菲涅尔透镜的俯视图；
图6为实施例3中平凸透镜的侧视图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于理解，下面结合具体图示和实例进一步阐述本发明。
一种线型光场投射器，包括面阵发散光源和光线扩散结构，所述面阵发散光源由密集排布的发光点组成，每个发光点出射光发散角为5~50°；所述光线扩散结构由第一扩散结构和第二扩散结构构成；所述第一扩散结构为透镜阵列结构，第二扩散结构为菲尼尔透镜结构或平凸透镜结构；所述面阵发散光源与第二扩散结构之间的间距等于第二扩散结构的焦距。
第二扩散结构覆盖面阵发散光源的照射面积。第二扩散结构覆盖光源的照射面积，与安装距离以及光源发散角有关，本领域技术人员知晓如何根据光源照射面积、安装距离、光源发散角设计第二扩散结构的大小。
另外，所谓密集排布的发光点，如果面阵发散光源为几百微米乘以几百微米，那么发光点之间的间距一般为十微米到三十微米；如果面阵发散光源面积较大，发光点之间的间距可以到几百微米。此处对密集排布做一个解释，但并不限于此。
以第一扩散结构和第二扩散结构位于同一平板基底的两面为例，具体说明本发明线型光场投射器的结构。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种线型光场投射器，由面阵发散光源1、组合扩散片（由位于同一平板基底两面的第一扩散结构2和第二扩散结构3）构成；面阵发散光源1与第二扩散结构3的间距等于第二扩散结构3的焦距。该线型光场投射器投射出线型光场4。
其中，面阵发散光源1由一系列的密集排布的发光点组成，每个发光点出射光发散角为5~50°。
第一扩散结构2为一维柱透镜阵列结构，第二扩散结构3为菲涅尔透镜或平凸透镜结构。第一扩散结构2平滑面与第二扩散结构3可以紧密贴合，分别加工在同一基底的两侧。
实施例1
使用面阵发散光源的波长为940nm，发散角度为20°×20°，面阵光源的点阵面积为300μm×500μm。
基底使用K9玻璃，将亚克力紫外固化胶分别涂覆在玻璃两个表面上，第一扩散结构和第二扩散结构使用紫外光压印技术分别压印在玻璃的两面上，形成组合扩散片。
其中，第一扩散结构为一维柱透镜阵列，曲率半径为50μm，重复周期35μm。
第二扩散结构为菲涅尔透镜结构，透镜焦距2mm。
将组合扩散片安装在距离面阵发散光源2mm位置处，至此，线型光场投射器组装完成，点亮光源测试测其性能见表1。
实施例2
使用面阵发散光源的波长为940nm，发散角度为20°×20°，面阵光源的点阵面积为500×700μm。
基底使用K9玻璃，将亚克力紫外固化胶分别涂覆在玻璃两个表面上，第一扩散结构和第二扩散结构使用紫外光压印技术分别压印在玻璃的两面上，形成组合扩散片。
其中，第一扩散结构为一维柱透镜阵列，曲率半径为50μm，重复周期35μm。
第二扩散结构为菲涅尔透镜结构，透镜焦距2mm。
将组合扩散片安装在距离面阵发散光源2mm位置处，至此，线型光场投射器组装完成，点亮光源测试测其性能见表1。
实施例3
使用面阵发散光源的波长为940nm，发散角度为30°×30°，面阵光源的点阵面积为300×500μm。
基底使用K9玻璃，将亚克力紫外固化胶分别涂覆在玻璃两个表面上，第一扩散结构和第二扩散结构使用紫外光压印技术分别压印在玻璃的两面上，形成组合扩散片。
其中，第一扩散结构为一维柱透镜阵列，曲率半径为50μm，重复周期35μm。
第二扩散结构为平凸透镜结构，透镜焦距2mm。
将组合扩散片安装在距离面阵发散光源2mm位置处，至此，线型光场投射器组装完成，点亮光源测试测其性能见表1。
实施例4
使用面阵发散光源的波长为940nm，发散角度为20°×20°，面阵光源的点阵面积为300×500μm。
基底使用K9玻璃，将亚克力紫外固化胶分别涂覆在玻璃两个表面上，第一扩散结构和第二扩散结构使用紫外光压印技术分别压印在玻璃的两面上，形成组合扩散片。
其中，第一扩散结构为一维柱透镜阵列，曲率半径为10μm，重复周期6μm。
第二扩散结构为菲涅尔透镜结构，透镜焦距2mm。
将组合扩散片安装在距离面阵发散光源2mm位置处，至此，线型光场投射器组装完成，点亮光源测试测其性能见表1。
实施例5
使用面阵发散光源的波长为940nm，发散角度为20°×20°，面阵光源的点阵面积为300×500μm。
基底使用K9玻璃，将亚克力紫外固化胶分别涂覆在玻璃两个表面上，第一扩散结构和第二扩散结构使用紫外光压印技术分别压印在玻璃的两面上，形成组合扩散片。
其中，第一扩散结构为一维柱透镜阵列，曲率半径为150μm，重复周期300μm。
第二扩散结构为菲涅尔透镜结构，透镜焦距2mm。
将组合扩散片安装在距离面阵发散光源2mm位置处，至此，线型光场投射器组装完成，点亮光源测试测其性能见表1。
实施例6
使用面阵发散光源的波长为850nm，发散角度为20°×20°，面阵光源的点阵面积为300×500μm。
基底使用K9玻璃，将亚克力紫外固化胶分别涂覆在玻璃两个表面上，第一扩散结构和第二扩散结构使用紫外光压印技术分别压印在玻璃的两面上，形成组合扩散片。
其中，第一扩散结构为一维柱透镜阵列，曲率半径为50μm，重复周期35μm。
第二扩散结构为菲涅尔透镜结构，透镜焦距2mm。
将组合扩散片安装在距离面阵发散光源2mm位置处，至此，线型光场投射器组装完成，点亮光源测试测其性能见表1。
实施例7
使用面阵发散光源的波长为940nm，发散角度为20°×20°，面阵光源的点阵面积为300×700μm。
基底使用K9玻璃，将亚克力紫外固化胶分别涂覆在玻璃两个表面上，第一扩散结构和第二扩散结构使用紫外光压印技术分别压印在玻璃的两面上，形成组合扩散片。
其中，第一扩散结构为一维柱透镜阵列，曲率半径为50μm，重复周期35μm。
第二扩散结构为菲涅尔透镜结构，透镜焦距1mm。
将组合扩散片安装在距离面阵发散光源1mm位置处，至此，线型光场投射器组装完成，点亮光源测试测其性能见表1。
实施例8
使用面阵发散光源的波长为940nm，发散角度为20°×20°，面阵光源的点阵面积为300×500μm。
基底使用K9玻璃，将亚克力紫外固化胶分别涂覆在玻璃两个表面上，第一扩散结构和第二扩散结构使用紫外光压印技术分别压印在玻璃的两面上，形成组合扩散片。
其中，第一扩散结构为一维柱透镜阵列，曲率半径为50μm，重复周期35μm。
第二扩散结构为菲涅尔透镜结构，透镜焦距20mm。
将组合扩散片安装在距离面阵发散光源20mm位置处，至此。线型光场投射器组装完成，点亮光源测试测其性能见表1。
表1 各实施例点亮光源测试结果
通过表1可以看出，本发明对入射光源的波长及发散角度不敏感，通过调整第一扩散结构的曲率半径和重复周期，即可实现投射光场水平扩散角度的变化；通过调整面阵发散光源的发光面积，以及第二扩散结构的焦距，即可实现投射光场垂直扩散角度的变化。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种线型光场投射器，包括面阵发散光源和光线扩散结构，其特征在于：所述面阵发散光源由密集排布的发光点组成，每个发光点出射光发散角为5~50°；所述光线扩散结构由第一扩散结构和第二扩散结构构成；所述第一扩散结构为透镜阵列结构，第二扩散结构为菲尼尔透镜结构或平凸透镜结构；所述面阵发散光源与第二扩散结构之间的间距等于第二扩散结构的焦距。
2.如权利要求1所述线型光场投射器，其特征在于：所述透镜阵列结构为一维柱透镜阵列结构。
3.如权利要求2所述线型光场投射器，其特征在于：所述一维柱透镜阵列结构的曲率半径为5μm~150μm，重复周期为5μm~300μm。
4.如权利要求1或3所述线型光场投射器，其特征在于：所述第二扩散结构的焦距为1~20mm。
5.如权利要求1-3任一项所述线型光场投射器，其特征在于：所述第二扩散结构为菲尼尔透镜结构。
6.如权利要求1所述线型光场投射器，其特征在于：所述第一扩散结构和第二扩散结构处于同一平板基底的两面。
7.如权利要求6所述线型光场投射器，其特征在于：所述平板基底为K9玻璃。
8.如权利要求1所述线型光场投射器，其特征在于：所述第一扩散结构和第二扩散结构分别处于不同的平板基底表面，第一扩散结构位于第二扩散结构后面或者位于面阵发散光源与第二扩散结构之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Huang He Inventor after: Lin Tao Inventor after: Lou Xinye Inventor after: Li Qing Inventor before: Huang He Inventor before: Lin Tao Inventor before: Wu Xingkun Inventor before: Lou Xinye Inventor before: Li Qing |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information |