CN111699417A - 光学系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光学系统，其包括第一微结构化表面；和第二微结构化表面；其中，第一微结构化表面沿着轴线与第二微结构化表面对齐。还包括一种照射系统，其包括光源和光学系统。包括一种漫射光的方法。

Description

光学系统
发明领域
本发明涉及一种光学系统，该光学系统包括第一微结构化表面；和第二微结构化表面；其中第一微结构化表面沿着轴线与第二微结构化表面对齐。还包括一种照射系统，该照射系统包括光源和光学系统。包括一种漫射光的方法。
发明背景
在与三维(3D)成像、感测、和手势识别相关的应用中，光学组件通常用于将通常与波长在约800纳米至约1000纳米范围内的激光相关联的光图案投射到被探测的场景上。特定的光图案取决于探测技术，并且可以采取各种形式，例如泛光照射、斑点、线条、条纹、棋盘等的周期性网格。
扩散器可以采取多种形式，例如衍射扩散器和高斯扩散器。微透镜阵列也可以用于漫射目的。
扩散器可以与各种光源(例如激光器或发光二极管)一起工作。特别感兴趣的激光源是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。因为这些VCSEL源的可靠性和在紧凑的封装、功率输出方面的适用性，它们适用于3D成像应用。这种VCSEL可以布置成阵列，例如，几百个VCSEL被布置在周期性或随机网格上的小区域上。阵列中的每个激光器基本上表现出相干性，但是任何给定的两个源基本上彼此不相干。VCSEL源或阵列本身不适于产生3D成像和感测应用中所需的受控照射。
然而，使用具有VCSEL阵列的扩散器的问题是高频伪影的出现。投射的照射图案中的高频伪影会导致特定光学应用(例如3D感测)中的性能问题。这些高频伪影是由于紧密靠近的阵列中多个相干VCSEL源的不相干的重叠造成的。
通过下面的推理线，可以更好地理解高频伪影的起源。光源阵列中的每个单独的源照射扩散器的一部分。为此，由阵列中的两个相邻光源照射的扩散器的区域之间存在重叠。每个光源的输出由散斑图案或强衍射图案表征。因为阵列中的任何两个光源都是互不相干的，所以总输出仅仅是由每个源的强度图案(intensity patterns)的总和给出的。许多这种类似的散斑或衍射图案的累积效应导致高频图像伪影的出现。
发明概述
在本发明的一个方面，公开了一种光学系统，其包括：第一微结构化表面；和第二微结构化表面；其中，第一微结构化表面沿着轴线与第二微结构化表面对齐。
在本发明的另一方面，公开了一种照射系统，其包括光源和光学系统。
在本发明的另一个方面中，提供了一种漫射光的方法，该方法包括：在光学系统的第一微结构化表面中接收入射光；并且透射来自光学系统的第二微结构化表面的光；其中，与仅包括单个微结构化表面的光学系统相比，所透射的光呈现出最小的高频伪影。
附图简述
通过结合附图阅读以下描述，本发明的前述目的、特征和优点将变得更加明显，其中：
图1是根据本发明的光学系统的横截面视图；
图2是根据本发明的另一个方面的光学系统的示意图；
图3A-图3C均是根据本发明的另一个方面的光学系统的示意图；
图4A-图4B均是根据本发明的另一个方面的光学系统的示意图；
图5是根据本发明的另一个方面的光学系统的示意图；
图6是根据本发明的另一个方面的光学系统的示意图；
图7是根据本发明的另一个方面的光学系统的示意图；
图8是根据本发明的另一个方面的光学系统的示意图；以及
图9是包括光源和光学系统的照射系统的示意图。
并入本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的优选实施例，并且与详细描述一起用于解释本发明的原理。显然，应该理解，附图和描述都只是说明性的，而不是对本发明的限制。
发明的详细描述
应理解，前述的一般性描述和下面的详细描述两者仅是示例性的和说明性的，并且意图提供对本教导的各种实施例的说明。
参考图1，本发明涉及一种光学系统1，其包括第一微结构化表面2和第二微结构化表面3，其中第一微结构化表面2沿着轴线与第二微结构化表面对齐。光学系统1还可以包括支撑件7。当第一微结构化表面2与第二微结构与第二微结构化表面3对齐时，它们基本上彼此平行。在另一方面，第一微结构化表面2不沿着轴线与第二微结构化表面3对齐。
公开了一种用于漫射来自光源(例如单个光源或光源阵列)的照射的光学系统1。所公开的光学系统1可以最小化高频伪影并提供更均匀的照射，同时最小化对总透射的影响。光学系统1可以包括第一微结构化表面2，例如光束成形表面，其将来自光源的照射分布成图案。光学系统还可以包括第二微结构化表面3，例如均匀化(homogenizing)表面，其接收图案并集中图案。
视场(FOV)的概念指的是被光学系统1有效照射的空间区域。FOV最常见的是在相对于强度的角空间中被定义，并且用测角仪系统测量，其中检测器沿圆形扫描，光学系统1位于该圆的中心。以这种方式，检测器沿着总是面向光学系统1的弧旋转。也可以例如基于辐照度而不是强度来考虑定义FOV的其他方法。以这种方式，光源照射光学系统1，光学系统1然后照射平坦的目标表面。辐照度是用平行于表面运行的探测器测量的。在实践中，人们通常使用透射屏幕(transmissive screen)，透射屏幕的图像由相机捕获。适当的系统校准可用于计算辐照度和表征光学系统的FOV。
第一微结构化表面1可以提供由照射的角度范围、强度分布、和第一微结构化表面2中的微结构的几何形状限定的第一视场(FOV)。照射的角度范围可以沿二维投射。例如，第一FOV可以沿着y维度具有120度的角度范围，并且在x维度具有90度的角度范围，这将照射矩形的空间区域。在3D感测应用中，第一FOV沿着任何一个维度可以具有约30度或更大的角度范围。在LIDAR应用中，第一FOV沿任意一个维度可以具有约1度或更大的角度范围。
图像的强度分布(例如第一FOV)是从沿角度段有规则地间隔的点取得的一组强度值。在一个方面，第一FOV内的强度分布根据角度的变化基本上是均匀的。在另一方面，第一FOV内的强度分布在所谓的“蝙蝠翼”分布(“batwing”profile)中向更宽的角度集中更多的能量。另一方面，第一FOV内的强度分布将更多能量集中在第一FOV的中心处。
第二微结构化表面3可以具有比第一视场窄的第二视场，以便去除或最小化(基本上去除)高频伪影。第二FOV可能比第一FOV窄约3到15倍，但是准确值取决于其他要求且需要被优化以获得最佳性能。这种优化可以通过建模工具或直接实验来被实现。例如，第一微结构化表面2可以具有约110×85度的FOV，而第二微结构化表面3可以大约具有约5到约15度范围内的FOV。
第二微结构化表面3的强度分布通常可以是各向同性的，沿任何方向具有基本相同的强度分布。另一方面，第二微结构化表面3本身可以产生变形图案，其中沿着两个垂直轴的第二FOV是不同的。第二微结构化表面3也可以产生诸如圆形、正方形、矩形、线条、十字图案、点阵列的图案或任何特定的散射分布，基本限制是第二FOV比第一FOV窄。沿着给定轴的强度分布可以是平顶、蝙蝠翼、高斯、或任何其他特定的强度分布。沿着垂直轴，强度分布可以不同于沿着给定轴的分布或没有不同于沿着给定轴的分布。
在一个方面，光学系统1可以包括两个相反定向的微结构化表面。在一个方面，如图1所示，光学系统1可以包括位于支撑件7的一侧上的第一微结构化表面2和位于支撑件7的相对侧上的第二微结构化表面3。每个微结构化表面2、3可以包含能够形成图案的多个微结构。第一微结构化表面2可以面向光源。例如，如图9所示，第二微结构化表面3可以背向光源8。
在另一个方面，光学系统1可以包括第一微结构化表面2和第二微结构化表面3，第一微结构化表面2和第二微结构化表面3均被定向在相同的方向上，并且位于光学系统1的支撑件7的相同侧上。例如，如图5所示，第一微结构化表面2和第二微结构化表面3可以都存在于支撑件7的相同侧上。第一微结构化表面2可以被定位于第二微结构化表面3和支撑件7之间。在另一方面，第二微结构化表面3可以被定位于第一微结构化表面2和支撑件7之间(未示出)。在任一变型中，光源可以存在于支撑件7侧或微结构化表面侧。
第一微结构化表面2可以包括第一多个微结构。第二微结构化表面3可以包括第二多个微结构。第一微结构化表面2和第二微结构化表面3均独立地包括微结构，例如微透镜扩散器、鞍形透镜扩散器、衍射元件、高斯扩散器(例如毛玻璃(ground glass))、或全息扩散器。
参考图2，第一微结构化表面2可以沿着轴线与第二微结构化表面3对齐。在一个方面，第一多个微结构的每个微结构可以将通过微结构的孔(aperture)的入射光的大部分聚焦在第二微结构化表面3处。第二微结构化表面3可以是第一微结构化表面2的镜像。这种特殊的布置通常被称为“蝇眼(fly’s eye)”透镜。
阵列中的单独微结构(例如微透镜)的尺寸可以在约10至约100μm的范围内。
第二微结构化表面3的微结构在尺寸和形状上可以与第一微结构化表面2的相当，或者更小。第一微结构化表面2和第二微结构化表面3中的每一个中的微结构可以以周期性阵列分布或者随机分布。例如，第一微结构化表面2和第二微结构化表面3可以各自独立地是微透镜阵列。
参考图3A-图3C，光学系统1可以包括第一微结构化表面2、第二微结构化表面3、和支撑件7，第一微结构化表面2、第二微结构化表面3、和支撑件7均可以独立地由光学材料形成。光学材料的非限制性示例包括：玻璃，例如Borofloat；聚合材料，例如UV固化聚合物、模制聚合物、或压花聚合物；熔融石英；IR材料，如硅；非晶硅；以及它们的组合。例如，聚合材料可以是聚碳酸酯或丙烯酸树脂。光学材料可以是高折射率材料，例如折射率大于1.5的材料。
关于图3A，第一微结构化表面2可以由聚合材料形成，并且包括多个微透镜扩散器作为微结构。支撑件7可以由硼硅酸盐玻璃制成。第二微结构化表面3可以包括直接形成在支撑材料7上的多个毛玻璃的微结构。
关于图3B，第一微结构化表面2可以由聚合材料形成，并且包括多个微透镜扩散器和毛玻璃的微结构。支撑件7可以由硼硅酸盐玻璃制成。第二微结构化表面3可以包括在支撑材料7上形成的多个毛玻璃的微结构。
关于图3C，第一微结构化表面2、支撑件7、和第二微结构化表面3在其可能例如通过热压或模制工艺形成时都由相同的材料形成。
在一个方面，光学系统1可以由单一光学材料形成。在另一方面，光学系统1可以由不同的材料形成。例如，第一微结构化表面2和第二微结构化表面3均可以由聚合材料制成，并且支撑件7可由玻璃材料制成。如图6所示，第一微结构化表面2和支撑件7由相同的光学材料形成，即，是一个整体(monolith)。如图7所示，第一微结构化表面2、支撑件7、和第二微结构化表面3由相同的光学材料形成。只要光学系统1包括第一微结构化表面2和第二微结构化表面3，光学系统1的部件和光学材料的任何和所有组合都是可接受的。
光学系统1的总厚度可以在从约0.1mm到约2mm的范围内，这取决于封装要求和所使用的材料。作为一个示例，支撑件7可以是厚度约为0.3mm的硼硅酸盐玻璃，而任一侧上的微结构可以由通过UV固化工艺生产的厚度在约20μm至约120μm范围内的聚合材料组成，从而导致总厚度在约0.34mm至约0.54mm范围内。在另一个示例中，至少一个微结构化表面2、3可以包括非晶硅，从而导致总厚度在约0.32毫米至约0.44毫米的范围内，因为非晶硅材料由于其高折射率而允许更薄的层。
根据材料、微结构设计、和制造工艺，第一微结构化表面2的厚度范围可以从约0.5微米到约120微米，例如从约0.75微米到约100微米，并且又例如，从约1微米到约90微米。厚度可以包括基部部分(平面部分)和被微结构化的部分。
支撑件7的厚度的范围可以在从约0.02mm至约2mm，例如从约0.05mm至约1.6mm，并且又例如，从约0.1mm至约1.8mm。
根据材料、微结构设计、和制造工艺，第二微结构化表面3的厚度范围可以从约0.5微米到约120微米，例如从约0.75微米到约100微米，并且又例如，从约1微米到约90微米。厚度包括基部部分(平面部分)和被微结构化的部分。
本发明的光学系统1可以采用各种物理格式。如图4A所示，光学系统1还可以包括嵌入层4。嵌入层4可以存在于第一微结构化表面2和第二微结构化表面3中的至少一个上。嵌入层4可以是平面的，如图4A所示。平面嵌入层4能够实现光学系统1的更小封装。在一个方面，嵌入层4可以是共形的(conforming)，即，可以与微结构化表面的微结构共形，如图4B所示。共形的嵌入层4可以提高光学系统1的耐用性。光学系统1可以包括平面嵌入层4、共形的嵌入层、及它们的组合。在一个方面，光学系统1可以包括一个嵌入层、两个嵌入层等。嵌入层的数量、类型、和材料的任何组合和所有组合都是可以预期的。嵌入层4的厚度的范围可以从约1至约100微米。
嵌入层4可以保护第一微结构化表面2和/或第二微结构化表面3，以及防止可能导致微结构化表面的折射率匹配的污染。当一些材料(例如流体)覆盖微结构化表面2、3时发生折射率匹配，并且折射率匹配阻止微结构化表面2、3正确操作。适合用作嵌入层的材料的非限制性示例包括聚合物、熔融二氧化硅、和非晶硅。
嵌入层4也可以是抗反射涂层，以减少表面反射并增加光的透射。在一个方面，嵌入层4是单层。在另一方面，嵌入层4是至少一个层，例如多个层。如果在光学系统1中存在多于一个嵌入层4，那么每个嵌入层4可以包括相同或不同的材料。
参考图8，第一微结构化表面2嵌入平面嵌入层4中。第二微结构化表面3嵌入平面嵌入层4中，该平面嵌入层4具有共形的保护层5，例如抗反射层。保护层5可以由诸如TiO2、SiO2、MgF2、ITO、CaF2的材料形成。
在一个方面，光学系统1可以在支撑件7的每一侧上包括多于一个微结构化表面2、3。例如，光学系统可以包括第二微结构化表面3，以及在支撑件7的接收来自光源的照射的一侧上的第一微结构化表面2；并且可以在支撑件7的透射光的一侧上包括附加的第一微结构化表面2和附加的第二微结构化表面3。光学系统1可以在支撑件7任一侧上包括微结构化表面2、3的任意组合。附加地，光学系统1可以在支撑件7的任一侧上包括嵌入层4(平面的和/或共形的)的任意组合。
光学系统1可以使用诸如模制、蚀刻、研磨、灰度光刻等技术来形成。用于形成光学系统的技术可以部分取决于FOV、光学材料、预期光源的类型等。
参考图9，还公开了包括公开的光学系统1和光源8的照射系统10。光源8可以是光源11的阵列，其中阵列中的每个源基本上是相干的，但是阵列中的任何两个源基本上彼此不相干。一个示例是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。阵列中各个源的放置有相当大的灵活性，通常是周期性的，但也可以是随机的或伪随机的。阵列中的每个光源可以与光束发散角相干，该光束发散角在1/e2处的全宽可以为约10到约30度。
在另一方面，光源8可以是单个光源，例如激光器。
照射系统10可以是紧凑的，并且适合于并入小体积中，类似于消费型设备和其他小尺寸包装产品的典型特征。照射系统10的应用可以是三维(3D)成像、深度感测、手势识别、汽车、蜂窝通信设备、机器视觉、和LIDAR等。
还公开了一种漫射光的方法，包括：在光学系统1的第一微结构化表面2中接收入射光；并且透射来自光学系统1的第二微结构化表面3的光；其中，与仅包括单个微结构化表面的光学系统相比，所透射的光呈现出最小的高频伪影。特别地，该方法可以包括提供发射入射光的光源。光学系统1的第一微结构化表面2可以接收入射光，并且可以将接收到的入射光以光图案的形式向光学系统1的第二微结构化表面3透射。第二微结构化表面3可以接收所透射的光图案，可以使所透射的光图案均匀化，并且透射呈现最小高频伪影的均匀化的透射光图案。
尽管该方法已经针对如图1所示的光学系统进行了描述，但是该方法可以用图中公开的任何光学系统1来执行，其中，光源可以被放置在光学系统1的任一侧上，并且与仅包括单个微结构化表面的光学系统相比，透射光图案将呈现最小的高频伪影。
从前面的描述中，本领域技术人员可以理解，本教导可以以各种形式实现。因此，虽然已经结合其特定的实施例和示例描述了这些教导，但是本教导的真实范围不应该被如此被限制。可以做出各种变化和修改，而不偏离本文教导的范围。
本公开应被宽泛地解释。意图是本公开内容公开了实现本文公开的设备、活动和机械动作的等效物、器件(mean)、系统和方法。对于所公开的每个组成部分、设备、物品、方法、器件、机械元件或机构，意图是本公开还在其公开内容中涵盖了并且教导了用于实践本文公开的许多方面、机构和设备的等效物、器件、系统和方法。此外，本公开内容涉及组成部分及其许多方面、特征和要素。这样的组成部分在其使用和操作中可以是动态的，本公开内容意图涵盖组成部分、等效物、器件、系统和组成部分的使用方法和/或光学设备的制造及其与本文公开的操作和功能的描述和精神一致的许多方面。本申请的权利要求同样被宽泛地解释。本文中在其许多实施例中对本发明的描述在本质上仅仅是示例性的，并且因此不偏离本发明的主旨的变型被视为在本发明的范围内。这样的变型不应被视为偏离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种光学系统，包括：
第一微结构化表面；和
第二微结构化表面；
其中，所述第一微结构化表面沿着轴线与所述第二微结构化表面对齐。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一微结构化表面包括第一多个微结构。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第二微结构化表面包括第二多个微结构。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一微结构化表面和所述第二微结构化表面均独立地包括微透镜、鞍形透镜、衍射元件、高斯扩散器、或全息扩散器的微结构。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一微结构化表面具有第一视场，并且所述第二微结构化表面具有比所述第一视场窄的第二视场。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一微结构和第二微结构均独立地由光学材料形成。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第二微结构化表面是所述第一微结构化表面的镜像。
8.根据权利要求1所述的光学系统，还包括支撑件。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一微结构化表面具有第一视场，所述第一视场具有30度或更大的角度范围。
10.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一微结构化表面和所述第二微结构化表面均独立地是微透镜阵列。
11.根据权利要求1所述的光学系统，还包括在所述第一微结构化表面和所述第二微结构化表面中的至少一个上的嵌入层。
12.根据权利要求11所述的光学系统，其中，所述嵌入层是平面的。
13.根据权利要求11所述的光学系统，其中，所述嵌入层是共形的。
14.根据权利要求8所述的光学系统，其中，所述第一微结构化表面在所述支撑件的一侧上，且所述第二微结构化表面在所述支撑件的相对侧上。
15.根据权利要求8所述的光学系统，其中，所述第一微结构化表面和所述第二微结构化表面在所述支撑件的相同侧上。
16.根据权利要求15所述的光学系统，其中，所述第一微结构化表面被定位于所述第二微结构化表面和所述支撑件之间。
17.根据权利要求15所述的光学系统，其中，所述第二微结构化表面被定位于所述第一微结构化表面和所述支撑件之间。
18.根据权利要求1所述的光学系统，还包括保护层。
19.一种照射系统，包括光源和根据权利要求1所述的光学系统。
20.一种漫射光的方法，包括：
在光学系统的第一微结构化表面中接收入射光；和
透射来自所述光学系统的第二微结构化表面的光；其中，与仅包括单个微结构化表面的光学系统相比，所透射的光呈现出最小的高频伪影。
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