CN114616484A - 光源、传感器和照射场景的方法 - Google Patents

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Abstract

一种光源包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)(22)的阵列(20)。阵列(20)包括至少两个子阵列(24)，每个子阵列(24)均包括至少一个VCSEL(22)。子阵列(24)沿着第一轴线(y)相对于彼此偏移。子阵列(24)被配置为独立于其它一个或多个子阵列(24)的光发射而单独地发射光。该光源包括被配置为单个光学元件的光学构件(26)。该光学构件被配置为使这些子阵列(24)发射的光变换成目标区域(16)中基本上平行的照明线(14)。这些照明线沿着该第一轴线(y)布置。每条照明线(14)在第一轴线(y)的方向上具有宽度并且在与第一轴线(y)垂直的第二轴线(x)的方向上具有长度，其中，该宽度小于该长度。

Description

光源、传感器和照射场景的方法
技术领域
本发明涉及一种光源，该光源包括作为发光元件的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。本发明还涉及一种具有光源的传感器。本发明还涉及一种照射场景的方法、特别是用于感测应用的方法。
背景技术
包括VCSEL阵列的光源可以用作照明设备、例如用于红外照明。利用短脉冲，VCSEL阵列可以应用在用于飞行时间应用的传感器中。这样的应用包括例如用于便携式设备的短距离手势识别和3D空间识别。目前设想的VCSEL阵列面积约为1mm2，输出功率在1-10W的范围内。特定的照明场可以通过传感器的应用来限定、例如观察例如70°x50°的场的飞行时间相机。对于标准飞行时间相机，期望具有快速脉冲模式的均匀照明。高级飞行时间方法可以使用额外的可寻址照明区，以提供更高的峰值功率并降低信号读出的功耗。例如，与标准方法相比，这允许更好的距离测量准确度或更长的范围。目前，还没有能够利用简单的低成本光学器件和较小的构建高度来创建均匀的、可单独寻址的区的光源。相比之下，现有技术的光源需要复杂、笨重的光学器件和/或移动部件、如MEMS反射镜。
US 2018/0143012公开了一种具有弯曲的可单独寻址的发光元件阵列的设备，其用于扫出角度范围。该设备还包括与发光元件的弯曲阵列同心的弯曲光学元件。弯曲光学元件布置成聚焦从每个可单独寻址的发光元件发射的光，以产生基本线性的照明图案。
US 2018/0288388 A1公开了一种投影仪，用于在图像传感器FOV内的场景上增量地对点或散斑图案进行投影。
发明内容
本发明的目的是提供一种光源，通过该光源可以创建均匀的、可单独寻址的照明区。
本发明的另一目的是提供一种光源，该光源成本低且构建高度小，并且具有简单的光学器件，该光学器件不笨重且不需要移动部件。
另一目的是提供一种具有光源的传感器。
本发明的另一目的是提供一种照射场景的方法。
根据第一方面，提供了一种光源，该光源包括：垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列，该阵列包括至少两个子阵列，每个子阵列均包括至少一个VCSEL，这些子阵列沿着第一轴线相对于彼此偏移，这些子阵列配置为单独地发射光；以及光学构件，该光学构件配置为单个光学元件，并且配置为使子阵列发射的光变换成目标区域中大致平行的照明线，其中，这些照明线沿着第一轴线布置，每条照明线在第一轴线的方向上具有宽度并且在与第一轴线垂直的第二轴线的方向上具有长度，其中，该宽度小于该长度。如果这些子阵列中每个子阵列均具有多于一个VCSEL，则子阵列的VCSEL沿着第二轴线布置。
光学构件可以是透射性光学构件，并且可以配置为具有弯曲表面的透镜、或者衍射元件、或者GRIN(渐变折射率)透镜、或者超透镜。
根据本发明，提出了一种光源，该光源使用VCSEL阵列与光学构件一起来实现场景的照明，其中，这种照明包括几条可单独寻址的照明线。为此，VCSEL阵列包括至少两个子阵列。如本公开中使用的术语“子阵列”不一定意味着子阵列包括多个VCSEL，而是还包含它包含一个VCSEL的情况。利用至少两个子阵列，每个子阵列均包含至少一个VCSEL，可以在照明的目标区域中产生至少两条照明线。典型地，VCSEL可以被认为是准点状发光元件，其发射略微发散的光锥。VCSEL的光锥穿过透射性光学构件，该透射性光学构件使子阵列发射的光变换成目标区域中基本上平行的照明线。每条照明线在第一轴线的方向上具有宽度，子阵列沿着该第一轴线相对于彼此偏移。每条照明线的宽度方向也被称为照明线的“短维度”，或者为了简单起见，被称为y方向。相应地，在本公开中，第一轴线也被称为y轴。每条照明线在与第一轴线垂直的第二轴线的方向上具有长度。照明线的长度方向也被称为照明线的“长维度”，为了简单起见，也被称为x方向。相应地，在本公开中，第二轴线也被称为x轴。因此，子阵列发射的光在y轴方向和x轴方向上发生变换。光变换优选地使得照明线没有或几乎没有变形。
由子阵列结合光学构件产生的全部照明线跨越整个照明场，该照明场可以适于例如飞行时间相机的视场。至少一部分子阵列是可单独寻址的，即可以彼此独立驱动，以在目标区域中产生可单独寻址的照明线。因此，光源适于产生在光源能够产生的全部照明线中的一条或多条照明线的子集。这使得当前产生的照明线具有更高的峰值功率，并降低了传感器、例如飞行时间相机的信号读出的功耗。
光学构件是单个光学元件，该单个光学元件可以是一体式或单片式的，并且结合了使子阵列发射的光在x轴和y轴两者上变换成目标区域中的照明线的能力。此措施提供了简单、不笨重且成本低的光学器件。单个一体式光学元件可以集成在VCSEL阵列芯片中，或者可以布置在距VCSEL阵列一定距离处。
照明线优选地在长维度(x维度)上具有平滑的强度分布，并且在短维度(y维度)上具有或多或少尖锐边缘的强度分布。在这些子阵列中每个子阵列均具有多于一个VCSEL，这些VCSEL通常具有离散的位置并且相邻VCSEL之间有间隙的情况下，照明线沿其长度具有平滑的强度分布而没有暗区。照明线的长度可以比照明线的宽度大一个或多个量级。例如，每条照明线的长度可以比照明线的宽度大至少3倍、例如至少10倍、特别是至少20倍或大约30倍。
下面将描述光源的优选实施例。优选的实施例不仅是从属权利要求中所指示的实施例，而且还是本文整个公开中所指示的实施例。
在一个实施例中，光学构件可以配置为在第一轴线的方向上的成像透镜或准直透镜、以及在第二轴线的方向上的扩散器。
基本上，光学构件可以在第一方向上(短维度)进行成像或准直，同时在第二方向上(长维度)漫射。对子阵列发射的光进行准直对于目标区域与光源间隔开例如100m的应用可能是有利的。
此外，根据本发明的光源的光学构件可以具有在目标区域中产生密集地排列的照明线、即相邻照明线之间在短维度上没有或仅有非常小的间隙的能力。密集地排列的照明线可能是有利的，因为场景中的每个点都被至少一条照明线照射。
根据本发明的光源的光学构件具有平滑化能力或者甚至可以使沿着照明线长度的光强度分布均匀化而沿着照明线长度没有显著或者甚至没有强度变化。
因此，在一个实施例中，光学构件可以配置为在第二轴线的方向上产生具有均匀光强度分布的照明线。照明线的光强度分布就角强度或目标区域的辐照度方面可能是均匀的。
在另一个实施例中，光学构件可以配置为在第二轴线的方向上产生具有光强度分布的照明线，其中，光强度朝向照明线的端部增加。
具有朝向照明线的端部或者换句话说朝向大角度的增加的强度分布或辐照度的照明线可以有利于补偿例如飞行时间相机的接收器物镜的角度相关的损失。在实施例中，光强度分布可以根据cos-4朝向增加的角度增加。
在一个实施例中，光学构件可以配置为在第一轴线的方向上产生具有基本上礼帽形的光强度分布的照明线。当照明线在短维度上具有礼帽形的光强度分布或至少基本上是礼帽形的光强度分布时，当照明线被密集地排列而在相邻照明线之间没有间隙或没有明显间隙时，可以在Y轴方向上以均匀的光强度分布来照射场景。
在一个实施例中，光学构件可以具有光学有效表面，其中，沿着包含第一轴线和与该第一轴线和第二轴线垂直的第三轴线的平面的截面中的表面形状是非球面的，特别是具有圆锥截面的形状。在此实施例中，光学构件的成像或准直特性由光学构件的至少一个弯曲的、特别是由凸形弯曲表面赋予。
在x轴方向上，光学有效表面也可以是非球面的、特别是在包含第二轴线和第三轴线的截面上为圆锥形的。在此实施例中，光学构件是单个双圆锥透镜元件。就曲率半径和/或圆锥常数和/或非球面常数而言，光学有效表面在第一轴线的方向上的表面形状可以不同于在第二轴线的方向上的表面形状。
上述不同的光学变换特性适于要在每条照明线中获得的光强度分布。可以对圆锥常数和/或非球面常数进行优化，以实现照明线的低变形和目标区域中期望的径向强度轮廓。例如，大约为-1的圆锥常数会在平面屏幕上产生均匀的辐照度。如果目标区域在无穷远处，曲率半径可以适于将子阵列发射的光成像到场景，或者对子阵列发射的光进行准直。
作为将光学构件设计为具有弯曲表面的透镜的替代方案，光学构件可以设计为超透镜，该超透镜包括纳米尺度范围内的超结构，该超结构在其二维区域上展示折射率分布，这提供了光学构件在y方向上的成像或准直特性以及在x方向上的扩散器特性。
在一个实施例中，子阵列可以沿着第二轴线相对于彼此偏移。在此实施例中，子阵列沿着第一轴线以及沿着第二轴线相对于彼此偏移。
此实施例适合于在目标区域中获得密集地排列的照明线。众所周知，VCSEL的子阵列不能在y方向上如此密集地排列，因为在各个VCSEL之间需要一些空间，尤其是需要更多的空间用于电接触、例如接合焊盘、焊料凸块等。通过沿着x轴偏移子阵列，这些子阵列可以在第一轴线的方向上更靠近彼此布置，如本文中将描述的。
在另一个实施例中，光学构件可以具有沿着第一轴线的方向布置的第一刻面，其中，该光学构件的每个第一刻面使这些子阵列中的一个子阵列发射的光相对于该第一轴线变换。刻面可以具有不同曲率的弯曲表面，或者刻面可以设计为超透镜的彼此之间具有不同折射率分布的部分。
此实施例还解决了产生排列的照明线的问题，尽管子阵列可能没有那么密集地排列在VCSEL芯片上。在此实施例中，不必沿着第二轴线相对于彼此移动子阵列。事实上，第一刻面可以重新引导由各个子阵列发射的光，使得目标区域中的照明线彼此靠近布置、即并排布置而没有间隙或者几乎仅非常小的间隙。每个透镜刻面孔径在Y方向上的尺寸应该足够大，以覆盖对应子阵列发射的大部分光束、优选地全光束。
另一实施例可以设置第一刻面在第一轴线的方向上相对于子阵列偏心。此实施例可以提高光学构件使子阵列发射的光变换的能力，使得产生的照明线彼此靠近布置、特别是在目标区域中的相邻照明线之间没有间隙。
在一个实施例中，光学构件可以在第二轴线的方向上具有第二刻面，其中，每个第二刻面在第二轴线的方向上的尺寸小于、特别是远小于子阵列在第二轴线的方向上的尺寸。同样，第二刻面可以设计成具有弯曲表面，或者设计成包括超材料的刻面。
在此实施例中，光学构件在照明线的长维度上是有刻面的。由于第二刻面在长维度上的尺寸小于VCSEL子阵列在长维度上的尺寸，因此第二刻面对子阵列在长维度上发射的光具有漫射效果。优选地，第二刻面在长维度上的尺寸远小于VCSEL子阵列在长维度上的尺寸。这可以确保大部分第二透镜刻面被均匀地照射，并且这使得目标轮廓在长维度内均匀分布。一个或多个第二透镜刻面可以在长维度上布置在每个子阵列之前。第二刻面可以相对于VCSEL偏心。在光学构件具有沿短维度布置的第一刻面的情况下，每个照明区均可以具有沿长维度布置的多个第二透镜刻面，而沿短维度的每个第一刻面的尺寸足够大以覆盖对应子阵列的全光束。
在一个实施例中，光学构件可以在光发射方向上布置在距子阵列一定距离处，该距离基本上等于光学构件相对于第一轴线的光变换的焦距，并且大于光学构件相对于第二轴线的光变换的焦距。
光学构件相对于关于第二轴线(长维度)的光变换的焦距可以是光学构件根据上述实施例可以具有的每个第二刻面的焦距。
当光学构件以其在y方向上的焦距与子阵列间隔开时，该光学构件使子阵列发射的光锥变换成准直光束或会聚光束。如果目标区域距离光源很远、例如50m甚至100m或更远，则准直光束是合适的。在这种情况下，光学构件将子阵列发射的光在短维度上成像到无限远。
根据本发明的光源阵列可以包括至少五个、优选地至少十个、进一步优选地至少二十个子阵列。子阵列的数量取决于待由光源产生的在目标区域中照明线的数量。照明线的数量取决于照明场的期望区域，该区域进而可以取决于与光源结合使用的传感器的视野。
VCSEL阵列的每个子阵列均可以包括沿着第二轴线布置的至少两个VCSEL。每个子阵列可以包括例如五个或更多个VCSEL，其中，每个子阵列的VCSEL可以沿着第二轴线布置成一行。
根据第二方面，提供了一种传感器，该传感器包括第一方面的光源以及检测器，该检测器用于检测由光源发射的光并从目标区域反射或散射的光。
根据第三方面，提供了一种照射场景的方法，该方法包括：
提供光源，该光源包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列，该阵列包括至少两个子阵列，每个子阵列均包括至少一个VCSEL，这些子阵列沿着第一轴线相对于彼此偏移，这些子阵列配置为单独地发射光，
使这些子阵列中的至少一个子阵列发射光，
使至少一个子阵列发射的光变换成目标区域中的照明线，该照明线在第一轴线的方向上具有宽度并且在与第一轴线垂直的第二轴线的方向上具有长度，其中，该宽度小于该长度。
应该理解，根据第二方面的传感器和根据第三方面的方法具有与关于根据第一方面的光源描述的相同或相似的优点和实施例。
应当理解，本发明的优选实施例还可以是从属权利要求与相应独立权利要求的任意组合。
其它的优点和实施例定义如下。
附图说明
本发明的这些和其它方面将通过参考下文描述的实施例而变得清楚并被阐明。在以下附图中：
图1示出了用于产生由多条照明线组成的照明图案的光源的原理示意图；
图2A示出了用于产生由照明线组成的照明图案的光源的实施例的前视图；
图2B示出了图2A中的光源的侧视图；
图2C示出了图2A和图2B中的光源的俯视图；
图3A示出了用于产生由照明线组成的照明图案的光源的另一个实施例的前视图；
图3B示出了图3A中光源的侧视图；
图3C示出了图3A和图3B中的光源的俯视图；
图4示出了用于在例如图2A至图2C所示的光源中使用的光学构件的实施例的一部分的立体图；
图5示出了图4中的光学构件的单位单元的立体图；
图6示出了图4中的光学构件的透镜下垂轮廓的示例图；
图7示出了由照明线组成的照明图案的模拟图；以及
图8示出了传感器的示意图。
具体实施方式
图1示出了光源10的原理示意图，该光源在目标区域16中产生由多条照明线14组成的照明图案12。目标区域16可以是任意的、例如风景、一个或多个物体、例如像车辆、人、做手势的人等移动物体。目标区域16可以远离光源10、例如与光源10间隔几米到几百米的距离。
光源10可以在传感器100(图8)中使用，例如用于感测距离、速度、物体或风景的3D轮廓，或者用于感测手势。传感器100可以是飞行时间相机。
光源10包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)22的阵列20，垂直腔面发射激光器配置为发射例如在红外波长范围中的光。
照明图案12的照明线14基本上彼此平行。在所示的实施例中，照明线14是直的。照明线也可以是弯曲的，这也包含照明线是平行的，因为它们是同心的。此外，照明线14被密集地排列、即彼此靠近布置，在紧邻的照明线14之间具有非常小的间隙18，或者甚至在相邻的照明线14之间没有任何间隙。照明线14也可以在相邻的照明线14之间具有重叠部。
照明线14沿着第一轴线连续布置，该第一轴线在本文中也被称为y轴。在y轴方向上，照明线14具有宽度，该宽度可以小到几毫米，大到几厘米。在与第一轴线垂直的第二轴线、在本文中也被称为x轴的方向上，照明线14具有长度，其中，该长度远大于照明线14的宽度。例如，照明线14的长度与宽度之间的长宽比可以大于5、例如大于10、例如约30。
照明线14中的光强度分布在x轴方向上、即在照明线的长维度上应该是平滑的。特别地，长维度上的光强度分布在目标区域16中的角强度或辐照度上可以是均匀的。替代性地，例如根据cos4，照明线14在其长维度上的光强度分布可以具有朝向大角度、即朝向照明线14的纵向端的增加的辐照度。照明线是可单独寻址的、即一次可以产生一条或一些照明线14，而同时不产生其它照明线14。
在y轴的方向、即照明线14的短维度上，照明线14可以具有或多或少尖锐边缘、例如礼帽形的光强度分布。
在下文中，将参考另外的附图更详细地描述光源10的实施例，其中，相同的附图标记表示实施例和图1的相同、相似或可比较的元件。
图2A示出了光源10的实施例的前视图，该光源包括VCSEL的阵列20。在图2A中，每个VCSEL 22由黑点表示。阵列20包括两个或更多个子阵列24。在图2A的实施例中，作为示例，阵列20包括15个子阵列24。每个子阵列24均包括一个或多个VCSEL 22。在所示的实施例中，作为示例，每个子阵列24均包括五个VCSEL 22。虽然示出了每个子阵列24包括一行VCSEL，但是一个或多个或所有子阵列也可以包括多于一行、例如2行或3行VCSEL。
子阵列24是可单独寻址的、即一个子阵列24的VCSEL 22可以被驱动以独立于其它子阵列24的VCSEL发射光。当发射光时，VCSEL 22的每个子阵列24与下述光学构件26相结合，用于在目标区域产生一条照明线。
在y轴方向上，子阵列24相对于彼此偏移。在x轴方向上，子阵列24也相对于彼此偏移。如果子阵列不能在y轴方向上并排地密集地排列，则子阵列的这种布置是有利的。另一方面，优选的是，尽可能密集地排列照明线14(例如，图1)，使得目标区域中的每个点被至少一条照明线照射，如图1所示。在x轴方向上偏移子阵列24是获得密集地排列的照明线的一种可能方式。
如图2B和图2C所示，光源10包括光学构件26。光学构件26在本实施例中被示出为透射性光学构件。光学构件26是单个光学元件。将由光学构件26执行并且将在下面描述的所有光学功能因此被组合在单个光学元件中。VCSEL 22发射的光28被光学构件26变换成照明线、例如如图1所示的照明线14，该照明线具有如以上参考图1所述的期望光强度分布。
光学构件26可以基于由照明线、类似于图1中的照明线14组成的期望照明图案来设计。在图2A至图2C的本实施例中，15条照明线可以由阵列20单独寻址产生。
光学构件的设计可以基于像目标区域16这样的目标区域将由N条照明线照射的假设，并且进一步基于目标照明场将覆盖x轴方向上的视角αx(见图1)和y轴方向上的视角αy(见图1)的假设。角度αx和αy可以被限定为50％光强度下的全角度。此外，可以假设每条照明线的角宽度由y轴方向上的αL来描述，则当相邻照明线14之间不存在间隙时，通常αL＝αy/N。
光源10的阵列20在y轴方向上的总高度、表示为Ly可以通过将一个VCSEL子阵列24的延伸部wy乘以区的数量或照明线N的数量来计算。由于也在如图2A所示的x轴方向上偏移了子阵列24，因此尽管照明线14的数量很大，但是光源10在y轴方向上的总高度可以保持很小。
光学构件26可以是单个透镜。光学构件26配置为使VCSEL 22发射的光变换，使得在x轴和y轴的方向上产生具有期望强度轮廓的照明线。如上所述，x轴方向上的光强度分布应该是平滑的、尤其是均匀的，或者在x方向上朝向照明线的端部的强度增加，并且在y轴方向上或多或少有尖锐边缘。光学构件26设计成使各个子阵列24发射的光在目标区域、例如距离光源10为100m的平面中变换至期望宽度αL。
光学构件26可以配置为在y轴方向上的成像透镜或准直透镜、以及在x轴方向上的扩散器。在远距离目标区域的情况下、例如在几十米或100m以上的距离内，准直是有利的。光学构件26可以具有至少一个光学有效表面28。光学有效表面可以是凸形地弯曲的，以便在y轴方向上提供光学构件26的成像功能，如图2B所示。光学有效表面可以是非球面的、特别是在包含y轴和z轴的截面中的圆锥截面。z轴是与x方向和y方向垂直的方向，并且是朝向目标区域16的光传播方向。
在其它实施例中，光学构件26可以是GRIN(渐变折射率)透镜，以便提供在y轴方向上对VCSEL发射的光成像以产生照明线的功能。
在又一其它实施例中，光学构件26可以是超透镜，并且因此可以配置为薄的平面光学元件。超材料是纳米尺度范围内的结构。该结构提供可以根据期望的光学功能、例如成像或漫射进行调整的折射率分布。超结构的电场和磁场的透射率可能会偏离常规透镜的透射率。这样的超结构可以包括电或磁有效材料的周期性微观精细结构，其中，这样的结构的尺寸远小于VCSEL的光发射波长、例如甚至小于波长的一半、例如小于发射波长的四分之一。如果光学构件26包括超材料或超结构，则光学构件26不需要弯曲表面，而是可以是薄的平面平行元件。于是，光的变换基于以下原理：超材料的折射率分布影响光学相位，从而实现穿过超材料的光的期望光学变换，以产生具有很少变形或没有变形的密集地排列的照明线。
在“常规”透镜作为光学构件26的情况下，光学有效表面28的特征可以是表面28的曲率半径、表面的圆锥常数k和/或非球面常数。对这些参数中的至少一个参数进行优化，以在目标区域中实现低变形和期望强度轮廓。例如，圆锥常数k可以为大约-1(对于折射率为1.5或接近该值的透镜材料的示例)，从而在平板屏幕上产生均匀的辐照度。曲率半径可以适于使光源10的VCSEL成像到场景或目标区域，或者如果目标区域距离很远(光学上在无穷远处)，则适于对VCSEL发射的光进行准直。
如图2C所示，光学构件26的光学有效表面28在x轴方向上是有刻面的，以便产生具有平滑的、特别是均匀的强度分布的照明线。
单独的VCSEL 22在x轴方向上的成像是不希望的。因此，在x轴方向上设计曲率半径和/或圆锥常数k和/或非球面常数的参数，以在目标区域中在x轴方向上提供期望强度分布以例如用于均匀照明。光学构件26在x轴方向上的上述参数中的至少一个参数不同于在y方向上的对应参数。
在图2C中，示出了光学元件26在x方向上的一部分，黑点30表示在x轴方向上的一个子集24。光学构件26在x轴方向上是有刻面的，其中，每个透镜刻面32在x轴方向上的孔径尺寸Dx小于子阵列24在x轴方向上的尺寸wx。
根据另一种方法，可以在x方向上设计光学有效表面28，其方式为在y轴方向上以与光学有效表面28相同的曲率半径和圆锥常数开始，并且在假设Dx被均匀地照射的情况下，设计透镜刻面尺寸Dx以覆盖期望的αx。由于x方向上的子阵列尺寸wx可能与所需的透镜尺寸Dx相差很大，因此透镜不会被均匀地照射。于是透镜尺寸Dx和x轴方向上的曲率半径可以除以相同的数，以使透镜刻面尺寸Dx更小、优选地远小于x轴方向上的子阵列尺寸。通过将曲率半径和Dx除以相同的数，可以确保αx保持不变，同时使透镜尺寸Dx远小于wx允许在x轴方向上布置几个相似(优选地相等)的透镜刻面。这确保了大部分透镜刻面32被均匀地照射，并且这保证了目标强度轮廓的均匀分布。
在x轴方向上，一个或多个透镜刻面32可以在x轴方向上布置在每个子阵列区(子阵列24在x方向上的长度)之前。在图2C中，一个透镜刻面32在x轴方向上布置在每个子阵列区之前。如前所述，每个区可以具有在x轴方向上布置的多个矩形透镜刻面32。透镜刻面32可以相对于子阵列区偏心。
光学构件26可以布置在距阵列20的距离Z处，该距离等于光学构件26在y轴方向上的焦距fy。相对于x轴，距离Z可以远大于透镜刻面32在x轴方向上的焦距fx。
在光学构件26距阵列20的距离为Z的情况下，αL＝wy/fy，并且αx与Dx/fx成比例。
参考图3A至图3C，将描述光源10的另一个实施例。在下文中，将仅描述图3A至图3C中的光源相对于图2A至图2C中的光源10的区别。
第一个区别是阵列20的VCSEL 22的子阵列24仅在y轴方向上相对于彼此偏移。在阵列20的情况下，密集地排列的照明线可以由光学构件26产生，该光学构件在y轴方向上有刻面(刻面的数量>1，而在图2A至图2C中光学元件26在y方向上的面的数量是1)，如图3B所示。因此，光学构件26在y轴方向上具有多个透镜刻面36。一个透镜刻面36在y轴方向上布置在每个区或子阵列24之前。每个透镜刻面36可以相对于单个子阵列24偏心。刻面36配置为使照明线14(图1)并排布置，并且优选地封闭照明线14之间的间隙18。每个透镜刻面可以具有尺寸Dy，该尺寸足够大以覆盖由相应子阵列24发射的大部分光、优选地覆盖由相应子阵列24发射的全光束。
在x轴方向上，光学有效透镜表面28可以以与图2C中的光学构件26类似的方式设计。在图3C中，wx表示一个VCSEL子阵列在x方向上的尺寸，并且Dx是一个透镜刻面32的透镜孔径尺寸。同样，Dx可能远小于wx。
应该理解，图3B和图3C所示的光学构件26的光学变换功能也可以通过使用超材料或衍射光学元件代替弯曲表面28来实现。在超透镜的情况下，刻面36可以是具有不同折射率分布的超透镜的部分，但是透镜本身可以具有平面表面。
光学构件26的透镜刻面36可以具有不同的曲率半径和/或不同的圆锥常数和/或非球面常数。
图4示出了图2B和图2C中的光学构件26的立体图。如图4可以看出，光学有效表面28包括在x轴方向上并排布置的多个透镜刻面32。在y轴方向上，光学有效表面28是非球面的，并且可以被描述为y-z平面中的圆锥截面。在y方向上，光学有效表面28可以被认为包括一个刻面。光学构件26包括在x方向上的整体或全局表面轮廓(不考虑透镜刻面32)，该轮廓在x方向上可以是弯曲的、例如非球面的、特别是圆锥形的，如果这种曲率适合于避免照明线中的变形的话。因此，光学构件26可以是双圆锥透镜、即在x方向和y方向上是圆锥形的。在x方向上的曲率半径可能不同于在y方向上的曲率半径，在y方向上的曲率半径通常小于在x方向上的曲率半径。替代性地或附加地，表面28的圆锥常数和/或非球面常数在x方向与和y方向之间可能不同。
图5示出了图4中的光学构件26的单位单元40、即单个透镜刻面32，其中，透镜刻面32在y方向上具有非球面表面，该非球面表面的曲率半径远大于单个透镜刻面32在x方向上的表面曲率。
图6示出了图4中的光学构件26的透镜下垂轮廓的示例。曲线42表示光学构件26边缘处的透镜高度轮廓，并且线44表示透镜中心处的透镜高度轮廓。曲线46表示其最小值与曲线44对准的曲线42，如箭头48所示。
图7示出了总共包括40条照明线的照明图案的模拟图。因此，VCSEL的40个子阵列的光发射在y轴方向上被成像为单独的照明线。在图表的左边界处，数字表示y坐标值(以任意单位计)，并且图表底部的数字表示照明场的x坐标。图表右侧的刻度表示照明线跨越的照明场中的(非相干)辐照度。在y轴方向上，40个子区域被成像为可单独寻址的照明线，而在x轴方向上，光学构件(如光学构件26)充当扩散器，将x轴方向上的辐照度调整为均匀的或者甚至朝着大角度略微增加，这可能有利于补偿使用光源10的收发器系统的光学损耗。
光源20使用如图4所示的光学元件26获得如图7所示的照明线图案的数值示例可以如下：
x方向的视角αx＝60°；Wx＝0.64mm(20个VCSEL，32μm节距；)；图4中的光学元件26：x方向上的曲率半径ROCx＝0.006mm；x方向上的圆锥常数kx＝-1；x方向上单个刻面的尺寸Dx＝0.02mm；x方向上刻面的数量>＝40；
y方向的视角αy＝45°；wy＝10μm(y方向上每个子阵列仅有一个VCSEL)；y方向上40个子阵列，y方向上每个子阵列的中心距离为10μm)；图4中的光学元件26：y方向上的曲率半径ROCy＝0.25mm；y方向上的圆锥常数ky＝-1；Dy＝0.7mm，y方向上的刻面的数量＝1(在这种情况下，Dy表示光学元件26的光学有效表面的尺寸)。
在图7所示图表的下半部分，仅每条第二照明线被激活以指示区的间隔。在图7中可清楚地看到拐角中低变形的照明线的矩形形状。
图8示出了传感器100，该传感器包括根据上述任何实施例的光源10。传感器进一步包括检测器102，该检测器用于检测由光源发射并从目标区域反射或散射的光。检测器102可以是任何种类的光检测器件，如光电二极管。传感器100可以集成在手持设备(例如智能电话、平板电脑等)中。
可以由根据上述任何实施例的光源来执行照射场景的方法。该方法包括提供根据上述任何实施例的光源。该方法还包括使至少一个子阵列发射光。该方法还包括使至少一个子阵列发射的光变换成目标区域中的照明线，该照明线在第一轴线的方向上具有宽度并且在与第一轴线垂直的第二轴线的方向上具有长度，其中，该宽度小于该长度。如上所述，可以通过光学构件26进行光的变换。
虽然已经在附图和前述说明中详细展示和描述了本发明，但是这种展示和说明被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。从对附图、披露内容和所附权利要求的研究中，本领域技术人员在实施要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的其它变化。
在权利要求中，词语“包括”不排除其它要素或步骤，并且不定冠词“一个(a)”或“一种(an)”并不排除多个。单个元件或其它单元可以实现权利要求中记载的几个项的功能。在彼此不同的从属权利要求中陈述的某些措施的简单事实并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种光源，包括：垂直腔面发射激光器(VCSEL)(22)的阵列(20)，所述阵列(20)包括至少两个子阵列(24)，每个子阵列(24)均包括至少一个VCSEL(22)，所述子阵列(24)沿着第一轴线(y)相对于彼此偏移，所述子阵列(24)配置为独立于其它子阵列(24)的光发射而单独地发射光；以及光学构件(26)，所述光学构件配置为单个光学元件，并且配置为使所述子阵列(24)发射的光变换成目标区域(16)中大致平行的照明线(14)，其中，所述照明线沿着所述第一轴线(y)布置，每条照明线(14)在所述第一轴线(y)的方向上具有宽度并且在与所述第一轴线(y)垂直的第二轴线(x)的方向上具有长度，所述宽度小于所述长度，所述光学构件(26)在所述第二轴线(x)的方向上具有刻面(32)，其中，每个刻面(32)在所述第二轴线(x)的方向上的尺寸小于子阵列(24)在所述第二轴线(x)的方向上的尺寸。
2.如权利要求1所述的光源，其中，所述光学构件(26)配置为在所述第一轴线(y)的方向上的成像透镜或准直透镜、以及在所述第二轴线(x)的方向上的扩散器。
3.如权利要求1或2所述的光源，其中，所述光学构件(26)配置为能够在所述第二轴线(x)的方向上产生具有均匀光强度分布的照明线(14)。
4.如权利要求1或2所述的光源，其中，所述光学构件(26)配置为在所述第二轴线(x)的方向上产生照明线(14)，这些照明线具有朝向这些照明线的端部增加的光强度分布。
5.如权利要求1至5中任一项所述的光源，其中，所述光学构件(26)具有光学有效表面(28)，其中，在沿着包含所述第一轴线(y)和与所述第一轴线和所述第二轴线(x，y)垂直的第三轴线(z)的平面的截面中的表面形状是非球面的、特别是具有圆锥截面的形状。
6.如权利要求1至5中任一项所述的光源，其中，就曲率半径和/或圆锥常数和/或非球面常数而言，所述光学有效表面(28)在所述第一轴线(y)的方向上的表面形状不同于在所述第二轴线(x)的方向上的表面形状。
7.如权利要求1至6中任一项所述的光源，其中，所述子阵列(24)沿着所述第二轴线相对于彼此偏移。
8.如权利要求1至7中任一项所述的光源，其中，所述光学构件(26)具有沿着所述第一轴线(y)的方向布置的另外的刻面(36)，其中，所述光学构件(26)的每个第一刻面(36)使所述子阵列(24)中的一个子阵列发射的光相对于所述第一轴线(y)变换。
9.如权利要求8所述的光源，其中，所述另外的刻面(36)在所述第一轴线(y)的方向上相对于所述子阵列(24)偏心。
10.如权利要求1至9中任一项所述的光源，其中，所述光学构件(26)在光发射方向上布置在距所述子阵列一定距离处，所述距离大致等于所述光学构件(26)相对于所述第一轴线(y)的光变换的焦距，并且大于所述光学构件(26)相对于所述第二轴线(x)的光变换的焦距。
11.如权利要求1至10中任一项所述的光源，其中，所述光学构件(26)是衍射光学元件、GRIN透镜或超透镜。
12.如权利要求1至11中任一项所述的光源，其中，所述阵列(20)包括至少五个、优选地至少十个、进一步优选地至少二十个子阵列(24)。
13.如权利要求1至12中任一项所述的光源，其中，每个子阵列(24)包括沿着所述第二轴线(x)布置的至少两个VCSEL(22)。
14.一种传感器，包括如权利要求1至13中任一项所述的光源(10)以及检测器(102)，所述检测器用于检测由所述光源(10)发射的光和从目标区域(16)反射或散射的光。
15.一种照射场景的方法，包括：
提供根据权利要求1至13中任一项所述的光源(10)，使得所述子阵列(24)中的至少一个子阵列发射光。
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