CN116745654A - 照明模块 - Google Patents

Abstract

一种照明模块，包括被配置为沿照明模块的光轴发射光的发射器和位于发射器上或上方的光学系统(110)。光学系统包括弯曲表面(114)，其中弯曲表面在第一方向上倾斜，使得光学系统在第一方向上引入光学像差。

Description

照明模块

本申请涉及一种用于光束离轴投影的照明模块，具体地但不排他地涉及一种被配置为引入光学像差以实现期望的辐照度分布的照明模块。

背景技术

本公开涉及一种用于光束离轴照明的照明模块(例如在诸如增强现实(AR)或虚拟现实(VR)头戴设备之类的电子设备中)。

离轴照明模块通常包括离轴漫射器、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列和用于实现期望光束分布的底座。为了实现平坦的远场辐照度分布，通常VCSEL阵列通常包括大约数百个发射器，并且在发射器阵列和二维中的任何微透镜之间具有一组偏移。

平面屏幕上的离轴照明在光的辐照度分布中具有不期望的梯度，并且在平面屏幕上发射的光束的辐照度分布不均匀。例如，最初具有均匀“礼帽”分布的光束在较大的光束角度下随着较低的辐照度水平而变得不均匀。

本公开的目的是解决上述问题。期望的是：提供当用于离轴照明时具有更均匀的辐照度分布的分立且紧凑的照明模块。

发明内容

通常，本公开提出通过使用具有倾斜、弯曲的表面(例如透镜或反射镜)的照明模块以引入光学像差来克服上述问题。

在所附权利要求中概述了各个方面和优选特征。

根据本公开的第一方面，提供了一种照明模块，包括：发射器，其被配置为沿照明模块的光轴发射光；以及光学系统，其位于发射器上或上方，光学系统包括弯曲表面，其中弯曲表面在第一方向上倾斜，使得光学系在第一方向上引入光学像差。

光学系统的在第一方向上倾斜的弯曲表面有意地在第一方向上引入光学像差(例如慧形像差)。这补偿了当光束以不垂直于表面的角度入射在表面上时不需要的辐照度梯度，并预先校正光束的辐照度分布。通过有意引入光学像差，从照明模块发射不均匀的光束分布，其随后在入射在离轴成像表面上时变得更加均匀(由于光束在成像表面上的辐照度分布的离轴cos³θ依赖性，其中θ是光束与成像表面的法线之间的角度)。因此，这在离轴成像表面上提供了更均匀的辐照度分布。这提供了一种照明模块，该照明模块使用与用于产生离轴照明的常规方法相比较少的发射器和微透镜来产生平坦的远场离轴辐照度分布。

光学系统可以被配置为调节光的辐照度分布，以至少部分地校正当光以非法线角度入射在成像表面上时将看到的光的辐照度分布。

光学系统可以被配置为引入慧形像差。

弯曲表面可以包括凸透镜或凹面镜的表面。像差能够通过将光束穿过弯曲且倾斜的透镜，或者从弯曲表面和倾斜表面反射光束，或者这些的组合来引入。

弯曲表面可以具有双曲面形状或抛物面形状。弯曲表面可以基本上围绕从弯曲表面的中心延伸的轴线旋转对称。

光学系统可以被配置为与第一方向相比，在第二方向上引入明显更少的光学像差，其中第二方向与第一方向正交。光学系统可以被配置为在第二方向上基本上不引入光学像差。应当理解，在第二方向上可能会无意地引入一些像差。然而，光学系统可以被配置为不故意在第二方向上引入光学像差。在第二方向上引入的光学像差可以例如是在第一方向上引入的光学像差的一半、四分之一或十分之一。

弯曲表面可以在第二方向上不倾斜。

弯曲表面可以相对于发射的光的光轴倾斜。

光学系统还可以包括第一倾斜表面。第一倾斜表面可以在第一方向上倾斜。

第一倾斜表面和弯曲表面都可以包括具有相同折射率的材料。

弯曲表面和第一倾斜表面可以包括形成在包括发射器的芯片上的微光学器件。可以使用片上微光学器件(例如倾斜的平面和曲面镜/透镜)来提供第一倾斜表面和弯曲表面以重新引导光束。照明模块可以是VSCEL芯片，并且微光学器件可以位于VSCEL芯片上。微光学器件可以被定义为尺寸为十分之一微米至百分之一微米的光学部件。例如，微光学部件的最大尺寸可以为100μm。

弯曲表面可以位于第一倾斜表面上或上方。第一倾斜表面可以包括光楔，并且弯曲表面可以直接位于第一倾斜表面上。

替代地，弯曲表面可以包括透镜，并且照明模块可以包括至少两个倾斜表面，这些倾斜表面各自包括反射表面。至少一个倾斜表面和弯曲表面可以在芯片的表面上彼此横向间隔开。

替代地，第一倾斜表面和弯曲表面可以各自包括反射表面，并且第一倾斜表面和弯曲表面可以在芯片的表面上彼此横向间隔开。

照明模块还可以包括第二倾斜表面。

发射器和光学系统可以由第二倾斜表面支撑。

第二倾斜表面可以包括楔形衬底。替代地，第二倾斜表面可以包括用于将照明模块附接到弯曲结构的柔性底座。替代地，第二倾斜表面可以包括在平坦表面上的倾斜凹槽。

提供第二倾斜表面以产生离轴光束能够通过提供倾斜底座(例如压花或柔性印刷电路板(PCB))来实现。照明模块的发射器和光学系统随后可以形成在倾斜底座上。

弯曲表面可以包括GaAs透镜或聚合物透镜。

弯曲表面或倾斜表面中的至少一个可以使用蚀刻、复制、压花、模制、压印或光刻中的一个或更多个来形成。

本公开的实施例可以提供包括辐照度分布校正的紧凑、低成本、集成的离轴照明器。照明模块可适用于安装在移动设备和可穿戴技术(例如增强现实(AR)和虚拟现实(VR)头戴设备)上，以及需要具有基本均匀辐照度或其他所需光束分布的紧凑离轴照明的其他应用上。

根据本公开的另一方面，提供了一种包括如上所述的照明模块和用于接收来自照明模块的光的成像表面的系统，其中照明模块的光学系统相对于成像表面倾斜，使得来自照明模块的光以非法线角度入射在成像表面上。

根据本公开的另一方面，提供了一种包括任一前述权利要求所述的照明模块的电子设备。电子设备可以是AR或VR头戴设备或眼镜。成像表面可以由AR或VR眼镜的透镜提供，并且照明模块可以安装在AR或VR眼镜的框架上，例如，照明模块可以安装在眼镜的梁或臂上。

本公开的不同方面的特征可以组合在一起。

本公开的实施例有利地提供了改进的离轴照明。

本文公开的照明模块利用了一种新颖的方法，至少提供了在第一方向上倾斜的弯曲表面，使得在第一方向上引入光学像差。

附图说明

现在将仅通过示例并参照附图来描述本公开的一些实施例，其中：

图1(a)示意性地示出了离轴照明装置；

图1(b)示出了根据本公开的实施例的具有光楔和曲面透镜的光学系统的示意性横截面；

图2(a)和2(b)示出了由本公开的照明模块产生的离轴辐照光束分布；

图3示出了根据本公开的实施例的照明模块，其中照明模块包括柔性衬底上的发射器；

图4示出了根据本公开的另一实施例的替代的照明模块，其中照明模块包括楔形衬底上的发射器；

图5示出了根据本公开的另一实施例的替代的照明模块，其中照明模块包括在蚀刻或压花的衬底上的发射器；

图6示出了根据本公开的另一实施例的替代的照明模块，其中照明模块包括位于VSCEL芯片上的倾斜的反射镜和倾斜的曲面镜；

图7示出了根据本公开的另一实施例的替代的照明模块，其中照明模块也包括位于VSCEL芯片上的倾斜的反射镜和倾斜的曲面镜；

图8示出了根据本公开的另一实施例的替代的照明模块，其中照明模块包括位于VSCEL芯片上的倾斜的反射镜和倾斜的透镜；和

图9示出了根据本公开的另一实施例的替代的照明模块，其中照明模块包括位于VSCEL芯片上的具有高折射率的倾斜的透镜。

具体实施方式

一般来说，本公开提供了一种包括光学系统的照明模块，该光学系统具有在第一方向上倾斜的弯曲表面，使得光学系统在第一方向上引入光学像差。

附图中给出了解决方案的一些示例。

图1(a)示意性地示出了根据本公开实施例的离轴照明装置100。照明装置100包括发射器(例如垂直腔表面发射激光器(VSCEL))和光学系统(在随后的图中示出)。照明装置被配置为使得来自照明装置的主射线(CR)102以相对于照明模块与平面屏幕之间的光轴Z的偏移角θ入射在平面屏幕104上，其中光轴Z垂直于平面屏幕。主射线对应于光束中心的射线和由照明装置产生的照明的中点。图1(a)和其他图中使用了笛卡尔坐标，以便于描述。这些不应被理解为要求照明装置100具有特定的取向。

图1(b)示出了根据本公开的实施例的具有光楔112和曲面透镜114的光学系统110的示意性横截面。图1(b)的光学系统110是可用于图1(a)的照明模块的光学系统的一个示例。在该示例中，光学系统110可以设置在照明模块的发射器的上方，使得从发射器116发射的光入射在光楔112的下表面上。光楔112在第一方向上倾斜(围绕在y方向上延伸的轴旋转)。光楔112相对于从发射器116发射的光的光轴倾斜(即，相对于从发射器发射的光的光轴成非垂直角度)。光楔112(当存在平面屏幕时)将相对于平面屏幕倾斜。曲面透镜114设置在光楔112的上表面上。从发射器116入射在光楔112上的光穿过光楔112和曲面透镜114。光楔112使来自发射器116的主射线弯曲一个角度。倾斜的曲面透镜114在第一方向(x方向)上引入光学像差。因此，由照明模块118发射的光被弯曲远离发射器的光轴并且具有光学像差。在第二方向(y方向)上，光学系统110没有将光学像差(或基本上没有将像差)引入到照明模块118发射的光。类似地，在第二方向上未施加主射线的弯曲。

光楔112和曲面透镜114可以是由相同材料制成的独立部件。它们可以具有彼此相同的折射率。替代地，光楔112和曲面透镜114可以形成为单个集成部件。

在该实施例中以及在其他实施例中，曲面透镜114可以是抛物面或双曲面凸透镜。透镜114可以围绕垂直于光楔112的顶表面的轴线旋转对称。通过在光楔112上提供透镜114，将不对称引入到光学系统中。

在一个示例中，透镜114可以具有～15μm的曲率半径和～20μm的直径。光楔112的上表面相对于从发射器发射的光的光轴所成的角度可以为5°至7°。

照明装置可以包括多个发射器，例如VSCEL阵列。倾斜的透镜可以位于照明装置的每个发射器的上方。倾斜的透镜可以作为微透镜阵列提供。微透镜阵列可以包括光楔。

图2(a)和图2(b)示出了由本公开的照明模块(例如，图1的照明模块)产生的离轴辐照光束分布的模拟。在距离平面屏幕(例如，15mm远)和直径(例如，25mm直径)的设计位置对探测器进行模拟，光轴穿过60x 60毫米平面屏幕的中心。在该模拟中，透镜的曲率半径为15μm，并相对于平面屏幕倾斜5°。如图2所示，辐照度分布通常为礼帽形，并且在照明区域内基本恒定。

图3示出了根据本公开的实施例的照明模块300，其中照明模块包括柔性衬底322上的发射器320。在该实施例中，VSCEL 320位于柔性衬底322(例如位于底架324上的柔性印刷电路板(PCB))的倾斜表面上。底架324限定CR与VSCEL 320的偏移角θ。包括在第一方向上倾斜的曲面微透镜的光学系统(如图1(b)所示)位于VSCEL 320的上方，使得VSCEL320和包括微透镜的光学系统都位于柔性衬底322的倾斜表面上。光学系统将光学像差引入到从照明模块发射的光。VSCEL 320和微透镜都被封装在位于PCB 322上方的封装层326中。

在该实施例中以及在图4和图5所示的实施例中，通过将发射器和光学系统(如图1(b)的光学系统)定位在倾斜表面(PCB)上，使得从发射器发射的光偏移，来提供CR的偏移角θ。提供偏移角的倾斜表面在与光学系统中的曲面透镜相同的方向上倾斜；然而，提供偏移角的倾斜表面可以相对于弯曲表面以不同的角度倾斜。

图4示出了根据本公开的另一实施例的替代的照明模块，其中照明模块400包括楔形衬底428上的发射器420。在该实施例中，楔形衬底428提供倾斜表面，使得从VSCEL 420发射的光被偏移。如图3的实施例，包括在第一方向上倾斜的微透镜的光学系统位于VSCEL420的上方，使得VSCEL 420和倾斜的微透镜都位于楔形衬底428的倾斜表面上。楔形衬底428被安装在平坦的PCB 430上。楔形衬底428、VSCEL 420和曲面微透镜被封装在封装层426中。

图5示出了根据本公开的另一实施例的替代的照明模块，其中照明模块500包括蚀刻的衬底530上的发射器520。蚀刻的衬底可以是具有倾斜凹槽的PCB 530。在该实施例中，发射器520设置在蚀刻或压花的衬底530(例如，PCB)的凹槽上，该凹槽提供倾斜表面并限定偏移角θ。在该实施例中，VSCEL芯片520以倒装芯片配置连接到PCB 530。

在该实施例中以及在其它实施例中，VCSEL芯片520能够是VCSEL阵列。在这种情况下，微透镜阵列可以位于VCSEL阵列的上方，在VCSEL阵列的每个单独发射器的上方具有一个微透镜。微透镜阵列的每个微透镜可以是倾斜的透镜，例如图1(b)中的透镜和光楔。

图6示出了根据本公开的另一实施例的替代的照明模块600，其中照明模块600包括位于VSCEL芯片644上并且彼此横向间隔开的倾斜的反射镜640和倾斜的曲面镜642。在使用中，光从VSCEL芯片644发射并且入射在倾斜的曲面镜642上。倾斜且凹面的曲面镜642产生期望的光学像差或畸变，从而将光学像差引入到光。光被倾斜的曲面镜642反射，并横向穿过VSCEL芯片644的表面朝向倾斜的反射镜640传播，该倾斜的反射镜随后反射光以引入偏移角θ。光可以从VCSEL芯片644的底表面发射，或者可替换地，光从VCSEL芯片644的顶表面发射。倾斜的反射镜640可以以小于45度的角度倾斜(相对于由VCSEL芯片644发射的光的方向测量)。

在该实施例中以及在图7至图9所示的实施例中，CR的偏移角θ由光学装置提供。例如，发射器沿垂直于平面屏幕的光轴发射光，并且倾斜的光学表面(例如透镜或反射镜)通过反射或折射从发射器发射的光引入偏移角θ。

该实施例以及图7至图9的实施例的反射镜和透镜能够用聚合物、环氧树脂或其他光学材料模制、复制和压印在承载VCSEL的芯片上。这同样可以应用于其他实施例。

该实施例和图7至图9的实施例的反射镜的反射表面可以涂覆有反射涂层(例如，金属(例如，金或银))。光学系统可以被封装在封装层中，如图3至图5所示。

替代地，该实施例的反射镜的反射表面可以是光楔或透镜的内表面，并且利用全内反射。光学系统可以不被封装在封装层中，或者被封装在具有与光楔或透镜不同的折射率的封装层中。

图7示出了根据本公开的另一实施例的替代的照明模块700，其中照明模块也包括位于VSCEL芯片744上的倾斜的反射镜740和倾斜的曲面镜742。在该实施例中，倾斜的反射镜740可以是折叠式反射镜，即，一种反射镜，其反射从VSCEL芯片744发射的光，使得其在垂直于从VCSEL芯片744发射的光的方向的方向上横向穿过VSCEL芯片744传播，并且不引入任何光学像差。从倾斜的反射镜740反射的光然后入射在倾斜且不对称的曲面镜742上，该倾斜且不对称的曲面镜被倾斜，使得其既引入光学像差又向来自照明模块700的光发射器提供偏移角θ。

图8示出了根据本公开的另一实施例的替代的照明模块800，其中照明模块900包括位于VSCEL芯片844上的倾斜的反射镜840和离轴倾斜的透镜846。倾斜的透镜846被定位成与折叠式反射镜848相邻。折叠式反射镜848和倾斜的透镜846可以由单个部件形成。在包括多个发射器的照明装置中，包括倾斜的透镜846和折叠式反射镜848的部件可以是较大微透镜阵列中的一个部件。在使用中，从VSCEL芯片844发射的光被折叠式反射镜848反射，然后穿过倾斜的透镜846，这将光学像差引入到光。然后，光横向穿过VSCEL芯片844的表面朝向倾斜的反射镜840传播，该倾斜的反射镜随后反射光以引入偏移角θ。

图9示出了根据本公开的另一实施例的替代的照明模块900，其中照明模块900包括位于VSCEL芯片944上的倾斜的反射镜940和具有相对较高折射率的倾斜的透镜946。该实施例的倾斜的透镜946可以包括图1(b)的光楔和曲面透镜，并且能够集成在VCSEL芯片944的上表面上。倾斜的透镜946形成在折叠式反射镜948的下方或内部。倾斜的透镜946由折射率比折叠式反射镜948高的材料形成。这允许透镜946更小。例如，倾斜的透镜946可以具有～3.5的折射率，折叠式反射镜948可以具有1.5至1.6的折射率。在使用中，从VSCEL芯片944发射的光穿过倾斜的透镜946(这将光学像差引入到光)，然后被折叠式反射镜948反射。然后，光横向穿过VSCEL芯片944的表面朝向倾斜的反射镜940传播，该倾斜的反射镜随后反射光以引入偏移角θ。

不同实施例的特征可以与其他实施例的特征相结合。

附图标记列表：

100 离轴照明装置

102 主射线

104 平面成像屏幕

110 光学系统

112 光楔

114 曲面透镜

116 从发射器发射的光

118 由照明模块发射的光

300 照明模块

320 发射器

322 柔性衬底

324 底架

326 封装层

400 照明模块

420 发射器

426 封装层

428 楔形衬底

430 平坦的PCB

500 照明模块

520 发射器

526 封装层

530 蚀刻的PCB衬底

600 照明模块

640 倾斜的反射镜

642 倾斜的曲面镜

644 VCSEL芯片

700 照明模块

740 倾斜的反射镜

742 倾斜的曲面镜

744 VCSEL芯片

800 照明模块

840 倾斜的反射镜

844 VCSEL芯片

846 倾斜的透镜

848 折叠式反射镜

900 照明模块

940 倾斜的反射镜

944 VCSEL芯片

946 倾斜的透镜

948 折叠式反射镜

本领域技术人员将理解，在前面的描述和所附权利要求中，诸如“上方”、“重叠”、“下方”、“横向”等位置术语是参考设备的概念性图示而提出的，例如标准横截面立体图中所示和附图中所示。这些术语是为了便于参考而使用的，但并非旨在具有限制性质。因此，这些术语应理解为当处于如附图所示的方位时指代装置。

本领域技术人员将理解，术语“包括”不排除其他元件或步骤，术语“一”或“一个”在描述特征时不排除多个给定特征，单个部件可以实现权利要求中所列出的几个装置的功能，并且单独的从属权利要求中所列出的特征可以被组合。本领域技术人员还将理解，权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本公开，但是应当理解，这些实施例仅是说明性的，权利要求不限于这些实施例。本领域技术人员将能够根据公开内容进行修改和替换，这些修改和替换被认为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或示出的每个特征可以单独地或以与本文中公开或示出的任何其它特征的任何适当组合结合在本公开中。

Claims (24)

1.一种照明模块，包括：

发射器，其被配置为沿所述照明模块的光轴发射光；和

光学系统，其位于所述发射器上或上方，所述光学系统包括：

弯曲表面，其中所述弯曲表面在第一方向上倾斜，使得光学系统在所述第一方向上引入光学像差。

2.根据权利要求1所述的照明模块，其中，所述光学系统被配置为调节光的辐照度分布，以至少部分地校正当光以非法线角度入射在成像表面上时将看到的光的辐照度分布。

3.根据权利要求1或2所述的照明模块，其中，所述光学系统被配置为引入慧形像差。

4.根据权利要求1所述的照明模块，其中，所述弯曲表面包括凸透镜或凹面镜的表面。

5.根据权利要求1所述的照明模块，其中，所述弯曲表面具有双曲面形状或抛物面形状。

6.根据权利要求1所述的照明模块，其中，所述光学系统被配置为在第二方向上基本上不引入光学像差。

7.根据权利要求1所述的照明模块，其中，所述弯曲表面在所述第二方向上不倾斜。

8.根据权利要求1所述的照明模块，其中，所述弯曲表面相对于发射的光的光轴倾斜。

9.根据权利要求1所述的照明模块，其中，所述光学系统还包括第一倾斜表面，其中所述第一倾斜表面在所述第一方向上倾斜。

10.根据权利要求9所述的照明模块，其中，所述第一倾斜表面和所述弯曲表面均包括具有相同折射率的材料。

11.根据权利要求9所述的照明模块，其中，所述弯曲表面和所述第一倾斜表面包括形成在包括发射器的芯片上的微光学器件。

12.根据权利要求9中任一项所述的照明模块，其中，所述弯曲表面位于所述第一倾斜表面上或上方。

13.根据权利要求12所述的照明模块，其中，所述第一倾斜表面包括光楔，并且其中，所述弯曲表面直接位于所述第一倾斜表面上。

14.根据权利要求11所述的照明模块，其中，所述弯曲表面包括透镜，并且其中，所述照明模块包括至少两个倾斜表面，所述至少两个倾斜表面各自包括反射表面，并且其中，至少一个倾斜表面和所述弯曲表面在所述芯片的表面上彼此横向间隔开。

15.根据权利要求11所述的照明模块，其中，所述第一倾斜表面和所述弯曲表面各自包括反射表面，并且其中，所述倾斜表面和所述弯曲表面在所述芯片的表面上彼此横向间隔开。

16.根据权利要求1所述的照明模块，其中，所述照明模块还包括第二倾斜表面。

17.根据权利要求16所述的照明模块，其中，所述发射器和所述光学系统由所述第二倾斜表面支撑。

18.根据权利要求17所述的照明模块，其中，所述第二倾斜表面包括楔形衬底。

19.根据权利要求17所述的照明模块，其中，所述第二倾斜表面包括用于将所述照明模块附接到弯曲结构的柔性底座。

20.根据权利要求17所述的照明模块，其中，所述第二倾斜表面包括在平坦表面上的倾斜凹槽。

21.根据权利要求1所述的照明模块，其中，所述弯曲表面包括GaAs透镜或聚合物透镜。

22.根据权利要求1所述的照明模块，其中，弯曲表面或倾斜表面中的至少一个使用蚀刻、复制、压花、模制、压印或光刻中的一个或更多个来形成。

23.一种系统，包括根据权利要求1所述的照明模块以及用于接收来自所述照明模块的光的成像表面，

其中，所述照明模块的光学系统相对于所述成像表面倾斜，使得来自所述照明模块的光以非法线角度入射在所述成像表面上。

24.一种电子设备，包括根据权利要求1所述的照明模块。