CN116909035A - 一种整形匀化照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整形匀化照明装置，该装置包括：阵列光源，和沿阵列光源发出的照明光的光束方向依次设置的准直元件、光栅和整形匀化单元；准直元件用于对照明光束准直，光栅用于将已准直的阵列照明光束进行口径压缩，整形匀化元件用于将经过光栅口径压缩后的光束进行整形匀化，形成特定外形轮廓及照度分布的光斑投射到目标表面。本发明利用光栅来压缩阵列光源的光束尺寸，并用整形匀化元件来实现照射面输出调控，最终能实现提高照明装置整体出射功率密度且光形轮廓及照度分布精确可控。

Description

一种整形匀化照明装置

技术领域

本发明涉及照明装置技术领域，更具体地，涉及一种整形匀化照明装置。

背景技术

光学整形与匀化照明技术在激光加工、工业照明、3D视觉传感等领域应用广泛。采用低成本阵列光源代替单个高功率激光器光源的整形匀化照明装置已在行业内大量应用，如采用LED阵列的舞台灯光照明，采用VCSEL阵列光源的激光加工以及基于TOF的3D视觉传感等应用。

照明装置中光源的总功率和功率密度都是适配具体应用场景的重要指标。为提高功率，业界普遍采用增加阵列单元的方式来增大照明装置的输出总功率，但同时会造成光源发光面积增大，导致最终在照射面无法达到提高总功率的同时也提高照度目的。为了实现照明装置的高照度，往往会选用光源功率密度更高的激光光源，这也导致了系统整体成本会提升。如何利用功率密度不高的光源阵列，实现照明装置输出的高功率和高照度是有重要应用意义的。

发明内容

本发明提供了一种整形匀化照明装置，利用光栅元件来压缩阵列光源的光束口径，并用整形匀化元件来实现照射面输出调控，最终能实现提高照明装置整体出射功率和照明面照度，且光形轮廓及照度分布精确可控。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

一种整形匀化照明装置，包括：阵列光源，和沿阵列光源发出的照明光的光束方向依次设置的准直元件、光栅和整形匀化单元；

所述准直元件用于对所述照明光准直，所述光栅用于对经准直的照明光进行口径压缩，所述整形匀化单元用于将经过光栅口径压缩后的准直光束进行整形匀化。

作为本发明的一种优选方案，所述光栅是透射型光栅元件或反射型光栅元件。

作为本发明的一种优选方案，所述光栅是单个光栅元件，或栅线互相垂直的两个光栅元件。

作为本发明的一种优选方案，所述光栅中，光束沿光栅元件的平面法线方向照射在所述光栅元件的表面。

作为本发明的一种优选方案，所述光栅中，光栅被设计为对入射光束口径进行压缩，且压缩比例R与光栅衍射效率E满足。

作为本发明的一种优选方案，所述整形匀化单元设置一定倾角摆放，使经过所述光栅反射或透射的光束垂直其表面入射。

作为本发明的一种优选方案，所述阵列光源包括多个波长相同的发光单元，所述发光单元是VCSEL、LED或LD光源。

作为本发明的一种优选方案，所述准直单元是超表面透镜、菲涅尔透镜或与所述发光单元一一对应的微透镜阵列或透镜组阵列。

作为本发明的一种优选方案，所述整形匀化单元是具备匀化整形功能的折射光学元件或衍射光学元件或具备匀化整形功能的透镜组。

作为本发明的一种优选方案，还包括机械工装，用于支撑所述阵列光源、所述准直元件、所述光栅和所述整形匀化单元，并保证上述元件的间隔和相对姿态。

本发明的实施方式具有如下优点：

（1）本发明提供的整形匀化照明装置，利用光栅元件来压缩阵列光源的光束尺寸，从而减少出射光束面积，在阵列光源的平均发射功率密度一定的前提下，可提高照明装置整体出射的照度（功率密度），从而有效增加投射到目标面的照度，最终获得相对更高照度、更精准光形分布的照明效果。

（2）本发明提供的整形匀化照明装置，在配合功率密度较低的阵列光源使用时，可通过扩展光源数量的方式同时提高系统整体输出功率，并通过提高光栅压缩比来提高系统在目标面的照度，从而提供了一种针对高功率激光照明应用领域的低成本解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为光栅原理示意图；

图2为本发明实施例提供的整形匀化照明装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的阵列光源主视图；

图4为本发明实施例提供的阵列光源侧视图；

图5为本发明实施例提供的整形匀化照明装置的出光效果示意图；

图6为本发明实施例提供的又一种整形匀化照明装置的出光效果示意图；

图7为本发明实施例提供的一种双光栅结构的整形匀化照明装置的出光效果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本发明利用光栅器件对光束偏折角的调控能力，实现光束口径的压缩，从而获得照明光束功率密度的提升。如图1所示，根据光栅方程：，其中光栅周期常数为d，入射角为α，出射角为θ，λ为光源波长，k为非零级干涉的级次。在入射角α=0，即光束垂直入射情况下，光束会发生偏折，以θ角出射。设入射光束口径为m，出口径为n，则光束压缩比例可以表示为/>，结合上述光栅方程可以得到光栅周期常数d为：

。

为确保光栅出射后功率密度增加，还应考虑光栅的衍射效率。为了实现出射光束功率密度提升的效果，需要光束压缩带来提升的效果大于衍射效率的损失，也即，为了实现功率密度增加，需要设置光束压缩比例R和衍射效率E的关系满足，就可以实现光栅出射后准直光束功率密度的增加。

实施例1：

如图2所示，提供了一种整形匀化照明装置。本实施例中的整形匀化照明装置主要包括以下部分：阵列光源1、准直元件2、光栅3和整形匀化单元4。阵列光源1发出光后，经准直元件2准直，经过光栅3压缩和偏折后，最后经整形匀化单元4出射。因此，准直元件2、光栅3和整形匀化单元4是按照阵列光源1发出的照明光的光路依次设置的。

如图3和图4所示，在本实施例中，阵列光源1是本整形匀化照明装置的光源，由多个发光单元11组成。作为一种可选的实施方式，每个发光单元11按照一定间隔排列，以兼顾散热和出射光覆盖区域的要求。阵列光源1还包括与每个发光单元11一一对应的控制单元12，用于控制对应的发光单元11同时发光。发光单元11可以是VCSEL、LED或LD光源，本领域技术人员容易理解发光单元11也可以根据不同的应用场景，如波长，功率密度，尺寸等更换为其他光源类型。

由于单个发光单元11直接出射的光具有一定的发散角，因此，设置准直元件2对该照明光进行准直。准直元件2采用透镜结构，既可以是与发光单元11一一对应的透镜组阵列的微透镜阵列，也可以具备类似功能的超表面透镜或菲涅尔透镜等。

整形匀化元件4接收到光栅3的出射光，进行整形匀化后出射到目标表面。根据终端需求不同，出射光斑的外形轮廓与照度分布有所不同。根据外形轮廓可以分为方形、线形、圆形、环形等。通常光源的光强为高斯分布，整形匀化元件4通过表面微结构的结构参数设计，在整形的同时对入射光的光强进行散射，从而形成光强分布均匀的远场光斑投射出去。在本实施例中，通常使用平顶（tophat）或蝙蝠翼（batwing）的光强分布。整形匀化单元4可以是具有相应功能的单个折射与衍射光学器件（如微透镜阵列、DOE），或光学器件组合等。

实施例2：

在实施例1的基础上，如图5所示，阵列光源1采用了采用VCSEL阵列光源，方形排布。由于单元间隔较小（如50μm），照射到准直元件2为近似圆形高斯分布光斑，准直后垂直入射到光栅3的槽面。本实施例中采用反射型闪耀光栅，如图5所示，光栅闪耀角为β，刻槽周期为d，通过一级闪耀波长对光束进行偏折，出射角为θ。根据前文的公式，出射角θ为闪耀角的2倍。以VCSEL光源常用的940nm红外光波长为例，通过光栅后光强密度的提升不同倍数情况下，光栅的闪耀角与刻槽周期设计如下：

表1 光栅闪耀角、刻槽周期与功率密度提升关系表

由于闪耀光栅在对光束一个方向进行压缩，经过光栅衍射后，圆形光斑将变成椭圆形光斑出射到准直元件上，同时光束照度提高。准直元件4是具备矩形匀化功能的微透镜阵列，优选非周期微透镜阵列可以得到系统效率和匀化性俱佳的整形效果。微透镜单元口径设计的远远小于入射光斑大小，使得入射光在一个方向上的尺寸压缩不会对整形效果产生影响，从而可以通过本实施例达到提高装置投射功率密度的同时确保光斑轮廓与照度分布不变。

实施例3：

在实施例1的基础上，如图6所示，将本发明所述的整形匀化照明装置应用到长条形或一字线型激光雷达模组。常规的长条形或一字线型激光雷达模组，通常采用单排光源阵列，准直后直接入射到整形元件，形成一字线或长条型光斑后投射到目标表面。考虑到封装尺寸，无法通过增加水平方向光源个数来提高功率密度。本实施例在阵列光源垂直方向（Y）增加单元数量，采用长方形排布的多排阵列光源。光束通过准直元件2在X、Y两个方向准直后垂直入射到光栅3。光栅3采用透射体布拉格光栅，其栅线方向与Y方向垂直，使光束在短边方向（Y）被压缩，形成细长的长条形光斑后入射到整形匀化单元4表面。整形匀化单元4采用柱面结构的微透镜阵列，在光束X方向进行匀化和扩散匀化，Y方向保持不变。相较于常规单排光源装置，本实施例在形成同样视场角（FOV）的一字线匀化光斑的同时成倍提高的光斑功率密度。

实施例4：

在实施例1的基础上，如图7所示，还提供了一种采用双反射光栅实现两个方向上光束口径压缩的整形匀化照明装置。在本实施例中，准直元件2采用透镜阵列对入射光束进行准直。光栅3包括光栅元件3-1和光栅元件3-2，都采用反射型闪耀光栅，通过固定装置使两光栅元件的栅线互相垂直，且从光栅元件3-1反射的光束垂直入射到光栅元件3-2。在本实施例中，设置两闪耀光栅的闪耀角为θ，则光束在垂直入射到准直元件表面时在X与Y方向都被压缩1/cosθ倍，光束面积压缩比为(1/cosθ)²。本实施例中光栅3的光束压缩比例R被定义为两个光栅元件的光束压缩比例的乘积。同时，由于采用两个闪耀光栅，使得光栅3的衍射效率E应当为两个光栅元件的衍射效率的乘积。

在实际应用中，也可以采用不同规格和/或不同类型的光栅元件，构建如本实施例的双光栅的整形匀化照明装置，例如，可以是透射型光栅元件与反射型光栅元件的组合，或者双透射型光栅元件的组合。光栅的光束压缩比例R和衍射效率E的定义同上，即光栅的光束压缩比例R是两个光栅元件的压缩比例的乘积，光栅的衍射效率E是两个光栅元件的衍射效率的乘积。

为保证投射光斑的匀化效果，整形匀化单元4的透镜口径需根据入射光斑尺寸缩小，使其被光斑完全覆盖的前提下尽可能减少照射散斑效应。需要注意的是，以上双光栅组合可以根据投射装置的光路方向与尺寸要求进行选型，还可以是透射光栅和反射光栅的组合，或双透射光栅的组合方式。

实施例5：

在上述实施例的基础上，还可以包括机械工装5。如上文中分析可知，阵列光源1、准直元件2、光栅3和整形匀化单元4需要按照一定位置和姿态摆放，以使得光路可以到达整形元件并出射。因此，机械工装5用于支撑阵列光源1、准直元件2、光栅3和整形匀化单元4，并保证上述元件的间隔和相对姿态。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种整形匀化照明装置，其特征在于，包括：

阵列光源（1），和沿阵列光源（1）发出的照明光的光束方向依次设置的准直元件（2）、光栅（3）和整形匀化单元（4）；

所述准直元件（2）用于对所述照明光准直，所述光栅（3）用于对经准直的照明光进行口径压缩，所述整形匀化单元（4）用于将经过光栅口径压缩后的准直光束进行整形匀化。

2.如权利要求1所述的整形匀化照明装置，其特征在于：

所述光栅（3）是透射型光栅元件或反射型光栅元件。

3.如权利要求1所述的整形匀化照明装置，其特征在于：

所述光栅（3）是单个光栅元件，或栅线互相垂直的两个光栅元件。

4.如权利要求3所述的整形匀化照明装置，其特征在于：

所述光栅（3）中，光束沿光栅元件的平面法线方向照射在所述光栅元件的表面。

5.如权利要求3所述的整形匀化照明装置，其特征在于：

所述光栅（3）中，光栅（3）被设计为对入射光束口径进行压缩，且压缩比例R与光栅衍射效率E满足。

6.如权利要求1所述的整形匀化照明装置，其特征在于：

所述整形匀化单元（4）设置一定倾角摆放，使经过所述光栅（3）反射或透射的光束垂直其表面入射。

7.如权利要求1所述的整形匀化照明装置，其特征在于：

所述阵列光源（1）包括多个波长相同的发光单元（11），所述发光单元（11）是VCSEL、LED或LD光源。

8.如权利要求6所述的整形匀化照明装置，其特征在于：

所述准直单元（2）是超表面透镜、菲涅尔透镜或与所述发光单元（11）一一对应的微透镜阵列或透镜组阵列。

9.如权利要求1所述的整形匀化照明装置，其特征在于：

所述整形匀化单元（4）是具备匀化整形功能的折射光学元件或衍射光学元件或具备匀化整形功能的透镜组。

10.如权利要求1-9任一项所述的整形匀化照明装置，其特征在于：

还包括机械工装（5），用于支撑所述阵列光源（1）、所述准直元件（2）、所述光栅（3）和所述整形匀化单元（4），并保证上述元件的间隔和相对姿态。