CN217982089U - 补光灯及包含其的监控系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种补光灯及包含其的监控系统，属于安防设备的技术领域。该补光灯包括超透镜和光源；其中，所述超透镜被设置于所述光源的出光侧；所述光源包括多个阵列排布的发光单元；所述超透镜的相位沿垂直于光轴的方向变化，且所述光源发出的第一光束经所述超透镜调制后形成第二光束，所述第二光束沿超透镜相位变化方向的发散角大于或等于0°，且小于或等于第一光束的发散角。本申请实施例提供的补光灯通过第一超透镜实现了小型化和轻型化，促进了包含其的监控系统的小型化和轻量化。

Description

补光灯及包含其的监控系统

技术领域

本申请涉及安防设备的技术领域，具体地，本申请涉及补光灯及包含其的监控系统。

背景技术

安防监控系统的应用越来越广泛。安防监控系统的摄像装置在弱光环境下工作时需要进行补光以拍摄清晰的图像。

现有技术中的补光灯通过柱面镜或全内反射透镜将光源产生的光投影到远场。

然而，现有技术中补光灯采用的柱面镜或全内反射透镜的体积大、重量沉，限制了补光灯的小型化和轻量化。

实用新型内容

有鉴于此，为解决现有补光灯中柱面镜或全内反射透镜的技术问题，本申请实施例提供了如下技术方案。本申请技术方案针对现有技术解决方案过于单一的技术问题，提供了显著不同于现有技术的解决方案。

第一方面，本申请实施例提供了一种补光灯，所述补光灯包括超透镜和光源；

其中，所述超透镜被设置于所述光源的出光侧；

所述光源包括多个阵列排布的发光单元；

所述超透镜的相位沿垂直于光轴的方向变化，以使垂直于超透镜光轴方向上不同高度入射的光线均聚焦到超透镜的焦平面上同一条直线上，从而使所述光源发出的第一光束经所述超透镜调制后形成第二光束，所述第二光束沿超透镜相位变化方向的发散角大于或等于0°，且小于或等于第一光束的发散角。

可选地，所述发光单元呈MxN阵列布置；

M、N均为大于或等于1的自然数。

可选地，所述超透镜为单片式超透镜。

可选地，所述超透镜为阵列式超透镜；所述阵列式超透镜包括多个阵列排布的超透镜单元。

可选地，所述超透镜的相位满足：

其中，λ_c为光源的中心波长；f为所述超透镜的焦距；x为所述超透镜沿相位变化方向的坐标值。

可选地，所述超透镜的相位满足：

其中，λc为光源的中心波长；f_i为所述超透镜中沿相位变化方向的第i个超透镜单元的焦距；x为所述超透镜沿相位变化方向的坐标值；x_n为第n行或第n列发光单元的中心坐标。

可选地，所述超透镜的形状为轴对称图形。

可选地，所述超透镜的形状为矩形；所述矩形的边长满足：

L_s≥(N-1)p₁+2f tanθ+d；

L_l≥(M-1)p₂+2f tanθ+d；

其中，L_s为所述矩形的短边的长度，L_l为所述矩形的长边的长度；N为所述短边对应的发光单元的数量；M为所述长边对应的发光单元的数量；p₁为发光单元沿所述短边方向的排列周期；p₂为发光单元沿所述长边方向的排列周期；d为发光单元的外接圆直径；θ为发光单元的半发散角；f为所述超透镜的焦距。

可选地，所述超透镜为透射式超透镜。

可选地，所述超透镜为反射式超透镜。

可选地，所述超透镜为色差矫正超透镜。

可选地，所述发光单元的发散角大于或等于20°，且小于或等于120°。

可选地，所述补光灯还包括间隔层；

所述间隔层用于在所述光源和所述超透镜的晶圆级封装器件中支撑所述超透镜。

可选地，所述光源包括红外发光单元和/或可见光发光单元。

可选地，所述发光单元的排列满足：M＞3N。

第二方面，本申请实施例还提供了一种监控系统，所述监控系统包括摄像装置和至少一个如上述任一实施例所提供的补光灯。

本申请实施例提供的内窥镜及包含其的监控系统，至少取得了以下有益效果：

本申请实施例提供的补光灯通过设置于光源出光侧的超透镜实现第二光束沿超透镜相位变化方向的发散角大于或等于0°，且小于或等于第一光束的发散角，实现了补光灯的小型化和轻量化。

本申请实施例提供的监控系统，通过至少一个本申请实施例提供的补光灯实现了小型化和轻量化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。

图1示出了本申请实施例提供的补光灯的一种可选的结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的补光灯的又一种可选的结构示意图；

图3示出了本申请实施例提供的补光灯的又一种可选的结构示意图；

图4示出了本申请实施例提供的补光灯的又一种可选的结构示意图；

图5示出了本申请实施例提供的补光灯的又一种可选的结构示意图；

图6示出了本申请实施例提供的补光灯的又一种可选的结构示意图；

图7示出了本申请实施例提供的补光灯的又一种可选的结构示意图；

图8示出了本申请实施例提供的超透镜的一种可选的结构示意图；

图9示出了本申请实施例提供的纳米结构的一种可选的结构示意图；

图10示出了本申请实施例提供的纳米结构的又一种可选的结构示意图；

图11示出了本申请实施例提供的纳米结构的一种可选的排布示意图；

图12示出了本申请实施例提供的纳米结构的又一种可选的排布示意图；

图13示出了本申请实施例提供的纳米结构的又一种可选的排布示意图；

图14示出了本申请实施例提供的超透镜中纳米结构的特征尺寸与相位的一种可选的关系图。

图中附图分别表示：

10-超透镜；20-光源；30-间隔层；201-发光单元；

101-基底层；102-纳米结构层；1021-纳米结构；1022-填充物。

具体实施方式

现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

在下文中，将参照附图描述根据本申请的示例性实施方式。

本申请实施例提供了一种补光灯，如图1至图7所示，该补光灯包括超透镜10和光源20。其中，光源20包括阵列排布的发光单元201。

具体而言，超透镜10的相位沿垂直于光轴的方向变化，以使垂直于超透镜光轴方向上不同高度入射的光线均聚焦到超透镜的焦平面上同一条直线上。借此，光源20射出的第一光束经超透镜10调制后形成第二光束，第二光束沿超透镜10相位变化方向的发散角大于或等于0°，且小于或等于第一光束的发散角。换言之，超透镜10对光源20发出的第一光束起类似准直的作用。优选地，光源20设置于超透镜10的焦平面。

根据本申请的实施方式，光源20可以是红外光源，也可以是白光光源。优选地，光源20还可以同时发出红外光和白光或切换红外和白光。也就是说，光源20包括红外发光单元和/或白光发光单元。可选地，光源20的中心波长为λc，其带宽为Δλ。可选地，光源20中任一发光单元201的发散角大于或等于20°，且小于或等于120°。根据本申请的实施方式，发光单元201以M×N的阵列布置，其中M和N均为大于1的自然数。优选地，M大于3N。

根据本申请的实施方式，可选地，超透镜10为轴对称图形，例如矩形、圆形或圆环形等。示例性地，图1示出了超透镜10为长方形。该长方形的短边对应光源20中的N个发光单元201的边，该长方形的长边对应光源20中的M个发光单元201的边。图1至图3中，z轴为光轴方向，x轴为该长方形的短边方向，y轴为该长方形的长边方向。如图2和图3所示，发光单元201沿该长方形超透镜短边方向排列的周期为P₁，发光单元201沿该长方形超透镜长边方向排列的周期为P₂。可以理解的是，单个发光单元201的尺寸以其外接圆的直径计量。

参见图1至图3，本申请实施例提供了补光灯的一种可选的结构，该补光灯的超透镜10为单片式超透镜。如图1所示，光源20中所有发光单元201出射的第一光束经过同一超透镜的调制。如图2所示，可选地，发光单元201的该超透镜的相位沿垂直于光轴的方向变化，可选地，超透镜10的相位满足公式(1)：

其中，λ_c为光源20的中心波长；f为超透镜10的焦距；x为超透镜10沿相位变化方向的坐标值。

参见图4至图6，可选地，本申请实施例提供的超透镜10包括多个阵列排布的超透镜单元。超透镜10中的任一行或列对应光源20中任一行或列发光单元201。如图4和图6所示，超透镜10中任一超透镜单元对应任一列发光单元201。该超透镜10中的任一列超透镜单元对其对应列的发光单元201出射的第一光束进行类似准直的调制。该超透镜的相位满足公式(2)：

其中，λc为光源20的中心波长；f_i为超透镜10中沿相位变化方向的第i个超透镜单元的焦距；x为超透镜10沿相位变化方向的坐标值；x_n为第n行或第n列发光单元201的中心坐标。

在一些可选的实施方式中，如图1至图7，超透镜10为长方形，该长方形的边长满足公式(3)和公式(4)：

L_s≥(N-1)p₁+2f tanθ+d； (3)

L_l≥(M-1)p₂+2f tanθ+d； (4)

其中，L_s为长方形的短边的长度，L_l为长方形的长边的长度；N为短边对应的发光单元201的数量；M为长边对应的发光单元201的数量；p₁为发光单元201沿短边方向的排列周期；p₂为发光单元201沿长边方向的排列周期；d为发光单元201的外接圆直径；θ为发光单元201的半发散角；f为超透镜10的焦距。

如图2或图5所示，可选地，超透镜10仅对垂直于光轴的一个维度进行准直，以使第二光束尽可能多地照射在需要补光的区域。特别对于安防监控系统，若第二光束的照射投影面积大于摄像装置的聚焦区域，使聚焦区域的照度不足，从而导致无法获得清晰的画面。例如，道路监控系统中的补光灯的投影图像呈沿道路方向拉伸的矩形，这造成了照射面边缘的亮度不同，导致边缘区域的图像不清晰。

本申请实施例提供的超透镜10兼容半导体工艺，可以与光源20进行晶圆级封装。本申请实施例还提供了一种补光灯，参见图7，该补光灯中超透镜10和光源20进行晶圆级封装。如图7所示，该补光灯还包括间隔层30，间隔层30用于支撑超透镜10。

接下来结合图8至图14详细介绍本申请实施例提供的超透镜。如图8所示，本申请实施例提供的超透镜包括基底层101和纳米结构层102。其中，纳米结构层102包括周期性排布于基底层101一侧的纳米结构1021。

根据本申请的实施方式，可选地，纳米结构层中，纳米结构的排列周期大于或等于0.3λ_c，且小于或等于2λ_c；其中，λ_c为工作波段的中心波长。根据本申请的实施方式，可选地，纳米结构层中纳米结构的高度大于或等于0.3λ_c，且小于或等于5λ_c；其中，λ_c为工作波段的中心波长。

图9和图10示出了超透镜中纳米结构的透视图。可选地，图9中的纳米结构为纳米鳍。可选地，图10中的纳米结构为圆柱形结构。可选地，如图9和图10所示，超透镜还包括填充物1022，填充物填充于纳米结构1021之间，并且，填充物1022的材料对工作波段的消光系数小于0.01。可选地，填充物1022包括空气或在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本申请的实施方式，填充物1022的材料的折射率与纳米结构1021的折射率之间的差值的绝对值应大于或等于0.5。

本申请一些可选的实施例中，如图11至图13所示，纳米结构层102中包括的纳米结构以可密堆积图形的形式阵列排布。该可密堆积图形的顶点和/或中心位置设置有纳米结构1021。本申请实施例中，可密堆积图形指的是一种或多种可以无缝隙不重叠地填充整个平面的图形。

如图11所示，根据本申请的实施方式，纳米结构的排布可以布置成扇形。如图12所示，根据本申请的实施方式，纳米结构的排布可以布置成正六边形的阵列。此外，如图13所示，根据本申请的实施方式，纳米结构的排布可以布置成正方形的阵列。本领域技术人员应认识到，纳米结构还可以包括其他形式的阵列布置，所有这些变型方案均涵盖于本申请的范围内。

示例性地，本申请实施例提供的纳米结构可以是偏振无关结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。根据本申请的实施方式，纳米结构可以是正结构，也可以是负结构。例如，纳米结构的形状包括圆柱、中空圆柱、正方形棱柱、中空正方形棱柱等。

在本申请的可选实施例中，纳米结构的形状包括圆柱、中空圆柱、正方形柱和中空正方形柱。可选地，纳米结构被设置于可密堆积图形的中心位置。可选地，纳米结构为负纳米结构，如正方形孔柱、圆形孔柱、正方形环柱和圆形环柱。

在一种可选的实施方式中，本申请实施例提供的超透镜还包括增透膜。增透膜被设置于基底层远离纳米结构层的一侧；或者，增透膜被设置纳米结构层与空气相邻的一侧。增透膜的作用是对入射的光起到增透减反的作用。

根据本申请的实施方式，纳米结构的材质为对工作波段消光系数小于0.01的材料。例如，纳米结构的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅和氢化非晶硅。再例如，当超透镜的工作波段为近红外波段时，纳米结构的材质包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅中的一种或多种。再例如，当超透镜的工作波段为可见光波段时，纳米结构的材质包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石和碱性玻璃。再例如，当超透镜的工作波段为远红外波段时，纳米结构的材质包括晶体硅、晶体锗、硫化锌和硒化锌中的一种或多种。图14示出了一种可选的氮化硅纳米圆柱直径与调制相位的关系。

例如，基底层的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅和氢化非晶硅。再例如，当超透镜的工作波段为近红外波段时，基底层的材质包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅中的一种或多种。再例如，当超透镜的工作波段为可见光波段时，基底层的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石和碱性玻璃。再例如，当超透镜的工作波段为远红外波段时，基底层的材料包括晶体硅、晶体锗、硫化锌和硒化锌中的一种或多种。

在本申请的一些实施例中，纳米结构的材质与基底层的材料相同。在本申请的又一些实施例中，纳米结构的材质与基底层的材料不同。可选地，填充物的材料与基底层的材料相同。可选地，填充物的材料与基底层的材料不同。

应理解，在本申请又一些可选的实施方式中，填充物与纳米结构的材质不同。示例性地，填充物的材料为工作波段的高透过率材料，其消光系数小于0.01。示例性地，填充物的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅和氢化非晶硅。

根据本申请的实施方式，超透镜的相位至少满足下述公式(1-1)至公式(1-6)之一：

其中，r为超透镜中心到任一纳米结构中心的距离；λ为工作波长，

为任意与工作波长相关的相位，x,y为超透镜的镜面坐标，f为第一超透镜的焦距。

超透镜的相位可以用高次多项式表达，高次多项式包括奇次多项式和偶次多项式。为了不破坏超透镜相位的旋转对称性，通常只能对偶次多项式对应的相位进行优化，这大大降低了超透镜的设计自由度。而上述公式(1-1)至公式(1-6)中，公式(1-3)和公式(1-4)相比其余公式，能够对满足奇次多项式的相位进行优化而不破坏超透镜相位的旋转对称性，从而大大提高了超透镜的优化自由度。

实施例1

实施例1提供了一种补光灯，该补光灯的系统参数如表1所示。

表1

实施例2

实施例2提供了一种补光灯，该补光灯的系统参数如表2所示。

表2

另一方面，本申请实施例还提供了一种监控系统，该监控系统包括摄像装置和至少一个上述任一实施例提供的补光灯。

在一些可选的实施方式中，本申请实施例提供的监控系统包括至少两个超透镜10。其中至少两个超透镜10的相位变化方向正交，能够对垂直于光轴的两个正交方向(例如x方向和y方向)均进行会聚准直。其中，一个方向上的会聚准直是为了提高补光灯投影的边缘区域的照度；另一个方向上的会聚准直是为了减小补光灯的出射光束(第二光束)在该方向上的发散角，减少照射投影的重叠面积，提高补光灯的照射均匀度，从而避免补光灯部分投影面积光强度过高产生炫目甚至瞬间致盲的风险。

综上所述，本申请实施例提供的补光灯通过设置于光源出光侧的超透镜实现第二光束沿超透镜相位变化方向的发散角大于或等于0°，且小于或等于第一光束的发散角，实现了补光灯的小型化和轻量化。

本申请实施例提供的监控系统，通过至少一个本申请实施例提供的补光灯实现了小型化和轻量化。以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种补光灯，其特征在于，所述补光灯包括超透镜(10)和光源(20)；

其中，所述超透镜(10)被设置于所述光源(20)的出光侧；

所述光源(20)包括多个阵列排布的发光单元(201)；

所述超透镜(10)被设置于所述光源(20)的出光侧；所述超透镜(10)的相位沿垂直于光轴的方向变化，以使垂直于超透镜(10)光轴方向上不同高度入射的光线均聚焦到超透镜(10)的焦平面上同一条直线上，从而使所述光源(20)发出的第一光束经所述超透镜(10)调制后形成第二光束，所述第二光束沿超透镜(10)相位变化方向的发散角大于或等于0°，且小于或等于第一光束的发散角。

2.如权利要求1所述的补光灯，其特征在于，所述发光单元(201)呈M×N阵列布置；

M、N均为大于或等于1的自然数。

3.如权利要求1所述的补光灯，其特征在于，所述超透镜(10)为单片式超透镜。

4.如权利要求1所述的补光灯，其特征在于，所述超透镜(10)为阵列式超透镜；所述阵列式超透镜包括多个阵列排布的超透镜单元。

5.如权利要求3所述的补光灯，其特征在于，所述超透镜(10)的相位满足：

其中，λ_c为光源(20)的中心波长；f为所述超透镜(10)的焦距；x为所述超透镜(10)沿相位变化方向的坐标值。

6.如权利要求4所述的补光灯，其特征在于，所述超透镜(10)的相位满足：

其中，λc为光源(20)的中心波长；f_i为所述超透镜(10)中沿相位变化方向的第i个超透镜单元的焦距；x为所述超透镜(10)沿相位变化方向的坐标值；x_n为第n行或第n列发光单元(201)的中心坐标。

7.如权利要求1或3-6中任一所述的补光灯，其特征在于，所述超透镜(10)的形状为轴对称图形。

8.如权利要求7所述的补光灯，其特征在于，所述超透镜(10)的形状为矩形；所述矩形的边长满足：

L_s≥(N-1)p₁+2f tan θ+d；

L_l≥(M-1)p₂+2f tanθ +d；

其中，L_s为所述矩形的短边的长度，L_l为所述矩形的长边的长度；N为所述短边对应的发光单元(201)的数量；M为所述长边对应的发光单元(201)的数量；p₁为发光单元(201)沿所述短边方向的排列周期；p₂为发光单元(201)沿所述长边方向的排列周期；d为发光单元(201)的外接圆直径；θ为发光单元(201)的半发散角；f为所述超透镜(10)的焦距。

9.如权利要求1或3-6中任一所述的补光灯，其特征在于，所述超透镜(10)为透射式超透镜。

10.如权利要求1或3-6中任一所述的补光灯，其特征在于，所述超透镜(10)为反射式超透镜。

11.如权利要求1或3-6中任一所述的补光灯，其特征在于，所述超透镜(10)为色差矫正超透镜。

12.如权利要求1所述的补光灯，其特征在于，所述发光单元(201)的发散角大于或等于20°，且小于或等于120°。

13.如权利要求1所述的补光灯，其特征在于，所述补光灯还包括间隔层(30)；

所述间隔层(30)用于在所述光源(20)和所述超透镜(10)的晶圆级封装器件中支撑所述超透镜(10)。

14.如权利要求1所述的补光灯，其特征在于，所述光源(20)包括红外发光单元和/或可见光发光单元。

15.如权利要求2所述的补光灯，其特征在于，所述发光单元(201)的排列满足：M＞3N。

16.一种监控系统，其特征在于，所述监控系统包括摄像装置和至少一个如权利要求1-12所述的补光灯。

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