KR20220122925A

KR20220122925A - 디퓨저 기기

Info

Publication number: KR20220122925A
Application number: KR1020217042448A
Authority: KR
Inventors: 알략세이 크라스나베르슈키; 더크 호이쉴
Original assignee: 포커스라이트 테크놀로지스 인크
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2022-09-05
Also published as: WO2021147562A1; JP2023531106A; WO2021147827A1; EP3855219A1; CN114503013A; US20230117164A1

Abstract

디퓨저 기기는, 디퓨저 기기가 작동하는 동안 광이 연속적으로 통과하는 복수의 렌즈(6)를 갖는 제1 렌즈 어레이(3) 및 복수의 렌즈(7)를 갖는 제2 렌즈 어레이(5)를 포함하고, 상기 디퓨저 기기는 입사면(2) 및 출사면(4)을 갖는 제1 투명 기판(10)과, 입사면(2) 및 출사면(4)을 갖는 제2 투명 기판(11)을 포함하고, 상기 제1 렌즈 어레이( 3) 상기 제1 기판(10) 상에 배치되고 상기 제2 렌즈 어레이(5)는 상기 제2 기판(11) 상에 배치되거나, 상기 제2 렌즈 어레이(5)는 상기 제1 기판(10) 상에 배치되고 상기 제1 렌즈 어레이(3)는 제2 기판(11) 상에 배치되고, 상기 제1 기판(10)과 상기 제2 기판(11)은 서로 이격되고, 특히 상기 제1 기판(10)과 상기 제2 기판(11) 사이에 에어 갭(12)이 마련된다.

Description

디퓨저 기기

본 발명은 디퓨저 기기(diffuser device), 거리 측정 기기 및 LIDAR 기기에 관한 것이다.

습식 화학적 에칭 방식 또는 리소그래피 방식으로 제조된 디퓨저를 기반으로 한 디퓨저 기기의 이전 사용은 작은 구조 크기로 인해 산란된 광 또는 회절된 광의 비율이 높아서, 광학 효율을 감소시키고 도달 가능한 최대 발산 각과 강도 분포의 균일성을 제한한다. 결과로서 발생하는 이러한 센서의 제한된 시야(field of view)와 분해능(resolution) 저하는 자동차, 로봇, 드론 등과 같은 객체의 주위 측량에서 충분한 기능을 불가능하게 한다. 필요한 센서 수의 증가는 기술적으로나 경제적으로 유리하지 않다. 또한, 일반적인 디퓨저를 사용하는 경우, 0차 회절이 높은 강도로 발생한다고 보장할 수 없으므로, 이 광학 솔루션(optical solution)의 레이저 안전성이 제한되고 작동 허가의 만료로 이어질 수 있다.

위에 언급된 유형의 디퓨저 기기는, 예를 들어 US 2019/0187341 A1에 공지되어 있다. 여기에 설명된 디자인은 투명 기판의 입사면에 복수의 회전 대칭 렌즈를 구비한 제1 렌즈 어레이 및 기판의 반대쪽 출사면에 복수의 회전 대칭 렌즈를 구비한 제2 렌즈 어레이를 포함한다. 확장될 광은 확산 기기의 작동 중에 두 개의 렌즈 어레이를 차례로 통과할 수 있다.

본 발명의 근저에 있는 문제는 통과하는 광을 넓은 각도 범위로 효과적으로 확장할 수 있는 위에서 언급한 유형의 디퓨저 기기를 만드는 것이다. 이러한 디퓨저 기기를 구비한 거리 측정 기기와 이러한 디퓨저 기기를 구비한 LIDAR 장치가 지정되어야 한다.

본 발명은 입사면 및 출사면을 갖는 제1 투명 기판 및 입사면 및 출사면을 갖는 제2 투명 기판을 포함하는 디퓨저 기기를 제공하며, 상기 제1 렌즈 어레이는 상기 제1 기판 상에 배치되고 상기 제2 렌즈 어레이는 상기 제2 기판 상에 배치되거나, 상기 제2 렌즈 어레이는 상기 제1 기판 상에 배치되고 상기 제1 렌즈 어레이는 상기 제2 기판 상에 배치되며, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 서로 이격되어 있고, 특히 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 에어 갭(air gap)이 마련된다. 서로 다른 기판에 두 개의 렌즈 어레이를 형성함으로써, 디퓨저 기기에 의해 생성된 광 분포가 거의 왜곡되지 않도록 보장할 수 있다. 기판은 유리 또는 플라스틱일 수 있거나, 예를 들어, 유리 또는 플라스틱을 포함할 수 있다. 예를 들어, 발생할 수 있는 임의의 왜곡의 유형과 크기는 두 기판 사이의 거리를 적절하게 선택함으로써 영향을 받을 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 발생할 수 있는 왜곡의 유형 및 크기는 두 기판 사이의 거리를 적절하게 선택하는 것보다 시스템의 배치를 적절하게 선택함으로써 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 핀쿠션 왜곡(minimize pincushion)을 최소화하기 위해, 작은 각도의 디퓨저 기판을 먼저 사용한 다음 큰 각도의 확산 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 배럴 왜곡(Barrel distortion)이 있는 패턴을 얻기 위해, 큰 각도의 디퓨저 단면 구조 기판(diffuser single side structured substrate)을 먼저 사용한 다음 작은 각도의 양면 구조 기판을 사용할 수 있다.

상기 제1 렌즈 어레이의 렌즈 및/또는 상기 제2 렌즈 어레이의 렌즈가 원통형 렌즈(cylindrical lens)일 가능성이 있다. 원통형 렌즈 설계로 인해, 확장은 두 가지 다른 방향에 대해 개별적으로 최적화될 수 있다.

상기 제1 렌즈 어레이의 렌즈는 제1 방향으로 연장되는 원통형 축(cylinder axe)을 갖고, 상기 제2 렌즈 어레이의 렌즈는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 연장되는 원통형 축을 갖고, 특히 상기 제1 렌즈 어레이의 렌즈는 상기 제2 방향으로 나란히 배치되고 상기 제2 렌즈 어레이의 렌즈는 상기 제1 첫 번째 방향으로 나란히 배치되는 것을 제공할 수 있다.

제1 어레이와 제2 어레이의 원통형 렌즈의 교차 배치(crossed arrangement)는 두 개의 수직 방향에 대한 확장이 개별적으로 최적화될 수 있도록 한다. 예를 들어, 수평 방향과 수평 방향에 수직인 수직 방향에 대해 다른 확장이 선택될 수 있다.

상기 제1 렌즈 어레이가 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판의 입사면(entrance surface) 또는 출사면(exit surface) 상에 배치될 수 있다. 가능하다. 대안적으로 또는 추가로, 상기 제2 렌즈 어레이가 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판의 입사면 또는 출사면 상에 배치되는 것이 제공될 수 있다.

상기 디퓨저 기기는 제3 렌즈 어레이 및/또는 제4 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 제3 렌즈 어레이 및/또는 상기 제4 렌즈 어레이 또한 상기 제1 기판 및/또는 상기 제2 기판 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 하나의 기판 또는 두 기판이 모두 두 개의 렌즈 어레이를 구비할 수 있다. 렌즈 어레이의 수의 증가는 생성되는 광 분포에 대한 설계 가능성을 높인다.

상기 디퓨저 기기는 상기 제1 기판 및/또는 상기 제2 기판 상에, 특히 상기 제1 기판 및/또는 상기 제2 기판의 출사면 상에 배치되거나, 별개의 제3 기판 상에 배치된 렌즈를 포함하는 것이 제공될 수 있다. 디퓨저 기기를 통과하는 광은 이러한 유형의 렌즈, 예를 들어 확산 렌즈에 의해 추가로 넓어질 수 있다. 추가 렌즈의 대안으로, 대응하는 기능을 가진 추가 렌즈 어레이도 고려할 수 있다.

상기 디퓨저 기기는 상기 디퓨저 기기의 전방에 콜리메이터 렌즈(collimator lens) 또는 콜리메이터 렌즈 어레이를 포함하는 것이 제공될 수 있다. 상기 콜리메이터 렌즈는 또한 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판에 통합되거나 결합될 수 있다.

상기 제1 렌즈 어레이의 렌즈 및/또는 상기 제2 렌즈 어레이의 렌즈는 굴절 렌즈 또는 회절 렌즈 또는 홀로그램 렌즈일 수 있다. 대안적으로, 상기 렌즈들은 경사 는 또한 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lens)일 수 있다.

상기 제1 렌즈 어레이의 렌즈 및/또는 상기 제2 렌즈 어레이의 렌즈는 양의 굴절력 또는 음의 굴절력을 갖는 것이 제공될 수 있다. 또한, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 하나의 렌즈들에 양의 굴절력을 제공하고 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 다른 하나의 렌즈들에 음의 굴절력을 제공할 수 있다.

상기 제1 렌즈 어레이의 렌즈 및/또는 상기 제2 렌즈 어레이의 렌즈는 규칙적으로 또는 불규칙으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 렌즈 어레이 중 하나의 렌즈들은 서로 다른 치수 또는 반경을 가질 수 있다.

상기 제1 렌즈 어레이의 렌즈 및/또는 상기 제2 렌즈 어레이의 렌즈는 비대칭 형상이고, 특히 렌즈들 사이에 부분적으로 계단 모양의 오프셋(step-like offset)이 있는 것이 제공될 수 있다. 비대칭 형상의 센서는 디퓨저 기기를 통과하는 광에 영향을 주어 원거리장 프로파일(far field profile)이 비대칭이 되게 할 수 있다.

렌즈의 비대칭으로 인해, 렌즈의 왼쪽 가장자리는 렌즈의 오른쪽 가장자리와 다른 디자인을 가지므로, 인접한 렌즈 사이에 계단 모양의 오프셋이 적어도 부분적으로 발생할 수 있다. 이 효과를 줄이기 위해, 기판 중 하나의 입사면 상의 렌즈 어레이의 렌즈가 비대칭 형상인 것이 제공될 수 있으며, 여기서 프리즘 또는 하나의 공통 프리즘이 이 기판의 출사면에 배치된다. 이 경우, 렌즈는 왼쪽 및 오른쪽 렌즈 구경(lens aperture) 위치에서 동일한 SAG 값을 가질 수 있어서, 각각의 렌즈에서 인접 렌즈로의 연속적인 이행(continuous transition)이 보장된다. SAG 값은 렌즈 표면의 Sagitta 값 또는 Z 값이라고도 함에 유의해야 한다. 이러한 조치는 인접한 렌즈 사이의 계단 모양의 오프셋을 크게 방지할 수 있다. 렌즈 어레이의 제조는 계단 모양의 오프셋을 크게 회피함으로써 단순화될 수 있다.

대안적으로, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 중 하나의 입사면 상의 렌즈 어레이의 렌즈는 비대칭 형상이고, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 중 상기 하나의 출사면 상에 하나의 공통 프리즘이 배치되는 것이 제공될 수 있다. 이 경우, 인접한 렌즈 사이에 오프셋이 없다.

대안적으로, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 중 하나의 입사면 상의 렌즈 어레이의 렌즈는 대칭 형상이고, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 중 상기 하나의 출사면 상의 렌즈 어레이의 렌즈는 비대칭 형상인 것이 제공될 수 있다. 이 경우, 예비적인 콜리메이션 없이 출사면 상의 렌즈 사이의 계단 모양의 오프셋을 최소화하면서 약 77%의 총 효율을 얻을 수 있다. 이 경우 SAG 값들은 서로 다를 수 있다.

상기 제1 렌즈 어레이의 렌즈의 중심 거리는 상기 제2 렌즈 어레이의 렌즈의 중심 거리와 상이하고, 특히 상기 제1 렌즈 어레이의 렌즈의 중심 거리는 상기 제2 렌즈 어레이의 렌즈의 중심 거리보다 큰 것이 제공될 수 있다.

상기 제1 렌즈 어레이의 렌즈는 상기 제1 렌즈 어레이를 통과하는 광이 상기 제2 방향으로 5° 이상의 각도 범위, 특히 10° 이상의 각도 범위, 바람직하게는, 15°이상의 각도 범위, 예를 들어 약 20°의 각도 범위로 넓어지는 반경을 가질 수 있고/있거나, 상기 제2 렌즈 어레이의 렌즈는 상기 제2 렌즈 어레이를 통과하는 광이 상기 제1 방향으로 50° 이상의 각도 범위, 특히 75° 이상의 각도 범위, 바람직하게는 100° 이상의 각도 범위, 예를 들어 약 120°의 각도 범위로 넓어지는 반경을 가질 수 있다. 예를 들어, 차량의 LIDAR 기기의 수평 방향으로는 120°의 각도 범위가 적합하고, 차량의 LIDAR 기기의 수직 방향으로는 약 20°의 각도 범위가 적합하다.

상기 제1 렌즈 어레이의 렌즈가 1.28mm 미만의 반경, 특히 0.64mm 이하의 반경, 바람직하게는 0.44mm 이하의 반경, 예를 들어 약 0.32mm의 반경을 가질 수 있고, 또는 상기 제2 렌즈 어레이의 렌즈가 0.18 mm 이하의 반경, 특히 0.12 mm 이하의 반경, 바람직하게는 0.09 mm 이하의 반경, 예를 들어 약 0,033 mm의 반경을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 렌즈 어레이는 용융 석영 유리(fused silica glass)로 만들어질 수 있다. 상기 제1 렌즈 어레이의 렌즈는 260μm의 중심 거리 또는 피치 및 -0.7의 원추 상수(conical constant)를 가질 수 있다. 추가로, 상기 제2 렌즈 어레이는 S-TIH53 유리로 만들어질 수 있다. 상기 제2 렌즈 어레이의 렌즈는 200 μm의 중심 거리 또는 피치와 -0.89의 원추 상수를 가질 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 렌즈 어레이의 렌즈의 반경은 상기 제2 렌즈 어레이의 렌즈의 반경보다 2와 20 사이의 계수(factor)만큼 더 크다.

특히, 상기 제1 렌즈 어레이와 상기 제2 렌즈 어레이 사이의 거리는 상기 제2 렌즈 어레이의 렌즈의 초점 길이와 동일하지 않거나 광의 전파 방향으로 상기 제2 렌즈 어레이의 렌즈의 초점 길이와 동일하지 않은 것이 제공될 수 있다.

고정 객체 및 이동 객체의 공간 측정 및 위치결정을 위해, 레이저 광원의 사용은 시간적으로 그리고 공간적으로 분해된 측정을 결합할 수 있다. 레이저 광원, 디퓨저 기기 및 1D 또는 2D 검출기 유닛의 조합은 정의된 시야를 동시에 평가할 수 있다. 디퓨저 기기의 사용은 조명 필드(illumination field)를 검출기 유닛의 시야에 적응시키는 역할을 한다. 시간 분해능(temporal resolution)은 조명 지속기간과 측정 반복의 빈도에 의해 결정된다. 공간 분해능(spatial resolution)은 레이저 광원 및 검출기 유닛까지의 등거리가 시간적으로 분해된 공간 거리 측정을 가능하게 하는 구 세그먼트의 인접 표면의 조명에 의해 결정된다. 디퓨저 기기는 입사 레이저 빔을 조명 필드의 구 세그먼트의 각도 공간 또는 평면 표면으로 변환하거나 검출기 시스템의 수차를 수정하는 각도 또는 공간 광 강도 분포를 생성하고 따라서 검출기 유닛의 시야를 비추는 과제를 갖는다. 다이오드, VCSEL, DPSSL, 광섬유 레이저(fiber laser), 또는 SLD와 같은, 다양한 가능한 레이저 광원은 조명 품질과 각각의 광원의 빔 품질 M² 및 빔 파라미터 곱(beam parameter product, BPP)에 대한 적용 가능성에 의존한다. 임의의 광원을 사용할 수 있도록 하기 위해, 디퓨저 기기의 출사각(exit angle)이 레이저 광원의 발산에 의해 형성되는 입사각(entrance angle)과 레이저 광원의 광축의 가능한 경사각(tilting angle)을 배수로 초과하도록 디퓨저 기기를 설계할 수 있다. 각도 공간(angular space)에 걸쳐 조명 파워(illumination power)의 정의된 분포를 달성하기 위해, 디퓨저 기기의 굴절면(refractive surface)은 구형 또는 원형의 원통형 세그먼트로부터 정의된 편차로 선택될 수 있으며, 결과적으로 각도 공간에 걸쳐 균일한 파워 분포가 되게 한다. 굴절면의 상이한 구경 또는 상이한 중심 거리를 갖는 이러한 유형의 여러 굴절면 조합은 각각, 추가적으로, 상이한 경사각을 갖는 평면파의 중첩으로 인한 회절 패턴 구조로 광의 굴절 편향(refractive deflection)을 상이한 굴절 렌즈 세그먼트에 대해 중첩할 수 있다. 결과적인 광 분포는 광의 파장과 상관관계가 있으며 공간적으로나 시간적으로 안정적이다. 또한, 검출기 유닛 및 교정 절차와 함께, 정의된 매우 낮은 변조 구조를 가져, 유닛의 검출 안정성 및 분해능이 추가로 향상시킨다.

디퓨저 기기는 각도 공간에 동시에 걸쳐 있거나 수평 방향 및 수직 방향으로 각도를 개별적으로 생성하는 하나 이상의 구성요소로 구성될 수 있다. 서로 다른 구경 또는 서로 다른 렌즈의 중심 거리를 가진 굴절 렌즈 어레이의 조합은 각각, 처음으로 큰 조명 각도를 생성하는 동시에 회절력 성분(diffractive power component)을 균일한 조명 및 검출 품질에 건설적으로 중첩시킬 수 있는 가능성을 제공한다. 특히, 굴절률(refractive index) > 1.7인 광학 유리의 추가적인 사용은 발산각 > 100°을 실현 가능성을 연다. 비구면, 특히 원형의 원통형 형상(circular cylindrical shape)에서 벗어난 표면의 사용은 추가로, 큰 각도에서 더 많은 광의 편향 가능성을 제공하여, 검출 유닛이 모든 공간 방향에서 거의 동일한 검출 품질과 분해능을 가능하게 한다.

본 발명은 상기 디퓨저 기기가 본 발명에 따른 디퓨저 기기인 것을 제공한다.

레이저 광을 이용한 동시 공간 거리 측정(TOF LIDAR)은 미래 자율 이동(autonomous mobility)의 필수 구성요소이다. 의사 동시 스캐닝 솔루션(quasi-simultaneous scanning solution)의 사용은 모든 사용자에 의해 임시 솔루션(interim solution)으로만 분류되며 충분한 공간 및 시간 분해능을 제공하지 않는다. 라인(line)의 광학적 또는 기계적 편향은 라인 검출기가 제한된 정도로만 사용될 수 있고 라인 센서에 대한 광 라인(light line) 및 이미징의 중첩이 제한된 분해능을 갖는 제한된 입체각에서만 가능하다는 추가적인 단점이 있다. 제안된 디퓨저 기기는 자동차, 운송, 소비자 ID 및 머신 비전(machine vision) 애플리케이션을 포괄하는 임의의 레이저 광원과 결합될 수 있다.

본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 이하의 설명에 의해 명확하게 나타난다.
도 1은 디퓨저 기기의 측면도이다.
도 2는 도 1에 따른 디퓨저 기기의 평면도이다.
도 3은 도 1에 따른 디퓨저 기기를 통과한 광의 원거리장 분포이다.
도 4는 본 발명에 따른 디퓨저 기기의 제1 실시예의 측면도이다.
도 5는 도 4에 따른 디퓨저 기기의 평면도이다.
도 6은 도 4에 따른 디퓨저 기기를 통과한 광의 원거리장 분포이다.
도 7은 본 발명에 따른 디퓨저 기기의 제2 실시예의 측면도이다.
도 8은 도 7에 따른 디퓨저 기기의 평면도이다.
도 9는 도 7에 따른 디퓨저 기기를 통과한 광의 원거리장 분포이다.
도 10은 본 발명에 따른 디퓨저 기기의 제3 실시예의 측면도이다.
도 11은 도 10에 따른 디퓨저 기기의 평면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 디퓨저 기기의 제4 실시예의 측면도이다.
도 13은 도 12에 따른 디퓨저 기기의 평면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 디퓨저 기기의 제5 실시예의 기판의 측면도이다.
도 15는 본 발명에 따른 디퓨저 기기의 제6 실시예의 기판의 측면도이다.
도 16은 본 발명에 따른 디퓨저 기기의 제7 실시예의 기판의 측면도이다.
도 17은 본 발명에 따른 디퓨저 기기의 제8 실시예의 기판의 측면도이다.
도면에서 동일하거나 기능적으로 동일한 부분에는 동일한 참조 부호가 제공된다. 일부 도면에서는, 더 나은 위치확정(orientation)을 위해 데카르트 좌표계가 그려져 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 디퓨저 기기의 실시예는 입사면(2) 상의 제1 렌즈 어레이(3) 및 입사면(2) 반대편의 출사면(4) 상의 제2 렌즈 어레이(5)를 갖는 투명 기판(1)을 포함한다. 렌즈 어레이(3, 5)의 렌즈(6, 7)는 각각 원통형 렌즈로 설계되어 있다.

제1 렌즈 어레이의 렌즈(6)는 제1 방향(x)으로 연장되는 3개의 원통형 축(cylindrical axe)을 갖고, 제2 렌즈 어레이의 렌즈(7)는 제1 방향(x)에 수직인 제2 방향(y)으로 연장되는 5개의 원통형 축을 갖는다. 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6)는 제2 방향(y)으로 서로 인접하게 배치되고(도 1 참조), 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)는 제1 방향(x)으로 서로 인접하게 배치된다(도 2 참조).

입사면(2)과 출사면(4)은 제1 방향(x) 및 제2 방향(y)에 수직인 제3 방ㅎ향(z)으로 서로 대향하고 있다. 디퓨저 기기를 사용하는 위치에서, 광은 z 방향으로 기판(1)을 통과한다.

제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6) 및 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)는 오목 원통형 렌즈(concave cylindrical lens)이다. 제1 렌즈 어레이(3) 및/또는 제2 렌즈 어레이(5)에 오목 렌즈 대신 볼록 렌즈를 사용하는 것이 가능하다.

제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6) 및 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)는 비구면이므로, 원형의 원통형 형상에서 벗어나 있다.

제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6)는 제1 렌즈 어레이(3)를 통과한 광이, 예를 들어 약 20°의 제1 각도 범위(8)로 제2 방향으로 넓어지는 반경을 갖는다(도 3의 원거리장 참조).

또한, 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)는 제2 렌즈 어레이(5)를 통과한 광이, 예를 들어 약 120°의 각도 범위(9)로 제1 방향으로 넓어지는 반경을 갖는다(도 3의 원거리장 참조). 예를 들어 반경은 약 0.033mm일 수 있다. 또한, 렌즈의 비구면 형성(aspheric formation) 크기의 척도인 원추 상수는 0.89의 크기를 가질 수 있다.

이러한 광 분포(light distribution)는 약 120°의 각도 범위(9)가 광 분포의 수평 방향에 대응할 수 있고 약 20°의 각 범위(8)가 광 분포의 수직 방향에 대응할 수 있는 LIDAR 기기에 유리하게 사용될 수 있다.

특히, 제1 렌즈 어레이(3)와 제2 렌즈 어레이(5) 사이의 z 방향 거리는 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)의 초점 거리와 동일하지 않은 것이 제공될 수 있다.

또한, y 방향에서 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6)의 폭은 x 방향에서 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)의 폭보다 크다. 따라서, y 방향의 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6)의 중심 거리는 x 방향의 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)의 중심 거리보다 크다.

제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6) 및 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)는 굴절 렌즈로서 도면에 도시되어 있다. 그러나 회절 요소, 반사 요소 또는 홀로그램 요소와 같은, 다른 광학 요소가 굴절 렌즈 대신 원통형 렌즈로서 사용될 가능성이 있다. 대안적으로, 렌즈는 또한 굴절률 분포형 렌즈일 수 있다.

디퓨저 기기는 레이저 광원 또는 LED 광원으로부터 광을 공급받을 수 있다. M²가 약 3보다 큰 다중 모드(multi-mode) 레이저 광원 또는 소형 모드(small mode) 레이저 광원이 이러한 예이다. 단일 모드(single-mode) 레이저 광원의 경우, 원거리장에서 연속 분포가 발생하지 않지만, 다수의 점 강도 분포(point intensity distribution)가 발생한다.

도 3은 디퓨저 기기에 의해 방출된 광의 원거리장이 비교적 강한 쿠션 왜곡을 나타냄을 보여준다.

원거리장에서 더 적은 왜곡을 생성하기 위해, 2개의 개별 기판(10, 11)이 도 4 및 도 5에 따른 실시예에 제공되며, 이들은 에어 갭(12)에 의해 서로 분리된다. 에어 갭(12)은 기판(10, 11)을 z 방향에서 서로 분리한다.

도 4에 따른 실시예에서, 제1 렌즈 어레이(3)는 제1 기판(10)의 입사면(2) 상에 배치되고, 원통형 렌즈로서 설계된 렌즈(6)를 갖는다. 또한, 제2 렌즈 어레이(5)는 제2 기판(11)의 입사면(2) 상에 배치되고, 원통형 렌즈로서 설계된 렌즈(7)를 갖는다.

도 4에 따른 실시예의 렌즈(6, 7)는 도 1에 따른 실시예의 렌즈(6, 7)처럼 설계될 수 있다.

특히, 제1 렌즈 어레이의 렌즈(6)는 제1 방향(x)으로 연장되는 3개의 원통형 축을 갖고, 제2 렌즈 어레이의 렌즈(7)는 제2 방향(y)으로 연장되는 5개의 원통형 축을 갖는다. 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6)는 제2 방향(y)으로 서로 인접하게 배치되고(도 4 참조), 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)는 제1 방향(x)으로 서로 인접하게 배치된다(도 5 참조).

또한, 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6)는 제1 렌즈 어레이(3)를 통과하는 광이, 예를 들어 약 20°의 각도 범위(8)로 제2 방향(y)으로 확장되는 반경을 갖는다(도 6의 원거리장 참조).

또한, 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)는 제2 렌즈 어레이(5)를 통과한 광이 예를 들어 약 120°의 각도 범위(9)로 제1 방향(x)으로 확장되는 반경을 갖는다(도 9의 원거리장 참조). 예를 들어, 반경은 약 0.033mm일 수 있다. 또한, 렌즈의 비구면 형성 크기의 척도인 원추상수는 0.89의 크기를 가질 수 있다.

도 6은 도 4 및 도 5에 따른 디퓨저 기기에 의해 방출된 광의 원거리장이 비교적 낮은 쿠션 왜곡만을 보임으로써, 큐션 왜곡의 감소가 또한 렌즈 어레이(3. 5)용의 두 개의 기판을 사용함으로써 야기됨을 보여준다.

도 4에 따른 실시예와 대조적으로, 도 7 및 도 8에 따른 실시예는 2개의 렌즈 어레이(3, 5)에 더하여 제3 렌즈 어레이(13)를 제공하며, 이는 도 4의 출사면(4) 상에 배열된다. 제3 렌즈 어레이(13)는 제1 렌즈 어레이(3)와 마찬가지로 원통형 렌즈로 설계된 14개의 볼록 렌즈를 갖는다.

이 시점에서 모든 렌즈 어레이 3, 5, 13은 오목 렌즈 또는 볼록 렌즈(6, 7, 14)를 가질 수 있다.

도 9는 도 7 및 도 8에 따른 디퓨저 기기로부터 방사되는 광의 원거리장이 비교적 낮은 톤 왜곡(ton distortion)을 보인다는 것을 도시한다. 특히, 왜곡의 유형과 크기는 제1 기판(10)과 제2 기판(11) 사이의 적절한 거리 선택에 의해 영향을 받을 수 있다.

제1 기판(10) 상의 제1 렌즈 어레이(3) 및 제3 렌즈 어레이(13)에 더하여, 두 개의 렌즈 어레이, 즉 입사면(2)에 도시된 제2 렌즈 어레이(5) 및 제2 기판(11)의 출사면(4) 상에 도시되지 않은 제4 렌즈 어레이도 제공될 수 있다. 대안적으로, 2개의 렌즈 어레이가 제2 기판(11) 상에 제공되고 단 하나의 렌즈 어레이가 제1 기판(10) 상에 제공될 수도 있다.

도 10 및 도 11에 따른 제3 실시예는 도 7 및 도 8에 따른 제2 실시예와 유사하다. 다만, 제3 실시예에서, 제2 렌즈 어레이(5)를 통과하는 광을, 예를 들어, 대략 120°의 각도 범위(9)로 제2 방향(y)으로 확장하는 반경을 갖는 렌즈(7)를 구비한 제2 렌즈 어레이(50)가 도 10 및 도 11에서 각각 z 방향에 남아 있는 제1 기판(10)의 입사면 상에 제공된다.

또한, 제3 실시예에서, 렌즈(6)를 구비한 제1 렌즈 어레이(3)는 제2 기판(11)의 입사면(2) 상에 제공되고, 렌즈(14)를 구비한 제3 렌즈 어레이(13)는 제2 기판(11)의 출사면(4) 상에 제공된다. 렌즈(6, 14)는 제1 방향(x)으로 제1 렌즈 어레이(3) 및 제3 렌즈 어레이(13)를 통과하는 광을, 예를 들어 약 20°의 각도 범위(9)로 확장하는 반경을 갖는다.

또한, 디퓨저 기기의 이러한 실시예의 경우, 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6)의 초점 길이 또는 반경과 함께 제1 기판(10)과 제2(11) 사이의 거리 및 제3 렌즈 어레이(13)의 렌즈(14)의 초점 길이 또는 반경의 선택이 왜곡의 유형 및 크기에 영향을 미칠 수 있다.

도 12 및 도 13에 따른 제4 실시예는 도 4 및 도 5에 따른 제1 실시예와 유사하지만, 제4 실시예는 z 방향으로 도 12 및 도 13의 오른쪽에 각각, 제2 기판(11)의 출사면 상에 큰 원통형 렌즈(15)를 갖는다. 큰 원통형 렌즈(15)는 원통형 축이 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)와 마찬가지로 제2 방향(y)으로 연장되는 오목 원통형 렌즈로 설계된다.

큰 원통형 렌즈(15) 대신에, 작은 원통형 렌즈를 갖는 콜리메이팅 렌즈 어레이가 사용될 수도 있다(도시되지 않음).

도 12 및 도 13에 도시된 설계에서, 대형 원통형 렌즈(15)는 제2 기판(11)에 통합되거나 그 출사면(4) 상에 배치된다. 다만, 큰 원통형 렌즈(15)가 형성되어 있는 (도시되지 않은) 제3 기판이 또한 제공될 수 있다. 이 제3 기판은 그 다음에 특히 제2 기판(11) 뒤에 z 방향으로 또는 도 12 및 도 13에서 제2 기판(11)의 오른쪽에 배치된다.

도 14에 도시된 디퓨저 기기의 실시예는 입사면(2) 상의 제1 렌즈 어레이(3) 및 입사면(2) 반대편의 출사면(4) 상의 제3 렌즈 어레이(13)를 갖는 투명 기판을 포함한다. 제1 렌즈 어레이(3)와 제3 렌즈 어레이(13)는 각각 원통형 렌즈로 설계된다. 디퓨저 기기는 기판의 입사면(2)에 통합되는 콜리메이터 렌즈를 포함한다.

도 15에 도시된 디퓨저 기기의 실시예는 입사면(2) 상에 제1 렌즈 어레이(3)를 갖는 투명 기판을 포함한다. 기판의 입사면(2) 상의 렌즈 어레이(3)의 렌즈는 비대칭 형상이고 하나의 공통 프리즘(16)이 이 기판의 입사면(2) 상에 배치된다. 이 경우, 인접한 렌즈(6) 사이에는 오프셋이 없다.

도 16에 도시된 디퓨저 기기의 실시예는 입사면(2) 상에 제1 렌즈 어레이(3)를 갖는 투명 기판을 포함한다. 이 기판의 입사면(2) 상의 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6)는 비대칭 형상이고, 여기서 하나의 공통 프리즘(16)이 기판의 출사면(4) 상에 배치된다. 이 경우에, 렌즈(6)는 좌측 및 우측 렌즈 구경 위치에서 동일한 SAG 값을 갖는다.

도 17에 도시된 디퓨저 기기의 실시예는 입사면(2) 상에 제1 렌즈 어레이(3)를 갖는 투명 기판을 포함한다. 이 기판의 입사면(2) 상의 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6)는 비대칭 형상이고, 여기서 프리즘(18)의 어레이(17)가 이 기판의 출사면(4) 상에 배치된다. 이 경우에, 렌즈(6)는 좌측 및 우측 렌즈 구경 위치에서 동일한 SAG 값을 갖는다.

Claims

디퓨저 기기가 작동하는 동안 광이 연속적으로 통과하는 복수의 원통형 렌즈(6)를 갖는 제1 렌즈 어레이(3) 및 복수의 원통형 렌즈(7)를 갖는 제2 렌즈 어레이(5)를 포함하고, 상기 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6)는 제1 방향(x)으로 연장되는 원통형 축을 갖고, 상기 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)는 상기 제1 방향(x)에 수직인 제2 방향(y)으로 연장되는 원통형 축을 갖고, 상기 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6) 및/또는 상기 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)는 비구면이어서, 원형의 원통형 형상에서 벗어나고, 상기 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)는 상기 제2 렌즈 어레이(5)를 통과한 광이 상기 제1 방향(x)으로 100° 이상의 각도 범위(9)로 넓어지도록 하는 반경을 갖는, 디퓨저 기기로서,
입사면(2) 및 출사면(4)을 갖는 제1 투명 기판(10) 및 입사면(2) 및 출사면(4)을 갖는 제2 투명 기판(11)을 포함하고,
상기 제1 렌즈 어레이(3)는 상기 제1 기판(10) 상에 배치되고 상기 제2 렌즈 어레이(5)는 상기 제2 기판(11) 상에 배치되거나, 상기 제2 렌즈 어레이(5)는 상기 제1 기판(10) 상에 배치되고 상기 제1 렌즈 어레이(3)는 상기 제2 기판(11) 상에 배치되며,
상기 제1 기판(10)과 상기 제2 기판(11)은 서로 이격되어 있고, 특히 상기 제1 기판(10)과 상기 제2 기판(11) 사이에 에어 갭(12)이 마련되는,
디퓨저 기기.
제1항에 있어서,
상기 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6)는 상기 제2 방향(y)으로 나란히 배치되고 상기 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)는 상기 제1 첫 번째 방향(x)으로 나란히 배치되는, 디퓨저 기기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 렌즈 어레이(3)가 상기 제1 기판(10) 또는 상기 제2 기판(11)의 입사면(2) 또는 출사면(4) 상에 배치되거나, 상기 제2 렌즈 어레이(5)가 상기 제1 기판(10) 또는 상기 제2 기판(11)의 입사면(2) 또는 출사면(4) 상에 배치되는, 디퓨저 기기
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 디퓨저 기기는 제3 렌즈 어레이(13) 및/또는 제4 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 제3 렌즈 어레이(13) 및/또는 상기 제4 렌즈 어레이 또한 상기 제1 기판(10) 및/또는 상기 제2 기판(11) 상에 배치되는, 디퓨저 기기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 디퓨저 기기는 상기 제1 기판(10) 및/또는 상기 제2 기판(11) 상에, 특히 상기 제1 기판(10) 및/또는 상기 제2 기판(11)의 출사면(4) 상에 배치되거나 별개의 제3 기판 상에 배치된 렌즈(15)를 포함하는, 디퓨저 기기.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6) 및/또는 상기 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)는 굴절 렌즈 또는 회절 렌즈 또는 홀로그램 렌즈인, 디퓨저 기기.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6) 및/또는 상기 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)는 규칙적으로 또는 불규칙으로 배치되는, 디퓨저 기기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6) 및/또는 상기 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)는 비대칭 형상이고, 특히 렌즈들 사이에 부분적으로 계단 모양의 오프셋이 있는, 디퓨저 기기.
제8항에 있어서,
상기 제1 기판(10)과 상기 제2 기판(11) 중 하나의 입사면(2) 상의 렌즈 어레이의 렌즈는 비대칭 형상이고, 상기 제1 기판(10)과 상기 제2 기판(11) 중 상기 하나의 출사면(4) 상에 프리즘(18) 또는 하나의 공통 프리즘(16)이 배치되거나;
상기 제1 기판(10)과 상기 제2 기판(11) 중 하나의 입사면(2) 상의 렌즈 어레이의 렌즈는 대칭 형상이고, 상기 제1 기판(10)과 상기 제2 기판(11) 중 상기 하나의 출사면(4) 상의 렌즈 어레이의 렌즈는 비대칭 형상인, 디퓨저 기기.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 제1 기판(10)과 상기 제2 기판(11) 중 하나의 입사면(2) 상의 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6)는 비대칭 형상이고,
상기 제1 기판(10)과 상기 제2 기판(11) 중 상기 하나의 입사면(2) 상에 하나의 공통 프리즘(16)이 배치되는, 디퓨저 기기.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6)의 중심 거리는 상기 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)의 중심 거리와 상이하고, 특히 상기 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6)의 중심 거리는 상기 제2 렌즈 어레이(5)의 렌즈(7)의 중심 거리보다 큰, 디퓨저 기기
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 렌즈 어레이(3)의 렌즈(6)는 상기 제1 렌즈 어레이(3)를 통과하는 광이 상기 제2 방향(y)으로 약 120°의 각도 범위(8)로 넓어지도록 하는 반경을 갖는, 디퓨저 기기.
광원 및 상기 광원으로부터 방사되는 광을 넓히는 디퓨저 기기를 포함하는 거리 측정 기기로서,
상기 디퓨저 기기는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 디퓨저 기기인,
거리 측정 기기.
광원 및 상기 광원으로부터 방사되는 광을 넓히는 디퓨저 기기를 포함하는 LIDAR 기기로서,
상기 디퓨저 기기는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 디퓨저 기기인,
LIDAR 기기.