TWI766868B - 照明器 - Google Patents

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TWI766868B TW106117116A TW106117116A TWI766868B TW I766868 B TWI766868 B TW I766868B TW 106117116 A TW106117116 A TW 106117116A TW 106117116 A TW106117116 A TW 106117116A TW I766868 B TWI766868 B TW I766868B
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Abstract

本發明係關於一種微透鏡陣列擴散器，其係可操作以產生一實質上漫射照明，該微透鏡陣列擴散器包含微透鏡之一陣列，其中微透鏡之各者具有一各別週期性影響特性及一各別表面輪廓。微透鏡之該陣列包含至少兩個具有彼此不同之各別週期性影響特性及具有彼此不同之各別表面輪廓的微透鏡。各表面輪廓經組態以產生一實質上相等照明場。該微透鏡陣列擴散器可被整合為可操作以產生實質上漫射照明之一照明器的部分。

Description

照明器
本發明係關於微透鏡陣列擴散器。
光電模組(諸如光學測距系統及近接感測器)通常經組態以使用漫射照明操作。此等光電模組可包含一照明器模組，其可操作以在一特定照明場(FOI)上方之一場景中產生一漫射照明，及一光敏組件，其可操作以在一特定視場(FOV)上方收集光。在通常操作中，由光敏組件收集之光之一實質部分來源於已自場景中之物件反射之漫射照明。在一些例項中，經收集光之一部分可歸因於背景光。一照明器可包含一擴散器(例如，一光學元件或系列光學元件)及一光產生組件(例如，LED、VCSEL，或LED之陣列或VCSEL之陣列)，可共同操作以產生漫射照明。
照明器可(例如，經由擴散器)經調適以產生具有允許光電模組之最佳效能之特定特性之一漫射照明。此等特性可包含：1)於一特定FOI之漫射照明內之光分佈或角度分佈(例如，空間功率分佈、輻射強度)；2)空間中漫射照明之終止(即，邊緣特性)；及3)在漫射照明內之高頻分量(即，其等存在或不存在)。
一些照明器係可操作以產生具有一實質上均勻光分佈(例如，一均勻空間功率分佈、輻射強度)之一漫射照明。其他照明器係可操作以產生具 有一逐漸改變光分佈(例如，一線性改變空間功率分佈、輻射強度)之一漫射照明。具有靠近其等邊緣之較高功率之一漫射照明可在一些應用中提供一優勢。可操作以在一特定FOI上方產生一均勻光分佈或逐漸改變之光分佈的照明器可促進(例如)接近度及/或距離測距應用。
一些照明器係可操作以產生具有特定高對比邊緣之一漫射照明，以有效利用光。例如，由於光學測距系統及接近度感測器之光敏組件在一特定FOV上方收集光，故漫射照明僅需延伸在此FOV上方。在一些例項中，當FOV大於FOI時，背景光可由光敏組件收集，藉此混淆接近度及/或距離感測功能。而在其他例項中，當FOV小於FOI時，落在FOV之外部的光被浪費。因此，一特定有效組態利用經匹配FOI及FOV，其中漫射照明突然終止於高對比邊緣，藉此允許資源(諸如用於驅動光產生組件之電功率)之有效使用。
除以上特性以外，一些照明器產生具有高頻分量之一漫射照明。高頻分量可源自繞射假影及/或干擾假影。一般而言，高頻分量或熱點導致被浪費之資源(諸如電功率)。在一些情況中，其等可不利地影響旨在用於漫射照明之特定應用(例如，接近度、距離測距)的精確度及/或準確度。
一些照明器可包含由一簡單漫射表面(例如，經噴砂表面)組成之一擴散器。此一照明器可產生具有一逐漸改變光分佈(例如，空間功率分佈、輻射強度)之一漫射照明；然而，照明通常將不終止於高對比邊緣(例如，照明可具有實質上高斯(Gaussian)特性)。此外，此一擴散器將展現特定高反向散射(即，在擴散器上之一些入射光將不促成漫射照明)，導致減少可操作效率。
一些照明器包含由一微透鏡陣列組成之一擴散器。一微透鏡陣列擴 散器可克服上文描述之擴散器的一些限制。例如，在微透鏡陣列擴散器內之微透鏡之各者的輪廓可經組態以產生一精確地受控光分佈，且可經組態以產生具有高對比邊緣之一照明。然而，此一微透鏡陣列擴散器可展現重要繞射假影及干擾假影，從而導致非最佳效能。一般而言，由於微透鏡之相對小淨孔徑尺寸，而自微透鏡陣列擴散器內(例如，在微透鏡之各者之邊緣)之微透鏡之各者產生繞射假影。此外，干擾假影(一般而言)係自此一微透鏡陣列擴散器內之微透鏡的週期性配置產生。
因此，可期望達成一照明器，其係可操作以產生具有以下特性之一漫射照明：1)在一特定FOI上方之一均勻光分佈或逐漸改變光分佈，2)高對比邊緣，及/或3)最小高頻分量。
此發明描述微透鏡陣列擴散器，其係可操作以在一特定FOI上方產生具有均勻光分佈或逐漸改變光分佈之漫射照明。此發明亦描述微透鏡陣列擴散器，其係可操作以產生終止於高對比邊緣之漫射照明。此外，此發明描述微透鏡陣列擴散器，其係可操作以產生具有最小誤差高頻分量之漫射照明。更進一步，此發明描述併入此等微透鏡陣列擴散器之照明器。
在一個態樣中(例如)一微透鏡陣列擴散器包含：微透鏡之一陣列，其中在該微透鏡陣列內之微透鏡之各者具有一週期性影響特性及一表面輪廓。微透鏡之該陣列包含至少兩個微透鏡，該等微透鏡具有不同各別週期性影響特性(諸如(例如)不同微透鏡高度、微透鏡淨孔徑尺寸、微透鏡淨孔徑形狀及/或微透鏡位置)。此外，具有不同各別週期性影響特性之該等至少兩個微透鏡進一步具有不同各別表面輪廓。(然而)該等不同各別表面輪廓之各者係可操作以產生實質上相同照明場。
在一些實施方案中，微透鏡陣列擴散器係可操作以產生終止於實質上高對比邊緣之一實質上漫射照明。
自以下實施方式、隨附圖式及申請專利範圍，將明白其他態樣、特徵及優勢。
100:微透鏡陣列擴散器
101:微透鏡
103:淨孔徑尺寸
105:淨孔徑形狀
107:微透鏡高度
109:表面輪廓
200:照明器
201:光產生組件
203:光
圖1A、圖1B及圖1C繪示一微透鏡陣列擴散器之一實例。
圖2繪示包含一微透鏡陣列擴散器之一照明器之一實例。
在圖1A、圖1B及圖1C中描繪一微透鏡陣列擴散器之一實例，其係可操作以產生一實質上漫射照明。圖1A描繪包含100個至1000個微透鏡之一例示性微透鏡陣列擴散器之一概述。圖1B描繪在圖1A中描繪之微透鏡陣列擴散器之一部分之一放大。圖1C描繪在圖1A中描繪之微透鏡陣列擴散器之一部分之一三維輪廓。
在圖1A至圖1C中描繪之微透鏡陣列擴散器100可具有(例如)小於1mm2至若干mm2至上百mm2(例如，1mm x 1mm、2mm x 2mm或甚至10mm X 10mm)之一微透鏡陣列擴散器淨孔徑尺寸。其他微透鏡陣列擴散器淨孔徑尺寸可適用於一些實施方案。微透鏡陣列擴散器100包含微透鏡101之一陣列。在微透鏡陣列擴散器100內之微透鏡101之各者具有一週期性影響特性。週期性影響特性之實例包含微透鏡陣列內之淨孔徑尺寸103、孔徑形狀105、微透鏡高度107及微透鏡位置(例如，微透鏡之週期性、僞隨機或隨機(例如，非週期性)定位)。在一些例項中，微透鏡101可具有其他週期性影響特性。在微透鏡陣列擴散器100內之微透鏡101之各者之特徵進一步為一各別表面輪廓109。在此實例中，微透鏡101為自由 形式透鏡，其中微透鏡之各者之表面輪廓109可不同於其他微透鏡之一個表面輪廓(倘若微透鏡之淨孔徑尺寸、形狀、及/或高度亦不同)。
在圖1A至圖1C中描繪之實例實施方案中，微透鏡陣列擴散器100內之微透鏡101之各者之高度107可由居中於透鏡之各者之一雙變數x、y多項式描述；即，微透鏡之各者之x、y座標在微透鏡陣列擴散器100內居中於微透鏡之各者上：
Figure 106117116-A0305-02-0007-1
 其中H係微透鏡陣列擴散器100內之微透鏡101之各者之高度(在此實例中H=0係最深透鏡之高度)；Cp,q係雙變數係數；且xp,q及yp,q係透鏡之各者p,q之座標。在此實例中，歸因於對稱性而僅使用沿著x、y之多項式之偶數度數。表1繪示微透鏡陣列擴散器100內之二十個透鏡之實例雙變數係數及沿著x、y之多項式之透鏡之各者(p,q)之座標。此發明不限於表1中揭示之高度，且在一些情況中，高度107可在從10μm之一最小值至100μm或更大之範圍中。
Figure 106117116-A0305-02-0007-12
 表1
Figure 106117116-A0305-02-0008-5
Figure 106117116-A0305-02-0008-6
在所繪示實例中，微透鏡101之各者之淨孔徑形狀係矩形；然而，形狀可在一些實施方案中使用。淨孔徑形狀105可為(例如)矩形(如在圖1A至圖1C中描繪)、方形、圓形對稱或此等或其他幾何形狀之一組合。在表2中繪示淨孔徑尺寸之實例(即，定義各別淨孔徑尺寸)；其他淨孔徑尺寸可應用於一些實施方案。例如，在一些例項中，淨孔徑尺寸可經改變使得淨孔徑尺寸103可在從30μm高至80μm或甚至100μm之範圍中。
Figure 106117116-A0305-02-0009-7
此外，在表3A及表3B中繪示此實例中之二十個透鏡之x座標之一組，且在表3C及表3D中繪示相同二十個透鏡之對應y座標之一組。x、y座標兩者係以毫米(mm)給出。在表3A至表3D中給出之x、y座標係微透鏡位置之實例；其他微透鏡位置可應用於其他實施方案。例如，在一些實施方案中座標可經指派至微透鏡101之各者使得微透鏡被週期性、僞隨機或隨機配置。
Figure 106117116-A0305-02-0009-13
Figure 106117116-A0305-02-0009-9
 表3B
Figure 106117116-A0305-02-0010-10
Figure 106117116-A0305-02-0010-11
根據一些實施方案，微透鏡陣列擴散器係可操作以產生實質上漫射照明，且具有具不同週期性影響特性及不同各別表面輪廓之至少兩個微透鏡(諸如在圖1A至圖1C中描繪之微透鏡陣列擴散器100)。不同週期性影響特性可經選擇(在一些情況中)以最小化經產生漫射照明中之干擾假影。在一些情況中，不同週期性影響特性可經選擇以增加或最大化經產生漫射照明中繞射假影之重疊。更進一步，不同週期性影響特性可經選擇以減少或最小化干擾假影及亦增加或最大化繞射假影之重疊。
較佳地，微透鏡週期性影響特性及表面輪廓係可操作以產生具有一均勻光分佈或逐漸改變光分佈之一實質上漫射照明。在一些實施方案中，光分佈係一線性改變空間功率分佈或輻射強度。在其他實施方案中，光分佈之特徵為在一平面上垂直於微透鏡陣列擴散器之一光學軸之一恆定輻照度；即，輻射強度可遵循1/cos3(θ)，其中θ係角度分佈之一角度。仍在其 他實施方案中，光分佈之特徵為在一平面上垂直於微透鏡陣列擴散器之一光學軸之一恆定輻射強度；即，輻照度可遵循cos3(θ)，其中θ係角度分佈之一角度。較佳地，微透鏡週期性影響特性及表面輪廓係可操作以產生終止於高對比邊緣之一實質上漫射照明。
在所繪示實例中，於微透鏡陣列擴散器100內之微透鏡101之各者係可操作以產生一100° x 70°矩形照明場；然而，在一些實施方案中，微透鏡陣列擴散器係可操作以產生其他照明場。例如，在一些例項中，微透鏡陣列擴散器係可操作以產生70° x 50°之一照明場，而在其他例項中，微透鏡陣列擴散器係可操作以產生高達120°或甚至130°之一照明場。在一些實施方案中，在微透鏡陣列擴散器100內之微透鏡101之各者係可操作以產生具有4：3、16：9或甚至100：1之一縱橫比之一照明場之照明。在一些例項中，照明場可具有其他縱橫比。
一微透鏡陣列擴散器(諸如上文描述之微透鏡陣列擴散器)可被併入(例如)如圖2中描繪之一照明器200。照明器200包含一光產生組件201及一擴散器100。光產生組件201可包含(例如)一發光二極體(LED)、一超輻射二極體(SLED)，或一雷射二極體(諸如一邊緣發射雷射或垂直腔面發射雷射(VCSEL))。在其他實施方案中，光產生組件201可包含發光二極體及/或雷射二極體之一陣列。例如，光產生組件201可包含離散光產生組件(例如，LED、SLED或VCSEL)之一2 x 2陣列，或可包含數十、數百或數千離散光產生組件(例如，LED、SLED或VCSEL)。光產生組件201係可操作以產生適合一特定應用之任何波長或波長之範圍的光203。
在圖1A至圖1C之所繪示實例中，850nm之一波長用於判定上文揭示之特定參數；然而，其他波長或波長之範圍可適用於一些實施方案。例 如，在一些例項中，漫射照明將無法被人類觀看者看見，因此，在此例項中，波長之範圍可對應於近紅外光及/或紅外光。在一些例項中，光產生組件201係可操作以產生具有850nm或940nm之一波長之光203。仍在一些例項中，其他波長可適用。在一些實施方案中，光產生組件係可操作以產生諸如可用於飛行時間應用之脈衝光或調變光(例如，頻域調變光)。
在實際實施方案中，一些殘餘高頻分量仍可存在。然而，此處描述之微透鏡陣列擴散器仍係可操作以產生具有實質上高對比邊緣及實質上均勻功率(其對於特定應用係足夠)之實質上漫射照明。
在此發明之精神內，可作出各種修改。相應地，其他實施方案係在申請專利範圍之範疇內。
100:微透鏡陣列擴散器
200:照明器
201:光產生組件
203:光

Claims (12)

  1. 一種照明器，其係可操作以產生一實質上漫射照明，該照明器包括：一或多個相應的光產生組件，其中該一或多個相應的光產生組件的一者包含一發光二極體、一雷射二極體、發光二極體之一陣列，或雷射二極體之一陣列之至少一者；及一微透鏡陣列擴散器，其係可操作以產生一實質上漫射照明，該微透鏡陣列擴散器包括：微透鏡之一陣列，微透鏡之各者具有一各別週期性影響特性及一各別表面輪廓；微透鏡之該陣列包含至少兩個微透鏡，該等微透鏡具有彼此不同之各別週期性影響特性；及其等各別週期性影響特性彼此不同之該等至少兩個微透鏡進一步具有彼此不同之各別表面輪廓；其中各表面輪廓經組態以產生一相同照明場。
  2. 如請求項1之照明器，其中該微透鏡陣列擴散器係可操作以產生終止於實質上高對比邊緣之實質上漫射照明。
  3. 如請求項1之照明器，其中該週期性影響特性包含一微透鏡高度、一微透鏡淨孔徑尺寸、一微透鏡淨孔徑形狀，或一微透鏡位置之至少一者。
  4. 如請求項1之照明器，其中其等各別週期性影響特性彼此不同之該等至少兩個微透鏡之該等各別表面輪廓係可操作以將繞射假影引導至該實質上漫射照明內之實質上相鄰區域，使得該等繞射假影之各別邊緣部分實質上重疊，以形成具有實質上均勻功率之一漫射照明。
  5. 如請求項1之照明器，其中該等至少兩個微透鏡之該等各別週期性影響特性係可操作以減少在該實質上漫射照明內之干擾假影。
  6. 如請求項1之照明器，其中該等至少兩個微透鏡之該等各別週期性影響特性係可操作以產生具有一實質上均勻光分佈之一漫射照明。
  7. 如請求項1之照明器，其中該等至少兩個微透鏡之該等各別週期性影響特性係可操作以產生具有一實質上線性光分佈之一漫射照明。
  8. 如請求項1之照明器，其中該等至少兩個微透鏡之該等各別週期性影響特性係可操作以產生具有較少高頻分量之一漫射照明。
  9. 如請求項1之照明器，其中其等各別週期性影響特性彼此不同且具有彼此不同之各別表面輪廓之該等至少兩個微透鏡係在該微透鏡陣列內之一非週期性配置中。
  10. 如請求項1至9之任一項之照明器，其中在該微透鏡陣列中之至少一個微透鏡係矩形。
  11. 如請求項1至9之任一項之照明器，其中該光產生組件係可操作以產生光之紅外光波長。
  12. 如請求項1至9之任一項之照明器，其中該光產生組件經安裝至一基板，且該微透鏡陣列擴散器係藉由一間隔件安裝至該基板。
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