TWI785400B - 光源、感測器及照明場景的方法 - Google Patents

光源、感測器及照明場景的方法 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一種光源，其包括垂直腔面射型雷射(VCSEL，Surface Emitting Laser) (22)的陣列(20)。該陣列(20)包括至少兩子陣列(24)。每一子陣列(24)包括至少一VCSEL (22)。該等子陣列(24)沿著一第一軸線(y)彼此移位。該等子陣列(24)構造成獨立於其他子陣列或多個子陣列(24)的光發射之外單獨發光。該光源包括一構造為單個光學元件的光學構件(26)。該光學構件構造成將由該等子陣列(24)發射的光轉換成目標區域(16)中實質平行照明線(14)。該等照明線沿第一軸線(y)配置。每條照明線(14)具有在第一軸線(y)方向上的寬度和在垂直於所述第一軸線(y)的第二軸線(x)方向上的長度，其中寬度小於長度。

Description

光源、感測器及照明場景的方法
本發明係關於一種包括垂直腔面射型雷射(VCSEL)當成發光元件之光源。本發明更關於一種具有光源的感測器。本發明又更關於一種特別用於感測應用的照明場景之方法。
包括VCSEL陣列的光源可用來當成照明裝置，例如用於紅外照明。運用短脈衝，VCSEL陣列可套用於時差測距(Time-of-flight)應用的感測器中。此應用包括例如可攜式裝置的近距離手勢辨識和3D空間辨識。現階段，設想VCSEL陣列的面積約為1 mm2 ，輸出功率在1-10 W範圍內。照明的特定視野可通過感測器的應用來定義，例如觀察70°x50°視野的時差測距攝影機。對於標準時差測距攝影機而言，期望具有快速脈衝圖案的均勻照明。先進的時差測距方法可另使用可定址照明區域，以提供更高的峰值功率並降低信號讀取的功率消耗。這允許例如相較於標準方法而有較佳的距離測量精度或較長的範圍。目前，尚無使用簡單低成本光學裝置和較小建構高度就可建立均勻、可單獨定址區域的光源。相反，先前技術光源將需要複雜、龐大的光學裝置及/或可動部件，例如MEMS反射鏡。
US專利公開第2018/0143012號揭示一種裝置，其具有用於分別掃掠角度範圍的可單獨定址發光元件之彎曲陣列。該裝置亦包括與發光元件的彎曲陣列同心之彎曲光學元件。彎曲光學元件配置成使從每個可單獨定址發光元件發射的光聚焦，以產生基本線性的照明圖案。
US專利公開第2018/0288388 A1號揭示一種投影機，用於在影像感測器FOV內的場景上遞增投影點或光斑圖案。
本發明之一目的為提供一種光源，通過該光源可產生均勻、可單獨定址的照明區域。
本發明之另一目的為提供一種光源，該光源成本低廉並且具有小的建構高度，並且具有不笨重且不需要可動部件的簡單光學裝置。
本發明之另一目的為提供一種具有光源的感測器。
本發明之另一目的為提供一種照明場景的方法。
根據一第一態樣，提供一種光源，其包括垂直腔面射型雷射(VCSEL)的陣列，該陣列包括至少兩子陣列，每一子陣列包括至少一VCSEL，該等子陣列沿著一第一軸線相對於彼此移位，該等子陣列構造為單獨發光；及一光學構件，其構造為單一光學元件並構造為將該等子陣列所發的光轉換成目標區域內的基本平行照明線，其中該等照明線沿第一軸線配置，每條照明線具有沿著第一軸線方向的寬度和沿著垂直於第一軸線的第二軸線方向之長度，其中寬度小於長度。如果該等子陣列的每一子陣列具有一個以上的VCSEL，則子陣列的VCSEL沿第二軸配置。
該光學構件可為透射光學構件，並且可構造為具有彎曲表面的透鏡，或繞射元件，或漸變折射率(GRIN，Graded index)透鏡，或為超穎透鏡(Meta-lens)。
根據本發明，提出一種光源，該光源使用具有光學構件的VCSEL陣列來實現場景的照明，其中該照明由幾條可單獨定址的照明線組成。為此，VCSEL陣列包括至少兩子陣列。本發明中使用的術語「子陣列」不必然意味著該子陣列包括複數個VCSEL，而是還包括其只包括一VCSEL的情況。利用每一者包括至少一VCSEL的至少兩子陣列，可在照明的目標區域中產生至少兩條照明線。通常，VCSEL可被認為是準點狀發光元件，其發射稍微發散的光錐。VCSEL的光錐穿過透射光學構件，該構件將子陣列發射的光轉換為目標區域中實質平行照明線。每條照明線具有沿著第一軸線方向的寬度，子陣列沿著該寬度相對於彼此移位。每條照明線的寬度方向也稱為照明線的「短軸向」，或為了簡單起見，稱為y方向。因此在本發明中，第一軸線也稱為y軸。每條照明線具有沿著垂直於第一軸線的第二軸線方向之長度。照明線的長度方向也稱為照明線的「長軸向，或為了簡單起見，也稱為x方向。因此在本發明中，第二軸線也稱為x軸。因此，由子陣列發射的光轉換發生在y軸方向和x軸方向。光轉換較佳使得照明線不具有或幾乎不具有畸變。
由子陣列結合光學構件所產生的整個照明線跨越整個照明場，該整個照明場可調適於例如時差測距攝影機的視野。該等子陣列的至少一部分是可單獨定址，即可彼此獨立驅動，以在目標區域中產生可單獨定址的照明線。因此，光源調適成在光源能夠產生的全部照明線中，產生一或多個照明線的子集。這使得當前產生的照明線中之峰值功率更高，並且降低感測器信號讀出的功率消耗，例如時差測距攝影機。
光學構件是單一光學元件，其可為一件式或整體式，並且結合將子陣列沿著x軸和y軸兩者發射的光轉換為目標區域中照明線之功能。此措施提供簡單、不笨重和低成本的光學裝置。單個一件式光學元件可整合在VCSEL陣列晶片中，或可配置成與VCSEL陣列相距一定距離。
照明線最好在長軸向(x方向)上具有平滑的強度分佈，而在短軸向(y方向)上具有或多或少銳利邊緣強度分佈。在子陣列的每一子陣列具有一個以上的VCSEL之情況下，這些VCSEL通常具有離散的位置而在相鄰VCSEL之間具有間隙，照明線沿其長度具有平滑的強度分佈而沒有暗區。例如，每一照明線的長度可比所述照明線的寬度較大至少3倍，例如10倍，特別是至少20倍或約30倍的長度。
以下將描述光源的較佳具體實施例。較佳具體實施例不僅是附屬申請專利範圍中指出的附屬項，還有本說明書整個發明中指出的附屬項。
在一具體實施例中，該光學構件可構造為第一軸線方向上的成像透鏡或準直透鏡，並且構造為第二軸線方向上的擴散器。
基本上，該光學構件可沿著第一方向(短軸向)成像或準直，同時沿著第二方向(長軸向)擴散。準直由子陣列發射的光，對於其中目標區域與光源間隔例如大約100 m的應用可能是有利的。
此外，根據本發明的光源之光學構件可具有在目標區域中產生密集封裝照明之能力，即在相鄰照明線之間的短軸向上沒有或只有很小的間隙。密集封裝照明線可能是有利的，因為場景中的每個點被至少一條照明線照明。
根據本發明的光源之光學構件具有使沿著照明線長度的光強度分佈平滑或甚至均勻化，而沿照明線長度沒有顯著或甚至沒有強度變化之能力。
因此，在一具體實施例中，光學構件可配置來產生沿第二軸線方向具有均勻光強度分佈的照明線。照明線的光強度分佈在角度強度方面或在目標區域中輻照度方面可均勻。
在另一具體實施例中，光學構件可構造成產生沿第二軸線方向具有光強度分佈的照明線，其中光強度朝向照明線的末端提高。
朝向照明線的末端或換句話說朝向大角度具有提高的強度分佈或輻照度之照明線，可有利於補償例如時差測距攝影機這類接收器物鏡引起與角度有關的損耗。在具體實施例中，光強度分佈可根據cos-4 朝向增加的角度增加。
在一具體實施例中，光學構件可構造成產生沿第一軸線方向具有基本上頂帽形狀光強度分佈之照明線。當照明線在短軸向上具有頂帽形狀的光強度分佈或至少基本上頂帽形狀光強度分佈時，場景可沿Y軸方向以均勻的光強度分佈進行照明，當照明線為密集封裝時，相鄰照明線之間沒有或無明顯間隙。
在一具體實施例中，光學構件可具有光學有效表面，其中該表面沿著包括第一軸線和垂直於第一軸線和第二軸線的第三軸線之平面上剖面的形狀為非球面形，特別是具有圓錐剖面。在此具體實施例中，光學構件的成像或準直特性由光學構件的至少一彎曲的，特別是凸形的彎曲表面所賦予。
在x軸方向上，光學有效表面也可為非球面形，特別是在包括第二軸線和第三軸線的剖面上為圓錐形。在此具體實施例中，光學構件是單體雙錐透鏡元件。相對於曲率半徑及/或圓錐常數及/或非球面常數，光學有效表面在第一軸線方向上的表面形狀可與在第二軸線方向上的表面形狀不同。
前述不同的光學轉換特性適合於在每個照明線中獲得之光強度分佈。圓錐常數及/或非球面常數可最佳化，以在目標區域中實現照明線的低畸變以及所需的徑向強度分佈。例如，大約-1的圓錐常數導致在平面螢幕上的均勻輻照度。如果目標區域為無限遠，則曲率半徑可調適成將子陣列發射的光成像到場景，或者準直子陣列發射的光。
針對將光學構件設計為具有彎曲表面的透鏡之替代方案，光學構件可設計為包括奈米比例體系超穎結構的超穎透鏡，該透鏡在其二維區域提供一折射率分布，其提供用於光學元件在y方向上的成像或準直特性及在x方向上的擴散體特性。
在一具體實施例中，子陣列可沿第二軸線相對於彼此移位。在此具體實施例中，子陣列沿著第一軸線以及沿著第二軸線相對於彼此移位。
此具體實施例適合於在目標區域中獲得密集封裝的照明線。眾所周知，VCSEL的子陣列不能在y方向上密集封裝，因為在各個VCSEL之間需要一定的空間，尤其是電接點需要更大的空間，例如接合墊、焊接凸塊等。如將在本書明書中描述的，通過沿著x軸移位子陣列，所述子陣列可在第一軸線方向上彼此更緊密配置。
在另一具體實施例中，光學構件可具有沿著第一軸線方向配置的第一琢面，其中光學構件的每個第一琢面相對於第一軸線轉換由該等子陣列之一者發射的光。這些琢面可具有不同曲率的彎曲表面，或者這些琢面可設計為彼此具有不同折射率分佈的超穎透鏡(meta-lens)之部分。
儘管子陣列可能不那麼密集封裝在VCSEL晶片上，但是此具體實施例也解決產生封裝照明線的問題。在此具體實施例中，子陣列不需要沿著第二軸線相對於彼此移位。實際上，第一琢面可重新引導由各個子陣列發射的光，使得目標區域中的照明線彼此靠近配置，即並排沒有間隙或幾乎只有很小的間隙。該等透鏡琢面孔之每一者在Y方向上的尺寸應足夠大，以覆蓋由相對子陣列發射的大部分光束，最好是整個光束。
一進一步具體實施例可提供，第一琢面在第一軸線方向上相對於子陣列偏心。此具體實施例可提高光學構件轉換子陣列所發射光的能力，使得所產生的照明線彼此靠近配置，特別是在目標區域中的相鄰照明線之間沒有間隙。
在一具體實施例中，光學構件可在第二軸線方向上具有第二琢面，其中每個第二琢面在第二軸線方向上的尺寸小於，特別是明顯小於在第二軸線方向上子陣列的尺寸。同樣，第二琢面可設計為具有彎曲表面，或者設計為包括超穎材料的琢面。
在此具體實施例中，光學構件在照明線的長軸向上刻劃平面。由於第二琢面在長軸向的尺寸小於VCSEL子陣列在長軸向的尺寸，因此第二琢面在長軸向對子陣列所發射光具有擴散效果。最好是，第二琢面在長軸向的尺寸明顯小於VCSEL子陣列在長軸向的尺寸。這可確保均勻照明多數第二透鏡琢面，並且這使得目標輪廓在長軸向內均勻分佈。第二透鏡琢面之一或多者可在長軸向配置在每個子陣列前面。第二琢面可相對於VCSEL偏心。在光學構件具有沿短軸向配置的第一琢面之情況下，每個照明區域可具有沿長軸向配置的多個第二透鏡琢面，而短軸向內的每個第一琢面的尺寸足以覆蓋相對子陣列的整個光束。
在一具體實施例中，光學構件可配置成在發光方向上與子陣列相距一定距離，該距離基本上等於光學構件相對於光轉換(相對於第一軸)之焦距，並且大於光學構件相對於光轉換(相對於第二軸)之焦距長度。
根據上述一具體實施例，光學構件相對於光轉換(相對於第二軸)之焦距(長軸向)可為光學構件可擁有的每個第二琢面之焦距。
光學構件在y方向上與子陣列間隔其焦距長度時，光學構件將由子陣列發射的光錐轉換為已準直或已會聚光束。如果目標區域與光源之間的距離較遠，例如50 m或100 m或更遠，則已準直光束是合適。在這種情況下，光學構件將由子陣列發射的光在短軸向上成像為無限遠。
根據本發明的光源陣列可包括至少五個、最好至少十個、更好至少二十個子陣列。子陣列的數量取決於目標區域中由光源產生的照明線數量。照明線的數量取決於照明場的期望區域，而照明場的期望區域又取決於與光源結合使用的感測器視野。
該VCSEL陣列的每個子陣列可包括沿著第二軸線配置的至少兩VCSEL。每個子陣列可包括例如五或多個VCSEL，其中每個子陣列的多個VCSEL可沿著第二軸線成列配置。
根據一第二態樣，提供一種感測器，其包括第一態樣的光源；及一偵測器，其用於偵測由光源發射並從目標區域反射或散射的光。
根據一第三態樣，提供一種照明場景的方法，其包括： 提供一光源，該光源包括垂直腔面射型雷射(VCSEL)的陣列，該陣列包括至少兩子陣列，每個子陣列包括至少一VCSEL，該等子陣列沿著第一軸線相對於彼此移位，子陣列構造成單獨發光， 導致該等子陣列之至少一者發射光， 將至少一子陣列發射的光轉換成目標區域的照明線，該照明線在第一軸線方向上具有寬度，在與第一軸線垂直的第二軸線方向上具有長度，其中該寬度小於該長度。
應瞭解，根據第二態樣的感測器和根據第三態樣的方法具有與針對根據第一態樣的光源所描述相同或相似之優點和具體實施例。
應瞭解，本發明的較佳具體實施例亦可是附屬項與相對的獨立項之任意組合。
進一步優點和具體實施例定義如下。
圖1顯示用於產生由目標區域16內多條照明線14組成的照明圖案12之光源10的原理圖。目標區域16可為任意的，例如風景、一或多個物件，例如移動物件，像是車輛、人員、做手勢的人等。目標區域16可遠離光源10，例如與光源10相隔數米至數百米的距離。
光源10可用於例如感測器100 (圖8)中，例如用於感測距離、速度、物體或風景的3D輪廓或用於感測手勢。感測器100可為一時差測距攝影機。
光源10包括垂直腔面射型雷射(VCSEL) 22的陣列20，其構造成發射光，例如在紅外波長範圍內。
照明圖案12的照明線14基本上彼此平行。在顯示的具體實施例中，照明線14筆直。照明線亦可彎曲，這還包括照明線平行，因為其為同心。此外，照明線14密集封裝，即彼此緊密配置，在緊鄰的照明線14之間具有非常小的間隙18，或者甚至在相鄰的照明線14之間沒有任何間隙。照明線14還可在相鄰照明線14之間重疊。
照明線14沿著第一軸線串聯配置，該第一軸線在本說明書中也稱為y軸。在y軸方向上，照明線14的寬度可小到數毫米到數釐米。在垂直於第一軸線的第二軸線方向(在此也稱為x軸)上，照明線14具有長度，其中該長度明顯大於照明線14的寬度。例如，照明線14的長度和寬度之間的長寬比可大於5，例如大於10，例如大約30。
照明線14中的光強度分佈在x軸方向上，即在照明線的長尺寸上應是平滑的。尤其是，長尺寸內光強度分佈在角度強度方面或在目標區域16中輻照度方面可均勻。另外，照明線14在其長尺寸上的光強度分佈可朝向大角度，即朝向照明線14的縱向端，具有增加的輻照度，例如根據cos4 。照明線可單獨定址，即可一次產生一或一些照明線14，而同時不產生其他照明線14。
在y軸方向上，即照明線14的短軸向上，照明線14可具有或多或少銳利邊緣的光強度分佈，例如頂帽形狀。
在下文中，將參考其他附圖更詳細描述光源10的具體實施例，其中相同的參考編號標示具體實施例和圖1的相同、相似或可比較之元件。
圖2A顯示光源10包括VCSEL的陣列20之具體實施例正視圖。圖2A內用黑點表示每一VCSEL 22。陣列20包括兩或多個子陣列24。在圖2A的具體實施例中，陣列20包括15個子陣列24當成範例。每一子陣列24包括一或多個VCSEL 22。在顯示的具體實施例中，每一子陣列24包括例如五個VCSEL 22。雖然顯示每個子陣列24包括一列VCSEL，但是例如一或多個或所有子陣列也可包括一個列以上的VCSEL，例如2或3列。
子陣列24可單獨定址，即一子陣列24的VCSEL 22可驅動以獨立於其他子陣列24的VCSEL而發光。當發光時，VCSEL 22的每個子陣列24與下面描述的光學構件26結合配置，以在目標區域中產生一照明線。
在y軸方向上，子陣列24相對於彼此移位。在x軸方向上，子陣列24也相對於彼此移位。如果子陣列不能在y軸方向上並排密集封裝，則子陣列的這種配置是有利的。另一方面，最好是儘可能密集封裝照明線14 (例如圖1)，以使目標區域中的每個點被至少一照明線照明，如圖1所示。在x軸方向上移動子陣列24是獲得密集封裝照明線的一種可能性。
如圖2B和圖2C所示，光源10包括一光學構件26。在本具體實施例中，光學構件26顯示為透射光學構件。光學構件26為單一光學元件。因此，將由光學構件26執行並且將在下面描述的所有光學功能結合在單一光學元件中。VCSEL 22發射的光27由光學構件26轉換成照明線，例如圖1所示的照明線14，而如上面參考圖1所述，在照明線中具有期望的光強度分佈。
可基於期望的照明圖案來設計光學構件26，該期望的照明圖案是由類似於如圖1中照明線14的照明線所組成。在圖2A至圖2C的本具體實施例中，通過陣列20以分別可定址式產生15條照明線。
光學構件的設計可基於如下假設：像是目標區域16的目標區域將由N條照明線照明，並且另基於目標照明場應沿x軸方向覆蓋視角αx 的假設(請參見圖1)和沿y軸方向覆蓋視角αy 的假設(請參見圖1)。角度αx 和αy 可定義為50 %光強度上的全角度。此外，可假設當在相鄰照明線14之間不存在間隙時，每個照明線的角寬度在y軸方向上由αL 描述，則通常為αL = αy /N。
光源10的陣列20在y軸方向上的總高度(表示為Ly )可通過將一VCSEL子陣列24的延伸wy 乘以區域數或照明線N來計算。如圖2A所示，在子陣列24也沿x軸方向移動的情況下，儘管大量照明線14，也可將光源10沿y軸方向的總高度保持較小。
光學構件26可為單一透鏡。光學構件26構造為轉換由VCSEL 22發射的光，使得沿x軸方向和y軸方向以期望強度分佈產生照明線。如上所述，x軸方向上的光強度分佈應為平滑，尤其是在x方向上朝向照明線末端具有均勻或提高的強度，並在y軸方向上或多或少出現銳利邊緣。光學構件26設計成將由各個子陣列24發射的光轉換為目標區域中的期望寬度αL ，例如與光源10距離100米的平面。
光學構件26可構造為y軸方向上的成像透鏡或準直透鏡，並且為x軸方向上的擴散器。準直在目標區域相距較遠的情況下是有利的，例如在數十米或100 m以上的距離內。光學構件26可具有至少一光學有效表面28。如圖2B所示，光學有效表面可為凸形彎曲，以在y軸方向上提供光學構件26的成像功能。光學有效表面可為非球面，特別是在包括y軸和z軸的剖面中的圓錐剖面。z軸是垂直於x和y方向的方向，並且是朝向目標區域16的光傳播方向。
在其他具體實施例中，光學構件26可為一漸變折射率(GRIN)透鏡，以提供在y軸方向上成像由VCSEL發射的光以產生照明線之功能。
在其他具體實施例中，光學構件26可為超穎透鏡，因此可構造為薄平面光學元件。超穎材料為奈米比例體系的結構。該結構提供可調適於期望光學功能，例如成像或擴散，的折射率分佈。超穎結構的電場和磁場之透射率可能會偏離常規透鏡的透射率。這種超穎結構可包括電或磁有效材料的周期性、微觀上精細的結構，其中此結構尺寸明顯小於VCSEL的發光波長，例如甚至小於波長的一半，例如發射波長的四分之一。如果光學構件26包括超穎材料或結構，則光學構件26不需要彎曲的表面，而是可為薄平面平行元件。然後，光的轉換基於的原理在於，超穎材料的折射率分佈會影響光學相位，從而實現通過超穎材料的光之期望光學轉換，以產生很少或幾乎不失真的密集封裝照明線。
在「常規」透鏡作為光學構件26的情況下，光學有效表面28的特徵在於表面28的曲率半徑、表面的圓錐常數k及/或非球面常數。最佳化這些參數中的至少一者，以在目標區域中實現低變形和期望強度分佈。例如，圓錐常數k可大約為-1 (例如，折射率為1.5或接近該值的透鏡材料範例)，從而在平面螢幕上產生均勻的輻照度。如果目標區域相距很遠(光學上無限遠)，則曲率半徑可調適成將光源10的VCSEL成像到場景或目標區域，或準直VCSEL發射的光。
如圖2C所示，光學構件26的光學有效表面28在x軸方向上刻劃平面，以產生具有平滑的，特別是均勻的強度分佈之照明線。
各個VCSEL 22並不希望在x軸方向上的成像。因此，在x軸方向上設計曲率半徑參數及/或圓錐常數k及/或非球面常數，以在x軸方向上的目標區域中提供期望的強度分佈，例如均勻照明。光學構件26在x軸方向上的至少一前述參數與在y方向上的對應參數不同。
在圖2C中，其在x方向上顯示光學元件26的一部分，黑點30表示在x軸方向上的一子集24。光學構件26在x軸方向上刻劃平面，其中每個透鏡琢面32在x軸方向上的孔徑尺寸Dx 小於子陣列24在x軸方向上的尺寸wx 。
根據另一種方法，光學有效表面28可在x方向上設計，其方法是從與在y軸方向上為光學有效表面28設計相同的曲率半徑和圓錐常數開始，並在透鏡琢面尺寸Dx被均勻照明的假設下，設計覆蓋所需αx 的Dx。由於在x方向上的子陣列尺寸wx 可能與所需的透鏡尺寸Dx 相差很大，因此不會對透鏡進行均勻照明。然後，可將透鏡尺寸Dx 和x軸方向上的曲率半徑除以相同數，以使透鏡琢面尺寸Dx 更小，最好明顯小於x軸方向上的子陣列尺寸。通過將曲率半徑除以與Dx 相同數，可確保αx 保持恆定，同時使透鏡尺寸Dx 明顯小於wx 時，可在x軸方向上排列多個相似(最好是相等)的透鏡琢面。這確保大多數透鏡琢面32被均勻照射，並且這允許目標強度輪廓均勻分佈。
在x軸方向上，可在x軸方向上的每個子陣列區域(子陣列24在x方向上的長度)的前面配置一或多個透鏡琢面32。在圖2C中，一透鏡琢面32沿x軸方向配置在每個子陣列區域的前面。如前所述，每個區域可具有沿x軸方向配置的多個矩形透鏡琢面32。透鏡琢面32可相對於子陣列區域偏心。
光學構件26可配置成與陣列20的距離Z等於光學構件26在y軸方向上的焦距fy 。關於x軸，距離Z在x軸方向上可明顯大於透鏡小面32的焦距fx 。
在光學構件26與陣列20的這種距離Z的情況下，αL = wy /fy ，並且αx 與Dx /fx 成比例。
請即參考圖3A至圖3C，將描述光源10的另一具體實施例。在下文中，僅描述圖3A至圖3C所示光源相對於圖2A至圖2C所示光源10的差異。
第一區別在於陣列20的VCSEL 22之子陣列24僅在y軸方向上相對於彼此移位。在陣列20的情況下，可通過在沿y軸方向上刻劃平面的光學構件26產生密集封裝的照明線(琢面數＞ 1，而圖2A至圖2C中光學元件26在y方向上的琢面數量為1)，如圖3B所示。因此，光學構件26在y軸方向上具有複數個透鏡琢面36。一透鏡琢面36沿y軸方向配置在每個區域或子陣列24的前面。每個透鏡琢面36可相對於各個子陣列24偏心。琢面36構造成並排配置照明線14 (圖1)，並且最好封閉照明線14之間的間隙18。每個透鏡琢面可具有尺寸Dy ，其夠大足以覆蓋由相對子陣列24發射的大部分光，最好覆蓋由相對子陣列24發射的整個光束。
在x軸方向上，光學有效透鏡表面28可用類似於圖2C中光學構件26的方式設計。在圖3C中，wx 表示一VCSEL子陣列在x方向上的尺寸，且Dx 是一透鏡琢面32的透鏡孔徑尺寸。同樣，Dx 可明顯小於wx 。
應當理解，圖3B和圖3C所示的光學構件26之光學轉換功能亦可通過使用超穎材料或繞射光學元件代替彎曲表面28來實現。在超穎透鏡的情況下，琢面36可為具有不同折射率分佈的超穎透鏡一部分，但是透鏡本身可具有平坦表面。
光學構件26的透鏡琢面36可具有不同的曲率半徑及/或不同的圓錐常數及/或不同的非球面常數。
圖4顯示圖2B和圖2C中光學構件26的透視圖。從圖4中可看出，光學有效表面28包括在x軸方向上並排配置的多個透鏡琢面32。在y軸方向上，光學有效表面28為非球面，並且可描述為y-z平面中的圓錐剖面。在y方向上，光學有效表面28可被認為包括一琢面。光學構件26包括在x方向上的總體或整體表面輪廓(與透鏡琢面32無關)，其可在x方向上彎曲，例如非球面，特別是圓錐形，如果此曲率適合於避免照明線的變形。因此，光學構件26可為雙圓錐透鏡，即x方向上的圓錐形和y方向上的圓錐形。x方向上的曲率半徑可不同於y方向上的曲率半徑，其通常可小於x方向上的曲率半徑。另外或此外，表面28的圓錐常數及/或非球面常數在x方向和y方向之間可不同。
圖5顯示圖4中的光學構件26的單位單元40，即單個透鏡琢面32，其中透鏡琢面32在y方向上具有非球面，其曲率半徑明顯大於該單個透鏡琢面32在x方向上的表面曲率。
圖6顯示圖4中的光學構件26的透鏡輪廓之範例。曲線42表示在光學構件26的邊緣處之透鏡高度輪廓，且線44表示在透鏡中心處的透鏡高度輪廓。曲線46表示曲線42，其最小值與曲線44對齊，如箭頭48所示。
圖7顯示包括全部40條照明線的照明圖案之模擬。因此，VCSEL的40個子陣列之發光在y軸方向上成像為各個照明線。在曲線圖的左邊緣，數字表示y坐標值(以任意單位表示)，曲線圖底部的數字表示照明場的x坐標。曲線圖右側的比例尺代表由照明線跨越的照明場內之(非相干)輻照度。在y軸方向上，將40個子區域成像為可單獨定址的照明線，而在x軸方向上，光學構件(如光學構件26)當成擴散器，在x軸方向上調整輻照度朝向大角度均勻或甚至略有增加，這可有利於補償其中可使用光源10的收發器系統之光學損耗。
光源20使用類似於圖4中的光學元件26來獲得類似於圖7中的照明線圖案之數值範例如下：
x方向上的視角αx = 60°；wx = 0.64 mm (間距為32 μm的20個VCSEL)；圖4中的光學元件26：x方向上的曲率半徑ROCx ＝ 0.006mm；x方向上的圓錐常數kx = -1；單個琢面在x方向上的尺寸Dx = 0.02 mm；x方向上的琢面數＞ = 40；
y方向上的視角αy = 45°；wy = 10 μm (y方向上每個子陣列只有一VCSEL)；y方向上的40個子陣列，y方向上每個子陣列的中心距為10μm；圖4中的光學元件26：y方向的曲率半徑ROCy ＝ 0.25 mm；y方向上的圓錐常數ky = -1；Dy ＝ 0.7 mm，y方向上的琢面數＝ 1 (在這種情況下，Dy 表示光學元件26的光學有效表面尺寸)。
在圖7所示的圖表下半部，僅致動每一第二照明線以指示多個區域的分離。在圖7中可清楚看到，在彎角處具有低失真照明線的矩形形狀。
圖8顯示感測器100，其包括根據上述任何具體實施例的光源10。感測器更包括偵測器102，其用於偵測由光源發射並從目標區域反射或散射的光。偵測器102可為任何種類的光偵測裝置，例如光電二極體。感測器100可整合在手持裝置中，例如智慧型手機、平板電腦等。
可通過根據上述任何具體實施例的光源實現照明場景的方法。該方法包括提供根據上述任何具體實施例的光源。該方法更包括導致該等子陣列之至少一者發射光。該方法更包括將至少一子陣列發射的光轉換成目標區域的照明線，該照明線具有在第一軸線方向上的寬度，及具有在與第一軸線垂直的第二軸線方向上的長度，其中寬度小於長度。如上所述，可通過光學構件26實現光轉換。
儘管已在附圖和前面的描述中詳細例示和描述本發明，但是此例示和描述應被認為是說明性或示範性且非限制性；本發明不限於所揭示的具體實施例。通過研究附圖、揭露事項和文後申請專利範圍，熟習該項技藝者在實踐本發明時可理解和實現所揭示具體實施例的其他變型。
在申請專利範圍中，用語「包括」並不排除其他元件或步驟，並且數量詞「一」並不排除複數個。單個元件或其他單元可實現申請專利範圍中引用的若干項之功能。在互不相同的相關申請專利範圍中引用特定度量之僅有事實並不表示不能有利使用該些度量之組合。
申請專利範圍內的任何參考符號不構成限制申請專利範圍。
10:光源 12:照明圖案 14:照明線 16:目標區域 18:間隙 20:陣列 22:垂直腔面射型雷射 24:子陣列 26:光學構件 27:光 28:光學有效表面 30:黑點 32、36:透鏡琢面 40:單位單元 42、46:曲線 44:線 48:箭頭 100:感測器 102:偵測器
參考以下所說明的具體實施例就可瞭解本發明的這些及其他態樣。在以下圖式中：
圖1顯示用於產生由複數個照明線組成的照明圖案之光源的原理圖；
圖2A顯示用於產生由照明線組成的照明圖案之光源的具體實施例之正視圖；
圖2B顯示圖2A中的光源之側視圖；
圖2C顯示圖2A和圖2B中的光源之俯視圖；
圖3A顯示用於產生由照明線組成的照明圖案之光源的另一具體實施例之正視圖；
圖3B顯示圖3A中的光源之側視圖；
圖3C顯示圖3A和圖3B中的光源之俯視圖；
圖4顯示用於例如圖2A至圖2C所示光源中的一光學構件的具體實施例的一部分之透視圖；
圖5顯示圖4中的光學構件的單位單元之透視圖；
圖6顯示圖4中的光學構件的透鏡弛度輪廓之範例圖；
圖7顯示由照明線組成的照明圖案之模擬；及
圖8顯示感測器的示意圖。
10:光源
12:照明圖案
14:照明線
16:目標區域
18:間隙
20:陣列
22:垂直腔面射型雷射

Claims (14)

  1. 一種光源，其包括垂直腔面射型雷射(VCSEL)(22)的一陣列(20)，該陣列(20)包括至少兩子陣列(24)，每一子陣列(24)包括至少一VCSEL(22)，該等子陣列(24)沿著一第一軸線(y)相對於彼此移位，該等子陣列(24)構造成單獨發光，與其他子陣列或多個子陣列(24)的發光無關；及一光學構件(26)，其構造為單一光學元件並構造成將該等子陣列(24)所發的光轉換成一目標區域(16)內的基本平行照明線(14)，其中該等照明線沿著該第一軸線(y)配置，每條照明線(14)具有沿著該第一軸線(y)方向的寬度和沿著垂直於該第一軸線(y)的一第二軸線(x)方向之長度，其中該寬度小於該長度，其中該光學構件(26)在該第二軸線(x)方向上具有多個琢面(32)，其中每一琢面(32)在該第二軸線(x)方向上具有一尺寸，其小於一子陣列(24)在該第二軸線(x)方向上的尺寸，以及其中該光學構件(26)構造成產生沿著該第二軸線(x)方向具有一光強度分佈朝向該等照明線末端提高的該等照明線(14)。
  2. 如請求項1所述之光源，其中該光學構件(26)可構造為該第一軸線(y)方向上的一成像透鏡或準直透鏡，並且為該第二軸線(x)方向上的一擴散器。
  3. 如請求項1或2所述之光源，其中該光學構件(26)構造成產生沿著該第二軸線(x)方向具有均勻光強度分佈的該等照明線(14)。
  4. 如請求項1所述之光源，其中該光學構件(26)具有一光學有效表面(28)，其中該表面沿著包括該第一軸線(y)和垂直於所述第一和第二軸線(x,y)的一第三軸線(z)之平面上剖面之形狀為非球面形，或具有圓錐剖面形。
  5. 如請求項1所述之光源，其中相對於曲率半徑及/或圓錐常數及/或非球面常數，該光學有效表面(28)在該第一軸線(y)方向上的表面形狀與在該第二軸線(x)方向上的表面形狀不同。
  6. 如請求項1所述之光源，其中該等子陣列(24)沿著該第二軸線相對於彼此移位。
  7. 如請求項1所述之光源，其中該光學構件(26)具有沿著該第一軸線(y)方向配置的多個額外琢面(36)，其中該光學構件(26)的每個額外琢面(36)相對於該第一軸線(y)轉換由該等子陣列(24)之一者發射的光。
  8. 如請求項7所述之光源，其中該等額外琢面(36)在該第一軸線(y)方向上相對於該等子陣列(24)偏心。
  9. 如請求項1所述之光源，其中該光學構件(26)配置成在發光方向上與該等子陣列相距一距離，該距離基本上等於該光學構件(26)相對於光轉換(相對於該第一軸線(y))之焦距，並且大於該光學構件(26)相對於光轉換(相對於該第二軸線(x))之焦距。
  10. 如請求項1所述之光源，其中該光學構件(26)為一繞射光學元件、一GRIN透鏡、或一超穎透鏡。
  11. 如請求項1所述之光源，其中該陣列(20)包括至少五個子陣列(24)。
  12. 如請求項1所述之光源，其中每一子陣列(24)包括沿著該第二軸線(x)配置的至少兩VCSEL(22)。
  13. 一種感測器，其包括如請求項1至12任一項所述之光源(10)；及一偵測器(102)，該偵測器用於偵測該光源(10)發射的光及從該目標區域(16)反射或散射的光。
  14. 一種照明場景之方法，其包括：提供如請求項1至12任一項所述之光源(10)，導致該等子陣列(24)之至少一者發射光。
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