WO2022267648A1 - 一种用于辅助照明、测距的配光结构及其配光方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于辅助照明、测距的配光结构及配光方法，配光结构包括：N个发射模块和用于对入射光进行均匀分配的复合式散光透镜(120,220)，N≥1；复合式散光透镜(120,220)设置在发射模块的正上方；复合式散光透镜(120,220)的靠近发射模块的入光面（121,221）为凸面，入射至复合式散光透镜(120,220)的边缘入射光线（RS）经过凸面折射后，光线与光轴的夹角（δ）超过40°。采用由多个凹凸透镜（120）或由多个平凸透镜（220）构成的复合式散光透镜(120,220)，光束发散角度（2ψ）最大可达170°，实现大广角照明，可以满足广角传感器的均匀照明的需求。

Description

一种用于辅助照明、测距的配光结构及其配光方法 技术领域
本发明涉及摄像辅助照明配光技术领域，具体涉及一种用于辅助照明、测距的配光结构及其配光方法。
背景技术
随着智能手机、智能手表、穿戴式传感器等移动终端日益普及以及快速发展，对传感器的探测距离、探测范围提出越来越高的要求。除了满足普通的摄像和拍照之外，用于3D感知的飞行时间传感器(ToF)、激光测距、虚拟现实/增强现实(AR/VAR)也越来越普及，探测的范围也越来越广。用于3D感知的传感器，其由发射模块发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息，此外再结合传统的相机拍摄，就能将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。
现有用于移动终端3D飞行时间传感器、2D拍照传感器的辅助照明及均匀配光装置，一般采用类似于蝇眼透镜/复眼透镜的配光方式，如专利CN208794326U公开了一种配光均匀的高效闪光灯透镜模组技术，其结构如图1所示，包括发光器，装设在发光器上方的用于对光线进行准直的准直透镜，装设在准直透镜上方的用于均匀配光的调制片，准直透镜为环纹状的全反射准直菲涅尔透镜，准直透镜包括设置于其中间的非球面准直面，围绕非球面准直面的若干圈反射棱镜，反射棱镜包括设置于反射棱镜一侧的锥形入 射面和设置于反射棱镜另一侧的全反射面。该技术能形成一个正好覆盖相机镜头视场的均匀光斑，提高光能利用效率同时解决光斑形状、色温均匀性的问题，而且人眼直视不能看到透镜下方发光器件的形状和排布，提高美观度。但由于该专利中这微透镜阵列调制片是由多个双凸透镜复合而成，由于双凸光学曲面的结构限制了输出的光束发散角度，其最大发散角只能在90度以内，对于更大的发散角，这种结构并不能满足要求。随着行业的发展这摄像头的视场角需求日益增大，双凸光学曲面的结构的微透镜阵列调制片无法满足使用。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种广角度的用于辅助照明、测距的配光结构及其配光方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种用于辅助照明、测距的配光结构，其特征在于，包括：N个发射模块和用于对入射光进行均匀分配的复合式散光透镜，N≥1；复合式散光透镜设置在发射模块的正上方；复合式散光透镜的靠近发射模块的入光面为凸面，入射至复合式散光透镜的边缘入射光线经过凸面折射后，光线与光轴的夹角超过40°。
优选地，复合式散光透镜的配光曲面为XY方向相同轮廓线的对称曲面或者XY方向不同轮廓线的自由曲面，其中配光曲面为凸面。
优选地，发射模块包括：红外垂直强表面发射激光二级管和基板；红外垂直强表面发射激光二级管设置在基板的上表面。
优选地，垂直腔表面发射激光二极管为多颗垂直腔发射激光二极管排列形成，垂直腔表面发射激光二极管为四方形排列、六边形排列、圆形排列、交错排列、或者伪随机阵列的任意一种，垂直腔表面发射激光二极管的输出 波长为650～1500nm。
优选地，复合式散光透镜包括：K个凹凸透镜单元，K＞1；其中凹凸透镜单元靠近发射模块的入光面为凸面，凹凸透镜单元上方的出光面为凹面。
优选地，每个凹凸透镜单元的最大配光角度为170°，凹凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成大角度长方形的均匀光斑分布。
优选地，复合式散光透镜的材料为液态硅胶LSR或者红外塑料，红外塑料为红外PMMA、PP、PS、PA，PC、PE、ABS和K26R中的任意一种。
优选地，垂直腔表面发射激光二极管发射的光束，经过凹凸透镜单元的凸面先进行会聚，会聚后相交于凹面附近，凹面将光线进行扩散，扩散后形成光束角全角为2ψ的光斑分布。
优选地，复合式散光透镜包括：L个平凸透镜单元，L＞1；其中平凸透镜单元靠近发射模块的入光面为凸面，平凸透镜单元的出光面为平面。
优选地，多个平凸透镜单元的最大配光角度也可达170度。
优选地，多个平凸透镜单元的排列方式为四方形排列。
优选地，多个平凸透镜单元将垂直腔表面发射激光二极管发出的光进行均匀分配，每个平凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成大角度长方形的均匀光斑分布。
优选地，垂直腔表面发射激光二极管发射的光束，经过平凸透镜单元的入光面先进行会聚，会聚后相交于平凸透镜单元的平面附近，平面将射光线进行扩散，扩散后形成光束角全角为2ψ的光斑分布。
优选地，发射模块包括：光发射二极管和聚光透镜，聚光透镜设置在光发射二极管和复合式散光透镜之间。
优选地，光发射二极管为红外LED或者可见光LED。
优选地，聚光透镜为平板透镜，平板透镜为锯齿状菲涅尔透镜、同心环状的波带片透镜、衍射光学透镜的任意一种。
优选地，从锯齿状菲涅尔透镜入射的光束，经过凹凸透镜单元的入光面先进行会聚，会聚后相交于凹凸透镜单元的凹面附近，凹面将光线进行扩散，扩散后形成光束角全角为2ψ的光斑分布。
优选地，从锯齿状菲涅尔透镜入射的光束，经过平凸透镜单元的入光面先进行会聚，会聚后相交于平凸透镜单元的平面附近，平面输出光束形成全角为2ψ的光斑分布。
优选地，聚光透镜为非球面透镜，光发射二极管为贴片LED。
优选地，凹凸透镜单元的凹面和凸面在X和Y方向上均具有不同曲率的轮廓线。
优选地，平凸透镜单元的配光曲面为XY方向不同轮廓线的自由曲面，配光曲面为凹面。
优选地，复合式散光透镜的组合排列方式为四边形、六边形、圆形、交错排列和随机排列的任意一种；
优选地，复合式散光透镜的形状为四方形、圆角四边形、椭圆形、圆形、多边形的任意一种。
优选地，发射模块为白光垂直强表面发射激光二级管和基板；白光垂直强表面发射激光二级管为白光激光单芯片模组或者白光激光阵列多芯片模组，白光的色温为3500到15000K。
优选地，光源模块及复合式散光透镜分立设置或者光源模块及复合式散光透镜组合成一体式模组。
优选地，红外垂直强表面发射激光为红外激光单芯片模组或者红外激光阵列多芯片模组。
优选地，红外光的波长为650～1500nm，红外激光单芯片模组或者红外激光阵列多芯片模组输出的光源的光束全角为5到40度之间。
一种基于上述的用于辅助照明、测距的配光结构的应用，配光结构用于移动终端3D飞行时间传感器、2D拍照传感器的辅助照明及均匀配光。
本发明的目的还通过以下的技术方案实现：
一种用于辅助照明、测距的配光方法，包括：
发射模块输出入射光线至复合式散光透镜的，复合式散光透镜的凸面对入射光线折射配光后，得到第一折射光线，第一折射光线经复合式散光透镜的出光面折射，输出第二折射光线。
优选地，垂直腔表面发射激光二极管输出入射光线，当入射的边缘光线RS经过单个凹凸透镜单元的凸面折射配光后，得到折射光线ST与光轴OZ的最大夹角δ°，δ＞40°；光线ST经过凹面输出后，输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ，ψ＞sin -1(n*sin(δ))，式中n为凹凸透镜单元的红外材料的折射率，凹面为次要配光表面，起到再次扩束的作用。
优选地，折射率为n＝1.49，δ＝40°，经过凹凸透镜单元的凹面的输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ＞73.28。
优选地，垂直腔表面发射激光二极管输出入射光线，当入射的边缘光线RS经过单个平凸透镜单元的凸面折射配光后，得到折射光线ST与光轴OZ的最大夹角δ°，δ＞40°；光线ST经过出光面输出后，输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ，ψ＞sin -1(n*sin(δ))，式中n为平凸透镜单元的红外材料的折射率。
优选地，折射率为n＝1.49，δ＝40°，经过平凸透镜单元的平面的输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ＞73.28。
优选地，LED光源发出的光束，经过锯齿状菲涅尔透镜进行会聚；会聚后的光线再经过复合散光透镜进行配光，复合散光透镜中的每个凹凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成均匀光斑分布。
优选地，LED光源发出的光束，经过锯齿状菲涅尔透镜进行会聚；会聚后的光线再经过平凸透镜单元的凸面进行会聚，会聚后的光相交于平凸透镜单元的平面。
优选地，贴片LED光源发出的光束，经过非球面透镜进行会聚；会聚后的光线再经过复合式散光透镜；进行配光，每个凹凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成大角度长方形的均匀光斑分布。
本发明相对于现有技术具有如下优点：
本发明采用由多个平凸透镜或多个凹凸透镜构成的复合式散光透镜，其光束发散角度最大可达170°，实现大广角照明，可以满足广角(鱼眼)传感器的均匀照明的需求。凹凸透镜单元或平凸透镜单元靠近发射源一侧为凸面，其边缘入射光线经过凸面折射后，其与光轴的夹角超过40°，再经过出光表面的凹面或平面折射后，其最大配光角度(全角)可达170°。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有的配光均匀的高效闪光灯透镜模组的结构图。
图2为实施例1的配光结构的剖面图。
图3为实施例1的配光结构的等轴侧正视分解图。
图4为实施例1的配光结构的等轴侧后视分解图。
图5为实施例1的配光结构的配光示意图。
图6为实施例1的单个凹凸透镜单元的配光示意图。
图7为实施例1的单个凹凸透镜单元的边缘光线的配光角度示意图。
图8为实施例1的配光结构的配光仿真图。
图9为实施例1的配光结构在500mm远处的辐照度分布仿真图。
图10为实施例2的配光结构的剖面图。
图11为实施例2的配光结构的配光示意图。
图12为实施例2的单个平凸透镜单元的配光示意图。
图13为实施例2的单个平凸透镜单元的边缘光线的配光角度示意图。
图14为实施例3的配光结构的剖面图。
图15为实施例3的配光结构的配光示意图。
图16为实施例3的单个凹凸透镜单元的配光示意图。
图17为实施例3的单个凹凸透镜单元的边缘光线的配光角度示意图。
图18为实施例4的配光结构的剖面图。
图19为实施例4的配光结构的配光示意图。
图20为实施例4的单个平凸透镜单元的配光示意图。
图21为实施例4的单个平凸透镜单元的边缘光线的配光角度示意图。
图22为实施例5的配光结构的配光示意图。
图23为实施例6的配光结构的配光示意图。
图24为实施例7的配光结构的配光示意图。
图25为实施例7的凹凸复合透镜单元的上视等轴侧图。
图26为实施例7的凹凸复合透镜单元的底视等轴侧图。
图27为实施例8的配光结构的配光示意图。
图28为实施例8的平凸复合透镜单元的底视等轴侧图。
图29中的(a)为复合式散光透镜的一四方形排列示意图。
图29中的(b)为复合式散光透镜的又一四方形排列示意图。
图29中的(c)为复合式散光透镜的六边形排列示意图。
图29中的(d)为复合式散光透镜的圆形排列示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例的配光结构由基板130、红外垂直强表面发射激光二级管(VCSEL)110、以及复合式散光透镜120组成，可以用于移动终端3D飞行时 间传感器、2D拍照传感器的辅助照明及均匀配光，本实施例的配光结构的剖面图如图2所示、等轴侧正视分解图如图3所示、等轴侧后视分解图如图4所示。垂直腔表面发射激光二级管(VCSEL)110由多颗垂直腔发射激光二极管排列而成，为四方形排列，发射波长为940nm。红外垂直强表面发射激光二级管(VCSEL)110光束角介于15°～60°之间。红外垂直强表面发射激光二级管(VCSEL)110的参数参考表一，垂直腔面发射激光器VCSEL阵列的长L：972μm，宽W：680μm，有效发射面长A：479μm，有效发射面宽B：575μm，发射点横向间隔Px：52μm，发射点纵向间隔Py：30.5μm，发射点直径
Figure PCTCN2022087525-appb-000001
发射点数量：361个，发射角全角：24°×18°。
表一：垂直腔面发射激光器VCSEL阵列5的参数
Figure PCTCN2022087525-appb-000002
复合式散光透镜120由多个凹凸透镜单元构成，排列方式为四方形排列。凹凸透镜单元下方靠近光源的入光面为凸面，其上方出光面为凹面。本实施例的配光结构的配光方法如图5所示。凹凸透镜单元用于将VCSEL阵列发出的光进行大角度均匀分配，凹凸透镜单元最大的配光角度为170°。每个凹凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成大角度长方形的均匀光斑分布。
复合式散光透镜120的材料为耐高温、透红外的液态硅胶LSR，或者为 红外塑料例如红外PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)，PA(聚酰胺)，PC(聚碳酸酯)、PE(聚乙烯)，ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物)，K26R(日本瑞翁的COC光学塑料)等，在此不做具体限定。
复合式散光透镜中的单个凹凸透镜单元120的配光如图6所示。图中110为VCSEL光源，121为单个凹凸透镜单元的入光面，其为凸面，主要配光表面；122为单个凹凸透镜单元的出光面，其为凹面，为次要配光表面，起到再次扩束的作用。从VCSEL发射的光束，经过入光面121先进行会聚，会聚后相交于凹面122附近。
凹凸透镜单元的入光面121满足以下的配光条件：当入射的边缘光线RS经过单个凹凸透镜单元的曲面121折射配光后，其折射光线ST与光轴OZ的最大夹角δ＞40°。光线ST经过出光面122输出后，其输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ＞sin -1(n*sin(δ))，式中n为红外材料的折射率。假设折射率为n＝1.49，δ＝40°那么输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ＞73.28°。凹面122为次要配光表面，其起到再次扩束的作用，其将出射光线的光束角进一步扩大。本实施例的最大配光角度ψ为85°(光束角全角2ψ为170°)凹面122将入射光线进行扩散，扩散后形成光束角全角为2ψ的光斑分布。
单个凹凸透镜单元12的边缘入射光线以及出射光线的角度关系如图7所示。图中OZ为经过单个凹凸透镜单元120中心的光轴，O点位于VCSEL的发光表面；RS为经过凹凸透镜单元120的边缘入射光线，其中S点位于凸面121最边缘上方的位置，RS与光轴OZ的夹角为θ。RS与光轴OZ的最大夹角θ为垂直腔表面发射激光二极管VCSEL的最大光束角，实施例1的角度θ为12°(假设VCSEL的最大发射角全角为24°)。
图8和图9分别为本实施例的采用复合式散光透镜的计算机模拟以及在500mm远处的辐照度分布的模拟结果。从图9中可以看出，在500mm距离的位置，其光斑为长方形，在1.4米乘1米的范围，其辐照度分布的均匀度超过了60％。可以满足飞行时间传感器(ToF)在此范围内的均匀度分布要求。
实施例2
本实施例的配光结构的剖面图如图10所示，由基板230、红外垂直强表面发射激光二级管(VCSEL)210、以及复合式散光透镜220组成。本实施例的配光结构可以用于移动终端3D飞行时间传感器、2D拍照传感器的辅助照明及均匀配光。复合式散光透镜220由多个平凸透镜单元构成，多个平凸透镜单元的排列方式为四方形排列，平凸透镜单元靠近发射源(210)一侧为凸面，边缘入射光线经过凸面折射后，其与光轴的夹角超过40°。复合式散光透镜220的最大配光角度可达170度，以满足广角(鱼眼)传感器的均匀照明的需求。红外垂直强表面发射激光二级管(VCSEL)210由多颗垂直腔发射激光二极管排列而成，为四方形排列、发射波长为940nm，其光束角介于15°～60°之间，其参数与实施例1一致，请参考表一。
复合式散光透镜120的材料为耐高温、透红外的液态硅胶LSR，或者为红外塑料例如红外PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)，PA(聚酰胺)，PC(聚碳酸酯)、PE(聚乙烯)，ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物)，K26R(日本瑞翁的COC光学塑料)等。
本实施例的配光结构的配光方法如图11所示。多个平凸透镜单元将VCSEL阵列发出的光进行大角度均匀分配，最大的配光角度为170°。每个平凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成大角度长方形的均 匀光斑分布。
单个平凸透镜单元220的配光如图12所示。图中210为VCSEL光源，221为单个平凸透镜单元的入光面，其为凸面；222为单个平凸透镜单元的出光面，其为平面。从VCSEL发射的光束，经过入光面221先进行会聚，会聚后相交于平面222附近。平面222将入射光线进行扩散，扩散后形成光束角全角为2ψ的光斑分布。单个平凸透镜单元220，入光面221为主要配光表面，出光面222为平面，其无配光作用。
单个平凸透镜单元220的边缘入射光线以及出射光线的角度关系如图13所示。图中OZ为经过单个平凸透镜单元220中心的光轴，O点位于VCSEL210的发光表面；RS为经过平凸透镜单元220的边缘入射光线，其中S点位于凸面221最边缘上方的位置，RS与光轴OZ的夹角为θ。RS与光轴OZ的最大夹角θ为垂直腔表面发射激光二极管VCSEL的最大光束角，实施例2优选该角度θ为12°(假设VCSEL的最大发射角全角为24°)。
入光面(凸面)221满足以下的配光条件：当入射的边缘光线RS经过单个平凸透镜单元的曲面221折射配光后，其折射光线ST与光轴OZ的最大夹角δ＞40°。光线ST经过出光面222输出后，其输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ＞sin -1(n*sin(δ))，式中n为红外材料的折射率。假设折射率为n＝1.49，δ＝40°那么输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ＞73.28°。平面222为输出面，其没有配光作用。实施例2的最大配光角度ψ为85°(光束角全角2ψ为170°)
其中，实施例1和2的应用为2D及3D成像的飞行时间光学测距的发射模块，光源为分别为VCSEL红外激光单芯片模组和VCSEL红外激光阵列多芯片模组，红外芯片的波长为650～1500nm，光源光束全角为5-40度之间
实施例3
本实施例的剖面图如图14所示。本实施例的配光结构由大角度的LED光源310、平板透镜320、以及复合式散光透镜330组成，本实施例的配光结构可以用于移动终端3D飞行时间传感器、2D拍照传感器的辅助照明及均匀配光。LED光源为红外LED或者可见光LED。LED光源310具有较大的发光面，一般为1mmx1mm以上。同时其具有较大的光束角，一般为120°左右的朗伯(Lambertian)分布。复合式散光透镜由多个凹凸透镜单元构成。多个凹凸透镜单元排列方式为四方形排列。凹凸透镜单元下方靠近平板透镜320的入光面为凸面，其上方出光面为凹面，边缘入射光线经过凸面折射后，与光轴的夹角超过40°。复合式散光透镜的最大配光角度可达170度，可以满足广角(鱼眼)传感器的均匀照明的需求。平板透镜320为锯齿状菲涅尔透镜，其将LED发出的光束进行会聚。
复合式散光透镜330的材料为耐高温、透红外的液态硅胶LSR，或者为红外塑料例如红外PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)，PA(聚酰胺)，PC(聚碳酸酯)、PE(聚乙烯)，ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物)，K26R(日本瑞翁的COC光学塑料)等。
实施例3所配光结构的配光方法如图15所示。大角度LED光源310发出的光束，经过锯齿状菲涅尔透镜320进行会聚。会聚后的光线再经过复合散光透镜330进行配光，其最大的配光角度为170°。每个凹凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成大角度长方形的均匀光斑分布。
单个凹凸透镜单元330的配光如图16所示。图中331为单个凹凸透镜单元的入光面，其为凸面；332为单个凹凸透镜单元的出光面，其为凹面。从锯齿状菲涅尔透镜320入射的光束，经过入光面331先进行会聚，会聚后 相交于凹面332附近。凹面332将入射光线进行扩散，扩散后形成光束角全角为2ψ的光斑分布。入光面331为主要配光表面，出光面332为次要配光表面，其起到再次扩束的作用。
实施例3的单个凹凸透镜单元330，边缘入射光线以及出射光线的角度关系如图17所示。图中OZ为经过单个凹凸透镜单元330中心的光轴，RS为经过凹凸透镜单元330的边缘入射光线，其中S点位于凸面331最边缘上方的位置，RS与光轴OZ平行。
入光面331满足以下的配光条件：当入射的边缘光线RS经过单个凹凸透镜单元的曲面331折射配光后，其折射光线ST与光轴OZ的最大夹角δ＞40°。光线ST经过出光面332输出后，其输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ＞sin -1(n*sin(δ))，式中n为红外材料的折射率。假设折射率为n＝1.49，δ＝40°那么输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ＞73.28°。凹面332为次要配光表面，其起到再次扩束的作用，其将出射光线的光束角进一步扩大。实施例3的最大配光角度ψ为85°(光束角全角2ψ为170°)。
实施例4：
实施例4的配光结构的剖面图如图18所示，其由LED光源410、平板透镜420、以及复合式散光透镜430组成。本实施例的配光结构可以用于移动终端3D飞行时间传感器、2D拍照传感器的的辅助照明及均匀配光。大角度的LED光源为红外LED或者可见光LED。LED光源410，其具有较大的发光面，一般为1mmx1mm以上。同时其具有较大的光束角，一般为120°左右的朗伯(Lambertian)分布。复合式散光透镜420由多个平凸透镜单元构成，多个平凸透镜单元的排列方式为四方形排列。平凸透镜单元下方靠近平板透镜420的入光面为凸面，其上方出光面为平面。边缘入射光线经过凸 面折射后，与光轴的夹角超过40°。复合式散光透镜430的最大配光角度可达170度，可以满足广角(鱼眼)传感器的均匀照明的需求。平板透镜420为锯齿状的菲涅尔透镜，其将LED发出的光束进行会聚。
复合式散光透镜430，其材料为耐高温、透红外的液态硅胶LSR，或者为红外塑料例如红外PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)，PA(聚酰胺)，PC(聚碳酸酯)、PE(聚乙烯)，ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物)，K26R(日本瑞翁的COC光学塑料)等。
实施例4的配光结构的配光方法如图19所示。大角度LED光源410发出的光束，经过锯齿状菲涅尔透镜420进行会聚。会聚后的光线再经过复合散光透镜430进行配光，其最大的配光角度为170°。每个凹凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成大角度长方形的均匀光斑分布。
单个平凸透镜单元430的配光如图20所示。图中431为单个平凸透镜单元的入光面，其为凸面；432为单个平凸透镜单元的出光面，其为平面。从锯齿状菲涅尔透镜420入射的光束，经过入光面431先进行会聚，会聚后相交于平面432附近。平面432只作为输出面，其输出光束形成全角为2ψ的光斑分布。入光面431为主要配光表面，出光面432为平面，其不起到任何配光作用。
单个平凸透镜单元430，其边缘入射光线以及出射光线的角度关系如图21所示。图中OZ为经过单个平凸透镜单元430中心的光轴，RS为经过平凸透镜单元430的边缘入射光线，其中S点位于凸面431最边缘上方的位置，RS与光轴OZ平行。
入光面431满足以下的配光条件：当入射的边缘光线RS经过单个平凸透镜单元的曲面431折射配光后，其折射光线ST与光轴OZ的最大夹角 δ＞40°光线ST经过出光面432输出后，其输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ＞sin -1(n*sin(δ))，式中n为红外材料的折射率。假设折射率为n＝1.49，δ＝40°那么输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ＞73.28°。平面432为输出面，其没有配光作用，其将出射光线的光束角为ψ。实施例4的最大配光角度ψ为85°(光束角全角2ψ为170°)。
实施例5
本实施例的配光结构可以用于移动终端3D飞行时间传感器、2D拍照传感器的的辅助照明及均匀配光。其除了主要用于智能手机2D及3D成像飞行时间测距之外，还可以应用于网络摄像头2D及3D成像飞行时间测距，人脸识别2D及3D成像飞行时间测距，电脑摄像头2D及3D成像飞行时间测距，智能电视2D及3D成像飞行时间测距，安防监控2D及3D成像飞行时间测距，智能汽车辅助驾驶系统摄像2D及3D成像飞行时间测距，扫地机器人物体成像飞行时间测距，手势动作识别2D及3D成像飞行时间测距，游戏机2D及3D成像飞行时间测距，智能门锁摄像识别2D及3D成像飞行时间测距。对于这些领域，模组的厚度要求不是那么要，可以适当加厚，基于模组的制作成本考虑，可以将实施例5的平板透镜改为制作成本较低的非球面透镜，同时光源设置为大角度的贴片LED，即实施例5的配光结构由LED光源510、非球面透镜520、以及复合式散光透镜530组成。LED光源510具有较大的发光面，一般为1mmx1mm以上。同时具有较大的光束角，一般为120°左右的朗伯(Lambertian)分布。非球面透镜52上下两面都为非球面，其将LED发出的光束进行会聚。复合式散光透镜530由多个凹凸透镜单元构成，多个凹凸透镜单元的排列方式为四方形排列。凹凸透镜单元下方靠近平板透镜520的入光面为凸面，其上方出光面为凹面。
复合式散光透镜530的材料为耐高温、透红外的液态硅胶LSR，或者为红外塑料例如红外PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)，PA(聚酰胺)，PC(聚碳酸酯)、PE(聚乙烯)，ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物)，K26R(日本瑞翁的COC光学塑料)等。
实施例5的配光结构的配光方法如图22所示，为：从大角度LED光源510发出的光束，经过非球面透镜520进行会聚。会聚后的光线再经过复合散光透镜530进行配光，其最大的配光角度为170°。每个凹凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成大角度长方形的均匀光斑分布。
实施例6
本实施例的配光结构由LED光源610、非球面透镜620、以及复合式散光透镜630组成，可以用于移动终端的3D飞行时间传感器、2D拍照传感器。对于电脑游戏，AR/VB，智能汽车辅助驾驶系统，无人机，扫地机器人，智能门锁等应用场合，其模组的尺寸要求不那么苛刻的，其聚光透镜采用非球面透镜620，非球面透镜620的上下两面都为非球面，其将LED发出的光束进行会聚。复合式散光透镜630由多个平凸透镜单元构成，多个平凸透镜单元排列方式为四方形排列。平凸透镜单元，其下方靠近平板透镜620的入光面为凸面，其上方出光面为平面，边缘入射光线经过凸面折射后，其与光轴的夹角超过40°。复合式散光透镜630的最大配光角度可达170度，可以满足广角(鱼眼)传感器的均匀照明的需求。LED光源610，其具有较大的发光面，一般为1mmx1mm以上。同时其具有较大的光束角，一般为120°左右的朗伯(Lambertian)分布。
复合式散光透镜630的材料为耐高温、透红外的液态硅胶LSR，或者为红外塑料例如红外PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙 烯)，PA(聚酰胺)，PC(聚碳酸酯)、PE(聚乙烯)，ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物)，K26R(日本瑞翁的COC光学塑料)等。
实施例6的配光结构的配光方法如图23所示，为：从大角度LED光源610发出的光束，经过非球面透镜620进行会聚。会聚后的光线再经过复合散光透镜630进行配光，其最大的配光角度为170°。每个平凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成大角度长方形的均匀光斑分布。
实施例7
本实施例的配光结构由红外垂直强表面发射激光二级管(VCSEL)710以及复合式散光透镜720组成，可以用于移动终端3D飞行时间传感器、2D拍照传感器。实施例7的配光方法如图24所示。复合式散光透镜720由多个凹凸透镜单元，其最大配光角度可达170°，其可以满足广角(鱼眼)传感器的均匀照明的需求。复合散光透镜采用XY方向不同轮廓线的自由曲面。多个凹凸透镜单元的排列方式为四方形排列。凹凸透镜单元下方靠近光源的入光面为凸面，其上方出光面为凹面，边缘入射光线经过凸面折射后，其与光轴的夹角超过40°。垂直腔表面发射激光二级管(VCSEL)710与实施例1相同。实施例7的红外垂直强表面发射激光二级管(VCSEL)710光束角介于15°～60°之间。垂直腔面发射激光器VCSEL阵列，长L：972μm，宽W：680μm，有效发射面长A：479μm，有效发射面宽B：575μm，发射点横向间隔Px：52μm，发射点纵向间隔Py：30.5μm，发射点直径
Figure PCTCN2022087525-appb-000003
发射点数量：361个，发射角全角：24°×18°。
多个凹凸透镜单元的配光方法为：其用于将VCSEL阵列710发出的光进行大角度均匀分配，其最大的配光角度为170°。每个凹凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成大角度长方形的均匀光斑分布。
复合式散光透镜720由多个自由曲面凹凸透镜单元构成，实施例7优选其凹凸透镜单元的上视等轴侧图如图25所示、其底视等轴侧图如图26所示。其中，出光侧的凹面722，在X和Y方向上的具有不同曲率的轮廓线，即722X与722Y具有不同的曲率。入光侧用于配光的凸面721也为具有不同曲率的轮廓线，其721X及721Y具有不同的曲率。复合式散光透镜720的凹凸透镜单元采用自由曲面的作用是：在X和Y方向分别产生不同角度的配光。
复合式散光透镜720的材料为耐高温、透红外的液态硅胶LSR，或者为红外塑料例如红外PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)，PA(聚酰胺)，PC(聚碳酸酯)、PE(聚乙烯)，ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物)，K26R(日本瑞翁的COC光学塑料)等。
实施例8
本实施例的配光结构由红外垂直强表面发射激光二级管(VCSEL)810、以及复合式散光透镜820组成，可以用于移动终端3D飞行时间传感器、2D拍照传感器。复合式散光透镜820由多个平凸透镜单元构成，平凸透镜单元的下方靠近光源的入光面为凸面，其上方出光面为平面。平凸透镜入光侧的配光曲面为XY方向不同轮廓线的自由曲面。复合式散光透镜820的最大配光角度可达170°，可以满足广角(鱼眼)传感器的均匀照明的需求。平凸透镜单元靠近发射源一侧为凸面，边缘入射光线经过凸面折射后，与光轴的夹角超过40°。
垂直腔表面发射激光二级管(VCSEL)810由多颗垂直腔发射激光二极管排列而成，为四方形排列，发射波长为940nm。红外垂直强表面发射激光二级管(VCSEL)810的光束角介于15°～60°之间。垂直腔面发射激光器VCSEL阵列810长L：972μm，宽W：680μm，有效发射面长A：479μm，有效发射 面宽B：575μm，发射点横向间隔Px：52μm，发射点纵向间隔Py：30.5μm，发射点直径
Figure PCTCN2022087525-appb-000004
发射点数量：361个，发射角全角：24°×18°。
复合式散光透镜820其材料为耐高温、透红外的液态硅胶LSR，或者为红外塑料例如红外PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)，PA(聚酰胺)，PC(聚碳酸酯)、PE(聚乙烯)，ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物)，K26R(日本瑞翁的COC光学塑料)等。
本实施例的配光结构的配光方法如图27所示。
平凸透镜单元的配光方法为：其用于将VCSEL阵列810发出的光进行大角度均匀分配，其最大的配光角度为170°。每个平凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成大角度长方形的均匀光斑分布。
平凸透镜单元的底视等轴侧图如图28所示。其中出光侧822为平面。其入光侧用于配光的凸面821为具有不同曲率的轮廓线，其821X及821Y具有不同的曲率。复合式散光透镜820的平凸透镜单元采用自由曲面的作用是：其可以在X和Y方向分别产生不同角度的配光。
其中，实施例3-8的应用为摄像辅助照明的闪光灯及夜视照明，光源为白光LED模组、红外光LED模组，VCSEL红外激光单芯片模组、VCSEL白光激光单芯片模组、VCSEL红外激光阵列多芯片模组、VCSEL白光激光阵列多芯片模组中的一种，这白光的色温为3500～15000K，红外光的波长为650～1500nm。本方案的配光结构包括至少用一个光源模块及复合式散光透镜组成，其也可以为两个以上的光源模块及复合式散光透镜组成。
此外，需要说明的是，复合散光透镜，除了上述实施方案采用四方形排列方式之外，其还可以有其它不同的排列方式，如图29中的(a)、图29中的(b)、图29中的(c)、图29中的(d)所示。多个凹凸透镜单元或 多个平凸透镜单元组合排列的方式有四边形、六边形及圆形，同样也可以由此简单地类推排列出其他的多边形组合而成，本申请中不一一鳌述。任何通过简单的更改排列方式，都会被视为侵犯本专利的所申明的权力范围。复合散光透镜的镜片外形可以为四方形、圆角四边形，以及圆形，除了上述实施方案形状之外，其还可以有其它不同的镜片形状。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (36)

  1. 一种用于辅助照明、测距的配光结构，其特征在于，包括：N个发射模块和用于对入射光进行均匀分配的复合式散光透镜，N≥1；
    复合式散光透镜设置在发射模块的正上方；复合式散光透镜的靠近发射模块的入光面为凸面，入射至复合式散光透镜的边缘入射光线经过凸面折射后，光线与光轴的夹角超过40°。
  2. 根据权利要求1所述的配光结构，其特征在于，复合式散光透镜的配光曲面为XY方向相同轮廓线的对称曲面或者XY方向不同轮廓线的自由曲面，其中配光曲面为凸面。
  3. 根据权利要求1所述的配光结构，其特征在于，发射模块包括：红外垂直强表面发射激光二级管和基板；红外垂直强表面发射激光二级管设置在基板的上表面。
  4. 根据权利要求3所述的配光结构，其特征在于，垂直腔表面发射激光二极管为多颗垂直腔发射激光二极管排列形成，垂直腔表面发射激光二极管为四方形排列、六边形排列、圆形排列、交错排列、或者伪随机阵列的任意一种，垂直腔表面发射激光二极管的输出波长为650～1500nm。
  5. 根据权利要求3所述的配光结构，其特征在于，复合式散光透镜包括：K个凹凸透镜单元，K＞1；其中凹凸透镜单元靠近发射模块的入光面为凸面，凹凸透镜单元上方的出光面为凹面。
  6. 根据权利要求5所述的配光结构，其特征在于，每个凹凸透镜单元的最大配光角度为170°，凹凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成长方形的均匀光斑分布。
  7. 根据权利要求1所述的配光结构，其特征在于，复合式散光透镜的材料为液态硅胶LSR或者红外塑料，红外塑料为红外PMMA、PP、PS、PA，PC、PE、ABS和K26R中的任意一种。
  8. 根据权利要求5所述的配光结构，其特征在于，垂直腔表面发射激光二极管发射的光束，经过凹凸透镜单元的凸面先进行会聚，会聚后相交于凹面附近，凹面将光线进行扩散，扩散后形成光束角全角为2ψ的光斑分布。
  9. 根据权利要求3所述的配光结构，其特征在于，复合式散光透镜包括：L个平凸透镜单元，L＞1；其中平凸透镜单元靠近发射模块的入光面为凸面，平凸透镜单元的出光面为平面。
  10. 根据权利要求9所述的配光结构，其特征在于，多个平凸透镜单元的最大配光角度也可达170度。
  11. 根据权利要求9所述的配光结构，其特征在于，多个平凸透镜单元的排列方式为四方形排列。
  12. 根据权利要求9所述的配光结构，其特征在于，多个平凸透镜单元将垂直腔表面发射激光二极管发出的光进行均匀分配，每个平凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成长方形的均匀光斑分布。
  13. 根据权利要求9所述的配光结构，其特征在于，垂直腔表面发射激光二极管发射的光束，经过平凸透镜单元的入光面先进行会聚，会聚后相交于平凸透镜单元的平面附近，平面将射光线进行扩散，扩散后形成光束角全角为2ψ的光斑分布。
  14. 根据权利要求5所述的配光结构，其特征在于，发射模块包括：光发射二极管和聚光透镜，聚光透镜设置在光发射二极管和复合式散光透镜之间。
  15. 根据权利要求14所述的配光结构，其特征在于，光发射二极管为红外LED或者可见光LED。
  16. 根据权利要求14所述的配光结构，其特征在于，聚光透镜为平板透镜，平板透镜为锯齿状菲涅尔透镜、同心环状的波带片透镜、衍射光学透镜的任意一种。
  17. 根据权利要求16所述的配光结构，其特征在于，从锯齿状菲涅尔透镜入射的光束，经过凹凸透镜单元的入光面先进行会聚，会聚后相交于凹凸透镜单元的凹面附近，凹面将光线进行扩散，扩散后形成光束角全角为2ψ的光斑分布。
  18. 根据权利要求17所述的配光结构，其特征在于，从锯齿状菲涅尔透镜入射的光束，经过平凸透镜单元的入光面先进行会聚，会聚后相交于平凸透镜单元的平面附近，平面输出光束形成全角为2ψ的光斑分布。
  19. 根据权利要求14所述的配光结构，其特征在于，聚光透镜为非球面透镜，光发射二极管为贴片LED。
  20. 根据权利要求5所述的配光结构，其特征在于，凹凸透镜单元的凹面和凸面在X和Y方向上均具有不同曲率的轮廓线。
  21. 根据权利要求9所述的配光结构，其特征在于，平凸透镜单元的配光曲面为XY方向不同轮廓线的自由曲面，配光曲面为凹面。
  22. 根据权利要求1所述的配光结构，其特征在于，复合式散光透镜的组合排列方式为四边形、六边形、圆形、交错排列和随机排列的任意一种；
  23. 根据权利要求1所述的配光结构，其特征在于，复合式散光透镜的形状为四方形、圆角四边形、椭圆形、圆形、多边形的任意一种。
  24. 根据权利要求1所述的配光结构，其特征在于，发射模块为白光垂直强表面发射激光二级管和基板；白光垂直强表面发射激光二级管为白光激光单芯片模组或者白光激光阵列多芯片模组，白光的色温为3500到15000K。
  25. 根据权利要求1所述的配光结构，其特征在于，光源模块及复合式散光透镜分立设置或者光源模块及复合式散光透镜组合成一体式模组。
  26. 根据权利要求3所述的配光结构，其特征在于，红外垂直强表面发射激光为红外激光单芯片模组或者红外激光阵列多芯片模组。
  27. 根据权利要求26所述的配光结构，其特征在于，红外光的波长为650～1500nm，红外激光单芯片模组或者红外激光阵列多芯片模组输出的光源 的光束全角为5到40度之间。
  28. 一种基于权利要求1-27任一项所述的配光结构的应用，其特征在于，配光结构用于移动终端3D飞行时间传感器、2D拍照传感器的辅助照明及均匀配光。
  29. 一种用于辅助照明、测距的配光方法，其特征在于，包括：
    发射模块输出入射光线至复合式散光透镜的，复合式散光透镜的凸面对入射光线折射配光后，得到第一折射光线，第一折射光线经复合式散光透镜的出光面折射，输出第二折射光线。
  30. 根据权利要求29所述的配光方法，其特征在于，包括：
    垂直腔表面发射激光二极管输出入射光线，当入射的边缘光线RS经过单个凹凸透镜单元的凸面折射配光后，得到折射光线ST与光轴OZ的最大夹角δ°，δ＞40°；光线ST经过凹面输出后，输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ，ψ＞sin -1(n*sin(δ))，式中n为凹凸透镜单元的红外材料的折射率，凹面为次要配光表面，起到再次扩束的作用。
  31. 根据权利要求30所述的配光方法，其特征在于，折射率为n＝1.49，δ＝40°，经过凹凸透镜单元的凹面的输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ＞73.28。
  32. 根据权利要求29所述的配光方法，其特征在于，包括：
    垂直腔表面发射激光二极管输出入射光线，当入射的边缘光线RS经过单个平凸透镜单元的凸面折射配光后，得到折射光线ST与光轴OZ的最大夹角δ°，δ＞40°；光线ST经过出光面输出后，输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ，ψ＞sin -1(n*sin(δ))，式中n为平凸透镜单元的红外材料的折射率。
  33. 根据权利要求32所述的配光方法，其特征在于，折射率为n＝1.49，δ＝40°，经过平凸透镜单元的平面的输出光线TU与光轴OZ的最大配光角度ψ＞73.28。
  34. 根据权利要求29所述的配光方法，其特征在于，包括：
    LED光源发出的光束，经过锯齿状菲涅尔透镜进行会聚；会聚后的光线再经过复合散光透镜进行配光，复合散光透镜中的每个凹凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成均匀光斑分布。
  35. 根据权利要求29所述的配光方法，其特征在于，包括：
    LED光源发出的光束，经过锯齿状菲涅尔透镜进行会聚；会聚后的光线再经过平凸透镜单元的凸面进行会聚，会聚后的光相交于平凸透镜单元的平面。
  36. 根据权利要求29所述的配光方法，其特征在于，包括：
    贴片LED光源发出的光束，经过非球面透镜进行会聚；会聚后的光线再经过复合式散光透镜；进行配光，每个凹凸透镜单元配光后输出的光斑，相互重叠，叠加后形成长方形的均匀光斑分布。
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