TWI856236B - 照明系統 - Google Patents

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TWI856236B TW110104701A TW110104701A TWI856236B TW I856236 B TWI856236 B TW I856236B TW 110104701 A TW110104701 A TW 110104701A TW 110104701 A TW110104701 A TW 110104701A TW I856236 B TWI856236 B TW I856236B
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喬治 麥可 莫里斯
布萊德利 喬 沃爾德
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美商菲爾薇解析公司
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Abstract

一種光學系統包括：第一微結構化表面；及第二微結構化表面；其中該第一微結構化表面沿著軸線與該第二微結構化表面對準。一種照明系統包括光源及該光學系統。包括一種擴散光之方法。

Description

照明系統
本發明係關於一種光學系統，該光學系統包括：第一微結構化表面；及第二微結構化表面；其中該第一微結構化表面沿著一軸線與該第二微結構化表面對準。亦包括一種照明系統，該照明系統包括光源及該光學系統。包括一種擴散光之方法。
在與三維(three-dimensional；3D)成像、感測及姿勢辨識相關之應用中，光學組件通常用以通常結合具有在約800nm至約1000nm之範圍內之波長的雷射將光圖案投影於正經探測的場景上方。特定光圖案取決於探測技術，且可採用諸如泛光照射、光點之週期性柵格、線、條帶、棋盤格等的多種形式。
擴散器可採用多種形式，諸如繞射擴散器及高斯擴散器。微透鏡陣列亦可用於擴散用途。
擴散器可與諸如雷射或LED之多種光源合作。特別關注之雷射源為垂直共振腔面射型雷射(vertical cavity surface emitting laser；VCSEL)。此等VCSEL源歸因於其在緊湊型封裝、電力輸出及可靠性上的適用性而對於3D成像應用有用。此類VCSEL可以陣列方式配置，例如，數百個VCSEL按週期性或隨機化柵格(例如，二維陣列)配置於小區域上。陣列內之每一雷射實質上相干地起作用，但任何給定之兩個源實質上彼此不相干。VCSEL源或陣列本身 並不適合於產生在3D成像及感測應用中需要之受控照射。
然而，一起使用擴散器與VCSEL陣列情況下之問題為高頻假影之出現。經投影照射圖案中之高頻假影可引起諸如3D感測之某些光學應用上的效能問題。此等高頻假影係歸因於陣列中緊密靠近之大量相干VCSEL源的不相干重疊。
高頻假影之起因可藉由以下推理路線更好地理解。光源陣列中之每一個別源照射擴散器之一部分。出於此原因，存在由陣列中之兩個鄰接光源照射的擴散器之區域之間的重疊。每一光源之輸出藉由斑點圖案或強的繞射圖案特徵化。因為陣列中之任何兩個源相互不相干，所以總輸出由來自每一源之強度圖案的總和簡單地給出。許多此類類似斑點或繞射圖案之累積效應產生高頻影像假影的出現。
在本發明之一態樣中，揭示一種光學系統，該光學系統包含：第一微結構化表面；及第二微結構化表面；其中該第一微結構化表面沿著軸線與該第二微結構化表面對準。
在本發明之另一態樣中，揭示一種包含光源及該光學系統之照明系統。
在本發明之另一態樣中，揭示一種擴散光之方法，該方法包含：在光學系統之第一微結構化表面中接收入射光；及使光自光學系統之第二微結構化表面透射；其中該透射光相較於僅包括單一微結構化表面之光學系統顯現最小高頻假影。
1:光學系統
2:第一微結構化表面
3:第二微結構化表面
4:嵌入層
5:保護層
7:支架/支架材料
8:光源
10:照明系統
11:光源陣列
本發明之前述目標、特徵及優勢在結合附圖閱讀以下描述內容之後將變得更加顯而易見，其中：[圖1]為根據本發明之光學系統的橫截面圖；[圖2]為根據本發明之另一態樣之光學系統的示意圖；[圖3]A至圖3C各自為根據本發明之另一態樣之光學系統的示意圖；[圖4]A至圖4B各自為根據本發明之另一態樣之光學系統的示意圖；[圖5]為根據本發明之另一態樣之光學系統的示意圖；[圖6]為根據本發明之另一態樣之光學系統的示意圖；[圖7]為根據本發明之另一態樣之光學系統的示意圖；[圖8]為根據本發明之另一態樣之光學系統的示意圖；且[圖9]為包括光源及光學系統之照明系統的示意圖。
併入說明書中且構成說明書之一部分之前述圖式說明本發明之較佳具體實例，且連同詳細描述一起用以解釋本發明之原理。顯而易見地應理解，圖式及描述內容兩者僅為解釋性的，且並不約束本發明。
應理解，前述一般描述及以下詳細描述兩者皆僅為例示性及解釋性的，且意欲提供對本發明教示之各種具體實例的解釋。
參看圖1，本發明係關於包括第一微結構化表面2及第二微結構化表面3的光學系統1，其中該第一微結構化表面2沿著軸線與第二微結構化表面對準。光學系統1亦可包括支架7。當第一微結構化表面2與第二微結構化表面3對準時，其大體上平行於彼此。在另一態樣中，第一微結構化表面2並不沿著軸線與第二微結構化表面3對準。
揭示光學系統1，該光學系統用於擴散來自諸如單一光源或一光 源陣列之光源的照射。所揭示光學系統1可使高頻假影最小化且提供更均勻照射，同時最小地影響全透射。光學系統1可包括使來自光源之照射分佈成圖案的第一微結構化表面2，諸如光束塑形表面。光學系統亦可包括收納圖案並集中圖案之第二微結構化表面3，諸如均勻化表面。
視野(field of view；FOV)之概念指實際上正由光學系統1照射之空間區。FOV最常見地相對於強度以角空間界定，且藉由測角計系統來量測，在該測角計系統中，偵測器沿著圓掃描，其中光學系統1位於該圓之中心處。以此方式，偵測器沿著始終面向光學系統1之圓弧旋轉。界定FOV之其他方法亦可例如基於輻照度而非強度予以考慮。以此方式，光源照射光學系統1，該光學系統接著照射平坦目標表面。輻照度藉由平行於表面行進之偵測器量測。實務上，一者通常使用透射螢幕，該透射螢幕之影像藉由攝影機捕獲。恰當系統校準可用以計算輻照度且使光學系統之FOV特徵化。
第一微結構化表面1可提供由照射之角範圍、強度輪廓及第一微結構化表面2中之微型結構之幾何形狀界定的第一視野(FOV)。照射之角範圍可沿著兩個尺寸投影。舉例而言，第一FOV沿著y維度可具有120度之角範圍且在x維度上的可具有90度之角範圍，其將照射矩形空間區。在3D感測應用中，第一FOV沿著任一維度可具有約30度或大於30度之角範圍。在光達(LIDAR)應用中，第一FOV沿著任一維度可具有約1度或大於1度的角範圍。
影像之強度輪廓諸如第一FOV為自沿著角度分段規則地隔開之點獲得的強度值集合。在一態樣中，第一FOV內之強度輪廓依據角度為實質上均勻的。在另一態樣中，第一FOV內之強度輪廓使更多能量朝向所謂「蝙蝠翼狀」輪廓中的更寬之角度集中。在另一態樣中，第一FOV內之強度輪廓使更多能量集中於第一FOV之中心處。
第二微結構化表面3可具有窄於第一視野之第二視野以便移除或 最小化(實質上移除)高頻假影。第二FOV相較於第一FOV可窄約3至15倍，儘管準確值取決於其他要求且將需要為了最佳效能而最佳化。此最佳化可藉由模型化工具或直接實驗來施行。作為一實例，第一微結構化表面2可具有約110×85度之FOV，且第二微結構化表面3在某處可具有在約5至約15度之範圍內的FOV。
第二微結構化表面3之強度輪廓沿著任何方向在大體上相同之強度輪廓上通常為各向同性的。在另一態樣中，第二微結構化表面3自身可產生合成圖案，在該合成圖案處，第二FOV沿著兩個垂直軸線為不同的。第二微結構化表面3亦可產生圖案，諸如圓、正方形、矩形、線、交叉圖案、光點陣列或任何特定分散分佈，其中基本約束為第二FOV窄於第一FOV。沿著給定軸線之強度輪廓可為平坦頂部、蝙蝠翼狀、高斯或任何其他特定強度輪廓。沿著垂直軸線，強度輪廓可為獨特的或並不來自沿著給定軸線的輪廓。
在一態樣中，光學系統1可包括兩個相對定向之微結構化表面。在一態樣中，如圖1中所說明，光學系統1可包括支架7之一側上的第一微結構化表面2及支架7之相對側上的第二微結構化表面3。每一微結構化表面2、3可含有可形成圖案之複數個微型結構。第一微結構化表面2可面向光源，例如所述第一微結構化表面可以直接面對所述光源。第二微結構化表面3可背離光源8，例如，如圖9中所說明。
在另一態樣中，光學系統1可包括第一微結構化表面2及第二微結構化表面3，其各自在同一方向上定向且位於光學系統1之支架7的同一側上。舉例而言，如圖5中所說明，第一微結構化表面2及第二微結構化表面3可皆存在於支架7之同一側上。第一微結構化表面2可定位於第二微結構化表面3與支架7之間。在另一態樣中，第二微結構化表面3可定位於第一微結構化表面2與支架7(圖中未示)之間。在任一變化中，光源可存在於支架7側或微結構 化表面側上。
第一微結構化表面2可包括第一複數個微型結構。第二微結構化表面3可包括第二複數個微型結構。第一微結構化表面2及第二微結構化表面3各自獨立地包括微型結構，諸如微透鏡擴散器、鞍形透鏡擴散器、繞射元件、諸如磨砂玻璃之高斯擴散器或全像擴散器。
參看圖2，第一微結構化表面2可沿著軸線與第二微結構化表面3對準。在一態樣中，第一複數個微型結構中之每一微型結構可越過第二微結構化表面3處之微型結構的孔隙聚焦入射光的實質部分。第二微結構化表面3可為第一微結構化表面2之鏡像。此特定配置典型地被稱作「蠅眼」透鏡。
陣列中諸如微透鏡之個別微型結構之大小可係在約10至約100μm之範圍內。
相較於第一微結構化表面2之彼等微型結構，第二微結構化表面3之微型結構大小及形狀相當或較小。第一微結構化表面2及第二微結構化表面3中每一者中的微型結構可以週期性陣列形式分佈或隨機地分佈。舉例而言，第一微結構化表面2及第二微結構化表面3可各自獨立地為微透鏡陣列。
參看圖3A至圖3C，光學系統1可包括第一微結構化表面2、第二微結構化表面3及支架7，其各自可獨立地由光學材料形成。光學材料之非限制性實例包括：玻璃，諸如硼矽浮法玻璃；聚合材料，諸如UV可固化聚合物、模製聚合物或軋花聚合物；熔融矽石；IR材料，諸如矽；非晶矽；及其組合。舉例而言，聚合材料可為聚碳酸酯或丙烯酸聚合物。光學材料可為高折射率材料，諸如具有大於1.5之折射率的材料。
關於圖3A，第一微結構化表面2可由聚合材料形成，且包括複數個微透鏡擴散器作為微型結構。支架7可由硼矽酸鹽玻璃製成。第二微結構化表面3可包括直接形成於支架材料7上的複數個磨砂玻璃微型結構。
關於圖3B，第一微結構化表面2可由聚合材料形成，且包括微透鏡擴散器及磨砂玻璃的複數個微型結構。支架7可由硼矽酸鹽玻璃製成。第二微結構化表面3可包括形成於支架材料7上的複數個磨砂玻璃微型結構。
關於圖3C，存在第一微結構化表面2、支架7及第二微結構化表面3，前述三者在其可能例如藉由熱壓花或模製製程形成時皆由相同材料形成。
在一態樣中，光學系統1可由單一光學材料形成。在另一態樣中，光學系統1可由不同材料形成。舉例而言，第一微結構化表面2及第二微結構化表面3可各自由聚合材料製成，且支架7可由玻璃材料製成。如圖6中所示，第一微結構化表面2及支架7由同一光學材料形成，亦即，為單塊。如圖7中所展示，第一微結構化表面2、支架7及第二微結構化表面3由同一光學材料形成。光學系統1之零件之任何及所有組合與光學材料為可接受的，只要光學系統1包括第一微結構化表面2及第二微結構化表面3。
取決於封裝要求及正利用之材料，光學系統1之總厚度可係在約0.1mm至約2mm之範圍內。作為一實例，支架7可為具有約0.3mm之厚度的硼矽酸鹽玻璃，同時任一側上之微型結構可由藉由UV固化製程產生的聚合材料構成，該聚合材料具有在約20μm至約120μm之範圍內的厚度，藉此產生在約0.34mm至約0.54mm之範圍內的總厚度。在另一實例中，至少一個微結構化表面2、3可包括非晶矽，藉此產生在約0.32mm至約0.44mm之範圍內的總厚度，此係因為非晶矽材料歸因於其高折射率而允許更薄層。
取決於材料、微型結構設計及製造製程，第一微結構化表面2可具有範圍為約0.5微米至約120微米之厚度，例如，約0.75微米至約100微米且作為另一實例約1微米至約90微米的厚度。厚度可包括基底部分(平面部分)及經微結構化的部分。
支架7可具有在約0.02mm至約2mm，例如約0.05mm至約1.6mm且作為另一實例約0.1mm至約1.8mm之範圍內的厚度。
取決於材料、微型結構設計及製造製程，第二微結構化表面3可具有範圍為0.5微米至約120微米，例如約0.75微米至約100微米且作為另一實例約1微米至約90微米的厚度。厚度包括基底部分(平面部分)及經微結構化的部分。
本發明之光學系統1可採用各種實體格式。如圖4A中所示，光學系統1可進一步包括嵌入層4。嵌入層4可存在於第一微結構化表面2及第二微結構化表面3中的至少一者上。嵌入層4可為平面的，如圖4A中所示。平面嵌入層4可使得光學系統1之較小封裝成為可能。在一態樣中，嵌入層4可為保形的，亦即，可符合微型結構表面之微型結構，如圖4B中所展示。保形嵌入層4可提供光學系統1之增大的耐久性。光學系統1可包括平面嵌入層4、保形嵌入層及其組合。在一態樣中，光學系統1可包括一個嵌入層、兩個嵌入層等。預期到嵌入層之數目、類型及材料的任何及全部排列。嵌入層4可具有範圍為約1至約100微米的厚度。
嵌入層4可保護第一微結構化表面2及/或第二微結構化表面3，以及防止可能導致微結構化表面之折射率匹配的污染。折射率匹配在諸如流體之某材料覆蓋微結構化表面2、3時發生，且防止微結構化表面2、3正確地操作。適合於用作嵌入層之材料的非限制性實例包括聚合物、熔融矽石及非晶矽。
嵌入層4亦可為抗反射塗層以減小表面反射且增大光透射。在一態樣中，嵌入層4為單一層。在另一態樣中，嵌入層4為至少一個層，諸如複數個層。若一個以上嵌入層4存在於光學系統1中，則每一嵌入層4可包括相同或不同材料。
參看圖8，第一微結構化表面2嵌入於平面嵌入層4中。第二微結構化表面3正以諸如抗反射層之保形保護層5嵌入於平面嵌入層4中。保護層5可由諸如TiO2、SiO2、MgF2、ITO、CaF2之材料形成。
在一態樣中，光學系統1可在支架7之每一側上包括一個以上微結構化表面2、3。舉例而言，光學系統可在支架7之一側上包括第二微結構化表面3及第一微結構化表面2，從而接受光源的照射；且可在支架7之一側上包括額外第一微結構化表面2及額外第二微結構化表面3，從而使光透射。光學系統1可在支架7之任一側上包括微結構化表面2、3的任何組合。另外，光學系統1可在支架7之任一側上包括嵌入層4(平面及/或保形層)的任何組合。
光學系統1可使用諸如模製、蝕刻、研磨、灰階微影等的技術形成。用以形成光學系統之技術可部分取決於FOV、光學材料、預期光源之類型等。
參看圖9，進一步揭示照明系統10，其包括所揭示之光學系統1及光源8。光源8可為光源陣列11，其中陣列內之每一源為實質上相干的，但陣列中之任何兩個源為彼此實質上不相干的。實例為垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)陣列。存在置放個別源於陣列內大體上週期性而且隨機或偽隨機的相當大靈活性。陣列中之每一光源可與光束發散為相干的，該光束發散全寬在1/e2下可為約10至30度。
在另一態樣中，光源8可為單一光源，諸如雷射。
照明系統10可為緊湊的且適合於併入至小體積中，如消費型裝置及其他小型格式封裝產品的小體積中。照明系統10之應用可為三維(three-dimensional；3D)成像、深度感測、姿勢辨識、汽車、蜂巢式通信裝置、機器視覺及光達外加許多其他應用中。
亦揭示一種擴散光之方法，該方法包含：在光學系統1之第一微 結構化表面2中接收入射光；及使光自光學系統1之第二微結構化表面3透射；其中該透射光相較於僅包括單一微結構化表面之光學系統顯現最小高頻假影。特定言之，該方法可包括提供使入射光透射之光源。光學系統1之第一微結構化表面2可接收入射光且可使呈光圖案之形式的所接收入射光朝向光學系統1之第二微結構化表面3透射。第二微結構化表面3可接收經透射光圖案，可使透射光圖案均勻化，且透射顯現最小高頻假影的均勻化透射光圖案。
儘管此方法已相對於如圖1中所示之光學系統予以了描述，但方法可藉由揭示於諸圖中之光學系統1中的任一者執行，其中光源可置放於光學系統1之任一側上，且透射光圖案相較於僅包括單一微結構化表面之光學系統將顯現最小高頻假影。
自前述描述內容，所屬領域中具通常知識者可瞭解，本發明教示可以多種形式實施。因此，雖然已結合特定具體實例及其實例描述了此等教示，但本發明教示之實際範圍不應限於此。可在不背離本文中之教示之範疇的情況下進行各種改變及修改。
將廣泛地解譯本發明。意欲本發明揭示用以達成本文中所揭示之裝置、活動及機械動作的等效物、構件、系統及方法。對於所揭示之每一組合物、裝置、物品、方法、構件、機械元件或機制，意欲本發明亦在其揭示內容及教示中涵蓋用於實踐本文中所揭示之許多態樣、機制及裝置的等效物、構件、系統及方法。另外，本發明係關於組合物及其許多態樣、特徵及元件。此類組合物在其使用及操作中可為動態的，本發明意欲涵蓋製造之組成物及/或光學裝置之使用的等效物、構件、系統及方法以及其許多態樣，其與本文中所揭示之操作及功能之描述及精神一致。同樣，應廣泛地解譯本申請案之申請專利範圍。本文中之發明在其許多具體實例中的描述在本質上僅僅為例示性的，且因此，不背離本發明之要旨的變化意欲在本發明之範圍內。此類變化不應視為 背離本發明之精神及範疇。
1:光學系統
2:第一微結構化表面
3:第二微結構化表面
7:支架/支架材料

Claims (17)

  1. 一種照明系統，其包含：多個照明源，其中每個照明源提供發散照明的相干光束；以及主體，包括第一表面和第二表面，其中來自所述多個照明源中的一照明源的發散照明的相干光束與來自所述多個照明源中的另一個照明源的發散照明的相干光束重疊以產生高頻假影，其中所述第一表面具有散佈擴散照明之圖案，以及其中所述第二表面具有接收所述擴射照明且將所接收的所述擴射照明散佈成角度更窄的均勻照明之圖案。
  2. 如請求項1所述之照明系統，其中所述多個照明源以二維陣列排列。
  3. 如請求項1所述之照明系統，其中所述多個照明源提供第一擴散照明。
  4. 如請求項1所述之照明系統，其中所述第一表面從所述多個照明源接收具有高頻假影的擴散照明。
  5. 如請求項4所述之照明系統，其中所述第二表面接收所述擴散照明。
  6. 如請求項3所述之照明系統，其中所述第二表面輸出的照明比所述第一擴散照明更均勻。
  7. 如請求項1所述之照明系統，其中所述第一表面直接面對所述多個照明源。
  8. 如請求項1所述之照明系統，其中所述第二表面背對所述多個照明源。
  9. 如請求項1所述之照明系統，其中所述擴射照明具有矩形能量 分佈。
  10. 如請求項1所述之照明系統，其中所述均勻照明具有各向同性分佈。
  11. 如請求項1所述之照明系統，其中所述第一表面包括多個微結構，並且所述第二表面包括是所述第一表面的所述多個微結構的鏡像之多個微結構。
  12. 如請求項1所述之照明系統，其中所述第一表面和所述第二表面各自包括微透鏡。
  13. 如請求項1所述之照明系統，其中所述第一表面和所述第二表面各自包括繞射元件。
  14. 如請求項1所述之照明系統，其中所述第一表面和所述第二表面各自包括高斯擴散器。
  15. 如請求項1所述之照明系統，其中所述多個照明源包括垂直共振腔面射型雷射。
  16. 如請求項1所述之照明系統，其中所述多個照明源以二維陣列週期地排列。
  17. 如請求項1所述之照明系統，其中所述多個照明源以二維陣列隨機地排列。
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