本申請(qǐng)要求于2015年8月25日提交的題為“MODULAR ILLUMINATOR FOR EXTREMELY WIDE FIELD OF VIEW”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)62/209,708的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過引用并入本文中。

背景技術(shù)：

本文中所公開的主題總體上涉及對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)的觀察區(qū)域進(jìn)行照明，并且更具體地，涉及能夠產(chǎn)生超過90度的寬光束并且具有高度均勻性的照明系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

下文中給出了簡(jiǎn)要的概述，以便提供對(duì)本文中所描述的一些方面的基本理解。該概述既不是詳細(xì)綜述也不意在標(biāo)識(shí)關(guān)鍵/重要元件或者描述本文中所描述的各個(gè)方面的范圍。該概述的唯一目的是以簡(jiǎn)要的形式給出一些概念，以作為隨后要給出的更詳細(xì)的描述的序言。

在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方式中，提供有一種照明系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)包括：光源陣列；一個(gè)或更多個(gè)折反射透鏡，所述一個(gè)或更多個(gè)折反射透鏡被布置成收集來自光源陣列的光；第一透鏡陣列，該第一透鏡陣列被布置在第一行中，第一行基本上垂直于來自一個(gè)或更多個(gè)折反射透鏡的光的光路；第二透鏡陣列，該第二透鏡陣列被布置在第二行中，第二行基本上平行于第一行并且基本上垂直于光路；以及輸出透鏡，該輸出透鏡被布置成收集來自第二透鏡陣列的光。

另外，一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方式提供了一種用于產(chǎn)生光束的方法，該方法包括：通過線性的光源陣列來產(chǎn)生光；通過一個(gè)或更多個(gè)折反射透鏡對(duì)光進(jìn)行準(zhǔn)直，以產(chǎn)生第一準(zhǔn)直光；通過彼此串聯(lián)設(shè)置的兩個(gè)柱透鏡陣列在切向平面中使第一準(zhǔn)直光均勻化，以產(chǎn)生均勻光；以及通過垂直于兩個(gè)柱透鏡陣列設(shè)置的柱透鏡在徑向平面中對(duì)均勻光進(jìn)行準(zhǔn)直，以產(chǎn)生第二準(zhǔn)直光。

另外，一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方式提供了一種用于產(chǎn)生光束的方法，該方法包括：通過二維光源陣列來產(chǎn)生光；通過一個(gè)或更多個(gè)折反射透鏡對(duì)光進(jìn)行準(zhǔn)直，以產(chǎn)生第一準(zhǔn)直光；通過彼此串聯(lián)設(shè)置的兩個(gè)球形透鏡陣列在切向平面中使第一準(zhǔn)直光均勻化，以產(chǎn)生均勻光；以及通過球形透鏡在切向平面和徑向平面中對(duì)均勻光進(jìn)行準(zhǔn)直。

為了實(shí)現(xiàn)前述及相關(guān)目的，本文中結(jié)合以下描述和附圖描述了某些示例方面。這些方面指示可以實(shí)踐的各種方式，所有這些方式意在被本文涵蓋。根據(jù)以下當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)進(jìn)行的詳細(xì)描述，其他優(yōu)點(diǎn)和新型特征可以變得明顯。

附圖說明

圖1是示出通過示例非限制照明和成像系統(tǒng)捕獲圖像的圖，該示例非限制照明和成像系統(tǒng)包括照明裝置和成像系統(tǒng)。

圖2是示例照明系統(tǒng)的圖。

圖3是用于將面發(fā)射LED用作光源的示例照明系統(tǒng)的基本單元的三維視圖。

圖4是由包括照射95度的視場(chǎng)的模塊化基本單元的照明系統(tǒng)投射的光束的頂視圖和側(cè)視圖。

圖5是包括兩個(gè)模塊化基本單元的示例照明系統(tǒng)的三維視圖。

圖6是示出由包括照射190度的視場(chǎng)的兩個(gè)模塊化基本單元的照明系統(tǒng)投射組合光束的圖。

圖7是描繪包括兩個(gè)模塊化基本單元的照明系統(tǒng)在距該照明系統(tǒng)一米的距離處的所計(jì)算的輻照度的曲線圖。

圖8是包括三個(gè)基本單元的示例照明系統(tǒng)的三維視圖。

圖9是示出由包括照射280度的視場(chǎng)的三個(gè)基本單元的照明系統(tǒng)投射組合光束的圖。

圖10A描繪了將VCSEL用作光源的示例照明系統(tǒng)的基本單元的兩個(gè)三維視圖。

圖10B是將VCSEL用作光源的示例照明系統(tǒng)的基本單元的頂視圖。

圖10C是將VCSEL用作光源的示例照明系統(tǒng)的基本單元的側(cè)視圖。

圖11A是示例菲涅爾透鏡的剖面圖。

圖11B是示例柱菲涅爾透鏡的視圖。

圖11C是示例彎曲柱菲涅爾透鏡的視圖。

圖12A是使用VCSEL的示例照明系統(tǒng)在距照明系統(tǒng)五米的距離處的展開110度角的切向角空間中計(jì)算的輻射度的曲線圖。

圖12B是使用VCSEL的示例照明系統(tǒng)在距照明系統(tǒng)五米的距離處的展開2.5度角的切向角空間中計(jì)算的輻射度的曲線圖。

圖13是描繪被組合形成向大約2×180度的角空間輻射的照明系統(tǒng)的三個(gè)基本單元的三維視圖。

圖14是用于在保持高收集效率的同時(shí)產(chǎn)生具有寬照明場(chǎng)的高度均勻的線性光束的示例方法的流程圖。

圖15是用于通過將VCSEL用作照明光源以在保持高收集效率的同時(shí)產(chǎn)生具有寬照明場(chǎng)的高度均勻的線性光束的示例方法的流程圖。

圖16是用于在保持高收集效率的同時(shí)產(chǎn)生具有寬照明場(chǎng)的高度均勻的面光束的示例方法的流程圖。

圖17是用于制造模塊化照明系統(tǒng)的示例方法的流程圖，該模塊化照明系統(tǒng)能夠投射具有寬視場(chǎng)和跨光束的輻射剖面具有高度均勻性的線性光束。

圖18是用于制造模塊化照明系統(tǒng)的示例方法的流程圖，該模塊化照明系統(tǒng)能夠投射具有寬視場(chǎng)和跨光束的輻射剖面具有高度均勻性的面光束。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在，參照附圖來描述主題公開內(nèi)容。其中，貫穿全文，相同的附圖標(biāo)記用于指代相同的元件。在以下描述中，出于說明目的，闡述了許多具體細(xì)節(jié)，以提供對(duì)本主題公開內(nèi)容的透徹理解。然而，可以明顯的是，可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下來實(shí)踐本主題公開內(nèi)容。在其他實(shí)例中，以框圖的形式示出了公知的結(jié)構(gòu)和裝置，以有助于對(duì)本主題公開內(nèi)容的描述。

如本申請(qǐng)中所使用的，術(shù)語(yǔ)“或”意在是指包括“或”而非排除“或”。也就是說，除非具體指出或者根據(jù)上下文明確規(guī)定，否則短語(yǔ)“X采用A或B”意在是指自然包括的排列中的任一個(gè)。也就是說，以下實(shí)例中的任一實(shí)例均滿足短語(yǔ)“X采用A或B”：X采用A；X采用B；或X采用A和B二者。此外，除非具體指出或者根據(jù)上下文明確規(guī)定涉及單數(shù)形式，否則本申請(qǐng)和所附權(quán)利要求書中所使用的不定冠詞“一個(gè)(a)”和“一個(gè)(an)”應(yīng)當(dāng)通常理解為是指“一個(gè)或更多個(gè)”。

另外，如本文中所采用的術(shù)語(yǔ)“集合(set)”不包括空集；例如，其中沒有要素的集合。因此，主題公開內(nèi)容中的“集合”包括一個(gè)或更多個(gè)要素或?qū)嶓w。作為例示，控制器集合包括一個(gè)或更多個(gè)控制器；數(shù)據(jù)資源集合包括一個(gè)或更多個(gè)數(shù)據(jù)資源等。類似地，如本文中所利用的術(shù)語(yǔ)“組(group)”是指一個(gè)或更多個(gè)實(shí)體的集合；例如，節(jié)點(diǎn)組是指一個(gè)或更多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

另外，對(duì)于VCSEL陣列使用作為“垂直腔面發(fā)射激光器”的縮寫的術(shù)語(yǔ)“VCSEL”。最先進(jìn)的VCSEL陣列包括數(shù)十千計(jì)的單獨(dú)的VCSEL。

將給出與可以包括許多裝置、部件、模塊等的系統(tǒng)有關(guān)的各個(gè)方面和特征。要明白和理解的是，各種系統(tǒng)可以包括另外的裝置、部件、模塊等，并且/或者可以不包括結(jié)合附圖所討論的所有的裝置、部件、模塊等。也可以使用這些方法的組合。

照明系統(tǒng)常常結(jié)合相機(jī)或其他類型的成像系統(tǒng)一起使用，以適當(dāng)?shù)卣丈淦渲协h(huán)境光不足的區(qū)域，從而使得相機(jī)能夠產(chǎn)生具有所期望的對(duì)比度和信噪比的圖像。圖1是示出通過示例非限制照明和成像系統(tǒng)100捕獲圖像的圖，示例非限制照明和成像系統(tǒng)100包括照明裝置102和成像系統(tǒng)118。照明裝置102將光104發(fā)射至要成像的觀察區(qū)域。發(fā)射光中入射在視場(chǎng)內(nèi)的固體對(duì)象和表面——例如，固體108、110和112以及墻壁106——上的部分被受照射的對(duì)象和表面散射成散射光線114。散射光線的子集116被成像系統(tǒng)118以及成像系統(tǒng)118內(nèi)的圖像捕獲部件(例如，光電二極管陣列、電荷耦合裝置、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體、膠片或感光乳劑等)接收和收集，成像系統(tǒng)118將從對(duì)象和表面反射的光線116記錄為圖像(或者在三維成像系統(tǒng)的情況下記錄為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的集合)。

照明裝置102和成像系統(tǒng)118可以是例如商業(yè)相機(jī)或更專用化的相機(jī)例如多光譜成像相機(jī)或高光譜成像相機(jī)的部件。成像系統(tǒng)100還可以是能夠生成關(guān)于視場(chǎng)內(nèi)的點(diǎn)的距離信息的飛行時(shí)間(TOF)相機(jī)(也已知為三維圖像傳感器)的部件。

照明系統(tǒng)(例如，照明裝置102)通常被設(shè)計(jì)成適于特定類型的相機(jī)或成像系統(tǒng)的需求。例如，商業(yè)相機(jī)裝備有相對(duì)簡(jiǎn)單的閃光照明裝置，以補(bǔ)償在暗條件下環(huán)境光的不足。多光譜成像系統(tǒng)和高光譜成像系統(tǒng)采用被設(shè)計(jì)成捕獲特定電磁頻率下的圖像信息的更專用化的相機(jī)，并且因此，使用用于產(chǎn)生針對(duì)所需要的特定光譜范圍而定制的光的照明系統(tǒng)。隨著能夠發(fā)射窄光譜帶寬的光的固態(tài)照明光源例如激光器、VCSEL和發(fā)光二極管(LED)的出現(xiàn)，照明系統(tǒng)能夠使用涉及具體限定的波長(zhǎng)的光來照射觀察空間。照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者常常尋求在使用兼容的帶通濾波器使得背景輻射的影響最小化的同時(shí)提供跨成像應(yīng)用所需要的范圍的照明。

圖2是示例照明系統(tǒng)202的圖。給定的照明系統(tǒng)202可以包括：產(chǎn)生和發(fā)射光208的光源204例如LED、激光器(例如，垂直腔面發(fā)射激光器或VCSEL)或其他類型的光源；以及收集、準(zhǔn)直來自光源204的光并且將其作為經(jīng)處理的光束210引導(dǎo)至視場(chǎng)的光學(xué)部件206。給定照明系統(tǒng)的傳遞效率——即，由光源204產(chǎn)生的最終被傳遞至視場(chǎng)的光的百分比——可以被描述為系統(tǒng)的收集效率與傳輸效率的積。通常，收集效率描述由光源204發(fā)射的被光學(xué)部件206(例如，被收集透鏡)收集以用于進(jìn)一步的光學(xué)處理和傳輸?shù)墓?08的百分比。傳輸效率描述在使所收集的光傳輸通過光學(xué)部件206的光路期間被保留的所收集的光的百分比；也就是說，在傳輸通過照明系統(tǒng)期間通過漸暈、反射、散射或吸收而未損失的所收集的光的百分比。傳遞效率還至少部分地為光源204的集光率(或其拉格朗日不變量)的函數(shù)，其為光源204的面積與光源投射其光束的立體角的乘積。

本公開內(nèi)容的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方式提供了一種模塊化照明系統(tǒng)，該模塊化照明系統(tǒng)可以在保持高收集效率和傳輸以及跨光束的輻射剖面的高度均勻性(例如，超過80％)的同時(shí)照射(例如，超過90度的)寬視場(chǎng)。高收集效率還產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的高傳遞效率。照明系統(tǒng)的基本單元可以包括固態(tài)輻射源例如LED陣列、VCSEL或激光器以及以高收集效率將光從光源投射至視場(chǎng)的許多功率元件。任何受照射的區(qū)域特征受光源集光率或其拉格朗日不變量限制。

圖3是將面發(fā)射LED用作光源的示例照明系統(tǒng)的基本單元300的例示。在本示例中，光源包括安裝在印刷電路板310上的四個(gè)LED管芯306或四個(gè)LED管芯陣列。在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方式中，每個(gè)面發(fā)射LED具有至少2mm²·sr的集光率。由這些LED管芯發(fā)射的輻射被包括反射屬性和折射屬性二者的四個(gè)折反射透鏡308準(zhǔn)直(使得更平行)。然后，來自折反射透鏡308的準(zhǔn)直光通過彼此串聯(lián)設(shè)置的兩個(gè)柱透鏡陣列304a和304b在切向平面中被均勻化。柱透鏡陣列304a和304b中的每個(gè)柱透鏡陣列包括被布置在基本上垂直于來自折反射透鏡308的準(zhǔn)直光的光路的行中的一系列平行柱透鏡。柱透鏡陣列304a和304b使得光的功率剖面基本上均勻化或歸一化，以呈現(xiàn)跨光束的剖面更均勻的光束輻照度。在一些實(shí)施方式中，圖3中所描繪的配置可以使得視場(chǎng)的照射均勻化成至少85％。最后，使用垂直于透鏡陣列304a和304b設(shè)置的柱輸出透鏡302來在徑向平面中對(duì)照明光束進(jìn)一步進(jìn)行準(zhǔn)直。也就是說，柱輸出透鏡302被設(shè)置成使得其軸線垂直于或基本上垂直于包括兩個(gè)柱透鏡陣列304a和304b的柱透鏡的軸線。在一些實(shí)施方式中，圖3中所描繪的基本單元300的收集效率為至少80％。

圖4示出了由包括基本單元300的照明系統(tǒng)402投射的光束404的頂視圖和側(cè)視圖。如在本圖中所示，基本單元300可以照射大約4×100度的視場(chǎng)(要理解，圖4中的“頂視圖”和“側(cè)視圖”指定是任意的，并且視圖的方向取決于照明系統(tǒng)在給定情境中的取向)。如圖4中的側(cè)視圖所示，線性LED陣列、柱透鏡陣列304a和304b以及柱輸出透鏡302產(chǎn)生寬且基本上線性的照明場(chǎng)。這樣的線性光束適于例如掃描型成像系統(tǒng)，掃描型成像系統(tǒng)通過以振蕩的方式跨觀察區(qū)域掃描光束來收集圖像數(shù)據(jù)以收集線性圖像數(shù)據(jù)，或者將其光束投射至視場(chǎng)中并且收集關(guān)于經(jīng)過線性光束的對(duì)象或印刷符號(hào)的圖像信息。在光源比LED具有更小的集光率例如激光器、激光器陣列或VCSEL的一些實(shí)施方式中，豎直(或徑向)擴(kuò)展的角基本上小于4度。

雖然圖3描繪了基本單元300包括面發(fā)射LED管芯作為光源，但是一些實(shí)施方式可以使用激光器陣列(例如，VCSEL陣列或其他激光器光源)作為L(zhǎng)ED管芯的替選。在下文中結(jié)合圖10至圖13更詳細(xì)地描述并入VCSEL作為光源的示例基本單元。在一個(gè)或更多個(gè)示例實(shí)施方式中，激光器光源可以具有大約10^-6mm²·sr的集光率，其中，光收集效率幾乎為100％。在使用激光器或其他點(diǎn)光源類型作為光源的實(shí)施方式中，可以由簡(jiǎn)單的準(zhǔn)直透鏡來替代折反射透鏡。在不背離本公開內(nèi)容的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方式的范圍的情況下，也可以使用其他類型的有限光源。

另外，在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方式中，可以由光束均勻化的其他裝置來替代兩個(gè)透鏡陣列。例如，可以使用非球形透鏡集合或非球形表面集合來替代兩個(gè)透鏡陣列，以使得光束均勻化。在又一實(shí)施方式中，可以由光成形漫射器來實(shí)現(xiàn)均勻化。

在各種實(shí)施方式中，根據(jù)使用基本單元300的成像系統(tǒng)的特定類型的需求，基本單元300的光源可以被配置成發(fā)射恒定光束，或者可以被配置成發(fā)射脈沖光束或調(diào)制光束。脈沖光束可以例如適于用在TOF相機(jī)中，TOF相機(jī)基于光脈沖的發(fā)射與相機(jī)處的反射脈沖的檢測(cè)之間逝去的時(shí)間(或者基于發(fā)射的脈沖與接收的脈沖之間的相位差)來測(cè)量對(duì)象或表面距相機(jī)的距離。在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方式中，可以由信號(hào)生成部件來調(diào)制光源，以將所限定的信號(hào)(例如，連續(xù)調(diào)制信號(hào)、脈沖調(diào)制或其他信號(hào))調(diào)制到光束上。在一些這樣的實(shí)施方式中，信號(hào)生成部件可以通過調(diào)制光源的驅(qū)動(dòng)電流來調(diào)制光束。使用已知的信號(hào)來調(diào)制由光源發(fā)射的光可以允許通過由成像系統(tǒng)執(zhí)行的圖像處理應(yīng)用來從環(huán)境光中識(shí)別和區(qū)分出反射光。

為了在保持高度收集效率和均勻性的同時(shí)使得照明場(chǎng)進(jìn)一步加寬，可以以模塊的方式對(duì)照明系統(tǒng)添加另外的基本單元。圖5描繪了包括與基本單元300具有類似配置的兩個(gè)基本單元即基本單元300a和基本單元300b的另一示例照明系統(tǒng)。在本示例中，第一基本單元包括：四個(gè)LED管芯506a和對(duì)應(yīng)的折反射透鏡508a；兩個(gè)柱透鏡陣列504a和504b，兩個(gè)柱透鏡陣列504a和504b彼此串聯(lián)設(shè)置以用于在切向平面中對(duì)來自折反射透鏡508a的準(zhǔn)直光進(jìn)行均勻化；以及柱透鏡502a，柱透鏡502a垂直于透鏡陣列504a和504b設(shè)置以用于在徑向平面中對(duì)來自透鏡陣列504a和504b的光進(jìn)行準(zhǔn)直。另外，類似的第二基本單元與第一基本單元鄰接，并且相對(duì)于第一基本單元為大約-90度取向。第二基本單元包括四個(gè)LED管芯506b、折反射透鏡508b、兩個(gè)柱透鏡陣列504c和504d以及柱透鏡502b。

圖6示出了由包括如圖5所示的那樣取向的兩個(gè)基本單元300a和300b的照明系統(tǒng)602對(duì)組合光束604的投射。組合光束包括由各個(gè)基本單元300a和300b通過照明系統(tǒng)602的窗口606投射的兩個(gè)單獨(dú)的光束(由圖6中的不同的陰影標(biāo)識(shí))，從而相對(duì)于圖3的單個(gè)基本單元配置產(chǎn)生更寬的照明場(chǎng)(從圖6中省略由照明系統(tǒng)602投射的照明的側(cè)視圖，其與圖4中所描繪的側(cè)視圖相似)。通過添加相對(duì)于第一基本單元300a為-90度取向的第二基本單元300b，圖5中所描繪的配置可以產(chǎn)生大約4×190度的照明場(chǎng)，如圖6中所示的那樣。如在圖3中所描繪的單個(gè)基本單元配置中那樣，在不背離本公開內(nèi)容的范圍的情況下，可以由其他類型的光源例如激光器來替代LED管芯。

圖7是描繪圖5和圖6中所描繪的照明系統(tǒng)在距照明系統(tǒng)602一米的距離處的計(jì)算的輻照度的曲線圖。使用基本單元300a和300b，照明系統(tǒng)呈現(xiàn)出大約85％的收集效率以及大約85％的均勻性。線702a表示針對(duì)基本單元1計(jì)算的輻照度(覆蓋由基本單元1照射的第一范圍的視場(chǎng))，而線702b表示針對(duì)基本單元2計(jì)算的輻照度(覆蓋由基本單元2照射的第二范圍的視場(chǎng))。線704表示針對(duì)照明系統(tǒng)602計(jì)算的跨整個(gè)照明場(chǎng)的輻照度。

可以通過對(duì)照明系統(tǒng)添加第三基本單元來使照明場(chǎng)進(jìn)一步加寬。圖8描繪了包括均具有與第一基本單元300類似的配置的三個(gè)基本單元300a、300b和300c的另一示例照明系統(tǒng)。第三基本單元300c與第二基本單元300b鄰接，相對(duì)于第二基本單元為-90度取向。圖9示出了由包括如圖8中所示的那樣取向的三個(gè)基本單元300a、300b和300c的照明系統(tǒng)902對(duì)組合光束904的投射，照明系統(tǒng)902將組合光束投射通過照明系統(tǒng)902的窗口906。該配置產(chǎn)生大約4×270度的照明場(chǎng)。

在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方式中，可以以類似的方式對(duì)第一至第三基本單元300a、300b和300c添加第四基本單元，第四基本單元相對(duì)于第三基本單元300c為-90度取向(即，相對(duì)于第二基本單元300b為180度)。該配置產(chǎn)生4×360度的照明場(chǎng)。

圖3、圖5和圖8所示的示例配置采用線性LED陣列和柱透鏡來產(chǎn)生具有寬視場(chǎng)的基本上線性的光束。在一些實(shí)施方式中，基本單元可以被配置成投射面光束而非線性光束。這可以通過將LED管芯陣列306從線性陣列擴(kuò)展至面陣列——例如，包括行和列的二維LED陣列——并且通過使用球形透鏡來替換柱透鏡陣列304a和304b以及柱透鏡302從而延伸徑向照明場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)。在支持面光束投射的示例實(shí)施方式中，光源可以包括4×4的LED管芯陣列。由該面LED管芯陣列發(fā)射的輻射通過對(duì)應(yīng)的4×4的面折反射透鏡陣列來準(zhǔn)直，并且通過彼此串聯(lián)布置的兩個(gè)球形透鏡陣列(替換圖3中的柱透鏡陣列304a和304b)在徑向平面和切向平面二者中被均勻化。使用替換圖3中的柱輸出透鏡302的球形輸出透鏡來在徑向平面和切向平面二者中對(duì)照明光束進(jìn)一步進(jìn)行準(zhǔn)直。該配置(與由圖3中的線性配置產(chǎn)生的4×95度的視場(chǎng)相比)產(chǎn)生大約95×95度的視場(chǎng)。

如上述線性基本單元那樣，可以通過添加另外的基本單元來使由面基本單元產(chǎn)生的面光束的寬度加寬。例如，根據(jù)雙單元實(shí)施方式，相對(duì)于彼此為90度取向的鄰接的兩個(gè)面基本單元一起(與圖5中所描繪的線性基本單元的布置相似)可以產(chǎn)生大約95×190度的照明場(chǎng)。在另一示例中，三單元實(shí)施方式可以包括鄰接在一起的三個(gè)面基本單元，每個(gè)單元相對(duì)于相鄰的單元為90度取向(與圖8中描繪的線性基本單元的布置相似)。該三單元配置可以產(chǎn)生大約95×270度的照明場(chǎng)。在又一示例中，可以使用包括彼此鄰接的四個(gè)面基本單元的四單元實(shí)施方式來投射全部95×360度照明場(chǎng)，每個(gè)基本單元相對(duì)于相鄰的基本單元為90度取向。

如上所述，本文中所描述的一些實(shí)施方式可以使用VCSEL而非圖3、圖5和圖8中所描繪的LED陣列作為光源。圖10A描繪了將VCSEL用作光源的示例照明系統(tǒng)的基本單元1000的兩個(gè)三維視圖。在本示例中，光源包括安裝在印刷電路板1010上的三個(gè)VCSEL管芯1008。在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方式中，每個(gè)面發(fā)射VCSEL具有通常為0.1mm²·sr的集光率。由VCSEL發(fā)射的輻射通過三個(gè)雙錐形透鏡1006在切向平面中被準(zhǔn)直并且在徑向平面中被擴(kuò)展。然后，該輻射由光成形漫射器1004漫射，使輻射具有大約100度的方位角擴(kuò)展，同時(shí)使得光束輻射度均勻化。在一些實(shí)施方式中，圖10A中所描繪的配置可以使視場(chǎng)的照明均勻化至至少85％。最后，垂直于VCSEL陣列1008設(shè)置的柱輸出透鏡1002用于在徑向平面中對(duì)照明光束進(jìn)行準(zhǔn)直。在一些實(shí)施方式中，圖10A中所描繪的基本單元1000的傳輸效率為至少80％。

圖10B中示出了基本單元1000的頂視圖。如該視圖所示，VCSEL1008安裝在印刷電路板(PCB)1010上。在本示例中，通過三個(gè)雙錐形透鏡1006對(duì)由VCSEL 1008發(fā)射并且由光線1012表示的輻射在切向平面中進(jìn)行準(zhǔn)直并且在徑向平面中進(jìn)行擴(kuò)展。然后，該輻射由光成形漫射器1004漫射，使輻射具有大約100度的方位角擴(kuò)展，同時(shí)使得光束輻射度均勻化。柱菲涅爾輸出透鏡1002彎曲并且垂直于VCSEL陣列1008設(shè)置。透鏡1002在切向平面中不具有功率并且用于在徑向平面中對(duì)照明光束進(jìn)行準(zhǔn)直。圖10C中示出了基本單元1000的側(cè)視圖。

菲涅爾透鏡1002的優(yōu)點(diǎn)是薄且可以低成本批量生產(chǎn)。菲涅爾透鏡1002可以由光學(xué)聚合物制成，使得透鏡1002可以如圖10A至圖10C所示的那樣彎曲。圖11A示出了示例菲涅爾透鏡的剖面圖。圖11B示出了柱菲涅爾透鏡。圖11C示出了彎曲的柱菲涅爾透鏡。

圖12A和圖12B是使用圖10A至圖10C所描繪的VCSEL的照明系統(tǒng)在距照明系統(tǒng)五米的距離處的角空間中的計(jì)算的輻照度的曲線圖。照明系統(tǒng)呈現(xiàn)了大約超過80％的傳輸效率以及大約85％的均勻性。圖12A表示在展開100度角的切向角空間中計(jì)算的輻照度(在85％的幅度內(nèi))，而圖12B表示在展開2.5度角的切向角空間中計(jì)算的輻照度(在半高寬或FWHM內(nèi))。

為了在保持高度收集效率和傳輸效率以及均勻性的同時(shí)使得照明場(chǎng)進(jìn)一步加寬，可以以模塊的方式對(duì)使用VCSEL的另外的基本單元進(jìn)行組合，另外的基本單元與上述基于LED的基本單元類似。例如，第二類似的單元可以以大約90度的方位角與包括三個(gè)VCSEL 1008(如圖10B所示)、對(duì)應(yīng)的雙錐形透鏡1006、光成形漫射器1004和柱透鏡1002的第一基本單元鄰接。所得到的組合照明系統(tǒng)向大約2×190度的角空間輻射。另外，兩個(gè)基本單元在一些實(shí)施方式中可以以相同的波長(zhǎng)輻射，或者在其他實(shí)施方式中以不同的波長(zhǎng)輻射。另外，兩個(gè)基本單元在一些實(shí)施方式中可以輻射偏振光，或者在其他實(shí)施方式中可以輻射具有相似的偏振態(tài)的偏振光，或者在又一些實(shí)施方式中輻射具有不同偏振態(tài)的偏振光。

為了在保持高度收集效率和傳輸效率以及均勻性的同時(shí)使照明場(chǎng)再進(jìn)一步加寬，可以以模塊的方式對(duì)使用VCSEL的三個(gè)基本單元進(jìn)行組合。圖13是描繪被組合形成向大約2×280度的角空間輻射的照明系統(tǒng)的三個(gè)基本單元1302、1303和1306的三維視圖。三個(gè)基本單元在一些實(shí)施方式中可以以相同的波長(zhǎng)輻射，或者在其他實(shí)施方式中以不同的波長(zhǎng)輻射。另外，基本單元在一些實(shí)施方式中可以輻射偏振光，或者在其他實(shí)施方式中可以輻射具有相同偏振態(tài)的偏振光，或者在又一些實(shí)施方式中可以輻射具有不同偏振態(tài)的偏振光。注意，圖13結(jié)合成像透鏡858描繪了基本單元1302、1304和1306。

圖10A至圖10C以及圖13所示的示例配置采用VCSEL和柱透鏡來產(chǎn)生具有寬視場(chǎng)的基本上線性的光束。在一些實(shí)施方式中，基本單元可以被配置成投射面光束而非線性光束。這可以通過如下方式實(shí)現(xiàn)：將VCSEL陣列1008從線性陣列擴(kuò)展至面陣列——例如，包括行和列的二維VCSEL陣列，注意每個(gè)VCSEL為其自身的陣列——并且通過使用球形透鏡來替換雙錐形透鏡1006和柱透鏡1002，從而擴(kuò)展徑向照明場(chǎng)。在支持面光束投射的示例實(shí)施方式中，光源可以包括4×4的VCSEL陣列。由VCSEL發(fā)射的輻射通過對(duì)應(yīng)的4×4的透鏡陣列被準(zhǔn)直，并且通過光成形漫射器被均勻化。使用替換圖10A中的柱輸出透鏡1002的球形輸出透鏡來在徑向平面和切向平面二者中對(duì)照明光束進(jìn)一步進(jìn)行準(zhǔn)直。該配置(與由圖10A中的線性配置產(chǎn)生的2×100視場(chǎng)相比)產(chǎn)生大約100×100度的視場(chǎng)。

如上述線性基本單元那樣，可以通過添加另外的基本單元來使由面基本單元產(chǎn)生的面光束的寬度加寬。例如，根據(jù)雙單元實(shí)施方式，相對(duì)于彼此為大約90度取向的鄰接的兩個(gè)面基本單元一起可以產(chǎn)生大約100×190度的照明場(chǎng)。在另一示例中，三單元實(shí)施方式可以包括鄰接在一起的三個(gè)面基本單元，每個(gè)單元相對(duì)于相鄰的單元為大約90度取向(與圖13中所描繪的線性基本單元的布置相似)。三單元配置可以產(chǎn)生大約100×280度的照明場(chǎng)。在又一示例中，可以使用包括彼此鄰接的四個(gè)面基本單元的四單元實(shí)施方式來投射全部100×360度照明場(chǎng)，其中，每個(gè)基本單元相對(duì)于相鄰的基本單元為大約90度取向。

圖14至圖18示出了根據(jù)主題申請(qǐng)的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方式的各種方法。雖然出于簡(jiǎn)要和說明的目的，將本文中所示的一個(gè)或更多個(gè)方法示出和描述為一系列動(dòng)作，但是應(yīng)當(dāng)明白和理解，主題創(chuàng)新不受動(dòng)作順序的限制，這是因?yàn)楦鶕?jù)主題申請(qǐng)，一些動(dòng)作可以以不同的順序發(fā)生，或者與本文中所示出和描述的其他動(dòng)作同時(shí)發(fā)生。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員要明白和理解的是，方法可以可替選地被表示為一系列相關(guān)狀態(tài)或事件例如狀態(tài)圖。此外，不是需要所有所示出的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)根據(jù)本創(chuàng)新的方法。此外，當(dāng)不同的實(shí)體作用方法的不同的部分時(shí)，根據(jù)主題公開內(nèi)容，交互圖可以表示技術(shù)或方法。另外，所公開的示例方法中的兩個(gè)或更多個(gè)可以彼此組合實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)本文中所描述的一個(gè)或更多個(gè)特征和優(yōu)點(diǎn)。

圖14示出了用于在保持高收集效率的同時(shí)產(chǎn)生具有寬照明場(chǎng)的高度均勻的線性光束(例如，結(jié)合照射視場(chǎng)以有助于執(zhí)行由成像系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確收集)的示例方法1400。在最初時(shí)，在1402處，使用LED陣列或激光器光源來產(chǎn)生光。光源可以包括例如線性LED管芯陣列或激光器光源。在1404處，使用一個(gè)或更多個(gè)折反射透鏡對(duì)在步驟1404處產(chǎn)生的光進(jìn)行準(zhǔn)直。對(duì)于其中光源包括LED管芯陣列的實(shí)施方式而言，折反射透鏡可以與每個(gè)LED相關(guān)聯(lián)，以收集和準(zhǔn)直由LED產(chǎn)生的光。

在1406處，使用彼此串聯(lián)設(shè)置的兩個(gè)柱透鏡陣列在切向平面中使來自折反射透鏡的光基本上被均勻化。在1408處，使用垂直于柱透鏡陣列設(shè)置的柱透鏡在徑向平面中對(duì)來自柱透鏡陣列的光進(jìn)行準(zhǔn)直。

圖15示出了用于通過使用VCSEL作為照明光源在保持高收集效率的同時(shí)產(chǎn)生具有寬照明場(chǎng)的高度均勻的線性光束(例如，結(jié)合照射視場(chǎng)以有助于執(zhí)行由成像系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確收集)的示例方法1500。在最初時(shí)，在1502處，使用VCSEL來產(chǎn)生光。在1504處，使用一個(gè)或更多個(gè)雙錐形透鏡使在1502處產(chǎn)生的光進(jìn)行準(zhǔn)直。在1506處，使用光成形漫射器在切向平面中使來自雙錐形透鏡的光基本上均勻化。在1508處，使用垂直于雙錐形透鏡陣列設(shè)置的柱透鏡在徑向平面中對(duì)來自雙錐形透鏡陣列的光進(jìn)行準(zhǔn)直。

圖16示出了在保持高收集效率的同時(shí)產(chǎn)生具有寬照明場(chǎng)的高度均勻的面光束(例如，結(jié)合照射視場(chǎng)以有助于執(zhí)行由成像系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確收集)的示例方法1600。在最初時(shí)始，在1602處，使用LED陣列、VCSEL或激光器光源來產(chǎn)生光。光源可以包括例如二維LED管芯陣列。在1604處，使用一個(gè)或更多個(gè)折反射透鏡(或者在使用VCSEL的實(shí)施方式中使用雙錐形透鏡)對(duì)在步驟1604處產(chǎn)生的光進(jìn)行準(zhǔn)直。針對(duì)其中光源包括LED管芯陣列的實(shí)施方式而言，折反射透鏡可以與每個(gè)LED相關(guān)聯(lián)以收集和準(zhǔn)直由該LED產(chǎn)生的光。

在1606處，使用彼此串聯(lián)設(shè)置的兩個(gè)球形透鏡陣列在切向平面中使來自折反射透鏡的光基本上均勻化。在1608處，使用球形透鏡在徑向平面和切向平面中對(duì)來自球形透鏡陣列的光進(jìn)行準(zhǔn)直。在步驟1606處使用VCSEL的實(shí)施方式中，使用光成形漫射器使來自雙錐形透鏡的光基本上均勻化。隨后在1608處，使用球形透鏡在徑向平面和切向平面中對(duì)光進(jìn)行準(zhǔn)直。

圖17示出了用于制造模塊化照明系統(tǒng)的示例方法1700，該模塊化照明系統(tǒng)能夠投射具有寬視場(chǎng)和跨光束的輻射剖面具有高度均勻性的線性光束。在最初時(shí)，在1702處，將折反射透鏡(或者，在一些實(shí)施方式中，雙錐形透鏡)的集合布置成對(duì)來自線性發(fā)光元件陣列的各個(gè)發(fā)光元件的光進(jìn)行收集和準(zhǔn)直。發(fā)光元件可以包括例如線性LED管芯陣列的LED、VCSEL或基于激光器的光源。在1704處，在來自折反射透鏡的準(zhǔn)直光的光路中布置兩個(gè)柱透鏡陣列。折反射透鏡陣列中的每個(gè)折反射透鏡包括被布置在基本上垂直于從折反射透鏡輻射的準(zhǔn)直光的光路的行中的平行柱透鏡集合。在使用VCSEL的實(shí)施方式中，可以由光成形漫射器來替換在1704處的柱透鏡陣列。在1706處，在來自兩個(gè)柱透鏡陣列的光的光路中布置柱透鏡，使得該柱透鏡的軸線基本上垂直于包括兩個(gè)柱透鏡陣列的柱透鏡(或者，在一些實(shí)施方式中，雙錐形透鏡)的軸線取向。

圖18示出了用于制造模塊化照明系統(tǒng)的示例方法1800，該模塊化照明系統(tǒng)能夠投射具有寬視場(chǎng)和跨光束的輻射剖面具有高度均勻性的面光束。在最初時(shí)，在1802處，將折反射透鏡(或者，在一些實(shí)施方式中，雙錐形透鏡)的集合布置成對(duì)來自二維陣列的發(fā)光元件的各個(gè)發(fā)光元件的光進(jìn)行收集和準(zhǔn)直。發(fā)光元件可以包括例如二維LED管芯陣列的LED、VCSEL或基于激光器的光源。在1804處，在從折反射透鏡(或者，在一些實(shí)施方式中，雙錐形透鏡)輻射的準(zhǔn)直光的光路中布置兩個(gè)球形透鏡陣列。球形透鏡陣列中的每個(gè)球形透鏡包括被布置在基本上垂直于來自折反射透鏡(或者，在一些實(shí)施方式中，雙錐形透鏡)的準(zhǔn)直光的光路的行中的球形透鏡集合。在1806處，在從兩個(gè)球形透鏡陣列輻射的光的光路中布置球形透鏡。

以上所描述的內(nèi)容包括本主題創(chuàng)新的示例。當(dāng)然，出于描述所公開的主題的目的，不可能描述部件或方法的每個(gè)可設(shè)想的組合，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，能夠存在本主題的另外的組合和排列。因此，所公開的主題意在包括落入所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的所有這樣的變體、變形和變化。例如，上述所有的透鏡可以是折射透鏡、折射菲涅爾透鏡、二元透鏡、衍射透鏡、全息光學(xué)元件或者這樣的透鏡的組合。

特別地并且鑒于由上述部件、裝置、電路、系統(tǒng)等執(zhí)行的各種功能，除非另外指出，否則用于描述這樣的部件的術(shù)語(yǔ)(包括所提及的“裝置”)意在對(duì)應(yīng)于執(zhí)行所描述的部件的具體功能(例如，功能等同方式)的任何部件，即使所述部件與進(jìn)行本文中所示出的所公開的主題的示例方面的功能的所公開的結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上不等同。鑒于此，還要認(rèn)識(shí)到，所公開的主題包括系統(tǒng)以及具有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令用于執(zhí)行所公開的主題的各種方法的動(dòng)作和/或事件。

此外，雖然已經(jīng)相對(duì)于若干實(shí)現(xiàn)方式中的僅一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式公開了所公開的主題的特定特征，但是可以根據(jù)任何給定或特定應(yīng)用期望的或有利的，可以將這樣的特征與其他實(shí)現(xiàn)方式的一個(gè)或更多個(gè)其他特征進(jìn)行組合。另外，關(guān)于在詳細(xì)描述或權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語(yǔ)“包括(includes)”和“包括(including)”及其變體，這些術(shù)語(yǔ)意在以與術(shù)語(yǔ)“包括(comprising)”相同的方式包括。

在本申請(qǐng)中，詞語(yǔ)“示例性”用于是指用作示例、實(shí)例或例示。本文中所描述為“示例性”的任何方面或設(shè)計(jì)不必要被理解為比其他方面或設(shè)計(jì)優(yōu)選或有利。而且，詞語(yǔ)示例性的使用不意在以具體方式給出概念。

本文中所描述的各種方面或特征可以實(shí)現(xiàn)為使用標(biāo)準(zhǔn)編程和/或工程技術(shù)的方法、設(shè)備或制造物。本文中所使用的術(shù)語(yǔ)“制造物”意在包括從任何計(jì)算機(jī)可讀裝置、載體或介質(zhì)可訪問的計(jì)算機(jī)程序。例如，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以包括但不限于磁存儲(chǔ)裝置(例如，硬盤、軟盤、磁帶……)、光盤(例如，壓縮盤(CD)、數(shù)字多功能盤(DVD)……)、智能卡和閃存存儲(chǔ)器裝置(例如，卡、棒、密鑰驅(qū)動(dòng)……)。