光扩散系统的制作方法

1.本技术涉及一种光扩散系统，并且更具体地，涉及一种用于飞行时间原理(tof)的具有大发散角的光扩散系统。


背景技术：

2.随着经济社会的日益发展，人们对于汽车的安全及智能化要求也越来越高。随着3d交互镜头在智能手机中的应用技术越来越成熟，众多3d交互识别技术正把目光投向汽车领域，例如将面部及手势识别等技术应用于车载领域。
3.其中，飞行时间原理(tof)是最常用的面部及手势识别方案。常规的tof方案是在车内前排顶灯位置处安装红外led，利用红外led发出扩散的光线，同时用tof摄像头接收光线。但作为光发射单元的led的带宽比较宽，在接收端容易引入杂光影响识别的准确性；此外，led光的扩散角有限，很难将副驾驶所在范围包含在内。
4.垂直腔表面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，vcsel)是一种出光方向垂直与谐振腔表面的f-p激光器，近年来，其性价比已接近led，甚至在某些方面更优于led光源，是作为光发射单元的流行选择。


技术实现要素：

5.本技术提供了可适用于车载系统的、可至少解决或部分解决现有技术中的上述至少一个缺点的光扩散系统，例如可使用于基于tof的具有大发散角度的光扩散系统。
6.本技术提供了这样一种光扩散系统，该光扩散系统包括：光发射元件，其配置成发射光线；以及至少两个光扩散板，其配置成透射并逐级扩散从所述光发射元件发射的光线。其中，透射过所述至少两个光扩散板的光线在第一方向上的发散角度和在与所述第一方向垂直的第二方向上的发散角度中的至少一个大于120
°
。
7.在一个实施方式中，所述至少两个光扩散板具有彼此完全相同的结构。
8.在一个实施方式中，所述至少两个光扩散板具有彼此不同的结构。
9.在一个实施方式中，所述至少两个光扩散板设置成微透镜阵列结构和衍射光学元件中的至少一种。
10.在一个实施方式中，所述微透镜阵列结构包括布置成矩阵形式的多个微透镜单元。
11.在一个实施方式中，透射过所述至少两个光扩散板的光线的发散角度通过调整所述多个微透镜单元的在所述第一方向和所述第二方向上的宽度及其面型特征而被改变。
12.在一个实施方式中，透射过所述至少两个光扩散板的光线的发散角度还通过调整所述至少两个光扩散板中相邻的光扩散板之间的间隔距离而被改变。
13.在一个实施方式中，所述光发射元件配置成发射红外光。
14.在一个实施方式中，所述光发射元件为发射红外光斑的垂直腔表面发射激光器。
15.在一个实施方式中，所述红外光斑在所述第一方向和所述第二方向上的发散角度
均小于15
°
。
16.在一个实施方式中，所述至少两个光扩散板设置为平坦面板，或弧形面板，或二者的组合。
17.在一个实施方式中，所述光扩散系统还包括用于改善透光性的增透膜。
18.在一个实施方式中，所述光扩散系统还包括一个或多个基板，所述基板设置在所述至少两个光扩散板中的一个或多个处，以对所述光扩散板进行支承和固定。
19.在一个实施方式中，所述基板具有高的红外线透射性。
20.通过对光扩散板中所包括的多个微透镜单元的尺寸、面型、排列方式以及扩散板的间距等参数进行合理配置，本技术提供的光扩散系统可满足以下至少一个有益效果：(1)在第一方向和第二方向中的至少一个方向上实现大于120
°
的超大光线发散范围；2)在应用于基于tof的面部及手势识别中时，可以实现包括副驾驶员区域在内的更大的探测范围；3)与垂直腔表面发射激光器(vcsel)结合使用，能够对车内的部分范围执行精确探测，满足高精度探测的需求。
附图说明
21.结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：
22.图1a和图1b示出了根据本技术的第一实施方式的光扩散系统的分别沿着第一方向x和第二方向y截取的示意性剖视图；
23.图2a和图2b分别示出了根据本技术的第一实施方式的第一光扩散板和第二光扩散板的一部分的灰度图；
24.图3示出了根据本技术的第一实施方式的经过第一光扩散板和第二光扩散板扩散的光线的扩散光场图；
25.图4示出了根据本技术的第二实施方式的光扩散系统的沿着第一方向x截取的示意性剖视图；
26.图5a和图5b分别示出了根据本技术的第二实施方式的第一光扩散板和第二光扩散板的一部分的灰度图；
27.图6示出了根据本技术的第二实施方式的经过第一光扩散板和第二光扩散板扩散的光线的扩散光场图；
28.图7示出了根据本技术的第三实施方式的光扩散系统的沿着第一方向x截取的示意性剖视图；
29.图8示出了根据本技术的第三实施方式的经过第一光扩散板、第二光扩散板和第三光扩散板扩散的光线的扩散光场图；
30.图9示出了根据本技术的第四实施方式的光扩散系统的示意性剖视图；以及
31.图10示出了根据本技术的第五实施方式的光扩散系统的示意性剖视图。
具体实施方式
32.为了更好地理解本技术，将参考附图对本技术的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本技术的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本技术
特指扩散板对入射至其上的光线的发散能力。
42.首先，将结合图1a至图3对本技术的第一实施方式进行详细描述。
43.图1a和图1b示出了根据本技术的第一实施方式的光扩散系统10的分别沿着第一方向x和第二方向y截取的示意性剖视图。图2a和图2b分别示出了根据本技术的第一实施方式的第一光扩散板和第二光扩散板的一部分的灰度图。
44.在附图中，限定了第一方向x、第二方向y和第三方向z。在平面中，第一方向x可以垂直于第二方向y。第三方向z可以垂直于由第一方向x和第二方向y限定的平面。在以下描述中，第三方向z可以指扩散板的出射表面的法线方向。
45.另外，在本文中，措辞“发散角”定义为具有扩散光场中心强度值的一半的光线之间所成的角度。措辞“在第一方向上的发散角度”可以指的是在沿着第一方向(例如，x轴方向)截取的剖视图中，发射/出射的光束中具有扩散光场中心强度值的一半的光线之间所成的角度(该角度小于180
°
)。类似地，措辞“在第二方向上的发散角度”可以指的是在沿着第二方向(例如，y轴方向)截取的剖视图中，发射/出射的光束中具有扩散光场中心强度值的一半的光线之间所成的角度(该角度小于180
°
)。应注意的是，在本文所示出的所有附图中，所示出的发散角度仅是为便于描述而绘制的简化的示意性图示，并不表示真实的光线发散范围。
46.如图1a和图1b中所示，光扩散系统10沿着光线的投射方向依序可以包括光发射元件100、第一光扩散板200和第二光扩散板300。
47.具体地，光发射元件100可以是垂直腔表面发射激光器(以下简称“vcsel”)，其配置成发射用于被tof摄像头接收以进行面部及手势识别的红外线，所发射的红外线可以是具有第一发散角的圆形光斑。可选地，该第一发散角在第一方向x上的发散角度α
x
可以是5
°
，且在第二方向y上的发散角度α
y
可以是5
°
。
48.第一光扩散板200位于光发射元件100与第二光扩散板300之间，并且可以接收从光发射元件100发射的红外线，红外线可以在透射穿过第一光扩散板200时被第一光扩散板200初步扩散。换言之，从第一光扩散板200出射的光线在第一方向x和第二方向y的发散角度上分别大于发散角度α
x
和发散角度α
y
。
49.第二光扩散板300可以透射经第一光扩散板200初步扩散的红外线，并且同时对所透射的红外线进行二次扩散，使之从光扩散系统10出射时具有较大的第二发散角。在该实施方式中，第二发散角在第一方向x上的发散角度β
x
为154
°
，在第二方向y上的发散角度β
y
为133
°
。
50.根据本技术的第一实施方式，第一光扩散板200和第二光扩散板300可以完全相同，可选地，二者可以由相同的工艺经由相同的过程同时形成。使光扩散系统的多个光扩散板完全相同的有益效果在于，仅使用一个模具即可制造多个光扩散板，由此可以有效降低成本。
51.具体地，在根据本技术的第一实施方式中，第一光扩散板200和第二光扩散板300可以具有相同的微透镜阵列结构，即，这两个光扩散板中包括的多个微透镜单元以相同的尺寸、面型、排列方式进行设置以使得第一光扩散板200和第二光扩散板300具有相同的光学特性。本文中，多个微透镜单元例如可以布置成m
×
n矩阵形式，其中m和n均为大于1的整数。
52.应理解的是，微透镜阵列可以具有任意合适数量的微透镜单元，且不同的微透镜阵列可以具有相同或不同的微透镜单元数量，本技术不对微透镜单元的数量做出特定限制。为便于说明，附图中仅示出了实际应用时所使用的微透镜阵列的一部分作为示例进行描述。例如，在2a和图2b中，分别示出了构成第一光扩散板200的第一微透镜阵列的一部分200-a和构成第二光扩散板300的第二微透镜阵列的一部分300-a，其中，第一微透镜阵列的一部分200-a和第二微透镜阵列的一部分300-a分别包括多个微透镜单元200-a11至200-a44以及多个微透镜单元300-a11至300-a44。
53.此外，在该示例中，任一组透镜阵列中所包括的微透镜单元均可以具有与同一透镜阵列中的微透镜单元彼此相同的面型，但本技术不限于此，还可以根据需要将各个微透镜单元设计成具有不同的面型。
54.在该示例性实施方式中，微透镜单元中的任一个微透镜单元的面型z可利用但不限于以下面型公式(1)进行限定：
[0055][0056]
其中，c表示微透镜单元的曲率系数，k表示微透镜单元的圆锥系数，r表示距中心轴的距离，z表示以中心轴和透镜面的焦点为基准的垂度。
[0057]
下表1示出了根据第一实施方式的两个微透镜阵列所包括的任一微透镜单元的、经粒子群算法优化后的基本参数表，其中，p
x
表示微透镜单元在第一方向x上的宽度值，p
y
表示微透镜单元在第二方向y上的宽度值，d12表示第一光扩散板200与第二光扩散板300之间的间隔距离。
[0058][0059]
表1
[0060]
在该示例性实施方式中，第一光扩散板200中的任一个微透镜单元在第一方向x上的宽度值p
x
和在第二方向y上的宽度值p
y
分别例如为65μm和120μm，而第二光扩散板300中的任一个微透镜单元在第一方向x上的宽度值p
x
和在第二方向y上的宽度值p
y
分别例如为120μm和65μm。由此可知，在本示例中，虽然第一光扩散板200和第二光扩散板300具有完全相同的结构，但在组装加工期间的二者布置方向不同，第二光扩散板300相对于第一光扩散板200偏转了90度，由此来实现如上所述的光线扩散效果。
[0061]
还应注意的是，虽然以微透镜阵列结构为例对第一光扩散板200和第二光扩散板300的结构进行了描述，但第一光扩散板200和第二光扩散板300的结构不限于此，例如，第一光扩散板200和第二光扩散板300可以设置成衍射光学元件，或者也可以具有微透镜阵列与衍射光学元件组合这样的结构模式，来实现光扩散系统10的光线扩散的功能。
[0062]
图3示出了根据第一实施方式的经过第一光扩散板200和第二光扩散板300扩散后
的光线的扩散光场图，其中，实线为在第一方向x上的发散角度β
x
范围内的光线强度值随视角大小的变化曲线，以及虚线为在第二方向y上的发散角度β
y
范围内的光线强度值随视角大小的变化曲线。根据图3可知，由第一实施方式所给出的光扩散系统可以实现154
°×
133
°
(β
x
×
β
y
)的光线发散范围，由此可以在将该光扩散系统应用于基于tof的面部及手势识别中时，实现包括副驾驶员区域在内的更大的探测范围，从而满足扩大精确探测范围的需求。
[0063]
虽然上文描述了多个光扩散板具有相同结构的实施方式，但根据本技术的另一实施方式，也可以采用具有不同结构的光扩散板，使光扩散板具有不同结构，可以有效改善光斑的均匀性。
[0064]
以下将参照图4至图6来描述根据本技术的第二实施方式。在本实施方式及以下实施方式中，为简洁起见，将重点描述与第一实施方式不同的内容，并将省略部分与第一实施方式相似的描述。
[0065]
以光扩散系统在第一方向x上的结构作为示例，参照图4对根据第二实施方式的光扩散系统10-1的具体布置进行简要描述。光扩散系统10-1沿着光线的投射方向依序可以包括光发射元件100-1、第一光扩散板200-1和第二光扩散板300-1。
[0066]
在该示例性实施方式中，可选地，由光发射元件100-1发射的光线的第一发散角在第一方向x的发散角度α
x-1可以例如是10
°
，且在第二方向y上的发散角度(未示出)也可以例如是10
°
。经第一光扩散板200-1和第二光扩散板300-1扩散后的光线的在第一方向x上的发散角度β
x-1例如可以是170
°
，在第二方向y上的发散角度(未示出)例如可以是150
°
。
[0067]
图5a和图5b分别示出了根据本技术的第二实施方式的第一光扩散板和第二光扩散板的一部分的灰度图。
[0068]
为便于说明，同样地，图5a和图5b中仅示出了实际应用时所使用的扩散板的一部分作为示例。在图5a中，示出了构成第一光扩散板200-1的微透镜阵列的一部分200-b，其包括多个微透镜单元200-b11至200-b44，并且在图5b中，示出了构成第二光扩散板300-1的微透镜阵列的一部分300-b，其包括多个微透镜单元300-b11至300-b44。
[0069]
如上文所描述的，与实施方式1不同，第二光扩散板300-1和第二光扩散板300-1具有不同的结构布局，具体而言，第一微透镜阵列200-b和第二微透镜阵列300-b中所包括的各个微透镜单元的尺寸不相同(即，在第一方向x和第二方向y上的宽度不同，这将在下文结合表2进行详细描述)，使得第一光扩散板200-1和第二光扩散板300-1的光学特性有所差异。使光扩散系统中的多个扩散板具有不同的结构布局，能够有助于改善经扩散后的光斑的均匀性。
[0070]
另外，在该示例性实施方式中，与第一实施方式相同，任一组透镜阵列中所包括的微透镜单元均可以具有与同一透镜阵列中的微透镜单元彼此相同的面型。此外，任一个微透镜单元的面型可利用但不限于如在第一实施方式中所描述的面型公式(1)进行限定。
[0071]
下表2中示出了根据第二实施方式的两个微透镜阵列所包括的任一微透镜单元的、经粒子群算法优化后的基本参数表。
[0072][0073]
表2
[0074]
在该示例性实施方式中，第一光扩散板200-1中任一个微透镜单元在第一方向x上的宽度值p
x
可以为120μm，并且其在第二方向y上的宽度值p
y
可以为120μm。第二光扩散板300-1中任一个微透镜单元在第一方向x上的宽度值p
x
可以为86μm，并且其在第二方向y上的宽度值p
y
可以为50μm。
[0075]
根据本技术的第二实施方式，光扩散系统10-1还可以包括设置在第一光扩散板200-1上的基板400-1，用于对光扩散板进行支承和固定，从而可以增强整个系统的安装稳固性。此外，基板400-1应具有高的红外线透射性。应理解，基板400-1的位置不限于此，其还可以设置在能够对光扩散板进行支承和固定的任意合适位置处，例如，第二光扩散板上(参见图10)。同时还应注意，基板的增设通常会适应性降低扩散板的透光性，使红外光斑能量消耗略大，且相较于无基板的情况在一定程度上会降低探测精度。因此，可根据自身需求对基板的增设与否进行选择，本技术中不对基板的增设进行限制。
[0076]
图6示出了根据第二实施方式的经过第一光扩散板200-1和第二光扩散板300-1扩散后的光线的扩散光场图，其中，实线为在第一方向x上的发散角度β
x-1范围内的光线强度值随视角大小的变化曲线，以及虚线为在第二方向y上的发散角度(未示出)范围内的光线强度值随视角大小的变化曲线。根据图6可知，由第二实施方式所给出的光扩散系统可以实现170
°×
150
°
的光线发散范围，由此可以在将该光扩散系统应用于基于tof的面部及手势识别中时，实现包括副驾驶员区域在内的更大的探测范围，从而满足扩大精确探测范围的需求。
[0077]
在根据本技术的第三实施方式中，给出了利用三个扩散板来实现系统的光线扩散功能的实施方式。
[0078]
以下将参照图7至图8来描述根据本技术的第三实施方式。
[0079]
同样以光扩散系统在第一方向x上的结构作为示例，参照图7对根据第三实施方式的光扩散系统10-2的具体布置进行简要描述。
[0080]
光扩散系统10-2沿着光线的投射方向依序可以包括光发射元件100-2、第一光扩散板200-2、第二光扩散板300-2以及第三光扩散板500-2。具体地，经由光发射元件100-2发射的红外光可以在经由第一光扩散板200-2和第二光扩散板300-2进行初次发散和二次发散之后，透射经过第三光扩散板500-2，并被第三光扩散板500-2再次发散并出射。
[0081]
虽然未在附图中示出，但根据第三实施方式的光扩散系统10-2的各个光扩散板也具有与第一和第二实施方式类似的微透镜阵列。在该示例中，与第一实施方式和第二实施方式相同，任一组透镜阵列中所包括的微透镜单元均可以具有与同一透镜阵列中的微透镜单元彼此相同的面型。
[0082]
具体地，第一光扩散板200-2和第二光扩散板300-2中的任一个微透镜单元的面型可利用但不限于如在第一实施方式中所描述的面型公式(1)进行限定，且其所包括的任一微透镜单元的、经粒子群算法优化后的基本参数如下表3所示。
[0083][0084]
表3
[0085]
另外，与先前描述的微透镜单元不同，第三光扩散板500-2中的任一个微透镜单元的面型z可利用但不限于以下面型公式(2)进行限定：
[0086][0087]
其中，c
x
表示微透镜单元在第一方向x上的曲率系数，c
y
表示微透镜单元在第二方向y上的曲率系数，k
x
表示微透镜单元在第一方向x上的圆锥系数，以及k
y
表示微透镜单元在第二方向y上的圆锥系数。
[0088]
下表4示出了根据第三实施方式的第三光扩散板500-2中所包括的任一微透镜单元的、经粒子群算法优化后的基本参数表，其中，d23表示第二光扩散板300-2与第三光扩散板500-2之间的间隔距离。
[0089][0090]
表4
[0091]
参照表3和表4，在该示例性实施方式中，第一光扩散板200-2中的任一个微透镜单元在第一方向x上的宽度值可以为86.049μm，并且其在第二方向y上的宽度值可以为80.525。第二光扩散板300-2中的任一个微透镜单元在第一方向x上的宽度值可以为56.419μm，并且其在第二方向y上的宽度值可以为40.567μm。第三光扩散板300-2中的任一个微透镜单元在第一方向x上的宽度值可以为56.419μm，并且其在第二方向y上的宽度值可以为40.567μm。
[0092]
图8示出了根据第三实施方式的经过第一光扩散板200-2、第二光扩散板300-2和第三光扩散板500-2扩散后的光线的扩散光场图，其中，实线为在在第一方向x上的发散角度β
x-2范围内的光线强度值随视角大小的变化曲线，以及虚线为在第二方向y上的发散角度(未示出)范围内的光线强度值随视角大小的变化曲线。根据图8可知，由第三实施方式所给出的光扩散系统可以实现148
°×
105
°
的光线发散范围，由此可以在将该光扩散系统应用
于基于tof的面部及手势识别中时，实现包括副驾驶员区域在内的更大的探测范围，从而满足扩大精确探测范围的需求。进一步地，在该实施方式中，从第二光扩散板300-2出射的光线的在第一方向x上的发散角度γ
x-2可以是111
°
，且在第二方向y上的发散角度(未示出)可以是80
°
。
[0093]
同时，考虑到光扩散板数量的增加理论上可以增大发散角度，但也会影响到系统整体的透光率，因而，可以在光扩散系统中的适当位置处涂布增透膜，以在增加光扩散板的情况下改善探测精度。此外，本技术中不对增透膜的位置进行限定，增透膜可位于基板侧、基板与扩散板之间、扩散板侧等任意合适的位置处。
[0094]
虽然在以上所描述的实施方式中示出的各个光扩散板均为平坦面板，但本技术不限于此。例如，在图9所示出的第四实施方式中，光扩散系统10-3可以包括平坦的光发射元件100-3、平坦的第一光扩散板200-3以及弧形的第二光扩散板300-3。同样地，在根据图10所示出的第五实施方式的光扩散系统10-4中，除了将第二光扩散板300-4设置为弧形面板之外，还可以将基板400-4设置为弧形形状。与平坦面板的配置相比，将光扩散板配置成弧形形状，可以增大扩散角度，但同时具有相对较高的组装成本。因此，本技术不对光扩散板的形状进行具体限制，可根据需求来选择对光扩散板的形状的配置，例如可将光扩散系统中的所有光扩散板均设置成平坦面板，也可将光扩散系统中的所有光扩散板设置成弧形面板，或者也可以将光扩散系统的部分光扩散板设置成平坦面板，同时将另一部分光扩散板设置成弧形面板。
[0095]
根据本技术的各个实施方式，提出了一种能够使从中出射的光线具有较大发散角度的光扩散系统，其通过对至少两个光扩散板中的多个微透镜单元的尺寸、面型、排列方式以及扩散板彼此之间的间距等基本参数进行控制，可以使从所提供的光扩散系统出射的光线具有较大的发散角度，从而可以在将该光扩散系统应用于基于tof的面部及手势识别中时，实现包括副驾驶员区域在内的更大的探测范围，从而满足扩大精确探测范围的需求。
[0096]
以上描述仅为本技术的实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述技术构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。