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CN111830485B - 一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块及其模组 - Google Patents

一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块及其模组 Download PDF

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CN111830485B CN202010638142.6A CN202010638142A CN111830485B CN 111830485 B CN111830485 B CN 111830485B CN 202010638142 A CN202010638142 A CN 202010638142A CN 111830485 B CN111830485 B CN 111830485B
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Abstract

本发明公开了一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，包括基座、基板、垂直腔面发射激光器VCSEL芯片和广角扩束透镜系统，所述广角扩束透镜系统由至少一片镜片构成，所述广角扩束透镜系统中至少一个镜片为中间凹下的凹透镜，所述凹透镜的其中一个曲面轮廓为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸并位于垂直腔面发射激光器VCSEL芯片发光表面对应面的另一侧，所述广角扩束透镜系统的光束扩大全角在60°至150°之间，本发明结构简单，实现大角度的均匀配光，将光束角度扩大到60°至150°之间，大大提高了光学效率，另外本发明还提供了一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组，通过广角接收器组件能获得大视场角的3D图像。

Description

一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块及其模组
技术领域
本发明涉及飞行时间TOF传感技术领域，特别涉及一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块及其模组。
背景技术
飞行时间传感技术(英文名：Time of Fly，简称：TOF，)是当前重要的图像传感技术，它是通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测这些发射和接收光脉冲的飞行往返时间来得到目标物距离。TOF传感技术推动了3D摄像头在新一代移动设备中的应用，并将在未来几年推动3D图像传感应用市场的快速增长。飞行时间传感技术采用红外光源就直接测量每个像素中的深度和幅度信息，发射调制红外光到整个场景，通过TOF成像器捕获物体的反射光。通过计算发射光脉冲和接收光脉冲之间测量到之间差，或光学信号的相位差以及幅度值可以得到高度可靠的距离信息以及完整场景的3D图像。
飞行时间传感技术在许多领域有广泛的应用，如智能手机的接近传感器、人脸识别、手势识别、车载趋近警告传感器、激光雷达Lidar、无人机的地面迫近雷达、室内无人机的大花接近雷达、机器人通用的AT深度传感器、机器人真空吸尘器的墙壁边清扫和避障传感器、智能货架等。
早期的TOF传感器基本上是单光源的，其光源为红外激光二极管，波长为940nm或者850nm。其缺点为功率比较低，通常探测角度比较小，一般为二三十度。近年来，随着VCSEL垂直腔表面发射激光器阵列技术的成熟，以及发射功率的进一步提升，TOF传感器的照射光源渐渐演变成VCSEL阵列光源，探测距离进一步增加，探测角度也进一步扩大。如美国微软公司在2015年公布的专利号US20150229912A1的TOF技术。
该专利中的发射组件采用了一片扩散片(diffuser 421)来进行均匀照明和扩束，其将VCSEL垂直腔表面发射激光器阵列发射的角度较小的红外激光，经过扩散之后形成相对均匀、角度较大的发射光，照射到被测物体上。但由于红外光线经过扩散片之后的出射光是杂乱无章的，损耗比较大，透过率一般都比较低，一般只能达到60％-70％，导致照射到被测物的辐射度比较低。
另外该专利的接收器组件则通过一个凸透镜424、带通滤波器BPF、以及深度图像传感器来探测被测物体的3D深度信息。由于单个凸透镜的视场角一般比较小，一般只能在四十度以内才能成相对清晰的3D图像。因此专利US20150229912A1所述的这种类型的该传感器模组，都存在视场角较小，光学效率较低的问题。
现有及未来新一代的智能手机，一般是采用三摄或多摄的，其中一个摄像头就是TOF 3D摄像头，其与其它两个可见光摄像头一起搭配使用。由于智能手机摄像头的一个发展趋势为广角及鱼眼镜头，摄像头的视场角超过90°，有的鱼眼摄像头拍摄的视场角甚至高达140°以上，对于智能手机这种发展趋势，现有较小视场角的TOF 3D摄像头，由于与其他广角可见光摄像头的拍摄范围不匹配，已经满足不了需求。开发更大视场角度的TOF 3D摄像头，迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其结构简单，实现大角度的均匀配光，将光束角度扩大到60°至150°之间，大大提高了光学效率，另外本发明还提供了一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组，通过广角接收器组件能获得大视场角的3D图像。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，包括基座，所述基座装发有基板，装设在基板上的垂直腔面发射激光器VCSEL芯片，装设在基座内部并将垂直腔面发射激光器VCSEL芯片发射的光束角度进行扩大的广角扩束透镜系统，所述广角扩束透镜系统由至少一片镜片构成，所述广角扩束透镜系统中至少一个镜片为中间凹下的凹透镜，所述凹透镜的其中一个曲面轮廓为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸并位于垂直腔面发射激光器VCSEL芯片发光表面对应面的另一侧，所述广角扩束透镜系统的光束扩大全角在60°至150°之间。
作为优选的，所述凹透镜的边缘处最大的光扩展角度大于入射到该透镜的光束角度的1.25倍以上。
作为优选的，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片为一种多芯片的VCSEL阵列激光发射管或者单芯片的激光发射管，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片发射光的波长为700nm-5000nm之间或者可见光波段。
作为优选的，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片的底面导电极通过导电胶与基板上的导电极贴合导通，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片的表面导电极通过导电引线与基板上的另一个导电极焊接导通，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片工作点亮时通过基板上的两个导电极供电。
作为优选的，所述广角扩束透镜系统的镜片为光学透明树脂材料构件、光学透明硅胶材料构件、玻璃材料构件或者光敏无影胶材料构件；
所述广角扩束透镜系统的镜片材料的光学折射率在940nm波段介于1.30-1.75之间。
作为优选的，所述基座为聚邻苯二甲酰胺PPA材料构件或者聚酰亚胺树脂PI材料构件，所述广角扩束透镜系统其中的一个镜片与基座为双料一体成型或者广角扩束透镜系统的镜片与基座通过粘接胶固定连接。
作为优选的，所述广角扩束透镜系统其中的一个镜片与基座为材料相同的一体结构，所述镜片材料为透明液态硅胶或者耐高温透明树脂，所述耐高温透明树脂的玻璃化温度介于200-300℃之间，光学折射率在940nm波段介于1.30-1.75之间。
作为优选的，所述广角扩束透镜系统的镜片表面镀有光学增透膜或者透近红外波段的带通滤波光学膜或者在镜片材料中掺杂透红外波段的染色材料。
作为优选的，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片由多颗点状的表面发射垂直腔激光器排列而成，排列方式为交错排列、6边形排列、4边形排列或者随机散乱排列。
作为优选的，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片的发射角全角在15°至90°之间。
作为优选的，所述广角扩束透镜系统为由两片凹透镜组合成的第一广角扩束透镜系统，所述第一广角扩束透镜系统包括第一透镜，装设在第一透镜上方的第二透镜，所述第一透镜具有第一透镜第一凹面和第一透镜第二凹面，所述第二透镜具有第二透镜第一凹面和第二透镜第二凹面，所述第二透镜第二凹面为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面。
作为优选的，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片发射的光束经第一透镜进行第一次扩束，第一次扩束后的最大的光束角全角为2βmax，所述30°≤2βmax≤75°，经第二透镜进行第二次扩束，第二次扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
作为优选的，所述第一透镜第一凹面为球面，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片任意发射点，光线CCII与光轴OZ的夹角为γ，光线CCII经过第一透镜第一凹面后，其折射光线CIICIII与光轴OZ的夹角保持不变，其为γ，该光线经过第一透镜第二凹面再次折射之后，其出射光线CIIICIV的配光角度为β，边缘光线EIIEIII经过第一透镜第二凹面折射之后，其出射光线EIIIEIV的配光角度为第一透镜的最大配光角度βmax，所述第一透镜的最大配光角度βmax为15°，所述第一透镜第二凹面满足配光条件：
作为优选的，所述第二透镜第二凹面边缘光线EIVEV经过第凹透镜第二凹面折射之后，其出射光线与光轴OZ的夹角为θmax，其它任意光线CIVCV经过第二透镜第二凹面折射之后，其出射光线与OZ的夹角为θ，所述第二透镜第二凹面满足配光条件：
作为优选的，所述广角扩束透镜系统为由两片凹透镜和其中一面为菲涅尔透镜组合成的第二广角扩束透镜系统，所述第二广角扩束透镜系统与垂直腔面发射激光器VCSEL芯片之间装设有第二硅胶，所述第二广角扩束透镜系统包括第三透镜，装设在第三透镜上方的第四透镜，所述第三透镜具有第三透镜第一凹面和第三透镜第二凹面，所述第四透镜具有第四透镜第一凹面和第四透镜第二凹面，所述第四透镜第二凹面进行分段并将每一小段的斜面平铺到同一个平面上，形成锯齿状的菲涅尔面，所述第三透镜第二凹面为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面。
作为优选的，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片发射的光束经第三透镜进行第一次扩束，第一次扩束后的最大的光束角全角为2βmax，所述30°≤2βmax≤75°，经第四透镜进行第二次扩束，第二次扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
作为优选的，所述广角扩束透镜系统为由一片凹透镜和自由曲面凹透镜组合成的第三广角扩束透镜系统，所述第三广角扩束透镜系统包括第五透镜，装设在第五透镜上方的第六透镜，所述第五透镜具有第五透镜第一凹面和第五透镜第二凹面，所述第六透镜具有第六透镜第一凹面和第六透镜第二凹面，所述第六透镜第二凹面为X轴横向及Y轴纵向方向非对称分布的自由曲面配光透镜，所述自由曲面配光透镜沿X轴横向配光角度较大，厚度比较厚，沿Y轴纵向配光角度较小，厚度比较薄，所述第五透镜第二凹面为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面。
作为优选的，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片发射的光束经第五透镜进行第一次扩束，第一次扩束后的最大的光束角全角为2βmax，所述30°≤2βmax≤75°，经第六透镜进行第二次扩束，第二次扩束后沿X轴方向输出的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°，沿Y轴方向输出的光束角全角为2θ’max，所述60°≤2θ’max≤150°。
作为优选的，所述广角扩束透镜系统为由两片凹透镜其中至少一个镜面设置为局部磨砂或者整面磨砂面组合成的第四广角扩束透镜系统，所述第四广角扩束透镜系统包括第七透镜，装设在第七透镜上方的第八透镜，所述第七透镜具有第七透镜第一凹面和第七透镜第二凹面，所述第八透镜具有第八透镜第一凹面和第八透镜第二凹面，所述第七透镜和第八透镜其中至少一个镜面设置为局部磨砂或者整面磨砂面，所述第八透镜第二凹面为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面。
作为优选的，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片发射的光束经第七透镜进行第一次扩束，第一次扩束后的最大的光束角全角为2βmax，所述30°≤2βmax≤75°，经第八透镜进行第二次扩束，第二次扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
作为优选的，所述广角扩束透镜系统为由三片透镜组合成的第五广角扩束透镜系统，所述第五广角扩束透镜系统包括第九透镜，装设在第九透镜上方的第十透镜，装设在第十透镜上方的第十一透镜，所述第九透镜为双面凹透镜，具有负屈光度，所述第十透镜为凹凸透镜，所述第十透镜具有第十透镜第一凹面和第十透镜第二凸面，具有屈光度，所述第十一透镜为凹透镜，所述第十一透镜具有第十一透镜第一凹面和第十一透镜第二凹面，具有负屈光度，所述第十一透镜第二凹面为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片发射的光束经第五广角扩束透镜系统进行扩束，扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
作为优选的，所述广角扩束透镜系统为由四片透镜组合成的第六广角扩束透镜系统，所述第六广角扩束透镜系统包括第十二透镜，装设在第十二透镜上方的第十三透镜，装设在第十三透镜上方的第十四透镜，装设在第十四透镜上方的第十五透镜，所述第十二透镜为双面凹透镜，具有负屈光度，所述第十三透镜为凹凸透镜，所述第十三透镜具有第十三透镜第一凹面和第十三透镜第二凸面，具有屈光度，所述第十四透镜为凹凸透镜，所述第十四透镜具有第十四透镜第一凹面和第十四透镜第二凸面，具有屈光度，所述第十五透镜为凹透镜，所述第十五透镜具有第中五透镜第一凹面和第十五透镜第二凹面，具有负屈光度，所述第十五透镜第二凹面为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片发射的光束经第六广角扩束透镜系统进行扩束，扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
作为优选的，所述广角扩束透镜系统为由一片透镜组成的第七广角扩束透镜系统，所述第七广角扩束透镜系统包括第十六透镜，所述第十六透镜，为双面凹透镜，具有负屈光度，所述第十六透镜具有第十六透镜第一凹面和第十六透镜第二凹面，所述第十六透镜第二凹面为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片发射的光束经第七广角扩束透镜系统进行扩束，扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
作为优选的，所述广角扩束透镜系统的镜片表面为镜面或者具有混光作用的鳞片面或者微结构纹理面。
本发明还提供了一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组，包括一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，所述基座一侧装设有广角接收器组件，所述广角接收器组件包括光学成像系统，装设在光学成像系统下方的接收光信号的飞行时间成像器，所述飞行时间成像器经过处理后输出图像信息。
作为优选的，所述飞行时间成像器装设在基板上或者装设在单独的另一块基板上。
作为优选的，所述光学成像系统为由两片光学镜片组合成的第一光学成像系统，所述第一光学成像系统包括从物侧到像侧依次设置的第一广角凹透镜、第一隔圈、第一孔径光阑、第二隔圈和第一凸透镜，所述第一广角凹透镜为低折射率、高色散系数材料，其折射率nd＜1.58，阿贝系数vd＞50，所述第一凸透镜为高折射率、低色散系数材料，其折射率nd＞1.6、阿贝系数vd＜30，所述第一光学成像系统的接收角度为2ψmax。
作为优选的，所述光学成像系统为由三片光学镜片组合成的第二光学成像系统，所述第二光学成像系统包括从物侧到像侧依次设置的第二广角凹透镜、第三隔圈、第二孔径光阑、第二凸透镜和半弯月透镜，所述第二广角凹透镜为高折射率、低色散系数材料，其折射率nd＞1.6、阿贝系数vd＜30，所述第二凸透镜为低折射率、高色散系数材料，其折射率nd＜1.58，阿贝系数vd＞50，所述半弯月透镜为高折射率、低色散系数材料，其折射率nd＞1.6、阿贝系数vd＜30，所述第二光学成像系统的接收角度为2ψmax。
作为优选的，所述第一光学成像系统和第二光学成像系统其中一片镜片的其中一个面，其镀有红外通过、可见光阻挡的红外带通滤波膜，或者采用单独的一个下面镜片作为红外通过、可见光阻挡的红外带通滤波片，或者在模组保护玻璃上镀红外通过、可见光阻挡的红外带通滤波膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明设有基座，所述基座装设有基板，装设在基板上的垂直腔面发射激光器VCSEL芯片，装设在基座内部并将垂直腔面发射激光器VCSEL芯片发射的光束角度进行扩大的广角扩束透镜系统，所述广角扩束透镜系统由至少一片镜片构成，所述广角扩束透镜系统中至少一个镜片为中间凹下的凹透镜，所述凹透镜的其中一个曲面轮廓为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸并位于垂直腔面发射激光器VCSEL芯片发光表面对应面的另一侧，所述广角扩束透镜系统的光束扩大全角在60°至150°之间，本发明提供一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其结构简单，实现大角度的均匀配光，将光束角度扩大到60°至150°之间，大大提高了光学效率，另外本发明还提供了一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组，通过广角接收器组件能获得大视场角的3D图像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是专利US20150229912A1的TOF传感器技术的方案示意图；
图2是本发明提供的实施例一一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的剖面图；
图3是本发明提供的实施例一一种广角的飞行时间传感器模组的发射与接收结构示意图；
图4是本发明提供的实施例一一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的垂直腔面发射激光器VCSEL芯片的排列图；
图5是本发明提供的实施例一一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的第一广角扩束透镜系统的光路示意图；
图6是本发明提供的实施例一一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的配光角度与发射角的关系图；
图7是本发明提供的实施例一一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的垂直腔面发射激光器VCSEL芯片在0.6米远处的模拟图；
图8是本发明提供的实施例一一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的第一广角扩束透镜系统的计算机模拟图；
图9是本发明提供的实施例一一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的第一广角扩束透镜系统在0.6米远处的辐射度分布图；
图10是本发明提供的实施例一一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的第一广角扩束透镜系统的光强的远场角度分布图；
图11是本发明提供的实施例一一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组的广角接收器组件的第一光学成像系统的光路图；
图12是本发明提供的实施例一一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组的广角接收器组件的第一光学成像系统的调制传递函数(MTF)曲线；
图13是本发明提供的实施例一一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组的广角接收器组件的第一光学成像系统的点列图；
图14是本发明提供的实施例一一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组的广角接收器组件的第一光学成像系统的场曲与畸变；
图15是本发明提供的实施例二一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的剖面图；
图16是本发明提供的实施例二一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组的发射与接收结构示意图；
图17是本发明提供的实施例三一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的第六透镜第二凹面的三视图；
图18是本发明提供的实施例三一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的横向剖面图；
图19是本发明提供的实施例三一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的纵向剖面图；
图20是本发明提供的实施例三一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组的横向发射与接收结构示意图；
图21是本发明提供的实施例三一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组的纵向发射与接收结构示意图；
图22是本发明提供的实施例四一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的剖面图；
图23是本发明提供的实施例四一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组的发射与接收结构示意图；
图24是本发明提供的实施例四一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组的广角接收器组件的第二光学成像系统的光路图；
图25是本发明提供的实施例四一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组的广角接收器组件的第二光学成像系统的调制传递函数(MTF)曲线；
图26是本发明提供的实施例四一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组的广角接收器组件的第二光学成像系统的点列图；
图27是本发明提供的实施例四一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组的广角接收器组件的第二光学成像系统的场曲与畸变；
图28是本发明提供的实施例五一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的剖面图；
图29是本发明提供的实施例六一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的剖面图；
图30是本发明提供的实施例六一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的第七广角扩束透镜系统的光路示意图；
图31是本发明提供的实施例六一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的第七广角扩束透镜系统的配光角度与发射角的关系图；
图32是本发明提供的实施例六一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的第七广角扩束透镜系统的光强的远场角度分布图；
图33是本发明提供的实施例七一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的剖面图；
图34是本发明提供的实施例八一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的剖面图。
在图中包括有：
10-基座、1-基板、2-垂直腔面发射激光器VCSEL芯片、6-广角扩束透镜系统、9-导电引线、61-第一广角扩束透镜系统、611-第一透镜、612-第二透镜、6111-第一透镜第一凹面、6112-第一透镜第二凹面、6121-第二透镜第一凹面、6122-第二透镜第二凹面、62-第二广角扩束透镜系统、621-第三透镜、622-第四透镜、6211-第三透镜第一凹面、6212-第三透镜第二凹面、6221-第四透镜第一凹面、6222-第四透镜第二凹面、63-第三广角扩束透镜系统、631-第五透镜、632-第六透镜、6311-第五透镜第一凹面、6312-第五透镜第二凹面、6321-第六透镜第一凹面、6322-第六透镜第二凹面、64-第四广角扩束透镜系统、641-第七透镜、642-第八透镜、6411-第七透镜第一凹面、6412-第七透镜第二凹面、6421-第八透镜第一凹面、6422-第八透镜第二凹面、65-第五广角扩束透镜系统、651-第九透镜、652-第十透镜、653-第十一透镜、6521-第十透镜第一凹面、6522-第十透镜第二凸面、6531-第十一透镜第一凹面、6532-第十一透镜第二凹面、66-第六广角扩束透镜系统、661-第十二透镜、662-第十三透镜、663-第十四透镜、664-第十五透镜、6621-第十三透镜第一凹面、6622-第十三透镜第二凸面、6631-第十四透镜第一凹面、6632-第十四透镜第二凸面、6641-第十五透镜第一凹面、6642-第十五透镜第二凹面、67-第七广角扩束透镜系统、671-第十六透镜、6711-第十六透镜第一凹面、6712-第十六透镜第二凹面、4-广角接收器组件、7-光学成像系统、8-飞行时间成像器、71-第一光学成像系统、711-第一广角凹透镜、712-第一隔圈、713-第一孔径光阑、714-第二隔圈、715-第一凸透镜、72-第二光学成像系统、721-第二广角凹透镜、722-第三隔圈、723-第二孔径光阑、724-第二凸透镜、725-半弯月透镜。
具体实施方式
下面将结合本发明本实施方式中的附图，对本发明本实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的本实施方式是本发明的一种实施方式，而不是全部的本实施方式。基于本发明中的本实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他本实施方式，部属于本发明保扩的范围。
实施例一
请参考图2，本实施例一提供了一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，包括基座10，所述基座10装设有基板1，装设在基板1上的垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2，装设在基座10内部并将垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的光束角度进行扩大的广角扩束透镜系统6，所述广角扩束透镜系统6由至少一片镜片构成，所述广角扩束透镜系统6中至少一个镜片为中间凹下的凹透镜，所述凹透镜的其中一个曲面轮廓为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸并位于垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发光表面对应面的另一侧，所述广角扩束透镜系统6的光束扩大全角在60°至150°之间，所述凹透镜的边缘处最大的光扩展角度大于入射到该透镜的光束角度的1.25倍以上。
请参考图3，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2的底面导电极通过导电胶与基板1上的导电极贴合导通，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2的表面导电极通过导电引线9与基板1上的另一个导电极焊接导通，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2工作点亮时通过基板1上的两个导电极供电。
请参考图3，所述广角扩束透镜系统6的镜片为光学透明树脂材料构件、光学透明硅胶材料构件、玻璃材料构件或者光敏无影胶材料构件；
所述广角扩束透镜系统6的镜片材料的光学折射率在940nm波段介于1.30-1.75之间。
请参考图3，所述基座10为聚邻苯二甲酰胺PPA材料构件或者聚酰亚胺树脂PI材料构件，所述广角扩束透镜系统6其中的一个镜片与基座10为双料一体成型或者广角扩束透镜系统6的镜片与基座10通过粘接胶固定连接。
请参考图3，所述广角扩束透镜系统6其中的一个镜片与基座10为材料相同的一体结构，所述镜片材料为透明液态硅胶或者耐高温透明树脂，所述耐高温透明树脂的玻璃化温度介于200-300℃之间，光学折射率在940nm波段介于1.30-1.75之间。
请参考图3，所述广角扩束透镜系统6的镜片表面镀有光学增透膜或者透近红外波段的带通滤波光学膜或者在镜片材料中掺杂透红外波段的染色材料。
请参考图3，所述广角扩束透镜系统6的镜片表面为镜面或者具有混光作用的鳞片面或者微结构纹理面。
请参考图4，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2为一种多芯片的VCSEL阵列激光发射管或者单芯片的激光发射管，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射光的波长为700nm-5000nm之间或者可见光波段。
请参考图4，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2由多颗点状的表面发射垂直腔激光器排列而成，排列方式为交错排列、6边形排列、4边形排列或者随机散乱排列。
请参考表一，所述垂直腔面发射激光器VCSEL阵列5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φ：11μm，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
VCSEL长：L 972μm
VCSEL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：φ 11μm
发射点数量： 361
发射角全角： 24°×18°
请参考图2，所述广角扩束透镜系统6为由两片凹透镜组合成的第一广角扩束透镜系统61，所述第一广角扩束透镜系统61包括第一透镜611，装设在第一透镜611上方的第二透镜612，所述第一透镜611具有第一透镜第一凹面6111和第一透镜第二凹面6112，所述第二透镜612具有第二透镜第一凹面6121和第二透镜第二凹面6122，所述第二透镜第二凹面6122为中问凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面，在本实施例中所述第一透镜第二凹面6112业为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面，本实施例中第一广角扩束透镜系统61拥有两个上述曲面。
请参考图3，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的光束经第一透镜611进行第一次扩束，第一次扩束后的最大的光束角全角为2βmax，所述30°≤2βmax≤75°，经第二透镜612进行第二次扩束，第二次扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
请参考图5，所述第一透镜第一凹面6111为球面，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2任意发射点，光线CCII与光轴OZ的夹角为γ，光线CCII经过第一透镜第一凹面6111后，其折射光线CIICIII与光轴OZ的夹角保持不变，其为γ，该光线经过第一透镜第二凹面6112再次折射之后，其出射光线CIIICIV的配光角度为β，边缘光线EIIEIII经过第一透镜第二凹面6112折射之后，其出射光线EIIIEIV的配光角度为第一透镜611的最大配光角度βmax，所述第一透镜611的最大配光角度βmax为15°，所述第一透镜第二凹面6112满足配光条件：
请参考图5，所述第二透镜第二凹面6122边缘光线EIVEV经过第二透镜第二凹面6122折射之后，其出射光线与光轴OZ的夹角为θmax，其它任意光线GIVCV经过第二透镜第二凹面6122折射之后，其出射光线与OZ的夹角为θ，所述第二透镜第二凹面6122满足配光条件：
具体的，如图5所示，O为位于垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2的中心点，E为位于垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2边缘的一个发射点，其最大发射角与光轴OZ的夹角为γmax，本实施例一具体实施方案优选该发射点的最大发射角(发射光线EEII与光轴OZ的夹角)γmax为9°，其为光束短轴方向的发散角半角。将边缘光线EEII进行反向延长，交于光轴OZ下方于0′点，0′点设定为第一广角扩束透镜系统61的等效发光点。
本实施例一所述一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，所述第一透镜第一凹面6111为球面，其曲率半径R以0′点为圆心，那么光线EEII经过第一透镜第一凹面6111后，其折射光线EIIEIII与光轴OZ的夹角保持不变，其为γmax。本实施例一具体实施方案优选该第一透镜第一凹面6111的曲率半径为R＝1.7621435mm。
所述第一透镜第二凹面6112的配光方式为按照以下正切条件来进行配光。假发C为垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2有效区域内任一个发射点，光线CCII与光轴OZ的夹角为γ，光线CCII经过第一透镜第一凹面6111后，其折射光线CIICIII与光轴OZ的夹角保持不变，其为γ，该光线经过第一透镜第二凹面6112再次折射之后，其出射光线CIIICIV的配光角度为β。边缘光线EIIEIII经过第一透镜第二凹面6112折射之后，其出射光线EIIIEIV的配光角度为所述第一透镜611的最大配光角度βmax，该第一透镜611的最大配光角度βmax为15°。本实施例一具体实施方案优选垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的光线经过第一透镜611第1次扩束后，其任意一条出射光线的配光角度β满足以下正切条件：
所述第一透镜611，其第一透镜第二凹面6112的面型轮廓由上述公式2通过数值计算的方法逐点算出。
所述第二透镜612，其第二透镜第一凹面6121，本实施例一具体实施方案优选每一点位置的切线都垂直于该点位置的入射光线方向，那么经过第二透镜第一凹面6121折射之后，其所有的折射光线都沿原方向前进，即EIVEV与EIIIEIV的传播方向一致，其与光轴OZ的夹角都为βmax，CIVCV与CIIICIV方向一致，其与光轴OZ的夹角都为β。第二透镜第一凹面6121则可以根据每一根入射光线CIIICIV的切线方向相连来算出。
所述第二透镜612，其第二透镜第二凹面6122的配光方式为按照以下的正切条件来进行配光。边缘光线EIVEV经过第二透镜第二凹面6122折射之后，其出射光线与光轴OZ的夹角为θmax。其它任意光线CIVCV经过第二透镜第二凹面6122折射之后，其出射光线与OZ的夹角为θ。本实施例一具体实施方案优选垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的光线经过第二透镜612的第2次扩束后，其任意一条出射光线的配光角度θ满足以下正切条件：
所述第二透镜612，其第二透镜第二凹面6122的面型轮廓由上述公式3通过数值计算的方法逐点算出。
经过第一透镜611第1次配光的配光角度β、以及经过第二透镜612第2次配光的配光角度θ，分别与垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2的发射角γ之间的关系如表格2所示，其关系图如图6所示。从垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的光线，经过第一透镜611第一次配光之后，其最大的配光角度全角30°≤2βmax≤75°，再经过第二透镜612的第2次配光，最后输出光束的最大配光全角60°≤2θmax≤150°。
本实施例一所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，所述从垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的光线，经过第一透镜611第一次配光之后输出光束的光束角，以及再经过第二透镜612第二次配光之后输出光束的光束角，其为增长两倍的关系。
表格1经过第一透镜611第一次配光的配光角度β、以及经过第二透镜612第二次配光的配光角度θ，分别与垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2的发射角γ之间的关系：
本实施例一所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2，其0.6米远出的光斑模拟图如图7所示，其为椭圆光斑，其X方向的光束角为24°，其Y方向的光束角为18°。
本实施例一所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块的计算机模拟如图8所示。其在0.6米远出的辐射度分布如图9所示。由于垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2，其本身发射的激光为椭圆高斯光束，光线经过第一透镜611和第二透镜612两次扩束之后，其在0.6米远处的照射光斑接近方形光斑，覆盖范围接近2米。其光强的远场角度分布(配光曲线)如图10所示，其模拟结果显示峰值光强一半位置处的光束角宽度为154.1553505207763000°×146.1346931901400100°，照射角度可以满足广角接收器组件4的探测范围。
如图3所示，本发明还提供了一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组，包括上述所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，所述基座10一侧装设有广角接收器组件4，所述广角接收器组件4包括光学成像系统7，装设在光学成像系统7下方的接收光信号的飞行时间成像器8，所述飞行时间成像器8经过处理后输出图像信息。
如图3所示，所述飞行时间成像器8装设在基板1上或者装设在单独的另一块基板上。
如图10所示，所述广角接收组件4包括成像光学系统7，所述光学成像系统7为由两片光学镜片组合成的第一光学成像系统71，所述第一光学成像系统71包括从物侧到像侧依次设置的第一广角凹透镜711、第一隔圈712、第一了L径光阑713、第二隔圈714和第一凸透镜715，所述第一广角凹透镜711为低折射率、高色散系数材料，其折射率nd＜1.58，阿贝系数vd＞50，所述第一凸透镜715为高折射率、低色散系数材料，其折射率nd＞1.6、阿贝系数vd＜30，所述第一光学成像系统71的接收角度为2ψmax，所述第一光学成像系统(71)的接收角度2ψmax≥90°，光路图如图11所示。其视场角大于90°，本实施例一优选该第一光学成像系统71的全视场角为120°。
本实施例一所述的广角接收组件4的第一光学成像系统71，其调制传递函数(MTF)曲线如图12所示，其在80线对中心视场的分辨率可以达到0.8以上，边缘视场的分辨率也可以达到0.5以上。
本实施例一所述的广角接收组件4的第一光学成像系统71，其点列图如图13所示，每个视场的点列图的均方根值大约为2-3μm。
本实施例一所述的广角接收组件4的第一光学成像系统71，其场曲与畸变图如图14所示，全视场的畸变控制在2％以内。
本实施例一所述的广角接收组件4的第一光学成像系统71，其光学参数如表格3所示，第一广角凹透镜711，其为凹透镜，其为低折射率、高色散系数材料，其折射率nd＜1.58，阿贝系数vd＞50，第一凸透镜715，其为凸透镜，其为高折射率、低色散系数材料，其折射率nd＞1.6、阿贝系数vd＜30。
本实施例一所述的广角接收组件4的第一光学成像系统71，所述第一广角凹透镜711及第一凸透镜715都为非球面，其非球面系数如表格4所示。
表格2本实施例一所述的广角接收组件4的第一光学成像系统71的光学参数
表格3本实施例一所述的广角接收组件4的第一光学成像系统71的每个面的非球面系数：
所述第一光学成像系统71其中一片镜片的其中一个面，其镀有红外通过、可见光阻挡的红外带通滤波膜，或者采用单独的一个平面镜片作为红外通过、可见光阻挡的红外带通滤波片，或者在模组保护玻璃上镀红外通过、可见光阻挡的红外带通滤波膜。
实施例二
本实施例二与实施例一的区别是，广角扩束透镜系统6的结构发生改变，作用和效果与实施例一相同，其他的结构特征不变。
请参考图15，所述广角扩束透镜系统6为由两片凹透镜和其中一面为菲涅尔透镜组合成的第二广角扩束透镜系统62，所述第二广角扩束透镜系统62包括第三透镜621，装设在第三透镜621上方的第四透镜622，所述第三透镜621具有第三透镜第一凹面6211和第三透镜第二凹面6212，所述第四透镜622具有第四透镜第一凹面6221和第四透镜第二凹面6222，所述第四透镜第二凹面6222进行分段并将每一小段的斜面平铺到同一个平面上，形成锯齿状的菲涅尔面，所述第三透镜第二凹面6212为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面。
请参考图16，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的光束经第三透镜621进行第一次扩束，第一次扩束后的最大的光束角全角为2βmax，所述30°≤2βmax≤75°，经第四透镜622进行第二次扩束，第二次扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
实施例三
本实施例三与实施例一的区别是，广角扩束透镜系统6的结构发生改变，作用和效果与实施例一相同，其他的结构特征不变。
请参考图17和18，所述广角扩束透镜系统6为由一片凹透镜和自由曲面凹透镜组合成的第三广角扩束透镜系统63，所述第三广角扩束透镜系统63包括第五透镜631，装设在第五透镜631上方的第六透镜632，所述第五透镜631具有第五透镜第一凹面6311和第五透镜第二凹面6312，所述第六透镜632具有第六透镜第一凹面6321和第六透镜第二凹面6322，所述第六透镜第二凹面6322为X轴横向及Y轴纵向方向非对称分布的自由曲面配光透镜，所述自由曲面配光透镜沿X轴横向配光角度较大，厚度比较厚，沿Y轴纵向配光角度较小，厚度比较薄，所述第五透镜第二凹面6312为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面。
请参考图19，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的光束经第五透镜631进行第一次扩束，第一次扩束后的最大的光束角全角为2βmax，所述30°≤2βmax≤75°，经第六透镜632进行第二次扩束，第二次扩束后沿X轴方向输出的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°，沿Y轴方向输出的光束角全角为2θ’max，所述60°≤2θ′max≤150°。
具体的，所述第五透镜631具有第五透镜第一凹面6311和第五透镜第二凹面6312，所述第五透镜631将垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的光束进行第一次扩束，扩束后的最大的光束角30°≤2βmax≤75°。
所述第六透镜632具有第六透镜第一凹面6321和第六透镜第二凹面6322，所述第六透镜第一凹面6321为对称的非球面，所述第六透镜第二凹面6322为XY方向非对称的自由曲面，所述第六透镜632将第五透镜631入射过来的光束进行第二次扩束，扩束后的光线最后以X横向方向的光束全角60°≤2θmax≤150°，Y纵向方向的光束全角60°≤2θ′max≤150°，照射被测物体，所述X横向和Y纵向的光束角全角可达160°。
本具体本实施例三所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其沿X横向方向发射与接收如图20所示。其在X横向方向，所述第三广角扩束透镜系统63的发射角全角为2θmax，所述广角接收组件4的接收角度为2ψmax。
本具体本实施例三所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其沿Y纵向方向发射与接收如图21所示。其在Y纵向方向，所述第三广角扩束透镜系统63的发射角全角为2θ′max，所述广角接收组件4的接收角度为2ψ′max。
对于不同长宽比的飞行时间成像器，如长宽比为2∶1或者16∶9等，可以根据实际X横向及Y纵向方向的视场角发计不同配光角度的自由曲面透镜，本具体实施方案优选所述第六透镜632的X横向方向的配光角度为150°，Y纵向方向的配光角度为150°。
实施例四
本实施例四与实施例一的区别是，所述光学成像系统7的结构发生改变，所述广角扩束透镜系统6的结构、作用和效果与实施例一相同，所述广角接收组件4的光学成像系统7接收效果更好，其他的结构特征不变。
所述光学成像系统7为由三片光学镜片组合成的第二光学成像系统72，其光路结构为：其将所述实施例一具体实施方案所述第一孔径光阑713后边的第一凸透镜715拆分成两个，一个正透镜及一个负透镜，其可以更好地矫正球差及轴外像差。
请参考图22和23，所述第二光学成像系统72包括从物侧到像侧依次设置的第二广角凹透镜721、第三隔圈722、第二孔径光阑723、第二凸透镜724和半弯月透镜725，所述第二广角凹透镜721为高折射率、低色散系数材料，其折射率nd＞1.6、阿贝系数vd＜30，所述第二凸透镜724为低折射率、高色散系数材料，其折射率nd＜1.58，阿贝系数vd＞50，所述半弯月透镜725为高折射率、低色散系数材料，其折射率nd＞1.6、阿贝系数vd＜30，所述第二光学成像系统72的接收角度为2ψmax。
所述第二光学成像系统72其中一片镜片的其中一个面，其镀有红外通过、可见光阻挡的红外带通滤波膜，或者采用单独的一个平面镜片作为红外通过、可见光阻挡的红外带通滤波片，或者在模组保护玻璃上镀红外通过、可见光阻挡的红外带通滤波膜。
所述光学成像系统7为由三片光学镜片组合成的第二光学成像系统72，其光路图如图24所示。所述光学成像系统7的视场角大于90°，本实施例四具体实施方案优选该第二光学成像系统72的全视场角为120°。
本实施例四具体实施方案所述广角接收组件4的第二光学成像系统72，其调制传递函数(MTF)曲线如图25所示，其在80线对中心视场的全部分辨率可以达到0.82以上。由于多采用了一片透镜，其调制传递函数比具体实施例一所述的广角接收组件4的第一光学成像系统71高了很多。
本实施例四具体实施方案所述广角接收组件4的第二光学成像系统72，其点列图如图26所示，每个视场的点列图的均方根值基本上部分布在2μm以内，最好位置的点列图的均方根值小于1μm。
本实施例四具体实施方案所述广角接收组件4的第二光学成像系统72，其场曲与畸变图如图27所示，全视场的畸变控制在1％以内。
本实施例四具体实施方案所述广角接收组件4的第二光学成像系统72，其光学参数包括曲面类型、曲率半径、厚度、折射率、阿贝系数、净口径、以及圆锥系数如表格5所示，所述第二广角凹透镜721，其为凹透镜，其为高折射率、低色散系数材料，其折射率nd＞1.6，阿贝系数vd＜30。所述第二凸透镜724，其为凸透镜，其为低折射率、高色散系数材料，其折射率nd＜1.58、阿贝系数vd＞50。所述半弯月透镜725，其为半弯月透镜，其为高折射率、低色散系数材料，其折射率nd＞1.6，阿贝系数vd＜30。
本实施例四具体实施方案所述广角接收组件4的第二光学成像系统72，所述第二广角凹透镜721、第二凸透镜724及半弯月透镜725都为非球面，其非球面系数如表格6所示。
表格4本实施例四具体实施方案所述广角接收组件4的第二光学成像系统72的光学参数
表面 类型 曲率半径 厚度 折射率nd 阿贝系数vd 净口径 圆锥系数
物面 标准 无限 600 1477.756 0
7211 偶次非球面 0.803986 0.23 1.661319 20.374576 1.041205 0
7212 偶次非球面 -0.31755 0.295349 0.460024 -6.307674
723(光阑) 标准 无限 0.02 0.329464 0
7241 偶次非球面 0.675875 0.395694 1.544919 55.929938 0.452339 2.844554
7242 偶次非球面 -0.40198 0.02 0.568379 -6.246033
7251 偶次非球面 -0.96726 0.294 1.661319 20.374576 0.572334 0
7252 偶次非球面 -0.6514 0.550757 0.747947 0
8(像面) 标准 无限 0.823459 0
表格5本实施例四具体实施方案所述广角接收组件4的第二光学成像系统72，所述每个面的非球面系数
实施例五
本实施例五与实施例一的区别是，所述广角扩束透镜系统6的结构发生改变，所述广角扩束透镜系统6为由两片凹透镜其中至少一个镜面设置为局部磨砂或者整面磨砂面组合成的第四光学扩束系统64，所述广角接收组件4的光学成像系统7与实施例一相同，其他的结构特征不变。
请参考图28，所述广角扩束透镜系统6为由两片凹透镜其中至少一个镜面设置为局部磨砂或者整面磨砂面组合成的第四广角扩束透镜系统64，所述第四广角扩束透镜系统64包括第七透镜641，装设在第七透镜641上方的第八透镜642，所述第七透镜641具有第七透镜第一凹面6411和第七透镜第二凹面6412，所述第八透镜642具有第八透镜第一凹面6421和第八透镜第二凹面6422，所述第七透镜641和第八透镜642其中至少一个镜面设置为局部磨砂或者整面磨砂面，所述第八透镜第二凹面6422为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面。
请参考图28，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的光束经第七透镜641进行第一次扩束，第一次扩束后的最大的光束角全角为2βmax，所述30°≤2βmax≤75°，经第八透镜642进行第二次扩束，第二次扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
具体的，对于有些输出功率较大的垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2，其输出光束未必是单模的激光束，而是多模激光束，其输出光斑呈贝塞尔形状的环状分布，光斑中间有一个亮点，周围有好多光圈。对于这种情况，采用完全透明的两片凹透镜进行配光不能将照射光斑分布均匀。而需要将两片凹透镜的其中一个面进行磨砂雾化处理，才将照射光斑的中间亮点消除。
请参考图28，所述第七透镜641具有第七透镜第一凹面6411和第七透镜第二凹面6412，所述第四广角扩束透镜系统64将垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的多模激光束进行第一次扩束，扩束后的最大的光束角大于30°。由于垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的多模激光束，其输出光斑呈贝塞尔形状的环状分布，光斑中间有一个亮点，周围有好多光圈，对于这种情况，本实施例五将所述第七透镜641的第七透镜第一凹面6411的中间一部分进行磨砂雾化处理，其用于消除将照射光斑的中间亮点。
请参考图28，所述第八透镜642具有第八透镜第一凹面6421和第八透镜第二凹面6422，其将第七透镜641入射过来的光线进行第二次扩束，扩束后的光线最后以大于60°的光束角输出，照射被测物体，最大的光束全角可达150°。
实施例六
本实施例六与实施例一的区别是，广角扩束透镜系统6的结构发生改变，所述广角扩束透镜系统6为由一片透镜组合成的第七广角扩束透镜系统67，所述广角接收组件4的光学成像系统7与实施例一相同。
所述第七广角扩束透镜系统67和第一广角扩束透镜系统61的区别在于：所述第七广角扩束透镜系统67的第十六透镜671承担了第一透镜611和第二透镜612的屈光度，即所述第十六透镜671的焦距等效于第一透镜611和第二透镜612的组合焦距，所述第十六透镜的两个镜面的面型更凹。
请参考图29，所述广角扩束透镜系统6为由一片透镜组成的第七广角扩束透镜系统67，所述第七广角扩束透镜系统67包括第十六透镜671，所述第十六透镜671，为双面凹透镜，具有负屈光度，所述第十六透镜671具有第十六透镜第一凹面6711和第十六透镜第二凹面6712，所述第十六透镜第二凹面6712为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的光束经第七广角扩束透镜系统67进行扩束，扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
所述该实施例的配光方式，请参考图30，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的光束经第十六透镜第一凹面6711进行第一次扩束，第一次扩束后的最大的光束角全角为2βmax，所述2βmax≥30°，经第十六透镜第二凹面6712进行第二次扩束，第二次扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述2θmax≥60°，最大的光束全角可达150°。
请参考图31，所述第十六透镜第一凹面6711为非球面，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2任意发射点，光线CCII与光轴OZ的夹角为γ，光线CCII经过第十六透镜第一凹面6711后，其折射光线CIICIII的配光角度为β，边缘光线EEII经过第十六透镜第一凹面6711折射之后，其折射光线EIIEIII的配光角度为第十六透镜第一凹面6711的最大配光角度βmax，所述第十六透镜第一凹面6711的最大配光角度βmax≥15°，所述第十六透镜第一凹面6711的面型轮廓由通过数值计算的方法逐点算出。
请参考图31，所述第十六透镜第二凹面6712边缘光线EIIIEIV经过第十六透镜第二凹面6712折射之后，其出射光线与光轴OZ的夹角为θmax，其它任意光线CIIICIV经过第十六透镜第二凹面6712折射之后，其出射光线与OZ的夹角为θ，所述第十六透镜第二凹面6712的面型轮廓由通过数值计算的方法逐点算出。
经过第十六透镜第一凹面6711第一次配光的配光角度β、以及经过第十六透镜第二凹面6712第二次配光的配光角度θ，其最大的配光角度βmax≥15°，全角2βmax≥30°，再经过第十六透镜第二凹面6712的第二次配光，最后输出光束的最大配光角度θmax≥30°，全角2θmax≥60°，最大的光束全角可达150°。
具体的，如图31所示，O为位于垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2的中心点，E为位于垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2边缘的一个发射点，其最大发射角与光轴OZ的夹角为γmax，本实施例的具体实施方案优选该发射点的最大发射角(发射光线EEII与光轴OZ的夹角)γmax为9°，其为光束短轴方向的发散角半角。将边缘光线EEII进行反向延长，交于光轴OZ下方于O′点，O′点设定为第七广角扩束透镜系统67的等效发光点。
如图32所示，第七广角扩束透镜系统67的光强的远场角度分布图。
本实施例所述的采用单片透镜实现大角度配光的效果，其具有模具制作成本及透镜生产成本较低的优点，缺点是由于上下两个面都比较凹，对加工精度及装配精度的要求更高，对面型误差及装配误差比较敏感，容易产生杂光及光斑中心零级衍射亮点。
实施例七
本实施例七与实施例一的区别是，广角扩束透镜系统6的结构发生改变，所述广角扩束透镜系统6为由三片透镜组合成的第五广角扩束透镜系统65，所述广角接收组件4的光学成像系统7与实施例一相同。
请参考图33，所述广角扩束透镜系统6为由三片透镜组合成的第五广角扩束透镜系统65，所述第五广角扩束透镜系统65包括第九透镜651，装设在第九透镜651上方的第十透镜652，装设在第十透镜652上方的第十一透镜653，所述第九透镜651为双面凹透镜，具有负屈光度，所述第十透镜652为凹凸透镜，所述第十透镜652具有第十透镜第一凹面6521和第十透镜第二凸面6522，具有屈光度，所述第十一透镜653为凹透镜，所述第十一透镜653具有第十一透镜第一凹面6531和第十一透镜第二凹面6532，具有负屈光度，所述第十一透镜第二凹面6532为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的光束经第五广角扩束透镜系统65进行扩束，扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述2θmax≥60°，最大的光束全角可达170°。
所述三片透镜组合成的作用是，采用三片透镜除了分担实施例一所述的两片透镜的屈光度，多增加一片镜片可以增加屈光度，使扩束的光束角全角增大，另一优点是其每片透镜可以分配更为平均的屈光度，从而可以采用更平缓的面型达到大角度的配光效果。由于面型变得更加平缓，其产生杂光及中心区域产生亮点的机会更小，中心与边缘区域的光强分布更均匀。
实施例八
本实施例八与实施例一的区别是，广角扩束透镜系统6的结构发生改变，所述广角扩束透镜系统6为由四片透镜组合成的第六广角扩束透镜系统66，所述广角接收组件4的光学成像系统7与实施例一相同。
请参考图34，所述广角扩束透镜系统6为由四片透镜组合成的第六广角扩束透镜系统66，所述第六广角扩束透镜系统66包括第十二透镜661，装设在第十二透镜661上方的第十三透镜662，装设在第十三透镜662上方的第十四透镜663，装设在第十四透镜663上方的第十五透镜664，所述第十二透镜661为双面凹透镜，具有负屈光度，所述第十三透镜662为凹凸透镜，所述第十三透镜662具有第十三透镜第一凹面6621和第十三透镜第二凸面6622，具有屈光度，所述第十四透镜663为凹凸透镜，所述第十四透镜663具有第十四透镜第一凹面6631和第十四透镜第二凸面6632，具有屈光度，所述第十五透镜664为凹透镜，所述第十五透镜664具有第十五透镜第一凹面6641和第十五透镜第二凹面6642，具有负屈光度，所述第十五透镜第二凹面6642为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的光束经第六广角扩束透镜系统66进行扩束，扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述2θmax≥60°，最大的光束全角可达170°。
所述四片透镜组合成的作用是，采用四片透镜除了分担实施例一所述的两片透镜的屈光度，多增加两片镜片可以增加屈光度，使扩束的光束角全角增大，另一优点是其每片透镜可以分配更为平均的屈光度，从而可以采用更平缓的面型达到大角度的配光效果。由于面型变得更加平缓，其产生杂光及中心区域产生亮点的机会更小，中心与边缘区域的光强分布更均匀。
根据四片透镜组合的配光原理，同杆可以实现五片镜片或五片镜片以上的配光组合结构，在本专利不作一一赘述。
综上所述，本发明的有益效果在于：
本发明设有基座10，所述基座10装设有基板1，装设在基板1上的垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2，装发在垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2上方并与基座10固定连接用于将垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发射的光束角度扩大到60°的广角扩束透镜系统6，所述广角扩束透镜系统6由至少一片镜片构成，所述广角扩束透镜系统6中至少一个镜片为中间凹下的凹透镜，所述凹透镜的其中一个曲面轮廓为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸并位于垂直腔面发射激光器VCSEL芯片2发光表面对应面的另一侧，本发明提供一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其结构简单，实现大角度的均匀配光，单片凹透镜可现实将光束角度扩大到60°至150°之间，两片透镜的组合结构可现实将光束角度扩大到最大160°，三片以上透镜的组合结构可现实将光束角度扩大到最大170°，大大提高了光学效率，另外本发明还提供了一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组，通过广角接收器组件能获得大视场角的3D图像。

Claims (25)

1.一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，包括基座(10)，所述基座(10)装设有基板(1)，装设在基板(1)上的垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)，装设在基座(10)内部并将垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)发射的光束角度进行扩大的广角扩束透镜系统(6)，所述广角扩束透镜系统(6)由至少一片镜片构成，所述广角扩束透镜系统(6)中至少一个镜片为中间凹下的凹透镜，所述凹透镜的其中一个曲面轮廓为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸并位于垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)发光表面对应面的另一侧，所述广角扩束透镜系统(6)的光束扩大全角在60°至150°之间；
所述凹透镜的边缘处最大的光扩展角度大于入射到该透镜的光束角度的1.25倍以上；
所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)为一种多芯片的VCSEL阵列激光发射管或者单芯片的激光发射管，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)发射光的波长为700nm-5000nm之间或者可见光波段；
所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)的底面导电极通过导电胶与基板(1)上的导电极贴合导通，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)的表面导电极通过导电引线(9)与基板(1)上的另一个导电极焊接导通，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)工作点亮时通过基板(1)上的两个导电极供电；
所述广角扩束透镜系统(6)的镜片为光学透明树脂材料构件、光学透明硅胶材料构件、玻璃材料构件或者光敏无影胶材料构件；
所述广角扩束透镜系统(6)的镜片材料的光学折射率在940nm波段介于1.30-1.75之间。
2.根据权利要求1所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述基座(10)为聚邻苯二甲酰胺PPA材料构件或者聚酰亚胺树脂PI材料构件，所述广角扩束透镜系统(6)其中的一个镜片与基座(10)为双料一体成型或者广角扩束透镜系统(6)的镜片与基座(10)通过粘接胶固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述广角扩束透镜系统(6)其中的一个镜片与基座(10)为材料相同的一体结构，所述镜片材料为透明液态硅胶或者耐高温透明树脂，所述耐高温透明树脂的玻璃化温度介于200-300℃之间，光学折射率在940nm波段介于1.30-1.75之间。
4.根据权利要求1所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述广角扩束透镜系统(6)的镜片表面镀有光学增透膜或者透近红外波段的带通滤波光学膜或者在镜片材料中掺杂透红外波段的染色材料。
5.根据权利要求1所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)由多颗点状的表面发射垂直腔激光器排列而成，排列方式为交错排列、6边形排列、4边形排列或者随机散乱排列。
6.根据权利要求5所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)的发射角全角在15°至90°之间。
7.根据权利要求1所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述广角扩束透镜系统(6)为由两片凹透镜组合成的第一广角扩束透镜系统(61)，所述第一广角扩束透镜系统(61)包括第一透镜(611)，装设在第一透镜(611)上方的第二透镜(612)，所述第一透镜(611)具有第一透镜第一凹面(6111)和第一透镜第二凹面(6112)，所述第二透镜(612)具有第二透镜第一凹面(6121)和第二透镜第二凹面(6122)，所述第二透镜第二凹面(6122)为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面。
8.根据权利要求7所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)发射的光束经第一透镜(611)进行第一次扩束，第一次扩束后的最大的光束角全角为2βmax，所述30°≤2βmax≤75°，经第二透镜(612)进行第二次扩束，第二次扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
9.根据权利要求8所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述第一透镜第一凹面(6111)为球面或者非球面，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)任意发射点，光线CCII与光轴OZ的夹角为γ，光线CCII经过第一透镜第一凹面(6111)后，其折射光线CIICIII与光轴OZ的夹角保持不变，其为γ，该光线经过第一透镜第二凹面(6112)再次折射之后，其出射光线CIIICIV的配光角度为β，边缘光线EIIEIII经过第一透镜第二凹面(6112)折射之后，其出射光线EIIIEIV的配光角度为第一透镜(611)的最大配光角度βmax，所述第一透镜(611)的最大配光角度βmax为15°，所述第一透镜第二凹面(6112)满足配光条件：
10.根据权利要求9所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述第二透镜第二凹面(6122)边缘光线EIVEV经过第二透镜第二凹面(6122)折射之后，其出射光线与光轴OZ的夹角为θmax，其它任意光线CIVCV经过第二透镜第二凹面(6122)折射之后，其出射光线与OZ的夹角为θ，所述第二透镜第二凹面(6122)满足配光条件：
11.根据权利要求1所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述广角扩束透镜系统(6)为由两片凹透镜和其中一面为菲涅尔透镜组合成的第二广角扩束透镜系统(62)，所述第二广角扩束透镜系统(62)与垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)之间装设有第二硅胶(12)，所述第二广角扩束透镜系统(62)包括第三透镜(621)，装设在第三透镜(621)上方的第四透镜(622)，所述第三透镜(621)具有第三透镜第一凹面(6211)和第三透镜第二凹面(6212)，所述第四透镜(622)具有第四透镜第一凹面(6221)和第四透镜第二凹面(6222)，所述第四透镜第二凹面(6222)进行分段并将每一小段的斜面平铺到同一个平面上，形成锯齿状的菲涅尔面，所述第三透镜第二凹面(6212)为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面。
12.根据权利要求11所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)发射的光束经第三透镜(621)进行第一次扩束，第一次扩束后的最大的光束角全角为2βmax，所述30°≤2βmax≤75°，经第四透镜(622)进行第二次扩束，第二次扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
13.根据权利要求1所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述广角扩束透镜系统(6)为由一片凹透镜和自由曲面凹透镜组合成的第三广角扩束透镜系统(63)，所述第三广角扩束透镜系统(63)包括第五透镜(631)，装设在第五透镜(631)上方的第六透镜(632)，所述第五透镜(631)具有第五透镜第一凹面(6311)和第五透镜第二凹面(6312)，所述第六透镜(632)具有第六透镜第一凹面(6321)和第六透镜第二凹面(6322)，所述第六透镜第二凹面(6322)为X轴横向及Y轴纵向方向非对称分布的自由曲面配光透镜，所述自由曲面配光透镜沿X轴横向配光角度增大，沿Y轴纵向配光角度减小，所述第五透镜第二凹面(6312)为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面。
14.根据权利要求13所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)发射的光束经第五透镜(631)进行第一次扩束，第一次扩束后的最大的光束角全角为2βmax，所述30°≤2βmax≤75°，经第六透镜(632)进行第二次扩束，第二次扩束后沿X轴方向输出的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°，沿Y轴方向输出的光束角全角为2θ，max，所述60°≤2θ，max≤150°。
15.根据权利要求1所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述广角扩束透镜系统(6)为由两片凹透镜其中至少一个镜面设置为局部磨砂或者整面磨砂面组合成的第四广角扩束透镜系统(64)，所述第四广角扩束透镜系统(64)包括第七透镜(641)，装设在第七透镜(641)上方的第八透镜(642)，所述第七透镜(641)具有第七透镜第一凹面(6411)和第七透镜第二凹面(6412)，所述第八透镜(642)具有第八透镜第一凹面(6421)和第八透镜第二凹面(6422)，所述第七透镜(641)和第八透镜(642)其中至少一个镜面设置为局部磨砂或者整面磨砂面，所述第八透镜第二凹面(6422)为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面。
16.根据权利要求15所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)发射的光束经第七透镜(641)进行第一次扩束，第一次扩束后的最大的光束角全角为2βmax，所述30°≤2βmax≤75°，经第八透镜(642)进行第二次扩束，第二次扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
17.根据权利要求1所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述广角扩束透镜系统(6)为由三片透镜组合成的第五广角扩束透镜系统(65)，所述第五广角扩束透镜系统(65)包括第九透镜(651)，装设在第九透镜(651)上方的第十透镜(652)，装设在第十透镜(652)上方的第十一透镜(653)，所述第九透镜(651)为双面凹透镜，具有负屈光度，所述第十透镜(652)为凹凸透镜，所述第十透镜(652)具有第十透镜第一凹面(6521)和第十透镜第二凸面(6522)，具有屈光度，所述第十一透镜(653)为凹透镜，所述第十一透镜(653)具有第十一透镜第一凹面(6531)和第十一透镜第二凹面(6532)，具有负屈光度，所述第十一透镜第二凹面(6532)为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)发射的光束经第五广角扩束透镜系统(65)进行扩束，扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
18.根据权利要求1所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述广角扩束透镜系统(6)为由四片透镜组合成的第六广角扩束透镜系统(66)，所述第六广角扩束透镜系统(66)包括第十二透镜(661)，装设在第十二透镜(661)上方的第十三透镜(662)，装设在第十三透镜(662)上方的第十四透镜(663)，装设在第十四透镜(663)上方的第十五透镜(664)，所述第十二透镜(661)为双面凹透镜，具有负屈光度，所述第十三透镜(662)为凹凸透镜，所述第十三透镜(662)具有第十三透镜第一凹面(6621)和第十三透镜第二凸面(6622)，具有屈光度，所述第十四透镜(663)为凹凸透镜，所述第十四透镜(663)具有第十四透镜第一凹面(6631)和第十四透镜第二凸面(6632)，具有屈光度，所述第十五透镜(664)为凹透镜，所述第十五透镜(664)具有第十五透镜第一凹面(6641)和第十五透镜第二凹面(6642)，具有负屈光度，所述第十五透镜第二凹面(6642)为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)发射的光束经第六广角扩束透镜系统(66)进行扩束，扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
19.根据权利要求1所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述广角扩束透镜系统(6)为由一片透镜组成的第七广角扩束透镜系统(67)，所述第七广角扩束透镜系统(67)包括第十六透镜(671)，所述第十六透镜(671)，为双面凹透镜，具有负屈光度，所述第十六透镜(671)具有第十六透镜第一凹面(6711)和第十六透镜第二凹面(6712)，所述第十六透镜第二凹面(6712)为中间凹下且逐渐向外侧作弧状坡形延伸的曲面，所述垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(2)发射的光束经第七广角扩束透镜系统(67)进行扩束，扩束后的输出光束的光束角全角为2θmax，所述60°≤2θmax≤150°。
20.根据权利要求1所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，其特征在于，所述广角扩束透镜系统(6)的镜片表面为镜面或者具有混光作用的鳞片面或者微结构纹理面。
21.一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组，其特征在于，包括权利要求1-20任一项所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模块，所述基座(10)一侧装设有广角接收器组件(4)，所述广角接收器组件(4)包括光学成像系统(7)，装设在光学成像系统(7)下方的接收光信号的飞行时间成像器(8)，所述飞行时间成像器(8)经过处理后输出图像信息。
22.根据权利要求21所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组，其特征在于，所述飞行时间成像器(8)装设在基板(1)上或者装设在单独的另一块基板上。
23.根据权利要求21所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组，其特征在于，所述光学成像系统(7)为由两片光学镜片组合成的第一光学成像系统(71)，所述第一光学成像系统(71)包括从物侧到像侧依次设置的第一广角凹透镜(711)、第一隔圈(712)、第一孔径光阑(713)、第二隔圈(714)和第一凸透镜(715)，所述第一广角凹透镜(711)为低折射率、高色散系数材料，其折射率nd<1.58，阿贝系数vd>50，所述第一凸透镜(715)为高折射率、低色散系数材料，其折射率nd>1.6、阿贝系数vd<30，所述第一光学成像系统(71)的接收角度为2ψmax。
24.根据权利要求21所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组，其特征在于，所述光学成像系统(7)为由三片光学镜片组合成的第二光学成像系统(72)，所述第二光学成像系统(72)包括从物侧到像侧依次设置的第二广角凹透镜(721)、第三隔圈(722)、第二孔径光阑(723)、第二凸透镜(724)和半弯月透镜(725)，所述第二广角凹透镜(721)为高折射率、低色散系数材料，其折射率nd>1.6、阿贝系数vd<30，所述第二凸透镜(724)为低折射率、高色散系数材料，其折射率nd<1.58，阿贝系数vd>50，所述半弯月透镜(725)为高折射率、低色散系数材料，其折射率nd>1.6、阿贝系数vd<30，所述第二光学成像系统(72)的接收角度为2ψmax。
25.根据权利要求24所述的一种用于广角飞行时间光学测距的红外发射模组，其特征在于，所述第二光学成像系统(72)其中一片镜片的其中一个面，其镀有红外通过、可见光阻挡的红外带通滤波膜，或者采用单独的一个平面镜片作为红外通过、可见光阻挡的红外带通滤波片，或者在模组保护玻璃上镀红外通过、可见光阻挡的红外带通滤波膜。
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