光扩散器的制作方法

1.本实用新型涉及三维成像设备技术领域，具体而言，涉及一种光扩散器。

背景技术：

2.目前行业内实现3d成像的方式主要包括双目、结构光和tof，其中双目精度较低，结构光结构复杂且成本较高，而tof有足够的精度且成本稍低，已有流行推广的趋势。tof通常由一个发射端和一个接收端组成，其中发射端主要由一个vcsel光源和一个光扩散器(diffuser)组成。
3.现有光扩散器多采用折射的方式实现光束整形，结合自由曲面可达到多种形式的光场分布，满足了tof等应用端要求。随着应用端的功能扩展、要求提高，需求不断更新，对光场分布提出更多种类的要求。对于某些特殊场景采用折射方式效果欠佳甚至无法达成，此时便需要开发其他能够满足特殊应用的光扩散器。尤其是目标光场为偏光光场时，折射微透镜采用非对称面型可实现光场的小角度偏转，当要求较大偏转角时便难以达成。
4.也就是说，现有技术中的光扩散器存在难以实现大角度偏转的问题。

技术实现要素：

5.本实用新型的主要目的在于提供一种光扩散器，以解决现有技术中的光扩散器存在难以实现大角度偏转的问题。
6.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种光扩散器，包括：结构层；入光面，入光面设置在结构层的一侧表面上；出光层，出光层设置在结构层的另一侧表面上，出光层包括多个微透镜，多个微透镜呈阵列设置，微透镜包括出光面和全反射面，出光面和全反射面之间呈角度设置。
7.进一步地，出光面远离结构层的一侧与全反射面远离结构层的一侧连接；和/或出光面和全反射面之间的距离沿远离结构层的方向逐渐减小。
8.进一步地，出光面的切线与水平线之间的夹角在大于等于70
°
且小于等于90
°
的范围内。
9.进一步地，出光面包括平面和曲面中的一种；和/或全反射面包括平面和曲面中的一种；和/或入光面包括平面和曲面中的一种。
10.进一步地，出光面包括微结构阵列面。
11.进一步地，全反射面为曲面，出光面为平面，多个微透镜沿第一方向依次排列，多个微透镜沿第二方向延伸，第二方向与结构层的边线之间平行或呈角度设置。
12.进一步地，全反射面为平面，出光面为微结构阵列面，多个微透镜沿一直线延伸设置；或者全反射面为曲面，出光面为微结构阵列面，多个微透镜沿一直线延伸设置。
13.进一步地，全反射面为曲面，出光面为平面，出光层被分为多个出光区，各出光区中的微透镜均沿一直线延伸，且不同出光区的微透镜的延伸方向不同。
14.进一步地，全反射面为曲面，出光面为平面，多个微透镜被分为多组，各组微透镜
均沿第一方向依次排列，且各微透镜均沿第二方向延伸，多组中相邻两组微透镜之间无缝连接，第二方向与结构层的边线之间平行或呈角度设置。
15.进一步地，全反射面为曲面，出光面为平面，出光层被分为多个出光区，各出光区中的多个微透镜均被分为多组，同一个出光区中的多组微透镜的排列方向相同，不同的出光区的多组微透镜的排列方向相同或不同。
16.应用本实用新型的技术方案，光扩散器包括结构层、入光面和出光层，入光面设置在结构层的一侧表面上；出光层设置在结构层的另一侧表面上，出光层包括多个微透镜，多个微透镜呈阵列设置，微透镜包括出光面和全反射面，出光面和全反射面之间呈角度设置。
17.微透镜包括出光面和全反射面，出光面和全反射面之间呈角度设置，通过设置全反射面，在控制出射光束的偏转角度的同时，也能控制出射光场的合理分布，可实现出射光场偏转及扩束。同时，全反射面可调整出射光场分布，全反射面能够将光线进行全反射，使出射光束朝一侧偏转，进而实现较大角度的偏转，偏转角可达40
°
以上，相较于非对称曲面的折射方式实现的偏转角更大。本技术的微透镜通过利于全反射面对入射的光线进行全反射以实现大角度偏转，结合全反射面与出光面的不同组合形式可得到多种形式的光场分布，拓展了光场的出射形式，为应用场景带来更多的性能收益。
附图说明
18.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
19.图1示出了本实用新型的一个可选实施例的光扩散器的结构示意图；
20.图2示出了图1中的光扩散器的另一个角度的示意图；
21.图3示出了图1中的微透镜的一个角度的示意图；
22.图4示出了本实用新型的一个可选实施例的光扩散器的光路走势图；
23.图5示出了平行光入射图4中的光扩散器所得到的光场分布图；
24.图6示出了vcsel光源发射光入射图4中的光扩散器所得到的光场分布图；
25.图7示出了本实用新型的实施例一的光扩散器的结构示意图；
26.图8示出了图7中的光扩散器的光场分布图；
27.图9示出了本实用新型的实施例二的光扩散器的结构示意图；
28.图10示出了图9中的光扩散器的光场分布图；
29.图11示出了本实用新型的实施例三的光扩散器的结构示意图；
30.图12示出了图11中的光扩散器的光场分布图；
31.图13示出了本实用新型的实施例四的光扩散器的结构示意图；
32.图14示出了图13中的光扩散器的光场分布图；
33.图15示出了本实用新型的实施例五的光扩散器的结构示意图；
34.图16示出了图15中的光扩散器的光场分布图；
35.图17示出了本实用新型的实施例六的光扩散器的结构示意图；
36.图18示出了图17中的光扩散器的光场分布图；
37.图19示出了本实用新型的实施例七的光扩散器的结构示意图；
38.图20示出了图19中的光扩散器的光场分布图；
39.图21示出了本实用新型的实施例八的光扩散器的结构示意图；
40.图22示出了图21中的光扩散器的光场分布图；
41.图23示出了图9中a处的放大图。
42.其中，上述附图包括以下附图标记：
43.10、结构层；11、结构面；20、入光面；30、出光层；31、微透镜；311、出光面；312、全反射面；33、出光区；40、水平线；50、边线；60、第一方向；70、第二方向。
具体实施方式
44.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
45.需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
46.在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本实用新型。
47.为了解决现有技术中的光扩散器存在难以实现大角度偏转的问题，本实用新型提供了一种光扩散器。
48.如图1至图23所示，光扩散器包括结构层10、入光面20和出光层30，入光面20设置在结构层10的一侧表面上；出光层30设置在结构层10的另一侧表面上，出光层30包括多个微透镜31，多个微透镜31呈阵列设置，微透镜31包括出光面311和全反射面312，出光面311和全反射面312之间呈角度设置。
49.微透镜31包括出光面311和全反射面312，出光面311和全反射面312之间呈角度设置，通过设置全反射面312，在控制出射光束的偏转角度的同时，也能控制出射光场的合理分布，可实现出射光场偏转及扩束。同时，全反射面312可调整出射光场分布，全反射面312能够将光线进行全反射，使出射光束朝一侧偏转，进而实现较大角度的偏转，偏转角可达40
°
以上，相较于非对称曲面的折射方式实现的偏转角更大。本技术的微透镜31通过利于全反射面312对入射的光线进行全反射以实现大角度偏转，结合全反射面312与出光面311的不同组合形式可得到多种形式的光场分布，拓展了光场的出射形式，为应用场景带来更多的性能收益。
50.如图1和图2所示，结构层10的整体相形状可以是正方体或长方体，结构层10朝向出光层30的一侧表面为矩形，当然也可以根据需要将结构层10切割成不同形状，结构层10还包括侧面的四个结构面11。其中，出光层30由微透镜31阵列而成，根据全反射面312和出光面311的不同组合形式，实现对光线的全反射作用或者是全反射和扩束的作用。在本技术的实施例中，入光面20为平面，当然入光面20也可根据需要设计为具有缩小光源发散角功能的曲面。
51.如图1至图3的具体实施例中，全反射面312及出光面311均为平面，通过全反射面312与出光面311的组合，调整出射光场分布。其中，全反射面312能够将光线进行全反射，使
出射光束朝一侧偏转，可实现较大角度偏转，相较于非对称曲面的折射实现的偏转角更大，偏转角可达40
°
以上。
52.如图3所示，出光面311远离结构层10的一侧与全反射面312远离结构层10的一侧连接；且出光面311和全反射面312之间的距离沿远离结构层10的方向逐渐减小。出光层30中的全反射面312和出光面311可分别从两个垂直方向调控光场，将两个方向的光场调节独立开，调节更加灵活，所得光场的分布形式更加丰富，也便于产品性能的异常追溯。
53.具体的，全反射面312需满足全反射条件，令介质折射率为n，则全反射面312的切线与水平线40的夹角α需满足：α≥arcsin(1/n)。需要说明的是，n为介质折射率，即为光线在出光面出射前所在介质的折射率。这样有利于保证全反射面312对光线的全反射作用，保证全反射面312的使用稳定性。出光面311的切线与水平线40之间的夹角在大于等于70
°
且小于等于90
°
的范围内。这样有利于出光面311更好的承接由全反射面312反射过来的光线，以实现大角度偏转的光线的出光，通过全反射面312与出光面311的有效配合实现大角度偏转光线的输出，保证了光扩散器的稳定运行。
54.具体的，出光面311包括平面和曲面中的一种；全反射面312包括平面和曲面中的一种。可根据需求选取合适的出光面311和全反射面312，通过出光面311和全反射面312的搭配，实现不同的出射光场。当然，在一个可选实施例中，出光面311为微结构阵列面，也就是说出光面311可增加微结构以进一步调整出射光场的分布。
55.需要说明的是，上述曲面可用公式1表示为：
[0056][0057]
其中，x、y和z为曲面的三维坐标，m、n分别为x、y的最大指数，m、n越大曲面的自由越高。
[0058]
如图4至图6所示，图4为本技术的一个可选实施例的光扩散器的光路示意图，图中黑线条表示光线走势。其中光扩散器的出光面311为平面，全反射面312为平面。如图5所示，示出了平行光入射图4的光扩散器得到的光场效果图。如图6所示，示出了vcsel光源入射图4的光扩散器得到的光场效果图，一般的，vcsel光源为具有15
°
的发散角光束，所以与平行光呈现的效果不同。可调整光扩散器的形态得到不同的出射光场。
[0059]
下面结合具体实施例和附图来描述本技术的光扩散器。
[0060]
如图7至图12所示，实施例一至实施例三中的光扩散器的出光层30中的微透镜31均为线性拉伸的结构。
[0061]
如图7所示，为本技术的实施例一的光扩散器，其中，微透镜31的全反射面312为曲面，出光面311为平面；多个微透镜31沿第一方向60依次排列，多个微透镜31沿第二方向70延伸，第二方向70与结构层10的一条边线50之间是平行的，也就是说，多个微透镜31的延伸方向均与结构层10的一条边线50平行。第一方向60与第二方向70垂直，当然在别的实施例中，第一方向60与第二方向70之间的角度也可为锐角。如图8所示，为图7的光扩散器的光场效果图，由图可知，实施例一的光扩散器实现的是线性单方向偏转的光场。
[0062]
如图9所示，为本技术的实施例二的光扩散器，其中，微透镜31的全反射面312为平面，出光面311为微结构阵列面，微结构阵列面也就是由多个凸形状或多个凹形状的曲面阵列而成的面。如图23所示，示出了图9的细节放大图，多个微透镜31沿y轴顺次排列。如图10
所示，为图9的光扩散器的光场效果图，由图可知，实施例二的光扩散器实现的是单方向偏转的光场，同时可以理解为实现了图5中的点沿y轴方向进行扩束，形成图10的线光场。
[0063]
如图11所示，为本技术的实施例三的光扩散器，其中，微透镜31的全反射面312为曲面，出光面311为微结构阵列面。如图12所示，为图11的光扩散器的光场效果图，由图可知，实施例三的光扩散器实现的是单方向偏转和竖向扩束的光场。由本实施例可知，通过全反射面312和出光面311的不同结构的搭配，在实现大角度偏转的同时，能够实现扩束的效果，以实现不同光场的需求。
[0064]
如图13至图16所示，实施例四和实施例五中的光扩散器的出光层30中的微透镜31均为线性拉伸的结构，且微透镜31的全反射面312均为曲面，出光面311均为平面。
[0065]
如图13所示，为本技术的实施例四的光扩散器，其中，微透镜31的全反射面312为曲面，出光面311为平面；多个微透镜31的延伸方向与结构层10的一条边线50之间是呈角度设置的，且角度为锐角或钝角，且微透镜31的延伸方向与微透镜31的排列方向不同。如图14所示，为图13的光扩散器的光场效果图，由图可知，实施例四的光扩散器实现的是线性单方向旋转的光场。
[0066]
如图15所示，为本技术的实施例五的光扩散器，其中，微透镜31的全反射面312为曲面，出光面311为平面；本实施例中，出光层30被分为四个出光区33，各出光区33中的微透镜31均沿一直线延伸，且不同出光区33的微透镜31的延伸方向不同，相同出光区33中的多个微透镜31沿另一直线依次排列且微透镜31的排列方向和延伸方向之间存在夹角。如图16所示，为图15中的光扩散器的光场效果图，由图可知，实施例五的光扩散器实现的是线性多方向的偏转的光场，出光层30分为四个分光区，以使不同分光区实现不同方向的光场。当然，在其他实施例中，出光层30也可分为除四个以外的多个分光区，可根据需求进行设置。
[0067]
如图17至图22所示，实施例六至实施例八中的光扩散器中的出光层30中的微透镜31不是线性拉伸而成的，且微透镜31的全反射面312为曲面，出光面311为平面。
[0068]
如图17所示，为本技术的实施例六的光扩散器，其中，全反射面312为曲面，出光面311为平面；多个微透镜31被分为多组，各组微透镜31均沿第一方向60依次排列，且各组中的微透镜31均沿第二方向70延伸，多组中相邻两组微透镜31之间无缝连接，第二方向70与结构层10的一个边线50之间平行，也就是说，微透镜31的延伸方向与结构层10的一个边线50之间是平行设置的。如图18所示，为图17中的光扩散器的光场效果图，由图可知，实施例六的光扩散器实现的是单方向偏转和扩束的光场显示。
[0069]
如图19所示，为本技术的实施例七的光扩散器，其中，全反射面312为曲面，出光面311为平面；本实施例与实施例六的区别是，微透镜31的排列方向和延伸方向不同，具体的，微透镜31的延伸方向与结构层10的一个边线50之间是呈角度设置，该角度可为锐角或钝角。如图20所示，为图19中的光扩散器的光场效果图，由图可知，实施例七的光扩散器实现的是单方向旋转和扩束的光场显示。
[0070]
如图21所示，为本技术的实施例八的光扩散器，其中，全反射面312为曲面，出光面311为平面；本实施例的出光层30被分为多个出光区33，各出光区33中的多个微透镜31均被分为多组，同一个出光区33中的多组微透镜31的排列方向和延伸方向相同，不同的出光区33的多组微透镜31的排列方向相同或不同，不同出光区33中的多组微透镜31的延伸方向相同或不同，可根据需求进行选择。如图22所示，为图21中的光扩散器的光场效果图，由图可
知，实施例八的光扩散器实现的是多方向偏转和扩束的光场显示。不同分光区所呈现的光场的方向不同，在本实施例中采用了四个分光区，在其他实施例中也可根据需求设置不同数量的分光区。
[0071]
本技术还提供了一种光学装置，包括上述的光扩散器和光源，光源可为发射平行光束的光源，也可为具有发散角度的vcsel光源，光源位于光扩散器的入光面20远离结构层10的一侧。
[0072]
需要说明的是，本技术的光扩散器主要应用于深度检测，如汽车雷达、人脸识别等三维成像的领域。
[0073]
从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：
[0074]
1、本技术的光扩散器相较于现有技术，避免了另外设置准直透镜的情况，节省了部件，节约了成本。
[0075]
2、本技术的光扩散器省去了准直透镜，压缩了整体体积，节省了空间，相较于现有技术采用两个光学器件，本技术只采用一个光学器件大大减少了光线的传播路径，减小了整个光学系统的尺寸，为尺寸要求较高的终端产品提供设计空间。
[0076]
3、相对于现有技术，减少一个光学器件，减少了光能量的损耗，提高了光源利用率。同时通过微透镜31实现全反射，达到较大偏转角度，偏转角可达40度以上，且反向杂光极少，有利于提高能量利用率，提高系统效率。
[0077]
4、通过微透镜3的1出光面311和全反射面312的特殊组合方式，实现h方向和v方向两个方向的独立设计，不限于在一面上某方向光的限制。
[0078]
显然，上述所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
[0079]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
[0080]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0081]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：

1.一种光扩散器，其特征在于，包括：结构层(10)；入光面(20)，所述入光面(20)设置在所述结构层(10)的一侧表面上；出光层(30)，所述出光层(30)设置在所述结构层(10)的另一侧表面上，所述出光层(30)包括多个微透镜(31)，多个所述微透镜(31)呈阵列设置，所述微透镜(31)包括出光面(311)和全反射面(312)，所述出光面(311)和所述全反射面(312)之间呈角度设置。2.根据权利要求1所述的光扩散器，其特征在于，所述出光面(311)远离所述结构层(10)的一侧与所述全反射面(312)远离所述结构层(10)的一侧连接；和/或所述出光面(311)和所述全反射面(312)之间的距离沿远离所述结构层(10)的方向逐渐减小。3.根据权利要求1所述的光扩散器，其特征在于，所述出光面(311)的切线与水平线(40)之间的夹角在大于等于70
°
且小于等于90
°
的范围内。4.根据权利要求1所述的光扩散器，其特征在于，所述出光面(311)包括平面和曲面中的一种；和/或所述全反射面(312)包括平面和曲面中的一种；和/或所述入光面(20)包括平面和曲面中的一种。5.根据权利要求1所述的光扩散器，其特征在于，所述出光面(311)包括微结构阵列面。6.根据权利要求1至5中任一项所述的光扩散器，其特征在于，所述全反射面(312)为曲面，所述出光面(311)为平面，多个所述微透镜(31)沿第一方向(60)依次排列，多个所述微透镜(31)沿第二方向(70)延伸，所述第二方向(70)与所述结构层(10)的边线(50)之间平行或呈角度设置。7.根据权利要求1至5中任一项所述的光扩散器，其特征在于，所述全反射面(312)为平面，所述出光面(311)为微结构阵列面，多个所述微透镜(31)沿一直线延伸设置；或者所述全反射面(312)为曲面，所述出光面(311)为微结构阵列面，多个所述微透镜(31)沿一直线延伸设置。8.根据权利要求1至5中任一项所述的光扩散器，其特征在于，所述全反射面(312)为曲面，所述出光面(311)为平面，所述出光层(30)被分为多个出光区(33)，各所述出光区(33)中的所述微透镜(31)均沿一直线延伸，且不同所述出光区(33)的所述微透镜(31)的延伸方向不同。9.根据权利要求1至5中任一项所述的光扩散器，其特征在于，所述全反射面(312)为曲面，所述出光面(311)为平面，多个所述微透镜(31)被分为多组，各组所述微透镜(31)均沿第一方向(60)依次排列，且各所述微透镜(31)均沿第二方向(70)延伸，多组中相邻两组所述微透镜(31)之间无缝连接，所述第二方向(70)与所述结构层(10)的边线(50)之间平行或呈角度设置。10.根据权利要求1至5中任一项所述的光扩散器，其特征在于，所述全反射面(312)为曲面，所述出光面(311)为平面，所述出光层(30)被分为多个出光区(33)，各所述出光区(33)中的多个所述微透镜(31)均被分为多组，同一个所述出光区(33)中的多组所述微透镜
(31)的排列方向相同，不同的所述出光区(33)的多组所述微透镜(31)的排列方向相同或不同。

技术总结

本实用新型提供了一种光扩散器。光扩散器包括：结构层；入光面，入光面设置在结构层的一侧表面上；出光层，出光层设置在结构层的另一侧表面上，出光层包括多个微透镜，多个微透镜呈阵列设置，微透镜包括出光面和全反射面，出光面和全反射面之间呈角度设置。本实用新型解决了现有技术中的光扩散器存在难以实现大角度偏转的问题。度偏转的问题。度偏转的问题。