曲面匀光元件的制作方法

1.本实用新型涉及光学元件技术领域，尤其涉及一种曲面匀光元件。

背景技术：

2.市面上主流的3d传感技术方案有三种：双目立体视觉法(stereo vision)，结构光法(structured light)和飞行时间法(time of flight,tof)。其中，双目立体视觉法精度较低，结构光法结构复杂且成本高，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光源和一个匀光元件(diffuser)组成。
3.常见的tof匀光元件呈片状结构形态，具体是在平面基底上配置微结构胶层后制作完成，实现对vcsel光源的光束整形，如扩散式匀光。
4.vcsel光源所发出的光一般具有18
°
～24
°
的散射角，在无准直光学配件的前提下，经匀光元件整形后，其出射光场的强度分布呈现出一种朝边缘缓慢降低至零的变化趋势，即具有较宽的下降沿，从而导致有效视场的窗口效率和照度均匀性降低，如图20至图22所示的有效视场内的窗口效率为65.2％，照度均匀性为58.8％。若在匀光元件的入光一侧预先进行光路准直，可明显改善上述问题。现有常规的解决方案，例如匀光元件前置独立的菲涅尔透镜等准直元件，或者将匀光元件双面设置微结构，即在匀光元件的入光面实现菲涅尔透镜结构，但是，这将会扩大光学系统占据的结构空间，并增加生产成本和工艺难度。总而言之，现有技术中的匀光元件存在匀光效果较差的问题。

技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种曲面匀光元件，可有效提升视场窗口的效率和照度均匀性。
6.为实现上述发明目的，本实用新型提供一种曲面匀光元件，包括：入光面和与所述入光面相对的出光面，所述入光面和所述出光面的其中之一为微结构曲面，另一面为平面或台阶面。
7.根据本实用新型的一个方面，所述微结构曲面配置以凸透镜为主体，并在所述凸透镜的表面上分布设置凹形或凸形的且按照周期或随机阵列的多个微透镜单元后所形成的微透镜阵列结构。
8.根据本实用新型的一个方面，所述微透镜阵列结构由所述多个微透镜单元沿所述凸透镜的表面法线方向贴合或沿所述凸透镜的中心轴线方向投影进行阵列叠合所形成。
9.根据本实用新型的一个方面，所述凸透镜的曲面方程为
10.根据本实用新型的一个方面，所述微透镜单元用xy多项式曲面方程表示为其中，kj为已知多项式各项系数，m、n为多项式幂指数，
11.根据本实用新型的一个方面，所述多个微透镜单元沿所述凸透镜的表面法线方向贴合进行阵列叠合时，按周期或随机阵列分布在所述凸透镜的表面，所述微透镜单元的曲面的任一坐标点m(x,y,z)满足关系式：
[0012][0013]
其中，各微透镜单元的曲面的中心坐标点为pi(ai,bi,ci)，)，各微透镜单元关于x轴、y轴旋转的相应角度为(αi,βi)，(x0,y0表示所述中心坐标点pi(ai,bi,ci)位于原点的基准微透镜单元的曲面上的任意一点在xy平面的投影坐标值，i表示所述微透镜单元的序号；对于任一所述微透镜单元，所述角度(αi,βi)、所述中心坐标点pi(ai,bi,ci)和(x0,y0)为已知或固定的，故上述关系式简化表示为z＝τi(x,y)。
[0014]
根据本实用新型的一个方面，在以所述凸透镜的表面上任一坐标点q(x,y,z)为底圆心、底半径为的圆柱区域内，若存在若干个点pi，则该若干个点pi同时满足和0≤i≤n，其中l、w分别为所述微透镜单元的长度和宽度，n为满足条件的所述微透镜单元的中心点数量。
[0015]
根据本实用新型的一个方面，当所述微透镜单元为凸形时，所述微透镜阵列结构的曲面表达式为当所述微透镜单元为凹形时，所述微透镜阵列结构的曲面表达式为透镜阵列结构的曲面表达式为
[0016]
根据本实用新型的一个方面，所述多个微透镜单元沿所述凸透镜的中心轴线方向投影进行阵列叠合时，若所述多个微透镜单元按周期或随机阵列分布在oxy平面上，对于所述oxy平面上任一坐标点g(x,y)，在以点g(x,y)为圆心，半径为的圆形区域内，若存在若干个点fi，该若干个点fi同时满足|x-ai|≤
l
/2，|y-bi|≤w/2，0≤i≤n，其中l、w分别为所述微透镜单元的长度和宽度，n为满足条件的所述微透镜单元的中心点数量，fi(ai,bi)为所述微透镜单元的中心坐标点；
[0017]
与满足上述关系式的各点fi相对应的所述微透镜单元的曲面方程为
[0018]
根据本实用新型的一个方面，当所述微透镜单元为凸形时，所述微透镜阵列结构
的曲面表达式为当所述微透镜单元为凹形时，所述微透镜阵列结构的曲面表达式为形时，所述微透镜阵列结构的曲面表达式为
[0019]
根据本实用新型的一个方面，所述微透镜阵列结构的表达式为根据本实用新型的一个方面，所述微透镜阵列结构的表达式为该表达式取正对应凸形的微透镜单元，取负对应凹形的微透镜单元。
[0020]
根据本实用新型的一个方面，所述微透镜单元为球面、二次曲面或自由曲面。
[0021]
根据本实用新型的一个方面，所述台阶面呈同心圆环状，所述台阶面的高度呈台阶式变化。
[0022]
根据本实用新型的一个方面，所述台阶面的台阶高度为10～25μm，台阶宽度为30～55μm。
[0023]
根据本实用新型的方案，曲面匀光元件为单层微结构面，将凸透镜曲面和微透镜阵列结构的曲面合二为一，能同时满足光准直和光扩散的功能需求，减小出射光场的光强度分布曲线的下降速度，提高光视场的窗口效率和照度均匀性。微结构面上设置微透镜阵列结构，并采用不同的叠合方式，同时结合凸透镜的曲面形貌，可减少准直元件的额外使用，从而节省了光学系统的结构空间和成本。另外，为解决曲面匀光元件中心过厚的问题，引入台阶面的设计，可实现匀光元件的轻薄化，有利于产品的制作加工。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本实用新型实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，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。
[0025]
图1至图3示意性分别表示本实用新型实施例1的曲面匀光元件不同视角的三维结构图；
[0026]
图4示意性表示本实用新型实施例1的曲面匀光元件入光面为微结构面时的光路示意图；
[0027]
图5示意性表示本实用新型实施例1的vcsel光源发出的光经曲面匀光元件整形后投射在被照面上的光斑样式；
[0028]
图6示意性表示本实用新型实施例1的出射光场的光强分布曲线；
[0029]
图7至图9示意性分别表示本实用新型实施例2的曲面匀光元件不同视角的三维结构图；
[0030]
图10示意性表示本实用新型实施例2的曲面匀光元件入光面为微结构面时的光路示意图；
[0031]
图11示意性表示本实用新型实施例2的vcsel光源发出的光经曲面匀光元件整形后投射在被照面上的光斑样式；
[0032]
图12示意性表示本实用新型实施例2的出射光场的光强分布曲线；
[0033]
图13至图16示意性分别表示本实用新型实施例3的曲面匀光元件不同视角的三维
结构图(片状)；
[0034]
图17示意性表示本实用新型实施例3的曲面匀光元件入光面为微结构面时的光路示意图；
[0035]
图18示意性表示本实用新型实施例3的vcsel光源发出的光经曲面匀光元件整形后投射在被照面上的光斑样式；
[0036]
图19示意性表示本实用新型实施例3的出射光场的光强分布曲线；
[0037]
图20示意性表示现有技术的匀光元件的光路示意图；
[0038]
图21示意性表示vcsel光源发出的光经现有技术的匀光元件整形后投射在被照面上的光斑样式；
[0039]
图22示意性表示现有技术的出射光场的光强分布曲线。
具体实施方式
[0040]
此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施方式的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
[0041]
此处实施方式的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本实用新型保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本实用新型并不特别地限定于优选的实施方式。本实用新型的范围由权利要求书所界定。
[0042]
参见图3、图9和图15，本实用新型实施例提供的一种曲面匀光元件，包括：入光面和与入光面相对的出光面，入光面和出光面的其中之一为微结构曲面，另一面为平面或台阶面。该曲面匀光元件作为控光器件，设置于vcsel光源的下游光路，入光面和出光面的结构设计通过界面折射会聚入射光的同时进行局部扩散，使出射光场分布在设计的角度范围之内，实现目标匀光效果，可有效提升视场窗口效率和照度均匀性。
[0043]
本实用新型实施例中，该微结构曲面配置以凸透镜为主体，并在凸透镜的表面上分布设置凹形或凸形的且按照周期或随机阵列的多个微透镜单元后所形成的微透镜阵列结构。凸透镜表面作为微结构主体面型，可将不同角度的入射光进行光路偏折，实现光准直或会聚。表面设置的凹形或凸形的微透镜单元，进一步偏转光路走向，达到对光进行同向或交叉扩散的效果。
[0044]
具体地，上述微透镜阵列结构由多个微透镜单元沿凸透镜的表面法线方向贴合或沿凸透镜的中心轴线方向投影进行阵列叠合所形成。进一步地，微透镜单元为球面、二次曲面或自由曲面。调整微透镜曲面结构设计，可满足不同目标规格的配光需求。根据多个微透镜单元在凸透镜表面的不同阵列方式，可分为沿表面法线或沿中心轴线排布，都可以实现对入射光的匀化整形。
[0045]
本实用新型实施例中，该曲面匀光元件的台阶面呈同心圆环状，台阶面的高度呈台阶式变化。其中，台阶面的台阶高度为10～25μm，台阶宽度为30～55μm。如此设计有利于匀光元件的轻薄化。
[0046]
具体地，凸透镜的曲面方程为微透镜单元ml用xy多项式曲面方
程表示为其中，kj为已知多项式各项系数，m、n为多项式幂指数，
[0047]
当多个微透镜单元沿凸透镜的表面法线方向贴合进行阵列叠合时，并以某一周期或随机阵列分布在凸透镜表面，各微透镜单元的曲面的中心坐标点为pi(ai,bi,ci)，然后，计算曲面方程的偏导数可得到各微透镜单元关于x轴、y轴旋转的相应角度(αi,βi)。根据微透镜单元中心坐标的偏移量及旋转角，可推算出沿凸透镜表面法线方向贴合的微透镜单元的曲面的任一坐标点m(x,y,z)满足关系式：
[0048][0049]
其中，(x0,y0)表示所述中心坐标点pi(ai,bi,ci)位于原点的基准微透镜单元的曲面上的任意一点在xy平面的投影坐标值，i表示所述微透镜单元的序号。对于任一微透镜单元，角度(αi,βi)、中心坐标点pi(ai,bi,ci)和(x0,y0)为已知或固定的，故上述关系式可简化表示为z＝τi(x,y)。
[0050]
对于凸透镜表面上的任一坐标点q(x,y,z)，在以该坐标点q(x,y,z)为底圆心、底半径为的圆柱区域内，若存在若干个点pi，则该若干个点pi同时满足和0≤i≤n，其中l、w分别为微透镜单元的长度和宽度，n为满足条件的微透镜单元的中心点数量。
[0051]
进而，当微透镜单元为凸形时，微透镜阵列结构的曲面表达式为进而，当微透镜单元为凸形时，微透镜阵列结构的曲面表达式为当微透镜单元为凹形时，微透镜阵列结构的曲面表达式为该表达式表示以凸透镜曲面作为阵列基准，在其上相邻微透镜单元之间的曲面各点高度取极值。
[0052]
沿凸透镜表面法线方向贴合阵列的微透镜单元，需满足上述关于中心坐标的不等式条件及曲面高度的计算等式，从而得到微透镜阵列在叠合后的各位点曲面高度。这里的各位点指的是微透镜阵列结构中各微透镜单元的曲面上的任意一点。
[0053]
当多个微透镜单元沿凸透镜的中心轴线方向投影进行阵列叠合时，若多个微透镜单元按周期或随机阵列分布在oxy平面上，各微透镜单元的中心坐标点为fi(ai,bi)，对于oxy平面上任一坐标点g(x,y)，在以点g(x,y)为圆心，半径为的圆形区域内，若存在若干个点fi，该若干个点fi同时满足|x-ai|≤
l
/2，|y-bi|≤w/2，0≤i≤n，其中l、w分别为微透镜单元的长度和宽度，n为满足条件的微透镜单元的中心点数量；另外，与满足上述
关系式的各微透镜单元的中心坐标点fi相对应的微透镜单元的曲面方程为
[0054]
进而，当微透镜单元为凸形时，微透镜单元的曲面表达式为进而，当微透镜单元为凸形时，微透镜单元的曲面表达式为当微透镜单元为凹形时，微透镜单元的曲面表达式为该表达式表示叠合前在平面上的相邻微透镜单元之间的曲面各点高度取极值。
[0055]
优选地，微透镜阵列沿凸透镜的中心轴线方向进行投影叠合所形成的匀光元件，其微透镜阵列结构的表达式为其微透镜阵列结构的表达式为该表达式取正对应凸形的微透镜单元，取负对应凹形的微透镜单元。该表达式表示包含了凸透镜基底的整个微结构曲面的高度叠加。
[0056]
沿凸透镜的中心轴线投影阵列的各微透镜单元，需满足上述关于中心坐标的不等式条件及曲面高度的计算等式，从而得到微透镜阵列在叠合前的各位点初始高度。这里的各位点指的是微透镜阵列结构中各微透镜单元的曲面上的任意一点。投影阵列中，曲面匀光元件的微结构曲面上的各点高度可视为叠合前相应的两部分独立结构的高度相加，分别是阵列的微透镜单元和作为基底的凸透镜结构。通过微结构曲面的叠合关系表达式，描述了微透镜阵列投影到凸透镜表面时的高度叠加计算过程。
[0057]
实施例1
[0058]
参见图1至图6，曲面匀光元件的结构尺寸为1.5*1.5*0.5mm，入光面为微结构面，出光面为平面，其中微结构面的轮廓主体为二次曲面系数约-4.9，曲率约4.5的凸透镜，沿凸透镜表面法线配置微凸透镜阵列，微透镜单元宽度、高度分别为80μm、27.6μm，相邻单元的中心间距为60μm，vcsel光源发出的光经匀光元件整形后，可输出散射角35.3
°
*30.7
°
的光强分布，有效视场内的窗口效率约87.1％，照度均匀性约75.7％，在被照面上呈现出矩形光斑。
[0059]
实施例2
[0060]
参见图7至图12，曲面匀光元件的入光面为平面，出光面为微结构面，通过调整轮廓主体凸透镜或微透镜阵列的曲面形貌，可实现与实施例1类似的性能效果。(图示正向为实施例1的示意图，反向为实施例2示意图)
[0061]
实施例3
[0062]
参见图13至图19，为使曲面匀光元件结构轻薄化，入光面为微结构面，出光面为同心圆环状台阶面，其中台阶高度10～25μm，台阶宽度30～55μm，微结构面的轮廓主体为二次曲面系数约-4.9，曲率约4.5的凸透镜，沿凸透镜表面法线方向配置微透镜阵列，微透镜单元的宽度、高度分别为80μm、27.6μm，相邻微透镜单元的中心间距为60μm，vcsel光源发出的光经该曲面匀光元件整形后，可输出散射角34.1
°
*30.2
°
的光强分布，有效视场内的窗口效率约88.8％，照度均匀性约72.2％，在被照面上呈现出矩形光斑。
[0063]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，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：

1.一种曲面匀光元件，包括：入光面和与所述入光面相对的出光面，其特征在于，所述入光面和所述出光面的其中之一为微结构曲面，另一面为平面或台阶面；所述微结构曲面是包括作为主体的凸透镜以及在所述凸透镜的表面上设置凹形或凸形、且按照周期或随机阵列的多个微透镜单元的微透镜阵列结构。2.根据权利要求1所述的曲面匀光元件，其特征在于，所述微透镜单元为球面、二次曲面或自由曲面。3.根据权利要求1所述的曲面匀光元件，其特征在于，所述凸透镜的曲面方程为4.根据权利要求1所述的曲面匀光元件，其特征在于，所述微透镜单元用xy多项式曲面方程表示为其中，k
j
为已知多项式各项系数，m、n为多项式幂指数，5.根据权利要求2-4中任一项所述的曲面匀光元件，其特征在于，所述多个微透镜单元沿所述凸透镜的表面法线方向贴合进行阵列叠合，按周期或随机阵列分布在所述凸透镜的表面，所述微透镜单元的曲面的任一坐标点m(x,y,z)满足关系式：微透镜单元的曲面的任一坐标点m(x,y,z)满足关系式：其中，各微透镜单元的曲面的中心坐标点为p
i
(a
i
,b
i
,c
i
)，各微透镜单元关于x轴、y轴旋转的相应角度为(α
i
,β
i
)，(x0,y0)表示所述中心坐标点p
i
(a
i
,b
i
,c
i
)位于原点的基准微透镜单元的曲面上的任意一点在xy平面的投影坐标值，i表示所述微透镜单元的序号；对于任一所述微透镜单元，所述角度(α
i
,β
i
)、所述中心坐标点p
i
(a
i
,b
i
,c
i
)和(x0,y0)为已知或固定的，故上述关系式简化表示为z＝τ
i
(x,y)。6.根据权利要求5所述的曲面匀光元件，其特征在于，在以所述凸透镜的表面上任一坐标点q(x,y,z)为底圆心、底半径为的圆柱区域内，若存在若干个点p
i
，则该若干个点p
i
同时满足和其中l、w分别为所述微透镜单元的长度和宽度，n为满足条件的所述微透镜单元的中心点数量。7.根据权利要求6所述的曲面匀光元件，其特征在于，当所述微透镜单元为凸形时，所述微透镜阵列结构的曲面表达式为述微透镜阵列结构的曲面表达式为当所述微透镜单元为凹形时，所述微透镜阵列结构的曲面表达式为8.根据权利要求2-4中任一项所述的曲面匀光元件，其特征在于，所述多个微透镜单元
沿所述凸透镜的中心轴线方向投影进行阵列叠合，若所述多个微透镜单元按周期或随机阵列分布在oxy平面上，对于所述oxy平面上任一坐标点g(x,y)，在以点g(x,y)为圆心，半径为的圆形区域内，若存在若干个点f
i
，该若干个点f
i
同时满足|x-a
i
|≤1/2，|y-b
i
|≤w/2，0≤i≤n，其中l、w分别为所述微透镜单元的长度和宽度，n为满足条件的所述微透镜单元的中心点数量，f
i
(a
i
,b
i
)为所述微透镜单元的中心坐标点；与满足上述关系式的各点f
i
相对应的所述微透镜单元的曲面方程为9.根据权利要求8所述的曲面匀光元件，其特征在于，当所述微透镜单元为凸形时，所述微透镜单元的曲面表达式为述微透镜单元的曲面表达式为当所述微透镜单元为凹形时，所述微透镜单元的曲面表达式为10.根据权利要求9所述的曲面匀光元件，其特征在于，所述微透镜阵列结构的曲面表达式为该表达式取正对应凸形的微透镜单元，取负对应凹形的微透镜单元。11.根据权利要求1所述的曲面匀光元件，其特征在于，所述台阶面呈同心圆环状，所述台阶面的高度呈台阶式变化。12.根据权利要求11所述的曲面匀光元件，其特征在于，所述台阶面的台阶高度为10～25μm，台阶宽度为30～55μm。

技术总结

本实用新型涉及一种曲面匀光元件，包括：入光面和与所述入光面相对的出光面，所述入光面和所述出光面的其中之一为微结构曲面，另一面为平面或台阶面。本实用新型的曲面匀光元件可以有效提升视场窗口的效率和照度均匀性。可以有效提升视场窗口的效率和照度均匀性。可以有效提升视场窗口的效率和照度均匀性。

技术研发人员：

王聪 程治明 贾敏 明玉生 陈远

受保护的技术使用者：

宁波舜宇奥来技术有限公司

技术研发日：

2022.06.06

技术公布日：

2022/11/8