CN111273382A - 组合微透镜结构及加工方法、匀光器件以及光学装置 - Google Patents

组合微透镜结构及加工方法、匀光器件以及光学装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种组合微透镜结构及加工方法、匀光器件以及光学装置，其中，组合微透镜结构包括：第一微透镜以及第二微透镜；第一微透镜的透镜曲面由CNC工艺圆角确定，该第一微透镜具有第一出光效果，第二微透镜的透镜曲面的最小曲率半径至少大于第一微透镜的透镜曲面的任意曲率半径，该第二微透镜具有第二出光效果，第二出光效果被设计成经第一微透镜形成的光斑与经第二微透镜形成的光斑在成像面向互补，使得组合微透镜结构具有所需的出光效果。本发明的组合微透镜结构通过第一微透镜和第二微透镜的光学互补，实现光束的均匀出射。同时，根据不同的光源的特性，在大范围的入射角度以及不同的光强条件下，实现匀光的目的。

Description

组合微透镜结构及加工方法、匀光器件以及光学装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种组合微透镜结构及加工方法、匀光器件以及光学装置。
背景技术
在tof相机等光学装置中，其工作时，为了满足实际的照明需求，要求光源发出的光束均匀地出射。因此，为了实现上述匀光的目的，需要在tof 相机等光学装置中设置匀光器件(diffuser)。
在申请号为CN01780043969的中国专利申请中，揭露了一种微透镜阵列慢反射结构，在该专利方案中，设计出了一种在特定FOI上能够实现均匀的光分布或逐渐改变的光分布，且高对比度边缘和最小高频分量。
然而，当前tof相机发射端光源部分，几乎采用直接采购含diffuser封装 (如美国RPC、BVT以及thorlabs等垄断企业)光源模组，一方面现有的diffuser 的价格在60rmb左右，且diffuser可买的光学效果种类比较有限，特种需求需要定制，定制价格在2W美金左右，因此成本相当的高。另一方面，国内厂商在该领域都是采用向国外进口的方式采购，容易被别人牵着鼻子走。
因此，针对上述问题，本发明提出了一种能够进行低成本加工的匀光片，有望打破目前国外厂商的垄断。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组合微透镜结构及加工方法、匀光器件以及光学装置，以克服现有技术中存在的不足。
为实现上述发明目的，本发明提供一种组合微透镜结构，其包括：第一微透镜以及第二微透镜；
所述第一微透镜的透镜曲面由CNC工艺圆角确定，该第一微透镜具有第一出光效果，所述第二微透镜的透镜曲面的最小曲率半径至少大于所述第一微透镜的透镜曲面的任意曲率半径，该第二微透镜具有第二出光效果，所述第二出光效果被设计成经所述第一微透镜形成的光斑与经所述第二微透镜形成的光斑在成像面向互补，使得所述组合微透镜结构具有所需的出光效果。
作为本发明的组合微透镜结构的改进，所述第一微透镜分布于所述第二微透镜的周侧。
作为本发明的组合微透镜结构的改进，所述第一微透镜为多边形，所述第一微透镜包括多个拱形曲面，相邻的拱形曲面的边缘平滑连接。
作为本发明的组合微透镜结构的改进，所述第一微透镜包括：X方向相对设置的第一拱形曲面、Y方向相对设置的第二拱形曲面以及平滑连接所述第一拱形曲面和第二拱形曲面的第三拱形曲面。
作为本发明的组合微透镜结构的改进，所述第一微透镜分布于所述第二微透镜周侧的局部位置。
作为本发明的组合微透镜结构的改进，分布于空间上不同平面内的第一微透镜错位设置。
作为本发明的组合微透镜结构的改进，两个所述组合微透镜结构层叠设置，任一组合微透镜结构中，所述第一微透镜和第二微透镜的透镜曲面均为柱形曲面，所述第一微透镜分布于所述第二微透镜的两侧，且两个所述组合微透镜结构正交设置。
为实现上述发明目的，本发明提供一种组合微透镜结构的加工方法，用以加工如上所述的组合微透镜结构，其特征在于，包括步骤：由CNC工艺的最小圆角确定第一微透镜，该第一透镜具有第一出光效果，根据该第一微透镜，模拟出第二微透镜，使得该第二微透镜具有第二出光效果，所述第二出光效果被设计成经所述第一微透镜形成的光斑与经所述第二微透镜形成的光斑在成像面向互补，使得所述组合微透镜结构具有所需的出光效果，其中所述第二微透镜的透镜曲面的最小曲率半径至少大于所述第一微透镜的任意曲率半径。
为实现上述发明目的，本发明提供一种匀光器件，其具有如上所述的多个组合微透镜结构，且多个组合微透镜结构以阵列形式进行排布。
为实现上述发明目的，本发明提供一种光学装置，其包括：光源、位于所述光源光路上的如上所述的匀光器件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的组合微透镜结构具有第一微透镜和第二微透镜，二者光学互补，实现光束的均匀出射。同时，可根据不同的光源的特性，在大范围的入射角度以及不同的光强条件下，实现匀光的目的，充分满足实际的使用需求。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为本发明的组合微透镜结构中实施例1的主视图；
图2-4为图1中第一拱形曲面、第二拱形曲面、第三拱形曲面的位置关系示意图；
图5为本发明的组合微透镜结构中实施例3的主视图；
图6为本发明的匀光器件中实施例4的立体示意图；
图7为本发明的匀光器件中实施例6的立体示意图。
具体实施方式
下面结合各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
本发明的目的在于提供一种组合微透镜结构，其包括：第一微透镜以及第二微透镜，上述第一微透镜和第二微透镜分别具有凸伸设置的透镜曲面。
其中，上述第一微透镜和第二微透镜在光学上互补设置，此处所称互补设置，主要是通过对两个微透镜的透镜曲面以及位置结构关系进行设置，获得合适的出光角度。
具体地，所述第一微透镜的透镜曲面由CNC工艺圆角确定，该第一微透镜具有第一出光效果，第二微透镜的透镜曲面的最小曲率半径至少大于第一微透镜的透镜曲面的任意曲率半径，该第二微透镜具有第二出光效果，第二出光效果被设计成经第一微透镜形成的光斑与经第二微透镜形成的光斑在成像面向互补，使得组合微透镜结构具有所需的出光效果。
基于上述技术构思，在实现方式上，上述组合微透镜结构可设置在一个一维的平面内，可替代地，也可在空间上设置在不同维度的平面内。当设置在不同维度的平面内时，可以是一个组合微透镜结构分布于不同的空间维度，也可是多个组合微透镜结构分别分布于不同的空间维度。即，可以是在一个维度的平面内设置第一微透镜和/或第二微透镜，在另一个维度的平面内设置与之配合地第一微透镜和/或第二微透镜。也可以是在一个维度的平面内设置一组合微透镜结构，在另一个维度的平面内按照与之配合的空间方位设置的另一组合微透镜结构。
进一步地，组合微透镜结构设置在不同维度的平面内时，分布于空间上不同平面内的第一微透镜和/或第二微透镜位设置，即不同平面内的第一微透镜在一个平面内的的投影保持不相重叠，不同平面内的第二微透镜在一个平面内的的投影保持不相重叠
本发明的组合微透镜结构根据需求的光斑形状，在形状上进行对应设置。具体而言，当需要形成圆形光斑时，组合微透镜结构的形状大致为圆形；当需要形成多边形光斑时，组合微透镜结构的形状大致为多边形；当需要形成异形的光斑时，组合微透镜结构的形状大致为异形。
成型工艺上，上述组合微透镜结构由如下加工方法加工成型：
由CNC工艺的最小圆角确定第一微透镜，该第一透镜具有第一出光效果，根据该第一微透镜，模拟出第二微透镜，使得该第二微透镜具有第二出光效果，所述第二出光效果被设计成经所述第一微透镜形成的光斑与经所述第二微透镜形成的光斑在成像面向互补，使得所述组合微透镜结构具有所需的出光效果，其中所述第二微透镜的透镜曲面的最小曲率至少大于所述第一微透镜的任意曲率。
下面结合具体地的实施例，对本发明的组合微透镜结构的技术方案进行举例说明。
实施例1
如图1所示，本实施例中，组合微透镜结构采用设置在一个一维的平面内的实施方式。为了形成矩形的光斑，组合微透镜结构的形状大致为矩形。
本实施例的组合微透镜结构包括：第一微透镜1以及第二微透镜2。
其中，第一微透镜1分布于第二微透镜2的周侧，即第一微透镜1围绕上述第二微透镜2连续设置。第一微透镜1的边缘与第二微透镜2的边缘平滑连接。由于本实施例的组合微透镜结构的形状大致为矩形，则位于第二微透镜2 周侧的第一微透镜1被相应设置为一矩形环状结构。
上述矩形环状结构的第一微透镜1包括多个拱形曲面，相邻的拱形曲面的边缘平滑连接，各拱形曲面的表面的曲率参数可根据需求的出光角度设置为相同或者不同，上述相同和不同均涵盖部分相同或者部分不同的情形。
如图2、3、4所示，具体而言，多个拱形曲面按照如下方式设置，第一微透镜1包括：X方向相对设置的第一拱形曲面11、Y方向相对设置的第二拱形曲面12以及平滑连接第一拱形曲面11和第二拱形曲面12的第三拱形曲面13。其中，第三拱形曲面13为四个，四个第三拱形曲面13中两两对角方向设置。
第二微透镜2位于上述多个拱形曲面所围区域之间，其轮廓形状为内接于第一微透镜1的矩形。且第二微透镜2的透镜曲面也为拱形曲面。该拱形曲面的出光角度根据第一微透镜1的透镜曲面的出光角度补偿设计。成型方式上，可通过CNC工艺对第一微透镜1以及第二微透镜2的透镜曲面按照需求的出光角度加工成型。如此，既保证了常规CNC工艺可加工，又保证了光学效果，大大简化了其他微透镜阵列的加工方案，使得成本更加低廉，且设计自由度更高。
实施例2
本实施例中，组合微透镜结构采用设置在一个一维的平面内的实施方式。为了形成五边形的光斑，组合微透镜结构的形状大致为五边形。
本实施例的组合微透镜结构包括：第一微透镜以及第二微透镜。
其中，第一微透镜分布于第二微透镜的周侧，即第一微透镜围绕上述第二微透镜连续设置。第一微透镜的边缘与第二微透镜的边缘平滑连接。由于本实施例的组合微透镜结构的形状大致为五边形，则位于第二微透镜周侧的第一微透镜被相应设置为一五边形环状结构。
上述五边形环状结构的第一微透镜包括多个拱形曲面，相邻的拱形曲面的边缘平滑连接，各拱形曲面的表面的曲率参数可根据需求的出光角度设置为相同或者不同，上述相同和不同均涵盖部分相同或者部分不同的情形。具体而言，五边形环状结构的任一边均为一拱形曲面，且相邻的拱形曲面之间通过另一拱形曲面平滑连接。
第二微透镜位于上述多个拱形曲面所围区域之间，其轮廓形状为内接于第一微透镜的五边形。且第二微透镜的透镜曲面也为拱形曲面。该拱形曲面的出光角度根据第一微透镜的透镜曲面的出光角度补偿设计。成型方式上，可通过 CNC工艺对第一微透镜以及第二微透镜的透镜曲面按照需求的出光角度加工成型。如此，既保证了常规CNC工艺可加工，又保证了光学效果，大大简化了其他微透镜阵列的加工方案，使得成本更加低廉，且设计自由度更高。
实施例3
如图5所示，本实施例中，组合微透镜结构采用在空间上设置在不同维度的平面内的实施方式。具体而言，是采用多个组合微透镜结构分别分布于不同的空间维度的实施方式。为了形成矩形的光斑，任一组合微透镜结构的形状大致为矩形。
本实施例的组合微透镜结构包括：第一微透镜1以及第二微透镜2。其中，第一微透镜1分布于第二微透镜2周侧的局部位置，且第一微透镜1的边缘与第二微透镜2的边缘平滑连接。
一个实施方式中，本实施例的组合微透镜结构为两个，两个组合微透镜结构层叠设置，此处所称层叠设置包括：两个组合微透镜结构相互靠在一起的情形或者两个组合微透镜结构之间具有一间距的情形。
任一组合微透镜结构中，第一微透镜1和第二微透镜2的透镜曲面均为柱形曲面，第一微透镜1和第二微透镜2的出光角度补偿设计。本实施例中，第一微透镜1凸起的柱形曲面，第二微透镜2为凹陷的柱形曲面。
相应地，第一微透镜1的柱形面与第二微透镜2的柱形面的尺寸根据需求进行设置，即在柱形面的宽度和高度上根据需求的出光角度对应设置。其中，第一微透镜1分布于第二微透镜2的两侧，此时两个组合微透镜结构正交设置，即两个组合微透镜的微透镜的布置方向上保持垂直。
成型方式上，可通过CNC工艺对第一微透镜1以及第二微透镜2的透镜曲面按照需求的出光角度加工成型。如此，既保证了常规CNC工艺可加工，又保证了光学效果，大大简化了其他微透镜阵列的加工方案，使得成本更加低廉，且设计自由度更高。
基于上述组合微透镜结构，本发明还提供一种匀光器件，该匀光器件的结构形式可以为匀光片等。该匀光器件具有如上所述的多个组合微透镜结构，该多个组合微透镜结构以阵列形式进行排布。
根据组合微透镜结构不同的实施例，下面结合具体地的实施例，对本发明匀光器件的技术方案进行举例说明。
实施例4
如图6所示，结合上述实施例1中的组合微透镜结构，本实施例的匀光器件包括：多个组合微透镜结构10，多个组合微透镜结构10以阵列方式进行排布，且相邻的组合微透镜结构10平滑连接。矩形的第一微透镜为相邻组合微透镜结构的公共曲面。
实施例5
结合上述实施例2中的组合微透镜结构，本实施例的匀光器件包括：多个组合微透镜结构，多个组合微透镜结构以阵列方式进行排布，且相邻的组合微透镜结构平滑连接。五边形的第一微透镜为相邻组合微透镜结构的公共曲面。
实施例6
如图7所示，结合上述实施例3中的组合微透镜结构，本实施例的匀光器件包括：两个层叠配合使用的匀光单元，该匀光单元的结构形式可以为匀光片。其中，任一匀光单元包括：多个组合微透镜结构10，该多个组合微透镜结构10 并排设置，且相邻的组合微透镜结构10平滑连接。即，任一第一微透镜与其两侧的第二微透镜平滑连接。
基于如上所述的匀光器件，本发明还提供一种光学装置，该光学装置应用该匀光器件实现照明的均匀出光，以满足实际的照明需求。该光学装置根据实际的产品的不同，可以表现为多种形式，例如该光学装置可以为一种激光测距设备。该激光测距设备具体可以为一种tof相机。
一个实施例中，该激光测距设备包括：激光模组，该激光模组具体包括：激光裸片和匀光片。其中，激光裸片作为该激光膜组的光源。上述匀光片可以采用如上述实施例4、实施5、实施例6中所介绍的匀光器件。此时，该匀光器件设置在激光裸片的出射光路上，激光裸片经过如上述实施例4、实施5、实施例6中所介绍的匀光器件实现均匀出光。
在安装方式上，匀光器件可独立设置，此时可通过设置辅助的安装结构，将上述匀光器件安装固定于激光裸片的出射光路上。此外，也可将上述匀光器件与该激光模组中的其他结构集成设置，如此既能够降低激光模组的成本，有利于将小激光模组的体积，有利于实现激光测距设备小型化设计。一个实施方式中，上述匀光器件可与该激光模组的盖板结合设置，从而结构设计自由度大大增加。
综上所述，本发明的组合微透镜结构具有第一微透镜和第二微透镜，二者光学互补，实现光束的均匀出射。同时，可根据不同的光源的特性，在大范围的入射角度以及不同的光强条件下，实现匀光的目的，充分满足实际的使用需求。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种组合微透镜结构，其特征在于，所述组合微透镜结构包括：第一微透镜以及第二微透镜；
所述第一微透镜的透镜曲面由CNC工艺圆角确定，该第一微透镜具有第一出光效果，所述第二微透镜的透镜曲面的最小曲率半径至少大于所述第一微透镜的透镜曲面的任意曲率半径，该第二微透镜具有第二出光效果，所述第二出光效果被设计成经所述第一微透镜形成的光斑与经所述第二微透镜形成的光斑在成像面向互补，使得所述组合微透镜结构具有所需的出光效果。
2.根据权利要求1所述的组合微透镜结构，其特征在于，所述第一微透镜分布于所述第二微透镜的周侧。
3.根据权利要求2所述的组合微透镜结构，其特征在于，所述第一微透镜为多边形，所述第一微透镜包括多个拱形曲面，相邻的拱形曲面的边缘平滑连接。
4.根据权利要求3所述的组合微透镜结构，其特征在于，所述第一微透镜包括：X方向相对设置的第一拱形曲面、Y方向相对设置的第二拱形曲面以及平滑连接所述第一拱形曲面和第二拱形曲面的第三拱形曲面。
5.根据权利要求1所述的组合微透镜结构，其特征在于，所述第一微透镜分布于所述第二微透镜周侧的局部位置。
6.根据权利要求5所述的组合微透镜结构，其特征在于，分布于空间上不同平面内的第一微透镜错位设置。
7.根据权利要求6所述的组合微透镜结构，其特征在于，两个所述组合微透镜结构层叠设置，任一组合微透镜结构中，所述第一微透镜和第二微透镜的透镜曲面均为柱形曲面，所述第一微透镜分布于所述第二微透镜的两侧，且两个所述组合微透镜结构正交设置。
8.一种组合微透镜结构的加工方法，用以加工如权利要求1-7任意所述的组合微透镜结构，其特征在于，包括步骤：由CNC工艺的最小圆角确定第一微透镜，该第一透镜具有第一出光效果，根据该第一微透镜，模拟出第二微透镜，使得该第二微透镜具有第二出光效果，所述第二出光效果被设计成经所述第一微透镜形成的光斑与经所述第二微透镜形成的光斑在成像面向互补，使得所述组合微透镜结构具有所需的出光效果，其中所述第二微透镜的透镜曲面的最小曲率半径至少大于所述第一微透镜的任意曲率半径。
9.一种匀光器件，其特征在于，所述匀光器件具有如权利要求1～7任一项所述的多个组合微透镜结构，且多个组合微透镜结构以阵列形式进行排布。
10.一种光学装置，其特征在于，所述光学装置包括：光源、位于所述光源光路上的如权利要求9所述的匀光器件。
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