CN111856631A - 匀光片和tof模组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种匀光片和TOF模组。匀光片包括：基底层；微结构层，微结构层连接在基底层一侧的表面上，微结构层远离基底层一侧的表面具有微结构区，微结构区具有多个微透镜；准直镜层，准直镜层连接在微结构层远离基底层一侧的表面上，准直镜层远离微结构层一侧的表面具有隆起的准直镜，准直镜向微结构层的投影与微结构区的至少一部分重合。本发明解决了现有技术中的匀光片存在匀光效果差的问题。

Description

匀光片和TOF模组

技术领域

本发明涉及光学成像设备技术领域，具体而言，涉及一种匀光片和TOF模组。

背景技术

随着光学产业的快速发展，3D感测系统的功能越来越强大，已成为未来几年的产业大趋势。TOF镜头模组在当前的人脸识别和三维探测技术中有着越来越大的应用，其投射端一般由VCSEL光源芯片和匀光片构成。传统的匀光片一般包括基底层和微结构层两层，能够实现VCSEL光源的扩散作用。VCSEL光源芯片发出的光一般具有28°左右的发散角，经过无准直层匀光片后，其出射光场中心强度较高区域为实际有效区域，光场边缘强度需要缓慢下降到0，且强度较小的区域无法利用，导致实际效率偏低，往往在80％左右。

也就是说，现有技术中的匀光片存在匀光效果差的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种匀光片和TOF模组，以解决现有技术中的匀光片存在匀光效果差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种匀光片，包括基底层；微结构层，微结构层连接在基底层一侧的表面上，微结构层远离基底层一侧的表面具有微结构区，微结构区具有多个微透镜；准直镜层，准直镜层连接在微结构层远离基底层一侧的表面上，准直镜层远离微结构层一侧的表面具有隆起的准直镜，准直镜向微结构层的投影与微结构区的至少一部分重合。

进一步地，准直镜向微结构层的投影位于微结构区内。

进一步地，微结构层是高折射率胶层，且微结构层的折射率大于等于1.5且小于等于1.9；和/或准直镜层是低折射率胶层，且准直镜层的折射率大于等于1.4且小于等于1.6。

进一步地，微透镜远离基底层一侧的表面为凹面，且准直镜层靠近微结构层一侧的表面具有与凹面相适配的凸起结构，凸起结构伸入到凹面内。

进一步地，基底层的厚度大于等于0.1毫米且小于等于1毫米；和/或微结构层的厚度大于等于10微米且小于等于100微米；和/或准直镜层的厚度小于等于2毫米；和/或匀光片的厚度小于3毫米。

进一步地，准直镜远离基底层一侧的表面为曲面，准直镜的曲率半径大于等于0.5毫米且小于等于5毫米；和/或准直镜的高度小于等于2毫米。

进一步地，相邻两个微透镜的中心的距离大于等于1微米且小于等于100微米。

进一步地，微透镜的表面是连续曲面；和/或微透镜的口径的形状为多边形、圆形、直线与曲线组合成的封闭形状、多段曲率半径不同的曲线组合成的封闭形状中的至少一种。

根据本发明的另一方面，提供了一种TOF模组，包括：上述的匀光片；固定基板，固定基板设置在匀光片远离匀光片的基底层的一侧，且固定基板与匀光片间隔设置形成空气层；VCSEL光源，VCSEL光源设置在固定基板上。

进一步地，空气层的厚度小于0.4毫米。

应用本发明的技术方案，匀光片包括基底层、微结构层和准直镜层，微结构层连接在基底层一侧的表面上，微结构层远离基底层一侧的表面具有微结构区，微结构区具有多个微透镜；准直镜层连接在微结构层远离基底层一侧的表面上，准直镜层远离微结构层一侧的表面具有隆起的准直镜，准直镜向微结构层的投影与微结构区的至少一部分重合。

通过在匀光片上设置准直镜层，使得准直镜层能够起到收缩VCSEL光源发散角的作用，能够改变VCSEL光源强度的角度分布，使得出射光场边缘强度下降速度加快，从而减小了出射光场的下降过渡区域占用角度，提高了入射光束利用率至90％以上，同时提高了匀光片出射光场的有效窗口效率，进而提高了匀光片的匀光效率。准直镜向微结构层的投影与微结构区的至少一部分重合，就使得VCSEL光源发射的光线经过准直镜能够稳定传输到微结构层上，保证了匀光片的匀光效果，进而保证了TOF模组能够稳定工作。通过集成基底层、微结构层和准直镜层的方法，有效缩小匀光片的体积，使匀光片满足小型化的要求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的匀光片和TOF模组的一个可选的实施例的结构示意图；以及

图2示出了图1中匀光片的切面图；

图3示出了图1中匀光片微结构层的微透镜中心点和形状口径二维分布示意图；

图4示出了传统无准直匀光片的出射光场示意图；

图5示出了传统无准直匀光片的出射光场横向切片强度分布示意图；

图6示出了图1中匀光片的出射光场示意图；

图7示出了图1中匀光片的出射光场横向切片强度分布示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、基底层；20、微结构层；21、微透镜；30、准直镜层；31、准直镜；40、匀光片；50、VCSEL光源。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，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发明。

为了解决现有技术中的匀光片存在匀光效果差的问题，本发明提供了一种匀光片和TOF模组。

如图1至图7所示，匀光片40包括基底层10、微结构层20和准直镜层30，微结构层20连接在基底层10一侧的表面上，微结构层20远离基底层10一侧的表面具有微结构区，微结构区具有多个微透镜21；准直镜层30连接在微结构层20远离基底层10一侧的表面上，准直镜层30远离微结构层20一侧的表面具有隆起的准直镜31，准直镜31向微结构层20的投影与微结构区的至少一部分重合。

通过在匀光片40上设置准直镜层30，使得准直镜层30能够起到收缩VCSEL光源50发散角的作用，能够改变VCSEL光源50强度的角度分布，使得出射光场边缘强度下降速度加快，从而减小了出射光场的下降过渡区域占用角度，提高了入射光束利用率至90％以上，同时提高了匀光片40出射光场的有效窗口效率，进而提高了匀光片的匀光效率。准直镜31向微结构层20的投影与微结构区的至少一部分重合，就使得VCSEL光源50发射的光线经过准直镜31能够稳定传输到微结构区上，保证了匀光片40的匀光效果，进而保证了TOF模组能够稳定工作。通过集成基底层10、微结构层20和准直镜层30的方法，有效缩小匀光片40的体积，使匀光片40满足小型化的要求。

需要说明的是，上述的有效窗口效率就是实际开窗效率，实际开窗效率为视场角区域的光强与总发射光强之比。有效窗口的效率越高，就说明匀光片40的匀光效果越好。

如图1所示，准直镜31向微结构层20的投影位于微结构区内。准直镜31向微结构层20的投影位于微结构区内，这样设置使得VCSEL光源50发射的光线经过准直镜31能够稳定传输到微结构区内，保证了准直镜31的准直效果，进而保证匀光片40能够稳定工作。

具体的，微结构层20是高折射率胶层，且微结构层20的折射率大于等于1.5且小于等于1.9。准直镜层30是低折射率胶层，且准直镜层30的折射率大于等于1.4且小于等于1.6。需要说明的是，微结构层20的折射率始终大于准直镜层30的折射率，可保证微结构层20能够稳定工作，进而保证匀光片40的匀光效果。同时微结构层20的折射率小于基底层10的折射率，避免发生全反射，导致效率偏低或发热现象。

当然，微透镜21远离基底层10一侧的表面为凹面，且准直镜层30靠近微结构层20一侧的表面具有与凹面相适配的凸起结构，凸起结构伸入到凹面内。微透镜21远离基底层10一侧的表面为凹面，且准直镜层30靠近微结构层20一侧的表面具有与凹面相适配的凸起结构，凸起结构伸入到凹面内，这样设置使得准直镜层30的凸起结构能够深入到微透镜21的凹面内以实现准直镜层30与微透镜21的紧密连接，保证了准直镜层30与微透镜21的连接紧密度，进而保证了准直镜层30与微结构层20的连接紧密度。这样设置便于改变光的光程，以达到匀光的效果。

具体的，基底层10的厚度大于等于0.1毫米且小于等于1毫米。若基底层10的厚度小于0.1毫米，就使得基底层10不易制作，同时使得基底层10厚度过小，导致基底层10的强度不够，难以实现对微结构层20的承载与保护。若基底层10的厚度大于1毫米，使得基底层10的厚度过大，不利于匀光片40的小型化。将基底层10的厚度限制在0.1毫米到1毫米的范围内，可以保证基底层10强度的同时尽可能保证基底层10的小型化。

需要说明的是，上述基底层10的材质可采用玻璃、塑料、UV胶水或热固胶水。上述的玻璃为硬质玻璃，上述的塑料为软性塑料。可根据实际需求选择不同的基底。采用软性塑料的基底层10，避免了基底层10在生产过程中破裂的危险，有利于保证超薄基底的压印制作。采用硬质玻璃的基底层10，能够保证基底层10经过高温烘烤后有良好的压印效果，有效防止基底层10破裂。

可选地，可以在基底层10表面镀膜，来提高匀光片40的开窗效率，进而提高TOF模组的使用效率。在基底层10表面镀膜还可以对基底层10形成保护，减少基底层10的磨损。

具体的，微结构层20的厚度大于等于10微米且小于等于100微米。若微结构层20的厚度小于10微米，就使得微结构层20不易制作，同时使得微结构层20厚度过小，导致微结构层20难以提供使准直镜层30凸起结构深入的凹面，不能良好的连接准直镜层30。若微结构层20的厚度大于100微米，使得微结构层20的厚度过大，不利于匀光结构的小型化。将微结构层20的厚度限制在10微米到100微米的范围内，可以保证准直镜层30与微结构层20连接紧密性的同时尽可能保证微结构层20的小型化。

需要说明的是，上述微结构层20的材质可采用固化的UV胶水或热固胶水。

可选地，可以在微结构层20表面镀膜，来提高匀光片40的开窗效率，进而提高TOF模组的使用效率。

具体的，准直镜层30的厚度小于等于2毫米。若准直镜层30的厚度大于2毫米，使得准直镜层30的厚度过大，就使得准直镜层30的准直效果减弱，同时不利于准直镜层30的轻薄化。将准直镜层30的厚度限制在2毫米以内的范围内，可以保证准直镜层30的准直效果的同时保证准直镜层30的轻薄化。

需要说明的是，上述准直镜层30的材质可采用固化的UV胶水或热固胶水。

可选地，可以在准直镜层30表面镀膜，来提高匀光片40的开窗效率，进而提高TOF模组的使用效率。

具体的，匀光片40的厚度小于3毫米。若匀光片40的厚度大于3毫米，使得匀光片40的厚度过大，不利于匀光片40的小型化。

如图1所示，准直镜31远离基底层10一侧的表面为曲面，准直镜31的曲率半径大于等于0.5毫米且小于等于5毫米。若准直镜31的曲率半径小于0.5毫米，使得准直镜31难以加工。若准直镜31的曲率半径大于5毫米，使得准直镜31的准直效果减弱，进而使匀光片40的开窗效率下降。将准直镜31的曲率半径限制在0.5毫米到5毫米的范围内，使得VCSEL光源50发射的光线能够全部射入准直镜31，起到改变光线的强度角度分布的作用，使出射光场边缘强度下降速度加快，提升了匀光片40的开窗效率，同时保证了准直镜31的准直效果。

具体的，准直镜31的高度小于等于2毫米。将准直镜31的高度限制在2毫米以内的范围内，使得VCSEL光源50发射的光线能够全部射入准直镜31，起到改变光线的强度角度分布的作用，使出射光场边缘强度下降速度加快，提升了匀光片40的开窗效率，同时保证了准直镜31的准直效果。

需要说明的是，上述准直镜31可采用微纳压印得到的单个凸透镜或二维超构透镜，二维超构透镜具有超构表面，超构表面是通过一层亚波长结构单元去局域地控制空间光场的相位、偏振及强度等分布的光学设计。可以根据需求设计材料的电磁及光学性能，有效地调控光的传播性质，同时避免了在体块超构材料内部传播的巨大损耗。而且超构透镜可做到百纳米级厚度，保证了准直镜31的轻薄化，进而保证了匀光片40的轻薄化。通过微纳压印将准直镜31直接加工到匀光片40上，降低了准直镜31和匀光片40单独制造和装配的难度，同时保证了TOF模组的小型化，降低了制造成本。

具体的，相邻两个微透镜21的中心的距离大于等于1微米且小于等于100微米。将相邻两个微透镜21的中心的距离限制在1微米到100微米的范围内，可保证每个微透镜21都能够稳定出射光线，使出射光场的光强相互叠加，可以有效去除周期微透镜21阵列的条纹现象，保证有效区域光场强度分布均匀，进而保证TOF模组的成像质量。

需要说明说的是，上述微透镜21可采用微纳压印得到的周期微透镜21阵列或随机微透镜21排布，微透镜21可为多层，每层微透镜21的折射率不同。

如图3所示，为本实施例中微透镜21在微结构层20上排布的中心点和形状口径呈二维分布的图像，对于凹面微透镜21其中心点为最低点，凸面微透镜21中心点为最高点，上述微透镜21的中心在平面上取点方式包括周期型，伪周期型，类周期型，完全随机型，且微透镜21深度同样具有随机性。全部微透镜21曲面可满足随机分布或保持一致；可达到不同的微透镜21面型随机，微透镜21高度或深度随机。微透镜21的口径的形状为多边形、圆形、直线与曲线组合成的封闭形状、多段曲率半径不同的曲线组合成的封闭形状中的至少一种，微透镜21口径形状随机，且各不相同。\

需要说明的是，上述周期型为具有一定规律且重复的取点方法，伪周期型为指定的且接近于随机的取点方法，类周期型为具有一定规律且不重复的取点方法，完全随机型为一种随机的取点方法。

另外，微透镜21的表面是连续曲面。连续曲面包括凸面曲面、凹面曲面和波浪形曲面等。

需要说明的是，上述微透镜21可为球面、非球面或自由曲面，非球面和自由曲面可以增加设计的自由度，满足不同成像及非成像领域的应用，可根据实际情况进行选择设计，可利用不同球面设计调节微透镜21的矢高，进而调整器件的厚度，合理控制器件的小型化。

提供了一种TOF模组，包括上述的匀光片40、固定基板和VCSEL光源50，固定基板设置在匀光片40远离匀光片40的基底层10的一侧，且固定基板与匀光片40间隔设置形成空气层；VCSEL光源50设置在固定基板上。TOF模组射出的光更加均匀。

需要说明的是，上述TOF模组整体厚度大于等于100微米且小于等于5毫米，实现了TOF模组的小型化。

可选地，上述TOF模组可在手机、平板电脑等小型化设备上使用。

具体的，空气层的厚度小于0.4毫米。若空气层的厚度大于0.4毫米，不利于TOF模组的小型化。通过合理控制空气层厚度，避免VCSEL光源50与匀光片40之间产生磨擦，保证VCSEL光源50与匀光片40能够正常使用，保证TOF模组能够稳定运行的同时保证TOF模组的小型化。

如图2所示，为本实施例中匀光片40的切面图，从上至下依次为准直镜层30、微结构层20、基底层10和空气层，可观察到其微结构层20具有周期微透镜阵列或随机微透镜排布，表面由连续面型的曲面构成，其切面表现为整体连续无高度突变。

如图4所示，为传统无准直匀光片的出射光场示意图，从图中可知出射光场中心强度较高，光照强度I大于中心光照强度的50％区域为实际有效区域，也就是说图中虚线框内为实际使用区域。光场边缘强度需要缓慢下降到0，虚线框外强度较小，光照强度I小于中心光照强度50％的区域无法利用，导致实际使用效率偏低，一般在80％左右。

如图5所示，为传统无准直匀光片的出射光场横向切片强度分布示意图，图中横轴为横向切片角度，纵轴为光场强度，虚线为中心强度50％值，从图中可观察到光场边缘强度下降缓慢，使强度小于中心强度50％的区域无法使用，导致实际效率偏低。

如图6所示，为本实施例的匀光片40的出射光场示意图，从图中可知入射光经准直镜层30改变其强度角度分布后，再经过较高折射率的微结构层20后，最终的出射光场边缘下降速度加快，强度小于中心强度50％的无效区域减少，能够提升整体使用效率，图中虚线框内为光照强度I大于中心强度50％的区域为实际有效区域。对比图4可见图6中虚线框内的实际有效区域占整体光场比例图6相较于图4更大，改变了光源强度的角度分布，使得出射光场边缘强度下降速度加快，从而减小了出射光场的下降过渡区域占用角度，提高了整体使用效率。

如图7所示，为本实施例的匀光片40的出射光场横向切片强度分布示意图，图中横轴为横向切片角度，纵轴为光场强度，虚线为中心强度50％值，从图中可观察到光场边缘强度下降速度加快，基本无强度小于中心强度50％的过渡区域，提高了光场整体利用效率，光场整体利用效率达到90％以上。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

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申请的示例性实施方式。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。

需要说明的是，本申请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，以便这里描述的本申请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。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种匀光片，其特征在于，包括：

基底层(10)；

微结构层(20)，所述微结构层(20)连接在所述基底层(10)一侧的表面上，所述微结构层(20)远离所述基底层(10)一侧的表面具有微结构区，所述微结构区具有多个微透镜(21)；

准直镜层(30)，所述准直镜层(30)连接在所述微结构层(20)远离所述基底层(10)一侧的表面上，所述准直镜层(30)远离所述微结构层(20)一侧的表面具有隆起的准直镜(31)，所述准直镜(31)向所述微结构层(20)的投影与所述微结构区的至少一部分重合。

2.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，所述准直镜(31)向所述微结构层(20)的投影位于所述微结构区内。

3.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，

所述微结构层(20)是高折射率胶层，且所述微结构层(20)的折射率大于等于1.5且小于等于1.9；和/或

所述准直镜层(30)是低折射率胶层，且所述准直镜层(30)的折射率大于等于1.4且小于等于1.6。

4.根据权利要求2所述的匀光片，其特征在于，所述微透镜(21)远离所述基底层(10)一侧的表面为凹面，且所述准直镜层(30)靠近所述微结构层(20)一侧的表面具有与所述凹面相适配的凸起结构，所述凸起结构伸入到所述凹面内。

5.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，

所述基底层(10)的厚度大于等于0.1毫米且小于等于1毫米；和/或

所述微结构层(20)的厚度大于等于10微米且小于等于100微米；和/或

所述准直镜层(30)的厚度小于等于2毫米；和/或

所述匀光片的厚度小于3毫米。

6.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，所述准直镜(31)远离所述基底层(10)一侧的表面为曲面，

所述准直镜(31)的曲率半径大于等于0.5毫米且小于等于5毫米；和/或

所述准直镜(31)的高度小于等于2毫米。

7.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，相邻两个所述微透镜(21)的中心的距离大于等于1微米且小于等于100微米。

8.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，

所述微透镜(21)的表面是连续曲面；和/或

所述微透镜(21)的口径的形状为多边形、圆形、直线与曲线组合成的封闭形状、多段曲率半径不同的曲线组合成的封闭形状中的至少一种。

9.一种TOF模组，其特征在于，包括：

权利要求1至8中任一项所述的匀光片(40)；

固定基板，所述固定基板设置在所述匀光片(40)远离所述匀光片(40)的基底层(10)的一侧，且所述固定基板与所述匀光片(40)间隔设置形成空气层；

VCSEL光源(50)，所述VCSEL光源(50)设置在所述固定基板上。

10.根据权利要求9所述的TOF模组，其特征在于，所述空气层的厚度小于0.4毫米。

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