CN112068232A - 一种扩散板器件及其设计方法、均匀照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扩散板器件，所述扩散板器件的主面上具有非周期性排列的微透镜，各微透镜具有多边形的边界，且所述微透镜均为凸多边形。同时，本发明还提供一种上述扩散板器件的设计方法，用于优化微透镜的多边形边界及中心位置。本发明还提供一种均匀照明装置，包括光源和上述的扩散板器件，光源发出的光束经所述的扩散板器件形成均匀照明光场。本发明所提供的具有多边形边界的微透镜阵列可以大大减小由于微透镜周期型结构所产生的散斑和摩尔条纹的影响，同时通过优化微透镜和多边形边界之间的对应关系，微透镜的中心位置，可产生光强分布和角度可调节的光斑分布，同时接收面的光强均匀性可控。

Description

一种扩散板器件及其设计方法、均匀照明装置

技术领域

本发明涉及微透镜阵列整形领域，尤其涉及一种基于非周期排列的微透镜阵列的扩散板器件以及其设计方法，和应用所述扩散板器件的均匀照明装置。

背景技术

近年来，由于光学系统对光束质量的不断提升，用于激光光束整形，平板显示，LED照明、3D立体显示等领域的光束整形器件取得了较大的进展。其中，光扩散片作为光束整形器件的一种，经过其调制后的光束光强在空间一定范围内具有特定的分布。基于对入射光扩散原理的不同，扩散片可分为掺杂粒子型和表面微结构型两类。掺杂粒子型扩散片其透过率低，出射光场光强分布不可控，且存在“hot spot”等缺陷。表面微结构型扩散片可分为毛玻璃型﹑全息型和微透镜阵列型。基于微透镜阵列结构的扩散片(EngineeredDiffusers)相比于磨砂玻璃、全息玻璃等散射元件等，具有光透过率高，通过调整微透镜阵列的形状和排布可以改变扩散角度，光场的空间和能量分布等优点。

在实际应用如3D立体显示等领域，要求入射至图像处理端芯片上的照明光斑均匀且具有一定的发散角(在特定视场FOV上收集光)和光强分布。当激光光束入射时，微透镜的参数完全一致时，会由于周期性结构而产生较为严重的散斑和摩尔条纹，降低接收面上的光强均匀性。为了降低这种影响，微透镜排列具有非周期的特点，可对阵列中的每一个微透镜单元都可根据表面轮廓和阵列位置进行单独设定。

公开号CN 109270702 A(专利1)的专利申请提供一种基于微透镜非规则排列的消散斑器件及其生成方法，每个微透镜的边界是不规则的，口径不同的微透镜阵列进行不规则排列来降低散斑，同时通过控制微透镜数值孔径控制光束发散角。

公开号CN 107430219 A(专利2)的专利申请提供一种基于微透镜阵列的扩散板，微透镜之间为周期型排列，微透镜底部为六边形或者四边形的密集排列，微透镜单元间大小、间距相等，通过赋予微透镜单元不同的相位差来达到改善微透镜单元由于周期性排列而产生严重的散斑和摩尔条纹，从而导致接收面照度分布不均的情况。

公开号US 2002/0145797 A1(专利3)的专利申请提供一种不规则地配置有多个微透镜的微透镜阵列，通过使透镜形状、透镜的配置无序化而抑制激光散斑产生的方法。其中，微透镜单元的边界为不规则的多边形，每个微透镜的曲率，口径为随机化分布，每个微透镜的边界为随机多边形分布。

上述的现有技术中，专利1中的消散斑器件无法控制接收面的光强均匀性。专利2的扩散板中，透镜的形状和排列具有周期性的特点，当激光入射时，会在近场以及远场产生较为严重的散斑，极大的影响接收面上光斑的均匀性。专利3中的微透镜单元与其边界并无相对应的关系，而是随机化的组合，无法精确的控制光强分布和接收面照度均匀性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于非周期排列的微透镜阵列的扩散板器件，采用的具体技术方案如下：

一种扩散板器件，所述扩散板器件的主面上具有非周期性排列的微透镜，各微透镜具有多边形的边界，且所述微透镜均为凸多边形。

以下还提供了若干优选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各优选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个优选方式之间进行组合。

优选的，各微透镜的面积S_polygonal满足

D为扩散板的面积，N为多边形个数。

优选的，所述微透镜为光焦度不同的凸面镜或者凹面镜。

优选的，部分微透镜具有相同的面型方程。进一步优选的，所述的微透镜分为多组，每组内的各微透镜具有相同的面型方程。

本发明还提供一种扩散板器件的设计方法，用于优化并生成上述的扩散板器件，包括：

步骤1：随机生成非周期性排列的多边形，根据每个多边形的边界与微透镜的面型方程建模并进行光线追迹，得到目标面上的照度分布I(x,y)；

步骤2：根据目标面上理想的光强分布I′(x,y)与所述照度分布I(x,y)的差值构建评价函数K，得到初始的评价函数差值K₁，设定优化收敛阈值为ε₁，获取评价函数差值K₁中最大的点所对应的多边形；

步骤3：针对评价函数K₁中差值最大的点所对应的多边形，更新该多边形所对应的微透镜的面型方程，重复步骤1的点云建面过程，并同步更新评价函数K；

步骤4：继续选取更新后的评价函数K中最大值点对应的多边形，重复步骤3中的操作，直至所有点的评价函数差值均小于阈值ε₁时，确定最佳匹配的多边形和微透镜面型方程。

优选的，还包括根据评价函数优化微透镜的中心位置，具体为：

给最佳匹配后的多边形微透镜中心位置坐标一个随机的变化量，并实体建模进行光线追迹，根据对应的评价函数K，设置优化收敛阈值为ε₂，保持评价函数K中小于ε₂的点所对应微透镜的中心位置坐标，对超出收敛阈值的微透镜的原始中心位置坐标继续赋予随机的变化量进行优化迭代，直至评价函数中所有点的差值均小于ε₂。

优选的，所述的变化量为(Δx_n,Δy_n)，且

其中d为微透镜的口径。

本申请还提供一种均匀照明装置，包括光源和上述的扩散板器件，光源发出的光束经所述的扩散板器件形成均匀照明光场。

相较于现有技术，本发明所提供的具有多边形边界的微透镜阵列可以大大减小由于微透镜周期型结构所产生的散斑和摩尔条纹的影响，同时通过优化微透镜和多边形边界之间的对应关系，微透镜的中心位置，可产生光强分布和角度可调节的光斑分布，同时接收面的光强均匀性可控。

附图说明

图1为现有技术中提出的微透镜的多边形边界示意图；

图2为本发明扩散板的微透镜面型截面示意图；

图3为本发明应用的具体实施例的TOF发射端示意图；

图4为根据评价函数优化匹配微透镜与多边形的流程图；

图5为根据评价函数优化微透镜的中心位置的流程图；

图6为设计的扩散板的光强分布曲线图；

图7为目标面上的照度分布图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示的扩散板器件，主面上具有非周期性排列的微透镜，各微透镜具有多边形的边界，且部分微透镜具有相同的面型方程。

图1中描述各微透镜及对应的多边形边界，其中，多边形的位置为随机分布，多边形可拥有任意多个边界点，可为三角形、四边形、六边形等具有N个顶点多边形的随机组合(N≥3)，多边形为凸多边形，排列位置随机，多边形所包围的面积S_polygonal限制如下：

其中，D为扩散板的面积，N为多边形个数。在本实施例中，N为60个。

在另一优选的实施例中，每个微透镜可为光焦度不同的凸面镜或者凹面镜。

本实施例中，每个微透镜具有不同的面型方程，面型可以为球面、非球面、XY多项式等至少两种面型以上的组合。附图2为matlab中微透镜的面型截面图，列出了6中不同面型的微透镜的截面图，其中，微透镜的对角线尺寸为多边形两个顶点连线的距离最大值。

在另一优选的实施例中，所述的微透镜分为多组，每组内的各微透镜具有相同的面型方程。设置小透镜总数量为60个，每10个微透镜具有相同的面型方程。微透镜的面型方程可为如下方程：

或者

又或

其中c为微透镜的曲率，k为二次项系数，r为微透镜的径向位置坐标。ρ为归一化的径向位置坐标，α_i为其系数。E_i(x,y)为x和y的多项式，A_i为多项式的系数。

图3为本发明应用的具体实施例，3D立体显示中的TOF发射端的结构，VCSEL激光器发出波长为940nm的红外激光，入射至扩散板的表面，在距该扩散板10m的位置处放置接收面，在本实施例中，扩散板可产生70°×52°(峰值半高全宽角度)的矩形照明场。

针对于激光光源，本发明采用具有多边型边界，且具有不同面型方程的微透镜单元组合在接收面上形成矩形光斑，可以减小激光散斑和摩尔条纹，同时，可通过匹配微透镜与其多边形边界，优化微透镜的中心位置，可以达到控制发散角，光强分布和提高像面均匀性的目的。

在另一实施例中，提供一种对上述扩散板器件的设计方法，用于优化微透镜的中心位置，包括：

如图4所示，根据评价函数匹配微透镜与多边形：

先随机指定微透镜与多边形的匹配关系，即随机生成各多边形微透镜的形状并拼接成面，并赋予初始的面型。提取每个多边形的边界点，根据其所对应的微透镜的曲面方程，在3D建模软件中建立只有边界点包围区域的微透镜实体，将微透镜实体按照多边形的相对位置关系拼接起来后进行光线追迹，计算目标面上的照度分布I(x,y)，其中(x,y)为目标照明面各点的位置坐标，设目标面上理想的光强分布为I′(x,y)，构建评价函数K，K(x,y)＝I′(x,y)-I(x,y)，根据I′(x,y)与I(x,y)的差值得到初始的评价函数差值为K₁，设定优化收敛阈值为ε₁，获取评价函数K₁中差值最大的点所对应的多边形与多边形所对应的微透镜，针对此多边形，用其他几种不同面型方程的微透镜对其进行匹配，在此过程中重新计算评价函数K，找到此时差值最大的点所对应的多边形并对其进行如上的步骤处理。当目标面上所有点的照度差值均小于阈值ε₁时，优化结束，返回最佳匹配的微透镜与其多边形边界。

如图5所示，根据评价函数优化微透镜的中心位置：

设经过最佳匹配后的微透镜单元中心位置坐标为(x_n,y_n)，给定其一个随机的变化量为(Δx_n,Δy_n)，(其中，

d为微透镜的口径)，将此变化量逐次加载至微透镜单元上，即为：

(x_n1′，y_n1′)为加载随机变化量后微透镜单元的中心位置坐标，n为微透镜的编号。根据微透镜单元新的位置中心和其所对应的多边形边界建立微透镜阵列，进行光线追迹。计算此时的评价函数K，设定优化收敛阈值为ε₂，获取评价函数K中差值小于ε₂(ε2≠ε₁)的点所对应微透镜，保留这些微透镜单元的(x_n1′，y_n1′)不变，将超出阈值的微透镜所对应的原始坐标(x_n,y_n)导入下一次迭代当中，第n次迭代为：

直到评价函数K中所有点的数值均小于ε₂，优化结束。

图6为本实施例中扩散板的光强分布曲线在水平方向和垂直方向上的截面图，图7为目标面上的照度分布图。从图中可以得到设计的扩散板的半高全宽角度为70°×52°左右，有效区域的光斑均匀性>90％。

在另一个实施例中，一种均匀照明装置，包括光源和上述的扩散板器件，光源发出的光束经扩散板器件形成均匀照明光场。其中，光源可以为激光光源或其他常见的LED等照明光源，可应用于舞台布景、结构光照明和显微技术领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，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 (9)

1.一种扩散板器件，其特征在于，所述扩散板器件的主面上具有非周期性排列的微透镜，各微透镜具有多边形的边界，且所述微透镜均为凸多边形。

2.根据权利要求1所述的扩散板器件，其特征在于，各微透镜的面积S_polygonal满足

D为扩散板的面积，N为多边形个数。

3.根据权利要求1所述的扩散板器件，其特征在于，所述微透镜为光焦度不同的凸面镜或者凹面镜。

4.根据权利要求1所述的扩散板器件，其特征在于，部分微透镜具有相同的面型方程。

5.根据权利要求4所述的扩散板器件，其特征在于，所述的微透镜分为多组，每组内的各微透镜具有相同的面型方程。

6.一种扩散板器件的设计方法，用于生成权利要求1-5任一项所述的扩散板器件，其特征在于，包括：

步骤1：随机生成非周期性排列的多边形，根据每个多边形的边界与微透镜的面型方程建模并进行光线追迹，得到目标面上的照度分布I(x,y)；

步骤2：根据目标面上理想的光强分布I′(x,y)与所述照度分布I(x,y)的差值构建评价函数K，其中K(x,y)＝I′(x,y)-I(x,y)，得到初始的评价函数差值K₁，设定优化收敛阈值为ε₁，获取评价函数差值K₁中最大的点所对应的多边形；

步骤3：针对评价函数K₁中差值最大的点所对应的多边形，更新该多边形所对应的微透镜的面型方程，重复步骤1的点云建面过程，并同步更新评价函数K；

步骤4：继续选取更新后的评价函数K中最大值点对应的多边形，重复步骤3中的操作，直至所有点的评价函数差值均小于阈值ε₁时，确定最佳匹配的多边形和微透镜面型方程。

7.根据权利要求6所述的扩散板器件的设计方法，其特征在于，还包括根据评价函数优化微透镜的中心位置，具体为：

给最佳匹配后的多边形微透镜中心位置坐标一个随机的变化量，并实体建模进行光线追迹，根据对应的评价函数K，设置优化收敛阈值为ε₂，保持评价函数K中小于ε₂的点所对应微透镜的中心位置坐标，对超出收敛阈值的微透镜的原始中心位置坐标继续赋予随机的变化量进行优化迭代，直至评价函数中所有点的差值均小于ε₂。

8.根据权利要求7所述的扩散板器件的设计方法，其特征在于，所述的变化量为(Δx_n,Δy_n)，且

其中d为微透镜的口径。

9.一种均匀照明装置，其特征在于，包括光源和权利要求1-5中任一项所述的扩散板器件，光源发出的光束经所述的扩散板器件形成均匀照明光场。

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