CN113376721A - 一种工程扩散片及其设计、制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程扩散片及其设计、制作方法，所述工程扩散片包括光学衬底、于所述光学衬底上形成的微透镜阵列，所述微透镜阵列包括若干排布的菲涅尔微透镜，若干菲涅尔微透镜中各个所述菲涅尔微透镜的边界随机，和/或若干菲涅尔微透镜中各个菲涅尔微透镜的初始相位随机，排成一排或一列的菲涅尔微透镜的中心点在一条直线两侧的预定范围内随机分布，所述光学衬底为透明衬底，于所述光学衬底的一侧表面上随机刻蚀形成若干个所述菲涅尔微透镜，若干个所述菲涅尔微透镜在所述光学衬底上紧密排列。本发明所述工程扩散片通过菲涅尔微透镜阵列提高了工程扩散片表面的填充率，提高了扩散片的光学性能，且降低了加工难度。

Description

一种工程扩散片及其设计、制作方法

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种工程扩散片及其设计、制作方法。

背景技术

近几年兴起的人脸识别、三维探测等领域对高质量光源的需求也日益增长。而激光作为一种高质量光源也被应用在各种应用场景中，从半导体激光器的特性可知，出射激光光束为高斯分布，发散角大，且快慢轴发散角不同，导致快慢轴方向的强度分布不对称，降低了光束的质量，从而限制了半导体激光器的发展和应用，因此对半导体激光器光束进行匀化是非常重要的。微透镜阵列是目前广泛应用的一种工程扩散片，这种方法的优势在于对入射光的光强分布要求不高，具有适应性强，能量利用率高的优点。但是，目前的微透镜阵列通常采用折射非球面透镜阵列，但其填充因子不高，存在过渡区，直接透过的光束将导致光束能量分布不均匀，此外面型难以控制，对非球面的面形精度要求极高，且特征尺寸为微米量级加工十分困难。

因而，亟需提出一种新的技术方案来解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，一方面是提供一种工程扩散片，用以解决现有技术中制得的具有微透镜阵列的工程扩散片的填充因子不高，光束不均匀的问题，采用的技术方案如下：

一种工程扩散片，其包括：光学衬底；于所述光学衬底上形成的微透镜阵列，所述微透镜阵列包括若干排布的菲涅尔微透镜。

在一个优选的实施例中，若干菲涅尔微透镜中各个所述菲涅尔微透镜的边界随机；和/或若干菲涅尔微透镜中各个所述菲涅尔微透镜的初始相位随机。

在一个优选的实施例中，排成一排或一列的所述菲涅尔微透镜的中心点在一条直线两侧的预定范围内随机分布。

在一个优选的实施例中，所述光学衬底为透明衬底，于所述光学衬底的一侧表面上随机形成若干个所述菲涅尔微透镜，若干个所述菲涅尔微透镜在所述光学衬底上紧密排列。

在一个优选的实施例中，每个所述菲涅尔微透镜的形貌参数包括焦距、台阶数和台阶深度；若所述菲涅尔微透镜的焦距一定，则所述菲涅尔微透镜上的环带的宽度自所述菲涅尔微透镜的中心向所述菲涅尔微透镜的边缘逐渐减小。

在一个优选的实施例中，所述菲涅尔微透镜最外圈环带的台阶数小于等于预定台阶数。

在一个优选的实施例中，最外侧的环带的宽度大于等于预定最小宽度。

本发明还提供一种工程扩散片的设计方法，其包括：

根据目标光场确定组成微透镜阵列的每个微透镜口径的范围；

根据每个所述微透镜的口径生成随机边界；

设定每个所述微透镜的初始焦距及初始相位，并将其带入衍射积分公式得到模拟光场；

计算所述模拟光场与所述目标光场的相关度，得到评价函数；

通过优化算法对所述评价函数不断迭代，获得微透镜阵列中各个微透镜的焦距和相位。

本发明还提供一种工程扩散片的制作方法，其包括：

于基底表面形成图案形成层，

对所述图案形成层进行刻蚀，于所述图案形成层表面得到第一图案结构，

对所述第一图案结构进行再处理，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片。

在一个优选的实施例中，对所述图案形成层进行刻蚀，于所述图案形成层表面得到第一图案结构，具体包括：

对基底表面形成的图案形成层进行灰度光刻、显影，于所述图案形成层形成第一图案结构，所述第一图案结构与所述扩散片上的所述微透镜阵列的图案结构相反。

在一个优选的实施例中，对所述第一图案结构进行再处理，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片，具体包括：

提供塑型胶，通过压印将所述塑型胶成型至所述第一图案结构上，于所述塑型胶面向所述第一图案结构的表面上形成第二图案结构，所述第二图案结构与扩散片上的微透镜阵列的图案结构相同，

将成型的塑型胶自所述基底表面的图案形成层剥离、裁切，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片。

在一个优选的实施例中，对所述图案形成层进行刻蚀，于所述图案形成层表面得到第一图案结构，具体包括：

所述图案形成层包括第一图案形成层和第二图案形成层，于所述第一图案形成层表面形成与扩散片上的微透镜阵列一致的图案，通过紫外光掩膜套刻、显影，将所述第一图案形成层上形成的与扩散片上的微透镜阵列一致的图案转移至第二图案形成层，于所述第二图案形成层形成第一图案结构，所述第一图案结构与扩散片上的微透镜阵列的图案结构相同。

在一个优选的实施例中，对所述第一图案结构进行再处理，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片，具体包括：

通过等离子刻蚀将所述第二图案形成层形成的第一图案结构转移至基底，以使得所述基底上形成与扩散片上的微透镜阵列一致的图案结构，

去除基底上的图案形成层，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果中的一个或多个：

1.本发明提供的工程扩散片通过菲涅尔微透镜阵列代替了传统的非球面微透镜阵列，提高了工程扩散片表面的填充率，提高了扩散片的光学性能，且降低了加工难度。

2.传统的非球面微透镜阵列中相邻两个微透镜之间存在曲面过渡区，加工难度高，本发明所述菲涅尔微透镜阵列相邻两个微透镜之间通过台阶面衔接，过渡区为平面加工，整体降低了工程扩散片的加工难度，同时提高了扩散片的光学性能。

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它附图。

图1是本发明所述工程扩散片的设计方法中的遗传优化算法流程图；

图2是本发明实施例1中的衍射几何关系示意图；

图3是本发明所述扩散片在实施例2中的制作工艺流程图；

图4是本发明所述扩散片在实施例3中的制作工艺流程图；

图5是利用实施例3所述方法进行n次套刻产生2^n个台阶的过程示意图；

图6是初始相位相同的菲涅尔微透镜阵列示意图；

图7是初始相位随机的菲涅尔微透镜阵列示意图；

图8是初始相位随机、边界随机的菲涅尔微透镜阵列示意图；

图9是初始相位相同、边界相同的菲涅尔微透镜阵列衍射光斑的模拟图；

图10是初始相位随机、边界随机的菲涅尔微透镜阵列衍射光斑的模拟图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图与实施例进一步说明本发明要旨。

实施例1：

请参见图1-2，本发明的一个方面是提供一种工程扩散片的设计方法，主要设计思想是通过matlab软件将编写的大衍射角公式的代码进行菲涅尔微透镜的参数的设计和优化，再将设计好的折射型微透镜阵列相位量化，转换成菲涅尔微透镜阵列。

本发明所述的工程扩散片的设计方法包括：

根据客户要求的目标光场(发散角、工作距离(元件到目标光场的距离))，确定每个微透镜口径的大致范围。

将输出目标光场由第一坐标系(x₁，y₁)变换至第二坐标系(x₂，y₂)，得到作为衍射积分的目标光场(x，y)，可参见图2；

根据确定的每个微透镜的口径设计形成具有随机边界的微透镜阵列(由此得到的随机边界在后续计算过程中保持不变)，设定每个所述微透镜的初始焦距及初始相位，并将其带入衍射积分公式得到模拟光场，计算所述菲涅尔微透镜阵列的透过率函数；

计算模拟光场与目标光场的相关度，得到评价函数；

通过优化算法对所述评价函数不断迭代，获得所述菲涅尔微透镜阵列中各个菲涅尔微透镜的焦距和初始相位。

进一步的，上述工程扩散片的设计方法中用到了菲涅尔衍射积分公式：

其中，

λ为光波长，k＝2π/λ。傍轴近似适用于小角度的衍射问题。

进一步的，上述工程扩散片的设计方法中还用到了大衍射角菲涅尔衍射积分公式：

定义目标光场平面的坐标为(x₁，y₁)，复振幅分布U(x₁,y₁)，衍射积分面的坐标为(x₂，y₂)，复振幅分布U(x₂,y₂)，t(x,y)为衍射元件的透过率函数。

其中，

λ为光波长，k＝2π/λ。不包含傍轴近似适用于大角度的衍射问题。

进一步的，上述工程扩散片的设计方法中还用到了菲涅尔波带片公式：

其中，r_m为环带半径，λ为光波长,f为波带片的焦距，L为台阶数,d_n为台阶深度，n₀为材料折射率。

进一步的，上述工程扩散片的设计方法中还用到了单个微透镜单元的透过率函数：

其中，r²＝x²+y²,r_p＝2λf,M为总环带数，L为台阶数。

更进一步的，上述工程扩散片的设计方法中的优化算法包括遗传算法、粒子群算法和快速退火算法等。上述工程扩散片的设计方法中的遗传优化算法流程可参见图1。

更进一步的，上述工程扩散片的设计方法根据建立在惠更斯-菲涅尔原理的基础之上的标量衍射理论进行设计，即光波波前上的每一个面元，都可以看成是一个新的振动中心，发出次波。当大角度衍射时，发出的次波不能简化为简单平面波，而应该使用球面波模型来计算。可参见图2所示的衍射几何关系示意图，图中，X-Y纵轴可代表衍射元件(扩散片)平面，即衍射积分的输入目标光场；X1-Y₁纵轴可代表输出目标光场；X₂-Y₂曲面为衍射积分面，图中z方向为小角度衍射，误差夹角可忽略，图中r方向相对z方向为大角度衍射，误差夹角不可忽略。

实施例2：

请参见图3，其中：1-基底；2-图案形成层；3-第一图案结构；4-扩散片上的微透镜阵列；5-塑型胶；6-第二图案结构。

本发明的另一个方面还提供一种工程扩散片的制作方法，其包括：于基底1表面形成图案形成层2；对所述图案形成层2进行刻蚀，于所述图案形成层2表面得到第一图案结构3；对所述第一图案结构3进行再处理，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片。可参见图3。

在一种实施例中，对所述图案形成层2进行刻蚀，于所述图案形成层2表面得到第一图案结构3，具体包括：

对基底1表面形成的图案形成层2进行灰度光刻、显影，于所述图案形成层2形成第一图案结构3，所述第一图案结构3与扩散片上的微透镜阵列的图案结构相反；

对所述第一图案结构3进行再处理，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片，具体包括：

提供塑型胶5，通过压印将所述塑型胶5成型至所述第一图案结构3上，于所述塑形胶5面向所述第一图案结构3的表面上形成第二图案结构6，所述第二图案结构6与扩散片上的微透镜阵列4的图案结构相同。在一种情况下，可在所述塑型胶5背离所述第一图案结构3的表面上设置衬底(图中未示出)。当然在另一种情况下也不必于所述塑型胶5上设置衬底，衬底的设置与否与实际生产过程中的制作工艺流程等有关。

将成型的塑形胶5自所述基底1表面的图案形成层剥离、裁切，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片。

在一种实施例中，所述图案形成层2可以是光刻胶层。

本实施例是通过工程扩散片激光直写光刻法进行加工的，通过调节激光能量，实现多台阶及台阶深度的控制，具有工艺流程步骤简单的有优点。

实施例3：

请参见图4，其中：11-基底；12-图案形成层；121-第一图案形成层；122-第二图案形成层；13-第一图案结构；14-扩散片。

本发明还提供另一种工程扩散片的制作方法，其包括：于基底11表面形成图案形成层12；对所述图案形成层12进行刻蚀，于所述图案形成层12表面得到第一图案结构13；对所述第一图案结构13进行再处理，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片14。参见图4。

在一种实施例中，对所述图案形成层12进行刻蚀，于所述图案形成层12表面得到第一图案结构13，具体包括：

所述图案形成层12包括第一图案形成层121和第二图案形成层122，于所述第一图案形成层121表面形成与扩散片上的微透镜阵列一致的图案，所述第一图案形成层121即形成后续套刻工艺的制作模板，通过紫外光掩膜套刻、显影，将所述第一图案形成层121上形成的与扩散片上的微透镜阵列一致的图案转移至第二图案形成层122，于所述第二图案形成层122形成第一图案结构13，所述第一图案结构13与扩散片上的微透镜阵列的图案结构相同；

对所述第一图案结构13进行再处理，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片14，具体包括：

通过等离子刻蚀将所述第二图案形成层122形成的第一图案结构13转移至基底11，以使得所述基底11上形成与扩散片14上的微透镜阵列一致的图案结构，

去除基底11上的图案形成层12，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片14。

随机菲涅尔微透镜阵列工程扩散片是一种台阶型平面浮雕结构，所以采用平面工艺的方法来制作，本实施例即是通过套刻光刻法进行加工的，通过重复上述工艺流程，完成n次套刻，并产生2^n个台阶，可参见图5。其中掩膜版采用电子束刻蚀等高精度设备制备，该制备方案的优点是生产效率高且菲涅尔透镜口径范围较自由。

实施例4：

参见图6-10，本发明还提供一种工程扩散片，其包括：光学衬底；于所述光学衬底上形成的微透镜阵列，所述微透镜阵列包括若干排布的菲涅尔微透镜。

在一种实施例中，若干菲涅尔微透镜中各个所述菲涅尔微透镜的边界随机。所述菲涅尔微透镜的边界可以是任意四边形、五边形、六边形等，或者是泰森多边形。

在一种实施例中，若干菲涅尔微透镜中各个菲涅尔微透镜的初始相位随机。菲涅尔微透镜的初始相位即为菲涅尔微透镜的基准面，其决定了相位调制或光程。

在一种实施例中，若干菲涅尔微透镜中各个所述菲涅尔微透镜的边界随机，且若干菲涅尔微透镜中各个菲涅尔微透镜的初始相位随机。

在一种实施例中，排成一排或一列的菲涅尔微透镜的中心点在一条直线两侧的预定范围内随机分布。其中，所述的一条直线两侧的预定范围的上限值为菲涅尔微透镜的口径的尺寸值的1/10，该预定范围的下限值为0，在一种情况下，预定范围的上限值为排成一排或一列的多个菲涅尔微透镜中最大口径的菲涅尔微透镜的口径的尺寸值的1/10。

在一种实施例中，所述光学衬底为透明衬底，于所述光学衬底的一侧表面上随机刻蚀形成若干个所述菲涅尔微透镜，若干个所述菲涅尔微透镜在所述光学衬底上紧密排列。

在一种实施例中，每个菲涅尔微透镜的形貌参数包括焦距、台阶数和台阶深度；若所述菲涅尔微透镜的焦距一定，则所述菲涅尔微透镜上的环带的宽度自所述菲涅尔微透镜的中心向所述菲涅尔微透镜的边缘逐渐减小。在设计初期最先确定的每个菲涅尔微透镜的形貌参数是焦距、台阶数以及菲涅尔微透镜的尺寸，之后可根据公式计算出环宽及其对应的台阶深度。

在一种实施例中，所述菲涅尔微透镜包括多个环带，每个环带包括一个或多个台阶；所述菲涅尔微透镜最外圈环带的台阶数小于等于预定台阶数；最外侧的环带的宽度大于等于预定最小宽度，在实际制造过程中，最小环宽是由制造精度决定的，菲涅尔透镜环宽由中心向外越来越小，所以最外层环宽如果小于预定的最小宽度，则无法被制造。

可参见图6-10，图6是初始相位相同的菲涅尔微透镜阵列示意图；图7是初始相位随机的菲涅尔微透镜阵列示意图；图8是初始相位随机、边界随机的菲涅尔微透镜阵列示意图；图9是初始相位相同、边界相同的菲涅尔微透镜阵列衍射光斑的模拟图；图10是初始相位随机、边界随机的菲涅尔微透镜阵列衍射光斑的模拟图。

为了减小多光束干涉效应对匀化光斑均匀性的影响，可以从两方面入手：一方面减小入射光束的相干性，可以通过使用低相干性的光源或者消干涉系统。另一方面打乱阵列的周期性排布，降低光束的时间相干性。本发明所采用的是随机位相和随机边界的方法来打乱阵列的周期性排布，在一定程度上破坏了阵列结构的周期性，抑制了高频调制，降低了由多光束干涉带来的影响。对比图9和图10中的衍射光斑，可以发现图10中初始相位随机、边界随机的菲涅尔微透镜阵列的匀光效果更好，光线分布均匀，光强度高。

本发明提供的工程扩散片通过菲涅尔微透镜阵列代替了传统的非球面微透镜阵列，提高了工程扩散片表面的填充率，提高了扩散片的光学性能，且降低了加工难度。传统的非球面微透镜阵列中相邻两个微透镜之间存在曲面过渡区，加工难度高，本发明所述菲涅尔微透镜阵列相邻两个微透镜之间通过台阶面衔接，过渡区为平面加工，整体降低了工程扩散片的加工难度，提高了扩散片的光学性能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改和变型。

Claims (10)

1.一种工程扩散片，其特征在于，其包括：

光学衬底；

于所述光学衬底上形成的微透镜阵列，所述微透镜阵列包括若干排布的菲涅尔微透镜。

2.根据权利要求1所述的一种工程扩散片，其特征在于，

若干菲涅尔微透镜中各个所述菲涅尔微透镜的边界随机；和/或

若干菲涅尔微透镜中各个所述菲涅尔微透镜的初始相位随机。

3.根据权利要求1所述的一种工程扩散片，其特征在于，

排成一排或一列的所述菲涅尔微透镜的中心点在一条直线两侧的预定范围内随机分布。

4.根据权利要求1所述的一种工程扩散片，其特征在于，

所述光学衬底为透明衬底，于所述光学衬底的一侧表面上随机形成若干个所述菲涅尔微透镜，若干个所述菲涅尔微透镜在所述光学衬底上紧密排列。

5.根据权利要求1所述的一种工程扩散片，其特征在于，

每个所述菲涅尔微透镜的形貌参数包括焦距、台阶数和台阶深度；若所述菲涅尔微透镜的焦距一定，则所述菲涅尔微透镜上的环带的宽度自所述菲涅尔微透镜的中心向所述菲涅尔微透镜的边缘逐渐减小。

6.根据权利要求1所述的一种工程扩散片，其特征在于，

所述菲涅尔微透镜最外圈环带的台阶数小于等于预定台阶数；

最外侧的环带的宽度大于等于预定最小宽度。

7.一种工程扩散片的设计方法，其特征在于，其包括：

根据目标光场确定组成微透镜阵列的每个微透镜口径的范围；

根据每个所述微透镜的口径生成随机边界；

设定每个所述微透镜的初始焦距及初始相位，并将其带入衍射积分公式得到模拟光场；

计算所述模拟光场与所述目标光场的相关度，得到评价函数；

通过优化算法对所述评价函数不断迭代，获得微透镜阵列中各个微透镜的焦距和相位。

8.一种工程扩散片的制作方法，其特征在于，其包括：

于基底表面形成图案形成层，

对所述图案形成层进行刻蚀，于所述图案形成层表面得到第一图案结构，

对所述第一图案结构进行再处理，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片。

9.根据权利要求8所述的一种工程扩散片的制作方法，其特征在于，对所述图案形成层进行刻蚀，于所述图案形成层表面得到第一图案结构，具体包括：

对基底表面形成的图案形成层进行灰度光刻、显影，于所述图案形成层形成第一图案结构，所述第一图案结构与所述扩散片上的所述微透镜阵列的图案结构相反；

对所述第一图案结构进行再处理，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片，具体包括：

提供塑型胶，通过压印将所述塑型胶成型至所述第一图案结构上，于所述塑型胶面向所述第一图案结构的表面上形成第二图案结构，所述第二图案结构与扩散片上的微透镜阵列的图案结构相同，

将成型的塑型胶自所述基底表面的图案形成层剥离、裁切，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片。

10.根据权利要求8所述的一种工程扩散片的制作方法，其特征在于，对所述图案形成层进行刻蚀，于所述图案形成层表面得到第一图案结构，具体包括：

所述图案形成层包括第一图案形成层和第二图案形成层，于所述第一图案形成层表面形成与扩散片上的微透镜阵列一致的图案，通过紫外光掩膜套刻、显影，将所述第一图案形成层上形成的与扩散片上的微透镜阵列一致的图案转移至第二图案形成层，于所述第二图案形成层形成第一图案结构，所述第一图案结构与扩散片上的微透镜阵列的图案结构相同；

对所述第一图案结构进行再处理，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片，具体包括：

通过等离子刻蚀将所述第二图案形成层形成的第一图案结构转移至基底，以使得所述基底上形成与扩散片上的微透镜阵列一致的图案结构，

去除基底上的图案形成层，获得表面形成有微透镜阵列的扩散片。

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