CN113391385A - 光学扩散元件及用于三维感测的光发射组件 - Google Patents

Abstract

一种光学扩散元件包括出光面，出光面具有多个微结构，各微结构具有边界，各微结构的边界完全与相邻的微结构的边界连接，各微结构具有表面轮廓，表面轮廓的函数表达式为：

s(x)代表各微结构于x坐标轴上的表面轮廓，x值代表表面轮廓于x坐标轴上的垂直投影位置，R值代表各微结构的顶点的曲率半径，κ值代表各微结构的圆锥系数，微结构具有相同的R值及κ值。一种用于三维感测的光发射组件包括光学扩散元件及光源。光学扩散元件及用于三维感测的光发射组件兼具有控制外形、光型及简化设计的优点。

Description

光学扩散元件及用于三维感测的光发射组件

技术领域

本发明关于一种光学扩散元件及用于三维感测的光发射组件。

背景技术

目前飞时(Time of Flight，TOF)三维感测技术常使用光学扩散元件达到光型控制的效果。具体来说，当光源产生的光线入射光学扩散元件后，经由光学扩散元件的微结构产生散射，使得从微结构射出的光线具有特定光型，如此达到光型控制。为控制不同光型，微结构的设计利用机率分布函数随机调整深度、边界、空间控制参数，来调控微结构的成型分布，以达到控制不同光型的效果。

利用机率分布函数随机调整深度、边界、空间控制参数，虽可微调部分区域内的光型使光型更符合预期，但在相邻微结构之间的空白区域仍须要额外设计相似的表面轮廓(sag profile)去填补，在边界处理上极为复杂。因此，现有技术的光学扩散元件虽然可达到光型控制效果，但具有设计复杂的问题。

发明内容

本发明提供一种光学扩散元件，其于具有控制光型功能的同时，还具有简化设计的优点。

本发明提供一种用于三维感测的光发射组件，其兼具有控制光型及设计简单的优点。

本发明所提供的光学扩散元件包括出光面，出光面具有多个微结构，各微结构具有边界，各微结构的边界完全与相邻的微结构的边界连接，且各微结构具有表面轮廓，表面轮廓的函数表达式如下：

其中，s(x)代表各微结构于x坐标轴上的表面轮廓，x代表表面轮廓于x坐标轴上的垂直投影位置，R代表各微结构的顶点的曲率半径，κ代表各微结构的圆锥系数，微结构具有相同的R值以及κ值。

在本发明的一实施例中，上述的曲率半径与圆锥系数的比值(κ/R)满足下述条件：-180＜κ/R＜-20。

在本发明的一实施例中，上述的各微结构适于形成光型，光型具有发散角，发散角的函数表达式如下：FOV＝A(κ/R)+B；其中，FOV代表光型的视野角，A及B满足下述条件：-0.1＜A＜-1，B为大于0的常数。

在本发明的一实施例中，上述的各微结构具有虚拟孔径

虚拟孔径为表面轮廓的函数表达式的s(x)为0时的两个x值的差值，其中

在本发明的一实施例中，上述的微结构以随机方式排列于出光面上。

在本发明的一实施例中，上述的各微结构的边界于出光面的正投影呈现多边形。

在本发明的一实施例中，上述的微结构凸出出光面。

在本发明的一实施例中，上述的微结构凹入出光面。

本发明所提供的用于三维感测的光发射组件包括上述的光学扩散元件以及光源。光学扩散元件具有相反于出光面的入光面，光源向入光面发出照明光束，照明光束通过入光面进入光学扩散元件后由出光面的微结构出光，形成发射光束。

在本发明的一实施例中，上述的发射光束相对于入光面的法线具有平均最大发光角，平均最大发光角为15°至65°。

在本发明的光学扩散元件及用于三维感测的光发射组件中，微结构的表面轮廓具有相同的R值以及κ值，各微结构的边界完全与相邻的微结构的边界连接，相邻微结构之间不会具有空白区域，则无需额外设计填补于空白区域的表面轮廓，可简化光学扩散元件设计上的边界处理。且光学扩散元件于使用上借由微结构，可达到控制光型的效果，使光线通过微结构产生散射作用后形成特定光型。因此，本发明的光学扩散元件及用于三维感测的光发射组件，于维持控制光型的功能的同时，还具有简化设计的优点。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明一实施例的光学扩散元件的上视示意图；

图2为本发明一实施例的光学扩散元件的微结构在x坐标轴上的表面轮廓示意图；

图3为本发明一实施例的光学扩散元件的微结构的外观示意图；

图4为本发明一实施例的光学扩散元件的使用示意图；

图5为本发明一实施例的光学扩散元件的微结构的在x坐标轴上的表面轮廓示意图；

图6为本发明一实施例的光学扩散元件于边界运算中的微结构的中心分布示意图；

图7为本发明一实施例的光学扩散元件于边界运算中的微结构的中心分布示意图；

图8A为本发明一实施例的光学扩散元件于边界运算中的微结构上视示意图；以及

图8B为本发明一实施例的光学扩散元件于边界运算中的微结构的表面轮廓的分布示意图。

其中，附图标记：

100:光学扩散元件

110:出光面

120:微结构

121:边界

130:入光面

200:光发射组件

210:光源

220:壳体

221:开口部

FOV:发散角

L1:照明光束

L2:发射光束

NL:法线

P:顶点

R:曲率半径

x:坐标轴

y:坐标轴

s(x):表面轮廓

α:平均最大发光角

虚拟孔径

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

图1为本发明一实施例的光学扩散元件的上视示意图。图2为本发明一实施例的光学扩散元件的微结构在x坐标轴上的表面轮廓示意图，图2中s(x)坐标轴、x坐标轴与y坐标轴正相交。图3为本发明一实施例的光学扩散元件的微结构的外观示意图。图4为本发明一实施例的光学扩散元件的使用示意图。如图1至图4所示，本发明的光学扩散元件100具有出光面110，出光面110具有多个微结构120，各微结构120具有边界121，各微结构120的边界121完全与相邻的微结构120的边界121连接，且各微结构120具有表面轮廓，表面轮廓的函数表达式如下：

其中，s(x)代表各些微结构120于x坐标轴上的表面轮廓，x值代表表面轮廓于x坐标轴上的垂直投影位置，R值代表各微结构120的顶点P的曲率半径，κ值代表各微结构120的圆锥系数，且微结构120具有相同的R值以及κ值。

在本实施例的光学扩散元件100中，微结构120的表面轮廓具有相同的R值以及κ值，各微结构120的边界121完全与相邻的微结构120的边界121连接，相邻微结构120之间不会具有空白区域，则无需额外设计填补于空白区域的表面轮廓，可简化光学扩散元件100设计上的边界121处理。且本实施例的光学扩散元件100于使用上借由微结构120，可达到控制光型的效果，使光线通过微结构120产生散射作用后形成特定光型。

上述的各微结构120具有虚拟孔径

虚拟孔径为s(x)为0时的两个x值的差值，其中

在一实施例中，虚拟孔径

例如是但不限于30μm、50μm或70μm。

上述的曲率半径与圆锥系数的比值(κ/R)满足下述条件：-180＜κ/R＜-20。在一实施例中，κ/R值例如是但不限于-150、-120、-100或-50。此外，照明光束L1从光学扩散元件100的入光面130进入光学扩散元件100后经由出光面110的微结构120出光，形成发射光束L2，发射光束L2的光型具有视野角α，即各微结构120适于形成具有所述视野角的光型；在一实施例中，视野角的函数表达式如下：

FOV＝A(κ/R)+B

其中，FOV代表光型的视野角，A值及B值满足下述条件：-1＜A＜-0.1，B为大于0的常数。举例来说，A值例如是但不限于-0.9、-0.5或-0.2，B值例如是但不限于1、2.5或10。在一实施例中，视野角介于30°至130°，举例来说，视野角例如是但不限于60°、90°或120°。

上述的微结构120以随机方式排列于出光面110上，各微结构120的边界121于出光面110的正投影可呈现多边形，在一实施例中，如图1所示，多边形例如是至少具有四个边的多边形。另外，如图3所示，微结构120的顶点P高于边界121，即微结构120凸出出光面110，但本发明不以此为限。图5为本发明一实施例的光学扩散元件的微结构在x坐标轴上的表面轮廓示意图，如图5所示，微结构120的顶点P低于边界121，即微结构120也可以凹入出光面110。

在本发明中，光学扩散元件100可经过下述的边界运算处理而完成设计以供制作。边界运算处理的步骤如下：预先决定要套入的微结构120的表面轮廓的函数(即选定满足前述条件的R值以及κ值)。接着，运算制作面积内各微结构120的中心(顶点P)位置(如图6所示，中心于x-y平面呈规则排列)，并利用机率分布函数随机调整各微结构120在空间中的位置(如图7所示，中心于x-y平面呈随机排列)。接下来，从各微结构120的中心的位置由内而外写入预先决定要套入的微结构120的表面轮廓的函数，并且延伸至四周与相邻的微结构120的边界121相接(由图8A所示的微结构120上视示意图及图8B所示的表面轮廓的分布图可见，两相邻微结构120的边界121相接)，从而完成本发明的光学扩散元件100的设计。

在一实施例中，如图1至图4所示，上述的光学扩散元件100与光源210搭配使用构成用于三维感测的光发射组件200，光学扩散元件100的入光面130相反于出光面110，光源210朝向入光面130发出照明光束L1，照明光束L1通过入光面130进入光学扩散元件100后由出光面110的微结构120出光，形成发射光束L2。此外，上述的用于三维感测的光发射组件200还可具有壳体220，壳体220具有开口部221，光源210配置于壳体220内，光学扩散元件100配置于开口部221，入光面130位于出光面110与光源210之间。另外，在本实施例中，光学扩散元件100虽然是以图1至图3所示的光学扩散元件100作为例示，但光学扩散元件100也可以替换为上述任一实施例的光学扩散元件100。此外，光源210例如但不限于红外线光源。

上述的发射光束L2相对于入光面130的法线NL具有平均最大发光角α，平均最大发光角α为15°至65°。在一实施例中，平均最大发光角α例如但不限于15°、45°或65°。

综上所述，本发明实施例的光学扩散元件及用于三维感测的光发射组件中，微结构的表面轮廓具有相同的R值以及κ值，各微结构的边界完全与相邻的微结构的边界连接，相邻微结构之间不会具有空白区域，则无需额外设计填补于空白区域的表面轮廓，可简化光学扩散元件设计上的边界处理。且本实施例的光学扩散元件于使用上借由微结构，可达到控制光型的效果，使光线通过微结构产生散射作用后形成特定光型。因此，本发明实施例的光学扩散元件及用于三维感测的光发射组件，于维持控制光型的功能的同时，还具有简化设计的优点。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学扩散元件，其特征在于，包括：

一出光面，该出光面具有多个微结构，各微结构具有一边界，各微结构的该边界完全与相邻的微结构的边界连接，且各该些微结构具有一表面轮廓，该表面轮廓的函数表达式如下：

其中，s(x)代表各该些微结构于一x坐标轴上的该表面轮廓，x值代表表面轮廓于x坐标轴上的垂直投影位置，R值代表各该些微结构的一顶点的一曲率半径，κ值代表各该些微结构的一圆锥系数，该些微结构具有相同的R值以及κ值。

2.如权利要求1所述的光学扩散元件，其特征在于，该曲率半径与该圆锥系数的比值(κ/R)满足下述条件：-180＜κ/R＜-20。

3.如权利要求2所述的光学扩散元件，其特征在于，各该些微结构适于形成一光型，该光型具有一视野角，该视野角的函数表达式如下：

FOV＝A(κ/R)+B

其中，FOV代表该光型的该视野角，A值及B值满足下述条件：-1＜A＜-0.1，B为大于0的常数。

4.如权利要求1所述的光学扩散元件，其特征在于，各该些微结构具有一虚拟孔径

该虚拟孔径为该表面轮廓的函数表达式的s(x)为0时的两个x值的差值，其中

5.如权利要求1所述的光学扩散元件，其特征在于，该些微结构以随机方式排列于该出光面上。

6.如权利要求1所述的光学扩散元件，其特征在于，各该些微结构的该边界于该出光面的正投影呈现多边形。

7.如权利要求1所述的光学扩散元件，其特征在于，该些微结构凸出该出光面。

8.如权利要求1所述的光学扩散元件，其特征在于，该些微结构凹入该出光面。

9.一种用于三维感测的光发射组件，其特征在于，包括：

一如权利要求1至8中任一项所述的光学扩散元件；以及

一光源，

其中，该光学扩散元件具有相反于该出光面的一入光面，该光源向该入光面发出一照明光束，该照明光束通过该入光面进入该光学扩散元件后由该出光面的该些微结构出光，形成一发射光束。

10.如权利要求9所述的用于三维感测的光发射组件，其特征在于，该发射光束相对于该入光面的一法线具有一平均最大发光角，该平均最大发光角为15°至65°。

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