CN113777680A

CN113777680A - 一种光学扩散片及光发射模组

Info

Publication number: CN113777680A
Application number: CN202111062075.9A
Authority: CN
Inventors: 陶欢; 伍未名; 刘风雷
Original assignee: Zhejiang Crystal Optech Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Crystal Optech Co Ltd
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2021-12-10
Also published as: WO2023035500A1

Abstract

本发明公开了一种光学扩散片及光发射模组，涉及光学成像技术领域，本发明的光学扩散片，包括基底层和设置在基底层上的结构层，结构层包括微透镜组，微透镜组包括多个相互连接的微透镜，多个微透镜能够对光束方向偏折调制。本发明提供的光学扩散片，能够使照射在其上的光束发生偏折，在一束垂直入射的光束照射下，光学扩散片可以使发散光倾斜出射，实现更灵活的光束整形效果。

Description

一种光学扩散片及光发射模组

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，具体而言，涉及一种光学扩散片及光发射模组。

背景技术

3D传感技术广泛应用于人脸识别，机器视觉，自动驾驶等新兴领域，通常指采用红外波段的光源发射光束，经过光束整形器件扩散成特定发散角和形状的光斑，投射到物体上产生反射光，反射光被接收光路收集到成像传感器上，从而得到物体的空间信息。

常见的光束整形器件主要是衍射光学元件(DOE)和微透镜阵列。微透镜阵列相比于衍射光学元件具有加工精度要求低、效率较高的优势，可作为飞行时间(TOF)方案中的整形器件。

现有的微透镜阵列，其扩散光斑往往是中心对称的，当一束入射光垂直照射扩散片，其出射光斑是以入射光束为中心向两边扩散，而不能实现扩散光斑的偏折。有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学扩散片及光发射模组，其能够在使出射光相对于入射光发生扩散的同时还发生偏折。

本发明的实施例是这样实现的：

一种光学扩散片，其包括基底层和设置在基底层上的结构层，结构层包括微透镜组，微透镜组包括多个相互连接的微透镜，多个微透镜能够对光束方向偏折调制。

可选的，作为一种可实施的方式，微透镜的入光面为自由曲面、出光面为平面，入光面的中心在出光面上的投影偏离于出光面的中心。

可选的，作为一种可实施的方式，出光面为多边形，相邻两个微透镜的出光面边界相互连接。

可选的，作为一种可实施的方式，微透镜为凸透镜或凹透镜。

可选的，作为一种可实施的方式，微透镜组包括多个，同一微透镜组的多个微透镜的偏心方向相同，不同微透镜组的微透镜的偏心方向相同或不同。

可选的，作为一种可实施的方式，多个微透镜组呈直线依次连接。

可选的，作为一种可实施的方式，多个微透镜组呈矩阵排布。

一种光发射模组，其包括光源和上述任意一项的光学扩散片，光学扩散片设置在光源的出光方向。

可选的，作为一种可实施的方式，光源包括多个，光学扩散片包括多个微透镜组，多个光源与多个微透镜组一一对应。

可选的，作为一种可实施的方式，光源与光学扩散片之间的相对位置关系沿直线变化。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明提供的光学扩散片包括基底层和设置在基底层上的结构层，结构层包括微透镜组，微透镜组包括多个相互连接的微透镜，多个微透镜能够对光束方向偏折调制。该光学扩散片能够使照射在其上的光束发生偏折，在一束垂直入射的光束照射下，光学扩散片可以使发散光倾斜出射，实现更灵活的光束整形效果。

本发明提供的光发射模组，包括光源和上述任意一项的光学扩散片，光学扩散片设置在光源的出光方向。该光发射模组能够使光源发出的光束经光学扩散片后发生偏折，实现更灵活的光束整形效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的光学扩散片的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光束经过单个微透镜的模拟图；

图3为本发明实施例提供的光束经过单个微透镜后出射光斑的分布图；

图4为本发明实施例提供的光学扩散片中微透镜的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的光学扩散片中微透镜出光面的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的光学扩散片中结构层的结构示意图之一；

图7为本发明实施例提供的光学扩散片中结构层的结构示意图之二；

图8为本发明实施例提供的光发射模组的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的光发射模组的光场组合效果图。

图标：10-光学扩散片；11-基底层；12-结构层；120-微透镜组；121-微透镜；1211-入光面；1212-出光面；1213-边界；20-光发射模组；30-光源；31-入射光；32-出射光。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1，本实施例提供一种光学扩散片10，其包括基底层11和设置在基底层11上的结构层12，结构层12包括微透镜组120，微透镜组120包括多个相互连接的微透镜121，多个微透镜121能够对光束方向偏折调制。

光学扩散片10包括基底层11和结构层12，结构层12设置于基底层11之上。结构层12包括微透镜组120，微透镜组120又包括多个微透镜121，多个微透镜121之间相互连接成一体，以使结构层12为一个包括多个微透镜121的整体结构。请结合参照图2和图3，微透镜121能够使照射在其上的光束发生偏折，也即是，在一束垂直入射的光束照射下，光学扩散片10可以使发散光倾斜出射，例如只照射左前方或者右前方的区域，实现更灵活的光束整形效果，从而更适用于一些需要光束动态扫描的3D传感技术，如激光雷达、人脸识别、自动驾驶等。

在本实施例中，对微透镜组120的数量、边界形状和位置排布不作限定，微透镜组120的数量可以为一个、两个或者多个、边界形状可以为矩形、多边形，也可以为弧形。当微透镜组120为两个或多个时，相邻的两个微透镜组120之间相互连接。当微透镜组120为多个时，多个微透镜组120之间随机连接，只要能够保证形成的光学扩散片10为一个整体即可，例如，多个微透镜组120可以沿直线依次连接，也可以随机连接。

同样，在本实施例中，对结构层12和基底层11的材料也不作限定，只要能够保证光束的发散和倾斜出射即可。示例地，结构层12和基底层11的材料为玻璃、树脂或塑料，结构层12和基底层11的材料相同或不同。

如上所述，该光学扩散片10包括基底层11和设置在基底层11上的结构层12，结构层12包括微透镜组120，微透镜组120包括多个相互连接的微透镜121，多个微透镜121能够对光束方向偏折调制。该光学扩散片10能够使照射在其上的光束发生偏折，在一束垂直入射的光束照射下，光学扩散片10可以使发散光倾斜出射，实现更灵活的光束整形效果。

请参照图2和图4，可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，微透镜121的入光面1211为自由曲面、出光面1212为平面，入光面1211的中心在出光面1212上的投影偏离于出光面1212的中心。

微透镜121包括入光面1211和出光面1212，光源30发射的光束由入光面1211射入微透镜121，再由出光面1212射出微透镜121。入光面1211为曲面，光束经入光面1211后发生扩散和偏折，出光面1212为平面，与基底层11贴合，扩散和偏折后的光束经由出光面1212射出。由于微透镜121出光面1212的边界形状确定的中心和入光面1211上切平面平行于出光面1212的位置不重合，存在偏移。因此光学扩散片10的每个微透镜121都会将光束偏折至同一方向，形成具有偏折效果的扩散片。

为了方便描述，将微透镜121的出光面1212所在平面定义为XOY平面，点O为出光面1212的几何中心，即点O是入光面1211的边界形状确定的中心。微透镜121的入光面1211为自由曲面。入光面1211的面型满足高度函数z＝z(x，y)，z(x，y)的表达式如下所示：

其中，

c为曲率半径，k为圆锥常数，α_i为非球面系数，Z_i为泽尼克多项式，A_i为泽尼克多项式的系数，ρ为归一化极坐标下的极径，

为极坐标下的极角。

微透镜121入光面1211的面型随机设置，通过对入光面1211的面型高度函数的调整，可以获得不同面型的曲面，例如：球面、二次曲面等。

在入光面1211上，n₁点的切平面与XOY平面平行，称n₁为入光面1211的中心。点n₁在XOY平面的投影为n，点n和点O在X和Y方向的距离分别为d_x和d_y。d_x和d_y代表了曲面的偏心程度，即d_x和d_y的值越大，代表入光面1211中心和出光面1212几何中心的偏离程度越大，那么光束照射到微透镜121后发生的偏折也就越大。

图2所示即为光束垂直照射微透镜121的情况，可以看到，出射光32不只是发生了扩散，还明显地相对入射光31发生了偏折。图3是出射光斑关于角度的分布，出射光斑中心对应X、Y方向的角度分别为α、β，即出射光32相对入射光31偏折了角度α、β。可以理解，调整偏心值d_x和d_y，便可以控制出射光32的偏折程度。

上述光学扩散片10通过单层的微结构，实现了光束的均匀扩散和灵活的偏折效果，且避免了相干光照射下的衍射条纹，在需要光束动态扫描技术的应用领域具有优势，如激光雷达、自动驾驶等。

请参照图5，可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，出光面1212为多边形，相邻两个微透镜121的出光面1212边界1213相互连接。

微透镜121的出光面1212为随机的多边形，可以为三角形、四边形、五边形等。在本实施例中，多个微透镜121的位置排布也呈随机状态，只要保证相邻的两个微透镜121的出光面1212边界1213相互连接即可。微透镜121出光面1212的随机形状和位置排布，可以消除规则透镜带来的衍射条纹，均匀性更好。

可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，微透镜121为凸透镜或凹透镜。

凸透镜和凹透镜对应了不同的入光面1211面型，通过调整微透镜121的类型，可以对微透镜组120进行优化，得到更好的偏折效果。

请参照图6和图7，可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，微透镜组120包括多个，同一微透镜组120的多个微透镜121的偏心方向相同，不同微透镜组120的微透镜121的偏心方向相同或不同。

一个光学扩散片10包括多个微透镜组120，每个微透镜组120又包括多个微透镜121。组成同一微透镜组120的多个微透镜121具有相同的偏心方向，而组成不同微透镜组120的多个微透镜121的偏心方向则可以相同，也可以不同。应理解，偏心方向是指入光面1211的中心在出光面1212上的投影偏离于出光面1212的几何中心的方向。

通过调整不同微透镜组120的偏心方向，可以将光束扩散并偏折至不同方向，调整自由度大且能够得到不同扩散范围、边界形状、明暗分布等的出射光32。

请参照图6，可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，多个微透镜组120呈直线依次连接。

多个微透镜组120之间依次连接，共同组成一个光学扩散片10。该光学扩散片10的不同区域的偏心方向可以相同，也可以不同。同一光源30在不同位置照射该光学扩散片10时，能够得到不同扩散范围以及明暗分布的光斑。

示例地，以一个光学扩散片10包括四个微透镜组120为例，当需要得到中间亮度高，两侧亮度低的光斑时，可以将中间两个微透镜组120的偏心方向设置为相互靠近，两边的两个微透镜组120的偏心方向设置为相互远离，如此便可以得到所需光斑。

请参照图7，可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，多个微透镜组120呈矩阵排布。

多个微透镜组120之间两两连接，共同组成一个矩形的光学扩散片10。该光学扩散片10的不同区域的偏心方向可以相同，也可以不同。同一光源30在不同位置照射该光学扩散片10时，能够得到不同扩散范围以及明暗分布的光斑。

示例地，以一个光学扩散片10包括四个微透镜组120为例，为了方便描述，以图7中的视角为准，四个微透镜组120分别定义为左上微透镜组、左下微透镜组、右上微透镜组和右下微透镜组。当需要得到长条形的光斑时，可以将左上微透镜组和左下微透镜组的偏心方向设置为相互背离且得到的光斑位于同一直线上，右上微透镜组和右下微透镜组的偏心方向也相互背离并与左上微透镜组和左下微透镜组形成的光斑位于同一直线，右上微透镜组和右下微透镜组的偏折程度小于左上微透镜组和左下微透镜组的偏折程度，如此便可以得到所需光斑。

请参照图8，本发明实施例还公开了一种光发射模组20，包括光源30和上述任意一项的光学扩散片10，光学扩散片10设置在光源30的出光方向。

光发射模组20包括光源30和上述的光学扩散片10，光源30发射的光束经光学扩散片10后发生扩散和偏折。光源30可以是LED(即发光二极管)、MicroLED(即微米发光二极管)、LD(即镭射光)、VCSEL(即垂直腔面发射激光器)等多种形式，也可以是同时存在多个、多种独立的光源30。光学扩散片10可以包括一个微透镜组120，也可以包括多个微透镜组120，不同微透镜组120可以实现不同的偏折效果。光源30或者光学扩散片10都可以是静止的或者运动的。

该光发射模组20包含与前述实施例中的光学扩散片10相同的结构和有益效果。光学扩散片10的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，光源30包括多个，光学扩散片10包括多个微透镜组120，多个光源30与多个微透镜组120一一对应。

光源30与微透镜组120的数量相同，每个光源30对应一个微透镜组120，只向一个微透镜组120发射光束。该光发射模组20可以灵活控制出射光斑某一区域的亮暗，分时照亮不同区域，一方面所有光源30不需要同时点亮，可以降低模组的功耗。另一方面，每个微透镜组120只会将光束扩散至特定的角度，整个光发射模组20照亮的范围是各分区的并集，因此整个光发射模组20更易于实现大范围、大角度的投射效果。

请结合参照图8和图9，示例地，光发射模组20包括四个光源30和一个光学扩散片10，光学扩散片10包括四个呈直线连接的微透镜组120，其中，光源30为VCSEL光源，波长为940nm近红外光，四个光源30可以独立点亮或熄灭，四个光源30发出带有一定发散角的光束，分别照射在四个具有不同偏折效果的微透镜组120上。四个微透镜组120的偏折角分别为15°、5°、-5°、-15°，四个微透镜组120的扩散角相同，水平方向为40°，竖直方向为10°。因此，四个微透镜组120分别将四个光源30的光束扩散成四个长方形的光斑，只是每个光斑的偏折角不同。四个长方形的光斑在远场刚好可以拼接，形成如图9所示的接近正方形的光斑。

可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，光源30与光学扩散片10之间的相对位置关系沿直线变化。

本实施例中，光源30或光学扩散片10中的一个可以相对于另一个沿直线方向运动，即光源30沿与光学扩散片10的长度方向移动，或者，光学扩散片10沿其长度方向移动。应理解，光学扩散片10的长度方向是指平行于光学扩散片10出光面1212的方向。通过光源30或者光学扩散片10的移动，可以得到不同效果的光斑。

示例地，光源30包括一个VCSEL，光源30相对于光学扩散片10移动或者光学扩散片10相对于光源30移动。通过光源30或者光学扩散片10的上下移动，可以使光源30分时照亮光学扩散片10的不同区域，达到扩散光斑动态扫描的效果。

以上所述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

1.一种光学扩散片，其特征在于，包括基底层和设置在所述基底层上的结构层，所述结构层包括微透镜组，所述微透镜组包括多个相互连接的微透镜，多个所述微透镜能够对光束方向偏折调制。

2.根据权利要求1所述的光学扩散片，其特征在于，所述微透镜的入光面为自由曲面、出光面为平面，所述入光面的中心在所述出光面上的投影偏离于所述出光面的中心。

3.根据权利要求2所述的光学扩散片，其特征在于，所述出光面为多边形，相邻两个所述微透镜的出光面边界相互连接。

4.根据权利要求1所述的光学扩散片，其特征在于，所述微透镜为凸透镜或凹透镜。

5.根据权利要求1所述的光学扩散片，其特征在于，所述微透镜组包括多个，同一所述微透镜组的多个所述微透镜的偏心方向相同，不同所述微透镜组的所述微透镜的偏心方向相同或不同。

6.根据权利要求5所述的光学扩散片，其特征在于，多个所述微透镜组呈直线依次连接。

7.根据权利要求5所述的光学扩散片，其特征在于，多个所述微透镜组呈矩阵排布。

8.一种光发射模组，其特征在于，包括光源和如权利要求1至7中任意一项所述的光学扩散片，所述光学扩散片设置在所述光源的出光方向。

9.根据权利要求8所述的光发射模组，其特征在于，所述光源包括多个，所述光学扩散片包括多个微透镜组，多个所述光源与多个所述微透镜组一一对应。

10.根据权利要求8所述的光发射模组，其特征在于，所述光源与所述光学扩散片之间的相对位置关系沿直线变化。