CN114200560A - 能够实现光束分解的光扩散器和光扩散器的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够实现光束分解的光扩散器和光扩散器的制作方法。能够实现光束分解的光扩散器包括：基板；光束整形层，光束整形层设置在基板的至少一侧表面上，光束整形层具有微结构，微结构从第一方向观察的形状和从第二方向观察的形状不同，其中，微结构从第一方向观察为第一微结构，微结构从第二方向观察为第二微结构。本发明解决了现有技术中光扩散器存在功能单一的问题。

Description

能够实现光束分解的光扩散器和光扩散器的制作方法

技术领域

本发明涉及光学成像设备技术领域，具体而言，涉及一种能够实现光束分解的光扩散器和光扩散器的制作方法。

背景技术

目前行业内实现测距的方式主要有双目、结构光和TOF，其中双目精度较低，结构光结构复杂成本高，而TOF有足够的精度且成本稍低，已有流行推广的趋势。TOF通常由一个发射端和一个接收端组成，其中发射端主要由一个vcsel光源和一个光扩散器(diffuser)组成。现有Diffuser的结构形态主要为一个微结构单元的周期阵列或随机阵列，由于现有单面diffuser主要采用一个微结构单元的阵列来实现光场分布，所以可实现的光场效果有限，或对光源光束进行扩散，或对光源光束进行汇聚，使得光扩散器的功能单一。

也就是说，现有技术中光扩散器存在功能单一的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种能够实现光束分解的光扩散器和光扩散器的制作方法，以解决现有技术中光扩散器存在功能单一的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种能够实现光束分解的光扩散器，包括：基板；光束整形层，光束整形层设置在基板的至少一侧表面上，光束整形层具有微结构，微结构从第一方向观察的形状和从第二方向观察的形状不同，其中，微结构从第一方向观察为第一微结构，微结构从第二方向观察为第二微结构。

进一步地，第一微结构的延伸方向与第二微结构的延伸方向呈角度设置。

进一步地，第一微结构的延伸方向与第二微结构的延伸方向之间的夹角α大于0°且小于等于90°。

进一步地，第一微结构为柱面透镜、菲尼尔透镜、棱锥、棱镜、梯形球面结构中的一种；第二微结构为柱面透镜、菲尼尔透镜、棱锥、棱镜、梯形球面结构中的一种。

进一步地，第一微结构和/或第二微结构为柱面透镜时，垂直于柱面透镜的延伸方向的截面为自由曲面。

进一步地，第一微结构或第二微结构为菲尼尔透镜时，菲尼尔透镜的齿高大于等于10um且小于等于80um；和/或菲尼尔透镜的齿距大于等于10um且小于等于2000um。

进一步地，光束整形层设置在基板的入光侧和/或出光侧。

进一步地，微结构为多个，相邻两个微结构无缝连接。

进一步地，多个微结构呈周期排列；或者多个微结构呈随机排列。

进一步地，第一微结构和第二微结构对光束的整形方式相互独立。

进一步地，基板的材料为透明玻璃或塑料。

根据本发明的另一方面，提供了一种光扩散器的制作方法，光扩散器的制作方法用于上述的能够实现光束分解的光扩散器，光扩散器的制作方法包括：获取基板和光刻胶，将光刻胶涂布在基板上形成光刻胶层；对光刻胶层进行烘烤；对光刻胶层进行曝光；获取显影液，用显影液对基板上不需要的光刻胶进行溶解；对光刻胶层进行压印，以形成光束整形层，形成能够实现光束分解的光扩散器。

进一步地，在对光刻胶层进行曝光的过程中，采用激光直写对光刻胶层进行选择性曝光。

应用本发明的技术方案，能够实现光束分解的光扩散器包括基板和光束整形层，光束整形层设置在基板的至少一侧表面上，光束整形层具有微结构，微结构从第一方向观察的形状和从第二方向观察的形状不同，其中，微结构从第一方向观察为第一微结构，微结构从第二方向观察为第二微结构。

通过在基板上设置光束整形层使得光扩散器能够起到对光扩散的效果，而微结构的设置增大了光线的变化方式也能够实现扩散的效果。通过对第一方向和第二方向上分别设置第一微结构和第二微结构，使得光扩散器能在两个方向上对光束的整形不同。

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示出了本发明的实施例一的光扩散器的结构示意图；以及

图2示出了图1中P处的放大图；

图3示出了图1中Q处的放大图；

图4示出了图1中从第一方向观察的光扩散器的结构示意图；

图5示出了图4中从第一方向观察的光扩散器对光线的整形效果图；

图6示出了图1中从第二方向观察的光扩散器的结构示意图；

图7示出了图6中从第二方向观察的光扩散器对光线的整形效果图；

图8示出了图7中光源的光路的仿真图；

图9示出了图8中的光源从第一方向上被光扩散器整形后的光路的仿真图；

图10示出了图8中的光源从第二方向上被光扩散器整形后的光路的仿真图；

图11示出了图8中光源的配光曲线图；

图12示出了图8中的光源加光扩散器形成的配光曲线图；

图13示出了图12中的光源加光扩散器形成的照度图；

图14示出了本发明的实施例二的光扩散器的结构示意图；

图15示出了图14中从第一方向观察的光扩散器的结构示意图；

图16示出了图14中从第二方向观察的光扩散器的结构示意图；

图17示出了本发明的实施例三的光扩散器的结构示意图；

图18示出了图17中从第一方向观察的光扩散器的结构示意图；

图19示出了图17中从第二方向观察的光扩散器的结构示意图；

图20示出了本发明的实施例四的光扩散器的结构示意图；

图21示出了图20中从第一方向观察的光扩散器的结构示意图；

图22示出了图20中从第二方向观察的光扩散器的结构示意图；

图23示出了本发明的实施例五的光线从一个方向上被光扩散器整形后的光路的仿真图；

图24示出了本发明的实施例五的光线从另一个方向上被光扩散器整形后的光路的仿真图；

图25示出了本发明的实施例五的光源加光扩散器形成的照度图；

图26示出了本发明的实施例五的光源加光扩散器形成的配光曲线图；

图27示出了本发明的一个可选实施例的光扩散器的制作方法的流程图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、基板；20、光束整形层；21、第一微结构；22、第二微结构；30、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。

由于现有单面diffuser主要采用一个微结构单元的阵列来实现光场分布，所以可实现的光场效果有限，或对光源30光束进行扩散，或对光源30光束进行汇聚，不能在一个方向进行扩散另一个方向进行汇聚。针对现有技术存在的问题，本发明提出一种新型单面diffuser设计，不再采用单一透镜进行阵列，而是通过两个方向的结构对光源30进行两个方向的独立设计，再进行结构的堆叠整合，使光线达到目标要求，使得光扩散器能够实现一个方向汇聚一个方向扩散的效果。

为了解决现有技术中光扩散器存在功能单一的问题，本发明提供了一种能够实现光束分解的光扩散器和光扩散器的制作方法。

如图1至图27所示，能够实现光束分解的光扩散器包括基板10和光束整形层20，光束整形层20设置在基板10的至少一侧表面上，光束整形层20具有微结构，微结构从第一方向观察的形状和从第二方向观察的形状不同，其中，微结构从第一方向观察为第一微结构21，微结构从第二方向观察为第二微结构22。

通过在基板10上设置光束整形层20使得光扩散器能够起到对光扩散的效果，而微结构的设置增大了光线的变化方式也能够实现扩散的效果。通过对第一方向和第二方向上分别设置第一微结构21和第二微结构22，使得光扩散器能在两个方向上对光束的整形不同。

第一微结构21和第二微结构22可以都对光线进行扩散，但是二者的扩散程度不同，第一方向和第二方向中的一个方向对光线扩散程度大，而另一个方向对光线的扩散程度小。

第一微结构21和第二微结构22可以一个对光线进行扩散，另一个对光线进行压缩，就使得第一方向和第二方向中一个方向对光线进行扩散，而另一个方向对光线进行压缩，实现不同光场需求。

通过对需求光束的分解，分别得到第一方向和第二方向的需求光强曲线，将光源30发出的光强在两个方向分别进行光束整形设计后，分别得到两种微结构，将两个结构进行整合，最终形成两个方向扩散角不同的整形光场，在光线接受面形成一个光斑，对光源30的光线在一个方向压缩另一个方向拉伸。通过不同微结构的设计，利用光学的透射和反射原理，实现不同光场需求。

需要说明的是，第一方向为从X轴所在的位置观察，而第二方向为从Y轴所在的位置观察。

如图1、图14、图17和图20所示，第一微结构21的延伸方向与第二微结构22的延伸方向呈角度设置。利用第一微结构21和第二微结构22的交错角度，使两个面形成广场以同样角度耦合，得到需要的光场效果。

需要说明的是，第一微结构21的延伸方向与第二微结构22的延伸方向可以垂直，也可以是其他的角度。

具体的，第一微结构21的延伸方向与第二微结构22的延伸方向之间的夹角α大于0°且小于等于90°。利用第一微结构21和第二微结构22的不同的交错角度，使单独设计的两个面形成的光场以同样角度耦合，可得到需要的光场效果。

可选地，第一微结构21的延伸方向与第二微结构22的延伸方向之间的夹角为90度、60度、45度或30度。

可选地，第一微结构21为柱面透镜、菲尼尔透镜、棱锥、棱镜、梯形球面结构中的一种。第一微结构21可以选择用柱面透镜、菲尼尔透镜、棱锥、棱镜、梯形球面结构中的一种，以使得第一微结构21实现一种光场效果。而第二微结构22为柱面透镜、菲尼尔透镜、棱锥、棱镜、梯形球面结构中的另一种，以使得第二微结构22实现另一种光场效果。而两种光场效果叠加使得光扩散器的不同方向的作用不同。

可选地，第一微结构21和/或第二微结构22为柱面透镜时，垂直于柱面透镜的延伸方向的截面为自由曲面。自由曲面可实现在结构方向的光线扩散，自由曲面设计更加灵活，可实现更多种的光斑形式。

当然，第一微结构21和/或第二微结构22为柱面透镜时，垂直于柱面透镜的延伸方向的截面还可以采用椭圆、棱镜等其他的方式。

可选地，第一微结构21或第二微结构22为菲尼尔透镜时，菲尼尔透镜能够把光线调整成平行光或聚光，实现在第一方向或第二方向上光线的压缩，使得光扩散器在第一方向和第二方向对光的扩散效果不同。

具体的，菲尼尔透镜的齿高大于等于10um且小于等于80um，若菲尼尔透镜的齿高小于10um就使得菲尼尔透镜的齿高过小，使得菲尼尔透镜的效果较差，同时不利于菲尼尔透镜的制作。若菲尼尔透镜的齿高大于80um，使得菲尼尔透镜的高度过大，不利于光扩散器的小型化，同时不利于菲尼尔透镜的脱模。而将菲尼尔透镜的齿高限制在10至80um的范围内，能够便于菲尼尔透镜制作的同时还能够保证菲尼尔透镜对光线的效果。

具体的，菲尼尔透镜的齿距大于等于10um且小于等于2000um。若菲尼尔透镜的齿距小于10um，就使得菲尼尔透镜的齿距过小，不利于菲尼尔透镜的制作。若菲尼尔透镜的齿距大于2000um，就使得菲尼尔透镜的齿距过大，导致菲尼尔透镜的效果不理想，不利于对光线进行压缩。而将菲尼尔透镜的齿距限制在10um至2000um的范围内，能够保证菲尼尔透镜对光线的压缩效果，同时便于菲尼尔透镜的制作。

可选地，光束整形层20设置在基板10的入光侧和/或出光侧。光束整形层20无论在基板10的入光侧还是出光侧，都是利用光线的折反射定律，对光束整形，但是为了减少全反射，优先将光束整形层20设置在基板10的入光侧。

具体的，微结构为多个，相邻两个微结构无缝连接。每个面上的微结构相连接，使得基板10上的入光面均能够通过光束整形层20改变光路，而不会有漏光的情况。若微结构之间有缝隙就会导致漏光的问题，无法实现想要的光斑。

可选地，多个微结构呈周期排列。周期排列设计简单，便于光束整形层20的制作和设计，也可以到达较好的效果，但当和光源30排布成一定比例关系式，光斑可能会产生条纹。

还可以是，多个微结构呈随机排列。微结构也可以是随机排列，设计难度加大，但光斑更均匀，也不会出现条纹的问题。

具体的，第一微结构21和第二微结构22对光束的整形方式相互独立。通过对需求光束的分解，分别针对两个方向进行光束设计，降低设计难度，更容易得到满意结果。同时第一微结构21和第二微结构22对光束的整形方式独立，更容易对微结构进行设计。

具体的，基板10的材料为透明玻璃或塑料。透明玻璃或塑料作为基板，通过在基板10上压印微结构层，以得到光扩散器。透镜玻璃和塑料的材料易获得，作为基板10可以有效减少光扩散器的制作成本。

具体的，光扩散器的制作方法，光扩散器的制作方法用于制作上述的能够实现光束分解的光扩散器，光扩散器的制作方法包括：获取基板10和光刻胶，将光刻胶涂布在基板10上形成光刻胶层；对光刻胶层进行烘烤；对光刻胶层进行曝光；获取显影液，用显影液对基板10上不需要的光刻胶进行溶解；对光刻胶层进行压印，以形成光束整形层20，形成能够实现光束分解的光扩散器。通过在在基板10上匀胶、烘烤、光刻和显影得到具有微结构的母版，在通过压印得到产品，采用光刻和压印技术比传统的开模制样精度更高，周期更短，样品的尺寸也可以做的更小，成本更低。

具体的，在对光刻胶层进行曝光的过程中，采用激光直写对光刻胶层进行选择性曝光。激光直写通过破坏材料的化学性质，在母版写入需要的微结构，再通过选择性曝光将不需要的光刻胶溶解，得到母版结构。

采用均胶机在经过增粘处理的基板10上涂布光刻胶，然后在常规调条件下进行烘烤，通过激光直写进行选择性曝光，用显影液溶解掉不需要的光刻胶，进行对位压印，在进行结构压印时需要对基板10进行对准，显影完成后，密封盒在百级干燥柜内保存，设计输出后，多参数进行验证，性能反馈进行调整。

需要说明的是，在光刻时为了得到微结构面，会破坏除所需结构外的光刻胶的分子结构，而不需要的光刻胶就是指这部分。在显影过程中将破坏了分子结构的光刻胶进行溶解。

需要注意的是：

本发明包含但不限于柱状透镜和菲尼尔结构的组合方式，还包含棱锥、棱镜、梯形、球面等结构的组合。

本发明包含但不限于两个微结构的延伸方向垂直，还包含两个微结构交叉30度、60度等任意角度。

本发明包含但不限于为微米级diffuser设计，还包含毫米级，厘米级，纳米级等透镜设计。

实施例一

如图1至图13所示，主要包含一个vcsel光源30和光扩散器，由光扩散器对光源30进行光束整形，Vcsel光源30提供20°-25°发散角光束，分别对光扩散器的光线第一方向和第二方向进行微结构设计。

本实施例中，利用光扩散器的单面结构堆叠的设计，在第一方向上，采用柱状透镜对光源30发射的光线进行角度扩展，如图5所示；在第二方向上，采用拉伸的菲尼尔透镜对光源30发射的光线进行光线的汇聚，如图7所示；在两个结构整合时，采用第一微结构21沿着第二微结构22的方向进行扫掠(也可以第二微结构22沿着第一微结构21的方向进行扫掠)，使两个微结构的延伸方向相垂直。如图9至图10所示，通过此设计使光线的两个垂直方向分别进行了整形，最终形成两个方向不同的整形光场，在光线接受面形成一个光斑，对光源30的光线在一个方向压缩，另一个方向拉伸。

两个面具有互相独立的光束整形方式，相邻微结构之间无缝连接。其中，柱面结构轮廓为自由曲线设计，优选凸的自由曲线，凹的也能达到基本效果；柱面微透镜采用周期阵列或随机阵列；柱面透镜沿菲尼尔结构扫掠时(或菲尼尔结构沿柱面透结构扫掠时)，两组透镜延伸方向相垂直。

完整的大自由曲面长宽尺寸大小一般为1～1000um，为实现较薄的产品设计，本实施例采用尺寸：柱面单个微透镜为2000um*25um*20um(长*宽*高)；菲尼尔最大齿高为20um，中间齿距300um，其他最大齿距100um；整个diffuser尺寸为2.5mm*2.5mm。

实施例二

与实施例一的区别是，在本实施例中是棱镜加菲尼尔透镜。

如图14至图16所示，利用光扩散器的单面结构堆叠的设计，在第一方向上，采用棱镜对光源30发射的光线进行角度扩展；在第二方向上，采用拉伸的菲尼尔透镜对光源30发射的光线进行光线的汇聚；在两个结构整合时，采用第一微结构21沿着第二微结构22的方向进行扫掠(也可以第二微结构22沿着第一微结构21的方向进行扫掠)，使两个微结构的延伸方向相垂直。通过此设计使光线的两个垂直方向分别进行了整形，最终形成两个方向不同的整形光场，在光线接受面形成一个光斑，对光源30的光线在一个方向压缩，另一个方向拉伸。

实施例三

与实施例二的区别是，菲尼尔透镜与棱镜之间的角度不同。

如图17至图19所示，第一方向上，采用棱镜对光源30发射的光线进行角度扩展，在第二方向上，采用拉伸的菲尼尔透镜对光源30发射的光线进行光线的汇聚，且菲尼尔透镜与棱镜交叉60度。通过此设计使光线的两个垂直方向分别进行了整形，最终形成两个方向不同的整形光场，在光线接受面形成一个光斑，对光源30的光线在一个方向压缩，另一个方向拉伸。

实施例四

与实施例一的区别是，微透镜的结构不同。

如图20至图22所示，第一方向上，采用自由曲面对光源30发射的光线进行整形，而在第二方向上，采用棱镜对光源30发射的光线进行整形，自由曲面和棱镜交叉45度。通过此设计使光线的两个垂直方向分别进行了整形，最终形成两个方向不同的整形光场，在光线接受面形成一个光斑。

实施例五

与实施例一的区别是，光束整形层设置在基板10的出光侧。

如图23至图26所示，可以看出光束整形层设置在基板10的出光侧能够实现两个方向上不同的光束整形效果。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、本申请中的光扩散器可以实现传统光扩散器达不到的角度范围，增加了产品的应用场景；

2、通过对需求光束在第一方向和第二方向的分解，分别进行第一方向和第二方向光束整形的设计，最终将两种微结构整合，此方法设计更加灵活，不受某一方向光路的限制。

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 (10)

1.一种能够实现光束分解的光扩散器，其特征在于，包括：

基板(10)；

光束整形层(20)，所述光束整形层(20)设置在所述基板(10)的至少一侧表面上，所述光束整形层(20)具有微结构，所述微结构从第一方向观察的形状和从第二方向观察的形状不同，

其中，所述微结构从第一方向观察为第一微结构(21)，所述微结构从第二方向观察为第二微结构(22)。

2.根据权利要求1所述的能够实现光束分解的光扩散器，其特征在于，所述第一微结构(21)的延伸方向与所述第二微结构(22)的延伸方向呈角度设置。

3.根据权利要求1所述的能够实现光束分解的光扩散器，其特征在于，所述第一微结构(21)的延伸方向与所述第二微结构(22)的延伸方向之间的夹角α大于0°且小于等于90°。

4.根据权利要求1所述的能够实现光束分解的光扩散器，其特征在于，

所述第一微结构(21)为柱面透镜、菲尼尔透镜、棱锥、棱镜、梯形球面结构中的一种；

所述第二微结构(22)为柱面透镜、菲尼尔透镜、棱锥、棱镜、梯形球面结构中的一种。

5.根据权利要求4所述的能够实现光束分解的光扩散器，其特征在于，所述第一微结构(21)和/或所述第二微结构(22)为柱面透镜时，垂直于所述柱面透镜的延伸方向的截面为自由曲面。

6.根据权利要求4所述的能够实现光束分解的光扩散器，其特征在于，所述第一微结构(21)或所述第二微结构(22)为菲尼尔透镜时，

所述菲尼尔透镜的齿高大于等于10um且小于等于80um；和/或

所述菲尼尔透镜的齿距大于等于10um且小于等于2000um。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的能够实现光束分解的光扩散器，其特征在于，所述光束整形层(20)设置在所述基板(10)的入光侧和/或出光侧。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的能够实现光束分解的光扩散器，其特征在于，所述微结构为多个，相邻两个所述微结构无缝连接。

9.根据权利要求8所述的能够实现光束分解的光扩散器，其特征在于，

多个所述微结构呈周期排列；或者

多个所述微结构呈随机排列。

10.一种光扩散器的制作方法，其特征在于，所述光扩散器的制作方法用于制作权利要求1至9中任一项所述的能够实现光束分解的光扩散器，所述光扩散器的制作方法包括：

获取基板(10)和光刻胶，将所述光刻胶涂布在所述基板(10)上形成光刻胶层；

对所述光刻胶层进行烘烤；

对所述光刻胶层进行曝光；

获取显影液，用所述显影液对所述基板(10)上不需要的所述光刻胶进行溶解；

对所述光刻胶层进行压印，以形成光束整形层(20)，形成所述能够实现光束分解的光扩散器。

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