CN114488364A - 微透镜阵列装置 - Google Patents

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Abstract

一种微透镜阵列装置包含基板及微透镜阵列。该微透镜阵列设置于该基板上，且包含多个第一透镜及多个第二透镜。每个第一透镜用以投射第一图案至远场上，每个第二透镜用以投射第二图案至该远场上。该第一图案于该远场上具有第一面积，该第二图案于该远场上具有第二面积，该第一面积不同于该第二面积，该两图案之一完全重叠于该两图案的另一中。

Description

微透镜阵列装置
【技术领域】
本发明关于一种微透镜阵列装置，尤指一种用以投射至少两图案以改善对于投射光的控制的微透镜阵列装置。
【背景技术】
在需要控制照明场景的应用中，诸如飞时测距(time-of-flight，ToF)及三维感应系统等，可用微透镜阵列(microlens arrays，MLAs)产生所需的光图案。普通的规则微透镜阵列可提供对称的光图案(例如矩形或六角形的图案)，且对称的光图案常具有单纯的光强度分布。
然而，使用普通的规则微透镜阵列，甚难产生光强度分布较复杂的光图案，所述较复杂的光强度分布，可例如几何叠加图案或非对称图案的分布。
在本领域，尚缺适当的解决方案，以提供光强度分布较复杂的光图案，此已然导致进阶应用方面的难题。
【发明内容】
本发明的实施例提供一种微透镜阵列装置，包含基板及微透镜阵列。该微透镜阵列设置于该基板上，包含多个第一透镜及多个第二透镜。每个第一透镜用以投射第一图案至远场上。每个第二透镜用以投射第二图案至该远场上。该第一图案在该远场上具有第一面积，该第二图案在该远场上具有第二面积，该第一面积不同于该第二面积，且该两图案中之一完全重叠于该两图案中的另一中。
【附图说明】
图1为本发明实施例中的微透镜阵列装置的侧视图。
图2为图1的微透镜阵列装置投射于远场的第一图案及第二图案的示意图。
图3至图5为本发明不同实施例中的投射于远场的图案的示意图。
图6至图8为本发明不同实施例中的微透镜阵列装置的侧视图。
【符号说明】
100、600、700、800：微透镜阵列装置
105：基板
110：微透镜阵列
151、152：透镜
610、710：抗反射涂层
810：折射率匹配层
F：远场
P1、P2：图案
R1、R2、R3、R4：区域
【具体实施方式】
为了产生光分布更复杂的光图案以支持更多应用，本发明的实施例可提供一种微透镜阵列装置。本文所述的附图仅为举例，用以解释实施例，而非限制实施例的范围。
图1为本发明实施例中的微透镜阵列装置100的侧视图。图2为图1的微透镜阵列装置100投射于远场F的第一图案P1及第二图案P2的示意图。
如图1所示，微透镜阵列装置100可包含基板105及微透镜阵列110。微透镜阵列110可设置于基板105上，且包含多个第一透镜151及多个第二透镜152。每个第一透镜151可用以投射第一图案P1至远场F上，且每个第二透镜152可用以投射第二图案P2至远场F上。
第一图案P1在远场F上具有第一面积，第二图案P2在远场F上具有不同于第一面积的第二面积；举例而言，如图2所示，第一图案P1的第一面积大于第二图案P2的第二面积。两图案P1及P2之一可完全重叠于两图案P1及P2的另一中。举例而言，如图2所示，第二图案P2可完全重叠于第一图案P1之中。第一图案P1及第二图案P2投射于远场F上，且第一图案P1及第二图案P2的形状可实质上相同或不同。
在图1及图2中，两种透镜(亦即透镜151及152)可用以产生两图案P1及P2，且图案P1及P2可形成具更复杂的光分布的图案。然而，图1及图2仅为举例，用以叙述实施例的原理。根据所需的光图案，除了透镜151及152之外，尚可使用多个第三透镜，或更多种透镜。通过包含至少两种不同透镜的微透镜阵列，可产生两种或更多种图案，且所产生的光图案可具有更复杂的光分布，从而支持更复杂及先进的应用。图2仅为概念示意图，具更多细节的图式，将叙于下文，以作为举例。
图1及图2中，第一透镜151的数量可对应于第一图案P1的光强度，且第二透镜152的数量可对应于第二图案P2的光强度。举例而言，若第一透镜151的数量为N1，且第二透镜152的数量为N2，则可通过控制比例N1/N2，从而控制第一图案P1及第二图案P2的光强度的差值及对比。
第一透镜151及第二透镜152的数量的比例可进行改变；换言之，上述的数量N1、数量N2及比例N1/N2，可随需求而调整。
根据实施例，第一透镜151及第二透镜152可具有相同的表面类型(surfacetype)。根据其他实施例，每个第一透镜151及每个第二透镜152可具有不同的透镜轮廓(lens profile)、不同的表面类型及/或不同的间距(pitch)。
根据实施例，第一透镜151及第二透镜152可随机排列于基板105上。经观测投射于远场F的图案P1及P2后，可调整基板105上的透镜151及152的排列，从而优化图案P1及P2。
图3为本发明实施例中投射于远场F的图案P1及P2的示意图。图3中，X轴及Y轴分别为横轴及纵轴，且光强度指标(index)示于右方。X轴及Y轴的数字的单位，可为预定或归一化(normalize)的角度单位，例如度。光强度指针的数字的单位，可为预定或归一化的强度单位。光强度指针上的密度，可对应于左侧所示的图案的密度，且光强度指标可标示不同的光(辐射)强度。
如图3所示，图案P1可约略为矩形；举例而言，图案P1的形状可约略为具圆角的矩形。如图3所示，图案P2可约略为环形，且图案P1内部的光强度变化并不显著。图3所示的图案P2，由于图案P2的边缘的光强度大于图案P2的内部的光强度，故图案P2可显示具有较显著的光强度的环形。通过图案P1的相对均匀的光强度分布、及图案P2的相对显著的光强度变化，可实现具内部环形的近似矩形的光图案。
根据本发明实施例，可调整透镜151及152的每一透镜的透镜轮廓，以调整投射于远场F的图案的边缘及内部之间的光变化。举例而言，当透镜轮廓对应于较深且陡的透镜形状，则边缘及内部之间的光对比(contrast)可较高；换言之，图案的明与暗可更区隔且分明。另一情况中，当透镜轮廓对应于较浅且缓的透镜形状，则边缘及内部之间的光对比可较低；换言之，图案的明与暗可更不分明。通过调整透镜的透镜轮廓，可产生不同的图案，如图4及图5所示。
图4为本发明另一实施例中的投射于远场F的图案P1及P2的示意图。图3及图4的相似处不另重述。图4中，图案P1具有环形，且图案P2实质上约略具有矩形，但此仅为举例，而非限制实施例的样态。相较于图3，图4中，图案P1及P2的每一者的边缘及内部的光对比可更高。
如图4所示，图案P1及P2形成的图案可大略区分为区域R1、R2、R3及R4。区域R1对应于图案P1的边缘，区域R2介于图案P1及P2的边缘之间，区域R3对应于图案P2的边缘，且区域R4对应于图案P2的内部。如图4所示，由于图案P1及P2的每一者的边缘及内部的光对比较高(如上文所述)，故区域R1、R2、R3及R4的光强度可呈现为较亮、较暗、较亮及较暗的分布。若将较亮的区域R1及R3视为两个“子图案”，则因为区域R2较暗，图4所示的子图案R1与子图案R3几乎互不相连。
图5为本发明另一实施例中的投射于远场F的图案P1及P2的示意图。图5相似于图4，相似之处不另重述。然而，图5的图案P1可具有非对称形状。图1及图5中，每个透镜151可为自由表面类型，以投射非对称形状的图案。此外，透镜151及152的每一者可为非球面类型，以调整所投射的图案的形状。
如图3至图5所示，通过图1的微透镜阵列装置，及调整透镜的透镜轮廓，可投射更复杂的形状，以支持更先进的应用。
根据实施例，可改善所投射的图案的质量。如图1所示，可采用多个透镜151及透镜152，当相同轮廓的透镜被规则排列于阵列时，所投射的图案将有不期望发生的光斑(speckles)。因此，可调整透镜的曲率半径及/或圆锥常数，以减少光斑及改善图案的质量。曲率半径及圆锥常数的调整方式，如下所述。
关于透镜轮廓，透镜的轮廓及形状可如等式eq-1所述：
sag＝f(C,r,K)…eq-1
其中，f()可为预定函数，sag可相关于透镜的曲率程度，C可为曲率，r可为透镜上的一位置到透镜中心的距离，K可为圆锥常数。举例而言，C可等于1/R，其中R可为曲率半径。于此，R及r可表示相关于透镜的不同特征。举例而言，等式eq-1可表示(但不限定)为等式eq-2：
Figure BDA0003012870030000051
等式eq-2仅为举例，非用以限制实施例的范围。
举例而言，多个透镜151的第i透镜151可具有第i曲率半径Ri，第i曲率半径Ri可根据预定曲率半径R0及第i调整半径ΔRi而产生，如等式eq-3所述：
Ri＝g(R0,ΔRi)…eq-3
其中，g()可为预定函数，i为大于0的整数，且透镜151的数量(如上述的N1)可大于或等于i。举例而言，第i曲率半径Ri可由预定曲率半径R0加上第i调整半径ΔRi而产生；换言之，等式eq-3可表示为等式eq-4：
Ri＝R0+ΔRi…eq-4
等式eq-4仅为举例，而非用以限制实施例的范围。
第i调整半径ΔRi可由预定范围中，根据机率分布函数挑选一数值而求得。举例而言，预定曲率半径R0可为-6微米(um)，预定范围可为-0.5微米至+0.5微米，且第i调整半径ΔRi可由预定范围(亦即-0.5微米至+0.5微米)中挑选。举例而言，所述的机率分布函数可为均匀分布函数，常态分布函数或适宜的分布函数。根据另一实施例，亦可通过从预定范围中随机挑选一数值以得到第i调整半径ΔRi。
关于圆锥常数K，可调整每个透镜的圆锥常数K，以于所投射的图案中，减少不欲发生的光斑。举例而言，多个透镜151的第i透镜151可具有第i圆锥常数Ki，第i圆锥常数Ki可根据预定圆锥常数K0及第i调整常数ΔKi而产生，如等式eq-5所述：
Ki＝h(K0,ΔKi)…eq-5
其中，h()可为预定函数，i为大于0的整数，且透镜151的数量(如上述的N1)可大于或等于i。举例而言，第i圆锥常数Ki可由预定圆锥常数K0加上第i调整常数ΔKi而产生；换言之，等式eq-5可表示为等式eq-6：
Ki＝K0+ΔKi…eq-6
等式eq-6仅为举例，而非用以限制实施例的范围。
第i圆锥常数ΔKi可由预定范围中，根据机率分布函数挑选一数值而求得。举例而言，所述的机率分布函数可为均匀分布函数，常态分布函数或适宜的分布函数。根据另一实施例，亦可通过从预定范围中随机挑选一数值，以得到第i圆锥常数ΔKi。
上文提及的第i透镜151仅用以举例；同理，每个透镜152可具有曲率半径及圆锥常数，其中曲率半径可根据预定曲率半径及调整半径而产生，且圆锥常数可根据预定圆锥常数及调整常数而产生。
图6为本发明另一实施例中的微透镜阵列装置600的侧视图。相较于图1的微透镜阵列装置100，微透镜阵列装置600另包含抗反射(anti-reflective)涂层610，用以降低反射及提高透射率。如图6所示，基板105可具有第一面1051及第二面1052，微透镜阵列110可设置于第一面1051，且抗反射涂层610可设置于第二面1052。
图7为本发明另一实施例中的微透镜阵列装置700的侧视图。如图7所示，抗反射涂层710可设置于微透镜阵列110上，且用以降低反射及提高透射率，其中微透镜阵列110可位于抗反射涂层710及基板105之间。
根据本发明另一实施例，可同时施用图6的抗反射涂层610及图7的抗反射涂层710。
图8为本发明另一实施例中的微透镜阵列装置800的侧视图。如图8所示，折射率匹配(index matching，IM)层810可设置于微透镜阵列110上，且用以保护微透镜阵列110，其中微透镜阵列110可位于折射率匹配层810及基板105之间。如有须要，外部组件可选择性地设置于折射率匹配层810之上。
总上，通过本发明实施例的微阵列装置，可在远场上投射具有复杂光强度分布及形状的特定光图案。换言之，可改善对于投射光图案的相关控制。举例而言，关于激光均值化(laser homogenization)、飞时测距(ToF)及三维感测等先进应用，可获得更佳的支持。根据本发明实施例，通过调整透镜轮廓，可减少不期望发生的光斑，从而提高所投射的光图案的质量。因此，对于本领域的诸多难题，可提供解决方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种微透镜阵列装置，包含：
基板；及
微透镜阵列，设置于所述基板上，所述微透镜阵列包含：
多个第一透镜，每个第一透镜用以投射第一图案至一远场上；及
多个第二透镜，每个第二透镜用以投射第二图案至所述远场上；
其中，所述第一图案在所述远场上具有第一面积，所述第二图案在所述远场上具有第二面积，所述第一面积不同于所述第二面积，且所述两图案中之一完全重叠于所述两图案的另一中。
2.根据权利要求1所述的微透镜阵列装置，其中所述第一图案具有近似矩形的形状。
3.根据权利要求1所述的微透镜阵列装置，其中所述第二图案具有环形形状。
4.根据权利要求1所述的微透镜阵列装置，其中所述多个第一透镜的数量对应于所述第一形状的第一光强度，且所述多个第二透镜的数量对应于所述第二形状的第二光强度。
5.根据权利要求1所述的微透镜阵列装置，其中第i第一透镜具有第i曲率半径，所述第i曲率半径根据预定曲率半径及第i调整半径而产生，i为大于0的整数，且所述多个第一透镜的数量大于或等于i。
6.根据权利要求5所述的微透镜阵列装置，其中所述第i曲率半径由所述预定曲率半径及所述第i调整半径相加而产生。
7.根据权利要求5所述的微透镜阵列装置，其中所述第i调整半径由预定范围中根据机率分布函数挑选一数值而求得。
8.根据权利要求5所述的微透镜阵列装置，其中所述第i调整半径由预定范围中随机挑选一数值而求得。
9.根据权利要求1所述的微透镜阵列装置，其中第i第一透镜具有第i圆锥常数，所述第i圆锥常数根据预定圆锥常数及第i调整常数而产生，i为大于0的整数，且所述多个第一透镜的数量大于或等于i。
10.根据权利要求9所述的微透镜阵列装置，其中所述第i圆锥常数由所述预定圆锥常数及所述第i调整常数相加而产生。
11.根据权利要求9所述的微透镜阵列装置，其中所述第i调整常数由预定范围中根据机率分布函数挑选一数值而求得。
12.根据权利要求9所述的微透镜阵列装置，其中所述第i调整常数由预定范围中随机挑选一数值而求得。
13.根据权利要求1所述的微透镜阵列装置，其中所述多个第一透镜的透镜轮廓被调整，以调整所述第一图案的边缘及内部之间的光变化。
14.根据权利要求1所述的微透镜阵列装置，其中每个第一透镜为自由表面类型，且所述第一图案具有非对称形状。
15.根据权利要求1所述的微透镜阵列装置，其中每个第一透镜为非球面类型。
16.根据权利要求1所述的微透镜阵列装置，其中所述基板具有第一面及第二面，所述微透镜阵列设置于所述基板的所述第一面，且所述微透镜阵列装置还包含：
抗反射涂层，设置于所述基板的所述第二面，且用以降低反射及提高透射率。
17.根据权利要求1所述的微透镜阵列装置，还包含抗反射涂层，设置于所述微透镜阵列上，且用以降低反射及提高透射率，其中所述微透镜阵列位于所述抗反射涂层及所述基板之间。
18.根据权利要求1所述的微透镜阵列装置，还包含折射率匹配层，设置于所述微透镜阵列上，且用以保护所述微透镜阵列，其中所述微透镜阵列位于所述折射率匹配层及所述基板之间。
19.根据权利要求1所述的微透镜阵列装置，其中每个第一透镜及每个第二透镜具有不同的透镜轮廓、不同的表面类型及/或不同的间距。
20.根据权利要求1所述的微透镜阵列装置，其中所述多个第一透镜及所述多个第二透镜随机排列于所述基板上。
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