CN115185023B - 微透镜结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微透镜结构。微透镜结构包括：光线入射面、光线出射面和全反射面，光线入射面与光线出射面相对设置，全反射面连接光线入射面和光线出射面以形成微透镜结构；其中，光线入射面至少包括平面区域和自由曲面微结构区域，光线出射面为微透镜阵列面。本发明解决了现有技术中的微透镜结构与大发散角度光源之间存在适配性差的问题。

Description

微透镜结构

技术领域

本发明涉及光学显示设备技术领域，具体而言，涉及一种微透镜结构。

背景技术

微透镜结构的类型多种多样，以扩散器为例。目前行业内diffuser(扩散器)主要应用于TOF测距、人脸识别、汽车雷达、HUD(抬头显示)等。与diffuser匹配的光源主要是发散角度较小、光强截止性较好的VCSEL，扩散器与大发散角度的LED等光源适配性欠佳，原因是光源以大角度倾斜入射扩散器后在出射面易发生全反射，导致大角度的光束无法出射，导致系统出光效率低下。但VCSEL价格较LED高，若能使用LED达到与VCSEL等同的效果，便能将系统的价格下降，降低系统的使用成本。

也就是说，现有技术中的微透镜结构与大发散角度光源之间存在适配性差的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种微透镜结构，以解决现有技术中的微透镜结构与大发散角度光源之间存在适配性差的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种微透镜结构，包括：光线入射面、光线出射面和全反射面，光线入射面与光线出射面相对设置，全反射面连接光线入射面和光线出射面以形成微透镜结构；其中，光线入射面至少包括平面区域和自由曲面微结构区域，光线出射面为微透镜阵列面。

进一步地，平面区域位于光线入射面的中心位置，自由曲面微结构区域绕平面区域的周向连续设置。

进一步地，光线入射面还包括菲涅尔区域，菲涅尔区域呈环状，环状的菲涅尔区域位于平面区域与自由曲面微结构区域之间。

进一步地，平面区域位于光线入射面的中心位置，平面区域的外周缘与光线入射面的中心位置之间的最大距离R_{1_max}满足：

R_{1_max}＝d_s*tanθ_c

其中，d_s为外部光源与平面区域之间的距离；θ_c为光线在微透镜结构的光线出射面发生全反射的临界角。

进一步地，θ_c满足：

θ_c＝arcsin(1/n)

其中，n为微透镜结构的折射率，微透镜结构的折射率n大于等于1.3且小于等于2.2。

进一步地，外部光源与平面区域之间的距离d_s在大于0mm且小于等于0.5mm的范围内。

进一步地，自由曲面微结构区域包括多段旋转对称的环形结构，多段环形结构沿远离光线入射面的中心位置同心设置，各段环形结构的折射光束之间存在重叠区域；或者自由曲面微结构区域被分为多个独立设置的区，各区上均具有阵列设置的多个自由曲面。

进一步地，全反射面由母线沿微透镜结构的中心线旋转而成，母线为直线或曲线，母线上一个点的切线与水平线的夹角在大于等于40°且小于等于70°的范围内；和/或光线出射面包括微透镜阵列面，微透镜阵列面包括多个微透镜周期阵列或随机阵列而成。

进一步地，光线入射面和/或光线出射面的最大矢高hmax在5um-200um的范围内。

进一步地，光线入射面还包括菲涅尔区域，菲涅尔区域位于平面区域与自由曲面微结构区域之间，菲涅尔区域收缩后的光束的发散角θ₂、入射光束入射至平面区域经平面区域折射后的边缘光线与微透镜结构的中心线之间的夹角θ₁、全反射面用于反射自由曲面微结构区域折射后的光束，反射后的光束的边缘光线与垂线的最大夹角θ₃，θ₂、θ₁、θ₃均小于θ_c；和/或θ₂、θ₁、θ₃的最大值均在27°至50°的范围内。

应用本发明的技术方案，微透镜结构包括光线入射面、光线出射面和全反射面，光线入射面与光线出射面相对设置，全反射面连接光线入射面和光线出射面以形成微透镜结构；其中，光线入射面至少包括平面区域和自由曲面微结构区域，光线出射面为微透镜阵列面。

通过在光线入射面设置平面区域和自由曲面微结构区域，光线出射面为微透镜阵列面，采用双面都具有特殊结构的微透镜结构实现对光束的折射和全反射，通过光线入射面对大发散角度的光束进行分区域调制，使得大发散角度的光源发射的光束能够大部分被微透镜结构收集，最终达到与VCSEL等小发散角光源同等光出射效率的效果，克服了常规微透镜结构不适用大发散角光源的问题。同时通过光线入射面、光线出射面和全反射面的特殊设计和配合，能够有效规划入射的光束的走向，规划了光束路径，保证了最终输出的稳定性，使得本申请的微透镜结构不仅适用于小发散角度的光源，还适用于大发散角度的光源，大大扩大了应用范围，增加了通用性；另外省去了用于聚光的元件，节约了成本。

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微透镜结构的一个角度的示意图；

图2示出了图1中的微透镜结构的另一个角度的示意图；

图3示出了图1中的微透镜结构的另一个角度的示意图；

图4示出了外部光源发射的光束经图1中的平面区域折射的光路图；

图5示出了外部光源发射的光束经图1中的菲涅尔区域准直的光路图；

图6示出了外部光源发射的光线入射至图1中的自由曲面微结构区域的光路图；

图7示出了外部光源发射的光线入射至图1中的自由曲面微结构区域的光路图；

图8示出了本发明的实施例二的微透镜结构的一个角度的示意图；

图9示出了图8中的微透镜结构的另一个角度的示意图；

图10示出了图8中的微透镜结构的另一个角度的示意图；

图11示出了本发明的实施例三的微透镜结构的一个角度的示意图；

图12示出了图11中的微透镜结构的另一个角度的示意图；

图13示出了图11中的微透镜结构的另一个角度的示意图；

图14示出了本发明的实施例四的微透镜结构的一个角度的示意图；

图15示出了图14中的微透镜结构的另一个角度的示意图；

图16示出了图14中的微透镜结构的另一个角度的示意图；

图17示出了LED取0-70°光场时的裸光源的光场分布图；

图18示出了图17中的LED的光斑分布图；

图19示出了LED取0-70°光场时，经实施例一的微透镜结构出射后的光场分布图；

图20示出了图19中的经实施例一的微透镜结构出射后的光斑分布图；

图21示出了本发明的一个可选实施例的微透镜结构的全反射面的形成示意图；

图22示出了图21中的A处的放大图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、光线入射面；11、平面区域；12、自由曲面微结构区域；123、环形结构；13、菲涅尔区域；20、光线出射面；30、全反射面；40、中心线；50、垂线。

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。

为了解决现有技术中的微透镜结构与大发散角度光源之间存在适配性差的问题，本发明提供了一种微透镜结构。

如图1至图22所示，微透镜结构包括光线入射面10、光线出射面20和全反射面30，光线入射面10与光线出射面20相对设置，全反射面30连接光线入射面10和光线出射面20以形成微透镜结构；其中，光线入射面10至少包括平面区域11和自由曲面微结构区域12，光线出射面20为微透镜阵列面。

通过在光线入射面10设置平面区域11和自由曲面微结构区域12，光线出射面20为微透镜阵列面，采用双面都具有特殊结构的微透镜结构实现对光束的折射和全反射，通过光线入射面10对大发散角度的光束进行分区域调制，使得大发散角度的光源发射的光束能够大部分被微透镜结构收集，最终达到与VCSEL等小发散角光源同等光出射效率的效果，克服了常规微透镜结构不适用大发散角光源的问题。同时通过光线入射面10、光线出射面20和全反射面30的特殊设计和配合，能够有效规划入射的光束的走向，规划了光束路径，保证了最终输出的稳定性，使得本申请的微透镜结构不仅适用于小发散角度的光源，还适用于大发散角度的光源，大大扩大了应用范围，增加了通用性；另外省去了用于聚光的元件，节约了成本。

具体的，平面区域11位于光线入射面10的中心位置，自由曲面微结构区域12绕平面区域11的周向连续设置。为保证光束在经平面区域11折射后的出光效率，平面区域11的外周缘与光线入射面10的中心位置之间的最大距离R_{1_max}满足：

R_{1_max}＝d_s*tanθ_c

其中，d_s为外部光源与平面区域11之间的距离；θ_c为光线在微透镜结构的光线出射面发生全反射的临界角。其中，θ_c由下面公式决定：θ_c＝arcsin(1/n)；其中，n为微透镜结构的折射率，微透镜结构的折射率n优选大于等于1.3且小于等于2.2。为了减小外部光源与微透镜结构配合形成的模块的整体体积，需要保证d_s尽量小；外部光源与平面区域11之间的距离d_s在大于0mm且小于等于0.5mm的范围内，优选地，d_s在大于0.015mm且小于等于0.3mm的范围内。

需要说明的是，在本申请的实施例中，平面区域11为圆形，上述R_{1_max}也可理解为保证平面区域11出光效率的最大半径，但是平面区域11不限于圆形，可为任意闭合曲线围成的区域。当然，可根据设计需要，平面区域11的半径也可超过R_{1_max}，R_{1_max}仅为平面区域11最大半径的优选值。

在本申请的一个可选实施例中，光线入射面10还包括菲涅尔区域13，菲涅尔区域13呈环状，环状的菲涅尔区域13位于平面区域11与自由曲面微结构区域12之间。菲涅尔区域13包括多个间隔或顺次设置的齿形结构，以保证菲涅尔区域13收缩光束发散角的作用，进而使得外部的大发散角度的光源发射的大角度光束入射至菲涅尔区域13时光束的角度能够被菲涅尔区域13收缩，以保证光束入射的效率，避免了光束的损失。需要说明的是，在本申请中平面区域11和自由曲面微结构区域12为固有部分，菲涅尔区域13是可选部分，可设置也可不设置，根据具体需求进行选择；这样设置使得本申请的微透镜结构能够提供多种区域组合方式，可根据具体设计条件及要求灵活选用，增加了适用范围，保证了通用性。

在本申请的一个实施例中，自由曲面微结构区域12也是环形的区域；自由曲面微结构区域12包括多段旋转对称的环形结构123，多段环形结构123沿远离光线入射面10的中心位置同心设置，各段环形结构123均为首尾连接的圆环状，各段环形结构123的半径不相同；各段环形结构123的折射光束之间存在重叠区域，各环形结构123均为一个具有曲面的透镜；或者，在本申请的另一个实施例中，自由曲面微结构区域12被分为多个独立设置的区，各区上均具有阵列设置的多个自由曲面。自由曲面微结构区域12能够将光源大发散角部分折射至全反射面30，这能达到较好的混光效果。

如图21所示，全反射面30由母线沿微透镜结构的中心线40旋转而成，母线为直线或曲线，母线上的任意一个点的切线与水平线的夹角a优选在大于等于40°且小于等于70°的范围内。

具体的，光线出射面20为微透镜阵列面，微透镜阵列面包括多个微透镜周期阵列或随机阵列而成。每个微透镜位置做随机移动，面型可沿XYZ三个维度随机拉伸或压缩；在本申请中，各微透镜的俯视图为多边形。

如图22所示，光线入射面10和光线出射面20的最大矢高hmax(区域内的最高与最低点之差)优选在5um-200um的范围内。这样设置有利于保证光线入射面10和光线出射面20的使用可靠性。

如图4至图7所示，菲涅尔区域13收缩后的光束的发散角为θ₂、入射光束入射至平面区域11经平面区域11折射后的边缘光线与微透镜结构的中心线40之间的夹角为θ₁、全反射面30用于反射自由曲面微结构区域12折射后的光束，反射后的光束沿垂线50的左右均有分布，两侧的边缘光线与垂线50的最大夹角为θ₃，θ₃＝max(θ₃₁，θ₃₂)；优选，θ₂、θ₁、θ₃均小于θ_c；根据微透镜结构的材料的全反射角，θ₂、θ₁、θ₃的最大值优选在27°至50°的范围内。

下面结构具体实施例和附图描述本申请的微透镜结构。

实施例一

如图1至图7所示，描述了实施例一的微透镜结构。

如图1和图2所示，示出了本申请的微透镜结构的光线入射面10、光线出射面20和全反射面30。

如图3所示，在本实施例中，光线入射面10包括位于中心位置的平面区域11，和环绕平面区域11的自由曲面微结构区域12，还有位于平面区域11与自由曲面微结构区域12之前的菲涅尔区域13。其中，自由曲面微结构区域12为多段旋转对称的环形结构123；光线出射面20包括多个微透镜阵列形成的微透镜阵列面。外部光源发射的光束照射在光线入射面10的三个区域：平面区域11、菲涅尔区域13、自由曲面微结构区域12。

如图4所示，为外部光源发射的光束经平面区域11折射至微透镜结构内部的光路图，其中入射光束入射至平面区域11经平面区域11折射后的边缘光线与微透镜结构的中心线40之间的夹角为θ₁，θ₁也可以理解为平面区域11的光束发散角。

如图5所示，为外部光源发射的光束入射至菲涅尔区域13，经菲尼尔区域准直后的光路图；由图中可知，光束被准直后，光束汇集，光束的发散角减小，进入微透镜结构内部的光束发散角为θ₂。

如图6和图7所示，为外部光源发射的光线入射至自由曲面微结构区域12的光路图。自由曲面微结构区域12由多段环形的微透镜曲面构成，入射到该部分的光束分别经由各段微透镜曲面折射，各段折射后的光束在微透镜结构内传播一段距离后达到全反射面30，再经全反射面30反射，反射后的光束发散角为θ₃，需要注意的是θ₃为各段微透镜曲面折射并经反射后的光束中发散角的最大值。

综上，经光线入射面10三个区域的三部分光束分别以θ₂、θ₁、θ₃照射到光线出射面20，光线出射面20设有微透镜阵列面，三部分光束经光线出射面20的微透镜阵列面折射后从微透镜结构传播出来，形成目标光场分布，朝目标方向继续传播。

实施例二

如图8至图10所示，描述了实施例二的微透镜结构。与实施例一的区别在于光线入射面10仅包括平面区域11和自由曲面微结构区域12；没有菲涅尔区域13。

如图8和图9所示，示出了本申请的微透镜结构的光线入射面10、光线出射面20和全反射面30。自由曲面微结构区域12为多段旋转对称的环形结构123。

在本实施例中，与实施例一相比，缺少了菲涅尔区域13，光束从光源发出，照射到光线入射面10时，仅分为两部分：照射在平面区域11的部分及照射在自由曲面微结构区域12的部分，光路传播与实例一中对应的两个区域相同。

实施例三

如图11至图13所示，描述了实施例三的微透镜结构。与实施例二的区别是，自由曲面微结构区域12的结构形式不同。

如图11和图12所示，示出了本申请的微透镜结构的光线入射面10、光线出射面20和全反射面30。本实施例的光线入射面10没有菲涅尔区域13；自由曲面微结构区域12由多个微透镜阵列而成。

具体的，本实施例与实施例二的区别在于自由曲面微结构区域12的多段环状结构不是旋转对称结构，替代地，在本实施例中自由曲面微结构区域12被分为多个独立设置的区，各区上均具有阵列设置的多个自由曲面，该区可以是大小不规则的矩形区(边缘矩形被微透镜结构外围轮廓线切割，形成非完整矩形)，每个矩形区均为独立的自由曲面，光束入射到每个矩形曲面入射到该面的光束折射至微透镜结构中，再经全反射面30反射成发散角为θ₃的光束，最终在光线出射面20出射。平面区域11的光路传播与实施例一和实施例二中的一致。

实施例四

如图14至图16所示，描述实施例四的微透镜结构。与实施例三的区别是，本实施例具有菲涅尔区域13。

如图14所示，示出了本申请的微透镜结构的光线入射面10、光线出射面20和全反射面30。本实施例的光线入射面10有菲涅尔区域13；自由曲面微结构区域12的结构形式与实施例三相同。

如图16所示，本实施例在实施例三的基础上在平面区域11与自由曲面微结构区域12之间增加了菲涅尔区域13，经菲涅尔区域13的光路传播与实施例一中的一致。

综上，在本申请中，外部的光源可以是小发散角度的VCSEL，也可以是大发散角度的LED，如图17所示，为LED取0-70°光场时，裸光源的光场分布；如图18所示，为LED取0-70°光场时，裸光源的光斑分布；如图19和图20所示，分别为LED取0-70°光场时，经实施例一的微透镜结构出射后的光场分布和光斑分布。其他三个实施例也均能达到此类效果，图中并未示出。

另外，本申请的微透镜结构可应用在人工智能机器视觉领域，尤其涉及机器测距、避障功能模块；具体的，可应用在TOF、人脸识别、汽车雷达等模组上。

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 (5)

1.一种微透镜结构，其特征在于，包括：

光线入射面（10）、光线出射面（20）和全反射面（30），所述光线入射面（10）与所述光线出射面（20）相对设置，所述全反射面（30）连接所述光线入射面（10）和所述光线出射面（20）以形成所述微透镜结构；

其中，所述光线入射面（10）至少包括平面区域（11）和自由曲面微结构区域（12），所述光线出射面（20）为微透镜阵列面；

所述平面区域（11）位于所述光线入射面（10）的中心位置，所述自由曲面微结构区域（12）绕所述平面区域（11）的周向连续设置；所述光线入射面（10）还包括菲涅尔区域（13），所述菲涅尔区域（13）呈环状，环状的所述菲涅尔区域（13）位于所述平面区域（11）与所述自由曲面微结构区域（12）之间；所述平面区域（11）位于所述光线入射面（10）的中心位置，所述平面区域（11）的外周缘与所述光线入射面（10）的中心位置之间的最大距离R_{1_max}满足：R_{1_max}=d_s*tanθ_c，其中，d_s为外部光源与所述平面区域（11）之间的距离；θ_c为光线在所述微透镜结构的所述光线出射面发生全反射的临界角；θ_c满足：θ_c=arcsin(1/n)，其中，n为所述微透镜结构的折射率，所述微透镜结构的折射率n大于等于1.3且小于等于2.2；

所述自由曲面微结构区域（12）包括多段旋转对称的环形结构（123），多段所述环形结构（123）沿远离所述光线入射面（10）的中心位置同心设置，各段所述环形结构（123）的折射光束之间存在重叠区域；或者所述自由曲面微结构区域（12）被分为多个独立设置的区，各区上均具有阵列设置的多个自由曲面。

2.根据权利要求1所述的微透镜结构，其特征在于，所述外部光源与所述平面区域（11）之间的距离d_s在大于0mm且小于等于0.5mm的范围内。

3.根据权利要求1所述的微透镜结构，其特征在于，

所述全反射面（30）由母线沿所述微透镜结构的中心线（40）旋转而成，所述母线为直线或曲线，所述母线上一个点的切线与水平线的夹角在大于等于40°且小于等于70°的范围内；和/或

所述光线出射面（20）包括微透镜阵列面，所述微透镜阵列面包括多个微透镜周期阵列或随机阵列而成。

4.根据权利要求1所述的微透镜结构，其特征在于，所述光线入射面（10）和/或所述光线出射面（20）的最大矢高hmax在5um-200um的范围内。

5.根据权利要求1所述的微透镜结构，其特征在于，所述光线入射面（10）还包括菲涅尔区域（13），所述菲涅尔区域（13）位于所述平面区域（11）与所述自由曲面微结构区域（12）之间，所述菲涅尔区域（13）收缩后的光束的发散角θ₂、入射光束入射至所述平面区域（11）经所述平面区域（11）折射后的边缘光线与所述微透镜结构的中心线（40）之间的夹角θ₁、所述全反射面（30）用于反射所述自由曲面微结构区域（12）折射后的光束，反射后的所述光束的边缘光线与垂线（50）的最大夹角θ₃，

所述θ₂、所述θ₁、所述θ₃均小于所述θ_c；和/或

所述θ₂、所述θ₁、所述θ₃的最大值均在27°至50°的范围内。