CN115903100A - 组合式微透镜阵列匀光结构及其制作方法、镜头及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式微透镜阵列匀光结构及其制作方法、镜头及设备，所述匀光结构包括第一透镜组和第二透镜组；所述第一透镜组包括基底层以及形成于所述基底层的一侧表面上的微透镜阵列，若干个微透镜错位排布形成所述微透镜阵列，若干个所述微透镜无间隔排列；所述第二透镜组包括双凸透镜，所述第一透镜组和所述第二透镜组相对并排设置。本发明公开的匀光结构通过微透镜阵列与双凸透镜的配合，可以使点阵光源发出的光在通过微透镜阵列之后先会聚再发散，从而在保证较大视场角的情况下减小出光孔径。

Description

组合式微透镜阵列匀光结构及其制作方法、镜头及设备

技术领域

本发明涉及三维感知领域，尤其涉及一种具有较大视场角和较小出光孔径的组合式微透镜阵列匀光结构及其制作方法、镜头及设备。

背景技术

ITOF(indirect time of flight，间接测量飞行时间)技术可以进行三维感知与距离测量。ITOF的光学部分主要分为三部分：激光阵列光源、匀光结构和ITOF镜头。ITOF是通过ITOF出光模组出射一种特定光场的光斑至物体表面，然后ITOF探测器通过识别该光场反射回探测器的相位变化，从而感知该物体不同位置处的深度信息的。

目前，ITOF需要满足电子设备小型化的趋势，微透镜匀光结构作为ITOF出光模组中的重要组成部分，也需要满足其小型化趋势。

目前的ITOF匀光结构在添加保护玻璃后，如果要达到较大视场角，出光口径需要5mm以上才能使所有的光都从出光孔径中出射，如果不足5mm则会带来大量的反射杂散光，目前的ITOF匀光结构如果要满足出光孔径较小的需求，则视场角会大幅度减小，降低感知深度信息的范围，这严重制约了器件小型化的发展以及采用ITOF的电子设备的小型化发展趋势与美观性。

因此，亟需提出一种新的技术方案来解决上述问题。

发明内容

目前ITOF技术中的匀光器件在减小出光孔径后，视场角也会大幅度减小，导致感知深度信息范围降低。为了解决上述问题，本发明的一个方面是提出了一种组合式微透镜阵列匀光结构，具体技术方案如下：

一种组合式微透镜阵列匀光结构，其包括第一透镜组和第二透镜组；所述第一透镜组包括基底层以及形成于所述基底层的一侧表面上的微透镜阵列，若干个微透镜错位排布形成所述微透镜阵列，若干个所述微透镜无间隔排列；所述第二透镜组包括双凸透镜；所述第一透镜组和所述第二透镜组相对并排设置。

上述技术方案进一步的，所述双凸透镜靠近所述基底层的另一侧表面，所述双凸透镜和所述微透镜阵列分别相对设置在所述基底层的两侧。

进一步的，所述双凸透镜靠近所述微透镜阵列，所述双凸透镜与所述微透镜阵列设置在所述基底层的同一侧。

进一步的，组成所述微透镜阵列的若干个微透镜的光学面型包括变形非球面面型。

进一步的，所述第二透镜组包括一个双凸透镜，所述双凸透镜具有相对设置的两个外凸面，两个所述外凸面的光学面型为变形非球面面型。

进一步的，组成所述微透镜阵列的若干个微透镜在横向坐标方向上的曲率半径的范围为10μm～300μm，在纵向坐标方向上的曲率半径的范围为10μm～300μm，且所述微透镜的圆锥系数的范围为-0.95～-8。

进一步的，组成所述微透镜阵列的若干个微透镜的曲率半径的范围为8μm～360μm。

进一步的，所述双凸透镜的一个所述外凸面为靠近所述基底层的前凸面，所述双凸透镜的另一个所述外凸面为背离所述基底层的后凸面。

进一步的，所述前凸面在横向坐标方向上的曲率半径的范围为200μm～700μm，在纵向坐标方向上的曲率半径的范围为200μm～700μm，且所述前凸面的圆锥系数的范围为-1～-8。

进一步的，所述后凸面在横向坐标方向上的曲率半径的范围为5μm～500μm，在纵向坐标方向上的曲率半径的范围为5μm～500μm，且所述后凸面的圆锥系数的范围为-1～-8。

进一步的，所述微透镜阵列的折射率范围为1.5～1.8。

进一步的，所述双凸透镜的折射率范围为1.5～1.8。

进一步的，所述基底层为透光玻璃基底。

进一步的，若干个微透镜错位排布形成所述微透镜阵列，具体包括：

若干个微透镜点阵式排列后每个所述微透镜沿横向和/或纵向在预设距离范围内随机错位排布；

若干个微透镜点阵式排列后，相邻两个所述组合式微透镜的透镜中心点的间距范围为5～60μm；

所述预设距离范围为相邻两个所述组合式微透镜的透镜中心点的间距的n倍，n的取值范围为8％～20％。

本发明的另一个方面还提供一种组合式微透镜阵列匀光结构的制作方法，其包括：制备所述组合式微透镜阵列匀光结构的第一透镜组，具体包括：

提供基底层，所述基底层为透光玻璃层；

提供图案成型模板，所述图案成型模板的表面形成有第一图案结构，所述第一图案结构与第一透镜组的微透镜阵列图案的结构相反；

提供塑型胶，将所述图案成型模板作为模具，通过压印将所述塑型胶成型至所述基底层上，于所述基底层表面形成所述微透镜阵列图案，获得所述第一透镜组。

上述技术方案进一步的，所述图案成型模板的制作方法，具体包括：

提供图案形成层，于所述图案形成层的表面形成第二图案结构，所述第二图案结构与所述微透镜阵列图案的结构一致；

提供图案转移层，将所述图案形成层作为模板，通过压印将塑型胶成型至所述图案转移层上，于所述图案转移层表面形成所述第一图案结构，获得所述图案成型模板。

进一步的，于所述图案形成层的表面形成第二图案结构，具体包括：

所述图案形成层包括附着于衬底上的光敏材料层，根据所述微透镜阵列图案的形貌于所述光敏材料层的不同位置加入不同的曝光量，所述光敏材料层被曝光后其上形成与所述微透镜阵列图案的结构一致的所述第二图案结构；

所述光敏材料层以曝光后形成的曝光深度被分为若干个分层，每个所述分层的曝光量与曝光深度呈非线性关系。

基于上述提供的一种组合式微透镜阵列匀光结构，本发明还提供一种ITOF镜头，其包括上述的组合式微透镜阵列匀光结构，所述组合式微透镜阵列匀光结构具有微透镜阵列，所述微透镜阵列与激光阵列光源之间设置有厚度范围为0.1mm～0.5mm的空气层。

基于上述提供的一种组合式微透镜阵列匀光结构，本发明还提供一种装设有ITOF镜头的设备，其包括上述的ITOF镜头，所述ITOF镜头上安装有上述的组合式微透镜阵列匀光结构。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果中的一个或多个：

1、本发明提供一种组合式微透镜阵列匀光结构，该匀光结构包括相对设置的第一透镜组和第二透镜组，该第一透镜组包括微透镜阵列，第二透镜组包括双凸透镜，微透镜阵列起到限制光斑形状与破坏点阵光源的光源像的作用，双凸透镜起到形成较大视场角及形成期望的光场分布的作用，本发明通过微透镜阵列与双凸透镜的配合，可以使点阵光源发出的光在通过微透镜阵列之后先会聚再发散，从而在保证较大视场角的情况下减小出光孔径，解决了现有ITOF技术中的匀光器件在减小出光孔径后，视场角也会大幅度减小，导致感知深度信息范围降低的问题。

2、本发明提供的组合式微透镜阵列匀光结构可以通过调整微透镜阵列中微透镜面型参数及双凸透镜面型参数控制所形成的光场分布，从而将阵列激光所发出的相干光形成期望的光场图案；通过微透镜阵列与双凸透镜的组合可以使匀光结构的出光孔径减小，以符合目前电子产品小型化需求，并且通过随机排布的微透镜阵列，消除阵列激光所带来的干涉现象，激光阵列所发出的光通过微透镜阵列与双凸透镜后可以达到较大发散角。

3、本发明提供的匀光结构将微透镜阵列与双凸透镜组合使用可以较好地消除阵列光源像和干涉条纹，实验证明该匀光结构对光源光束的发散角大于90度，且如果出光孔设置于距离该匀光结构双凸透镜后凸面1.05mm处，出光孔径尺寸小于2.5mm，相比现有技术中出光孔径小于5mm会带来大量的反射杂散光的现象，本发明提供的匀光结构降低了出光孔径且扩大了扩散角，解决了现有技术中的缺陷。

4.本发明所述的组合式微透镜阵列匀光结构的制作方法相比现有技术中的制作方法降低了微透镜匀光结构的加工难度，且增加了可调节参数使期望光斑的光场分布更容易达到，本发明所述的制作方法中通过光刻制得加工母版，使用该母版可以通过纳米压印的方法批量加工第一透镜组的微透镜阵列。

5.本发明所述的组合式微透镜阵列匀光结构中，组成第一透镜组的微透镜阵列的若干个微透镜中，相邻两个微透镜之间没有断层，平滑过渡，降低了压印难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它附图。

图1是在一种实施例中本发明所述组合式微透镜阵列匀光结构的结构示意图；

图2是在一种实施例中本发明所述组合式微透镜阵列结构与激光阵列光源的安装位置示意图；

图3是图2中所示微透镜阵列的表面结构图；

图4是图2所示组合式微透镜阵列结构的光线路径图；

图5是图2所示组合式微透镜阵列匀光结构远场出射光光场分布示意图；

图6是距离图2所示组合式微透镜阵列匀光结构中双凸透镜的后凸面1.05mm处出光孔径示意图；

图7是另在一种实施例中本发明所述组合式微透镜阵列结构与激光阵列光源的安装位置示意图；

图8是图7中所示微透镜阵列的表面结构图；

图9是图7所示组合式微透镜阵列结构的光线路径图；

图10是图7所示组合式微透镜阵列匀光结构远场出射光光场分布示意图；

图11是距离图7所示组合式微透镜阵列匀光结构中双凸透镜的后凸面1.05mm处出光孔径示意图；

图12是在又一种实施例中本发明所述组合式微透镜阵列结构与激光阵列光源的安装位置示意图；

图13是图12中所示微透镜阵列的表面结构图；

图14是图12所示组合式微透镜阵列结构的光线路径图；

图15是图12所示组合式微透镜阵列匀光结构远场出射光光场分布示意图；

图16是距离图12所示组合式微透镜阵列匀光结构中双凸透镜的后凸面1.05mm处出光孔径示意图；

图17是在一种实施例中本发明所述组合式微透镜阵列结构与激光阵列光源的安装位置示意图；

图18是图17中所示微透镜阵列的表面结构图；

图19是图17所示组合式微透镜阵列结构的光线路径图；

图20是图17所示组合式微透镜阵列匀光结构远场出射光光场分布示意图；

图21是距离图17所示组合式微透镜阵列匀光结构中双凸透镜的后凸面1.05mm处出光孔径示意图

图22是在一种实施例中制作本发明所述组合式微透镜阵列匀光结构的母版的制作流程图；

图23是在一种实施例中制作本发明所述组合式微透镜阵列匀光结构的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图与实施例进一步说明本发明要旨。

实施例1

本发明提供一种组合式微透镜阵列匀光结构，该匀光结构包括相对设置的第一透镜组和第二透镜组，该第一透镜组包括微透镜阵列，第二透镜组包括双凸透镜，微透镜阵列起到限制光斑形状与破坏点阵光源的光源像的作用，双凸透镜起到形成较大视场角及形成期望的光场分布的作用，本发明通过微透镜阵列与双凸透镜的配合，可以使点阵光源发出的光在通过微透镜阵列之后先会聚再发散，从而在保证较大视场角的情况下减小出光孔径，解决了现有ITOF技术中的匀光器件在减小出光孔径后，视场角也会大幅度减小，导致感知深度信息范围降低的问题。

请参见图1，图1示意性的展示了一种组合式微透镜阵列匀光结构。其中，100-组合式微透镜阵列匀光结构，110-第一透镜组，111-基底层，112-微透镜阵列，120-第二透镜组，121-前凸面，122-后凸面。

在一种实施例中，本发明所述的一种组合式微透镜阵列匀光结构可以包括相对并排设置的第一透镜组110和第二透镜组120。继续参见图1，第一透镜组110包括基底层111，以及形成于所述基底层111的一个表面上的微透镜阵列112，该微透镜阵列112包括若干个微透镜，若干个所述微透镜无间隔排列。第二透镜组120可以是一个双凸透镜，该双凸透镜包括相对设置的两个外凸面：靠近基底层的前凸面121、背离基底层的后凸面122。图1中示意性的展示了在一种实施例中组合式微透镜阵列匀光结构的剖面结构示意图。图1中的组合式微透镜阵列匀光结构由相对并排设置的两个透镜组组合而成，具体应用场景中，第一透镜组的微透镜阵列面向激光阵列光源，自激光阵列光源发出的光线依次经过第一透镜组的微透镜阵列、基底层，以及作为第二透镜组的双凸透镜，光线自所述双凸透镜远离所述基底层的一个外凸面发散出射。光线经过微透镜阵列后被限制光斑形状，并被破坏光源的光源像，光线再经过双凸透镜后被扩散出较大视场角，形成期望的光场分布。

本发明提供的组合式微透镜阵列匀光结构可以通过调整微透镜阵列中微透镜面型参数及双凸透镜面型参数控制所形成的光场分布，从而将阵列激光所发出的相干光形成期望的光场图案；通过微透镜阵列与双凸透镜的组合可以使匀光结构的出光孔径减小，以符合目前电子产品小型化需求，并且通过随机排布的微透镜阵列，消除阵列激光所带来的干涉现象，激光阵列所发出的光通过微透镜阵列与双凸透镜后可以达到较大发散角。

本发明所述的组合式微透镜阵列匀光结构可以直接简化看做是由微透镜阵列与双凸透镜两部分组成的，其中组成微透镜阵列的微透镜由变形非球面微透镜组成，双凸透镜的两个外凸面由双面变形非球面组成。

在一种实施例中，变形非球面面型的参照公式如下：

其中，Z为微透镜的矢高，C_x为微透镜X方向的曲率，C_y为微透镜y方向曲率，A_2n与B_2n为变形非球面的非球面系数。

在一种较佳实施例中，组成微透镜阵列的所述微透镜的X方向曲率半径为10微米至300微米，圆锥系数为-0.95至-8；Y方向曲率半径为10微米至300微米，圆锥系数为-0.95至-8。

在一种实施例中，所述双凸透镜的光学面型为变形非球面，该变形非球面的参照公式如下：

其中，Z为双凸透镜的外凸面的矢高，C_x为双凸透镜的外凸面X方向的曲率，C_y为双凸透镜的外凸面y方向曲率，A_2n与B_2n为变形非球面的非球面系数。

可参见图1，本发明所述双凸透镜(第二透镜组)具有相对设置的两个外凸面，两个所述外凸面的光学面型均为变形非球面面型，所述双凸透镜的一个所述外凸面为靠近所述基底层111的前凸面121，所述双凸透镜的另一个所述外凸面为背离所述基底层111的后凸面122。

在一种较佳实施例中，所述双凸透镜的前凸面121在X方向的曲率半径为200微米至700微米，圆锥系数为-1至-8；在Y方向曲率半径为200微米至700微米，圆锥系数为-1至-8；所述双凸透镜的后凸面122在X方向的曲率半径为5微米至500微米，圆锥系数为-1至-8；在Y方向曲率半径为5微米至500微米，圆锥系数为-1至-8。

在一种实施例中，本发明优选的微透镜阵列的材料折射率范围为1.5-1.8，双凸透镜的材料折射率范围为1.5-1.8。

在一种实施例中，本发明所述第一透镜组的所述微透镜阵列中的若干个微透镜遵循如下随机排布规则：

首先将若干个微透镜做阵列排布，阵列排布后相邻两个组合式微透镜中心点间距记为L，每个微透镜以阵列排布后各自的中心点为初始点在X轴与Y轴分别做n*L的位移，以完成各个微透镜的随机排布，再对随机排布后的微透镜进行并集处理，得到随机排布的微透镜阵列。其中n的取值范围8％至20％，L的取值范围为5微米至60微米。

在一种实施例中，上述的将微透镜做阵列排布可以是做点阵式排列，可以是矩阵也可以是其他点阵(实际这一步是一个特定的规则排布，点阵排布之后相邻两个微透镜的透镜中心点之间的间距为L，L的取值范围为5微米至60微米)，若干个微透镜点阵式排列后每个所述微透镜沿横向和/或纵向在预设距离范围内随机错位排布(每个微透镜以阵列排布后各自的中心点为初始点在X轴与Y轴分别做n*L的位移)，错位排布的若干个所述微透镜经过去间隔处理后形成连续的面，上述的去间隔处理可以通过将微透镜做并集，并集后的微透镜间有重合的部分，将重合的部分去除，保证多个微透镜位于同一个水平面且形成连续的面即可。

在一种实施例中，组成本发明所述微透镜阵列的若干个微透镜的面型随机排布，其遵循的随机排布规则为：首先确定一种能使整个模组达到目标光场分布的母透镜阵列，确定该母透镜阵列的微透镜面型，其他面型参数不变，以母透镜阵列中微透镜的曲率半径为初始曲率半径R，生成随机微透镜的曲率半径为N*R，以此确定出用于制作本发明微透镜阵列的微透镜的面型参数。作为优选的实施方式，R的取值区间为10微米至300微米，N的取值区间为80％-120％。

本发明提供的匀光结构将微透镜阵列与双凸透镜组合使用可以较好地消除阵列光源像和干涉条纹，实验证明该匀光结构对光源光束的发散角大于90度，且如果出光孔设置于距离该匀光结构双凸透镜后凸面1.05mm处，出光孔径尺寸小于2.5mm，相比现有技术中出光孔径小于5mm会带来大量的反射杂散光的现象，本发明提供的匀光结构降低了出光孔径且扩大了扩散角，解决了现有技术中的缺陷。

实施例2

本实施例提出一种组合式微透镜阵列匀光结构，结合图2至图6，图2是在一种实施例中本发明所述组合式微透镜阵列结构与激光阵列光源的安装位置示意图；图3是图2中所示微透镜阵列的表面结构图；图4是图2所示组合式微透镜阵列结构的光线路径图；图5是图2所示组合式微透镜阵列匀光结构远场出射光光场分布示意图；图6是距离图2所示组合式微透镜阵列匀光结构中双凸透镜的后凸面1.05mm处出光孔径示意图。

其中，100-组合式微透镜阵列匀光结构，110-第一透镜组，111-基底层，112-微透镜阵列，120-第二透镜组，121-前凸面，122-后凸面，130-激光阵列光源。

在本实施例中，本发明所述组合式微透镜阵列匀光结构包括相对并排设置的第一透镜组110和第二透镜组120，该第一透镜组110包括微透镜阵列112，第二透镜组120包括双凸透镜。微透镜阵列与双凸透镜折射率均为1.52，结合图2至图6，微透镜阵列中相邻两个微透镜初始间距为10微米，微透镜的透镜光学面型为变形非球面，X方向曲率半径为33微米，圆锥系数为-1.5，Y方向曲率半径为33微米，圆锥系数为-1.5，双凸透镜双面面型为变形非球面，靠近微透镜阵列面(前凸面121)X方向曲率半径为476微米，圆锥系数为-2.5，Y方向曲率半径为476微米，圆锥系数为-2.5，远离微透镜阵列面(后凸面122)X方向曲率半径为50微米，圆锥系数为-3.8，Y方向曲率半径为50微米，圆锥系数为-4.55。

在本实施例中，光线通过匀光微透镜阵列后形成的光斑X方向在56度处达到峰值，峰值能量为中心能量的120％，Y方向在48度处达到峰值，峰值能量为中心能量的121％，X方向在68度处能量降为中心能量的80％，能量降为0时视场角为92°；Y方向在56度处能量降为中心能量的80％，能量降为0时视场角为72°；距离微透镜阵列与双凸透镜匀光模组中透镜后表面1.05mm出光孔径为2.4mm。(图5是在一种实施例中得到的投射光斑，把光斑线量转换为角量，然后分析各个角量处的灰度比值即可得到本实施例所述的能量峰值信息)。

实施例3

本实施例提出一种组合式微透镜阵列匀光结构，结合图7至图11，图7是另在一种实施例中本发明所述组合式微透镜阵列结构与激光阵列光源的安装位置示意图；图8是图7中所示微透镜阵列的表面结构图；图9是图7所示组合式微透镜阵列结构的光线路径图；图10是图7所示组合式微透镜阵列匀光结构远场出射光光场分布示意图；图11是距离图7所示组合式微透镜阵列匀光结构中双凸透镜的后凸面1.05mm处出光孔径示意图。

其中，200-组合式微透镜阵列匀光结构，210-第一透镜组，211-基底层，212-微透镜阵列，220-第二透镜组，221-前凸面，222-后凸面，230-激光阵列光源。

在本实施例中，本发明所述组合式微透镜阵列匀光结构包括相对并排设置的第一透镜组210和第二透镜组220，该第一透镜组210包括微透镜阵列212，第二透镜组220包括双凸透镜。本实施例中微透镜阵列与双凸透镜折射率均为1.52，结合图7至图11，微透镜阵列中相邻两个微透镜初始间距为10微米，微透镜的透镜光学面型为变形非球面，X方向曲率半径为33微米，圆锥系数为-1.5，Y方向曲率半径为33微米，圆锥系数为-1.5，双凸透镜双面面型为变形非球面，靠近微透镜阵列面X方向曲率半径为476微米，圆锥系数为-2.5，Y方向曲率半径为476微米，圆锥系数为-2.5，远离微透镜阵列面X方向曲率半径为50微米，圆锥系数为-6，Y方向曲率半径为50微米，圆锥系数为-7。

在本实施例中，光线通过匀光微透镜阵列后形成的光斑X方向在48度处达到峰值，峰值能量为中心能量的163％，Y方向在38度处达到峰值，峰值能量为中心能量的140％，X方向在58度处能量降为中心能量的80％，能量降为0时视场角为76°；Y方向在47度处能量降为中心能量的80％，能量降为0时视场角为60°；距离微透镜阵列与双凸透镜匀光模组中透镜后表面1.05mm出光孔径为2mm。

实施例4

本实施例提出一种组合式微透镜阵列匀光结构，结合图12至图16，图12是在又一种实施例中本发明所述组合式微透镜阵列结构与激光阵列光源的安装位置示意图；图13是图12中所示微透镜阵列的表面结构图；

图14是图12所示组合式微透镜阵列结构的光线路径图；图15是图12所示组合式微透镜阵列匀光结构远场出射光光场分布示意图；图16是距离图12所示组合式微透镜阵列匀光结构中双凸透镜的后凸面1.05mm处出光孔径示意图。

其中，300-组合式微透镜阵列匀光结构，310-第一透镜组，311-基底层，312-微透镜阵列，320-第二透镜组，321-前凸面，322-后凸面，330-激光阵列光源。

在本实施例中，本发明所述组合式微透镜阵列匀光结构包括相对并排设置的第一透镜组310和第二透镜组320，该第一透镜组310包括微透镜阵列312，第二透镜组320包括双凸透镜。本实施例中，微透镜阵列与双凸透镜折射率均为1.52，结合图12至图16，微透镜阵列中相邻两个微透镜初始间距为10微米，微透镜的透镜光学面型为变形非球面，X方向曲率半径为33微米，圆锥系数为-1.5，Y方向曲率半径为33微米，圆锥系数为-1.5，双凸透镜双面面型为变形非球面，靠近微透镜阵列面X方向曲率半径为476微米，圆锥系数为-3.5，Y方向曲率半径为476微米，圆锥系数为-3.5，远离微透镜阵列面X方向曲率半径为50微米，圆锥系数为-3.8，Y方向曲率半径为50微米，圆锥系数为-4.55。

在本实施例中，光线通过匀光微透镜阵列后形成的光斑X方向在55度处达到峰值，峰值能量为中心能量的163％，Y方向在46度处达到峰值，峰值能量为中心能量的156％，X方向在68度处能量降为中心能量的80％，能量降为0时视场角为89°；Y方向在57度处能量降为中心能量的80％，能量降为0时视场角为68°；距离微透镜阵列与双凸透镜匀光模组中透镜后表面1.05mm出光孔径为2.2mm。

结合实施例2至实施例4可以得出如下结论：

1、该微透镜阵列与双凸透镜组成的匀光结构可以较好地消除阵列光源像。

2、该匀光结构(也可称为匀光模组)可以较好地消除干涉条纹。

3、该匀光结构可以达到90度以上发散角。

4、如果出光孔设置于距离该匀光结构的双凸透镜后表面1.05mm处，出光孔径尺寸小于2.5mm。

5、该匀光结构中双凸透镜远离微透镜阵列面面型参数中圆锥系数减小，则得到相应光斑的视场角增大，并且峰值降低，圆锥系数增大，则得到相应光斑的视场角减小，并且峰值提高。

6、该匀光结构中双凸透镜靠近微透镜阵列面面型参数中圆锥系数减小，则得到相应光斑视场角变大，峰值降低，能量从峰值降为截止随视场角差值比例减小，圆锥系数增大，则得到相应光斑视场角变小，峰值提高，能量从峰值降为截止随视场角差值比例增大，无论双凸透镜靠近微透镜阵列面面型参数中圆锥系数增大或者减小，光斑峰值处对应视场角基本不变。

实施例5

本实施例提出一种组合式微透镜阵列匀光结构，结合图17至图21，图17是在一种实施例中本发明所述组合式微透镜阵列结构与激光阵列光源的安装位置示意图；图18是图17中所示微透镜阵列的表面结构图；图19是图17所示组合式微透镜阵列结构的光线路径图；图20是图17所示组合式微透镜阵列匀光结构远场出射光光场分布示意图；图21是距离图17所示组合式微透镜阵列匀光结构中双凸透镜的后凸面1.05mm处出光孔径示意图。

其中，400-组合式微透镜阵列匀光结构，410-第一透镜组，411-基底层，412-微透镜阵列，420-第二透镜组，421-前凸面，422-后凸面，430-激光阵列光源。

在本实施例中，本发明所述组合式微透镜阵列匀光结构包括相对并排设置的第一透镜组410和第二透镜组420，该第一透镜组410包括微透镜阵列412，第二透镜组420包括双凸透镜，区别于实施例1-4的，是本实施例展示的匀光结构中微透镜阵列412与双凸透镜位于基底层的同侧，光束先通过基底层再通过微透镜阵列412再通过双凸透镜。本实施例中，微透镜阵列与双凸透镜折射率均为1.52，结合图17至图21，微透镜阵列中相邻两个微透镜初始间距为10微米，微透镜的透镜光学面型为变形非球面，X方向曲率半径为33微米，圆锥系数为-1.5，Y方向曲率半径为33微米，圆锥系数为-1.5，双凸透镜双面面型为变形非球面，靠近微透镜阵列面X方向曲率半径为476微米，圆锥系数为-2.5，Y方向曲率半径为476微米，圆锥系数为-2.5，远离微透镜阵列面X方向曲率半径为50微米，圆锥系数为-3.8，Y方向曲率半径为50微米，圆锥系数为-4.55。

在本实施例中，光线通过匀光微透镜阵列后形成的光斑X方向在57度处达到峰值，峰值能量为中心能量的117％，Y方向在43度处达到峰值，峰值能量为中心能量的121％，X方向在70度处能量降为中心能量的80％，能量降为0时视场角为94°；Y方向在56度处能量降为中心能量的80％，能量降为0时视场角为73°；距离微透镜阵列与双凸透镜匀光模组中透镜后表面1.05mm出光孔径为2.7mm。

实施例6

本实施例提供一种组合式微透镜阵列匀光结构的制作方法，该组合式微透镜阵列匀光结构中的微透镜阵列可通过母版转印再压印的方法制得，而制程中用到的母版可通过光刻的方法进行加工，先在玻璃基底上附上光敏材料层，再于光敏材料层的不同位置加入不同的曝光量，进行模板的制作时，需根据目标组合式微透镜阵列匀光结构中微透镜阵列的形貌结构配合分层光刻的方法，控制不同激光能量所能曝光达到的深度，一次性完成表面结构良好的微透镜阵列匀光结构的加工母版的制作，母版上的微透镜阵列的形貌结构与目标微透镜阵列的形貌结构一致。

可参见图22，图示了本发明所述组合式微透镜阵列匀光结构的微透镜阵列母版的制作流程图，其中：60-光敏材料层；61-通过分层光刻形成的与目标微透镜阵列的形貌结构一致的微透镜阵列。从图22中可以看出，该母版是分层光刻制得的，制作时需根据所述微透镜阵列图案的形貌于所述光敏材料层的不同位置加入不同的曝光量，所述光敏材料层被曝光后其上形成与所述微透镜阵列图案的结构一致的所述第二图案结构。

所述光敏材料层以曝光后形成的曝光深度被分为若干个分层，每个所述分层的曝光量与曝光深度呈非线性关系。通过不同层数不同的曝光量，精确控制光刻设备每层的曝光量进行微透镜阵列母版的制作。上述微透镜阵列母版通过分层光刻的方法进行制作，微透镜阵列的批量制作可以通过纳米压印的方法加工完成。

在一种实施例中，使用制得的上述母版制作组合式微透镜阵列匀光结构的微透镜阵列包括如下步骤，可参见图23，其中，62-基底层，63-图案成型模板，64-第一图案结构，65-塑型胶，66-微透镜阵列图案，67-图案形成层，68-第二图案结构，69-图案转移层：

提供基底层62，所述基底层62为透光玻璃层，所述基底层62为微透镜阵列的载体；

提供图案成型模板63，所述图案成型模板63的表面形成有第一图案结构64，所述第一图案结构64与微透镜阵列图案66的结构相反；

提供塑型胶，将所述图案成型模板63作为模具，通过压印将所述塑型胶成型至所述基底层62上，于所述基底层62表面形成所述微透镜阵列图案66，获得微透镜阵列匀光结构。

在一种实施例中，所述图案成型模板63的制作方法，具体包括如下：

提供图案形成层67，于所述图案形成层67的表面形成第二图案结构68，所述第二图案结构68与所述微透镜阵列图案66的结构一致；

提供图案转移层69，将所述图案形成层67作为模板，通过压印将塑型胶成型至所述图案转移层69上，于所述图案转移层69表面形成所述第一图案结构64，获得所述图案成型模板63。

图23体现了上述制作流程的示意图，因为本实施例提出的制作流程涉及转印、压印，因此，图23中有多处借位及共用的现象，但是可以理解的是于上述的图案转移层69上转印了微透镜阵列图案后，其就成为了图案成型模板63。

本发明所述的组合式微透镜阵列匀光结构的双凸透镜可以通过光学透镜模压成型技术进行批量制作。

本发明所述的组合式微透镜阵列匀光结构通过纳米压印批量制作的方法，在树脂基底上附上转印胶层，通过压印的方式将母版的反向结构转移到转印胶层上，在玻璃基底上附上压印胶层，通过压印的方式将树脂基底上的转印胶层上的结构转移到压印胶层上，完成组合式微透镜阵列匀光结构的批量制作。

通过上述制作方法制得的组合式微透镜阵列匀光结构可以消除所得光斑的干涉条纹，符合ITOF接收端的要求，且可以大批量制作，降低了加工难度。

进一步的，基于本发明所述组合式微透镜阵列匀光结构，本发明还提供一种ITOF镜头，该ITOF镜头包括上述的组合式微透镜阵列匀光结构，所述组合式微透镜阵列匀光结构具有微透镜阵列，所述微透镜阵列与激光阵列光源之间设置有厚度范围为0.1mm～0.5mm的空气层。

更进一步的，基于上述的ITOF镜头，本发明还提供一种装设有ITOF镜头的设备，其包括上述的ITOF镜头，所述ITOF镜头上安装有根据上述的组合式微透镜阵列匀光结构。

本发明所提出的微透镜阵列与双凸透镜组成的匀光结构，可以通过微透镜阵列中微透镜的随机排布消除所得到光斑的干涉条纹，符合ITOF接收端的要求；通过本发明所提出的微透镜阵列与双凸透镜组合的匀光结构可以较大程度减小出光孔径尺寸，在保证出光较大视场角的情况下，减小出光孔径尺寸；通过本发明所提出的微透镜阵列与双凸透镜组合的匀光结构，微透镜阵列中微透镜可以较低的曲率达到较大的视场角，以达到较大的ITOF探测范围。

通过本发明所提出的微透镜阵列与双凸透镜组合的匀光结构，微透镜阵列与双凸透镜均可以对光场进行不同的调制作用，增加了调制的变量，降低母版制作难度。

本发明提出的微透镜阵列与双凸透镜组合的匀光结构，通过微透镜阵列可以较好地破坏点阵光源通过双凸透镜所形成的光源像，形成一个平滑光斑。本发明提出的微透镜阵列与双凸透镜组合的匀光结构，微透镜阵列微透镜与微透镜之间没有断层，平滑过渡，增大光透过率，降低压印难度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改和变型。

Claims (14)

1.一种组合式微透镜阵列匀光结构，其特征在于，其包括第一透镜组和第二透镜组；

所述第一透镜组包括基底层以及形成于所述基底层的一侧表面上的微透镜阵列，若干个微透镜错位排布形成所述微透镜阵列，若干个所述微透镜无间隔排列；

所述第二透镜组包括双凸透镜；

所述第一透镜组和所述第二透镜组相对并排设置。

2.根据权利要求1所述的组合式微透镜阵列匀光结构，其特征在于，

所述双凸透镜靠近所述基底层的另一侧表面，所述双凸透镜和所述微透镜阵列分别相对设置在所述基底层的两侧。

3.根据权利要求1所述的组合式微透镜阵列匀光结构，其特征在于，

所述双凸透镜靠近所述微透镜阵列，所述双凸透镜与所述微透镜阵列设置在所述基底层的同一侧。

4.根据权利要求1所述的组合式微透镜阵列匀光结构，其特征在于，

组成所述微透镜阵列的若干个微透镜的光学面型包括变形非球面面型；

所述第二透镜组包括一个双凸透镜，所述双凸透镜具有相对设置的两个外凸面，两个所述外凸面的光学面型为变形非球面面型。

5.根据权利要求1所述的组合式微透镜阵列匀光结构，其特征在于，

组成所述微透镜阵列的若干个微透镜在横向坐标方向上的曲率半径的范围为10μm～300μm，在纵向坐标方向上的曲率半径的范围为10μm～300μm，且所述微透镜的圆锥系数的范围为-0.95～-8。

6.根据权利要求1所述的组合式微透镜阵列匀光结构，其特征在于，

组成所述微透镜阵列的若干个微透镜的曲率半径的范围为8μm～360μm。

7.根据权利要求4所述的组合式微透镜阵列匀光结构，其特征在于，

所述双凸透镜的一个所述外凸面为靠近所述基底层的前凸面，所述双凸透镜的另一个所述外凸面为背离所述基底层的后凸面，

所述前凸面在横向坐标方向上的曲率半径的范围为200μm～700μm，在纵向坐标方向上的曲率半径的范围为200μm～700μm，且所述前凸面的圆锥系数的范围为-1～-8；

所述后凸面在横向坐标方向上的曲率半径的范围为5μm～500μm，在纵向坐标方向上的曲率半径的范围为5μm～500μm，且所述后凸面的圆锥系数的范围为-1～-8。

8.根据权利要求1所述的组合式微透镜阵列匀光结构，其特征在于，

所述微透镜阵列的折射率范围为1.5～1.8；

所述双凸透镜的折射率范围为1.5～1.8；

所述基底层为透光玻璃基底。

9.根据权利要求1所述的组合式微透镜阵列匀光结构，其特征在于，

若干个微透镜错位排布形成所述微透镜阵列，具体包括：

若干个微透镜点阵式排列后每个所述微透镜沿横向和/或纵向在预设距离范围内随机错位排布；

若干个微透镜点阵式排列后，相邻两个所述组合式微透镜的透镜中心点的间距范围为5～60μm；

所述预设距离范围为相邻两个所述组合式微透镜的透镜中心点的间距的n倍，n的取值范围为8％～20％。

10.一种组合式微透镜阵列匀光结构的制作方法，其特征在于，其包括：制备所述组合式微透镜阵列匀光结构的第一透镜组，具体包括：

提供基底层，所述基底层为透光玻璃层；

提供图案成型模板，所述图案成型模板的表面形成有第一图案结构，所述第一图案结构与第一透镜组的微透镜阵列图案的结构相反；

提供塑型胶，将所述图案成型模板作为模具，通过压印将所述塑型胶成型至所述基底层上，于所述基底层表面形成所述微透镜阵列图案，获得所述第一透镜组。

11.根据权利要求10所述的一种组合式微透镜阵列匀光结构的制作方法，其特征在于，所述图案成型模板的制作方法，具体包括：

提供图案形成层，于所述图案形成层的表面形成第二图案结构，所述第二图案结构与所述微透镜阵列图案的结构一致；

提供图案转移层，将所述图案形成层作为模板，通过压印将塑型胶成型至所述图案转移层上，于所述图案转移层表面形成所述第一图案结构，获得所述图案成型模板。

12.根据权利要求11所述的一种组合式微透镜阵列匀光结构的制作方法，其特征在于，于所述图案形成层的表面形成第二图案结构，具体包括：

所述图案形成层包括附着于衬底上的光敏材料层，根据所述微透镜阵列图案的形貌于所述光敏材料层的不同位置加入不同的曝光量，所述光敏材料层被曝光后其上形成与所述微透镜阵列图案的结构一致的所述第二图案结构；

所述光敏材料层以曝光后形成的曝光深度被分为若干个分层，每个所述分层的曝光量与曝光深度呈非线性关系。

13.一种ITOF镜头，其特征在于，其包括权利要求1-9任一所述的组合式微透镜阵列匀光结构，所述组合式微透镜阵列匀光结构具有微透镜阵列，所述微透镜阵列与激光阵列光源之间设置有厚度范围为0.1mm～0.5mm的空气层。

14.一种装设有ITOF镜头的设备，其特征在于，其包括权利要求13所述的ITOF镜头，所述ITOF镜头上安装有根据权利要求1-9任一所述的组合式微透镜阵列匀光结构。

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