CN116360117A - 激光整形随机微透镜阵列及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种激光整形随机微透镜阵列及其设计方法，包括多个密铺的子单元，每一个子单元包括第一透镜和第二透镜；第二透镜环绕第一透镜的侧壁设置，且光线的入射角达到临界角的部分位于第二透镜内，第一透镜的出射面设置为向外弯曲的弧形面，第二透镜的出射面设置为向内弯曲的弧形面；当光线从所有子单元的入射面入射时，其中，一部分光线经由第一透镜的出射面在投射面上形成实心的主光斑，另一部分光线经由第二透镜的出射面在投射面上形成空心的补偿光斑，补偿光斑的内圈形状和主光斑的形状相互适配，通过补偿光斑补偿主光斑，使得微透镜阵列的散射角不再受反射率突变的限制，从而增大了微透镜阵列的散射角度。
Description
技术领域
本申请涉及激光微器件技术领域，尤其涉及激光整形随机微透镜阵列及其设计方法。
背景技术
随着现代光学技术的飞速发展，光学元组件的小型化、智能化和集成化已成为当前主流的发展趋势。微透镜阵列作为微光学元件，体积小、重量轻，被广泛应用于激光显示、光束整形、照明和三维成像等方面。通常，可基于折射/衍射原理，采用电化学刻蚀、超精密切削、飞秒激光刻蚀、灰度激光直写等技术加工形成阵列微透镜阵列。
相关技术中，在进行照明或者三维成像时，通常采用激光作为光源，在实际应用中，通常将一束激光经过微透镜阵列后射出光斑，光斑用于投屏显示或者是照明领域。根据菲涅尔公式，当光线从微透镜阵列入射时，会同时产生反射光和折射光，折射光经由微透镜阵列偏移初始运动方向形成散射光；其中，光线的入射角越大，反射光能量越强，折射光能量越弱，即散射光能量也越弱，直到发生全反射为止。
然而，在实际设计中，光线的入射角度存在一个临界角度，当光线在微透镜阵列的表面形成的入射角超过临界角度后，反射率突增，使得折射光能量减弱，即使得散射光能量减弱，从而导致微透镜阵列的散射角度受限，致使照明和显示区域的范围受到限制，从而影响实际应用效果。
发明内容
本申请实施例提供了一种激光整形随机微透镜阵列，本申请中通过补偿光斑补偿主光斑，使得微透镜阵列的散射角不再受反射率突变的限制，从而增大了微透镜阵列的散射角度。
本申请实施例提供了一种激光整形随机微透镜阵列，包括多个密铺的子单元，每一个子单元包括第一透镜和第二透镜，第一透镜的入射面和第二透镜的入射面共同形成每个子单元的入射面，第一透镜的出射面和第二透镜的出射面共同形成每个子单元的出射面；
第二透镜环绕第一透镜的侧壁设置，且光线的入射角达到临界角的部分位于第二透镜内，第一透镜的出射面设置为向外弯曲的弧形面，第二透镜的出射面设置为向内弯曲的弧形面；
当光线从所有子单元的入射面入射时，其中，一部分光线经由第一透镜向外弯曲的弧形面在投射面上形成实心的主光斑，另一部分光线经由第二透镜向内弯曲的弧形面在投射面上形成空心的补偿光斑，补偿光斑的内圈形状和主光斑的形状相互适配，其中，一部分光线的入射角小于临界角，另一部分光线的入射角大于或者等于临界角。
在一种可行的实现方式中，第一透镜为中心透镜，第二透镜贴设在中心透镜的侧壁上。
本申请实施例还提供了一种激光整形随机微透镜阵列的设计方法，其用于制造激光整形随机微透镜阵列，包括以下步骤：
分别计算第一透镜和第二透镜的结构参数，使得光线的入射角达到临界角的部分位于第二透镜内，结构参数包括第一透镜的散射角度、第一透镜的半径、第二透镜的散射角度和第二透镜的半径；
拟合第二透镜的切面曲线，以使第二透镜具有能够实现全反射的弧形面，将第二透镜的弧形面作为第二透镜的出射面；
将第二透镜环绕第一透镜的侧壁设置，以形成子单元；
将多个子单元密铺形成微透镜阵列，以使光线从微透镜阵列的入射面入射时，一部分光线经由第一透镜在投射面上形成实心的主光斑，另一部分光线经由第二透镜在投射面上形成空心的补偿光斑，补偿光斑的内圈形状和主光斑的形状相互适配，其中，一部分光线的入射角小于临界角，另一部分光线的入射角大于或者等于临界角。
在一种可行的实现方式中，第一透镜的散射角度根据介质面折射率、第一透镜的最大入射角度、第一透镜的最大入射角对应的折射角度，以及入射光线在子单元上的投射系数的关系得出；
第一透镜的散射角度根据第二透镜的散射角和子单元的散射角之间的关系得出。
在一种可行的实现方式中，第一透镜的散射角度和第二透镜的散射角度通过如下公式计算：
其中，θc为第一透镜的散射角度，n1为玻璃介质面折射率，n2为空气介质面折射率，
为光线在第一透镜上的最大入射角，/>
为与第一透镜的最大入射角对应的折射角，T为入射光线在子单元上的透射系数。
在一种可行的实现方式中，结构参数还包括第一透镜的底面半径和第二透镜的底面半径；
其中，第一透镜形成的主光斑的平均照度和第二透镜形成的补偿光斑的平均照度相等；
根据平均照度和第一透镜的半径以及第二透镜的半径建立关系，分别计算第一透镜的半径和第二透镜的半径。
在一种可行的实现方式中，第一透镜的底面半径和第二透镜的底面半径通过如下公式计算：
其中，
为主光斑的平均照度；/>
为补偿光斑的平均照度；Φc为第一透镜的入射面的接收光通量，Φs为第二透镜的入射面的接收光通量，d为微透镜阵列的中心至投射面的直线距离，θc为第一透镜的散射角度，βc为子单元的散射角度；r2为第一透镜的底面孔径；r1为第二透镜的底面孔径。
在一种可行的实现方式中，第二透镜的矢量高度的计算步骤如下：
计算当第二透镜上的光线在出射面边缘第一位置上折射的光线，刚好被第二透镜与第一位置对称的第二位置遮挡时，第二透镜的矢量高度和第二透镜的散射角度、第一透镜的半径之间的关系，得出第一关系；
根据第一关系得出当补偿光斑无遮挡时第二透镜的矢量高度的范围。
在一种可行的实现方式中，第二透镜的矢量高度通过如下公式计算：
其中，h1为第二透镜矢量高度，r2为第一透镜底面半径。
在一种可行的实现方式中，拟合第二透镜的切面曲线，包括以下步骤：
根据第二透镜上的光线入射角，计算每一个第二透镜的入射角所对应的坐标，拟合第二透镜的切面曲线，即可得到第二透镜向内弯曲的弧形面。
在一种可行的实现方式中，拟合第二透镜的切面曲线，包括：
沿第一透镜和第二透镜的中心连线的子单元切面中，以第一透镜的中心为原点，以朝向第二透镜的方向为x轴，以由x轴向上的方向为z轴；
拟合第二透镜的切面曲线，包括以下步骤：
在横坐标xi处、光线入射角αi，对应纵坐标zi(z0,z1…zm)，在横坐标xi-1，光线入射角αi-1，对应纵坐标zi-1，将两点之间的连线视为光线在(xi,zi)位置入射时的切线方向，则有：
通过计算，得到所有坐标点(xi，zi)；
将所有的坐标点(xi，zi)进行拟合，得到第二透镜的切面曲线。
在一种可行的实现方式中，在形成子单元之后还包括以下步骤：
对子单元进行投影切割形成基本单元，将多个基本单元密铺形成微透镜阵列；其中，基本单元的底面正投影的形状随机分布。
本申请实施例提供了一种激光整形随机微透镜阵列，本申请通过使第二透镜环绕第一透镜的侧壁设置，且使光线的入射角达到临界角的部分位于第二透镜内，能够使得光线从子单元的入射面入射时，在反射率突变前，一部分光线经由第一透镜向外弯曲的弧形面并在投射面上形成实心的主光斑，在反射率突变后，另一部分光线经由第二透镜向内弯曲的弧形面并在投射面上形成空心的补偿光斑，主光斑刚好与空心的补偿光斑配合形成实际光斑，相较于现有技术中，光线的入射角在达到临界角以后，反射率突变，造成散射光能量减弱，致使微透镜阵列的散射角受限，本申请中则是通过补偿光斑补偿主光斑，使得微透镜阵列的散射角不再受反射率突变的限制，从而增大了微透镜阵列的散射角度。通过本申请的设置，提供了一种能够增大微透镜阵列散射角度的微透镜阵列。
本申请实施例还提供了一种激光整形随机微透镜阵列的设计方法，本申请通过计算第一透镜和第二透镜的结构参数、拟合第二透镜的切面曲线，将第二透镜环绕第一透镜的侧壁设置形成子单元，并将多个子单元密铺形成微透镜阵列，从而形成了整形随机微透镜阵列，通过能够使得光线从子单元的入射面入射时，在反射率突变前，一部分光线经由第一透镜向外弯曲的弧形面并在投射面上形成实心的主光斑，在反射率突变后，另一部分光线经由第二透镜向内弯曲的弧形面并在投射面上形成空心的补偿光斑，主光斑刚好与空心的补偿光斑配合形成实际光斑，增大了微透镜阵列的散射角度。通过本申请的设置，提供了一种能够增大微透镜阵列散射角度的微透镜阵列的设计方法。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本申请一实施例提供的光线由微透镜阵列的入射面经由出射面射出的示意图；
图2是本申请一实施例提供的子单元的切面示意图；
图3是本申请一实施例提供的子单元的结构示意图；
图4是本申请一实施例提供的激光整形随机微透镜阵列的设计方法流程图；
图5是图4中S300的设计方法流程图；
图6是本申请一实施例提供的第二透镜切面曲线的拟合示意图；
图7是图3中子单元形成的光斑模拟图；
图8是图7中光斑的照度分布随光斑上的位置变化图。
附图标记说明：
1-入射光线；
2-出射光线；
3-微透镜阵列；31-子单元；
311-第一透镜；311a-第一透镜的入射面；311b-第一透镜的出射面；312-第二透镜；312a-第二透镜的入射面；312b-第二透镜的出射面；
4-光斑。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施方式的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“底”、“内”、“外”、“轴向”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，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。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。但注明直接连接则说明连接地两个主体之间并不通过过度结构构建连接关系，只通过连接结构相连形成一个整体。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
相关技术中，图1是本申请一实施例提供的光线由微透镜阵列的入射面经由出射面射出的示意图。参照图1，在进行照明或者三维成像时，通常采用激光作为光源，在实际应用中，通常将一束激光经过微透镜阵列3后射出光斑4，光斑4用于投屏显示或者是照明领域。根据菲涅尔公式，当光线从微透镜阵列3入射时，会同时产生反射光和折射光，折射光经由微透镜阵列3偏移初始运动方向形成散射光；其中，光线的入射角越大，反射光能量越强，折射光能量越弱，即散射光能量也越弱，直到发生全反射为止。
然而，在实际设计中，光线的入射角度存在一个临界角度，当光线在微透镜阵列3的表面形成的入射角超过临界角度后，反射率突增，使得折射光能量减弱，即使得散射光能量减弱，从而导致微透镜阵列3的散射角度受限，致使照明和显示区域的范围受到限制，从而影响实际应用效果。
因此，本申请提供了一种激光整形随机微透镜阵列3，以解决现有技术中，当光线在微透镜阵列3的表面形成的入射角超过临界角以后，反射率突增，导致微透镜阵列3的散射角度受限的技术问题。
本申请实施例提供了一种激光整形随机微透镜阵列，图2是本申请一实施例提供的子单元的切面示意图，参照图2，将图2中弧形线和坐标轴所围合成的面绕z轴旋转360°，即可得到子单元31的形状；参照图1，示出了入射光线1经由微透镜阵列3形成出射光线2的过程。图3是本申请一实施例提供的子单元的结构示意图，参照图3，其中，微透镜阵列3包括多个密铺的子单元31，每一个子单元31包括第一透镜311和第二透镜312，第一透镜的入射面311a和第二透镜的入射面312a共同形成每个子单元31的入射面，第一透镜的出射面311b和第二透镜的出射面312b共同形成每个子单元31的出射面；
第二透镜312环绕第一透镜311的侧壁设置，且光线的入射角达到临界角的部分位于第二透镜312内，第一透镜的出射面311b设置为向外弯曲的弧形面，第二透镜的出射面312b设置为向内弯曲的弧形面；
当光线从所有子单元31的入射面入射时，其中，一部分光线经由第一透镜311向外弯曲的弧形面在投射面上形成实心的主光斑，另一部分光线经由第二透镜312向内弯曲的弧形面在投射面上形成空心的补偿光斑，补偿光斑的内圈形状和主光斑的形状相互适配，其中，一部分光线的入射角小于临界角，另一部分光线的入射角大于或者等于临界角。
从上述描述中，可以看出本方案实现了如下技术效果：
本申请通过使第二透镜312环绕第一透镜311的侧壁设置，且使光线的入射角达到临界角的部分位于第二透镜312内，能够使得光线从子单元31的入射面入射时，在反射率突变前，一部分光线经由第一透镜311向外弯曲的弧形面并在投射面上形成实心的主光斑，在反射率突变后，另一部分光线经由第二透镜312向内弯曲的弧形面并在投射面上形成空心的补偿光斑，主光斑刚好与空心的补偿光斑配合形成实际光斑4，相较于现有技术中，光线的入射角在达到临界角以后，反射率突变，造成散射光能量减弱，致使微透镜阵列3的散射角受限，本申请中则是通过补偿光斑补偿主光斑，使得微透镜阵列3的散射角不再受反射率突变的限制，从而增大了微透镜阵列3的散射角度。
在一些示例中，第一透镜311可为中心透镜，第二透镜312可贴设在中心透镜的侧壁上。
在具体实施时，第一透镜311可以设置为完整的中心透镜，且使得第二透镜312贴设在中心透镜的侧壁上；第一透镜311也可以设置为完整的中心透镜的一部分，例如，将第一透镜311中入射光线1超出临界角的部分切除，使得第一透镜311侧壁靠近入射面的部分为平面，从而使得第二透镜312的侧壁贴设在该平面上。
本申请中，通过使得第二透镜312贴设在中心透镜的侧壁上形成子单元31，当光线从所有子单元31的入射面入射时，能够在第一透镜311上实现透射形成实心的主光斑，在第二透镜312上实现全反射形成空心的补偿光斑，从而避免散射光能量减弱，增大了微透镜阵列3的散射角度。
本申请还提供了一种激光整形随机微透镜阵列的设计方法，用于制造激光整形微透镜阵列3，包括以下步骤：
分别计算第一透镜311和第二透镜312的结构参数，使得光线的入射角达到临界角的部分位于第二透镜312内，结构参数包括第一透镜311的散射角度、第一透镜311的半径、第二透镜312的散射角度和第二透镜312的半径；
拟合第二透镜312的切面曲线，以使第二透镜312具有能够实现全反射的弧形面，将第二透镜312的弧形面作为第二透镜的出射面312b；
将第二透镜312环绕第一透镜311的侧壁设置，以形成子单元31；
将多个子单元31密铺形成微透镜阵列3，以使光线从微透镜阵列3的入射面入射时，一部分光线经由第一透镜311在投射面上形成实心的主光斑，另一部分光线经由第二透镜312在投射面上形成空心的补偿光斑，补偿光斑的内圈形状和主光斑的形状相互适配，其中，一部分光线的入射角小于临界角，另一部分光线的入射角大于或者等于临界角。
从上述描述中，可以看出本方案实现了如下技术效果：
本申请实施例还提供了一种激光整形随机微透镜阵列的设计方法，本申请通过计算第一透镜311和第二透镜312的结构参数、拟合第二透镜312的切面曲线，将第二透镜312环绕第一透镜311的侧壁设置形成子单元31，并将多个子单元31密铺形成微透镜阵列3，从而形成了整形随机微透镜阵列3，通过能够使得光线从子单元31的入射面入射时，在反射率突变前，一部分光线经由第一透镜311向外弯曲的弧形面并在投射面上形成实心的主光斑，在反射率突变后，另一部分光线经由第二透镜312向内弯曲的弧形面并在投射面上形成空心的补偿光斑，主光斑刚好与空心的补偿光斑配合形成实际光斑4，增大了微透镜阵列3的散射角度。
在一些示例中，第一透镜311的散射角度根据介质面折射率、第一透镜311的最大入射角度、第一透镜311的最大入射角对应的折射角度，以及入射光线1在子单元31上的投射系数的关系得出；第二透镜312的散射角度根据第一透镜311的散射角和子单元31的散射角之间的关系得出。
在具体实施时，由于光线经由第二透镜312向内弯曲的弧形面在投射面上形成空心的补偿光斑，补偿光斑的内圈形状和主光斑的形状相互适配，因此可以得出，第一透镜311的散射角度的角度范围在第二透镜312的散射角度和子单元31的散射角度之间。
例如，当需要制作散射角度为±40°的微透镜阵列3时，则通过介质面折射率、第一透镜311的最大入射角度、第一透镜311的最大入射角对应的折射角度，以及入射光线1在子单元31上的投射系数的关系得出第一透镜311的散射角度为0°-20°，那么第二透镜312的散射角度则为20°-40°。
示例性的，参照图1，光线由空气介质入射至玻璃介质面的微透镜阵列3，由微透镜阵列3的出射面射出至空气介质；第一透镜311的散射角度和第二透镜312的散射角度通过如下公式计算：
其中，θc为第一透镜311的散射角度，n1为玻璃介质面折射率，n2为空气介质面折射率，
为光线在第一透镜311上的最大入射角，/>
为与第一透镜311的最大入射角对应的折射角，T为入射光线1在子单元31上的透射系数，也就是说，第一透射镜的散射角度的范围为0°-θc。参照图2中标出了第一透镜311的散射角度θc。
第一透镜311最大散射角由实际透射率要求确定，光线经全反射后再折射而出，可得：
其中，γ为光线在第二透镜312上的最小入射角(γ大于临界角)，θ'c为子单元散射角度。
在具体实施时，βc为需要制作的目标微透镜的散射角度(即βc也为需要制作的子单元31的散射角度)，那么第二透镜312的散射角度的范围为θc-βc。
在一些示例中，结构参数还包括第一透镜311的底面半径r2和第二透镜312的底面半径r1；其中，第一透镜311形成的主光斑的平均照度和第二透镜312形成的补偿光斑的平均照度相等；根据平均照度和第一透镜311的半径以及第二透镜312的半径建立关系，分别计算第一透镜311的半径和第二透镜312的半径。参照图2中，示出了第一透镜311的底面半径r2和第二透镜312的底面半径r1。
示例性的，第一透镜311的底面半径r2和第二透镜312的底面半径r1通过如下公式计算：
其中，
为主光斑的平均照度；/>
为补偿光斑的平均照度；Φc为第一透镜的入射面311a的接收光通量，Φs为第二透镜的入射面312a的接收光通量，d为微透镜阵列3的中心至投射面的直线距离，θc为第一透镜311的散射角度，βc为子单元31的散射角度；r2为第一透镜311的底面孔径；r1为第二透镜312的底面孔径。参照图2，示出了第一透镜311的散射角度θc、第一透镜311的底面半径r2和第二透镜312的底面半径r1。
在一些示例中，图2还示出了第一透镜311的入射角度αc，第二透镜的入射角度α'c，以及第一透镜的矢量高度h2和第二透镜的矢量高度h1。
本申请通过将第一透镜311所形成的主光斑的平均照度和第二透镜312所形成的补偿光斑的平均照度大小相等，从而确保了主光斑和补偿光斑的均匀性一致。
需要说明的是，第一透镜311所形成的主光斑的平均照度，等于第二透镜312所形成的补偿光斑的平均照度，等于微透镜阵列3的平均照度。
在一些示例中，第二透镜312的矢量高度h1的计算步骤如下：
计算当经由第二透镜的入射面312a边缘第一位置的光线，刚好被第二透镜312上与第一位置中心对称的位置遮挡时，第二透镜312的矢量高度和第二透镜312的散射角度、第一透镜311的半径之间的关系，得出第一关系；根据第一关系得出当补偿光斑无遮挡时第二透镜312的矢量高度的范围。
示例性的，在光线传递的过程中，会出现第二透镜312之间相互遮挡的情况，例如，当第二透镜312上的光线在出射面边缘第一位置上折射的光线，刚好被第二透镜312与第一位置对称的第二位置遮挡时，可得出如下公式：
第二透镜312的矢量高度通过如下公式计算：
其中，h1为第二透镜312矢量高度，r2为第一透镜311底面半径，βc为子单元31的散射角度。
在具体实施时，第一位置为经由第二透镜312的光线，在第二透镜的出射面312b背向入射面的边缘位置。
在一些示例中，拟合第二透镜312的切面曲线，包括以下步骤：
根据第二透镜312上的光线入射角，计算每一个第二透镜312的入射角所对应的坐标，拟合第二透镜312的切面曲线，即可得到第二透镜312向内弯曲的弧形面。
示例性的，拟合第二透镜312的切面曲线，包括：
图4是本申请一实施例提供的激光整形随机微透镜阵列的设计方法流程图，参照图4，沿第一透镜311和第二透镜312的中心连线的子单元31切面中，以第一透镜311的中心为原点，以朝向第二透镜312的方向为x轴，以由x轴向上的方向为z轴；
拟合第二透镜312的切面曲线，包括以下步骤：
在横坐标xi处、光线入射角αi，对应纵坐标zi(z0,z1…zm)，在横坐标xi-1，光线入射角αi-1，对应纵坐标zi-1，将两点之间的连线视为光线在(xi,zi)位置入射时的切线方向，则有公式(8)：
通过计算，得到所有坐标点(xi，zi)；
将所有的坐标点(xi，zi)进行拟合，得到第二透镜312的切面曲线。
本申请中，通过拟合第二透镜312的切面曲线，使得切面曲线绕z轴旋转360°即可得到第二透镜312的结构形状，从而使得经由第二透镜312的光学在投射面上形成空心的补偿光斑，以补偿第一透镜311形成的实心光斑。
在一些示例中，在形成子单元31之后还包括以下步骤：
对子单元31进行投影切割形成基本单元，将多个基本单元密铺形成微透镜阵列3；其中，基本单元的底面正投影的形状随机分布。
本申请通过将子单元31进行投影切割形成基本单元，使得基本单元的底面正投影的形状随机分布，从而能够破坏基本单元之间的干涉效果，提升散射光斑4的均匀性。
在具体实施时，图5是图4中S3的设计方法流程图，参照图5，激光整形微透镜阵列3的设计方法，包括以下步骤：
S100：确定目标微透镜阵列3的散射角度以及平均照度；
在具体实施时，目标微透镜阵列3的散射角度和平均照度是工作人员根据实际的设计需要给出的确定数值。
S200：分别计算第一透镜311和第二透镜312的结构参数，即分布计算第一透镜311的散射角度、第二透镜312的散射角度、第一透镜311的半径和第二透镜312的半径；
其中，第一透镜311的散射角度和第二透镜312的散射角度通过如下公式计算：
其中，θc为第一透镜311的散射角度，n1为玻璃介质面折射率，n2为空气介质面折射率，
为光线在第一透镜311上的最大入射角，/>
为与第一透镜311的最大入射角对应的折射角，T为入射光线1在子单元31上的透射系数。
第二透镜312的散射角度的范围为：θc-βc，其中βc为子单元的散射角度，即为S100中目标微透镜阵列3的散射角度。
第一透镜311的半径和第二透镜312的半径通过如下公式计算：
其中，
为主光斑的平均照度；/>
为补偿光斑的平均照度；Φc为所述第一透镜的入射面311a的接收光通量，Φs为所述第二透镜的入射面312a的接收光通量，d为所述微透镜阵列3的中心至投射面的直线距离，θc为所述第一透镜311的散射角度，βc为所述子单元31的散射角度；r2为所述第一透镜311的底面孔径；r1为所述第二透镜312的底面孔径。
S300：对微透镜阵列3的子单元31进行光学设计；
S310：拟合第二透镜312的切面曲线，以使第二透镜312具有能够实现全反射的弧形面，将第二透镜312的弧形面作为第二透镜的出射面312b；
即沿第一透镜311和第二透镜312的中心连线的子单元31切面中，以第一透镜311的中心为原点，以朝向第二透镜312的方向为x轴，以由x轴向上的方向为z轴；
拟合第二透镜312的切面曲线，包括以下步骤：
在横坐标xi处、光线入射角αi，对应纵坐标zi(z0,z1…zm)，在横坐标xi-1，光线入射角αi-1，对应纵坐标zi-1，将两点之间的连线视为光线在(xi,zi)位置入射时的切线方向，则有公式(8)：
通过计算，得到所有坐标点(xi，zi)；
图6是本申请一实施例提供的第二透镜切面曲线的拟合示意图，可参照图6，将所有的坐标点(xi，zi)进行拟合，得到第二透镜312的切面曲线。
S320：将第二透镜312环绕第一透镜311的侧壁设置，形成子单元31；
S330：对子单元31进行投影切割形成基本单元，将多个基本单元密铺形成微透镜阵列3；
在具体实施时，切割方式可以采用电化学刻蚀、超精密切削、飞秒激光刻蚀、灰度激光等方式进行切割。
S400：分析所形成的微透镜阵列3的相干性以及相干辐照度；
在具体实施时，可以采用正版商用仿真软件进行分析，示范例地，可以为Zemax。
S500：判断微透镜阵列3是否同时符合相干性和相干辐照度的要求，如果符合要求，则输出模型；如果不符合要求，则返回至S300重新进行优化设计。
S510：如果不符合要求，则需要根据设计目标和非相干/相干辐照度分析，调整优化相关参数。
在具体实施时，相关参数包括第一透镜311和第二透镜312的结构参数、第二透镜312的切面曲线参数以及子单元31的投影切割参数等。
在具体实施时，以设计一款散射角度为41°的微透镜阵列3，且第一透镜311和第二透镜312出射光线的P分量透射率在90％以上，s分量透射率在80％以上；其中，P分量和s分量为光线的两个偏振矢量，其能够反映微透镜阵列3的透射率。
在综合考虑第一透镜311和第二透镜312出射光线透射率的情况下，计算得出第一透镜311散射角度为25°，第二透镜312散射角度为25°-41°。通过计算设计得出的微透镜阵列3的具体结构参数如表1：
表1.通过计算设计得出的微透镜阵列3的具体结构参数
观察微透镜阵列3在投射面上形成的光斑4，将光斑4图像进行像素处理，以像素点对应灰度为光斑4在该处的照度值，基于RMS分析光斑4均匀性，则有公式(9)：
其中Ij为每个像素对应灰度，
是平均灰度，N为像素数量，其均匀度UNIF可表示为公式(10)：
在一些示例中，按照表1中的参数设计的子单元31的形状如图3所示；图7是图3中子单元31形成的光斑模拟图；参照图7可以看到图3结构中的子单元31所形成的光斑4；图8是图7中光斑的照度分布随光斑上的位置变化图，参照图8，曲线a为子单元31对应的光斑照度随光斑4上某点位置的变化图，根据曲线a可以看出，子单元31对应的光斑照度均匀，也就是说，本申请的方法所涉及出的子单元31，未出现反射率突增，造成散射光能量减弱，照度分布不均匀的情况。其中，参照图7，沿着光斑模拟图上的虚线箭头，d表示虚线上的位置至圆心的距离。
容易理解的是，本领域技术人员在本申请提供的几个实施例的基础上，可以对本申请的实施例进行结合、拆分、重组等得到其他实施例，这些实施例均没有超出本申请的保护范围。
以上的具体实施方式，对本申请实施例的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本申请实施例的具体实施方式而已，并不用于限定本申请实施例的保护范围，凡在本申请实施例的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请实施例的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种激光整形随机微透镜阵列，其特征在于，包括：多个密铺的子单元(31)，每一个所述子单元(31)包括第一透镜(311)和第二透镜(312)，所述第一透镜的入射面(311a)和所述第二透镜的入射面(312a)共同形成每个所述子单元(31)的入射面，所述第一透镜的出射面(311b)和所述第二透镜的出射面(312b)共同形成每个所述子单元(31)的出射面；
所述第二透镜(312)环绕所述第一透镜(311)的侧壁设置，且光线的入射角达到临界角的部分位于所述第二透镜(312)内，所述第一透镜的出射面(311b)设置为向外弯曲的弧形面，所述第二透镜的出射面(312b)设置为向内弯曲的弧形面；
当光线从所有所述子单元(31)的入射面入射时，其中，一部分所述光线经由所述第一透镜(311)向外弯曲的弧形面在投射面上形成实心的主光斑，另一部分所述光线经由所述第二透镜(312)向内弯曲的弧形面在投射面上形成空心的补偿光斑，所述补偿光斑的内圈形状和所述主光斑的形状相互适配，其中，所述一部分所述光线的入射角小于所述临界角，所述另一部分所述光线的入射角大于或者等于所述临界角。
2.根据权利要求1所述的激光整形随机微透镜阵列，其特征在于，所述第一透镜(311)为中心透镜，所述第二透镜(312)贴设在所述中心透镜的侧壁上。
3.一种激光整形随机微透镜阵列的设计方法，其特征在于，用于制造权利要求1或2所述的激光整形随机微透镜阵列，包括以下步骤：
分别计算第一透镜(311)和第二透镜(312)的结构参数，使得光线的入射角达到临界角的部分位于所述第二透镜(312)内，所述结构参数包括所述第一透镜(311)的散射角度、所述第一透镜(311)的半径、所述第二透镜(312)的散射角度和所述第二透镜(312)的半径；
拟合所述第二透镜(312)的切面曲线，以使所述第二透镜(312)具有能够实现全反射的弧形面，将所述第二透镜(312)的弧形面作为所述第二透镜的出射面(312b)；
将所述第二透镜(312)环绕所述第一透镜(311)的侧壁设置，以形成子单元(31)；
将多个所述子单元(31)密铺形成微透镜阵列(3)，以使光线从所述微透镜阵列(3)的入射面入射时，一部分光线经由所述第一透镜(311)在投射面上形成实心的主光斑，另一部分光线经由所述第二透镜(312)在投射面上形成空心的补偿光斑，所述补偿光斑的内圈形状和所述主光斑的形状相互适配，其中，所述一部分所述光线的入射角小于所述临界角，所述另一部分所述光线的入射角大于或者等于所述临界角。
4.根据权利要求3所述的激光整形随机微透镜阵列的设计方法，其特征在于，所述第一透镜(311)的散射角度根据介质面折射率、所述第二透镜(312)的最大入射角度、所述第二透镜(312)的最大入射角对应的折射角度，以及入射光线(1)在所述子单元(31)上的投射系数的关系得出；
所述第一透镜(311)的散射角度根据所述第二透镜(312)的散射角和所述子单元(31)的散射角之间的关系得出。
5.根据权利要求4所述的激光整形随机微透镜阵列的设计方法，其特征在于，所述第一透镜(311)的散射角度通过如下公式计算：
其中，θc为所述第一透镜(311)的散射角度，n1为玻璃介质面折射率，n2为空气介质面折射率，
为光线在所述第一透镜(311)上的最大入射角，/>
为与所述第一透镜(311)的最大入射角对应的折射角，T为所述入射光线(1)在所述子单元(31)上的透射系数。
6.根据权利要求5所述的激光整形随机微透镜阵列的设计方法，其特征在于，所述结构参数还包括所述第一透镜(311)的底面半径和所述第二透镜(312)的底面半径；
其中，所述第一透镜(311)形成的所述主光斑的平均照度和所述第二透镜(312)形成的所述补偿光斑的平均照度相等；
根据平均照度和所述第一透镜(311)的半径以及所述第二透镜(312)的半径建立关系，分别计算所述第一透镜(311)的半径和所述第二透镜(312)的半径。
7.根据权利要求6所述的激光整形随机微透镜阵列的设计方法，其特征在于，所述第一透镜(311)的底面半径和所述第二透镜(312)的底面半径通过如下公式计算：
其中，
为主光斑的平均照度；/>
为补偿光斑的平均照度；Φc为所述第一透镜的入射面(311a)的接收光通量，Φs为所述第二透镜的入射面(312a)的接收光通量，d为所述微透镜阵列(3)的中心至投射面的直线距离，θc为所述第一透镜(311)的散射角度，βc为所述子单元(31)的散射角度；r2为所述第一透镜(311)的底面孔径；r1为所述第二透镜(312)的底面孔径。
8.根据权利要求7所述的激光整形随机微透镜阵列的设计方法，其特征在于，所述第二透镜(312)的矢量高度的计算步骤如下：
计算当第二透镜(312)上的光线在出射面边缘第一位置上折射的光线，刚好被所述第二透镜(312)与第一位置对称的第二位置遮挡时，第二透镜(312)的矢量高度和第二透镜(312)的散射角度、第一透镜(311)的半径之间的关系，得出第一关系；
根据第一关系得出当补偿光斑无遮挡时第二透镜(312)的矢量高度的范围。
9.根据权利要求8所述的激光整形随机微透镜阵列的设计方法，其特征在于，所述第二透镜(312)的矢量高度通过如下公式计算：
其中，h1为所述第二透镜(312)矢量高度，r2为所述第一透镜(311)底面半径。
10.根据权利要求3所述的激光整形随机微透镜阵列的设计方法，其特征在于，所述拟合第二透镜(312)的切面曲线，包括以下步骤：
根据第二透镜(312)上的光线入射角，计算每一个所述第二透镜(312)的入射角所对应的坐标，拟合所述第二透镜(312)的切面曲线，即可得到所述第二透镜(312)向内弯曲的弧形面。
11.根据权利要求10所述的激光整形随机微透镜阵列的设计方法，其特征在于，所述拟合所述第二透镜(312)的切面曲线，包括：
沿所述第一透镜(311)和所述第二透镜(312)的中心连线的子单元(31)切面中，以所述第一透镜(311)的中心为原点，以朝向所述第二透镜(312)的方向为x轴，以由x轴向上的方向为z轴；
所述拟合第二透镜(312)的切面曲线，包括以下步骤：
在横坐标xi处、光线入射角αi，对应纵坐标zi(z0,z1…zm)，在横坐标xi-1，光线入射角αi-1，对应纵坐标zi-1，将两点之间的连线视为光线在(xi,zi)位置入射时的切线方向，则有：
通过计算，得到所有坐标点(xi，zi)；
将所有的坐标点(xi，zi)进行拟合，得到所述第二透镜(312)的切面曲线。
12.根据权利要求3-5任一项所述的激光整形随机微透镜阵列的设计方法，其特征在于，在形成子单元(31)之后还包括以下步骤：
对所述子单元(31)进行投影切割形成基本单元，将多个所述基本单元密铺形成所述微透镜阵列(3)；其中，所述基本单元的底面正投影的形状随机分布。
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