CN116626792B - 一种扩散片和光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩散片和光学系统，扩散片由微透镜阵列的形式组成，微透镜阵列包括多个周期结构，周期结构包括N×M个子周期，N≥1，M≥1，N、M为正整数；每个子周期包括凸面、凹面、第一鞍面与第二鞍面；沿第一方向，第一鞍面与凹面相接，凸面与第二鞍面相接；沿第二方向，凸面与第一鞍面相接，第二鞍面与凹面相接，凸面与凹面沿对角分布设置，第一鞍面与第二鞍面沿对角分布设置，使用较大的周期结构，有利于抑制光束干涉导致的亮度与色彩均匀性问题；同时每个子周期使用凹凸鞍面结合的方式，保证了每个子周期内部的亮度均匀性，可以避免大周期带来的像素颗粒感，并且能够有效抑制激光散斑，从而提高扩散片的匀光效果。

Description

一种扩散片和光学系统

技术领域

本发明实施例涉及扩散片技术领域，尤其涉及一种扩散片和光学系统。

背景技术

扩散片能够使光在传输过程发生不同方向的折射、反射与散射，从而改变光的行进路线，产生入射光充分扩散的效果，可抑制激光的斑点现象，已广泛用于例如显示器等光学系统、投影仪等投影装置以及各种照明装置，扩散片的形成方式包括在透明基底中加入随机分布的扩散颗粒、通过喷砂或化学腐蚀获得随机起伏的表面、制作微透镜阵列等。其中微透镜阵列通过每个单元面型设计可以较为精准的控制散射光的扩散角度，并且保持扩散后光强度均匀分布，因此在投影显示系统中被更多的选择。

微透镜阵列可分为周期微透镜阵列和随机微透镜阵列，对于随机微透镜阵列，散射光线能够获得更好亮度和色彩均匀性，但是其对于激光散斑噪声而言，并没有明显的改善效果，而激光光束照射在周期微透镜阵列后会出现显著的干涉条纹，但干涉条纹受微透镜的周期影响，微透镜周期较小时，光线亮度均匀性和色彩均匀性较差，但由于这种规则的衍射现象，却能够很好的抑制激光散斑噪声，微透镜周期较大时，散斑的抑制效果被弱化，导致像素颗粒感严重。

进一步地，现有的微透镜阵列多是采用单一面型微透镜，即微透镜均为凸透镜或均为凹透镜，导致微透镜的周期分布无法兼顾抑制散斑噪声同时保持亮度及色彩均匀性。

发明内容

本发明提供了一种扩散片和光学系统，扩散片使用较大的结构周期，将每个子周期设置成一个凸面、一个凹面和两个鞍面组成，可以抑制光束干涉导致的亮度与色彩均匀性问题；同时使用凹凸鞍面结合的方式保证了每个周期内部的亮度均匀性，避免了大周期带来的像素颗粒感。

第一方面，本申请提供了一种扩散片，包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括多个周期结构，所述周期结构包括N×M个子周期，N≥1，M≥1，N、M为正整数；

所述子周期包括凸面、凹面、第一鞍面与第二鞍面；

沿第一方向，所述第一鞍面与所述凹面相接，所述凸面与所述第二鞍面相接；沿第二方向，所述凸面与所述第一鞍面相接，所述第二鞍面与所述凹面相接，所述凸面与所述凹面沿对角分布设置，所述第一鞍面与所述第二鞍面沿对角分布设置，其中，所述第一方向与所述第二方向相交。

可选的，所述周期结构中的子周期阵列排布，第i行第j列的所述子周期沿所述第二方向的边长为，第i行第j列的所述子周期沿所述第一方向的边长为/>，所述周期结构的总边长为/>，/>，其中，i≥1，j≥1，i、j为正整数。

可选的，所述子周期的边长和/>为随机分布，其中，/>，。

可选的，所述凸面、所述凹面、所述第一鞍面和所述第二鞍面的面型均采用偶次XY多项式表示，所述偶次XY多项式为：；；m≥2k₁，n≥2k₂，k₁、k₂为非负整数；C为常数；

其中，S分别为所述凸面、所述凹面、所述第一鞍面和所述第二鞍面的面高度，（x₀，y₀）为该面型的中心坐标，(x，y)为该面型中的任意一点的坐标。

可选的，所述凸面采用所述偶次XY多项式表示，项的系数/>，且/>项的系数/>。

可选的，所述第一鞍面采用所述偶次XY多项式表示，项的系数/>，且/>项系数/>。

可选的，所述第二鞍面采用所述偶次XY多项式表示，项的系数/>，且/>项的系数/>。

可选的，所述第凹面采用所述偶次XY多项式表示，项的系数/>，且/>项的系数/>。

可选的，所述周期结构的形状为四边形，多个所述周期结构周期性排布。

第二方面，本申请提供了一种光学系统，包括第一方面的扩散片，还包括光源，所述光源用于出射光束；

所述扩散片位于所述光束的传播路径上，用于将所述光束整形为均匀光束。

综上，本申请提供的扩散片，由微透镜阵列的形式组成，微透镜阵列包括多个周期结构，周期结构包括N×M个子周期，N≥1，M≥1，N、M为正整数；每个子周期包括凸面、凹面、第一鞍面与第二鞍面；沿第一方向，第一鞍面与凹面相接，凸面与第二鞍面相接；沿第二方向，凸面与第一鞍面相接，第二鞍面与凹面相接，凸面与凹面沿对角分布设置，第一鞍面与第二鞍面沿对角分布设置，使用较大的结构周期结构，有利于抑制了光束干涉导致的亮度与色彩均匀性问题；同时每个子周期使用凹凸鞍面结合的方式，保证了每个子周期内部的亮度均匀性，可以避免大周期带来的像素颗粒感，并且能够有效抑制激光散斑，从而提高扩散片的匀光效果。

附图说明

图1是本申请提供的一种扩散片的三维结构示意图；

图2是本申请提供的一种周期结构的三维结构示意图；

图3是本申请提供的一种子周期的三维结构示意图；

图4是本申请提供的一种子周期的面型分布示意图；

图5是本申请提供的一种周期结构的平面结构示意图；

图6是图5所示的扩散片的角度分布与匀光效果示意图；

图7是图5所示的扩散片的横向扩散角的匀光效果示意图；

图8是图5所示的扩散片的纵向扩散角的匀光效果示意图；

图9是本申请提供的一种光学系统的示意图；

图10是本申请提供的一种扩散片的一种应用场景示意图；

图11是本申请提供的一种扩散片的另一种应用场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明鉴于现有技术中所存在的上述问题中的一个或多个而提出一种扩散片。图1是本申请提供的一种扩散片的三维结构示意图，图2是本申请提供的一种周期结构的三维结构示意图，图3是本申请提供的一种子周期的三维结构示意图；图4是本申请提供的一种子周期的面型分布示意图。结合图1-图4所示，本申请实施例提供的一种扩散片包括微透镜阵列1，微透镜阵列1包括多个周期结构10，周期结构10包括N×M个子周期11，N≥1，M≥1，N、M为正整数；子周期11包括凸面001、凹面002、第一鞍面003与第二鞍面004；沿第一方向(如图中x方向所示），第一鞍面003与凹面002相接，凸面001与第二鞍面004相接；沿第二方向(如图中y方向所示），凸面001与第一鞍面003相接，第二鞍面004与凹面002相接，凸面001与凹面002沿对角分布设置，第一鞍面003与第二鞍面004沿对角分布设置；其中，第一方向(如图中x方向所示）与第二方向(如图中y方向所示）正交。

具体的，结合图1和图2所示，扩散片采用微透镜阵列1的形式，微透镜阵列1由多个相同的周期结构10相接组成；结合图1所示，每个周期结构10由N×M个子周期11相接组成。作为一个示例，每个周期结构由10×10个子周期11组成。周期结构10为较大的结构周期，有利于改善光束干涉导致的亮度与色彩均匀性差的问题。

结合图3和图4所示，每个子周期11的面型设置为一个凸面、一个凹面与两个鞍面相接组成。其中，鞍面指的是马鞍面，是一种曲面，又叫双曲抛物面，形状类似于马鞍；凹面指的是面型凹向Z轴负方向，凸面指的是面型凸向Z轴正方向。在图4中的x方向上，每个子周期11的第一鞍面003的边缘与凹面002的边缘相接，凸面001的边缘与第二鞍面004的边缘相接；在图4中的y方向上，第二鞍面004的边缘与凹面002的边缘相接，凸面001的边缘与第一鞍面003的边缘相接，凸面001和凹面002沿对角分布设置，两个鞍面沿对角分布设置。通过将每个子周期11的面型划分成四个面型拼接组成，同时使用凹凸鞍面结合的方式，当激光光线经过扩散片，凹凸鞍面结合的方式有利于打乱光线的传播方向，避免干涉条纹的产生，抑制激光散斑噪声，提高每个周期内部的亮度均匀性，同时可以避免大周期带来的像素颗粒感，使得微透镜的周期分布兼顾抑制散斑噪声的同时保持亮度及色彩均匀性。需要说明的是，本申请以XY方向正交为例进行说明。

在上述实施例的基础上，继续结合图1所示，周期结构10的形状为四边形，多个周期结构10周期性排布。具体的，多个周期结构10紧密相接周期性排布。

图5是本申请提供的一种周期结构的平面结构示意图。在上述实施例的基础上，结合图5所示，周期结构10中的子周期阵列排布；第i行第j列的子周期沿第一方向(如图中x方向所示）的边长为；第i行第j列的子周期沿第二方向(如图中y方向所示）的边长为/>；周期结构10的总边长为/>，/>，其中，i≥1，j≥1，i、j为正整数。

具体的，结合图5所示，作为一个示例，以每个周期结构10由5×5个子周期组成为例，以5行5列阵列排布。其中，对每个周期结构10中的自周期进行命名，其中，第1行第1列记为子周期sub11，第1行第2列记为子周期sub12，第1行第3列记为子周期sub13，第2行第1列记为子周期sub21，第2行第2列记为子周期sub22，第3行第1列记为子周期sub31，……，第5行第5列记为子周期sub55。

沿图5中x方向，第1行的子周期sub11的边长为，子周期sub12的边长为/>，子周期sub13的边长为/>，子周期sub14的边长为/>，子周期sub15的边长为/>；沿图5中y方向，子周期sub11、子周期sub12、子周期sub13、子周期sub14、子周期sub15的边长均为/>；沿图5中x方向，第2行的子周期sub21的边长为/>，子周期sub22的边长为/>，子周期sub23的边长为/>，子周期sub24的边长为/>，子周期sub25的边长为/>；沿图5中y方向，子周期sub21、子周期sub22、子周期sub23、子周期sub24、子周期sub25的边长均为/>。

依次类推，沿图中x方向，第3行的子周期sub31、子周期sub32、子周期sub33、子周期sub34、子周期sub35的边长分别为、/>、/>、/>，沿图5中y方向，子周期sub31、子周期sub32、子周期sub33、子周期sub34、子周期sub35的边长均为/>。沿图5中x方向，第4行的子周期sub41、子周期sub42、子周期sub43、子周期sub44、子周期sub45的边长分别为、/>、/>、/>，沿图5中y方向，子周期sub41、子周期sub42、子周期sub43、子周期sub44、子周期sub45的边长均为/>。沿图5中x方向，第5行的子周期sub51、子周期sub52、子周期sub53、子周期sub54、子周期sub55的边长分别为/>、/>、/>、/>，沿图5中y方向，子周期sub51、子周期sub52、子周期sub53、子周期sub54、子周期sub55的边长均为/>。

因此，沿图5中x方向，5×5个子周期阵列排布组成的周期结构10的总边长，沿图中y方向，周期结构10的总边长。

可以理解的是，当周期结构10为N行×M列个子周期组成，则周期结构10的总边长为，/>，其中，i≥1，j≥1，i、j为正整数。

需要说明的是，图5中仅示出了部分子周期的标号予以说明。

在上述实施例的基础上，继续结合图3-图5所示，子周期11的边长与/>为随机分布；其中，/>，/>。

具体的，设置每个子周期11的边长与/>具有随机性分布，可以使子周期11的尺寸大小具有随机分布性，可以避免光线的干涉。

在上述实施例的基础上，继续结合图3和图4所示，凸面001、凹面002与第一鞍面003与第二鞍面004的面型均采用偶次XY多项式表示，偶次XY多项式为：；/>；

其中，C为常数；m=2k₁，n=2k₂，k₁、k₂为非负整数；S分别为凸面、凹面、第一鞍面和第二鞍面的面高度；（x₀，y₀）为该面型的中心坐标，(x，y)为该面型中的任意一点的坐标。

在上述实施例的基础上，凸面001采用偶次XY多项式表示，项的系数/>，且项的系数/>。

在上述实施例的基础上，第一鞍面003采用偶次XY多项式表示，项的系数，且/>项的系数/>。

在上述实施例的基础上，第二鞍面004采用偶次XY多项式表示，项的系数，且/>项系数/> 。

在上述实施例的基础上，第凹面002采用偶次XY多项式表示，项的系数/>，且/>项的系数/>。

继续结合图5所示，以每个周期结构10由5×5个子周期11组成为例，设置5行5列阵列排布，进一步地，对扩散片的参数设计，每个周期结构10内的子周期11的边长分别为表1所示：

表1为5×5个子周期的边长与/>

其中，表中单位为微米/um。

由表1可知，一个5×5个子周期11组成的完整周期结构10的总边长为340um×340um。

进一步，设置每个子周期11内凸面001、凹面002与第一鞍面003与第二鞍面004的面型参数如表2所示：表2 为5×5个子周期的四个区域的面型

其中，表2中，11代表图5中的子周期sub11，21代表子图5中的子周期sub21，31代表子图5中的子周期sub31，以此类推；w为子周期沿图5中x方向的长度，1为子周期沿图5中y方向的长度；在偶次XY多项式中，m取值为0,2,4,6,8,10；n取值为0,2,4,6,8,10；C4、C6、C11、C15、C22、C28、C37、C45、C56分别为j=4、6、11、15、22、28、37、45、56，其余未示出Cj=0。

图6是图5所示的扩散片的角度分布与匀光效果示意图；图7是图5所示的扩散片的横向扩散角的匀光效果示意图；图8是图5所示的扩散片的纵向扩散角的匀光效果示意图；其中，图中坐标H为扩散片的横向扩散角，坐标V为扩散片的纵向扩散角，单位：度/°；纵坐标P是点源目标经过扩散片的在单位立体角中的辐射功率，即辐射强度，单位为W/sr。

结合图5所示，对每个子周期的凸面、凹面和两个鞍面的面型采用偶次XY多项式设置，设置面型参数如表2所示述，进一步结合图6-图8所示，当平行光入射整个扩散片时，经过扩散片的光斑在预设置的横向扩散角范围和纵向扩散角范围内亮度比较均匀，可以避免大周期带来的像素颗粒感，使得微透镜的周期分布兼顾抑制散斑噪声的同时保持亮度及色彩均匀性。其中，图6-图8中，扩散片的角度范围为﹣14°~14°之间，根据不同的扩散角度需求，通过调整扩散片的面型参数，可以获得不同的角度范围。

基于同一个发明构思，本发明实施例还提供了一种光学系统，图9是本申请提供的一种光学系统的示意图。结合图9所示，光学系统包括上述实施例提供的扩散片100，光学系统还包括光源200，光源200用于出射光束；扩散片100位于光束的传播路径上，用于将光束整形为均匀光束。其中，光源出射的光束可以是经准直后的准直光束。该光学系统也具有上述实施方式中的扩散片所具有的有益效果，相同之处可参照上文对扩散片的解释说明进行理解，下文不再赘述。

图10是本申请提供的一种扩散片的一种应用场景示意图；图11是本申请提供的一种扩散片的另一种应用场景示意图。结合图10所示，本申请实施例提供的扩散片可以应用在汽车的HUD（Heads Up Display，抬头显示器）模块300中，投影光机21出射的光线经扩散片100均光后再经转折反射镜22反射、曲面反射镜23聚光后、再经汽车前挡玻璃24反射至驾驶者动眼范围（eyebox），驾驶者在虚像面M观察到清晰的虚拟成像。结合图11所示，本申请实施例提供的扩散片可以应用在LED（Light Emitting Diode，发光二极管）灯均光中，扩散片100放置在灯罩31的出光口，LED灯珠32出射的光线经扩散片100均光后可以获得均匀的光线。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合与替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种扩散片，其特征在于，包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括多个周期结构，所述周期结构包括N×M个子周期，N≥1，M≥1，N、M为正整数；

所述子周期包括凸面、凹面、第一鞍面与第二鞍面；

沿第一方向，所述第一鞍面与所述凹面相接，所述凸面与所述第二鞍面相接；沿第二方向，所述凸面与所述第一鞍面相接，所述第二鞍面与所述凹面相接，所述凸面与所述凹面沿对角分布设置，所述第一鞍面与所述第二鞍面沿对角分布设置，其中，所述第一方向与所述第二方向正交；

所述凸面、所述凹面、所述第一鞍面和所述第二鞍面的面型均采用偶次XY多项式表示，所述偶次XY多项式为：

；/>；

m≥2k₁，n≥2k₂，k₁、k₂为非负整数；C为常数；

其中，S分别为所述凸面、所述凹面、所述第一鞍面和所述第二鞍面的面高度，（x₀，y₀）为该面型的中心坐标，(x，y)为该面型中的任意一点的坐标。

2.根据权利要求1所述的扩散片，其特征在于，所述周期结构中的子周期阵列排布，第i行第j列的所述子周期沿所述第二方向的边长为，第i行第j列的所述子周期沿所述第一方向的边长为/>，所述周期结构的总边长为/>，/>，其中，i≥1，j≥1，i、j为正整数。

3.根据权利要求2所述的扩散片，其特征在于，所述子周期的边长和/>为随机分布，其中，/>，/>。

4.根据权利要求1所述的扩散片，其特征在于，所述凸面采用所述偶次XY多项式表示，项的系数/>，且/>项的系数/>。

5.根据权利要求1所述的扩散片，其特征在于，所述第一鞍面采用所述偶次XY多项式表示，项的系数/>，且/>项系数/>。

6.根据权利要求1所述的扩散片，其特征在于，所述第二鞍面采用所述偶次XY多项式表示，项的系数/>，且/>项的系数/>。

7.根据权利要求1所述的扩散片，其特征在于，所述凹面采用所述偶次XY多项式表示，项的系数/>，且/>项的系数/>。

8.根据权利要求1所述的扩散片，其特征在于，所述周期结构的形状为四边形，多个所述周期结构周期性排布。

9.一种光学系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的扩散片，还包括光源，所述光源用于出射光束；

所述扩散片位于所述光束的传播路径上，用于将所述光束整形为均匀光束。