CN211506054U - 用于光学镜头的匀光结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于光学镜头的匀光结构，包括：基体、光源芯片、设置在所述基体表面上的粘接层以及布置在所述粘接层上的微透镜层；所述微透镜层与所述光源芯片之间具有空气层；所述微透镜层由多个微透镜随机排布在所述粘接层上形成；各所述微透镜相互抵接，并且抵接的边界为曲线边界。根据本实用新型的用于光学镜头的匀光机构，能够获取既能够实现小型化和提高光场效果，同时又能够增加光场类型，应用更加广泛。

Description

用于光学镜头的匀光结构

技术领域

本实用新型涉及光学元件领域，具体涉及一种用于光学镜头的匀光机构，特别是用于TOF镜头模组的匀光结构。

背景技术

TOF镜头模组在人脸识别和三维探测技术等领域中有着非常广泛的应用，随着手机、平板电脑等电子设备小型化的发展趋势，TOF镜头模组也逐渐趋于小型化，作为其重要组成部分的匀光器件，也必然要以更轻薄的姿态迎合当前的发展需求。

现有的TOF镜头模组中采用的匀光器件的体积大、厚度较厚，不能够很好的匹配如今的手机和平板电脑等的电子设备小型化的需求。而且现有的匀光器件不能够有效去除条纹现象，使得光场效果较差，而且光场比较单一，不能适用多种使用场合。

发明内容

本实用新型的目的在于解决上述问题，提供一种提升光场类型的用于光学镜头的匀光结构。

为实现上述发明目的，本实用新型提供一种用于光学镜头的匀光结构，包括：基体、光源芯片、设置在所述基体表面上的粘接层以及布置在所述粘接层上的微透镜层；

所述微透镜层与所述光源芯片之间具有空气层；

所述微透镜层由多个微透镜随机排布在所述粘接层上形成；

各所述微透镜相互抵接，并且抵接的边界为曲线边界。

根据本发明的一个方面，各所述微透镜之间的抵接边界为曲线边界时，满足：T_zz＝Z(c，r，k，T_xx，T_yy)，其中c为曲率，k为圆锥系数，

T_x、T_y、T_z分别为x，y，z方向变形随机量。

根据本发明的一个方面，所述微透镜为单面或者双面结构，所述微透镜层为单层或者多层。

根据本发明的一个方面，所述微透镜为单面结构时，所述微透镜层位于所述基体和所述光源芯片之间。

根据本发明的一个方面，所述微透镜为双面结构时，所述微透镜层位于所述基体和所述光源芯片之间和/或所述基体位于所述微透镜层和所述光源芯片之间。

根据本发明的一个方面，所述微透镜层中的各微透镜的中心随机分布或者规律分布，并且各微透镜的曲面随机分布或者以相同曲面布置。

根据本发明的一个方面，任意相邻的两个所述微透镜之间的间距为1μm-100μm。

根据本发明的一个方面，所述微透镜由连续面型的曲面构成，所述连续面型的曲面包括：凸面曲面，凹面曲面和波浪形曲面。

根据本发明的一个方面，各相邻的所述微透镜之间无间隔，并且连接处连续无断面。

根据本发明的一个方面，所述微透镜为球面或者非球面微透镜。

根据本发明的一个方面，所述微透镜的曲率半径R为3μm-300μm。

根据本发明的一个方面，所述基体为硬质玻璃或者软质塑料。

根据本发明的一个方面，所述微透镜层的厚度为0.01-0.1mm，所述匀光结构厚度小于0.6mm。

根据本发明的一个方面，所述空气层的厚度小于0.4mm。

根据本实用新型的一个方案，采用具有体积小、厚度薄优点的微透镜阵列，能够很好的匹配手机、平板电脑等电子设备配件小型化的具体需求。且相对于传统周期微透镜阵列和微随机微透镜阵列，微透镜口径形状和面型满足随机分布，能够很好的去除条纹现象。

本实用新型通过在一个基体层上涂覆胶水，用模具压制后进行固化，形成厚度薄，体积小，能够适用于小型化设备的匀光器件，同时能够有效去除微透镜阵列条纹现象，并保持光场均匀过渡，达到最佳光场效果；连接处无断面的设计，能够降低母板灰度掩模和产品纳米压印的加工难度，减少了模板残胶的可能性，提升整体加工精度和效率。

本实用新型的用于光学镜头的匀光结构，可以使例如TOF模组的厚度整体控制在2mm以内，能在小型化设备上应用；能够很好的去除周期和微周期微透镜阵列的条纹现象，并保持光场均匀过渡；面型整体填充系数的可达到99％，保证入射光束利用率最大，并达到最佳光场效果；连接处无断面，降低了母板灰度掩模和产品纳米压印的加工难度，减少了模板残胶的可能性，提升整体加工精度和效率。

本实用新型的用于光学镜头的匀光结构，能够明显增加光场类型，应用更加广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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他的附图。

图1为实施例1的匀光结构的立体图；

图2为实施例1微透镜特征的形状口径排布和连接边界二维分布示意图；

图3为对应图2生成的微透镜特征二维分布示意图；

图4为基于图2和图3的凹面微透镜结构的三维分布示意图；

图5为基于图2和图3的凸面微透镜结构的三维分布示意图；

图6为实施例2微透镜特征的形状口径排布和连接边界二维分布示意图；

图7为对应图6生成的微透镜特征二维分布示意图；

图8为基于图6和图7的凹面微透镜结构的三维分布示意图；

图9为基于图6和图7的凸面微透镜结构的三维分布示意图；

图10为本实用新型单层微透镜匀光结构上对变形voronoi分界微透镜特征一横截面示意图；

图11为实施例1提供的随机微透镜排布匀光片的远场出射角度分布示意图；

图12为实施例1提供的随机微透镜排布匀光片的远场出射光场分布示意图；

图13为实施例2提供的随机微透镜排布匀光片的远场出射光场分布示意图；

图14和图15为传统匀光结构的微透镜的中心点和形状口径排布二维分布示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，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他的附图。

在针对本实用新型的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本实用新型的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

本实用新型为解决现有技术中镜头模组中的匀光器件体积大、厚度较厚并且不能去除条纹现象导致光场效果差的缺陷，以及光场类型单一的缺陷，特别提供一种体积小、厚度薄的基于微透镜阵列的用于光学镜头的匀光结构，该匀光结构的重要改进即为能够有效地提高光场类型，使得其能够适用于不同的镜头模组，适用于不同的应用环境。同时，其能够很好的匹配手机、平板电脑等电子设备配件小型化的具体需求。且相对于传统周期微透镜阵列和微随机微透镜阵列，微透镜口径形状和面型满足随机分布，能够很好的去除条纹现象。

根据本实用新型的用于光学镜头的匀光结构，包括：基体、光源芯片、设置在基体表面上的粘接层以及布置在粘接层上的微透镜层。在本实用新型中，微透镜层与光源芯片之间具有空气层，即具有空气间隔。微透镜层是由多个微透镜采用随机方式排布设置在粘接层上形成的。重要的是，在本实用新型中，各微透镜相互抵接的边界为曲线边界，该曲线边界较以往的直线边界能够明显提升匀光结构的性能，使得适用的光场类型明显增加。

在本实用新型中，各微透镜之间的抵接边界为曲线边界时，满足：T_zz＝Z(c，r，k，T_xx，T_yy)，其中c为曲率，k为圆锥系数，

T_x、T_y、Y_z分别为x，y，z方向变形随机量。

根据本实用新型的一种实施方式，粘接层采用UV胶层，当然除了UV胶层还可以采用其他可行的具有黏性的胶水等材料。

在本实用新型中，微透镜为单面或者双面结构，微透镜层为单层或者多层结构，多层时即在基体上镀制多层粘接层，在每层粘接层上布置微透镜层。在本实用新型中，进一步地，微透镜的口径形状为类似基于二维voronoi的平面划分，即微透镜平面形状类似为泰森多边形。由上可知，不同的是，微透镜平面形状为泰森多边形时，各微透镜相互抵接的边界为直线边界，本实用新型是将各微透镜相互抵接的直线边界改进为曲线边界，如此设置既能够兼顾直线边界所能取得的有益效果，同时能够进一步地提升匀光结构的性能，特别是显著增加匀光结构的光场类型。在本实用新型中，相邻的微透镜紧密排列并且相邻微透镜连接处可实现连续无断面。

根据本实用新型的上述设置，通过各部分的合理排布，能够很好的实现匀光结构的匀光功能；体积小、厚度薄的微透镜能够满足匀光器件小型化需求；微透镜口径形状和面型采用随机分布可打扰干涉性，克服传统周期性与微随机阵列出射光场的条纹问题。本实用新型的匀光结构通过随机形状排布的微透镜特征，将入射光分别进行折射并在目标光场处进行叠加，达到理想的预设光场效果；通过类似voronoi的平面划分，使得面型整体填充系数的可达到99％，保证入射光束利用率最大，并达到最佳光场效果；类似voronoi的微透镜形状划分同时确保了相邻微透镜边界处高度一致，连接处连续无断面，降低了母板灰度掩模和产品纳米压印的加工难度，减少了模板残胶的可能性，提升整体加工精度和效率。

重要的是，本实用新型的匀光结构因为各微透镜之间的抵接边界为曲线边界，满足上述能够促使抵接边界为曲线边界的公式，使得本实用新型的匀光结构不仅能够实现现有技术中所能够实现的小型化、能够去除条纹现象以及提高光场效果，特别地，还能显著提升光场类型，使得本实用新型的匀光结构能够适用于更多应用场合，明显解决了现有技术中匀光结构光场单一的缺陷。

进一步地，在本实用新型中，微透镜为单面结构时，微透镜层位于基体和光源芯片之间。微透镜为双面结构时，微透镜层位于基体和光源芯片之间和/或基体位于微透镜层和光源芯片之间。

在本实用新型中，微透镜层中的各微透镜的中心随机分布或者规律分布，并且各微透镜的曲面随机分布或者以相同曲面布置。如此设置，可达到不同的微透镜面型随机，微透镜高度或深度随机，各微透镜X，Y，Z方向拥有拉伸随机量。

在本实用新型中，任意相邻的两个微透镜之间的间距为1μm-100μm。如此设置，合理控制透镜间距能够使每个微透镜分别成像，排除相互之间的干扰，成像应用时间距主要与下方的感应芯片等相互匹配。

在本实用新型中，微透镜由连续面型的曲面构成，连续面型的曲面包括：凸面曲面，凹面曲面和波浪形曲面。各相邻的所述微透镜之间无间隔，并且连接处等高。

在本实用新型中，微透镜为球面或者非球面微透镜。如此设置，不同的微透镜设计可以满足不同的应用要求，球面设计R值不同可以调节矢高，并最终调整整体器件的厚度；非球面可以增加设计的自由度，满足不同成像及非成像领域的应用。

在本实用新型中，微透镜的曲率半径R为3μm-300μm。如此设置，合理限定微透镜的曲率半径，能够调整不同的焦距位置，使微透镜能顺利在芯片上成像。

在本实用新型中，基体为硬质玻璃或者软质塑料。根据实际需求选择不同的基体，软性塑料基地材料，可以有效控制生产过程中破裂，实现超薄基体的压印制作。经过高温烘烤的玻璃基体能够保证良好的压印效果，有效防止破裂。

在本实用新型中，微透镜层的厚度为0.01-0.1mm，匀光结构厚度小于0.6mm。如此设置，通过限制微透镜阵列的厚度，使得光学镜头模组整体的厚度控制在合理的范围内，实现模组的小型化。

在本实用新型中，微透镜层与光源芯片之间的空气层的厚度小于0.4mm。当具有微透镜结构面无保护层且直接朝向VCSEL芯片时，需预留一定的间隙防止刮擦和压裂；微透镜阵列与芯片之间的间距直接影响模组的高度，控制间隙可以有效控制总高。

根据本实用新型的上述设置，以下结合附图具体说明本实用新型的上述方案。

实施例1

图1为实施例1的匀光结构的立体图；图2为实施例1微透镜特征的形状口径排布和连接边界二维分布示意图；图3为对应图2生成的微透镜特征二维分布示意图；图4为基于图2和图3的凹面微透镜结构的三维分布示意图；图5为基于图2和图3的凸面微透镜结构的三维分布示意图。

结合图1-图5，在本实施例中，匀光结构为单面单层凸面微透镜结构，包括：基体1、UV胶层2、微透镜层3、空气层、VCSEL光源芯片以及安装光源芯片的芯片固定基板。在本实施例中，微透镜形状即为类似voronoi分界形成的曲线边界多边形，每一个微透镜由连续面型的曲面构成，包括：凸面曲面，凹面曲面和波浪形曲面；微透镜为球面、非球面、自由曲面；任意相邻两个微透镜的间距为1μm-100μm，相邻不规则形状口径的微透镜紧密排列，且相邻微透镜连接处可实现连续无断面；微透镜的曲率半径R为3μm-300μm；微透镜阵列的总厚度为0.01mm～0.1mm。

在本实施方式中，基底为硬质玻璃或软性塑料材质；基底上具有随机微透镜排布特征的UV胶层。

空气层位于微透镜阵列与芯片之间，厚度<0.4mm。

匀光片总厚度<0.6mm。

实施例2

图6为实施例2微透镜特征的形状口径排布和连接边界二维分布示意图；图7为对应图6生成的微透镜特征二维分布示意图；图8为基于图6和图7的凹面微透镜结构的三维分布示意图；图9为基于图6和图7的凸面微透镜结构的三维分布示意图。

结合图6-图9，在本实施例中，匀光结构为单面单层凸面微透镜结构，包括：基体、UV胶层、微透镜层、空气层、VCSEL光源芯片以及安装光源芯片的芯片固定基板。在本实施例中，微透镜形状即为类似voronoi分界形成的曲线边界多边形，每一个微透镜由连续面型的曲面构成，包括：凸面曲面，凹面曲面和波浪形曲面；微透镜为球面、非球面、自由曲面；任意相邻两个微透镜的间距为1μm-100μm，相邻不规则形状口径的微透镜紧密排列，且相邻微透镜连接处可实现连续无断面；微透镜的曲率半径R为3μm-300μm；微透镜阵列的总厚度为0.01mm～0.1mm。

在本实施方式中，基底为硬质玻璃或软性塑料材质；基底上具有随机微透镜排布特征的UV胶层。

空气层位于微透镜阵列与芯片之间，厚度<0.4mm。

匀光片总厚度<0.6mm。

图10为本实用新型单层微透镜匀光结构上对变形voronoi分界微透镜特征一横截面示意图。由图10可看出，本实用新型的匀光结构在微透镜相接处高度一致，无断面，并且微透镜特征面上高度和深度可做到完全随机。

图11为实施例1提供的随机微透镜排布匀光片的远场出射角度分布示意图；图12为实施例1提供的随机微透镜排布匀光片的远场出射光场分布示意图；图13为实施例2提供的随机微透镜排布匀光片的远场出射光场分布示意图。

图14和图15为传统匀光结构的微透镜的中心点和形状口径排布二维分布示意图。如图14和图15所示，传统的匀光结构中的各微透镜之间的抵接边界为直线边界，这样的结构虽然能够促使匀光结构趋于小型化，并且去除条纹现象，但是其光场单一，仅适用于单一的镜头模组进行特定应用，其不具备更多的光场类型和应用。

根据本实用新型的上述设置，正是要解决例如以上现有技术匀光结构光场单一的技术问题，获取一种既能够实现小型化和提高光场效果，同时又能够增加光场类型的匀光结构。

因此，根据本实用新型的上述设置，采用具有体积小、厚度薄优点的微透镜阵列，能够很好的匹配手机、平板电脑等电子设备配件小型化的具体需求。且相对于传统周期微透镜阵列和微随机微透镜阵列，微透镜口径形状和面型满足随机分布，能够很好的去除条纹现象。

本实用新型通过在一个基体层上涂覆胶水，用模具压制后进行固化，形成厚度薄，体积小，能够适用于小型化设备的匀光器件，同时能够有效去除微透镜阵列条纹现象，并保持光场均匀过渡，达到最佳光场效果；连接处无断面的设计，能够降低母板灰度掩模和产品纳米压印的加工难度，减少了模板残胶的可能性，提升整体加工精度和效率。

本实用新型的用于光学镜头的匀光结构，可以使例如TOF模组的厚度整体控制在0.4mm以内，能在小型化设备上应用；能够很好的去除周期和微周期微透镜阵列的条纹现象，并保持光场均匀过渡；面型整体填充系数的可达到99％，保证入射光束利用率最大，并达到最佳光场效果；连接处无断面，降低了母板灰度掩模和产品纳米压印的加工难度，减少了模板残胶的可能性，提升整体加工精度和效率。

重要的是，本实用新型的用于光学镜头的匀光结构，能够明显增加光场类型，应用更加广泛。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种用于光学镜头的匀光结构，其特征在于，包括：基体、光源芯片、设置在所述基体表面上的粘接层以及布置在所述粘接层上的微透镜层；

所述微透镜层与所述光源芯片之间具有空气层；

所述微透镜层由多个微透镜随机排布在所述粘接层上形成；

各所述微透镜相互抵接，并且抵接的边界为曲线边界。

2.根据权利要求1所述的用于光学镜头的匀光结构，其特征在于，各所述微透镜之间的抵接边界为曲线边界时，满足：T_zz＝Z(c，r，k，T_xx，T_yy)，其中c为曲率，k为圆锥系数，

T_x、T_y、T_z分别为x，y，z方向变形随机量。

3.根据权利要求2所述的用于光学镜头的匀光结构，其特征在于，所述微透镜为单面或者双面结构，所述微透镜层为单层或者多层。

4.根据权利要求3所述的用于光学镜头的匀光结构，其特征在于，所述微透镜为单面结构时，所述微透镜层位于所述基体和所述光源芯片之间。

5.根据权利要求3所述的用于光学镜头的匀光结构，其特征在于，所述微透镜为双面结构时，所述微透镜层位于所述基体和所述光源芯片之间和/或所述基体位于所述微透镜层和所述光源芯片之间。

6.根据权利要求1所述的用于光学镜头的匀光结构，其特征在于，所述微透镜层中的各微透镜的中心随机分布或者规律分布，并且各微透镜的曲面随机分布或者以相同曲面布置。

7.根据权利要求1所述的用于光学镜头的匀光结构，其特征在于，任意相邻的两个所述微透镜之间的间距为1μm-100μm。

8.根据权利要求1所述的用于光学镜头的匀光结构，其特征在于，所述微透镜由连续面型的曲面构成，所述连续面型的曲面包括：凸面曲面，凹面曲面和波浪形曲面。

9.根据权利要求1所述的用于光学镜头的匀光结构，其特征在于，各相邻的所述微透镜之间无间隔，并且连接处连续无断面。

10.根据权利要求1所述的用于光学镜头的匀光结构，其特征在于，所述微透镜为球面或者非球面微透镜。

11.根据权利要求1所述的用于光学镜头的匀光结构，其特征在于，所述微透镜的曲率半径R为3μm-300μm。

12.根据权利要求1所述的用于光学镜头的匀光结构，其特征在于，所述基体为硬质玻璃或者软质塑料。

13.根据权利要求1所述的用于光学镜头的匀光结构，其特征在于，所述微透镜层的厚度为0.01-0.1mm，所述匀光结构厚度小于0.6mm。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的用于光学镜头的匀光结构，其特征在于，所述空气层的厚度小于0.4mm。

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