CN216209997U - 透镜结构和光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种透镜结构和光学系统。透镜结构包括：基底层；结构层，结构层设置在基底层的一侧表面，结构层远离基底层一侧的表面具有微柱透镜；镀膜层，镀膜层设置在微柱透镜的入光面和微柱透镜的出光面上；遮光层，遮光层设置在微柱透镜的柱面。本实用新型解决了现有技术中发散角固定的光源具有不能适配小型化设备的问题。

Description

透镜结构和光学系统

技术领域

本实用新型涉及光学元件设备技术领域，具体而言，涉及一种透镜结构和光学系统。

背景技术

随着VCSEL(垂直腔面发射激光器)、EEL(边缘发射激光器)等光源的应用越来越广泛，但是这种光源的发散角都是固定的，随着科技的进步，对物体的小型化的要求越来越多，这就使得发散角固定的光源的应用具有了一定的限制，而采用这种光源的话不利于设备的小型化。

也就是说，现有技术中发散角固定的光源具有不能适配小型化设备的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种透镜结构和光学系统，以解决现有技术中发散角固定的光源具有不能适配小型化设备的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种透镜结构，包括：基底层；结构层，结构层设置在基底层的一侧表面，结构层远离基底层一侧的表面具有微柱透镜；镀膜层，镀膜层设置在微柱透镜的入光面和微柱透镜的出光面上；遮光层，遮光层设置在微柱透镜的柱面。

进一步地，微柱透镜为一个，微柱透镜为长条状的；或者微柱透镜为多个，多个微柱透镜排成一排。

进一步地，微柱透镜为多个，多个微柱透镜呈阵列排布。

进一步地，微柱透镜远离基底层的一侧表面为凸面曲面、凹面曲面和波浪形曲面中的一种。

进一步地，微柱透镜的长度大于等于20微米且小于等于500微米；和/或微柱透镜的宽度大于等于20微米且小于等于500微米；和/或微柱透镜的高度大于等于10微米且小于等于50微米。

进一步地，微柱透镜远离基底层的一侧表面为球面、非球面和自由曲面中的一种。

进一步地，微柱透镜远离基底层的一侧表面为球面，球面的曲率半径大于等于3微米且小于等于300微米。

进一步地，基底层的材质为硬质玻璃或软性塑料中的一种。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种光学系统，包括：光源；上述的透镜结构，透镜结构设置在光源的出光侧。

进一步地，透镜结构与光源间隔设置，且透镜结构与光源之间的间隔小于0.4毫米；和/或光源为VCSEL光源或者EEL光源中的一种。

应用本实用新型的技术方案，透镜结构包括基底层、结构层、镀膜层和遮光层，结构层设置在基底层的一侧表面，结构层远离基底层一侧的表面具有微柱透镜。镀膜层设置在微柱透镜的入光面和微柱透镜的出光面上；遮光层设置在微柱透镜的柱面。

通过在结构层上设置微柱透镜，能够很好的实现VCSEL光源和EEL光源的发散角的收束作用，进而使得VCSEL光源和EEL光源的发散角被改变，以使得VCSEL光源和EEL光源能够适配小型化的结构。同时微柱透镜体积小、厚度薄，能够满足光学压印片小型化需求，便于透镜结构的制作。镀膜层设置在入光面上时，便于将光源发出的光全部导到微柱透镜内，增加了微柱透镜的透光率。而镀膜层设置在出光面上时，便于微柱透镜内的光射出到微柱透镜的外侧。遮光层设置在柱面，可以防止其他光从微柱透镜的柱面射入到微柱透镜内，减少了杂散光的产生。遮光层的设置可以保证进入到微柱透镜的光是从入光面射入的，而不会从微柱透镜的柱面射入。

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实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了本实用新型的实施例一的光学系统的结构示意图；以及

图2示出了本实用新型的实施例二光学系统的结构示意图；

图3示出了图2中的光源的发出的光的扩散范围示意图；

图4示出了图2中的光源经过透镜结构后的光的扩散范围示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、透镜结构；20、光源；30、匀光片。

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实用新型。

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。

在本实用新型中，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实用新型。

为了解决现有技术中发散角固定的光源具有不能适配小型化设备的问题，本实用新型提供了一种透镜结构和光学系统。

如图1至图4所示，透镜结构10包括基底层、结构层、镀膜层和遮光层，结构层设置在基底层的一侧表面，结构层远离基底层一侧的表面具有微柱透镜。镀膜层设置在微柱透镜的入光面和微柱透镜的出光面上；遮光层设置在微柱透镜的柱面。

通过在结构层上设置微柱透镜，能够很好的实现VCSEL光源和EEL光源的发散角的收束作用，进而使得VCSEL光源和EEL光源的发散角被改变，以使得VCSEL光源和EEL光源能够适配小型化的结构。同时微柱透镜体积小、厚度薄，能够满足光学压印片小型化需求，便于透镜结构10的制作。镀膜层设置在入光面上时，便于将光源发出的光全部导到微柱透镜内，增加了微柱透镜的透光率。而镀膜层设置在出光面上时，便于微柱透镜内的光射出到微柱透镜的外侧。遮光层设置在柱面，可以防止其他光从微柱透镜的柱面射入到微柱透镜内，减少了杂散光的产生。遮光层的设置可以保证进入到微柱透镜的光是从入光面射入的，而不会从微柱透镜的柱面射入。

需要说明的是，在透镜结构10上设置微柱透镜能够对光源的发散角起到收束作用，

需要说明的是，遮光层可以是设置在微柱透镜上的涂层。遮光层还可以是在微柱透镜的柱面做磨砂处理形成磨砂面。

具体的，微柱透镜远离基底层的一侧表面为凸面曲面、凹面曲面和波浪形曲面中的一种。微柱透镜远离基底层的一侧表面为透镜面，透镜面可以是凸面曲面、可以是凹面曲面，当然还可以是波浪形曲面。而透镜面的具体的面型可以根据光源以及透镜结构10对光的作用来进行设计和选配。

当然，透镜面还可以是其他形状的曲面。

具体的，微柱透镜的长度大于等于20微米且小于等于500微米。若微柱透镜的长度小于20微米，就使得微柱透镜的长度过小，不利于微柱透镜的制作。若微柱透镜的长度大于500微米，就使得微柱透镜的长度过大，不利于微柱透镜的小型化，同时对光源的收束作用较差。

具体的，微柱透镜的宽度大于等于20微米且小于等于500微米。若微柱透镜的宽度小于20微米，就使得微柱透镜的宽度过小，不利于微柱透镜的制作。若微柱透镜的宽度大于500微米，就使得微柱透镜的宽度过大，不利于微柱透镜的小型化，同时对光源的收束作用较差。

具体的，微柱透镜的高度大于等于10微米且小于等于50微米。若微柱透镜的高度小于20微米，就使得微柱透镜的高度过小，不利于微柱透镜的制作。若微柱透镜的高度大于50微米，就使得微柱透镜的高度过大，不利于微柱透镜的小型化，同时对光源的收束作用较差。

通过合理控制微柱透镜的长度、宽度和高度灯尺寸，能够保证透镜结构10的小型化需求和信赖性的同时，确保透镜结构10对光束的收束效果达到较优的效果。

可选地，微柱透镜远离基底层的一侧表面为球面、非球面和自由曲面中的一种。微柱透镜远离基底层的一侧表面为透镜面，透镜面可以是球面，不同的微柱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。透镜面还可以是非球面，当然还可以是自由曲面。非球面和自由曲面可以增加设计的自由度，满足不同领域的应用。而透镜面的具体的面型可以根据光源以及透镜结构10对光的作用来进行设计和选配。

在一个具体的实施例中，微柱透镜远离基底层的一侧表面为球面，球面的曲率半径大于等于3微米且小于等于300微米。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，合理限定微柱透镜的曲率半径，能够调整不同的焦距位置，使微柱透镜能够实现发散角收束甚至准直效果。

可选地，基底层的材质可以是硬质玻璃。经过高温烘烤的玻璃基底层高保证良好的压印效果，有效防止破裂，增加了基底层工作的稳定性。

当然，基底层的材质还可以是软性塑料，软性塑料作为基底材料，可以有效控制生产过程中对基底层的拉裂，能够实现超薄基底层的压印及制作。

在对透镜结构10进行设计时，可以根据实际的使用需求来选择基底层的材料。

如图1和图2所示，光学系统包括光源20和上述的透镜结构10，透镜结构10设置在光源20的出光侧。具有上述透镜结构10的光源系统射出的光的发散角更小，能够适配多种不同的器件。

具体的，透镜结构10与光源20间隔设置，且透镜结构10与光源20之间的间隔小于0.4毫米。这样设置使得透镜结构10与光源20之间预留有一定的间隙，防止刮擦和压裂，保证透镜结构10工作的稳定性。而将透镜结构10与光源20之间的距离限制在小于0.4毫米的范围内，能够有效控制光学系统的总高，有利于光学系统的小型化。

当具有微柱透镜的结构面无保护层且直接朝向光源20时，需预留一定的间隙防止刮擦和压裂；且微柱透镜与光源20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。

光学系统还可以包括匀光片30，匀光片30设置在透镜结构10远离光源20的一侧。

具体的。光源20为VCSEL光源或者EEL光源中的一种。这样设置使得透镜结构10能够改变VCSEL光源或者EEL光源的扩散角，大大增加了VCSEL光源和EEL光源的使用范围。

实施例一

在图1所示的具体实施例中，光源20为EEL光源，而微柱透镜为长条状，长条状的微柱透镜能够与单点光源和长条线排布的光源进行发散角收束。

实施例二

与实施例一的区别是，光源20不同。

在图2所示的具体实施例中，微柱透镜为一个且是长条状的。

由于光源20的发散角被透镜结构10收束了，所以光学系统的发散角比较小，使得光学系统能够应用的范围得到了较大的扩充。

如图在本实施例中在透镜结构10远离光源20的一侧还设置有匀光片30，可以让发散角较小的光源产生更多的变化，可实现点阵或线状等类型的光斑。

在图3所示的线阵VCSEL光源在远场光斑，其横轴纵轴发散角约为22°。

在图4所示的VCSEL光源在使用本实施例中的透镜结构10进行发散角收束后的远场光斑，其纵轴方向发散角由22°减小至5°。

实施例三

与实施例一的区别是，微柱透镜的数量不同。

在本实施例中，柱状透镜为多个且排成一排。这样能够适配线阵的光源。

实施例四

在本实施例中，微柱透镜为多个，多个微柱透镜呈阵列排布。这样就使透镜结构10能够适配面阵排布的光源。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：

1、本申请的微柱透镜体积小，一般厚度在百微米级别，能在手机、平板电脑等小型化设备上应用。

2、本申请的微柱透镜可实现较大发散角光源的发散角收束，满足更多小角度发散角的应用需求。

3、相对于大尺寸的准直透镜，本申请透镜结构加工效率高成本低，体积更小且稳定性没有较大的差异。

4、实际应用面型填充系数可达到99％，保证入射光束利用率最大，并达到最佳发散角收束效果。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

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。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种透镜结构，其特征在于，包括：

基底层；

结构层，所述结构层设置在所述基底层的一侧表面，所述结构层远离所述基底层一侧的表面具有微柱透镜；

镀膜层，所述镀膜层设置在所述微柱透镜的入光面和所述微柱透镜的出光面上；

遮光层，所述遮光层设置在所述微柱透镜的柱面。

2.根据权利要求1所述的透镜结构，其特征在于，

所述微柱透镜为一个，所述微柱透镜为长条状的；或者

所述微柱透镜为多个，多个所述微柱透镜排成一排。

3.根据权利要求1所述的透镜结构，其特征在于，所述微柱透镜为多个，多个所述微柱透镜呈阵列排布。

4.根据权利要求1所述的透镜结构，其特征在于，所述微柱透镜远离所述基底层的一侧表面为凸面曲面、凹面曲面和波浪形曲面中的一种。

5.根据权利要求1所述的透镜结构，其特征在于，

所述微柱透镜的长度大于等于20微米且小于等于500微米；和/或

所述微柱透镜的宽度大于等于20微米且小于等于500微米；和/或

所述微柱透镜的高度大于等于10微米且小于等于50微米。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的透镜结构，其特征在于，所述微柱透镜远离所述基底层的一侧表面为球面、非球面和自由曲面中的一种。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的透镜结构，其特征在于，所述微柱透镜远离所述基底层的一侧表面为球面，所述球面的曲率半径大于等于3微米且小于等于300微米。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的透镜结构，其特征在于，所述基底层的材质为硬质玻璃或软性塑料中的一种。

9.一种光学系统，其特征在于，包括：

光源(20)；

权利要求1至8中任一项所述的透镜结构(10)，所述透镜结构(10)设置在所述光源(20)的出光侧。

10.根据权利要求9所述的光学系统，其特征在于，

所述透镜结构(10)与所述光源(20)间隔设置，且所述透镜结构(10)与所述光源(20)之间的间隔小于0.4毫米；和/或

所述光源(20)为VCSEL光源或者EEL光源中的一种。

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