CN216792481U - 光扩散器和光学模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光扩散器和光学模组。光扩散器包括：微透镜阵列层，微透镜阵列层包括多个微透镜，多个微透镜呈阵列设置，微透镜为偏光微透镜，偏光微透镜具有相对设置的第一端面和第二端面，第一端面的高度大于第二端面的高度。本实用新型解决了现有技术中的光扩散器存在光场截止性差的问题。

Description

光扩散器和光学模组

技术领域

本实用新型涉及人工智能设备技术领域，具体而言，涉及一种光扩散器和光学模组。

背景技术

目前行业内实现3D成像的方式主要包括双目、结构光和TOF，其中双目精度较低，结构光结构复杂且成本较高，而TOF有足够的精度且成本较低，已有流行推广的趋势。TOF通常由一个发射端和一个接收端组成，其中发射端主要由一个vcsel光源和一个光扩散器(diffuser)组成。

现有的光扩散器(diffuser)在光源正入射时，出射光场多是对称的，通过光扩散器(diffuser)上微透镜阵列(MLA)的折射调控不同区域的能量分布，得到所需要的光场。

在某些特殊应用场景中，用非对称光场能够提高光能量利用率，达到提升性能、降低能耗的效果。如图1中所示，例如扫地机器人传感器发射出的光场，水平线50以下的光，可用来探测障碍物及楼梯边缘等，水平线50以上的光除能探测障碍物外还能测距定位。定位要求测距距离足够且光能量集中，且为避免探测光伤及人眼不宜有过大角度范围的光在水平线50以上。服务型机器人等其他设备也有类似要求，对水平线50上下光场要求不同，非对称光场能够更完美地解决。现有技术中提供了一种能够实现非对称光场的光扩散器，但该光扩散器的光场能量截止效果较差，仍然会有部分探测光线进入人眼中从而造成伤害。

也就是说，现有技术中的光扩散器存在光场截止性差的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种光扩散器和光学模组，以解决现有技术中的光扩散器存在光场截止性差的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种光扩散器，包括：微透镜阵列层，微透镜阵列层包括多个微透镜，多个微透镜呈阵列设置，微透镜为偏光微透镜，偏光微透镜具有相对设置的第一端面和第二端面，第一端面的高度大于第二端面的高度。

进一步地，偏光微透镜具有中心面，中心面垂直于第一端面和第二端面，且偏光微透镜沿中心面对称设置。

进一步地，偏光微透镜的表面形状包括凸面和凹面中的一种。

进一步地，同一个偏光微透镜上的第一端面与第二端面通过至少一个曲面连接，曲面为自由曲面或多项式曲面。

进一步地，偏光微透镜的高度由第一端面至第二端面逐渐减小。

进一步地，第一端面和第二端面均为平面，第一端面的面积大于第二端面的面积。

进一步地，偏光微透镜的高度由第一端面至第二端面呈曲线变化。

进一步地，多个偏光微透镜被分为多列，多列偏光微透镜沿第一方向顺次排列，相邻两列中的多个偏光微透镜错位设置，同一列中的多个偏光微透镜沿第二方向等间距设置，第一方向与第二方向垂直。

进一步地，第一端面与第二端面的高度差大于0微米且小于100微米；和/或偏光微透镜的尺寸大于0微米且小于500微米。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种光学模组，包括：上述的光扩散器；Vcsel光源，Vcsel光源位于光扩散器的微透镜阵列层的一侧。

应用本实用新型的技术方案，光扩散器包括微透镜阵列层，微透镜阵列层包括多个微透镜，多个微透镜呈阵列设置，微透镜为偏光微透镜，偏光微透镜具有相对设置的第一端面和第二端面，第一端面的高度大于第二端面的高度。

通过多个呈阵列排布的偏光透镜，能够实现非对称光场的光扩散器，使得光扩散器的光场角度范围主要控制在有效工作区域的角度范围内，使得光能量更多地分布至有效工作区域，有利于光能量的集中，有利于提高光能量利用率，达到提升性能、降低能耗的效果；非对称广场能够将得不到利用的光偏转至有效工作区域内，从而避免以杂光的形式射入人眼，给用户带来伤害，增加能源利用率的同时增加了用户体验。偏光微透镜具有相对设置的第一端面和第二端面，第一端面的高度大于第二端面的高度，这样设置有利于保证偏光透镜的偏光特性，有利于提高光场截止性，有利于将光能量更多地控制在有效工作区域，更有利于控制杂散光，避免了杂散光对人眼的伤害。

另外，本申请的光扩散器解决了水平线两侧对光场需求不同的问题，通过设置偏光透镜实现偏光设计，将得不到利用的光偏转至有效工作区域，从而提升光利用率、降低能耗、保护人眼。

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光扩散器与现有技术中的光扩散器的光场对比图；

图2示出了本实用新型实施例一的光扩散器的偏光透镜的结构线图；

图3示出了本实用新型实施例一的光扩散器的偏光透镜的一个角度的示意图；

图4示出了图3中的偏光透镜的结构线图；

图5示出了本实用新型实施例一的偏光透镜的第一端面侧或第二端面侧的结构线图；

图6示出了本实用新型的实施例一的光扩散器的示意图；

图7示出了图6中的光扩散器的另一个角度的示意图；

图8示出了实施例一的光扩散器经平行光入射的光路图；

图9示出了实施例一的光扩散器经非平行光入射的光路图；

图10示出了本实用新型实施例二的光扩散器的示意图；

图11示出了图10中的光扩散器的另一个角度的示意图；

图12示出了实施例二的光扩散器经平行光入射的光路图；

图13示出了实施例二的光扩散器经非平行光入射的光路图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、偏光微透镜；11、第一端面；12、第二端面；20、中心面；30、第一方向；40、第二方向；50、水平线；60、有效工作区域。

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的光扩散器存在光场截止性差的问题，本实用新型提供了一种光扩散器和光学模组。

实施例一

如图1至图9所示，光扩散器包括微透镜阵列层，微透镜阵列层包括多个微透镜，多个微透镜呈阵列设置，微透镜为偏光微透镜10，偏光微透镜10具有相对设置的第一端面11和第二端面12，第一端面11的高度大于第二端面12的高度。

通过多个呈阵列排布的偏光透镜，能够实现非对称光场的光扩散器，使得光扩散器的光场角度范围主要控制在有效工作区域60的角度范围内，使得光能量更多地分布至有效工作区域60，有利于光能量的集中，有利于提高光能量利用率，达到提升性能、降低能耗的效果；非对称广场能够将得不到利用的光偏转至有效工作区域60内，从而避免以杂光的形式射入人眼，给用户带来伤害，增加能源利用率的同时增加了用户体验。偏光微透镜10具有相对设置的第一端面11和第二端面12，第一端面11的高度大于第二端面12的高度，这样设置有利于保证偏光透镜的偏光特性，有利于提高光场截止性，有利于将光能量更多地控制在有效工作区域60，更有利于控制杂散光，避免了杂散光对人眼的伤害。

另外，本申请的光扩散器解决了水平线50两侧对光场需求不同的问题，通过设置偏光透镜实现偏光设计，将得不到利用的光偏转至有效工作区域60，从而提升光利用率、降低能耗、保护人眼。

如图3和图6所示，由于单个偏光微透镜10的第一端面11和第二端面12有高度差，这样设置使得多个偏光微透镜10呈阵列布置后有明显断差结构。多个偏光微透镜10被分为多列，多列偏光微透镜10沿第一方向30顺次排列，相邻两列中的多个偏光微透镜10错位设置，同一列中的多个偏光微透镜10沿第二方向40等间距设置，第一方向30与第二方向40垂直。第二方向40为列排布，第一方向30为行排布，为保证第二方向40上的光场分布，第二方向40上多个偏光微透镜10的间距必须一致，随机错位会导致矢高较高的面“吃掉”矢高低的面，从而改变光场分布。

如图5和图6所示，偏光微透镜10具有中心面20，中心面20垂直于第一端面11和第二端面12，且偏光微透镜10沿中心面20对称设置。也就是说偏光微透镜10沿第一方向30为对称结构，这样设置可加少量随机偏移。在每列的起始位置加随机，使各列偏光微透镜10形成随机错位，引入随机错位可有效改善光斑条纹，得到均匀光斑。

如图7所示，在本实施例中，偏光微透镜10的表面形状为凸面。

如图8所示，为本实施例的光扩散器经平行光入射的光路图。由下至上为光线的入射方向，当平行光入射时，光线经过凸面的偏光微透镜10发生偏折，经过凸面后呈汇聚状。

如图9所示，为本实施例的光扩散器经非平行光入射的光路图。由下至上为光线的入射方向，当非平行光入射时，光线经过凸面的偏光微透镜10发生偏折，经过凸面后呈汇聚状。

如图2所示，同一个偏光微透镜10上的第一端面11与第二端面12通过至少一个曲面连接，曲面为自由曲面或多项式曲面。也就是说，第一端面11的至少一部分通过一曲面与第二端面12的至少一部分进行连接，曲面自由度可根据需要控制，每一个偏光微透镜10表面可设计为自由曲面或多项式曲面。

多项式曲面表达式如下：

其中，m、n系数越多曲面可调度越大，越接近自由曲面的自由度，可更便利地调整曲面以达到光强分布要求。取X轴对应第一方向30，Y轴对应第二方向40。为达到偏光效果，x的指数均为偶次；y的指数必须包含奇数，可包含偶数，如：

Z＝b1*y+a2*x^2+b2*y^2+b3*y^3+a2b*x^2*y+a4*x^4+a2b2*x^2*y^2+b4*y^4+b5*y^5+a2b3*x^2*y^3+a6*y^6+b7*y^7+b9*y^9+c。

如图2所示，第一端面11和第二端面12均为平面，第一端面11的面积大于第二端面12的面积。如图4所示，单个偏光微透镜10的第一端面11的高度a为30微米，第二端面12的高度c为24微米，单个偏光微透镜10的长度b为45微米，由于单个微透镜左高右低，对应第一端面11底部长于第二端面12的底部。为保证第一方向30的光场发散角、峰谷比等性能要求，需要用自由曲面将光场控制到目标分布，第一方向30光场呈对称分布，第一端面11和第二端面12与曲面连接的位置处形貌接近，仅高度不同。

如图4所示，第一端面11的一侧与第二端面12的一侧平齐，第一端面11的另一侧高于第二端面12的另一侧，第一端面11与第二端面12的高度差大于0微米且小于100微米。高度差的大小直接决定偏光透镜的偏光能力，当第一端面11与第二端面12的高度差等于0时，通过自由曲面的设计可以达到偏光效果，但光场截止性不强；控制第一端面11与第二端面12的高度差在大于0微米且小于100微米的范围内，通过自由曲面的设计可以达到偏光效果，且光场截止能力有明显提升，更有利于控制杂散光，避免能量损失同时避免了杂散光对人眼的伤害。优选地，第一端面11与第二端面12的高度差大于0微米且小于30微米。

如图5所示，图中偏光微透镜10的尺寸d均为45微米。

具体的，偏光微透镜10的尺寸大于0微米且小于500微米。偏光微透镜10的具体尺寸由性能要求结合可制造性决定，根据具体情况匹配适合的尺寸范围，有利于将设计更好的复现。优选地，偏光微透镜10的尺寸大于0微米且小于150微米。

需要说明的是，上述尺寸可以是单个偏光微透镜10在第二方向40上的长度，也可以是单个偏光微透镜10在第一方向30上的长度。

如图3和图4所示，偏光微透镜10的高度由第一端面11至第二端面12逐渐减小。也可以这样理解，偏光微透镜10的高度由第一端面11至第二端面12呈曲线变化。也就是说，当第一端面11与第二端面12之间的曲面为凸面时，由第一端面11的最高点经凸面至第二端面12的最高点之间所形成的为曲线，且曲线的高度是逐渐减小的。

本申请还提供了一种光学模组，包括上述的光扩散器和Vcsel光源，Vcsel光源位于光扩散器的微透镜阵列层的一侧。具有上述光扩散器的光学模组能够实现非对称的偏光光场，且光场截止性较强，能够将光场更多地控制在有效工作区域60内，避免水平线50以上有较大的光场范围，同时改善杂光，光能量利用效率，降低耗能。

实施例二

如图10至图13所示，与实施例一的区别是，偏光微透镜10的表面形状不是凸面而是凹面。

此时，偏光微透镜10的高度由第一端面11至第二端面12呈先减小再增大的变化，也就是说，由第一端面11的最高点经凹面至第二端面12的最高点之间所形成的曲线的高度是先减小再增大的。

如图12所示，为本实施例的光扩散器经平行光入射的光路图。由下至上为光线的入射方向，当平行光入射时，光线经过凹面的偏光微透镜10发生偏折，经过凹面后呈发散状。

如图13所示，为本实施例的光扩散器经非平行光入射的光路图。由下至上为光线的入射方向，当非平行光入射时，光线经过凹面的偏光微透镜10发生偏折，经过凹面后呈发散状。

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)

1.一种光扩散器，其特征在于，包括：

微透镜阵列层，所述微透镜阵列层包括多个微透镜，多个所述微透镜呈阵列设置，所述微透镜为偏光微透镜(10)，所述偏光微透镜(10)具有相对设置的第一端面(11)和第二端面(12)，所述第一端面(11)的高度大于所述第二端面(12)的高度。

2.根据权利要求1所述的光扩散器，其特征在于，所述偏光微透镜(10)具有中心面(20)，所述中心面(20)垂直于所述第一端面(11)和所述第二端面(12)，且所述偏光微透镜(10)沿所述中心面(20)对称设置。

3.根据权利要求1所述的光扩散器，其特征在于，所述偏光微透镜(10)的表面形状包括凸面和凹面中的一种。

4.根据权利要求1所述的光扩散器，其特征在于，同一个所述偏光微透镜(10)上的所述第一端面(11)与所述第二端面(12)通过至少一个曲面连接，所述曲面为自由曲面或多项式曲面。

5.根据权利要求1所述的光扩散器，其特征在于，所述偏光微透镜(10)的高度由所述第一端面(11)至所述第二端面(12)逐渐减小。

6.根据权利要求1所述的光扩散器，其特征在于，所述第一端面(11)和所述第二端面(12)均为平面，所述第一端面(11)的面积大于所述第二端面(12)的面积。

7.根据权利要求1所述的光扩散器，其特征在于，所述偏光微透镜(10)的高度由所述第一端面(11)至所述第二端面(12)呈曲线变化。

8.根据权利要求1所述的光扩散器，其特征在于，多个所述偏光微透镜(10)被分为多列，多列所述偏光微透镜(10)沿第一方向(30)顺次排列，相邻两列中的多个所述偏光微透镜(10)错位设置，同一列中的多个所述偏光微透镜(10)沿第二方向(40)等间距设置，所述第一方向(30)与所述第二方向(40)垂直。

9.根据权利要求1所述的光扩散器，其特征在于，

所述第一端面(11)与所述第二端面(12)的高度差大于0微米且小于100微米；和/或

所述偏光微透镜(10)的尺寸大于0微米且小于500微米。

10.一种光学模组，其特征在于，包括：

权利要求1至9中任一项所述的光扩散器；

Vcsel光源，所述Vcsel光源位于所述光扩散器的微透镜阵列层的一侧。

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