CN217902084U - 匀光片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种匀光片。匀光片包括：基底；微透镜阵列区域，微透镜阵列区域设置在基底的一侧表面上，微透镜阵列区域包括多个微透镜，多个微透镜均为非对称结构，微透镜包括光学面和结构面，光学面位于微透镜远离基底的一侧，结构面绕光学面的周向设置且结构面的一侧与光学面连接以对光学面形成支撑，光学面沿中心线呈非对称状。本实用新型解决了现有技术中的匀光片存在光线倾斜入射时的光斑畸变校正困难的问题。

Description

匀光片

技术领域

本实用新型涉及三维成像设备技术领域，具体而言，涉及一种匀光片。

背景技术

随着科技的不断发展，行业内diffuser(匀光片)广泛应用于TOF测距、人脸识别、汽车雷达、HUD(抬头显示)等领域。其中，在TOF测距应用中，多为光束垂直入射diffuser匀光片，无固定接收面，仅对光场范围内的空间物体的深度进行探测；而在HUD应用中，为使HUD配合主机装配及减小HUD整机体积，光束会斜入射到diffuser匀光片，经diffuser匀光片表面的MLA(微透镜阵列)折射后再斜照射到接收面，光束斜入射接收面会引入光斑畸变且光斑均匀度降低，此时需要额外增加其他具有畸变矫正的光学元件，从而导致元件设计、加工难度增大，同时带来成本的上升。车载雷达及人脸识别应用中也有此类困扰，需要提升成本来矫正光束倾斜照射接收面导致的光斑畸变。

也就是说，现有技术中的匀光片存在光线倾斜入射时的光斑畸变校正困难的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种匀光片，以解决现有技术中的匀光片存在光线倾斜入射时的光斑畸变校正困难的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种匀光片，包括：基底；微透镜阵列区域，微透镜阵列区域设置在基底的一侧表面上，微透镜阵列区域包括多个微透镜，多个微透镜均为非对称结构，微透镜包括光学面和结构面，光学面位于微透镜远离基底的一侧，结构面绕光学面的周向设置且结构面的一侧与光学面连接以对光学面形成支撑，光学面沿中心线呈非对称状。

进一步地，微透镜的光学面沿垂直于中心线方向的截面在中心线的两侧非对称分布，且截面在中心线的两侧形成的曲线沿靠近中心线的方向的斜率变化不同。

进一步地，微透镜阵列区域包括多个子区域，多个子区域均包括多个微透镜，不同子区域的微透镜的光学面不同。

进一步地，微透镜阵列区域的多个微透镜呈规则排列和/或随机排列。

进一步地，微透镜阵列区域的多个微透镜呈规则排列，规则排列包括矩形阵列排布、圆形阵列排布中的一种。

进一步地，微透镜的光学面为非球面曲面，非球面曲面包括多项式曲面、Zernike多项式曲面、二次曲面、超二次曲面及自由曲面中的一种。

进一步地，微透镜的外周缘的至少两个位置的高度不同。

进一步地，微透镜在X方向、Y方向和Z方向中的至少一个方向上存在缩放比例，在X方向或Y方向的缩放比例大于等于50％且小于等于150％，在Z方向的缩放比例大于等于60％且小于等于140％。

进一步地，微透镜的长度大于等于5um且小于等于300um；和/或微透镜的宽度大于等于5um且小于等于300um；和/或微透镜的矢高大于等于0.003mm且小于等于0.2mm。

进一步地，基底的厚度大于等于0.1mm且小于等于2mm。

应用本实用新型的技术方案，匀光片包括基底和微透镜阵列区域，微透镜阵列区域设置在基底的一侧表面上，微透镜阵列区域包括多个微透镜，多个微透镜均为非对称结构，微透镜包括光学面和结构面，光学面位于微透镜远离基底的一侧，结构面绕光学面的周向设置且结构面的一侧与光学面连接以对光学面形成支撑，光学面沿中心线呈非对称状。

多个微透镜均为非对称结构，微透镜包括光学面和结构面，光学面位于微透镜远离基底的一侧，结构面绕光学面的周向设置且结构面的一侧与光学面连接以对光学面形成支撑，光学面沿中心线呈非对称状；通过设置微透镜阵列区域的所有微透镜均为非对称结构，且各微透镜的光学面沿中心线也呈非对称状，也就是说微透镜的光学面是非对称面型，当光线倾斜入射微透镜时，微透镜能够对倾斜入射的光线的光斑进行畸变校正，从而有效避免光斑偏移和形状不规整的情况，还能够有效提高光斑的均匀度，保证光斑范围内能量分布的一致性较佳，进一步保证光线倾斜入射微透镜阵列区域时得到的光斑的形状是规整的且能量分布均匀度较高，实现了光线倾斜入射光斑的畸变矫正，优化了系统性能，同时避免了增加其他畸变校正元件的情况，节省了部件，降低系统其他光学元件的设计及加工难度，降低了整体成本。

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示出了光束垂直和倾斜入射接收面的示意图；

图2示出了常规的微透镜的结构示意图；

图3示出了本实用新型的一个可选实施例的微透镜的结构示意图；

图4示出了本实用新型的一个可选实施例的匀光片的结构示意图；

图5示出了常规的匀光片的光束路径图；

图6示出了常规的微透镜的结构示意图；

图7示出了采用图6中的微透镜的微透镜阵列区域的光斑图；

图8示出了本实用新型的微透镜的结构示意图；

图9示出了采用图8中的微透镜的微透镜阵列区域的光斑图；

图10示出了本实用新型的微透镜的一个角度的截面示意图；

图11示出了图10中微透镜的光学面的斜率变化曲线图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、接收面；20、基底；30、微透镜阵列区域；31、微透镜；311、光学面；312、结构面；40、中心线；50、光束中心线。

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。

如图1所示，左侧为光束垂直入射接收面10的示意图，右侧是光束倾斜入射接收面10的示意图。当光束垂直照射至接收面10时，光束中心线50与接收面10垂直即与接收面10法线平行，光束两侧边缘光线相对接收面10法线左右对称，边缘光线在接收面10的落点与在光束中心线50呈对称分布，此时光斑是对称的结构；当光束倾斜照射至接收面10时，光束中心线50与接收面10不垂直，光束中心线50与接收面10法线呈一定夹角，光束两侧边缘光线相对接收面10法线左右不对称，此时光斑偏移。

如图1所示，光束倾斜照射接收面10时，左右两侧相同发散角内的能量分别分配至长度为L1及L2的区域内。

L1＝H*[tan(α+β)-tan(α)]

L2＝H*tan(β-α)

L1＞L2，相等的能量分配至不同大小的区，面积大的区域平均亮度更低，面积小的区域平均亮度更高。上述阐述了光束倾斜射入接收面10导致光斑畸变即均匀度降低的原因。因此，光束倾斜入射伴随两个问题，一个是接收面10内光斑畸变的问题，另一个就是照射区域内能量分布不均匀，导致光斑不同位置能量差别较大的问题。

如图2所示，为常规的对称的微透镜结构设计，此种对称结构在接收倾斜入射的光线时，其所呈现的光斑就存在畸变和均匀度差的问题。

为了解决现有技术中的匀光片存在光线倾斜入射时的光斑畸变校正困难的问题，本实用新型提供了一种匀光片。

如图3至图11所示，匀光片包括基底20和微透镜阵列区域30，微透镜阵列区域30设置在基底20的一侧表面上，微透镜阵列区域30包括多个微透镜31，多个微透镜31均为非对称结构，微透镜31包括光学面311和结构面312，光学面311位于微透镜31远离基底20的一侧，结构面312绕光学面311的周向设置且结构面312的一侧与光学面311连接以对光学面311形成支撑，光学面311沿中心线40呈非对称状。

多个微透镜31均为非对称结构，微透镜31包括光学面311和结构面312，光学面311位于微透镜31远离基底20的一侧，结构面312绕光学面311的周向设置且结构面312的一侧与光学面311连接以对光学面311形成支撑，光学面311沿中心线40呈非对称状；通过设置微透镜阵列区域30的所有微透镜31均为非对称结构，且各微透镜31的光学面311沿中心线40也呈非对称状，也就是说微透镜31的光学面311是非对称面型，当光线倾斜入射微透镜31时，微透镜31能够对倾斜入射的光线的光斑进行畸变校正，从而有效避免光斑偏移和形状不规整的情况，还能够有效提高光斑的均匀度，保证光斑范围内能量分布的一致性较佳，进一步保证光线倾斜入射微透镜阵列区域30时得到的光斑的形状是规整的且能量分布均匀度较高，实现了光线倾斜入射光斑的畸变矫正，优化了系统性能，同时避免了增加其他畸变校正元件的情况，节省了部件，降低系统其他光学元件的设计及加工难度，降低了整体成本。

需要说明的是，本申请的微透镜阵列区域30通过压印胶经压印工艺制作而成，压印胶经压印工艺后形成微透镜阵列区域30的形貌。

如图10所示，微透镜31的光学面311沿垂直于中心线40方向的截面在中心线40的两侧非对称分布，且截面在中心线40的两侧形成的曲线沿靠近中心线40的方向的斜率变化不同。也就是说，中心线40两侧截面曲线是不同的且不对称，同时曲线最左侧到中心线40的斜率变化规律与曲线最左侧到中心线40的斜率变化规律不同。

如图10所示，为本申请的微透镜31在H向的截面图，本申请的微透镜31的光学面311为具有畸变矫正设计的曲面，该光学面311具有以下特征：

1.光学面311为自由曲面，自由曲面上任意点的曲率均可单独变化，但与相邻点曲率过度平滑；

2.在光束有倾斜的方向或在光束有倾斜分量的方向上的截面曲线为非对称分布；

3.在光束有倾斜的方向或在光束有倾斜分量的方向上的截面曲线的斜率为非对称分布。

如图11所示，为图10中H方向光学面311截面所形成的曲线的斜率变化曲线，X轴0点左右两侧斜率呈非对称分布，最大值及斜率分布均不同。

具体的，微透镜阵列区域30包括多个子区域，多个子区域均包括多个微透镜31，不同子区域的微透镜31的光学面311不同，相同子区域的微透镜31的光学面311相同，这样设置使得不同子区域可以匹配不同入射角度的光束，进而实现不同角度入射的光束的畸变矫正。这里需要说明是，光学面311不同是知道其曲面结构不同。

具体的，微透镜阵列区域30的多个微透镜31可均呈规则排列，或均呈随机排列，或者多个微透镜31包括规则排列的区域也包括随机排列的区域。规则排列包括矩形阵列排布、圆形阵列排布中的一种，规则排列即微透镜31所处位置按一定规律确定，如矩形阵列排布——微透镜31按矩形阵列排布，相邻两行间距相等，相邻两列间距相等；圆形阵列排布——微透镜31按环形固定间距排布在固定直径的圆环上，多个圆环的环间距也固定；随机排列即微透镜31位置在一定空间内无序散布，同时保证两颗相邻微透镜31间距小于单颗微透镜31的尺寸，以确保微透镜阵列区域30无空白间隙，随机排列是在规则阵列的基础上对每颗微透镜31随机添加一定的位置偏移，通过随机偏移量的控制得到不同乱序分布的随机排列。

具体的，微透镜31由光学面311和结构面312组成，其中，结构面312仅起到支撑光学面311的作用，微透镜31的光学面311为非球面曲面，为保证矫正光线倾斜入射时，光学面311在光束倾斜方向及有倾斜分量的方向上不对称。非球面曲面可为多种形式，如多项式曲面、Zernike多项式曲面、二次曲面、超二次曲面及自由曲面中的一种。其中自由曲面为自由度最高的曲面，曲面由点阵确定，点阵中每个点的位置均可单独调整且不影响其他点，而从性能考虑，通常会保证曲面上各点斜率连续；其他曲面均可用公式表达，以多项式曲面为例，z轴矢高可表示为XY平面坐标函数(x,y)的函数：

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。

如图3和图10所示，由于微透镜31是非对称的结构，且微透镜31的光学面311也是非对称的表面，使得微透镜31的外周缘的至少两个位置的高度不同。例如图10中，微透镜31最左侧的高度与微透镜31最右侧的高度不相同，且微透镜31最左侧的高度小于微透镜31最右侧的高度。

如图5所示，为常规的匀光片的光束倾斜入射、出射光路图。左侧为XZ平面光束倾斜入射示意图，右侧为YZ平面光束倾斜入射示意图。两张图中匀光片的下表面为光束入射面，上表面为光束出射面。当光束倾斜入射微透镜阵列区域30时，经微透镜阵列区域30折射后的光束也倾斜出射至接收面10；具有偏光功能的微透镜阵列区域30，即使光束垂直入射微透镜阵列区域30，光束出射后也是倾斜照射至接收面10；这两种情况均会引起上文所述光斑畸变。

具体的，在排布微透镜31时，每个微透镜31可在X方向、Y方向和Z方向中的至少一个方向上存在随机缩放比例，以减少干涉条纹及色散引起的空间颜色分布不均，在X方向或Y方向的缩放比例优选大于等于50％且小于等于150％，在Z方向的缩放比例优选大于等于60％且小于等于140％。

如图8所示，微透镜31的长度大于等于5um且小于等于300um，长度优选大于等于10um且小于等于100um；微透镜31的宽度大于等于5um且小于等于300um，宽度优选大于等于10um且小于等于100um；微透镜31的矢高大于等于0.003mm且小于等于0.2mm，由于微透镜31由压印胶经压印工艺而来，所以在微透镜31的加工过程中，压印胶的厚度根据微透镜31的矢高确定，压印胶的厚度必须比微透镜31的矢高至少大0.005mm，压印胶的厚度优选大于等于0.03mm且小于等于0.2mm。

具体的，基底20的厚度大于等于0.1mm且小于等于2mm。优选基底20的厚度大于等于0.21mm且小于等于0.3mm，通过合理规划基底20厚度，一方面避免基底20厚度过大，从而增加匀光片整体体积，影响小型化；另一方面避免基底20厚度过小，影响基底20结构强度，基底20过薄容易在使用过程中发生折断或损坏的情况；通过将基底20的厚度设置在0.1mm到2mm的范围内，有利于保证基底20的轻薄性的同时保证结构强度，保证结构稳定性，进一步保证匀光片的性能稳定性。

需要说明的是，基底20的材料优选玻璃或高分子聚合物。

如图6所示，为常规对称的微透镜的示意图，光学面为对称面型，未做畸变矫正设计。

如图7所示，为图6的微透镜阵列区域在光线倾斜入射和垂直入射的接收面10的光斑效果图。由图中左侧示意图可知，当光线垂直入射由常规微透镜组成的微透镜阵列区域时，经折射后垂直照射至接收面10，形成的是均匀规整的矩形光斑；由图中右侧示意图可知，当光线倾斜入射由常规微透镜组成的微透镜阵列区域时，经折射后倾斜照射至接收面10，形成畸变光斑，轮廓不再是规整矩形，且区域内亮度不均匀，明暗差异大。微透镜的长度方向对应光场H向，微透镜的宽度方向对应光场V向，此时常规微透镜的长度和宽度均为60um。

如图8所示，为本申请的非对称结构的微透镜31的示意图，光学面311为非对称面型，加入畸变矫正设计。

如图9所示，为本申请的微透镜阵列区域30在光线倾斜入射和垂直入射的接收面10的光斑效果图。图中左侧示意图为光线垂直入射由微透镜阵列区域30时，经折射后垂直照射至接收面10的光斑图；图中右侧示意图为光线倾斜入射微透镜阵列区域30时，经折射后倾斜照射至接收面10的光斑图。针对光束倾斜照射的角度，做针对性的畸变矫正设计，设计出的光学面311为非对称面型，采用该微透镜31阵列出的微透镜阵列区域30将光束折射后照射到接收面10的光斑轮廓接近规整矩形，均匀度也有很大提升，同时将光能量集中在有效目标区域利于提升光能量利用率。

需要注意的是，此时若光束垂直照射到接收面10，光斑已不再是规整、均匀的矩形，而是补偿畸变的反畸变光斑。微透镜31的长度方向对应光场H向，微透镜31的宽度方向对应光场V向。

当然，本申请还提供了一种光学装置，光学装置包括光源和上述的匀光片，光源发射的光垂直或倾斜入射匀光片。本申请的光学装置能够针对光源发射的光束的入射角度，有效矫正光斑畸变，使得最终得到的光斑轮廓接近规整矩形，同时能够提高光斑均匀度，有利于将光能量集中在有效目标区域内，从而提升光能量的利用率。

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)

1.一种匀光片，其特征在于，包括：

基底(20)；

微透镜阵列区域(30)，所述微透镜阵列区域(30)设置在所述基底(20)的一侧表面上，所述微透镜阵列区域(30)包括多个微透镜(31)，多个所述微透镜(31)均为非对称结构，所述微透镜(31)包括光学面(311)和结构面(312)，所述光学面(311)位于所述微透镜(31)远离所述基底(20)的一侧，所述结构面(312)绕所述光学面(311)的周向设置且所述结构面(312)的一侧与所述光学面(311)连接以对所述光学面(311)形成支撑，所述光学面(311)沿中心线(40)呈非对称状。

2.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，所述微透镜(31)的所述光学面(311)沿垂直于所述中心线(40)方向的截面在所述中心线(40)的两侧非对称分布，且所述截面在所述中心线(40)的两侧形成的曲线沿靠近所述中心线(40)的方向的斜率变化不同。

3.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，所述微透镜阵列区域(30)包括多个子区域，多个所述子区域均包括多个微透镜(31)，不同所述子区域的所述微透镜(31)的光学面(311)不同。

4.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，所述微透镜阵列区域(30)的多个所述微透镜(31)呈规则排列和/或随机排列。

5.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，所述微透镜阵列区域(30)的多个所述微透镜(31)呈规则排列，所述规则排列包括矩形阵列排布、圆形阵列排布中的一种。

6.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，所述微透镜(31)的所述光学面(311)为非球面曲面，所述非球面曲面包括多项式曲面、Zernike多项式曲面、二次曲面、超二次曲面及自由曲面中的一种。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的匀光片，其特征在于，所述微透镜(31)的外周缘的至少两个位置的高度不同。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的匀光片，其特征在于，所述微透镜(31)在X方向、Y方向和Z方向中的至少一个方向上存在缩放比例，在所述X方向或所述Y方向的缩放比例大于等于50％且小于等于150％，在所述Z方向的缩放比例大于等于60％且小于等于140％。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的匀光片，其特征在于，

所述微透镜(31)的长度大于等于5um且小于等于300um；和/或

所述微透镜(31)的宽度大于等于5um且小于等于300um；和/或

所述微透镜(31)的矢高大于等于0.003mm且小于等于0.2mm。

10.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，所述基底(20)的厚度大于等于0.1mm且小于等于2mm。

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