TWI803862B - 微透鏡陣列裝置 - Google Patents

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Abstract

一種微透鏡陣列裝置包含基板及微透鏡陣列。該微透鏡陣列設置於該基板上，且包含複數個第一透鏡及複數個第二透鏡。每個第一透鏡用以投射第一圖案至遠場上，每個第二透鏡用以投射第二圖案至該遠場上。該第一圖案於該遠場上具有第一面積，該第二圖案於該遠場上具有第二面積，該第一面積相異於該第二面積，該兩圖案之一者完全重疊於該兩圖案之另一者之中。

Description

微透鏡陣列裝置
本發明關於一種微透鏡陣列裝置，尤指一種用以投射至少兩圖案以改善對於投射光之控制的微透鏡陣列裝置。
於須要控制照明場景之應用中，諸如飛時測距(time-of-flight，ToF)及三維感應系統等，可用微透鏡陣列(microlens arrays，MLAs)產生所需的光圖案。普通的規則微透鏡陣列可提供對稱之光圖案(例如矩形或六角形之圖案)，且對稱之光圖案常具有單純之光強度分佈。
然而，使用普通的規則微透鏡陣列，甚難產生光強度分佈較複雜之光圖案，所述較複雜的光強度分佈，可例如幾何疊加圖案或非對稱圖案之分佈。
於本領域，尚缺適當的解決方案，以提供光強度分佈較複雜的光圖案，此已然導致進階應用方面的難題。
實施例提供一種微透鏡陣列裝置，包含基板及微透鏡陣列。該微透鏡陣列設置於該基板上，包含複數個第一透鏡及複數個第二透鏡。每個第一透鏡用以投射第一圖案至遠場上。每個第二透鏡用以投射第二圖案至該遠場上。 該第一圖案於該遠場上具有第一面積，該第二圖案於該遠場上具有第二面積，該第一面積相異於該第二面積，且該兩圖案中之一者完全重疊於該兩圖案中之另一者之中。
100,600,700,800:微透鏡陣列裝置
105:基板
110:微透鏡陣列
151,152:透鏡
610,710:抗反射塗層
810:折射率匹配層
F:遠場
P1,P2:圖案
R1,R2,R3,R4:區域
第1圖為實施例中，微透鏡陣列裝置之側視圖。
第2圖為第1圖之微透鏡陣列裝置投射於遠場的第一圖案及第二圖案之示意圖。
第3圖至第5圖為相異實施例中，投射於遠場的圖案的示意圖。
第6圖至第8圖為相異實施例中，微透鏡陣列裝置之側視圖。
為了產生光分佈更複雜的光圖案以支援更多應用，實施例可提供一種微透鏡陣列裝置。本文所述的圖式僅為舉例，用以解釋實施例，而非限制實施例之範圍。
第1圖為實施例中，微透鏡陣列裝置100之側視圖。第2圖為第1圖之微透鏡陣列裝置100投射於遠場F的第一圖案P1及第二圖案P2的示意圖。
如第1圖所示，微透鏡陣列裝置100可包含基板105及微透鏡陣列110。微透鏡陣列110可設置於基板105上，且包含複數個第一透鏡151及複數個第二透鏡152。每個第一透鏡151可用以投射第一圖案P1至遠場F上，且每個第二透鏡152可用以投射第二圖案P2至遠場F上。
第一圖案P1於遠場F上具有第一面積，第二圖案P2於遠場F上具有相異於第一面積之第二面積；舉例而言，如第2圖所示，第一圖案P1之第一面積大於第二圖案P2之第二面積。兩圖案P1及P2之一者，可完全重疊於兩圖案P1及P2之另一者之中。舉例而言，如第2圖所示，第二圖案P2可完全重疊於第一圖案P1之中。第一圖案P1及第二圖案P2係投射於遠場F上，且第一圖案P1及第二圖案P2的形狀可實質上相同或相異。
於第1圖及第2圖中，兩種透鏡(亦即透鏡151及152)可用以產生兩圖案P1及P2，且圖案P1及P2可形成具更複雜之光分佈的圖案。然而，第1圖及第2圖僅為舉例，用以敘述實施例的原理。根據所需的光圖案，除了透鏡151及152之外，尚可使用複數個第三透鏡，或更多種透鏡。藉由包含至少兩種相異透鏡之微透鏡陣列，可產生兩種或更多種圖案，且所產生之光圖案可具有更複雜的光分佈，從而支援更複雜及先進之應用。第2圖僅為概念示意圖，具更多細節之圖式，將敘於下文，以作為舉例。
第1圖及第2圖中，第一透鏡151之數量可對應於第一圖案P1之光強度，且第二透鏡152之數量可對應於第二圖案P2之光強度。舉例而言，若第一透鏡151之數量為N1，且第二透鏡152之數量為N2，則可藉由控制比例N1/N2，從而控制第一圖案P1及第二圖案P2之光強度的差值及對比。
第一透鏡151及第二透鏡152之數量的比例可予以改變；換言之，上述的數量N1、數量N2及比例N1/N2，可隨需求而調整。
根據實施例，第一透鏡151及第二透鏡152可具有相同的表面類型(surface type)。根據其他實施例，每個第一透鏡151及每個第二透鏡152可具有相異之透鏡輪廓(lens profile)、相異之表面類型及/或相異之間距(pitch)。
根據實施例，第一透鏡151及第二透鏡152可隨機排列於基板105上。經觀測投射於遠場F的圖案P1及P2後，可調整基板105上的透鏡151及152之排列，從而優化圖案P1及P2。
第3圖為實施例中，投射於遠場F的圖案P1及P2的示意圖。第3圖中，X軸及Y軸分別為橫軸及縱軸，且光強度指標(index)示於右方。X軸及Y軸的數字之單位，可為預定或歸一化(normalize)之角度單位，例如度。光強度指標的數字之單位，可為預定或歸一化之強度單位。光強度指標上的密度，可對應於左側所示的圖案之密度，且光強度指標可標示相異的光(輻射)強度。
如第3圖所示，圖案P1可約略為矩形；舉例而言，圖案P1的形狀可約略為具圓角的矩形。如第3圖所示，圖案P2可約略為環形，且圖案P1內部的光強度變化並不顯著。第3圖所示的圖案P2，由於圖案P2之邊緣的光強度大於圖案P2之內部的光強度，故圖案P2可顯示具有較顯著之光強度的環形。藉由圖案P1之相對均勻的光強度分佈、及圖案P2之相對顯著的光強度變化，可實現具內部環形之近似矩形的光圖案。
根據實施例，可調整透鏡151及152之每一透鏡的透鏡輪廓，以調整投射於遠場F之圖案的邊緣及內部之間的光變化。舉例而言，當透鏡輪廓對應於較深且陡的透鏡形狀，則邊緣及內部之間的光對比(contrast)可較高；換言之， 圖案的明與暗可更區隔且分明。另一情況中，當透鏡輪廓對應於較淺且緩的透鏡形狀，則邊緣及內部之間的光對比可較低；換言之，圖案的明與暗可更不分明。藉由調整透鏡之透鏡輪廓，可產生相異的圖案，如第4圖及第5圖所示。
第4圖為另一實施例中，投射於遠場F的圖案P1及P2的示意圖。第3圖及第4圖的相似處不另重述。第4圖中，圖案P1具有環形，且圖案P2實質上約略具有矩形，但此僅為舉例，而非限制實施例之樣態。相較於第3圖，第4圖中，圖案P1及P2之每一者的邊緣及內部的光對比可更高。
如第4圖所示，圖案P1及P2形成之圖案可大略區分為區域R1、R2、R3及R4。區域R1對應於圖案P1的邊緣，區域R2介於圖案P1及P2的邊緣之間，區域R3對應於圖案P2的邊緣，且區域R4對應於圖案P2的內部。如第4圖所示，由於圖案P1及P2之每一者的邊緣及內部之光對比較高(如上文所述)，故區域R1、R2、R3及R4之光強度可呈現為較亮、較暗、較亮及較暗之分佈。若將較亮的區域R1及R3視為兩個「子圖案」，則因為區域R2較暗，第4圖所示的子圖案R1與子圖案R3幾乎互不相連。
第5圖為另一實施例中，投射於遠場F的圖案P1及P2的示意圖。第5圖相似於第4圖，相似之處不另重述。然而，第5圖之圖案P1可具有非對稱形狀。第1圖及第5圖中，每個透鏡151可為自由表面類型，以投射非對稱形狀之圖案。此外，透鏡151及152之每一者可為非球面類型，以調整所投射之圖案的形狀。
如第3圖至第5圖所示，藉由第1圖之微透鏡陣列裝置，及調整透鏡的透鏡輪廓，可投射更複雜的形狀，以支援更先進之應用。
根據實施例，可改善所投射的圖案之品質。如第1圖所示，可採用複數個透鏡151及透鏡152，當相同輪廓的透鏡被規則排列於陣列時，所投射的圖案將有不欲發生之光斑(speckles)。因此，可調整透鏡之曲率半徑及/或圓錐常數，以減少光斑及改善圖案之品質。曲率半徑及圓錐常數之調整方式，如下所述。
關於透鏡輪廓，透鏡之輪廓及形狀可如等式eq-1所述：sag=f(C,r,K)...eq1
其中，f()可為預定函數，sag可相關於透鏡的曲率程度，C可為曲率，r可為透鏡上的一位置到透鏡中心的距離，K可為圓錐常數。舉例而言，C可等於1/R，其中R可為曲率半徑。於此，R及r可表示相關於透鏡之相異特徵。舉例而言，等式eq-1可表示(但不限定)為等式eq-2：
Figure 110114923-A0305-02-0008-1
等式eq-2僅為舉例，非用以限制實施例的範圍。
舉例而言，複數個透鏡151之第i透鏡151可具有第i曲率半徑Ri，第i曲率半徑Ri可根據預定曲率半徑R0及第i調整半徑△Ri而產生，如等式eq-3所述： Ri=g(R0,△Ri)...eq-3
其中，g()可為預定函數，i為大於0之整數，且透鏡151之數量(如上述的N1)可大於或等於i。舉例而言，第i曲率半徑Ri可由預定曲率半徑R0加上第i調整半徑△Ri而產生；換言之，等式eq-3可表示為等式eq-4：Ri=R0+△Ri...eq-4
等式eq-4僅為舉例，而非用以限制實施例的範圍。
第i調整半徑△Ri可由預定範圍中，根據機率分佈函數挑選一數值而求得。舉例而言，預定曲率半徑R0可為-6微米(um)，預定範圍可為-0.5微米至+0.5微米，且第i調整半徑△Ri可由預定範圍(亦即-0.5微米至+0.5微米)中挑選。舉例而言，所述的機率分佈函數可為均勻分佈函數，常態分佈函數或適宜的分佈函數。根據另一實施例，亦可藉由從預定範圍中隨機挑選一數值以得到第i調整半徑△Ri。
關於圓錐常數K，可調整每個透鏡之圓錐常數K，以於所投射之圖案中，減少不欲發生之光斑。舉例而言，複數個透鏡151之第i透鏡151可具有第i圓錐常數Ki，第i圓錐常數Ki可根據預定圓錐常數K0及第i調整常數△Ki而產生，如等式eq-5所述：Ki=h(K0,△Ki)...eq-5
其中，h()可為預定函數，i為大於0之整數，且透鏡151之數量(如上述的N1)可大於或等於i。舉例而言，第i圓錐常數Ki可由預定圓錐常數K0加上 第i調整常數△Ki而產生；換言之，等式eq-5可表示為等式eq-6：Ki=K0+△Ki...eq-6
等式eq-6僅為舉例，而非用以限制實施例的範圍。
第i圓錐常數△Ki可由預定範圍中，根據機率分佈函數挑選一數值而求得。舉例而言，所述的機率分佈函數可為均勻分佈函數，常態分佈函數或適宜的分佈函數。根據另一實施例，亦可藉由從預定範圍中隨機挑選一數值，以得到第i圓錐常數△Ki。
上文提及之第i透鏡151僅用以舉例；同理，每個透鏡152可具有曲率半徑及圓錐常數，其中曲率半徑可根據預定曲率半徑及調整半徑而產生，且圓錐常數可根據預定圓錐常數及調整常數而產生。
第6圖為另一實施例中，微陣列裝置600的側視圖。相較於第1圖之微陣列裝置100，微陣列裝置600另包含抗反射(anti-reflective)塗層610，用以降低反射及提高透射率。如第6圖所示，基板105可具有第一面1051及第二面1052，微透鏡陣列110可設置於第一面1051，且抗反射塗層610可設置於第二面1052。
第7圖為另一實施例中，微陣列裝置700的側視圖。如第7圖所示，抗反射塗層710可設置於微透鏡陣列110上，且用以降低反射及提高透射率，其中微透鏡陣列110可位於抗反射塗層710及基板105之間。
根據另一實施例，可同時施用第6圖之抗反射塗層610及第7圖之抗反射塗層710。
第8圖為另一實施例中，微陣列裝置800的側視圖。如第8圖所示，折射率匹配(index matching，IM)層810可設置於微透鏡陣列110上，且用以保護微透鏡陣列110，其中微透鏡陣列110可位於折射率匹配層810及基板105之間。如有須要，外部元件可選擇性地設置於折射率匹配層810之上。
總上，藉由實施例之微陣列裝置，可於遠場上投射具有複雜光強度分佈及形狀的特定光圖案。換言之，可改善對於投射光圖案之相關控制。舉例而言，關於雷射均值化(laser homogenization)、飛時測距(ToF)及三維感測等先進應用，可獲得更佳之支援。根據實施例，藉由調整透鏡輪廓，可減少不欲發生之光斑，從而提高所投射之光圖案的品質。因此，對於本領域之諸多難題，可提供解決方案。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:微透鏡陣列裝置
105:基板
110:微透鏡陣列
151,152:透鏡

Claims (20)

  1. 一種微透鏡陣列裝置，包含：一基板；及一微透鏡陣列，設置於該基板上，該微透鏡陣列包含：複數個第一透鏡，每個該第一透鏡用以投射一第一圖案至一遠場上；及複數個第二透鏡，每個該第二透鏡用以投射一第二圖案至該遠場上；其中，該第一圖案於該遠場上具有一第一面積，該第二圖案於該遠場上具有一第二面積，該第一面積相異於該第二面積，且該兩圖案中之一者完全重疊於該兩圖案中之另一者之中。
  2. 如請求項1所述的微透鏡陣列裝置，其中該第一圖案具有一近似矩形之形狀。
  3. 如請求項1所述的微透鏡陣列裝置，其中該第二圖案具有一環形形狀。
  4. 如請求項1所述的微透鏡陣列裝置，其中該些第一透鏡之數量係對應於一第一形狀之一第一光強度，且該些第二透鏡之數量係對應於一第二形狀之一第二光強度。
  5. 如請求項1所述的微透鏡陣列裝置，其中一第i個該第一透鏡具有一第i曲率半徑，該第i曲率半徑係根據一預定曲率半徑及一第i調整半徑而產 生，i為大於0之整數，且該些第一透鏡之數量係大於或等於i。
  6. 如請求項5所述的微透鏡陣列裝置，其中該第i曲率半徑係由該預定曲率半徑及該第i調整半徑相加而產生。
  7. 如請求項5所述的微透鏡陣列裝置，其中該第i調整半徑係由一預定範圍中根據一機率分佈函數挑選一數值而求得。
  8. 如請求項5所述的微透鏡陣列裝置，其中該第i調整半徑係由一預定範圍中隨機挑選一數值而求得。
  9. 如請求項1所述的微透鏡陣列裝置，其中一第i個該第一透鏡具有一第i圓錐常數，該第i圓錐常數係根據一預定圓錐常數及一第i調整常數而產生，i為大於0之整數，且該些第一透鏡之數量係大於或等於i。
  10. 如請求項9所述的微透鏡陣列裝置，其中該第i圓錐常數係由該預定圓錐常數及該第i調整常數相加而產生。
  11. 如請求項9所述的微透鏡陣列裝置，其中該第i調整常數係由一預定範圍中根據一機率分佈函數挑選一數值而求得。
  12. 如請求項9所述的微透鏡陣列裝置，其中該第i調整常數係由一預定範圍中隨機挑選一數值而求得。
  13. 如請求項1所述的微透鏡陣列裝置，其中該些第一透鏡之一透鏡輪廓係被調整，以調整該第一圖案的邊緣及內部之間的光變化。
  14. 如請求項1所述的微透鏡陣列裝置，其中每個該第一透鏡為一自由表面類型，且該第一圖案具有一非對稱形狀。
  15. 如請求項1所述的微透鏡陣列裝置，其中每個該第一透鏡為一非球面類型。
  16. 如請求項1所述的微透鏡陣列裝置，其中該基板具有一第一面及一第二面，該微透鏡陣列設置於該基板之該第一面，且該微透鏡陣列裝置另包含：一抗反射塗層，設置於該基板之該第二面，且用以降低反射及提高透射率。
  17. 如請求項1所述的微透鏡陣列裝置，另包含一抗反射塗層，設置於該微透鏡陣列上，且用以降低反射及提高透射率，其中該微透鏡陣列位於該抗反射塗層及該基板之間。
  18. 如請求項1所述的微透鏡陣列裝置，另包含一折射率匹配層，設置於該微透鏡陣列上，且用以保護該微透鏡陣列，其中該微透鏡陣列位於該折射率匹配層及該基板之間。
  19. 如請求項1所述的微透鏡陣列裝置，其中每個該第一透鏡及每個該第二透鏡具有相異之透鏡輪廓、相異之表面類型及/或相異之間距。
  20. 如請求項1所述的微透鏡陣列裝置，其中該些第一透鏡及該些第二透鏡係隨機排列於該基板上。
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