一种光学元件及光学模组的制作方法

1.本技术涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种光学元件及光学模组。


背景技术：

2.在大多数光学系统中，光源出射的光往往需要先调整光束的发散角和光束的强度分布。在对光源出射的光束进行调节时，准直透镜常常用于将较大发散角的光束准直为较小发散角的光，微透镜阵列则常用于将光束整形成特定强度分布。
3.现有技术中，在对光束调节整形的应用中，微透镜阵列常常因为透镜小单元的干涉和衍射，使整形光斑出现衍射条纹。另一方面，微透镜对光束的整形效果往往受到入射光的发散角、入射光的光强分布的影响，在较大入射发散角下效果较差。而且在对光束调节整形时，需要多组光学元件相配合，占用空间加大，不利于产品的小型化。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种光学元件及光学模组，能够调整光束方向和光强分布，并减小占用空间。
5.本技术的实施例是这样实现的：
6.本技术实施例的一方面，提供一种光学元件，包括透明基底、阵列微透镜层和菲涅尔透镜层，所述阵列微透镜层和所述菲涅尔透镜层在所述透明基底上层叠设置，或，所述阵列微透镜层和所述菲涅尔透镜层分别位于所述透明基底的相对两侧，其中，所述菲涅尔透镜层用于调节入射的光束的出射角度，所述阵列微透镜层用于对由所述菲涅尔透镜层出射的光束进行匀化处理。
7.可选地，所述阵列微透镜层包括沿同一平面分布的微透镜，且不同位置处的所述微透镜的形状和大小不同。
8.可选地，所述微透镜的透光面包括凹面、凸面或波浪形曲面中的任意一种。
9.可选地，相邻所述微透镜之间紧密贴合，且相邻所述微透镜的几何中心间的间距为1um－200um。
10.可选地，所述微透镜的高度为1um－100um。
11.可选地，所述阵列微透镜层和所述菲涅尔透镜层在所述透明基底上层叠设置的情况下，所述阵列微透镜层的折射率n1与所述菲涅尔透镜层的折射率n2之间的差值为：|n1‑
n2|≥0.2。
12.可选地，所述阵列微透镜层和所述菲涅尔透镜层之间还设置有间隔层，所述阵列微透镜层的折射率n1与所述间隔层的折射率n3之间的差值为：|n1‑
n3|≥0.2，且所述菲涅尔透镜层的折射率n2与所述间隔层之间的折射率n3的差值为：|n2‑
n3|≥0.2。
13.可选地，所述菲涅尔透镜层包括阶梯型菲涅尔结构，所述阶梯型菲涅尔结构的高度h1为0.1um－10um，或，所述菲涅尔透镜层包括连续型菲涅尔结构，所述连续型菲涅尔结构的高度h2为1um－100um。
14.可选地，所述透明基底、所述阵列微透镜层和所述菲涅尔透镜层的材料包括玻璃、树脂或塑料的任意一种。
15.本技术实施例的另一方面，提供一种光学模组，包括如上所述任意一项所述的光学元件，以及发光模组，所述光学元件位于所述发光模组出射光路上。
16.本技术实施例的有益效果包括：
17.本技术实施例提供的光学元件及光学模组，通过菲涅尔透镜层以实现对光束的准直，或者使光束以特定的角度出射，从而可以根据需要灵活调整光束的方向。光束由菲涅尔透镜层出射之后，经过阵列微透镜层的整形和匀光，且受光束相干性影响较小，有利于提升经光学元件出射后光束的质量。采用菲涅尔透镜层和阵列微透镜层相结合的形式，可以同时实现调整光束方向和光强分布的功能，从而提升光束调节能力，且占用更小的空间，有利于组成光学模组的小型化。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
19.图1为本技术实施例提供的光学元件的结构示意图之一；
20.图2为本技术实施例提供的光学元件的结构示意图之二；
21.图3为本技术实施例提供的光学元件的结构示意图之三；
22.图4为本技术实施例提供的光学元件的结构示意图之四；
23.图5为本技术实施例提供的阵列微透镜层的结构示意图；
24.图6为本技术实施例提供的光束经光学元件传输的示意图之一；
25.图7为本技术实施例提供的光束经光学元件传输的示意图之二；
26.图8为本技术实施例提供的透过常规镜组的光斑截面分布图；
27.图9为本技术实施例提供的透过光学元件的光斑截面分布图；
28.图10为本技术实施例提供的光学模组的结构示意图。
29.图标：100－光学元件；105－光源；110－透明基底；120－阵列微透镜层；122－微透镜；130－菲涅尔透镜层；140－间隔层；200－光学模组；210－发光模组。
具体实施方式
30.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
32.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
33.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
34.请参照图1、图2和图3，本技术实施例提供一种光学元件100，包括透明基底110、阵列微透镜层120和菲涅尔透镜层130，阵列微透镜层120和菲涅尔透镜层130在透明基底110上层叠设置，或，阵列微透镜层120和菲涅尔透镜层130分别位于透明基底110的相对两侧，其中，菲涅尔透镜层130用于调节入射的光束的出射角度，阵列微透镜层120用于对由菲涅尔透镜层130出射的光束进行匀化处理。
35.具体的，菲涅尔透镜层130用于调节入射的光束的出射角度不仅包括对光束的准直，使光束平行出射，也包括灵活调整光束的出射方向，使光束以特定的角度出射。在实际的应用中，入射至菲涅尔透镜层130的光源105并不是简单的点光源105或者面光源105，例如，光源105经透镜成像系统后再照射至菲涅尔透镜层130处。上述方式可能导致在菲涅尔透镜层130的不同位置，主光线的入射角与位置关系呈不规律的分布。此时，依然可以根据主光线入射角设置菲涅尔透镜层130的结构形式，以使光束平行出射，也可以根据需要使光束以特定角度出射，从而达到所需的整形效果。
36.光束经过菲涅尔透镜层130的作用之后，入射至阵列微透镜层120，以对由所述菲涅尔透镜层130出射的光束进行匀化处理。其中，阵列微透镜层120为随机微透镜122阵列，能够避免因采用周期结构而不能很好的消除衍射的问题。
37.另外，阵列微透镜层120可采用激光直写和压印相结合的方式实现，也可以采用研磨光可和熔融相结合的方式实现。可以理解的，菲涅尔透镜层130可采用掩膜光刻和刻蚀相结合的方式，或采用研磨光刻和压印相结合的方式，或激光直写与压印相结合的形式制得。采用上述方式，使得光学元件100为一体的结构，有利于提升结构的稳定性，与分立的光学模组相比，能够减小占用的空间。通过添加对位标记的方法可以增加菲涅尔透镜层130和阵列微透镜层120的对位精度。
38.如图2和图3所示，当阵列微透镜层120和菲涅尔透镜层130在透明基底110上层叠设置，可以将阵列微透镜层120与透明基底110接触，也可以将菲涅尔透镜层130与透明基底110接触，本技术实施例对此不做具体限制。在实际应用中，只需要使光束先从菲涅尔透镜层130透过即可。
39.本技术实施例提供的光学元件100，通过菲涅尔透镜层130以实现对光束的准直，或者使光束以特定的角度出射，从而可以根据需要灵活调整光束的方向。光束由菲涅尔透镜层130出射之后，经过阵列微透镜层120的整形和匀光，且受光束相干性影响较小，有利于提升经光学元件100出射后光束的质量。采用菲涅尔透镜层130和阵列微透镜层120相结合的形式，可以同时实现调整光束方向和光强分布的功能，从而提升光束调节能力，且占用更小的空间，有利于组成光学模组200(如tof发射端、激光投影模组等)的小型化。
40.如图5所示，阵列微透镜层120包括沿同一平面分布的微透镜122，且不同位置处的微透镜122的形状和大小不同。
41.具体的，本技术实施例中的微透镜122为随机微透镜122，即不同位置处的微透镜122参数不同，示例的，微透镜122的透镜高度、透镜直径、透镜曲率、透镜节距等均可根据需要灵活设置。也就是说，不同位置处的微透镜122形状和大小不同。以在一定程度上降低光束的相干性，从而降低散斑效应，从而在特定距离维持所需形状和均匀性，进一步提高整形后的光斑质量。需要说明的是，微透镜122的阵列形式和具体参数可根据实际需要灵活设置，在实际应用中，可根据选择光学元件100的尺寸和出射光束发散角以及最终所需的出射光束发散角不同确定不同的设计参数。
42.在本技术的可选实施例中，微透镜122的透光面包括凹面、凸面或波浪形曲面中的任意一种。
43.具体的，微透镜122的透光面可以全部采用凹面结构，即凹透镜；也可以全部采用凸面机构，即凸透镜；还可以采用波浪型曲面，以实现不同的光学性能。可以理解的，微透镜122的透光面也可以采用凹面、凸面或波浪形曲面相结合的形式，只要能够保证所需的匀光效果即可，本技术实施例对此不做具体限制。
44.如图5所示，在本技术的可选实施例中，相邻微透镜122之间紧密贴合，且相邻微透镜122的几何中心间的间距为1um－200um。
45.具体的，由于相邻微透镜122之间紧密贴合，且没有缝隙，为使得相邻微透镜122之间没有重叠部分，微透镜122呈不规则的边界形状，在光束通过微透镜122时，通过不同微透镜122之间参数的不同，以达到匀光的目的。另外，采用上述放置，使得阵列微透镜层120为无缝隙的结构，有利于避免因微透镜122之间具有间距而产生的漏光问题，有利于提升光学元件100使用时的匀光性能。根据不同微透镜122参数的不同，相邻微透镜122的几何中心间的间距也不同。为了保证光束的匀光质量，在本技术的优选实施例中，相邻微透镜122的几何中心间的间距为1um－200um，示例的，相邻微透镜122的几何中心间的间距可设置为1um、50um、100um或200um等。
46.在本技术的可选实施例中，微透镜122的高度为1um－100um。
47.具体的，通过将微透镜122的高度设置为不同的高度，有利于在微透镜122的高度在一定的范围内分布时产生相位差。以便于利用该相位差改善因衍射而产生的亮度不均、颜色不均等问题，从而提升对光束匀光的质量。在本技术的优选实施例中，微透镜122的高度为1um－200um，示例的，微透镜122的高度可设置为1um、50um、100um或200um等。
48.如图2和图3所示，在本技术的可选实施例中，阵列微透镜层120和菲涅尔透镜层130在透明基底110上层叠设置的情况下，阵列微透镜层120的折射率n1与菲涅尔透镜层130的折射率n2之间的差值为：|n1‑
n2|≥0.2。
49.具体的，可以是形成阵列微透镜层120的材料具有相对较高折射率，形成菲涅尔透镜层130的材料具有相对较低折射率。也可以是形成阵列微透镜层120的材料具有相对较低折射率，形成菲涅尔透镜层130的材料具有相对较高折射率，本技术实施例对此不做具体限制。当|n1‑
n2|≥0.2时，有利于保证更优的光学性能。需要说明的是，采用不同的折射率，是为了保证阵列微透镜层120和菲涅尔透镜层130光学特性的稳定性，如果采用同一折射率的材料，则可以认为阵列微透镜层120和菲涅尔透镜层130形成了同一结构，也就不再具有各自的光学属性了，因此需要阵列微透镜层120和菲涅尔透镜层130之间的折射率不同。
50.如图4所示，在本技术的可选实施例中，阵列微透镜层120和菲涅尔透镜层130之间
还设置有间隔层140，此时，阵列微透镜层120的折射率n1与间隔层140的折射率n3之间的差值为：|n1‑
n3|≥0.2，且菲涅尔透镜层130的折射率n2与间隔层140之间的折射率n3的差值为：|n2‑
n3|≥0.2。
51.可以理解的，采用不同的折射率，是为了保证阵列微透镜层120和菲涅尔透镜层130光学特性的稳定性，在阵列微透镜层120和菲涅尔透镜层130之间还设置有间隔层140时，阵列微透镜层120和菲涅尔透镜层130之间的折射率可以相同，也可以不同，本技术实施例对此不做具体限制。
52.如图2所示，菲涅尔透镜层130包括阶梯型菲涅尔结构，阶梯型菲涅尔结构的高度h1为0.1um－10um。
53.具体的，当采用阶梯型菲涅尔结构时，可以采用2阶、4阶或8阶等多阶结构，一般每阶的高度相等，也可以根据需要设置为非等高的结构。在具体应用中，可根据需要灵活设置，其中，阶梯型菲涅尔结构的高度h1可根据实际需要设置为0.1um、0.5um、4um或10um等。
54.如图1所示，菲涅尔透镜层130包括连续型菲涅尔结构，连续型菲涅尔结构的高度h2为1um－100um。
55.具体的，连续型菲涅尔结构可以是由球面、非球面等面型分割出多段面型构成，也可以是自由曲面分割出多段面型构成。连续型菲涅结构的锯齿高度可以是等高的，也可以是非等高的，可以根据需要灵活设置。示例的，连续型菲涅尔结构的高度h2可设置为1um、10um、20um、50um或100um等。
56.如图6所示，为本技术实施例中光束通过菲涅尔透镜层130后平行出射的示意图，即对光束起到准直的作用。本技术的光学元件100在实际应用中使光源105朝向菲涅尔透镜层130，其中，光源105可采用发光二极管(light emitting diode，led)、半导体激光器(laser diode，ld)、垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，vcsel)中的任意一种。采用上述形式，以实现通过菲涅尔透镜层130对光束准直后经阵列微透镜层120的整形匀光后出射。其中，菲涅尔透镜层130可采用阶梯型菲涅尔结构或连续型菲涅尔结构。
57.如图7所示，为本技术实施例中光束通过菲涅尔透镜层130后根据需要调整角度出射的示意图，在该形式下，光源105朝向菲涅尔透镜层130发光后，经过菲涅尔透镜层130调整光束方向后，再经阵列微透镜层120的整形匀光后出射，以实现多样化的光束调节形式。
58.由图6和图7中的光学元件100结构形式及光束传播形式可知，本技术的菲涅尔透镜层130不只是可以起准直的作用，也可以灵活地调整光束的方向。当需要调整光束的方向时，经过菲涅尔透镜层130的折射，折射光不再平行出射，而是在不同位置折射光的角度不同，再经过阵列微透镜层120的扩散，使出射光在不同视场的主光线角度不同。在实际的应用中，可以根据后续光学系统的要求，灵活调制出射光的方向。在调整光束的方向时，可以先确定光学元件100不同位置的入射光角度，以及所需的不同位置的出射光角度，采用自由曲面的求解方法，先求解出一整块自由曲面，再将曲面分割成多段面型的菲涅尔透镜层130。也可以先确定不同位置的入射角度以及出射角度，再直接调整每个位置处菲涅尔结构的结构形式，实现对入射光束的灵活调控。
59.示例的，采用常规镜组(光源105与微透镜阵列相配合的形式)进行测试时，假设光源105发散角为
±
13
°
，光源105发光面积为100um
×
100um，光源105与微透镜阵列的距离为
0.9mm，测得光斑的截面分布如图8所示。当采用本技术的光学元件100测试时，同样采用上述光源105进行测试，且菲涅尔透镜焦距设为0.9mm，此时，测得光斑的截面分布如图9所示。根据图8和图9对比可知，本技术的光学元件100在不额外增加元件的情况下，可以使出射光斑的边缘更锐利，窗口效率更高，匀光效果更好。
60.在本技术的可选实施例中，透明基底110、阵列微透镜层120和菲涅尔透镜层130的材料包括玻璃、树脂或塑料的任意一种。
61.具体的，透明基底110、阵列微透镜层120和菲涅尔透镜层130为应用波段的透明材料。这样一来，在光源105出射不同波段的光时，使得透明基底110、阵列微透镜层120和菲涅尔透镜层130的透过性与该波段相匹配，有利于提升光的利用率。
62.另外，本技术实施例中的透明基底110主要起承载支撑的作用，透明基底110的厚度为0.1mm－5mm，示例的，透明基底110的厚度可设置为0.1mm、1mm、3mm或5mm等。
63.如图10所示，本技术实施例还公开了一种光学模组200，包括前述实施例中的光学元件100，以及发光模组210，光学元件100位于发光模组210出射光路上。该光学模组200包含与前述实施例中的光学元件100相同的结构和有益效果。光学元件100的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。
64.需要说明的是，本技术实施例中的发光模组210可以是单个光源，也可以是光源和透镜、反射镜或光阑等组成的模组，以满足不同场景的应用需求。
65.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。