光扩散器和光学装置的制作方法

1.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装置。


背景技术：

2.目前行业内实现测距的方式主要有双目、结构光和tof，其中双目精度较低，结构光结构复杂且成本高，而tof有足够的精度且成本稍低，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diffuser实现长条形光场的主要实现方式：由光源、准直透镜和diffuser组成。光源一般选取发光点呈阵列的方式排布。准直透镜一般选取为一组，包括一个或多个透镜，以对光源进行准直，使得出射光近似平行光，因为要求出射光场角度小于光源角度，所以先进行一步光线的汇聚，以减小减小出射角；diffuser一般采用单面微透镜的形式，微透镜为轴对称结构，对准直透镜出射的光线同时进行两个方向的角度扩展，从而实现长条形光场。
3.现有技术中的光扩散器运用两组透镜进行光束整形，不仅成本高，而且使得整个光学系统尺寸增大，对于应用端的小型化产品带来不便，对产品的设计造成局限性。
4.也就是说，现有技术中的光扩散器存在难以实现小型化的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的主要目的在于提供一种光扩散器和光学装置，以解决现有技术中的光扩散器存在难以实现小型化的问题。
6.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，光扩散器包括：基底层；微透镜阵列层，微透镜阵列层设置在基底层的一侧表面上，微透镜阵列层包括多个微透镜，微透镜呈条状；菲涅尔层，菲涅尔层设置在基底层的另一侧表面上，菲涅尔层至少包括齿状结构和隆起结构，隆起结构的两侧均设置有齿状结构。
7.进一步地，多个微透镜沿第一方向依次排列，且各条状的微透镜沿第二方向延伸，第一方向与第二方向呈角度设置，以使微透镜阵列层远离基底层的一侧表面形成凹凸连续的表面。
8.进一步地，齿状结构为多个，隆起结构的两侧均设置有多个齿状结构，隆起结构的两侧的多个齿状结构均沿第二方向依次排列，齿状结构沿第一方向延伸。
9.进一步地，第一方向与第二方向之间的夹角包括90度、30度和60度中的一种。
10.进一步地，微透镜阵列层的折射率n1和菲涅尔层的折射率n2均独立设置，微透镜阵列层的折射率n1在1.4到1.8的范围内；和/或菲涅尔层的折射率n2在1.4到1.8的范围内。
11.进一步地，微透镜的长大于等于1980um且小于等于2020um；和/或微透镜的宽大于等于23um且小于等于27um；和/或微透镜的高大于等于18um且小于等于22um。
12.进一步地，齿状结构的高度小于等于20um；和/或与隆起结构连接的两个齿状结构
之间的距离大于等于480un且小于等于520um；和/或隆起结构一侧的多个齿状结构中相邻两个齿状结构的距离大于等于80um且小于等于120um。
13.进一步地，光扩散器的尺寸大于等于2.3毫米且小于等于2.7毫米。
14.进一步地，基底层的材质包括玻璃和塑料中的一种。
15.根据本实用新型的另一方面，提供了一种光学装置，包括：上述的光扩散器；vcsel光源，vcsel光源与光扩散器间隔设置，且vcsel光源位于光扩散器的微透镜阵列层的一侧或者菲涅尔层一侧。
16.应用本实用新型的技术方案，光扩散器包括基底层、微透镜阵列层和菲涅尔层，微透镜阵列层设置在基底层的一侧表面上，微透镜阵列层包括多个微透镜，微透镜呈条状；菲涅尔层设置在基底层的另一侧表面上，菲涅尔层至少包括齿状结构和隆起结构，隆起结构的两侧均设置有齿状结构。
17.通过设置基底层，使得基底层为微透镜阵列层和菲涅尔层提供了设置位置，提高了微透镜阵列层和菲涅尔层的使用可靠性，保证了光扩散器的使用效果。通过设置微透镜阵列层，使得入射到微透镜阵列层的光线能够发生偏折，从而改变光线的传播路径，以使光线穿过微透镜阵列层能够达到一个水平方向上的扩散，而在竖直方向上不变的效果，以实现微透镜阵列层对光线的扩散效果。通过设置菲涅尔层，使得菲涅尔层对光线能够起到汇聚的作用，当经微透镜阵列层扩束的光线经过菲涅尔层后，菲涅尔层对光线达到在竖直方向的汇聚效果，以达到小角度出射角，以使最终形成的光斑就是光线经过微透镜阵列层对水平方向的角度贡献和菲涅尔层对竖直方向的角度贡献的叠加效果，以形成一个在水平方向拉伸竖直方向汇聚的长条形光斑。
18.另外，通过将基底层、微透镜阵列层和菲涅尔层设计为一体，省去了设置准直镜的情况，有效节约了成本，减少了一个光学器件同时能够减少光线在传输过程中能量的损失，有效提高了光源的利用率，保证了光扩散器的使用效率；通过将微透镜阵列层和菲涅尔层结合在一起，使得本技术的光扩散器能够实现对光线在两个方向上的变化，增加了光扩散器的使用效果。这样设置还压缩了基底层、微透镜阵列层和菲涅尔层的占据空间，减少了光线的传播路径，减小整个光扩散器的尺寸，保证了小型化，为尺寸要求较高的终端产品提供了设计空间。
附图说明
19.构成本技术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：
20.图1示出了本实用新型的一个可选实施例的光扩散器的结构示意图；以及
21.图2示出了图1中的光扩散器的另一个角度的示意图；
22.图3示出了图1中的光扩散器的一个角度的截面示意图；
23.图4示出了图1中的光扩散器的另一个角度的截面示意图；
24.图5示出了本实用新型的光学装置在水平方向上的光路示意图；
25.图6示出了本实用新型的光学装置在竖直方向上的光路示意图；
26.图7示出了本实用新型的光学装置在水平方向上的仿真光路图；
27.图8示出了本实用新型的光学装置在竖直方向上的仿真光路图；
28.图9示出了本实用新型的光学装置的长条形光斑的示意图。
29.其中，上述附图包括以下附图标记：
30.10、vcsel光源；20、光扩散器；21、基底层；22、微透镜阵列层；23、菲涅尔层；231、齿状结构；232、隆起结构。
具体实施方式
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术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。
32.需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
33.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。
34.为了解决现有技术中的光扩散器存在难以实现小型化的问题，本实用新型提供了一种光扩散器和光学装置。
35.如图1至图9所示，光扩散器20包括基底层21、微透镜阵列层22和菲涅尔层23，微透镜阵列层22设置在基底层21的一侧表面上，微透镜阵列层22包括多个微透镜，微透镜呈条状；菲涅尔层23设置在基底层21的另一侧表面上，菲涅尔层23至少包括齿状结构231和隆起结构232，隆起结构232的两侧均设置有齿状结构231。
36.通过设置基底层21，使得基底层21为微透镜阵列层22和菲涅尔层23提供了设置位置，提高了微透镜阵列层22和菲涅尔层23的使用可靠性，保证了光扩散器20的使用效果。通过设置微透镜阵列层22，使得入射到微透镜阵列层22的光线能够发生偏折，从而改变光线的传播路径，以使光线穿过微透镜阵列层22能够达到一个水平方向上的扩散，而在竖直方向上不变的效果，以实现微透镜阵列层22对光线的扩散效果。通过设置菲涅尔层23，使得菲涅尔层23对光线能够起到汇聚的作用，当经微透镜阵列层22扩束的光线经过菲涅尔层23后，菲涅尔层23对光线达到在竖直方向的汇聚效果，以达到小角度出射角，以使最终形成的光斑就是光线经过微透镜阵列层22对水平方向的角度贡献和菲涅尔层23对竖直方向的角度贡献的叠加效果，以形成一个在水平方向拉伸竖直方向汇聚的长条形光斑。
37.另外，通过将基底层21、微透镜阵列层22和菲涅尔层23设计为一体，省去了设置准直镜的情况，有效节约了成本，减少了一个光学器件同时能够减少光线在传输过程中能量的损失，有效提高了光源的利用率，保证了光扩散器20的使用效率；通过将微透镜阵列层22和菲涅尔层23结合在一起，使得本技术的光扩散器20能够实现对光线在两个方向上的变化，增加了光扩散器20的使用效果。这样设置还压缩了基底层21、微透镜阵列层22和菲涅尔层23的占据空间，减少了光线的传播路径，减小整个光扩散器20的尺寸，保证了小型化，为尺寸要求较高的终端产品提供了设计空间。
38.需要说明的是，现有技术的光扩散器20一般为两个光学器件，本方案为一个光学器件，减少了光的传播路径，减小整个光学系统的尺寸，为尺寸要求较高的终端产品提供设
计空间。
39.需要说明的是，上述水平方向就是微透镜阵列层22上多个微透镜的排列方向，竖直方向就是条状的微透镜的延伸方向，水平方向与竖直方向垂直。一侧表面和另一侧表面指的是基底层21的一组对立的表面。在本技术中，条状的微透镜的截面呈半圆形，当然条状的微透镜的截面也可以是三角形、梯形或其他多边形。
40.如图1至图4所示，通过在基底层21的两侧表面分别压印不同类型和排布的微透镜阵列层22和菲涅尔层23，使得微透镜阵列层22和菲涅尔层23对不同方向的光线能够实现不同方向上的整形效果，在本技术中，微透镜阵列层22远离基底层21的一侧表面为入光面，菲涅尔层23远离基底层21的一侧表面为出光面，多个微透镜沿第一方向依次排列，且各条状的微透镜沿第二方向延伸，第一方向与第二方向呈角度设置，以使微透镜阵列层22远离基底层21的一侧表面形成凹凸连续的表面，在本技术中，第一方向与第二方向呈直角设置。这样设置当光线到达微透镜阵列层22远离基底层21的一侧表面时，会根据表面的设计斜率进行偏折，达到需要的偏折角度，使得微透镜阵列层22能够对经过其的光线在第一方向，也就是上述的水平方向，达到一定角度的扩张，在第二方向上也就是上述的竖直方向上，光线的角度不发生变化。当光线到达菲涅尔层23时，由于齿状结构231为多个，隆起结构232的两侧均设置有多个齿状结构231，隆起结构232的两侧的多个齿状结构231均沿第二方向依次排列，齿状结构231沿第一方向延伸，使得光线在第一方向上维持微透镜阵列层22的设计角度，而在第二方向上根据菲涅尔层23远离基底层21的一侧表面的面型进行汇聚，从而达到要求的小角度出射角，最终形成一个在第一方向拉伸在第二方向汇聚的长条形光斑。
41.需要说明的是，菲涅尔层23远离基底层21的一侧表面也可以作为入光面，微透镜阵列层22远离基底层21的一侧表面也可以为出光面，这样也能达到相应的显示效果。
42.需要说明的是，微透镜阵列层22上的多个微透镜远离基底层21的一侧表面为自由曲面设计，优选地，单个微透镜远离基底层21的一侧表面为向外凸的表面，当然设计成凹面也可以，可根据实际情况进行选择。微透镜阵列层22上的多个微透镜之间是无缝连接的，且多个微透镜采用周期阵列或者随机阵列的排布方式进行排布。
43.在图中未示出的实施例中，第一方向与第二方向之间的夹角为30度和60度中的一种。也就是说，微透镜阵列层22上的多个微透镜沿第一方向进行排布，菲涅尔层23上的多个齿状结构231和隆起结构232沿第二方向进行排布，可根据设计要求，调整第一方向与第二方向之间的夹角为30度或60度，当然也可调整为其他角度，在此处不做限定。
44.具体的，微透镜阵列层22和菲涅尔层23具有相互独立的光束整形方式，微透镜阵列层22的折射率n1和菲涅尔层23的折射率n2均独立设置，微透镜阵列层22的折射率n1在1.4到1.8的范围内；菲涅尔层23的折射率n2在1.4到1.8的范围内。微透镜阵列层22和菲涅尔层23在透明的基底层21的两面设置的情况下，微透镜阵列层22的折射率n1与菲涅尔层23的折射率n2都可以根据设计需求任意选定。
45.具体的，微透镜阵列层22的尺寸大于等于1um且小于等于1000um。微透镜的长大于等于1980um且小于等于2020um；微透镜的宽大于等于23um且小于等于27um；微透镜的高大于等于18um且小于等于22um。在本技术中，微透镜的长为2000um，宽为25um，高为20um。以保证微透镜阵列层22整体尺寸较小，以满足光扩散器20的小型化的设计。
46.具体的，齿状结构231的高度小于等于20um；与隆起结构232连接的两个齿状结构
231之间的距离大于等于480un且小于等于520um；隆起结构232一侧的多个齿状结构231中相邻两个齿状结构231的距离大于等于80um且小于等于120um。在本技术中，齿状结构231的最大高度为20um，与隆起结构232连接的两个齿状结构231之间的距离为500um，隆起结构232一侧的多个齿状结构231中相邻两个齿状结构231的距离为100um。
47.需要说明的是，在本技术中，隆起结构232远离基底层21的一侧表面为弧面，以保证菲涅尔层23的汇聚光线的效果。
48.具体的，光扩散器20的尺寸大于等于2.3毫米且小于等于2.7毫米。在本技术中，光扩散器20的尺寸为2.5mm*2.5mm，这样设置有利于保证光扩散器20的小型化。
49.具体的，基底层21的材质包括硬质的玻璃和软性的塑料中的一种。根据实际需求选择不同材料的基底层21，当基底层21的材质为软性的塑料时，可以有效控制生产过程中破裂的情况，有利于实现超薄基底的压印制作。当基底层21的材质为硬质的玻璃时，能够保证经过高温烘烤的基底层21能够保证良好的压印效果，有效防止破裂的情况。
50.光扩散器20的加工流程包括：
51.(1)匀胶：将经过增粘处理的玻璃的基底层21上运用均胶机涂布光刻胶；
52.(2)烘烤：常规条件进行烘烤；
53.(3)光刻：通过激光直写进行选择性曝光；
54.(4)显影：用显影液溶解掉不需要的光刻胶；
55.(5)压印：主要进行对位压印，在进行结构压印时需要对基底层21进行对准；
56.(6)保存：显影完成后，进行密封干燥保留；
57.(7)迭代：设计输出后，对多参数进行验证，通过性能反馈对光扩散器20进行调整。
58.如图5所示，为光学装置在水平方向上的光路示意图，图7示出了本实用新型的光学装置在水平方向上的仿真光路图；图中带箭头的线可以表示为光线，由图可知，光扩散器20可以对光线实现在水平方向上的扩散。
59.如图6所示，为光学装置在竖直方向上的光路示意图；图8示出了本实用新型的光学装置在竖直方向上的仿真光路图；由图可知，光扩散器20可以对光线实现在竖直方向上的汇聚。
60.如图5至图9所示，光学装置包括上述的光扩散器20和vcsel光源10，vcsel光源10与光扩散器20间隔设置，且vcsel光源10位于光扩散器20的微透镜阵列层22的一侧或者菲涅尔层23一侧，在本技术中，vcsel光源10位于光扩散器20的微透镜阵列层22的一侧。vcsel光源10能够提供20
°‑
25
°
的发散角的光束，当vcsel光源10发射的光束经过光扩散器20后，能够得到一个亮度均匀长条形光斑。本技术中的光扩散器20为微米级的设计，当然，在实际应用中还可包含毫米级，厘米级，纳米级等光扩散器20的设计。
61.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。
62.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技术的示例性实施方式。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。
63.需要说明的是，本技术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，以便这里描述的本技术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。
64.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。