一种基于微结构的高清晰度平面导光器件的制作方法

1.本实用新型涉及导光照明设备技术领域，具体而言，涉及一种基于微结构的高清晰度平面导光器件。


背景技术：

2.在机器视觉领域图像抓拍的应用中，由于设备安装位置有限及特殊物体表面缺陷的检测等难题，迫切需要一种光线均匀的补光产品，而且该补光产品的应用是工业相机位于光源的一侧而被补光物体位于另一侧，要求补光照明产品的通透度很高而且均匀性也较高，并且不能有异常发光点或者暗区因为反射而出现在抓拍的图片中。
3.为解决上述问题，现有技术中，目前常采用环形照明系统，即采用环形照明光源从上向下照明物体进行补光；虽然增加了照明物体表面亮度，但环形光源也导致照明不均匀，且由于照明光源位于被照明物体和抓拍相机之间，所以阻碍抓拍相机对物体进行拍照。
4.现有技术中，也有采用透明平板上表面设置凹部的方式，光从侧面耦合，用于提高补光照明的均匀性的方法，但是普通的凹部结构仍存在设计缺陷：
5.一、光线进入携带微结构的透明平板后，从透明平板微结构所在的一侧漏光，从而严重影响相机拍摄照明物体的清晰度；
6.二、物体被照明后，其反射的光通过透明平板后才能进入相机，而透明平板上的凹部对光线进行散射，散射光同样也会影响成像清晰度、对比度。


技术实现要素：

7.本实用新型旨在提供一种基于微结构的高清晰度平面导光器件，以解决现有技术采用补光产品对物体直接照明存在补光不均匀、阻碍抓拍相机对物体拍照的问题，采用现有的基于透明平板结合凹部进行导光照明的产品，存在相机拍摄图片成像清晰度低、对比度低的问题。
8.本实用新型是采用以下的技术方案实现的：
9.一种基于微结构的高清晰度平面导光器件，包括导光平板，所述导光平板包括相互平行的上表面和下表面，所述导光平板的上表面设置有若干个散光微结构，所述散光微结构表面任意一点的切线与所述导光平板的上表面、或与所述导光平板的下表面所构成的锐角夹角均小于90
°‑
arcsin(1/n)，其中，n为所述导光平板所采用的材料的折射率。
10.由于光在导光平板中传输时，光的传输方向与导光平板上下表面基本平行，当微结构表面某些区域的切线或切面与导光平板上下表面夹角(即θ角)符合θ》90
°‑
arcsin(1/n)时，导光平板内传输到微结构的光线将不满足全反射条件，将发生严重泄漏。这是一个重要的标志性的选择节点。其中，所述θ角为微结构表面上某点的切线或切面与导光平板上下表面夹角。
11.基于上述理论与实验结果，本实用新型提出用θ《90
°‑
arcsin(1/n)(大部分玻璃折射率为1.5左右，因此θ约为48
°
)的微结构作为所述散光微结构，因此，通过设置有所述散光
微结构的平面导光器件可以对物体进行均匀补光照明，可以获得高对比度、高清晰度的图像，大幅提高相机采集物体的信息细节和对比度。
12.本实用新型利用所述散光微结构对所述导光平板中的全反射传输的光线进行反射与散射，进而对所述导光平板下方的物体进行照明。具体的，本实用新型中所述散光微结构所在面为所述导光平板上表面，所述上表面朝向相机；与所述上表面平行的没有散光微结构的表面，为下表面，所述下表面朝向被拍照的观测物体。使用时，将所述导光平板四周放置照明光源，即可形成相应的导光、照明装置。
13.本实用新型可广泛应用于自动识别、自动检测等领域物体的补光照明。
14.作为优选的技术方案：
15.所述散光微结构表面任意一点的切线与所述导光平板的上表面、或与所述导光平板的下表面所构成的锐角夹角均小于90
°‑
arcsin(1/n)，其中，n为透明材料的折射率，n的范围为1.4-1.55。
16.作为优选的技术方案：
17.虽然本实用新型中将导光平板与散光微结构进行分别阐述，但实际上该散光微结构与导光平板可以为一体，即：将导光平板表面某些区域的“平面”形态转化为“凹形微结构”形态，即形成本实用新型所述的散光微结构；即，散光微结构可以是导光平板上表面设计好的某种特定的导光“缺陷”。
18.作为优选的技术方案：
19.所述导光平板为扁平状长方体结构，所述导光平板的上表面、下表面以及四个侧面均具有光学级透明度，所述导光平板的四个侧面与所述导光平板的上表面、下表面垂直。
20.所述导光平板为扁平状长方体结构，用于实现光能量从导光平板四周入射，并在导光平板内以全反射的方式传输，导光平板上、下表面相互平行且具有光学级透明度，这主要考虑到光在导光平板里面要符合全反射的传输条件；导光平板四个侧面为光学级透明平面且与上下表面基本垂直，主要为了尽可能地不扩大入射光的发散角以及提高光能量从侧面耦合进入导光平板的效率。
21.本实用新型的工作原理如下：光能量以接近垂直的方式从侧面耦合进入导光平板；当光线照在导光平板上表面的平面区域(非散光微结构区域)时，光能量在导光平板内全反射传输；当光线照射到散光微结构时，光线传输方向被改变，光能量从导光平板下表面出射，照明物体，所以散光微结构是调节光传输能量和方向的关键。由于光在导光平板中传输时，光的传输方向与导光平板上下表面基本平行，当微结构表面某些区域的切线或切面与导光平板上下表面夹角(即θ角)符合θ》90
°‑
arcsin(1/n)时，导光平板内传输到微结构的光线将不满足全反射条件，将发生严重泄漏。因此，本实用新型提出用θ《90
°‑
arcsin(1/n)的散光微结构。
22.本实用新型所述的平面导光器件可以直接设置在需要拍照观测的物体上方，不会阻碍相机对物体拍照，提高了照明的均匀性；能够有效降低光线泄露，提高相机拍摄被照明物体的清晰度。
23.作为优选的技术方案：
24.所述导光平板为玻璃材质结构件或透明塑料材质结构件。
25.采用玻璃材质的导光平板具有以下优势：
26.一、抗紫外线、耐老化，由于光在导光平板中不断以全反射方式进行长距离传输，光照导致的器件老化将非常严重，传统亚克力材质在自然环境中的老化寿命约1年，而导光平板中的光强与自然环境光强相比，高出2-3个数量级，因此，亚克力材质的导光平板寿命不足2个月，而采用玻璃作为导光平板材质，玻璃的老化非常缓慢，在不受人为破坏的情况下，其寿命很长(几乎是无限的)，因此，玻璃的耐老化性能是有机材质平板无法比拟的；
27.二、玻璃的耐热性能好，是塑料比不了的，大功率led照明光源将给导光平板带来巨大的温升，工作状态温度超过120
°
，长期工作在该环境中，亚克力材质的导光平板难以承受，进一步降低了亚克力材质的导光平板的寿命，因此，从抗温角度讲，玻璃也是更优的选择。
28.作为优选的技术方案：
29.所述透明塑料材质包括pet、pc、pmma等。
30.作为优选的技术方案：
31.所述导光平板的厚度为1mm-40mm。
32.所述导光平板厚度太小，不利于光的高效耦合，如果厚度太大又会加大产品的重量和体积，因此，具体的厚度主要根据实际需要采用的导光平板的面积进行综合选择。
33.作为优选的技术方案：
34.所述导光平板的厚度为3mm-18mm。
35.作为优选的技术方案：
36.所述散光微结构为凹形微结构或凸形微结构，所述散光微结构具有光滑的光学级表面。
37.采用凹形微结构或凸形微结构作为散光微结构均可起到散射导光平板中的光线的目的。
38.作为优选的技术方案：
39.所述散光微结构是剖面为v形、倒梯形、劣弧、或抛物线的旋转曲面结构，或者是剖面为v形、倒梯形、劣弧、或抛物线的柱体结构。
40.当所述散光微结构的剖面是v形时，v形的旋转曲面结构为圆锥，此时圆锥的锥面作为所述散光微结构的表面。
41.当所述散光微结构的剖面是倒梯形时，倒梯形的旋转曲面结构为圆台，此时圆台的底面和侧面作为所述散光微结构的表面。
42.当所述散光微结构的剖面是劣弧时，劣弧的旋转曲面结构为球冠，此时球冠作为所述散光微结构的表面。
43.当所述散光微结构的剖面是抛物线时，抛物线的旋转曲面结构为旋转抛物面，此时旋转抛物面作为所述散光微结构的表面。
44.作为优选的技术方案：
45.所述散光微结构横向尺寸为2um-19um。
46.由于影响导光平板照明物体的清晰度的因素，除导光平板上表面的漏光效应以外，物体发出的光只有经过非散光微结构区域进入相机才是有用信息，经过散光微结构后形成的散射光依然会严重影响成像清晰度。
47.考虑人眼的分辨力大致是60um左右，为了获得高的清晰度，以占空比1/10为基准
进行考虑(也就是物体发出的光经过导光平板上表面的平面玻璃区域的能量和经过散光微结构区域的能量的比值，假设为w)，散光微结构的开口尺度应该小于因此高清晰度平面导光器件需要采用开口小于18.9um的散光微结构；在实用方面，本实用新型的申请人也实现了几微米～十几微米的实用化散光微结构的制备。
48.所述散光微结构横向尺寸小，减小了散射光对成像清晰度、对比度的影响。
49.作为优选的技术方案：
50.所述散光微结构横向尺寸为10um-19um。
51.作为优选的技术方案：
52.所述散光微结构在所述导光平板的上表面规则排列或随机排列。
53.作为优选的技术方案：
54.所有所述散光微结构所占的面积与所述导光平板上表面的面积之比小于25％。
55.作为优选的技术方案：
56.所述散光微结构表面设置有遮光层，所述遮光层不透光。
57.所述遮光层不透光，对所述导光平板内的光线具有高效反射效果，设置所述遮光层可进一步提升相机对物体拍照效果的清晰度。
58.作为优选的技术方案：
59.所述遮光层为金属层。
60.作为优选的技术方案：
61.所述遮光层为双层结构，内层为铬层，外层为氧化铬层，所述铬层紧贴所述散光微结构的表面，所述氧化铬层位于所述铬层上表面。
62.所述铬层呈现亮银色，主要用于反射导光平板中的光线和阻止散光微结构散射的光线进入相机，所述氧化铬层为深蓝色，主要用于吸收外环境中的光线，避免相机、厂房、设备等外部设施散射的光线被反射到相机中。
63.作为优选的技术方案：
64.所述导光平板的侧面上设置有反射膜，设有所述反射膜的侧面的数量为一个、两个或三个。
65.设有反射膜的侧面就无需再设置光源了，利用反射膜将之前会从导光平板侧面出射的光线进行反射，本实用新型将成倍的提高光能量的利用率。
66.综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
67.1.本实用新型所述的平面导光器件中导光平板的厚度小，大大减小了补光照明系统的体积；
68.2.本实用新型所述的平面导光器件可以直接设置在需要拍照观测的物体上方，不会阻碍相机对物体拍照，提高了照明的均匀性；
69.3.本实用新型所述的平面导光器件可以采用玻璃材质，抗紫外线，耐老化、耐高温性能好，使用寿命长；
70.4.本实用新型所述的平面导光器件能够尽可能的避免光线泄露，提高相机拍摄被照明物体的清晰度；
71.5.本实用新型所述的散光微结构横向尺寸小，减小了散射光对成像清晰度、对比度的影响；
72.6.本实用新型所述的散光微结构表面可设置遮光层，进一步提升相机对物体拍照效果的清晰度；
73.7.本实用新型所述的导光平板的侧面表面上可设置反射膜，如此，就无需在导光平板四个侧面均设置光源，在至少一个侧面设置光源即可，这样可以利用反射膜将之前会从导光平板侧面出射的光线反射，更大程度地利用光能量。
附图说明
74.图1为本实用新型实施例1所述的平面导光器件的结构示意图。
75.图2为本实用新型实施例1所述的散光微结构的剖面图。
76.图3为本实用新型实施例1所述的平面导光器件的工作原理示意图。
77.图4为本实用新型实施例2所述的平面导光器件的结构示意图。
78.图5为本实用新型实施例2所述的散光微结构的剖面图。
79.图6为本实用新型实施例3所述的平面导光器件的结构示意图。
80.图7为本实用新型实施例4所述的散光微结构的剖面图。
81.图8为本实用新型实施例5所述的散光微结构的剖面图。
82.图标：1-导光平板，2-散光微结构，3-光源，4-被照明物体，5-相机，6-遮光层。
具体实施方式
83.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
84.实施例1
85.参见图1，本实施例提出一种基于微结构的高清晰度平面导光器件，包括导光平板1以及位于其上表面的散光微结构2。
86.本实施例的平面导光器件用于照明易拉罐，根据易拉罐的大小，选取所述导光平板1的长宽尺寸为100mm
×
100mm，综合考虑平面导光器件的光耦合效率以及重量、体积等因素，选定所述导光平板1的厚度为4mm，选定所述导光平板1的材质为玻璃。
87.在本实施例中，所述散光微结构2为凹形散光微结构，具体的，参见图2，所述散光微结构2的剖面是一条劣弧，该劣弧的旋转曲面结构为球冠，此时球冠作为所述散光微结构2的表面。考虑到人眼分辨力，选定所述球冠的直径为13um，所述球冠的深度为3um。该球冠上的任意一点的切线与所述导光平板1上、下表面所构成的锐角夹角θ均小于90
°‑
arcsin(1/n)，其中，n为所述导光平板1所采用的石英玻璃材料的折射率，石英材料折射率为n＝1.457。
88.本实施例中，散光微结构2采用非规则排列，并设计相邻散光微结构2之间的距离位于40um到60um之间。
89.通过计算不难看出：本实施例中散光微结构2所占的面积与导光平板1面积之比小于10％。
90.本实施例的平面导光器件的工作原理为：光源3将光能耦合进入平面导光器件，照
射到散光微结构2的光线被耦合输出导光平板1，并照明物体4，被照明物体4表面的光通过导光平板1后被相机5获取，采用上述器件即可对易拉罐等物体进行均匀补光照明。
91.本实用新型充分考虑了导光平板1上、下表面出射光强与θ(散光微结构2上任意一点切线与导光平板1上下面的夹角)角度的关系(这里以不同开口角度的球冠为例)：
[0092][0093]
参见图3，光的传输过程如下：玻璃内部传输的光分别从导光平板1上表面和下表面耦合输出，从下表面输出的光照射到物体并被物体散射，部分散射光通过导光平板1后返回相机5。
[0094]
真正影响成像对比度的不是导光平板1上、下表面的出光比例，而是相机5接收的物体的光与杂光(主要为导光平板1上表面的漏光)的比值；虽然不同的颜色、不同粗糙度的物体对导光平板1上表面向下通过下表面并照射到被照明物体4的光的散射和衰减力度不同，但大部分物体的衰减强度都大于1/10，以a4白纸为例，在导光平板1距离白纸10cm，相机5也距离导光平板1为10cm的情况下，相机5接收到的白纸反射的光强度约为导光平板1下表面出射光强度的1/10；
[0095]
导光平板1上、下表面出光比大于1/10，就意味着，导光平板1上表面带来的背景杂光与被照明物体4输入相机5的信息光强度基本一致；而如果采用θ角度为70
°
甚至80
°
的球冠，则意味着，导光平板1上表面引入的杂光将是被照明物体4信息光的3-4倍；这里还没有考虑被照明物体4携带颜色所引起的物体信息光的衰减。
[0096]
当微结构表面某些区域的切线或切面与导光平板1上下表面夹角(即θ角)符合θ》90
°‑
arcsin(1/n)时，导光平板1内传输到微结构的光线将不满足全反射条件，将发生严重光泄漏。这是一个重要的标志性的选择节点。
[0097]
基于上述理论与实验结果，本实用新型提出用θ《90
°‑
arcsin(1/n)(大部分玻璃折射率为1.5左右，因此90
°‑
arcsin(1/n)约为48
°
)微结构作为散光微结构将获得高对比度、高清晰度的平面导光器件的思路，该思路可大幅提高相机采集物体的信息细节和对比度。
[0098]
影响导光平板照明物体的清晰度的因素，除导光平板上表面的漏光效应以外，物体发出的光只有经过非散光微结构区域进入相机才是有用信息，经过散光微结构后形成的散射光依然会严重影响成像清晰度。考虑人眼的分辨力大致是60um左右，为了获得高的清晰度，以占空比1/10为基准进行考虑(也就是物体发出的光经过导光平板上表面的平面玻璃区域的能量和经过散光微结构区域的能量的比值，假设为w)，散光微结构的开口尺度应
该小于因此高清晰度平面导光器件需要采用开口小于18.9um的散光微结构；在实用方面，本实用新型的申请人也实现了几微米～十几微米的实用化散光微结构的制备。
[0099]
实施例2
[0100]
本实施例与实施例1的区别在于：
[0101]
本实施例的平面导光器件用于照明二维码，根据二维码的大小，选取所述导光平板1的长宽尺寸为80mm
×
80mm，综合考虑平面导光器件的光耦合效率以及重量、体积等因素，选定所述导光平板1的厚度为4mm。
[0102]
参见图4和图5，为了获得更为均匀的照明效果，本实施例中，散光微结构2采用六边形规则排列“v”形结构，具体的，所述散光微结构2的剖面为“v”形，“v”形的旋转曲面结构为圆锥面。考虑到人眼分辨力，选定“v”形散光微结构的直径为18um，“v”形散光微结构深度为9um，并设计相邻散光微结构2之间的距离为60um。本实施例中构成“v”形的两条边与导光平板1上表面的夹角设定为45
°
。
[0103]
实施例3
[0104]
本实施例与实施例1的区别在于：
[0105]
本实施例的平面导光器件用于照明产品外包装，根据产品外包装的大小，选取所述导光平板1的长宽尺寸为200mm
×
200mm，综合考虑平面导光器件的光耦合效率以及重量、体积等因素，选定所述导光平板1的厚度为10mm。
[0106]
参见图6，本实施例采用线条状散光微结构，线条的宽度为16um，线条状散光微结构的剖面为v形，其深度为8um，相邻线条间距符合大于50um小于70um。
[0107]
在本实施例中，线条状散光微结构在导光平板1纵向和横向均有分布，纵向上的各线条相互平行排布，横向上的各线条相互平行排布，但非周期排列。
[0108]
实施例4
[0109]
本实施例与实施例1的区别在于：
[0110]
参见图7，本实施例中的散光微结构2为凸形微结构，凸形微结构的表面为球冠，其剖面为一段圆弧，其直径为16um，深度可选择为3um，采用该微结构作为散光微结构亦可起到散射导光平板中的光线的目的。
[0111]
实施例5
[0112]
本实施例与实施例1的区别在于：
[0113]
参见图8，散光微结构2表面覆盖有遮光层6，该遮光层6采用100nm铬层结合50nm氧化铬层组成，铬层紧贴玻璃面，氧化铬层位于铬层上表面。本实施例中，铬层呈现亮银色，主要用于反射导光平板中的光线和阻止散光微结构2散射的光线进入相机，氧化铬层为深蓝色，主要用于吸收外环境中的光线，避免相机、厂房、设备等外部设施散射的光线被反射到相机中。
[0114]
实施例6
[0115]
本实施例与实施例1的区别在于：
[0116]
所述导光平板的侧面上设置有反射膜，所述反射膜可以设置在导光平板的一个侧面上，也可同时设置在导光平板的两个侧面或三个侧面上，即至少要留出一个侧面用于放置光源，所述反射膜用于对所述导光平板中的光线进行反射，在不设置反射膜的情况下，光
线从一个侧面射入，经散光微结构2反射后，部分光线会从其他侧面射出，设置反射膜后不仅可以取消该面所设置的光源，而且，该反射膜可以将本要出射的光线反射回导光平板中，进一步利用光能量。
[0117]
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。