CN217181265U - 匀光片和光学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种匀光片和光学装置。匀光片包括：基底层；菲涅尔层，菲涅尔层设置在基底层的一侧表面，菲涅尔层远离基底层的一侧表面为入射面；微透镜阵列层，微透镜阵列层设置在基底层的另一侧表面，微透镜阵列层远离基底层的一侧表面为出射面，微透镜阵列层包括多个微透镜，各微透镜在基底层上的投影呈多边形，且各微透镜的高度相同或不同，在相互垂直的第一方向和第二方向上各具有至少两个微透镜。本实用新型解决了现有技术中的匀光片存在成像亮度不均匀的问题。

Description

匀光片和光学装置

技术领域

本实用新型涉及衍射光学技术领域，具体而言，涉及一种匀光片和光学装置。

背景技术

现有技术中的光学装置的类型多种多样，以HUD抬头显示***为例，HUD抬头显示***是目前整合驾驶员辅助***的环境传感器以及GPS数据、地图资料和驾驶动态数据而建立的密切网络联系的重要部件之一。将AR(增强现实)技术整合进HUD中，便是目前热门的AR HUD。相较于传统W HUD，AR HUD具备更远的虚像距离VID(VID＞7.5m，甚至是无穷远)、更大的视场角FOV(FOV＞10°*3°)、更大的虚像尺寸(数十英寸)，虚像可覆盖多个车道并与前方交通环境的像融合。

目前HUD的量产还是以W HUD为主，但经过多年的技术积累，AR HUD也开始走向量产：自去年一些主流汽车厂商新车发布以来，各厂商陆续上市了相关AR HUD的车型。作为汽车智能化的核心配置之一，在接下来的时间，AR HUD或将会成为智能汽车领域车企的常见配置，市场将快速发展。但是现有技术中的AR HUD所采用的匀光片普遍为单面微透镜的设计，光源发射的光束在入射匀光片的边缘时是倾斜入射的，具有一定的入射角，经过匀光片扩散后所形成的光场是不对称分布的，和匀光片中心光束所形成的光场不同。使得中心光场光斑在接收面正中央，并且均匀度很好，左光场光斑不在接收面正中央，并且均匀度不好，容易出现左边偏亮、右边偏暗或者右边偏亮、左边偏暗的不均匀情况。

也就是说，现有技术中的匀光片存在成像亮度不均匀的问题。

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和光学装置，以解决现有技术中的匀光片存在成像亮度不均匀的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种匀光片，包括：基底层；菲涅尔层，菲涅尔层设置在基底层的一侧表面，菲涅尔层远离基底层的一侧表面为入射面；微透镜阵列层，微透镜阵列层设置在基底层的另一侧表面，微透镜阵列层远离基底层的一侧表面为出射面，微透镜阵列层包括多个微透镜，各微透镜在基底层上的投影呈多边形，且各微透镜的高度相同或不同，在相互垂直的第一方向和第二方向上各具有至少两个微透镜。

进一步地，微透镜的表面为自由曲面或多项式曲面。

进一步地，当多个微透镜的高度相同时，各微透镜在基底层上的投影呈四边形，且多个微透镜呈周期性排布。

进一步地，四边形包括正方形或长方形。

进一步地，当多个微透镜的高度不相同时，至少部分微透镜的顶点与基底层之间的距离不相等，且至少部分微透镜在基底层上的投影形状不相同。

进一步地，菲涅尔层至少包括齿结构和凸包结构，齿结构设置在凸包结构的周侧，齿结构呈环状且为多个，环状的多个齿结构沿远离凸包结构的方向间隔设置。

进一步地，各齿结构的高度均相同，且各齿结构的高度均小于等于60um；和/或多个齿结构等间距设置；和/或相邻两个齿结构之间的距离小于等于60um。

进一步地，微透镜的长大于等于5um且小于等于50um；和/或微透镜的宽大于等于5um且小于等于50um；和/或微透镜的高大于等于0um且小于等于20um。

进一步地，微透镜的材料折射率N满足：1<N<5。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种光学装置，包括：上述的匀光片；光源，光源与匀光片间隔设置，且光源位于匀光片具有菲涅尔层的一侧。

应用本实用新型的技术方案，匀光片包括基底层、菲涅尔层和微透镜阵列层，菲涅尔层设置在基底层的一侧表面，菲涅尔层远离基底层的一侧表面为入射面；微透镜阵列层设置在基底层的另一侧表面，微透镜阵列层远离基底层的一侧表面为出射面，微透镜阵列层包括多个微透镜，各微透镜在基底层上的投影呈多边形，且各微透镜的高度相同或不同，在相互垂直的第一方向和第二方向上各具有至少两个微透镜。

通过设置基底层，使得基底层为菲涅尔层和微透镜阵列层提供了设置基础，有利于提高菲涅尔层和微透镜阵列层的使用可靠性，同时保证匀光片整体的结构稳定性。通过设置入射面为菲涅尔层，可以使入射光经过菲涅尔层后准直出射，然后准直的光经微透镜阵列层后被扩散，扩散到需要的角度出射。本申请为双面设计的匀光片，一面为菲涅尔层，另一面为微透镜阵列层，通过双面设计使得外部光源发射的光依次经过菲涅尔层、微透镜阵列层后在接收面得到左中右3个亮度均匀一致的光场光斑，以保证最终成像的均匀性。通过合理规划微透镜阵列层上多个微透镜的排布方式、形状和高度，有利于提高微透镜阵列层的性能稳定性，有利于得到无暗纹、无水波纹、无彩虹条纹、颗粒感较好、画面细腻的光场光斑。

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示出了本实用新型的一个可选实施例的光学装置的光路示意图；

图2示出了图1中的匀光片具有微透镜阵列层的一侧的示意图；

图3示出了图1中的匀光片具有菲涅尔层的一侧的示意图；

图4示出了图1中的匀光片的剖视图；

图5示出了菲涅尔层的一个角度的模拟图；

图6示出了本实用新型的一个可选实施例的光学装置的中心光场的模拟图；

图7示出了随机阵列的微透镜阵列的一个角度的示意图；

图8示出了随机阵列的微透镜阵列的另一个角度的示意图；

图9示出了现有技术中的光学装置的光路示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、光源；20、接收面；30、微透镜阵列层；40、菲涅尔层；41、齿结构；42、凸包结构。

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9所示，为现有技术中的匀光片的光路示意图，由图中可知，现有的匀光片的结构形态主要是采用单面随机微透镜阵列的设计，随机微透镜阵列在入射面时，外部光源10发射的激光束入射在匀光片边缘的时候是倾斜入射的，具有一定的入射角，经过匀光片扩散后光场是不对称分布的，和匀光片中心光束的光场不同。中心光场光斑在接收面20的正中央，并且均匀度很好，左光场光斑不在接收面20的正中央，并且均匀度不好，会出现左边偏亮，右边偏暗的情况；右光场光斑不在接收面20的正中央，并且均匀度不好，会出现右边偏亮，左边偏暗的情况。使得最终接收面20上左中右3个光场光斑的亮度不均匀，影响成像效果。

为了解决现有技术中的匀光片存在成像亮度不均匀的问题，本实用新型提供了一种匀光片和光学装置。

如图1至图8所示，匀光片包括基底层、菲涅尔层40和微透镜阵列层30，菲涅尔层40设置在基底层的一侧表面，菲涅尔层40远离基底层的一侧表面为入射面；微透镜阵列层30设置在基底层的另一侧表面，微透镜阵列层30远离基底层的一侧表面为出射面，微透镜阵列层30包括多个微透镜，各微透镜在基底层上的投影呈多边形，且各微透镜的高度相同或不同，在相互垂直的第一方向和第二方向上各具有至少两个微透镜。

通过设置基底层，使得基底层为菲涅尔层40和微透镜阵列层30提供了设置基础，有利于提高菲涅尔层40和微透镜阵列层30的使用可靠性，同时保证匀光片整体的结构稳定性。通过设置入射面为菲涅尔层40，可以使入射光经过菲涅尔层40后准直出射，然后准直的光经微透镜阵列层30后被扩散，扩散到需要的角度出射。本申请为双面设计的匀光片，一面为菲涅尔层40，另一面为微透镜阵列层30，通过双面设计使得外部光源10发射的光依次经过菲涅尔层40、微透镜阵列层30后在接收面20得到左中右3个亮度均匀一致的光场光斑，以保证最终成像的均匀性。通过合理规划微透镜阵列层30上多个微透镜的排布方式、形状和高度，有利于提高微透镜阵列层30的性能稳定性，有利于得到无暗纹、无水波纹、无彩虹条纹、颗粒感较好、画面细腻的光场光斑。

具体的，微透镜的表面为自由曲面或多项式曲面。

当微透镜的表面为自由曲面时，自由曲面满足以下公式：

当微透镜的表面为多项式曲面时，多项式曲面是在常规二次曲面基础上的增加了一个10阶多项式曲面，多项式被展开成x^my^n的单项式，其中m+n≤10；K是二次曲线常数；C是曲率；

Cj是单项x^my^n的系数j＝[(m+n)^2+m+3n]/2+1；

当系数Cj都为正时，自由曲面为双凸自由曲面，微透镜为双凸微透镜；

当系数Cj都为负时，自由曲面为双凹自由曲面，微透镜为双凹微透镜；

当x项Cjx和Cjy项系数为正负或负正时，自由曲面为马鞍面，微透镜为马鞍微透镜。

自由曲面并非非球面，其自由度较高。一般地，为简化设计，通常将自由曲面设计成象限对称。但是，由此原理设计出来的非象限对称的自由曲面也是本专利范围之内。另外，本申请的微透镜的面型包括凸面和凹面中的一种，优选为凸面的自由曲面。

具体的，微透镜阵列层30可采用周期阵列或随机阵列。

如图1至图4所示，在本申请的一个可选实施例中，当多个微透镜的高度相同时，各微透镜在基底层上的投影呈四边形，且多个微透镜呈周期性排布。四边形包括正方形或长方形，优选地，为正方形。如图2所示，展示的是匀光片具有微透镜阵列层30的一侧，多个微透镜呈周期性阵列设置在基底层上，在相互垂直的第一方向和第二方向上各具有多个微透镜，且第一方向与基底层的至少一个边平行，第二方向与基底层的至少一个边平行。图中各微透镜的尺寸、高度是相同的。

如图7和图8所示，在本申请的另一个可选实施例中，本申请中微透镜阵列层30优选为随机阵列。当多个微透镜的高度不相同时，至少部分微透镜的顶点与基底层之间的距离不相等，且至少部分微透镜在基底层上的投影形状不相同。如图7所示，多个微透镜的底部不平齐，多个微透镜的顶部也是不平齐的，以形成高度随机的微透镜阵列层30。在XY水平面内的随机分布如图8所示，从图中可以看出多个微透镜在基底层上的投影形状各不相同，微透镜在基底层上的投影形状包括四边形、五边形、六边形中的多种，各透镜的尺寸大小也各不相同。通过XYZ位置和大小随机设置的微透镜可以消除衍射、干涉衍射条纹，使最终成像效果更均匀。通过XYZ位置和大小随机可以消除颗粒感外观、消除彩虹条纹、可以消除光刻和纳米压印工艺中形成的水波纹、可以消除衍射中心零级条纹，使最终成像效果更均匀。

具体的，当微透镜在基底层上的投影为长方形时，单个微透镜的长大于等于5um且小于等于50um；单个微透镜的宽大于等于5um且小于等于50um；单个微透镜的高大于等于0um且小于等于20um。优选地，单个微透镜的长大于等于10um且小于等于30um；单个微透镜的宽大于等于10um且小于等于30um；单个微透镜的高大于等于5um且小于等于15um。通过合理约束微透镜的尺寸，有利于保证微透镜尺寸的合理性，同时保证微透镜的加工便利性。微透镜远离基底层的一侧表面为自由曲面，自由曲面可以消除相差，自由度很高，可以实现任意的光学照明分布。同时相邻微透镜通过自由曲面光滑过渡，以增加制造可行性。

在一个可选实施例中，微透镜阵列层30的边长在10um至30um的范围内，当然也可根据具体情况进行调整。

如图1至图6所示，菲涅尔层40至少包括齿结构41和凸包结构42，齿结构41设置在凸包结构42的周侧，齿结构41呈环状且为多个，环状的多个齿结构41沿远离凸包结构42的方向间隔设置。如图3所示，靠近凸包结构42的多个齿结构41呈圆环状，边缘部分的齿结构41不是圆环状的，而是圆环的一部分。

具体的，菲涅尔层40可以是等高度设计，也就是说，各齿结构41的高度均相同，且齿结构41和凸包结构42高度相同，各齿结构41的高度均小于等于60um；或者菲涅尔层40可以是等宽度设计，也就是说，多个齿结构41等间距设置，相邻两个齿结构41之间的距离小于等于60um。优选地，菲涅尔层40是等宽度设计。这样设置有利于解决菲尼尔纹和莫尔条纹，有利于保证最终成像效果。

具体的，基底层由玻璃、硅胶、高分子材料等透明光学材料组成。上下两面微透镜阵列层30和菲涅尔层40一般为软性材料通过纳米压印制作而成，通常为硅胶，高分子材料等。微透镜的材料折射率范围：1<N<5，每一种光学材料都有折射率，通过折射率以及面型的曲率，根据折射定律可以获得需要方向上的光学分布，从而获得一定目标的照明。匀光片可以通过压印，注塑，机械加工等工艺实现。塑料注塑是塑料制品的一种加工方法，将熔融的塑料利用压力注进塑料制品模具中，冷却成型得到想要各种塑料件。用于光学产品的材料通常为PC或PMMA。本工艺主要生产的微透镜尺寸较大，一般为毫米以上级别。

另外，纳米压印技术是一种新型的微纳加工技术。该技术通过机械转移的手段，达到了超高的分辨率，有望在未来取代传统光刻技术，成为微电子、材料领域的重要加工手段。纳米压印技术，是通过光刻胶辅助，将模板上的微纳结构转移到待加工材料上的技术。纳米压印技术分为三个步骤。第一步是模板的加工。一般使用电子束刻蚀等手段，在硅或其他衬底上加工出所需要的结构作为模板。由于电子的衍射极限远小于光子，因此可以达到远高于光刻的分辨率。第二步是图样的转移。在待加工的材料表面涂上光刻胶，然后将模板压在其表面，采用加压的方式使图案转移到光刻胶上。注意光刻胶不能被全部去除，防止模板与材料直接接触，损坏模板。第三步是衬底的加工。用紫外光使光刻胶固化，移开模板后，用刻蚀液将上一步未完全去除的光刻胶刻蚀掉，露出待加工材料表面，然后使用化学刻蚀的方法进行加工，完成后去除全部光刻胶，最终得到高精度加工的材料。由于纳米压印技术的加工过程不使用可见光或紫外光加工图案，而是使用机械手段进行图案转移，这种方法能达到很高的分辨率。最高分辨率可达2纳米。此外，模板可以反复使用，无疑大大降低了加工成本，也有效缩短了加工时间。因此，纳米压印技术具有超高分辨率、易量产、低成本、一致性高的技术优点，被认为是一种有望代替现有光刻技术的加工手段。

机械加工方式为通过机床将微透镜结构加工在模具上，也可以是激光打标的方式在透明材料上加工。

如图1所示，光学装置包括上述的匀光片和光源10，光源10与匀光片间隔设置，且光源10位于匀光片具有菲涅尔层40的一侧。在本申请中，该光源10为激光光源10。如图所示，激光光束经菲涅尔层40后准直出射，然后经微透镜阵列层30扩散出射至接收面20形成左光场、中心光场和右光场，且3个光场亮度均匀，成像画面清晰。如图6所示，选用等宽度设计的菲涅尔层40在接收面20得到的中心光场的模拟图，由图中可以看出光场亮度均匀，

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：

基底层；

菲涅尔层(40)，所述菲涅尔层(40)设置在所述基底层的一侧表面，所述菲涅尔层(40)远离所述基底层的一侧表面为入射面；

微透镜阵列层(30)，所述微透镜阵列层(30)设置在所述基底层的另一侧表面，所述微透镜阵列层(30)远离所述基底层的一侧表面为出射面，所述微透镜阵列层(30)包括多个微透镜，各所述微透镜在所述基底层上的投影呈多边形，且各所述微透镜的高度相同或不同，在相互垂直的第一方向和第二方向上各具有至少两个所述微透镜。

2.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，所述微透镜的表面为自由曲面或多项式曲面。

3.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，当多个所述微透镜的高度相同时，各所述微透镜在所述基底层上的投影呈四边形，且多个所述微透镜呈周期性排布。

4.根据权利要求3所述的匀光片，其特征在于，所述四边形包括正方形或长方形。

5.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，当多个所述微透镜的高度不相同时，至少部分所述微透镜的顶点与所述基底层之间的距离不相等，且至少部分所述微透镜在所述基底层上的投影形状不相同。

6.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，所述菲涅尔层(40)至少包括齿结构(41)和凸包结构(42)，所述齿结构(41)设置在所述凸包结构(42)的周侧，所述齿结构(41)呈环状且为多个，环状的多个所述齿结构(41)沿远离所述凸包结构(42)的方向间隔设置。

7.根据权利要求6所述的匀光片，其特征在于，

各所述齿结构(41)的高度均相同，且各所述齿结构(41)的高度均小于等于60um；和/或

多个所述齿结构(41)等间距设置；和/或

相邻两个所述齿结构(41)之间的距离小于等于60um。

8.根据权利要求1所述的匀光片，其特征在于，

所述微透镜的长大于等于5um且小于等于50um；和/或

所述微透镜的宽大于等于5um且小于等于50um；和/或

所述微透镜的高大于等于0um且小于等于20um。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的匀光片，其特征在于，所述微透镜的材料折射率N满足：1<N<5。

10.一种光学装置，其特征在于，包括：

权利要求1至9中任一项所述的匀光片；

光源(10)，所述光源(10)与所述匀光片间隔设置，且所述光源(10)位于所述匀光片具有菲涅尔层(40)的一侧。

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