一种工程扩散片及其设计方法

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种工程扩散片及其设计方法。

背景技术

近几年兴起的人脸识别、三维探测等领域对高质量光源的需求也日益增长。而激光作为一种高质量光源也被应用在各种应用场景中，从半导体激光器的特性可知，出射激光光束为高斯分布，发散角大，且快慢轴发散角不同，导致快慢轴方向的强度分布不对称，降低了光束的质量，从而限制了半导体激光器的发展和应用，因此对半导体激光器光束进行匀化是非常重要的。微透镜阵列是目前广泛应用的一种工程扩散片，这种方法的优势在于对入射光的光强分布要求不高，具有适应性强，能量利用率高的优点。但是，普通微透镜阵列也同时存在干涉纹、填充因子不高等缺点，这些缺点也使得现阶段具有微透镜阵列的扩散片的光学性能还有待提高。

因而，亟需提出一种新的技术方案来解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，一方面是提供一种工程扩散片，用以解决现有技术中制得的具有微透镜阵列的工程扩散片存在干涉纹、填充因子不高的问题，另一方面是提供一种工程扩散片的设计方法，以在解决了干涉条纹的前提下降低制作工艺难度，具体采用的技术方案如下：

一种工程扩散片，其包括光学衬底，以及于所述光学衬底上形成的微透镜阵列，所述微透镜阵列由一组或多组基础透镜随机排布组成，一组所述基础透镜包括一个或多个微透镜，每个所述微透镜边界随机。

上述技术方案优选地，所述光学衬底为透明衬底，于所述光学衬底的一侧表面上随机形成所述微透镜阵列，组成所述微透镜阵列的多个微透镜在所述光学衬底上紧密排布。

优选地，每组所述基础透镜由多个曲率、圆锥系数，以及口径均相同的微透镜组成。

优选地，每组所述基础透镜中的每个微透镜于所述光学衬底表面随机排布。

优选地，组成所述微透镜阵列的多组基础透镜中的一组基础透镜中的任意一个微透镜，与组成所述微透镜阵列的多组基础透镜中的另一组基础透镜中的任意一个微透镜，具有不同的曲率和/或圆锥系数和/或口径。

优选地，每组所述基础透镜中的每个微透镜的随机不同区域随机排布形成所述微透镜阵列，每个微透镜的随机不同区域作为组成所述微透镜阵列的子透镜。

优选地，每组所述基础透镜中的每个微透镜的随机不同区域包括：左上区域、左下区域、右上区域和右下区域，自每个微透镜的左上区域得到左上子透镜，自每个微透镜的左下区域得到左下子透镜，自每个微透镜的右上区域得到右上子透镜，自每个微透镜的右下区域得到右下子透镜，组成所述微透镜阵列的每组所述基础透镜中的所述左上子透镜、左下子透镜、右上子透镜和右下子透镜的比例相等；或，

每组所述基础透镜中的每个微透镜的随机不同区域包括：左上区域、左下区域、右上区域、右下区域和中心区域，自每个微透镜的中心区域得到中心子透镜，组成所述微透镜阵列的每组所述基础透镜中的所述左上子透镜、左下子透镜、右上子透镜和右下子透镜的比例相等，组成所述微透镜阵列的一组或多组所述基础透镜中的所述中心子透镜的总个数不超过组成所述微透镜阵列的子透镜总数的50％。

优选地，于所述光学衬底上形成紧密排列的多边形，所述多边形边界随机，每个所述多边形中填充一个所述子透镜，所述子透镜的边界为所述多边形边界的最小外接矩形。

优选地，排成一排或一列的微透镜的中心点在一条直线两侧的预定范围内随机分布。

优选地，所述预定范围的上限值为排成一排或一列的所述微透镜中口径最大的微透镜的口径尺寸值的1/10，该预定范围的下限值为0。

本发明还提供一种工程扩散片的设计方法，其包括：

确定排布形成微透镜阵列的各个微透镜的边界，

确定组成所述微透镜阵列的一组或多组基础透镜，其中，一组所述基础透镜由一个或多个微透镜组成，

选取所述一组或多组基础透镜中的各个微透镜的随机不同区域，将其填充至组成所述微透镜阵列的各个微透镜的边界范围内，其中，所述一组或多组基础透镜中的各个微透镜的随机不同区域的尺寸大于组成所述微透镜阵列的所述微透镜的边界的尺寸。

上述技术方案还包括：

确定排布形成微透镜阵列的各个微透镜的边界的方法，其包括：

若确定排布形成微透镜阵列的各个微透镜的边界为随机四边形，则：

形成M行N列的矩形网格阵列图形，

将矩形网格阵列图形中的各个点的X坐标值和/或Y坐标值随机扩大网格边长的0～0.1倍，得到各个点的更新坐标点，

将相邻两个点的更新坐标点顺序连接，获得随机四边形边界。

上述技术方案还包括：

确定排布形成微透镜阵列的各个微透镜的边界的方法，其包括：

若确定排布形成微透镜阵列的各个微透镜的边界为泰森多边形，则：

将组成所述微透镜阵列的各个微透镜按照奇数列P个，偶数列P+1个进行排列，其中，每一列的每个微透镜为随机选取的，

将每一列的每个微透镜的中心点的X坐标值和/或Y坐标值随机扩大微透镜长度或者宽度的0～0.1倍，得到各个微透镜中心点的更新坐标点，

将各个微透镜中心点的更新坐标点中任意相邻两个更新坐标点相连，制作该相邻两个更新坐标点的连线的垂直平分线，将据此获得的多条垂直平分线相互交错连接，获得泰森多边形边界。

与现有技术相比，本发明提供的工程扩散片通过随机边界的微透镜阵列打乱了透镜周期性排布，减少因微透镜多光束干涉带来的影响而产生的干涉条纹，提升光斑的均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它附图。

图1是由相同规格微透镜紧密排列生成的普通微透镜阵列的匀化光斑示意图，其中，组成普通微透镜阵列的微透镜的口径为60μm，曲率为52mm

图2是图1匀化光斑示意图中水平和垂直截面的光强分布曲线图；

图3是在一种实施例中本发明所述随机四边形边界的形成过程示意图，其中，虚线表示初设计的阵列边界，实线表示由虚线演变而来的随机边界；

图4是在一种实施例中本发明所述泰森多边形边界的局部示意图；

图5是在一种实施例中本发明所述微透镜阵列的基础透镜的灰度图；

图6是在一种实施例中由一组基础透镜组成的随机四边形微透镜阵列的示意图，其中，该一组基础透镜由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜A组成；

图7是在一种实施例中由四组基础透镜组成的随机四边形微透镜阵列的示意图，其中，该四组基础透镜为：由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜A组成的第一组基础透镜、由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜B组成的第二组基础透镜、由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜C组成的第三组基础透镜，以及由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜D组成的第四组基础透镜；

图8是在一种实施例中由一组基础透镜组成的泰森多边形微透镜阵列的示意图，其中，该一组基础透镜由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜A组成；

图9是在一种实施例中由四组基础透镜组成的泰森多边形微透镜阵列的示意图，其中，该四组基础透镜为：由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜A组成的第一组基础透镜、由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜B组成的第二组基础透镜、由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜C组成的第三组基础透镜，以及由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜D组成的第四组基础透镜；

图10a～10d是在一种实施例中一组基础透镜中的任意一个微透镜的随机不同区域的区域划分示意图，其中：图10a虚线框内为微透镜的左上区域、图10b虚线框内为微透镜的右上区域、图10c虚线框内为微透镜的左下区域、图10d虚线框内为微透镜的右下区域，图10a～10d中的实线表示随机四边形边界，虚线为实线的外接四边形；

图11是在一种实施例中由图10a～10d划分的不同区域的微透镜随机排列组成的随机四边形微透镜阵列的灰度图；

图12是图11中组成的随机四边形微透镜阵列的匀化光斑示意图，组成该随机四边形微透镜阵列的微透镜的口径为60μm，曲率为52mm

图13是图12匀化光斑示意图中水平和垂直截面的光强分布曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图与实施例进一步说明本发明要旨。

实施例1：

如图1-2所示，图1是由相同规格微透镜紧密排列生成的普通微透镜阵列的匀化光斑示意图，其中，组成普通微透镜阵列的微透镜的口径为60μm，曲率为52mm

参见图3-13，本发明提供一种工程扩散片，其可以降低微透镜阵列的周期性排布和激光的相干性，提高光斑的均匀性，减少干涉条纹的产生，具体方案如下：

一种工程扩散片，其包括：光学衬底，于所述光学衬底上形成的微透镜阵列，所述微透镜阵列由一组或多组基础透镜随机排布组成，一组所述基础透镜包括一个或多个微透镜，每个所述微透镜边界随机。

在一种实施例中，一组所述基础透镜由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的微透镜组成。可参见图6和图8，图6即是由一组基础透镜组成的随机四边形微透镜阵列的示意图，其中，该一组基础透镜由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜A组成。图8即是由一组基础透镜组成的泰森多边形微透镜阵列的示意图，其中，该一组基础透镜由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜A组成。一组所述基础透镜中的多个微透镜于所述光学衬底表面随机排布，随机排布可使得微透镜的边界随机，有助于打破微透镜阵列的周期性，减少干涉条纹的产生。

在一种实施例中，组成所述微透镜阵列的多组基础透镜中的一组基础透镜中的任意一个微透镜，与组成所述微透镜阵列的多组基础透镜中的另一组基础透镜中的任意一个微透镜，具有不同的曲率和/或圆锥系数和/或口径。可参见图7进行理解，图7是由四组基础透镜组成的随机四边形微透镜阵列的示意图，其中，该四组基础透镜为：由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜A组成的第一组基础透镜、由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜B组成的第二组基础透镜、由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜C组成的第三组基础透镜，以及由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜D组成的第四组基础透镜，即图7中的透镜A、透镜B、透镜C以及透镜D相互之间具有不同的曲率和/或圆锥系数；可利用透镜A、透镜B、透镜C以及透镜D进行无规律排布，透镜A、透镜B、透镜C以及透镜D的概率基本相同，这种多组不同的基础透镜可以让光斑更加均匀。

也可参见图9进行理解，图9是在一种实施例中由四组基础透镜组成的泰森多边形微透镜阵列的示意图，其中，该四组基础透镜为：由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜A组成的第一组基础透镜、由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜B组成的第二组基础透镜、由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜C组成的第三组基础透镜，以及由多个曲率、圆锥系数和口径均相同的透镜D组成的第四组基础透镜。即图9中的透镜A、透镜B、透镜C以及透镜D相互之间具有不同的曲率和/或圆锥系数。由上可知，图7和图9均是选择了四组基础透镜用以举例说明，当然也可以选择3-5组、5-10组基础透镜等进行说明，在此不再赘述。

在一种实施例中，组成所述微透镜阵列的微透镜的形状可以是任意多边形，比如四边形、五边形、六边形等，也可以是由泰森多边形形成的任意形状。泰森多边形又叫冯洛诺伊图(Voronoi diagram)，是一组由连接两邻点线段的垂直平分线组成的连续多边形组成，边上任意一点到对应控制点的距离相等。

本发明中每组所述基础透镜中的每个微透镜的随机不同区域随机排布形成所述微透镜阵列，每个微透镜的随机不同区域作为组成所述微透镜阵列的子透镜。在一种实施例中，一组或多组所述基础透镜中的每个微透镜的随机不同区域包括：左上区域、左下区域、右上区域和右下区域，自每个微透镜的左上区域得到左上子透镜，自每个微透镜的左下区域得到左下子透镜，自每个微透镜的右上区域得到右上子透镜，自每个微透镜的右下区域得到右下子透镜，组成所述微透镜阵列的每组所述基础透镜中的所述左上子透镜、左下子透镜、右上子透镜和右下子透镜的比例相等。可参见图10a～10d：图10a虚线框内为微透镜的左上区域、图10b虚线框内为微透镜的右上区域、图10c虚线框内为微透镜的左下区域、图10d虚线框内为微透镜的右下区域，图10a～10d中的实线表示随机四边形边界，虚线为实线的外接四边形。可以于所述光学衬底上形成紧密排列的多边形，所述多边形边界随机，每个所述多边形中填充一个所述子透镜，所述子透镜的边界为所述多边形边界的最小外接矩形。即是将每组基础透镜中的每个微透镜划分为4个区域，每个区域的尺寸大于预计要排列形成微透镜阵列的微透镜的尺寸(即图10a～10d中实线范围内为预计要排列形成微透镜阵列的微透镜的尺寸，而在微透镜上划分的区域以虚线为边界，虚线边界为实线边界的外接四边形)；将每组基础透镜中的每个微透镜按此方法划分为4个区域，再将划分得到的左上子透镜、左下子透镜、右上子透镜、右下子透镜中的任意一个子透镜随机填充至预先设计的随机四边形微透镜阵列中。

本实施例所述的划分区域的方法是将透镜的各部分分离出来，再将分离得到的一批微透镜小单元作为形成微透镜阵列组的模块，然后随机在这些微透镜小单元内挑选一个或多个，再随机填充排列以形成随机微透镜阵列。可参见图11-13，图11是在一种实施例中由图10a～10d划分的不同区域的微透镜随机排列组成的随机四边形微透镜阵列的灰度图，图12是图11中组成的随机四边形微透镜阵列的匀化光斑示意图，组成该随机四边形微透镜阵列的微透镜的口径为60μm，曲率为52mm

在一种实施例中，本发明所述扩散片包括光学衬底，所述光学衬底为透明衬底，于所述光学衬底的一侧表面上随机刻蚀形成所述微透镜阵列，组成所述微透镜阵列的多个微透镜在所述光学衬底上紧密排布。

在一种实施例中，本发明所述微透镜阵列中排成一排或一列的微透镜的中心点在一条直线两侧的预定范围内随机分布。一种情况下，所述预定范围的上限值为排成一排或一列的所述微透镜中口径最大的微透镜的口径尺寸值的1/10，该预定范围的下限值为0。

实施例2：

本发明中每组所述基础透镜中的每个微透镜的随机不同区域随机排布形成所述微透镜阵列。在一种实施例中，每组所述基础透镜中的每个微透镜的随机不同区域包括：左上区域、左下区域、右上区域、右下区域和中心区域，自每个微透镜的左上区域得到左上子透镜，自每个微透镜的左下区域得到左下子透镜，自每个微透镜的右上区域得到右上子透镜，自每个微透镜的右下区域得到右下子透镜，自每个微透镜的中心区域得到中心子透镜。组成所述微透镜阵列的每组所述基础透镜中的所述左上子透镜、左下子透镜、右上子透镜和右下子透镜的比例相等，组成所述微透镜阵列的一组或多组所述基础透镜中的所述中心子透镜的总个数不超过组成所述微透镜阵列的子透镜总数的50％。即是将一组基础透镜中的一个微透镜划分为5个区域，每个区域的尺寸大于预计要排列形成微透镜阵列的微透镜的尺寸，将一组或多组基础透镜中的每个微透镜按此方法划分为5个区域，再将划分得到的左上子透镜、左下子透镜、右上子透镜、右下子透镜和中心子透镜中的任意一个子透镜随机填充至预先设计的随机四边形微透镜阵列中。

本实施所述的划分区域的方法也是将透镜的各部分分离出来，再将分离得到的一批微透镜小单元作为形成微透镜阵列组的模块，然后随机在这些微透镜小单元内挑选一个或多个，再随机填充排列以形成随机微透镜阵列。但是相比实施例1，本实施例将一个微透镜划分为5个区域，且组成所述微透镜阵列的一组或多组所述基础透镜中的所述中心子透镜的总个数不超过组成所述微透镜阵列的子透镜总数的50％。

实施例3：

参见图3-13，本发明还提供一种工程扩散片的设计方法，其包括如下步骤：

A、确定排布形成微透镜阵列的各个微透镜的边界，

B、确定组成所述微透镜阵列的一组或多组基础透镜，其中，一组所述基础透镜由一个或多个微透镜组成，

C、选取所述一组或多组基础透镜中的各个微透镜的随机不同区域，将其填充至组成所述微透镜阵列的各个微透镜的边界范围内，其中，所述一组或多组基础透镜中的各个微透镜的随机不同区域的尺寸大于组成所述微透镜阵列的所述微透镜的边界的尺寸。

在一种实施例中，确定排布形成微透镜阵列的各个微透镜的边界的方法，其包括：

若确定排布形成微透镜阵列的各个微透镜的边界为随机四边形，则可参见图3：

首先，形成M行N列的矩形网格阵列图形，

然后，将矩形网格阵列图形中的各个点的X坐标值和/或Y坐标值随机扩大网格边长的0～0.1倍，得到各个点的更新坐标点，

再将相邻两个点的更新坐标点顺序连接，获得随机四边形边界。

在另一种实施例中，确定排布形成微透镜阵列的各个微透镜的边界的方法，其包括：

若确定排布形成微透镜阵列的各个微透镜的边界为泰森多边形，则可参见图4：

首先，将组成所述微透镜阵列的各个微透镜按照奇数列P个，偶数列P+1个进行排列，其中，每一列的每个微透镜为随机选取的，

然后，将每一列的每个微透镜的中心点的X坐标值和/或Y坐标值随机扩大微透镜长度或者宽度的0～0.1倍，得到各个微透镜中心点的更新坐标点，

再将各个微透镜中心点的更新坐标点中任意相邻两个更新坐标点相连，制作该相邻两个更新坐标点的连线的垂直平分线，将据此获得的多条垂直平分线相互交错连接，获得泰森多边形边界。

综上所述，本发明提供的扩散片通过随机边界，以及由多组基础透镜形成的不同曲率和圆锥系数产生了不同矢高打乱周期性排布，减少微透镜后多光束干涉带来的影响而产生的干涉条纹，提升光斑的均匀性，整体提升了扩散片的光学效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改和变型。