随机微透镜阵列结构、其设计方法及应用
阅读说明：本技术 随机微透镜阵列结构、其设计方法及应用 (Random micro-lens array structure, design method and application thereof ) 是由 刘建奇 郑之华 于 2021-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种随机微透镜阵列结构、其设计方法及应用。所述设计方法包括：通过算法生成规整的点阵,其行数、列数均为奇数；将所有阵列点到点阵中心的连线方向作为偏移方向,按照点距离的大小通过一定关系生成偏移距离；将各阵列点的坐标按照偏移方向和偏移距离更新；使用偏移后点阵中的每一阵列点作为相应子透镜的中心位置,并根据此位置使用泰森多边形方式生成边界；以及,使用中心点阵的坐标作为子透镜的覆盖区域位置,生成微透镜阵列的面型。本发明有效消除了子透镜周期重复及规则排布微透镜阵列的光斑波纹等问题,同时减轻了照明系统光源安装公差的敏感性,尤其是通过与DOE表面配合,还可实现大广角的均匀散斑投射效果。(The invention discloses a random micro-lens array structure, a design method and application thereof. The design method comprises the following steps: generating a regular dot matrix through an algorithm, wherein the number of rows and the number of columns are both odd; taking the connecting line direction from all array points to the center of the dot array as an offset direction, and generating an offset distance according to the size of the dot distance through a certain relation; updating the coordinates of each array point according to the offset direction and the offset distance; using each array point in the offset dot matrix as the central position of the corresponding sub-lens, and generating a boundary in a Thiessen polygon mode according to the position; and generating a surface type of the micro lens array by using the coordinates of the central dot matrix as the position of the coverage area of the sub lens. The invention effectively eliminates the problems of the periodic repetition of the sub-lenses, the light spot ripple of the regularly arranged micro-lens array and the like, simultaneously lightens the sensitivity of the light source installation tolerance of the illumination system, and particularly can realize the uniform speckle projection effect with large wide angle by matching with the surface of the DOE.)
技术领域
本发明涉及一种微透镜阵列，具体涉及一种随机微透镜阵列结构、其设计方法及应用，属于光学
技术领域
。背景技术
微透镜阵列元件是一类能将输入光束变换成特定输出光束的微光学元件，利用微透镜阵列元件能生成特定需求的光斑形状和能量分布。
目前市场上已有规则微透镜阵列元件用于均匀光斑照明。这种规则阵列元件中每个子透镜单元都是一样的形状大小，其特点是排布结构简单，易于设计和加工检测，但周期重复的结构在相干光源通过时干涉效应明显，在实际应用中往往会产生波纹状的光斑不均效果，对实际应用产生不良影响。现有的一种改进方案是使用随机透镜形状的微透镜阵列实现均匀光斑效果，这种架构的匀光片具有较好的均匀光效果，但只适用在一些角度要求较小(例如FOV＜120°)的场景。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种随机微透镜阵列结构、其设计方法及应用，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种随机微透镜阵列结构的设计方法，其包括如下步骤：
(1)生成规整的点阵，所述点阵中任意一个阵列点在一xy坐标系内的坐标为(x，y)，其中x＝(1～r)*dr，y＝(1～c)*dc，r、c、dr、dc分别为所述点阵的行数、列数、行距、列距；
(2)将所述点阵中所有阵列点到点阵中心的连线方向作为偏移方向，按照各阵列点到点阵中心的距离大小对各阵列点生成相应的x方向偏移距离dx和y方向偏移距离dy，其中：
dx＝s*sqrt(DDX/(DDX+DDY))，dy＝s*sqrt(DDY/(DDX+DDY))
DDX＝(x-Xavg)^2，DDY＝(y-Yavg)^2，
Xavg＝max(x)/2+min(x)/2，Yavg＝max(y)/2+min(y)/2，
s为在(0～dmax)区间生成的随机数，dmax是允许的最大偏移量，max(x)、min(x)分别是任意一个阵列点的x坐标的最大取值、最小取值，max(y)、min(y)分别是任意一个阵列点的y坐标的最大取值、最小取值；
(3)按照步骤(2)中给定的偏移方向和偏移距离，使所述点阵中各阵列点的点阵位置发生偏移，进而使其中任意一个阵列点的坐标被更新为(x’、y’)，x’＝x+dx，y’＝y+dy；
(4)使用步骤(3)所获偏移后点阵之中的每一阵列点作为相应子透镜的中心位置，并以泰森多边形法生成各子透镜的边界；
(5)使用步骤(3)所获子透镜边界内的点阵之中每一阵列点的x、y坐标作为相应子透镜的覆盖区域位置，生成微透镜阵列的面型。
进一步的，在步骤(1)中，所述点阵的行数、列数均为奇数。
进一步的，在步骤(2)中，以靠近所述点阵中心的方向为负的偏移方向、远离点阵中心的方向为正的偏移方向。
本发明实施例还提供了一种随机微透镜阵列结构，它是采用本发明前述的任一种方法设计形成。
本发明实施例还提供了一种光学元件的设计方法，包括：
采用本发明前述的任一种方法设计形成随机微透镜阵列结构，并使所述随机微透镜阵列结构分布于光学元件的第一表面；以及
将所述光学元件的第二表面设置为DOE(Diffractive Optical Elements)结构，所述第一表面、第二表面分别为所述光学元件的入光面、出光面。
进一步的，所述第一表面与第二表面相背对设置。
进一步的，所述光学元件包括匀光片，但不限于此。
本发明实施例还提供了一种光学元件，它是采用本发明前述的任一种方法设计形成。
本发明实施例还提供了一种照明设备，包括光源和匀光机构，所述匀光机构包括所述的光学元件。
进一步的，所述光源包括激光光源，所述激光光源发射的激光依次经过所述光学元件的第一表面、第二表面。
进一步的，所述光源还包括其它类型的光源，例如钨灯、LED等，且不限于此。
较之现有技术，本发明以上实施例所提供的随机微透镜阵列结构有效消除了子透镜周期重复及规则排布微透镜阵列的光斑波纹等问题，同时减轻了照明系统光源安装公差的敏感性，尤其是通过与DOE表面配合，还可实现大广角的均匀散斑投射效果，使其能满足多种应用场景的需求。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
本实施例提供了一种随机微透镜阵列结构的设计方法，其具体可以包括：
(1)通过算法生成规整的点阵，该算法可以是本领域已知的任何合适算法。例如，一种生成规整点阵排布的方式包括：给定点阵的行数r、列数c、行距dr、列距dc，则可以生成坐标为(x，y)的阵列点分布，其中x＝(1～r)*dr、y＝(1～c)*dc。该点阵的矩阵行数、列数均为奇数，例如13×17。在本实施例中，所述点阵中各阵列点之间的间隔设置在50μm～200μm之间。
(2)将所述点阵中所有阵列点到点阵中心的连线方向作为偏移方向，并以靠近点阵中心的方向为负方向，而以远离点阵中心的方向为正方向，按照阵列点距离的大小，通过一定关系生成偏移距离。在本实施例中，可以令dmax是允许的最大偏移量，s为在(0～dmax)区间生成的随机数，并对步骤(1)中的所有x取最大值、最小值后计算一个平均值，记为Xavg＝max(x)/2+min(x)/2，同理对步骤(1)中的所有y取最大值、最小值后计算一个平均值，记为Yavg＝max(y)/2+min(y)/2。如此，对于步骤(1)中生成的任意阵列点(x，y)，得到DDX＝(x-Xavg)^2，DDY＝(y-Yavg)^2。之后可以计算出偏移量dx＝s*sqrt(DDX/(DDX+DDY))，dy＝s*sqrt(DDY/(DDX+DDY))。
(3)将所述点阵中各阵列点的坐标按照步骤(2)确定的偏移方向和偏移距离更新为新的点阵位置。具体的，可以将其中任意一个阵列点的坐标更新为(x’，y’)，x’＝x+dx，y’＝y+dy)。
(4)使用偏移后的点阵中的每一阵列点作为相应子透镜的中心位置(即阵列点坐标(x’，y’)，使用这些坐标生成多边形边界时，这些点可以看成为每个多边形的中心点)，根据此位置使用泰森多边形法生成边界，从而可以最大化的利用子透镜的有效口径。
(5)使用中心点阵(即阵列点的坐标(x’，y’)作为子透镜的覆盖区域位置，生成微透镜阵列的面型。
本实施例通过使用以上的算法机制产生的随机排列分布，然后填充生成的随机微透镜阵列具有优秀均光效果，可以消除规则微透镜阵列的干涉条纹问题，并减轻照明系统光源安装公差的敏感性。
进一步的，前述随机微透镜阵列结构可以应用在多种光学元件中。
在本实施例的一种应用方案中，可以将前述随机微透镜阵列结构应用在匀光片中。具体的，可以将前述随机微透镜阵列结构设置在匀光片的第一表面，此第一表面为入光面，并在匀光片的第二表面设置为DOE面，该第二表面为出光面。进一步的，该第二表面可以由二元DOE结构构成。
当将该匀光片运用于对激光进行均匀处理时，经过第一表面的激光将被初次均匀化，再通过第二表面被进一步均匀化，同时扩大出射角度，从而有效解决现有匀光片难以实现大角度均匀光斑投射的问题，实现更优的光学整形效果。
本实施例的随机微透镜阵列结构及相应光学元件可以均匀激光，并还可用在其它任何需要均匀光照明的场景，包括但不限于3D ToF(Time Of Flight)模组、灯光照明、投影仪、电视背光等等。
应当理解，以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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，都属于本发明保护的范围。