匀光扩散器和光学装置的制作方法

1.本实用新型涉及光学成像设备技术领域，具体而言，涉及一种匀光扩散器和光学装置。


背景技术：

2.目前，行业内应用到扫地机器人的光学装置所采用的光学方法主要有两种，第一种是线光斑：发光装置发出一束线光斑，其空间角度一般为横向上越大越好，通常120度以上，纵向上越小越好，通常为1度以下。扫描方式为一个方向，即宽度方向，也就是纵向，上下方向。最终实现整个视场区域内都可以被扫描，可以探测到每个位置的距离。这种方法的优点是能量更集中，功率低；其缺点是需要一个旋转的机械结构实现扫描，整体结构较为复杂，且存在可靠性问题。第二种是长条光斑：发光装置发出一长条光斑，其空间角度一般为横向上越大越好，通常120度以上，纵向上有一适中角度，通常为20度左右。不需要扫描，一次性实现整个视场区域内的照明，可以瞬态同时探测到每个位置的距离。这种方法的优点是不需要扫描，实时动态探测，帧率较高。缺点是能量分散成120*20度的区域，需要的功率较高，且纵向视场范围较小，只有20度左右。
3.也就是说，现有技术中的光学装置存在功能性差的问题。


技术实现要素：

4.本实用新型的主要目的在于提供一种匀光扩散器和光学装置，以解决现有技术中的光学装置存在功能性差的问题。
5.为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种匀光扩散器，包括：主体部；微结构阵列，微结构阵列设置在主体部的一侧表面上，微结构阵列包括多个微结构区，各微结构区上均具有多个微透镜，微透镜呈柱状。
6.进一步地，至少一个微结构区上的多个微透镜沿第一方向依次排列设置，且各柱状的微透镜沿第二方向延伸，第一方向与第二方向垂直，以使各微结构区远离主体部的一侧表面形成凹凸连续的表面。
7.进一步地，不同微结构区上的微透镜的延伸方向不同。
8.进一步地，微结构区包括相邻的第一微结构区和第二微结构区，第一微结构区上的多个微透镜的排列设置方向与第二微结构区上的多个微透镜的排列设置方向不同。
9.进一步地，第一微结构区的微透镜的延伸方向与第二微结构区的微透镜的延伸方向垂直；和/或第一微结构区上的多个微透镜的排列设置方向垂直于第二微结构区上的多个微透镜的排列设置方向。
10.根据本实用新型的另一方面，提供了一种光学装置，包括：上述的匀光扩散器；vcsel光源，vcsel光源与匀光扩散器间隔设置，且vcsel光源位于匀光扩散器的微结构阵列远离匀光扩散器的主体部的一侧。
11.进一步地，vcsel光源具有多个发射点，多个发射点间隔设置在vcsel光源朝向匀
光扩散器一侧的表面上。
12.进一步地，发射点的直径大于等于5微米且小于等于50微米。
13.进一步地，匀光扩散器与vcsel光源之间的距离大于等于0.1毫米且小于等于1毫米。
14.进一步地，匀光扩散器的尺寸大于等于1毫米且小于等于100毫米；和/或vcsel光源的尺寸大于等于0.5毫米且小于等于10毫米。
15.应用本实用新型的技术方案，匀光扩散器包括主体部和微结构阵列，微结构阵列设置在主体部的一侧表面上，微结构阵列包括多个微结构区，各微结构区上均具有多个微透镜，微透镜呈柱状。
16.通过将微结构阵列分成多个微结构区，有利于保证各微结构区均能够独立工作，避免了各微结构区之间的干涉和影响，保证了匀光扩散器的工作稳定性和使用可靠性。各微结构区上均具有多个微透镜，使得光线在微透镜上能够发生不同方向的折射、反射与散射，从而改变光线的传播路径，实现入射光线充分散色以实现光线扩散的效果。将微透镜设置成柱状，使得柱状的微透镜能够实现光线在一个方向上的扩散，有利于增大光线扩散角度，有利于形成一个方向上范围较大且均匀的光斑，进而可以实现匀光扩散器在视场范围内任意位置的探测，满足实时动态探测的要求，保证了匀光扩散器的探测效果，提高了功能性。
附图说明
17.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：
18.图1示出了现有技术中的一种光学装置的扫描效果图；
19.图2示出了现有技术中的另一种光学装置的扫描效果图；
20.图3示出了本实用新型的一个可选实施例的匀光扩散器的结构示意图；
21.图4示出了图3中的匀光扩散器的另一个角度的示意图；
22.图5示出了图4中的匀光扩散器的另一个角度的示意图；
23.图6示出了本实用新型的光学装置的结构示意图；
24.图7示出了图6中的vcsel光源的示意图；
25.图8示出了本实用新型的光学装置的扫描效果图；
26.图9示出了探测面上纵向对称的光斑图；
27.图10示出了探测面上纵向不对称的光斑图；
28.图11示出了匀光扩散器中一种光线的传播路径图；
29.图12示出了匀光扩散器中另一种光线的传播路径图；
30.图13示出了本实用新型的匀光扩散器的光路界面图；
31.图14示出了本实用新型的光学装置的三维等轴侧视图；
32.图15示出了本实用新型的光学装置的光斑照度分布图。
33.其中，上述附图包括以下附图标记：
34.10、匀光扩散器；11、主体部；12、第一微结构区；13、第二微结构区；14、微透镜；20、
vcsel光源；30、光学装置。
具体实施方式
35.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。
36.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。
37.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。
38.为了解决现有技术中的光学装置存在功能性差的问题，本实用新型提供了一种匀光扩散器和光学装置。
39.如图1至图15所示，匀光扩散器10包括主体部11和微结构阵列，微结构阵列设置在主体部11的一侧表面上，微结构阵列包括多个微结构区，各微结构区上均具有多个微透镜14，微透镜14呈柱状。
40.通过将微结构阵列分成多个微结构区，有利于保证各微结构区均能够独立工作，避免了各微结构区之间的干涉和影响，保证了匀光扩散器10的工作稳定性和使用可靠性。各微结构区上均具有多个微透镜14，使得光线在微透镜14上能够发生不同方向的折射、反射与散射，从而改变光线的传播路径，实现入射光线充分散色以实现光线扩散的效果。将微透镜14设置成柱状，使得柱状的微透镜14能够实现光线在一个方向上的扩散，有利于增大光线扩散角度，有利于形成一个方向上范围较大且均匀的光斑，进而可以实现匀光扩散器10在视场范围内任意位置的探测，满足实时动态探测的要求，保证了匀光扩散器10的探测效果，提高了功能性。
41.具体的，至少一个微结构区上的多个微透镜14沿第一方向依次排列设置，且各柱状的微透镜14沿第二方向延伸，第一方向与第二方向垂直，以使各微结构区远离主体部11的一侧表面形成凹凸连续的表面。这样设置使得相邻两个微透镜14之间是无缝连接的，防止相邻的两个微透镜14之间存在缝隙导致漏光，影响探测面上光斑的能量分布，进而影响成像质量。同时能够保证多个微透镜14排布的均匀性和一致性，有利于形成边界分布均匀的光斑，进而能够实现较好的成像效果。从图11和图12可知，各微结构区远离主体部11的一侧表面形成凹凸连续的表面，也就是说，微透镜14的表面可以是凸面也可以是凹面。这样设置使得光线能够在凸面的微透镜14上发生折射，进而使得经过微透镜14的光线先聚焦再发散，以实现光线的扩散匀光。使得光线在的凹面的微透镜14上发生折射，进而使得经过微透镜14的光线发散，以实现光线的扩散匀光。这样使微透镜14的表面通过几何折射光学可以实现光线的重新分布，大大满足了探测光照的需求，保证了成像效果。
42.需要说明的是，同一个微结构区上的相邻两个微透镜14是光滑过渡的，相邻两个微结构区连接处的微透镜14是光滑过渡的。
43.需要说明的是，上述微透镜14的尺寸大小可根据实际情况设置。
44.需要说明的是，上述柱状，即在一个截面内是一条自由曲线沿着另一个截面的直
线拉升所产的拉升曲面。
45.如图3和图4所示，不同微结构区上的微透镜14的延伸方向不同。微结构区包括相邻的第一微结构区12和第二微结构区13，第一微结构区12上的多个微透镜14的排列设置方向与第二微结构区13上的多个微透镜14的排列设置方向不同。
46.具体的，第一微结构区12上的多个微透镜14的排列设置方向垂直于第二微结构区13上的多个微透镜14的排列设置方向。第一微结构区12的微透镜14的延伸方向与第二微结构区13的微透镜14的延伸方向垂直。这样设置使得匀光扩散器10能够实现在横向上光线的扩散角度为120度，在纵向上光线的扩散角度为120度，以使匀光扩散器10在两个方向上均能够实现120度的大视场探测需求，以保证探测效果。同时匀光扩散器10发射的是十字型的探测光斑，而不是矩形光斑，大大降低了运行功率，进一步减小了功耗，节约了成本。
47.如图6至图15所示，光学装置30包括上述的匀光扩散器10和vcsel光源20，vcsel光源20与匀光扩散器10间隔设置，且vcsel光源20位于匀光扩散器10的微结构阵列远离匀光扩散器10的主体部11的一侧。这样设置使得vcsel光源20发射的光线能够稳定射入匀光扩散器10内，光线经匀光扩散器10被扩散后传输到探测面上，用于vcsel光源20对探测面的识别，以实现在十字型的视场范围内任意位置的探测，满足实时动态探测的要求，保证了匀光扩散器10的探测效果，提高了光学装置30的功能性。
48.需要说明的是，本技术采用的vcsel光源20与传统边发射激光器相比，本技术的vcsel光源20具有小的发散角和圆形对称的远、近场分布，有利于匀光扩散器10的设计，避免了复杂昂贵的光束整形系统，降低了光学装置30的加工难度。
49.如图7所示，vcsel光源20具有多个发射点，多个发射点间隔设置在vcsel光源20朝向匀光扩散器10一侧的表面上。图7中涂黑的圆点即为vcsel光源20的发射点。这样设置使得每个发射点均为一个光源，所有发射点形成了整个vcsel光源20，以使vcsel光源20提供了整个光学装置30中的光能量。这样设置使得各个发射点均是分开设置的，使得每个发射点均能够独立工作，避免了相邻两个发射点之间的干涉，进而保证了vcsel光源20能够稳定运行。同时设置多个发射点，增加了vcsel光源20的照明能量，有利于保证vcsel光源20能够照射到整个探测面，以实现更全面的探测，避免图像的丢失，保证成像的完整性。
50.具体的，发射点的直径大于等于5微米且小于等于50微米。若发射点的直径小于5微米，使得发射点的尺寸过小，不利于vcsel光源20的制作，若发射点的直径大于50微米，使得发射点的尺寸过大，不利于多个发射点在vcsel光源20上的合理分布，容易影响vcsel光源20的性能稳定性。将发射点的直径限制在5微米到50微米的范围内，有利于保证vcsel光源20的发光效率，进而保证了vcsel光源20的使用可靠性。
51.具体的，匀光扩散器10与vcsel光源20之间的距离大于等于0.1毫米且小于等于1毫米。若匀光扩散器10与vcsel光源20之间的距离小于0.1毫米，使得匀光扩散器10与vcsel光源20之间的距离过小，容易使匀光扩散器10与vcsel光源20之间发生接触和摩擦，从而加快了匀光扩散器10和vcsel光源20的损耗，同时影响二者的光学性能。若匀光扩散器10与vcsel光源20之间的距离大于1毫米，使得匀光扩散器10与vcsel光源20之间的距离过大，容易影响光学装置30的小型化。将匀光扩散器10与vcsel光源20之间的距离限制在0.1毫米到1毫米的范围内，有利于保证匀光扩散器10与vcsel光源20之间不会发生触碰磨损的同时保证了光学装置30的小型化。另一方面也是符合特别设计好的折射率差所形成的折射光路，
使得光场更加的均匀。
52.具体的，匀光扩散器10的尺寸大于等于1毫米且小于等于100毫米。本技术的匀光扩散器10具有微结构阵列的一侧表面为正方形，且正方形的边长在1毫米到100毫米的范围内，这样设置有利于节约匀光扩散器10的占据空间，保证匀光扩散器10的小型化。
53.如图7所示，vcsel光源20的尺寸大于等于0.5毫米且小于等于10毫米。vcsel光源20朝向匀光扩散器10的一侧表面为正方形，且正方形的边长在0.5毫米到10毫米的范围内，这样设置节约了vcsel光源20的占据空间，有利于实现vcsel光源20的小型化。通过合理限定匀光扩散器10和vcsel光源20尺寸，进一步保证了光学装置30的小型化，使得光学装置30能够应用更加广泛，保证了光学装置30的通用性。
54.当然，上述匀光扩散器10具有微结构阵列的一侧表面为也可以是长方形的，可根据具体需要进行选择。vcsel光源20朝向匀光扩散器10的一侧表面也可以是长方形的，可根据具体需要进行选择。为了保证匀光扩散器10与vcsel光源20的匹配度，优选二者相对应的表面形状相同的方案。
55.需要说明的是，上述匀光扩散器10的厚度可根据实际情况进行设置。优选地，匀光扩散器10的厚度在大于等于0.1mm且小于等于2mm的范围内。
56.需要说明的是，本技术的光学装置30应用于扫地机器人上，但不限于此应用领域。
57.如图7所示，为本技术的vcsel光源20的示意图，图中坐标轴表示的是vcsel光源20的尺寸，单位为微米。
58.如图1所示，现有技术中应用到扫地机器人的光学装置所采用的光学方法主要有两种，第一种是线光斑：发光装置发出一束线光斑，其空间角度一般为横向上越大越好，通常120度以上，纵向上越小越好，通常为1度以下。扫描方式为一个方向，即宽度方向，也就是纵向，上下方向。最终实现整个视场区域内都可以被扫描，可以探测到每个位置的距离。这种方法的优点是能量更集中，功率低；其缺点是需要一个旋转的机械结构实现扫描，整体结构较为复杂，且存在可靠性问题。
59.需要说明的是，图1中箭头方向为光学装置的扫描方向。
60.如图2所示，第二种是长条光斑：发光装置发出一长条光斑，其空间角度一般为横向上越大越好，通常120度以上，纵向上有一适中角度，通常为20度左右。不需要扫描，一次性实现整个视场区域内的照明，可以瞬态同时探测到每个位置的距离。这种方法的优点是不需要扫描，实时动态探测，帧率较高。缺点是能量分散成120*20度的区域，需要的功率较高，且纵向视场范围较小，只有20度左右。
61.如图8所示，为解决上述问题，本技术的光学装置30能够同时实现双向大角度和低功率的功能。本技术的发光装置能够发射十字型的光斑，其中横向和纵向的形成长条光斑的光线角度均为120*20度左右，以满足大视场探测需求。同时，因探测区域并非120*120度的矩形，所以功耗相对较低。
62.在实际扫地机应用中，通常不需要同时120*120矩形区域探测，只需要2个方向窄视场探测，同时当扫地判断前方障碍物后会路径规划并转向运动，转向后可以形成新的纵向探测区域，最终可以实现120*120矩形区域探测。
63.本技术中所提到的纵向120度是指可以实现的较大的角度，通常扫地机器人不需要那么大的角度，40～60度即可满足常规要求。
64.如图9和图10所示，图9为纵向的形成长条光斑的光线角度为60度时，上下对称的情况，既+/
‑
30度。当然纵向角度通常也可以不对称，如图10所示，可以为
‑
20/+40度。通常在纵向上，横向条纹上方为正，横向条纹下方为负。同样的，当横向和纵向光斑完全相同时，第一微结构区12与第二微结构区13的面积相等；当横向和纵向照明光斑完全不相同时，第一微结构区12与第二微结构区13的面积不相等。
65.如图11和图12所示，微透镜14可以是凸形的也可以是凹形的，多个微透镜14的多个凸面在同一水平面，多个凹面在同一水平面。同时，凸面与凹面是反向对称的。图中，双凸的微透镜14是由两条凸母线扫描而成的。双凹的微透镜14是由两条凹母线扫描而成。
66.如图13所示，水平的微透镜14，也就是图中右侧部分的微透镜14，实现的是纵向的光束扩散角度为120度的长条光斑。竖直的微透镜14，也就是图中左侧部分的微透镜14，实现的是水平方向的光束扩散角度为120度长条光斑。柱状的微透镜14实现了一个方向的光线扩散，有利于形成形状均匀的光斑，在另外一个方向对光线不改变，保持原有的光斑形状。
67.如图14所示，为三维等轴侧视图，可以全方位看到立体光线的光路图，从图中能够很明显的观察到十字型的光路分布。
68.如图15所示，为一个探测面的光斑照度分布图，从图中也能够明显观察到十字型的光斑。
69.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。
70.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。
71.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。
72.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。