偏光扩散器和偏光显示装置的制作方法

1.本发明涉及3d成像技术领域，具体而言，涉及一种偏光扩散器和偏光显示装置。


背景技术：

2.目前，行业内实现3d成像的主流方式包括双目、结构光和tof，其中双目精度较低，结构光结构复杂且成本较高，tof由于具有足够的精度且成本较低，已有流行推广的趋势。tof通常由一个发射端和一个接收端组成，其中发射端主要由一个vcsel光源和一个扩散器(diffuser)组成。
3.光扩散器起到对光束进行整形的效果，现有技术采用的光扩散器一般实现轴对称或中心对称光场，但在一些场景中，需要实现非对称光场，如扫地机发射端等近地面探测产品的发射端，或在某些方向不进行探测的应用场景，这种情况下往往在某方向上不需要很高的光强，过高的光强会出现曝光现象，此时就需要非对称光场的设计。
4.也就是说，现有技术中的光扩散器存在难以实现非对称光场的问题。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种偏光扩散器和偏光显示装置，以解决现有技术中的光扩散器存在难以实现非对称光场的问题。
6.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种偏光扩散器，包括：基底层；微透镜层，基底层的至少一侧表面设置有微透镜层，微透镜层远离基底层的一侧包括多个自由曲面，多个自由曲面呈阵列设置，各自由曲面均具有相互平行的第一方向中心轴和第二方向中心轴，第一方向中心轴和第二方向中心轴的方向与微透镜层的高度方向相同，各自由曲面至少沿第一方向中心轴和第二方向中心轴中的一个上非对称设置，以得到非对称光场。
7.进一步地，自由曲面的斜率与光线入射该自由曲面的角度成正比；和/或各自由曲面的面积与对应目标非对称光场的能量值成正比。
8.进一步地，微透镜层远离基底层的一侧还包括过渡面，多个自由曲面中的相邻两个自由曲面之间通过过渡面平滑过渡，过渡面为曲面，以使相邻两个自由曲面之间的连接位置的斜率连续。
9.进一步地，自由曲面的面型的斜率与目标非对称光场的照度分布的角度对应，自由曲面的面型的斜率所占的面积尺寸与目标非对称光场的照度分布的角度能量成正比。
10.进一步地，具有自由曲面的透镜的生成流程包括：步骤s1：获取目标光场分布；步骤s2：计算目标光场各角度下对应的自由曲面的面型斜率；步骤s3：计算目标光场各角度下对应的自由曲面的坐标点位置；步骤s4：建立自由曲面的面型斜率和斜率的坐标点之间的对应关系；步骤s5：对自由曲面进行三维建模得到具有自由曲面的透镜。
11.进一步地，过渡面的面型通过自由曲面和自由曲面的行变化面型叠加而成，自由曲面的行变化面型由自由曲面的每行数据经镜像翻转再平移得到。
12.进一步地，自由曲面为凸面结构或凹面结构，自由曲面的凸出中心或凹入中心在基底层上的投影与自由曲面的中心位置在基底层上的投影不重合。
13.进一步地，各自由曲面均沿第一方向中心轴对称设置，且各自由曲面均沿第二方向中心轴非对称设置；或者各自由曲面均沿第一方向中心轴非对称设置，且各自由曲面均沿第二方向中心轴对称设置；或者各自由曲面均沿第一方向中心轴非对称设置，且各自由曲面均沿第二方向中心轴非对称设置。
14.进一步地，微透镜层远离基底层的一侧表面为入光面，入光面由多个自由曲面和多个过渡面拼接而成，以形成波浪状的入光面。
15.进一步地，入光面中的多个自由曲面的形状相同，且入光面中的多个过渡面的形状相同。
16.根据本发明的另一方面，提供了一种偏光显示装置，包括：vcsel光源，vcsel光源用于提供15
°‑
30
°
的发散角光束；上述的偏光扩散器，vcsel光源与偏光扩散器间隔设置，vcsel光源向偏光扩散器发射光束。
17.应用本发明的技术方案，偏光扩散器包括基底层和微透镜层，基底层的至少一侧表面设置有微透镜层，微透镜层远离基底层的一侧包括多个自由曲面，多个自由曲面呈阵列设置，各自由曲面均具有相互平行的第一方向中心轴和第二方向中心轴，第一方向中心轴和第二方向中心轴的方向与微透镜层的高度方向相同，各自由曲面至少沿第一方向中心轴和第二方向中心轴中的一个上非对称设置，以得到非对称光场。
18.多个自由曲面呈阵列设置，各自由曲面均具有相互平行的第一方向中心轴和第二方向中心轴，第一方向中心轴和第二方向中心轴的方向与微透镜层的高度方向相同，各自由曲面至少沿第一方向中心轴和第二方向中心轴中的一个上非对称设置，通过自由曲面在至少一个中心轴上的非对称设计，从而对入射光束进行光束整形，从而得到非对称光场。由于自由曲面的对称性决定目标光场的对称性，因此需要保证自由曲面的非对称性与目标非对称光场的对称性是一致的，从而使自由曲面的形状与目标非对称光场实现高度匹配，这样有利于偏光扩散器应用在特殊场景中，满足了在一个方向上不进行探测或在一个方向上不需要很高的光强的需求，进而有利于偏光扩散器应用在更多偏光的产品中，扩大了应用范围，同时避免了光能的浪费，提高了能源利用率。
附图说明
19.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1示出了现有技术中的光扩散器的光场分布图；
21.图2示出了图1的光扩散器的光照度分布曲线图；
22.图3示出了图1中的光扩散器的单元透镜的面型示意图；
23.图4示出了图3中的光扩散器的单元透镜的阵列示意图；
24.图5示出了本发明的实施例一的偏光扩散器在单轴不对称下的应用场景；
25.图6示出了图5中的偏光扩散器的光场分布图；
26.图7示出了图5中的偏光扩散器的光照度分布曲线图；
27.图8示出了图5中的偏光扩散器的自由曲面与光照度分布对应关系示意图；
28.图9示出了图5中的单个自由曲面的示意图；
29.图10示出了图5中由自由曲面到过渡面的变化示意图；
30.图11示出了实施例一的由过渡面得到单元透镜数据的示意图；
31.图12示出了图5中的偏光扩散器的入光面的示意图；
32.图13示出了采用实施例一的偏光扩散器进行仿真的效果图；
33.图14示出了图13中的仿真光照度分布曲线图；
34.图15示出了本发明的实施例二的偏光扩散器在双轴不对称下的应用场景；
35.图16示出了本发明的实施例二的偏光扩散器的入光面的示意图；
36.图17示出了采用实施例二的偏光扩散器进行仿真的效果图；
37.图18示出了图17中的仿真光场分布图；
38.图19示出了图17中的仿真光照度分布曲线图；
39.图20示出了本发明的具有自由曲面的透镜的生成流程图。
40.其中，上述附图包括以下附图标记：
41.10、基底层；20、微透镜层；21、入光面；211、自由曲面；212、过渡面；30、第一方向中心轴；40、第二方向中心轴。
具体实施方式
42.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发明。
43.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。
44.在本发明中，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发明。
45.如图1至图4所示，为现有技术中的光扩散器的示意图。图1示出了现有技术中的光扩散器的光场效果图以及光场分布曲线。由光场效果图以及光场分布曲线可知该光扩散器在水平轴方向和竖直轴方向均是轴对称的。现有技术实现水平轴和竖直轴对称的光场分布形式，从图中可见光源发出的光束通过光扩散器均匀对称的发射出来，在接收器上形成轴对称的矩形光斑。图3为现有技术的光扩散器的单个透镜结构的面型图，可见对于轴对称光场分布的单个透镜面型为水平轴和竖直轴对称分布的形式。图4为采用图3中的透镜结构阵列后形成的阵列结构，阵列结构可见每相邻两个透镜的连接位置处出现斜率不连续的现象，且相邻两个透镜的汇聚点出现尖角结构，不利于加工。
46.为了解决现有技术中的光扩散器存在难以实现非对称光场的问题，本发明提供了一种偏光扩散器和偏光显示装置。
47.如图5至图20所示，偏光扩散器包括基底层10和微透镜层20，基底层10的至少一侧表面设置有微透镜层20，微透镜层20远离基底层10的一侧包括多个自由曲面211，多个自由曲面211呈阵列设置，各自由曲面211均具有相互平行的第一方向中心轴30和第二方向中心轴40，第一方向中心轴30和第二方向中心轴40的方向与微透镜层20的高度方向相同，各自
由曲面211至少沿第一方向中心轴30和第二方向中心轴40中的一个上非对称设置，以得到非对称光场。
48.多个自由曲面211呈阵列设置，各自由曲面211均具有相互平行的第一方向中心轴30和第二方向中心轴40，第一方向中心轴30和第二方向中心轴40的方向与微透镜层20的高度方向相同，各自由曲面211至少沿第一方向中心轴30和第二方向中心轴40中的一个上非对称设置，通过自由曲面211在至少一个中心轴上的非对称设计，从而对入射光束进行光束整形，从而得到非对称光场。由于自由曲面211的对称性决定目标光场的对称性，因此需要保证自由曲面211的非对称性与目标非对称光场的对称性是一致的，从而使自由曲面211的形状与目标非对称光场实现高度匹配，这样有利于偏光扩散器应用在特殊场景中，满足了在一个方向上不进行探测或在一个方向上不需要很高的光强的需求，进而有利于偏光扩散器应用在更多偏光的产品中，扩大了应用范围，同时避免了光能的浪费，提高了能源利用率。
49.具体的，自由曲面211的斜率与光线入射该自由曲面211的角度成正比；各自由曲面211的面积与对应目标非对称光场的能量值成正比。由于目标光场为非轴对称形式(单轴不对称或双轴不对称)，将设计的自由曲面211的斜率对应目标非对称光场的角度分布，自由曲面211的面积比例对应目标非对称光场的能量比例。常规设计中，由于自由曲面211中角度相对小的面型部分，其面型的斜率小且总的能量低，导致自由曲面211不对称，小角度方向形成段差，致使用自由曲面211进行阵列时，相邻两个自由曲面211之间的连接位置处存在尖角结构，不是平滑过渡的，不利于工艺加工。因此，对于非轴对称的光场，需要对自由曲面211进行变化设计。这样设置可调整自由曲面211的斜率变化以及自由曲面211的面积尺寸，以使得多个自由曲面211阵列后形成的整个入光面21对入射光束进行整形后能够实现所需的非对称光场。
50.微透镜层20由多个单元透镜阵列而成，各单元透镜的表面为上述自由曲面211，单元透镜数据由自由曲面211计算得到，由于光场分布由自由曲面211的斜率和面积分布决定，只要自由曲面211的斜率和面积分布不变，目标光场就不变。利用第一方向和第二方向的斜率分布不变对自由曲面211进行变化，得到单元透镜数据。
51.具体的，微透镜层20远离基底层10的一侧还包括过渡面212，多个自由曲面211中的相邻两个自由曲面211之间通过过渡面212平滑过渡，过渡面212为曲面，以使相邻两个自由曲面211之间的连接位置的斜率连续。通过设置过渡面212，使得过渡面212能够使相邻两个自由曲面211的连接位置处不存在尖角结构，且斜率连续，以便于后续加工。过渡面212的面型通过自由曲面211和自由曲面211的行变化面型叠加而成，自由曲面211的行变化面型由自由曲面211的每行数据经镜像翻转再平移得到。也就是说，自由曲面211+自由曲面211的行变化面型＝过度面的面型；自由曲面211的行变化面型为自由曲面211的每行数据经镜像翻转后再平移得到，面型矩阵由自由曲面211的m*n变为2m*n，由图可见水平方向的曲线以连接轴为中心，两侧点到连接轴的距离相等时，斜率相等，垂直方向面型趋势不变，所以自由曲面211+自由曲面211的行变化面型的斜率分布不变，整体的斜率分布不变。
52.如图20所示，自由曲面211的面型的斜率与目标非对称光场的照度分布的角度对应，自由曲面211的面型的斜率所占的面积尺寸与目标非对称光场的照度分布的角度能量成正比。且具有自由曲面211的透镜的生成流程包括以下步骤：
53.步骤s1：获取目标光场分布；
54.步骤s2：计算目标光场各角度下对应的自由曲面211的面型斜率；
55.步骤s3：计算目标光场各角度下对应的自由曲面211的坐标点位置；
56.步骤s4：建立自由曲面211的面型斜率和斜率的坐标点之间的对应关系；
57.步骤s5：对自由曲面进行三维建模得到具有自由曲面211的透镜。
58.通过上述具有自由曲面211的透镜的生成步骤有利于保证最终生成的具有自由曲面211的透镜对光线的偏折效果与所需的光场分布相匹配，从而得到需要的非对称或者异形的目标光场。
59.具体的，自由曲面211为凸面结构或凹面结构，自由曲面211具有凸出中心或凹入中心，自由曲面211的凸出中心或凹入中心在基底层10上的投影与自由曲面211的中心位置在基底层10上的投影不重合。当自由曲面211为凸面结构时，过渡面212的面型生成过程为：设自由曲面211的基础面型为数据矩阵m*n，首先对行数据进行处理，将所有行数据进行镜像翻转，将翻转后每行数据进行平移使翻转后的第一列数据与基础面型的最后一列数据相同，以水平方向连接两组数据，得到过渡数据阵列2m*n。然后对过度数据进行每列数据的处理，对每列数据进行镜像翻转，将翻转后每列数据进行平移使翻转后的第一行数据与过度面的最后一行数据相同，得到2m*2n的单元透镜数据，由于变化后的数据相对位置关系不变与基础面型相同，所以斜率分布不变，目标光场不变，且面型斜率连续性好，没有尖角，利于加工。
60.在本技术的一个可选实施例中，各自由曲面211均沿第一方向中心轴30对称设置，且各自由曲面211均沿第二方向中心轴40非对称设置。在本技术的另一个可选实施例中，各自由曲面211均沿第一方向中心轴30非对称设置，且各自由曲面211均沿第二方向中心轴40对称设置。在本技术的另一个可选实施例中，各自由曲面211均沿第一方向中心轴30非对称设置，且各自由曲面211均沿第二方向中心轴40非对称设置。可根据具体应用场景以及具体光照度分布需求进行设置。
61.另外，微透镜层20远离基底层10的一侧表面为入光面21，入光面21由多个自由曲面211和多个过渡面212拼接而成，以形成波浪状的入光面21。波浪状的入光面21不存在尖角设计，斜率连续性好，有利于工艺加工。入光面21中的多个自由曲面211的形状相同，且入光面21中的多个过渡面212的形状相同。
62.此外，上述基底层10的硬质玻璃或软性塑料材质，可根据具体情况进行选择，以保证基底层10的透光性和可成型性。
63.本发明还提供了一种偏光显示装置，包括vcsel光源和上述的偏光扩散器，vcsel光源用于提供15
°‑
30
°
的发散角光束；vcsel光源与偏光扩散器间隔设置，vcsel光源向偏光扩散器发射光束。vcsel光源位于偏光扩散器具有入光面21的一侧。本技术的偏光扩散器能够实现任意方向的不对称光场分布，且入光面21不存在尖角设计，连续性好，有利于工艺加工。
64.实施例一
65.如图5至图14所示，描述了实施例一的偏光扩散器。在本实施例中，仅基底层10的一侧设置有微透镜层20。
66.如图5所示，为单轴不对称的光场分布应用场景，一般为近地面探测器，如扫地机
贴地面行走，或墙面探测器安装于墙壁表面，在近地面或墙面方向要求光强尽量小，就足以探测表面物体，若光强过强，会出现曝光现象，使表面物体信号接收不清晰。
67.如图6和图7所示，在本实施例中，各自由曲面211均沿第一方向中心轴30非对称设置，且各自由曲面211均沿第二方向中心轴40对称设置，第一方向中心轴30也就是水平方向，第二方向中心轴40也就是竖直方向。从图6和图7可以看出，光场分布为单轴不对称的照度光场分布，可见左右光场对称，上下角度大小不同，以第一方向中心轴30分割，上方角度大能量高，下方角度小能量低。
68.从图8可以看出，为根据目标非对称光场要求和照度分布的对应关系与自由曲面211的斜率变化得到自由曲面211的形状，可见自由曲面211沿第二方向中心轴40为对称结构，沿第一方向中心轴30非对称，最终得到的自由曲面211的三维图如图9所示。
69.如图10所示，为由自由曲面211得到过渡面212的面型的变化过程。自由曲面211+自由曲面211的行变化面型＝过度面的面型；自由曲面211的行变化面型为自由曲面211的每行数据经镜像翻转后再平移得到，面型矩阵由自由曲面211的m*n变为2m*n，由图可见水平x方向的曲线以连接轴为中心，两侧点到连接轴的距离相等时，斜率相等，垂直方向面型趋势不变，所以自由曲面211+自由曲面211的行变化面型的斜率分布不变，整体的斜率分布不变。
70.此处需要说明的是，行变化面型数据的变化代码为(matlab语言)，z为自由曲面(211)数据，z1为行变化面型数据，lens_z为最终面型：
71.z1＝[z(1:round(size(z,1)/2),:)；flipud(z(1:round(size(z,1)/2)-1,:))]；
[0072]
lens_z＝z1-min(z1(:))；
[0073]
如图11所示，为过渡面212所在的微透镜层20的位置的单元透镜的生成过程，过度面+过度面的列变化面型＝单元透镜；单元透镜为过度面和过度面的每列数据镜像翻转平移得到，面型矩阵由自由曲面211的2m*n变为2m*2n，由图可见垂直y方向的曲线以连接轴为中心，两侧点到轴的距离相等时，斜率相等，水平x方向面型趋势不变所以两个面型的斜率分布不变，整体的斜率分布不变。
[0074]
如图12所示，为入光面21的3d示意图，入光面21由多个自由曲面211和多个过渡面212阵列拼接而成。由图可见入光面21无尖角，斜率相对连续，更有利于工艺加工，使加工产品更接近设计结果。
[0075]
如图13和图14所示，为实施例一的偏光显示装置的仿真结果以及光照度分布曲线图。由光场效果图以及光照度分布曲线图可知，自由曲面211以及光场分布沿第二方向中心轴40呈对称分布，沿第一方向中心轴30非对称分布，变化后的仿真结果仍然满足目标要求。
[0076]
实施例二
[0077]
如图15至图19所示，描述了实施例二的偏光扩散器。在本实施例中，仅基底层10的一侧设置有微透镜层20。
[0078]
如图15所示，为两个方向不对称的光场分布应用场景，当信号发射器在两面有障碍物或某两个方向不需要或只需要很少信号时，则需要此种类型光场分布。
[0079]
如图16所示，为入光面21的3d示意图，在本实施例中，各自由曲面211均沿第一方向中心轴30非对称设置，且各自由曲面211均沿第二方向中心轴40非对称设置。由图中可知，任意相邻两个自由曲面211之间的连接位置不存在尖角结构，且斜率连续过渡，面型过
渡相对较好，利于工艺加工。
[0080]
如图17至图19所示，为本实施例的偏光扩散器的仿真结果以及光照度分布曲线图。由光场效果图以及光照度分布曲线图可知，自由曲面211以及光场分布均沿第二方向中心轴40呈非对称分布，沿第一方向中心轴30非对称分布，变化后的仿真结果仍然满足目标要求。
[0081]
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
[0082]
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。
[0083]
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。
[0084]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。