CN113376719B - 一种工程扩散片及随机微透镜阵列边界处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程扩散片及随机微透镜阵列边界处理方法，所述扩散片包括光学衬底，于所述光学衬底上形成的微透镜阵列，所述微透镜阵列包括若干排布的微透镜，相邻两个微透镜的交界处通过邻接过渡曲面过渡连接，多个所述邻接过渡曲面的交叉区域形成顶部曲面凸起。所述随机微透镜阵列边界处理方法包括对随机微透镜阵列的初始设计灰度图像进行卷积处理得到优化设计灰度图像；基于优化设计灰度图像制造得到所述工程扩散片。利用本发明提出的工程扩散片及随机微透镜阵列边界处理方法可以消除扩散片上透镜之间的高度突变，降低加工难度，提高光利用率。

Description

一种工程扩散片及随机微透镜阵列边界处理方法

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随机微透镜阵列边界处理方法。

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，目前的微透镜阵列通常采用折射非球面透镜阵列，但其光束经过非球面透镜阵列后会产生干涉条纹，光斑不均匀，且由于随机量的存在，在微透镜设计图中相邻微透镜边界处会产生灰度值的突变(在微透镜结构中则表现为高度的突变)，理论上会使得光能利用率降低。

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在微透镜结构中具有高度的突变，导致光能利用率低的问题，采用的技术方案如下：

本发明提供一种随机微透镜阵列边界处理方法，其包括：

提供随机微透镜阵列的初始设计灰度图像；

根据光刻设备的精度对随机微透镜阵列的所述初始设计灰度图像进行卷积处理得到优化设计灰度图像；

基于所述优化设计灰度图像制造得到所述随机微透镜阵列；

其中，卷积处理具体包括：

选定一个卷积核，所述卷积核为根据微透镜口径选定的N*N矩阵，矩阵元素值均为1/(N*N)，其中，N为大于等于3的奇数；

通过所述卷积核对随机微透镜阵列的所述初始设计灰度图像进行卷积处理，得到优化设计灰度图像。

进一步的，若根据所述优化设计灰度图像制作出的所述随机微透镜阵列的光学效果与目标光学效果相比未达标，则将所述卷积核的尺寸缩小或放大后对所述初始设计灰度图像重新进行卷积处理，直至制作出的所述随机微透镜阵列的光学效果达标。

进一步的，若根据所述优化设计灰度图像制作出的所述随机微透镜阵列的光学效果与目标光学效果相比未达标，则对所述初始设计灰度图像减少或增加卷积次数处理，直至制作出的所述随机微透镜阵列的光学效果达标。

进一步的，所述卷积核尺寸的最大值为所述随机微透镜阵列中的最大微透镜尺寸的1/10，所述卷积核尺寸的最小值为所述随机微透镜阵列中的最小微透镜尺寸的1/20。

本发明还提供一种工程扩散片，其包括：光学衬底，于所述光学衬底上形成的微透镜阵列，所述微透镜阵列包括若干排布的微透镜，相邻两个微透镜的交界处通过邻接过渡曲面过渡连接，多个所述邻接过渡曲面的交叉区域形成顶部曲面凸起。

上述技术方案优选的，任意一个微透镜与绕设在其周围的微透镜通过所述邻接过渡曲面和所述顶部曲面凸起相连。

优选的，任意按照环状相邻排布的多个微透镜的交界处的中心通过顶部曲面凸起过渡连接。

优选的，任意按照环状相邻排布的多个微透镜的交界处的中心通过顶部曲面凸起过渡连接，该按照环状相邻排布的多个微透镜两两相接，且两两相接的交界处通过所述邻接过渡曲面过渡连接，该多个微透镜两两相接形成多个所述邻接过渡曲面，该多个所述邻接过渡曲面的交界处形成所述顶部曲面凸起。

优选的，所述顶部曲面凸起的底面的外接圆为多个所述邻接过渡曲面的交叉区域的内接圆。

优选的，排成一排或一列的所述微透镜的中心点在一条直线两侧的预定范围内随机分布。

优选的，若干排布的所述微透镜的曲率范围为70～120mm^-1；

优选的，若干排布的所述微透镜的圆锥系数的范围为1.0～-2.0；

优选的，若干排布的所述微透镜的尺寸范围为20～50um。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果中的一个或多个：

1.本发明提供的工程扩散片通过随机边界、不同曲率和圆锥系数产生不同矢高打乱微透镜的周期性排布，减少光束经过微透镜后因干涉而产生的干涉条纹，提升光斑的均匀性。

2.本发明还提供一种随机微透镜阵列边界处理方法，该方法通过对随机微透镜阵列设计灰度图进行卷积处理，从而消除微透镜之间的高度突变，减少漏光、方便制作。

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是按照现有方案涉及的一种随机微透镜阵列的设计灰度图和以及指定位置的局部放大图；

图2是图1所示的随机微透镜阵列的设计灰度图的局部放大图的立体示意图；

图3是采用本发明所述边界处理方法对图2进行一次卷积处理后的随机微透镜阵列的设计灰度图的立体示意图；

图4是在图3的设计灰度图上再进行5次卷积得到的随机微透镜阵列的设计灰度图的立体示意图。

其中：100-微透镜阵列；110-微透镜；120-邻接过渡曲面；130-顶部曲面凸起。

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：

见图1，为按照现有方案设计的一种随机微透镜阵列的设计灰度图以及指定位置的局部放大图，该设计灰度图由单个微透镜单元随机填充到随机四边形中，由于四边形边界到透镜中心点的距离不等，所以即使边界两侧的微透镜曲率、口径等参数相同，也不能使得边界两侧的灰度值相等，又因为四边形是随机的，所以边界两侧四边形尺寸差异越大，灰度值差异也越大。如果采用多个微透镜单元填充，则边界两侧的灰度值由于曲率、圆锥系数的不同而不等，即灰度值突变，此时则需要用本发明提出的边界处理方法来消除突变。

继续参见图2，为图1所示的随机微透镜阵列的设计灰度图的局部放大图的立体示意图，从图2中可以看出相邻两个微透镜的边界处有明显的突变，这种突变既会影响光场的光学性能，也会增加制备难度。

为了解决上述问题，本发明提出了一种工程扩散片，该扩散片克服了现有扩散片中相邻两微透镜边界处的明显突变，所述扩散片包括：光学衬底，于所述光学衬底上形成的微透镜阵列100，所述微透镜阵列100包括若干排布的微透镜110，相邻两个微透镜110的交界处通过邻接过渡曲面120过渡连接，多个所述邻接过渡曲面120的交叉区域形成顶部曲面凸起130。

在一种优选的实施例中，任意一个微透镜110与绕设在其周围的微透镜110通过所述邻接过渡曲面120和所述顶部曲面凸起130相连。

在一种优选的实施例中，任意按照环状相邻排布的多个微透镜110的交界处的中心通过顶部曲面凸起130过渡连接。

在一种实施例中，任意按照环状相邻排布的多个微透镜的交界处的中心通过顶部曲面凸起130过渡连接，该按照环状相邻排布的多个微透镜两两相接，且两两相接的交界处通过所述邻接过渡曲面120过渡连接，该多个微透镜两两相接形成多个所述邻接过渡曲面120，该多个所述邻接过渡曲面120的交界处形成所述顶部曲面凸起130。

参见图3，任意按照环状相邻排布的四个微透镜110的中心交界处通过顶部曲面凸起130过渡连接，该按照环状相邻排布的四个微透镜110两两相接，且两两相接的交界处通过所述邻接过渡曲面120过渡连接，该四个微透镜110两两相接形成四个所述邻接过渡曲面120，该四个所述邻接过渡曲面120的交界处形成所述顶部曲面凸起130。可参见图3，图3中仅展示出了在一种实施例中九个微透镜110呈井字格状排列成三排三列，图3中位于井字格一角的四个微透镜110按照环状两两相邻排列形成一个闭环(在图3中象形的说，即该四个微透镜110排成了田字格状)，该四个微透镜110两两相接形成四个所述邻接过渡曲面120，该四个所述邻接过渡曲面120的交界处形成所述顶部曲面凸起130。

在一种实施例中，所述顶部曲面凸起130的底面的外接圆为多个所述邻接过渡曲面120的交叉区域的内接圆，在一种情况下，可以将所述顶部曲面凸起130理解为多个所述邻接过渡曲面120的交叉区域向上生发出的一个凸起，一般情况下其可以是一个锥体，其也可以是一个不规则的曲面凸起。可继续参见图3，图3中的位于井字格一角的四个微透镜110的交界处形成了一个顶部曲面凸起130(该顶部曲面凸起可以在交界处的中心)，该顶部曲面凸起130即可以理解为该四个微透镜110两两相接的边界处形成的四个邻接过渡曲面120的交叉区域向上生发出的凸起，该顶部曲面凸起130的底面的外接圆落在所述四个邻接过渡曲面120的交叉区域内，在一种优选方案下，该顶部曲面凸起130的底面的外接圆为所述四个邻接过渡曲面120的交叉区域的内接圆。

本发明所述的任意按照环状相邻排布的多个微透镜110的交界处通过顶部曲面凸起130过渡连接，即当多个微透镜110形成最小单元的闭环连接时，该多个微透镜110的交界处形成所述顶部曲面凸起130(该顶部曲面凸起可以在交界处的中心)，该多个微透镜110通过所述顶部曲面凸起130过渡连接。比如边界尺寸一致的多个圆形微透镜110整齐排列，则四个该圆形微透镜110形成一个最小单元的闭环连接，或者边界尺寸一致的多个多边形的微透镜110错位排列。基本三个任意形状的微透镜110即可形成一个最小单元的闭环连接，比如有多个形状均为正六边形的微透镜110呈蜂窝状紧密排列，则三个该正六边形微透镜110即可形成一个最小单元的闭环连接。总之，若一个点的外围360度均有微透镜110，则该点就会形成所述顶部曲面凸起130，这样的设计也是为了消除相邻微透镜110间的突变。

在一种实施例中，排成一排或一列的微透镜110的中心点在一条直线两侧的预定范围内随机分布。在一种情况下可认为任意微透镜110的中心点可以随机分布。当然，在另一种情况下所述的一条直线两侧的预定范围的上限值为微透镜的口径的尺寸值的1/10，该预定范围的下限值为0，在一种情况下，预定范围的上限值为排成一排或一列的多个微透镜中最大微透镜的口径的尺寸值的1/10。

在一种实施例中，形成所述扩散片的若干排布的微透镜110的曲率范围为70～120mm^-1。

在一种实施例中，形成所述扩散片的若干排布的微透镜110的圆锥系数的范围为1.0～-2.0。

在一种实施例中，形成所述扩散片的若干排布的微透镜110的尺寸范围为20～50um。

本发明所述的工程扩散片包括若干排布的微透镜110，相邻两个微透镜110的交界处通过邻接过渡曲面120过渡连接，多个所述邻接过渡曲面120的交叉区域形成顶部曲面凸起130，使两两相邻的微透镜之间没有高度的突变，减少漏光，方便制作。

通过随机边界、不同曲率和不同圆锥系数产生不同矢高打乱微透镜110的周期性排布，减少光束经过微透镜110后因干涉而产生的干涉条纹，提升光斑的均匀性。

实施例2：

再一方面，本发明还提供一种随机微透镜阵列边界处理方法，通过这种边界处理方法可以减小相邻两个微透镜之间的高度突变，降低扩散片的加工难度，提升制得的扩散片的光学效果，该方法包括：

提供随机微透镜阵列的初始设计灰度图像；

对随机微透镜阵列的所述初始设计灰度图像进行卷积处理得到优化设计灰度图像；

基于所述优化设计灰度图像制造得到所述随机微透镜阵列，得到工程扩散片。

于上述方法中需根据光刻设备的精度对随机微透镜阵列的所述初始设计灰度图像进行卷积处理，所述卷积处理可以通过下述方法实现：

首先，选定一个卷积核，所述卷积核为根据微透镜口径选定的N*N矩阵，矩阵元素值均为1/(N*N)，其中，N为大于等于3的奇数；

然后，通过所述卷积核对随机微透镜阵列的所述初始设计灰度图像进行卷积处理，得到优化设计灰度图像。

再将根据优化设计灰度图像制作出的随机微透镜阵列的光学效果与目标光学效果进行比对，若根据所述优化设计灰度图像制作出的所述随机微透镜阵列的光学效果与目标光学效果相比未达标，在一种实施例中，则可将所述卷积核的尺寸缩小或放大后对所述初始设计灰度图像重新进行卷积处理，直至制作出的所述随机微透镜阵列的光学效果达标。

在另一种实施例中，若根据所述优化设计灰度图像制作出的所述随机微透镜阵列的光学效果与目标光学效果相比未达标，则可对所述初始设计灰度图像减少或增加卷积次数处理，直至制作出的所述随机微透镜阵列的光学效果达标。

在一种实施例中，上述用于卷积处理的所述卷积核的尺寸的最大值为所述随机微透镜阵列中的最大微透镜尺寸的1/10，所述卷积核尺寸的最小值为所述随机微透镜阵列中的最小微透镜尺寸的1/20。

在一种实施例中，上述提到的将所述卷积核的尺寸缩小或放大后对所述初始设计灰度图像重新进行卷积处理，那么，卷积核的尺寸的缩小或放大可以是对卷积核的行列数进行放大或缩小，或是对卷积核内的矩阵元素值的大小进行放大或缩小。

本发明通过卷积核对随机微透镜阵列的初始设计灰度图像进行卷积处理，卷积处理用到的卷积运算的规则与数学领域内的卷积运算的规则相通，本发明通过数学卷积实现了对随机微透镜阵列的初始设计灰度图像的图像处理，以减小相邻微透镜间的高度突变，减小工程扩散片的制作难度，提升工程扩散片的光学效果。

在一种情况下，对随机微透镜阵列进行边界处理时会对初始设计灰度图像进行卷积，此时如果达不到光学指标效果，则改变卷积核的尺寸，再次进行尝试，可以通过缩小或放大卷积核的行列数改变卷积核的尺寸，也可以通过放大或缩小卷积核内的矩阵元素值的大小改变卷积核的尺寸。

在另一种情况下，对随机微透镜阵列进行边界处理时对初始设计灰度图像进行卷积，突变仍明显不易加工，可以再进行一次或多次卷积，保证能够达到光学指标的前提下，直到突变能能够满足制造设备的分辨率精度。

在本发明所述的随机微透镜阵列边界处理方法中，提供随机微透镜阵列的初始设计灰度图像的参考示例可参见图2，图2即可理解为是提供的随机微透镜阵列的初始设计灰度图像，该初始设计灰度图像不经处理，仅是微透镜的初步排布。

可继续参见图3，图3即是采用本发明所述边界处理方法对图2进行一次卷积处理后的随机微透镜阵列的设计灰度图的立体示意图，从图3中可以看出边界处的突变明显变缓。其中该一次卷积处理选用的卷积核大小为5x5的二维矩阵，矩阵元素值均为1/25，该卷积操作可以将图像中每个像素的灰度值修改为以该像素为中心的5x5像素灰度值的平均值。卷积核大小可以根据微透镜的口径做出相应调整，所述卷积核为NxN的矩阵，卷积核尺寸约为随机微透镜阵列中某一微透镜尺寸的1/10～1/20，卷积核的元素值则均为1/(NxN)，其中N一般为≥3的奇数。虽然卷积处理会略微改变微透镜的曲率、圆锥系数等参数，会导致制作出来的随机微透镜阵列工程扩散片的光学性能指标改变(上升、下降都有可能)，但是这种卷积处理的方式可以减小突变，降低扩散片的加工难度，因此卷积核的尺寸应根据实际光学性能进行调整。

若是根据图3制得的扩散片还达不到光学指标的话，可以相应增加或减少卷积次数，若在图3的设计灰度图上再进行五次卷积即得到图4，从图4中可以看出边界处的过渡更加平缓，即减小了突变。但是从z轴坐标范围可以看出，灰度值最大由255降为200，说明微透镜的曲率、圆锥系数已经发生明显变缓，因此，卷积处理中卷积次数不宜过多，但若1次卷积后突变仍存在，则应根据测得的光学性能，适度增加或减少卷积次数以达到工程扩散片的光学指标。

本发明提供的一种随机微透镜阵列边界处理方法可以通过对随机微透镜阵列设计灰度图进行卷积处理，从而消除微透镜之间的高度突变，降低加工难度，提高光利用率。

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。

Claims (10)

1.一种随机微透镜阵列边界处理方法，其特征在于，其包括：

提供随机微透镜阵列的初始设计灰度图像；

根据光刻设备的精度对随机微透镜阵列的所述初始设计灰度图像进行卷积处理得到优化设计灰度图像；

基于所述优化设计灰度图像制造得到所述随机微透镜阵列；

其中，卷积处理具体包括：

选定一个卷积核，所述卷积核为根据微透镜口径选定的N*N矩阵，矩阵元素值均为1/(N*N)，其中，N为大于等于3的奇数；

通过所述卷积核对随机微透镜阵列的所述初始设计灰度图像进行卷积处理，得到优化设计灰度图像。

2.根据权利要求1所述的一种随机微透镜阵列边界处理方法，其特征在于，若根据所述优化设计灰度图像制作出的所述随机微透镜阵列的光学效果与目标光学效果相比未达标，则将所述卷积核的尺寸缩小或放大后对所述初始设计灰度图像重新进行卷积处理，直至制作出的所述随机微透镜阵列的光学效果达标；或

若根据所述优化设计灰度图像制作出的所述随机微透镜阵列的光学效果与目标光学效果相比未达标，则对所述初始设计灰度图像减少或增加卷积次数处理，直至制作出的所述随机微透镜阵列的光学效果达标。

3.根据权利要求1所述的一种随机微透镜阵列边界处理方法，其特征在于，所述卷积核尺寸的最大值为所述随机微透镜阵列中的最大微透镜尺寸的1/10，所述卷积核尺寸的最小值为所述随机微透镜阵列中的最小微透镜尺寸的1/20。

4.一种工程扩散片，其特征在于，其由权利要求1-3中任一所述的随机微透镜阵列边界处理方法制备而成，其包括：

光学衬底，

于所述光学衬底上形成的微透镜阵列，所述微透镜阵列包括若干排布的微透镜，相邻两个微透镜的交界处通过邻接过渡曲面过渡连接，

多个所述邻接过渡曲面的交叉区域形成顶部曲面凸起。

5.根据权利要求4所述的一种工程扩散片，其特征在于，

任意一个微透镜与绕设在其周围的微透镜通过所述邻接过渡曲面和所述顶部曲面凸起相连。

6.根据权利要求5所述的一种工程扩散片，其特征在于，

任意按照环状相邻排布的多个微透镜的交界处的中心通过顶部曲面凸起过渡连接。

7.根据权利要求6所述的一种工程扩散片，其特征在于，

任意按照环状相邻排布的多个微透镜的交界处的中心通过顶部曲面凸起过渡连接，该按照环状相邻排布的多个微透镜两两相接，且两两相接的交界处通过所述邻接过渡曲面过渡连接，

该多个微透镜两两相接形成多个所述邻接过渡曲面，该多个所述邻接过渡曲面的交界处形成所述顶部曲面凸起。

8.根据权利要求4所述的一种工程扩散片，其特征在于，

所述顶部曲面凸起的底面的外接圆为多个所述邻接过渡曲面的交叉区域的内接圆。

9.根据权利要求4所述的一种工程扩散片，其特征在于，

排成一排或一列的所述微透镜的中心点在一条直线两侧的预定范围内随机分布。

10.根据权利要求4所述的一种工程扩散片，其特征在于，

若干排布的所述微透镜的曲率范围为70~120mm^-1；

若干排布的所述微透镜的圆锥系数的范围为1.0~-2.0；

若干排布的所述微透镜的尺寸范围为20~50um。

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