[发明专利]光学元件和系统

说明书

本申请公开了光学元件和系统。一种光学元件包括光学材料的主体；以及沿着主体的表面的多个微结构，其中多个微结构中的每个微结构具有凹形剖面。光学系统可以包括：光源；以及具有光学材料的主体和沿着主体的表面的多个微结构的光学元件，其中多个微结构中的每个微结构生成提供在视场上的辐照度的超余弦强度剖面。还公开了制造和使用光学元件和光学系统的方法。

相关申请

本申请要求2018年10月26日提交的美国临时申请第62/751,311号的优先权，该美国临时申请的全部公开特此通过引用被并入。

发明领域

本发明涉及一种光学元件，其包括光学材料的主体；以及沿着主体的表面的多个微结构，其中多个微结构中的每个微结构具有凹形剖面(sag profile)。光学系统可以包括：光源；以及具有光学材料的主体和沿着主体的表面的多个微结构的光学元件，其中多个微结构中的每个微结构生成提供在视场上的辐照度的超余弦强度剖面(super-cosineintensity profile)。还公开了制造和使用光学元件和光学系统的方法。

发明背景

3D传感技术的应用涵盖各种设备，例如移动电话、计算机、机器人、虚拟和增强现实设备、机动车、自动驾驶汽车、家庭系统、游戏系统、安全系统和军事应用。虽然存在用于实现3D传感(例如，光学传感、手势识别、深度成像和诸如此类)的各种策略，但红外激光器一般提供通常具有大约850nm、940nm或更长的波长的照明源，例如VCSEL或侧发光(side-emitting)激光器。其他源(例如LED)也可用于该应用。来自源的激光辐射穿过光束整形设备，该光束整形设备在由角视场(FOV)或相隔某个距离处的特定目标限定的某个场景之上扩散红外照明。由场景散射的辐射的某个部分被反射、由透镜收集并聚焦到传感器上。在传感器处检测到的信号然后被处理以提取关于在场景中的物体的信息，例如它们的特征和位置。用于3D传感的处理方法包括飞行时间(ToF)、结构光和立体成像。ToF方法需要可以由漫射器实现的适当的场景照明，而另外两种方法通常通过衍射光学元件、漫射器或微透镜阵列来照明。

存在用于漫射来自照明源的光束的多种传统方法。光束整形和均匀化的简单形式由高斯漫射器提供，该高斯漫射器由具有随机高度变化的表面定义。一些例子包括毛玻璃和一些类型的化学腐蚀的玻璃表面。高斯漫射器以高斯强度剖面在某个角范围上扩散输入照明光束。这种光束整形器容易制造，但提供非常有限的光束整形能力、差的均匀性和有限的光集中。

可以通过激光散斑图的全息曝光来制造用于漫射的一种改进的类型的均匀化装置，如例如在Ying Tsung Lu和Sien Chi的“Fabrication of light-shaping diffusionscreens”(Opt.Communications 214(2002)，55-63)和Petersen等人的美国专利第5,534,386号中所述的。与毛玻璃相比，这些所谓的全息漫射器提供更大的灵活性，具有更好的角度控制和沿两个不同方向的不同角发散。然而，对于全息部件的一般强度散射剖面也是高斯的，具有差的均匀性和有限的光集中。作为结果，这种漫射器不适合于3D传感应用所需的均匀照明的类型。