[发明专利]提供结构光的衍射光学设备

说明书

一种衍射光学元件，包括沿着光学材料的表面的微结构，微结构具有相位轮廓，以将输入照射衍射成多个不同衍射级的结构光；其中，相位轮廓至少部分相位解缠。还公开了生成衍射光学元件的方法。

本申请是申请日为2019年6月28日、申请号为201910578640.3、发明名称为《提供结构光的衍射光学设备》的发明专利申请的分案申请。

相关申请

本申请要求2018年6月28日提交的美国临时申请No.62/691,443的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种衍射光学元件，其包括沿着光学材料的表面的微结构，该微结构具有相位轮廓，以将输入照射衍射成多个不同衍射级的结构光，其中该相位轮廓至少部分地相位解缠(phase unwrapped)。一方面，结构光不包括零衍射级的热点。另一方面，结构光不包括任何对以每个衍射级提供的结构光的光强度均匀性造成实质性影响的伪像。衍射光学元件可用于照射系统，诸如提供用于三维(3D)感测、光束成形和显示的结构光。

背景技术

在各种应用中，必须将由单个光束组成的辐射源转换成多个空间隔离的子束(beamlets)。每个子束相对于所述多个子束内的其他子束以预定功率传播到预定方向。这种类型的设备通常被称为“分束器”，其依赖于衍射的光学现象。由分束器生成的每个子束是一个衍射级的。每个衍射级与其效率或发射功率的分数相关联。实现这种方案的公知方法是基于衍射光学元件(DOE)的。衍射光学元件可以通过在基板材料(诸如熔融石英或聚合物)上图案化表面浮雕(relief)来允许图像图案的投射。表面浮雕通过改变其波前相位含量而作用于入射照射源，使得在远场中观察到的衍射图案根据期望的格式而被定制。图1中示出了照射系统的示例。照射源(典型地是主波长λ的激光器)提供要投射的照射光束。取决于光学装置和系统的光学要求，准直光学器件可用于准直照射光束。DOE可以作用于照射光束并且可以修改照射光束，使得观察到的衍射图案投射某些特定的图案。在图1的示例中，照射源在远场中被变换成5个空间上分离的光束(衍射级)。通常，照射光束变换可以遵循任意规范，诸如光点(spot)阵列或更复杂的图像。DOE本身可以被描述为带有通常复杂的单位单元(unit cell)的光栅。在图2中示出典型DOE的示例。特别地，DOE可以包括单位单元(由虚线表示)，所述单位单元可以以图案或阵列(诸如3×3阵列)重复。

DOE可以是薄元件，带有为π(在二元元件的情况下)或2π(在连续轮廓元件的情况下)的相位深度。DOE可以被限制为单波长操作，其通常被称为“设计波长”。当偏离该设计波长时，会出现不期望的效果。例如，与其他衍射级相比，零衍射级相对功率趋于快速增加。这种重要的影响是不可避免的。在某些情况下，零衍射级可以被物理地阻挡。虽然在一些情况下强的零级可能不会造成问题，但在某些应用中，其存在是绝对不可接受的。一种这样的应用是3D感测，其中DOE用于投射期望图案的结构光，其是带有规定位置和相对强度的衍射级的特定分布。在3D感测应用中，结构光图案可以用红外激光直接投射向观看者。在这种情况下，指向观看者的强的零级可能构成眼睛安全问题，因此对于这种类型的应用是不可接受的。

为了在仍然使用DOE的同时管理零衍射级问题，现有方法通常需要牺牲效率来产生有用的技术方案。在这种方法的一个示例中，已经提出了双侧DOE，诸如在美国专利No.8,630,039中描述的。在该方法中，在基板的相对侧上制备两个DOE。第一个DOE创建的图案覆盖了较窄的视场，并且带有更复杂的光点分布。第二个DOE，其带有更宽的视场，生成了更简单的光点分布。两个DOE的组合实现了解决前述眼睛安全问题的可用技术方案。然而，这两种DOE方法的典型实施方式效率低，因为每个DOE具有二元相位函数，其中最大理论效率为80％(不包括表面损失)。因此，两个DOE的组合提供了64％效率的理论最大值。如果考虑到表面损失，则实际效率更有可能在50％左右。

因此，期望提供一种使用单面的光学衍射设备，用于有效地生成带有预定衍射级位置的结构光分布，同时避免零衍射级的热点。

发明内容