CN110658573B - 提供结构光的衍射光学设备 - Google Patents

Abstract

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。

Description

提供结构光的衍射光学设备

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

一方面，本文公开了一种衍射光学元件，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；其中相位轮廓至少部分地相位解缠。

另一方面，本文公开了一种用于生成衍射光学元件的方法，包括：计算产生结构光图案的相位轮廓；解缠所计算的结构光图案的相位轮廓，以获得2πP解缠的相位轮廓；生成2πP解缠的相位轮廓；基于所生成的2πP解缠的相位轮廓，沿着光学材料的表面制造微结构。

附图说明

通过结合附图阅读以下描述，本发明的前述目的，特征和优点将变得更加明显，其中：

图1是示出包括照射源的照射系统的光学图，该照射源经由准直光学器件向衍射光学元件提供照射能量；

图2是图1的二维衍射光学元件的图示；

图3是3×3光点阵列形式的结构光的图示，示出了来自图1的衍射光学元件的零衍射级；

图4是根据本发明的衍射光学元件的区块图。

图5A是根据本发明另一方面的衍射光学元件的分解区块图。

图5B是图5A的衍射光学元件的区块图；

图6是根据本发明另一方面的衍射光学元件的区块图。

图7是示出投射100个光点的二元衍射元件的比率ρ的曲线图，其中相位延迟是0和9π弧度；

图8A-8E示出五个曲线图，所述曲线图示出了原始2、4、8和16等级的相位函数的量化；

图9是示出归一化比率ρ/Ns的曲线图，该归一化比率ρ/Ns作为当N_e＝N₀+1时带有π相移的π-衍射元件的波长失谐(α)的函数；

图10是示出来自典型透镜相位轮廓(虚线)的衍射透镜相位轮廓(实线)的2π-缠绕的曲线图；

图11是一维结构光相位轮廓的示例中的相位轮廓，其生成41个结构光的光点或子束；

图12是由图10的理想相位轮廓产生的一维衍射图案的曲线图，其显示生成41个光点或子束的-20至+20衍射级；

图13是由带有5％深度误差的图11的相位轮廓产生的衍射图案的曲线图，其显示在输出的照射效率方面与其他级相比，零衍射级的更高强度(或功率)；

图14是当完全解缠时，图11的初始相位轮廓的8π-缠绕的相位轮廓形式的相位轮廓(实线)的曲线图，其中图11的初始相位轮廓(虚线)显示为示出了8π-缠绕的相位轮廓中相位不连续性的减小；

图15是由带有5％深度误差的图14的8π缠绕的相位轮廓产生的衍射图案的曲线图，其显示在41个衍射级之中的过大的均匀性强度误差；

图16是当部分解缠时，带有图11的初始相位轮廓的5％深度误差的4π缠绕的相位轮廓形式的衍射图案的曲线图，其示出了在41个衍射级之中的减小的均匀性强度误差以及避免的零衍射级热点；

图17是相位轮廓的曲线图，其显示了当相位轮廓被部分解缠时，产生图16的衍射图案的带有5％深度误差的4π缠绕的相位轮廓(实线)，其中图11的初始相位轮廓(虚线)被显示以示出4π缠绕的相位轮廓中相位不连续性的减小；以及

图18是根据本发明的用于生成提供结构光的衍射光学元件的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的衍射光学元件10可以通过包括沿光学材料12的表面的微结构11来解决传统衍射光学元件和周期性微透镜阵列的缺点，该微结构11具有相位轮廓以将输入照射衍射成多个衍射级的结构光，其中相位轮廓至少部分地相位解缠。一方面，微结构的相位轮廓是2πP解缠的相位轮廓。本发明的衍射光学元件10没有呈现导致远场中热点的高强度零衍射级的有害存在。另外，衍射光学元件10可以在比传统衍射光学元件更宽的波长范围内、在没有高强度零衍射级的情况下操作。

如图4-6所示，衍射光学元件10可包括沿着光学材料12的表面的微结构11。光学材料12可以是能够操纵在紫外线、可见光和红外光谱区域内的能量流(诸如光或电磁辐射)的任何材料。可以基于材料的特性(诸如透明度、透射率、折射率等)来选择光学材料12。光学材料12的非限制性示例包括塑料(例如，聚合物)、玻璃或二氧化硅。光学材料12可以是单种光学材料(图4和6)，或者可以是包括两种或更多种不同光学材料的复合光学材料(图5)。

如图4-6所示，衍射光学元件10可以包括光学材料12以及沿着光学材料12的表面的微结构11。微结构11可以使用任何常规技术形成，诸如热压印、注塑、反应离子蚀刻，或离子束铣削。微结构11可以具有相位轮廓，诸如2πP解缠的相位轮廓，其可以将输入照射衍射成多个不同衍射级的结构光。相位轮廓可以沿光学材料12的表面14a至少部分地相位解缠。

关于图4，衍射光学元件10可以包括第一表面14a，第一表面14a可以沿着一个或两个维度延伸，每个维度垂直于相位轮廓延伸的深度。衍射光学元件10可包括单种光学材料12。微结构11可沿着光学材料12的第一表面14a存在。特别地，微结构11可沿着光学材料的表面14a形成。单种光学材料12的表面可以是第一表面14a，该第一表面14a可以与单种光学材料12的第二表面14b相对。在一个方面，光学材料12的第二表面14b可以不存在微结构11，即，第二表面14b是平坦的。

在操作中，衍射光学元件10可以沿着第一表面14a通过微结构11接收输入照射。输入照射可以是任何光源，例如，来自相干光源(诸如激光器)的光的光束，其用于3D感测具有(一个或多个)红外波长或范围的光。

多个不同衍射级的结构光可以具有各种形状、形式和/或图案。结构光的非限制性示例包括光点阵列、点阵列、子束阵列、线、阵列、几何形状等，以及上述的组合。结构光可以具有预先指定的衍射级位置，使得零衍射级具有与其他衍射级实质相同的强度。

关于图5A-5B，衍射光学元件10可以是包括第一光学材料12a和第二光学材料12b的复合光学材料。复合物可具有与第二外表面16b相对的第一外表面16a。微结构11可以沿着第一复合材料12a的第一外表面16a形成，然后粘合到第二光学材料12b的内部平坦表面上。第二光学材料12b的第二外表面16b可以是平坦的。以这种方式，具有复合光学材料12a、12b(图5A-5B)的衍射光学元件10可以具有与具有单种光学材料12(图4)的衍射光学元件10相同的设计。

在一个方面，与第一光学材料12a相比，第二光学材料12b可以是具有更大相对硬度的材料，诸如刚性塑料或玻璃。包括微结构11的第一光学材料12a可以固定到第二光学材料12b，如图5B所示。在一个方面，光学液体粘合剂(未示出)可用于将第一和第二光学材料12a、12b彼此固定以形成复合光学材料。可以使用其他固定方式，只要光学材料的复合物存在沿着第一光学材料12a的第一外表面16a的微结构11，并且可选地没有沿着第二光学材料12b的第二外表面16b的微结构11。

在另一方面，衍射光学元件10可包括沿着光学材料12的第一表面14a的微结构11以及沿着光学材料12的第二表面14b的微结构17，如图6所示。微结构11和17可以具有相同或不同的相位轮廓，诸如2πP解缠的相位轮廓。在一个方面，第二表面14b可以具有与沿着单种光学材料12的第一表面14a的微结构11相同(例如，具有相同的相位轮廓)的微结构17。在另一方面，第二表面14b可以具有与沿着单种光学材料12的第一表面14a的微结构11不同(例如，具有不同的相位轮廓)的微结构17。微结构11、17可以形成为光学材料12，如上所述，或者可以由相同光学材料的两个不同的件形成，然后以上述方式彼此固定。

在另一方面，衍射光学元件10可以是第一光学材料12a和第二光学材料12b的复合物。第一光学材料12a可包括包含微结构11的第一外表面16a。第二光学材料12b可包括包含微结构17的第二外表面16b。第二外表面16b可具有与沿复合光学材料的第一外表面16a的微结构11相同的微结构17。在另一方面，第二外表面16b可具有与沿复合光学材料的第一外表面16a的微结构11不同的微结构17。

图6中的衍射光学元件10具有两个结构光图案，来自沿着光学材料12的表面14a的微结构11的第一结构光图案，以及来自沿着光学材料12的第二表面14b的微结构17的第二结构光图案。第一结构光图案可以与第二结构光图案相同或不同。来自衍射光学元件10的投射光可以是具有相似或不相似性质的两种结构光图案的组合。

微结构11的相位轮廓可以至少部分地相位解缠以减少沿着光学材料12的表面的相位不连续性。在另一方面，微结构11的相位轮廓可以低于完全(100％)相位解缠。解缠的相位轮廓可以提供多个衍射级的零衍射级，其可以具有与多个衍射级中的其他衍射级实质相同的强度。

沿着表面14a的微结构11可以具有相位轮廓

其中Φ_P是2πP-解缠的相位轮廓，n是表面的折射率，λ₀是中心波长，以及P是选择的整数，该整数在从设备输出的结构光的衍射级的均匀性强度误差的标准内使零衍射级的强度最小化，使得多个衍射级中的每一个衍射级中的光强度实质相同。在一个方面，相位轮廓低于完全解缠，以便以这种标准处或在标准之内使均匀性或强度误差最小化。相位轮廓可以沿着一个或两个维度。

限定微结构11的相位轮廓可以沿着表面14a为周期性的。表面14a沿一个维度延伸，但是可以沿着表面14a的长度和宽度的两个正交维度延伸，这两个正交维度都与相位轮廓的深度维度正交。在减小相位不连续性直到实现可接受的强度误差的均匀性为止，同时可以避免零衍射级热点的过程中，最大深度维度随着相位轮廓的每次连续2π解缠而增加。

可以设计衍射光学元件10，当照射波长假设特定值λ₀时，该衍射光学元件10可以有效地投射结构光。对于波长λ≠λ₀的其他值，由于最佳图像投射所需的相位关系不再有效，因此性能会严重降级。如前所述，在除设计之外的波长下操作的几乎所有衍射光学元件中可观察到的主要特征是零衍射级的强度相对于感兴趣图案的平均强度的增加。除了在设计波长之外的操作以外，随着投射衍射图案的角展度、视场(FOV)增加，确保理论表面轮廓的精确制造变得非常具有挑战性。例如，相位轮廓的微小变化(诸如相位深度误差)，可以使得几乎不可能使零衍射级最小化从而足以使衍射光学元件实用。

已经证明，如果增加限定衍射光学元件的表面浮雕的深度，则可以使衍射光学元件以几个特定波长值(通常为1或2个值)操作。这种方法的基本原理是基于这样的理解：随着总深度增加，确保衍射光学元件的恰当操作所必需的相位关系可以被满足，如S.Noach、A.Lewis、Y.Arieli和N.Eisenberg的“Integrated diffractive and refractiveelements for spectrum shaping”，Appl.Opt.35，3635-3639(1996)，其公开内容通过引用整体并入。然而，虽然推理是正确的，但总深度的增加对于可接受的多波长性能既不是必要条件也不是充分条件。使用这种方法，已经表明图像可以令人满意地以两个不同的波长投射(I.M.Barton、P.Blair和M.Taghizadeh，“Dual-wavelength operation diffractivephase elements for pattern formation”，Opt，Express 1，54-59(1997))，其公开内容通过引用整体并入。在这种情况下，表面浮雕需要使用16个相位等级，并且图像是离轴(off-axis)形成的，使得零衍射级不是投射的结构光(图像)的一部分。偏移图像的一个重要原因是避免使用零衍射级，当在几个波长下操作时，零级衍射级的强度趋于显著增加。这可能是由于设计本身未被优化以抑制零衍射级或制造误差，这总是会降低性能。然而，这种方法不能用于诸如3D感测之类的应用中。

有几种策略可用于生成投射任意图像的衍射光学元件。这些策略适用于单色操作，并产生总相位深度等于2π弧度的相位结构。在二元相位轮廓的情况下，最大相位深度为π，但投射图像不再是任意的，其需要是中心对称的。如上所述，先前的工作使得能够设计适合于在双波长操作下投射图像的元件。为此，最大相位深度可以增加到2π弧度以上。尽管这种方法对于双波长操作是方便的，但它至少存在两个严重的限制。首先，它不允许精确控制零衍射级强度。在这种情况下，通常的技术方案是偏移图像以将其与零衍射级分离。结果，如果零衍射级强度增加，则主图案不会受到影响，尽管其肯定会降低效率，因为相当一部分能量集中在零衍射级上。然而，在不能容忍存在强零衍射级的情况下，诸如对于光学传感，该选项是不可用的。其次，深度衍射元件通常对于制造而言存在严重的困难，例如，如果相位函数是按照多级函数定义的。在这种情况下，制造可能需要曝光若干个掩模，并且应当相对于每个掩模、每个基本掩模的相对深度以及掩模与掩模的对准来保证精度。如果FOV足够宽(典型地大于20-30度的全宽)，则二元技术方案是最普遍的。

然而，没有可用于设计以多于单个波长或在宽FOV上操作的有效轴上(on-axis)衍射光学元件的方法。术语“轴上”是指衍射光学元件，其可以投射包含零衍射级或围绕零衍射级定义的图像。这种元件投射的一个简单示例是光点阵列，即以阵列形式布置的远场中的图像光点的分布。对于3×3阵列，图2中示出了光点阵列的示例，其包括作为图案的一部分的零衍射级，如图3所示。在更一般的情况下，光点的分布被称为“结构光”图案并构成特定的光点分布，该分布可以容纳独特的特征，诸如光学感测应用中的检测所需的特征。

对于更加定量的分析，考虑设计用于投射总共N_s个光点的衍射光学元件的情况。为简单起见，尚未考虑宽FOV或宽带操作。理解强零衍射级的出现的最简单方法之一是通过偏离设计相位深度。这可能是由于制造中的误差或操作偏离设计波长而发生的。这两种情况在传输的相位的影响方面可能相似。因此，等效性用于检查在多个波长下操作的问题，作为理解对深度的敏感性的方式，而无需考虑任何特定的制造方法。稍后将直接考虑相位深度误差。元件的结构可以按照其相位延迟来定义，但是对于实际的实施方式，需要定义实际的物理结构。这是通过定义设计波长λ₀和对应的折射率n(λ₀)来实现的，该折射率n(λ₀)与体现相位结构的光学材料相关联。如果Φ表示元件在设计波长λ₀处的相位函数，那么与波长λ下的操作相关联的相位由α(λ)Φ给出，其中：

其中，n(λ)是波长λ的折射率。

术语α可称为“波长失谐”系数，因为其测量目标设计(α＝1)与实际操作之间的距离。其还包括由于折射率随波长变化而产生的色散效应。出于说明的目的，考虑五个操作波长的示例，使得α＝0.8、0.9、1、1.1和1.2(或者等效地，这些值可被视为相位深度缩放误差)。例如，如果忽略带有λ₀＝500nm的可见光的电磁波谱的部分和色散，则操作波长将为416.7nm、454.5nm、500nm、555.6nm和625nm。然而，按照α表示结果是一种更通用的方法，因为其可以指代光谱中的任何特定区域，而不仅仅是可见光区域。

在理想的操作条件之外，衍射光学元件的性能可以以几种方式受到影响，然而，零衍射级通常是最敏感且容易感觉到的参数。诸如重构误差和效率之类的其他方面也可以降级，但是它们通常可以被最小化，而对于一些图像约束集合，零衍射级性能不能被显著改善。由于这些原因，所选择的性能测量是零衍射级的效率与结构光图案中剩余光点的平均效率之间的比率，其由希腊字母ρ表示。如果在所期望图案中存在N_s个光点，则每个光点的平均效率的上限由1/N_s给出。在实践中，实际衍射效率可以低于该值。因此，对于ρ存在上限。为简单起见，认为投射的图像不利用零衍射级，这意味着在设计上最小能量集中在零衍射级处。衍射光学元件在理想为零的操作波长下应具有零衍射级效率，这意味着在α＝0.8,0.9,1,1.1和1.2处的ρ值也应该理想地为零。实际上，由于设计本身或存在制造误差，这些值将不会为零。

考虑具有仅两个相位等级和总相位深度Mπ的衍射光学元件的情况，M是奇数自然数(1,3,5，......)。这意味着该元件只能赋予0或Mπ弧度的相位延迟。这种元件的比率ρ由下式给出

情况M＝1是通常的二元衍射光学元件。它也是最容易制造的，因为总相位深度只有π。所期望波长失谐(detuning)的ρ值如表1所示。

表1：根据现有技术的投射100个光点的二元衍射元件在每个波长失谐处的比率ρ。两个相位等级为0和Mπ弧度。

对于大多数实际的结构光应用来说，光点的总数可以是数千或数十万个光点的数量级。举例来说，可以使用更少数量的光点来说明问题的严重程度。请注意，如表1所示，二元元件的最佳技术方案是在总相位深度为π时发生，这似乎与更深的相位延迟导致更好的多波长性能或等效地对深度误差的低灵敏度的概念相冲突。在α＝0.8和1.2之间的连续光谱上的总体性能如图7所示。一旦考虑到波长失谐和深度误差的等效性，该图清楚地说明了二元设计的高灵敏度，即使在少量光点的情况下也是如此。

移动到二元技术方案之外，考虑带有多个相位等级的衍射光学元件。作为简单的示例，考虑4等级衍射光学元件，该元件再次投射100个光点的结构光图案，其中零衍射级效率设置为零。在这种情况下：

其中，总相位深度现在为2πM，且M是自然数(1,2,3，......)。表2示出了4等级元件的性能。与二元设计相比，4等级设计呈现出更多种类的行为，但是不能在所有感兴趣的波长或相位缩放误差上呈现可接受的性能。随着元件变得更深，可以找到窄的光谱范围，在此范围内观察到更好的性能，但不存在结构的单个深度使得对于所有特定的α值都能够具有可接受的性能，更不用说宽带操作。再次，这些结果可能因制造误差(包括掩模未对准)而进一步降级。

表2：对于增加的总相位深度2πM值，在几个波长失谐值下评估的4级衍射光学元件的比率ρ，该元件投射100个光点(抑制了零衍射级)。

然而，该方法提供了关于下文稍后描述的最佳设计方法的提示：即，同时增加相位等级的数量并增加总相位深度。然而，如上所见，仅增加总深度可能不足以满足设计性能标准，并且增加相位等级会遇到其他困难，主要与制造挑战相关，尤其是在宽FOV情况下随着光点数量的增加。本发明提供的技术方案是远离带有离散等级的衍射光学元件，并考虑连续变化的灰度相位轮廓。在这种情况下，可以消除对相位等级的约束，并且相位轮廓可以采用任何值而没有限制。

在进一步移动之前，提供以下定义。第一个步骤可以是结构光图案的构造。这指的是给定FOV内感兴趣的光点的数量和分布。在计算上，所投射的图像和相位函数被定义为带有R行和C列的矩阵。那么像素的总数量是N＝R×C。需要确定衍射光学元件的复透射函数，该衍射光学元件提供在衍射定律下传播的分束，以生成所期望的结构光图案。为了获得最大效率，提供了仅相位(phase-only)技术方案，尽管该过程通常也适用于复(相位和幅度)透射函数。设计过程本身可以是迭代的，其涉及图像和分束器平面之间的重复传播，每个步骤涉及校正因子，使得在足够数量的迭代之后，可以找到令人满意的解。这种迭代设计方法在Gerchberg和Saxton的开创性作品(“A practical algorithm for the determinationof phase from image and diffraction plane pictures”,R.W.Gerchberg和W.O.Saxton,Optik 35(2),237-246)中描述的原型实施方式中是众所周知的，其公开内容通过引用整体并入本文。

迭代设计可以提供带有针对每个像素连续变化的相位延迟的解。在实践中，甚至灰度级相位轮廓涉及一些量化，典型地为8位(256个相位等级)或16位(65535个相位等级)图案，出于所有实际目的，可以将其视为连续的。作为说明，请注意，如果Φ表示相位函数，则离散相位值定义为Φ_k＝2πk/(L–1),k＝1,2,…,L，其中L为等级的总数(假设现在总相位为2π)。相位量化的示例被示于图8A-8E中。在16个等级(图8E)，量化提供与原始连续轮廓的良好匹配。如果相位量化的目标是尽可能最好地模拟连续轮廓，那么8位深度(图8D)或16位深度(图8E)可以是有效的。

作为一个有趣的附注，三等级DOE在解决零衍射级问题方面非常有效，如V.Kettunen,J.Simonen,M.Kuittinen,O.Rippoll和H.P.Herzig的“Diffractive elementsdesigned to suppress unwanted zero order due to surface depth error,”inOSATrends in Optics and Photonics(TOPS),Vol.75,Diffractive Optics and Micro-Optics,OSA Technical Digest,Postconference Edition(Optical Society ofAmerica,Washington DC,2002),第58-60页所呈现的，并且如美国专利No.6,118,559所公开的，其两者的公开内容通过引用在此整体并入。在这种情况下，先前定义的比率ρ可以示为等于：

其中N_e是偶数倍π(包括零)的相位等级的数量，而N_o是奇数倍π的相位等级的数量。例如，如果相位函数包含相位等级0、π和2π，则N_e＝2且N_o＝1。很明显，只有两种组合是可能的：要么N_e＝N_o，要么N_e＝N_o+1。还假设通过设计将零级衍射效率设定为零。图9中的图示出了这种情况下的性能。虽然3等级技术方案原理上可以提供改进的零级性能，但是图案的离散性质仍然可能需要多掩模制造方法，这对于大量光点或宽FOV可能是非常具有挑战性的。同样，在本发明提供的技术方案中，衍射光学元件的相位函数可以由连续变化的相位轮廓限定，该相位轮廓可以在不需要多个掩模的情况下制造。

因此，给定某种结构光图案，可以经由迭代设计方法，根据Gerchberg-Saxton方法或根据需要通过其他迭代设计来计算相位函数。这些设计方法主要通过使用快速傅立叶变换而利用相位平面和图像平面之间的连续传播。设计周期最终提供相位函数单位单元，对于总2π相移，在-π到π的范围内定义该相位函数单位单元。由于绝对相位值无关紧要，因此仅考虑总相位延迟。现在将描述能够在没有零衍射级问题的情况下实现本发明的衍射光学元件10的技术方案。

为了增加相位结构的总相位深度，使用称为“相位解缠”的技术。典型的迭代设计方法根据反正切运算在数学上计算相位函数。结果，在给定位置处，其只能提供处于-π到π之间的间隔的相位值。通常，给定点(x,y)处的相位函数可以通过一般关系来描述：

Φ_P(x,y)＝Φ₀(x,y)+2πP(x,y), (6)

其中Φ₀表示相位值缠绕到总2π相位范围内的相位图。函数Φ_P表示带有P(x,y)整数的相位图，其中通过加上或减去2π的整数倍来解缠相位以尽可能地去除相位函数中的不连续性。为简单起见，P(x,y)被写为P，隐含的理解是其为相位图位置的函数。从迭代设计方法得到的相位函数由Φ₀给出，并且据说所计算的相位被缠绕到模2π。换句话说，总相位深度被限制在总2π相位范围内。

虽然在光学设计中已经使用了相位函数的解缠，但是到本发明为止，还没有将其应用于提供结构光的衍射光学元件。例如，相位解缠已经用于衍射断层摄影术，如Devaney的美国专利No.4,562,540所描述的，用于带有衍射相位元件的眼科透镜中，如Apter等人的美国专利公开No.20100321635中所描述的，甚至用于干涉测量法中，如Bahk的美国专利No.9,921,111号中所描述的以用于去除相位函数中的不连续性，所有这些专利的公开内容都通过引用整体并入本文。

例如，在D.A.Buralli、G.M.Morris和J.R.Rogers的“Optical performance ofholographic kinoforms,”Appl.Opt.28,976–983(1989)中，定义衍射透镜时描述了将相位函数缠绕到模2π或等效2π缠绕，其公开内容通过引用在此并入。该过程在图10中例示。在衍射透镜的情况下，故意缠绕透镜相位以创造非常薄的元件。从这种类型的相位轮廓中可以看出衍射透镜的独特性质。在结构光图案的相位函数的情况下，该方法典型地产生由Φ₀给出的2π缠绕的相位，并且本发明的概念是实际解缠该相位轮廓以获得更深的相位图案，与在现有技术中所做的相反。

虽然在衍射透镜的情况下，缠绕和解缠操作相当简单，但是，对于衍射光学元件10产生结构光图案的更一般的相位结构可以使用例如以下书中描述的应用于相位解缠的计算方法：Dennis C.Ghiglia和Mark D.Pritt,Two-Dimensional Phase Unwrapping:Theory,Algorithms,and Software,Wiley-Interscience,第一版,1998，其公开内容通过引用在此并入。然而，也可以使用其他相位解缠方法。为了说明本发明的概念，为简单起见考虑一维相位轮廓的情况。原理与一般的二维相位轮廓相同，但更容易可视化。最重要的是，零衍射级的行为在两种情况下都相似。

作为示例，考虑图11中所示的相位轮廓，其生成41个光点或子束的非常简单的分布。图12中示出了由图11的理想相位轮廓产生的衍射图案。然而，一旦引入某种程度的误差，理想的性能就会损失。这在图13中对于相位深度误差为5％的情况举例说明。正如前面讨论所预期的那样，偏离理想相位的主要结果是零衍射级强度的快速增加。还注意到各种感兴趣的衍射级的均匀性的降级。均匀性误差的典型测量σ由以下表达式给出：

其中，I_max和I_min分别是感兴趣的级中的最大和最小强度值。对于该特定示例，理论均匀性为1.68％。在5％相位深度误差的情况下，均匀性误差增加到13.45％，不包括零衍射级。

解缠的相位轮廓如图14所示。如果衍射图案是用解缠的相位轮廓计算的，其包括5％相位深度误差，则获得如图15所示的结果。立刻注意到衍射图案不再显示出强的隔离零级。已经发现，即使总相位深度为最大值并且因此预期完全消除强零级，也不希望完全解缠相位轮廓。原因在于，虽然较深的相位轮廓解决了零衍射级问题，但它也增加了均匀性误差。在图15的示例中，σ＝63.29％，与原始的2π缠绕的相位轮廓相比，其均匀性显著降级。然而，如果考虑相同的相位轮廓但是为4π缠绕的，则性能显著提高，如图16所示。现在，均匀性误差由σ＝18.66％给出，在相位深度误差的相同等级下略差于原始的2π缠绕的相位轮廓，但是这是取决于特定应用的均匀性误差的可接受标准。与原始2π缠绕的相位轮廓相比的相应的4π缠绕在图17中示出。在更一般的情况下，需要确定解缠的最佳程度，并且该最佳程度通常取决于结构光图案以及其他参数，诸如FOV和制造方法可能引入的相位误差的类型。然而，该示例示出了用于生成衍射光学元件10的方法，如图18所示的框图所示。

用于生成衍射光学元件的方法可以包括：计算产生结构光图案的相位轮廓(步骤21)；解缠结构光图案的相位轮廓以获得2πP解缠的相位轮廓，其中选择P以增加或减去2π的整数倍，以便减少2πP解缠的相位轮廓中的不连续性(步骤22)；生成2πP解缠的相位轮廓(步骤25)；并基于所生成的2πP解缠的相位轮廓，沿着光学材料的表面制造微结构(步骤26)。该方法还可以包括定义结构光图案(步骤20)。该方法还可以包括评估所获得的2πP解缠的相位轮廓的性能(步骤23)。该方法还可以包括最优化P(步骤24)。该方法产生衍射光学元件10，该衍射光学元件10可以呈现零衍射级，该零衍射级具有与多个衍射级中的其他衍射级实质相同的强度。

该方法可以包括定义要由衍射光学元件10产生的结构光图案(步骤20)。在一个方面，可以定义结构光图案中的光点的数量以及它们的分布、设计波长和FOV。非限制性示例性结构光图案包括光点、点、子束、线、几何形状、阵列或其组合。

该方法可以包括计算用于在多个衍射级中衍射光以提供定义的结构光图案的相位轮廓(步骤21)。例如，该计算涉及使用Gerchberg-Saxton算法或其变体之一。步骤21的结果可以是完全缠绕的相位轮廓，如图11的先前示例中所示，其中图11是所计算的相位轮廓φ₀，其是针对41个光点或衍射级的一维结构光图案而被2π缠绕的。

该方法可以包括解缠所计算的相位轮廓以获得最佳的解缠等级。使用如上所述的迭代解缠方法，发生相位轮廓的解缠的一个或几个周期(步骤22)，并评估每个周期(步骤23)。在图11的示例，对于设定的5％的深度误差，参见对于图14的相位轮廓所计算的图15的衍射图案、或者对于图17的相位轮廓所计算的图16的衍射图案。可以根据需要设置除5％以外的其他误差。

该方法包括最优化P值以最小化零衍射级，同时提供与2πP解缠的相位轮廓相当的均匀性(步骤24)。换句话说，通过增加或减去2π的整数倍来选择P，以便减少2πP解缠的相位轮廓中的不连续性，直到零衍射级的强度(或功率)与多个衍射级中的其他衍射级实质相同。

在41个光点或衍射级的一维结构光图案的示例中，步骤22和23的结果由图17的相位轮廓的实线示出，其表示至少部分解缠的相位轮廓，因为期望少于完全的解缠，以避免过大的均匀性强度误差。图11的用于比较的原始相位轮廓在图17中被示出为虚线，以便示出所得到的2πP解缠的相位轮廓中的减少的不连续性。图17的轮廓低于如图14所示的那样完全解缠(即函数φ₀的完全解缠)，因为这将导致如图15所示的过大的均匀性误差。与存在相位深度误差的理想技术方案相比，如图17所示的更有限的解缠导致令人满意的性能，并且均匀性误差的降级最小。在实践中，与存在相位深度误差的理想技术方案相比，可以使用附加的误差源来评估性能，其中均匀性误差的降级最小。在实践中，可以使用附加的误差源来相对于那些来评估性能，以确定解缠的最佳程度。例如，除了深度误差之外，角落和锐边的拐角也可以起作用。选择该一维图案的特定示例的原因很简单，因为它可以容易地可视化和解释。然而，相同的过程可以直接扩展到更复杂的结构光图案或二维几何图形，唯一的区别在于对于二维的步骤21处的初始相位函数和步骤22和23的解缠方法。

一旦在步骤24识别出最佳P，该方法可以包括在步骤25处通过使用以下公式生成2πP解缠的相位轮廓s：

其中Φ_P是2πP解缠的相位轮廓。同一方法可以在复杂的结构光图案的情况下，适用于1D或2D几何形状中，而与光点的数量无关。同样，线性光点图案的示例用于容易的可视化和清晰解释，但是可以在步骤20处定义不同的1D或2D结构光图案。

该方法可以包括基于所生成的2πP解缠的相位轮廓，沿着光学材料12的表面制造微结构。这可以导致沿着表面14a的微结构11具有由步骤22-24导致的2πP解缠的相位轮廓。2πP解缠的相位轮廓可以将输入照射衍射成具有零衍射级的结构光，该零衍射级的强度与其他衍射级的强度实质相同。定义微结构的2πP解缠的相位轮廓可以沿着表面14a是周期性的，使得在衍射光学元件10的每个单位单元中重复2πP解缠的相位轮廓。3×3的单元阵列的单位单元的示例如图2所示，但是，沿表面14a的单元数量取决于衍射光学元件10的特定应用。

可以通过各种技术进行沿着光学材料的表面对微结构的制造，该微结构具有在步骤25处从等式(7)确定的2πP解缠的相位轮廓。例如，制造可以是如美国专利6,410,213中所述的直接激光写入，其公开内容通过引用并入，其利用聚焦激光束来曝光已经涂覆在衬底上的光敏抗蚀剂。当激光束扫描光学材料12的表面14a时，可以调制激光束，使得在显影之后获得连续的模拟表面。激光写入可以在光致抗蚀剂中产生相位结构，然后可以通过其他技术(例如微复制或电镀)将其转移到其他材料中。以这种方式，可以生成耐久的母模以产生更大量的部件，诸如热压花、注塑或复制。还可以通过反应离子蚀刻工艺或离子束研磨或类似方法，将光致抗蚀剂或图案的合适复制品转移到另一种光学材料12中。

如前所述，第二表面14b和第二外表面16b可具有微结构17，微结构17可与第一表面14a和第一外表面16a的微结构11相同或不同。如果需要微结构17，则可以重复步骤20-26以使用输入照射提供具有期望结构光图案的表面17，该结构光图案是从表面12提供的。在微结构17可以是微结构11的镜像的情况下，仅执行步骤26制造。

衍射光学元件的主要功能之一可以是在指定的空间区域上分布照射，其中每个单独的光束与特定方向或者类似地空间中的位置和强度相关联。来自给定输入光束的光束分布可以高效率地完成，并且不存在零衍射级热点。

衍射光学元件可用于许多应用中，包括但不限于面部识别车内监控(例如，汽车)、激光雷达等。

一种用于产生衍射光学元件的方法，包括：计算产生结构光图案的相位轮廓；解缠所计算的结构光图案的相位轮廓，以获得2πP解缠的相位轮廓；生成2πP解缠的相位轮廓；基于所生成的2πP解缠的相位轮廓，沿光学材料的表面制造微结构。17.如权利要求16所述的方法，还包括定义结构光图案。18.如权利要求16所述的方法，还包括评估所获得的2πP解缠的相位轮廓的性能。19.如权利要求16所述的方法，还包括最优化P。20.如权利要求16所述的方法，其中所述衍射光学元件呈现零衍射级，该零衍射级具有与多个衍射级中的其他衍射级实质相同的强度。

从前面的描述中，显而易见的是，已经提供了用于将输入照射光束衍射成结构光图案的衍射光学元件。对于本领域技术人员而言，本文所述的根据本发明的光学元件和方法的变化和修改无疑是显而易见的。因此，前面的描述应被视为说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1.一种衍射光学元件，包括：

沿着光学材料的表面的微结构，所述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；

其中所述相位轮廓至少部分地相位解缠但低于完全解缠，其中所述相位轮廓是

其中Fp是2pP解缠的相位轮廓，n是表面的折射率，λ₀是中心波长，以及P是选择的整数，所述整数在从所述衍射光学元件输出的结构光的衍射级的均匀性强度误差的标准内使零衍射级的强度最小化，使得所述多个衍射级中的每一个衍射级中的光强度实质相同。

2.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中所述光学材料是单种光学材料。

3.如权利要求2所述的衍射光学元件，其中所述单种光学材料的表面是与所述单种光学材料的第二表面相对的第一表面。

4.如权利要求3所述的衍射光学元件，其中所述第二表面具有微结构，所述微结构与沿着所述单种光学材料的第一表面的微结构相同。

5.如权利要求3所述的衍射光学元件，其中所述第二表面具有微结构，所述微结构与沿着所述单种光学材料的第一表面的微结构不同。

6.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中所述光学材料是包括两种或更多种不同光学材料的复合光学材料。

7.如权利要求6所述的衍射光学元件，其中复合物具有与第二外表面相对的第一外表面。

8.如权利要求7所述的衍射光学元件，其中所述第二外表面具有与沿着所述复合光学材料的第一外表面的微结构相同或不同的微结构。

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