CN111736359B - 包括多个区域的光学元件 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及包括多个区域的光学元件。公开了一种光学元件，包括具有表面的主体，其中表面具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域，并且其中多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构。还公开了一种光学系统，包括光源；以及光学元件。还公开了制造并使用光学元件和光学系统的方法。

Description

包括多个区域的光学元件
相关申请
本申请要求2018年10月26日提交的第62/751,337号美国临时申请的优先权，该美国临时申请的全部公开内容据此通过引用并入。
技术领域
本发明涉及一种光学元件，该光学元件包括具有表面的主体，其中该表面具有以曲面细分方式(in a tessellation)周期性排列的多个区域，并且其中多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构。一种光学系统包括光源；和光学元件。还公开了制造并使用光学元件和光学系统的方法。
背景技术
在涉及3D扫描和手势识别的应用中，人们利用光学部件(通常与波长在大约700nm至大约1000nm范围中的激光器相联合)在被探测的场景上投射光图案。光图案取决于探测技术，并且可以采取各种形式，诸如点、线、条纹、棋盘格等的周期性网格。
当前用于投射光图案的技术依赖于一个或多个衍射光学元件来产生衍射级的特定分布。衍射光学元件(DOE)自然适合于产生光图案(诸如衍射图案)的任务。DOE可以被描述为薄表面结构(通常是一个光波长)，DOE可以通过干涉和/或衍射产生光图案。因此，从DOE输出的光锥由其最小特征来定义，该最小特征与其成反比。也就是说，扩展角越大，需要的特征越小。然而，DOE对设计波长的偏差或制造误差极其敏感，其主要结果在于零衍射级比其他衍射级强得多，这造成了在3D感测应用中不能容忍的眼睛安全问题。
例如，第8,630,039号美国专利描述了产生光斑图案(spot pattern)的DOE。随机光斑图案通常需要覆盖较宽的角范围，以便能够捕捉场景的大部分。为了照亮广角场景，DOE需要具有非常小特征的图案。例如，为了用波长为850nm的激光覆盖60度范围，需要最小特征为1.7μm的DOE。更宽的角范围甚至需要更小的特征。为了获得最大效率，DOE需要被设计且制造为灰度、连续的相位剖面(phase profile)。但是，产生具有如此小特征的灰度DOE可能是具有挑战性的。相反，通常用具有效率为至多80％的二元相位剖面来产生灰度DOE。剩余的能量耗费在主光图案之外的更高衍射级上。诸如第8,630,039号美国专利中公开的多个DOE的使用有助于解决零衍射级。然而，多个DOE的使用具有复合效应，并且实际效率约为50％-60％。
发明内容
在一方面，公开了一种光学元件，该光学元件包括具有表面的主体，其中该表面具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域，并且其中多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构。
在另一方面，还公开了一种光学系统，该光学系统包括：光源；以及包括具有表面的主体的光学元件，其中该表面具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域，并且其中多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构。
在另一方面，还公开了一种使用光学系统的方法，该方法包括：将来自光源的输入光束投射到光学元件，其中该光学元件包括具有表面的主体，其中该表面具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域，并且其中多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构；以及将输入光束成形为目标图案。
各个实施例的另外的特征和优点将在以下的描述中被部分地阐述，并且从描述中将是部分地明显的或者可以通过实践各个实施例而得知。各个实施例的目的和其他优点将通过在本文的描述中特别指出的要素和组合来被实现并获得。
附图说明
从详细描述和附图中可以更全面地理解在其若干方面和实施例中的本公开内容，其中：
图1是根据本发明的一方面的光学元件的图示；
图2A是根据本发明的一方面的以曲面细分方式周期性排列的多个区域的表示；
图2B示出了在曲面细分中具有正方形外部几何边界的微结构的四个区域，其中在两个正交维度上以重复序列周期性地排列这些区域；
图2C是在棋盘网格中具有正方形外部几何边界的微结构的两个区域的表示；
图3是根据本发明的另一方面的以曲面细分方式周期性排列的多个区域的表示；
图4是根据本发明的另一方面的以曲面细分方式周期性排列的多个区域的表示；
图5是根据本发明的另一方面的以曲面细分方式周期性排列的多个区域的表示；
图6是根据本发明的另一方面的以曲面细分方式周期性排列的多个区域的表示；
图7是根据本发明的一方面的包括光学元件的光学系统的图示；
图8是具有正方形、圆形、六边形和五边形外部几何边界的各种微结构的等值线图的表示；
图9是具有由鞍形剖面(saddle-shaped profile)及其组合限定的各种微结构的等值线图的表示；
图10示出了根据本发明的一方面具有利用光学元件产生的斑点(speckle)的目标图案；
图11是一系列的光学元件10的图示，其中微结构通过焦距表征，并且光学元件之间的间距与焦距匹配；和
图12是光学元件的图示，其中微结构通过焦距表征，并且在曲面细分表面之间的主体的厚度匹配所述焦距。
在整个说明书和附图中，相同的附图标记表示相同的要素。
具体实施方式
应理解，前述的一般性描述和下面的详细描述仅是示例性的和解释性的，并且意图提供对本教导的各种实施例的解释。
因此，本发明的目标是提供一种改进的光学元件，该光学元件可以包括具有表面的主体，其中该表面具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域，并且其中多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构。光学系统可以包括光源2和光学元件10。
光学元件可以接收来自光源2(诸如激光器)的输入光束5。光学元件可以将输入光束5投射为目标图案7、9(诸如随机分布的光斑)。光学元件可以表现出几个特性，诸如高效率地投射输入光束5，和/或在零衍射级中没有更高强度的情况下投射具有斑点的目标图案7、9。一方面，光学元件可以将输入光束5投射为目标图案7、9，该目标图案7、9具有不会随着光源2相对于光学元件的任何移动而改变的斑点。
图1示出了根据本发明的一方面的光学元件10，该光学元件10包括主体11，该主体11具有表面12，诸如第一表面12a和第二表面12b。图7示出了根据本发明的另一方面的光学系统100，该光学系统100包括与第二光学元件10b串联的第一光学元件10a。可以类似地描述第一光学元件10a和第二光学元件10b中的每一个。例如，第一光学元件10a可以包括具有表面12(诸如，第一表面12a和第二表面12b)的第一主体11a；并且第二光学元件10b可以包括具有表面12(例如第一表面12a和第二表面12b)的第二主体11b。为简单起见，除非另有说明，否则本文中关于光学元件(10、10a和10b)、主体(11、11a和11b)和表面(12、12a和12b)的公开内容同样适用于每个相应的部件。
光学元件10的主体11可以包括光学材料。适合用作主体11的光学材料的非限制性示例包括玻璃或塑料，诸如UV固化聚合物、聚碳酸酯、丙烯酸、熔融石英、硅或其变体(诸如非晶硅)。也可以使用其他光学材料。此外，主体11可以包括单一光学材料或以多个层粘合在一起的多种光学材料，该多个层可以包括用于机械支撑的基底和诸如用于抗反射涂层的其他层或用于其它目的的其它层，诸如ITO和金属涂层。
光学元件10的主体11可以包括表面12，诸如第一表面12a和第二表面12b。第一表面12a可以与第二表面12b相对地定向。一方面，光学元件10可以包括任意数量的表面12，例如，一个表面、两个表面、三个表面等。光学元件10的表面12的数量可以取决于光学元件10的形状。
主体11的表面12(诸如，第一表面12a和/或第二表面12b)可以具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域22。多个区域22的每个区域20可以具有外部几何边界，该外部几何边界可以邻接(没有间隙地邻接)多个区域22的相邻区域的外部边界。如图2A所示，多个区域22是周期性地排列的，例如以3×3阵列排列。如图2B所示，每个区域20(诸如由A、B、C和D指示的)可以在多个区域22的两个正交维度中以重复序列排列。图2C示出了以棋盘格排列的由不同图案指示的两个区域。
多个区域22中的每个区域20的外部几何边界可以是任何多边形形状，例如三角形、正方形、矩形、五边形、六边形、七边形、八边形等。一方面，多个区域中的每个区域可以具有相同的外部几何边界。如图2A所示，每个区域20可以具有正方形形状，并且多个区域22也可以同样以正方形形状以曲面细分方式形成周期性排列。一方面，外部几何边界可以是任意形状。每个区域20可以包括随机空间分布的微结构，诸如鞍形微结构。如图3所示，每个区域20可以具有六边形形状，并且多个区域22可以以任意形状以曲面细分方式形成周期性排列。在示例中，每个区域20可以包括鞍形微结构的随机空间分布。
一方面，多个区域22中的两个或更多个区域20可以在曲面细分中具有不同的外部几何边界。如图4所示，多个区域22中的第一区域20a具有五边形的外部几何边界。多个区域22中的第二区域20b具有细长菱形的外部几何边界。多个区域22包括第一区域20a和第二区域20b，其中第一区域和第二区域的外部几何边界不同。图5示出了多个区域22，其中第一区域20a具有五边形的外部几何边界。多个区域22中的第二区域20b具有六边形的外部几何边界。
如图2A-图3所示，曲面细分可以是简单的，例如多个区域22中的每个区域20具有相同外部几何边界。一方面，如图4-图6所示，曲面细分可以是复杂的，例如，多个区域22的两个或更多个区域20(20a、20b、20c、20d)可以具有不同的外部几何边界。如图6所示，多个区域22包括具有五边形外部几何边界的第一区域20a、具有六边形外部几何边界的第二区域20b、具有细长菱形外部几何边界的第三区域20c和具有任意形状(诸如星形)外部几何边界的第四区域20d。
在多个区域22中可以使用任意数量的区域20。附加地或替代地，多个区域22中的每个区域20可以具有相同或不同的随机空间分布的微结构。多个区域22中的区域20可以以周期性排列的方式被放置，以对于目标图案7、9中的最佳对比度形成曲面细分。
每个区域20可以具有彼此不同的随机空间分布。为了清楚起见，每个区域20可以由区域20内的随机空间分布的微结构形成。微结构的随机分布可以基于区域的尺寸、微结构的尺寸、其他变量及其组合。每个区域20内的随机空间分布的微结构可以最小化目标图案7、9中的周期性伪影(artifact)，并且可以在目标图案7、9中产生随机光斑分布。
再次参考图1，光学元件10可以包括具有第一表面12a的主体11，该第一表面12a具有以曲面细分方式(诸如第一曲面细分)周期性排列的多个区域22。主体11可以包括第二表面12b，该第二表面12b具有以曲面细分方式(诸如第二曲面细分)周期性排列的多个区域22，该第二曲面细分与第一表面12a的第一曲面细分相同或不同。
再次参考图7，公开了一种光学系统100。光学系统100可以包括光源2；和光学元件10a、10b。如图7所示，光学元件10a可以包括第一主体11a，并且光学元件10b可以包括第二主体11b。第一主体11a和第二主体11b中的每一个都可以如上关于图1中的光学元件10所述。例如，第一主体11a可以具有表面12a，该表面12a具有以曲面细分方式(诸如第一曲面细分)周期性排列的多个区域22，并且其中多个区域22中的每个区域20具有随机空间分布的微结构。作为另一个示例，第二主体11b可以具有表面12b，该表面12b具有以曲面细分方式(诸如第二曲面细分)周期性排列的多个区域22，并且其中多个区域22中的每个区域20具有随机空间分布的微结构。以这种方式，第一主体11a可以从光源2接收输入光束5，并且可以基于第一曲面细分输出目标图案7。第二主体11b可以接收目标图案7，并且可以基于第二曲面细分输出第二目标图案9。
在单个主体11上的两个表面12a、12b(图1)或者第一主体11a上的第一表面12a和第二主体11b上的第二表面12b(图7)的情况下，可以扩展目标图案7、9的角范围。在这种情况下，表面12a、12b之一可以采取微透镜阵列的形式。
再次参考图2A，虚线正方形示出了多个区域22中的区域20，其中每个区域20具有随机空间分布的微结构。一方面，多个区域22中的每个区域20具有相同随机空间分布的微结构。另一方面，多个区域22中的两个或更多个区域具有不同随机空间分布的微结构。如图7所示，随机空间分布的微结构可以将来自光源2(诸如，相干光源)的输入光束5成形为目标图案7、9。微结构可以通过多种方法形成，例如，如第6,410,213号美国专利中所述的诸如微复制、热压印、注射成型、反应离子蚀刻或离子束铣削或单点激光写入。
微结构可以用分析的或数值的形式来定义。例如，微结构可以采取具有曲率半径、圆锥常数以及可能的非球面系数的透镜的形状。A.Betzold、G.M.Morris和T.R.M.Sales在Frontiers in Optics 2016,OSA Technical Digest(Optical Society of America,2016),论文FTu5A.4中的出版物“Efficient Structured Light Generator”中公开了一种基于圆锥剖面的微透镜，即基本上由曲率半径和圆锥常数描述。然而，如Sales的第7,813,054号美国专利(其通过引用并入本文)中所述，已经发现鞍形透镜或微结构(他们本身或与圆锥透镜结合)的使用由于其生成均匀光斑图案的能力而提供了进一步的改进。每个区域20的微结构可以包括鞍形。除了鞍形的微结构之外，每个区域20中可以使用其他微结构。
鞍形微结构可以具有如下定义的垂度函数(sag function)：
Figure GDA0003809577210000081
其中，在最简单的情况下，其中α是实常数，Rx和Ry表示曲率半径，并且κx和κy是圆锥常数，p是实数。微结构还可以定义如下：s(x,y)＝αxy，(2)其中再次地，α是实常数。由于它们的视觉外观，通过等式(1)和(2)描述的微结构是鞍形透镜。
图8示出了微结构的等值线图，其中外部几何边界是圆形、正方形、六边形和五边形。外部几何边界可以通过函数和一般边界函数进行数学定义，一般边界函数包括不规则边界、多边形边界和任意形状边界。图9中示出了如通过等式(1)和(2)描述的鞍形微结构以及它们与正方形边界的组合的等值线图。在第7,813,054号美国专利中描述了鞍形微结构的其他相关特性，该专利的公开内容据此通过引用并入。
如上所讨论，光学系统100可以生成具有光斑的随机分布的目标图案7、9。光学系统100还可以包括其他部件，诸如用于场景扫描和深度剖析的传感器和计算机算法。
目标图案7、9可以是根据多个区域中的每个区域20中微结构的随机空间分布的光斑的随机分布。微结构的随机空间分布可以将来自光源2的输入光束5成形为具有斑点的目标图案7、9。光斑的随机分布可以在指定的角范围内，并且在两个垂直方向上相同或不同。在没有零衍射级的更高强度和相对于照明运动的固定斑点的情况下，光斑的这种随机分布可用于在3D感测应用中提供结构化光。
一方面，限定在曲面细分中每个区域20的周期性排列的周期可以小于输入光束5的尺寸，以便增加目标图案7、9的对比度，并固定目标图案7、9中的任何斑点，使其不会随着输入光束5相对于光学元件10的任何移动而变化。
可以创建目标图案7、9，由此零衍射级在强度方面与光斑的随机分布中的其他感兴趣的衍射级不可区分。零衍射级强度可以提供与光斑的随机分布中任何其它光斑相同的能量含量。以此方式，可以消除与眼睛安全相关的任何问题。另外，通常可以使用单个表面图案来产生目标图案7、9，这确保了高效率。串联使用的多个光学元件10a、10b(诸如，图7的光学系统中所示)可以用于其他原因，诸如将有效输入光束5的范围增加到超过现有制造方法可以制造的范围。在这种情况下，光学元件10a、10b之一可以是简单的微透镜阵列。
多个区域22中的每个区域20可以通过光栅方程(对于垂直入射)确定两个光斑之间的角间距：
Figure GDA0003809577210000091
其中，θm是m阶的衍射角，λ是输入光束的波长，并且Λ是光栅周期。整体曲面细分几何形状可以具有与微结构的随机空间分布的直接相关性。例如，正方形阵列曲面细分(参见例如图2A-图2C)在正方形网格上产生衍射级。类似地，六边形网格曲面细分(参见例如图3)在六边形网格上产生衍射级。角间距取决于光栅周期，光栅周期沿不同方向可以相同或不同。微结构的随机空间分布可以根据多个区域22中每个区域20的周期性排列产生复杂的随机光斑分布，以产生曲面细分。曲面细分几何形状可以确定光斑几何形状，而多个区域22中的每个区域20确定不同衍射级中的功率分布。换句话说，每个区域20内的微结构具有衍射级，衍射级通过“开启或关闭”产生随机光斑图案。
一种制造光学元件的方法可以包括选择多个区域22的周期性排列以形成曲面细分。该方法还包括在多个区域22内分配每个区域20以形成光栅周期。该方法还包括在每个区域20内随机空间分布微结构以形成多个区域。一方面，每个区域内的微结构可以单独包括鞍形微结构，或者与其他形状的微结构一起包括。
诸如第7,813,054号美国专利中描述的微结构在单独使用时可以产生随机斑点图案。换句话说，当从光源2(诸如激光器)接收输入光束5时，微结构的区域20可以产生具有斑点和低分辨率的目标图案7、9。根据接收输入光束5的每个区域20的特定位置，斑点图案可以变化。
在光源2相对于微结构移动的情况下，形成曲面细分的多个区域22的周期性排列可以抑制具有斑点的目标图案7、9的移动。在这种情况下，可以说目标图案7、9被冻结在适当的位置。此外，多个区域22的周期性排列可以导致目标图案7、9的对比度增加，这使得其对于3D感测应用是有用的。图10中示出了当被光源2(诸如波长为633nm的激光)照射时来自目标图案7、9的图片，该目标图案具有来自光学元件10的实际实现的斑点。
每个区域20内的微结构可以具有特定的焦距。一方面，无论是串联使用两个光学元件10a、10b(图11)还是使用单个光学元件10(图12)，第一表面12a上的焦距都可以匹配第二表面12b上的焦距。由于镜面对称，当紧靠彼此放置时，一个光学元件10中的每个微结构面对另一个微结构中的它的镜像。
还公开了一种使用光学系统100的方法，该方法包括：将来自光源2的输入光束5投射到光学元件10，其中该光学元件10包括具有表面12的主体11，其中该表面12具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域22，并且其中多个区域22中的每个区域20具有随机空间分布的微结构；以及将输入光束5成形为目标图案7，9。该方法还可以包括固定来自微结构的随机空间分布的任何斑点，使其不会随着输入光束5相对于光学元件10的任何移动而变化。
公开了一种光学元件，该光学元件包括：具有表面的主体，其中该表面具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域，并且其中多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构。每个区域都有外部几何边界。多个区域中的两个或更多个区域具有不同的外部几何边界。多个区域中的每个区域具有相同的外部几何边界。每个区域可以在两个正交维度上以重复序列排列。多个区域中的每个区域具有微结构的相同随机空间分布。多个区域中的两个或更多个区域具有微结构的不同随机空间分布。微结构呈鞍形。具有表面的主体包括第一表面和第二表面。第二表面与第一表面相对地定向。主体还具有第二个表面，其中第二个表面具有以第二曲面细分方式周期性排列的多个区域，并且其中多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构。
还公开了一种光学系统，该光学系统包括：光源；以及包括具有表面的主体的光学元件，其中该表面具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域，并且其中多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构。光源是相干光源。相干光源是激光器。光学元件根据微结构的随机空间分布投射目标图案。目标图案是特定角范围内光斑的随机分布。目标图案在两个垂直方向上是不同的。限定周期性排列的周期小于来自光源的输入光束的尺寸，以便增加目标图案的对比度并固定斑点。
进一步公开了一种使用光学系统的方法，该方法包括：将来自光源的输入光束投射到光学元件，其中该光学元件包括具有表面的主体，其中该表面具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域，并且其中多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构；以及将输入光束成形为目标图案。该方法还包括固定来自微结构的随机空间分布的任何斑点，使其不会随着输入光束相对于光学元件的任何移动而变化。
该范围公开将被广义地解释。本公开旨在公开实现本文公开的设备、活动和机械动作的等同物、装置、系统和方法。对于所公开的每个构成、衍射光学元件、光学系统、方法、装置、机械元件或机构，本公开旨在也在其公开中包含并教导用于实践本文公开的许多方面、机构和构成的等同物、装置、系统和方法。另外，本公开涉及构成及其许多方面、特征和元件。这种构成在其使用和操作中可以是动态的，本公开旨在包括使用该构成和/或制造涂剂(pigment)的等同物、装置、系统和方法，及其与本文中公开的操作和功能的描述和精神一致的许多方面。本申请的权利要求同样将被广义地解释。
在本文中，本发明的描述在其许多实施例中本质上仅仅是示例性的，因此，不偏离本发明主旨的变化都旨在落在本发明的范围内。这种变化不应被视为背离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种衍射光学元件，包括：
具有表面的主体，
其中，所述表面具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域，
其中，所述多个区域中的两个或更多个区域具有多边形形状的不同的外部几何边界，并且
其中，所述多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构，并且所述每个区域的外部几何边界邻接所述多个区域中相邻区域的外部几何边界。
2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，所述多个区域中的每个区域具有相同随机空间分布的微结构。
3.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，所述多个区域中的两个或更多个区域具有不同随机空间分布的微结构。
4.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，所述微结构呈鞍形。
5.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，所述主体还具有第二个表面，其中，所述第二个表面具有以第二曲面细分方式周期性排列的多个区域，并且其中，所述多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构。
6.一种光学系统，包括：
光源；以及
衍射光学元件，所述衍射光学元件包括具有表面的主体，其中，所述表面具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域，其中所述多个区域中的两个或更多个区域具有多边形形状的不同的外部几何边界，并且其中，所述多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构，并且所述每个区域的外部几何边界邻接所述多个区域中相邻区域的外部几何边界。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述衍射光学元件根据所述随机空间分布的微结构投射目标图案。
8.根据权利要求6所述的光学系统，其中，限定周期性排列的周期小于来自所述光源的输入光束的尺寸，以便增加目标图案的对比度并固定斑点。
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