CN112394435A - 衍射光学元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种衍射光学元件的制造方法，其包括，确定衍射光学元件的参数；设计衍射光学元件；制作衍射光学元件母版；以及组装形成衍射光学元件。其能够被应用于3D结构光领域，投射距离远，精度高。

Description

衍射光学元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及光学领域，更进一步地涉及一种衍射光学元件及其制造方法。

背景技术

衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，简称DOE)，通常用于激光整形。衍射光学元件是利用衍射光学原理设计的一种光学元件，通常对特定波长的入射激光，设计表面微纳结构，对激光的能量和相位进行调配，达到所需要的输出光斑。

传统衍射光学元件主要包括光束整形DOE、焦点控制DOE、分束DOE以及各种衍射元件的配件。

参考说明书附图1，光束整形器是最常用的一类衍射光学元件，其作用是把高斯光束转化为一个能量均匀分布的平顶光斑，包括平顶光束整形器、M-Shape光束整形器、匀光镜、螺旋相位板、螺旋相位片、涡旋相位板、衍射轴锥镜，其中所述M-Shape光束整形器能够把高斯光整形成“M形”光斑，扫描之后得到均匀的直线光斑，而且比平顶光束整形器的边缘更陡直。其中所述衍射轴锥镜用衍射光学的方法实现锥镜的效果，具有无0级衍射、效率更高等特点。

参考说明书附图2，激光分束器的作用是把一束入射激光分成多束不同方向输出的激光，不同输出光束之间能量和波前都完全相同，也可以设计成不同的能量和相位分布。激光分束器包括一维激光分束镜，一维激光光束分束元件；二维激光分束器，激光二维分束透镜；定制激光光束分束器，达曼光栅；激光光栅，衍射光栅；激光采样器。

参考说明书附图3，激光多DOE，轴向多焦点激光元件；长焦深DOE，在激光的传播方向上拉长焦深；双波长DOE，双波长衍射光学元件。

光束整形器，配件，高衍射级次阻挡模组；激光缩放器，激光调谐器；激光电介质掩膜；激光聚焦模组；衍射光学元件扩束器。

但是在3D视觉结构光方案中，必须采用特定的pattern光学图案(如激光散斑点阵等)实现深度信息的测量，DOE在方案中实现了激光分束的作用。传统DOE不能够被很好地应用于3D视觉结构光方案中。目前市面上两种主要使用方式，一种是使用边发散的单点激光器，通过DOE直接分束产生5000～60000点的散斑Pattern；另一种使用VCSEL激光器，激光器本身由100～500个点光源构成，通过DOE将光源点阵复制拼接形成最终5000～60000点的散斑Pattern，但是都不能够获得较好的视觉效果，因此有必要对传统DOE进行改进。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种衍射光学元件及其制造方法，其能够被应用于3D结构光领域，投射距离远。

本发明的另一个目的在于提供一种衍射光学元件及其制造方法，其应用领域广泛。

本发明的另一个目的在于提供一种衍射光学元件及其制造方法，其中所述衍射光学元件精度高。

本发明的另一个目的在于提供一种衍射光学元件及其制造方法，其中所述衍射光学元件工艺成本低。

本发明的另一个目的在于提供一种衍射光学元件及其制造方法，其中所述衍射光学元件点阵能量更强，照射及探测距离更远。

本发明的另一个目的在于提供一种衍射光学元件及其制造方法，其中所述衍射光学元件的制造方法

相应地，为了实现以上至少一个发明目的，本发明提供一种衍射光学元件的制造方法，包括：

确定衍射光学元件的参数；

设计衍射光学元件；

制作衍射光学元件母版；以及

组装形成衍射光学元件。

在本发明的一些优选实施例中，所述的衍射光学元件的制造方法进一步包括对所述衍射光学元件进行检测。

在本发明的一些优选实施例中，在确定衍射光学元件的参数步骤中，所述衍射光学元件的参数包括光源、M2、目标图案、整体参数。

在本发明的一些优选实施例中，在确定衍射光学元件的参数步骤中，包括确定所述光源的波长、偏振态、发散角、发散直径。

在本发明的一些优选实施例中，确定衍射光学元件的参数步骤中，包括确定所述M2的质量。

在本发明的一些优选实施例中，确定衍射光学元件的参数步骤中，包括确定所述目标图案的点数、发散角、工作距离以及点间距离。

在本发明的一些优选实施例中，确定衍射光学元件的参数步骤中，包括确定衍射效率、高低频信噪比以及零级百分比。

在本发明的一些优选实施例中，在设计衍射光学元件步骤中，包括设计衍射光学元件的类型和设计参数。

在本发明的一些优选实施例中，在设计衍射光学元件步骤中，包括使用电子刻蚀等多种技术制作掩膜；利用接触式/投影式光刻机将多层掩膜图案制作在基地表面，并使用反应离子束刻蚀工艺进行加工，形成多台阶的表面微型浮雕结构。

在本发明的一些优选实施例中，所述衍射光学元件的模板基底是石英。

本发明的其他目的和优势将通过本发明的具体实施方式、说明书附图以及权力要求书进一步体现。

附图说明

图1是根据本发明的现有技术的结构示意图。

图2是根据本发明的现有技术的结构示意图。

图3是根据本发明的现有技术的结构示意图。

图4是根据本发明的一个优选实施例的衍射光学元件的分光结构示意图。

图5是根据本发明的一个优选实施例的结构光三维视觉原理结构示意图。

图6是根据本发明的一个优选实施例的衍射光学元件的零阶大示意图。

图7是根据本发明的一个优选实施例的衍射光学元件的零阶小示意图。

图8是根据本发明的一个优选实施例的衍射光学元件的零阶扩散示意图。

图9是根据本发明的一个优选实施例的双面衍射光学元件示意图。

图10是根据本发明的一个优选实施例的离轴衍射光学元件示意图。

图11是根据本发明的一个优选实施例的衍射光学元件的制造过程示意图。

图12是根据本发明的一个优选实施例的衍射光学元件的制造过程示意图。

图13是根据本发明的一个优选实施例的衍射光学元件的制造过程示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

参考说明书附图4至图13，本发明所提供的所述衍射光学元件(DiffractiveOptical Elements，简称DOE)及其制造方法被阐述。

参考说明书附图4和图5，本发明所提供的DOE主要使用在3D结构光领域。3D结构光技术的基本原理是，通过近红外激光器，将具有一定结构特征的点阵投射到被拍摄物体上，再由专门的红外摄像头进行采集。这种具备一定结构的光线，会因被摄物体的不同深度区域，而采集不同的图像相位信息，然后通过运算单元将这种结构的变化换算成深度信息，以此来获得三维结构。简单来说就是，通过光学手段获取被拍摄物体的三维结构，再将获取到的信息进行更深入的应用。早在2009年的时候，微软就将3D结构光技术应用到Kinect之上，为Xbox的体感游戏带来硬件和技术支持。之所以隔了那么久才出现在手机上，是因为要实现这一技术的技术成本非常大。你要知道，当年微软为了让Kinect更好地工作，为Xbox配备了8核处理器、12组GPU运算单元、768个流处理器以及8GB运行内存的硬件配置。同理，为了让iPhone X实现3D结构光人脸识别，苹果专门研发了AI芯片，特地针对3D深度成像设立了独立的运算单元，保证面部识别的效率。当然安卓阵营也没有落后，高通为自家的骁龙旗舰处理器配备了AIE人工智能处理单元，同样对人脸识别的运算作出了优化。

双目结构光，是考虑到传统的单目结构光容易受光照的影响，在室外环境下，如果是晴天，激光器发出的编码光斑容易太阳光淹没掉，只有在阴天情况下勉强能用。而双目结构光可以在室内环境下使用结构光测量深度信息，在室外光照导致结构光失效的情况下转为纯双目的方式，其抗环境干扰能力、可靠性更强，深度图质量有更大提升空间。在双目结构光中同样需要DOE形成散斑点阵给所有的物体加了纹理，提高深度图质量。

参考说明书附图5，ToF是3D深度摄像头的其中一种方案，是结构光的同门师弟。ToF测距有单点和多点两种，其中手机上一般会用多点测距。多点测距的原理和脉冲的单点测距类似，但是其收光器件为CCD，即带电荷保持的光敏二极管阵列，对光响应具有积分特性。基本原理是激光源发射一定视野角激光，其中激光时长为dt(从t1到t2)，CCD每个像素利用两个同步触发开关S1(t1到t2)、S2(t2到t2+dt)来控制每个像素的电荷保持元件采集反射光强的时段，得到响应C1、C2。物体距离每个像素的距离L＝0.5*c*dt*c2/(c1+c2)，其中c是光速(该公式可以去除反射物反光特性差异对测距的影响)。简单来说就是，发出一道经过处理的光，碰到物体以后会反射回来，捕捉来回的时间，因为已知光速和调制光的波长，所以能快速准确计算出到物体的距离。(华为和Oppo都用上ToF方案)目前主流的TOF使用的是MLA(微透镜阵列)来进行均匀光场照明物体，未来也有可能使用DOE的点阵来照亮物体进行探测，DOE照明的优势在于点阵能量更强，照射及探测距离更远。如下表1，其显示有TOF和结构光的对比表。

表1

参考说明书附图6和附图7，DOE特殊处理工艺，零级是入射光束通过衍射光学元件(DOE)而不发生“衍射”的部分能量，这意味着入射光束的一部分只“服从”几何光线光学(反射和折射)方程。

尽管在某些情况下，零阶是设计图像(点阵列)的一部分，但与设计相比，其能量变化仍存在问题。零级可能会导致严重的效率下降，甚至在3D结构光的应用中对人眼安全造成威胁。

为了消除零级，有以下几种特殊的抑制零阶的方法，每种方法都有其优缺点：

参考说明书附图8，使用非准直入射光束，通过向DOE插入一个非准直/发散输入光束，零级将像光源一样继续发散，从而扩展到一个大区域，而不再是一个小的聚焦亮点，这种技术只适用于远场应用，零级会在背景的中心区域形成一定噪声，降低信噪比。业内有使用这种方法消除零极的。

参考说明书附图9，双面DOE设计，将DOE设计成双片结构，共同组成投射出最终pattern，这样的好处在于，第一片DOE产生的零级会被第二片DOE再分束一次(如3*3)，使最终的零级能量明显降低。缺点在于需要使用两片DOE，成本较高。这是Kinect之前使用的加工方案。

参考说明书附图10，离轴DOE方案，离轴方案将透射的pattern完全偏向零级的一侧方向，然后用挡块对零级进行遮挡，可完全消除零级，但是有一半的FOV无法利用，只适用于FOV较小的Pattern。这是本发明目前正在开发加工的类型。

参考说明书附图11至图13，根据本发明的另一方面，本发明进一步提供一种衍射光学元件的制造方法，其中所述方法包括：

确定衍射光学元件的参数；

设计衍射光学元件；

制作衍射光学元件母版；以及

组装形成衍射光学元件。

在确定衍射光学元件的参数步骤中，衍射光学元件的参数包括光源：波长，偏振态，发散角，光束直径，M2质量；目标图案：点数，发散角，工作距离，点间分离角度；整体参数：衍射效率，高/低频信噪比，零级百分比。

在设计衍射光学元件步骤中，包括DOE类型：振幅型/相位型，光束整形/光分束器/光束聚焦；设计参数：连续型/台阶型(台阶数)，仿真精度，迭代傅里叶变换算法(IFTA)，参数设计，指标的优化；输出加工文件：根据实际使用的材料及加工误差，将仿真得到的相位图转换为具体加工文件。

在制作衍射光学元件母版的步骤中，使用电子刻蚀等多种技术制作掩膜；利用接触式/投影式光刻机将多层掩膜图案制作在基地表面，并使用反应离子束刻蚀工艺进行加工，形成多台阶的表面微型浮雕结构，获得批量复制生产所用母版。

在组装形成衍射光学元件步骤中，根据顾客要求的材料/尺寸选择合适的工艺进行量产：热压印技术-聚碳酸酯(PC)/有机玻璃(PMMA)，紫外固化技术-丙烯酸酯类(Acrylat)，反应离子刻蚀-熔融石英(Fused silica)；可选择的在DOE表面镀增透膜，增加DOE的透过效率；对DOE晶圆进行精密切割形成符合尺寸规格的小片DOE。

进一步地，所述衍射光学元件的制造方法进一步包括对所述衍射光学元件进行检测，生产完成后，通过完善的测试流程对DOE的主要技术指标进行测量，包括DOE的尺寸，零级百分比，透过效率，畸变大小，成像对比度，均匀性等。

在衍射光学元件的制造过程中，首先确定DOE参数，客户的使用要求，如光源信息、目标图案、工作距离、光学效果，然后根据DOE类型选择特定算法进行DOE设计，目前主流的设计方法为标量的迭代傅里叶变换算法设计的相位型DOE(当微结构尺寸小于5个波长量级时，标量的迭代傅里叶变换算法不再准确，如要获得准确设计结果，需使用矢量设计方法，如耦合波理论(RCWA)。

其中DOE的光源主要为相干性较好的激光光源，如早期Kinect使用的边发射激光器(优点为激光功率大，可投射距离远，光源易获得)，以及目前广泛使用在手机、人脸支付领域的VCSEL(垂直腔面发射激光器，优点为激光波长稳定，激光器模组体积小，价格低)，同时，我们也在研发用于窄带LED光源的DOE(可使DOE的应用领域大大增加，如传统汽车、照明领域)。

设计完成后输出图纸进行DOE加工，根据不同的材料要求，DOE加工方式会不同：

Apple使用的DOE是纯石英材料，由台积电代工，在石英晶元表面直接刻蚀形成，本发明也支持这种类型的DOE加工，此类DOE光学效果好，性能稳定，但是成本相对较高。用类似工艺也可直接刻蚀硅、蓝宝石作为DOE。

国内安卓机使用的DOE主要是Polymer on Glass材料的，DOE的光学微结构是在微米级厚度树脂层，通过纳米压印在玻璃基底上形成完整器件。这种方式需要先加工出纳米压印所需母板，加工方式主要是半导体光刻工艺，直接加工出6、8、12寸晶圆作为母板，然后复制。此类型DOE性能良好，价格适中，这也是本发明DOE的主要加工方式

国外DOE的主要厂商为CDA、DNP，他们主要使用注塑工艺生产DOE，材质为纯树脂，如PMMA、PC等，这种类型的DOE价格低，性能稳定性相对较差，本发明目前有外协工厂可以加工。

目前国内，包括本发明主要使用的是纳米压印的生产方式，母板的加工工艺是基于半导体的工艺，光刻刻蚀、电子束、激光直写。纳米压印光刻技术可以大致分为热压印法、紫外固化法和微接触法。这三种压印方法各有特点，它们之间的比较见下表2

表2

工艺	热压印	紫外压印	微接触印刷
				环境	真空	UV光，真空选项	“Ink工艺”，乏真空
温度	高温	室温	室温
				压力	2-40kN	1-100N	1-40N
最小尺寸	<100nm	<15nm	<50nm
				深度比	1-6	1-4	无
多次压印	好	好	差
				多层压印	可以	可以	较难
套刻精度	较好	好	差
				模板类型	硬模板	硬、软模板	软模板
衬底尺寸	50-200mm	10-200mm	10-200mm

目前本发明主要使用的是紫外压印，兼顾了工艺成本和精度优势。同时，根据客户要求，本发明也能提供刻蚀的纯石英片，以及注塑的纯树脂片。

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须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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (10)

1.一种衍射光学元件的制造方法，其特征在于，包括：

确定衍射光学元件的参数；

设计衍射光学元件；

制作衍射光学元件母版；以及

组装形成衍射光学元件。

2.根据权利要求1所述的衍射光学元件的制造方法，进一步包括对所述衍射光学元件进行检测。

3.根据权利要求1所述的衍射光学元件的制造方法，其中在确定衍射光学元件的参数步骤中，所述衍射光学元件的参数包括光源、M2、目标图案、整体参数。

4.根据权利要求3所述的衍射光学元件的制造方法，其中确定衍射光学元件的参数步骤中，包括确定所述光源的波长、偏振态、发散角、发散直径。

5.根据权利要求3所述的衍射光学元件的制造方法，其中确定衍射光学元件的参数步骤中，包括确定所述M2的质量。

6.根据权利要求3所述的衍射光学元件的制造方法，其中确定衍射光学元件的参数步骤中，包括确定所述目标图案的点数、发散角、工作距离以及点间距离。

7.根据权利要求3所述的衍射光学元件的制造方法，其中确定衍射光学元件的参数步骤中，包括确定衍射效率、高低频信噪比以及零级百分比。

8.根据权利要求1所述的衍射光学元件的制造方法，其中在设计衍射光学元件步骤中，包括设计衍射光学元件的类型和设计参数。

9.根据权利要求1所述的衍射光学元件的制造方法，其中在设计衍射光学元件步骤中，包括使用电子刻蚀等多种技术制作掩膜；利用接触式/投影式光刻机将多层掩膜图案制作在基地表面，并使用反应离子束刻蚀工艺进行加工，形成多台阶的表面微型浮雕结构。

10.根据权利要求1所述的衍射光学元件的制造方法，其中所述衍射光学元件的模板基底是石英。

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