CN113325595A - 一种衍射光学元件及光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种衍射光学元件及光学设备，应用于光学衍射技术领域，该衍射光学元件包括：基板，和多个光学微结构，光学微结构沿垂直基板方向的投影轮廓包括沿第一方向相对设置的第一边界和第三边界，以及沿第二方向相对设置的第二边界和第四边界，第一边界、第二边界、第三边界和第四边界依次平滑连接；第一边界和第三边界沿第一方向的间距先逐渐减小再逐渐增大；光学微结构的尺寸参数满足以下条件中的至少一项：

大于或者等于0.228；

大于或者等于0.684；其中，C为光学微结构沿第二方向的最小尺寸；X为光学微结构所对应的矩形设置区域的对角线尺寸；D为光学微结构沿第二方向最小尺寸的线段对应的中垂线方向的尺寸。

Description

一种衍射光学元件及光学设备

技术领域

本发明实施例涉及光学衍射技术领域，尤其涉及一种衍射光学元件及光学设备。

背景技术

目前，在通过光飞行时间技术(Time of Flight，TOF)或者结构光进行深度检测或者三维检测的过程中，需要通过衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)将发射的光源信号进行衍射，得到多束衍射光信号进行计算。现有的衍射光学元件进行衍射的时候，存在衍射光信号能量损耗较大，或者衍射光信号之间能量分布不均匀的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种衍射光学元件及光学设备，用以解决现有技术中衍射光学元件进行衍射的时候，存在衍射光信号能量损耗较大，或者衍射光信号之间能量分布不均匀的问题。为了解决上述技术问题，本发明实施例是这样实现的：

第一方面，提供一种衍射光学元件，所述衍射光学元件包括：

基板，所述基板上阵列排布有多个矩形设置区域；

多个光学微结构，所述光学微结构沿垂直所述基板方向的投影轮廓位于对应的所述矩形设置区域内；所述投影轮廓包括沿第一方向相对设置的第一边界和第三边界，以及沿第二方向相对设置的第二边界和第四边界，所述第一边界、第二边界、第三边界和第四边界依次平滑连接；所述第二边界和所述第四边界沿所述第二方向的间距先逐渐减小再逐渐增大；其中，所述第一方向与所述第二方向垂直；

所述光学微结构的尺寸参数满足以下条件中的至少一项：

大于或者等于0.229；

大于或者等于0.685；

其中，C为所述光学微结构沿所述第二方向的最小尺寸；X为所述光学微结构所对应的矩形设置区域的对角线尺寸；D为所述光学微结构沿所述第二方向最小尺寸的线段对应的中垂线方向的尺寸。

通过该方案，衍射光学元件可以包括基板，基板上阵列排布有多个矩形设置区域；以及多个光学微结构，光学微结构沿垂直基板方向的投影轮廓位于对应的矩形设置区域内；每个光学微结构的尺寸参数可以满足以下条件中的至少一项：

大于或者等于0.228，

大于或者等于0.684；其中，C为光学微结构沿第二方向的最小尺寸；X为光学微结构所对应的矩形设置区域的对角线尺寸；D为光学微结构沿第二方向最小尺寸的线段对应的中垂线方向的尺寸。本发明实施例通过对光学微结构的尺寸参数进行限定，可以降低衍射光学元件在衍射过程中的能量损耗，并且提高衍射过程的能量分布均匀度，以使得衍射效率和衍射均匀度达到标准要求。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例的第一方面中，所述光学微结构的尺寸参数还满足以下条件中的至少一项：

小于或者等于0.405，

小于或者等于0.805。

通过该方案，为

和

设置上限，以使得该衍射光学元件上的光学微结构的形状限定在范围内，降低衍射光学元件在衍射过程中的能量损耗，并且提高衍射过程的能量分布均匀度。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例的第一方面中，所述光学微结构的尺寸参数还满足以下条件中的至少一项：

61.4°≤θ≤82.3°，4.7°≤θ_A≤14.1°，68.6°≤θ_B≤92.2°，31.7°≤θ_D≤55.9°；

其中，P1为所述光学微结构所对应的矩形设置区域的第一边界的尺寸，P2为所述光学微结构所对应的矩形设置区域的第二边界的尺寸，所述第一边界和所述第二边界相互垂直；A为所述光学微结构在第一边界方向上的最边缘的两个端点形成的第一对角线的长度，B为所述光学微结构在第二边界方向上的最边缘的两个端点形成的第二对角线的长度；θ为所述第一对角线与所述第二对角线之间的夹角，θ_A为所述第一对角线与所述第一边界方向之间的夹角，θ_B为所述第二对角线与所述第一边界方向之间的夹角，θ_D为所述第一方向与所述第一边界方向的夹角。

通过该方案，进一步的限定衍射光学元件上的光学微结构的其他尺寸参数，以使得光学微结构更加具体，降低衍射光学元件在衍射过程中的能量损耗，并且提高衍射过程的能量分布均匀度。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例的第一方面中，

58.98°≤θ≤81.3°，3°≤θ_A≤9°，84°≤θ_B≤89.2°，38°≤θ_D≤57.62°。

通过该方案，进一步缩小光学微结构的尺寸参数，提高衍射光学元件的光学性能。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例的第一方面中，所述光学微结构为中心对称结构。

通过该方案，限定光学微结构为中心对称结构，提高衍射光学元件的光学性能。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例的第一方面中，所述光学微结构沿垂直所述基板方向的厚度大于或者等于0.86um，小于或者等于1.2um。

通过该方案，限定光学微结构的厚度范围，提高衍射光学元件的光学性能。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例的第一方面中，多个所述光学微结构包括M*N个所述光学微结构，多个所述矩形设置区域包括M*N个所述矩形设置区域，M*N个所述光学微结构与M*N个所述矩形设置区域一一对应，M和N均为大于或者等于10的整数。

通过该方案，限定衍射光学元件的光学微结构数量，以使得衍射光学元件的衍射效率和衍射均匀度达到标准要求。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例的第一方面中，所述衍射光学元件还包括：

余胶层，所述余胶层设置于所述光学微结构与所述基板之间，用于将所述光学微结构固定在所述基板上。

通过该方案，限定衍射光学元件的组成结构，引入余胶层。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例的第一方面中，所述余胶层的折射率大于或者等于1.5，小于或者等于1.6。

通过该方案，限定余胶层的折射率范围。

第二方面，提供一种光学设备，所述光学设备包括：

激光发射器，用于作为光源发射激光光束；

如本发明实施例第一方面所述的衍射光学元件，所述衍射光学元件用于对所述激光发射器发射的所述激光光束进行衍射。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例中，衍射光学元件可以包括基板，基板上阵列排布有多个矩形设置区域；以及多个光学微结构，光学微结构沿垂直基板方向的投影轮廓位于对应的矩形设置区域内；每个光学微结构的尺寸参数可以满足以下条件中的至少一项：

大于或者等于0.228，

大于或者等于0.684；其中，C为光学微结构沿第二方向的最小尺寸；X为光学微结构所对应的矩形设置区域的对角线尺寸；D为光学微结构沿第二方向最小尺寸的线段对应的中垂线方向的尺寸。本发明实施例通过对光学微结构的尺寸参数进行限定，可以降低衍射光学元件在衍射过程中的能量损耗，并且提高衍射过程的能量分布均匀度，以使得衍射效率和衍射均匀度达到标准要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种衍射光学元件的平面结构示意图一；

图2是本发明实施例提供的一种光学微结构的结构示意图一；

图3是本发明实施例提供的一种光学微结构的结构示意图二；

图4是本发明实施例提供的一种光学微结构的结构示意图三；

图5是本发明实施例提供的一种衍射光学元件的立体结构示意图一；

图6是本发明实施例提供的一种衍射光学元件的剖面结构示意图一；

图7是本发明实施例提供的一种衍射光学元件的立体结构示意图二；

图8是本发明实施例提供的一种衍射光学元件的剖面结构示意图二；

图9是本发明实施例提供的一种衍射光学元件的剖面结构示意图三；

图10是本发明实施例提供的一种衍射光学元件的平面结构示意图二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。例如，第一端部和第二端部等是用于区别不同的端部，而不是用于描述端部的特定顺序。

本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，本发明实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

DOE通常采用微纳刻蚀工艺构成二维分布的光学微结构，每个光学微结构可以有特定的形貌、折射率等，对激光波前位相分布进行精细调控。激光经过每个衍射单元后发生衍射，并在一定距离(通常为无穷远或透镜焦平面)处产生干涉，形成特定的光强分布。衍射光学元件问世后在高功率激光、激光加工、激光医疗、显微成像、激光雷达、结构光照明、激光显示等等领域展现了巨大的应用潜力。

相关技术中，在通过TOF或者结构光进行深度检测或者三维检测的过程中，需要通过DOE将发射的光源信号进行衍射，得到多束衍射光信号进行计算。现有的衍射光学元件进行衍射的时候，存在衍射光信号能量损耗较大，或者衍射光信号之间能量分布不均匀的问题。

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种衍射光学元件及光学设备，衍射光学元件可以包括基板，基板上阵列排布有多个矩形设置区域；以及多个光学微结构，光学微结构沿垂直基板方向的投影轮廓位于对应的矩形设置区域内；每个光学微结构的尺寸参数可以满足以下条件中的至少一项：

大于或者等于0.228，

大于或者等于0.684；其中，C为光学微结构沿第二方向的最小尺寸；X为光学微结构所对应的矩形设置区域的对角线尺寸；D为光学微结构沿第二方向最小尺寸的线段对应的中垂线方向的尺寸。本发明实施例通过对光学微结构的尺寸参数进行限定，可以降低衍射光学元件在衍射过程中的能量损耗，并且提高衍射过程的能量分布均匀度，以使得衍射效率和衍射均匀度达到标准要求。

如图1所示，本发明实施例提供一种衍射光学元件，该衍射光学元件可以包括：基板11和多个光学微结构12；

其中，基板11上阵列排布有多个矩形设置区域111；每个光学微结构12沿垂直基板11方向的投影轮廓位于对应的矩形设置区域111内。

需要说明的是，多个光学微结构12中的每个光学微结构12均相同，以其中一个光学微结构12为例进行说明。

在本发明实施例中，如图2所示，该光学微结构12包括沿第一方向m相对设置的第一边界121和第三边界123，以及沿第二方向n相对设置的第二边界122和第四边界124；第一边界121和第三边界123沿第一方向m的间距先逐渐减小再逐渐增大。

其中，第一边界121、第二边界122、第三边界123和第四边界124依次平滑连接，第一方向m与第二方向n互相垂直。

示例性的，第一方向m为第二边界122与第四边界124之间连线的方向，在图2中以箭头m表示。

示例性的，第二方向n为第一边界121与第三边界123之间连线的方向，在图2中以箭头n表示。

在本发明实施例中，如图3所示，每个光学微结构12的尺寸参数可以包括：C为光学微结构12沿第二方向n的最小尺寸；D为光学微结构12第二方向n最小尺寸的线段对应的中垂线方向的尺寸；X为光学微结构12所对应的矩形设置区域111的对角线的尺寸。

在本发明实施例中，每个光学微结构12的尺寸参数满足的条件可以包括以下实现方式：

实现方式一：

可以大于或者等于0.228。

进一步的，

可以大于或者等于0.283。

进一步的，

还可以小于或者等于0.405。

实现方式二：

可以大于或者等于0.684。

进一步的，

可以大于或者等于0.692。

进一步的，

还可以小于或者等于0.805。

实现方式三：

可以大于或者等于0.228，且

可以大于或者等于0.684。

进一步的，

还可以大于或者等于0.283，且

还可以大于或者等于0.692。

进一步的，

还可以小于或者等于0.405，且

还可以小于或者等于0.805。

可选的，如图3所示，每个光学微结构12为中间窄、两边宽的结构。

可选的，每个光学微结构12可以为轴对称结构。

其中，每个光学微结构12可以沿第二方向n的最小尺寸所在直线对称，即沿线段C所在直线对称；每个光学微结构12还可以沿第二方向n的最小尺寸所在直线的中垂线对称，即沿线段D所在直线对称。

进一步的，每个光学微结构12还可以为中心对称结构。

其中，每个光学微结构12的中心点可以为沿第二方向n的最小尺寸所在直线与第二方向n的最小尺寸所在直线的中垂线之间的交点，即线段C和线段D之间的交点。

通过大量实验可以得到，相比于采用其他形状作为光学微结构的形状，采用该中间窄、两边宽的结构作为光学微结构的形状，可以在后续的优化算法中使光束能量的误差函数更快地收敛到全局最优解，即可以使分束后的光束能量相对于期望值具有更小的误差，从而更准确地获得满足需求的光束能量分布。

作为一种可选的实现方式，如图3所示，P1为光学微结构12所对应的矩形设置区域111的第一边界的尺寸，P2为光学微结构12所对应的矩形设置区域111的第二边界的尺寸，第一边界和第二边界相互垂直；A为光学微结构12在第一边界方向上的最边缘的两个端点形成的第一对角线的长度，B为光学微结构12在第二边界方向上的最边缘的两个端点形成的第二对角线的长度；θ为第一对角线与第二对角线之间的夹角，θ_A为第一对角线与第一边界方向之间的夹角，θ_B为第二对角线与第一边界方向之间的夹角，θ_D为第一方向与第一边界方向的夹角。

可选的，每个光学微结构12的尺寸参数满足的条件还可以包括：

(1)

(2)

(3)61.3°≤θ≤82.4°；

(4)4.6°≤θ_A≤14.2°；

(5)68.5°≤θ_B≤92.3°；

(6)31.6°≤θ_D≤56.0°。

需要说明的是，矩形设置区域111的第一边界和矩形设置区域111的第二边界分别为矩形设置区域111相邻的两条边界。

可选的，如图3所示，第一边界方向x为第一边界的方向，在图3中以箭头x表示；第二边界方向y为第二边界的方向，在图3中以箭头y表示。

可选的，P1还可以为光学微结构与在第一边界方向上相邻的光学微结构的对应端点之间连线的尺寸，P2还可以为光学微结构与在第二边界方向上相邻的光学微结构的对应端点之间连线的尺寸。

示例性的，如图4所示，在该第一光学微结构12a的第一边界方向x上还有另一个相同的第二光学微结构12b，在该第一光学微结构12a的第二边界方向y上还有另一个相同的第三光学微结构12c，那么P1可以为第一光学微结构12a的任一边界点K与第二光学微结构12b的与第一光学微结构12a的边界点K对应的边界点K’之间线段的尺寸，P2可以为第一光学微结构12a的任一边界点K与第三光学微结构12c的与第一光学微结构12a的边界点K对应的边界点K”之间线段的尺寸。

需要说明的是，图4中的12a、12b和12c，只是为了区别三个位于不同位置的光学微结构，该三个光学微结构是相同的光学微结构。

可选的，第一边界方向比第二边界方向靠近第一对角线的方向，第二边界方向比第一边界方向靠近第二对角线的方向。即第一边界方向与第一对角线之间的夹角，小于第二边界方向与第一对角线之间的夹角；第二边界方向与第二对角线之间的夹角，小于第一边界方向与第二对角线之间的夹角。

示例性的，如图3所示，第一边界方向x比第二边界方向y靠近第一对角线的方向，即第一边界方向x与第一对角线之间的夹角，小于第二边界方向y与第一对角线之间的夹角；第二边界方向y比第一边界方向x靠近第二对角线的方向，即第二边界方向y与第二对角线之间的夹角，小于第一边界方向x与第二对角线之间的夹角。

进一步的，如果第一边界方向和第二边界方向形成二维坐标系，在考虑坐标值的正负的情况下，在第一边界方向上用于形成第一对角线的最边缘的两个端点中，其中一个端点是该光学微结构内在第一边界方向上取得最小坐标值的点，另一个端点是该光学微结构内的在第二边界方向上取得最大坐标值的点；同理，在第二边界方向上用于形成第二对角线的最边缘的两个端点中，其中一个端点是该光学微结构内的在第二边界方向上取得最小坐标值的点，另一个端点是该光学微结构内的在第二边界方向上取得最大坐标值的点。

进一步的，每个光学微结构12的尺寸参数满足的条件还可以包括：

(1)

(2)

(3)58.98°≤θ≤81.3°；

(4)3°≤θ_A≤9°；

(5)84°≤θ_B≤89.2°；

(6)38°≤θ_D≤57.62°。

示例性的，为了使得每个光学微结构12的尺寸参数满足上述条件，下表1给出了本发明实施例中的光学微结构12的七组具体参数值，其中，P1、P2、A、B、C、D的单位均为微米(um)。

表1

编号	(1)	(2)	(3)	(4)	(5)	(6)	(7)
								A/um	1.991	8.561	3.483	2.492	6.356	2.603	6.061
B/um	1.980	6.880	2.843	3.528	3.707	4.035	4.013
								C/um	0.962	3.255	1.397	1.401	1.165	2.728	1.554
D/um	2.046	8.005	3.313	3.247	2.533	5.291	2.800
								P1/um	2.090	8.980	3.700	2.580	6.697	2.648	6.594
P2/um	2.090	7.140	3.000	3.400	4.093	4.113	4.162
								X/um	2.956	11.473	4.763	4.268	7.849	7.623	7.798
θ/°	78.1488	81.3004	78.9240	72.4679	63.2534	58.9816	60.0726
								θ<sub>A</sub>/°	6.0542	3.7384	8.7641	6.5093	7.1863	7.1481	7.1620
θ<sub>B</sub>/°	84.2030	85.0388	87.6881	84.8269	85.7953	85.8213	89.1184
								θ<sub>D</sub>/°	47.9712	39.6290	57.3808	53.1089	51.7766	54.2578	57.6115

根据A、B、C、D、P1、P2、X的参数值，可以通过计算得到每一组的

以及

参数值，如下表2。

表2

在实验之后，可以对实验数据进行处理，得到参数范围，具体可以包括以下实现方式：

实现方式一：对实验数据进行筛选，将每一参数数据与标准参数数据的差值大于预设差值的参数数据删除，得到剩余的实验数据；并根据每一实验数据，划定每一参数的参数范围。

示例性的，假设θ_D的标准数据为47°，预设差值为8°。那么经过计算，可以看出，第三组θ_D数据与标准数据的差值为10.3808°，第七组θ_D数据与标准数据的差值为10.6115°，均大于8°，那么可以将这两个数据删除，得到再标准范围内的五个θ_D数据，再根据剩余五个数据划定参数范围，即可得到θ_D范围为39.6°≤θ_D≤54.3°。

实现方式二：根据标准参数数据划定合适范围，以使得划入范围内的参数数据数量与总数量的比值大于预设比值。

示例性的，假设θ_D的标准数据为47°，预设比值为80％。经过计算，划入范围内的参数数据数量为6个，那么将七组θ_D数据中与标准数据差值最大的数据即57.6115删除，并根据剩余六个数据中与标准数据差值最大的数据划定范围，即可得到θ_D范围为36.6°≤θ_D≤57.4°。

可选的，每个光学微结构形成在基板上，基板可以为光透射基板(例如，透明基板)。该基板还可以为硅晶体或者二氧化硅的薄片。该基板的材料可以是鹏硅酸钠玻璃、蓝宝石或者熔融硅石中的一种或者多种。

可选的，该基板还可以包括电介质材料层、光透明材料层或者抗反射材料层，该抗反射材料可以在光通过衍射光学元件时减小反射。形成该抗反射材料层的材料可以是二氧化钛。

可选的，光学微结构的材料可以为无影胶(Ultraviolet Rays胶，UV胶)。

可选的，衍射光学元件的制作过程，具体可以包括两种实现方式：

实现方式一：可以先在基板上形成一层余胶层，并通过压印的方式，在该余胶层上形成多个光学微结构。

可选的，基板的厚度为0.3毫米(mm)，光学微结构沿垂直基板方向的厚度处于0.86um～1.2um范围内，余胶层的厚度为1.2um，余胶层的折射率处于1.5～1.6范围内。

示例性的，如图5所示为衍射光学元件的结构图，如图6所示为该衍射光学元件的剖面结构图，余胶层13存在于整个基板11上。

可选的，该余胶层13可以是UV胶层，还可以为两液混合硬化胶层。

可选的，压印是将板料放在上、下模之间，在压力作用下使其材料厚度发生变化，并将挤压外的材料，充塞在有起伏细纹的模具形腔凸、凹处，而在工件表面得到形成起伏及字样或花纹的一种成形方法。在本发明实施例中，可以先在基板上涂覆UV胶，再使用具有光学微结构的三维轮廓的模具在UV胶层上进行压印，并重复多个压印步骤以得到整个衍射光学元件。

实现方式二：可以直接将多个光学微结构固定在基板上。

可选的，在衍射光学元件的制作过程中，可以先在基板上的每个矩形设置区域中涂抹适量胶水，再将每个光学微结构固定在每个矩形设置区域中。在每个光学微结构与矩形设置区域中的胶水起固定作用，可以被称为余胶层。

示例性的，如图7所示为衍射光学元件的结构图，如图8所示为该衍射光学元件的剖面结构图，余胶层13仅存在于基板11与每个光学微结构12之间。

可选的，该余胶层13可以是UV胶层。

可选的，图5、图6、图7和图8所示的光学微结构是形成在基板上的凸起结构，但在实际应用中，也可以将光学微结构设计成凹陷结构；先在基板上形成一层余胶层，通过具有光学微结构的三维轮廓的模具在余胶层中压制出凹陷的具有光学微结构的三维轮廓的空间，再使用UV胶进行填充以得到整个衍射光学元件。本发明实施例不做限定。

示例性的，如图9所示为凹陷型衍射光学元件的剖面结构图。

可选的，当光学微结构为凹陷结构时，余胶层可以为与光学微结构材质不同的两液混合硬化胶层。

可选的，该衍射光学元件中可以包括多个光学微结构，该多个光学微结构的数量可以大于或者等于2。

可选的，该衍射光学元件中可以包括M*N个光学微结构，在基板上可以包括M*N个矩形设置区域，该M*N个光学微结构与M*N个矩形设置区域一一对应。

其中，M和N均为大于或者等于10的整数，即在基板上可以阵列排布至少100个光学微结构。

示例性的，如图10所示，在基板11上可以阵列排布121个光学微结构12。

可选的，为了在工艺上实现该骨头状的微结构，每个光学微结构12所对应的矩形设置区域111的尺寸也应满足工艺加工的条件，不能过小，否则不易加工。

示例性的，每个光学微结构12所对应的矩形设置区域111的第一边界的尺寸和第二边界的尺寸通常大于或者等于1um。

可选的，在实验过程中，通常根据衍射效率和衍射均匀度表征衍射光学元件的性能。

需要说明的是，衍射光学元件用于对单束光进行衍射，得到P*P个衍射散斑，该P*P个衍射散斑呈阵列排布，P为大于或者等于1的整数。

可选的，衍射效率等于该P*P个衍射散斑的总光强与单束光的光强的比值。该比值越小，衍射光学元件的衍射效率越低，衍射光学元件的性能越差；该比值越大，衍射光学元件的衍射效率越高，衍射光学元件的性能越好。

需要说明的是，该P*P个衍射散斑的总光强为所有衍射散斑的光强之和，衍射散斑对应的光强可以通过衍射散斑的灰度值换算得到，也可以通过光电传感器检测得到。

可选的，衍射均匀度等于灰度值最大的衍射散斑的第一光强与灰度值最小的衍射散斑的第二光强之和与第一光强与第二光强之差的比值。该比值越小，衍射光学元件的衍射均匀度越好，衍射光学元件的性能越好；该比值越大，衍射光学元件的衍射均匀度越差，衍射光学元件的性能越差。

需要说明的是，第一光强可以通过灰度值最大的衍射散斑的灰度值换算得到，也可以通过光电传感器检测得到；第二光强可以通过灰度值最小的衍射散斑的灰度值换算得到，也可以通过光电传感器检测得到。

可选的，该衍射效率可以大于或者等于75％，该衍射均匀度可以大于或者等于90％。

示例性的，本发明实施例提供了一种衍射光学元件，该衍射光学元件可以将单束光衍射为3*3个衍射散斑，因此也可以称为3*3衍射光学元件。单束光经过衍射光学元件后形成的3*3个衍射散斑之间的相对能量还需要通过对上述参数值的具体优化来实现，不同的参数值可以得到不同的能量分布情况。

进一步的，本发明实施例的衍射光学元件上的每个光学微结构的尺寸参数还可以进行细微调整，例如沿第二方向的最小尺寸及其中垂线的长度和位置、光学微结构的边缘弧度等细节，在设定的参数范围内可以不断进行优化调整，从而得到满足各种能量分布需求的3*3衍射光学元件。

本发明实施例的衍射光学元件可以应用深度检测或者三维检测中，例如应用在基于TOF或者结构光的深度检测或者三维检测中。

本发明实施例提供一种衍射光学元件，衍射光学元件可以包括基板，基板上阵列排布有多个矩形设置区域；以及多个光学微结构，光学微结构沿垂直基板方向的投影轮廓位于对应的矩形设置区域内；每个光学微结构的尺寸参数可以满足以下条件中的至少一项：

大于或者等于0.228，

大于或者等于0.684；其中，C为光学微结构沿第二方向的最小尺寸；X为光学微结构所对应的矩形设置区域的对角线尺寸；D为光学微结构沿第二方向最小尺寸的线段对应的中垂线方向的尺寸。本发明实施例通过对光学微结构的尺寸参数进行限定，可以降低衍射光学元件在衍射过程中的能量损耗，并且提高衍射过程的能量分布均匀度，以使得衍射效率和衍射均匀度达到标准要求。

可选的，每个光学微结构的第一边界和第三边界向内凹陷，第二边界和第四边界向外凸出。

可选的，第二边界和第四边界存在向外凸出的弧度，即过第二边界的任一个端点做第二边界的第一切线，该第一切线与第二边界的两个端点之间连线的第一角度大于0；同理，过第四边界的任一个端点做第四边界的第二切线，该第二切线与第四边界的两个端点之间连线的第二角度大于0。

进一步的，第一角度和第二角度相等。

进一步的，第一角度和第二角度可以小于30°。

可选的，该第一边界和第三边界满足反比例函数。

其中，反比例函数的公式为

p为系数(可以称为：形貌参数)，可以通过调整p的大小从而改变光学微结构的尺寸。

可选的，当p越大，在第一边界和第三边界的端点固定的情况下，该光学微结构的第一边界和第三边界之间连线的尺寸越大；当p越小，在第一边界和第三边界的端点固定的情况下，该光学微结构的第一边界和第三边界之间连线的尺寸越小。

可选的，形貌参数p可以大于或者等于500，且小于或者等于6000。

进一步的，形貌参数p可以大于或者等于500，且小于或者等于3600。

本发明实施例还提供一种光学设备，包括：激光发射器，该激光发射器用于作为光源发射激光光束；以及，上述实施例中的衍射光学元件，该衍射光学元件用于对激光发射器发射的激光光束进行衍射。

示例性的，该激光发射器可以是垂直共振腔面发射型激光器(Vertical-CavitySurface-Emitting Laser，VCSEL)，半导体纳米激光发射器等。

可选的，该光学设备还可以包括：准直镜，该准直镜设置于激光发射器与衍射光学元件之间，可以对激光发射器发射的激光光束进行校准，将发散光路校准为平行光路；并将校准后的平行光路传输到衍射光学元件中进行衍射。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物单元，即可位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

上述集成的单元若以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可获取的存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或者部分，可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干请求用以使得一台计算机设备(可以为个人计算机、服务器或者网络设备等，具体可以是计算机设备中的处理器)执行本发明的各个实施例上述方法的部分或全部步骤。

Claims (10)

1.一种衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件包括：

基板，所述基板上阵列排布有多个矩形设置区域；

多个光学微结构，所述光学微结构沿垂直所述基板方向的投影轮廓位于对应的所述矩形设置区域内；所述投影轮廓包括沿第一方向相对设置的第一边界和第三边界，以及沿第二方向相对设置的第二边界和第四边界，所述第一边界、第二边界、第三边界和第四边界依次平滑连接；所述第一边界和所述第三边界沿所述第一方向的间距先逐渐减小再逐渐增大；其中，所述第一方向与所述第二方向垂直；

所述光学微结构的尺寸参数满足以下条件中的至少一项：

大于或者等于0.228；

大于或者等于0.684；

其中，C为所述光学微结构沿所述第二方向的最小尺寸；X为所述光学微结构所对应的矩形设置区域的对角线尺寸；D为所述光学微结构沿所述第二方向最小尺寸的线段对应的中垂线方向的尺寸。

2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述光学微结构的尺寸参数还满足以下条件中的至少一项：

小于或者等于0.405，

小于或者等于0.805。

3.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述光学微结构的尺寸参数还满足以下条件中的至少一项：

61.3°≤θ≤82.4°，4.6°≤θ_A≤14.2°，68.5°≤θ_B≤92.3°，31.6°≤θ_D≤56.0°；

其中，P1为所述光学微结构所对应的矩形设置区域的第一边界的尺寸，P2为所述光学微结构所对应的矩形设置区域的第二边界的尺寸，所述第一边界和所述第二边界相互垂直；A为所述光学微结构在第一边界方向上的最边缘的两个端点形成的第一对角线的长度，B为所述光学微结构在第二边界方向上的最边缘的两个端点形成的第二对角线的长度；θ为所述第一对角线与所述第二对角线之间的夹角，θ_A为所述第一对角线与所述第一边界方向之间的夹角，θ_B为所述第二对角线与所述第一边界方向之间的夹角，θ_D为所述第一方向与所述第一边界方向的夹角。

4.根据权利要求3所述的衍射光学元件，其特征在于，

58.98°≤θ≤81.3°，3°≤θ_A≤9°，84°≤θ_B≤89.2°，38°≤θ_D≤57.62°。

5.根据权利要求1至4所述的衍射光学元件，其特征在于，所述光学微结构为中心对称结构。

6.根据权利要求1至4所述的衍射光学元件，其特征在于，所述光学微结构沿垂直所述基板方向的厚度大于或者等于0.86um，小于或者等于1.2um。

7.根据权利要求1至4所述的衍射光学元件，其特征在于，多个所述光学微结构包括M*N个所述光学微结构，多个所述矩形设置区域包括M*N个所述矩形设置区域，M*N个所述光学微结构与M*N个所述矩形设置区域一一对应，M和N均为大于或者等于10的整数。

8.根据权利要求1至4所述的衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件还包括：

余胶层，所述余胶层设置于所述光学微结构与所述基板之间，用于将所述光学微结构固定在所述基板上。

9.根据权利要求8所述的衍射光学元件，其特征在于，所述余胶层的折射率大于或者等于1.5，小于或者等于1.6。

10.一种光学设备，其特征在于，所述光学设备包括：

激光发射器，用于作为光源发射激光光束；

如权利要求1至9任一项所述的衍射光学元件，所述衍射光学元件用于对所述激光发射器发射的所述激光光束进行衍射。

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