CN113467077A - 衍射光学元件的设计方法以及分区匀光照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种衍射光学元件的设计方法，包括：S101：确定光源的参数以及所述衍射光学元件的目标光场；S102：根据所述光源的参数，确定所述衍射光学元件上多个第一微结构单元的分布；S103：将所述目标光场划分为多个目标图，所述多个目标图叠加后形成所述目标光场，每个所述第一微结构单元对应其中一个所述目标图；S104：对所述多个目标图分别进行畸变预校正；和S105：根据校正后的所述多个目标图以及所述光源的参数，分别设计对应的所述多个第一微结构单元的相位分布。本发明的实施例采用VCSEL分区光源与衍射光学元件相结合，可投射出清晰、无畸变的大视场角匀光光场；将该衍射光学元件应用于分区匀光照明系统中，为DTOF系统所需的匀光照明提供了技术保障。

Description

衍射光学元件的设计方法以及分区匀光照明系统

技术领域

本发明大致涉及激光显示技术领域，尤其涉及一种衍射光学元件的设计方法、衍射光学元件以及分区匀光照明系统。

背景技术

目前手机行业现有的TOF(Time-Of-Flight)方案是间接飞行时间(IndirectTime-Of-Flight),利用间接的方案，例如发射光场和接收光场的相位变化，计算目标物体的距离，与直接时间戳的飞行时间测距对比，间接测量的误差较大，例如测试多目标时，会折合成平均值，算出一个距离，而且间接测量环境噪声影响大。直接利用时间戳进行飞行时间测距，可以解决这些问题。设计用于直接飞行时间(Direct Time-Of-Flight)的传感器，需要实现目标光场的分区均匀照明。此外，在其他很多的具体应用场景中，也需要提供一定范围内的均匀分布的光场。

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是广泛使用的激光器。一些衍射光学元件(DOE)的匀光片是针对整个VCSEL芯片发射的光场进行匀光。但DOE工作于投射大视角的目标光场时，在视场角较大的目标光场区域，光场发生了枕形的畸变，且视场角越大，枕形畸变越严重，从而影响了3D信息的重建。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种衍射光学元件的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：

S101：确定光源的参数以及所述衍射光学元件的目标光场；

S102：根据所述光源的参数，确定所述衍射光学元件上多个第一微结构图案单元的分布；

S103：将所述目标光场划分为多个目标图，所述多个目标图叠加后形成所述目标光场，每个所述第一微结构图案单元对应其中一个所述目标图；

S104：对所述多个目标图分别进行畸变预校正；和

S105：根据校正后的所述多个目标图以及所述光源的参数，分别设计对应的所述多个第一微结构图案单元的相位分布。

根据本发明的一个方面，其中所述步骤S104包括：对所述多个目标图分别进行从平面到球面的针对枕形畸变的反向校正。

根据本发明的一个方面，其中所述多个目标图包括多个条形光场，所述步骤S104还包括：

对所述多个条形光场进行桶形校正，校正的幅度随视场角增大而增大。

根据本发明的一个方面，其中所述光源包括多个条形VCSEL光源阵列，所述步骤S102还包括：

根据所述多个条形VCSEL光源阵列的位置分布，将所述衍射光学元件划分成多个条形的所述第一微结构图案单元，使得所述多个条形VCSEL光源阵列与所述多个条形第一微结构图案单元一一对应，每个条形VCSEL光源阵列照射在相对应的条形第一微结构图案单元上。

根据本发明的一个方面，其中，所述步骤S102还包括：

将所述第一微结构图案单元沿着条形的长度方向划分成多个第一微结构子单元。

根据本发明的一个方面，其中所述步骤S105包括：

根据所述校正后的目标图，设计对应的所述第一微结构子单元的相位分布。

根据本发明的一个方面，其中：

所述衍射光学元件还包括在所述多个第一微结构图案单元的外围设置多个第二微结构图案单元，使得来自所述光源的入射光斑全部照射在所述衍射光学元件上。

根据本发明的一个方面，所述设计方法还包括：

根据所述第二微结构图案单元相邻的第一微结构图案单元的目标图和所述光源参数，设计对应的第二微结构图案单元的相位分布。

根据本发明的一个方面，其中所述第二微结构图案单元被划分成与所述第一微结构子单元相同尺寸的多个第二微结构子单元，所述设计方法还包括：

根据每个所述第二微结构子单元和与其最邻近的第一微结构子单元的相对位置，计算偏心光源坐标，并根据所述偏心光源坐标和所述最邻近的第一微结构子单元的目标图，分别设计对应的每个所述第二微结构子单元的相位分布。

本发明还提供一种衍射光学元件，使用如上文所述的设计方法设计。

本发明还提供一种匀光照明系统，包括如上文所述的衍射光学元件。

本发明的优选实施例提供了一种衍射光学元件的设计方法，根据VCSEL分区光源将衍射光学元件划分为多个第一微结构图案单元，多个第一微结构图案单元分别对应VCSEL分区光源的其中一个光源阵列以及部分目标光场，根据光源阵列的参数、校正后的部分光场，对衍射光学元件的第一微结构图案单元进行相位分布的设计。本发明还提供一种衍射光学元件防止漏光的设计方法，并利用拼接区域的投射对目标光场进行强化。本发明的优选实施例采用VCSEL分区光源与衍射光学元件相结合，可投射出清晰、无畸变的大视场角匀光光场；将该衍射光学元件应用于分区匀光照明系统中，为DTOF系统所需的匀光照明提供了技术保障。此外，本发明的优选实施例所提供的衍射光学元件，也可以任意结合到需要进行匀光投射的电子设备中，包括但不限于手机、PAD、电子锁等。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了根据本发明的一个优选实施例的衍射光学元件的设计方法；

图2示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的VCSEL分区光源；

图3A示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的匀光光场；

图3B示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例将图3A所示的匀光光场划分为多个条形光场；

图4示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的衍射光学元件及其第一微结构图案单元；

图5示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的VCSEL分区光源；

图6示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的条形目标图；

图7示意性地示出了大视场角的目标光场发生枕形畸变；

图8示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例针对图7所示的枕形畸变进行桶型校正；

图9示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的衍射光学元件的主区域、防漏光区域；

图10示意性地示出了图9的部分微结构子单元对应的目标图及偏心光源坐标；

图11示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的分区匀光照明系统。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，根据本发明一个优选实施例，本发明提供一种衍射光学元件的设计方法10，包括步骤S101-S105。

在步骤S101中，确定光源的参数以及衍射光学元件的目标光场。

如图2所示，本发明的优选实施例采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)分区光源20，VCSEL分区光源20包括多个光源阵列20-1、20-2、…、20-n，其中例如由于工艺的限制，相邻的光源阵列之间具有间隔，在第一方向(图中的水平方向)上光源阵列之间具有一定的间隔DS。

如图2所示，在每个光源阵列内部每个白点都代表一个VCSEL发光点，相邻的VCSEL发光点之间的间隔较小，而相邻光源阵列之间的间隔DS通常较大，大于同一个光源阵列内VCSEL发光点之间的距离。为了配合DTOF传感器的工作，需要实现目标光场的分区匀光照明，即VCSEL分区光源的每个光源阵列可以被分别点亮，每个光源阵列被点亮时仅匀光照亮目标光场的与该光源阵列相对应的部分目标光场，并且需要保证在所有光源阵列都被点亮时整个目标光场的匀光照明。

图3A示出了DTOF传感器所需的匀光光场。将图3A所示的匀光光场，按照VCSEL分区光源20的多个光源阵列的投射区域进行划分，划分为如图3B所示的多个条形光场。VCSEL分区光源20的每个光源阵列单独点亮时，匀光照亮其对应的一个条形光场；所有光源阵列都被点亮时，多个条形光场拼接，形成衍射光学元件的目标光场。

在步骤S102中，根据光源的参数，确定衍射光学元件上多个第一微结构图案单元的分布。

如图4所示，衍射光学元件40具有多个第一微结构图案单元，图中标号相同的多个第一微结构子单元构成一个第一微结构图案单元，如标号为“1”的多个第一微结构子单元构成一个第一微结构图案单元……标号为“6”的多个第一微结构子单元构成一个第一微结构图案单元……标号为“n”的多个第一微结构子单元构成一个第一微结构图案单元。每个第一微结构图案单元对应图2所示的VCSEL分区光源20的一个光源阵列，如标号为“1”的多个第一微结构子单元构成一个第一微结构图案单元，对应VCSEL分区光源20的一个光源阵列20-1……标号为“6”的多个第一微结构子单元构成一个第一微结构图案单元，对应VCSEL分区光源20的一个光源阵列20-6……标号为“n”的多个第一微结构子单元构成一个第一微结构图案单元，对应VCSEL分区光源20的一个光源阵列20-n。

如图2所示的VCSEL分区光源20的各个光源阵列沿第一方向的宽度(即各个光源阵列宽度方向上的中心线之间的距离)为d，沿第二方向长度为L，VCSEL分区光源20的光源阵列个数为n。根据VCSEL分区光源20的上述尺寸特征，确定如图4所示的衍射光学元件40上多个第一微结构图案单元的分布。

如图4所示，衍射光学元件40的主区域(图中带标号区域)沿第一方向划分n个第一微结构图案单元，每个第一微结构图案单元包括多个标号相同的第一微结构子单元，并优先选择均匀划分。每一个第一微结构图案单元的宽度为d，则每一个第一微结构子单元的宽度亦为d(如标号为“1”、“6”、“n”的多个第一微结构子单元的宽度均为d)。设每一个第一微结构子单元的长度为i，i的选择有一定自由度，可以为d，也可以大于或小于d。带标号的主区域内沿第二方向划分为m个区域，则优选i*m>L。每一个第一微结构图案单元对应图2中所示的VCSEL分区光源的一个光源阵列，并对应该光源阵列投射出的目标光场中的部分光场。

根据本发明的另一个优选实施例，每个第一微结构图案单元的宽度的整数倍为d，即第一微结构图案单元的宽度为d/2、d/3……即将上述实施例中的第一微结构图案单元进行进一步地分割，多个第一微结构图案单元共同对应图2中所示的VCSEL分区光源的一个光源阵列，并对应该光源阵列投射出的目标光场中的部分光场，这种实施方式也在本发明的保护范围之内。

如图5所示，VCSEL分区光源的多个光源阵列沿第一方向、第二方向均具有间隔。分区光源阵列20包括多个光源阵列20-1、20-2、…、20-n，其中相邻的光源阵列沿着第一方向具有第一间隔DS1，沿着第二方向具有第二间隔DS2，其中第一方向垂直于第二方向。对应设计衍射光学元件40，使得衍射光学元件40具有多个第一微结构图案单元，每个第一微结构图案单元对应VCSEL分区光源20的一个光源阵列，并对应该光源阵列投射出的目标光场中的部分光场。当VCSEL分区光源20的多个光源阵列均被点亮时，衍射光学元件40的多个第一微结构图案单元投射出的光场拼接形成DTOF传感器所需的匀光光场。此种实施方式也在本发明的保护范围之内。

在步骤S103中，将目标光场划分为多个目标图，多个目标图叠加后形成该目标光场，每个第一微结构图案单元对应其中一个目标图。

如图4所示的衍射光学元件40包括多个第一微结构图案单元，其分别与如图2所示的VCSEL分区光源20的多个沿第一方向间隔开的光源阵列相对应，用于对接收到的来自对应的光源阵列的光束进行匀化。对第一微结构图案单元的相位分布进行设计，将其设计成能够将一个点光源投射成延第二方向延伸的至少一条线形光场。例如，在利用计算机辅助软件设计衍射光学元件40的第一微结构图案单元的相位分布时，将光源定义为点光源，将目标图设计成延第二方向延伸的条形光场(如图6所示)。两个相邻光源阵列的边缘区域VCSEL发光点所投射出的条状光场相互拼接或重叠，从而形成DTOF传感器所需的匀光光场。

在步骤S104中，对多个目标图分别进行畸变预校正。

由于衍射光学元件在进行大视场投射的情况下会产生畸变，从而使得目标光场产生枕形的变形(如图7所示)，影响DTOF系统的工作质量。根据本发明的一个优选实施例，在设计衍射光学元件的相位分布时，预先引入桶形畸变，用于补偿大视场情况下的枕形畸变，从而保证了目标光场为大致的条形形状。

根据本发明的一个优选实施例，VCSEL分区光源中的每个光源阵列都对应于衍射光学元件的至少一个第一微结构图案单元，例如，衍射光学元件具有与VCSEL分区光源的光源阵列个数相同的第一微结构图案单元，即光源阵列与第一微结构图案单元一一对应。由于衍射光学元件在进行大视场投射的情况下会产生枕形的畸变，可以根据每个光源阵列所投射出的光场在整体目标光场上所处的视场区域，对与该光源阵列相对应的第一微结构图案单元进行枕形畸变的预校正。例如，在设计衍射光学元件的第一微结构图案单元的相位分布时，针对条形光场的目标图引入相应的桶形畸变以对枕形畸变进行补偿，用具有桶形畸变的弯曲条形目标图代替直线条目标图，从而达到枕形畸变校正的目的。如图8所示，用具有桶形畸变的弯曲条形作为目标图代替直线条目标图。但本发明并不仅限于此，每个光源阵列还可以对应于多个第一微结构图案单元，即将上述实施例中的第一微结构图案单元进一步地分割，并针对每个进一步分割后的第一微结构图案单元进行枕形畸变预校正，实现更为精细优化的畸变校正结果，从而保证目标光场更为接近矩形形状。

在步骤S105中，根据校正后的多个目标图以及光源的参数，分别设计对应的多个第一微结构图案单元的相位分布。具体包括：

获得目标表面上的目标光场，即校正后的目标图，对应的VCSEL分区光源的光源阵列的参数，目标光场与VCSEL分区光源的距离，以及投射视场角；

计算衍射光学元件的第一微结构图案单元的相位分布，以使得衍射光学元件可将VCSEL分区光源的多个光源阵列发出的光束进行发散和匀光调制，使得相邻光源阵列在目标表面上投射的部分光场在第一方向上相互邻接或者重叠。

根据本发明的一个优选实施例，衍射光学元件的设计方法10中，步骤S104进一步包括：对多个目标图分别进行从平面到球面的针对枕形畸变的反向校正。

由于衍射光学元件的设计是基于角谱理论的，需要在角谱上进行光波振幅和/或相位的计算，即需要在球面上计算光波的振幅和/或相位的传播及叠加，因此在设计衍射光学元件时，需要将投射在目标平面上的预定平面光场图案，即平面目标图，转换成相应的球面光场图案，即球面目标图。对多个目标图分别进行从平面到球面的针对枕形畸变的反向校正，然后基于该球面目标图、光源参数、投射工作距离及视场角等参数进行衍射光学元件的相位分布计算。

根据本发明的一个优选实施例，衍射光学元件的设计方法10中，步骤S104进一步包括：对多个条形光场进行桶形校正，校正的幅度随视场角增大而增大。(如图8所示)

在衍射光学元件进行投射的工作过程中，工作区域与投射光场区域的位置关系符合透镜原理。如图4所示，衍射光学元件40左下角方框内的工作区域，投射出的光场位于目标光场区域的右上角。因此，针对衍射光学元件40最左侧工作区域内的第一微结构图案单元进行相位分布设计时，应采用目标光场区域最右侧的目标图，经过预校正后，将条形光场校正为向右侧弯曲的具有桶形畸变的目标光场。校正后多个条形光场弯曲的幅度随视场角增大而增大。

根据本发明的一个优选实施例，衍射光学元件的设计方法10中，步骤S102进一步包括：

根据VCSEL分区光源的多个条形光源阵列的位置分布，将衍射光学元件划分成多个条形的第一微结构图案单元，使得多个条形光源阵列与多个条形第一微结构图案单元一一对应，每个条形光源阵列照射在相对应的条形第一微结构图案单元上。

如图4所示，衍射光学元件40沿第一方向划分为多个条形的第一微结构图案单元，图中标号相同的多个第一微结构子单元构成一个条形第一微结构图案单元。每个条形第一微结构图案单元对应图2中所示的VCSEL分区光源20的一个条形光源阵列，如VCSEL分区光源20的一个条形光源阵列20-1照射在标号为“1”的多个第一微结构子单元构成一个条形第一微结构图案单元上；VCSEL分区光源20的一个条形光源阵列20-6照射在标号为“6”的多个第一微结构子单元构成一个条形第一微结构图案单元上；VCSEL分区光源20的一个条形光源阵列20-n照射在标号为“n”的多个第一微结构子单元构成一个条形第一微结构图案单元上。

根据本发明的另一个优选实施例，将上述实施例中的多个条形第一微结构图案单元沿第一方向进行进一步地分割，使得其中部分条形第一微结构图案单元共同对应VCSEL分区光源的一个条形光源阵列，并针对每个进一步分割后的条形第一微结构图案单元进行枕形畸变的预校正，使得光场效果更为精细化，这种实施方式也在本发明的保护范围之内。

根据本发明的一个优选实施例，衍射光学元件的设计方法10中，步骤S102进一步包括：

将第一微结构图案单元沿着条形的长度方向划分成多个第一微结构子单元。

如图4所示，衍射光学元件40沿第一方向划分为多个条形的第一微结构图案单元，每个条形第一微结构图案单元沿第二方向(即条形长度方向)划分为多个第一微结构子单元。图中标号相同的多个第一微结构子单元属于同一个条形第一微结构图案单元。如图中标号为“1”的多个第一微结构子单元构成一个条形第一微结构图案单元……标号为“6”的多个第一微结构子单元构成一个条形第一微结构图案单元……标号为“n”的多个第一微结构子单元构成一个条形第一微结构图案单元。标号相同的第一微结构子单元对应相同的VCSEL分区光源的光源阵列以及采用相同的目标光场图。

根据本发明的一个优选实施例，衍射光学元件的设计方法10中，步骤S105进一步包括：

根据校正后的目标图，设计对应的第一微结构子单元的相位分布。

根据目标表面上的目标光场，即校正后的目标图，对应的VCSEL分区光源的光源阵列的参数，目标光场与VCSEL分区光源的距离，以及投射视场角，计算第一微结构子单元的相位分布，以使得对应的光源阵列发出的光束沿着进行发散和匀光调制，使得相邻的光源阵列在目标表面上投射的部分光场在第一方向上相互邻接或者重叠。

根据本发明的一个优选实施例，衍射光学元件的设计方法10中：衍射光学元件还包括在多个第一微结构图案单元的外围设置多个第二微结构图案单元，使得来自光源的入射光斑全部照射在衍射光学元件上。

实际工作过程中，VCSEL分区光源与衍射光学元件具有一定的距离，单点光源照射到衍射光学元件上，形成为一个半径为r的圆。如图9所示，VCSEL分区光源中的单点光源产生的单点光斑大小例如为765um(图中圆形区域)，衍射光学元件的第一微结构子单元大小为164um，则单点光斑照射在主区域(图中中心的方框区域)边缘的第一微结构子单元上时，会发生漏光现象。因此，为了防止衍射光学元件漏光，需要在衍射光学元件的主区域外拼接额外的区域。通过在主区域外围设置多个第二微结构图案单元作为防漏光区域，使得来自光源的入射光斑全部照射在衍射光学元件上，并投射出目标光场。

根据本发明的一个优选实施例，衍射光学元件的设计方法10还包括：根据第二微结构图案单元相邻的第一微结构图案单元的目标图和光源参数，设计对应的第二微结构图案单元的相位分布。

对于拼接的防漏光区域内的第二微结构图案单元，根据与其相邻的第一微结构图案单元的目标图和光源参数进行相位分布的设计，以使得照射在第二微结构图案单元上的光，投射出与该第二微结构图案单元相邻的第一微结构图案单元相同的部分目标光场，在防止了漏光的同时，也提高了目标光场的强度。

根据本发明的一个优选实施例，衍射光学元件的设计方法10中，第二微结构图案单元被划分成与第一微结构子单元相同尺寸的多个第二微结构子单元，设计方法10进一步包括：

根据每个第二微结构子单元和与其最邻近的第一微结构子单元的相对位置，计算偏心光源坐标，并根据该偏心光源坐标和最邻近的第一微结构子单元的目标图，分别设计对应的每个第二微结构子单元的相位分布。

在衍射光学元件的主区域外拼接额外的防漏光区域，优选地，在防漏光区域内设置多个第二微结构子单元，为了便于工艺加工，该多个第二微结构子单元的尺寸与主区域内的多个第一微结构子单元的尺寸相同。设第一微结构子单元的宽度为d，长度为i，防漏光区域沿第一方向从主区域延伸出的单边个数为kx，沿第二方向从主区域延伸出的单边个数为ky，满足：d*kx>r，i*ky>r。

对于拼接的防漏光区域内的第二微结构子单元进行偏心发散光设计，如图9所示，以右下角长方形框内的第一微结构子单元、第二微结构子单元为例：其中标号为“1”开头的第二微结构子单元进行相位分布的设计时，采用与标号为“1”的第一微结构子单元相同的目标图，并设置光源坐标的偏移。例如，第二微结构子单元“1A”的偏心光源坐标为(-0.164,0)，第二微结构子单元“1B”的偏心光源坐标为(-0.328,0)，第二微结构子单元11的偏心光源坐标为(0,-0.164)，第二微结构子单元1C的偏心光源坐标为(-0.164,-0.164),第二微结构子单元1D的偏心光源坐标为(-0.328,-0.164)……

图10示出了各个标号不同的第一微结构子单元、第二微结构子单元，对应的校正后的目标光场，及对应的进行偏移后的光源坐标。

根据本发明的一个优选实施例，本发明还提供一种衍射光学元件，使用如上文所述的设计方法设计。

如图11所示，根据本发明的一个优选实施例，本发明还提供一种匀光照明系统100，包括如上文所述的衍射光学元件40。

如图11所示，分区匀光投射系统100包括衍射光学元件40和分区光源阵列20，其中分区光源阵列20包括多个光源阵列(参考图2)，多个光源阵列沿第一方向具有间隔。衍射光学元件40设置在分区光源阵列20的光路下游，可接收多个光源阵列发射出的光束并在目标表面OB上投射出均匀的光场。

本发明的优选实施例提供了一种衍射光学元件的设计方法，根据VCSEL分区光源将衍射光学元件划分为多个第一微结构图案单元，多个第一微结构图案单元分别对应VCSEL分区光源的其中一个光源阵列以及部分目标光场，根据光源阵列的参数、校正后的部分光场，对衍射光学元件的第一微结构图案单元进行相位分布的设计。本发明还提供一种衍射光学元件防止漏光的设计方法，并利用拼接区域的投射对目标光场进行强化。本发明的优选实施例采用VCSEL分区光源与衍射光学元件相结合，可投射出清晰、无畸变的大视场角匀光光场；将该衍射光学元件应用于分区匀光照明系统中，为DTOF系统所需的匀光照明提供了技术保障。此外，本发明的优选实施例所提供的衍射光学元件，也可以任意结合到需要进行匀光投射的电子设备中，包括但不限于手机、PAD、电子锁等。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种衍射光学元件的设计方法，其特征在于，包括：

S101：确定光源的参数以及所述衍射光学元件的目标光场；

S102：根据所述光源的参数，确定所述衍射光学元件上多个第一微结构单元的分布；

S103：将所述目标光场划分为多个目标图，所述多个目标图叠加后形成所述目标光场，每个所述第一微结构单元对应其中一个所述目标图；

S104：对所述多个目标图分别进行畸变预校正；和

S105：根据校正后的所述多个目标图以及所述光源的参数，分别设计对应的所述多个第一微结构单元的相位分布。

2.如权利要求1所述的设计方法，其中所述步骤S104包括：对所述多个目标图分别进行从平面到球面的针对枕形畸变的反向校正。

3.如权利要求2所述的设计方法，其中所述多个目标图包括多个条形光场，所述步骤S104还包括：

对所述多个条形光场进行桶形校正，校正的幅度随视场角增大而增大。

4.如权利要求1-3中任一项所述的设计方法，其中所述光源包括多个条形VCSEL光源阵列，所述步骤S102还包括：

根据所述多个条形VCSEL光源阵列的位置分布，将所述衍射光学元件划分成多个条形的所述第一微结构单元，使得所述多个条形VCSEL光源阵列与所述多个条形第一微结构单元一一对应，每个条形VCSEL光源阵列照射在相对应的条形第一微结构单元上。

5.如权利要求4所述的设计方法，其中，所述步骤S102还包括：

将所述第一微结构单元沿着条形的长度方向划分成多个第一微结构子单元。

6.如权利要求5所述的设计方法，其中所述步骤S105包括：

根据所述校正后的目标图，设计对应的所述第一微结构子单元的相位分布。

7.如权利要求5中任一项所述的设计方法，其中：

所述衍射光学元件还包括在所述多个第一微结构单元的外围设置多个第二微结构单元，使得来自所述光源的入射光斑全部照射在所述衍射光学元件上。

8.如权利要求7所述的设计方法，还包括：

根据所述第二微结构单元相邻的第一微结构单元的目标图和所述光源参数，设计对应的第二微结构单元的相位分布。

9.如权利要求8所述的设计方法，其中所述第二微结构单元被划分成与所述第一微结构子单元相同尺寸的多个第二微结构子单元，所述设计方法还包括：

根据每个所述第二微结构子单元和与其最邻近的第一微结构子单元的相对位置，计算偏心光源坐标，并根据所述偏心光源坐标和所述最邻近的第一微结构子单元的目标图，分别设计对应的每个所述第二微结构子单元的相位分布。

10.一种衍射光学元件，使用如权利要求1-9中任一项所述的设计方法设计。

11.一种分区匀光照明系统，包括如权利要求10所述的衍射光学元件。

Images