CN113625462A - 衍射光学元件、投射模组及电子设备 - Google Patents

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CN113625462A CN202111071098.6A CN202111071098A CN113625462A CN 113625462 A CN113625462 A CN 113625462A CN 202111071098 A CN202111071098 A CN 202111071098A CN 113625462 A CN113625462 A CN 113625462A
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Abstract

本发明涉及一种衍射光学元件、投射模组及电子设备。衍射光学元件设有包括第一单元和第二单元的微结构阵列，第一单元沿Y轴延伸沿X轴间隔，第一单元两侧均匀间隔设置有凸起；第二单元设于相邻的第一单元之间且沿Y轴成阵列间隔，第二单元包括沿X轴间隔排布的第二子结构、第三子结构和第四子结构，第二子结构、第三子结构和第四子结构与Y轴的角度小于45度，第三子结构在Y轴负方向的端点的投影位于第二子结构和第四子结构内，第四子结构在Y轴正方向的端点的投影位于第三子结构内，第四子结构在Y轴负方向上的端点的投影位于第二子结构内。上述衍射光学元件，能够将单束光分束为3×9的多束光，实现广角投射。

Description

衍射光学元件、投射模组及电子设备
技术领域
本发明涉及衍射光学技术领域，特别是涉及一种衍射光学元件、投射模组及电子设备。
背景技术
基于飞行时间(Time of Flight，ToF)或结构光技术常被应用于电子设备中，通过主动向被测物体投射光线，并接收从被测物体反射的光线，从而获取被测物体的三维深度信息。散斑结构光以及直接测量飞行时间(direct Time of Flight，dToF)技术通常借助衍射光学元件对光源出射光线进行分束，将单束光分束为由多束光构成的点阵光斑投射到被测物体上。然而，目前的衍射光学元件投射角度不足，难以满足扫地机等需要广角投射的应用场景。
发明内容
基于此，有必要针对目前的衍射光学元件投射角度不足的问题，提供一种衍射光学元件、投射模组及电子设备。
一种衍射光学元件，用于将单束光分束成3×9的多束光，所述衍射光学元件包括基底以及设置于所述基底上的微结构阵列；
所述微结构阵列包括阵列分布的多个第一单元和多个第二单元，所述第一单元沿Y轴延伸且多个所述第一单元沿X轴方向间隔排布，所述第一单元沿Y轴方向均匀间隔设置有沿X轴方向两侧突出的凸起，多个所述第二单元设置于相邻的两个所述第一单元之间且沿Y轴方向成阵列间隔排布，沿X轴方向上相邻的两个所述第二单元的位置相对应，所述第二单元包括沿X轴正方向依次间隔排布的第二子结构、第三子结构和第四子结构，所述第二子结构、所述第三子结构和所述第四子结构均为长条状，且所述第二子结构、所述第三子结构和所述第四子结构的长轴与Y轴的角度均小于45度，所述第二子结构在Y轴正方向的端点沿X轴方向上的投影位于所述第三子结构和所述第四子结构的轮廓内，所述第三子结构在Y轴负方向的端点沿X轴方向上的投影位于所述第二子结构和所述第四子结构的轮廓内，所述第四子结构在Y轴正方向的端点沿X轴方向上的投影位于所述第三子结构的轮廓内，所述第四子结构在Y轴负方向上的端点沿X轴方向上的投影位于所述第二子结构的轮廓内；X轴与Y轴在平行于所述基底的平面上构成一平面直角坐标系；
HP为第二单元沿Y轴方向的周期，VP为第二单元沿X方向的周期，所述微结构阵列满足条件式：0.60≤HP/VP≤2.20。
上述衍射光学元件，在基底上设置具有上述特征的微结构阵列，使得衍射光学元件能够将单束光分束为3×9的多束光，能够实现散斑结构光或dToF电子设备所需的点阵投射。同时，衍射光学元件在分束为9束光的投射方向上具有足够大的投射角度，能够满足扫地机等需要广角投射的应用场景。
在其中一个实施例中，所述微结构满足以下条件式：
0.54≤A/HP≤0.81；0.16≤H/VP≤0.21；0.41≤B/HP≤0.60；
0.20≤J/VP≤0.26；0.61≤C/HP≤0.86；0.12≤K/VP≤0.18；
0.18≤O/VP≤0.28；0.11≤P/VP≤0.14；
其中，A、H分别为所述第二子结构在Y轴方向与X轴方向上的最大尺寸，B、J分别为所述第三子结构在Y轴方向与X轴方向上的最大尺寸，C、K分别为所述第四子结构在Y轴方向与X轴方向上的最大尺寸，O、P分别为所述第二子部与所述第一子部在X轴方向上的最大尺寸。满足上述条件式，能够合理配置微结构阵列的各结构在X轴方向与Y轴方向上的尺寸特征，使得微结构中各子结构的形状和尺寸有效配合，优化微结构的衍射效应，从而提升衍射光学元件的光学性能。
在其中一个实施例中，所述微结构满足以下条件式：
0.41≤D/HP≤0.56；0.26≤E/HP≤0.37；
0.70≤F/HP≤0.90；0.31≤L/VP≤0.42；
0.13≤M/VP≤0.20；0.45≤N/VP≤0.59；0.08≤Q/VP≤0.13；
其中，D为一个所述第二单元中所述第三子结构Y轴正方向端点至所述第二子结构Y轴正方向端点于Y轴方向上的距离，E为一个所述第二单元中所述第三子结构Y轴正方向端点至所述第四子结构Y轴正方向端点于Y轴方向上的距离，F为一个所述第二单元中所述第四子结构Y轴正方向端点至所述第二子结构Y轴正方向端点于Y轴方向上的距离，L为一个所述第二单元中所述第二子结构Y轴正方向端点至所述第三子结构Y轴正方向端点于X轴方向上的距离，M为一个所述第二单元中所述第三子结构Y轴正方向端点至所述第四子结构Y轴正方向端点于X轴方向上的距离，N为一个所述第二单元中所述第二子结构Y轴正方向端点至所述第四子结构Y轴正方向端点于X轴方向上的距离，Q为所述第二子结构Y轴正方向端点至所述第一单元于X轴方向上的最短距离。满足上述条件式，能够合理配置微结构阵列的各结构的相对位置特征，使得微结构中各子结构的形状和尺寸有效配合，优化微结构的衍射效应，从而提升衍射光学元件的光学性能。
在其中一个实施例中，所述第二子结构Y轴正方向端点位于所述第二子结构Y轴负方向端点的X轴负方向一侧。通过对第二子结构的合理设计，能够优化第二子结构的衍射效应，从而提升衍射光学元件分束的均匀度、零级强度及衍射效率等光学性能。
在其中一个实施例中，所述第三子部Y轴负方向端点位于所述第三子结构Y轴正方向端点的X轴负方向一侧。通过对第三子结构的合理设计，能够优化第三子结构的衍射效应，从而提升衍射光学元件的光学性能。
在其中一个实施例中，所述第二子结构与所述第三子结构的长轴与Y轴的角度为15°、20°或30°。通过对第二子子结构、第三子结构的合理设计，能够优化第三子结构的衍射效应，从而提升衍射光学元件的光学性能。
在其中一个实施例中，所述凸起在X轴方向上的尺寸沿Y轴正方向先增大后减小；和/或
所述凸起沿X轴方向的端点与所述第二子结构Y轴负方向的端点位置相对应。通过对第一单元形成的凸起的形状及其在微结构中的位置进行合理设计，有利于优化微结构的衍射效应，提升衍射光学元件的光学性能。
在其中一个实施例中，所述微结构满足以下条件式：
3.27um≤HP≤6.61um；
2.72um≤VP≤9.90um。合理配置单个微结构在X轴方向与Y轴方向上的尺寸，配合上述各条件式的限定，有利于对微结构的各个尺寸特征进行合理配置，既有利于衍射光学元件的加工，也有利于优化微结构的衍射效应，进而提升衍射光学元件的光学性能。
在其中一个实施例中，所述微结构满足以下条件式：
A/HP＝0.67；H/VP＝0.18；B/HP＝0.50；J/VP＝0.23；C/HP＝0.74；
K/VP＝0.15；O/VP＝0.23；P/VP＝0.13；D/HP＝0.48；E/HP＝0.32；
F/HP＝0.80；L/VP＝0.36；M/VP＝0.16；N/VP＝0.52；Q/VP＝0.10。满足上述条件式，能够进一步合理配置微结构的各尺寸特征，使得微结构中各子结构的形状和尺寸有效配合，优化微结构的衍射效应，从而提升衍射光学元件的光学性能。
在其中一个实施例中，所述衍射光学元件在X轴方向上具有第一衍射角度、第二衍射角度、第三衍射角度以及第四衍射角度，所述第二衍射角度为所述第一衍射角度的两倍，所述第三衍射角度为所述第一衍射角度的三倍，所述第四衍射角度为所述第一衍射角度的四倍；
所述第一衍射角度在9°至15°之间；
所述衍射光学元件在Y轴方向上的衍射角度在6°至18°之间。X轴方向与Y轴方向上上多样化的衍射角度设计，有利于满足电子设备中投射角度的多样化需求，从而提升衍射光学元件的适用范围。同时，衍射光学元件在X轴方向上的最大投射角度为第四衍射角度的两倍，在X轴方向上能够实现广角投射的特性。
一种投射模组，包括光源以及如上述任一实施例所述的衍射光学元件，所述衍射光学元件用于对所述光源发出的光线进行分束。在投射模组中采用上述衍射光学元件，衍射光学元件能够实现广角投射，从而使得投射模组能够应用于扫地机等需要广角投射的场景。
一种电子设备，包括接收模组以及上述的投射模组，所述投射模组用于向被测物体投射光线，所述接收模组用于接收被被测物体反射的光线。在电子设备中采用上述接收模组，衍射光学元件能够实现广角投射，从而使得电子设备能够应用于扫地机等需要广角投射的场景。
附图说明
图1为一些实施例中衍射光学元件的示意图；
图2为一些实施例中微结构的示意图；
图3为一些实施例中衍射光学元件分束形成的3×9的多束光的示意图；
图4为第一实施例至第十五实施例中微结构的示意图；
图5示出了一些实施例中衍射光学元件的剖面示意图；
图6为一些实施例中电子设备的示意图。
其中，10、衍射光学元件；110、基底；120、余胶层；130、微结构；1310、第一子结构；1311、第一子部；1312、第二子部；1320、第二子结构；1330、第三子结构；1331、第三子部；1332、第四子部；1340、第四子结构；1341、第五子部；1342、第六子部；140、微结构阵列；1410、第一单元；1420、第二单元；20、电子设备；210、投射模组；2110、光源；220、接收模组；230、被测物体。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
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”、“轴向”、“径向”、“周向”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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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，除非另有明确的限定。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“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
请参见图1、图2和图3，图1为一些实施例中衍射光学元件10的示意图，图2为一些实施例中微结构130的示意图，图3为一些实施例中衍射光学元件10分束形成的3×9的多束光的示意图。衍射光学元件10用于将入射的单束光分束形成3×9的多束光，从而应用在基于散斑结构光或dToF技术的电子设备中，实现电子设备所需的点阵光斑投射。例如，衍射光学元件10应用于电子设备的投射模组中，使得投射模组能够向被测物体投射点阵光斑，点阵光斑经被测物体反射后，被电子设备的接收模组中的图像传感器接收，从而获取被测物体的三维深度信息。
需要说明的是，图1和图2所示的X轴与Y轴构成一平面直角坐标系，图3所示的H方向与图1和图2所示的X轴方向相对应，并对应图像传感器的水平方向，图3所示的V方向与图1和图2所示的Y轴方向相对应，并对应图像传感器的竖直方向。
具体地，参考图1所示，在一些实施例中，衍射光学元件10包括基底110以及形成于基底110上的微结构阵列140，微结构阵列140包括多个第一单元1410与多个第二单元1420。多个第一单元1410沿Y轴方向延伸且沿X轴方向间隔排布，第一单元1410沿Y轴方向均匀间隔设置有沿X轴方向两侧突出的凸起。具体地，为便于理解第一单元1410上凸起的设置，在图2所示的实施例中，以两条虚线划分出第一单元1410的主体部分及从主体部分向X轴正方向与负方向突出的凸起，其中，A部分即可理解为第一单元1410的主体部分，B部分可以理解为从主体部分向X轴负方向突出形成的凸起，C部分可以理解为从主体部分向X轴正方向突出形成的凸起。换言之，第一单元1410沿Y轴方向包括依次交替设置的第一子部1311和第二子部1312，第二子部1312相对第一子部1311朝X轴正方向与X轴负方向凸出。多个第一单元1410的第一子部1311的位置相对应，多个第一单元1410的第二子部1312的位置相对应。
多个第二单元1420设置于相邻的两个第一单元1410之间且沿Y轴方向成阵列间隔排布，沿X轴方向上相邻的两个第二单元1420的位置相对应。第二单元1420包括沿X轴正方向依次间隔排布的第二子结构1320、第三子结构1330和第四子结构1340，第二子结构1320、第三子结构1330和第四子结构1340均为长条状，且第二子结构1320、第三子结构1330和第四子结构1340的长轴与Y轴的角度均小于45度。例如，第二子结构1320与第三子结构1330的长轴与Y轴的角度可以为15°、20°或30°，第四子结构1340的长轴可大致平行于Y轴。第二子结构1320在Y轴方向上的最大尺寸大于第二子结构1320在X轴方向上的最大尺寸，第三子结构1330在Y轴方向上的最大尺寸大于第三子结构1330在X轴方向上的最大尺寸，第四子结构1340在Y轴方向上的最大尺寸大于第四子结构1340在Y轴方向上的最大尺寸。
第二子结构1320在Y轴正方向的端点沿X轴方向上的投影位于第三子结构1330和第四子结构1340的轮廓内，第三子结构1330在Y轴负方向的端点沿X轴方向上的投影位于第二子结构1320和第四子结构1340的轮廓内，第四子结构1340在Y轴正方向的端点沿X轴方向上的投影位于第三子结构1330的轮廓内并与第二子结构1320相间隔，第四子结构1340在Y轴负方向上的端点沿X轴方向上的投影位于第二子结构1320的轮廓内并与第三子结构1330相间隔。第二子结构1320在Y轴正方向的端部与第三子结构1330在Y轴负方向的端部位置相对应，第四子结构1340在Y轴方向上位于第二子结构1320在Y轴负方向的端部与第三子结构1330在Y轴正方向的端部之间。
需要说明的是，在本申请中，描述某一结构的长轴，可以理解为该结构的轮廓距离最远的两个点之间的连线。描述某两个结构的位置相对应，可以理解为该两个结构在Y轴方向上的位置相对应，换言之，该两个结构在垂直于X轴的平面上的投影至少部分相重叠。同理，描述某两个结构在X轴方向上的位置相对应，则可以理解为该两个结构在垂直于Y轴的平面上的投影至少部分相重叠。
上述衍射光学元件10，在基底110上设置具有上述形状特征的微结构阵列140，从而于基底110上形成多条衍射缝，使得衍射光学元件10能够将单束光分束为3×9的多束光，进而实现散斑结构光或dToF电子设备20所需的点阵投射。同时，衍射光学元件10在分束为9束光的投射方向上具有足够大的投射角度，能够进行广角投射，从而能够满足扫地机等需要广角投射的应用场景。再者，上述衍射光学元件10分束形成的3×9的多束光具备良好的均匀度、零级强度及衍射效率，衍射光学元件10具备良好的光学性能，有利于提升电子设备20获取三维深度信息的精度，满足电子设备20高检测精度的需求。
参考图1和图2所示，在一些实施例中，微结构130满足以下条件式：
0.60≤HP/VP≤2.20；0.54≤A/HP≤0.81；0.16≤H/VP≤0.21；
0.41≤B/HP≤0.60；0.20≤J/VP≤0.26；0.61≤C/HP≤0.86；
0.12≤K/VP≤0.18；0.18≤O/VP≤0.28；0.11≤P/VP≤0.14；
0.41≤D/HP≤0.56；0.26≤E/HP≤0.37；0.70≤F/HP≤0.90；
0.31≤L/VP≤0.42；0.13≤M/VP≤0.20；0.45≤N/VP≤0.59；
0.08≤Q/VP≤0.13；A＞H；B＞J；C＞K；
其中，HP为Y轴方向上相邻两个第三子结构1330在Y轴正方向的端点之间的距离，VP为相邻两个第一单元1410在X轴负方向的端点之间的距离。A、H分别为第二子结构1320在Y轴方向与X轴方向上的最大尺寸。B、J分别为第三子结构1330在Y轴方向与X轴方向上的最大尺寸。C、K分别为第四子结构1340在Y轴方向与X轴方向上的最大尺寸。O、P分别为第二子部1312与第一子部1311在X轴方向上的最大尺寸。
D为一个第二单元1420中第三子结构1330在Y轴正方向的端点至第二子结构1320在Y轴正方向端点于Y轴方向上的距离，E为一个第二单元1420中第三子结构1330在Y轴正方向的端点至第四子结构1340在Y轴正方向的端点于Y轴方向上的距离，F为一个第二单元1420中第四子结构1340在Y轴正方向的端点至第二子结构1320在Y轴正方向的端点于Y轴方向上的距离，L为一个第二单元1420中第二子结构1320在Y轴正方向的端点至第三子结构1330在Y轴正方向的端点于X轴方向上的距离，D和L用于对第二子结构1320与第三子结构1330的相对位置进行限定。M为一个第二单元1420中第三子结构1330在Y轴正方向的端点至第四子结构1340在Y轴正方向的端点于X轴方向上的距离，E和M用于对第三子结构1330与第四子结构1340的相对位置进行限定。N为一个第二单元1420中第二子结构1320在Y轴正方向的端点至第四子结构1340在Y轴正方向的端点于X轴方向上的距离，F用于对第二子结构1320与第四子结构1340的相对位置进行限定。Q为第二子结构1320在Y轴正方向的端点至相邻的第一单元1410于X轴方向上的最短距离，Q用于对第二子结构1320与第一子结构1310的相对位置进行限定。
需要说明的是，在本申请中，描述某一微结构130在某一方向上相邻的另一微结构130，可以理解为该微结构130与该另一微结构130在该方向上依次排列且相邻设置。描述某一子结构或子部于某一方向上端点，可以理解为该子结构或该子部在在该方向上最末端的点。
根据以上微结构阵列140的描述，以下从另一角度描述衍射光学元件10的结构特征。具体地，衍射光学元件10包括基底110以及形成于基底110上的多个微结构130，多个微结构130在X轴方向与Y轴方向上呈矩形阵列排布，X轴方向与Y轴方向为平行于基底110的平面上两个相互垂直的方向。微结构130在基底110上的投影轮廓包括相互间隔的第一子结构1310、第二子结构1320、第三子结构1330与第四子结构1340，第一子结构1310、第二子结构1320、第三子结构1330与第四子结构1340沿X轴正方向依次排列。可以理解的是，在图1和图2所示的实施例中，黑色部分表示基底110，白色部分表示微结构130。
其中，第一子结构1310沿Y轴方向延伸，换言之，第一子结构1310大致呈垂直于X轴方向的线状。第一子结构1310包括第一子部1311和第二子部1312，第二子部1312位于第一子部1311的Y轴负方向一侧并连接第一子部1311，第二子部1312在X轴方向上的尺寸大于第一子部1311在X轴方向上的尺寸。第三子结构1330包括相互间隔的第三子部1331和第四子部1332，第三子部1331与第四子部1332在Y轴方向上的位置相对应，且第四子部1332位于第三子部1331的Y轴负方向一侧。第四子部1332在Y轴方向上的最大尺寸大于第三子部1331在Y轴方向上的最大尺寸。第四子结构1340包括相互间隔的第五子部1341和第六子部1342，第五子部1341和第六子部1342在Y轴方向上的位置相对应，且第六子部1342位于第五子部1341的Y轴负方向一侧。第六子部1342在Y轴方向上的最大尺寸小于第五子部1341在Y轴方向上的最大尺寸。
进一步地，在一些实施例中，其中一个微结构130的第一子部1311与Y轴正方向上相邻的另一微结构130的第二子部1312连接，第二子部1312与Y轴负方向上相邻的另一微结构130的第一子部1311连接。其中一个微结构130的第三子部1331与Y轴正方向上相邻的另一位结构的第四子部1332相连接，第四子部1332与Y轴负方向上相邻的另一微结构130的第三子部1331相连接。其中一个微结构130的第五子部1341与Y轴正方向上相邻的另一微结构130的第六子部1342相连接，第六子部1342与Y轴负方向上相邻的另一微结构130的第五子部1341相邻。可理解的是，当多个微结构130形成阵列排布时，在Y轴方向上位置相对应的各微结构130的第一子结构1310相互连接且大致形成一线状，在Y轴方向上相邻的两个微结构130的第四子部1332和第三子部1331连接形成一整体，第六子部1342与第五子部1341连接形成一整体。
需要说明的是，基底110上各微结构130的子结构与基底110表面相间，从而形成多条衍射缝，使得衍射光学元件10对入射光束具备衍射效应，进而将入射的单束光分束形成多束光。
基于上述描述，HP也可以理解为多个微结构130形成的阵列的最小单元在Y轴方向上的最大尺寸，HP也可以理解为第一子结构1310在Y轴方向上的最大尺寸，或者理解为其中一个微结构130的第四子部1332在Y轴正方向的端点至Y轴负方向上相邻的另一微结构130的第四子部1332在Y轴正方向的端点之间的距离。VP为多个微结构130形成的阵列的最小单元在X轴方向上的最大尺寸，VP等于第二子部1312在X轴负方向的端点至X轴方向上相邻的另一所述微结构130的第二子部1312在X轴负方向的端点之间的距离，VP也可以理解为其中一个微结构130的第四子部1332在Y轴正方向的端点至X轴方向上相邻的另一微结构130的第四子部1332在Y轴正方向的端点之间的距离。
进一步地，在一些实施例中，微结构130还满足以下条件式：
0.08≤R/VP≤0.22；0.06≤S/VP≤0.20；0.03≤T/VP≤0.14；
其中，R为第一子部1311至第二子结构1320在X轴方向上的最短距离，S为第二子结构1320至第三子结构1330在X轴方向上的最短距离，T为第三子结构1330至第四子结构1340在X轴方向上的最短距离。通过对各子结构之间的间距进行合理设计，能够优化第二子结构1320的衍射效应，从而提升衍射光学元件10的光学性能。
在一些实施例中，第二子结构1320在Y轴方向上的两个端点在X轴方向上相间隔，且第二子结构1320在Y轴正方向的端点位于第二子结构1320在Y轴负方向的端点的X轴负方向一侧。例如，在图1和图2所示的实施例中，第二子结构1320整体沿倾斜于Y轴的方向延伸，且第二子结构1320在Y轴正方向的端点在X轴方向上更靠近第一子部1311。
在一些实施例中，第四子部1332在Y轴方向上的两端部均大致沿Y轴方向延伸，且第四子部1332在Y轴方向上的两端部在X轴方向上相错开，换言之，第四子部1332在Y轴方向上的两端部的连接处形成有拐角。例如，第三子部1331在Y轴负方向的端点位于第四子部1332在Y轴正方向的端点的X轴负方向一侧。在一些实施例中，第三子结构1330在Y轴负方向的端点位于第三子结构1330在Y轴正方向的端点的X轴负方向一侧。可以理解的是，第三子部1331与第四子部1332沿Y轴负方向的端部位置相对应，因而第三子部1331沿Y轴负方向上的端部与第四子部1332沿Y轴正方向上的端部在X轴方向上也相互错开。具备上述特征，能够对第二子结构1320与第三子结构1330的形状进行合理设计，有利于优化微结构130的衍射效应，从而提升衍射光学元件10的光学性能。
在一些实施例中，第二子结构1320沿Y轴正方向的端部在X轴方向上与第三子部1331位置相对应，例如，第二子结构1320在Y轴正方向的端点位于第三子部1331在Y轴负方向端点的Y轴正方向一侧，第二子结构1320在Y轴负方向的端部与第四子部1332在Y轴正方向的端部位置相对应，例如，第二子结构1320在Y轴负方向的端点位于第四子部1332在Y轴正方向的端点的Y轴负方向一侧。在一些实施例中，第五子部1341在Y轴负方向的端点在X轴方向上与第二子结构1320的中部位置相对应，第二子结构1320与第六子部1342在Y轴方向上相间隔，第六子部1342在Y轴正方向的端点在X轴方向上与第四子部1332的中部位置相对应。具备上述特征，能够对第一子结构1310、第二子结构1320与第三子结构1330的相对位置进行合理设计，有利于优化微结构130的衍射效应，从而提升衍射光学元件10的光学性能。
在一些实施例中，第二子结构1320沿Y轴负方向的端部与Y轴负方向上相邻的另一第二单元1420的第三子结构1330沿Y轴正方向的端部位置相对应，第三子结构1330与Y轴负方向上相邻的另一第二单元1420的第四子结构1340在Y轴方向上相间隔。由此，对Y轴方向上相邻两个第二单元1420的相对位置进行合理设计，也有利于提升衍射光学元件10的光学性能。
在一些实施例中，第一单元1410沿X轴方向两侧突出形成的凸起在X轴方向上的尺寸沿Y轴正方向先增大后减小。换言之，第二子部1312在X轴方向上具有两端的端点，即在X轴方向上距离最远的两个点，且第二子部1312在X轴方向上的尺寸从该第二子部1312的端点沿Y轴两端的方向逐渐减小，即从该第二子部1312的端点指向第二子部1312Y轴方向上两端的方向逐渐减小。具体地，第一子结构1310可大致呈线状，而第二子部1312在X轴方向上相对第一子部1311朝两侧凸出，且凸出的部分在X轴方向上的尺寸沿第二子部1312的端点指向Y轴方向的两端逐渐减小。进一步地，在一些实施例中，第一单元1410形成的凸起与X轴方向的端点，即第二子部1312的端点在X轴方向上与第二子结构1320在Y轴负方向的端点位置相对应。例如，第二子部1312的端点在X轴方向上与第二子结构1320在Y轴负方向的端点相齐平，或者位置相接近。
换言之，第二子部1312在X轴方向上的尺寸从第二子部1312在X轴正方向的端点指向Y轴正方向与Y轴负方向逐渐减小，第二子部1312在X轴正方向的端点与第二子结构1320在Y轴负方向的端点位置相对应。具备上述特征，能够对第一子结构1310的形状以及第一子结构1310与第二子结构1320的相对位置进行合理设计，有利于优化微结构130的衍射效应，从而提升衍射光学元件10的光学性能。
在一些实施例中，微结构130满足条件式：3.27um≤HP≤6.61um；2.72um≤VP≤9.90um。满足上述条件式，能够合理配置微结构130在X轴方向与Y轴方向上的尺寸，配合上述各条件式的限定，有利于对微结构130的各个尺寸特征进行合理配置。既有利于使得微结构130的各尺寸特征不会过小，从而有利于衍射光学元件10的加工，提升微结构130的加工精度，同时也有利于使得微结构130的各尺寸特征与红外波长相近，从而优化微结构130的衍射效应，提升衍射光学元件10的光学性能。
更进一步地，在一些实施例中，微结构130满足条件式：A/HP＝0.67；H/VP＝0.18；B/HP＝0.50；J/VP＝0.23；C/HP＝0.74；K/VP＝0.15；O/VP＝0.23；P/VP＝0.13；D/HP＝0.48；E/HP＝0.32；F/HP＝0.80；L/VP＝0.36；M/VP＝0.16；N/VP＝0.52；Q/VP＝0.10。满足上述条件式，能够进一步合理配置微结构130的各尺寸特征，使得微结构130中各子结构的形状和尺寸有效配合，能够优化微结构130的衍射效应，从而提升衍射光学元件10的光学性能。
另外，参考图1和图3所示，在一些实施例中，衍射光学元件10能够将单束光分束形成3×9的多束光，其中，衍射光学元件10在H方向上分束形成9束光，在V方向上分束形成3束光。衍射光学元件10在H方向上具备四个衍射角度，分别为第一衍射角度β1、第二衍射角度β2、第三衍射角度β3以及第四衍射角度β4。可以理解的是，第一衍射角度β1为中心光束与中心光束两侧的第一束光束之间的夹角，第二衍射角度β2为中心光束与中心光束两侧的第二束光束之间的夹角，第三衍射角度β3为中心光束与中心光束两侧第三束光束之间的夹角，第四衍射角度β4为中心光束与中心光束两侧第四束光束之间的夹角。
在一些实施例中，第二衍射角度β2为第一衍射角度β1的两倍，第三衍射角度β3为第一衍射角度β1的三倍，第四衍射角度β4为第一衍射角度β1的四倍。可以理解的是，衍射光学元件10在H方向上的最大投射角度为第四衍射角度β4的两倍。在一些实施例中，第一衍射角度β1在9°至15°之间，则衍射光学元件10的最大投射角度在72°至120°之间。衍射光学元件10在Y轴方向上具有一个衍射角度γ，该衍射角度γ在6°至18°之间。具体地，第一衍射角度β1可以为9°、12°或15°，衍射角度γ可以为6°、9°、12°、15°或18°。X轴方向与Y轴方向上上多样化的衍射角度设计，有利于满足投射角度的多样化需求，从而提升衍射光学元件10的适用范围。同时，衍射光学元件10在X轴方向上具有足够大的投射角度，在X轴方向上能够实现广角投射的特性。而目前的扫地机等设备也有应用dToF等技术的趋势，在这种应用场景下，存在做广角投射需求，这需要能够进行大角度投射的衍射光学元件，本申请各实施例提供的衍射光学元件可满足广角投射需求。
基于上述记载，以下将提供12个具体的实施例进行说明。具体地，请参见图4，图4为第一实施例至第十五实施例中微结构130的示意图。其中，D1表示第一实施例中微结构130的示意图，D2表示第二实施例中微结构130的示意图，D3表示第三实施例中微结构130的示意图，以此类推。各实施例的衍射光学元件10衍射角度选型如表1所示。其中，H方向对应图像传感器的水平方向，并与X轴方向对应，即H一栏为第一衍射角度β1的数值，衍射角度β2、β3和β4的数值可由β1的数值算得。同理，V方向对应图像传感器的竖直方向，并与Y轴方向对应，即V一栏为衍射角度γ的数值。
在表1中，D1表示第一实施例中衍射光学元件10的衍射角选型，在D1中，衍射光学元件10的衍射角选型为9°×18°×27°×36°×6°。其中，前面四个角度分别为第一实施例中β1、β2、β3与β4的数值，第四个角度为γ的数值。D2为第二实施例中衍射光学元件10的衍射角选型，在D2中，衍射光学元件10的衍射角选型为9°×18°×27°×36°×9°。D3为第三实施例中衍射光学元件10的衍射角选型，在D3中，衍射光学元件10的衍射角选型为9°×18°×27°×36°×12°。同理，D4-D12分别为第四实施例至第十二实施例衍射光学元件10的衍射角选型。可以理解的是，衍射光学元件10的衍射角选型为9°×18°×27°×36°×6°，则衍射光学元件10的最大投射角度为72°×12°，可知衍射光学元件10在H方向上具有足够大的投射范围，能够获取该方向上被测物体230更多的深度信息。
表1
Figure BDA0003260312610000181
各实施例中微结构130的尺寸特征数值由表2给出，表2由左到右分别为各实施例中尺寸特征的数值，从上到下对应不同的尺寸特征。其中，D1为第一实施例中微结构130的尺寸特征数值，D2为第二实施例中微结构130的尺寸特征数值，D3为第三实施例中微结构130的尺寸特征数值，以此类推。表2中各线段长度尺寸的数值单位均为nm，表2中微结构130的尺寸特征均满足上述各条件式，各实施例中的衍射光学元件10均能够实现广角投射，且具备良好的光学性能。由表2可看出，通过调整微结构130的尺寸特征，能够调节衍射光学元件10的衍射角，从而满足不同场景或电子设备20的投射需求。
表2
Figure BDA0003260312610000191
根据表2的数据，可以得到如表3所示的比例关系，表3中的比例关系均满足上述各关系式。
表3
Figure BDA0003260312610000192
Figure BDA0003260312610000201
根据表3的数据，可得到各比例关系在12个实施例中的最小值、最大值以及平均值，如表4所示。需要说明的是，各比例关系取值在12个实施例的最小值与最大值之间时，衍射光学元件具备良好的衍射效应，能够满足高精度的检测需求。
表4
比例关系 最小值 最大值 平均值
A/HP 0.6 0.73 0.67
B/HP 0.46 0.54 0.49
C/HP 0.68 0.78 0.73
D/HP 0.46 0.51 0.49
E/HP 0.29 0.33 0.31
F/HP 0.78 0.82 0.8
H/VP 0.17 0.19 0.18
J/VP 0.22 0.24 0.23
K/VP 0.14 0.17 0.15
L/VP 0.34 0.38 0.36
M/VP 0.14 0.18 0.16
N/VP 0.5 0.54 0.53
O/VP 0.2 0.25 0.22
P/VP 0.12 0.13 0.12
Q/VP 0.08 0.12 0.11
可以理解的是，在制备衍射光学元件10时，可以根据所需要的衍射角度，选用其中一个实施例的参数，并根据该实施例的参数制得相应的微结构130，从而得到相应的衍射光学元件10。例如，当需要12°×24°×36°×48°×9°的衍射角时，对应表1可采用第六实施例D6，从而根据表2及表3中第六实施例D6的参数制得对应的衍射光学元件10。
请参见图1和图5，图5示出了一些实施例中衍射光学元件10的剖面示意图。衍射光学元件10的生产工艺包括但不限于为纳米光刻技术或纳米压印技术等，只要能够在基底110上形成阵列排布的多个微结构130即可。在一些实施例中，先采用纳米光刻技术制造出与微结构130相对应的模具。例如，基底110上凹陷形成的多个微结构130，则模具具有与多个微结构130的形状相对应的凸起结构。在基底110上涂覆光刻胶，从而通过模具采用纳米压印技术将基底110上的光刻胶压印形成多个微结构130。需要说明的是，基底110还可设置有多个凸起的微结构130，则模具具有与多个微结构130的形状相对应的凹陷结构。
当然，也可直接在基底110上采用纳米光刻技术制备微结构130阵列。然而，由于光刻模板面积通常远小于多个微结构130构成的阵列的面积，若直接在基底110上采用纳米光刻技术制备微结构130阵列，则需要多次移动光刻模板方能满足多个微结构130的制造。而先制造模具，再通过模具压印制备多个微结构130构成的阵列，仅需在模具制造过程中多次移动光刻模板，制得模具后便可通过模具快速量产衍射光学元件10，有利于提升生产效率。
另外，为配合制造工艺，顺利制备衍射光学元件10并避免制备过程中损伤基底110，通过光刻胶制得多个微结构130后，基底110与微结构130之间还会留有由光刻胶形成的余胶层120。例如，在图5所示的实施例中，基底110的表面覆盖有余胶层120，微结构130形成于余胶层120上。在一些实施例中，基底110的厚度在0.1mm至0.5mm之间，具体可以为0.3mm，余胶层120的厚度在1um至5um之间，具体可以为3um，微结构130的高度，即微结构130在垂直于余胶层120表面的方向上的尺寸在0.5um至1um之间，具体可以为0.8um。如此设置，有利于配合制造工艺顺利在基底110上形成微结构130，也能够使得制得的衍射光学元件10具备足够的结构强度。基底110的材质不限，可以为任意适用的透光材质，包括但不限于为硅、二氧化硅、硼硅酸钠玻璃、蓝宝石等。
请参见图1与图6，图6为一些实施例中电子设备20的示意图。在一些实施例中，衍射光学元件10与光源2110组装形成投射模组210，并应用于电子设备20中，电子设备20还包括接收模组220。具体地，电子设备20可以采用散斑结构光或dToF等任意适用需借助点阵投射获取深度信息的技术。光源2110能够发射红外光束，例如光源2110发射940±50nm的红外光束。衍射光学元件10位于光源2110的出光侧，衍射光学元件10能够将光源2110出射的单光束分束为3×9的多光束，并投射到被测物体230上。投射模组210投射到被测物体230上的光束经被测物体230反射后被接收模组220接收，其中，接收模组220可配置有图像传感器，图像传感器具有水平方向与竖直方向，水平方向与图1所示的X轴方向对应，竖直方向与图1所示的Y轴方向对应。接收模组220能够根据投射模组210投射的光束信号以及经被测物体230反射的光束信号，获取被测物体230的深度信息，从而实现三维检测功能。
在投射模组210中采用上述衍射光学元件10，能够实现广角投射效果。而在电子设备20中采用上述投射模组210，衍射光学元件10能够将单光束分束为3×9的多光束并具备良好的光学性能，既能够实现广角投射，使得电子设备20能够应用于扫地机等需要广角投射的场景，也有利于提升电子设备20的检测精度。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种衍射光学元件，其特征在于，用于将单束光分束成3×9的多束光，所述衍射光学元件包括基底以及设置于所述基底上的微结构阵列；
所述微结构阵列包括阵列分布的多个第一单元和多个第二单元，所述第一单元沿Y轴延伸且多个所述第一单元沿X轴方向间隔排布，所述第一单元沿Y轴方向均匀间隔设置有沿X轴方向两侧突出的凸起，多个所述第二单元设置于相邻的两个所述第一单元之间且沿Y轴方向成阵列间隔排布，沿X轴方向上相邻的两个所述第二单元的位置相对应，所述第二单元包括沿X轴正方向依次间隔排布的第二子结构、第三子结构和第四子结构，所述第二子结构、所述第三子结构和所述第四子结构均为长条状，且所述第二子结构、所述第三子结构和所述第四子结构的长轴与Y轴的角度均小于45度，所述第二子结构在Y轴正方向的端点沿X轴方向上的投影位于所述第三子结构和所述第四子结构的轮廓内，所述第三子结构在Y轴负方向的端点沿X轴方向上的投影位于所述第二子结构和所述第四子结构的轮廓内，所述第四子结构在Y轴正方向的端点沿X轴方向上的投影位于所述第三子结构的轮廓内，所述第四子结构在Y轴负方向上的端点沿X轴方向上的投影位于所述第二子结构的轮廓内；X轴与Y轴在平行于所述基底的平面上构成一平面直角坐标系；
HP为第二单元沿Y轴方向的周期，VP为第二单元沿X方向的周期，所述微结构阵列满足条件式：0.60≤HP/VP≤2.20。
2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述微结构满足以下条件式：
0.54≤A/HP≤0.81；0.16≤H/VP≤0.21；0.41≤B/HP≤0.60；
0.20≤J/VP≤0.26；0.61≤C/HP≤0.86；0.12≤K/VP≤0.18；
0.18≤O/VP≤0.28；0.11≤P/VP≤0.14；
其中，A、H分别为所述第二子结构在Y轴方向与X轴方向上的最大尺寸，B、J分别为所述第三子结构在Y轴方向与X轴方向上的最大尺寸，C、K分别为所述第四子结构在Y轴方向与X轴方向上的最大尺寸，O为所述第一单元在X轴方向上的最大尺寸，P为所述第一单元在X轴方向上的最小尺寸。
3.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述微结构满足以下条件式：
0.41≤D/HP≤0.56；0.26≤E/HP≤0.37；
0.70≤F/HP≤0.90；0.31≤L/VP≤0.42；
0.13≤M/VP≤0.20；0.45≤N/VP≤0.59；0.08≤Q/VP≤0.13；
其中，D为一个所述第二单元中所述第三子结构Y轴正方向端点至所述第二子结构Y轴正方向端点于Y轴方向上的距离，E为一个所述第二单元中所述第三子结构Y轴正方向端点至所述第四子结构Y轴正方向端点于Y轴方向上的距离，F为一个所述第二单元中所述第四子结构Y轴正方向端点至所述第二子结构Y轴正方向端点于Y轴方向上的距离，L为一个所述第二单元中所述第二子结构Y轴正方向端点至所述第三子结构Y轴正方向端点于X轴方向上的距离，M为一个所述第二单元中所述第三子结构Y轴正方向端点至所述第四子结构Y轴正方向端点于X轴方向上的距离，N为一个所述第二单元中所述第二子结构Y轴正方向端点至所述第四子结构Y轴正方向端点于X轴方向上的距离，Q为所述第二子结构Y轴正方向端点至所述第一单元于X轴方向上的最短距离。
4.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述第二子结构Y轴正方向端点位于所述第二子结构Y轴负方向端点的X轴负方向一侧；和/或
所述第三子结构Y轴负方向端点位于所述第三子结构Y轴正方向端点的X轴负方向一侧；和/或
所述第二子结构与所述第三子结构的长轴与Y轴的角度为15°、20°或30°。
5.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述凸起在X轴方向上的尺寸沿Y轴正方向先增大后减小；和/或
所述凸起沿X轴方向的端点与所述第二子结构Y轴负方向的端点位置相对应。
6.根据权利要求1-5所述的衍射光学元件，其特征在于，所述微结构满足以下条件式：
3.27um≤HP≤6.61um；
2.72um≤VP≤9.90um。
7.根据权利要求1-5所述的衍射光学元件，其特征在于，所述微结构满足以下条件式：
A/HP＝0.67；H/VP＝0.18；B/HP＝0.50；J/VP＝0.23；C/HP＝0.74；
K/VP＝0.15；O/VP＝0.23；P/VP＝0.13；D/HP＝0.48；E/HP＝0.32；
F/HP＝0.80；L/VP＝0.36；M/VP＝0.16；N/VP＝0.52；Q/VP＝0.10。
8.根据权利要求1-5所述的衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件在X轴方向上具有第一衍射角度、第二衍射角度、第三衍射角度以及第四衍射角度，所述第二衍射角度为所述第一衍射角度的两倍，所述第三衍射角度为所述第一衍射角度的三倍，所述第四衍射角度为所述第一衍射角度的四倍；
所述第一衍射角度在9°至15°之间；
所述衍射光学元件在Y轴方向上的衍射角度在6°至18°之间。
9.一种投射模组，其特征在于，包括光源以及如权利要求1-8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光源发出的光线进行分束。
10.一种电子设备，其特征在于，包括接收模组以及如权利要求9所述的投射模组，所述投射模组用于向被测物体投射光线，所述接收模组用于接收被被测物体反射的光线。
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