CN212781511U - 一种具有准直效果的衍射光学元件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有准直效果的衍射光学元件。包括第二准直微透镜、基底和衍射结构，第二准直微透镜置于基底的第一表面，衍射结构置于基底的第二表面；第二准直微透镜朝向激光光源，激光光源发出光束经过第二准直微透镜折射后以平行光出射，进而从基底的第一表面输入到基底中，再从基底的第二表面出射基底进而入射到衍射结构，将光束整形为固定图案。本实用新型的光学元件结构简单，制作方便，极大的减小了光学系统的总长度，缩减了光学系统的体积，实用性非常好，并且相比于传统准直透镜的应用，工序简捷。
Description
技术领域
本实用新型属于光学器件领域的一种光学元件，特别是涉及一种具有准直效果的衍射光学元件。
背景技术
随着激光工程应用在越来越多的领域，需要激光以适应不同的工程需求，对激光束进行整形的研究也应运而生。激光束整形技术是指通过对入射激光进行调制改变其光强及相位特性，得到预期的光场或光束。现有的激光整形方法有很多，比如光楔阵列聚焦光学系统，液晶空间光调制器，双折射透镜组，随机相位板，衍射光学元件，非球面镜等。衍射光学元件光束整形因其微型轻重、易于大规模生产、设计自由度高、衍射方向光强与入射光强比值高、能够实现任意的波面变换等特点，成为了目前光束整形应用与研究的热点。民事上广泛的应用于激光显示器、材料加工、光学信息应用、医学临床应用等工程。
衍射光学元件(DOE)具体应用于3D传感人脸识别，3D传感人脸识别以VCSEL不可见红外光作为发射源，相比较而言VCSEL光谱准确性更高、响应速度更快、使用寿命更长、投射距离更长，因此比LED光源具有明显优势，在智能设备中VCSEL成为主流。
由VCSEL发出的红外光需要经过准直透镜的校准，准直透镜利用光的折射原理，将波瓣较宽的衍射图案校准汇聚为窄波瓣的近似平行光。准直透镜可以采用传统的光学镜头制造方法，也可以采用WLO(晶圆级镜头)。根据传统光学镜头和WLO的性能对比，WLO成本更低、生产效率更高、镜头一致性更好，更适合用于制造准直透镜。经过准直透镜校准后的激光束并没有特征信息，因此下一步需要对激光束进行调制，使其具备特征结构，衍射光学元件(DOE)就是用来完成这一任务的。VCSEL射出的激光束经准直后，通过DOE进行散射，即可得到所需的散斑图案。
光学系统应用中，对激光束进行准直以达到最佳效果，尤其是在漫反射器输出包含清晰特征的情况下，如若光束偏离准直状态，尖锐的散射特征开始被涂抹。传统应用中，用来准直VCSEL激光束的准直透镜与衍射光学元件DOE布置在同一光路上，两者分立作用于整个光学系统，整个光学系统总长度较长，光学系统体积大，并且在系统装配中要多道工序，工序繁杂。
发明内容
针对现有技术的不足，本实用新型提出了一种具有准直效果的衍射光学元件。
本实用新型的技术方案是：
衍射光学元件包括第二准直微透镜、基底和衍射结构，第二准直微透镜置于基底的第一表面，衍射结构置于基底的第二表面；
第二准直微透镜朝向激光光源，激光光源发出光束经过第二准直微透镜折射后以平行光出射，进而从基底的第一表面输入到基底中，再从基底的第二表面出射基底进而入射到衍射结构，将光束整形为所需的图案。
所述的激光光源包括垂直腔面发射激光器VCSEL。
所述的激光光源从不同的发射角度发射光束。
所述的第二准直微透镜和衍射结构经纳米压印制备方法分别压印形成在基底的第一表面和基底的第二表面。
所述的第二准直微透镜的折射率取值范围在1.4～1.9之间，第二准直微透镜的面型透镜是球面或非球面。
所述的基底采用玻璃、光学玻璃、PC、PET材料。
所述的衍射结构的形状是阶梯阵列或者是直径各不相同的微透镜阵列。
所述的激光光源提供红外光。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提供一种具有准直效果的衍射光学元件，该光学元件将准直透镜与衍射光学元件集成于一体，VCSEL激光器出射的激光束经该光学元件准直并调制，达到想要的光斑图案，此光学元件结构简单，制作方便，极大的减小了光学系统的总长度，缩减了光学系统的体积，实用性非常好，并且相比于传统准直透镜的应用，工序简捷。
附图说明
图1是传统光学应用的结构示意图。
图2是本实用新型改进的光学应用结构示意图。
图3是一种具有准直效果的衍射光学元件DOE示意图。
图中，1、VCSEL激光器，2、第一准直透镜，3、衍射光学元件，4、接收平面，5、整形阵列光斑，6、第二准直微透镜，7、基底，8、衍射结构。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易的了解本实用新型的优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
如图1所示，传统光学应用结构中，由VCSEL激光器1发出的红外光需要经过第一准直透镜2的校准，准直透镜2利用光的折射原理，将波瓣较宽的衍射图案校准汇聚为窄波瓣的近似平行光。经过准直透镜2校准后的激光束并没有特征信息，衍射光学元件3对激光束进行调制，将光束整形为5*5的光斑点阵。第一准直透镜2与衍射光学元件3布置在同一光路中，两者分立作用于整个光学系统。
如图2所示，本实用新型改进的光学应用结构中，VCSEL激光器1发射出的红外光首先经过第二准直微透镜6将激光束准直为平行光，再通过整形衍射结构8进行散射，对没有特征信息的入射光相位进行调制得到具有特征信息的图案，即5*5的光斑点阵图案。第二准直微透镜6与整形衍射结构8集成于一体，作用于整个光学系统。
红外主要波长是700nm-2500nm。目前的摄像头对900nm以上的红外光感应差，需要更强的光才能感测到；而800nm以下的波长，太靠近可见光，极其容易受到太阳光的干扰，所以一般红外的波长在800nm-900nm。目前，可以提供800-900nm波段的光源主要有三种：红外LED、红外LD(激光二极管)和VCSEL(垂直腔面发射激光器)。相比较而言VCSEL光谱准确性更高、响应速度更快、使用寿命更长、投射距离更长，因此比LED光源具有明显优势，故本实用新型中选用VCSEL作为光源，提供900nm波段的红外光。
如图3所示，衍射光学元件包括第二准直微透镜6、基底7和衍射结构8，第二准直微透镜6置于基底7的第一表面，衍射结构8置于基底7的第二表面；第二准直微透镜6朝向激光光源，具体实施的激光光源包括垂直腔面发射激光器VCSEL，激光光源发出光束经过第二准直微透镜6折射后以平行光出射，进而从基底7的第一表面输入到基底7中，再从基底7的第二表面出射基底7进而入射到衍射结构8，将光束整形为所需的图案。
如图2所示，第二准直微透镜6利用光的折射原理将VCSEL发射发散角为20度的光束折射成平行光束射入具有整形功能的衍射结构8中。具体实施的第二准直微透镜6的直径为100um，第二准直微透镜6的折射率为1.5，第二准直微透镜6的面型是非球面，满足非球面表达式x＝cy2/[1+[1-(K+1)c2y2]1/2]+dy4+ey6+…+，其中，x表示矢高，c表示曲面的顶点曲率，y表示透镜半径，K表示二次曲面系数，d，e分别表示第一、第二高次曲面系数。
具体实施中，中光学元件的基底材料折射率为1.5的光学玻璃，通过纳米压印制备方法将具有第二准直微透镜6结构压印形成在基底7的第一表面，将具有特定整形功能的衍射结构8压印形成在基底7的第二表面。衍射结构8为阶梯状的微纳结构，衍射结构对入射光束的相位进行调制，从而将没有特征信息的光束调制为有特征信息的图案，使光束在空间中可控分布为5*5的光斑点阵图案。
以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不局限于此。在本实用新型的构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变形，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本实用新型所公开的内容，均属于本实用新型所保护范围。
Claims (8)
1.一种具有准直效果的衍射光学元件，其特征在于：包括第二准直微透镜(6)、基底(7)和衍射结构(8)，第二准直微透镜(6)置于基底(7)的第一表面，衍射结构(8)置于基底(7)的第二表面；第二准直微透镜(6)朝向激光光源，激光光源发出光束经过第二准直微透镜(6)折射后以平行光出射，进而从基底(7)的第一表面输入到基底(7)中，再从基底(7)的第二表面出射基底(7)进而入射到衍射结构(8)，将光束整形为所需的图案。
2.根据权利要求1所述的一种具有准直效果的衍射光学元件DOE，其特征在于：所述的激光光源包括垂直腔面发射激光器VCSEL。
3.根据权利要求1所述的一种具有准直效果的衍射光学元件DOE，其特征在于：所述的激光光源从不同的发射角度发射光束。
4.根据权利要求1所述的一种具有准直效果的衍射光学元件DOE，其特征在于：所述的第二准直微透镜(6)和衍射结构(8)经纳米压印制备方法分别压印形成在基底(7)的第一表面和基底(7)的第二表面。
5.根据权利要求1所述的一种具有准直效果的衍射光学元件DOE，其特征在于：所述的第二准直微透镜(6)的折射率取值范围在1.4～1.9之间，第二准直微透镜(6)的面型透镜是球面或非球面。
6.根据权利要求1所述的一种具有准直效果的衍射光学元件DOE，其特征在于：所述的基底(7)采用玻璃、光学玻璃、PC、PET材料。
7.根据权利要求1所述的一种具有准直效果的衍射光学元件DOE，其特征在于：所述的衍射结构(8)的形状是阶梯阵列或者是直径各不相同的微透镜阵列。
8.根据权利要求1所述的一种具有准直效果的衍射光学元件DOE，其特征在于：所述的激光光源提供红外光。
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Country Status (1)
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2020
- 2020-09-11 CN CN202021983269.3U patent/CN212781511U/zh active Active
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