WO2021238678A1 - 衍射光学元件、分区匀光投射系统、电子设备及设计方法 - Google Patents

衍射光学元件、分区匀光投射系统、电子设备及设计方法 Download PDF

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宋昱铭
陈鹏
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    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity

Definitions

  • the present invention generally relates to the field of optical technology, and particularly relates to a diffractive optical element, a partitioned uniform light projection system including the same, an electronic device and a design method thereof.
  • the plurality of light source arrays are spaced along a second direction, the second direction being perpendicular to the first direction, and the microstructure pattern unit is configured to enable the plurality of light source arrays
  • the light beam emitted by the light source in the light source is divergent and uniformly modulated along the second direction, so that the light field regions of the adjacent light source arrays on the target surface are adjacent to or overlap each other in the second direction.
  • the diffractive optical element has optical power so that the light beam of each light source array diverges in the first direction and/or the second direction, and the microstructure pattern unit is configured to be within the divergence range Perform uniform light modulation.
  • the diffractive optical element has different optical powers in the first direction and the second direction, so that the sub-area light source array and the light field area on the target surface are in the first direction and The proportions in the second direction match.
  • the present invention also provides a partitioned uniform light projection system, including:
  • a partitioned light source array includes a plurality of light source arrays, the plurality of light source arrays are spaced along a first direction;
  • the present invention also provides a design method of the diffractive optical element, including:
  • the partitioned light source array includes a plurality of light source arrays, the plurality of light source arrays have an interval along a first direction, and the parameter includes a width of the interval along the first direction;
  • the step of calculating the parameters of the diffractive optical element includes:
  • the first phase distribution and the second phase distribution are superimposed.
  • the calculation of the parameters of the diffractive optical element includes: according to the ratio of the partitioned light source array in the first direction and the second direction, and the target light field in the first direction and the second direction Calculate the different optical powers of the diffractive optical element in the first direction and the second direction, so that the partitioned light source array matches the ratio of the target light field in the first direction and the second direction .
  • the light source array may adopt one-column partition or two-column partition, which can provide different solutions respectively. There is a gap between adjacent partitions.
  • the light source partitions are turned on. When each light source partition is turned on, only the area corresponding to the partition in the target light field is uniformly illuminated, and when all partitions are lit together, the entire target The light field is uniformly illuminated, there is no dark area caused by the gap between the partitions, and the uniform illumination of the target light field is achieved.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a partitioned uniform light projection system according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 shows a schematic diagram of the front side of a partitioned light source array according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 3 shows a partial enlarged view of the partitioned light source array of Fig. 2, and shows how the diffractive optical element modulates the light emitted by each light source;
  • Figure 4 shows the light field distribution projected according to the preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of the front side of a partitioned light source array according to another embodiment of the present invention, wherein a plurality of light source arrays have intervals along the first direction and the second direction;
  • Fig. 6 shows a partial enlarged view of the partitioned light source array of Fig. 5, and shows a schematic diagram of modulating a diffractive optical element
  • Fig. 7 shows a design method of a diffractive optical element according to an embodiment of the present invention.
  • connection should be understood in a broad sense, for example, it can be a fixed connection or a detachable connection.
  • Connected or integrally connected It can be mechanically connected, or electrically connected or can communicate with each other; it can be directly connected or indirectly connected through an intermediate medium, it can be the internal communication of two components or the interaction of two components relation.
  • the specific meanings of the above-mentioned terms in the present invention can be understood according to specific situations.
  • the "on” or “under” of the first feature of the second feature may include the first and second features in direct contact, or may include the first and second features. Not in direct contact but through other features between them.
  • “above”, “above” and “above” the second feature of the first feature include the first feature being directly above and obliquely above the second feature, or it only means that the level of the first feature is higher than that of the second feature.
  • the “below”, “below” and “below” of the first feature of the second feature include the first feature directly above and obliquely above the second feature, or it simply means that the level of the first feature is smaller than the second feature.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a partitioned uniform light projection system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the partitioned uniform light projection system 100 includes a diffractive optical element 10 and a partitioned light source array 20, wherein the partitioned light source array 20 includes a plurality of light source arrays (refer to FIG. 2), the plurality of light source arrays are spaced along a first direction, which will be described in detail below .
  • the diffractive optical element 10 is arranged downstream of the optical path of the partitioned light source array 20, and can receive the light beams emitted by the multiple light source arrays and project a uniform light field on the target surface OB.
  • each light source array the interval between adjacent light sources (or light emitting points) is small, so the light beams emitted by each light source can overlap each other after being modulated by the diffractive optical element 10, thereby projecting a more uniform Light field.
  • the interval DS between adjacent light source arrays is generally larger, larger than the distance between adjacent light sources (or light emitting points) in the same light source array. If the diffractive optical element 10 does not perform special optical modulation, then the light field projected on the target surface OB will have multiple shadow regions along the second direction
  • the diffractive optical element 10 has a microstructure surface, and at least one microstructure pattern unit with various phase distributions is arranged on the microstructure surface.
  • the microstructure pattern unit is configured to diverge and uniformly modulate the light beams emitted by the light sources in the multiple light source arrays along the first direction, so that adjacent light source arrays are on the target surface.
  • the light field areas on the OB are adjacent to or overlap each other in the first direction, so that through the diffractive optical element 10, the light beam emitted by the partitioned light source array 20 can project a uniform light field on the target surface OB, eliminating adjacent
  • the space between the light source arrays may bring dark shadow areas.
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of modulating the diffractive optical element 10 corresponding to FIG. 5.
  • the microstructure pattern unit of the diffractive optical element 10 is configured to diverge and uniformly modulate the light beams emitted by the light sources in the multiple light source arrays along the first direction and the second direction, so that The light field regions of adjacent light source arrays on the target surface are adjacent to or overlap each other in the first direction and the second direction.
  • the rectangular marking diffractive optical element 10 in FIG. 6 modulates the light beam emitted by each light source.
  • the diffractive optical element 10 may have optical power along the first direction and/or the second direction, and the plurality of micro The structure pattern unit is configured to perform uniform light modulation within the divergence range to ensure that the brightness of the projected light field is as uniform as possible.
  • the above describes the partitioned uniform light projection system and the diffractive optical element according to the embodiment of the present invention.
  • the partitioned uniform light projection system as described above can be arbitrarily combined with electronic devices that require uniform light projection, including but not limited to mobile phones, PADs, electronic locks, and the like.
  • the first phase distribution can provide optical power so that the light beam of each light source array diverges in the first direction and/or the second direction;
  • the second phase distribution can make the light beam of each light source array perform uniform light modulation within the divergence range of the first direction and/or the second direction;
  • the first phase distribution and the second phase distribution are superimposed.
  • the step S203 includes: according to the ratio of the partitioned light source array in the first direction and the second direction, and the ratio of the target light field in the first direction and the second direction, Calculate the diffractive optical element's different optical power in the first direction and the second direction, so that the proportions of the partitioned light source array and the target light field in the first direction and the second direction are matched.
  • the present invention also relates to an optical modulation element, which is designed by the design method 200 described above.
  • the VCSEL light source array can adopt one-column partition or two-column partition, and different solutions can be provided respectively.
  • the VCSEL light source is divided into 1*12 or 2*8 partitions, there are gaps between adjacent partitions, and the light source partitions are turned on.
  • each light source partition is lit, only the target light field corresponds to that partition.
  • the area is uniformly illuminated, and when all the partitions are lit together, the entire target light field is uniformly illuminated, and there is no dark area caused by the gap between the partitions.
  • the partition lighting can be realized through a single DOE.
  • a single DOE scheme can also be used to achieve uniform illumination of the target light field.

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Abstract

一种衍射光学元件（10），包括微结构面，微结构面上设置有至少一个微结构图案单元，衍射光学元件（10）可接收分区光源阵列（20）发射出的光束并在目标表面（OB）上投射出光场，其中分区光源阵列（20）包括多个沿第一方向间隔开的光源阵列（20-1，20-2，……，20-n），微结构图案单元配置成可将多个光源阵列（20-1，20-2，……，20-n）中的光源发出的光束沿着第一方向进行发散和匀光调制，使得相邻光源阵列（20-1，20-2，……，20-n）在目标表面（OB）上的光场区域在第一方向上相互邻接或者重叠。相邻分区之间存在有间隙，光源分区轮流点亮，每一块光源分区点亮时，目标光场中只有与分区相对应的区域被均匀照明，且当所有分区一起点亮时，整个目标光场被均匀照明，没有因分区之间的间隙而引起的暗区，实现目标光场的分区均匀照明。

Description

衍射光学元件、分区匀光投射系统、电子设备及设计方法 技术领域
本发明大致涉及光学技术领域，尤其涉及衍射光学元件、包括其的分区匀光投射系统、电子设备及其设计方法。
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(Indirect Time-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。索尼针对该市场需求，设计了用于直接飞行时间(Direct Time-Of-Flight)的传感器，为匹配该传感器工作，需要实现光场的分区均匀照明。另外，在很多的具体应用中，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，但对于VCSEL芯片存在分区、且分区之间存在间隙的情况下，针对整体发射光场进行DOE匀光片的相位分布进行计算设计，可能会导致目标光场区域内与分区之间间隙相对应的部分的光场与其它区域不均匀的情况，从而影响3D信息的重建。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，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问题，本发明提供一种衍射光学元件，包括微结构面，所述微结构面上设置有至少一个微结构图案单元，所述衍射光学 元件可接收分区光源阵列发射出的光束并在目标表面上投射出光场，其中所述分区光源阵列包括多个沿第一方向间隔开的光源阵列，所述微结构图案单元配置成可将所述多个光源阵列中的光源发出的光束沿着所述第一方向进行发散和匀光调制，使得相邻光源阵列在所述目标表面上的光场区域在第一方向上相互邻接或者重叠。
根据本发明的一个方面，所述多个光源阵列沿第二方向具有间隔，所述第二方向垂直于所述第一方向，其中所述微结构图案单元配置成可将所述多个光源阵列中的光源发出的光束沿着所述第二方向进行发散和匀光调制，使得相邻光源阵列在所述目标表面上的光场区域在第二方向上相互邻接或者重叠。
根据本发明的一个方面，所述衍射光学元件具有光焦度以使得每个光源阵列的光束在第一方向和/或第二方向上发散，所述微结构图案单元配置成可在发散范围内进行匀光调制。
根据本发明的一个方面，所述衍射光学元件在第一方向和第二方向上具有不同的光焦度，以使得所述分区光源阵列与所述目标表面上的光场区域在第一方向和第二方向上的比例相匹配。
本发明还提供一种分区匀光投射系统，包括：
分区光源阵列，所述分区光源阵列包括多个光源阵列，所述多个光源阵列沿第一方向具有间隔；
如上所述的衍射光学元件，设置在所述分区光源阵列的光路下游并可接收所述多个光源阵列发射出的光束并在目标表面上投射出光场。
本发明还提供一种电子设备，包括如上所述的分区匀光投射系统。
本发明还提供一种衍射光学元件的设计方法，包括：
获得分区光源阵列的参数，所述分区光源阵列包括多个光源阵列，所述多个光源阵列沿第一方向具有间隔，所述参数包括沿第一方向的所述间隔的宽度；
获得目标表面上目标光场的参数，包括所述目标光场与所述分区光源阵 列的距离；
计算所述衍射光学元件的参数，以使得所述衍射光学元件可将所述多个光源阵列中的光源发出的光束沿着所述第一方向进行发散和匀光调制，使得相邻光源阵列在所述目标表面上的光场区域在第一方向上相互邻接或者重叠。
根据本发明的一个方面，所述多个光源阵列沿第二方向具有间隔，所述第二方向垂直于所述第一方向，其中所述计算衍射光学元件的参数的步骤包括：计算所述衍射光学元件的参数以使得所述衍射光学元件可将所述多个光源阵列中的光源发出的光束沿着所述第二方向进行发散和匀光调制，使得相邻光源阵列在所述目标表面上的光场区域在第二方向上相互邻接或者重叠。
根据本发明的一个方面，所述计算衍射光学元件的参数的步骤包括：
计算所述衍射光学元件的第一相位分布，所述第一相位分布可提供光焦度以使得每个光源阵列的光束在第一方向和/或第二方向上发散；
计算所述衍射光学元件的第二相位分布，所述第二相位分布可使得每个光源阵列的光束在第一方向和/或第二方向的发散范围内进行匀光调制；和
叠加所述第一相位分布和第二相位分布。
根据本发明的一个方面，所述计算衍射光学元件的参数包括：根据所述分区光源阵列在第一方向和第二方向上的比例、以及所述目标光场在第一方向和第二方向上的比例，计算所述衍射光学元件在第一方向和第二方向上不同的光焦度，以使得所述分区光源阵列与所述目标光场在第一方向和第二方向上的比例相匹配。
本发明还提供一种光学调制元件，通过如上所述的设计方法设计。
本发明的实施例中，光源阵列可以采用一列分区，也可以采用二列分区，分别可提供不同的解决方案。相邻分区之间存在有间隙，光源分区轮流点亮，每一块光源分区点亮时，目标光场中只有与该分区相对应的区域被均匀照明，且当所有分区一起点亮时，整个目标光场被均匀照明，没有因分区之间的间隙而引起的暗区，实现目标光场的分区均匀照明。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的分区匀光投射系统的示意图；
图2示出了根据本发明一个实施例的分区光源阵列的正面的示意图；
图3示出了图2的分区光源阵列的局部放大图，并且示出了衍射光学元件如何将每个光源出射的光进行调制的方式；
图4示出了根据本发明优选实施例投射出的光场分布；
图5示出了根据本发明另一个实施例的分区光源阵列的正面的示意图，其中多个光源阵列沿着第一方向和第二方向均具有间隔；
图6示出了图5的分区光源阵列的局部放大图，并且示出了衍射光学元件进行调制的示意图；和
图7示出了根据本发明一个实施例的一种衍射光学元件的设计方法。
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"、"坚直"、"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优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了根据本发明一个实施例的分区匀光投射系统100的示意图。 分区匀光投射系统100包括衍射光学元件10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)，所述多个光源阵列沿第一方向具有间隔，下文将详细描述。衍射光学元件10设置在所述分区光源阵列20的光路下游，可接收所述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。
图2示出了分区光源阵列20的正面的示意图。如图2所示，分区光源阵列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，如图2中所示，沿着第一方向(图中的竖直方向)，光源阵列之间具有一定的间隔DS。所述光源阵列例如包括多个垂直腔面发射激光器。
在每个光源阵列内部，相邻的光源(或出光点)之间的间隔较小，因而每个光源出射的光束在经过衍射光学元件10的调制之后，可以相互重叠，从而投射出较为均匀的光场。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相邻光源(或出光点)之间的距离。如果衍射光学元件10不进行特殊的光学调制，那么在目标表面OB上投射出的光场中，将沿着第二方向具有多条黑影区域
衍射光学元件10上具有微结构面，所述微结构面上设置有各种相位分布的至少一个微结构图案单元。根据本发明，所述微结构图案单元配置成可将所述多个光源阵列中的光源发出的光束沿着所述第一方向进行发散和匀光调制，使得相邻光源阵列在所述目标表面OB上的光场区域在第一方向上相互邻接或者重叠，从而通过所述衍射光学元件10，可将分区光源阵列20发射出的光束在目标表面OB上投射出均匀的光场，消除相邻光源阵列之间的间隔可能带来的黑影区域。
图3示出了分区光源阵列20的局部放大图，并且示出了衍射光学元件10如何将每个光源出射的光进行调制的方式。如图3所示，其中示出了光源阵列20-1和20-2，二者之间沿着第一方向具有间隔DS。衍射光学元件10接收来自光源阵列20-1和20-2的光束，并且将光束沿着第一方向进行发散和 匀光调制处理，使得经过调制后，出射的光场中，与间隔DS相对应的部分被均匀光场所覆盖。如图3所示，对于每个光源的光束，衍射光学元件10将其沿着第一方向进行发散展宽(如图3中的多个矩形框所示的)，并且在发散范围内进行匀光调制。衍射光学元件10对光束进行发散展宽的程度，可以根据衍射光学元件10与目标表面之间的工作距离L来决定，例如使得投射到目标表面上时，两个相邻光源阵列对应的光场至少能够相毗邻，如图3中所示的情况，从而消除了相邻光源阵列之间的间隔DS可能在目标光场中形成的黑影区域。图4示出了根据本发明优选实施例投射出的光场分布。
图1实施例中的衍射光学元件10可以通过一片DOE实现。分区匀光投射系统100的示意图如图1所示，衍射光学元件10与目标表面之间的工作距离L例如为1500mm。由于衍射光学元件10与分区光源阵列20之间的距离S非常近，仅为几个毫米，因此可以将目标光场近似认为是在无穷远处成像。另外如图2所示，由于分区光源阵列20分区为一列，在水平方向上不存在分区间的间隙，因此衍射光学元件10实现匀光的功能，相当于匀光片，将VCSEL的每个发光点(20度FOV)，进行与目标光场FOV角度相匹配的匀光，例如50至80度。在垂直方向上，由于存在分区间的间隙，因此衍射光学元件10具有光焦度，在垂直方向上对发光点发射的光束的发散角度进行限制，相当于柱面镜的功能，并且在所限制的发散角度区域内进行匀光，使得两个相邻分区边缘的发光点发出的光在目标光场上相互拼接或重叠从而覆盖分区间隙对应的目标光场区域。可以理解为，该衍射光学元件10具有以上三种功能，即沿着第二方向匀光；沿着第一方向发散；沿着第一方向匀光。针对于以上三种功能，可以分别不同计算出实现相应功能的衍射光学元件10的相位分布，然后将计算得到的相位分布叠加从而设计得到所需的衍射光学元件10器件的整体相位分布。
图2-图4的实施例中，多个光源阵列沿着第一方向具有间隔，衍射光学元件10接收来自光源阵列的光束，并且将光束沿着第一方向进行发散和匀光调制处理，从而消除第一方向的间隔。本发明不限于此。图5示出了多个光 源阵列沿着第一方向和第二方向均具有间隔的实施例。如图5所示，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。
图6示出了与图5相对应的衍射光学元件10进行调制的示意图。如图6所示，衍射光学元件10的微结构图案单元配置成可将所述多个光源阵列中的光源发出的光束沿着所述第一方向和第二方向进行发散和匀光调制，使得相邻光源阵列在所述目标表面上的光场区域在第一方向和第二方向上相互邻接或者重叠。图6中的矩形标识衍射光学元件10对于每一个光源发出的光束进行调制的方式。具体的，衍射光学元件10将光束沿着第一方向进行发散和匀光调制，使得相邻的光源阵列在目标表面OB上形成的光场在第一方向上至少是毗邻的，消除黑影区域；另外，衍射光学元件10将光束沿着第二方向进行发散和匀光调制，使得相邻的光源阵列在目标表面OB上形成的光场在第二方向上至少是毗邻的，消除黑影区域。
为了实现每个光源阵列的光束在第一方向和/或第二方向上进行发散，所述衍射光学元件10可以沿着第一方向和/或第二方向具有光焦度，所述多个微结构图案单元配置成可在发散范围内进行匀光调制，以保证投射出的光场的亮度尽可能均匀。
另外，当分区光源的纵宽比和目标光场的纵宽比不同的时，所述衍射光学元件在第一方向和第二方向上具有不同的光焦度，即在第一方向和第二方向上的发散程度是不同的，以使得所述分区光源阵列与所述目标表面上的光场区域在第一方向和第二方向上的比例相匹配。
针对图5所示的分区光源阵列，衍射光学元件10优选也可以通过一片DOE实现。由于分区光源阵列在水平和垂直方向上都存在分区间的间隙，因此需要DOE在两个方向上均具有光焦度，在水平和垂直方向上都对发光点发射的光束的发散角度进行限制，相当于透镜的功能，并且在所限制的发散角度区域内进行匀光，使得两个相邻分区边缘的发光点发出的光在目标光场上 相互拼接或重叠从而覆盖分区间隙对应的目标光场区域。在设计衍射光学元件时，可以针对于以上功能，分别计算出实现相应功能的DOE的相位分布(例如菲涅尔透镜提供光焦度，随机相位结构用于进行匀光)，然后将计算得到的相位分布叠加从而设计得到所需的DOE器件的整体相位分布。另外，当VCSEL的发光区域在水平和垂直方向上的比例与目标光场的比例不同时，DOE在两个方向上可以提供不同的光焦度(马鞍形相位分布)以校正VCSEL发光区域的比例从而与目标光场相匹配。
以上描述了根据本发明实施例的分区匀光投射系统以及衍射光学元件。如上所述的分区匀光投射系统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。
图7示出了根据本发明一个实施例的一种衍射光学元件的设计方法200，下面参考图7详细描述。如图7所示，设计方法200包括：
在步骤S201，获得分区光源阵列的参数，所述分区光源阵列包括多个光源阵列，所述多个光源阵列沿第一方向具有间隔，例如如图2所示的分区光源阵列20。所述参数包括沿第一方向的所述间隔DS的宽度。
在步骤S202，获得目标表面上目标光场的参数，包括所述目标光场与所述分区光源阵列的距离。
在步骤S203，计算所述衍射光学元件的参数，以使得所述衍射光学元件可将所述多个光源阵列中的光源发出的光束沿着所述第一方向进行发散和匀光调制，使得相邻光源阵列在所述目标表面上的光场区域在第一方向上相互邻接或者重叠。
根据本发明的一个实施例，所述多个光源阵列沿第二方向具有间隔，所述第二方向垂直于所述第一方向，如图5所示的分区光源阵列。其中所述步骤S203包括：计算所述衍射光学元件的参数以使得所述衍射光学元件可将所述多个光源阵列中的光源发出的光束沿着所述第二方向进行发散和匀光调制，使得相邻光源阵列在所述目标表面上的光场区域在第二方向上相互邻接或者重叠。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S203包括：
计算所述衍射光学元件的第一相位分布，所述第一相位分布可提供光焦度以使得每个光源阵列的光束在第一方向和/或第二方向上发散；
计算所述衍射光学元件的第二相位分布，所述第二相位分布可使得每个光源阵列的光束在第一方向和/或第二方向的发散范围内进行匀光调制；和
叠加所述第一相位分布和第二相位分布。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S203包括：根据所述分区光源阵列在第一方向和第二方向上的比例、以及所述目标光场在第一方向和第二方向上的比例，计算所述衍射光学元件在第一方向和第二方向上不同的光焦度，以使得所述分区光源阵列与所述目标光场在第一方向和第二方向上的比例相匹配。
本发明还涉及一种光学调制元件，通过如上所述的设计方法200设计。
上面描述了本发明的优选实施例，其中VCSEL光源阵列可以采用一列分区，也可以采用二列分区，分别可提供不同的解决方案。例如将VCSEL光源划分成1*12或者2*8个分区，相邻分区之间存在有间隙，光源分区轮流点亮，每一块光源分区点亮时，目标光场中只有与该分区相对应的区域被均匀照明，且当所有分区一起点亮时，整个目标光场被均匀照明，没有因分区之间的间隙而引起的暗区。当光源1列分区时，可以通过单DOE实现分区照明。当光源为2列分区时，也可以使用单DOE方案，实现目标光场的分区均匀照明。
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，包括微结构面，所述微结构面上设置有至少一个微结构图案单元，所述衍射光学元件可接收分区光源阵列发射出的光束并在目标表面上投射出光场，其中所述分区光源阵列包括多个沿第一方向间隔开的光源阵列，所述微结构图案单元配置成可将所述多个光源阵列中的光源发出的光束沿着所述第一方向进行发散和匀光调制，使得相邻光源阵列在所述目标表面上的光场区域在第一方向上相互邻接或者重叠。
  2. 如权利要求1所述的衍射光学元件，其中所述多个光源阵列沿第二方向具有间隔，所述第二方向垂直于所述第一方向，其中所述微结构图案单元配置成可将所述多个光源阵列中的光源发出的光束沿着所述第二方向进行发散和匀光调制，使得相邻光源阵列在所述目标表面上的光场区域在第二方向上相互邻接或者重叠。
  3. 如权利要求1或2所述的衍射光学元件，其中所述衍射光学元件具有光焦度以使得每个光源阵列的光束在第一方向和/或第二方向上发散，所述微结构图案单元配置成可在发散范围内进行匀光调制。
  4. 如权利要求2所述的衍射光学元件，其中所述衍射光学元件在第一方向和第二方向上具有不同的光焦度，以使得所述分区光源阵列与所述目标表面上的光场区域在第一方向和第二方向上的比例相匹配。
  5. 一种分区匀光投射系统，包括：
    分区光源阵列，所述分区光源阵列包括多个光源阵列，所述多个光源阵列沿第一方向具有间隔；
    如权利要求1-4中任一项所述的衍射光学元件，设置在所述分区光源阵 列的光路下游并可接收所述多个光源阵列发射出的光束并在目标表面上投射出光场。
  6. 一种电子设备，包括如权利要求5所述的分区匀光投射系统。
  7. 一种衍射光学元件的设计方法，包括：
    获得分区光源阵列的参数，所述分区光源阵列包括多个光源阵列，所述多个光源阵列沿第一方向具有间隔，所述参数包括沿第一方向的所述间隔的宽度；
    获得目标表面上目标光场的参数，包括所述目标光场与所述分区光源阵列的距离；
    计算所述衍射光学元件的参数，以使得所述衍射光学元件可将所述多个光源阵列中的光源发出的光束沿着所述第一方向进行发散和匀光调制，使得相邻光源阵列在所述目标表面上的光场区域在第一方向上相互邻接或者重叠。
  8. 如权利要求7所述的设计方法，其中所述多个光源阵列沿第二方向具有间隔，所述第二方向垂直于所述第一方向，其中所述计算衍射光学元件的参数的步骤包括：计算所述衍射光学元件的参数以使得所述衍射光学元件可将所述多个光源阵列中的光源发出的光束沿着所述第二方向进行发散和匀光调制，使得相邻光源阵列在所述目标表面上的光场区域在第二方向上相互邻接或者重叠。
  9. 如权利要求7或8所述的设计方法，其中所述计算衍射光学元件的参数的步骤包括：
    计算所述衍射光学元件的第一相位分布，所述第一相位分布可提供光焦度以使得每个光源阵列的光束在第一方向和/或第二方向上发散；
    计算所述衍射光学元件的第二相位分布，所述第二相位分布可使得每个光源阵列的光束在第一方向和/或第二方向的发散范围内进行匀光调制；和
    叠加所述第一相位分布和第二相位分布。
  10. 如权利要求8所述的设计方法，其中所述计算衍射光学元件的参数包括：根据所述分区光源阵列在第一方向和第二方向上的比例、以及所述目标光场在第一方向和第二方向上的比例，计算所述衍射光学元件在第一方向和第二方向上不同的光焦度，以使得所述分区光源阵列与所述目标光场在第一方向和第二方向上的比例相匹配。
  11. 一种光学调制元件，通过如权利要求7-10中任一项所述的设计方法设计。
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