[发明专利]衍射光学元件结构及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种衍射光学元件，具体是涉及一种新型衍射光学元件结构及制作方法。

背景技术

利用衍射光学元件进行光束整形，可以高效地产生均匀光或结构光场。在照明或三维重建领域具有重要应用。比如，参见专利文献CN205002744U，衍射光学元件(达曼光栅或类似元件)可作为分束器，用于光学投影仪，其产生并投影基线图案的多个复本到物体或景物上。多个复本相对于彼此有角度地偏移并且彼此重叠。作为结果的光点图案，其包括基线图案的多个复本的叠加，在这里称作合成图案。多个复本之间的重叠，合成图案的间距或密度比基线图案的高。而且，合成图案的间距或密度不再受VCSEL之间的物理距离以及受投影透镜的焦距所限制。再比如，在消费电子产品中，利用衍射光学元件产生结构光的方案还可以大大减小模组尺寸。

目前，任何加工方式加工的衍射光学元件都是在同一种基材上，使不同位置的基材厚度不同。这种衍射光学元件上，由不同位置的厚度差引入的光程差都是几分之一波长的量级(即光程差是几十或几百纳米的量级)。由于基材的折射率在1与2之间，所以基材与空气或真空之间的折射率差是十分之几的量级。所以衍射光学元件上不同位置的厚度差是几百纳米的量级。

另一方面，目前衍射光学元件对厚度差的精度的要求是几纳米或几十纳米的量级，而且，性能越好的衍射光学元件的精度要求越高。这一方面增加了加工的难度与成本，另一方面，对使用环境提出了苛刻的要求，比如温度的微小变化，都是影响衍射光学元件的精度超出允许的范围，从而影响其后场衍射光。

目前，纳米级的衍射光学元件的加工技术之中，高精度的加工方案普遍采用光刻机或离子刀刻蚀的方法，这种方法加工精度要求高，结构复杂度受限，往往成本高，产量低，且存在散射等杂散光干扰问题；精度相对较低的加工方案还有干法压印、注塑、紫外光胶压印固化等，对于纳米级别的光学结构的加工，由于精度不高，无法加工精细结构，散射光严重。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种衍射光学元件结构及制作方法，将纳米级别的衍射光学元件结构放大到微米级别，降低了光学加工的精度要求，且极大的削减了散射光的产生，提高了衍射光学元件的环境适用性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种衍射光学元件结构，包括由光学材料A制成的衍射层和由光学材料B制成的互补衍射层，所述衍射层具有的衍射面，所述互补衍射层具有与所述衍射面相对应的互补面，所述衍射层的衍射面与所述互补衍射层的互补面相互填满融合在一起，且所述衍射层与所述互补衍射层沿其表面法线方向平行排布，所述衍射层的衍射面中不同位置的厚度相同或不相同，其厚度分布由后场衍射需求确定；所述互补衍射层的互补面中不同位置的厚度相同或不相同，其厚度分布使得不同位置的衍射层厚度与互补衍射层厚度的和相同；所述光学材料A的折射率与所述光学材料B的折射率之间的差远小于所述光学材料A的折射率与空气的折射率之间的差。

进一步的，所述衍射层的衍射面为达曼光栅，相对的另一表面为平面，所述互补衍射层的互补面为互补达曼光栅，相对的另一表面为平面。

进一步的，所述衍射层的平面与所述互补衍射层的平面上镀膜或不镀膜。

进一步的，所述光学材料A的折射率与所述光学材料B的折射率之间的差与所述光学材料A的折射率与空气的折射率之间的差的比值小于0.1。

进一步的，所述光学材料A的折射率与所述光学材料B的折射率之间的差与所述光学材料A的折射率与空气的折射率之间的差的比值小于0.01。

进一步的，所述衍射层的衍射面与所述互补衍射层的互补面之间直接胶合在一起或通过耦合剂胶合在一起。

进一步的，所述衍射光学元件可以胶合在一透明基底上,也可以不胶合任何基底。

一种衍射光学元件结构的制作方法，至少包括如下步骤：

A.提供一载板、一压板和具有若干浮雕图案单元的模具，所述浮雕图案单元用于成型衍射面；

B.选取未固化状态的预成型衍射层的光学材料A和预成型互补衍射层的光学材料B，并使固化后的光学材料A的折射率与光学材料B的折射率之间的差远小于光学材料A的折射率与空气的折射率之间的差；

C.将未固化状态的光学材料A滴落到载板上，并将具有若干浮雕图案单元的模具压置于载板的光学材料A上，使光学材料A填充融合到各浮雕图案单元内；

D.采用照射紫外线的方法，使光学材料A固化；

E.固化后，将模具取出，模具上的各浮雕图案单元转印到固化后的光学材料A上，形成具有若干衍射面的由光学材料A制成的衍射层；