[发明专利]包括多个区域的光学元件

说明书

本申请涉及包括多个区域的光学元件。公开了一种光学元件，包括具有表面的主体，其中表面具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域，并且其中多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构。还公开了一种光学系统，包括光源；以及光学元件。还公开了制造并使用光学元件和光学系统的方法。

本申请是申请日为2019年10月28日，申请号为201911033245.3，发明名称为“包括多个区域的光学元件”的申请的分案申请。

相关申请

本申请要求2018年10月26日提交的第62/751,337号美国临时申请的优先权，该美国临时申请的全部公开内容据此通过引用并入。

技术领域

本发明涉及一种光学元件，该光学元件包括具有表面的主体，其中该表面具有以曲面细分方式(in a tessellation)周期性排列的多个区域，并且其中多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构。一种光学系统包括光源；和光学元件。还公开了制造并使用光学元件和光学系统的方法。

背景技术

在涉及3D扫描和手势识别的应用中，人们利用光学部件(通常与波长在大约700nm至大约1000nm范围中的激光器相联合)在被探测的场景上投射光图案。光图案取决于探测技术，并且可以采取各种形式，诸如点、线、条纹、棋盘格等的周期性网格。

当前用于投射光图案的技术依赖于一个或多个衍射光学元件来产生衍射级的特定分布。衍射光学元件(DOE)自然适合于产生光图案(诸如衍射图案)的任务。DOE可以被描述为薄表面结构(通常是一个光波长)，DOE可以通过干涉和/或衍射产生光图案。因此，从DOE输出的光锥由其最小特征来定义，该最小特征与其成反比。也就是说，扩展角越大，需要的特征越小。然而，DOE对设计波长的偏差或制造误差极其敏感，其主要结果在于零衍射级比其他衍射级强得多，这造成了在3D感测应用中不能容忍的眼睛安全问题。

例如，第8,630,039号美国专利描述了产生光斑图案(spot pattern)的DOE。随机光斑图案通常需要覆盖较宽的角范围，以便能够捕捉场景的大部分。为了照亮广角场景，DOE需要具有非常小特征的图案。例如，为了用波长为850nm的激光覆盖60度范围，需要最小特征为1.7μm的DOE。更宽的角范围甚至需要更小的特征。为了获得最大效率，DOE需要被设计且制造为灰度、连续的相位剖面(phase profile)。但是，产生具有如此小特征的灰度DOE可能是具有挑战性的。相反，通常用具有效率为至多80％的二元相位剖面来产生灰度DOE。剩余的能量耗费在主光图案之外的更高衍射级上。诸如第8,630,039号美国专利中公开的多个DOE的使用有助于解决零衍射级。然而，多个DOE的使用具有复合效应，并且实际效率约为50％-60％。

发明内容

在一方面，公开了一种光学元件，该光学元件包括具有表面的主体，其中该表面具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域，并且其中多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构。

在另一方面，还公开了一种光学系统，该光学系统包括：光源；以及包括具有表面的主体的光学元件，其中该表面具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域，并且其中多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构。

在另一方面，还公开了一种使用光学系统的方法，该方法包括：将来自光源的输入光束投射到光学元件，其中该光学元件包括具有表面的主体，其中该表面具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域，并且其中多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构；以及将输入光束成形为目标图案。

本申请提供了以下内容：

1)一种光学元件，包括：

具有表面的主体，

其中，所述表面具有以曲面细分方式周期性排列的多个区域，并且

其中，所述多个区域中的每个区域具有随机空间分布的微结构。