光学元件和系统技术方案

本申请公开了光学元件和系统。一种光学元件包括光学材料的主体；以及沿着主体的表面的多个微结构，其中多个微结构中的每个微结构具有凹形剖面。光学系统可以包括：光源；以及具有光学材料的主体和沿着主体的表面的多个微结构的光学元件，其中多个微结构中的每个微结构生成提供在视场上的辐照度的超余弦强度剖面。还公开了制造和使用光学元件和光学系统的方法。

Optics and systems

【技术实现步骤摘要】
光学元件和系统相关申请本申请要求2018年10月26日提交的美国临时申请第62/751,311号的优先权，该美国临时申请的全部公开特此通过引用被并入。专利
本专利技术涉及一种光学元件，其包括光学材料的主体；以及沿着主体的表面的多个微结构，其中多个微结构中的每个微结构具有凹形剖面(sagprofile)。光学系统可以包括：光源；以及具有光学材料的主体和沿着主体的表面的多个微结构的光学元件，其中多个微结构中的每个微结构生成提供在视场上的辐照度的超余弦强度剖面(super-cosineintensityprofile)。还公开了制造和使用光学元件和光学系统的方法。专利技术背景3D传感技术的应用涵盖各种设备，例如移动电话、计算机、机器人、虚拟和增强现实设备、机动车、自动驾驶汽车、家庭系统、游戏系统、安全系统和军事应用。虽然存在用于实现3D传感(例如，光学传感、手势识别、深度成像和诸如此类)的各种策略，但红外激光器一般提供通常具有大约850nm、940nm或更长的波长的照明源，例如VCSEL或侧发光(side-emitting)激光器。其他源(例如LED)也可用于该应用。来自源的激光辐射穿过光束整形设备，该光束整形设备在由角视场(FOV)或相隔某个距离处的特定目标限定的某个场景之上扩散红外照明。由场景散射的辐射的某个部分被反射、由透镜收集并聚焦到传感器上。在传感器处检测到的信号然后被处理以提取关于在场景中的物体的信息，例如它们的特征和位置。用于3D传感的处理方法包括飞行时间(ToF)、结构光和立体成像。ToF方法需要可以由漫射器实现的适当的场景照明，而另外两种方法通常通过衍射光学元件、漫射器或微透镜阵列来照明。存在用于漫射来自照明源的光束的多种传统方法。光束整形和均匀化的简单形式由高斯漫射器提供，该高斯漫射器由具有随机高度变化的表面定义。一些例子包括毛玻璃和一些类型的化学腐蚀的玻璃表面。高斯漫射器以高斯强度剖面在某个角范围上扩散输入照明光束。这种光束整形器容易制造，但提供非常有限的光束整形能力、差的均匀性和有限的光集中。可以通过激光散斑图的全息曝光来制造用于漫射的一种改进的类型的均匀化装置，如例如在YingTsungLu和SienChi的“Fabricationoflight-shapingdiffusionscreens”(Opt.Communications214(2002)，55-63)和Petersen等人的美国专利第5,534,386号中所述的。与毛玻璃相比，这些所谓的全息漫射器提供更大的灵活性，具有更好的角度控制和沿两个不同方向的不同角发散。然而，对于全息部件的一般强度散射剖面也是高斯的，具有差的均匀性和有限的光集中。作为结果，这种漫射器不适合于3D传感应用所需的均匀照明的类型。实现光束整形和均匀化的另一种方法基于衍射光学元件(DOE)，如例如Taylor&Francis出版社于1997年5月在由H.P.Herzig主编的Micro-Optics:Elements,Systems,andApplications中，J.R.Leger的“Laserbeamshaping”，以及Kathman等人的美国专利第6,278,550号中所述的，这两个文献利用干涉和衍射效应来使输入光束成形为多种图样。然而，衍射元件的问题在对3D传感所需的大发散角的情况下产生。产生宽FOV的DOE在没有与输入光束共线(即，在零衍射级处)的强热点的情况下可能对制造是非常有挑战性的。衍射元件也最适合于单色操作，并且通常被设计成在特定波长下操作。在不同波长下操作通常导致强的零衍射级的出现。例如，被设计成供在850nm处的光使用的DOE可能不适合于在940nm处的光，不仅由于零级，而且因为角展度取决于波长。虽然也许可能设计在原则上可以在几个离散的不同波长值下操作的衍射元件，如例如在S.Noach、A.Lewis、Y.Arieli和N.Eisenberg的“Integrateddiffractiveandrefractiveelementsforspectrumshaping”(Appl.Opt.35，(1996)3635-3639)、Faklis等人的美国专利第5,589,982号或I.M.Barton、P.Blair和M.Taghizadeh的“Dual-wavelengthoperationdiffractivephaseelementsforpatternformation”(Opt.Express1，(1997)54-59)中描述的，但所需的广角和严格的制造公差提出重大挑战。基于微透镜的漫射器例如在Sales的美国专利第6,859,326号、Morris等人的美国专利第7,033,736号和Sales的美国专利第7,813,054号中被描述，可以提供更有效的方法来为3D传感应用提供适当的照明。然而，用于3D传感的一般源的发散性质带来与效率和均匀性相关的额外问题。这些问题可能在原则上用准直光学器件来解决，但这需要光学系统的尺寸和复杂性的增加，该尺寸通常被称为封装尺寸。作为结果，对在3D传感中发散的非准直源的强烈偏好导致对改进的漫射器解决方案的需要，该漫射器解决方案可以最大化3D传感系统的漫射照明的质量而没有用于准直的附加光学器件。专利技术概述在一个方面中，公开了一种光学元件，其包括光学材料的主体；以及沿着主体的表面的多个微结构，其中多个微结构中的每个微结构具有凹形剖面。在另一方面中，还公开了一种光学系统，其包括光源；以及包括光学材料的主体和沿着主体的表面的多个微结构的光学元件，其中多个微结构中的每个微结构具有凹形剖面。在另一方面中，还公开了一种使用光学系统的方法，其包括用来自光源的能量辐射光学元件，其中光源是发散光源；其中光学元件包括光学材料的主体和沿着主体的表面的多个微结构，其中多个微结构中的每个微结构具有凹形剖面；并且其中多个微结构中的每个微结构生成提供在视场上的辐照度的超余弦强度剖面。各种实施例的另外的特征和优点将部分地在接下来的描述中被阐述，并且从描述中将是部分地明显的，或者可以通过各种实施例的实践而被获悉。将借助于在本文的描述中特别指出的元件和组合来实现和获得各种实施例的目的和其他优点。附图说明本公开在它的若干方面和实施例中可以从详细描述和附图中被更充分地理解，其中：图1是根据本专利技术的一个方面的光学元件的框图；图2A和2B是微结构的阵列的等高线图，其中图2A显示六边形形状，以及图2B显示矩形形状；图3A是根据本专利技术一个方面的沿着光学元件的表面的微结构的透视图，其中微结构在沿着表面的尺寸和位置上是随机的；图3B是图3A的表面的等高线图；图4示出根据本专利技术的一个方面的光学系统的图示；图5是用于在光学系统中使用的发散光源的远场强度图的代表性例子；图6A是具有准直光源和光学元件的光学系统的强度相对于角场的曲线图；图6B是具有发散光源和光学元件的光学系统的强度相对于角视场的曲线图；图7是根据本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学元件，包括：/n光学材料的主体；以及/n沿着所述主体的表面的多个微结构，其中所述多个微结构中的每个微结构具有凹形剖面。/n

【技术特征摘要】
20181026 US 62/751,311;20191023 US 16/661,6201.一种光学元件，包括：
光学材料的主体；以及
沿着所述主体的表面的多个微结构，其中所述多个微结构中的每个微结构具有凹形剖面。


2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述凹形剖面是s(x)，其中以及R是曲率半径，且k是二次曲线常数。


3.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述多个微结构沿着所述表面随机地分布。


4.根据权利要求1所述的光学元件，其中，每个微结构是具有四个外边界的矩形形状，其中所述四个外边界中的每一个朝着所述微结构的中心向内弯曲，使得所述微结构具有枕形形状。


5.根据权利要求1所述的光...

【专利技术属性】
技术研发人员：塔索·R·M·萨莱斯，
申请(专利权)人：唯亚威通讯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US