衍射光学元件、包括其的光学组件以及基准线投射装置的制作方法

本发明大致涉及光学技术领域，尤其涉及一种用于投射出基准线的衍射光学元件、包括该衍射光学元件的光学组件以及基准线投射装置。

背景技术：

激光投线仪被广泛应用于建筑施工行业，其用于投射出激光基准线从而提高施工精度。目前市面上常见的激光投线仪有一字线和十字线，实现的方法通常先将激光二极管出射的发散光进行准直，然后通过折射光学元件(roe)，例如柱状透镜，形成所需光场(基准线)。现有的利用折射光学元件实现的十字线的激光投线仪，存在两垂直的柱状透镜的垂直对准问题，安装难度较大，而且抗冲击能力较差。

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。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种衍射光学元件、包括该衍射光学元件的光学组件以及基准线投射装置。

根据本发明的一个方面，提供一种用于投射出基准线的衍射光学元件，所述衍射光学元件包括成二维阵列状周期排布的多个微结构图案单元，每个所述微结构图案单元的相位分布被配置成，接收激光并调制所述激光投射出所述基准线，其中所述衍射光学元件在至少一个方向上的视场角大于等于90度。

根据本发明的另一个方面，所述基准线包括水平基准线和竖直基准线，所述衍射光学元件在水平方向和竖直方向上的视场角都大于等于90度。

根据本发明的另一个方面，所述衍射光学元件在水平方向和竖直方向上的视场角都大于等于110度。

根据本发明的另一个方面，所述微结构图案单元的周期的尺寸小于所述激光在所述衍射光学元件上的入射光场的尺寸。

根据本发明的另一个方面，所述入射光场可以覆盖至少两个所述微结构图案单元。

根据本发明的另一个方面，所述衍射光学元件配置成使得：照射在多个所述微结构图案单元上的所述入射光场，经所述微结构图案单元的衍射调制以及多个所述微结构图案单元之间的干涉调制后形成呈点状线的基准线。

根据本发明的另一个方面，所述微结构图案单元的周期为100um*100um至2mm*2mm，所述入射光场的尺寸为500um*500um至5mm*5mm，其中优选为，所述微结构图案单元的周期为500um*500um至1mm*1mm，所述入射光场的尺寸为1mm*1mm至3mm*3mm。

本发明还提供一种用于投射出基准线的光学组件，包括：

激光光源，配置成可发射激光；以及

如上所述的衍射光学元件。

根据本发明的另一个方面，所述激光光源为发散光源，所述衍射光学元件为针对准直光进行设计的，所述光学组件还包括位于所述激光光源与所述衍射光学元件之间的准直透镜，从而将所述激光光源发出的激光整形为准直光。

根据本发明的另一个方面，所述激光光源为发散光源，所述衍射光学元件为针对发散光源进行设计的。

本发明还提供一种基准线投射装置，包括如上所述的光学组件。

本发明设计一种衍射光学元件(doe)，代替传统的roe元件，形成所需要的激光基准线。因为doe具有极高的设计自由度，目标光场不局限于一字线、十字线，还可以设计更多复杂的激光基准线，例如网格线。对于激光标准线为十字线的情况，只需要设计一片doe即可实现，不需要像两个折射光学元件那样进行垂直方向的对准安装。

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用于投射出基准线的光学组件的示意图；

图2示出了根据本发明的衍射光学元件以及其中一个微结构图案单元的部分相位分布的示意图；

图3a和3b中分别示出了基准线的两个实施例；

图4示出了单个微结构图案单元投射出的基准线及其局部放大图；

图5示出了根据本发明一个实施例投射出的基准线及其局部放大图；和

图6示出了据本发明另一个实施例的用于投射出基准线的光学组件的示意图。

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"、"竖直"、"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用于投射出基准线的光学组件10的示意图，下面参考图1详细描述。

如图1所示，光学组件10包括激光光源11、准直透镜12、以及衍射光学元件13。其中，激光光源11例如为激光二极管ld，当被驱动时可以发射出激光束。来自激光光源11的激光束入射到准直透镜12上，由准直透镜12整形调制成平行的光束，然后入射到光路下游的衍射光学元件13上。

图2示出了根据本发明的衍射光学元件以及其中一个微结构图案单元的部分相位分布的示意图。如图2左侧所示，本发明的衍射光学元件13包括多个，例如g*h个微结构图案单元，多个微结构图案单元成二维阵列状周期排布，其中每个微结构图案单元均具有相同的相位分布图案。图2右侧还示出了衍射光学元件的一个微结构图案单元的部分相位分布图案，如图所示，该衍射光学元件为8台阶元件，图中不同的灰度代表不同的台阶高度，即不同的相位。衍射光学元件13上的每个微结构图案单元能够改变入射到其上的光的波面的相位分布，从而对光的传输进行调制，使得输出的光束符合预设的光强分布以及光场图案。本发明中，每个所述微结构图案单元的相位分布被配置成接收激光并调制所述激光投射出所述基准线。图3a和3b中分别示出了基准线的两个实施例，图3a中的基准线是十字线形的，包括水平基准线和竖直基准线，图3b中的基准线是方格状的，多条水平基准线和竖直基准线相互交叉形成格状。本领域技术人员容易理解，本发明的保护范围不限制于具体的基准线类型，也可以是一字线，例如仅包括水平基准线或者竖直基准线。

根据本发明的衍射光学元件13在至少一个方向上的视场角大于等于90度。图1中所示的是光学组件10的示意图，如图所示，衍射光学元件13在水平方向上的视场角θ大于等于90度。另外的或者可替换的，衍射光学元件13在竖直方向上的视场角同样大于等于90度。另外，根据本发明的一个优选实施例，衍射光学元件13在水平方向和竖直方向上的视场角都大于等于110度。

与通常的衍射光学元件相比，本发明的衍射光学元件的投射区域比较大，即视场角比较大。通常的衍射光学元件的视场角一般比较小，例如小于60度，可以按照傍轴近似原理进行设计。但由于激光投线仪要求在较小的投射距离范围内投射出尽可能长的基准线，即要求用于激光投线仪的衍射光学元件的视场角要尽可能的大，例如大于等于90度，甚至优选地大于等于110度。在视场角比较大的情况下，常规设计方法设计得到的目标图案在平面上呈中间亮四周暗的不均匀分布，以激光投线仪的基准线为例，线条位于投射区域中心附近的部分较为明亮，线条的亮度随着向投射区域边缘延伸逐渐变暗。这是由于常规设计方法设计得到目标图案的在球面上亮度分布是均匀的，但投射到平面上会产生畸变，边缘像素被拉长导致亮度降低。针对这一问题，本发明的衍射光学元件在设计过程中进行了畸变矫正，即对基准线的边缘区域进行了亮度补偿，从而保证了基准线在较大的视场范围内呈现出亮度较为均匀的直线。

此外，由于待设计的衍射光学元件的视场角比较大，导致利用常规设计方法得到的衍射光学元件的相位分布存在较多尺寸非常微小的特征区域，例如几百纳米的微小特征，而这些微小的特征相位包含高频分量信息，会影响目标光场的大角度的能量分布。然而，由于加工水平所限，这些微小的特征很难被加工出来，导致实际加工得到的衍射光学元件形貌与理论设计形貌存在偏差，从而导致实际目标光场与预设目标光场存在偏差。本发明的发明人考虑到现有的加工水平，在衍射光学元件设计过程中进行了特征尺寸限制，从而保证制作结果与设计结果的一致性。

另外，因激光具有高相干性，因此衍射光学元件投射形成的目标图案会具有较为明显的散斑效应，对于激光投线仪的基准线的设计而言，线条会具有不规则的颗粒状的暗斑，不够美观，如图4所示。图4中左侧示出衍射光学元件的单个微结构图案单元投射出的十字线，右侧是十字线局部放大的图形，其中可以看到大量不规则的颗粒状暗斑，基准线不够清晰美观。针对此问题，根据本发明的一个实施例，可以通过调整衍射光学元件的微结构图案单元的周期大小，使得从激光光源发射出来的入射光场照射在衍射光学元件的多个周期上，衍射光学元件上的多个周期形成的衍射图像相互干涉，使得原本由单个周期的衍射所形成的所谓连续线干涉成点状线分布，如此目标图案上就观察不到明显的不规则的散斑，提高十字线的美观度。

根据本发明的一个优选实施例，所述微结构图案单元的周期的尺寸小于所述激光在所述衍射光学元件13上的入射光场的尺寸。优选的，所述入射光场可以覆盖至少两个所述微结构图案单元。由于入射光场照射在至少两个微结构图案单元上，经所述微结构图案单元的衍射调制以及多个所述微结构图案单元之间的干涉调制后形成呈点状线的基准线，如图5所示。

衍射光学元件的周期是指根据入射光场以及目标光场，即目标图案，设计得到的相位分布的基本单元，其周期大小可以根据具体设计要求来设定，周期长度例如可以为几百微米至几毫米，例如200um～5mm。周期越大，各周期之间相干涉所形成的点状线的点间距越小，反之，周期越小，各周期之间相干涉所开成的点状线的点间距越大。根据本发明的一个优选实施例，所述微结构图案单元的周期为100um*100um至2mm*2mm，所述入射光场的尺寸为500um*500um至5mm*5mm。优选的，所述微结构图案单元的周期为500um*500um至1mm*1mm，所述入射光场的尺寸为1mm*1mm至3mm*3mm。

衍射光学元件的加工精度(即最小特征尺寸)决定了衍射光学元件的单个周期内的相位分布个数。在周期一定的情况下，最小特征尺寸越小，则相位分布的个数越多，衍射光学元件的设计灵活度越高，能够设计出更为灵活复杂的目标图案。但受限于衍射光学元件的加工工艺水平，最小特征尺寸通常为几百纳米至几微米，例如200nm～5um。本发明的优选实施例中，最小特征尺寸为200nm，周期为700um，激光光源的入射光场尺寸为2mm。

图1中所示的所述激光光源11为发散光源，所述衍射光学元件13为针对准直光进行设计的，因而在所述激光光源11与所述衍射光学元件13之间需要设置准直透镜12，从而将所述激光光源11发出的激光整形为准直光。本领域技术人员容易理解，本发明不限于此。例如，所述激光光源11可以为发散光源，所述衍射光学元件为针对发散光源进行设计的，如图6示意性所示的，其中，光学组件10’包括激光光源和衍射光学元件，激光光源为发散光源，衍射光学元件为针对发散光源进行设计的，例如可以设计功能类似于准直透镜的菲涅尔衍射透镜并得到相位分布图案，再设计针对准直光的doe并得到相应的相位分布图案，再将两个相位图进行叠加。因而可以直接接收发散的激光束并进行调制，投射出与图4和图5类似的光场图案。另外，参考图1-图5描述的实施例的各个技术特征，均可以结合到图6的实施例中，而无需付出创造性的劳动。

另一方面，针对准直光的设计方案存在较高的人眼安全风险，ld经过准直透镜后形成平行激光光束，功率密度非常高，如果roe损坏，平行激光光束可能会直射人眼，会对人眼造成较大伤害。而针对发散光的设计方案，省去了准直环节，激光光束为发散传输，所以在距离激光光源一定距离后激光光束的功率密度较低，降低了人眼安全的风险。在同等人眼安全要求下，对发散光的设计方案可采用功率更高的ld光源。

本发明还涉及一种基准线投射装置，包括如上所述的光学组件10。

本发明提供一种衍射光学元件(doe)，代替传统的roe元件，形成所需要的激光基准线。因为doe具有极高的设计自由度，目标光场不局限于一字线、十字线，还可以设计更多复杂的激光基准线，例如网格线。对于激光标准线为十字线的情况，只需要设计一片doe即可实现，不需要像两个折射光学元件那样进行垂直方向的对准安装。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。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。