衍射光学元件、结构光模组和电子设备的制作方法

[0001]
本领域属于光学领域，尤其涉及一种衍射光学元件。


背景技术：

[0002]
衍射光学元件(diffractive optical elements,doe)是由二元光学的发展而衍生出来的一种新的光学器件，属于微光学范畴。根据不同的用途，doe通常可以分为光束整形、分束、结构光、多焦、其他特殊光束产生等种类。
[0003]
目前结构光doe的主要应用在手机的脸部辨识，通常为二阶以及二阶以上的多阶。doe的阶数越高，doe结构的顶层越容易发生坍塌，使得底层积累残留物，降低了doe的光学品质。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型的目的是提供一种衍射光学元件、结构光模组和电子设备，能够有效地降低衍射光学元件顶层坍塌风险，具有较好的光学品质。
[0005]
为实现本实用新型的目的，本实用新型提供了如下的技术方案：
[0006]
第一方面，本实用新型提供了一种衍射光学元件，衍射光学元件包括依次层叠设置的第一衍射层、基板和第二衍射层，所述第一衍射层背向所述基板的第一表面设有多个第一凹槽以形成多个第一凸起，所述第二衍射层背向所述基板的第二表面设有多个第二凹槽以形成多个第二凸起，所述多个第二凸起和所述多个第一凸起在所述基板上的正投影至少部分重叠。通过设置第一衍射层和第二衍射层，且多个第一凸起和多个第二凸起在基板上的正投影至少部分重叠，在实现相同的阶数时，相比于在基板一侧设衍射层的方案，衍射光学元件的阶数分布在基板的两侧的方案使得单侧的阶数降级，降低了衍射光学元件顶层，即第一凸起和第二凸起坍塌的风险，从而具有较好的光学品质。
[0007]
一种实施方式中，所述第一凸起包括相互连接的第一阶部和第二阶部，所述第二阶部设于所述第一阶部之背向所述基板的第一端面，所述第二阶部在所述基板的正投影完全落入所述第一阶部在所述基板的正投影内。通过设置第一阶部和第二阶部，以便于第一衍射层满足二阶以及二阶以上的多阶设计。
[0008]
一种实施方式中，所述第二凸起包括相互连接的第三阶部和第四阶部，所述第四阶部设于所述第三阶部之背向所述基板的第二端面，所述第四阶部在所述基板的正投影完全落入所述第三阶部在所述基板的正投影内；所述第二凸起的结构与所述第一凸起的结构不同。通过设置第三阶部和第四阶部，以便于第二衍射层满足二阶以及二阶以上的多阶设计，同时第二凸起的结构与第一凸起不同，有利于提高衍射效率，从而进一步提高光学品质。
[0009]
一种实施方式中，在平行于所述第一表面的第一方向上，所述第二阶部的尺寸小于所述第一阶部的尺寸，以形成台阶状的所述第一凸起；在垂直于所述第一表面的第二方向上，所述第一阶部和所述第二阶部的高度均为0.2μm-1μm。通过设置第一阶部和第二阶部
的高度均在0.2μm和1μm之间，第一凸起具有合理的整体高度，进一步降低了第一凸起发生坍塌的风险。
[0010]
一种实施方式中，在平行于所述第一表面且垂直于所述第一方向的第三方向上，所述第二阶部的尺寸小于或等于所述第一阶部的尺寸。通过设置第二阶部在第三方向上的尺寸小于或等于第一阶部的尺寸，有利于第一衍射层满足三阶以及三阶以上的多阶设计。
[0011]
一种实施方式中，在平行于所述第一表面的第一方向以及在平行于所述第一表面且垂直于所述第一方向的第三方向上，所述第一阶部和所述第二阶部的尺寸均相同。通过设置第一阶部和第二阶部在第一方向和第三方向上的尺寸均相同，有利于第一衍射层的二阶设计。
[0012]
一种实施方式中，所述第一凸起还包括至少一个第五阶部，所述第五阶部设于所述第二阶部背向所述第一阶部的第三端面，在所述第一方向和所述第三方向上，所述第五阶部的尺寸小于所述第二阶部的尺寸；当所述第五阶部的数目为多个时，多个所述第五阶部在所述第二方向上依次层叠设置，且在所述基板朝向所述第一衍射层的所述第二方向上，多个所述第五阶部的尺寸逐渐减小。通过设置第五阶部，有利于满足第一衍射层四阶以及四阶以上的高阶设计要求。
[0013]
一种实施方式中，所述第一凸起的数目为多个，多个所述第一凸起形成多个重复的第一衍射区域，相邻的所述第一衍射区域的间距为0.08mm-0.4mm。通过设置多个重复的第一衍射区域，以及相邻的第一衍射区域的间距为0.08mm-0.4mm，使得第一衍射层较易加工，具有良好的工艺性。
[0014]
第二方面，本实用新型还提供了一种结构光模组，结构光模组包括光源和第一方面中任一项实施方式所述的衍射光学元件，所述光源朝所述衍射光学元件发射光线。通过在结构光模组中加入本实用新型提供的衍射光学元件，结构光模组的可靠性较高，且具有较好的光学品质。
[0015]
第三方面，本实用新型还提供了一种电子设备，电子设备包括第二方面的结构光模组。通过在电子设备中加入本实用新型提供的结构光模组，电子设备具有较高的可靠性，同时具有精准的脸部识别功能。
附图说明
[0016]
为了更清楚地说明本实用新型实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]
图1为一种实施方式中衍射光学元件的部分周期结构的截面示意图；
[0018]
图2a为一种实施方式中第一凸起的结构示意图；
[0019]
图2b为另一种实施方式中第一凸起的结构示意图；
[0020]
图3为一种实施方式中结构光模组的结构示意图。
具体实施方式
[0021]
下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案
进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
[0022]
请参阅图1，本实用新型实施例提供了一种衍射光学元件100，该衍射光学元件100用于对光线进行整形，不仅可应用于光学成像，也可应用于如激光加工，医疗，传感器和天文学等。衍射光学元件100包括依次层叠设置的第一衍射层10、基板20和第二衍射层30，第一衍射层10背向基板20的第一表面101设有多个第一凹槽102以形成多个第一凸起11，第二衍射层30背向基板20的第二表面301设有多个第二凹槽302以形成多个第二凸起31，多个第二凸起31所形成的区域和多个第一凸起11所形成的区域在基板20上的正投影至少部分重叠。
[0023]
通过设置第一衍射层10和第二衍射层30，且多个第一凸起11和多个第二凸起32在基板20上的正投影至少部分重叠，在实现相同的阶数时，相比于在基板20一侧设衍射层的方案，衍射光学元件100的阶数分布在基板20的两侧的方案使得单侧的阶数降级，降低了第一凸起11和第二凸起31坍塌的风险，从而具有较好的光学品质。
[0024]
具体的，第一衍射层10和第二衍射层30可通过纳米压印制作在基板20的相对两侧，或者在基板20上光刻而形成第一衍射层10和第二衍射层30。第一衍射层10和第二衍射层30可以为树脂等材料，基层可以为玻璃、树脂等材料。第一衍射层10的第一表面101和第二衍射层30的第二表面301互相平行。第一凸起11和第二凸起31的侧面均垂直于第一表面101。多个第二凸起31所形成的区域和多个第一凸起11所形成的区域在基板20上的正投影至少部分重叠，优选为全部重叠，重叠时的第一凸起11和第二凸起31方可起到叠加阶数的作用。当然，也可以设置上述两个区域在基板20上的正投影为部分重叠，未重叠区域中的第一凸起11和第二凸起31可以为二阶或者三阶的结构，可以理解的是，由于未重叠区域的第一凸起11和第二凸起31的阶数较低，该区域可不必做出两侧布阶的设置。
[0025]
可以理解的是，如今随着纳米压印技术的成熟，许多以前采用光刻技术的工艺均改为精度更高的纳米压印，而当衍射层通过纳米压印连接至基板20上时，四阶以及四阶以上的高阶结构的顶层容易产生坍塌，使得残留物积累于底层，从而降低衍射光学元件100的光学品质。另外，即使采用的是光刻技术，其刻蚀所产生的腐蚀部分较易残留在高阶衍射光学元件100的底层，也会导致光学品质的降低。另外，在衍射光学元件100的装配或者使用过程中，若高阶结构受到冲击，其顶层也会容易坍塌。因此，衍射光学元件100的阶数越低，其可靠性越高，但衍射效果，衍射效率等不够理想；而高阶数的衍射光学元件100虽具有较好的衍射效果和较高的衍射效率，但结构强度弱，可靠性较低。本申请提供的衍射光学元件100，两侧布阶以维持了整体的阶数，从而具有较好的衍射效果和较高的衍射效率，同时降低的单侧的阶数，从而提高了衍射光学元件100的可靠性。而且，易于使用晶元级镜头制造工艺实现，同时也提高了散斑衍射光学元件100的锐利度。举例而言，易坍塌的四阶结构可采用二阶的第一衍射层10以及同样是二阶的第二衍射层30来代替，从而避免阶数过高。
[0026]
一种实施方式中，请参阅图1，第一凸起11包括相互连接的第一阶部111和第二阶部112，第二阶部112设于第一阶部111之背向基板20的第一端面1111，第二阶部112在基板20的正投影完全落入第一阶部111在基板20的正投影内。通过设置第一阶部111和第二阶部112，以便于第一衍射层10满足二阶以及二阶以上的多阶设计。
[0027]
具体的，第二阶部112在基板20上的正投影完全落入第一阶部111在基板20上的正投影内，有两种情况，一是第二阶部112在基板20上的正投影与第一阶部111在基板20上的正投影全部重叠，二是第二阶部112在基板20上的正投影与第一阶部111在基板20上的正投影的部分重叠。不同第一凸起11的第一阶部111的第一端面1111可以共面，也可以不共面，同一第一凸起11的第一阶部111的第一端面1111也可以为多个不共面的平面。
[0028]
一种实施方式中，请参阅图1，第二凸起31包括相互连接的第三阶部311和第四阶部312，第四阶部312设于第三阶部311之背向基板20的第二端面3111，第四阶部312在基板20的正投影完全落入第三阶部311在基板20的正投影内；第二凸起31的结构与第一凸起11的结构不同。通过设置第三阶部311和第四阶部312，以便于第二衍射层30满足二阶以及二阶以上的多阶设计，同时第二凸起31的结构与第一凸起11不同，有利于提高衍射效率，从而进一步提高光学品质。
[0029]
可以理解的是，第三阶部311的结构对应第一阶部111，第四阶部312的结构对应第二阶部112，但包括第三阶部311和第四阶部312的第二凸起31的结构与第一凸起11的结构不同，以使得第一衍射层10和第二衍射层30的衍射效果不同，使得光学衍射元件的整体衍射效率较高，从而提高光学品质。
[0030]
一种实施方式中，请参阅图1至图2b，在平行于第一表面101的第一方向91上，第二阶部112的尺寸小于第一阶部111的尺寸，以形成台阶状的第一凸起11；在垂直于第一表面101的第二方向92上，第一阶部111的高度h1和第二阶部112的高度h2均为0.2μm-1μm。通过设置第一阶部111和第二阶部112的高度均在0.2μm和1μm之间，第一凸起11具有合理的整体高度，具有良好衍射性能的同时，降低了第一凸起11发生坍塌的风险。
[0031]
可以理解的是，第二阶部112背向第一阶部111的表面为第三端面1121，第二阶部112的高度h2即第三端面1121与第一端面1111之间的垂直距离。第一阶部111的高度h1即第一阶部111相邻的第一凹槽102的底面1021与第一端面1111的垂直距离，一般的，第一阶部111相邻的第一凹槽102可能具有多个，多个底面1021可能不共面，此时选取距离第一端面1111最远的底面1021作为计算第一阶部111的高度h1的参考面。同理，第一阶部111所位于的第一端面1111可能分为多个不共面的部分，选取距离第三端面1121最远的部分作为计算第二阶部112的高度h2的参考面。
[0032]
具体的，不同第一凸起11的第一阶部111和第二阶部112的高度可以不同，且同一第一凸起11中的第一阶部111和第二阶部112的高度也可以不同。第一阶部111和第二阶部112的高度可以为0.2μm、0.35μm、0.5μm、0.7μm、0.9μm和1μm等。
[0033]
可以理解的是，同一个第一凸起11，在第一方向91上可同时构成不同阶数的结构，请参阅图2a，左侧为二阶，右侧为三阶；也可构成同阶数的结构，请参阅图2b，左侧和右侧均为三阶。
[0034]
其中，请参阅图1，在平行于第一表面101且垂直于第一方向91的第三方向93上，第二阶部112的尺寸小于或等于第一阶部111的尺寸。通过设置第二阶部112在第三方向93上的尺寸小于或等于第一阶部111的尺寸，有利于第一衍射层10满足三阶以及三阶以上的多阶设计。
[0035]
可以理解的是，在第一方向91上，第二阶部112的尺寸小于第一阶部111的尺寸，从而在第一方向91上构成三阶的结构。而在第三方向93上，第二阶部112的尺寸小于第一阶部
111的尺寸时，第一衍射层10在第三方向93上构成三阶的结构；第二阶部112的尺寸等于第一阶部111的尺寸时，第一衍射层10在第三方向93上构成二阶的结构。
[0036]
一种实施方式中，请参阅图1，在平行于第一表面101的第一方向91以及在平行于第一表面101且垂直于第一方向91的第三方向93上，第一阶部111和第二阶部112的尺寸均相同。通过设置第一阶部111和第二阶部112在第一方向91和第三方向93上的尺寸均相同，有利于第一衍射层10的二阶设计。
[0037]
可以理解的是，当在第一方向91和第三方向93上，第一阶部111和第二阶部112的尺寸均相同，即第一阶部111和第二阶部112在基板20上的正投影全部重叠，第一阶部111无突出于第二阶部112，因而形成的是在第一方向91和第二方向92上均呈二阶的结构。
[0038]
一种实施方式中，请参阅图1，第一凸起11还包括至少一个第五阶部113，第五阶部113设于第三端面1121，在第一方向91和第三方向93上，第五阶部113的尺寸小于第二阶部112的尺寸；当第五阶部113的数目为多个时，多个第五阶部113在第二方向92上依次层叠设置，且在基板20朝向第一衍射层10的第二方向92上，多个第五阶部113的尺寸逐渐减小。通过设置第五阶部113，有利于满足第一衍射层10四阶以及四阶以上的高阶设计要求。
[0039]
具体的，第五阶部113用于构成四阶以及四阶以上的高阶结构，第五阶部113的数目越多，所构成的阶数则越多，当第五阶部113的数目为1个时，则构成的是四阶结构。可以理解的是，当需要设计的是八阶以及八阶以上的更高阶数的结构时，不可避免的第一凸起11或者第二凸起31需要设计成四阶或者四阶以上的结构，相对于八阶，四阶的坍塌可能性更小。第五阶部113在第二方向92上的高度为0.2μm-1μm。
[0040]
一种实施方式中，请参阅图1，当第一凸起11为二阶结构时，第一凸起11在第三方向93上的高度为0.8μm-1μm，第一凸起11在垂直于第一表面101的任意方向上的最小宽度为100nm-800nm。
[0041]
另外，当第一凸起11为三阶或者三阶以上的结构时，第一凸起11的第一阶部111、第二阶部112以及其他阶部在第三方向93上的高度均为0.2μm-1μm。
[0042]
一种实施方式中，请参阅图1，第一凸起11在第三方向93上的整体高度为射入光线的一个波长，或者是该波长除以2.4所得到的数值。从而保证具有最佳的衍射效果。
[0043]
一种实施方式中，请参阅图1，第一凸起11的数目为多个，多个第一凸起11形成多个重复的第一衍射区域，相邻的第一衍射区域的间距为0.08mm-0.4mm。通过设置多个重复的第一衍射区域，以及相邻的第一衍射区域的间距为0.08mm-0.4mm，使得第一衍射层10较易加工，具有良好的工艺性。
[0044]
具体的，相邻的第一衍射区域的间距优选为0.1mm-0.3mm。多个重复的第一衍射区域，可以简化模板设计，降低模板成本。
[0045]
一种实施方式中，请参阅图1，衍射光学元件100的整体尺寸为l*w*h，其中l为1.6mm-1.8mm，w为1.6mm*1.8mm，h为0.3mm-0.6mm，h为第三方向93上的厚度，l和w为第一表面101的长和宽。
[0046]
请参阅图1，本实用新型实施例还提供了一种结构光模组，结构光模组可应用于3d人脸识别。结构光模组包括光源和本实用新型提供的衍射光学元件100，光源朝衍射光学元件100发射光线。具体的，光源可以为激光或者其它多波长光源。光源和衍射光学元件100之间还可设置微透镜组。通过在结构光模组中加入本实用新型提供的衍射光学元件100，结构
光模组的可靠性较高，且具有较好的光学品质。
[0047]
本实用新型实施例还提供了一种电子设备，电子设备可以为智能手机、平板电脑、个人数字助理和面部识别门锁等设备。电子设备包括本实用新型提供的结构光模组。通过在电子设备中加入本实用新型提供的结构光模组，电子设备具有较高的可靠性，同时具有精准的脸部识别功能。
[0048]
以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于实用新型所涵盖的范围。