衍射光学元件及其设计方法和系统、光投射装置、设备、存储介质与流程

本技术总地涉及衍射光学，更具体地涉及一种衍射光学元件及其设计方法和系统、光投射装置、设备、存储介质。

背景技术：

1、衍射光学元件(diffractive optical element，简称doe，)是利用衍射光学原理设计的一种光学元件，通常对特定波长的入射激光，设计表面微纳结构，对激光的能量和相位进行调制，达到所需要的输出衍射图案。分光点阵是衍射光学元件(doe)的一种，其作用是根据目标衍射图案(规则或无规则的点阵)通过衍射作用将一束入射激光分束成多束均匀的出射激光。分光点阵在诸多领域有着重要作用，如无人驾驶、安防监控、以及人脸识别等。在这些领域对于doe分束的均匀性有着很高要求。均匀性反映的是经过doe分束后激光点之间的能量(或者光强)之间的一致性，它的绝对值越低越好。

2、目前常用的分束doe设计方法通常是根据标量衍射理论设计。标量衍射理论是一种近似分析方法，即只考虑电磁场分量的一个横向复振幅，并假设任何其他的有关分量可以以同样的方式处理。根据标量衍射理论进行doe分析与设计必须满足以下条件：(1)衍射元件特征尺寸远大于波长；(2)观察衍射场处离衍射元件足够远。当无法满足以上条件的时候，需要用到矢量衍射理论，其特点是考虑光的偏振特性和不同偏振光之间的相互作用对衍射结果的影响，需要严格求解麦克斯韦方程组，因此计算量大。标量衍射理论因为是近似理论，因而其与实际结果差异较大，仅根据标量衍射理论设计最终得到的doe的性能往往不理想。

技术实现思路

1、为了解决上述问题中的至少一个而提出了本技术。具体地，本技术第一方面提供一种衍射光学元件的设计方法，所述设计方法包括：

2、获取自所述衍射光学元件出射后的出射光在输出面上的目标光场，其中，所述输出面和所述衍射光学元件间隔预定距离；

3、根据所述目标光场，利用标量衍射理论设计获取所述衍射光学元件的第一目标相位分布；

4、基于矢量衍射理论对所述第一目标相位分布进行优化，以获得第二目标相位分布，其中，所述第二目标相位分布用于表征所述衍射光学元件上的多个第一微结构的分布。

5、可选地，所述根据目标光场，利用标量衍射理论设计获取衍射光学元件的第一相位分布，包括：

6、步骤s11：获取所述衍射光学元件的输入面的第一输入波函数，其中，第一次迭代时的所述第一输入波函数是基于第一预估相位分布以及预设输入光振幅分布确定的，所述第一预估相位分布为随机相位分布；

7、步骤s12：对所述第一输入波函数进行正向衍射运算，以获得输出面的第一输出波函数，其中，所述第一输出波函数包括输出光振幅分布和输出面相位分布；

8、步骤s13：对所述输出光振幅分布进行调制，并基于所述调制后的输出光振幅分布更新所述第一输出波函数，以获得更新后的第一输出波函数；

9、步骤s14：对所述更新后的第一输出波函数进行逆向衍射运算，以获得所述输入面上的第二预估相位分布和第二输入光振幅分布；

10、步骤s15：对所述第二输入光振幅分布进行调制，并基于所述调制后的第二输入光振幅分布和所述第二预估相位分布获取用于下一次迭代的第一输入波函数；

11、步骤s16：重复以上步骤s11至步骤s15直到满足第一迭代循环结束条件，并输出最后一次迭代所获得的第二预估相位分布作为所述第一目标相位分布。

12、可选地，所述第一迭代循环结束条件包括以下条件中的至少一种：

13、迭代次数达到预设次数；

14、输出光振幅分布的均匀性小于或等于第一预设均匀性。

15、可选地，所述基于矢量衍射理论对所述第一目标相位分布进行优化，以获得第二目标相位分布，包括：

16、步骤s21：获取第一相位分布，并对所述第一相位分布进行调整，以获得调整相位分布，其中，第一次迭代时的所述第一相位分布为所述第一目标相位分布；

17、步骤s22：利用所述矢量衍射理论对输入光经过具有所述调整相位分布的衍射光学元件后在输出面的输出光场进行仿真，以获得第一仿真光场；

18、步骤s23：判断所述第一仿真光场是否满足第一光场评价条件，若满足所述第一光场评价条件，则表明所述调整相位分布优于所述第一相位分布，若不满足所述第一光场评价条件，则表明所述调整相位分布差于所述第一相位分布，则回到所述步骤s21；

19、步骤s24：重复以上步骤s21至步骤s23直到满足第二迭代循环结束条件，并输出最后一次满足所述第一光场评价条件的第一仿真光场所对应的调整相位分布作为所述第二目标相位分布。

20、可选地，在所述迭代结束之前，当前一次迭代获得的调整相位分布优于第一相位分布时，则将前一次迭代获得的调整相位分布作为后一次迭代的第一相位分布。

21、可选地，所述第一光场评价条件包括：所述第一仿真光场的均匀性小于或等于第二预设均匀性。

22、可选地，所述设计方法还包括：

23、在所述第二目标相位分布中添加至少一个第二微结构，以获得第三目标相位分布，其中，所述第二微结构用于调制光波的高频分量。

24、可选地，所述在所述第二目标相位分布中添加至少一个第二微结构，以获得第三目标相位分布，包括：

25、步骤s31：在第二相位分布中添加至少一个第二微结构，以获得第三相位分布，其中，第一次迭代时的所述第二相位分布为所述第二目标相位分布；

26、步骤s32：利用所述矢量衍射理论对经过具有所述第三相位分布的衍射光学元件后在输出面的输出光场进行仿真，以获得第二仿真光场；

27、步骤s33：判断所述第二仿真光场是否满足第二光场评价条件，若满足所述第二光场评价条件，则表明所述第三相位分布优于所述第二相位分布，若不满足所述第二光场评价条件，则表明所述第三相位分布差于所述第二相位分布，重新回到所述步骤s31；

28、步骤s34：重复以上步骤s31至步骤s33直到满足第三迭代循环结束条件，并输出最后一次满足所述第二光场评价条件的第二仿真光场所对应的第三相位分布作为所述第三目标相位分布。

29、可选地，在所述迭代结束之前，当前一次迭代获得的第三相位分布优于第二相位分布时，则将前一次迭代获得的第三相位分布作为后一次迭代的第二相位分布。

30、可选地，所述第二光场评价条件包括：所述第二仿真光场的均匀性小于或等于第三预设均匀性。

31、可选地，所述第二微结构在所述衍射光学元件表面上的长度小于或等于输入光波长的1/2。

32、可选地，至少一个所述第二微结构位于所述第一微结构外侧并和任意的所述第一微结构不连接；和/或

33、至少一个所述第二微结构位于所述第一微结构内；和/或

34、至少一个所述第二微结构位于所述第一微结构的边缘且和所述第一微结构连接。

35、可选地，当至少一个所述第二微结构位于所述第一微结构内时，所述第二微结构处呈现为凹槽。

36、可选地，所述第二微结构的数量在第一微结构的每个周期内不小于10。

37、本技术第二方面还提供一种衍射光学元件，包括：

38、基底以及形成于基底上的多个微结构单元，其中，所述多个微结构单元包括多个第一微结构，所述微结构单元配置为：将光源发射的发射光分束成多束出射光，其中，所述多个第一微结构的分布是利用标量衍射理论设计获取衍射光学元件的第一目标相位分布，并基于矢量衍射理论对所述第一目标相位分布进行优化而设计获得的。

39、可选地，所述多个微结构单元还包括至少一个第二微结构，其中，所述第二微结构用于调制光波的高频分量。

40、可选地，所述第二微结构在所述基底表面上的长度小于或等于所述发射光的波长的1/2。

41、可选地，至少一个所述第二微结构位于所述第一微结构外侧并和任意的所述第一微结构不连接；和/或

42、至少一个所述第二微结构位于所述第一微结构内；和/或

43、至少一个所述第二微结构位于所述第一微结构的边缘且和所述第一微结构连接。

44、可选地，当至少一个所述第二微结构位于所述第一微结构内时，所述第二微结构处呈现为凹槽。

45、可选地，所述第二微结构的数量在所述第一微结构的每个周期内不小于10。

46、可选地，所述第一微结构包括位于所述基底表面的凸起结构。

47、本技术第三方面提供一种光投射装置，包括：

48、光源，用于发射光；

49、前述的衍射光学元件，设置在所述光源的发射光的光路上，用于接收所述光源发射的发射光，并将光源发射的发射光分束成多束出射光，以及用于调制光波的高频分量，以在目标表面上投射出光场。

50、本技术第四方面提供一种设备，其特征在于，包括前述的光投射装置。

51、本技术第五方面提供一种衍射光学元件的设计系统，所述设计系统包括：

52、存储器，用于存储可执行的程序指令；

53、一个或多个处理器，用于执行所述存储器中存储的所述程序指令，使得所述处理器执行述的设计方法。

54、本技术第六方面提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的设计方法。

55、本技术的设计方法先通过标量设计获取所述衍射光学元件的第一目标相位分布，再利用矢量衍射理论对所述第一目标相位分布进行优化，以获得第二目标相位分布，从而可以改善doe的输出光场的均匀性。