衍射光学元件制造技术

用于设计诸如漫射器和其他光束成形元件等的衍射光学元件(DOE)的技术可包括：在比DOE的总面积更小的面积上设计DOE单位单元，然后在DOE的整个表面上分布单位单元。为分布在表面上的至少一些单位单元引入高度平移，其中高度平移与DOE的预期操作波长的相应相位平移相对应。在一些实例中，引入相位卷绕以将单位单元之间的高度变化转换成具有子单位结构的单位单元，该子单位结构的高度落在与操作波长处的指定相位范围相对应的范围内。的指定相位范围相对应的范围内。的指定相位范围相对应的范围内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】衍射光学元件
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年3月11日提交的美国临时专利申请62/988,124的优先权权益。在先申请的公开内容通过引用并入本文。


[0003]本公开涉及衍射光学元件(DOE)。

技术介绍

[0004]DOE是可操作来修改入射光的相位和/或振幅以创建具有指定功能的期望光学输出图案的光学组件。DOE可以具有例如由形成在基板表面上的多个层级构成的结构。图案可以被蚀刻到例如硬基板的表面中，或者复制在基板表面上的聚合物中，或者完全由聚合物制成。在一些实例中，图案的深度可以约为特定于应用的光的波长，并且被调节到DOE的材料的折射率。
[0005]当设计诸如DOE漫射器等的衍射光学元件时，考虑漫射器的整个有效区域在试图优化设计时在某些方面可能是不利的。特别地，在大面积上进行设计在计算上可能是复杂的。例如，在一些实例中，具有500
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500nm2像素分辨率的2
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2mm2漫射器使得要控制一千六百万个像素元件。此外，尽管可以通过使用迭代傅里叶变换算法(IFTA)来降低数值复杂度，但是IFTA可能引入可能不期望的各种设计限制。这样的限制可以例如涉及如下：对优化算法的控制量、评估平面在远场中、评估平面的分辨率由设计平面的分辨率给出、以及基于薄元件近似的方法。

技术实现思路

[0006]本公开描述了用于设计诸如漫射器和其他光束成形元件等的衍射光学元件(DOE)的技术。所述技术可包括：在比DOE的总面积小的面积上设计DOE单位单元，然后(例如，以周期性方式)在DOE的整个表面上分布单位单元。可以为分布在表面上的单位单元中的至少一些单位单元引入高度平移，其中高度平移与DOE的预期操作波长的相应相位平移相对应。
[0007]在一些实例中，可以引入相位卷绕(phase wrapping)以将单位单元之间的高度变化转换为具有子单位结构的单位单元，所述子单位结构的高度落在与操作波长处的指定相位范围(例如，0至2π)相对应的范围内。也就是说，在将高度平移引入到单位单元之后，将与限定范围之外(例如，在范围0至2π之外)的相位值相对应的个体子单位的高度折回到与限定范围(例如，0至2π)内的相位值相对应的高度。
[0008]在一个方面，本公开描述了一种衍射光学元件，其包括：周期性重复的多个单位单元，其分布在公共平面上并由光学材料构成。所述多个单位单元内的各个单位单元包括相应的多个子单位单元，其中，所述子单位单元被布置成对预定操作波长的入射光引起光学效应。所述单位单元中的各个特定单位单元中的各个子单位单元具有与相同单位单元中的子单位单元中的相邻子单位单元的相应高度不同的子单位高度。所述多个单位单元包括至
少一个基础单位单元以及不是基础单位单元的其他单位单元，其中，不是基础单位单元的单位单元中的各个单位单元是所述基础单位单元相对于所述公共平面的高度平移版本。
[0009]一些实现包括以下特征中的一个或多于一个。例如，在一些实例中，所述基础单位单元的高度平移版本中的各个高度平移版本与所述操作波长的相应相移相对应。此外，在一些实例中，所述相应相移各自在所述操作波长处是(1/2)π的相应整数倍。在一些实现中，所述子单位高度相对于所述公共平面跨越四个、八个或十六个离散层级。
[0010]在一些实现中，在相同单位单元中的子单位单元中的相邻子单位单元的相应高度相差了与在所述操作波长处等于(1/2)π的整数倍的相应相移相对应的量。
[0011]本公开还描述了一种衍射光学元件，其包括：多个单位单元，其分布在公共平面上并由光学材料构成。所述多个单位单元内的各个单位单元包括相应的多个子单位单元，其中，所述子单位单元被布置成对预定操作波长的入射光引起光学效应。所述单位单元中的各个特定单位单元中的各个子单位单元具有与相同单位单元中的子单位单元中的相邻子单位单元的相应高度不同的相应子单位高度。所述多个单位单元包括至少一个基础单位单元以及不是基础单位单元的其他单位单元，其中，不是基础单位单元的单位单元中的各个单位单元是所述基础单位单元相对于所述公共平面的高度平移版本的相位卷绕版本。
[0012]一些实现包括以下特征中的一个或多于一个。例如，在一些实例中，所述衍射光学元件中的任意两个子单位之间的高度差与在所述操作波长处不大于2π的相应相移相对应。此外，在一些情况下，所述相应相移各自在所述操作波长处是(1/2)π的相应整数倍。在一些实现中，所述子单位高度相对于所述公共平面跨越四个、八个或十六个离散层级。
[0013]在一些实现中，在相同单位单元中的子单位单元中的相邻子单位单元的相应高度相差了与在所述操作波长处等于(1/2)π的整数倍的相应相移相对应的量。
[0014]在一些实现中，所述光学效应是大致漫射照明。
[0015]一些实现包括以下优点中的一个或多于一个。例如，这些技术在计算上可以是相对高效的，并且因此在一些实例中，在可行性、设计时间和数值技术(例如，全波求解器(full
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wave solver)、非基于FFT的标量传播(non FFT
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based scalar propagation)、自由曲面成形(free
‑
form surface shaping))方面可以是有利的。此外，引入单位单元的高度平移可以帮助消除否则将由于以周期性方式将单位单元分布在表面上而发生的衍射。这样的衍射可能导致漫射器效应丢失。也就是说，通过以周期性方式将单位单元分布在表面上，单位单元可以干涉并产生衍射光栅效应，使得漫射特性丢失并被高强度衍射光斑替代。引入单位单元的高度平移可以避免这个问题。
[0016]此外，相位卷绕可有助于减少所得到的DOE设计中的层级数量。DOE设计中的层级数量的减少进而可以减少制造过程期间所需的蚀刻步骤的数量。
[0017]本公开还描述了包括衍射光学元件的模块。模块可包括发光组件、光感测组件或者发光组件和光感测组件两者。(一个或多于一个)衍射光学元件可以被布置为使得与发射光波或入射光波相交，并且在发射光波或入射光波穿过(一个或多于一个)衍射光学元件时修改发射光波或入射光波的一个或多于一个特性。
[0018]通过以下详细的描述、附图以及权利要求书，其他方面、特征和优点将变得明显。
附图说明
[0019]图1示出DOE结构的示例。
[0020]图2是用于DOE的设计的单位单元的示例。
[0021]图3示出图2的单位单元在公共平面上的周期性分布的示例。
[0022]图4示出图3的单位单元的高度平移版本。
[0023]图5A示出基于图4的示例的原型单位单元的示例。
[0024]图5B示出图5A的原型单位单元的相位卷绕版本。
[0025]图6示出图4的高度平移单位单元的相位卷绕版本。
[0026]图7示出结合根据本公开的DOE的光电模块的示例。
具体实施方式
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种衍射光学元件，包括：周期性重复的多个单位单元，其分布在公共平面上并由光学材料构成，所述多个单位单元内的各个单位单元包括相应的多个子单位单元，其中，所述子单位单元被布置成对预定操作波长的入射光引起光学效应，以及其中，所述单位单元中的各个特定单位单元中的各个子单位单元具有与相同单位单元中的子单位单元中的相邻子单位单元的相应高度不同的子单位高度，其中，所述多个单位单元包括至少一个基础单位单元以及不是基础单位单元的其他单位单元，以及其中，不是基础单位单元的单位单元中的各个单位单元是所述基础单位单元相对于所述公共平面的高度平移版本。2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，所述基础单位单元的高度平移版本中的各个高度平移版本与所述操作波长的相应相移相对应。3.根据权利要求2所述的衍射光学元件，其中，所述相应相移各自在所述操作波长处是(1/2)π的相应整数倍。4.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件，其中，所述子单位高度相对于所述公共平面跨越四个离散层级。5.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件，其中，所述子单位高度相对于所述公共平面跨越八个离散层级。6.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件，其中，所述子单位高度相对于所述公共平面跨越十六个离散层级。7.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，在相同单位单元中的子单位单元中的相邻子单位单元的相应高度相差了与在所述操作波长处等于(1/2)π的整数倍的相应相移相对应的量。8.根据权利要求1至7中任一项所述的衍射光学元件，其中，所述光学效应是大致漫射照明。9.一种衍射光学元件，包括：多个单位单元，其分布在公共平面上并由光学材料构成，所述多个单位单元内的各个单位单元包括相应的多个子单位单元，其中，所述子单位单元被布置成对预定操作波长的入射光引起光学效应，以及其中，所述单位单元中的各个特定单位单元中的各个子单位单元具有与相同单位单元中的子单位单元中的相邻子单位单元的相应高度不同的相应子单位高度，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：V，
申请(专利权)人：尼尔技术有限公司，
类型：发明
国别省市：