一种高均匀性点阵的衍射光学元件及其设计方法、投射器与流程

1.本发明总体上涉及衍射光学技术领域，特别是涉及一种高均匀性点阵的衍射光学元件及其设计方法、投射器。

背景技术：

2.对于双目视觉、3d结构光或者dtof应用而言，其识别算法要求投射器投射出的散斑点阵能量具有较好的均匀性。
3.目前，低成本的无准直投射器方案均是由多点垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，简称vcsel)经过衍射光学元件(diffractive optical element，简称doe)分光点阵器件复制后得到；传统doe的设计方法一般是针对置于doe中心光轴上的单点vcsel进行设计，doe光轴上的单点vcsel经doe分光后得到的点阵能量具有很好的均匀性；但是由于多点vcsel中除光轴上的光源点以外的其余光源点都是偏离光轴的，而又由于doe结构矢量效应的存在，这些偏离光轴的光源点经过上述doe后分光得到的点阵能量均匀性会变差，且随光源点偏离光轴的程度越大，其经过doe后分光得到的点阵能量均匀性越差。
4.因此，需要对doe的设计方法进行优化以提升多点vcsel光源经doe分光所得到的点阵能量整体的均匀性。

技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高均匀性点阵的衍射光学元件及其设计方法、投射器，其可用于提升投射出的散斑点阵能量的均匀性。
6.根据本发明的一个方面，提供了一种衍射光学元件的设计方法，所述衍射光学元件用于与包括多个子光源的阵列光源结合使用以投射散斑点阵，所述设计方法包括：
7.(1)确定阵列光源中子光源的参数以及所述衍射光学元件的目标点阵光场，利用标量衍射理论算法获取所述衍射光学元件的相位分布设计图，所述目标点阵光场具有目标点阵能量分布；
8.(2)在阵列光源的多个子光源中选取至少两个子光源作为特征子光源，并且基于每一个特征子光源与所述衍射光学元件的相位分布设计图进行矢量仿真，分别得到与每一个特征子光源对应的仿真点阵能量分布；
9.(3)根据各个仿真点阵能量分布与目标点阵能量分布的差异，对目标点阵能量分布进行补偿，使得目标点阵能量分布获得一个与上述差异反向的增量，得到分别与每一个特征子光源对应的补偿后的目标点阵能量分布；
10.(4)基于每一个特征子光源及其对应的补偿后的目标点阵能量分布，利用标量衍射理论算法获取与每一个特征子光源对应的所述衍射光学元件的更新的相位分布设计图；
11.(5)根据各个特征子光源照射在衍射光学元件上的光斑区域，从各个特征子光源对应的所述更新的相位分布设计图中裁剪出与各个特征子光源对应的局域相位分布设计
图，利用所述局域相位分布设计图拼接得到衍射光学元件的整合相位分布设计图。
12.在一些实施例中，设计方法还包括：将所述整合相位分布设计图作为所述衍射光学元件的相位分布设计图，返回执行步骤(1)-(5)。
13.在一些实施例中，所述步骤(3)包括基于以下公式计算与每一个特征子光源对应的所述补偿后的目标点阵能量分布：t
′i＝ti+αi(t
i-si)，其中t
′i为补偿后的目标点阵能量分布中的第i个散斑的能量，ti为目标点阵能量分布中第i个散斑的能量，si为仿真点阵能量分布中第i个散斑的能量，αi为第i个散斑的补偿系数，i≤m，i和m为正整数，m为目标点阵光场中散斑的数量。
14.优选αi取值范围为0.1《αi《5，更优选为0.7《αi《1.3。
15.在一些实施例中，所述步骤(3)包括基于以下公式计算与每一个特征子光源对应的所述补偿后的目标点阵能量分布：其中t
′i为补偿后的目标点阵能量分布中的第i个散斑的能量，ti为目标点阵能量分布中第i个散斑的能量，si为仿真点阵能量分布中第i个散斑的能量，βi为第i个散斑的补偿系数，i≤m，i和m为正整数，m为目标点阵光场中散斑的数量。
16.优选βi取值范围为0.1《βi《5，更优选为0.7《βi《2。
17.在一些实施例中，所述特征子光源为在整个阵列光源内大致均匀分布的n个子光源，n为整数且n》＝2。
18.在一些实施例中，所述特征子光源包括阵列光源四个角上的子光源。
19.在一些实施例中，裁剪出的所述局域相位分布设计图为规则形状，所述规则形状须包含与其对应的特征子光源照射面积的至少50％以上。
20.在一些实施例中，所述规则形状为矩形，菱形、平行四边形和/或正方形。
21.在一些实施例中，裁剪出的所述局域相位分布设计图为不规则形状，所述不规则形状须包含与其对应的特征子光源照射面积的至少50％以上。
22.在一些实施例中，所述阵列光源为随机排列的多点vcsel光源。
23.根据本发明的另一个方面，还提供一种衍射光学元件，为使用上述设计方法设计的衍射光学元件。
24.根据本发明的另一个方面，还提供一种衍射光学元件，包括：
25.基底；
26.及多个衍射单元，形成于基底且呈阵列排布；
27.根据阵列光源的多个子光源照射在衍射光学元件的光斑区域范围对衍射光学元件划分区域，多个衍射单元分别对应于衍射光学元件的划分区域拼接排布在基底上；
28.各个衍射单元的微结构相位分布为分别针对与其对应的子光源以均匀能量分布的点阵为目标光场利用矢量设计方法而设计得到的，以使得经所述衍射光学元件投射得到的散斑点阵亮度均匀。
29.根据本发明的另一个方面，还提供一种衍射光学元件，用于与包括多个子光源的阵列光源结合使用以投射散斑点阵，所述衍射光学元件包括：
30.基底，包括彼此毗连的多个区域；和
31.多个子衍射光学元件，分别形成在基底的所述多个区域上，
32.其中，每一个子衍射光学元件构造为：当与对应于其所在区域的中心位置的所述
阵列光源中的一个子光源结合使用时投射出第一点阵光场，当与超出其所在区域的位置的所述阵列光源中的子光源结合使用时，投射出第二点阵光场，所述第一点阵光场的能量分布均匀性优于所述第二点阵光场的能量分布均匀性。
33.根据本发明的又一个方面，提供了一种结构光投射器，其包括：
34.包括多个子光源的阵列光源，用于产生输入光场；
35.使用上述设计方法设计的衍射光学元件，或上述的衍射光学元件，用于对所述输入光场进行分束产生亮度均匀的散斑点阵。
36.根据本发明，通过对衍射光学元件划分区域设计，提高了经衍射光学元件分光所得到的点阵能量整体的均匀性，也提高了使用上述衍射光学元件的投射器的点阵能量整体的均匀性。
附图说明
37.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
38.图1为现有技术中结构光投射器的示意图；
39.图2示意性地示出了结构光投射器投射的理想均匀光场；
40.图3为根据本发明实施例的衍射光学元件的设计方法的一个示例的示意性流程图；
41.图4为根据本发明实施例的设计方法中的第(1)步骤所得到的衍射光学元件的相位分布设计图；
42.图5示意性地示出了本发明实施例的设计方法中选取特征子光源的一个示例；
43.图6示出了每一个特征子光源与衍射光学元件的相位分布设计图进行矢量仿真得到的仿真点阵能量分布；
44.图7示出了根据图6示出的仿真点阵能量分布与目标点阵能量分布比对补偿得到的每一个特征子光源对应的补偿后的目标点阵能量分布；
45.图8示出了基于每一个特征子光源及其对应的补偿后的目标点阵能量分布利用标量衍射理论算法获取的衍射光学元件的更新的相位分布设计图；
46.图9示意性地示出了图5中选取的特征子光源照射到衍射光学元件的光斑区域；
47.图10示意性地示出了本发明实施例的设计方法中衍射光学元件的整合相位分布设计图裁剪、拼接的一个示例；
48.图11-13示意性地示出了本发明实施例的设计方法中局域相位分布设计图的三个裁剪示例；
49.图14示出了传统设计方法和本发明实施例的设计方法所得到的衍射光学元件进行矢量仿真得到能量分布图；
50.图15示出了本发明一个实施例的衍射光学元件的示意图；
51.图16示出了本发明另一个实施例的衍射光学元件的示意图；
52.图17示出了本发明一个实施例的结构光投射器的示意图。
具体实施方式
53.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
54.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
55.图1为现有技术中结构光投射器100的示意图。在图示示例中，结构光投射器100包括：vcsel光源101，用于产生输入光场；衍射光学元件102，用于对输入光场进行分束产生散斑点阵；偏离光轴103的vcsel光源101的子光源经过衍射光学元件102后分光得到的散斑点阵能量均匀性会变差，且随子光源偏离光轴103的程度越大，散斑点阵能量均匀性越差。
56.图2示意性地示出了结构光投射器投射的理想均匀光场。图2左侧示出了一阵列光源，阵列光源为5*5的多点vcsel光源，图2右侧上方示出了多点vcsel光源经衍射光学元件分光得到的散斑点阵，多点vcsel光源对应的整体目标点阵光场为均匀光场；图2右侧下方示出了多点vcsel光源位于光轴上的子光源经衍射光学元件分光得到目标点阵广场为均匀的3*3点阵，且9个点能量分布均匀。
57.图3为根据本发明实施例的衍射光学元件的设计方法的一个示例的示意性流程图；如图3所示，衍射光学元件的设计方法包括：
58.s101：定阵列光源中子光源的参数以及衍射光学元件的目标点阵光场，利用标量衍射理论算法获取衍射光学元件的相位分布设计图，目标点阵光场具有目标点阵能量分布；
59.s102：在阵列光源的多个子光源中选取至少两个子光源作为特征子光源，并且基于每一个特征子光源与衍射光学元件的相位分布设计图进行矢量仿真，分别得到与每一个特征子光源对应的仿真点阵能量分布；
60.s103：根据各个仿真点阵能量分布与目标点阵能量分布的差异，对目标点阵能量分布进行补偿，使得目标点阵能量分布获得一个与上述差异反向的增量，得到分别与每一个特征子光源对应的补偿后的目标点阵能量分布；
61.s104：基于每一个特征子光源及其对应的补偿后的目标点阵能量分布，利用标量衍射理论算法获取与每一个特征子光源对应的衍射光学元件的更新的相位分布设计图；
62.s105：根据各个特征子光源照射在衍射光学元件上的光斑区域，从各个特征子光源对应的更新的相位分布设计图中裁剪出与各个特征子光源对应的局域相位分布设计图，利用局域相位分布设计图拼接得到衍射光学元件的整合相位分布设计图。
63.上述设计方法通过裁剪、拼接阵列光源中各个特征子光源对应的局域相位分布设计图得到衍射光学元件的整合相位分布设计图，实现了衍射光学元件的划分区域设计，从而提升了阵列光源经衍射光学元件分光所得到的点阵能量整体的均匀性。
64.根据本发明不同实施例，步骤(1)中，阵列光源可以为均匀排列的多点vcsel光源，如图2左侧示出的5*5的多点vcsel光源。子光源的参数可以包括波长、发散角等，图2所示的多点vcsel光源波长为940nm，子光源排布如图所示，单点子光源发散角22
°
，距离衍射光学元件的距离d＝2.43mm。阵列光源还可以为随机排列的多点vcsel光源，为了更好地降低输出光场的非均匀性，优选随机排列的多点vcsel光源作为输入光场的阵列光源。
65.利用标量衍射理论算法获取衍射光学元件的相位分布设计图可以包括本领域技术人员所熟知的任意适合的方法，例如gs算法及其改进算法、杨顾(yg)算法及其改进算法、模拟退火算法(sa)、遗传算法(ga)等优化算法以及各种混合算法。
66.衍射光学元件的目标点阵光场为能量分布均匀的散斑点阵。
67.图4示出了根据本发明实施例的设计方法中的第(1)步骤所得到的一个衍射光学元件的相位分布设计图，其可以通过阵列光源中任意一个子光源以及衍射光学元件的目标点阵光场利用标量衍射理论算法获取。
68.根据本发明不同实施例，步骤(2)中，设计人员可以根据实际设计需要在阵列光源的多个子光源中任意选取至少两个子光源作为特征子光源。例如，可以选择相对于光轴上的子光源对称的两个子光源作为特征子光源，也可以选择在整个阵列光源内大致均匀分布的n个子光源作为特征子光源，n为整数且n》＝2。特征子光源的选取最好能够覆盖整个衍射光学元件区域，以便实现整个衍射光学元件区域的设计。
69.图5示意性地示出了本发明实施例的设计方法中选取特征子光源的一个示例。选取的特征子光源a、b、c、d分别位于阵列光源四个角上，四个特征子光源均匀分布在整个阵列光源内。在阵列光源的子光源较少，且衍射光学元件的面积也不大的情况下，仅选择位于阵列光源边角的子光源作为特征子光源是一种简单易行的操作方法，否则除了选择阵列光源边角的子光源外，还需在阵列光源内部均匀选择一些子光源以便大致覆盖衍射光学元件。基于每一个特征子光源a、b、c或d以及步骤(1)获取的衍射光学元件的相位分布设计图进行矢量仿真，分别得到与每一个特征子光源a、b、c、d对应的仿真点阵能量分布。图6示出了每一个特征子光源a、b、c、d与衍射光学元件的相位分布设计图进行矢量仿真所得到的仿真点阵能量分布1.a、1.b、1.c、1.d，仿真所得到的四个仿真点阵能量分布均为3*3点阵，且可以观察到其中9个点的能量分布不均匀。
70.根据本发明不同实施例，步骤(3)中对目标点阵能量分布进行补偿可以采用如下公式计算与每一个特征子光源对应的补偿后的目标点阵能量分布：t
′i＝ti+αi(t
i-si)，其中t
′i为补偿后的目标点阵能量分布中的第i个散斑的能量，ti为目标点阵能量分布中第i个散斑的能量，si为仿真点阵能量分布中第i个散斑的能量，αi为第i个散斑的补偿系数，i≤m，i和m为正整数，m为目标点阵光场中散斑的数量；其中，0.1《αi《5，优选为0.7《αi《1.3。上述公式中的αi(t
i-ti)即目标点阵能量分布所要获得的与差异反向的增量；当仿真点阵能量分布中的某一散斑能量小于目标点阵能量分布中的相应散斑能量时(即仿真点阵能量分布与目标点阵能量分布中某一散斑能量的差异(s
i-ti)＜0)，目标点阵能量分布的散斑ti将获得一个正值的反向增量补偿；而当仿真点阵能量分布中的某一散斑能量大于目标点阵能量分布中的相应散斑能量时(即各个仿真点阵能量分布与目标点阵能量分布中某一散斑能量的差异(s
i-ti)＞0)，目标点阵能量分布的散斑ti将获得一个负值的反向增量补偿。
71.根据本发明不同实施例，步骤(3)中对目标点阵能量分布进行补偿还可以采用如下公式计算与每一个特征子光源对应的补偿后的目标点阵能量分布：其中t
′i为补偿后的目标点阵能量分布中的第i个散斑的能量，ti为目标点阵能量分布中第i个散斑的能量，si为仿真点阵能量分布中第i个散斑的能量，βi为第i个散斑的补偿系数，i≤m，i和m为正整数，m为目标点阵光场中散斑的数量；其中，0.1《βi《5，优选为0.7《βi《2。上述公式
还可以列为t
′i＝ti×
(βiti/si)，其中的βiti/si即目标点阵能量分布所要获得的与差异反向的增量。当仿真点阵能量分布中的某一散斑能量小于目标点阵能量分布中的相应散斑能量时(即仿真点阵能量分布与目标点阵能量分布中某一散斑能量的差异si/ti＜1)，目标点阵能量分布的散斑ti将获得一个βiti/si＞1的反向增量补偿；而当仿真点阵能量分布中的某一散斑能量大于目标点阵能量分布中的相应散斑能量时(即各个仿真点阵能量分布与目标点阵能量分布中某一散斑能量的差异si/ti＞1)，目标点阵能量分布的散斑ti将获得一个βiti/si＜1的反向增量补偿。
72.针对上述两种补偿计算公式，不同散斑对应的补偿系数αi、βi的数值可以不同，本领域技术人员可以依据设计需求或设计经验对点阵中的散斑补偿系数进行选择，这样的补偿方式使得设计得到的衍射光学元件能够更好的适应阵列光源的各个子光源。例如，点阵中角度较大位置的散斑，其对应的补偿系数可以大一点，而点阵中角度较小的散斑，其对应的补偿系数可以小一些；离光轴远的阵列光源的子光源，其对应的补偿系数可以大一点，而离光轴近的阵列光源的子光源，其对应的补偿系数可以小一点。
73.图7示出了根据图6示出的仿真点阵能量分布与目标点阵能量分布比对补偿得到的每一个特征子光源对应的补偿后的目标点阵能量分布。针对图5中位于阵列光源四个角上的特征子光源a、b、c、d，按照如下公式：计算得到分别与每一个特征子光源a、b、c、d对应的补偿后的目标点阵能量分布2.a、2.b、2.c、2.d。
74.图8示出了基于图5中所示位于阵列光源四个角上的特征子光源a、b、c、d及其对应的图7中所示补偿后的目标点阵能量分布2.a、2.b、2.c、2.d利用标量衍射理论算法获取的衍射光学元件的更新的相位分布设计图。如前所述，标量衍射理论算法可以包括本领域技术人员所熟知的任意适合的方法，例如gs算法及其改进算法、杨顾(yg)算法及其改进算法、模拟退火算法(sa)、遗传算法(ga)等优化算法以及各种混合算法。
75.图9示意性地示出了本发明实施例的设计方法中选取的特征子光源a、b、c、d照射到待设计的衍射光学元件的光斑区域，图9中四个虚线所示的圆形区域即特征子光源a、b、c、d照射到衍射光学元件的光斑区域。根据特征子光源的光斑区域对衍射光学元件进行矩形切分，使得每个特征子光源对应的区域面积大致相等，并包含大部分子光源照射面积(子光源照射面积的至少50％以上)，切分完成后各个区域还能够拼接成一个完整的衍射光学元件。
76.图10示意性地示出了本发明实施例的设计方法中衍射光学元件的整合相位分布设计图裁剪、拼接的一个示例；从特征子光源a所对应的更新的相位分布设计图中裁剪出区域1，从特征子光源b所对应的更新的相位分布设计图中裁剪出区域2，从特征子光源c所对应的更新的相位分布设计图中裁剪出区域3，从特征子光源d所对应的更新的相位分布设计图中裁剪出区域4，将裁剪出的区域1、区域2、区域3和区域4拼接从而得到衍射光学元件的整合相位分布设计图。
77.根据本发明不同实施例，步骤(5)中各个特征子光源由于选取数量以及光斑形状的不同，对应裁剪出的局域相位分布设计图可以为规则形状或不规则形状。所述规则形状可以为矩形，菱形、平行四边形和/或正方形。所述规则形状或不规则形状均须满足包含与其对应的特征子光源照射面积的至少50％以上。
78.图11-13示意性地示出了本发明实施例的设计方法中局域相位分布设计图的三个裁剪示例。图11中示出了9个特征子光源，图中的虚线圆形代表9个子光源照射在衍射光学元件形成的光斑区域，以数字1-9表示，对应裁剪出的局域相位分布设计图为9个矩形；图12中示出了对应特征子光源裁剪出的局域相位分布设计图为25个矩形，以数字1-25表示；图13中示出了特征子光源对应裁剪出的局域相位分布设计图为9个不规则四边形，以数字1-9表示。
79.由图11-13可知，所裁剪出的局域相位分布设计图的面积也可以不等，裁剪出的局域相位分布设计图的形状和面积大小由特征子光源的形状及其照射面积决定。对局域相位分布设计图实施规则形状的裁剪可以简化操作，减小仿真的计算量；而不规则形状的裁剪可以使裁剪出的局域相位分布设计图更好地适应特征子光源的形状，最终设计得到的衍射光学元件分光所得到的点阵能量整体的均匀性将更好。
80.如图3所示，根据本发明实施例的衍射光学元件的设计方法还可以包括：将整合相位分布设计图作为衍射光学元件的相位分布设计图，返回执行步骤(1)-(5)。如此循环迭代，可以从中选取能量分布均匀性最佳的衍射光学元件的整合相位分布设计图。
81.根据本发明不同实施例，衍射光学元件为2n台阶量化，n为正整数。
82.对根据本发明实施例的衍射光学元件的设计方法所得到的整合相位分布设计图进行5*5多点vcsel光源所有子光源的矢量仿真，得到所有225个散斑能量分布。图14的左侧和右侧分别示出了传统设计方法和本发明实施例的设计方法所得到的衍射光学元件进行矢量仿真得到能量分布图，通过两幅图的比较可以很直观地看出本发明实施例的设计方法所得到的衍射光学元件进行矢量仿真得到能量分布均匀性得到了极大提升。经计算可知，传统设计方法所得到的衍射光学元件进行矢量仿真得到能量分布均匀性为22.5％(最小级次能量/最大级次能量)，而本发明实施例的设计方法所得到的衍射光学元件进行矢量仿真得到能量分布均匀性为62.7％(最小级次能量/最大级次能量)。由此可知，本发明设计方法所得到的衍射光学元件的点阵能量均匀性显著提升。
83.根据本发明的一个优选实施例，本发明还提供一种衍射光学元件，为使用上述设计方法设计的衍射光学元件。
84.根据本发明的另一个优选实施例，本发明还提供一种衍射光学元件，包括：基底10和多个衍射单元11；多个衍射单元11形成在基底10上，且呈阵列排布。根据阵列光源的多个子光源照射在衍射光学元件的光斑区域范围对衍射光学元件划分区域。如图15所示，图中的虚线圆形代表阵列光源中9个子光源照射在衍射光学元件形成的光斑区域，以数字1-9表示；对衍射光学元件划分区域为规则的矩形，对衍射光学元件划分区域也可以为其它规则形状或不规则形状；衍射光学元件划分区域须包含子光源照射在衍射光学元件的大部分光斑区域(子光源照射面积的至少50％以上)。
85.多个衍射单元11分别对应于衍射光学元件的划分区域拼接排布在基底10上，各个衍射单元11的微结构相位分布为分别针对与其对应的子光源以均匀能量分布的点阵为目标光场利用矢量设计方法而设计得到的，从而使得经衍射光学元件投射得到的散斑点阵亮度均匀。各个衍射单元11的微结构相位分布是通过均匀的目标点阵能量分布和子光源参数利用矢量设计方法获得的，矢量设计方法可以包括本领域技术人员所熟知的任意适合的方法，例如模拟退火算法(sa)、遗传算法(ga)等。通过划分区域矢量设计衍射光学元件的微结
构相位分布，提高了经衍射光学元件分光所得到的点阵能量整体的均匀性。
86.根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种衍射光学元件，用于与包括多个子光源的阵列光源结合使用以投射散斑点阵，衍射光学元件包括：具有彼此互相连接的多个区域的基底10’和分别形成在基底10’的多个区域上的多个子衍射光学元件11’。每一个子衍射光学元件11’构造为：当与对应于其所在区域的中心位置的阵列光源中的一个子光源结合使用时投射出第一点阵光场，当与超出其所在区域的位置的阵列光源中的子光源结合使用时，投射出第二点阵光场，第一点阵光场的能量分布均匀性优于第二点阵光场的能量分布均匀性。
87.如图16所示，图中的虚线圆形代表阵列光源中9个子光源照射在衍射光学元件形成的光斑区域，以数字1-9表示。多个子衍射光学元件11’为规则的矩形，其也可以为其它规则形状或不规则形状。当子衍射光学元件11’为不规则形状时，其所在区域的中心位置可以依据设计经验大致确定。
88.根据本发明的又一个方面，如图17所示，提供了一种结构光投射器100’，其包括：具有多个子光源的阵列光源101’，用于产生输入光场；使用上述设计方法设计的衍射光学元件102’，或上述实施例中提供的衍射光学元件102’，用于对输入光场进行分束产生亮度均匀的散斑点阵。通过对衍射光学元件102’划分区域设计，提高了使用上述衍射光学元件102’的投射器的点阵能量整体的均匀性。
89.以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

技术特征：

1.一种衍射光学元件的设计方法，所述衍射光学元件用于与包括多个子光源的阵列光源结合使用以投射散斑点阵，所述设计方法包括：(1)确定阵列光源中子光源的参数以及所述衍射光学元件的目标点阵光场，利用标量衍射理论算法获取所述衍射光学元件的相位分布设计图，所述目标点阵光场具有目标点阵能量分布；(2)在阵列光源的多个子光源中选取至少两个子光源作为特征子光源，并且基于每一个特征子光源与所述衍射光学元件的相位分布设计图进行矢量仿真，分别得到与每一个特征子光源对应的仿真点阵能量分布；(3)根据各个仿真点阵能量分布与目标点阵能量分布的差异，对目标点阵能量分布进行补偿，使得目标点阵能量分布获得一个与上述差异反向的增量，得到分别与每一个特征子光源对应的补偿后的目标点阵能量分布；(4)基于每一个特征子光源及其对应的补偿后的目标点阵能量分布，利用标量衍射理论算法获取与每一个特征子光源对应的所述衍射光学元件的更新的相位分布设计图；(5)根据各个特征子光源照射在衍射光学元件上的光斑区域，从各个特征子光源对应的所述更新的相位分布设计图中裁剪出与各个特征子光源对应的局域相位分布设计图，利用所述局域相位分布设计图拼接得到衍射光学元件的整合相位分布设计图。2.如权利要求1所述的设计方法，还包括:将所述整合相位分布设计图作为所述衍射光学元件的相位分布设计图，返回执行步骤(1)-(5)。3.如权利要求1或2所述的设计方法，其中，步骤(3)包括基于以下公式计算与每一个特征子光源对应的所述补偿后的目标点阵能量分布：t
′
i
＝t
i
+α
i
(t
i-s
i
)，其中t
′
i
为补偿后的目标点阵能量分布中的第i个散斑的能量，t
i
为目标点阵能量分布中第i个散斑的能量，s
i
为仿真点阵能量分布中第i个散斑的能量，α
i
为第i个散斑的补偿系数，i≤m，i和m为正整数，m为目标点阵光场中散斑的数量。4.如权利要求3所述的设计方法，其中，0.1<α
i
<5，优选为0.7<α
i
<1.3。5.如权利要求1或2所述的设计方法，其中，步骤(3)包括基于以下公式计算与每一个特征子光源对应的所述补偿后的目标点阵能量分布：其中t
′
i
为补偿后的目标点阵能量分布中的第i个散斑的能量，t
i
为目标点阵能量分布中第i个散斑的能量，s
i
为仿真点阵能量分布中第i个散斑的能量，β
i
为第i个散斑的补偿系数，i≤m，i和m为正整数，m为目标点阵光场中散斑的数量。6.如权利要求5所述的设计方法，其中，0.1<β
i
<5，优选为0.7<β
i
<2。7.如权利要求1-6任一项所述的设计方法，其中，所述特征子光源为在整个阵列光源内大致均匀分布的n个子光源，n为整数且n>＝2。8.如权利要求1-7任一项所述的设计方法，其中，所述特征子光源包括阵列光源四个角上的子光源。9.如权利要求1-8任一项所述的设计方法，其中，裁剪出的所述局域相位分布设计图为规则形状，所述规则形状须包含与其对应的特征子光源照射面积的至少50％以上。10.如权利要求9所述的设计方法，其中，所述规则形状为矩形、菱形、平行四边形和/或
正方形。11.如权利要求1-8任一项所述的设计方法，其中，裁剪出的所述局域相位分布设计图为不规则形状，所述不规则形状须包含与其对应的特征子光源照射面积的至少50％以上。12.如权利要求1-11任一项所述的设计方法，其中，所述阵列光源为随机排列的多点vcsel光源。13.一种衍射光学元件，为使用如权利要求1-12中任一项所述的设计方法设计的衍射光学元件。14.一种衍射光学元件，包括：基底；及多个衍射单元，形成于基底且呈阵列排布；根据阵列光源的多个子光源照射在衍射光学元件的光斑区域范围对衍射光学元件划分区域，多个衍射单元分别对应于衍射光学元件的划分区域拼接排布在基底上；各个衍射单元的微结构相位分布为分别针对与其对应的子光源以均匀能量分布的点阵为目标光场利用矢量设计方法而设计得到的，以使得经所述衍射光学元件投射得到的散斑点阵亮度均匀。15.一种衍射光学元件，用于与包括多个子光源的阵列光源结合使用以投射散斑点阵，所述衍射光学元件包括：基底，包括彼此毗连的多个区域；和多个子衍射光学元件，分别形成在基底的所述多个区域上，其中，每一个子衍射光学元件构造为：当与对应于其所在区域的中心位置的所述阵列光源中的一个子光源结合使用时投射出第一点阵光场，当与超出其所在区域的位置的所述阵列光源中的子光源结合使用时，投射出第二点阵光场，所述第一点阵光场的能量分布均匀性优于所述第二点阵光场的能量分布均匀性。16.一种结构光投射器，包括：包括多个子光源的阵列光源，用于产生输入光场；使用如权利要求1-12中任一项所述的设计方法设计的衍射光学元件，或权利要求13-15任一项所述的衍射光学元件，用于对所述输入光场进行分束产生亮度均匀的散斑点阵。

技术总结

本申请公开了一种高均匀性点阵的衍射光学元件及其设计方法、投射器，设计方法包括：利用标量衍射理论算法获取衍射光学元件的相位分布设计图；基于阵列光源中的至少两个特征子光源分别与相位分布设计图进行矢量仿真得到仿真点阵能量分布；根据仿真点阵能量分布与目标点阵能量分布的差异得到补偿后的目标点阵能量分布；利用标量衍射理论算法获取与各特征子光源对应的衍射光学元件的更新的相位分布设计图；从更新的相位分布设计图中裁剪出与特征子光源对应的局域相位分布设计图拼接得到衍射光学元件的整合相位分布设计图。根据本发明，通过对衍射光学元件划分区域设计，提高了经其分光所得到的点阵能量整体的均匀性。经其分光所得到的点阵能量整体的均匀性。经其分光所得到的点阵能量整体的均匀性。