CN114002768A - 光学元件、投影模组及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学元件、投影模组及电子设备。其中，光学元件包括基底及多个微结构，多个微结构形成于基底上，微结构满足关系式：cos(Φ₁)＝cos(Φ₂+Φ₃)，从而使得多个微结构能够实现将射入光学元件的光线进行准直和衍射的设计目的。本发明提供的微结构具有将射入光学元件的光线进行准直和衍射的效果，从而无需在光学元件增加准直镜以实现将射入光学元件的光线转化为准直光，减少了部件的使用，同时也减小了光学元件的体积，有利于实现光学元件小型化的设计目的以及降低生产成本。采用本发明提供的光学元件，在保证光学元件的衍射效果的同时，能够实现光学元件小型化的设计要求以及降低光学元件的生产成本。

Description

光学元件、投影模组及电子设备

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种光学元件、投影模组及电子设备。

背景技术

衍射光学元件是投影模组等成像装置的主要光学元件，相关技术中，通常采用增加准直镜的方法，以实现衍射光学元件的衍射效果。但是，这种方式下，准直镜往往与衍射光学元件之间的距离较大，导致投影模组整体高度较大，难以实现小型化设计。此外，由于加入准直镜，导致投影模组的器件成本、加工成本增大。

发明内容

本发明实施例公开了一种光学元件、投影模组及电子设备，在保证光学元件的衍射效果的同时，能够实现光学元件小型化的设计要求以及降低光学元件的生产成本。

为了实现上述目的，第一方面，本发明公开了一种光学元件，所述光学元件包括

基底，所述基底为透光基底；以及

多个微结构，多个所述微结构凸出形成于所述基底上，所述微结构用于将射入所述光学元件的光线进行准直和衍射；

所述微结构满足以下关系式：

cos(Φ₁)＝cos(Φ₂+Φ₃)，

和

其中，Φ₁为光线经过所述微结构后的相位，Φ₂为光线经过与所述微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构后的相位，Φ₃为光线经过与所述微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构后的相位，λ为光线的波长，n为所述微结构、所述预设虚拟准直微结构和所述预设虚拟衍射微结构的折射率，d₁为与所述微结构相对应位置的所述预设虚拟准直微结构的高度，d₂为与所述微结构相对应位置的所述预设虚拟衍射微结构的高度，d₃为所述微结构的高度。

微结构是指需借助光学显微镜或者电子显微镜才能观察到的晶体结构中的种种非均一的结构。相位是指光线做余弦变化时，用于表示光线在某一时刻的状态的数值。例如，Φ₁表示光线经过微结构后，光线在该时刻状态下的相位，Φ₂表示光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构后，光线在该时刻状态下的相位，Φ₃表示光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构后，光线在该时刻状态下的相位。当满足上述关系式时，本发明提供的微结构具有将射入光学元件的光线进行准直和衍射的效果，从而无需在光学元件增加准直镜以实现将射入光学元件的光线转化为准直光，减少了部件的使用，同时也减小了光学元件的体积，有利于实现光学元件小型化的设计目的。由于无需额外设置准直镜部件，光学元件所需的器件减少，有利于降低光学元件的生产成本。此外，通过上述公式计算得到微结构的凸起高度，有利于精准的建立光学元件的模型，使得在制备光学元件的过程中，能够根据计算结果精确地制备各个微结构，进而实现将射入光学元件的光线进行准直和衍射的设计目的。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，光线经过所述微结构后的相位Φ₁、光线经过与所述微结构相对应位置的所述预设虚拟准直微结构后的相位Φ₂和光线经过与所述微结构相对应位置的所述预设虚拟衍射微结构后的相位Φ₃均为0～π。

限定光线经过微结构后的相位Φ₁、光线经过与所述微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构后的相位Φ₂和光线经过与所述微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构后的相位Φ₃满足上述范围，有利于在保证微结构能够实现将射入光学元件的光线进行准直和衍射的同时，通过控制光线经过微结构后的相位Φ₁、光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构后的相位Φ₂和光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构后的相位Φ₃处于较小的范围内，进而控制各个微结构的凸起高度d₃处于较小的范围内，使得光学元件整体高度合适，有利于实现光学元件小型化的设计要求。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述微结构的凸起高度具有多阶，所述微结构的凸起高度的阶数为2ⁿ，其中，n为正整数。当微结构的凸起高度处于不同阶数的情况下时，光学元件的衍射效果不同。因此，通过控制微结构的凸起高度的阶数，能够使得光学元件适用于各种不同的使用场景，进而提高光学元件的适用范围。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，当所述微结构的凸起高度的阶数为二阶时，光线射入所述微结构后的相位为0或π。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，当所述微结构的凸起高度的阶数为四阶时，光线射入所述微结构后的相位为0、π/3、2π/3或π。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，当所述微结构的凸起高度的阶数为八阶时，光线射入所述微结构后的相位为0、π/7、2π/7、3π/7、4π/7、5π/7、6π/7或π。

微结构的凸起高度的阶数具有多种情况，如微结构的凸起高度可为二阶、四阶、八阶、十六阶或三十二阶等。微结构的凸起高度的阶数处于不同的数值时，微结构的衍射效果不相同，进而使得微结构能够适用于不同的场景，例如投影仪、显示屏幕、舞台效果或电子设备等。此外，由于微结构的凸起高度的阶数为多阶，为实现微结构衍射效果能够均匀地过渡，微结构的凸起高度呈均匀的变化梯度，进而光线经过微结构后的相位也呈均匀的变化梯度。举例来说，当微结构的凸起高度为四阶时，微结构的凸起高度为0、h/3、2h/3或h，其中，h为光线经过微结构后的相位为π时微结构的凸起高度。通过微结构的凸起高度d₃与光线射入微结构后的相位Φ₁之间的关系式可得，光线射入微结构后的相位为0、π/3、2π/3或π。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述微结构的凸起高度呈阶梯式变化或非阶梯式变化。

微结构的凸起高度呈不同的变化方式时，光学元件的衍射效果不同。因此，通过控制微结构的凸起高度呈阶梯式变化或非阶梯式变化，能够使得光学元件可以适用于各种不同的使用场景，进而提高光学元件的适用范围。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述光学元件还包括基板，所述基板设置于所述基底的背离所述微结构的一侧。可以理解的是，一方面基板用于承载基底，以实现在基底上形成多个微结构；另一方面基板可以防止在基底上形成微结构的过程中基底发生移动而影响微结构的形成，进而影响光学元件的生产良率的情况。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述基板为透明玻璃或透明塑料。采用透明玻璃作为基板的材料有利于提高光学元件的光学性能，而采用透明塑料可以减轻光学元件的质量，有利于实现光学元件的轻便性。

第二方面，本发明公开了一种投影模组，所述投影模组包括光源发射器以及如第一方面所述的光学元件，所述光源发射器设置于所述基底的背离所述微结构的一侧。具有上述第一方面的光学元件的投影模组，不仅能够实现良好的衍射效果，还能实现投影模组小型化的设计要求以及降低投影模组的生产成本。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述光学元件包括

基底，所述基底为透光基底；以及

多个微结构，多个所述微结构形成于所述基底上，所述微结构的凸起高度具有多阶，所述微结构的凸起高度的阶数为2ⁿ，其中，n为正整数。

当微结构的凸起高度处于不同阶数的情况下时，光学元件的衍射效果不同。因此，通过控制微结构的凸起高度的阶数，能够使得投影模组适用于各种不同的使用场景，进而提高投影模组的适用范围。

第三方面，本发明公开了一种电子设备，所述电子设备包括壳体以及如第二方面所述的投影模组，所述投影模组设置于所述壳体内。具有上述第二方面的投影模组的电子设备，不仅能够实现良好的衍射效果，还能实现电子设备小型化的设计要求以及降低电子设备的生产成本。

第四方面，本发明公开了一种光学元件的制备方法，所述光学元件为第一方面所述的光学元件，所述制备方法包括

提供基底；

对所述基底表面进行处理以在所述基底的表面上形成多个微结构。

采用上述的制备方法，可以便捷、高效和规模化的生产制备第一方面所述的光学元件。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述微结构满足以下关系式：cos(Φ₁)＝cos(Φ₂+Φ₃)；

其中，Φ₁为光线经过所述微结构后的相位，Φ₂为光线经过与所述微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构后的相位，Φ_z为光线经过与所述微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构后的相位。

通过上述关系式确定光线经过微结构后的相位，可以实现精确地制备光学元件的目的。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述微结构通过蚀刻、压印或镭刻的方式形成于所述基底上。

由于上述制备方式的技术成熟，采用上述的制备方法，可以精准、便捷、高效以及规模化的生产制备第一方面所述的光学元件。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明实施例提供的一种光学元件、投影模组及电子设备，该光学元件包括基底及多个微结构，多个微结构形成于基底上，多个微结构满足关系式：cos(Φ₁)＝cos(Φ₂+Φ₃)，以实现微结构将射入光学元件的光线进行准直和衍射的设计目的。也即是说，本发明提供的微结构具有将射入光学元件的光线进行准直和衍射的效果，从而无需在光学元件增加准直镜以实现将射入光学元件的光线转化为准直光，减少了部件的使用，同时也减小了光学元件的体积，有利于实现光学元件小型化的设计目的。由于无需额外设置准直镜部件，光学元件所需的器件减少，有利于降低光学元件的生产成本。此外，本发明提供的微结构的凸起高度d₃可通过公式

计算得到。也即，通过上述公式可计算得到微结构的凸起高度，进而有利于在制备微结构的过程中，可根据计算结果精确地制备各个微结构，进而实现将射入光学元件的光线进行准直和衍射的设计目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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。

图1是相关技术中的光学元件的结构示意图；

图2是本发明实施例公开的一种光学元件的结构示意图；

图3是本发明实施例公开的微结构的凸起高度确定方法的示意图；

图4是本发明实施例公开具有不同阶数的微结构的结构示意图；

图5是本发明实施例公开的具有基板的光学元件的结构示意图；

图6是本发明实施例公开的光学元件的衍射效果示意图；

图7是本发明实施例公开的投影模组的结构示意图；

图8是本发明实施例公开的电子设备的结构示意图；

图9是本发明实施例公开的光学元件的制备方法的流程图。

图标：10、光学元件；11、基底；12、微结构；13、预设虚拟准直微结构；14、预设虚拟衍射微结构；15、基板；20、光源发射器；100、投影模组；200、壳体；1000、电子设备。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

下面将结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的说明。

请参阅图1，相关技术的光学元件1中，为实现更好的衍射效果，通常在光学元件1中加入准直镜1a以实现对光线进行准直的目的，进而使得衍射光学元件1的衍射效果更佳。即，如图1所示，光学元件1包括准直镜1a和衍射镜1b，准直镜1a设置在衍射镜1b的进光侧并与该衍射镜1b间隔设置，准直镜1a用于实现将射入光学元件1的光线转化为准直光，衍射镜1b用于将经准直镜准直后的光线转化为结构光，以实现光学元件1的衍射效果。

虽然上述准直镜1a的增加，能够实现对光线进行准直，能够提高光学元件1的衍射效果，但是，由于准直镜1a与衍射镜1b分体且间隔设置，使得光学元件1的体积增大，不利于光学元件1小型化的设计要求，此外，增加准直镜1a也提高了光学元件1的生产成本。

基于此，本申请实施例提供了一种光学元件10，该光学元件10包括基底11以及形成于基底11上的多个微结构12，该多个微结构12能够实现将射入光学元件10的光线进行准直和衍射。换言之，本申请实施例主要通过微结构12实现准直功能和衍射功能的集成，从而无需额外增加准直镜，不仅能够实现光学元件10的小型化设计要求，同时能够降低光学元件10的生产成本。

以下将结合附图对本申请实施例的光学元件10进行详细说明。

请参阅图2，本申请第一方面公开了一种光学元件10，该光学元件10包括基底11和多个微结构12。其中，基底11为透光基底11，多个微结构12凸出形成于基底11上，微结构12用于将射入光学元件10的光线进行准直和衍射。

可以理解的是，微结构12是指需借助光学显微镜或者电子显微镜才能观察到的晶体结构中的种种非均一的结构。在基底11上形成该微结构12时，主要是通过对基底11的表面进行处理，以形成该微结构12。具体地，微结构12可通过蚀刻、压印或镭刻的方式形成于基底11上，具体可采用曝光法、网印法、纳米压印或激光镭刻等方式在基底上形成微结构12。

本实施例提供的微结构12具有将射入光学元件10的光线进行准直和衍射的效果，从而无需在光学元件10内增加准直镜以实现将射入光学元件10的光线转化为准直光，减少了部件的使用，同时也减小了光学元件10的体积，有利于实现光学元件10小型化的设计目的。此外，由于无需额外设置准直镜部件，光学元件10所需的器件减少，有利于降低光学元件10的生产成本。

进一步地，由前述可知，微结构12形成于基底11上时是凸出形成于基底11上的，且该微结构12为准直功能和衍射功能的集合结构，因此，微结构12的满足以下关系式：cos(Φ₁)＝cos(Φ₂+Φ₃)。其中，Φ₁为光线经过微结构12后的相位，Φ₂为光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟准直微结构13后的相位，Φ₃为光线经过与微结构12相对应位处的预设虚拟衍射微结构14后时的相位。

相位是指光线做余弦变化时，用于表示光线在某一时刻的状态的数值。例如，Φ₁表示光线经过微结构12后，光线在该时刻状态下的相位，Φ₂表示光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟准直微结构13后，光线在该时刻状态下的相位，Φ₃表示光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟衍射微结构14后，光线在该时刻状态下的相位。当满足上述关系式时，本发明提供的微结构12具有将射入光学元件10的光线进行准直和衍射的效果。

具体地，预设虚拟准直微结构13和预设虚拟衍射微结构14是指相关技术中为实现光学元件10的预期衍射效果时采用的准直镜和衍射镜。也即，预设虚拟准直微结构13和预设虚拟衍射微结构14只是为满足设计上的需要而引用的，在本实施例提供的光学元件10中并不存在。例如，如图1所示，图1中示出了准直镜1a和衍射镜1b，当需要将准直功能和衍射功能集成至微结构12时，光线射入该微结构12后的相位即可通过光线射入与微结构12相对应位置处的该准直镜1a和衍射镜1b后的相位来确定。举例来说，当光学元件10需要实现的预期衍射效果为散斑效果时，确定光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟准直微结构13后的相位Φ₂和光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟衍射微结构14后的相位Φ₃，则光线经过该微结构12后的相位Φ₁满足上述关系式。当光线射入微结构12后的相位Φ₁满足上述关系式时，微结构12能够实现将射入光学元件10的光线进行准直和衍射的设计目的，也即光学元件10能够在实现将射入光学元件10的光线进行准直和衍射的设计要求的同时，减少准直镜1a的使用，进而缩小光学元件10的体积，有利于实现光学元件10小型化的设计要求以及降低生产光学元件10所需的成本。

进一步地，光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟准直微结构13后的相位

其中，λ为光线的波长，n为预设虚拟准直微结构13的折射率，d₁为与微结构12相对应位置的预设虚拟准直微结构13的高度，1为空气的折射率。光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟衍射微结构14后的相位

其中，λ为光线的波长，n为预设虚拟衍射微结构14的折射率，d₂为与微结构12相对应位置的预设虚拟衍射微结构14的高度，1为空气的折射率。

由上述可知，光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟准直微结构13后的相位Φ₂和光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟衍射微结构14后的相位Φ₃由上述关系式计算得到，也即光线经过入与微结构12相对应位置的预设虚拟准直微结构13后的相位Φ₂和光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟衍射微结构14后的相位Φ₃由射入预设虚拟准直微结构13和预设虚拟衍射微结构14的光线的波长、预设虚拟准直微结构13和预设虚拟衍射微结构14的折射率、以及预设虚拟准直微结构13和预设虚拟衍射微结构14与微结构12相对应位置的高度决定。其中，λ、n、d₁以及d₂的具体数值由光学元件10的设计需求确定，本实施例不做具体限定。通过上述关系式可得到光线经过入与微结构12相对应位置的预设虚拟准直微结构13后的相位Φ₂和光线经过与微结构12相对应位置处的预设虚拟衍射微结构14后的相位Φ₃，进而计算得到光线经过微结构12后的相位Φ₁。

可选地，微结构12、预设虚拟准直微结构13和预设虚拟衍射微结构14可为菲涅尔微结构、整形光结构或贝塞尔环结构，具体可根据光学元件10的设计需求选择，本实施例不做具体限定。

示例性地，请参阅图3，图3中的(A)示出了本实施例提供的预设虚拟准直微结构13，图3中的(B)示出了本实施例提供的预设虚拟衍射微结构14，图3中的(C)示出了本实施例提供的光学元件10的结构示意图。光线经过本实施例中的预设虚拟准直微结构13、预设虚拟衍射微结构14、以及光学元件10的微结构12后的相位由下表1给出。其中，微结构编号依次表示图中3中的(C)自左向右的多个微结构12，例如，12a、12b和12c分别表示第一微结构、第二微结构和第三微结构，以此类推。准直镜相位表示光线经过与微结构12的相应位置的预设虚拟准直微结构13后的相位Φ₂，衍射镜相位表示光线经过与微结构12的相应位置的预设虚拟衍射微结构14后的相位Φ₃，微结构相位表示光线经过本实施例提供的光学元件10的各个微结构12后的相位Φ₁。例如，微结构编号12a一行的准直镜相位表示光线经过与微结构12a的相对应位置的预设虚拟准直微结构13后的相位；微结构编号12a一行的衍射镜相位表示光线经过与微结构12a的相对应位置的预设虚拟衍射微结构14后的相位；微结构编号12a一行的微结构相位表示光线经过微结构12a后的相位。关系式表示光线经过微结构12后的相位的计算过程。

表1

微结构编号	准直镜相位	衍射镜相位	微结构相位	关系式
					12a	π	0	π	cos(π+0)＝cos(π)
12b	π	π	0	cos(π+π)＝cos(2π)＝cos(0)
					12c	π	0	π	cos(π+0)＝cos(π)
12d	π	π	0	cos(π+π)＝cos(2π)＝cos(0)
					12e	π	0	π	cos(π+0)＝cos(π)
12f	0	0	0	cos(0+0)＝cos(0)
					12g	0	π	π	cos(0+π)＝cos(π)
12h	0	0	0	cos(0+0)＝cos(0)
					12i	0	π	π	cos(0+π)＝cos(π)
12j	0	0	0	cos(0+0)＝cos(0)
					12k	π	0	π	cos(π+0)＝cos(π)
12l	π	π	0	cos(π+π)＝cos(2π)＝cos(0)
					12m	π	0	π	cos(π+0)＝cos(π)
12n	π	π	0	cos(π+π)＝cos(2π)＝cos(0)
					12o	π	0	π	cos(π+0)＝cos(π)

进一步地，微结构12的凸起高度d₃满足以下关系式：

其中，λ为射入微结构12的光线的波长，n为微结构12的折射率，1为空气的折射率。通过上述关系式可计算得到各个微结构12的凸起高度，有利于在制备微结构12的过程中，可根据计算结果精确地制备各个微结构12，进而实现将射入光学元件10的光线进行准直和衍射的设计目的。

进一步地，射入预设虚拟准直微结构13的光线的波长、射入预设虚拟衍射微结构14的光线的波长和射入微结构12的光线的波长相等。可以理解的是，本实施例提供的光学元件10的微结构12的相关参数是通过预设虚拟准直微结构13和预设虚拟衍射微结构14的相关参数计算得到的，为保证光学元件10的衍射效果，需控制射入预设虚拟准直微结构13的光线的波长、射入预设虚拟衍射微结构14的光线的波长和射入微结构12的光线的波长均相等，以实现光学元件10的衍射效果与预期的衍射效果相同。

进一步地，光线经过微结构12后的相位Φ₁、光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟准直微结构13后的相位Φ₂和光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟衍射微结构14后的相位Φ₃均为0～π。例如，光线经过微结构12后的相位Φ₁、光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟准直微结构13后的相位Φ₂和光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟衍射微结构14后的相位Φ₃可为0、π/7、π/3、2π/7、3π/7、4π/7、2π/3、5π/7、6π/7或π等。限定光线经过微结构12后的相位Φ₁、光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟准直微结构13后的相位Φ₂和光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟衍射微结构14后的相位Φ₃满足上述范围，有利于在保证微结构12能够实现将射入光学元件10的光线进行准直和衍射的同时，通过控制光线经过微结构12后的相位Φ₁处于较小的范围内，进而控制微结构12的凸起高度处于较小的范围内，有利于实现微结构12小型化的设计要求。换言之，当光线经过微结构12后的相位Φ₁、光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟准直微结构13后的相位Φ₂和光线经过与微结构12相对应位置的预设虚拟衍射微结构14后的相位Φ₃控制在上述范围内时，微结构12的凸起高度处于较小的范围内，有利于实现光学元件10小型化的设计要求。此外，由于微结构12的凸起高度处于较小的范围内，意味着相邻设置的微结构12之间的凹陷深度较浅，可以避免在基底11上形成微结构12的过程中，因凹陷深度较深而导致凹陷处的基底11较薄，导致光学元件10易损坏的情况。

请一并参阅图2和图4，一些实施例中，微结构12的凸起高度具有多阶，微结构12的凸起高度的阶数为2ⁿ，其中，n为正整数，也即，n可为1、2、3、4或5等。由于单个半导体的物理属性只能表示两种状态，所以常采用的二进制的方法表示半导体的状态，采用这种方式表示半导体元件较为方便。因为微结构12是半导体元件，当采用二进制的方法表示微结构12的状态时，微结构的凸起高度的阶数为2ⁿ。当微结构12的凸起高度处于不同阶数的情况下时，光学元件10的衍射效果不同。因此，通过控制微结构12的凸起高度的阶数，能够使得光学元件10能够适用于各种不同的使用场景，进而提高光学元件10的适用范围。

经计算，微结构12的凸起高度的阶数可为二阶、四阶、八阶、十六阶或三十二阶等。如图2和图4所述，图2示出了微结构12的凸起高度的阶数为二阶的情况，图4中的(A)和(B)示出了微结构12的凸起高度的阶数为四阶的情况，图4中的(C)和(D)示出了微结构12的凸起高度的阶数为八阶的情况。当微结构12的凸起高度的阶数处于不同的数值时，微结构12的衍射效果不相同，进而使得微结构12能够适用于不同的场景，例如投影仪、显示屏幕、舞台效果或电子设备等。

由于微结构12的凸起高度的阶数为多阶，为实现微结构12的衍射效果能够均匀地过渡，微结构12的凸起高度呈均匀的变化梯度。举例来说，如图2所述，当微结构12的凸起高度的阶数为二阶时，微结构12的凸起高度为0或h，其中，h为光线经过微结构12后的相位为π时微结构12的凸起高度，即h＝λ/2(n-1)。如图4中的(A)所示，当微结构12的凸起高度的阶数为四阶时，微结构12的凸起高度为0、h/3、2h/3或h，其中，h为光线经过微结构12后的相位为π时微结构12的凸起高度，即h＝λ/2(n-1)。如图4中的(C)所示，当微结构12的凸起高度的阶数为八阶时，微结构12的凸起高度为0、h/7、2h/7、3h/7、4h/7、5h/7、6h/7或h，其中，h为光线经过微结构12后的相位为π时微结构12的凸起高度，即h＝λ/2(n-1)。当微结构12的凸起高度的阶数为十六阶、三十二阶或其他更高阶时，微结构12的凸起高度可参考前述规律得到，此处不再赘述。

一些实施例中，各个微结构12的凸起高度可以呈阶梯式变化或非阶梯式变化，如图4中(A)示出了微结构12的凸起高度的阶数为四阶时，微结构12的凸起高度呈阶梯式变化，微结构12的凸起高度呈0、h/3、2h/3、h变化；图4中(B)示出了微结构12的凸起高度的阶数为四阶时，微结构12的凸起高度呈非阶梯式变化，微结构12的凸起高度呈0、h/3、h、2h/3变化；图4中(C)示出了微结构12的凸起高度的阶数为八阶时，微结构12的凸起高度呈阶梯式变化，微结构12的凸起高度呈0、h/7、2h/7、3h/7、4h/7、5h/7、6h/7、h变化；图4中(D)示出了微结构12的凸起高度的阶数为八阶时，微结构12的凸起高度呈非阶梯式变化，微结构12的凸起高度呈h/7、2h/7、3h/7、0、5h/7、4h/7、6h/7、h变化。微结构12的凸起高度变化方式可根据光学元件10的预期衍射效果确定，例如当微结构12的凸起高度的阶数为八阶时，微结构12的凸起高度还可呈0、h/7、2h/7、5h/7、4h/7、3h/7、6h/7、h变化，也即，微结构12的凸起高度变化方式可根据实际设计需要确定，本实施例不做具体限定。

由前述微结构12的凸起高度d₃与光线经过微结构12后的相位Φ₁的转换关系式可知，微结构12的凸起高度d₃与光线经过微结构12后的相位Φ₁成正比的关系，因而当微结构12的凸起高度呈均匀的变化梯度时，光线经过微结构12后的相位Φ₁也呈均匀的变化梯度。也即，当微结构12的凸起高度的阶数为二阶时，光线经过微结构12后的相位为0或π。当微结构12的凸起高度的阶数为四阶时，光线经过微结构12后的相位为0、π/3、2π/3或π。当微结构12的凸起高度的阶数为八阶时，光线经过微结构12后的相位为0、π/7、2π/7、3π/7、4π/7、5π/7、6π/7或π。当微结构12的凸起高度的阶数为十六阶、三十二阶或其他更高阶时，光线经过微结构12后的相位可参考前述规律得到，此处不再赘述。

请参阅图5，一些实施例中，光学元件10还包括基板15，基板15设置于基底11的背离微结构12的一侧。一方面基板15可用于承载基底11，以实现在基底11上形成多个微结构12；另一方面基板15可以防止在基底11上形成微结构12的过程中基底11发生移动而影响微结构12的形成，进而影响光学元件10的生产良率的情况。

可选地，基板15的材料可为透明玻璃或透明塑料，采用透明玻璃作为基板的材料有利于提高光学元件10的光学性能，而采用透明塑料可以减轻光学元件10的质量，有利于实现光学元件10的轻便性。具体可根据对光学元件10的透光性能以及轻便性的要求选择，本实施例不做具体限定。

本申请实施例公开的光学元件10包括基底11及多个微结构12，多个微结构12形成于基底11上。本实施例通过选取现有技术中为实现光学元件10的衍射效果所需的预设虚拟准直微结构13和预设虚拟衍射微结构14，通过计算得到光学元件10的各个微结构12的凸起高度，再根据计算结果制备光学元件10的微结构12，通过该方式制备出的微结构12能够实现将射入光学元件10的光线进行准直和衍射的设计目的。

请参阅图6，图6示出了采用本实施例提供的光学元件10的衍射效果，从图6可以看出，采用本申请实施例提供的光学元件10的衍射效果较好。也即是说，本申请实施例提供的微结构12具有将射入光学元件10的光线进行准直和衍射的效果，从而无需在光学元件10增加准直镜以实现将射入光学元件10的光线转化为准直光，减少了部件的使用，同时也减小了光学元件10的体积，有利于实现光学元件10小型化的设计目的。此外，由于无需额外设置准直镜部件，光学元件10所需的器件减少，有利于降低光学元件10的生产成本。

第二方面，请参阅图7，本发明还公开了一种投影模组100，投影模组100包括光源发射器20以及如第一方面所述的光学元件10，光源发射器20设置于基底11的背离微结构12的一侧。可以理解的是，该光源发射器20可为激光发射器或者是LED发射器，只要能够将光线发射至基底11，再经由微结构12射出即可，本实施例对此不作具体限定。

此外，具有上述第一方面的光学元件10的投影模组100，不仅能够实现良好的衍射效果，还能实现投影模组100小型化的设计要求以及降低投影模组100的生产成本。

进一步地，光学元件10包括基底11和多个微结构12，其中，基底11为透光基底11，多个微结构12凸出形成于基底11上，微结构12用于将射入光学元件10的光线进行准直和衍射。

可以理解的是，微结构12是指需借助光学显微镜或者电子显微镜才能观察到的晶体结构中的种种非均一的结构。在基底11上形成该微结构12时，主要是通过对基底11的表面进行处理，以形成该微结构12。具体地，微结构12可通过蚀刻、压印或镭刻的方式形成于基底11上，具体可采用曝光法、网印法、纳米压印或激光镭刻等方式在基底上形成微结构12。

进一步地，微结构12的凸起高度具有多阶，微结构12的凸起高度的阶数为2ⁿ，其中，n为正整数。也即，n可为1、2、3、4或5等。由于单个半导体的物理属性只能表示两种状态，所以常采用的二进制的方法表示半导体的状态，采用这种方式表示半导体元件较为方便。因为微结构12是半导体元件，当采用二进制的方法表示微结构12的状态时，微结构的凸起高度的阶数为2ⁿ。当微结构12的凸起高度处于不同阶数的情况下时，光学元件10的衍射效果不同。因此，通过控制微结构12的凸起高度的阶数，能够使得投影模组100适用于各种不同的使用场景，进而提高投影模组100的适用范围。

经计算，微结构12的凸起高度的阶数可为二阶、四阶、八阶、十六阶或三十二阶等。由于第一方面已对光学元件的微结构12的凸出高度处于不同阶数状态下，微结构12的凸出高度变化以及光线经过微结构12后的相位Φ₁等进行了详细的说明，故此处不再赘述。

第三方面，请参阅图8，本发明还公开了一种电子设备1000，电子设备1000包括壳体200以及如第二方面所述的投影模组100，投影模组100设置于壳体200内。可以理解的是，电子设备1000可包括但不局限于显示屏、手机、电脑和平板等。

具有上述第二方面的投影模组100的电子设备1000，不仅能够实现良好的衍射效果，还能实现电子设备1000小型化的设计要求以及降低电子设备1000的生产成本。

第四方面，请参阅图9，本发明还公开了一种光学元件的制备方法，该制备方法用于制备如第一方面所述的光学元件。

具体来说，该光学元件的制备方法包括如下步骤：

步骤101：计算微结构的凸起高度。

由于微结构凸出形成于基底上，故而在开始制备光学元件前，需先计算各个微结构的凸起高度，以实现快速、精确地制备得到光学元件。具体地，该微结构为准直功能和衍射功能的集合结构，因此，微结构的满足以下关系式：cos(Φ₁)＝cos(Φ₂+Φ₃)。其中，Φ₁为光线经过微结构后时的相位，Φ₂为光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构后的相位，Φ₃为光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构后的相位。

相位是指光线做余弦变化时，用于表示光线在某一时刻的状态的数值。例如，Φ₁表示光线经过微结构后，光线在该时刻状态下的相位，Φ₂表示光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构后，光线在该时刻状态下的相位，Φ₃表示光线经过与微结构相对应位置处的预设虚拟衍射微结构后，光线在该时刻状态下的相位。当满足上述关系式时，本发明提供的微结构具有将射入光学元件的光线进行准直和衍射的效果。

具体地，预设虚拟准直微结构和预设虚拟衍射微结构是指相关技术中为实现光学元件的预期衍射时采用的准直镜和衍射镜。也即，预设虚拟准直微结构和预设虚拟衍射微结构只是为满足设计上的需要而引用的，在本实施例提供的光学元件中并不存在。例如，如图1所示，图1中示出了准直镜和衍射镜，当需要将准直功能和衍射功能集成至微结构时，光线经过该微结构后的相位即可通过光线经过与微结构相对应位置处的该准直镜和衍射镜后的相位来确定。举例来说，当光学元件需要实现的预期衍射效果为散斑效果时，确定光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构后的相位Φ₂和光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构后的相位Φ₃，则光线经过该微结构后的相位Φ₁满足上述关系式。当光线经过微结构后的相位满足上述关系式时，微结构能够实现将射入光学元件的光线进行准直和衍射的设计目的，也即光学元件能够在实现将射入光学元件的光线进行准直和衍射的设计要求的同时，减少准直镜的使用，进而缩小光学元件的体积，有利于实现光学元件小型化的设计要求以及降低生产光学元件所需的成本。

进一步地，光线经过与微结构相对应位置处的预设虚拟准直微结构后的相位

其中，λ为射入预设虚拟准直微结构的光线的波长，n为预设虚拟准直微结构的折射率，d₁为与微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构的高度，1为空气的折射率。光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构后的相位

其中，λ为射入预设虚拟衍射微结构的光线的波长，n为预设虚拟衍射微结构的折射率，d₂为与微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构的高度，1为空气的折射率。

由上述可知，光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构后的相位Φ₂和光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构后的相位Φ₃由上述关系式计算得到，也即光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构后的相位Φ₂和光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构后的相位Φ₃由射入预设虚拟准直微结构和预设虚拟衍射微结构的光线的波长、预设虚拟准直微结构和预设虚拟衍射微结构的折射率、以及预设虚拟准直微结构和预设虚拟衍射微结构与微结构相对应位置的高度决定。其中，λ、n、d₁以及d₂的具体数值可根据光学元件的设计需求确定，本实施例不做具体限定。

由于此处的光线经过微结构后的相位的计算方法与第一方面所述的光线经过光学元件的微结构后的相位的计算方法相同，且第一方面已做了详细地说明，关于光线射入微结构后时的相位的计算方法具体可参阅第一方面所述，此处不再赘述。

进一步地，微结构的凸起高度d₃满足以下关系式：

其中，λ为射入微结构的光线的波长，n为微结构的折射率，1为空气的折射率。通过上述关系式可计算得到各个微结构的凸起高度，以便在制备微结构的过程中，可根据计算结果精确地制备各个微结构，进而实现将射入微结构的光线准直并转化为衍射光线射出的设计目的。

进一步地，光线经过微结构后的相位Φ₁、光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构后的相位Φ₂和光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构后的相位Φ₃均为0～π。例如，光线经过微结构后的相位Φ₁、光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构后的相位Φ₂和光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构后的相位Φ₃可为0、π/7、π/3、2π/7、3π/7、4π/7、2π/3、5π/7、6π/7或π等。限定光线经过微结构后的相位Φ₁、光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构后的相位Φ₂和光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构后的相位Φ₃满足上述范围，有利于在保证微结构能够实现将射入光学元件的光线准直并转换为衍射光线射出的同时，通过控制光线经过微结构后的相位Φ₁处于较小的范围内，进而控制微结构的凸起高度处于较小的范围内，有利于实现微结构小型化的设计要求。换言之，当光线经过微结构后的相位Φ₁、光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构后的相位Φ₂和光线经过与微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构后的相位Φ₃控制在上述范围内时，微结构的凸起高度处于较小的范围内，有利于实现光学元件小型化的设计要求。此外，由于微结构的凸起高度处于较小的范围内，意味着相邻设置的微结构之间的凹陷深度较浅，可以避免在基底上形成微结构的过程中，因凹陷深度较深而导致凹陷处的基底较薄，导致光学元件易损坏的情况。

步骤102：提供基板。

步骤103：提供基底，将基底固定叠合于基板上。

此步骤提供的基底用于形成光学元件的微结构，而将基底固定叠合于基板上，一方面基板可用于承载基底，以实现在基底上形成光学元件的多个微结构；另一方面基板可以防止在基底上形成光学元件的微结构的过程中基底发生移动而影响光学元件的微结构的形成，进而影响光学元件的生产良率的情况。

步骤104：对基底表面进行处理以在基底的表面上形成多个微结构。

此步骤形成的多个微结构能够实现将射入光学元件的光线进行准直和衍射的设计目的，以使得光学元件具有良好的衍射效果。

由此可知，采用上述的光学元件的制备方法步骤简单，可以便捷、高效和规模化的生产制备第一方面所述的光学元件。

一些实施例中，微结构通过蚀刻、压印或镭刻的方式形成于基底上，具体可以采用曝光法、网印法、纳米压印或激光镭刻等方式在基底上形成微结构。由于蚀刻、压印和镭刻技术比较成熟，采用这三种方式在基底上制备形成微结构的速度快，且制备得到的微结构精度高，可以精准、便捷、高效以及规模化的生产制备光学元件。此外，微结构也可通过其他方式形成于基底上，如通过雕刻的方式在基底上形成微结构，只要采用的方式能够精准地在基底上形成微结构即可，本实施例不做具体限定。

以上对本发明实施例公开的光学元件、投影模组及电子设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的光学元件、投影模组及电子设备及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种光学元件，其特征在于，所述光学元件包括

基底，所述基底为透光基底；以及

多个微结构，多个所述微结构凸出形成于所述基底上，所述微结构用于将射入所述光学元件的光线进行准直和衍射；

所述微结构满足以下关系式：

cos(Φ₁)＝cos(Φ₂+Φ₃)，

其中，Φ₁为光线经过所述微结构后的相位，Φ₂为光线经过与所述微结构相对应位置的预设虚拟准直微结构后的相位，Φ₃为光线经过与所述微结构相对应位置的预设虚拟衍射微结构后的相位，λ为光线的波长，n为所述微结构、所述预设虚拟准直微结构和所述预设虚拟衍射微结构的折射率，d₁为与所述微结构相对应位置的所述预设虚拟准直微结构的高度，d₂为与所述微结构相对应位置的所述预设虚拟衍射微结构的高度，d₃为所述微结构的高度。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，光线经过所述微结构后的相位Φ₁、光线经过与所述微结构相对应位置的所述预设虚拟准直微结构后的相位Φ₂和光线经过与所述微结构相对应位置的所述预设虚拟衍射微结构后的相位Φ₃均为0～π。

3.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述微结构的凸起高度具有多阶，所述微结构的凸起高度的阶数为2ⁿ，其中，n为正整数。

4.根据权利要求3所述的光学元件，其特征在于，当所述微结构的凸起高度的阶数为二阶时，光线射入所述微结构后的相位为0或π。

5.根据权利要求3所述的光学元件，其特征在于，当所述微结构的凸起高度的阶数为四阶时，光线射入所述微结构后的相位为0、π/3、2π/3或π。

6.根据权利要求3所述的光学元件，其特征在于，当所述微结构的凸起高度的阶数为八阶时，光线射入所述微结构后的相位为0、π/7、2π/7、3π/7、4π/7、5π/7、6π/7或π。

7.根据权利要求3所述的光学元件，其特征在于，所述微结构的凸起高度呈阶梯式变化或非阶梯式变化。

8.一种投影模组，其特征在于，所述投影模组包括光源发射器以及如权利要求1-7任一项所述的光学元件，所述光源发射器设置于所述基底的背离所述微结构的一侧。

9.根据权利要求8所述的投影模组，其特征在于，所述光学元件包括

基底，所述基底为透光基底；以及

多个微结构，多个所述微结构形成于所述基底上，所述微结构的凸起高度具有多阶，所述微结构的凸起高度的阶数为2ⁿ，其中，n为正整数。

10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括壳体以及如权利要求8或9所述的投影模组，所述投影模组设置于所述壳体。

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