投射星空效果的衍射光学元件及设计方法、光学投影装置以及包括其的车辆

摘要

本发明提供一种投射星空效果的衍射光学元件的设计方法，包括：S101：根据目标光场范围生成所述衍射光学元件的目标图，其中所述目标图包括覆盖至少部分目标光场范围的背景、处于第一灰度范围的第一组点和处于第二灰度范围的第二组点，其中所述第一灰度范围高于所述背景的灰度，所述第二灰度范围高于所述第一灰度范围；和S102：根据所述目标图，设计所述衍射光学元件的微结构图案单元的相位分布。

说明书

技术领域

本发明大致涉及光学技术领域，尤其涉及能够投射星空效果的衍射光学元件及其设计方法、光学投影装置以及包括其的车辆。

背景技术

现有的投射星空效果的照明方案，通常是利用衍射光学元件DOE设计规则点阵，例如3*3，5*5，7*7规则点阵，利用双面刻蚀或者双面转印的方式，将两个DOE制备在同一基底的两个面上并相互偏移一定角度，形成如图1所示的满天星的分布。但是以上的常规设计存在以下问题：

首先，由于是双面转印两种规律点阵形成光场FOV，使得最终得到的星空场的光场是这两个光场FOV的卷积和，这使得最终形成的光场不能精确的控制。

其次，光点的数目和明暗相间程度无法精确设计，对加工依赖性较高，且二者存在的寄生点也容易参加卷积，因此会使得点会显得密集，偏离设计初衷。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种投射星空效果的衍射光学元件的设计方法，包括：

S101：根据目标光场范围生成所述衍射光学元件的目标图，其中所述目标图包括覆盖至少部分目标光场范围的背景、处于第一灰度范围的第一组点和处于第二灰度范围的第二组点，其中所述第一灰度范围高于所述背景的灰度，所述第二灰度范围高于所述第一灰度范围；和

S102：根据所述目标图，设计所述衍射光学元件的微结构图案单元的相位分布。

根据本发明的一个方面，所述步骤S101包括将所述第一组点和第二组点随机分布在所述目标光场范围内。

根据本发明的一个方面，设定灰度值范围为0-255，其中所述背景的灰度在0-5之间，所述第一灰度范围为20-50，所述第二灰度范围为100-255。

根据本发明的一个方面，所述设计方法还包括根据计算机仿真结果，调节所述背景、第一组点以及第二组点的灰度值以获得更好的星空效果。

根据本发明的一个方面，所述步骤S101包括：生成随机数，根据所述随机数，将所述第一组点和第二组点随机分布在所述目标光场范围内。

本发明还提供一种投射星空效果的衍射光学元件，包括：

能够投射出预设光场图案的至少一个微结构图案单元；

其中所述预设光场图案具有：覆盖至少部分目标光场范围的背景；

处于第一灰度范围的第一组点；和

处于第二灰度范围的第二组点，

其中所述第一灰度范围高于所述背景的灰度，所述第二灰度范围高于所述第一灰度范围。

根据本发明的一个方面，所述第一组点和第二组点随机分布在所述目标光场范围内。

根据本发明的一个方面，设定灰度值范围为0-255，其中所述背景的灰度在0-5之间，所述第一灰度范围为20-50，所述第二灰度范围为100-255。

本发明还提供一种光学投影装置，包括：

光源，配置成可发射出光束；

如上所述的衍射光学元件，设置在所述光源的下游以接收所述光束，并在目标平面上投射出预设光场图案，所述预设光场图案包括背景、处于第一灰度范围的第一组点和处于第二灰度范围的第二组点。

根据本发明的一个方面，所述光学投影装置还包括准直光学器件，所述准直光学器件设置于所述光源和所述衍射光学元件之间，用于对从所述光源发射出的光束进行准直，并投射到所述衍射光学元件之上。

本发明还提供一种车辆，包括：

如上所述的光学投影装置，安装在所述车辆内部；和

其中所述光学投影装置配置成在所述车辆的车顶上投射出预设光场图案，所述预设光场图案包括背景、处于第一灰度范围的第一组点和处于第二灰度范围的第二组点。

本发明实施例描述的设计方法能够获得一种投射星空效果的衍射光学元件，在目标光场内具有星云背景(第一层次)、弱星光点(第二层次)、以及强星光点(第三层次)。强星光点和弱星光点为在目标光场中可以是随机分布的，或者可以根据实际的星空效果图而预先设置，或者强星光点和弱星光点可以分别是在目标光场中中心对称分布，其中不同强星光点的灰度或亮度可以是随机变化的，不同弱星光点的灰度或亮度也可以是随机变化的，强星光点的亮度大于弱星光点的亮度。其中星云背景至少覆盖目标光场的部分区域，星云背景的亮度在从目标光场的中心向边缘逐渐减弱，星云背景的亮度也可以是在目标光场中随机分布的，星云背景的亮度小于弱星光点的亮度。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了现有技术形成的星空图像的投影；

图2示出了根据本发明一个实施例的投射星空效果的衍射光学元件的设计方法；

图3示出了根据本发明的一个实施例的衍射光学元件的目标图；

图4示出了利用绿色激光照射基于本发明上述实施例设计并制造的衍射光学元件所投射出的星空效果；

图5示出了根据本发明一个实施例的一种投射星空效果的衍射光学元件；和

图6示出了根据本发明一个实施例的光学投影装置。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、" 长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、 "水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、" 第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语" 安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上" 或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方 "和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种投射星空效果的衍射光学元件DOE及其设计方法，可以准确控制FOV大小，任意设定星空点的数量，控制光点数目的明暗相间的效果，并形成具有至少三个层次的星空效果的投射光场。

图2示出了根据本发明一个实施例的投射星空效果的衍射光学元件的设计方法100，下面参考附图详细描述。

在步骤S101：根据目标光场范围生成所述衍射光学元件的目标图，其中所述目标图包括覆盖至少部分目标光场范围的背景、处于第一灰度范围的第一组点和处于第二灰度范围的第二组点，其中所述第一灰度范围高于所述背景的灰度，所述第二灰度范围高于所述第一灰度范围。

图3示出了根据本发明的一个实施例的衍射光学元件的目标图。当用于在车辆内部投射出星空效果时，所述目标光场的范围例如是车辆的整个车顶，目标图的背景可以占据整个目标光场范围，也可以是目标光场范围的一部分。所述背景可以为纯色的背景，或者优选地，可以具有预设的图案，例如可以模拟星空效果中的星云背景。

如图3所示，在所述背景上分布有多个弱星光点(第一组点)和多个强星光点(第二组点)，其中弱星光点的灰度或亮度高于所述背景的灰度或亮度，强星光点的灰度或亮度高于所述弱星光点的灰度或亮度。

以灰度为例进行描述。例如设定灰度值范围为0-255，其中所述背景的灰度可以在0-5之间，所述第一灰度范围可以在20-50之间，所述第二灰度范围在100-255之间。

在步骤S102：根据所述目标图，设计所述衍射光学元件的微结构图案单元的相位分布。衍射光学元件的表面上具有一个或多个微结构图案单元，微结构图案单元包括例如台阶状的微纳结构，微纳结构的高度对应于不同的相位延迟量，从而当入射光线入射至衍射光学元件上时，不同高度的微纳结构将能够对入射光产生一定的相位延迟量，对入射光进行调制，从而整体投射出预设的光场。

在步骤S101中获得了目标图之后，结合光源的参数(例如光源的类型、波长等)以及相关的尺寸参数(例如光源与衍射光学元件的距离，衍射光学元件与目标投射表面的距离等)，就可以设计衍射光学元件的微结构图案单元的相位分布。

在步骤S101中，优选的可以将第一组点和第二组点随机分布在所述目标光场范围内或者背景内。例如可以生成随机数，根据所述随机数，将所述第一组点和第二组点随机分布在所述目标光场范围内或背景内，以实现第一组点和第二组点在目标光场范围内的随机分布。或者可替换的，可以按照星系图来将第一组点和第二组点分布在所述背景上或目标光场范围内

根据本发明的一个优选实施例，在所述步骤S102之后，可以进行计算机仿真，获得衍射光学元件投射出的仿真光场，根据仿真光场的结果，调节所述背景、第一组点以及第二组点的灰度值以及分布位置以获得更好的星空效果。

上面描述的实施例中包括第一组点和第二组点，本发明不限于此，也可以进一步包括第三组点，第三组点的灰度或亮度的范围不同于第一组点和第二组点，从而模拟出更加逼真的星空效果。或者优选的，将第二组点进一步细分为两组点，分别具有不同的灰度范围或亮度范围。

在根据上述方法设计衍射光学元件时，可以设定FOV为30°*30°，另外可以采用2台阶设计、4台阶设计、8台阶设计或者16台阶设计。

上文描述的设计方法能够获得一种投射星空效果的衍射光学元件，在目标光场内具有星云背景(第一层次)、弱星光点(第二层次)、以及强星光点 (第三层次)。强星光点和弱星光点为在目标光场中可以是随机分布的，或者可以根据实际的星空效果图而预先设置，或者强星光点和弱星光点可以分别是在目标光场中中心对称分布，其中不同强星光点的灰度或亮度可以是随机变化的，不同弱星光点的灰度或亮度也可以是随机变化的，强星光点的亮度大于弱星光点的亮度。其中星云背景至少覆盖目标光场的部分区域，星云背景的亮度在从目标光场的中心向边缘逐渐减弱，星云背景的亮度也可以是在目标光场中随机分布的，星云背景的亮度小于弱星光点的亮度。

图4示出了利用绿色激光照射基于本发明上述实施例设计并制造的衍射光学元件所投射出的星空效果。

图5示出了根据本发明一个实施例的一种投射星空效果的衍射光学元件 200，如图5所示，在衍射光学元件的表面上具有多个台阶状的微纳结构，构成一个或多个微结构图案单元，该微结构图案单元设计成能够投射出预设光场图案，例如图3和图4所示的带有星空效果的图案。

所述预设光场图案具有能够覆盖至少部分目标光场范围的背景、处于第一灰度范围(或亮度范围)的第一组点(如图3所示的弱星光点)以及处于第二灰度范围(或亮度范围)的第二组点(如图3所示的强星光点)。其中所述第一灰度范围高于所述背景的灰度，所述第二灰度范围高于所述第一灰度范围。

所述第一组点和第二组点可以随机分布在所述目标光场范围内。

以灰度为例，设定灰度值范围为0-255，其中所述背景的灰度优选在0-5 之间，所述第一灰度范围优选为20-50，所述第二灰度范围优选为100-255。

本发明还涉及一种光学投影装置30，如图6所示，所示光学投影装置30 包括光源301和如上所述的衍射光学元件20，其中光源301配置成可发射出光束，衍射光学元件20设置在所述光源301的下游以接收所述光束，并在目标表面303上投射出预设光场图案，所述预设光场图案包括背景、处于第一灰度范围的第一组点和处于第二灰度范围的第二组点。衍射光学元件20在接收到光源301出射的光之后，可将所述光源发出的光进行调制，在目标表面 303上投射出预设光场图案。目标表面303例如为车辆内部的车顶或者建筑物的墙壁。

其中，光源301优选为激光光源，当然也可以其他类型的光源，诸如LED 光源等。所述光源优选配置成发射非平面波的发散光

根据本发明的一个优选实施例，光学投影装置30还包括准直光学器件，所述准直光学器件设置于所述光源301和所述衍射光学元件20之间，用于对从所述光源发射出的光束进行准直，并投射到所述衍射光学元件之上。

本发明还涉及一种车辆，包括如上所述的光学投影装置30，安装在所述车辆内部，例如安装在车辆的A柱、B柱、C柱或者肘枕上。所述光学投影装置配置成在所述车辆的车顶上投射出预设光场图案，所述预设光场图案包括背景、处于第一灰度范围的第一组点和处于第二灰度范围的第二组点。另外，车辆上可以设置一个或多个所述光学投影装置30，每个光学投影装置30配置成在车顶的一个局部区域内投射出星空图案。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。