阅读说明：本技术 衍射光学元件及其制备方法、屏下光学系统及电子设备 (Diffractive optical element, manufacturing method thereof, optical system under screen and electronic equipment ) 是由 鞠晓山 冯坤亮 李宗政 于 2020-07-21 设计创作，主要内容包括：本申请提供一种衍射光学元件制备方法,使用了迭代傅里叶转换分析法,实现了消减光线穿过透明显示屏时的高阶衍射。本申请还提供一种使用该方法制备的衍射光学元件、一种具有该衍射光学元件的屏下光学系统及一种电子设备。本申请通过使用迭代傅里叶转换分析法得出衍射光学元件的物理单元参数,使得该衍射光学元件能够消减光线穿过对应的透明显示屏时发生的光学衍射效应,进而提升了影像质量。(The application provides a method for manufacturing a diffractive optical element, which uses an iterative Fourier transform analysis method to reduce high-order diffraction when light rays pass through a transparent display screen. The application also provides a diffractive optical element prepared by using the method, an optical system under a screen with the diffractive optical element and an electronic device. This application obtains the physical unit parameter of diffraction optical element through using the iterative Fourier transform analytic method for this diffraction optical element can subdue the optical diffraction effect that takes place when light passes corresponding transparent display screen, and then has promoted image quality.)

衍射光学元件及其制备方法、屏下光学系统及电子设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种衍射光学元件及其制备方法、屏下光学系统及电子设备。

背景技术

目前，消费者对智能手机等电子设备显示屏的显示效果要求越来越高，但是由于衍射效应的影响，显示屏上会出现杂斑，影响了画面效果。为了消除衍射效应的影响，通常会在显示器下贴合一片光学补偿元件，该光学补偿元件可以抵消部分衍射效应的影响。

在实现本申请的过程中，发明人发现现有技术中还存在如下问题：显示器在高阶衍射效应与不同光线角度的影响下，现有补偿元件对衍射效应的抵消效果并不理想。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种衍射光学元件制备方法及装置，以解决上述问题。

一种衍射光学元件制备方法，包括步骤：

S1：获取二维屏幕穿透分布图，并加上一随机相位，以得到第一空间域，其中所述二维屏幕穿透分布图为二维屏幕的每个微结构的光穿透率的分布图；

S2：通过傅里叶变换将第一空间域转换成频率域；

S3：通过低通滤波减小所述频率域中的高阶衍射；

S4：通过反傅里叶变换将经低通滤波后的频率域转换成第二空间域；

S5：判断第二空间域的频率分量是否收敛到一预设截止频率范围内，其中所述截止频率即为正态分布的标准差σ，若为是，则执行步骤S7；若为否，则执行步骤S6；

S6：将第二空间域加上一随机相位，以使第二空间域转换成新的第一空间域，并执行步骤S2；

S7：依据该第二空间域，换算出衍射光学元件的物理单元参数，并依据该物理单元参数，使用晶圆级工艺在基板上加工出物理单元，以得到衍射光学元件。

本方法使用了迭代傅里叶转换分析法对空间域进行处理，多次迭代的目的是对高阶衍射一点一点的滤除，若一次即滤除至截止频率内，会导致滤除效果较差，对高阶衍射的消减效果不能完全匹配屏幕的像素单元。通过若干次迭代，高阶衍射逐渐滤除，并直至第二空间域的频率分量收敛至截止频率内，即可得到高阶衍射滤除状况较好的空间域，进而换算出的物理单元参数也更准确，衍射光学元件对应的高阶衍射消减效果也更好。

进一步地，步骤S2中傅里叶变换的公式为：

其中，ξ为频率域，i为虚数，ω为空间域；

步骤S4中反傅里叶变换的公式为：

依据傅里叶变换公式，即可完成由第一空间域到频率域的转换；通过执行反傅里叶变换，将经过低通滤波的频率域重新转换成新的空间域，且为区别于第一空间域的第二空间域。

进一步地，步骤S3中通过低通滤波减小高阶衍射的公式为：

其中，(x，y)为频率域在频空间内的坐标，σ为正态分布的标准差。

低通滤波器是二维正态分布,将其中心放在频率域中心再乘以该频率域即可滤除高阶衍射。

进一步地，步骤S7中依据第二空间域换算成衍射光学元件物理单元参数的公式为：

Φ＝2π(n₀-n)d/λ；

其中，Φ为空间域相位，n₀空气折射率，n为衍射光学元件材质的折射率，d为物理单元的结构深度，λ为波长。

将第二空间域及多项参数代入公式后，可求得物理单元的结构深度，由于屏幕具有若干像素单元，故物理单元的数量也可为相对应的若干个。通过得到的若干物理单元的参数，使用晶圆级工艺在一块基板上加工出物理单元，进而得到衍射光学元件，衍射光学元件配合屏幕使用。

一种衍射光学元件，包括：

基板；及

若干物理单元，通过晶圆级工艺设置于所述基板的至少一侧，用于消减高阶衍射；

所述物理单元的参数依据上述的衍射光学元件制备方法确定。

进一步地，所述衍射光学元件为一阶、二阶、四阶或八阶。

在不同的实施例中，随着阶数的提升，其衍射效率会成倍的增加。

进一步地，所述物理单元的结构深度范围为0.2μm-1μm，所述物理单元的线宽范围为0.5μm-4μm，所述物理单元于所述基板上相对应位置的对位精度范围为±1.5μm。

在该范围内，物理单元具有较好高阶衍射消减效果的同时，不会过度影响光线的正常传播；能够较好地匹配透明显示屏内的像素单元，对应的高阶衍射消减效果也更精准；可较好的满足对透明显示屏20的高阶衍射消减效果。

一种屏下光学系统，包括：

透明显示屏，包括多个用于显示的周期性排列的像素单元；

光学模组，用于接收来自所述透明显示屏的光束或透过所述透明显示屏向外发射光束；及

上述任一实施例中所述的衍射光学元件，设置于所述透明显示屏与所述光学模组之间。

屏下光学系统能够针对发射模组或接收模组穿过显示屏的光线进行高阶衍射的消减。

进一步地，所述衍射光学元件与所述透明显示屏之间的空隙范围为0μm-5μm。

在此范围内，能够使衍射光学元件实现较好的消减高阶衍射效果。

一种电子设备，包括：

本体；及

上述任一实施例中的屏下光学系统。

本发明实施例提供的衍射光学元件及其制备方法、具备该衍射光学元件的屏下光学系统及电子装置，通过使用迭代傅里叶转换分析法得出衍射光学元件的物理单元参数，使得该衍射光学元件能够消减光线穿过对应的透明显示屏时发生的光学衍射效应，进而提升了影像质量。

附图说明

图1为本发明实施例的衍射光学元件制备方法的流程图。

图2为本发明第一实施例的屏下光学系统光路示意图。

图3为本发明第二实施例的屏下光学系统光路示意图。

图4为本发明实施例的衍射光学元件的平面示意图。

图5为本发明实施例的透明显示屏的平面示意图。

主要元件符号说明

屏下光学系统 100

衍射光学元件 10

基板 12

物理单元 14

透明显示屏 20

像素单元 22

光学模组 30

被投射面 40

如下

具体实施方式

将结合上述附图进一步说明本发明。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中设置的元件。当一个元件被认为是“设置在”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中设置的元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明实施例提供一种衍射光学元件制备方法，用于得出衍射光学元件表面物理单元的结构信息，并依据物理单元的结构信息制作出衍射光学元件。衍射光学元件(DOE，Diffractive Optical Element)用于置于显示屏的一侧，以抵消或减轻衍射产生的杂斑。

该衍射光学元件制备方法主要包括以下步骤：

S1：获取二维屏幕穿透分布图，并加上一随机相位，以得到第一空间域。

具体地，请一并参阅图2至图5，衍射光学元件10需要贴覆或邻近透明显示屏20的一侧设置，二维屏幕穿透分布图即为透明显示屏20的每个微结构的光穿透率的分布图。将得到的二维屏幕穿透分布图加上一个随机相位，即可得到第一空间域ω。

进一步地，二维屏幕穿透分布图由背光式显微镜拍摄透明显示屏20获得。

S2：通过傅里叶变换将第一空间域转换成频率域。

具体地，进行傅里叶变换依据的公式为：

其中，ξ为频率域，i为虚数，ω为空间域。

可以理解，依据傅里叶变换公式，即可完成由第一空间域到频率域的转换。

S3：通过低通滤波减小频率域中的高阶衍射。

具体地，通过低通滤波器对频率域进行处理，以减小或消除频率域内的高阶衍射，消减高阶衍射效应对衍射光学元件性能的影响。

进一步地，通过低通滤波减小高阶衍射的公式为：

其中，(x，y)为频率域在频空间内的坐标，σ为正态分布的标准差。

可以理解，低通滤波器是二维正态分布,将其中心放在频率域中心再乘以该频率域即可滤除高阶衍射。

S4：通过反傅里叶变换将经低通滤波后的频率域转换成第二空间域。

具体地，进行反傅里叶变换依据的公式为：

通过执行反傅里叶变换，将经过低通滤波的频率域重新转换成新的空间域，且为区别于第一空间域的第二空间域。

S5：判断第二空间域的频率分量是否收敛到一预设截止频率内，若为是，则执行步骤S7；若为否，则执行步骤S6。

具体地，第二空间域的频率分量即为该频率域的峰值；预设截止频率通常为低通滤波器的截止频率，具体数值即为正态分布的标准差σ。

S6：将第二空间域加上一随机相位，以使第二空间域转换成新的第一空间域，并执行步骤S2。

具体地，第二空间域的频率分量未收敛到截止频率内，即认为该空间域的高阶衍射滤除不完全，需进行下一次迭代，即给第二空间域加上一个新的随机相位，得到一个新的第一空间域，从而回到步骤S2，通过傅里叶变换、低通滤波及反傅里叶变换进行下一次高阶衍射滤除。

S7：依据该第二空间域，换算出衍射光学元件的物理单元参数，并依据该物理单元参数，使用晶圆级工艺(WLO，wafer level optics)在基板上加工出物理单元，以得到衍射光学元件。

具体地，将第二空间域换算成衍射光学元件物理单元参数的公式为：

Φ＝2π(n₀-n)d/λ；

其中，Φ为空间域相位，由空间域ω得到，n₀空气折射率，n为衍射光学元件材质的折射率，d为物理单元的结构深度，λ为波长。

具体地，空气折射率通常为1；在一些实施例中，波长λ＝940.0nm。

可以理解，将第二空间域及多项参数代入公式后，可求得物理单元的结构深度，由于屏幕具有若干像素单元，故物理单元的数量也可为相对应的若干个。通过得到的若干物理单元的参数，使用晶圆级工艺在一块基板上加工出物理单元，进而得到衍射光学元件，衍射光学元件配合屏幕使用。

可以理解，本方法使用了迭代傅里叶转换分析法对空间域进行处理，多次迭代的目的是对高阶衍射一点一点地滤除，若一次即滤除至截止频率内，会导致滤除效果较差，对高阶衍射的消减效果不能完全匹配屏幕的像素单元。通过若干次迭代，高阶衍射逐渐滤除，并直至第二空间域的频率分量收敛至截止频率内，即可得到高阶衍射滤除状况较好的空间域，进而换算出的物理单元参数也更准确，衍射光学元件对应的高阶衍射消减效果也更好。

请同时参阅图2至图5，本发明实施例同时提供一种衍射光学元件10，包括基板12和若干物理单元14，物理单元14通过晶圆级工艺设置于基板12的至少一侧。

衍射光学元件10与一透明显示屏20对应设置，用于消减高阶衍射，提升影像质量。衍射光学元件10可为一阶、二阶、四阶或八阶，但不限于此，随着阶数的提升，其衍射效率会成倍的增加。

进一步地，基板12的材质可选用玻璃或树脂，但不限于此。

进一步地，基板12呈方形，用于配合形状相适配的透明显示屏20或对应屏下的其他光学模组。可以理解，当透明显示屏20的形状改变时，衍射光学元件10需对应改变。

进一步地，方形基板12边长的长度范围优选为1mm-3mm，在此长度范围内，与透明显示屏20或屏下的镜头及激光发射器等光源元件的适配较好，可获得较好的高阶衍射消减效果。

物理单元14为通过晶圆级工艺在基板12上加工出的微型结构，光线经过物理单元14后，物理单元14会消减光线的高阶衍射，使得影像效果会更好。

具体地，物理单元14的参数由上述衍射光学元件制备方法获得，通过迭代傅里叶转换分析法得到的物理单元14的参数对基板12进行加工，从而在基板12上加工出物理单元14。

进一步地，每个物理单元14的结构深度范围优选为0.2μm-1μm，在该范围内，物理单元14具有较好高阶衍射消减效果的同时，不会过度影响光线的正常传播。

进一步地，物理单元14的线宽范围优选为0.5μm-4μm，在该范围内，能够较好地匹配透明显示屏20内的像素单元22，对应的高阶衍射消减效果也更精准。

可以理解，物理单元14结构极其微小，在现有技术的加工过程中存在不可避免的偏差。在本实施例中，通过晶圆级工艺对基板12进行加工，可达到的加工精度范围为±1.5μm。在该范围内，即可较好的满足对透明显示屏20的高阶衍射消减效果。

在一实施例中，衍射光学元件10为二阶设计，其物理单元14的最小线宽为3.1677μm，其结构深度为0.94μm，对应的透明显示屏20为OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光半导体)显示屏。

请同时参阅图2与图3，本发明实施例提示提供一种屏下光学系统100，包括上述衍射光学元件10、透明显示屏20和光学模组30。

透明显示屏20包括多个用于的周期性排列的像素单元22；光学模组30用于接收来自透明显示屏20的光束或透过透明显示屏20向外发射光束。衍射光学元件10设置于透明显示屏20与光学模组30之间或覆盖于透明显示屏20朝向光学模组30的一侧。

具体地，图2示出一种接收系统，其中光学模组30为CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)相机，用于接收穿过透明显示屏20的光线，并依据接收的光线进行成像。衍射光学元件10覆盖于透明显示屏20一侧，用于消减光线穿过透明显示屏20出现的光学衍射效应。

具体地，图3示出一种发射系统，此时，屏下光学系统100还包括一被投射面40。其中光学模组30为激光发射器，用于穿过透明显示屏20向外发射激光，可选用垂直腔面发射激光器(VCSEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)。衍射光学元件10覆盖于透明显示屏20一侧，用于消减激光穿过透明显示屏20出现的光学衍射效应。光学模组30发出的光经由衍射光学元件10与透明显示屏20，最后投射到被投射面40上。

进一步地，透明显示屏20可以是等离子显示屏、液晶显示屏(LCD，Liquid CrystalDisplay)、发光二级管显示屏(LED，Light Emitting Diode)、有机发光二级管显示屏(OLED，Organic Light-Emitting Diode)等，用于显示应用程序图像、补光等，依据实际需求也可以是其他任何形式的显示屏。透明显示屏20同时还可以包括触摸功能，比如透明显示屏20中间设置电容触控电极，以作为人机交互的输入装置。

可以理解，由于通常情况下，透明显示屏20的大小会显著大于光学模组30的大小，故衍射光学元件10的大小只需对应光学模组30的大小即可。不论光学模组30用于发射亦或接收，衍射光学元件10的为方形时边长范围处于1mm-3mm内均可实现覆盖光学模组30的光路。

进一步地，衍射光学元件10与透明显示屏20之间的空隙范围优选为0μm-5μm，在此范围内，能够使衍射光学元件10实现较好的消减高阶衍射效果。

本发明实施例同时提供一种电子装置(图未示)，包括本体和上述屏下光学系统100。

电子装置可以是智能手机、平板电脑、桌面式显示器、电视、便携多媒体播放器(PMP)、电子书籍阅读器、笔记本电脑、数码静物相机等。

本发明实施例提供的衍射光学元件10及其制备方法、具备该衍射光学元件10的屏下光学系统100及电子装置，通过使用迭代傅里叶转换分析法得出衍射光学元件10的物理单元14参数，使得该衍射光学元件10能够消减光线穿过对应的透明显示屏20时发生的光学衍射效应，进而提升了影像质量。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化等用在本发明的设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。