CN100434946C - 高衍射效率二元相位型散焦光栅及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种用于波前曲率传感器的高衍射效率二元相位型散焦光栅及其制造方法，它是一种在光学透明介质上形成的、相位按多个离轴菲涅耳半波带分布的相位板，半波带的相位分布为同一半波带的相位值是相同的，相邻半波带的相位值是0和π相间的。其制造方法为先按散焦光栅的光瞳半径R、计算出的光瞳内各菲涅耳半波带的半径r_k和二元相位浮雕的几何高度h，画出散焦光栅的图形，利用电子束直写技术制作散焦光栅图形掩模版；然后通过光刻技术，将掩模版图案转移到涂有光刻胶的光学介质基底上；再在光学介质基底上依照掩模版图案制作出相位浮雕。本发明可抑制零级衍射光的衍射效率，消除零级衍射光的干扰，±1级衍射光的衍射效率相等且较高。

Description

高衍射效率二元相位型散焦光栅及其制造方法

技术领域

本发明属于一种散焦光栅，具体是指能够消除零级衍射光聚焦光斑干扰，正负一级衍射效率相同且具有较高的高衍射效率、特别适用于波前曲率传感器的二元相位型散焦光栅及其制造方法。

背景技术

1988年Roddier提出波前曲率传感技术，通过测量对称离焦面上的光强，获得波前曲率分布。人们曾经用分光镜或振动薄膜镜实现过波前曲率传感器，但它们存在系统复杂、伪同时测量、系统不稳定的缺陷。

2000年P.Blanchard and A.Greenaway等人应用振幅型散焦光栅开发了光栅型波前曲率传感器。散焦光栅实质上是离轴的菲涅耳波带片。菲涅耳波带片在光轴上有许多焦点，焦距分别为±f，

等。离轴使用菲涅耳波带片时，它仍然有这些焦点，并保持在原来的光轴上。使得离轴使用时非零级衍射光的焦点偏离了离轴使用时的光瞳中心。用于波前曲率传感器时，只考虑散焦光栅的0，±1三个衍射级。这里+1级对应聚焦到实焦点焦距为f的衍射光，-1级对应发散自虚焦点焦距为-f的衍射光。散焦光栅具有两方面的特性：一方面，散焦光栅有对称分布的±1级衍射光轴；另一方面，散焦光栅在±1级上有大小相等，一正一负的焦距。散焦光栅和短焦距透镜密接使用，透镜提供主要的聚焦能力，散焦光栅在±1级衍射光轴上对透镜聚焦能力进行调整，使得±1级衍射光有不同的焦距，分别短于和长于透镜焦距。透镜的焦平面对应于±1级衍射光的前后对称离焦面。这样可以在透镜焦平面上用一个光电探测器同时测量入射波前的前后对称离焦面上的光强分布，从而全光学地实现波前曲率测量。

但振幅型散焦光栅存在缺陷，其零级衍射效率很高，为50％，在测量中有用的±1级衍射光的衍射效率较低，各有约20％，零级衍射光斑往往比±1级衍射光斑的光强高得多，而光栅型波前曲率传感器的探测平面是零级衍射光的焦平面，同时是±1级衍射光的离焦面，因此处于聚焦状态的零级衍射光斑会引起探测器饱和干扰，形成星状或条状的饱和干扰区，该干扰区会扩大到±1级衍射光斑的区域，从而干扰±1级衍射光斑光强分布的测量，甚至使测量失败。由于在测量中有用的±1级衍射光的衍射效率较低，因此使用振幅型散焦光栅的波前曲率传感器，对入射探测光的光能利用率低，特别不利于在弱光环境下测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷，提供一种可抑制零级衍射光的衍射效率，消除零级衍射光的干扰，±1级衍射光的衍射效率相等且较高，特别适用于波前曲率传感器的高衍射效率的二元相位型散焦光栅及其制造方法。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案。

本发明用于波前曲率传感器的高衍射效率二元相位型散焦光栅，其特征在于它是一种在光学透明介质上形成的、相位按照多个离轴菲涅耳半波带分布的相位板，所述半波带的相位分布为同一半波带的相位值是相同的，相邻半波带的相位值是0和π相间的。

各菲涅耳半波带的半径r_k由半波带编号k和菲涅耳波带片的焦距f和设计波长λ决定，为

$r_k=\sqrt{\mathrm{kf\λ}}$

半波带编号k从最小值k_min

$k_{\min }=\left[\frac{{(x_0-R)}^2}{\mathrm{f\λ}}\right],$

增加到最大值k_max

$k_{\max }=\left[\frac{{(x_0+R)}^2}{\mathrm{f\λ}}\right],$

式中[]表示取整数，其中R为散焦光栅的光瞳半径，x₀为散焦光栅的离轴量。

各离轴菲涅耳半波带圆弧的弧长取决于散焦光栅光瞳在菲涅耳半波带上所截取的大小，相位值为π的半波带相对于相位值为0的半波带的几何高度，即二元相位浮雕的几何高度h为：

$h=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n-1)}$

其中n为光栅材料的折射率。

上述用于波前曲率传感器的高衍射效率二元相位型散焦光栅的制造方法，其特征在于它是在光学透明介质上形成相位按照多个离轴菲涅耳半波带分布的相位板，具体包括以下步骤：

(1).由散焦光栅的光瞳半径R、焦距f、离轴量x₀、设计波长λ和光栅材料的折射率n，先计算出散焦光栅光瞳内菲涅耳半波带编号k的变化范围，然后计算出光瞳内各菲涅耳半波带的半径r_k和二元相位浮雕的几何高度h；

(2).根据散焦光栅的光瞳半径R和步骤(1)中计算出的菲涅耳半波带圆弧的半径r_k，画出散焦光栅的图形，利用电子束直写技术制作散焦光栅图形掩模版；

(3).通过光刻技术，将掩模版图案转移到涂有光刻胶的光学介质基底上；

(4).使用光栅制作工艺，在光学介质基底上依照掩模版图案制作出相位浮雕，相位浮雕的几何高度为h，使得二元相位型散焦光栅同一半波带内的相位值相同，相邻半波带的相位值分布为0和π相间。

所述光栅制作工艺为增加法或减少法。增加法为蒸发法、溅射法或化学镀法等；减少法为湿法刻蚀或干法刻蚀等。

波前曲率传感技术通过测量两离焦面光强分布的归一化差得到波前的曲率分布和相位分布，因而±1级衍射光的衍射效率必须相等，否则会引起系统误差。本发明的高衍射效率的二元相位型散焦光栅使得±1级衍射光的衍射效率相等。

本发明的有益效果在于，本发明提出了用于波前曲率传感器的高衍射效率二元相位型散焦光栅，该散焦光栅为二元相位型光栅，相位值是0和π相间的，对设计波长的入射光，该散焦光栅的零级衍射效率为零，能够有效消除零级衍射光在焦平面上的饱和干扰，该散焦光栅的±1级衍射光的衍射效率相等，能够适用于波前曲率传感器测量，且有利于在弱光环境下测量。

本发明的二元相位型散焦光栅是离轴使用的二元相位型菲涅耳波带片。相位型菲涅耳波带片的透射函数t(r)为

其中r为菲涅尔波带片的径向极坐标，相位因子

为准周期函数：

上式中P²＝2λf，P为第一菲涅耳波带的半径为方便分析设

ξ＝r²/P²    (3)

则相位因子可写为r²意义下的周期函数的形式

周期函数

的一个周期就是一个菲涅耳波带，在每个周期内的相位分布决定了菲涅耳波带片的衍射效率。

二元相位型散焦光栅所离轴使用的二元菲涅耳波带片，在一个周期内，即一个菲涅耳波带内，按照ξ将该菲涅耳波带均分为两个菲涅耳半波带：

$0\&le;\left[\mathrm{\&xi;}\right]+1-\mathrm{\&xi;}<\frac{1}{2}$ 的半波带和 $\frac{1}{2}\&le;\left[\mathrm{\&xi;}\right]+1-\mathrm{\&xi;}<1$ 的半波带(其中[ ]表示取整数部分)。二元相位型散焦光栅的相位值按照菲涅耳半波带分布——同一菲涅耳半波带的相位值相同，相邻菲涅耳半波带的相位值为0和π相间的，相位值分布可写为

则二元相位型菲涅耳波带片的透过率函数t(ξ)为

$t\left(\mathrm{\&xi;}\right)=\exp \left(\mathrm{i\&pi;}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\&xi;}}{1/2}\right)*\underset{n=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&delta;}[\mathrm{\&xi;}-(n+\frac{1}{4})]+\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\&xi;}}{1/2}\right)*\underset{n=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&delta;}[\mathrm{\&xi;}-(n+\frac{3}{4})]---\left(6\right)$

$=\underset{m=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_m{e}^{2\mathrm{\&pi;im\&xi;}}$

a_m为傅里叶展开式中m次傅里叶级数的系数，m是傅里叶级数的次数。

m＝0时，二元相位型菲涅耳波带片的傅里叶展开式的系数a₀为

$a_0={\&Integral;}_0^{\frac{1}{2}}{e}^{\mathrm{i\&pi;}}\mathrm{d\&xi;}+{\&Integral;}_{\frac{1}{2}}^1\mathrm{d\&xi;}=0---\left(7\right)$

m＝+1时，二元相位型菲涅耳波带片的傅里叶展开式的系数a₊₁为

$a_{+1}={\&Integral;}_0^{\frac{1}{2}}{e}^{\mathrm{i\&pi;}}{e}^{-i2\mathrm{\&pi;\&xi;}}\mathrm{d\&xi;}+{\&Integral;}_{\frac{1}{2}}^1{e}^{-i2\mathrm{\&pi;\&xi;}}\mathrm{d\&xi;}=\frac{2i}{\mathrm{\&pi;}}---\left(8\right)$

m＝-1时，二元相位型菲涅耳波带片的傅里叶展开式的系数a_-1为

$a_{-1}={\&Integral;}_0^{\frac{1}{2}}{e}^{\mathrm{i\&pi;}}{e}^{i2\mathrm{\&pi;\&xi;}}\mathrm{d\&xi;}+{\&Integral;}_{\frac{1}{2}}^1{e}^{i2\mathrm{\&pi;\&xi;}}\mathrm{d\&xi;}=\frac{-2i}{\mathrm{\&pi;}}---\left(9\right)$

m＝0对应于二元相位型菲涅耳波带片的零级，则零级衍射效率η₀为

η₀＝|a₀|²＝0   (10)

m＝-1和m＝+1分别对应于二元相位型菲涅耳波带片的正一衍射级和负一衍射级，则正负一衍射级的衍射效率η₊₁和η_-1相等为

${\mathrm{\&eta;}}_{+1}={\left|a_{+1}\right|}^2={\mathrm{\&eta;}}_{-1}={\left|a_{-1}\right|}^2=\frac{4}{{\mathrm{\&pi;}}^2}\stackrel{\&CenterDot;}{=}40.5\%---\left(11\right)$

当相位分布为另一种形式

经和前述同样的分析得知，衍射效率分布和前述的分布(10)(11)式相同。即无论所有编号为奇数的半波带的相位值为π，或所有编号为偶数的半波带的相位值为π，散焦光栅的衍射效率分布如前述分析(10)(11)式。

散焦光栅是离轴使用的菲涅耳波带片，因此二元相位型散焦光栅的衍射效率在各衍射级的分布和对应的二元相位型菲涅耳波带片的衍射效率在各衍射级的分布相同。即二元相位型散焦光栅的零级衍射效率为零，正负一级衍射效率相等且较高，达到40.5％。

综合以上分析得知：使用相位按照离轴菲涅耳半波带分布，相位值为0和π相间的二元相位型散焦光栅制备波前曲率传感器，其零级衍射效率为零，有效消除零级衍射光对测量的干扰，正负一级衍射效率相等且较高，达到40.5％。

附图说明

图1为本发明离轴菲涅耳半波带的示意图；

图2为本发明的横截面相位分布示意图；

图3为本发明的横截面几何形状示意图；

图4为本发明与短焦距透镜组合后用于波前曲率传感器的结构示意图；

图中：1-二元相位型散焦光栅；2-CCD光电探测器；3-短焦距透镜

图5为本发明光栅和短焦距透镜组合的0，±1级衍射光斑分布图。

具体实施方式

如图1、2、3所示，本发明的高衍射效率的二元相位型散焦光栅，它是一种在光学透明介质上形成的、相位按照多个离轴菲涅耳半波带分布的相位板，半波带的相位分布为同一半波带内的相位值是相同的，相邻半波带的相位值是0和π相间的。各菲涅耳半波带的半径r_k由半波带编号k和菲涅耳波带片的焦距f和设计波长λ决定，

$r_k=\sqrt{\mathrm{kf\&lambda;}}$

半波带编号k的最小值k_min为

$k_{\min }=\left[\frac{{(x_0-R)}^2}{\mathrm{f\&lambda;}}\right],$

最大值k_max为

$k_{\max }=\left[\frac{{(x_0+R)}^2}{\mathrm{f\&lambda;}}\right],$

式中[ ]表示取整数，R为光瞳半径，x₀为离轴量。

光瞳内菲涅耳半波带的弧长取决于光瞳在所在菲涅耳半波带上所截取的大小。相位值为π的半波带相对于相位值为0的半波带的几何高度，即二元相位浮雕的几何高度h为：

$h=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2(n-1)}$

式中n为光栅材料的折射率。

实施例：给定散焦光栅的焦距f为3600mm，离轴量x₀为37.5mm，光瞳半径R为15mm，设计波长λ为632.8nm的He-Ne光、光栅材料(本实施例中为在光学基底上形成的SiO₂膜层)的折射率n为1.4873，则菲涅耳半波带编号k的最小值k_min为

$k_{\min }=\left[\frac{{(x_0-r)}^2}{\mathrm{f\&lambda;}}\right]=222$

最大值k_max为

$k_{\max }=\left[\frac{{(x_0+r)}^2}{\mathrm{f\&lambda;}}\right]=1210$

由此可相应计算出光瞳内菲涅耳半波带圆弧半径r_k为

$r_k=\sqrt{\mathrm{kf\&lambda;}}$

即光瞳内菲涅耳半波带编号为222，223，224，......，1208，1209，1210的圆弧半径分别为22488μm，22539μm，22589μm，......，52437μm，52458μm，52480μm。

相位值为π的半波带相对于相位值为0的半波带的几何高度，即二元相位浮雕的几何高度h为

$h=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2(n-1)}=649.3\mathrm{nm}.$

依照上述参数，即可制成相位按照多个离轴菲涅耳半波带分布的相位板，半波带的相位分布为同一半波带内的相位值是相同的，相邻半波带的相位值是0和π相间的。

上述高衍射效率的二元相位型散焦光栅的制造方法，包括以下步骤：

(1).根据散焦光栅光瞳半径R、焦距f、离轴量x₀、设计波长λ和光栅材料SiO₂的折射率n，计算出散焦光栅光瞳内菲涅耳半波带编号k的变化范围，光瞳内菲涅耳半波带的半径r_k，二元相位浮雕的几何高度h，

(2).根据散焦光栅的光瞳半径R和步骤(1)中计算出的菲涅耳半波带的半径r_k，画出制作散焦光栅的图形，利用电子束直写技术制作散焦光栅图形掩模版。

(3).通过接触式光刻法，将掩模版图案转移到涂有光刻胶的SiO₂光学基底上。

(4).使用薄膜生长技术，离子束溅射，在SiO₂光学基底上生长出具有设计图案的SiO₂膜层，即相位浮雕(或者用反应离子刻蚀技术，将光栅刻蚀到光学材料SiO₂上)。通过光学监控膜层厚度(或控制刻蚀时间)，制作出几何高度h为649.3nm的二元相位浮雕，使得二元相位型散焦光栅相邻半波带相位值分布为0和π相间。

如图4所示，本实施例的散焦光栅1，与一短焦距透镜3密接使用形成光栅透镜组合器件，该短焦距透镜3的焦距为105mm。准直后的氦氖激光束照射光栅透镜组合器件，在透镜焦平面上用线性光电探测器CCD 2探测光斑分布。该CCD为JAI公司生产的CV-A10 CL型黑白10位数字相机，象素大小为8.37×8.37μm，象素亮度动态范围0～1023，背景灰度值为100，噪声不超过55dB。使用该CCD采集到的光斑分布如图5所示，左光斑为+1级衍射光斑，中间的光斑为零级衍射光斑，右光斑为-1级衍射光斑。采用光斑灰度值分析法，对0，±1三个衍射级别的衍射效率进行了测量。以这三个衍射级别的光能量和为1，这三个衍射级别的衍射效率测量结果见表1.

表1.用光斑能量分析法测量的0，±1三个衍射级别的相对衍射效率

	+1级	0级	-1级
				衍射效率	49.92％	0.9％	49.18％

由表1中的测量结果可以看出，本发明的二元相位型散焦光栅，能够抑制零级衍射光的衍射效率，±1衍射光具有相等且较高的衍射效率(±1两个衍射级的衍射效率的控制精度受光栅制作工艺影响，但在允许的误差范围内)，能够适用于波前曲率传感器且光能利用率较高。

Claims (5)

1、一种用于波前曲率传感器的高衍射效率二元相位型散焦光栅，其特征在于它是一种在光学透明介质上形成的、相位按照多个离轴菲涅耳半波带分布的相位板，所述半波带的相位分布为同一半波带的相位值是相同的，相邻半波带的相位值是0和π相间的。

2、根据权利要求1所述的用于波前曲率传感器的高衍射效率二元相位型散焦光栅，其特征在于各菲涅耳半波带的半径r_k由半波带编号k和菲涅耳波带片的焦距f和设计波长λ决定，为

$r_k=\sqrt{\mathrm{kf\&lambda;}}$

半波带编号k从最小值k_min

$k_{\min }=\left[\frac{{(x_0-R)}^2}{\mathrm{f\&lambda;}}\right],$

增加到最大值k_max

$k_{\max }=\left[\frac{{(x_0+R)}^2}{\mathrm{f\&lambda;}}\right],$

式中[]表示取整数，其中R为散焦光栅的光瞳半径，x₀为散焦光栅的离轴量；

各离轴菲涅耳半波带圆弧的弧长取决于散焦光栅光瞳在菲涅耳半波带上所截取的大小，相位值为π的半波带相对于相位值为0的半波带的几何高度，即二元相位浮雕的几何高度h为：

$h=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2(n-1)}$

其中n为光栅材料的折射率。

3、一种如权利要求1所述的用于波前曲率传感器的高衍射效率二元相位型散焦光栅的制造方法，其特征在于它是在光学透明介质上形成相位按照多个离轴菲涅耳半波带分布的相位板，具体包括以下步骤：

(1).由散焦光栅的光瞳半径R、焦距f、离轴量x₀、设计波长λ和光栅材料的折射率n，先计算出散焦光栅光瞳内菲涅耳半波带编号k的变化范围，然后计算出光瞳内各菲涅耳半波带的半径r_k和二元相位浮雕的几何高度h；

(2).根据散焦光栅的光瞳半径R和步骤(1)中计算出的菲涅耳半波带圆弧的半径r_k，画出散焦光栅的图形，利用电子束直写技术制作散焦光栅图形掩模版；

(3).通过光刻技术，将掩模版图案转移到涂有光刻胶的光学介质基底上；

(4).使用光栅制作工艺，在光学介质基底上依照掩模版图案制作出相位浮雕，相位浮雕的几何高度为h，使得二元相位型散焦光栅同一半波带内的相位值相同，相邻半波带的相位值分布为0和π相间。

4、根据权利要求3所述的用于波前曲率传感器的高衍射效率二元相位型散焦光栅的制造方法，其特征在于所述光栅制作工艺为增加法或减少法。

5、根据权利要求4所述的用于波前曲率传感器的高衍射效率二元相位型散焦光栅的制造方法，其特征在于所述增加法为蒸发法、溅射法或化学镀法；减少法为湿法刻蚀或干法刻蚀。

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