CN101126836B

CN101126836B - 一种100%匹配圆形、环形光束孔径的微阵列光栅

Info

Publication number: CN101126836B
Application number: CN2007101204805A
Authority: CN
Inventors: 王海英; 张雨东
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2007-08-20
Filing date: 2007-08-20
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2027-08-20
Also published as: CN101126836A

Abstract

一种100％匹配圆形、环形光束孔径的微阵列光栅制作方法，确定在整个光束孔径上要分出的子孔径数目N；按照各个子孔径面积相等的原则进行划分；设定预期要形成的光斑阵列分布，光斑阵列中共有N个光斑，这些预期形成的N个光斑阵列将与N个子孔径对应；根据对应关系来设计每个子孔径内二维阵列光栅的两个方向的空间周期或锯齿深度，在每个子孔径内制作具有设计结构的锯齿形相位光栅，经过与其组合的透镜或透镜组会聚，便会形成方形规整排布的光斑阵列。本发明能够100％匹配圆形、环形孔径，理论上甚至是任意形状光束孔径，而光斑阵列仍呈方形规整排布，解决了这种锯齿形相位光栅阵列技术无法实际应用的问题，同时提高锯齿形相位光栅制作效率、便于实现批量制作。

Description

一种100%匹配圆形、环形光束孔径的微阵列光栅

技术领域

本发明涉及一种微阵列光栅，特别涉及一种能够100％匹配圆形、环形、甚至是任意形状光束孔径，而形成的光斑阵列呈方形规整排布的微阵列光栅。

背景技术

哈特曼波前传感器已广泛应用于自适应光学系统之中，它可以事先用一束高质量的参考光标定，而在现场测量时无需参考光，所以对环境的要求不像干涉仪那样敏感，因此它可以应用于光学元件质量控制、光束质量测量、人眼像差、角膜面形测量等方面。现有的哈特曼波前传感器，通常采用微透镜阵列分割光束孔径，并将入射光聚焦到光电探测器(通常为CCD)的光敏靶面，或者通过一转像系统将微透镜的焦面光斑图象成像于光电探测器光敏靶面。上述哈特曼传感器可以参见“AdaptiVe Optics for Astronomy”D.M.Alloin andJ.M.Mariotti.Kluwer Academic Publishers，1994.“HartmannSensers for Optical Testing”Robert J.Zielinski，B.Martin Levine，Brain MoNeil.SPIE Vol.314，P398，1997。

这类哈特曼传感器的不足在于微透镜阵列的微透镜单元的焦距误差不一致导致影响传感器精度，对微透镜阵列制作技术的要求很高。为此，王海英、张雨东等曾提出过一种基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器，见中国专利申请号03126430.1、200310100168.1、03126431.X。所述的基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器主要由锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列、透镜或透镜组和光电耦合器件(如CCD探测器)组成，其中透镜或透镜组紧靠微棱镜阵列，光电耦合器件位于透镜或透镜组焦面上。其优点在于提出了一种锯齿形相位光栅阵列结构，和一个透镜或透镜组组合实现光束孔径的均匀分割，避免了微透镜阵列技术中微透镜单元焦距不一致所带来的误差。

但是，在上述三个专利(中国专利申请号03126430.1、200310100168.1、03126431.X)中所提出的微棱镜哈特曼波前传感器，其子孔径形状和所能匹配的光束口径均为方形。这样，在光束孔径为圆形或环形的情况下(事实上，绝大多数光束孔径皆为圆形或环形)，导致与光束孔径不能做到完全匹配，损失有效的光束信息，并且，这种不匹配所带来的边缘衍射效应还会导致边界子孔径光斑质量恶化，影响其实际应用。同时，现有的光电探测器其光敏靶面、像素等均为矩形，又要求光斑阵列仍呈方形规整排布，以便于数据的读出与处理。这些问题将会直接影响该技术在工程实际应用方面的发展。

本发明正是在上述背景下产生，发明了一种能够100％匹配圆形、环形光束孔径，同时光斑阵列可以成方形规整排布的微阵列光栅结构；并且，进一步提出了微阵列光栅的几种实现方案，尤其是其中的由同样两个一维锯齿形相位光栅阵列组合实现的方案。本发明有效地解决了上述三个专利(中国专利申请号03126430.1、200310100168.1、03126431.X)中发明的锯齿形相位光栅阵列结构与圆形光束孔径和方形光电探测器同时匹配的问题，并针对实际制作问题，提出了简化结构、提高制作效率的实施方案，弥补了上述专利中发明技术所存在的不足。

发明内容

本发明的技术解决问题之一：克服现有技术的不足，提供一种100％匹配圆形、环形光束孔径的微阵列光栅制作方法，该方法能够100％匹配圆形、环形孔径，理论上甚至是任意形状光束孔径，而光斑阵列仍呈方形规整排布，解决了这种锯齿形相位光栅阵列技术无法实际应用的问题。

本发明的另一技术解决问题是：提供了能够有效降低微阵列片子设计和工艺制作复杂性的几种实际设计、制作方案，尤其是其中的由同样两个一维锯齿形相位光栅阵列组合实现的方案，解决了如何提高锯齿形相位光栅制作效率、批量制作实现的问题。

本发明的技术解决方案：一种100％匹配圆形、环形光束孔径的微阵列光栅制作方法，其特征在于：

(1)首先进行孔径分割，即确定在整个光束孔径上要分出的子孔径数目N；

(2)确定子孔径数N之后，按照各个子孔径面积相等的原则进行划分；

(3)划分完子孔径后，预先设定预期要形成的光斑阵列分布，光斑阵列中共有N个光斑，这些预期形成的N个光斑阵列将与N个子孔径对应；

(4)最后根据对应关系设计每个子孔径内二维微阵列光栅的两个方向的空间周期或锯齿深度，其中子孔径内二维微阵列光栅的周期Tx、Ty分别为：

T_{x} &Proportional; \frac{1}{x_{i}}

T_{y} &Proportional; \frac{1}{y_{i}}

x_i，y_i分别为光斑在上述两个方向上的坐标位置，锯齿深度d为：

d＝K·λ/(n-1) K＝1，2，3 ......，

其中λ为所用的光源波长，n为光学材料的折射率；

(5)在每个子孔径内制作具有设计结构的二维微阵列光栅，将整个圆形或环形光束孔径均匀分割，经过与其组合的透镜或透镜组会聚，形成方形规整排布的光斑阵列。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明能够100％匹配圆形、环形孔径，理论上甚至是任意形状光束孔径，而光斑阵列仍呈方形规整排布，解决了这种锯齿形相位光栅阵列技术无法实际应用的问题，实现100％占空比，同时还能保证形成的光斑阵列仍呈方形规整排布，便于光电探测器数据的读出与处理。

(2)本发明设计原理简单，并提供了能够有效降低设计和工艺制作复杂性的实际设计、制作方案，加工工艺易实现，既可采用微光学技术、也可以采用模压技术加工，克服了现有基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器技术发明中微棱镜阵列只能方形制作，无法满足圆形、环形光束孔径要求这一不足，提供了一种能100％匹配圆形、环形孔径，理论上甚至是任意形状孔径，而光斑阵列仍呈方形规整排布的微阵列光栅结构，解决了微阵列光栅技术在工程应用以及批量化制作方面的问题。

附图说明

图1为本发明中100％匹配圆形光束孔径、同时光斑阵列形成方形规整排布的阵列光栅形成过程示意图。其中：11为经过设计的微阵列光栅，12为透镜或透镜组，14为光电探测器，13即为形成的方形规整排布的光斑阵列；

图2为以本发明中的方法实际制作实现的100％匹配圆形光束孔径的二维锯齿形相位光栅阵列片子实物照片和所形成的光斑阵列；

图3为本发明实施例1-仅需单面制作的微阵列光栅阵列及某一个子孔径设计示意图；

图4为本发明的实施例2-在同一块基片或同一个光学件的两个面上，分别只制作X方向的一维阵列光栅和Y方向的一维阵列光栅，两面组合实现一个二维相位光栅阵列的功能；

图5为本发明的实施例3-在一块基片或光学件的一个面上只制作X方向的一维阵列光栅，在另一块基片或光学件的一个面上只制作Y方向的一维阵列光栅，这两块基片或光学件组合实现二维相位光栅阵列的功能；

图6为本发明的实施例4-为两个一维锯齿形相位光栅阵列光栅组合成一个二维锯齿形相位光栅示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的主要的特征在于其孔径分割元件为微锯齿形相位光栅阵列11。本发明中的微锯齿形相位光栅阵列11为新型布局，能够100％匹配圆形、环形最常用的光束孔径。

下面根据图3，以圆形或环形光束孔径为例，来说明本发明提出的100％匹配圆形光束孔径、同时光斑阵列形成方形规整排布的阵列光栅设计过程：根据前述的子孔径划分原则(各子孔径面积相等，以保证相同的光通量)，所划分的N个子孔径为等面积扇形，以图中放大处理的子孔径为例，由设计光斑所在的位置(x_i，y_i)来确定该子孔径内锯齿形相位光栅的周期Tx、Ty：

T_{x} &Proportional; \frac{1}{x_{i}}

T_{y} &Proportional; \frac{1}{y_{i}}

锯齿深度d为：

d＝K·λ/(n-1) K＝1，2，3......，

其中λ为所用的光源波长，n为光学材料的折射率，如石英，n＝1.45。

K可取任意正整数，如1、2或3等。同时，可以设计每个锯齿形相位光栅的X、Y方向空间周期，它们分别反比于其设计光斑的预期坐标xi和yi，反比系数可以根据系统实际需要设定。阵列中每个子孔径均以这一方法设计其锯齿形相位光栅结构。设计完成后，在每个扇形子孔径内刻蚀或模压形成具有设计结构的锯齿形相位光栅，刻蚀或模压边界以扇形边界为准。各个扇形子孔径因为其锯齿形相位光栅结构均经过设计，空间周期各不相同的锯齿形相位光栅将产生各自的相位变化，将整个圆形光束均匀分割，经过与其组合的透镜或透镜组会聚，便会形成方形规整排布的光斑阵列，这一设计解决了与圆形、环形光束孔径和矩形光电探测器同时匹配的问题。

上述除了每个子孔径形状为等面积扇形外，可以使子孔径面积均匀一致的任意形状均可以。

利用微光学刻蚀、金刚石车削或模压技术在基片或光学件的某个面上形成空间周期各不相同的整个阵列。

上述的二维微阵列光栅是变周期二维锯齿形相位光栅阵列结构，或变锯齿深度的二维锯齿形相位光栅阵列结构，或既变周期又变锯齿深度的二维锯齿形相位光栅阵列结构。在具体进行阵列设计时，所有子孔径可以保持相同的锯齿深度，对每个子孔径仅控制锯齿的周期这一参数；或者可以对所有子孔径保持相同的锯齿周期，仅改变各个子孔径的锯齿深度参数；还可以对锯齿深度和锯齿周期两个参数同时进行控制，使设计的各个子孔径锯齿深度和锯齿周期参数各不相同。

如图2所示，为实际制作实现的100％匹配圆形光束孔径的二维锯齿形相位光栅阵列片子和所形成的光斑阵列。

本发明针对上述的第二个技术问题即如何有效降低微阵列光栅片子设计和工艺制作复杂性问题，提出以下三种具体的技术实施方案：

A、在同一个基片或光学件的某一个面上，制作各个经过设计的二维锯齿形相位光栅形成阵列，如对圆形光束孔径，每一个扇形子孔径内均是一个独立的二维锯齿形相位光栅，各个扇形子孔径内的二维锯齿形阵列光栅各不相同，形成一种中心对称的圆形布局，见附图3所示；

B、可以在同一块基片或同一个光学件的一个面上只制作X方向的一维阵列光栅，另一个面上只制作Y方向的一维阵列光栅，两面共同实现一个二维相位光栅阵列的功能，见附图4所示；

C、在一块基片或光学件的一个面上只制作X方向的一维阵列光栅，在另一块基片或光学件的一个面上只制作Y方向的一维阵列光栅，这两块基片或光学件组合，也可以实现二维相位光栅阵列的功能，见图5所示。这一技术方案进一步将方案一中的各个二维相位光栅分解为两个一维阵列光栅，由简单的两个一维阵列光栅来组合实现复杂的二维相位光栅的功能，大大简化了结构，提出了两种有助于提高制作效率的实现方案，尤其是实现方案B，提出通过将简单的一维阵列光栅制作于不同基片或光学件表面上，再对两块基片或光学件组合使用的这一新颖设计，在实际制作时(如采用微光学刻蚀技术、金刚石车削技术、模压技术等)，只需设计、制作一块模板，然后制作出同样的两块，互旋一定角度(如90°)进行组合，即可实现所需功能，大大简化了阵列片子设计和工艺制作的复杂性，提高了其制作效率。

本发明的具体实施方案A比较直观，易于理解。下面根据附图进一步说明本发明的具体实施方案B和具体实施方案C：经过与具体实施方案A相同的子孔径划分与设计后，将每个子孔径中的二维锯齿形相位光栅按照X和Y两个方向分解为两个一维阵列光栅，即，每一个子孔径均是由两个方向的一维阵列光栅组合而成，见图6所示。仍以圆形或环形光束孔径为例，在对整个光束孔径划分为等面积扇形，并对每个扇形子孔径分别设计其X方向和Y方向的空间周期之后，进行如下工作：先分别提取各个扇形子孔径X方向的空间周期，作为X方向一维阵列光栅的周期，然后，分别提取各个扇形子孔径Y方向的空间周期，作为Y方向一维阵列光栅的周期。

按照图4所示，在同一基片或光学件的光学面上双面刻蚀或模压，分别形成x方向和y方向的一维锯齿形相位光栅阵列，两个方向的光栅阵列共同作用实现设计功能。

按照图5所示，在片子上某一面上制作一维锯齿形相位光栅阵列，同样片子制作两块，再将两个片子互旋一定角度(如对于圆形光束孔径，旋转90°)组合而成，由两块片子上的一维光栅阵列共同作用形成整齐排布的光斑阵列。该实施方案相比图4所示方案制作实现更加容易，无需两面制作所需的对准步骤，只需通过事后的机械工装来保证两块片子的对准；并且是只需制作相同的片子，片子的设计、制作工艺大大简化，能有效地缩短设计、制作时间，形成批量化，从而提高生产效率，进一步控制成本。

Claims

1.一种100％匹配圆形、环形光束孔径的微阵列光栅制作方法，其特征在于：

(3)划分完子孔径后，预先设定预期要形成的光斑阵列分布，光斑阵列中共有N个光斑，这些预期形成的N个光斑将与N个子孔径对应；

(4)最后根据对应关系设计每个子孔径内二维微阵列光栅的两个方向的空间周期或锯齿深度，该二维微阵列光栅为锯齿形相位光栅阵列结构，其中子孔径内二维微阵列光栅的周期Tx、Ty分别为：

T_{x} &Proportional; \frac{1}{x_{i}}

T_{y} &Proportional; \frac{1}{y_{i}}

d＝K·λ/(n-1) K＝1，2，3......，

其中λ为所用的光源波长，n为光学材料的折射率；

2.根据权利要求1所述的100％匹配圆形、环形光束孔径的微阵列光栅制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中的二维微阵列光栅是变周期二维锯齿形相位光栅阵列结构，或变锯齿深度的二维锯齿形相位光栅阵列结构，或既变周期又变锯齿深度的二维锯齿形相位光栅阵列结构。

3.根据权利要求1所述的100％匹配圆形、环形光束孔径的微阵列光栅制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中的每个子孔径形状为等面积扇形，或使子孔径面积均匀一致的任意形状。

4.根据权利要求1所述的100％匹配圆形、环形光束孔径的微阵列光栅制作方法，其特征在于：所述步骤(5)中利用微光学刻蚀、或金刚石车削或模压方法在基片或光学件的某个面上形成空间周期各不相同的整个微阵列。

5.根据权利要求1所述的100％匹配圆形、环形光束孔径的微阵列光栅制作方法，其特征在于：所述步骤(5)中的微阵列光栅以中心对称布局刻蚀形成在基片或光学件的某一个单面上。

6.根据权利要求1或5所述的100％匹配圆形、环形光束孔径的微阵列光栅制作方法，其特征在于：所述的步骤(5)中微阵列光栅独立制作在基片或光学件的某一个面上。

7.根据权利要求1所述的100％匹配圆形、环形光束孔径的微阵列光栅制作方法，其特征在于：所述步骤(5)中的微阵列光栅，在同一块基片或同一个光学件的一个面上只制作X方向的一维阵列光栅，另一个面上只制作Y方向的一维阵列光栅，两面共同实现一个二维相位光栅阵列的功能。

8.根据权利要求1所述的100％匹配圆形、环形光束孔径的微阵列光栅制作方法，其特征在于：所述步骤(5)中的微阵列光栅，在一块基片或光学件的一个面上只制作X方向的一维阵列光栅，在另一块基片或光学件的一个面上只制作Y方向的一维阵列光栅，这两块基片或光学件组合，实现二维相位光栅阵列的功能。