CN103837981A - 一种提高分立式微变形镜填充因子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高分立式微变形镜填充因子的方法，包括一个微缩束镜阵列和一个分立式微变形镜。其特征在于微缩束镜阵列与分立式微变形镜具有相同的单元间距，入射光经过微缩束镜阵列之后被分割并缩束，形成一个光斑阵列，再入射到变形镜表面，阵列中各光斑均投射到变形镜相应单元，各单元根据入射光像差进行相应的校正，使光斑阵列反射回去重新通过微缩束镜阵列扩束合成，实现像差校正。系统填充因子从分立式微变形镜的填充因子提高到了微缩束镜阵列的填充因子。本发明通过分立式微变形镜与微缩束镜阵列的配合解决了变形镜填充因子较低的问题，并相对于现有单一微透镜阵列与分立式微变形镜配合技术克服了引入像差及倾斜像差无法校正的问题。

Description

一种提高分立式微变形镜填充因子的方法

技术领域

本发明属于自适应光学技术领域，特别涉及一种提高分立式微变形镜填充因子的方法。

背景技术

在自适应光学领域，分立式微变形镜具有体积小、功耗低、响应速度快、可批量化生产、与集成电路兼容性好等优点，因而在自适应光学系统中倍受青睐。同时分立式微变形镜还可作为反射式相位型空间光调制器应用于光学信息处理等领域。

填充因子是分立式微变形镜的一项重要指标，也叫填充比、开口率等，代表微变形镜每个单元上可反射光的有效光学面积占整个单元面积的比值，填充因子小于1会导致每个单元上无用面积不能反射入射光造成光能利用率降低，并会对入射光造成衍射。由于制作条件的限制，分立式微变形镜的填充因子一般较低，且与分立式微变形镜的表面光学质量、行程等其它技术指标因为对微变形镜的设计及加工具有互相矛盾的需求而彼此制约。

目前为了提高分立式微变形镜的填充因子最常见的方法是提高制作工艺水平、采用先进的加工设备，这会造成增加成本、降低可靠性及成品率、延长器件研发时间等问题。除此之外，1998年美国的Victor M.Bright等人（Optics Letters,1998.23(8):645-647）采用了另一种方法，参照图1，将一个微透镜阵列放置在分立式微变形镜前面，分立式微变形镜位于微透镜阵列的焦面位置，入射光经过微透镜阵列后分割成二维的光束阵列，聚焦到分立式微变形镜表面，聚焦之后光斑尺寸很小，就可降低对分立式微变形镜填充因子的要求，将分立式微变形镜的填充因子提高到微透镜阵列的填充因子大小。然而，由于分立式微变形镜进行校正时每个单元会沿光轴方向运动，如图1中单元a，沿光轴方向移动后位置不再处于微透镜阵列的焦面上，由其反射回的光学波前不再为理想平面波，导致产生离焦像差，降低了系统性能；另外，为了提高校正效果目前商品化的分立式微变形镜每个单元均具有平移和倾斜等三个自由度，因而通过对个别单元的倾斜变形还可校正局部孔径内的入射波前倾斜像差，但是增加了微透镜阵列后由于分立式微变形镜每个单元均位于微透镜阵列的焦面上，因而校正单元的倾斜运动不再能够产生校正效果，参照图2，单元a所在的位置的局部入射光具有一定的倾斜，然而无论单元a做怎样的倾斜变形，反射光均沿原入射光方向返回，无法对该倾斜加以校正。以上两个因素最终使分立式微变形镜的应用范围受到很大限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对以上现有技术的不足，提供了一种利用微缩束镜阵列提高分立式微变形镜填充因子的方法，该方法可将分立式微变形镜的填充因子提高到接近100%，并且不引入额外的像差。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种提高分立式微变形镜填充因子的方法，其特征在于：包括一个微缩束镜阵列和一个分立式微变形镜，微缩束镜阵列和分立式微变形镜具有相同的单元间距，入射光经过微缩束镜阵列之后被分割并缩束，形成一个光斑阵列，阵列中单个光斑的口径与微缩束镜阵列单个单元口径的比值即微缩束镜阵列的缩束比；该光斑阵列再入射到分立式微变形镜表面，阵列中每个光斑均投射到分立式微变形镜的相应单元，分立式微变形镜的各单元根据入射光像差进行相应的校正变形，使光斑阵列反射回去重新通过微缩束镜阵列从而扩束合成，实现了像差校正。入射光由于被微缩束镜阵列缩束而可匹配于分立式微变形镜的单元口径，整个系统的填充因子从分立式微变形镜的填充因子提高到了微缩束镜阵列的填充因子。

所述的微缩束镜阵列，是由两个焦点重合的微透镜阵列组成，且两个微透镜阵列具有相同的单元间距，微缩束镜阵列的缩束比即两个微透镜阵列的焦距之比，微缩束镜阵列的填充因子即第一个微透镜阵列的填充因子。

所述的第二个微透镜阵列，可以是微凸透镜阵列，也可以是微凹透镜阵列。

所述的两个焦点重合的微透镜阵列，可以是折射型，也可以是衍射型。

所述的两个焦点重合的微透镜阵列，可以是单独的两个器件，也可以是将两个微透镜阵列加工在同一块基底的两个表面，形成一个单独的、完整的微缩束镜阵列。

本发明与现有技术相比所具有的优点：通过加入微缩束镜阵列提高了分立式微变形镜的填充因子，且穿过微缩束镜阵列之后的光束阵列均为平行光，从而在分立式微变形镜工作时不会引入离焦像差，并能实现对局部倾斜像差的校正。

附图说明

图1是现有技术提高分立式微变形镜填充因子的方法的示意图；

图2是现有技术通过单个单元倾斜变形无法校正入射光的倾斜像差示意图；

图3是本发明提高分立式微变形镜填充因子的方法的示意图；

图4是本发明校正入射光的平移像差时不引入离焦像差的示意图；

图5是本发明通过单个单元倾斜变形校正入射光的倾斜像差示意图；

图6是本发明中第二微透镜阵列不采用微凸透镜阵列而采用微凹透镜阵列的示意图；

图7是本发明中第一微透镜阵列和第二微透镜阵列不采用折射型微透镜阵列而采用衍射型微透镜阵列的示意图；

图8是本发明中第一微透镜阵列和第二微透镜阵列不是分立的两个器件，而是加工在同一块基底的两个表面，形成一个单独的、完整的微缩束镜阵列的示意图。

具体实施方式

如图3所示，当一个畸变的入射光波前入射到第一微透镜阵列3上时，在每一个微透镜的子孔径内，局部波前可近似看成是沿不同方向入射的平面波，经过微透镜子孔径后汇聚到第一微透镜阵列3的像方焦面上，而第二微透镜阵列4的物方焦点和微透镜阵列3的像方焦点正好重合，因而汇聚光穿过微透镜阵列4的子孔径后重新变为平面波，但是光束口径会发生变化，设第一微透镜阵列3的焦距为f₁，入射波前口径为D₁，第二微透镜阵列4的焦距为f₂，出射波前口径为D₂，则由几何光学可知有f₁/f₂=D₁/D₂，因而通过人为选择f₁和f₂这两个参数可大大减小D₂，以适应放置在第二微透镜阵列4之后的分立式微变形镜的填充因子大小，从而使分立式微变形镜2的填充因子提高到等于微透镜阵列3的填充因子，若以填充因子为100%的微透镜阵列作为此处的3，则附加微透镜阵列3之后分立式微变形镜的填充因子也提高到100%。

平面波入射到分立式微变形镜表面后，根据局部的波前畸变，微变形镜的每个单元相应进行平移或倾斜变形，以补偿局部波前中的平移或倾斜像差，从而使得从微变形镜表面反射回的波前的畸变得到补偿。图4中单元a就是进行了平移变形，从图中也可看出，由于入射到单元a表面的是平面波，因而a的平移不会在光路中引入额外像差，而参照图1可知，若是不采用第二微透镜阵列4，直接将分立式微变形镜放置于第一微透镜阵列3的焦面上，当单元a进行平移变形时，将会导致其位置不再处于第一微透镜阵列3的焦面上，从而在反射光中引入局部的离焦像差。

参照图5，对于局部平面波不是正入射而是斜入射的情况，也即入射波前具有局部倾斜像差时，该局部的单元a需相应的进行倾斜变形，可造成反射回的波前垂直于光轴，即倾斜入射像差得到了校正，而参照图2可知，当不采用第二微透镜阵列4时，由于分立式微变形镜正处于第一微透镜阵列3的焦面上，无论单元a如何进行倾斜变形，反射光仍然沿入射光方向出射，即入射波前的倾斜像差无法被校正。

本发明中所用的第二微透镜阵列4不但可以是微凸透镜阵列，也可以是微凹透镜阵列，参照图6，此时是第一微透镜阵列3的像方焦点和第二微透镜阵列4的像方焦点相重合，设第一微透镜阵列3的焦距为f₁（f₁＞0），入射波前口径为D₁，第二微透镜阵列4的焦距为f₂（f₂＜0），出射波前口径为D₂，则由几何光学易知有f₁/|f₂|=D₁/D₂，同样可通过调节两个微透镜阵列的焦距实现出射光束与后面的分立式微变形镜单元尺寸相匹配。

本发明中所用的第一微透镜阵列3和第二微透镜阵列4不但可以是折射型微透镜阵列，也可以是衍射型微透镜阵列，参照图7，是采用两个衍射型微凸透镜阵列来完成如图3所示的功能，同样此时第二微透镜阵列4还可换成衍射型微凹透镜阵列。一般而言，折射型微透镜和衍射型微透镜各有优缺点，可根据不同情况及应用领域选用。

本发明中不但可以采用第一微透镜阵列3和第二微透镜阵列4两个分立的器件，也可以将第一微透镜阵列3和第二微透镜阵列4加工在同一块基底的两个表面，形成能完成同样功能的一个独立器件，降低加工及装配成本。参照图8，就是将基底的两个表面分别加工成凸球面和凹球面，也可实现平行光入射到凸球面表面，而从凹球面出射，且出射口径小于入射口径。图8中所示的单个器件的两个表面的工作原理分别就类似于图6的两个器件。设凸球面的曲率半径为R₁，凹球面的曲率半径为R₂，基底材料的折射率为n，厚度为h，入射波前口径D₁，出射波前口径D₂，则由几何光学易知厚度必须满足h=n(R₁-R₂)/(n-1)，且有R₁/R₂=D₁/D₂，可见同样可通过调节两个球面的曲率半径来实现出射光束与后面的分立式微变形镜单元尺寸相匹配。除此之外，也可参照图3将单一基底的两个表面均加工成凸球面，从而实现同样的功能。除此之外，这种双面加工的单一微缩束镜阵列器件同样可采用折射型或者衍射型，以应用于不同的领域。

总之，本发明通过分立式微变形镜与微缩束镜阵列的配合解决了变形镜填充因子较低的问题，并相对于现有单一微透镜阵列与分立式微变形镜配合技术克服了引入像差及倾斜像差无法校正的问题。

Claims (5)

1.一种提高分立式微变形镜填充因子的方法，其特征在于：包括一个微缩束镜阵列（1）和一个分立式微变形镜（2），微缩束镜阵列（1）和分立式微变形镜（2）具有相同的单元间距，入射光经过微缩束镜阵列（1）之后被分割并缩束，形成一个光斑阵列，阵列中单个光斑的口径与微缩束镜阵列（1）单个单元口径的比值即微缩束镜阵列（1）的缩束比；该光斑阵列再入射到分立式微变形镜（2）表面，阵列中每个光斑均投射到分立式微变形镜（2）的相应单元，分立式微变形镜的各单元根据入射光像差进行相应的校正变形，使光斑阵列反射回去重新通过微缩束镜阵列（1）从而扩束合成，实现了像差校正；入射光由于被微缩束镜阵列（1）缩束而可匹配于分立式微变形镜（2）的单元口径，整个系统的填充因子从分立式微变形镜（2）的填充因子提高到了微缩束镜阵列（1）的填充因子。

2.根据权利要求1所述的一种提高分立式微变形镜填充因子的方法，其特征在于：所述的微缩束镜阵列（1），是由两个焦点重合的第一微透镜阵列（3）和第二微透镜阵列（4）组成，且第一微透镜阵列（3）和第二微透镜阵列（4）具有相同的单元间距，微缩束镜阵列（1）的缩束比即第一微透镜阵列（3）和第二微透镜阵列（4）的焦距之比，微缩束镜阵列（1）的填充因子即微透镜阵列（3）的填充因子。

3.根据权利要求2所述的一种提高分立式微变形镜填充因子的方法，其特征在于：所述的第二微透镜阵列（4）是微凸透镜阵列或是微凹透镜阵列。

4.根据权利要求2所述的一种提高分立式微变形镜填充因子的方法，其特征在于：所述的两个焦点重合的第一微透镜阵列（3）和第二微透镜阵列（4）是折射型或是衍射型。

5.根据权利要求2所述的一种提高分立式微变形镜填充因子的方法，其特征在于：所述的两个焦点重合的第一微透镜阵列（3）和第二微透镜阵列（4）是单独的两个器件，或是将两个微透镜阵列加工在同一块基底的两个表面，形成一个单独的和完整的微缩束镜阵列（5）。

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