CN105511084B - 一种衍射光学元件 - Google Patents

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Abstract

本发明设计光学元件技术领域，具体为一种衍射光学元件。为了解决当衍射光学元件制造误差较大时，导致利用衍射光学元件对光进行分束，子光束功率与预期功率不一致的问题，本发明一种衍射光学元件，包含相位分布A和相位分布B，所述相位分布A为符合0/c×π二值分布的相位分布，其中c的数值范围为0.5～1.5，所述相位分布B与相位分布A相互补偿，所述相互补偿是指激光通过相位分布B输出的子光束功率与激光通过相位分布A输出的子光束功率相互补偿，本发明通过采用相位分布A与相位分布B相组合的方式，实现子光束之间功率互相补偿，使得子光束功率与预期功率一致。

Description

一种衍射光学元件
技术领域
本发明设计光学元件技术领域，具体为一种衍射光学元件。
背景技术
衍射光学元件可应用于许多领域，如用于人机交互、手势识别、机器人视觉的结构光、激光材料加工(如多孔同时加工、高速激光毛化)、光通信、光学图像处理、微电子、显微镜、光纤耦合等。
衍射光学元件用于对激光分束时，可以将一束激光变换成多束光束(通常称之为子光束)，这时的衍射光学元件通常被称为衍射分束元件、阵列发生器、分束光栅，或简称为光栅、分束元件等。
美国专利号为US2013120841的专利公开了一种Optical pattern projector，该专利中的光学装置包括两片依次放置的衍射光学元件，衍射光学元件对入射光束进行衍射，其中一片衍射光学元件将入射光束分成至少3x3的输出矩阵子光束。
理论上，采用上述常规的设计方法可以得到9束功率和预期功率相当一致的输出光束。实际上，当采用高精度设备制造衍射光学元件时，制造误差较小，得到的衍射光学元件对激光进行分束，输出的子光束功率和预期功率可以达到基本一致。但当制造设备精度较低，即衍射光学元件微细结构的尺寸小于制造机器的分辨率时，制造误差较大，得到的衍射光学元件对光进行分束时，子光束功率和预期功率不一致，最常见的误差是在输出的矩阵子光束中，沿一个对角线的2束光的功率大于沿另一个对角线的2束光的功率(如图1所示)，这种结果非常影响衍射光学元件的使用。
由于高精度设备价格昂贵，不能得到普遍应用，大多数衍射光学元件生产厂家采用的仍是较低精度的制造设备，因此，其生产的衍射光学元件都存在上述问题。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种能够用较低精度设备制造生产，通过不同相位分布的组合，实现输出的子光束功率和预期功率相一致的衍射光学元件。
为实现以上技术目的,本发明的技术方案是:一种衍射光学元件，包含相位分布A和相位分布B，所述相位分布A为符合0/c×π二值分布的相位分布，其中c的数值范围为0.5～1.5，所述相位分布B与相位分布A相互补偿，所述相互补偿是指激光通过相位分布B输出的子光束功率与激光通过相位分布A输出的子光束功率相互补偿。
作为优选，所述相位分布B为相位分布A反相的相位分布、相位分布A从下至上逆排序的相位分布和相位分布A从右至左逆排序的相位分布中的至少一种。
作为优选，所述衍射光学元件分为上下两部分，上部分为相位分布A，下部分为相位分布B。
作为优选，所述衍射光学元件分为左右两部分，左部分为相位分布A，右部分为相位分布B。
作为优选，所述衍射光学元件分为中间和周围两部分，中间为相位分布A，周围为相位分布B。
作为优选，所述衍射光学元件分为四个象限，第一象限为相位分布A，第二象限为相位分布B，第三象限为相位分布A，第四象限为相位分布B。
作为优选，若干所述相位分布A与若干所述相位分布B交替排列。
作为优选，若干所述相位分布A构成行单元A，若干所述相位分布B构成行单元B，所述行单元A至少为一行，所述行单元B至少为一行，行单元A与行单元B交替排列。
作为优选，若干所述相位分布A构成列单元A，若干所述相位分布B构成列单元B，所述列单元A至少为一列，所述列单元B至少为一列，列单元A与列单元B交替排列。
作为优选，若干所述相位分布A构成矩形单元A，若干所述相位分布B构成矩形单元B，矩形单元A与矩形单元B交替排列。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：通过采用相位分布与相位分布的反相相位分布、相位分布从下至上逆排序的相位分布、相位分布从右至左逆排序的相位分布中的至少一种相组合的方式，实现功率补偿，使得衍射光学元件对激光进行分束时，输出的子光束功率与预期功率一致。
附图说明
图1是衍射光学元件输出子光束实际功率与预期功率对比示意图；
图2是一个周期的相位分布Φ(i,j)；
图3是一个周期的相位分布Φ′(i,j)；
图4是一个周期的相位分布Φ″(i,j)；
图5是一个周期的相位分布Φ″′(i,j)；
图6是现有技术相位分布Φ(i,j)的排列方式；
图7是相位分布Φ(i,j)和相位分布Φ′(i,j)的组合方式示意图；
图8是相位分布Φ(i,j)和相位分布Φ″(i,j)的组合方式示意图；
图9是相位分布Φ(i,j)和相位分布Φ″′(i,j)的组合方式示意图；
图10-图12是相位分布Φ(i,j)和相位分布Φ′(i,j)的组合方式示意图；
图13是相位分布Φ(i,j)、相位分布Φ″(i,j)和相位分布Φ″′(i,j)的组合方式示意图；
图14-图17是相位分布Φ(i,j)和相位分布Φ′(i,j)的组合方式示意图。
具体实施方式
结合图2至图17，详细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
设计一种衍射光学元件，符合0/c×π二值分布，其相位分布为Φ(i,j)，其中i，j表示衍射光学元件每个周期内的位置，i＝1...n,j＝1...m，如图2所示，为一个周期的Φ(i,j)。
这种衍射光学元件采用的结构通常为相位分布Φ(i,j)进行周期性排列(如图6所示)，这样的结构使得当衍射光学元件的制造精度较低时，衍射光学元件在对激光进行分束时，输出的子光束功率与预期功率不一致。
本发明所设计的衍射光学元件，包含相位分布A和相位分布B，相位分布A为符合0/c×π二值分布的相位分布，其中c的数值范围为0.5～1.5，相位分布B与相位分布A相互补偿，相互补偿是指激光通过相位分布B输出的子光束功率与激光通过相位分布A输出的子光束功率相互补偿。
与相位分布A可实现子光束功率相互补偿的相位分布包括以下三种形式：
1.相位分布A反相的相位分布，其相位分布为Φ′(i,j)＝π-Φ(i,j)，其中i＝1...n,j＝1...m，如图3所示，为一个周期的Φ′(i,j)；
2.将相位分布A从下至上逆排序的相位分布，其相位分布为Φ″(i,j)＝Φ(n-i+1,j)，其中i＝1...n,j＝1....m，如图4所示，为一个周期的Φ″(i,j)；
3.将相位分布A从右至左逆排序的相位分布，其相位分布为Φ″′(i,j)＝Φ(i,n-j+1)；其中i＝1...n,j＝1....m，如图5所示，为一个周期的Φ″′(i,j)；
上述三种相位分布可以单独作为相位分布B使用，也可以任意组合后作为相位分布B使用。
使用相位分布A和相位分布B，构成衍射光学元件,具体组合方式为：
1.衍射光学元件分为上下两部分，上部分为相位分布A，下部分为相位分布B；
2.衍射光学元件分为左右两部分，左部分为相位分布A，右部分为相位分布B；
3.衍射光学元件分为中间和周围两部分，中间为相位分布A，周围为相位分布B；
4.衍射光学元件分为四个象限，第一象限为相位分布B，第二象限为相位分布A，第三象限为相位分布B，第四象限为相位分布A；
5.若干所述相位分布A与若干所述相位分布B交替排列；
6.若干所述相位分布A构成行单元A，若干所述相位分布B构成行单元B，所述行单元A至少为一行，所述行单元B至少为一行，行单元A与行单元B交替排列；
7.若干所述相位分布A构成列单元A，若干所述相位分布B构成列单元B，所述列单元A至少为一列，所述列单元B至少为一列，列单元A与列单元B交替排列。
8.若干所述相位分布A构成矩形单元A，若干所述相位分布B构成矩形单元B，矩形单元A与矩形单元B交替排列。
上述组合方式只是具体实施时的典型排列方式，并未包含所有实施例，实际上，只要最后制成的衍射光学元件，当激光通过其进行分束时，在被激光照射到的区域内，既包含相位分布Φ(i,j)，又包含相位分布Φ′(i,j)、相位分布Φ″(i,j)和相位分布Φ″′(i,j)中的至少一种，就可实现功率偏大的输出子光束与功率偏小的输出子光束互相补偿，使得各子光束的功率与预期功率一致。
上述组合方式的举例如下：
如图7所示，衍射光学元件分为上下两部分，上部分为相位分布Φ(i,j)，下部分为相位分布Φ′(i,j)的组合方式示意图；
如图8所示，衍射光学元件分为上下两部分，上部分为相位分布Φ(i,j)，下部分为相位分布Φ″(i,j)的组合方式示意图；
如图9所示，衍射光学元件分为上下两部分，上部分为相位分布Φ(i,j)，下部分为相位分布Φ″′(i,j)的组合方式示意图；
如图10所示，衍射光学元件分为左右两部分，左部分为相位分布Φ(i,j)，右部分分别为反相Φ′(i,j)的组合方式示意图；
如图11所示，衍射光学元件分为中间和周围两部分，周围为相位分布Φ(i,j)，中间为相位分布Φ′(i,j)的组合方式示意图；
如图12所示，衍射光学元件分为四个象限，第一象限为相位分布Φ′(i,j)，第二象限为相位分布Φ(i,j)，第三象限为相位分布Φ′(i,j)，第四象限为相位分布Φ(i,j)的的组合方式示意图；
如图13所示，衍射光学元件分为四个象限，第一象限为相位分布Φ″′(i,j)，第二象限为相位分布Φ(i,j)，第三象限为相位分布Φ″(i,j)，第四象限为相位分布Φ(i,j)的的组合方式示意图；
如图14所示，一个相位分布Φ(i,j)与一个相位分布Φ′(i,j)交替排列的组合方式示意图；
如图15所示，若干相位分布Φ(i,j)构成行单元A，若干相位分布Φ′(i,j)构成行单元B，行单元A为一行，行单元B为一行，行单元A与行单元B交替排列的组合方式示意图；
如图16所示，若干相位分布Φ(i,j)构成行单元A，若干相位分布Φ′(i,j)构成行单元B，行单元A为两行，行单元B为两行，行单元A与行单元B交替排列的组合方式示意图；
如图17所示，若干相位分布Φ(i,j)构成矩形单元A，若干相位分布Φ′(i,j)构成矩形单元B，矩形单元A与矩形单元B交替排列的组合方式示意图。
综上所述，本发明所述的衍射光学元件，通过采用相位分布与相位分布反相的相位分布、相位分布从下至上逆排序的相位分布、相位分布从右至左逆排序的相位分布中的至少一种相组合的方式，使得衍射光学元件对激光进行分束时，即使制造衍射光学元件的设备精度较低，制造误差较大，同样可实现子光束之间功率互相补偿，使得输出的子光束功率与预期功率一致。
本发明所述的衍射光学元件所采用的可实现输出子光束功率相互补偿的相位分布结构，同样可应用于衍射光学元件作为其他用途的场合，例如衍射光学元件作为激光光束整形元件的场合。当衍射光学元件用于对激光光束整形时，如果衍射光学元件的精度较低，也会存在某个区域的输出光束功率与预期功率不一致的问题，同样可采用本发明所述的相位分布结构实现输出光束之间的功率相互补偿，使得输出光束功率与预期功率一致。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种衍射光学元件，其特征在于：包含相位分布A和相位分布B，所述相位分布A为符合0/c×π二值分布的相位分布，其中c的数值范围为0.5～1.5，所述相位分布A为周期性排列的相位分布Φ(i,j)，其中i，j表示衍射光学元件每个周期内的位置且i＝1...n，j＝1...m，所述相位分布B与相位分布A相互补偿，所述相互补偿是指激光通过相位分布B输出的子光束功率与激光通过相位分布A输出的子光束功率相互补偿，所述相位分布B为相位分布A反相的相位分布、相位分布A从下至上逆排序的相位分布和相位分布A从右至左逆排序的相位分布中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于：所述衍射光学元件分为上下两部分，上部分为相位分布A，下部分为相位分布B。
3.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于：所述衍射光学元件分为左右两部分，左部分为相位分布A，右部分为相位分布B。
4.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于：所述衍射光学元件分为中间和周围两部分，中间为相位分布A，周围为相位分布B。
5.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于：所述衍射光学元件分为四个象限，第一象限为相位分布B，第二象限为相位分布A，第三象限为相位分布B，第四象限为相位分布A。
6.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于：若干所述相位分布A与若干所述相位分布B交替排列。
7.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于：若干所述相位分布A构成行单元A，若干所述相位分布B构成行单元B，所述行单元A至少为一行，所述行单元B至少为一行，行单元A与行单元B交替排列。
8.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于：若干所述相位分布A构成列单元A，若干所述相位分布B构成列单元B，所述列单元A至少为一列，所述列单元B至少为一列，列单元A与列单元B交替排列。
9.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于：若干所述相位分布A构成矩形单元A，若干所述相位分布B构成矩形单元B，矩形单元A与矩形单元B交替排列。
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