CN106547103B - 衍射性光学元件和用于设计衍射性光学元件的方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及衍射性光学元件和用于设计衍射性光学元件的方法。该衍射性光学元件(DOE)被设计成用于实现关于输入发散光束的准直功能和关于输出发散光束的光束整形功能两者。该准直功能和该光束整形功能的相位设计是在相域中独立产生的。这些相位设计然后使用对这些单独功能的相角加法而被组合并且在0弧度与2π弧度之间包绕。DOE的衍射性表面然后由这些单独功能的所包绕的相角加法所定义。

Description

衍射性光学元件和用于设计衍射性光学元件的方法

技术领域

本发明涉及光束整形设备并且具体地涉及一种衍射性光学元件(DOE)和一种用于设计DOE以减少或消除高强度零阶泄漏的风险的方法。

背景技术

参照图1，图1示出了光学系统10的常规几何结构。系统10包括生成具有平面波前的光的准直光束14的光源12，该光束向光束整形衍射性光学元件16传播。衍射性光学元件(DOE)16是被设计成用于生成期望的非准直输出光束18的整形(例如，循环均匀化)光学元件，该输出光束形成具有期望输出强度分布的输出场20。由于衍射性光学元件16的衍射性表面中的较小误差(例如，在制造过程中引入的表面缺陷)，通过衍射性光学元件16进入输出场20的光的经准直的光束14的高强度零阶泄漏22是有可能的。在此上下文中，对“高强度”的引用意味着危险，因为泄漏具有光束发散和危险的功率(例如，参见英国标准BS EN60825-1:2014或国际标准IEC60825-1:2014，两者通过引用结合)。

参照图2，图2示出了光学系统10’的常规几何结构。系统10’包括生成光的发散光束26的光源12’，该光束向准直透镜28传播。准直透镜28工作以准直发散光束26并输出经准直的具有平面波前的光的光束14，该光束向光束整形衍射性光学元件16传播。衍射性光学元件16是被设计成用于生成期望的非准直输出光束18的整形(例如，循环均匀化)光学元件，该输出光束形成具有期望输出强度分布的输出场20。由于衍射性光学元件16的衍射性表面中的较小误差(例如，在制造过程中引入的表面缺陷)，通过衍射性光学元件16进入输出场20的光的经准直的光束14的高强度零阶泄漏22是有可能的。

图1和图2中的高强度零阶泄漏22表面上是存在于输出场20中的经准直的光束14的未经修改的部分。例如，这个效果被展示在图3中，图3示出了正方形均匀化输出场20的图像(具有反向对比度)，该输出场被高强度零阶泄漏22损坏。例如，如果光源12或12’是激光光源，那么此零阶泄漏22是将对光源12或12’的容许运行功率具有直接影响的安全风险。响应这种泄漏的存在或可能性，光源12或12’的功率电平必须被降低以确保安全操作，并且不会从使用衍射性光学器件中受益。

评估光束整形衍射性光学元件16：存在会降级衍射性光学器件关于初始设计形式的形状因数的许多误差源。如果这些误差的大小被设置为在制造过程中预期的限度，模块高度的误差(即，深度误差)被认为是光学器件性能降级的关键因素。图3A至图3C展示了具有图3A中标称深度误差(即，小于或等于5％)、图3B中10％深度误差和图3C中15％深度误差的元件16的模拟结果。将注意的是，均匀化受更显著的深度误差影响，零阶泄漏特性(参考号22)变得更加主导。

衍射性光学器件允许光学系统设计者以不可以用折射性光学器件实现的方式来操纵波前。这允许光学器件的功能性的更大灵活性并且使折射性光学器件不支持的应用成为可能。然而，需要不易受表面误差影响的改进式衍射性光学元件，其将容许高强度零阶泄漏的通过。结果，在较高功率电平处操作光学系统将成为可能。

发明内容

在实施例中，光学系统包括：准直和光束整形衍射性光学元件，所述光学元件被配置成用于修改输入发散光束并且产生输出发散光束；其中，所述准直和光束整形衍射性光学元件包括衍射性表面，所述衍射性表面具有既准直所述输入发散光束又将所述经准直的输入发散光束整形为所述输出发散光束以形成具有期望输出强度分布的输出场的设计。

在实施例中，方法包括：定义用于对输入发散光束进行准直的第一相位剖面；定义用于整形输出发散光束的第二相位剖面；将所述第一和第二相位剖面相加以形成组合的相位剖面；并且由所述组合的相位剖面形成衍射性光学元件的衍射性表面，从而使得所述衍射性光学元件的所述衍射性表面被配置成用于既准直所述输入发散光束又将所述经准直的输入发散光束整形为所述输出发散光束以形成具有期望输出强度分布的输出场。

在实施例中，方法包括：独立设计针对准直功能的第一相位剖面以及针对光束整形功能的第二相位剖面；使用相角加法组合所述独立设计的第一和第二相位剖面；在0弧度与2π弧度之间包绕所述相角加法；并且使用由所述包绕的相角加法定义的衍射性表面产生物理光学器件。

附图说明

基于对实施例的详细描述的研究，本发明的其他的优点和特性将变得显而易见，其是通过非限制性示例的方式得到的并且由附图展示，其中：

图1和图2示出了光学系统的常规几何结构；

图3是展示了由于在衍射性光学元件的表面上存在误差因此在由图1和图2的系统生成的输出场中存在高强度零阶泄露的图像；

图3A至图3C展示了具有各种深度误差的常规衍射性透镜剖面设计的模拟结果；

图4示出了光学系统的实施例的几何结构；

图5展示了针对在有限距离处点源照明的波前相位与径向距离之间的关系；

图6展示了衍射性透镜剖面设计的量化示例；

图7A至图7B展示了针对在不同量化处光束整形光学器件设计的示例；

图7C示出了图7B被细化以填充的经量化的光束整形光学器件以及等效于图6的透镜剖面的面积的区域；

图8展示了对来自图6的衍射性透镜与如在图7C中所示的光束整形光学器件的相位剖面进行求和的结果；

图9展示了在0弧度和2π弧度之间包绕该求和的相位剖面的结果；并且

图10A至图10C展示了具有各种深度误差的衍射性透镜剖面设计的模拟结果。

具体实施方式

现在参照图4，图4示出了光学系统100的常规几何结构。系统100包括生成光的发散光束126的光源112，该光束向准直和光束整形衍射性光学元件116传播。衍射性光学元件(DOE)116执行两个功能：a)DOE对光的输入发散光束126进行准直；以及b)DOE对光进行整形以生成期望的发散的(非准直的)输出光束118，该输出光束形成具有期望输出强度分布(例如，以特定形状均匀化)的输出场120。

DOE 116的优点在于：将禁止对光束整形光学器件的正确操作的任何表面误差也将禁止对准直功能的正确操作。结果，DOE 116在存在表面误差的情况下阻碍了高强度零阶泄漏(例如，经准直的)光束的输出并且如果被暴露于等效表面误差或缺陷中允许相比于图1和图2的系统而言光源112的更高功率操作。

DOE 116的设计利用了包括以下各项的过程：a)独立设计仅相位的衍射性透镜剖面和仅相位的光束整形器光学器件；b)使用对其独立功能的相角加法组合这两个独立的设计；以及c)产生物理光学器件，例如，将执行相位组合设计功能的衍射性表面。在DOE 116的单个衍射性光学器件表面中优选实现组合的衍射性透镜和光束整形设计。在仅相位设计过程中对准直功能和光束整形功能的独立或解耦优化简化了优化过程并且提高了输出场120的效率和一致性。首先在相位空间中独立地定义准直功能和光束整形功能，然后在相位空间中对那些功能进行求和(例如，使用相角加法)并转换成物理的以针对将执行准直功能和光束整形功能两者的光学器件产生单个表面剖面。此实现方式的优点源自制造误差将在准直功能和光束整形功能的性能上具有的组合效果。源自标称设计的光学器件中的任何表面剖面误差将阻碍DOE 116光学器件执行两个功能的能力。因此，由于误差，光学器件形成非期望的高强度准直校准光束(如，具有高强度零阶泄漏)的能力与光学器件形成期望的光束形状的能力以相同的方式被降级。结果，在光学器件对制造误差的灵敏度中存在显著下降(尤其是相比于如在图1和图2中所示的常规方法，其中，光束被离散地准直并且包括表面缺陷可以允许准直光束的成分通过为高强度零阶泄漏)。

在优选实现方式中，衍射性透镜剖面的设计必须在DOE 116与光源114之间具有等于期望分离距离d的焦距。此外，光束整形器功能的设计必须假设输入光是准直的。

衍射性透镜剖面设计：衍射性透镜的设计对本领域的技术人员而言是公知的。参考教科书的“衍射性光学器件的计算机设计(Computer design of diffractive optics)”索伊费尔(Soifer)，爱思唯尔出版社(Elsevier)，2012(通过引用结合)。针对DOE 116，基于对校正来自在距离光学器件有限距离d处的点源(光源114)的波前的曲率的需要设计透镜。光学器件被定义，使得其焦距等于点源与光学器件的分离距离d。例如，参见图5。

透镜剖面O(x，y)＝exp[i*φ(x，y)]被设计成用于将等效反相延迟添加至波前剖面

使得其匹配目标相位剖面P(x，y)＝exp[i*ξ(x，y)]:

P(x，y)＝W(x，y)+O(x，y)

针对准直透镜，对于所有的x和y，目标相位剖面P(x，y)＝1:

O(x，y)＝P(x，y)-W(x，y)＝1-W(x，y)

这等效于：

因此，准直透镜设计必须简单地应用与输入波前幅值相等但方向相反的相位延迟。这是通过第一计算φ(x，y)实现的(参见图5)，然后从0弧度到2π弧度包绕φ(x，y):

φ′(x，y)＝arg[O(x，y)]＝arg[exp(i*φ(x，y))]

其中，arg[]算子返回复数O(x，y)的相角。然后，其可以对于量化相位剖面φ′(x，y)是必需的。这取决于制造方法。可以使用许多技术来形成衍射性光学器件，并且在这种情况下假定光刻蚀刻工艺，其需要将表面量化成离散相位层次。此相位量化不被认为是限制或要求，因为存在容许连续相位剖面的多种制造方法；然而为了示例的完整性，在此提供量化步骤。在0与

之间定义四个量化相位层次，更具体而言，量化层次的范围是在

之间。被量化成N个层次的相位剖面φ′(x，y)被定义为：

其中，算子

定义在相位剖面上的量化操作。在此示例中，N＝4，使得：

注意，可以为N选择任何整数值。N＝4在此使用，使得说明更加清楚。通常，随着N增加，光学器件的效率(即，性能)增加，因此只要关于衍射性表面的层次数量保持为可制造的那么设计具有更多层次的光学器件是有益的。

一旦透镜的量化相位剖面被计算，其绕其原点旋转以形成径向对称的透镜表面。图6中示出了这种表面的示例。

光束整形光学器件设计：光束整形功能可以被设计成在入射光源的输出强度分布上具有任意效果。例如，其可以对于在输出场中生成高分辨率的网格点是有用的。

优化方法是基于无穷远点源(即，准直的)照明，其中，在文献中存在许多已知和公开的解决方案，包括盖师贝格-撒克斯通算法(盖师贝格R.W(Gerchberg R.W)和撒克斯通W.O.(Saxton W.O.)，“从图像衍射平面图片确定相位的实用算法(A Practical algorithmfor the determination of phase from image diffraction plane pictures)”，Optik(斯图加特市)，35,237-246,1972，通过引用结合)、本领域中被称为迭代傅里叶变换算法(IFTA)的算法族中的第一种算法、以及替代的用于优化的全局搜索算法。无论使用哪种算法，结果是(以相角)描述了波前的必需形状的相位剖面χ(x，y)，从而在远场中产生期望的输出强度分布。

在使用盖师贝格-撒克斯通算法的示例中，生成光束整形光学相位剖面χ(x，y)。像以上描述的衍射性透镜设计的光学功能是在相域中。这样，理解的是，它没有物理深度，而是描述了在其输出处的波前的所需形状。在此示例中的光学器件功能是生成正方形高帽剖面。然而，它可以是任何任意的输出分布。

光学器件功能必须从无穷数量的层次(参见图7A)量化成有限数量的层次，使得其与所选的制造工艺兼容。如在以上针对衍射性透镜的示例中，使用如上所述的相同量化算子将相位剖面量化成N＝4层次。图7B示出了量化的相位剖面χ₄(x，y)。将注意的是，还有可能将量化工艺整合到所谓的‘软量化’工艺中的IFTA中(例如，参见Wyrowski F，“衍射性光学元件：量化的、闪耀的相结构的迭代计算(Diffractive optical elements:iterativecalculation of quantized,blazed phase structures)”，JOSA A，美国光学学会，7,961-969,1990，通过引用结合)。因此，通常，应当清楚的是存在多种替代方式来将量化包括到光束整形光学器件优化中。

在实施例中，图7B的量化相位剖面可以以瓦片状样式重复以定义如图7C中所示的整体量化相位剖面。

组合光学器件：如以上所指出的，衍射性透镜设计和光束整形器设计都在相域中。

衍射性透镜设计和光束整形器设计通过对对应的量化相位剖面一起求和而被组合：

ρ(x，y)＝φ(x，y)+χ(x，y)，

特别地，N＝4，则下式描述该运算：

ρ₄(x，y)＝φ₄(x，y)+χ₄(x，y)，

这是方便的表示，因为用于在单个衍射性表面中物理实现相位延迟的各种方法有可能形成衍射性光学元件116。这样的物理实现的示例包括表面起伏图或梯度折射率(GRIN)材料。在此提供具体但非限制性的使用表面起伏图的示例。

图8展示了对关于图6和图7C的相位剖面进行求和的结果。

所产生的相位剖面ρ(x，y)然后被包绕为2π弧度：

ρ′(x，y)＝arg[exp(i*ρ(x，y))]

针对此示例，下式为真：

ρ₄′(x，y)＝arg[exp(i*ρ₄(x，y))]

图9展示了对如在图8中求和的相位剖面进行包绕的结果。以这种方式包绕的一个优点是压缩物理衍射性表面的特征的竖直高度。

使用材料折射率(n₂)的知识，即，光学器件将由沉浸式介质的折射率(典型地空气：n₁＝1)和光波长(λ)重构，其中，光学器件将被优化，该包绕的相位剖面ρ′(x，y)然后可以被转换成物理表面起伏剖面，S(x，y)，使用以下关系：

或者

针对量化的相位剖面：

因此，其在N＝4的此示例中遵循：

评估准直和光束整形衍射性光学元件16：存在会降级衍射性光学器件关于初始设计形式的形状因数的许多误差源。如果这些误差的大小被设置为在制造过程中预期的限度，模块高度的误差(即，深度误差)被认为是光学器件性能降级的关键因素。图10A至图10C展示了具有图10A中标称深度误差(即，小于或等于5％)、图10B中10％深度误差和图10C中15％深度误差的DOE 116的模拟结果。将注意的是，即使具有显著的深度误差，DOE 116未能展现关于零阶泄漏的担忧(与图3比较)。此外，该结果即使在50％深度误差处也保持为显著均匀化，而实验示出了现有技术的零阶泄漏特性在10％深度误差显现时将替代地开始成为主导(参见图3B至图3C)。

已经通过对本发明的示例性实施例的完整且信息性的描述的示例性且非限制性的示例提供了之前的描述。然而，对于相关领域的技术人员而言，鉴于前面的描述，当结合附图和所附权利要求书来阅读本说明书时，各种修改和适配会变得明显。然而，对本发明教导的所有这样和类似的修改将仍然落入如所附权利要求书所限定的本发明的范围之内。

Claims (12)

1.一种用于光学系统的方法，包括：

定义用于对输入发散光束进行准直的第一相位剖面；

定义用于整形输出发散光束的第二相位剖面；

将所述第一相位剖面和所述第二相位剖面相加以形成组合的相位剖面；并且

由所述组合的相位剖面形成衍射性光学元件的衍射性表面，从而使得所述衍射性光学元件的所述衍射性表面具有表面起伏形状，所述表面起伏形状既准直所述输入发散光束又将经准直的输入发散光束整形为所述输出发散光束以形成具有期望输出强度分布的输出场，并且其中所述表面起伏形状被定义为用于准直和光束整形的组合相位剖面的函数，所述组合相位剖面被包绕为2π弧度并且与所述输入发散光束的波长相乘。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述表面起伏形状是由量化的表面起伏图形成的，所述量化的表面起伏图实现准直功能和光束整形功能两者。

3.如权利要求2所述的方法，其中，相加包括对用于所述准直功能的第一相位剖面与用于所述光束整形功能的第二相位剖面进行求和。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述第一相位剖面和所述第二相位剖面是量化的相位剖面。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述衍射性表面是由梯度折射率材料形成的，所述梯度折射率材料由用来实现准直功能和光束整形功能两者的所述组合的相位剖面所定义。

6.如权利要求5所述的方法，其中，相加包括对用于所述准直功能的第一相位剖面与用于所述光束整形功能的第二相位剖面进行求和。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述第一相位剖面和所述第二相位剖面是量化的相位剖面。

8.一种用于光学系统的方法，包括：

独立设计针对准直功能的第一相位剖面以及针对光束整形功能的第二相位剖面；

使用相角加法组合所述独立设计的第一和第二相位剖面；

在0弧度与2π弧度之间包绕所述相角加法；并且

使用由所述包绕的相角加法定义的衍射性表面产生物理光学器件，所述衍射性表面具有表面起伏形状，所述表面起伏形状既准直输入发散光束又将经准直的输入发散光束整形为输出发散光束以形成具有期望输出强度分布的输出场，并且其中所述表面起伏形状被定义为用于准直和光束整形的组合相位剖面的函数，所述组合相位剖面被包绕为2π弧度并且与所述输入发散光束的波长相乘。

9.如权利要求8所述的方法，其中，产生包括形成被设计成用于实现准直功能和光束整形功能两者的表面起伏图。

10.如权利要求8所述的方法，其中，产生包括形成被设计成用于实现准直功能和光束整形功能两者的梯度折射率材料。

11.如权利要求8所述的方法，

其中，所述独立设计包括各自在相位空间中独立设计所述准直功能和所述光束整形功能；

其中，组合包括在所述相位空间中对所述准直功能与所述光束整形功能进行求和；

其中，产生包括由在相位空间中将执行所述准直和光束整形功能两者的所述求和形成衍射性表面。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述衍射性表面包括梯度折射率材料。

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