CN108594452A - 一种消除衍射光学元件中心亮点的方法 - Google Patents

一种消除衍射光学元件中心亮点的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种消除衍射光学元件中心亮点的方法。包括以下步骤：(1)设定输出图形平面的光场分布与衍射光学元件表面的光场分布，并建立关系式；(2)将输出平面光场分布做平移变换；(3)通过计算得到衍射光学元件表面的微结构形貌；(4)在光路上设置光阑对亮点进行遮挡。本发明提供了一种可以将中心亮点完全移到需要的图案之外，并利用光阑对中心亮点予以遮挡从而消除衍射光学元件中心亮点的方法。

Description

一种消除衍射光学元件中心亮点的方法
技术领域
本发明属于衍射光学技术领域，涉及一种消除光学亮点的方法，尤其涉及一种消除衍射光学元件中心亮点的方法。
背景技术
光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射。
17世纪之后，由于光的衍射现象被发现，物理学家逐渐发明出了多种用于光的衍射的光学元件，而衍射光学元件发展至今已经比较成熟。现有的衍射光学元件表面加工有微结构,当微结构的特征尺寸和入射激光的波长接近时,衍射光学元件会对入射激光产生明显的衍射效应.利用这种效应可以实现对入射激光的整形、分束，甚至可以将入射激光输出为需要的任意图像。
现有的衍射光学元件可以实现很多传统光学元件无法实现的效果，近年来得到了广泛的应用。但由于设计、加工精度和使用环境的限制，在衍射光学元件输出图像的中心位置会出现一个光强偏高的亮点，该问题对很多应用来说是无法接受的。
中心亮点产生的原因来自于设计、加工精度和使用环境三方面：
从设计角度来讲，标量衍射理论是目前衍射光学元件的主要设计方法，而标量衍射理论是一种近似算法，会带来设计上的误差；同时数值计算会带来计算上的误差。
从加工角度来讲，衍射光学器件要求的加工误差在纳米量级，实际的加工过程会不可避免的带来加工上的误差。
从应用角度来讲，由于激光光源的带宽、温度和湿度变化导致的元件折射率的变化及变形等因素，会导致在实际使用环境下衍射光学器件的使用条件偏离设计条件。
正是由于以上三个因素的共同影响而导致了衍射光学元件中心亮点问题的出现。
而为了降低中心亮点的影响，目前采取的方案主要有：
1、入射光源使用非准直光源，在成像面上中心亮点的面积会随着成像距离的加大而扩散，这样可以降低中心亮点的单位面积光强，从而降低了中心亮点的影响。这种方法适合远场成像的情况，但是会带来图像分辨率的下降，使用场合受到局限。
2、在衍射光学微结构设计过程中加大中心亮点评价函数的权重，突出对中心亮点的优化。但带来的问题是会导致衍射光学其它性能(如均匀性和效率)的下降。
3、使用多台阶衍射光学设计，理论上会有效的降低中心亮点的强度，提高衍射效率。但是会加大工艺难度，引入更多的加工误差，其实际效果受到制约。
4、在成像光路中加入额外的光学元件，比如折射棱镜将中心光束和需要的输出图像分离；或者加入菲涅尔透镜使中心亮点扩散，同时将需要的输出图像聚焦。这种方法可以有效地降低中心亮点的影响，但是同时使系统复杂性，对光路的调整精度提出了更高的要求。
因此，消除衍射光学元件中心亮点成为了衍射光学学科急需解决的问题。
发明内容
为了解决背景技术中所提到的衍射光学元件输出图像的中心位置会出现一个光强偏高的亮点的问题，本发明提出了一种消除衍射光学元件中心亮点的方法，通过本发明所提出的方法可以将中心亮点完全移到需要的图案之外，并利用光阑对中心亮点予以遮挡，彻底消除了中心亮点的问题。
本发明的技术解决方案是：一种消除衍射光学元件中心亮点的方法，其特殊之处在于：上述方法包括以下步骤：
(1)首先，设输出图形平面的光场分布为u(ξ，ζ)；衍射光学元件表面的光场分布为g(x，y)；输出图形平面光场和输入平面光场之间的关系式为：
其中，k＝1/λ,λ代表波长；
g表示衍射光学元件表面的光场分布；
x表示衍射光学元件表面的横坐标；
y表示衍射光学元件表面的竖坐标；
ξ，ζ表示输出平面光场坐标；
zd表示衍射光学元件和成像平面之间的距离；
(2)将输出平面光场分布g做平移变换，使输出图形在输出平面上有一个(d1,d2)的平移，具体如下：
ξ1＝ξ+d1
将上述平移后的参数代入关系式，得到变换后的输出图形平面光场和输入平面光场之间的关系式：
其中，i代表复数；
设输出图形两个边的宽度分别为D1和D2,选取d1和d2的值,使d1>D1/2或d2>D2/2,则需要的图形会移出到中心亮点之外；
(3)解上述经过平移变换后的方程，得到衍射光学元件表面微结构的几何形貌；需要进一步说明的是，上述方程的解法需要依靠计算机编程来进行计算,比如GS算法、杨-顾算法等；
(4)最后，在输出平面和输入平面之间的光学路径上设置光阑对零级光进行遮挡。
上述步骤(4)中光阑为不透明固体屏。
上述设输出图形的两个边的宽度分别为D1和D2；所述步骤(3)中输出平面平移量d1和d2的值的选取要满足d1>D1/2或d2>D2/2。
上述输出图形平面光场和输入平面光场之间的关系式还可以为：
设输出图形平面的光场分布为u(ξ，ζ)；
衍射光学元件表面的光场分布为g(x，y),衍射积分公式为:
其中，k＝1/λ,λ代表波长；
g表示衍射光学元件表面的光场分布；
x表示衍射光学元件表面的横坐标；
y表示衍射光学元件表面的竖坐标；
ξ，ζ表示输出平面光场坐标；
zd表示衍射光学元件和成像平面之间的距离；
一种基于消除衍射光学元件中心亮点的的方法的系统，其特殊之处在于：包括用于发射光束的准直光照射光源、以及在光束路径上依次设置的衍射光学元件、光阑和透镜组；上述衍射光学元件的中心截面为透镜组的主截面。
上述衍射光学元件为夫琅禾费衍射光学元件。
本发明的优点是：本发明所提供的方法，通过将中心亮点移出需要使用的区域，同时在必要情况下对中心亮点进行物理遮挡，这种方法成本低，并且同时适用于各种使用要求,可以在现有的设计和加工、使用条件下，彻底的解决衍射光学元件的零级中心亮点问题，为衍射光学元件使用范围的扩展提供了条件。
附图说明
图1为本发明现有衍射光学元件原理示意图；
图2为本发明将输出平面光场分布平移后衍射光学元件原理示意图；
图3为本发明输出平面和输入平面之间设置光阑后衍射光学元件原理示意图；
其中，1-输出平面，2-输入平面，3-光阑，4-亮点。
具体实施方式
为了使本发明技术方案更加清楚明白，以下结合附图1-3及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以便本领域的技术人员能够更好的理解并实施，并不用于限定本发明。
参见图1-3，一种消除衍射光学元件中心亮点4的方法，上述方法包括以下步骤：
(1)首先，设输出图形平面的光场分布为u(ξ，ζ)；衍射光学元件表面的光场分布为g(x，y)；输出图形平面光场和输入平面2光场之间的关系式为：
其中，k＝1/λ,λ代表波长；
g表示衍射光学元件表面的光场分布；
x表示衍射光学元件表面的横坐标；
y表示衍射光学元件表面的竖坐标；
ξ，ζ表示输出平面1光场坐标；
zd表示衍射光学元件和成像平面之间的距离；
(2)将输出平面1光场分布g做平移变换，使输出图形在输出平面1上有一个(d1,d2)的平移，具体如下：
ξ1＝ξ+d1
将上述平移后的参数代入关系式，得到变换后的输出图形平面光场和输入平面2光场之间的关系式：
其中，i代表复数；
设输出图形两个边的宽度分别为D1和D2,选取d1和d2的值,使d1>D1/2或d2>D2/2,则需要的图形会移出到中心亮点4之外；
(3)解上述经过平移变换后的方程，得到衍射光学元件表面微结构的几何形貌；
(4)最后，在输出平面和输入平面2之间的光学路径上设置光阑3对零级光进行遮挡。
上述步骤(4)中光阑3为不透明固体屏。
上述设输出图形的两个边的宽度分别为D1和D2；所述步骤(3)中输出平面平移量d1和d2的值的选取要满足d1>D1/2或d2>D2/2。
上述输出图形平面光场和输入平面2光场之间的关系式还可以为：
设输出图形平面的光场分布为u(ξ，ζ)；
衍射光学元件表面的光场分布为g(x，y),衍射积分公式为:
其中，k＝1/λ,λ代表波长；
g表示衍射光学元件表面的光场分布；
x表示衍射光学元件表面的横坐标；
y表示衍射光学元件表面的竖坐标；
ξ，ζ表示输出平面光场坐标；
zd表示衍射光学元件和成像平面之间的距离；
一种基于消除衍射光学元件中心亮点4的的方法的系统，包括用于发射光束的准直光照射光源、以及在光束路径上依次设置的衍射光学元件、光阑3和透镜组；衍射光学元件的中心截面为透镜组的主截面。衍射光学元件为夫琅禾费衍射光学元件。
实施例1
衍射光学元件的设计原理如图1所示
使用夫琅和费衍射理论设计衍射光学元件。设输出图形平面的光场分布为u(ξ，ζ)；衍射光学元件表面的光场分布为g(x，y):
则输出图形平面光场和输入平面2光场之间的关系为：
输出光场的强度分布是已知的，将输出平面光场分布做平移变换：
ξ1＝ξ+d1
解上述方程，即可获得衍射光学元件表面的光场分布，进而求得衍射光学元件表面的微结构形貌。
通过上述的平移变换处理,则输出图形会在输出平面上有一个(d1,d2)的平移，而零级中心亮点4的位置不会发生变化，仍为入射激光束和输出平面的交点位置。
设输出图形的两个边的宽度分别为D1,D2,,当d1>D1/2或d2>D2/2时,则中心亮点4就会移出到需要的图形之外，如图2所示。
由于中心亮点4一直保持在入射光线传输方向上，可以在输出平面和输入平面2之间放置光阑3对零级光进行遮挡。如图3所示。
实施例2
所述输出图形平面光场和输入平面2光场之间的关系式还可以为：
设输出图形平面的光场分布为u(ξ，ζ)；
衍射光学元件表面的光场分布为g(x，y),衍射积分公式为:
其中，k＝1/λ,λ代表波长；
g表示衍射光学元件表面的光场分布；
x表示衍射光学元件表面的横坐标；
y表示衍射光学元件表面的竖坐标；
ξ，ζ表示输出平面光场坐标；
zd表示衍射光学元件和成像平面之间的距离；
将输出平面光场分布做平移变换，使输出图形在输出平面上有一个(d1,d2)的平移，变换后的输出图形平面光场和输入平面2光场之间的关系式为变为：
设输出图形两个边的宽度分别为D1和D2,选取d1和d2的值,使d1>D1/2或d2>D2/2,则需要的图形会移出到中心亮点4之外。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种消除衍射光学元件中心亮点的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)首先，设输出图形平面的光场分布为u(ξ，ζ)；衍射光学元件表面的光场分布为g(x，y)；输出图形平面光场和输入平面光场之间的关系式为：
其中，k＝1/λ,λ代表波长；
g表示衍射光学元件表面的光场分布；
x表示衍射光学元件表面的横坐标；
y表示衍射光学元件表面的竖坐标；
ξ，ζ表示输出平面光场坐标；
zd表示衍射光学元件和成像平面之间的距离；
(2)将输出平面光场分布g做平移变换，使输出图形在输出平面上有一个(d1,d2)的平移，具体如下：
ξ1＝ξ+d1
将上述平移后的参数代入关系式，得到变换后的输出图形平面光场和输入平面光场之间的关系式：
其中，i代表复数；
设输出图形两个边的宽度分别为D1和D2,选取d1和d2的值,使d1>D1/2或d2>D2/2,则需要的图形会移出到中心亮点之外；
(3)解上述经过平移变换后的方程，得到衍射光学元件表面微结构的几何形貌；
(4)最后，在输出平面和输入平面之间的光学路径上设置光阑对零级光进行遮挡。
2.根据权利要求1所述的一种消除衍射光学元件中心亮点的方法，其特征在于：所述步骤(4)中光阑为不透明固体屏。
3.根据权利要求1或2所述的一种消除衍射光学元件中心亮点的方法，其特征在于：设输出图形的两个边的宽度分别为D1和D2；所述步骤(3)中输出平面平移量d1和d2的值的选取要满足d1>D1/2或d2>D2/2。
4.根据权利要求1所述的一种消除衍射光学元件中心亮点的方法，其特征在于：所述输出图形平面光场和输入平面光场之间的关系式还可以为：
设输出图形平面的光场分布为u(ξ，ζ)；
衍射光学元件表面的光场分布为g(x，y),衍射积分公式为:
其中，k＝1/λ,λ代表波长；
g表示衍射光学元件表面的光场分布；
x表示衍射光学元件表面的横坐标；
y表示衍射光学元件表面的竖坐标；
ξ，ζ表示输出平面光场坐标；
zd表示衍射光学元件和成像平面之间的距离。
5.一种基于消除衍射光学元件中心亮点的的方法的系统，其特征在于：包括用于发射光束的准直光照射光源、以及在光束路径上依次设置的衍射光学元件、光阑和透镜组；所述衍射光学元件的中心截面为透镜组的主截面。
6.根据权利要求5所述的一种消除衍射光学元件中心亮点的方法，其特征在于：所述衍射光学元件为夫琅禾费衍射光学元件。
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