CN111679427A - 光学成像元件设计方法、制作方法及其光学成像元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学成像元件设计方法，包括设定输入平面光束的光强和位相均为均匀分布；设定输出平面上聚焦光斑的参数；设定目标衍射光学元件与输出平面之间的距离；设定光波从目标衍射光学元件传输到输出平面的传输方式；采用光束整形方法计算得到目标衍射光学元件的位相分布。本发明还公开了包括所述光学成像元件设计方法的制作方法，以及采用所述光学成像元件设计方法设计并采用所述制作方法制作得到的光学成像元件。本发明可以灵活设置成像分辨率、成像偏离光轴的位置以及一物同时成多像等，方法方便灵活，而且成像效果更好，成像方式更为灵活，而且通用性好、可靠性高且实用性好。

Description

光学成像元件设计方法、制作方法及其光学成像元件
技术领域
本发明属于光学领域，具体涉及一种光学成像元件设计方法、制作方法及其光学成像元件。
背景技术
光学成像技术已经广泛应用于人们的生产和生活当中，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。
光学成像中用到的核心器件就是凸透镜，其工作原理是利用光束的会聚作用，实现物体在像平面成放大或缩小的像。凸透镜可看作是一个纯位相元件，其位相表达式为exp[-i·π·(x2+y2)/(2f)]，其中i为复数单位，x,y为坐标，f为透镜焦距。从式中可以看出，当透镜的焦距确定后，其结构也就确定了。另一方面，透镜成像的分辨率与透镜的聚焦光斑大小或衍射极限直接相关。衍射极限可由瑞利判据确定，即透镜可分辨的物体大小为1.22λf/D，其中，λ为入射光的波长，f为透镜焦距，D为透镜口径。当透镜的焦距和口径确定后，其分辨率也就确定了。此外，凸透镜一般为中心厚，边缘薄，体积相对庞大，不利于与其它器件集成，而且透镜的面型需严格控制，这对高精度透镜的制作提出了很高的要求。虽然凸透镜可以利用平面型位相元件来替代，但其成像分辨率仍由其焦距和口径所决定，无法灵活控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通用性好、可靠性高且实用性好的光学成像元件设计方法。
本发明的目的之二在于提供一种包括所述光学成像元件设计方法的制作方法。
本发明的目的之三在于提供一种光学成像元件，该光学成像元件用所述的光学成像元件设计方法进行设计，并采用所述的制作方法进行制作。
本发明提供的这种光学成像元件设计方法，包括如下步骤：
S1.设定输入平面光束的光强和位相均为均匀分布；
S2.设定输出平面上聚焦光斑的参数；
S3.设定目标衍射光学元件与输出平面之间的距离；
S4.设定光波从目标衍射光学元件传输到输出平面的传输方式；
S5.采用光束整形方法，计算得到目标衍射光学元件的位相分布，从而得到最终的光学成像元件的设计结果。
步骤S2所述的输出平面，具体为聚焦平面或焦斑平面。
步骤S2所述的聚焦光斑的参数，具体包括聚焦光斑的形状、大小、位置和个数，其中，聚焦光斑的形状，大小，位置，个数等分别影响衍射光学元件对物体成像的形状、分辨率、像偏离中心的位置、以及物体对应像的个数等。
步骤S3所述的设定目标衍射光学元件与输出平面之间的距离，具体为将所设定的距离作为目标衍射光学元件焦距。
步骤S4所述的设定光波从目标衍射光学元件传输到输出平面的传输方式，具体为采用如下规则设定传输方式：
若目标衍射光学元件满足近场衍射条件，则采用菲涅尔衍射模拟光束传输；
若目标衍射光学元件满足远场衍射条件，则采用傅里叶变换模拟光束传输；
若目标衍射光学元件的像素小于光波长，则采用矢量衍射模拟光束传输。
步骤S5所述的光束整形方法，具体为Gerchberg-Saxton算法(G-S算法)或复振幅整形算法。
采用Gerchberg-Saxton算法时，具体为采用如下步骤计算得到目标衍射光学元件的位相分布：
A.获取步骤S1～步骤S4设定的参数；
B.当输入的平面光波第一次经过衍射光学元件时，设定目标衍射光学元件的初始位相分布为随机分布，并将对应的随机位相加载到输入光波上；
C.光波经自由空间传输后，传输了设定的距离到达输出平面；
D.在输出平面，取输出光波的位相和输出平面的目标光强分布作为输入光波，再反向传输到目标衍射光学元件平面；
E.取目标衍射光学元件平面上的光波的位相和设定的平面光波的光强作为输入，再一次传输到输出平面；
F.重复步骤D～步骤E直至设定的次数，最终以得到的目标衍射光学元件平面上的光波的位相分布作为最终所设计的目标衍射光学元件的位相。
本发明还提供了一种包括了上述光学成像元件设计方法的制作方法，具体还包括如下步骤：
S6.根据步骤S5得到的目标衍射光学元件的位相分布，制作出对应的目标衍射光学元件。
步骤S6所述的制作出对应的目标衍射光学元件，具体为采用微制作方法制作出对应的目标衍射光学元件。
本发明还提供了一种光学成像元件，由上述光学成像元件设计方法进行设计，并由上述制作方法制作得到。
本发明提供的这种光学成像元件设计方法、制作方法及其光学成像元件，可以灵活设置成像分辨率、成像偏离光轴的位置以及一物同时成多像等，方法方便灵活，而且成像效果更好，成像方式更为灵活，而且通用性好、可靠性高且实用性好。
附图说明
图1为本发明方法的设计方法的方法流程示意图。
图2为本发明方法的制作方法的方法流程示意图。
图3为本发明方法的实施例的衍射光学元件的位相分布示意图及其对应的输出平面的光强分布示意图。
图4为本发明方法的实施例的目标衍射光学元件的成像光路示意图。
图5为本发明方法的实施例的物体的光强分布示意图及其对应的成像示意图。
图6为本发明方法的实施例所得到的目标衍射光学元件的位相分布示意图及其对应的成像示意图。
图7为本发明方法的实施例在成多个像时的拟产生的聚焦光斑光强分布示意图、根据聚焦光斑所设计的目标衍射光学元件的位相分布示意图及其对应的成像示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的设计方法的方法流程示意图：本发明提供的这种光学成像元件设计方法，包括如下步骤：
S1.设定输入平面光束的光强和位相均为均匀分布；
S2.设定输出平面上聚焦光斑的参数；
其中，输出平面为聚焦平面或焦斑平面；聚焦光斑的参数具体包括聚焦光斑的形状、大小、位置和个数等，而且聚焦光斑的参数具体影响目标衍射光学元件成像的形状、分辨率、像偏离中心的距离以及像的个数等；
S3.设定目标衍射光学元件与输出平面之间的距离；该设定的距离为目标衍射光学元件焦距；
S4.设定光波从目标衍射光学元件传输到输出平面的传输方式；具体为采用如下规则设定传输方式：
若目标衍射光学元件满足近场衍射条件，则采用菲涅尔衍射模拟光束传输；
若目标衍射光学元件满足远场衍射条件，则采用傅里叶变换模拟光束传输；
若目标衍射光学元件的像素小于光波长，则采用矢量衍射模拟光束传输；
S5.采用光束整形方法，计算得到目标衍射光学元件的位相分布，从而得到最终的光学成像元件的设计结果；在具体实施时，采用Gerchberg-Saxton算法(G-S算法)或复振幅整形算法。
其中，采用Gerchberg-Saxton算法时，具体为采用如下步骤计算得到目标衍射光学元件的位相分布：
A.获取步骤S1～步骤S4设定的参数；
B.当输入的平面光波第一次经过衍射光学元件时，设定目标衍射光学元件的初始位相分布为随机分布，并将对应的随机位相加载到输入光波上；
C.光波经自由空间传输后，传输了设定的距离到达输出平面；
D.在输出平面，取输出光波的位相和输出平面的目标光强分布作为输入光波，再反向传输到目标衍射光学元件平面；
E.取目标衍射光学元件平面上的光波的位相和设定的平面光波的光强作为输入，再一次传输到输出平面；
F.重复步骤D～步骤E直至设定的次数(比如20次以上)，最终以得到的目标衍射光学元件平面上的光波的位相分布作为最终所设计的目标衍射光学元件的位相。
如图2所示为本发明方法的制作方法的方法流程示意图：本发明提供的这种包括了上述光学成像元件设计方法的制作方法，包括如下步骤：
S1.设定输入平面光束的光强和位相均为均匀分布；
S2.设定输出平面上聚焦光斑的参数；
其中，输出平面为聚焦平面或焦斑平面；聚焦光斑的参数具体包括聚焦光斑的形状、大小、位置和个数等，而且聚焦光斑的参数具体影响目标衍射光学元件成像的形状、分辨率、像偏离中心的距离以及像的个数等；
S3.设定目标衍射光学元件与输出平面之间的距离；该设定的距离为目标衍射光学元件焦距；
S4.设定光波从目标衍射光学元件传输到输出平面的传输方式；具体为采用如下规则设定传输方式：
若目标衍射光学元件满足近场衍射条件，则采用菲涅尔衍射模拟光束传输；
若目标衍射光学元件满足远场衍射条件，则采用傅里叶变换模拟光束传输；
若目标衍射光学元件的像素小于光波长，则采用矢量衍射模拟光束传输；
S5.采用光束整形方法，计算得到目标衍射光学元件的位相分布，从而得到最终的光学成像元件的设计结果；在具体实施时，采用Gerchberg-Saxton算法(G-S算法)或复振幅整形算法；
其中，采用Gerchberg-Saxton算法时，具体为采用如下步骤计算得到目标衍射光学元件的位相分布：
A.获取步骤S1～步骤S4设定的参数；
B.当输入的平面光波第一次经过衍射光学元件时，设定目标衍射光学元件的初始位相分布为随机分布，并将对应的随机位相加载到输入光波上；
C.光波经自由空间传输后，传输了设定的距离到达输出平面；
D.在输出平面，取输出光波的位相和输出平面的目标光强分布作为输入光波，再反向传输到目标衍射光学元件平面；
E.取目标衍射光学元件平面上的光波的位相和设定的平面光波的光强作为输入，再一次传输到输出平面；
F.重复步骤D～步骤E直至设定的次数(比如20次以上)，最终以得到的目标衍射光学元件平面上的光波的位相分布作为最终所设计的目标衍射光学元件的位相；
S6.根据步骤S5得到的目标衍射光学元件的位相分布，制作出对应的目标衍射光学元件；具体为采用微制作方法制作出对应的目标衍射光学元件。
以下举例说明本发明方法的具体过程：
设衍射光学元件(同时为输入平面窗口)和输出平面(即聚焦平面)窗口大小均为512×512像素，像素面积为8um×8um。衍射光学元件与输出平面的距离为100mm。焦斑设为直径4个像素的圆形光斑。光束整形算法中的光束传输方式为菲涅尔衍射，得到的衍射光学元件的位相分布如图3(a)所示(其中，灰度值0-256分别对应位相值0～2π)。当准直的平面光波入射到该衍射光学元件时，其输出平面的光强分布如图3(b)所示(其中，中心的亮点即为聚焦光斑)。由图3(b)可见，该衍射光学元件具有光束会聚作用，其焦距即为衍射光学元件与输出平面的距离。
利用此衍射光学元件作为成像元件，其成像光路如图4所示，其中S1代表物距，S2代表像距，DOE为衍射光学元件。类似于几何光学透镜成像，衍射光学元件的物像距之间仍满足如下关系：
Figure BDA0002548140530000081
设物体的光强分布如图5(a)所示，放置在离衍射光学元件25厘米的位置。当以平面光波照射物体时，物体的光经过菲涅尔衍射传输S1路程，到达衍射光学元件，经过其位相调制后继续经菲涅尔衍射传输S2路程，然后在成像平面成清晰的像。模拟发现，所成像的大小以及成像距离均与凸透镜的成像规律相同。在本例中，物距为25厘米，模拟发现在衍射光学元件的后方16.7厘米处呈清晰的像，如图5(b)所示(图5(b)为具有直径为4个像素的聚焦光斑的衍射光学元件所成的像)。
为了提高成像分辨率，可以减小衍射光学元件对平面光波聚焦的光斑大小。基于此，仅改变衍射光学元件对平面光波聚焦光斑的大小，将聚焦光斑的直径由4个像素减小为1个像素，其它模拟条件均保持不变。根据G-S算法获得的衍射光学元件的位相分布如图6(a)所示。当同样的物体放在在衍射光学元件前方25厘米处时，在衍射光学元件后方16.7厘米处得到的像如图6(b)所示。从图6(b)可看出，由于聚焦光斑变小，则衍射光学元件所成像的清晰度大大提高。若进一步减小像素和聚焦光斑，衍射光学元件可能实现超衍射极限成像。可见，在相同器件尺寸和焦距下，衍射光学元件的成像分辨率可灵活设定，而几何光学透镜则无法改变。
如果将聚焦光斑的位置设计为偏离聚焦平面窗口的中心，则衍射光学元件所成的像也会发生相应偏离；而如果一个衍射光学元件同时有多个聚焦光斑，则一个物体经该衍射光学元件后可成多个像，且像的个数与聚焦光斑的个数相同。图7(a)为拟产生的聚焦光斑光强分布图，为了方便观看，仅显示中心256×256像素的区域。图7(a)中有两个光斑，分别在竖直和水平方向偏离中心64个像素，两个光斑均为正方形，边长为2个像素。图7(b)为根据聚焦光斑所设计的衍射光学元件，图7(c)为物体在距离衍射光学元件16.7厘米的平面所成的像，从图中可看出在水平和竖直方向的偏离位置各有一个较清晰的像。
另外，聚焦光斑的形状可以任意设计，并不局限于圆形，可以设为矩形，三角形等，用于对成像实现更加灵活的控制；为了获得更好的成像效果如提高分辨率，可以考虑对聚焦光斑的振幅，位相，甚至偏振进行同时控制，并利用复振幅整形方法，设计出相应的衍射光学元件。需要指出的是，衍射光学元件对光波长较为敏感，若需对白光成像，可以设计多波长兼容的衍射光学元件。在实际制作中，衍射光学元件的位相可以量化，如量化为2个台阶，4个台阶，8个台阶等，若制作的位相台阶数越高，则衍射光学元件的成像效果越接近模拟值。

Claims (10)

1.一种光学成像元件设计方法，包括如下步骤：
S1.设定输入平面光束的光强和位相均为均匀分布；
S2.设定输出平面上聚焦光斑的参数；
S3.设定目标衍射光学元件与输出平面之间的距离；
S4.设定光波从目标衍射光学元件传输到输出平面的传输方式；
S5.采用光束整形方法，计算得到目标衍射光学元件的位相分布，从而得到最终的光学成像元件的设计结果。
2.根据权利要求1所述的光学成像元件设计方法，其特征在于步骤S2所述的输出平面，具体为聚焦平面或焦斑平面。
3.根据权利要求1所述的光学成像元件设计方法，其特征在于步骤S2所述的聚焦光斑的参数，具体包括聚焦光斑的形状、大小、位置和个数。
4.根据权利要求1所述的光学成像元件设计方法，其特征在于步骤S3所述的设定目标衍射光学元件与输出平面之间的距离，具体为将所设定的距离作为目标衍射光学元件焦距。
5.根据权利要求1所述的光学成像元件设计方法，其特征在于步骤S4所述的设定光波从目标衍射光学元件传输到输出平面的传输方式，具体为采用如下规则设定传输方式：
若目标衍射光学元件满足近场衍射条件，则采用菲涅尔衍射模拟光束传输；
若目标衍射光学元件满足远场衍射条件，则采用傅里叶变换模拟光束传输；
若目标衍射光学元件的像素小于光波长，则采用矢量衍射模拟光束传输。
6.根据权利要求1所述的光学成像元件设计方法，其特征在于步骤S5所述的光束整形方法，具体为Gerchberg-Saxton算法或复振幅整形算法。
7.根据权利要求6所述的光学成像元件设计方法，其特征在于采用Gerchberg-Saxton算法时，具体为采用如下步骤计算得到目标衍射光学元件的位相分布：
A.获取步骤S1～步骤S4设定的参数；
B.当输入的平面光波第一次经过衍射光学元件时，设定目标衍射光学元件的初始位相分布为随机分布，并将对应的随机位相加载到输入光波上；
C.光波经自由空间传输后，传输了设定的距离到达输出平面；
D.在输出平面，取输出光波的位相和输出平面的目标光强分布作为输入光波，再反向传输到目标衍射光学元件平面；
E.取目标衍射光学元件平面上的光波的位相和设定的平面光波的光强作为输入，再一次传输到输出平面；
F.重复步骤D～步骤E直至设定的次数，最终以得到的目标衍射光学元件平面上的光波的位相分布作为最终所设计的目标衍射光学元件的位相。
8.一种包括了权利要求1～7之一所述的光学成像元件设计方法的制作方法，其特征在于还包括如下步骤：
S6.根据步骤S5得到的目标衍射光学元件的位相分布，制作出对应的目标衍射光学元件。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于步骤S6所述的制作出对应的目标衍射光学元件，具体为采用微制作方法制作出对应的目标衍射光学元件。
10.一种光学成像元件，其特征在于由权利要求1～7之一所述的光学成像元件设计方法进行设计，并由权利要求8或9所述的制作方法制作得到。
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