CN1209640C - 多光学函数计算全息器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种多光学函数计算全息器件及其制作方法，其构成包括一块包含了所需M(M≥2)个光学函数的位相板和一块相对应的泰伯照明器，该泰伯照明器是一块位相周期排列的位相板，该泰伯照明器的压缩比m×m≥M，该多光学函数位相板与该泰伯照明器之间的距离为可实现周期照明的分数或整数泰伯距Z_t，其制作方法包括下列步骤：①根据需要，利用优化算法求出所需要的多光学函数的位相分布φ_M，其中M为所要实现的光学函数的数量；②由M找出合适的泰伯照明器，③根据泰伯照明器照明光的周期性对步骤①所得的位相φ_M重新编码，获得一个周期，然后将该周期在空间上扩展，使其与泰伯照明器具有相同的周期数量，得到最终的多函数位相板；④泰伯照明器和多函数位相板的加工。

Description

多光学函数计算全息器件及其制作方法

技术领域：

本发明是涉及计算全息，特别是一种多光学函数计算全息器件及其制作方法。

背景技术：

计算全息元件是基于衍射光学的微光学器件。与传统的光学元件不同，其设计过程需要借助一定的优化算法和计算机强大的计算能力。其加工过程与现代微电子加工技术相兼容。

计算全息元件在实际中有广泛的应用，例如可以在激光技术中实现波面整形，可以用作光分束器，也可以用于激光表演等。计算全息元件具有体积小、重量轻、衍射效率高、可以大规模低成本生产的优点。

一般情况下，计算全息元件只能实现单一光学函数功能。可变形衍射光学器件可以动态的改变像素点的透过率和位相值，从而可以得到多个光学函数。参见在先技术[1](R.Nelson et al.：Computer-generated electrically switchable holographiccomposites，in Diffractive and Holographic Optics Technology II，SPIE Proceedings，edited by I.Cindrich and S.H.Lee.Pp.132-143(1995))。但其成本较高而且空间带宽积小，实际应用受到较多的限制。

当用相干平面光波照明周期物体时会在其后的若干位置上再现周期物体的像，这种现象被称为泰伯效应，像与物体的距离称为泰伯距，可由下面公式表示。

$Z_t=N\frac{2d^2}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

其中N为整数，d为物体的周期，λ为照明光波波长。

具体可以参见在先技术[2](C.Zhou，S.Stankovic and T.Tschudi，“Analyticphase-factor equations for Talbot array illuminations，”Appl.Opt.38，284-289，(1999))。泰伯效应被广泛应用于阵列照明器。

发明内容：

本发明要解决的确技术问题在于提供一种可以实现多个光学函数的多光学函数计算全息器件及其制作方法。

本发明利用泰伯照明器所产生的周期照明与传统的计算全息元件相结合提出了一种多光学函数计算全息器件及其制作方法，其具体技术解决方案如下：

一种多光学函数计算全息器件，其特征在于其构成包括一块包含了所需M(M≥2)个光学函数的位相板和一块相对应的泰伯照明器，该泰伯照明器是一块位相周期排列的位相板，该泰伯照明器的压缩比m×m≥M，其中m为一维泰伯照明器的压缩比，该多光学函数位相板与该泰伯照明器之间的距离为可实现周期照明的分数或整数泰伯距Zt，

$Z_t=N\frac{2d^2}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

式中：N为整数

λ为照明光波长    d为泰伯照明器的周期

所述的多光学函数计算全息器件的制作方法，其特征在于它包括下列步骤：

①根据需要，利用优化算法求出所需要的多光学函数的位相分布_M，其中M为所要实现的光学函数的数量；

②由M找出合适的泰伯照明器：

泰伯照明器的压缩比为m×m≥M，其中m为自然数，是一维泰伯照明器的压缩比，m×m即为二维泰伯照明器的压缩比，而且m×m与M应最接近；

③根据泰伯照明器照明光的周期性对步骤①所得的位相_M重新编码，获得一个周期，然后将该周期在空间上扩展，使其与泰伯照明器具有相同的周期数量，得到最终的多函数位相板；

④泰伯照明器和多函数位相板的加工：

采用二元光学加工方法加工，位相板的加工深度L与位相θ的关系如下：

$\mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n-1)L---\left(2\right)$

式中：λ为照明光波长，n为介质在此照明光下的折射率。

所述的位相板的二元加工方法包括：制备分立值的位相板可采用湿化学法、反应粒子刻蚀法；制备连续分布的位相板可采用激光束直写法、灰度掩模板法。

由上述分析可以看出，本发明可以容易的实现多个光学函数。同时由于该系统内部单元都是位相型器件，因此具有效率高的优点。本发明的另一个优点是位相板的加工与现代成熟的微电子加工相兼容，这不但可以实现空间带宽积很大的光学函数，而且可以大规模的降低成本。本发明也可以用于集成光学系统中，可以实现对光波的多种控制。

附图说明：

图1：多光学函数计算全息器件结构简图。

图2：多个光学函数计算全息器件的使用装置示意图。

图4：光学函数位相分布_M的编码方法示意图。

图4：目标图像和再现图像。

其中a、b为100×100像素的目标图像，c、d为分别对应的实验结果的再现像，即不同的光学函数。

图5：本发明实施例1可实现两个光学函数的计算全息元件中的泰伯照明器位相分布图。

图6：两个光学函数的编码方法。

图7：本发明实施例2可实现7个光学函数的计算全息元件中的泰伯照明器位相分布图。

图8：7个光学函数的编码方法。

图9：(a)-(g)理论结果的再现图像。

具体实施方式：

先请参阅图1，图1是本发明多光学函数计算全息器件结构简图，左边是位相型的泰伯照明器1，所谓的泰伯照明器是一块位相周期排列的位相板；右边是多函数位相板2，所谓的多函数位相板是一块包含了多个光学函数的位相板，这些不同的光学函数分布在位相板的不同区域；其中泰伯照明器1与多函数位相板2是匹配设计的，它们之间的距离为可实现周期照明的分数或整数泰伯距Z_t。

本发明器件的使用方式如图2，自左向右依次为：单色平面激光光源21；可实现多个光学函数的计算全息器件22，焦距为f的透镜23；CCD探测器24。实现多光学函数的过程如下：用单色平面激光光源21照明可实现多个光学函数的计算全息器件22，则根据图1结构泰伯照明器会在其后面Z_t距离处产生具有一定压缩比的周期照明光，该照明光可以实现对多个光学函数位相板的周期照明。在平面内调节泰伯照明器位置，使照明光只照明其中的一个光学函数所对应的空间区域，衍射光经过透镜23后用CCD探测器24接收，可以得到该光学函数所对应的像。根据同样的方法可以得到多个光学函数。

本发明的设计步骤如下：

1.根据需要利用优化算法(例如模拟退火法、直接二元搜索法等)得出光学函数的位相分布_M，其中M为所要实现的光学函数的数量。

2.由M找出合适的泰伯照明器。

泰伯照明器可以实现压缩比为m×m(其中m为自然数)的周期照明，为了保证能够有足够的空间排布光学函数所对应的位相区域，需要使M尽量接近m×m，并且保证m×m≥M，剩余部分可以用其他光学函数补充或空置。实施例1中给出了M＝2的特殊情况下的解决方案。

3.根据泰伯照明器照明光的周期性对步骤1所得的位相_M重新编码。

图3给出了对_M的编码方法。其中阴影部分为一个周期。将该周期在空间上扩展，使其与泰伯照明器具有相同的周期数量，从而得到最终的多函数位相板。周期扩展一方面是为了与泰伯照明器的周期照明光相匹配，另一方面可以减小加工过程所带来的误差。

4.泰伯照明器和多函数位相板的加工：

一般情况是利用二元光学加工技术(例如可以采用湿化学法、反应粒子刻蚀法)制备分立值的位相板，所能实现的位相台阶为2^k，其中k为套刻模板数量。也可以采用激光束直写法、灰度掩模板法制备连续分布的位相。

其中位相板的加工深度与位相的关系如下：

$\mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n-1)L---\left(1\right)$

是式中：λ为光源的光波长，n为介质在此照明光下的折射率。可以通过不同的微加工深度控制位相。

实施例1：可实现两个光学函数的计算全息器件的制作：

1.根据优化算法得出初始位相分布₁，₂：

利用优化算法(例如模拟退火法、直接二元搜索等)对图4a、4b所示的100×100像素的图像进行优化，得到位相分布₁，₂。

2.找出合适的泰伯照明器：

本实施例中，M＝2，对应的泰伯照明器的压缩比为2。根据泰伯效应的理论知识可知：位相值为0和-π/2的位相板可以在1/8泰伯距处实现压缩比为2的棋盘状周期照明，如图5的阴影和白色部分所示。其位相分布如图5。

3.对₁，₂进行重新编码：对₁，₂进行重新编码，可以按照图6所示。

4.泰伯照明器和两函数位相板的制作：

照明平面光波波长为0.633μm，两块位相板均为折射率为1.52的石英玻璃。则所对应的刻蚀深度为0.304μm。两个光学函数所对应的位相分布与刻蚀深度的关系可以由公式2得到。设计像素为4μm×4μm，则泰伯照明器的周期为0.8mm×0.8mm，1/8泰伯距为25.2cm。根据这些参数搭建光学系统，其中泰伯照明器与两函数位相板之间的距离为25.2cm。在平面内移动两光学函数位相板或泰伯照明器，当照明光完全照明₁所对应的区域时CCD探测器可以得到它所对应的光学函数，其结果如图4c所示，同样当照明光完全照明₂所对应的区域时可以得到它所对应的光学函数，其结果如图4d所示，即实现了两个光学函数。

实施例2：可实现7个光学函数的计算全息器件的制作：

1、根据优化算法得出初始位相分布₁，…₇：利用优化算法(例如模拟退火法、直接二元搜索等)对字母图像A到G(100×100像素)进行优化，得到位相分布₁，…₇。

2.找出合适的泰伯照明器：本实施例中M＝7，对应的泰伯照明器的压缩比为7。该值最接近压缩比为3×3＝9的泰伯照明器，因此需要增加两个个冗余图像使得M＝9。根据在先技术[2]中的分数泰伯效应的理论知识可知，如图7所示的位相分布可以在1/6泰伯距离上实现压缩比为9的周期照明，照明光斑如图7的阴影和白色部分所示。

3.对₁…₇进行重新编码。对₁…₇进行重新编码可以按照图8所示的方法进行。

4、泰伯照明器和7函数位相板的制作：

根据实施例1的方法加工制作。对应的1/6泰伯距为33.6cm。根据这些参数搭建光学系统，其中泰伯照明器与两函数位相板之间的距离为33.6cm。结果如图9(a)-(g)所示。

Claims (3)

1、一种多光学函数计算全息器件，其特征在于其构成包括一块包含了所需M(M≥2)个光学函数的位相板(2)和一块相对应的泰伯照明器(1)，该泰伯照明器(1)是一块位相周期排列的位相板，该泰伯照明器(1)的压缩比m×m≥M，其中m为一维泰伯照明器的压缩比，该多光学函数位相板(2)与该泰伯照明器(1)之间的距离为可实现周期照明的分数或整数泰伯距Zt，

$Z_t=N\frac{{2d}^2}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

式中：N为整数

λ为照明光波长

d为泰伯照明器(1)的周期。

2、一种多光学函数计算全息器件的制作方法，其特征在于它包括下列步骤：

①根据需要，利用优化算法求出所需要的多光学函数的位相分布_M，其中M为所要实现的光学函数的数量；

②由M找出合适的泰伯照明器：

泰伯照明器的压缩比为m×m≥M，其中m为自然数，是一维泰伯照明器的压缩比，m×m即为二维泰伯照明器的压缩比，而且m×m与M应最接近；

③根据泰伯照明器照明光的周期性对步骤①所得的位相_M重新编码，获得一个周期，然后将该周期在空间上扩展，使其与泰伯照明器具有相同的周期数量，得到最终的多函数位相板；

④泰伯照明器和多函数位相板的加工：

采用二元光学加工方法加工，位相板的加工深度L与位相θ的关系如下：

$\mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n-1)L---\left(2\right)$

式中：λ为照明光波长，n为介质在此照明光下的折射率。

3、根据权利要求2所述的多光学函数计算全息器件的制作方法，其特征在于所述的位相板的二元加工方法包括：制备分立值的位相板可采用湿化学法、反应粒子刻蚀法；制备连续分布的位相板可采用激光束直写法、灰度掩模板法。

Images