衍射光学元件

衍射光学元件

折衍光学元件是基于光波的衍射理论设计的,它是指表面带有阶梯状衍射结构的光学元件。

200年前发明的衍射光栅是最早的衍射光学元件,在光学仪器中应用广泛。随后,近一个世纪开始了波带片的研究工作。1820年,菲涅尔提出菲涅尔透镜,并在1822年研制成功。1836年,泰伯发现了基于菲涅尔衍射中的泰伯效应。这是设计和制作光学阵列发生器或照明器的重要方法之一。

1971年,达曼提出并设计了光电技术、图像处理技术中使用的光学分束器——达曼光栅。20世纪80年代中期,美国MIT林肯实验室率先提出了“二元光学”的概念。二元光学元件如图17.26所示。它是基于广播的衍射理论,在传统光学元件表面刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构,形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。

1988年,Swanson VeUknmp等人利用衍射光学元件的色散特性校正单透镜的轴上色差和球差,研制出了多阶相位透镜。从此,开始进行衍射光学元件在光学成像领域的应用研究。


20世纪90年代,出现了一种既包括传统光学器件,如透镜、棱镜、反射镜等,也含有衍射光学器件的新型光学成像系统。它同时利用了光在传播中所具有的折射和衍射两种性质,通常被称为混合光学成像系统。它不仅可以增加光学设计自由度,而且能够在一定程度上突破传统光学系统的许多局限性,在改善系统像质、减小体积和降低成本等多方面都表现出了优势。

衍射光学元件的制作方法很多。在二元光学发展初期,按照所用掩膜版及加工表面浮雕结构的特点这要有三类方法。最初的标准的衍射元件制作方法,如图17.27所示,是由二元模板经多次图形转印、套刻形成台阶式浮雕表面的。其中包括多层掩模刻蚀、多层掩模镀膜、旋转掩模镀膜等。以上均要求衍射面基底为平面。

第二类是新兴的直写法,无须利用掩膜板,仅通过改变曝光强度直接在元件表面形成连续浮雕轮廓,主要包括激光束直写和电子束直写。直写法可以制作具有连续曲率的表面结构的光学元件。

第三类灰阶掩模图形转印法,所用掩膜板透射率分布是多层次的,经一次图形转印即形成连续或台阶表面结构。后来由于超精密金刚石切屑设备的发展,采用光学材料可以直接利用超精密加工技术制造高精度的衍射元件。此外,还可以利用先制作好的高精度模具压制出大批量的衍射光学元件。


近年来,精密电子产品对光学成像系统的轻量化、小型化以及像质提出了越来越高的要求,加之超精密制造技术的有力支持,更加快了用于衍射光学元件和混合成像系统的研究及实用化。

1 菲涅尔透镜

菲涅尔透镜,又称螺纹透镜。菲涅尔透镜一般是由一系列同心棱形槽构成的,每隔环节都相当于一个独立的折射面。菲涅尔透镜的棱形槽除了按照同心圆排列外,还可以按照平行直线排列。平行直线排列棱形槽的菲涅尔透镜可以用做线太阳能聚光器。

菲涅尔透镜的棱形槽一般为每毫米2~8个槽。随着现代模压塑料工艺的发展,可以模压出很细沟槽的阶梯透镜,沟槽的频率高达每毫米约20个槽,这超过人眼在明视距离的分辨率,完全有可能同分辨率接近衍射极限的透镜相媲美。

最简单的菲涅尔透镜是基面为平面的平面形透镜。他的结构简单,加工方便,还有基面为曲面的弯月形透镜。他的自由度更高,有利于消像差。菲涅尔透镜分为折射式和反射式两种。

菲涅尔透镜设计主要是确定每个环节的齿形,它的每个环节相当于厚透镜的一个环节。各环带所构成的透镜焦距不等,但能够保证焦点都位于同一点,即达到消球差的目的。其效果相当于一个厚透镜,但是又比厚透镜大大减小。

各环带齿形主要取决于各面的面形角a,只要找出各个工作面的法线倾角S即可,由图17.28可见a和s是相等的。图中给出了菲涅尔透镜的一个齿形截面,设透镜材料的折射率为n,外界折射率为n’,a称为工作侧面角,b称为干扰侧面角。

采用等光程条件推导,可以得到

由上式可求得a, a称为工作侧面角,有多少环带便可以计算出多少个s角,显然各环带的面形角是不相等的。

当干扰侧面角b<90度时,齿形的干扰侧面可不同程度地减小干扰作用,而且加工比较方便,便于大量生产。b>90度,齿形的干扰侧面一般不能减小干扰作用,而且不能模压,只能切削加工,不适用于大量生产。b=90度,齿高超过环带螺距时,其齿尖容易变形。光线通过变形后的工作侧面,形成干扰光线,对像质不利。为了避免这种情况,一般做成b<90度的齿形。

菲涅尔透镜的相对孔径越大,作为聚光镜的包角越大,光能利用越充分,但过分增大孔径或缩短焦距,会导致透镜边缘出射光线发生全反射现象,所以材料的全反射临界角的大小限制了菲涅尔透镜所能获得的最大偏角G.

2,达曼光栅

达曼光栅是一种具有特殊孔径函数的二值相位光栅,其对入射光波产生的夫琅和费衍射图样是一定点阵数目的等光强光斑,完全避免了一般振幅光栅因函数强度包络所引起的谱点光强的不均匀分布。

将达曼光栅置于傅里叶变换透镜前,如图17.30所示,经单位振幅的平面波照射,将在透镜的后焦面上得到间距相等的光点阵列分布。设光栅的相位是二值的,即零或T,光栅的周期规化为1,为了得到2M+1级等光强的光束分布必须对光栅的每一个周期进行空间坐标的调制,利用这种微细结构的周期重复即可得到一种特殊结构的相位光栅,经过优化设计使输出面上所要求的角谱范围内的光强均等。为简化设计过程,往往先设计其唯一结构,然后在正交方向展开,得到二维达曼光栅。

显然,光栅及其谱完全由光栅结构中那些突变点坐标所决定。结构的优化设计实质上是要寻找一组相位突变点坐标集。

光栅各衍射级功率谱与光栅实际周期T无关,只与光栅结构尺寸有关。因此,设计时通常将周期归一化。绘制掩模图形时,将光栅结构尺寸乘上T,即可得到光栅一个周期的实际相位分布。

与其他衍射结构的光学分束器相比,达曼光栅属于傅里叶变换型的分束器,具有光斑阵列光强均匀性,不受入射光波分布影响和可以产生任意排列的点阵等优点。目前,我国以已经成功设计并制作了64X64分束的方形达曼光栅以及圆环形达曼光栅。



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(图片来自网络)

发布于 2018-09-15