專利名稱：一種制做多功能集成二元衍射相位元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)相位元件的制做方法，特別是涉及制做多功能集成二元衍射相位元件的方法領(lǐng)域。
二元衍射光學(xué)元件是以光的衍射理論為依據(jù)，采用光學(xué)波面設(shè)計(jì)和微電子工藝加工技術(shù)綜合研制而成，是九十年代新型的光學(xué)技術(shù)。它促成光學(xué)這一古老學(xué)科由折射光學(xué)邁向衍射光學(xué)，光學(xué)元件由宏觀，散件向微型、高集成度發(fā)展。二元衍射光學(xué)元件主要分為位相型和振幅型兩種，由于光學(xué)成像系統(tǒng)力求低衍射損耗以便盡可能利用光強(qiáng)，因此衍射位相型光學(xué)元件更具有實(shí)用上的價(jià)值。
如參考文獻(xiàn)MasasuKatoandKyoheiSakuda，“Compnter-generatedhologramsapplicationTolutensityVariableandwavelengthdemultiplexingholograms”Appl.Opt.vol31630-635(1992)(2)Michael.Bernhardt，F(xiàn)rankWyrowskiandOlofByngdahl，“Iterativetechniquetointegratedifferentopticalfunctionsinadiffractivephaseelement”Appl.opt.Vol304629-4635(1991)(3)FrankWyrouski，“DiffractiveOpticalelementsiterativecalculation，ofvuantized，blazedphasestructure”J.Opt.SoC.Am.Avol7961-908(1990)
(4)J.w.GoodmanandA.M.Siluektri，“SomeeffectofFourier-domainphasequantization”IBM.J，RES.DEV，vol14，478-484(1970)所介紹的現(xiàn)有的二元衍射位相元件(DPE)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)主要依靠七十年代引入數(shù)字化全息術(shù)的傳統(tǒng)傅利葉變換及相關(guān)迭代算法，即通過物域與頻域之間的變換關(guān)系，從物理上考慮附加以物域和頻域空間的限制條件，從而實(shí)現(xiàn)有關(guān)的迭代算法。設(shè)計(jì)中涉及編碼和相關(guān)量取值量化技術(shù)，編碼是將輸入信號加工使其在頻域空間中振幅信息近似地大部分轉(zhuǎn)化成位相信息，量化多采用直接均勻量化，即限制位相只能取[-π，π]內(nèi)均勻分等級的分立值。
以此種算法為基礎(chǔ)的衍射位相型元件設(shè)計(jì)多局限于傅利葉光學(xué)變換空間，傅利葉變換型的光學(xué)元件組合，限制了實(shí)際應(yīng)用中光學(xué)元件設(shè)計(jì)范疇。由于涉及到物域和頻域空間的變換及復(fù)雜編碼過程，從而引進(jìn)了編碼和量化誤差，雖然可通過調(diào)節(jié)信號位置偏離光軸使噪音與信號分離，但在光軸附近，噪音與信號難于分離開，使得采用簡單的相位直接量化手續(xù)會帶來較大的誤差，從而要求更復(fù)雜的量化技術(shù)。
上述現(xiàn)有技術(shù)中的二元衍射相位元件制做方法主要制做的是只適用于傅利葉線性變換光學(xué)系統(tǒng)的衍射相位元件，而不能應(yīng)用到任意的線性變換光學(xué)系統(tǒng)中，因此，有很大的局限性。另外，已有的制做相位元件的原理和技術(shù)主要采用的傅利葉變換及迭代算法而進(jìn)行傅利葉型光學(xué)元件組合，因此所能夠制做的相位元件種類不多，光學(xué)元件集成能力很低。其次傅利葉型光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件的制作將涉及到頻域及物域之間的復(fù)雜編碼變換及量化過程和編碼過程引進(jìn)的噪聲誤差使得在光軸附近難于實(shí)現(xiàn)信號與噪聲有效的分離開。
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，為了把以往僅限于傅利葉光學(xué)變換系統(tǒng)及相關(guān)迭代算法的衍射位相元件制做方法推廣到任意的線性變換系統(tǒng)中，拓寬了不同光學(xué)元件功能的組合能力和相關(guān)光學(xué)系統(tǒng)類型，改變傳統(tǒng)的傅利葉型透鏡，棱鏡功能集成的框架，從而提供一種適用于處理任意線性變換光學(xué)系統(tǒng)中振幅一-相位恢復(fù)的理論和有效的迭代算法，并編制通用程序和利用全息和光刻、微電子技術(shù)，來進(jìn)行制做多功能集成二元衍射相位元件。
本發(fā)明利用楊一顧提出的光學(xué)普遍變換及振幅一位相恢復(fù)一般理論及相關(guān)的迭代算法，應(yīng)用到多波長混合光照明下的線性光學(xué)系統(tǒng)中，從理論上嚴(yán)格地推導(dǎo)出一組相位及振幅分布所滿足的方程組和求解這些方程的有效迭代算法，同時(shí)編出制做衍射相位元件的計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序，再進(jìn)行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)。然后用全息及光刻技術(shù)制做出相應(yīng)的二元衍射相位元件。
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖、表對本發(fā)明進(jìn)行具體說明

圖1是雙波長混合光均勻照明系統(tǒng)中通過二元衍射光學(xué)元件調(diào)制最終實(shí)現(xiàn)在同一焦平面上不同波長的光在空間上完全分離的示意圖。
表1是多波長混合光均勻照明系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在同一焦面空間分離聚焦功能的衍射位相元件制做中相位元件的相位分布和相關(guān)制作設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(位置空間抽樣點(diǎn)為8和8種波長的混合光照明)。
表1中φi代表迭代算法中輸入平面上選取的初始的相位分布，φ1是所需要制作的相位元件的相位分布，ρ2是輸出面上的預(yù)先設(shè)定的不同波長光的振幅分布實(shí)現(xiàn)空間分離聚集用以實(shí)際制作，計(jì)算得到ρ2振幅公布列于表最后一列上，以供對比。由表中可見，計(jì)算得到的ρ分布情況完全達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，在輸出面上實(shí)現(xiàn)了8種不同的波長光聚焦到8個(gè)不同的空間點(diǎn)上。諸波長的光分離聚焦到同一焦平面上的順序可任意設(shè)置，可以不同于自然序。
本發(fā)明方法的具體步驟如下1、首先在楊國楨、顧本源提出的光學(xué)普遍的相位一振幅重構(gòu)理論基礎(chǔ)上針對多波長非相干光照明的線性光學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)行具體理論推導(dǎo)，得到確定振幅和相位分布的聯(lián)立方程組和求解它們的迭代算法。
線性變換系統(tǒng)的傳輸函數(shù)是G輸入平面上復(fù)波函數(shù)是U1=ΣaU1a]]>而輸出平面上波函數(shù)為
為表示GU1與U2接近程度，引入接近距離D2(ρ1α，φ1α;ρ2α，φ2α)
將ρ1γ，φ1γ，ρ2γ，φ2γ做為獨(dú)立變量對D2進(jìn)行泛函變分，
即δρ1γD2＝0，δφ1γD2＝0，δρ2γD2＝0，δφ2γD2＝0，并對不同波長光波函數(shù)實(shí)現(xiàn)對時(shí)間進(jìn)行平均，最后得到使接近距離D，為極小時(shí)要求有關(guān)的ρ1γφ1γ，ρ2γ，φ2γ所必須滿足的聯(lián)立方程組
這
衍射相位元件設(shè)計(jì)歸結(jié)為已知輸入平面和輸出平面上振幅波的分布ρ1ρ2尋求緊貼在輸入平面后平面上的得位相片的位相分布φ1，應(yīng)用于設(shè)計(jì)中的主要迭代公式是
2、利用所導(dǎo)出的確定振幅一相位分布的公式，并結(jié)合有效的迭代算法，編制通用的計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的設(shè)計(jì)。
3、利用現(xiàn)有的全息及光刻技術(shù)按設(shè)計(jì)的量化后相位分布制作衍射相位元件，并將它安置到相關(guān)的學(xué)系統(tǒng)中，得到附合要求的設(shè)計(jì)將均勻照明到光學(xué)系統(tǒng)中的多波長混合光波，實(shí)現(xiàn)不同波長的光波的空間分離并聚焦到同一輸出面上，形成色彩分離的諸不同聚焦點(diǎn)，而且不同波長光的聚焦點(diǎn)的空間位置及強(qiáng)度可任意設(shè)置。簡言之即多波長光入射到系統(tǒng)中經(jīng)過衍射相位元件解調(diào)可以實(shí)現(xiàn)在同一焦面上形成各種波長光空間分離排列的各單道光聚焦斑點(diǎn)。
此相位元件設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是替代了棱鏡及各種透鏡的組合，將色散與聚焦功能集于一身。突出優(yōu)點(diǎn)是所設(shè)計(jì)的衍射光學(xué)相位元件不依賴于入射波長，在輸出端光色散順序可以任意編序，可進(jìn)行各種波長的編碼排列，因此具有普遍設(shè)計(jì)意義。
本發(fā)明的制做多功能集成二元衍射相位元件的方法可以實(shí)現(xiàn)任意線性光學(xué)系統(tǒng)中的二元衍射相位元件的制做，突破了以往傅利葉變換空間及傅利葉型光學(xué)元件集成的限制，提高了相位元件功能集成度，拓寬了相位元件設(shè)計(jì)種類，所編制的通用計(jì)算程序正確切實(shí)可行，同時(shí)可利用現(xiàn)有的全息，光刻及微電子工藝加工技術(shù)來加工所設(shè)計(jì)的相位元件，可將其靈活地插入相關(guān)的線性變換光學(xué)系統(tǒng)中。應(yīng)用本發(fā)明的方法，可以制作出適用于集成光學(xué)、光纖通信、光學(xué)計(jì)算機(jī)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)學(xué)圖象處理等領(lǐng)域的各種各樣二元衍射相位元件。
權(quán)利要求
1.一種制做多功能集成二元衍射相位元件的方法，其特征在于把光學(xué)普遍變換及振幅一位相恢復(fù)理論及相關(guān)的迭代算法，應(yīng)用到多波長混合光照明的線性光學(xué)系統(tǒng)中，編制出設(shè)計(jì)衍射相位元件的計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序，并且實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，最終用全息或光刻技術(shù)做出相應(yīng)的二元衍射相位元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)相位元件的制做方法，特別是涉及制做多功能集成二元衍射相位元件的方法領(lǐng)域。本發(fā)明為了把僅限于傅利葉光學(xué)變換系統(tǒng)及相關(guān)迭代算法的衍射相位元件制做推廣到任意的線性變換系統(tǒng)中，拓寬不同光學(xué)元件功能的組合能力和相關(guān)光學(xué)系統(tǒng)類型，改變傳統(tǒng)的傅利葉型透鏡、棱鏡功能集成框架，從而提供一種適用解決任意線性變換光學(xué)系統(tǒng)中振幅-相位恢復(fù)問題的理論和有效的迭代算法。
文檔編號G02B5/00GK1092871SQ9310272
公開日1994年9月28日 申請日期1993年3月17日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月17日
發(fā)明者楊國禎, 顧本源, 譚新, 董碧珍 申請人:中國科學(xué)院物理研究所