专利名称：用于光束扫描器的位相板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在光束扫描(偏转)器中使用的位相板，特别是涉及一种基于二元光学技术制造的微光机电扫描器中使用的位相板。
光束扫描器有非常广泛的应用，如激光打印机、电视机等都有光束扫描器。传统的扫描器大多是回摆式或电致摆动式。电制摆动式需要用电控将反射光导向目标，回摆式常常需要镜面的机械谐振。这些结构方式限制了扫描频率、笨重、价钱昂贵、可靠性差。不论对于商业还是军事用途，都需要低成本、高可靠性、小型化和重量轻的光学扫描器。(参见在先技术[1]M.E.Motamedi,M.C.Wu,andK.S.J.Pister,“Micro-opto-electro-mechanical devices and on-chip optical processing”,Opt.Eng.36(5):1282-1297(1997))。
在先技术[2]美国Motamedi等发明人提供了一种利用二元光学技术制造的微透镜列阵的光学扫描器。(参见M.E.Motamedi,A.P.Andrews,W.J.Gunning,M.Khoshnevisan,“Miniaturized micro-optical scanners”,Opt.Eng.33(11),3616-3623(1994))。问题是该扫描器所需的高精度微透镜列阵很难制造。因为二元光学技术仅能制造有限的位相台阶数和有限的线宽，而理想的透镜列阵是连续光滑的，需要无限的位相台阶数和无限细的线宽来逼近，而用二元光学技术无法实现任意多的位相台阶，只能实现有限的位相值，所以采用二元光学制作的微透镜列阵实际上并不是一个理想的二次位相函数，特别是边缘处的极细线宽不可能制造的很好，因此实际使用时，性能会降低，光能利用率也不高，所以用透镜列阵位相板实现光束扫描器是有技术上实现的难度。
本发明的目的在于提供一种容易制造、性能可靠、有实用价值的用于光束扫描器的位相板。
本发明的位相板2包括含有一对互补的塔尔波特位相编码结构透光的正位相板201和负位相板202的位相板2。位相板2中的正位相板201与负位相板202是平行并列置放的，两者之间有间距Du≥0.5微米。所说的塔尔波特位相编码结构的正位相板201相对负位相板202的表面上带有周期重复的正二次位相函数分布的s≥1条正栅线2011；所说的负位相板202相对正位相板201带有正栅线2011的表面上带有周期重复的负二次位相函数分布的s≥1条负栅线2021。所说的正位相板201或者负位相板202上带有编程控制移动装置4控制的移动器3，使得正负位相板201、202两者相对它们的中心轴线O1O1、O2O2可以相互平行移动。所说的一条正或负的栅线2011、2021相当一个周期d,每个周期d内分割成M等分，一个周期d内含有L个位相台阶数，每个位相台阶的宽度d1、d2、…、dM均相等，即d1=d2=…=dM=d/M。相邻两个位相台阶的厚度不相等，但在一个周期d内是对称分布。因此相邻两个位相台阶厚度差表示为hk-hk-1=r(2k+1)Mλ(n-1),]]>式中λ为入射于位相板上光波的波长，n为位相板基底的折射率，hk为第k个位相台阶的高度，r为大于或等于1的正整数，是二次位相函数的特征参数。如图1所示。
本发明的位相板在光束扫描器中使用过程的描述如图1所示。1是单色光源，2是本发明的一对互补位相板，它含有二次位相函数分布的正位相板201和负位相板202,O1O1为正位相板201的中心轴线，O2O2为负位相板202的中心轴线，201和202之间的移动将导致光束的偏转，使入射光束Gr偏转为光束Gp,3是移动器，4是偏程控制移动装置，5是探测器。
本发明的位相板2如上述含有一对透光的正负位相板201和202。所说的正位相板201是板的一表面带有周期重复的、正二次位相函数分布的s≥1个正栅线2011，所说的负位相板202是板的相对正位相板201带有正栅线2011表面上带有周期重复的、负二次位相函数分布的s≥1个负栅线2021。正位相板201上的正栅线2011对着负位相板202的负栅线2021的一面，两者之间有一间距Du，这一间距是非常小的，通常为Du≥0.5微米，只要这两个板201和202可相互移动即可。负位相板202的中心轴线O2O2相对于正位相板201的中心轴线O1O1是可以平行移动的，即负位相板202(也可以是正位相板201)上带有编程控制移动装置4控制的移动器3。
本发明的核心在于正负位相板201,202是塔尔波特位相编码的结构，它是一种新型的二次位相编码的结构，用于正位相板201和负位相板202的编码，会显著提高扫描器的性能，降低成本，有很好的实用价值。下面详细介绍塔尔波特位相编码结构、它的特性分布、以及用于光扫描器的优点。
所说的正位相板201和负位相板202上的正栅线2011和负栅线2021中每一条栅线相当一个周期d。每周期d内的分割数量M可由下面塔尔博特阵列照明的位相编码的公式计算得到。对于偶数M时，位相分布函数为φ(k)=r×k2Mπ,k=1,2,...,M,----(1)]]>对于奇数M时，位相分布函数为φ(k)=r×k(k-1)Mπ,k=1,2,...,M,----(2)]]>其中二次位相分布的特征参数r由下式确定p×r=k,×M+1,…………………………………………………(3)上式中p,r和M为大于或等于1的正整数，kr为大于或等于零的正整数。对于任意一个M和一个小于M的正整数p，由上面(1)～(3)式可求得塔尔博特阵列照明的位相分布。p和M没有公因子是式(3)有解的充分必要条件。M为偶数，p为奇数才会是解。M为奇数，p可能为偶数也可能为奇数，p和M没有公因子才会是式(3)的解。由(3)知道，p和r具有互换性。p=1,r=1,kr=0总是式(3)的一组解，这组解也是我们最常考虑的情况。由于塔尔博特阵列照明位相是参数k的二次函数，所以使用一对正负塔尔博特阵列照明位相板201和202，就可以实现光束的扫描偏转。位相板2的位相分布函数φ(k)与M、以及位相台阶数L之间的部分数值解列于表1中。正负位相板201、202的位相分布分别为φ(k)和-φ(k)。
如上所述的位相板2是含有一对互补位相分布的正负位相板201和202，正负位相板的周期均为d，每个周期d均被分割为M等分，如图2所示。这M等分的位相分布由(1-3)式给出。位相板2的周期d大小也决定了光束扫描角度。
位相板2的周期d内分割数M的奇偶数不同将导致不同的位相对称性，当M为偶数时，由(1)式可得位相分布对称性为φ(M-k)=φ(k),k=1,2,…,M/2………………………………………(4)其对称性如图3(a)所示。当M为奇数时，由(2)式可得φ(M-k+1)=φ(k),k=1,2,…,(M-1)/2………………………………(5)其对称性分布如图3(b)所示。由图3(a)和(b)的位相分布对称性是分析位相板位相台阶数L的有力说明。
如图2所示，正位相板201每周期起始处第一个(k=1)台阶2011的厚度为h11，宽度为d11，第二个台阶的厚度h12，宽度为d12，第k个台阶的厚度h1k，宽度为d1k，分割第M个台阶的厚度h1M，宽度为d1M，所有这些台阶的宽度均相等，即d11=d12=d1k=d1M=d/M，在一个周期内每一个台阶的厚度都和相邻台阶的厚度不一样，但在一个周期内是有对称性的分布，如图3所示。厚度的变化对应着位相的变化。相邻台阶的厚度变化可以用邻域位相差分来表示，位相板2的邻域位相差分定义为Δφ(k)=φ(k+1)-φ(k), k=1,2,…,M-1…………………………………(6)当M为偶数时，邻域位相差分为Δφ(k)=r×(2k+1)Mπ,k=1,2,...,M-1----(7)]]>如图4(a)所示。当M为奇数时，邻域位相差分为Δφ(k)=2r×kMπ,k=1,2,...,M-1----(8)]]>如图4(b)所示。即对于正位相板201来说，根据上述相邻两个台阶厚度差的表达式可得第二个台阶的厚度h12减去第一个台阶的厚度h11为(M为偶数时)h12-h11=(r×(2k+1)M)λ/(n-1),k=1,----(9)]]>其中λ为入射光波的波长，n为位相板基底的折射率。
负位相板202上的每个台阶的宽度也都相等，并且与正位相板201上的台阶的宽度相等，每个台阶厚度对应的位相变化量正好与上述正位相板的互补。综合一个周期内的位相变化量来看，对应于偶数和奇数M，邻域差分Δφ(k)是非常有规律的，如图4(a),(b)所示。
从实际制造位相板的角度来看，位相台阶数L是非常重要的一个参数。位相台阶数L是指位相板上所有不相等位相的总数之和。位相板一个周期内有M个分割数即M个位相，由于有如图3所示的对称性的存在，这M个位相中至少有相对应一对是位相相等的，因此，位相台阶数L总是小于M。位相台阶数L越多，位相板就越难制造，成本就会上升。本发明中的位相板每个周期内的M个分割数并不等同于位相台阶数L，总的趋势说来，分割数M越大，所对应的位相台阶数L就越多，但它们之间并不是线性增加关系，这就是说，M1比M2大，并不一定是M1对应的位相台阶数L1就比M2的L2大。分割数M和位相台阶数L之间的部分数值关系列于表2，任意M对应的位相可由公式(1)～(3)求出，由位相可得出位相台阶数L。
但计算公式(1-3)求出位相台阶数毕竟太麻烦，使用上也不方便。利用上面位相分布的对称性和邻域位相差分分析，就可以给出一个简单的素数分解规则求出位相板的位相台阶数。例如，对于周期内分割数M=4t，这里t为一个素数，则位相分布的对称性如图5(a)所示，因此，其位相台阶数为L=3(t+1)/2，对于周期内分割数M=t2，则位相分布的对称性如图5(b)所示，因此，其位相分布为L=t(t-1)/2+1对于周期内分割数M为其它素数组合的情况下，其位相台阶数L的分布如表3所示。表3的规则完全可以解释表2的具体数值解。利用表3，就可以非常方便地计算出位相台阶数L，从而可以判断制造难度及成本，对实际制造位相板有重要的指导意义。
上述结构的位相板2进行光束动态扫描的过程由于这一对正负位相板201、202的位相分布互补，因此，无位移时，原始状态，负位相板202的中心轴线O2O2与正位相板201的中心轴线O1O1相重合，其位相差为零，光束可直接通过，形成图6所示的零级光束。当位移器3推动负位相板202(或正位相板)相对正位相板201(或负位相板)的中心轴线O1O1移动d/M时，φ201(k+1)-φ202(k)=r×(2k+1)Mπ,k=1,2,...,M,---(10)]]>这对应的是一个线性位相因子，因此，光束通过时就发生了偏转，偏转的角度θ1为(r=1)θ1=λd,----(11)]]>当位移再移动d/M，光束偏转角度就增大．如果位移量为Δ，对于偶数M，则其中正位相板201的位相函数相对负位相板202为φ201(k+Δ)=r×(k+Δ)2Mπ,k=1,2,...,M,----(12)]]>与负位相板202的位相函数的差分为φ201(k+Δ)-φ202(k)=r×(2k+Δ)ΔMπ,k=1,2,...,M,---(13)]]>上式为Δ的一次函数，即对应的是线性位相项。如果两个正负位相板201,202之间无位移，Δ=0，上(13)式也为零，对应的是无位相变化，因此光束可直接无偏折通过。如果两个正负位相板问有位移，Δ≠0，上(13)式线性位相项的斜率就是Δ的函数，Δ越大，光束偏转就越大。对于奇数M有完全类似的结果。这就是本发明的位相板可以进行光束扫描的原理。
如图6所示，最大扫描角度范围为θM=λdM,----(14)]]>位相板2的周期d越小，扫描角度就越大；周期内分割数M越大，意味着可实现的扫描步数越多。这里就涉及到制造难度的问题。这样的一对位相板2可以由二元光学技术来制造。d/M是要求二元光学技术所制造的线宽，在整个位相板之内它们是相等的，如图2所示，其值越小，越难制造。制造位相板的另一个难度取决于其位相台阶数L。位相台阶数越多，就越难制造，反之就越容易制造。利用表3中M与L的简单关系就很容易判断制造的成本和难度。
对应于正负位相板201与202之间相对位移量Δ，光束偏转的衍射效率为η=(sincΔM)2,----(15)]]>由于沿光轴的正副级次都可以发生光束偏转，所以，总的扫描点数为N=2Δ+1………………………………………………………(16)Δ=0时，理论衍射效率为100％；Δ=1时，效率就会下降，Δ越大，效率下降越多。周期内分割数M=8时，衍射效率随位移量Δ增加而下降的关系如图7所示。每步位移量Δ固定时，衍射效率取决于M:M越大，衍射效率越高，M越小，衍射效率越低。移动量Δ=1时，衍射效率随M增加而增加的曲线示于图8。因此，增加所需的扫描点数N，就需要增加相应的M，它们之间的关系示于表4中。
在所需衍射效率的情况下，根据所需的扫描点数N可定出Δ，由表4可知道所需的位相板的周期内分隔数M，再查表2或表3，就可确定出所需的位相台阶数L。表5给出了在衍射效率η=81％寸，扫描点数V，位相板2的周期分隔数M和位相台阶数L之间的关系。由此，可以先判断出制造上的难度及成本，并最终做出所需的位相板。
值得指出的是，制造本发明的多台阶正负位相板201和202是和微电子工艺技术兼容的技术。根据上面所说的，由扫描点数N，角度θ和效率η就可设计出所要求的位相板的模板，利用电子束制版或精缩制版技术可制造出这样的二值振幅型的模板，通过微电子曝光光刻工艺技术，可以将模板上的振幅图案转移到光刻胶上，光刻胶通过匀胶工艺均匀涂布在基片(如透明玻璃)上，通过反应离子刻蚀技术、湿化学腐蚀技术、真空或化学镀膜技术，可以将光刻胶上的图案转移到基片上，洗去光刻胶，就形成了二元光学位相板。重复这一步骤，通过模板对准技术，就可以制造出如图2所示的多台阶正负位相板201和202。微电子工艺技术是可以大批量、低成本生产的，所以，本发明的多台阶位相板是较容易制造的。
本发明的位相板的优点如上所述，采用二元光学技术，容易制造，性能稳定可靠。主要用于微光学扫描器上，而微光学扫描器的优点是结构简单，体积小，重量轻，尺寸小，每周期的长度可以设计仅为十几微米，位相板尺寸可以仅为数毫米平方量级，功耗小，位移量也要求很小(微米级左右)，然而较小的位移就可以导致较大的光束偏转，例如可以获得5度的偏转。具有大批量、低成本复制的可能性。
采用本发明的位相板的光束扫描器有较高的光束扫描效率，较好的信噪比，并可能降低生产制造成本。与在先技术中的菲涅耳编码透镜列阵相比，1．本发明的位相板克服了菲涅耳透镜列阵边缘过细的缺点，用本发明的位相板在光束扫描器中，提高了边缘处的光能利用率，因此提高了光束扫描时光的衍射效率。
2．在先技术中菲涅耳透镜列阵需无穷多位相的编码来逼近，这在实际制造当中是不可能的。本发明的位相板可根据实际能够做出的位相台阶数L反过来决定其编码位相分布，这可减少位相编码的理论误差，应用在光束扫描器中，提高了信噪比。
3．在先技术是不固定的移动方式，而本发明的正或负位相板带有编程控制移动装置4控制的移动器3，所以有确定的精确移动步长。采用本发明的位相板，对外部移动控制的要求为等步长的移动，参见图2和公式(1-3)，这也是目前位移技术支撑部分容易实现的(如压电陶瓷位移器等)，精确固定的移动步长距离，正比于光束的衍射偏折角，这便于使用和控制。
详细叙述本发明的位相板在光扫描器中应用的三个优点是(1)由于本发明的位相板上各位相占据相同的物理实现宽度d/M，所以避免了在先技术中制造菲涅耳透镜列阵时，边缘环数过细的缺点。这可以通过表6来证明。本发明的位相板的制造和二元光学技术要求是兼容和匹配的，而在先技术的菲涅尔透镜列阵和二元光学制造技术要求是不兼容、不匹配的。所以采用本发明的位相板的制造成本会降低，光扫描器的性能会提高。(2)由上面公式(1-3)知道，对于一定的周期内分割数M，对应的是有限个固定的位相台阶，这一点可由表1来说明。例如位相台阶数为L=4，可实现周期内分割数为M=8，对应的位相可以选择表1中所列8组位相中的任一组，这说明本发明的位相板具有位相分布的可选择性，这种可选择性为制造技术提供了方便；而在先技术只有一种位相分布，不能为制造技术提供可选择位相分布的方便性。另外，本发明的位相板可实现可调占空比的光斑点，这为使用者提供了不同使用要求的可选择性；而在先技术的菲涅耳透镜列阵只能形成很小占空比不可调的光斑点，不能为使用者提供这种选择性。(3)对于有限个位相台阶，可优选出合适的周期内分割数M，由位相台阶数优选合适的压缩比可由表2来说明。例如对于位相台阶数L=16，在表2中可查到M=31,42,63，说明可实现的最大的M=63。由于M直接和扫描角度、衍射效率相关，参见公式14,15，因此，本发明提供了位相台阶数、扫描角度与衍射效率之间的优化关系，这不仅适合于二元光学技术制造，也有利于控制光扫描器的性能。而在先技术的菲涅耳透镜列阵不存在位相台阶数与衍射效率之间的优化关系。本发明的位相板的这些优点是在先技术的菲涅耳透镜列阵所无法做到的。总之，本发明的位相板的这些优点更适合于二元光学技术制造，用于扫描器上，使光束扫描器的性能可靠，制造容易，成本降低。
图1是本发明的位相板的结构及在光束扫描器中使用的示意图。图中的位相板2(包括201,202)只画了三个周期，实际上可重复多个周期。
图2是一维位相板201和202分布示意图，d为周期，一个周期d被均匀分割成M等分，每个等分的位相函数φ(k)由公式(1-3)决定，所以最小位相宽度为d/M，图2(a)是模拟M=8时位相板的剖面图，{φ(k}={9π/8,4π/8,π/8,0,π/8,4π/8,9π/8,0}；图2(b)是图2(a)的俯视图，灰度的不同用来近似表示位相的不同。图中的位相板2(包括201,202)只画了两个周期，实际上可有重复多个周期。
图3为位相板2位相φ(k)(k=1,…,M)分布的对称性，图3(a)M为偶数，图3(b)M为奇数。箭头方向代表对称性的方向，和位相值的增减无关，图示灰度和周期分割数M仅为说明而非限制性。
图4为位相板2邻域差分位相Δφ(k)分布图，图4(a)M为偶数，图4(b)M为奇数，此图4所显示的对制造该位相板的难度有判断价值。
图5为位相板2位相分布特殊对称性的示意图。图5(a)M=4t，图5(b)M=t2时，了解位相板2位相分布的特殊对称性，由此可得出位相台阶数。
图6为本发明的位相板2进行光束扫描的动态描述示意图。
图7是位相板2的衍射效率η与位移量Δ的关系曲线图。纵坐标为衍射效率η，横坐标为负位相板202的位移量Δ。图示曲线为M=8时，衍射效率η随位移量Δ的增加而下降的关系曲线。
图8为位相板2的衍射效率η与每周期d内的分割数M等分的关系曲线图。纵坐标为衍射效率η，横坐标为位相板2的每周期d内的分割数M。图示曲线为负位相板202位移量Δ=1固定时，衍射效率η随M的增加而增加的关系曲线。
实施例如图1所示，位相板2的结构及光束扫描器包括光源1、位相板2、由编程移动控制装置4控制的移动器3及探测器5。光源1的要求必须是单色光源，它可以是各种激光器，如半导体激光器或其它单色光源。位移移动器3可以是机械的、电子控制的，其要求是可以产生线性等步距的移动，其步距大小可以设计成精确等于位相板上最小位相调制的宽度。例如，位相板2上最小位相调制宽度为5μm，则移动器3的移动步长就为5μm。探测器5可以为电荷耦合器(CCD)摄像头、光电转换器或其它任何对所用光源1波长的光敏感的光电探测器件均可。本发明的位相板2是该扫描器的核心部件，所以重点说明位相板2。
对于周期内分割数M=9，由上述分布函数可得塔尔博特位相分布为0,2π/9,2π/3,4π/3,2π/9,4π/3,27π/3,2π/9,0如果位相板2的周期d=90μm，正负栅线数s=20条。光源1的波长λ=0.6328μm，则当光源1发射的单色光束Gr入射到位相板2上，透过位相板2，当负位相板202的中心轴线O2O2相对正位相板201的中心轴线O1O1之间每移动10μm，光束Gp就偏转λ/d=0.4°，共可偏转(9-1)×4=3.2°左右。d越小，光束Gp偏转的角度就越大；M越大，扫描的抽样步数就越多。用二元光学技术能制造出的位相台阶数L越多，该扫描器的效果就越好。对于M为其它数情况下的分布，可参考表1,2,3,4,5，图2,3,4,5,7,8，以及公式(1-3),(15-16)，就可以分析出该扫描器的性能。随着二元光学技术的进展，本发明的优越性就越明显，因此有相当好的应用前景。
表1位相板2的位相分布φ(k)，周期内分割数M和位相台阶数L之间的关系
表2位相板2周期内的分割数M和位相台阶数L之间的关系
表3周期内分隔数M和位相台阶数L之间的简单关系
表3中上标a说明M(odd)是一个奇数；上标b说明L(2n)，和L[M(odd)]分别是2n，和M(odd)相应的位相台阶数；上标c说明M可以被分解为无公因子的数的乘积M(1),…,M(n)；上标d说明L[M(1)]…,L[(M(n))是M(1),…,M(n)相应的位相台阶数。
表4位相板2周期内分割数M与衍射效率η、扫描点数N=2Δ+1之间的关系。
表5在衍射效率η=81％时，扫描点数N，位相板2周期内分隔数M，和位相台阶数L之间的关系
表6本发明采用的位相板和在先技术采用的微透镜列阵与二元光学技术的比较关系。
权利要求
1.一种用于光束扫描器的位相板，其特征在于包括<1>含有一对互补的塔尔波特位相编码结构透光的正位相板(201)和负位相板(202)的位相板(2)；<2>所说的位相板(2)中的正位相板(201)与负位相板(202)是平行并列置放，两者之间有间距Du≥0.5微米；<3>所说的塔尔波特位相编码结构的正位相板(201)相对负位相板(202)的表面上带有周期重复的正二次位相函数分布的s≥1条正栅线(2011)，所说的负位相板(202)相对正位相板(201)带有正栅线(2011)的表面上带有周期重复的负二次位相函数分布的s≥1条负栅线(2021)；<4>所说的正位相板(201)或负位相板(202)上带有编程控制移动装置(4)控制的移动器(3)，正负位相板(201,202)两者相对它们的中心轴线(O1O1,O2O2)可以相互平行移动。
2．根据权利要求1所述的用于光束扫描器的位相板，其特征在于所说的一条正或负的栅线(2011,2021)相当一个周期d，每个周期d内分割成M等分，一个周期d内含有L个位相台阶数，每个位相台阶的宽度d1、d2、…、dM均相等，即d1=d2=…=dM=d/M；相邻两个位相台阶的厚度不相等，但在一个周期d内是对称分布，因此相邻两个位相台阶厚度差表示为hk-hk-1=r(2k+1)Mλ(n-1),]]>式中λ为入射于位相板上光波的波长，n为位相板基底的折射率，hk为第k个位相台阶的高度，r为大于或等于1的正整数，是二次位相函数的特征参数。对于上述分割数M为偶数时，位相分布函数为φ(k)=r×k2Mπ,k=1,2,...,M,-----(1)]]>对于上述分割数M为奇数时，位相分布函数为φ(k)=r×k(k-1)Mπ,k=1,2,...,M,-----(2)]]>上述二次位相分布的特征参数r为p×r=kr×M+1，…………………………………………………(3)上式中P,r和M均为大于或等于1的正整数，kr为大于或等于零的正整数，p＜M,p与r具有互换性。
全文摘要
一种用于光束扫描器的位相板，包括含有一对互补的塔尔波特位相编码结构透光的正位相板和负位相板的位相板。正负位相板平行并列置放，两者之间有间距，相对它们的中心轴线可以相对平行移动。正负位相板相对的表面上分别带有周期重复的正负二次位相函数分布的s≥1条正负栅线。具有用二元光学技术容易制造，用于光学扫描器上，性能稳定可靠，功耗小，光束扫描效率高，信噪比高的特点。
文档编号G02B26/10GK1317702SQ0111305
公开日2001年10月17日 申请日期2001年6月1日 优先权日2001年6月1日
发明者周常河, 刘立人, 席鹏 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所