专利名称：位相六角阵列的照明方法
技术领域：
本发明涉及一种位相六角阵列的照明方法，主要适用于光纤耦合器、梯度折射棒、光延时线以及细胞逻辑阵列等光通信和光计算中。
背景技术：
在先技术[1](参见J.Opt.Soc.Am.，J.T.Winthrop and C.R.Worthington，55(4)，1965.4，pp.373-381.)中所描述的方法是利用泰伯(Talbot)自成像效应实现六角阵列照明，其使用的是六角振幅板，能量损耗达75％以上。
在先技术[2](参见Opt.Comm.，P.Xi et al.，192(3～6)，2001.6，PP.193-197)中所描述的方法是利用位相反转原理实现六角阵列照明。其基本原理是将一块六角位相光栅放到4f系统的入射面上并用单色平行光照明，在中间的焦平面上放置一块0级位相反转板，通过改变0级频谱的位相实现由六角位相阵列变为六角振幅阵列。它需要两片位相板和两个透镜才能实现六角阵列照明，因此制作、装配成本较高，光路复杂，不便于小型化。
发明内容
本发明的位相六角阵列的照明方法，被照明的物体是六角阵列元件3。也就是说被照明的对象最适用的是所需要照明的六角阵列元件3。具体的做法是<1>取发射单色平行光束的激光光源1；<2>取透明的位相板作为六角位相光栅2，六角位相光栅2的排布是中心等边六角形的位相为π，与其六等边相邻的等边六角形的位相为0，尺寸与被照明的六角阵列元件3一致，如图2所示。
<3>利用位相六角阵列的泰伯效应，将六角位相光栅2置于激光光源1与被照明的六角阵列元件3之间，三者同光轴，被照明的六角阵列元件3至六角位相光栅2的距离是(2n+1)/2倍的泰伯距离zT，其中n为0或正整数。
本发明是一种利用位相六角阵列的泰伯(Talbot)效应实现六角阵列照明的方法。具体实现步骤如上所述。
上述步骤3中在，六角位相光栅2后(2n+1)/2倍的泰伯距离zT处得到六角阵列照明的据依由下面推导证明。
通常六角位相光栅可表示为卷积形式u(x，y)＝t(x，y)repl(x，y)(1)此处u(x，y)为六角位相光栅的透过率函数，t(x，y)代表六角位相光栅一个周期内的结构。repl(x，y)为六角位相光栅复制函数，它决定了光栅的结构为六角阵列。为卷积符号。六角位相光栅频谱函数U(fx，fy)可写为U(fx，fy)＝T(fx，fy)R(fx，fy)，这里U(fx，fy)，T(fx，fy)，及R(fx，fy)分别u(x，y)，t(x，y)，和repl(x，y)的傅里叶变换，fx，fy分别为x，y轴的谱面坐标。
对于一个六角位相光栅，复制函数repl(x，y)可表示为repl(x,y)=13tx2[comb(xtx)comb(y3tx)+comb(xtx-12)comb(y3tx-12)]--(2)]]>其中tx为六角位相光栅周期，如图2所示。comb为梳状函数。因而R(fx,fy)=comb(txfx)comb(3txfx){1+exp[iπ(fx+3fy)tx)]}---(3)]]>i为虚数单位，repl(x，y)的傅里叶变换R(fx，fy)为抽样函数。当 为奇数时，R(fx，fy)被消去，成为六角抽样。
令m＝txfx， ，则u(x，y)可表示为u(x,y)=Σm=-∞+∞Σn=-∞+∞cmnexp[i2π(mxtx+ny3tx)]--(4)]]>这里cmn＝T(m，n){1+exp[iπ(m+n)]}。
当u(x，y)被单色平面波照明时，其衍射花样可由菲涅尔衍射定律描述uz(x,y)=exp(i2πλz)iλzu(x,y)⊗exp[iπλz(x2+y2)]--(5)]]>其中λ为单色平面波的波长，z为从光栅面到衍射面的距离。进一步推导公式(5)，可得uz(x,y)=exp(i2πλz)ΣmΣncmnexp[i2π(mxtx+ny3tx)]exp[iπλz(3m2+n23tx2)]--(6)]]>由于m+n恒为偶数，可令m+n＝2k，其中k为整数。考虑到这一条件并忽略公共位相因子，公式(6)可写为uz(x,y)=ΣmΣncmnexp[i2π(mxtx+ny3tx)]exp[i2πz3tx2/2λ(k2-km+m2)]--(7)]]>由于k2-km+m2为整数，uz(x，y)在
处与u(x，y)相等，其中p为整数。
为六角位相光栅的Talbot距。
考虑因子k2-km+m2，得到结果如表1所示。由表1可见，只有当k和m皆为偶数时，k2-km+m2为偶数。这一条件的必要条件是
，e和f为整数。
表1 k、m、k2-km+m2的奇偶性关系
如果cmn的取值满足当|m|+|n|≠0时，满足
的cmn＝0。这一条件可由图2所示的六角位相光栅满足，照明频谱结果如图5所示。可以将u(x，y)写为u(x,y)=c00+Σ(m)Σ(n)cmnexp[i2π(mxtx+ny3tx)]=c00+Δu--(8)]]>c00代表0级频谱，Δu为其它所有频谱的和。故c00=34+14exp(iπ)=12--(9)]]>所以
在
处，位相因子
有 其中n为0或正整数。公式(11)说明位于0位相的能量转移到了π位相，在(2n+1)/2倍的泰伯距离zT处实现了效率为100％的六角阵列照明。
与在先技术[1]相比，本发明提供的照明方法具有照明效率高的优点，在先技术[1]只能实现低于25％的照明效率，而本发明提供的照明方法能实现接近100％的照明效率。与在先技术[2]相比，本发明提供的照明方法所采用的光学结构简单、易于集成化，并且因为本发明提供的照明方法比在先技术[2]所采用的照明方法少了3个光学元件(两个透镜和一个位相板)，所以本发明的结构简化了，而且本发明方法的照明效率也高于在先技术[2]的照明效率约10％。
图1为本发明方法中所采用的六角阵列照明光路的示意图。
图2为本发明方法中所采用的六角位相光栅示意图。其中整块板均为透明位相板，灰色代表位相为π的部分，白色代表位相为0的部分。
图3为本发明方法中所采用的六角位相光栅深度轮廓图。
图4为本发明方法中所采用的六角阵列照明实施结果图。
图5为本发明方法中所采用的六角位相光栅照明的频谱分布图。
具体实施方案[一]首先，选择六角位相光栅，是利用大规模集成电路工艺来获得所需的六角位相光栅。首先，利用电子束直写法制作出母版。通过接触式光刻法，母版图案转移到了涂有光刻胶的光学玻璃上。所采用的光刻胶厚度为1.8μm。接触曝光的复制误差小于0.5μm。六角位相光栅光栅周期tx＝300μm。最后，利用感应耦合等离子刻蚀技术，将图案刻蚀到光学玻璃中。对应于0.633μm波长，光学玻璃的折射率为1.521，因而π位相对应深度为0.608μm。利用泰勒霍布森深度轮廓仪(Taylor Hobson Step Height Standand)来测量六角位相光栅的深度为0.610μm。
选用的单色平行光源1为He-Ne激光光源，波长0.633μm。为监测阵列照明效果，实施方案中的被照明的六角阵列元件3采用了电荷耦合器(CCD)来对接收面拍照。经统计平均结果显示，CCD与光栅2距离为10.73厘米(n＝0时)，得到最佳照明结果，如图3所示。具体实施典型的数据见表2。其中照明效率为有效照明区域光强与总光强之比。实际使用中，由于杂散光及光栅边界的影响，增大n的值会使照明效率下降，而且系统体积也随之增大，所以n的取值不宜太大。
表2 六角阵列照明具体实施的部分数据
权利要求
1.一种位相六角阵列的照明方法，被照明的物体是六角阵列元件(3)，具体的做法是<1>取发射单色平行光束的激光光源(1)；<2>取透明的位相板作为六角位相光栅(2)，六角位相光栅(2)的排布是中心等边六角形的位相为π，与其六等边相邻的等边六角形的位相为0，尺寸与被照明的六角阵列元件(3)一致；其特征是<3>利用位相六角阵列的泰伯效应，将六角位相光栅(2)置于激光光源(1)与被照明的六角阵列元件(3)之间，三者同光轴，被照明的六角阵列元件(3)至六角位相光栅(2)的距离是(2n+1)/2倍的泰伯距离zT，其中n为0或正整数。
全文摘要
一种位相六角阵列的照明方法,主要适用于光纤耦合器、梯度折射棒、光延时线以及细胞逻辑阵列等光通信和光计算中。被照明的物体是六角阵列元件。取透明的位相板作为六角位相光栅。六角位相光栅的排布是中心等边六角形的位相为π,与其六等边相邻的等边六角形的位相为0。六角位相光栅置于发射平行光束的激光光源与被照明的六角阵列元件之间,三者同光轴,被照明的六角阵列元件至六角位相光栅的距离是(2n+1)/2倍的泰伯距离。与在先技术相比,本发明的照明方法照明效率高,可实现100%的照明效率。所用的光学元件少,结构简单,易于集成化。
文档编号G02B27/42GK1348113SQ0112669
公开日2002年5月8日 申请日期2001年9月7日 优先权日2001年9月7日
发明者周常河, 席鹏, 刘立人 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所