光学系统的制作方法
专利名称:光学系统的制作方法
【专利摘要】本公开涉及一种光学系统，包括：准直和光束整形衍射性光学元件，所述光学元件被配置成用于修改输入发散光束并且产生输出发散光束；其中，所述准直和光束整形衍射性光学元件包括衍射性表面，所述衍射性表面具有既准直所述输入发散光束又将所述经准直的输入发散光束整形为所述输出发散光束以形成具有期望输出强度分布的输出场的设计。
【专利说明】
光学系统
技术领域
[0001 ]本实用新型设及光束整形设备并且具体地设及一种衍射性光学元件(DOE)。
【背景技术】
[0002] 参照图1，图1示出了光学系统10的常规几何结构。系统10包括生成具有平面波前 的光的准直光束14的光源12,该光束向光束整形衍射性光学元件16传播。衍射性光学元件 (D0EH6是被设计成用于生成期望的非准直输出光束18的整形（例如，循环均匀化)光学元 件，该输出光束形成具有期望输出强度分布的输出场20。由于衍射性光学元件16的衍射性 表面中的较小误差(例如，在制造过程中引入的表面缺陷），通过衍射性光学元件16进入输 出场20的光的经准直的光束14的高强度零阶泄漏22是有可能的。在此上下文中，对"高强 度"的引用意味着危险，因为泄漏具有光束发散和危险的功率(例如，参见英国标准BS EN 60825-1:2014或国际标准IEC 60825-1:2014,两者通过引用结合）。
[0003] 参照图2,图2示出了光学系统10'的常规几何结构。系统10'包括生成光的发散光 束26的光源12'，该光束向准直透镜28传播。准直透镜28工作W准直发散光束26并输出经准 直的具有平面波前的光的光束14,该光束向光束整形衍射性光学元件16传播。衍射性光学 元件16是被设计成用于生成期望的非准直输出光束18的整形（例如，循环均匀化）光学元 件，该输出光束形成具有期望输出强度分布的输出场20。由于衍射性光学元件16的衍射性 表面中的较小误差(例如，在制造过程中引入的表面缺陷），通过衍射性光学元件16进入输 出场20的光的经准直的光束14的高强度零阶泄漏22是有可能的。
[0004] 图1和图2中的高强度零阶泄漏22表面上是存在于输出场20中的经准直的光束14 的未经修改的部分。例如，运个效果被展示在图3中，图3示出了正方形均匀化输出场20的图 像(具有反向对比度），该输出场被高强度零阶泄漏22损坏。例如，如果光源12或12'是激光 光源，那么此零阶泄漏22是将对光源12或12'的容许运行功率具有直接影响的安全风险。响 应运种泄漏的存在或可能性，光源12或12'的功率电平必须被降低W确保安全操作，并且不 会从使用衍射性光学器件中受益。
[0005] 评估光束整形衍射性光学元件16:存在会降级衍射性光学器件关于初始设计形式 的形状因数的许多误差源。如果运些误差的大小被设置为在制造过程中预期的限度，模块 高度的误差（即，深度误差)被认为是光学器件性能降级的关键因素。图3A至图3C展示了具 有图3A中标称深度误差（即，小于或等于5%)、图3B中10%深度误差和图3C中15%深度误差 的元件16的模拟结果。将注意的是，均匀化受更显著的深度误差影响，零阶泄漏特性(参考 号22)变得更加主导。
[0006] 衍射性光学器件允许光学系统设计者W不可W用折射性光学器件实现的方式来 操纵波前。运允许光学器件的功能性的更大灵活性并且使折射性光学器件不支持的应用成 为可能。然而，需要不易受表面误差影响的改进式衍射性光学元件，其将容许高强度零阶泄 漏的通过。结果，在较高功率电平处操作光学系统将成为可能。 【实用新型内容】
[0007] 本公开的目的是提供一种光学系统，W至少部分地解决现有技术中的上述问题。
[0008] 在实施例中，光学系统包括:准直和光束整形衍射性光学元件，所述光学元件被配 置成用于修改输入发散光束并且产生输出发散光束;其中，所述准直和光束整形衍射性光 学元件包括衍射性表面，所述衍射性表面具有既准直所述输入发散光束又将经准直的所 述输入发散光束整形为所述输出发散光束W形成具有期望输出强度分布的输出场的设计。
[0009] 优选地，所述衍射性表面是由被设计成用于实现准直功能和光束整形功能两者的 表面起伏图形成的。
[0010] 优选地，所述表面起伏图是由用于准直所述输入发散光束的相位剖面与用于整形 所述输出发散光束的相位剖面的相位组合定义的。
[0011] 优选地，所述表面起伏图进一步由将所述相位组合转换成物理表面起伏剖面所定 义。
[0012] 优选地，用于准直和整形的所述相位剖面是量化的相位剖面。
[0013] 优选地，所述衍射性表面是由被设计成用于实现准直功能和光束整形功能两者的 梯度折射率材料形成的。
[0014] 优选地，所述梯度折射率材料是由用于准直所述输入发散光束的相位剖面与用于 整形所述输出发散光束的相位剖面的相位组合定义的。
[0015] 优选地，所述梯度折射率材料进一步由将所述相位组合转换成梯度折射率结构所 定义。
[0016] 优选地，用于准直和整形的所述相位剖面是量化的相位剖面。
[0017] 在实施例中，方法包括:定义用于对输入发散光束进行准直的第一相位剖面;定义 用于整形输出发散光束的第二相位剖面;将所述第一和第二相位剖面相加W形成组合的相 位剖面;并且由所述组合的相位剖面形成衍射性光学元件的衍射性表面，从而使得所述衍 射性光学元件的所述衍射性表面被配置成用于既准直所述输入发散光束又将所述经准直 的输入发散光束整形为所述输出发散光束W形成具有期望输出强度分布的输出场。
[0018] 在实施例中，方法包括:独立设计针对准直功能的第一相位剖面W及针对光束整 形功能的第二相位剖面;使用相角加法组合所述独立设计的第一和第二相位剖面;在0弧度 与如弧度之间包绕所述相角加法;并且使用由所述包绕的相角加法定义的衍射性表面产生 物理光学器件。
[0019] 在本公开的各个实施方式中，衍射性光学元件在存在表面误差的情况下阻碍了高 强度零阶泄漏(例如，经准直的)光束的输出并且如果被暴露于等效表面误差或缺陷中允许 光源的更高功率操作。
【附图说明】
[0020] 基于对实施例的详细描述的研究，本实用新型的其他的优点和特性将变得显而易 见，其是通过非限制性示例的方式得到的并且由附图展示，其中：
[0021] 图1和图2示出了光学系统的常规几何结构；
[0022] 图3是展示了由于在衍射性光学元件的表面上存在误差因此在由图1和图2的系统 生成的输出场中存在高强度零阶泄露的图像；
[0023] 图3A至图3C展示了具有各种深度误差的常规衍射性透镜剖面设计的模拟结果；
[0024] 图4示出了光学系统的实施例的几何结构；
[0025] 图5展示了针对在有限距离处点源照明的波前相位与径向距离之间的关系；
[0026] 图6展示了衍射性透镜剖面设计的量化示例；
[0027] 图7A至图7B展示了针对在不同量化处光束整形光学器件设计的示例；
[0028] 图7C示出了图7B被细化W填充的经量化的光束整形光学器件W及等效于图6的透 镜剖面的面积的区域；
[0029] 图8展示了对来自图6的衍射性透镜与如在图7C中所示的光束整形光学器件的相 位剖面进行求和的结果；
[0030] 图9展示了在0弧度和化弧度之间包绕该求和的相位剖面的结果;并且
[0031] 图IOA至图IOC展示了具有各种深度误差的衍射性透镜剖面设计的模拟结果。
【具体实施方式】
[0032] 现在参照图4,图4示出了光学系统100的常规几何结构。系统100包括生成光的发 散光束126的光源112,该光束向准直和光束整形衍射性光学元件116传播。衍射性光学元件 (DOE) 116执行两个功能:a)D0E对光的输入发散光束126进行准直；W及b)D0E对光进行整形 W生成期望的发散的(非准直的)输出光束118,该输出光束形成具有期望输出强度分布(例 如，W特定形状均匀化)的输出场120。
[0033] DOE 116的优点在于:将禁止对光束整形光学器件的正确操作的任何表面误差也 将禁止对准直功能的正确操作。结果，DOE 116在存在表面误差的情况下阻碍了高强度零阶 泄漏(例如，经准直的)光束的输出并且如果被暴露于等效表面误差或缺陷中允许相比于图 1和图2的系统而言光源112的更高功率操作。
[0034] DOE 116的设计利用了包括W下各项的过程:a)独立设计仅相位的衍射性透镜剖 面和仅相位的光束整形器光学器件;b)使用对其独立功能的相角加法组合运两个独立的设 计；W及C)产生物理光学器件，例如，将执行相位组合设计功能的衍射性表面。在DOE 116的 单个衍射性光学器件表面中优选实现组合的衍射性透镜和光束整形设计。在仅相位设计过 程中对准直功能和光束整形功能的独立或解禪优化简化了优化过程并且提高了输出场120 的效率和一致性。首先在相位空间中独立地定义准直功能和光束整形功能，然后在相位空 间中对那些功能进行求和(例如，使用相角加法)并转换成物理的W针对将执行准直功能和 光束整形功能两者的光学器件产生单个表面剖面。此实现方式的优点源自制造误差将在准 直功能和光束整形功能的性能上具有的组合效果。源自标称设计的光学器件中的任何表面 剖面误差将阻碍DOE 116光学器件执行两个功能的能力。因此，由于误差，光学器件形成非 期望的高强度准直校准光束(如，具有高强度零阶泄漏）的能力与光学器件形成期望的光束 形状的能力W相同的方式被降级。结果，在光学器件对制造误差的灵敏度中存在显著下降 (尤其是相比于如在图1和图2中所示的常规方法，其中，光束被离散地准直并且包括表面缺 陷可W允许准直光束的成分通过为高强度零阶泄漏）。
[0035] 在优选实现方式中，衍射性透镜剖面的设计必须在DOE 116与光源114之间具有等 于期望分离距离d的焦距。此外，光束整形器功能的设计必须假设输入光是准直的。
[0036] 衍射性透镜剖面设计:衍射性透镜的设计对本领域的技术人员而言是公知的。参 考教科书的"衍射性光学器件的计算机设计(Computer design of dif打active optics)" 索伊费尔（Soifer)，爱思唯尔出版社巧Isevier) ,2012(通过引用结合）。针对DOE 116,基于 对校正来自在距离光学器件有限距离d处的点源(光源114)的波前的曲率的需要设计透镜。 光学器件被定义，使得其焦距等于点源与光学器件的分离距离d。例如，参见图5。
[0037] 透镜剖面0^，7) = 6邱[1*(1)^，7)]被设计成用于将等效反相延迟添加至波前剖 面
，使得其匹配目标相位剖面P(x，y)=exp[iH(x，y)]:
[0038] P(x,y)=W(x,y)+0(x,y)
[0039] 针对准直透镜，对于所有的X和y，目标相位剖面PU,y) = l:
[0040] 0(x,y)=P(x,y)-W(x,y) = l-W(x,y)
[0041] 运等效于：
[0042]
[0043] 因此，准直透镜设计必须简单地应用与输入波前幅值相等但方向相反的相位延 迟。运是通过第一计算4 (x，y)实现的（参见图5)，然后从0弧度到化弧度包绕d) (x，y):
[0044] (x,y)=arg[0(x,y)]=arg[exp(i*<l) (x,y))]
[0045] 其中，arg[]算子返回复数0(x，y)的相角。然后，其可W对于量化相位剖面 y)是必需的。运取决于制造方法。可W使用许多技术来形成衍射性光学器件，并且在运种情 况下假定光刻蚀刻工艺，其需要将表面量化成离散相位层次。此相位量化不被认为是限制 或要求，因为存在容许连续相位剖面的多种制造方法;然而为了示例的完整性，在此提供 量化步骤。在0与^心之间定义四个量化相位层次，更具体而言，量化层次的范围是在
之间。被量化成N个层次的相位剖面(1) /(X，y)被定义为：
[0046]
[0047] 其中，算子.黎定义在相位剖面上的量化操作。在此示例中，N=4,使得：
[004引
[0049] 注意，可W为N选择任何整数值。N=4在此使用，使得说明更加清楚。通常，随着N增 加，光学器件的效率(即，性能)增加，因此只要关于衍射性表面的层次数量保持为可制造的 那么设计具有更多层次的光学器件是有益的。
[0050] -旦透镜的量化相位剖面被计算，其绕其原点旋转W形成径向对称的透镜表面。 图6中示出了运种表面的示例。
[0051] 光束整形光学器件设计:光束整形功能可W被设计成在入射光源的输出强度分布 上具有任意效果。例如，其可W对于在输出场中生成高分辨率的网格点是有用的。
[0052] 优化方法是基于无穷远点源（即，准直的）照明，其中，在文献中存在许多已知和公 开的解决方案，包括盖师贝格-撒克斯通算法(盖师贝格R.W(Gerdiberg R.W)和撒克斯通 W.O. (Saxton W.O.)，"从图像衍射平面图片确定相位的实用算法(A Practical algorithm for the determin曰tion of phase from image diffraction plane pictures)''，0ptik (斯图加特市），35,237-246,1972,通过引用结合）、本领域中被称为迭代傅里叶变换算法 (IFTA)的算法族中的第一种算法、W及替代的用于优化的全局捜索算法。无论使用哪种算 法，结果是（W相角）描述了波前的必需形状的相位剖面x(x，y)，从而在远场中产生期望的 输出强度分布。
[0053] 在使用盖师贝格-撒克斯通算法的示例中，生成光束整形光学相位剖面x(x，y)。 像W上描述的衍射性透镜设计的光学功能是在相域中。运样，理解的是，它没有物理深度， 而是描述了在其输出处的波前的所需形状。在此示例中的光学器件功能是生成正方形高帽 剖面。然而，它可W是任何任意的输出分布。
[0054] 光学器件功能必须从无穷数量的层次(参见图7A)量化成有限数量的层次，使得其 与所选的制造工艺兼容。如在W上针对衍射性透镜的示例中，使用如上所述的相同量化算 子将相位剖面量化成N = 4层次。图7B示出了量化的相位剖面X4(x，y)。将注意的是，还有可 能将量化工艺整合到所谓的'软量化'工艺中的IFTA中（例如，参见Wyrowski F，"衍射性光 学元件：量化的、闪耀的相结构的迭代计算（Diffractive optical elements: iterative calculation of quantized,blazed phase structures)"，J0SA A，美国光学学会，7,961- 969，1990，通过引用结合）。因此，通常，应当清楚的是存在多种替代方式来将量化包括到光 束整形光学器件优化中。
[0055] 在实施例中，图7B的量化相位剖面可W W瓦片状样式重复W定义如图7C中所示的 整体量化相位剖面。
[0056] 组合光学器件:如W上所指出的，衍射性透镜设计和光束整形器设计都在相域中。
[0057] 衍射性透镜设计和光束整形器设计通过对对应的量化相位剖面一起求和而被组 合：
[005引 p(x，y)= 4 (x，y)+x(x，y)，
[0化9] 特别地，N=4,则下式描述该运算：
[0060] pzt(x，y)= (})4(x，y)+Xzt(x，y)，
[0061 ]运是方便的表示，因为用于在单个衍射性表面中物理实现相位延迟的各种方法有 可能形成衍射性光学元件116。运样的物理实现的示例包括表面起伏图或梯度折射率 (GRIN)材料。在此提供具体但非限制性的使用表面起伏图的示例。
[0062] 图8展示了对关于图6和图7C的相位剖面进行求和的结果。
[0063] 所产生的相位剖面p(x，y)然后被包绕为化弧度：
[0064] (x,y)=arg[exp(i*p(x,y))]
[0065] 针对此示例，下式为真：
[0066] P' 4(x，y)=arg[e邱(i*P4(x，y))]
[0067] 图9展示了对如在图8中求和的相位剖面进行包绕的结果。W运种方式包绕的一个 优点是压缩物理衍射性表面的特征的竖直高度。
[0068] 使用材料折射率(m)的知识，即，光学器件将由沉浸式介质的折射率（典型地空 气:m = l)和光波长(A)重构，其中，光学器件将被优化，该包绕的相位剖面p/(x，y)然后可 W被转换成物理表面起伏剖面，S(x，y)，使用W下关系：
[0069]
或者
[0071]
[0070] 针对量化的相位剖面：
[0072] 中遵循：
[0073]
[0074] 评估准直和光束整形衍射性光学元件16:存在会降级衍射性光学器件关于初始设 计形式的形状因数的许多误差源。如果运些误差的大小被设置为在制造过程中预期的限 度，模块高度的误差（即，深度误差)被认为是光学器件性能降级的关键因素。图IOA至图IOC 展示了具有图IOA中标称深度误差（即，小于或等于5%)、图IOB中10%深度误差和图IOC中 15%深度误差的DOE 116的模拟结果。将注意的是，即使具有显著的深度误差，DOE 116未能 展现关于零阶泄漏的担忧(与图3比较）。此外，该结果即使在50%深度误差处也保持为显著 均匀化，而实验示出了现有技术的零阶泄漏特性在10%深度误差显现时将替代地开始成为 主导（参见图3B至图3C)。
[0075] 已经通过对本实用新型的示例性实施例的完整且信息性的描述的示例性且非限 制性的示例提供了之前的描述。然而，对于相关领域的技术人员而言，鉴于前面的描述，当 结合附图和所附权利要求书来阅读本说明书时，各种修改和适配会变得明显。然而，对本实 用新型教导的所有运样和类似的修改将仍然落入如所附权利要求书所限定的本实用新型 的范围之内。
【主权项】
1. 一种光学系统，其特征在于，包括： 准直和光束整形衍射性光学元件，所述光学元件被配置成用于修改输入发散光束并且 产生输出发散光束； 其中，所述准直和光束整形衍射性光学元件包括衍射性表面，所述衍射性表面具有既 准直所述输入发散光束又将经准直的所述输入发散光束整形为所述输出发散光束以形成 具有期望输出强度分布的输出场的设计。2. 如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述衍射性表面是由被设计成用于实现 准直功能和光束整形功能两者的表面起伏图形成的。3. 如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述表面起伏图是由用于准直所述输入 发散光束的相位剖面与用于整形所述输出发散光束的相位剖面的相位组合定义的。4. 如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述表面起伏图进一步由将所述相位组 合转换成物理表面起伏剖面所定义。5. 如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，用于准直和整形的所述相位剖面是量化 的相位剖面。6. 如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述衍射性表面是由被设计成用于实现 准直功能和光束整形功能两者的梯度折射率材料形成的。7. 如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述梯度折射率材料是由用于准直所述 输入发散光束的相位剖面与用于整形所述输出发散光束的相位剖面的相位组合定义的。8. 如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述梯度折射率材料进一步由将所述相 位组合转换成梯度折射率结构所定义。9. 如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，用于准直和整形的所述相位剖面是量化 的相位剖面。
【文档编号】G02B27/09GK205720916SQ201620136398
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年2月23日
【发明人】J·P·D·唐宁
【申请人】意法半导体(R&D)有限公司
【专利摘要】本公开涉及一种光学系统，包括：准直和光束整形衍射性光学元件，所述光学元件被配置成用于修改输入发散光束并且产生输出发散光束；其中，所述准直和光束整形衍射性光学元件包括衍射性表面，所述衍射性表面具有既准直所述输入发散光束又将所述经准直的输入发散光束整形为所述输出发散光束以形成具有期望输出强度分布的输出场的设计。
【专利说明】
光学系统
技术领域
[0001 ]本实用新型设及光束整形设备并且具体地设及一种衍射性光学元件(DOE)。
【背景技术】
[0002] 参照图1，图1示出了光学系统10的常规几何结构。系统10包括生成具有平面波前 的光的准直光束14的光源12,该光束向光束整形衍射性光学元件16传播。衍射性光学元件 (D0EH6是被设计成用于生成期望的非准直输出光束18的整形（例如，循环均匀化)光学元 件，该输出光束形成具有期望输出强度分布的输出场20。由于衍射性光学元件16的衍射性 表面中的较小误差(例如，在制造过程中引入的表面缺陷），通过衍射性光学元件16进入输 出场20的光的经准直的光束14的高强度零阶泄漏22是有可能的。在此上下文中，对"高强 度"的引用意味着危险，因为泄漏具有光束发散和危险的功率(例如，参见英国标准BS EN 60825-1:2014或国际标准IEC 60825-1:2014,两者通过引用结合）。
[0003] 参照图2,图2示出了光学系统10'的常规几何结构。系统10'包括生成光的发散光 束26的光源12'，该光束向准直透镜28传播。准直透镜28工作W准直发散光束26并输出经准 直的具有平面波前的光的光束14,该光束向光束整形衍射性光学元件16传播。衍射性光学 元件16是被设计成用于生成期望的非准直输出光束18的整形（例如，循环均匀化）光学元 件，该输出光束形成具有期望输出强度分布的输出场20。由于衍射性光学元件16的衍射性 表面中的较小误差(例如，在制造过程中引入的表面缺陷），通过衍射性光学元件16进入输 出场20的光的经准直的光束14的高强度零阶泄漏22是有可能的。
[0004] 图1和图2中的高强度零阶泄漏22表面上是存在于输出场20中的经准直的光束14 的未经修改的部分。例如，运个效果被展示在图3中，图3示出了正方形均匀化输出场20的图 像(具有反向对比度），该输出场被高强度零阶泄漏22损坏。例如，如果光源12或12'是激光 光源，那么此零阶泄漏22是将对光源12或12'的容许运行功率具有直接影响的安全风险。响 应运种泄漏的存在或可能性，光源12或12'的功率电平必须被降低W确保安全操作，并且不 会从使用衍射性光学器件中受益。
[0005] 评估光束整形衍射性光学元件16:存在会降级衍射性光学器件关于初始设计形式 的形状因数的许多误差源。如果运些误差的大小被设置为在制造过程中预期的限度，模块 高度的误差（即，深度误差)被认为是光学器件性能降级的关键因素。图3A至图3C展示了具 有图3A中标称深度误差（即，小于或等于5%)、图3B中10%深度误差和图3C中15%深度误差 的元件16的模拟结果。将注意的是，均匀化受更显著的深度误差影响，零阶泄漏特性(参考 号22)变得更加主导。
[0006] 衍射性光学器件允许光学系统设计者W不可W用折射性光学器件实现的方式来 操纵波前。运允许光学器件的功能性的更大灵活性并且使折射性光学器件不支持的应用成 为可能。然而，需要不易受表面误差影响的改进式衍射性光学元件，其将容许高强度零阶泄 漏的通过。结果，在较高功率电平处操作光学系统将成为可能。 【实用新型内容】
[0007] 本公开的目的是提供一种光学系统，W至少部分地解决现有技术中的上述问题。
[0008] 在实施例中，光学系统包括:准直和光束整形衍射性光学元件，所述光学元件被配 置成用于修改输入发散光束并且产生输出发散光束;其中，所述准直和光束整形衍射性光 学元件包括衍射性表面，所述衍射性表面具有既准直所述输入发散光束又将经准直的所 述输入发散光束整形为所述输出发散光束W形成具有期望输出强度分布的输出场的设计。
[0009] 优选地，所述衍射性表面是由被设计成用于实现准直功能和光束整形功能两者的 表面起伏图形成的。
[0010] 优选地，所述表面起伏图是由用于准直所述输入发散光束的相位剖面与用于整形 所述输出发散光束的相位剖面的相位组合定义的。
[0011] 优选地，所述表面起伏图进一步由将所述相位组合转换成物理表面起伏剖面所定 义。
[0012] 优选地，用于准直和整形的所述相位剖面是量化的相位剖面。
[0013] 优选地，所述衍射性表面是由被设计成用于实现准直功能和光束整形功能两者的 梯度折射率材料形成的。
[0014] 优选地，所述梯度折射率材料是由用于准直所述输入发散光束的相位剖面与用于 整形所述输出发散光束的相位剖面的相位组合定义的。
[0015] 优选地，所述梯度折射率材料进一步由将所述相位组合转换成梯度折射率结构所 定义。
[0016] 优选地，用于准直和整形的所述相位剖面是量化的相位剖面。
[0017] 在实施例中，方法包括:定义用于对输入发散光束进行准直的第一相位剖面;定义 用于整形输出发散光束的第二相位剖面;将所述第一和第二相位剖面相加W形成组合的相 位剖面;并且由所述组合的相位剖面形成衍射性光学元件的衍射性表面，从而使得所述衍 射性光学元件的所述衍射性表面被配置成用于既准直所述输入发散光束又将所述经准直 的输入发散光束整形为所述输出发散光束W形成具有期望输出强度分布的输出场。
[0018] 在实施例中，方法包括:独立设计针对准直功能的第一相位剖面W及针对光束整 形功能的第二相位剖面;使用相角加法组合所述独立设计的第一和第二相位剖面;在0弧度 与如弧度之间包绕所述相角加法;并且使用由所述包绕的相角加法定义的衍射性表面产生 物理光学器件。
[0019] 在本公开的各个实施方式中，衍射性光学元件在存在表面误差的情况下阻碍了高 强度零阶泄漏(例如，经准直的)光束的输出并且如果被暴露于等效表面误差或缺陷中允许 光源的更高功率操作。
【附图说明】
[0020] 基于对实施例的详细描述的研究，本实用新型的其他的优点和特性将变得显而易 见，其是通过非限制性示例的方式得到的并且由附图展示，其中：
[0021] 图1和图2示出了光学系统的常规几何结构；
[0022] 图3是展示了由于在衍射性光学元件的表面上存在误差因此在由图1和图2的系统 生成的输出场中存在高强度零阶泄露的图像；
[0023] 图3A至图3C展示了具有各种深度误差的常规衍射性透镜剖面设计的模拟结果；
[0024] 图4示出了光学系统的实施例的几何结构；
[0025] 图5展示了针对在有限距离处点源照明的波前相位与径向距离之间的关系；
[0026] 图6展示了衍射性透镜剖面设计的量化示例；
[0027] 图7A至图7B展示了针对在不同量化处光束整形光学器件设计的示例；
[0028] 图7C示出了图7B被细化W填充的经量化的光束整形光学器件W及等效于图6的透 镜剖面的面积的区域；
[0029] 图8展示了对来自图6的衍射性透镜与如在图7C中所示的光束整形光学器件的相 位剖面进行求和的结果；
[0030] 图9展示了在0弧度和化弧度之间包绕该求和的相位剖面的结果;并且
[0031] 图IOA至图IOC展示了具有各种深度误差的衍射性透镜剖面设计的模拟结果。
【具体实施方式】
[0032] 现在参照图4,图4示出了光学系统100的常规几何结构。系统100包括生成光的发 散光束126的光源112,该光束向准直和光束整形衍射性光学元件116传播。衍射性光学元件 (DOE) 116执行两个功能:a)D0E对光的输入发散光束126进行准直；W及b)D0E对光进行整形 W生成期望的发散的(非准直的)输出光束118,该输出光束形成具有期望输出强度分布(例 如，W特定形状均匀化)的输出场120。
[0033] DOE 116的优点在于:将禁止对光束整形光学器件的正确操作的任何表面误差也 将禁止对准直功能的正确操作。结果，DOE 116在存在表面误差的情况下阻碍了高强度零阶 泄漏(例如，经准直的)光束的输出并且如果被暴露于等效表面误差或缺陷中允许相比于图 1和图2的系统而言光源112的更高功率操作。
[0034] DOE 116的设计利用了包括W下各项的过程:a)独立设计仅相位的衍射性透镜剖 面和仅相位的光束整形器光学器件;b)使用对其独立功能的相角加法组合运两个独立的设 计；W及C)产生物理光学器件，例如，将执行相位组合设计功能的衍射性表面。在DOE 116的 单个衍射性光学器件表面中优选实现组合的衍射性透镜和光束整形设计。在仅相位设计过 程中对准直功能和光束整形功能的独立或解禪优化简化了优化过程并且提高了输出场120 的效率和一致性。首先在相位空间中独立地定义准直功能和光束整形功能，然后在相位空 间中对那些功能进行求和(例如，使用相角加法)并转换成物理的W针对将执行准直功能和 光束整形功能两者的光学器件产生单个表面剖面。此实现方式的优点源自制造误差将在准 直功能和光束整形功能的性能上具有的组合效果。源自标称设计的光学器件中的任何表面 剖面误差将阻碍DOE 116光学器件执行两个功能的能力。因此，由于误差，光学器件形成非 期望的高强度准直校准光束(如，具有高强度零阶泄漏）的能力与光学器件形成期望的光束 形状的能力W相同的方式被降级。结果，在光学器件对制造误差的灵敏度中存在显著下降 (尤其是相比于如在图1和图2中所示的常规方法，其中，光束被离散地准直并且包括表面缺 陷可W允许准直光束的成分通过为高强度零阶泄漏）。
[0035] 在优选实现方式中，衍射性透镜剖面的设计必须在DOE 116与光源114之间具有等 于期望分离距离d的焦距。此外，光束整形器功能的设计必须假设输入光是准直的。
[0036] 衍射性透镜剖面设计:衍射性透镜的设计对本领域的技术人员而言是公知的。参 考教科书的"衍射性光学器件的计算机设计(Computer design of dif打active optics)" 索伊费尔（Soifer)，爱思唯尔出版社巧Isevier) ,2012(通过引用结合）。针对DOE 116,基于 对校正来自在距离光学器件有限距离d处的点源(光源114)的波前的曲率的需要设计透镜。 光学器件被定义，使得其焦距等于点源与光学器件的分离距离d。例如，参见图5。
[0037] 透镜剖面0^，7) = 6邱[1*(1)^，7)]被设计成用于将等效反相延迟添加至波前剖 面
，使得其匹配目标相位剖面P(x，y)=exp[iH(x，y)]:
[0038] P(x,y)=W(x,y)+0(x,y)
[0039] 针对准直透镜，对于所有的X和y，目标相位剖面PU,y) = l:
[0040] 0(x,y)=P(x,y)-W(x,y) = l-W(x,y)
[0041] 运等效于：
[0042]
[0043] 因此，准直透镜设计必须简单地应用与输入波前幅值相等但方向相反的相位延 迟。运是通过第一计算4 (x，y)实现的（参见图5)，然后从0弧度到化弧度包绕d) (x，y):
[0044] (x,y)=arg[0(x,y)]=arg[exp(i*<l) (x,y))]
[0045] 其中，arg[]算子返回复数0(x，y)的相角。然后，其可W对于量化相位剖面 y)是必需的。运取决于制造方法。可W使用许多技术来形成衍射性光学器件，并且在运种情 况下假定光刻蚀刻工艺，其需要将表面量化成离散相位层次。此相位量化不被认为是限制 或要求，因为存在容许连续相位剖面的多种制造方法;然而为了示例的完整性，在此提供 量化步骤。在0与^心之间定义四个量化相位层次，更具体而言，量化层次的范围是在
之间。被量化成N个层次的相位剖面(1) /(X，y)被定义为：
[0046]
[0047] 其中，算子.黎定义在相位剖面上的量化操作。在此示例中，N=4,使得：
[004引
[0049] 注意，可W为N选择任何整数值。N=4在此使用，使得说明更加清楚。通常，随着N增 加，光学器件的效率(即，性能)增加，因此只要关于衍射性表面的层次数量保持为可制造的 那么设计具有更多层次的光学器件是有益的。
[0050] -旦透镜的量化相位剖面被计算，其绕其原点旋转W形成径向对称的透镜表面。 图6中示出了运种表面的示例。
[0051] 光束整形光学器件设计:光束整形功能可W被设计成在入射光源的输出强度分布 上具有任意效果。例如，其可W对于在输出场中生成高分辨率的网格点是有用的。
[0052] 优化方法是基于无穷远点源（即，准直的）照明，其中，在文献中存在许多已知和公 开的解决方案，包括盖师贝格-撒克斯通算法(盖师贝格R.W(Gerdiberg R.W)和撒克斯通 W.O. (Saxton W.O.)，"从图像衍射平面图片确定相位的实用算法(A Practical algorithm for the determin曰tion of phase from image diffraction plane pictures)''，0ptik (斯图加特市），35,237-246,1972,通过引用结合）、本领域中被称为迭代傅里叶变换算法 (IFTA)的算法族中的第一种算法、W及替代的用于优化的全局捜索算法。无论使用哪种算 法，结果是（W相角）描述了波前的必需形状的相位剖面x(x，y)，从而在远场中产生期望的 输出强度分布。
[0053] 在使用盖师贝格-撒克斯通算法的示例中，生成光束整形光学相位剖面x(x，y)。 像W上描述的衍射性透镜设计的光学功能是在相域中。运样，理解的是，它没有物理深度， 而是描述了在其输出处的波前的所需形状。在此示例中的光学器件功能是生成正方形高帽 剖面。然而，它可W是任何任意的输出分布。
[0054] 光学器件功能必须从无穷数量的层次(参见图7A)量化成有限数量的层次，使得其 与所选的制造工艺兼容。如在W上针对衍射性透镜的示例中，使用如上所述的相同量化算 子将相位剖面量化成N = 4层次。图7B示出了量化的相位剖面X4(x，y)。将注意的是，还有可 能将量化工艺整合到所谓的'软量化'工艺中的IFTA中（例如，参见Wyrowski F，"衍射性光 学元件：量化的、闪耀的相结构的迭代计算（Diffractive optical elements: iterative calculation of quantized,blazed phase structures)"，J0SA A，美国光学学会，7,961- 969，1990，通过引用结合）。因此，通常，应当清楚的是存在多种替代方式来将量化包括到光 束整形光学器件优化中。
[0055] 在实施例中，图7B的量化相位剖面可W W瓦片状样式重复W定义如图7C中所示的 整体量化相位剖面。
[0056] 组合光学器件:如W上所指出的，衍射性透镜设计和光束整形器设计都在相域中。
[0057] 衍射性透镜设计和光束整形器设计通过对对应的量化相位剖面一起求和而被组 合：
[005引 p(x，y)= 4 (x，y)+x(x，y)，
[0化9] 特别地，N=4,则下式描述该运算：
[0060] pzt(x，y)= (})4(x，y)+Xzt(x，y)，
[0061 ]运是方便的表示，因为用于在单个衍射性表面中物理实现相位延迟的各种方法有 可能形成衍射性光学元件116。运样的物理实现的示例包括表面起伏图或梯度折射率 (GRIN)材料。在此提供具体但非限制性的使用表面起伏图的示例。
[0062] 图8展示了对关于图6和图7C的相位剖面进行求和的结果。
[0063] 所产生的相位剖面p(x，y)然后被包绕为化弧度：
[0064] (x,y)=arg[exp(i*p(x,y))]
[0065] 针对此示例，下式为真：
[0066] P' 4(x，y)=arg[e邱(i*P4(x，y))]
[0067] 图9展示了对如在图8中求和的相位剖面进行包绕的结果。W运种方式包绕的一个 优点是压缩物理衍射性表面的特征的竖直高度。
[0068] 使用材料折射率(m)的知识，即，光学器件将由沉浸式介质的折射率（典型地空 气:m = l)和光波长(A)重构，其中，光学器件将被优化，该包绕的相位剖面p/(x，y)然后可 W被转换成物理表面起伏剖面，S(x，y)，使用W下关系：
[0069]
或者
[0071]
[0070] 针对量化的相位剖面：
[0072] 中遵循：
[0073]
[0074] 评估准直和光束整形衍射性光学元件16:存在会降级衍射性光学器件关于初始设 计形式的形状因数的许多误差源。如果运些误差的大小被设置为在制造过程中预期的限 度，模块高度的误差（即，深度误差)被认为是光学器件性能降级的关键因素。图IOA至图IOC 展示了具有图IOA中标称深度误差（即，小于或等于5%)、图IOB中10%深度误差和图IOC中 15%深度误差的DOE 116的模拟结果。将注意的是，即使具有显著的深度误差，DOE 116未能 展现关于零阶泄漏的担忧(与图3比较）。此外，该结果即使在50%深度误差处也保持为显著 均匀化，而实验示出了现有技术的零阶泄漏特性在10%深度误差显现时将替代地开始成为 主导（参见图3B至图3C)。
[0075] 已经通过对本实用新型的示例性实施例的完整且信息性的描述的示例性且非限 制性的示例提供了之前的描述。然而，对于相关领域的技术人员而言，鉴于前面的描述，当 结合附图和所附权利要求书来阅读本说明书时，各种修改和适配会变得明显。然而，对本实 用新型教导的所有运样和类似的修改将仍然落入如所附权利要求书所限定的本实用新型 的范围之内。
【主权项】
1. 一种光学系统，其特征在于，包括： 准直和光束整形衍射性光学元件，所述光学元件被配置成用于修改输入发散光束并且 产生输出发散光束； 其中，所述准直和光束整形衍射性光学元件包括衍射性表面，所述衍射性表面具有既 准直所述输入发散光束又将经准直的所述输入发散光束整形为所述输出发散光束以形成 具有期望输出强度分布的输出场的设计。2. 如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述衍射性表面是由被设计成用于实现 准直功能和光束整形功能两者的表面起伏图形成的。3. 如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述表面起伏图是由用于准直所述输入 发散光束的相位剖面与用于整形所述输出发散光束的相位剖面的相位组合定义的。4. 如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述表面起伏图进一步由将所述相位组 合转换成物理表面起伏剖面所定义。5. 如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，用于准直和整形的所述相位剖面是量化 的相位剖面。6. 如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述衍射性表面是由被设计成用于实现 准直功能和光束整形功能两者的梯度折射率材料形成的。7. 如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述梯度折射率材料是由用于准直所述 输入发散光束的相位剖面与用于整形所述输出发散光束的相位剖面的相位组合定义的。8. 如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述梯度折射率材料进一步由将所述相 位组合转换成梯度折射率结构所定义。9. 如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，用于准直和整形的所述相位剖面是量化 的相位剖面。
【文档编号】G02B27/09GK205720916SQ201620136398
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年2月23日
【发明人】J·P·D·唐宁
【申请人】意法半导体(R&D)有限公司
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