专利名称：一种制做多功能集成二元衍射相位元件的方法
技术领域：
本发明涉及一种光学相位元件的制做方法，特别是涉及制做多功能集成二元衍射相位元件的方法领域。
二元衍射光学元件是以光的衍射理论为依据，采用光学波面设计和微电子工艺加工技术综合研制而成，是九十年代新型的光学技术。它促成光学这一古老学科由折射光学迈向衍射光学，光学元件由宏观，散件向微型、高集成度发展。二元衍射光学元件主要分为位相型和振幅型两种，由于光学成像系统力求低衍射损耗以便尽可能利用光强，因此衍射位相型光学元件更具有实用上的价值。
如参考文献MasasuKatoandKyoheiSakuda，“Compnter-generatedhologramsapplicationTolutensityVariableandwavelengthdemultiplexingholograms”Appl.Opt.vol31630-635(1992)(2)Michael.Bernhardt，FrankWyrowskiandOlofByngdahl，“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)所介绍的现有的二元衍射位相元件(DPE)的计算机设计主要依靠七十年代引入数字化全息术的传统傅利叶变换及相关迭代算法，即通过物域与频域之间的变换关系，从物理上考虑附加以物域和频域空间的限制条件，从而实现有关的迭代算法。设计中涉及编码和相关量取值量化技术，编码是将输入信号加工使其在频域空间中振幅信息近似地大部分转化成位相信息，量化多采用直接均匀量化，即限制位相只能取[-π，π]内均匀分等级的分立值。
以此种算法为基础的衍射位相型元件设计多局限于傅利叶光学变换空间，傅利叶变换型的光学元件组合，限制了实际应用中光学元件设计范畴。由于涉及到物域和频域空间的变换及复杂编码过程，从而引进了编码和量化误差，虽然可通过调节信号位置偏离光轴使噪音与信号分离，但在光轴附近，噪音与信号难于分离开，使得采用简单的相位直接量化手续会带来较大的误差，从而要求更复杂的量化技术。
上述现有技术中的二元衍射相位元件制做方法主要制做的是只适用于傅利叶线性变换光学系统的衍射相位元件，而不能应用到任意的线性变换光学系统中，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术主要采用的傅利叶变换及迭代算法而进行傅利叶型光学元件组合，因此所能够制做的相位元件种类不多，光学元件集成能力很低。其次傅利叶型光学系统中光学元件的制作将涉及到频域及物域之间的复杂编码变换及量化过程和编码过程引进的噪声误差使得在光轴附近难于实现信号与噪声有效的分离开。
本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点和不足，为了把以往仅限于傅利叶光学变换系统及相关迭代算法的衍射位相元件制做方法推广到任意的线性变换系统中，拓宽了不同光学元件功能的组合能力和相关光学系统类型，改变传统的傅利叶型透镜，棱镜功能集成的框架，从而提供一种适用于处理任意线性变换光学系统中振幅一-相位恢复的理论和有效的迭代算法，并编制通用程序和利用全息和光刻、微电子技术，来进行制做多功能集成二元衍射相位元件。
本发明利用杨一顾提出的光学普遍变换及振幅一位相恢复一般理论及相关的迭代算法，应用到多波长混合光照明下的线性光学系统中，从理论上严格地推导出一组相位及振幅分布所满足的方程组和求解这些方程的有效迭代算法，同时编出制做衍射相位元件的计算机执行程序，再进行计算机设计。然后用全息及光刻技术制做出相应的二元衍射相位元件。
下面结合实施例及附图、表对本发明进行具体说明
图1是双波长混合光均匀照明系统中通过二元衍射光学元件调制最终实现在同一焦平面上不同波长的光在空间上完全分离的示意图。
表1是多波长混合光均匀照明系统可实现在同一焦面空间分离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关制作设计数据(位置空间抽样点为8和8种波长的混合光照明)。
表1中φi代表迭代算法中输入平面上选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是输出面上的预先设定的不同波长光的振幅分布实现空间分离聚集用以实际制作，计算得到ρ2振幅公布列于表最后一列上，以供对比。由表中可见，计算得到的ρ分布情况完全达到预期设计目标，在输出面上实现了8种不同的波长光聚焦到8个不同的空间点上。诸波长的光分离聚焦到同一焦平面上的顺序可任意设置，可以不同于自然序。
本发明方法的具体步骤如下1、首先在杨国桢、顾本源提出的光学普遍的相位一振幅重构理论基础上针对多波长非相干光照明的线性光学系统，进行具体理论推导，得到确定振幅和相位分布的联立方程组和求解它们的迭代算法。
线性变换系统的传输函数是G输入平面上复波函数是U1=ΣaU1a]]>而输出平面上波函数为
为表示GU1与U2接近程度，引入接近距离D2(ρ1α，φ1α;ρ2α，φ2α)
将ρ1γ，φ1γ，ρ2γ，φ2γ做为独立变量对D2进行泛函变分，
即δρ1γD2＝0，δφ1γD2＝0，δρ2γD2＝0，δφ2γD2＝0，并对不同波长光波函数实现对时间进行平均，最后得到使接近距离D，为极小时要求有关的ρ1γφ1γ，ρ2γ，φ2γ所必须满足的联立方程组
这
衍射相位元件设计归结为已知输入平面和输出平面上振幅波的分布ρ1ρ2寻求紧贴在输入平面后平面上的得位相片的位相分布φ1，应用于设计中的主要迭代公式是
2、利用所导出的确定振幅一相位分布的公式，并结合有效的迭代算法，编制通用的计算机执行程序，实现相关的设计。
3、利用现有的全息及光刻技术按设计的量化后相位分布制作衍射相位元件，并将它安置到相关的学系统中，得到附合要求的设计将均匀照明到光学系统中的多波长混合光波，实现不同波长的光波的空间分离并聚焦到同一输出面上，形成色彩分离的诸不同聚焦点，而且不同波长光的聚焦点的空间位置及强度可任意设置。简言之即多波长光入射到系统中经过衍射相位元件解调可以实现在同一焦面上形成各种波长光空间分离排列的各单道光聚焦斑点。
此相位元件设计实质是替代了棱镜及各种透镜的组合，将色散与聚焦功能集于一身。突出优点是所设计的衍射光学相位元件不依赖于入射波长，在输出端光色散顺序可以任意编序，可进行各种波长的编码排列，因此具有普遍设计意义。
本发明的制做多功能集成二元衍射相位元件的方法可以实现任意线性光学系统中的二元衍射相位元件的制做，突破了以往傅利叶变换空间及傅利叶型光学元件集成的限制，提高了相位元件功能集成度，拓宽了相位元件设计种类，所编制的通用计算程序正确切实可行，同时可利用现有的全息，光刻及微电子工艺加工技术来加工所设计的相位元件，可将其灵活地插入相关的线性变换光学系统中。应用本发明的方法，可以制作出适用于集成光学、光纤通信、光学计算机及神经网络和数学图象处理等领域的各种各样二元衍射相位元件。
权利要求
1.一种制做多功能集成二元衍射相位元件的方法，其特征在于把光学普遍变换及振幅一位相恢复理论及相关的迭代算法，应用到多波长混合光照明的线性光学系统中，编制出设计衍射相位元件的计算机执行程序，并且实现计算机设计，最终用全息或光刻技术做出相应的二元衍射相位元件。
全文摘要
本发明涉及一种光学相位元件的制做方法，特别是涉及制做多功能集成二元衍射相位元件的方法领域。本发明为了把仅限于傅利叶光学变换系统及相关迭代算法的衍射相位元件制做推广到任意的线性变换系统中，拓宽不同光学元件功能的组合能力和相关光学系统类型，改变传统的傅利叶型透镜、棱镜功能集成框架，从而提供一种适用解决任意线性变换光学系统中振幅-相位恢复问题的理论和有效的迭代算法。
文档编号G02B5/00GK1092871SQ9310272
公开日1994年9月28日 申请日期1993年3月17日 优先权日1993年3月17日
发明者杨国祯, 顾本源, 谭新, 董碧珍 申请人:中国科学院物理研究所