一种适用于多波长的衍射光学元件设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于应用光学领域，特别涉及一种灵活地用于多波长的衍射光学元件设计 方法。
【背景技术】
[0002] 衍射光学元件（Diffractiveopticalelements，DOE)是一种基于光波的衍射理 论发展起来的器件，具有传统光学元件所不具备的特点，极大地促进了光学系统的小型化、 集成化和阵列化，已经在激光光斑整形、光斑校正、光束质量提高及激光加工效率提升等领 域得到了广泛的应用。
[0003] 传统的DOE工作波长单一，大大的限制其使用范围。1978年，Dammann第一次提出 彩色光分离位相板的概念，仅用一块相位板成功把不同的光分离到了不同的衍射级次，但 仅仅是简单地对光进行分离，并未对成像进行研宄。随后，国内外科研工作者对多波长衍射 元件开展了相关研宄，Doskolovich,LL通过波长比值来确定衍射元件结构每个台阶的深 度，再通过各面面型误差进行迭代，成果实现了简单光场的分离成像，但是由于台阶深度的 非线性，不利于加工和制作；Bengtsson提出一种将输入面和输出面离散化的算法，在保证 台阶深度线性的前提下，实现了两波长在一定距离上成特定的像；随后YusukeOgura在其 基础上，对算法中的权重进行了优化，实现了多波长分离成像的衍射元件设计，该方法利于 加工，但是获得的图像点数受限，且其输出光场的距离比较短；XuegongDeng和RayT.Chen 在单波长GS算法的基础上利用两个衍射元件级联的方式，对不同波长的成像加以权重的 平衡，实现了多波长的分离与聚焦，这一方法由于对准误差的限制，在实际中无法实现实用 化。
[0004] 基于以上现状，本发明提出了一种多波长衍射元件的设计方法，该方法主要在单 波长DOE设计的基础上，对各个波长的单波长DOE高度进行了一个优化组合，使之形成适用 于多个波长的衍射元件结构。该方法不受波长和点数的限制，只需要一个衍射元件，即可在 远场形成色彩逼真的彩色光场。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是：克服多波长衍射元件设计时输出光场简单，输出距 离短的问题。提出了一种新的迭代设计方法，通过寻找多波长衍射元件与各单波长衍射元 件的等效相位差最小的点，计算出最优的多波长衍射元件相位高度，实现了设计速度快同 时能保证较高的衍射效率和较低的均方根误差的衍射元件设计。
[0006] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种用于图像生成的衍射光学元件 设计方法，设计步骤如下：
[0007] 步骤（1)、确定衍射光学元件设计中所使用激光的波长（ApA2、ArAn)和各 波长激光对应的光场分布（UpUyUfUn);
[0008] 步骤（2)、根据具体需要，确定各波长对应的目标图像分布（ApAyA3-An)和成像 距离Z;
[0009] 步骤（3)、根据具体需要，确定衍射元件的整体尺寸L和相位阶数q;
[0010] 步骤（4)、根据各波长对应的目标图像，利用GS算法分别设计适用于各波长的单 波长衍射元件，将设计完成的单波长衍射元件高度记为hptvhfhn;衍射元件高度h与相 位9的关系如式（1)所示；
[0011]
【主权项】
1. 一种适用于多波长的衍射光学元件设计方法，其特征在于所述衍射元件的设计步骤 如下： 步骤（1)、确定衍射光学元件设计中所使用激光的波长（^1、^2、A。）和各波长 激光对应的光场分布扣1、&、&…U。）； 步骤（2)、根据具体需要，确定各波长对应的目标图像分布（Ai、A2、A3，，，A。）和成像距离 Z； 步骤（3)、根据具体需要，确定衍射元件的整体尺寸L和相位阶数q; 步骤（4)、根据各波长对应的目标图像，利用GS算法分别设计适用于各波长的单波长 衍射元件，将设计完成的单波长衍射元件高度记为hi、tv…h。;衍射元件高度h与相位9 的关系如式（1)所示；
(1) 步骤巧）、取出步骤（4)中得到的最长波长A1对应的衍射元件高度作为初始高度，在 衍射元件每个像素点上加上一定的高度；
(2) 式（2)中，m为在[0，M]范围内的整数，M为任意整数，A为面型调整的可控因子，取 值范围为[-5 %，5 % ]，5为大于0且小于100的任意实数，h为多波长衍射元件高度， (x，y)代表衍射元件各像素点的坐标位置，单波长DOE高度上加上mA/(n-l)时，n为材料 的折射率，其对波长A的相位调制量的改变为2 31的整数倍，成像不会受到任何影响，加上 AA/(n-l)的高度，会使成像产生中屯、零级，但当A在一定面型差异范围内时，中屯、零级 强度可W忽略，波长为A的光束成像满足成像需要； 步骤化）、将步骤巧）中调整后的每个像素点结构高度对应每个波长的等效相位与各 波长对应的单波长衍射元件在该像素点的等效相位做差记为MSi、RMS2、MSs、...MS。； 巧八化=mod;..片(―v,.'v)x(吃一1)-片/'(_x,.'v)x("'一；l) (3) 其中，RMSk化=123...n)为迭代后的结构与波长为Ak单波长衍射元件结构的等效差 值;mod。化）是b对a的求余函数，rik化=1，2, 3…n)为材料对波长Ak的折射率； 步骤（7)、重复步骤（5)和步骤化），当各波长对应差的平方和最小时，迭代完成，平方 和定义如（4)下： RMS二RMS; +RMS] +... +RMSl (4) 得到的m和A代入式（2)即可得到多波长DOE每个像素点的高度； 步骤巧）、迭代结束后，对输入平面光场的相位分布进行q阶量化，量化后的相位分布， 即为最终的衍射光学元件相位分布。
2. 根据权利要求1所述的一种适用于多波长的衍射光学元件设计方法，其特征在于： 所述步骤（1)中的激光光源是高斯光或者平面光。
3. 根据权利要求1所述的一种适用于多波长的衍射光学元件设计方法，其特征在于： 所述步骤（2)中的目标图像是二维图像且平行于衍射元件所在平面，图像中屯、和元件中屯、 连线与元件平面垂直。
4. 根据权利要求1所述的一种适用于多波长的衍射光学元件设计方法，其特征在于： 所述步骤（3)中的衍射元件相位阶数只能取2D，n为整数。
5. 根据权利要求1所述的一种适用于多波长的衍射光学元件设计方法，其特征在于： 所述步骤（4)中的11如，7。）、111柏71)和4柏71)在设计时都是111乂1]1个点的矩阵，65算法 中可采用菲涅尔衍射公式或弗朗何费衍射公式进行计算。
6. 根据权利要求1所述的一种适用于多波长的衍射光学元件设计方法，其特征在于： 所述步骤巧）中在对高度进行调整时，根据具体的应用要求和加工要求，对M和5取值，从 而确定各参量的取值范围。
7. 根据权利要求1所述的一种适用于多波长的衍射光学元件设计方法，其特征在于： 所述步骤（6)通过等效相位将各波长结合到一起，通过多波长衍射元件的对各波长的等效 相位与各波长的单波长衍射元件的等效相位的差异来进行迭代。
8. 根据权利要求1所述的一种适用于多波长的衍射光学元件设计方法，其特征在于： 所述步骤（7)是当各波长对应的等效相位差的平方和最小时，迭代完成；也可根据实际情 况加入权重，利用加权平方和来进行判断。
9. 根据权利要求1所述的一种适用于多波长的衍射光学元件设计方法，其特征在于： 所述步骤（8)是对设计的结果进行2"个台阶量化，各台阶的高度是线性关系。
【专利摘要】本发明公开了一种适用于多波长的衍射光学元件设计方法，1)确定衍射光学元件设计激光的波长和各波长激光对应的光场分布；2)确定各波长对应的目标图像和成像距离；3)确定衍射光学元件的整体尺寸和相位阶数；4)根据各波长对应的目标图像，利用GS算法分别设计适用于各波长的单波长衍射元件；5)取出步骤4)中得到的最长波长对应的衍射元件高度作为初始高度，在衍射元件每个像素点上加上一定的高度；6)将步骤5)中调整后的每个像素点结构高度对应每个波长的等效相位与各波长对应的单波长衍射元件在该像素点的等效相位做差；7)重复步骤5)和步骤6)，当各波长对应差的平方和最小时，迭代完成；8)对设计得到的相位进行量化。
【IPC分类】G02B27-00, G02B5-18
【公开号】CN104793336
【申请号】CN201510182055
【发明人】邓启凌, 王佳舟, 庞辉, 史立芳, 秦燕云, 罗雪
【申请人】中国科学院光电技术研究所
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月17日