一种透射式衍射光学元件的光学成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种透射式衍射光学元件及其光学系统，属于光场调控领域，包括：光源和透射式衍射光学元件；光源与衍射光学元件放置于同一光轴上，且透射式衍射光学元件位于光源出射光的方向；光源用于提供入射光；复合相位信息用于调节透射式衍射光学表面浮雕结构的高度和宽度以获取与零级光在光轴不同位置聚焦的目标光场；其中，复合相位信息包括调制相位信息和聚焦相位信息；调制相位信息用于使入射光通过透射式衍射光学元件后生成目标光场；聚焦相位信息用于使目标光场和零级光在光轴上不同位置聚焦。本发明专利技术采用聚焦相位使得目标光场和零级光在光轴不同位置聚焦，即使存在零级光也不影响目标光场的成像效果。

An optical imaging system of transmission diffractive optical element

The invention discloses a transmissive diffractive optical element and its optical system, belonging to the field of light field control, including: a light source and a transmissive diffractive optical element; the light source and the diffractive optical element are placed on the same optical axis, and the transmissive diffractive optical element is located in the direction of the light source; the light source is used to provide the incident light; the composite phase information is used to adjust the transmissive diffractive optical table The height and width of the surface relief structure are used to obtain the target light field focused at different positions of the optical axis with the zero order light; the composite phase information includes the modulation phase information and the focusing phase information; the modulation phase information is used to generate the target light field after the incident light passes through the transmission diffraction optical element; the focusing phase information is used to focus the target light field and the zero order light at different positions on the optical axis \u3002 The invention adopts the focusing phase to focus the target light field and the zero level light at different positions of the optical axis, and the imaging effect of the target light field is not affected even if there is zero level light.

【技术实现步骤摘要】
一种透射式衍射光学元件的光学成像系统
本专利技术属于光场调控领域，更具体地，涉及一种透射式衍射光学元件的光学成像系统。
技术介绍
激光加工是一种非接触加工方式，具有能量密度高、方向性好、高相干性、热影响区小等优点，然而，激光光束能量一般呈高斯分布，在诸如激光焊接、生物医学工程等
，这种能量非均匀分布的特性会导致材料在局部范围内产生热累积，从而破坏材料特性，影响加工效果的一致性。通过对激光光场进行调制，生成特殊的光场分布，得到任意一个特殊分布的表面光斑，如：圆形均匀光斑、矩形均匀光斑、环形均匀光斑，可以满足更多的激光加工应用需求。衍射光学元件有着优异的光学性能，能够对入射光进行相位调制，调制出理想的波面，与球面、非球面光学系统相比较而言，在校正色差方面具有较大优势，可以利用衍射光学元件对入射光进行光束整形产生多焦点，在激光成像、激光多点加工、激光并行加工等方面有广泛应用。但由于衍射光学元件面形轮廓的非连续性，其特有的相位突变点及不同的“台阶”高度使得被激光照射时产生零级光，影响最后的光束成像和加工效果。现有的消除零级光的方法有引入光束阻隔块、加菲涅尔透镜相位、加入柱透镜散射。加入光束阻隔块是在零级衍射光传播过程中加入一个光束阻隔块，阻止其继续传播，这样零级衍射光不进入物镜且不参与荧光激发，但这种方法会在激励场中引入盲区。加菲涅尔透镜相位是在加载相位时加一个负透镜相位，然后在光路上放一个聚焦镜使得零级光和目标光场在轴向上分离，但这种方法需要做到聚焦镜紧贴衍射光学元件，难以实现。加入柱透镜散射是在光路中有意的引入柱透镜像差使零级衍射散，通过这种方式使零级衍射光分布在一个大范围的体积内，减少焦面上单位面积内的零级衍射光强，但这种方法不能完全消除零级光。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种透射衍射光学的光学成像系统，旨在解决现有的光场调控元件因存在零级光导致成像结果较差的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种透射式衍射光学元件的光学成像系统，包括：光源和透射式衍射光学元件；光源与衍射光学元件放置于同一光轴上，且透射式衍射光学元件位于光源出射光的方向；光源用于为透射式延时光学元件提供入射光；透射式衍射光学元件为浮雕结构，基于其对入射光进行相位调制，使得透过透射式衍射光学元件形成的目标光场与零极光在光轴上的不同位置成像。透射式衍射光学元件的浮雕结构的尺寸由复合相位信息确定；其中，复合相位信息包括调制相位信息和聚焦相位信息；调制相位信息用于使入射光通过透射式衍射光学元件后生成目标光场，且调制相位信息不包含使入射光聚焦的相位信息；聚焦相位信息用于确定所述目标光场在光轴上的聚焦位置，使目标光场和零级光在光轴上不同位置聚焦。优选地，光源为激光器，入射光的能量呈高斯分布。优选地，透射式衍射光学元件的光学系统还包括：光学成像处理模块，位于透射式衍射光学元件输出目标光场的一侧，且两者位于同一光轴上，用于调节透射式衍射光学元件近场的像或防止透射式衍射光学元件的损害。优选地，光学成像处理模块为单透镜或两个透镜，用于调节透射式衍射光学元件近场的像的成像位置和成像大小。优选地，光学成像处理模块为保护镜；用于保护透射式衍射光学元件近场的像。优选地，光学成像处理模块为单透镜和保护镜的组合或两个透镜和保护镜的组合。优选地，目标光场的分布为圆形均匀光斑或矩形均匀光斑或环形均匀光斑或平面多点分布。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：(1)本专利技术提出透射式衍射光学元件的表面结构根据复合相位信息设置，用于对入射光进行相位调制以获取与零级光在光轴不同位置聚焦的目标光场；其中，复合相位信息包括调制相位信息和聚焦相位信息；调制相位信息用于使入射光通过透射式衍射光学元件后生成目标光场，聚焦相位信息用于使目标光场和零级光在光轴上不同位置聚焦。相比于传统的衍射光学元件由于表面结构的不连续性，导致零级光影响目标光场的成像效果，因此，基于上述原因，采用聚焦相位使得目标光场和零级光在光轴不同位置聚焦，即使存在零级光也不影响目标光场的成像效果。(2)光源可为激光器，一般激光器的光束能量分布呈高斯分布，为了保持激光加工效果的一致性，通常需要将高斯分布的光场转换为所需要的表面光斑，实际应用需求较大，而本专利技术公开的光源可为激光器，同样适用于激光加工中，充分说明本专利技术的适用范围比较广。(3)本专利技术使用透射式衍射光学元件在实际使用中对光源没有限定，不需要引入额外的光学元件去调制光源，降低了对硬件的要求，使得光学系统结构简单，易于灵活性操作。(4)当本专利技术公开的透射式衍射光学元件的表面结构固定时，对入射光的相位调制已经确定，不再受光学系统中光路的影响，因此，在实际应用中，透射式衍射光学元件可批量生产制造。(5)本专利技术提供的光学系统还包括光学成像处理模块，可调节透射式衍射光学元件近场的像的成像位置和成像大小，以适用于各种需求。(6)本专利技术只需在透射式衍射光学元件设计时考虑调制相位信息和聚焦相位信息可避免零级光对目标光场的成像效果的影响，未引入额外的光学器件，相比传统的为消除零级光引入光束阻隔块、加菲涅尔透镜相位以及加入柱透镜散射，本专利技术的光学系统更加简单，且便于调控。附图说明图1是实施例1提供的透射式衍射光学元件的光学系统结构示意图；图2是实施例1提供的透射式衍射光学元件的光学系统工作流程图；图3是实施例1提供的透射式衍射光学元件的表面结构图；图4是实施例2提供的透射式衍射光学元件的光学系统结构示意图；图5是实施例3提供的透射式衍射光学元件的光学系统结构示意图；在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-激光器；2-衍射光学元件；3-单透镜；4-第一透镜；5-第二透镜；6-工作台。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。由于传统的透射式衍射光学元件面型轮廓类似“台阶”一样，具有非连续性，入射光经过两个台阶之间的突变点时会发生相位突变，该相位突变的不可控以及在制造时产生的微小误差，使得入射光透过透射式衍射光学元件时会产生零级光，进而影响目标面上的成像效果，但是该零级光不受透射式衍射光学元件相位调制的影响。而入射光透过透射式衍射光学元件产生的目标光场在光轴上的聚焦位置和聚焦面上光场的分布，受衍射光学元件表面“台阶”的高度及宽度的影响，并且调制相位信息取决于台阶的高度及宽度，因此，可首先通过计算调制相位信息，设置台阶的高度及宽度，进而确定透射式衍射光学元件的表面结构。入射光经过上述透射式衍射光学元件产生的目标光场在光轴上的聚焦位置将与零级光的聚焦位置分离，最终目标面上将不受零级光的干扰。基于上述原理，本专利技术提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种透射式衍射光学元件的光学成像系统，其特征在于，包括：光源(1)、透射式衍射光学元件(2)；/n所述光源(1)用于为透射式衍射光学元件(2)提供入射光；/n所述透射式衍射光学元件(2)为浮雕结构，基于其对入射光进行相位调制，使得透过透射式衍射光学元件(2)形成的目标光场与零极光在光轴上的不同位置成像。/n

【技术特征摘要】
1.一种透射式衍射光学元件的光学成像系统，其特征在于，包括：光源(1)、透射式衍射光学元件(2)；
所述光源(1)用于为透射式衍射光学元件(2)提供入射光；
所述透射式衍射光学元件(2)为浮雕结构，基于其对入射光进行相位调制，使得透过透射式衍射光学元件(2)形成的目标光场与零极光在光轴上的不同位置成像。


2.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述透射式衍射光学元件(2)的浮雕结构的尺寸由复合相位信息确定；
其中，所述复合相位信息包括调制相位信息和聚焦相位信息；
所述调制相位信息用于使所述入射光通过透射式衍射光学元件(2)后生成目标光场；
所述聚焦相位信息用于确定所述目标光场在光轴上的聚焦位置，使目标光场和零级光在光轴上不同位置聚焦。


3.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光源(1)为激光器，所述入射光的能量呈高斯分布。

【专利技术属性】
技术研发人员：秦应雄，徐家明，张兰天，张怀智，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42