一种１００％匹配圆形、环形光束孔径的微阵列光栅制造技术

一种１００％匹配圆形、环形等光束孔径的微阵列光栅制作方法，确定在整个光束孔径上要分出的子孔径数目Ｎ；按照各个子孔径面积相等的原则进行划分；设定预期要形成的光斑阵列分布，光斑阵列中共有Ｎ个光斑，这些预期形成的Ｎ个光斑阵列将与Ｎ个子孔径对应；根据对应关系来设计每个子孔径内二维阵列光栅的两个方向的空间周期或锯齿深度，在每个子孔径内制作具有设计结构的锯齿形相位光栅，经过与其组合的透镜或透镜组会聚，便会形成方形规整排布的光斑阵列。本发明专利技术能够１００％匹配圆形、环形孔径，理论上甚至是任意形状光束孔径，而光斑阵列仍呈方形规整排布，解决了这种锯齿形相位光栅阵列技术无法实际应用的问题，同时提高锯齿形相位光栅制作效率、便于实现批量制作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微阵列光栅，特别涉及一种能够100%匹配圓形、环形、甚至是任意形状光束孔径，而形成的光斑阵列呈方形规整排布的微阵列光糖。
技术介绍
哈特曼波前传感器已广泛应用于自适应光学系统之中，它可以事先用一 束高质量的参考光标定，而在现场测量时无需参考光，所以对环境的要求不 像干涉仪那样敏感，因此它可以应用于光学元件质量控制、光束质量测量、 人眼像差、角膜面形测量等方面。现有的哈特曼波前传感器，通常采用微透镜阵列分割光束孔径，并将入射光聚焦到光电探测器(通常为CCD)的光 敏耙面，或者通过一转像系统将微透镜的焦面光斑图象成像于光电探测器光 敏耙面。上述哈特曼传感器可以参见"Adaptive Optics for Astronomy" D.M.AIIoin and丄M.Mariotti.Kluwer Academic Publishers, 1994. "Hartmann Sensers for Optical Testing" Robert丄Zielinski, B,Martin Levine， Brain MoNeil. SPIEVol.314, P398, 1997。这类哈特曼传感器的不足在于微透镜阵列的微透镜单元的焦距误差不 一致导致影响传感器精度，对微透镜阵列制作技术的要求很高。为此，王海 英、张雨东等曾提出过一种基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器，见中国专 利申请号03126430.1、 200310100168.1、 03126431.X。所述的基于微棱 镜阵列的哈特曼波前传感器主要由锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列、透镜 或透镜组和光电耦合器件(如CCD探测器)组成，其中透镜或透镜组紧靠微棱镜阵列，光电耦合器件位于透镜或透镜组焦面上。其优点在于提出了一 种锯齿形相位光栅阵列结构，和一个透镜或透镜组组合实现光束孔径的均匀 分割，避免了微透镜阵列技术中微透镜单元焦距不 一致所带来的误差。但是，在上述三个专利(中国专利申请号03126430.1 、 200310100168.1、 03126431.X)中所提出的微棱镜哈特曼波前传感器，其 子孔径形状和所能匹配的光束口径均为方形。这样，在光束孔径为圆形或环 形的情况下(事实上，绝大多数光束孔径皆为圓形或环形)，导致与光束孔 径不能做到完全匹配，损失有效的光束信息，并且，这种不匹配所带来的边 缘衍射效应还会导致边界子孔径光斑质量恶化，影响其实际应用。同时，现 有的光电探测器其光敏靶面、像素等均为矩形，又要求光斑阵列仍呈方形规 整排布，以便于数据的读出与处理。这些问题将会直接影响该技术在工程实 际应用方面的发展。本专利技术正是在上述背景下产生，专利技术了一种能够100%匹配圆形、环形 等光束孔径，同时光斑阵列可以成方形规整排布的微阵列光栅结构；并且， 进一步提出了微阵列光栅的几种实现方案，尤其是其中的由同样两个一维锯 齿形相位光栅阵列组合实现的方案。本专利技术有效地解决了上述三个专利(中 国专利申请号03126430.1、 200310100168,1、 03126431.X)中专利技术的锯 齿形相位光栅阵列结构与圆形光束孔径和方形光电探测器同时匹配的问题， 并针对实际制作问题，提出了简化结构、提高制作效率的实施方案，弥补了 上述专利中专利技术技术所存在的不足。
技术实现思路
本专利技术的扶术解决问题之一克服现有技术的不足，提供一种100%匹 配圓形、环形等光束孔径的微阵列光栅制作方法，该方法能够100%匹配圆 形、环形孔径，理论上甚至是任意形状光束孔径，而光斑阵列仍呈方形规整 排布，解决了这种锯齿形相位光栅阵列技术无法实际应用的问题。本专利技术的另一技术解决问题是提供了能够有效降低微阵列片子设计和 工艺制作复杂性的几种实际设计、制作方案，尤其是其中的由同样两个一维 锯齿形相位光栅阵列组合实现的方案，解决了如何提高锯齿形相位光栅制作 效率、批量制作实现的问题。本专利技术的技术解决方案 一种100%匹配圓形、环形等光束孔径的微阵 列光栅制作方法，其特征在于(1)首先进行孔径分割，即确定在整个光束孔径上要分出的子孔径数目N;(2 )确定子孔径数N之后，按照各个子孔径面积相等的原则进行划分；(3) 划分完子孔径后，预先设定预期要形成的光斑阵列分布，光斑阵 列中共有N个光斑，这些预期形成的N个光斑阵列将与N个子孔径对应；(4) 最后根据对应关系设计每个子孔径内二维微阵列光栅的两个方向 的空间周期或锯齿深度，其中子孔径内锯齿形相位光栅的周期Tx、 Ty分别 为了,丄 了,丄 X 乂Xi, yi分别为光斑所在的位置，锯齿深度d为其中义为所用的光源波长，n为光学材料的折射率； (5)在每个子孔径内制作具有设计结构的锯齿形相位微阵列光栅，将 整个圆形或环形等光束孔径均匀分割，经过与其组合的透镜或透镜组会聚， 形成方形规整排布的光斑阵列。本专利技术与现有技术相比的优点在于 (1)本专利技术能够100%匹配圓形、环形孔径，理论上甚至是任意形状 光束孔径，而光斑阵列仍呈方形规整排布，解决了这种锯齿形相位光栅阵列 技术无法实际应用的问题，实现100%占空比，同时还能保证形成的光斑阵 列仍呈方形规整排布，便于光电探测器数据的读出与处理。(2)本专利技术设计原理简单，并提供了能够有效降低设计和工艺制作复 杂性的实际设计、制作方案，加工工艺易实现，既可采用微光学技术、也可 以采用模压技术加工，克服了现有基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器技术 专利技术中微棱镜阵列只能方形制作，无法满足圆形、环形等光束孔径要求这一 不足，提供了一种能100%匹配圓形、环形孔径，理论上甚至是任意形状孔 径，而光斑阵列仍呈方形规整排布的微阵列光栅结构，解决了微阵列光栅技 术在工程应用以及批量化制作方面的问题。附图说明图1为本专利技术中100%匹配圆形光束孔径、同时光斑阵列形成方形规整 排布的阵列光栅形成过程示意图。其中11为经过设计的微阵列光栅，12 为透镜或透镜组，14为光电探测器，13即为形成的方形规整排布的光斑阵 列；图2为以本专利技术中的方法实际制作实现的100%匹配圆形光束孔径的二 维锯齿形相位光栅阵列片子实物照片和所形成的光斑阵列；图3为本专利技术实施例1—仅需单面制作的微阵列光^^阵列及某一个子孔 径设计示意图；图4为本专利技术的实施例2—在同一块基片或同一个光学件的两个面上， 分别只制作X方向的一维阵列光栅和Y方向的一维阵列光栅，两面组合实 现一个二维相位光栅阵列的功能；图5为本专利技术的实施例3—在一块基片或光学件的一个面上只制作X方 向的一维阵列光栅，在另一块基片或光学件的一个面上只制作Y方向的一维 阵列光栅，这两块基片或光学件组合实现二维相位光栅阵列的功能；图6为本专利技术的实施例4一为两个一维锯齿形相位光栅阵列光栅组合成 一个二维锯齿形相位光栅示意图。具体实施方式如图1所示，本专利技术的主要的特征在于其孔径分割元件为微锯齿形相位光栅阵列11。本专利技术中的微锯齿形相位光栅阵列11为新型布局，能够100%匹配圆形、环形等最常用的光束孔径。下面根据图3,以圆形或环形光束孔径为例，来说明本专利技术提出的100% 匹配圓形光束孔径、同时光斑阵列形成方形规整排布的阵列光栅设计过程 根据前述的子孔径划分原则(各子孔径面积相等，以保证相同的光通量)， 所划分的N本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种１００％匹配圆形、环形等光束孔径的微阵列光栅制作方法，其特征在于：（１）首先进行孔径分割，即确定在整个光束孔径上要分出的子孔径数目Ｎ；（２）确定子孔径数Ｎ之后，按照各个子孔径面积相等的原则进行划分；（３）划分完子孔径后，预先设定预期要形成的光斑阵列分布，光斑阵列中共有Ｎ个光斑，这些预期形成的Ｎ个光斑阵列将与Ｎ个子孔径对应；（４）最后根据对应关系设计每个子孔径内二维微阵列光栅的两个方向的空间周期或锯齿深度，其中子孔径内锯齿形相位光栅的周期Ｔｘ、Ｔｙ分别为：Ｔ↓［ｘ］∝１／ｘ↓［ｉ］Ｔ↓［ｙ］∝１／ｙ↓［ｉ］ｘ↓［ｉ］，ｙ↓［ｉ］分别为光斑所在的位置，锯齿深度ｄ为：ｄ＝Ｋ.λ／（ｎ－１）Ｋ＝１，２，３……，其中λ为所用的光源波长，ｎ为光学材料的折射率；（５）在每个子孔径内制作具有设计结构的锯齿形相位微阵列光栅，将整个圆形或环形等光束孔径均匀分割，经过与其组合的透镜或透镜组会聚，形成方形规整排布的光斑阵列。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王海英，张雨东，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]