基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法技术

本发明专利技术公开了一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，属于光学器件领域。方法包括：在衍射光学元件的基底器件上加工一块抑光区域，得到空间滤波器；确定衍射光学元件的相位分布，并转换为各衍射单元的结构参数；根据各衍射单元的结构参数对所述空间滤波器进行加工，得到空间频谱调制器件。本发明专利技术使用了加工工艺成熟的衍射光学元件作为主要的光场调制器件；并且在加工衍射光学元件之前，通过镀膜工艺在其基底器件中心加工一块具有特定设计参数的不透光或渐变透光等分布特点的区域，使得本发明专利技术所提的空间频谱调制器件在具有对频域光场进行复调制能力的同时，兼顾了可定制化和零功耗的优点。顾了可定制化和零功耗的优点。顾了可定制化和零功耗的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法


[0001]本专利技术属于光学器件领域，更具体地，涉及一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法。

技术介绍

[0002]空间频谱调制器件用于对光的空间频谱进行调制，通过调制空间频谱，可以方便、准确的对光学系统的性质进行分析与调制，在诸如成像领域、光模拟计算领域等得到了广泛的应用。
[0003]现有的空间频谱调制器件主要包括空间光调制器、传统光学器件以及超表面等新兴集成光学元件。
[0004]空间光调制器最常见的是液晶空间光调制器与数字微镜阵列，这一类器件通常可以通过计算机来控制其器件上调制单元阵列的分布与性质，以此实现对频域光场的相位或振幅进行调制，可以以一种非常便捷、高效的方式来实现灵活的调制效果，但其最大的问题在于目前这一类器件都是电控主动式器件，其能耗不可被忽视，同时受限于工业加工能力，其像素单元往往具有较大的尺寸（对可见光波段而言，其像素单元往往可以达到十倍波长量级），这使得其调制能力、器件尺寸等都受到了较大的限制。
[0005]传统光学器件以固定式器件为主，其主要问题在于难以根据需求灵活的调整变化，同时其结构与工作特点使得使用该类器件的系统的体积十分庞大。
[0006]超表面是近些年新型的具有超高集成度的新兴平面光学器件，相比于空间光调制器以及传统光学器件，其设计灵活度极高，具有更高的调制自由度，但是目前超表面的设计难度较高，同时其加工工艺难度大，成本高，还难以实现大规模实际应用。
[0007]同时，由于光场具有振幅和相位特性，现有的空间频谱调制器件往往都是对单一的振幅或者相位进行调制，难以同时对光场进行复调制（同时对振幅和相位进行调制），尽管可以通过光学设计，组合各类调制器件来一定程度上实现复调制功能，但这会使得整个光学系统复杂度提升，同时导致最终效率大大降低，最重要的是这种方式的调制自由度较低，难以实现一些较为复杂的调制需求，这也限制了目前的空间频谱调制器件在光计算等对调制复杂度、灵活性要求较高的领域的应用。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，并以实现光学边缘检测为实施案例，提供了一种空间频谱调制器件以及边缘检测装置，旨在解决现有空间频谱调制器件难以兼顾灵活、高效、低能耗甚至零能耗的问题，以及以超表面为代表的新型光学元件的设计困难与加工成本高昂的问题。
[0009]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，包括：在衍射光学元件的基底器件上加工一块抑光区域，得到空
间滤波器；确定衍射光学元件的相位分布，并转换为各衍射单元的结构参数；根据各衍射单元的结构参数对所述空间滤波器进行加工，得到空间频谱调制器件。
[0010]进一步地，所述抑光区域为不透光区域或由中心到四周透光率径向渐变增大的区域。
[0011]进一步地，所述确定衍射光学元件的相位分布，包括：将拓扑荷值为
±
1的轨道角动量的相位分布，作为衍射光学元件的相位分布。
[0012]进一步地，所述确定衍射光学元件的相位分布，包括：将拓扑荷值为
±
1的轨道角动量的相位分布，与具有聚焦功能的相位分布进行叠加，以叠加后的相位分布作为衍射光学元件的相位分布。
[0013]第二方面，本专利技术提供了一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件，采用如第一方面所述的方法得到。
[0014]第三方面，本专利技术提供了一种基于衍射光学元件的边缘检测装置，包括：第一透镜、空间频谱调制器件和第二透镜，所述空间频谱调制器件位于第一透镜的后焦平面以及第二透镜的前焦平面；所述第一透镜用于将位于第一透镜的前焦平面上的待处理光场变换至频域空间，并在第一透镜的后焦平面上得到待处理光场的空间频谱分布；所述空间频谱调制器件用于对所述空间频谱分布进行调制；所述第二透镜用于将调制后的空间频谱分布转换至空间域，并在第二透镜的后焦平面上获得边缘检测后的光场分布。
[0015]第四方面，本专利技术提供了一种基于衍射光学元件的边缘检测装置，包括：透镜和空间频谱调制器件，所述空间频谱调制器件位于透镜的后焦平面上；所述透镜用于将位于透镜的前焦平面上的待处理光场变换至频域空间，在透镜的后焦平面上得到待处理光场的空间频谱分布；所述空间频谱调制器件用于对所述空间频谱分布进行调制，并在空间频谱调制器件的焦平面上获得边缘检测后的光场分布。
[0016]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：（1）相比于现有的空间频谱调制器件，本专利技术使用了加工工艺成熟的衍射光学元件作为主要的光场调制器件；并且在加工衍射光学元件之前，通过镀膜工艺在其基底器件上加工一块不透光或渐变透光等具有特定设计分布的区域，该区域与衍射光学元件提供的相位分布共同作用，使得最终的空间频谱调制器件具有对光场进行复调制的能力，这一特点使得基于该方案所实现的频谱调制器件在光场调制方面具有更高的理论上限；（2）相比于传统的对光场进行复调制的方法，本专利技术在具体设计与实现方面受到的限制更小，理论上可以实现多种设计的振幅和相位分布，同时最终器件集成度较高，一定程度上避免了多个光学元件级联进行复调制所造成的体积庞大、低效等问题；（3）相比于现有的空间频谱调制器件，本专利技术所提空间频谱调制器件兼顾了液晶空间光调制器等电控主动式空间光调制器的灵活和螺旋相位板等传统光学元件的低功耗甚至零功耗的特点；（4）基于本专利技术而提出的用于光学边缘检测的器件和系统，利用了衍射光学元件的相位自由度大的特点，在调制产生螺旋相位光场的基础上，再叠加一个带有特定焦距、具有聚焦能力的相位分布。该聚焦相位等效于一个无任何振幅损失的理想薄透镜，其效果上完全等效于光学4f系统的第二个傅里叶透镜，起到对光场执行二维傅里叶变换的功能。这使得本专利技术所提空间频谱调制器件只需要工作在光学3f系统下，一定程度上改善了光学4f
系统集成度差的缺点；（5）基于本专利技术而提出的用于光学边缘检测的器件和系统，相比于在衍射光学元件的基底器件中心加工一块不透光区域的方案，本专利技术还提出了在衍射光学元件的基底器件中心加工一块由中心到四周透光率径向渐变增大的区域的方案，如此，得到的空间频谱调制器件在理论上其振幅分布和相位分布满足了标准傅里叶变换的微分性质所要求的分布，在理论上与标准一阶光学微分器等价，这使得该空间频谱调制器件在边缘检测方面有能力实现微分计算所得到的理论最优效果；（6）本专利技术所提基于衍射光学元件的边缘检测装置，相比于利用超表面作为调制器件的方案，设计难度、加工成本远低于超表面，对于实际应用来说更具优势。并且基于衍射光学元件的边缘检测装置的效率通常可以达到90%以上，显著高于表面等离极化激元、自旋霍尔效应等其他光学边缘检测方案。
附图说明
[0017]图1为本专利技术实施例一提供的基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法流程示意图。
[0018]图2为本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，其特征在于，包括：在衍射光学元件的基底器件上加工一块抑光区域，得到空间滤波器；确定衍射光学元件的相位分布，并转换为各衍射单元的结构参数；根据各衍射单元的结构参数对所述空间滤波器进行加工，得到空间频谱调制器件。2.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，其特征在于，所述抑光区域为不透光区域或由中心到四周透光率径向渐变增大的区域。3.根据权利要求2所述的基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，其特征在于，所述确定衍射光学元件的相位分布，包括：将拓扑荷值为
±
1的轨道角动量的相位分布，作为衍射光学元件的相位分布。4.根据权利要求2所述的基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，其特征在于，所述确定衍射光学元件的相位分布，包括：将拓扑荷值为
±
1的轨道角动量的相位分布，与具有聚焦功能的相位分布进行叠加，以叠加后的相位分布作为衍射光学元件的相位分布。5.一种基于衍射光学...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊伟，刘耘呈，张铭铎，高辉，范旭浩，焦玢璋，邓磊敏，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：