可见光波段衍射光学元件衍射效率测量

可见光波段衍射光学元件衍射效率测量 Vol. 33 No. 2 长春理工大学学报(自然科学版)第33卷第2期Journal of Changchun University of Science and Technology(Natural Science Edition) 2010年6月Jun. 2010 可见光波段衍射光学元件衍射效率测量 1112张栋 ，崔庆丰 ，武因峰 ，李敏 ,1. 长春理工大学 光电工程学院,长春 130022,2. 北方科技信息研究所,北京 100089, 摘 要:本文简要介绍了衍射光学元件衍射效率的理论计算原理，给出了一些衍射效率的测量;在此基础上设 计了一套实用的衍射效率测量系统，并针对一个中心设计波长为 546.1nm，F 数为 4 的折衍射混合透镜进行测试， 给出了测试结果和分析;此测试系统对衍射光学元件的设计加工具有实际意义。 关键词:衍射光学元件;衍射效 率;测试 中图分类号:O436.1文献标识码:A文章编号:1672-9870(2010)02-0015-03 Measurement of Diffraction Efficiency of Diffractive Optical Element During Visible Spectrum 1112ZHANG Dong,CUI Qingfeng,WU Yinfeng,LI Min (1. School of Optical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022; (2(North Institute for Science&Technology Information，Beijing 100089) Abstract:The calculation method of diffraction efficiency for the diffractive optical element was introduced in this paper. Several methods of measurement were given. A measurement system for diffraction efficiency was designed. The diffraction efficiency of a refractive-diffractive hybrid singlet was tested and the result was given. The singlet's designed wavelength is 546.1nm and its F number equals 4. This measurement system has the actual meaning to the designing，machining of dif- fractive optical element. Key words:diffractive optical element;diffraction efficiency;measurement 衍射光学元件是基于光的衍射理论工作的光学 键指标就是其衍射效率大小,因为对于衍射光学元 元件。衍射光学元件具有任意位相分布,特殊色散 件,像面上存在有多个衍射级次,其中能够有效利 等成像性质,衍射光学元件应用于传统成像光学系 用的只是主衍射级次光线,其它级次的光线在主衍 统中,可以在保证或改善成像质量同时减小光学系 射级像面上反而形成杂散光,降低了像面对比度, 统的体积和重量。衍射光学元件在光互连,波前探 因此,衍射光学元件的衍射效率直接影响到光学系 ,1,测,激光光束整形等领域也有着广泛的应用前 统的成像质量,一些文献已经讨论了衍射效率对光 ,3,4,景。 ,指出衍射效率的下降会直 学传递函数的影响 接造成光学系统的光学传递函数下降,衍射效率过 自从 20 世纪八十年代林肯实验室首先成功使 用二元光刻掩膜技术制作出表面浮雕面型的衍射光 低是限制衍射光学元件在光学系统中应用的一个关 学元件 ,DOE: diffractive optical elements, 以来,键因素,因而对衍射光学元件衍射效率的精确测量 衍射光学在设计理论和加工技术方面已经取得很大 十分必要。 1 衍射效率理论定义进展,目前工艺上已经能够实现在较低的成本条件 ,2, 下,加工出成像质量较好的衍射光学元件。衍射光学元件本质上是一种变周期位相光栅, 对于所加工的衍射光学元件,衡量其性能的关 收稿日期,2010-03-12 作者简介,张栋,1983- ,,男,硕士,主要从事光学设计和光电方向研究,E-mail,zd27566@163.com。 通 讯作者,崔庆丰,1954-,,男,教授,博士生导师,主要从事光学系统设计、衍射光学和光学工程方面的研究。 射级次的焦点上,如图1 所示,光波应尽可能的聚 4.衍射效率为经DOE 衍射后的光场照射到放置 集到所选定的主衍射级次焦点上。通常设计选用衍 在焦面上的光探测器实际有效面积上的衍射光能量 射光学元件的一级衍射作为主衍射级次,理论上把 与经透镜衍射后的焦面总光能量之比。 5.采用背景扣除法的衍射效率。此方法是使用主衍射级次能量E占入射光波总能量E 的比率称作 1 衍射效率。 透射能量减去背景光能量来间接计算主衍射级光能 量,如果背景范围取第一极小外的全部范围,那么 计算出来的衍射效率同方法 1 近似。 ,7,()6.斯特内尔效率Strehl efficiency。这种方法 是把衍射效率定义为衍射透镜的轴上辐照度比率与 理想受限透镜的轴上辐照度比率的比值,实验中多 采用衍射远场的中央主瓣能量 与扣除平基板反射 吸收后的出射平面总光能量的比值,也可以计算 图 1 衍射面衍射示意图主瓣和第一旁瓣的衍射效率,即由中央主瓣和第一 Fig.1 Schematic diagram of diffraction 旁瓣的能量 的比值来决定。 与 + 根据标量衍射理论,对设计波长衍射光学元件 以上这些测量方法都有各自的适用范围,比如 的一级衍射效率公式为, 去除基底材料影响的测量方法比较适合从衍射理论 2 sin / 上研究衍射元件的设计和制造误差对衍射效率的影 = ,1, 1 / 响,比如斯特内尔效率测量可以扣除衍射元件有限 公式,1,是按照台阶位相光栅推算出来的衍 口径所带来的衍射损失,而方法 3 和 4 侧重的则是 射效率公式, 是衍射光学元件单个周期量化台阶 工程上的光利用率。本文所要测量的衍射光学元件 数,当 取无穷时,即是连续位相分布的衍射元件 是一个设计应用于可见光波段的折衍射混合透镜, 的衍射效率公式,因而理论上说,具有连续面型的 中心设计波长 546.1nm,F 数为 4,课题主要关注点 衍射光学元件正入射情况下在设计波长具有 100% 在于通过测量衍射效率来了解衍射光学元件的设计 的衍射效率。衍射效率还是入射光波波长的函数, 和加工质量,同时基于实验条件,选用方法 2 来测 在非设计波长,DOE 衍射效率相应会有所降低。量混合透镜衍射效率。 衍射效率测量方法2 衍射效率测量系统3 理论上,衍射光学元件,DOE,衍射效率等于 这里测量衍射效率是采用前面所介绍的方法 2 主衍射级衍射光能量与入射 DOE 平面光能量的比 来进行的,即通过测量带衍射面的混合透镜衍射光值。然而在实际测量中,光学元件的设计者和制作 场的主极大能量 与透过混合透镜的后焦面的总光 者们从自己所关心的角度出发,常常选用不同的衍 能 来得到衍射效率, 射效率测量方法,目前测量衍射效率的方法大致有 ,2, = ,5,6, 以下几种, 衍射效率测试系统如图2 所示。测试系统主要 1. 衍射效率为衍射光场的主极大能量 与扣除 由光源,激光器,,空间滤波器,平行光管,光电 平基板反射吸收后的出射平面总光能量的比值。 在测量出射平面总光能量 时,在原衍射光学元件 探测器和三维位移台组成。系统采用He-Ne 激光器 作为光源,主要考虑He-Ne 激光器的单色性,方向位置处插入一个与 DOE 材料,厚度一样的平板基 性比较好,而且气体激光器的功率稳定性比较好, 底,来扣除基底材料的反射和对光能的吸收。 2. 方法类似 1,只是直接以透过衍射元件的后 因为在衍射效率测量系统中,光源稳定性是影响测 量精度十分重要的因素,使用口径 150mm,焦距焦面上的总光能代替入射光能以补偿衍射元件的反 1600mm 的长焦距平行光管,和空间滤波器一起实 射和吸收。考虑的是 DOE 衍射后焦平面上的能量 现对激光束的扩束准直,星点孔的滤波作用使得光 聚集度。 路可以得到均匀性和准直性都较好的平行光,光电3.衍射效率为照射到焦面上的光探测器实际有 探测器选用带有针孔的光功率计,光功率计可以把效面积上的衍射光能量与扣除平基板反射吸收后的 17 第 2 期 张栋,等,可见光波段衍射光学元件衍射效率测量 入射光强信号转换成为电信号,针孔可以消除杂散 衍射效率理论值为 93.4%。利用前面介绍的衍射效 率测量系统对所加工的 DOE 测量衍射效率,光等带来的噪声影响,使探测器可以更好的得到被 测透镜的主极大能量,调节机构采用NEWPORT 公 1.测量混合透镜衍射光场一级衍射光能量,在 司的精密三维手动位移台 460p 来寻找星点像主衍暗室中调节好准直光路,平行光管出射均匀的平行 光,将待测衍射光学元件放入平行光路中,衍射光 射级次焦面位置,位移台的调节精度可以达到 1 m,可以精确的寻找主极大点。学元件将平行光能量汇聚到其主衍射级焦面上,在 光功率计光探头前放置针孔光阑,并保持两者相对 位置不动,使用三维位移台调节光探头位置,使得 衍射光学元件主级次焦点和针孔位置重合,调节寻 找出光强信号最大的位置,这样可以根据测量值和 针孔口径计算得到混合透镜一级衍射光的能量 , 1 即时记录参考光信号 , 1 1,光源,2,光电探测器,3,分束镜,4,聚光镜,5 针孔, 2.测量混合透镜后焦面上总光能,在测量一级 6,平行光管,7,待测镜头,8,小孔,9,光电探测器, 衍射光信号之后,保持光探头位置不动,将针孔光 图 2 衍射效率测量实验装置框图 阑移开,保持光探头位置不动是为了尽可能使用探 Fig.2 Measured setup of the diffraction efficiency 测器光敏面上相同的位置来测量光强,以减少探测 measurement system 器表面效应对测量的影响。读取此时光探测器接收 测量系 统中,光电探测器也 可以考虑使用 到的光强信号 ,同时记录下此时参考光信号 , 20 2 CCD。因为对 DOE 衍射效率的测量,其本质上也 然后测得背景光强 , 去除背景光强后的数据就 2 0 就是测量 DOE 焦面上光强分布的情况,使用光功 是混合透镜后焦面上总光能 , 2 率计作为探测器可以直接得到光能量数值,同时为 3.将数据代入公式,3,计算衍射效率,表 1 给 了测量主级次能量,使用针孔来减弱其他级次光线 出了测试结果,计算得到混合透镜的衍射效率 影响,而如果使用 CCD,对 DOE 焦面的成像可以 =86.3%,混合透镜在632. 8nm 衍射效率的理论值是 直接得到整个焦面的光场能量分布,进而通过积分 93.4%,测试结果同理论值有 7.1%的差距,主要原 计算得到衍射效率,但 CCD 作为光场能量探测器 因是混合光学系统在加工过程中存在有一定的制作 存在动态范围过小的问题,对于测量场景不适合。 误差,对混合透镜的星点像观察也可以看到星点像在测量过程中,测量系统采用了双光路测量的 上有明显的像差存在。具体的原因主要是由于加工 方法,因为在前后两次光强测量之间有一定的时间 过程中刀具所产生的遮挡效应和衍射面型表面散射 ,8,间隔,激光器的功率波动性不可忽略,双光路测 造成衍射光学元件衍射效率的下降,DOE 加工过程量可以补偿激光器波动性对测量精度的影响,测量 中所产生的应力也是影响衍射面型的重要原因。时,首先测量出一级衍射光强 ,同时测出参考光 1 表 1 衍射效率测量结果 能量 ,然后,取下光电探测器的针孔光阑,测得 Tab.1Diffraction efficiency testing results 1 此时的衍射元件后焦面上总光能 ,同时记录参考 2 ( )( )( )( )( )w w w 1 1 ww2 20 光能量 ,则衍射效率公式为, 2 1st 23.25 145.2 26.95 0.175 146.0 87.4% 1 2 2cd 22.62 156.0 26.62 0.175 156.0 85.6% = ,3, 1 2 3sd 23.42 157.6 27.46 0.182 157.7 85.9% 测试结果与分析4 结论5 我们所测试的是一个应用于可见光波段的折衍 研制的衍射效率测试系统可以较好的测量 射混合透镜,混合透镜是在一个折射凸透镜上使用 632.8nm 波长下衍射光学元件的衍射效率,如果选 金刚石车削技术直接加工出连续面型的衍射面,这 用其他波长的激光器,就可以实现对衍射光学元件 种折衍射单透镜能够实现单透镜消色差,可以实现 可见光波段其他波长衍射效率的测量。这种测量对 传统光学系统中双胶合结构才能实现的功能。设计 衍射光学元件的设计和制造具有重要的工程应用价 波长 546.1nm,透镜 F 数为 4,混合透镜在设计波 值和指导意义。 长衍射效率可以达到 100%,在测量波长 632.8nm (下转第 21 页) 基本符合余弦变化趋势。幅值大小有差异是由于理 值化,对误差起到了平均作用,从而提高了测量精 论结果是在 CCD 为理想情况下获得、忽略平行光 度。 管调制传递函数的影响。而在实际测量中除了平行 参考文献 光管因素外,还有4 号分辨率板第22 组线度与CCD ,1, 郝群,沙定国,郑乃梅.光学传递函数测量仪刀口和狭缝 在奈奎斯特频率下所用靶标的线度的差异、CCD 像 两种测量方法比较分析,J,.光学技术,2001,27,1,, 元的非均匀性、CCD 像元的材料、驱动电路、信号 41-43. 采集电路,以及不完全的电荷转移等因素都会对 ,2, 蒋筑英.光学系统成像质量评价及检验文集,M,.北京:中 ,6,国计量出版社,1988. CTF 的测量结果有直接影响,因此测量结果与理 万春明,佟首峰.CCD 相机调制传递函数的测试原理分 ,3, 论计算略有偏差。析,J,.半导体光电,2001,23,1,,40-43. 结论4 ,4, Feltz J C . Development of the modulation transfer func- tionand contrast transfer function for discrete systems, 通过计算与实验结果可以看出,在奈奎斯特频 particularlycharge-coupled device,s J,. Opt Eng,1990,29 率处,采用矩形靶标与采用正弦靶标得到的调制传 ,8,,893-904. 庄松林,钱振邦.光学传递函数,M,.北京, ,5, 递函数之间存在系数 4/ 的差异。CC D 相机的C TF N机械工业出版 社,1981. 是其名义值与像函数的波峰,或波谷,对应像元中 ()郭悦,刘晓鹏.CCD 的调制传递函数MTF分析,J,.航天 ,6, 心偏移量余弦值的乘积。成像在 CCD 光敏面上的 返回与遥感,2004,25,3,,25-28. 杨桦,焦文春,朱永红, 等. CCD 相机在系统奈奎斯特频 率处的调制传递函数分辨率板中的条纹数通常包含若干条。一般情况 ,7, ,J,.光学学报,2002,22,3,, 下,分辨率板中的条纹的不能保证严格等宽,分辨313-316. 率板中的条纹在C CD 焦平面上所成的像与CC D 像 素之间的偏移量呈多值分布。通过对分辨率板水 平 (上接第 10 页) 5-11. 参考文献,3, 董霖.Matlab 使用详解,M,. 北京,科学出版社,2008. ,4, 杨国光.近代光学测试技术,M,.杭州,浙江大学出版社, ,1, 陈登海,秦龙刚,黄翔.基于激光雷达的飞机水平测量,J,. 1997. 中国制造业信息化,2009,38,5,,78-80. ,5, 苏大图.光学测试技术,M,.北京,北京理工大学出版社, ,2, 戴永江.激光雷达原理,M,. 北京,国防工业出版社,2002: 2001. 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