CN109116455A - 衍射光学元件及包含相同衍射光学元件的光学设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的衍射光学元件，所述衍射光学元件的光学表面由若干个连续的三维曲面单元组成，平行的相干光入射其光学表面产生多个衍射级次组成的衍射图案，扩大了衍射光学器件的角度。另外，本发明还提供了一种包含所述衍射光学元件的光学设备。

Description

衍射光学元件及包含相同衍射光学元件的光学设备
技术领域
本发明涉及一种光学器件，尤其涉及一种衍射光学元件及包含相同衍射光学元件的光学设备。
背景技术
衍射光学器件在光束整形、分束以及特殊光学图案产生方面被大量使用，可应用于结构光三维测量、激光雷达、光通讯以及舞台显示等领域。
目前的衍射光学器件的光学表面主要为台阶型，通过在光学平面上刻划不同离散台阶数的二维光栅，使离散的不同深度的二维光栅产生不同的相位调制，从而在远场产生衍射图案。
然而，这种台阶型的衍射器件因现有设计方法制约，几乎只能利用第一级衍射，而衍射图案的发散角由衍射结构的特征尺寸决定，因此若要采用台阶型衍射器件获得大角度衍射图案，就需要极小的特征尺寸，这不仅需要苛刻的器件加工条件，而且其中央零级衍射光强度对台阶加工深度和入射光波长的误差非常敏感，细微的深度误差或者波长偏移都会引入很强的中央零级衍射，导致器件应用受到很大限制。
发明内容
有鉴如此，有必要提供一种衍射光学元件，旨在解决现有技术中提供的台阶型衍射光学器件的应用限制。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
一方面，本发明提供的衍射光学元件，所述衍射光学元件的光学表面由若干个连续的三维曲面单元组成。
在一些较佳实施例中，任意一个所述三维曲面单元的材料为光学塑料或光学玻璃。
在一些较佳实施例中，任意一个所述三维曲面单元包括三维凸形曲面、三维凹形曲面、三维波浪形曲面中的任意一种。
在一些较佳实施例中，任意一个所述三维凸形曲面的凸形高度相等。
在一些较佳实施例中，任意一个所述三维凹形曲面的凹形高度相等。
在一些较佳实施例中，任意一个所述三维凸形曲面的凸形高度与任意一个所述三维凹形曲面的凹形高度相等。
在一些较佳实施例中，任意一个所述三维波浪形曲面的波峰和波谷的高度相等。
在一些较佳实施例中，任意一个所述三维波浪形曲面的波峰和波谷的高度相等。
在一些较佳实施例中，所述衍射光学器件的光学表面在激光入射下，在远场产生多级次衍射形成的大角度的衍射图案，中央零级光斑能量与相邻级次相当。
另一方面，本发明还提了一种包含所述的衍射光学元件的光学设备。
本发明采用上述技术方案，能够实现下述有益效果：
本发明提供的衍射光学元件，所述衍射光学元件的光学表面由若干个连续的三维曲面单元组成，平行的相干光入射其光学表面产生多个衍射级次组成的衍射图案，扩大了衍射光学器件的角度。
本发明提供的衍射光学元件，平行的相干光入射其光学表面产生的衍射图案对三维连续面形的深度不敏感性，避免了台阶型衍射器件中深度误差导致的中央零级亮斑，使得其适用波段范围更广。
附图说明
图1为本实施例一提供的衍射光学元件的截面图。
图2为本实施例一提供的若干个连续的三维曲面单元的分布图。
图3为本实施例二提供的衍射光学元件的截面图。
图4为本实施例二提供的若干个连续的三维曲面单元的分布图。
图5为本实施例三提供的衍射光学元件的截面图。
图6为本实施例三提供的若干个连续的三维曲面单元的分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的衍射光学元件，其光学表面由若干个连续的三维曲面单元组成。
在一些较佳实施例中，三维曲面单元采用微小结构，从而能够降低三维连续曲面结构的特征尺寸。
在一些较佳的实施例中，微小的数量级在亚微米到百微米尺寸之间。
在一些较佳实施例中，任意一个所述三维曲面单元的材料为光学塑料或光学玻璃。
在一些较佳实施例中，任意一个所述三维曲面单元包括三维凸形曲面、三维凹形曲面、三维波浪形曲面中的任意一种。
可以理解，任意一个所述三维曲面单元并不局限上述三种形状或者上述三种形状的组合，实际中还可以采用其他的无规则的曲面形状。
在一些较佳实施例中，任意一个所述三维凸形曲面的凸形高度相等、或/及任意一个所述三维凹形曲面的凹形高度相等、或/及任意一个所述三维凸形曲面的凸形高度与任意一个所述三维凹形曲面的凹形高度相等、或/及任意一个所述三维波浪形曲面的波峰和波谷的高度相等。
在一些较佳的实施例中，所述衍射光学器件的光学表面在平行的相干光入射下，在远场产生多级次衍射形成的大角度的衍射图案，在远场产生多级次衍射形成的大角度的衍射图案，中央零级光斑能量与相邻级次相当可以理解，当平行的相干光入射所述衍射光学元件的光学表面，会在远场产生多级次衍射，由于不同衍射级次间的能量差异小，从而能够形成大角度的衍射图案，且中央零级光斑能量与相邻级次相当一方面，本发明提供的衍射光学元件，所述衍射光学元件的光学表面由若干个连续的三维曲面单元组成，平行的相干光入射其光学表面产生多个衍射级次组成的衍射图案，扩大了衍射光学器件的角度。
另一方面，本发明提供的衍射光学元件，平行的相干光入射其光学表面产生的衍射图案对三维连续面形的深度不敏感性，避免了台阶型衍射器件中深度误差导致的中央零级亮斑，使得其适用波段范围更广。
此外，本发明还提供了一种包括上述衍射光学元件的光学设备。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
实施例一：
请参阅图1，为本实施例一提供的衍射光学元件的截面图。
在本实施例中，衍射光学元件的光学表面采用连续的三维曲面单元组成，三维曲面单元为三维凸形曲面组成，三维凸形曲面的材料为光学塑料(PC)，且每个三维凸形曲面的大小为4微米，高度为1.8微米。
请参阅图2，为本实施例一提供的若干个连续的三维曲面单元的分布图。
在本实施例中，三维曲面单元呈四边形紧密排布，平行的相干光入射三维曲面单元产生的远场衍射图为四边形点状分束器。
在波长为650nm下每一级次的衍射角度为9.35°，清晰可见的衍射级次共6个级次，即产生的分束器为13*13，中央零级光强与±1级相当。
在波长为940nm下每一级次的衍射角度为13.5°，清晰可见的衍射级次共4个级次，即产生的分束器为9*9，中央零级光强与±1级相当。
实施例二：
请参阅图3，为本实施例二提供的衍射光学元件的截面图。
在本实施例中，衍射光学元件的光学表面采用连续的三维曲面单元组成，三维曲面单元为三维凹形曲面组成，三维凹形曲面的材料为光学玻璃(D-ZK3)，且每个三维凹形曲面的大小为5微米，高度为1微米。
请参阅图4，为本实施例二提供的若干个连续的三维曲面单元的分布图。
在本实施例中，三维曲面单元呈四边形稀疏排布，平行的相干光入射三维曲面单元产生的远场衍射图为四边形点状分束器。
在波长为650nm下每一级次的衍射角度为7°，清晰可见的衍射级次共7个级次，即产生的分束器为15*15，中央零级光强与±1级相当；在波长为940nm下每一级次的衍射角度为10.1°，清晰可见的衍射级次共5个级次，即产生的分束器为11*11，中央零级光强与±1级相当。
实施例三：
请参阅图5，为本实施例三提供的衍射光学元件的截面图。
在本实施例中，衍射光学元件的光学表面采用连续的三维曲面单元组成，三维曲面单元为三维波浪形曲面组成，三维波浪形曲面的材料为光学玻璃(石英)，且每个三维波浪形曲面的大小为3微米，高度为1.5微米(指波峰或者波谷的高度)。
请参阅图6，为本实施例三提供的若干个连续的三维曲面单元的分布图。
在本实施例中，三维曲面单元呈六边形稀疏排布，平行的相干光入射三维曲面单元产生的远场衍射图为六边形点状分束器。
在波长为532nm下每一级次的衍射角度为10.2°，清晰可见的衍射级次共6个级次，中央零级光强与±1级相当；在波长为830nm下每一级次的衍射角度为16°，清晰可见的衍射级次共3个级次，中央零级光强与±1级相当。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件的光学表面由若干个连续的三维曲面单元组成。
2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，任意一个所述三维曲面单元的材料为光学塑料或光学玻璃。
3.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，任意一个所述三维曲面单元包括三维凸形曲面、三维凹形曲面、三维波浪形曲面中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的衍射光学元件，其特征在于，任意一个所述三维凸形曲面的凸形高度相等。
5.根据权利要求3所述的衍射光学元件，其特征在于，任意一个所述三维凹形曲面的凹形高度相等。
6.根据权利要求3所述的衍射光学元件，其特征在于，任意一个所述三维凸形曲面的凸形高度与任意一个所述三维凹形曲面的凹形高度相等。
7.根据权利要求3所述的衍射光学元件，其特征在于，任意一个所述三维波浪形曲面的波峰和波谷的高度相等。
8.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，任意一个所述三维波浪形曲面的波峰和波谷的高度相等。
9.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学器件的光学表面在激光入射下，在远场产生多级次衍射形成的大角度的衍射图案，中央零级光斑能量与相邻级次相当。
10.一种包含根据权利要求1所述的衍射光学元件的光学设备。
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