CN114994928B - 基于衍射光学元件的斜向多焦点产生系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于衍射光学元件的斜向多焦点产生系统及方法，包括斜向多焦点衍射光学元件和紧贴所述衍射光学元件的聚焦镜，所述衍射光学元件是将光栅进行弯曲畸变得到的，简易地二台阶(0‑π)相位结构的衍射光学元件结合聚焦镜实现斜向多焦点分布，其焦点间隔和焦点连线与主光轴的夹角θ可以定制，结构简单，衍射光学元件台阶数仅为2阶，利于加工，定制性强，应用前景广阔。
Description
技术领域
本申请涉及多焦点技术领域，具体涉及一种基于衍射光学元件的斜向多焦点产生系统及方法。
背景技术
目前，衍射光学元件由于其调制光束时采用相位调制的优势，调制的精度和维度都能实现传统光学元件无法达到的效果，越来越受到各类应用的青睐，其应用场景日益广阔。在诸如激光微加工、激光3D图像处理等行业，目标场有多个焦点，多个视场，从而形成长焦深的需求也越来越受到人们的关注。但是在传统的产生多焦点的衍射光学元件中，例如专利申请号为：201610024854.2的专利文献中，其多焦点效果是均匀等距地分布在主光轴上，而在一些新型的激光应用场景中，更多地需要目标多个焦点地效果不只分布在主光轴上，而是其多个焦点和主光轴有一定地夹角，例如，在激光面板地弧面切割中，斜向多焦点比传统主光轴多焦点系统有更好地切割效率和切割断面。
发明内容
为此，本申请提供一种基于衍射光学元件的斜向多焦点产生系统及方法，以解决现有技术存在的没办法将多个焦点和主光轴形成一定的夹角的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
第一方面，一种基于衍射光学元件的斜向多焦点产生系统，包括斜向多焦点衍射光学元件和紧贴所述衍射光学元件的聚焦镜，所述衍射光学元件是将光栅进行弯曲畸变得到的，所述衍射光学元件的微结构表达式为：
其中，n为光栅从左到右的序列号，d为光栅正中心的光栅周期，m为出射光的衍射次级，f为同比于菲涅尔波带片的等效焦距，λ为光的波长。
作为优选，所述衍射光学元件为2阶。
作为优选，所述衍射光学元件的偏心距离为mλf/d，其中，d为光栅正中心的光栅周期，m为出射光的衍射次级，f为同比于菲涅尔波带片的等效焦距。
作为优选，所述将光栅进行弯曲畸变时，偏移量Δx为：
其中，r为径坐标，f为焦距。
作为优选，斜向多焦点的斜向角度θ为：
其中，Δm＝feffm*tan(am)，am＝arcsin(λ/d)，feffm＝fl/(1+fl/fm)，d为原始光栅周期为，fl为聚焦镜的焦距，fm为m级对应的菲涅尔等效焦距。
第二方面，一种基于衍射光学元件的斜向多焦点产生方法，包括：
根据第一公式计算光栅的弯曲偏移量；
根据所述弯曲偏移量将光栅进行弯曲畸变，得到斜向多焦点衍射光学元件；
根据第二公式计算需要的聚焦镜焦距；
将所述聚焦镜紧贴在所述衍射光学元件的出射端；
所述第一公式为：
其中，r为径坐标，f为焦距；
所述第二公式为：
其中，Δm＝feffm*tan(am)，am＝arcsin(λ/d)，feffm＝fl/(1+fl/fm)，d为原始光栅周期为，fl为聚焦镜的焦距，fm为m级对应的菲涅尔等效焦距。
作为优选，所述衍射光学元件为2阶。
作为优选，所述衍射光学元件的偏心距离为mλf/d，其中，d为光栅正中心的光栅周期，m为出射光的衍射次级，f为同比于菲涅尔波带片的等效焦距。
相比现有技术，本申请至少具有以下有益效果：
本申请提供一种基于衍射光学元件的斜向多焦点产生系统及方法，包括斜向多焦点衍射光学元件和紧贴所述衍射光学元件的聚焦镜，所述衍射光学元件是将光栅进行弯曲畸变得到的，简易地二台阶(0-π)相位结构的衍射光学元件结合聚焦镜实现斜向多焦点分布，其焦点间隔和焦点连线与主光轴的夹角θ可以定制，结构简单，衍射光学元件台阶数仅为2阶，利于加工，定制性强，应用前景广阔。
附图说明
为了更直观地说明现有技术以及本申请，下面给出几个示例性的附图。应当理解，附图中所示的具体形状、构造，通常不应视为实现本申请时的限定条件；例如，本领域技术人员基于本申请揭示的技术构思和示例性的附图，有能力对某些单元(部件)的增/减/归属划分、具体形状、位置关系、连接方式、尺寸比例关系等容易作出常规的调整或进一步的优化。
图1为现有的光栅微结构图；
图2为本申请提供的斜向多焦点衍射光学元件结构示意图；
图3为本申请提供的基于衍射光学元件的斜向多焦点产生系统结构示意图；
图4为本申请提供的基于衍射光学元件的斜向多焦点产生系统的发散角距等效焦平面的离轴距离示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本申请作进一步详述。
在本申请的描述中：除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”等旨在区别指代的对象，而不具有技术内涵方面的特别意义(例如，不应理解为对重要程度或次序等的强调)。“包括”、“包含”、“具有”等表述方式，同时还意味着“不限于”(某些单元、部件、材料、步骤等)。
本申请中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，通常是为了便于对照附图直观理解，而并非对实际产品中位置关系的绝对限定。在未脱离本申请揭示的技术构思的情况下，这些相对位置关系的改变，当亦视为本申请表述的范畴。
请参阅图1，对于普通光栅，其出射的各级次光束必然要满足光栅方程，即：
d*sinα＝mλ
其中，d为光栅周期，α为出射光束对应的散射角度，m为衍射级次，λ为光的波长，虽然普通光栅具有分束效果，但是为了实现斜向多焦点效果，则除了利用普通光栅形式，实现各个级次的分束外，还需要对不同级次的出射光，进行单独聚焦，且焦距不同。
为了实现对一种光的聚焦，其元件所需要提供的相位调制为：
其中，k＝2π/λ，为波数，r为径坐标，f为焦距。则在普通光栅微结构中，做一些适度的弯曲和畸变，其产生的相位调制需满足式(1)，该弯曲畸变后的光学元件同时具有分束和多点聚焦的效果。
基于此，在普通光栅的微结构形式上叠加一个具有聚焦功能的菲涅尔波带片，来实现斜向多焦点。对于一个菲涅尔波带片，其最基本的效果就是实现多点聚焦，假设多焦点的等效焦距是f，对于球面波在其等效焦点位置产生的相位差为：
将(2)进行泰勒展开，取其第一项近似，化简为：
可见，式(3)与式(1)完全相同，即可实现聚焦作用。则为了实现斜向多焦点的效果，可以对光栅进行弯曲畸变，需要弯曲带来的相位调制满足式(3)。
假设光栅末端的弯曲量为Δx，则对于其出射的第m级次衍射光束，其产生的相位偏移量为：
将式(3)和式(4)联立，则可以得到弯曲偏移量为：
即光栅按照式(5)发生弯曲畸变，则可以在保有传统光栅的分束效果外，又兼具菲涅尔波带片的多焦点聚焦效果，从而实现斜向多焦点的分布。
根据上述推导，由几何光学和傍轴近似条件，给出此类衍射光学元件的轨迹方程为：
其中，n为光栅的从左到右的序列号，依次为1，2，3，4……，d为光栅正中心的光栅周期，m为出射光的衍射次级，f为同比于菲涅尔波带片的等效焦距，λ为光的波长，从式(6)可以看出，本申请的斜向多焦点衍射光学元件就是一个偏心距离为mλf/d的菲涅尔波带片，其微结构如图2所示。
请参阅图3，本申请的斜向多焦点发生系统，由一个斜向多焦点衍射光学元件和一个聚焦镜紧贴而成，该斜向多焦点衍射光学元件是通过对一个光栅进行弯曲畸变获得，弯曲畸变之后的元件微结构表达式为式(6)。
举一个例子，假设原始光栅周期为d，紧贴聚焦镜的焦距为fl，m级对应的菲涅尔等效焦距分别为fm，此焦点经过聚焦镜之后的等效焦距feffm为：
feffm＝fl/(1+fl/fm)。
当m＝0时，弯曲光栅没有任何聚焦作用等效焦距就是fl。
请参阅图4，由光栅周期，算出m级次的发散角为am＝arcsin(λ/d)，其在等效焦平面的离轴距离为：Δm＝feffm*tan(am)。
整体斜向多焦点的斜向角度为：
本申请采用一种简易地二台阶(0-π)相位结构的衍射光学元件结合聚焦镜实现斜向多焦点分布，其焦点间隔和焦点连线与主光轴的夹角θ可以定制。本申请提供的基于衍射光学元件的斜向多焦点产生系统结构简单，衍射光学元件台阶数仅为2阶，利于加工，定制性强，应用前景广阔。
本申请的实施例还提供一种基于衍射光学元件的斜向多焦点产生方法，包括：
根据第一公式计算光栅的弯曲偏移量；
根据所述弯曲偏移量将光栅进行弯曲畸变，得到斜向多焦点衍射光学元件；
根据第二公式计算需要的聚焦镜焦距；
将所述聚焦镜紧贴在所述衍射光学元件的出射端；
所述第一公式为：
其中，r为径坐标，f为焦距；
所述第二公式为：
其中，Δm＝feffm*tan(am)，am＝arcsin(λ/d)，feffm＝fl/(1+fl/fm)，d为原始光栅周期为，fl为聚焦镜的焦距，fm为m级对应的菲涅尔等效焦距。
关于基于衍射光学元件的斜向多焦点产生方法的具体限定可以参见上文中对于基于衍射光学元件的斜向多焦点产生系统的限定，在此不再赘述。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合(只要这些技术特征的组合不存在矛盾)，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述；这些未明确写出的实施例，也都应当认为是本说明书记载的范围。
上文中通过一般性说明及具体实施例对本申请作了较为具体和详细的描述。应当理解，基于本申请的技术构思，还可以对这些具体实施例作出若干常规的调整或进一步的创新；但只要未脱离本申请的技术构思，这些常规的调整或进一步的创新得到的技术方案也同样落入本申请的权利要求保护范围。
Claims (8)
1.一种基于衍射光学元件的斜向多焦点产生系统，其特征在于，包括斜向多焦点衍射光学元件和紧贴所述衍射光学元件的聚焦镜，所述衍射光学元件是将光栅进行弯曲畸变得到的，所述衍射光学元件的微结构表达式为：
其中，n为光栅从左到右的序列号，d为光栅正中心的光栅周期，m为出射光的衍射次级，f为同比于菲涅尔波带片的等效焦距，λ为光的波长。
2.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的斜向多焦点产生系统，其特征在于，所述衍射光学元件为2阶。
3.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的斜向多焦点产生系统，其特征在于，所述衍射光学元件的偏心距离为mλf/d，其中，d为光栅正中心的光栅周期，m为出射光的衍射次级，f为同比于菲涅尔波带片的等效焦距。
4.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的斜向多焦点产生系统，其特征在于，所述将光栅进行弯曲畸变时，偏移量Δx为：
其中，r为径坐标，f为焦距，α为出射光束对应的散射角度。
5.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的斜向多焦点产生系统，其特征在于，斜向多焦点的斜向角度θ为：
其中，Δm＝feffm*tan(am)，am＝arcsin(λ/d)，feffm＝fl/(1+fl/fm)，d为光栅正中心的光栅周期，fl为聚焦镜的焦距，fm为m级对应的菲涅尔等效焦距。
6.一种基于衍射光学元件的斜向多焦点产生方法，其特征在于，包括：
根据第一公式计算光栅的弯曲偏移量；
根据所述弯曲偏移量将光栅进行弯曲畸变，得到斜向多焦点衍射光学元件；
根据第二公式计算需要的聚焦镜焦距；
将所述聚焦镜紧贴在所述衍射光学元件的出射端；
所述第一公式为：
其中，r为径坐标，f为焦距，α为出射光束对应的散射角度；
所述第二公式为：
其中，Δm＝feffm*tan(am)，am＝arcsin(λ/d)，feffm＝fl/(1+fl/fm)，d为光栅正中心的光栅周期，fl为聚焦镜的焦距，fm为m级对应的菲涅尔等效焦距；
所述衍射光学元件的微结构表达式为：
其中，n为光栅从左到右的序列号，d为光栅正中心的光栅周期，m为出射光的衍射次级，f为同比于菲涅尔波带片的等效焦距，λ为光的波长。
7.根据权利要求6所述的基于衍射光学元件的斜向多焦点产生方法，其特征在于，所述衍射光学元件为2阶。
8.根据权利要求6所述的基于衍射光学元件的斜向多焦点产生方法，其特征在于，所述衍射光学元件的偏心距离为mλf/d，其中，d为光栅正中心的光栅周期，m为出射光的衍射次级，f为同比于菲涅尔波带片的等效焦距。
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116492604B (zh) * | 2023-06-26 | 2023-11-17 | 深圳半岛医疗集团股份有限公司 | 激光治疗手柄和激光治疗仪 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102528289A (zh) * | 2010-11-04 | 2012-07-04 | 株式会社迪思科 | 激光加工装置 |
| CN105467601A (zh) * | 2016-01-15 | 2016-04-06 | 北京润和微光科技有限公司 | 一种利用二元波带片设计衍射多焦点元件实现轴向多焦点的方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5986779A (en) * | 1995-08-18 | 1999-11-16 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Multiple focus lens, an optical head apparatus and an optical information recording-reproducing apparatus |
| US9370416B2 (en) * | 2009-08-27 | 2016-06-21 | Jagrat Natavar DAVE | Refractive-diffractive lens |
| JP6698671B2 (ja) * | 2015-10-01 | 2020-05-27 | 株式会社メニコン | 回折型多焦点眼用レンズおよび回折型多焦点眼用レンズの製造方法 |
| CN107643596B (zh) * | 2017-11-15 | 2020-03-13 | 北京润和微光科技有限公司 | 一种二元波带片形式的衍射轴锥镜系统及其长焦深成像方法 |
| CN109633905B (zh) * | 2018-12-29 | 2020-07-24 | 华为技术有限公司 | 多焦平面显示系统以及设备 |
| CN110873958B (zh) * | 2019-11-29 | 2021-04-06 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 宽波段消色差多焦点显微成像光学系统 |
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2022
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102528289A (zh) * | 2010-11-04 | 2012-07-04 | 株式会社迪思科 | 激光加工装置 |
| CN105467601A (zh) * | 2016-01-15 | 2016-04-06 | 北京润和微光科技有限公司 | 一种利用二元波带片设计衍射多焦点元件实现轴向多焦点的方法 |
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| Publication number | Publication date |
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