[发明专利]一种适用于多波长的衍射光学元件设计方法

说明书

技术领域

本发明属于应用光学领域，特别涉及一种灵活地用于多波长的衍射光学元件设计方法。

背景技术

衍射光学元件(Diffractive optical elements，DOE)是一种基于光波的衍射理论发展起来的器件，具有传统光学元件所不具备的特点，极大地促进了光学系统的小型化、集成化和阵列化，已经在激光光斑整形、光斑校正、光束质量提高及激光加工效率提升等领域得到了广泛的应用。

传统的DOE工作波长单一，大大的限制其使用范围。1978年，Dammann第一次提出彩色光分离位相板的概念，仅用一块相位板成功把不同的光分离到了不同的衍射级次，但仅仅是简单地对光进行分离，并未对成像进行研究。随后，国内外科研工作者对多波长衍射元件开展了相关研究，Doskolovich,L.L.通过波长比值来确定衍射元件结构每个台阶的深度，再通过各面面型误差进行迭代，成果实现了简单光场的分离成像，但是由于台阶深度的非线性，不利于加工和制作；Bengtsson提出一种将输入面和输出面离散化的算法，在保证台阶深度线性的前提下，实现了两波长在一定距离上成特定的像；随后Yusuke Ogura在其基础上，对算法中的权重进行了优化，实现了多波长分离成像的衍射元件设计，该方法利于加工，但是获得的图像点数受限，且其输出光场的距离比较短；Xuegong Deng和Ray T.Chen在单波长GS算法的基础上利用两个衍射元件级联的方式，对不同波长的成像加以权重的平衡，实现了多波长的分离与聚焦，这一方法由于对准误差的限制，在实际中无法实现实用化。

基于以上现状，本发明提出了一种多波长衍射元件的设计方法，该方法主要在单波长DOE设计的基础上，对各个波长的单波长DOE高度进行了一个优化组合，使之形成适用于多个波长的衍射元件结构。该方法不受波长和点数的限制，只需要一个衍射元件，即可在远场形成色彩逼真的彩色光场。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服多波长衍射元件设计时输出光场简单，输出距离短的问题。提出了一种新的迭代设计方法，通过寻找多波长衍射元件与各单波长衍射元件的等效 相位差最小的点，计算出最优的多波长衍射元件相位高度，实现了设计速度快同时能保证较高的衍射效率和较低的均方根误差的衍射元件设计。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种用于图像生成的衍射光学元件设计方法，设计步骤如下：

步骤(1)、确定衍射光学元件设计中所使用激光的波长(λ₁、λ₂、λ₃…λ_n)和各波长激光对应的光场分布(U₁、U₂、U₃…U_n)；

步骤(2)、根据具体需要，确定各波长对应的目标图像分布(A₁、A₂、A₃…A_n)和成像距离z；

步骤(3)、根据具体需要，确定衍射元件的整体尺寸L和相位阶数q；

步骤(4)、根据各波长对应的目标图像，利用GS算法分别设计适用于各波长的单波长衍射元件，将设计完成的单波长衍射元件高度记为h₁、h₂、h₃…h_n；衍射元件高度h与相位的关系如式(1)所示；

步骤(5)、取出步骤(4)中得到的最长波长λ₁对应的衍射元件高度作为初始高度，在衍射元件每个像素点上加上一定的高度；