1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室,上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心,北京 100049
针对具有圆对称结构特征的光束,提出了一种基于高阶准离散汉克尔变换的光束整形算法。与传统Gerchberg-Saxton算法相比,相同条件下,该算法能够在较少的迭代次数内实现快速收敛,并大幅节省计算时间(约100倍),利用该算法设计的衍射光学元件呈圆对称分布,结构简单、更易于加工;此外,设计实验对目标光束整形,验证了该算法的可行性,实验结果光强分布较好,为衍射光学元件的设计和加工提供了重要的指导意义。
物理光学 汉克尔变换 光束整形算法 Gerchberg-Saxton算法 衍射光学元件
天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
提出一种基于计算成像理论的端到端衍射元件设计方法,通过全局性优化方案将光学设计和图像复原作为整体,从而降低前端光学系统的成像质量要求,并利用图像复原算法去除残余像差以简化系统。所提设计方法涵盖光场传播、探测器去噪和图像后处理等关键环节的模型建立与联合优化。该设计方案可用于景深延展的轻薄型衍射元件的设计,且所适用的大景深的简单光学系统具有较高的成像质量。
成像系统 端到端 景深延展 图像复原 衍射元件
Author Affiliations
Abstract
1 Nanophotonics Research Center, Institute of Microscale Optoelectronics & State Key Laboratory of Radio Frequency Heterogeneous Integration, Shenzhen University, Shenzhen, China
2 Department of Precision Instruments, Tsinghua University, Beijing, China
3 Center for Optics, Photonics and Lasers, Laval University, Quebec, Canada
4 Research Institute of Intelligent Sensing, Research Center for Humanoid Sensing,Zhejiang Lab, Hangzhou, China
Diffractive optical elements (DOEs) are intricately designed devices with the purpose of manipulating light fields by precisely modifying their wavefronts. The concept of DOEs has its origins dating back to 1948 when D. Gabor first introduced holography. Subsequently, researchers introduced binary optical elements (BOEs), including computer-generated holograms (CGHs), as a distinct category within the realm of DOEs. This was the first revolution in optical devices. The next major breakthrough in light field manipulation occurred during the early 21st century, marked by the advent of metamaterials and metasurfaces. Metasurfaces are particularly appealing due to their ultra-thin, ultra-compact properties and their capacity to exert precise control over virtually every aspect of light fields, including amplitude, phase, polarization, wavelength/frequency, angular momentum, etc. The advancement of light field manipulation with micro/nano-structures has also enabled various applications in fields such as information acquisition, transmission, storage, processing, and display. In this review, we cover the fundamental science, cutting-edge technologies, and wide-ranging applications associated with micro/nano-scale optical devices for regulating light fields. We also delve into the prevailing challenges in the pursuit of developing viable technology for real-world applications. Furthermore, we offer insights into potential future research trends and directions within the realm of light field manipulation.
diffractive optical elements metasurfaces metamaterials Photonics Insights
2023, 2(4): R09
Author Affiliations
Abstract
1 Technische Universität Ilmenau, Fachgebiet Technische Optik, Postfach 100565, 98684 Ilmenau, Germany
2 Iba Heiligenstadt, 37308 Heilbad Heiligenstadt, Germany
Light sheet fluorescence microscope with single light sheet illumination enables rapid 3D imaging of living cells. In this paper we show the design, fabrication and characterization of a diffractive optical element producing several light sheets along a 45° inclined tube. The element, which is based on a multi-focal diffractive lens and a linear grating, generates five thin light sheets with equal intensities when combined with a refractive cylindrical lens. The generated uniform light sheets can be applied for the scanning of samples in tubes enabling flow-driven 3-dimensional imaging.
Light sheet fluorescence microscopy Diffractive optical elements Multi-plane imaging 3D imaging Multi-focal lens Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2023022
季华实验室光电科学与技术研究部,广东 佛山 528200
衍射光学元件(DOE)对入射光束的波长、束宽、光束质量等参数都有很高的要求,其中光束质量的影响无法直接通过相干光场的衍射积分得出。本文利用高斯谢尔模型(GSM)光束分析了光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响。采用对称迭代傅里叶变换算法设计了输出平顶光斑的DOE。用模式分解的方法研究了不同光束质量的光束经该DOE后的输出光斑,发现光束质量因子增加会使输出光斑平顶区尺寸减小,导致DOE失效。从交叉谱密度出发,表明DOE的输出光斑是相干部分和非相干部分的卷积,其中非相干部分是导致输出光斑劣化的原因。给出了平顶衍射光学元件适用的最大M2因子与输入和输出光束尺寸之间的关系。给出了一种GSM光束整形DOE的设计方法,该方法有助于在低光束质量激光器中实现DOE的应用。
衍射与光栅 衍射光学元件 光束质量 高斯谢尔模型 模式分解 光学学报
2023, 43(14): 1405001
红外与激光工程
2023, 52(4): 20220567
1 西安工业大学 光电工程学院 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室,陕西 西安 710021
2 中国科学院光电技术研究所,四川 成都 610209
衍射光学元件在光学系统中的应用越来越广泛,对衍射结构的加工质量提出了更高的要求。单点金刚石车削可直接加工出高精度衍射微结构表面,但衍射结构的位置误差和表面质量对其光学性能有较大影响。为了提高衍射光学元件的性能,需要精确控制其车削误差。基于此,分析了影响衍射元件加工质量的因素,建立了揭示位置误差、衍射面形状和刀具半径之间的关系的数学模型,揭示了衍射带位置精度影响规律。通过补偿加工提升基底表面质量来提高衍射曲面面形精度。结合仿真模型与粗糙度影响参数,指导车削刀具半径的选取。最后,基于仿真结果,选择半径为0.02 mm的半圆弧刀具加工,最终加工的衍射元件面形误差为292 nm,衍射环带位置误差最大为55 nm,高度误差最大为16 nm,粗糙度为5.6 nm。实验结果表明,该预测模型可以指导衍射光学元件高精度表面形貌的获取,有利于提高光学系统的成像质量,为高精度衍射光学元件的批量生产提供了技术支持,具有广泛的工程应用价值。
衍射光学元件 环带位置误差 刀具半径 单点金刚石车削 diffractive optical elements band position accuracy tool radius single point diamond turning 红外与激光工程
2023, 52(3): 20220504
1 中国科学院大学, 北京 100000
2 中国科学院光电技术研究所, 成都 610000
位移检测技术是几何量精密测量的基础, 在当代精密制造领域应用广泛。光谱共焦位移测量技术具有对环境杂散光、被测物倾斜、材料类型不敏感, 测量频率高以及分辨率高等优点, 可以检测位移量、表面粗糙度、三维形貌以及单层或多层透明材料的厚度, 在精密位移测量领域中占据重要地位。近年来, 利用衍射光学元件提高光学系统性能的光谱共焦测量技术被广泛研究。文章综述了基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术的研究进展。首先, 介绍了光谱共焦位移测量原理和衍射光学元件的色散特性; 其次, 阐述了基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术的发展历史及研究进展;最后展望了该技术的发展趋势。
位移测量 衍射光学元件 光谱共焦传感器 displacement measurement diffractive optical elements chromatic confocal sensor
1 浙江工业大学 理学院,浙江杭州30023
2 杭州谱育科技发展有限公司,浙江杭州31111
为了有效抑制激光散斑,真正实现激光显示和成像系统的大色域、高亮度和超优画质,提出了基于履带式运动柔性衍射光学器件(Diffractive Optical Elements, DOE)的散斑抑制方法,对柔性衍射光学器件的设计、制造、耐久性和散斑抑制效果进行了研究。首先设计了柔性衍射光学器件的光学结构,并描述了履带式运动柔性衍射光学器件形成动态二维衍射编码的机理;接下来介绍了柔性衍射光学器件的模板制备、热压成型、连接成环的工艺方法;之后搭建激光投影显示系统对所研制的聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride, PVC)和聚丙烯(Polypropylene, PP)两种材料的柔性衍射光学器件的散斑对比度和耐久性进行实验研究。实验结果表明,提出的基于履带式运动柔性衍射光学器件的激光散斑抑制方法,可将红绿蓝三色激光的散斑对比度降低到5%以下,同时系统具有小型化、低功耗的优点。在长达三十天的耐久性实验中,聚氯乙烯和聚丙烯两种材料的柔性衍射光学器件都没有明显形变和散斑抑制效果的衰减,且PP材料柔性DOE比PVC材料柔性DOE散斑抑制效果更明显、耐久性也更好。满足大色域、高亮度、超优画质的要求,并具有小型化、低功耗、高可靠的优点。
激光散斑抑制 衍射光学器件 耐久性 散斑对比度 聚丙烯 laser speckle suppression Diffractive Optical Elements (DOE) durability speckle contrast Polypropylene (PP)
光学 精密工程
2022, 30(15): 1815