引言

原理&應(yīng)用

光束在傳播相同時間內(nèi)，光程長的走的慢，光程短的走的快，波陣面就會轉(zhuǎn)向，意味著光束偏折了。而DOE可用微結(jié)來構(gòu)制造不同的光程差，應(yīng)用薄元件近似來改變相位，從而實現(xiàn)光束的調(diào)制。其發(fā)展至今，在應(yīng)用上分成三個方向：整形，分束，聚焦。

整形在近，遠(yuǎn)場均可實現(xiàn)平頂型，M型，圖案定制等光束整形。在激光加工，醫(yī)美激光，光纖耦入，武器瞄點，3D傳感中均有應(yīng)用；

分束應(yīng)用光柵衍射級來實現(xiàn)，包含一維&陣列分束。在結(jié)構(gòu)光方案中的散斑復(fù)制，激光多路加工，激光雷達(dá)多路感測中均有應(yīng)用；

聚焦包含單點，多點，線段聚焦等等。主要集中在激光加工領(lǐng)域中，切割，裂片，倒角等等。

整形有勻化，形貌兩類側(cè)重。勻化側(cè)重的方案除DOE&自由曲面之外，還有單片隨機(jī)MLA(micro lens array微透鏡陣列)，陣列MLA模組勻化等方案，如圖1。

圖1 左上圖陣列MLA模組勻化方案[1]; 右上圖單DOE實現(xiàn)方形勻化和整形[1]; 左下圖自由曲面實現(xiàn)光束整形[1]; 右下圖隨機(jī)MLA整形方案[2]

側(cè)重形貌的整形方案集中在DOE&自由曲面上。相比MLA類方案的整形，其邊緣會更為銳利，相對的角度會更小一些。最常見的就是對單色高斯基模進(jìn)行遠(yuǎn)場圓形，方形平頂整形，見圖2。此外還有其他整形比如方形，環(huán)形，甜甜圈形等等，理論上任意形貌均可實現(xiàn)。

圖2  從左到右為圓形，方形，甜甜圈形，環(huán)形整形[5]

比如在光纖耦入端，十分強(qiáng)調(diào)光強(qiáng)分布曲線，整形的靈活性為其提供了調(diào)制的可能。武器的激光瞄點需要十字的標(biāo)識，該特制的光斑形貌需要整形才能來完成。在掃地機(jī)器人的避障感測模組，需要輸出細(xì)線形光斑，也需要整形來搭配實現(xiàn)。

相比于靠膜層透反射分束的cubic-PBS，分束DOE依賴光柵的周期結(jié)構(gòu)來調(diào)制衍射級的能量。分束DOE的微結(jié)構(gòu)也是周期化的，按照周期方向可分成一維和二維光柵，見圖4。

投射器模組中的vcsel光源本身的幾百個孔徑遠(yuǎn)不夠模組上萬點的要求，需要DOE進(jìn)行分束復(fù)制才能實現(xiàn)，見圖3。模組的主要組成部分即為光源，lens，DOE等組成，見圖4。

圖3  vcsel經(jīng)過DOE分束復(fù)制后的大量散斑[6]

圖4  上圖為DOE陣列分束的光路示意圖[5]; 左下圖為一維光柵1*9分束，右下圖為二維光柵5*5分束[7]。

由分束DOE組成的透射器模組，主要服務(wù)于3D深度感測，在結(jié)構(gòu)光方案和dTOF方案中均有應(yīng)用。落地應(yīng)用主要在智能家具掃地機(jī)器人和人臉識別的門鎖，手機(jī)終端的人臉識別和無人機(jī)測繪掃描中。

聚焦DOE按照焦點類型分成單焦點，多焦點，連續(xù)聚焦，相比整形DOE在XOY平面的光強(qiáng)調(diào)制，聚焦DOE是在z軸上的光強(qiáng)調(diào)制。在激光加工的應(yīng)用中，切割的材料厚度需要和激光焦深匹配。當(dāng)切割材料過厚對應(yīng)的焦深也要增加，一種辦法就是采用多焦點，另一種就是連續(xù)聚焦。

圖5  上圖為多焦點的光路示意圖；下圖為z軸上3個焦點的分布[8]

隨著自動化加工的要求越來越高，所有切削更高厚度，定制化倒角，以及切割面粗糙度的處理，都對聚焦DOE提出了更高的要求。

一般小FOV的DOE，均可以采用多階化(8階甚至16階)的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。加工方式可以分成刻蝕DOE以及納米壓印DOE。刻蝕DOE耐熱性，可靠性更高，更適合極端條件下工作，納米壓印DOE成本更低，更適合消費電子類低成本的應(yīng)用。

圖6   DOE的刻蝕模板加工過程

a 掩模版轉(zhuǎn)移到光刻膠上；b 膠結(jié)構(gòu)刻蝕到玻璃基材上

c 得到DOE[6]

[1]Homburg, Oliver et al. “Efficient beam shaping for highpower laser applications.” Laser Technik Journal 4 (2007): 44-47.

[2]Xue, L.; Pang, Y.; Liu, W.; Liu, L.; Pang, H.; Cao, A.; Shi, L.; Fu, Y.; Deng, Q. Fabrication of Random Microlens Array for Laser Beam Homogenization with High Efficiency. Micromachines 2020, 11, 338.

[3]Fienup, James R.. “Phase retrieval algorithms: a comparison.” Applied optics 21 15 (1982): 2758-69.
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[5]Katz, S., Kaplan, N. and Grossinger, I. (2018), Using Diffractive Optical Elements. LTJ, 15: 29-32

[6]https://www.digigram.com.tw/en/prd/vesel

[7]Umhofer, Udo, Erwin J?ger and Christian Bischoff. “Refractive and diffractive laser beam shaping optics.” Laser Technik Journal 8 (2011): 24-27.

[8]Doskolovich LL, Bezus EA, Morozov AA, et al. Multifocal diffractive lens generating several fixed foci at different design wavelengths. Optics Express. 2018 Feb;26(4):4698-4709

微納研究所

水晶光電微納研究所，專注于微納光學(xué)新產(chǎn)品市場技術(shù)調(diào)研及研發(fā)工作。通過自編算法與設(shè)計，配備同行業(yè)高端設(shè)備，具備芯片鍍膜、晶圓光刻、干/濕法刻蝕、納米壓印等核心技術(shù)開發(fā)和量產(chǎn)能力。目前微納所已開發(fā)的產(chǎn)品包括DOE、擴(kuò)散片、PBS偏振片、超透鏡等，廣泛應(yīng)用于消費電子、車載HUD等領(lǐng)域，可以根據(jù)客戶需求提供從產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)到量產(chǎn)制造一站式服務(wù)。

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