来源：
2024.10.18
724
引言
DOE（Diffraction optical Element衍射光学元件） ，微观上可以改变差异位置的流传速度进而改变波前 ，实现光束的衍射应用。尤其是上世纪梅曼发现第一台红宝石激光器之后 ，让相干光束的制备变得容易 ，因此对于光的调制不再局限于透镜 ，棱镜等 ，基于衍射光学的DOE开始蓬勃生长。
原理&应用
光束在流传相同时间内 ，光程长的走的慢 ，光程短的走的快 ，波阵面就会转向 ，意味着光束偏折了。而DOE可用微结来构制造差异的光程差 ，应用薄元件近似来改变相位 ，从而实现光束的调制。其生长至今 ，在应用上分成三个偏向：整形 ，分束 ，聚焦。
整形在近 ，远场均可实现平顶型 ，M型 ，图案定制等光束整形。在激光加工 ，医美激光 ，光纤耦入 ，武器瞄点 ，3D传感中均有应用；
分束应用光栅衍射级来实现 ，包罗一维&阵列分束。在结构光方案中的散斑复制 ，激光多路加工 ，激光雷达多路感测中均有应用；
聚焦包罗单点 ，多点 ，线段聚焦等等。主要集中在激光加工领域中 ，切割 ，裂片 ，倒角等等。
整形
整形有匀化 ，形貌两类偏重。匀化偏重的方案除DOE&自由曲面之外 ，还有单片随机MLA(micro lens array微透镜阵列) ，阵列MLA模组匀化等方案 ，如图1。
图1 左上图阵列MLA模组匀化方案[1]; 右上图单DOE实现方形匀化和整形[1]; 左下图自由曲面实现光束整形[1]; 右下图随机MLA整形方案[2]
偏重形貌的整形方案集中在DOE&自由曲面上。相比MLA类方案的整形 ，其边缘会更为锐利 ，相对的角度会更小一些。最常见的就是对单色高斯基模进行远场圆形 ，方形平顶整形 ，见图2。此外还有其他整形好比方形 ，环形 ，甜甜圈形等等 ，理论上任意形貌均可实现。
图2 从左到右为圆形 ，方形 ，甜甜圈形 ，环形整形[5]
好比在光纤耦入端 ，十分强调光强漫衍曲线 ，整形的灵活性为其提供了调制的可能。武器的激光瞄点需要十字的标识 ，该特制的光斑形貌需要整形才气来完成。在扫地机器人的避障感测模组 ，需要输出细线形光斑 ，也需要整形来搭配实现。
分束
相比于靠膜层透反射分束的cubic-PBS ，分束DOE依赖光栅的周期结构来调制衍射级的能量。分束DOE的微结构一ㄇ周期化的 ，凭据周期偏向可分成一维和二维光栅 ，见图4。
投射器模组中的vcsel光源自己的几百个孔径远不够模组上万点的要求 ，需要DOE进行分束复制才气实现 ，见图3。模组的主要组成部门即为光源 ，lens ，DOE等组成 ，见图4。
图3 vcsel经过DOE分束复制后的大量散斑[6]
图4 上图为DOE阵列分束的光路示意图[5]; 左下图为一维光栅1*9分束 ，右下图为二维光栅5*5分束[7]。
由分束DOE组成的透射器模组 ，主要服务于3D深度感测 ，在结构光方案和dTOF方案中均有应用。落地应用主要在智能家具扫地机器人和人脸识此外门锁 ，手机终端的人脸识别和无人机测绘扫描中。
聚焦
聚焦DOE凭据焦点类型分成单焦点 ，多焦点 ，连续聚焦 ，相比整形DOE在XOY平面的光强调制 ，聚焦DOE是在z轴上的光强调制。在激光加工的应用中 ，切割的质料厚度需要和激光焦深匹配。当切割质料过厚对应的焦深也要增加 ，一种措施就是接纳多焦点 ，另一种就是连续聚焦。
图5 上图为多焦点的光路示意图；下图为z轴上3个焦点的漫衍[8]
随着自动化加工的要求越来越高 ，所有切削更高厚度 ，定制化倒角 ，以及切割面粗拙度的处置 ，都对聚焦DOE提出了更高的要求。
工艺加工
一般小FOV的DOE ，均可以接纳多阶化(8阶甚至16阶)的结构来实现。加工方式可以分成刻蚀DOE以及纳米压印DOE�？淌碊OE耐热性 ，可靠性更高 ，更适合极端条件下事情 ，纳米压印DOE成本更低 ，更适合消费电子类低成本的应用。
图6 DOE的刻蚀模板加工过程
a 掩模版转移到光刻胶上；b 胶结构刻蚀到玻璃基材上
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.
[4]Rudnaya S , Misemer D , Santosa F .Rational design of a diffractive homogenizer for a laser beam[J].Journalof Engineering Mathematics, 2002,43(2/4) : 189-199.
[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
微纳研究所
乐发III光电微纳研究所 ，专注于微纳光学新产物市场技术调研及研发事情。通过自编算法与设计 ，配备同行业高端设备 ，具备芯片镀膜、晶圆光刻、干/湿法刻蚀、纳米压印等核心技术开发和量产能力。目前微纳所已开发的产物包罗DOE、扩散片、PBS偏振片、超透镜等 ，广泛应用于消费电子、车载HUD等领域 ，可以凭据客户需求提供从产物设计开发到量产制造一站式服务。
引言
DOE（Diffraction optical Element衍射光学元件） ，微观上可以改变差异位置的流传速度进而改变波前 ，实现光束的衍射应用。尤其是上世纪梅曼发现第一台红宝石激光器之后 ，让相干光束的制备变得容易 ，因此对于光的调制不再局限于透镜 ，棱镜等 ，基于衍射光学的DOE开始蓬勃生长。
原理&应用
光束在流传相同时间内 ，光程长的走的慢 ，光程短的走的快 ，波阵面就会转向 ，意味着光束偏折了。而DOE可用微结来构制造差异的光程差 ，应用薄元件近似来改变相位 ，从而实现光束的调制。其生长至今 ，在应用上分成三个偏向：整形 ，分束 ，聚焦。
整形在近 ，远场均可实现平顶型 ，M型 ，图案定制等光束整形。在激光加工 ，医美激光 ，光纤耦入 ，武器瞄点 ，3D传感中均有应用；
分束应用光栅衍射级来实现 ，包罗一维&阵列分束。在结构光方案中的散斑复制 ，激光多路加工 ，激光雷达多路感测中均有应用；
聚焦包罗单点 ，多点 ，线段聚焦等等。主要集中在激光加工领域中 ，切割 ，裂片 ，倒角等等。
整形
整形有匀化 ，形貌两类偏重。匀化偏重的方案除DOE&自由曲面之外 ，还有单片随机MLA(micro lens array微透镜阵列) ，阵列MLA模组匀化等方案 ，如图1。
图1 左上图阵列MLA模组匀化方案[1]; 右上图单DOE实现方形匀化和整形[1]; 左下图自由曲面实现光束整形[1]; 右下图随机MLA整形方案[2]
偏重形貌的整形方案集中在DOE&自由曲面上。相比MLA类方案的整形 ，其边缘会更为锐利 ，相对的角度会更小一些。最常见的就是对单色高斯基模进行远场圆形 ，方形平顶整形 ，见图2。此外还有其他整形好比方形 ，环形 ，甜甜圈形等等 ，理论上任意形貌均可实现。
图2 从左到右为圆形 ，方形 ，甜甜圈形 ，环形整形[5]
好比在光纤耦入端 ，十分强调光强漫衍曲线 ，整形的灵活性为其提供了调制的可能。武器的激光瞄点需要十字的标识 ，该特制的光斑形貌需要整形才气来完成。在扫地机器人的避障感测模组 ，需要输出细线形光斑 ，也需要整形来搭配实现。
分束
相比于靠膜层透反射分束的cubic-PBS ，分束DOE依赖光栅的周期结构来调制衍射级的能量。分束DOE的微结构一ㄇ周期化的 ，凭据周期偏向可分成一维和二维光栅 ，见图4。
投射器模组中的vcsel光源自己的几百个孔径远不够模组上万点的要求 ，需要DOE进行分束复制才气实现 ，见图3。模组的主要组成部门即为光源 ，lens ，DOE等组成 ，见图4。
图3 vcsel经过DOE分束复制后的大量散斑[6]
图4 上图为DOE阵列分束的光路示意图[5]; 左下图为一维光栅1*9分束 ，右下图为二维光栅5*5分束[7]。
由分束DOE组成的透射器模组 ，主要服务于3D深度感测 ，在结构光方案和dTOF方案中均有应用。落地应用主要在智能家具扫地机器人和人脸识此外门锁 ，手机终端的人脸识别和无人机测绘扫描中。
聚焦
聚焦DOE凭据焦点类型分成单焦点 ，多焦点 ，连续聚焦 ，相比整形DOE在XOY平面的光强调制 ，聚焦DOE是在z轴上的光强调制。在激光加工的应用中 ，切割的质料厚度需要和激光焦深匹配。当切割质料过厚对应的焦深也要增加 ，一种措施就是接纳多焦点 ，另一种就是连续聚焦。
图5 上图为多焦点的光路示意图；下图为z轴上3个焦点的漫衍[8]
随着自动化加工的要求越来越高 ，所有切削更高厚度 ，定制化倒角 ，以及切割面粗拙度的处置 ，都对聚焦DOE提出了更高的要求。
工艺加工
一般小FOV的DOE ，均可以接纳多阶化(8阶甚至16阶)的结构来实现。加工方式可以分成刻蚀DOE以及纳米压印DOE�？淌碊OE耐热性 ，可靠性更高 ，更适合极端条件下事情 ，纳米压印DOE成本更低 ，更适合消费电子类低成本的应用。
图6 DOE的刻蚀模板加工过程
a 掩模版转移到光刻胶上；b 胶结构刻蚀到玻璃基材上
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.
[4]Rudnaya S , Misemer D , Santosa F .Rational design of a diffractive homogenizer for a laser beam[J].Journalof Engineering Mathematics, 2002,43(2/4) : 189-199.
[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
微纳研究所
乐发III光电微纳研究所 ，专注于微纳光学新产物市场技术调研及研发事情。通过自编算法与设计 ，配备同行业高端设备 ，具备芯片镀膜、晶圆光刻、干/湿法刻蚀、纳米压印等核心技术开发和量产能力。目前微纳所已开发的产物包罗DOE、扩散片、PBS偏振片、超透镜等 ，广泛应用于消费电子、车载HUD等领域 ，可以凭据客户需求提供从产物设计开发到量产制造一站式服务。
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