光學(xué)元件是光學(xué)系統(tǒng)的基本組成單元，也叫光學(xué)零件，這種元器件經(jīng)常可以起到成像的作用，如透鏡、棱鏡、反射鏡等，
衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Element），簡稱DOE，是近幾年蓬勃發(fā)展的一款新興光學(xué)元件，下面將從優(yōu)點和缺點兩個角度，帶您具體認(rèn)識衍射光學(xué)元件這種電子元器件！
衍射光學(xué)元件的優(yōu)點：
衍射光學(xué)元件（DOE）在設(shè)計中提供了許多自由度，通過使用現(xiàn)代光刻制造技術(shù)，制造具有強非球面相位函數(shù)的 DOE，與制造具有二次相位函數(shù)的簡單菲涅耳帶透鏡一樣昂貴，因此，在某些情況下可以使用 DOE，而不是更昂貴的非球面。此外，與更難制造定義明確的非球面表面相比，光刻制造技術(shù)保證了關(guān)于 DOE 相位函數(shù)的相當(dāng)好的精度。
衍射光學(xué)元件具有與折射元件相反符號的強色散允許校正色差，在這種情況下，DOE 還為設(shè)計提供了額外的自由度，因為相位函數(shù)的非球面項還可以校正系統(tǒng)的單色像差，只要這些像差遠(yuǎn)小于校正色差的相位函數(shù)的二次項即可。
衍射光學(xué)元件的缺點：
由于制造誤差、廣泛的應(yīng)用波長或因為某些 DOE 自然具有多個衍射級，例如二元 DOE，DOE 通常不僅表現(xiàn)出一個衍射級，而且表現(xiàn)出多個衍射級，這會在光學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾光并限制應(yīng)用。
強色散會限制在單色系統(tǒng)中的應(yīng)用，因為它在某些情況下（例如，用于測試非球面表面）不僅需要照明波長的相對恒定性，即恒定但不必精確地達(dá)到絕對值，而且絕對的恒定性，因為否則由 DOE 引入系統(tǒng)畸變。
因此，與其他光學(xué)元件相比，DOE 有許多優(yōu)勢，但從另一方面來說，DOE 并不是校正光學(xué)系統(tǒng)像差的靈丹妙藥，根據(jù)系統(tǒng)的不同，必須對優(yōu)缺點進行仔細(xì)評估，以便找到最佳解決方案。
衍射光學(xué)元件的應(yīng)用領(lǐng)域
衍射光學(xué)元件早在 20 多年前就已進入工業(yè)應(yīng)用，并迅速成為許多醫(yī)療、工業(yè)和研究應(yīng)用中的“首選”解決方案，隨著激光功率成本的下降，這一趨勢在過去幾年中不斷增長，它可以應(yīng)用于以下領(lǐng)域：
1、激光材料加工：焊接、切割、刻劃、焊接和鉆孔過程中激光束的整形和分裂。
2、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備：用于醫(yī)療激光治療和診斷儀器的衍射光學(xué)元件。
3、LIDAR/LADAR 應(yīng)用：使用激光束進行光學(xué)距離和速度測量。
4、光刻和全息照明：掩模投影系統(tǒng)中的光束均勻化、結(jié)構(gòu)化瞳孔照明、正常和高度傾斜平面的均勻場照明。
5、光學(xué)傳感器：距離和位置傳感器、運動檢測。
6、通信：分束器、波長選擇和硅光子學(xué)應(yīng)用。
在元件或系統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)過程中利用光學(xué)參數(shù)規(guī)格可使該元件或系統(tǒng)精確達(dá)到特定的性能要求。 光學(xué)參數(shù)規(guī)格非 常有用，原因有以下兩點： 首先，它們可以指定決定系統(tǒng)性能的可接受的關(guān)鍵參數(shù)限值；其次，它們能夠確定應(yīng)花在生產(chǎn)上的資源的數(shù)量（即時間和成本）。
光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)規(guī)格過低或過高都會影響其性能，從而造成不必要的資源浪費。如果未正確設(shè)定所有必要的參數(shù)，則會導(dǎo)致規(guī)格過低，從而使性能降低。 如果過于嚴(yán)格地定義系統(tǒng)參數(shù)而不考慮光學(xué)或機械要求中的任 何變化，則會導(dǎo)致規(guī)格過高，從而使成本和生產(chǎn)難度增加。
為了了解光學(xué)規(guī)格，首先弄清楚它們的含義是非常重要的，因此了解最常用的規(guī)格將為您了解幾乎所有光學(xué)產(chǎn)品的規(guī)格提供最堅實的基礎(chǔ)。
生產(chǎn)規(guī)格：
1.直徑公差
圓形光學(xué)元件的直徑公差提供了一個可接受的直徑值范圍。 此生產(chǎn)規(guī)格會因制作光學(xué)產(chǎn)品的某些光學(xué)加工公司的技術(shù)水平和能力而有所不同。雖然直徑公差不會對光學(xué)產(chǎn)品本身的光學(xué)性能產(chǎn)生任何影響，但如果要在任何一種固定器上安裝光學(xué)產(chǎn)品，則它是您必須考慮的一種非常重要的機械公差。 例如，如果透鏡的直徑與其標(biāo)稱值存有偏差，則有可能使已安裝的組件中的機械軸偏離光學(xué)軸，從而導(dǎo)致光的偏心（圖1）。 通常，直徑的生產(chǎn)公差為：+0.00/-0.10 mm表示一般質(zhì)量，+0.00/-0.050 mm表示精密質(zhì)量，+0.000/-0.010 mm則為高質(zhì)量.
2.中心厚度公差
光學(xué)元件（最典型的是透鏡）的中心厚度，測量的是光學(xué)元件中心部分的材料厚度。中心厚度是通過透鏡的機械軸來測量的，該機械軸是作為透鏡外部邊緣之間的軸來定義的。 透鏡中心厚度的變化會影響光學(xué)性 能，這是因為中心厚度及其曲率半徑會決定光線穿過透鏡的光學(xué)路徑長度。通常，中心厚度的生產(chǎn)公差為： +/-0.20 mm表示一般質(zhì)量，+/-0.050 mm表示精密質(zhì)量，+/-0.010 mm則為高質(zhì)量.
3.曲率半徑
曲率半徑是指光學(xué)元件的頂點與曲率中心之間的距離。該半徑可以為正值、零或負(fù)值，具體要取決于該表面是凸面、平面還是凹面。如果知道曲率半徑值，則可以確定光線穿過透鏡或反射鏡的光學(xué)路徑長度，同時還對表面功率起著重要的決定作用。 曲率半徑的生產(chǎn)容差通常為+/-0.5，但在精確應(yīng)用中也可低至+/-0.1%，或在需要極高的質(zhì)量情況下為+/-0.01%。
h3>中心
透鏡的中心也稱為向心性或離心性，是根據(jù)光束偏差δ（方程式1）而指定的。一旦給定了光束偏差，則可以通過一種簡單的關(guān)系來計算楔角W（方程式2）。 透鏡的離心量是機械軸與光學(xué)軸物理偏離的距離。透鏡的機械軸僅為透鏡的幾何軸，是由其外部的柱面來定義的。 透鏡的光學(xué)軸是由光學(xué)表面來定義的，它是連接各表面曲率中心的線。要進行向心性測試，請將透鏡置于茶杯中，對其施壓。 對透鏡施加的壓力會自動聚集在茶杯中心第一個表面的曲率中心，并且該中心還會與 旋轉(zhuǎn)軸對齊（圖2）。沿著此旋轉(zhuǎn)軸射入的平行光將會穿過透鏡，到達(dá)后焦平面的焦點處。當(dāng)透鏡隨著茶杯的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)時，透鏡中的任何離心性都會使聚焦光束分散，并在后焦平面形成一個半徑為 Δ 的圓軌跡（圖1）。
(1)δ=Δfδ=Δf
(2)W=δ(n?1)W=δ(n?1)
其中W表示楔角，通常報告為弧分，n表示折射率。
4.平行度
平行度描述的是兩個平行表面之間的相互關(guān)系。它在指定窗口片和偏振片等元件時很有用，其中平行表面是提高系統(tǒng)性能的理想平面，這是因為它們可以最大限度地減少畸變，否則該畸變會降低圖像或光的 質(zhì)量。通常，該容差范圍從5弧分直至幾弧秒。
5.角度公差
在棱鏡和分光鏡等元件中，各表面之間所產(chǎn)生的角度對光學(xué)產(chǎn)品的性能具有重要的影響。角度公差通常使用準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡組件進行測量，其光源系統(tǒng)會發(fā)射平行光。 準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡將圍繞光學(xué)產(chǎn)品的表面進行旋轉(zhuǎn)，直至所產(chǎn)生的菲涅爾反射回到該表面，在檢測的表面頂部產(chǎn)生一個光點。這就驗證了平行光束正好垂直入射到該表面。然后，整個準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡組件會繞著光學(xué)產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)至下一個光學(xué)表面，并且會重復(fù)此過程。圖3顯示了用于測量角度公差的通用準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡設(shè)置?？梢允褂脙蓚€測量位置之間的角度差來計算兩個光學(xué)表面的公差。 角度公差的范圍可以從幾弧分降至幾弧秒。
6.倒角
玻璃角非常易碎，因此，在處理或安裝元件時保護好它們非常重要。保護這些玻璃角的最常用方法是將這些邊緣斜切成倒角。倒角可作為保護槽來防止邊緣出現(xiàn)缺口。它們由其表面的寬度和角度來定義（圖4）。
倒角的最常見切割角度為45°，并且該表面寬度是由光學(xué)產(chǎn)品的直徑來確定的。 其直徑小于3.00mm的光學(xué)產(chǎn)品（如微透鏡或微棱鏡）通常不需要切成倒角，這是因為很可能會在切削的過程中產(chǎn)生邊緣缺口。值得注意的是，對于很小的曲率半徑，例如，當(dāng)透鏡的直徑大于等于0.85 x曲率半徑時，無需切成倒角，這是因為透鏡表面和邊緣之間會形成很大的角度。對于所有其他直徑，表1提供了最大的表面寬度。
7.通光孔徑
通光孔徑是指光學(xué)元件的直徑或必須滿足各種規(guī)格的光學(xué)元件的尺寸。除通光孔徑以外，制造商并不能確保光學(xué)產(chǎn)品符合指定的規(guī)格。由于生產(chǎn)的限制，實際上是不可能生產(chǎn)出完全等同于光學(xué)產(chǎn)品的直徑或長乘以寬的通光孔徑。表2顯示了透鏡的一般通光孔徑。
二.表面規(guī)格
1.表面質(zhì)量
光學(xué)表面的質(zhì)量用來衡量光學(xué)產(chǎn)品表面特性，并且涵蓋了一些劃痕和坑點等瑕疵。這些表面的大部分瑕疵純粹是表面上的瑕疵，并不會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大的影響，雖然，它們可能會使系統(tǒng)通光量出現(xiàn)微小的下滑，使散射光出現(xiàn)更細(xì)微的散射。然而，有些表面會對這些影響更敏感，如：(1)圖像平面的表面，因為這些瑕疵會產(chǎn)生聚焦，以及(2)具有高功率級別的表面，因為這些瑕疵會增加能量吸收并毀壞光學(xué)產(chǎn)品。表面質(zhì)量最常用的規(guī)格是由MIL-PRF-13830B說明的劃痕和坑點規(guī)格。通過將表面的劃痕與在受控的照明條件下提供的一系列標(biāo)準(zhǔn)劃痕進行對比，來確定劃痕名稱。因此，劃痕名稱不是描述其實際的劃痕，而是根據(jù)MIL規(guī)格將其與標(biāo)準(zhǔn)的劃痕進行比較。然而，坑點名稱直接與表面的點或小坑有關(guān)。坑點名稱是通過以微米計的坑點直徑除以10來計算的，通常劃痕坑點規(guī)格在80至50之間將視為標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，在60至40之間為精確質(zhì)量，而在20至10之間將視為高精度質(zhì)量。
2.表面平面度
p>表面平面度是一種測量表面精度的規(guī)格類型，它用于測量反射鏡，窗口片，棱鏡或平光鏡等平面的偏差。您可以使用光學(xué)平晶來測量此偏差，該平晶是一種高質(zhì)量、高精度的參考平面，用于比較試樣的平滑度。當(dāng)所測試的光學(xué)產(chǎn)品的平面靠著光學(xué)平晶放置時，會出現(xiàn)條紋，其形狀表示所檢測的光學(xué)產(chǎn)品的表面平滑度。如果這些條紋間隔相等，并且是平行的直線，那么被檢測的光學(xué)表面至少像參考光學(xué)平晶一樣平展。如果條紋是彎曲的，則兩個虛線（一個虛線與條紋中點相切，另一個虛線穿過同一個條紋的端點）之間的條紋數(shù)量會指出平滑度錯誤。平滑度的偏差通常是按波紋值(λ)來測量的，它們是由多個波長的測試源組成。一個條紋對應(yīng)?的波長。平滑度為1λ，則表示一般的質(zhì)量級別；平滑度為λ/4，則表示精確的質(zhì)量級別；平滑度為λ/20，表示高精度的質(zhì)量級別。
3.光圈數(shù)
光圈數(shù)是一種測量表面精確性的規(guī)格類型，它適用于彎曲的光學(xué)表面或帶有功率的表面。光圈數(shù)的測試類似于平面度測試，會將曲面與具有高校準(zhǔn)的曲率半徑的參考面進行比較。使用這兩個表面空隙所產(chǎn)生的相同干涉原則, 條紋干涉圖案用于表示測試表面與參考表面的偏差. 與參考件產(chǎn)生的偏差將會產(chǎn)生一系列的圓環(huán)，稱為牛頓環(huán). 呈現(xiàn)的環(huán)越多，偏差越大。暗環(huán)或亮環(huán)的數(shù) 量，而不是暗環(huán)和亮環(huán)兩者的總數(shù)，等于波長誤差的2倍.
光圈誤差與曲率半徑誤差有關(guān)，其中 ?R 是半徑誤差, D 是透鏡的直徑誤差, R 是表面半徑, 而 λ 是指波長(通常為 632.8nm):
(3)Power Error[waves or λ]=ΔRD28R2λPower Error[waves or λ]=ΔRD28R2λ
4.不規(guī)則度
不規(guī)則度是一種測量表面精確性的規(guī)格類型，它描述的是表面形狀與參考表面形狀之間的偏差。不規(guī)則度的測量方式與光圈數(shù)相同。規(guī)則度是指將測試表面與參考表面進行比較形成的球形的圓形條紋。當(dāng)表面的光圈數(shù)超過5個條紋時，將很難檢測到小于1個條紋的小型不規(guī)則形狀。因此，通常的做法是指定表面的光圈數(shù)與不規(guī)則度的比率，使其大約為5:1。
表面加工也稱為表面粗糙度，用于測量表面的一些小型不規(guī)則度。它們通常是因拋光工藝所引起的不良后果。粗糙表面往往要比光滑表面更加耐磨，并且可能不適用于某些應(yīng)用，特別是在使用激光或過熱環(huán)境的應(yīng)用中，這是因為成核位置有可能出現(xiàn)細(xì)微的破裂或瑕疵。表面加工的生產(chǎn)容差為50? RMS時表示一般質(zhì)量，在20? RMS時表示精確質(zhì)量，而在5? RMS時表示高質(zhì)量。
三.材料規(guī)格
1.折射率
某種介質(zhì)的折射率是指光在真空中的速度與光在介質(zhì)中的速度之比。玻璃的折射率范圍一般在1.4-4.0之間，與針對紅外線優(yōu)化的玻璃相比，可視玻璃的折射率范圍要小一些。例如，N-BK7（一種通用的可視玻璃）的折射率為1.517，然而鍺（一種通用的紅外玻璃）的折射率為4.003。。光學(xué)玻璃的折射率是一種重要屬性，因為光學(xué)表面的功率是從表面的曲率半徑和表面任意一側(cè)上的介質(zhì)折射率之差得來的。玻璃制造商指定的不均勻性是指玻璃折射率的變化。不均勻性是根據(jù)不同的等級來指定的，其中等級和不均勻性是互為相反關(guān)系的，隨著等級的增加，不均勻性則會減少（表3）。
2.色散系數(shù)
玻璃的另一種材料屬性是色散系數(shù)，用于量化玻璃呈現(xiàn)的色散量。它是材料在f (486.1nm)、d (587.6nm) 和c (656.3nm)波長時的折射率（方程式3）。
(4)vd=nd?1nf?ncvd=nd?1nf?nc
色散系數(shù)值的范圍通常在25至65之間。當(dāng)玻璃的色散系數(shù)大于55（較小色散）時，會將該玻璃視為冕牌玻璃，而那些色散系數(shù)小于50（較多色散）的玻璃會視為火石玻璃。由于色散性，玻璃的折射率會因波長而有所不同。色散產(chǎn)生的最顯著結(jié)果就是系統(tǒng)的焦距會因不同的光波長而稍有不同。
h3>激光損傷閾值
激光損傷閾值是指激光損傷前每一區(qū)域的表面可耐受的最大激光功率量。脈沖激光和連續(xù)波(CW)激光都具有相應(yīng)的激光損傷閾值。激光損傷閾值是反射鏡的一個非常重要的材料規(guī)格，這是因為它們與激光產(chǎn)品而不是任何其他光學(xué)產(chǎn)品一同使用，然而，任何激光級光學(xué)產(chǎn)品將提供閾值。例如，考慮一下Ti：藍(lán)寶石激光反射鏡的損傷額定閾值為0.5 J/cm2 @ 150飛秒脈沖和100kW/cm2 CW。這就說明反射鏡每平方厘米可耐受的高重復(fù)飛秒脈沖激光射入的能量密度為0.5J，或每平方厘米可耐受的大功率CW 激光射入的能量密度為100kW。如果激光束集中在更小的區(qū)域內(nèi)，
則必須考慮采取相應(yīng)的措施以確保整體閾值不超過指定的值。雖然具有一系列的其他生產(chǎn)規(guī)格、表面規(guī)格和材料規(guī)格，但如果了解了最常用的光學(xué)規(guī)格，則可以顯著地避免混淆。透鏡，反射鏡，窗口片，濾光片，偏振鏡，棱鏡，分光鏡，光柵和光纖同具有各種屬性，因此，了解它們之間的關(guān)系以及它們將如何影響整體系統(tǒng)性能，將有助于您選擇最佳的元件以集成到光學(xué)、成像或光電子應(yīng)用中。
