專利名稱：用于光束掃描器的位相板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在光束掃描(偏轉(zhuǎn))器中使用的位相板，特別是涉及一種基于二元光學(xué)技術(shù)制造的微光機(jī)電掃描器中使用的位相板。
光束掃描器有非常廣泛的應(yīng)用，如激光打印機(jī)、電視機(jī)等都有光束掃描器。傳統(tǒng)的掃描器大多是回?cái)[式或電致擺動式。電制擺動式需要用電控將反射光導(dǎo)向目標(biāo)，回?cái)[式常常需要鏡面的機(jī)械諧振。這些結(jié)構(gòu)方式限制了掃描頻率、笨重、價(jià)錢昂貴、可靠性差。不論對于商業(yè)還是軍事用途，都需要低成本、高可靠性、小型化和重量輕的光學(xué)掃描器。(參見在先技術(shù)[1]M.E.Motamedi,M.C.Wu,andK.S.J.Pister,“Micro-opto-electro-mechanical devices and on-chip optical processing”,Opt.Eng.36(5):1282-1297(1997))。
在先技術(shù)[2]美國Motamedi等發(fā)明人提供了一種利用二元光學(xué)技術(shù)制造的微透鏡列陣的光學(xué)掃描器。(參見M.E.Motamedi,A.P.Andrews,W.J.Gunning,M.Khoshnevisan,“Miniaturized micro-optical scanners”,Opt.Eng.33(11),3616-3623(1994))。問題是該掃描器所需的高精度微透鏡列陣很難制造。因?yàn)槎鈱W(xué)技術(shù)僅能制造有限的位相臺階數(shù)和有限的線寬，而理想的透鏡列陣是連續(xù)光滑的，需要無限的位相臺階數(shù)和無限細(xì)的線寬來逼近，而用二元光學(xué)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)任意多的位相臺階，只能實(shí)現(xiàn)有限的位相值，所以采用二元光學(xué)制作的微透鏡列陣實(shí)際上并不是一個(gè)理想的二次位相函數(shù)，特別是邊緣處的極細(xì)線寬不可能制造的很好，因此實(shí)際使用時(shí)，性能會降低，光能利用率也不高，所以用透鏡列陣位相板實(shí)現(xiàn)光束掃描器是有技術(shù)上實(shí)現(xiàn)的難度。
本發(fā)明的目的在于提供一種容易制造、性能可靠、有實(shí)用價(jià)值的用于光束掃描器的位相板。
本發(fā)明的位相板2包括含有一對互補(bǔ)的塔爾波特位相編碼結(jié)構(gòu)透光的正位相板201和負(fù)位相板202的位相板2。位相板2中的正位相板201與負(fù)位相板202是平行并列置放的，兩者之間有間距Du≥0.5微米。所說的塔爾波特位相編碼結(jié)構(gòu)的正位相板201相對負(fù)位相板202的表面上帶有周期重復(fù)的正二次位相函數(shù)分布的s≥1條正柵線2011；所說的負(fù)位相板202相對正位相板201帶有正柵線2011的表面上帶有周期重復(fù)的負(fù)二次位相函數(shù)分布的s≥1條負(fù)柵線2021。所說的正位相板201或者負(fù)位相板202上帶有編程控制移動裝置4控制的移動器3，使得正負(fù)位相板201、202兩者相對它們的中心軸線O1O1、O2O2可以相互平行移動。所說的一條正或負(fù)的柵線2011、2021相當(dāng)一個(gè)周期d,每個(gè)周期d內(nèi)分割成M等分，一個(gè)周期d內(nèi)含有L個(gè)位相臺階數(shù)，每個(gè)位相臺階的寬度d1、d2、…、dM均相等，即d1=d2=…=dM=d/M。相鄰兩個(gè)位相臺階的厚度不相等，但在一個(gè)周期d內(nèi)是對稱分布。因此相鄰兩個(gè)位相臺階厚度差表示為hk-hk-1=r(2k+1)Mλ(n-1),]]>式中λ為入射于位相板上光波的波長，n為位相板基底的折射率，hk為第k個(gè)位相臺階的高度，r為大于或等于1的正整數(shù)，是二次位相函數(shù)的特征參數(shù)。如圖1所示。
本發(fā)明的位相板在光束掃描器中使用過程的描述如圖1所示。1是單色光源，2是本發(fā)明的一對互補(bǔ)位相板，它含有二次位相函數(shù)分布的正位相板201和負(fù)位相板202,O1O1為正位相板201的中心軸線，O2O2為負(fù)位相板202的中心軸線，201和202之間的移動將導(dǎo)致光束的偏轉(zhuǎn)，使入射光束Gr偏轉(zhuǎn)為光束Gp,3是移動器，4是偏程控制移動裝置，5是探測器。
本發(fā)明的位相板2如上述含有一對透光的正負(fù)位相板201和202。所說的正位相板201是板的一表面帶有周期重復(fù)的、正二次位相函數(shù)分布的s≥1個(gè)正柵線2011，所說的負(fù)位相板202是板的相對正位相板201帶有正柵線2011表面上帶有周期重復(fù)的、負(fù)二次位相函數(shù)分布的s≥1個(gè)負(fù)柵線2021。正位相板201上的正柵線2011對著負(fù)位相板202的負(fù)柵線2021的一面，兩者之間有一間距Du，這一間距是非常小的，通常為Du≥0.5微米，只要這兩個(gè)板201和202可相互移動即可。負(fù)位相板202的中心軸線O2O2相對于正位相板201的中心軸線O1O1是可以平行移動的，即負(fù)位相板202(也可以是正位相板201)上帶有編程控制移動裝置4控制的移動器3。
本發(fā)明的核心在于正負(fù)位相板201,202是塔爾波特位相編碼的結(jié)構(gòu)，它是一種新型的二次位相編碼的結(jié)構(gòu)，用于正位相板201和負(fù)位相板202的編碼，會顯著提高掃描器的性能，降低成本，有很好的實(shí)用價(jià)值。下面詳細(xì)介紹塔爾波特位相編碼結(jié)構(gòu)、它的特性分布、以及用于光掃描器的優(yōu)點(diǎn)。
所說的正位相板201和負(fù)位相板202上的正柵線2011和負(fù)柵線2021中每一條柵線相當(dāng)一個(gè)周期d。每周期d內(nèi)的分割數(shù)量M可由下面塔爾博特陣列照明的位相編碼的公式計(jì)算得到。對于偶數(shù)M時(shí)，位相分布函數(shù)為φ(k)=r×k2Mπ,k=1,2,...,M,----(1)]]>對于奇數(shù)M時(shí)，位相分布函數(shù)為φ(k)=r×k(k-1)Mπ,k=1,2,...,M,----(2)]]>其中二次位相分布的特征參數(shù)r由下式確定p×r=k,×M+1,…………………………………………………(3)上式中p,r和M為大于或等于1的正整數(shù)，kr為大于或等于零的正整數(shù)。對于任意一個(gè)M和一個(gè)小于M的正整數(shù)p，由上面(1)～(3)式可求得塔爾博特陣列照明的位相分布。p和M沒有公因子是式(3)有解的充分必要條件。M為偶數(shù)，p為奇數(shù)才會是解。M為奇數(shù)，p可能為偶數(shù)也可能為奇數(shù)，p和M沒有公因子才會是式(3)的解。由(3)知道，p和r具有互換性。p=1,r=1,kr=0總是式(3)的一組解，這組解也是我們最常考慮的情況。由于塔爾博特陣列照明位相是參數(shù)k的二次函數(shù)，所以使用一對正負(fù)塔爾博特陣列照明位相板201和202，就可以實(shí)現(xiàn)光束的掃描偏轉(zhuǎn)。位相板2的位相分布函數(shù)φ(k)與M、以及位相臺階數(shù)L之間的部分?jǐn)?shù)值解列于表1中。正負(fù)位相板201、202的位相分布分別為φ(k)和-φ(k)。
如上所述的位相板2是含有一對互補(bǔ)位相分布的正負(fù)位相板201和202，正負(fù)位相板的周期均為d，每個(gè)周期d均被分割為M等分，如圖2所示。這M等分的位相分布由(1-3)式給出。位相板2的周期d大小也決定了光束掃描角度。
位相板2的周期d內(nèi)分割數(shù)M的奇偶數(shù)不同將導(dǎo)致不同的位相對稱性，當(dāng)M為偶數(shù)時(shí)，由(1)式可得位相分布對稱性為φ(M-k)=φ(k),k=1,2,…,M/2………………………………………(4)其對稱性如圖3(a)所示。當(dāng)M為奇數(shù)時(shí)，由(2)式可得φ(M-k+1)=φ(k),k=1,2,…,(M-1)/2………………………………(5)其對稱性分布如圖3(b)所示。由圖3(a)和(b)的位相分布對稱性是分析位相板位相臺階數(shù)L的有力說明。
如圖2所示，正位相板201每周期起始處第一個(gè)(k=1)臺階2011的厚度為h11，寬度為d11，第二個(gè)臺階的厚度h12，寬度為d12，第k個(gè)臺階的厚度h1k，寬度為d1k，分割第M個(gè)臺階的厚度h1M，寬度為d1M，所有這些臺階的寬度均相等，即d11=d12=d1k=d1M=d/M，在一個(gè)周期內(nèi)每一個(gè)臺階的厚度都和相鄰臺階的厚度不一樣，但在一個(gè)周期內(nèi)是有對稱性的分布，如圖3所示。厚度的變化對應(yīng)著位相的變化。相鄰臺階的厚度變化可以用鄰域位相差分來表示，位相板2的鄰域位相差分定義為Δφ(k)=φ(k+1)-φ(k), k=1,2,…,M-1…………………………………(6)當(dāng)M為偶數(shù)時(shí)，鄰域位相差分為Δφ(k)=r×(2k+1)Mπ,k=1,2,...,M-1----(7)]]>如圖4(a)所示。當(dāng)M為奇數(shù)時(shí)，鄰域位相差分為Δφ(k)=2r×kMπ,k=1,2,...,M-1----(8)]]>如圖4(b)所示。即對于正位相板201來說，根據(jù)上述相鄰兩個(gè)臺階厚度差的表達(dá)式可得第二個(gè)臺階的厚度h12減去第一個(gè)臺階的厚度h11為(M為偶數(shù)時(shí))h12-h11=(r×(2k+1)M)λ/(n-1),k=1,----(9)]]>其中λ為入射光波的波長，n為位相板基底的折射率。
負(fù)位相板202上的每個(gè)臺階的寬度也都相等，并且與正位相板201上的臺階的寬度相等，每個(gè)臺階厚度對應(yīng)的位相變化量正好與上述正位相板的互補(bǔ)。綜合一個(gè)周期內(nèi)的位相變化量來看，對應(yīng)于偶數(shù)和奇數(shù)M，鄰域差分Δφ(k)是非常有規(guī)律的，如圖4(a),(b)所示。
從實(shí)際制造位相板的角度來看，位相臺階數(shù)L是非常重要的一個(gè)參數(shù)。位相臺階數(shù)L是指位相板上所有不相等位相的總數(shù)之和。位相板一個(gè)周期內(nèi)有M個(gè)分割數(shù)即M個(gè)位相，由于有如圖3所示的對稱性的存在，這M個(gè)位相中至少有相對應(yīng)一對是位相相等的，因此，位相臺階數(shù)L總是小于M。位相臺階數(shù)L越多，位相板就越難制造，成本就會上升。本發(fā)明中的位相板每個(gè)周期內(nèi)的M個(gè)分割數(shù)并不等同于位相臺階數(shù)L，總的趨勢說來，分割數(shù)M越大，所對應(yīng)的位相臺階數(shù)L就越多，但它們之間并不是線性增加關(guān)系，這就是說，M1比M2大，并不一定是M1對應(yīng)的位相臺階數(shù)L1就比M2的L2大。分割數(shù)M和位相臺階數(shù)L之間的部分?jǐn)?shù)值關(guān)系列于表2，任意M對應(yīng)的位相可由公式(1)～(3)求出，由位相可得出位相臺階數(shù)L。
但計(jì)算公式(1-3)求出位相臺階數(shù)畢竟太麻煩，使用上也不方便。利用上面位相分布的對稱性和鄰域位相差分分析，就可以給出一個(gè)簡單的素?cái)?shù)分解規(guī)則求出位相板的位相臺階數(shù)。例如，對于周期內(nèi)分割數(shù)M=4t，這里t為一個(gè)素?cái)?shù)，則位相分布的對稱性如圖5(a)所示，因此，其位相臺階數(shù)為L=3(t+1)/2，對于周期內(nèi)分割數(shù)M=t2，則位相分布的對稱性如圖5(b)所示，因此，其位相分布為L=t(t-1)/2+1對于周期內(nèi)分割數(shù)M為其它素?cái)?shù)組合的情況下，其位相臺階數(shù)L的分布如表3所示。表3的規(guī)則完全可以解釋表2的具體數(shù)值解。利用表3，就可以非常方便地計(jì)算出位相臺階數(shù)L，從而可以判斷制造難度及成本，對實(shí)際制造位相板有重要的指導(dǎo)意義。
上述結(jié)構(gòu)的位相板2進(jìn)行光束動態(tài)掃描的過程由于這一對正負(fù)位相板201、202的位相分布互補(bǔ)，因此，無位移時(shí)，原始狀態(tài)，負(fù)位相板202的中心軸線O2O2與正位相板201的中心軸線O1O1相重合，其位相差為零，光束可直接通過，形成圖6所示的零級光束。當(dāng)位移器3推動負(fù)位相板202(或正位相板)相對正位相板201(或負(fù)位相板)的中心軸線O1O1移動d/M時(shí)，φ201(k+1)-φ202(k)=r×(2k+1)Mπ,k=1,2,...,M,---(10)]]>這對應(yīng)的是一個(gè)線性位相因子，因此，光束通過時(shí)就發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度θ1為(r=1)θ1=λd,----(11)]]>當(dāng)位移再移動d/M，光束偏轉(zhuǎn)角度就增大．如果位移量為Δ，對于偶數(shù)M，則其中正位相板201的位相函數(shù)相對負(fù)位相板202為φ201(k+Δ)=r×(k+Δ)2Mπ,k=1,2,...,M,----(12)]]>與負(fù)位相板202的位相函數(shù)的差分為φ201(k+Δ)-φ202(k)=r×(2k+Δ)ΔMπ,k=1,2,...,M,---(13)]]>上式為Δ的一次函數(shù)，即對應(yīng)的是線性位相項(xiàng)。如果兩個(gè)正負(fù)位相板201,202之間無位移，Δ=0，上(13)式也為零，對應(yīng)的是無位相變化，因此光束可直接無偏折通過。如果兩個(gè)正負(fù)位相板問有位移，Δ≠0，上(13)式線性位相項(xiàng)的斜率就是Δ的函數(shù)，Δ越大，光束偏轉(zhuǎn)就越大。對于奇數(shù)M有完全類似的結(jié)果。這就是本發(fā)明的位相板可以進(jìn)行光束掃描的原理。
如圖6所示，最大掃描角度范圍為θM=λdM,----(14)]]>位相板2的周期d越小，掃描角度就越大；周期內(nèi)分割數(shù)M越大，意味著可實(shí)現(xiàn)的掃描步數(shù)越多。這里就涉及到制造難度的問題。這樣的一對位相板2可以由二元光學(xué)技術(shù)來制造。d/M是要求二元光學(xué)技術(shù)所制造的線寬，在整個(gè)位相板之內(nèi)它們是相等的，如圖2所示，其值越小，越難制造。制造位相板的另一個(gè)難度取決于其位相臺階數(shù)L。位相臺階數(shù)越多，就越難制造，反之就越容易制造。利用表3中M與L的簡單關(guān)系就很容易判斷制造的成本和難度。
對應(yīng)于正負(fù)位相板201與202之間相對位移量Δ，光束偏轉(zhuǎn)的衍射效率為η=(sincΔM)2,----(15)]]>由于沿光軸的正副級次都可以發(fā)生光束偏轉(zhuǎn)，所以，總的掃描點(diǎn)數(shù)為N=2Δ+1………………………………………………………(16)Δ=0時(shí)，理論衍射效率為100％；Δ=1時(shí)，效率就會下降，Δ越大，效率下降越多。周期內(nèi)分割數(shù)M=8時(shí)，衍射效率隨位移量Δ增加而下降的關(guān)系如圖7所示。每步位移量Δ固定時(shí)，衍射效率取決于M:M越大，衍射效率越高，M越小，衍射效率越低。移動量Δ=1時(shí)，衍射效率隨M增加而增加的曲線示于圖8。因此，增加所需的掃描點(diǎn)數(shù)N，就需要增加相應(yīng)的M，它們之間的關(guān)系示于表4中。
在所需衍射效率的情況下，根據(jù)所需的掃描點(diǎn)數(shù)N可定出Δ，由表4可知道所需的位相板的周期內(nèi)分隔數(shù)M，再查表2或表3，就可確定出所需的位相臺階數(shù)L。表5給出了在衍射效率η=81％寸，掃描點(diǎn)數(shù)V，位相板2的周期分隔數(shù)M和位相臺階數(shù)L之間的關(guān)系。由此，可以先判斷出制造上的難度及成本，并最終做出所需的位相板。
值得指出的是，制造本發(fā)明的多臺階正負(fù)位相板201和202是和微電子工藝技術(shù)兼容的技術(shù)。根據(jù)上面所說的，由掃描點(diǎn)數(shù)N，角度θ和效率η就可設(shè)計(jì)出所要求的位相板的模板，利用電子束制版或精縮制版技術(shù)可制造出這樣的二值振幅型的模板，通過微電子曝光光刻工藝技術(shù)，可以將模板上的振幅圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上，光刻膠通過勻膠工藝均勻涂布在基片(如透明玻璃)上，通過反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)、濕化學(xué)腐蝕技術(shù)、真空或化學(xué)鍍膜技術(shù)，可以將光刻膠上的圖案轉(zhuǎn)移到基片上，洗去光刻膠，就形成了二元光學(xué)位相板。重復(fù)這一步驟，通過模板對準(zhǔn)技術(shù)，就可以制造出如圖2所示的多臺階正負(fù)位相板201和202。微電子工藝技術(shù)是可以大批量、低成本生產(chǎn)的，所以，本發(fā)明的多臺階位相板是較容易制造的。
本發(fā)明的位相板的優(yōu)點(diǎn)如上所述，采用二元光學(xué)技術(shù)，容易制造，性能穩(wěn)定可靠。主要用于微光學(xué)掃描器上，而微光學(xué)掃描器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，尺寸小，每周期的長度可以設(shè)計(jì)僅為十幾微米，位相板尺寸可以僅為數(shù)毫米平方量級，功耗小，位移量也要求很小(微米級左右)，然而較小的位移就可以導(dǎo)致較大的光束偏轉(zhuǎn)，例如可以獲得5度的偏轉(zhuǎn)。具有大批量、低成本復(fù)制的可能性。
采用本發(fā)明的位相板的光束掃描器有較高的光束掃描效率，較好的信噪比，并可能降低生產(chǎn)制造成本。與在先技術(shù)中的菲涅耳編碼透鏡列陣相比，1．本發(fā)明的位相板克服了菲涅耳透鏡列陣邊緣過細(xì)的缺點(diǎn)，用本發(fā)明的位相板在光束掃描器中，提高了邊緣處的光能利用率，因此提高了光束掃描時(shí)光的衍射效率。
2．在先技術(shù)中菲涅耳透鏡列陣需無窮多位相的編碼來逼近，這在實(shí)際制造當(dāng)中是不可能的。本發(fā)明的位相板可根據(jù)實(shí)際能夠做出的位相臺階數(shù)L反過來決定其編碼位相分布，這可減少位相編碼的理論誤差，應(yīng)用在光束掃描器中，提高了信噪比。
3．在先技術(shù)是不固定的移動方式，而本發(fā)明的正或負(fù)位相板帶有編程控制移動裝置4控制的移動器3，所以有確定的精確移動步長。采用本發(fā)明的位相板，對外部移動控制的要求為等步長的移動，參見圖2和公式(1-3)，這也是目前位移技術(shù)支撐部分容易實(shí)現(xiàn)的(如壓電陶瓷位移器等)，精確固定的移動步長距離，正比于光束的衍射偏折角，這便于使用和控制。
詳細(xì)敘述本發(fā)明的位相板在光掃描器中應(yīng)用的三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是(1)由于本發(fā)明的位相板上各位相占據(jù)相同的物理實(shí)現(xiàn)寬度d/M，所以避免了在先技術(shù)中制造菲涅耳透鏡列陣時(shí)，邊緣環(huán)數(shù)過細(xì)的缺點(diǎn)。這可以通過表6來證明。本發(fā)明的位相板的制造和二元光學(xué)技術(shù)要求是兼容和匹配的，而在先技術(shù)的菲涅爾透鏡列陣和二元光學(xué)制造技術(shù)要求是不兼容、不匹配的。所以采用本發(fā)明的位相板的制造成本會降低，光掃描器的性能會提高。(2)由上面公式(1-3)知道，對于一定的周期內(nèi)分割數(shù)M，對應(yīng)的是有限個(gè)固定的位相臺階，這一點(diǎn)可由表1來說明。例如位相臺階數(shù)為L=4，可實(shí)現(xiàn)周期內(nèi)分割數(shù)為M=8，對應(yīng)的位相可以選擇表1中所列8組位相中的任一組，這說明本發(fā)明的位相板具有位相分布的可選擇性，這種可選擇性為制造技術(shù)提供了方便；而在先技術(shù)只有一種位相分布，不能為制造技術(shù)提供可選擇位相分布的方便性。另外，本發(fā)明的位相板可實(shí)現(xiàn)可調(diào)占空比的光斑點(diǎn)，這為使用者提供了不同使用要求的可選擇性；而在先技術(shù)的菲涅耳透鏡列陣只能形成很小占空比不可調(diào)的光斑點(diǎn)，不能為使用者提供這種選擇性。(3)對于有限個(gè)位相臺階，可優(yōu)選出合適的周期內(nèi)分割數(shù)M，由位相臺階數(shù)優(yōu)選合適的壓縮比可由表2來說明。例如對于位相臺階數(shù)L=16，在表2中可查到M=31,42,63，說明可實(shí)現(xiàn)的最大的M=63。由于M直接和掃描角度、衍射效率相關(guān)，參見公式14,15，因此，本發(fā)明提供了位相臺階數(shù)、掃描角度與衍射效率之間的優(yōu)化關(guān)系，這不僅適合于二元光學(xué)技術(shù)制造，也有利于控制光掃描器的性能。而在先技術(shù)的菲涅耳透鏡列陣不存在位相臺階數(shù)與衍射效率之間的優(yōu)化關(guān)系。本發(fā)明的位相板的這些優(yōu)點(diǎn)是在先技術(shù)的菲涅耳透鏡列陣所無法做到的。總之，本發(fā)明的位相板的這些優(yōu)點(diǎn)更適合于二元光學(xué)技術(shù)制造，用于掃描器上，使光束掃描器的性能可靠，制造容易，成本降低。


圖1是本發(fā)明的位相板的結(jié)構(gòu)及在光束掃描器中使用的示意圖。圖中的位相板2(包括201,202)只畫了三個(gè)周期，實(shí)際上可重復(fù)多個(gè)周期。
圖2是一維位相板201和202分布示意圖，d為周期，一個(gè)周期d被均勻分割成M等分，每個(gè)等分的位相函數(shù)φ(k)由公式(1-3)決定，所以最小位相寬度為d/M，圖2(a)是模擬M=8時(shí)位相板的剖面圖，{φ(k}={9π/8,4π/8,π/8,0,π/8,4π/8,9π/8,0}；圖2(b)是圖2(a)的俯視圖，灰度的不同用來近似表示位相的不同。圖中的位相板2(包括201,202)只畫了兩個(gè)周期，實(shí)際上可有重復(fù)多個(gè)周期。
圖3為位相板2位相φ(k)(k=1,…,M)分布的對稱性，圖3(a)M為偶數(shù)，圖3(b)M為奇數(shù)。箭頭方向代表對稱性的方向，和位相值的增減無關(guān)，圖示灰度和周期分割數(shù)M僅為說明而非限制性。
圖4為位相板2鄰域差分位相Δφ(k)分布圖，圖4(a)M為偶數(shù)，圖4(b)M為奇數(shù)，此圖4所顯示的對制造該位相板的難度有判斷價(jià)值。
圖5為位相板2位相分布特殊對稱性的示意圖。圖5(a)M=4t，圖5(b)M=t2時(shí)，了解位相板2位相分布的特殊對稱性，由此可得出位相臺階數(shù)。
圖6為本發(fā)明的位相板2進(jìn)行光束掃描的動態(tài)描述示意圖。
圖7是位相板2的衍射效率η與位移量Δ的關(guān)系曲線圖。縱坐標(biāo)為衍射效率η，橫坐標(biāo)為負(fù)位相板202的位移量Δ。圖示曲線為M=8時(shí)，衍射效率η隨位移量Δ的增加而下降的關(guān)系曲線。
圖8為位相板2的衍射效率η與每周期d內(nèi)的分割數(shù)M等分的關(guān)系曲線圖。縱坐標(biāo)為衍射效率η，橫坐標(biāo)為位相板2的每周期d內(nèi)的分割數(shù)M。圖示曲線為負(fù)位相板202位移量Δ=1固定時(shí)，衍射效率η隨M的增加而增加的關(guān)系曲線。
實(shí)施例如圖1所示，位相板2的結(jié)構(gòu)及光束掃描器包括光源1、位相板2、由編程移動控制裝置4控制的移動器3及探測器5。光源1的要求必須是單色光源，它可以是各種激光器，如半導(dǎo)體激光器或其它單色光源。位移移動器3可以是機(jī)械的、電子控制的，其要求是可以產(chǎn)生線性等步距的移動，其步距大小可以設(shè)計(jì)成精確等于位相板上最小位相調(diào)制的寬度。例如，位相板2上最小位相調(diào)制寬度為5μm，則移動器3的移動步長就為5μm。探測器5可以為電荷耦合器(CCD)攝像頭、光電轉(zhuǎn)換器或其它任何對所用光源1波長的光敏感的光電探測器件均可。本發(fā)明的位相板2是該掃描器的核心部件，所以重點(diǎn)說明位相板2。
對于周期內(nèi)分割數(shù)M=9，由上述分布函數(shù)可得塔爾博特位相分布為0,2π/9,2π/3,4π/3,2π/9,4π/3,27π/3,2π/9,0如果位相板2的周期d=90μm，正負(fù)柵線數(shù)s=20條。光源1的波長λ=0.6328μm，則當(dāng)光源1發(fā)射的單色光束Gr入射到位相板2上，透過位相板2，當(dāng)負(fù)位相板202的中心軸線O2O2相對正位相板201的中心軸線O1O1之間每移動10μm，光束Gp就偏轉(zhuǎn)λ/d=0.4°，共可偏轉(zhuǎn)(9-1)×4=3.2°左右。d越小，光束Gp偏轉(zhuǎn)的角度就越大；M越大，掃描的抽樣步數(shù)就越多。用二元光學(xué)技術(shù)能制造出的位相臺階數(shù)L越多，該掃描器的效果就越好。對于M為其它數(shù)情況下的分布，可參考表1,2,3,4,5，圖2,3,4,5,7,8，以及公式(1-3),(15-16)，就可以分析出該掃描器的性能。隨著二元光學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，本發(fā)明的優(yōu)越性就越明顯，因此有相當(dāng)好的應(yīng)用前景。
表1位相板2的位相分布φ(k)，周期內(nèi)分割數(shù)M和位相臺階數(shù)L之間的關(guān)系

表2位相板2周期內(nèi)的分割數(shù)M和位相臺階數(shù)L之間的關(guān)系

表3周期內(nèi)分隔數(shù)M和位相臺階數(shù)L之間的簡單關(guān)系

表3中上標(biāo)a說明M(odd)是一個(gè)奇數(shù)；上標(biāo)b說明L(2n)，和L[M(odd)]分別是2n，和M(odd)相應(yīng)的位相臺階數(shù)；上標(biāo)c說明M可以被分解為無公因子的數(shù)的乘積M(1),…,M(n)；上標(biāo)d說明L[M(1)]…,L[(M(n))是M(1),…,M(n)相應(yīng)的位相臺階數(shù)。
表4位相板2周期內(nèi)分割數(shù)M與衍射效率η、掃描點(diǎn)數(shù)N=2Δ+1之間的關(guān)系。

表5在衍射效率η=81％時(shí)，掃描點(diǎn)數(shù)N，位相板2周期內(nèi)分隔數(shù)M，和位相臺階數(shù)L之間的關(guān)系

表6本發(fā)明采用的位相板和在先技術(shù)采用的微透鏡列陣與二元光學(xué)技術(shù)的比較關(guān)系。

權(quán)利要求
1.一種用于光束掃描器的位相板，其特征在于包括<1>含有一對互補(bǔ)的塔爾波特位相編碼結(jié)構(gòu)透光的正位相板(201)和負(fù)位相板(202)的位相板(2)；<2>所說的位相板(2)中的正位相板(201)與負(fù)位相板(202)是平行并列置放，兩者之間有間距Du≥0.5微米；<3>所說的塔爾波特位相編碼結(jié)構(gòu)的正位相板(201)相對負(fù)位相板(202)的表面上帶有周期重復(fù)的正二次位相函數(shù)分布的s≥1條正柵線(2011)，所說的負(fù)位相板(202)相對正位相板(201)帶有正柵線(2011)的表面上帶有周期重復(fù)的負(fù)二次位相函數(shù)分布的s≥1條負(fù)柵線(2021)；<4>所說的正位相板(201)或負(fù)位相板(202)上帶有編程控制移動裝置(4)控制的移動器(3)，正負(fù)位相板(201,202)兩者相對它們的中心軸線(O1O1,O2O2)可以相互平行移動。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光束掃描器的位相板，其特征在于所說的一條正或負(fù)的柵線(2011,2021)相當(dāng)一個(gè)周期d，每個(gè)周期d內(nèi)分割成M等分，一個(gè)周期d內(nèi)含有L個(gè)位相臺階數(shù)，每個(gè)位相臺階的寬度d1、d2、…、dM均相等，即d1=d2=…=dM=d/M；相鄰兩個(gè)位相臺階的厚度不相等，但在一個(gè)周期d內(nèi)是對稱分布，因此相鄰兩個(gè)位相臺階厚度差表示為hk-hk-1=r(2k+1)Mλ(n-1),]]>式中λ為入射于位相板上光波的波長，n為位相板基底的折射率，hk為第k個(gè)位相臺階的高度，r為大于或等于1的正整數(shù)，是二次位相函數(shù)的特征參數(shù)。對于上述分割數(shù)M為偶數(shù)時(shí)，位相分布函數(shù)為φ(k)=r×k2Mπ,k=1,2,...,M,-----(1)]]>對于上述分割數(shù)M為奇數(shù)時(shí)，位相分布函數(shù)為φ(k)=r×k(k-1)Mπ,k=1,2,...,M,-----(2)]]>上述二次位相分布的特征參數(shù)r為p×r=kr×M+1，…………………………………………………(3)上式中P,r和M均為大于或等于1的正整數(shù)，kr為大于或等于零的正整數(shù)，p＜M,p與r具有互換性。
全文摘要
一種用于光束掃描器的位相板，包括含有一對互補(bǔ)的塔爾波特位相編碼結(jié)構(gòu)透光的正位相板和負(fù)位相板的位相板。正負(fù)位相板平行并列置放，兩者之間有間距，相對它們的中心軸線可以相對平行移動。正負(fù)位相板相對的表面上分別帶有周期重復(fù)的正負(fù)二次位相函數(shù)分布的s≥1條正負(fù)柵線。具有用二元光學(xué)技術(shù)容易制造，用于光學(xué)掃描器上，性能穩(wěn)定可靠，功耗小，光束掃描效率高，信噪比高的特點(diǎn)。
文檔編號G02B26/10GK1317702SQ0111305
公開日2001年10月17日 申請日期2001年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月1日
發(fā)明者周常河, 劉立人, 席鵬 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所