+

RU2458367C2 - Optical device with pair of diffraction optical elements - Google Patents

Optical device with pair of diffraction optical elements Download PDF

Info

Publication number
RU2458367C2
RU2458367C2 RU2010106165/28A RU2010106165A RU2458367C2 RU 2458367 C2 RU2458367 C2 RU 2458367C2 RU 2010106165/28 A RU2010106165/28 A RU 2010106165/28A RU 2010106165 A RU2010106165 A RU 2010106165A RU 2458367 C2 RU2458367 C2 RU 2458367C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
doe
mod
phase
optical device
Prior art date
Application number
RU2010106165/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010106165A (en
Inventor
Штефан БЕРНЕТ (AT)
Штефан БЕРНЕТ
Моника РИЧ-МАРТЕ (AT)
Моника РИЧ-МАРТЕ
Original Assignee
Медицинише Универзитет Иннсбрук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Медицинише Универзитет Иннсбрук filed Critical Медицинише Универзитет Иннсбрук
Priority to RU2010106165/28A priority Critical patent/RU2458367C2/en
Publication of RU2010106165A publication Critical patent/RU2010106165A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2458367C2 publication Critical patent/RU2458367C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: when two diffraction optical elements are placed next and parallel to each other at a certain distance, the combination optically corresponds to a single diffraction optical element which acts as a lens, an axicon, a phase changer or a spiral retarder. If one of the diffraction optical elements rotates relative the other about a common central axis, the optical property of the device, for example, focal distance, refractive power, spiral index or phase shift, varies continuously.
EFFECT: high efficiency and compactness.
20 cl, 15 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к оптическому устройству, содержащему пару дифракционных оптических элементов, причем оптическое устройство действует как особый оптический элемент, имеющий непрерывно изменяемое оптическое свойство.The present invention relates to an optical device comprising a pair of diffractive optical elements, the optical device acting as a specific optical element having a continuously variable optical property.

Дифракционные оптические элементы (ниже сокращенно именуемые ДОЭ) обычно доступны в форме оптически прозрачных, плоских пластинок, выполненных из стекла, пластика и т.д., которые имеют впечатанный фазовый шаблон особой конструкции с микроскопически точной фазовой модуляцией. ДОЭ для конкретных задач коммерчески доступны, действуя, например, как генераторы линий или шаблонов, голографические проекторы, преобразователи профиля лазерного пучка, линзы, матрицы линз, аксиконы (т.е. кольцеобразные призмы) и др. Например, дифракционные линзы (линзы Френеля) коммерчески используются совместно с нормальными преломляющими линзами в высококачественной фотографической оптике. Одно преимущество ДОЭ-линзы состоит в том, что она очень тонка и мало весит, состоит из тонких стеклянных пластинок или даже только из структурированного покрытия поверх нормальной стеклянной линзы. Кроме того, при надлежащей конструкции дисперсионные свойства ДОЭ могут компенсировать свойства нормальной преломляющей стеклянной оптики, что позволяет строить бездисперсионные оптические системы, не имеющие хроматических аберраций.Diffractive optical elements (hereinafter abbreviated as DOEs) are usually available in the form of optically transparent, flat plates made of glass, plastic, etc., which have an imprinted phase pattern of a special design with microscopically precise phase modulation. DOEs for specific tasks are commercially available, acting, for example, as line or pattern generators, holographic projectors, laser beam profile converters, lenses, lens arrays, axicons (ie ring-shaped prisms), etc. For example, diffractive lenses (Fresnel lenses) commercially used in conjunction with normal refractive lenses in high-quality photographic optics. One advantage of a DOE lens is that it is very thin and light in weight, consists of thin glass plates or even just a structured coating on top of a normal glass lens. In addition, with proper design, the dispersion properties of DOEs can compensate for the properties of normal refractive glass optics, which makes it possible to build dispersion-free optical systems that do not have chromatic aberrations.

В статье A.W.Lohmann, "A new class of varifocal lenses", Appl. Opt. 9, 1669-1671 (1970), рассмотрена дифракционная трансфокационная линзовая система, основанная на поперечном сдвиге двух дифракционных элементов. В статье A.Kolodziejczyk and Z.Jaroszewicz, "Diffractive elements of variable optical power and high diffraction efficiency", Appl. Opt. 32, 4317-4322 (1993), описано создание дифракционных элементов переменной оптической силы на основе взаимного смещения дифракционных структур с кодированными чисто-фазовыми волновыми фронтами. Взаимное смещение может осуществляться путем параллельного переноса, вращения или изменения масштаба одной из дифракционных структур по отношению к другой. Описано наложение взаимно повернутых киноформов фазовых дифракционных решеток, которое создает сопряженные волновые фронты с линейными фазами, поворот киноформов на определенный угол в противоположных направлениях, приводящий к дифракционному дубликату призмы Ризли-Хершела переменной силы.In A.W. Lohmann, "A new class of varifocal lenses", Appl. Opt. 9, 1669-1671 (1970), a diffractive zoom lens system based on the transverse shift of two diffractive elements is considered. In an article by A. Kolodziejczyk and Z. Jaroszewicz, "Diffractive elements of variable optical power and high diffraction efficiency", Appl. Opt. 32, 4317-4322 (1993), describes the creation of diffractive elements of variable optical power based on the mutual displacement of diffraction structures with encoded pure-phase wave fronts. Mutual displacement can be carried out by parallel transfer, rotation, or zooming of one of the diffraction structures with respect to the other. The application of mutually rotated kinoforms of phase diffraction gratings is described, which creates conjugate wave fronts with linear phases, rotation of kinoforms at a certain angle in opposite directions, leading to a diffraction duplicate of the Risley-Herschel prism of variable strength.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение оптического устройства, действующего как особый оптический элемент, имеющий непрерывно изменяемое свойство, причем устройство отличается компактностью и высокой эффективностью. Оптическое устройство дополнительно должно обеспечивать повышенную точность оптического элемента во всем диапазоне изменения соответствующего оптического свойства.The present invention is the provision of an optical device that acts as a special optical element having a continuously variable property, moreover, the device is compact and highly efficient. The optical device must additionally provide increased accuracy of the optical element over the entire range of variation of the corresponding optical property.

Эти задачи решаются с помощью признаков, отраженных в формуле изобретения.These tasks are solved using the features reflected in the claims.

Настоящее изобретение базируется на общей идее последовательного размещения пары дифракционных оптических элементов (ДОЭ) особой конструкции. Обычно ДОЭ представляют собой круглые пластинки диаметром около 50 мм или менее, и их размер может доходить до 1 мм. При размещении двух ДОЭ рядом и параллельно друг другу на определенном расстоянии, предпочтительно 10 мкм или менее, комбинация оптически соответствует единичному ДОЭ и может осуществлять сходные задачи, действуя, например, как линза с определенным фокусным расстоянием. Если один из ДОЭ вращается по отношению к другому вокруг общей центральной оси, конкретное свойство оптического устройства, например фокусное расстояние дифракционной линзы, непрерывно изменяется заранее определенным и преимущественным образом.The present invention is based on the general idea of sequentially placing a pair of special design diffractive optical elements (DOEs). Typically, DOEs are round plates with a diameter of about 50 mm or less, and their size can be up to 1 mm. When two DOEs are placed side by side and parallel to each other at a certain distance, preferably 10 μm or less, the combination optically corresponds to a single DOE and can perform similar tasks, acting, for example, as a lens with a certain focal length. If one of the DOEs rotates with respect to the other around a common central axis, a specific property of the optical device, for example, the focal length of the diffraction lens, continuously changes in a predetermined and advantageous manner.

Настоящее изобретение конкретно описывает конструкцию пары ДОЭ, действующей как дифракционная линза, так называемая линза Френеля, с фокусным расстоянием, которое непрерывно изменяется в широком диапазоне за счет взаимного вращения двух ДОЭ. Такую линзу можно использовать таким же образом, как преломляющую стеклянную линзу, например, для формирования изображений (в камерах, телескопах, микроскопах) или для проекции пучка (например, в проекторах, кодоскопах, лазерных сканерах), но с дополнительным преимуществом в переменном фокусном расстоянии. В применениях формирования изображений это позволяет строить системы, которые действуют наподобие человеческого глаза, т.е. могут фокусировать путем изменения преломляющей способности линзы, вместо того, чтобы использовать громоздкую трансфокационную оптику, работа которой основана на осевом смещении линз. Устройство, отвечающее настоящему изобретению, дополнительно обеспечивает конструкцию, компактную в поперечном направлении.The present invention specifically describes the construction of a DOE pair acting as a diffractive lens, the so-called Fresnel lens, with a focal length that continuously varies over a wide range due to the mutual rotation of the two DOEs. Such a lens can be used in the same way as a refracting glass lens, for example, for imaging (in cameras, telescopes, microscopes) or for beam projection (for example, in projectors, codoscopes, laser scanners), but with the additional advantage of a variable focal length . In imaging applications, this allows you to build systems that act like the human eye, i.e. can focus by changing the refractive power of the lens, instead of using bulky zoom lenses whose operation is based on the axial displacement of the lenses. The device of the present invention further provides a transverse compact structure.

Аналогично, можно сконструировать пару ДОЭ, действующую как дифракционный аксикон, т.е. сферический анализ призмы, которая создает кольцо света за счет преломления, в которой преломляющая способность изменяется за счет взаимного вращения пары ДОЭ. Аксиконы являются важными оптическими элементами во многих научных применениях в целях формирования пучка, например, для специализированных систем освещения микроскопа (STED), в атомных ловушках, оптических пинцетах, в соединениях оптических волокон и пр.Similarly, it is possible to construct a DOE pair acting as a diffraction axicon, i.e. spherical analysis of a prism that creates a ring of light due to refraction, in which the refractive power changes due to the mutual rotation of the DOE pair. Axicons are important optical elements in many scientific applications for beam forming, for example, for specialized microscope illumination systems (STED), in atomic traps, optical tweezers, in optical fiber compounds, etc.

Кроме того, пара ДОЭ, отвечающая настоящему изобретению, может действовать как чистый фазовращатель, где сдвиг фазы очень точно регулируется углом взаимного поворота двух ДОЭ. Такое устройство также можно использовать как очень точный преобразователь частоты светового пучка, если обеспечено непрерывное вращение одного из ДОЭ по отношению к другому. Такие высокоточные фазовращатели и преобразователи частоты имеют многочисленные применения, например, в оптических интерферометрах, которые используются для количественных измерений трансформаций объекта с точностью порядка длины волны.In addition, the DOE pair of the present invention can act as a pure phase shifter, where the phase shift is very precisely controlled by the angle of rotation of the two DOEs. Such a device can also be used as a very accurate light beam frequency converter if one of the DOEs is continuously rotated with respect to the other. Such high-precision phase shifters and frequency converters have numerous applications, for example, in optical interferometers, which are used for quantitative measurements of object transformations with an accuracy of the order of the wavelength.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает конструкцию пары ДОЭ, которая действует как так называемая спиральная фазовая пластинка с регулируемым спиральным индексом, трансформирующая падающий световой пучок в так называемый пучок бубликовой моды с переменным спиральным зарядом. Такие спиральные фазовые пластинки являются важными элементами в научных применениях, поскольку они создают световые пучки, несущие момент импульса, который может переноситься на микроскопические частицы, например, в атомных ловушках или в оптических пинцетах. В последнее время такие спиральные фазовые пластинки также стали важными компонентами нового способа оптической фазоконтрастной микроскопии.Another embodiment of the present invention provides for the construction of a DOE pair, which acts as a so-called spiral phase plate with an adjustable spiral index, transforming the incident light beam into a so-called bagel mode beam with a variable spiral charge. Such spiral phase plates are important elements in scientific applications, because they create light beams that carry angular momentum, which can be transferred to microscopic particles, for example, in atomic traps or in optical tweezers. Recently, such helical phase plates have also become important components of the new optical phase contrast microscopy method.

В силу взаимного вращения ДОЭ можно сформировать секцию комбинированного ДОЭ, имеющую оптическое свойство, отличающееся от оптического свойства оставшейся области комбинированного ДОЭ, например другое фокусное расстояние, в случае, когда оптическое устройство действует как линза. Во избежание этого эффекта оптическое устройство, отвечающее настоящему изобретению, может дополнительно содержать сектороподобный поглотитель, покрывающий сектор, имеющий нежелательное оптическое свойство. Формирования такого сектора, имеющего нежелательное оптическое свойство, также можно избежать, устраняя нарушение непрерывности в фазовых профилях дифракционных оптических элементов, которые возникают вдоль радиальной линии, проходящей от центра к краю. Это можно сделать при вычислении ДОЭ путем округления аргумента функции передачи, описывающей фазовые профили. Кроме того, вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает эффективное подавление нежелательного света, излучаемого оптическим устройством, если эффективность отдельных ДОЭ ниже 100%, что может быть, например, следствием ограничений в процессе производства.Due to the mutual rotation of the DOE, it is possible to form a section of the combined DOE having an optical property different from the optical property of the remaining region of the combined DOE, for example, a different focal length when the optical device acts as a lens. To avoid this effect, the optical device of the present invention may further comprise a sector-like absorber covering a sector having an undesirable optical property. The formation of such a sector having an undesirable optical property can also be avoided by eliminating the violation of continuity in the phase profiles of diffractive optical elements that arise along a radial line passing from the center to the edge. This can be done when calculating DOE by rounding the argument of the transfer function describing the phase profiles. In addition, an embodiment of the present invention provides for effective suppression of unwanted light emitted by an optical device if the efficiency of individual DOEs is below 100%, which may be, for example, a consequence of limitations in the manufacturing process.

Во всех применениях ДОЭ предпочтительно, чтобы они имели конструкцию, при которой их объединение обеспечивало так называемые структуры отражательной фазовой дифракционной решетки, например пилообразные дифракционные решетки, полная дифракционная эффективность которых составляет почти 100%. Предпочтительно, два ДОЭ оптического устройства, отвечающего настоящему изобретению, представляют собой, при определенном угле поворота, зеркальные изображения друг друга, т.е. требуется только две копии одного и того же главного элемента, которые установлены один за другим лицом друг к другу, причем "лицом" называется сторона ДОЭ, на которой впечатан фазовый профиль. Таким образом, передаточная функция оптической фазы одного из ДОЭ является зеркальной копией соответствующей функции другого из них. Таким образом, можно использовать два идентичных элемента, где соответствующие стороны, на которых впечатаны фазовые профили, обращены друг к другу, что снижает стоимость производства.In all applications of DOEs, it is preferable that they have a structure in which their combination provides the so-called reflective phase diffraction grating structures, for example sawtooth diffraction gratings, whose total diffraction efficiency is almost 100%. Preferably, the two DOEs of the optical device of the present invention are, at a certain angle of rotation, mirror images of each other, i.e. only two copies of the same main element are required, which are installed one after another facing each other, with the “face” being the side of the DOE on which the phase profile is imprinted. Thus, the transfer function of the optical phase of one of the DOEs is a mirror copy of the corresponding function of the other of them. Thus, two identical elements can be used, where the respective sides on which the phase profiles are imprinted are facing each other, which reduces the cost of production.

Настоящее изобретение описано ниже более подробно со ссылкой на фигуры, где:The present invention is described below in more detail with reference to the figures, where:

фиг.1 - принципиальная конструкция оптического устройства согласно настоящему изобретению;figure 1 - the basic structure of the optical device according to the present invention;

фиг.2 - фазовый шаблон двух ДОЭ, которые после объединения действуют как линза Френеля, преломляющая способность которой зависит от их угла взаимного поворота;figure 2 - phase pattern of two DOEs, which after combining act as a Fresnel lens, the refractive power of which depends on their angle of mutual rotation;

фиг.3 - результирующий фазовый шаблон наложения двух ДОЭ, показанных на фиг.2,при разных углах взаимного поворота;figure 3 - the resulting phase pattern of the overlap of two DOE shown in figure 2, at different angles of mutual rotation;

фиг.4 - фазовый шаблон двух ДОЭ, которые после объединения образуют линзы Френеля, преломляющая способность которых зависит от угла взаимного поворота по аналогии с фиг.2, модифицированные таким образом, что они не создают эффект секторизации;figure 4 - phase pattern of two DOEs, which after combining form Fresnel lenses, the refractive power of which depends on the angle of mutual rotation by analogy with figure 2, modified in such a way that they do not create the effect of sectorization;

фиг.5 - результирующий фазовый шаблон наложения двух ДОЭ, показанных на фиг.4, при разных углах взаимного поворота;figure 5 - the resulting phase pattern of the overlap of two DOE shown in figure 4, at different angles of mutual rotation;

фиг.6 - график дифракционной эффективности и преломляющей способности линзы Френеля в отсутствие секторизации как функция угла взаимного поворота между двумя ДОЭ;6 is a graph of diffraction efficiency and refractive power of a Fresnel lens in the absence of sectorization as a function of the angle of mutual rotation between two DOEs;

фиг.7 - фазовый шаблон двух ДОЭ, которые образуют комбинированный ДОЭ, действующий как линза Френеля с переменным фокусным расстоянием со смещением ее преломляющей способности;7 is a phase pattern of two DOEs that form a combined DOE, acting as a Fresnel lens with a variable focal length with a shift in its refractive power;

фиг.8 - фазовый шаблон двух ДОЭ, которые после объединения действуют как аксикон, преломляющая способность которого зависит от угла взаимного поворота;Fig. 8 is a phase pattern of two DOEs, which, after combining, act as an axicon, the refractive power of which depends on the angle of mutual rotation;

фиг.9 - вид сбоку и вид сверху спирального фазового элемента со спиральным индексом m=1 и m=5 соответственно;Fig.9 is a side view and a top view of a spiral phase element with a spiral index m = 1 and m = 5, respectively;

фиг.10 - две идентичные спиральные фазовые пластинки со спиральным индексом m=1, которые располагаются лицом друг к другу близко один от другого;figure 10 - two identical spiral phase plates with a spiral index m = 1, which are located facing each other close to each other;

фиг.11 - схема, поясняющая принцип оптимизации отношения сигнал-шум ДОЭ согласно варианту осуществления настоящего изобретения;11 is a diagram explaining the principle of optimizing the signal-to-noise ratio of a DOE according to an embodiment of the present invention;

фиг.12 - фазовые шаблоны спиральных фазовых элементов со спиральными индексами m=1 и m=-1 (верхний ряд) и те же фазовые функции, наложенные на фокусирующую и расфокусирующую линзу (нижний ряд);Fig - phase patterns of spiral phase elements with spiral indices m = 1 and m = -1 (upper row) and the same phase functions superimposed on the focusing and defocusing lens (lower row);

фиг.13 - фазовый шаблон двух ДОЭ, которые после объединения действуют как спиральный фазовый элемент, переменный спиральный индекс которого линейно зависит от угла взаимного поворота между двумя ДОЭ;Fig - phase pattern of two DOEs, which, after combining, act as a spiral phase element, the variable spiral index of which linearly depends on the angle of mutual rotation between the two DOEs;

фиг.14 - результирующий фазовый шаблон наложения двух ДОЭ, показанных на фиг.13, при разных углах взаимного поворота;Fig - the resulting phase pattern of the overlap of the two DOEs shown in Fig, at different angles of mutual rotation;

фиг.15 - оптимизированная пара ДОЭ, которая образует те же спиральные фазовые элементы с переменными спиральными индексами, которые показаны на фиг.13, но со значительно увеличенным отношением сигнал-шум, полученным наложением первого и второго ДОЭ на рассеивающую и собирающую линзу соответственно.Fig - optimized pair of DOEs, which forms the same spiral phase elements with variable spiral indices, which are shown in Fig.13, but with a significantly increased signal-to-noise ratio, obtained by superimposing the first and second DOEs on the scattering and collecting lens, respectively.

Принципы дифракционных оптических элементов (ДОЭ)Principles of diffractive optical elements (DOE)

ДОЭ представляют собой коммерчески доступные оптические элементы, состоящие из микроскопических фазовых структур в прозрачном материале. Они могут действовать как линзы, матрицы линз или голограммы (так называемые киноформы), которые могут быть предназначены для проецирования определенных картин (линий, крестов, решеток точек и т.д.) путем освещения плоской световой волной. Каждый пиксель ДОЭ сдвигает фазу падающего светового пучка в интервале от 0 до 2π. Поэтому, если такой ДОЭ освещается падающей плоской волной, выходная волна позади пластинки ДОЭ несет заранее заданную модуляцию волнового фронта. Соответствующие ДОЭ вычисляются согласно общеизвестным алгоритмам (например, согласно алгоритму киноформа, алгоритму Герхберга-Сакстона и т.д.), так что они осуществляют нужные задачи. Выход алгоритмов соответствует так называемой функции передачи Т(x,y) нужного ДОЭ и, в этом случае, представляет собой "чисто-фазовый ландшафт" в виде Т(х,y)=ехр(iФ(х,y)), где Ф(х,y) - матрица пикселей в пределах от 0 до 2π, соответствующая сдвигу фазы, который световой пучок приобретает при прохождении через соответствующее пятно.DOEs are commercially available optical elements consisting of microscopic phase structures in a transparent material. They can act as lenses, lens arrays or holograms (the so-called kinoforms), which can be designed to project certain paintings (lines, crosses, dot lattices, etc.) by illuminating with a plane light wave. Each pixel DOE shifts the phase of the incident light beam in the range from 0 to 2π. Therefore, if such a DOE is illuminated by an incident plane wave, the output wave behind the DOE plate carries a predetermined wavefront modulation. The corresponding DOEs are calculated according to well-known algorithms (for example, according to the kinoform algorithm, Gerhberg-Saxton algorithm, etc.), so that they carry out the necessary tasks. The output of the algorithms corresponds to the so-called transfer function T (x, y) of the desired DOE and, in this case, represents a “pure-phase landscape” in the form T (x, y) = exp (iF (x, y)), where Ф (x, y) is a matrix of pixels in the range from 0 to 2π, corresponding to the phase shift that the light beam acquires when passing through the corresponding spot.

На следующем этапе обработки вычисленные фазовые ландшафты впечатаны в материал, например, методом фотолитографии, электронно-лучевой литографии или механической микромашинной обработки ("алмазного точения"), так что каждое пятно материалом задерживает фазу входящего светового пучка на нужное значение фазы. Этого можно добиться посредством модулированного поверхностного профиля (который, например, втравлен в кварцевую пластинку) или посредством пространственно модулированного показателя преломления в материале с плоской поверхностью, как, например, в полимерных пленках. Типичный размер каждого пикселя находится в пределах от 0,1 до 3 микрон, и типичный диаметр ДОЭ порядка 2-10 мм.In the next processing step, the calculated phase landscapes are imprinted in the material, for example, by photolithography, electron beam lithography or mechanical micromachining ("diamond turning"), so that each spot by the material delays the phase of the incoming light beam by the desired phase value. This can be achieved through a modulated surface profile (which, for example, is etched into a quartz plate) or by a spatially modulated refractive index in a material with a flat surface, such as, for example, in polymer films. The typical size of each pixel is in the range of 0.1 to 3 microns, and the typical diameter of the DOE is about 2-10 mm.

Важное отличие ДОЭ, сгенерированных на компьютере, от "нормальных" голограмм (которые записываются путем наложения объекта и опорной волны) состоит в том, что вычисленные фазовые структуры ДОЭ обычно являются не синусоидальными, т.е. структуры Ф(x,y) локально выглядят как пилообразные дифракционные решетки. Благодаря этому признаку дифракционная эффективность ДОЭ может достигать 100% падающего света, если они имеют правильную конструкцию, в отличие от фазовых голограмм, которые обеспечивают (в силу своих симметричных структур дифракционной решетки) максимальную дифракционную эффективность лишь 40%.An important difference between DOEs generated on a computer and “normal” holograms (which are recorded by superimposing an object and a reference wave) is that the calculated phase structures of DOEs are usually not sinusoidal, i.e. structures Φ (x, y) locally look like sawtooth diffraction gratings. Due to this feature, the diffraction efficiency of DOEs can reach 100% of the incident light if they have the correct design, unlike phase holograms, which provide (due to their symmetrical diffraction grating structures) the maximum diffraction efficiency is only 40%.

На фиг.1 показана принципиальная конструкция оптического устройства согласно настоящему изобретению. Два ДОЭ располагаются на малом расстоянии один за другим. Они могут взаимно вращаться вокруг центральной оси, перпендикулярной их поверхности. Комбинация ДОЭ манипулирует волновым фронтом падающей световой волны заранее определенным образом, в зависимости от угла взаимного поворота.Figure 1 shows the basic construction of an optical device according to the present invention. Two DOEs are located at a short distance one after another. They can mutually rotate around a central axis perpendicular to their surface. The DOE combination manipulates the wavefront of the incident light wave in a predetermined manner, depending on the angle of mutual rotation.

Если два ДОЭ с функциями передачи T1(x,y)=exp(iФ1(x,y)) и T2(x,y)=exp(iФ2(x,y)) располагаются непосредственно один за другим на достаточно малом расстоянии, обычно такого же порядка, как длина волны света, то комбинация двух соседних ДОЭ оптически эквивалентна одному единственному ДОЭ с функцией передачиIf two DOEs with transfer functions T 1 (x, y) = exp (iF 1 (x, y)) and T 2 (x, y) = exp (iF 2 (x, y)) are located directly one after the other on small distance, usually of the same order as the wavelength of light, the combination of two neighboring DOEs is optically equivalent to one single DOE with a transfer function

Тcombi(x,y)=Т1(х,y)Т2(х,y), Ур. (1),T combi (x, y) = T 1 (x, y) T 2 (x, y), Lv. (one),

т.е. фазовый ландшафт комбинированного ДОЭ выражается какthose. the phase landscape of the combined DOE is expressed as

Фcombi(х,y)=Ф1(x,y)+Ф2(x,y), Ур. (2).Ф combi (x, y) = Ф 1 (x, y) + Ф 2 (x, y), Lv. (2).

Таким образом, комбинация двух ДОЭ может давать функцию передачи для различных конкретных целей, которые могут, кроме того, непрерывно изменяться при взаимном вращении двух ДОЭ. Основной принцип в той же степени относится к эффекту муара, который рассмотрен, например, в статье S.Ваrа, Z.Jaroszewicz, A.Kolodziejczyk, and V.Moreno, "Determination of basic grids for subtractive moire patterns," Appl. Opt. 30, 1258-1262 (1991), J.M.Burch and D.C.Williams, Varifocal moir zone plates for straightness measurement, Appl. Opt. 16, 2445-2450 (1977), или Z.Jaroszewicz, A.Kolodziejczyk, A.Mira, R.Henao, and S. Bar, "Equilateral hyperbolic moir zone plates with variable focus obtained by rotations," Opt. Express 13, 918-925 (2005). В эффекте муара комбинация двух микроскопически точных структур дифракционной решетки с аналогичными константами дифракционной решетки дает макроскопически модулированную структуру дифракционной решетки. Однако обычно эффект муара генерируется поглощающими, а не фазовыми структурами, и обычно не создает структуры "отражательной" фазовой дифракционной решетки в комбинированной функции передачи, так что полная эффективность муаровых структур ограничивается несколькими процентами.Thus, the combination of two DOEs can provide a transfer function for various specific purposes, which can, in addition, continuously change during the mutual rotation of the two DOEs. The basic principle applies to the same extent to the moire effect, which is considered, for example, in S. Bará, Z. Jaroszewicz, A. Kolodziejczyk, and V. Moreno, "Determination of basic grids for subtractive moire patterns," Appl. Opt. 30, 1258-1262 (1991), J.M. Burch and D.C. Williams, Varifocal moir zone plates for straightness measurement, Appl. Opt. 16, 2445-2450 (1977), or Z. Jaroszewicz, A. Kolodziejczyk, A. Mira, R. Henao, and S. Bar, "Equilateral hyperbolic moir zone plates with variable focus obtained by rotations," Opt. Express 13, 918-925 (2005). In the moire effect, a combination of two microscopically accurate diffraction grating structures with similar diffraction grating constants gives a macroscopically modulated diffraction grating structure. However, usually the moire effect is generated by absorbing rather than phase structures, and usually does not create the structure of a “reflective” phase diffraction grating in the combined transfer function, so that the full efficiency of the moire structures is limited to a few percent.

Линза Френеля с переменным фокусным расстояниемZoom Fresnel Lens

Набор из двух последовательных ДОЭ особой конструкции может действовать как высокоэффективная (почти 100%) зонная пластинка Френеля (т.е. линза), фокусное расстояние которой может непрерывно изменяться в широком (по выбору) диапазоне за счет взаимного вращения. Такой оптический линзовый элемент с переменным фокусным расстоянием может заменить тяжелую и громоздкую трансфокационную оптику, построенную из стеклянных линз в системе формирования изображений, например камере, окуляре микроскопа, телескопе, и в применениях управления пучком, например волоконных соединителях, оптических сканерах штрихкода или оптических манипуляторах.A set of two sequential DOEs of a special design can act as a highly efficient (almost 100%) Fresnel zone plate (i.e., a lens), the focal length of which can continuously change over a wide (optional) range due to mutual rotation. Such a variable focal length lens element can replace heavy and bulky zoom optics built from glass lenses in an imaging system such as a camera, microscope eyepiece, telescope, and in beam control applications, such as fiber connectors, optical barcode scanners, or optical manipulators.

Соответствующие функции передачи двух ДОЭ вычисляются согласно формулам:The corresponding transfer functions of the two DOEs are calculated according to the formulas:

Тlens1(x,y)=exp[ialensr(х,y)2θ(х,y)} и Тlens2(х,y)=exp[-iаlensr(х,y)2θ(х,y)}, Ур. (3).T lens1 (x, y) = exp [ia lens r (x, y) 2 θ (x, y)} and T lens2 (x, y) = exp [-ia lens r (x, y) 2 θ (x , y)}, Lv. (3).

Пусть х и у - декартовы координаты точки (х,y) с началом отсчета х=0, y=0, который соответствует центру пластинки, и r(x,y)=(x2+y2)l/2 и θ(x,y)=angle(x+iy) - соответствующие полярные координаты той же точки. Как будет показано ниже, постоянная alens пропорциональна оптической силе системы комбинированного ДОЭ.Let x and y be the Cartesian coordinates of the point (x, y) with the origin x = 0, y = 0, which corresponds to the center of the plate, and r (x, y) = (x 2 + y 2 ) l / 2 and θ ( x, y) = angle (x + iy) are the corresponding polar coordinates of the same point. As will be shown below, the constant a lens is proportional to the optical power of the combined DOE system.

Для создания двух ДОЭ из этих функций передачи в каждой точке нужно вычислять только их фазу, и результат нужно брать по модулю (2π), так что результат представляет собой массив значений фазы в пределах от 0 до 2π. Соответствующие фазовые шаблоны двух ДОЭ построены в 0.To create two DOEs from these transfer functions at each point, only their phase should be calculated, and the result should be taken modulo (2π), so the result is an array of phase values ranging from 0 to 2π. The corresponding phase patterns of the two DOEs are built at 0.

На фиг.2 и во всех дополнительных схемах ДОЭ, описанных ниже, значения серого от белого до темного соответствуют значениям фазы в пределах от 0 до 2π. Две функции передачи Tlens1 и Тlens2 являются комплексно сопряженными. Из соображений симметрии и изображений ДОЭ на фиг.2 следует, что два ДОЭ являются зеркальными изображениями друг друга (если оба они повернуты на 90 градусов). Поэтому можно использовать два идентичных ДОЭ с одной и той же функцией передачи T1еns1. Если они располагаются лицом друг к другу, то второй из двух ДОЭ перевернут вверх ногами, и это фактически соответствует нужной зеркально отраженной функции Tlens2.In FIG. 2 and in all additional DOE schemes described below, gray to white values correspond to phase values ranging from 0 to 2π. Two transmission functions T lens1 and T lens2 are complex conjugate. From considerations of symmetry and images of DOE in figure 2 it follows that the two DOEs are mirror images of each other (if both of them are rotated 90 degrees). Therefore, two identical DOEs with the same transmission function T 1ens1 can be used. If they are facing each other, then the second of the two DOEs is turned upside down, and this actually corresponds to the desired mirror image function T lens2 .

Если второй ДОЭ (с функцией передачи Tlens2) повернут на определенный угол φ, который можно регулировать в пределах от -2π до 2π, то полную функцию передачи комбинированного ДОЭ можно выразить:If the second DOE (with the transfer function T lens2 ) is rotated by a certain angle φ, which can be adjusted from -2π to 2π, then the complete transfer function of the combined DOE can be expressed:

Tcombi,lens=exp(ialensr2θ)exp(-ialensr2(θ-φ)), Ур. (4).T combi, lens = exp (ia lens r 2 θ) exp (-ia lens r 2 (θ-φ)), Lv. (four).

Заметим, что такая функция передачи Тcombi,lens в точности соответствует функции передачи идеальной линзы, имеющей преломляющую способностьNote that such a transfer function T combi, lens exactly corresponds to the transfer function of an ideal lens having refractive power

f-1lens=alensφλ/π Ур, (5)f -1 lens = a lens φλ / π Ur, (5)

(в диоптриях, соответствующую обратной величине фокусного расстояния flens,), где λ - длина волны света. Поэтому изменение оптической силы линейно зависит от угла взаимного поворота двух ДОЭ, т.е. df-1lens/dφ=аlensλ/π.(in diopters, corresponding to the reciprocal of the focal length f lens ,), where λ is the wavelength of light. Therefore, the change in optical power linearly depends on the angle of mutual rotation of two DOEs, i.e. df -1 lens / dφ = a lens λ / π.

Соответствующая функция передачи фазы системы комбинированного ДОЭ соответствует функции передачи киноформа идеальной линзы, который имеет, в силу его асимметричной, пилообразной структуры фазовой дифракционной решетки (вследствие операции по модулю 2π), неограниченную дифракционную эффективность, т.е. такой элемент ДОЭ можно использовать для указанной длины волны света в точности, как "нормальную" стеклянную линзу без генерации каких-либо нежелательных составляющих света.The corresponding phase transfer function of the combined DOE system corresponds to the kinoform transmission function of an ideal lens, which, due to its asymmetric, sawtooth structure of the phase diffraction grating (due to the operation modulo 2π), has unlimited diffraction efficiency, i.e. such a DOE element can be used for the indicated wavelength of light exactly as a “normal” glass lens without generating any undesirable light components.

Соответствующие фазовые шаблоны, созданные системой комбинированного ДОЭ, представлены на фиг.3 для некоторых положительных и отрицательных углов поворота φ, а именно -75, -30, -15 градусов в верхнем ряду и +15, +30, +70 градусов в нижнем ряду. Опять же, значения фазы отражены как значения серого, которые фактически соответствуют фазам в пределах от 0 до 2π.The corresponding phase patterns created by the combined DOE system are shown in Fig. 3 for some positive and negative rotation angles φ, namely, -75, -30, -15 degrees in the upper row and +15, +30, +70 degrees in the lower row . Again, phase values are reflected as gray values, which actually correspond to phases ranging from 0 to 2π.

На фиг.3 показано, что повороты второго ДОЭ обеспечивают линзы Френеля с положительной или отрицательной преломляющей способностью, в зависимости от направления вращения (положительные и отрицательные преломляющие способности можно различать на диаграммах по направлению радиального изменения фазы).Figure 3 shows that the rotations of the second DOE provide Fresnel lenses with positive or negative refractive power, depending on the direction of rotation (positive and negative refractive powers can be distinguished in the diagrams in the direction of the radial phase change).

Интересно, что согласно фиг.3, помимо желаемой линзы Френеля, возникает сектор комбинированных ДОЭ, который демонстрирует шаблон линзы Френеля с другим фокусным расстоянием. Этот сектор представляет собой область между радиальными линиями двух ДОЭ, которые выходят из их центров в направлении полярного угла π. Причиной возникновения этих секторов является периодичность определения фазы в Ур. (5), т.е. тот факт, что угол поворота φ одного из ДОЭ по отношению к другому неотличим от другого поворота на угол φ±2π (знак нужно выбирать так, чтобы |φ±2π|<2π). Два случая дают согласно Ур. (5) две линзы Френеля с разными преломляющими способностями f-11,lens=alensφλ/π и f-12,lens=-alens(φ±2π)λ/π соответственно. Поскольку угол поворота φ модулируется лишь в пределах от -2π до 2π, соответствующие два фокусных расстояния f1,lens и f2,lens всегда имеют разные знаки, а также разные абсолютные значения, за исключением случая φ=π, который дает комбинированный ДОЭ, состоящий из двух симметричных полусфер, где две половины действуют как выпуклая и вогнутая линзы Френеля соответственно, с равными абсолютными значениями их преломляющей способности.Interestingly, according to figure 3, in addition to the desired Fresnel lens, there is a sector of combined DOE, which demonstrates the pattern of the Fresnel lens with a different focal length. This sector is the region between the radial lines of two DOEs that exit from their centers in the direction of the polar angle π. The reason for the emergence of these sectors is the frequency of phase determination in Eq. (5), i.e. the fact that the rotation angle φ of one of the DOEs in relation to another is indistinguishable from another rotation by the angle φ ± 2π (the sign must be chosen so that | φ ± 2π | <2π). Two cases give according to Ur. (5) two Fresnel lenses with different refractive powers f -1 1, lens = a lens φλ / π and f -1 2, lens = -a lens (φ ± 2π) λ / π, respectively. Since the rotation angle φ is modulated only in the range from -2π to 2π, the corresponding two focal lengths f 1, lens and f 2, lens always have different signs, as well as different absolute values, except for the case φ = π, which gives a combined DOE, consisting of two symmetrical hemispheres, where the two halves act as convex and concave Fresnel lenses, respectively, with equal absolute values of their refractive power.

Этот эффект может вносить возмущения в таких применениях, как формирование изображений, но его можно ослабить, если ограничить угол взаимного поворота интервалом, который значительно меньше полного диапазона 2π. Кроме того, "неправильный" сектор линзы можно покрыть сектороподобным поглотителем перед ДОЭ. Однако, поскольку преломляющие способности двух секторов сильно отличаются, а также имеют разные знаки, пару ДОЭ также можно использовать во многих практических применениях без маскировки.This effect can be disturbing in applications such as imaging, but it can be weakened by limiting the angle of mutual rotation to an interval that is significantly less than the full range of 2π. In addition, the “wrong” sector of the lens can be covered with a sector-like absorber before DOE. However, since the refractive capabilities of the two sectors are very different, and also have different signs, a couple of DOEs can also be used in many practical applications without masking.

Линза Френеля с переменным фокусным расстоянием без формирования сектораNon-sectorial Fresnel Lens

Настоящее изобретение дополнительно обеспечивает способ противодействия формированию сектора. Можно показать, что возникновение нежелательного сектора обусловлено тем фактом, что формула для создания двух ДОЭ согласно Ур. (3) (T1,2=ехр[±iаlensr2θ]) не является непрерывной при переходе от θ=π к θ=-π, т.е. на радиальной линии от центра к левому краю каждого из ДОЭ (см. фиг.2). Однако этой разрывной линии в ДОЭ можно избежать, если слегка изменить формулу для генерации ДОЭ, согласно:The present invention further provides a method of counteracting sector formation. It can be shown that the occurrence of an undesirable sector is due to the fact that the formula for creating two DOEs is according to Ur. (3) (T 1,2 = exp [± ia lens r 2 θ]) is not continuous when passing from θ = π to θ = -π, i.e. on a radial line from the center to the left edge of each of the DOEs (see figure 2). However, this breaking line in the DOE can be avoided by slightly changing the formula for generating the DOE according to:

Tlens1=exp[iround{alensr2}θ] и Тlens2=exp[-iround{alensr2}θ], Ур. (6)T lens1 = exp [iround {a lens r 2 } θ] and T lens2 = exp [-iround {a lens r 2 } θ], Lv. (6)

где round{…} - операция, означающая округление аргумента до следующего по возрастанию целого числа.where round {...} is an operation meaning rounding an argument to the next highest integer.

Пример соответствующих фазовых шаблонов двух ДОЭ представлен на фиг.4. Фазовый шаблон выглядит аналогично фазовым шаблонам согласно первому способу, показанному на фиг.2, однако фазовые края теперь выглядят "грубее". С другой стороны, разрыв на радиальной линии θ=π исчезает. Все же два ДОЭ имеют свойство зеркальной симметрии, т.е. они идентичны фазовым структурам, если один из них перевернут вверх ногами и размещен над другим "лицом к нему".An example of the corresponding phase patterns of two DOEs is presented in FIG. 4. The phase pattern looks similar to the phase patterns according to the first method shown in FIG. 2, however, the phase edges now look “rougher”. On the other hand, the discontinuity on the radial line θ = π disappears. Nevertheless, two DOEs have the property of mirror symmetry, i.e. they are identical to phase structures if one of them is turned upside down and placed above the other "facing it."

Соответствующие значения фазы в системе комбинированного ДОЭ отражены на фиг.5 для некоторых положительных и отрицательных углов поворота φ, а именно -75, -30, -15 градусов в верхнем ряду и +15, +30, +70 градусов в нижнем ряду.The corresponding phase values in the combined DOE system are shown in FIG. 5 for some positive and negative rotation angles φ, namely, -75, -30, -15 degrees in the upper row and +15, +30, +70 degrees in the lower row.

Можно видеть, что формирование сектора больше не происходит. Переход от отрицательной преломляющей способности к положительной при изменении угла взаимного поворота φ от положительного значения к отрицательному является совершенно гладким, образуя почти "совершенную" отражательную линзу Френеля для малых углов взаимного поворота (как, например, показано в диапазоне от φ=-30 градусов до φ=+30 градусов на фиг.5). Однако для более значительных углов взаимного поворота (например, φ=75 градусов) комбинированная линза Френеля становится несколько менее эффективной, т.е. соответствующая пилообразная дифракционная решетка становится все более бинаризованной, теряя гладкость.You can see that sector formation is no longer happening. The transition from negative refractive power to positive when the angle of mutual rotation φ changes from a positive value to a negative value is completely smooth, forming an almost "perfect" Fresnel reflective lens for small mutual rotation angles (as, for example, shown in the range from φ = -30 degrees to φ = + 30 degrees in figure 5). However, for larger angles of mutual rotation (for example, φ = 75 degrees), the combined Fresnel lens becomes somewhat less effective, i.e. the corresponding sawtooth diffraction grating becomes more and more binarized, losing smoothness.

Причина такого поведения состоит в том, что, по аналогии с вышеописанным случаем, латентная неоднозначность угла поворота между углом поворота φ и одним из φ±2π. Эти два случая фактически формируют наложенные линзы Френеля с преломляющими способностями f-11,lens=alensφλ/π и f-12,lens=-alens(φ±2π)λ/π соответственно (знак выбирается так, чтобы |φ±2π|<2π). Относительная составляющая двух линз изменяется как функция угла взаимного поворота, т.е. для малых углов φ основная составляющая имеет преломляющую способность f1,lens, тогда как для углов, превышающих 180 градусов (или меньших -180 градусов), преобладает f2,lens. Таким образом, дифракционные свойства комбинированного ДОЭ аналогичны дифракционным свойствам бинарной линзы Френеля, которая действует как наложение выпуклой и вогнутой линз, но с тем отличием, что дифракционные эффективности и преломляющие способности двух наложенных линз не равны.The reason for this behavior is that, by analogy with the case described above, the latent ambiguity of the rotation angle between the rotation angle φ and one of φ ± 2π. These two cases actually form superimposed Fresnel lenses with refractive powers f -1 1, lens = a lens φλ / π and f -1 2, lens = -a lens (φ ± 2π) λ / π, respectively (the sign is chosen so that | φ ± 2π | <2π). The relative component of two lenses changes as a function of the angle of mutual rotation, i.e. for small angles φ, the main component has the refractive power f 1, lens , while for angles greater than 180 degrees (or less than -180 degrees), f 2, lens prevails. Thus, the diffraction properties of the combined DOE are similar to the diffraction properties of a binary Fresnel lens, which acts as a superposition of a convex and concave lenses, but with the difference that the diffraction efficiencies and the refractive powers of two superimposed lenses are not equal.

На фиг.6 показано вычисление дифракционных эффективностей для двух наложенных линз как функции угла взаимного поворота в пределах от -360 до 360 градусов. Кривая, имеющая формулу cos2, соединяющая левый и правый нижние углы прямоугольника, соответствует дифракционной эффективности желаемой линзы Френеля. Она имеет наивысшую эффективность при нулевом угле взаимного поворота, соответствующем преломляющей способности 0, и эффективность плавно снижается (менее чем на 15%) в интервале от -90 до +90 градусов. С другой стороны, эффективность второй наложенной линзы Френеля в этом интервале меньше 15%. Кроме того, преломляющая способность этой нежелательной линзы сильно отличается от преломляющей способности первой, т.е. приближается к максимальному значению f-12,lens=±2аlensλ. Интересно, что при нулевом угле взаимного поворота преломляющая способность второй линзы скачкообразно изменяется от f-12,lens=+2аlensλ до f-12,lens=-2аlensλ. Однако в позиции скачка эффективность соответствующей линзы падает до нуля, в связи с чем этот скачок не оказывает реального влияния на эксперимент.Figure 6 shows the calculation of diffraction efficiencies for two superimposed lenses as a function of the angle of mutual rotation in the range from -360 to 360 degrees. A curve having the formula cos 2 connecting the left and right lower corners of the rectangle corresponds to the diffraction efficiency of the desired Fresnel lens. It has the highest efficiency at a zero angle of mutual rotation corresponding to a refractive power of 0, and the efficiency gradually decreases (less than 15%) in the range from -90 to +90 degrees. On the other hand, the efficiency of the second superimposed Fresnel lens in this interval is less than 15%. In addition, the refractive power of this unwanted lens is very different from the refractive power of the first, i.e. approaching the maximum value of f -1 2, lens = ± 2a lens λ. Interestingly, at a zero angle of mutual rotation, the refractive power of the second lens abruptly changes from f -1 2, lens = + 2a lens λ to f -1 2, lens = -2a lens λ. However, in the position of the jump, the efficiency of the corresponding lens drops to zero, and therefore this jump does not have a real impact on the experiment.

Таким образом, график на фиг.6 демонстрирует, что взаимный поворот двух ДОЭ на угол от -90 градусов до +90 градусов возможен, с потерей эффективности комбинированной линзы Френеля лишь в 15%.Thus, the graph in FIG. 6 demonstrates that the mutual rotation of two DOEs at an angle from -90 degrees to +90 degrees is possible, with a loss of efficiency of the combined Fresnel lens of only 15%.

Если один из двух ДОЭ непрерывно вращается с постоянной скоростью по отношению к другому, соответствующая линза Френеля периодически сканируется в регулируемом диапазоне фокусных расстояний. Это можно применять в системе формирования изображений (камерах наблюдения) и системах лучевого сканирования (считывателях штрихкода и т.д.). Например, линза на основе периодически вращающегося ДОЭ, которая объединена с системой формирования изображений, где используется затвор, сфазированный с вращением ДОЭ (т.е. затвор всегда открывается в определенном угловом положении ДОЭ), четко фокусируется на объектах, находящихся на определенном расстоянии, которое зависит от относительной фазы между открытием затвора и вращением ДОЭ. Если затвор относится к электронному типу (например, стробируемый усилитель яркости изображения), фокусировкой можно управлять исключительно электронными средствами, просто изменяя фазу между вращением ДОЭ и открытием затвора.If one of the two DOEs continuously rotates at a constant speed relative to the other, the corresponding Fresnel lens is periodically scanned in an adjustable range of focal lengths. This can be used in an imaging system (surveillance cameras) and beam scanning systems (barcode readers, etc.). For example, a lens based on a periodically rotating DOE, which is combined with an imaging system that uses a shutter phased with rotation of the DOE (i.e., the shutter always opens in a certain angular position of the DOE), clearly focuses on objects at a certain distance, which depends on the relative phase between the opening of the shutter and the rotation of the DOE. If the shutter is an electronic type (for example, a gated image intensifier), focusing can be controlled exclusively by electronic means, simply changing the phase between the rotation of the DOE and the shutter opening.

На практике, максимально допустимые пределы фокусировки, в которых может изменяться линза Френеля, полученная объединением двух ДОЭ, заданы Ур. (5), т.е. f-1lenslensφλ/π, где φ может изменяться в пределах от -2π до 2π. Однако существует ограничение для максимального значения постоянной a, обусловленное разрешением физического ДОЭ. Для разрешения дифракционной решетки, напечатанной в виде пиксельной матрицы, максимальный сдвиг фазы между двумя соседними пикселями должен быть меньше π, т.е.:In practice, the maximum allowable focus limits in which the Fresnel lens obtained by combining two DOEs can be changed are given by Ur. (5), i.e. f -1 lens = a lens φλ / π, where φ can vary from -2π to 2π. However, there is a limitation for the maximum value of the constant a, due to the resolution of the physical DOE. To resolve the diffraction grating printed in the form of a pixel matrix, the maximum phase shift between two adjacent pixels must be less than π, i.e.:

Figure 00000001
Figure 00000001

где р - минимальный размер одного пикселя ДОЭ, который обычно ограничивается процессом преломления. Первое и второе условия выполняются для радиального и тангенциального разрешения по фазе соответственно. Для ДОЭ, образующих линзы Френеля, оказывается, что первое условие всегда строже второго, и поэтому мы будем рассматривать только его.where p is the minimum size of one pixel DOE, which is usually limited by the refraction process. The first and second conditions are satisfied for radial and tangential phase resolution, respectively. For DOEs forming Fresnel lenses, it turns out that the first condition is always stricter than the second, and therefore we will consider only it.

Поскольку ДОЭ, образующие линзы Френеля, имеют функции передачи Т1,2=exp[±ialensr2θ], получаем Ф=alensr2θ. Совместно с Ур. (7) это дает условие:Since DOEs forming Fresnel lenses have the transfer functions T 1,2 = exp [± ia lens r 2 θ], we obtain Ф = a lens r 2 θ. Together with Ur. (7) this gives the condition:

2alensrmaxθmax<p-1, Ур (8)2a lens r max θ max <p- 1 , Eq. (8)

где rmах - максимальный радиус ДОЭ, и θmах - максимальный полярный угол. Поскольку θ ограничивается диапазоном от -π до π, θmax соответствует π, и условие получает вид:where r max is the maximum radius of the DOE, and θ max is the maximum polar angle. Since θ is limited by the range from -π to π, θ max corresponds to π, and the condition takes the form:

alens<(2prmax)-1, т.е. alens,max=(2prmах)-1, Ур (9).a lens <(2pr max ) -1 , i.e. a lens, max = (2pr max ) -1 , Ur (9).

Таким образом, максимальное значение alens, alens,max для определенного ДОЭ зависит от его пиксельного разрешения и его максимального желательного радиуса.Thus, the maximum value of a lens , a lens, max for a particular DOE depends on its pixel resolution and its maximum desired radius.

Согласно Ур. (5) преломляющая способность комбинированной линзы ДОЭ с таким значением alens,max выражается как: f-1lens=alens,maxφλ/π.According to ur. (5) the refractive power of a combined DOE lens with such a lens, max is expressed as: f -1 lens = a lens, max φλ / π.

В последнем разделе было показано, что для получения эффективности порядка 85%In the last section, it was shown that to obtain an efficiency of about 85%

или выше диапазон поворота φ должен ограничиваться интервалом от -π/2 до +π/2. Таким образом, подставляя φ=π/2, получаем ограничение:or higher, the rotation range φ should be limited to the interval from -π / 2 to + π / 2. Thus, substituting φ = π / 2, we obtain the restriction:

-f-1min<f-1lens<+f-1min, Ур. (10)-f -1 min <f -1 lens <+ f -1 min , Lv. (10)

гдеWhere

fmin=4prmax/λ, Ур. (11)f min = 4pr max / λ, Lv. (eleven)

это наименьшее допустимое фокусное расстояние системы комбинированного ДОЭ, которое достигается при угле взаимного поворота ±90 градусов, и это дает дифракционную эффективность >85%.this is the smallest allowable focal length of the combined DOE system, which is achieved with a mutual rotation angle of ± 90 degrees, and this gives a diffraction efficiency> 85%.

В качестве практического примера ДОЭ с типичным размером пикселя р=1 мкм и диаметром 2rmах=5 мм будет иметь преломляющую способность, регулируемую в пределах от -50 до +50 диоптрий (соответствующую диапазону фокусных расстояний от ±2 см до ±∞), на длине волны 500 нм. Можно показать, что этот предел полезного диапазона лишь в 2 раза более ограничен, чем предел для линзы Френеля на основе единичного ДОЭ при тех же условиях, т.е. в вышеприведенном примере единичный ДОЭ должен иметь минимальное фокусное расстояние 1 см.As a practical example, a DOE with a typical pixel size p = 1 μm and a diameter of 2r max = 5 mm will have a refractive power adjustable from -50 to +50 diopters (corresponding to a range of focal lengths from ± 2 cm to ± ∞), by wavelength of 500 nm. It can be shown that this limit of the useful range is only 2 times more limited than the limit for a Fresnel lens based on a single DOE under the same conditions, i.e. in the above example, a single DOE should have a minimum focal length of 1 cm.

Во многих случаях может быть желательно изменять преломляющую способность линзы симметрично не относительно нулевой силы, но относительно определенного значения смещения. Этого можно добиться, размещая элемент комбинированного ДОЭ непосредственно за "нормальной" стеклянной линзой, которая действует как "смещение" преломляющей способности. Однако этого также можно добиться, создавая такое смещение непосредственно на элементе комбинированного ДОЭ.In many cases, it may be desirable to change the refractive power of the lens symmetrically not relative to the zero force, but relative to a certain offset value. This can be achieved by placing the combined DOE element directly behind the “normal” glass lens, which acts as a “shift” of refractive power. However, this can also be achieved by creating such an offset directly on the combined DOE element.

Это можно сделать, умножая обе функции передачи двух ДОЭ на член линзового смещения, каждая из которых снабжена половиной необходимой смещенной преломляющей способности f-1offs, т.е.:This can be done by multiplying both transfer functions of two DOEs by a member of the lens shift, each of which is equipped with half the necessary offset refractive power f -1 offs , i.e.:

Figure 00000002
Figure 00000002

Задавая аoffs=π/λfoffs, можно получить следующие уравнения (12б):By setting a offs = π / λf offs , one can obtain the following equations (12b):

Figure 00000003
Figure 00000003

Можно показать, что в этом случае фокусное расстояние комбинированного ДОЭ изменяется как функция угла взаимного поворота, как и раньше, в частности, с такой же эффективностью и таким же изменением преломляющей способности, как функция угла взаимного поворота, однако теперь он имеет смещенное фокусное расстояние, соответствующее foffs. Преимущественно, два элемента все же являются зеркальными изображениями друг друга (при определенном относительном повороте), и, таким образом, достаточно создать два идентичных элемента с функцией передачи Tlens1, установленных лицом друг к другу. На фиг.7 показан пример двух ДОЭ, которые образуют, после объединения, линзу Френеля с переменным фокусным расстоянием со смещенной преломляющей способностью.It can be shown that in this case the focal length of the combined DOE changes as a function of the angle of mutual rotation, as before, in particular, with the same efficiency and the same change in refractive power as a function of the angle of mutual rotation, but now it has a shifted focal length, corresponding f offs . Advantageously, the two elements are still mirror images of each other (at a certain relative rotation), and thus it is enough to create two identical elements with the transfer function T lens1 , set facing each other. Figure 7 shows an example of two DOEs that, after combining, form a Fresnel lens with a variable focal length with offset refractive power.

Аксиконы с переменной преломляющей способностьюAxicons with variable refractive power

По аналогии с регулируемой линзой Френеля, другой набор из двух ДОЭ особой конструкции может действовать как аксикон (или линза-аксикон), преломляющая способность которого регулируется углом взаимного поворота. Такие аксиконы необходимы, в основном, в применениях управления пучком для волоконных соединителей, оптических пинцетов и систем лазерной резки для получения аксиально протяженной области малого фокуса (так называемых "бесселевых пучков").By analogy with an adjustable Fresnel lens, another set of two DOEs of a special design can act as an axicon (or axicon lens), the refractive power of which is regulated by the angle of mutual rotation. Such axicons are mainly needed in beam control applications for fiber connectors, optical tweezers and laser cutting systems to obtain an axially extended region of small focus (the so-called "Bessel beams").

Формула для вычисления функций передачи двух ДОЭ такова:The formula for calculating the transfer functions of two DOEs is as follows:

Figure 00000004
Figure 00000004

Пример ДОЭ, соответствующего такой функции передачи, представлен на фиг.8(А). По аналогии с последним разделом, преломляющая способность аксикона, образованного путем объединения этих двух ДОЭ, пропорциональна постоянной аaxic и углу взаимного поворота φ. Все ДОЭ, показанные на фиг.8(А), (В) и (С), должны объединяться со вторым ДОЭ, который идентичен первому, но перевернут вверх ногами.An example of a DOE corresponding to such a transfer function is shown in FIG. 8 (A). By analogy with the last section, the refractive power of an axicon formed by combining these two DOEs is proportional to the constant a axic and the angle of mutual rotation φ. All DOEs shown in FIGS. 8 (A), (B), and (C) should be combined with a second DOE, which is identical to the first but upside down.

Пример комбинированного ДОЭ после взаимного поворота Taxi1 и Таxi2 на угол 25 градусов показан на фиг.8(D). Опять же, существует эффект формирования нежелательного сектора, угловая протяженность которого соответствует углу взаимного поворота и который содержит линзу-аксикон с другой преломляющей способностью. По аналогии с последним разделом, формирования такого сектора можно избежать, включая операцию округления в его формулу, т.е.:An example of a combined DOE after the mutual rotation of T axi1 and T axi2 by an angle of 25 degrees is shown in Fig. 8 (D). Again, there is the effect of forming an undesirable sector, the angular extent of which corresponds to the angle of mutual rotation and which contains an axicon lens with a different refractive power. By analogy with the last section, the formation of such a sector can be avoided, including the rounding operation in its formula, i.e.:

Figure 00000005
Figure 00000005

На фиг.8(Е) показан пример, опять же для угла взаимного поворота 25 градусов. По аналогии с последним разделом, появляется вторая аксиконная структура, наложенная на первую и имеющая другую преломляющую способность. Однако относительная эффективность второй аксиконной структуры, опять же, ниже 15%, в случае, когда угол взаимного поворота ограничен интервалом от -90 до +90 градусов.Fig. 8 (E) shows an example, again for a rotation angle of 25 degrees. By analogy with the last section, a second axicon structure appears, superimposed on the first and having a different refractive power. However, the relative efficiency of the second axicon structure, again, is below 15%, in the case when the angle of mutual rotation is limited by the interval from -90 to +90 degrees.

Наконец, может понадобиться создать "линзу-аксикон", т.е. аксикон с переменной преломляющей способностью, накладываемый на "нормальную" собирающую или рассеивающую линзу Френеля с фиксированным фокусным расстоянием f-1offs. Соответствующая формула для получения такого элемента имеет вид:Finally, you may need to create an “axicon lens," i.e. axicon with variable refractive power, superimposed on the "normal" collecting or scattering Fresnel lens with a fixed focal length f -1 offs . The corresponding formula for obtaining such an element is:

Figure 00000006
Figure 00000006

Задавая aoffs=π/λfoffs, можно получить следующие уравнения (15б):By setting a offs = π / λf offs , one can obtain the following equations (15b):

Figure 00000007
Figure 00000007

и пример соответствующего ДОЭ представлен в 0 (С).and an example of the corresponding DOE is presented in 0 (C).

Такая структура может, например, создавать кольцеобразное распределение интенсивности света из входящей плоской световой волны, которая фокусируется на определенном расстоянии за элементом. Кроме того, преимущество такой структуры состоит в том, что желаемое световое поле, сформированное аксиконом, имеет другое расхождение, чем остаточный свет, не испытавший дифракцию. Такой остаточный свет соответствует нулевому дифракционному порядку элемента комбинированного ДОЭ и может возникать, если ДОЭ неправильно изготовлен, например, если вычисленные значения фазы некорректно реконструируются в физической структуре ДОЭ. В силу разных расхождений желаемого аксиконоподобного дифрагированного света и нежелательного недифрагированного (т.е. пропущенного) света нулевого порядка, две составляющие можно легко разделить, например, применяя апертурную диафрагму в фокальной плоскости недифрагированного света.Such a structure can, for example, create an annular distribution of light intensity from an incoming plane light wave, which focuses at a certain distance behind the element. In addition, the advantage of such a structure is that the desired light field generated by the axicon has a different discrepancy than the residual light that has not experienced diffraction. Such residual light corresponds to the zero diffraction order of the element of the combined DOE and can occur if the DOE is improperly manufactured, for example, if the calculated phase values are incorrectly reconstructed in the physical structure of the DOE. Due to different discrepancies between the desired axicon-like diffracted light and unwanted zero-order non-diffracted (i.e. transmitted) light, the two components can be easily separated, for example, by applying an aperture diaphragm in the focal plane of the undiffracted light.

Непрерывно регулируемые фазовращатель и преобразователь частотыContinuously adjustable phase shifter and frequency converter

Два последовательных ДОЭ особой конструкции могут действовать как точный, непрерывно регулируемый фазовращатель, когда они взаимно вращаются. Такая способность к фазовращению необходима, например, в оптической интерферометрии, интерференционной микроскопии, голографии, а также во многих научных применениях (например, непрерывное фазовращение стоячих световых волн в атомных ловушках и т.д.). Система ДОЭ также может действовать как непрерывный преобразователь частоты пропущенного светового пучка, если один из ДОЭ непрерывно вращается по отношению к другому. Такой преобразователь частоты необходим в интерферометрических ("гетеродинная интерферометрия") и научных применениях.Two consecutive DOEs of a special design can act as an accurate, continuously adjustable phase shifter when they mutually rotate. This ability to phase rotation is necessary, for example, in optical interferometry, interference microscopy, holography, as well as in many scientific applications (for example, continuous phase rotation of standing light waves in atomic traps, etc.). A DOE system can also act as a continuous frequency converter for a transmitted light beam if one of the DOEs rotates continuously with respect to the other. Such a frequency converter is necessary in interferometric ("heterodyne interferometry") and scientific applications.

С этой целью соответствующие ДОЭ состоят из так называемых спиральных фазовых пластинок, заданных функциям передачи:To this end, the corresponding DOEs consist of the so-called spiral phase plates assigned to the transfer functions:

Figure 00000008
Figure 00000008

где так называемый спиральный индекс (иногда именуемый "спиральным зарядом") mphas является целым числом. Пример таких спиральных фазовых пластинок представлен на фиг.9 для спиральных индексов mphas=1 и mphas=5.where the so-called spiral index (sometimes referred to as the "spiral charge") m phas is an integer. An example of such spiral phase plates is shown in FIG. 9 for spiral indices m phas = 1 and m phas = 5.

Если две идентичные спиральные фазовые пластинки располагаются лицом друг к другу близко один от другого, их эффективные спиральные индексы имеют противоположные знаки, и комбинированный ДОЭ действует как переменный фазовращатель. Пример такого комбинированного ДОЭ для случая mphas=1 показан на фиг.10. Согласно фиг.10 две идентичные спиральные фазовые пластинки со спиральным индексом mphas=1 располагаются лицом друг к другу близко один от другого. В силу переворота одного из ДОЭ по отношению к другому, эффективные спиральности двух ДОЭ в этой конфигурации имеют противоположный знак. Если один из ДОЭ вращается по отношению к другому, фаза пропущенной световой волны непрерывно сдвигается в интервале от 0 до 2π.If two identical spiral phase plates are located close to each other close to each other, their effective spiral indices have opposite signs, and the combined DOE acts as a variable phase shifter. An example of such a combined DOE for the case m phas = 1 is shown in FIG. 10. According to figure 10, two identical spiral phase plates with a spiral index m phas = 1 are located close to each other close to each other. Due to the inversion of one of the DOEs relative to the other, the effective helicities of the two DOEs in this configuration have the opposite sign. If one of the DOE rotates with respect to the other, the phase of the transmitted light wave is continuously shifted in the range from 0 to 2π.

Если один из ДОЭ вращается по отношению к другому на угол φ, комбинированная функция передачи принимает вид:If one of the DOE rotates with respect to the other by an angle φ, the combined transfer function takes the form:

Figure 00000009
Figure 00000009

Таким образом, комбинированная функция передачи соответствует статическому, плоскому сдвигу фазы mphasφ, которую приобретает входящая волна, проходящая через элемент комбинированного ДОЭ.Thus, the combined transfer function corresponds to a static, flat phase shift m phas φ, which is acquired by the incoming wave passing through the element of the combined DOE.

Если один из двух элементов непрерывно вращается с постоянной угловой скоростью ωrot, то статический угол поворота φ в Ур. (17) выражается как ωrott, и система действует как преобразователь частоты, изменяющий частоту света входящего оптического пучка, ωin, в:If one of the two elements rotates continuously with a constant angular velocity ω rot , then the static angle of rotation φ in Eq. (17) is expressed as ω rot t, and the system acts as a frequency converter that changes the light frequency of the incoming optical beam, ω in , in:

Figure 00000010
Figure 00000010

Знак сдвига частоты (или фазы) можно выбирать согласно направлению вращения. Ур. (17) и Ур. (18) также показывают, что спиральный индекс mphas действует как внутренний коэффициент "зубчатой передачи", т.е. сдвиг фазы или частоты пропущенного пучка соответствует коэффициенту mphas, который умножается на угол поворота или частоту вращения вращающегося ДОЭ соответственно.The sign of the frequency shift (or phase) can be selected according to the direction of rotation. Ur (17) and Lv. (18) also show that the helical index m phas acts as an internal gear ratio, i.e. the phase or frequency shift of the transmitted beam corresponds to the coefficient m phas , which is multiplied by the rotation angle or the rotation frequency of the rotating DOE, respectively.

Комбинированные ДОЭ с повышенной относительной эффективностьюCombined DOE with increased relative efficiency

Если пара ДОЭ, например фазовращатель, описанный в последней главе, правильно изготовлены, оба ДОЭ пары и элемент комбинированного ДОЭ имеет эффективность q=100%, т.е. не существует участка фронта входящей волны, которому не придана нужная форма. Однако, если, в силу практических ограничений физического элемента ДОЭ, фактический сдвиг фазы каждого пикселя не соответствует напрямую запланированным значениям, то дифракционная эффективность двух отдельных ДОЭ и комбинированного ДОЭ будет возрастать. Главная нежелательная составляющая неправильно манипулируемого света на каждом из двух ДОЭ будет так называемым нулевым дифракционным порядком, т.е. частью света, прошедшей через ДОЭ без изменения. Даже если эта составляющая нулевого порядка мала, она может оказывать существенное влияние на полную пропущенную волну, поскольку она когерентно интерферирует с остальным светом, что обычно приводит к пространственной модуляции интенсивности пропущенной световой волны, которая изменяется при взаимном вращении ДОЭ.If a DOE pair, for example, the phase shifter described in the last chapter, is correctly manufactured, both DOE pairs and the combined DOE element have an efficiency q = 100%, i.e. there is no front section of the incoming wave that has not been given the desired shape. However, if, due to the practical limitations of the physical element of DOE, the actual phase shift of each pixel does not correspond directly to the planned values, then the diffraction efficiency of two separate DOEs and combined DOE will increase. The main undesirable component of improperly manipulated light on each of the two DOEs will be the so-called zero diffraction order, i.e. part of the light that passed through DOE without change. Even if this component of the zero order is small, it can have a significant effect on the total transmitted wave, since it coherently interferes with the rest of the light, which usually leads to spatial modulation of the intensity of the transmitted light wave, which changes with the mutual rotation of the DOE.

Для случая "нормальной" пары ДОЭ, где каждый ДОЭ имеет эффективность q<1 (эффективность определяется как доля Imod падающего света Iin, которая модулируется соответствующим образом, т.е. q=Imod/Iin), полная эффективность комбинированного ДОЭ равна q2, и, соответственно, нежелательная световая волна Inoise состоит из всего остального света, т.е. имеет эффективность 1-q2. Таким образом, отношение сигнал-шум нормальной пары ДОЭ задается в виде:For the case of a “normal” pair of DOEs, where each DOE has an efficiency q <1 (the efficiency is defined as the fraction I mod of incident light I in , which is modulated accordingly, i.e. q = I mod / I in ), the total efficiency of the combined DOE is equal to q 2 , and, accordingly, the unwanted light wave I noise consists of the rest of the light, i.e. has an efficiency of 1-q 2 . Thus, the signal-to-noise ratio of a normal DOE pair is specified as:

Figure 00000011
Figure 00000011

Однако, в ущерб свойствам пары ДОЭ для составления двух зеркально симметричных элементов, существует способ значительного повышения производительности пары ДОЭ. Идея состоит в отделении нежелательной составляющей нулевого порядка от желаемой манипулируемой световой волны путем внесения разных расхождений пучка в две составляющие волны. Например, в этом случае правильно манипулируемый пучок будет проходить через элемент комбинированного ДОЭ без изменения его расхождения, тогда как нежелательная составляющая сильно расходится и таким образом "растворяется" на некотором расстоянии за ДОЭ.However, to the detriment of the properties of the DOE pair for composing two mirror-symmetric elements, there is a way to significantly increase the performance of the DOE pair. The idea is to separate the unwanted zero-order component from the desired manipulated light wave by introducing different beam divergences into the two wave components. For example, in this case, the correctly manipulated beam will pass through the element of the combined DOE without changing its divergence, while the undesirable component diverges greatly and thus “dissolves” at a certain distance behind the DOE.

Этого можно добиться путем наложения одного из двух ДОЭ на сильно рассеивающую линзу, с одновременным наложением другого ДОЭ на сильно собирающую линзу, которая в точности компенсирует эффект первой. Таким образом, запланированная световая волна не изменяет своего общего расхождения после прохождения через два ДОЭ, тогда как компоненты пучка нулевого порядка, которые только дифрагируют на одном из двух ДОЭ, будут расходиться. Единственный возмущающий компонент пучка, который сохраняет такое же расхождение, как и желаемая волна, представляет собой компонент, который проходит через оба ДОЭ в качестве волны нулевого порядка (т.е. недифрагированной волны). Однако вероятность этого эффекта постепенно уменьшается как функция эффективности ДОЭ, по сравнению с чисто линейным уменьшением, если ДОЭ созданы без линзовых деталей. Принцип способа схематически представлен на фиг.11.This can be achieved by applying one of the two DOEs to a strongly scattering lens, while simultaneously applying the other DOE to a strongly collecting lens, which exactly compensates for the effect of the first. Thus, the planned light wave does not change its total discrepancy after passing through two DOEs, while the components of the zero-order beam, which only diffract on one of the two DOEs, will diverge. The only perturbing component of the beam that maintains the same discrepancy as the desired wave is the component that passes through both DOEs as a zero-order wave (i.e., an undiffracted wave). However, the likelihood of this effect gradually decreases as a function of DOE efficiency, compared with a purely linear decrease if DOEs are created without lens parts. The principle of the method is shown schematically in FIG. 11.

Фиг.11 выполнена не в масштабе, поскольку фактическое расстояние между двумя ДОЭ должно быть как можно меньше, чтобы исключить фактическое расширение пучка. На этой фигуре показан набор из двух ДОЭ, где первый имеет наложенную рассеивающую линзу (помимо своего отрегулированного фазового профиля), тогда как второй имеет наложенную собирающую линзу такой же абсолютной преломляющей способности. Часть (А) фигуры демонстрирует идеальный случай, когда световая волна дифрагирует в желаемый первый дифракционный порядок обоими ДОЭ. В результате, выходящая волна имеет такое же расхождение, как входящая волна, и дополнительно приобретает желаемую модуляцию фазового фронта. Предполагая, что дифракционная эффективность каждого отдельного ДОЭ равна q, получаем, что полная дифракционная эффективность равна q2.11 is not to scale, since the actual distance between the two DOEs should be as small as possible in order to exclude the actual beam expansion. This figure shows a set of two DOEs, where the first has a superimposed scattering lens (in addition to its adjusted phase profile), while the second has a superimposed collecting lens of the same absolute refractive power. Part (A) of the figure shows the ideal case where a light wave diffracts into the desired first diffraction order by both DOEs. As a result, the outgoing wave has the same divergence as the incoming wave, and additionally acquires the desired modulation of the phase front. Assuming that the diffraction efficiency of each individual DOE is q, we obtain that the total diffraction efficiency is q 2 .

Следующие две схемы (В) и (С) на фиг.11 демонстрируют ситуацию со вторыми после наивысшей вероятностями, где дифракция происходит только на одном из двух ДОЭ, тогда как соответствующий другой ДОЭ просто пропускает волну. В обеих ситуациях выходящая волна расходится, и, таким образом, ее можно легко отделить от волны полезного сигнала в (А).The following two schemes (B) and (C) in FIG. 11 demonstrate the situation with the second after the highest probabilities, where diffraction occurs only on one of the two DOEs, while the corresponding other DOE simply transmits a wave. In both situations, the output wave diverges, and thus, it can be easily separated from the wave of the useful signal in (A).

Последняя схема (D) на фиг.11 демонстрирует источник единственной составляющей нежелательного света, которая имеет такое же расхождение, как волна сигнала, и, таким образом, действует как "шум". Она образована частью падающей волны, которая проходит через оба ДОЭ без дифракции. Соответствующая эффективность в этой ситуации равна (1-q)2. Таким образом, получаем общее "отношение сигнал-шум" Soptimal оптимизированной пары ДОЭ в виде:The last circuit (D) in FIG. 11 shows a single component of unwanted light that has the same divergence as the signal wave, and thus acts as “noise”. It is formed by a part of the incident wave, which passes through both DOEs without diffraction. The corresponding efficiency in this situation is (1-q) 2 . Thus, we obtain the total "signal-to-noise ratio" S optimal of the optimized DOE pair in the form:

Figure 00000012
Figure 00000012

Таким образом, увеличение отношения сигнал-шум между оптимизированной и нормальной (Ур. (19)) парами ДОЭ выражается как:Thus, an increase in the signal-to-noise ratio between the optimized and normal (Eq. (19)) DOE pairs is expressed as:

Figure 00000013
Figure 00000013

В качестве примера повышенной производительности каждой собирающей/рассеивающей пары ДОЭ рассмотрим случай, когда каждый единичный ДОЭ имеет дифракционную эффективность 90% (q=0.9), тогда как 10% падающего света проходит без дифракции в нулевом порядке. Дифракцией в другие дифракционные порядки можно пренебречь для отражательных структур ДОЭ.As an example of the increased performance of each collecting / scattering pair of DOEs, we consider the case where each unit DOE has a diffraction efficiency of 90% (q = 0.9), while 10% of the incident light passes without diffraction in zero order. Diffraction into other diffraction orders can be neglected for the reflective structures of DOEs.

В этом случае отношение сигнал-шум нормальной пары ДОЭ (согласно Ур. (19)) должно быть Snormal=4.3. С другой стороны, соответствующее отношение сигнал-шум оптимизированной пары ДОЭ будет равно (Ур. (20)) Soptimal=81, что соответствует почти 20-кратному увеличению. Если этот способ применяется к непрерывному фазовращателю и преобразователю частоты, описанному в предыдущем разделе, соответствующие функции передачи двух ДОЭ выражаются в виде:In this case, the signal-to-noise ratio of the normal DOE pair (according to Eq. (19)) should be S normal = 4.3. On the other hand, the corresponding signal-to-noise ratio of the optimized DOE pair will be equal to (Eq. (20)) S optimal = 81, which corresponds to an almost 20-fold increase. If this method is applied to a continuous phase shifter and a frequency converter described in the previous section, the corresponding transfer functions of the two DOEs are expressed as:

Figure 00000014
Figure 00000014

Задавая adiv=π/λfdiv, можно получить следующие уравнения (22б)Setting a div = π / λf div , we can obtain the following equations (22b)

Figure 00000015
Figure 00000015

Здесь, fdiv - фокусное расстояние наложенных собирающих и рассеивающих линз Френеля, и предпочтительно выбирается настолько малым, насколько это практически возможно (с ограничением согласно Ур. (11)) для достижения быстрого "растворения" нежелательных компонентов пучка за счет расхождения за парой ДОЭ.Here, f div is the focal length of the superimposed collecting and scattering Fresnel lenses, and is preferably chosen as small as practicable (with a limitation according to Eq. (11)) to achieve rapid “dissolution” of the undesired beam components due to divergence behind the DOE pair.

Элемент комбинированного ДОЭ имеет такую же передаточную функцию Tcombi=exp(-imphasθ), как функция угла взаимного поворота φ для "нормальной" пары ДОЭ, выраженная Ур. (16). Соответствующие элементы ДОЭ "нормальной" пары ДОЭ и оптимизированной пары сравниваются на фиг.12, где показаны фазовые шаблоны спиральных фазовых элементов со спиральными индексами mphas=1 и mphas=-1 (верхний ряд) и те же фазовые функции, наложенные на фокусирующую и расфокусирующую линзу (нижний ряд). Фазовращатель/преобразователь частоты, образованный парой ДОЭ в нижнем ряду, имеет значительно повышенную относительную эффективность между желательными сдвинутыми по фазе составляющими волны и остаточными недифрагированными составляющими.The element of the combined DOE has the same transfer function T combi = exp (-im phas θ) as the function of the mutual rotation angle φ for the “normal” pair of DOE, expressed by Eq. (16). The corresponding DOE elements of the “normal” DOE pair and the optimized pair are compared in FIG. 12, which shows the phase patterns of spiral phase elements with spiral indices m phas = 1 and m phas = -1 (upper row) and the same phase functions superimposed on the focusing and a defocusing lens (bottom row). The phase shifter / frequency converter formed by the DOE pair in the bottom row has a significantly increased relative efficiency between the desired phase-shifted wave components and the residual undiffracted components.

Пары ДОЭ для спиральных фазовых элементов с переменным спиральным индексомDOE pairs for spiral phase elements with variable spiral index

Спиральные фазовые элементы имеют важные применения в формировании пучка для генерации так называемых бубликовых пучков, которые используются в оптических ловушках (лазерных пинцетах и атомных ловушках), для переноса момента импульса на микроскопические частицы (оптической накачки) и, в последнее время, для спирального фазоконтрастного формирования изображений в микроскопии и интерферометрии.Spiral phase elements have important applications in beam formation for generating so-called bagel beams, which are used in optical traps (laser tweezers and atomic traps), for transferring the angular momentum to microscopic particles (optical pumping), and, more recently, for spiral phase-contrast formation images in microscopy and interferometry.

Построен набор из двух последовательных ДОЭ, который может действовать как спиральный фазовый элемент, спиральный заряд которого можно непрерывно регулировать (и даже инвертировать) в выбранном диапазоне путем регулировки угла взаимного поворота двух ДОЭ.A set of two consecutive DOEs has been constructed, which can act as a spiral phase element, the spiral charge of which can be continuously adjusted (and even inverted) in the selected range by adjusting the angle of mutual rotation of the two DOEs.

Основные функции передачи соответствующих ДОЭ выражаются в виде:The main transmission functions of the corresponding DOEs are expressed as:

Figure 00000016
Figure 00000016

где аspir - постоянная, которая определяет изменение спирального индекса комбинированного ДОЭ как функцию угла поворота. Таким образом, функция передачи комбинированного ДОЭ при угле взаимного поворота φ имеет вид:where a spir is a constant that determines the change in the spiral index of the combined DOE as a function of the angle of rotation. Thus, the transmission function of the combined DOE at the angle of mutual rotation φ has the form:

Figure 00000017
Figure 00000017

Это соответствует функции передачи спиральной фазовой пластинки со спиральным индексом m=2аspirφ (первый коэффициент), объединенной с дополнительным чистым фазовращателем на величину -аspirφ2 (второй коэффициент). Если такой комбинированный ДОЭ используется не в целях интерферометрии, но лишь как модовый преобразователь, фазовращательным членом можно пренебречь, и спиральный индекс комбинированного спирального фазового элемента линейно зависит от угла взаимного поворота φ.This corresponds to the transfer function of the spiral phase plate with the spiral index m = 2a spir φ (first coefficient), combined with an additional pure phase shifter by the value -a spir φ 2 (second coefficient). If such a combined DOE is not used for interferometry, but only as a mode converter, the phase-shifting term can be neglected, and the spiral index of the combined spiral phase element linearly depends on the angle of mutual rotation φ.

Пример набора ДОЭ с функциями передачи согласно Ур. (24) показан на фиг.13.Example of a set of DOEs with transmission functions according to Eq. (24) is shown in FIG. 13.

Требования к разрешению являются наиболее строгими в области вокруг центра ДОЭ. Результирующая комбинированная функция передачи после перекрытия двух ДОЭ показана на фиг.14 для нескольких углов взаимного поворота, а именно -25, -5, -1.5, +1.5, +5 и +25 градусов. Соответствующие функции передачи соответствуют спиральным фазовым элементам со спиральными индексами приблизительно -13, -3, -1, +1, +3 и +13 соответственно.Permission requirements are most stringent in the area around the DOE center. The resulting combined transmission function after the overlapping of two DOEs is shown in Fig. 14 for several angles of mutual rotation, namely -25, -5, -1.5, +1.5, +5 and +25 degrees. The corresponding transfer functions correspond to spiral phase elements with spiral indices of approximately −13, −3, −1, +1, +3, and +13, respectively.

Оказывается, что снова возникает формирование сектора, аналогичное секторизации на фиг.3. Причина этого та же самая, т.е. секторизация вследствие неоднозначности угла поворота φ, который имеет место в Ур. (24) для функции передачи комбинированного ДОЭ, т.е. поворот φ нельзя отличить от φ±2π, и поэтому комбинированный спиральный фазовый элемент содержит одновременно два спиральных индекса, однако нежелательный второй индекс содержится в секторе, включенном углом взаимного поворота двух ДОЭ. Таким образом, использование большого коэффициента аspir в конструкции ДОЭ все же позволяет создавать элементы ДОЭ, генерирующие значительное изменение спиральных индексов при достаточно малом угле взаимного поворота, благодаря чему площадь нежелательного сектора будет пренебрежимо мала во многих практических применениях.It turns out that again there is a sector formation similar to sectorization in figure 3. The reason for this is the same, i.e. sectorization due to the ambiguity of the angle of rotation φ, which takes place in Eq. (24) for the transmission function of the combined DOE, i.e. the rotation φ cannot be distinguished from φ ± 2π, and therefore the combined spiral phase element contains two spiral indexes at the same time, however, an undesirable second index is contained in the sector included in the angle of mutual rotation of the two DOEs. Thus, the use of a large coefficient a spir in the design of DOEs still allows us to create DOE elements that generate a significant change in spiral indices at a sufficiently small angle of mutual rotation, so that the area of the undesired sector will be negligible in many practical applications.

По аналогии со способом оптимизации ДОЭ, описанным в последнем разделе, можно также увеличить контраст в отношении сигнал-шум путем наложения рассеивающей и собирающей линз (с фокусным расстоянием ±fdiv) на два ДОЭ. В этом случае две оптимизированные функции передачи имеют вид:By analogy with the DOE optimization method described in the last section, it is also possible to increase the contrast in the signal-to-noise ratio by applying a scattering and collecting lens (with focal length ± f div ) by two DOEs. In this case, two optimized transfer functions are:

Figure 00000018
Figure 00000018

Пример двух ДОЭ, вычисленных согласно этим функциям передачи, показан на фиг.15.An example of two DOEs calculated according to these transmission functions is shown in FIG.

Функция передачи комбинированного ДОЭ в точности соответствует функции передачи предыдущей пары ДОЭ (см. фиг.13), но с увеличенным отношением сигнал-шум, если дифракционная эффективность отдельных ДОЭ меньше 1, что задано в Ур. (21).The transfer function of the combined DOE corresponds exactly to the transfer function of the previous DOE pair (see Fig. 13), but with an increased signal-to-noise ratio if the diffraction efficiency of individual DOEs is less than 1, which is specified in Eq. (21).

В вышеприведенном подробном описании описана конструкция оптических элементов наподобие непрерывно регулируемых фазовращателей, регулируемых зонных пластинок Френеля и аксиконов и регулируемых спиральных фазовых элементов, управление которыми осуществляется за счет взаимного вращения двух последовательных ДОЭ, которая обеспечивает техническое решение для многих задач в оптических системах. Далее перечислены технические решения для разных применений, упомянутых в предыдущих разделах.The above detailed description describes the design of optical elements such as continuously adjustable phase shifters, adjustable Fresnel zone plates and axicons and adjustable spiral phase elements, which are controlled by the mutual rotation of two successive DOEs, which provides a technical solution for many problems in optical systems. The following are technical solutions for the various applications mentioned in the previous sections.

Зонная пластинка Френеля как линза с непрерывно регулируемым фокусным расстояниемFresnel zone plate as a continuously adjustable focal length lens

Такие линзы сильно востребованы в технических применениях. В порядке примера такая линза позволяет реализовать систему формирования изображений, которая фокусируется, аналогично человеческому глазу, не за счет регулировки расстояний между оптическими элементами (путем осевого перемещения линз), но за счет изменения фокусного расстояния линзы для формирования изображений. Создание линз с переменным фокусным расстоянием все еще находится на стадии исследований, т.е. существуют подходы к использованию капель жидкости в качестве линз, где кривизну капли можно регулировать с помощью электрического поля. Аналогичные подходы используют границу раздела между двумя жидкостями, которая может искривляться электрическим полем. Наконец, существуют жидкокристаллические системы особой конструкции, которые могут действовать как линзы с переменным фокусным расстоянием. В сравнении с настоящим изобретением все эти подходы более сложны и изысканны, а также не позволяют периодически сканировать фокальную плоскость (путем непрерывного вращения одного ДОЭ по отношению к другому). В подходах, использующих пару из двух муаровых картин, которые могут взаимно вращаться для реализации зонной пластинки с переменным фокусным расстоянием, эффективность ограничивается 16%, тогда как настоящее изобретение позволяет добиться почти 100% эффективности.Such lenses are in high demand in technical applications. By way of example, such a lens makes it possible to realize an imaging system that focuses, similarly to the human eye, not by adjusting the distances between the optical elements (by axial movement of the lenses), but by changing the focal length of the lens to form images. The creation of zoom lenses is still at the research stage, i.e. There are approaches to using liquid droplets as lenses, where the curvature of the droplet can be adjusted using an electric field. Similar approaches use the interface between two liquids, which can be curved by an electric field. Finally, there are specially designed liquid crystal systems that can act as zoom lenses. Compared with the present invention, all these approaches are more complex and sophisticated, and also do not allow to periodically scan the focal plane (by continuously rotating one DOE relative to another). In approaches using a pair of two moire patterns that can mutually rotate to realize a zone plate with a variable focal length, the efficiency is limited to 16%, while the present invention allows to achieve almost 100% efficiency.

Аксиконы с регулируемой преломляющей способностьюAxicons with adjustable refractive power

Технические подходы к реализации аксиконов с регулируемой преломляющей способностью (в основном, необходимых для применений управления пучком) сходны с упомянутыми в последнем разделе. Опять же, предлагается реализовать такие элементы с муаровыми картинами, что, однако, приводит к ограниченной эффективности 16%.Technical approaches to the implementation of axicons with adjustable refractive power (mainly necessary for beam control applications) are similar to those mentioned in the last section. Again, it is proposed to implement such elements with moire patterns, which, however, leads to a limited efficiency of 16%.

Спиральный фазовый элемент с переменным спиральным зарядомSpiral phase element with variable spiral charge

Спиральные фазовые элементы для генерации бубликовых пучков или для пространственной фильтрации обычно изготавливаются в виде голограмм или ДОЭ. Однако в этом случае соответствующий спиральный заряд не является переменным. Спиральные фазовые элементы с переменным спиральным зарядом можно программировать на стандартных жидкокристаллических дисплеях с высоким разрешением или на специализированных жидкокристаллических дисплеях. Оба способа очень дороги. Кроме того, было сообщено о создании переменного спирального фазового элемента путем управляемой деформации особого плексигласового диска механическими средствами. Однако этот способ требует очень сложных механизмов и способов изготовления.Spiral phase elements for generating bagular beams or for spatial filtering are usually made in the form of holograms or DOEs. However, in this case, the corresponding spiral charge is not variable. Spiral phase cells with a variable spiral charge can be programmed on standard high-resolution liquid crystal displays or on specialized liquid crystal displays. Both methods are very expensive. In addition, it was reported about the creation of an alternating spiral phase element by controlled deformation of a special Plexiglas disk by mechanical means. However, this method requires very complex mechanisms and manufacturing methods.

Фазовращатели и преобразователи частоты для интерферометров и т.д.Phase shifters and frequency converters for interferometers, etc.

Для стандартных применений фазовращения известны решения, предусматривающие изменение длины оптического пути зеркалами, установленными на пьезокристаллах, вставку пары комплементарных стеклянных клиньев в путь пучка, которые сдвигаются в поперечном направлении, или вставку стеклянной пластинки, которая может наклоняться относительно горизонтальной или вертикальной оси.For standard phase-rotation applications, solutions are known for changing the optical path length with mirrors mounted on piezoelectric crystals, inserting a pair of complementary glass wedges into the beam path that are shifted in the transverse direction, or inserting a glass plate that can be inclined relative to the horizontal or vertical axis.

Все вышеперечисленные способы имеют тот недостаток, что фазовращение не является непрерывным, т.е. используемые оптические элементы имеют "позицию остановки", откуда их нужно возвращать в их соответствующие "начальные позиции" прежде, чем выполнить фазовращение. Это также препятствует использованию этих способов для регулируемых преобразователей частоты, что можно делать путем непрерывного взаимного вращения ДОЭ согласно настоящему изобретению.All of the above methods have the disadvantage that phase rotation is not continuous, i.e. the optical elements used have a “stop position”, from where they must be returned to their respective “initial positions” before performing phase rotation. This also prevents the use of these methods for adjustable frequency converters, which can be done by continuous mutual rotation of the DOE according to the present invention.

Известный способ достижения непрерывного сдвига фазы состоит в использовании так называемой фазы Панчаратнама за счет взаимного вращения комбинации двух четвертьволновых и одной полуволновой пластинки на пути пучка. Однако, в отличие от настоящего изобретения, способ Панчаратнама реализуется только для света в определенном состоянии поляризации. Особое преимущество настоящего изобретения состоит в его высокой точности фазовращения и в возможности реализовать "зубчатую передачу", т.е. создавать пары ДОЭ, которые обеспечивают сдвиг частоты +/-nf (где n - целое число, которое зависит от конструкции ДОЭ и может достигать 1000), при пространственном вращении с частотой f Гц.A known method of achieving a continuous phase shift is to use the so-called Pancaratnam phase due to the mutual rotation of the combination of two quarter-wave and one half-wave plate in the beam path. However, unlike the present invention, the Pancaratnam method is implemented only for light in a certain state of polarization. A particular advantage of the present invention is its high phase rotation accuracy and the possibility of realizing a “gear”, i.e. create pairs of DOEs that provide a frequency shift of +/- nf (where n is an integer that depends on the design of the DOE and can reach 1000), with spatial rotation with a frequency f Hz.

Claims (20)

1. Оптическое устройство, содержащее пару пластиноподобных дифракционных оптических элементов (ДОЭ) с функциями передачи T1(r,θ)=exp[iФ1(r,θ)] и Т2(r,θ)=ехр[iФ2(r,θ)], где r и θ являются полярными координатами, причем r - радиус и θ - полярный угол, и Ф1,2(r,θ) являются фазовыми профилями в диапазоне от 0 до 2π, впечатанными в ДОЭ, причем два ДОЭ последовательно установлены параллельно друг другу с достаточно малым разнесением между ними, так что комбинация двух соседних ДОЭ оптически соответствует одному ДОЭ с функцией передачи Tcombi=T1·T2, причем по меньшей мере один из ДОЭ выполнен с возможностью вращения относительно другого вокруг оси, перпендикулярной его поверхности, так что пара ДОЭ действует как ДОЭ с функцией передачи
Tcombi=T1(r,θ)·T2(r,θ-φ)=exp[iФ1(r,θ)]·exp[iФ2(r,θ-φ)]=exp[i{Ф1(r,θ)+Ф2(r,θ-φ)}],
где φ - относительный угол поворота, причем фазовые профили Ф1,2 двух ДОЭ определяются следующими выражениями:
Ф1(r,θ)=mоd{[аlensr2θ+aaxicrθ+mphasθ+aspirθ2]+(aoffs/2)r2divr2} и
Ф2(r,θ)=mod{-[alensr2θ+aaxicrθ+mphasθ+aspirθ2]+(aoffs/2)r2-adivr2},
где mod{…} означает операцию по модулю 2πи, коэффициенты alens, aахic, aspir, aoffs и adiv представляют собой вещественные числа, которые также могут быть нулем, и коэффициент mphas представляет собой целое число, которое также может быть нулем, при этом по меньшей мере один из коэффициентов alens, аахic, mphas и aspir не является нулем, при этом alens пропорционален преломляющей способности линзы, aaxic пропорционален преломляющей способности аксикона, aspir пропорционален спиральному индексу спирального фазового элемента, aoffs пропорционален преломляющей способности линзы, наложенной со смещением, аdiv пропорционален преломляющей способности рассеивающей линзы и mphas является спиральным индексом спиральной фазовой пластины.
1. An optical device containing a pair of plate-like diffractive optical elements (DOE) with transmission functions T 1 (r, θ) = exp [iF 1 (r, θ)] and T 2 (r, θ) = exp [iF 2 (r , θ)], where r and θ are polar coordinates, r is the radius and θ is the polar angle, and Φ 1,2 (r, θ) are phase profiles in the range from 0 to 2π, imprinted in the DOE, and two DOEs sequentially mounted parallel to each other with a sufficiently small spacing between them, so that the combination of two neighboring DOEs optically corresponds to one DOE with the transfer function T combi = T 1 · T 2 , and at least at least one of the DOEs is made to rotate relative to the other around an axis perpendicular to its surface, so that the pair of DOEs acts as DOEs with a transfer function
T combi = T 1 (r, θ) · T 2 (r, θ-φ) = exp [iФ 1 (r, θ)] · exp [iФ 2 (r, θ-φ)] = exp [i {Ф 1 (r, θ) + Ф 2 (r, θ-φ)}],
where φ is the relative angle of rotation, and the phase profiles Ф 1,2 of two DOEs are determined by the following expressions:
Ф 1 (r, θ) = mod {[a lens r 2 θ + a axic rθ + m phas θ + a spir θ 2 ] + (a offs / 2) r 2 + а div r 2 } and
Ф 2 (r, θ) = mod {- [a lens r 2 θ + a axic rθ + m phas θ + a spir θ 2 ] + (a offs / 2) r 2 -a div r 2 },
where mod {...} means the operation modulo 2πi, the coefficients a lens , a axic , a spir , a offs and a div are real numbers, which can also be zero, and the coefficient m phas is an integer that can also be zero, with at least one of the coefficients a lens , and ahic , m phas and a spir is not zero, while a lens is proportional to the refractive power of the lens, a axic is proportional to the refractive power of the axicon, a spir is proportional to the spiral index of the spiral phase element , a offs is proportional to the refractive index features of the lens superimposed with displacement, and div is proportional to the refractive power of the scattering lens and m phas is the spiral index of the spiral phase plate.
2. Оптическое устройство по п.1, в котором фазовые профили Ф1,2 двух ДОЭ определяются следующими выражениями:
Ф1(r,θ)=mod{[alensr2]θ} и
Ф2(r,θ)=mod{-[аlensr2]θ}.
2. The optical device according to claim 1, in which the phase profiles f 1,2 of two DOEs are determined by the following expressions:
Ф 1 (r, θ) = mod {[a lens r 2 ] θ} and
Ф 2 (r, θ) = mod {- [and lens r 2 ] θ}.
3. Оптическое устройство по п.1, в котором фазовые профили Ф1,2 двух ДОЭ определяются следующими выражениями:
Ф1(r,θ)=mod{[aaxicr]θ} и
Ф2(r,θ)=mod{-[aaxicr]θ}.
3. The optical device according to claim 1, in which the phase profiles f 1,2 of two DOEs are determined by the following expressions:
Φ 1 (r, θ) = mod {[a axic r] θ} and
Φ 2 (r, θ) = mod {- [a axic r] θ}.
4. Оптическое устройство по п.1, в котором фазовые профили Ф1,2 двух ДОЭ определяются следующими выражениями:
Ф1(r,θ)=mod{aspirθ2} и
Ф2(r,θ)=mod{-aspirθ2}.
4. The optical device according to claim 1, in which the phase profiles f 1,2 of two DOEs are determined by the following expressions:
Φ 1 (r, θ) = mod {a spir θ 2 } and
Φ 2 (r, θ) = mod {-a spir θ 2 }.
5. Оптическое устройство по п.1, в котором фазовые профили Ф1,2 двух ДОЭ определяются следующими выражениями:
Ф1(r,θ)=mod{mphasθ} и
Ф2(r,θ)=mod{-mphasθ}.
5. The optical device according to claim 1, in which the phase profiles f 1,2 of two DOEs are determined by the following expressions:
Φ 1 (r, θ) = mod {m phas θ} and
Φ 2 (r, θ) = mod {-m phas θ}.
6. Оптическое устройство по одному из пп.2-5, в котором к аргументу mod-функции двух фазовых профилей Ф1(r,θ) и Ф2(r,θ) двух ДОЭ добавляется член смещения (aoffs/2)r2.6. The optical device according to one of claims 2-5, in which an offset term (a offs / 2) is added to the argument of the mod function of the two phase profiles Φ 1 (r, θ) and Φ 2 (r, θ) of the two DOEs r 2 . 7. Оптическое устройство по одному из пп.2-5, в котором к аргументу mod-функции фазового профиля Ф1(r,θ) первого ДОЭ добавляется член adivr2 и в котором тот же член аdivr2 вычитается из аргумента mod-функции фазового профиля Ф2(r,θ) второго ДОЭ.7. The optical device according to one of claims 2 to 5, in which the term a div r 2 is added to the argument of the mod -function of the phase profile Φ 1 (r, θ) of the first DOE and in which the same term a div r 2 is subtracted from argument mod -function of the phase profile Ф 2 (r, θ) of the second DOE. 8. Оптическое устройство по одному из пп.1-5, в котором максимальный относительный поворот двух ДОЭ ограничен экстремальными углами поворота φmin и φmах, которые удовлетворяют условию [-90°≤φmin<φ<φmах≤90°], где φ - относительный угол поворота.8. The optical device according to one of claims 1 to 5, in which the maximum relative rotation of the two DOEs is limited by extreme rotation angles φ min and φ max that satisfy the condition [-90 ° ≤φ min <φ <φ max ≤90 °], where φ is the relative rotation angle. 9. Оптическое устройство по одному из пп.1-5, дополнительно содержащее сектороподобный поглотитель, который покрывает сектор пары ДОЭ.9. The optical device according to one of claims 1 to 5, further comprising a sector-like absorber that covers the sector of the DOE pair. 10. Оптическое устройство по п.9, в котором упомянутый сектор, покрытый сектороподобным поглотителем, имеет угол, соответствующий углу поворота одного ДОЭ относительно другого.10. The optical device according to claim 9, in which said sector, covered with a sector-like absorber, has an angle corresponding to the angle of rotation of one DOE relative to another. 11. Оптическое устройство по одному из пп.1-5, в котором один из ДОЭ выполнен с возможностью непрерывного вращения с угловой частотой ωrot для непрерывного изменения тех оптических свойств оптического устройства, которые зависят от угла поворота φ.11. The optical device according to one of claims 1 to 5, in which one of the DOE is made with the possibility of continuous rotation with an angular frequency ω rot to continuously change the optical properties of the optical device that depend on the angle of rotation φ. 12. Оптическое устройство по одному из пп.1-5, в котором фазовый профиль, впечатанный в ДОЭ, имеет пиксели размером 10 мкм или менее, предпочтительно порядка длины волны света или более.12. The optical device according to one of claims 1 to 5, in which the phase profile imprinted in the DOE has pixels of 10 μm or less, preferably of the order of the wavelength of light or more. 13. Оптическое устройство, содержащее пару пластиноподобных дифракционных оптических элементов (ДОЭ) с функциями передачи T1(r,θ)=exp[iФ1(r,θ)] и Т2(r,θ)=ехр[iФ2(r,θ)], где r и θ являются полярными координатами, причем r - радиус и θ - полярный угол, и Ф1,2(r,θ) являются фазовыми профилями в диапазоне от 0 до 2π, впечатанными в ДОЭ, причем два ДОЭ последовательно установлены параллельно друг другу с достаточно малым разнесением между ними, так что комбинация двух соседних ДОЭ оптически соответствует одному ДОЭ с функцией передачи Tcombi=T1·T2, причем по меньшей мере один из ДОЭ выполнен с возможностью вращения относительно другого вокруг оси, перпендикулярной его поверхности, так что пара ДОЭ действует как ДОЭ с функцией передачи
Tcombi=T1(r,θ)·T2(r,θ-φ)=exp[iФ1(r,θ)]·exp[iФ2(r,θ-φ)]=exp[i{Ф1(r,θ)+Ф2(r,θ-φ)}], где φ - относительный угол поворота, причем фазовые профили Ф1,2 двух ДОЭ определяются следующими выражениями:
Ф1(r,θ)=mod{[round{alensr2+aaxicr}θ+mphasθ]+(aoffs/2)r2divr2} и
Ф2(r,θ)=mod{-[round{alensr2+aaxicr}θ+mphasθ]+(aoffs/2)r2divr2},
где mod{…} означает операцию по модулю 2π, round{…} означает округление аргумента до следующего большего числа, alens, aaxic, aoffs и аdiv представляют собой свободно выбираемые коэффициенты, которые также могут быть нулем, и коэффициент mphas представляет собой целое число, которое также может быть нулем, при этом по меньшей мере один из коэффициентов alens, aaxic или mphas не является нулем, при этом alens пропорционален преломляющей способности линзы, aaxic пропорционален преломляющей способности аксикона, aoffs пропорционален преломляющей способности линзы, наложенной со смещением, adiv пропорционален преломляющей способности рассеивающей линзы и mphas является спиральным индексом спиральной фазовой пластины.
13. An optical device containing a pair of plate-like diffractive optical elements (DOEs) with transmission functions T 1 (r, θ) = exp [iF 1 (r, θ)] and T 2 (r, θ) = exp [iF 2 (r , θ)], where r and θ are polar coordinates, r is the radius and θ is the polar angle, and Φ 1,2 (r, θ) are phase profiles in the range from 0 to 2π, imprinted in the DOE, and two DOEs sequentially arranged in parallel to one another with a sufficiently small spacing between them, so that the combination of the two neighboring DOEs optically corresponds to one DOE with transfer function T combi = T 1 · T 2, wherein at Men it least one of the DOE is rotatable relative to the other about an axis perpendicular to its surface so that the DOE functions as a pair of DOEs with transfer function
T combi = T 1 (r, θ) · T 2 (r, θ-φ) = exp [iФ 1 (r, θ)] · exp [iФ 2 (r, θ-φ)] = exp [i {Ф 1 (r, θ) + Ф 2 (r, θ-φ)}], where φ is the relative rotation angle, and the phase profiles Ф 1,2 of two DOEs are determined by the following expressions:
Ф 1 (r, θ) = mod {[round {a lens r 2 + a axic r} θ + m phas θ] + (a offs / 2) r 2 + а div r 2 } and
Ф 2 (r, θ) = mod {- [round {a lens r 2 + a axic r} θ + m phas θ] + (a offs / 2) r 2 div r 2 },
where mod {...} means the operation modulo 2π, round {...} means rounding the argument to the next larger number, a lens , a axic , a offs and a div are freely selectable coefficients, which can also be zero, and the coefficient m phas is an integer, which can also be zero, while at least one of the coefficients a lens , a axic or m phas is not zero, while a lens is proportional to the refractive power of the lens, a axic is proportional to the refractive power of the axicon, a offs proportional to the refractive power of lenses s, superimposed with bias, a div is proportional to the refractive power of the scattering lens and m phas is the spiral index of the spiral phase plate.
14. Оптическое устройство по п.13, в котором фазовые профили Ф1,2 двух ДОЭ определяются следующими выражениями:
Ф1(r,θ)=mod{[round{alensr2}θ} и
Ф2(r,θ)=mod{-[round{аlensr2}]θ}.
14. The optical device according to item 13, in which the phase profiles f 1,2 of two DOEs are determined by the following expressions:
Ф 1 (r, θ) = mod {[round {a lens r 2 } θ} and
Ф 2 (r, θ) = mod {- [round {a lens r 2 }] θ}.
15. Оптическое устройство по п.13, в котором фазовые профили Ф1,2 двух ДОЭ определяются следующими выражениями:
Ф1(r,θ)=mod{round{[aaxicr]}θ} и
Ф2(r,θ)=mod{-round{[aaxicr]}θ}.
15. The optical device according to item 13, in which the phase profiles f 1,2 of two DOEs are determined by the following expressions:
Φ 1 (r, θ) = mod {round {[a axic r]} θ} and
Φ 2 (r, θ) = mod {-round {[a axic r]} θ}.
16. Оптическое устройство по п.13, в котором фазовые профили Ф1,2 двух ДОЭ определяются следующими выражениями:
Ф1(r,θ)=mod{mphasθ} и
Ф2(r,θ)=mod{-mphasθ}.
16. The optical device according to item 13, in which the phase profiles f 1,2 of two DOEs are determined by the following expressions:
Φ 1 (r, θ) = mod {m phas θ} and
Φ 2 (r, θ) = mod {-m phas θ}.
17. Оптическое устройство по одному из пп.14-16, в котором к аргументу mod-функции двух фазовых профилей Ф1(r,θ) и Ф2(r,θ) двух ДОЭ добавляется член смещения (aoffs/2)r2.17. The optical device according to one of claims 14-16, in which an offset term (a offs / 2) is added to the argument of the mod function of the two phase profiles Φ 1 (r, θ) and Φ 2 (r, θ) of the two DOEs r 2 . 18. Оптическое устройство по одному из пп.14-16, в котором к аргументу mod-функции фазового профиля Ф1(r,θ) первого ДОЭ добавляется член аdivr2 и в котором тот же член аdivr2 вычитается из аргумента mod-функции фазового профиля Ф2(r,θ) второго ДОЭ.18. The optical device according to one of claims 14 to 16, in which the member a div r 2 is added to the argument of the mod -function of the phase profile Φ 1 (r, θ) of the first DOE and in which the same member a div r 2 is subtracted from argument mod -function of the phase profile Ф 2 (r, θ) of the second DOE. 19. Оптическое устройство по одному из пп.13-16, в котором один из ДОЭ выполнен с возможностью непрерывного вращения с угловой частотой ωrot для непрерывного изменения тех оптических свойств оптического устройства, которые зависят от угла поворота φ.19. The optical device according to one of paragraphs.13-16, in which one of the DOE is made with the possibility of continuous rotation with an angular frequency ω rot to continuously change those optical properties of the optical device that depend on the angle of rotation φ. 20. Оптическое устройство по одному из пп.13-16, в котором фазовый профиль, впечатанный в ДОЭ, имеет пиксели размером 10 мкм или менее, предпочтительно порядка длины волны света или более. 20. The optical device according to one of claims 13-16, wherein the phase profile imprinted in the DOE has pixels of 10 μm or less, preferably of the order of the wavelength of light or more.
RU2010106165/28A 2007-07-20 2007-07-20 Optical device with pair of diffraction optical elements RU2458367C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010106165/28A RU2458367C2 (en) 2007-07-20 2007-07-20 Optical device with pair of diffraction optical elements

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010106165/28A RU2458367C2 (en) 2007-07-20 2007-07-20 Optical device with pair of diffraction optical elements

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010106165A RU2010106165A (en) 2011-08-27
RU2458367C2 true RU2458367C2 (en) 2012-08-10

Family

ID=44756295

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010106165/28A RU2458367C2 (en) 2007-07-20 2007-07-20 Optical device with pair of diffraction optical elements

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2458367C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2680728C1 (en) * 2018-01-30 2019-02-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, (ФИАН) Method of formation of two-bridge vortex light fields and device for its implementation
RU2807969C1 (en) * 2023-09-06 2023-11-21 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" Method for creating optical tweezers with configurable array of vortex laser beams

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Andrzej Kolodziejczyk, Zbigniew Jaroszewicz, «Diffractive elements of variable optical power and high diffraction efficiency», Applied Optics, Vol.32, Issue 23, pp.4317-4322(1993). *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2680728C1 (en) * 2018-01-30 2019-02-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, (ФИАН) Method of formation of two-bridge vortex light fields and device for its implementation
RU2807969C1 (en) * 2023-09-06 2023-11-21 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" Method for creating optical tweezers with configurable array of vortex laser beams
RU2839269C1 (en) * 2024-12-11 2025-04-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" Spiral zone plate

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010106165A (en) 2011-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8335034B2 (en) Optical device with a pair of diffractive optical elements
Kamali et al. A review of dielectric optical metasurfaces for wavefront control
US10802259B2 (en) Structured illuminating apparatus, structured illuminating microscopy apparatus, and structured illuminating method
US10175478B2 (en) Methods and systems for generating virtual content display with a virtual or augmented reality apparatus
US7848017B2 (en) Microscope device
JP5907998B2 (en) Variable orientation lighting pattern rotator
JP2020508480A (en) Light guiding device and display device representing scene
US7463420B2 (en) Configurable diffractive optical element
JP2009076937A (en) Adjustable resolution interference lithography system
JP2018506063A (en) Alignment evaluation method
US20170205609A1 (en) Image-forming optical system, illumination apparatus, and microscope apparatus
Grunwald Thin film micro-optics: new frontiers of spatio-temporal beam shaping
Gruneisen et al. Compensated telescope system with programmable diffractive optic
RU2458367C2 (en) Optical device with pair of diffraction optical elements
CN114616508A (en) Wavefront manipulator with diffractive component
JP6269239B2 (en) Structured illumination device and structured illumination microscope device
JP4542108B2 (en) Segment grating alignment device
Bigler et al. Holographic amplification of the diffraction angle from optical phase array for optical beam steering
Faraon et al. Applications of wavefront control using nano-post based dielectric metasurfaces
CN104765145A (en) Achieving method of varifocal lens based on reflection-type micromirror arrays
RU193063U1 (en) DEVICE FOR VISUALIZING A SPIRAL LIGHT BEAM
Zheng et al. Full-field radial-shearing differential interference contrast microscopy with Greek-ladder sieves
Delacroix et al. Annular Groove Phase Mask coronagraph in diamond for mid-IR wavelengths: manufacturing assessment and performance analysis
Light Optical Instrumentation Using Geometric Phase Elements
WO2021156148A1 (en) Modified moiré lens
点击 这是indexloc提供的php浏览器服务,不要输入任何密码和下载