專利名稱：位相六角陣列的照明方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位相六角陣列的照明方法，主要適用于光纖耦合器、梯度折射棒、光延時(shí)線以及細(xì)胞邏輯陣列等光通信和光計(jì)算中。
背景技術(shù)：
在先技術(shù)[1](參見(jiàn)J.Opt.Soc.Am.，J.T.Winthrop and C.R.Worthington，55(4)，1965.4，pp.373-381.)中所描述的方法是利用泰伯(Talbot)自成像效應(yīng)實(shí)現(xiàn)六角陣列照明，其使用的是六角振幅板，能量損耗達(dá)75％以上。
在先技術(shù)[2](參見(jiàn)Opt.Comm.，P.Xi et al.，192(3～6)，2001.6，PP.193-197)中所描述的方法是利用位相反轉(zhuǎn)原理實(shí)現(xiàn)六角陣列照明。其基本原理是將一塊六角位相光柵放到4f系統(tǒng)的入射面上并用單色平行光照明，在中間的焦平面上放置一塊0級(jí)位相反轉(zhuǎn)板，通過(guò)改變0級(jí)頻譜的位相實(shí)現(xiàn)由六角位相陣列變?yōu)榱钦穹嚵?。它需要兩片位相板和兩個(gè)透鏡才能實(shí)現(xiàn)六角陣列照明，因此制作、裝配成本較高，光路復(fù)雜，不便于小型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的位相六角陣列的照明方法，被照明的物體是六角陣列元件3。也就是說(shuō)被照明的對(duì)象最適用的是所需要照明的六角陣列元件3。具體的做法是<1>取發(fā)射單色平行光束的激光光源1；<2>取透明的位相板作為六角位相光柵2，六角位相光柵2的排布是中心等邊六角形的位相為π，與其六等邊相鄰的等邊六角形的位相為0，尺寸與被照明的六角陣列元件3一致，如圖2所示。
<3>利用位相六角陣列的泰伯效應(yīng)，將六角位相光柵2置于激光光源1與被照明的六角陣列元件3之間，三者同光軸，被照明的六角陣列元件3至六角位相光柵2的距離是(2n+1)/2倍的泰伯距離zT，其中n為0或正整數(shù)。
本發(fā)明是一種利用位相六角陣列的泰伯(Talbot)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)六角陣列照明的方法。具體實(shí)現(xiàn)步驟如上所述。
上述步驟3中在，六角位相光柵2后(2n+1)/2倍的泰伯距離zT處得到六角陣列照明的據(jù)依由下面推導(dǎo)證明。
通常六角位相光柵可表示為卷積形式u(x，y)＝t(x，y)repl(x，y)(1)此處u(x，y)為六角位相光柵的透過(guò)率函數(shù)，t(x，y)代表六角位相光柵一個(gè)周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)。repl(x，y)為六角位相光柵復(fù)制函數(shù)，它決定了光柵的結(jié)構(gòu)為六角陣列。為卷積符號(hào)。六角位相光柵頻譜函數(shù)U(fx，fy)可寫(xiě)為U(fx，fy)＝T(fx，fy)R(fx，fy)，這里U(fx，fy)，T(fx，fy)，及R(fx，fy)分別u(x，y)，t(x，y)，和repl(x，y)的傅里葉變換，fx，fy分別為x，y軸的譜面坐標(biāo)。
對(duì)于一個(gè)六角位相光柵，復(fù)制函數(shù)repl(x，y)可表示為repl(x,y)=13tx2[comb(xtx)comb(y3tx)+comb(xtx-12)comb(y3tx-12)]--(2)]]>其中tx為六角位相光柵周期，如圖2所示。comb為梳狀函數(shù)。因而R(fx,fy)=comb(txfx)comb(3txfx){1+exp[iπ(fx+3fy)tx)]}---(3)]]>i為虛數(shù)單位，repl(x，y)的傅里葉變換R(fx，fy)為抽樣函數(shù)。當(dāng) 為奇數(shù)時(shí)，R(fx，fy)被消去，成為六角抽樣。
令m＝txfx， ，則u(x，y)可表示為u(x,y)=Σm=-∞+∞Σn=-∞+∞cmnexp[i2π(mxtx+ny3tx)]--(4)]]>這里cmn＝T(m，n){1+exp[iπ(m+n)]}。
當(dāng)u(x，y)被單色平面波照明時(shí)，其衍射花樣可由菲涅爾衍射定律描述uz(x,y)=exp(i2πλz)iλzu(x,y)⊗exp[iπλz(x2+y2)]--(5)]]>其中λ為單色平面波的波長(zhǎng)，z為從光柵面到衍射面的距離。進(jìn)一步推導(dǎo)公式(5)，可得uz(x,y)=exp(i2πλz)ΣmΣncmnexp[i2π(mxtx+ny3tx)]exp[iπλz(3m2+n23tx2)]--(6)]]>由于m+n恒為偶數(shù)，可令m+n＝2k，其中k為整數(shù)。考慮到這一條件并忽略公共位相因子，公式(6)可寫(xiě)為uz(x,y)=ΣmΣncmnexp[i2π(mxtx+ny3tx)]exp[i2πz3tx2/2λ(k2-km+m2)]--(7)]]>由于k2-km+m2為整數(shù)，uz(x，y)在

處與u(x，y)相等，其中p為整數(shù)。

為六角位相光柵的Talbot距。
考慮因子k2-km+m2，得到結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)，只有當(dāng)k和m皆為偶數(shù)時(shí)，k2-km+m2為偶數(shù)。這一條件的必要條件是

，e和f為整數(shù)。
表1 k、m、k2-km+m2的奇偶性關(guān)系

如果cmn的取值滿足當(dāng)|m|+|n|≠0時(shí)，滿足

的cmn＝0。這一條件可由圖2所示的六角位相光柵滿足，照明頻譜結(jié)果如圖5所示?？梢詫(x，y)寫(xiě)為u(x,y)=c00+Σ(m)Σ(n)cmnexp[i2π(mxtx+ny3tx)]=c00+Δu--(8)]]>c00代表0級(jí)頻譜，Δu為其它所有頻譜的和。故c00=34+14exp(iπ)=12--(9)]]>所以

在

處，位相因子

有 其中n為0或正整數(shù)。公式(11)說(shuō)明位于0位相的能量轉(zhuǎn)移到了π位相，在(2n+1)/2倍的泰伯距離zT處實(shí)現(xiàn)了效率為100％的六角陣列照明。
與在先技術(shù)[1]相比，本發(fā)明提供的照明方法具有照明效率高的優(yōu)點(diǎn)，在先技術(shù)[1]只能實(shí)現(xiàn)低于25％的照明效率，而本發(fā)明提供的照明方法能實(shí)現(xiàn)接近100％的照明效率。與在先技術(shù)[2]相比，本發(fā)明提供的照明方法所采用的光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成化，并且因?yàn)楸景l(fā)明提供的照明方法比在先技術(shù)[2]所采用的照明方法少了3個(gè)光學(xué)元件(兩個(gè)透鏡和一個(gè)位相板)，所以本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了，而且本發(fā)明方法的照明效率也高于在先技術(shù)[2]的照明效率約10％。


圖1為本發(fā)明方法中所采用的六角陣列照明光路的示意圖。
圖2為本發(fā)明方法中所采用的六角位相光柵示意圖。其中整塊板均為透明位相板，灰色代表位相為π的部分，白色代表位相為0的部分。
圖3為本發(fā)明方法中所采用的六角位相光柵深度輪廓圖。
圖4為本發(fā)明方法中所采用的六角陣列照明實(shí)施結(jié)果圖。
圖5為本發(fā)明方法中所采用的六角位相光柵照明的頻譜分布圖。
具體實(shí)施方案[一]首先，選擇六角位相光柵，是利用大規(guī)模集成電路工藝來(lái)獲得所需的六角位相光柵。首先，利用電子束直寫(xiě)法制作出母版。通過(guò)接觸式光刻法，母版圖案轉(zhuǎn)移到了涂有光刻膠的光學(xué)玻璃上。所采用的光刻膠厚度為1.8μm。接觸曝光的復(fù)制誤差小于0.5μm。六角位相光柵光柵周期tx＝300μm。最后，利用感應(yīng)耦合等離子刻蝕技術(shù)，將圖案刻蝕到光學(xué)玻璃中。對(duì)應(yīng)于0.633μm波長(zhǎng)，光學(xué)玻璃的折射率為1.521，因而π位相對(duì)應(yīng)深度為0.608μm。利用泰勒霍布森深度輪廓儀(Taylor Hobson Step Height Standand)來(lái)測(cè)量六角位相光柵的深度為0.610μm。
選用的單色平行光源1為He-Ne激光光源，波長(zhǎng)0.633μm。為監(jiān)測(cè)陣列照明效果，實(shí)施方案中的被照明的六角陣列元件3采用了電荷耦合器(CCD)來(lái)對(duì)接收面拍照。經(jīng)統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果顯示，CCD與光柵2距離為10.73厘米(n＝0時(shí))，得到最佳照明結(jié)果，如圖3所示。具體實(shí)施典型的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。其中照明效率為有效照明區(qū)域光強(qiáng)與總光強(qiáng)之比。實(shí)際使用中，由于雜散光及光柵邊界的影響，增大n的值會(huì)使照明效率下降，而且系統(tǒng)體積也隨之增大，所以n的取值不宜太大。
表2 六角陣列照明具體實(shí)施的部分?jǐn)?shù)據(jù)

權(quán)利要求
1.一種位相六角陣列的照明方法，被照明的物體是六角陣列元件(3)，具體的做法是<1>取發(fā)射單色平行光束的激光光源(1)；<2>取透明的位相板作為六角位相光柵(2)，六角位相光柵(2)的排布是中心等邊六角形的位相為π，與其六等邊相鄰的等邊六角形的位相為0，尺寸與被照明的六角陣列元件(3)一致；其特征是<3>利用位相六角陣列的泰伯效應(yīng)，將六角位相光柵(2)置于激光光源(1)與被照明的六角陣列元件(3)之間，三者同光軸，被照明的六角陣列元件(3)至六角位相光柵(2)的距離是(2n+1)/2倍的泰伯距離zT，其中n為0或正整數(shù)。
全文摘要
一種位相六角陣列的照明方法,主要適用于光纖耦合器、梯度折射棒、光延時(shí)線以及細(xì)胞邏輯陣列等光通信和光計(jì)算中。被照明的物體是六角陣列元件。取透明的位相板作為六角位相光柵。六角位相光柵的排布是中心等邊六角形的位相為π,與其六等邊相鄰的等邊六角形的位相為0。六角位相光柵置于發(fā)射平行光束的激光光源與被照明的六角陣列元件之間,三者同光軸,被照明的六角陣列元件至六角位相光柵的距離是(2n+1)/2倍的泰伯距離。與在先技術(shù)相比,本發(fā)明的照明方法照明效率高,可實(shí)現(xiàn)100%的照明效率。所用的光學(xué)元件少,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于集成化。
文檔編號(hào)G02B27/42GK1348113SQ0112669
公開(kāi)日2002年5月8日 申請(qǐng)日期2001年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月7日
發(fā)明者周常河, 席鵬, 劉立人 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所