光學元件是光學係統（tǒng）的（de）基本組成單元，也叫光（guāng）學零件，這種元器（qì）件經常可以起到成像的作用，如透鏡、棱鏡、反射鏡等，

　　衍射光學元件（Diffractive Optical Element），簡（jiǎn）稱DOE，是近幾年蓬勃發展的一款新興光學元（yuán）件，下麵將從優點和缺點兩個角度，帶您具體認識衍射光學元件這種電子元器件！

　　衍射光學（xué）元件的優（yōu）點：

　　衍射光學元件（DOE）在設計中提供了（le）許多自由度（dù），通過使用現代光刻製造技術（shù），製（zhì）造具有強非球麵相位函數的 DOE，與製造具有二次相位函數的簡單（dān）菲涅耳帶透鏡一樣昂貴，因此，在某些情況下可以使用 DOE，而不（bú）是更昂貴的非球麵。此外，與（yǔ）更難製造定義明確的非球麵表麵（miàn）相（xiàng）比（bǐ），光刻製造技（jì）術保證了關於 DOE 相位函數的相當好的精度。

　　衍射光（guāng）學元件具有與折射元件相（xiàng）反符號的（de）強色散允許校正色差（chà），在（zài）這種情況下，DOE 還為設計提供了額外的自（zì）由度，因為（wéi）相位函數的非球麵項還可以校正（zhèng）係統的單色像差，隻要這（zhè）些（xiē）像差遠小於校正（zhèng）色差的相位函數的二次項即可（kě）。

　　衍射光學元件的缺點：

　　由於（yú）製造誤差（chà）、廣泛的（de）應用波長或因為某些（xiē） DOE 自然具有多個衍（yǎn）射級，例如（rú）二元 DOE，DOE 通常不僅表現出一個衍射級（jí），而且表現出多個（gè）衍射級，這會在光學係統中產（chǎn）生幹擾光並限製應用。

　　強色散會限製在單色係（xì）統中的應用，因為它在某（mǒu）些情況下（例如，用於測試非球麵表麵）不僅需要（yào）照明波長的相對恒定性，即恒定但不必（bì）精（jīng）確地達到絕對值，而且絕對的恒定性，因為否則由 DOE 引入（rù）係統畸（jī）變。

　　因此，與其他光學（xué）元件相比，DOE 有許多優（yōu）勢，但從另一方麵來說，DOE 並不是校正光學係統（tǒng）像差的靈丹（dān）妙藥，根據係統的不同，必（bì）須對優缺點進行仔細評估（gū），以便找到最佳解決方案。

　　衍射光學元件的應用領域

　　衍射光（guāng）學元件早在 20 多年前就已進入工業應用，並迅速成為許（xǔ）多（duō）醫療、工業和（hé）研究應用中的“首（shǒu）選”解決方（fāng）案，隨著激光功率成本的下降，這一趨勢在過去幾年中不斷增長，它可以應用於以下領域：

　　1、激光材料加（jiā）工（gōng）：焊接、切割、刻劃、焊接和（hé）鑽孔過（guò）程中激光束的整形和分裂（liè）。

　　2、生（shēng）物醫學設備：用於醫療激光治療和診斷儀器的衍射光學元件。

　　3、LIDAR/LADAR 應用：使用（yòng）激光束進行光學距離和速度測量。

　　4、光（guāng）刻和全息照明：掩模投影係統中的光束均勻化、結構化瞳孔照明、正常（cháng）和高度傾斜平麵的均勻場照明。

　　5、光學傳感器：距離和位（wèi）置傳感器、運動檢（jiǎn）測。

　　6、通信：分束器（qì）、波長選擇和矽光子（zǐ）學應用。

在元件或係統的設計和生產過程中利用光學參數規格可使該元件或係統精確達到特（tè）定的性能要求。 光學參數規格非 常有（yǒu）用（yòng），原因有以下兩點： 首先，它們（men）可以指定決定（dìng）係統性能的可接受的關（guān）鍵參數限值；其次，它們能夠確定應花在生產上的（de）資源的數量（即時間和成（chéng）本）。

光學係統的參數規格過低或過高都會影響其性能（néng），從而造成不必（bì）要（yào）的資（zī）源浪費。如（rú）果（guǒ）未（wèi）正確設定所有必（bì）要的參（cān）數，則會導致規格過（guò）低，從而使性（xìng）能降低。 如果（guǒ）過於嚴格地定義係統參數而不考（kǎo）慮光學或機（jī）械要求中的任 何變化，則會導致（zhì）規（guī）格過高，從而使成本和生產難度增加。

為了了解光學規格，首先弄清楚它（tā）們的含義（yì）是非常重（chóng）要的，因（yīn）此了（le）解最常用的規格將為您了（le）解幾乎所有光學產品的規格提供最（zuì）堅實的基礎。

生產規格：

1.直（zhí）徑公差

圓形光學元件的直徑公差（chà）提供了一個（gè）可接受的直徑值範（fàn）圍。 此生產規格會因製作光學產品的某些光學加工公（gōng）司的（de）技術水平和能（néng）力而有所不同。雖然直徑公差不會對光學（xué）產品本身的光學性能產生任何（hé）影響，但如果要在任何一種固定器上安裝光學產品，則它是您必須考慮的一種非常重要的機械公差。 例如，如果透鏡的直徑與其標稱值存有偏差，則有可能使已安裝的組件中的機械軸（zhóu）偏離光（guāng）學軸，從而（ér）導致光的偏心（圖1）。 通常，直徑的生產公差（chà）為：+0.00/-0.10 mm表示一般（bān）質量，+0.00/-0.050 mm表示精密質量，+0.000/-0.010 mm則（zé）為高質量.

 

2.中心厚度公差

光學元件（最典型的是透鏡）的中心厚度，測量的是光學元（yuán）件中心部（bù）分的材料厚度。中心厚（hòu）度是通過透鏡的機械軸（zhóu）來測量的（de），該機械軸是作為透鏡外部邊緣之間的軸來定義的。 透鏡中心厚度的變化會影響光學（xué）性 能，這是因為中心厚度及其曲率半徑會決定光線穿過透鏡的光學路徑長（zhǎng）度。通常，中心厚度（dù）的生（shēng）產公差為： +/-0.20 mm表示一般質量，+/-0.050 mm表示精密質量，+/-0.010 mm則為高（gāo）質量.

3.曲率半徑

曲率半徑是指（zhǐ）光學元件的頂點與曲率中心之間的距離。該半徑可以為正值、零（líng）或負值，具體要取決於該（gāi）表麵是凸麵、平麵還是凹麵。如果知道曲率半徑值，則（zé）可以確定光線（xiàn）穿過透鏡或反射鏡的光學（xué）路徑長度，同時還對表麵功率起著重要的決定作用。 曲率半徑的生產（chǎn）容差通常為+/-0.5，但在精確應用中也可低至+/-0.1%，或在需要（yào）極高的（de）質量情（qíng）況下為+/-0.01%。

h3>中心

透鏡的中心也稱為向心性或離心性，是根（gēn）據光束偏差δ（方程式1）而指定的。一旦給定了光束偏差，則可以通過一（yī）種簡單的關係來計算楔角W（方程式2）。 透鏡的離心量是（shì）機械軸與光學（xué）軸（zhóu）物理偏離的距（jù）離。透鏡的機械軸僅為透鏡的幾何軸，是由其外部的柱麵（miàn）來定義的。 透鏡的光學（xué）軸是由光學（xué）表麵來定義（yì）的，它是連接（jiē）各表麵（miàn）曲率中心的線。要進（jìn）行向心性（xìng）測試，請將透鏡置於茶杯中，對其施壓。 對透（tòu）鏡施加的壓（yā）力會自動聚集在茶杯中心第一個表麵的曲率中心（xīn），並且該中心還會與 旋轉軸對齊（圖2）。沿著此旋轉軸射入的平（píng）行光將會穿過透鏡，到達後焦平（píng）麵（miàn）的焦點處。當透鏡（jìng）隨（suí）著茶杯的旋轉而旋轉時，透（tòu）鏡中的任何（hé）離心性都會使聚（jù）焦光束（shù）分散，並在後焦平麵形成一個半徑為 Δ 的（de）圓軌跡（圖1）。

 

 

(1)δ=Δfδ=Δf

(2)W=δ(n−1)W=δ(n−1)

其中（zhōng）W表示楔角（jiǎo），通常報告為（wéi）弧分，n表示折射率。

4.平行度

平（píng）行度（dù）描述的是兩個平行表麵之間的（de）相互關係（xì）。它在指定窗口片和偏振片等元件時很有用，其中平（píng）行表麵是提高（gāo）係統性能的（de）理想平麵，這（zhè）是因為它們可以最大限度（dù）地減少畸（jī）變，否則該畸變會降低圖像或光的 質量。通（tōng）常，該容差範圍（wéi）從（cóng）5弧分直至幾弧秒。

5.角（jiǎo）度公差（chà）

在棱鏡和分光鏡等元件中，各表麵之間所產生的角（jiǎo）度對光學產品的性能具有（yǒu）重要的影響（xiǎng）。角度公差通常使（shǐ）用準直望遠鏡組件進行測量，其（qí）光（guāng）源係統會發（fā）射平行光。 準直望遠（yuǎn）鏡將圍繞光學產品的表麵進行旋轉，直（zhí）至所產生的菲涅爾反射回（huí）到該表麵，在檢測的表麵頂部產生一個光點（diǎn）。這就驗證了平行光束正好（hǎo）垂直入射到該表麵。然後，整個準直望遠鏡組件會繞著光學產品旋轉至下一（yī）個光學表麵，並且會重複此過程。圖3顯示了用於測量（liàng）角度公差的通（tōng）用準（zhǔn）直望遠鏡設（shè）置。可以使用兩個測量位置之間的角度（dù）差來（lái）計算兩（liǎng）個光學表麵的（de）公差。 角度公差的（de）範圍可以從幾（jǐ）弧分降至幾（jǐ）弧秒。

 

 

6.倒角

玻璃角非常易碎，因此，在處理或安裝元件時保護好它們非（fēi）常重要。保護這些玻璃角的最常用方法是將這（zhè）些邊緣斜切成倒角。倒角可作為保護槽來防止邊（biān）緣出現缺口。它們由其表（biǎo）麵的寬度和角度來定義（圖4）。

 

倒（dǎo）角的最常見切割角度為45°，並且（qiě）該表麵寬度是由光學產品的直徑來確定的。 其直徑小於（yú）3.00mm的光學產品（如微透鏡或微棱鏡）通常不需要切成倒角，這是因為很（hěn）可能會在切削的過程中產生邊緣缺口（kǒu）。值得注意的是，對（duì）於（yú）很小的曲率半徑，例如，當透鏡的直徑大於等於0.85 x曲率半徑時，無需切（qiē）成（chéng）倒角，這是因為透鏡表（biǎo）麵和（hé）邊緣之間（jiān）會形成很大的角（jiǎo）度。對於所有其他直徑，表1提供了最大的表麵寬（kuān）度。

7.通光孔徑

通光孔徑是指光學元（yuán）件的直徑或必須滿足各種規格的光學元件的尺寸（cùn）。除通光（guāng）孔徑以外，製造商並（bìng）不能確保光學產品符合指定（dìng）的規格。由於生產的限製，實際上是不可能生產出完全等同於光（guāng）學產品的直徑或長乘以寬的通光孔（kǒng）徑。表2顯示了透鏡的一般通光孔徑。

 

二.表（biǎo）麵規格

1.表麵質量

光學表麵的質量（liàng）用來衡（héng）量光學產品表麵特（tè）性，並且涵蓋了一些劃痕和（hé）坑點等瑕疵。這（zhè）些表麵的大部分瑕疵（cī）純粹（cuì）是表（biǎo）麵上的瑕疵，並（bìng）不會對係統性能產生很大的影響（xiǎng），雖然，它們可能會使係（xì）統通光量出現微（wēi）小的下滑，使散射光出現更細微的散射。然而，有些表麵會對這些影響（xiǎng）更敏感，如（rú）：(1)圖像平麵的表麵，因為這些瑕疵會產生聚（jù）焦，以及(2)具有高功率級別的（de）表麵，因為這些瑕疵會（huì）增加能量（liàng）吸收並毀壞光學產品。表麵質量最常用的規格是由MIL-PRF-13830B說明的劃（huá）痕和坑點規格。通過將表麵的劃痕與在受控的照明條件下提供的一係列標準劃痕進行對比（bǐ），來確（què）定劃痕名稱。因此，劃痕名稱不是描（miáo）述其實際的劃痕，而是根據MIL規格將其與標準的劃痕進行比較。然而，坑點（diǎn）名稱直接與表麵的點或小坑有關。坑點名稱是通過以微米計的坑（kēng）點直徑除以10來計（jì）算的（de），通常劃（huá）痕坑（kēng）點規格在80至50之間將視為標準質量，在60至40之間為精確質（zhì）量，而在20至10之間將視為高精度質量。

2.表麵平麵度

p>表麵平麵度是一種測量表麵精（jīng）度（dù）的規格類型，它用於（yú）測量反射鏡，窗口片，棱鏡（jìng）或平（píng）光鏡等平麵的偏差。您可以使用光學平晶來測量此偏差，該平晶是（shì）一種高質量、高精度的參考平麵，用於（yú）比（bǐ）較試樣的平滑度。當所測試的光學產品的平麵靠著光學平晶放置時，會出現條（tiáo）紋，其形狀表示所檢測的光學產品的表麵平滑（huá）度。如果這些（xiē）條紋間隔相等，並且是平行的直線，那麽被檢測的光學表麵至少像參考光學平晶一樣平展。如果（guǒ）條紋是彎曲的，則兩個虛線（一個虛線與條紋中點相切，另（lìng）一個虛線穿過同一個條紋（wén）的端點）之間的條紋數量會指出平滑度錯誤。平滑度的偏差通常是按波（bō）紋值(λ)來測量的，它們是由多個波長的測試源（yuán）組成。一個條紋對應½的波長。平滑度為1λ，則表示一般的質量級別；平滑度為λ/4，則表示精確的質量級別；平滑度為λ/20，表示高精度的（de）質量級別。

3.光圈數

光圈數是一種測量表麵精確性的規格類型，它適用於彎曲的（de）光學表麵或帶有功率的（de）表麵。光圈數的測試類似於平麵度測試，會將曲麵與（yǔ）具有高校準的曲率半（bàn）徑的參考（kǎo）麵進行比較。使用這兩個表麵空隙所（suǒ）產生的相同幹（gàn）涉原則, 條紋幹涉圖案用於表示測試（shì）表麵與（yǔ）參考表麵的（de）偏差. 與參考（kǎo）件產生的偏差將會產生一係列的圓（yuán）環，稱為（wéi）牛頓環（huán）. 呈現的環越多，偏差越大。暗環或亮環的（de）數 量，而不是暗環和亮環兩者的（de）總數，等於（yú）波長誤差的2倍.

 

光圈誤差（chà）與曲率半徑誤（wù）差有關，其中 ∆R 是半徑誤（wù）差, D 是透鏡的直徑誤差, R 是表麵半（bàn）徑, 而 λ 是指（zhǐ）波長(通常為 632.8nm):

(3)Power Error[waves or λ]=ΔRD28R2λPower Error[waves or λ]=ΔRD28R2λ

4.不規則度

不規則（zé）度是一種測量表麵精確性的規格類型，它描述（shù）的是表麵形狀與參考表麵形狀之間的偏（piān）差。不規則度（dù）的測量方式與光圈數相同。規則度是指（zhǐ）將（jiāng）測試表麵與參考表麵進行比較形成的（de）球形的圓形條紋。當表麵的光圈（quān）數超過（guò）5個條紋時，將很難檢測（cè）到小於1個條紋的小型不規則形狀。因此，通常的做法是指定表（biǎo）麵的光圈（quān）數與不（bú）規則度的比率，使（shǐ）其（qí）大約為5:1。

表麵加工也稱為表麵粗糙（cāo）度，用於測量表麵的一些小型（xíng）不規則度。它們通常（cháng）是因拋光工藝所引起的不良後果。粗糙表麵往往要比光滑表麵更加耐磨，並且可能不適用於某些應用，特（tè）別是在使（shǐ）用激光或過熱（rè）環境的應用中，這是（shì）因為成核位置有可能出現細微的破裂或瑕疵。表（biǎo）麵加（jiā）工的生產容差為50Å RMS時表示一般質量，在20Å RMS時表示精確質量（liàng），而在5Å RMS時（shí）表示高質量。

三.材料（liào）規格

1.折射（shè）率

某種介質的折射率是指光在真空（kōng）中（zhōng）的速（sù）度與光在介質中的速（sù）度（dù）之比。玻璃的折射（shè）率範圍一般（bān）在1.4-4.0之（zhī）間，與針對紅外（wài）線（xiàn）優化的玻璃相比，可（kě）視玻璃的折射率範圍要小一些。例如（rú），N-BK7（一種通用的可視玻璃）的折射率為（wéi）1.517，然而（ér）鍺（一種通用的紅外玻璃）的折射率為4.003。。光學（xué）玻璃（lí）的折射率是一種重要屬性，因為（wéi）光學（xué）表麵的功（gōng）率是從表麵的（de）曲率半徑和表麵任意一側上的介質折射率之差得來的。玻（bō）璃製造商指定的不均勻（yún）性是指玻璃（lí）折射率的變化。不均勻性（xìng）是根據不同的（de）等級來指定的，其中等級和不均勻（yún）性是互為相反關係的，隨著等級的增加，不均勻性則會減少（表3）。

2.色（sè）散係數

玻璃的另一種材料（liào）屬性（xìng）是色散係數，用於量化玻璃呈現的色散量。它是材料在f (486.1nm)、d (587.6nm) 和c (656.3nm)波長時的（de）折射率（方程式3）。

(4)vd=nd−1nf−ncvd=nd−1nf−nc

色散係數值的範圍通常在25至65之間。當玻璃的色散係數大於（yú）55（較（jiào）小色散）時（shí），會將（jiāng）該玻璃視為冕牌（pái）玻璃，而那些色散係數小於50（較多（duō）色散）的玻璃會視為火石玻璃。由於色散性，玻（bō）璃的折射（shè）率會因波長而有所不同（tóng）。色散產生的最顯著結果就（jiù）是係統的焦（jiāo）距（jù）會因不同的光波長而稍（shāo）有（yǒu）不同。

h3>激光損傷（shāng）閾（yù）值

激光損傷閾值是指激光損傷前每一區域的表麵（miàn）可耐受的最大激光（guāng）功率量。脈衝（chōng）激光和連續波(CW)激光都具有相應的激光損傷閾值。激光損（sǔn）傷閾（yù）值是反射鏡的一個非常重要的材料規格，這是因為它們與激（jī）光（guāng）產品而不是任何其他光（guāng）學產品一同使用，然而，任何激光級光學產品將提供閾值。例如，考慮一（yī）下Ti：藍（lán）寶石激光反射鏡的損傷額定閾值為0.5 J/cm2 @ 150飛秒脈衝和100kW/cm2 CW。這就（jiù）說（shuō）明反射鏡每平方厘（lí）米可耐受的高重複飛秒脈衝激光射入的能量密度（dù）為0.5J，或每平方厘（lí）米可耐受的大功率（lǜ）CW 激光（guāng）射入的能量密（mì）度為100kW。如果激光（guāng）束集中在更小的區域內，

則必須考慮采取相應的措施以確保整體（tǐ）閾值（zhí）不超（chāo）過指定的值。雖然（rán）具有一係列的其他生（shēng）產規格、表麵規格和材料規格，但如果了解了最常用的光學（xué）規格，則可以顯著地避免混淆。透鏡，反射鏡，窗口片（piàn），濾光片，偏振鏡，棱鏡，分光鏡，光柵和光纖同具有各種屬性，因此，了解它們之間的關係以及它們將如何影響整體係統性能，將有助於您選擇最佳的（de）元件以集成到（dào）光學、成像或光電子（zǐ）應用中（zhōng）。