水晶技术之微纳光学系列 | 光的百变魔术师DOE

引言

DOE（Diffraction optical Element衍射光学元件），微观上可以改变不同位置的传播速度进而改变波前，实现光束的衍射应用。尤其是上世纪梅曼发明第一台红宝石激光器之后，让相干光束的制备变得容易，因此对于光的调制不再局限于透镜，棱镜等，基于衍射光学的DOE开始蓬勃发展。

原理&应用

光束在传播相同时间内，光程长的走的慢，光程短的走的快，波阵面就会转向，意味着光束偏折了。而DOE可用微结来构制造不同的光程差，应用薄元件近似来改变相位，从而实现光束的调制。其发展至今，在应用上分成三个方向：整形，分束，聚焦。

整形在近，远场均可实现平顶型，M型，图案定制等光束整形。在激光加工，医美激光，光纤耦入，武器瞄点，3D传感中均有应用；

分束应用光栅衍射级来实现，包含一维&阵列分束。在结构光方案中的散斑复制，激光多路加工，激光雷达多路感测中均有应用；

聚焦包含单点，多点，线段聚焦等等。主要集中在激光加工领域中，切割，裂片，倒角等等。

整形

整形有匀化，形貌两类侧重。匀化侧重的方案除DOE&自由曲面之外，还有单片随机MLA(micro lens array微透镜阵列)，阵列MLA模组匀化等方案，如图1。

图1 左上图阵列MLA模组匀化方案[1]; 右上图单DOE实现方形匀化和整形[1]; 左下图自由曲面实现光束整形[1]; 右下图随机MLA整形方案[2]

侧重形貌的整形方案集中在DOE&自由曲面上。相比MLA类方案的整形，其边缘会更为锐利，相对的角度会更小一些。最常见的就是对单色高斯基模进行远场圆形，方形平顶整形，见图2。此外还有其他整形比如方形，环形，甜甜圈形等等，理论上任意形貌均可实现。

图2 从左到右为圆形，方形，甜甜圈形，环形整形[5]

比如在光纤耦入端，十分强调光强分布曲线，整形的灵活性为其提供了调制的可能。武器的激光瞄点需要十字的标识，该特制的光斑形貌需要整形才能来完成。在扫地机器人的避障感测模组，需要输出细线形光斑，也需要整形来搭配实现。

分束

相比于靠膜层透反射分束的cubic-PBS，分束DOE依赖光栅的周期结构来调制衍射级的能量。分束DOE的微结构也是周期化的，按照周期方向可分成一维和二维光栅，见图4。

投射器模组中的vcsel光源本身的几百个孔径远不够模组上万点的要求，需要DOE进行分束复制才能实现，见图3。模组的主要组成部分即为光源，lens，DOE等组成，见图4。

图3 vcsel经过DOE分束复制后的大量散斑[6]

图4 上图为DOE阵列分束的光路示意图[5]; 左下图为一维光栅1*9分束，右下图为二维光栅5*5分束[7]。

由分束DOE组成的透射器模组，主要服务于3D深度感测，在结构光方案和dTOF方案中均有应用。落地应用主要在智能家具扫地机器人和人脸识别的门锁，手机终端的人脸识别和无人机测绘扫描中。

聚焦

聚焦DOE按照焦点类型分成单焦点，多焦点，连续聚焦，相比整形DOE在XOY平面的光强调制，聚焦DOE是在z轴上的光强调制。在激光加工的应用中，切割的材料厚度需要和激光焦深匹配。当切割材料过厚对应的焦深也要增加，一种办法就是采用多焦点，另一种就是连续聚焦。

图5 上图为多焦点的光路示意图；下图为z轴上3个焦点的分布[8]

随着自动化加工的要求越来越高，所有切削更高厚度，定制化倒角，以及切割面粗糙度的处理，都对聚焦DOE提出了更高的要求。

工艺加工

一般小FOV的DOE，均可以采用多阶化(8阶甚至16阶)的结构来实现。加工方式可以分成刻蚀DOE以及纳米压印DOE。刻蚀DOE耐热性，可靠性更高，更适合极端条件下工作，纳米压印DOE成本更低，更适合消费电子类低成本的应用。

图6 DOE的刻蚀模板加工过程

a 掩模版转移到光刻胶上；b 胶结构刻蚀到玻璃基材上

c 得到DOE[6]

[1]Homburg, Oliver et al. “Efficient beam shaping for highpower laser applications.” Laser Technik Journal 4 (2007): 44-47.

[2]Xue, L.; Pang, Y.; Liu, W.; Liu, L.; Pang, H.; Cao, A.; Shi, L.; Fu, Y.; Deng, Q. Fabrication of Random Microlens Array for Laser Beam Homogenization with High Efficiency. Micromachines 2020, 11, 338.

[3]Fienup, James R.. “Phase retrieval algorithms: a comparison.” Applied optics 21 15 (1982): 2758-69.
[4]Rudnaya S , Misemer D , Santosa F .Rational design of a diffractive homogenizer for a laser beam[J].Journalof Engineering Mathematics, 2002,43(2/4) : 189-199.

[5]Katz, S., Kaplan, N. and Grossinger, I. (2018), Using Diffractive Optical Elements. LTJ, 15: 29-32

[6]https://www.digigram.com.tw/en/prd/vesel

[7]Umhofer, Udo, Erwin Jäger and Christian Bischoff. “Refractive and diffractive laser beam shaping optics.” Laser Technik Journal 8 (2011): 24-27.

[8]Doskolovich LL, Bezus EA, Morozov AA, et al. Multifocal diffractive lens generating several fixed foci at different design wavelengths. Optics Express. 2018 Feb;26(4):4698-4709

微纳研究所

水晶光电微纳研究所，专注于微纳光学新产品市场技术调研及研发工作。通过自编算法与设计，配备同行业高端设备，具备芯片镀膜、晶圆光刻、干/湿法刻蚀、纳米压印等核心技术开发和量产能力。目前微纳所已开发的产品包括DOE、扩散片、PBS偏振片、超透镜等，广泛应用于消费电子、车载HUD等领域，可以根据客户需求提供从产品设计开发到量产制造一站式服务。

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