光學元件是光學（xué）係統的（de）基本組成單元，也叫（jiào）光學零件，這種元器件經常可（kě）以起到成（chéng）像的作用（yòng），如透（tòu）鏡（jìng）、棱鏡、反射鏡等，

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

　　衍射光學元件的優點：

　　衍射光（guāng）學元件（DOE）在設計（jì）中提供了許多自由度（dù），通過（guò）使用現代光（guāng）刻製造技（jì）術，製造具有強非球麵（miàn）相位函數的 DOE，與製（zhì）造具有二次相位函數（shù）的簡單菲（fēi）涅（niè）耳帶透鏡一樣昂貴，因此（cǐ），在某些情況下可以使用 DOE，而不是更昂貴的非球麵。此外，與（yǔ）更難（nán）製造定義明確的非球麵表麵相比，光刻製造技術保證（zhèng）了關於 DOE 相位函數的相當好的精度。

　　衍射光學元件具有（yǒu）與折（shé）射元件相反符號的強色散允許校正色差，在這種情況下，DOE 還為設計提供了額外的自（zì）由度，因為相位函數的非球麵項（xiàng）還可以校正係統的單色像差，隻要這些像差遠小於校正色（sè）差的相位函數的二次項即（jí）可。

　　衍射光學元件的缺點：

　　由（yóu）於製造誤差、廣泛的應用（yòng）波長或因為某些 DOE 自然具有多個衍（yǎn）射級，例如二元 DOE，DOE 通常不僅表現出一個衍射級，而（ér）且表現出（chū）多個衍射級，這會在光學（xué）係統中（zhōng）產生幹擾光並限製應用。

　　強（qiáng）色散會限製（zhì）在單色係統中的應用，因為它在某（mǒu）些情況下（例如，用於測試非（fēi）球麵表麵）不僅需要照明（míng）波長（zhǎng）的相對恒定性，即恒定但不必精確地達到絕對值，而且絕對的恒定性，因為否（fǒu）則由 DOE 引入係統畸變。

　　因此，與其他光學元件相比，DOE 有許（xǔ）多優勢，但（dàn）從另一方麵（miàn）來說，DOE 並不是校正光學係統像差的靈（líng）丹妙藥，根據係統的不同，必須對優缺點進行仔細評估，以便找到最佳解（jiě）決方案。

　　衍射光學元件（jiàn）的（de）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）多醫療、工（gōng）業和研究應用中的“首（shǒu）選”解決方案，隨著激光功（gōng）率成本的下降，這一趨勢在過去（qù）幾（jǐ）年中不斷增長，它（tā）可以應用（yòng）於（yú）以（yǐ）下領域：

　　1、激光材料加工：焊接、切割、刻劃（huá）、焊接和鑽孔過程中激光（guāng）束的整形和分裂（liè）。

　　2、生物醫學設備：用於醫療激光治療和診（zhěn）斷儀器（qì）的衍射光學（xué）元件。

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

　　4、光刻和全息照明：掩模投影係統中的光束均（jun1）勻化、結構化瞳孔照明、正常和高度傾斜平麵的（de）均勻場照明。

　　5、光學傳感（gǎn）器：距離和位（wèi）置傳感器、運動（dòng）檢測。

　　6、通信：分束器、波（bō）長選擇和矽光子學應用。

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（shǐ）該元件或係統精確達到（dào）特定的性（xìng）能（néng）要求。 光學參數規格非 常有用，原因有以下兩點： 首先，它（tā）們可以指（zhǐ）定決定（dìng）係統性能的可接受的關鍵參數限值；其次，它（tā）們能夠確定應花在生（shēng）產上的資源的數量（即時間和成本（běn））。

光學係統的參（cān）數規格過低或過高都會影響其性能，從而造成不必要的（de）資源浪（làng）費。如果未正確設定（dìng）所有（yǒu）必要的參數，則會導（dǎo）致規格過（guò）低，從而使性能（néng）降低。 如果過於嚴格地定義係統參（cān）數（shù）而不考慮光學或機械（xiè）要（yào）求（qiú）中的任 何變化（huà），則會導致規格過高，從而使成本（běn）和生產難度增加。

為了了解光學規格，首先弄清楚它（tā）們的含義是非常重要的，因此了解最常用的規（guī）格將為（wéi）您了解幾乎所有光學產品的規格提供最堅實的基礎。

生（shēng）產規格：

1.直（zhí）徑公差

圓形光學元件的直徑公差提供了一（yī）個可接（jiē）受的直徑值（zhí）範（fàn）圍。 此生產規格會因（yīn）製作光學產品的某些光學加工公司的技術水平和能（néng）力而有所不同。雖然直徑公差不會對光學產品本身（shēn）的（de）光學性（xìng）能產生任何影響，但如果要在任何一種固定器（qì）上安裝光學產品，則它是您（nín）必須考（kǎo）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（zhōng）的機（jī）械軸偏離光學軸（zhóu），從而導致光的偏心（圖1）。 通常，直徑的生產（chǎn）公差為：+0.00/-0.10 mm表示一般質量，+0.00/-0.050 mm表（biǎo）示精密質量，+0.000/-0.010 mm則為高質量.

 

2.中心厚度公（gōng）差

光學元件（最（zuì）典型的是透（tòu）鏡）的中心厚度，測（cè）量的是光學元（yuán）件中心部分的材料厚度。中心厚度是通過透鏡的機械軸來測量的，該機械軸是（shì）作為透鏡外部邊緣之間的軸來定義的。 透鏡中（zhōng）心厚度的變化會影響光學性 能，這是因為中心厚度及其曲率半徑會決定（dìng）光線穿（chuān）過透鏡的光學路徑長度。通常，中心厚度的生產公差為： +/-0.20 mm表（biǎo）示一（yī）般質量，+/-0.050 mm表示精密質（zhì）量，+/-0.010 mm則為高（gāo）質量.

3.曲率半徑

曲率半徑是指光學元件的頂點與曲率中心之間（jiān）的距離。該（gāi）半徑可以為（wéi）正值、零或負值，具體要取決於該表（biǎo）麵是凸麵、平麵還是凹麵。如果知道曲率半徑值，則（zé）可以確定光線穿過透鏡或反射鏡的光（guāng）學路徑長度，同時還（hái）對表麵功率起著重要的決定作用。 曲率（lǜ）半徑的生（shēng）產容差通常為+/-0.5，但在精確應用中也可低至+/-0.1%，或在需要極高的質量情況（kuàng）下為+/-0.01%。

h3>中心

透鏡的中心也稱為向心性或（huò）離心性，是根據光束偏差δ（方程式1）而指定的。一旦給定了光束偏差（chà），則（zé）可以通過一（yī）種簡單的（de）關係來計算楔角W（方程式2）。 透鏡的離心量是機械軸與光學軸物理偏離的距離。透鏡的機械軸僅為透（tòu）鏡的幾何軸，是由其外部的柱（zhù）麵來（lái）定義的。 透（tòu）鏡的光學軸是由光學表麵來定義的，它是（shì）連接各表麵曲率中心的線。要進行向心性測試，請將透鏡置於（yú）茶（chá）杯中，對其施壓。 對透鏡施加的壓力會自動聚（jù）集（jí）在茶杯中（zhōng）心第一個表麵的曲率中心，並且該中心還會與 旋轉軸對齊（圖（tú）2）。沿著（zhe）此旋轉軸射入的平行光將會穿（chuān）過透鏡（jìng），到達後焦平麵的焦點處。當透鏡隨著茶杯的旋轉而旋轉時，透鏡中的任何離心性都會使聚（jù）焦光束分散，並在後焦平麵形成一個半徑為 Δ 的圓軌跡（圖1）。

 

 

(1)δ=Δfδ=Δf

(2)W=δ(n−1)W=δ(n−1)

其中（zhōng）W表示楔角，通常報告為弧分（fèn），n表示折射率。

4.平行度

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

5.角度公差

在棱鏡和分光鏡等元件中，各表麵之（zhī）間所產生的角度對光學產品的性能具有重要的影響（xiǎng）。角度公差通常使用準（zhǔn）直望遠鏡組件進行測量，其光源係統會發射平行光。 準直望（wàng）遠鏡將圍繞光學（xué）產品的（de）表麵進行旋轉，直至所產生的菲涅爾反射回到該表麵，在檢測（cè）的表麵頂部產生一個光點。這就驗證了平行光束正好垂直入射到該（gāi）表麵。然後，整個準直望遠鏡組件會繞著光學產品旋轉至（zhì）下一個光學表麵，並且會重複（fù）此過程。圖3顯示（shì）了用於測量角度公差的通用準直望遠（yuǎn）鏡設置。可以（yǐ）使用兩個測（cè）量位置之間的角度差來計算兩個光（guāng）學表麵的公差。 角度公差的範（fàn）圍可以從幾弧分降至幾弧（hú）秒。

 

 

6.倒（dǎo）角

玻璃（lí）角非常易碎，因此，在處理或安裝（zhuāng）元（yuán）件時（shí）保護好它們非常重要。保護（hù）這些玻（bō）璃（lí）角的最（zuì）常用方法是將這些邊緣斜切成（chéng）倒角（jiǎo）。倒角可作為保護槽來防止邊（biān）緣出現（xiàn）缺口。它們由其表麵的寬度和角度（dù）來定義（圖4）。

 

倒角的最常見切割角度為45°，並且該表麵（miàn）寬度是由光學產品的直徑來確定的（de）。 其直徑小於3.00mm的光學產品（pǐn）（如微透鏡或微棱鏡）通常不需（xū）要切成（chéng）倒角，這是因為很可能會（huì）在切削的過（guò）程中產生邊緣缺口。值得注意的是，對於很小的曲率（lǜ）半徑，例如，當透鏡（jìng）的直徑大於等於0.85 x曲率半徑時，無需切成倒角，這是因為透鏡表麵和邊緣之間會形成很大（dà）的角度。對於所有（yǒu）其他直徑，表1提供了最大（dà）的表麵寬度。

7.通光孔徑

通光孔徑是指光（guāng）學元件（jiàn）的直徑或必須（xū）滿足各種規格的光學元件的尺寸。除通光孔徑以外，製造（zào）商（shāng）並不能確保光學產品符合指定的規格。由於（yú）生產的限製，實際上是不可能（néng）生（shēng）產出完全等同於光學產品的（de）直徑或長乘以寬的通光孔徑。表2顯示了透鏡的（de）一般通光孔（kǒng）徑。

 

二.表麵規格

1.表麵質量

光（guāng）學表麵的質量用來衡量（liàng）光學產品表麵特性，並且涵蓋了一些劃痕和坑點等瑕疵。這（zhè）些表麵的（de）大部分瑕疵純（chún）粹是表麵上的瑕疵，並（bìng）不會對係統性能產生很（hěn）大的影響，雖（suī）然，它們可能會（huì）使係統通光量出現微小的下（xià）滑，使（shǐ）散（sàn）射光出現更細微的散（sàn）射。然而，有些表麵（miàn）會對這些影（yǐng）響更（gèng）敏感，如：(1)圖像平麵的表麵，因為這些瑕疵會產生聚焦，以及(2)具有高功率級別的表麵，因為這些瑕疵會增加能量吸收並毀壞光學產品。表麵質量最常（cháng）用的規格（gé）是由MIL-PRF-13830B說明的劃痕和坑點規格。通過將（jiāng）表麵的（de）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，來確定劃痕名稱。因此，劃痕名（míng）稱不是描述其實（shí）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（ér），坑點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點直徑（jìng）除以10來計算（suàn）的，通常劃痕坑（kēng）點規格在80至（zhì）50之間（jiān）將視為標準質量，在（zài）60至40之間為精確質量，而在20至（zhì）10之間將視為（wéi）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度的規格類型，它用於測量反射鏡，窗口片，棱鏡或平光（guāng）鏡等平麵的偏差。您可以使用光學平晶來測量此偏差，該平晶是一種高質量、高精度的參（cān）考平麵，用於比較試樣的平滑（huá）度。當所測試的光學產（chǎn）品的平麵靠著光學平晶放置時，會出現條紋，其形狀表示所檢測的光學產（chǎn）品的表麵（miàn）平滑度（dù）。如果（guǒ）這些條紋間隔（gé）相等，並且是平行的直線，那麽被（bèi）檢測的光學表麵至少像（xiàng）參考光（guāng）學平晶一樣（yàng）平展。如果條紋是彎曲的（de），則兩個虛線（一個虛線與條紋中點相切，另一（yī）個虛線穿過同一個條紋的端點）之間的條紋數量會指出平滑度錯誤。平滑度的偏差（chà）通常是按波紋值(λ)來測量的，它們是由多個波長的測試源組成。一個條紋對應½的波長。平滑（huá）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（jīng）度的質量級別。

3.光（guāng）圈數

光圈數是一（yī）種測量表麵精確性的規格類型，它適用於彎（wān）曲（qǔ）的光學（xué）表麵或帶有功率的表麵。光圈數的（de）測（cè）試類似於平麵（miàn）度測試，會將曲麵與具有高校準的曲率半（bàn）徑的（de）參考麵（miàn）進行比較。使（shǐ）用這兩個表麵（miàn）空隙所產生的相同幹涉原則, 條紋幹涉圖（tú）案用於表示測試表麵與參考表麵的偏差. 與（yǔ）參考件（jiàn）產生的偏差將會產生一（yī）係列的圓環，稱為牛頓（dùn）環. 呈現的（de）環（huán）越多，偏（piān）差越大。暗環或亮環（huán）的數 量，而不是（shì）暗環和亮環（huán）兩者的總數，等於波長誤差的2倍（bèi）.

 

光圈誤差（chà）與曲率半徑誤差有（yǒu）關，其中 ∆R 是半徑誤差, D 是透鏡的（de）直徑誤差, R 是表麵半徑, 而（ér） λ 是指波長(通常為 632.8nm):

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

4.不（bú）規則度

不規則度是一種測量表麵精確性的規格類型，它描述的（de）是表麵（miàn）形狀與參考表麵形狀之間的偏差。不規則度的測量方式與光圈數相同。規則度是指將測試表（biǎo）麵與參考表麵進（jìn）行比較形成的球形的圓形條紋。當表麵的光圈數超過5個條紋時，將（jiāng）很難檢測到小於1個條紋的小型不規則形狀。因此，通常（cháng）的做法是指定（dìng）表麵的光圈數與不規則度的比率，使其大約為5:1。

表麵（miàn）加工（gōng）也稱為表（biǎo）麵粗糙度，用於測（cè）量表（biǎo）麵的一些小（xiǎo）型不（bú）規則（zé）度。它（tā）們通（tōng）常是（shì）因拋光工（gōng）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，特別是（shì）在使（shǐ）用激（jī）光或過熱環境的應用中，這是（shì）因為成核位置有可能出現細微的破（pò）裂或瑕疵。表麵加工的生產（chǎn）容差為50Å RMS時表示（shì）一般質量，在20Å RMS時表示精確質（zhì）量，而在（zài）5Å RMS時表示高質量。

三（sān）.材料規格

1.折射率

某（mǒu）種介質的折射率（lǜ）是指光在真空中（zhōng）的速（sù）度與光在介（jiè）質（zhì）中的速度（dù）之（zhī）比。玻璃（lí）的折射率（lǜ）範圍一般在1.4-4.0之間，與針對紅外線優化的玻璃相（xiàng）比，可視玻璃的折射（shè）率範圍要小一些。例如，N-BK7（一種通用的可視玻璃）的折射率為1.517，然而鍺（一種通用的紅外玻璃）的折射（shè）率為4.003。。光學玻璃的（de）折射率是一種重要屬性（xìng），因為光學表麵的功率是從表麵的（de）曲率半徑和表麵任意一側上的介質折射率之差（chà）得來的。玻璃製造商指定的不均勻性是指玻璃折射率的變化。不（bú）均勻（yún）性是根據不同的等級（jí）來指定的，其中等級和不均勻性是互為相反（fǎn）關係的，隨著（zhe）等級的增加，不均勻性則會減少（表3）。

2.色散係數

玻璃的另一（yī）種材料（liào）屬性是色散（sàn）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)波長時的折（shé）射率（方程式（shì）3）。

(4)vd=nd−1nf−ncvd=nd−1nf−nc

色散係數值的（de）範圍通常在25至65之間。當玻璃的色散係數大於55（較小色散）時，會將該玻璃視為冕牌玻璃，而（ér）那些色散（sàn）係數小於50（較多色散）的玻璃會（huì）視為火石玻璃。由於（yú）色散（sàn）性，玻璃的折射率會因（yīn）波長而有所不同。色散產生的最顯著結果（guǒ）就是係統的焦（jiāo）距會因（yīn）不同的光波長（zhǎng）而稍有不同。

h3>激光（guāng）損傷閾值

激（jī）光損傷閾值是（shì）指激光損傷前每一區域的表（biǎo）麵可耐受（shòu）的最大激光功率量。脈衝激光（guāng）和連續波(CW)激光（guāng）都具有相應的激（jī）光損傷閾值。激光損傷閾值是反射鏡的一個非常重要的材料規格，這是因為它們與激光產（chǎn）品而不是任何其他光學產品一（yī）同使用，然而，任（rèn）何（hé）激光級光學產品將提（tí）供閾值。例如，考（kǎo）慮一下Ti：藍寶石（shí）激光反射鏡的損傷額定閾值為0.5 J/cm2 @ 150飛（fēi）秒（miǎo）脈衝和100kW/cm2 CW。這（zhè）就說明反射鏡每（měi）平方厘米可耐受的高重複飛（fēi）秒脈衝激光射入的能量密度為（wéi）0.5J，或每平方（fāng）厘米可耐受的大功率（lǜ）CW 激光射入的能量密度為100kW。如果激（jī）光（guāng）束集中在更小的（de）區（qū）域內，

則必（bì）須考慮采取相應的措施以確保整體閾值不超過指定的值。雖然具有一係列的其（qí）他生產規格、表麵規格和材料規格，但如果了解了（le）最常用的光（guāng）學規格，則可以（yǐ）顯著地（dì）避免混淆。透鏡，反射鏡，窗口片（piàn），濾光片，偏（piān）振鏡，棱鏡，分光鏡，光柵和光纖同具有各（gè）種屬性，因此，了解它們之間的（de）關係以及它們將（jiāng）如何影響整體係（xì）統性能，將有（yǒu）助（zhù）於您選擇最佳的元件以集成到光學、成像或光電子應用中。