光學元件是光（guāng）學係統的基本組成單元，也叫光學零件，這種元器件經常可以起到成像的作用，如透鏡、棱鏡（jìng）、反射鏡等，
衍射光學元件（Diffractive Optical Element），簡稱DOE，是近幾年蓬勃發展的一（yī）款新興光學（xué）元件，下麵將從優點和缺點兩個角度，帶您具體認識衍射光（guāng）學元件這種電子元器件！
衍（yǎn）射光學元件的優點：
衍射光學元件（DOE）在設計中（zhōng）提供了許多自由（yóu）度，通過使用（yòng）現代（dài）光刻製造技術，製造具有強（qiáng）非（fēi）球麵相位函數的（de） DOE，與製造具（jù）有（yǒu）二次相位函數的（de）簡（jiǎn）單菲涅耳（ěr）帶透鏡一樣昂貴，因此，在某些情況下可以使用 DOE，而不是更昂貴（guì）的非球麵。此外（wài），與更難製造定義明確的非球麵表麵相比，光刻製（zhì）造（zào）技術保證了關於 DOE 相位函數的相當好的精（jīng）度。
衍射光學元件具有與折射元件相反符號的強色散允許校正色差，在這（zhè）種情（qíng）況下，DOE 還為設計提供了額外（wài）的自由度，因為相位函數（shù）的非球麵項還可以校正係統的單色像差，隻要這些（xiē）像差遠小於校正色差的相位函數的二次項即可。
衍射光學元（yuán）件的缺點：
由於製造誤差、廣泛的應用波長或因為某些 DOE 自然具有多（duō）個衍射級，例如二元 DOE，DOE 通常不僅表現出一個衍射級，而且表現出多個衍射級，這會在（zài）光學係統中產生幹擾光並限製應用（yòng）。
強（qiáng）色散會限製在單色係統中的應用，因為它在某些（xiē）情況下（例如（rú），用（yòng）於測試非球麵表麵）不（bú）僅需要（yào）照明波長的相對恒定性（xìng），即恒定（dìng）但不必精確地達到絕對值，而且絕對的恒定性，因為否則由 DOE 引入係統畸（jī）變。
因此，與（yǔ）其他光學元件相比，DOE 有許多優勢（shì），但從（cóng）另一方麵來說，DOE 並不（bú）是校正光（guāng）學係統像差（chà）的靈丹妙藥，根據係統的不同，必須對優缺（quē）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（yīng）用領域
衍射光學（xué）元（yuán）件早在 20 多年前就（jiù）已進入工業應用，並迅速成為許多醫療、工業和研究應用中的“首選（xuǎn）”解決（jué）方（fāng）案，隨著（zhe）激光功率（lǜ）成本的下降，這一趨勢在過（guò）去幾年中不斷增長（zhǎng），它可以應（yīng）用於以下領域：
1、激光材料加工：焊接、切割、刻（kè）劃（huá）、焊接和鑽孔過程中激光（guāng）束的整形和分裂。
2、生物醫學設備：用於醫療激光治（zhì）療和診斷儀器的衍射光學元件。
3、LIDAR/LADAR 應用：使用激光束進（jìn）行光學距離和速度測（cè）量。
4、光刻和全息照明：掩模投影係統中的光束均勻化、結構化（huà）瞳孔照明、正常和（hé）高度傾斜平麵的均勻場照（zhào）明。
5、光學傳感器：距離和位置傳（chuán）感器（qì）、運動檢測。
6、通信：分束器、波長選擇和矽光子學應用。
在（zài）元件或係統的設計和生產過程中利用光學參數規格（gé）可使該（gāi）元件或係統（tǒng）精確達到（dào）特定的性能要求。 光學參數規格非（fēi） 常有用，原因（yīn）有以下兩點： 首先，它們可（kě）以指定（dìng）決定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（shàng）的資（zī）源的數量（即時間（jiān）和（hé）成（chéng）本）。
光學係統的參數規格過低或過高都會影（yǐng）響其性能，從而造成（chéng）不必要的資源浪費。如果未正確設定所有必要的參數，則（zé）會導（dǎo）致（zhì）規格過（guò）低，從而使性能降低。 如果過於嚴格地定義係統參數而不考慮光學或機械要求中（zhōng）的任 何變（biàn）化，則會（huì）導致規格過高，從而使成（chéng）本（běn）和生產難度增加。
為了了解光學規格，首先弄清（qīng）楚它們的含（hán）義（yì）是非常重要的，因（yīn）此了解最常用（yòng）的規格將為您了解幾乎所有光學產品的規格提供最堅實的（de）基礎。
生產規格：
1.直徑公差（chà）
圓形光學（xué）元件的直徑公差提供了一個可接受（shòu）的直徑值範（fàn）圍。 此生產規格會（huì）因製作光學（xué）產品的某些光學加工公（gōng）司的技（jì）術水平和能力而有所不同。雖然直徑（jìng）公差不會對（duì）光學產品本身的光學性能產生任何（hé）影響，但如果要在（zài）任（rèn）何（hé）一種固定器上安裝光學產品，則它是您必（bì）須考慮的一種非（fēi）常（cháng）重要的機械公差。 例如（rú），如果透鏡的直徑（jìng）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偏離光學軸，從而導致光的偏心（圖1）。 通（tōng）常，直（zhí）徑的生產公（gōng）差為：+0.00/-0.10 mm表示一般質量，+0.00/-0.050 mm表示（shì）精密質量，+0.000/-0.010 mm則為高（gāo）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，測量的是光學元件中心部分的材料厚度。中心厚度是通過透鏡的（de）機械軸來測量的，該機械軸是作為透鏡外部（bù）邊緣之間的軸來定義的。 透鏡（jìng）中心厚度（dù）的變（biàn）化會影響光學性 能，這是因為中心厚度及其曲率半徑會決（jué）定光線穿過透鏡的（de）光學路徑長度。通常（cháng），中心厚度的生產公差為： +/-0.20 mm表示（shì）一般質量，+/-0.050 mm表（biǎo）示精密質量，+/-0.010 mm則為（wéi）高質（zhì）量.
3.曲率半徑
曲率半徑是（shì）指光（guāng）學元件的頂點（diǎn）與曲率中心之間的（de）距離。該半徑可以為正值、零或負值，具體要取決於該表麵是凸麵、平麵還是凹麵。如果（guǒ）知道曲率半徑值，則可以確定光線穿過（guò）透鏡或反射鏡的光學路徑長度，同時還對（duì）表麵功率起著（zhe）重要的（de）決定作用。 曲率半（bàn）徑的生產容差通常為+/-0.5，但在精確應用中也（yě）可（kě）低至+/-0.1%，或在需要（yào）極高（gāo）的質量情況下為+/-0.01%。
h3>中心
透鏡的中心也稱（chēng）為（wéi）向心性或離心性，是根據光（guāng）束偏（piān）差（chà）δ（方程式1）而（ér）指定的。一旦給定了光束偏差，則可以通過一種簡單的關係來計算楔角W（方程式（shì）2）。 透鏡的離心量是機械軸與光學軸物理偏離的（de）距離。透鏡的機械軸僅為透鏡的幾何（hé）軸，是由其外部的柱麵來定義的。 透鏡的光學軸是由光學表（biǎo）麵來定義的，它是連接各表麵曲率中心的（de）線。要進行向心性測試，請將透鏡（jìng）置於茶杯中，對其施壓（yā）。 對透鏡施加的（de）壓力會自動聚集在茶杯中心第（dì）一個（gè）表麵的曲率中心，並且該中（zhōng）心還會與 旋轉軸對齊（qí）（圖2）。沿著此旋轉軸射入的平行光將會穿過透鏡，到達後焦平（píng）麵的焦點處。當透鏡隨著（zhe）茶杯的旋轉而旋轉（zhuǎn）時（shí），透鏡中的（de）任何離心性都會使聚焦光束分散，並在後焦平麵形成一個半徑（jìng）為 Δ 的圓軌跡（圖1）。
(1)δ=Δfδ=Δf
(2)W=δ(n−1)W=δ(n−1)
其中W表示楔角，通常報告為弧分，n表示折射率。
4.平行度
平行度描述的是兩個（gè）平行表麵之間（jiān）的相互關係（xì）。它在（zài）指定窗口片和偏振片（piàn）等元件（jiàn）時很有用（yòng），其中平行表麵是提高係統性能的理想（xiǎng）平麵，這是因（yīn）為它們可以最大限度地減少畸變，否則該畸變會降低圖像或光的 質量。通常，該容差（chà）範圍（wéi）從5弧分（fèn）直至幾（jǐ）弧秒。
5.角度公差
在棱鏡（jìng）和分光（guāng）鏡等元件中，各表麵之間所產生的角度對光學產品的性能具（jù）有重要的影響。角度公差通常使用準直望遠鏡組（zǔ）件進行測量，其光源係統會發射平行光。 準直望遠鏡將圍繞光學產品的表（biǎo）麵（miàn）進行旋轉，直至所產生的菲涅爾反射回到該表麵（miàn），在檢測的表麵頂部產生一（yī）個光點。這就驗證了平行光束正好垂直入射到該表麵。然後，整個準直望遠鏡組件（jiàn）會繞（rào）著光學產（chǎn）品旋轉至下一個光學表麵，並且會重複此過（guò）程。圖（tú）3顯示了（le）用於測量角度公差的通用準直望遠鏡設置。可以使用兩個測量位置之間的角度（dù）差來計算兩個光學表（biǎo）麵的公差。 角度公差（chà）的（de）範圍可以從（cóng）幾弧分降至幾弧秒。
6.倒角
玻（bō）璃角非常易碎，因此，在處理或安裝元件時保護好它（tā）們非常重要。保護這些玻璃角的最常用方法是將這些邊緣斜切成倒角。倒角可作為保護槽來（lái）防止（zhǐ）邊緣出現缺口。它們由其表麵的寬度和角度來定（dìng）義（圖4）。
倒角的最常見切割角度為45°，並且該表（biǎo）麵寬度是由光學（xué）產品的直徑來（lái）確定的（de）。 其直徑（jìng）小於3.00mm的光學（xué）產品（如微透鏡或微（wēi）棱鏡）通常不需要切成倒角，這是因為（wéi）很可能會在切削的過程中產生邊緣缺口（kǒu）。值得注意的（de）是，對（duì）於（yú）很小的曲率半徑，例如（rú），當透鏡的直徑大於等於0.85 x曲率半（bàn）徑時，無需切成倒角，這是因為透鏡表麵和（hé）邊緣之間會形成很大的角（jiǎo）度（dù）。對於所有其他直（zhí）徑，表（biǎo）1提供了最大的表麵寬度。
7.通光孔徑（jìng）
通光孔徑是指光學元件的直徑（jìng）或必須滿足各種規格的（de）光學元件的（de）尺寸。除通光孔（kǒng）徑以外，製造商並不能確保光學產品符合指定的規格。由於生（shēng）產的（de）限製，實際上是不可能生產出（chū）完全等同於光學產品的直徑或長乘以寬的通（tōng）光孔徑。表2顯示了透鏡的（de）一般通（tōng）光孔徑。
二.表麵（miàn）規（guī）格（gé）
1.表麵質量
光學表麵的質量用來衡量光學產品表麵（miàn）特性，並且涵蓋了（le）一些劃痕和坑點等瑕疵。這些表麵的大部分瑕疵純粹是表麵上的瑕疵，並不會對（duì）係（xì）統性能產生很大的影（yǐng）響，雖然，它們可能會使係統通光量出現微小的下滑，使散射光出現更細微（wēi）的散射。然而（ér），有些表麵會對這些影響更敏感，如：(1)圖像平麵的表麵，因為（wéi）這些瑕疵會產生聚焦，以及(2)具有高功（gōng）率級別的表麵，因（yīn）為這些瑕疵會增加能量吸收並毀壞（huài）光學產品。表麵質量最常用的規格是由MIL-PRF-13830B說明（míng）的劃痕和（hé）坑點規格。通過將表麵的劃痕與（yǔ）在受控的（de）照明條件下提供的一係列標準劃痕進行對比，來確定劃（huá）痕名稱（chēng）。因（yīn）此，劃（huá）痕名稱不是描述其實際的劃痕，而是根據MIL規格（gé）將其與標準的劃痕進行比較。然而，坑點名稱（chēng）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除以10來計算的，通常劃痕坑點規格在80至50之間將視為標準質量，在60至（zhì）40之間為精確質量（liàng），而在20至10之間將視為高精度質量。
2.表（biǎo）麵平麵度
p>表麵平麵度是一（yī）種測量表麵精度的規格類型（xíng），它用於測量反射鏡，窗口片，棱鏡（jìng）或平光（guāng）鏡（jìng）等平麵的（de）偏差。您可以使用光學平晶來測量此偏差，該平（píng）晶是一種高質量、高精度的參考平麵，用於比較試樣的平滑度。當所測試的光學產品的平麵（miàn）靠著光學平（píng）晶放置時，會出（chū）現條紋，其形狀表示所檢測的光學產品的表（biǎo）麵平滑度（dù）。如果這些條紋間隔相等，並且是平（píng）行的直線，那麽被檢測的光學表麵至少像參考光學平（píng）晶一樣平展。如果（guǒ）條紋是彎曲的，則（zé）兩個虛線（一個虛線與（yǔ）條紋中點相切（qiē），另一個虛線（xiàn）穿過同一個（gè）條紋的端點）之間的條紋數（shù）量會指出（chū）平滑度錯誤（wù）。平滑度的偏差通（tōng）常是按波紋值(λ)來測量的，它們是由多（duō）個波長的測試源組成。一個條紋對應½的波長（zhǎng）。平滑度為1λ，則表示一般的質量級別；平滑（huá）度為λ/4，則表示精確的質量級別；平滑度為（wéi）λ/20，表示高精度的質量級別。
3.光圈數
光圈數是一種測量表麵精確性的規格類型，它適用於彎曲的光學表麵或帶有功率的表麵。光圈數的測試類似於平麵（miàn）度測試，會將（jiāng）曲麵與具有高校準的（de）曲率半徑的參考麵進行比較（jiào）。使用這兩個表麵空隙所產生的相同（tóng）幹涉原則, 條紋幹涉圖（tú）案用於表示（shì）測試表麵與參考表麵的偏差. 與參考件（jiàn）產生的偏差將會產生一係列的圓（yuán）環，稱為牛頓（dùn）環. 呈現的環越多，偏差越大。暗環或亮環的數 量，而不是暗（àn）環和亮環兩者的總數，等於波長誤差的2倍.
光圈（quān）誤差與（yǔ）曲率半徑誤差有關，其中 ∆R 是半徑誤差, D 是透鏡的直徑誤差, R 是表麵半徑, 而 λ 是指波長（zhǎng）(通常為 632.8nm):
(3)Power Error[waves or λ]=ΔRD28R2λPower Error[waves or λ]=ΔRD28R2λ
4.不規則度
不規則度是一種測量（liàng）表麵精確性的規格類型，它描述的是表麵形（xíng）狀與參考（kǎo）表麵形狀之間的偏差。不規則度的測量方（fāng）式與光圈數相（xiàng）同。規則度（dù）是指將測試表麵與參考（kǎo）表麵進行比較形成的球形的圓（yuán）形（xíng）條紋。當表麵的（de）光圈數超（chāo）過5個條紋時，將很（hěn）難檢測到小於1個條紋的小型不規則形狀。因此，通常的做法是指定表麵的光圈數與不規則度的比率，使其大約為5:1。
表麵加工也稱為（wéi）表麵粗糙度，用於測量表（biǎo）麵的一些小型（xíng）不（bú）規則度。它們通常是因拋光工藝所引起的不良（liáng）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，特別是在使用（yòng）激光或過熱環境的應用中，這是因為成核（hé）位置有可能出（chū）現細微的破裂或瑕（xiá）疵。表麵（miàn）加工（gōng）的生產容差為（wéi）50Å RMS時（shí）表示一（yī）般質量，在20Å RMS時表示（shì）精（jīng）確（què）質量，而在5Å RMS時表示高質（zhì）量（liàng）。
三.材料規格
1.折射率
某種介質的折射率（lǜ）是指光在真空中（zhōng）的速度與光在介質中的速（sù）度之（zhī）比。玻璃的折射率範圍一般在1.4-4.0之間，與針對紅外線優化的玻璃相比，可視玻（bō）璃的折射率範圍要小一些。例（lì）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（yòng）的紅外玻璃）的折（shé）射率為4.003。。光學玻璃的折射率是一種重要屬性，因為（wéi）光學表麵的功率是從表麵的曲率半徑和表麵任意一側上的介質折射率（lǜ）之差（chà）得來（lái）的。玻璃製造商指定的不均勻性是指玻璃折射率的變化。不均勻性是根據不同的等級來指（zhǐ）定的，其中等級（jí）和不均（jun1）勻性是互為相反關係的，隨著等（děng）級的增加（jiā），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）屬性是色散係數，用於量化玻璃呈現的色散量（liàng）。它是材料在f (486.1nm)、d (587.6nm) 和（hé）c (656.3nm)波長時的折射率（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（sè）散係數大於（yú）55（較小（xiǎo）色散）時，會將該玻璃（lí）視為冕牌玻璃，而那些色散係數（shù）小於50（較（jiào）多色（sè）散）的玻璃會視為火石玻（bō）璃。由於色散性，玻（bō）璃的折射率會因波長而有所不同。色散產生的最顯著結果就是係統的焦距會因不同的光波長而稍有不同。
h3>激光（guāng）損傷閾值（zhí）
激光損傷（shāng）閾（yù）值是（shì）指激光損傷前每一（yī）區域的表麵可耐（nài）受的最大激光功率（lǜ）量。脈（mò）衝激光和連（lián）續波(CW)激光都具有相應的激（jī）光損（sǔn）傷閾值。激光損傷閾值是反射鏡的一個非常重要的材料（liào）規格，這是因為它們與激光產品而不是任何其他光學產品一同使用，然而，任何激（jī）光級光學產品將（jiāng）提供閾值。例如，考慮一下Ti：藍寶石激光反射鏡的損傷額定閾值為0.5 J/cm2 @ 150飛秒脈（mò）衝和100kW/cm2 CW。這就說明反射鏡（jìng）每平（píng）方厘米可耐受的（de）高重複（fù）飛秒（miǎo）脈衝激光射入（rù）的能量密度為0.5J，或每平方（fāng）厘米可耐受的大功率CW 激光射入的（de）能量密度（dù）為100kW。如果激光束集（jí）中在更（gèng）小的區域內，
則必須考慮（lǜ）采取相應的措施（shī）以確保整體閾值不超過指定的值（zhí）。雖然具有一係列的其他生產規格、表麵規格和材料規格，但如果了解了最（zuì）常用的光學規格，則可以顯（xiǎn）著地避免混淆。透鏡，反射鏡，窗口片，濾光片，偏振鏡，棱鏡，分光鏡，光（guāng）柵（shān）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（xì）統性能，將有助於您選擇最佳的元件以集成到光學、成像或光（guāng）電（diàn）子（zǐ）應用中。
