來源：
2024.10.18
7532
引言
DOE（Diffraction optical Element衍射光學元件），微觀上可以改變不同位置的傳播速度進而改變波前，實現光束的衍射應用。尤其是上世紀梅曼發明第一臺紅寶石激光器之后，讓相干光束的制備變得容易，因此對于光的調制不再局限于透鏡，棱鏡等，基于衍射光學的DOE開始蓬勃發展。
原理&應用
光束在傳播相同時間內，光程長的走的慢，光程短的走的快，波陣面就會轉向，意味著光束偏折了。而DOE可用微結來構制造不同的光程差，應用薄元件近似來改變相位，從而實現光束的調制。其發展至今，在應用上分成三個方向：整形，分束，聚焦。
整形在近，遠場均可實現平頂型，M型，圖案定制等光束整形。在激光加工，醫美激光，光纖耦入，武器瞄點，3D傳感中均有應用；
分束應用光柵衍射級來實現，包含一維&陣列分束。在結構光方案中的散斑復制，激光多路加工，激光雷達多路感測中均有應用；
聚焦包含單點，多點，線段聚焦等等。主要集中在激光加工領域中，切割，裂片，倒角等等。
整形
整形有勻化，形貌兩類側重。勻化側重的方案除DOE&自由曲面之外，還有單片隨機MLA(micro lens array微透鏡陣列)，陣列MLA模組勻化等方案，如圖1。
圖1 左上圖陣列MLA模組勻化方案[1]; 右上圖單DOE實現方形勻化和整形[1]; 左下圖自由曲面實現光束整形[1]; 右下圖隨機MLA整形方案[2]
側重形貌的整形方案集中在DOE&自由曲面上。相比MLA類方案的整形，其邊緣會更為銳利，相對的角度會更小一些。最常見的就是對單色高斯基模進行遠場圓形，方形平頂整形，見圖2。此外還有其他整形比如方形，環形，甜甜圈形等等，理論上任意形貌均可實現。
圖2 從左到右為圓形，方形，甜甜圈形，環形整形[5]
比如在光纖耦入端，十分強調光強分布曲線，整形的靈活性為其提供了調制的可能。武器的激光瞄點需要十字的標識，該特制的光斑形貌需要整形才能來完成。在掃地機器人的避障感測模組，需要輸出細線形光斑，也需要整形來搭配實現。
分束
相比于靠膜層透反射分束的cubic-PBS，分束DOE依賴光柵的周期結構來調制衍射級的能量。分束DOE的微結構也是周期化的，按照周期方向可分成一維和二維光柵，見圖4。
投射器模組中的vcsel光源本身的幾百個孔徑遠不夠模組上萬點的要求，需要DOE進行分束復制才能實現，見圖3。模組的主要組成部分即為光源，lens，DOE等組成，見圖4。
圖3 vcsel經過DOE分束復制后的大量散斑[6]
圖4 上圖為DOE陣列分束的光路示意圖[5]; 左下圖為一維光柵1*9分束，右下圖為二維光柵5*5分束[7]。
由分束DOE組成的透射器模組，主要服務于3D深度感測，在結構光方案和dTOF方案中均有應用。落地應用主要在智能家具掃地機器人和人臉識別的門鎖，手機終端的人臉識別和無人機測繪掃描中。
聚焦
聚焦DOE按照焦點類型分成單焦點，多焦點，連續聚焦，相比整形DOE在XOY平面的光強調制，聚焦DOE是在z軸上的光強調制。在激光加工的應用中，切割的材料厚度需要和激光焦深匹配。當切割材料過厚對應的焦深也要增加，一種辦法就是采用多焦點，另一種就是連續聚焦。
圖5 上圖為多焦點的光路示意圖；下圖為z軸上3個焦點的分布[8]
隨著自動化加工的要求越來越高，所有切削更高厚度，定制化倒角，以及切割面粗糙度的處理，都對聚焦DOE提出了更高的要求。
工藝加工
一般小FOV的DOE，均可以采用多階化(8階甚至16階)的結構來實現。加工方式可以分成刻蝕DOE以及納米壓印DOE。刻蝕DOE耐熱性，可靠性更高，更適合極端條件下工作，納米壓印DOE成本更低，更適合消費電子類低成本的應用。
圖6 DOE的刻蝕模板加工過程
a 掩模版轉移到光刻膠上；b 膠結構刻蝕到玻璃基材上
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 J?ger 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
微納研究所
水晶光電微納研究所，專注于微納光學新產品市場技術調研及研發工作。通過自編算法與設計，配備同行業高端設備，具備芯片鍍膜、晶圓光刻、干/濕法刻蝕、納米壓印等核心技術開發和量產能力。目前微納所已開發的產品包括DOE、擴散片、PBS偏振片、超透鏡等，廣泛應用于消費電子、車載HUD等領域，可以根據客戶需求提供從產品設計開發到量產制造一站式服務。
引言
DOE（Diffraction optical Element衍射光學元件），微觀上可以改變不同位置的傳播速度進而改變波前，實現光束的衍射應用。尤其是上世紀梅曼發明第一臺紅寶石激光器之后，讓相干光束的制備變得容易，因此對于光的調制不再局限于透鏡，棱鏡等，基于衍射光學的DOE開始蓬勃發展。
原理&應用
光束在傳播相同時間內，光程長的走的慢，光程短的走的快，波陣面就會轉向，意味著光束偏折了。而DOE可用微結來構制造不同的光程差，應用薄元件近似來改變相位，從而實現光束的調制。其發展至今，在應用上分成三個方向：整形，分束，聚焦。
整形在近，遠場均可實現平頂型，M型，圖案定制等光束整形。在激光加工，醫美激光，光纖耦入，武器瞄點，3D傳感中均有應用；
分束應用光柵衍射級來實現，包含一維&陣列分束。在結構光方案中的散斑復制，激光多路加工，激光雷達多路感測中均有應用；
聚焦包含單點，多點，線段聚焦等等。主要集中在激光加工領域中，切割，裂片，倒角等等。
整形
整形有勻化，形貌兩類側重。勻化側重的方案除DOE&自由曲面之外，還有單片隨機MLA(micro lens array微透鏡陣列)，陣列MLA模組勻化等方案，如圖1。
圖1 左上圖陣列MLA模組勻化方案[1]; 右上圖單DOE實現方形勻化和整形[1]; 左下圖自由曲面實現光束整形[1]; 右下圖隨機MLA整形方案[2]
側重形貌的整形方案集中在DOE&自由曲面上。相比MLA類方案的整形，其邊緣會更為銳利，相對的角度會更小一些。最常見的就是對單色高斯基模進行遠場圓形，方形平頂整形，見圖2。此外還有其他整形比如方形，環形，甜甜圈形等等，理論上任意形貌均可實現。
圖2 從左到右為圓形，方形，甜甜圈形，環形整形[5]
比如在光纖耦入端，十分強調光強分布曲線，整形的靈活性為其提供了調制的可能。武器的激光瞄點需要十字的標識，該特制的光斑形貌需要整形才能來完成。在掃地機器人的避障感測模組，需要輸出細線形光斑，也需要整形來搭配實現。
分束
相比于靠膜層透反射分束的cubic-PBS，分束DOE依賴光柵的周期結構來調制衍射級的能量。分束DOE的微結構也是周期化的，按照周期方向可分成一維和二維光柵，見圖4。
投射器模組中的vcsel光源本身的幾百個孔徑遠不夠模組上萬點的要求，需要DOE進行分束復制才能實現，見圖3。模組的主要組成部分即為光源，lens，DOE等組成，見圖4。
圖3 vcsel經過DOE分束復制后的大量散斑[6]
圖4 上圖為DOE陣列分束的光路示意圖[5]; 左下圖為一維光柵1*9分束，右下圖為二維光柵5*5分束[7]。
由分束DOE組成的透射器模組，主要服務于3D深度感測，在結構光方案和dTOF方案中均有應用。落地應用主要在智能家具掃地機器人和人臉識別的門鎖，手機終端的人臉識別和無人機測繪掃描中。
聚焦
聚焦DOE按照焦點類型分成單焦點，多焦點，連續聚焦，相比整形DOE在XOY平面的光強調制，聚焦DOE是在z軸上的光強調制。在激光加工的應用中，切割的材料厚度需要和激光焦深匹配。當切割材料過厚對應的焦深也要增加，一種辦法就是采用多焦點，另一種就是連續聚焦。
圖5 上圖為多焦點的光路示意圖；下圖為z軸上3個焦點的分布[8]
隨著自動化加工的要求越來越高，所有切削更高厚度，定制化倒角，以及切割面粗糙度的處理，都對聚焦DOE提出了更高的要求。
工藝加工
一般小FOV的DOE，均可以采用多階化(8階甚至16階)的結構來實現。加工方式可以分成刻蝕DOE以及納米壓印DOE?？涛gDOE耐熱性，可靠性更高，更適合極端條件下工作，納米壓印DOE成本更低，更適合消費電子類低成本的應用。
圖6 DOE的刻蝕模板加工過程
a 掩模版轉移到光刻膠上；b 膠結構刻蝕到玻璃基材上
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 J?ger 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
微納研究所
水晶光電微納研究所，專注于微納光學新產品市場技術調研及研發工作。通過自編算法與設計，配備同行業高端設備，具備芯片鍍膜、晶圓光刻、干/濕法刻蝕、納米壓印等核心技術開發和量產能力。目前微納所已開發的產品包括DOE、擴散片、PBS偏振片、超透鏡等，廣泛應用于消費電子、車載HUD等領域，可以根據客戶需求提供從產品設計開發到量產制造一站式服務。
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