工程漫射体
工程漫射体(engineering diffuser)是一种基于液晶聚合物的衍射光学原理实现激光匀束、光束整形的平板光学元件,由聚合物薄膜和单片N-BK7窗口片组成,聚合物薄膜上的阵列式透镜相位分布实现漫射体功能。与平板微透镜阵列“强调每个透镜的无球差特性”相比,工程漫射体更加强调光束出射后光斑的均匀度和整形边界锐利度。工程漫射体出射光的匀化整形效果,随微透镜单元参数,如形状、相位周期等的变化而改变。同时,该器件偏振相关,为单波长设计,入射面镀有增透膜,具有高透过率和高衍射效率。基于以上特点,工程漫射体在激光加工、激光照明、3D结构光传感、TOF模组等领域得到了广泛应用。
产品介绍

一、产品简介

工程漫射体(engineering diffuser)是一种基于液晶聚合物的衍射光学原理实现激光匀束、光束整形的平板光学元件,由聚合物薄膜和单片N-BK7窗口片组成,聚合物薄膜上的阵列式透镜相位分布实现漫射体功能。与平板微透镜阵列“强调每个透镜的无球差特性”相比,工程漫射体更加强调光束出射后光斑的均匀度和整形边界锐利度。工程漫射体出射光的匀化整形效果,随微透镜单元参数,如形状、相位周期等的变化而改变。同时,该器件偏振相关,为单波长设计,入射面镀有增透膜,具有高透过率和高衍射效率。基于以上特点,工程漫射体在激光加工、激光照明、3D结构光传感、TOF模组等领域得到了广泛应用。

二、产品功能及应用场景

2.1 激光加工

激光加工是将激光束照射到工件的表面,以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能,以实现切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微雕等各种加工工艺的一种技术。传统的高功率激光光源为高斯能量分布,能量自中心至边缘逐渐降低。这种能量分布特点容易使激光加工工艺制程中出现功率不足导致的加工边缘毛刺,表面不平整,切除不彻底等瑕疵。通过增加适用于高功率激光的工程漫射体在激光加工系统中,能够将高斯光变为中心至边缘能量分布均匀度极高的光斑,可以有效避免前述激光加工工艺制程中的问题。

2.2 3D结构光传感

3D结构光传感技术的原理是将结构光投射至物体表面,再使用相机获取该物体表面所反射的结构光图案,不同距离的物体会给反射光带来不同程度的形变,经由对反射光形变的测量,再结合三角定位,便可以测算物体表面的空间信息。(结构光是指一些具有特定模式的光,包括点、线、面等。)

2.3 TOF传感模组

TOF传感方案原理是通过向目标物体发射红外光源,测量光在镜头和物体之间传输时间,通过光脉飞行时间来计算被测物体离相机的距离。TOF技术具备抗干扰性强、FPS刷新率更高的特性,因此在动态场景中能有较好表现。另外TOF技术深度信息计算量小,对应的CPU/ASIC计算量也低,因此对算法的要求更低。但相对于结构光技术,TOF技术的缺点在于其3D成像精度和深度图分辨率相对较低,功耗较高。

三、实物效果图

工程漫射体产品实物图

MLA偏振显微镜下的结构图

左/右旋圆偏振光入射时出射光在焦平面上的能量分布对比图

四、补充说明

4.1 工程漫射体的偏振特性

  • 当入射光为非偏振光或线性偏振光时,其匀光射束由±1级出射光组成,且±1级出射光分别为发散的左旋圆偏振光和会聚的右旋圆偏振光;
  • 当入射光为右旋圆偏振光时,其匀光射束由+1级出射光组成,为发散的左旋圆偏振光;
  • 当入射光为左旋圆偏振光时,其匀光射束由-1级出射光组成,为会聚的右旋圆偏振光;
  • 当入射光为椭圆偏振光时,其匀光射束由±1级出射光组成,且±1级出射光光强比值与入射光椭偏度相关。

工程漫射体的偏振特性可以帮助实现对于偏振态有特定要求的光束整形场景。实际的工程漫射体在使用时会存在除±1级以外的其他衍射光,但其他各级衍射光的能量之和小于2%。

4.2 工程漫射体中微透镜单元形状与出射光束形状的关系

工程漫射体中微透镜单元的轮廓与出射光束的形状是一致的。

4.3 工程漫射体中微透镜单元相位周期与出射光束发散角的关系

工程漫射体中微透镜单元的边缘相位周期决定了其出射光束的发散角。此处所述边缘相位周期,指微透镜单元外切圆圆周处的相位周期。边缘相位周期越大,出射光束发散角越小。

理想情况下,正入射时,工程漫射体出射光束发散角θ(半角)与微透镜单元边缘相位周期(外切圆圆周处相位周期)p0及工作波长λ的关系为:

当光束入射方向为斜入射,工程漫射体出射光束发散角会随斜入射角度的改变而发生变化。

4.4 出射光束发散角测量方法

如图,工程漫射体到光束截面处的距离为L,光束截面上所截得的光斑的外切圆直径为D,出射光束发散角为θ。根据三角关系:

即可得到出射光束发散角大小。

4.5 出射光束发散角与微透镜单元焦距、F数的关系

由图,分析微透镜单元边缘处的会聚光线,根据三角关系:

其中,θ为出射光束发散角,d为微透镜单元外切圆直径,f为微透镜单元焦距,F#为微透镜单元F数。

4.6 定制说明

除若干标准品型号外,工程漫射体支持各项参数,如基片尺寸、通光孔径、工作波长、射束发散角、射束形状、微透镜单元尺寸等的定制。具体定制需求,请联系技术支持。

定制建议:

  • 基片尺寸:请根据光学件夹具尺寸确定;
  • 通光孔径:请根据入射光光斑尺寸确定;
  • 工作波长:请根据实际工作波长确定;
  • 射束发散角(或单透镜焦距):请根据对出射光的实际应用需求确定;
  • 射束形状:请根据对出射光的实际应用需求确定;
  • 微透镜单元尺寸:请根据请根据入射光光斑尺寸确定,一般来说,入射光光斑需覆盖至少3*3,即9个微透镜单元,才能达到较好的匀光效果。
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