多層衍射光學元件設計理論及其在混合光學系統(tǒng)中的應用.pdf

1、表面微結構衍射光學元件在現(xiàn)代光學系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。利用衍射光學元件所具有的波前復振幅調制作用以及獨特的衍射色散與溫度特性，可以有效地改善傳統(tǒng)折射型光學系統(tǒng)的結構與性能。但對波長的依賴性導致衍射光學元件的衍射效率隨成像光譜寬度增加，偏離設計波長而下降，非設計級次上的衍射光增強且形成背景雜散光，影響成像質量，限制了衍射光學元件在寬波段成像領域的應用。本論文基于標量衍射模型，從理論與實踐兩方面對解決衍射光學元件應用于可見波段寬光譜成像系

2、統(tǒng)中的衍射效率等問題進行了探索。 論文首先在系統(tǒng)研究與總結了衍射光學標量理論、矢量理論與幾何光學方法的基礎上，根據標量衍射理論采用相位多項式與相位變換函數描述衍射光學元件的特點，利用兩種以上具有不同色散特性的基底材料構建多個不同相位高度的單層表面微結構，層疊后得到一種新型的多層衍射光學元件，增加了相位分布函數中的可變因子，實現(xiàn)設計波段內多個設計波長光波的精確閃耀，使得整個波段內各波長光波的等效相位調制等于或接近2π的整數倍，從而

3、提高整個設計波段的衍射效率，有效限制了非設計級次衍射雜散光的影響。對于可見光0.4～0.8μm波段，雙層衍射光學元件的理論衍射效率可以達到96％以上。進一步深入研究了多層衍射光學元件的色散特性與溫度特性，擴展了多層結構的各種形態(tài)，并對多層二元光學元件的制作誤差對衍射效率的影響進行了分析。提出了利用系統(tǒng)調制傳遞函數MTF評價多層衍射光學元件衍射效率的方法，試驗結果表明該方法切實可行。 深入分析了多層衍射光學元件對于系統(tǒng)能量效率的分

4、配作用，給出了采用多層衍射光學元件設計光學系統(tǒng)的流程和方法，設計制作了一個雙層衍射光學元件，利用這種新型的多層衍射光學元件對原有復消色差長焦距物鏡系統(tǒng)進行了改進，替代大口徑螢石透鏡消除系統(tǒng)的二級光譜，簡化了系統(tǒng)的體積與重量，降低了制作成本，完成系統(tǒng)的性能測試，結果表明衍射效率在整個設計波段內以較高的數值平均分布。 討論了曲面基底表面微結構衍射光學元件的設計方法，利用球面基底提供主要的光焦度，表面衍射微結構實現(xiàn)非球面度的相位補償，

5、以現(xiàn)有工藝條件下的最小加工線寬作為求取最佳球面基底的選擇判據，實現(xiàn)光學系統(tǒng)全球面化。探討了曲面衍射光學元件的制作工藝，提出了曲面直角坐標．極坐標復合激光直寫系統(tǒng)方案，并完成曲面勻膠，準焦探測，初始位置精確定位等功能試驗，為實現(xiàn)曲面多層衍射光學元件的研制提供技術基礎。 多層衍射光學元件除了具有傳統(tǒng)單層衍射光學元件的優(yōu)點外，擴展了衍射光學元件在寬波段領域的應用，避免了單層衍射光學元件衍射效率隨成像光譜寬度增加而下降的問題，使混合光學