多層衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)理論及其在混合光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、表面微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。利用衍射光學(xué)元件所具有的波前復(fù)振幅調(diào)制作用以及獨(dú)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(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能。但對(duì)波長(zhǎng)的依賴性導(dǎo)致衍射光學(xué)元件的衍射效率隨成像光譜寬度增加，偏離設(shè)計(jì)波長(zhǎng)而下降，非設(shè)計(jì)級(jí)次上的衍射光增強(qiáng)且形成背景雜散光，影響成像質(zhì)量，限制了衍射光學(xué)元件在寬波段成像領(lǐng)域的應(yīng)用。本論文基于標(biāo)量衍射模型，從理論與實(shí)踐兩方面對(duì)解決衍射光學(xué)元件應(yīng)用于可見波段寬光譜成像系

2、統(tǒng)中的衍射效率等問(wèn)題進(jìn)行了探索。 論文首先在系統(tǒng)研究與總結(jié)了衍射光學(xué)標(biāo)量理論、矢量理論與幾何光學(xué)方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)標(biāo)量衍射理論采用相位多項(xiàng)式與相位變換函數(shù)描述衍射光學(xué)元件的特點(diǎn)，利用兩種以上具有不同色散特性的基底材料構(gòu)建多個(gè)不同相位高度的單層表面微結(jié)構(gòu)，層疊后得到一種新型的多層衍射光學(xué)元件，增加了相位分布函數(shù)中的可變因子，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)波段內(nèi)多個(gè)設(shè)計(jì)波長(zhǎng)光波的精確閃耀，使得整個(gè)波段內(nèi)各波長(zhǎng)光波的等效相位調(diào)制等于或接近2π的整數(shù)倍，從而

3、提高整個(gè)設(shè)計(jì)波段的衍射效率，有效限制了非設(shè)計(jì)級(jí)次衍射雜散光的影響。對(duì)于可見光0.4～0.8μm波段，雙層衍射光學(xué)元件的理論衍射效率可以達(dá)到96％以上。進(jìn)一步深入研究了多層衍射光學(xué)元件的色散特性與溫度特性，擴(kuò)展了多層結(jié)構(gòu)的各種形態(tài)，并對(duì)多層二元光學(xué)元件的制作誤差對(duì)衍射效率的影響進(jìn)行了分析。提出了利用系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF評(píng)價(jià)多層衍射光學(xué)元件衍射效率的方法，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法切實(shí)可行。 深入分析了多層衍射光學(xué)元件對(duì)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(xué)元件設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的流程和方法，設(shè)計(jì)制作了一個(gè)雙層衍射光學(xué)元件，利用這種新型的多層衍射光學(xué)元件對(duì)原有復(fù)消色差長(zhǎng)焦距物鏡系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，替代大口徑螢石透鏡消除系統(tǒng)的二級(jí)光譜，簡(jiǎn)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(cè)試，結(jié)果表明衍射效率在整個(gè)設(shè)計(jì)波段內(nèi)以較高的數(shù)值平均分布。 討論了曲面基底表面微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，利用球面基底提供主要的光焦度，表面衍射微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)非球面度的相位補(bǔ)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(jù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)全球面化。探討了曲面衍射光學(xué)元件的制作工藝，提出了曲面直角坐標(biāo)．極坐標(biāo)復(fù)合激光直寫系統(tǒng)方案，并完成曲面勻膠，準(zhǔn)焦探測(cè)，初始位置精確定位等功能試驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)曲面多層衍射光學(xué)元件的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。 多層衍射光學(xué)元件除了具有傳統(tǒng)單層衍射光學(xué)元件的優(yōu)點(diǎn)外，擴(kuò)展了衍射光學(xué)元件在寬波段領(lǐng)域的應(yīng)用，避免了單層衍射光學(xué)元件衍射效率隨成像光譜寬度增加而下降的問(wèn)題，使混合光學(xué)