基于折-衍混合的消色差長焦深光學元件若干關鍵技術研究.pdf

1、消色差長焦深光學元件可實現(xiàn)三維區(qū)域清晰成像，在空間遙感、激光直寫、顯微成像等領域有重要的應用價值。隨著光電探測器件分辨能力的不斷提高，要求光學系統(tǒng)同時實現(xiàn)高分辨率和長焦深，特別是要保證焦深范圍內(nèi)光強分布的一致性，以滿足空間遙感、激光直寫、顯微成像等領域的使用要求，傳統(tǒng)折射光學元件因無法兼顧上述性能，直接制約了三維區(qū)域清晰成像技術的發(fā)展。
　　課題“基于折/衍混合的消色差長焦深光學元件若干關鍵技術研究”的主要目的是在研究對數(shù)光錐位相

2、函數(shù)結構特點的基礎上，著重研究折/衍混合長焦深元件焦深與系統(tǒng) F/＃及衍射元件浮雕深度間的函數(shù)關系，初始結構的消色差位相分配方法，及其三維輸出光場分布的優(yōu)化算法，以同時實現(xiàn)高分辨率、長焦深及焦深范圍內(nèi)光強的一致性分布。本課題的研究，在復雜環(huán)境成像、激光直寫及顯微成像等領域中有著廣泛的應用前景。
　　本文首先分析對數(shù)光錐位相函數(shù)的結構特點，討論不同參數(shù)時長焦深元件三維輸出光場分布規(guī)律，建立焦深與系統(tǒng)結構參數(shù)及衍射元件浮雕深度間的函數(shù)

3、關系，從而為長焦深元件結構參數(shù)的選擇及焦深擴展能力的改善奠定理論基礎。
　　為同時實現(xiàn)焦深擴展和消色差功能，基于對衍射元件與長焦深元件色散特性及折/衍混合消色差原理的分析，在不改變整體對數(shù)位相函數(shù)的基礎上，使衍射元件在保留擴展焦深項的同時，增加一個獨立的消色差項來分擔部分消色差光焦度，實現(xiàn)混合結構中折射元件與衍射元件位相函數(shù)的分配，為最終獲得焦深范圍內(nèi)光強分布一致的折/衍混合消色差長焦深元件提供合理的初始結構。
　　為實現(xiàn)折

4、/衍混合消色差長焦深元件位相結構的優(yōu)化，首先對衍射元件中擴展焦深項進行系數(shù)調(diào)整，使其焦深范圍內(nèi)的歸一化光強滿足給定值，并減小光強震蕩幅度，實現(xiàn)結構的初步改進，進而對已有傳統(tǒng)二維光場位相恢復的楊-顧算法引入軸向變量，求解位相恢復變分方程，確定迭代公式及精度控制表達式，以此對初步改進后的結構進行三維輸出光場分布的優(yōu)化，最終獲得焦深范圍內(nèi)光強分布一致的折/衍混合消色差長焦深元件。
　　最后，對課題研究的折/衍混合消色差長焦深光學元件進行

5、了設計及制作，搭建光學元件性能測試實驗平臺，比較 F/4的傳統(tǒng)平凸折射透鏡與折/衍混合透鏡在486nm、587nm、656nm三個典型波長時焦面附近若干垂軸平面內(nèi)的點擴展圖像。實驗結果表明，當焦深取歸一化光強的半高寬時，傳統(tǒng)平凸折射透鏡在三個波長處的焦深均小于40μm，在波長486nm和656nm時的焦面相距0.62mm，存在較大的初級色差，而折/衍混合元件的焦深可達到0.5mm，且光強震蕩幅度小于10％，焦深為傳統(tǒng)折射透鏡的12.5倍