多層衍射光學(xué)元件設(shè)計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。但對波長的依賴性導(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)計波長而下降，非設(shè)計級次上的衍射光增強且形成背景雜散光，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。本論文基于標量衍射模型，從理論與實踐兩方面對解決衍射光學(xué)元件應(yīng)用于可見波段寬光譜成像系

2、統(tǒng)中的衍射效率等問題進行了探索。 論文首先在系統(tǒng)研究與總結(jié)了衍射光學(xué)標量理論、矢量理論與幾何光學(xué)方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)標量衍射理論采用相位多項式與相位變換函數(shù)描述衍射光學(xué)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(gòu)建多個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，實現(xiàn)設(shè)計波段內(nèi)多個設(shè)計波長光波的精確閃耀，使得整個波段內(nèi)各波長光波的等效相位調(diào)制等于或接近2π的整數(shù)倍，從而

3、提高整個設(shè)計波段的衍射效率，有效限制了非設(shè)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(xué)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(xué)元件的色散特性與溫度特性，擴展了多層結(jié)構(gòu)的各種形態(tài)，并對多層二元光學(xué)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(diào)制傳遞函數(shù)MTF評價多層衍射光學(xué)元件衍射效率的方法，試驗結(jié)果表明該方法切實可行。 深入分析了多層衍射光學(xué)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(xué)元件設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)的流程和方法，設(shè)計制作了一個雙層衍射光學(xué)元件，利用這種新型的多層衍射光學(xué)元件對原有復(fù)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(jié)果表明衍射效率在整個設(shè)計波段內(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(jù)，實現(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．極坐標復(fù)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(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)點外，擴展了衍射光學(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題，使混合光學(xué)