基于复合带宽积分平均衍射效率的倾斜误差研究

在系统装调过程中引入的倾斜误差会影响衍射光学元件(DOEs)的衍射效率。入射角度的增大也会影响DOEs的衍射效率。基于多层衍射光学元件(MLDOEs)的相位延迟表达式,提出了斜入射时衍射效率和带宽积分平均衍射效率(BIADE)与倾斜误差的理论关系模型。分析了斜入射时倾斜误差对衍射效率和BIADE的影响。建立了工作在一定入射角度范围内的复合BIADE与倾斜误差的关系。当工作在8～12μm波段的MLDOEs的入射角度范围为0°～20°时,若要实现98%的复合BIADE,倾斜误差角度应控制在0.25°范围内。进一步分析了存在偏心误差和相对微结构高度误差等其他误差因素时,要达到一定的复合BIADE,所需对应的倾斜误差大小。该方法和结论可以用于指导混合光学系统中MLDOEs的设计与装调。     

双层衍射元件加工误差对带宽积分平均衍射效率的影响

双层衍射光学元件可以在宽波段范围内获得高的衍射效率。加工误差会导致带宽积分平均衍射效率的下降,进而影响折衍射混合成像光学系统的传递函数。基于位相延迟和带宽积分平均衍射效率的表达式,建立了双层衍射光学元件加工误差与带宽积分平均衍射效率的数学关系。分析了应用于8~12 mm长波红外光学系统中的两种加工误差对双层衍射光学元件衍射效率的影响。采用带宽积分平均衍射效率,可以直接评价宽波段光学系统的成像质量。通过带宽积分平均衍射效率和双层衍射光学元件加工误差的关系,可以分析含有双层衍射元件混合光学系统的调制传递函数。     

入射角对双层衍射光学元件衍射效率的影响

基于单层衍射二元光学元件的相位延迟表达式,将双层衍射光学元件的衍射面用二元光学元件的台阶表面近似模拟,推导出光束斜入射时双层衍射光学元件的衍射面产生的相位延迟,揭示出含有斜入射角度的双层衍射光学元件衍射效率表达式.实例分析结果表明,双层衍射光学元件衍射效率仅在一定角度范围内对入射角的变化不敏感,当入射角度持续增大时,衍射效率随入射角的增加快速下降.当入射角从0°增大到4.5°时,衍射效率几乎没有下降;当入射角从4.5°增大到6.7°时,衍射效率开始缓慢下降到95%;当入射角从6.7°增大到9.5°时,衍射效率明显下降到80%;当入射角从9.5°增大到18°时,衍射效率快速下降到0.     

含有双层衍射光学元件的中波/长波消热差光学系统的设计（英文）

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质,设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在(3.7～4.8)μm和(7.7～9.5)μm红外双波段光学系统。光学系统的焦距为200 mm,F#为2。采用像元数为320×256、间距为30μm的制冷型探测器。该系统在空间频率17 lp/mm时,中、长波红外MTF分别高于0.66和0.54;最大RMS半径小于11.702μm;波前像差小于0.191 7λ;最大离焦量小于焦深;在-55℃～71℃范围内实现了无热化设计。入射到衍射面上的角度为0°～5.19°,该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为99.81%和97.36%。含有双层衍射光学元件的红外双波段光学系统结构简单,像质优良,可以广泛应用于军事探测系统中。     

含有双层衍射光学元件的中波/长波消热差光学系统的设计

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质,设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在(3.7~4.8) μm和(7.7~9.5) μm红外双波段光学系统。光学系统的焦距为200 mm,F#为2。采用像元数为320×256、间距为30 μm的制冷型探测器。该系统在空间频率17 lp/mm时,中、长波红外MTF分别高于0.66和0.54;最大RMS半径小于11.702 μm;波前像差小于0.191 7λ;最大离焦量小于焦深;在-55℃~71℃范围内实现了无热化设计。入射到衍射面上的角度为0°~5.19°,该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为99.81%和97.36%。含有双层衍射光学元件的红外双波段光学系统结构简单,像质优良,可以广泛应用于军事探测系统中。     

制冷型折衍混合双波段红外光学系统无热化设计

基于衍射元件的特殊成像性质,使用双层衍射元件进行双波段红外光学系统设计已成为研究热点。使用双层衍射元件能够有效提升宽波段的衍射效率,在简化系统结构的基础上提高像质。将红外成像系统设计为制冷型结构,能够消除背景噪声干扰,保证100%的冷光阑效率。基于带宽积分平均衍射效率最大化方法,设计了一款含有双层衍射元件的制冷型双波段红外光学成像系统,实现了在双波段红外和宽温度范围下的无热化设计。光学系统含有三片透镜,仅由两种材料组成,入瞳直径为80 mm,焦距为100 mm,F数为1.25,有效视场为6°,工作波段为3.7～4.8μm和8.0～12.0μm,工作环境温度为-40～60℃。分析结果表明,在整个温度范围内,在17 lp/mm截止频率处,双波段红外光学系统所有视场的调制传递函数分别高于0.78和0.59,同时双层衍射元件在红外双波段的带宽积分平均衍射效率分别为99.35%和98.73%,综合带宽积分平均衍射效率为99.04%。此光学系统的结构设计简单,成像质量好,在军事和商业应用中具有一定优势。     

多层衍射光学元件斜入射衍射效率的测量

为了验证多层衍射光学元件的衍射效率随入射角度的理论变化关系,设计并制作了一个含有多层衍射光学元件(MLDOEs)的光学系统。当次级衍射光通过孔径光阑由探测器接收时,为保证衍射效率的测量精度,提出了一级衍射能量的修正方法。利用搭建的双光路装置,在0°~30.6°范围内对该多层衍射光学元件进行了衍射效率的测量。针对设计波长532nm,选取7个入射角度测量衍射效率,并对测量结果进行了模拟和分析。由于存在一定的加工误差,在不同入射角度状态下实际测量得到的衍射效率比理论分析的结果低,但是实测与理论分析结果均表明,多层衍射光学元件的衍射效率随入射角的增大而下降。     

大角带宽高衍射效率体全息光栅的设计和制备

高性能体全息光栅是全息波导的重要耦合元件,角带宽小、平均衍射效率不高是制约体全息光栅性能的重要因素。以不对称倾斜记录为出发点,设计并制备了大角带宽高衍射效率的体全息光栅。首先讨论在横电模式光和横磁模式光下体全息光栅的记录参数与其衍射效率的关系,找到平均衍射效率较高的记录参数范围,随后进一步分析在此范围内的记录参数与体全息光栅的角带宽的关系,从而确定获得大角带宽高衍射效率体全息光栅的最佳记录参数。实验结果表明:在参考光入射角度为25°、信号光入射角度为30°时,制备的体全息光栅的角带宽达到±14°,衍射效率为82%。     

宽温度范围双层衍射元件优化设计及应用

建立了环境温度对双层衍射元件衍射效率影响的数学模型，给出高衍射效率衍射元件的优化设计方法。通过选择宽温度范围内设计波长对，计算衍射元件微结构参数，确保双层衍射元件在基底材料确定的情况下仍具有高衍射效率，发现混合成像光学系统具有最佳像质。最后设计了一套含有此双层衍射元件的中波红外混合成像光学系统。结果表明，与传统设计相比，本文方法能够有效地改善混合成像光学系统的无热化设计像质，设计结果更好。     

衍射元件表面粗糙度对衍射效率的影响

基于多层衍射光学元件的位相延迟表达式,提出了单点金刚石车削影响下的多层衍射光学元件衍射效率和带宽积分平均衍射效率的数学模型,并给出了相应的分析表达式.以基底材料分别是硒化锌和硫化锌构成的多层衍射光学元件在近红外波段(1.4~2.5m)的应用为例进行分析.结果表明表面粗糙度会导致多层衍射光学元件衍射效率和带宽积分平均衍射效率的明显降低,从而降低了混合成像光学系统的成像质量.因此,单点金刚石车削衍射元件时,要根据使用需求制定合理的表面粗糙度加工误差.     

多层衍射光学元件设计原理与衍射效率的研究

叙述了多层衍射光学元件的设计原理.通过对多层衍射光学元件结构、位相延迟表达式、材料选择匹配的研究,使得优化最大光栅高度后的多层衍射光学元件能够实现大幅度提高宽光谱范围内衍射效率的作用.其衍射效率在从g谱线（435.834 3 nm）到C谱线（656.272 5 nm）的可见光范围内的任何波长上的理论衍射效率均在99％以上,带宽积分平均衍射效率为99.7％,能够满足高质量成像光学系统应用的需要,并利用该元件设计了长焦距复消色差物镜.     

偏心误差对长波红外波段多层衍射光学元件衍射效率的影响

基于衍射光学元件的相位延迟和衍射效率表达式,推导出了含有偏心误差的多层衍射光学元件衍射效率表达式。建立了含有偏心误差的多层衍射光学元件衍射效率的数学模型,分析了偏心误差对多层衍射光学元件衍射效率及多色光积分衍射效率的影响。以在8~12μm波段内的硫化锌(Zn S)和锗(Ge)为基底材料构成的多层衍射光学元件为例,其设计波长对为8.79μm、11.11μm,构成多层衍射光学元件的两层谐衍射元件微结构高度为78.3391μm、34.6076μm,当多层衍射光学元件的环带宽度分别为500μm和1000μm时,其衍射效率达到95%以上时,偏心误差须分别控制在5.8μm和11.17μm以内。该含有偏心误差的多层衍射光学元件的衍射效率分析模型对于多层衍射光学元件的设计与加工具有重要意义。     

多层衍射光学元件设计原理与衍射效率的研究

叙述了多层衍射光学元件的设计原理．通过对多层衍射光学元件结构、位相延迟表达式、材料选择匹配的研究,使得优化最大光栅高度后的多层衍射光学元件能够实现大幅度提高宽光谱范围内衍射效率的作用．其衍射效率在从g谱线（435．8343nm）到C谱线（656．2725nm）的可见光范围内的任何波长上的理论衍射效率均在999／6以上,带宽积分平均衍射效率为99．7％,能够满足高质量成像光学系统应用的需要,并利用该元件设计了长焦距复消色差物镜．     

双波段多层衍射光学元件的基底材料选择方法研究及其在变焦系统中的应用

基于双波段系统的多层衍射光学元件(MLDOE)的带宽积分衍射效率(PIDE),建立其与入射角度和基底材料关系的数学模型,提出一种双波段斜入射多层衍射光学元件基底材料的选择方法,并通过该方法选择出双波段多层衍射光学元件基底材料的最佳组合方案。方法的提出以及数学模型的建立,解决了光线斜入射时基底材料选择不当导致多层衍射元件衍射效率和带宽积分衍射效率下降的问题,为多层衍射元件在多波段和宽波段系统中的应用提供理论指导。依据该方法,设计了适用于中波红外3.7～4.8μm(MWIR)和长波红外7.7～9.5μm(LWIR)双波段的多层衍射光学元件,并利用该衍射元件设计了10倍中长波折衍混合双波段红外变焦系统。结果表明,该系统在中波红外奈奎斯特频率处的调制传递函数(MTF)均大于0.52,在长波红外奈奎斯特频率处的MTF均大于0.35。     

红外双色宽波段高衍射效率衍射光学系统设计

采用双层Kinoform型衍射光学元件,设计了一种能够同时在红外中波(MWIR)3~5μm和长波(LWIR)8~14μm波段内工作的双波段光学系统。系统仅使用两种材料(ZnS和ZnSe)和四片透镜,实现了焦距100mm、F数1.2的长焦距、大相对孔径光学系统设计。通过数值仿真运算,合理地选择双层衍射光学元件的两种基底材料及设计波长,衍射光学元件的带宽积分衍射效率超过96%。系统像差得到了很好的校正,成像质量良好,中波所有视场调制传递函数(MTF)(14.3lp/mm)大于0.7,长波大于0.65,且接近衍射极限,同时分析了衍射效率对系统MTF的影响。最后利用Matlab软件绘制了衍射表面微结构仿真图,两个衍射面的最大闪耀深度分别为179.3μm和159.4μm,最小特征尺寸为1.41mm,完全满足目前金刚石车削工艺的加工要求。     

紫外光固化有机-无机纳米复合材料成型衍射光学元件制造技术

针对衍射光学元件制造中材料选择的局限以及遮挡效应,采用了紫外光固化有机-无机纳米复合材料快速成型技术制造衍射光学元件,获得高折射率、高色散的衍射光学元件。通过有机-无机纳米复合材料制备实验获得了一种适合制造衍射光学元件的复合材料配方,配方各成分包括质量分数为57.97%的2官脂肪族聚氨酯丙烯酸酯(2PUA)、质量分数为38.64%的季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)、质量分数为1.45%的光引发剂184(Irgacure 184)、质量分数为1.93%的分散剂163(disperbyk 163)和质量分数可控的纳米粒子ITO。使用该方法制备了紫外光固化衍射光学元件,并使用台阶仪测量得到衍射光学元件模芯表面的平均微结构高度为13.26μm,光固化衍射光学元件表面的平均微结构高度为12.58μm,使用光固化衍射光学元件与模芯微结构的相对误差为5.141%。紫外光固化有机-无机纳米复合材料的衍射光学元件制造技术突破了材料选择局限,减小了遮挡误差,对宽波段的折衍射混合光学系统的快速成型具有重要意义。     

基于柯西色散公式的多层衍射光学元件的设计和分析

以衍射光学元件相位延迟表达式为理论基础,采用光学材料的折射率柯西色散近似公式,研究并得到了多层衍射光学元件的相位延迟与材料的关系,以及衍射效率与设计波长的关系.在400～700 nm可见光波段,以聚甲基丙烯酸酯和聚碳酸酯为基底材料,由柯西色散近似公式设计的多层衍射光学元件的最大带宽积分平均衍射效率为99.62%,相应的...     

基于带宽积分平均衍射效率的多层衍射光学元件设计

以衍射光学元件(DOE)相位延迟表达式为基础,研究并给出了多层衍射光学元件(MLDOE)的带宽积分平均衍射效率(BIADE)与相应设计波长关系的表达式。在MLDOE的基底材料确定后,由所给出的表达式可以得到最大BIADE及相应的设计波长,由此可以实现MLDOE的BIADE最大化、精确化设计。在0.4～0.7μm可见光波段,以聚甲基丙烯酸酯和聚碳酸酯为基底材料,通过优化得到最大BIADE为99.3%,相应的设计波长为0.435μm和0.598μm,各层谐衍射元件(HDE)的微结构高度分别为16.460μm和12.813μm,所得到的BIADE比以0.4μm和0.7μm为设计波长时高4%。     

衍射光学元件热稳定性的分析

本文对折射元件和衍射元件的温度特性进行了分析,建立了透镜焦距和衍射效率随环境温度的变化关系,通过施密特红外望远镜系统的设计,比较了折射非球面与衍射光学校正板的温度特性对系统光学传递函数的影响,结果表明衍射光学元件具有较好的热稳定性.     

镀有增透膜的多层衍射光学元件的优化设计方法

基于等效介质理论和多层衍射元件的本体相位延迟,考虑增透膜相位调制的影响,对多层衍射光学元件的表面微结构参数进行优化;采用优化设计方法分析应用于可见光波段镀有增透膜的多层衍射光学元件。结果表明:优化设计方法在保证增透膜物理作用的前提下,实现了在设计波长处的衍射效率为100%以及在宽波段内具有高多色光积分衍射效率;该方法弥补了传统多层衍射光学元件的设计缺陷,完善了多层衍射光学元件的设计理论,为混合成像系统的设计提供了参考。