基于可见光的多波长衍射透镜的设计与分析

针对传统衍射透镜在可见光波段工作波长单一、色散严重等问题,提出一种能同时在多个波长工作的衍射透镜的设计方法,该设计方法可以让衍射透镜在几个波长处具有相同位置的焦点,解决了传统衍射透镜在成像时焦点偏移的问题,将所设计的透镜命名为多波长衍射透镜。通过最小化一个目标函数来寻找衍射透镜表面每一个位置的最佳微结构高度,该目标函数描述了多波长衍射透镜在工作波长处的复透射函数与传统衍射透镜的复透射函数的偏差。基于该方法设计了适用于三波段的衍射透镜,并采用标量衍射理论进行仿真分析,结果显示其在设计波段内具有良好的消色差效果。     

无衍射光经望远镜系统的变换

对于轴锥镜透镜产生的无衍射光，它的中心光斑半径和无衍射距离是固定的，一旦应用中要求新的光束参数，则只能再制造一个新的轴锥镜透镜。本语文提出了种用普通球面透镜望远为改变无衍射光束参数的新方法，该方法是基于无射光和环光源之间的透镜变换关系。无衍射光首先被望远系统的第一块透镜变换为一个环光源，第二块不同焦距的透镜再将该环光源变换为一个不同参数的新无衍射光。新的光束参数由两个透的焦距比值决定 。     

小F数衍射微透镜阵列光学性能研究

本文基于小光点扫描,在国内首次提出了一种测试小F数衍射微透镜阵列光学性能的方法.利用光通信用半导体激光器和探测器建立了一套测试系统,并对所研制的大阵列,小单元尺寸的多相位菲涅耳衍射微透镜阵列的衍射效率和点扩散函数进行了测试.结果表明,衍射微透镜实际衍射光斑比理论衍射受限光斑扩展不大,8相位和16相位石英微透镜的衍射效率分别高达80.2%和87.5%,说明本实验室对多相位的设计理论和制作工艺已基本掌握,满足应用的要求.     

用于并行激光直写的连续深浮雕衍射透镜阵列研究

研究了一种用于并行激光直写的连续深浮雕衍射透镜阵列方法.该方法采用连续浮雕衍射透镜阵列替换传统并行激光直写中的物镜阵列,在兼顾系统分辨力基础上,克服了波带片等衍射透镜阵列衍射效率低的缺点;同时因采用深浮雕结构优化环带宽度,可降低阵列的制作难度.针对并行激光直写系统阵列F/#小的特点,在建立连续深浮雕衍射透镜阵列非旁轴近似聚焦模型基础上,设计、制作和测试了波长为441.6 nm,F/#为7.5的连续深浮雕衍射透镜阵阵列.测试结果表明:该阵列的衍射效率优于70%,远高于波带片阵列的40%.     

用于并行激光直写的连续深浮雕衍射透镜阵列研究

研究了一种用于并行激光直写的连续深浮雕衍射透镜阵列方法.该方法采用连续浮雕衍射透镜阵列替换传统并行激光直写中的物镜阵列,在兼顾系统分辨力基础上,克服了波带片等衍射透镜阵列衍射效率低的缺点|同时因采用深浮雕结构优化环带宽度,可降低阵列的制作难度.针对并行激光直写系统阵列F/#小的特点,在建立连续深浮雕衍射透镜阵列非旁轴近似聚焦模型基础上,设计、制作和测试了波长为441.6 nm,F/#为7.5的连续深浮雕衍射透镜阵阵列.测试结果表明：该阵列的衍射效率优于70%,远高于波带片阵列的40%.     

激光直写制作的小F数连续浮雕衍射透镜轴向聚焦特性分析

为确定卷积效应以及深度制作误差对小F数连续浮雕衍射透镜(DOE)轴向聚焦特性影响,基于瑞利-索末菲衍射理论建立了激光直写制作的连续浮雕衍射透镜非旁轴近似轴向光强分布模型.该模型考虑了连续浮雕衍射透镜的轴向衍射聚焦特性与透镜结构参数、写入光斑尺寸和扫描间距以及深度制作误差的关系,克服了傍轴近似条件下传统模型的不精确性.为验证模型的正确性,用激光直写制作了设计波长为441.6 nm,F数为4以及相位匹配因子为3的连续浮雕衍射透镜,并测试了波长441.6 nm激光入射时透镜的轴向聚焦特性.实验与分析表明,该模型分析结果与实验测试结果符合,从而证实模型的有效性,为激光直写制作的小F数连续浮雕衍射透镜的应用提供了理论依据.     

衍射微透镜列阵的研究与应用

本文研究了衍射微透镜列阵的设计与制作工艺方法，在此基础上研制出一系列衍射微透镜列阵，衍射效率均大于８５％，在深紫外、可见及红外波前传感器中得到了成功应用。     

基于非球面基底的红外谐衍射元件设计

根据谐衍射透镜的特点以及非球面校正像差的独特性能,将谐衍射面制作在非球面基底上制成单透镜,该单透镜应用于红外系统中,能够在两个波段1．8～2．4μm和3．4～4．8μm内同时较好地校正系统的色差,有效地校正此单片镜系统的像差,在设计波段内大幅度提高了衍射效率,成像质量接近衍射极限。     

温度涨落和波长偏离对衍射透镜性能的影响

根据菲涅耳衍射透镜的特点,阐明了温度色散和波长色散的概念,并建立了相应的数学表达式,给出了衍射效率与温度和波长的关系式,在此基础上做了较为全面系统的理论和数值分析,评估了温度场发生变化以及使用波长和设计波长发生偏离对衍射透镜性能的影响程度.结果表明:波长偏离对衍射透镜性能的影响要比温度涨落明显得多,其中,波长色散具有非线性特征.     

同轴共轭透镜对斜入射平行光的聚焦衍射特性

通过对同轴共轭透镜的基尔霍夫衍射的分析,导出了合适的衍射图计算公式,分析了斜入射时的衍射图特性,给出了模拟计算和实验结果,并探讨了在调整允差方面的应用。     

激光直接光刻制作微透镜列阵的方法研究

介绍了利用激光直接光刻制作８相位台阶菲涅尔衍射微透镜列阵的工艺方法，并对元件的衍射效率及光刻过程中的制作误差进行了分析，透镜列阵在小形Ｓｈａｃｋ－Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传感器中得到了应用。     

Techniques for formation of the surface profile of diffractive optical elements

We give a review of the findings of an investigation into a photolithographical method of fabricating diffractive optical elements (DOEs), based on the use of only one photomask with two transmittance gradations. The binarization of the continuous transmission function of the diffractive element is conducted using a technology of half-toning of continuous-tone images and the exposure of the light-sensitive medium is performed using an incoherent spatial filtration in combination with a conventional photolithographical process. We analyze how the DOE diffractive efficiency depends on photomask parameters, binarization methods and fabrication errors. Comparison of the characteristics of the method proposed with the well-known multilevel method is made. Peculiarities of fabricating DOEs with continuous phase profile resulting from the projection, contact, and X-ray lithography are discussed. The results of experimental research are given. A possibility of fabricating DOEs with an 80% diffractive efficiency using only one photomask is demonstrated.     

无球差非球面短程透镜的研究

用光线追迹迭代法和解析法设计无球差非球面波导短程透镜的母线,用单点金刚石超精加工和凹面波导制备工艺,研制成孔径和有效孔径分别为8和6mm的LiNbO3导短程透镜.实验表明,器件在有效孔径内无球差;对4mm宽的输入平面波光束,焦点衍射光斑半宽度为4μm;透镜插入损耗为～1dB.     

Achromatic diffractive lens written onto a liquid crystal display

We propose a programmable diffractive lens written onto a liquid crystal display (LCD) that is able to provide equal focal lengths for several wavelengths simultaneously. To achieve this goal it is necessary that the LCD operate in the phase-only regime simultaneously for the different wavelengths. We design the appropriate lens for each wavelength, and then the lenses are spatially multiplexed onto the LCD. Various multiplexing schemes have been analyzed, and the random scheme shows the best performance. We further show the possibility of finely tuning the chromaticity of the focal spot by changing the relative weights of the multiplexing among the various wavelengths.     

二元光学透镜在资源卫星中的应用

使用一种基于二元光学透镜的分光成像及消色差原理的新方法来设计资源卫星的中继光学系统。通过分析二元光学透镜的分光成像原理、消色差原理、衍射效率与阶数和工作波长及设计波长的比之间的关系,又考虑到单独设计制造二元光学透镜的难度,采用折衍混合成像光学系统来拟定资源卫星中继光学系统的设计方案,给出用ZEMAX软件设计的具体结果。设计实例及分析结果表明,包含二元光学透镜的折衍混合成像系统可以很好的实现光谱波段分离,用于资源卫星的光学系统具有一定的适用性。     

Dual-Frequencies Diffractive Lenses at Millimeter Wavelengths

Diffractive lens have many advantages over refractive lens at millimeter waves band, such as thin, light and low dielectric loss and so on. However, diffractive lens have chromatic aberration, that is, focusing performance of diffractive lens is frequency dependent. In this report, a dual frequencies diffractive lens is developed, which can work at 8mm band and 3mm band, based on the harmonic diffractive lens techniques. Experiments show it has almost same focusing performance at 8mm band and 3mm band.     

Characteristics of filament induced Dammann gratings fabricated using femtosecond laser

To establish optimal processing conditions for direct write fabrication of diffractive optical elements such as gratings, waveguides, lenses, we have investigated the effect of process parameters such as scan speed, numerical aperture (NA) of objective lens, pulse energy on the characteristics of the filament induced inside fused silica with a femtosecond Ti:sapphire laser. The optimum process parameters were used to fabricate a number of Dammann gratings, 6×6 array, having different thicknesses and number of layers. The performance of these optical elements was evaluated by measuring their diffraction efficiencies. All gratings fabricated were strongly birefringent, the zero order spot with high intensity was not separated from the spot array, and the intensity distribution of 6×6 spot array exhibited some degree of nonuniformity. The single layer Dammann grating fabricated with a thickness of 80 μm attained a maximum diffraction efficiency of 38.8%.     

圆孔液晶透镜的ZEMAX设计与优化

液晶透镜是自由3D显示的新器件,其原理是利用基于向列相液晶指向矢随外加电场作用发生变化的光电特性。本文提出一种简易准确的透镜参数设计和优化方案。以单圆孔结构的液晶透镜为例,利用光学软件ZEMAX和焦距缩放法对圆孔结构的液晶透镜的参数加以设计并优化。分析液晶透镜的像差,评价成像质量。结果表明,优化后的液晶透镜的像差明显减小,3.5°视场下,弥散斑均方根半径RMS值由248.118μm减小到62.192μm,为原来的25.1%;光学调制传递函数MTF值明显改善。最后实验测试验证了液晶透镜阵列的衍射光斑亮度及清晰度均显著提高。     

紫外衍射微透镜阵列的设计与制备

为了提高紫外焦平面阵列的填充因子,可以通过微透镜阵列与紫外焦平面阵列的集成,以改善紫外焦平面阵列的探测性能。根据标量衍射理论设计了用于日盲型紫外焦平面阵列的128×128衍射微透镜阵列,其工作中心波长为350nm,单元透镜F数为F/3.56。采用组合多层镀膜与剥离的工艺方法制备了128×128衍射微透镜阵列,对具体的工艺流程和制备误差进行了分析,测量了衍射微透镜阵列的光学性能。实验结果表明:衍射微透镜阵列的衍射效率为88%,与理论值95%有偏差,制备误差主要来自对准误差和线宽误差。紫外衍射微透镜阵列具有均匀的焦斑分布,与紫外焦平面阵列单片集成能较好地改善器件的整体性能。     

基于菲涅耳透镜阵列的红外气体传感器

菲涅耳透镜同时具有分光与会聚特性, 且体积小、重量轻和易复制, 使其在光谱检测中得到逐步应用, 但典型光谱成像仪采用菲涅耳透镜沿光轴扫描的方法来获得连续谱线, 不利于光谱仪的稳定性。考虑到气体探测需求, 选用多通道方式来获得多光谱, 提出了一种基于菲涅耳透镜阵列的新型红外气体传感器, 可实现吸收波长在3～5 μm的CO2,CO,CH4,SO2气体的实时检测。利用球面波的传输理论和瑞利判据, 推导了菲涅耳透镜光谱分辨率与透镜结构参数之间的函数关系, 并以光谱分辨率小于50nm为性能指标, 对1μm工艺的8台阶菲涅耳透镜阵列的结构参数进行了计算和误差分析。结果表明, 透镜阵列所需焦距为47.84 mm, 平均数值孔径大于0.4。