Design of Infrared Inverted Telephoto-Optical System with Double-Layer Harmonic Diffractive Element

A double-layer harmonic diffractive element （HDE） structure is investigated and the optimization procedure is given based on the equation of diffraction efficiency of the double-layer diffractive optical element. A new infrared double-layer inverted telephoto-optical system with an HDE is designed, which can work in the mid- and farinfrared wavebands. The diffraction efficiency of the system at each wavelength in the designed two wavebands is larger than 90%, which improves the image contrast and the imaging quality significantly.     

红外双波段双层谐衍射光学系统设计

将谐衍射透镜应用在传统红外单波段佩茨瓦尔(Petzval)物镜上,设计得到工作波段处于3.4~4.2μm和8~11μm的红外双波段单层谐衍射光学系统。但单层谐衍射元件的衍射效率只在设计波长处衍射效率最高,随着波长相对设计中心波长向两侧偏离,主衍射级次的衍射效率逐渐下降。为提高含单层谐衍射元件光学系统的衍射效率,基于双层衍射元件衍射效率表达式研究了双层谐衍射元件的结构优化,给出了优化方法。设计出佩茨瓦尔型红外双波段双层谐衍射光学系统,其在3.4~4.2μm和8~11μm两个工作波段的衍射效率均达到90%以上,相比含有单层谐衍射面的光学系统衍射效率有了很大提升,提高了像面衬比度,完善了系统成像质量。     

含有双层谐衍射元件的红外双波段光学系统消热差设计

用投影无热差图和双层衍射元件选玻璃的原则,选择了适用红外双波段消热差、消色差的玻璃组合.为提高衍射效率,基于双层衍射元件衍射效率表达式研究了双层谐衍射元件的结构优化,给出了优化方法.利用双层谐衍射元件设计的折衍混合双波段光学系统视场角10°,F#为2,有效焦距115 mm.系统在3.4~4.2 μm和8~11 μm两个工作波段的衍射效率均达到90%以上;－40~100℃温度范围内,中心视场的调制传递函数值变化最大为0.09、边缘视场的调制传递函数值变化最大为0.13.     

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。     

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。     

含双层衍射元件消热差长波红外光学系统设计

采用多层衍射元件是实现宽波段高衍射效率的有效方法,设计了一个含双层衍射元件-30℃～70℃消热差系统。通过合理选择衍射面的基底材料,优化衍射表面的浮雕深度,设计出红外宽波段高衍射效率的消热差光学系统。设计结果表明,在整个设计温度范围内,该光学系统成像质量良好,光学传递函数在16lp/mm时均在0.6以上。     

用于半导体激光打标机的谐衍射/折射f-theta镜

根据半导体激光器发射波长的范围和谐衍射透镜的特点,讨论了含有谐衍射光学元件的混合f-theta镜的设计.将谐衍射面型引入到半导体激光器及Nd:YAG激光器打标镜的设计中,使用普通的光学材料,使系统在0.8-1.5 μm波段内很好地校正了各种单色像差和色差,在各个分立波长上系统的光学传递函数接近或达到衍射极限.系统结构紧凑、片数少、兼容性好、具有良好的像差特性,适用于半导体激光器及Nd:YAG激光器打标系统.     

谐衍射双波段红外超光谱探测系统研究

根据谐衍射元件的特殊色散原理及红外波段的窗口特性，将谐衍射透镜应用于红外超光谱探测器中.阐述了利用衍射光学元件色散特性的新型红外双波段超光谱探测成像的基本原理，给出了具体的系统设计实例.设计结果表明，此系统提高了图像的分辨率,增大了接收光能量的能力.在两个波段内同时较好地完成了系统的像差校正，波前差都小于1/4波长.在20线对/mm时, 光学传递函数在这两个波段内的各个变焦位置均达到衍射极限. 关键词： 谐衍射元件 超光谱探测 光学设计     

Investigation of diffractive optical element for shaping a Gaussian beam into a ring-shaped pattern

To convert a given single-mode He–Ne laser beam into a ring-shaped intensity distribution, a diffractive optical element with 16 levels was designed by YG amplitude-phase retrieval and iteration algorithm. This beam shaper is investigated experimentally and compared with the results of the computer design. The results show good conformity, and the measured diffraction efficiency is 87.2%. In addition, the diffractive effect is observed when the distance between diffractive optical element and CCD is changed.     

含三层衍射元件的60°视场折/衍混合头盔目镜

设计了一种含有三层衍射光学元件的60°视场头盔显示目镜,并给出了系统优化过程和结果.在整个视场和设计波段范围内三层衍射光学元件的衍射效率均在90%以上,提高了系统的光能利用率和像的对比度.此目镜光学系统的出瞳直径为8 mm,出瞳距离为22 mm.整个系统重量仅为8 g,总长度为26.8 mm,结构轻便紧凑,具有良好的光学性能,满足头盔显示目镜的使用需求.     

The investigation of three layers diffraction optical element with wide field of view and high diffraction efficiency

In this paper, a novel three layers diffraction optical element (TLDOE) composed of the optical materials with different indices and dispersion in each layer has been designed and investigated, the principle of selecting optical materials is discussed as well. The diffraction efficiency of the TLDOE at each wavelength in designed band is larger than 90% and the field of view (FOV) can even reach 110°, which can effectively improve energy utilization ratio and image quality of the hybrid refractive–diffractive optical system.     

高衍射效率衍射望远镜系统的设计/加工及成像性能测试

为提高衍射效率,设计并制作了口径为300mm的衍射成像系统.该系统的物镜是由一块四台阶位相型菲涅尔波带片通过激光直写套刻和Ar离子束物理刻蚀技术在石英玻璃基板上加工而成.测试了衍射物镜的衍射效率,实验结果表明:衍射物镜在波长632.8nm处的衍射效率为66.4%,达到理论值的82%.搭建了衍射成像系统光路,分别采用10μm星点孔与分辨率板,测试了系统的成像性能.实验测得星点像直径为44μm,分辨率板的极限分辨率达到84lp/mm,接近该系统的理论计算值,表明该衍射成像系统具有较好的成像性能.     

衍折射设计用于均匀照明的衍射光学器件

 在工艺上衍射光学元件是通过相位板来实现的,由于其多台阶化产生的不连续性,会对目标光场产生sinc调制,产生高级次衍射斑,损失了15%或者更多能量。通过对设计衍射光学器件的传统的IO迭代算法进行了研究,提出了一种与衍折射相结合的设计方法,在衍射光学器件的部分区域形成一块连续相位区域,减少了相位片台阶化区域的光强和衍射斑的强度。通过逐步变化连续相位对输出光强情况的影响的研究,可以优化相位参数,使入射到输出面的光束保证一定匀滑性的前提下,提高目标光场区域的衍射效率达到90%以上,能够满足均匀照明的要求。     

基于固定校正镜的折衍共形光学系统设计

设计了一个大扫描视场的折衍混合红外共形光学系统,共形成像系统工作波段为3.7～4.8 m,相对孔径为1/2,焦距为120 mm,扫描视场为40。由于共形光学系统具有大偏心、大倾斜光学特性,像差校正难度较大,设计中采用固定校正镜和折衍混合混合结构校正了共形光学元件的像差,引入了非球面和衍射面有效消除了各个扫描视场的像差。设计结果表明:光学系统光阑与探测器冷光阑重合,满足100%冷光阑效率。在40扫描视场范围内,共形光学系统的光学传递函数曲线接近衍射极限,成像良好。     

折衍射混合复消色差望远物镜中的色球差

一个正透镜、一个负透镜及一个衍射光学元件以不同的组合可以构成两种折衍射混合光学系统.当这两种系统消球差、彗差及复消色差后会产生不同的色球差.通过赛德尔像差理论,分析了这两种结构产生不同色球差的原因.计算表明当衍射光学元件以负透镜的平面为基底时产生的色球差为以正透镜的平面为基底时产生的色球差的7倍.对衍射光学元件以负透镜的平面为基底的情形,提出了减小系统色球差的解决办法,使系统色球差减小到0.307 mm.另外设计了一个传统复消色差光学系统,并和折衍射混合光学系统进行了比较,分析表明,衍射光学元件可代替传统光学系统中的特殊光学材料并使系统达到相同的成像质量.最后讨论了衍射光学元件的衍射效率对系统成像质量的影响.     

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.     

温度变化对谐衍射透镜性能的影响

分析了温度变化对谐衍射透镜的焦距、谐振波长、衍射效率等性能的影响,建立了相应的数学表达式,并对其进行了数值模拟.提出了漂移函数的概念,以表征焦距和谐振波长随温度的变化程度.另外,还给出了各谐振级次的衍射效率随温度变化的相关规律.最后比较了在相位匹配数不同、但设计波长相同时,温度变化对衍射效率的影响,发现相位匹配数越大,衍射效率对温度变化越敏感.     

Efficiency improvement of optical pattern recognition in ultra-fast all-optical intensity equalizer

To cope with a larger intensity fluctuation of optical signals in optical communication networks, we have proposed and demonstrated an ultra-fast all-optical intensity equalizer based on an optical pattern recognition technique. To achieve higher transfer efficiency for this equalizer, we designed and fabricated a highly-efficient optical amplitude-phase filter using a diffractive optical element for optical pattern recognition. The fabricated amplitude-phase filter provides a diffraction efficiency of 85%, and the all-optical intensity equalizer is demonstrated to have higher transfer efficiency, when this filter is used.     

衍射光学元件衍射效率的测量

根据衍射光学元件衍射效率的测量原理,建立衍射光学元件衍射效率测量的双光路装置,简要介绍了双光路测量的优点。针对衍射光学元件衍射效率的测量装置,讨论了影响衍射效率测量精度的因素,合理地选择测量装置中的针孔光阑,即可以让主衍射级次的光全部通过被探测器接收,又可以滤掉次级衍射光,保证测量结果的准确度。针对所设计研制的一个折衍射混合成像光学系统,测量了可见光波段3个激光波长的衍射效率,并对测量结果进行了模拟和分析。在473～632.8nm波段范围内任意一个波长处,衍射效率的测量结果同理论值的偏差均小于5.0%。实验证明,双光路测量装置可以用于测量衍射光学元件的衍射效率。     

The efficiency of relief-phase diffractive elements at a small number of Fresnel zones

A technique and investigation results are presented on the effect of the number of Fresnel zones on the diffraction efficiency and quality of the wave front formed by a diffractive optical element. Equations are presented for the microstructure reliefs of diffractive optical elements making (regardless of the number of Fresnel zones) the wavefront shape coinciding with the calculated one and ensuring 100% diffraction efficiency at a single wavelength and, in the case of two-layer structures, almost 100% diffraction efficiency in a wide spectral range.