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。     

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.     

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.     

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．     

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。     

多层衍射光学元件成像特性的研究

讨论了多层衍射光学元件的光学成像性质.给出了优化设计多层衍射光学元件最大光栅厚度的方法,分析了构成多层结构的每块单层衍射元件的衍射效率对整体衍射效率的贡献作用.在0.436～0.656 μm的可见光波段,多层衍射光学元件最低衍射效率可达到98%以上,克服了单层衍射元件偏离设计波长后衍射效率显著下降的缺点,改善了宽波段衍射效率.将多层衍射光学元件应用在折、衍射混合光学系统中能够明显提高系统的成像质量,同时使得光学系统体积减小,重量减轻,并且在某些系统中可以避免使用昂贵的特殊材料,从而可以降低光学系统的成本价格.     

多层衍射光学元件成像特性的研究

讨论了多层衍射光学元件的光学成像性质.给出了优化设计多层衍射光学元件最大光栅厚度的方法,分析了构成多层结构的每块单层衍射元件的衍射效率对整体衍射效率的贡献作用.在0.436～0.656 μm的可见光波段,多层衍射光学元件最低衍射效率可达到98%以上,克服了单层衍射元件偏离设计波长后衍射效率显著下降的缺点,改善了宽波段衍射效率.将多层衍射光学元件应用在折、衍射混合光学系统中能够明显提高系统的成像质量,同时使得光学系统体积减小,重量减轻,并且在某些系统中可以避免使用昂贵的特殊材料,从而可以降低光学系统的成本价格.     

用于共孔径相干合成的衍射光学元件设计

分析了衍射光学元件实现共孔径相干合成的物理过程,建立了基于衍射光学元件的共孔径相干合成数学模型,推导了合成光束复振幅与入射光束和衍射光学元件相位分布之间的关系。提出用合成光束强度分布的均匀性作为评价函数的优化方法,获得了一维衍射合束器的相位分布。与文献报道的衍射光学元件分束器相比,可获得更高的合成效率。采用模拟退火算法结合随机并行梯度下降算法优化合束器设计,提高了计算效率,获得了多束衍射合束器的相位分布和合成效率。分析了单子束失效及合束器像差对合成效率的影响,结果表明:随着合束数量的增加,单子束失效对合成效率的影响逐渐减小;若使合成效率退化小于5%,衍射光学元件的波像差均方根值应控制在λ/28以内。     

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%。     

负折射率材料透镜的消色差

以工作在近红外波段0.848 μm～1.114μm,焦距100 mm,入瞳直径20 mm,具有负阿贝数的负折射率平凹透镜为例,介绍了两种对该类负折射率透镜的消色差设计方法,即利用正折射率材料透镜与负折射率材料透镜组合消色差和负折射率透镜中引入衍射光学元件实现折衍射混合透镜消色差方法.结果表明,正负折射率材料透镜组合消色差方法中正折射率材料透镜承担几乎全部光焦度,进而引入大量额外单色像差,但利用衍射光学元件可以在不引入额外像差的同时实现负折射率透镜的消色差.根据负折射率材料在介质与空气分界面的特殊折射特性,推导了以负折射率为基底的衍射光学元件的衍射效率公式,得到衍射微结构高度公式,求出不同波长处的衍射效率值.负折射率二元衍射光学元件在设计波长0.912 μm处衍射效率为40.53％,在波长0.848 μm处的衍射效率为35.06％,在波长1.114 μm处的衍射效率值为39.83％.     

斜入射下双波段双层衍射光学元件优化设计与分析

基于斜入射衍射光学元件的正常工作模式,建立了斜入射下入射角度和入射波长对双波段双层衍射光学元件衍射效率影响的数学模型,给出了对应双层衍射光学元件的优化设计方法。通过在入射角度范围内优化设计波长对,计算双层衍射光学元件微结构高度,确保了斜入射时双层衍射光学元件仍具有高衍射效率,弥补了双层衍射光学元件的缺陷。该方法能够指导双波段折衍混合成像系统的设计,也可以扩展至多波段多层衍射光学元件的设计中。依据该方法,设计了一套基于双层衍射光学元件的中/长波双波段折衍混合光学系统。结果表明,与常规设计相比,该方法的设计理论更加合理,设计结果更优。     

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.     

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。     

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。     

衍射光学透镜色散特性的仿真研究

在白光照射下,衍射光学透镜的焦距不仅同材料色散和波长色散有关,而且还同孔径因子有关。基于折射率随波长变化的经验公式,利用自编的仿真计算程序包,得到了透镜焦距、材料色散、波长色散、孔径因子之间的关系曲线。所获得的理论分析和仿真计算结果为进一步设计消色差的纯衍射目视光学系统提供了理论依据,具有一定的指导意义。     

菲涅耳衍射公式误差相位的讨论

根据波动光学的理论,对菲涅耳近场衍射公式误差相位的影响进行了分析。以单缝衍射为例,讨论了误差相位与计算精度的联系。结合菲涅耳线波带片焦面光强分布的计算,对比了菲涅耳衍射公式与基尔霍夫衍射公式的计算结果,说明在不满足误差相位近似条件下使用菲涅耳衍射公式带来的影响。最后对影响波带片焦面光强分布的几个因素进行了讨论。     

多层衍射元件的浮雕深度和基底材料的优化分析

在分析单层和多层衍射元件衍射效率的基础上,推导出光学系统中多层衍射元件浮雕深度和基底材料的一般关系式,并对这些变量进行优化,得到阿贝数的值大致在20～80之间,β的合理值在0.25～0.6之间,当2个衍射元件的阿贝数v1＜v2,且差值比较大时,阿贝数小的衍射元件的基底材料选择光学玻璃中的火石玻璃,阿贝数大的衍射元件的基底材料选择光学玻璃中的冕牌玻璃。根据这个方法,设计了3组可实现宽波段高衍射效率的不同材料、不同浮雕深度的组合,使得每组组合中两层衍射元件的衍射效率都在99%以上。     

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.     

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。     

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。