衍射光学元件设计方法综述

衍射光学元件（DOE）因其轻型化、小型化和多功能化等特点,在现代光学系统中得到了越来越广泛的应用。针对不同应用场景下DOE的性能需求,研究人员需要灵活运用DOE的设计方法进行设计。通过回顾DOE设计的基本原理简述了现有基于衍射原理和干涉原理的DOE设计方法,通过几种典型应用中的最新进展阐述了具体的DOE设计方法及其适用性,并对DOE设计中的难点及其在未来科技中的可能应用方向进行了展望。     

衍射光学元件的效率研究

衍射光学元件的衍射效率是其在设计和应用时需要重点考虑的因素。用标量理论的方法分析可以得到较高的理论衍射效率。然而,标量理论所作的假定限制了其在高频衍射结构中分析结果的精确性,制作上的局限也降低了实际可能的衍射效率。讨论了标量分析的方法,并说明了怎样结合设计实际来实现对衍射效率的提高。     

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。     

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.     

衍射光学元件的设计方法

衍射光学是基于光学衍射原理和利用计算机产生全息图和相息图（ｋｉｎｏｆｏｒｍｓ）以及微电子加工　　技术而发展起来的一个新的光学分支。衍射光学元件能够同时实现几种光学功能,从而实现光学元件的微型阵列化与集成化。着重介绍基于衍射标量理论、衍射光学元件的设计原理和相关的算法。通过简单的例子来说明设计的步骤和结果。     

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．     

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.     

衍射光学元件设计中的插值迭代方法

在I-O算法的基础上提出一个适合于FFT迭代计算的DOE精细化设计方法.并对此方法进行了重复性计算实验.结果表明,这种精细化设计方法可以比较有效地改善设计目标的PV与RMS值,具有较好的可重复性,为后续的模拟退火优化提供了比较良好的初始位相结果.     

基于纳米压印的大角度衍射光学元件批量化制备方法

针对大角度(大于50°)衍射光学元件低成本、批量化制备的需求,提出一种基于纳米压印技术的制备方法.首先利用光学曝光技术或电子束直写技术制备衍射元件的原始母板,然后将原始母板的结构通过纳米压印过程复制到压印胶上,完成衍射光学元件的制备.由于纳米压印母板可以多次重复使用,降低了制作成本,提高了效率.用该方法制备了不同特征尺寸(最小为250nm,衍射全角为70°)的衍射光学元件,具有良好的衍射效果,实现了对高深宽比浮雕结构的高保真复制.该技术可实现从微米到纳米跨尺度兼容的衍射光学元件的高保真、低成本、批量化制备.     

基于瑞利-索末菲积分的大衍射角衍射光学元件设计方法

针对现有的衍射光学元件设计方法只适用于小角度衍射的情况,本文提出了一种基于瑞利-索末菲衍射积分的设计方法,可以用来设计具有大衍射角的衍射光学元件。先对目标光场进行坐标变换和强度调整,再利用改进的Gerchberg-Saxton算法优化得到衍射光学元件的相位分布。分别采用本文方法和原有的基于夫琅禾费衍射积分的方法设计衍射光学元件实现线条结构光和不同角度方框图形的光场重构,结果表明:原有的设计方法只适用于衍射角全角小于25°的情况,当衍射角大于25°时,重构光场会出现显著的枕形畸变和不均匀的强度分布。而本文方法在小角度和大角度衍射下都能重构出准确的衍射角和较为均匀的强度分布.     

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.     

含多层衍射光学元件的折/衍射混合头盔目镜

基于对多层衍射元件的衍射效率的理论分析,设计了用于头盔显示器的含有多层衍射元件的60视场折/衍射混合目镜系统。系统在设计波段和整个视场范围内衍射效率均在90 %以上,提高了光能利用率和像面对比度。目镜的出瞳距离为22 mm,出瞳直径为8 mm。调制传递函数（MTF）在25 lp/mm时全视场均在0.38以上,满足VGA分辨率要求。目镜中畸变为4.8%,垂轴色差最大为10 m。整个系统结构紧凑,镜头总长26.8 mm,最大直径16 mm,全系统质量仅8 g,实现了光学系统的轻小型化     

新型衍射光学聚焦透镜元件设计

近年来，随着衍射光学技术的发展和应用，利用衍射光栅进行光束的谐波分离成为各国研究的新热点。我们基于傅里叶模矢量衍射理论方法设计了一种聚焦透射光栅（FTG）元件，它需要3种光学元件（谐波分离光栅、光束取样光栅及聚焦透镜）将实现的功能集成于一体。FTG的结构类似于离轴的菲涅尔波带片，它能将入射的平面波聚焦到一点。由于FTG针对三倍频光设计，只有三倍频光通过它后会聚焦到一点，而基频和二倍频光将直接通过，从而同时实现谐波分离及聚焦功能，而利用反射光即可实现对三倍频光的取样，原理见图1。     

衍射光学元件衍射效率影响混合光学系统性能的一种分析方法

本文从衍射光学元件的衍射效率入手,详细地分析了衍射光学元件衍射效率同混合光学系统光学传递函数的关系,并通过一个实际例子对所分析的结果进行了深入讨论.     

衍射光学元件检测及数据处理

衍射光学元件以其优异的光学性能,能够调制出理想的波面,较球面、非球面光学系统在校正色差方面具有较大优势。衍射光学元件的加工难点在于其加工精度不仅要求非球面基底的面形满足精度要求,还需要衍射结构的相位突变点及高度满足要求。由于其面形非连续性,存在相位突变点,传统的检测方式难于满足要求。对轮廓仪检测误差来源进行分析,结合检测数据分析加工误差数据,在此基础上进行数据处理,并将该方法获得的误差数据应用于零件加工,实现口径120 mm衍射面加工面形误差为0.539 μm。     

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%。     

菲涅耳型衍射光学元件的研究

本文在衍射理论基础上,深入分析了菲涅耳型衍射光学元件的特性,针对连续及二元浮雕结构,建立了位相深度因子(M),波长匹配系数(α)与衍射效率的关系式,对影响衍射效率的因素进行了讨论.研究了设计与工艺的匹配问题,建立了数值孔径,最小特征尺寸与衍射效率的关系,为不同波段衍射光学元件的应用,及设计和评价衍射光学元件提供了有效的理论方法.本文最后举例分析了用于白光波前传感器中的小数值孔径微透镜列阵的性能,并对衍射效率及传递函数两个综合指标进行了测量.     

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。     

衍射光学元件车削补偿技术的研究

超精密单点金刚石车削加工是高精度衍射光学元件制造的重要方法,但是以往的加工方法是直接一次车削加工成型,无法实现具有加工-检测-补偿加工-检测的闭环控制特点的超精密加工,从而导致零件精度较低。针对这种加工技术的缺陷,通过研究衍射光学元件金刚石车削过程和面形状误差补偿,对表面轮廓仪实际测量的轮廓数据进行处理,计算出实际车削曲线与理想曲线之间的法向残余误差,以此获得新的金刚石车削加工轨迹,实现衍射光学元件的超精密闭环控制加工。利用单点金刚石车床对口径78的衍射光学元件进行补偿加工试验,最终使其PV值由10.4 m经过一次补偿加工后降为4.3 m。