多层衍射光学元件设计理论及其在混合光学系统中的应用

论文摘要

表面微结构衍射光学元件在现代光学系统中的应用越来越广泛。利用衍射光学元件所具有的波前复振幅调制作用以及独特的衍射色散与温度特性，可以有效地改善传统折射型光学系统的结构与性能。但对波长的依赖性导致衍射光学元件的衍射效率随成像光谱宽度增加，偏离设计波长而下降，非设计级次上的衍射光增强且形成背景杂散光，影响成像质量，限制了衍射光学元件在宽波段成像领域的应用。本论文基于标量衍射模型，从理论与实践两方面对解决衍射光学元件应用于可见波段宽光谱成像系统中的衍射效率等问题进行了探索。论文首先在系统研究与总结了衍射光学标量理论、矢量理论与几何光学方法的基础上，根据标量衍射理论采用相位多项式与相位变换函数描述衍射光学元件的特点，利用两种以上具有不同色散特性的基底材料构建多个不同相位高度的单层表面微结构，层叠后得到一种新型的多层衍射光学元件，增加了相位分布函数中的可变因子，实现设计波段内多个设计波长光波的精确闪耀，使得整个波段内各波长光波的等效相位调制等于或接近2π的整数倍，从而提高整个设计波段的衍射效率，有效限制了非设计级次衍射杂散光的影响。对于可见光0.4～0.8πm波段，双层衍射光学元件的理论衍射效率可以达到96％以上。进一步深入研究了多层衍射光学元件的色散特性与温度特性，扩展了多层结构的各种形态，并对多层二元光学元件的制作误差对衍射效率的影响进行了分析。提出了利用系统调制传递函数MTF评价多层衍射光学元件衍射效率的方法，试验结果表明该方法切实可行。深入分析了多层衍射光学元件对于系统能量效率的分配作用，给出了采用多层衍射光学元件设计光学系统的流程和方法，设计制作了一个双层衍射光学元件，利用这种新型的多层衍射光学元件对原有复消色差长焦距物镜系统进行了改进，替代大口径萤石透镜消除系统的二级光谱，简化了系统的体积与重量，降低了制作成本，完成系统的性能测试，结果表明衍射效率在整个设计波段内以较高的数值平均分布。讨论了曲面基底表面微结构衍射光学元件的设计方法，利用球面基底提供主要的光焦度，表面衍射微结构实现非球面度的相位补偿，以现有工艺条件下的最小加工线宽作为求取最佳球面基底的选择判据，实现光学系统全球面化。探讨了曲面衍射光学元件的制作工艺，提出了曲面直角坐标-极坐标复合激光直写系统方案，并完成曲面匀胶，准焦探测，初始位置精确定位等功能试验，为实现曲面多层衍射光学元件的研制提供技术基础。多层衍射光学元件除了具有传统单层衍射光学元件的优点外，扩展了衍射光学元件在宽波段领域的应用，避免了单层衍射光学元件衍射效率随成像光谱宽度增加而下降的问题，使混合光学系统摆脱了衍射杂散光的影响，改进成像质量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• §1.1 微光学与混合光学系统概述
• §1.1.1 微光学
• §1.1.2 衍射光学与二元光学
• §1.1.4 混合光学系统HOS技术
• §1.2 衍射光学元件的主要作用
• §1.2.1 独特的衍射色散
• §1.2.2 复消色差
• §1.2.3 任意相位分布提供非球面度
• §1.2.4 特殊温度效应消热差
• §1.2.5 衍射光学元件的衍射效率问题
• §1.2.6 衍射表面微结构
• §1.3 衍射光学理论背景
• §1.4 多层衍射光学元件的研究现状
• §1.5 本课题的研究内容与目标
• §1.6 课题特色与创新
• §1.7 论文内容结构安排
• 第二章 衍射光学基础理论
• §2.1 标量衍射理论基础
• §2.1.1 标量衍射系统模型与复振幅透过率方法
• §2.1.2 波的传播与基尔霍夫衍射积分式
• §2.1.3 平面波角谱表示法
• §2.1.4 瑞利～索末菲衍射
• §2.1.5 传播方法的比较
• §2.1.6 基于标量理论的衍射光学设计方法
• §2.1.7 利用曲面基底衍射光学元件替代非球面
• §2.2 DOE的矢量衍射分析
• §2.2.1 严格耦合波法RCWA
• §2.2.2 一维多层衍射光学元件的严格耦合波法RCWA
• §2.2.3 二维矩形柱状光栅的严格耦合波法RCWA
• §2.2.4 FDTD方法介绍
• §2.2.5 数值稳定性与数值色散
• §2.2.6 吸收边界条件
• §2.2.7 FDTD中常用的激励源
• §2.3 DOE的几何光学分析
• §2.3.1 利用光栅方程对DOE进行光线追迹
• §2.3.2 Sweatt模型
• §2.3.3 用Sweatt模型表示曲面基底DOE
• §2.4 本章小结
• 第三章 多层衍射光学元件基础理论
• §3.1 单层衍射光学元件
• §3.2 谐衍射光学元件
• §3.3 多层DOE的设计理论
• §3.4 多层DOE的色散分析
• §3.5 多层DOE的形态扩展
• §3.6 多层二元DOE制作误差对衍射效率的影响分析
• §3.7 多层衍射光学元件的温度特性
• §3.8 衍射效率对系统MTF的影响
• §3.9 本章小结
• 第四章 多层衍射光学元件在混合光学系统中的应用
• §4.1 色散特性与工程应用
• §4.2 混合光学系统的能量效率
• §4.3 混合光学系统设计
• §4.4 性能测试
• §4.5 曲面衍射光学元件的加工工艺
• §4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• §5.1 论文总结
• §5.2 前景展望
• 参考文献
• 在攻读博士学位期间所发表的相关论文
• 致谢