多层衍射光学元件的标量衍射理论修正模型研究

发布时间：2020-07-13 18:12

【摘要】：多层衍射光学元件目前在折衍射混合光学系统中展现出巨大的潜在应用价值。多层衍射光学元件可以在宽波段实现高衍射效率,包含多层衍射光学元件的折衍射混合光学系统的成像质量明显优于目前普遍采用的含有单层衍射光学元件的光学系统。同时,衍射光学元件在光学系统中引入了新的设计自由度,可以突破传统光学系统的一些限制,对提高光学系统的光学性能、简化结构,实现现代光学系统的轻量化、集成化、小型化具有十分重要的意义。本文主要研究多层衍射光学元件标量衍射理论分析模型的修正,开展了多层衍射光学元件优化设计、斜入射衍射效率模型、衍射光学元件误差分析和加工等相关问题的研究工作。目前对多层衍射光学元件衍射特性的研究都是基于标量衍射理论的,而关于标量衍射理论在多层衍射光学元件设计和分析方面的局限性和适用范围都尚不明确,使得部分据此设计的多层衍射光学元件衍射效率检测值与设计值存在差距,大视场下的成像系统光学性能下降,可用波段变窄。实验结果表明目前多层衍射光学元件的标量衍射理论分析模型存在不确定性,本文通过对现有标量衍射理论分析方法的研究,结合矢量衍射理论的验证,建立了一种更加准确的多层衍射光学元件分析方法,拓展了多层衍射光学元件的应用范围。该研究修正了现有多层衍射光学元件的标量衍射理论分析方法,可为多层衍射光学元件的衍射效率分析和优化设计提供指导,所取得的研究成果可广泛应用于含有多层衍射光学元件的折衍射混合光学系统设计。论文简述了单层衍射光学元件、谐衍射光学元件和多层衍射光学元件的发展历史和国内外研究现状,给出了衍射光学元件的基本特性,加工和检测技术,以及衍射光学的基础理论;结合单层衍射光学元件的标量衍射理论、扩展标量衍射理论和矢量衍射理论的衍射效率计算方法,研究了三种衍射理论的局限性和各自的适用范围。基于标量衍射理论和矢量衍射理论,分析了不同周期宽度和微结构高度的多层衍射光学元件的衍射特性,并对比了两种方法的分析结果,给出了标量衍射理论在分析多层衍射光学元件方面的局限性,并建立了基于多层衍射光学元件遮挡效应的有效面积分析方法,该方法通过对多层衍射光学元件实际位相和波前在色散、入射角度和加工误差的影响下产生的遮挡面积来计算有效微结构高度和周期宽度,对标量衍射理论中的多层衍射光学元件理想位相和波前进行修正,得到最终的多层衍射光学元件位相分布,从而获得更加准确的衍射效率分析结果。根据积分衍射效率最大化的设计原则,利用建立的多层衍射光学元件积分衍射效率与衍射微结构高度和周期宽度之间的数学模型,给出了不同周期宽度下多层衍射光学元件的优化设计过程和分析结果,并利用矢量衍射理论对设计结果进行验证,证明了该设计模型的有效性。基于多层衍射光学元件的有效面积分析方法,将入射角度引入多层衍射光学元件分析模型,分析了入射角度变化对多层衍射光学元件衍射效率和积分衍射效率的影响,研究了光束斜入射多层衍射光学元件的衍射效率通用表达式,建立了多层衍射光学元件衍射效率与入射角度、周期宽度和微结构高度之间关系的数学模型,并阐述了标量衍射理论在分析大角度入射多层衍射光学元件时的局限性。本文还基于有效面积法研究了多层衍射光学元件的加工误差对其衍射效率的影响,通过与标量衍射理论的分析结果比较,阐述了标量衍射理论在分析多层衍射光学元件微结构高度和周期宽度误差时的局限性,并通过矢量衍射理论的分析结果证明了有效面积法在分析多层衍射光学元件加工误差方面的有效性。针对多层衍射光学元件加工过程中产生的侧面倾斜误差,本文首次给出了基于有效面积法的分析过程和结果,建立了侧面倾斜角度与衍射效率之间的数学模型。对微结构高度误差、周期宽度误差和侧面倾斜误差的研究为多层衍射光学元件的误差分配提供了理论基础,对于提高多层衍射光学元件的加工质量、降低加工成本具有重要理论意义。同时,基于单点金刚石超精密加工技术,本文利用有效面积法分析了加工过程中金刚石刀具形状、进给速度和刀具半径对多层衍射光学元件面形和粗糙度的影响,并据此建立了加工参数与多层衍射光学元件加工质量和光学性能的关系,这对于快速确定多层衍射光学元件的加工参数、提高多层衍射光学元件的加工质量具有指导意义。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O436.1
【图文】：

衍射光学元件的第一个重要性质为薄型元件性质。衍射光学元件的设计原理如图1.1 所示，一个传统的折射元件通过相位压缩后可以得到一个衍射光学元件。图 1.1(a)是一个传统的平凸透镜，平行光入射该透镜后会被透镜弯折并会聚在透镜的焦点上。该会聚作用是通过平凸透镜后表面的曲率来实现的，因此可将平凸透镜划分为两个部分，如图 1.1(b)所示，虚线左侧的部分对入射光线并没有弯折作用，透镜的聚焦是通过右侧部分来实现的。去除图 1.1 (b)中虚线左侧的部分便得到了一个典型的衍射光学元件，该衍射光学元件的厚度在一个微米左右，厚度远小于传统的折射元件，这说明衍射光学元件是一种薄型元件。轴对称结构的衍射光学元件的位相系数可以表示为2 41 2 (y) 2 (A y A y ) (1.1)其中 Ai为多项式像差系数，i=1,2,3…图 1.1 衍射光学元件设计原理图使用衍射光学元件代替折射元件可以减轻原有的折反射光学系统的重量，缩小光学系统的体积。而且衍射光学元件可以直接加工在其他光学元件的表面，便于系统的小型化和轻量化，简化光学系统的结构。衍射光学元件的第二个重要性质为特殊色散性质。传统折射元件的色散特性是由其本身的材料决定的，七种光学材料的折射率和阿贝数如图 1.2 所示，图中的阿贝数由以下公式得出，1VddF Cnn n (1.2)

佳能公司发布了第一代应用双层衍射光学元件的照相机摄影镜头——EF400/4 DO IS USM，其中 DO 即 Diffractive Optics，就代表衍射光学元件。双层衍射光学元件的特殊结构使其具有很强的负色散，可以用来补偿传统折射元件产生的色散，而且多层衍射光学元件可以实现任意的位相分布。多层衍射光学元件的这一特性可以简化折衍射混合光学系统的结构，进而实现镜头的小型化。图 1.4 为佳能公司的两种400mm 焦距镜头，其中(a)为使用传统折射元件设计的 400mmf/4 镜头；(b)为采用多层衍射光学元件的 400mm f/4 镜头，全长约缩短了 84mm，重量减少了约 920g。折衍射混合光学系统的使用，使其可以兼顾小型化和高像质。

图 1.4 佳能公司超摄远镜头比较(a)采用传统折射元件设计，(b)采用折衍射混合光学系统设计。2014 年，佳能公司在 EF400mmf/4DOIIUSM 中引入了第三代无缝双层衍射光学元件，如图 1.5 所示，与前两代多层衍射光学元件相比，通过去除两层衍射光学元件间的空气层，降低了入射光线在两层衍射光学元件之间的衍射角，减弱了入射角度对多层衍射光学元件衍射效率的影响，在画面内有强光源的情况下也能有效的抑制眩光。

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 范长江;赵亚辉;应朝福;吴浩伟;;宽光谱大视场角的高衍射效率多层衍射元件[J];中国激光;2012年05期

2 孙婷;焦明印;张玉虹;;单层与双层谐衍射元件的衍射效率对比分析[J];红外与激光工程;2009年04期

3 范长江;王肇圻;孙强;;双层衍射元件在投影式头盔光学系统设计中的应用[J];光学精密工程;2007年11期

4 范长江;王肇圻;吴环宝;张梅;;红外双波段双层谐衍射光学系统设计[J];光学学报;2007年07期

中国博士学位论文全文数据库 前5条

1 李珂;用于光束整形与超分辨成像的衍射光学元件的设计和实验[D];中国科学技术大学;2011年

2 王泰升;修正折/衍混合系统像质分析模型的研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2011年

3 张虎;矢量像差理论及其在离轴头盔显示系统设计中的应用[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2010年

4 马韬;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[D];浙江大学;2006年

5 米凤文;衍/折红外混和光学系统及其测试技术研究[D];浙江大学;2001年

本文编号：2753807