高衍射效率菲涅尔波带片的制作工艺及衍射特性研究
发布时间：2021-12-17 07:09
衍射光学元件相比于折反式光学元件具有更多的设计自由度,制作公差更为宽松,可以实现平板成像。衍射元件的应用可以简化光学系统结构,减小光学系统重量,自其出现以来,就备受光学设计者的关注。衍射光学元件分为成像元件和非成像元件:成像衍射光学元件在紫外、可见光以及红外波段均有广泛的应用;非成像衍射光学元件主要用于能量收集、光强匀化以及波前整形。作为应用最广的一类成像衍射光学元件,菲涅耳波带片被广泛应用于多种光学系统:在X射线成像方面,由于几乎所有材料折射率在此波段的折射率都接近于1,无法通过折射定理对光线进行偏折从而实现成像,而基于衍射成像的菲涅尔波带片可以有效解决材料折射率受限这一问题,在X射线成像领域具有不可替代的作用;在空间望远镜应用方面,为了获得更高的对地观察分辨率需要增大传统反射式望远镜的口径,但是随着望远镜口径的增大,在给加工和检测带来了近乎苛刻要求的同时,望远镜的质量也会随着口径的增加而变大,也给发射带来了极大的挑战,相比之下,可以实现折叠展开和轻量化的菲涅尔波带片为更大口径望远镜的制作提供了一个新思路。然而,在菲涅尔波带片的众多应用中,衍射效率低成为制约其广泛使用的一个重要因素:...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
衍射元件加工流程图
图 1. 2 套刻工艺加工四台阶菲涅耳波带片流程图Figure 1. 2 Overlay process for the fabrication of 4-level FZP1.2.2 单点金刚石车削单点金刚石车削技术（ Single Point Diamond Turning，SPDT ）是 20 世纪60 年代开始发展和完善起来的超精密加工技术，金刚石车削最开始主要是为了解决高精度陀螺零件、导引头反射镜和红外夜视仪等光学零件的加工问题。空气静压轴承、金刚石刀具等硬件设备质量的提升和切削机理、误差补偿等方面的理论突破，大大地提高了金刚石车削的加工精度，车削面形精度达到亚微米，车削材料表面粗糙度可以达到纳米级别。随着衍射光学元件逐渐使用在越来越多的光学系统中，研究人员开始展开了金刚石车削在微纳加工及衍射元件加工方面的研究。对于特定的衍射元件，单点金刚石车削可以一次加工成型，加工效率高、重复性好，对于批量化生产的衍射
图 1. 3 波带片的单点金刚石车削Figure 1. 3 Processing of FZP by SPDT虽然单点金刚石车削可以完成连续面形结构的切削，但是，金刚石车削由于接触式切削的加工方式也带来了一些固有的缺点，使得其在衍射光学元件的加过程中存在一些局限性，主要体现在：首先，金刚石车削对基底材料的选择具一定的制约，比较适合切削的材料目前主要是金属（例：铜、铝）、一部分塑材质（PMMA）和少量晶体材料，对于熔石英玻璃、碳化硅等光学材料的加工常困难。其次，单点金刚石车削由于刀具尺寸的限制不适合车削特征尺寸太小波带片，在某些应用领域内，为了提高波带片的空间分辨率，波带片的最外环宽度很小，超出了金刚石加工的极限，对于这一类波带片，仍旧需要使用可以工更小特征尺寸的半导体工艺。最后，由于工作方式是旋转切削，所以金刚石削只能加工具有回转对称结构的衍射元件，对于复杂图形的加工具有一定的局
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学微透镜阵列模压成形研究进展与展望[J]. 周天丰,解加庆,梁志强,刘欣,刘晓华,王西彬. 中国光学. 2017(05)
[2]用于空间望远镜的大口径高衍射效率薄膜菲涅尔衍射元件[J]. 王若秋,张志宇,薛栋林,张学军. 红外与激光工程. 2017(09)
[3]高衍射效率衍射望远镜系统的设计/加工及成像性能测试[J]. 王若秋,张志宇,国成立,薛栋林,张学军,刘华. 光子学报. 2017(03)
[4]虚拟现实光学显示技术[J]. 王涌天,程德文,许晨. 中国科学:信息科学. 2016(12)
[5]Effects of fabrication errors on diffraction efficiency for a diffractive membrane[J]. 王若秋,张志宇,国成立,薛栋林,张学军. Chinese Optics Letters. 2016(12)
[6]用于太空望远镜的大口径薄膜菲涅尔衍射元件[J]. 张健,栗孟娟,阴刚华,焦建超,刘正坤,徐向东,付绍军. 光学精密工程. 2016(06)
[7]天基衍射成像系统及相关技术发展研究[J]. 刘韬. 国际太空. 2014(08)
[8]用于空间望远镜的膜光子筛[J]. 刘民哲,刘华,许文斌,王泰升,卢振武,鱼卫星. 光学精密工程. 2014(08)
[9]硬X射线聚焦波带片的设计及制作[J]. 付杰,王晓华,李金华,方铉,魏志鹏. 光电工程. 2014(03)
[10]大口径衍射望远系统公差分析及测量[J]. 刘华,卢振武,闫勇. 光子学报. 2013(10)
博士论文
[1]基于衍射成像系统的薄膜元件关键技术研究[D]. 王若秋.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[2]离轴非球面CCOS加工过程关键技术研究[D]. 郑立功.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2003
[3]衍射光学元件制作及其在CCD相机光学系统中的应用[D]. 李红军.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2001
硕士论文
[1]折衍二元光学元件模压技术研究[D]. 虎将.西安工业大学 2015
[2]衍射光学元件模压制造技术研究[D]. 巩燕龙.西安工业大学 2013
本文编号：3539625
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
衍射元件加工流程图
图 1. 2 套刻工艺加工四台阶菲涅耳波带片流程图Figure 1. 2 Overlay process for the fabrication of 4-level FZP1.2.2 单点金刚石车削单点金刚石车削技术（ Single Point Diamond Turning，SPDT ）是 20 世纪60 年代开始发展和完善起来的超精密加工技术，金刚石车削最开始主要是为了解决高精度陀螺零件、导引头反射镜和红外夜视仪等光学零件的加工问题。空气静压轴承、金刚石刀具等硬件设备质量的提升和切削机理、误差补偿等方面的理论突破，大大地提高了金刚石车削的加工精度，车削面形精度达到亚微米，车削材料表面粗糙度可以达到纳米级别。随着衍射光学元件逐渐使用在越来越多的光学系统中，研究人员开始展开了金刚石车削在微纳加工及衍射元件加工方面的研究。对于特定的衍射元件，单点金刚石车削可以一次加工成型，加工效率高、重复性好，对于批量化生产的衍射
图 1. 3 波带片的单点金刚石车削Figure 1. 3 Processing of FZP by SPDT虽然单点金刚石车削可以完成连续面形结构的切削，但是，金刚石车削由于接触式切削的加工方式也带来了一些固有的缺点，使得其在衍射光学元件的加过程中存在一些局限性，主要体现在：首先，金刚石车削对基底材料的选择具一定的制约，比较适合切削的材料目前主要是金属（例：铜、铝）、一部分塑材质（PMMA）和少量晶体材料，对于熔石英玻璃、碳化硅等光学材料的加工常困难。其次，单点金刚石车削由于刀具尺寸的限制不适合车削特征尺寸太小波带片，在某些应用领域内，为了提高波带片的空间分辨率，波带片的最外环宽度很小，超出了金刚石加工的极限，对于这一类波带片，仍旧需要使用可以工更小特征尺寸的半导体工艺。最后，由于工作方式是旋转切削，所以金刚石削只能加工具有回转对称结构的衍射元件，对于复杂图形的加工具有一定的局
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学微透镜阵列模压成形研究进展与展望[J]. 周天丰,解加庆,梁志强,刘欣,刘晓华,王西彬. 中国光学. 2017(05)
[2]用于空间望远镜的大口径高衍射效率薄膜菲涅尔衍射元件[J]. 王若秋,张志宇,薛栋林,张学军. 红外与激光工程. 2017(09)
[3]高衍射效率衍射望远镜系统的设计/加工及成像性能测试[J]. 王若秋,张志宇,国成立,薛栋林,张学军,刘华. 光子学报. 2017(03)
[4]虚拟现实光学显示技术[J]. 王涌天,程德文,许晨. 中国科学:信息科学. 2016(12)
[5]Effects of fabrication errors on diffraction efficiency for a diffractive membrane[J]. 王若秋,张志宇,国成立,薛栋林,张学军. Chinese Optics Letters. 2016(12)
[6]用于太空望远镜的大口径薄膜菲涅尔衍射元件[J]. 张健,栗孟娟,阴刚华,焦建超,刘正坤,徐向东,付绍军. 光学精密工程. 2016(06)
[7]天基衍射成像系统及相关技术发展研究[J]. 刘韬. 国际太空. 2014(08)
[8]用于空间望远镜的膜光子筛[J]. 刘民哲,刘华,许文斌,王泰升,卢振武,鱼卫星. 光学精密工程. 2014(08)
[9]硬X射线聚焦波带片的设计及制作[J]. 付杰,王晓华,李金华,方铉,魏志鹏. 光电工程. 2014(03)
[10]大口径衍射望远系统公差分析及测量[J]. 刘华,卢振武,闫勇. 光子学报. 2013(10)
博士论文
[1]基于衍射成像系统的薄膜元件关键技术研究[D]. 王若秋.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[2]离轴非球面CCOS加工过程关键技术研究[D]. 郑立功.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2003
[3]衍射光学元件制作及其在CCD相机光学系统中的应用[D]. 李红军.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2001
硕士论文
[1]折衍二元光学元件模压技术研究[D]. 虎将.西安工业大学 2015
[2]衍射光学元件模压制造技术研究[D]. 巩燕龙.西安工业大学 2013
本文编号：3539625
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