【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）多層衍射光學(xué)元件成像特性的研究-現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)及工程應(yīng)用

分類號(hào)： 密級(jí)： U D C： 編號(hào)： 多層衍射光學(xué)元件成像特性 的研究 位授予單位及代碼： 長(zhǎng)春理工 大學(xué) （ 10186） 學(xué)科專業(yè)名稱及代碼： 光學(xué)工程（ 080300） 研 究 方 向 ： 現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)及工程應(yīng)用 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別： 博 士 指 導(dǎo) 教 師： 崔 慶 豐 教授 研 究 生 ： 薛常喜 論文起止時(shí)間： I 摘 要 衍射光學(xué)是光學(xué)領(lǐng)域最具活力的研究方向之一，多層衍射光學(xué)技術(shù)是近年來(lái)光學(xué)工程 領(lǐng)域的最新進(jìn)展。多層衍射光學(xué)元件不僅具有傳統(tǒng)單層衍射光學(xué)元件的成像 特性 ，而且克服 了 傳統(tǒng)單層衍射光學(xué)元件存在的 衍射效率 偏離中心 波長(zhǎng) 仍 急劇下降的缺陷。多層衍射光學(xué)元件 與 折射 或 反射光學(xué)元件構(gòu)成 的 混合光學(xué)系統(tǒng)，可以突破傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的 一 些限制，對(duì)提高成像系統(tǒng)的性能、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和降低成本都具有十分重要的意義。含有多層衍射光學(xué)元件的混合 成像 光學(xué) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程 可以分為兩個(gè)方面 ，一 方面 是多層衍射光學(xué)元件的衍射效率優(yōu)化設(shè)計(jì)， 另一方面 是含有多層衍射光學(xué)元件的 混合 光學(xué) 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文基于光波的標(biāo)量衍射理論，對(duì)應(yīng)用于成像光學(xué)系統(tǒng)中的多層衍射光學(xué)元件的相關(guān) 成像特性 進(jìn)行 深入的研究 ；同時(shí) 結(jié)合單層衍射光學(xué)元 件和薄透鏡的成像理論，研究了含有多層衍射光學(xué)元件的折衍射 混合 光學(xué) 系統(tǒng)的成像理論。 以 光波的 標(biāo)量衍射理論為基礎(chǔ) , 系統(tǒng)地分析了衍射光學(xué)元件的透過(guò)率函數(shù)通用表達(dá)式， 給出了 衍射光學(xué)元件的連續(xù)和量化臺(tái)階結(jié)構(gòu)的衍射效率通用表達(dá)式， 以及對(duì) 光束斜入射衍射光學(xué)元件的衍射效率進(jìn)行分析，提出 了 斜入射情形 下 衍射效率 的 提高措施 ，給出了 光波的 標(biāo)量衍射理論 在分析 衍射光學(xué)元件的限制條件 。依據(jù) 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱雙曲面 的 數(shù)學(xué)模型，給出 了 衍射光學(xué)元件具有 非球面特性 的 理論 依據(jù) 。根據(jù)衍射光學(xué)元件的負(fù)阿貝數(shù)和熱阿貝數(shù) 定義 ，討論了衍射光學(xué)元件的消色差 和 消 熱差理 論，給出了初始結(jié)構(gòu)的求解 過(guò)程 。根據(jù)傅立葉光學(xué) 中 透鏡 的 位相調(diào)制作用，討論了衍射光學(xué)元件的材料色散和衍射色散 的 綜合作用。最后依據(jù) 折射率模型給出了衍射光學(xué)元件的三級(jí)像差理論。 根據(jù)諧衍射元件的基本原理和 衍射光學(xué)元件的位相延遲表達(dá)式 ， 分析 了 多層衍射光學(xué)元件的 通用位相延遲表達(dá)式， 研究 了光束斜入射多層衍射光學(xué)元件的衍射效率通用表達(dá)式， 提出了 光束 斜入射 情形的 衍射效率的提高措施。采用單層衍射光學(xué)元件的分析 模型 ， 研究了 多層衍射光學(xué)元件的溫度特性和色散特性 。 采用擴(kuò)展的標(biāo)量衍射理論 研究 了多層衍射光學(xué)元件的 表面 微結(jié)構(gòu) 高度的優(yōu)化分析過(guò)程，以及 光波的 標(biāo)量衍射理論在分析多層衍射光學(xué)元件的局限性。 基于多層衍射光學(xué)元件位相延遲表達(dá)式，研究 了 多層衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法 和優(yōu)化 設(shè)計(jì)過(guò)程。利用兩種或兩種以上具有不同色散特性的基底材料相互配合、依據(jù)光學(xué)材料中 的 光學(xué)常數(shù)對(duì)分離型和密接型多層衍射元件的材料選擇和設(shè)計(jì) 過(guò)程 進(jìn)行分析。考慮 影響折衍射混合系統(tǒng)成像質(zhì)量的 帶寬積分平均衍射效率最大化 的 設(shè)計(jì) 思想，研究了多層衍射光學(xué)元件的最優(yōu) 化設(shè)計(jì) 方法 ，并利用折射率柯西 色散 近似公式，對(duì)多層衍射 光學(xué) 元件的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)一步簡(jiǎn)化， 給出了 最優(yōu)化設(shè)計(jì) 和材料選擇原則 。采用 綜合帶寬積分平均 衍射效率 的定義 對(duì) 一個(gè) 工作于雙波段的多層衍射光學(xué)元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究 ， 并 給出 了 優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程和分析結(jié)果。 后，根據(jù)薄透鏡的三級(jí)像差理論， 運(yùn)用消色差 的 雙膠合 透鏡的成像 原理，對(duì)消色差 的 折衍射混合 單透鏡 進(jìn)行了設(shè)計(jì) 。結(jié)合多層衍射光學(xué)元件的帶寬積分平均衍射最大化原則確定 出 設(shè)計(jì)波長(zhǎng)和設(shè)計(jì)級(jí)次， 研究了多層 衍射光學(xué)元件的單色像差校正問(wèn)題，以及 單個(gè) 多層衍射光學(xué)元件在紅外雙波段 成像光學(xué)系統(tǒng) 中 的應(yīng)用 。應(yīng)用上述 多層衍射光學(xué)元件 給出了 一個(gè)長(zhǎng)焦距復(fù)消色差望遠(yuǎn)物鏡和一個(gè)多層衍射光學(xué)元件應(yīng)用于紅外雙波段 的 消熱差和消色差 的 設(shè)計(jì) 實(shí)例 。 關(guān)鍵詞：衍射光學(xué) 光學(xué)設(shè)計(jì) 多層衍射光學(xué)元件 衍射效率 折衍射混合光學(xué)系統(tǒng) is of in is a of in as to of or of of of to is of of is of In we in of of on of is of is of to of to of to of of At is s of of is of of of of of of is IV of of is is of of At of a is At of of of a As a an a V 目 錄 摘 要 . I . 錄 . V 圖表索引 . 一章 緒 論 . 1 射光學(xué)的發(fā)展歷史 . 1 射光學(xué)元件的加工與檢測(cè)技術(shù)概況 . 4 射光學(xué)元件在 成像光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用 . 7 射光學(xué)元件的理論分析模型 . 10 課題的研究?jī)?nèi)容及目標(biāo) . 11 參考文獻(xiàn) . 12 第二章 衍射光學(xué)元件的成像理論 . 19 量衍射理論 . 19 射光學(xué)元件的非球面特性 . 27 層衍射光學(xué)元件的色散能力分析 . 29 衍射光學(xué)元件消色差與復(fù)消色差 . 31 射光學(xué)元件的消熱差特性 . 33 射光學(xué)元件的三級(jí)像差理論 . 36 結(jié) . 39 參考文獻(xiàn) . 40 第三章 多層衍射光學(xué)元件的成像特性 . 43 衍射元件的設(shè)計(jì)理論 . 43 層衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)理論 . 48 層衍射光學(xué)元件的斜入射衍射效率分析 . 50 層衍射光學(xué)元件的色散特性分析 . 56 層衍射光學(xué)元件的熱特性分析 . 58 量衍射理論分析多層衍射光學(xué)元件的局限性 . 59 結(jié) . 65 參考文獻(xiàn) . 65 第 四章 多層衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法 . 67 學(xué)材料常數(shù)法設(shè)計(jì)多層衍射光學(xué)元件 . 67 慮帶寬積分平均效率的多層衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì) . 72 用折射率柯西色散近似公式設(shè)計(jì)多層衍射光學(xué)元件 . 75 層衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)方法的比較 . 80 作于雙波段的雙層衍射光學(xué)元件的優(yōu)化設(shè)計(jì) . 82 結(jié) . 86 參考文獻(xiàn) . 87 第五章 多層衍射光學(xué)元件在成像光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用 . 89 衍射混合元件的賽得像差分析 . 89 有多層衍射光學(xué)元件的折衍射混合透鏡的賽得像差 . 95 層衍射光學(xué)元件在紅外雙波段成像系統(tǒng)中的應(yīng)用 . 98 結(jié) . 104 參考文獻(xiàn) . 104 結(jié) 論 . 107 致 謝 . 109 在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和參與科 研工作 . 111 表索引 表 1不同加工方法制作衍射光學(xué)元件的性能數(shù)據(jù) . 6 表 1射光學(xué)元件的特征參數(shù) . 6 表 1學(xué)元件參數(shù)的檢測(cè)方法 . 6 圖 層衍射光學(xué)元件的衍射效率 . 21 圖 階量化衍射光學(xué)元件 . 22 表 2同臺(tái)階結(jié)構(gòu)的中心波長(zhǎng)衍射效率 . 22 圖 層衍射光學(xué)元件的第 1m 衍射級(jí)次的衍射效率 . 24 圖 層衍射光學(xué)元件的各分立波長(zhǎng)第 1m 級(jí)次的衍射效率與入射角度的關(guān)系 . 24 圖 層衍射光學(xué)元件在中心波長(zhǎng)的第 1m 級(jí)次的衍射效率與入射角度的關(guān)系 . 24 表 2種材料在中心波長(zhǎng)處第 1m 衍射級(jí)次的衍射效率與入射角度的關(guān)系 . 25 表 2種波帶寬度的帶寬積分平均衍射效率 . 26 圖 寬積分平均衍射效率與波段寬度的關(guān)系 . 26 圖 軸近似理論應(yīng)用范圍 . 27 圖 限厚度的衍射光學(xué)元件的計(jì)算模型 . 28 表 2單層衍射光學(xué)元件的環(huán)帶結(jié)構(gòu)分布 ( . 30 圖 同環(huán)帶處的不同波長(zhǎng)的光焦度 . 30 圖 長(zhǎng)為 400 不同環(huán)帶處的光焦度 . 31 圖 長(zhǎng)為 700不同環(huán)帶處的光焦度 . 31 圖 射光學(xué)元件的阿貝數(shù)在不同環(huán)帶處的變化（中心波長(zhǎng)） . 31 圖 射光學(xué)元件的面型 . 34 表 2對(duì)消色差 /消熱差材料的光焦度 . 35 圖 透鏡的近軸參量 . 36 圖 射光學(xué)元件的遠(yuǎn)心光路系統(tǒng) . 39 圖 射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)形式 . 43 圖 衍射元件的衍射效率分布 . 45 圖 衍射元件的諧衍射級(jí)次的衍射效率分布 . 45 圖 同 P 值的光焦度和波長(zhǎng)的關(guān)系 . 46 圖 射光學(xué)元件的常用結(jié)構(gòu)形式 . 47 表 3種衍射元件的特性 . 47 圖 用多層衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)型式 . 48 圖 層衍射光學(xué)元件衍射效率分布（ 1m ） . 49 表 3層衍射光學(xué)元件的表面微結(jié)構(gòu)結(jié)算結(jié)果 . 51 圖 線從正深諧衍射元件端入射的衍射效率與入射角度的關(guān)系 . 51 圖 線從負(fù)深諧衍射元件端入 射的衍射效率與入射角度的關(guān)系 . 52 3組多層衍射光學(xué)元件的衍射效率與入射角度對(duì)比 . 52 圖 折射率材料端外長(zhǎng)衍射結(jié)構(gòu)（圖 衍射效率與入射角度的關(guān)系 . 53 圖 折射率材料端外長(zhǎng)衍射結(jié)構(gòu)（圖 衍射效率與入射角度的關(guān)系 . 53 表 3接外長(zhǎng)型多層衍射光學(xué)元件的衍射效率與入射角度的關(guān)系 . 53 圖 種材料組合的衍射效率分布 . 54 表 3種材料密接型多層衍射光學(xué)元件表面微結(jié)構(gòu)高度 . 54 圖 料組合為 S 衍射效率與入射角度的關(guān)系 . 55 圖 合方式 2 S/射效率與入射角度的關(guān)系 . 55 圖 合方式 3 S 衍射效率與入射角度的關(guān)系 . 56 表 3種材料組合的衍射效率與入射角度之間的關(guān)系 . 56 圖 層衍射光學(xué)元件的分析模型 . 60 圖 化的單層衍射光學(xué)元件的表面微結(jié)構(gòu)高度與周期和入射角度的關(guān)系 . 61 圖 化的單層衍射光學(xué)元件的表面微結(jié)構(gòu)高度與周期的關(guān)系 . 62 圖 層衍射光學(xué)元件的分析模型 . 62 圖 成的深諧衍射元件微結(jié)構(gòu)高度與周期的關(guān)系 . 64 圖 層衍射光學(xué)元件的帶寬積分平均衍射效率與周期的關(guān)系 . 64 圖 一層深諧衍射元件的設(shè)計(jì)級(jí)次與第二層的材料阿貝數(shù)的關(guān)系 . 68 圖 一層深諧衍射元件的表面微結(jié)構(gòu)高度與第二層的材料阿貝數(shù)關(guān)系 . 70 圖 一層深諧衍射元件的表面微結(jié)構(gòu)高度和第二層的材料折射率的關(guān)系 . 70 圖 二層深諧衍射元件的光學(xué)材料阿貝數(shù)與折射率的關(guān)系 . 71 圖 層深諧衍射元件高度與設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的關(guān)系 . 73 圖 層衍射光學(xué)元件的帶寬積分平均衍射效率與設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的關(guān)系 . 74 圖 層衍射光學(xué)元件的最大帶寬積分平均衍射效率與一個(gè)設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的關(guān)系 . 74 表 4層衍射光學(xué)元件的帶寬積分平均衍射效率和表面微結(jié)構(gòu)高度 . 74 圖 同設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的多層衍射光學(xué)元件的衍射效率分布 . 75 圖 寬積分平均衍射 效率與設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的關(guān)系 . 77 圖 大帶寬積分平均衍射效率與設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的關(guān)系 . 77 表 4層衍射光學(xué)元件的帶寬積分平均衍射效率和表面微結(jié)構(gòu)高度 . 78 圖 計(jì)波長(zhǎng) 400 700雙層衍射光學(xué)元件的衍射效率與波長(zhǎng)關(guān)系 . 79 圖 計(jì)波長(zhǎng) 雙層衍射光學(xué)元件的衍射效率與波長(zhǎng)關(guān)系 79 圖 計(jì)波長(zhǎng) 雙層衍射光學(xué)元件的衍射效率與波長(zhǎng)關(guān)系 79 圖 計(jì)波長(zhǎng)選擇不同的雙層衍射光學(xué)元件的衍射效率誤差分布 . 79 圖 層衍射光學(xué)元件的最大帶寬積分平均衍射效率與比值的絕對(duì)值（部分色散差值與阿貝數(shù)差值）的關(guān)系 . 80 表 4種材料不同組合的帶寬積分平均衍射效率和設(shè)計(jì)波長(zhǎng)對(duì) . 80 圖 同材料的衍射效率差值 . 81 5 m 的雙層衍射光學(xué)元件帶寬積分平均衍射效率與設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的關(guān)系 . 83 圖 12 m 波段的雙層衍射光學(xué)元件帶寬積分平均衍射效率與設(shè)計(jì)波長(zhǎng)關(guān)系 . 83 表 4層衍射光學(xué)元件的帶寬積分平均衍射效率和表面微結(jié)構(gòu)高度 . 83 圖 波段帶寬積分平均衍射效率最大化設(shè)計(jì)的雙層衍射光學(xué)元件的衍射效率 . 84 圖 12 m 雙層衍射光學(xué)元件的帶寬積分平均衍射效率與設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的關(guān)系 . 85 圖 5 m 和 8 12 m 雙層衍射光學(xué)元件的帶寬積分平均衍射效率與設(shè) 計(jì)波長(zhǎng)的關(guān)系 . 85 表 4層衍射光學(xué)元件的帶寬積分平均衍射效率和表面微結(jié)構(gòu)高度 . 85 圖 波段帶寬積分平均衍射效率最大化設(shè)計(jì)的雙層衍射光學(xué)元件的衍射效率 . 86 圖 膠合透鏡的彎曲參量 1B 和 2B 的關(guān)系 . 91 圖 膠合透鏡的彎曲參量 1B 和 2B 的關(guān)系放大圖 . 91 表 5正球差和慧差的彎曲參量對(duì)應(yīng)的曲率半徑和像差曲線 . 91 圖 同彎曲參量的像差曲線 (最小尺寸 200 m ) . 92 圖 衍射混合單透 鏡的彎曲參量 1B 和 2B 的關(guān)系 . 93 圖 衍射混合單透鏡的像差曲線 . 94 圖 層衍射光學(xué)元件的基底曲率與的彎曲參量 1B 的關(guān)系 . 97 圖 有雙層衍射光學(xué)元件物鏡的像差曲線 . 98 表 5層衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)參數(shù) . 100 圖 作于紅外 雙波段的折衍射混合物鏡結(jié)構(gòu)示意圖 . 100 表 5作于紅外雙波段的折衍射混合物鏡結(jié)構(gòu)參數(shù) . 100 圖 60中波波段的光學(xué)傳遞函數(shù)和像差曲線 . 101 圖 0中波波段的光學(xué)傳遞函數(shù)和像差曲線 . 101 圖 0中波波段的光學(xué)傳遞函數(shù)和像差曲線 . 102 圖 波波段的光學(xué)傳遞函數(shù)和像差曲線 . 102 圖 0長(zhǎng)波波段的光學(xué)傳遞函數(shù)和像差曲線 . 103 圖 60長(zhǎng)波波段的光學(xué)傳遞函數(shù)和像差曲線 . 103 圖 層衍射光學(xué)元件環(huán)帶周期及位相與 徑向距離的關(guān)系 . 104 表 5層衍射光學(xué)元件的環(huán)帶周期轉(zhuǎn)換點(diǎn)的位置 . 104 1 第一章 緒 論 射光學(xué)的發(fā)展歷史 衍射光學(xué)元件 (用其表面的三維浮雕結(jié)構(gòu)對(duì)光波 波前 進(jìn)行 位相 調(diào)制、變換，具有輕而薄、設(shè)計(jì)靈活，對(duì)入射光波自由調(diào)制，可批量復(fù)制等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的折 、 反 射 光學(xué)元件有機(jī)結(jié)合， 構(gòu)成 混合 光學(xué) 系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)化傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減輕重量，縮小體積，改善系統(tǒng)的成像質(zhì)量 1 衍射 光學(xué) 元件可以分為成像元件和功能元件兩 大 類。成像元件是指在 光學(xué) 系統(tǒng)中作為 成像和校正像差 使 用的元件，其光能分布由折 射、衍射光學(xué) 元件共同決定 。 功能元件包括整形 4,5、分束 6、增透、增反 7、光聚能器 8等功能各異的多種元件，諸如菲涅耳型微透鏡列陣 9， 柵 10等，其光能分布只由衍射 光學(xué) 元件決定。 衍射是一個(gè)古老的光學(xué)現(xiàn)象。在傳統(tǒng)的光學(xué)系 統(tǒng)中， 光的 衍射效應(yīng)限制了 光學(xué)系統(tǒng)的 最高分辨率 。 衍射 光學(xué) 元件僅限于在光譜學(xué)方面的應(yīng)用 。 衍射光學(xué) 元件 應(yīng)用于成像光學(xué)系統(tǒng)的歷史已經(jīng)很長(zhǎng)， 但 20 世 紀(jì) 90 年代以前，衍射光學(xué)元件在成像光學(xué)系統(tǒng)中 沒(méi)有得到應(yīng)用，其根本原因是衍射光學(xué) 元件實(shí)際獲得的衍射效率很低。世界上第一個(gè)應(yīng)用光的 波動(dòng)特性的衍射光柵是被一 位 美國(guó)天文學(xué)家 1發(fā)現(xiàn) 的 ，并于 1786 年發(fā)表 其實(shí)驗(yàn)結(jié)果 。 柵大約有四分之一平方 英寸 ， 使用該光柵形成的狹縫可以觀察 到 衍射光譜。 1821 年 2在著手研究分光機(jī)理過(guò)