【摘要】：衍射光學(xué)元件作為微光學(xué)領(lǐng)域的重要組成部分,是現(xiàn)代光學(xué)工程領(lǐng)域的前沿課題。其所具有的任意位相分布、獨(dú)特色散特性以及溫度特性,形成了一種新型的折/衍混合式成像光學(xué)系統(tǒng)。衍射光學(xué)元件是解決光學(xué)系統(tǒng)中一些具有挑戰(zhàn)性問(wèn)題的應(yīng)用工具。近些年,多層衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)理論和加工技術(shù)方面有了很大的進(jìn)展。但是,在寬波段范圍、光束傾斜入射時(shí),衍射光學(xué)元件還存在著衍射效率嚴(yán)重下降的問(wèn)題,從而造成混合式光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的下降。目前,還沒(méi)有以入射角度范圍為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)多層衍射光學(xué)元件的理論及方法。另外,加工誤差、表面粗糙度也會(huì)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量造成影響。本文的主要工作有:主要針對(duì)視場(chǎng)角度范圍內(nèi)軸上光束,軸外光束與衍射光學(xué)元件的表面形成不同角度的綜合考量,提出了角度-帶寬積分平均衍射效率的概念及建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)分析模型,給出了基于角度-帶寬積分平均衍射效率優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及評(píng)價(jià)依據(jù);同時(shí)研究了加工誤差、表面粗糙度對(duì)衍射光學(xué)元件衍射特性的影響,得到了不同工作指標(biāo)下,衍射效率及角度-帶寬積分衍射效率、帶寬積分平均衍射效率等衍射特性的變化規(guī)律;基于衍射光學(xué)元件的特殊色散性質(zhì)設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于寬波段具有高衍射效率的折衍混合式監(jiān)控鏡頭。本文的研究工作實(shí)現(xiàn)了一條衍射光學(xué)元件從設(shè)計(jì)到加工再到應(yīng)用的完整研究路線。首先以光波的標(biāo)量衍射理論為基礎(chǔ),對(duì)不同類(lèi)型的衍射光學(xué)元件的衍射效率進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。通過(guò)對(duì)多級(jí)位相光柵的衍射效率討論,分析出了具有連續(xù)面型的單層及多層衍射光學(xué)元件的衍射效率;提供了衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的選取方法,揭示了設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與衍射效率和帶寬積分平均衍射效率的關(guān)系;分析了成像衍射光學(xué)元件的色散特性、溫度特性及三級(jí)像差特性等特殊成像性質(zhì);同時(shí)采用拓展標(biāo)量衍射理論對(duì)衍射光學(xué)元件的微結(jié)構(gòu)高度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。衍射光學(xué)元件在一定工作波段及入射角范圍內(nèi)存在衍射效率迅速下降的問(wèn)題,為解決該問(wèn)題,首次提出了角度-帶寬積分平均衍射效率這一概念,給出了單層衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)的備選方法,多層衍射光學(xué)元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,研究了工作波段及入射角度范圍對(duì)單層、多層衍射光學(xué)元件衍射特性的影響。通過(guò)建立該影響下的單層、多層衍射光學(xué)元件衍射效率的數(shù)學(xué)分析模型及表述形式,并設(shè)計(jì)實(shí)例分析,結(jié)果表明:該方法解決了寬波段、大入射角范圍衍射效率急劇下降的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了在寬波段、大入射角度范圍內(nèi)的高衍射效率衍射光學(xué)元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)加工誤差造成折衍混合光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量下降的問(wèn)題,本文研究了加工誤差對(duì)角度-帶寬積分平均衍射效率的影響�；谖幌嘌舆t表達(dá)式及角度-帶寬積分平均衍射效率的基本理論,建立了加工誤差對(duì)單層、多層衍射元件角度帶-寬積分平均衍射效率影響的數(shù)學(xué)分析模型,并給出相應(yīng)表達(dá)形式,分別分析了加工誤差對(duì)光束垂直入射及傾斜入射時(shí)衍射光學(xué)元件的角度-帶寬積分平均衍射效率的影響。揭示了不同加工誤差情形下,角度-帶寬積分平均衍射效率的變化規(guī)律。研究了衍射元件表面粗糙度對(duì)衍射特性帶來(lái)的影響。表面粗糙度會(huì)帶來(lái)衍射微結(jié)構(gòu)位相的變化,從而降低了設(shè)計(jì)波長(zhǎng)處的衍射效率。本文通過(guò)建立表面粗糙度對(duì)單層、多層衍射光學(xué)元件衍射特性的數(shù)學(xué)分析模型,推導(dǎo)出該影響下的衍射效率、帶寬積分平均衍射效率表達(dá)式,通過(guò)在可見(jiàn)光波段和紅外波段設(shè)計(jì)實(shí)例,研究分析了表面粗糙度對(duì)衍射效率和帶寬積分平均衍射效率帶來(lái)的影響。該分析方法可以用于定量分析實(shí)際加工的折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)下降問(wèn)題。以折衍混合光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于監(jiān)控鏡頭為例,采用角度-帶寬積分平均衍射效率最大化方法對(duì)其多層衍射光學(xué)元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并定量分析了加工誤差、表面粗糙度對(duì)該系統(tǒng)像質(zhì)的影響。
【圖文】：

圖 1.1 紅外波段的折衍混合透鏡消色差示意圖學(xué)元件，最初的微結(jié)構(gòu)表面只有二階臺(tái)階結(jié)構(gòu)，其。隨著加工技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)階具有多級(jí)位相射效率隨著多級(jí)位相的增加逐漸增大，表 1-1 為具的衍射效率分布。表 1-1 二元光學(xué)元件的衍射效率特性臺(tái)階數(shù) 2 4 8 16 2N刻蝕次數(shù) 1 2 3 4 N衍射效率（%） 40.5 81.1 95.0 98.7 100知，隨著二元衍射光學(xué)元件表面臺(tái)階數(shù)的逐漸增大階數(shù)接近無(wú)窮時(shí)，其衍射效率可以達(dá)到 100%，此為衍射光學(xué)元件，其表面微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為連續(xù)面型。元衍射光學(xué)元件的表面微結(jié)構(gòu)。(a) 二級(jí)位相結(jié)構(gòu)

二元光學(xué)被稱(chēng)為 20 世紀(jì) 90 年代光學(xué)技術(shù)[19]。二元衍射光可以達(dá)到波長(zhǎng)量級(jí)，為了實(shí)現(xiàn)二元衍射光學(xué)元件的應(yīng)用，分的衍射理論，基于二元表面微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的復(fù)振幅調(diào)制度，實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的波前校正，應(yīng)用于成像光學(xué)系統(tǒng)；其次，優(yōu)化實(shí)現(xiàn)加工工藝。最終可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度、高衍射效率、的加工。1990 年起始，單點(diǎn)金剛石車(chē)削技術(shù)興起且逐步完善元衍射光學(xué)元件具有表面精度高、面型好的特點(diǎn)，加工成本具有連續(xù)面型的衍射光學(xué)元件也從實(shí)驗(yàn)室走出來(lái)，進(jìn)入民用 Hughes Aircraft 設(shè)計(jì)了含有衍射光學(xué)元件的步槍紅外夜視瞄rmal Weapon Sight(AN/PAS-13)）提供給美國(guó)陸軍，，是衍射光軍事領(lǐng)域，其工作波段為中波熱紅外波段，該系統(tǒng)具有良好的量化、結(jié)構(gòu)緊湊和成本低廉[23]的特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖分示。
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)春理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：O436.1

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 趙亞輝;范長(zhǎng)江;應(yīng)朝福;徐建程;;含三層衍射元件的60°視場(chǎng)折/衍混合頭盔目鏡(英文)[J];光子學(xué)報(bào);2013年03期

2 盧海平;劉偉奇;康玉思;魏忠倫;馮睿;付翰毅;;全景三維立體頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2012年05期

3 楊亮亮;崔慶豐;劉濤;薛常喜;;衍射光學(xué)元件衍射效率的測(cè)量[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2012年04期

4 薛常喜;崔慶豐;楊亮亮;劉濤;;基于柯西色散公式的多層衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)和分析[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2011年06期

5 薛常喜;崔慶豐;潘春艷;佟靜波;;基于帶寬積分平均衍射效率的多層衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2010年10期

6 張棟;崔慶豐;武因峰;李敏;;可見(jiàn)光波段衍射光學(xué)元件衍射效率測(cè)量[J];長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2010年02期

7 裴雪丹;崔慶豐;冷家開(kāi);董輝;;多層衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)原理與衍射效率的研究[J];光子學(xué)報(bào);2009年05期

8 裴雪丹;崔慶豐;冷家開(kāi);;入射角對(duì)雙層衍射光學(xué)元件衍射效率的影響[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2009年01期

9 劉英;潘玉龍;王學(xué)進(jìn);孫強(qiáng);盧振武;張紅鑫;劉華;;諧衍射/折射太赫茲多波段成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];光學(xué)精密工程;2008年11期

10 董科研;潘玉龍;王學(xué)進(jìn);孫強(qiáng);王健;張德洋;徐長(zhǎng)明;盧振武;;諧衍射紅外雙波段雙焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];光學(xué)精密工程;2008年05期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 楊亮亮;多層衍射光學(xué)元件衍射效率的研究[D];長(zhǎng)春理工大學(xué);2013年

2 林勇;用于激光光束整形的衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)[D];大連理工大學(xué);2009年

3 馬韜;多層衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)理論及其在混合光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用[D];浙江大學(xué);2006年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 王鵬;衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)及金剛石單點(diǎn)車(chē)削技術(shù)的研究[D];長(zhǎng)春理工大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2660687