【摘要】：多層衍射光學(xué)元件目前在折衍射混合光學(xué)系統(tǒng)中展現(xiàn)出巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。多層衍射光學(xué)元件可以在寬波段實(shí)現(xiàn)高衍射效率,包含多層衍射光學(xué)元件的折衍射混合光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量明顯優(yōu)于目前普遍采用的含有單層衍射光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)。同時(shí),衍射光學(xué)元件在光學(xué)系統(tǒng)中引入了新的設(shè)計(jì)自由度,可以突破傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的一些限制,對(duì)提高光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)性能、簡化結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的輕量化、集成化、小型化具有十分重要的意義。本文主要研究多層衍射光學(xué)元件標(biāo)量衍射理論分析模型的修正,開展了多層衍射光學(xué)元件優(yōu)化設(shè)計(jì)、斜入射衍射效率模型、衍射光學(xué)元件誤差分析和加工等相關(guān)問題的研究工作。目前對(duì)多層衍射光學(xué)元件衍射特性的研究都是基于標(biāo)量衍射理論的,而關(guān)于標(biāo)量衍射理論在多層衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)和分析方面的局限性和適用范圍都尚不明確,使得部分據(jù)此設(shè)計(jì)的多層衍射光學(xué)元件衍射效率檢測值與設(shè)計(jì)值存在差距,大視場下的成像系統(tǒng)光學(xué)性能下降,可用波段變窄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明目前多層衍射光學(xué)元件的標(biāo)量衍射理論分析模型存在不確定性,本文通過對(duì)現(xiàn)有標(biāo)量衍射理論分析方法的研究,結(jié)合矢量衍射理論的驗(yàn)證,建立了一種更加準(zhǔn)確的多層衍射光學(xué)元件分析方法,拓展了多層衍射光學(xué)元件的應(yīng)用范圍。該研究修正了現(xiàn)有多層衍射光學(xué)元件的標(biāo)量衍射理論分析方法,可為多層衍射光學(xué)元件的衍射效率分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),所取得的研究成果可廣泛應(yīng)用于含有多層衍射光學(xué)元件的折衍射混合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。論文簡述了單層衍射光學(xué)元件、諧衍射光學(xué)元件和多層衍射光學(xué)元件的發(fā)展歷史和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,給出了衍射光學(xué)元件的基本特性,加工和檢測技術(shù),以及衍射光學(xué)的基礎(chǔ)理論;結(jié)合單層衍射光學(xué)元件的標(biāo)量衍射理論、擴(kuò)展標(biāo)量衍射理論和矢量衍射理論的衍射效率計(jì)算方法,研究了三種衍射理論的局限性和各自的適用范圍。基于標(biāo)量衍射理論和矢量衍射理論,分析了不同周期寬度和微結(jié)構(gòu)高度的多層衍射光學(xué)元件的衍射特性,并對(duì)比了兩種方法的分析結(jié)果,給出了標(biāo)量衍射理論在分析多層衍射光學(xué)元件方面的局限性,并建立了基于多層衍射光學(xué)元件遮擋效應(yīng)的有效面積分析方法,該方法通過對(duì)多層衍射光學(xué)元件實(shí)際位相和波前在色散、入射角度和加工誤差的影響下產(chǎn)生的遮擋面積來計(jì)算有效微結(jié)構(gòu)高度和周期寬度,對(duì)標(biāo)量衍射理論中的多層衍射光學(xué)元件理想位相和波前進(jìn)行修正,得到最終的多層衍射光學(xué)元件位相分布,從而獲得更加準(zhǔn)確的衍射效率分析結(jié)果。根據(jù)積分衍射效率最大化的設(shè)計(jì)原則,利用建立的多層衍射光學(xué)元件積分衍射效率與衍射微結(jié)構(gòu)高度和周期寬度之間的數(shù)學(xué)模型,給出了不同周期寬度下多層衍射光學(xué)元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程和分析結(jié)果,并利用矢量衍射理論對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,證明了該設(shè)計(jì)模型的有效性�；诙鄬友苌涔鈱W(xué)元件的有效面積分析方法,將入射角度引入多層衍射光學(xué)元件分析模型,分析了入射角度變化對(duì)多層衍射光學(xué)元件衍射效率和積分衍射效率的影響,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,建立了多層衍射光學(xué)元件衍射效率與入射角度、周期寬度和微結(jié)構(gòu)高度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,并闡述了標(biāo)量衍射理論在分析大角度入射多層衍射光學(xué)元件時(shí)的局限性。本文還基于有效面積法研究了多層衍射光學(xué)元件的加工誤差對(duì)其衍射效率的影響,通過與標(biāo)量衍射理論的分析結(jié)果比較,闡述了標(biāo)量衍射理論在分析多層衍射光學(xué)元件微結(jié)構(gòu)高度和周期寬度誤差時(shí)的局限性,并通過矢量衍射理論的分析結(jié)果證明了有效面積法在分析多層衍射光學(xué)元件加工誤差方面的有效性。針對(duì)多層衍射光學(xué)元件加工過程中產(chǎn)生的側(cè)面傾斜誤差,本文首次給出了基于有效面積法的分析過程和結(jié)果,建立了側(cè)面傾斜角度與衍射效率之間的數(shù)學(xué)模型。對(duì)微結(jié)構(gòu)高度誤差、周期寬度誤差和側(cè)面傾斜誤差的研究為多層衍射光學(xué)元件的誤差分配提供了理論基礎(chǔ),對(duì)于提高多層衍射光學(xué)元件的加工質(zhì)量、降低加工成本具有重要理論意義。同時(shí),基于單點(diǎn)金剛石超精密加工技術(shù),本文利用有效面積法分析了加工過程中金剛石刀具形狀、進(jìn)給速度和刀具半徑對(duì)多層衍射光學(xué)元件面形和粗糙度的影響,并據(jù)此建立了加工參數(shù)與多層衍射光學(xué)元件加工質(zhì)量和光學(xué)性能的關(guān)系,這對(duì)于快速確定多層衍射光學(xué)元件的加工參數(shù)、提高多層衍射光學(xué)元件的加工質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：長春理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O436.1
【圖文】：

衍射光學(xué)元件的第一個(gè)重要性質(zhì)為薄型元件性質(zhì)。衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)原理如圖1.1 所示，一個(gè)傳統(tǒng)的折射元件通過相位壓縮后可以得到一個(gè)衍射光學(xué)元件。圖 1.1(a)是一個(gè)傳統(tǒng)的平凸透鏡，平行光入射該透鏡后會(huì)被透鏡彎折并會(huì)聚在透鏡的焦點(diǎn)上。該會(huì)聚作用是通過平凸透鏡后表面的曲率來實(shí)現(xiàn)的，因此可將平凸透鏡劃分為兩個(gè)部分，如圖 1.1(b)所示，虛線左側(cè)的部分對(duì)入射光線并沒有彎折作用，透鏡的聚焦是通過右側(cè)部分來實(shí)現(xiàn)的。去除圖 1.1 (b)中虛線左側(cè)的部分便得到了一個(gè)典型的衍射光學(xué)元件，該衍射光學(xué)元件的厚度在一個(gè)微米左右，厚度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的折射元件，這說明衍射光學(xué)元件是一種薄型元件。軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的衍射光學(xué)元件的位相系數(shù)可以表示為2 41 2 (y) 2 (A y A y ) (1.1)其中 Ai為多項(xiàng)式像差系數(shù)，i=1,2,3…圖 1.1 衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)原理圖使用衍射光學(xué)元件代替折射元件可以減輕原有的折反射光學(xué)系統(tǒng)的重量，縮小光學(xué)系統(tǒng)的體積。而且衍射光學(xué)元件可以直接加工在其他光學(xué)元件的表面，便于系統(tǒng)的小型化和輕量化，簡化光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。衍射光學(xué)元件的第二個(gè)重要性質(zhì)為特殊色散性質(zhì)。傳統(tǒng)折射元件的色散特性是由其本身的材料決定的，七種光學(xué)材料的折射率和阿貝數(shù)如圖 1.2 所示，圖中的阿貝數(shù)由以下公式得出，1VddF Cnn n (1.2)

佳能公司發(fā)布了第一代應(yīng)用雙層衍射光學(xué)元件的照相機(jī)攝影鏡頭——EF400/4 DO IS USM，其中 DO 即 Diffractive Optics，就代表衍射光學(xué)元件。雙層衍射光學(xué)元件的特殊結(jié)構(gòu)使其具有很強(qiáng)的負(fù)色散，可以用來補(bǔ)償傳統(tǒng)折射元件產(chǎn)生的色散，而且多層衍射光學(xué)元件可以實(shí)現(xiàn)任意的位相分布。多層衍射光學(xué)元件的這一特性可以簡化折衍射混合光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鏡頭的小型化。圖 1.4 為佳能公司的兩種400mm 焦距鏡頭，其中(a)為使用傳統(tǒng)折射元件設(shè)計(jì)的 400mmf/4 鏡頭；(b)為采用多層衍射光學(xué)元件的 400mm f/4 鏡頭，全長約縮短了 84mm，重量減少了約 920g。折衍射混合光學(xué)系統(tǒng)的使用，使其可以兼顧小型化和高像質(zhì)。

圖 1.4 佳能公司超攝遠(yuǎn)鏡頭比較(a)采用傳統(tǒng)折射元件設(shè)計(jì)，(b)采用折衍射混合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2014 年，佳能公司在 EF400mmf/4DOIIUSM 中引入了第三代無縫雙層衍射光學(xué)元件，如圖 1.5 所示，與前兩代多層衍射光學(xué)元件相比，通過去除兩層衍射光學(xué)元件間的空氣層，降低了入射光線在兩層衍射光學(xué)元件之間的衍射角，減弱了入射角度對(duì)多層衍射光學(xué)元件衍射效率的影響，在畫面內(nèi)有強(qiáng)光源的情況下也能有效的抑制眩光。

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本文編號(hào)：2753807