衍射光学元件及其特性.pptxVIP

9.1普通衍射光学元件及其特性

9.2谐衍射光学元件及其特性;9.1.1衍射光学元件的发展历程

衍射光学元件(DiffractiveOpticalElement,DOE)是基于光波的衍射理论设计的,类似于全息图和衍射光栅,表面带有阶梯状的小沟槽或线等衍射结构的光学元件,通过整个光学表面能产生波前相位变换。

200年前发明的衍射光栅是最早的衍射光学元件,在光学仪器中应用广泛,随后近一个世纪开始了波带片的研究工作。1820年,菲涅尔提出菲涅尔透镜,并在1822年研制成功。1836年,泰伯发现了基于菲涅尔衍射中的泰伯效应。这是设计和制作光学阵列发生器或照明器的重要方法之一。1971年,达曼提出并设计了光电技术、图像处理技术使用的光学分束器———达曼光栅(DammannGrating)。20世纪80年代中期,美国麻省理工学院林肯实验室率先提出了“二元光学”的概念。二元光学元件(BinaryOpticalElement,BOE)如图9.1所示,它是基于光波的衍射理论,在传统光学元件表面刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构,形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。1988年,斯涅森(Swanson)和维尔德卡姆(Veldkamp)等利用衍射光学元件的色散特性校正单透镜的轴上色差和球差,研制了多阶相位透镜。从此,开始进行衍射光学元件在光学成像领域的研究。;20世纪90年代,出现了一种既包括传统光学器件,如透镜、棱镜、反射镜等,又包括衍射光学器件的新型光学成像系统。它同时利用了光在传播中所具有的折射和衍射两种性质,通常称为混合光学成像系统(HybridOpticalSystem,HOS)。它不仅可以增加光学设计自由度,而且能够在一定程度上突破传统光学系统的许多局限性,在改善系统像质、减小体积和降低成本等方面都表现出了优势。;9.1.2衍射光学元件的制作方法

衍射光学元件的制作方法很多。在二元光学发展初期,按照所用掩模板及加工表面浮雕结构的特点主要分为三类方法。

(1)第一类是最初的标准的衍射元件制作方法,如图9.2所示,由二元掩模板经过多次图形转印,套刻形成台阶式浮雕表面,包括多层掩模刻蚀、多层掩模镀膜、旋转掩模镀膜等。以上均要求衍射面基底为平面。;(2)第二类是新型的直写法,无需利用掩模板,仅通过改变曝光???度直接在元件表面形成连续浮雕轮廓,主要包括激光束直写和电子束直写。直写法可以制作具有连续曲率的表面结构的光学元件。

(3)第三类是灰阶掩模图形转印法,所用掩模板透射率分布是多层次的,经一次图形转印即形成连续或台阶表面结构。后来由于超精密单点金刚石车削设备的发展,使其成为目前普遍采用的加工衍射光学元件的方法之一。它是在超精密数控机床上,采用天然单晶金刚石刀具,在对机床和加工环境进行精确控制的条件下,直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学设计要求的光学器件,表面粗糙度可以达到亚纳米级。这是一种制造工艺最简单的方法,可以一次车削成型,可以在任意形状的基底上加工含有任意高次项分布的衍射结构,生产效率高、重复性好、加工精度高、可以精确地控制轮廓深度、适合批量生产。但这种方法对加工材料有选择性,目前只能加工部分金属、某些塑料及少量晶体,无法加工玻璃材料。

图9.3为单点金刚石车床,用于衍射光学元件的注塑所用模芯的加工,也可用于塑料和红外光学晶体材料的衍射光学元件的直接加工。图9.4为白光轮廓干涉测量仪,用于衍射光学元件结构的局部轮廓测量。;9.1.3衍射光学元件的特性

1.消色差特性衍射元件的色差由微结构对波长的衍射引起,其色散特性与折射元件正好相反。衍射光学元件在可见光波段的等效阿贝数为;相对部分色散为

衍射元件具有负的色散系数,与常规材料色散正好符号相反,如图9.5所示。利用这一特性有利于校正光学系统的色差和二级光谱。

2.衍射光学元件的透过率

折射光学元件的透过率可表示为

衍射光学元件的透过率可表示为;在周期[-a/2,a/2]范围内,φ(x)可以表示为

如果周期为1个波长,例如a=1,则C1=1,Cm=0,有

此时,衍射光学元件的相位功能等同于相应的折射透镜。

在设计衍射光学元件时,必须首先产生一个连续的相位分布,即

3.消热差特性

光学元件的温度特性用光热膨胀系数xf来表征,其定义为单位温度变化引起的光焦度的相对变化,即;而当采用薄透镜模型时,可得折射元件的光热膨胀系数xf,y为

衍射透镜的光热膨胀系数公认为

衍射透镜的光热膨胀系数与透镜材料的折射率及折射率随温度的变化无关,只与透镜材料热膨胀系数和像空间折射率随温度的变化有关。因为与大多数光学材料具有的热差特性相反,衍射光学元件可以补偿折射透镜引起的热变形。由式(9.11)可知