多层衍射光学元件的优化设计方法技术

一种多层衍射光学元件的优化设计方法，属于光学设计技术领域。现有技术并未实现优化设计。本发明专利技术包括以下步骤：１、根据多层衍射光学元件的表面微结构高度公式，优化选择构成多层衍射光学元件的光学材料；２、在整个工作波段内，采用不同的设计波长组合，确定出带宽积分平均衍射效率分布；３、在整个工作波段内，确定出最大带宽积分平均衍射效率，以及相应的设计波长；４、将确定出的与最大带宽积分平均衍射效率相应的设计波长代入多层衍射光学元件的表面微结构高度公式，计算得出多层衍射光学元件的优化的表面微结构高度以及优化的衍射效率。本发明专利技术用于宽波段的成像光学系统的多层衍射光学元件设计，实现了多层衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率最大化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，用于宽波段的成像光学系统的多层衍射光学元件设计，该方法能够实现多层衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率最 大化、定量化优化设计，能够提高含有多层衍射光学元件的折/衍混合光学系统的成像质 量，属于光学设计

技术介绍
随着光学制造技术的发展，衍射光学元件在现代光学中创建了一个独立的分支， 给传统的光学设计理论和制造工艺带来了革命性的变化。衍射光学元件可以用来校正色 差、像差等各种成像缺陷，给光学设计带来更多的设计自由度和宽广的材料可选性，从而能 实现特殊的光学功能。在折/衍混合光学系统设计过程中，由于单层衍射光学元件的衍射 效率随偏离中心波长急剧下降，成像质量受到影响。因此，单层衍射光学元件只能用于有限 波带宽度的光学系统。近些年，出现的多层衍射光学元件克服了这一缺点，实现了宽波段衍 射效率的提高。目前，通常采用标量衍射理论的方法分析折/衍射混合光学系统的衍射光学元件 的衍射效率，采用带宽积分平均衍射效率与光学系统光学传递函数乘积的方法预评价折/ 衍混合光学系统成像质量。在折/衍混合光学系统设计过程中，通常采用两步设计，第一步 采用常用光学设计软件如zemax、codev等进行光学系统设计，第二步对衍射光学元件的衍 射效率进行设计。在单层衍射光学元件设计过程中，其设计波长与光学系统的中心波长是 一致的，则带宽积分平均衍射效率是一个确定值，但是，在多层衍射光学元件设计过程中， 多层衍射光学元件的中心波长为光学系统的中心波长，同时存在多组设计波长，则对应的 多层衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率是不同的，对折/衍混合光学系统的影响也不 同。关于多层衍射光学元件的优化设计，目前还没有一种科学可靠的设计方法。现有 报道的可见光波段多层衍射光学元件的设计波长选择为F光和C光，或者波段的两端，通过 设计波长和选择的光学材料进行多层衍射光学元件的表面微结构的高度计算，没有考虑带 宽积分平均衍射效率是否最大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于实现多层衍射光学设计带宽积分平均衍射效率最大化，为此提 出一种。由于多层衍射光学元件的结构有多种形式，无论结构形式如何变化，都可以等效 成一个分离型多层衍射光学元件。本专利技术之方法具体包括以下几个步骤1、根据多层衍射光学元件的表面微结构高度公式，优化选择构成多层衍射光学元 件的光学材料；2、在整个工作波段内，采用不同的设计波长组合，确定出带宽积分平均衍射效率 分布；3、在整个工作波段内，确定出最大带宽积分平均衍射效率，以及相应的设计波 长；4、将确定出的与最大带宽积分平均衍射效率相应的设计波长代入多层衍射光学元件的表面微结构高度公式，计算得出多层衍射光学元件的优化的表面微结构高度以及优 化的衍射效率。利用多层衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率，在0.4 0.7μπι可见光波 段，以聚甲基丙烯酸酯和聚碳酸酯为基底材料，以0. 4 μ m和0. 7 μ m为设计波长时，各层 谐衍射元件的微结构高度分别为17. 372μπι和13. 476 μ m，得到的带宽积分平均衍射效 率为95. 319% ；而以F谱线、C谱线为设计波长时，各层谐衍射元件的微结构高度分别 为24. 171 μ m和19. 261 μ m，所得到的带宽积分平均衍射效率为96. 832 %。本专利技术之方 法其技术效果在于，采用本专利技术之方法得到最大带宽积分平均衍射效率为99. 253%，相 应的设计波长为0. 435 μ m和0. 598 μ m,各层谐衍射元件的微结构高度分别为16. 460 μ m 和12. 813 μ m,所得到的带宽积分平均衍射效率比0. 4 μ m和0. 7 μ m，以及0. 435 μ m和 0. 598 μ m为设计波长时，分别高3. 934%和2. 241 %，且各层谐衍射元件的表面微结构高度 都小，实现了对多层衍射光学元件的优化设计，可实现多层衍射光学元件的带宽积分平均 衍射效率最大化设计，解决了设计中的设计波长的优化选择问题。附图说明图1为多层衍射光学元件的结构示意图。图2为多层衍射光学元件的设计波长为0. 4 μ m和0. 7 μ m时衍射效率与波长的关系。图3为多层衍射光学元件的设计波长为0. 486 μ m和0. 656 μ m时衍射效率与波长的关系。图4为第二设计波长为0. 4 μ m 0. 7 μ m的任意值时，多层衍射光学元件的最大 带宽积分平均衍射效率与第一设计波长的变化关系。图5为第一设计波长为0. 4 μ m 0. 7 μ m的任意值时，多层衍射光学元件的最大 带宽积分平均衍射效率与第二设计波长的变化关系。图6为多层衍射光学元件的带宽积分效率最大时的衍射效率与波长的关系。图7为多层衍射光学元件的设计波长不同的三种情况下衍射效率与波长的关系， 该图兼作为摘要附图。具体实施例方式下面进一步说明本专利技术之方法，多层衍射光学元件的结构见图1所示，层数为双层。第一步，根据多层衍射光学元件的表面微结构高度公式，优化选择构成多层衍射 光学元件的光学材料。根据标量衍射理论中衍射光学元件的相位延迟Φ (λ)表达式Φ (λ) = ktn^A )-1]Η^Η2(1)式中λ为工作波长，k为波数且k = 2 π / λ，ηι ( λ )禾Π η2 ( λ )分别为多层衍射 光学元件光学材料在波长为λ时的折射率，H1和H2分别为多层衍射光学元件各层的表面 微结构高度。当多层衍射光学元件的光学材料和设计波长λ”λ 2确定后，多层衍射光学元 件的相位延迟组成一个二元一次方程组 K (( 1 (Λ)-W+ O2 (Λ) - m2 ) = m2n{^{λ^-ν,Η,+(H^X1)-\)H2) = m2n(2)通常取衍射级次m = 1，通过求解二元一次方程组(2)，得到多层衍射光学元件在 设计波长为W时的表面微结构高度Hp H2 :H 二(n2(A2)-Vi-MA2(η2(Λ)~ 1)(3)1 ~ (η, (Λ) -(^2) -1) - (Λ) -1)( 2 (Λ) -1)Η 二 ml, (η, (1,) -1) - ^A1 (η, (I2) -1)⑷2~{nx{^)-\){η2 队)-1) - {ηχ (A2) - l)(n2 (式)-1)当多层衍射光学元件的设计波长确定后，且选择的材料其中一个是高折射率、低 色散光学材料，另一个是低折射率、高色散光学材料时，多层衍射光学元件的表面微结构高 度公式(3)、(4)中分母最大，则多层衍射光学元件的表面微结构高度最小。第二步，在整个工作波段内，采用不同的设计波长组合，确定出带宽积分平均衍射 效率分布。多层衍射光学元件的光学材料和设计波长确定后，则多层衍射光学元件的表面 微结构高度也是确定值，多层衍射光学元件的第m衍射级次的衍射效率ηω(λ)为TJm (A) = sine \m -(5 )2π 其中，sine (χ) = sin(瓜)πχ在多层衍射光学元件设计波长为λ ρ λ 2时，第m衍射级次的带宽积分平均衍射效 率 HmintU1,入2)为_1"^inax= ~yiUiax ~ Amin Amin(6)式中λ min、λ max分别表示工作波段的最小波长和最大波长。第三步，在整个工作波段内，确定出最大带宽积分平均衍射效率，以及相应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层衍射光学元件的优化设计方法，其特征在于，（１）根据多层衍射光学元件的表面微结构高度公式，优化选择构成多层衍射光学元件的光学材料；（２）在整个工作波段内，采用不同的设计波长组合，确定出带宽积分平均衍射效率分布；（３）在整个工作波段内，确定出最大带宽积分平均衍射效率，以及相应的设计波长；（４）将确定出的与最大带宽积分平均衍射效率相应的设计波长代入多层衍射光学元件的表面微结构高度公式，计算得出多层衍射光学元件的优化的表面微结构高度以及优化的衍射效率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：薛常喜，崔庆丰，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]