[發明專利]多層衍射光學元件的優化設計方法

無效

• 申請號: 201010116822.8
• 申請日: 2010-03-03
• 公開（公告）號: CN101813797A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發明（設計）人: 薛常喜;崔慶豐
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: G02B5/18
• 分類號: G02B5/18
• 代理公司: 長春科宇專利代理有限責任公司 22001
• 代理人: 曲博

技術領域

本發明涉及一種多層衍射光學元件的優化設計方法，用于寬波段的成像光學系統的多層 衍射光學元件設計，該方法能夠實現多層衍射光學元件的帶寬積分平均衍射效率最大化、定 量化優化設計，能夠提高含有多層衍射光學元件的折/衍混合光學系統的成像質量，屬于光學 設計技術領域。

背景技術

隨著光學制造技術的發展，衍射光學元件在現代光學中創建了一個獨立的分支，給傳統 的光學設計理論和制造工藝帶來了革命性的變化。衍射光學元件可以用來校正色差、像差等 各種成像缺陷，給光學設計帶來更多的設計自由度和寬廣的材料可選性，從而能實現特殊的 光學功能。在折/衍混合光學系統設計過程中，由于單層衍射光學元件的衍射效率隨偏離中心 波長急劇下降，成像質量受到影響。因此，單層衍射光學元件只能用于有限波帶寬度的光學 系統。近些年，出現的多層衍射光學元件克服了這一缺點，實現了寬波段衍射效率的提高。

目前，通常采用標量衍射理論的方法分析折/衍射混合光學系統的衍射光學元件的衍射效 率，采用帶寬積分平均衍射效率與光學系統光學傳遞函數乘積的方法預評價折/衍混合光學系 統成像質量。在折/衍混合光學系統設計過程中，通常采用兩步設計，第一步采用常用光學設 計軟件如zemax、codev等進行光學系統設計，第二步對衍射光學元件的衍射效率進行設計。 在單層衍射光學元件設計過程中，其設計波長與光學系統的中心波長是一致的，則帶寬積分 平均衍射效率是一個確定值，但是，在多層衍射光學元件設計過程中，多層衍射光學元件的 中心波長為光學系統的中心波長，同時存在多組設計波長，則對應的多層衍射光學元件的帶 寬積分平均衍射效率是不同的，對折/衍混合光學系統的影響也不同。

關于多層衍射光學元件的優化設計，目前還沒有一種科學可靠的設計方法。現有報道的 可見光波段多層衍射光學元件的設計波長選擇為F光和C光，或者波段的兩端，通過設計波長 和選擇的光學材料進行多層衍射光學元件的表面微結構的高度計算，沒有考慮帶寬積分平均 衍射效率是否最大。

發明內容

本發明的目的在于實現多層衍射光學設計帶寬積分平均衍射效率最大化，為此提出一種 多層衍射光學元件的優化設計方法。

由于多層衍射光學元件的結構有多種形式，無論結構形式如何變化，都可以等效成一個 分離型多層衍射光學元件。

本發明之方法具體包括以下幾個步驟：

1、根據多層衍射光學元件的表面微結構高度公式，優化選擇構成多層衍射光學元件的光 學材料；

2、在整個工作波段內，采用不同的設計波長組合，確定出帶寬積分平均衍射效率分布；

3、在整個工作波段內，確定出最大帶寬積分平均衍射效率，以及相應的設計波長；

4、將確定出的與最大帶寬積分平均衍射效率相應的設計波長代入多層衍射光學元件的表 面微結構高度公式，計算得出多層衍射光學元件的優化的表面微結構高度以及優化的衍射效 率。

利用多層衍射光學元件的帶寬積分平均衍射效率，在0.4～0.7μm可見光波段，以聚甲基 丙烯酸酯和聚碳酸酯為基底材料，以0.4μm和0.7μm為設計波長時，各層諧衍射元件的微結構 高度分別為17.372μm和13.476μm，得到的帶寬積分平均衍射效率為95.319％；而以F譜線、C 譜線為設計波長時，各層諧衍射元件的微結構高度分別為24.171μm和19.261μm，所得到的帶 寬積分平均衍射效率為96.832％。本發明之方法其技術效果在于，采用本發明之方法得到最大 帶寬積分平均衍射效率為99.253％，相應的設計波長為0.435μm和0.598μm，各層諧衍射元件 的微結構高度分別為16.460μm和12.813μm，所得到的帶寬積分平均衍射效率比0.4μm和 0.7μm，以及0.435μm和0.598μm為設計波長時，分別高3.934％和2.241％，且各層諧衍射元件 的表面微結構高度都小，實現了對多層衍射光學元件的優化設計，可實現多層衍射光學元件 的帶寬積分平均衍射效率最大化設計，解決了設計中的設計波長的優化選擇問題。

附圖說明

圖1為多層衍射光學元件的結構示意圖。

圖2為多層衍射光學元件的設計波長為0.4μm和0.7μm時衍射效率與波長的關系。

圖3為多層衍射光學元件的設計波長為0.486μm和0.656μm時衍射效率與波長的關系。