谐衍射透镜成像特性研究

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1、目录11绪论11.1衍射光学的发展现状11.2国内外发展现状21.3主要进展3131设计理论方面的进展31.3.2制作工艺方面的进展3133应用方面的发展41.4发展趋势41.5微细加工简介4151.光刻及干法、湿法刻蚀41.52激光直写技术51.5.3.超精密金刚石切削技术61.5.4.注模技术71.6混合光学系统71.7谐衍射概念81.8谐衍射的物理意义与应用前景102衍射光学的基础理论122.1衍射光学的基础理论122.2光场传播理论132.3衍射光学元件的傅里叶分析（角谱理论）162.4谐衍射光学元件的特性分析172.5二元光学衍射元件的衍射效率的分析202.6

2、衍射光学元件的色散分析232.7单片谐衍射光学元件的设计理论263谐衍射混合光学系统的设计303.1未优化前的光学系统303.2优化后的光学系统353.3优化结果的分析414应用前景展望42参考文献：43致谢451绪论普通衍射光学元件的设计以及加工在红外波段已经十分成熟，利用其特殊的负色散以及负热差特性可以有效地进行光学系统的消色差和无热化设计，因此衍射光学元件以及折/衍射混合光学系统在现代光学领域的应用也越来越广泛。冃前，光学系统的发展正向着增大数值孔径、缩短入射波长以及增加光谱宽度的H标而前进。但随着数值孔径的増加、波长的缩短，普通衍射光学元件的加工工艺难度显著増大

3、，其最小加工线宽有时已经超出了现在的微细加工能力，这也成为衍射光学发展的一个瓶颈。再加上普通衍射光学元件的等效阿贝数通常较小，其负色散绝对值较人；波长偏离中心波长时，其衍射效率下降严重，非设计级次衍射光形成杂散光，影响光学系统成像质量，这些也限制了衍射光学元件在宽光谱及多波段成像光学系统中的应用。针对上述普通衍射光学元件本身的局限性，提出了应用谐衍射来増人最小加工线宽，降低工艺难度，使得加工制作大数值孔径、短波长的混合光学系统成为可能；同时，谐衍射的应用从理论上解决了普通衍射光学元件在宽光谱和多波段光学系统中的人色散以及衍射效率下降问题。通过理论设计与实际加工测试，在谐

4、衍射光学元件的应用特性等方面进行了实践探索。1.1衍射光学的发展现状进入90年代，随着微细加工技术的发展，以及为了得到高衍射效率的二元光学元件，其浮雕结构从两个台阶发展到多个台阶，直至近似连续分布，但由于其主要的制作方法仍基于表而分布成形技术，每次刻蚀可得到二倍的相位阶数，故仍称其为二元光学，而且往往就称其为衍射光学。80年代中期，美国MIT林肯实验室维尔徳坎普（Veldkamp）领导的研究组在设计新型传感器系统中，率先提出了“二元光学”的概念［切，他当时描述道：“现在光学有一个分支，它儿乎完全不同于传统的制作方式，这就是衍射光学，其光学元件表而带有浮雕结构；由于使用了

5、本来是制作集成电路的生产方法，所用的掩膜是二元的，且掩膜用二元编码形式进行分层，故引出了二元光学的概念。”随后二元光学不仅作为一门技术，而且作为一门学科迅速地受到学术界和工业界的亲睐，在国际上掀起了第1页共46页一股二元光学的研究热潮，二元光学元器件因其在实现光波变幻上所具有的许多卓越的、传统光学难以具备的功能，而有利于促进光学系统实现微型化、阵列化和集成化,开辟了光学领域的新视野［列。二元光学一经提出就吸引了一些技术发达国家的注冃，引起了各研究机构、大学及工业界的极人兴趣，并被MIT林肯实验室称为振兴和发展美国光学工业的主要希望，可见其在整个光学领域的意义。二元光学能

6、获得如此迅速的发展，处由于具有体积小、重量轻、容易复制等显而易见的优点外述具有髙衍射效率、独特的色散性能、更多的设计自由度、宽广的材料可选性、特殊的光学功能的特点和功能［5切。随着二元光学技术的迅速发展，衍射光学元件得到了广泛的应用。将衍射元件与传统的折射光学元件相结合，以常规折射元件的曲面提供大部分的聚焦功能，再利用其表面的浮雕相位结构同时校正多种像差，构成折衍射混合光学系统，可实现许多传统光学系统无法实现的特殊功能，同时有助于减小系统体积和质量，降低成本，使光学设计者在材料的选择上具有更多的灵活性，满足现代光学系统轻量化、集成化、高效率和低成木的要求错误！未找到图形

7、项目表。。随着光学系统向宽波段和大数值孔径（NA）或大F数的方向发展，对DOE及BOE的设计及工艺就带来两大难点：（1）微结构如何克服大色差的趋势，这采用多层衍射结构可以解决；（2）NA增大（F数增大），光学系统光焦度①增大，微结构尺寸变小，特别是使用波长从长波向短波发展，即从红外波段向可见光波段和紫外波段发展,由于波长变短，微结构尺寸也变小。如红外光波段，波长九=0.4〜0.7屮m和差10〜20倍，微结构尺寸也要小10~20倍，这就受到微细加工最小线宽的限制。当前，光刻工艺的最小线宽为gm,而亚微米工艺尚不成熟月•成木过高，为了解决这个