折衍射混合成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：討論了衍射光學(xué)元件的特殊成像性質(zhì)；提出了帶寬積分平均衍射效率的概念和應(yīng)用；給出了作者在國(guó)內(nèi)外完成的幾個(gè)折衍射混合成像光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，包括一個(gè)用衍射光學(xué)元件復(fù)消色差的長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng)，一個(gè)僅由兩個(gè)鏡片構(gòu)成的CMOS相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)和一個(gè)較復(fù)雜的中等焦距、大孔徑、大視場(chǎng)照相系統(tǒng)。這些系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、性能、體積和重量方面的限制，在光學(xué)設(shè)計(jì)理論上具有重要意義，在工程應(yīng)用上具有重要價(jià)值。還介紹了國(guó)外衍射光學(xué)制造技術(shù)和折衍射混合成像光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用方面的最新進(jìn)展。

0 引言

20世紀(jì)80年代中后期，美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室開始將大規(guī)模集成電路制造技術(shù)應(yīng)用于臺(tái)階型表面浮雕位相光學(xué)元件的加工。制做出了表面質(zhì)量很高，成像性能良好的衍射成像光學(xué)元件，稱之為二元光學(xué)元件(BOE)。引發(fā)了一場(chǎng)持續(xù)至今的衍射光學(xué)技術(shù)的研究與應(yīng)用熱潮。20世紀(jì)90年代中后期，隨著加工技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了較低成本的周期性連續(xù)表面浮雕結(jié)構(gòu)的衍射光學(xué)元件(DOE)，“衍射光學(xué)”技術(shù)開始進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用時(shí)代?！把苌涔鈱W(xué)”這個(gè)詞也逐漸取代了“二元光學(xué)”。

由于衍射光學(xué)元件具有一系列獨(dú)特的性質(zhì)．在成像光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。人們也一直在嘗試將衍射光學(xué)元件應(yīng)用于商用成像光學(xué)系統(tǒng)。20世紀(jì)9o年代后期．日本和北美就已在可見光波段將衍射光學(xué)元件用于CM0S和CCD相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)。在紅外波段的應(yīng)用應(yīng)更早些。最近技術(shù)的進(jìn)展使得衍射光學(xué)元件帶寬增加導(dǎo)致衍射效率下降的問題已得到有效的控制。掃清了衍射光學(xué)元件在各類成像光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用的最后障礙。不久前國(guó)外出現(xiàn)的一種遠(yuǎn)攝型照相鏡頭和一種變焦鏡頭中都已采用了衍射光學(xué)元件。使得鏡頭的體積更小，重量更輕，成像質(zhì)量更好。這意味著新一代更緊湊、性能更高的數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)。

1 衍射光學(xué)元件的成像特性

衍射光學(xué)元件之所以能在成像光學(xué)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，是由于它具有一系列獨(dú)特的成像性質(zhì)。

1.1 特殊色散性質(zhì)

衍射光學(xué)元件的特殊色散性質(zhì)是它最突出的性質(zhì)。衍射光學(xué)元件在本質(zhì)上是一種變周期光柵，對(duì)光的不同波長(zhǎng)成分有分光作用，與普通透鏡相比表現(xiàn)出強(qiáng)烈的色散性質(zhì)。這種色散性質(zhì)是由工作波段決定的，與衍射光學(xué)元件的基底材料無(wú)關(guān)。由光學(xué)玻璃色散的定義，可以得到衍射光學(xué)元件色散的表達(dá)式：

式中ν為阿貝數(shù)；P為相對(duì)部分色散；下標(biāo)M、L和S分別表示中心波長(zhǎng)和長(zhǎng)、短波長(zhǎng)。當(dāng)取可見光波段的D、F、C譜線時(shí)?？捎?jì)算出ν=-3.46和P=0.6063。折衍射混合成像光學(xué)系統(tǒng)中絕大部分利用的是這個(gè)性質(zhì)．尤其是負(fù)值阿貝數(shù)這一點(diǎn)在紅外和精密塑料光學(xué)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

1.2 任意位相分布性質(zhì)

成像光學(xué)系統(tǒng)中使用的對(duì)稱式衍射光學(xué)元件的位相可表達(dá)為：

式中r為衍射光學(xué)元件的徑向坐標(biāo)；a1，a2，…為各項(xiàng)系數(shù)。此性質(zhì)中除了包含色散的因素以外與一個(gè)非球面的作用相同。

1.3 薄型元件性質(zhì)。SⅣ=0性質(zhì)和特性

溫度特性薄型元件是指衍射光學(xué)元件本身的有效厚度很薄，對(duì)于可見光波段的衍射光學(xué)元件，這個(gè)厚度只有約lμm。

理論分析結(jié)果表明，衍射光學(xué)元件的值SIV為零，即不產(chǎn)生場(chǎng)曲。但由于通常衍射光學(xué)元件的光焦度很小。這個(gè)性質(zhì)的作用并不明顯。

衍射光學(xué)元件的特殊溫度性質(zhì)源于其基底材料隨溫度的變化而產(chǎn)生的線度的變化。這種線度變化帶來(lái)衍射光學(xué)元件周期寬度的變化，使衍射光學(xué)元件的光焦度發(fā)生改變而產(chǎn)生溫度補(bǔ)償作用。只有在衍射光學(xué)元件的光焦度較大時(shí)，這種作用才比較明顯，這要求衍射光學(xué)元件的周期寬度很小，因此會(huì)帶來(lái)其他問題。另外．用作溫度補(bǔ)償?shù)难苌涔鈱W(xué)元件常常與色差校正的要求發(fā)生矛盾，使色差的校正變得更為困難。

1.4 衍射效率

不考慮衍射效率的衍射光學(xué)設(shè)計(jì)是沒有意義的。衍射光學(xué)之所以能在近年來(lái)興起并得到應(yīng)用，就在于近乎完美的表面浮雕位相結(jié)構(gòu)極大地提高了成像衍射光學(xué)元件的衍射效率。但是，理論上百分之百的衍射效率只是對(duì)中心波長(zhǎng)而言。衍射效率隨成像光譜寬度的增加而下降。必須評(píng)價(jià)它對(duì)成像質(zhì)量的影響。

......

5 結(jié)論

利用廣泛應(yīng)用于提高紅外探測(cè)器吸收效率的諧振腔結(jié)構(gòu)，提高了微橋電阻的輻射效率，從而實(shí)現(xiàn)了在較低功耗下得到較大的紅外輻射，為微橋電阻陣列的進(jìn)一步低功耗、大面陣化提供了有效的設(shè)計(jì)和制作途徑。

審核編輯：湯梓紅