專利名稱：提供非球面度的衍/折混合光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提供非球面度的衍/折混合光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)球面系統(tǒng)的光路特征和成像特性可知，單個(gè)球面透鏡只能對(duì)近軸物點(diǎn)以細(xì)光束成完善像。平行光軸入射由一個(gè)球面構(gòu)成的平凸透鏡的光線隨著入射點(diǎn)高度的不同匯聚在光軸上的位置也不同，如圖2(a)所示，這種單色光的成像缺陷即為球差。從理論上講，用非球面替代球面構(gòu)成的平凸透鏡可以有效地將全部平行于光軸入射的光線匯聚到一點(diǎn)，如圖2(b)所示。本發(fā)明公開(kāi)的由球面基底二元微結(jié)構(gòu)表面衍/折混合光學(xué)表面構(gòu)成的平凸透鏡如圖2(c)所示，理論上同樣可以將全部平行于光軸入射的光線匯聚到一點(diǎn)。
在球面透鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，只有通過(guò)使用多片球面透鏡，利用多表面校正球差，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，體積、重量與成本變大，同時(shí)也增加了光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)的難度。在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用非球面有利于校正光學(xué)系統(tǒng)像差，獲得更大的視場(chǎng)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并降低重量，使設(shè)計(jì)更具靈活性，因此光學(xué)非球面元件被廣泛的應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中，特別是對(duì)于一些大視場(chǎng)，高精度，有特殊要求的系統(tǒng)，光學(xué)非球面元件更加不可缺少。
但是，加工和檢測(cè)非球面元件所產(chǎn)生的困難以及過(guò)高的制造成本限制了其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。目前，用于加工非球面的技術(shù)和方法仍然十分復(fù)雜，而且很難保證非球面的面型精度和表面粗糙度，成為限制系統(tǒng)光學(xué)質(zhì)量的瓶頸。為了保證加工精度，精密的測(cè)量技術(shù)與設(shè)備也是必不可少的，并且高額的制造成本仍然是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。
二元衍射光學(xué)元件在現(xiàn)代光學(xué)中創(chuàng)建了一個(gè)獨(dú)立的分支，給傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)理論和加工工藝帶來(lái)了革命性的變化。因?yàn)槎苌涔鈱W(xué)元件具有高的衍射效率，獨(dú)特的校像差特性，給光學(xué)設(shè)計(jì)帶來(lái)更多的設(shè)計(jì)自由度和寬廣的材料可選性，從而能實(shí)現(xiàn)特殊的光學(xué)功能。利用常規(guī)折射元件的曲面提供主要的光焦度，二元微結(jié)構(gòu)衍射元件校正像差，構(gòu)成一個(gè)衍/折混合光學(xué)元件取代非球面。二元衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)和制造方法主要基于標(biāo)量衍射理論，二元多臺(tái)階結(jié)構(gòu)可達(dá)到高的衍射效率，制作方法基于表面分步成形技術(shù)，利用掩模、光刻、離子刻蝕得到多級(jí)相位階數(shù)，并實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
傳統(tǒng)的二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件通常制作在平面基底上，如圖3(b)所示，二元微結(jié)構(gòu)表面在提供相位補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，也承擔(dān)著元件主要的光焦度，因此結(jié)構(gòu)周期較多，相應(yīng)的最小周期間隔變小，由于受到最小加工線寬的限制，可應(yīng)用的范圍大大縮小。在微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)過(guò)程中通常利用元件的另一表面提供大部分光焦度，微結(jié)構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償，舍棄微結(jié)構(gòu)表面提供光焦度的設(shè)計(jì)自由度以滿足微結(jié)構(gòu)的可加工性。本發(fā)明的球面基底二元微結(jié)構(gòu)表面衍/折混合光學(xué)元件如圖3(c)所示，利用球面基底承擔(dān)主要光焦度，在球面基底上制作二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面補(bǔ)償球面基底與非球面之間的光程差，降低微結(jié)構(gòu)周期，增大最小周期間隔，使它在最小加工線寬范圍之內(nèi)，方便加工，同時(shí)也擴(kuò)展了二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件在可見(jiàn)光波段的應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開(kāi)了一種提供非球面度的衍/折混合光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法。
衍/折混合光學(xué)元件由球面基底與二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面二部分組成，所述球面基底與二元微結(jié)構(gòu)表面構(gòu)成的衍/折混合光學(xué)元件面形分布公式Tk(r)為Tk(r)=c0r21+1-c02r2+[OPDλ0(r,c0)-int(OPDλ0(r,c0)/mλ0)·mλ0]·qn(λ0)-1]]>其中c0是球面基底曲率；OPDλ0(r，c0)是利用二元微結(jié)構(gòu)表面補(bǔ)償?shù)那蛎婊椎椒乔蛎嬷g的光程差；int(x)是取整函數(shù)，求出不大于x的最大整數(shù)；λ0是設(shè)計(jì)波長(zhǎng)；r是元件徑向半徑；q是深度比例因子，當(dāng)q≠1時(shí)，表示因加工誤差或設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與實(shí)際使用波長(zhǎng)的偏差；m是≥1的整數(shù)。
提供非球面度的衍/折混合光學(xué)元件設(shè)計(jì)方法衍/折混合光學(xué)元件由球面基底與二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面二部分組成，根據(jù)已知的非球面結(jié)構(gòu)的曲率、二次曲面系數(shù)、元件口徑與高次非球面系數(shù)參量，采用設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與最小加工線寬作為判據(jù)確定球面基底的曲率，然后在球面基底上制作二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件，利用它所具有的相位調(diào)制作用補(bǔ)償球面基底與非球面之間的光程差，利用球面基底承擔(dān)主要的光焦度，使二元微結(jié)構(gòu)的最小周期間隔在最小加工線寬范圍之內(nèi)，通過(guò)衍/折混合光學(xué)方法，使成像質(zhì)量接近衍射極限，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的全球面化。
所述采用設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與最小加工線寬作為判據(jù)確定球面基底的曲率的方法球面基底到非球面之間的光程差梯度的鞍點(diǎn)值，即光程差梯度關(guān)于球面基底曲率為最小值且關(guān)于元件徑向半徑為最大值位置的值，其絕對(duì)值小于或等于考波長(zhǎng)與最小加工線寬乘上相位臺(tái)階數(shù)積的比值，作為判斷利用二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件替代非球面可行性的充分條件，即為球面基底的判據(jù)公式|Sλ0(rc,c0c)|≤λ0LT]]>其中Sλ0(re，c0e)為鞍點(diǎn)值，λ0為設(shè)計(jì)波長(zhǎng)，T為最小線寬，L為相位臺(tái)階數(shù)。
利用二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面所具有的相位調(diào)制作用補(bǔ)償球面基底與非球面之間的光程差，其表述公式為OPDDOE(r)=λ02πφN(r)=Σi=1NPir2i]]>式中φN(r)是二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件相位分布公式，Pi是光程差系數(shù)P1=(n-1)(c-c0)2,Pi=(n-1)[(2i-3)!2i×i!(c2i-1-c02i-1)+αi](i≥2)]]>本發(fā)明的有益效果是，此提供非球面度的衍/折混合光學(xué)元件由球面基底與二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面二部分組成，采用球面基底承擔(dān)主要的光焦度，二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面承擔(dān)的光焦度較小，使二元微結(jié)構(gòu)的最小周期間隔在最小加工線寬范圍之內(nèi)，利用二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件具有的相位調(diào)制作用補(bǔ)償球面到非球面之間的光程差，方便可靠的引入非球面自由度，擴(kuò)展二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件在可見(jiàn)光波段的應(yīng)用范圍。利用傳統(tǒng)的加工方法，球面基底可以保證足夠的面型精度和表面粗糙度。工藝上采用二元光學(xué)技術(shù)制作表面微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件，其制造過(guò)程對(duì)于任意相位分布都是相同的，且能保證很高的面形精度。通過(guò)衍/折混合光學(xué)方法，提供非球面度，替代光學(xué)系統(tǒng)中的非球面元件，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)，高質(zhì)量成像和光學(xué)系統(tǒng)的全球面化。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是提供非球面度的衍/折混合光學(xué)元件結(jié)構(gòu)示意圖，其中(1)是球面基底，(2)是二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面；圖2是說(shuō)明三種不同結(jié)構(gòu)平凸透鏡的球差示意圖，其中(a)是球面平凸透鏡；(b)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱偶次非球面平凸透鏡；(c)是球面基底二元微結(jié)構(gòu)表面構(gòu)成的衍/折混合光學(xué)平凸透鏡；圖3是對(duì)比了球面基底二元微結(jié)構(gòu)表面衍/折混合光學(xué)元件與平面基底二元微結(jié)構(gòu)表面衍/折混合光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱偶次非球面非球面；(b)是平面基底二元微結(jié)構(gòu)表面衍/折混合光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)示意圖；(c)是球面基底二元微結(jié)構(gòu)表面衍/折混合光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是利用最佳球面基底結(jié)合二元微結(jié)構(gòu)表面構(gòu)成的衍/折混合光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面元件替代的設(shè)計(jì)方法示意圖，其中(a)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱偶次非球面非球面；(b)是最佳球面基底；(c)是球面到非球面之間的光程差；(d)是二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面；圖5是對(duì)比了利用一般球面基底與最佳球面基底結(jié)合二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面的替代的示意圖，其中(a)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱偶次非球面非球面；(b)是用一般球面基底二元微結(jié)構(gòu)表面衍/折混合光學(xué)元件；(c)是用最佳球面基底二元微結(jié)構(gòu)表面衍/折混合光學(xué)元件；圖6是利用最佳球面基底二元微結(jié)構(gòu)表面衍/折混合光學(xué)元件替代激光束準(zhǔn)直非球面透鏡的實(shí)例；圖7是利用最佳球面基底二元微結(jié)構(gòu)表面衍/折混合光學(xué)元件替代大口徑非球面透鏡的實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
為了避免非球面加工和檢測(cè)產(chǎn)生的困難，同時(shí)降低制造成本，提出了利用球面基底結(jié)合二元微結(jié)構(gòu)表面構(gòu)成衍/折混合光學(xué)元件，如圖1所示，提供非球面度，擴(kuò)展二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件在可見(jiàn)光波段的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面光學(xué)元件的替代。最佳球面基底的選擇是這項(xiàng)發(fā)明的關(guān)鍵之一，采用設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與最小加工線寬作為選擇判據(jù)確定最佳球面基底的方法，是判斷利用球面基底二元微結(jié)構(gòu)表面衍/折混合光學(xué)元件替代非球面的充分條件。利用設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與最小加工線寬乘上相位臺(tái)階數(shù)積的比值限制非球面與最佳球面之間光程差表示函數(shù)的梯度，使得相位壓縮后二元微結(jié)構(gòu)最小周期間隔大于最小加工線寬，保證二元微結(jié)構(gòu)表面的加工可能性和多臺(tái)階量化的適用性。
圖4(a)表示旋轉(zhuǎn)對(duì)稱偶次非球面，其表達(dá)方程一般用球面偏移量多項(xiàng)式來(lái)表示z(r)=cr21+1-(1+k)c2r2+α2r4+α3r6+α4r8+·······----(1)]]>式中c為球面曲率，k為二次曲面系數(shù)，r為元件徑向半徑，αi為高次非球面系數(shù)。
圖4(b)是最佳球面基底，此球面的方程表達(dá)式
z0(r)=c0r21+1-c02r2----(2)]]>式中c0為最佳球面基底曲率。則如圖4(c)所示的二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件需要補(bǔ)償?shù)墓獬滩顬镺PDλ0(r)=[n(λ0)-1][z(r)-z0(r)]----(3)]]>對(duì)公式(3)作泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)并整理得OPDλ0(r,c0)=[n(λ0)-1]{c-c02r2+Σi=2∞[(2i-3)!2i×i!(c2i-1-c02i-1)+αi]r2i}----(4)]]>旋轉(zhuǎn)對(duì)稱二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件對(duì)入射光線衍射產(chǎn)生的二維相位分布用N階多項(xiàng)式表示為φN(r)=Σi=1NAir2i----(5)]]>式中N為多項(xiàng)式系數(shù)，r為環(huán)帶半徑，Ai為相位分布系數(shù)，當(dāng)多項(xiàng)式系數(shù)N≥10時(shí)計(jì)算就有足夠的精度。由此二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件引起的光程差如圖4(d)所示為OPDDOE(r)=λ02πφN(r)=Σi=1NPir2i----(6)]]>式中Pi為光程差系數(shù)。
比較公式(4)與(6)，就可以得到用二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件替代球面到非球面之間的光程差分布系數(shù)為P1=(n-1)(c-c0)2,Pi=(n-1)[(2i-3)!2i×i!(c2i-1-c02i-1)+αi](i≥2)----(7)]]>然后再由公式(4)直接求取替代非球面的最佳球面基底二元微結(jié)構(gòu)表面衍/折混合光學(xué)元件面形分布公式Tk(r)=c0r21+1-c02r2+[OPDλ0(r,c0)int(OPDλ0(r,c0)/mλ0)·mλ0]·qn(λ0)-1----(8)]]>其中int(x)是取整函數(shù)，求出不大于x的最大整數(shù)；q為深度比例因子，當(dāng)q≠1時(shí)，表示因加工誤差或設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與實(shí)際使用波長(zhǎng)的偏差；m為≥1的整數(shù)。
求解最佳球面基底是二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面能否替代非球面的關(guān)鍵之一，同時(shí)也決定了其結(jié)合二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面替代非球面可能達(dá)到的程度，即二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的推廣性。由于受到目前技術(shù)條件的制約，微加工的最小線寬很難突破深亞微米(0.1微米)量級(jí)，如果不使用其他方法如諧衍射等，可實(shí)現(xiàn)的二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的最小線寬就成為限制它提供非球面度的重要參數(shù)之一，同時(shí)也是最佳球面基底的選擇判據(jù)條件之一。
對(duì)光程差方程(4)式求導(dǎo)，獲得光程差表示函數(shù)的梯度分布函數(shù)Sλ0(r,c0)=[n(λ0)-1]{(c-c0)r+Σi=2∞[(2i-3)!2i-1×(i-1)!(c2i-1-c02i-1)+αi]r2i-1}----(9)]]>在r∈
區(qū)間內(nèi)求取|Sλ0(r，c0)|的最大值變化函數(shù)，通常要考慮Sλ0(r，c0)在區(qū)間內(nèi)的極值點(diǎn)函數(shù)值和邊界上的最值，獲得|Sλ0(r，c0)|的最大值點(diǎn)re，是與c0相關(guān)的函數(shù)re＝f(c0)，然后將該式代入方程(9)即可得到光程差梯度分布函數(shù)最大值隨c0變化函數(shù)Sλ0(re，c0)，然后在c0變化區(qū)間內(nèi)求取Sλ0(re，c0)的最小值點(diǎn)，得到c0e，最后用該點(diǎn)的光程差梯度函數(shù)值，即光程差梯度關(guān)于球面基底曲率為最小值且關(guān)于元件徑向半徑為最大值位置的值——球面基底到非球面之間的光程差梯度函數(shù)的鞍點(diǎn)值，用該鞍點(diǎn)值的絕對(duì)值與最佳球面基底判據(jù)比較，如果|Sλ0(re,c0e)|≤λ0LT----(10)]]>則表示利用最佳球面基底結(jié)合二元微結(jié)構(gòu)表面構(gòu)成的衍/折混合光學(xué)元件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面的替代，式中T為最小線寬，L為相位臺(tái)階數(shù)。公式(10)是判斷利用二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件提供非球面度的充分條件，利用參考波長(zhǎng)與最小加工線寬乘上相位臺(tái)階數(shù)積的比值限制非球面與等效球面之間光程差表示函數(shù)的梯度，使得相位壓縮后二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件最小周期間隔大于最小加工線寬，保證衍射光學(xué)元件的加工可能性和多臺(tái)階量化的適用性，實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面的替代。圖5是對(duì)比了利用一般球面基底與最佳球面基底結(jié)合二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面的替代的示意圖。
實(shí)施例1圖6是利用球面基底結(jié)合二元微結(jié)構(gòu)表面構(gòu)成的衍/折混合光學(xué)元件替代激光束準(zhǔn)直非球面透鏡的實(shí)例。此非球面的結(jié)構(gòu)參量為曲率c＝0.5483，二次曲面系數(shù)k＝0，高次非球面系數(shù)α2＝-0.0114，α3＝-0.0036，經(jīng)計(jì)算，用球面基底二元微結(jié)構(gòu)表面構(gòu)成的衍/折混合光學(xué)元件取代此非球面時(shí)，最佳球面基底與二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)參量為最佳球面曲率c0＝0.5051，二元微結(jié)構(gòu)表面周期為27，連續(xù)三個(gè)最小周期間隔分別為24μm，22μm及21μm?？紤]邊緣或中間部分可能出現(xiàn)非整周期環(huán)帶，設(shè)計(jì)程序列出連續(xù)三個(gè)最小周期及其位置，用來(lái)判斷最小線寬是否在加工范圍之內(nèi)，因此用目前的微加工技術(shù)條件下此提供非球面度的球面基底二元微結(jié)構(gòu)表面衍/折混合光學(xué)元件是可以加工出來(lái)的。
實(shí)施例2圖7表示的是利用球面基底結(jié)合二元微結(jié)構(gòu)表面構(gòu)成的衍/折混合光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)對(duì)口徑Φ＝90mm光學(xué)系統(tǒng)中的較大非球面替代的實(shí)例。此非球面的非球面度較大，為高次非球面，曲率c＝0.007612，二次曲面系數(shù)k＝-5.463953，高次非球面系數(shù)α2＝1.3416435e-7，α3＝-4.2867228e-11。經(jīng)計(jì)算最佳球面基底與二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)參量為等效球面曲率c0＝0.006835，二元微結(jié)構(gòu)表面周期為483，連續(xù)三個(gè)最小周期間隔分別為22μm，21μm及20μm，也是在可微加工范圍之內(nèi)的，因此只要選擇適當(dāng)?shù)淖罴亚蛎婊祝^大多數(shù)非球面都是可以用球面基底結(jié)合二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面構(gòu)成的衍/折混合光學(xué)元件替代的。
權(quán)利要求
1.一種提供非球面度的衍/折混合光學(xué)元件，其特征在于衍/折混合光學(xué)元件由球面基底(1)與二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面(2)二部分組成，所述的衍/折混合光學(xué)元件面形分布公式Tk(r)為Tk(r)=c0r21+1-c02r2+[OPDλ0(r,c0)-int(OPDλ0(r,c0)/mλ0)·mλ0]·qm(λ0)-1]]>其中c0是球面基底曲率；OPDλ0(r，c0)是利用二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面補(bǔ)償?shù)那蛎婊椎椒乔蛎嬷g的光程差；int(x)是取整函數(shù)，求出不大于x的最大整數(shù)；λ0是設(shè)計(jì)波長(zhǎng)；r是元件徑向半徑；q是深度比例因子，當(dāng)q≠1時(shí)，表示因加工誤差或設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與實(shí)際使用波長(zhǎng)的偏差；m是≥1的整數(shù)。
2.一種提供非球面度的衍/折混合光學(xué)元件設(shè)計(jì)方法，其特征在于衍/折混合光學(xué)元件由球面基底與二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面二部分組成，根據(jù)已知的非球面結(jié)構(gòu)的曲率、二次曲面系數(shù)、元件口徑與高次非球面系數(shù)參量，采用設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與最小加工線寬作為判據(jù)確定球面基底的曲率，然后在球面基底上制作二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件，利用它所具有的相位調(diào)制作用補(bǔ)償球面基底與非球面之間的光程差，利用球面基底承擔(dān)主要的光焦度，使二元微結(jié)構(gòu)的最小周期間隔在最小加工線寬范圍之內(nèi)，通過(guò)衍/折混合光學(xué)方法，使成像質(zhì)量接近衍射極限，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的全球面化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提供非球面度的衍/折混合光學(xué)元件設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述采用設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與最小加工線寬作為判據(jù)確定球面基底的曲率的方法球面基底到非球面之間的光程差梯度的鞍點(diǎn)值，即光程差梯度關(guān)于球面基底曲率為最小值且關(guān)于元件徑向半徑為最大值位置的值，其絕對(duì)值小于或等于參考波長(zhǎng)與最小加工線寬乘上相位臺(tái)階數(shù)積的比值，作為判斷利用二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件替代非球面可行性的充分條件，即為球面基底的判據(jù)公式|Sλ0(re,c0e)|≤λ0LT]]>其中Sλ0(re，c0e)是光程差梯度的鞍點(diǎn)值，λ0是設(shè)計(jì)波長(zhǎng)，T是最小線寬，L是相位臺(tái)階數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提供非球面度的衍/折混合光學(xué)元件設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述利用二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面所具有的相位調(diào)制作用補(bǔ)償球面基底與非球面之間的光程差，其表述公式為OPDDOE(r)=λ02πφN(r)=Σi=1NPir2i]]>式中φN(r)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件相位分布公式，Pi是光程差系數(shù)P1=(n-1)(c-c0)2,Pi=(n-1)[(2i-3)!2i×i!(c2i-1-c02i-1)+αi](i≥2)]]>
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提供非球面度的衍/折混合光學(xué)元件設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述由球面基底(1)與二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面(2)二部分組成的衍/折混合光學(xué)元件面形分布公式Tk(r)為Tk(r)=c0r21+1-c02r2+[OPDλ0(r,c0)-int(OPDλ0(r,c0)/mλ0)·mλ0]·qm(λ0)-1]]>其中c0是球面基底曲率；OPDλ0(r，c0)是利用二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面補(bǔ)償?shù)那蛎婊椎椒乔蛎嬷g的光程差；int(x)是取整函數(shù)，求出不大于x的最大整數(shù)；λ0是設(shè)計(jì)波長(zhǎng)；r是元件徑向半徑；q是深度比例因子，當(dāng)q≠1時(shí)，表示因加工誤差或設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與實(shí)際使用波長(zhǎng)的偏差；m是≥1的整數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種提供非球面度的衍/折混合光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法。此元件由球面基底與二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面二部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中(1)是球面基底，(2)是二元微結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)表面。根據(jù)已知的非球面結(jié)構(gòu)參量，采用設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與最小加工線寬作為判據(jù)確定球面基底曲率，利用球面基底承擔(dān)主要的光焦度；在球面基底上制作二元微結(jié)構(gòu)表面衍射光學(xué)元件，用于補(bǔ)償球面基底與非球面之間的光程差，通過(guò)衍/折混合光學(xué)方法，使二元微結(jié)構(gòu)的最小周期間隔在最小加工線寬范圍之內(nèi)，從而使引入的非球面度可以微加工，最終實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)全球面化的條件下，使成像質(zhì)量接近衍射極限，避免光學(xué)非球面加工困難，精度不高和高成本。
文檔編號(hào)G02B3/00GK1654985SQ20041008231
公開(kāi)日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2004年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者楊國(guó)光, 馬韜, 白劍, 侯西云 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)