折衍射混合成像光学系统设计

摘要：讨论了衍射光学元件的特殊成像性质；提出了带宽积分平均衍射效率的概念和应用；给出了作者在国内外完成的几个折衍射混合成像光学系统的应用实例，包括一个用衍射光学元件复消色差的长焦距光学系统，一个仅由两个镜片构成的CMOS相机光学系统和一个较复杂的中等焦距、大孔径、大视场照相系统。这些系统突破了传统光学系统在结构、性能、体积和重量方面的限制，在光学设计理论上具有重要意义，在工程应用上具有重要价值。还介绍了国外衍射光学制造技术和折衍射混合成像光学系统应用方面的最新进展。

0 引言

20世纪80年代中后期，美国麻省理工学院林肯实验室开始将大规模集成电路制造技术应用于台阶型表面浮雕位相光学元件的加工。制做出了表面质量很高，成像性能良好的衍射成像光学元件，称之为二元光学元件(BOE)。引发了一场持续至今的衍射光学技术的研究与应用热潮。20世纪90年代中后期，随着加工技术的进步，出现了较低成本的周期性连续表面浮雕结构的衍射光学元件(DOE)，“衍射光学”技术开始进入商业应用时代。“衍射光学”这个词也逐渐取代了“二元光学”。

由于衍射光学元件具有一系列独特的性质．在成像光学系统中的应用越来越广泛。人们也一直在尝试将衍射光学元件应用于商用成像光学系统。20世纪9o年代后期．日本和北美就已在可见光波段将衍射光学元件用于CM0S和CCD相机光学系统。在红外波段的应用应更早些。最近技术的进展使得衍射光学元件带宽增加导致衍射效率下降的问题已得到有效的控制。扫清了衍射光学元件在各类成像光学系统中应用的最后障碍。不久前国外出现的一种远摄型照相镜头和一种变焦镜头中都已采用了衍射光学元件。使得镜头的体积更小，重量更轻，成像质量更好。这意味着新一代更紧凑、性能更高的数码相机已经出现。

1 衍射光学元件的成像特性

衍射光学元件之所以能在成像光学系统中得到广泛的应用，是由于它具有一系列独特的成像性质。

1.1 特殊色散性质

衍射光学元件的特殊色散性质是它最突出的性质。衍射光学元件在本质上是一种变周期光栅，对光的不同波长成分有分光作用，与普通透镜相比表现出强烈的色散性质。这种色散性质是由工作波段决定的，与衍射光学元件的基底材料无关。由光学玻璃色散的定义，可以得到衍射光学元件色散的表达式：

式中ν为阿贝数；P为相对部分色散；下标M、L和S分别表示中心波长和长、短波长。当取可见光波段的D、F、C谱线时。可计算出ν=-3.46和P=0.6063。折衍射混合成像光学系统中绝大部分利用的是这个性质．尤其是负值阿贝数这一点在红外和精密塑料光学系统中广泛应用。

1.2 任意位相分布性质

成像光学系统中使用的对称式衍射光学元件的位相可表达为：

式中r为衍射光学元件的径向坐标；a1，a2，…为各项系数。此性质中除了包含色散的因素以外与一个非球面的作用相同。

1.3 薄型元件性质。SⅣ=0性质和特性

温度特性薄型元件是指衍射光学元件本身的有效厚度很薄，对于可见光波段的衍射光学元件，这个厚度只有约lμm。

理论分析结果表明，衍射光学元件的值SIV为零，即不产生场曲。但由于通常衍射光学元件的光焦度很小。这个性质的作用并不明显。

衍射光学元件的特殊温度性质源于其基底材料随温度的变化而产生的线度的变化。这种线度变化带来衍射光学元件周期宽度的变化，使衍射光学元件的光焦度发生改变而产生温度补偿作用。只有在衍射光学元件的光焦度较大时，这种作用才比较明显，这要求衍射光学元件的周期宽度很小，因此会带来其他问题。另外．用作温度补偿的衍射光学元件常常与色差校正的要求发生矛盾，使色差的校正变得更为困难。

1.4 衍射效率

不考虑衍射效率的衍射光学设计是没有意义的。衍射光学之所以能在近年来兴起并得到应用，就在于近乎完美的表面浮雕位相结构极大地提高了成像衍射光学元件的衍射效率。但是，理论上百分之百的衍射效率只是对中心波长而言。衍射效率随成像光谱宽度的增加而下降。必须评价它对成像质量的影响。

......

5 结论

利用广泛应用于提高红外探测器吸收效率的谐振腔结构，提高了微桥电阻的辐射效率，从而实现了在较低功耗下得到较大的红外辐射，为微桥电阻阵列的进一步低功耗、大面阵化提供了有效的设计和制作途径。

审核编辑：汤梓红