[发明专利]多层衍射光学元件偏心误差分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多层衍射光学元件偏心误差分析方法，用于含有多层衍射光学元件的折/衍射混合光学系统的设计，该方法能够确定在获得高衍射效率时偏心误差的允许范围，能够为多层衍射光学元件的偏心误差范围的控制提供理论依据，提高含有多层衍射光学元件的折/衍混合光学系统的成像质量，属于光学设计技术领域。

技术背景

随着先进光学制造技术的发展，衍射光学元件在现代光学中创建了一个独立的分支，给传统的光学设计理论和制造工艺带来了革命性的变化。衍射光学元件具有高衍射效率、独特的色散特性、灵活的材料选择性和特殊位相功能等优点，从而能实现特殊的光学功能。在折/衍混合光学系统设计中，由于单层衍射光学元件的衍射效率随着工作波长偏离中心波长而急剧下降，成像质量受到影响。因此，单层衍射光学元件只能用于有限波带宽度的光学系统。近些年，出现的多层衍射光学元件克服了这一缺点，多层衍射光学元件的结构如图1、图2、图3所示，实现了宽波段衍射效率的提高。

现有技术应用标量衍射理论分析折/衍射混合光学系统中的衍射光学元件的衍射效率，该理论认为在多层衍射光学元件的装配过程中，发生偏心误差是不可避免的，如图4、图5所示，而且，该偏心误差会对衍射效率带来不利影响，这就需要在光学设计时需要先行分析该偏心误差对衍射效率的影响，以采取措施对多层衍射光学元件偏心误差范围进行控制。

然而，在现有技术中还没有一种科学、可靠的偏心误差对衍射效率的影响的分析方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够分析多层衍射光学元件偏心误差对衍射效率影响的方法，为控制多层衍射光学元件偏心误差范围提供技术基础，为此我们发明了一种多层衍射光学元件偏心误差分析方法。

本发明之方法包括以下四个步骤：

1、根据多层衍射光学元件位相延迟表达式和衍射效率公式，求出连续面型或者台阶面型多层衍射光学元件的衍射效率；

2、在整个工作波段内，根据多色光积分衍射效率理论，确定多色光积分平均衍射效率；

3、在整个工作波段内，确定多色光积分衍射效率最大值，以及对应的工作波长，所述对应的工作波长即为设计波长，将设计波长代入微结构高度公式，确定各层衍射元件微结构高度值；

4、根据波动光学模型，推导出含有偏心误差的多层衍射光学元件的衍射效率表达式。

本发明之方法其技术效果在于，根据多层衍射光学元件位相延迟表达式和衍射效率公式，能够计算出连续面型或者台阶面型多层衍射光学元件的衍射效率。在400～700nm波段内，以聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯为基底材料，根据多色光积分衍射效率理论，确定多色光积分平均衍射效率，进而得到多色光积分衍射效率分布；当多色光积分衍射效率达到最大值99.25％时，对应的工作波长对为435nm和598nm，这个工作波长对被确定为设计波长对。将设计波长对代入微结构高度公式，确定出各层衍射元件微结构高度值分别为16.7112μm和13.0242μm。最终确定出衍射效率与偏心误差的关系，如图6、图7、图8所示。从而能够在光学设计过程中根据偏心误差范围获得较高的衍射效率。

附图说明

图1为连续面型多层衍射光学元件结构示意图。图2为台阶面型多层衍射光学元件结构示意图。图3为光线斜入射台阶面型多层衍射光学元件的光路图。图4为多层衍射光学元件发生偏心误差示意图。图5为多层衍射光学元件发生偏心误差局部放大示意图。图6为当工作波段为400～700nm时多层衍射光学元件衍射效率与工作波长及偏心误差关系曲面图。图7为当工作波长分别为435nm和598nm时多层衍射光学元件衍射效率与偏心误差关系曲线图，图中曲线1为435nm工作波长关系曲线，曲线2为598nm工作波长关系曲线，该图同时作为摘要附图。图8为当工作波段为400～700nm时多层衍射光学元件多色光积分衍射效率与偏心误差关系曲线图。

具体实施方式

下面进一步说本发明之方法，多层衍射光学元件层数为双层，如图1、图2、图3所示。

第一步：根据多层衍射光学元件位相延迟表达式和衍射效率公式，计算连续面型多层衍射光学元件的衍射效率。根据标量衍射理论，连续面型多层衍射光学元件的衍射效率公式为：