[发明专利]一种多波长共焦衍射元件及其设计方法

权利要求书

1.一种多波长共焦衍射元件设计方法，其特征在于：所述多波长共焦衍射元件包括若干个非周期的环带，每个环带内由若干个高度不同的台阶组成，所述设计方法包括：

步骤1)确定元件设计输入值，包括元件使用波长、元件口径、焦距；

步骤2)针对每个使用波长，根据波长、口径及焦距输入参数，按照常规聚焦衍射元件设计方法确定环带位置、量化台阶数、台阶加工区域及台阶高度；

步骤3)针对所有环带中序号相同的台阶，对所有波长对应的台阶区域进行逻辑运算优化，形成新的台阶区域，其他为非台阶加工区域；或者对所有波长对应的非台阶加工区域进行逻辑运算优化，形成新的非台阶加工区域，其他为台阶区域；结合衍射元件加工工艺，确定最小线宽，在设计过程中忽略台阶宽度小于最小可加工线宽的台阶加工区域；台阶高度选择其中任一个波长对应的台阶高度设计值，或多个波长对应台阶高度设计值的平均值；台阶高度还可根据应用需求进行优化，应用需求包括但不限于衍射效率、焦面能量集中度；

步骤4)对所有序号的台阶，完成上述步骤3)的设计，最终组合形成元件的台阶区域与台阶高度，完成多波长共焦衍射元件设计及加工文件输出。

2.根据权利要求1所述的一种多波长共焦衍射元件设计方法，其特征在于，单波长下聚焦衍射元件设计方法可参考本领域传统设计方法。

3.根据权利要求1所述的一种多波长共焦衍射元件设计方法，其特征在于，设计时对使用光源的波长数值要求明确，但数值范围没有限制，多个波长可从紫外、可见光、红外甚至更宽波段中任意选择。

4.根据权利要求1所述的一种多波长共焦衍射元件设计方法，其特征在于，设计波长下的光源可以是平面波、球面波和非球面波。

5.根据权利要求1所述的一种多波长共焦衍射元件设计方法，其特征在于，台阶区域由所有单波长元件对应相同序号的台阶区域经过逻辑运算优化得到，其逻辑运算包括与运算、或运算。

6.根据权利要求1或5所述的一种多波长共焦衍射元件设计方法，其特征在于，结合本领域衍射元件加工工艺，确定最小可加工尺寸，在设计过程中可忽略台阶宽度小于最小可加工尺寸的台阶。

7.根据权利要求1或2所述的一种多波长共焦衍射元件设计方法，其特征在于，台阶高度可根据选择任一单波长元件对应的台阶高度，也可是所有单波长元件对应台阶高度的平均值。

8.一种多波长共焦衍射元件，其特征在于：该多波长共焦衍射元件是由权利要求1-7任一项所述的多波长共焦衍射元件设计方法制作得到的。

9.一种多波长共焦衍射元件设计方法，其特征在于：所述多波长共焦衍射元件包括若干个非周期的环带，每个环带内由若干个高度不同的台阶组成，所述设计方法包括：

步骤1)确定元件设计输入值，包括元件使用波长、元件口径、焦距；

步骤2)针对每个使用波长，根据波长、口径及焦距输入参数，确定衍射元件的相位函数按照下式计算衍射元件微结构环带位置；

上式中r为极坐标下的半径值，取值范围为[0，R]，R为元件半径，λ为设计波长，k为环带序号；

步骤3)根据使用需求确定每个环带内部量化台阶数量N，按照下式计算台阶突变点位置，式中i为台阶序号；

步骤4)对于透射式衍射元件，根据下式计算每个台阶的高度，式中n为材料在波长λ下的折射率；

对于反射式衍射元件，或者在特殊介质下使用的衍射元件，根据本领域常规设计方法确定台阶高度；

步骤5)由于每个环带内序号相同的台阶，大多数情况下高度也相同，依据上述设计确定每个波长对应的台阶加工区域，即微结构制作中的刻蚀区域；

步骤6)针对序号相同的台阶，对所有单波长元件对应的台阶加工区域进行逻辑运算优化，形成新的台阶加工区域，其他为非台阶加工区域；或者对所有单波长元件对应的非台阶加工区域进行逻辑运算优化，形成新的非台阶加工区域，其他为台阶区域；

步骤7)结合本领域衍射元件加工工艺，确定最小尺寸，在设计过程中删除宽度小于最小可加工尺寸的台阶；

步骤8)刻蚀深度选择其中任一个波长对应的台阶高度设计值，或多个波长对应台阶高度设计值的平均值；刻蚀深度还可根据应用需求进行优化，应用需求包括但不限于衍射效率、焦面能量集中度；

步骤9)按照上述步骤确定的台阶加工区域与台阶高度形成元件加工文件。