[发明专利]一种多波长共焦衍射元件及其设计方法

说明书

本发明公开了一种多波长共焦衍射元件及其设计方法，首先确定元件口径、焦距及使用波长；然后根据单波长聚焦元件设计公式确定每个波长对应的台阶加工区域及台阶高度；对多个单波长元件对应的台阶加工区域进行逻辑运算优化，得到新的台阶加工区域；根据使用需求，对多个单波长元件对应的台阶高度进行综合优化得到新的台阶高度；根据新的台阶加工区域与台阶高度，形成多波长共焦衍射元件加工文件。本发明所述的多波长共焦元件，使用一片衍射元件即可实现多波长共焦汇聚；其加工采用传统衍射元件加工方法，不增加工艺难度；其设计方法采用正向设计思路，无需复杂的迭代过程，对波长数值与元件口径没有限制，设计自由度高。

技术领域

本发明涉及衍射光学技术领域，特别涉及一种多波长共焦衍射元件及其设计方法，本发明还涉及一种衍射元件大色差校正设计方法。

背景技术

衍射光学元件是一种利用表面微观结构对光波进行调制的元件，相较于传统光学元件具有厚度薄、质量轻、设计灵活等优点，极大促进了光学系统小型化与集成化，在光学成像、全息显示、光束整形等领域被广泛应用。

由于衍射效应与波长正相关，传统衍射元件多在单波长下工作。将衍射元件应用于光学成像时会产生严重色差，使应用范围和系统性能受到限制。多波长共焦是解决衍射元件色差难题的有效途径，目前主要有以下几种方法实现多波长共焦：

1)基于台阶高度补偿的设计方法。专利CN1104338A中描述了一种多波长聚焦元件设计方法，将元件划分成若干宽度相等、半径不等的同心环带，每个环带的高度根据等光程原理进行补偿设计，导致每个环带的高度均相差较大，不便于加工。当元件口径增加，为保证聚焦效果，环带数目必须增加，因此元件设计复杂度与加工难度均快速增大。

2)基于逆向优化的设计方法。文献Chromatic-aberration-correcteddiffractive lenses for ultra-broadband focusing报道了一种在宽谱段实现聚焦的衍射元件设计方法，以理想衍射受限元件的点扩散函数(PSF)为目标，采用直接二值搜索算法优化台阶高度和环带位置。根据该文献的总结，当元件由N个环带，每个环带有P个离散台阶组成时，优化变量有P^N个。很明显，当元件口径增大后，N以元件口径的平方关系急剧增加，优化变量的数目更是以指数形式增加，导致优化计算难以实现。

3)基于多波长分区的设计方法。当确定波长数量N后，将元件划分为N个区域，每个区域按照单波长衍射元件设计，综合N个区域实现多波长应用。该方法设计简单，但需要牺牲元件口径，且元件性能相较于单波长元件下降明显，波长数量越多性能下降越严重，因此应用场合受限。

4)基于谐衍射的多波长聚焦。谐衍射的主要思想在于使多个波长的不同衍射级次具有相同焦距。谐衍射元件焦距计算公式如下：

上式中p为谐衍射级次，m为衍射级次，λ₀为设计波长，当mλ与pλ₀相等时，f_m等于设计焦距f₀。因此，在实际设计时首先要求出谐衍射级次p，由上式可知p＝m+m(λ-λ₀)/λ₀。当两个波长非常接近时，要保证P为正整数，则m将会非常大。因此微结构总的刻蚀深度pλ₀/(n-1)与环带周期将是单波长衍射元件的p倍，此时元件的折射效应明显，元件性能偏离设计结果。因此，谐衍射元件在多波长聚焦应用中的设计自由度并不高。

5)基于衍射色散与材料色散补偿的宽波段聚焦设计。利用微结构负色散的特性，校正光学材料的正色散特性，实现色散补偿。但是此类元件既要保证传统光学加工的精度，又要保证微纳结构加工的精度，复杂度偏高。