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《光学学报》2020年第16期封面故事: 综合带宽积分平均衍射效率,完善衍射元件设计理论

已有 209 次阅读 2020-8-24 14:16 |系统分类:论文交流

综合带宽积分平均衍射效率,完善衍射元件设计理论


封面文章| 《光学学报》第16期封面故事:毛珊;解娜;赵建林;斜入射下双波段双层衍射光学元件优化设计与分析[J]. 光学学报,2020,40(16):1605001.

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 红外光学系统在目标信息获取、真实性识别、反隐身、多目标跟踪等方面具有独特的优势。为提高自身生存能力以及对目标的探测和识别能力,红外光学成像系统应该在两个甚至更多波段内都具有成像功能,且要求有良好的像质。

多层衍射光学元件可以提高宽带内衍射效率,但对入射角敏感。关于高衍射效率双层衍射光学元件的设计,是基于光线垂直入射或者选取不同基底衍射光学元件材料的,并不能实现任意基底双层衍射光学元件的优化设计。

传统双波段双层衍射光学元件的设计存在理论的不完整和对含有此类衍射光学元件的折衍混合成像系统像质评价的不准确的弊端。

西北工业大学赵建林教授课题组针对这一问题,基于标量衍射理论,首次提出应用于双波段双层衍射光学元件的综合带宽积分平均衍射效率的概念,通过建立相应的数学模型,对斜入射下双波段双层衍射光学元件进行了优化设计与分析。

在给定双层衍射光学元件基底材料和权重因子情况下,可根据最大综合带宽积分平均衍射效率确定双波段内的最佳设计波长对,进而计算出对应的衍射微结构高度和衍射级次。图1中模拟了入射角度范围为0~10°,双波段内工作波长对综合带宽积分平均衍射效率的影响。


图1 0~10°入射下,入射波长对双层衍射光学元件的CBIADE影响。(a)三维情况;(b)二维情况

根据图1(b),当双波段和入射角度范围内双层衍射光学元件的综合带宽积分平均衍射效率内达到最大时,对应的横坐标即为最佳设计波长对(4.2μm和10.1μm)。在确定最佳波长对后,可以计算双层DOE的设计参数(183.953μm和207.286μm)。

以含有双层衍射光学元件的双波红外折衍混合成像系统为例,进行了光学系统的优化设计和像质分析。研究结果表明,基于综合带宽积分平均衍射效率的设计方法能够提高斜入射下的双波段双层衍射光学元件衍射效率,确保双波段折衍混合光学系统的成像质量最优,双层衍射光学元件衍射微结构高度最小,从而在设计和制造两方面均保证了系统的最佳像质。双波段内对应的理论MTF如图2所示,图2(a)为长波波段MTF曲线,图2(b)为中波波段MTF曲线。


图2 双波段混合成像光学系统的MTF。(a) 长波波段;(b) 中波波段.

研究方法和结论有助于从原理上完善衍射光学元件的设计,既能够准确评价折衍混合成像光学系统的像质,也能够扩展至多波段多层衍射光学元件的设计中。

目前,已在理论上提高了斜入射下双波段双层衍射光学元件衍射效率,能够为实际应用提供理论依据和指导方法。后续工作将从实际加工、衍射效率的测试和折衍混合光学系统光学传递函数的测试入手,验证理论研究的正确性。

 

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延伸阅读:

[1] 毛珊;赵建林; 镀有增透膜的多层衍射光学元件优化设计方法[J]. 光学学报, 2019, 39(3): 0305001.

[2] 王伦;薛常喜;李闯;等; 紫外光固化有机-无机纳米复合材料成型衍射光学元件制造技术[J]. 光学学报, 2019, 39(7): 0722001.

[3] 谭乔凯;智喜洋;杨冬;于頔;等 衍射光学系统波前反演误差分析方法[J]. 光学学报, 2019, 39(11): 1105002.

[4] 李显杰;冯大伟;向阳; 折衍混合环带式全景光学系统设计[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(18):182201.




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