基于折/衍混合的消色差长焦深光学元件若干关键技术研究

摘要

消色差长焦深光学元件可实现三维区域清晰成像，在空间遥感、激光直写、显微成像等领域有重要的应用价值。随着光电探测器件分辨能力的不断提高，要求光学系统同时实现高分辨率和长焦深，特别是要保证焦深范围内光强分布的一致性，以满足空间遥感、激光直写、显微成像等领域的使用要求，传统折射光学元件因无法兼顾上述性能，直接制约了三维区域清晰成像技术的发展。
　　课题“基于折/衍混合的消色差长焦深光学元件若干关键技术研究”的主要目的是在研究对数光锥位相函数结构特点的基础上，着重研究折/衍混合长焦深元件焦深与系统 F/＃及衍射元件浮雕深度间的函数关系，初始结构的消色差位相分配方法，及其三维输出光场分布的优化算法，以同时实现高分辨率、长焦深及焦深范围内光强的一致性分布。本课题的研究，在复杂环境成像、激光直写及显微成像等领域中有着广泛的应用前景。
　　本文首先分析对数光锥位相函数的结构特点，讨论不同参数时长焦深元件三维输出光场分布规律，建立焦深与系统结构参数及衍射元件浮雕深度间的函数关系，从而为长焦深元件结构参数的选择及焦深扩展能力的改善奠定理论基础。
　　为同时实现焦深扩展和消色差功能，基于对衍射元件与长焦深元件色散特性及折/衍混合消色差原理的分析，在不改变整体对数位相函数的基础上，使衍射元件在保留扩展焦深项的同时，增加一个独立的消色差项来分担部分消色差光焦度，实现混合结构中折射元件与衍射元件位相函数的分配，为最终获得焦深范围内光强分布一致的折/衍混合消色差长焦深元件提供合理的初始结构。
　　为实现折/衍混合消色差长焦深元件位相结构的优化，首先对衍射元件中扩展焦深项进行系数调整，使其焦深范围内的归一化光强满足给定值，并减小光强震荡幅度，实现结构的初步改进，进而对已有传统二维光场位相恢复的杨-顾算法引入轴向变量，求解位相恢复变分方程，确定迭代公式及精度控制表达式，以此对初步改进后的结构进行三维输出光场分布的优化，最终获得焦深范围内光强分布一致的折/衍混合消色差长焦深元件。
　　最后，对课题研究的折/衍混合消色差长焦深光学元件进行了设计及制作，搭建光学元件性能测试实验平台，比较 F/4的传统平凸折射透镜与折/衍混合透镜在486nm、587nm、656nm三个典型波长时焦面附近若干垂轴平面内的点扩展图像。实验结果表明，当焦深取归一化光强的半高宽时，传统平凸折射透镜在三个波长处的焦深均小于40μm，在波长486nm和656nm时的焦面相距0.62mm，存在较大的初级色差，而折/衍混合元件的焦深可达到0.5mm，且光强震荡幅度小于10％，焦深为传统折射透镜的12.5倍，在波长486nm和656nm处的轴向光强分布区域基本重合，即在实现焦深扩展的同时有效地消除了初级色差。

目录

第1章 绪论

1.1课题研究的意义和目的

1.2扩展焦深技术的研究现状

1.3衍射光学元件的研究发展及现状

1.4课题研究的主要内容

第2章 长焦深元件焦深特性分析

2.1引言

2.2能量守恒法原理

2.3光学元件三维光场分布分析

2.4长焦深元件焦深特性分析

2.5本章小结

第3章 基于折/衍混合的长焦深成像物镜消色差位相分配方法

3.1引言

3.2衍射元件的色散分析

3.3折/衍混合消色差原理

3.4长焦深元件的色散分析

3.5折/衍混合消色差长焦深元件设计

3.6本章小结

第4章 长焦深元件的优化

4.1引言

4.2 Y-G算法

4.3三维光场相位恢复的Y-G算法

4.4长焦深元件优化

4.5本章小结

第5章 元件制作及实验分析

5.1引言

5.2折/衍混合消色差长焦深元件的制作

5.3衍射元件的形貌测量

5.4制作误差分析

5.5折/衍混合消色差长焦深元件的性能测试

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢

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