1 西北工业大学物理科学与技术学院光场调控与信息感知工业和信息化部重点实验室，陕西 西安 710129
2 西北工业大学物理科学与技术学院陕西省光信息技术重点实验室，陕西 西安 710129
建立了环境温度对双层衍射元件衍射效率影响的数学模型，给出高衍射效率衍射元件的优化设计方法。通过选择宽温度范围内设计波长对，计算衍射元件微结构参数，确保双层衍射元件在基底材料确定的情况下仍具有高衍射效率，发现混合成像光学系统具有最佳像质。最后设计了一套含有此双层衍射元件的中波红外混合成像光学系统。结果表明，与传统设计相比，本文方法能够有效地改善混合成像光学系统的无热化设计像质，设计结果更好。
光学设计 衍射元件 折衍混合成像光学系统 无热化设计
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为满足空间成像领域对大口径、轻量化、高衍射效率光学衍射元件的需求, 研究了薄膜衍射元件微结构设计及制作工艺。应用Zemax光学软件设计了320 mm口径, F/#100的四台阶薄膜菲涅尔衍射元件, 并利用Matlab软件将连续位相结构转化为离散化台阶分布。研究了薄膜菲涅尔衍射元件的制作技术, 选用透明聚酰亚胺薄膜作为基底材料, 以石英玻璃作为复制模板, 通过多次旋涂的方式实现了厚度为20 μm的衍射薄膜制作。应用Solidworks软件设计并加工薄膜支撑装置。测量复制基板及薄膜对应区域的微结构, 实验结果表明条纹线宽转移偏差小于1.3%, 台阶深度偏差小于8.6%。搭建光路测试在波长632.8 nm处衍射效率平均值为71.5%, 达到了理论值的88%。实验结果表明, 制作的薄膜重量轻, 复制精度高, 并且具有高衍射效率, 满足空间望远镜的应用要求。
大口径 菲涅尔衍射元件 聚合物薄膜 聚酰亚胺 衍射效率 large aperture Fresnel diffractive element polymer membrane polyimide diffraction efficiency 红外与激光工程
2017, 46(9): 0920001
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室, 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 光电技术研发中心, 长春 130033
为提高衍射效率, 设计并制作了口径为300 mm的衍射成像系统.该系统的物镜是由一块四台阶位相型菲涅尔波带片通过激光直写套刻和Ar离子束物理刻蚀技术在石英玻璃基板上加工而成.测试了衍射物镜的衍射效率, 实验结果表明: 衍射物镜在波长632.8 nm处的衍射效率为66.4%, 达到理论值的82%.搭建了衍射成像系统光路, 分别采用10 μm星点孔与分辨率板, 测试了系统的成像性能.实验测得星点像直径为44 μm, 分辨率板的极限分辨率达到84 lp/mm, 接近该系统的理论计算值, 表明该衍射成像系统具有较好的成像性能.
光学设计 空间望远镜 衍射元件 衍射效率 成像性能 Optical design Space-based telescope Diffractive element Diffraction efficiency Imaging performance
1 中国科学院光电技术研究所， 四川 成都 610209
2 中国科学院研究生院， 北京 100049
根据谐衍射透镜的特点以及非球面校正像差的独特性能，将谐衍射面制作在非球面基底上制成单透镜，该单透镜应用于红外系统中，能够在两个波段1.8~2.4 μm和3.4~4.8 μm内同时较好地校正系统的色差,有效地校正此单片镜系统的像差,在设计波段内大幅度提高了衍射效率，成像质量接近衍射极限。
非球面基底 红外双波段 谐衍射元件 衍射效率 aspheric substrate infrared dual-band harmonic diffractive element diffraction efficiency
论述了通过景深分析和无热化设计实现无调焦光学系统的原理。基于长波大面阵（640×512）非制冷探测器，设计了同时适应物距变化（15 m～100 m）及温度变化（－55℃～＋70℃）的无热红外光学系统，焦距33 mm，F 数1.3。设计结果表明，该系统在宽温度范围内具有良好的消热差性能，并且完全覆盖目标物距范围，从而实现了无调焦的要求，提高了系统操作性和可靠性。
景深 衍射元件 无热化 非制冷红外光学系统 depth of field diffractive element athermal uncooled infrared optical system
华中光电技术研究所武汉光电国家实验室, 湖北 武汉 430073
在分析单层和多层衍射元件衍射效率的基础上，推导出光学系统中多层衍射元件浮雕深度和基底材料的一般关系式，并对这些变量进行优化，得到阿贝数的值大致在20～80之间，β的合理值在0.25～0.6之间，当2个衍射元件的阿贝数v1＜v2，且差值比较大时，阿贝数小的衍射元件的基底材料选择光学玻璃中的火石玻璃，阿贝数大的衍射元件的基底材料选择光学玻璃中的冕牌玻璃。根据这个方法，设计了3组可实现宽波段高衍射效率的不同材料、不同浮雕深度的组合，使得每组组合中两层衍射元件的衍射效率都在99%以上。
多层衍射元件 衍射效率 基底材料 浮雕深度 宽波段 multi-layer diffractive element diffractive efficiency substrate material relief depth broad wave band
叙述了多层衍射光学元件的设计原理.通过对多层衍射光学元件结构、位相延迟表达式、材料选择匹配的研究，使得优化最大光栅高度后的多层衍射光学元件能够实现大幅度提高宽光谱范围内衍射效率的作用.其衍射效率在从g谱线（435.834 3 nm）到C谱线（656.272 5 nm）的可见光范围内的任何波长上的理论衍射效率均在99％以上，带宽积分平均衍射效率为99.7％，能够满足高质量成像光学系统应用的需要，并利用该元件设计了长焦距复消色差物镜.
衍射光学 多层衍射光学元件 衍射效率 光学设计 折衍射混合光学系统 Diffractive optics Multi-layer diffractive element Diffraction efficiency Optical design Diffractive-refractive hybrid optical system
将谐衍射透镜应用在传统红外单波段佩茨瓦尔(Petzval)物镜上,设计得到工作波段处于3.4～4.2 μm和8～11 μm的红外双波段单层谐衍射光学系统。但单层谐衍射元件的衍射效率只在设计波长处衍射效率最高,随着波长相对设计中心波长向两侧偏离,主衍射级次的衍射效率逐渐下降。为提高含单层谐衍射元件光学系统的衍射效率,基于双层衍射元件衍射效率表达式研究了双层谐衍射元件的结构优化,给出了优化方法。设计出佩茨瓦尔型红外双波段双层谐衍射光学系统,其在3.4～4.2 μm和8～11 μm两个工作波段的衍射效率均达到90%以上,相比含有单层谐衍射面的光学系统衍射效率有了很大提升,提高了像面衬比度,完善了系统成像质量。
光学设计 双层衍射 谐衍射元件 红外光学系统
