衍射光学元件已广泛应用于光学传感、光通信、计算成像、激光光束整形、生物医学、光学数据存储等领域。首先，总结归纳了基于标量衍射理论衍射光学元件在各个阶段的发展脉络，衍射光学元件的发展可分为菲涅耳波带片、全息图及相息图、二元光学元件及衍射光学元件四个阶段，针对各阶段衍射元件分别分析其设计原理、结构特点、加工难度、衍射效率及在现实中应用可能性。其次，对基于矢量衍射理论衍射光学元件进行概述。最后，对当前衍射光学元件在传统和新型成像系统及非成像系统中的应用进行总结，整理出当前衍射光学元件发展中存在问题并根据对应问题给出未来发展趋势的预测，能够对今后衍射光学元件的研究有一定指导意义。

本文设计了一种可以兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪光学系统，给出了一个设计实例，系统工作波段为 8～12 .m，中心波长为 10 .m，长焦距为 150 mm，短焦距为 50 mm，F数为 1.1，可匹配像元数为 384×288、像元大小为 17 .m×17 .m的非制冷红外焦平面探测器。系统通过变倍组的轴向移动实现变焦，通过引入二元光学面和非球面减小成像系统体积，减轻重量，提高成像质量，设计结果表明，该热成像系统取得了良好的成像，可用于火灾消防救援、森林防火、夜间侦查、边防监控等工作。

衍射望远镜受限于衍射效率,其成像质量受到非成像级次衍射光的影响。针对这一问题,提出了一种基于噪声自适应估计的块匹配三维协同滤波图像复原算法。首先通过主成分分析法估计出模糊图像的噪声方差,然后结合已知的点扩展函数,通过所提算法复原出清晰图像。搭建衍射望远镜成像系统并开展实验研究。数值仿真和实验结果表明,所提算法使得复原图像调制度相比退化图像提高了3.58倍,能有效改善复原图像的细节,利于暗弱目标成像。所提算法为衍射望远镜系统对暗弱目标进行高对比度成像提供了一种有效的路径。

针对传统色散透镜的色散线性度很难保证为绝对线性,测量范围很窄的问题,且为了尽量减小球差尤其是对测量影响最大的轴向球差,提出一种将二元光学透镜引入到光谱共聚焦微小间距测量的方法。该方法中二元光学透镜的色散只与入射光的波长有关,且严格与入射光的波长成反比。二元光学透镜不存在球差问题且可以补偿校正测量系统中其他光学组件的未知色差。实验中选择510~690 nm范围内的光谱,利用分辨率为0.5 nm的光谱仪接收光谱信息,测得该方法的测量量程为13.95 mm,测量误差为0.6 μm,并通过对光盘上的刻录间距进行测量,验证了该方法的有效性。

本文介绍了用于像素阵列为 640×512、像元尺寸为 17 .m×17 .m的红外中波制冷探测器的四片式双视场光学系统设计, 用相同的 4片透镜实现性能最优的系统(像元尺寸小)。光学系统采用轴向移动一片透镜实现两视场的切换, F/#为 3, 宽视场(WFOV)为 18.18.×14.58., 窄视场(NFOV)为 1.84.×1.46.。系统应用二元光学技术, 采用光学设计软件 Code V优化设计, 在空间频率 30 lp/mm处, 宽、窄视场的 MTF均大于 0.35; 经高低温下成像分析及二次项成像分析, 本光学系统完全满足要求。

为了解决目前光学分束器件衍射效率低的问题,在传统的Gerchberg-Saxton(GS)算法基础上, 对初始相位和迭代算法中的振幅限制方式作改进.先利用二次相位来作为迭代算法的初始相位, 再在迭代过程中将输出平面分为信号区和噪音区两部分, 保持这两部分的相位不变, 信号区内振幅乘上一个随迭代次数不断变化的因子, 噪音区内振幅保持不变. 通过该方法设计9×9连续面形的分束器件, 并与传统GS算法设计的分束器进行了对比, 结果表明: GS算法设计得到的分束器相位存在严重的突变和不连续等问题, 而本文方法设计得到的分束器相位连续平滑, 可利用移动掩模技术加工. 最终制备出1×3和1×9分束器, 其实测的衍射效率分别为83.5%和89.4%, 均匀性误差分别为3.56%和15.23%.

基于标量衍射理论,利用相干叠加的方法,研究了可以产生空心焦场的二元环带相位板。推导了各环带半径应满足的解析表达式,通过数值计算研究了环带半径对空心焦场的影响规律。研究结果表明,在焦平面上,相位板环带半径对旁瓣比和最大光强比的影响较大,对空心焦场半径的影响较小,增加环带数能够减小旁瓣比,增大最大光强比。在轴向上,环带数增加并不能增大最大光强比,环带数和环带半径对旁瓣比和最大光强比的影响较大。对于二元环带相位结构,旁瓣比和最大光强比仅取决于环带半径,和数值孔径无关;在焦面上,空心焦场半径和数值孔径成反比,在轴向上,空心焦场半径和数值孔径的平方成反比。

提出一种改进的Gerchberg-Saxton(G-S)算法,实现了基于环形光束的衍射光学元件的精确设计。所提算法可以确保输出平面上有小的采样间隔,起到了抑制散斑的作用;与未采用散斑抑制的常规的改进G-S算法相比,所提算法得到了更高性能的均匀光斑;仿真结果和实验结果一致。

用二元相位器件调制角向偏振激光光束,然后用高数值孔径物镜聚焦,在实验上产生了一个超分辨光学聚焦暗斑。二元相位器件的调制作用是通过让角向偏振光束经一块刻有多环同心环状凹槽的玻璃基板实现的。用刀口法检测了焦点附近的3D光束分布特性,得到了尺寸是0.32 λ且在4 λ左右的长度内保持不变的超分辨暗斑。这样的光学聚焦暗斑可能会应用于超分辨显微技术和光学捕获。

对内调焦望远物镜进行设计, 利用二元透镜独特的色散特性, 在提高成像质量的同时对传统结构进行简化。选取合适的初始结构, 通过CODE V软件对物镜进行设计、优化及像质分析, 得到成像质量颇佳的系统。在此基础上, 对系统进行了调焦及优化, 实现了对1.5 m到无穷远物距在分划板上清晰成像的目的。在所有变焦范围内，系统各视场在50 lp/mm处的MTF值均大于0.4, 且各视场的畸变均小于0.5%。