CN109541735B - 一种薄膜衍射元件的设计方法及薄膜衍射元件 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种薄膜衍射元件的设计方法及薄膜衍射元件，包括：获取薄膜衍射元件的基本参数，其中，所述薄膜衍射元件为宽波段衍射元件，所述基本参数包括所述薄膜衍射元件的中心设计波长、带宽宽度、波长采样间隔、台阶宽度以及台阶周期数；根据所述基本参数计算各采样波长对应的台阶高度；根据所述台阶高度进行仿真实验论证以得到所述薄膜衍射元件。本发明的复消色差衍射元件的应用能够大幅度降低光学系统的质量，从而能够减少空间运载装置对天基望远系统的尺寸和质量限制；压缩光学系统在轴向上的空间，促进智能设备进一步的轻薄化和便携化。

Description

一种薄膜衍射元件的设计方法及薄膜衍射元件
技术领域
本申请涉及光学元件技术领域，特别涉及一种薄膜衍射元件的设计方法及薄膜衍射元件。
背景技术
近年来，人们对太空观测精度和观测范围提出了越来越高的要求，望远镜的口径也随之不断增大。这是由于望远镜的口径越大，其系统分辨率就越高。望远系统的能量收集能力与口径的平方成正比，所以为了满足人们对于深空探测范围和精度的需求，望远系统的口径往往需要设计的很大，但是受限于载运平台的载荷以及其高昂的运输成本，往往需要在望远系统的设计和性能上做出妥协。
衍射薄膜元件作为一种轻质化、可折叠、并且理论上可以对波前进行任意调制的光学薄膜元件，已经成为科学家关注的热点。薄膜光学元件由于其极其轻薄的属性，已成为解决上述问题的一个理想途径。在传统折射光学系统中，由于光学材料对不同波长的光的折射率各异，导致在成像时会出现色差。轴向色差会导致像面出现彩色弥散斑，使像模糊不清；倍率色差会使得像具有彩色边缘，破坏轴外物点像的清晰度，严重影响系统成像质量。为了解决这一难题，传统成像系统通常使用由折射率、色散率不同的玻璃材料做成的正负组合透镜对色差进行消除。在传统成像光学系统中，通常对F光(红光)和C光(蓝光)进行色差的消除，通过对玻璃材料折射率和色散系数合适的选取，能够使得红光和蓝光的焦距恰好相等，基本消除色差，我们称这种消除两种特定波长色差的镜头为消色差镜头。消色差镜头的剩余色差就叫做“二级光谱”，二级光谱导致的不同色光焦距变化不可能小于焦距的千分之二，也就是说，随着镜头焦距的增加，消色差镜头的二级光谱所导致的色差也会越来越大。对于广角和中焦镜头而言，消色差镜头可以较好的满足消色差的要求，但是对于长焦镜头，其二级光谱不可忽视，为了进一步消除长焦镜头二级光谱对成像质量的影响，复消色差技术应运而生。复消色差是指通过对F光(486.1nm)、e光(波长527.0nm)和C光(波长656.3nm)三个特征波长进行色差的消除，进行复消色差，需要一些特殊光学性质的光学材料，如萤石和氟冕玻璃，这些材料价格昂对，加工困难，成本非常之高。
衍射元件的色散和材料无关，仅和衍射元件的刻蚀结构有关，如何在衍射薄膜元件上进行色差的消除，拓宽衍射元件的使用带宽。就成了一个亟待解决的难题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种薄膜衍射元件的设计方法及薄膜衍射元件，以解决上述问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种薄膜衍射元件的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：
获取薄膜衍射元件的基本参数，其中，所述薄膜衍射元件为宽波段衍射元件，所述基本参数包括所述薄膜衍射元件的中心设计波长、带宽宽度、波长采样间隔、台阶宽度以及台阶周期数；
根据所述基本参数计算各采样波长对应的台阶高度；
根据所述台阶高度进行仿真实验论证以得到所述薄膜衍射元件。
可选地，在本申请提供的另一实施例中，所述根据所述基本参数计算各采样波长对应的台阶高度，包括：
根据所述薄膜衍射元件的焦距计算初始台阶高度；
将所述初始台阶高度以所述采样波长进行相位折叠，以得到各采样波长对应的薄膜衍射元件的台阶高度。
可选地，在本申请提供的另一实施例中，所述台阶刻蚀深度通过以下公式计算得到：
Figure BDA0001921683510000021
其中，Hi为刻蚀深度，fi为设计焦距，n为材料折射率，r为衍射元件各台阶的径向距离，λi为设计波长，m为波长采样数量。
本申请实施例的第二方面提供了一种薄膜衍射元件，所述薄膜衍射元件通过上述薄膜衍射元件的设计方法中任一项所述的方法得到。
本发明的复消色差衍射元件的应用能够大幅度降低光学系统的质量，从而能够减少空间运载装置对天基望远系统的尺寸和质量限制；压缩光学系统在轴向上的空间，促进智能设备进一步的轻薄化和便携化。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申实施例请提供的薄膜衍射元件的设计方法的流程图；
图2为本申请另一实施例提供的薄膜衍射元件的设计方法示意图；
图3为本申实提供的传统单波长衍射元件对不同波长的点扩散函数示意图；
图4为本申请针对520-580nm波段进行设计的薄膜衍射元件对不同波长的点扩散函数；
图5为本申请针对三个独立波长进行设计的薄膜衍射元件对不同波长的点扩散函数。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
图1示出了本申请提供的薄膜衍射元件的设计方法，详述如下：所述设计方法包括：
步骤S11，获取薄膜衍射元件的基本参数，其中，所述薄膜衍射元件为宽波段衍射元件，所述基本参数包括所述薄膜衍射元件的中心设计波长、带宽宽度、波长采样间隔、台阶宽度以及台阶周期数。
本申请提供的实施例中，首先确定薄膜衍射元件的初始设计参数。根据使用需求确定薄膜衍射元件的基本设计参数，如中心设计波长、衍射元件带宽宽度、波长采样间隔、台阶宽度、台阶周期数等。
步骤S22，根据所述基本参数计算各采样波长对应的台阶高度。
可选地，所述根据所述基本参数计算各采样波长对应的台阶高度，包括：
根据所述薄膜衍射元件的焦距计算初始台阶高度；
将所述初始台阶高度以所述采样波长进行相位折叠，以得到各采样波长对应的薄膜衍射元件的台阶高度。
可选地，所述台阶高度通过以下公式计算得到：
Figure BDA0001921683510000041
其中，Hi为刻蚀深度，fi为设计焦距，n为材料折射率，r为衍射元件各台阶的径向距离，λi为设计波长，m为波长采样数量。
本申请中针对所设计薄膜衍射元件的焦距计算初始台阶高度，然后将初始台阶高度以所采样的各个工作波长进行相位折叠，得到各波长对应的衍射元件的刻蚀台阶高度。如图2左半部分。
计算公式如下：
Figure BDA0001921683510000042
其中，Hi为刻蚀深度，fi为设计焦距，n为材料折射率，r为衍射元件各台阶的径向距离，λi为设计波长，m为波长采样数量。
以此，得到了各个采样波长所对应的台阶刻蚀深度。然后对台阶高度进行整合将所采样的各个波长对应径向宽度的台阶高度按照波长次序依次排列，最终的台阶高度如图2右半部分为例。
步骤S13，根据所述台阶高度进行仿真实验论证以得到所述薄膜衍射元件。
具体仿真实验论证过程即结果如下：
如图3所示，使用传统针对单波长衍射元件的设计方法对中心波长为550nm的四台阶薄膜衍射元件进行了设计，设计焦距为50mm，可以看出，当使用550nm波长的光作为工作波长时，该衍射元件在设计焦平面上的点扩散函数是一个标准的高斯形函数，但是当工作波长偏离30nm(即为520nm或者580nm)时，可以发现对应的光波已经不能够在理想焦平面上实现聚焦，色散明显。
使用本发明的设计方法，针对波长为520nm至580nm，采用波长采样长度为10nm，进行宽波段衍射元件的设计，设计焦距同为50mm，设计结果如图4所示。从图中可以看出，在整个设计波段内，衍射元件在理想焦平面的点扩散函数保持高度的均一性，与上述传统针对单波长设计的衍射元件相比，优势明显。
针对传统成像光学系统复消色差所采用的三个特定波长：F光(486.1nm)、e光(波长527.0nm)和C光(波长656.3nm)，使用本发明的设计方法，对这三个波长分别采样，进行了消色差衍射元件的设计，设计焦距为50mm。设计结果如图5所示。可以看出红绿蓝三色的光束在理想焦平面的点扩散函数同样保持较高的一致性，光斑大小相似。
本发明的复消色差衍射元件的应用能够大幅度降低光学系统的质量，从而能够减少空间运载装置对天基望远系统的尺寸和质量限制；压缩光学系统在轴向上的空间，促进智能设备进一步的轻薄化和便携化。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种薄膜衍射元件的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：
获取薄膜衍射元件的基本参数，其中，所述薄膜衍射元件为宽波段衍射元件，所述基本参数包括所述薄膜衍射元件的中心设计波长、带宽宽度、波长采样间隔、台阶宽度以及台阶周期数；
根据所述基本参数计算各采样波长对应的台阶高度；
根据所述台阶高度进行仿真实验论证以得到所述薄膜衍射元件；
根据所述基本参数计算各采样波长对应的台阶高度，包括：
根据所述宽波段薄膜衍射元件的设计波长数量规划并计算需要刻蚀的台阶刻蚀位置及台阶刻蚀深度；
对所述台阶刻蚀深度进行整合，将对应径向宽度的台阶刻蚀深度按照波长顺序依次排序，以最终得到有序的台阶刻蚀深度；
所述台阶刻蚀深度通过以下公式计算得到：
Figure FDA0002357431780000011
其中，Hi为台阶刻蚀深度，f为设计焦距，n为材料折射率，r为衍射元件各台阶的径向距离，λi为设计波长，m为波长采样数量。
2.一种薄膜衍射元件，其特征在于，所述薄膜衍射元件通过所述权利要求1所述的方法得到。
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