基于折-衍混合的消色差長焦深光學(xué)元件若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、消色差長焦深光學(xué)元件可實(shí)現(xiàn)三維區(qū)域清晰成像，在空間遙感、激光直寫、顯微成像等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著光電探測器件分辨能力的不斷提高，要求光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率和長焦深，特別是要保證焦深范圍內(nèi)光強(qiáng)分布的一致性，以滿足空間遙感、激光直寫、顯微成像等領(lǐng)域的使用要求，傳統(tǒng)折射光學(xué)元件因無法兼顧上述性能，直接制約了三維區(qū)域清晰成像技術(shù)的發(fā)展。
　　課題“基于折/衍混合的消色差長焦深光學(xué)元件若干關(guān)鍵技術(shù)研究”的主要目的是在研究對數(shù)光錐位相

2、函數(shù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，著重研究折/衍混合長焦深元件焦深與系統(tǒng) F/＃及衍射元件浮雕深度間的函數(shù)關(guān)系，初始結(jié)構(gòu)的消色差位相分配方法，及其三維輸出光場分布的優(yōu)化算法，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率、長焦深及焦深范圍內(nèi)光強(qiáng)的一致性分布。本課題的研究，在復(fù)雜環(huán)境成像、激光直寫及顯微成像等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文首先分析對數(shù)光錐位相函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，討論不同參數(shù)時(shí)長焦深元件三維輸出光場分布規(guī)律，建立焦深與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及衍射元件浮雕深度間的函數(shù)

3、關(guān)系，從而為長焦深元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇及焦深擴(kuò)展能力的改善奠定理論基礎(chǔ)。
　　為同時(shí)實(shí)現(xiàn)焦深擴(kuò)展和消色差功能，基于對衍射元件與長焦深元件色散特性及折/衍混合消色差原理的分析，在不改變整體對數(shù)位相函數(shù)的基礎(chǔ)上，使衍射元件在保留擴(kuò)展焦深項(xiàng)的同時(shí)，增加一個(gè)獨(dú)立的消色差項(xiàng)來分擔(dān)部分消色差光焦度，實(shí)現(xiàn)混合結(jié)構(gòu)中折射元件與衍射元件位相函數(shù)的分配，為最終獲得焦深范圍內(nèi)光強(qiáng)分布一致的折/衍混合消色差長焦深元件提供合理的初始結(jié)構(gòu)。
　　為實(shí)現(xiàn)折

4、/衍混合消色差長焦深元件位相結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，首先對衍射元件中擴(kuò)展焦深項(xiàng)進(jìn)行系數(shù)調(diào)整，使其焦深范圍內(nèi)的歸一化光強(qiáng)滿足給定值，并減小光強(qiáng)震蕩幅度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的初步改進(jìn)，進(jìn)而對已有傳統(tǒng)二維光場位相恢復(fù)的楊-顧算法引入軸向變量，求解位相恢復(fù)變分方程，確定迭代公式及精度控制表達(dá)式，以此對初步改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維輸出光場分布的優(yōu)化，最終獲得焦深范圍內(nèi)光強(qiáng)分布一致的折/衍混合消色差長焦深元件。
　　最后，對課題研究的折/衍混合消色差長焦深光學(xué)元件進(jìn)行

5、了設(shè)計(jì)及制作，搭建光學(xué)元件性能測試實(shí)驗(yàn)平臺，比較 F/4的傳統(tǒng)平凸折射透鏡與折/衍混合透鏡在486nm、587nm、656nm三個(gè)典型波長時(shí)焦面附近若干垂軸平面內(nèi)的點(diǎn)擴(kuò)展圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)焦深取歸一化光強(qiáng)的半高寬時(shí)，傳統(tǒng)平凸折射透鏡在三個(gè)波長處的焦深均小于40μm，在波長486nm和656nm時(shí)的焦面相距0.62mm，存在較大的初級色差，而折/衍混合元件的焦深可達(dá)到0.5mm，且光強(qiáng)震蕩幅度小于10％，焦深為傳統(tǒng)折射透鏡的12.5倍