第40卷，第1期
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文章编号：1672-8785(2019)01-0011-05
双层衍射光学元件微结构
高度的优化设计
杨亮亮
(盐城师范学院新能源与电子工程学院，江苏盐城
22407)
摘要：微结构高度是衍射
件的重要加工参数之一。基于双层衍射 ：
件的带宽积 均衍射 和微结构高度的关系，分析并给出了微结构高度的优化 方法。在满足 系统性 求的情况下，通过适当地降低带宽积
均衍射 来减小微结构的高度。 针对可见光、长波红外、红外双波
的双层衍射 件进行仿真分析。分析结果显示， 在长
红外 的双层衍射 件的带宽积 均衍射 减小1. 9Y，微结构高 度能降低55 Y以上。该结论对于双层衍射 件的加工及应用有重要的意义。
关键词：衍射光学；衍射效率；光学设计；微结构高度中图分类号：0436 文献标志码：A
DOI： 10.3969/j.issn.l672-8785.2019.01.003
Optimal Design of the Microstructure Height for
Double-layer Diffractive Optical Elements
YANG Liang-liang
(School of New Energy and Electronics，Yancheng Teachers University，Yancheng 224007，China)
(DOEs). On the basis of the relationship of Polychromatic Integral Diffraction Efficiency crostructure heights of Double —layer Diffractive Optical Elements (DLDOEs) ? the optimal design method was analyzed and presented. Under the premise of satisfying the performance requirements of the optical system，the reduction of themicrostructure height can be realized by reducing PIE. The DLDOEs operating in visible light band，long —wave infrared band and two infrared bands were simulated and analyzed respectively. The analytical results showed that the microstructure heihht of the DLDOE operating in the long—wave infrared band could be reduced by more than 55% when its 1. 9% PIDE was sacrificed with this method. clusion was of great significance to the fabrication and application of DLDOEs.Key words： diffractive optics； diffraction efficiency； optical design； microstructure heihht
Abstract： The microstructure height is one of the important parameters of Diffractive Optical Elements
收稿日期：2018-12-17
基金项目：江苏省高校自然科学研究基金（16KJD140001); 2018年大学生创新创业训练计划项目（省级 指导 201810324009X)作者简介：杨亮亮（1986-)，女，江苏盐城人，博士，讲师，主要从事光学设计、衍射光学、太阳能聚光镜等万面的研究。
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E-mail： yang—liangliang! 163. com
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〇引言
衍射光学元件越来越多地被应用到传统成 像光学系统中[1'5] 。* & 可以 系统的 重要的
。
是 的
传统
光学
，
质量，并简化其结构。这些有
面微结构高度和带宽积分平均衍射效率的关 系，以 带宽积 均 的方法来大
度 降低 层 光学 的 结构 高 度 。 在
波 光学 系 统中 用 层 可以很大幅度地 用于指
层
光学
的
光学 加工。
，
结构高度。该方法可以
光学元件以光学系统的光学
=
及含有衍射光学 在 波
。
重要指标之一，它的大小决定了
1双层衍射光学元件的设计
双层衍射光学元件是最简单的多层衍射光 学元件，它由两种具有不同色散系数的
[12一14]。如图1所示，双层 相当于两
层
光学
1射光学 加在一
光学系统中应用的可行性与使用
传统的单层衍射光学元件只能在设计波长
处达到100Y的 设计波长，
除了具有单层 外，
在 ，偏离设计波 降[6'8]。工作在 ，主要采用单点
，随着波 偏离
下降。多层 光学
光学 的 特点之
高的衍射不会
光学系统中的
下光学元
起， 层 光学 和传统单层 光学
的表面 结构 高 度 有 大的 差 。
的光谱范围内
工艺加工。在加
工过程中不可 地会引入一些加工误差，它
会 光学 的 。 结构高度是 层
光学
加工的一个主要 测的
。多加 低[9一11]。光学元
图1中，成像用分离型双层衍射光学元件 的中间介质为空气。要 层 光学 =
的第m 在设计波长处具有100Y的衍射效率，需满足设计波长#1、#2处位相延迟为 2$的 光学
这
。此时，分离型双层衍
为
的 结构 高 度
光学元件的微结构高度较大，这
工难度增大，
所以，如何 结构高度，对于
的 加工 有 重要 。
出了双层衍射光学元件的表
5 _ _________乂2 X [1 — (又1 )-—又1 R [1 — 712 (又2 ) -_________& \\_nl (Ai) —_1- X [$2 (2) — 1- — (A2) — 1- X [n2 (Ai) — 1
5 _ A2 X [nx (A2) - — 1- — A1 X \\_nl (A1) — 1- & \\_nx (A1) — 1- X [n2 (A2) — 1- — [_n1 (A2) — 1- X [n2 (A1) — 1-
(1)
式中，n(A)是双层衍射光学元件中第&层谐 衍射元件的基底材料在波长A处的折射率，5 为第&层
加工 的 度
的表面 结构 高 度 。， 结构 高 度
，式
好。同时，由式（1)可知，当双层衍射光学元的材料确定之后，就可以
光学
=
的微结构高度，进一步可 层 光学元
件第m衍射级次的衍射效率表达式：_ • 2( ($i ( A ) ' 1) X5i + (n2 (A ) ' 1) X52)rjm — sine ym — ^2)
双层衍射光学元件第m衍射级次带宽积 均
为
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加工。从式（1)可以看出，如果两个材料的阿
近，即材料的色散程度近
(1)中的
所以在 应注意两
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，这 层 光学 料的
结构高度增大。
的 基 料 ， 差值，差
，
大越
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sin c2 (m —
$i (A) — 1) X A H $2 $) — 1) X
)dA$3)式中，A_和表示波段范围内的最小波
和最大波
。
2双层衍射光学元件在可见光波段的 仿真 析
对于工作在〇. 4〜0. 7
可见光波段的双
层衍射光学元件，分别以聚甲基丙烯酸醋
(PMMA)和聚苯乙烯（PC)为第一层和第二层
光学
的 基
料。
层
光学
的带宽积 均 与微结构高度的关
系 如图2所示，
标为带宽积 均衍
，纵坐标分别为两
光学 的
结构高度。由图2可见，当该双层 光学的带宽积分平均 为98. 80%时，
对应PMMA和PC的微结构高度分别为
13. 71
和11.48 |Lim。如果带宽积分平均衍
射效率为95%，则满足系统的使用要求。与 98. 80%相比较，衍射效率减小了 3. 8%，对应
的微结构高度分别减小到5. 75 p m和 4. 81 pm，两个微结构高度都大概下降 了 58%。
m
rl/mvri/\\pofJJJ^tOJJsO-tSl-lP
lH-ssffitD-(L)JIaaQc)SmS^OOJIos
.^\\pl;
图2可见光波段的带宽积分平均衍射效率与微结 构高度的关系
3双层衍射光学元件在长波红外波段 的 仿真 析
对于工作在长波红外8〜12
波段的双
层衍射光学元件，分别以ZnSe和ZnS为第一
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A
层 和第 二层
光学
的 基
料。 层
光学 的带宽积 均 与微结
构高度之间的关系如图3所示。当该双层 ‘光学 的带宽积分平均 为99.90%时，对应ZnSe和ZnS的微结构高度分别为 112. 41 pm和123. 43 pm。当带宽积分平均衍 射效率为99%时，对应的微结构高度分别为 72. 52 pm和76. 59 ^m。带宽积分平均衍射效 率为98%即可满足系统的使用要求，此时对 应的微结构高度分别减小到50. 41
和
50. 75 ^m，两个微结构高度分别减小了 55. 16%和58. 88%。可见，带宽积分平均衍射 效率从99. 90%下降到98%，即减小1.9% 时，对应的两个微结构高度分别减小了 ：0% 以上，下降
。
U
Irml/(DZL
s/usuNNJJOO^-t-sll-sffi-sl(DHsmp.^I\\p图3长波 波段的W宽积分平均 与微
结构高度的关系
4双层衍射光学元件在红外双波段的 仿真分析
对于工作在3〜5 pm和8〜12 红外双波段的双层衍射光学元件，分别以ZnSe和 ZnS为第一层和第二层
光学
的基底
材料。双层衍射光学 的带宽积 均 ‘
与微结构高度之间的关系如图4所示。当 该双层 光学 的带宽积 均衍射
为97%时，对应ZnSe和ZnS的微结构高度分
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别为158. 56 pm和178. 24 pm。当带宽积分平 均衍射效率为90%时，对应的微结构高度分 别为114. 74
和128. 10 ^m。如果带宽积分
平均衍射效率85%(从97%下降到85%，即减 了 12%)可满足系统的使用要求，则此时对 应的微结构高度分别减小到94. 67 pm和 105. 14^m，两个微结构高度都减小了 40%以 上。微结构高度的减小使得衍射光学元件的加 工难度降低，85 %的 对于批量生产的
波段光学系统
是可以 的。
mrl/mrlu/suSNUJNOJ
O ;qIs^-s-ffHsaimo oss
0.84 0.86 0.88 0.90 PIDE
0.92 0.94 0.96 0.98
图4红外双波段的带宽积分平均衍射效率与微结构 高度的关系5结论
由于双层
光学元件的微结构高度较
大，特别在红外波段，实际中双层 光学元
件的加工难度较大，容易引入较大的加工误
差，
低。 基于双层衍光学 的带宽积 均
和微结构
高度的关系，提出了降低微结构高度的方法。
在
光学系统要求的
下，通过适当降低
带宽积
均
来 结构高度。
对于可见光波段的双层衍射光学 ，带
宽积分平均衍射效率减小3. 8%时可实现对应 的微结构高度下降约58%。在8〜12
长波
红外波段，带宽积分平均衍射效率减小1.9% 时可 对应的两 结构高度 U减小55. 16%和58.88%。对于工作在红外双波段的 层
光学
， 当带 积
均
从97%下降到85%，即减小了 12%时，两个 微结构高度都下降了 4\"%以上。综上可见，
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如果带宽积分平均衍射效率少量下调能满足设 计要求， 结构高度
大幅度 ，从
降低了加工难度。 所
的方法和
I
的结论为 光学
的应用及加工提供了理
依据。
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(上接第10页）
电吊舱系统的远距离侦察、目标搜索和跟踪应 用。随着未来大面 字化焦平面探测器的成
熟应用，该研究将会在机载光电系统中具有广
泛的应用前景。
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