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利用二元光学技术实现小焦斑、长焦深的设计

作　者: 明名
导　师: 胡家升
学　校: 大连理工大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 长焦深小焦斑二元光学计算机仿真 ZEMAX光学设计
分类号: TH74
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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引　用: 1次
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内容摘要

在经典光学中，焦深和焦斑总是一对无法解决的矛盾。一个经典光学系统无法同时达到长焦深、小焦斑的效果，因而在现在众多激光应用中受到了很大的制约。二元光学技术是目前国际光学讨论的一个热点，它是基于光波的衍射理论，利用计算机的辅助设计，用超大规模集成电路制作工艺，在光学器件表面刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构来取代连续浮雕结构，从而能够将二元光学元件投入加工。与经典光学相比，二元光学元件能在光波入射时调制光波波前，改变其相位，从而在输出面得到相应的光场分布要求。本论文从理论分析、计算机仿真和元件外形设计三个方面对利用二元光学技术来实现小焦斑、长焦深的设计进行了初步的研究，主要完成了以下工作：首先，介绍了二元光学的产生及发展，和二元光学元件设计的几种常用方法。随后介绍了经典光学中焦深和焦斑的矛盾问题，以及长焦深光学元件的原理以及其实现的各种方法，包括第一阶段的改变数值孔径方法、圆锥透镜(axicon)方法和M．D．Levenson等人提出的相移掩模(PSM)方法，第二阶段德尔宁(Drunin)提出了无衍射光束(diffraction-free beams)方法和寿查基(Sochacki)等人提出的能量守恒法等等。最后概述了目前小焦斑、长焦深光学元件的设计现状。其次，分析并讨论了用二元光学技术来实现小焦斑、长焦深的设计方法，完成了小焦斑、长焦深的二元光学元件相位函数设计程序的编写。利用计算机仿真，对所得到的相位函数进行验证，得到了相应焦深内各个输出平面上的光强分布和光斑大小。对于验证后的二元光学元件相位函数进行了处理，得到了相应的表达式。最后，本文利用ZEMAX光学设计软件与VC++程序的外部接口，编写了表面面形设计程序，得到了相应相位函数的二元光学元件表面面形。对于所得到的表面面形，利用ZEMAX中的相关功能进行性能检验，检验证明模拟面形与计算机仿真的结果是吻合的，验证了所设计的二元光学元件的正确性。最后对二元光学元件的加工方法以及精度进行了展望和讨论。本论文有机地结合了二元光学技术和小焦斑、长焦深光学元件的特点，探讨了小焦斑、长焦深的光学元件的设计方法，完成了利用二元光学技术实现小焦斑、长焦深的研究中的基础性工作。论文所做的理论分析、计算机仿真和相应的面形设计为今后二元光学技术在小焦斑、长焦深方面的进一步的深入研究提供了有益的帮助和借鉴。

利用二元光学技术实现小焦斑、长焦深的设计

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