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衍射光学元件制作及其在CCD相机光学系统中的应用

作　者: 李红军
导　师: 翁志成；廖江红
学　校: 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
专　业: 光学
关键词: CCD相机 衍射光学元件 菲涅耳透镜 离子束刻蚀 薄膜沉积 衍射效率 光学传递函数
分类号: TN386.5
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要


衍射光学元件基于光波的衍射原理，具有色散特性独特、体积小和重量轻等优点，得到人们普遍重视，已被广泛应用于红外光学系统、光互连、全息显示、光学扫描、图象识别和图象处理、视觉模拟系统等许多领域。 本论文主要工作围绕国防科工委预研课题“衍射光学系统设计及工艺研究”展开。本论文的主要工作包括以下四个部分：1．衍射光学元件衍射效率的讨论 衍射光学元件在制作过程中，存在掩模对准、线宽和刻蚀深度等制作误差。这些制作误差对衍射光学元件的衍射效率都有影响。本文结合实际制作的衍射光学元件，讨论制作误差对16阶衍射光学元件的影响。2．对准误差对光学传递函数的影响 对于折衍混合光学系统，更关心的是衍射光学元件的制作误差对系统光学传递函数的影响。本文讨论对准误差对光学传递函数的影响，得出普遍规律。3．衍射光学元件的制作及衍射效率的测量 根据课题要求及具体实验条件，使用薄膜沉积和离子束刻蚀法制作16阶衍射光学元件并进行衍射效率测量，分析部分实际制作误差对衍射效率的影响。4．衍射光学元件在光学系统中的应用 将衍射光学元件应用于光学系统，研制成功折衍混合小型CCD相机。 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文 一 并使用星点法、分辨率及光学传递函数进行光学系统成像质量的评价及室外 成像实验。

全文目录


第一章 引言  15-34
  1．1 衍射光学发展概况  15-18
  1．2 衍射光学元件的加工技术  18-29
    1．2．1 机械方法  18-19
    1．2．2 干涉技术  19-20
    1．2．3 二元光学方法  20-21
    1．2．4 直写技术  21-23
    1．2．5 灰度掩模法  23-26
      1．2．5．1 直写灰度掩模  24-25
      1．2．5．2 模拟灰度掩模  25
      1．2．5．3 其他灰度掩模  25-26
    1．2．6 衍射光学元件加工方法的发展前景  26-29
  1．3 衍射光学研究的主要进展  29-30
  1．4 衍射光学的发展趋势  30-32
  1．5 论文的主要工作  32-34
第二章 衍射光学元件的衍射效率  34-52
  2．1 理想情况下，菲涅耳透镜的衍射效率  34-37
  2．2 存在制作误差情况下，衍射光学元件的衍射效率  37-51
    2．2．1 刻蚀深度误差对衍射效率的影响  37-40
      2．2．1．1 基本原理  37-38
      2．2．1．2 数值模拟计算  38-40
    2．2．2 对准误差对衍射效率的影响  40-46
    2．2．3 线宽误差对衍射效率的影响  46-51
  小结  51-52
第三章 衍射光学元件的制作误差对光学传递函数的影响  52-67
  3．1 光学传递函数的计算方法  52-57
    3．1．1 两次傅里叶变换法  53-56
    3．1．2 光瞳函数自相关法  56-57
  3．2 衍射光学系统的光学传递函数  57-66
    3．2．1 4阶菲涅耳透镜的对准误差  58-59
    3．2．2 衍射光学系统的光瞳函数  59-61
    3．2．3 4阶菲涅耳透镜的光学传递函数计算  61-66
  小结  66-67
第四章 衍射光学元件的制作及测试  67-89
  4．1 薄膜沉积法制作菲涅耳透镜  67-72
    4．1．1 菲涅耳透镜的衍射效率  67-68
    4．1．2 16阶菲涅耳透镜的制作  68-71
      4．1．2．1 主要制作过程  68-70
      4．1．2．2 关键技术  70-71
    4．1．3 实验结果及分析  71-72
  4．2 离子束刻蚀法制作16阶菲涅耳透镜  72-78
    4．2．1 16阶菲涅耳透镜的衍射效率  72-76
    4．2．2 16阶菲涅耳透镜的制作  76
    4．2．3 菲涅耳透镜的制作误差分析  76-78
  4．3 菲涅耳透镜衍射效率的测试  78-85
    4．3．1 测试原理及方法  78-81
    4．3．2 衍射效率的测试  81-85
      4．3．2．1 实验原理及装置  81-82
      4．3．2．2 测试数据  82-85
  4．4 实验结果分析  85-88
    4．4．1 非单色光入射时菲涅耳透镜的衍射效率  85-87
    4．4．2 理论计算结果与实验结果对比  87-88
  小结  88-89
第五章 衍射光学元件在光学系统中的应用  89-98
  5．1 折衍混合光学系统的设计  89-92
  5．2 折衍混合光学系统的研制及性能测试  92-98
    5．2．1 CCD相机的研制  92
    5．2．2 折衍混合光学系统成像质量的评价及性能测试  92-97
      5．2．2．1 系统的星点测试  93-94
      5．2．2．2 系统的分辨率测试  94-95
      5．2．2．3 光学传递函数的测量  95-96
      5．2．2．4 折衍混合光学系统的成像  96-97
    小结  97-98
第六章 总结  98-100
  6．1 论文的研究成果  98-99
  6．2 具有创新意义的工作  99-100
参考文献  100-107
作者简介  107-108
发表和待发表学术论文  108-109
致谢  109-23
图表索引  23-109
  图1．1 衍射光学元件的加工方法  23-28
  表1．1 不同加工方法制作的衍射光学元件特性  28-35
  图2．1 菲涅耳波带图形  35
  图2．2 振幅透过率  35-36
  图2．3 具有多台阶相位的菲涅耳透镜外形  36-38
  图2．4 带有刻蚀深度误差的4阶菲涅耳透镜位相分布  38-39
  图2．5 4阶菲涅耳透镜衍射效率与相对刻蚀深度误差的关系  39
  图2．6 8阶菲涅耳透镜衍射效率与相对刻蚀深度误差的关系  39-40
  图2．7 16阶菲涅耳透镜衍射效率与相对刻蚀深度误差的关系  40
  图2．8 对准误差的分布  40-41
  图2．9 存在对准误差时，4阶菲涅耳透镜位相分布  41-42
  图2．10 衍射效率与相对对准误差a_1的关系曲线  42
  图2．11 衍射效率与相对对准误差a_2的关系曲线  42-43
  表2．1 部分对准误差及相应的衍射效率  43
  表2．2 衍射效率随a_1、a_2和a_3的变化  43-44
  表2．3 衍射效率随对准误差变化的两种特殊情况  44
  图2．12 a_1＜0时衍射效率随a_1的变化曲线  44
  表2．13 a_1＞0时衍射效率随a_1的变化曲线  44-45
  图2．14 a_2＜0时衍射效率随a_2的变化曲线  45-46
  图2．15 4阶菲涅耳透镜的实际轮廓分布  46
  图2．16 4阶菲涅耳透镜的位相分布  46-48
  图2．17 衍射效率与a_1的关系曲线  48
  图2．18 衍射效率与a_2的关系曲线  48-49
  图2．19 衍射效率与a_1的关系曲线  49
  图2．20 衍射效率与a_2的关系曲线  49
  图2．21 衍射效率与a_3的关系曲线  49-50
  图2．22 衍射效率与a_1的关系曲线  50
  图2．23 衍射效率与a_2的关系曲线  50-51
  图2．24 衍射效率与a_3的关系曲线  51
  图2．25 衍射效率与a_4的关系曲线  51-53
  图3．1 波动光学的光学传递函数计算流程图  53-54
  图3．2 成像系统的普遍模型  54-59
  图3．3 4阶菲涅耳透镜的径向分布  59
  图3．4 存在对准误差时，两个掩模的位置  59-62
  图3．5 对准误差对振幅透过率的影响  62
  图3．6 极角对振幅透过率的影响（r=1cm）  62
  图3．7 极角对振幅透过率的影响（r=0．5cm）  62
  图3．8 极角对振幅透过率的影响（r=0．25cm）  62-63
  图3．9 菲涅耳透镜的点扩散函数（1=0）  63
  图3．10 菲涅耳透镜的点扩散函数（1=0．5μm）  63-64
  图3．11 菲涅耳透镜的点扩散函数（1=1．0）  64
  图3．12 菲涅耳透镜的点扩散函数（1=1．5μm）  64-65
  图3．13 点扩散函数ξ方向截面图  65
  图3．14 点扩散函数η方向截面图  65-66
  图3．15 ξ方向的调制传递函数  66-69
  图4．1 薄膜沉积法制作菲涅耳透镜示意图  69-70
  图4．2 蒸镀示意图  70-72
  图4．3 菲涅耳透镜单个周期的二维轮廓  72
  图4．4 菲涅耳透镜单个周期的三维轮廓  72-74
  图4．5 离子束刻蚀法制作菲涅耳透镜示意图  74
  表4．1 定标实验结果  74-75
  图4．6 16阶菲涅耳透镜单个周期的二维图形（φ90mm）  75
  图4．7 16阶菲涅耳透镜单个周期的三维图形（φ490mm）  75-76
  图4．8 16阶菲涅耳透镜单个周期的二维图形（φ45mm）  76
  图4．9 16阶菲涅耳透镜单个周期的三维图形（φ45mm）  76-77
  表4．2 菲涅耳透镜第一环带宽度测量结果  77
  表4．3 不同套刻次数的刻蚀深度  77-82
  图4．10 衍射效率测试实验装置图1  82
  图4．11 衍射效率测试实验装置图2  82-83
  表4．4 衍射效率测试数据  83
  表4．5 衍射效率测试数据  83-84
  表4．6 衍射效率测试数据  84
  表4．7 衍射效率测试数据  84-87
  图4．12 不同衍射级次衍射效率随入射光波波长的变化  87
  表4．8 菲涅耳透镜衍射效率测量值与理论值的比较  87-90
  表5．1 折衍混合CCD相机与传统CCD相机的比较  90
  图5．1 折衍混合光学系统的示意图  90
  表5．2 传统光学系统和折衍混合光学系统的MTF比较  90-91
  图5．2 不同条件下折衍混合光学系统的调制传递函数  91-92
  图5．3 折衍混合CCD相机  92-93
  图5．4 星点测试实验装置  93-94
  图5．5 折衍混合系统的星点像  94
  图5．6 折衍混合系统的星点像  94-95
  图5．7 折衍混合光学系统的分辨率  95-96
  图5．8 滤光片的透过率曲线  96
  表5．3 调制传递函数的测试值  96-97
  图5．9 CCD相机对远处景物成像  97-109

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 场效应器件 > 电荷耦合器件
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