镀有抗反射膜的衍射光学元件的优化设计方法与流程

本发明涉及一种镀有抗反射膜的衍射光学元件的优化设计方法，用于镀有抗反射膜的衍射光学元件的优化设计，能够在实现衍射光学元件抗反射的同时，使得设计波长的衍射效率达到100％，属于光学设计
技术领域：
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背景技术：
：衍射光学元件由于具有特殊色散和热差性质而被广泛应用于军事、民用等多个领域中，衍射光学元件的设计与制造是现代光学工程的一个重要分支。含有衍射光学元件的折衍射混合成像光学系统能够减小光学系统体积、减轻光学系统重量、提高光学系统成像质量。在现有技术中，光学透镜表面除了可以透射光能之外还会产生表面反射损失。而衍射光学元件表面存在表面衍射微结构1，如图1所示，是一种浮雕型衍射表面结构，会产生更严重的反射，造成更严重的元件表面反射损失，从而降低光学系统的透过率，减少到达成像面的能量，因此，衍射光学元件表面同样镀有抗反射膜2，并且，抗反射膜2与衍射光学元件本体构成衍射光学元件。但是，由于抗反射膜2的存在，衍射光学元件会产生附加位相，从而降低衍射光学元件设计波长的衍射效率，如图2所示，从而降低折衍射混合成像光学系统的成像质量。而现有衍射光学元件设计方法仅考虑衍射光学元件本体对衍射效率的影响，并未考虑所述抗反射膜对衍射光学元件衍射效率的影响。技术实现要素：本发明的目的在于，在实现衍射光学元件抗反射的同时，使得设计波长的衍射效率达到100％，为此我们发明了一种镀有抗反射膜的衍射光学元件的优化设计方法。本发明之镀有抗反射膜的衍射光学元件的优化设计方法首先设计衍射光学元件的表面衍射微结构高度；其特征在于，其次，计算由衍射光学元件表面抗反射膜膜系各膜层材料和厚度引入的附加位相；最后，用所述表面衍射微结构高度减去与所述抗反射膜附加位相相当的高度，得到衍射光学元件本体表面衍射微结构的加工高度。本发明其技术效果在于，按照由本发明之方法得到的衍射光学元件表面衍射微结构的加工高度数据加工衍射光学元件本体，再在这个衍射光学元件本体上镀制其附加位相已在衍射光学元件优化设计过程中考虑进来的抗反射膜，也就是说该抗反射膜的位相已从所设计的衍射光学元件位相中去除，消除抗反射膜附加位相对衍射光学元件衍射效率的影响，使得镀有抗反射膜的衍射光学元件设计波长衍射效率回复到100％，如图3所示。附图说明图1是衍射光学元件表面衍射微结构与抗反射膜的结构关系图。图2是采用现有方法设计的衍射光学元件衍射效率分布图，图中虚线曲线和实线曲线分别为未镀和镀有抗反射膜的衍射光学元件的衍射效率曲线，设计波长为0.55μm。图3是采用本发明之方法设计的镀有抗反射膜的衍射光学元件衍射效率分布图，设计波长为0.55μm，该图同时作为摘要附图。图4是衍射光学元件本体材料、抗反射膜膜系各膜层材料以及周围环境介质折射率分布示意图。具体实施方式本发明之镀有抗反射膜的衍射光学元件的优化设计方法其具体方案如下文所述。首先，设计衍射光学元件的表面衍射微结构高度h：式中：λ设计为设计波长，n(λ设计)为衍射光学元件本体材料对设计波长的折射率，n0(λ设计)为周围环境介质对设计波长的折射率，如图4所示。其次，计算由衍射光学元件表面抗反射膜膜系各膜层材料和厚度引入的附加位相φcoating：式中：λ设计为设计波长，δl为抗反射膜产生的附加光程差，ni为抗反射膜膜系各膜层材料折射率，li为抗反射膜膜系各膜层厚度，i＝1,2,…,k，如图4所示。设定一个等高层，所述等高层的位相与抗反射膜的附加位相相同，将等高层高度h作为与所述抗反射膜附加位相相当的高度：式中：φcoating为由衍射光学元件表面抗反射膜膜系各膜层材料和厚度引入的附加位相，λ设计为设计波长，n(λ设计)为衍射光学元件本体材料对设计波长的折射率，n0(λ设计)为周围环境介质对设计波长的折射率，如图4所示。最后，用所述表面衍射微结构高度h减去与所述抗反射膜附加位相相当的高度，即等高层高度h，得到衍射光学元件本体表面衍射微结构的加工高度h'：h'＝h-h，(4)式中：h为衍射光学元件的表面衍射微结构高度，h为等高层高度。根据所述衍射光学元件本体表面衍射微结构加工高度h'加工衍射光学元件本体，并在该本体表面镀制设计的抗反射膜膜系。采用本发明之方法设计的镀有抗反射膜的衍射光学元件的衍射效率ηm(λ)'为：式中，m为衍射光学元件的衍射级次，φ为镀有抗反射膜的衍射光学元件位相，且下面举例说明本发明。采用pmma光学塑料为衍射光学元件本体材料。抗反射膜膜系如下表所示。膜层材料sio2zro2sio2zro2sio2zro2sio2厚度l(nm)91.2810.4648.4946.8310.2570.7386.52衍射光学元件的设计波段为0.4～0.7μm，设计波长λ设计为0.55μm。根据公式(1)计算得到衍射光学元件的表面衍射微结构高度h为1.1143μm。根据公式(2)计算得到抗反射膜的膜系各层材料和厚度可计算出抗反射膜引入的附加位相φcoating为0.1029。根据公式(3)计算得到等高层高度h为0.1147μm。根据公式(4)计算得到得到衍射光学元件本体表面衍射微结构的加工高度h'为0.9996μm。根据公式(5)计算得到在设计波长0.55μm处，镀有抗反射膜的衍射光学元件的衍射效率ηm(λ)'达到100％，如图3所示。据此加工衍射光学元件本体，然后完成抗反射膜的镀制。当然，成品衍射光学元件最后还要在抗反射膜上再镀一层保护膜，该保护膜同样会带来附加位相，该附加位相同样会降低衍射光学元件的衍射效率，也同样可以采用本发明之方法消除该影响。当前第1页12