摘要：討論了衍射光學元件的特殊成像性質；提出了帶寬積分平均衍射效率的概念和應用；給出了作者在國內外完成的幾個折衍射混合成像光學系統(tǒng)的應用實例，包括一個用衍射光學元件復消色差的長焦距光學系統(tǒng)，一個僅由兩個鏡片構成的CMOS相機光學系統(tǒng)和一個較復雜的中等焦距、大孔徑、大視場照相系統(tǒng)。這些系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)光學系統(tǒng)在結構、性能、體積和重量方面的限制，在光學設計理論上具有重要意義，在工程應用上具有重要價值。還介紹了國外衍射光學制造技術和折衍射混合成像光學系統(tǒng)應用方面的最新進展。

0 引言

20世紀80年代中后期，美國麻省理工學院林肯實驗室開始將大規(guī)模集成電路制造技術應用于臺階型表面浮雕位相光學元件的加工。制做出了表面質量很高，成像性能良好的衍射成像光學元件，稱之為二元光學元件(BOE)。引發(fā)了一場持續(xù)至今的衍射光學技術的研究與應用熱潮。20世紀90年代中后期，隨著加工技術的進步，出現(xiàn)了較低成本的周期性連續(xù)表面浮雕結構的衍射光學元件(DOE)，“衍射光學”技術開始進入商業(yè)應用時代?！把苌涔鈱W”這個詞也逐漸取代了“二元光學”。

由于衍射光學元件具有一系列獨特的性質．在成像光學系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。人們也一直在嘗試將衍射光學元件應用于商用成像光學系統(tǒng)。20世紀9o年代后期．日本和北美就已在可見光波段將衍射光學元件用于CM0S和CCD相機光學系統(tǒng)。在紅外波段的應用應更早些。最近技術的進展使得衍射光學元件帶寬增加導致衍射效率下降的問題已得到有效的控制。掃清了衍射光學元件在各類成像光學系統(tǒng)中應用的最后障礙。不久前國外出現(xiàn)的一種遠攝型照相鏡頭和一種變焦鏡頭中都已采用了衍射光學元件。使得鏡頭的體積更小，重量更輕，成像質量更好。這意味著新一代更緊湊、性能更高的數(shù)碼相機已經(jīng)出現(xiàn)。

1 衍射光學元件的成像特性

衍射光學元件之所以能在成像光學系統(tǒng)中得到廣泛的應用，是由于它具有一系列獨特的成像性質。

1.1 特殊色散性質

衍射光學元件的特殊色散性質是它最突出的性質。衍射光學元件在本質上是一種變周期光柵，對光的不同波長成分有分光作用，與普通透鏡相比表現(xiàn)出強烈的色散性質。這種色散性質是由工作波段決定的，與衍射光學元件的基底材料無關。由光學玻璃色散的定義，可以得到衍射光學元件色散的表達式：

式中ν為阿貝數(shù)；P為相對部分色散；下標M、L和S分別表示中心波長和長、短波長。當取可見光波段的D、F、C譜線時?？捎嬎愠靓?-3.46和P=0.6063。折衍射混合成像光學系統(tǒng)中絕大部分利用的是這個性質．尤其是負值阿貝數(shù)這一點在紅外和精密塑料光學系統(tǒng)中廣泛應用。

1.2 任意位相分布性質

成像光學系統(tǒng)中使用的對稱式衍射光學元件的位相可表達為：

式中r為衍射光學元件的徑向坐標；a1，a2，…為各項系數(shù)。此性質中除了包含色散的因素以外與一個非球面的作用相同。

1.3 薄型元件性質。SⅣ=0性質和特性

溫度特性薄型元件是指衍射光學元件本身的有效厚度很薄，對于可見光波段的衍射光學元件，這個厚度只有約lμm。

理論分析結果表明，衍射光學元件的值SIV為零，即不產(chǎn)生場曲。但由于通常衍射光學元件的光焦度很小。這個性質的作用并不明顯。

衍射光學元件的特殊溫度性質源于其基底材料隨溫度的變化而產(chǎn)生的線度的變化。這種線度變化帶來衍射光學元件周期寬度的變化，使衍射光學元件的光焦度發(fā)生改變而產(chǎn)生溫度補償作用。只有在衍射光學元件的光焦度較大時，這種作用才比較明顯，這要求衍射光學元件的周期寬度很小，因此會帶來其他問題。另外．用作溫度補償?shù)难苌涔鈱W元件常常與色差校正的要求發(fā)生矛盾，使色差的校正變得更為困難。

1.4 衍射效率

不考慮衍射效率的衍射光學設計是沒有意義的。衍射光學之所以能在近年來興起并得到應用，就在于近乎完美的表面浮雕位相結構極大地提高了成像衍射光學元件的衍射效率。但是，理論上百分之百的衍射效率只是對中心波長而言。衍射效率隨成像光譜寬度的增加而下降。必須評價它對成像質量的影響。

......

5 結論

利用廣泛應用于提高紅外探測器吸收效率的諧振腔結構，提高了微橋電阻的輻射效率，從而實現(xiàn)了在較低功耗下得到較大的紅外輻射，為微橋電阻陣列的進一步低功耗、大面陣化提供了有效的設計和制作途徑。

審核編輯：湯梓紅