[发明专利]一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法

权利要求书

1.一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于预置的自由曲面多层衍射元件结构建立对应的光路传输模型；

根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式；

根据综合积分平均衍射效率计算公式对预置的自由曲面多层衍射元件结构的初始有效微结构高度进行优化计算，得到优化的有效微结构高度数值。

2.根据权利要求1所述的自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，所述基于预置的自由曲面多层衍射元件结构建立对应的光路传输模型的步骤包括以下步骤：

采用光线追迹的方法对穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的光线进行追迹，得到对应的光路传输模型。

3.根据权利要求1所述的自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，所述根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式的步骤包括以下步骤：

根据对应的光路传输模型利用光程差与附加相位的关系式进行分析，建立光线穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的相位延迟表达式；

根据相位延迟表达式建立多层衍射光学元件的综合带宽积分平均衍射效率计算公式。

4.根据权利要求3所述的自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，所述根据光路传输模型利用光程差与附加相位的关系进行分析，建立光线穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的相位延迟表达式的步骤包括以下步骤：

根据光路传输模型分析计算得到入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度；

根据光学系统入射角度确定入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件的入射角度范围；

根据入射至第一层衍射光学元件的入射角度范围利用光程差与附加相位的关系分析得到光线穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的相位延迟表达式。

5.根据权利要求4所述的自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，所述入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度为：

其中，n₀为入射介质折射率，n₁为多层衍射光学元件第一层基底所在介质折射率，θ₀为光线入射至自由曲面表面的入射角度，α为入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度。

6.根据权利要求5所述的自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，所述光线传输经多层衍射光学元件产生的相位延迟表达式为：

其中，φ(λ,α)为入射波长λ在入射角度α下产生的相位延迟，α为入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度，h1和h2为多层衍射光学元件的优化微结构高度；n1和n2为双层衍射元件所在基底的折射率，n_m为中间介质层折射率；

其中，h1和h2的数学表达式为：

其中，H1和H2是基于传统标量衍射理论计算的多层衍射元件的第一层和第二层微结构高度，T为衍射光学元件周期宽度，对于多层衍射光学元件，此数值对两层衍射光学元件，D为多层衍射元件微结构之间距离；θ₁为入射至第一层衍射结构基底的入射角度。

7.根据权利要求6所述的自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，所述多层衍射光学元件的综合带宽积分平均衍射效率计算公式为：

其中，代表入射波长、入射角度和入射微结构周期宽度对应下产生的综合积分衍射效率；λmax和λmin分别为光学系统的最大和最小入射波长，αmax和αmin分别为入射至自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度的最大和最小值。