衍射透镜具有体积小、重量轻、公差宽松等优势，有望替代传统折射式透镜应用于大口径轻量化空间望远光学系统中。但是，由于衍射自身机理导致的衍射透镜具有强烈负色散的问题，难以满足成像环境复杂程度与探测元件分辨能力的提升带来的宽波段成像需求，所以目前多用于单色成像系统或者采用Schupmann消色差结构进行消色差。Schupmann结构是借助另一片与主镜光焦度相反的衍射透镜消除色差，但是该结构在消除色差的同时引入了其它像差，并且系统的带宽和视场均有所限制。因此，目前衍射透镜在大口径、宽波段成像系统中的色差校正更多依赖于后续透镜或者光路的校正，要进一步提升系统实用性，需要从衍射透镜自身着手，消除色散。
本文针对传统衍射透镜工作在宽波段时色散严重、像质不佳的问题，提出一种基于RGB三波段的单片式分区消色差衍射透镜的设计方法。采用标量衍射理论对等宽度和等面积两种分区方式进行仿真，并与传统衍射透镜进行对比与分析，然后结合现有实验条件，制备出两台阶的传统衍射透镜和两种不同分区方式的消色差衍射透镜。通过对三种透镜各项成像性能的检测与对比，证明该设计能够在一定程度上实现色差校正，具备在宽波段成像系统中应用的潜力。
本文的主要研究内容包括：
（1）根据衍射透镜自身的色散特性和当前在宽波段成像应用中的需求，提出等宽度分区和等面积分区两种不同分区方式的单片式分区消色差衍射透镜设计方法，对其进行建模与仿真，并与传统衍射透镜在点扩散函数、衍射效率等方面进行对比与分析。
（2）根据本文所提出的设计方法，结合目标参数和现有实验条件，设计出三种透镜对应的掩模图形，并通过激光直写设备进行掩模版制备；采用对准套刻和反应离子刻蚀的方法在同一个基片上成功制备出三种透镜结构。
（3）搭建衍射效率测试光路和成像测试光路，分别对三种透镜结构进行衍射效率测试、星点板测试、分辨率板测试以及色彩保真度成像测试。对比两种消色差衍射透镜相对于传统衍射透镜的成像效果，证明分区消色差衍射透镜能够实现色差校正，具备宽波段成像的能力；然后对比分析等宽度分区和等面积分区方式下成像效果的差异，总结出分区消色差衍射透镜色差校正效果与各波段对应微结构面积之间的关系，为后续消色差衍射透镜的设计和发展奠定良好的基础。

第1章绪论.............................................................................................1
1.1 研究背景及意义.....................................................................................1
1.2 消色差衍射透镜的研究现状....................................................................2
1.2.1 折衍射混合透镜.........................................................................................2
1.2.2 谐衍射透镜.................................................................................................4
1.2.3 多层衍射元件.............................................................................................5
1.2.4 Schupmann色差校正模型.........................................................................7
1.2.5 超构透镜.....................................................................................................8
1.2.6 计算成像.....................................................................................................9
1.3 衍射透镜的制备工艺.........................................................................................10
1.3.1 对准套刻技术...........................................................................................11
1.3.2 直写技术...................................................................................................12
1.3.3 灰度掩模技术...........................................................................................13
1.4 论文的主要研究内容.........................................................................................14
第2章衍射透镜的基本理论与分析方法..........................................17
2.1 引言.....................................................................................................................17
2.2 标量衍射理论.....................................................................................................17
2.3 菲涅尔衍射透镜的成像理论.............................................................................20
2.4 衍射透镜的色散特性.........................................................................................23
2.5 基尔霍夫衍射积分.............................................................................................23
2.6 衍射透镜的评价方法.........................................................................................25
2.7 本章小结.............................................................................................................25
第3章分区消色差衍射透镜设计、分析与制备..............................27
3.1 引言.....................................................................................................................27
3.2 分区消色差衍射透镜设计原理.........................................................................27
3.3 基于RGB三波段的消色差衍射透镜设计......................................................29
3.4 成像分析.............................................................................................................30
3.5 可行性分析.........................................................................................................34
3.6 掩模图形设计.....................................................................................................35
3.7 透镜制备.............................................................................................................37
3.8 本章小结.............................................................................................................41
第4章分区消色差衍射透镜成像性能测试......................................43
4.1 引言.....................................................................................................................43
4.2 衍射效率测试.....................................................................................................43
4.3 成像系统搭建.....................................................................................................45
4.4 星点成像测试.....................................................................................................45
4.5 分辨率板成像测试.............................................................................................46
4.6 色彩保真度成像测试.........................................................................................50
4.7 本章小结.............................................................................................................53
第5章总结与展望..............................................................................55
5.1 总结.....................................................................................................................55
5.2 展望.....................................................................................................................56
参考文献...................................................................................................59
作者简历及在学期间发表的学术论文与研究成果..............................67