專利名稱：含雙層諧衍射面的紅外光學鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光學鏡頭，尤其涉及一種采用雙層諧衍射面 的長波寬波段紅外光學鏡頭。
背景技術(shù)：
單層衍射元件和單層諧衍射元件由于其獨特的色散功能和溫度效應在消色差和 補償熱差方面有折射元件不可比擬的優(yōu)勢，但是由于其衍射效率依賴于波長，隨工作波長 偏離設計波長，衍射效率下降，造成雜散光，從而降低了系統(tǒng)成像對比度，限制了在寬波段 成像領(lǐng)域中的應用。為了解決這一問題，國內(nèi)外展開了多層衍射元件的研究。網(wǎng)址為 http//www. sheying8. com/article/56/60/20060820303. shtml 的中國專 業(yè)攝影門戶網(wǎng)站報道2000年9月，Canon宣布研制成功世界上第一片用于照相機攝影鏡 頭中的“多層衍射光學元件”，采用這種結(jié)構(gòu)的鏡頭不但克服了單個衍射面存在其它級次衍 射光的問題，而且設計的鏡頭較只采用折射元件的鏡頭長度縮短了約26%，重量減輕了約 36%。N tit ^J http://hi. baidu. com/zhao jihuivip/blog/item/ de4d53ddbe74e93e5982ddcd. html 的網(wǎng)站報道佳能 EF70-300mm f/4. 5-5. 6D0 IS USM 變 焦鏡頭上使用了一塊三層衍射元件，其成像質(zhì)量優(yōu)于大部分其它同類焦段的鏡頭，且體積 重量大大減小，具有極佳的便攜性。國內(nèi)，浙江大學博士學位論文“多層衍射光學元件設計理論及其在混合光學系統(tǒng) 中的應用”中報道設計并制作了復消色差長焦距物鏡，工作波段為0. 4 0. 8 μ m，其中用 雙層衍射元件替代了原有的瑩石CaF2透鏡，降低了成本，且系統(tǒng)成像質(zhì)量接近衍射極限，倍 率色差與二級光譜得到了較好的控制。此外，南開大學的學術(shù)論文“紅外雙波段雙層諧衍射 光學系統(tǒng)設計”和“含有雙層諧衍射元件的紅外雙波段光學系統(tǒng)消熱差設計”中報道對紅 外雙波段諧衍射元件進行了理論研究，其中雙波段范圍為3. 4 4. 2 μ m和8 11 μ m。以 上關(guān)于寬波段多層衍射元件的研究都是針對可見波段的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在將多層衍射元件的應用拓展到長波紅外寬波段，以解決單層衍射和單 層諧衍射元件在長波紅外寬波段衍射效率下降的問題，為此提供一種含雙層諧衍射面的紅 外光學鏡頭。為解決上述問題，本發(fā)明提供的紅外光學鏡頭含有第一透鏡、第二透鏡和隔圈且 第一、第二透鏡均為折射/諧衍射混合透鏡，其中所述第一透鏡由Ge晶體制作，其前表面 為第一球面，后表面是以第一非球面為基底的第一諧衍射面，第一諧衍射面的深度范圍為 65 μ m < H1 < 80 μ m，二次相位系數(shù)范圍為-9. 79704XlCT4 < C1' < -8. 01576X10、四次 相位系數(shù)范圍為-7.01646X 10—8 < C2' < -5. 74074X IO"8 ；所述第二透鏡由ZnSe晶體制 作，其前表面是以第二非球面為基底的第二諧衍射面，后表面為第二球面，第二非球面與第一非球面的面型參數(shù)一致；第二諧衍射面的深度H2與第一諧衍射面的深度&滿足關(guān)系式H2 =2. 04H1 ；第二諧衍射面的二次相位系數(shù)范圍為-9. 35172 X IO"4 < C1" < -7. 57044X IO"4 ； 四次相位系數(shù)范圍為-6. 69753X IO"8 < C2" < -5. 42181 X 10_8 ；所述第一透鏡和第二透鏡 同軸放置，所述第一諧衍射面和所述第二諧衍射面相鄰且通過所述隔圈使第一諧衍射面和 第二諧衍射面的中心位置保持在0 20 μ m的間隔。本發(fā)明中，所述第一球面的曲率半徑為93. 6321mm，口徑為Φ80πιπι;所述第 一非球面的二次曲面系數(shù)K = 0. 6997，四次非球面系數(shù)A = -1.6972 X IO"8,六次非 球面系數(shù)B = -8. 1990 X IO"12,八次非球面系數(shù)C = 3. 2299 X IO"15,十次非球面系 數(shù)D = -8. 9854Χ10—19;所述第一諧衍射面的深度H1 = 73. 3 μ m，二次相位系數(shù)C1 ‘ =-8.9064X 10—4，四次相位系數(shù)C2' = -6.3786X 10—8;所述第二諧衍射面的深度H2 = 149. 3 μ m，二次相位系數(shù) C1" = -8. 46108 X 10_4，四次相位系數(shù) C2" = -6. 05967 X 10_8 ；所 述第二球面的曲率半徑為127. 6013mm, 口徑為Φ 76. 7mm ；所述隔圈使所述第一諧衍射面和 所述第二諧衍射面的中心間隔保持在17 μ m。本發(fā)明的整體技術(shù)效果體現(xiàn)在通過優(yōu)選兩個透鏡的材料和兩個諧衍射面的深 度，使得本發(fā)明紅外光學鏡頭在長波寬波段8 14 μ m的衍射效率均能達到94%以上，甚 至有些實施例還能達到97. 5%以上。通過對兩個諧衍射面二次和四次相位系數(shù)的匹配優(yōu) 化，使得只有兩片透鏡構(gòu)成的紅外光學鏡頭在長波紅外寬波段內(nèi)的位置色差得到了很好的 校正，且二級光譜得到較好的控制，MTF達到了衍射極限，能夠很好地滿足紅外探測與搜索 系統(tǒng)對紅外光學鏡頭提出的成像要求。


圖1是本發(fā)明紅外光學鏡頭的組成及使用狀態(tài)光路圖。圖2是第一諧衍射面的深度與波長和衍射效率之間的等值線圖。圖3a 3c是本發(fā)明三個優(yōu)選實施例對應的衍射效率與波長關(guān)系曲線。圖4a 4c是本發(fā)明三個優(yōu)選實施例對應的垂軸像差曲線。圖5a 5c是本發(fā)明三個優(yōu)選實施例對應的MTF曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進一步的詳述。正如圖1所示，本發(fā)明長波紅外寬波段光學鏡頭含有第一透鏡1、第二透鏡2和 隔圈3，第一、第二透鏡1、2均為折射/諧衍射混合透鏡。第一透鏡1由高折射率低色散 的Ge晶體制作，其前表面1-1為第一球面；后表面是以第一非球面為基底的第一諧衍射面 1-2。第一透鏡1的第一非球面面型應根據(jù)本發(fā)明應用時的消球差要求來確定，第一諧衍射 面1-2的深度范圍為，65μπι < H1 < 80 μ m ；二次相位系數(shù)范圍為，-9. 79704 X IO"4 < C1' < -8. 01576X IO-4 ；四次相位系數(shù)范圍為，-7. 01646X 10_8 < C2' < -5. 74074X 10_8。第二 透鏡2由低折射率高色散的ZnSe晶體制作，其前表面是以第二非球面為基底的第二諧衍 射面2-1，后表面2-2為第二球面。第二非球面面型參數(shù)與第一非球面面型參數(shù)一致；第二 諧衍射面2-1的深度H2與第一諧衍射面1-2的深度H1之間滿足關(guān)系式H2 = 2. (MH1 ；第二 諧衍射面2-1的二次相位系數(shù)范圍為，-9. 35172X10-4 < C1" < -7. 57044Χ 10_4 ；四次相位系數(shù)范圍為，-6. 69753X10-8 < C2" <-5. 42181 X 10_8。第一透鏡1和第二透鏡2同軸 放置，第一諧衍射面1-2和第二諧衍射面2-1相鄰且通過隔圈3使兩者的中心位置保持在 (0 20) μ m的間隔。應用時，本發(fā)明光學鏡頭的第一透鏡1面向目標，第二透鏡2面向紅 外探測器，且光學鏡頭將無窮遠目標的紅外圖像聚焦在紅外探測器的靶面4上。本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)參數(shù)為，第一球面1-1的曲率半徑為93.6321mm， 口徑為Φ 80mm;第一非球面的面型參數(shù)為，二次曲面系數(shù)K = 0.6997，四次非球面系數(shù)A =-1. 6972 X IO"8,六次非球面系數(shù)B = -8. 1990 X IO"12,八次非球面系數(shù)C = 3. 2299 X IO"15, 十次非球面系數(shù)D = -8. 9854 ΧΙΟ"19 ；第一諧衍射面1_2的深度H1 = 73. 3 μ m, 二次相位系 數(shù)C1' = -8. 9064X 10_4，四次相位系數(shù)C2' = -6. 3786 X 10_8 ；第二諧衍射面2-1的深度H2 =149. 3 μ m，二次相位系數(shù) C1" =-8. 46108 X 10_4，四次相位系數(shù) C2" = -6. 05967 X IO"8 ； 第二非球面的面型參數(shù)與第一非球面的面型參數(shù)相同；第二球面2-2的曲率半徑為 127. 6013mm, 口徑為Φ 76. 7mm。隔圈3使第一諧衍射面1_2和第二諧衍射面2_1兩者的中 心間隔保持在17 μ m。本發(fā)明第二優(yōu)選實施例與第一優(yōu)選實施例的不同之處在于第一諧衍射面1-2深 S H1 = 65 μ m，二次相位系數(shù) C1' = -8. 01576 X 10_4，四次相位系數(shù) C2' = -5. 74074X 10_8。 第二諧衍射面2-1的深度H2 = 130. 56 μ m, 二次相位系數(shù)C1 “ = -7. 57044 X 10_4，四次相位 系數(shù) C2" = -5. 42181 X 10Λ本發(fā)明第三優(yōu)選實施例與第一優(yōu)選實施例的不同之處在于第一諧衍射 面1-2的深度H1 = 80μπι，二次相位系數(shù)C1' = -9.79704Χ10—4，四次相位系數(shù)C2' =-7. 01646 X 10_8 ；第二諧衍射面2-1的深度H2 = 163. 2 μ m，二次相位系數(shù)C1 “ =-9. 35172X 10、四次相位系數(shù) C2" = -6. 69753X 1θΛ圖2給出了用matlab軟件對本發(fā)明紅外光學鏡頭進行仿真獲得的衍射效率、波長 和諧衍射面深度之間的等值線圖。從該圖中可以看出，在第一諧衍射面1-2的深度范圍內(nèi)， 即65 μ m < H1 < 80 μ m且第二諧衍射面2_1的深度滿足H2 = 2. (MH1時，本發(fā)明紅外光學 鏡頭在8 14 μ m的衍射效率均大于94%。將本發(fā)明第一、第二和第三優(yōu)選實施例中的第一諧衍射面1-2的深度H1 = 73. 3 μ m、65 μ m、80 μ m,以及第二諧衍射面 2-1 的深度 H2 = 149. 3 μ m、130. 56 μ m、163. 2 μ m 分別代入衍射效率計算公式并將8 14 μ m的長波寬波段按照0. 03 μ m的間隔取值進行計 算，最終獲得第一、第二、第三實施例中衍射效率與波長之間的關(guān)系曲線(參見圖3a、圖3b 和圖3c)。 在上述衍射效率計算公式中η1(λ)是Ge晶體在波長為λ時的折射率；η2(λ)為 ZnSe晶體在波長為λ時的折射率；m是衍射級次；ηω是衍射效率。將第一、第二和第三優(yōu)選實施例中的參數(shù)進行光學設計仿真，分別得到三個紅外 鏡頭所對應的像差曲線(參見圖4a、圖4b和圖4c)以及所對應的MTF曲線(參見圖5a、圖5b 和圖5c)。由圖4a、圖4b和圖4c可知，三個紅外鏡頭的球差δ L :-0. 02 < δ L' < 0.005， 色差 AL:3.9X1(T5< AL' < 9. 2Χ1(Γ4，0. 5 視場的二級光譜為 2. 2Χ1(Γ5。由圖 5a、圖 5b 和圖5c可知，三個紅外鏡頭的MTF接近衍射極限。以上仿真驗證表明，本發(fā)明紅外鏡頭的各種像差得到了很好的校正，像質(zhì)優(yōu)良。
權(quán)利要求
一種含雙層諧衍射面的紅外光學鏡頭，包括第一透鏡[1]、第二透鏡[2]和隔圈[3]，其特征是第一透鏡[1]和第二透鏡[2]均為折射/諧衍射混合透鏡，所述第一透鏡[1]由Ge晶體制作，其前表面為第一球面[1 1]，后表面是以第一非球面為基底的第一諧衍射面[1 2]，第一諧衍射面[1 2]的深度范圍為65μm＜H1＜80μm，二次相位系數(shù)范圍為 9.79704×10 4＜C1′＜ 8.01576×10 4，四次相位系數(shù)范圍為 7.01646×10 8＜C2′＜ 5.74074×10 8；所述第二透鏡[2]由ZnSe晶體制作，其前表面是以第二非球面為基底的第二諧衍射面[2 1]，后表面為第二球面[2 2]，第二非球面與第一非球面的面型參數(shù)一致；第二諧衍射面[2 1]的深度H2與第一諧衍射面[1 2]的深度H1滿足關(guān)系式H2＝2.04H1；第二諧衍射面[2 1]的二次相位系數(shù)范圍為 9.35172×10 4＜C1″＜ 7.57044×10 4；四次相位系數(shù)范圍為 6.69753×10 8＜C2″＜ 5.42181×10 8；所述第一透鏡[1]和第二透鏡[2]同軸放置，所述第一諧衍射面[1 2]和所述第二諧衍射面[2 1]相鄰且通過所述隔圈[3]使第一諧衍射面[1 2]和第二諧衍射面[2 1]的中心位置保持在0～20μm的間隔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含雙層諧衍射面的紅外光學鏡頭，其特征是所述第一球 面[1-1]的曲率半徑為93.6321mm，口徑為Φ80πιπι ；所述第一非球面的二次曲面系數(shù)K =0. 6997，四次非球面系數(shù)A = -1.6972X 10_8，六次非球面系數(shù)B = -8. 1990Χ10—12，八 次非球面系數(shù)C = 3. 2299 X 10_15，十次非球面系數(shù)D = -8. 9854X 10_19 ；所述第一諧衍射 面[1-2]的深度H1 = 73.3 μ m，二次相位系數(shù)C/ = _8. 9064X 10_4，四次相位系數(shù)C2 ‘ =-6·3786Χ10_8;所述第二諧衍射面[2-1]的深度H2 = 149. 3 μ m，二次相位系數(shù)C1 “ =-8. 46108 X 10_4，四次相位系數(shù)C2" = -6. 05967 X IO"8 ；所述第二球面[2-2]的曲率半徑 為127. 6013mm, 口徑為Φ 76. 7mm ；所述隔圈[3]使所述第一諧衍射面[1_2]和所述第二諧 衍射面[2-1]的中心間隔保持在17 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含雙層諧衍射面的紅外光學鏡頭，屬于光學成像技術(shù)領(lǐng)域。該鏡頭包括兩個折射/諧衍射透鏡和隔圈，兩個折射/諧衍射透鏡均帶有球面和以非球面為基底的諧衍射面；兩個諧衍射面的深度滿足65μm＜H1＜80μm且H2＝2.04H1；兩個折射/諧衍射透鏡同軸放置，兩個諧衍射面相鄰且通過隔圈使兩者中心位置保持一定間隙。本發(fā)明克服了普通單層衍射元件和單層諧衍射元件衍射效率依賴于波長所帶來的對比度下降問題，在8～14μm工作波段實現(xiàn)了衍射效率均衡分布并達到94％～97.5％以上，同時位置色差和二級光譜得到很好的控制，調(diào)制傳遞函數(shù)接近衍射極限。因而本發(fā)明紅外光學鏡頭具有像質(zhì)優(yōu)良，可滿足軍用探測系統(tǒng)高要求的特點。
文檔編號G02B3/08GK101915978SQ20101024816
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月5日
發(fā)明者孫婷, 張宣智, 楊華梅, 焦明印 申請人:中國兵器工業(yè)第二〇五研究所