专利名称：含双层谐衍射面的红外光学镜头的制作方法
技术领域：
本发明属于光学技术领域，涉及一种光学镜头，尤其涉及一种采用双层谐衍射面 的长波宽波段红外光学镜头。
背景技术：
单层衍射元件和单层谐衍射元件由于其独特的色散功能和温度效应在消色差和 补偿热差方面有折射元件不可比拟的优势，但是由于其衍射效率依赖于波长，随工作波长 偏离设计波长，衍射效率下降，造成杂散光，从而降低了系统成像对比度，限制了在宽波段 成像领域中的应用。为了解决这一问题，国内外展开了多层衍射元件的研究。网址为 http//www. sheying8. com/article/56/60/20060820303. shtml 的中国专 业摄影门户网站报道2000年9月，Canon宣布研制成功世界上第一片用于照相机摄影镜 头中的“多层衍射光学元件”，采用这种结构的镜头不但克服了单个衍射面存在其它级次衍 射光的问题，而且设计的镜头较只采用折射元件的镜头长度缩短了约26%，重量减轻了约 36%。N tit ^J http://hi. baidu. com/zhao jihuivip/blog/item/ de4d53ddbe74e93e5982ddcd. html 的网站报道佳能 EF70-300mm f/4. 5-5. 6D0 IS USM 变 焦镜头上使用了一块三层衍射元件，其成像质量优于大部分其它同类焦段的镜头，且体积 重量大大减小，具有极佳的便携性。国内，浙江大学博士学位论文“多层衍射光学元件设计理论及其在混合光学系统 中的应用”中报道设计并制作了复消色差长焦距物镜，工作波段为0. 4 0. 8 μ m，其中用 双层衍射元件替代了原有的莹石CaF2透镜，降低了成本，且系统成像质量接近衍射极限，倍 率色差与二级光谱得到了较好的控制。此外，南开大学的学术论文“红外双波段双层谐衍射 光学系统设计”和“含有双层谐衍射元件的红外双波段光学系统消热差设计”中报道对红 外双波段谐衍射元件进行了理论研究，其中双波段范围为3. 4 4. 2 μ m和8 11 μ m。以 上关于宽波段多层衍射元件的研究都是针对可见波段的。
发明内容
本发明旨在将多层衍射元件的应用拓展到长波红外宽波段，以解决单层衍射和单 层谐衍射元件在长波红外宽波段衍射效率下降的问题，为此提供一种含双层谐衍射面的红 外光学镜头。为解决上述问题，本发明提供的红外光学镜头含有第一透镜、第二透镜和隔圈且 第一、第二透镜均为折射/谐衍射混合透镜，其中所述第一透镜由Ge晶体制作，其前表面 为第一球面，后表面是以第一非球面为基底的第一谐衍射面，第一谐衍射面的深度范围为 65 μ m < H1 < 80 μ m，二次相位系数范围为-9. 79704XlCT4 < C1' < -8. 01576X10、四次 相位系数范围为-7.01646X 10—8 < C2' < -5. 74074X IO"8 ；所述第二透镜由ZnSe晶体制 作，其前表面是以第二非球面为基底的第二谐衍射面，后表面为第二球面，第二非球面与第一非球面的面型参数一致；第二谐衍射面的深度H2与第一谐衍射面的深度&满足关系式H2 =2. 04H1 ；第二谐衍射面的二次相位系数范围为-9. 35172 X IO"4 < C1" < -7. 57044X IO"4 ； 四次相位系数范围为-6. 69753X IO"8 < C2" < -5. 42181 X 10_8 ；所述第一透镜和第二透镜 同轴放置，所述第一谐衍射面和所述第二谐衍射面相邻且通过所述隔圈使第一谐衍射面和 第二谐衍射面的中心位置保持在0 20 μ m的间隔。本发明中，所述第一球面的曲率半径为93. 6321mm，口径为Φ80πιπι;所述第 一非球面的二次曲面系数K = 0. 6997，四次非球面系数A = -1.6972 X IO"8,六次非 球面系数B = -8. 1990 X IO"12,八次非球面系数C = 3. 2299 X IO"15,十次非球面系 数D = -8. 9854Χ10—19;所述第一谐衍射面的深度H1 = 73. 3 μ m，二次相位系数C1 ‘ =-8.9064X 10—4，四次相位系数C2' = -6.3786X 10—8;所述第二谐衍射面的深度H2 = 149. 3 μ m，二次相位系数 C1" = -8. 46108 X 10_4，四次相位系数 C2" = -6. 05967 X 10_8 ；所 述第二球面的曲率半径为127. 6013mm, 口径为Φ 76. 7mm ；所述隔圈使所述第一谐衍射面和 所述第二谐衍射面的中心间隔保持在17 μ m。本发明的整体技术效果体现在通过优选两个透镜的材料和两个谐衍射面的深 度，使得本发明红外光学镜头在长波宽波段8 14 μ m的衍射效率均能达到94%以上，甚 至有些实施例还能达到97. 5%以上。通过对两个谐衍射面二次和四次相位系数的匹配优 化，使得只有两片透镜构成的红外光学镜头在长波红外宽波段内的位置色差得到了很好的 校正，且二级光谱得到较好的控制，MTF达到了衍射极限，能够很好地满足红外探测与搜索 系统对红外光学镜头提出的成像要求。
图1是本发明红外光学镜头的组成及使用状态光路图。图2是第一谐衍射面的深度与波长和衍射效率之间的等值线图。图3a 3c是本发明三个优选实施例对应的衍射效率与波长关系曲线。图4a 4c是本发明三个优选实施例对应的垂轴像差曲线。图5a 5c是本发明三个优选实施例对应的MTF曲线。
具体实施例方式下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。正如图1所示，本发明长波红外宽波段光学镜头含有第一透镜1、第二透镜2和 隔圈3，第一、第二透镜1、2均为折射/谐衍射混合透镜。第一透镜1由高折射率低色散 的Ge晶体制作，其前表面1-1为第一球面；后表面是以第一非球面为基底的第一谐衍射面 1-2。第一透镜1的第一非球面面型应根据本发明应用时的消球差要求来确定，第一谐衍射 面1-2的深度范围为，65μπι < H1 < 80 μ m ；二次相位系数范围为，-9. 79704 X IO"4 < C1' < -8. 01576X IO-4 ；四次相位系数范围为，-7. 01646X 10_8 < C2' < -5. 74074X 10_8。第二 透镜2由低折射率高色散的ZnSe晶体制作，其前表面是以第二非球面为基底的第二谐衍 射面2-1，后表面2-2为第二球面。第二非球面面型参数与第一非球面面型参数一致；第二 谐衍射面2-1的深度H2与第一谐衍射面1-2的深度H1之间满足关系式H2 = 2. (MH1 ；第二 谐衍射面2-1的二次相位系数范围为，-9. 35172X10-4 < C1" < -7. 57044Χ 10_4 ；四次相位系数范围为，-6. 69753X10-8 < C2" <-5. 42181 X 10_8。第一透镜1和第二透镜2同轴 放置，第一谐衍射面1-2和第二谐衍射面2-1相邻且通过隔圈3使两者的中心位置保持在 (0 20) μ m的间隔。应用时，本发明光学镜头的第一透镜1面向目标，第二透镜2面向红 外探测器，且光学镜头将无穷远目标的红外图像聚焦在红外探测器的靶面4上。本发明第一优选实施例的结构参数为，第一球面1-1的曲率半径为93.6321mm， 口径为Φ 80mm;第一非球面的面型参数为，二次曲面系数K = 0.6997，四次非球面系数A =-1. 6972 X IO"8,六次非球面系数B = -8. 1990 X IO"12,八次非球面系数C = 3. 2299 X IO"15, 十次非球面系数D = -8. 9854 ΧΙΟ"19 ；第一谐衍射面1_2的深度H1 = 73. 3 μ m, 二次相位系 数C1' = -8. 9064X 10_4，四次相位系数C2' = -6. 3786 X 10_8 ；第二谐衍射面2-1的深度H2 =149. 3 μ m，二次相位系数 C1" =-8. 46108 X 10_4，四次相位系数 C2" = -6. 05967 X IO"8 ； 第二非球面的面型参数与第一非球面的面型参数相同；第二球面2-2的曲率半径为 127. 6013mm, 口径为Φ 76. 7mm。隔圈3使第一谐衍射面1_2和第二谐衍射面2_1两者的中 心间隔保持在17 μ m。本发明第二优选实施例与第一优选实施例的不同之处在于第一谐衍射面1-2深 S H1 = 65 μ m，二次相位系数 C1' = -8. 01576 X 10_4，四次相位系数 C2' = -5. 74074X 10_8。 第二谐衍射面2-1的深度H2 = 130. 56 μ m, 二次相位系数C1 “ = -7. 57044 X 10_4，四次相位 系数 C2" = -5. 42181 X 10Λ本发明第三优选实施例与第一优选实施例的不同之处在于第一谐衍射 面1-2的深度H1 = 80μπι，二次相位系数C1' = -9.79704Χ10—4，四次相位系数C2' =-7. 01646 X 10_8 ；第二谐衍射面2-1的深度H2 = 163. 2 μ m，二次相位系数C1 “ =-9. 35172X 10、四次相位系数 C2" = -6. 69753X 1θΛ图2给出了用matlab软件对本发明红外光学镜头进行仿真获得的衍射效率、波长 和谐衍射面深度之间的等值线图。从该图中可以看出，在第一谐衍射面1-2的深度范围内， 即65 μ m < H1 < 80 μ m且第二谐衍射面2_1的深度满足H2 = 2. (MH1时，本发明红外光学 镜头在8 14 μ m的衍射效率均大于94%。将本发明第一、第二和第三优选实施例中的第一谐衍射面1-2的深度H1 = 73. 3 μ m、65 μ m、80 μ m,以及第二谐衍射面 2-1 的深度 H2 = 149. 3 μ m、130. 56 μ m、163. 2 μ m 分别代入衍射效率计算公式并将8 14 μ m的长波宽波段按照0. 03 μ m的间隔取值进行计 算，最终获得第一、第二、第三实施例中衍射效率与波长之间的关系曲线(参见图3a、图3b 和图3c)。 在上述衍射效率计算公式中η1(λ)是Ge晶体在波长为λ时的折射率；η2(λ)为 ZnSe晶体在波长为λ时的折射率；m是衍射级次；ηω是衍射效率。将第一、第二和第三优选实施例中的参数进行光学设计仿真，分别得到三个红外 镜头所对应的像差曲线(参见图4a、图4b和图4c)以及所对应的MTF曲线(参见图5a、图5b 和图5c)。由图4a、图4b和图4c可知，三个红外镜头的球差δ L :-0. 02 < δ L' < 0.005， 色差 AL:3.9X1(T5< AL' < 9. 2Χ1(Γ4，0. 5 视场的二级光谱为 2. 2Χ1(Γ5。由图 5a、图 5b 和图5c可知，三个红外镜头的MTF接近衍射极限。以上仿真验证表明，本发明红外镜头的各种像差得到了很好的校正，像质优良。
权利要求
一种含双层谐衍射面的红外光学镜头，包括第一透镜[1]、第二透镜[2]和隔圈[3]，其特征是第一透镜[1]和第二透镜[2]均为折射/谐衍射混合透镜，所述第一透镜[1]由Ge晶体制作，其前表面为第一球面[1 1]，后表面是以第一非球面为基底的第一谐衍射面[1 2]，第一谐衍射面[1 2]的深度范围为65μm＜H1＜80μm，二次相位系数范围为 9.79704×10 4＜C1′＜ 8.01576×10 4，四次相位系数范围为 7.01646×10 8＜C2′＜ 5.74074×10 8；所述第二透镜[2]由ZnSe晶体制作，其前表面是以第二非球面为基底的第二谐衍射面[2 1]，后表面为第二球面[2 2]，第二非球面与第一非球面的面型参数一致；第二谐衍射面[2 1]的深度H2与第一谐衍射面[1 2]的深度H1满足关系式H2＝2.04H1；第二谐衍射面[2 1]的二次相位系数范围为 9.35172×10 4＜C1″＜ 7.57044×10 4；四次相位系数范围为 6.69753×10 8＜C2″＜ 5.42181×10 8；所述第一透镜[1]和第二透镜[2]同轴放置，所述第一谐衍射面[1 2]和所述第二谐衍射面[2 1]相邻且通过所述隔圈[3]使第一谐衍射面[1 2]和第二谐衍射面[2 1]的中心位置保持在0～20μm的间隔。
2.根据权利要求1所述的含双层谐衍射面的红外光学镜头，其特征是所述第一球 面[1-1]的曲率半径为93.6321mm，口径为Φ80πιπι ；所述第一非球面的二次曲面系数K =0. 6997，四次非球面系数A = -1.6972X 10_8，六次非球面系数B = -8. 1990Χ10—12，八 次非球面系数C = 3. 2299 X 10_15，十次非球面系数D = -8. 9854X 10_19 ；所述第一谐衍射 面[1-2]的深度H1 = 73.3 μ m，二次相位系数C/ = _8. 9064X 10_4，四次相位系数C2 ‘ =-6·3786Χ10_8;所述第二谐衍射面[2-1]的深度H2 = 149. 3 μ m，二次相位系数C1 “ =-8. 46108 X 10_4，四次相位系数C2" = -6. 05967 X IO"8 ；所述第二球面[2-2]的曲率半径 为127. 6013mm, 口径为Φ 76. 7mm ；所述隔圈[3]使所述第一谐衍射面[1_2]和所述第二谐 衍射面[2-1]的中心间隔保持在17 μ m。
全文摘要
本发明公开了一种含双层谐衍射面的红外光学镜头，属于光学成像技术领域。该镜头包括两个折射/谐衍射透镜和隔圈，两个折射/谐衍射透镜均带有球面和以非球面为基底的谐衍射面；两个谐衍射面的深度满足65μm＜H1＜80μm且H2＝2.04H1；两个折射/谐衍射透镜同轴放置，两个谐衍射面相邻且通过隔圈使两者中心位置保持一定间隙。本发明克服了普通单层衍射元件和单层谐衍射元件衍射效率依赖于波长所带来的对比度下降问题，在8～14μm工作波段实现了衍射效率均衡分布并达到94％～97.5％以上，同时位置色差和二级光谱得到很好的控制，调制传递函数接近衍射极限。因而本发明红外光学镜头具有像质优良，可满足军用探测系统高要求的特点。
文档编号G02B3/08GK101915978SQ20101024816
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月5日 优先权日2010年8月5日
发明者孙婷, 张宣智, 杨华梅, 焦明印 申请人:中国兵器工业第二〇五研究所