含双层谐衍射面的红外光学镜头

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。

权利要求

1.一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，其远离像方的前表面为第一球面[1-1]，靠近像方的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＜H1-4 -4＜80μm，二次相位系数范围为-9.79704×10 ＜C1′＜-8.01576×10 ，四次相位系数范-8 -8

围为-7.01646×10 ＜C2′＜-5.74074×10 ；所述第二透镜[2]由ZnSe晶体制作，其远离像方的前表面是以第二非球面为基底的第二谐衍射面[2-1]，靠近像方的后表面为第二球面[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-4 -4 -8数范围为-9.35172×10 ＜C1″＜-7.57044×10 ；四次相位系数范围为-6.69753×10-8

＜C2″＜-5.42181×10 ；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。

说明书

含双层谐衍射面的红外光学镜头

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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％。

[0004] 网 址 为 http://hi.baidu.com/zhaojihuivip/blog/item/de4d53ddbe74e93e5982ddcd.html的网站报道：佳能EF70-300mm f/4.5-5.6 DO 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。

[0005] 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0.4～0.8μm，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3.4～4.2μm和8～11μm。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

[0006] 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。

[0007] 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，其远离像方的前表面为第一球面，靠近像方的后表面是以第一非球面为基底的第一谐衍射面，第一-4谐衍射面的深度范围为65μm＜H1＜80μm，二次相位系数范围为-9.79704×10 ＜C1′-4 -8 -8
＜-8.01576×10 ，四次相位系数范围为-7.01646×10 ＜C2′＜-5.74074×10 ；所述第二透镜由ZnSe晶体制作，其远离像方的前表面是以第二非球面为基底的第二谐衍射面，靠近像方的后表面为第二球面，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H1满足关系式H2＝2.04H1；第二谐衍射面的二次相位系-4 -4 -8
数范围为-9.35172×10 ＜C1″＜-7.57044×10 ；四次相位系数范围为-6.69753×10-8
＜C2″＜-5.42181×10 ；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
0～20μm的间隔。

[0008] 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8～14μm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。

附图说明

[0009] 图1是本发明红外光学镜头的组成及使用状态光路图。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 图4a～4c是本发明三个优选实施例对应的垂轴像差曲线。

[0013] 图5a～5c是本发明三个优选实施例对应的MTF曲线。

具体实施方式

[0014] 下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

[0015] 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-4
面1-2的深度范围为，65μm＜H1＜80μm；二次相位系数范围为，-9.79704×10 ＜C1′-4 -8 -8
＜-8.01576×10 ；四次相位系数范围为，-7.01646×10 ＜C2′＜-5.74074×10 。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＝2.04H1；第二谐-4 -4
衍射面2-1的二次相位系数范围为，-9.35172×10 ＜C1″＜-7.57044×10 ；四次相位系-8 -8
数范围为，-6.69753×10 ＜C2″＜-5.42181×10 。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)μm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。

[0016] 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φ80mm；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-8 -12 -15＝-1.6972×10 ，六次非球面系数B＝-8.1990×10 ，八次非球面系数C＝3.2299×10 ，-19
十次非球面系数D＝-8.9854×10 ；第一谐衍射面1-2的深度H1＝73.3μm，二次相位系-4 -8
数C1′＝-8.9064×10 ，四次相位系数C2′＝-6.3786×10 ；第二谐衍射面2-1的深度H2-4 -8
＝149.3μm，二次相位系数C1″＝-8.46108×10 ，四次相位系数C2″＝-6.05967×10 ；
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φ76.7mm。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17μm。

[0017] 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-4 -8度H1＝65μm，二次相位系数C1′＝-8.01576×10 ，四次相位系数C2′＝-5.74074×10 。
-4
第二谐衍射面2-1的深度H2＝130.56μm，二次相位系数C1″＝-7.57044×10 ，四次相位-8
系数C2″＝-5.42181×10 。

[0018] 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-4面1-2的深度H1＝80μm，二次相位系数C1′＝-9.79704×10 ，四次相位系数C2′-8
＝-7.01646×10 ；第二谐衍射面2-1的深度H2＝163.2μm，二次相位系数C1″-4 -8
＝-9.35172×10 ，四次相位系数C2″＝-6.69753×10 。

[0019] 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65μm＜H1＜80μm且第二谐衍射面2-1的深度满足H2＝2.04H1时，本发明红外光学镜头在8～14μm的衍射效率均大于94％。

[0020] 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＝73.3μm、65μm、80μm，以及第二谐衍射面2-1的深度H2＝149.3μm、130.56μm、163.2μm分别代入衍射效率计算公式并将8～14μm的长波宽波段按照0.03μm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)。

[0021]

[0022] 在上述衍射效率计算公式中：n1(λ)是Ge晶体在波长为λ时的折射率；n2(λ)为ZnSe晶体在波长为λ时的折射率；m是衍射级次；ηm是衍射效率。

[0023] 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δL：-0.02＜δL′＜0.005，-5 -4 -5色差ΔL：3.9×10 ＜ΔL′＜9.2×10 ，0.5视场的二级光谱为2.2×10 。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。