（光学工程专业论文）新型f—theta镜研究.pdf

ab s t r a c t . . . . . . 目 . . . . . . . . . . . ab s t r a c t l a s e r s c a n n e r t e c h n i q u e i s o n e o f t h e n e w a p p l i c a t i o n s o f l a s e r ; i t e m p l o y s o p t i c s , m e c h a n i s m a n d e l e c t r o n i c s a t t h e s a m e t im e . i t i s u s e d i n m a n y i n d u s t r i a l s y s t e m s , s u c h a s l a s e r 州n t e r , b a r - c o d e s c a n n e r , f a c s i m i l e a p p a r a t u s , w a r n i n g s y s t e m , l a s e r d r i l l in g s y s t e m , l a s e r m a r k i n g s y s t e m e t c . i n t h e s c a n n i n g o p t i c s o f s u c h a p p a r a t u s e s , a n f - t h e t a le n s i s e m p l o y e d . a s t h e d e v e l o p m e n t o f t h e l a s e r s c a n n e r t e c h n i q u e , m a n y f - t h e t a l e n s e s h a v e b e e n d e s i g n e d . b u t m o s t a r e i n t e n d e d t o b e u s e d w i t h l a s e r l i g h t h a v in g a s i n g l e w a v e l e n g t h o r a s i n g l e w a v e l e n g th b a n d , o r a s i n g l e s c a n n i n g a r e a . i n t h i s p a p e r , t h e t h e o r ie s o f b i n a ry o p t i c s , h a r m o n i c d i ff r a c t i o n a n d z o o m o p t i c s a r e s t u d ie d a n d i n t r o d u c e d t o t h e f - t h e t a le n s . d e s i g n i n g f - t h e t a le n s w i t h s m a l l e r s t r u c t u r e a n d c o m p a t i b i l i t y i s t h e m a i n r e s e a r c h w o r k . i t in c l u d e s : l e n s s y s t e m s w o r k i n g i n v i s i b l e 6 5 4 n u n x 6 5 4 m m , r e s p e c t i v e l y . ; t o t wo r e fr a c t i v e a c h r o ma t i z e d t e l e c e n t r i c f - t h e t a r a n g e w h i c h h a s a s c a n n i n g a r e a o f 7 0 m mx 7 0 m m , t h e d e s i g n e d f - t h e t a l e n s s y s t e m s w i t h s i m p l i f i e d s t r u c t u r e s s h o w c o n s i d e r a b le r e d u c t i o n s i n w e i g h t s , a n d e x h i b i t s u p e r i o r p e r f o r m a n c e o n l a t e r a l c o l o r a b e r r a t i o n a n d m o n o c h r o m a t i c a b e r r a t i o n c o m p a r e d t o t h e r e fr a c t i v e s y s t e m s . 2 . d e s i g n i n g a n a c h r o m a t i z e d h y b r i d d i ff r a c t i v e / r e fr a c t i v e f - t h e t a l e n s w i t h .a f o c a l l e n g t h o f 2 5 0 m m a n d h a l f f i e l d - o f - v i e w o f 2 0 0 . i t s s c a n n i n g a r e a i s 1 7 5 m m x l 7 5 m t n . i t c a n b e e m p l o y e d i n s c a n n i n g s y s t e m t h a t w o r k s o n t u n a b le c o z l a s e r o r a n y w a v e l e n g t h w it h i n 9 .0 - 1 1 .0 p m . t h e m o d u l a t i o n t r a n s f e r f u n c t i o n ( mt f ) a t e a c h w a v e l e n g t h a p p r o a c h e s t h e c o rr e s p o n d i n g d i ff r a c t i o n l i m i t . t h e d e s i g n e d f - t h e t a l e n s c a n w o r k i n a s c a n n i n g s y s t e m w i t h p e r f e c t a c c u r a c 多 3 . t h e h a r m o n i c d i ff r a c t i v e e l e m e n t ( h d e ) i s i n t r o d u c e d i n t o t h e f - t h e t a l e n s w o r k i n g o n s e m i c o n d u c t o r l a s e r a n d n d : y a g l a s e r w h o s e w a v e l e n g t h r a n g e i s 0 . 8 - 1 .5 p m . a n d t h e m o n o c h r o m a t i c a b e r r a t i o n s a n d c h r o m a t i c a b e r r a t i o n s a r e c o rr e c t e d s a t i s f a c t o r i l y i n t h e f - t h e t a l e n s s y s t e m . t h e s y s t e m p o s s e s s e s t h e a d v a n t a g e o f c o m p a c t i n s t r u c t u r e w i t h f e w e l e m e n t s . t h e m o d u la t i o n t r a n s f e r f u n c t io n a t e a c h w a v e l e n g t h in t h e w a v e l e n g t h r a n g e o f 0 . 8 - 1 .5 p m a p p r o a c h e s t h e c o r r e s p o n d i n g d i ff r a c t i o n l i m i t . 4 . b a s e d o n t h e t r a d i t i o n a l t w o - e l e m e n t f - t h e t a l e n s w o r k i n g o n c 0 2 l a s e r , a n f - t h e t a z o o m l e n s o n l y w i t h t h r e e e l e m e n t s i s d e s i g n e d . t h r o u g h t h e m o v e m e n t o f t h e m i d d l e e l e m e n t a l o n g t h e o p t i c a l a x i s , t h e d e s i g n e d s y s t e m c a n w o r k o n t h r e e c o m m o n f o c a l l e n g th s o f 3 6 0 m m , 4 2 0 m m a n d 5 6 0 m m p e r f e c t ly w i t h t h e w o r k i n g d i s t a n c e s u n c h a n g e d . i m p o r t a n t l y , t h e f - t h e t a l e n s c a n b e u s e d i n t h e l a s e r s c a n n i n g s y s t e m w i t h a n y f o c a l l e n g t h i n t h e r a n g e o f 3 6 0 m m -5 6 0 m m . k e y w o r d s : f - t h e t a l e n s ; r e fr a c t i v e / d i ff r a c t i v e ; h a r m o n i c d i ff r a c t i v e / r e fr a c t i v e ; z o o m 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 呈 补rd z 0 年 犷 月4 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内 部 5 年 ( 最长5 年， 可少于5 年) 秘密1 0 年 ( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 机密*2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中己 经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担. 学 位 论 文 作 者 签 名 :吸 衬 官 词 年 f月 4日 第一章 绪论 第一章 绪论 第一节 引言 激光是 2 o 世纪人类的四大发明之一，现在己经广泛应用于工业、军事、科 学研究和日常生活中。2 1世纪号称人类己经进入光电子时代，作为能量光电子 的激光技术的进一步广泛应用将极大地改变人类的生产和生活。激光扫描技术 是激光 技术的 一门新型 应用， 实现了 光、 机、电 技术相结 合. f - t h e t a 镜il- 是 激光扫描系统中的一个重要部件，现在已经广泛的应用在一些电子产品中，如 激光打印机、条形码扫描仪、图形传真机、报警扫描器、激光雕刻机以及激光 打标机等。 f - t h e t a 镜使激光器产生的光束聚焦，同时使光束入射角与像面上的 光斑位置满足线性关系，从而通过控制入射光束的扫描角来控制光斑在像面上 的位置。因此设计成像性能良好，充分满足线性条件的光学透镜系统成为迫切 需要。伴随着激光扫描技术的发展， f - t h e t a 镜的设计也在走向成熟，目前国内 外有多家公司从事 f - t h e t a 镜的研究开发，如德国r o d e n s t o c k 公司、新加坡波 长科技有限公司、国内的武汉焦点光学技术有限公司、中国科学院光电技术研 究所光学加工部等公司均形成了自己的产品系列。 目前的 f - t h e t a镜大部分都设计在单波长或单波段或单一扫描范围上，但 是现代电 子产品 逐渐向 轻小型和兼容型方向 发展，这也 对 f - t h e t a镜的结构和 性能提出了更高的要求。设计具有轻小型结构、优良成像质量和能应用在不同 波段范围和不同扫描范围的f -t h e t a 镜具有重要的现实意义。 第二节 激光扫描与f - t h e t a 镜 激光扫描系统一般由计算机，激光器和x-y 偏转三部分组成。按其工作方 式分为机械式扫描和振镜式扫描。其中振镜式扫描是目前应用最为广泛的扫描 形式，其工作原理如图1 . 1 所示。 该系统主要由激光器、x y 偏转镜、f - t h e t a 镜等构成。激光束经扩束，入射 到两个方向的偏转振镜上，由计算机控制偏转振镜的扫描角度。两个偏转振镜 可以分别沿x 方向和y 方向偏转，从而控制激光束的偏转，偏转后的激光束经 f - t h e t a 镜聚焦，形成聚焦光斑打在工作面上，从而达到扫描目的。不同的扫描 第一章 绪论 图案通过软件的 编写来实现。 光束 落在工 作面的位置是 通过扫描角0 控制的. 图 1. .口 卜 .曰 . 州助份 ， 厂 一 一 . 一、 卜 、 z-_ - - _ _ o 密曰， 匕 . m阳臼恤旧】 1 、往拟和 i 娜协、;-.-l 夕一 卜扣币中家工 图 1 . 1 振镜式扫描及 f - t h e t a 镜工作原理 中 m 2 l 为第二 片振镜到f - t h e t a 镜的距离，f 为 后焦距。f - t h e t a 镜一般由 两个或 两个以上的球面透镜或非球面透镜镜组成，它具有特殊的像差特性，系统产生 负畸变使像点高 度与扫描角0 成线性关系，即 像面上的像高h 和扫描角0 满足 h = f 0 ， 因此被 称作f - t h e t a 镜。 扫描范围由 扫描角和系统的有效焦距决定。 扫描角通常是士 2 0 0 或士 2 5 0。 由 于f - t h e t a 镜具有以 上的 特点，它 被广泛用 在导弹 跟踪瞄准、标刻 机、 雕 刻机、 激光打印 机、 传真机、印刷机以 及用于制作半导体集成电路的激光图 形 发生器和激光扫描 精密 设备中。目 前国内 外有多家公司从事f - t h e t a 镜系统的 研 究开发，如德国的r o d e n s t o c k 公司、新加坡的新加坡波长科技有限公司、国内 的 武汉焦点 光学技术有限公司、中国 科学院 光电 技术研究所光学加工部等公司 第一章 绪论 均形成了自己的产品系列。表1 . 1 是新加坡波长科技有限公司的部分产品参数 表， 使用波长是 c 0 2 激光主波长1 0 . 6 w n e 表， .1新加坡波长科技有限公司的部分产品参数表 吻 - - - .- s - ,哄峭 蓦“ ”.、 瞥乎 , r te,. 焦距 ( 毫米) 飞 片 气争 蕊荔架 洲 、 傀 米 一膨， 队射直 径( 毫 米) . 宁 一 价嘴 振镜回 距( 毫 米) 磊才 t _ .毛 1 _ j j 二 少 幼一琅天州 入射 角 ， ( 度) _ 1粱 袭 、 ! t - ir a 径 ( 毫 米) ! 边 厚 ( 绪 米 ) 桑 易 ， 弟 _ 派 镜 到 透镜的 边缘( 毫 二 、米1 加 s l 1 - 1 0 . 6- f 7 5 z - 4 8 7 8. 45 0 x5 01 2 21 41 3 252 07 64 81 . 9 s l s - 1 0 . 6- f 1 0 0 z - 48 1 00 7 0x 7 0 1 6 0 1 4 : 3 2 0 9 7 .74 8 2r s l 1 - 1 0 . 6- f 1 5 0 z - 48 1 5011 0x 11 01 9 31 41 3 2 52 01 4 94 83 . 1 s l 1 - 1 0 . 6 - f 2 0 0 z - 48 2 001 4 0x1 4 02 s 31 41 3 2 5 2 01 9 9 4 83 . 0 s l l - 1 0 . 6- f 2 5 0 z- 4 8 2 5 01 75 x1 7 52 6 0 1 41 32 52 02 5 0_ 1 ;3 . 2 s l1 - 1 0 . 6 - f 3 0 0 z- 4 8 30 021 0 x 21 03 7 21 41 32 52 03 01 4 8 3 . 9 sl 1 - 1 0 . 6 - f 4 3 5 z- 4 8 43 33 00 x3 0 0 5 0 7: ; 1 7 注1 7. 71 43 3. 54 83 . 0 s l1 - 1 0. 6 - f 5 7 3 z- 4 8 5 7 340 0 x 40 0 75 11 41 7 . 11 7 . 72 05 824 84 . 2 sl 1 - 1 0. 6 - f 7 2 0 z- 4 8 7 2 0. 75 0 0 x5 0 08 4 71 41 7 注1 7 . 72 07 40 4 83 . 0 sl 1 - 1 0. 6 - f 9 3 4 z- 4 8 9 3 4 7 0 0 x7 0 0 1 0 7 81 4 1 7 11 7 . 72 095 34 8 73 注 sl l - 1 0. 6 - f1 1 91 2 - 4 81 1 91 . 68 5 0 x8 5 01 3 6 01 41 7. 1 1 7 . 7 i 2 01 2 1 6 4 83 . 0 sl 1 - 1 0. 6 - f 21 2 7 z - 4 82 1 27 . 92 3 8 81 41 7注1 7. 72021 81483. 5 孟 j u u 八孟 j u u 这个 产品系列用于 激光打标中，目 前 用于打标的 激光光源主要有c 0 2 激光 器、 n d : y a g 激光 器、 激光二极管、 准分子 激光器、 光纤激光器等. c 0 2 激光 器由 于波长的关 系， 不能很好的满足金属加工的 要求。 它输出的1 0 . 6 1 1 m 波长的红 外 光，非金属一般能较好的吸收，金属则强烈反射。因此特别适合在非金属表面 标记。 n d : y a g激光器产生的 激光 ( 1 . 0 6 4 1 1 m ) 能被金属材料很好地吸收，而 且 其波长短，聚焦的光斑小，因而最适合在金属等材料上进行高清晰度的标记。 激光二极管以其易于使用，易于维修，运行费用低成为激光加工中的热点，开 始应用于激光焊 接、 激光打 标等激光加工 领域f s, e 7 第三节 应用原理 1 . 3 . 1 衍射光学的发展及折/ 衍混合系统 衍 射光学 元件( d i ff r a c t i v e o p t i c a l e l e m e n t , d o e ) 是利用表面浮雕结构 对光 波进行调制的 一类元件，从光学原理上来说是一种衍射和干涉混合型的光 学元 件。表面浮雕结构的每一个周期或子周期都对光产生衍射作用，同时相邻周期 第一章 绪论 的衍射光又相互产生干涉作用。它包括全息光学元件( h o l o gr a p h i c o p t i c a l e l e m e n t , h o e ) 、 计算机制全息图( c o m p u t e r g e n e r a t e d h o l o gr a p h y , c g h ) 、二 元光学元件( b i n a ry o p t i c a l e l e m e n t , b o e ) 、连续表面浮雕元件( c o n t i n u o u s s u r f a c e r e l i e f e l e m e n t , c s r e ) 、 谐衍 射光学元件 ( h a r m o n i c d i ff r a c t i v e e l e m e n t , h d e ) 等， 可分为功能型元件和成像型元件。 功能 型元件一般实现的功能比较 单一， 如对光束的 整型、分束、 聚焦、增反和增透等。 成像型元件主要进行成 像和校正光学系统像差。 在传统的几何成像过程中， 光的衍射效应被认为是限制光学系 统分辨率、 影响像质的不利因素，长期以 来衍射的应用主要在光谱分析方面。1 8 7 1年 l . r e y l e i g h开始制作 f r e s n e l 波带板， ， 它是最早出 现的衍射光学元件，但由 于在当 时条件下 制作困难和 衍射效 率低， 未得到较大的 发展。1 9 6 0年激光出 现 以 后，四 十年代末提出的光学全息成像重新活跃起来并得到很大的发展，全息 光学元件的出 现，为 衍射光学元件的发展开辟t一条新途径 . 1 9 6 5年出 现了 计算机制全息图(9 1 ， 采用计算全息手 段， 原则 上能 设计出 产生任意光波前的 元件， 使得衍射光学元件的设计方法有了变革性的进展。但是计算全息和光学全息一 样，一 般都使用离轴的一级衍射光， 这不仅限制了 视场，而且光能利用率低. 1 9 6 8 年l e s e m等人在c g h的 基础上制作出了 相息图 ( k i n o f o r m ) 0 . 相息图可 以看做是一块由计算机设计的复杂透镜，相息图只产生单一的衍射级，理论衍 射效率 可达 1 0 0 %. 但是由 于在制作加工微细结构方面仍面临困难， 导致计算全 息和相息图的实际衍射效率不高，应用范围受到限制。光学全息、计算全息、 相息图的出现，奠定了衍射光学元件的设计理论和方法。 七十年代末八十年代初，微电子领域在制作技术方面出现了突飞猛进的发 展， 微细加工设备和工艺不断进步， 使衍射光学元件在制作技术上成为可能。 八十年代末由美国m i t 林肯实 验室的w . b . v e l d k a m p 领导 的研究组首先将制造 超大规模集成电 路 ( v l s i )的 光刻技术引 入衍射光 学元件的制作中，由 于此类 技术制造过程中使用的掩膜是二元的，且掩膜用二元编码形式进行分层， 故引 出了“ 二 元光学” 的概念 1 1- 1 5 1 。 二元光学是基于光波的衍射理论， 利用计 算机辅 助设计及超大规模集成电路制作工艺，在片基上 ( 或传统光学器件表面)刻蚀 产生多个台阶深度的浮雕结构或连续浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有 极高 衍射效率的光学元件的一门 学科 16 - 24 1 。 它是光学与 微电子学相互渗 透与 交叉 的 前沿学科。 与此同时， 休斯公司 ( h u g h e s a i r c r a ft c o r p ) 丹伯里光学系统部的 第一章 绪论 工作人员 也设计制作出了二元衍射光学元件 2 g ，并成功地应用于大型望 远镜的 反射镜上，取得了满意的效果。二元光学元件的诞生是衍射光学元件发展过程 中具有里程碑意义的事件，它标志着衍射光学元件的发展进入一个新阶段。 衍射光学不仅在变革常规光学元件，变革传统光学技术上具有创新意义， 而且能够实现许多传统光学难以达到的目的和功能。它的出现给传统光学设计 理 论及加工 工艺带来一次 革命2 o- 2 9 。 它可应 用于常规光学系统， 校正光学 系统像 差， 减小系 统的 体积， 实现轻量化 x 3 7 . 从而 有利于 促进光学系 统实现微型 化、 阵列化和集成化，开辟了光学领域的新视野。其应用广泛，潜藏着巨大的经济 效益【j 1 - 2 8 。 自 从二元光学诞生以来， 国际 上广泛开展了衍射光学元 件的设计理论、 制作工艺和应用方面的研究。 在j a s p e r l 的提议下，美国 国防部 领先科研项目 处启动 “ d o e 的 计划 7 7 目的是在成熟的大规模集成电路技术基础上，联合各实验室、大学和工业团体， 致力于衍射光学技术的研究，主要包括三个方面:( 1 ) 发展一种基于微电子制作 工艺的光学技术，获取更多的设计自由 度和材料选择性，并发 展新的 小型化、 阵列化光学元件;( 2 ) 推动光电系统整体的计算机辅助设计;( 3 ) 在美国工业界 广泛应用衍射光学技术。与此同时， 美国 麻省理工学院林肯实验室威 尔得坎 普 领导的 研究小组在设计新型传感系 统中， 为了 提高激光雷达的探测效 率， 首次 利用v l s i 技术制作出具有两个台阶的位相光栅，这是 d o e 应用的开端。 自 八十年代中期以来，西方主要的发达国家如美国、英国、法国、德国、 日本、瑞士及俄罗斯等国均投入大量资金对 d o e元件的设计和制作技术进行了 广泛的 研究 2 1 ， 并取得 一些可 喜的 成果，已 有少量产品面世。 其中比 较重要的 研究成果 包括:b e l l c o r e公司 研制成功微 透镜阵列4 2 ， 应用于 光学层 析处理、 光计算、激光扫描和激光光束像面修正; 美国休斯公司 将衍射光学 元件应用于 红外瞄准 器中 【 m ， 使系统元件数目 减少4 0 % ， 系统变轻、 成像 质量 提高并降 低了 成本;美国 柯达公司使用复制手段， 大批量地生产衍射光学元件 6 1 ; p e r k - e l e r 公司 研制k i n o f o r m 型衍射光学元件作为 校正板的施密特望远镜系统 4 6 1德国的 爱尔根 ( e r l a n g e n )大学研究制作 衍射光学元件的各种工艺方法 1 7 1 ; 俄罗斯西 伯利亚电 工研究所，己 经研制成功氦 锡激光 直写机床， 制作了 各种相息图及衍 第一章 绪论 射光学元件翎 。瑞士、日 本等国的一 些高 校与 研究所也相继开展这 一领域的工 作, 另外也 给出了红外折/ 衍单透 镜同 其它传统透镜的消 色差 对比 情况 ， 如图 1 . 3 所示。 0 . 6 0 . 7 0 二氏 ，, . o 入 ”. . 】 “o.妇00”，帕 ga一 s 图1. 2 传 统与d o e 单 透 镜的 色 散 对 比( 每 个 透 镜在 兄 。 处的 归 一 化 焦 距f = 1 0 ) 二 皿 q erm a n n m /sili c o n (c)一 抓一 (d)hologramsiliconq (b) (i)silicon germanium i ( ,. n i ) 图1 .3红 外 单 透 镜 及 传 统 ， 混 合 消 色 差 透镜 的f 一 a曲 线 ( 3 一 5 , o ” 波 段) 1 9 8 9 年， d a l e a b u r a l l i 和g . m i c h a e l m o r r i s 系统地论述7 d o e 元件用 于成像过 程中的光栏同塞得系数 之间的 关系6 7 ; 与此同时， h o n e y w e l l 公司和研 究中 心的 t e r e s a a f r i t z 和j . a l l e n c o x描述t 红外凝视型 和扫描型 探测器 第一章 绪论 配套的红外系统的 设计， 给出了 传统的 设计和带二元透镜的 系统对成像分辨率 的利与弊， 并给出了 具体的实例 和参数【5 8 . h 1 。 其他一些 科研机构也做出了很大的 成绩iw 7 0 1 1 9 9 2 年， 德国e s s e n 大 学物理学院的r a l f b r a u e r , f r a n d w y r o w s k i 以 及 o l o f b r y n g d a h l研究了二 元化的衍射透镜同非周期结 构的 关系， 提出了 基于 傅 立叶传递法则的发散和叠代概念，成功的应用于计算二值化的非周期特殊图形 ， ， ， ” ， .加拿大光学公司 r u s s e l l m . h u d y m a和t h o m a s u . k a m p e 制作t 应用于中 波红外的凝视阵列的混合物镜，再一次验证了采用混合光学系统的优点，对系 统的 体积和轻量化起到了 重要 作用【 7 7 1 。 英国 的a p . w o o d在传统的p e t z v a l 物 镜的基础上，设计了红外 3 - 5 u m波段的折衍混合 p e t z v a l 物镜，系统如图 1 . 4 所示.设计结果表明含有二 元的 单透镜代替双 胶合透 镜需 要非球面的辅助 7 4 - 7 气 并且系统的重量、体积减少了，材料只用 z n s ，系统的弧矢和子午像差接近。 l.1 7 6 mm f / i . 1 士 0. 5 3 5 7 - a传统的 p e tz v a l 物镜b 折衍p e t z v a l 物镜 图 1 . 4传统红外 p e t z v a 】 物镜和混合折衍物镜系统对比图 1 9 9 3 年，美国 空军实 验室的g r e g o r y p . b e h r m a n n 和j o h n p . b o w e n 也研究 了 温度对二元透镜的影响， 给出了焦距、 相位系数、 衍射 效率同 温度的关系公 式，其中最重要的结论是二元元件的温度效应只与材料的热膨胀系数有关而和 材料的 折射率无关 一， 。 1 9 9 4 年西班牙的e . c a r c o l e , j . c a m p o s 和 s . b o s c h建 模t一 个数学模型 来 描述菲涅尔透镜在低分辨率设备中的 行为囚 。英国 p h i l i p j r o g e r s研究了 应用于红外3 - 5 u m 波段的 实例，表明二元元件的制作与 衬底材 料的关 系c 7 。 另 外各个国家的重点实验室人员与此同时也研究了激光直写和光刻工艺等的研究 第一章 绪论 【 幻i 刀 1 9 9 5 年 a p p l y o p t i c s 发 表t r o c h e s t e r 大学d e a n f a k l i s 和 g . m i c h a e l m o r r i s的极具创新性的文章，文章中论述多级衍射透镜的光谱特性，其特点是 元件相邻环带间的 光程差是设计波长的 整数倍，在空气中透 镜最大厚度为 普通 二元透镜的同 样的 整数倍， 所给定的谐振光波将会聚到共同的焦点处，并 给出 了 具体的用于可见 光的 设计实例mi ; 同时， c a l i f o r n i a 大学国 家实验室的d o n a l d w . s w e e n e y 和g a r y e . s o m m a r g r e n 也论证了命名为 “ 谐衍射透镜” 元件的衍射性 质和衍射效率与普 通二 元透镜的区 别” 叫。如图1 . 5 所表示的图形结 构。 衍射光学元件作为 一种成像光学元件， 具备 任意相位分布、 特殊色散p 1 0 - 11 4 1 平像场1 n s 1温度稳定 8 1 6 1 以 及 薄型 元件等性质。 这些性 质决 定了 它 在成像光学系 统中的地位和作用.衍射光学元件的光焦度与光波长成正比，具有强烈的色散 作用，单个衍射光学元件一般不用于具有一定带宽的光成像。但它与普通透镜 以适当的方式混合时，色散作用可以相互抵消。因为衍射光学元件的等效阿贝 ( n 一1 ) m又 ( n 一 1 ) 图1 . 5两类衍射透镜结构比 较 数大约为一3 .4 2 ，而 光学玻璃的阿贝数都在 2 0 以上。因 此在一个正透镜表面上 形成的衍射及二 元光学元件可以 起到负透镜的 作用， 给它以 适当的光焦度就可 以消色差，用于宽带成像。衍射光学元件的这一性质可以被用来减少光学系统 中的透镜个数，以缩小体积和减轻重量。衍射光学元件以其任意的相位分布特 性为光学设计提供更多的自由度来校正系统的像差，提高光学系统的成像质量， 同时也能起到减少光学系统中的透镜个数、减轻重量的作用。衍射光学元件还 具有平像场的性质，当单个衍射元件使用时，其场曲为零，不存在校正场曲的 问 题， 使光学系统的结构得到简化。衍射成像光学元件的 温度性质也与传统透 镜的温度性质存在根本的区别。当温度变化时，传统透镜焦距的改变与其材料 第一章 绪论 折射率的温度系数有关， 而衍射元件焦距的改 变与其材料折 射率的系数无 关。 这一性质有助于实现折/ 衍混合系统的温度稳定作用。 折/ 衍混合成像系统充分利 用了传统几何光学元件和衍射光学元件各 自的优点，有效的简化光学系统结构、 减轻重量、缩小体积和改善成像质量，实现许多传统成像光学所不能达到的目 标，是对传统成像光学的重大变革。 折/ 衍混合成像系统的优势使其首先在军事、航天领域中的高技术光学成像 系统中得到应用。 上个世纪八十年代中 期，美国国防先期研究计划署( d a r p a ) 拨款资助折/ 衍混合成像光学系统专项研究。进入九十年代，折/ 衍混合成像系统 的 应用越来 越受到 光学工 作者的关注，逐渐出 现了有关折 / 衍混合成像系统设计 和制作成功的报道 1 1 7 - 1 2 5 1 。 如第一 个折 / 衍混合的军用 热兵器瞄准具 ( t w s ) 在九 十年代中期形成产品;美国p e r k in - e l m e t 公司研制出红外离轴折/ 衍望远镜系统， 系统用三个球面得到与复杂非球面同样的性能，成像质量提高，制造费用减少。 我国开展衍射及二元光学理论、 技术与 应用的研究己 有多年的历史并取得 了一批重要成果。中国 科学院 物理 所。 m ， 清华大学 1 2 7 - 1 2 9 1 ，中国 科学院长春光学 精密机械与物理研究 所1 3 0 , 1 3 1 1 、中国科学院光电 技术研究所 1 3 2 1 、浙江大学 1 3 3 , 13 1 1 北京理工大学 13 5 , 13 0 1 、南 开大学【 13 7 - 11 3 1 等单位相继开展了 研究 工作.中 科院 物理所 建立了杨一顾算法，用于若干衍射光学元件的设计，并完成光束分波传输和聚 焦衍射元件的制作和测试;清华大学对折/ 衍混合单透镜物镜以及二元光学器件 的衍射效率等进行了研究; 长春光机所研制成功折/ 衍混合小型c c d相机，同时 在中科院的资助下，研制成功激光直写设备，填补国内空白;成都光电所在大 数值孔径衍射光学元件的设计和制作方面作了 许多 工作，成功制作了 菲涅耳透 镜阵列;浙江大学开展了激光直写技术的研究工作，对光刻胶的曝光显影特性 进行了详细研究，同时 开展了 衍射光学元件在光 通信密集波分复用系统中的应 用研究， 研制成功八通道分立式光栅型密集多载波波分复用器，降 低了 对光源 波长选择和控制的要求;北京理工大学研究了衍射元件在红外光学系统中的应 用和浙/ 衍混合可见光望远镜的设计; 南开大学进行了折/ 衍混合系统用于红外领 域和头盔显示目视系统和谐衍射/ 折射混合系统用于红外双波段探测系统的设计 研究工作。总体说来，国内 衍射光学研究水平尤 其是 制作水 平同国 外差距较大， 国内 衍射光学的 研究 工作还仅局限于实验室，没有实现商品化， 在折/ 衍混合设 计方面取得一定的进展，但对成像型衍射光学元件的研究还远远不能满足我国 国防和高技术发展的迫切需要。 第一章 绪论 1 . 3 . 2 变焦系统的发展 随着人们生产实践 活动领域的扩展和深入，提出了既 要能对 被观察物体作 大区域小倍率的概观，同时又能对它作小区域大倍率的仔细观察，变焦距光学 系统就是在 这样的要求下 产生的 .+ f 1 9 4 0年， 世界上出 现了 第一 个变焦距物 镜。由 于变焦距物镜能 在一定范围 内迅速地改变焦距，而获得不同比例的像。当焦距连续变化时，像面上的景物 由 小变大， 或由 大变小，给人以由远到近， 或由 近及远的感觉， 这是定焦距镜 头难以达到的 阉。 可变焦距镜头 对像面的 位移可以采用机械补偿或光学补偿， 可以是折射式 的、反射式的或折反式的. 光学补偿变焦镜头是在三十年代才出现的。最初，这种镜头还是很简单的， 不能保证像面有较好的质量，而且主要用于放映装置。第一个光学补偿变焦摄 影镜头 “ 祖马”是巴 克于一九四七年设计的。 这种镜头是由 五组正 透镜组成， 而且第二和第四组是联动在一起的，并按线性规律移动。另外，一九四七年在 法国制成了 “ 潘西诺”镜头。“ 潘西诺”尽管也有早期的一些镜头的许多缺点， 但是优于 “ 祖马” ，不久就取代了前者。在电影、电视方面己经广泛采用变焦距 镜头。 由 于对照相镜头尺寸上的种种要求，以及由 于复杂的 广角系统因畸变校正 而产生的 繁琐性，只有在设计光学系 统时采用电 子计算机才能设计出 较好的 摄 影镜头。具有较新光学系统的变焦镜头的大量出现，则是在二十世纪五十年代 中期。 具有世界声誉的 第一个摄影镜头 “ 弗伊赫 特连德尔一 祖马”( f = 3 6 - 8 2 毫 米) 出现于一九五七年。类似的镜头 “ 红宝石一1 ”型，是一九六三年的苏联制 品 ( f = ( 3 7 - 8 0 ) 毫米: 相对孔径 1 : 2 . 8 ) ，由 国 立光学研究所设计的。这是 采 用光学补 偿的五组镜头， 第二和第四组正透镜是按线性规律联动的; 第一和第 三组是不动的负透镜组;第五组是六个正透镜组。到一九七二年一月一日，国 外的一些公司对于小型 摄影 机提出了一百零九种不同 型式的 变焦镜头， 其焦距 变化范围为3 0 4 0 0 0毫米， 其倍率绝大多数为 1 . 8 -3 。 在变焦距镜头生产中占 主要地位的是德国、日本、美国、英国和法国的一些公司。日本公司生产了约 七十种镜头，其特点主要是从结构上看都属于原型。生产镜头的数量每年都有 所增加， 但是变焦镜头的成本 要高 于可换的 定焦镜头l. 。 第一章 绪论 机械补偿变焦 镜头 在早期由 于当时的工艺 水平很 难制造出高精度的凸轮， 所以它的发展比较缓慢，所以早期人们大都致力于光学补偿镜头的研究。 早期的变焦距镜头制造的很粗糙，像质不好，结构庞大，造价昂贵，难于 推广使用，并且凸轮的加工工艺问题难以解决，近几十年来，这些问题相继得 到了解决，为变 焦距镜头的 普及提供了 基础( 11 5 7 这些年变焦系统发展非常迅速，现在变焦系统在红外光学的 应用已 经非常 广泛， p i l k i n g t o n p . e . 有限公司生产的 名为“ z u l u ” 的 红外连续变焦望远系统， 用于远程有人驾 驶飞船的光学传感仪器舱中，放大 倍率 为3 . 8 -1 0 , 波段为8 - 1 2 11 m . b a r r 和 s t r o u d 有限公司设计了 一系列用于 扫描成像系统的红外变焦镜 头， 它们工作波段为8 - 1 3 u m ， 连续变 焦范围 至少是3 : 1 ， 理想时可达1 0 : t o h u g h e s 航空公司设计了 一个在8 .1 3 u m 波段范围工作的 红外变焦系统来探测导 弹外形， 其变倍比为3 : 1 ( 14 7) 。中 科院 西安 光机所设计了红 外两档光学系统，工 作波段3 - 5 u m ，焦 距值f = 4 0 0 m m , 2 0 0 rt m ( ， 两档变倍 ，. 1 . 现在变焦系统广泛应用于电影和电视摄影、照相机、跟踪测量、机器人、 视力校正、光学目 标模拟器和火控装备等领域，随着加工工艺的发展，可以预 料，变焦系统将更加成熟、实用、精确。 第四节 本论文的主要工作 现代电子产品逐渐向轻小型和兼容型方向发展，这也对 f - t h e t a镜的性能 提出了更高的要求，设计具有轻小型结构、优良成像质量和能应用在不同波长 和不同扫描范围的f -t h e t a镜具有重要的现实意义。传统的折射系统己经不能 很好地满足各项综合要求，必须寻求新的设计思路和方法。本论文把二元光学、 谐衍射理论和变焦理论引入到在传统的折射型 f - t h e t a镜中，以设计具有轻小 型结构和兼容性f - t h e t a 镜为设计目 标。 本论文的主要内容为: 1 . 讨论了衍射光学元件的成像原理。具体分析了衍射成像光学元件的相位分 布特点、 光焦度表 达式、 色散 特性、 初级 像差 特性和衍射效率， 给出了 折/ 衍混合消 色差系统的设计原理。并在 两个专 利的 基础上引 入二元衍射面， 设计了