新型光学元件

　　近年来,在军用和民用光电产品中,对光学元件的多功能、结构紧凑和小型化、以及成像或聚焦质量等提出了越来越高的要求。在先进的计算机控制技术、微细加工技术、以及高精度模压技术的推动下,在光学制造领域中研究成功并成批生产出很多新型的光学元件,非球面光学零件的大批量生产就是一个突出的例子。这些新型的光学元件给光学设计人员在设计更高要求的光学系统时提供了更大的选择余地。关于非球面零件的情况,已经有很多文章介绍。因此本文仅仅介绍衍射光学零件及折衍混合透镜,溶胶-凝胶法制造的高精度特殊面形的零件,轴向梯度折射率零件和玻璃-液体组合光学元件等其他4种新型光学元件。

　　一、衍射光学零件(DOE)及折衍混合透镜(hybridrefractive/diffractive lens)[1]

　　典型的表面浮雕型衍射透镜是由同心圆带区组成,第m个带区边界的口径为2rm。一般来说,一个对称衍射透镜的位相函数φ(r)为

　　式中A=π/(λ0F),λ0为设计的或中心波长;F是λ=λ0时透镜的主焦距;G和H与出射波前的非球面系数有关。浮雕轮廓从透镜的中心开始沿径向往外连续延伸,直到位相差达到2π为止。在此处浮雕结构发生突变,返回到其高度为中心高度hmax=λ0/[n(λ0)-1],n(λ0)为透镜材料对于λ0的折射率。由此点轮廓再次沿径向连续变化,直到光学位相差又一次达到2π。此点的浮雕结构又回复到hmax,该循环一直到透镜边缘为止。对于可见光波来说,hmax大约为1μm左右,带区间距从几十到几百微米。

　　根据标量衍射理论,可用多项式表示的闪耀廓形把波长λ0的入射光线全部会聚在主焦点,以达到100%的衍射效率。线性闪耀廓形可使衍射效率接近99%,二元光学透镜有40·5%的入射光分别进入λ±1衍射级。多项式相位轮廓的4级和8级近似,对设计波长的一级衍射来说,衍射效率可分别达到η=81%和η=95%。

　　衍射光学零件在很多领域得到应用[2],因为它有很多优点,例如:用价格便宜的PMMA光学塑料或一般冕玻璃就可达到消除光学系统色差的目的;无需非球面表面就可获得非球面波前;可以代替少而昂贵的火石玻璃;可以制造高性能、大口径、重量轻的光学零件及精密微小光学元件;以及能减小系统尺寸和重量,降低制造成本和系统的复杂性。

　　美国工业界和政府最近集资1300万美元发展高性能衍射光学元件的低成本制造技术。它的应用目标是头盔显示器、夜视系统、高速光通讯系统、照相机取景系统、双望和枪瞄镜等。

　　由于散射效应限制了衍射光学元件的进一步应用,其散射可分为结构性散射和统计性散射两种。结构性散射是光线被分布到不需要的衍射级时产生的,因此设计者应尽量使某一指定衍射级(通常是一级)的光能量最大。统计性散射是由于表面粗糙度引起的随机散射。