轴向梯度折射率材料用于激光束聚焦镜设计

　　1　引　言

　　球面是光学镜头中使用最多的面形。为了增加像质,减小像差,一般使用多片镜片,增加球面的个数来增加校正像差的自由度,从而达到校正复杂像差、满足苛刻像质的需要。但在某些条件限制下,如体积、质量、材料等,致使完全使用球面校正像差变得不太可能。在此情况下,人们引入了非球面[1]。非球面使球面在校正像差时,从单一的半径变成了径向函数。通过一系列的函数系数改变(作为自变量),以达到单一非球面面形相当于多片球面的效果。当然,非球面在实际使用中,对增加像质和减小镜头片数和体积起到了有目共睹的作用。尽管非球面的设计已不是什么太大的难题,但是非球面的引入,也使其在加工和检验中增添了相当多的难题。到目前为至,非球面的高精度加工和精确检验仍然是研究的热点和重要的技术领域。

　　鉴于非球面的难题,是否存在其他种类的面形,既能达到非球面的作用,又能在加工和检验中变得容易,轴向梯度折射率材料可能就是要考虑的重要方向之一[2-9]。根据Snell定律,对于单折射面,如果其前后的折射率分别为n和n′,面上的入射角和折射角分别为θ和θ′,则有nsinθ=n′sinθ′。对于此面,如是非球面,则正是起到相同半径下改变入射角θ的作用。也就是改变折射定律中的入射角θ,从而达到改变原来光线的行进方向,起到校正像差之目的。在Snell定律中,除了角度θ,还有一个折射率n。轴向梯度折射率正是在保持θ不变的情况下,改变折射面上不同高度的折射率n值,也同样能达到校正像差之目的。

　　梯度折射率材料包括径向梯度折射率材料和轴向折射率材料。而径向梯度折射率透镜,由于加工工艺的限制,不可能做大通光口径(通常<5mm)[10]。近些年来,轴向折射率材料越来越引起人们的注意。目前轴向梯度折射率材料,国外直径可以做到200mm以上,厚度可以做到25mm以上[2];中国科学院西安光学精密机械研究所也在从事轴向梯度折射率材料的研制,能做到40mm×40mm×0. 5mm[11-12],已经完全满足大多数镜头口径尺寸的需要。

　　由于单片轴向梯度折射率材料透镜,两个面上折射率都会有变化。因此,单片轴向梯度折射率透镜相当于两片非球面的作用,这一点已有很多文献作了研究。也因此,它在校正像差方面有着特殊的能力。比如,P.K.Manhart[3-4]把轴向梯度折射率透镜用于普通的物镜,设计了两片式(两片均为轴向梯度折射率材料)、三片式(两片轴向梯度折射率材料,一片CAF2玻璃)和六片双高期型(四片轴向梯度折射率材料和两片CAF2玻璃)物镜,均取得了很好的像差特性。Xiaojie Xu[2]把轴向梯度折射率材料用于变焦投影镜头,把原来7片式变焦镜头减少到5片。Pfisterer[5-6]设计了35mm照相物镜和夜视物镜。虽然轴向梯度折射率透镜越来越引起国外光学设计者的重视,但是在中国除了中国科学院西安光机所[11-12]在从事轴向梯度折射率材料的研制外,就轴向梯度折射率材料用于实际的光学镜头设计,作者在中文文献数据库中尚没有查到。