CN113281830A - 一种透镜及光学镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透镜，透镜的至少一个表面包括多个环带区域，环带区域设置有凹槽或者凸起，使入射光中对应波长光发生衍射而透过该表面，其中相邻环带区域的透射光的相位差为2mπ，m为大于等于2的正整数。本透镜的这种表面结构兼具折射与衍射的光学特性，使透镜可结合谐衍射作用实现宽光谱和多波段光的消色差，将本透镜应用在光学镜头中，能够减小镜头厚度。本发明还公开一种光学镜头。

Description

一种透镜及光学镜头

技术领域

本发明涉及光学透镜技术领域，特别是涉及一种透镜。本发明还涉及一种光学镜头。

背景技术

现有技术中，红外光学系统的镜头大多采用折射面镜片，利用多个镜片产生的光程差来校正成像像差。折射光学元件的色散是材料本身对不同波长光具有不同的折射率而产生的，由于红外光学材料的可选范围有限，并且受制作工艺的限制，与可见光镜头相比，应用于红外光波段的光学镜头无法进一步做薄。多个镜片累加导致镜头厚度无法进一步缩减，导致红外成像模组在手机等消费电子设备的应用中严重受限，目前红外镜头是作为外接插件来使用，难以集成到设备内部。

在某些特殊场景下的红外光学系统虽然也应用了普通衍射(m＝1)光学元件，利用其特殊的负色散以及负热差特性有效地进行了光学系统的消色差和无热化设计。但普通衍射光学镜片在入射波长偏离设计中心波长时，其衍射效率下降严重，非设计级次衍射光形成杂散光，影响光学系统成像质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种透镜，应用于光学镜头中能够减小镜头厚度。本发明还提供一种光学镜头。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种透镜，所述透镜的至少一个表面包括多个环带区域，所述环带区域设置有凹槽或者凸起，所述环带区域使入射光中对应波长光发生衍射而透过该表面，相邻环带区域的透射光的相位差为2mπ，m为大于等于2的正整数。

优选的，各个环带区域对应波长光的焦距相同。

优选的，波长为λ光通过对应环带区域时i级次衍射光透过，焦距表示为：

其中，f₀表示透镜的中心波长λ₀的焦距，f_i表示波长为λ光的i级次衍射的焦距。

优选的，获得所述透镜谐衍射面的各个环带区域的半径以及凹槽深度或者凸起深度包括：

根据m的取值获得所述透镜谐衍射面的面型函数和相位调制函数；

对使用所述透镜的光学镜头进行光路追迹，获得使所述光学镜头的成像结果满足要求的所述透镜谐衍射面的相位调制函数；

根据得到的所述透镜谐衍射面的相位调制函数，获得所述透镜谐衍射面的各个环带区域的半径以及凹槽深度或者凸起深度。

优选的，对使用所述透镜的光学镜头进行光路追迹，获得使所述光学镜头的成像结果满足要求的所述透镜谐衍射面的相位调制函数包括：

以所述透镜谐衍射面相位调制函数的各次项系数为变量，以所述光学镜头的成像结果的像质参量为优化目标建立优化函数，获得使所述光学镜头的成像结果满足要求的所述透镜谐衍射面的相位调制函数。

优选的，所述透镜谐衍射面的面型函数表示为：

其中，z(r)表示透镜表面径向位置r处的点与透镜表面光轴上顶点的切面的相对距离，c表示曲率，r表示透镜表面的径向坐标，k表示圆锥系数，α_i表示第i阶非球面系数。

优选的，相位调制函数表示为：

其中，ρ表示透镜表面的归一化的径向坐标，A₁、A₂、A₃、…、A_n分别表示各次项系数。

优选的，根据得到的所述透镜谐衍射面的相位调制函数，获得所述透镜谐衍射面的各个环带区域的半径包括：

对得到的相位调制函数以相位差2mπ进行分层压缩，得到分段连续的相位分布，得到各个相位突变位置的半径，各个相位突变位置的半径对应为所述透镜谐衍射面各个环带区域的半径。

优选的，根据以下公式获得所述透镜谐衍射面的各个环带区域的凹槽深度或者凸起深度：

d＝mλ₀/(n₀-1)，其中，d表示深度，λ₀表示透镜的中心波长，n₀表示透镜在中心波长的折射率。

一种光学镜头，包括以上所述的透镜。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种透镜，透镜的至少一个表面包括多个环带区域，环带区域设置有凹槽或者凸起，使入射光中对应波长光发生衍射而透过该表面，其中相邻环带区域的透射光的相位差为2mπ，m为大于等于2的正整数。本透镜通过谐衍射面实现宽光谱和多波段光的消色差，将本透镜应用在光学镜头中，能够减小镜头厚度。

本发明还提供一种光学镜头，能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的透镜的侧视图；

图2为本发明实施例提供的一种透镜设计方法的流程图；

图3为一具体实例设计的光学镜头的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种透镜，所述透镜的至少一个表面包括多个环带区域，所述环带区域设置有凹槽或者凸起，所述环带区域使入射光中对应波长光发生衍射而透过该表面，相邻环带区域的透射光的相位差为2mπ，m为大于等于2的正整数。

透镜表面的每一环带区域设置有凹槽或者凸起，使入射光通过环带区域会发生衍射。各个环带区域分别使入射光中对应波长光发生衍射而透过透镜表面。

本实施例透镜的这种表面结构兼具折射与衍射的光学特性，使透镜可结合谐衍射作用实现宽光谱和多波段光的消色差，将本透镜应用在光学镜头中，能够减小镜头厚度。

透镜谐衍射面的衍射效率表示为：

其中，η_i表示波长为λ光的i级次衍射的衍射效率，λ₀表示透镜的中心波长，n₀表示透镜在中心波长的折射率，n表示透镜在波长λ的折射率，q表示为考虑加工误差影响而引入的深度因子。

根据上式可以看出，仅当

时，理论衍射效率才能达到100％，当不考虑材料色散和深度因子，即认为

q＝1时，可得

由此可得一系列分立波长λ，称为谐波长。

那么，波长为λ光通过对应环带区域时i级次衍射光透过，焦距表示为：

其中，f₀表示透镜的中心波长λ₀的焦距，f_i表示波长为λ光的i级次衍射的焦距。

其中可以看出，各个谐波长的入射光经过透镜谐衍射面后，其各自的衍射级次光将会聚于同一点，即公共焦点，也就是说，各个谐波长光具有相同的光焦度而且这些谐波长的衍射光都具有100％的理论衍射效率。当入射光波长偏离谐波长时，其光焦度将发生变化，焦点位置相对于谐波长的公共焦点产生展宽，展宽的量和波长呈线性关系，且对称于谐波长的公共焦点。

透镜表面的环带区域设置有凹槽或者凸起，可选的，可以设置环形凹槽或者环形凸起。或者在环带区域可设置排布的柱状凸起，柱状凸起排布形成环带。示例性的请参考图1，图1为一实施例的透镜的侧视图，可看出其中在透镜100的一表面上设置有环形凹槽110。

本实施例透镜的谐衍射面，与现有的透镜衍射面相比，减少了衍射面上的环带周期数，从而降低了工艺难度，节约了成本。随着光学加工技术的进步，超精密金刚石切削技术、曲面激光直写技术等都可以实现基于曲面的谐衍射结构精密加工，批量生产时也可以采用模压法来直接加工出分段连续的表面微结构。

本实施例还提供一种透镜设计方法，用于设计以上所述的透镜，请参考图2，图2为本实施例提供的一种透镜设计方法的流程图，由图可知，所述透镜设计方法包括以下步骤：

S10：确定透镜的焦距以及中心波长、m的取值。

本实施例方法设计的透镜应用于光学镜头，针对光学镜头选定探测器规格、工作波段λ₁～λ₂、透镜材质、透镜的入瞳直径D、焦距f等以及计算视场角。其中，透镜的设计中心波长可以是λ₀＝(λ₁-λ₂)/2。或者也可以将光学镜头最多使用场景时的主波长选定为透镜的设计中心波长。

可以选择一个合适的m取值。根据公式

可计算出分布在波段λ₁～λ₂内的所有谐波长，m值越大，则波段λ₁～λ₂内的谐波长数量越多，实现消色差的波段范围也越广，但在其它波长的离焦量就越大，因此m的取值应当综合考虑确定。

S11：根据m的取值获得所述透镜谐衍射面的面型函数和相位调制函数。

透镜的谐衍射面即透镜设置有环带区域的、能使入射光发生衍射的表面。透镜表面的环带区域对中心波长λ₀具有2mπ的相位差，环带区域的焦点实际上是λ₀的第m级次衍射光的会聚点。

透镜谐衍射面的面型可以是球面、非球面或者扩展多项式面，为了实现更丰富的光学功能，增加光学设计自由度，可以设计透镜谐衍射面为以非球面为基础，在非球面上形成包括衍射结构的环带区域，即将衍射结构与非球面叠加形成透镜的谐衍射面。

可选的，若透镜谐衍射面为旋转轴对称非球面，其面型函数可表示为：

其中，z(r)表示透镜表面径向位置r处的点与透镜表面光轴上顶点的切面的相对距离，c表示曲率，r表示透镜表面的径向坐标，k表示圆锥系数，α_i表示第i阶非球面系数。其中，k<-1代表双曲面，k＝-1代表抛物面，-1<k<0代表椭球面，k＝0代表球面，k>0代表扁椭球面。

透镜表面的相位调制函数可表示为：

其中，ρ表示透镜表面的归一化的径向坐标，A₁、A₂、A₃、…、A_n分别表示各次项系数。其中A₁决定了谐衍射面的焦距

S12：对使用所述透镜的光学镜头进行光路追迹，获得使所述光学镜头的成像结果满足要求的所述透镜谐衍射面的相位调制函数。

对于使用该谐衍射透镜的光学镜头，设置光学镜头各个透镜的面型，对光学镜头进行光路追迹，获得光学镜头的成像结果。透镜折射面的面型可以是球面、偶次非球面或者扩展多项式面。

可选的，可以以所述透镜谐衍射面相位调制函数的各次项系数为变量，以光学镜头的成像结果的像质参量为优化目标建立优化函数，获得使所述光学镜头的成像结果满足要求的所述透镜谐衍射面的相位调制函数。

光学镜头的像质参量为表征光学镜头成像结果优劣的参量。可选的，光学镜头的像质参量可以是光学调制传递函数MTF、点列图、光线像差曲线与光程差曲线、场曲与畸变、色差与焦距漂移曲线或者赛德尔系数与赛德尔图。

S13：根据得到的所述透镜谐衍射面的相位调制函数，获得所述透镜谐衍射面的各个环带区域的半径以及凹槽深度或者凸起深度。

可选的，可以对获得的相位调制函数以相位差2mπ进行分层压缩，得到分段连续的相位分布，得到各个相位突变位置的半径，各个相位突变位置的半径对应为透镜谐衍射面各个环带区域的半径。将任意相邻的相位突变位置的半径值相减，得到一组差值数列{Δρi＝ρi-ρ(i-1)}，这组差值数列中的最小值对应的实际半径差值，即为透镜谐衍射面的环带区域的最小宽度。一般地，最小宽度出现在孔径边缘或者靠近孔径边缘的位置。

对获得的相位调制函数以相位差2mπ进行分层压缩，得到分段连续的相位分布可表示为：

其中，T(ρ)表示得到的相位分布，int(x)表示取整函数。

可根据以下公式获得透镜谐衍射面的各个环带区域凹槽深度或者凸起深度：

d＝mλ₀/(n₀-1)，其中，d表示深度，λ₀表示透镜的中心波长，n₀表示透镜在中心波长的折射率。

根据上述过程获得透镜谐衍射面各个环带区域的宽度和凹槽深度或者凸起深度。在实际设计过程中，如果计算所得的最小宽度和加工深度都符合实际加工工艺的要求，那么这组设计结果就可作为最终设计。否则，若是最小线宽较小，则逐渐增大m值，再重复上述过程，直到设计结果符合加工工艺的要求；若出现在透镜尺寸范围内没有相位突变点的情况，则适当减小m值，重新上述过程，直至整个设计符合技术要求和工艺要求。

本实施例还提供一种光学镜头，包括以上所述的透镜。

本实施例的光学镜头，采用的透镜兼具折射与衍射的光学特性，使透镜可结合谐衍射作用实现宽光谱和多波段光的消色差，能够减小镜头厚度。

在一具体实例中，根据设计要求确定的镜头参数为：

探测器FPA：256*192

像元尺寸p：12*12μm

视场半径r：1.92mm

镜片数量：2片

镜片材质：硫系玻璃

光谱波段：8μm～14μm

设计中心波长：10μm

有效通光孔径D：2.5mm

有效焦距f：2.5mm(在无穷远处)

光学总长：小于5.5mm

最大畸变：小于5％

由于本具体实例所采用的镜头尺寸非常小，为保证光谱波段内都有较高的衍射效率，通过综合考虑、优化，选取m＝3，谐波长及其衍射级次分布如表1所示。

表1

衍射级次i	谐波长λ(μm)
		2	15
3	10
		4	7.5
5	6

本具体实例选取球面、偶次非球面、二元面三种面型进行透镜设计，面型函数中的高次项不超过5项，相位调制函数中的高次项不超过5项。

本实例采用2片透镜组成镜头组，如图3所示，沿光轴方向包含第一透镜和第二透镜，第一透镜包括光学表面103和光学表面104，第二透镜包括光学表面105和光学表面106，四个光学表面共轴，且都为轴对称面型。其中，光学表面104为谐衍射面，光学表面103、105和106都为折射面，折射面与谐衍射面通过分配光焦度实现像差校正，并将相位编码面与谐衍射面相结合。

如图3所示，光学镜头还包括：外防护窗片101，材质为硅；光阑102，孔径为2.5mm；晶圆级封装的探测器的硅片窗107；探测器的像元面108，即光学系统的像面。

在光学设计软件中，设置折射面型为球面和偶次非球面，谐衍射面型为二元面。同时设置面型函数和谐衍射面104的相位调制函数，并将相位调制函数的各次项系数设为优化变量。归一化半径可以设置为相位应用面的半口径。

通过优化设计结果，最后所得的光学系统总轴长度为5.21135mm，最大畸变4.1841％，相位调制函数的各次项系数如表2所示。

表2

A<sub>1</sub>	A<sub>2</sub>	A<sub>3</sub>	A<sub>4</sub>	A<sub>5</sub>
					-46.791	94.572	-69.093	-44.334	31.311

因此，相位调制函数φ(ρ)＝3*(-46.791ρ²+97.572ρ⁴-69.093ρ⁶-44.334ρ⁸+31.331ρ¹⁰)。对相位调制函数φ(ρ)以相位差2mπ进行分层压缩，以得到分段连续的表面分布，分层压缩后所有相位突变位置的环带半径值ρ_i，φ(ρ_i)＝i*2mπ，如表3所示。

表3

环带序号	环带半径(mm)
		1	0.7701
2	1.3292
		3	1.4963
4	1.5953
		5	1.6700

可以看出，最小径向变化为74.7μm，发生在半径为1.5953mm之后，即最小加工线宽为74.7μm。谐衍射面所在镜片的材质为IRG209，其在设计中心波长λ₀处的折射率n₀为3.1408，考虑加工误差和回弹量，故加工深度mλ₀/(n₀-1)取为14.2μm。最小加工线宽和加工深度都符合工艺要求，可实际加工，也说明了本实施例的设计合理性。

以上对本发明所提供的一种透镜及光学镜头进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种透镜，其特征在于，所述透镜的至少一个表面包括多个环带区域，所述环带区域设置有凹槽或者凸起，所述环带区域使入射光中对应波长光发生衍射而透过该表面，相邻环带区域的透射光的相位差为2mπ，m为大于等于2的正整数。

2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，各个环带区域对应波长光的焦距相同。

3.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，波长为λ光通过对应环带区域时i级次衍射光透过，焦距表示为：

其中，f₀表示透镜的中心波长λ₀的焦距，f_i表示波长为λ光的i级次衍射的焦距。

4.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，获得所述透镜谐衍射面的各个环带区域的半径以及凹槽深度或者凸起深度包括：

根据m的取值获得所述透镜谐衍射面的面型函数和相位调制函数；

对使用所述透镜的光学镜头进行光路追迹，获得使所述光学镜头的成像结果满足要求的所述透镜谐衍射面的相位调制函数；

根据得到的所述透镜谐衍射面的相位调制函数，获得所述透镜谐衍射面的各个环带区域的半径以及凹槽深度或者凸起深度。

5.根据权利要求4所述的透镜，其特征在于，对使用所述透镜的光学镜头进行光路追迹，获得使所述光学镜头的成像结果满足要求的所述透镜谐衍射面的相位调制函数包括：

以所述透镜谐衍射面相位调制函数的各次项系数为变量，以所述光学镜头的成像结果的像质参量为优化目标建立优化函数，获得使所述光学镜头的成像结果满足要求的所述透镜谐衍射面的相位调制函数。

6.根据权利要求4所述的透镜，其特征在于，所述透镜谐衍射面的面型函数表示为：

其中，z(r)表示透镜表面径向位置r处的点与透镜表面光轴上顶点的切面的相对距离，c表示曲率，r表示透镜表面的径向坐标，k表示圆锥系数，α_i表示第i阶非球面系数。

7.根据权利要求4所述的透镜，其特征在于，相位调制函数表示为：

其中，ρ表示透镜表面的归一化的径向坐标，A₁、A₂、A₃、…、A_n分别表示各次项系数。

8.根据权利要求4所述的透镜，其特征在于，根据得到的所述透镜谐衍射面的相位调制函数，获得所述透镜谐衍射面的各个环带区域的半径包括：

对得到的相位调制函数以相位差2mπ进行分层压缩，得到分段连续的相位分布，得到各个相位突变位置的半径，各个相位突变位置的半径对应为所述透镜谐衍射面各个环带区域的半径。

9.根据权利要求4所述的透镜，其特征在于，根据以下公式获得所述透镜谐衍射面的各个环带区域的凹槽深度或者凸起深度：

d＝mλ₀/(n₀-1)，其中，d表示深度，λ₀表示透镜的中心波长，n₀表示透镜在中心波长的折射率。

10.一种光学镜头，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的透镜。

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