CN202870376U - 一种微光物镜 - Google Patents

Abstract

一种微光物镜，可使用在可见和近红外宽光谱范围，所述微光物镜包括依次设置的、同光轴的第一折射透镜、第二折射透镜、第三折射透镜、第四折射透镜、第五折射透镜和第六折射透镜，第七保护玻璃平板；所述六个折射透镜之间具有间隙；在所述第二正透镜和第三正透镜之间还设置有衍射元件。本实用新型的微光物镜结构较为简单，体积较小。

Description

一种微光物镜

技术领域

本发明为光学设计技术领域，具体设计一种微光物镜，应用在可见和近红外光谱波段。 

背景技术

微光夜视仪是一种利用光增强技术的光电成像系统，利用它可以拓展人眼对微弱光图像的探测能力，弥补人眼在空间、时间、能量、光谱和分辨能力等方面的局限性，极大地扩展了人的视野和功能。 

传统物镜结构口径较大，采用球面玻璃材料设计时，系统结构型式复杂、体积、重量偏大，不适宜使用者长时间观察使用。目前计算机辅助设计注塑成型、超高精度(10nm)非球面面形检测技术的发展，使得聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)等高精度塑料光学元件，以其重量轻、形状易控、设计自由度高、高级像差小等优点，使之代替球面透镜减轻光学系统的重量成为可能。 

折/衍混合成像系统可达到光学系统的轻小化，越来越多的应用于光学系统设计中。但传统的单层衍射元件只能在单一波长实现某一衍射级的高衍射效率，随着波长逐渐偏离设计波长，衍射效率逐渐下降。如含有单层衍射元件的折衍混合光学系统用在可见光波段成像，则降低了成像对比度，影响光学系统成像颜色的真实性，极大的影响光学系统成像质量。而利含有双层衍射元件的折衍混合光学系统能在宽光谱范围内达到90％以上的衍射效率，可有效克服单层衍射元件衍射效率随波长变化而变化大的缺点，适合应用在宽光谱成像光学系统中。 

实用新型内容

本实用新型提供一种微光物镜，应用在可见和近红外光谱波段，本实用新型微光物镜结构较为简单，体积较小。 

一种微光物镜，包括依次设置的、同光轴的第一折射透镜、第二折射透镜、第三折射透镜、第四折射透镜、第五透镜、第六透镜和第七玻璃平板；所述六个折射透镜及玻璃平板之间具有间隙； 

在所述第二正透镜和第三正透镜之间还设置有衍射元件。 

可选的，第一、三透镜为平凸透镜，第二透镜为平凹透镜，第四、五为弯月透镜，第六为双凹透镜，第七位平板玻璃。 

可选的，所述折射透镜之间的间隙为空气或其介质。 

可选的，所述衍射元件为单层衍射元件或双层衍射元件， 

优选的，衍射元件为双层衍射元件； 

所述双层衍射元件包括一侧设置有周期性凸凹微雕结构的第一透射元件和第二透射元件；两透射元件的凸凹微雕结构具有相同的凸凹周期； 

所述第一透射元件和第二透射元件设置有凸凹微雕结构一侧相对设置，且两微雕结构的凸起与凸起相对，凹陷与凹陷相对。 

可选的，所述第一透射元件和第二透射元件的与凸凹微雕结构相对的一侧面为平面、球面或者非球面弧形面。 

可选的， 

第一透射元件的凹陷深度： $H_1=\frac{2\mathrm{\π}\left\{k_{01}\right[n_2\left({\mathrm{\λ}}_{01}\right)]-k_{02}[n_2\left({\mathrm{\λ}}_{02}\right)\left]\right\}}{k_{02}\left[n_1\left({\mathrm{\λ}}_{02}\right)\right]k_{01}\left[n_2\left({\mathrm{\λ}}_{01}\right)\right]-k_{01}\left[n_1\left({\mathrm{\λ}}_{01}\right)\right]k_{02}\left[n_2\left({\mathrm{\λ}}_{02}\right)\right]}$

第二透射元件的凹陷深度： $H_2=\frac{2\mathrm{\π}\left\{k_{01}\right[n_1\left({\mathrm{\λ}}_{01}\right)]-k_{02}[n_1\left({\mathrm{\λ}}_{02}\right)\left]\right\}}{k_{02}\left[n_1\left({\mathrm{\λ}}_{02}\right)\right]k_{01}\left[n_2\left({\mathrm{\λ}}_{01}\right)\right]-k_{01}\left[n_1\left({\mathrm{\λ}}_{01}\right)\right]k_{02}\left[n_2\left({\mathrm{\λ}}_{02}\right)\right]}$

其中，n₁(λ₀₁)和n₁(λ₀₂)所述第一透射元件在设计波长分别为λ₀₁和λ₀₂时的折射率；n₂(λ₀₁)和n₂(λ₀₂)所述第二透射元件在设计波长分别为λ₀₁和λ₀₂时的折射率；k₀₁和k₀₂为波数。 

可选的，所述第一透射元件和第二透射元件的材质分别为高折射率低色散和低折射率高色散玻璃组合，例如FCD₁和FD₆。 

可选的，在设计两波长分别为400nm和700nm时，所述H₁＝10.9um，H₂＝5.9um。 

可选的，所述第一透射元件和第二透射元件的材质分别为SK4和SF18。 

与现有技术相比，本发明的微光物镜，可使用在可见和近红外的宽光谱成像，光学元件的数目减少，结构简单。 

优选的，本实用新型的微光物镜的衍射元件为双衍射元件，使得包含该双层衍射元件的光学系统可应用于近红外和可见光范围的微光夜视仪中，实现宽光谱成像时，具有较高的衍射效率；从而可有效提高像面的对比度以及真实性。 

附图说明

图1为微光物镜光学系统的示意图； 

图2为应用于图1所示的实例中的双层衍射元件的示意图。 

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。 

下面结合附图对本实用新型的微光物镜进行详细描述。 

图1为本实用新型微光物镜的实施例的示意图。 

请参考图1，本发明的实施例的微光物镜包括7个光学组件，由物至像的方向依次为第一折射透镜7-1、第二折射透镜7-2、衍射元件7-8、第三折射透镜7-3、第四折射透镜7-4、第五折射透镜7-5、第六折射透镜7-6和第七玻璃平7-7板。所述六个折射透镜同光轴设置。双层衍射元件7-8设置于所述的光轴之上。在上述的8个光学组件之间设置有一定的间隙，该间隙可以是空气间隙，也可以填充介质。 

所述的第一折射透镜7-1和第三折射透镜7-3为平凸透镜，第二折射透镜7-2为平凹透镜，第四折射透镜7-4和第五折射透镜7-5均为弯月形透镜，第六折射透镜7-6为双凹透镜，第7-7为玻璃平板，第7-8为双层衍射元件。所述六个折射透镜的材质以及各个凹形面、凸形面的曲率半径可以根据实际的需要进行设计，这里不再展开叙述。 

衍射元件7-8设置于第二折射透镜7-2和第三折射透镜7-3之间，用于矫正该系统的位置色散。如图2所示。 

所述衍射元件7-8可以是单层衍射元件，即仅有一个衍射光学元件构成。但是，单层衍射元件由于仅对单一波长的光响应，即在设计波长处衍射效率较高，而在波长由设计波长向两侧偏离时，衍射光学元件的主衍射级次的衍射效率逐 渐下降，而次衍射级次的衍射能量会弥散在主衍射级次的像面上，从而影响像面的对比度。故而单层衍射元件的光学系统仅仅适用于窄波段。 

为克服单层衍射元件的光学系统仅仅适用于窄波段的问题，所述的衍射元件也可以为双层衍射元件。即包含两个衍射光学元件。图2为本实施例中的一种双层衍射元件的示意图。 

请参考图2，双层衍射元件7-8包括第一透射元件7-8-1和第二透射元件7-8-2；且在两透射元件的一侧均设置有周期性凸凹微雕结构；例如，在第一透射元件7-8-1的一侧7-8-1b设置有凸凹微雕结构，在第二透射元件7-8-2的一侧7-8-2b设置有凸凹微雕结构。两透射元件的凸凹微雕结构具有相同的周期。具体的，所述凸凹微雕结构可以为光栅结构，两元件的光栅结构具有相同的光栅周期。 

所述第一透射元件7-8-1的侧边7-8-1b和第二透射元件7-8-2的侧边7-8-2b相对设置，并紧贴在一起。而且，在紧贴在一起时，两侧的微雕结构的凸起相对，凹陷相对。在所述第一透射元件7-8-1和第二透射元件7-8-2的凹陷区域可以填充介质材料，也可以不填充介质，仅为空气间隙。 

此外，所述第一透射元件7-8-1的侧边7-8-1a和第二透射元件7-8-2的侧边7-8-2a为与微雕结构相对的一侧，该侧可以是平面，也可以是球面或者非球面弧形结构。 

第一透射元件7-8-1和第二透射元件7-8-2的微雕结构具有不同的深度，根据两透射元件响应波长的不同，可以设置不同的深度。例如在确定两透射元件的不同色散系数的基底材料之后，可以得到两透射元件的微雕结构深度(即凹陷深度)分别为： 

第一透射元件的凹陷深度： $H_1=\frac{2\mathrm{\π}\left\{k_{01}\right[n_2\left({\mathrm{\λ}}_{01}\right)]-k_{02}[n_2\left({\mathrm{\λ}}_{02}\right)\left]\right\}}{k_{02}\left[n_1\left({\mathrm{\λ}}_{02}\right)\right]k_{01}\left[n_2\left({\mathrm{\λ}}_{01}\right)\right]-k_{01}\left[n_1\left({\mathrm{\λ}}_{01}\right)\right]k_{02}\left[n_2\left({\mathrm{\λ}}_{02}\right)\right]}$

第二透射元件的凹陷深度： $H_2=\frac{2\mathrm{\π}\left\{k_{01}\right[n_1\left({\mathrm{\λ}}_{01}\right)]-k_{02}[n_1\left({\mathrm{\λ}}_{02}\right)\left]\right\}}{k_{02}\left[n_1\left({\mathrm{\λ}}_{02}\right)\right]k_{01}\left[n_2\left({\mathrm{\λ}}_{01}\right)\right]-k_{01}\left[n_1\left({\mathrm{\λ}}_{01}\right)\right]k_{02}\left[n_2\left({\mathrm{\λ}}_{02}\right)\right]}$

其中，n₁(λ₀₁)和n₁(λ₀₂)所述第一透射元件7-8-1在设计波长分别为λ₀₁和λ₀₂时的折射率；n₂(λ₀₁)和n₂(λ₀₂)所述第二透射元7-8-2件在设计波长分别为λ₀₁和λ₀₂时的折射率；k₀₁和k₀₂为波数。 

也就是说，根据相应波长的需要，选定两衍射元件的基底材料之后，可以获得两透射元件的凹陷深度。凹陷深度的大小以及基底材料决定了改双层衍射元件对不同波长的响应。 

例如，在设计的响应波长为可见光光谱范围时，即响应波长分别为400nm和700nm、第一透射元件7-8-1和第二透射元件7-8-2的材质分别为FCD₁和FD₆时，所述H₁＝10.9um，H₂＝5.9um。即选择FCD₁和FD₆作为基底材料，H₁＝10.9um，H₂＝5.9um作为微雕结构凹陷深度，则包含该双层衍射元件的光学系统可应用于可见光范围的头盔显示器中，实现在可见光范围内观察时，具有较高的衍射效率。具体的，衍射效率可大于90％，从而可以克服单层衍射元件的仅适用于窄波段的问题。 

此外，第一透射元件7-8-1和第二透射元件7-8-2的材质也可以分别为SK4和SF18。 

上述实施例中的微光物镜，相对于现有的微光物镜，对较大波长范围的光具有较好的响应，使用波段范围扩大，衍射效率也具有较大的提高，从而有效提高了像面的对比度以及真实性。能够满足超二代微光夜视像增强器的成像要求。 

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本实用新型的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。 

Claims (10)

1.一种微光物镜，其特征在于：包括依次设置的、同光轴的第一折射透镜、第二折射透镜、第三折射透镜、第四折射透镜、第五透镜、第六透镜和玻璃平板；所述六个折射透镜之间具有间隙； 

在所述第二正透镜和第三正透镜之间还设置有衍射元件。 

2.根据权利要求1所述的微光物镜，其特征在于：第一、三透镜为平凸透镜，第二透镜为平凹透镜，第四、五为弯月透镜，第六为双凹透镜，第七位平板玻璃。 

3.根据权利要求1所述的微光物镜，其特征在于：所述折射透镜之间的间隙为空气或其介质。 

4.根据权利要求1或2或3所述的微光物镜，其特征在于：所述衍射元件为单层衍射元件或双层衍射元件。 

5.根据权利要求1或2或3所述的微光物镜，其特征在于：所述衍射元件为双层衍射元件； 

所述双层衍射元件包括一侧设置有周期性凸凹微雕结构的第一透射元件和第二透射元件；两透射元件的凸凹微雕结构具有相同的凸凹周期； 

所述第一透射元件和第二透射元件设置有凸凹微雕结构一侧相对设置，且两微雕结构的凸起与凸起相对，凹陷与凹陷相对。 

6.根据权利要求5所述的微光物镜，其特征在于：所述第一透射元件和第二透射元件的与凸凹微雕结构相对的一侧面为平面、球面或者非球面弧形面。 

7.根据权利要求5所述的微光物镜，其特征在于： 

第一透射元件的凹陷深度：

第二透射元件的凹陷深度：

其中，n₁(λ₀₁)和n₁(λ₀₂)所述第一透射元件在设计波长分别为λ₀₁和λ₀₂时的折射率；n₂(λ₀₁)和n₂(λ₀₂)所述第二透射元件在设计波长分别为λ₀₁和λ₀₂时的折射率；k₀₁和k₀₂为波数。 

8.根据权利要求7所述的微光物镜，其特征在于：所述第一透射元件和第二透射元件的材质分别为FCD₁和FD₆。 

9.根据权利要求7所述的微光物镜，其特征在于：所述第一透射元件和第二透射元件的材质分别为SK4和SF18。 

10.一种微光物镜，其特征在于：包括上述权利要求1至10任一所述的微光物镜。 

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