張曉光，楊 槐，李東源

(1.北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083;2.東北電子技術研究所，遼寧錦州 121000)

0 引 言

傳像光纖束(簡稱傳像束)與傳統(tǒng)的光學成像器件相比:具有傳像特性優(yōu)良，使用空間自由度大、重量輕、易實現(xiàn)復雜空間結構的圖像傳遞，能夠優(yōu)化光路設計，可以在強電磁干擾、高溫有腐蝕的場合工作等優(yōu)點，被廣泛應用于醫(yī)學、工業(yè)、科研和軍事等眾多領域［1～3］。

典型的傳像束光學系統(tǒng)主要包括工業(yè)或醫(yī)用內(nèi)窺鏡，由前置物鏡，傳像束和目鏡(耦接器)等組成。一般通過光學物鏡把目標成像于傳像束的一個端面上，出射圖像通過目鏡(耦接器)，供人眼直接觀察或者耦接CCD 監(jiān)視［2，3］。隨著CCD 成像技術和大截面光纖傳像束技術的發(fā)展，對傳像束光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量、傳光特性和體積重量提出了更高的要求，傳統(tǒng)的設計已經(jīng)不能滿足要求，必須對光學系統(tǒng)進行優(yōu)化設計［2，4］。

1 理論設計與數(shù)值計算

1.1 設計原理

自20 世紀80 年代美國麻省理工學院林肯實驗室提出二元光學的概念后，衍射光學在國際上得到迅速發(fā)展，并且應用于光學成像領域［5］。在成像系統(tǒng)中，衍射光學元件與傳統(tǒng)的折射、反射元件混合使用，綜合平衡，給系統(tǒng)的設計引入了新的自由度，為提高系統(tǒng)性能、簡化系統(tǒng)結構、減輕系統(tǒng)重量提供了新的可能性［6，7］?？紤]到國內(nèi)衍射透鏡加工工藝條件的限制，可以采用帶有衍射面的單透鏡來代替雙膠合透鏡，構成折－ 衍混合耦接鏡系統(tǒng)。

通常設旋轉(zhuǎn)對稱二元光學衍射面的相位函數(shù)為

式中，r 為衍射面的徑向坐標;λ 為波長;A1、A2、A3…為衍射面相位系數(shù)。若對于波長為λ，衍射級次為m(不特別指明，一般取m =1)設計衍射光學器件，則相位函數(shù)中的二次相位系數(shù)A1由傍軸光焦度φ決定

因A1是與λ 成正比的系數(shù)，故設計A1值可消色差。一般通過適當?shù)墓饨苟确峙鋪韺崿F(xiàn)。

折衍混合器件消球差則可得［8］

由式(3)可以確定四次相位系數(shù)A2的初始取值，上式中，Φref為透鏡折射面的光焦度，n 為折射率，y 為物像高。式(3)中所有符號意義均遵循維爾福德(Welford)的約定［8］。

1.2 實例計算

需要設計的系統(tǒng)，工作波段為0.4 ～0.7 μm，焦距27 mm，視場(物高)為6 mm。傳像束實際上是利用單根光纖的傳光來達到其傳像目的。因此，為了保證軸上物點和軸外物點的全部成像光束都能進入傳像束中傳播，前置光學物鏡一般設計成像方遠心光路［9］。為了保證光束銜接的匹配，耦接器也應設計成物方遠心光路。根據(jù)使用要求，傳像束出射圖像與CCD 光敏面之間一般要求接近1 ∶1 耦合，因此耦接CCD 的光學系統(tǒng)一般采用雙高斯結構，一種典型的采用物方遠心設計的雙高斯光學耦接系統(tǒng)如圖1 所示。設計時首先將圖1 中的雙膠合透鏡由一個折－衍單透鏡代替，單透鏡選擇平凸基底結構形式，以使得初始的基底像差最小［8，10］。只選一個面為衍射面，這樣可以使系統(tǒng)具有較高的光能利用率，且雜散光較少，對于克服“鬼像”和提高像質(zhì)十分有利［11］。根據(jù)2.1 節(jié)討論的設計方法，可以確定衍射面初始相位系數(shù)A1、A2的值，從而得到折－衍單透鏡的初始結構形式。采用ZEMAX 光學設計軟件進行優(yōu)化，得到了最終的設計結果。折－衍混合系統(tǒng)的結構示意圖如圖2 所示，光闌后第一個透鏡的后表面是衍射光學面。折－衍混合耦接系統(tǒng)中，設計時ZEMAX 軟件中歸一化的半徑為3 mm，衍射面的實際半徑為2.4 mm。最終優(yōu)化得到衍射面的A1和A2分別為－345.418 和166.383，衍射面的面型曲線如圖3 所示。由圖3 可知，總的環(huán)帶數(shù)為24，衍射面的最高周期頻率為14 cycles/mm，對應最小周期線寬為70 μm，為獲得接近95%的衍射效率，刻蝕臺階數(shù)為8，對應最小特征尺寸為8.8 μm，現(xiàn)有的制作工藝可以制作這個衍射面。最終得到的折－衍混合耦接系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的雙高斯耦接光學系統(tǒng)比較，長度減小3%，光學外徑減小11%，鏡片重量減輕了69%，具體的數(shù)據(jù)見表1。軸上、0.5視場、邊緣視場的彌散斑半徑分別減小了57%、39%、23%;軸上視場光學傳遞函數(shù)提高了47%，0.5 視場的子午、弧矢傳遞函數(shù)分別提高了48%和41%;0.7 視場的子午、弧矢傳遞函數(shù)分別提高了53%和13%，邊緣視場的子午傳遞函數(shù)提高了24%，因此成像質(zhì)量得到了很大程度的提高。具體的數(shù)據(jù)見表2。

表1 傳統(tǒng)雙高斯耦接系統(tǒng)、折－衍混合系統(tǒng)在體積和重量方面的比較

表2 傳統(tǒng)雙高斯耦接系統(tǒng)、折－衍混合光學系統(tǒng)在成像質(zhì)量方面的比較

2 實驗和分析

實驗裝置的示意圖如圖4 所示。成像物鏡選擇了一個“反遠距”結構的鏡頭，由于這種結構鏡頭的前組為負組，因此軸外光束通過前組發(fā)散透鏡后，與光軸的傾斜角大大減小，可以認為滿足像方遠心要求。大截面光纖傳像束單絲直徑16 μm，采用六角形序排列，根據(jù)奈奎斯特定理，其極限分辨率為34 lp/mm。物鏡焦距5 mm，入瞳口徑1.3 mm，視場角為60°。在34 lp/mm 空間頻率處，各個視場的MTF 值均大于0.8，成像質(zhì)量優(yōu)良。耦接器分別采用了本文設計的折－衍混合光學耦接器和傳統(tǒng)的雙高斯耦接器。

圖4 成像實驗裝置示意圖

通過WAT-535EX 型工業(yè)用黑白攝像頭和圖像采集卡，進行了室內(nèi)外成像實驗，攝像頭上的CCD 有效光敏面尺寸4.9 mm×3.6 mm(對角線6 mm)。通過折－衍混合光學耦接器獲得的成像效果如圖5，圖6 所示。仔細觀察，傳像束的網(wǎng)格雖然依稀可見，但圖像總體比較清晰，無論是軸上點，還是視場邊緣，都有比較好的成像質(zhì)量，像面照度均勻，沒有發(fā)現(xiàn)攔光現(xiàn)象。

4 結 語

在光纖傳像束光學耦接器中引入衍射面，考慮到現(xiàn)有的工藝制作水平，設計了含有一個衍射面的折－衍混合光學耦接器。與傳統(tǒng)的雙高斯光學耦接器進行的比較表明，衍射光學的引入使得光學耦接器顯著地減少了外觀尺寸和重量，并且提高了成像質(zhì)量。進行了實際景物的成像實驗，實驗結果表明，仿真計算的結果能夠很好的和實驗吻合。

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