消色差单透镜：一种独特的色彩校正方法

消色差透镜 通常由粘合在一起的多个元件组成。 每个元件由不同的材料制成，材料折射率的差异允许消色差校正色焦偏移。 这导致至少两个不同的波长到达共同的焦点。

然而，一种新型镜头正在挑战必须使用多种材料进行色差校正的观念。 消色差单透镜使用独特的非球面几何形状来最大限度地减少色差焦移，并由单一基板制成，打破了消色差透镜设计的传统规则（见图 1）。 与传统胶合消色差透镜相比，它们具有多种优势，包括在更宽的波长范围内进行校正，由于不同基材之间的热膨胀系数没有差异而具有更高的热稳定性，以及由于设计是无胶合剂而提高了与高功率激光器的兼容性。

创建自定义光线追踪算法

等现有光学设计软件 Zemax OpticStudio、Synopsys CODE V 为设计和优化非球面光学表面提供了解决方案。 然而，它们变化的表面参数通常受到 的 之一的限制 常用于表征非球面 多项式方程 ，例如：

在哪里：

Z = 平行于光轴测量的表面垂度

s = 到光轴的径向距离

C = 曲率，或半径的倒数

k = 圆锥常数

A 4 , A 6 , A 8 …= 4th, 6th, 8th … 阶非球面系数

这些方程对于设计某些类型的非球面很有用，但它们本质上限制了非球面设计的解空间。 当不限于一组非球面系数时，可以找到新的设计解决方案。 事实上，表面上的每个点都可以变化，不受传统多项式表示的任意约束的限制。 在 Matlab 中创建了一种新的光线追踪算法，以改变光学组件上的离散局部表面斜率，使其超出多项式表示中可能的形状，同时仍然可以实际制造。 1

但是，这个自定义代码肯定有一些限制。 开放解决方案空间使得准确分析多个元素、更高级别的像差、现场性能和制造公差变得更加复杂。 一旦在 Matlab 中创建了一个有前途的解决方案，它就会在 Zemax OpticStudio 中进行分析，以便在进行原型设计之前进行更全面的评估。

标称性能

定制的光线追踪代码产生了一种消色差单透镜设计，其标称性能表明与传统的多材料消色差透镜相比具有许多优势。 消色差单线态的两个表面在某种程度上相互镜像，并平衡了在每个单独表面上经历的色散。 一个表面在轴上具有一个具有无限小的曲率半径的不连续点。 此功能在实际制造时会有一定程度的曲率，从而引入一些杂散光。 然而，对于大多数应用来说，这种影响可以忽略不计，因为不连续区域是全孔径区域的一小部分。

消色差单线态在很宽的波长范围内显示出显着减少的色焦偏移。 对于 450 至 650 nm 的波长范围，对于 100 mm 焦距、0.097 数值孔径 (NA) 的单材料消色差透镜，观察到 10 µm 的标称色焦偏移（见图 2）。 1 与可比的 100 mm 焦距、0.013 NA 消色差双合透镜的 200 µm 标称色度焦移相比，这是 20 倍的改进。 两个镜头的通光孔径均为 25 毫米。

图 2. 消色差单合透镜的标称性能显示，与可比较的传统消色差双合透镜相比，色焦偏移减少了 20 倍。

制造消色差单线态

与其他光学元件相比，消色差单峰的不连续性和其他独特的几何形状带来了一些制造挑战。 金刚石车削 为制造这些镜片提供了解决方案。 Matlab 将表面参数转换为可由 Moore Nanotech 250 UPL 金刚石车床读取的格式。 Talysurf 轮廓测量数据和基准结构的运动学位置允许进行一些迭代以对齐前表面和后表面。 平面基准结构大大简化了对齐。 1 镜片由 Zeonex E48R 基材金刚石车削而成（见图 3）。

（爱特蒙特光学提供）

图 3. 消色差单透镜由 Zeonex E48R 金刚石车削而成，Zeonex E48R 是一种具有高透射率和低双折射特性的塑料。

实际性能

评估镜头的主要性能指标是色焦偏移。 消色差单透镜的标称性能是有希望的，但实际镜头是否仍能胜过传统消色差透镜？ 通过使用分辨率为 40 lp/mm 的 Optikos 调制传递函数 (MTF) 测试台和五个不同的 10 nm 带通滤波器来制造和评估十八个消色差单峰，以测量不同波长下的最佳焦点位置。 测量透镜的波长范围为 450 至 650 nm。 虽然 MTF 通常用于评估成像镜头而不是消色差镜，但 MTF 可用于通过找到最小光斑尺寸来定位最佳焦点。

滤光片的中心波长为 450、500、550、600 和 650 nm。 卤素灯泡发出的光通过滤光片到达针孔，针孔发出的光被准直并通过被测透镜。 镜头的点扩散功能由焦平面上的显微镜中继成像器捕获。 然后使用该数据来确定镜头的 MTF。 甲 ž 轴阶段翻译成像器向上和向下的光轴，以获得通过焦点的 MTF 的测量。 使用 MTF 最佳的点来确定每个波长的最佳焦点位置，从而揭示色焦偏移。

测得的 18 个消色差单线态样品的色焦偏移从 49 到 75 µm 不等（见图 4）。 1 这比传统消色差双合透镜的性能好三倍，后者在使用相同方法测试时色焦偏移约为 210 µm。 虽然制造公差导致性能低于标称设计，但消色差单峰仍然明显优于双峰。

图 4. 测量由 18 个不同消色差单透镜组成的样品组的色焦位移显示，它们的轴向性能明显优于具有相同基本规格的传统消色差双合透镜。

实验结果表明，使用单一光学材料可以实现宽带消色差性能，打破了消色差透镜设计的假设规则。 胶合双合或三合消色差透镜在光学系统中极为常见，其中一些可能在未来几年开始被消色差单透镜取代。 消色差单线态的独特几何形状提供了强大的色彩校正，而不会出现热性能不匹配的情况，并降低了 激光诱导损伤阈值 (LIDT) 与将多种材料粘合在一起相关的 。 消色差单线态在宽带聚焦应用中很有前景，特别是在使用高功率或不需要光学胶的紫外线系统中。

参考

1. J. Bagwell、C. Hebert 和 N. Carlie， Proc。 SPIE , 11261, 1126110 (2020 年 2 月 21 日)； https://doi.org/10.1117/12.2541451 。 https://www.laserfocusworld.com/optics/article/14195950/achromatic-singlet-lenses-a-unique-approach-to-chromatic-correction