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    緊湊型橫向變焦系統(tǒng)關(guān)鍵器件的設(shè)計(jì)方法與功能驗(yàn)證*

    2020-02-06 01:23:30張勇飛賈丹陽(yáng)楊大海王逸群
    飛控與探測(cè) 2020年6期
    關(guān)鍵詞:變焦焦距光斑

    張勇飛,賈丹陽(yáng),楊大海,王逸群

    (1.上海航天控制技術(shù)研究所·上?!?01109; 2.成都飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司·成都·610000; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院·哈爾濱·150001; 4.中國(guó)科學(xué)院 蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所·蘇州·215123)

    0 引 言

    光學(xué)變焦系統(tǒng)在儀器和成像系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用,包括目標(biāo)檢測(cè)、視頻監(jiān)控、武器制導(dǎo)等諸多領(lǐng)域[1-3]。光學(xué)變焦系統(tǒng)是指一種焦距可在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化,而在變焦過(guò)程中可保持像面不動(dòng)且成像質(zhì)量良好的光學(xué)系統(tǒng)[4]。較之于定焦光學(xué)系統(tǒng),變焦系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于焦距可連續(xù)任意調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同距離的物體成像,大大簡(jiǎn)化了光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

    近年來(lái),隨著光學(xué)系統(tǒng)的不斷發(fā)展,變焦鏡頭在很多領(lǐng)域得以應(yīng)用,如智能手機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality,VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Augmented Reality,AR)等新型應(yīng)用場(chǎng)景。消費(fèi)級(jí)光電子領(lǐng)域不僅要求光學(xué)變焦系統(tǒng)具有良好的變焦范圍和成像效果,而且對(duì)其尺寸和質(zhì)量也提出了更高的要求。因此,在不斷擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)變焦范圍、提高成像質(zhì)量的同時(shí),致力于減小系統(tǒng)尺寸、質(zhì)量和系統(tǒng)的復(fù)雜性,逐漸成為當(dāng)下新型光學(xué)變焦系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。因此,對(duì)緊湊型變焦系統(tǒng)的關(guān)鍵器件進(jìn)行研究有著重要實(shí)際意義[5-6]。目前,變焦系統(tǒng)方案大致可分為三類(lèi):①基于鏡組中透鏡間相對(duì)位置的縱向調(diào)節(jié)方式(簡(jiǎn)稱(chēng)縱向變焦);②基于鏡組中透鏡自身焦距改變;③基于橫向位移實(shí)現(xiàn)焦距變化的變焦系統(tǒng)??v向變焦方案有著悠久的發(fā)展歷史,最早可以追溯至1834年英國(guó)工程師彼得巴洛(Peter Barlow)提出的巴洛透鏡。它通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)多個(gè)光學(xué)元件之間的縱向間隔,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變焦功能[7]。但是,縱向變焦系統(tǒng)和可調(diào)透鏡存在體積大、成本高、變焦速度慢等缺點(diǎn),系統(tǒng)的靈活性受到了限制[8-11]。而在橫向位移變焦系統(tǒng)中,當(dāng)透鏡組垂直于光軸進(jìn)行橫向移動(dòng)時(shí),焦距將隨位移產(chǎn)生變化[12]。

    橫向變焦器件最早出現(xiàn)于1967年,Luis W. Alvarez在發(fā)表的專(zhuān)利中提出了用于眼科醫(yī)學(xué)的變焦鏡組。該變焦鏡組由一對(duì)共軛、旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱(chēng)的自由曲面透鏡構(gòu)成,透鏡一側(cè)為平面,另一側(cè)為特定的三次曲面[12]。2000年,Ian M. Barton等人首次利用衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)了橫向變焦,可以通過(guò)移動(dòng)衍射透鏡來(lái)產(chǎn)生任意的焦點(diǎn)。自此,各種基于橫向變焦概念的光學(xué)器件或系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)[13]。2012年,Paul等人利用金剛石加工的方法成功制作了用于橫向變焦的紅外透鏡,并演示了其在中紅外波段的聚焦效果。該裝置的聚焦變化范圍約為40mm~170mm,通過(guò)成像試驗(yàn)得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[14]。2013年,Guangya Zhou等人實(shí)現(xiàn)了一種基于橫向變焦原理的集成可變焦透鏡,可以實(shí)現(xiàn)焦距超過(guò)1.5倍的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),焦距范圍為3mm~4.65mm[15]。2017年,Alan Zhan等人提出了一種工作在可見(jiàn)波段的氮化硅超表面橫向變焦器件,器件孔徑為1cm,工作波長(zhǎng)為1550nm,并證明了焦距的非線(xiàn)性變化。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該器件的聚焦效率高達(dá)57%,焦距變化范圍超過(guò)6cm,其超表面透鏡具有4倍變焦成像功能[16]。在2018年,侯昌倫等人設(shè)計(jì)并研制了一套3倍光學(xué)變焦系統(tǒng),其焦距為34.5mm~103.5mm,他們認(rèn)為該變焦鏡頭可能在未來(lái)替代傳統(tǒng)變焦鏡頭,特別是在一些存在空間約束的應(yīng)用場(chǎng)景,如手機(jī)攝像模塊等[17]。

    本文從橫向變焦的基本原理出發(fā),結(jié)合衍射光學(xué)元件獨(dú)有的結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn),提出了一種新型橫向變焦疊加相位型衍射元件。根據(jù)設(shè)計(jì)的器件特性,利用標(biāo)量衍射理論作為器件設(shè)計(jì)模型和焦場(chǎng)分析模型,對(duì)器件的聚焦性能與變焦能力進(jìn)行了分析,并利用空間光調(diào)制器驗(yàn)證了其橫向調(diào)制變焦的能力。

    1 橫向變焦原理

    橫向變焦由兩片面型互補(bǔ)的自由曲面透鏡組成,其中單個(gè)透鏡的一側(cè)表面為平面,另一側(cè)表面為三次曲面,透鏡組中的一片透鏡相對(duì)另一個(gè)反向放置,并且垂直于光軸排布。橫向變焦系統(tǒng)的組成與基本原理如圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)所示,其中S1、S2代表兩塊透鏡,紅色箭頭表示光傳播的方向。當(dāng)S1、S2兩者對(duì)齊放置時(shí),兩個(gè)透鏡是互補(bǔ)的,光相當(dāng)于通過(guò)了一層平行平板,沒(méi)有調(diào)制作用;當(dāng)兩者同時(shí)向相反方向進(jìn)行橫向運(yùn)動(dòng)對(duì)稱(chēng)平移時(shí),入射光經(jīng)過(guò)透鏡的重疊部分,其調(diào)制作用相當(dāng)于凹透鏡,如圖1(b)所示,或其調(diào)制作用相當(dāng)于凸透鏡,如圖1(c)所示,而出射光束會(huì)隨重疊區(qū)域的變化而呈現(xiàn)發(fā)散或者匯聚。

    (a)無(wú)調(diào)制效果

    (b)發(fā)散調(diào)制作用

    (c)匯聚調(diào)制作用圖1 橫向變焦原理圖Fig.1 Schematic of lateral zoom principle

    由于S1和S2面型互補(bǔ),它們的相位調(diào)制函數(shù)φ1,2(x,y)可表達(dá)為共軛形式

    (1)

    其中,(x,y)為直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值;±表示互補(bǔ)的共軛相位;A表示變焦調(diào)制系數(shù)。A的數(shù)值大小決定了焦距的調(diào)節(jié)能力,數(shù)值越大,在相同的移動(dòng)范圍內(nèi),焦距變化越大,反之越小。假設(shè)S1和S2分別沿橫軸平移,當(dāng)兩者分別從中心位置運(yùn)動(dòng)了距離d時(shí),此時(shí)兩者重疊部分的相位疊加,可以得到重疊部分的相位分布為φ

    (2)

    公式(2)經(jīng)整理可得

    φ=-2Adr2-φ0

    (3)

    (4)

    (5)

    其中,λ表示入射光波長(zhǎng),f表示透鏡組的焦距。由焦距表達(dá)式可以看出,焦距是隨d變化的,d是透鏡在x軸正方向的位移量,符號(hào)僅代表運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)d>0時(shí),出射光線(xiàn)發(fā)散;相反,當(dāng)d<0時(shí),出射光線(xiàn)匯聚。焦距的大小則由系數(shù)A和d決定。

    2 橫向變焦衍射光學(xué)器件設(shè)計(jì)與仿真分析

    2.1 橫向變焦衍射光學(xué)器件設(shè)計(jì)

    在衍射光學(xué)變焦器件的設(shè)計(jì)前,需要綜合考慮器件原理和實(shí)際需求,從而確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。首先,本文中系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)為632.8nm。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)確定器件的面型尺寸和通光孔徑大小,本文選定的變焦器件尺寸為10mm×10mm,孔徑為直徑為5mm的圓孔。為了保證器件兩者在通光部分一直有重疊部分,單一器件橫向平移范圍為距離光軸0~2.5mm。

    同時(shí),設(shè)定最小采樣點(diǎn)尺寸為2μm,根據(jù)橫向變焦的設(shè)計(jì)原理,調(diào)制系數(shù)A的最大取值為6.2832×1010m-3。為了避免在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)出現(xiàn)采樣不足的現(xiàn)象,設(shè)定值需要設(shè)定為最大值的一半,取A為3.808×1010m-3。在理論上,當(dāng)器件無(wú)位移時(shí),系統(tǒng)的焦距可以無(wú)窮大,但考慮到聚焦效率,所以變焦器件的最小位移量需要設(shè)定為0.5mm。由公式(5)可得,系統(tǒng)的變焦范圍為30~150mm,可實(shí)現(xiàn)5倍變焦。表1所示為橫向變焦衍射光學(xué)器件的總體設(shè)計(jì)參數(shù)。

    表1 橫向變焦衍射元件的總體設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Overall design parameters of lateral zoom diffractive element

    通過(guò)將相位分布轉(zhuǎn)化為光程差的公式φ/2π可知,該橫向變焦器件的最大光程差為設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的1756倍。若通過(guò)折射透鏡實(shí)現(xiàn)該位相函數(shù),器件在最厚處可達(dá)厘米級(jí),不具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值;衍射光學(xué)元件具有輕量化和緊湊性的性質(zhì),通過(guò)對(duì)橫向調(diào)制變焦透鏡進(jìn)行扁平化處理,其厚度會(huì)大大降低,可以適用于小型化的應(yīng)用場(chǎng)景。波帶片型衍射光學(xué)元件通過(guò)將連續(xù)的相位進(jìn)行量化,轉(zhuǎn)化為波帶片環(huán)帶的浮雕輪廓面型參數(shù),可實(shí)現(xiàn)透鏡的小型化。本文選擇了兩臺(tái)階化的相位型衍射元件來(lái)設(shè)計(jì)橫向變焦關(guān)鍵器件。具體設(shè)計(jì)步驟如下:

    (1)首先,設(shè)置器件的設(shè)計(jì)參數(shù),如工作波長(zhǎng)為632.8nm,系數(shù)A為3.81×1010m-3,橫向運(yùn)動(dòng)范圍為0.5~2.5mm,焦距滿(mǎn)足公式(5)。

    (2)根據(jù)采樣公式計(jì)算合適的采樣間隔,設(shè)定單位尺寸為2μm×2μm,器件的尺寸為10mm×10mm,生成并初始化5000×5000的二維網(wǎng)格以存儲(chǔ)器件面型信息。然后,設(shè)置輸入平面的初始相位值φ。

    (4)在后續(xù)分析中,可以通過(guò)改變重疊網(wǎng)格部分實(shí)現(xiàn)器件的橫向平移。采用標(biāo)量衍射積分公式,可對(duì)衍射光場(chǎng)的焦距、焦點(diǎn)的橫向半高寬等特性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

    根據(jù)以上分析,設(shè)計(jì)了如圖2所示的橫向變焦衍射元件。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示,圖2(a)為單一器件的相位分布圖,圖2(b)~圖2(d)分別表示移動(dòng)距離為d=0.5mm、1mm、2mm時(shí),橫向變焦波帶型衍射元件的相位分布示意圖。

    (b)d=0.5mm的橫向變焦 器件相位分布

    (c)d=1mm的橫向變焦 器件相位分布

    (d)d=1.5mm的橫向變焦 器件相位分布

    (e)d=2mm的橫向變焦 器件相位分布

    (f)d=2.5mm的橫向變焦 器件相位分布

    圖2 橫向變焦波帶相位型衍射元件相位分布圖

    2.2 橫向變焦衍射光學(xué)器件仿真分析

    為了驗(yàn)證上述波帶片型變焦組件的變焦性能,本文分別對(duì)平移距離為0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm的疊加組合變焦器件進(jìn)行了仿真分析,利用菲涅爾衍射積分公式,分別計(jì)算了d為0.5mm、1.5mm、2.5mm時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦光斑,如圖3所示。

    (a)d=0.5mm的橫向變焦 器件遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦光斑

    (b)d=1.5mm的橫向變焦 器件遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦光斑

    (c)d=2.5mm的橫向變焦 器件遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦光斑

    (d)d=0.5mm的橫向光強(qiáng) 分布曲線(xiàn)

    (e)d=1.5mm的橫向光強(qiáng) 分布曲線(xiàn)

    (f)d=2.5mm的橫向光強(qiáng) 分布曲線(xiàn)

    從圖3的仿真結(jié)果可以看到橫向變焦器件在不同的疊加移動(dòng)距離d下,均能夠很好地實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的聚焦,光斑質(zhì)量良好。圖3(a)~圖3(c)分別為d=0.5mm、1.5mm、2.5mm的橫向變焦器件遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦光斑的仿真結(jié)果計(jì)算圖。從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),隨著移動(dòng)距離的增大,光斑會(huì)出現(xiàn)明顯的彌散,周?chē)呐园暌矔?huì)越來(lái)越大。在圖3(d)~圖3(f)的光斑一維橫向截面的光強(qiáng)分布曲線(xiàn)中,也可以看到光斑的半徑明顯變大,周?chē)呐园暌沧兇蟆榱烁玫卣f(shuō)明光斑的質(zhì)量,表2對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)。

    表2 光斑質(zhì)量分析數(shù)據(jù)Tab.2 Spot quality analysis data 單位:μm

    如表2所示,在不同的移動(dòng)距離d下,光斑的橫向半高寬會(huì)明顯變大,與圖3的結(jié)果對(duì)應(yīng)一致。但是,其總的橫向半高寬大小接近衍射極限的理論計(jì)算值,這說(shuō)明光斑的聚焦效果良好,能夠很好地實(shí)現(xiàn)聚焦。從焦深的理論計(jì)算和仿真數(shù)據(jù)中可以看到,其變焦器件可以達(dá)到5倍變焦的效果。

    3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

    為了更好地驗(yàn)證本文提出的變焦器件的功能,本文設(shè)計(jì)了基于空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator, SLM)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)??赏ㄟ^(guò)液晶空間光調(diào)制器,直接加載經(jīng)過(guò)橫向平移疊加設(shè)計(jì)的變焦衍射元件,來(lái)驗(yàn)證其變焦性質(zhì)。通過(guò)對(duì)平移量的調(diào)整,可以模擬變焦器件橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)重疊區(qū)域相位變化的情況,進(jìn)而對(duì)入射光束進(jìn)行相位調(diào)制,驗(yàn)證變焦器件的光學(xué)變焦效果。圖4所示為搭建的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)。圖4(a)為光路調(diào)制的示意圖,圖4(b)為對(duì)應(yīng)的實(shí)際光路系統(tǒng)。由于在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)室光學(xué)平臺(tái)的長(zhǎng)度有限,所以本文中的光路選擇了如圖4(b)所示的反射光路。為了達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果,在實(shí)際光路系統(tǒng)中,進(jìn)行了多次小孔濾波,使得雜散光盡可能減少。圖4(b)中對(duì)應(yīng)的序號(hào),為實(shí)際光路系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的光學(xué)元件。在光路中,為了實(shí)現(xiàn)更好的對(duì)準(zhǔn),擴(kuò)束準(zhǔn)直器的物鏡被搭載在具有五維調(diào)節(jié)能力的調(diào)節(jié)架上。其數(shù)值孔徑NA為0.5,放大倍率為30,這樣能使擴(kuò)束準(zhǔn)直的光波恰好入射到空間光調(diào)制器的中心。

    (a)

    (b) ?計(jì)算機(jī)(控制SLM與CCD);①光學(xué)導(dǎo)軌;②632.8nm的He-Ne激光器;③小孔光闌;④/⑤反射鏡;⑥擴(kuò)束準(zhǔn)直器(小孔、物鏡、透鏡、小孔);⑦空間光調(diào)制器(SLM);⑧光強(qiáng)衰減鏡;⑨相機(jī)(CCD)圖4 橫向變焦波帶相位型衍射元件聚焦驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Experimental device of lateral zoom band phase diffraction element

    在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置圖4中,各個(gè)器件的組成與功能分別是:光源為He-Ne激光器,型號(hào)為Meller Gright25-LHP-925-230,波長(zhǎng)為632.8nm,線(xiàn)偏振輸出,最大輸出功率30mW,輸出光強(qiáng)分布呈近高斯分布。激光器出射的高斯光,經(jīng)過(guò)一個(gè)擴(kuò)束準(zhǔn)直器后調(diào)制成一個(gè)近平面波。通過(guò)小孔光闌進(jìn)行雜散光的濾波,出射光場(chǎng)入射到透過(guò)式空間光調(diào)制器??臻g光調(diào)制器的型號(hào)為Real Light-SLM-T1,振幅兼相位調(diào)制型,液晶面尺寸為18.6mm×14.5mm,液晶像元大小為12.8μm??臻g光調(diào)制器通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)加載如圖2所示的橫向變焦調(diào)制相位。經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器加載的相位調(diào)制后,聚焦光斑在CCD上被接受。CCD相機(jī)型號(hào)為DaHeng Galaxy viewer,單個(gè)像素間距為3.45μm,像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為2456×2058,光譜響應(yīng)范圍為400nm~1000nm。為了不讓CCD過(guò)飽和,在其前面加載了一個(gè)光強(qiáng)衰減片,所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

    (a)d=0.5mm的橫向變焦聚焦場(chǎng), 焦距f=30mm

    (b)d=1mm的橫向變焦聚焦場(chǎng), 焦距f=37.5mm

    (c)d=1.5mm的橫向變焦聚焦場(chǎng), 焦距f=50mm

    (d)d=2mm的橫向變焦聚焦場(chǎng), 焦距f=75mm

    (e)d=2.5mm的橫向變焦聚焦場(chǎng), 焦距f=150mm

    (f)橫向變焦器件離焦區(qū)域的光場(chǎng)分布

    通過(guò)圖5的實(shí)驗(yàn)聚焦場(chǎng)可以觀(guān)察到,本文提到的橫向變焦波帶相位型衍射元件能夠?qū)崿F(xiàn)良好的聚焦效果,與仿真結(jié)果一致。隨著橫向距離d的變化,聚焦場(chǎng)的焦距發(fā)生了明顯的變化。圖5(a)~圖5(e)分別表示的是隨著變焦器件橫向距離d的變大,聚焦場(chǎng)的光斑會(huì)在不同的聚焦位置形成。從變焦器件疊加相位橫向距離d=0.5mm到d=2.5mm的變化中,聚焦光斑焦距f會(huì)從f=30mm變化到f=150mm,實(shí)現(xiàn)了5倍變焦的效果。圖5(f)顯示的是橫向距離d沒(méi)有變化時(shí),器件是沒(méi)有聚焦效果的,對(duì)應(yīng)圖1(a)的情況。圖5(f)也可以證明只有在橫向距離d的控制下,器件才會(huì)產(chǎn)生聚焦效果。

    4 結(jié) 論

    本文提出了一種可實(shí)現(xiàn)變焦的橫向調(diào)制組合相位型衍射元件。借助相位型波帶片的設(shè)計(jì)方法和線(xiàn)性系統(tǒng)相位可疊加的基本原理,通過(guò)仿真設(shè)計(jì)和空間光調(diào)制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的驗(yàn)證,設(shè)計(jì)的緊湊型橫向變焦關(guān)鍵器件可實(shí)現(xiàn)5倍變焦比的有效調(diào)制。同時(shí),只需要橫向移動(dòng)相位位移,就可實(shí)現(xiàn)大倍數(shù)的變焦,進(jìn)一步可使變焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。其次,衍射元件具有輕薄特性,可以減小系統(tǒng)質(zhì)量,適合手機(jī)的相機(jī)模組、AR圖像耦合等小型化的變焦應(yīng)用場(chǎng)景。在空間光調(diào)制器的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中,空間光調(diào)制器具有多波長(zhǎng)的響應(yīng)特性,本文提到的關(guān)鍵器件的相位設(shè)計(jì)方法和功能同樣在其他波段也適用,例如紅外波段的成像調(diào)焦、X射線(xiàn)波段的醫(yī)學(xué)成像調(diào)焦等。

    總而言之,本文提出的設(shè)計(jì)方法和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為變焦元件的設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路和方法驗(yàn)證。同時(shí),隨著目前集成超構(gòu)表面技術(shù)的發(fā)展,本文提到的緊湊型橫向變焦關(guān)鍵器件的疊加相位,也有望在超構(gòu)表面技術(shù)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)新的突破。

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