张晓光，杨 槐，李东源

(1.北京科技大学 材料科学与工程学院，北京 100083;2.东北电子技术研究所，辽宁锦州 121000)

0 引 言

传像光纤束(简称传像束)与传统的光学成像器件相比:具有传像特性优良，使用空间自由度大、重量轻、易实现复杂空间结构的图像传递，能够优化光路设计，可以在强电磁干扰、高温有腐蚀的场合工作等优点，被广泛应用于医学、工业、科研和军事等众多领域［1～3］。

典型的传像束光学系统主要包括工业或医用内窥镜，由前置物镜，传像束和目镜(耦接器)等组成。一般通过光学物镜把目标成像于传像束的一个端面上，出射图像通过目镜(耦接器)，供人眼直接观察或者耦接CCD 监视［2，3］。随着CCD 成像技术和大截面光纤传像束技术的发展，对传像束光学系统的成像质量、传光特性和体积重量提出了更高的要求，传统的设计已经不能满足要求，必须对光学系统进行优化设计［2，4］。

1 理论设计与数值计算

1.1 设计原理

自20 世纪80 年代美国麻省理工学院林肯实验室提出二元光学的概念后，衍射光学在国际上得到迅速发展，并且应用于光学成像领域［5］。在成像系统中，衍射光学元件与传统的折射、反射元件混合使用，综合平衡，给系统的设计引入了新的自由度，为提高系统性能、简化系统结构、减轻系统重量提供了新的可能性［6，7］。考虑到国内衍射透镜加工工艺条件的限制，可以采用带有衍射面的单透镜来代替双胶合透镜，构成折－ 衍混合耦接镜系统。

通常设旋转对称二元光学衍射面的相位函数为

式中，r 为衍射面的径向坐标;λ 为波长;A1、A2、A3…为衍射面相位系数。若对于波长为λ，衍射级次为m(不特别指明，一般取m =1)设计衍射光学器件，则相位函数中的二次相位系数A1由傍轴光焦度φ决定

因A1是与λ 成正比的系数，故设计A1值可消色差。一般通过适当的光焦度分配来实现。

折衍混合器件消球差则可得［8］

由式(3)可以确定四次相位系数A2的初始取值，上式中，Φref为透镜折射面的光焦度，n 为折射率，y 为物像高。式(3)中所有符号意义均遵循维尔福德(Welford)的约定［8］。

1.2 实例计算

需要设计的系统，工作波段为0.4 ～0.7 μm，焦距27 mm，视场(物高)为6 mm。传像束实际上是利用单根光纤的传光来达到其传像目的。因此，为了保证轴上物点和轴外物点的全部成像光束都能进入传像束中传播，前置光学物镜一般设计成像方远心光路［9］。为了保证光束衔接的匹配，耦接器也应设计成物方远心光路。根据使用要求，传像束出射图像与CCD 光敏面之间一般要求接近1 ∶1 耦合，因此耦接CCD 的光学系统一般采用双高斯结构，一种典型的采用物方远心设计的双高斯光学耦接系统如图1 所示。设计时首先将图1 中的双胶合透镜由一个折－衍单透镜代替，单透镜选择平凸基底结构形式，以使得初始的基底像差最小［8，10］。只选一个面为衍射面，这样可以使系统具有较高的光能利用率，且杂散光较少，对于克服“鬼像”和提高像质十分有利［11］。根据2.1 节讨论的设计方法，可以确定衍射面初始相位系数A1、A2的值，从而得到折－衍单透镜的初始结构形式。采用ZEMAX 光学设计软件进行优化，得到了最终的设计结果。折－衍混合系统的结构示意图如图2 所示，光阑后第一个透镜的后表面是衍射光学面。折－衍混合耦接系统中，设计时ZEMAX 软件中归一化的半径为3 mm，衍射面的实际半径为2.4 mm。最终优化得到衍射面的A1和A2分别为－345.418 和166.383，衍射面的面型曲线如图3 所示。由图3 可知，总的环带数为24，衍射面的最高周期频率为14 cycles/mm，对应最小周期线宽为70 μm，为获得接近95%的衍射效率，刻蚀台阶数为8，对应最小特征尺寸为8.8 μm，现有的制作工艺可以制作这个衍射面。最终得到的折－衍混合耦接系统，与传统的双高斯耦接光学系统比较，长度减小3%，光学外径减小11%，镜片重量减轻了69%，具体的数据见表1。轴上、0.5视场、边缘视场的弥散斑半径分别减小了57%、39%、23%;轴上视场光学传递函数提高了47%，0.5 视场的子午、弧矢传递函数分别提高了48%和41%;0.7 视场的子午、弧矢传递函数分别提高了53%和13%，边缘视场的子午传递函数提高了24%，因此成像质量得到了很大程度的提高。具体的数据见表2。

表1 传统双高斯耦接系统、折－衍混合系统在体积和重量方面的比较

表2 传统双高斯耦接系统、折－衍混合光学系统在成像质量方面的比较

2 实验和分析

实验装置的示意图如图4 所示。成像物镜选择了一个“反远距”结构的镜头，由于这种结构镜头的前组为负组，因此轴外光束通过前组发散透镜后，与光轴的倾斜角大大减小，可以认为满足像方远心要求。大截面光纤传像束单丝直径16 μm，采用六角形序排列，根据奈奎斯特定理，其极限分辨率为34 lp/mm。物镜焦距5 mm，入瞳口径1.3 mm，视场角为60°。在34 lp/mm 空间频率处，各个视场的MTF 值均大于0.8，成像质量优良。耦接器分别采用了本文设计的折－衍混合光学耦接器和传统的双高斯耦接器。

图4 成像实验装置示意图

通过WAT-535EX 型工业用黑白摄像头和图像采集卡，进行了室内外成像实验，摄像头上的CCD 有效光敏面尺寸4.9 mm×3.6 mm(对角线6 mm)。通过折－衍混合光学耦接器获得的成像效果如图5，图6 所示。仔细观察，传像束的网格虽然依稀可见，但图像总体比较清晰，无论是轴上点，还是视场边缘，都有比较好的成像质量，像面照度均匀，没有发现拦光现象。

4 结 语

在光纤传像束光学耦接器中引入衍射面，考虑到现有的工艺制作水平，设计了含有一个衍射面的折－衍混合光学耦接器。与传统的双高斯光学耦接器进行的比较表明，衍射光学的引入使得光学耦接器显著地减少了外观尺寸和重量，并且提高了成像质量。进行了实际景物的成像实验，实验结果表明，仿真计算的结果能够很好的和实验吻合。

［1］黄天智，薛晋生. 传像束光纤在望远瞄准镜中角分辨率的计算方法［J］. 光学技术，2004，30(1):101-103.

［2］KATSUHIRO KOBAYASHI，YUICHI TAKENAGA.Image Fiber Imaging Apparatus:U S，6744957［P］.2004.

［3］徐明泉. 光纤传像束的传光特性表征［J］. 光纤与电缆及其应用技术，1997(5):22-23.

［4］ LIANG CHEN，SUNG KUNG-BIN，REBECCA R RICHARDS-KORTUM，et al.Design of a High-Numerical-Aperture Miniature Microscope Objective for an Endoscopic Fiber Confocal Reflectance Microscope［J］.Applied Optics，2002，41(22):4603-4610.

［5］张慧娟，王肇圻，傅汝廉，等. 折衍混合超广角视场目镜系统的设计［J］. 光学学报，2003，23(1):85-88.

［6］马晶，陈云亮，谭立英，等. 衍射光学元件波分复用角色散特性分析［J］. 中国激光，2005，32(4):532-536.

［7］MISSING M D，MORRIS G M.Diffractive Optics Applied to Eyepiece Design［J］. Applied Optics，1995，34(14):2452-2461.

［8］赵丽萍，邬敏贤. 折衍混合单透镜替代双胶合望远物镜的设计研究［J］. 光学学报，1998，18(2):223-227.

［9］郁道银，谈恒英. 工程光学［M］. 北京:机械工业出版社，2004:156-160.

［10］张轶楠，王肇圻，孙强. 折/衍混合红外物镜的超宽温消热差设计［J］. 中国激光，2005，32(3):311-314.

［11］张慧娟. 用于头盔显示器的折/衍混合全塑料目镜［J］. 中国激光，2005，32(6):856-859.