打破传统的透镜设计规则

消色差透镜是最常用的光学组件之一。长期以来，它们都是由两个透镜部分粘接而成，以修正色像差，并将至少两种波长的光汇聚到同一个焦点。单一材料非球面消色差透镜是新型透镜，它会打破既定规则，运用独特的几何结构（而不是多种材料）来实现消色差。与传统的消色差透镜相比，它们的带宽更宽，没有多种材料之间的热膨胀系数 (CTE) 差异，并与高功率激光兼容，因为不需要使用粘接剂来粘接多种材料。

规则就是用来打破的

消色差透镜通常由以下两个透镜部分粘接而成：低折射率的凸形冕玻璃部分和高折射率的凹形燧石玻璃部分。单一材料非球面消色差透镜通过复杂的创新型非球面几何结构消除了对多种材料的使用需求 (图 1)。

图 1： MATLAB 中单一材料非球面消色差透镜的布局。只展示了一半的透镜光圈。

设计和优化这些透镜需要开发定制的光学设计代码，因为现有的光学设计程序（例如 Zemax OpticStudio® 和 Synopsis’ Code V）不具备对这些复杂的非球面表面进行定义的功能。定制 MATLAB 代码可避开普遍接受的非球面表面数学表述方式的约束，因此具有更高的设计自由度。我们发布的 SPIE LASE 2020 会议论文集中提供了有关定制代码开发的更多详细信息。¹

单一材料非球面消色差透镜的优点

单一材料非球面消色差透镜较传统的多种材料消色差透镜具有更多优点。最大限度减小色差焦点偏移是消色差透镜的特定难题，因为通常希望将多个波长的光聚焦在光轴上的单一点，使其他带内波长的色差传播最小。图 2 比较了单一材料消色差透镜和同等传统双合透镜的标称色差焦点偏移，揭示出单一材料消色差透镜在轴上的性能显著优于传统的双合透镜。

图 2： 100mm 焦距、0.097 NA 的单一材料消色差透镜具有 10µm 的标称色差焦点偏移，而 100mm 焦距、0.013 NA 的消色差双合透镜 (#32-327) 的标称色差焦点偏移为 200µm，前者较后者好 20 倍。

与传统的多种材料消色差透镜相比，单一材料消色差透镜与高功率激光兼容，这主要是因为不需要使用光学粘接剂来粘接不同材料。粘接剂的激光损伤阈值通常会限制传统消色差双合透镜的激光损伤阈值。²

没有粘接剂也会使单一材料消色差透镜的热稳定性更高，因为不存在多种材料之间的 CTE 差异。在传统的消色差双合透镜中，冕玻璃和燧石玻璃之间的 CTE 差异可能会导致热感应应力和散焦。

制造难题

单一材料消色差透镜具有独特的几何结构，因此其制造难度较其它许多光学组件更高。爱特蒙特光学® 已采用金刚石车削的方式使用 Zeonex E48R（一种常用的光学塑料）来制造单一材料消色差透镜，也可以使用其它材料（包括锗和硅）进行金刚石车削。

必须通过金刚石车削的方式（而不是传统的研磨和抛光）制造这些透镜，以形成所需的几何结构。需要采用某种迭代对前表面和后表面之间的对齐进行精细调整。实现这一点的方式是通过轮廓测量数据的反馈回路，以及金刚石车削基准的运动学位置（包括平坦环形区和外部直径）。¹

测试真实性能

为了评估所制造单一材料消色差透镜的性能与其标称性能的接近程度，我们使用 Optikos MTF 测试台和一系列 10nm 带宽光学滤光片，通过测量 450-650nm 范围内不同波长的最佳焦点位置，确定了 18 个样品透镜的色差焦点偏移，如图 2所示。SPIE LASE 2020 会议论文集中提供了该测试的完整详细信息。¹

18 个单一材料非球面消色差透镜样品的色差焦点偏移值的范围是 49 到 75µm。作为参照，我们使用完全相同的方法对图 2 中的同等消色差双合透镜进行了测量，其色差焦点偏移大约为 210µm。虽然单一材料消色差透镜因制造公差而导致其性能稍低于标称性能，但是显著优于传统的消色差双合透镜，其性能较后者好三倍 (图 3)。

图 3： 在 18 个不同的单一材料消色差透镜和传统消色差双合透镜之间对测量的色差焦点偏移进行比较，结果显示单一材料消色差透镜具有小得多的色差焦点偏移