本發(fā)明涉及紅外成像，特別是涉及一種紅外折超混合鏡頭。

背景技術(shù)：

1、利用紅外波段進行目標(biāo)成像與識別有著非常廣泛的實際應(yīng)用?？梢杂糜谌梭w溫度檢測、民用安防監(jiān)測等領(lǐng)域，也作為制導(dǎo)技術(shù)的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用需求的發(fā)展，對器件的集成化、多功能與智能化有了更大的需求。

2、日益要求在保證成像質(zhì)量的前提下，光學(xué)成像系統(tǒng)可以小型化、輕量化，即成像鏡組體積可以更小、質(zhì)量可以更輕，同時生產(chǎn)成本得到有效控制。其次，與cmos結(jié)構(gòu)兼容和集成化也將是未來光學(xué)成像系統(tǒng)發(fā)展的一大趨勢。雖然利用傳統(tǒng)塊體幾何光學(xué)系統(tǒng)已實現(xiàn)高質(zhì)量成像，但在集成化方向上發(fā)展空間有限，這要求在理論設(shè)計上進行突破。另外，在大口徑大數(shù)值孔徑情況下，對非球面的需求也會提高系統(tǒng)整體成本。隨著研究的深入，折超混合鏡頭也被提出用于實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)小型化、集成化設(shè)計。

3、但在傳統(tǒng)的折超混合設(shè)計中，折射元件也被要求具有多片非球面，這種方案對加工成本要求高，限制了生產(chǎn)應(yīng)用，沒有充分發(fā)揮超構(gòu)透鏡的波前調(diào)制能力。鑒于此，本申請?zhí)峁┮环N新型紅外折超混合鏡頭及設(shè)計方法，在不使用非球面情況下，獲得小型化、成本低的紅外成像光學(xué)系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種紅外折超混合鏡頭。本發(fā)明通過折射球面獲得正色差、衍射面獲得負色差，二者分配光焦度實現(xiàn)色差校正，利用正負光焦度的折射元件承擔(dān)較大光焦度，利用超表面元件矯正剩余的色差及球差，充分發(fā)揮兩種元件的優(yōu)點，在低成本與小型化的技術(shù)要求下，獲得高成像質(zhì)量。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、一種紅外折超混合鏡頭，包括從物面到像面沿光軸方向依次設(shè)置的第一透鏡、光闌、超構(gòu)透鏡和第二透鏡；其中第一透鏡具有負光焦度，第二透鏡具有正光焦度；所述超構(gòu)透鏡包括襯底和排布在襯底上的微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)為孔型結(jié)構(gòu)，位于超構(gòu)透鏡的像側(cè)面，所述微結(jié)構(gòu)在襯底上陣列周期性排布。

4、優(yōu)選的，所述第一透鏡的兩面都為球面，其中物側(cè)面為凹面，像側(cè)面為凸面；所述第二透鏡的物側(cè)面為球面且為凸面，像側(cè)面為平面；超構(gòu)透鏡的物側(cè)面平面，像側(cè)面為衍射面，衍射面具有等群延遲色散特性。

5、優(yōu)選的，所述微結(jié)構(gòu)的相位設(shè)計方法包括如下步驟：

6、s1、構(gòu)建超構(gòu)表面相位輪廓φ的多項式表達式，基于多項式公式，根據(jù)需要設(shè)計所述超構(gòu)表面的相位輪廓，所述超構(gòu)表面相位輪廓φ的多項式表達式如下：

7、

8、式中，超構(gòu)表面的衍射級次為m，最大項數(shù)為n，歸一化半徑為r，多項式各項系數(shù)為ai；

9、s2、調(diào)整微結(jié)構(gòu)的排布周期p和深度h，通過遍歷各微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)d，仿真獲得微結(jié)構(gòu)的相位-波長曲線，其中0.25≤d/p≤0.8，計算微結(jié)構(gòu)在工作波段的群延遲色散特性及微結(jié)構(gòu)的中心波長相位；

10、s3、選擇一組微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)d，使當(dāng)前超構(gòu)透鏡滿足設(shè)計需求，所述設(shè)計需求包括各個微結(jié)構(gòu)的中心波長相位與s1確定的相位輪廓一致，且各個微結(jié)構(gòu)的群延遲色散特性相等；若無法使微結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計需求，返回s2進行微結(jié)構(gòu)周期和深度的調(diào)整；重復(fù)s2，直到當(dāng)前超構(gòu)透鏡滿足設(shè)計需求；

11、s4、根據(jù)加工設(shè)備的加工精度，判斷當(dāng)前微結(jié)構(gòu)設(shè)計是否能夠加工，若判定微結(jié)構(gòu)無法加工，則返回s2，更改微結(jié)構(gòu)參數(shù)，重復(fù)s2-s3，直到確認微結(jié)構(gòu)能夠被加工。

12、采用上述技術(shù)方案的有益效果是：

13、本發(fā)明采用兩片折射球面鏡和一片超構(gòu)透鏡實現(xiàn)了輕量化的大視場角大數(shù)值孔徑紅外成像系統(tǒng)；利用超透鏡溫度不敏感的特性，具有消熱差效果；本發(fā)明無非球面透鏡且透鏡片數(shù)較少，有效降低了鏡頭重量和成本。

技術(shù)特征：

1.一種紅外折超混合鏡頭，其特征在于，包括從物面到像面沿光軸方向依次設(shè)置的第一透鏡、光闌、超構(gòu)透鏡和第二透鏡；其中第一透鏡具有負光焦度，第二透鏡具有正光焦度；所述超構(gòu)透鏡包括襯底和排布在襯底上的微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)為孔型結(jié)構(gòu)，位于超構(gòu)透鏡的像側(cè)面，所述微結(jié)構(gòu)在襯底上陣列周期性排布。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外折超混合鏡頭，其特征在于：所述第一透鏡的兩面都為球面，其中物側(cè)面為凹面，像側(cè)面為凸面；所述第二透鏡的物側(cè)面為球面且為凸面，像側(cè)面為平面；超構(gòu)透鏡的物側(cè)面為平面，像側(cè)面為衍射面，衍射面具有等群延遲色散特性。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外折超混合鏡頭，其特征在于：所述第一透鏡焦距f1、第二透鏡焦距f2和紅外折超混合鏡頭的等效焦距f之間具有如下關(guān)系：-18≤f1/f≤0，且0≤f2/f≤5.5；第一透鏡與超構(gòu)透鏡的距離≥2mm，超構(gòu)透鏡與第二透鏡的距離≥0.5mm，鏡頭的光學(xué)后截距≥3.5mm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外折超混合鏡頭，其特征在于：所述光闌與超構(gòu)透鏡的物側(cè)面位置重合。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外折超混合鏡頭，其特征在于：所述微結(jié)構(gòu)的排布方式具體為按照四方晶格周期性排布，所述微結(jié)構(gòu)為開孔結(jié)構(gòu)，開孔的方向與光軸方向平行。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種紅外折超混合鏡頭，其特征在于：所述微結(jié)構(gòu)的開孔形式均為圓孔或方孔。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外折超混合鏡頭，其特征在于：所述微結(jié)構(gòu)的相位設(shè)計方法包括如下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外折超混合鏡頭，其特征在于：所述紅外折超混合鏡頭的等效焦距f滿足f≥3.1mm；所述第一透鏡的物側(cè)面到鏡頭像面的距離為光學(xué)總長ttl，滿足3≤ttl/f≤5.5。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外折超混合鏡頭，其特征在于：所述超構(gòu)透鏡的材料為硅材質(zhì)，厚度為0.5mm，所述第一透鏡與第二透鏡的材料均為硫系玻璃。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種折超混合長波紅外鏡頭，其特征在于：所述紅外折超混合鏡頭的視場角fov滿足fov≥60°；所述紅外折超混合鏡頭的工作溫度為-30℃～80℃。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種紅外折超混合鏡頭，涉及紅外成像技術(shù)領(lǐng)域。包括從物面到像面沿光軸方向依次設(shè)置的具有負光焦度的第一透鏡、光闌、超構(gòu)透鏡、具有正光焦度的第二透鏡；通過折射球面獲得正色差、衍射面獲得負色差，二者分配光焦度實現(xiàn)色差校正；利用正負光焦度的折射元件承擔(dān)較大光焦度，利用超表面元件矯正剩余的色差及球差。本發(fā)明實現(xiàn)了輕量化的大視場角大數(shù)值孔徑紅外成像系統(tǒng)；利用超透鏡溫度不敏感的特性，系統(tǒng)具有消熱差效果；不使用非球面透鏡且鏡片數(shù)量較少，有效降低了鏡頭重量和成本。

技術(shù)研發(fā)人員：馬云貴,詹俊杰
受保護的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6