一种变焦红外折超混合镜头的制作方法

本发明属于光学显示，更具体地说，是涉及一种变焦红外折超混合镜头。

背景技术：

1、红外镜头是一种用于收集、聚焦或准直近红外(nir)、短波红外(swir)、中波红外(mwir)或长波红外(lwir)中的光谱的镜头。红外光学的波长范围在700–16000nm之间。波长光电提供各种高性能红外光学器件，用于生命科学、安全、机器视觉、热成像和工业应用。由红外灯发出红外线照射物体，红外线漫反射，被监控摄像头接收，形成视频图像的镜头。

2、与可见光和其他热波段相比，短波红外镜头波段具有独特的成像优势，尤其是扩展型波段的短波红外镜头，能够采用的材料需要考虑宽波段透过可加工、透可见光等因素，因此znse、zns、caf2等成为普遍的选择。它在用于电子板检测、材料/食品分拣、太阳能电池检测、质量检测、军事应用、工业机器视觉领域。短波红外镜头还用于其他检测器或相机不够灵敏以进行有限细节识别的情况。

3、中波红外消色差透镜可供在3μm至5μm光谱区域工作的设计师和研究人员使用。这些透镜具有近衍射极限性能，适用于ftir(傅里叶变换红外)光谱和中波红外热成像，以及可调谐量子级联激光器。中波红外镜头通常是配合中波制冷型探测器使用。

4、长波红外镜头通常是非制冷的，因此灵敏度较低。它允许用户看穿灰尘或烟雾，这使得它们在某些环境和应用中特别有价值。长波红外镜头的设计是商业化主导的，非球面使用频率较高。另外，随着商业应用的普及，如车载夜视、枪瞄、手机等运用，硫系玻璃的使用频率也越来越高。

5、目前传统的红外镜头都使用常规透镜面型进行设计，包括球面、非球面、自由曲面等，这些面型的使用可以一定程度上提升红外镜头的像质性能，但是无法很好的提升重量、长度等指标。

6、专利cn115793213a中提供了一种光学变焦系统，该专利为一个包含三片透镜的透镜组和一片压缩系数可调的空间压缩板，其具体的实现方式为：通过调节可调空间压缩板的厚度的差值，以使所述变焦光学系统的后焦距随可调空间压缩板的压缩系数的变化而变化，从而实现光学系统变焦的功能。并且该发明中透镜组的最后一片可以替换成超透镜，从而实现折射透镜与超透镜的混合系统。但是该实施例中调节变量太少，仅通过调节压缩板实现变焦，导致整体光学性能一般。

7、专利cn204462514u中提供了一种无热定焦红外镜头，具体的为四片透镜组成的光学系统，其中一片透镜为二元光学结构(doe)，且fov为73°。但是该实施例为定焦系统，因此使用场景较窄，且该专利中的二元结构面为曲面，并不利于实际生产加工。

8、专利cn107479171b、cn209055737u、cn213600976u、cn104820280a等各自都提供了红外镜头，但是其对应的结构都较为单一，整体透镜尺寸较大。

9、因此，亟需一种体积小、重量轻的红外镜头，具体的为一种新型变焦红外折超混合镜头。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种变焦红外折超混合镜头，可实现2倍变焦，减轻镜头重量，缩减镜头长度，提升镜头综合性能。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

3、一种变焦红外折超混合镜头，按照光线传播方向，依次设有第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜、探测器；第一透镜和第二透镜为常规透镜，第三透镜为超透镜，第三透镜的一侧面为二元光学面，另一侧面为平面；第一透镜的焦距f1＜0，第二透镜的焦距f2＞0，第三透镜的焦距f3＞0，探测器为0.11inc的探测器，探测器的工作波长为8～12um，f数为2.2；本镜头在1m工作距离时正常工作，焦距为4mm，同时也可以在2m工作距离时正常工作，焦距为8mm，实现2倍光学变焦；外界反射光线经过第一透镜后向前传播，再经过第二透镜，然后经过光阑，最后经过第三透镜，由此光线经过所有透镜后被聚焦在探测器上，形成清晰的像，再由探测器复现显示出来；通过调节第一透镜与第二透镜、第二透镜与光阑、光阑与第三透镜、第三透镜与探测器之间的相对位置，实现系统的变焦；

4、优选地，当镜头焦距为5mm时，镜头总长为15mm，当焦距为8mm时，镜头总长为9.5mm。

5、优选地，在光学面上刻上小的凹槽或线以改变通过该光学面的波前的相位从而形成所述二元光学面。

6、优选地，所述第三透镜根据如下附加多项式展开式对光线累加相位差，

7、

8、其中，ai是ρ的2i次幂的系数，ρ是归一化的径向孔径坐标；m是衍射阶数；n是多项式系数的个数，第一个附加数据项，也就是总项数，项的数目为o或者是任何高于240的整数，或可设为最大为240或者ρ480的任何整数，是相位，i是序号数。

9、优选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜的面型均为自由曲面面型，可用球面或偶次非球面、xy多项式、切比雪夫多项式表示。

10、优选地，所述偶次非球面的表达式为：

11、

12、上式中c＝1/r0，k＝-e2，a2、a4、a6...为多次项系数，r0为曲面近轴部分的曲率半径，c为非球面的基准面，k为圆锥度，z为非球面在不同球面半径r下的矢高值。

13、优选地，xy多项式表达式为：

14、

15、

16、其中c＝1/r0，k＝-e2，r0为曲面近轴部分的曲率半径，c为非球面的基准面，k为圆锥度，m、n为阶数，满足m+n≤10，n为多项式系数的个数，第一个附加数据项，也就是总项数，n＝66，z为非球面在不同半径r下的矢高值，aj为第j项系数，xy为多项式中x，y的坐标。

17、优选地，切比雪夫多项式曲面是一个由基本曲率半径和切比雪夫多项式序列描述的自由曲面，

18、第一类一维切比雪夫多项式如下：

19、tn(x)＝cos(ncos-1(x))，n＝0...∞，x∈[-1，1]

20、作为参考，前十个切比雪夫多项式系数如下：

21、t0(x)＝1

22、t1(x)＝x

23、t2(x)＝2x2-1

24、t3(x)＝4x3-3x

25、t4(x)＝8x4-8x2+1

26、t5(x)＝16x5-20x3+5x

27、t6(x)＝32x6-48x4+18x2-1

28、t7(x)＝64x7-112x5+56x3-7x

29、t8(x)＝128x8-256x6+160x4-32x2-1

30、t9(x)＝256x9-576x7+432x5-120x3-9x

31、t10(x)＝512x10-1280x8+1120x6-400x4+50x2-1

32、通过使用系统的(x，y)基准形式，实现一个二维切比雪夫多项式的过渡：

33、tij(x，y)＝ti(x)·tj(y)，i，j＝0...∞，x∈[-1，1]，y∈[-1，1]

34、在实际设计中，x和y的最大阶数设置为14，任何函数都可由切比雪夫多项式的有限和来表示：

35、

36、在单位区间上定义了二维切比雪夫多项式的参数；为了使值的替换对任意区间有效，使用正规化的x/x0和y/y0作为多项式的参数；则切比雪夫多项式曲面z坐标为：

37、

38、其中c是在表面顶点处的曲率半径x0，y0标准化下的长度，c(i，j)的规范化多项式系数c(i，j)＝cij/x0y0，z为非球面在不同半径r下的矢高值，m是衍射阶数；n是多项式系数的个数，第一个附加数据项，也就是总项数，xy为多项式中x，y的坐标。

39、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：区别于现有技术情况，本发明提供一种新的镜头，镜头中一共使用3片透镜，其中1片为超透镜，2片为常规透镜，使红外镜头在8～12um的工作波段内，整体长度小于15mm，可实现2倍变焦，减轻镜头重量，缩减镜头长度，提升镜头综合性能。