CN101581828B - 环形孔径超薄光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形孔径超薄光学成像系统，可用于便于携带的小型相机、手机镜头等民用光学成像系统。它包括平板镜头和补偿器，其通光孔径为环形。平板镜头前表面为平面反射镜，后表面为处于同一基底上的四个同轴环形高次非球面反射镜，采用空气作为光线传播的介质。该系统能在保持良好成像质量的同时明显地减小体积和重量，为改进传统折射系统提供了一种有效的方法。与普通小型镜头相比，此类镜头具有成像质量好，数值孔径大，装调简单、成本低、便于携带、易于加工和适合大批量生产等特点。

Description

环形孔径超薄光学成像系统

技术领域

本发明涉及一种微型超薄光学成像系统，特别涉及一种环形孔径光路多次反射型超薄光学成像系统，可用作微型相机的镜头。

背景技术

随着超轻薄镜头的不断发展，相机等光学成像系统的微型化成为可能，各种微型镜头成为人们关注的热点，超轻薄镜头将成为未来市场的一个重要分支。虽然微型镜头已经非常普遍，但其分辨率和光能收集率却比较低。相机的厚度主要受制于镜头结构这一关键因素，为了在减小相机体积和厚度的同时保持相对好的像质，重点需要改进镜头设计。如何使相机镜头更薄、更小成为减小相机体积的首要任务。

具有较大相对孔径的光学成像系统，随着视场和口径的增大，必须合理使用非球面来有效地校正和平衡初级、高级像差，使设计满足要求。光学非球面的使用通常受制造成本的限制，在可见光波段，其造价是球面元件的上百倍，甚至上千倍。目前非球面光学系统设计、加工、检验、装调已有较大的进步，光学系统的像质已接近衍射极限，所以系统中应用非球面是可行的。应用非球面于光学系统中所遇到的问题主要是工艺问题——成批制造的可能性，及加工和检测方法等。用塑料薄膜压型加工法可解决一般非球面加工问题，采用非球面可使光学系统厚度明显变薄，使大相对孔径成为可能。

在本发明作出之前，文献“Ultrathin cameras using annular folded optics”(Applied Optics，2007，46(4)：463-471)中公开了一种环形孔径光路多次反射型超薄光学成像系统，该系统的总厚度为5mm，有效口径为27mm，焦距为38mm，与相同口径的传统镜头相比，在保留了较好光能量收集的同时大大减少了相机的厚度、体积和重量。但该系统的光线传播介质为CaF₂，成本较高，不易于大规模推广使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种像质好，制造成本低，且适合于批量生产的环形孔径超薄光学成像系统。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种环形孔径超薄光学成像系统，包括平板镜头和补偿器，其通光孔径为环形；所述的平板镜头，前表面为平面反射镜，后表面为处于同一基底上的四个同轴环形高次非球面反射镜，依次对光线进行反射；平板镜头的前、后表面间，采用空气作为光线传播的介质；所述的补偿器位于平板镜头后表面处的正中，它由三块透镜组成，靠近平板镜头后表面，依次为正光焦度的第一块透镜，负光焦度的第二块透镜和正光焦度的第三块透镜；系统的光阑位于第一次对光线进行反射的环形高次非球面反射镜处。

光学成像系统的工作波段为486～656nm，焦距为38mm，物方数值孔径为0.7，遮拦比为0.79。

光学成像系统的总厚度为10～15mm；所述的平板镜头的厚度为3～5mm，外直径为60mm。

所述的补偿器的第一块和第三块透镜采用折射率为1.5～1.6的玻璃材料，第二块透镜采用折射率为1.7～1.8的玻璃材料。

与现有技术相比，本发明的优点是：环形孔径超薄光学成像系统采用多次反射光线折叠技术，因此，具有体积小、结构紧凑的特点；采用空气作为光线传播的介质，可大大降低制造成本；四个同轴环形高次非球面反射镜位于同一光学塑料基底上，可用金刚石切削加工模具，然后用注塑成型的方法加工，从而实现大批量生产；采用无光焦度补偿器扩大视场，使得在较大视场下，仍能获得较好的像质。

附图说明

图1是本发明实施例提供的环形孔径超薄光学成像系统(光路)的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的环形孔径超薄光学成像系统光线追迹点列图；

图3是本发明实施例提供的环形孔径超薄光学成像系统传递函数曲线图；

图4是本发明实施例提供的环形孔径超薄光学成像系统场曲和畸变曲线图；

图5是本发明实施例提供的环形孔径超薄光学成像系统横向色差曲线图；

其中，1(1’)、通光口径；2(2’)、4(4’)、6(6’)和8(8’)依次为位于同一基底上的四个环形高次非球面反射镜(环形孔径)；3(3’)、5(5’)、7(7’)和9(9’)为完全重合的四个平面反射镜；10、补偿器中的第一块反射镜；11、补偿器中的第二块反射镜；12、补偿器中的第三块反射镜。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述。

实施例1：

参见附图1，它是图1是本发明实施例所提供的环形孔径超薄光学成像系统(光路)的结构示意图。参见附图1，本实施例所提供的光学成像系统包括平板镜头和补偿器，光线经环形通光孔径1(1’)进入系统。平板镜头的前表面为平面反射镜3(3’)、5(5’)、7(7’)和9(9’)，它们为四个重合在一起的一块平面反射镜；后表面为处于同一基底上的四个同轴环形高次非球面反射镜，依次为2(2’)、4(4’)、6(6’)和8(8’)；平板镜头的前、后表面间，采用空气作为光线传播的介质。补偿器位于平板镜头后表面处的正中，它由三块透镜组成，靠近平板镜头后表面，依次为正光焦度的第一块透镜10，负光焦度的第二块透镜11和正光焦度的第三块透镜13。

按设计要求，系统的工作波段为486～656nm，焦距为38mm，物方数值孔径为0.7，遮拦比为0.79。

在本实施例中，环形非球面反射面2(2′)采用双曲面型10次非球面，4(4′)、6(6′)和8(8’)均采用二次曲面系数为0的12次非球面，其中，非球面按下式得到：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{Ar}}^4+{\mathrm{Br}}^6+{\mathrm{Cr}}^8+{\mathrm{Dr}}^{10}+{\mathrm{Er}}^{12}+{\mathrm{Fr}}^{14}+{\mathrm{Gr}}^{16}\mathrm{\Λ}$

式中，c为顶点处的基本曲率；k为圆锥曲线常数；r为垂直光轴方向的径向坐标；A，B，C，D和E为非球面系数。在本实施例中，优化设计得到的光学系统具体参数如表1和表2所列。

表1：优化设计得到的光学系统参数

	曲率半径r(mm)	间距T(mm)	光学材料	二次曲面系数k
					物面	Infinity	2500
1(1’)通光口径	Infinity	9.5
					2(2’)光阑	-55.9075	-9.5	mirror	-2.840031
3(3’)	Infinity	3
					4(4’)	72.3434	-3	mirror	0
5(5’)	Infinity	3.5
					6(6’)	-3870.8515	-3.5	mirror	0
7(7’)	Infinity	3.5
					8(8’)	-272.2122	-3.5	mirror	0
9(9’)	Infinity	4
					透镜10前表面	13.0007	2.7359	K9_CHINA
透镜10后表面	35.7769	2.4232
					透镜11前表面	18.8142	1	ZF6_CHINA
透镜11后表面	6.2926	0.1
					透镜12前表面	6.8082	1.9749	K9_CHINA
透镜12后表面	155.1125	0.7673
					像面	infinity	-0.0013

表2：非球面系数值

按上述表1、表2中确定的各项参数，提供一种环形孔径超薄光学成像系统，总厚度为13mm，平板镜头的厚度为3.5mm，外直径为60mm。

系统的光阑位于第一次对光线进行反射的环形高次非球面反射镜2(2’)处，光线通过环形通光口径1(1’)进入系统，以空气为光线传播介质，多次折叠反射后经补偿器成像。经测试，该系统的像质评价结果如下：

参见附图2，它是光线通过本实施例所述的光学系统的光线追迹点列图，即光线在像面的聚焦情况，图中各视场处的黑色小正方形表示探测器像素的大小，即3.2μm×3.2μm，点列图直径的RMS值和能量集中度列于表3。由图2可见，像面上所有视场的点列图基本落在像素大小范围内，表明此光学系统具有接近于衍射理论极限的聚焦特性。

表3：点列图大小、能量集中度

参见附图3，它是本发明实施例所提供的环形孔径超薄光学成像系统的传递函数曲线图，图中各视场的传递函数曲线都接近衍射极限，表明在奈奎斯特频率156lp/mm处MTF值大于0.2，具体数值参见表4。

表4：调制传递函数曲线在156lp/mm处的MTF值

参见附图4，它是本发明实施例所提供的环形孔径超薄光学成像系统的场曲和畸变曲线图，可见此系统的相对畸变很小，小于0.1％。

参见附图5，它是本发明实施例所提供的环形孔径超薄光学成像系统的横向色差曲线图，可见在工作波段范围内系统色差较小，在最大视场处横向色差大约为0.705μm。

Claims (6)

1.一种环形孔径超薄光学成像系统，其特征在于：它包括平板镜头和补偿器，其通光孔径为环形；所述的平板镜头，前表面为平面反射镜，后表面为处于同一基底上的四个同轴环形高次非球面反射镜，前后表面对光线进行多次折叠反射；平板镜头的前、后表面间，采用空气作为光线传播的介质；所述的补偿器位于平板镜头后表面处的正中，它由三块透镜组成，靠近平板镜头后表面，依次为正光焦度的第一块透镜，负光焦度的第二块透镜和正光焦度的第三块透镜；系统的光阑位于第一次对光线进行反射的环形高次非球面反射镜处。

2.根据权利要求1所述的一种环形孔径超薄光学成像系统，其特征在于：它的工作波段为486～656nm。

3.根据权利要求1所述的一种环形孔径超薄光学成像系统，其特征在于：它的焦距为38mm。

4.根据权利要求1所述的一种环形孔径超薄光学成像系统，其特征在于：它的总厚度为10～15mm；所述的平板镜头的厚度为3～5mm，外直径为60mm。

5.根据权利要求1所述的一种环形孔径超薄光学成像系统，其特征在于：它的物方数值孔径为0.7，遮拦比为0.79。

6.根据权利要求1所述的一种环形孔径超薄光学成像系统，其特征在于：所述的补偿器的第一块和第三块透镜采用折射率为1.5～1.6的玻璃材料，第二块透镜采用折射率为1.7～1.8的玻璃材料。

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