CN109407290A - 折叠式超薄光学成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种折叠式超薄光学成像系统，包括环形孔径超薄光学成像镜头和成像平面(7)，其特征在于，所述环形孔径超薄光学成像系统包括位于前表面的环形通光孔径(11)‑(12)和第一、第二平面反射镜(31)‑(32)和(51)‑(52)；以及，位于后表面的第一、第二高次非球面反射镜(21)‑(22)、(41)‑(42)和高次非球面透射面(61)‑(62)。与现有技术相比，本发明的折叠式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；像面与镜头后表面保持一段距离，所设计的结构使得镜头不易受外界杂散光干扰；该镜头在一个可接受的视场下具有较大的景深；该镜头的工作波段范围较宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学成像系统，特别涉及一种环形孔径折叠式超薄光学成像系统。
背景技术
随着光学制造工艺的不断进步和发展，各种超薄微型镜头的制造成为可能，这种微型镜头逐渐被设计加工出来以满足军事、航天和商业等领域的特殊需求。随着光电系统应用技术的发展，对新型光学系统的要求也越来越高，而且未来各种器件都趋于集成化和微型化，这种结构紧凑便于集成的超轻薄微型镜头将会成为未来光学领域的一个重要分支，目前这种镜头已经越来越受到人们的关注。
传统高性能相机一般采用透镜组结构，其径向尺寸较小，但是其轴向尺寸很大。在某些特殊场合，例如对地观测方面，微型飞行器或者小型卫星对镜头厚度的限制较为严格，而对其口径的限制较为宽松，因此传统相机的结构难以满足需求。目前，虽然国内外各种超薄厚度的微型相机层出不穷，但是大多数其分辨率和光线收集能力与全尺寸相机相比差距较大，因此仍然难以满足某些应用的需求。
相机的轴向尺寸主要由镜头的结构决定，所以如何改进镜头结构并且保持较好的成像质量成为首要任务。如果将光学镜头内部光路进行折叠，形成平板镜头，那么与传统高质量复合折射式相机镜头相比，可以显著减小光学器件的工作距离。由于减少了光学系统的轴向尺寸，对于这种环形口径的光学成像系统来说，必须合理设计和利用非球面来有效的校正初级和高级像差，以保证成像质量。
文献“Annular Folded Optic Imager”(Tremblay E J.Annular folded opticimager[J]. Proc Spie,2006,6232:62320R-62320R-9.)中首次介绍了一种环形孔径光路多次反射型超薄光学成像系统。该系统的有效焦距为35mm，有效通光口径为27.3mm，总厚度为5mm，工作波段为486～656nm，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。但是该成像系统中光路经历了八次反射，使用了四个非球面反射镜，导致制造成本较高。另外，由于镜头的景深较小，对于远距离成像，成像质量下降明显。不仅如此，由于图像接受系统如CCD，嵌入在镜头基体上，导致装配时其图像接收器不可移动，不能作为公差补偿器来补偿公差，因此对加工精度提出了很高的要求，同时这种结构也导致镜头易受到杂散光影响。
中国发明专利CN101581828A《环形孔径超薄光学成像系统》公开了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，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。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。但是该光学系统后续补偿器的三块透镜尺寸太小，不易加工和装配。材料形变量受温度影响较大，而且MTF曲线在奈奎斯特频率下的MTF值较低。
中国发明专利CN102621666《一种望远物镜光学系统》公开了一种望远物镜光学系统。该系统为一片轴对称的圆形镜片，按光路顺序，镜片的前表面和后表面分别包括一个与光轴同心、位于镜片中心的圆形孔径和一个包围该圆形孔径的环形孔径，它们的面形为轴对称非球面或球面。该专利在一个单片上实现了望远物镜系统，减少了镜片个数；在一个单片上实现了折射和反射的结合，在保持了反射式望远物镜优点的同时，极大地缩短了光路长度，使望远镜小型化。但是由于镜头前后表面都需要进行非球面加工，导致加工费用和难度增加，而且MTF曲线仅在低分辨率下有较好的成像效果。
中国发明专利CN105046305A《一种基于环形孔径超薄透镜的微光学标签系统》公开了一种微光学标签系统结构，该系统具有四次反射环型孔径的超薄透镜的接收端，主要对接收端的手机镜头进行改进设计，通过环型折叠的方式实现超薄的大孔径长焦距透镜，并将这种透镜用作微光学标签系统接收端的手机镜头，增加了接收距离，实现了手机对微型标签码的远距离接收。该超薄镜头总共使用了四个非球面反射镜，前后表面各有两个，并且采用氟化钙(CaF2)作为镜头基体材料，光线折射进入基体，经过四次反射后成像在像面上。但是该镜头前后表面都需要进行非球面加工，加工难度高。同时位于像面位置的图像接收器(如CCD等)嵌入在镜头基体中，图像接收器不可移动，装配时不能作为补偿器来补偿制造公差，易受杂散光干扰。
以上文献和中国专利中的各种结构的环形孔径折叠式超薄光学成像系统普遍存在结构复杂、加工难度高、成像景深较小、易受杂散光干扰等问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，满足对平板镜头的产品设计需求，本发明提出一种折叠式超薄光学成像系统，前表面被设计成易于制造的平面，后表面则由多个非球面组成，实现了像质好、景深大、宽波段成像的环形孔径超薄光学成像系统的设计。
本发明的一种折叠式超薄光学成像系统，包括环形孔径超薄光学成像镜头和成像平面7，所述环形孔径超薄光学成像镜头前表面包括环形孔径的通光平面11-12，与环形孔径的通光平面11-12位于同一个平面内的第一、第二平面反射镜31-32和51-52；后表面包括位于同一基底上且同轴设置的第一、第二高次非球面反射镜21-22、41-42，与第一、第二高次非球面反射镜21-22、41-42同轴设置的高次非球面透射面61-62；
光线经环形通光孔径11-12折射进入光学成像系统，在第一高次非球面反射镜21-22 即光阑位置处进行第一次反射，反射到第一平面反射镜31-32即镜头前表面的圆形孔径，进行第二次反射，反射到第二高次非球面反射镜41-42，进行第三次反射，光线到达第二平面反射镜51-52，进行第四次反射，光线达到高次非球面透射面61-62处，经折射，光线全部会聚到成像平面7处。
所述环形孔径超薄光学成像镜头的光阑位于第一次对光线进行反射的第一高次非球面反射镜21-22处，通过设置第一、第二高次非球面反射镜21-22、41-42、高次非球面透射面61-62三个非球面的参数来相互配合完成单色像差和色差的校正。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)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；
(2)在保证成像质量的前提下，减少了非球面使用的个数，节约了制作成本；
(3)装配时像面位置处的CCD可以调整，使得该平板镜头可以移动图像接收器来补偿制造公差；
(4)像面与环形孔径超薄光学成像镜头后表面保持一段距离，所设计的结构使得镜头不易受外界杂散光干扰；
(5)环形孔径超薄光学成像镜头在一个可接受的视场下具有较大的景深；
(6)环形孔径超薄光学成像镜头的工作波段范围较宽。
附图说明
图1、图2为本发明的环形孔径超薄光学成像镜头结构示意图；
图3为本发明的环形孔径超薄光学成像系统工程结构示意图；
图4为本发明的折叠式超薄光学成像系统成像原理示意图；
图5为本发明实施例的折叠式超薄光学成像系统点列图；
图6为本发明实施例的环形孔径超薄光学成像系统调制传递函数曲线图；
图7为本发明实施例的环形孔径超薄光学成像系统在极限成像距离下的调制传递函数曲线图；
附图标记：11-12、环形孔径的通光平面，21-22、第一高次非球面反射镜，31-32、第一平面反射镜，41-42、第二高次非球面反射镜，51-52、第二平面反射镜，61-62、高次非球面透射面，7、成像平面。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
如图1至4所示，为环形孔径超薄光学成像系统结构示意图和成像原理图。环形孔径的通光平面11-12，与环形孔径的通光平面11-12隶属于同一平面的第一、第二平面反射镜31-32和51-52；位于同一基底上且同轴设置的第一、第二高次非球面反射镜 21-22、41-42，与第一、第二高次非球面反射镜21-22、41-42同轴设置的高次非球面透射面61-62。
平板镜头的基体可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、氟化钙(CaF2)等材料作为光线传播的介质，从透射面到像面的这段距离采用空气为光线传播的介质。
本发明实施例中，第一个透射面即环形孔径的通光平面11-12(镜头前表面的环形孔径)为镀有减反射膜的平面，第一个反射面即第一高次非球面反射镜21-22(镜头后表面的外环形孔径)为镀有内反射膜的非球面，第二个反射面即第一平面反射镜31-32 (镜头前表面的圆形孔径)为镀有内反射膜的平面，第三个反射面即第二高次非球面反射镜41-42(镜头后表面的内环形孔径)为镀有内反射膜的非球面，第四个反射面即第二平面反射镜51-52(镜头前表面的圆形孔径)为镀有内反射膜的平面，第四个反射面与第二个反射面为同一反射面。第二个透射面61-62(镜头后表面的圆形孔径)为镀有减反射膜的非球面。入射光为平行光，出射光为会聚光，所成像为倒像。
系统的光阑位于第一次对光线进行反射的第一高次非球面反射镜21-22处。通光孔径在环形孔径的通光平面11-12处，光线在这里从空气折射到镜头内，之后在镜头中发生4次反射，最后从镜头后表面的高次非球面透射面61-62折射出来，在像面7上成像。经过软件程序的仿真，系统的像质评价结果如下：
如图5所示，为本发明实施例提供的光学成像系统点列图，图中各视场处的黑色小正方形表示CCD像素的大小，尺寸为5.5μm×5.5μm。可以看出系统弥散斑较小，像质较好，能满足RMS(均方根半径)小于CCD像素尺寸的要求。
如图6所示，为本发明实施例提供的光学成像系统调制传递函数曲线图，可以看到图中各视场下的调制传递函数曲线都趋于衍射极限，而且在奈奎斯特频率91lp/mm处的MTF值大于0.3，MTF曲线在91lp/mm处的MTF值具体数值参考表1。
表1
如图7所示，为本发明实施例提供的环形孔径超薄光学成像系统在极限成像距离下的调制传递函数曲线图。该系统成像距离为300m，此时物面与像面为一对共轭面。在保持像面位置不动的情况下，(a)和(b)分别给出了近点230m和远点400m处系统的MTF曲线。可见，在两个极限成像距离下系统的MTF值在91lp/mm处仍能大于0.3，并且保持较好的成像效果，也证明了这个镜头具有较大的景深。
Claims (2)
1.一种折叠式超薄光学成像系统，包括环形孔径超薄光学成像镜头和成像平面(7)，其特征在于，所述环形孔径超薄光学成像镜头前表面包括环形孔径的通光平面(11)-(12)，与环形孔径的通光平面(11)-(12)位于同一个平面内的第一、第二平面反射镜(31)-(32)和(51)-(52)；后表面包括位于同一基底上且同轴设置的第一、第二高次非球面反射镜(21)-(22)、(41)-(42)，与第一、第二高次非球面反射镜(21)-(22)、(41)-(42)同轴设置的高次非球面透射面(61)-(62)；
光线经环形通光孔径(11)-(12)折射进入光学成像系统，在第一环形非球面反射镜(21)-(22)即光阑位置处进行第一次反射，反射到第一平面反射镜(31)-(32)即镜头前表面的圆形孔径，进行第二次反射，反射到第二高次非球面反射镜(41)-(42)，进行第三次反射，光线到达第二平面反射镜(51)-(52)，进行第四次反射，光线达到高次非球面透射面(61)-(62)处，经折射，光线全部会聚到成像平面(7)处。
2.如权利要求1所述的一种折叠式超薄光学成像系统，其特征在于，所述环形孔径超薄光学成像镜头的光阑位于第一次对光线进行反射的第一高次非球面反射镜(21)-(22)处，通过设置第一、第二高次非球面反射镜(21)-(22)、(41)-(42)、高次非球面透射面(61)-(62)三个非球面的参数来相互配合完成单色像差和色差的校正。
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