CN113835193A - 平板镜头以及光学成像系统 - Google Patents

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Abstract

一种平板镜头以及光学成像系统。平板镜头包括第一面和第二面，第一面包括环形透光区以及被环形透光区包围的第一反射区，第二面包括成像区以及围绕成像区的第二反射区。第二反射区被配置为将从环形透光区入射的光线反射至第一反射区，第一反射区被配置为将入射至其上的光线反射至成像区；第二反射区包括第一反射镜，第一反射镜为自由曲面反射镜、非球面反射镜以及球面反射镜之一，第一反射区包括自由曲面反射镜、非球面反射镜、球面反射镜以及平面反射镜的至少之一。平板镜头采用包括第一反射区和第二反射区的反射结构，既可以保证在成像过程中不产生色差，还可以减少平板镜头的厚度和重量。

Description

平板镜头以及光学成像系统
技术领域
本公开至少一个实施例涉及一种平板镜头以及光学成像系统。
背景技术
目前，手机、相机等光学成像系统的厚度很大程度上受到镜头的厚度的影响，为了减小手机以及便携式相机的厚度并同时保持相对较好的像质，光学成像系统中的镜头设计越来越重要。
发明内容
本公开的至少一实施例提供一种平板镜头以及光学成像系统。
本公开的至少一实施例提供一种平板镜头，包括彼此相对的第一面和第二面，所述第一面包括环形透光区以及被所述环形透光区包围的第一反射区，所述第二面包括成像区以及围绕所述成像区的第二反射区。所述第二反射区被配置为将从所述环形透光区入射的光线反射至所述第一反射区，所述第一反射区被配置为将入射至所述第一反射区的光线反射至所述成像区；所述第二反射区包括第一反射镜，所述第一反射镜被配置为将通过所述环形透光区入射至所述第一反射镜的光线直接反射至所述第一反射区，所述第一反射镜为自由曲面反射镜、非球面反射镜以及球面反射镜之一，所述第一反射区包括自由曲面反射镜、非球面反射镜、球面反射镜以及平面反射镜的至少之一。
例如，在本公开的实施例中，所述平板镜头的厚度小于3毫米。
例如，在本公开的实施例中，所述第一反射镜为环形反射镜，所述环形透光区在所述第二面上的正投影完全落入所述第一反射镜在所述第二面上的正投影内。
例如，在本公开的实施例中，所述第一反射镜外轮廓最大尺寸与所述环形透光区的外轮廓的最大尺寸之比大于1且小于1.5。
例如，在本公开的实施例中，所述第一反射区的最大尺寸与所述环形透光区的环宽之比大于0.5。
例如，在本公开的实施例中，所述第一反射区和所述第二反射区设置的平面反射镜和球面反射镜的数量之和大于自由曲面反射镜和非球面反射镜的数量之和。
例如，在本公开的实施例中，入射到所述平板镜头的光线的最大视场角为10°。
例如，在本公开的实施例中，所述第一反射区包括靠近所述环形透光区的第二反射镜，所述第一反射镜被配置为将从所述环形透光区入射的光线反射至所述第二反射镜。
例如，在本公开的实施例中，所述第二反射镜被配置为将入射至所述第二反射镜的光线直接反射至所述成像区，所述第二反射镜为平面反射镜或球面反射镜。
例如，在本公开的实施例中，所述第二反射镜被配置为将入射至所述第二反射镜的光线直接反射至所述成像区，所述第一反射镜和所述第二反射镜均为非球面反射镜，且所述平板镜头的厚度不大于2毫米。
例如，在本公开的实施例中，所述第二反射区还包括位于所述第一反射镜与所述成像区之间的第三反射镜，所述第三反射镜围绕所述成像区，所述第一反射区还包括位于所述第二反射镜远离所述环形透光区一侧的第四反射镜，所述第二反射镜被配置为将入射至所述第二反射镜的光线反射至所述第三反射镜，所述第三反射镜被配置为将入射至所述第三反射镜的光线反射至所述第四反射镜。
例如，在本公开的实施例中，所述第一反射镜和所述第三反射镜为同心环结构，和/或，所述第二反射镜与所述第四反射镜为同心结构。
例如，在本公开的实施例中，所述第四反射镜被配置为将入射至所述第四反射镜的光线直接反射至所述成像区，所述第二反射镜、所述第三反射镜以及所述第四反射镜均为平面反射镜或球面反射镜。
例如，在本公开的实施例中，所述第四反射镜被配置为将入射至所述第四反射镜的光线直接反射至所述成像区，所述第一反射镜和所述第四反射镜为非球面反射镜，所述第二反射镜为自由曲面反射镜，且所述第三反射镜为平面反射镜。
例如，在本公开的实施例中，所述平板镜头的厚度不大于2毫米。
例如，在本公开的实施例中，所述第二反射区还包括位于所述第三反射镜与所述成像区之间的第五反射镜，所述第五反射镜围绕所述成像区，所述第一反射区还包括位于所述第四反射镜远离所述环形透光区一侧的第六反射镜，所述第四反射镜被配置为将入射至所述第四反射镜的光线反射至所述第五反射镜，所述第五反射镜被配置为将入射至所述第五反射镜的光线反射至所述第六反射镜。
例如，在本公开的实施例中，所述第六反射镜被配置为将入射至所述第六反射镜的光线直接反射至所述成像区，所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述第四反射镜、所述第五反射镜以及所述第六反射镜均为平面反射镜或球面反射镜。
本公开的另一实施例提供一种光学成像系统，包括：上述平板镜头以及传感器。所述传感器位于所述平板镜头的所述成像区，从所述环形透光区入射的光线在进入所述传感器之前仅经过所述第一反射区和所述第二反射区的反射。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1为根据本公开实施例的一示例提供的平板镜头的截面结构示意图；
图2为图1所示的平板镜头的第一面的平面示意图；
图3为图1所示平板镜头的第二面的平面示意图；
图4为根据本公开一实施例的另一示例提供的平板镜头的局部截面结构示意图；
图5A为图4所示的平板镜头的点列图；
图5B至图5F为图5A所示点列放大图；
图6为图4所示的平板镜头的传递函数曲线图；
图7为本公开实施例的另一示例提供的平板镜头的截面结构示意；
图8为图7所示平板镜头的第一面的平面结构示意图；
图9为图7所示平板镜头的第二面的平面结构示意图；
图10为根据本公开一实施例的另一示例提供的平板镜头的局部截面结构示意图；
图11A为图10所示的平板镜头的点列图；
图11B至图11E为图11A所示点列放大图；
图12为图10所示的平板镜头的传递函数曲线图；
图13为本公开实施例的另一示例提供的平板镜头的截面结构示意图；
图14为根据本公开另一实施例提供的一种光学成像系统的局部剖面结构示意图；以及
图15为根据本公开实施例的另一示例提供的光学成像系统的平面结构示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
在研究中，本申请的发明人发现：手机镜头常常采用包括多个透镜的透镜式结构，该透镜式结构中各透镜的厚度会影响手机镜头的厚度，且对该透镜式结构进行超薄化改进具有一定难度。
本公开的实施例提供一种平板镜头以及光学成像系统。平板镜头包括彼此相对的第一面和第二面，第一面包括环形透光区以及被环形透光区包围的第一反射区，第二面包括成像区以及围绕成像区的第二反射区。第二反射区被配置为将从环形透光区入射的光线反射至第一反射区，第一反射区被配置为将入射至第一反射区的光线反射至成像区；第二反射区包括第一反射镜，第一反射镜被配置为将通过环形透光区入射至第一反射镜的光线直接反射至第一反射区，第一反射镜为自由曲面反射镜、非球面反射镜以及球面反射镜之一，第一反射区包括自由曲面反射镜、非球面反射镜、球面反射镜以及平面反射镜的至少之一。本公开实施例提供的平板镜头采用包括第一反射区和第二反射区的反射系统，既可以保证在成像过程中不产生色差，还可以通过设置较少的反射镜以减少平板镜头的厚度和重量。
下面结合附图对本公开实施例提供的平板镜头以及光学成像系统进行描述。
图1为根据本公开实施例的一示例提供的平板镜头的截面结构示意图，图2为图1所示的平板镜头的第一面的平面示意图，图3为图1所示平板镜头的第二面的平面示意图。如图1至图3所示，平板镜头包括彼此相对的第一面100和第二面200。第一面100包括环形透光区110以及被环形透光区110包围的第一反射区120，第二面200包括成像区210以及围绕成像区210的第二反射区220。第二反射区220被配置为将从环形透光区110入射的光线反射至第一反射区120，第一反射区120被配置为将从第二反射区220射向第一反射区120的光线反射至成像区210。从环形透光区110入射的光线在进入成像区210之前仅经过第一反射区120和第二反射区220的反射。相对于采用透镜的镜头，本公开实施例提供的平板镜头中，从环形透光区110入射到平板镜头的光线没有经过任何透镜的透射，仅是经过第一反射区120和第二反射区220组成的反射系统的反射后入射至成像区210，由此，本公开实施例提供的平板镜头既可以无需考虑透镜叠加的厚度而实现较薄厚度，还可以消除成像过程产生的色差。上述“从环形透光区110入射的光线在进入成像区210之前仅经过第一反射区120和第二反射区220的反射”指从环形透光区110入射的光线在进入成像区210之前没有经过任何透镜的透射，该反射过程中也可以包括反射区对光线的吸收。例如，上述光线的反射过程中可以采用空气作为光线传播介质，能够有效降低平板镜头的生产成本。
如图1至图3所示，第二反射区220包括与环形透光区110正对的第一反射镜221，第一反射镜221被配置为将通过环形透光区110入射至第一反射镜221的光线直接反射至第一反射区120。第一反射镜221为自由曲面反射镜、非球面反射镜以及球面反射镜之一，第一反射区120包括自由曲面反射镜、非球面反射镜、球面反射镜以及平面反射镜的至少之一。上述第一反射镜与环形透光区在图1所示的Y方向正对，例如Y方向可以为入射到环形透光区的光线的传播方向。本公开实施例中的第一反射镜采用自由曲面反射镜、非球面反射镜或者球面反射镜，可以将从环形透光区入射的光更好的反射至第一反射区。
例如，如图1至图3所示，第一面100和第二面200可以均为平面。但不限于此，第一面和第二面的至少之一也可以为曲面。
例如，第一反射镜221可以为球面反射镜，以节约制作成本。
例如，第一反射镜221可以为非球面反射镜或者自由曲面反射镜以更好的保证平板镜头的成像质量。
例如，平板镜头的厚度小于3毫米。例如，平板镜头的厚度可以指第一面100与第二面200之间的各位置的距离的平均值。例如，平板镜头的厚度可以指成像区所在平面与环形透光区所在平面之间的距离。本公开实施例中平板镜头的成像区被配置为放置传感器以接收从环形透光区入射的光线，并将光信号转换为电信号。本公开实施例中的平板镜头通过第一反射区和第二反射区实现多次反射折叠技术，可以在保证像质的同时，减小平板镜头的厚度，实现光路结构紧凑的平板镜头。
例如，如图1至图3所示，第一反射镜221可以为环形反射镜，环形透光区110在第二面200上的正投影完全落入第一反射镜221在第二面200上的正投影内。例如，第一反射镜221的外轮廓最大尺寸与环形透光区110的外轮廓的最大尺寸之比大于1且小于1.5。例如，沿X方向，第一反射镜221的环宽大于环形透光区110的环宽，且第一反射镜221完全覆盖环形透光区110，可以保证由环形透光区110入射至平板镜头的光线中处于预定视场角的光线基本反射至第一反射区120，提高光线的利用率。
例如，图3示意性的示出环形透光区110和第一反射镜221的形状均为圆环形，但不限于此，还可以为方环形，或者其他环形形状，环形透光区的形状与第一反射镜的形状可以相同，也可以不同，只要环形透光区110在第二面200上的正投影完全落入第一反射镜221在第二面200上的正投影内即可。图3示意性的示出成像区为矩形，但不限于此，还可以是圆形等其他规则形状或不规则形状。
例如，图3示意性的示出第一反射镜221的形状为封闭的环形以提高光线的利用率，但不限于此，在保证入射光线亮度的情况下，第一反射镜的形状可以为非封闭的环形。
例如，如图2所示，环形透光区110的环宽与第一反射区120的最大尺寸之比不大于1。例如，第一反射区120的最大尺寸与环形透光区110的环宽之比大于0.5。本公开实施例中通过对第一反射区的最大尺寸与环形透光区的环宽之比的设计，可以保证进入平板镜头的光线亮度以及入射至成像区的光线亮度。
例如，如图1至图3所示，第一反射区120可以包括至少一个反射镜，第二反射区220可以包括至少一个反射镜。
例如，如图1至图3所示，第一反射区120包括靠近环形透光区110的第二反射镜121，第一反射镜221被配置为将环形透光区110入射至其上的光反射至第二反射镜121。例如，本公开实施例示意性的示出第一反射镜221在第一面100上的正投影与第二反射镜121在第一面100上的正投影有交叠。本公开实施例中，以第一面为平面为例，则沿垂直于第一面的方向，第一反射镜与第二反射镜有交叠可以减小平板镜头的长度或者宽度。但不限于此，沿垂直于第一面的方向，第一反射镜与第二反射镜也可以没有交叠，只要可以将从环形透光区入射的光反射至成像区即可。
例如，第二反射镜121可以为环形反射镜，例如，封闭的环形或者非封闭的环形，以将第一反射镜221反射至第一反射面120的光尽可能多的反射至成像区。本公开实施例不限于此，在保证入射至成像区的光线强度的条件下，第二反射镜也可以为其他形状。
例如，第二反射镜121与环形透光区110可以为同轴环形，以方便设计，有利于光线的传播。本公开实施例不限于此，例如，第二反射镜也可以为圆形、方形等形状的反射镜，此时第二反射镜与环形透光区可以为同心结构，本公开实施例包括但不限于此，只要可以将入射至第二反射镜的光线反射至成像区即可。
例如，第二反射镜121的边缘与环形透光区110的边缘可以相接，也可以具有一定的距离。
例如，如图1至图3所示，第二反射镜121被配置为将入射至第二反射镜121的光线直接反射至成像区210。例如，第二反射镜121在第二面200上的正投影与成像区210有交叠。例如，平板镜头包括二次反射结构，即第二反射区220仅反射一次光线，例如仅包括一个第一反射镜，第一反射区120仅反射一次光线，例如仅包括一个第二反射镜，从环形透光区110(例如通光孔径)入射至第一反射镜221的光线被反射至第二反射镜121，第二反射镜121将入射至第二反射镜121的光线再次反射会聚至成像区210。
例如，在设计平板镜头中的反射镜时，需合理采用非球面反射镜或者自由曲面反射镜来有效地校正和平衡像差，使得成像质量满足要求。由于非球面反射镜和自由曲面反射镜在可见光波段内，其造价是球面反射镜的成百倍，由此非球面反射镜和自由曲面反射镜的制作成本较高。目前，非球面反射镜或自由曲面反射镜的设计、加工、检验以及装调已经逐渐成熟，所以平板镜头中应用非球面反射镜和自由曲面反射镜是可行的。平板镜头中采用非球面反射镜和自由曲面反射镜的问题主要是工艺问题，主要的工艺问题包括批量制造的可能性、加工以及检测。而用塑料薄膜压印可解决一般非球面反射镜和自由曲面反射镜的加工问题，由此，可以采用非球面反射镜和自由曲面反射镜使平板镜头的厚度明显变薄。采用二次反射结构既可以方便加工，也可以简化系统校正和平衡像差的过程。
例如，如图1所示，第二反射镜121可以为平面反射镜或球面反射镜。本公开实施例中，在保证成像质量的前提下，尽量使用平面反射镜或球面反射镜，减少自由曲面反射镜和非球面反射镜的使用可以节约成本。
例如，图4为根据本公开一实施例的另一示例提供的平板镜头的局部截面结构示意图。如图4所示，平板镜头包括二次反射结构，第一反射镜221被配置为将环形透光区110入射的光线反射至第二反射镜121，第二反射镜121被配置为将入射至其上的光线直接反射至成像区210。这里的“第二反射镜被配置为将入射至其上的光线直接反射至成像区210”指从第二反射镜反射的光没有经过其他光学元件就入射至位于成像区的传感器中。
例如，第二反射区220中的至少一个反射镜的表面设有反射膜201以使入射到成像区210的光线为预定视场角的光线，以防止预定视场角以外的光线入射到成像区210的光线，以预定视场角以外的光线入射到成像区210的光线视为杂散光。杂散光(Stray light)是光学系统中所有非正常传输光的总称，杂散光对光学系统性能的影响因系统不同而变化。
例如，第一反射镜221的反射面可以设置反射膜201，反射膜201可以完全覆盖第一反射镜221的反射面。但不限于此，也可以覆盖第一反射镜的部分反射面。本公开实施例中，通过在第一反射镜221设置反射膜201，可以使得某一角度范围内的光线在各反射区反射，以使进入成像区210的光线基本为以预定视场角进入成像区210的光线。
例如，从环形透光区入射到平板镜头内的光线的最大视场角为10°。
例如，反射膜201可以为角度反射膜，反射膜201的材料可以包括金属膜层或者过滤层等。
例如，如图4所示，本公开实施例的一示例中，第一反射镜221和第二反射镜121均为非球面反射镜，且平板镜头的厚度不大于2毫米。平板镜头的厚度指第一面100与第二面200之间的平均距离。
例如，平板镜头的工作波段可以为484～656nm，即入射到成像区210的光线的波段包括484～656nm。例如，本公开实施例中的平板镜头基于可见光波段进行设计，但不限于此，也可以仅针对某一波段的光进行设计。
例如，旋转对称的多项式非球面是通过在一个球面(或是用二次曲面确定的非球面)上加上一个多项式来描述。偶次非球面模型仅用径向坐标值的偶数次幂来描述非球面。这个模式使用基本曲率半径和二次曲面系数。非球面面型坐标用下列数值公式表示：
Figure BDA0002556228730000091
上述公式中的c为曲率中心处的基本曲率(即曲率半径的倒数)，k为圆锥系数(即圆锥曲线常数)，r为垂直光轴方向的径向坐标，第2n阶非球面系数依次是an。本示例中，优化设计得到的平板镜头的具体参数如表1所示。
表1
Figure BDA0002556228730000092
表1所示的非球面反射镜的曲率半径为其表面的基球面的曲率半径，上述的“基球面”指非球面是以球面为基础进一步变形形成的，作为该非球面基础的球面即为该非球面的基球面。参考图4以及表1参数可知，环形透光区110所在第一面与第一反射镜121的反射面之间的距离为0.5834mm，第一反射镜221的反射面与第二反射镜121的反射面之间的距离为0.402mm，第二反射镜121的反射面与成像区210所在的第二面之间的距离为0.811mm，则图4所示示例中的平板镜头的厚度可以为2mm。上述反射面与反射面之间的距离是指反射镜经偏心后沿光轴方向的距离。上述反射镜的反射面与第一面或第二面的距离指沿光轴方向，反射面与光轴的交点距第一面或第二面的距离。
光学自动设计软件会在数据库中依次调取各反射镜的曲率半径、圆锥系数、高度以及非球面系数等值放入上述数值公式中进行计算以得到能够校正反射镜的像差的各个优化参数。通过优化过程得到平板镜头中各个反射镜的上述曲率半径、沿光轴的厚度、口径以及圆锥系数的优选值。通过优化后构建的平板镜头的模拟结构中可以得到其厚度不大于2mm。
例如，图5A为图4所示的平板镜头的点列图，图5B至图5F为图5A所示点列的放大图。图5A至图5F示出了光线在成像区的像面的聚焦情况，如图5A所示，点列图包括视场角(DG)依次为-5°、-3.5°、0°、3.5°、以及5°时的点列，上述五个视场角对应的点列图直径的均方根(RMS)值依次为0.336μm、0.169μm、0.2μm、0.171μm以及0.283μm。例如，图4所示平板镜头的弥散斑的半径不大于3.5μm，成像区210位置处设置的探测器的像素的尺寸不小于4μm，则点列图直径的均方根小于探测器的像素的尺寸。图5B至图5F分别对应于视场角依次为-5°、-3.5°、0°、3.5°、以及5°时的点列，且图中圆圈表示探测器的像素的尺寸，圆圈内光斑为弥散斑。由此，成像区的像面上所有视场的点列图基本落在探测器像素的尺寸范围内，由此该平板镜头具有接近于衍射理论极限的聚焦特性。
例如，图6为图4所示的平板镜头的传递函数曲线图。如图6所示，图中包括视场角依次为-5°、-3.5°、0°、3.5°、以及5°时的子午线F1:T、F2:T、F3:T、F4:T、F5:T和弧矢线F1:R、F2:R、F3:R、F4:R、F5:R在不同空间频率下的光学传递函数数值，图中各视场的传递函数曲线都接近衍射极限，且在空间频率为110线对/毫米(lp/mm)位置处的对比度大于0.3，则显示图像分辨率可以为1920*1080，且成像清晰。图中的T Diff.Limit表示衍射极限下的子午线，R Diff.Limit表示衍射极限下的弧矢线，且分别与-5°时的子午线F1:T和弧矢线F1:R基本重合。
当然，在第一反射区仅包括一个第二反射镜，第二反射区仅包括一个第一反射镜时，第一反射镜和第二反射镜不限于均为非球面反射镜，只要第一反射镜和第二反射镜的组合能达到需要的成像效果并且便于加工即可。例如，第一反射镜可以为球面反射镜，第二反射镜可以为平面反射镜或球面反射镜以节约制作成本。例如，第一反射镜可以为非球面反射镜或者自由曲面反射镜，第二反射镜可以为平面反射镜或球面反射镜以更好的保证平板镜头的成像质量。
例如，图7为本公开实施例的另一示例提供的平板镜头的截面结构示意图。如图7所示，平板镜头包括彼此相对的第一面100和第二面200。第一面100包括环形透光区110以及被环形透光区110包围的第一反射区120，第二面200包括成像区210以及围绕成像区210的第二反射区220。第二反射区220被配置为将从环形透光区110入射的光线反射至第一反射区120，第一反射区120被配置为将从第二反射区220射向第一反射区120的光线反射至成像区210。从环形透光区110入射的光线在进入成像区210之前仅经过第一反射区120和第二反射区220的反射，也就是，从环形透光区110入射到平板镜头的光线没有经过任何透镜的透射，仅是经过第一反射区120和第二反射区220组成的反射系统的反射后入射至成像区210，由此，可以消除成像过程产生的色差。例如，上述光线的反射过程中可以采用空气作为光线传播介质，能够有效降低平板镜头的生产成本。
例如，如图7所示，第二反射区220包括与环形透光区110正对的第一反射镜221，第一反射镜221被配置为将通过环形透光区110入射至第一反射镜221的光线直接反射至第一反射区120。第一反射镜221为自由曲面反射镜、非球面反射镜以及球面反射镜之一，第一反射区120包括自由曲面反射镜、非球面反射镜、球面反射镜以及平面反射镜的至少之一。上述第一反射镜与环形透光区在图7所示的Y方向正对，Y方向可以为入射到环形透光区的光线的方向。本公开实施例中的第一反射镜采用自由曲面反射镜、非球面反射镜或者球面反射镜，可以将从环形透光区入射的光更好的会聚至第一反射区。
例如，如图7所示，第一面100和第二面200可以均为平面。但不限于此，第一面和第二面的至少之一也可以为曲面。
例如，第一反射区120包括靠近环形透光区110的第二反射镜121，第一反射镜221被配置为将环形透光区110入射至其上的光反射至第二反射镜121。例如，如图7所示，第二反射区220还包括位于第一反射镜221与成像区210之间的第三反射镜222，第三反射镜222围绕成像区210，第一反射区120还包括位于第二反射镜121远离环形透光区110一侧的第四反射镜122，第二反射镜121被配置为将入射至第二反射镜121的光线反射至第三反射镜222，第三反射镜222被配置为将入射至第三反射镜222的光线反射至第四反射镜122，第四反射镜122被配置为将入射至第四反射镜122的光线直接反射至成像区210。
例如，第一反射镜221、第二反射镜121、第三反射镜222以及第四反射镜122均可以为球面反射镜。例如，第一反射镜221可以为非球面反射镜或者自由曲面反射镜，第二反射镜121、第三反射镜222以及第四反射镜122可以为平面反射镜或球面反射镜以更好的保证平板镜头的成像质量。本公开实施例中，在保证成像质量的前提下，尽量使用平面反射镜或球面反射镜，减少自由曲面反射镜和非球面反射镜的使用可以节约成本。
例如，第一反射区120和第二反射区220设置的平面反射镜和球面反射镜的数量之和大于自由曲面反射镜和非球面反射镜的数量之和，以在保证平板镜头的成像质量的基础上，可以节约制作成本。
例如，平板镜头的厚度小于2毫米。这里的厚度指第一面100和第二面200之间的距离的平均值。本公开实施例中的平板镜头通过第一反射区和第二反射区实现多次反射折叠技术，可以在保证像质的同时，减小平板镜头的厚度，以使平板镜头的光路结构更紧凑。
例如，图8为图7所示平板镜头的第一面的平面结构示意图，图9为图7所示平板镜头的第二面的平面结构示意图。如图7至图9所示，第一反射镜221可以为环形反射镜，环形透光区110在第二面200上的正投影完全落入第一反射镜221在第二面200上的正投影内，提高光线的利用率。
例如，第一反射镜221和第三反射镜222可以为彼此间隔的同心环结构以将从环形透光区110入射的光更好的会聚到成像区210。例如，第二反射镜121与第四反射镜122为彼此间隔的同心结构以将从环形透光区110入射的光更好的会聚到成像区210。图8示意性的示出第四反射镜为环状，但不限于此，还可以为圆形、方形等结构，只要可以将入射至第四反射镜的光线反射至成像区即可。本公开实施例不限于位于同一反射面的反射镜之间设有间隔，位于同一反射面的反射镜还可以彼此相接。
例如，如图7所示，环形透光区110的环宽与第一反射区120的最大尺寸之比不大于1。本公开实施例中通过对第一反射区的最大尺寸与环形透光区的环宽之比的设计，可以保证进入平板镜头的光线亮度以及入射至成像区的光线亮度。
例如，第二反射区220中的至少一个反射镜的表面设有反射膜201以减少入射到成像区210的杂散光。例如，第一反射镜221和第三反射镜222的至少一个的反射面可以设置反射膜，反射膜可以完全覆盖相应反射镜的反射面。但不限于此，也可以覆盖相应反射镜的部分反射面。本示例中的反射膜可以与图4所示示例中的反射膜具有相同的特征，在此不再赘述。
例如，图10为根据本公开一实施例的另一示例提供的平板镜头的局部截面结构示意图。如图10所示，平板镜头包括四次反射结构，第一反射镜221被配置为将环形透光区110入射的光线反射至第二反射镜121，第二反射镜被配置为将入射至其上的光线反射至第三反射镜222，第三反射镜222被配置为将入射至其上的光线反射至第四反射镜122，第四反射镜122被配置为将入射至第四反射镜122的光线直接反射至成像区210，第一反射镜221和第三反射镜222分别为非球面反射镜和平面反射镜，第二反射镜121为自由曲面反射镜，且第四反射镜122为非球面反射镜，且平板镜头的厚度不大于2毫米。上述的“第四反射镜122被配置为将入射至第四反射镜122的光线直接反射至成像区210”指从第四反射镜反射的光线没有经过其他光学结构而直接入射至位于成像区的传感器中。采用四次反射结构既可以实现更薄的厚度，例如不大于1.7毫米，甚至小于1毫米，还可以通过优化多个反射镜的光学参数实现更好的成像效果，且优化过程的难度适中，从而适宜于应用到更高分辨率的产品中。
例如，平板镜头的工作波段可以为484～656nm，即入射到成像区210的光线的波段包括484～656nm。例如，平板镜头的最大视场角为10°。
例如，非球面面型用下列数值公式表示：
Figure BDA0002556228730000131
上述公式中的c为曲率中心处的基本曲率(即曲率半径的倒数)，k为圆锥系数(即圆锥曲线常数)，r为垂直光轴方向的径向坐标，第2n阶非球面系数依次是an。本示例中，优化设计得到的平板镜头的具体参数如表2所示。
所述自由曲面按照下式得到：
Figure BDA0002556228730000132
上述公式中，N为级数中多项式系数的总数，Ai为第i项扩展多项式的系数。该多项式只是在x方向和y方向的幂级数。例如，幂级数可以依次包括x、y、x*x、x*y以及y*y等，上述幂级数中的1次项有2项，2次项有3项，3次项有4项等，最高次项为20，以使得多项式非球面系数总数的最大值为230。x和y等位置的数据值都会除以一个归一化半径，得到一个没有量纲的多项式系数。
表2
Figure BDA0002556228730000141
参考图10以及表2参数可知，环形透光区所在第一面与第一反射镜的反射面之间的距离为-5.60mm，第一反射镜的反射面与第二反射镜的反射面之间的距离为8.320mm，第二反射镜的反射面与第三反射镜的反射面之间的距离为-1.04mm，第三反射镜的反射面与第四反射镜的反射面之间的距离为-1.04mm，第四反射镜的反射面与成像区所在的第二面之间的距离为1.04mm，则图10所示示例中的平板镜头的厚度可以为1.598mm。上述反射面与反射面之间的距离可以指反射镜之间经偏心后沿光轴方向的距离，上述反射镜的反射面与第一面或第二面的距离指沿光轴方向，反射面距第一面或第二面的距离。上述第一面与第一反射镜的反射面之间的距离为负值表示第一面到反射面的距离与光的传播方向相反，例如，第一反射镜可以为曲率中心不位于光轴上的偏心反射镜。
光学自动设计软件会在数据库中依次调取各反射镜的曲率半径、圆锥系数、高度以及非球面系数等值放入上述数值公式中进行计算以得到能够校正反射镜的像差的各个优化参数。通过优化过程得到平板镜头中各个反射镜的上述曲率半径、沿光轴的厚度、口径以及圆锥系数的优选值。通过优化后构建的平板镜头的模拟结构中可以得到其厚度例如为1.598mm。
例如，图11A为图10所示的平板镜头的点列图，图11B至图11E为图11A所示点列的放大图。图11A至图11E示出了光线在成像区的像面的聚焦情况，如图5A所示，点列图包括视场角依次为1°、-5°、3.5°以及0°时的点列，上述四个视场角对应的点列图直径的均方根(RMS)值依次为1.71μm、1.58μm、3.972μm以及1.183μm。例如，图11A所示平板镜头的弥散斑的半径不大于3.5μm，成像区210位置处设置的探测器的像素的尺寸不小于4μm，则点列图直径的均方根小于探测器的像素的尺寸。图11B至图11E分别对应于视场角依次为1°、-5°、3.5°以及0°时的点列，且图中圆圈表示探测器的像素的尺寸，圆圈内光斑为弥散斑。由此，成像区的像面上所有视场的点列图基本落在探测器像素的尺寸范围内，由此该平板镜头具有接近于衍射理论极限的聚焦特性。图中的Y Diff.Limit表示衍射极限下的子午线，XDiff.Limit表示衍射极限下的弧矢线。
例如，图12为图10所示的平板镜头的传递函数曲线图。如图12所示，图中包括视场角依次为0°、3.5°、-5°以及1°时的子午线F1:Y、F2:Y、F3:Y、F4:Y和弧矢线F1:X、F2:X、F3:X、F4:X在不同空间频率下的光学传递函数数值，图中各视场的传递函数曲线都接近衍射极限，且在空间频率为90线对/毫米(lp/mm)位置处的对比度大于0.3，成像清晰。
当然，在第一反射区仅包括两个反射镜，第二反射区仅两个反射镜时，第一反射镜和第四反射镜不限于非球面反射镜，第二反射镜不限于自由曲面反射镜，且第三反射镜也不限于平面反射镜，只要第一反射镜至第四反射镜的组合能达到需要的成像效果并且便于加工即可。
表3
Figure BDA0002556228730000151
表3所示参数对应的平板镜头的结构与图10所示的平板镜头的结构相同，但通过调整各反射镜的曲率半径、反射镜之间的距离等参数，可以使得图10所示平板镜头的厚度更小，例如达到1～2mm，例如为0.998mm。通过优化后构建的平板镜头的模拟结构中可以得到其厚度例如为0.998mm。
例如，参考图10以及表3参数可知，环形透光区所在第一面与第一反射镜的反射面之间的距离为-1.632mm，第一反射镜的反射面与第二反射镜的反射面之间的距离为2.277mm，第二反射镜的反射面与第三反射镜的反射面之间的距离为-0.126mm，第三反射镜的反射面与第四反射镜的反射面之间的距离为-0.581mm，第四反射镜的反射面与成像区所在的第二面之间的距离为0.581mm。对应于表3的平板镜头，成像区的像面上所有视场的点列图基本落在探测器像素的尺寸范围内，由此该平板镜头具有接近于衍射理论极限的聚焦特性。此外，该平板镜头在空间频率为80线对/毫米(lp/mm)位置处的对比度大于0.3，成像清晰。上述反射面与反射面之间的距离可以指反射面偏心后沿光轴方向之间的距离。上述反射镜的反射面与第一面或第二面的距离指沿光轴方向，反射面与光轴的交点距第一面或第二面的距离。对比表2和表3，对于四次反射结构，在保证成像质量的前提下，通过减小各反射镜的曲率半径并优化各反射面之间的距离，可以进一步减小平板镜头的厚度。
例如，图13为本公开实施例的另一示例提供的平板镜头的截面结构示意图。如图13所示，平板镜头包括彼此相对的第一面100和第二面200。第一面100包括环形透光区110以及被环形透光区110包围的第一反射区120，第二面200包括成像区210以及围绕成像区210的第二反射区220。第二反射区220被配置为将从环形透光区110入射的光线反射至第一反射区120，第一反射区120被配置为将从第二反射区220射向第一反射区120的光线反射至成像区210。从环形透光区110入射的光线在进入成像区210之前仅经过第一反射区120和第二反射区220的反射，也就是，从环形透光区110入射到平板镜头的光线没有经过任何透镜的透射，仅是经过第一反射区120和第二反射区220组成的反射系统的反射后入射至位于成像区210的传感器中，由此，可以消除成像过程产生的色差。例如，上述光线的反射过程中可以采用空气作为光线传播介质，能够有效降低平板镜头的生产成本。
例如，如图13所示，第二反射区220包括与环形透光区110正对的第一反射镜221，第一反射镜221被配置为将通过环形透光区110入射至第一反射镜221的光线直接反射至第一反射区120。第一反射镜221为自由曲面反射镜、非球面反射镜以及球面反射镜之一，第一反射区120包括自由曲面反射镜、非球面反射镜、球面反射镜以及平面反射镜的至少之一。上述第一反射镜与环形透光区在图7所示的Y方向正对，Y方向可以为入射到环形透光区的光线的方向。本公开实施例中的第一反射镜采用自由曲面反射镜、非球面反射镜或者球面反射镜，可以将从环形透光区入射的光更好的会聚至第一反射区。
例如，如图13所示，第一面100和第二面200可以均为平面。但不限于此，第一面和第二面的至少之一也可以为曲面。
例如，第一反射区120包括靠近环形透光区110的第二反射镜121，第一反射镜221被配置为将环形透光区110入射至其上的光反射至第二反射镜121。例如，如图13所示，第二反射区220还包括位于第一反射镜221与成像区210之间的第三反射镜222，第三反射镜222围绕成像区210，第一反射区120还包括位于第二反射镜121远离环形透光区110一侧的第四反射镜122，第二反射镜121被配置为将入射至第二反射镜121的光线反射至第三反射镜222，第三反射镜222被配置为将入射至第三反射镜222的光线反射至第四反射镜122。例如，如图13所示，第二反射区220还包括位于第三反射镜222与成像区210之间的第五反射镜223，第五反射镜223围绕成像区210，第一反射区120还包括位于第四反射镜122远离环形透光区110一侧的第六反射镜123，第四反射镜122被配置为将入射至第四反射镜122的光线反射至第五反射镜223，第五反射镜223被配置为将入射至第五反射镜223的光线反射至第六反射镜123，第六反射镜123被配置为将入射至第六反射镜123的光线直接反射至成像区210。由此，平板镜头包括上述通过六次反射将从环形透光区入射的光反射至成像区的六次反射结构。采用六次反射结构的平板镜头的厚度可以进一步减小，例如平板镜头的厚度小于1毫米。
例如，第一反射镜221、第二反射镜121、第三反射镜222、第四反射镜122、第五反射镜223以及第六反射镜123均可以为球面反射镜。例如，第一反射镜221可以为非球面反射镜或者自由曲面反射镜，第二反射镜121、第三反射镜222、第四反射镜122、第五反射镜223以及第六反射镜123可以为平面反射镜或球面反射镜以更好的保证平板镜头的成像质量。本公开实施例中，在保证成像质量的前提下，尽量使用平面反射镜或球面反射镜，减少自由曲面反射镜和非球面反射镜的使用可以节约成本。
例如，第一反射区120和第二反射区220设置的平面反射镜和球面反射镜的数量之和大于自由曲面反射镜和非球面反射镜的数量之和，以在保证平板镜头的成像质量的基础上，可以节约制作成本。
例如，平板镜头的厚度小于2毫米。本公开实施例中的平板镜头通过第一反射区和第二反射区实现多次反射折叠技术，可以在保证像质的同时，减小平板镜头的厚度，实现光路结构紧凑的平板镜头。
例如，第一反射镜、第三反射镜和第五反射镜为彼此间隔的同心环结构以将从环形透光区入射的光更好的会聚到成像区。例如，第二反射镜、第四反射镜以及第六反射镜为彼此间隔的同心结构以将从环形透光区入射的光更好的会聚到成像区。例如，第六反射镜可以为环状，但不限于此，还可以为圆形、方形等结构，只要可以将入射至第六反射镜的光线反射至成像区即可。例如，位于同一反射面的至少两个反射镜之间可以设有间隔，但不限于此，位于同一反射面的至少两个反射镜还可以彼此相接。
例如，环形透光区110的环宽与第一反射区120的最大尺寸之比不大于1。本公开实施例中通过对第一反射区的最大尺寸与环形透光区的环宽之比的设计，可以在保证进入平板镜头的光线亮度以及入射至成像区的光线亮度的同时，尽量减小平板镜头的厚度。
例如，第二反射区中的至少一个反射镜的表面设有反射膜以减少入射到成像区的光线的杂散光。例如，第一反射镜、第三反射镜和第五反射镜的至少一个的反射面可以设置反射膜，反射膜可以完全覆盖相应反射镜的反射面。但不限于此，也可以覆盖相应反射镜的部分反射面。本示例中的反射膜可以与图4所示示例中的反射膜具有相同的特征，在此不再赘述。
例如，本公开实施例各示例中，平板镜头的第一面和第二面的至少之一可以为光学塑料基底。位于同一面上的反射镜可以采用金刚石切削加工模具，然后用注塑成型的加工方法，从而实现大批量生产。
金刚石切削技术可以用于制造高质量的红外光学器件，也可以用于制作产生可见光的良好表面图形，由此，对于薄型、高质量成像的需求的光学系统可利用这项技术得到进一步的满足。
图14为根据本公开另一实施例提供的一种光学成像系统的局部剖面结构示意图，包括上述任一示例提供的平板镜头，图14示意性的示出光学成像系统中的平板镜头为图10所示的平板镜头。如图14所示，光学成像系统还包括传感器300，传感器300位于平板镜头的成像区，从环形透光区110入射的光线在进入传感器300之前仅经过第一反射区和所述第二反射区的反射。也就是，从环形透光区110入射到平板镜头的光线没有经过任何透镜的透射，仅是经过第一反射区120和第二反射区220组成的反射系统的反射后入射至成像区210的传感器300，可以减小光学成像系统的厚度。
例如，如图14所示，传感器300完全覆盖成像区以使反射至成像区的光线可以都被传感器300接收以将光信号转换为电信号。例如，传感器300可以包括电荷耦合器件(ChargeCoupled Device，CCD)或者互补金属氧化物半导体图像传感器(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)。
例如，如图14所示，传感器300可以直接贴合在平板镜头的成像区，两者之间不存在其他透镜等光学结构，以进一步减小光学成像系统的厚度。例如，传感器可以嵌入平板镜头中以进一步减小光学成像系统的厚度。
例如，本公开实施例提供的光学成像系统可以为手机或便携式相机等器件，通过设计轻薄的平板镜头，可以实现手机或相机等光学成像系统的轻薄化。
例如，图15为根据本公开实施例的另一示例提供的光学成像系统的平面结构示意图。图15示意性的示出平板镜头的第一面的结构，如图15所示，多个平板镜头可以位于同一基底上，由此，可利用视场拼接的方法，将多个平板镜头进行视场拼接得到具有大视场高分辨的超薄光场相机等光学成像系统。
有以下几点需要说明：
(1)本公开的实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)在不冲突的情况下，本公开的同一实施例及不同实施例中的特征可以相互组合。
以上所述仅是本公开的示范性实施方式，而非用于限制本公开的保护范围，本公开的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (18)

1.一种平板镜头，包括：
彼此相对的第一面和第二面，所述第一面包括环形透光区以及被所述环形透光区包围的第一反射区，所述第二面包括成像区以及围绕所述成像区的第二反射区，
其中，所述第二反射区被配置为将从所述环形透光区入射的光线反射至所述第一反射区，所述第一反射区被配置为将入射至所述第一反射区的光线反射至所述成像区；
所述第二反射区包括第一反射镜，所述第一反射镜被配置为将通过所述环形透光区入射至所述第一反射镜的光线直接反射至所述第一反射区，所述第一反射镜为自由曲面反射镜、非球面反射镜以及球面反射镜之一，所述第一反射区包括自由曲面反射镜、非球面反射镜、球面反射镜以及平面反射镜的至少之一。
2.根据权利要求1所述的平板镜头，其中，所述平板镜头的厚度小于3毫米。
3.根据权利要求1所述的平板镜头，其中，所述第一反射镜为环形反射镜，所述环形透光区在所述第二面上的正投影完全落入所述第一反射镜在所述第二面上的正投影内。
4.根据权利要求3所述的平板镜头，其中，所述第一反射镜外轮廓最大尺寸与所述环形透光区的外轮廓的最大尺寸之比大于1且小于1.5。
5.根据权利要求1-4任一项所述的平板镜头，其中，所述第一反射区的最大尺寸与所述环形透光区的环宽之比大于0.5。
6.根据权利要求1-4任一项所述的平板镜头，其中，所述第一反射区和所述第二反射区设置的平面反射镜和球面反射镜的数量之和大于自由曲面反射镜和非球面反射镜的数量之和。
7.根据权利要求1-4任一项所述的平板镜头，其中，入射到所述平板镜头的光线的最大视场角为10°。
8.根据权利要求1-4任一项所述的平板镜头，其中，所述第一反射区包括靠近所述环形透光区的第二反射镜，所述第一反射镜被配置为将从所述环形透光区入射的光线反射至所述第二反射镜。
9.根据权利要求8所述的平板镜头，其中，所述第二反射镜被配置为将入射至所述第二反射镜的光线直接反射至所述成像区，所述第二反射镜为平面反射镜或球面反射镜。
10.根据权利要求8所述的平板镜头，其中，所述第二反射镜被配置为将入射至所述第二反射镜的光线直接反射至所述成像区，所述第一反射镜和所述第二反射镜均为非球面反射镜，且所述平板镜头的厚度不大于2毫米。
11.根据权利要求8所述的平板镜头，其中，所述第二反射区还包括位于所述第一反射镜与所述成像区之间的第三反射镜，所述第三反射镜围绕所述成像区，所述第一反射区还包括位于所述第二反射镜远离所述环形透光区一侧的第四反射镜，所述第二反射镜被配置为将入射至所述第二反射镜的光线反射至所述第三反射镜，所述第三反射镜被配置为将入射至所述第三反射镜的光线反射至所述第四反射镜。
12.根据权利要求11所述的平板镜头，其中，所述第一反射镜和所述第三反射镜为同心环结构，和/或，所述第二反射镜与所述第四反射镜为同心结构。
13.根据权利要求11所述的平板镜头，其中，所述第四反射镜被配置为将入射至所述第四反射镜的光线直接反射至所述成像区，所述第二反射镜、所述第三反射镜以及所述第四反射镜均为平面反射镜或球面反射镜。
14.根据权利要求11所述的平板镜头，其中，所述第四反射镜被配置为将入射至所述第四反射镜的光线直接反射至所述成像区，所述第一反射镜和所述第四反射镜为非球面反射镜，所述第二反射镜为自由曲面反射镜，且所述第三反射镜为平面反射镜。
15.根据权利要求14所述的平板镜头，其中，所述平板镜头的厚度不大于2毫米。
16.根据权利要求11所述的平板镜头，其中，所述第二反射区还包括位于所述第三反射镜与所述成像区之间的第五反射镜，所述第五反射镜围绕所述成像区，所述第一反射区还包括位于所述第四反射镜远离所述环形透光区一侧的第六反射镜，所述第四反射镜被配置为将入射至所述第四反射镜的光线反射至所述第五反射镜，所述第五反射镜被配置为将入射至所述第五反射镜的光线反射至所述第六反射镜。
17.根据权利要求16所述的平板镜头，其中，所述第六反射镜被配置为将入射至所述第六反射镜的光线直接反射至所述成像区，所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述第四反射镜、所述第五反射镜以及所述第六反射镜均为平面反射镜或球面反射镜。
18.一种光学成像系统，包括：
权利要求1-17任一项所述的平板镜头以及传感器，
其中，所述传感器位于所述平板镜头的所述成像区，从所述环形透光区入射的光线在进入所述传感器之前仅经过所述第一反射区和所述第二反射区的反射。
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