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

Abstract

本发明公开了一种环形孔径超薄光学成像***，可用于便于携带的小型相机、手机镜头等民用光学成像***。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***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***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***

技术领域

本发明涉及一种微型超薄光学成像***，特别涉及一种环形孔径光路多次反射型超薄光学成像***，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***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***，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***设计、加工、检验、装调已有较大的进步，光学***的像质已接近衍射极限，所以***中应用非球面是可行的。应用非球面于光学***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***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***，该***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***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***。

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***，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***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；***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***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***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***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***(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***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***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***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***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***(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***包括平板镜头和补偿器，光线经环形通光孔径1(1’)进入***。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***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，***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***具体参数如表1和表2所列。

表1：优化设计得到的光学***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***，总厚度为13mm，平板镜头的厚度为3.5mm，外直径为60mm。

***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***，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***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***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***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***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***的场曲和畸变曲线图，可见此***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***的横向色差曲线图，可见在工作波段范围内***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***，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***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；***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***，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***，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***，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***，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***，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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