[发明专利]折叠式超薄光学成像系统

说明书

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。

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。