[發明專利]折疊式超薄光學成像系統

有效

• 申請號: 201810773750.0
• 申請日: 2018-07-15
• 公開（公告）號: CN109407290B
• 公開（公告）日: 2020-08-28
• 發明（設計）人: 賈大功;吳子祺;云奮蛟;朱猛;張紅霞;劉鐵根
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G02B17/08
• 分類號: G02B17/08;G02B13/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

本發明公開了一種折疊式超薄光學成像系統，包括環形孔徑超薄光學成像鏡頭和成像平面(7)，其特征在于，所述環形孔徑超薄光學成像系統包括位于前表面的環形通光孔徑(11)?(12)和第一、第二平面反射鏡(31)?(32)和(51)?(52)；以及，位于后表面的第一、第二高次非球面反射鏡(21)?(22)、(41)?(42)和高次非球面透射面(61)?(62)。與現有技術相比，本發明的折疊式超薄光學成像系統采用多次反射光線折疊技術，因此，具有體積小、結構緊湊的特點；像面與鏡頭后表面保持一段距離，所設計的結構使得鏡頭不易受外界雜散光干擾；該鏡頭在一個可接受的視場下具有較大的景深；該鏡頭的工作波段范圍較寬。

技術領域

本發明涉及一種光學成像系統，特別涉及一種環形孔徑折疊式超薄光學成像系統。

背景技術

隨著光學制造工藝的不斷進步和發展，各種超薄微型鏡頭的制造成為可能，這種微型鏡頭逐漸被設計加工出來以滿足軍事、航天和商業等領域的特殊需求。隨著光電系統應用技術的發展，對新型光學系統的要求也越來越高，而且未來各種器件都趨于集成化和微型化，這種結構緊湊便于集成的超輕薄微型鏡頭將會成為未來光學領域的一個重要分支，目前這種鏡頭已經越來越受到人們的關注。

傳統高性能相機一般采用透鏡組結構，其徑向尺寸較小，但是其軸向尺寸很大。在某些特殊場合，例如對地觀測方面，微型飛行器或者小型衛星對鏡頭厚度的限制較為嚴格，而對其口徑的限制較為寬松，因此傳統相機的結構難以滿足需求。目前，雖然國內外各種超薄厚度的微型相機層出不窮，但是大多數其分辨率和光線收集能力與全尺寸相機相比差距較大，因此仍然難以滿足某些應用的需求。

相機的軸向尺寸主要由鏡頭的結構決定，所以如何改進鏡頭結構并且保持較好的成像質量成為首要任務。如果將光學鏡頭內部光路進行折疊，形成平板鏡頭，那么與傳統高質量復合折射式相機鏡頭相比，可以顯著減小光學器件的工作距離。由于減少了光學系統的軸向尺寸，對于這種環形口徑的光學成像系統來說，必須合理設計和利用非球面來有效的校正初級和高級像差，以保證成像質量。

文獻“Annular Folded Optic Imager”(Tremblay E J.Annular folded opticimager[J].Proc Spie,2006,6232:62320R-62320R-9.)中首次介紹了一種環形孔徑光路多次反射型超薄光學成像系統。該系統的有效焦距為35mm，有效通光口徑為27.3mm，總厚度為5mm，工作波段為486～656nm，與相同口徑的傳統鏡頭相比，在保留了較好光能量收集的同時大大減少了相機的厚度、體積和重量。但是該成像系統中光路經歷了八次反射，使用了四個非球面反射鏡，導致制造成本較高。另外，由于鏡頭的景深較小，對于遠距離成像，成像質量下降明顯。不僅如此，由于圖像接受系統如CCD，嵌入在鏡頭基體上，導致裝配時其圖像接收器不可移動，不能作為公差補償器來補償公差，因此對加工精度提出了很高的要求，同時這種結構也導致鏡頭易受到雜散光影響。

中國發明專利CN101581828A《環形孔徑超薄光學成像系統》公開了一種環形孔徑超薄光學成像系統，包括平板鏡頭和補償器，其通光孔徑為環形，可用于便于攜帶的小型相機、手機鏡頭等民用光學成像系統。平板鏡頭前表面為平面反射鏡，后表面為處于同一基底上的四個同軸環形高次非球面反射鏡，采用空氣作為光線傳播的介質。該系統能在保持良好成像質量的同時明顯地減小體積和重量，為改進傳統折射系統提供了一種有效的方法。但是該光學系統后續補償器的三塊透鏡尺寸太小，不易加工和裝配。材料形變量受溫度影響較大，而且MTF曲線在奈奎斯特頻率下的MTF值較低。