專利名稱：：環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種微型超薄光學(xué)成像系統(tǒng)，特別涉及一種環(huán)形孔徑光路多次反射型超薄光學(xué)成像系統(tǒng)，可用作微型相機(jī)的鏡頭。
背景技術(shù)：
：隨著超輕薄鏡頭的不斷發(fā)展，相機(jī)等光學(xué)成像系統(tǒng)的微型化成為可能，各種微型鏡頭成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，超輕薄鏡頭將成為未來市場的一個(gè)重要分支。雖然微型鏡頭已經(jīng)非常普遍，但其分辨率和光能收集率卻比較低。相機(jī)的厚度主要受制于鏡頭結(jié)構(gòu)這一關(guān)鍵因素，為了在減小相機(jī)體積和厚度的同時(shí)保持相對好的像質(zhì)，重點(diǎn)需要改進(jìn)鏡頭設(shè)計(jì)。如何使相機(jī)鏡頭更薄、更小成為減小相機(jī)體積的首要任務(wù)。具有較大相對孔徑的光學(xué)成像系統(tǒng)，隨著視場和口徑的增大，必須合理使用非球面來有效地校正和平衡初級、髙級像差，使設(shè)計(jì)滿足要求。光學(xué)非球面的使用通常受制造成本的限制，在可見光波段，其造價(jià)是球面元件的上百倍，甚至上千倍。目前非球面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工、檢驗(yàn)、裝調(diào)已有較大的進(jìn)步，光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)已接近衍射極限，所以系統(tǒng)中應(yīng)用非球面是可行的。應(yīng)用非球面于光學(xué)系統(tǒng)中所遇到的問題主要是工藝問題一一成批制造的可能性，及加工和檢測方法等。用塑料薄膜壓型加工法可解決一般非球面加工問題，采用非球面可使光學(xué)系統(tǒng)厚度明顯變薄，使大相對孔徑成為可能。在本發(fā)明作出之前，文獻(xiàn)"Ultrathincamerasusingannularfoldedoptics"(AppliedOptics,2007，46(4):463-471)中公開了一種環(huán)形孔徑光路多次反射型超薄光學(xué)成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)的總厚度為5mm，有效口徑為27mm,焦距為38mm,與相同口徑的傳統(tǒng)鏡頭相比，在保留了較好光能量收集的同時(shí)大大減少了相機(jī)的厚度、體積和重量。但該系統(tǒng)的光線傳播介質(zhì)為CaF2，成本較髙，不易于大規(guī)模推廣使用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種像質(zhì)好，制造成本低，且適合于批量生產(chǎn)的環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)，包括平板鏡頭和補(bǔ)償器，其通光孔徑為環(huán)形；所述的平板鏡頭，前表面為平面反射鏡，后表面為處于同一基底上的四個(gè)同軸環(huán)形高次非球面反射鏡，依次對光線進(jìn)行反射；平板鏡頭的前、后表面間，采用空氣作為光線傳播的介質(zhì)；所述的補(bǔ)償器位于平板鏡頭后表面處的正中，它由三塊透鏡組成，靠近平板鏡頭后表面，依次為正光焦度的第一塊透鏡，負(fù)光焦度的第二塊透鏡和正光焦度的第三塊透鏡；系統(tǒng)的光闌位于第一次對光線進(jìn)行反射的環(huán)形高次非球面反射鏡處。光學(xué)成像系統(tǒng)的工作波段為486656nm，焦距為38mm,物方數(shù)值孔徑為0.7，遮攔比為0.79。光學(xué)成像系統(tǒng)的總厚度為1015mm;所述的平板鏡頭的厚度為35mm,外直徑為60m邁。所述的補(bǔ)償器的第一塊和第三塊透鏡采用折射率為1.51.6的玻璃材料，第二塊透鏡采用折射率為1.71.8的玻璃材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)采用多次反射光線折疊技術(shù)，因此，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)；采用空氣作為光線傳播的介質(zhì)，可大大降低制造成本；四個(gè)同軸環(huán)形髙次非球面反射鏡位于同一光學(xué)塑料基底上，可用金剛石切削加工模具，然后用注塑成型的方法加工，從而實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)；采用無光焦度補(bǔ)償器擴(kuò)大視場，使得在較大視場下，仍能獲得較好的像質(zhì)。圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)(光路)的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)光線追跡點(diǎn)列圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)傳遞函數(shù)曲線4圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)場曲和畸變曲線圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)橫向色差曲線圖；其中，1(1，)、通光口徑；2(2，)、4(4，)、6(6，)和8(8')依次為位于同一基底上的四個(gè)環(huán)形髙次非球面反射鏡(環(huán)形孔徑)；3(3')、5(5')、7(7')和9(9')為完全重合的四個(gè)平面反射鏡；10、補(bǔ)償器中的第一塊反射鏡；11、補(bǔ)償器中的第二塊反射鏡；12、補(bǔ)償器中的第三塊反射鏡。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實(shí)施例1:參見附圖1,它是圖1是本發(fā)明實(shí)施例所提供的環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)(光路)的結(jié)構(gòu)示意圖。參見附圖1，本實(shí)施例所提供的光學(xué)成像系統(tǒng)包括平板鏡頭和補(bǔ)償器，光線經(jīng)環(huán)形通光孔徑i(r)進(jìn)入系統(tǒng)。平板鏡頭的前表面為平面反射鏡3(3')、5(5')、7(7')和9(9')，它們?yōu)樗膫€(gè)重合在一起的一塊平面反射鏡；后表面為處于同一基底上的四個(gè)同軸環(huán)形髙次非球面反射鏡，依次為2(2')、4(4')、6(6')和8(8');平板鏡頭的前、后表面間，采用空氣作為光線傳播的介質(zhì)。補(bǔ)償器位于平板鏡頭后表面處的正中，它由三塊透鏡組成，靠近平板鏡頭后表面，依次為正光焦度的第一塊透鏡10,負(fù)光焦度的第二塊透鏡11和正光焦度的第三塊透鏡13。按設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的工作波段為486656nm，焦距為38mm，物方數(shù)值孔徑為0.7，遮攔比為0.79。在本實(shí)施例中，環(huán)形非球面反射面2(2')采用雙曲面型10次非球面，4(4')、6(6')和8(8')均采用二次曲面系數(shù)為0的12次非球面，其中，非球面按下式得到c一.+A4+S,+O"8+i>10+￡,+iV4+G,A式中，c為頂點(diǎn)處的基本曲率k為圓錐曲線常數(shù)；r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)；A,B,C,D和E為非球面系數(shù)。在本實(shí)施例中，優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的光學(xué)系統(tǒng)具體參數(shù)如表1和表2所列。5表l:優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>按上述表1、表2中確定的各項(xiàng)參數(shù)，提供一種環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)，總厚度為13mm,平板鏡頭的厚度為3.5mm,外直徑為60mm。系統(tǒng)的光闌位于第一次對光線進(jìn)行反射的環(huán)形高次非球面反射鏡2(2')處，光線通過環(huán)形通光口徑i(r)進(jìn)入系統(tǒng)，以空氣為光線傳播介質(zhì)，多次折疊反射后經(jīng)補(bǔ)償器成像。經(jīng)測試，該系統(tǒng)的像質(zhì)評價(jià)結(jié)果如下參見附圖2,它是光線通過本實(shí)施例所述的光學(xué)系統(tǒng)的光線追跡點(diǎn)列圖，即光線在像面的聚焦情況，圖中各視場處的黑色小正方形表示探測器像素的大小，即3.2薩X3.2pm,點(diǎn)列圖直徑的RMS值和能量集中度列于表3。由圖2可見，像面上所有視場的點(diǎn)列圖基本落在像素大小范圍內(nèi)，表明此光學(xué)系統(tǒng)具有接近于衍射理論極限的聚焦特性。表3:點(diǎn)列圖大小、能量集中度<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>參見附圖3，它是本發(fā)明實(shí)施例所提供的環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線圖，圖中各視場的傳遞函數(shù)曲線都接近衍射極限，表明在奈奎斯特頻率1561p/mm處MTF值大于0.2，具體數(shù)值參見表4。表4:調(diào)制傳遞函數(shù)曲線在1561p/m邁處的MTF值<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>參見附圖4,它是本發(fā)明實(shí)施例所提供的環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)的場曲和畸變曲線圖，可見此系統(tǒng)的相對畸變很小，小于O.1%。參見附圖5，它是本發(fā)明實(shí)施例所提供的環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)的橫向色差曲線圖，可見在工作波段范圍內(nèi)系統(tǒng)色差較小，在最大視場處橫向色差大約為0.705拜。權(quán)利要求1.一種環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于它包括平板鏡頭和補(bǔ)償器，其通光孔徑為環(huán)形；所述的平板鏡頭，前表面為平面反射鏡，后表面為處于同一基底上的四個(gè)同軸環(huán)形高次非球面反射鏡，依次對光線進(jìn)行反射；平板鏡頭的前、后表面間，采用空氣作為光線傳播的介質(zhì)；所述的補(bǔ)償器位于平板鏡頭后表面處的正中，它由三塊透鏡組成，靠近平板鏡頭后表面，依次為正光焦度的第一塊透鏡，負(fù)光焦度的第二塊透鏡和正光焦度的第三塊透鏡；系統(tǒng)的光闌位于第一次對光線進(jìn)行反射的環(huán)形高次非球面反射鏡處。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于它的工作波段為486656nm。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于它的焦距為38mm。4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于它的總厚度為1015mm;所述的平板鏡頭的厚度為35mm,外直徑為60mm。5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于它的物方數(shù)值孔徑為0.7,遮攔比為0.79。6.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述的補(bǔ)償器的第一塊和第三塊透鏡釆用折射率為1.51.6的玻璃材料，第二塊透鏡釆用折射率為1.71.8的玻璃材料。全文摘要本發(fā)明公開了一種環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)，可用于便于攜帶的小型相機(jī)、手機(jī)鏡頭等民用光學(xué)成像系統(tǒng)。它包括平板鏡頭和補(bǔ)償器，其通光孔徑為環(huán)形。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(gè)同軸環(huán)形高次非球面反射鏡，采用空氣作為光線傳播的介質(zhì)。該系統(tǒng)能在保持良好成像質(zhì)量的同時(shí)明顯地減小體積和重量，為改進(jìn)傳統(tǒng)折射系統(tǒng)提供了一種有效的方法。與普通小型鏡頭相比，此類鏡頭具有成像質(zhì)量好，數(shù)值孔徑大，裝調(diào)簡單、成本低、便于攜帶、易于加工和適合大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。文檔編號G02B13/00GK101581828SQ20091003224公開日2009年11月18日申請日期2009年6月9日優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日發(fā)明者張蕊蕊,沈?yàn)槊裆暾埲?蘇州大學(xué)