【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学成像，尤其是涉及一种大视场角的折叠光学系统。
技术介绍
1、传统小型光学系统基本都是通过多个折射光学元件组合进行高质量成像，这些光学系统结构复杂、体积大，尤其是轴向尺寸大，已经不能满足现有无人机或者手机光学系统的发展需求。折叠式平板镜头可以在显著减小体积和重量的前提下，保持高分辨率和光收集能力，可用于小型无人机成像系统和手机成像系统。目前使用的折叠式平板镜头是在施密特-卡塞格林望远镜等传统反射望远镜基础上，创建高度折叠的反射式镜头，通过光线在两个平行平板间来回反射，使总光程与传统镜头保持一致，厚度大幅度减小，具有小型化、轻量化、像质好等优点，已经在可见光成像领域广泛应用，可用于无人机、手机等成像设备中。但平板镜头多次的折叠会导致视场变小，目前8次折叠平板镜头最大视场角为5°左右，6次折叠平板镜头的最大视场角约为15°，4次折叠平板镜头的最大视场角不超过20°。小型无人机成像系统的视场角一般要求大于30°，手机成像系统的视场角一般需要大于40°，都要求成像系统具有大的视野范围，所以扩展折叠式平板镜头的视场角是一个亟待解决的问题。大部分折叠式平板镜头使用的为平面、二次曲面、高次非球面等对光线进行反射和会聚，由于环形口径的限制，应用传统的折射、衍射方法难以保证镜头小型化的基础上，达到扩展视场角的目的。因此提供一种在可见光波段大视场角成像的折叠光学系统具有重要的意义。
2、目前国内外专利中提出了不同结构的折叠光学系统，它们各有优缺点。
3、专利申请号为201510539488.x的中国专利技术专
4、专利申请号为201810773750.0的中国专利技术专利提出一种环形孔径折叠式超薄光学成像系统。前表面被设计成易于制造的平面，后表面则由多个非球面组成，光线经环形通光孔径折射进入光学成像系统，在第一高次非球面反射镜即光阑位置处进行第一次反射，反射到第一平面反射镜即镜头前表面的圆形孔径，进行第二次反射，反射到第二高次非球面反射镜，进行第三次反射，光线到达第二平面反射镜进行第四次反射，光线达到高次非球面透射面处，经折射，光线全部会聚到成像平面处。但该折叠光学系统视场角较小，由于折叠光学系统的结构限制，大视场广角成像方面具有局限性。
5、专利申请号为cn202010482151.0的中国专利技术专利提供一种光学镜头、包括所述光学镜头的镜头模组、以及包括所述镜头模组的电子设备，旨在实现良好的成像效果的同时，获得一种具有长焦效果且长度较小、制作较为简单且成本较低的光学镜头。该光学镜头分为第一组元和第二组元，其中第一组元具有正光焦度的折返镜片，光线在所述折返镜片内进行两次折返，从而在获得所需的光线方向调整效果以实现光学镜头的长焦距的同时，减小光学镜头中镜片的厚度，从而减小光学镜头的长度。所述第二组元均为具有负光焦度的透镜，所述第二组元包括至少两片镜片，通过至少两片镜片之间相互配合以实现更好的视场矫正效果，以使光学镜头能够获得更高质量的成像。另外该专利还提出了一种镜头模组和电子设备，镜头模组用来实现较好的远景拍摄效果，并具有较短的光学总长，以更好的应用于薄型化的电子设备中。电子设备包括外壳和上述的镜头模组，具有薄型化和成本低的优点。该专利提出的光学镜头不采用棱镜实现光路折叠，相对于采用棱镜进行光路折叠的光学镜头来说，光学镜头的制作精度及制作成本均较低。并且，相较于通过棱镜进行光路折叠方式的潜望式镜头来说，本申请中的光学镜头通过折返镜片对光线进行轴向折叠，使得缩短光学镜头的光学总长的同时，对光学镜头的其它方向的空间占用较小。该镜头只使用二次折返镜头组元，可以使用四次折返镜头来进一步减少第一组元的厚度，该镜头第二组元至少由两块折射透镜组成，使得系统总长无法压缩在较小的厚度。该光学镜头的视场角较小，不能进行大视场角的成像。
6、专利申请号为us201615048008的美国专利技术专利提出了一种折叠成像系统，该折叠成像系统将透镜阵列邻近地设置在图像传感器附近，具有成像模式和存储模式两种操作模式。上述透镜阵列具有多个透镜元件。成像模式具有围绕公共光轴布置的多个协作透镜元件，存储模式具有布置在公共薄平面体积内的多个协作透镜元件。当成像系统折叠时，成像系统的所有透镜元件偏离光轴，当成像系统处于成像模式，所有透镜元件形成图像，成像系统包括两个维度上分布的多个透镜元件，透镜元件的聚焦能力取决于其到所述光轴的距离。现有技术的方法和装置形成对比的是，这里首先呈现的系统不以轴向或伸缩模式塌缩，而是沿着离轴路径塌缩。更具体地，这些系统从成像模式塌缩到表征为薄平面体积的存储模式。当考虑这些离轴塌陷方案时，可以发现本专利技术的可塌陷透镜系统与现有技术的可塌陷透镜系统之间的根本区别。当考虑用于减轻由于不完美透镜放置引起的特定像差的特殊手段和策略时，容易辨别进一步的基本差异和区别因素。具体地，透镜阵列处理器被设计成对入射波前操作，以减少已知机械变化引起的图像误差。上述两种模式之间的转换导致复合透镜元件不完美放置。包括用于校正图像误差的特殊规定，以实现非常高的分辨率。该专利虽然使用的离轴的方式将光学系统折叠，但这种简单的机械折叠没有将内部光路进行有效的优化，导致一些光学参数无法进一步提高，系统具有一定的局限性。
7、专利申请号为pctcn2021095122的中国专利技术专利提出了一种超透镜和具有其的光学系统，该专利将超表面和传统光学透镜进行组合形成混合光学系统，完成特定的成像应用。超表面结构单元呈阵列状排列，为正六边形或正方形，每个超表面结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构，纳米结构的排布决定了超表面对偏振不敏感，其光相位与纳米柱结构的高度、横截面的形状以及纳米柱结构的材质相关。专利所述光学系统由两个超透镜组成，传统透镜部分包括折射透镜和反射透镜中的至少一种。一种结构为两片超透镜和一片折射透镜，入射光依次经过第一超透镜和第二超透镜进入折射透镜，折射透镜为凸透镜，三块透镜均镀有可见光波段的增透膜。另一种结构为两片超透镜和两片反射透镜，反射透镜包括主反射透镜和次反射透镜，主反射透镜间隔设于次反射透镜和第三超透镜之间，第四超透镜间隔设于第三超透镜远离主反射镜的一侧，主反射镜包括两片沿垂直于第三轴的方向间隔设置的子反射透镜，为凹面镜，次反射镜为凸面镜。入射光镜子反射镜反射进入本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大视场角的折叠光学系统，其特征在于：包括4次折返式折叠光学系统、2次折返式折叠光学系统；4次折返式折叠光学系统和2次折返式折叠光学系统包括第一超表面、第二超表面、第三超表面；4次折返式折叠光学系统中，第一超表面、第二超表面和第三超表面同基底同轴设置；2次折返式折叠光学系统中，第一超表面和第三超表面同基底同轴设置，第二超表面同轴设置在第三超表面前侧；第一超表面、第二超表面、第三超表面上设置有阵列分布的纳米柱结构。
2.根据权利要求1所述的一种大视场角的折叠光学系统，其特征在于：所述4次折返式折叠光学系统中还包括第一平面反射镜和第二平面反射镜，第一平面反射镜和第二平面反射镜同基底同轴设置，第一平面反射镜、第二平面反射镜同轴设置在第一超表面、第二超表面、第三超表面的前侧。
3.根据权利要求1所述的一种大视场角的折叠光学系统，其特征在于：所述4次折返式折叠光学系统中，第一超表面和第二超表面设置为环形，第一超表面设置在第二超表面外围，第三超表面设置在第二超表面中心。
4.根据权利要求1所述的一种大视场角的折叠光学系统，其特征在于：所述2次折返式折
5.根据权利要求1所述的一种大视场角的折叠光学系统，其特征在于：所述纳米柱结构包括负中空纳米柱结构、方纳米柱结构、负方纳米柱结构、中空方纳米柱结构、负中空方纳米柱结构、拓扑纳米柱结构。
6.根据权利要求1所述的一种大视场角的折叠光学系统，其特征在于：所述纳米柱结构采用几何相位法和传播相位法结合的方式进行优化；
7.根据权利要求1所述的一种大视场角的折叠光学系统，其特征在于：所述4次折返式折叠光学系统中，光线通过环形通光孔径的通光平面进入光学系统，光线入射至第一超表面，经第一超表面反射至第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射至第二超表面，光线在第二超表面反射至第二平面反射镜，经第二平面反射镜反射至第三超表面，经第三超表面的透射，变焦，光线会聚到像面上。
8.根据权利要求1所述的一种大视场角的折叠光学系统，其特征在于：所述2次折返式折叠光学系统中，光线通过环形孔径进入光学系统，光线入射至第一超表面，拓宽视场，光线经第一超表面反射至第二超表面，光线经第二超表面反射后会聚，经第三超表面的透射，变焦，光线会聚到像面上。
9.根据权利要求1所述的一种大视场角的折叠光学系统，其特征在于：所述光学系统的视场角大于等于40°，光学系统厚度小于2mm。
...【技术特征摘要】
1.一种大视场角的折叠光学系统，其特征在于：包括4次折返式折叠光学系统、2次折返式折叠光学系统；4次折返式折叠光学系统和2次折返式折叠光学系统包括第一超表面、第二超表面、第三超表面；4次折返式折叠光学系统中，第一超表面、第二超表面和第三超表面同基底同轴设置；2次折返式折叠光学系统中，第一超表面和第三超表面同基底同轴设置，第二超表面同轴设置在第三超表面前侧；第一超表面、第二超表面、第三超表面上设置有阵列分布的纳米柱结构。
2.根据权利要求1所述的一种大视场角的折叠光学系统，其特征在于：所述4次折返式折叠光学系统中还包括第一平面反射镜和第二平面反射镜，第一平面反射镜和第二平面反射镜同基底同轴设置，第一平面反射镜、第二平面反射镜同轴设置在第一超表面、第二超表面、第三超表面的前侧。
3.根据权利要求1所述的一种大视场角的折叠光学系统，其特征在于：所述4次折返式折叠光学系统中，第一超表面和第二超表面设置为环形，第一超表面设置在第二超表面外围，第三超表面设置在第二超表面中心。
4.根据权利要求1所述的一种大视场角的折叠光学系统，其特征在于：所述2次折返式折叠光学系统中，第一超表面设置为环形，第三超表面设置在第一超表面中心。
5.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾大功，汪硕，张乐函，苗育茁，张红霞，任坤，
申请(专利权)人：天津大学四川创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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