环型孔径折叠型超薄镜头

    0 引 言

    随着人们对相机的要求越来越高， 超轻薄镜头将成为未来市场的一个重要分支， 虽然小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， 为了在减小相机体积和厚度的同时保持相对好的像质， 需要重点改进镜头设计。 如何使相机镜头更薄、更小，成为减小高性能相机体积的关键所在。

    微透镜阵列和平板镜头是超薄镜头的两个重要领域， 均可在实现超薄特性的同时得到较好的成像质量。 目前，平板镜头主要应用于天文望远镜中，采用两片或更多反射镜实现光线的多次反射和光路折叠[3-5]， 但是还没有多个高次非球面反射镜位于单一基底的多次反射系统。

    文中将介绍一种环型孔径折叠型超薄光学镜头的设计方法，它是平板镜头结构的延伸，采用了多个非球面反射镜，此类镜头可以在减小镜头厚度、减轻质量的同时保持较高的光能收集率和分辨能力，并兼有小型系统结构紧凑性和大型系统的高成像性能优势。 文中给出此类光学镜头中 8 次反射折叠光学镜头的设计实例，它采用 4 个非球面反射镜，并给出了像质评价结果。

    1 设计思想

    环型孔径折叠型超薄镜头是天文望远镜结构的扩展[3-7]， 由于格里高利望远镜结构比较大 ， 为了得到较大的集光孔径范围、较小的质量和体积，fSONA通信公司设计改进了格里高利望远物镜[4]，如图 1 所示， 通过在格里高利望远物镜的主镜和次镜中间放置一个可以使光路折叠的平面反射镜， 使次镜翻转到主镜处，主镜和次镜位于同一基底上，此镜头的长度是原来格里高利望远物镜的 1/2，卡塞格林望远物镜的 2/3。

    环型孔径折叠型超薄光学镜头原理结构如图 2所示，整个光学系统仅由单块光学材料构成，在其前后表面设计所需的光学面，通常称之为平板结构。 光线通过最外面的环形孔径进入光学系统， 然后通过前、后表面的反射镜来回反射成像，光线沿“z”字形路径前进，最后到达像面处的探测器。 光束犹如经过厚度是其几倍的传统镜头， 可以在有限的厚度和体积内得到较长的焦距，实现光学系统的超薄特性。

    如图 3 所示，由于存在中心遮拦，只有入射到图中黑色区域所示环形孔径的光线才能进入系统，可用下公式(1)定义遮拦比表征这种拦光作用：

    式中：douter是环形通光孔径的外直径；d 是拦光区域的直径，即环形通光孔径的内直径。 进入光学系统的光能量正比于通光孔径的面积， 与此圆环形孔径面积相等的等效圆形孔径的直径[6]为：