专利名称：双焦距透镜系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及反射式光学系统，并且具体来说涉及适于用在紧凑型成像系统 中的光学系统。
背景技术：
将反射光学器件与折射光学器件相组合的光学系统是公知的。例如，授予Bodkin 的美国专利No. 7，049，597以及授予Amon的美国专利No. 7，119，969公开有一种用在双光 谱光学系统中的具有反射元件和折射元件的双光路。每个光学系统都包括一个用于可见光 成像的系统以及用于高光谱成像的另一光学系统。分束器被用于形成两个光路。授予Von Hoessle的美国专利No. 5，051，830公开有一种具有内区和外区的折射 透镜。来自外区的光传播到反射透镜，该反射透镜将所述光聚焦到第一传感器上。来自内区 的光被聚焦到第二传感器上，所述第二传感器以与第一传感器背靠背的配置而被安放。使 用单个电子系统来支持两个成像系统，使得每次仅能使用所述成像系统之一。两个传感器 的定位被设计为在制导导弹应用中使重量最小化。较短焦距的成像系统被提供用于导弹向 目标的大致性制导。较长焦距的成像系统被提供用于在导弹向目标的最后制导阶段对导弹 进行更精确的制导。授予Lawson的美国专利No. 6，870，690公开有一种透镜，其中该透镜的外部部分 被设计用于一个谱带，而该透镜的内部部分被设计用于另一谱带。授予Wilm的美国专利 No. 5，172，235公开有聚焦到一个传感器上的两个透镜。互补区(complimentary zone)滤 波器使得来自两个透镜的两个图像能够彼此叠加以产生具有不同分辨率区域的复合图像。然而，还存在的需要是提供一种紧凑型成像系统，其合并有包括两个独立的透 镜系统的双焦距透镜系统，这两个独立的透镜系统同时提供同一场景或对象的不同焦距图 像。
发明内容
根据本发明的一方面，一种双焦距光学系统包括第一光学系统和第二光学系统。 第一光学系统沿着光轴被定位，并且包括具有对象侧表面和图像侧表面的光学结构。对象 侧表面和图像侧表面包括折射表面部分和反射表面部分。第一光学系统具有焦距。第二光 学系统被定位在该同一光轴上并且具有焦距。第一光学系统的焦距长于第二光学系统的焦 距。根据本发明的另一方面，一种双焦距光学系统包括第一光学系统和第二光学系 统。第一光学系统沿着光路被定位，并且包括具有对象侧表面和图像侧表面的光学结构。第 一光学系统还包括中间反射元件的第一表面，其中沿着光路观察，所述中间反射元件被安 放在该光学结构的对象侧表面与图像侧表面之间。第一光学系统具有第一焦距。第二光学 系统共用同一光路的一部分，并且包括与第一光学系统的中间反射元件为同一个的中间反 射元件的第二表面。第二光学系统具有第二焦距。第一光学系统的第一焦距长于第二光学系统的第二焦距。
在下面提供的对本发明优选实施例的详细描述中对附图进行了参考，在附图中图1是示出了传播通过本发明的第一示例性实施例的光的光线轨迹的示意图；图2是本发明第一示例性实施例的光学部件的示意图； 图3是示出了本发明第一示例性实施例的示例性实施方式的示意图；图4是示出了传播通过本发明第二示例性实施例的光的光线轨迹的示意图；图5是示出了传播通过图4所示的本发明第二示例性实施例的一部分的光的光线 轨迹的示意图；图6是示出了传播通过图4所示的本发明第二示例性实施例的一部分的光的光线 轨迹的示意图；以及图7是示出了本发明第二示例性实施例的示例性实施方式的示意图
具体实施例方式本说明书将尤其是针对形成根据本发明的装置的一部分的元件、或者更直接地与 根据本发明的装置协作的元件。应当理解，未被具体示出或描述的元件可以采取对于本领 域的技术人员而言公知的形式。参考图1，示出了传播通过双焦距透镜系统100的第一实施例的光的光线轨迹的 示意图。双焦距透镜系统100包括第一(例如摄远的)光学系统200以及第二(例如广角 的)光学系统300。第一光学系统200的光学表面(将参考图2予以更详细的描述)定义 反射折射光学系统，其中光学系统200包括具有屈光度的折射和反射光学表面二者。第二 光学系统300的光学表面(将参考图2予以更详细的描述)定义屈光光学系统，其中光学 系统300包括具有屈光度的折射光学表面。第一光学系统200和第二光学系统300沿着光轴125被定位，并且共享光学元件 的光学表面。表面105和110定义具有弱折射屈光度的透镜元件140 (通常被称为校正板)， 所述透镜元件140用于第一光学系统200和第二光学系统300 二者。透镜元件140的不同 部分被用于每个透镜系统，其中第一光学系统200使用外部环形区域115，并且第二光学系 统300使用中心区域120。透镜元件140的表面105是非球面的，并且透镜元件140的表面110是球面的。 然而，表面105和110之中任一或二者都可以是非球面的，以帮助校正像差。可替代地， 表面105和110可以是平的，以充当用于保护剩余的光学系统不被污染的覆盖窗(cover window)ο具有焦距的第一光学系统200沿着光路或光轴125被定位。具有焦距的第二光学 系统300沿着相同的光路125被定位。第一光学系统200的焦距(第一焦距)长于第二光 学系统300的焦距(第二焦距)。第一光学系统200将光引导到图像传感器130，而第二光 学系统300将光引导到图像传感器135。参考图2，第一光学系统200包括具有对象侧表面210和图像侧表面215的光学结 构205。对象侧表面210包括折射表面部分220和反射表面部分225。图像侧表面215包括折射表面部分230和反射表面部分235。光学结构205的图像侧表面215的反射表面部分235具有屈光度并且是非球面 的。光学结构205的对象侧表面210的反射表面部分225也具有屈光度并且是球面的。然 而，反射表面部分225可以是非球面的。第一光学系统200的大部分屈光度都存在于反射 表面235和225中。由于表面235和225是反射性的，因此这些表面并没有向光学系统200 中引入色差。第一光学系统200包括孔径290。 表面225与235之间的空间可以填充空气或者折射材料(将参考图3予以更详细 的描述)。当该空间被填充折射材料时，该材料的色散可能引入一些色差。当发生这种情况 时，可以使用被定位在图像传感器130与光学结构205之间的具有表面245和250的折射 光学元件240来校正色差以及像场弯曲(如果像场弯曲存在的话)。如图2所示，光学结构205的图像侧表面215的折射表面部分230包括光学元件 240的表面245和250之一或二者。然而，当表面225与235之间的空间被填充折射材料 (参见图3)时，则光学结构205的图像侧表面215的折射表面部分230可以例如通过塑造 曲率半径而由所述材料本身形成。如图2所示，光学结构205的对象侧表面210的折射表面部分220包括透镜元件 140的表面105和110之一或二者。因此，光学结构205的对象侧表面210的屈光度小于光 学结构205的图像侧表面215的屈光度。可替代地，光学结构205的对象侧表面210可以 包括另外的表面(一个或多个)。例如，当透镜元件140是平面板时，对象侧表面210可以 是其它透镜元件的表面、或者用于填充表面225与235之间的空间的材料(参见图3)的对 象侧表面330。仍然参考图2并且回到图1，透镜元件140的不同部分被用于每个透镜系统，其中 第一光学系统200使用外部环形区域115，并且第二光学系统300使用中心区域120。在 这种意义上，光学结构205的对象侧表面210包括第一折射表面部分115和第二折射表面 部分120，其中第二折射表面部分120与第二光学系统300相关联，并且第一折射表面部分 115与第一光学系统200相关联。如图1和图2所示，光学结构205的对象侧表面210的 第一折射表面部分115和第二折射表面部分120形成连续的表面，但是情况不必总是如此。 附加地，光学结构205的对象侧表面210的第一折射表面部分115和第二折射表面部分120 具有相同的曲率半径。然而，折射表面部分115和120可以具有不同的曲率半径。表IA描述了本发明的第一示例性实施例的第一透镜系统200的一个特定配置。在 该配置下，透镜系统200是摄远透镜系统。然而，应当认识到，其它配置是允许的。通常，这 些其它的配置取决于针对双焦距透镜系统100的第一透镜系统200所构思的特定应用。表 IA 非球面常数 「00311 仍然参考图2，第二光学系统300与第一光学系统200共用光学元件140的表面 105和110。在穿过光学元件140以后，第二光学系统300通过一个或多个附加的透镜255 将光引导到图像传感器135。如图2所示，这些透镜包括具有表面260、265的双凸透镜； 具有表面270、275的双凸透镜；以及具有表面280、285的双凹透镜。可替代地，第二光学系 统300可以具有比图2所示的透镜的数目更多或更少的透镜。光学系统300的大部分(如果不是全部的话)屈光度被包含在表面260至285中。 透镜255形成具有+、+、-屈光度的三元件透镜组，但是其它配置同样可行。表面260至285 是球面的，然而这些光学表面中的任意光学表面都可以具有非球面以用于像差控制。表IB描述了本发明的第一示例性实施例的第二透镜系统300的一个特定配置。在 该配置中，透镜系统300是广角透镜系统。然而，应当认识到，其它配置是允许的。通常，这 些其它的配置取决于针对双焦距透镜系统100的第一透镜系统300所构思的特定应用。表 IB 非球面常数 回过来参考图1和2，第一光学系统200的第一焦距和第二光学系统300的第二焦 距的至少之一是固定的焦距。然而，可以构思的是可以将附加的光学元件(一个或多个) 定位在图像传感器130与第一光学系统200之间或者/以及图像传感器135与第二光学系 统300之间，其中所述附加的光学元件是可移动的以便实现焦距、焦点或者它们二者的变 化。这可以使用用于移动一个或多个光学元件的常规技术来实现。可替代地，图像传感器 130和图像传感器135之一或它们二者可以沿着其相关联的光路移动以实现焦点的变化。 所述图像传感器的移动使用常规的技术来实现。在另一可替代的实施例中，第一光学系统 200或第二光学系统300可以相对于其相应的图像传感器130和135被移动，以实现焦点的 变化。同样，使用常规的技术来实现移动。可以提供控制器并将其配置为使用由双焦距透镜系统100的第一光学系统200所 产生的图像和第二光学系统300所产生的图像这二者来执行数字变焦功能。可以使用诸如 Border等人的于2008年2月7日公开的美国专利公开No. 2008/0030592中所描述的技术 的技术来实现数字变焦。参考图3并且回去参考图2，示出了双焦距透镜系统100的示例性实施方式360。 光学结构205是固体材料元件，其包括在透镜255和图像传感器135周围被接合在一起的 两部分310、320。合适的材料包括低色散材料，比如丙烯酸塑料、环烯烃聚合物(cop)(例如 Zeonex，其可从日本东京的Zeon公司购买获得)。部分310包括元件140，该元件140充当 对象侧表面210的折射表面部分220。部分320包括对象侧表面210的反射表面部分225 和图像侧表面215的反射表面部分235。在图3中，图像侧表面215的反射表面部分235的 中部的材料表面是平的，因此折射光学元件240充当图像侧表面215的折射表面部分230。 双焦距透镜系统100的示例性实施方式360还包括部分320上的形成孔径290的挡光表面 350。在图3中，光学元件255与参考图2所述的那些光学透镜相同。图像传感器130也被 示出。
参考图4示出了传播通过双焦距透镜系统400的第二实施方式的光的光线轨迹的 示意图。双焦距透镜系统400包括第一(例如摄远的)光学系统500以及第二(例如广角 的)光学系统600。第一光学系统500的光学表面(将参考图5予以更详细的描述)定义 反射折射光学系统，其中光学系统500包括具有屈光度的折射光学表面和反射光学表面二 者。第二光学系统600的光学表面(将参考图6予以更详细的描述)定义屈光光学系统，其 中光学系统600包括具有屈光度的折射光学表面。第一光学系统500和第二光学系统600 共用光轴410的一部分、一些光学表面和光学元件。
具有第一焦距的第一光学系统500沿着光路或光轴被定位。具有第二焦距的第二 光学系统600共用该同一光路的一部分。使用传播通过光学系统400的光的光线轨迹来描 述该光路。第一光学系统500的第一焦距长于第二光学系统600的第二焦距。参考图5，当沿着光路(其通过传播通过光学系统500的光的光线轨迹被描述)观 察时，第一光学系统500包括具有对象侧表面505和图像侧表面510的光学结构550。中间 光学元件515被安放在光学结构550的对象侧表面505与图像侧表面510之间。第一光学 系统500还包括中间元件515的第一表面520。对象侧表面505具有一定的正屈光度，该正屈光度有助于减小第一光学系统500 的总长度。对象侧表面505是非球面的，但是，表面505也可以是球面的。图像侧表面510 是反射表面，其提供更大量(当与表面505相比时)的屈光度，并且在不增加色差的情况下 做到这一点，因为其是反射性的。图像侧表面510也可以是非球面的。中间元件515的表 面520是平的反射表面(例如镜面)，其没有重定向或弯折第一光学系统500的光路或光轴 的屈光度。如图5所示，第一光学系统500包括第二中间光学元件，其中中间光学元件515是 第一中间光学元件。中间光学元件包括折射表面525并且沿着未被第二光学系统600共享 的光路部分被定位。表面525被包含在光学结构550中。然而，光学表面525可以是不是 光学结构550的一部分的中间光学元件的表面。第一光学系统500将光引导到图像传感器 530。尽管未在图5中示出，但是可以将附加的光学元件(一个或多个)定位在图像传感器 530与第一光学系统500之间，如同处于图像传感器675与第二光学系统600 (将参考图6 予以描述)之间的光学元件。在图5中，表面525是平的。然而，表面525可以具有屈光度 并且可选地是非球面的，以便被用作场校正表面、用以控制横向色差的途径、或者这二者。表2A描述了本发明的第二示例性实施例的第一透镜系统500的一个特定配置。在 该配置中，透镜系统500是摄远透镜系统。然而，应当认识到，其它配置是允许的。通常，这 些其它的配置取决于针对双焦距透镜系统400的第一透镜系统500所构思的特定应用。表 2A 非球面常数 参考图6，第二光学系统600与第一光学系统500共用表面505。第二光学系统 600包括中间元件515的第二表面620。在该实例中，第二表面620与第一表面520是相对 的。中间元件515的第二表面620是平的反射表面，其不具有重定向第二光学系统600的 光路或光轴的屈光度。当设计双焦距透镜系统400时，第二表面620可以被指定作为第二光学系统600 的孔径光阑，以便减小或最小化表面620(以及中间元件515)的物理空间需求。类似地，中 间元件515上的第一表面520可以被指定作为第一光学系统500的孔径光阑。第二光学系统600包括球面的并且具有屈光度的光学表面625。表面625可以是 非球面的。光学表面625被包含在光学结构550中。在这种意义上，光学表面625是光学 结构550的第二图像侧表面，其中光学结构550的图像侧表面510是光学结构550的第一 图像侧表面。然而，应当注意的是，光学表面625是折射性的，而图像侧表面510是反射性 的。光学表面625沿着未被第一光学系统500共享的光路部分被定位。可替代地，光学表 面625可以是不是光学结构550的一部分的光学元件的表面。在穿过光学表面625之后，第二光学系统600通过一个或多个附加的透镜将光引 导到图像传感器675。如图6所示，这些透镜包括具有表面630、635、640的双合透镜；具 有表面645、650的双凸透镜；以及分别具有表面655、660和665、670的第一和第二弯月透 镜。第一和第二弯月透镜在其图像传感器675侧都是凹面的。可替代地，第二光学系统600 可以具有比图6所示的透镜的数目更多或更少的透镜。表2B描述了本发明的第二示例性实施例的第二透镜系统600的一个特定配置。在 该配置中，透镜系统600是广角透镜系统。然而，应当认识到，其它配置是允许的。通常，这 些其它的配置取决于针对双焦距透镜系统400的第一透镜系统600所构思的特定应用。表 2B回过来参考图4-6，第一光学系统500的第一焦距和第二光学系统600的第二焦距 中的至少之一是固定的焦距。然而，能够构思的是可以将附加的光学元件(一个或多个)
11定位在图像传感器530与第一光学系统500之间以及/或者图像传感器675与第二光学系 统600之间，其中所述附加的光学元件可以移动以便实现焦距、焦点或者它们二者的变化。 这可以使用用于移动一个或多个光学元件的常规技术来实现。可替代地，图像传感器530 和第二图像传感器675之一或它们二者可以沿着其相关联的光路移动以实现焦点的变化。 所述图像传感器的移动是使用常规的技术来实现的。在另一可替代的实施例中，第一光学 系统500或第二光学系统600可以相对于其相应的图像传感器530和675被移动，以实现 焦点的变化。同样，使用常规的技术来实现移动。可以提供控制器并将其配置为使用由双焦距透镜系统400的第一光学系统500所 产生的图像和第二光学系统600所产生的图像这二者来执行数字变焦功能。可以使用诸如 Border等人的于2006年8月1日提交的美国专利申请序列号11/461，574中所描述的技术 的技术来实现数字变焦，所述专利申请的公开内容通过引用被合并于此。参考图7并且返回参考图5和6，示出了双焦距透镜系统400的示例性实施方式 700。光学结构550是固体材料元件，其包括在中间光学元件515周围被接合在一起的两个 部分710、720。合适的材料包括低色散材料，比如丙烯酸塑料、环烯烃聚合物(cop)、(例如 Zeonex，其可从日本东京的Zeon公司购买得到)。第一光学系统500的光学结构550的中 间元件515 (以及反射表面520)、表面525、以及对象侧表面505和图像侧表面510组成相 同光学元件的部分。另外，该光学元件还包括中间元件515的反射表面620和第二光学系 统600的表面625。在图7中，光学元件730与参考图6所述的那些光学透镜相同。图像传 感器530和675也被示出。使用反射和折射光学器件来创建光学系统(其包括共用共同的光轴的两个单独 的成像系统)的光学系统可以用在许多应用中。通过共用共同的光轴，可以使两个单独的 成像系统提供没有视差差数的图像。诸如上面所述那些光学系统的光学系统尤其很适用于 紧凑型成像系统。所述反射光学器件将该光学系统基本上叠合到其自身上，由此减小该光 学系统的总长度。将该光学系统配置为共享共同的光轴的至少一部分在与不共用共同的光 轴的光学系统相比还减少物理空间需求并且降低光学系统的复杂度。部件列表100双焦距透镜系统105折射表面110折射表面115外部环形区域(第一折射表面部分)120中心区域(第二折射表面部分)125光轴或光路130图像传感器135图像传感器140折射元件200第一光学系统205光学结构210对象侧表面215图像侧表面
220折射表面部分225反射表面部分230折射表面部分235反射表面部分240折射光学元件245折射表面250折射表面255 透镜260折射表面265折射表面270折射表面275折射表面280折射表面285折射表面290 孔径300第二光学系统310 部分320 部分330对象侧表面350挡光表面360光学系统实施方式400双焦距透镜系统410 光轴500第一光学系统505对象侧表面510图像侧表面515中间光学元件520第一反射表面525折射表面530图像传感器550光学结构600第二光学系统620第二反射表面625折射表面630折射表面635折射表面640折射表面645折射表面650折射表面
655折射表面660折射表面665折射表面670折射 表面675图像传感器700实施方式710部分720部分730光学元件
权利要求
一种双焦距光学系统，包括第一光学系统，其沿着光轴被定位，第一光学系统包括具有对象侧表面和图像侧表面的光学结构，所述对象侧表面和所述图像侧表面包括折射表面部分和反射表面部分，第一光学系统具有焦距；以及第二光学系统，其被定位在同一光轴上，第二光学系统具有焦距，第一光学系统的焦距长于第二光学系统的焦距。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学结构的图像侧表面的反射表面部分具有 屈光度。
3.根据权利要求2所述的系统，所述光学结构的对象侧表面的折射表面部分具有屈光 度，其中所述光学结构的对象侧表面的屈光度小于所述光学结构的图像侧表面的屈光度。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述光学结构的图像侧表面包括非球面表面。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学结构的对象侧表面的折射表面部分具有 屈光度。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述光学结构的对象侧表面包括非球面表面。
7.根据权利要求1所述的系统，其中第一光学系统的所述光学结构的对象侧表面和图 像侧表面组成同一光学元件的部分。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述光学元件是固体材料元件。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述固体材料元件包括被接合在一起的两个元件。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括第一图像传感器，其与第一光学系统相关联；以及第二图像传感器，其与第二光学系统相关联。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括附加的光学元件，其被定位在第一图像传感器与第一光学系统之间。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述附加的光学元件被定位为可移动的，以便 实现焦距、焦点、或者它们二者的变化。
13.根据权利要求10所述的系统，其中第一图像传感器和第二图像传感器之一或它们 二者能够沿着其相关联的光路移动以实现焦点的变化。
14.根据权利要求10所述的系统，还包括控制器，其被配置为使用由第一光学系统所产生的图像和由第二光学系统所产生的图 像这二者来执行数字变焦功能。
15.根据权利要求1所述的系统，所述光学结构的对象侧表面的折射表面部分包括第 一折射表面部分和第二折射表面部分，其中第一折射表面部分与第一光学系统相关联，并 且第二折射表面部分与第二光学系统相关联。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述光学结构的对象侧表面的第一折射表面部 分和第二折射表面部分形成连续的表面。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述光学结构的对象侧表面的第一折射表面部 分和第二折射表面部分具有相同的曲率半径。
18.根据权利要求15所述的系统，还包括第一图像传感器，其与第一光学系统相关联；以及 第二图像传感器，其与第二光学系统相关联。
19.根据权利要求10所述的系统，还包括附加的光学元件，其被定位在所述光学结构的第二折射表面部分与第二图像传感器之间。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述附加的光学元件被定位为可移动的，以便 实现焦距、焦点、或者它们二者的变化。
21.根据权利要求1所述的系统，其中第一光学系统的焦距和第二光学系统的焦距中 的至少之一是固定的焦距。
全文摘要
一种双焦距光学系统(100)包括第一光学系统(200)和第二光学系统(300)。第一光学系统(200)沿着光轴(125)被定位，并且包括具有对象侧表面和图像侧表面的光学结构(205)。对象侧表面和图像侧表面包括折射表面(140，240)和反射表面(225，235)。第一光学系统(200)具有焦距。第二光学系统被定位在同一光轴(125)上并且具有焦距。第一光学系统的焦距长于第二光学系统的焦距。
文档编号G02B17/08GK101874219SQ200880117744
公开日2010年10月27日 申请日期2008年11月14日 优先权日2007年11月27日
发明者J·D·格里菲思, J·N·博德, J·R·比特里, S·C·卡希尔 申请人:伊斯曼柯达公司