CN104570305A - 自由曲面透镜及含有该自由曲面透镜的成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自由曲面透镜，该自由曲面透镜所处的空间定义一三维直角坐标系（X，Y，Z），其中，该自由曲面透镜包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；所述第一表面为入光面，所述第一表面包括一第一自由曲面以及一第二自由曲面，所述第一自由曲面及第二自由曲面关于X-Z平面对称，且均为一5次的XY多项式曲面；所述第二表面为出光面，且为一10次非球面。本发明还涉及一含有该自由曲面透镜的成像系统。

Description

自由曲面透镜及含有该自由曲面透镜的成像系统
技术领域
本发明涉及一种自由曲面透镜及其含有该自由曲面透镜的成像系统，特别涉及一种自由曲面f-θ透镜及其含有该自由曲面f-θ透镜的成像系统。
背景技术
自由曲面是指无法用球面或非球面系数来表示的非传统曲面，通常是非回转对称的，结构灵活，变量较多，为光学设计提供了更多的自由度，可以大大降低光学系统的像差，减小系统的体积、重量与镜片数量。
近几十年来，自由曲面在成像领域，尤其是激光打印领域得到了成功的应用。自由曲面以其变量多，面型灵活的特点，可以满足现代成像系统的需要，有着广阔的发展应用前景。然而，在我国自由曲面透镜及含有该自由曲面透镜的成像系统一直依赖进口。
因此，确有必要开发一种光学性能好、成像品质高、结构紧凑且成本低廉的自由曲面透镜及含有该自由曲面透镜的成像系统。
发明内容
综上所述，确有必要提供一种光学性能好、成像品质高、结构紧凑且成本低廉的自由曲面透镜及含有该自由曲面透镜的成像系统。
一种成像系统，该成像系统所处的空间定义一三维直角坐标系（X，Y，Z），其中，该成像系统包括：一光源，用于沿平行于Y轴的方向输出一激光；一光阑，设置在所述激光的出射光路上，用于将多余的激光挡掉；一反射镜设置在所述光阑远离光源的一侧，用于将所述激光以一定角度在Y-Z平面内反射，从而形成一反射光；一自由曲面透镜，设置于所述反射光的光路上, 用于将所述反射光汇聚到一影像感测元件上；所述自由曲面透镜包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；所述第一表面为反射光的入射面，所述第一表面包括一第一自由曲面以及一第二自由曲面，所述第一自由曲面及第二自由曲面关于X-Z平面对称，且均为一5次的XY多项式曲面；所述第二表面为所述反射光的出射面，且所述第二表面为一10次非球面。
一种自由曲面透镜，该自由曲面透镜所处的空间定义一三维直角坐标系（X，Y，Z），其中，该自由曲面透镜包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；所述第一表面为入光面，所述第一表面包括一第一自由曲面以及一第二自由曲面，所述第一自由曲面及第二自由曲面关于X-Z平面对称，且均为一5次的XY多项式曲面；所述第二表面为出光面，且为一10次非球面。
本发明提供的自由曲面透镜以及含有该自由曲面透镜的成像系统具有光学性能好、成像品质高、结构紧凑且成本低廉等特点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的成像系统的结构以及光路示意图。
图2为本发明实施例提供的成像系统中的自由曲面透镜的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的成像系统的效果图。
图4为本发明实施例提供的成像系统的扫描误差示意图。
图5为本发明实施例提供的成像系统在视场角为0°的调制传递函数MTF曲线。
图6为本发明实施例提供的成像系统在视场角为+20°的调制传递函数MTF曲线。
图7为本发明实施例提供的成像系统在视场角为+40°的调制传递函数MTF曲线。
图8为本发明实施例提供的成像系统在视场角为+60°的调制传递函数MTF曲线。
主要元件符号说明
成像系统 100
光阑 12
反射镜 14
自由曲面透镜 16
影像感测元件 18
激光 L
反射光 R
透射光 T
中心点 O1；O2；O3；
有效通光口径 R1；R2；
有效扫描范围 R3
视场角 θ
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种成像系统100，包括：一光源（图中未标示）、一光阑12、一反射镜14、一自由曲面透镜16以及一影像感测元件18。
为了描述方便将所述成像系统100所处的空间定义一三维直角坐标系（X，Y，Z）。
所述光源用于沿平行于Y轴的方向输出一激光L。本发明实施例中，所述激光L为780nm红外激光，且所述激光L的光束宽度大于等于3mm。
所述光阑12设置在所述激光L的出射光路上，用于将多余的激光L挡掉。本发明实施例中，所述光阑12的光阑直径约为3mm，从而形成一光束宽度约为3mm的激光L。
所述反射镜14设置在所述光阑12远离光源的一侧，该反射镜14用于将所述激光以一定角度在Y-Z平面内反射，从而形成一反射光R。该反射镜14可以沿其中心点A以一定摆角α在Y-Z平面上摆动，其中，α为所述反射镜14与Y轴形成的夹角，且75°≧α≧15°。由于，该反射镜14的反射面垂直于Y-Z平面，故，在摆动过程中，该反射镜14的反射面始终保持反设置垂直于YZ平面。
所述自由曲面透镜16为一自由曲面f-θ透镜。请一并参照图2，所述自由曲面透镜16设置在所述反射光R的光路上。所述自由曲面透镜16包括一第一表面162以及与该第一表面162相对的第二表面164。所述反射光R从所述第一表面162入射，而从所述第二表面164出射从而形成一透射光T。所述第一表面162沿Y轴方向的有效通光口径R1大于等于154.82mm。本实施例中，所述第一表面162沿Y轴方向的有效通光口径R1约为154.82mm。所述第二表面162沿Y轴方向的有效通光口径R2大于等于163.39mm。本实施例中，所述第二表面162沿Y轴方向的有效通光口径R2约为163.39mm。所述第一表面162包括一第一自由曲面1622以及一第二自由曲面1624，其中，所述第一自由曲面1622及所述第二自由曲面1624关于X-Z平面对称。所述反射镜14从其中心点O1沿Z轴方向达到所述第一表面162中心点O2的距离约为42.29mm。所述自由曲面透镜16从其中心点O2沿Z轴方向达到所述第二表面164中心点O3的距离约为44.69mm。所述自由曲面透镜16为PMMA，折射率1.4917，阿贝数76。所述中心点O2、O2以及O3处于同一直线。
所述第一自由曲面1622为5次的XY多项式曲面，优选的，所述第一自由曲面1622为不使用X的奇次项的5次的XY多项式曲面，其解析形式为：                                               ，其中，曲率c、二次曲面系数k以及系数A2、A3、A5、A7、A9、A10、A12、A14、A16、A18以及A20如表1中表述。可以理解，上述曲率c、二次曲面系数k以及系数A2、A3、A5、A7、A9、A10、A12、A14、A16、A18以及A20也不限于表1中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
表1
所述第二自由曲面1624也为5次的XY多项式曲面，优选的，所述第二自由曲面1624为不使用X的奇次项的5次的XY多项式曲面，其解析形式也为：，其中，曲率c、二次曲面系数k以及系数A2、A3、A5、A7、A9、A10、A12、A14、A16、A18以及A20如表2中表述。可以理解，上述曲率c、二次曲面系数k以及系数A2、A3、A5、A7、A9、A10、A12、A14、A16、A18以及A20也不限于表2中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
表2
所述第二表面164为一10次非球面，其解析形式也为：其中，曲率c1、二次曲面系数k1以及系数D、E、F以及G如表3中表述。可以理解，上述曲率c1、二次曲面系数k1以及系数D、E、F以及G也不限于表3中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
表3
所述影像感测元件18设置于所述透射光T的光路上。所述影像感测元件18沿Y轴方向的有效扫描范围R3大于等于420mm。本实施例中，所述影像感测元件18沿Y轴方向的有效扫描范围R3约为420mm，即，从-210 mm到+210 mm。
请参阅图3，所述反射镜14的摆角α在15°到75°之间摆动，故，可以实现了视场角θ从-60°到+60°的扫描。所述视场角θ从-60°到+60°分别对应所述影像感测元件18中-210mm到+210mm的线性扫描。请参阅图4，经计算，在影像感测元件18上各视场扫描误差不超过±1μm，实现了各视场光线走向的控制。请参照图5-8，所述成像系统100在视场角θ分别为0°、+20°、+40°以及+60°的调制传递函数MTF，即，所述成像系统100在反射镜14摆角α分别为45°、55°、65°以及75°的调制传递函数MTF，从图中可以看出，各视场MTF曲线都达到了衍射极限。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (12)

1.一种成像系统，该成像系统所处的空间定义一三维直角坐标系（X，Y，Z），其中，该成像系统包括：
一光源，用于沿平行于Y轴的方向输出一激光；
一光阑，设置在所述激光的出射光路上;
一反射镜设置在所述光阑远离光源的一侧，用于将所述激光以一定角度在Y-Z平面内反射，从而形成一反射光；
一自由曲面透镜，设置于所述反射光的光路上, 用于将所述反射光汇聚到一影像感测元件上；
其特征在于，所述自由曲面透镜包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；所述第一表面为反射光的入射面，所述第一表面包括一第一自由曲面以及一第二自由曲面，所述第一自由曲面及第二自由曲面关于X-Z平面对称，且均为一5次的XY多项式曲面；所述第二表面为所述反射光的出射面，且所述第二表面为一10次非球面。
2.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述反射镜可沿其中心点以一定摆角α在Y-Z平面上摆动，其中，α为所述反射镜与Y轴形成的夹角，且75°≧α≧15°。
3.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述第一自由曲面为不使用X的奇次项的5次的XY多项式曲面，其解析形式为：                                               ，其中，曲率c、二次曲面系数k以及系数A2、A3、A5、A7、A9、A10、A12、A14、A16、A18以及A20分别为：
。
4.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述第二自由曲面为不使用X的奇次项的5次的XY多项式曲面，其解析形式为：，其中，曲率c、二次曲面系数k以及系数A2、A3、A5、A7、A9、A10、A12、A14、A16、A18以及A20分别为：
。
5.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述第二表面的解析形式为: 其中，曲率c1、二次曲面系数k1以及系数D、E、F以及G分别为：
。
6.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述激光为780nm红外激光，且所述激光的光束宽度大于等于3mm。
7.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述光阑的光阑直径为3mm。
8.一种自由曲面透镜，该自由曲面透镜所处的空间定义一三维直角坐标系（X，Y，Z），其特征在于，该自由曲面透镜包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；所述第一表面为入光面，所述第一表面包括一第一自由曲面以及一第二自由曲面，所述第一自由曲面及第二自由曲面关于X-Z平面对称，且均为一5次的XY多项式曲面；所述第二表面为出光面，且为一10次非球面。
9.如权利要求8所述的自由曲面透镜，其特征在于，所述自由曲面透镜的材料为PMMA，且其折射率为1.4917，阿贝数为76。
10.如权利要求8所述的自由曲面透镜，其特征在于，所述第一自由曲面为不使用X的奇次项的5次的XY多项式曲面，其解析形式为：，其中，曲率c、二次曲面系数k以及系数A2、A3、A5、A7、A9、A10、A12、A14、A16、A18以及A20分别为：
。
11.如权利要求8所述的自由曲面透镜，其特征在于，所述第二自由曲面为不使用X的奇次项的5次的XY多项式曲面，其解析形式为：，其中，曲率c、二次曲面系数k以及系数A2、A3、A5、A7、A9、A10、A12、A14、A16、A18以及A20分别为：
。
12.如权利要求8所述的自由曲面透镜，其特征在于，所述第二表面的解析形式为: 其中，曲率c1、二次曲面系数k1以及系数D、E、F以及G分别为：
。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116088164A (zh) * 2023-03-27 2023-05-09 南通唐人电子科技有限公司 将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法及装置

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108227184B (zh) * 2016-12-22 2020-01-07 清华大学 自由曲面成像光学系统的设计方法
CN111487766B (zh) * 2019-01-25 2021-06-25 清华大学 自由曲面离轴三反成像系统的设计方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090052050A1 (en) * 2006-10-24 2009-02-26 Nanophotonics Co., Ltd Wide-angle lenses
CN101634752A (zh) * 2008-07-25 2010-01-27 北京中视中科光电技术有限公司 一种消相干和匀场装置
CN102062883A (zh) * 2009-11-11 2011-05-18 富士迈半导体精密工业（上海）有限公司 透镜及采用该透镜的照明装置及路灯
JP2012068508A (ja) * 2010-09-24 2012-04-05 Hoya Corp 撮影光学系、及び撮影装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100490433B1 (ko) * 2003-06-10 2005-05-17 삼성전자주식회사 광주사장치의 에프쎄타 렌즈 및 광주사장치
TW200925764A (en) * 2007-12-06 2009-06-16 Young Optics Inc Display method and illumination system thereof
JP5177182B2 (ja) * 2010-06-30 2013-04-03 コニカミノルタビジネステクノロジーズ株式会社 光走査装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090052050A1 (en) * 2006-10-24 2009-02-26 Nanophotonics Co., Ltd Wide-angle lenses
CN101634752A (zh) * 2008-07-25 2010-01-27 北京中视中科光电技术有限公司 一种消相干和匀场装置
CN102062883A (zh) * 2009-11-11 2011-05-18 富士迈半导体精密工业（上海）有限公司 透镜及采用该透镜的照明装置及路灯
JP2012068508A (ja) * 2010-09-24 2012-04-05 Hoya Corp 撮影光学系、及び撮影装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116088164A (zh) * 2023-03-27 2023-05-09 南通唐人电子科技有限公司 将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法及装置

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Publication number Publication date
TW201516478A (zh) 2015-05-01
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