CN106405869B - 可调节焦距的透镜组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可调节焦距的透镜组，包括第一透镜和第二透镜，第一透镜与第二透镜相邻的表面为平面，第二透镜与第一透镜相邻的表面也为平面，通过滑动两透镜的相对位置获得入射面和出射面不同的光焦度组合，从而改变整个透镜组的焦距，相比较需要控制液体流动的液体可调节透镜，本发明的结构稳定易于控制，两透镜相对滑动距离小，变焦范围大。

Description

可调节焦距的透镜组
技术领域
本发明涉及一种可调节焦距的透镜组，具体的，涉及通过透镜在垂直于光轴方向上的相互移动实现焦距变化的透镜组。
背景技术
众所周知的，眼睛的屈光不正(如近视、远视)由眼部的肌肉调节失调而造成。在日常生活中，成年患者通过佩戴校正镜片来达到正常视力，对于尚未完全发育定型的眼球结构，如青少年阶段容易出现的假性近视，医学建议通过一定的眼部调节肌肉训练获得恢复，针对这类矫正或者训练所用的镜片根据其眼部特征需要(如，厚度、凸度/凹度)，限定出特定的焦距。眼科医生或验光师借助辅助设备，结合经验，根据各患者的每只眼睛实际视度值开具合适的镜片度数，以矫正屈光不正的患者的视力或者恢复眼部调节肌肉的功能，这样的镜片一般以单透镜的形式存在。
但通常，在多变的实际环境下，人眼都具有不同的视觉清晰度感觉，在看近和看远的一般需求中，所实际需要的矫正镜片度数并不是一个绝对值，为此，使用可变焦的透镜成为一种较为方便的解决方式，众所周知的，可以延光传播方向(光轴)移动透镜组中的一个或几个透镜可以改变整个透镜组的焦距，但此种变焦方式显然不适合作为眼镜使用，因而在专利公开文件CN102782566A中提到，可以通过以下三种方法中的一种实现占体积较小的可变焦：
1.使用电驱动的充满液体的镜片；
2.使用电气系统，由液晶体或者静电透镜实现；
3.使用一种类型的镜头，该种镜头由阿尔瓦雷兹在1964年的专利US3305294“一种双元件的可变倍率球面透镜”中公开。该发明中，具有相同光学自由曲面的两个光学镜片置于相互平行的位置并且这两个自由曲面的光学总和取决于他们的相对平移抵消。
作为液体镜片或者液晶的方式，由于其依赖电致变形材料控制形变，本身成本较高，材料的稳定性在日常频繁的使用后难以保证，进一步被动缩短了佩戴者的使用周期，并不经济，影响受众范围。
作为第三种方式，由于可以通过常规的透镜生产工艺和材料实现，是一种从经济上考虑是更为易接受的方案。但以球面为相对面调节位置的方式不利于镜片面型的设计和防磨损。
发明内容
本发明提出一种可调节焦距的透镜组，涉及通过两片各包括一个平面的透镜在垂直于光轴方向上的相互移动实现焦距变化，两个平面相邻设置作为移动界面，减轻了变焦移动中容易造成的误差和磨损，利于面型设计，具有更好的成像质量，方便佩戴者的实际操作和使用。
根据本发明的一种可调节焦距的透镜组，包括沿光轴方向依次设置的：
第一透镜，具有朝向物方侧的第一表面和朝向像方侧的第二表面；
第二透镜，具有朝向物方侧的第三表面和朝向像方侧的第四表面；
第二表面和第三表面相邻，且均为平面，
第一表面和第四表面分别做为透镜组的光入射表面和光出射表面，其面型可通过zernike多项式表示，第一透镜和第二透镜通过沿垂直于光轴的方向相互移动而实现焦距的调节。
作为一种实施方式，所述透镜组的第一透镜和第二透镜的相对移动范围为-6mm至6mm，相应的焦距调节范围为-10.5D～6.5D视度。
优选的，zernike多项式的项数不少于21，归一化半径约为25mm；记第一表面与所述第二表面之间的厚度最大值与最小值的差为H1，第三表面与所述第四表面之间的厚度最大值与最小值的差为H2，0<∣H1-H2∣<0.2mm
为了减少厚度和重量，第一透镜和第二透镜的中心厚度不超过2mm，第二表面和第三表面之间的空气间隔不大于0.5mm，第一透镜和第二透镜均由PMMA材料制成。
根据本发明的上述透镜组，利用较小的垂轴移动距离获得不同的镜片组合位置，使使用者获得大的变焦范围，在滑动时以平面相对，空气间隔避免摩擦损耗，以中心计算整体厚度不超过4.5mm，面型变化不剧烈，十分轻薄。
附图说明
图1为根据本发明的透镜组结构图(子午截面)
图2为根据本发明的透镜组的第一透镜和第二透镜在各焦距值下的相对位置图(子午截面)
具体实施方式
以下内容将参考附图等来详细讨论具体实施本发明的实际示例，本领域技术人员应当了解，下述各描述中使用的具体名称、用语等不构成对本发明技术方案的限定，并且在下文的描述中，为便于描述，相同的部件将使用相同的附图标记。
如图1所示，本发明透镜组结构图(以子午面截面为示)，包括沿光轴O布置的第一透镜1和第二透镜2，第一透镜具有朝向物方侧的第一表面11和朝向像方侧的第二表面12；第二透镜具有朝向物方侧的第三表面21和朝向像方侧的第四表面22，第二表面12和第三表面21相邻且均形成为平面，第一表面11和第四表面22分别作为光进入透镜组的入射面和出射面，具有非球面的面型，以实现成像质量和轻薄化，相应的，第一透镜1和第二透镜2以树脂材料通过热塑模压形成，例如PMMA，环烯烃聚合物等。
第一透镜1和第二透镜2在垂直于光轴的方向上相对移动，从而使整个透镜组在有效通光孔径内具有不同的光入射面面型和光出射面面型，以实现不同的透镜组焦距。具体的，第一透镜1和第二透镜2的相对移动方式可以为固定第一透镜1的位置而移动第二透镜2，或者固定第二透镜2而移动第一透镜1，这样实现的相对移动，在移动调节装置的设置上较为简便但造成透镜组整体所需要的安装空间变大，不利于外观小型化。因此，优选的，以第一透镜1和第二透镜2各自移动作为实现相对移动的方式。在可实现变焦的情况下，各透镜的移动距离可限制在不大于第一透镜1和第二透镜2的最大半径R的范围。
第一透镜1的第二表面12和第二透镜2的第三表面21作为相邻的平面，在抛光的前提下可以在贴合状态下移动，但为避免表面磨损，优选的，两平面间具有一细小空气间隙以避免磨损，但空气间隙的大小应控制在不大于0.5mm的范围，以利于外观的轻薄，并减少灰尘进入的可能性。
根据本发明的透镜组，第一透镜1的第一表面11和第二透镜2的第四表面22优选为自由曲面，两曲面具有大致旋转对称的面型，均可以由zernike多项式描述。在以下的各实施例中，将均基于这样的zernike数学表达式第一透镜1或第二透镜2。已知的Zernike多项式的项可以达到66项，但本发明中的第一表面11和第四表面22的面型特征并无需使用全部66项来描述。
其中：z＝表面矢高(sag)
c＝顶点曲率
k＝二次项常数
r＝径向高度
ZPj＝第j项Zernike多项式
Cj＝对应的第j项Zernike系数
【示例1】
根据本发明的第一示例中，第一透镜1的第一表面11和第二透镜2的第四表面22可以由表1的各项系数确定的上述zernike多项式描述。根据表1的各项数据，第一透镜1和第二透镜2的几何中心厚度可以控制在2mm以内，以空气间隙0.5mm计算，透镜组整体厚度(以几何中心计算)不超过4.5mm，能够充分满足作为眼镜片使用时的轻薄化要求。进一步的，使用示例1的透镜组作为可变焦的眼镜镜片时，由于医学统计上人眼的瞳距大约分布于56-72mm的范围，适应单侧的瞳距变动值不宜超过8mm，优选的，不宜超过6mm，因此，以普遍适用的角度考虑，第一透镜1和第二透镜2的相对移动距离优选的不大于6mm，即以眼球中心位置为原点计算，第一透镜1和/或第二透镜2的运动距离不超过6mm，其方向可以为6mm半径的圆内任一方向，相应的，焦距变化范围-10.5D～6.5D视度，满足绝大多数人眼目视所需的调节范围。
第一表面11 第四表面22
Radius 1.38E+02 -1.30E+02
归一化半径 2.50E+01 2.50E+01
k 0.00E+00 0.00E+00
C1 -3.83E-01 9.50E-01
C2 -2.99E-02 -1.64E-01
C3 -6.36E-01 -1.01E+00
C4 -1.35E+00 1.99E+00
C5 -6.16E-01 3.29E-01
C6 -1.67E-03 4.25E-02
C7 -3.66E-02 -2.19E-02
C8 -1.01E+00 -1.16E+00
C9 -8.00E-02 2.65E-01
C10 -3.17E-02 -3.28E-02
C11 -1.27E+00 -1.46E+00
C12 -5.72E-01 1.05E-01
C13 -4.18E-03 1.15E-02
C14 1.74E-03 7.66E-03
C15 1.89E-01 2.08E-01
C16 1.93E-02 1.43E-01
C17 -5.07E-01 -5.86E-01
C18 1.83E-03 2.13E-02
C19 1.88E-03 3.57E-03
C20 1.08E-01 1.26E-01
C21 -3.39E-02 1.47E-01
表1，单位mm
【变形示例2-4】
根据本发明的第二、三、四示例中，第一透镜1的第一表面11和第二透镜2的第四表面22可以由表2-4所示的各项系数确定的zernike多项式描述。同样的，示例2-4中的第一透镜1和第二透镜2的中心厚度也控制在2mm以内，透镜组整体厚度不大于4.5mm。
第一表面11 第四表面22
Radius 1.33E+02 3.29E+02
归一化半径 2.50E+01 2.50E+01
K 0.00E+00 0.00E+00
C1 -4.96E-01 3.53E-01
C2 -7.47E-01 -3.91E-01
C3 -4.74E-01 -1.84E-01
C4 -1.62E+00 2.02E+00
C5 -1.47E+00 2.32E+00
C6 -3.37E-01 -2.38E-01
C7 -4.66E-01 2.59E-01
C8 -1.03E+00 -1.12E+00
C9 -5.85E-01 9.23E-01
C10 -3.93E-01 4.04E-02
C11 -1.51E+00 -1.79E+00
C12 -1.49E+00 7.96E-01
C13 -3.62E-02 -3.38E-03
C14 -8.48E-02 1.20E-01
C15 1.95E-01 2.31E-01
C16 -8.73E-02 2.98E-01
C17 -5.46E-01 -4.63E-01
C18 -6.06E-02 -1.25E-02
C19 -6.15E-02 6.53E-02
C20 5.09E-02 5.35E-02
C21 -2.31E-01 2.85E-01
表2，单位mm
表3，单位mm
表4，单位mm
根据本发明的上述第一至四示例，第一透镜1和第二透镜2的两个非平面表面11和22无需过大的面型起伏变化，即可在相对位置变动较小的情况下实现较大的变焦范围，作为一种极限的情况，如果本发明的上述各示例透镜组处于无限制的相对移动状态(即在自由空间无限制的完成最大范围的相对移动)，可以实现大约-14D～14D的焦距变化范围，相应的，有效半径R只需要24mm。
其中第一表面11为非平面，其相对于第二表面12(平面)的面型变化直接体现在第一透镜1沿光轴方向的厚度变化上，记第一透镜1的厚度最大值位置和厚度最小值位置的差为第一表面12厚度差H1；第四表面22同样为非平面，其相对于第三表面21的面型变化体现在第二透镜2沿光轴方向的厚度变化上，记第二透镜2的厚度最大值位置和厚度最小值位置的差为第二表面22厚度差H2，优选的H1不等于H2，以实现更好的成像质量补偿。
示例1 示例2 示例3 示例4
第一表面厚度差H<sub>1</sub> 1.25mm 1.36mm 1.2mm 1.23mm
第四表面厚度差H<sub>2</sub> 1.18mm 1.54mm 1.28mm 1.17mm
图2示出了本发明的透镜组在各焦距下的第一透镜1与第二透镜2的相对位置值，例如，在状态1，第一透镜1和第二透镜2在光轴上的厚度较小，透镜组等效于凹透镜形态，具有负的视度；在状态2，透镜组的光轴通过第一透镜1和第二透镜2的几何中心，鉴于第一透镜1和第二透镜2在中心位置的厚度均为2mm，状态2时透镜组的形态可视为大致的平板状态；在状态3时，第一透镜1和第二透镜2在光轴上的厚度较大，透镜组等价于凸透镜形态，具有大约正的视度。佩戴者可以通过螺杆或者滑杆等附接于第一透镜1和第二透镜2外轮廓上实现上述相对位置变换的调整。作为可变焦的眼镜镜片使用时，优选的，第一透镜1和第二透镜2形成为大致椭圆的外轮廓，在椭圆形的长轴方向为第一透镜和第二透镜的相对移动方向，在短轴方向上无移动。
根据本发明的上述透镜组，可以实现以相对小的镜片移动距离得到大变焦范围，且以平面相对，减小了摩擦损耗，两非平面表面的面型变化不剧烈，便于加工制造，十分轻薄。
本发明可以以许多不同的形式实现且不应解释为限于这里所阐述的各实施例。而是，提供这些实施例使得本公开充分和完整，且向那些本领域的技术人员全面地传达本发明的构思。另外，各个实施例中的特征也可以按照下述实施例之外的方式组合，组合后的技术方案仍落在本申请的范围之内。

Claims (4)

1.一种可调节焦距的透镜组，包括沿光轴方向依次设置的：
第一透镜，具有朝向物方侧的第一表面和朝向像方侧的第二表面；
第二透镜，具有朝向物方侧的第三表面和朝向像方侧的第四表面；
所述第二表面和第三表面相邻，且均为平面，
所述第一表面和第四表面分别做为透镜组的光入射表面和光出射表面，其面型为自由曲面，通过zernike多项式表示，所述zernike多项式的项数不少于21，归一化半径约为25mm，所述第一透镜和第二透镜通过沿垂直于光轴的方向相互移动而实现焦距的调节，第一透镜和第二透镜的相对移动范围为-6mm至6mm，相应的焦距调节范围为-10.5D～6.5D视度。
2.如权利要求1所述的透镜组，其特征在于，所述第一表面与所述第二表面之间的厚度最大值与最小值的差为H1，所述第三表面与所述第四表面之间的厚度最大值与最小值的差为H2，0<∣H1-H2∣<0.2mm。
3.如权利要求1-2任一所述的透镜组，其特征在于，第一透镜和第二透镜的中心厚度约2mm，第二表面和第三表面之间的空气间隔不大于0.5mm。
4.如权利要求1-2任一所述的透镜组，其特征在于所述第一透镜和第二透镜均由PMMA材料制成。
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