CN110441897B - 照明装置的透镜 - Google Patents

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Abstract

超广角变焦透镜可包括：第一透镜，其在物体侧和图像侧具有凸表面，并形成为球面形状；第二透镜，其在所述物体侧具有凹表面；第三透镜，其在所述图像侧具有凸表面；和第四透镜，其在所述物体侧具有凸表面并形成球面形状，其中所述第一至第四透镜从所述物体侧朝向所述图像侧按顺序排列。根据本发明，即使在使用四个透镜时，超广角变焦透镜也可以将NA提高到0.75或更高，从而提高了光的传输效率并增加了FOV。

Description

照明装置的透镜
技术领域
本发明涉及一种超广角变焦透镜，更具体地，涉及一种能够提高从光源发出的光的传输效率和增加视场(FOV)，并且具有固定亮度的超广角变焦透镜。
背景技术
通常，各种照明装置安装在车辆的前部和后部，以提供安全性和驾驶便利性。近来，发光二极管(LED)被广泛用作车辆这种照明装置的光源。使用LED作为光源的照明装置需要包括能够增加FOV并降低制造成本，同时更有效地传输从光源发出的光的透镜。
根据这种需要，已经进行了研究以减少使用的透镜的数量并提高数值孔径(NA)。然而，当透镜的数量减少时，使得难以尽可能多地传输从光源发出的光。
本发明的相关技术在2015年2月6日注册的题为“车辆的照明灯”，登记号为10-1491283的韩国专利中公开。
发明内容
本发明的实施方式涉及一种超广角变焦透镜，其能够提高从光源发出的光的传输效率和增加FOV，并且具有固定亮度。
在一个实施方式中，超广角变焦透镜可包括：第一透镜，其在物体侧和图像侧具有凸表面并形成为球面形状；第二透镜，其在所述物体侧具有凹表面；第三透镜，其在所述图像侧具有凸表面；和第四透镜，其在所述物体侧具有凸表面并形成球面形状，其中所述第一至第四透镜从所述物体侧朝向所述图像侧按顺序排列。
所述第一透镜可包括玻璃。
所述第四透镜可包括玻璃。
所述第二透镜可包括玻璃。
所述第三透镜可包括塑料。
所述第一透镜可具有35或更大的阿贝数，和1.7至1.92的d线折射率。
所述第二透镜可具有小于30的阿贝数，并且是燧石基透镜。
所述第三透镜可具有非球面形状。
所述第四透镜可具有正折射力，并且具有朝向所述物体侧凸出的弯月面形状。
所述超广角变焦透镜可满足以下等式：9≤|f3/f|，其中f3表示所述第三透镜的焦距，f表示整个超广角变焦透镜的焦距。
可以在所述图像侧设置一个LED或包括多个LED的LED阵列，并且可以在所述物体侧形成特定的亮度分布。
位于所述第三透镜之后的所有透镜可具有40或更大的阿贝数。
所述超广角变焦透镜可满足以下等式：0.9≤r最后/f≤3，其中r最后表示整个超广角变焦透镜的所述最后表面的曲率，并且f表示整个超广角变焦透镜的焦距。
所述超广角变焦透镜可满足以下等式：-0.01≤(r1-r最后)/(r1+r最后)≤0.2，其中r1表示整个超广角变焦透镜的所述第一表面的曲率，和r最后表示所述超广角变焦透镜的最后表面的曲率。
所述超广角变焦透镜可满足以下等式：0.15≤d3/TL≤0.25，其中d3表示所述第三透镜的厚度，TL表示所述超广角变焦透镜从第一表面到最后表面的总长度。
根据本发明的超广角变焦透镜可以通过使用由两个透镜组成的粘合透镜校正色差、使用一个非球面透镜和一个附加透镜校正像场的曲率进行优化。因此，即使在使用四个透镜时，超广角变焦透镜也可以将NA提高到0.75或更高，从而提高光的传输效率并增加FOV。
附图说明
图1是根据本发明的超广角变焦透镜的第一实施方式的光路图，示出了组件透镜的布置。
图2是示出根据本发明的超广角变焦透镜的第一实施方式的性能的点图。
图3是根据本发明的超广角变焦透镜的第二实施方式的光路图，示出了组件透镜的布置。
图4是显示根据本发明的超广角变焦透镜的第二实施方式的性能的点图。
图5是根据本发明的超广角变焦透镜的第三实施方式的光路图，示出了组件透镜的布置。
图6是显示根据本发明的超广角变焦透镜的第三实施方式的性能的点图。
图7是显示在超广角变焦透镜的图像侧放置的包括多个LED的LED阵列，以便在物体侧形成特定的亮度分布。
图8是图7中所示的LED阵列的展开图。
图9是LED阵列的外围部分的光强度分布的展开图，其在图7的左下方示出。
图10是LED阵列的中心部分的光强度分布的展开图，其在图7的右下方示出。
具体实施方式
下文将参照附图详细描述根据本发明的实施方式的超广角变焦透镜。应注意，附图不是精确的比例，并且仅为了描述方便和清楚，可能夸大线条的粗细或部件的尺寸。
此外，本文使用的术语是通过考虑本发明的功能来定义的，并且可以根据使用者或操作者的习惯或意图来改变。因此，术语的定义应根据本文所述的总体公开内容进行。
图1是根据本发明的超广角变焦透镜的第一实施方式的光路图，示出了组件透镜的布置。图2是示出根据本发明的超广角变焦透镜的第一实施方式的性能的点图。图3是根据本发明的超广角变焦透镜的第二实施方式的光路图，示出了组件透镜的布置。图4是示出根据本发明的超广角变焦透镜的第二实施方式的性能的点图。图5是根据本发明的超广角变焦透镜的第三实施方式的光路图，示出了组件透镜的布置。图6是示出根据本发明的超广角变焦透镜的第三实施方式的性能的点图。图7示出了在超广角变焦透镜的图像侧放置的包括多个LED的LED阵列，以便在物体侧形成特定的亮度分布。图8是图7中所示的LED阵列的展开图。图9是LED阵列的外围部分的光强度分布的展开图，其在图7的左下方示出。图10是LED阵列的中心部分的光强度分布的展开图，其在图7的右下方示出。
根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜可以根据组件透镜的数值数据分为第一至第三实施方式。根据本发明的超广角变焦透镜的第一至第三实施方式通常可包括总共四个透镜，即，其中调节色差的两个粘合透镜、一个非球面透镜和一个用于校正像场的曲率的附加透镜，并且具有0.75或更大的数值孔径(NA)和10度或更大的视场(FOV)。对于这种结构，需要将非球面形状应用于适当的位置。然而，由于非球面形状通常昂贵且易受热影响，因此可在粘合透镜之后施加非球面形状。
参照图1、3和5，根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第一至第三实施方式可分别包括第一透镜11、21和31，第二透镜12、22和32，第三透镜13、23和33和第四透镜14、24和34，其从物体侧O朝向图像侧I按顺序排列。每个第一透镜11、21和31可以在物体侧O和图像侧I具有凸表面并形成为球面形状。每个第二透镜12、22和32可以在物体侧O具有凹表面。每个第三透镜13、23和33可以在图像侧I具有凸表面。每个第四透镜14、24和34可以在物体侧O具有凸表面并形成为球面形状。
第一透镜11、21或31以及第二透镜12、22或32可彼此粘合以构成粘合透镜。当构成粘合透镜的第一透镜11、21或31和第二透镜12、22或32中的任何一个具有非球面形状时，会显著增加制造成本。因此，第一透镜11、21或31和第二透镜12、22和32都可以是球面透镜。
位于图像侧I的最后阶段的第四透镜14、24或34可以配置为由玻璃制成的球面透镜，以便校正像场曲率的同时考虑当驱动LED时由发热引起的形状变化。
当NA增加时，球面像差可能快速增加。因此，考虑到减小制造成本和与光源的距离，其与由发热引起的形状变化有关，第三透镜13、23和33可以被配置为非球面透镜，并且由塑料制成。当应用塑料透镜时，可以应用具有长焦距和小折射力的透镜，以最小化根据由发热引起的形状变化的性能变化。
由于塑料通常具有低折射率，因此可能发生像散以使图像模糊。此外，塑料可能不适合于校正像场的曲率。因此，为了补偿第三透镜13、23或33的塑料选择，可以应用高折射率材料作为第一透镜11、21或31，并且第一透镜11、21或31可以由玻璃制成。
第一透镜11、21或31和第二透镜12、22或32可以粘合并配置为粘合透镜。在这种情况下，可以应用具有高紫外线透射率的材料来粘合两个透镜。因此，第一透镜11、21或31可以由玻璃制成，并且可以应用具有阿贝数为35或更大且d线折射率为1.7至1.92的透镜作为第一透镜11、21或31。
第一透镜11、21或31和第二透镜12、22或32可以不彼此粘合。在这种情况下，菲涅耳损失可能在两个透镜彼此面对的表面处增加。因此，为了提高透射率，第一透镜11、21或31和第二透镜12、22或32可以彼此粘合，并且第一透镜11、21或31可以由玻璃制成。因此，与第一透镜11,21或31粘合的第二透镜12、22或32也可以由玻璃制成。
通常，用于在无限远处形成物体图像的粘合透镜可以由具有高阿贝数的冕基玻璃(crown-based glass)和具有低阿贝数的燧石基玻璃(flint-based glass)制成。
当将玻璃应用于第一透镜11、21或31并且应用具有阿贝数为35或更大且d线折射率为1.7至1.92的透镜时，这种透镜可以是冕基玻璃。因此，为了消除色差，可以应用具有阿贝数小于30的燧石基透镜作为第二透镜12、22或32。
第四透镜14、24或34可以具有正折射力，并且具有朝向物体侧O凸出的弯月面形状。
光从第一透镜11、21或31到第三透镜13、23或33通过透镜可以变成会聚光束。为了提高NA，会聚光束需要再次会聚。此时，为了使球面像差和彗形像差最小化，可以应用具有朝向物体侧O凸出的弯月面形状的透镜作为第四透镜14、24或34。
根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜可以满足以下等式。
[等式1]
9≤|f3/f|
在等式1中，f3表示第三透镜13、23或33的焦距，并且f表示整个超广角变焦透镜的焦距。
在满足等式1的条件下，可以获得足够的光学性能。
当|f3/f|的值减小时，可以表示焦距减小，并且当|f3/f|的值增加时，可以表示焦距增加。因此，为了最小化由环境变化引起的性能变化，需要增加焦距。因此，|f3/f|的值的上限不需要限制。
根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜可以满足以下等式。
[等式2]
0.9≤r最后/f≤3
在等式2中，r最后表示超广角变焦透镜的最后表面的曲率，并且f表示整个超广角变焦透镜的焦距。
当超广角变焦透镜的最后表面的曲率过度减小时，可以显著减小工作距离。另一方面，当超广角变焦透镜的最后表面的曲率过度增加时，可能难以校正像差。
根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜可以满足以下等式。
[等式3]
-0.01≤(r1-r最后)/(r1+rl最后)≤0.2
在等式3中，r1表示超广角变焦透镜的第一表面的曲率，r最后表示超广角变焦透镜的最后表面的曲率。
通常，具有非常高NA的光学系统可以采用凸表面作为其第一表面，以便会聚光线。此外，光学系统可以采用平面或凹表面作为其最后表面，以便同时校正球面像差和彗形像差。此外，其他中间表面可以负责各种像差校正操作。
因此，根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第一表面和最后表面的曲率需要满足等式3。等式3的值的下限可以表示最后表面几乎是平面的条件，等式3的值的上限可以表示防止球面像差被过度校正的条件。
根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜可以满足以下等式。
[等式4]
0.15≤d3/TL≤0.25
在等式4中，d3表示第三透镜13、23或33的厚度，TL表示超广角变焦透镜从第一表面到最后表面的总长度。
由塑料制成的透镜需要具有适当的d3/TL值，以满足注射成型期间的成型条件。等式4的值的下限可以表示由塑料制成的透镜的厚度减小，并且等式4的值的上限可以表示由塑料制成的透镜的厚度增加。当由塑料制成的透镜的厚度过度减小时，可以通过注射成型改变透镜的形状。当由塑料制成的透镜的厚度过度增加时，可能需要长的注射成型时间，从而降低了批量生产率。
如图7所示，根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜可以具有这样的配置，其中在图像侧I放置一个LED或包括多个LED的LED阵列并且在物体侧O形成特定的亮度分布。
图8是图7中所示的LED阵列的展开图。示出LED阵列包括外围部分和中心部分。
图9是LED阵列的外围部分的光强度分布的展开图，其在图7的左下方示出。参照图9，当LED阵列的光穿过根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜投射时，LED阵列的外围部分的光可以以均匀的亮度分布辐射。
图10是LED阵列的中心部分的光强度分布的展开图，其在图7的右下方示出。参照图10，当LED阵列的光穿过根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜投射时，LED阵列的中心部分的光可以以均匀的亮度分布辐射。
在根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜中，可以应用由冕基玻璃制成的透镜和由燧石基玻璃制成的透镜分别作为第一透镜11、21或31和第二透镜12、22或32，并且相互粘合，以使色差最小化。在这种情况下，需要在第三透镜13、23或33之后选择使色差最小化的材料作为透镜。然而，由于第三透镜13、23或33的材料理想地限于塑料，所以在第四透镜14、24或34的材料中色差的发生需要最小化。因此，可以采用具有阿贝数为40或更大的透镜作为位于第三透镜13、23或33之后的第四透镜14、24或34。
在根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第一至第三实施方式中，在第三透镜13、23或33之后可以仅使用一个透镜。但是，这仅是为了最大限度地降低制造成本。通常，由于随着增加透镜可以提高超广角变焦透镜的性能，因此可以通过添加透镜来提供各种实施方式。
此后，将参照图1至6和表1至10详细地描述根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第一至第三实施方式。
第一实施方式
表1示出了根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第一实施方式的各个透镜表面的透镜数据，并且基于这种透镜数据的第一实施方式在图1中示出。表1按照从物体侧O计数透镜表面的顺序指定各个透镜表面。在表1中，具有*的透镜表面是非球面表面，并且曲率半径和厚度或透镜之间的距离用毫米表示。
表2示出了用于定义根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第一实施方式中的非球面透镜表面的非球面形状的非球面数据，并且表2的透镜表面是以从物体侧O计数透镜表面的顺序进行指定。
表3示出了应用了根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第一实施方式的车辆的照明装置的性能数据。
此处，EFL表示根据本发明的整个超广角变焦透镜的有效焦距(mm)，FOV表示视场(度)，NA表示指示亮度的数值孔径，并且TL表示超广角变焦透镜从第一表面到最后表面的总长度。超广角变焦透镜的第一实施方式可以具有比0.75高的0.840的NA，和比10度大的14.024度的FOV。因此，根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第一实施方式可以有效地传输光，从而增加FOV的同时满足亮度。此外，由于减少了透镜的数量，因此可以降低制造成本。
图2示出了根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第一实施方式中的光的亮度分布，显示在矩形区域内光以均匀的亮度分布辐射。
表1
透镜表面数 曲率半径 厚度或透镜间距离 nd(折射率) vd(阿贝数)
物体 无限大 无限大
1(第一表面) 40.514 20.600 1.71700 47.98
2(第二表面) -40.514 2.000 1.84666 23.78
3(第三表面) -648.135 11.511
4(第四表面) -16.062 15.000 1.49176 57.47
5(止)*(第五表面) -18.808 0.400
6(第六表面) 18.022 16.950 1.74400 44.90
7(第七表面) 30.192
图像 无限大 0.000
表2
Figure GDA0003080633740000081
Figure GDA0003080633740000091
表3
EFL 30.000246
FOV 14.024658
NA 0.840000
TL 66.461000
第二实施方式
表4示出了根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第二实施方式的各个透镜表面的透镜数据，并且基于这样的透镜数据的第二实施方式在图3中示出。表4按照从物体侧O计数透镜表面的顺序指定各个透镜表面。在表4中，具有*的透镜表面是非球面表面，并且曲率半径和厚度或透镜之间的距离用毫米表示。
表5示出了用于定义根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第二实施方式中的非球面透镜表面的非球面形状的非球面数据，并且表5的透镜表面是以从物体侧O计数透镜表面的顺序进行指定。
表6示出了应用了根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第二实施方式的车辆的照明装置的性能数据。
此处，EFL表示根据本发明的整个超广角变焦透镜的有效焦距(mm)，FOV表示视场(度)，NA表示指示亮度的数值孔径，并且TL表示超广角变焦透镜从第一表面到最后表面的总长度。超广角变焦透镜的第二实施方式可以具有比0.75高的0.840的NA，和比10度大的13.772度的FOV。因此，根据本发明的超广角变焦透镜的第二实施方式可以有效地传输光，从而增加FOV的同时满足亮度。此外，由于减少了透镜的数量，因此可以降低制造成本。
图4示出了根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第二实施方式中的光的亮度分布，显示在矩形区域内光以均匀的亮度分布辐射。
表4
Figure GDA0003080633740000092
Figure GDA0003080633740000101
表5
ASP 第四表面 第五表面
K -1.000000 -2.420239
A 2.905578E-05 -3.078209E-06
B -4.203511E-09 4.072430E-08
C -3.022734E-11 -7.828905E-11
D 2.765704E-14 6.054073E-14
表6
EFL 30.000000
FOV 13.772629
NA 0.840000
TL 64.813000
第三实施方式
表7示出了根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第三实施方式的各个透镜表面的透镜数据，并且基于这种透镜数据的第三实施方式在图5中示出。表7按照从物体侧O计数透镜表面的顺序指定透镜表面。在表4中，具有*的透镜表面是非球面表面，并且曲率半径和厚度或透镜之间的距离用毫米表示。
表8示出了用于定义根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第三实施方式中的非球面透镜表面的非球面形状的非球面数据，并且表8的透镜表面是以从物体侧O计数透镜表面的顺序进行指定。
表9示出了应用了根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第三实施方式的车辆的照明装置的性能数据。
此处，EFL表示根据本发明的整个超广角变焦透镜的有效焦距(mm)，FOV表示视场(度)，NA表示指示亮度的数值孔径，并且TL表示超广角变焦透镜从第一表面到最后表面的总长度。超广角变焦透镜的第三实施方式可以具有比0.75高的0.836的NA，和比10度大的13.651度的FOV。因此，根据本发明的超广角变焦透镜的第三实施方式可以有效地传输光，从而增加FOV的同时满足亮度。此外，由于减少了透镜的数量，因此可以降低制造成本。
图6示出了根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第三实施方式中的光的亮度分布，显示在矩形区域内光以均匀的亮度分布辐射。
表7
透镜表面数 曲率半径 厚度或透镜间距离 nd(折射率) vd(阿贝数)
物体 无限大 无限大
1(第一表面) 44.880 19.000 1.90043 37.37
2(第二表面) -44.880 2.000 1.92286 20.88
3(第三表面) 无限大 10.919
4(第四表面) -13.657 15.000 1.49176 57.47
5(止)*(第五表面) -19.297 0.100
6(第六表面) 18.251 16.950 1.72916 54.67
7(第七表面) 45.056
图像 无限大 0.106
表8
ASP 第四表面 第五表面
K -0.732587 -1.509239
A 4.988131E-05 1.531421E-05
B 8.783629E-09 2.534442E-08
C -7.401015E-11 -9.256203E-11
D 1.115444E-13 9.340520E-14
表9
EFL 29.999677
FOV 13.651
NA 0.836
TL 63.969000
表10示出了使用根据本发明的亮度固定的超广角变焦透镜的第一至第三实施方式的数据的等式1至4的计算结果。表10示出了第一实施方式最满足等式。
表10
第一实施方式 第二实施方式 第三实施方式
f<sub>3</sub> 276.5200 14924.657 -783.065
f 30.000 30.000 30.000
r<sub>1</sub> 40.541 45.761 44.880
r<sub>last</sub> 30.192 43.702 46.056
d<sub>3</sub> 15 15.000 15.000
TL 66.461 64.813 63.969
9≤|f<sub>3</sub>/f|[等式1] 9.217 497.489 26.102
0.9≤r<sub>最后</sub>/f≤3[等式2] 1.006 1.457 1.502
-0.01≤(r<sub>1</sub>-r<sub>最后</sub>)/(r<sub>1</sub>+r<sub>最后</sub>)≤0.2[等式3] 0.146 0.023 -0.002
0.15≤d<sub>3</sub>/TL≤0.25[等式4] 0.226 0.231 0.234
根据本发明的超广角变焦透镜可以通过使用由两个透镜组成的粘合透镜校正色差、使用一个非球面透镜和一个附加透镜校正像场的曲率进行优化。因此，即使在使用四个透镜时，超广角变焦透镜也可以将NA提高到0.75或更高，从而提高光的传输效率并增加FOV。
尽管出于说明性目的公开了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。

Claims (14)

1.一种照明装置的透镜，由以下构成：
第一透镜，其在物体侧和图像侧具有凸表面并形成为球面形状；
第二透镜，其在所述物体侧具有凹表面；
第三透镜，其在所述图像侧具有凸表面；和
第四透镜，其在所述物体侧具有凸表面并形成球面形状，
其中所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜至所述第四透镜从所述物体侧朝向所述图像侧按顺序排列，
其中所述第四透镜具有正折射力，
其中所述照明装置的透镜满足以下等式：
0.9≤r最后/f≤3，
其中r最后表示整个所述照明装置的透镜的最后表面的曲率，并且f表示整个所述照明装置的透镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的照明装置的透镜，其中所述第一透镜包括玻璃。
3.根据权利要求2所述的照明装置的透镜，其中所述第四透镜包括玻璃。
4.根据权利要求3所述的照明装置的透镜，其中所述第二透镜包括玻璃。
5.根据权利要求4所述的照明装置的透镜，其中所述第三透镜包括塑料。
6.根据权利要求1所述的照明装置的透镜，其中所述第一透镜具有35或更大的阿贝数，和1.7至1.92的d线折射率。
7.根据权利要求1所述的照明装置的透镜，其中所述第二透镜具有小于30的阿贝数，并且是燧石基透镜。
8.根据权利要求1所述的照明装置的透镜，其中所述第三透镜具有非球面形状。
9.根据权利要求1所述的照明装置的透镜，其中所述第四透镜具有朝向所述物体侧凸出的弯月面形状。
10.根据权利要求1所述的照明装置的透镜，其中所述照明装置的透镜满足以下等式：
9≤|f3/f|，
其中f3表示所述第三透镜的焦距，f表示整个照明装置的透镜的焦距。
11.根据权利要求10所述的照明装置的透镜，其中在所述图像侧设置一个LED或包括多个LED的LED阵列，并且在所述物体侧形成特定的亮度分布。
12.根据权利要求11所述的照明装置的透镜，其中位于所述第三透镜之后的所述第四透镜具有40或更大的阿贝数。
13.根据权利要求1所述的照明装置的透镜，其中所述照明装置的透镜满足以下等式：
-0.01≤(r1-r最后)/(r1+r最后)≤0.2，
其中r1表示整个所述照明装置的透镜的第一表面的曲率，r最后表示所述照明装置的透镜的最后表面的曲率。
14.根据权利要求1所述的照明装置的透镜，其中所述照明装置的透镜满足以下等式：
0.15≤d3/TL≤0.25，
其中d3表示所述第三透镜的厚度，TL表示所述照明装置的透镜从第一表面到最后表面的总长度。
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