CN115840280A

CN115840280A - 自由曲面镜头

Info

Publication number: CN115840280A
Application number: CN202210149530.7A
Authority: CN
Inventors: 张磊; 张占军; 金永红
Original assignee: Dongguan Yutong Optical Technology Co Ltd
Current assignee: Dongguan Yutong Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2022-02-18
Filing date: 2022-02-18
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2042-02-18
Also published as: CN115840280B

Abstract

本发明公开了一种自由曲面镜头，包括沿光轴从物面至像面依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，第一透镜和第四透镜为非旋转对称的自由曲面透镜，第二透镜和第三透镜为旋转对称的非球面透镜。本发明实施例提供的自由曲面镜头，使用2枚自由曲面镜片搭配2枚非球面镜片，通过合理的设置水平和竖直方向的光焦度比例，以及各个镜片之间的光焦度比例，以及合理的设置自由曲面的系数，在限制了目标像面大小的前提下，实现了110度以上水平视场角、45度以下竖直视场角的网格畸变的校正，从而在物方和像方的水平/竖直比例存在显著差距时，实现较小的网格畸变。

Description

自由曲面镜头

技术领域

本发明实施例涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种自由曲面镜头。

背景技术

在激光测距领域，存在这样的使用场景，即要求机器能够测量水平较宽，竖直较窄的矩形物方空间，经过成像之后仍然能够以较小形变映射在矩形的图像传感器之上。

但当物方和像方的水平/竖直比例存在显著差距时，现有旋转对称镜头的网格畸变(俗称TV畸变)较大，无法实现上述功能。

发明内容

本发明提供一种自由曲面镜头，以在物方和像方的水平/竖直比例存在显著差距时，实现较小的网格畸变。

本发明实施例提供了一种自由曲面镜头，包括沿光轴从物面至像面依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

所述第一透镜和所述第四透镜为非旋转对称的自由曲面透镜，所述第二透镜和所述第三透镜为旋转对称的非球面透镜；

所述第一透镜的水平光焦度为Φ1x，所述第一透镜的竖直光焦度为Φ1y，所述第二透镜的光焦度为Φ2，所述第三透镜的光焦度为Φ3，所述第四透镜的水平光焦度为Φ4x，所述第四透镜的竖直光焦度为Φ4y，所述自由曲面镜头的水平光焦度为Φx，所述自由曲面镜头的竖直光焦度为Φy；其中：

-0.23<Φ1x/Φx<-0.15；-0.06<Φ1y/Φy<0.15；-0.75<Φ2/Φx<-0.60；

0.32<Φ3/Φx<0.40；0.15<Φ4x/Φx<0.20；-0.25<Φ4y/Φy<0.10。

可选的，-0.30<Φ1y/Φ1x<0.1；-0.45<Φ4y/Φ4x<-0.1。

可选的，所述第一透镜的物侧面的水平曲率为c1x，所述第一透镜的物侧面的竖直曲率为cy1，所述第四透镜的像侧面的水平曲率为c8x，所述第四透镜的像侧面的竖直曲率为c8y，其中，0.25<c1x/c1y<0.40；-0.60<c8x/c8y<-0.20。

可选的，所述自由曲面镜头在水平方向的视场角为FOVx，所述自由曲面镜头在水平方向的焦距为fx，所述第一透镜的物侧面的光轴中心至像面的距离为TTL，其中，tan(FOVx/2)*fx/TTL>0.08，tan表示正切函数。

可选的，所述自由曲面镜头还包括光阑；

所述光阑位于所述第二透镜与所述第三透镜之间的光路中。

可选的，所述光阑的光阑口径为椭圆口径或者矩形口径。

可选的，所述光阑的水平宽度为stoX，所述光阑的竖直宽度为stoY，其中，0.5<stoX/sotY<0.7。

可选的，所述光阑的水平宽度为stoX，所述第一透镜的物侧面的光轴中心至像面的距离为TTL，其中，stoX/TTL>0.02。

可选的，所述第一透镜的物侧面弯向像面，所述第一透镜的像侧面弯向像面；

所述第二透镜的像侧面弯向像面；

所述第三透镜的像侧面弯向物面；

所述第四透镜的像侧面在水平方向上弯向物面，第四透镜的像侧面在竖直方向上弯向像面。

可选的，所述自由曲面镜头还包括平板滤光片；

所述平板滤光片位于所述第四透镜的像侧面一侧。

本发明实施例提供的自由曲面镜头，包括沿光轴从物面至像面依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，第一透镜和第四透镜为非旋转对称的自由曲面透镜，第二透镜和第三透镜为旋转对称的非球面透镜，通过合理设置各个透镜的光焦度、以及水平和竖直方向的光焦度比例满足一定关系式，实现了水平方向大于110度、竖直方向小于45度的物方视场范围，其对应像面的大小的尺寸大于2.3mm*1.6mm，TV畸变控制在-10％～0％，实现了在物方的水平和竖直方向尺度相差较大时，校正网格畸变(俗称TV畸变)的镜头。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的自由曲面镜头沿水平方向的截面结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的自由曲面镜头沿竖直方向的截面结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的自由曲面镜头的点列图；

图4为本发明实施例一提供的自由曲面镜头的网格畸变图；

图5为本发明实施例一提供的自由曲面镜头在水平方向的场曲畸变图；

图6为本发明实施例一提供的自由曲面镜头在竖直方向的场曲畸变图；

图7为本发明实施例二提供的自由曲面镜头沿水平方向的截面结构示意图；

图8为本发明实施例二提供的自由曲面镜头沿竖直方向的截面结构示意图；

图9为本发明实施例二提供的自由曲面镜头的点列图；

图10为本发明实施例二提供的自由曲面镜头的网格畸变图；

图11为本发明实施例二提供的自由曲面镜头在水平方向的场曲畸变图；

图12为本发明实施例二提供的自由曲面镜头在竖直方向的场曲畸变图；

图13为本发明实施例三提供的自由曲面镜头沿水平方向的截面结构示意图；

图14为本发明实施例三提供的自由曲面镜头沿竖直方向的截面结构示意图；

图15为本发明实施例三提供的自由曲面镜头的点列图；

图16为本发明实施例三提供的自由曲面镜头的网格畸变图；

图17为本发明实施例三提供的自由曲面镜头在水平方向的场曲畸变图；

图18为本发明实施例三提供的自由曲面镜头在竖直方向的场曲畸变图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的自由曲面镜头沿水平方向的截面结构示意图，图2为本发明实施例一提供的自由曲面镜头沿竖直方向的截面结构示意图，如图1和图2所示，本发明实施例提供的自由曲面镜头包括沿光轴从物面至像面依次排列的第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130和第四透镜140，第一透镜110和第四透镜140为非旋转对称的自由曲面透镜，第二透镜120和第三透镜130为旋转对称的非球面透镜。第一透镜110的水平光焦度为Φ1x，第一透镜110的竖直光焦度为Φ1y，第二透镜120的光焦度为Φ2，第三透镜130的光焦度为Φ3，第四透镜140的水平光焦度为Φ4x，第四透镜140的竖直光焦度为Φ4y，自由曲面镜头的水平光焦度为Φx，自由曲面镜头的竖直光焦度为Φy，其中，-0.23<Φ1x/Φx<-0.15，-0.06<Φ1y/Φy<0.15，-0.75<Φ2/Φx<-0.60，0.32<Φ3/Φx<0.40，0.15<Φ4x/Φx<0.20，-0.25<Φ4y/Φy<0.10。

在本实施例提供的自由曲面镜头中，可将第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130和第四透镜140设置于一个镜筒(图1中未示出)内。第二透镜120和第三透镜130为旋转对称的非球面透镜，第一透镜110和第四透镜140为非旋转对称的自由曲面透镜，其中，非旋转对称的自由曲面是在旋转对称的非球面基础上，增加了非旋转对称分量，其水平和竖直方向的光焦度不一致，在自由曲面镜头中引入非旋转对称的自由曲面，有利于矫正光学成像系统的轴外子午像差和弧矢像差，并有利于减少光学畸变和TV畸变，提高自由曲面镜头的成像质量。

示例性的，光焦度等于像方光束汇聚度与物方光束汇聚度之差，其数值为焦距的倒数，它表征光学系统偏折光线的能力。光焦度的绝对值越大，对光线的弯折能力越强，光焦度的绝对值越小，对光线的弯折能力越弱。光焦度为正数时，光线的屈折是汇聚性的；光焦度为负数时，光线的屈折是发散性的。光焦度可以适用于表征一个透镜的某一个折射面(即透镜的一个表面)，可以适用于表征某一个透镜，也可以适用于表征多个透镜共同形成的系统(即透镜群)。

在本实施例中，设置第一透镜110的水平光焦度Φ1x、第一透镜110的竖直光焦度Φ1y、第二透镜120的光焦度Φ2、第三透镜130的光焦度Φ3、第四透镜140的水平光焦度Φ4x、第四透镜140的竖直光焦度Φ4y、自由曲面镜头的水平光焦度Φx、自由曲面镜头的竖直光焦度Φy满足：

-0.23<Φ1x/Φx<-0.15，-0.06<Φ1y/Φy<0.15，-0.75<Φ2/Φx<-0.60，0.32<Φ3/Φx<0.40，0.15<Φ4x/Φx<0.20，-0.25<Φ4y/Φy<0.10。

其中，通过合理的设置各个透镜的光焦度、以及水平和竖直方向的光焦度比例满足一定关系式，可以实现110度以上水平视场角以及45度以下竖直视场角的网格畸变的校正，其对应像面的大小的尺寸大于2.3mm*1.6mm，TV畸变可控制在-10％～0％，从而在限制了目标像面大小的前提下，在测量水平较宽，竖直较窄的矩形物方空间，且物方和像方的水平和竖直的比例存在显著差距时，经过自由曲面镜头成像之后仍然能够以较小形变映射在矩形的图像传感器之上。

示例性的，假设物方的水平宽度和竖直高度的比例为5:1，像方的水平宽度和竖直高度的比例为2:1，此时，物方水平较宽、竖直较窄，且物方和像方的水平和竖直的比例存在显著差距，本发明实施例提供的自由曲面镜头，使用2枚自由曲面透镜和2枚非球面透镜，并合理的设置水平和竖直方向的光焦度比例，以及各个镜片之间的光焦度比例，可以以较小形变将物方空间的图像映射在矩形的图像传感器之上。

需要说明的是，在本申请中，术语“水平”、“竖直”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

综上所述，本发明实施例提供的自由曲面镜头，包括沿光轴从物面至像面依次排列的第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130和第四透镜140，第一透镜110和第四透镜140为非旋转对称的自由曲面透镜，第二透镜120和第三透镜130为旋转对称的非球面透镜，通过合理设置各个透镜的光焦度、以及水平和竖直方向的光焦度比例满足一定关系式，实现了水平方向大于110度、竖直方向小于45度的物方视场范围，其对应像面的大小的尺寸大于2.3mm*1.6mm，实现了在物方的水平和竖直方向尺度相差较大时，校正网格畸变(俗称TV畸变)的镜头。

作为一种可行的实施方式，-0.30<Φ1y/Φ1x<0.1，-0.45<Φ4y/Φ4x<-0.1。

其中，通过设置第一透镜110的水平光焦度Φ1x、第一透镜110的竖直光焦度Φ1y、第四透镜140的水平光焦度Φ4x和第四透镜140的竖直光焦度Φ4y满足-0.30<Φ1y/Φ1x<0.1，-0.45<Φ4y/Φ4x<-0.1，可进一步对110度以上水平视场角以及45度以下竖直视场角的网格畸变进行校正，从而在测量水平较宽，竖直较窄的矩形物方空间，且物方和像方的水平和竖直的比例存在显著差距时，经过自由曲面镜头的调制之后能够以更小形变映射在矩形的图像传感器之上。

作为一种可行的实施方式，第一透镜110的物侧面的水平曲率为c1x，第一透镜110的物侧面的竖直曲率为cy1，第四透镜140的像侧面的水平曲率为c8x，第四透镜140的像侧面的竖直曲率为c8y，其中，0.25<c1x/c1y<0.40；-0.60<c8x/c8y<-0.20。

其中，通过合理设置第一透镜110的物侧面的水平曲率c1x和竖直曲率cy1，第四透镜140的像侧面的水平曲率c8x和竖直曲率c8y，这两个面远离光阑，且形状相对对称，可以较好地校正轴外像差，在此处设置自由曲面，可以更加有效地校正畸变。

作为一种可行的实施方式，自由曲面镜头在水平方向的视场角为FOVx，自由曲面镜头在水平方向的焦距为fx，第一透镜110的物侧面的光轴中心至像面的距离为TTL，其中，tan(FOVx/2)*fx/TTL>0.08，tan表示正切函数。

其中，第一透镜111的物侧面的光轴中心至像面的距离为自由曲面镜头的光学总长TTL，在本实施例中，通过合理设置自由曲面镜头在水平方向的视场角FOVx，在水平方向的焦距fx，以及光学总长TTL的关系，此关系式限制了镜头全长相对于像面尺寸的比例，避免出现大镜头小靶面的体积臃肿现象，为产品安装留出更多空间。

作为一种可行的实施方式，如图1和图2所示，自由曲面镜头还包括光阑150，光阑150位于第二透镜120与第三透镜130之间的光路中。

其中，光阑150是整个系统的孔径光阑，起到限制轴上光束宽度的重要作用。同时，通过将光阑150设置于第二透镜120与第三透镜130之间的光路中，使系统大致对称，有助于进一步降低网格畸变。

作为一种可行的实施方式，光阑150的光阑口径为椭圆口径或者矩形口径。

其中，通过设置光阑150的光阑口径为椭圆口径或者矩形口径，在测量水平较宽，竖直较窄的矩形物方空间，且物方和像方的水平和竖直的比例存在显著差距时，有助于校正像差，从而提高成像质量。

作为一种可行的实施方式，光阑150的水平宽度为stoX，光阑150的竖直宽度为stoY，其中，0.5<stoX/sotY<0.7。

其中，通过设置光阑150的水平宽度stoX和竖直宽度stoY满足0.5<stoX/sotY<0.7，可以让水平和竖直方向的FNo接近，使水平和竖直方向的MTF值差异变小，避免出现散光现象。

作为一种可行的实施方式，光阑150的水平宽度为stoX，第一透镜110的物侧面的光轴中心至像面的距离为TTL，其中，stoX/TTL>0.02。

其中，第一透镜111的物侧面的光轴中心至像面的距离为自由曲面镜头的光学总长TTL，在本实施例中，通过设置光阑150的水平宽度stoX和光学总长TTL满足stoX/TTL>0.02，可使自由曲面镜头具有较小的光圈数，从而提升通光量，实现较高的信噪比，降低图像识别算法的解析压力。

作为一种可行的实施方式，如图1和图2所示，第一透镜110的物侧面弯向像面，第一透镜110的像侧面弯向像面，第二透镜120的像侧面弯向像面，第三透镜130的像侧面弯向物面，第四透镜140的像侧面在水平方向上弯向物面，第四透镜140的像侧面在竖直方向上弯向像面。

其中，设定某个透镜的两个面中，靠近物方的面为物侧面，靠近像方的面为像侧面，在本实施例中，通过合理设置各个透镜的面型，保证各个透镜的光焦度满足上述实施例中光焦度要求的同时，还可以保证整个自由曲面镜头结构紧凑，自由曲面镜头集成度高。

作为一种可行的实施方式，如图1和图2所示，自由曲面镜头还包括平板滤光片160，平板滤光片160位于第四透镜140的像侧面一侧。

其中，通过在第四透镜140和像面之间设置具有一定厚度的平板滤光片160，起到保护作用的同时，还可滤除不需要的杂散光，从而提高自由曲面镜头的成像质量，例如，通过平板滤光片160在白天滤除红外光来提高自由曲面镜头的成像质量。

示例性的，表1以一种可行的实施方式，详细说明了本发明实施例一提供的自由曲面镜头中各个透镜的具体光学物理参数，表1中的自由曲面镜头对应图1和图2所示的自由曲面镜头。

其中，面序号根据各个透镜的表面顺序来进行编号，例如，面序号1代表第一透镜111的物侧面，面序号2代表第一透镜112的像侧面，依次类推；半径x为水平方向上的曲率半径，半径y为竖直方向上的曲率半径，曲率半径代表镜片表面的弯曲程度，正值代表该表面弯向像面一侧，负值代表该表面弯向物面一侧，INF代表曲率半径为无限；厚度代表当前表面到下一表面的中心轴向距离，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)；折射率代表当前表面到下一表面之间的材料对光线的偏折能力，空格代表当前位置为空气，折射率为1。

表1自由曲面镜头的光学物理参数的设计值

面序号(面型)	半径x	半径y	厚度	折射率(工作波长)
					0(平面)	INF	INF	500.0000
1(自由曲面)	9.3348	2.9303	1.8082	1.5288
					2(自由曲面)	1.7484	2.4577	0.9969
3(非球面)	-2.4245	-2.4245	0.7758	1.5288
					4(非球面)	1.2585	1.2585	0.9654
5(STO)(平面)	INF	INF	0.0990
					6(非球面)	20.3212	20.3212	1.8343	1.5288
7(非球面)	-1.3618	-1.3618	0.0500
					8(自由曲面)	9.3211	3.2813	2.7641	1.5288
9(自由曲面)	-3.2723	1.8083	0.5000
					10(平面)	INF	INF	0.7000	1.5106
11(平面)	INF	INF	1.3214

在本实施例中，孔径光阑(STO)设置为椭圆通光口径，水平半径和竖直半径分别为0.36mm和0.6mm。

第一透镜110和第四透镜140的自由曲面公式如下：

其中，z为平行于Z轴方向的面的矢高；c_x、c_y分别为X、Y方向面顶点的曲率(＝1/曲率半径)；k_x、k_y分别为X、Y方向圆锥系数；AR、BR、CR、DR、ER分别为自由曲面旋转对称分量中的4阶、6阶、8阶、10阶、12阶系数；AP、BP、CP、DP、EP分别为自由曲面非旋转对称分量中的4阶、6阶、8阶、10阶、12阶系数。

示例性的，表2和表3以一种可行的实施方式详细说明了本实施例一中第一透镜110和第四透镜140的自由曲面系数。

表2自由曲面镜头中第一透镜和第四透镜的自由曲面系数的设计值

面序号	c<sub>x</sub>	c<sub>y</sub>	k<sub>x</sub>	k<sub>y</sub>	AR	BR	CR	DR
									1	0.1071	0.3413	0	0	9.083242E-11	-1.030143E-06	-2.356823E-05	7.525897E-07
2	0.5720	0.4069	0	0	4.414104E-02	-1.470529E-03	2.836284E-02	-9.703345E-03
									8	0.1073	0.3048	0	0	-1.350645E-02	-5.225137E-04	-1.681359E-03	2.344153E-04
9	-0.3056	0.5530	0	0	3.235921E-04	-9.539898E-04	8.654370E-07	6.132169E-06

表3自由曲面镜头中第一透镜和第四透镜的自由曲面系数的设计值

面序号

ER

AP

BP

CP

DP

EP

1

4.558596E-08

3.782181E+03

-2.569442E+00

6.108434E-01

3.405739E-01

4.427100E-01

2

-8.777395E-05

1.705388E-01

1.393085E+00

2.701148E-02

2.912854E-02

-4.542400E-01

8

-5.917464E-04

-1.477664E-01

1.310252E+00

-3.654425E-01

9.443835E-01

4.287000E-01

9

-1.060532E-03

-4.108172E+00

-8.070822E-01

6.560203E+00

2.930444E+00

6.033400E-01

其中，9.083242E-011表示面序号为1的系数AR为9.083242*10^-11，依此类推。

第二透镜120和第三透镜130的非球面公式如下：

其中，r表示距离光轴的垂直距离，Z为非球面沿光轴方向在r位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为拟合球面的曲率，c＝1/R，R表示镜面的近轴曲率半径；k为圆锥系数；a₄、a₆、a₈、a₁₀、a₁₂和a₁₄为高次非球面系数。

示例性的，表4以一种可行的实施方式详细说明了本实施例一中第二透镜120和第三透镜130的非球面系数。

表4自由曲面镜头中第二透镜和第三透镜的非球面系数的设计值

面序号

kx

ky

a4

a6

a8

a10

a12

a14

3

0

1.127378E-01

-5.301161E-01

1.976535E+00

-3.898062E+00

3.822942E+00

-1.468475E+00

4

0

-4.638671E-03

1.043886E-01

-1.651788E-01

1.806952E-01

-1.010714E-01

2.445702E-02

6

0

1.127378E-01

-5.301161E-01

1.976535E+00

-3.898062E+00

3.822942E+00

-1.468475E+00

7

0

-4.638671E-03

1.043886E-01

-1.651788E-01

1.806952E-01

-1.010714E-01

2.445702E-02

其中，1.127378E-01表示面序号为3的系数a₄为1.127378*10^-1，依此类推。

本实施例提供的自由曲面镜头达到了如下技术指标：

表5自由曲面镜头的技术指标

Φ1x	-0.226
		Φ1y	0.011
Φ2	-0.685
		Φ3	0.402
Φ4x	0.202
		Φ4y	-0.046
Φx	1.068
		Φy	0.352
fx	0.936
		全长TTL	11.815
水平视场角FOVx	113.2
		竖直视场角FOVy	38.0
c1x	0.107
		c1y	0.341
c8x	-0.306
		c8y	0.553
stoX	0.360
		stoY	0.600
水平像宽	2.416
		竖直像高	1.798
水平光学畸变	-14.9％
		竖直光学畸变	-8.3％
水平TV畸变(SMIA)	-1.2％
		竖直TV畸变(SMIA)	-7.9％
水平工作光圈数	3.22
		竖直工作光圈数	3.23

进一步的，图3为本发明实施例一提供的自由曲面镜头的点列图，其中，点列图是现代光学设计中最常用的评价方法之一。点列图是指由一点光源发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形。如图3所示，本发明实施例提供的自由曲面镜头，光线(0.808μm)在各个视场下的弥散图形比较集中，分布也比较均匀，没有出现某个视场下的弥散图形随波长而上下分离得很开的现象，说明无明显紫边。同时，光线(0.808μm)在该自由曲面镜头的各视场位置处的均方根半径值(RMS radius)分别为1.788μm、3.400μm、3.874μm、3.770μm、1.772μm、2.224μm、4.309μm、4.501μm、5.253μm、7.614μm、5.429μm和4.583μm，表明各视场的RMS半径均小于8μm，也即说明了该自由曲面镜头在全视场下具有较低的色差和像差，能够实现高分辨率的成像。

图4为本发明实施例一提供的自由曲面镜头的网格畸变图，其中，网格畸变图表示镜头对物体所成的像相对于物体本身而言的失真程度(或变形程度)，如图4所示，水平坐标表示在水平方向的TV畸变的大小，单位为％，竖直坐标表示在竖直方向的TV畸变的大小，单位为％，根据图4可知，本实施例提供的自由曲面镜头的网格畸变较小，能够实现良好的成像品质。

图5为本发明实施例一提供的自由曲面镜头在水平方向的场曲畸变图，如图5所示，左侧坐标系中，水平坐标表示场曲的大小，单位为mm；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；其中T表示子午，S表示弧矢；由图5可以看出，本实施例提供的自由曲面在水平方向的场曲被有效地控制，即在成像时，中心的像质和周边的像质差距较小；右侧坐标系中，水平坐标表示畸变的大小，单位为％；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；由图5可以看出，本实施例提供的自由曲面在水平方向的畸变得到了较好地矫正，成像畸变较小，满足低畸变的要求。

图6为本发明实施例一提供的自由曲面镜头在竖直方向的场曲畸变图，如图6所示，左侧坐标系中，水平坐标表示场曲的大小，单位为mm；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；其中T表示子午，S表示弧矢；由图6可以看出，本实施例提供的自由曲面在竖直方向的场曲被有效地控制，即在成像时，中心的像质和周边的像质差距较小；右侧坐标系中，水平坐标表示畸变的大小，单位为％；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；由图6可以看出，本实施例提供的自由曲面在竖直方向的畸变得到了较好地矫正，成像畸变较小，满足低畸变的要求。

实施例二

图7为本发明实施例二提供的自由曲面镜头沿水平方向的截面结构示意图，图8为本发明实施例二提供的自由曲面镜头沿竖直方向的截面结构示意图，如图7和图8所示，本发明实施例二提供的自由曲面镜头包括沿光轴从物面至像面依次排列的第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130和第四透镜140，第一透镜110和第四透镜140为非旋转对称的自由曲面透镜，第二透镜120和第三透镜130为旋转对称的非球面透镜。光阑150位于第二透镜120与第三透镜130之间的光路中，平板滤光片160位于第四透镜140的像侧面一侧。

示例性的，表6以一种可行的实施方式，详细说明了本发明实施例二提供的自由曲面镜头中各个透镜的具体光学物理参数，表6中的自由曲面镜头对应图7和图8所示的自由曲面镜头。

表6自由曲面镜头的光学物理参数的设计值

面序号(面型)	半径x	半径y	厚度	折射率(工作波长)
					0(平面)	INF	INF	500.0000
1(自由曲面)	7.5336	2.7795	1.8906	1.5288
					2(自由曲面)	1.9173	2.7154	0.8375
3(非球面)	-5.0337	-5.0337	0.7416	1.5288
					4(非球面)	0.8514	0.8514	1.0504
5(STO)(平面)	无限	INF	0.0700
					6(非球面)	244.1733	244.1733	2.1040	1.5288
7(非球面)	-1.3893	-1.3893	0.0500
					8(自由曲面)	4.9931	2.6068	2.6375	1.5288
9(自由曲面)	-5.3823	1.4213	1.0000
					10(平面)	INF	INF	0.7000	1.5106
11(平面)	INF	INF	0.7755

在本实施例中，孔径光阑(STO)设置为椭圆通光口径，水平半径和竖直半径分别为0.33mm和0.52mm。

第一透镜110和第四透镜140的自由曲面公式如下：

示例性的，表7和表8以一种可行的实施方式详细说明了本实施例二中第一透镜110和第四透镜140的自由曲面系数。

表7自由曲面镜头中第一透镜和第四透镜的自由曲面系数的设计值

面序号	c<sub>x</sub>	c<sub>y</sub>	k<sub>x</sub>	k<sub>y</sub>	AR	BR	CR	DR
									1	0.1327	0.3598	0	0	1.113964E-10	-3.996166E-06	-3.160495E-05	1.050977E-06
2	0.5216	0.3683	0	0	6.087827E-02	-2.741136E-03	3.405075E-02	-9.013283E-03
									8	0.2003	0.3836	0	0	-1.074121E-02	-9.441384E-04	-1.589562E-05	9.564012E-04
9	-0.1858	0.7036	0	0	5.957656E-03	-3.137565E-04	5.931815E-05	2.465611E-03

表8自由曲面镜头中第一透镜和第四透镜的自由曲面系数的设计值

面序号

ER

AP

BP

CP

DP

EP

1

1.978183E-08

3.341521E+03

-1.794776E+00

5.612265E-01

3.618956E-01

6.170096E-01

2

-1.301135E-04

1.366030E-01

1.041465E+00

2.436557E-02

5.429073E-02

-4.928691E-01

8

-4.221533E-04

-8.234094E-02

1.100642E+00

-1.353184E+00

6.272195E-01

5.465513E-01

9

-2.744436E-03

-4.450453E-01

-1.880402E+00

3.026632E+00

5.252816E-01

7.169411E-01

其中，1.113964E-010表示面序号为1的系数AR为1.113964*10^-10，依此类推。

第二透镜120和第三透镜130的非球面公式如下：

示例性的，表9以一种可行的实施方式详细说明了本实施例二中第二透镜120和第三透镜130的非球面系数。

表9自由曲面镜头中第二透镜和第三透镜的非球面系数的设计值

面序号

kx

ky

a4

a6

a8

a10

a12

a14

3

0

1.127378E-01

-5.301161E-01

1.976535E+00

-3.898062E+00

3.822942E+00

-1.468475E+00

4

0

-4.638671E-03

1.043886E-01

-1.651788E-01

1.806952E-01

-1.010714E-01

2.445702E-02

6

0

1.127378E-01

-5.301161E-01

1.976535E+00

-3.898062E+00

3.822942E+00

-1.468475E+00

7

0

-4.638671E-03

1.043886E-01

-1.651788E-01

1.806952E-01

-1.010714E-01

2.445702E-02

本实施例提供的自由曲面镜头达到了如下技术指标：

表10自由曲面镜头的技术指标

Φ1x	-0.182
		Φ1y	0.041
Φ2	-0.758
		Φ3	0.382
Φ4x	0.186
		Φ4y	-0.039
Φx	1.046
		Φy	0.351
fx	0.956
		全长TTL	11.857
水平视场角FOVx	110.2
		竖直视场角FOVy	34.0
c1x	0.133
		c1y	0.360
c8x	-0.186
		c8y	0.704
stoX	0.330
		stoY	0.520
水平像宽	2.324
		竖直像高	1.622
水平光学畸变	-15.3％
		竖直光学畸变	-6.9％
水平TV畸变(SMIA)	0.0％
		竖直TV畸变(SMIA)	-8.2％
水平工作光圈数	3.39
		竖直工作光圈数	3.47

进一步的，图9为本发明实施例二提供的自由曲面镜头的点列图，其中，点列图是现代光学设计中最常用的评价方法之一。点列图是指由一点光源发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形。如图9所示，本发明实施例提供的自由曲面镜头，光线(0.808μm)在各个视场下的弥散图形比较集中，分布也比较均匀，没有出现某个视场下的弥散图形随波长而上下分离得很开的现象，说明无明显紫边。同时，光线(0.808μm)在该自由曲面镜头的各视场位置处的均方根半径值(RMS radius)分别为2.588μm、2.894μm、2.485μm、2.788μm、1.621μm、2.255μm、5.272μm、3.432μm、3.941μm、9.896μm、7.548μm和6.183μm，表明各视场的RMS半径均小于10μm，也即说明了该自由曲面镜头在全视场下具有较低的色差和像差，能够实现高分辨率的成像。

图10为本发明实施例二提供的自由曲面镜头的网格畸变图，其中，网格畸变图表示镜头对物体所成的像相对于物体本身而言的失真程度(或变形程度)，如图10所示，水平坐标表示在水平方向的TV畸变的大小，单位为％，竖直坐标表示在竖直方向的TV畸变的大小，单位为％，根据图10可知，本实施例提供的自由曲面镜头的网格畸变较小，能够实现良好的成像品质。

图11为本发明实施例二提供的自由曲面镜头在水平方向的场曲畸变图，如图11所示，左侧坐标系中，水平坐标表示场曲的大小，单位为mm；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；其中T表示子午，S表示弧矢；由图11可以看出，本实施例提供的自由曲面在水平方向的场曲被有效地控制，即在成像时，中心的像质和周边的像质差距较小；右侧坐标系中，水平坐标表示畸变的大小，单位为％；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；由图11可以看出，本实施例提供的自由曲面在水平方向的畸变得到了较好地矫正，成像畸变较小，满足低畸变的要求。

图12为本发明实施例二提供的自由曲面镜头在竖直方向的场曲畸变图，如图12所示，左侧坐标系中，水平坐标表示场曲的大小，单位为mm；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；其中T表示子午，S表示弧矢；由图12可以看出，本实施例提供的自由曲面在竖直方向的场曲被有效地控制，即在成像时，中心的像质和周边的像质差距较小；右侧坐标系中，水平坐标表示畸变的大小，单位为％；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；由图12可以看出，本实施例提供的自由曲面在竖直方向的畸变得到了较好地矫正，成像畸变较小，满足低畸变的要求。

实施例三

图13为本发明实施例三提供的自由曲面镜头沿水平方向的截面结构示意图，图14为本发明实施例三提供的自由曲面镜头沿竖直方向的截面结构示意图，如图13和图14所示，本发明实施例三提供的自由曲面镜头包括沿光轴从物面至像面依次排列的第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130和第四透镜140，第一透镜110和第四透镜140为非旋转对称的自由曲面透镜，第二透镜120和第三透镜130为旋转对称的非球面透镜。光阑150位于第二透镜120与第三透镜130之间的光路中，平板滤光片160位于第四透镜140的像侧面一侧。

示例性的，表11以一种可行的实施方式，详细说明了本发明实施例三提供的自由曲面镜头中各个透镜的具体光学物理参数，表11中的自由曲面镜头对应图13和图14所示的自由曲面镜头。

表11自由曲面镜头的光学物理参数的设计值

面序号(面型)	半径x	半径y	厚度	折射率(工作波长)
					0(平面)	INF	INF	500.0000
1(自由曲面)	9.7611	2.7720	1.7702	1.5288
					2(自由曲面)	1.8598	1.9883	0.8742
3(非球面)	-3.5635	-3.5635	0.8599	1.5288
					4(非球面)	0.9715	0.9715	1.0383
5(STO)(平面)	无限	INF	0.0990
					6(非球面)	21.1267	21.1267	1.8683	1.5288
7(非球面)	-1.3811	-1.3811	0.0500
					8(自由曲面)	6.8346	2.7102	2.7493	1.5288
9(自由曲面)	-4.3115	1.2821	1.0000
					10(平面)	INF	INF	0.7000	1.5106
11(平面)	INF	INF	0.8438

在本实施例中，孔径光阑(STO)设置为椭圆通光口径，水平半径和竖直半径分别为0.36mm和0.60mm。

第一透镜110和第四透镜140的自由曲面公式如下：

示例性的，表12和表13以一种可行的实施方式详细说明了本实施例三中第一透镜110和第四透镜140的自由曲面系数。

表12自由曲面镜头中第一透镜和第四透镜的自由曲面系数的设计值

面序号	c<sub>x</sub>	c<sub>y</sub>	k<sub>x</sub>	k<sub>y</sub>	AR	BR	CR	DR
									1	0.1024	0.3608	0	0	8.517578E-11	-2.642815E-06	-2.905882E-05	3.880540E-07
2	0.5377	0.5029	0	0	5.269288E-02	-4.425413E-03	3.177425E-02	-1.119342E-02
									8	0.1463	0.3690	0	0	-1.192453E-02	-1.044712E-03	2.047754E-09	8.902764E-04
9	-0.2319	0.7800	0	0	9.705238E-03	-2.309329E-04	2.858961E-06	1.391955E-03

表13自由曲面镜头中第一透镜和第四透镜的自由曲面系数的设计值

面序号

ER

AP

BP

CP

DP

EP

1

7.009584E-08

3.341521E+03

-1.794776E+00

5.612265E-01

3.618956E-01

6.170096E-01

2

-1.012190E-04

1.366030E-01

1.041465E+00

2.436557E-02

5.429073E-02

-4.928691E-01

8

-5.390329E-04

-1.616642E-01

1.132701E+00

-2.427408E+01

6.544735E-01

5.259730E-01

9

-3.617330E-03

-3.428655E-02

-2.019439E+00

5.870346E+00

1.075295E+00

7.485696E-01

其中，8.517578E-011表示面序号为1的系数AR为8.517578*10^-11，依此类推。

第二透镜120和第三透镜130的非球面公式如下：

示例性的，表14以一种可行的实施方式详细说明了本实施例三中第二透镜120和第三透镜130的非球面系数。

表14自由曲面镜头中第二透镜和第三透镜的非球面系数的设计值

面序号

kx

ky

a4

a6

a8

a10

a12

a14

3

0

2.237294E-01

-1.867598E+00

9.028668E+00

-2.356466E+01

3.127457E+01

-1.641335E+01

4

0

1.664947E-04

7.242203E-02

-1.050432E-01

1.123513E-01

-5.873002E-02

1.374588E-02

6

0

2.237294E-01

-1.867598E+00

9.028668E+00

-2.356466E+01

3.127457E+01

-1.641335E+01

7

0

1.664947E-04

7.242203E-02

-1.050432E-01

1.123513E-01

-5.873002E-02

1.374588E-02

其中，2.237294E-01表示面序号为3的系数a₄为2.237294*10^-1，依此类推。

本实施例提供的自由曲面镜头达到了如下技术指标：

表15自由曲面镜头的技术指标

Φ1x	-0.212
		Φ1y	-0.016
Φ2	-0.738
		Φ3	0.396
Φ4x	0.183
		Φ4y	-0.073
Φx	1.046
		Φy	0.351
fx	0.956
		全长TTL	11.853
水平视场角FOVx	120.2
		竖直视场角FOVy	44.0
c1x	0.102
		c1y	0.361
c8x	-0.232
		c8y	0.780
stoX	0.360
		stoY	0.600
水平像宽	2.664
		竖直像高	2.126
水平光学畸变	-19.9％
		竖直光学畸变	-7.7％
水平TV畸变(SMIA)	-0.8％
		竖直TV畸变(SMIA)	-3.0％
水平工作光圈数	3.35
		竖直工作光圈数	3.43

进一步的，图15为本发明实施例三提供的自由曲面镜头的点列图，其中，点列图是现代光学设计中最常用的评价方法之一。点列图是指由一点光源发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形。如图15所示，本发明实施例提供的自由曲面镜头，光线(0.808μm、0.793μm和0.823μm)在各个视场下的弥散图形比较集中，分布也比较均匀，没有出现某个视场下的弥散图形随波长而上下分离得很开的现象，说明无明显紫边。同时，光线(0.808μm、0.793μm和0.823μm)在该自由曲面镜头的各视场位置处的均方根半径值(RMS radius)分别为2.620μm、3.673μm、3.998μm、4.576μm、2.073μm、2.836μm、7.085μm、5.128μm、6.808μm、21.189μm、7.938μm和7.555μm，表明各视场的RMS半径均小于22μm，也即说明了该自由曲面镜头在全视场下具有较低的色差和像差，能够实现高分辨率的成像。

图16为本发明实施例三提供的自由曲面镜头的网格畸变图，其中，网格畸变图表示镜头对物体所成的像相对于物体本身而言的失真程度(或变形程度)，如图16所示，水平坐标表示在水平方向的TV畸变的大小，单位为％，竖直坐标表示在竖直方向的TV畸变的大小，单位为％，根据图16可知，本实施例提供的自由曲面镜头的网格畸变较小，能够实现良好的成像品质。

图17为本发明实施例三提供的自由曲面镜头在水平方向的场曲畸变图，如图17所示，左侧坐标系中，水平坐标表示场曲的大小，单位为mm；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；由图17可以看出，本实施例提供的自由曲面在水平方向的场曲被有效地控制，即在成像时，中心的像质和周边的像质差距较小；右侧坐标系中，水平坐标表示畸变的大小，单位为％；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；由图17可以看出，本实施例提供的自由曲面在水平方向的畸变得到了较好地矫正，成像畸变较小，满足低畸变的要求。

图18为本发明实施例三提供的自由曲面镜头在竖直方向的场曲畸变图，如图18所示，左侧坐标系中，水平坐标表示场曲的大小，单位为mm；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；由图18可以看出，本实施例提供的自由曲面在竖直方向的场曲被有效地控制，即在成像时，中心的像质和周边的像质差距较小；右侧坐标系中，水平坐标表示畸变的大小，单位为％；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；由图18可以看出，本实施例提供的自由曲面在竖直方向的畸变得到了较好地矫正，成像畸变较小，满足低畸变的要求。

为了更加清楚的对上述实施例进行说明，表16详细说明了本发明实施例一至三提供的自由曲面镜头中各个透镜的具体光学物理参数以及其他可行的光学物理参数。

表16自由曲面镜头的光学物理参数的设计值

	实施例一	实施例二	实施例三	下限	上限
						Φ1x/Φx	-0.21	-0.17	-0.20	-0.23	-0.15
Φ1y/Φy	0.03	0.12	-0.05	-0.06	0.15
						Φ2/Φx	-0.64	-0.72	-0.71	-0.75	-0.60
Φ3/Φx	0.38	0.36	0.38	0.32	0.40
						Φ4x/Φx	0.19	0.18	0.17	0.15	0.20
Φ4y/Φy	-0.13	-0.11	-0.21	-0.25	0.10
						Φ1y/Φ1x	-0.05	-0.23	0.08	-0.30	0.10
Φ4y/Φ4x	-0.23	-0.21	-0.40	-0.45	-0.10
						c1x/c1y	0.31	0.37	0.28	0.25	0.40
c8x/c8y	-0.55	-0.26	-0.30	-0.60	-0.20
						tan(FOVx/2)*fx/TTL	0.12	0.12	0.14	0.08
stoX/stoY	0.600	0.635	0.600	0.5	0.7
						stoX/TTL	0.030	0.028	0.030	0.02

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种自由曲面镜头，其特征在于，

包括沿光轴从物面至像面依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

-0.23<Φ1x/Φx<-0.15；-0.06<Φ1y/Φy<0.15；-0.75<Φ2/Φx<-0.60；

0.32<Φ3/Φx<0.40；0.15<Φ4x/Φx<0.20；-0.25<Φ4y/Φy<0.10。

2.根据权利要求1所述的自由曲面镜头，其特征在于，

-0.30<Φ1y/Φ1x<0.1；-0.45<Φ4y/Φ4x<-0.1。

3.根据权利要求2所述的自由曲面镜头，其特征在于，

所述第一透镜的物侧面的水平曲率为c1x，所述第一透镜的物侧面的竖直曲率为cy1，所述第四透镜的像侧面的水平曲率为c8x，所述第四透镜的像侧面的竖直曲率为c8y，其中，0.25<c1x/c1y<0.40；-0.60<c8x/c8y<-0.20。

4.根据权利要求1所述的自由曲面镜头，其特征在于，

所述自由曲面镜头在水平方向的视场角为FOVx，所述自由曲面镜头在水平方向的焦距为fx，所述第一透镜的物侧面的光轴中心至像面的距离为TTL，其中，tan(FOVx/2)*fx/TTL>0.08，tan表示正切函数。

5.根据权利要求1所述的自由曲面镜头，其特征在于，

所述自由曲面镜头还包括光阑；

所述光阑位于所述第二透镜与所述第三透镜之间的光路中。

6.根据权利要求5所述的自由曲面镜头，其特征在于，

所述光阑的光阑口径为椭圆口径或者矩形口径。

7.根据权利要求5所述的自由曲面镜头，其特征在于，

所述光阑的水平宽度为stoX，所述光阑的竖直宽度为stoY，其中，0.5<stoX/sotY<0.7。

8.根据权利要求5所述的自由曲面镜头，其特征在于，

所述光阑的水平宽度为stoX，所述第一透镜的物侧面的光轴中心至像面的距离为TTL，其中，stoX/TTL>0.02。

9.根据权利要求1所述的自由曲面镜头，其特征在于，

所述第一透镜的物侧面弯向像面，所述第一透镜的像侧面弯向像面；

所述第二透镜的像侧面弯向像面；

所述第三透镜的像侧面弯向物面；

10.根据权利要求1所述的自由曲面镜头，其特征在于，

所述自由曲面镜头还包括平板滤光片；

所述平板滤光片位于所述第四透镜的像侧面一侧。