CN115917390B - 物镜、物镜的用途、包括物镜的测量系统和双非球面塑料透镜在物镜中的用途 - Google Patents

物镜、物镜的用途、包括物镜的测量系统和双非球面塑料透镜在物镜中的用途 Download PDF

Info

Publication number
CN115917390B
CN115917390B CN202180036307.5A CN202180036307A CN115917390B CN 115917390 B CN115917390 B CN 115917390B CN 202180036307 A CN202180036307 A CN 202180036307A CN 115917390 B CN115917390 B CN 115917390B
Authority
CN
China
Prior art keywords
lens
lens element
focal length
plastic
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202180036307.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115917390A (zh
Inventor
托比亚斯·霍恩勒
塞巴斯蒂安·文德尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik Optical Systems GmbH
Original Assignee
Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jenoptik Optical Systems GmbH filed Critical Jenoptik Optical Systems GmbH
Publication of CN115917390A publication Critical patent/CN115917390A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115917390B publication Critical patent/CN115917390B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/001—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras
    • G02B13/0015—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design
    • G02B13/002—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design having at least one aspherical surface
    • G02B13/0045—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design having at least one aspherical surface having five or more lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B9/00—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
    • G02B9/60—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having five components only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/4912—Receivers
    • G01S7/4915—Time delay measurement, e.g. operational details for pixel components; Phase measurement
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/04—Reversed telephoto objectives
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/06—Panoramic objectives; So-called "sky lenses" including panoramic objectives having reflecting surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/16—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use in conjunction with image converters or intensifiers, or for use with projectors, e.g. objectives for projection TV
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/18—Optical objectives specially designed for the purposes specified below with lenses having one or more non-spherical faces, e.g. for reducing geometrical aberration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/22—Telecentric objectives or lens systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B9/00—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
    • G02B9/34—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having four components only
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/0005—Optical objectives specially designed for the purposes specified below having F-Theta characteristic
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/001—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras
    • G02B13/0015—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design
    • G02B13/002—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design having at least one aspherical surface
    • G02B13/004—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design having at least one aspherical surface having four lenses

Abstract

本发明涉及具有固定焦距的混合物镜，该混合物镜具有五个透镜。该物镜适用于LIDAR测量系统。此外，提出了用于成像物镜的矫正像场的曲率和/或像散和/或畸变的双非球面塑料透镜的用途。

Description

物镜、物镜的用途、包括物镜的测量系统和双非球面塑料透镜 在物镜中的用途
技术领域
本发明涉及一种具有固定焦距的具有成本效益的镜头，其适合用作成像镜头。这样的镜头尤其适合在光束的飞行时间探测(LIDAR)的测量系统中使用。LIDAR是英文“lightdetection and ranging(光探测和测距)”的缩写。本发明还涉及矫正场曲。LIDAR镜头通常在近红外的非常小的波长范围内、典型地在800-2000nm的波长运行。激光经常用于照明。在这种情况下，镜头必须能够补偿激光光源的窄带宽和随温度变化可能发生的任何波长漂移。此外，需要高成像质量。
背景技术
从DE 102015115460 A1已知一种具有七个透镜元件的成像镜头。大量的透镜元件是不利的。从DE 102006057995 A1已知一种超广角镜头。大量的透镜元件是不利的。从DE112013006823 B4已知另一种成像镜头。受限的成像质量是不利的。从WO 2016/110883 A1已知另一种成像镜头。小孔径角和由于像平面的曲率而受限的成像质量是不利的。从EP3220179 A1已知另一种成像镜头。小孔径角和受限的成像质量是不利的。从US 7940478 B2已知另一种成像镜头。小孔径角和受限的成像质量是不利的。从JP 2015018086 A已知另一种成像镜头。受限的成像质量是不利的。从US 9915803 B2已知另一种成像镜头。大量的透镜元件是不利的。从EP 2725405 A1已知另一种成像镜头。难以集成光阑以及在像场边缘处也存在发光强度下降是不利的。从EP 2725404 A1已知另一种成像镜头。难以集成光阑是不利的。从EP 2657742 A1已知另一种成像镜头。小孔径角和受限的成像质量是不利的。从WO2012/086194 A1已知另一种成像镜头。小孔径角和受限的成像质量是不利的。从US6707621 B2已知另一种成像镜头。小孔径角和受限的成像质量是不利的。
从WO 2017180277 A1已知一种具有SPAD阵列的传感器。SPAD阵列可以包括雪崩光电二极管(APD)和双极或场效应晶体管，以逐行激活偏置电压(bias)。
从CN 205829628 U已知一种具有VCSEL阵列和SPAD阵列的LIDAR系统。
从WO 2017164989 A1已知一种用于基于LIDAR的三维图像记录的集成照明和探测系统。提出了一种具有四个透镜元件的镜头。提出了一种用于照明的脉冲激光光源。在实施例中，使用由激光发射器和探测器组成的多个LIDAR测量设备的阵列。然而，这样的过程非常复杂。
从WO 2016204844 A1已知一种具有电可控光方向改变元件的LIDAR系统。
从US 2016161600 A1已知一种以SPAD阵列作为探测器的LIDAR系统。激光束用于照明，并且借助使用光学相位阵列的光子集成电路来控制。
从WO 2015189024 A1已知一种具有固态激光器和可偏转镜的车辆LIDAR系统。
从WO 2015189025 A1已知一种具有脉冲激光器和可偏转镜以及CMOS图像传感器的车辆LIDAR系统。
从WO 2015126471 A1已知一种具有发射器/探测器单元的阵列的LIDAR装置。
从US 2007181810 A1已知一种具有用于照明的VCSEL阵列的车辆LIDAR系统。
从US 8654457 B2已知一种具有五个透镜元件的广角镜头。出于经济原因，五个透镜元件中的四个透镜元件不得不由塑料制造是不利的。这使得难以实现镜头的无热化。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速、具有成本效益的镜头，该镜头在宽的温度范围内可运行并且具有最佳可能的像侧远心度和低f-θ畸变，或者达到特定的期望畸变。应尽可能避免场曲。
特别地，镜头应当适用于具有例如SPAD阵列的探测器阵列的LIDAR系统。特别地，镜头应当适用于无移动零件的LIDAR系统。此外，镜头还可以作为成像镜头或作为投影镜头适用于其他应用。镜头应当能够被设计为远程和近程两者。
该目的通过以下所述的镜头、用途以及测量系统来实现。
该镜头可以具有成本效益地制造，并且特别适用于LIDAR应用。该镜头的独特之处在于被动无热化、良好的像侧远心度和低f-θ畸变，或者达到期望畸变的可行性。该镜头还可以作为成像镜头或作为投影镜头适用于其他应用。
根据本发明的镜头具有固定焦距F。该镜头具有相对于光轴大于45°的视场。这可以意味着当以全角测量时，视场可以大于90°。例如，该镜头的设计波长可以在700nm与1100nm之间或者在1400nm与1600nm之间，例如为905nm、915nm、940nm、1064nm或1550nm。该镜头可以有利地被设计为f-θ镜头。
至少第一表面、第二表面、第三表面、第四表面、第五表面、第六表面、第七表面、第八表面、第九表面和第十表面依次布置在镜头的光束路径中。具有光学功能的界面(即位于光束路径中的界面)可以理解为表面。如果镜头被设置为成像镜头，则第一表面可以是镜头的物侧表面，并且第十表面可以是镜头的像侧表面。如果镜头被设置为投影镜头，则第十表面可以是镜头的面向光源的表面。
第一表面和第二表面属于具有第一焦距f1的第一透镜元件。第一表面可以是空气/材料界面，第二表面可以是材料/空气界面，其中材料可以是指用来生产透镜的材料(例如，玻璃或塑料)。
第三表面和第四表面属于具有第二焦距f2的第二透镜元件。
第五表面和第六表面属于具有第三焦距f3的第三透镜元件。第三透镜元件具有大于1.7的折射率。因此，可以实现镜头的高成像质量。第三透镜元件可以特别有利地具有大于1.8的折射率。
第七表面和第八表面属于具有第四焦距f4的第四透镜元件。第九表面和第十表面属于具有第五焦距f5的第五透镜元件。
透镜元件的焦距可以理解为关于折射率为1的外部介质中的近轴(在靠近轴的意义上的)光线的焦距。
第一透镜元件形成为具有负屈光力D1＝1/f1<0的弯月透镜。弯月透镜元件可以理解为凸凹透镜元件。在这种情况下，第一表面可以形成为凸面，并且第二表面可以形成为凹面。有利地，第一透镜元件的凸面侧可以比凹面侧更弯曲。这可以是具有负屈光力的弯月透镜，其也可以被称为负弯月透镜。有利地，第一透镜元件可以向外弯曲，即在负的z方向上弯曲。这可以意味着第一透镜元件可以是镜头的外透镜元件，并且第一透镜元件的凸形表面可以设置在镜头的外部。
光阑布置在第二透镜元件与第三透镜元件之间。光阑可以是光阑部件中的开口。光阑部件可以是环形的。通过将光阑布置在光阑平面中，可以减小远心误差和/或由于畸变引起的误差，和/或可以最小化或避免渐晕。光阑平面可以位于第二透镜元件与第三透镜元件之间，并且特别有利地位于第五表面上。
第三透镜元件具有正屈光力D3＝1/f3>0。第三透镜元件的屈光力D3＝1/f3和第四透镜元件的屈光力D4＝1/f4以及第五透镜元件的屈光力D5＝1/f5之和D3+D4+D5为正。
第九表面形成为非球面，并且具有靠近轴的凸形区域和周围凹形区域。周围区域可以理解为包含围绕光轴的特定半径之外的点的区域。该区域可以形成为环形的。第九表面可以具有至少一个拐点。
拐点可以理解为在光轴与透镜元件表面的边缘之间的相应透镜元件表面的数学函数z(y)的数学意义上定义的拐点。函数z(y)可以是作为垂直于z方向的径向坐标y的函数的透镜元件表面的z坐标。在旋转对称表面的情况下，该函数也可以在圆柱坐标系中给定为z(r)。在这种情况下，坐标y＝0或r＝0可以对应于光轴。透镜元件表面的拐点可以描述相应透镜元件表面的凸形区域与凹形区域之间的过渡。
第七表面、第八表面和第十表面中的至少一个表面形成为非球面。
以下也适用：这可以通过适当选择透镜元件的焦距来实现。
焦距的下标i可以根据相应透镜元件的编号来给定。已知任何焦距的倒数是其屈光力Di＝1/f1。因此，可以为每个透镜元件指配屈光力Di。
如果焦距被选择成使得成立，则镜头可以是特别有利的。在这种情况下，可以实现镜头的特别好的被动无热化。
镜头可以有利地具有2mm到5mm之间的焦距F。第一透镜元件的焦距f1可以有利地在第二透镜元件的焦距f2的0.7倍到1.3倍之间，特别有利地在0.8倍到1.2倍之间。
玻璃透镜元件和塑料透镜元件可以用于镜头。玻璃透镜元件的中心厚度之和可以有利地大于塑料透镜元件的中心厚度之和。
镜头可以具有总长度和像圈直径，总长度有利地在像圈直径的两倍到五倍之间。
有利地，第一透镜元件可以由第一玻璃构成。有利地，第二透镜元件可以由第一塑料构成。有利地，第三透镜元件可以由第二玻璃构成。有利地，第四透镜元件可以由第二塑料构成。有利地，第五透镜元件可以由第三塑料构成。在本段中提及的特征可以单独存在或以其中多个特征的组合存在。特别有利地，所有这些特征可以同时存在。
第一玻璃和第二玻璃可以是不同的玻璃。第一玻璃和第二玻璃可以在热膨胀和/或折射率和/或折射率的温度相关性方面不同。然而，替代性地，还可以使用相同种类的玻璃来作为第一玻璃和第二玻璃。为此，可以使用诸如BK7等光学玻璃或硼硅酸盐玻璃。高折射率玻璃、例如致密火石玻璃(SF玻璃)，含镧的火石玻璃或冕玻璃(例如LaF、LaSF或LaK玻璃)或含钡的火石玻璃或冕玻璃(例如BaF或BaSF或BaK玻璃)可以是特别合适的。有利地，第二玻璃可以比第一玻璃具有更高的折射率。举例来说，第一玻璃可以具有在1.50到1.55之间的折射率。折射率大于1.7、特别有利地大于1.8的玻璃可以用作第二玻璃。第二玻璃可以是高折射率镧火石玻璃。
第一塑料、第二塑料和第三塑料可以是不同的塑料。这些塑料可以在热膨胀和/或折射率和/或折射率的温度相关性方面不同。然而，替代性地，还可能并且在一些情况下甚至特别有利的是，多次使用相同种类的塑料。特别有利地，由同一种塑料生产所有的塑料透镜元件。塑料可以理解为聚合物。特别有利地，可以是透明聚合物，即透光的聚合物。聚碳酸酯、COP、COC(topas)或OKP可以是特别合适的。PMMA也可以是合适的。
第三透镜元件的阿贝数可以有利地小于35。有利地，第二透镜元件、第四透镜元件和第五透镜元件的阿贝数都可以在50到65之间或者在18到32之间。这种选择确保了透镜在宽的温度范围内的期望成像特性。
镜头可以具有光轴。光轴可以被认为是直角笛卡尔坐标系xyz的z轴。在旋转对称的情况下，x坐标和y坐标可以由垂直于光轴的径向坐标r代替。
此外，镜头可以包括其他元件，例如环形光阑、滤光器、偏振器等。与具有多于五个透镜元件的镜头相比，根据本发明的镜头可以被更具成本效益地生产。有利地，另外的元件可以被设计成没有屈光力，即没有光学界面的曲率。
有利地，第一透镜元件和/或第二透镜元件可以具有至少一个非球面表面。特别有利地，第三表面可以形成为非球面，并且非常特别有利地，第三表面和第四表面可以形成为非球面。
有利地，第七表面、第八表面、第九表面和第十表面可以全部形成为非球面。
有利地，第八表面和/或第十表面可以各自具有在光轴与相应表面的边缘之间的至少一个拐点。
有利地，第三表面、第七表面、第八表面和第十表面中的至少三个表面可以各自具有至少一个拐点。镜头的场曲和/或像散和/或畸变可以借助拐点来矫正。
有利地，第十表面可以形成为凹面。这可以理解为意味着在表面的某些区域或任何地方存在相对于+z方向的正曲率。有利地，第十表面可以形成为没有拐点。这可以意味着可能存在曲率为零的点，但是没有凸曲面点。特别有利地，在平面x＝0中，第十表面的z坐标相对于y方向的一阶导数dz/dy还可以在光轴与表面的边缘之间具有至少一个拐点。在旋转对称表面的情况下，还可以在圆柱坐标系中使用dz(r)/dr。在这种情况下，坐标y＝0或r＝0可以对应于光轴。一阶导数还可以存在多个、例如两个或三个拐点。通过这些措施可以特别好地矫正场曲和/或像散和/或畸变。
有利地，第五表面可以形成为平面。特别有利地，光阑可以布置在第五表面上。在这种情况下，光阑可以被制成非常薄，或者透镜元件的接触表面可以同时用作光阑。光阑还可以被设计成例如作为第五表面上的吸收层。
球面透镜元件可以理解为具有两个相反的球面光学表面的透镜元件。球面透镜元件也可以被称为双球面透镜元件。其中一个球面表面可以是平面。平面可以理解为具有无限曲率半径的球面表面。
非球面透镜元件可以定义为具有至少一个非球面光学表面的透镜元件。第二透镜元件还可以被设计为双非球面透镜元件。双非球面透镜元件可以理解为具有两个相反的非球面光学表面的透镜元件。第二透镜元件可以具有至少一个自由曲面。
可以是有利的是，第一透镜元件和第三透镜元件被形成为球面透镜元件，并且第二透镜元件、第四透镜元件和第五透镜元件被形成为非球面透镜元件(即各自具有至少一个非球面表面)。以特别有利的方式，第二透镜元件和第五透镜元件可以实现为双非球面透镜元件。以非常特别有利的方式，第二透镜元件、第四透镜元件和第五透镜元件可以实现为双非球面透镜元件。
镜头的像平面可以在z方向上布置在最后一个透镜元件之后。物平面可以布置在第一透镜元件的前方。在这种情况下，镜头可以是成像镜头。用于记录图像的图像传感器或用于探测光束的飞行时间的矩阵传感器可以在光束路径中布置在最后一个透镜元件之后、有利地布置在镜头的像平面中。光线能够以分量沿z方向从物体传播到像平面。
同样有利的是，可以在-z方向上设置光束路径。为此，可以布置光源、第五透镜元件、第四透镜元件、第三透镜元件、第二透镜元件、以及第一透镜元件。在这种情况下，镜头可以用于照亮在-z方向上位于第一透镜元件前方的物体或场景。光线能够以分量沿-z方向从光源传播到要照亮的物体或场景。场景可以理解为多个物体，这些物体旨在于在特定的立体角范围内被探测和/或照亮。
有利地，镜头可以形成为在像侧近似是远心的。这可以理解为意味着像侧的远心误差小于10°。如果在第四透镜元件与像平面之间设置滤光器(例如带通滤光器)，则镜头的这种设计可以是特别有利的。这种有利的布置还可以包括用于图像记录的图像传感器或者用于光束的飞行时间探测的矩阵传感器，该传感器可以布置在像平面中。通过镜头和滤光器的这种布置，可以避免由于滤光器上的不同入射角而产生的像平面的照明的不均匀性。与非远心镜头相比，对滤光器的角度接受范围的要求可以降低。这使得滤光器更具成本效益。像侧的远心误差可以理解为最后一个透镜元件与图像传感器之间的主光线与主光线之间的角偏差。在光阑平面中与光轴相交的光线可以被称为主光线。如果没有光阑，则可以将在每种情况下相对于在特定点处撞击像平面的光线束成平均角度的光线假定为主光线。有利地，第四透镜元件可以形成为双凸形的。同样有利地，第四透镜元件的第八表面可以被形成为在靠近轴的区域中是凹形的并且在周围区域中是凸形的。
有利地，镜头可以具有至少1:1.3的镜头速度。镜头速度可以被描述为镜头的最大孔径比。镜头速度的倒数可以被称为f数。该条件也可以以f数应小于1.3的方式表示。
有利地，镜头可以包括用于将光源的信号光与环境光、尤其日光分离的带通滤光器。然而，带通滤光器也可以在光束路径中被布置在镜头的外部。
镜头可以是可作为投影透镜运行的。然而，镜头还可以是可作为成像镜头运行的。
将镜头用于测量系统可以是有利的，该测量系统用于至少探测至少一个光束的飞行时间。有利地，测量系统可以包括至少一个镜头、至少一个光源和至少一个矩阵传感器。光源可以是激光束源或LED。光源可以以脉冲方式运行。脉冲长度可以在1ns到1ms之间。
测量系统的特征可以在于矩阵传感器是SPAD阵列，和/或光源是VCSEL阵列或LED阵列。
在每种情况下，镜头可以包括布置在两个透镜元件之间的一个或多个间隔件。有利地，这些间隔件可以由聚碳酸酯或玻璃纤维增强塑料制成。替代性地，间隔件可以由诸如铝或钢等金属制成。
镜头可以具有焦距、像素尺寸、调制传递函数、以及像平面中的畸变。镜头的焦距和/或在像素尺寸、调制传递函数、图像尺寸、像平面中的畸变中的至少一个光学特性可以在第一波长在一定温度范围内、在不使用有源部件的情况下与温度无关。这可以被称为被动无热化。
被动无热化可以通过上述对透镜元件材料的选择以及上述对焦距比的限制来实现。
镜头可以针对单个波长(设计波长)而设计，例如特定激光辐射的波长，如780nm、808nm、880nm、905nm、915nm、940nm、980nm、1064nm或1550nm。然而，镜头还可以针对特定带宽(例如可见波长范围或近红外范围)、或针对多个离散波长而设计。所设置的带宽还可以例如在20nm到50nm之间，以便例如能够补偿为照明而设置的二极管激光器的热波长漂移。
镜头可以作为投影镜头运行。举例而言，激光束可以线状或面状地投射到空间的一部分中。
镜头可以作为成像镜头运行。被物体反射的光束、例如被物体上的某一点反射的激光束可以投射到探测器的某一点上。使用探测器可以探测该光束的飞行时间。
在优选的实施例中，镜头可以同时用作投影镜头和成像镜头。借助于在光束路径中布置在镜头与探测器之间的分束器，要投射的激光束可以耦合到光束路径中。
镜头可以被设计为广角镜头，其开口角(全角)大于90°、特别有利地大于120°并且非常特别有利地大于135°。
有利地，镜头可以具有在焦距F的六倍到十倍之间的总长度。
本发明的另一有利实施例在于用于矫正成像镜头的场曲和/或像散和/或畸变的塑料双非球面透镜元件的用途。畸变的矫正可以理解为意味着与期望畸变的偏差应很小。例如，这可以涉及避免畸变或避免偏离期望畸变(目标畸变)的问题。有利地，成像镜头可以被设计为f-θ镜头。成像镜头包括至少四个透镜元件、有利地至少五个透镜元件、并且同样有利地正好四个透镜元件、或者特别有利地正好五个透镜元件。塑料双非球面透镜元件具有光入射表面，该光入射表面具有靠近轴的凸形区域和周围凹形区域。在光轴与光入射表面的边缘之间可以存在至少一个拐点。塑料透镜元件还具有光出射表面。塑料透镜元件的光出射表面形成为凹形。这可以理解为意味着曲率的平均值相对于光传播方向+z是正的。此外，光出射表面形成为没有拐点。这可以意味着曲率值不改变符号。特别地，在整个表面上曲率可以大于或等于零，这意味着曲率不会呈现负值。根据本发明，在平面x＝0中，此塑料透镜元件的光出射表面的z坐标相对于y方向的一阶导数dz(y)/dy具有在光轴与光出射表面的边缘之间的至少一个拐点。透镜元件表面的这种设计使得能够特别有效地矫正场曲。此外，与在光出射侧也具有一个或多个拐点的已知透镜元件相比，以这种方式设计的矫正透镜元件对公差不太敏感。一阶导数还可以存在多个、例如两个或三个拐点。特别有利地，在光轴与光出射表面的边缘之间可以存在一阶导数dz(y)/dy的正好一个、正好两个或正好三个拐点。
此塑料透镜元件的光出射表面的z坐标相对于y方向的一阶导数dz(y)/dy可以是再次可微分的。二阶导数d2z(y)/dy2可以表示透镜元件的曲率。曲率的局部极值(局部最小值或局部最大值)可以被认为是在相应点处存在一阶导数的拐点的必要不充分条件。
塑料双非球面透镜元件的光出射表面的曲率可以在光轴与表面的边缘之间具有至少一个局部最大值和至少一个局部最小值。在透镜元件的边缘处可以存在但不必存在曲率的全局最大值。替代性地，最大的局部最大值可以同时是全局最大值，并且可以位于距透镜元件的边缘一定距离处。局部最小值可以都是非负的，即≥0。
在第一实施例中，可以有利的是在光出射表面的边缘处提供曲率的全局最大值，并且在与边缘间隔开处提供曲率的至少一个局部最大值和曲率的至少一个局部最小值，该曲率的至少一个局部最小值可以布置在局部最大值与位于边缘处的全局最大值之间。如果局部最大值或最大的局部最大值大于0.04/mm并且局部最小值或最小的局部最小值小于该值的三分之一，则该实施例可以是特别有利的。有利地，全局最大值可以大于0.4/mm。
替代性地，在塑料双非球面透镜元件的光出射表面的第二实施例中，还可以有利的是提供曲率的至少一个局部最大值，该曲率的至少一个局部最大值同时是全局最大值，并且有利地将该全局最大值布置在距光出射表面的边缘至少为光出射表面的半径的5％的距离处。与该全局最大值相比，在透镜元件的边缘处可以具有较低的曲率。在该第二实施例中，可以特别有利的是更接近光轴提供曲率的第二局部最大值。第二最大值可以位于光轴上，在这种情况下，一阶导数dz(y)/dy的至少两个拐点能够存在于光轴与边缘之间。替代性地，第二最大值可以特别有利地位于距光轴一定距离处，在这种情况下，一阶导数dz(y)/dy的至少三个拐点能够存在于光轴与边缘之间。局部最小值可以存在于曲率的全局最大值与最接近的局部最大值之间。总体而言，可以存在曲率的多个局部最小值。局部最小值可以都是非负的，即≥0。将局部最小值或最小的局部最小值选择为小于0.02/mm可以是有利的。光出射表面的边缘的y坐标可以理解为光出射表面的半径。
光出射表面的边缘可以是预期光束路径的距光轴最远的光线。因此，边缘可以界定光学功能透镜元件表面。所述透镜元件可以被设计成相对于光轴z旋转对称。然后，一阶导数可以表示为dz(r)/dr。在这种情况下，坐标y＝0或r＝0可以对应于光轴。
特别是在上述第一实施例或第二实施例中，本文中描述的塑料双非球面透镜元件可以有利地布置在像侧最远的位置。因此，该塑料双非球面透镜元件可以特别有利地用作根据本发明的上述镜头中的第五透镜元件。
将具有固定焦距F的镜头用于测量系统可以是有利的，该测量系统用于至少探测至少一个光束的飞行时间。光束可以是激光束。光束可以由光源发射。光源可以是光泵浦固态激光器或电泵浦二极管激光器。光源可以与根据本发明的镜头和探测器一起布置在车辆上。光源可以以能够发射单独的光脉冲的方式进行设计。可以设置用于光束的飞行时间探测的光电探测器。探测器可以是雪崩光电二极管、例如单光子雪崩二极管(缩写为SPAD)。探测器可以包括多个雪崩光电二极管。这些雪崩光电二极管可以配置为SPAD阵列。
根据本发明的测量系统包括至少一个根据本发明的镜头、至少一个光源和至少一个矩阵传感器。光源可以发射至少一个信号光。该信号光可以在波长方面与环境光不同。有利地，光源可以是激光光源。光源可以是红外激光器。替代性地，光源可以是LED。
光源可以以脉冲方式运行。脉冲长度可以在1ns到1ms之间。
在另一个实施例中，光源可以包括能够彼此独立地运行的多个发光元件。光源可以是VCSEL阵列或LED阵列的形式。可以提供光源的运行，在这种运行的范围内，至少两个发光元件在不同的时间点发射光脉冲。
矩阵传感器可以是SPAD阵列。
附图说明：
图1示出了第一示例性实施例。
图2示出了第一示例性实施例的光束路径。
图3示出了第一示例性实施例的像散。
图4示出了第一示例性实施例的f-tanθ畸变。
图5示出了第一示例性实施例的f-θ畸变。
图6示出了第二示例性实施例。
图7示出了第二示例性实施例的像散。
图8示出了第二示例性实施例的f-tanθ畸变。
图9示出了第二示例性实施例的f-θ畸变。
图10示出了根据本发明的塑料双非球面透镜元件。
图11示出了塑料双非球面透镜元件的光出射表面。
图12示出了光出射表面的一阶导数。
图13示出了光出射表面的二阶导数。
图14示出了光出射表面的三阶导数。
图15示出了另一个塑料透镜元件的光出射表面。
图16示出了光出射表面的一阶导数。
图17示出了光出射表面的二阶导数。
图18示出了另一个塑料透镜元件的光出射表面。
图19示出了光出射表面的一阶导数。
图20示出了光出射表面的二阶导数。
图21示出了另一个塑料透镜元件的光出射表面。
图22示出了光出射表面的一阶导数。
图23示出了光出射表面的二阶导数。
图24示出了第三示例性实施例。
图25示出了第三示例性实施例的像散。
图26示出了第三示例性实施例的f-tanθ畸变。
图27示出了第三示例性实施例的f-θ畸变。
图28示出了第四示例性实施例。
图29示出第四示例性实施例的像散。
图30示出第四示例性实施例的f-tanθ畸变。
图31示出第四示例性实施例的f-θ畸变。
图32示出了根据本发明的测量系统。
具体实施方式
下面将参考示例性实施例来解释本发明。
图1示出了第一示例性实施例。示出了具有固定焦距F的镜头1，第一表面6、第二表面7、第三表面9、第四表面10、第五表面12、第六表面13、第七表面17、第八表面18、第九表面20和第十表面21依次布置在光束路径中。该镜头具有光轴3。该光轴在z方向上。在附图中，像平面在右侧，即在z方向上，而物平面位于镜头的左侧。镜头包括第一透镜元件5、第二透镜元件8、第三透镜元件11、第四透镜元件16和第五透镜元件19。这些透镜元件按上述顺序在z方向上依次布置。
第一透镜元件是负屈光力的球面弯月透镜元件，即其具有两个相反的球面光学表面。
第三透镜元件11具有正屈光力。
第二透镜元件8由第一塑料制成。第二透镜元件8是双非球面发散透镜的形式。第三透镜元件11由第二玻璃制成。第三透镜元件11是球面会聚透镜。
四透镜元件16是双非球面会聚透镜的形式。第四透镜元件由第二塑料制成。在这种情况下，第二塑料与第一塑料相同。
第五透镜元件19被设计成如图10、图11、图12、图13和图14所示，并在下面进一步说明。
此外，可以可选地在矩阵传感器33的前方设置滤光器30，该滤光器将信号光与环境光分离开来。
图2示出了第一示例性实施例的光束路径。在该图和后面的图中，省略了透镜元件的阴影线，以便能够更好地示出表示光束路径2的光线4。光阑15布置在第二透镜元件8与第三透镜元件11之间。光阑平面14位于第五表面12上，该第五表面是平面的形式。用于记录图像的图像传感器或用于探测光束的飞行时间的矩阵传感器布置在像平面33中。
在没有滤光器的变型中的光学设计是根据下表1实施的：
表1
第一列提供了从物体侧起编号的序号。“标准”类型表示平坦的或球面弯曲的表面。“非球面”类型表示非球面表面。界面或透镜元件表面可以理解为表面。要注意的是，物体平面(编号1)、光阑(编号6)和像平面(编号13)也在第一列中被编号。说明书和权利要求中指定的透镜元件表面作为注释给出。
曲率半径KR列指示相应表面的曲率半径。在非球面表面的情况下，这应理解为是指近轴曲率半径。在表中，如果表面的形状朝向物体侧是凸形的，则曲率半径的符号为正，并且如果表面的形状朝向像侧凸形的，则符号为负。曲率半径列中的参数∞意味着这与平坦表面有关。在光轴上的第i个表面与第(i+1)个表面之间的距离在“厚度/距离”列中指定。在编号1中，该列中的参数∞意味着物体距离是无限远的，即镜头聚焦在无穷远处。对于行2、4、7、9和11，该列分别给出第一透镜元件、第二透镜元件、第三透镜元件、第四透镜元件和第五透镜元件的中心厚度。在材料列中，相应的表面之间的材料由相应的折射率n指定。在这种情况下，所指定的折射率n是指通常使用的钠D线。半径列指示相应表面的外半径。在光阑(编号6)的情况下，这是孔径。在透镜元件表面的情况下，这是光线离光轴的最大可用距离。在下面的等式中，这对应于相应表面的最大值h。
在以下的两个后续表(表2和表3)中给出了表1的列1中相应序号的非球面表面的系数。
编号 C2单位mm-1 C4单位mm-3 C6单位mm-5 C8单位mm-7
4 0 1.8929E-03 -1.3862E-04 5.6479E-06
5 0 3.8511E-03 -1.1177E-07 0.0000E+00
9 0 -1.9215E-04 1.1981E-05 -9.0353E-07
10 0 -1.4834E-03 2.1040E-05 2.4410E-06
11 0 -1.9231E-03 -7.9651E-05 1.8942E-06
12 0 1.9405E-03 -4.5728E-04 4.7035E-05
表2
编号 C10单位mm-9 C12单位mm-11 C14单位mm-13 C16单位mm-15
4 -2.9882E-07 7.5065E-09 0.0000E+00 0.0000E+00
5 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
9 4.9619E-08 -2.1430E-09 5.1996E-11 -5.9086E-13
10 -1.8093E-07 3.5743E-09 -1.2977E-11 -1.5515E-13
11 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
12 -2.4843E-06 4.3636E-08 1.4519E-09 -4.8891E-11
表3
在非球面数据的数值中，“E-n”(n：整数)表示“×10-n”,“E+n”表示“×10n”。此外，非球面表面系数是由下面的等式表示的非球面表达式中的系数Cm(m＝2,…,16)：
其中，
Zd是非球面表面的深度(即，从非球面表面上的、高度为h的点到接触非球面表面的顶点并且垂直于光轴的平面的垂直线的长度)，h是高度(即，从光轴到非球面表面上的该点的长度)，KR是近轴曲率半径，并且Cm是下面给出的非球面表面系数(m＝2,…,16)。未指定的非球面表面系数(在此全部具有奇数序号)被假定为零。坐标h和曲率半径一样都以毫米为单位输入；结果Zd以毫米为单位获得。系数k是锥度系数。本段中的陈述也适用于所有其他以下示例性实施例。
在本第一示例性实施例中，所有表面的锥度系数k为零。
第一透镜元件的焦距为f1＝-13.45mm，第二透镜元件的焦距为f2＝-14.08mm。第三透镜元件的焦距为f3＝8.94mm，第四透镜元件的焦距为f4＝25.11mm，并且第五透镜元件的焦距为f5＝15.56mm。镜头具有3.46mm的焦距F。
在该示例性实施例的变型方案中，镜头聚焦在有限物体距离处。这可以通过改变图像距离来实施。为此，可以相应地增加编号12行中的距离。
在另一未示出的变型方案中，镜头可以被用作投影镜头。为此，光源代替传感器被布置在平面33中。然后，可以照亮在负的z方向(在图1中被标记为-z方向)上位于镜头前方的场景。
图3示出了第一示例性实施例的像散。所有的像散图都示出了横轴上的焦点位置和竖轴上的入射角。标记“弧矢”表示弧矢图像，而标记“切向”表示切向图像，其也可以被标记为子午图像。
图4示出了第一示例性实施例的f-tanθ畸变。所有畸变图示出了在横轴上以％为单位的畸变和在竖轴上的入射角。
图5示出了第一示例性实施例的f-θ畸变。
图6示出了第二示例性实施例。这将在下面的段落中进行描述。在第二实施例中，图15、图16和图17中的双非球面透镜用作第五透镜元件19。与在第一示例性实施例中给出的解释相对应，第二示例性实施例的光学设计根据下表4实施：
表4
使用在下表(表5和表6)中给出的非球面表面(具有在上表4中给定的列1中的序号的非球面类型的表面)的系数：
编号 C2单位mm-1 C4单位mm-3 C6单位mm-5 C8单位mm-7
4 0 2.0640E-03 -1.8390E-04 7.5156E-06
5 0 4.1140E-03 -6.2569E-05 0.0000E+00
9 0 -3.2401E-04 2.8561E-05 -2.8433E-06
10 0 -2.2771E-03 1.2112E-04 -7.6327E-06
11 0 -2.4015E-03 -8.7228E-05 2.5882E-06
12 0 1.3413E-03 -3.0440E-04 3.2103E-05
表5
编号 C10单位mm-9 C12单位mm-11 C14单位mm-13 C16单位mm-15
4 -3.2934E-07 7.6917E-09 0.0000E+00 0.0000E+00
5 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
9 1.7810E-07 -7.0211E-09 1.5061E-10 -1.3976E-12
10 4.4701E-07 -1.8247E-08 4.0458E-10 -3.7038E-12
11 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
12 -2.6772E-06 1.8024E-07 -7.1280E-09 1.2002E-10
表6
未指定的非球面表面系数(在此全部具有奇数序号)被假定为零。在本示例中，所有表面的锥度系数k同样等于零。
第一透镜元件的焦距为f1＝-13.03mm，第二透镜元件的焦距为f2＝-18.08mm。第三透镜元件的焦距为f3＝8.81mm，第四透镜元件的焦距为f4＝23.69mm，并且第五透镜元件的焦距为f5＝15.45mm。镜头具有3.51mm的焦距F。
在该示例性实施例的变型方案中，镜头聚焦在有限物体距离处。这可以通过改变图像距离来实施。为此，可以相应地增加编号12行中的距离。
在另一未示出的变型方案中，镜头可以被用作投影镜头。为此，光源代替传感器被布置在平面33中。然后，可以照亮在负的z方向上位于镜头前方的场景。
第一示例性实施例和第二示例性实施例的设计波长是940nm。示例性实施例的变型方案还可以在说明书中列出的其他波长使用。
图7示出了第二示例性实施例的像散。图8示出第二示例性实施例的f-tanθ畸变。在这种情况下，朝向图像的边缘的高水平畸变是有意的。图9示出了第二示例性实施例的f-θ畸变。
图10示出了根据本发明的塑料双非球面透镜元件。塑料双非球面透镜元件19的光入射表面20配备有靠近轴的凸形区域22和周围凹形区域23。塑料透镜元件的光出射表面21是凹形的并且没有拐点。光轴3沿z方向延伸。此处示出的该透镜元件用作第一示例性实施例的第五透镜元件19，并且设计成具有表1、表2和表3中给出的参数。
图11示出了塑料双非球面透镜元件的光出射表面。图10所示出的透镜元件的光出射表面(图10中图示的右侧透镜元件表面21)被示出为函数z(y)。z和y值均以mm为单位。值y＝0对应于光轴。该函数在穿过光轴的截面x＝0中示出。
图12示出了光出射表面的一阶导数。示出了图11中所示出的函数z(y)的一阶导数z'(y)＝dz(y)/dy。y在这里也指定以mm为单位。一阶导数具有第一拐点24、第二拐点25和第三拐点26。这些拐点各自在图示中可见两次，因为导数示出了从透镜元件的负边缘到正边缘。如果仅考虑y≥0的范围，则每个拐点仅存在一次。这对应于在y＝0处的光轴与透镜元件的边缘(此处y＝4.6mm)之间存在三个拐点的表述。
图13示出了光出射表面的二阶导数。曲率表示为图11所示的函数z(y)的z"(y)＝d2z(y)/dy2。坐标y同样在这里指定以mm为单位，z"以1/mm为单位。
在本示例中，存在作为曲率的第一极值27的局部最大值，并且其也是全局最大值。该局部最大值被布置在距光出射表面的边缘一定距离处。与该全局最大值相比，在透镜元件边缘处具有较低的曲率。
作为第二极值28的局部最小值存在于曲率的全局最大值27与作为第三极值29的最接近局部最大值之间。第二最大值29被布置在距光轴一定距离处。因此，一阶导数dz(y)/dy的三个拐点存在于光轴与边缘之间。曲率是非负的，即在任何地方都≥0。在光轴上可以看到曲率的另一个局部最小值，即在点y＝0处，在该点没有一阶导数z'的拐点。
图14示出了光出射表面的三阶导数。图11所示出的函数的三阶导数z"'(y)在图12所示出的一阶导数z'的每个拐点处具有相应的零交叉，这是存在一阶导数的上述拐点24、25和26的充分判据。
图15、图16和图17示出了适用于根据本发明的用途的另一个塑料双非球面透镜元件。在此所示出的该透镜元件用作第二示例性实施例的第五透镜元件，并且设计成具有表4、表5和表6中给出的参数。图15示出了光出射表面。图16示出了光出射表面的一阶导数。在这种情况下，在光轴与透镜元件边缘之间存在两个拐点24、25。图17示出了光出射表面的二阶导数。在光出射表面的边缘处提供曲率的全局最大值27，并且曲率的局部最大值29与边缘相距一定距离。曲率的局部最小值28被布置在局部最大值与位于边缘处的全局最大值之间。
图18、图19和图20示出了适用于根据本发明的用途的另一个塑料双非球面透镜元件。此处所示出的该透镜元件用于矫正第三示例性实施例中的场曲，并且被设计成具有表7、表8和表9的编号10行中给出的表面10的参数。在这种情况下，在光轴与透镜元件边缘之间存在一阶导数z'的两个拐点24、25。
图21、图22和图23示出了适用于根据本发明的用途的另一个塑料双非球面透镜元件。此处所示出的该透镜元件用于矫正第三示例性实施例中的场曲，并且被设计成具有表10、表11和表12的编号10行中给出的表面10的参数。在这种情况下，在光轴与透镜元件边缘之间存在一阶导数z'的两个拐点24、25。
图24示出了第三示例性实施例。示出了使用图18、图19和图20中的另一个塑料双非球面透镜元件19来矫正具有四个透镜元件的成像镜头的场曲。这些透镜元件在图中被表示为第一透镜元件5、第二透镜元件8、第三透镜元件11和矫正透镜元件19，该矫正透镜元件具有光入射表面20和光出射表面21。与在第一示例性实施例中给出的解释相对应，该第三示例性实施例的光学设计根据下表7实施：
表7
使用在下表(表8和表9)中给出的非球面表面(具有在上表7中给定的列1中的序号的非球面类型的表面)的系数：
编号 k C2单位mm-1 C4单位mm-3 C6单位mm-5 C8单位mm-7
2 -2.560057 0 5.3091E-05 1.9890E-06 -3.0424E-08
3 -0.969566 0 2.7298E-04 3.4469E-06 -1.2549E-07
5 -1.104189 0 -2.6562E-04 3.4788E-06 -4.9384E-08
6 -4.302363 0 -3.0131E-04 5.9167E-06 -1.1209E-07
9 -1.608437 0 1.2814E-04 5.7453E-06 -4.7252E-07
10 -6.018323 0 6.8157E-04 -1.3795E-05 8.8297E-07
表8
编号 C10单位mm-9 C12单位mm-11 C14单位mm-13 C16单位mm-15
2 2.4762E-10 -1.2391E-12 3.6987E-15 -5.1645E-18
3 2.5971E-09 -3.1175E-11 1.9796E-13 -5.0661E-16
5 4.8536E-10 -2.7529E-12 6.7391E-15 -4.4890E-18
6 1.3620E-09 -9.9515E-12 3.8787E-14 -6.2599E-17
9 1.5230E-08 -3.0286E-10 2.9497E-12 -1.0681E-14
10 -3.8027E-08 7.6878E-10 -7.8042E-12 3.4208E-14
表9
未指定的非球面表面系数(在此全部具有奇数序号)被假定为零。
第一透镜元件的焦距为f1＝-149.85mm，第二透镜元件的焦距为f2＝17.67mm。第三透镜元件的焦距为f3＝22.08mm，矫正透镜元件的焦距为f5＝41.43mm。镜头具有13.01mm的焦距F。
在该示例性实施例的变型方案中，镜头聚焦在有限物体距离处。这可以通过改变图像距离来实施。为此，可以相应地增加编号10行中的距离。
在另一未示出的变型方案中，镜头可以被用作投影镜头。为此，光源代替传感器被布置在平面33中。然后，可以照亮在负的z方向上位于镜头前方的场景。
本示例性实施例的设计波长是905nm。示例性实施例的变型方案还可以在说明书中列出的其他波长使用。
图25示出了第三示例性实施例的像散。图26示出了第三示例性实施例的f-tanθ畸变。图27示出了第三示例性实施例的f-θ畸变。
图28示出了第四示例性实施例。示出了使用图21、图22和图23中的另一个塑料双非球面透镜元件。这些透镜元件在图中被表示为第一透镜元件5、第二透镜元件8、第三透镜元件11和矫正透镜元件19，该矫正透镜元件具有光入射表面20和光出射表面21。与在第一示例性实施例中给出的解释相对应，该第四示例性实施例的光学设计根据下表10实施：
表10
使用下表(表11和表12)中给出的非球面表面(具有在上表7中给定的列1中的序号的非球面类型的表面)的系数：
编号 k C2单位mm-1 C4单位mm-3 C6单位mm-5 C8单位mm-7
2 -2.753519 0 3.2627E-05 1.4596E-06 -1.3738E-08
3 -1.279765 0 3.1220E-04 -1.0671E-06 1.1099E-08
5 -1.242730 0 -1.9211E-04 1.5774E-06 -1.3278E-08
6 -8.448702 0 -1.5813E-04 4.9644E-07 1.9398E-09
9 -8.196975 0 7.5321E-04 -1.7029E-05 2.9885E-07
10 -20.000000 0 3.7068E-04 -6.5538E-06 1.8875E-07
表11
编号 C10单位mm-9 C12单位mm-11 C14单位mm-13 C16单位mm-15
2 5.7568E-11 -9.5057E-14 0.0000E+00 0.0000E+00
3 -7.0163E-11 2.9540E-13 0.0000E+00 0.0000E+00
5 7.5324E-11 -2.7316E-13 0.0000E+00 0.0000E+00
6 -5.6079E-11 3.3197E-13 -9.2673E-16 0.0000E+00
9 -3.3110E-09 1.3902E-11 0.0000E+00 0.0000E+00
10 -4.2876E-09 3.3680E-11 0.0000E+00 0.0000E+00
表12
未指定的非球面表面系数(在此全部具有奇数序号)被假定为零。
第一透镜元件的焦距为f1＝-966.18mm，第二透镜元件的焦距为f2＝17.84mm。第三透镜元件的焦距为f3＝30.94mm，矫正透镜元件的焦距为f5＝30.26mm。镜头具有12.64mm的焦距F。
在该示例性实施例的变型方案中，镜头聚焦在有限物体距离处。这可以通过改变图像距离来实施。为此，可以相应地增加编号10行中的距离。
在另一未示出的变型方案中，镜头可以被用作投影镜头。为此，光源代替传感器被布置在平面33中。然后，可以照亮在负的z方向上位于镜头前方的场景。
本示例性实施例的设计波长是905nm。示例性实施例的变型方案还可以在说明书中列出的其他波长使用。
图29示出了第四示例性实施例的像散。图30示出了第四示例性实施例的f-tanθ畸变。图30示出了第四示例性实施例的f-tanθ畸变。
图32示出了根据本发明的测量系统。测量系统31包括发射镜头34、接收镜头35、光源32和矩阵传感器33。光源用发射灯37照亮一个或多个物体36。矩阵传感器探测反射光38的飞行时间。
附图标记
1.镜头
2.带光束路径的透镜元件布置
3.光轴
4.光线
5.第一透镜元件
6.第一表面
7.第二表面
8.第二透镜元件
9.第三表面
10.第四表面
11.第三透镜元件
12.第五表面
13.第六表面
14.光阑平面
15.光阑
16.第四透镜元件
17.第七表面
18.第八表面
19.第五透镜元件(矫正透镜元件)
20.第九表面(矫正透镜元件的光入射表面)
21.第十表面(矫正透镜元件的光出射表面)
22.凸形区域
23.凹形区域
24.第一拐点
25.第二拐点
26.第三拐点
27.第一极值
28.第二极值
29.第三极值
30.滤光器
31.测量系统
32.光源
33.矩阵传感器
34.发射镜头
35.接收镜头
36.物体
37.发射光
38.反射光

Claims (14)

1.一种镜头(1)，该镜头具有固定焦距F和相对于光轴大于45°的视场，至少第一表面(6)、第二表面(7)、第三表面(9)、第四表面(10)、第五表面(12)、第六表面(13)、第七表面(17)、第八表面(18)、第九表面(20)和第十表面(21)依次布置在光束路径中，其特征在于，
·该第一表面(6)和该第二表面(7)属于具有第一焦距f1的第一透镜元件(5)，
·该第三表面(9)和该第四表面(10)属于具有第二焦距f2的第二透镜元件(8)，
·该第五表面(12)和该第六表面(13)属于具有第三焦距f3并且折射率大于1.7的第三透镜元件(11)，
·该第七表面(17)和该第八表面(18)属于具有第四焦距f4的第四透镜元件(16)，
·该第九表面(20)和该第十表面(21)属于具有第五焦距f5的第五透镜元件(19)，
·该第一透镜元件(5)形成为具有负屈光力D1＝1/f1<0的弯月透镜，
·光阑(15)布置在该第二透镜元件(8)与该第三透镜元件(11)之间，
·该第三透镜元件(11)具有正屈光力D3＝1/f3>0，
·该第三透镜元件(11)的屈光力D3＝1/f3和该第四透镜元件(16)的屈光力D4＝1/f4以及该第五透镜元件(19)的屈光力D5＝1/f5之和D3+D4+D5为正，
·该第九表面(20)形成为非球面、并且具有靠近轴的凸形区域(22)和周围凹形区域(23)，
·该第七表面(17)、该第八表面(18)和该第十表面(21)中的至少一个表面形成为非球面，
·并且其中，适用。
2.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，
·该第一透镜元件(5)由第一玻璃构成，和/或
·该第二透镜元件(8)由第一塑料构成，和/或
·该第三透镜元件(11)由第二玻璃构成，和/或
·该第四透镜元件(16)由第二塑料构成，和/或
·该第五透镜元件(19)由第三塑料构成。
3.根据前述权利要求中任一项所述的镜头，其特征在于，该第三透镜元件的阿贝数小于35，并且该第二透镜元件、该第四透镜元件和该第五透镜元件的阿贝数都在50到65之间或者在18到32之间。
4.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，该第一透镜元件(5)和/或该第二透镜元件(8)具有至少一个非球面表面，和/或该第七表面、该第八表面(18)、该第九表面(20)和该第十表面(21)都形成为非球面。
5.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，该第八表面(18)和该第十表面(21)中的至少一个表面
和/或
该第三表面、该第七表面、该第八表面(18)和该第十表面(21)中的至少三个表面各自具有至少一个拐点。
6.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，该第十表面(21)形成为凹形且没有凸形区域，和/或直角笛卡尔坐标系xyz的z轴是光轴，在平面x＝0中，该第十表面的z坐标相对于y方向的一阶导数dz/dy具有至少一个拐点。
7.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，该第五表面(12)形成为平面，和/或光阑(18)设置在该第五表面(12)上。
8.根据权利要求2所述的镜头，其特征在于，该镜头具有2mm到5mm之间的焦距F，
和/或该第一透镜元件的焦距f1在该第二透镜元件的焦距f2的0.7倍到1.3倍之间，和/或由第一玻璃构成的该第一透镜元件(5)和由第二玻璃构成的该第三透镜元件(11)的中心厚度之和大于由第一塑料构成的该第二透镜元件(8)、由第二塑料构成的该第四透镜元件(16)和由第三塑料构成的该第五透镜元件(19)的中心厚度之和，
和/或该镜头具有总长度和像圈直径，该总长度在该像圈直径的两倍到五倍之间。
9.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，该镜头形成为在像侧近似是远心的，该像侧的远心误差小于10°。
10.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，该镜头具有至少1:1.3的镜头速度。
11.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，该镜头包括用于将光源的信号光与环境光分离的带通滤光器(30)，或者该镜头能够与布置在该镜头外部的带通滤光器一起运行。
12.根据前述权利要求中任一项所述的镜头(1)的用于测量系统(31)的用途，其特征在于，该测量系统用于至少探测至少一个光束(4)的飞行时间。
13.一种测量系统(31)，其特征在于，包括权利要求1-11中任一项所述的镜头(34，35)、至少一个光源(32)、以及至少一个矩阵传感器(33)，其中，该光源(32)是激光束源或LED，并且其中，该光源以脉冲方式运行，并且其中，脉冲长度在1ns到1ms之间。
14.根据权利要求13所述的测量系统，其特征在于，该矩阵传感器(33)是SPAD阵列，和/或该光源(32)是VCSEL阵列或LED阵列。
CN202180036307.5A 2020-05-19 2021-05-11 物镜、物镜的用途、包括物镜的测量系统和双非球面塑料透镜在物镜中的用途 Active CN115917390B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020113529.7 2020-05-19
DE102020113529 2020-05-19
DE102020115494.1A DE102020115494B3 (de) 2020-05-19 2020-06-10 Objektiv, Verwendung eınes Objektivs, Messsystem mit einem Objektiv sowie Verwendung einer biasphärischen Kunststofflinse in einem Objektiv
DE102020115494.1 2020-06-10
PCT/EP2021/062490 WO2021233737A1 (de) 2020-05-19 2021-05-11 Objektiv, verwendung eines objektivs, messsystem mit einem objektiv sowie verwendung einer biasphärischen kunststofflinse in einem objektiv

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115917390A CN115917390A (zh) 2023-04-04
CN115917390B true CN115917390B (zh) 2023-10-10

Family

ID=75269170

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180036307.5A Active CN115917390B (zh) 2020-05-19 2021-05-11 物镜、物镜的用途、包括物镜的测量系统和双非球面塑料透镜在物镜中的用途

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11789233B2 (zh)
JP (1) JP2023518123A (zh)
KR (1) KR102557338B1 (zh)
CN (1) CN115917390B (zh)
DE (1) DE102020115494B3 (zh)
WO (1) WO2021233737A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113296237B (zh) * 2021-05-14 2023-09-05 江西晶超光学有限公司 光学系统、取像模组及电子设备
WO2023195372A1 (ja) * 2022-04-04 2023-10-12 株式会社ニコン 光学系、光学機器および光学系の製造方法
WO2024080800A1 (ko) * 2022-10-12 2024-04-18 엘지이노텍 주식회사 수신 광학계, 송신 광학계, 센서 시스템 및 라이다 장치

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104238079A (zh) * 2014-10-08 2014-12-24 青岛歌尔声学科技有限公司 一种广角镜头
CN106501919A (zh) * 2015-09-03 2017-03-15 先进光电科技股份有限公司 光学成像系统
CN110673311A (zh) * 2019-09-30 2020-01-10 江西特莱斯光学有限公司 一种超广角低畸变镜头
TWM593560U (zh) * 2020-01-17 2020-04-11 先進光電科技股份有限公司 光學成像系統
CN111123479A (zh) * 2020-01-17 2020-05-08 东莞市宇瞳光学科技股份有限公司 一种光学镜头

Family Cites Families (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3049508B2 (ja) * 1990-06-26 2000-06-05 オリンパス光学工業株式会社 内視鏡対物レンズ
US6707621B2 (en) 2001-12-14 2004-03-16 Nidec Copal Corporation Wide-angle lens
JP4197994B2 (ja) * 2003-06-19 2008-12-17 コニカミノルタオプト株式会社 撮像装置
JP2005300858A (ja) * 2004-04-09 2005-10-27 Tokai Univ ズームレンズ
US7544945B2 (en) 2006-02-06 2009-06-09 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) array laser scanner
US7940478B2 (en) 2008-04-11 2011-05-10 Nikon Corporation Imaging lens, optical apparatus and method for forming image using this imaging lens
US8654457B2 (en) * 2008-06-30 2014-02-18 Konica Minolta Opto, Inc. Wide-angle optical system, and imaging device
WO2012086194A1 (ja) 2010-12-21 2012-06-28 富士フイルム株式会社 撮像レンズおよび撮像装置
EP2657742B1 (en) 2010-12-21 2018-10-24 FUJIFILM Corporation Imaging lens and imaging device
WO2012176433A1 (ja) 2011-06-22 2012-12-27 富士フイルム株式会社 撮像レンズおよび撮像装置
EP2725404B1 (en) 2011-06-22 2015-11-25 FUJIFILM Corporation Imaging lens and imaging device
TWI440883B (zh) * 2012-08-30 2014-06-11 Largan Precision Co Ltd 結像鏡頭
KR101429000B1 (ko) * 2012-12-27 2014-08-12 주식회사 세코닉스 소형 광각 렌즈 시스템
IN2015DN01907A (zh) 2013-02-19 2015-08-07 Nikon Corp
CN105074530B (zh) 2013-03-12 2018-01-12 富士胶片株式会社 摄像透镜及摄像装置
JP2015018086A (ja) 2013-07-10 2015-01-29 今國光學工業股▲ふん▼有限公司Ｋｉｎｋｏ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏ．， Ｌｔｄ． レンズ系
US10126412B2 (en) 2013-08-19 2018-11-13 Quanergy Systems, Inc. Optical phased array lidar system and method of using same
US10203399B2 (en) 2013-11-12 2019-02-12 Big Sky Financial Corporation Methods and apparatus for array based LiDAR systems with reduced interference
CN103941395B (zh) * 2014-05-14 2016-08-17 中山联合光电科技有限公司 一种低温漂低成本高像素红外共焦光学系统
DE102014211073A1 (de) 2014-06-11 2015-12-17 Robert Bosch Gmbh Fahrzeug-Lidar-System
DE102014211071A1 (de) 2014-06-11 2015-12-17 Robert Bosch Gmbh Fahrzeug-Lidar-System
JP2016062020A (ja) 2014-09-19 2016-04-25 富士フイルム株式会社 撮像レンズおよび撮像装置
TWI512327B (zh) * 2014-10-30 2015-12-11 Largan Precision Co Ltd 攝影透鏡系統、取像裝置及電子裝置
WO2016110883A1 (ja) 2015-01-09 2016-07-14 株式会社ニコン 撮像レンズおよび撮像装置
TWI526713B (zh) * 2015-02-02 2016-03-21 大立光電股份有限公司 攝影鏡頭組、取像裝置及電子裝置
US10197676B2 (en) 2015-04-28 2019-02-05 Qualcomm Incorporated Solid-state electronic light detection and ranging (LIDAR)
CN105988192B (zh) * 2015-05-08 2018-09-18 浙江舜宇光学有限公司 广角成像镜头
TWI660193B (zh) * 2015-11-27 2019-05-21 揚明光學股份有限公司 光學鏡頭
EP3185039B1 (en) 2015-12-23 2021-09-08 STMicroelectronics (Research & Development) Limited Apparatus and method for range detection and communication
TWI716383B (zh) * 2016-03-04 2021-01-21 先進光電科技股份有限公司 光學成像系統（一）
JP6942966B2 (ja) * 2016-03-16 2021-09-29 株式会社リコー 物体検出装置及び移動体装置
JP2017173807A (ja) 2016-03-16 2017-09-28 Hoya株式会社 撮像光学系
CN109154661A (zh) 2016-03-19 2019-01-04 威力登激光雷达有限公司 用于基于lidar的3-d成像的集成照射和检测
US9985071B2 (en) 2016-04-15 2018-05-29 Qualcomm Incorporated Active area selection for LIDAR receivers
JP6837194B2 (ja) * 2017-01-20 2021-03-03 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 単焦点レンズ系、および、カメラ
CN110361850A (zh) * 2017-02-22 2019-10-22 玉晶光电(厦门)有限公司 光学镜片组
WO2019031266A1 (ja) * 2017-08-08 2019-02-14 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 単焦点レンズ系、および、カメラ
CN108227153B (zh) * 2018-03-20 2019-08-23 嘉兴中润光学科技有限公司 广角定焦镜头
US11181725B1 (en) * 2018-11-09 2021-11-23 Alex Ning Wide-angle hyperspectral lenses

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104238079A (zh) * 2014-10-08 2014-12-24 青岛歌尔声学科技有限公司 一种广角镜头
CN106501919A (zh) * 2015-09-03 2017-03-15 先进光电科技股份有限公司 光学成像系统
CN110673311A (zh) * 2019-09-30 2020-01-10 江西特莱斯光学有限公司 一种超广角低畸变镜头
TWM593560U (zh) * 2020-01-17 2020-04-11 先進光電科技股份有限公司 光學成像系統
CN111123479A (zh) * 2020-01-17 2020-05-08 东莞市宇瞳光学科技股份有限公司 一种光学镜头

Also Published As

Publication number Publication date
US20230185057A1 (en) 2023-06-15
JP2023518123A (ja) 2023-04-27
KR102557338B1 (ko) 2023-07-18
CN115917390A (zh) 2023-04-04
DE102020115494B3 (de) 2021-04-22
US11789233B2 (en) 2023-10-17
WO2021233737A1 (de) 2021-11-25
KR20230006924A (ko) 2023-01-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115917390B (zh) 物镜、物镜的用途、包括物镜的测量系统和双非球面塑料透镜在物镜中的用途
US11768351B2 (en) Four lens optical lens assembly having specified total Abbe number
US10585269B2 (en) Projection optical system, projection apparatus, and projection system
JP6630921B2 (ja) ヘッドアップディスプレイおよびヘッドアップディスプレイを搭載した移動体
US20150268454A1 (en) Extreme ultraviolet laser marking fø shot and laser processing device
JP2008508545A (ja) カメラモジュール、それに基づくアレイおよびその製造方法
US10989930B2 (en) Collimating lens
KR101439411B1 (ko) 전방위 렌즈 모듈
CN111965807A (zh) 光学瞄准系统及摄像模组和电子设备
JP6482015B2 (ja) レーザレーダ装置およびレーザレーダ装置の受光装置
CN110658610A (zh) 一种4k行车记录仪镜头
CN114730063B (zh) 物镜、物镜的用途和测量系统
CZ200234A3 (cs) Zařízení pro opatření tiskové formy obrazem s makrooptikou Offnerova typu
JP6397569B2 (ja) ３ｄプリンタ、印刷方法および鏡筒モジュール
JP2021531509A (ja) 光線場をコリメートするための装置
US10831000B2 (en) Optical lens assembly
CN203025409U (zh) F-θ物镜II
US20170307877A1 (en) 3d printer and lens module used by same
Gebgart Design features of some types of ultrawide-angle objectives
CN211627916U (zh) 一种4k行车记录仪镜头
CN220105417U (zh) 光学组件
CN217954824U (zh) 近眼显示光学系统及近眼显示装置
CN214122555U (zh) 一种透镜系统、投影模组及深度相机
TWI766658B (zh) 光學鏡片系統及飛時測距感測模組
EP3730994B1 (en) Parallel light generation device

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant