CN116338946A - 非球面透镜、具有非球面透镜的光学系统及光学设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非球面透镜，其能够在使用了一片非球面透镜的光学系统中缩短TTL。该非球面透镜在透镜设计的优化阶段，具有通过Q‑type非球面定义式而得到的Q‑type非球面，在优化完成后，在维持透镜的中心的厚度、以及从入射光源面到受光面的光轴上的距离即TTL的状态下，通过面型转换而具有偶数阶非球面。
Description
技术领域
本申请涉及一种薄型非球面透镜。
背景技术
通常，聚光透镜等以往的光学透镜为了降低在生成像时产生的像差(像的模糊、畸变等)的影响而需要使用多片透镜。因此，具备以往的光学透镜的光学装置会变大。
为了实现光学装置的小型化和薄型化，缩短TTL(Through The Lens)是重要的课题，其中，TTL是搭载于该装置的光学系统的从入射光源面到受光面的光轴上的距离。因此，要求实现由光学系统构成的元件(透镜)的片数的减少、元件自身的薄型化。
近年来，通常通过使用了光学设计程序的自动设计来进行光学设计。光学设计是对设计参数进行优化以使得成为设计对象的光学系统满足所希望的光学性能的作业。
但是，在通过现有的光学设计所设计的光学系统中，通常使用多片透镜来进行设计。例如，在专利文献1所记载的光学系统的设计方法中，虽然进行了透镜设计数据的优化，但使用多片透镜成为前提。另外，例如，在专利文献2所记载的光学系统的设计方法中，通过向多片透镜之间插入追加的透镜而进行透镜设计的优化。此外，在专利文献3所记载的光学系统中，公开了一种TTL小于4mm的光学系统，但该光学系统是由多片透镜构成的光学系统。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2020-003765号公报
专利文献2：日本特开2006-220914号公报
专利文献3：中国专利申请公开第111279240号说明书
发明内容
发明要解决的问题
本申请的目的在于，提供一种能够在使用了一片非球面透镜的光学系统中缩短TTL的非球面透镜。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本公开具有以下的方案。
一种非球面透镜，其中，
所述非球面透镜在透镜设计的优化的阶段，具有通过Q-type非球面定义式而得到的Q-type非球面，
在所述优化完成后，在维持透镜的中心的厚度、以及从入射光源面到受光面的光轴上的距离即TTL的状态下，通过面型转换而具有偶数阶非球面。
也可以是，所述透镜的中心的厚度为0.5mm的非球面透镜。
也可以是，所述非球面透镜的左面和所述非球面透镜的右面的变换残差RMS分别为10-3量级和10-11量级的非球面透镜。
也可以是一种光学系统，其中，所述光学系统具有非球面透镜，所述非球面透镜是一片，所述TTL为2.4mm。
也可以是一种光学设备，其中，所述光学设备包括所述非球面透镜或所述光学系统。
发明效果
根据本申请，可提供能够在使用了一片非球面透镜的光学系统中缩短TTL的非球面透镜。
附图说明
图1是示出球面透镜和非球面透镜的形状的图。
图2A是示出使用了偶数阶非球面透镜的光学系统的图。
图2B是示出使用了Q-type非球面透镜的光学系统的图。
图3是示出以往的透镜设计方法的流程图。
图4是示出实施方式所述的透镜设计方法的流程图。
图5是示出实施方式所述的非球面透镜的图。
图6A是表示从Q-type非球面(左面)向偶数阶非球面的变换残差RMS的图。
图6B是表示从Q-type非球面(右面)向偶数阶非球面的变换残差RMS的图。
图7是示出以往的透镜设计与实施方式所述的透镜设计的性能的比较的图。
具体实施方式
以下，针对本申请的一实施方式详细进行说明。本申请并不限定于以下所记载的实施方式，能够在不阻碍本申请的效果的范围内适当加以变更来实施。在针对本申请的一实施方式所记载的特定的说明也适用于其他实施方式的情况下，在其他实施方式中有时省略该说明。在本说明书中表示数值范围的“X～Y”这一表现是指“X以上且Y以下”。
只要没有特别定义，则在本说明书中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属的技术领域的本领域技术人员通常所理解的含义相同的含义。此外，在通常使用的词典中定义的术语应被解释为具有与相关技术的上下文中的含义一致的含义，只要在本说明书中没有明确定义，则不以理想化或过于形式的含义进行解释。
[实施例]
以下示出实施例来更加具体地说明本发明，但不通过这些实施例来限定本发明的解释。
图1是示出球面透镜和非球面透镜的形状的图。为了方便说明，以一片透镜1示出球面透镜和非球面透镜的形状。
透镜1的下方的部分的曲面轮廓是球面。透镜1的上方的部分的曲面轮廓是非球面。z是平行于光轴的方向上的下垂量，s是与光轴间的垂直距离(径向半径)，Ra是对应于s的点的非球面曲率半径，Rs是球面曲率半径。透镜1的端的部分是被称为透镜边缘11的部分。
球面形状的轮廓(下垂量)是具有固定的曲率半径的形状。因此，在进行像差校正时，需要多片球面透镜。这里，下垂量是指以透镜单位表示透镜的表面相对于面的顶点突出何种程度或凹陷何种程度的长度的量。
另一方面，非球面形状的轮廓与球面那样的具有固定的曲率半径的形状不同，曲率半径Ra根据与光轴相距的距离而变化。因此，非球面形状能够自由地控制形状，因此，相比于使用多片球面形状来进行像差校正，能够校正更多的像差。与使用了球面透镜的光学系统相比，使用了非球面透镜的光学系统能够以更少的透镜的片数对各种光学像差进行校正，能够得到更好的光学性能。另外，也能够控制透镜边缘11的形状而使其容易成型。
光学设计中的非球面的面型具有最常见的偶数阶非球面和适合于考虑到制造成本的优化的Q-type非球面这两种。
偶数阶非球面是最常见的面型，因此，具有存在很多与偶数阶非球面对应的非球面加工机这样的优点。但是，偶数阶非球面具有以下缺点：难以通过透镜设计的优化唯一地决定面的形状，可能会徒然地使用高阶项。
另一方面，Q-type非球面存在强非球面QCON和弱非球面Qbfs这两种。Q-type非球面能够更加容易地控制非球面的优化，也减少了徒然地使用定义式的高阶项，能够进行高效的设计、制造。另外，在Q-type非球面中，构成Q-type非球面的定义式的各项在标准化半径内形成正交归一系，因此，项之间不会相互干扰。因此，具有表示某个面形状的系数的组合是唯一的这样的优点。但是，Q-type非球面具有与Q-type非球面对应的非球面加工机少这样的缺点。
本申请的实施方式所使用的偶数阶非球面的定义式和Q-type非球面的定义式是通常已知的定义式，因此省略说明。在使用通常已知的定义式进行透镜设计的优化时，在偶数阶非球面的定义式中，图1所记载的s直接作为数字使用。因此，变得难以优化。
另一方面，在Q-type非球面的定义式中，不是如偶数阶非球面的定义式的情况那样将图1所记载的s直接作为数字使用，而是将s归一化。通过将s归一化，从而使各项成为正交而不干扰。因此，在Q-type非球面的定义式中，相比于使用偶数阶非球面的定义式时，优化变得更加容易。
图2A是示出使用了偶数阶非球面透镜的光学系统的图。图2B是示出使用了Q-type非球面透镜的光学系统的图。在本申请中，是适合于小型/薄型的光学装置、尤其是无焦激光光学系统的具有超短距离TTL和超薄型非球面透镜结构的光学系统。无焦激光光学系统是指，物侧(物点)与像点(像侧)位于无限远的不成像的光学系统。在该光学系统中，具有望远镜、相机的取景器、变焦透镜的变焦部分、为了将光束直径变更为任意形状而使用的激光扩束器。图2A和图2B所记载的光学系统具备透镜1、光源2、光线3、受光面4。透镜1可以是光学玻璃，也可以是光学透镜用树脂，不依存于材料。光源2也称为入射光源面。在图2A和图2B中，仅示出一片非球面透镜，但应注意有时省略了若干构成要素。
关于光学透镜用树脂，可举出聚甲基丙烯酸甲酯树脂(PMMA)、芴系聚酯、特殊亚克力、聚芳酯(PAR)、热塑性聚酰亚胺(热塑性PI)等，但也可以是任何种类的树脂材料。
本发明的发明人发现TTL为2.6mm、透镜的中心的厚度T为0.5mm的偶数阶非球面透镜适合于无焦激光光学系统(图2A)。另外，本发明的发明人发现TTL为2.4mm、透镜的中心的厚度T为0.5mm的Q-type非球面透镜适合于无焦激光光学系统(图2B)。需要说明的是，在球面透镜中，如果欲使透镜的中心的厚度T成为0.5mm，则必须使透镜边缘11(图1)成为0.5mm以下，其加工困难，因此，在本申请的实施方式中，无法使用球面透镜。
于是，本发明的发明人发现如下的设计方法：在进行透镜设计时，使用TTL为2.4mm、透镜的中心的厚度T为0.5mm的Q-type非球面透镜进行优化，在优化后将面型从Q-type非球面转换成偶数阶非球面。
这里，对以往的透镜设计方法进行说明。图3是示出以往的透镜设计方法的流程图。基本规格是小型/薄型的光学装置用的无焦光学系统。设计思想是以更少的光学元件(透镜)和更短的TTL来实现基本规格。具体而言，对于透镜的中心的厚度T为1mm以下且折射率约为1.5的一片透镜，将TTL为3mm以下作为设计目标。
作为初期设计，为了实现上述的设计目标而进行使用了现有的光学设计程序的自动设计(S01)。
接着，对于面型，设定偶数阶非球面(S02)。由此，使用偶数阶非球面的定义式进行透镜设计的优化(S03)。
作为本发明的发明人进行的优化后的实验结果，为下述设计、制造性能：TTL为2.6mm、透镜的中心的厚度T为0.5mm、非球面系数的阶数为8阶。
在S03之后进行公差解析(S04)，基于设计结果进行透镜的加工、制造(S05)。
如果是将透镜重叠几片而制作的光学系统，则如图3那样可仅使用偶数阶非球面来抑制像差，因此也可以进行图3那样的透镜设计。但是，在如实施方式所述的光学系统那样通过一片透镜来设计光学系统的情况下，当仅使用偶数阶非球面时，无法抑制像差。于是，本发明的发明人进行了图4的透镜设计方法。
图4是示出实施方式所述的透镜设计方法的流程图。基本规格是小型/薄型的光学装置用的无焦光学系统。设计思想是以更少的光学元件(透镜)和更短的TTL来实现基本规格。具体而言，对于透镜的中心的厚度T为1mm以下且折射率约为1.5的一片透镜，将TTL为3mm以下作为设计目标。
作为初期设计，为了实现上述的设计目标而进行使用了现有的光学设计程序的自动设计(S11)。
接着，对于面型，设定Q-type非球面(S12)。由此，使用Q-type非球面的定义式来进行透镜设计的优化(S13)。
作为本发明的发明人进行的优化后的实验结果，为下述设计、制造性能：TTL为2.4mm、透镜的中心的厚度T为0.5mm、非球面系数的阶数为6阶。
在优化后，将面型从Q-type非球面转换成偶数阶非球面(S14)。在面型的转换中，使用现有的面型自动转换工具。此时，透镜的中心的厚度0.5mm和TTL2.4mm设为不变更的设定。另外，使面型的转换前后的残差成为最小值。
图5是示出实施方式所述的非球面透镜的图。图5是将面型从Q-type非球面转换成偶数阶非球面之后的非球面透镜。在本发明的发明人进行的设计中，在维持TTL为2.4mm且透镜的中心的厚度T为0.5mm的前提下，从Q-type非球面向偶数阶非球面的变换残差RMS为Sleft为10-3量级、Sright为10-11量级(图5、图6A及图6B)。这里重要的是，不变更TTL为2.4mm且透镜的中心的厚度T为0.5mm这样的条件。因此，例如能够缓和不重要的像差。
图6A和图6B是表示从Q-type非球面向偶数阶非球面的变换残差RMS的图。具体而言，图6A是表示从Q-type非球面的左面向偶数阶非球面的变换残差RMS的图。图6B是表示从Q-type非球面的右面向偶数阶非球面的变换残差RMS的图。在本发明的发明人的实验结果中，Sleft是6.8392E-03，Sright是8.2790E-11。
在S14之后进行公差解析(S15)，基于设计结果，进行透镜的加工、制造(S16)。
即，在透镜设计的优化阶段，制作Q-type非球面透镜结构，在优化完成后，为了使用更加具有通用性的非球面加工机，将面型从Q-type非球面转换成偶数阶非球面。Q-type非球面的定义式的各系数正交，相互不干扰，因此，与偶数阶非球面相比，能够容易地控制优化，还减少使用高阶项，能够进行高效的透镜设计、透镜制造。
图7是示出以往的透镜设计(图3)与实施方式所述的透镜设计(图4)的性能的比较的图。由图7明显可知，与以往的透镜设计相比，实施方式所述的透镜设计在设计性能(TTL的缩短)和制造性能(非球面系数的阶数的减少)这两方面均提高。
本申请的透镜以及光学系统能够应用于带相机的移动终端、自动驾驶车载LiDAR、内窥镜等体内检查用的医疗设备等光学设备。
以上完成了详细的说明，但所说明的实施方式只不过是例示，显而易见的是，本领域技术人员能够在不脱离本申请的主旨的范围内进行各种变更、变形。
附图标记说明
1透镜、
2光源(入射光源面)、
3光线、
4受光面、
11透镜边缘、
T透镜的中心的厚度、
z平行于光轴的方向上的下垂量、
s与光轴间的垂直距离(径向半径)、
Ra对应于s的点的非球面曲率半径、
Rs球面曲率半径。
Claims (5)
1.一种非球面透镜，其中，
所述非球面透镜在透镜设计的优化的阶段，具有通过Q-type非球面定义式而得到的Q-type非球面，
在所述优化完成后，在维持透镜的中心的厚度、以及从入射光源面到受光面的光轴上的距离即TTL的状态下，通过面型转换而具有偶数阶非球面。
2.根据权利要求1所述的非球面透镜，其中，
所述透镜的中心的厚度为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的非球面透镜，其中，
所述非球面透镜的左面和所述非球面透镜的右面的变换残差RMS分别为10-3量级和10-11量级。
4.一种光学系统，其中，
所述光学系统具有权利要求1所述的非球面透镜，
所述非球面透镜是一片，
所述TTL为2.4mm。
5.一种光学设备，其中，
所述光学设备包括权利要求1至3中任一项所述的非球面透镜或者权利要求4所述的光学系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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