一种自由曲面镜头

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种自由曲面镜头。

背景技术

随着科学技术的发展与进步，用户对镜头的要求也越来越高，尤其是飞机摄录系统中的镜头，要求镜头不仅能实现高清晰成像，还要透镜数量少、体积小和质量轻。传统可供光学设计使用的球面以及非球面自由度小，且结构不灵活，难以实现上述设计要求。因此成像光学系统设计迫切需要使用新型复杂的自由曲面。

自由曲面一般是指非旋转对称的光学曲面，其与传统旋转对称的球面与非球面不同，其拥有多个设计自由度，在设计时能够有效降低镜头中的各种像差，提高成像质量，同时也能缩小透镜的尺寸，减少透镜的数量，实现镜头的轻量化、小型化和集成化。

公开号为CN113820836A，公开日为2021年12月21日的中国专利文献公开了一种广角自由曲面镜头。包括沿光轴从物面到像面依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜和第六透镜；第一透镜具有折射力，物侧表面为凸面；第二透镜具有折射力，物侧表面和像侧表面在不同方向上的曲率半径均不同；第三透镜具有负折射力；第四透镜具有正折射力；第五透镜具有正折射力；第六透镜具有负折射力，镜片的像侧表面在离轴范围至少具有一个反曲点；第一透镜到第六透镜中至少一片透镜为自由曲面透镜；镜头满足：Hfov/Vfov<0.6，其中，Hfov为镜头在垂直方向上的视场角；Vfov为镜头在水平方向上的视场角。该文献的镜头用于控制在不同方向上的拍摄范围，使其在水平方向上拍摄范围大，在垂直方向上拍摄范围小。但是该文献没有解决高清晰成像性能要求下需要更少透镜数量、更轻镜头的设计问题。

发明内容

本发明提供的一种自由曲面镜头目的是克服现有技术中高清晰成像性能要求下需要更少透镜数量、更轻镜头的问题。

为此，本发明提供了一种自由曲面镜头，包括沿光路走向和光轴依次排布的第一弯月凹透镜、第一双凸透镜、第二弯月凹透镜、光阑、第二双凸透镜、第三弯月凹透镜、第一弯月凸透镜和像面；所述第一弯月凹透镜的前表面和后表面均为球面；第一双凸透镜的前表面为自由曲面，第一双凸透镜的后表面为球面；第二弯月凹透镜的前表面和后表面均为球面；第二双凸透镜的前表面和后表面均为球面；第三弯月凹透镜的前表面和后表面均为球面；第一弯月凸透镜的前表面和后表面均为球面。

优选的，所述第一弯月凹透镜的材料采用光学玻璃H-QF3。

优选的，所述第一双凸透镜的材料采用光学树脂PMMA。

优选的，所述第三弯月凹透镜的材料采用光学玻璃H-ZF62。

优选的，所述第一弯月凸透镜的材料采用光学玻璃H-ZLaF68。

优选的，所述第一弯月凹透镜和第一双凸透镜之间轴上距离为2.0-2.4mm；第一双凸透镜和第二弯月凹透镜之间轴上距离为0.3-0.7mm；第二弯月凹透镜和光阑之间轴上距离为1.4-1.8mm；光阑和第二双凸透镜之间轴上距离为0.3-0.7mm；第二双凸透镜和第三弯月凹透镜之间轴上距离为0.3-0.7mm；第三弯月凹透镜和第一弯月凸透镜之间轴上距离为0.8-1.2mm；像面距离第一弯月凸透镜后表面轴上距离为4.0-8.0mm。

优选的，所述第一弯月凹透镜的透镜厚度为1.0-1.4mm，第一双凸透镜的透镜厚度为2.0-4.0mm，第二弯月凹透镜的透镜厚度为2.3-2.7mm，所述第二双凸透镜的透镜厚度为1.8-2.2mm，第三弯月凹透镜的透镜厚度为1.0-1.4mm，所述第一弯月凸透镜的透镜厚度为1.6-2.0mm。

优选的，所述第一弯月凹透镜、第一双凸透镜、第二弯月凹透镜、光阑、第二双凸透镜、第三弯月凹透镜和第一弯月凸透镜的前表面和后表面均镀减反膜。

优选的，所述第一弯月凹透镜、第一双凸透镜、第二弯月凹透镜、第二双凸透镜、第三弯月凹透镜和第一弯月凸透镜的最大口径均小于11mm，所述光阑口径为3.4-3.8mm。

优选的，所述自由曲面的表达式为

式中：z为矢高，c为顶点曲率，k为二次曲面系数，A

本发明的有益效果：

1、本发明提供的这种自由曲面镜头，包括沿光路走向和光轴依次排布的第一弯月凹透镜、第一双凸透镜、第二弯月凹透镜、光阑、第二双凸透镜、第三弯月凹透镜、第一弯月凸透镜和像面，即自由曲面镜头由单透镜组成，结构形式简单紧凑，装配调试简单，透镜数量少，具有体积小和质量轻的特征。

2、本发明提供的这种自由曲面镜头，第一双凸透镜的前表面为自由曲面，自由曲面是通过在二次曲面基底上添加x与y的各阶幂次项得到，为了简化设计，降低制造成本，多项式取到5阶幂级数，运用多项式自由曲面，可以优化多个设计参数，对于校正镜头的球差、像散和畸变等像差具有重要意义，同时也能缩短镜头的长度。

3、本发明提供的这种自由曲面镜头，通过在第一弯月凹透镜、第一双凸透镜、第二弯月凹透镜、光阑、第二双凸透镜、第三弯月凹透镜和第一弯月凸透镜的前表面和后表面均镀减反膜，使其在波长为400nm～700nm之间时，其反射率不大于0.5％。

附图说明

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1是自由曲面镜头的结构示意图；

图2是实施例3的光学弥散斑评价图；

图3是实施例3的光学MTF评价图；

图4是实施例3的光学畸变评价图。

附图标记说明：1、第一弯月凹透镜；2、第一双凸透镜；3、第二弯月凹透镜；4、光阑；5、第二双凸透镜；6、第三弯月凹透镜；7、第一弯月凸透镜；8、像面。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种自由曲面镜头，包括沿光路走向和光轴依次排布的第一弯月凹透镜1、第一双凸透镜2、第二弯月凹透镜3、光阑4、第二双凸透镜5、第三弯月凹透镜6、第一弯月凸透镜7和像面8；所述第一弯月凹透镜1的前表面和后表面均为球面；第一双凸透镜2的前表面为自由曲面，第一双凸透镜2的后表面为球面；第二弯月凹透镜3的前表面和后表面均为球面；第二双凸透镜5的前表面和后表面均为球面；第三弯月凹透镜6的前表面和后表面均为球面；第一弯月凸透镜7的前表面和后表面均为球面。

本发明提供的这种自由曲面镜头，第一弯月凹透镜1、第一双凸透镜2、第二弯月凹透镜3、第二双凸透镜5、第三弯月凹透镜6、第一弯月凸透镜7均为单透镜，即自由曲面镜头由6片单透镜组成，结构形式简单紧凑，装配调试简单，透镜数量少，具有体积小和质量轻的特征。

实施例2:

在实施例1的基础上，所述第一弯月凹透镜1、第二弯月凹透镜3和第三弯月凹透镜6均向前凹陷；第一双凸透镜2和第二双凸透镜5均向前后两侧凸起，第一弯月凸透镜7向前凸起。此结构的镜头可使全视场范围内畸变小。

优选的，所述第一弯月凹透镜1的材料采用光学玻璃H-QF3，第一双凸透镜2的材料采用光学树脂PMMA，所述第三弯月凹透镜6的材料采用光学玻璃H-ZF62，所述第一弯月凸透镜7的材料采用光学玻璃H-ZLaF68。

每种透镜所选择的材料的折射率和色散系数和设计值是匹配的，带H牌号的光学玻璃为无铅、砷、镉的环保玻璃。光学树脂PMMA的优点是密度低，耐冲击强度高，有良好的加工性能，可用于热成型和机械加工。

优选的，所述第一弯月凹透镜1和第一双凸透镜2之间轴上距离为2.0-2.4mm；第一双凸透镜2和第二弯月凹透镜3之间轴上距离为0.3-0.7mm；第二弯月凹透镜3和光阑4之间轴上距离为1.4-1.8mm；光阑4和第二双凸透镜5之间轴上距离为0.3-0.7mm；第二双凸透镜5和第三弯月凹透镜6之间轴上距离为0.3-0.7mm；第三弯月凹透镜6和第一弯月凸透镜7之间轴上距离为0.8-1.2mm；像面8距离第一弯月凸透镜7后表面轴上距离为4.0-8.0mm。

优选的，所述第一弯月凹透镜1的透镜厚度为1.0-1.4mm，第一双凸透镜2的透镜厚度为2.0-4.0mm，第二弯月凹透镜3的透镜厚度为2.3-2.7mm，所述第二双凸透镜5的透镜厚度为1.8-2.2mm，第三弯月凹透镜6的透镜厚度为1.0-1.4mm，所述第一弯月凸透镜7的透镜厚度为1.6-2.0mm。

只有该厚度的透镜按照该间隔范围要求组合，才可使整个镜头又小又轻。

实施例3:

在实施例2的基础上，所述第一弯月凹透镜1和第一双凸透镜2之间轴上距离为2.2mm；第一双凸透镜2和第二弯月凹透镜3之间轴上距离为0.5mm；第二弯月凹透镜3和光阑4之间轴上距离为1.6mm；光阑4和第二双凸透镜5之间轴上距离为0.5mm；第二双凸透镜5和第三弯月凹透镜6之间轴上距离为0.5mm；第三弯月凹透镜6和第一弯月凸透镜7之间轴上距离为1.0mm；像面8距离第一弯月凸透镜7后表面轴上距离为6.0mm。

所述第一弯月凹透镜1的透镜厚度为1.2mm，第一双凸透镜2的透镜厚度为3.0mm，第二弯月凹透镜3的透镜厚度为2.5mm，所述第二双凸透镜5的透镜厚度为2.0mm，第三弯月凹透镜6的透镜厚度为1.2mm，所述第一弯月凸透镜7的透镜厚度为1.8mm。

所述自由曲面镜头的镜头总长为24mm，所述第一弯月凹透镜1、第一双凸透镜2、第二弯月凹透镜3、光阑4、第二双凸透镜5、第三弯月凹透镜6和第一弯月凸透镜7的最大口径均小于11mm。

优选的，所述光阑4口径为3.6mm。

该尺寸的自由曲面镜头体积最小和质量最轻，基于每种透镜所选择的材料的折射率，其色散系数和设计值匹配最佳，耐冲击强度最高，加工性能最佳，热成型和机械加工性能最好。

优选的，所述第一弯月凹透镜1、第一双凸透镜2、第二弯月凹透镜3、光阑4、第二双凸透镜5、第三弯月凹透镜6和第一弯月凸透镜7的前表面和后表面均镀减反膜。

通过在第一弯月凹透镜1、第一双凸透镜2、第二弯月凹透镜3、光阑4、第二双凸透镜5、第三弯月凹透镜6和第一弯月凸透镜7的前表面和后表面均镀减反膜，使其在波长为400nm～700nm之间时，其反射率不大于0.5％。

优选的，所述自由曲面顶点曲率半径13.521，二次曲面常数8.4641；自由曲面的表达式为

式中：z为矢高，c为顶点曲率，k为二次曲面系数，A

设置了10个多项式系数，并完成了优化。多项式系数见表1：

表1

自由曲面镜头的焦距为10.05mm，F数为2.8，垂直视场不小于21°，相对畸变小于0.2％，MTF值在最大空间频率处均大于0.5，总长为24mm，透镜最大口径小于11mm。自由曲面是通过在二次曲面基底上添加x与y的各阶幂次项得到，为了简化设计，降低制造成本，多项式取到5阶幂级数。自由曲面是镜头的设计采用逐步逼近优化策略，建立相应的约束条件和评价函数，先加入一阶变量优化，再加入二阶变量优化，直到加入五阶变量优化才得到较优的设计结果。

具体的，第一双凸透镜2由光学树脂材料PMMA加工制成，透镜厚度为3.0mm，前表面采用多项式取到5阶幂级数的自由曲面，面型关于YOZ平面对称，后表面为球面。运用多项式自由曲面，可以优化多个设计参数，对于校正镜头的球差、像散和畸变等像差具有重要意义，同时也能缩短镜头的长度。

优选的，所述第一双凸透镜2的自由曲面(即自由曲面光学元件)的加工方法为：先采用单点金刚石车床加工自由曲面的模具，再用注塑成型技术制造出自由曲面透镜，要求面形误差不大于1.5μm，表面粗糙度不大于10nm。

本实施例中：

光学弥散斑如图2所示，大部分视场内的弥散斑均方根直径大小都在一个像元内，全视场90％的光斑能量在一个像元内。

光学MTF如图3所示，图中的横坐标表示空间频率(线对每毫米)，纵坐标表示调制度，MTF曲线图常用来评价成像镜头的分辨率，由光学传递函数图可以看出，所有视场MTF值在最大空间频率处均大于0.5，接近衍射极限，镜头具有很高的分辨率。

光学畸变如图4所示，图4左边是像散曲线，右边是畸变曲线。由图可知，子午曲线和弧矢曲线较为接近，像散较小，所有视场的相对畸变均在0.2％以内。镜头像差较低。

自曲面镜头的焦距为10.05mm，F数为2.8，圆视场为41.4°，总长为24mm，透镜最大口径小于11mm。此镜头不仅长度短、体积小和重量轻，还能在可见光波段(400nm～700nm)实现高分辨率、低畸变成像，可以满足飞机摄录系统中高成像质量的要求。

本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“正面”、“内部”、“右”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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。