自由曲面透镜及含有该自由曲面透镜的成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自由曲面透镜及其含有该自由曲面透镜的成像系统，特别涉及一 种自由曲面f-0透镜及其含有该自由曲面f-0透镜的成像系统。
【背景技术】
[0002] 自由曲面是指无法用球面或非球面系数来表示的非传统曲面，通常是非回转对称 的，结构灵活，变量较多，为光学设计提供了更多的自由度，可以大大降低光学系统的像差， 减小系统的体积、重量与镜片数量。
[0003] 近几十年来，自由曲面在成像领域，尤其是激光打印领域得到了成功的应用。自由 曲面以其变量多，面型灵活的特点，可以满足现代成像系统的需要，有着广阔的发展应用前 景。然而，在我国自由曲面透镜及含有该自由曲面透镜的成像系统一直依赖进口。
[0004] 因此，确有必要开发一种光学性能好、成像品质高、结构紧凑且成本低廉的自由曲 面透镜及含有该自由曲面透镜的成像系统。
【发明内容】
[0005] 综上所述，确有必要提供一种光学性能好、成像品质高、结构紧凑且成本低廉的自 由曲面透镜及含有该自由曲面透镜的成像系统。
[0006] -种成像系统，该成像系统所处的空间定义一三维直角坐标系（X，Y，Z)，其中，该 成像系统包括：一光源，用于沿平行于Y轴的方向输出一激光；一光阑，设置在所述激光的 出射光路上，用于将多余的激光挡掉；一反射镜设置在所述光阑远离光源的一侧，用于将所 述激光以一定角度在Y-Z平面内反射，从而形成一反射光；一自由曲面透镜，设置于所述 反射光的光路上，用于将所述反射光汇聚到一影像感测元件上；所述自由曲面透镜包括 一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；所述第一表面为反射光的入射面，所述第 一表面包括一第一自由曲面以及一第二自由曲面，所述第一自由曲面及第二自由曲面关于 X-Z平面对称，且均为一 5次的XY多项式曲面；所述第二表面为所述反射光的出射面，且所 述第二表面为一 10次非球面。
[0007] -种自由曲面透镜，该自由曲面透镜所处的空间定义一三维直角坐标系（X，Y，Z)， 其中，该自由曲面透镜包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；所述第一表面 为入光面，所述第一表面包括一第一自由曲面以及一第二自由曲面，所述第一自由曲面及 第二自由曲面关于X-Z平面对称，且均为一 5次的XY多项式曲面；所述第二表面为出光面， 且为一 10次非球面。
[0008] 本发明提供的自由曲面透镜以及含有该自由曲面透镜的成像系统具有光学性能 好、成像品质高、结构紧凑且成本低廉等特点。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明实施例提供的成像系统的结构以及光路示意图。
[0010] 图2为本发明实施例提供的成像系统中的自由曲面透镜的结构示意图。
[0011] 图3为本发明实施例提供的成像系统的效果图。
[0012]图4为本发明实施例提供的成像系统的扫描误差示意图。
[0013] 图5为本发明实施例提供的成像系统在视场角为0°的调制传递函数MTF曲线。
[0014] 图6为本发明实施例提供的成像系统在视场角为+20°的调制传递函数MTF曲线。
[0015] 图7为本发明实施例提供的成像系统在视场角为+40°的调制传递函数MTF曲线。 [0016]图8为本发明实施例提供的成像系统在视场角为+60°的调制传递函数MTF曲线。
[0017] 主要元件符号说明
【主权项】
1. 一种成像系统，该成像系统所处的空间定义一三维直角坐标系（X，Y，Z)，其中，该成 像系统包括： 一光源，用于沿平行于Y轴的方向输出一激光； 一光阑，设置在所述激光的出射光路上； 一反射镜设置在所述光阑远离光源的一侧，用于将所述激光以一定角度在Y-Z平面内 反射，从而形成一反射光； 一自由曲面透镜，设置于所述反射光的光路上，用于将所述反射光汇聚到一影像感测 元件上； 其特征在于，所述自由曲面透镜包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面； 所述第一表面为反射光的入射面，所述第一表面包括一第一自由曲面以及一第二自由曲 面，所述第一自由曲面及第二自由曲面关于X-Z平面对称，且均为一 5次的XY多项式曲面； 所述第二表面为所述反射光的出射面，且所述第二表面为一 10次非球面。
2. 如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述反射镜可沿其中心点以一定摆角 a在Y-Z平面上摆动，其中，a为所述反射镜与Y轴形成的夹角，且75°会a会15°。
3. 如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述第一自由曲面为不使用X的奇次项 的5次的XY多项式曲面，其解析形式为：
其中，曲率c、二次曲面系数k以及系数A2、A3、A5、A7、A9、A1Q、A12、A14、A16、A18#&A2(^1i^:
o
4. 如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述第二自由曲面为不使用X的奇次项 的5次的XY多项式曲面，其解析形式为：
其中，曲率c、二次曲面系数k以及系数A2、A3、A5、A7、A9、A1Q、A12、A14、A16、A18#&A2(^1i^:
〇
5. 如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述第二表面的解析形式为：
其中，曲率Cl、二次曲面系数h以及系数D、E、F以及G分别为：
o
6. 如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述激光为780nm红外激光，且所述激 光的光束宽度大于等于3mm。
7. 如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述光阑的光阑直径为3mm。
8. -种自由曲面透镜，该自由曲面透镜所处的空间定义一三维直角坐标系（X，Y，Z)， 其特征在于，该自由曲面透镜包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；所述第 一表面为入光面，所述第一表面包括一第一自由曲面以及一第二自由曲面，所述第一自由 曲面及第二自由曲面关于X-Z平面对称，且均为一 5次的XY多项式曲面；所述第二表面为 出光面，且为一 10次非球面。
9. 如权利要求8所述的自由曲面透镜，其特征在于，所述自由曲面透镜的材料为PMMA， 且其折射率为1.4917,阿贝数为76。
10. 如权利要求8所述的自由曲面透镜，其特征在于，所述第一自由曲面为不使用X的 奇次项的5次的XY多项式曲面，其解析形式为：
其中，曲率c、二次曲面系数k以及系数A2、A3、A5、A7、A9、A1Q、A12、A14、A16、A18#&A2(^1i^:
o
11.如权利要求8所述的自由曲面透镜，其特征在于，所述第二自由曲面为不使用X的 奇次项的5次的XY多项式曲面，其解析形式为：
其中，曲率c、二次曲面系数k以及系数A2、A3、A5、A7、A9、A1Q、A12、A14、A16、A18#&A2(^1i^:
o
12.如权利要求8所述的自由曲面透镜，其特征在于，所述第二表面的解析形式为：
其中，曲率Cl、二次曲面系数h以及系数D、E、F以及G分别为：
〇
【专利摘要】本发明涉及一种自由曲面透镜，该自由曲面透镜所处的空间定义一三维直角坐标系（X，Y，Z），其中，该自由曲面透镜包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；所述第一表面为入光面，所述第一表面包括一第一自由曲面以及一第二自由曲面，所述第一自由曲面及第二自由曲面关于X-Z平面对称，且均为一5次的XY多项式曲面；所述第二表面为出光面，且为一10次非球面。本发明还涉及一含有该自由曲面透镜的成像系统。
【IPC分类】G02B3-02, G02B17-08
【公开号】CN104570305
【申请号】CN201310503691
【发明人】朱钧, 杨通, 金国藩, 范守善
【申请人】清华大学, 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年10月24日
【公告号】US20150116842