JP7577866B2

JP7577866B2 - 大口径の四重光学レンズ

Info

Publication number: JP7577866B2
Application number: JP2023541894A
Authority: JP
Inventors: 程江; 俊 ▲シェァ▼; 基学南
Original assignee: Yejia Optical Technology Guangdong Corp
Current assignee: Yejia Optical Technology Guangdong Corp
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-11-24
Publication date: 2024-11-05
Anticipated expiration: 2041-11-24
Also published as: JP2024503399A; CN112882211B; WO2022151838A1; CN112882211A; US12235517B2; US20220229270A1; DE102021133603A1

Description

本発明は、光学レンズに関し、特に大口径の四重光学レンズを開示する。

従来の技術では、投影原理による車両の前照灯レンズは、光源、光エネルギー収集部品、明暗遮断構造及び凸レンズで構成される。

現在、行列式前照灯としても知られる新開発の画素配列の前照灯は、灯光のデジタル映写技術を応用するため、照明機能を備えるだけでなく、地面に図案を投影できる。例えば、これらの図案は、気象条件、道路運行指示、又は車両外の人々によって見分けられるその他の記号を含む。画素配列の前照灯の光学系は、主に発光の画像素子（例えば、ｍｉｎｉＬＥＤ、ｍｉｃｒｏＬＥＤ、ＬＣＤ液晶表示板、ＬＣＯＳ、又は点灯されていたＤＭＤデジタルマイクロミラー等）及び投影用光学レンズを含む。投影図案をはっきりと可視化するためには、レンズは、優れた光学性能を達成し、且つ非点収差、視野曲率及び色収差等の光学収差が消去する必要がある。

従来の技術における光学レンズは、収差を除去するために複数の正負のレンズを適切に組み合わせる必要がある。所用光学レンズの具体的な数は、光学レンズのパラメータ及び性能指標、所用光学材料及び光学プロセスに関連しており、若干複雑な光学レンズのレンズ数は１０以上に達する可能性がある。現在、携帯電話中の所用光学レンズのレンズ数は、６を超えており、高コストにつながる。

従来の技術におけるクック三重レンズの画像品質は要件を満たすのが難しい。図１に示されたのは、クック三重レンズから進化した典型的な四重テッサルレンズであり、即ち最後のグループの単凸レンズは一枚の二重接着レンズに代わる。テッサルレンズは、鮮明な画像が備わり、様々な収差に対して優れた補正を備えるが、元の設計における開口数は小さくなり、通常約０．１２５となり、０．２を超えない。これは、光エネルギー利用効率が非常に低くなるうえに、レンズの組立及び使用時、非常に精密な調整、小さな許容率及び高い使用要件を必要とすることを意味する。四重ダブルスガウスレンズにも同じ問題がある。

画素配列の前照灯は、照明と結像の機能を兼ねる。一方では、必要とされるエネルギー利用効率はより高くなり、必要とされる輝度はより高くなり、他方では、投影の結像は特定の画質要件が備わり、特に低い収差を必要とする。その上、自動車用途の特異性により、光学レンズは、より高い熱信頼性、より良い振動信頼性及び軽量化を備える必要があるうえに、市場競争力をさらに向上させるようにより低いコストを必要とする。

既存の技術の光学レンズは、高いエネルギー利用効率、高画質、簡単な安定した構造及び低コストの性能要件を同時に満たすことができない。

本発明は、既存の技術問題に対して、高いエネルギー利用効率、高画質、簡単な安定した構造及び低コストを備える大口径の四重光学レンズを提供する。

本発明は、既存の技術的問題を解決するために大口径の四重光学レンズを開示する。大口径の四重光学レンズは、順番に配置されている正の屈折力を有する第１レンズと負の屈折力を有する第２レンズと正の屈折力を有する第３レンズと正の焦点を有する第４レンズとを備える。前記第１レンズの両面は、それぞれＳ１面とＳ２面であり、前記第２レンズの両面は、それぞれＳ３面とＳ４面であり、前記第３レンズの両面は、それぞれＳ５面及びＳ６面であり、前記第４レンズの両面は、それぞれＳ７面とＳ８面である。前記Ｓ１面、前記Ｓ２面、前記Ｓ３面、前記Ｓ４面、前記Ｓ５面、前記Ｓ６面、前記Ｓ７面及び前記Ｓ８面は順番に配置される。前記Ｓ７面から離れた前記Ｓ８面の片側には前記Ｓ９面が設けられ、前記Ｓ１面の片側又は前記Ｓ２面と前記Ｓ３面との間には口径絞りが設けられる。前記Ｓ７面には開口絞りが設けられる。前記Ｓ１面、前記Ｓ２面、前記Ｓ５面、前記Ｓ６面及び前記Ｓ７面はすべて凸面である。前記Ｓ４面は凹面である。

口径絞りとレンズの物体焦点との距離は|ST-F_obj|で算出され、且つ|ST-F_obj|<0.7f₀を満たし、ここで f₀はレンズの相当焦点距離を表す。

前記Ｓ１面～前記Ｓ８面の口径ｄは、d_i>0.9d_j並びにi<j という関係を満たし、ここでｉは１～７の整数を表し，ｊは２～８の整数を表す。

前記Ｓ３面の曲率半径はr₃であり、前記Ｓ４面の曲率半径はr₄であり、両者は|r₄|<|r₃|を満たし、前記Ｓ７面の曲率半径はr₇であり、前記Ｓ８面の曲率半径はr₈であり、両者は|r₇|<|r₈|を満たし、前記第４レンズの相当焦点距離は、前記第３レンズの相当焦点距離よりも大きくなり、前記第４レンズの相当焦点距離は、前記第１レンズの相当焦点距離よりも大きくなる。

前記Ｓ６面と前記Ｓ７面との中心間隔はG₆₇であり、前記Ｓ２面と前記Ｓ３面との中心間隔はG₂₃であり、両者はG₆₇<G₂₃を満たす。

更に、レンズの背面焦点距離は２ｍｍを超えていてもよい。

更に、前記Ｓ８面は平面又は凹面であってもよい。

更に、前記Ｓ１面、前記Ｓ２面、前記Ｓ３面、前記Ｓ４面、前記Ｓ５面、前記Ｓ６面、前記Ｓ７面及び前記Ｓ８面は球面又は非球面であってもよい。

更に、前記第１レンズ、前記第２レンズ、前記第３レンズ及び前記第４レンズは、単レンズ又は接着レンズであってもよい。

更に、前記第１レンズ、前記第２レンズ、前記第３レンズ及び前記第４レンズは、ガラスレンズ又はプラスチックレンズであってもよい。

更に、前記第１レンズのアッベ数はVd₁であり、前記第２レンズのアッベ数はVd₂であり、前記第３レンズのアッベ数はVd₃であり、前記第４レンズのアッベ数はVd₄であり、それらは、Vd₁-Vd₂>25、Vd₃-Vd₂>25及びVd₄-Vd₂>25を満たしていてもよい。

本発明の有益な効果は、次の通りである。本発明は、大口径の四重光学レンズを開示し、４つのレンズしか使われず、低い製造コスト、簡単な安定した構造、優れた耐震性能及び軽い重量を備え、各レンズは、組み立てられた時に軸方向公差に対する感度が低く、許容誤差が大きく、組立の難しさが低く、組立のコストが低い。本発明は、開口数を増やしてエネルギー利用効率を高めることで、投影結像系に応用する時に配光輝度を有効的に向上させることができる。その上、当該光学レンズは、良い分散性能及び優れた画像解像度、つまり高画質を備える。

図１はテッサルレンズ系の構造概略図である。図２は本発明の実施例１の構造概略図である。図３は本発明の実施例１の非点収差、視野曲率曲線及び歪曲曲線を示す。図４は本発明の実施例１の軸上の色収差曲線を示す。図５は本発明の実施例１のＭＴＦ曲線を示す。図６は本発明の実施例２の構造概略図である。図７は本発明の実施例２の非点収差、視野曲率曲線及び歪曲曲線を示す。図８は本発明の実施例２の軸上の色収差曲線を示す。図９は本発明の実施例２のＭＴＦ曲線を示す。

本発明は、技術的特徴及び手段、並びに達成された具体的な目的及び機能を更に理解するように、更に添付の図面及び具体的な実施形態と相まって詳細に説明される。

次に図１～９を参照する。

本発明の基本的な実施例は、大口径の四重光学レンズを開示する。大口径の四重光学レンズは、順番に配置されている正の屈折力を有する第１レンズ１０と負の屈折力を有する第２レンズ２０と正の屈折力を有する第３レンズ３０と正の焦点を有する第４レンズ４０とを備える。第１レンズ１０の両面は、それぞれＳ１面１１とＳ２面１２であり、第２レンズ２０の両面は、それぞれＳ３面２１とＳ４面２２であり、第３レンズ３０の両面は、それぞれＳ５面３１及びＳ６面３２であり、第４レンズ４０の両面は、それぞれＳ７面４１とＳ８面４２である。Ｓ１面１１、Ｓ２面１２、Ｓ３面２１、Ｓ４面２２、Ｓ５面３１、Ｓ６面３２、Ｓ７面４１及びＳ８面４２は順番に配置される。Ｓ７面４１から離れたＳ８面４２の片側にはＳ９面５０が設けられ、Ｓ９面５０は結像面であり、即ちＳ９面５０は光学レンズ全体の像焦点に位置する。Ｓ１面１１の片側又はＳ２面１２とＳ３面２１との間には口径絞り６０が設けられる。所望状態で、口径絞り６０は、Ｓ２面１２から離れたＳ１面１１の片側に位置し、前照灯レンズに適用する場合は、モデリング設計の必要性を考慮して、口径絞り６０をＳ２面１２とＳ３面２１との間に配置する可能性があり、そして口径絞り６０の構造はレンズの内部に隠され、前照灯レンズの外側では口径絞り６０の構造を観察できない。Ｓ７面４１には開口絞り７０が設けられ、開口絞り７０は、一般的にレンズ枠である。Ｓ１面１１、Ｓ２面１２、Ｓ５面３１、Ｓ６面３２及びＳ７面４１はすべて凸面であり、Ｓ４面２２は凹面である。

口径絞り６０と光学レンズ全体の物体焦点の距離は|ST-F_obj|で算出され、STは、口径絞り６０と光学レンズ全体の中心との距離を表し、F_objは、光学レンズ全体の物体焦点と光学レンズ全体の中心との間の距離を表し、f₀は光学レンズ全体の相当焦点距離を表す。実際的応用時、光学レンズ全体の物体焦点は、第１レンズ１０の内部に位置する可能性があるため、口径絞り６０は、光学レンズ全体の物体焦点の近傍に配置され、即ち|ST-F_obj|<0.7f₀を満たす。

Ｓ１面１１～Ｓ８面４２の口径d₁～d₈は、d_i>0.9d_j並びにi<j という関係を満たし、ここでｉは１～７の整数を表し，ｊは２～８の整数を表し、ｄは光学面に対応する口径を表す。Ｓ１面１１～Ｓ８面４２の口径変化は、光入射の方向に沿って基本的に漸減の傾向に合致する。

Ｓ３面２１の曲率半径はr₃であり、Ｓ４面２２の曲率半径はr₄であり、両者は|r₄|<|r₃|を満たし、Ｓ７面４１の曲率半径はr₇であり、Ｓ８面４２の曲率半径はr₈であり、両者は|r₇|<|r₈|を満たし、第４レンズ４０の相当焦点距離は、第３レンズ３０の相当焦点距離よりも大きく、即ちf₄>f₃になり、第４レンズ４０の相当焦点距離は、第１レンズ１０の相当焦点距離よりも大きく、即ちf₄>f₁になる。

Ｓ６面３２とＳ７面４１との中心間隔はG₆₇であり、Ｓ２面１２とＳ３面２１との中心間隔はG₂₃であり、両者はG₆₇<G₂₃を満たす。

作業中、光線はＳ１面１１、Ｓ２面１２、Ｓ３面２１、Ｓ４面２２、Ｓ５面３１、Ｓ６面３２、Ｓ７面４１、Ｓ８面４２及びＳ９面５０に順番に届く。本発明の光学レンズは、前照灯の分散性能を著しく向上させることができるうえに、組み立てられた時に軸方向公差に対する感度が低く、組立の許容誤差が大きく、組立の難しさが低い。

図１に示されたように、典型的なクック三重レンズに基づく変体のテッサルレンズは、通常口径絞りを中央レンズに配置し、構造対称性により、非点収差、視野曲率及び色収差などの一般的な収差を軽減又は修正できる。しかしながら，一方で、この構造は、レンズ全体の光エネルギー利用効率を記述するための開口数が小さくなることにつながる。他方で、それは、また、結像面における大きな視野の主光線の入射角ＣＲＡが大きくなることにつながる。一般的な光源の光度は、ランバートの余弦則を満たし、即ち０度の位置における光度が最大になり、６０度の位置における光度が０．５に減衰し、９０度の位置における光度が０に減衰する。これは、入射角ＣＲＡが大きくなるため、このレンズ系が同じ立体角に対してより低いエネルギーを得るようになることを意味する。

本発明は、光学レンズの物体焦点に口径絞り６０を配置して物体テレセントリック光路を形成すると、各視野の主光線が平行となるようになり、即ち、結像面（Ｓ９面５０）における各視野の主光線の入射角ＣＲＡが０となるようになる。これは、同じ立体角に対して本発明によるエネルギー利用効率が高くなることを意味する。実際的応用時、口径絞り６０は光学レンズの物体焦点の近傍に配置されるが、結像面（Ｓ９面５０）における各視野の主光線の入射角ＣＲＡが２０°以下となるため、エネルギー利用効率が高くなる。

本実施例で、光学レンズの背面焦点距離は２ｍｍを超え、即ちＳ８面４２とＳ９面５０との間の距離が２ｍｍを超える。作業中の光源は一定量の熱を発生するため、４枚のレンズを有する光学レンズは、熱による部品の変形などの問題を有効的に回避するように十分に大きい背面焦点距離を配置する。

本実施例で、Ｓ８面４２は平面又は凹面である。

本実施例で、Ｓ１面１１、Ｓ２面１２、Ｓ３面２１、Ｓ４面２２、Ｓ５面３１、Ｓ６面３２、Ｓ７面４１及びＳ８面４２は球面又は非球面であり、即ちＳ１面１１～Ｓ８面４２は球面にされる可能性があるか、Ｓ１面１１～Ｓ８面４２は非球面にされる可能性があるか、Ｓ１面１１～Ｓ８面４２の一部は球面又は非球面にされる可能性があるが、非球面は合理的なデザインとする。

本実施例で、第１レンズ１０、第２レンズ２０、第３レンズ３０及び第４レンズ４０は、単レンズ又は接着レンズであり、即ち第１レンズ１０、第２レンズ２０、第３レンズ３０及び第４レンズ４０は単レンズである可能性があるか、第１レンズ１０、第２レンズ２０、第３レンズ３０及び第４レンズ４０は接着レンズである可能性があるか、第１レンズ１０、第２レンズ２０、第３レンズ３０及び第４レンズ４０の一部は単レンズ又は接着レンズである可能性がある。色収差補正レンズとしても知られている接着レンズは、２つの単レンズを接着して形成され、且つ多色結像における性能は単レンズよりも非常に高くなる。

本実施例で、第１レンズ１０、第２レンズ１０、第３レンズ１０及び第４レンズ１０は、ガラスレンズ又はプラスチックレンズであり、即ち第１レンズ１０、第２レンズ２０、第３レンズ３０及び第４レンズ４０はガラスレンズである可能性があるか、第１レンズ１０、第２レンズ２０、第３レンズ３０及び第４レンズ４０はプラスチックレンズである可能性があるか、第１レンズ１０、第２レンズ２０、第３レンズ３０及び第４レンズ４０の一部はガラスレンズ又はプラスチックレンズである可能性がある。

本実施例で、第１レンズ１０のアッベ数はVd₁であり、第２レンズ２０のアッベ数はVd₂であり、第３レンズ３０のアッベ数はVd₃であり、第４レンズ４０のアッベ数はVd₄であり、それらは、Vd₁-Vd₂>25、Vd₃-Vd₂>25及びVd₄-Vd₂>25を満たす。

実施例１、光学レンズの結構を図２に示し、下記の表１、表２、表３及び表４に従って光学レンズを配置する。

表１実施例１の各表面のパラメータ

非球面の表示式は次式（数１）のとおりである。

ここで、ｚは非球面上のｒ位置のベクトル高度であり、ｃは非球面の近軸曲率であり、ｒは曲率半径であり、両者はc＝1/r を満たし、ｋは円錐係数であり、Ａ～Ｊは高次項係数である。

表２実施例１の各非球面のパラメータ

表３実施例１の光学レンズの設計パラメータ

表４実施例１の制約関係

要約すると、実施例１の開口数は、０．７４に達し、テッサルレンズの０．１２５よりも非常に大きくなり、エネルギー利用効率が大幅に向上することがわかる。実施例１の非点収差、視野曲率曲線及び歪曲曲線は図３に示され、軸上の色収差曲線は図４に示され、ＭＴＦ（変調伝達関数）曲線は図５に示される。これらにより、この光学レンズは、投影結像に適用する場合に良好な画質を備えることが分かる。

実施例２、光学レンズの結構を図６に示し、下記の表５、表６、表７及び表８に従って光学レンズを配置する。

表５実施例２の各表面のパラメータ

非球面の表示式は次式（数２）のとおりである。

表６実施例２の各非球面のパラメータ

表７実施例２の光学レンズの設計パラメータ

表８実施例２の制約関係

要約すると、実施例２の開口数は、０．７５に達し、テッサルレンズの０．１２５よりも非常に大きくなり、エネルギー利用効率が大幅に向上することがわかる。実施例２の非点収差、視野曲率曲線及び歪曲曲線は図７に示され、軸上の色収差曲線は図８に示され、ＭＴＦ（変調伝達関数）曲線は図９に示される。これらにより、この光学レンズは、投影結像に適用する場合に良好な画質を備えることが分かる。

上記の実施例は、本発明のいくつかの実施形態しか列挙しないで、それらはより具体的かつ詳細に説明されるが、本発明の請求範囲に対する限定として理解すべきではない。指摘すべきであるのは、当業者にとって本発明の構想から逸脱せずに幾つかの変形と改良も作られ、且つ本出願の請求範囲に含まれるべきである。

１０第１レンズ
１１Ｓ１面
１２Ｓ２面
２０第２レンズ
２１Ｓ３面
２２Ｓ４面
３０第３レンズ
３１Ｓ５面
３２Ｓ６面
４０第４レンズ
４１Ｓ７面
４２Ｓ８面
５０Ｓ９面
６０口径絞り
７０開口絞り

Claims

光入射の方向に沿って順番に配置されている正の屈折力を有する第１レンズ（１０）と負の屈折力を有する第２レンズ（２０）と正の屈折力を有する第３レンズ（３０）と正の焦点を有する第４レンズ（４０）とを備え、前記第１レンズ（１０）の両面は、それぞれＳ１面（１１）とＳ２面（１２）であり、前記第２レンズ（２０）の両面は、それぞれＳ３面（２１）とＳ４面（２２）であり、前記第３レンズ（３０）の両面は、それぞれＳ５面（３１）及びＳ６面（３２）であり、前記第４レンズ（４０）の両面は、それぞれＳ７面（４１）とＳ８面（４２）であり、前記Ｓ１面（１１）、前記Ｓ２面（１２）、前記Ｓ３面（２１）、前記Ｓ４面（２２）、前記Ｓ５面（３１）、前記Ｓ６面（３２）、前記Ｓ７面（４１）及び前記Ｓ８面（４２）は順番に配置され、前記Ｓ７面（４１）から離れた前記Ｓ８面（４２）の片側には結像面であるＳ９面（５０）が設けられ、前記Ｓ１面（１１）の片側又は前記Ｓ２面（１２）と前記Ｓ３面（２１）との間には口径絞り（６０）が設けられ、前記Ｓ７面（４１）には開口絞り（７０）が設けられ、前記Ｓ１面（１１）、前記Ｓ２面（１２）、前記Ｓ５面（３１）、前記Ｓ６面（３２）及び前記Ｓ７面（４１）はすべて凸面であり、前記Ｓ４面（２２）は凹面であり、
前記口径絞り（６０）とレンズの物体焦点との距離は|ST-F_obj|で算出され、且つ|ST-F_obj|<0.7f₀を満たし、ここでf₀はレンズの相当焦点距離を表し、
前記Ｓ１面（１１）～前記Ｓ８面（４２）の口径ｄは、d_i>0.9d_j並びにi<j という関係を満たし、ここでｉは１～７の整数を表し、ｊは２～８の整数を表し、
前記Ｓ３面（２１）の曲率半径はr₃であり、前記Ｓ４面（２２）の曲率半径はr₄であり、両者は|r₄|<|r₃|を満たし、前記Ｓ７面（４１）の曲率半径はr₇であり、前記Ｓ８面（４２）の曲率半径はr₈であり、両者は|r₇|<|r₈|を満たし、前記第４レンズ（４０）の相当焦点距離は、前記第３レンズ（３０）の相当焦点距離よりも大きくなり、前記第４レンズ（４０）の相当焦点距離は、前記第１レンズ（１０）の相当焦点距離よりも大きくなり、
前記Ｓ６面（３２）と前記Ｓ７面（４１）との中心間隔はG₆₇であり、前記Ｓ２面（１２）と前記Ｓ３面（２１）との中心間隔はG₂₃であり、両者はG₆₇<G₂₃を満たすことを特徴とする車両用照灯に適用される大口径の四枚式光学レンズ。
レンズの背面焦点距離は２ｍｍを超えることを特徴とする請求項１に記載の大口径の四枚式光学レンズ。
前記Ｓ８面（４２）は平面又は凹面であることを特徴とする請求項１に記載の大口径の四枚式光学レンズ。
前記Ｓ１面（１１）、前記Ｓ２面（１２）、前記Ｓ３面（２１）、前記Ｓ４面（２２）、前記Ｓ５面（３１）、前記Ｓ６面（３２）、前記Ｓ７面（４１）及び前記Ｓ８面（４２）は球面又は非球面であることを特徴とする請求項１に記載の大口径の四枚式光学レンズ。
前記第１レンズ（１０）、前記第２レンズ（２０）、前記第３レンズ（３０）及び前記第４レンズ（４０）は、単レンズ又は接着レンズであることを特徴とする請求項１に記載の大口径の四枚式光学レンズ。
前記第１レンズ（１０）、前記第２レンズ（２０）、前記第３レンズ（３０）及び前記第４レンズ（４０）は、ガラスレンズ又はプラスチックレンズであることを特徴とする請求項１に記載の大口径の四枚式光学レンズ。
前記第１レンズ（１０）のアッベ数はVd₁であり、前記第２レンズ（２０）のアッベ数はVd₂であり、前記第３レンズ（３０）のアッベ数はVd₃であり、前記第４レンズ（４０）のアッベ数はVd₄であり、それらは、Vd₁-Vd₂>25、及びVd₃-Vd₂>25を満たすことを特徴とする請求項１に記載の大口径の四枚式光学レンズ。