非球面镜片的设计方法技术

一种非球面镜片的设计方法，其主要步骤包括：设定该非球面镜片的折光率、折射率与直径；采用球面设计，设计该非球面镜片的两个曲率半径，使其达到上述设定的折光率，并利用该两个曲率半径使三个视场的畸变为最小值；采用镜片非球面设计公式设计其第一非球面和第二非球面，该镜片非球面设计公式为：Ｚ（ｒ）＝＊＋Ｂｒ↑［４］＋Ｃｒ↑［６］＋Ｄｒ↑［８］＋Ｅｒ↑［１０］Ｚ（ｒ）为镜面深度，Ｃ↓［ｖ］为非球面顶点的曲率，ｒ为镜面上任一点至光轴的垂直高度，Ｐ为二次曲线常数值，Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ为非球面的高次项系数；采用阻尼最小二乘法对第一非球面和第二非球面进行优化设计；其中，优化设计时，使该非球面镜片在至少五个视场消除像差，并得出第一非球面和第二非球面的非球面系数Ｐ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学镜片的设计方法，尤其涉及一种。
技术介绍
目前光学设备如光学读取头、相机镜头、眼镜片所采用的镜片，一般采用球面设计或非球面设计。镜片采用球面设计时，由于镜片的两个折射表面均设计为球面形式，故易于制造与加工。然而，中心薄边缘厚的球面发散镜片或中心厚边缘薄的球面会聚镜片，会随着镜片折光率(也称度数)的增加，镜片的边缘或中心会明显增厚。其中镜片折光率是指该镜片的后顶焦度值，其值等于以米为单位测得的镜片近轴后顶焦距(自镜片像方表面顶点至像方焦点的距离)的倒数。可由公式(1)计算Fv=1fv=F1+F2-tnF1F21-tnF1---(1)]]>其中，fv为镜片的近轴后顶焦距，取未紧贴像方的球面的曲率半径为R1，紧贴像方的球面的曲率半径为R2，镜片中心厚度为t，镜片材质折射率为n，则两球面的折光率可分别为F1＝(n-1)/R1与F2＝(1-n)/R2。镜片折光率的单位通常用D(屈光度)表示，平常所说镜片度数就是Fv之值乘以100即1D＝100度。从公式(1)来看，当镜片材质一定时，镜片的折光率就由R1、R2及t值来决定。球面发散镜片进行设计时，如果将t固定，则随着镜片折光率的增大，R1和R2的差值就越大，此不仅使球面发散镜片的边缘明显增厚，而且如果镜片直径固定，就会使得整个镜片厚度加大。球面会聚镜片进行设计时，由于球面会聚镜片中心厚度t取决于R1、R2值，因此，也可通过调节R1和R2值来调节镜片的折光率。由公式(1)可知，球面会聚镜片随着镜片折光率的增大，R1和R2的差值也就越大，则镜片的中心厚度t就越大，使得整个镜片的体积较大。因此，采用球面设计方法设计出来的球面发散或会聚镜片，如果用于相机镜头，则会增大相机镜头的体积；如果该球面发散或会聚镜片为近视眼镜片或远视眼镜片，则既影响美观，又造成戴镜者的不适。此外，镜片进行设计时，一般除考虑镜片制造与加工的容易性与镜片薄型化外，还必须考虑到镜片的成像质量。像差是影响镜片成像质量的主要因素之一，一般影响镜片成像质量的像差包括斜射像散、视场弯曲及畸变等三种像差。其中，斜射像散是由于自轴外物点的细小光源发出的光束在子午场和弧矢场的聚焦点不同，而使得成像时存在像散以致于像不清晰。视场弯曲是指垂直于光轴的平面物体在成像时，像的中心与像的边缘在像面位置不一致而令像面视场成曲面，又可称平均折光率误差，通常称为折光率误差。畸变是由于在近光轴区域和远光轴区域因放大率不同，而使成像发生桶形畸变或枕形畸变，此种像差使得成像发生几何改变但不影响成像的清晰度。如设子午场中成像面的折光率为FT′(D)，弧矢场中成像面的折光率为FS′(D)，理想成像的像高为MQ′，真实成像的像高为MQ″，则斜射像散＝FT′-FS′ 由公式(1)可知，镜片采用球面设计时，只能通过调节两个球面的曲率半径来消除斜射像散、折光率误差及畸变这三种像差。但实际上，如果仅仅通过两个球面的曲率半径来消除像差，则会发生消除某一个像差，就会增大其它另两个像差的现象。因此，镜片采用球面设计，无法使镜片既薄又能同时有效消除斜射像散、折光率误差及畸变三种像差。为解决这一问题，目前较多的镜片均采用非球面设计，其中非球面镜片是指其中至少一个折射表面是非球面。镜片采用非球面设计，能有效消除斜射像散、折光率误差及畸变三种像差。如公开于1999年3月31日的第CN1212766号中国专利申请公开说明书中，揭示一种非球面镜片的设计，其通过引入高次项来改变镜片各点处的曲率，进而减小各点处的厚度差，然该技术中引入的高次项既包括奇次项，也包括偶次项，会导致镜片折射表面不对称，容易形成较大的上述三种像差，所以难以设计和加工出符合要求的镜片。公开于2003年4月23日的第CN1412604号中国专利申请的公开说明书中，揭示另一种非球面镜片的设计，其中，该镜片至少一个折射表面为非球面，该非球面计算公式(2)采用如下形式z(r)=cr21+1-c2r2+a1r4+a2r6+a3r8+a4r10+a5r12---(2)]]>式中z(r)表示镜面的深度，c表示非球面顶点的曲率，r表示镜片表面某点离光轴的垂直距离，a1、a2、a3、a4、a5表示非球面高次项系数。在该镜片非球面设计公式中，虽然引入偶次项来设计非球面镜片使得折射表面对称。但是，该设计中二次曲线常数值为1，表明该非球面镜片的厚度不能有效减薄，r有12次幂，则设计出的非球面镜片较难同时有效消除斜射像散、折光率误差及畸变三种像差。
技术实现思路
有鉴于此，有必要提供一种，使该非球面镜片能有效消除像差。一种，其主要步骤包括设定该非球面镜片的折光率、折射率与直径；采用球面设计，设计该非球面镜片的两个曲率半径，使其达到上述设定的折光率，并利用该两个曲率半径使三个视场的畸变为最小值；采用镜片非球面设计公式设计该非球面镜片的第一非球面和第二非球面，该镜片非球面设计公式为Z(r)=Cvr21+1-PCv2r2+Br4+Cr6+Dr8+Er10]]>式中，Z(r)表示镜面深度，Cv表示非球面顶点的曲率，r表示镜面上任一点至光轴的垂直高度，P表示二次曲线常数值，B、C、D、E表示非球面的高次项系数；采用阻尼最小二乘法对第一非球面和第二非球面进行优化设计；其中，优化设计时，使该非球面镜片在至少五个视场消除像差，并得出上述第一非球面和第二非球面的非球面系数P、B、C、D、E。与现有技术相比，所述，同时设计两个非球面及采用至少五个视场进行优化设计。较之采用少于五个视场进行优化设计的，可进一步消除在某些视场存在的像差极大值，使本专利技术的所设计的非球面镜片，在0视场至1.0视场整个视场范围内的斜射像散、折光率误差及畸变均较小，其中1.0视场是指像方折射光束通过像方焦点时与镜片光轴的夹角为30度位置。附图说明图1为本专利技术非球面镜片一较佳设计方法的设计流程图。图2为本专利技术所设计出的非球面发散镜片结构示意图。图3A为本专利技术所设计出的非球面发散镜片在五个视场优化设计的斜射像散与折光率误差曲线图。图3B为本专利技术所设计出的非球面发散镜片在五个视场优化设计的畸变曲线图。图4为本专利技术所设计出的非球面会聚镜片结构示意图。图5A为本专利技术所设计出的非球面会聚镜片在七个视场优化设计的斜射像散与折光率误差曲线图。图5B为本专利技术所设计出的非球面会聚镜片在七个视场优化设计的畸变曲线图。具体实施方式如图1所示，为本专利技术非球面镜片一较佳设计方法的设计流程图，其主要步骤包括第一步，设定所要设计的非球面镜片的折光率、折射率和直径。第二步，采用球面设计，设计出该非球面镜片的两个曲率半径，使其达到上述设定的折光率，并利用该两个曲率半径使其在0.5、0.7及1.0视场的畸变为最小值。第三步，采用一个镜片非球面设计公式定义该非球面镜片的第一非球面和第二非球面。该镜片非球面设计公式(3)为Z(r)=Cvr21+1-PCv2r2+Br4+Cr6+Dr8+Er10---(3)]]>其中，式中Z(r)表示镜面深度，Cv表示非球面顶点的曲率，r表示镜面上任一点至光轴的垂直高度，P表示二次曲线常数值，B、C、D、E表示非球面的高次项系数。第四步，采用阻尼最小二乘法进行优化设计，使该非球面镜片在多个视场内消除斜射像散、折光率误差及畸变。非本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非球面镜片的设计方法，该非球面镜片的设计方法主要步骤包括：设定该非球面镜片的折光率、折射率与直径；采用球面设计，设计该非球面镜片的两个曲率半径，使其达到上述设定的折光率，并利用该两个曲率半径使三个视场的畸变为最小值； 采用镜片非球面设计公式设计该非球面镜片的第一非球面和第二非球面，该镜片非球面设计公式为：Ｚ（ｒ）＝＊＋Ｂｒ↑［４］＋Ｃｒ↑［６］＋Ｄｒ↑［８］＋Ｅｒ↑［１０］式中，Ｚ（ｒ）表示镜面深度，Ｃ↓［ｖ］表示非球面顶点的 曲率，ｒ表示镜面上任一点至光轴的垂直高度，Ｐ表示二次曲线常数值，Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ表示非球面的高次项系数；采用阻尼最小二乘法对第一非球面和第二非球面进行优化设计；其特征在于：进行优化设计时，使该非球面镜片在至少五个视场消除像差， 并得出上述第一非球面和第二非球面的非球面系数Ｐ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙文信，
申请(专利权)人：鸿富锦精密工业深圳有限公司，鸿海精密工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]