JP2023518123A - 対物レンズ、対物レンズの使用、対物レンズを含む計測システム及び対物レンズにおける両面非球面プラスチックレンズの使用 - Google Patents

Abstract

本発明は、５つのレンズを有する、固定された焦点距離を有するハイブリッド対物レンズに関する。この対物レンズは、ＬＩＤＡＲ計測システムでの使用に適している。さらに、撮像対物レンズの像面湾曲、及び／又は非点収差、及び／又は歪を補正するための両面非球面プラスチックレンズの使用が提案される。

Description

本発明は、撮像レンズとして好適である、固定された焦点距離を有する費用対効果の高いレンズに関する。このようなレンズは、特に、光ビームの飛行時間検出のための計測システム（ＬＩＤＡＲ）での使用に適している。ＬＩＤＡＲは、光検出及び測距の略語である。本発明は、像面湾曲の補正にも関する。ＬＩＤＡＲレンズは、通常、典型的には８００～２０００ｎｍの波長の近赤外線のごく小さい波長範囲で動作する。レンズは、多くの場合、照明に使用される。この場合、レンズは、レーザ源の狭い帯域幅及び温度によって発生し得る波長ドリフトを補償することができなければならない。さらに、高い画像品質も必要とされる。

７つのレンズ素子を有する撮像レンズが独国特許出願公開第１０２０１５１１５４６０Ａ１号明細書から知られている。レンズ素子の多さが欠点である。超広角レンズが独国特許出願公開第１０２００６０５７９９５Ａ１号明細書から知られている。レンズ素子の多さが欠点である。さらなる撮像レンズが独国特許第１１２０１３００６８２３Ｂ４号明細書から知られている。限定的な画像品質が欠点である。さらなる撮像レンズが国際公開第２０１６／１１０８８３Ａ１号パンフレットから知られている。小さい開口角及び画像面の曲率による限定的な画像品質が欠点である。さらなる撮像レンズが欧州特許出願公開第３２２０１７９Ａ１号明細書から知られている。小さい開口角及び限定的な画像品質が欠点である。さらなる撮像レンズが米国特許第７９４０４７８Ｂ２号明細書から知られている。小さい開口角及び限定的な画像品質が欠点である。さらなる撮像レンズが特開２０１５－０１８０８６号公報から知られている。限定的な画像品質が欠点である。さらなる撮像レンズが米国特許第９９１５８０３Ｂ２号明細書から知られている。レンズ素子の多さが欠点である。さらなる撮像レンズが欧州特許出願公開第２７２５４０５Ａ１号明細書から知られている。ダイアフラムを組み込むことが困難であることと、像面の縁部における光度の低下も見られることとが欠点である。さらなる撮像レンズが欧州特許出願公開第２７２５４０４Ａ１号明細書から知られている。ダイアフラムを組み込むことが困難であることが欠点である。さらなる撮像レンズが欧州特許出願公開第２６５７７４２Ａ１号明細書から知られている。小さい開口角及び限定的な画像品質が欠点である。さらなる撮像レンズが国際公開第２０１２／０８６１９４Ａ１号パンフレットから知られている。小さい開口角及び限定的な画像品質が欠点である。さらなる撮像レンズが米国特許第６７０７６２１Ｂ２号明細書から知られている。小さい開口角及び限定的な画像品質が欠点である。

ＳＰＡＤアレイを有するセンサが国際公開第２０１７１８０２７７Ａ１号パンフレットから知られている。ＳＰＡＤアレイは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）及びバイポーラ又は電界効果トランジスタを含んで、バイアス電圧（バイアス）を行ごとに作動させ得る。

ＶＣＳＥＬアレイ及びＳＰＡＤアレイを有するＬＩＤＡＲシステムが中国実用新案出願第２０５８２９６２８Ｕ号明細書から知られている。

ＬＩＤＡＲベースの三次元画像記録のための一体型照明検出システムが国際公開第２０１７１６４９８９Ａ１号パンフレットから知られている。４つのレンズ素子を有するレンズが提案されている。照明のためのパルスレーザ光源が提案されている。ある実施形態において、レーザエミッタ及び検出器からなる複数のＬＩＤＡＲ測定装置のアレイが使用される。しかしながら、このような手順は、非常に複雑である。

電気的に制御可能な光方向転換素子を有するＬＩＤＡＲシステムが国際公開第２０１６２０４８４４Ａ１号パンフレットから知られている。

ＳＰＡＤアレイを検出器として有するＬＩＤＡＲシステムが米国特許出願公開第２０１６１６１６００Ａ１号明細書から知られている。レーザビームが照明に使用され、光集積回路によって光学位相アレイを使用して制御される。

ソリッドステートレーザ及び偏向可能ミラーを有する車載用ＬＩＤＡＲシステムが国際公開第２０１５１８９０２４Ａ１号パンフレットから知られている。

パルスレーザと、偏向可能ミラーと、ＣＭＯＳイメージセンサとを有する車載用ＬＩＤＡＲシステムが国際公開第２０１５１８９０２５Ａ１号パンフレットから知られている。

エミッタ／検出器ユニットのアレイを有するＬＩＤＡＲ装置が国際公開第２０１５１２６４７１Ａ１号パンフレットから知られている。

照明用ＶＣＳＥＬアレイを有する車載用ＬＩＤＡＲ装置が米国特許出願公開第２００７１８１８１０Ａ１号明細書から知られている。

５つのレンズ素子を有する広角レンズが米国特許第８６５４４５７Ｂ２号明細書から知られている。５つのレンズ素子のうちの４つを経済的理由からプラスチックで製造しなければならないことが欠点である。これにより、レンズのアサーマル化の実現が困難となる。

本発明の目的は、広い温度範囲で動作可能であり、最善の像側テレセントリック性及び低いＦ－θ歪を有する、高速で費用対効果の高いレンズ又は特定の所望の歪の実現を提供することである。像面湾曲は、できるだけ回避されるべきである。

特に、レンズは、検出器アレイ、例えばＳＰＡＤアレイを有するＬＩＤＡＲシステムに適しているべきである。特に、レンズは、可動部品を有しないＬＩＤＡＲシステムに適しているべきである。さらに、レンズは、撮像レンズ又は投影レンズとしての他の用途にも適し得る。レンズは、長距離及び短距離のための何れにも設計できるべきである。

この目的は、請求項１で特許請求されるレンズ、請求項１５で特許請求される使用及び請求項１３で特許請求される計測システムによって達成される。

発明の利点
レンズは、費用対効果の高い方法で製造され得、ＬＩＤＡＲ用途に特に適している。これは、パッシブなアサーマル化、良好な像側テレセントリック性及び低いＦ－θ歪又は所望の歪を実現する可能性によって特徴付けられる。これは、撮像レンズ又は投影レンズとしての他の用途にも好適であり得る。

本発明によるレンズは、固定された焦点距離Ｆを有する。それは、光軸に関して４５°を超える視野を有する。これは、周角として測定された場合の視野が９０°を超え得ることを意味し得る。例えば、レンズの設計波長は、７００ｎｍ～１１００ｎｍ又は１４００ｎｍ～１６００ｎｍ、例えば９０５ｎｍ、９１５ｎｍ、９４０ｎｍ、１０６４ｎｍ又は１５５０ｎｍであり得る。レンズは、有利には、Ｆ－θレンズとして設計され得る。

少なくとも第一の表面、第二の表面、第三の表面、第四の表面、第五の表面、第六の表面、第七の表面、第八の表面、第九の表面及び第十の表面は、レンズのビーム経路内に連続的に配置される。光学的機能を有する、すなわちビーム経路内にある界面は、表面であると理解することができる。レンズが撮像レンズとして提供される場合、第一の表面が物体側表面であり得、第十の表面がレンズの像側表面であり得る。レンズが投影レンズとして提供される場合、第十の表面は、光源と対向するレンズの表面であり得る。

第一の表面及び第二の表面は、第一の焦点距離ｆ_１を有する第一のレンズ素子に属する。第一の表面は、空気／材料界面であり得、第二の表面は、材料／空気界面であり得、材料とは、レンズが生産された材料（例えば、ガラス又はプラスチック）を指し得る。

第三の表面及び第四の表面は、第二の焦点距離ｆ_２を有する第二のレンズ素子に属する。

第五の表面及び第六の表面は、第三の焦点距離ｆ_３を有する第三のレンズ素子に属する。第三のレンズ素子は、１．７を超える屈折率を有する。その結果、レンズの高い画像品質を実現することができる。第三のレンズ素子は、特に有利には、１．８を超える屈折率を有することができる。

第七の表面及び第八の表面は、第四の焦点距離ｆ_４を有する第四のレンズ素子に属する。第九の表面及び第十の表面は、第五の焦点距離ｆ_５を有する第五のレンズ素子に属する。

レンズ素子の焦点距離とは、屈折率１の外部媒質内の沿軸（近軸の意味）光線に関する焦点距離と理解することができる。

第一のレンズ素子は、負の屈折力Ｄ_１＝１／ｆ_１＜０のメニスカスとして形成される。メニスカスレンズ素子とは、凹凸レンズ素子であると理解することができる。この場合、第一の表面は、凸面であるように形成され得、第二の表面は、凹面であるように形成され得る。有利には、第一のレンズ素子の凹面は、凸面より湾曲させることができる。これは、負の屈折力を有するメニスカスであり得、これは、負メニスカスとも呼ばれ得る。有利には、第一のレンズ素子は、外側、すなわち負のｚ方向に湾曲させることができる。これは、第一のレンズ素子がそのレンズに関する外側レンズ素子であり得、その凸面をレンズの外側に配置できることを意味し得る。

ダイアフラムは、第二のレンズ素子と第三のレンズ素子との間に配置される。ダイアフラムは、ダイアフラムコンポーネント内の開口であり得る。ダイアフラムコンポーネントは、リング形状であり得る。ダイアフラムをダイアフラム平面内に配置することにより、テレセントリックエラー及び／若しくは歪によるエラーを軽減することができ、且つ／又はビグネッティングを最小化若しくは回避することができる。ダイアフラム平面は、第二及び第三のレンズ素子間において、特に有利には第五の表面上に位置付けることができる。

第三のレンズ素子は、正の屈折力Ｄ_３＝１／ｆ_３＞０を有する。第三のレンズ素子の屈折力Ｄ_３＝１／ｆ_３と、第四のレンズ素子の屈折力Ｄ_４＝１／ｆ_４と、第五のレンズ素子の屈折力Ｄ_５＝１／ｆ_５との和Ｄ_３＋Ｄ_４＋Ｄ_５は、正である。

第九の表面は、非球面であるように形成され、近軸凸領域及び周辺凹領域を有する。周辺領域とは、光軸の周囲の特定の半径より外側の点を含む領域であると理解することができる。このエリアは、リング形状であるように形成され得る。第九の表面は、少なくとも１つの変曲点を有し得る。

変曲点とは、それぞれのレンズ素子表面の、光軸とレンズ素子表面の縁部との間の数学的関数ｚ（ｙ）の、数学的意味で定義される変曲点であると理解することができる。関数ｚ（ｙ）は、レンズ素子表面の、ｚ方向に垂直な半径方向座標ｙの関数としてのｚ座標であり得る。回転対称表面の場合、この関数は、円柱座標系でｚ（ｒ）としても指定され得る。座標ｙ＝０又はｒ＝０は、この場合、光軸に対応し得る。レンズ素子表面の変曲点は、それぞれのレンズ素子表面の凸及び凹領域間の移行を説明することができる。

第七の表面、第八の表面及び第十の表面の少なくとも１つは、非球面であるように形成される。

以下も当てはまる。

これは、レンズ素子の焦点距離を適切に選択することによって実現され得る。

焦点距離の指数ｉは、それぞれのレンズ素子の数に応じて指定され得る。何れの焦点距離の逆数もその屈折力Ｄ_１＝１／ｆ_１であることがわかっている。そのため、レンズ素子の各々に屈折力Ｄ_１を割り当てることができる。

焦点距離が、

であるようにレンズが選択される場合に特に有利であり得る。特に、その場合、レンズの良好なパッシブなアサーマル化を実現することができる。

レンズの焦点距離Ｆは、有利には、２ｍｍ～５ｍｍであり得る。第一のレンズ素子の焦点距離ｆ_１は、有利には、第二のレンズ素子の焦点距離ｆ_２の０．７倍～１．３倍、特に有利には０．８倍～１．２倍であり得る。

ガラスレンズ素子及びプラスチックレンズ素子をレンズに使用することができる。ガラスレンズ素子の中心厚さの和は、有利には、プラスチックレンズ素子の中心厚さの和より大きくすることができる。

レンズは、全長及びイメージサークル直径を有することができ、全長は、有利には、イメージサークル直径の２倍～５倍である。

有利には、第一のレンズ素子は、第一のガラスからなり得る。有利には、第二のレンズ素子は、第一のプラスチックからなり得る。有利には、第三のレンズ素子は、第二のガラスからなり得る。有利には、第四のレンズ素子は、第二のプラスチックからなり得る。有利には、第五のレンズ素子は、第三のプラスチックからなり得る。本段落に記載の特徴は、単独で又はそれらの複数の組合せで存在し得る。特に有利には、これらの特徴の全部が同時に存在し得る。

第一のガラスと第二のガラスとは、異なるガラスであり得る。第一及び第二のガラスは、熱膨張率、及び／又は屈折率、及び／又は屈折率の温度依存性の点で異なり得る。しかしながら、代替的に、第一及び第二のガラスとして同じ種類のガラスを使用することも可能である。ＢＫ７又はホウケイ酸ガラス等の光学ガラスをこのために使用することができる。高屈折率ガラス、例えば重フリントガラス（ＳＦガラス）、ランタン含有フリント若しくはクラウンガラス（例えば、ＬａＦ、ＬａＳＦ若しくはＬａＫガラス）又はバリウム含有フリント若しくはクラウンガラス（例えば、ＢａＦ、若しくはＢａＳＦ、若しくはＢａＫガラス）が特に適切であり得る。有利には、第二のガラスは、第一のガラスより高い屈折率を有することができる。例えば、第一のガラスの屈折率は、１．５０～１．５５であり得る。１．７を超える、特に有利には１．８を超える屈折率を有するガラスを第二のガラスとして使用することができる。第二のガラスは、高屈折率ランタンフリントガラスであり得る。

第一のプラスチック、第二のプラスチック及び第三のプラスチックは、異なるプラスチックであり得る。プラスチックは、熱膨張率、及び／又は屈折率、及び／又は屈折率の温度依存性の点で異なり得る。しかしながら、代替的に、同じ種類のプラスチックを複数回使用することも可能であり、状況によっては有利でさえある。同一のプラスチックからオールプラスチックのレンズ素子を製造することが特に有利であり得る。プラスチックとは、ポリマーであると理解することができる。透明ポリマー、すなわちシースルーポリマーが特に有利であり得る。ポリカーボネート、ＣＯＰ、ＣＯＣ（トパーズ）又はＯＫＰが特に適切であり得る。ＰＭＭＡも適切であり得る。

第三のレンズ素子のアッベ数は、有利には、３５未満であり得る。有利には、第二、第四及び第五のレンズ素子のアッベ数は、全て５０～６５又は１８～３２の何れかであり得る。この選択により、広い温度範囲にわたってレンズの所望の撮像特性が確保される。

レンズは、光軸を有することができる。光軸とは、長方形デカルト座標系ｘｙｚのｚ軸であると考えることができる。回転対称の場合、ｘ及びｙ座標は、光軸に垂直な動径座標ｒに置き換えることができる。

加えて、レンズは、他の素子、例えばリングダイアフラム、フィルタ、偏光板等を含むことができる。６つ以上のレンズ素子を有するレンズと比較して、本発明によるレンズは、より費用対効果の高い方法で製造することができる。有利には、これらの別の素子は、屈折力を有しないように、すなわち光学界面を湾曲させずに設計され得る。

有利には、第一のレンズ素子及び／又は第二のレンズ素子は、少なくとも１つの非球面を有することができる。特に有利には、第三の表面、非常に特に有利には第三の表面及び第四の表面は、非球面であるように形成され得る。

有利には、第七の表面、第八の表面、第九の表面及び第十の表面は、全て非球面であるように形成され得る。

有利には、第八の表面及び／又は第十の表面は、光軸とそれぞれの表面の縁との間に少なくとも１つの変曲点をそれぞれ有することができる。

有利には、第三の表面、第七の表面、第八の表面及び第十の表面の少なくとも３つは、少なくとも１つの変曲点をそれぞれ有することができる。レンズの像面湾曲、及び／又は非点収差、及び／又は歪は、変曲点によって補正され得る。

有利には、第十の表面は、凹面であるように形成され得る。これは、表面の特定の領域又は何れの場所においても＋ｚ方向に関して正の曲率があることを意味すると理解することができる。有利には、第十の表面は、変曲点がないように形成され得る。これは、曲率ゼロの点があり得るが、凸状に湾曲した点がないことを意味し得る。特に有利には、第十の表面のｚ座標の、平面ｘ＝０内でｙ方向に関する一次導関数ｄｚ／ｄｙは、光軸と表面の縁との間に少なくとも１つの変曲点をさらに有することができる。回転対称表面の場合、円柱座標系内のｄｚ（ｒ）／ｄｒを使用することもできる。座標ｙ＝０又はｒ＝０は、この場合、光軸に対応し得る。また、一次導関数の複数、例えば２又は３つの変曲点もあり得る。像面湾曲、及び／又は非点収差、及び／又は歪は、これらの対策によって特によく補正され得る。

有利には、第五の表面は、平坦面として形成され得る。特に有利には、ダイアフラムを第五の表面上に配置することができる。この場合、ダイアフラムは、したがって、非常に薄くすることができるか、又はレンズ素子の接触面を同時にダイアフラムとして使用することもできる。ダイアフラムは、例えば、第五の表面上の吸収層として設計することもできる。

球面レンズ素子とは、対向する２つの球面光学面を有するレンズ素子であると理解することができる。球面レンズ素子は、両面球面レンズ素子と呼ぶこともできる。球面の一方は、平坦面であり得る。平坦面とは、無限の曲率半径を有する球面であると理解することができる。

非球面レンズ素子は、少なくとも１つの非球面光学表面を有するレンズ素子として定義され得る。第二のレンズ素子は、両面非球面レンズ素子としても設計され得る。両面非球面レンズ素子とは、対向する２つの非球面光学表面を有するレンズ素子と理解することができる。第二のレンズ素子は、少なくとも１つのフリーフォーム表面を有することができる。

第一のレンズ素子及び第三のレンズ素子が球面レンズ素子として形成され、第二、第四及び第五のレンズ素子が非球面レンズ素子として、すなわちそれぞれ少なくとも１つの非球面を有するように形成される場合に有利であり得る。特に有利な方法では、第二のレンズ素子及び第五のレンズ素子を両面非球面レンズ素子として具現化することができる。非常に特に有利な方法では、第二のレンズ素子、第四のレンズ素子及び第五のレンズ素子を両面非球面レンズ素子として具現化することができる。

レンズの像面は、ｚ方向に最後のレンズ素子の後ろに配置され得る。物体面は、第一のレンズ素子の前に配置され得る。この場合、このレンズは、撮像レンズである。画像を記録するためのイメージセンサ又は光ビームの飛行時間を検出するためのマトリクスセンサは、ビーム経路内で最後のレンズ素子の後ろ、有利にはレンズの像面内に配置され得る。光線は、物体から像面にｚ方向の成分で伝播することができる。

同様に、有利には、ビーム経路は、ｚ方向に提供され得る。光源、第五のレンズ素子、第四のレンズ素子、第三のレンズ素子、第二のレンズ素子及び第一のレンズ素子をこのために配置することができる。この場合、レンズは、ｚ方向において第一のレンズ素子の前にある物体又はシーンを照明するために使用され得る。光線は、光源から照明される物体又はシーンにｚ方向の成分で伝播することができる。シーンとは、特定の立体角範囲内で検出及び／又は照明されることになる複数の物体と理解することができる。

有利には、レンズは、像側でほぼテレセントリックであるように形成され得る。これは、像側テレセントリックエラーが１０°未満であることを意味すると理解することができる。レンズのこの設計は、フィルタ、例えばバンドパスフィルタが第四のレンズ素子と像面との間に配置される場合に特に有利であり得る。このような有利な配置は、画像記録のためのイメージセンサ又は光ビームの飛行時間検出のためのマトリクスセンサをさらに含むことができ、このセンサは、像面内に配置され得る。レンズ及びフィルタのこのような配置により、フィルタへの入射角の違いの結果として像面の照明の不均一性を回避することが可能となる。フィルタ受光角度範囲要件は、非テレセントリックレンズと比較して減少し得る。これにより、フィルタをより費用対効果の高いものにすることができる。像側テレセントリックエラーとは、最後のレンズ素子とイメージセンサとの間における光軸と主光線との間の角度偏差であると理解することができる。ダイアフラム平面内で光軸と交差する光線は、主光線と呼ぶことができる。ダイアフラムがない場合、主光線は、毎回特定の点において像面に当たる光束に関して平均角度を有する光線であると仮定することができる。有利には、第四のレンズ素子は、両面凸面であるように形成され得る。同様に、有利には、第四のレンズ素子の第八の表面は、近軸領域で凹状であり、周辺領域で凸状であるように形成され得る。

レンズは、有利には、少なくとも１：１．３のレンズ速度を有することができる。レンズ速度とは、レンズの最大口径比として説明され得る。レンズ速度の逆数は、Ｆ値と呼ぶことができる。この条件は、Ｆ値が１．３未満であるべきであるとして表現することもできる。

レンズは、有利には、光源からの信号光を環境光、特に日光から分離するためのバンドパスフィルタを含むことができる。しかしながら、バンドパスフィルタは、レンズの外部のビーム経路内に配置することもできる。

レンズは、投影レンズとして動作可能であり得る。しかしながら、これは、撮像レンズとしても動作可能であり得る。

このレンズの使用は、少なくとも１つの光ビームの飛行時間を少なくとも検出するための計測システムにとって有利であり得る。計測システムは、有利には、少なくとも１つのレンズと、少なくとも１つの光源と、少なくとも１つのマトリクスセンサとを含むことができる。光源は、レーザビーム源又はＬＥＤであり得る。光源は、パルス式に動作され得る。パルス長は、１ｎｓ～１ｍｓであり得る。

計測システムは、マトリスクセンサがＳＰＡＤアレイであること及び／又は光源がＶＣＳＥＬアレイ若しくはＬＥＤアレイであることを特徴とし得る。

レンズは、それぞれの場合に２つずつのレンズ素子間に配置された１つ又は複数のスペーサを含むことができる。スペーサは、有利には、ポリカーボネート又はグラスファイバ強化プラスチックで製作され得る。代替的に、これは、アルミニウム又は鋼鉄等の金属で製作され得る。

レンズは、焦点距離、ピクセルサイズ、変調伝達関数及び像面湾曲を有し得る。レンズの焦点距離及び／又はピクセルサイズ、変調伝達関数、画像サイズ、像面湾曲の光学特性の少なくとも１つは、能動コンポーネントを使用しなければ、第一の波長においてある温度範囲にわたり温度非依存であり得る。これは、パッシブなアサーマル化と呼ばれ得る。

パッシブなアサーマル化は、前述のようなレンズ素子材料の選択及び焦点距離比に関する前述の制約を通して実現することができる。

レンズは、１つの波長のために設計することができ（設計波長）、これは、例えば、特定のレーザ放射の波長、例えば７８０ｎｍ、８０８ｎｍ、８８０ｎｍ、９０５ｎｍ、９１５ｎｍ、９４０ｎｍ、９８０ｎｍ、１０６４ｎｍ又は１５５０ｎｍである。しかしながら、レンズは、特定のバンド幅、例えば可視波長範囲若しくは近赤外範囲又は複数の個別の波長のためにも設計することができる。提供されるバンド幅は、例えば、照明のために提供されたダイオードレーザの熱波長ドリフトを補償することができるようにするために、例えば２０ｎｍ～５０ｎｍでもあり得る。

レンズは、投影レンズとして動作することができる。例えば、レーザビームは、線的又は面的に空間の一部内に投影させることができる。

レンズは、撮像レンズとして動作され得る。物体で反射した光ビーム、例えば物体上のある点で反射したレーザビームは、検出器上のある点に投影させることができる。この光ビームの飛行時間は、検出器を使用して検出することができる。

好ましい実施形態において、レンズは、投影レンズ及び撮像レンズとして同時に使用され得る。投影されることになるレーザビームは、レンズと検出器との間のビーム経路内に配置されるビームスプリッタによってビーム経路に結合することができる。

レンズは、開口角度（全角）が９０°を超える、特に有利には１２０°を超える、非常に特に有利には１３５°を超える広角レンズとして設計され得る。

有利には、レンズの全長は、焦点距離Ｆの６倍～１０倍であり得る。

本発明のさらに有利な実施形態は、撮像レンズの像面湾曲、及び／又は非点収差、及び／又は歪を補正するためのプラスチック両面非球面レンズ素子の使用にある。歪の補正とは、所望の歪からの偏差を小さくすべきであることを意味すると理解することができる。例えば、これは、歪を回避するか又は所望の歪（標的歪）からの偏差を回避することに関し得る。有利には、撮像レンズは、Ｆ－θレンズとして設計され得る。撮像レンズは、少なくとも４つのレンズ素子、有利には少なくとも５つのレンズ素子及び同様に有利には正確に４つのレンズ素子又は特に有利には正確に５つのレンズ素子を含む。プラスチック両面非球面レンズ素子は、近軸凸領域及び周辺凹領域を有する光入射面を有する。少なくとも１つの変曲点が光軸と光入射面の縁との間に存在し得る。プラスチックレンズ素子は、光射出面も有する。プラスチックレンズ素子の光射出面は、凹面であるように形成される。これは、曲率の平均値が光伝播方向＋ｚに関して正であることを意味すると理解することができる。さらに、光射出面は、変曲点がないように形成される。これは、曲率の値の符号が変わらないことを意味し得る。特に、曲率は、表面全体にわたって０より大きいか又は０に等しくすることができ、これは、曲率が負の値をとらないことを意味する。本発明によれば、このプラスチックレンズ素子の光射出面のｚ座標の、ｘ＝０平面内のｙ方向に関する一次導関数ｄｚ（ｙ）／ｄｙは、光軸と光射出面の縁との間に少なくとも１つの変曲点を有する。レンズ素子表面のこの設計により、像面湾曲を特に有効に補正することが可能となる。さらに、このように設計された補正レンズ素子は、光射出側にも１つ又は複数の変曲点を有する既知のレンズ素子と比較して誤差の影響を受けにくい。また、一次導関数の複数、例えば２又は３つの変曲点もあり得る。特に有利には、光軸と光射出面の縁との間に一次導関数ｄｚ（ｙ）／ｄｙの変曲点が正確に１つ、正確に２つ又は正確に３つあり得る。

このプラスチックレンズ素子の光射出面のｚ座標の、ｙ方向に関する一次導関数ｄｚ（ｙ）／ｄｙは、さらに微分可能であり得る。二次導関数ｄ^２ｚ（ｙ）／ｄｙ^２は、レンズ素子の曲率を表すことができる。曲率の局部極値（極小値又は極大値）は、対応する点において一次導関数の変曲点が存在するための必要条件（ただし、十分条件ではない）とみなすことができる。

プラスチック両面非球面レンズ素子の光射出面の曲率は、光軸とその表面の縁との間に少なくとも１つの極大値及び少なくとも１つの極小値を有することができる。曲率の最大値は、レンズ素子の縁に存在し得るが、存在する必要はない。代替的に、極大値の最大は、同時に最大値でもあり得、レンズ素子の縁からある距離にあり得る。極小値は、全て負ではなく、すなわち≧０であり得る。

第一の実施形態において、曲率の最大値を光射出面の縁に、且つ縁から離して少なくとも１つの曲率極大値及び少なくとも１つの曲率極小値を提供することが有利であり得、これらは、縁において極大値と最大値との間に配置され得る。この実施形態は、極大値又は極大値のうちの最も大きいものが０．０４／ｍｍより大きく、極小値又は極小値のうちのも小さいものがこの値の３分の１未満である場合に特に有利であり得る。有利には、最大値は、０．４／ｍｍより大きくすることができる。

代替的に、プラスチック両面非球面レンズ素子の光射出面の第二の実施形態では、同時に最大値でもある曲率の少なくとも１つの極大値を提供し、後者を光射出面の縁から、光射出面の半径の少なくとも５％の距離に有利に配置することも有利であり得る。レンズ素子の縁において、この最大値と比較してより低い曲率があり得る。この第二の実施形態において、曲率の第二の極大値をより光軸に近づけて提供することが特に有利であり得る。第二の極大値を光軸上に配置することができ、一次導関数ｄｚ（ｙ）／ｄｙの少なくとも２つの変曲点は、この場合、光軸と縁との間に存在し得る。代替的に、第二の極大値を光軸からある距離に特に有利に配置することができ、この場合、光軸と縁との間に一次導関数ｄｚ（ｙ）／ｄｙの少なくとも３つの変曲点が存在し得る。極小値は、曲率の最大値と、最も近い極大値との間に存在し得る。全体として、曲率の複数の極小値が存在し得る。極小値は、全て負ではなく、すなわち≧０であり得る。極小値又は極小値のうちの最も小さいものを０．０２／ｍｍとなるように選択することが有利であり得る。光射出面の縁のｙ座標とは、光射出面の半径と理解することができる。

光射出面の縁は、所期のビーム経路の、光軸から最も遠い光線であり得る。縁は、したがって、光学的機能を有するレンズ素子表面の境界を画定する。前記レンズ素子は、光軸ｚに関して回転対称であるように設計することができる。したがって、一次導関数は、ｄｚ（ｒ）／ｄｒと表現することができる。この場合、座標ｙ＝０又はｒ＝０は、光軸に対応し得る。

本明細書に記載のプラスチック両面非球面レンズ素子は、特に上述の第一又は第二の実施形態において、像面から最も遠くに有利に配置され得る。したがって、それは、本発明による上述のレンズ内の第五のレンズ素子として特に有利に使用され得る。

固定された焦点距離Ｆを有するレンズの使用は、少なくとも１つの光ビームの飛行時間を少なくとも検出するための計測システムにとって有利であり得る。光ビームは、レーザビームであり得る。光ビームは、光源によって発され得る。光源は、光学的に励起されるソリッドステートレーザ又は電気的に励起されるダイオードレーザであり得る。光源は、本発明によるレンズ及び検出器と共に車両に搭載され得る。光源は、個々の光パルスを発出可能に設計することができる。光電検出器は、光ビームの飛行時間を検出するために提供され得る。この検出器は、アバランシェフォトダイオード、例えば単一光子アバランシェダイオード（略称ＳＰＡＤ）であり得る。検出器は、複数のアバランシェフォトダイオードを含み得る。これらは、ＳＰＡＤアレイとして構成され得る。

本発明による計測システムは、少なくとも１つの本発明によるレンズと、少なくとも１つの光源と、少なくとも１つのマトリクスセンサとを含む。光源は、少なくとも１つの信号光を発することができる。これは、環境光と波長の点で異なり得る。有利には、光源は、レーザ光源であり得る。これは、赤外レーザでもあり得る。代替的に、光源は、ＬＥＤであり得る。

光源は、パルス式に動作され得る。パルス長は、１ｎｓ～１ｍｓであり得る。

さらなる実施形態において、光源は、複数の発光素子を含むことができ、これは、相互に独立に動作可能である。光源は、ＶＣＳＥＬアレイ又はＬＥＤアレイの形態であり得る。その範囲内で発光素子の少なくとも２つが異なる時点で光パルスを発するような光源の動作が提供され得る。

マトリクスセンサは、ＳＰＡＤアレイであり得る。

第一の例示的実施形態を示す。 第一の例示的実施形態のビーム経路を示す。 第一の例示的実施形態の非点収差を示す。 第一の例示的実施形態のＦ－ｔａｎθ歪を示す。 第一の例示的実施形態のＦ－θ歪を示す。 第二の例示的実施形態穂示す。 第二の例示的実施形態の非点収差を示す。 第二の例示的実施形態のＦ－ｔａｎθ歪を示す。 第二の例示的実施形態のＦ－θ歪を示す。 本発明によるプラスチック両面非球面レンズ素子を示す。 プラスチック両面非球面レンズ素子の光射出面を示す。 光射出面の一次導関数を示す。 光射出面の二次導関数を示す。 光射出面の三次導関数を示す。 さらなるプラスチックレンズ素子の光射出面を示す。 光射出面の一次導関数を示す。 光射出面の二次導関数を示す。 別のプラスチックレンズ素子の光射出面を示す。 光射出面の一次導関数を示す。 光射出面の二次導関数を示す。 別のプラスチックレンズ素子の光射出面を示す。 光射出面の一次導関数を示す。 光射出面の二次導関数を示す。 第三の例示的実施形態を示す。 第三の例示的実施形態の非点収差を示す。 第三の例示的実施形態のＦ－ｔａｎθ歪を示す。 第三の例示的実施形態のＦ－θ歪を示す。 第四の例示的実施形態を示す。 第四の例示的実施形態の非点収差を示す。 第四の例示的実施形態のＦ－ｔａｎθ歪を示す。 第四の例示的実施形態のＦ－θ歪を示す。 本発明による計測システムを示す。

本発明を例示的実施形態に関して以下に説明する。

図１は、第一の例示的実施形態を示す。レンズ１が示され、これは、固定された焦点距離Ｆを有し、第一の表面６、第二の表面７、第三の表面９、第四の表面１０、第五の表面１２、第六の表面１３、第七の表面１７、第八の表面１８、第九の表面２０及び第十の表面２１がビーム経路内に連続的に配置されている。レンズは、光軸３を有する。光軸は、ｚ軸内にある。図中、像面は、右側、すなわちｚ方向にあり、物体面は、レンズの左側にある。レンズは、第一のレンズ素子５、第二のレンズ素子８、第三のレンズ素子１１、第四のレンズ素子１６及び第五のレンズ素子１９を含む。レンズ素子は、ｚ方向に上記の順序で連続的に配置される。

第一のレンズ素子は、負の屈折力の球面メニスカスレンズ素子であり、すなわち、これは、対向する２つの球面光学表面を有する。

第三のレンズ素子１１は、正の屈折力を有する。

第二のレンズ素子８は、第一のプラスチックで製作される。第二のレンズ素子８は、発散両面非球面レンズの形態である。第三のレンズ素子１１は、第二のガラスで製作される。第三のレンズ素子１１は、収束球面レンズである。

第四のレンズ素子１６は、収束両面非球面レンズの形態である。これは、第二のプラスチックから製作される。この場合、第二のプラスチックは、第一のプラスチックと同じである。

第五のレンズ素子１９は、図１０、図１１、図１２、図１３及び図１４に示され、以下にさらに説明されるように設計される。

加えて、信号光を環境光から分離するフィルタ３０を任意選択によりマトリクスセンサ３３の正面に提供することができる。

図２は、第一の例示的実施形態のビーム経路を示す。この図及びその後の図面では、レンズ素子のハッチングは、ビーム経路２を表す光線４をよりよく示すことができるようにするために省略されている。ダイアフラム１５は、第二のレンズ素子８と第三のレンズ素子１１との間に配置される。ダイアフラム平面１４は、平坦面の形態である第五の表面１２上に位置付けられる。画像を記録するためのイメージセンサ又は光ビームの飛行時間を検出するためのマトリクスセンサは、像面３３内に配置される。

フィルタを有しない変形型の光学設計は、下の表１に従って実施される。

第一の列は、インデックスを提供し、これは、物体側から番号が付けられている。「標準」タイプは、平坦であるか又は球面状に湾曲した表面を指す。「非球面」タイプは、非球面を指す。界面又はレンズ素子表面は、表面であると理解することができる。物体面（Ｎｏ．１）、ダイアフラム（Ｎｏ．６）及び像面（Ｎｏ．１３）にも第一の列で番号が付けられていることに注意されたい。説明文及び特許請求の範囲に明示されるレンズ素子表面は、コメントとして記されている。

曲率半径ＫＲの列は、それぞれの表面の曲率半径を示す。非球面の場合、これは、沿軸曲率半径を意味すると理解すべきである。表中、曲率半径の符号は、表面の形状が物体側に向かって凸状であれば正であり、符号は、表面の形状が像側に向かって凸状であれば負である。曲率半径の列の仕様∞は、これが平坦面に関するものであることを意味する。光軸上のｉ番目の表面と（ｉ＋１）番目の表面との間の距離は、「厚さ／距離」の列に明示される。Ｎｏ．１のこの列の仕様∞は、物体距離が無限である、すなわちレンズが無限で合焦されることを意味する。行２、４、７、９及び１１について、この列は、それぞれ第一、第二、第三、第四及び第五のレンズ素子の中心厚さを示す。材料の列では、それぞれの表面間の材料がそれぞれの屈折率ｎと共に明示されている。この場合、明示された屈折率ｎは、一般的に使用されているナトリウムＤ線を指す。半径の列は、それぞれの表面の外側半径を示す。ダイアフラム（Ｎｏ．６）の場合、これは、開口である。レンズ素子表面の場合、これは、光軸からの光線の最大使用可能距離である。以下の式において、これは、それぞれの表面に関する最大値ｈに対応する。

表１の列１からのそれぞれのインデックスに関する非球面の係数は、下の連続する２つの表２及び表３に示されている。

非球面データの数値において、「Ｅ－ｎ」（ｎ：整数）は、「×１０－ｎ」を意味し、「Ｅ＋ｎ」は、「×１０＋ｎ」を意味する。さらに、非球面係数は、以下の式によって表される非球面の係数Ｃ_ｍであり、ｍ＝２，．．．，１６である。

式中、Ｚｄは、非球面の深度（すなわち非球面上の高さｈの点から非球面の頂点と接触する、光軸に垂直な平面までの垂直線の長さ）であり、ｈは、高さ（すなわち光軸から非球面上のその点までの長さ）であり、ＫＲは、沿軸曲率半径であり、Ｃ_ｍは、後述の非球面係数（ｍ＝２，．．．，１６）である。明示されていない非球面係数は、ここでは全てが奇数のンデックスを有するが、ゼロと仮定されるものとする。座標ｈは、曲率半径と同様にミリメートルの単位で書き込まれ、結果のＺｄは、ミリメートルで得られる。係数ｋは、コニシティ係数である。本段落に記された事柄は、後述の他の全ての例示的実施形態にも当てはまる。

コニシティ係数ｋは、この第一の例示的実施形態の全ての表面についてゼロである。

第一のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_１＝－１３．４５ｍｍであり、第二のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_２＝－１４．０８ｍｍである。第三のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_３＝８．９４ｍｍであり、第四のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_４＝２５．１１ｍｍであり、第五のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_５＝１５．５６ｍｍである。レンズの焦点距離Ｆは、３．４６ｍｍである。

この例示的実施形態の改良形態において、レンズは、有限物体距離に合焦される。これは、像距離を変化させることによって実行され得る。このために、ラインＮｏ．１２の距離を相応に増大させることができる。

さらなる改良形態において、図示されていないが、レンズは、投影レンズとして使用することができる。このために、光源がセンサの代わりに平面３３内に配置される。したがって、図１において－ｚ方向と明示されている負のｚ方向にレンズの正面にあるシーンを照明することができる。

図３は、第一の例示的実施形態の非点収差を示す。全ての非点収差図は、光軸上の焦点位置及び垂直軸上の入射角を示す。「サジタル」という呼称は、サジタル増を示し、「タンジェンシャル」という呼称は、タンジェンシャル増を指し、これは、子午線像とも呼ぶことができる。

図４は、第一の例示的実施形態のＦ－ｔａｎθ歪を示す。全ての歪図は、水平軸上の歪（％）及び垂直軸上の入射角を示す。

図５は、第一の例示的実施形態のＦ－θ歪を示す。

図６は、第二の例示的実施形態を示す。これを以下の段落で説明する。第二の実施形態において、図１５、図１６及び図１７からの両面非球面レンズが第五のレンズ素子１９として使用されている。第一の例示的実施形態に関して行った説明に対応して、第二の例示的実施形態の光学設計は、下の表４に従って実行される。

下の表５及び表６に示される非球面（上の表４に明示された列１のインデックスの非球面タイプの表面）が使用された。

明示されていない非球面係数は、ここでは全てが奇数のンデックスを有するが、ゼロと仮定されるものとする。全ての表面のコニシティ係数ｋは、この例でも同様にゼロに等しい。

第一のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_１＝－１３．０３ｍｍであり、第二のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_２＝－１８．０８ｍｍである。第三のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_３＝８．８１ｍｍであり、第四のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_４＝２３．６９ｍｍであり、第五のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_５＝１５．４５ｍｍである。レンズの焦点距離Ｆは、３．５１ｍｍである。

この例示的実施形態の改良形態において、レンズは、有限物体距離に合焦される。これは、像距離を変化させることによって実行され得る。このために、ラインＮｏ．１２の距離を相応に増大させることができる。

さらなる改良形態において、図示されていないが、レンズは、投影レンズとして使用することができる。このために、光源は、センサの代わりに平面３３内に配置される。したがって、負のｚ方向にレンズの正面にあるシーンを照明することができる。

第一及び第二の例示的実施形態の設計波長は、９４０ｎｍである。これらの例示的実施形態の改良形態は、説明文で挙げられた他の波長でも使用することができる。

図７は、第二の例示的実施形態の非点収差を示す。図８は、第二の例示的実施形態のＦ－ｔａｎθ歪を示す。像の縁に向かう高レベルの歪がこの場合に意図される。図９は、第二の例示的実施形態のＦ－θ歪を示す。

図１０は、本発明によるプラスチック両面非球面レンズ素子を示す。プラスチック両面非球面レンズ素子１９の光入射面２０は、近軸凸領域２２及び周辺凹領域２３を備える。プラスチックレンズ素子の光入射面２１は、凹面であり、且つ変曲点がない。光軸３は、ｚ方向に延びる。ここに示されるこのレンズ素子は、第一の例示的実施形態の第五のレンズ素子１９として使用され、表１、表２及び表３に示されるパラメータで設計されている。

図１１は、プラスチック両面非球面レンズ素子の光射出面を示す。図１０に示されるレンズ素子の光射出面、すなわち図１０の図における右側のレンズ素子表面２１が関数ｚ（ｙ）として示されている。ｚ及びｙの値は、それぞれｍｍの単位で示されている。値ｙ＝０は、光軸に対応する。関数は、光軸を通して延びる切断面ｘ＝０内で示されている。

図１２は、光射出面の一次導関数を示す。図１１に示される関数ｚ（ｙ）の一次導関数ｚ’（ｙ）＝ｄｚ（ｙ）／ｄｙが示されている。ｙもここではｍｍで示されている。一次導関数は、第一の変曲点２４、第二の変曲点２５及び第三の変曲点２６を有する。これらの変曲点は、それぞれ図中で２回見られ、これは、導関数がレンズ素子の負から正の縁へと示されているからである。範囲ｙ≧０のみを考えると、各変曲点は、１回のみ存在する。これは、ｙ＝０での光軸と、ここではｙ＝４．６ｍｍのレンズ素子の縁との間に３つの変曲点があるという記述に対応する。

図１３は、光射出面の二次導関数を示す。曲率は、図１１に示される関数ｚ（ｙ）のｚ’’（ｙ）＝ｄ^２ｚ（ｙ）ｄｙ^２として示されている。座標ｙは、ここでも同様にｍｍで示され、ｚ’’は、１／ｍｍである。

この例において、曲率の第一の極値２７としての極大値があり、これは、最大値でもある。この極大値は、光射出面の縁から離して配置される。レンズ素子の縁部の曲率は、この最大値と比較して低い。

第二の極値２８としての極小値は、曲率の最大値２７と、第三の極値２９としての、それに最も近い極大値との間に存在する。第二の極大値２９は、光軸から離して配置される。その結果、一次導関数ｄｚ（ｙ）／ｄｙの３つの変曲点が光軸と縁との間に存在する。曲率は、何れの場所でも負ではなく、すなわち≧０である。曲率のさらなる極小値は、光軸上、すなわち点ｙ＝０に見られ、この点に一次導関数ｚ’の変曲点はない。

図１４は、光射出面の三次導関数を示す。図１１に示される関数の三次導関数ｚ’’’（ｙ）は、図１２に示される一次導関数ｚ’の各変曲点においてそれぞれのゼロ交を有し、これは、前述の一次導関数の変曲点２４、２５及び２６の存在の十分な基準である。

図１５、図１６及び図１７は、本発明による使用に適した他のプラスチック両面非球面レンズ素子を示す。ここに示されるこのレンズ素子は、第二の例示的実施形態の第五のレンズ素子として使用され、表４、表５及び表６に示されるパラメータで設計されている。図１５は、光射出面を示す。図１６は、光射出面の一次導関数を示す。この場合、光軸とレンズ素子の縁との間に変曲点２４、２５がある。図１７は、光射出面の二次導関数を示す。曲率の最大値２７は、光射出面の縁に提供され、曲率の極大値２９は、縁から離れている。曲率の極小値２８は、極大値と、縁にある最大値との間に配置される。

図１８、図１９及び図２０は、本発明による使用に適した別のプラスチック両面非球面レンズ素子を示す。ここで示されているこのレンズ素子は、第三の実施形態の像面湾曲を補正するために使用され、表７、表８及び表９のライン番号１０の表面１０として示されるパラメータで設計されている。この場合、一次導関数ｚ’の２つの変曲点２４、２５が光軸とレンズ素子の縁との間にある。

図２１、図２２及び図２３は、本発明による使用に適した他のプラスチック両面非球面レンズ素子を示す。ここで示されているこのレンズ素子は、第三の実施形態の像面湾曲を補正するために使用され、表１０、表１１及び表１２のライン番号１０の表面１０として示されるパラメータで設計されている。この場合、一次導関数ｚ’の２つの変曲点２４、２５が光軸とレンズ素子の縁との間にある。

図２４は、第三の例示的実施形態を示す。４つのレンズ素子を有する撮像レンズの像面湾曲を補正するための、図１８、図１９及び図２０の別のプラスチック両面非球面レンズ素子１９の使用が示されている。レンズ素子は、図中、第一のレンズ素子５、第二のレンズ素子８、第三のレンズ素子１１及び補正レンズ素子１９として、補正レンズ素子の光入射面２０及び光射出面２１と共に示されている。第一の例示的実施形態に関する説明に対応して、この第三の例示的実施形態の光学設計は、下の表７に従って実行される。

下の表、表８及び表９に示される非球面（上の表７に明示された列１のインデックスの非球面タイプの表面）の係数が使用された。

明示されていない非球面係数は、ここでは全てが奇数のンデックスを有するが、ゼロと仮定されるものとする。

第一のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_１＝－１４９．８５ｍｍであり、第二のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_２＝－１７．６７ｍｍである。第三のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_３＝２２．０８ｍｍであり、補正レンズ素子の焦点距離は、ｆ_５＝４１．４３ｍｍである。レンズの焦点距離Ｆは、１３．０１ｍｍである。

この例示的実施形態の改良形態において、レンズは、有限物体距離に合焦される。これは、像距離を変化させることによって実行することができる。このために、ラインＮｏ．１０の距離を相応に増大させることができる。

さらなる改良形態において、図示されていないが、レンズは、投影レンズとして使用することができる。このために、光源がセンサの代わりに平面３３内に配置される。したがって、負のｚ方向にレンズの正面にあるシーンを照明することができる。

この例示的実施形態の設計波長は、９０５ｎｍである。例示的実施形態の改良形態は、説明文で挙げられた他の波長でも使用することができる。

図２５は、第三の例示的実施形態の非点収差を示す。図２６は、第三の例示的実施形態のＦ－ｔａｎθ歪を示す。図２７は、第三の例示的実施形態のＦ－θ歪を示す。

図２８は、第四の例示的実施形態を示す。図２１、図２２及び図２３からの別のプラスチック両面非球面レンズ素子の使用が示されている。レンズ素子は、図中、第一のレンズ素子５、第二のレンズ素子８、第三のレンズ素子１１及び補正レンズ素子１９として、経正レンズ素子の光入射面２０及び光射出面２１と共に示されている。第一の例示的実施形態に関する説明に対応して、この第四の例示的実施形態の光学設計は、下の表１０に従って実行される。

下の表１１及び表１２に示される非球面（上の表７に明示された列１のインデックスの非球面タイプの表面）の係数が使用された。

明示されていない非球面係数は、ここでは全てが奇数のインデックスを有するが、ゼロと仮定されるものとする。

第一のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_１＝－９６６．１８ｍｍであり、第二のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_２＝１７．８４ｍｍである。第三のレンズ素子の焦点距離は、ｆ_３＝３０．９４ｍｍであり、補正レンズ素子の焦点距離は、ｆ_５＝３０．２６ｍｍである。レンズの焦点距離Ｆは、１２．６４ｍｍである。

この例示的実施形態の改良形態において、レンズは、有限物体距離で合焦される。これは、像距離を変化させることによって実行することができる。このために、ラインＮｏ．１０の距離を相応に増大させることができる。

さらなる改良形態において、図示されていないが、レンズは、投影レンズとして使用することができる。このために、光源がセンサの代わりに平面３３に配置される。したがって、負のｚ方向にレンズの正面にあるシーンを照明することができる。

この例示的実施形態の設計波長は、９０５ｎｍである。この例示的実施形態の改良形態は、説明文で挙げられた他の波長でも使用することができる。

図２９は、第四の例示的実施形態の非点収差を示す。図３０は、第四の例示的実施形態のＦ－ｔａｎθ歪を示す。図３０は、第四の例示的実施形態のＦ－ｔａｎθ歪を示す。

図３２は、本発明による計測システムを示す。計測システム３１は、投光レンズ３４、受光レンズ３５、光源３２及びマトリクスセンサ３３を含む。光源は、１つ又は複数の物体３６を投射光３７で照明する。マトリクスセンサは、反射光３８の飛行時間を検出する。

１ レンズ
２ レンズ素子配置とビーム経路
３ 光軸
４ 光線
５ 第一のレンズ素子
６ 第一の表面
７ 第二の表面
８ 第二のレンズ素子
９ 第三の表面
１０ 第四の表面
１１ 第三のレンズ素子
１２ 第五の表面
１３ 第六の表面
１４ ダイアフラム平面
１５ ダイアフラム
１６ 第四のレンズ素子
１７ 第七の表面
１８ 第八の表面
１９ 第五のレンズ素子、補正レンズ素子
２０ 第九の表面、補正レンズ素子の光入射面
２１ 第十の表面、補正レンズ素子の光射出面
２２ 凸領域
２３ 凹領域
２４ 第一の変曲点
２５ 第二の変曲点
２６ 第三の変曲点
２７ 第一の外的値
２８ 第二の外的値
２９ 第三の外的値
３０ フィルタ
３１ 計測システム
３２ 光源
３３ マトリクスセンサ
３４ 投光レンズ
３５ 受光レンズ
３６ 物体
３７ 投射光
３８ 反射光

Claims (15)

1. 固定された焦点距離Ｆと、光軸に関して４５°を超える視野とを有するレンズ（１）であって、少なくとも第一の表面（６）、第二の表面（７）、第三の表面（９）、第四の表面（１０）、第五の表面（１２）、第六の表面（１３）、第七の表面（１７）、第八の表面（１８）、第九の表面（２０）及び第十の表面（２１）は、ビーム経路内に連続的に配置され、
   ・前記第一の表面（６）及び前記第二の表面（７）は、第一の焦点距離ｆ_１を有する第一のレンズ素子（５）に属し、
   ・前記第三の表面（９）及び前記第四の表面（１０）は、第二の焦点距離ｆ_２を有する第二のレンズ素子（８）に属し、
   ・前記第五の表面（１２）及び前記第六の表面（１３）は、第三の焦点距離ｆ_３と、１．７を超える屈折率とを有する第三のレンズ素子（１１）に属し、
   ・前記第七の表面（１７）及び前記第八の表面（１８）は、第四の焦点距離ｆ_４を有する第四のレンズ素子（１６）に属し、
   ・前記第九の表面（２０）及び前記第十の表面（２１）は、第五の焦点距離ｆ_５を有する第五のレンズ素子（１９）に属し、
   ・前記第一のレンズ素子（５）は、負の屈折力Ｄ_１＝１／ｆ_１＜０を有するメニスカスとして形成され、
   ・ダイアフラム（１５）は、前記第二のレンズ素子（８）と前記第三のレンズ素子（１１）との間に配置され、
   ・前記第三のレンズ素子（１１）は、正の屈折力Ｄ_３＝１／ｆ_３＞０を有し、
   ・前記第三のレンズ素子（１１）の前記屈折力Ｄ_３＝１／ｆ_３と、前記第四のレンズ素子（１６）の屈折力Ｄ_４＝１／ｆ_４と、前記第五のレンズ素子（１９）の屈折力Ｄ_５＝１／ｆ_５との和Ｄ_３＋Ｄ_４＋Ｄ_５は、正であり、
   ・前記第九の表面（２０）は、非球面であるように形成され、且つ近軸凸領域（２２）及び周辺凹領域（２３）を有し、
   ・前記第七の表面（１７）、第八の表面（１８）及び第十の表面（２１）の少なくとも１つは、非球面であるように形成され、
   

   

   が適用される、レンズ（１）。
2. ・前記第一のレンズ素子（５）は、第一のガラスからなり、及び／又は
   ・前記第二のレンズ素子（８）は、第一のプラスチックからなり、及び／又は
   ・前記第三のレンズ素子（１１）は、第二のガラスからなり、及び／又は
   ・前記第四のレンズ素子（１６）は、第二のプラスチックからなり、及び／又は
   ・前記第五のレンズ素子（１９）は、第三のプラスチックからなることを特徴とする、請求項１に記載のレンズ。
3. 前記第五のレンズ素子（１９）は、第三のプラスチックからなることを特徴とする、請求項１又は２に記載のレンズ。前記第三のレンズ素子のアッベ数は、３５未満であり、及び前記第二、第四及び第五のレンズ素子のアッベ数は、全て５０～６５又は１８～３２の何れかであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のレンズ。
4. 前記第一のレンズ素子（５）及び／若しくは前記第二のレンズ素子（８）は、少なくとも１つの非球面を有すること、並びに／又は前記第七の表面、第八の表面（１８）、第九の表面（２０）及び第十の表面（２１）は、全て非球面であるように形成されることを特徴とする、請求項１～３の何れか一項に記載のレンズ。
5. 前記第八の表面（１８）及び第十の表面（２１）の少なくとも１つ、及び／又は
   前記第三の表面、第七の表面、第八の表面（１８）及び第十の表面（２１）の少なくとも３つ
   は、少なくとも１つの変曲点をそれぞれ有することを特徴とする、請求項１～４の何れか一項に記載のレンズ。
6. 前記第十の表面（２１）は、凹面であり、且つ凸領域がないように形成されること、及び／又は前記第十の表面のｚ座標の、平面ｘ＝０内のｙ方向に関する一次導関数ｄｚ／ｄｙは、少なくとも１つの変曲点を有することを特徴とする、請求項１～５の何れか一項に記載のレンズ。
7. 前記第五の表面（１２）は、平坦面として形成され、及び／又はダイアフラム（１８）は、前記第五の表面（１２）上に配置されることを特徴とする、請求項１～６の何れか一項に記載のレンズ。
8. ２ｍｍ～５ｍｍの焦点距離Ｆを有すること、及び／又は
   前記第一のレンズ素子の前記第一の焦点距離ｆ_１は、前記第二のレンズ素子の前記焦点距離ｆ_２の０．７倍～１．３倍であること、及び／又は
   前記ガラスレンズ素子の中心厚さの和は、前記プラスチックレンズ素子の中心厚さの和より大きいこと、及び／又は
   前記レンズは、全長及びイメージサークル直径を有し、前記全長は、前記イメージサークル直径の２倍～５倍であることを特徴とする、請求項１～７の何れか一項に記載のレンズ。
9. 像側でほぼテレセントリックであるように形成され、像側テレセントリックエラーは、１０°未満であることを特徴とする、請求項１～８の何れか一項に記載のレンズ。
10. 少なくとも１：１．３のレンズ速度を有することを特徴とする、請求項１～９の何れか一項に記載のレンズ。
11. 光源からの信号光を環境光、特に日光から分離するためのバンドパスフィルタ（３０）を含むか、又は前記レンズの外部に配置されたバンドパスフィルタと共に動作可能であることを特徴とする、請求項１～１０の何れか一項に記載のレンズ。
12. 少なくとも１つの光ビーム（４）の飛行時間を少なくとも検出するための計測システム（３１）のための、請求項１～１１の何れか一項に記載のレンズ（１）の使用。
13. 請求項１～１２の何れか一項に記載の少なくとも１つのレンズ（３４、３５）と、少なくとも１つの光源（３２）と、少なくとも１つのマトリクスセンサ（３３）とを含む計測システム（３１）であって、前記光源（３２）は、レーザビーム光源又はＬＥＤであり、且つ前記光源は、パルス式に動作され、及びパルス長は、１ｎｓ～１ｍｓである、計測システム（３１）。
14. 前記マトリクスセンサ（３３）は、ＳＰＡＤアレイであること、及び／又は前記光源（３２）は、ＶＣＳＥＬアレイ若しくはＬＥＤアレイであることを特徴とする、請求項１～１３の何れか一項に記載の計測システム。
15. 少なくとも４つのレンズ素子を有する撮像レンズの像面湾曲、及び／又は非点収差、及び／又は歪を補正するためのプラスチック両面非球面レンズ素子（１９）の使用であって、前記プラスチック両面非球面レンズ素子は、近軸凸領域（２２）及び周辺凹領域（２３）を有する光入射面（２０）を有し、及び前記プラスチックレンズ素子の光射出面（２１）は、凹面であり、且つ変曲点がないように形成され、及び前記光射出面のｚ座標の、平面ｘ＝０内のｙ方向に関する一次導関数ｄｚ／ｄｙは、光軸と前記光射出面の縁との間に少なくとも１つの変曲点を有する、使用。

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