一种提升光能利用率的大孔径五片式光学镜头的制作方法

本发明涉及光学成像，尤其涉及一种提升光能利用率的大孔径五片式光学镜头。

背景技术：

1、传统的采用投影原理的汽车近光灯系统，其光学部分通常由光源、光能收集元件、明暗截止线结构以及凸透镜组合而成，主要实现基础的照明功能。

2、近年来，随着车灯技术的发展，像素大灯（也称矩阵式大灯）应运而生。该技术采用投影成像原理，不仅具备传统的照明功能，还能实现自适应远光（adb）功能，并向车外地面投影天气信息、道路导航标识或其他符号，作为车外行人与车辆识别的“灯语”。像素大灯光学系统的核心构成包括可发光的像元（如mini led、microled、lcd液晶屏、lcos或被点亮的dmd数字微镜），以及投射用的光学镜头。

3、像素大灯兼具照明与成像的双重功能。针对不同像素数量的光源与应用条件（如不同的视场角），其核心诉求存在显著差异：

4、对于较低像素的光源，车灯应用更侧重于提升中心光强与能量利用率，同时满足基本的成像质量要求（尤其是低色差）。更高的能量利用率有助于减少额外的照明辅助模块，从而降低系统整体成本。

5、考虑到汽车应用的特殊性（工作温度范围-45°c～+85°c），光学系统还需具备良好的热学可靠性与震动可靠性，并满足轻量化与低成本的要求，以提升市场竞争力。

6、然而，现有镜头设计普遍存在以下不足：要么能量利用率不足，要么采用昂贵的光学玻璃材料，要么热稳定性较差。

7、在成像镜头中，与能量相关的关键指标包括数值孔径、光阑大小与焦距、f数（光圈值/光圈系数）‍，且这几项参数紧密关联。就数值孔径而言，当前绝大多数镜头的数值孔径小于0.5，对应f数大于1.0。如中国授权公告号cn223090468u，公开了一种大孔径五片式投影镜头及使用其的车灯，包括：沿着光轴方向从像侧到物侧依次设置的第一透镜、第一光阑、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第二光阑、第五透镜和dmd；其中第一透镜的焦距f1和大孔径五片式投影镜头的焦距efl满足条件式：1＜|f1/efl|＜2；第二透镜的焦距f2和大孔径五片式投影镜头的焦距efl满足条件式：0 .5＜|f2/efl|＜1 .5；以及第三透镜的焦距f3和大孔径五片式投影镜头的焦距efl满足条件式：1 .7＜|f3/efl|＜2；第四透镜的焦距f4和大孔径五片式投影镜头的焦距efl满足条件式：1 .3＜|f4/efl|＜1 .8；第五透镜的焦距f5和大孔径五片式投影镜头的焦距efl满足条件式：0 .5＜|f5/efl|＜1 .2。该现有技术存在的缺陷是：在对能量利用率有极高要求的像素大灯应用场景下，现有镜头的数值孔径偏低，意味着光能利用率不足，难以满足高效投射的需求。

8、综上所述，像素大灯应用需要一种高能量利用率（即较大数值孔径）、在不同工作温度下仍能保持性能相对稳定的光学系统。本发明正是为了解决这一技术问题，达成高能量利用率、良好颜色性能、合适成像质量以及宽温域稳定性的设计目标。

技术实现思路

1、本发明提供一种达成高能量利用率、良好颜色性能、合适成像质量以及宽温域稳定性设计目标的大孔径五片式光学镜头。

2、本投影成像镜头采用反向光学设计，即将实际使用中的投影屏幕定义为物面，将实际光源的发光面定义为像面。基于光路可逆原理，这种设计在物理上等效于从屏幕到光源的光路追迹。反向设计的优势在于，它能够将光路系统自然地约束为像方远心光路，使主光线在像方（即实际光源侧）近似平行于光轴出射。这种结构可实现实际光源各像素发出的光束近乎垂直地进入镜头，从而有效提升光能的利用率和投影画面的照度均匀性，并缩短后工作距离。本专利说明书即遵循此反向设计惯例，将所有光学参数和结构描述均设定为以投影面为物、光源面为像。

3、本发明提供一种提升光能利用率的大孔径五片式光学镜头，沿着光轴由物侧至像侧面依次由第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜组成；

4、第一透镜的物侧面设置为凸或者平面；且该透镜的像侧面为非球面；

5、所述第二透镜设置为具有正光焦度且两外表面都为凸面；

6、所述第三透镜设置为具有负光焦度且像侧面为凹面；

7、所述第四透镜设置为具有正光焦度且两外表面都为凸面，其设置为玻璃透镜；

8、所述第五透镜具有正光焦度，并设置为物侧面为凸面的弯月形玻璃透镜；

9、所述第一透镜的焦距f1和大孔径五片式光学镜头的有效焦距efl满足条件式：|f1|/efl>10；

10、所述第四透镜的焦距f4和所述第五透镜的焦距f5满足条件式：

11、f4

12、所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的整体有效焦距f123和大孔径五片式光学镜头的有效焦距efl满足条件式：

13、|f123|/efl>3.4；

14、所述第二透镜的焦距f2和所述第四透镜的焦距f4满足条件式：

15、2>f2/f4>0.5；

16、所述第三透镜焦距f3和所述第二透镜的焦距f2满足条件式：

17、|f3|

18、所述第一透镜的焦距f1和所述第三透镜焦距f3满足条件式：

19、|f1|/|f3|>17。

20、优选的，所述第三透镜的阿贝数小于30；所述第二透镜、所述第四透镜、所述第五透镜的阿贝数大于30。

21、优选的，所述大孔径五片式光学镜头的半像高h和其有效焦距efl满足条件式：arctan(h/efl)<30°。

22、优选的，其光阑的物理通光尺寸dstop和大孔径五片式光学镜头的有效焦距efl满足条件式：dstop/efl>1.5。

23、优选的，所述第一透镜的有效最大口径d1和所述第二透镜的有效最大口径d2满足条件式：0.8

24、所述第二透镜的有效最大口径d2和所述第三透镜的有效最大口径d3满足条件式：1.4>d2/d3>0.9；

25、所述第三透镜的有效最大口径d3和所述第四透镜的有效最大口径d4满足条件式：1.2>d3/d4>0.8；

26、所述第一透镜的有效最大口径d1和所述第五透镜的有效最大口径d5满足条件式：d1/d5>1.4；

27、所述第五透镜的有效最大口径d5和所述大孔径五片式光学镜头的半像高h满足条件式：d5>2*h。

28、优选的，大孔径五片式光学镜头所述第一透镜的中心厚度t0,所述第一透镜的一半口径处的厚度t_0.5，其像侧面的口径大小为d_s2, 满足条件式：(t_0.5-t0)/d_s2<0.02；

29、所述第一透镜的最大有效口径处的厚度t_1与其一半口径处的厚度t_0.5以及所述第一透镜的中心厚度t0满足条件式：(t_1-t_0.5)/(t_0.5-t0)>9。

30、优选的，所述第二透镜物侧面的曲率半径r3和所述第二透镜像侧面的曲率半径r4满足条件式：|r3|>|r4。

31、优选的，大孔径五片式光学镜头的系统总长oal和大孔径五片式光学镜头的有效焦距efl满足条件式：oal/efl<3.5。

32、优选的，所述第一透镜至所述第五透镜中，各透镜的至少一个表面为非球面，或者，各透镜的全部表面均为非球面。

33、优选的，所述第三透镜的物侧面为凸面。

34、优选的，所述第三透镜的物侧面为凹面。

35、优选的，所述第一透镜设置为正透镜。

36、优选的，所述第一透镜设置为负透镜。

37、优选的，所述第三透镜与所述第四透镜为胶合透镜结构。

38、优选的，光阑在第二透镜和所述第三透镜之间。

39、本发明的有益效果为：

40、1、第一透镜的物侧面设置为凸或者平面，且该透镜的像侧面为非球面，在汽车车灯应用更为美观，也不易因为凹面而在中心积聚灰尘；第二透镜设置为具有正光焦度且两外表面都为凸面，第三透镜设置为具有负光焦度且像侧面为凹面，第四透镜设置为具有正光焦度且两外表面都为凸面，第五透镜具有正光焦度，有利于在色差与场曲矫正的同时分摊局部光焦度，从而使得像差不积累在同一镜片；所述第五透镜为弯月形玻璃透镜，有利于收集光源面更大角度的光线，从而提升数值口径，继而提升能量利用率，使得车灯更亮；

41、符合|f1|/efl>10，限制第一透镜的光焦度，使之不贡献主要光焦度，其作用主要是用来矫正大口径带来的像差，如球差；

42、符合f4

43、符合|f123|/efl>3.4，使前三镜片即第一透镜、第二透镜、第三透镜的光焦度相比后两片镜片光焦度更弱；另外；本发明中的“第一透镜至第三透镜的组合焦距 f123”是指基于第一透镜、第二透镜和第三透镜各自单独以其非胶合状态下的光焦度计算得到的组合焦距，即使该第三透镜在物理结构中与第四透镜呈胶合组合关系，计算 f123 时仍将其视为一个独立透镜进行处理，而不以胶合镜组的一部分参与计算；

44、符合2>f2/f4>0.5，该条件式用于将第二透镜与第四透镜的光焦度比值限定在合理范围内，避免两者光焦度悬殊过大，从而保证第二透镜和第四透镜作为系统中主要承担光焦度的透镜，能够协同分担光焦度，达到平衡像差与缩短系统总长的目的；

45、符合|f3|

46、符合|f1|/|f3|>17，使第一透镜的光焦度远弱于第三透镜，从而在近轴区内抑制第一透镜对系统初级像差的贡献量，进而降低其对整体成像质量的扰动幅度。

47、2、第三透镜的阿贝数小于30，第二透镜、所述第四透镜、所述第五透镜的阿贝数大于30，通过将第三透镜（负透镜）设定为高色散材料（小阿贝数）‍，而将其余正透镜（第二、第四、第五透镜）设定为低色散材料（大阿贝数）‍，利用正负透镜的色散互补效应，使系统在消色差方面获得显著改善，有效降低轴向色差与倍率色差。

48、3、符合arctan(h/efl)<30°，使得在系统所设计的全视场范围内，各视场的像差能够被控制在可接受的公差范围内，避免因视场角过大而导致边缘视场的像差急剧恶化。

49、4、符合dstop/efl>1.5，用来控制光能量，有利于提升光学系统的能量利用率，数值越大，系统效率越大。

50、5、符合0.8d2/d3>0.9；1.2>d3/d4>0.8；d1/d5>1.4；d5>2h，这些口径的限制表明前4个镜片口径的设置，用来限制镜片具有相对均一的口径，有利于在一定的最大物理口径尺寸下，提升能量利用率；

51、其中，符合d5>2h，由于第五透镜在光路中设置于靠近像面的位置，其承担的主光线入射角较小，主要起场镜校正作用而非大角度会聚光线，因此其口径不受大角度入射的制约，在满足机械安装尺寸要求并充分考虑光源发热膨胀所需的安全间隙前提下，将 d5设定为大于全像高（2h）‍，这一设计既保证了第五透镜的入射高度足以覆盖全像面，也使得其口径相对于承担大角度会聚任务的第一透镜更小，有利于平衡镜片的制造难度和结构紧凑性。

52、6、第一透镜符合(t_0.5-t0)/d_s2<0.02和(t_1-t_0.5)/(t_0.5-t0)>9的厚度关系，条件式(t_0.5-t0)/d_s2<0.02确保近轴区至半口径处的厚度差极小，从而第一透镜的近轴区光焦度趋近于零，半口径以内区域的面型变化平缓，透镜厚度与中心几乎一致；条件式(t_1-t_0.5)/(t_0.5-t0)>9则使半口径至边缘处厚度急剧增加，面型曲率迅速增大；该种厚度分布使第一透镜具备从中心弱光焦度到边缘强光焦度的渐变特征，可对不同孔径的光线施加差异化偏折，用以校正以球差为主的轴上像差。

53、7、第二透镜的曲率半径符合|r3|>|r4，镜片的物侧面r3平缓，更有利于降低像差。

54、8、符合oal/efl<3.5，一方面，减小整体体积，较短的轴向尺寸直接缩小了镜头模组的整体包络体积，使其能够更好地适配于对空间高度敏感的电子设备；第二，降低物料成本，紧凑的光学结构通常使各镜片的口径、以及镜筒、隔圈等注塑件的轴向高度相应缩减，直接降低了所用光学塑料或玻璃毛坯的体积，从而有效降低了单套镜头的物料成本；第三，提升组装效率与良率，系统长度缩短，能有效降低因镜片间距误差累积导致的公差敏感度，有利于提升镜头组装的生产良率和批量一致性。

55、9、虽然第一透镜通过以上厚度条件式使边缘厚度显著大于中心厚度，呈现出类似负透镜的形态，但其正负透镜属性并不由边缘厚度决定，而由近轴区的局部曲率独立控制，由于近轴区光焦度极弱，该区域的曲率微调可以使其呈现正光焦度或负光焦度，从而第一透镜既可以为正透镜，也可以为负透镜。

56、10、第三透镜与第四透镜为胶合透镜结构，并且两者均为球面玻璃透镜，该胶合设置相比于分立透镜具有如下工程优势：一是界面菲涅尔反射损耗由两个空气界面减少为一个胶层界面，光能利用率得到提升；二是通过匹配不同色散系数的玻璃材料，可以更有效地校正色差；三是胶合件省去了两镜片间的隔圈零件，有利于简化组装工序并降低公差敏感度。