投影镜头及投影装置的制作方法

1.本发明涉及成像镜头技术领域，特别是涉及一种投影镜头及投影装置。


背景技术：

2.随着汽车的普及，无论是城市交通还是高速公路行驶，开车时低头看仪表或智能设备造成的交通事故都屡见不鲜。在城市交通中由于各种路况限速都不一样，驾驶员常常需要低头查看导航或者仪表盘，而在高速公路的驾驶过程中低头一次，相当于盲行二三十米，这些行为都会严重影响行驶安全。为了降低驾驶员低头盲行的风险，导航抬头显示器（head up display 缩写hud）正被用于越来越多的汽车中。hud是一种透明的显示器，它能将驾驶行车信息直接投射到驾驶员的视线范围内（如风挡玻璃内或屏幕上），让驾驶员在行车过程中目光集中在车外。
3.hud的原理类似于幻灯片投影，主要是利用光学成像中的反射和虚拟成像原理来实现：根据车载系统提供的信息，由投影仪发出图像，经过反射镜反射到投影镜头上，再由投影镜头反射到风挡玻璃或屏幕，此时驾驶员看到的是位于眼前2米左右的虚像，看起来就是信息悬浮在前方路上。由于hud大幅度降低了驾驶员低头查看仪表的频率，而且不用在观察远方目标和近处仪表之间调节视线“对焦”，提高了驾驶安全性和视觉反应速度，因此hud在驾驶安全领域的应用越来越普及，然而目前市场上的普通投影镜头并不适用于车载hud环境。市面上的用于hud的投影镜头由于镜片数目的限制，镜头存在着的解像能力不足，边缘视场畸变较大，色差大等缺陷，难以满足高端hud的使用需求。


技术实现要素：

4.为此，本发明的目的在于提供一种投影镜头及投影装置，至少具有成像品质好、畸变低和色差小的优点。
5.本发明实施例通过以下技术方案实施上述的目的。
6.第一方面，本发明提供了一种投影镜头，所述投影镜头用于将像源面的光线投射至投影面，所述投影镜头沿光线传播方向依次包括：具有正光焦度的第一群组，光阑，具有负光焦度的第二群组；且所述投影镜头满足条件式：-2.5《 fⅰ/fⅱ《
ꢀ‑
0.5；其中，fⅰ表示所述第一群组的组合焦距，fⅱ表示所述第二群组的组合焦距。
7.第二方面，本发明提供一种投影装置，包括图像源和第一方面提供的投影镜头，所述图像源用于发射光线，所述投影镜头设于所述图像源的发射光线出射方向。
8.本发明提供的投影镜头可应用于车载hud中，所述投影镜头工作时，车载系统将调制好的信号光（图像源发射的光线）投射到投影镜头中，光线依次经过所述第一群组、光阑及所述第二群组投射于屏幕上，便可得到投影画面。
9.相较于现有技术，本发明提供的投影镜头通过合理搭配七个镜片的光焦度，使镜头能够实现在120mm~140mm处清晰的投射画面；由于采用全玻璃镜片，使镜头具有良好的热
稳定性能，能够有效补偿镜头在-40℃~ 105℃热膨胀引起的像面偏移；由于第一透镜采取了非球面玻璃镜片使镜头在满足小型化的同时极大提高镜头的成像品质；同时由于光阑前后各透镜的光焦度设置合理，使镜头的畸变及色差得到良好的矫正。
附图说明
10.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本发明第一实施例的投影镜头的结构示意图；图2为本发明第一实施例的投影镜头的畸变曲线图；图3为本发明第一实施例的投影镜头在工作波段的mtf曲线图；图4为本发明第一实施例的投影镜头的垂轴色差曲线图；图5为本发明第二实施例的投影镜头的结构示意图；图6为本发明第二实施例的投影镜头的畸变曲线图；图7为本发明第二实施例的投影镜头在工作波段的mtf曲线图；图8为本发明第二实施例的投影镜头的垂轴色差曲线图；图9为本发明第三实施例的投影镜头的结构示意图；图10为本发明第三实施例的投影镜头的畸变曲线图；图11为本发明第三实施例的投影镜头在工作波段的mtf曲线图；图12为本发明第三实施例的投影镜头的垂轴色差曲线图；图13为本发明第四实施例的投影镜头的结构示意图；图14为本发明第四实施例的投影镜头的畸变曲线图；图15为本发明第四实施例的投影镜头在工作波段的mtf曲线图；图16为本发明第四实施例的投影镜头的垂轴色差曲线图。
具体实施方式
11.为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
12.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。
13.本发明提出一种投影镜头，所述投影镜头用于将像源面的光线投射至投影面，且所述像源面用于显示待投影图像，所述投影面用于显示投影的图像。所述投影镜头沿光线传播方向依次包括：具有正光焦度的第一群组，光阑，具有负光焦度的第二群组；且所述投影镜头满足条件式：-2.5《 fⅰ/fⅱ《
ꢀ‑
0.5；其中，fⅰ表示第一群组的组合焦距，fⅱ表示第二群组的组合焦距。在投影镜头工作时，光线依次穿过第一群组和第二群组，由于第一群组具有正光焦度，可使光线在较短的距
离内聚焦；第二群组具有负光焦度，可使光线经过第二群组后发散出去，更好的投射到投影面上；满足上述条件式，通过合理分配第一、二群组的焦距占比，有利于更好控制所述投影镜头的远心度，在保证投影画面的尺寸较大的同时，还能够在较短的投影距离内完成投影。
14.具体地，所述投影镜头中第一群组沿光线传播方向依次包括：具有正光焦度的第一透镜，所述第一透镜的入光面和出光面均为凸面；具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜的出光面为凸面；具有负光焦度的第三透镜，所述第三透镜的出光面为凹面；具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的入光面和出光面均为凸面，且所述第三透镜与所述第四透镜组成胶合透镜；所述投影镜头中第二群组沿光线传播方向依次包括：具有负光焦度的第五透镜，所述第五透镜的入光面为凹面；具有负光焦度的第六透镜，所述第六透镜的入光面为凹面；具有正光焦度的第七透镜，所述第七透镜的出光面为凸面。
15.其中，所述第一透镜为非球面透镜。第一透镜采用非球面设计，能够使光轴附近的光线和镜片边缘的光线在同一个表面成像，从而有利于减小像差。所述投影镜头中的其它透镜可以采用球面透镜或者非球面透镜。
16.为了使镜头具有良好的热稳定性能，所述投影镜头中的透镜可以全部采用玻璃材质镜片，能够有效补偿镜头在-40℃~ 105℃热膨胀引起的像面偏移；在其它实施例中，为了有效降低镜头的成本及体积，所述投影镜头可以采用玻塑混合的搭配，也能取得良好的成像效果及热稳定性。
17.在一些实施方式中，所述投影镜头满足条件式：20mm《bfl《30mm；120mm《td《140mm；其中，bfl表示所述投影镜头的像源面到第一透镜的入光面的轴上距离，td表示第七透镜的出光面到所述投影镜头的投影面的轴上距离，也即td表示所述投影镜头的投影距离。满足上述条件式，一方面使像源面与所述投影镜头的前端保持合适的距离，减少组装过程中不同部件间的干涉；另一方面使得所述投影镜头能够在距离120mm~140mm的屏幕上实现高清的投影，能够满足车载hud内部有限的空间。
18.在一些实施方式中，所述投影镜头满足条件式：0.9《f/(ih/tanθ)《1.1；（1）13.5 mm/rad《ih/θ《15.5 mm/rad；（2）其中，f表示所述投影镜头的有效焦距，θ表示所述投影镜头射出光线的最大半视场角，ih表示所述投影镜头在像源对面上对角线的一半。满足上述条件式（1）、（2），可以有效改善镜头的畸变，提高镜头在整个视场内的解析力。
19.在一些实施方式中，所述投影镜头满足条件式：bfl/ttl》0.3；（3）其中，ttl表示所述投影镜头的光学总长，即从所述像源面到投影镜头中第七透镜的出光面的轴上距离，bfl表示所述投影镜头的像源面到所述第一透镜的入光面的轴上距离。满足上述条件式（3），可以使像源面与投影镜头的前端保持较长的空间，保证其他光学
投影元件（如反射镜或分光器件）放置的空间，避免与其他元件机构产生干涉。
20.在一些实施方式中，所述投影镜头满足条件式：-3.0《r22/f2《-0.1；（4）其中，r22表示第二透镜的出光面的曲率半径，f2表示第二透镜的有效焦距。满足上述条件式（4），通过控制镜片的曲率半径来减小镜片边缘的倾斜角度，有利于镀膜均匀，降低高能量鬼影的产生。
21.在一些实施方式中，所述投影镜头满足条件式：0.35《φ1/φ《1；（5）0.3《φ2/φ《1；（6）其中，φ1表示第一透镜的光焦度，φ2表示第二透镜的光焦度，φ表示所述投影镜头的光焦度。满足条件式（5）和（6），通过合理设置第一、二透镜的光焦度占比，能够使经过第一透镜收集的像源侧的光线平缓地向第二透镜及镜头后方过渡，有利于后续镜片像差的矫正，提高镜头的成像品质。
22.在一些实施方式中，所述投影镜头满足条件式：-2＜φ5/φ＜-0.2；（7）-2＜φ6/φ＜-0.2；（8）0.2《φ7/φ《1；（9）其中，φ5表示第五透镜的光焦度，φ6表示第六透镜的光焦度，φ7表示第七透镜的光焦度，φ表示所述投影镜头的光焦度。满足上述条件式（7）至（9），可以合理分配第二群组内各透镜的正负光焦度占比，能够使光线经过第二群组后进行较大程度的发散，从而使投影画面的尺寸足够大，更好的满足车载hud的使用需求。
23.在一些实施方式中，所述投影镜头满足条件式：nd3》1.8，vd3《45；（12）nd4《1.7，vd4》50；（13）-1.5《φ3/φ4《-1；（14）其中，nd3表示第三透镜的材料折射率，vd3表示第三透镜的材料阿贝数，nd4表示第四透镜的材料折射率，vd4表示第四透镜的材料阿贝数，φ3表示第三透镜的光焦度，φ4表示第四透镜的光焦度。满足上述条件式（12）至（14），将具有高折射率低阿贝数的负光焦度的第三透镜和具有低折射率高阿贝数的正光焦度的第四透镜组合为粘合镜片，可以显著改善所述投影镜头的色差。
24.在一些实施方式中，所述投影镜头满足条件式：-15
×
10-6
/℃《 (dn/dt)1 (dn/dt)4 (dn/dt)6《-2
×
10-6
/℃；（15）其中，(dn/dt)1表示第一透镜的材料折射率温度系数，(dn/dt)4表示第四透镜的材料折射率温度系数，(dn/dt)6表示第六透镜的材料折射率温度系数。满足上述条件式（15），通过合理分配折射率温度系数为负的透镜材质，可有效弥镜头的补机械结构造成的热焦移，保证所述投影镜头在-40℃~ 105℃环境中具有稳定的成像性能。
25.下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在各个实施例中，投影镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。下述实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受下述实施例的限
制，其他的任何未背离本发明创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
26.在本发明各个实施例中，当投影镜头中的透镜为非球面透镜时，透镜的非球面面型均满足如下方程式：其中，z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c表示曲面顶点的曲率，k表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，b、c、d、e和f分别表示四阶、六阶、八阶、十阶和十二阶曲面系数。。
27.第一实施例请参阅图1，所示为本发明第一实施例中提供的投影镜头100的结构示意图，所述投影镜头100用于将像源面的光线投射至投影面。所述投影镜头100沿光线传播方向依次包括：具有正光焦度的第一群组q1，光阑st，具有负光焦度的第二群组q2。其中，第一群组q1沿光线传播方向依次包括：第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3、第四透镜l4；第二群组q2沿光线传播方向依次包括：第五透镜l5、第六透镜l6和第七透镜l7。设定光线进入的面为透镜的入光面，光线射出的面为透镜的出光面。
28.具体的，所述投影镜头100的第一透镜l1具有正光焦度，第一透镜的入光面s1和出光面s2均为凸面；第二透镜l2具有正光焦度，第二透镜的入光面s3为凹面，第二透镜的出光面s4为凸面；第三透镜l3具有负光焦度，第三透镜的入光面s5和出光面均为凹面，且第三透镜l3可采用高折射率低阿贝数的重镧火石材质；第四透镜l4具有正光焦度，第四透镜的入光面和出光面s7皆为凸面，且第四透镜l4可采用低折射率高阿贝数的冕玻璃材质；为更好矫正系统的色差，第三透镜l3的出光面和第四透镜l4的入光面胶合为粘合透镜，其粘合面为s6；第五透镜l5具有负光焦度，第五透镜的入光面s8和出光面s9均为凹面；第六透镜l6具有负光焦度，第六透镜的入光面s10和出光面s11均为凹面；第七透镜l7具有正光焦度，第七透镜的入光面s12和出光面s13均为凸面。
29.其中，第一透镜l1为玻璃非球面镜片，第二透镜l2、第三透镜l3、第四透镜l4、第五透镜l5、第六透镜l6和第七透镜l7均为玻璃球面镜片。
30.本实施例所提供的投影镜头100中各个透镜的相关参数如表1所示。
31.表1
本实施例中投影镜头100的非球面参数如表2所示。
32.表2在本实施例中，投影镜头100的畸变、在工作波段内的mtf及垂轴色差曲线图分别如图2、图3和图4所示。
33.由图2可以看出，投影镜头100在主波长的f-tanθ畸变在
±
1.5%以内，说明投影镜头100的畸变得到了良好的矫正。
34.由图3可以看出，所述投影镜头100在工作波段内，中心视场的mtf在90lp/mm时达到59%，边缘视场mtf在90lp/mm达到41%。说明投影镜头100在工作波段内具有高清的解像力。
35.由图4可以看出，所述投影镜头100在455nm、555nm和625nm波段处的垂轴色差皆不超过3μm，说明投影镜头100的垂轴色差得到良好的矫正。
36.第二实施例
请参阅图5，所示为本发明第二实施例中提供的投影镜头200的结构示意图，本实施例中投影镜头200的结构与第一实施例中的投影镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施例中的光学成像镜头的各透镜的曲率半径、厚度、材料选择不同。
37.具体的，本实施例中投影镜头200的第一透镜l1具有正光焦度，第一透镜的入光面s1和出光面s2均为凸面；第二透镜l2具有正光焦度，第二透镜的入光面s3为凸面，第二透镜的出光面s4为凸面；第三透镜l3具有负光焦度，第三透镜的入光面s5和出光面均为凹面；第四透镜l4具有正光焦度，第四透镜的入光面和出光面s7皆为凸面，且第三透镜l3的出光面和第四透镜l4的入光面胶合为粘合透镜，其粘合面为s6；第五透镜l5具有负光焦度，第五透镜的入光面s8为凹面，第五透镜的出光面s9为凸面；第六透镜l6具有负光焦度，第六透镜的入光面s10为凹面，第六透镜的出光面s11为凸面；第七透镜l7具有正光焦度，第七透镜的入光面s12为凹面，第七透镜的出光面s13为凸面。
38.其中，第一透镜l1为玻璃非球面镜片，第二透镜l2、第三透镜l3、第四透镜l4、第五透镜l5、第六透镜l6和第七透镜l7均为玻璃球面镜片。
39.投影镜头200的各个透镜的相关参数如表3所示。
40.表3
本实施例中投影镜头200的非球面参数如表4所示。
41.表4在本实施例中，投影镜头200的畸变、在工作波段内的mtf及垂轴色差曲线图分别如图6、图7和图8所示。
42.由图6可以看出，所述投影镜头200在主波长的f-tanθ畸变在
±
1.7%以内，说明投影镜头200的畸变得到了良好的矫正。
43.由图7可以看出，所述投影镜头200在的工作波段内，中心视场的mtf在90lp/mm时达到58%，边缘视场mtf在90lp/mm达到42%。说明投影镜头200在工作波段内具有高清的解像力。
44.由图8可以看出，所述投影镜头200的在455nm、555nm和625nm间的垂轴色差皆不超过3.5μm，说明投影镜头200的垂轴色差得到良好的矫正。
45.第三实施例
请参阅图9，所示为本发明第三实施例中提供的投影镜头300的结构示意图，本实施例中投影镜头300与第二实施例中的投影镜头200的结构大抵相同，不同之处在于，各透镜的曲率半径、厚度、材料选择有所不同，具体各个透镜的相关参数如表5所示。
46.表5本实施例中投影镜头300的非球面参数如表6所示。
47.表6在本实施例中，投影镜头300的畸变、在工作波段内的mtf及垂轴色差曲线图分别如图10、图11和图12所示。
48.由图10可以看出，所述投影镜头300在主波长的f-tanθ畸变在
±
1.5%以内，说明投影镜头300的畸变得到了良好的矫正。
49.由图11可以看出，所述投影镜头300在的工作波段内，中心视场的mtf在90lp/mm时达到64%，边缘视场mtf在50lp/mm达到42%。说明投影镜头300在工作波段内具有高清的解像力。
50.由图12可以看出，所述投影镜头300的在455nm、555nm和625nm间的垂轴色差皆不
超过3.0μm，说明投影镜头300的垂轴色差得到良好的矫正。
51.第四实施例请参阅图13，所示为本发明第四实施例中提供的投影镜头400的结构示意图，本实施例中投影镜头400与第一实施例中的投影镜头100的结构大抵相同，不同之处在于，本实施例中投影镜头400的第二透镜l2的入光面s3为凸面，第三透镜l3的入光面s5为凸面，第六透镜l6的出光面s11为凸面，第七透镜的入光面s12为凹面，以及各透镜的曲率半径、厚度，材料选择也不同，具体各个透镜的相关参数如表7所示。
52.表7本实施例中投影镜头400的非球面参数如表8所示。
53.表8在本实施例中，投影镜头400的畸变、在工作波段内的mtf及垂轴色差曲线图分别如图14、图15和图16所示。
54.由图14可以看出，所述投影镜头400在主波长的f-tanθ畸变在
±
1.5%以内，说明该镜头的畸变得到了良好的矫正。
55.由图15可以看出，所述投影镜头400在的工作波段内，中心视场的mtf在90lp/mm时达到68%，边缘视场mtf在90lp/mm达到50%。说明投影镜头400在工作波段内具有高清的解像力。
56.由图16可以看出，所述投影镜头400的在455nm、555nm和625nm间的垂轴色差在
±
3.5μm以内，说明投影镜头400的垂轴色差得到良好的矫正。
57.表9是上述四个实施例及其对应的光学特性，包括投影镜头的有效焦距f、光圈数f#、视场角2θ、光学总长ttl，以及与前面每个条件式对应的数值。
58.表9对于投影镜头来说，投射比是指投影距离与投影画面的水平尺寸之间的比值；该比值越小，说明相同的投影距离，投射画面的宽度越大。具体地，在上述各实施例中，投影镜头的投射比为1.45，表明所述投影镜头能够在较短的投影距离内投射较大的投影画面。
59.综合上述实施例，本发明所提供的投影镜头至少具有以下的优点：（1）本发明提供的投影镜头通过合理搭配七片玻璃透镜的材料及光焦度，可有效弥补机械结构造成的热焦移，使镜头在-40℃~ 105℃的环境下都具有优良的光学性能。
60.（2）本发明提供的投影镜头中光阑之前第一群组主要负责对光学系统像差的矫正，有利于光线平缓进入后续光学系统时，光阑之后的第二群组负责收集光线并放大至投影面，通过合理搭配光阑前后各透镜的选材搭配，能够使所述镜头具有高清的投影品质。
61.（3）本发明提供的投影镜头采用负光焦度的重镧火石镜片和正光焦度的冕玻璃镜片的粘合体，能够很好矫正系统的色差，避免投影镜头在投影成像时出现紫边或红边的现象。
62.第五实施例本发明第五实施例提供一种投影装置，所述投影装置包括图像源和上述任一实施例中的投影镜头（例如投影镜头100），所述图像源用于发射光线，所述投影镜头设于所述图像源的发射光线出射方向。
63.本实施例提供的投影装置包括投影镜头100，由于投影镜头100具有成像品质好、畸变低和色差小的优点，具有投影镜头100的投影装置也具有成像品质好、畸变低和色差小的优点。
64.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
65.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。