CN104007541A - 一种变形投影镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变形投影镜头，该投影镜头由基本投影透镜组和变形透镜组组成，所述变形镜组含有柱面透镜，变形镜组在子午截面方向和弧矢截面方向具有不同的放大率，投影图像的垂直方向相对于水平方向被压缩，纵向压缩的图像继而投射到合成器上，其中该合成器的竖直方向的放大率大于水平方向的放大率，以补偿柱面变形镜头对投影图像的纵向压缩。变形投影镜头用于汽车抬头显示系统有效得减小了反射镜的高度，有利于抬头显示系统整体厚度的减小。

Description

一种变形投影镜头

技术领域

本发明涉及一种变形投影镜头，属于光学成像技术领域。

背景技术

汽车抬头显示系统HUD的出现增加了行车的安全性。由于驾驶舱的空间有限，抬头显示系统HUD结构日趋紧凑，其厚度也在不断减小。

然而，传统的抬头显示系统中用于转折光路的反射镜尺寸，特别是竖直高度过大，这一因素限制了抬头显示系统HUD厚度的进一步缩小。如果解除这一限制，就可以有效减小抬头显示装置的厚度，使其结构紧凑、轻巧便携。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于提出一种减小了子午面内的成像高度的变形投影镜头，本发明还有一目的在于提供该变形投影镜头的应用。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明提出一种变形投影镜头，该镜头从投影成像面到显示芯片方向依次包括变形镜组和基本投影镜组，所述变形镜组从投影成像面到显示芯片方向依次包括具有正光焦度的第一柱面透镜、具有负光焦度的非球面透镜和具有负光焦度的第二柱面透镜，所述基本投影镜组从投影成像面到显示芯片方向依次包括一个第一透镜、一个第二透镜和一个第三透镜，所述第一透镜是具有正光焦度的非球面透镜，所述第二透镜是具有负光焦度的胶合透镜，所述第三透镜是具有正光焦度的非球面透镜，该变形投影镜头满足条件式：

2.25＜f_y/f_x＜2.27

0.08＜f_11y/f_1y＜0.1

-0.2＜f_13y/f_1y＜-0.14

-4.5＜f_13x/f_1x＜-4.2

3.5＜f₂₁/f₂＜3.8

-3.7＜f₂₂/f₂＜-3.2

0.9＜f₂₃/f₂＜1.2

其中，f_y、f_x分别为变形投影镜头在子午方向和弧矢方向的组合焦距，f_11y、f_13y分别为第一柱面透镜和第二柱面透镜在子午方向的焦距，f_13x为第二柱面镜在弧矢方向的焦距，f_1y、f_1x分别为变形镜组在子午方向和弧矢方向的组合焦距，f₂₁、f₂₂、f₂₃分别为基本投影镜组中的第一透镜、第二透镜、第三透镜的焦距，f₂为基本投影镜组的组合焦距。

本发明所述第一柱面透镜为平凸柱面透镜，凸面朝向成像面，平面朝向显示芯片；所述非球面透镜为凹凸透镜，凹面朝向成像面，凸面朝向显示芯片；所述第二柱面透镜为凹凸胶合镜，所述胶合面为球面，凸面朝向成像面，凹面朝向显示芯片；所述第一透镜为凹凸透镜，凸面朝向成像面，凹面朝向显示芯片；所述第二透镜为凹凸胶合镜，凹面朝向成像面，凸面朝向显示芯片，胶合面为平面；所述第三透镜为非球面透镜，所述非球面镜为双凸透镜。

本发明所述非球面可以由下式描述：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+A_2{r}^2+A_4{r}^4+A_6{r}^6+A_8{r}^8$

其中c为曲率，k为锥面度，A2到A8为多项式系数，各参数的具体设置以满足设计为准。

本发明所述第一柱面透镜和第二柱面透镜的柱面母线为圆弧的截面平行于子午截面，即通过光轴和16:9显示芯片图像源短边的截面，子午截面方向上具有光焦度；柱面母线为直线的截面平行于弧矢截面，即通过光轴和16:9显示芯片图像源长边的截面，弧矢截面方向上没有光焦度。

本发明所述变形投影镜头的变形比为1.9～2.1，所述变形比为弧矢方向的放大倍率与子午方向的放大倍率之比。

本发明所述变形投影镜头的变形比为1.932。

本发明所述变形投影镜头用于汽车抬头显示系统。

有益效果：

1、本发明的变形投影镜头由基本投影透镜组和变形透镜组组成，其中变形镜组含有柱面透镜，柱面透镜母线为圆弧的截面平行于子午截面，即通过光轴和16:9图像源短边的截面；柱面透镜母线为直线的截面平行于弧矢截面，即通过光轴和16:9图像源长边的截面，变形镜组在子午截面方向和弧矢截面方向具有不同的放大率，投影图像的垂直方向相对于水平方向被压缩，纵向压缩后的投影图像经反射镜转折后成像在抬头显示系统的中继成像面上，纵向压缩的图像继而投射到合成器上，其中该合成器的竖直方向的放大率大于水平方向的放大率，以补偿柱面变形镜头对投影图像的纵向压缩。

2、本发明的变形投影镜头应用于汽车抬头显示系统，通过变形投影镜头的设计，减小了子午面内的成像高度，进而有效的缩小了抬头显示系统的尺寸，因此可以获得厚度更薄的抬头显示系统。

附图说明

图1为本发明实施例的抬头显示系统的光路示意图。

标识说明：1-投影机；2-反射镜；3-中继成像面；4-合成器；5-抬头显示系统。

图2为本发明实施例的变形投影镜头子午截面示意图。

标识说明：11-正光焦度的柱面透镜；12-非球面透镜；13-负光焦度的柱面透镜；21-正光焦度的非球面透镜；22-负光焦度的胶合透镜；23-正光焦度的非球面透镜。

图3为本发明实施例的变形投影镜头弧矢截面示意图。

标识说明：11-正光焦度的柱面透镜；12-非球面透镜；13-负光焦度的柱面透镜；21-正光焦度的非球面透镜；22-负光焦度的胶合透镜；23-正光焦度的非球面透镜。

图4为本发明实施例的变形投影镜头的传递函数图。

图5为本发明实施例的变形投影镜头RMS光斑半径与视场图。

图6为本发明实施例的变形投影镜头光扇图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

以下对本发明变形投影镜头的实施方式作进一步的说明。实施方式例子只是为了更好的说明本发明的实现方法和解释可能的设计思路。描述中使用的语言不造成对本发明权利要求的限制。

如图1所示，实线代表由普通投影镜头投影时，光线由投影机到成像面的光路走向；虚线代表由变形投影镜头投影时，光线由投影机到成像面的光路走向。当未对投影图像进行纵向压缩时，反射镜2的高度为a，整个抬头显示装置5的厚度为A；当使用变形投影镜头对投影图像进行纵向压缩后，反射镜2的高度为b，整个抬头显示装置5的厚度为B。显然，在应用柱面变形镜头进行投影时，反射镜2的高度明显减小，进而柱面变形投影镜头可以解决反射镜的大尺寸制约抬头显示装置HUD体积无法减小的问题。

如图2和图3所示，变形投影镜头由变形透镜组1和基本投影透镜组2组成，且从投影成像面到显示芯片方向依次包含：具有正光焦度的第一柱面透镜11，具有负光焦度的非球面透镜12，具有负光焦度的第二柱面透镜13，具有正光焦度的非球面透镜21，具有负光焦度的胶合透镜22，具有正光焦度的非球面透镜23。

在变形镜组1中：

1)具有正光焦度的第一柱面透镜11，该柱面镜为平凸柱面透镜，且凸面朝向成像面，平面朝向显示芯片；

2)具有负光焦度的非球面透镜12，该球面镜为凹凸透镜，凹面朝向成像面，凸面朝向显示芯片；

3)具有负光焦度的第二柱面透镜13，该柱面镜为凹凸胶合镜，其中胶合面为球面，凸面朝向成像面，凹面朝向显示芯片；

在基本投影镜组2中：

4)具有正光焦度的非球面透镜21，该非球面镜为凹凸透镜，凸面朝向成像面，凹面朝向显示芯片；

5)具有负光焦度的胶合透镜22，该胶合镜为凹凸胶合镜，凹面朝向成像面，凸面朝向显示芯片，胶合面为平面；

6)具有正光焦度的非球面透镜23，该非球面镜为双凸透镜。

柱面透镜母线为弧线的截面具有光焦度，对光线有会聚或发散作用；柱面透镜母线为直线的截面光焦度为0，对光线没有会聚或发散作用。柱面透镜母线为圆弧的截面平行于子午截面，即通过光轴和16:9图像源短边的截面；柱面透镜母线为直线的截面平行于弧矢截面，即通过光轴和16:9图像源长边的截面。显示芯片图像源经此变形镜头投影时在子午截面方向和弧矢截面方向具有不同的放大倍率。光调制器DMD将来自照明模块(图未示出)的光束进行处理，并投射出宽高比为16:9的图像。基本投影镜头接收此图像并投射出具有正常宽高比，即16:9的图像，然后变形镜组接收并对此图像进行变形投影，将具有正常宽高比的图像折射为具有另一宽高比的图像，变形比为弧矢方向的放大倍率/子午方向的放大倍率，此变形比为1.932。

变形投影镜头满足如下条件：

2.25＜f_y/f_x＜2.27

0.08＜f_11y/f_1y＜0.1

-0.2＜f_13y/f_1y＜-0.14

-4.5＜f_13x/f_1x＜-4.2

3.5＜f₂₁/f₂＜3.8

-3.7＜f₂₂/f₂＜-3.2

0.9＜f₂₃/f₂＜1.2

其中，f_y、f_x分别为变形投影镜头在子午方向和弧矢方向的组合焦距，f_11y、f_13y分别为第一柱面透镜和第二柱面透镜在子午方向的焦距，f_13x为第二柱面镜在弧矢方向的焦距，f_1y、f_1x分别为变形镜组在子午方向和弧矢方向的组合焦距，f₂₁、f₂₂、f₂₃分别为基本投影镜组中的第一透镜、第二透镜、第三透镜的焦距，f₂为基本投影镜组的组合焦距。

本发明变形镜组由具有正光焦度的柱面透镜11、非球面透镜12和具有负光焦度的柱面透镜13组成，正柱面透镜在前，负柱面透镜在后，非球面透镜位于两片柱面镜之间。其中负柱面透镜为胶合镜，且胶合面为球面。正柱面透镜与负柱面透镜的搭配使用有利于减小象散，使得图像在子午面方向与弧矢面方向具有相同的聚焦位置，成像重合。柱面胶合镜的胶合面为球面，以平衡柱面引起的像差。非球面镜12帮助实现在预定位置聚焦，且有利于平衡像差。透镜21与透镜22之间设置有光阑，用于限制成像光束的大小，且可有效降低慧差的影响。投影镜头中非球面的应用有利于平衡球差等像差，提高成像质量。

投影镜头系统中使用远心光路设计以增大投影镜头的光学孔径。

所述的投影镜头中的非球面可以由下式描述：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+A_2{r}^2+A_4{r}^4+A_6{r}^6+A_8{r}^8$

其中c为曲率，k为锥面度，A₂到A₈为多项式系数，各参数的具体设置以满足设计为准。

变形投影镜头的各光学元件满足表1的条件。表中R为对应表面的曲率半径，T为对应表面到后一表面的轴上距离，N_d为对应透镜组对d光的折射率，V_d为d光在对应镜头组的阿贝数，k为对应非球面的锥面度。

表1：

表面	面型	R(mm)	T(mm)	Nd	Vd	k
							S1	柱面	44.854	4.56	1.71	67.0	-
S2	柱面	Infinity	3.350	-	-	-
							S3	非球面	-32.429	6.209	1.79	62.9	-0.470
S4	非球面	-50.407	14.586	-	-	3.532
							S5	柱面	10.417	3.280	1.60	68.1	-
S6	球面	14.706	2.138	1.55	38.2	-
							S7	柱面	7.059	8.271	-	-	-
S8	非球面	4.665	2.050	1.59	29.9	0.794
							S9	非球面	5.114	0.401	-	-	-1.035

S10	光阑	-	3.681	-	-	-
							S11	球面	-2.746	0.500	1.78	25.7	-
S12	球面	Infinity	2.550	1.80	46.6	-
							S13	球面	-4.667	0.987	-	-	-
S14	非球面	12.100	3.640	1.53	56.0	-4.444
							S15	非球面	-7.377	1.928	-	-	-2.656

图4、图5、图6分别为本发明变形投影镜头的传递函数图、RMS光斑半径与视场图和光扇图，分别针对F线、d线和C线进行模拟计算。总体而言，本发明变形投影镜头的MTF值在0.2以上，为人眼可分辨的能力之上；RMS光斑半径均小于7μm，在像素大小范围之内；相对主光线的光线像差控制在50μm范围以内。可以看到设计合理的平衡了像差，镜头设计满足成像质量要求。

本实施例的变形投影镜头应用于汽车抬头显示系统，减小了子午面内的成像高度，有效的缩小了抬头显示系统的尺寸，可以获得厚度更薄的抬头显示系统。

Claims (9)

1.一种变形投影镜头，其特征在于：所述变形投影镜头从投影成像面到显示芯片方向依次包括变形镜组和基本投影镜组，所述变形镜组从投影成像面到显示芯片方向依次包括具有正光焦度的第一柱面透镜、具有负光焦度的非球面透镜和具有负光焦度的第二柱面透镜，所述基本投影镜组从投影成像面到显示芯片方向依次包括一个第一透镜、一个第二透镜和一个第三透镜，所述第一透镜是具有正光焦度的非球面透镜，所述第二透镜是具有负光焦度的胶合透镜，所述第三透镜是具有正光焦度的非球面透镜，该变形投影镜头满足条件式：

2^.25＜f_y/f_x＜2.27

0^.08＜f_11y/f_1y＜0.1

-0.2＜f_13y/f_1y＜-0.14

-4.5＜f_13x/f_1x＜-4.2

3.5＜f₂₁/f₂＜3.8

-3.7＜f₂₂/f₂＜-3.2

0.9＜f₂₃/f₂＜1.2

其中，f_y、f_x分别为变形投影镜头在子午方向和弧矢方向的组合焦距，f_11y、f_13y分别为第一柱面透镜和第二柱面透镜在子午方向的焦距，f_13x为第二柱面镜在弧矢方向的焦距，f_1y、f_1x分别为变形镜组在子午方向和弧矢方向的组合焦距，f₂₁、f₂₂、f₂₃分别为基本投影镜组中的第一透镜、第二透镜、第三透镜的焦距，f₂为基本投影镜组的组合焦距。

2.根据权利要求1所述的一种变形投影镜头，其特征在于：所述第一柱面透镜为平凸柱面透镜，凸面朝向成像面，平面朝向显示芯片；所述非球面透镜为凹凸透镜，凹面朝向成像面，凸面朝向显示芯片；所述第二柱面透镜为凹凸胶合镜，所述胶合面为球面，凸面朝向成像面，凹面朝向显示芯片；所述第一透镜为凹凸透镜，凸面朝向成像面，凹面朝向显示芯片；所述第二透镜为凹凸胶合镜，凹面朝向成像面，凸面朝向显示芯片，胶合面为平面；所述第三透镜为非球面透镜，所述非球面镜为双凸透镜。

3.根据权利要求1所述的一种变形投影镜头，其特征在于：所述非球面可以由下式描述：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+A_2{r}^2+A_4{r}^4+A_6{r}^6+A_8{r}^8$

其中c为曲率，k为锥面度，A₂到A₈为多项式系数，各参数的具体设置以满足设计为准。

4.根据权利要求1所述的一种变形投影镜头，其特征在于：所述第一柱面透镜和第二柱面透镜的柱面母线为圆弧的截面平行于子午截面，即通过光轴和16:9显示芯片图像源短边的截面，子午截面方向上具有光焦度；柱面母线为直线的截面平行于弧矢截面，即通过光轴和16:9显示芯片图像源长边的截面，弧矢截面方向上没有光焦度。

5.根据权利要求1所述的一种变形投影镜头，其特征在于：所述变形投影镜头的变形比为1.9～2.1，所述变形比为弧矢方向的放大倍率与子午方向的放大倍率之比。

6.根据权利要求1所述的一种变形投影镜头，其特征在于：所述变形比为1.932。

7.根据权利要求1所述的一种变形投影镜头，其特征在于：所述变形投影镜头的MTF值在0.2以上；所述变形投影镜头的RMS光斑半径均小于7μm；所述变形投影镜头的相对主光线的光线像差控制在50μm范围以内。

8.根据权利要求1所述的一种变形投影镜头，其特征在于：所述变形镜组由具有正光焦度的柱面透镜(11)、非球面透镜(12)和具有负光焦度的柱面透镜(13)组成；正柱面透镜在前，负柱面透镜在后，非球面透镜位于两片柱面镜之间。

9.根据权利要求1至8任一所述的一种变形投影镜头，其特征在于：所述变形投影镜头应用于汽车抬头显示系统。