CN112379520A - 投影镜头及设置有该投影镜头的车载hud - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投影镜头及设置有该投影镜头的车载HUD，其中的投影镜头从放大端至缩小端依次包括：具有正焦距的第一透镜群、光阑、具有正焦距的第二透镜群、分光器件和像源；其中，第一透镜群包括从放大端至缩小端依次设置的第一镜片、第二镜片和第三镜片；第二透镜群包括从放大端至缩小端依次设置的第四镜片、第五镜片、第六镜片和第七镜片；像源侧的光线依次经过分光器件、第二透镜群、光阑和第一透镜群至物体侧成像；并且，投影镜头的投影距离范围为0.1m～0.12m。利用上述发明能够改善镜头跑焦的问题，实现近距离高质量的成像效果。

Description

投影镜头及设置有该投影镜头的车载HUD

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更为具体地，涉及一种投影镜头及设置有该投影镜头的车载HUD。

背景技术

随着科学技术的发展，投影技术愈加成熟，越来越多的领域用到了投影技术，相应地投影设备也朝着高亮度、小体积、高分率不断发展。

目前，大部分投影设备都是用于影音娱乐方面，专门用在汽车行业上的投影设备较少。例如，现有的汽车抬头显示器(HUD)，其像源一般采用TFT，为了追求更高的亮度以及防止阳光聚焦损伤电子元件，现在越来越多的采用投影设备作为像源。现有的投影设备主要包括投影光机，市面上的投影光机，大多数用于家庭影音或者广告投影，所以投影距离一般要求都在1米以上。由于车载HUD内部的空间有限，要求投影距离在0.1米左右，这使得市面上几乎没有相关产品能满足其使用要求。

此外，市面上的小体积便携式投影光机，为节省成本，光学镜片大多数采用玻璃与塑料的混合材料设计，由于塑料对温度、化学环境比较敏感，容易发生受热变形、氧化变黄等现象，严重影响投影的稳定性及投影质量。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种投影镜头及设置有该投影镜头的车载HUD，以解决目前HUD投影存在的投影质量差、稳定性低，不能满足近距离高精度投影等问题。

本发明提供的投影镜头，从放大端至缩小端依次包括：具有正焦距的第一透镜群、光阑、具有正焦距的第二透镜群、分光器件和像源；其中，第一透镜群包括从放大端至缩小端依次设置的第一镜片、第二镜片和第三镜片；第二透镜群包括从放大端至缩小端依次设置的第四镜片、第五镜片、第六镜片和第七镜片；像源侧的光线依次经过分光器件、第二透镜群、光阑和第一透镜群至物体侧成像；并且，投影镜头的投影距离范围为0.1m～0.12m。

此外，优选的技术方案是，第一镜片为具有正焦距双凸型球面镜，第二镜片为具有正焦距弯月型的玻璃透镜，第三镜片为具有负焦距平凹型的玻璃透镜。

此外，优选的技术方案是，第四镜片为具有正焦距的双凸型玻璃透镜，第五镜片为具有负焦距双凹型的玻璃透镜，第六镜片为具有正焦距弯月型的玻璃透镜，第七镜片为具有正焦距的双凸型球面透镜。

此外，优选的技术方案是，第一透镜群、光阑、第二透镜群、分光器件和像源均为玻璃制件。

此外，优选的技术方案是，第一镜片至像源的距离不大于48mm。

此外，优选的技术方案是，像源包括DMD、激光、LCOS或者LCD。

此外，优选的技术方案是，第一镜片的有效焦距的范围为55.5～57.5mm；第二镜片的有效焦距的范围为18.3～20.3mm；第三镜片的有效焦距的范围为-8.6～-6.6mm；第四镜片的有效焦距的范围为9.8mm～10.8mm；第五镜片的有效焦距的范围为-8.5～-6.5mm；第六镜片的有效焦距的范围为17.1～19.5mm；第七镜片的有效焦距的范围为17.5～19.5mm。

此外，优选的技术方案是，第一透镜群的焦距范围为13.3～16.3mm，第二透镜群的焦距范围为16.7～19.7mm。

根据本发明的另一方面，提供一种车载HUD，包括上述投影镜头。

利用上述投影镜头及设置有该投影镜头的车载HUD，通过由七个镜片形成的第一透镜群和第二透镜群，能够实现近距离的高精度投影；此外，还能够避免镜头在使用过程中出现的跑焦现象，产品稳定性高、投影效果好。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的投影镜头的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的投影镜头的各视场MFT图；

图3为根据本发明实施例的投影镜头的场曲评论和畸变评论图；

图4为根据本发明实施例的投影镜头的垂轴色差图。

其中的附图标记包括：第一镜片G1、第二镜片G2、第三镜片G3、第四镜片G4、第五镜片G5、第六镜片G6、第七镜片G7。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

为详细描述本发明的投影镜头及设置有该投影镜头的车载HUD，以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

图1示出了根据本发明实施例的投影镜头的示意结构。

如图1所示，本发明实施例的投影镜头，从放大端至缩小端，或者从物体段至像源端依次包括：具有正焦距的第一透镜群、光阑、具有正焦距的第二透镜群、分光器件和像源；其中，第一透镜群进一步包括从放大端至缩小端依次设置的第一镜片G1、第二镜片G2和第三镜片G3；第二透镜群进一步包括从放大端至缩小端依次设置的第四镜片G4、第五镜片G5、第六镜片G6和第七镜片G7；像源侧的光线依次经过分光器件、第二透镜群、光阑和第一透镜群至物体侧成像，投影镜头的投影距离范围可控制在0.1m～0.12m，能够适用于近距离的投影需求。

此外，还可以在分光器件和像源之间设置保护玻璃，保护玻璃的尺寸设置为不小于像源的尺寸，通过保护玻璃可对像源进行隔离防护；其中，该保护玻璃可以为像源自带玻璃，也可以为额外设置的保护装置。

具体地，分光器件可以采用分光棱镜或其它具有分光功能的器件。

在第一透镜群中，第一镜片G1为具有正焦距双凸型球面镜，第二镜片G2为具有正焦距弯月型的玻璃透镜，第三镜片G3为具有负焦距平凹型的玻璃透镜，第一透镜群整体呈正焦距。

在第二透镜群中，第四镜片G4为具有正焦距的双凸型玻璃透镜，第五镜片G5为具有负焦距双凹型的玻璃透镜，第六镜片G6为具有正焦距弯月型的玻璃透镜，第七镜片G7为具有正焦距的双凸型球面透镜，第二透镜群整体呈正焦距。

此外，为提高投影设备的稳定性，避免塑料材料带来的受热跑焦情况，在本发明的投影镜头中，第一透镜群、光阑、第二透镜群、分光器件、保护玻璃和像源均采用玻璃制件。

具体地，依次从放大端至缩小端排列，第一镜片G1的折射率nd＝1.77mm，阿贝系数vd＝49.6，采用玻璃材料制成的具有正光焦度双凸型透镜，两个表面均为球面，且曲率相同；

第二镜片G2的折射率nd＝1.85，阿贝系数vd＝23.8，为采用玻璃材料制成的具有正光焦度弯月形透镜，其中两面均朝向光阑的阑孔径方向，且两个表面均为球面；

第三镜片G3的折射率nd＝1.85，阿贝系数vd＝23.8，为采用玻璃材料制成的具有负光焦度平凹型透镜，两个表面均为球面；

第四镜片G4的折射率nd＝1.65，阿贝系数vd＝58.4，为采用玻璃材料制成的具有正光焦度双凸形透镜，曲率半径较小的面朝向光阑的阑孔径方向，且两个表面均为球面；

第五镜片G5的折射率nd＝1.85，阿贝系数vd＝23.8，为采用玻璃材料所制成的具有负光焦度双凹型透镜，其中曲率半径较小的面朝向光阑的阑孔径方向，且两个表面均为球面；

第六镜片G6的折射率nd＝1.65，阿贝系数vd＝58.4，为采用玻璃材料制成的具有正光焦度弯月型透镜，两个表面均朝向光阑的阑孔径方向，且两个面均为球面；

第七镜片G7的折射率nd＝1.85，阿贝系数vd＝23.8，为采用玻璃材料所制成的具有正光焦度的双凸型透镜，且两个表面均为球面。

在本发明的一个具体实施方式中，上述各镜片的焦距满足以下条件：

第一镜片G1的有效焦距的范围为55.5～57.5mm；第二镜片G2的有效焦距的范围为18.3～20.3mm；第三镜片G3的有效焦距的范围为-8.6～-6.6mm；第四镜片G4的有效焦距的范围为9.8mm～10.8mm；第五镜片G5的有效焦距的范围为-8.5～-6.5mm；第六镜片G6的有效焦距的范围为17.1～19.5mm；第七镜片G7的有效焦距的范围为17.5～19.5mm。

此外，第一透镜群的焦距范围为13.3～16.3mm，第二透镜群的焦距范围为16.7～19.7mm。

为有效提升投影镜头的光学性能，本发明的投影镜头的具体参数如下表1所示，其中的参数包含镜片的厚度、间距、折射率nd、阿贝系数vd，曲率半径R，数值孔径F/N0，其中，第一镜片G1的表面序号为S1和S2，其它各镜片以此类推。

表1

在本发明的另一具体实施方式中，投影镜头的整体结构紧凑，第一镜片G1至像源的距离不大于48mm，且第一透镜群和第二透镜群的镜片全为球面，易于加工，成像效果优异。

另外，本发明实施例的投影镜头的投影距离可控制在0.1m～0.12m之间，可适用于车载HUD等类似场景，像源侧则可选用DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜设备)、激光、LCOS(Liquid Crystal On Silicon，硅上液晶或片上液晶)或者LCD(liquid crystaldisplay，液晶显示)等。

图2示出了根据本发明实施例的投影镜头的各视场MFT图。

如图2所示，MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数)指标是目前镜头最精确和科学的评价标准。该图的纵坐标为对比度，其越接近1，表示投影镜头的成像越完美；横坐标代表分辨率，单位为每毫米线对数。作为具体实施例，本发明投影镜头采用的像源像素大小为5.4um，对应的设计分辨率为93线对每毫米。由于投影镜头一般至少要求各个视场的mtf数值的设计分辨率达到0.3以上，通过图2可知，本发明实施例的投影镜头的各个视场的mtf值基本均在0.58以上，成像质量非常高。

图3示出了根据本发明实施例的投影镜头的场曲评论和畸变评论图。

如图3所示，左侧为场曲评论图，横坐标代表场曲值的大小，纵坐标代表该镜头的视场角度；右侧为畸变评论图，横坐标代表畸变量，纵坐标代表该镜头的视场角度。其中，畸变是投影镜头的一个非常重要的指标，一般需要控制在3％以内，本发明实施例的投影镜头的畸变量控制在1.5％以内，畸变控制十分优异。

图4示出了根据本发明实施例的投影镜头的垂轴色差图。

如图4所示，投影镜头的垂轴色差图的纵坐标为像高视场值大小，横坐标为数值大小，单位为微米。该图中以主波长为基准，分别绘制蓝光(右侧曲线)、红光(左侧曲线)与主波长绿光(中间竖直线虚线)之间各视场的色差值。目前，投影镜头一般要求色差值在一个像源像素大小以内，本发明实施例的投影镜头的垂轴色差控制在4.2um以内，小于0.6个像素大小(像素大小7.5um)，色差控制也是十分优秀。

与上述投影镜头相对应，本发明还提供一种车载HUD，包括设置在HUD上的上述投影镜头。

利用上述根据本发明的投影镜头及设置有该投影镜头的车载HUD，具有以下优点：

1、投影镜头整体结构紧凑，尺寸小，第一镜片至像源的距离不大于48mm，成像效果优异；

2、投影镜头采用玻璃材质，能够有效改善受热跑焦的问题，产品稳定性高，且各镜片均采用球面，加工方便；

3、投影镜头的投影距离在0.1m至0.12m之间，可有效满足HUD的内部空间要求；

4、投影镜头采用七个镜片的结构，每个镜片均衡承担部分像查，能够降低公差对像质的影响，提高投影镜头的量产率。

如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的投影镜头及设置有该投影镜头的车载HUD。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的投影镜头及设置有该投影镜头的车载HUD，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (9)

1.一种投影镜头，其特征在于，从放大端至缩小端依次包括：具有正焦距的第一透镜群、光阑、具有正焦距的第二透镜群、分光器件和像源；其中，

所述第一透镜群包括从放大端至缩小端依次设置的第一镜片、第二镜片和第三镜片；

所述第二透镜群包括从放大端至缩小端依次设置的第四镜片、第五镜片、第六镜片和第七镜片；

所述像源侧的光线依次经过所述分光器件、所述第二透镜群、所述光阑和所述第一透镜群至物体侧成像；并且，

所述投影镜头的投影距离范围为0.1m～0.12m。

2.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，

所述第一镜片为具有正焦距双凸型球面镜，所述第二镜片为具有正焦距弯月型的玻璃透镜，所述第三镜片为具有负焦距平凹型的玻璃透镜。

3.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，

所述第四镜片为具有正焦距的双凸型玻璃透镜，所述第五镜片为具有负焦距双凹型的玻璃透镜，所述第六镜片为具有正焦距弯月型的玻璃透镜，所述第七镜片为具有正焦距的双凸型球面透镜。

4.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，

所述第一透镜群、所述光阑、所述第二透镜群、所述分光器件和所述像源均为玻璃制件。

5.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，

所述第一镜片至所述像源的距离不大于48mm。

6.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，

所述像源包括DMD、激光、LCOS或者LCD。

7.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，

所述第一镜片的有效焦距的范围为55.5～57.5mm；

所述第二镜片的有效焦距的范围为18.3～20.3mm；

所述第三镜片的有效焦距的范围为-8.6～-6.6mm；

所述第四镜片的有效焦距的范围为9.8mm～10.8mm；

所述第五镜片的有效焦距的范围为-8.5～-6.5mm；

所述第六镜片的有效焦距的范围为17.1～19.5mm；

所述第七镜片的有效焦距的范围为17.5～19.5mm。

8.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，

所述第一透镜群的焦距范围为13.3～16.3mm，所述第二透镜群的焦距范围为16.7～19.7mm。

9.一种车载HUD，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的投影镜头。

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