CN112882211A - 一种大孔径的四片式光学镜头 - Google Patents

一种大孔径的四片式光学镜头 Download PDF

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Abstract

本发明系提供一种大孔径的四片式光学镜头，包括依次设置的具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜和具有正光焦度的第四透镜，S8面远离S7面的一侧设有S9面，S1面的一侧或S2面与S3面之间设有孔径光阑，S7面处设有渐晕光阑；|ST‑Fobj|＜0.7f0；di＞0.9dj，i＜j；|r4|＜|r3|，|r7|＜|r8|，第四透镜的等效焦距大于第三透镜的等效焦距，第四透镜的等效焦距大于第一透镜的等效焦距；G67＜G23。本发明中各个透镜对轴向公差的敏感性低，装配难度低；通过增大数值孔径来提高能量利用率，可有效提高配光亮度，具有良好的画像解析度。

Description

一种大孔径的四片式光学镜头
技术领域
本发明涉及光学镜头，具体公开了一种大孔径的四片式光学镜头。
背景技术
传统技术中，采用投影原理的车大灯镜头由光源、光能收集元件、明暗截止线结构和凸透镜的组合而成。
现在新发展的像素大灯，也称之为矩阵式大灯，使用了灯光数字投影技术，使得车大灯不仅仅有照明功能，还能在地面投影图案，如天气情况、道路导航，或是其他供车外人员识别的符号。像素大灯的光学系统主要包括可以发光的像元(如mini LED、microLED、LCD液晶屏、LCOS或是被点亮的DMD数字微镜)和投射的光学镜头。为了使投影图案清晰可见，镜头需要实现良好的光学性能：消除色差、场曲、像散等多种光学像差。
现有技术中的光学镜头需要恰当地组合多片正负透镜的联合使用，从而消除像差。具体使用的光学透镜数量与光学镜头的参数、性能指标以及使用的光学材料和光学工艺相关，稍微复杂的光学镜头的透镜数量可以达10片以上，目前用于手机的光学镜头中透镜的数量多为6片以上，成本高。
传统技术中库克三片式镜头的成像质量难以满足要求，如图1所示为经典的四片三组式天塞镜头，该镜头由库克三片式镜头演变而成，即最后一组的单凸透镜变为一片双胶合镜片。天塞镜头成像锐利，对多种像差都有不错的校正，但原始设计的数值孔径较小，一般只有0.125左右，不超过0.2，这意味着光能利用率极低，且透镜装配使用时需要非常精确的调整，容差率小，使用要求高，四片式双高斯镜头同样存在上述问题。
像素大灯兼具照明与成像的功能，一方面需要更高的能量利用率，需要的亮度更高，另一方面投影的成像具有一定的像质要求，尤其需要低色差。此外，由于汽车应用的特殊性，光学镜头需要具备更高的热学可靠性、更好的震动可靠性和更轻的质量，为进一步提高市场竞争力，同时需求更低的成本。
现有技术中的光学镜头无法同时满足高能量利用率、高成像品质、结构简单稳定和低成本的性能需求。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术问题，提供一种大孔径的四片式光学镜头，能量利用率高、成像品质高、结构简单稳定、制作使用成本低。
为解决现有技术问题，本发明公开一种大孔径的四片式光学镜头，包括依次设置的具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜和具有正光焦度的第四透镜，第一透镜的两面分别为S1面和S2面，第二透镜的两面分别为S3面和S4面，第三透镜的两面分别为S5面和S6面，第四透镜的两面分别为S7面和S8面，S1面、S2面、S3面、S4面、S5面、S6面、S7面和S8面依次排列，S8面远离S7面的一侧设有S9面，S1面的一侧或S2面与S3面之间设有孔径光阑，S7面处设有渐晕光阑，S1面、S2面、S5面、S6面和S7面均为凸面，S4面为凹面；
孔径光阑与镜头的物方焦点之间的距离为|ST-Fobj|，镜头的等效焦距为f0，|ST-Fobj|<0.7f0；
S1面至S8面的口径d满足以下关系：di>0.9dj，i<j，i取1～7的整数，j取2～8的整数；
S3面的曲率半径为r3，S4面的曲率半径r4，|r4|<|r3|，S7面的曲率半径为r7，S8面的曲率半径为r8，|r7|<|r8|，第四透镜的等效焦距大于第三透镜的等效焦距，第四透镜的等效焦距大于第一透镜的等效焦距；
S6面和S7面的中心间距为G67，S2面与S3面的中心间距为G23，G67<G23。
进一步的，镜头的后截距大于2mm。
进一步的，S8面为平面或凹面。
进一步的，S1面、S2面、S3面、S4面、S5面、S6面、S7面和S8面为球面或非球面。
进一步的，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜为单透镜或胶合透镜。
进一步的，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜为玻璃透镜或塑胶透镜。
进一步的，第一透镜的阿贝数为Vd1，第二透镜的阿贝数为Vd2，第三透镜的阿贝数为Vd3，第四透镜的阿贝数为Vd4，Vd1-Vd2>25，Vd3-Vd2>25，Vd4-Vd2>25。
本发明的有益效果为：本发明公开一种大孔径的四片式光学镜头，镜头中所使用的透镜仅有四个，制作成本低，整体结构简单稳定，抗震性能好、镜头质量轻，各个透镜装配时对轴向公差的敏感性低，容差率大，装配难度低，装配成本低；通过增大数值孔径来提高能量利用率，可有效提高配光亮度，应用于投影成像系统时，且本光学镜头具有良好的色散性能，具有良好的画像解析度，即成像品质高。
附图说明
图1为天塞镜头透镜系统的结构示意图。
图2为本发明实施例一的结构示意图。
图3为本发明实施例一的像散与场曲曲线和畸变曲线图。
图4为本发明实施例一的轴上色差曲线图。
图5为本发明实施例一的MTF曲线图。
图6为本发明实施例二的结构示意图。
图7为本发明实施例二的像散与场曲曲线和畸变曲线图。
图8为本发明实施例二的轴上色差曲线图。
图9为本发明实施例二的MTF曲线图。
附图标记为：第一透镜10、S1面11、S2面12、第二透镜20、S3面21、S4面22、第三透镜30、S5面31、S6面32、第四透镜40、S7面41、S8面42、S9面50、孔径光阑60、渐晕光阑70。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参考图1至图9。
本发明基础实施例公开一种大孔径的四片式光学镜头，包括沿光入射方向依次设置的具有正光焦度的第一透镜10、具有负光焦度的第二透镜20、具有正光焦度的第三透镜30和具有正光焦度的第四透镜40，第一透镜10的两面分别为S1面11和S2面12，第二透镜20的两面分别为S3面21和S4面22，第三透镜30的两面分别为S5面31和S6面32，第四透镜40的两面分别为S7面41和S8面42，S1面11、S2面12、S3面21、S4面22、S5面31、S6面32、S7面41和S8面42沿光入射方向依次排列，S8面42远离S7面41的一侧设有S9面50，S9面50为像面，即S9面50位于整个光学镜头的像焦点处，S1面11的一侧或S2面12与S3面21之间设有孔径光阑60，理想状态下，孔径光阑60位于S1面11远离S2面12的一侧，应用于车灯镜头时，考虑到造型设计的需要，可设置孔径光阑60位于S2面12与S3面21之间，能够将孔径光阑60的结构体隐藏在镜头内部，在车灯镜头外不会观察到孔径光阑60的结构体，S7面41处设有渐晕光阑70，渐晕光阑70一般为透镜框，S1面11、S2面12、S5面31、S6面32和S7面41均为凸面，S4面22为凹面；
孔径光阑60与整个光学镜头的物方焦点之间的距离为|ST-Fobj|，ST代表孔径光阑60与整个光学镜头中心之间的距离，Fobj代表整个光学镜头物方焦点与整个光学镜头中心之间的距离，整个光学镜头的等效焦距为f0，由于实际应用时，整个光学镜头的物方焦点可能在第一透镜10的内部，因此孔径光阑60设置在整个光学镜头的物方焦点附近，即满足下式：|ST-Fobj|<0.7f0；
S1面11至S8面42的口径d1～d8满足以下关系：di>0.9dj，i<j，i取1～7的整数，j取2～8的整数，d为对应光学面的口径大小，沿光入射的方向，S1面11至S8面42的口径变化基本符合逐渐减小的趋势；
S3面21的曲率半径为r3，S4面22的曲率半径r4，|r4|<|r3|，S7面41的曲率半径为r7，S8面42的曲率半径为r8，|r7|<|r8|，第四透镜40的等效焦距大于第三透镜30的等效焦距，即f4>f3，第四透镜40的等效焦距大于第一透镜10的等效焦距，即f4>f1；
S6面32和S7面41的中心间距为G67，S2面12与S3面21的中心间距为G23，G67<G23。
工作时，光线依次到达S1面11、S2面12、S3面21、S4面22、S5面31、S6面32、S7面41、S8面42和S9面50。本发明的光学镜头能够显著提升车前照灯的色散性能，并降低透镜装配时对轴向公差的敏感性，装配容错率高，装配难度低。
基于经典的库克三片式变体的天塞镜头，如图1所示，一般设置孔径光阑在中间镜片处，可通过结构上的对称降低或校正常见的像差，如场曲、像散、色差等。但采用此结构一方面会导致用于描述整体光能利用率大小的数值孔径较小，另一方面还会导致大视场的主光线在像面处的入射角CRA很大，一般光源的发光强度满足朗伯余弦定律，在0度位置的光强最大，60度位置衰减至0.5，90度位置则为0，由于入射角CRA较大，意味着对于同样大小的立体角，该透镜系统得到的能量更低。
本发明将孔径光阑60设置在光学镜头的物方焦点处，从而能够形成像方远心光路，从而各视场的主光线平行，即各视场的主光线在像面即S9面50处的入射角CRA均为0，这意味着对于相同大小的立体角，本发明的能量利用率更高。实际应用时，孔径光阑60设置光学镜头的物方焦点附近，而各视场的主光线在像面即S9面50处的入射角均小于20°，能量的利用率高。
在本实施例中，光学镜头的后截距大于2mm，即S8面42和S9面50之间的距离大于2mm，由于应用时光源工作会产生一定热量，具有四片透镜的光学镜头设置足够大的后截距能够有效避免零件因受热而发生变形等问题。
在本实施例中，S8面42为平面或凹面。
在本实施例中，S1面11、S2面12、S3面21、S4面22、S5面31、S6面32、S7面41和S8面42为球面或非球面，即S1面11～S8面42可以均为球面，或S1面11～S8面42均为非球面，或S1面11～S8面42中存在球面和非球面，非球面是理性的设计面型。
在本实施例中，第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40为单透镜或胶合透镜，即第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40可以均为单透镜，或第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40均为胶合透镜，或第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40中存在单透镜和胶合透镜，胶合透镜又称消色差透镜，是由两个单透镜通过胶合而成，在复色成像的性能比单透镜性能提高了许多。
在本实施例中，第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40为玻璃透镜或塑胶透镜，即第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40可以均为玻璃透镜，或第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40均为塑胶透镜，或第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40中存在玻璃透镜和塑胶透镜。
在本实施例中，第一透镜10的阿贝数为Vd1，第二透镜20的阿贝数为Vd2，第三透镜30的阿贝数为Vd3，第四透镜40的阿贝数为Vd4，Vd1-Vd2>25，Vd3-Vd2>25，Vd4-Vd2>25。
实施例一，光学镜头结构如图2所示，根据下表1、表2、表3和表4设置光学镜头。
表1，实施例一各表面的参数
表面序号 表面类型 曲率半径r(mm) 厚度(mm) 折射率n 阿贝数Vd 口径d
物面 球面 无穷 25000
孔径光阑 球面 无穷 0.00 41.88
S1 非球面 46.83 15.42 1.492 57.98 41.89
S2 非球面 -10.40 4.50 41.08
S3 非球面 20.42 2.43 1.584 27.86 30.35
S4 非球面 4.62 6.56 25.75
S5 球面 20.99 13.80 1.487 70.42 26.50
S6 球面 -30.17 0.09 25.59
S7 球面 17.96 11.24 1.755 52.30 20.65
S8 球面 54.09 4.31 14.42
S9 球面 无穷 0.00 10.00
非球面表达式如下：
Figure BDA0002903818460000061
其中z为非球面上r位置的矢高，c为非球面的近轴曲率，c＝1/r，r为曲率半径，k为圆锥系数，A～J为高阶次项系数。
表2，实施例一各非球面参数
Figure BDA0002903818460000062
表3，实施例一光学镜片的设计参数
Figure BDA0002903818460000063
表4，实施例一的约束关系
Figure BDA0002903818460000064
Figure BDA0002903818460000071
综上，可知实施例一的数值孔径达到0.74，远大于天塞镜头的0.125，显著提升了能量的利用率。实施例一的像散与场曲曲线和畸变曲线如图3所示，轴上色差曲线如图4所示，MTF(调制传递函数)曲线如图5所示，可知本光学镜头应用于投影成像系统时具有良好的成像品质。
实施例二，光学镜头结构如图6所示，根据下表5、表6、表7和表8设置光学镜头。
表5，实施例二各表面的参数
Figure BDA0002903818460000072
非球面表达式如下：
Figure BDA0002903818460000073
其中z为非球面上r位置的矢高，c为非球面的近轴曲率，c＝1/r，r为曲率半径，k为圆锥系数，A～J为高阶次项系数。
表6，实施例二各非球面参数
Figure BDA0002903818460000074
Figure BDA0002903818460000081
表7，实施例二光学镜片的设计参数
Figure BDA0002903818460000082
表8，实施例二的约束关系
约束条件 结果
|ST-F<sub>obj</sub>|&lt;0.7f<sub>0</sub> |ST-F<sub>obj</sub>|＝6.62mm,故满足
口径大小d<sub>i</sub>&gt;0.9d<sub>j</sub> 由表5知满足
S7面设置渐晕光阑 1/2FOV的渐晕系数0.72
|r<sub>4</sub>|&lt;|r<sub>3</sub>| 由表5知满足
r<sub>4</sub>&lt;0 由表5知满足
f<sub>4</sub>&gt;f<sub>3</sub> 由表7知满足
f<sub>4</sub>&gt;f<sub>1</sub> 由表7知满足
|r<sub>7</sub>|&lt;|r<sub>8</sub>| 由表5知满足
G<sub>67</sub>&lt;G<sub>23</sub> 由表5知满足
后截距大于2mm 由表7知后截距为3.12mm,满足
综上，可知实施例二的数值孔径达到0.75，远大于天塞镜头的0.125，显著提升了能量的利用率。实施例二的像散与场曲曲线和畸变曲线如图7所示，轴上色差曲线如图8所示，MTF(调制传递函数)曲线如图9所示，可知本光学镜头应用于投影成像系统时具有良好的成像品质。
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。

Claims (7)

1.一种大孔径的四片式光学镜头，其特征在于，包括依次设置的具有正光焦度的第一透镜(10)、具有负光焦度的第二透镜(20)、具有正光焦度的第三透镜(30)和具有正光焦度的第四透镜(40)，所述第一透镜(10)的两面分别为S1面(11)和S2面(12)，所述第二透镜(20)的两面分别为S3面(21)和S4面(22)，所述第三透镜(30)的两面分别为S5面(31)和S6面(32)，所述第四透镜(40)的两面分别为S7面(41)和S8面(42)，所述S1面(11)、所述S2面(12)、所述S3面(21)、所述S4面(22)、所述S5面(31)、所述S6面(32)、所述S7面(41)和所述S8面(42)依次排列，所述S8面(42)远离所述S7面(41)的一侧设有S9面(50)，所述S1面(11)的一侧或所述S2面(12)与所述S3面(21)之间设有孔径光阑(60)，所述S7面(41)处设有渐晕光阑(70)，所述S1面(11)、所述S2面(12)、所述S5面(31)、所述S6面(32)和所述S7面(41)均为凸面，所述S4面(22)为凹面；
所述孔径光阑(60)与镜头的物方焦点之间的距离为|ST-Fobj|，镜头的等效焦距为f0，|ST-Fobj|＜0.7f0；
所述S1面(11)至所述S8面(42)的口径d满足以下关系：di＞0.9dj，i＜j，i取1～7的整数，i取2～8的整数；
所述S3面(21)的曲率半径为r3，所述S4面(22)的曲率半径r4，|r4|＜|r3|，所述S7面(41)的曲率半径为r7，所述S8面(42)的曲率半径为r8，|r7|＜|r8|，所述第四透镜(40)的等效焦距大于所述第三透镜(30)的等效焦距，所述第四透镜(40)的等效焦距大于所述第一透镜(10)的等效焦距；
所述S6面(32)和所述S7面(41)的中心间距为G67，所述S2面(12)与所述S3面(21)的中心间距为G23，G67＜G23。
2.根据权利要求1所述的一种大孔径的四片式光学镜头，其特征在于，镜头的后截距大于2mm。
3.根据权利要求1所述的一种大孔径的四片式光学镜头，其特征在于，所述S8面(42)为平面或凹面。
4.根据权利要求1所述的一种大孔径的四片式光学镜头，其特征在于，所述S1面(11)、所述S2面(12)、所述S3面(21)、所述S4面(22)、所述S5面(31)、所述S6面(32)、所述S7面(41)和所述S8面(42)为球面或非球面。
5.根据权利要求1所述的一种大孔径的四片式光学镜头，其特征在于，所述第一透镜(10)、所述第二透镜(20)、所述第三透镜(30)和所述第四透镜(40)为单透镜或胶合透镜。
6.根据权利要求1所述的一种大孔径的四片式光学镜头，其特征在于，所述第一透镜(10)、所述第二透镜(20)、所述第三透镜(30)和所述第四透镜(40)为玻璃透镜或塑胶透镜。
7.根据权利要求1所述的一种大孔径的四片式光学镜头，其特征在于，所述第一透镜(10)的阿贝数为Vd1，所述第二透镜(20)的阿贝数为Vd2，所述第三透镜(30)的阿贝数为Vd3，所述第四透镜(40)的阿贝数为Vd4，Vd1-Vd2＞25，Vd3-Vd2＞25，Vd4-Vd2＞25。
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