CN113294742A - 车灯装置、投影镜头及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种投影镜头，包括第一塑胶非球面透镜、第二塑胶非球面透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜及光圈。光圈由第一方向光圈和第二方向光圈组成，第一方向光圈不等于第二方向光圈，且两者都不大于1.0。投影镜头满足下列条件：投影镜头具屈光度的透镜数目不超过7片，所述透镜在第一方向的屈光度依序为负、正、正、正、负，在第二方向的屈光度依序为正、负、正、正、负，且第一方向和第二方向实质垂直。本发明还提供一种车灯装置及投影镜头制造方法。

Description

车灯装置、投影镜头及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种投影镜头及其制造方法，尤其涉及一种应用于汽车头灯的投影镜头及其制造方法，以及一种车灯装置。
背景技术
现今市面上常见用来代步的工具绝大部分都是汽车，而在汽车的使用上最为重要的无非是用来提供驾驶辨识前方的环境状态的车灯，又车灯的功效不仅在于提供环境上的辨识外，进一步也可以提供给周遭人员知晓驾驶员现在所在的位置，以及达到相当程度的警示效果，然而警示用部分上，传统的汽车车灯仅具有近光照明与远光照明两种，已经无法满足驾驶员的需求。现今市面上有业者推出可投射图案的汽车车灯，但传统使用在一般投影装置的投影镜头，无法满足交通法规对汽车车灯照明范围的要求。因此，目前需要一种兼顾交通法规要求的照明范围、广视角、低热飘移量、大光圈，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的光学投影镜头设计
发明内容
本发明的其他目的和优点可以从本发明实施例所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
本发明的一实施例提出一种投影镜头，包括第一塑胶非球面透镜、第二塑胶非球面透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜及光圈。光圈由第一方向光圈和第二方向光圈组成，第一方向光圈不等于第二方向光圈，且两者都不大于1.0。投影镜头满足下列条件：投影镜头具屈光度的透镜数目不超过7片，该些透镜在第一方向的屈光度依序为负、正、正、正、负，在第二方向的屈光度依序为正、负、正、正、负，且第一方向和第二方向实质垂直。借由本发明实施例的设计，可提供一种能兼顾可使投影镜头兼具符合交通法规要求的照明范围、低热飘移量、广工作温度范围(摄氏-40度到125度)、大光圈与广视角的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的投影镜头设计。
本发明的一实施例提出一种投影镜头，包括第一塑胶非对称式透镜(anamorphiclens)、第二塑胶非对称式透镜(anamorphic lens)、第三透镜、第四透镜、第五透镜及光圈。光圈由第一方向光圈和第二方向光圈组成，且两者都不大于1.0，并且该第一方向和该第二方向实质垂直。投影镜头具屈光度的透镜数目不超过7片，投影镜头可用以将长宽比为2：1的第一影像光束投影为长宽比介于2.2：1至4：1的第二投影光束。借由本发明实施例的设计，可提供一种能兼顾可使投影镜头兼具符合交通法规要求的照明范围、大光圈与广视角的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的投影镜头设计。
本发明的一实施例提出一种车灯装置前述的投影镜头，车灯装置还包含光阀、光源和车灯灯罩，其中，依车灯装置的光路，由上游至下游的依序排列为：光源、光阀、投影镜头及车灯灯罩。
本发明的一实施例提出一种投影镜头制造方法，包含以下步骤。提供一镜筒。将第一塑胶非球面透镜、第二塑胶非球面透镜，第三透镜、第四透镜、第五透镜和光圈，置入并固定于镜筒内，其中光圈在第一方向和第二方向均不大于1.0。投影镜头还满足下列条件：投影镜头具屈光度的透镜数目不超过7片，透镜在第一方向的屈光度依序为负、正、正、正、负，在第二方向的屈光度依序为正、负、正、正、负，其中第一方向和第二方向实质垂直。
借由本发明实施例的设计，可提供一种能兼顾可使投影镜头兼具符合交通法规要求的照明范围、低热飘移量、广工作温度范围(摄氏-40度到125度)、大光圈与广视角的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的投影镜头设计。再者，本发明实施例投影镜头具有5～7片光学透镜、BFL为投影镜头最接近光阀的透镜表面到光阀表面在光轴上的总长，TTL为最远离光阀的透镜表面到光阀表面在光轴上的总长，0.2<BFL/TTL<0.4，能够提供具大光圈(F/#小于或等于1.0)、符合交通法规要求的照明范围、高解析度、小型化、低热飘移量、广工作温度范围与广视角(FOV介于17度至40度)等特点，且能提供应用在汽车头灯的较低的制造成本及较佳的成像品质的投影镜头设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1为依本发明第一实施例的投影镜头10a在X轴的示意图。
图2为依本发明第一实施例的投影镜头10a在Y轴的示意图。
图3为依本发明第一实施例的投影镜头10a中第一透镜和第二透镜的立体示意图。
图4至图5分别为投影镜头10a的成像面上影像高度位置的照明数值与成像面上光轴位置的照明数值的比值图，以及场曲和畸变图。
图6为依本发明第二实施例的投影镜头10b在X轴的示意图。
图7为依本发明第二实施例的投影镜头10b在Y轴的示意图。
图8为依本发明第二实施例的投影镜头10b中第一透镜和第二透镜的立体示意图。
图9至图10分别为投影镜头10b的成像面上影像高度位置的照明数值与成像面上光轴位置的照明数值的比值图，以及场曲和畸变图。
具体实施方式
有关本发明前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的多个实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。另外，下列实施例中所使用的用语“第一”、“第二”是为了辨识相同或相似的元件而使用，且方向用语例如“前”、“后”等，仅是参考附加图式的方向，并非用以限定所述元件。
本发明所谓的透镜，是指元件具有部分或全部可穿透的材料所构成且具屈光度(power)，通常包含玻璃或塑胶所组成。可以包含一般透镜(lens)、棱镜(prism)、光圈、圆柱状透镜、双锥形透镜、柱状阵列透镜、楔形透镜、楔形平板(wedge)或前述元件的组合。
当镜头应用在投影系统中时，影像放大侧(像侧)是指在光路上靠近成像面(例如是屏幕)所处的一侧，影像缩小侧(物侧)则是指在光路上靠近光阀的一侧。
一透镜的物侧面(或像侧面)具有位于某区域的凸面部(或凹面部)，是指该区域相较于径向上紧邻该区域的外侧区域，朝平行于光轴的方向更为“向外凸起”(或“向内凹陷”)而言。
图1是本发明第一实施例的投影镜头10a在X轴的架构示意图，图2是本发明实施例的投影镜头10a在Y轴的架构示意图。请参照图1和图2，在本实施例中，投影镜头10a有一镜筒(未绘示)，镜筒里由第一侧(影像放大侧OS)往第二侧(影像缩小侧IS)排列包含了第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和光圈14。再者，影像缩小侧IS可设置玻璃盖16以及光阀19，投影镜头10a可将图案光束通过一车灯灯罩(图中未显示)投射至一成像面(图中未显示)，玻璃盖16位于第五透镜L5与光阀19之间。于本实施例中，第一透镜L1至第五透镜L5在X轴(第一方向)上的屈光度依序分别为负、正、正、正、负，在Y轴(第二方向)上的屈光度依序分别为正、负、正、正、负。请参照图3，显示第一透镜L1和第二透镜L2的立体示意图，可清楚看出两透镜在X轴(第一方向)和Y轴(第二方向)的差异。第一透镜L1和第二透镜L2为塑胶透镜，其余透镜均为玻璃球面透镜。在一实施例中，玻璃透镜可以用塑胶透镜取代。另外，两透镜相邻的两面有大致相同(曲率半径差异小于0.005mm)或完全相同(实质相同)的曲率半径且形成结合透镜、胶合透镜、双合透镜(doublet)或三合透镜(triplet)，例如本实施例的第四透镜L4及第五透镜L5可构成胶合透镜，但本发明实施例并不以此为限制。本发明各具体实施例的影像放大侧OS均分别设于各图的左侧，而影像缩小侧IS均设于各图的右侧，将不予重复说明的。
本发明所指光圈14是指一孔径光阑(Aperture Stop)，光圈为一独立元件或是整合于其他光学元件上。于本实施例中，光圈是利用机构件挡去周边光线并保留中间部分透光的方式来达到类似的效果，而前述所谓的机构件可以是可调整的。所谓可调整，是指机构件的位置、形状或是透明度的调整。或是，光圈也可以在透镜表面涂布不透明的吸光材料，并使其保留中央部分透光以达限制光路的效果。
各透镜是定义有镜片直径。举例而言，如图1所示，镜片直径是指该于光轴12两端的镜面转折点P、Q于垂直光轴12方向上的距离(例如镜片直径D)。再者，于本实施例中，第一透镜L1的直径(D1)为50.5mm，第五透镜L5的直径(DL)为52mm。
球面透镜是指透镜前面和后面的表面都分别是球形表面的一部分，而球形表面的曲率是固定的。非球面透镜和自由曲面透镜则是指透镜前后表面中，至少一表面的曲率半径会随着中心轴而变化，可以用来修正像差。投影镜头10a的透镜在X轴上的设计参数、外形及非球面系数分别如表一及表二所示，投影镜头10a的透镜在Y轴上的设计参数、外形及非球面系数分别如表三及表四所示，于本发明如下的各个设计实例中，非球面多项式可用下列公式表示：
Figure BDA0002431926410000051
上述的公式(1)中，Z为光轴方向的偏移量(sag)，c是密切球面(osculatingsphere)的半径的倒数，也就是接近光轴处的曲率半径的倒数，k是二次曲面系数(conic)，r是非球面高度，即为从透镜中心往透镜边缘的高度。表二的A-H分别代表非球面多项式的4阶项、6阶项、8阶项、10阶项、12阶项、14阶项、16阶项、18阶项系数值。然而，下文中所列举的资料并非用以限定本发明，任何所属领域中具有通常知识者在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更动，惟其仍应属于本发明的范畴内。
表一
Figure BDA0002431926410000052
Figure BDA0002431926410000061
S1的间距为表面S1到S2在光轴12的距离，S2的间距为表面S2到S3在光轴12的距离，S12间距为表面S12到光阀19表面在光轴12的距离。
表二
S1* S2* S3* S4*
K 0 8.64E+00 0 -1.59E+00
A 0.00E+00 0 0.00E+00 0
B 3.19E-07 0 -4.68E-07 0
C -9.71E-09 0 -1.03E-09 0
D 3.00E-11 0 2.20E-12 0
E -4.74E-14 0 -2.72E-15 0
F 3.69E-17 0 1.32E-18 0
G -1.13E-20 0 0.00E+00 0
H 0.00E+00 0 0.00E+00 0
表三
Figure BDA0002431926410000062
Figure BDA0002431926410000071
表四
S1* S2* S3* S4*
K 0 1.43E+18 0 -1.13E+15
A 0.00E+00 0 0.00E+00 0
B 3.19E-07 0 -4.68E-07 0
C -9.71E-09 0 -1.03E-09 0
D 3.00E-11 0 2.20E-12 0
E -4.74E-14 0 -2.72E-15 0
F 3.69E-17 0 1.32E-18 0
G -1.13E-20 0 0.00E+00 0
H 0.00E+00 0 0.00E+00 0
表中表面有出现的＊是指该表面为非球面表面或自由曲面表面，而若未标示即为球面之意。
曲率半径是指曲率的倒数。曲率半径为正时，透镜表面的球心在透镜的影像缩小侧IS方向。曲率半径为负时，透镜表面的球心在透镜的影像放大侧OS方向。而各透镜的凸凹可见上表。
本发明的光圈值是以F/#来代表，如上表所标示者。本发明镜头应用在投影系统时，成像面位于影像放大侧OS。本发明实施例中，F/#小于或等于1.0。
本实施例中，影像高度IM是指在光阀19表面影像对角线(image circle)长度，如上表所标示者。
本发明中，投影镜头的总长是以OAL来表示，如上表所标示者。更明确的说，本实施例的总长是指投影镜头10a最接近影像放大侧OS的光学表面S1与最接近影像缩小侧IS的光学表面S9之间，沿光轴12量测的距离。投影镜头的镜头总长(OAL)小于110mm。本发明中，投影镜头最靠近影像放大侧OS到光阀表面19的总长是以TTL来表示，如上表所标示者。更明确的说，本实施例镜头10a到光阀表面19的总长是指镜头10a最接近影像放大侧OS的光学表面S1与光阀表面19之间，沿光轴12量测的距离。镜头10a到光阀表面19的总长(TTL)小于140mm。本发明中，IM为投影镜头在光阀表面的影像高度(Image circle)。本发明中，投影镜头最靠近影像缩小侧到光阀表面19的总长是以BFL来表示，更明确的说，本实施例镜头最靠近影像缩小侧到光阀表面19的总长是指镜头10a最靠近影像缩小侧的光学表面S9与光阀表面19之间，沿光轴12量测的距离。镜头10a到光阀表面19的总长(BFL)小于50mm，本实施例的BFL/TTL为0.25，本发明实施例的BFL/TTL介于0.2和0.4之间。本发明实施例的投影镜头设计可满足下列条件：投影镜头的第一透镜L1的直径(D1)除以OAL，其值介于0.4到0.6之间，投影镜头的第一透镜L1的直径(D1)除以IM，其值介于3到12之间。
于本实施例中，全视场角FOV是指最接近影像放大端的光学表面S1的收光角度，亦即以对角线量测所得的视野(field of view)，如上表所标示者。本发明实施例中，FOV介于17度至40度。于另一实施例中，FOV介于16度至42度。本发明实施例，当FOV为18.5度时，其相对照度值大于等于50。本发明实施例中，投影镜头为定焦镜头，且投影镜头各个透镜到光阀在光轴上的距离为固定。
本发明一实施例的投影镜头可用以将一长宽比为2：1的第一影像光束投影为一长宽比介于2.64：1的第二投影光束。本发明实施例中，投影镜头可用以将长宽比为2：1的第一影像光束投影为长宽比介于2.2：1至4：1的第二投影光束。本发明实施例中，投影镜头可将投影光束，投影到水平地面，且车灯灯罩至地面投影光束的距离为5公尺到25公尺之间。
本发明一实施例的投影镜头包含两个屈光度(Power)相反的塑胶透镜，达到低热飘移能力，但其并不限定。镜头的光圈数值约小于或等于1.0。投影镜头包含胶合透镜及非球面透镜以修正像差和色差，胶合透镜的两个透镜间沿光轴的最小距离小于或等于0.01mm。兩片式胶合透镜(doublet lens)例如可为三合透镜(triplet lens)取代而不限定。双合透镜、胶合透镜、结合透镜、三合透镜都包含曲率半径实质相同或相近的对应邻近表面。镜头具屈光度的透镜总片数为5～7片，且镜头具有至少阿贝数大于40的两片透镜，其中后组中的胶合透镜至少包含一片阿贝数大于45的透镜，至少包含一片阿贝数小于30的透镜。本发明实施例通过两个屈光度(Power)相反的塑胶透镜的搭配，达成投影镜头在摄氏-40度和摄氏125度时，两者的焦平面位移量小于或等于5mm，投影镜头在摄氏-40度时，其可见光焦平面(EFL)约为234mm，投影镜头在摄氏125度时，其可见光焦平面(EFL)约为231mm。本发明实施例投影镜头适用于至少摄氏-40到125度的工作温度范围。
以下将说明本发明的投影镜头的第二实施例的设计。图6为依本发明第二实施例的投影镜头10b在X轴的示意图，图7为依本发明第二实施例的投影镜头10b在Y轴的示意图。请参照图6和图7，在本实施例中，投影镜头10b有一镜筒(未绘示)，镜筒里由第一侧(影像放大侧OS)往第二侧(影像缩小侧IS)排列包含了第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和光圈14。再者，影像缩小侧IS可设置玻璃盖16以及光阀19，投影镜头10b可将图案光束通过一车灯灯罩(图中未显示)投射至一成像面(图中未显示)，玻璃盖16位于第五透镜L5与光阀19之间。于本实施例中，第一透镜L1至第五透镜L5在X轴(第一方向)上的屈光度依序分别为负、正、正、正、正，在Y轴(第二方向)上的屈光度依序分别为正、负、正、正、正。请参照图8，显示第一透镜L1和第二透镜L2的立体示意图，可清楚看出两透镜在X轴(第一方向)和Y轴(第二方向)的差异。第一透镜L1和第二透镜L2为塑胶透镜，其余透镜均为玻璃球面透镜本实施例的第四透镜L4及第五透镜L5可构成胶合透镜。再者，于本实施例中，第一透镜L1的直径(D1)为57.14mm，第五透镜L5的直径(DL)为51.8mm。投影镜头10b的透镜在X轴上的设计参数、外形及非球面系数分别如表五及表六所示，投影镜头10b的透镜在Y轴上的设计参数、外形及非球面系数分别如表七及表八所示。
表五
Figure BDA0002431926410000091
Figure BDA0002431926410000101
S1的间距为表面S1到S2在光轴12的距离，S2的间距为表面S2到S3在光轴12的距离，S12间距为表面S12到光阀19表面在光轴12的距离。
表六
S1* S2* S3* S4*
K 0 6.30E+00 0 -2.70E+00
A 0.00E+00 0 0.00E+00 0
B -1.09E-06 0 -1.54E-06 0
C -1.84E-10 0 -1.20E-09 0
D 9.04E-13 0 2.35E-12 0
E -9.35E-16 0 -4.35E-15 0
F 1.89E-19 0 2.47E-18 0
表七
Figure BDA0002431926410000102
Figure BDA0002431926410000111
表八
S1* S2* S3* S4*
K 1.43E+18 -9.28E+13
A 0.00E+00 0.00E+00
B -1.09E-06 -1.54E-06
C -1.84E-10 -1.20E-09
D 9.04E-13 2.35E-12
E -9.35E-16 -4.35E-15
F 1.89E-19 2.47E-18
图4至图5和图9至图10分别为依本发明实施例的投影镜头10a和10b的成像面(屏幕)上影像高度位置的照明数值与成像面上光轴位置的照明数值的比值图，以及场曲和畸变图。图4至图5和图9至图10拟数据图所显示出的图形均在标准的范围内，由此可验证本实施例的投影镜头10a和10b确实能够兼具良好的光学成像品质的特性。本实施例的投影镜头10a和10b，当FOV为18.5度时，其相对照度值大于50。
借由本发明实施例的设计，可提供一种能兼顾可使投影镜头兼具符合交通法规要求的照明范围、低热飘移量、广工作温度范围(摄氏-40度到125度)、大光圈与广视角的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的投影镜头设计。再者，本发明实施例投影镜头具有5～7片光学透镜、BFL为投影镜头最接近光阀的透镜表面到光阀表面在光轴上的总长，TTL为最远离光阀的透镜表面到光阀表面在光轴上的总长，0.2<BFL/TTL<0.4，能够提供具大光圈(F/#小于或等于1.0)、符合交通法规要求的照明范围、高解析度、小型化、低热飘移量、广工作温度范围与广视角(FOV介于17度至40度)等特点，且能提供应用在汽车头灯的较低的制造成本及较佳的成像品质的投影镜头设计。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种投影镜头，其特征在于，包括：
一第一塑胶非球面透镜、一第二塑胶非球面透镜，一第三透镜、一第四透镜及一第五透镜；以及
一光圈，且所述光圈由一第一方向光圈和一第二方向光圈组成，所述第一方向光圈不等于所述第二方向光圈，且两者都不大于1.0；
其中，所述投影镜头满足下列条件：所述投影镜头具屈光度的透镜数目不超过7片，且所述透镜，在所述第一方向的屈光度依序为负、正、正、正、负，在所述第二方向的屈光度依序为正、负、正、正、负，且所述第一方向和所述第二方向垂直。
2.一种投影镜头，其特征在于，包括：
一第一塑胶非对称式透镜、一第二塑胶非对称式透镜，一第三透镜、一第四透镜及一第五透镜；以及
一光圈，且所述光圈在一第一方向和一第二方向两者都不大于1.0，并且所述第一方向和所述第二方向垂直；
而所述投影镜头满足下列条件：所述投影镜头具屈光度的透镜数目不超过7片，所述投影镜头可用以将一长宽比为2：1的第一影像光束投影为一长宽比介于2.2：1至4：1的第二投影光束。
3.一种车灯装置，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的投影镜头，所述车灯装置还包含一光阀、一光源和一车灯灯罩，其中，依所述车灯装置的光路，由上游至下游的依序排列为：所述光源、所述光阀、所述投影镜头及所述车灯灯罩。
4.如权利要求3所述的车灯装置，其特征在于，所述车灯装置满足下列条件之一：(1)所述投影镜头可将部分所述投影光束，投影到水平地面，且所述车灯灯罩至地面的所述投影光束的距离为5公尺到25公尺之间，(2)所述投影镜头为定焦镜头，且所述投影镜头各个透镜到所述光阀在光轴上的距离为固定。
5.如权利要求1或2所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头满足下列条件之一：(1)所述具屈光度透镜，至少有一透镜的直径在50mm至60mm之间，(2)所述具屈光度透镜，由一方向排列，依序为非球面、非球面、新月、新月和双凸透镜。
6.如权利要求1或2所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头满足下列条件之一：(1)视场角为17度至40度，(2)在摄氏-40度和摄氏125度时，两者的焦平面位移量小于或等于5mm。
7.如权利要求3所述的车灯装置，其特征在于，所述投影镜头满足下列条件之一：(1)TTL为最远离所述光阀的透镜表面到所述光阀表面在光轴上的总长，所述TTL小于140mm，(2)BFL为最接近所述光阀的透镜表面到所述光阀表面在光轴上的总长，0.2<BFL/TTL<0.4。
8.如权利要求2所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头具屈光度的透镜，在所述第一方向的屈光度依序为负、正、正、正、正，在所述第二方向的屈光度依序为正、负、正、正、正。
9.如权利要求1或2所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头满足下列条件之一：(1)包含2片阿贝数大于40的透镜，(2)所述胶合透镜包含一片阿贝数小于30的透镜，(3)所述胶合透镜包含一片阿贝数大于45的透镜。
10.一种投影镜头制造方法，其特征在于，包含：
提供一镜筒；以及
将一第一塑胶非球面透镜、一第二塑胶非球面透镜，一第三透镜、一第四透镜、一第五透镜和一光圈，置入并固定于所述镜筒内，其中所述光圈在一第一方向和一第二方向均不大于1.0，所述投影镜头还满足下列条件：所述投影镜头具屈光度的透镜数目不超过7片，所述透镜在所述第一方向的屈光度依序为负、正、正、正、负，在所述第二方向的屈光度依序为正、负、正、正、负，其中所述第一方向和所述第二方向垂直。
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