CN113933971B - 投影镜头及投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种投影镜头及投影装置，其中，所述投影镜头由放大侧至缩小侧沿同一光轴依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜，所述第四透镜和所述第五透镜相对的表面相互胶合；所述第一透镜、所述第五透镜和所述第六透镜具有正光焦度，所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜具有负光焦度；其中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜组成前镜头组，所述前镜头组具有负光焦度；所述第四透镜、第五透镜和第六透镜组成后镜头组，所述后镜头组具有正光焦度。本发明技术方案能够降低投影镜头装配的公差敏感度，降低投影镜头的组装难度，并在存在微小震动的环境中保持成像清晰。

Description

投影镜头及投影装置

技术领域

本发明涉及投影成像技术领域，特别涉及一种投影镜头及投影装置。

背景技术

HUD全称Head Up Display，中文名抬头显示，其最初应用于飞机的辅助驾驶系统中，现阶段随着技术的发展和安全意识的提高，已广泛应用于车辆中。HUD可以把当前时速、导航等信息投影到挡风玻璃上的光电显示装置上，在玻璃前方形成影像。驾驶员不用转头、低头就能看到导航、车速信息。

HUD成像系统因使用环境为不稳定的行驶车辆中，其投影成像系统要求相比于传统投影成像系统要求更高：因车辆行驶颠簸，HUD投影镜头需具备较高的稳定性，而传统投影镜头难以满足。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种投影镜头及投影装置，旨在降低投影镜头装配的公差敏感度，降低投影镜头的组装难度，并在存在微小震动的环境中保持成像清晰。

为实现上述目的，本发明提出一种投影镜头，所述投影镜头由放大侧至缩小侧沿同一光轴依次包括：

第一透镜，所述第一透镜具有正光焦度；

第二透镜，所述第二透镜具有负光焦度；

第三透镜，所述第三透镜具有负光焦度；

第四透镜，所述第四透镜具有负光焦度；

第五透镜，所述第五透镜具有正光焦度，且所述第四透镜和所述第五透镜相对的表面相互胶合；

第六透镜，所述第六透镜具有正光焦度；

其中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜组成前镜头组，所述前镜头组具有负光焦度；所述第四透镜、第五透镜和第六透镜组成后镜头组，所述后镜头组具有正光焦度。

可选地，所述第一透镜朝向放大侧的表面为凸面，朝向缩小侧的表面为凸面；

所述第二透镜朝向放大侧的表面为凸面，朝向缩小侧的表面为凹面；

所述第三透镜朝向放大侧的表面为凸面，朝向缩小侧的表面为凹面；

所述第四透镜朝向放大侧的表面为凹面，朝向缩小侧的表面为凹面；

所述第五透镜朝向放大侧的表面为凸面，朝向缩小侧的表面为凸面；

所述第六透镜朝向放大侧的表面为凸面，朝向缩小侧的表面为凸面。

可选地，所述投影镜头的焦距为f00，30mm<f00<36mm；和/或，

所述前镜头组的焦距为f11，-357mm<f11<-347mm；

所述后镜头组的焦距为f22，14mm<f22<20mm。

可选地，所述第一透镜的焦距为f1，33mm<f1<39mm；

所述第二透镜的焦距为f2，-46mm<f2<-38mm；

所述第三透镜的焦距为f3，-14mm<f3<-8mm；

所述第四透镜的焦距为f4，-29mm<f4<-23mm；

所述第五透镜的焦距为f5，20mm<f5<24mm；

所述第六透镜的焦距为f6，25mm<f6<31mm；和/或，

所述第四透镜和所述第五透镜形成的双胶合透镜的焦距为f4/5，43mm<f4/5<50mm。

可选地，所述投影镜头还包括：

光阑，所述光阑设于所述前镜头组和所述后镜头组之间。

可选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜以及所述第六透镜均为球面透镜。

可选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜以及所述第六透镜均为光学玻璃材质。

为实现上述目的，本发明还提出一种投影装置，所述投影装置包括图像源以及如上实施例中任一项所述的投影镜头，所述图像源设于所述第六透镜背离所述第五透镜的一侧。

可选地，所述投影装置还包括：

转折棱镜，所述转折棱镜设于所述第六透镜和所述图像源之间。

可选地，所述投影装置还包括：

透明保护层，所述透明保护层设于所述图像源朝向所述第六透镜的一侧。

本发明技术方案中，投影镜头由放大侧至缩小侧沿同一光轴依次包括正光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜、负光焦度的第三透镜、负光焦度的第四透镜、正光焦度的第五透镜以及正光焦度的第六透镜，且第一透镜、第二透镜和第三透镜组成的前镜头组具有负光焦度，第四透镜、第五透镜和第六透镜组成的后镜头组具有负光焦度，通过投影镜头中各个透镜的合理配置，投影镜头的离焦MTF范围较大，具有较大容差，降低了投影镜头装配的公差敏感度，可降低投影镜头的组装难度，并能够在存在微小震动的环境中保持成像清晰，稳定性较高，适合应用于车载HUD投影成像系统中，且本发明的投影镜头的透镜数目少、结构紧凑，整体尺寸小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明投影装置一实施例的结构示意图；

图2为图1投影装置的光线传输示意图；

图3为图1投影装置的场曲图与畸变图；

图4为图1投影装置的调制传递函数图；

图5为图1投影装置的离焦调制传递函数图；

图6为图1投影装置的相对照度图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种投影镜头。

在本发明实施例中，如图1至2所示，该投影镜头由放大侧至缩小侧沿同一光轴依次包括：第一透镜10，所述第一透镜10具有正光焦度；第二透镜20，所述第二透镜20具有负光焦度；第三透镜30，所述第三透镜30具有负光焦度；第四透镜40，所述第四透镜40具有负光焦度；第五透镜50，所述第五透镜50具有正光焦度，且所述第四透镜40和所述第五透镜50相对的表面相互胶合；第六透镜60，所述第六透镜60具有正光焦度；其中，所述第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30组成前镜头组，所述前镜头组具有负光焦度；所述第四透镜40、第五透镜50和第六透镜60组成后镜头组，所述后镜头组具有正光焦度。

需要说明的是，缩小侧为投影过程中，生成投影光线的图像源80(比如DMD芯片)所在的一侧(如图中B处所示)，也即像方；放大侧为投影过程中，用于显示投影图像的投影面(比如投影屏幕)所在的一侧(如图中A处所示)，也即物方。投影光线的传输方向为由缩小侧至放大侧。

具体地，本发明的投影镜头应用于投影装置100中时，在第六透镜60背离第五透镜50的一侧还设有图像源80，投影光线由图像源80发出，自缩小侧朝放大侧发射，依次经过第六透镜60、第五透镜50和第四透镜40(二者胶合形成双胶合透镜)、第三透镜30、第二透镜20以及第一透镜10，最终输出至位于第一透镜10背离第二透镜20一侧的投影面上，从而显示出投影图像。

其中，光焦度为像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，表征光学系统偏折光线的能力。负光焦度透镜是中间薄、周边厚的一种透镜，又称凹透镜，具有发散光线的作用；正光焦度透镜是中间厚、周边薄的一种透镜，又称凸透镜，具有汇聚光线的作用。

本发明技术方案中，投影镜头由放大侧至缩小侧沿同一光轴依次包括正光焦度的第一透镜10、负光焦度的第二透镜20、负光焦度的第三透镜30、负光焦度的第四透镜40、正光焦度的第五透镜50以及正光焦度的第六透镜60，且第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30组成的前镜头组具有负光焦度，第四透镜40、第五透镜50和第六透镜60组成的后镜头组具有负光焦度，通过投影镜头中各个透镜的合理配置，投影镜头的离焦MTF范围较大，具有较大容差，降低了投影镜头装配的公差敏感度，可降低投影镜头的组装难度，并能够在存在微小震动的环境中保持成像清晰，稳定性较高，适合应用于车载HUD投影成像系统中，且本发明的投影镜头的透镜数目少、结构紧凑，整体尺寸小。

在可选的实施方式中，请参阅图1至2，所述第一透镜10朝向放大侧的表面为凸面，朝向缩小侧的表面为凸面；所述第二透镜20朝向放大侧的表面为凸面，朝向缩小侧的表面为凹面；所述第三透镜30朝向放大侧的表面为凸面，朝向缩小侧的表面为凹面；所述第四透镜40朝向放大侧的表面为凹面，朝向缩小侧的表面为凹面；所述第五透镜50朝向放大侧的表面为凸面，朝向缩小侧的表面为凸面；所述第六透镜60朝向放大侧的表面为凸面，朝向缩小侧的表面为凸面。

本实施例中，第一透镜10为具有正光焦度的双凸型透镜，第二透镜20为具有负光焦度的弯月型透镜，第三透镜30为具有负光焦度的弯月型透镜，第四透镜40具有负焦距的双凹型透镜，第五透镜50具有负光焦度的为双凸型透镜，且第四透镜40与第五透镜50是组合在一起的双胶合透镜，第六透镜60为具有正光焦度的双凸型透镜。

在可选的实施方式中，所述投影镜头的焦距为f00，30mm<f00<36mm；和/或，所述前镜头组的焦距为f11，-357mm<f11<-347mm；所述后镜头组的焦距为f22，14mm<f22<20mm。

通过上述设置，可进一步降低投影镜头装配的公差敏感度，降低投影镜头的组装难度，并能够在存在微小震动的环境中保持成像清晰，稳定性较高，适合应用于车载HUD投影成像系统中。

在可选的实施方式中，所述第一透镜10的焦距为f1，33mm<f1<39mm；所述第二透镜20的焦距为f2，-46mm<f2<-38mm；所述第三透镜30的焦距为f3，-14mm<f3<-8mm；所述第四透镜40的焦距为f4，-29mm<f4<-23mm；所述第五透镜50的焦距为f5，20mm<f5<24mm；所述第六透镜60的焦距为f6，25mm<f6<31mm；和/或，所述第四透镜40和所述第五透镜50形成的双胶合透镜的焦距为f4/5，43mm<f4/5<50mm。

通过上述设置，可进一步降低投影镜头装配的公差敏感度，降低投影镜头的组装难度，并能够在存在微小震动的环境中保持成像清晰，稳定性较高，适合应用于车载HUD投影成像系统中。而且，通过上述设置，本发明的投影镜头的MTF和相对照度这两项光学指标均可达标准，能够满足使用需求，而无需附加渐晕，在未加渐晕的情况下，其通光效率会更高，使得投影镜头具有较高的相对照度，边缘损失光能量少，能够有效提高照明光能的利用率，从而提升投影镜头的成像画面的亮度和均匀度，当投影镜头应用于车载HUD投影成像系统时，即使在白天处于户外环境光较亮的环境中，依然可以给驾驶者良好的观感。

在可选的实施方式中，请参阅图1至2，所述投影镜头还包括：光阑70，所述光阑70设于所述前镜头组和所述后镜头组之间。

光阑70具体为孔径光阑70，光阑70用于限制通过的投影光线的直径，调节射出投影镜头的光通量，同时减少其他透镜经过反射产生的杂散光干扰，从而使投影光线的成像更加清晰。通常，光阑70的孔径为一个固定值，当然，为了灵活调整成像清晰度，使投影镜头能够更好的适应高低分辨率的切换，还可以将光阑70设置为可以调整孔径大小的方式。

在可选的实施方式中，所述第一透镜10、所述第二透镜20、所述第三透镜30、所述第四透镜40、所述第五透镜50以及所述第六透镜60均为球面透镜。

本实施例中，投影镜头的六个透镜全部使用球面透镜，无非球面透镜加入，能够有效降低透镜的加工难度及生产成本。

在可选的实施方式中，所述第一透镜10、所述第二透镜20、所述第三透镜30、所述第四透镜40、所述第五透镜50以及所述第六透镜60均为光学玻璃材质。

在投影镜头应用于HUD投影光机并组装至车辆中时，相较于室内投影，车辆处于工作温度波动范围更大的工作环境中，这导致投影镜头需要承受大量的光照射，光能会部分转化成热能，若透镜采用一般的光学塑料材料，其受温度影响较大，易发生温漂问题。本实施例通过六个透镜全部使用玻璃材料，可适应较大的工作温度范围，温漂小，能够有效解决塑料透镜由于受热而导致的热跑焦问题。

为了进一步优化投影镜头的性能，请参阅表1，本发明中举例说明各个透镜的面类型、曲率半径和厚度，以及各个透镜的玻璃材料(折射率和阿贝数)、半口径。其中，相邻两个透镜间隔位置的厚度表示为相邻两个透镜之间的距离。

表1：

在光学系统中，由非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致，与高斯光学(一级近似理论或近轴光线)的理想状况的偏差，称为像差。像差主要分为畸变、场曲、色差、球差、彗差、像散等。像差会影响投影镜头的成像质量，因此，在设计投影镜头时，需要尽可能地消除光学系统成像时产生的像差。由第四透镜40和第五透镜50组成的双胶合透镜，能够有效消减光学成像过程中产生的色差；并且，通过六个透镜的组合而共同作用，能有效消减畸变、场曲等其他像差，从而保证成像质量。另外，通过设置第一透镜10在六个透镜中具有最大口径，第三透镜30、第二透镜20和第一透镜10的口径依次递增，可实现较大视场角范围，从而使驾驶者获得更好的观感。

本实施例中，投影镜头的投射比为3，其中，投射比是指投影距离与投影画面宽度的比值。投影镜头的光圈数F＝2.7，能够满足投影镜头对亮度的要求，其中，光圈比是指焦距与光圈直径的比值，当光圈比越小时，投影镜头的相对口径越大，通光量越大；反之，当光圈比越大时，投影镜头的相对口径越小，通光量越小。投影镜头的视场角FOV＝12°，其中，视场角在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角可用FOV表示。

为了更清楚地说明本发明投影镜头的光学效果，基于表1的参数数据，请参阅图3，图3为投影镜头的场曲与畸变图，其中，场曲是指像场弯曲，主要用于表示光学组件中，整个光束的交点与理想像点的不重合程度；畸变是指物体通过光学组件成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差，畸变会导致物像的相似性变坏，但不影响像的清晰度。由图3可知，本实施例的投影镜头中，畸变小于1％，不会影响驾驶者观看体验。

基于表1的参数数据，请参阅图4，图4为投影镜头的各视场芯片面调制传递函数图，即MTF(ModulationTransferFunction)图MTF图用于是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。以投影角度为视场取样间频率坐标，纵坐标为传递函数MTF值。由图4可知，本实施例的投影镜头中，每个视场的平均MTF＞0.6，成像良好。

基于表1的参数数据，请参阅图5，图5为投影镜头的离焦MTF图，即随着离焦的距离，MTF数值的变化。由图5可知，本实施例的投影镜头中，MTF＞0.3离焦范围大于±0.02mm，显示具备较大的离焦范围，可适应不稳定的驾驶环境。

基于表1的参数数据，请参阅图6，图6为投影镜头的相对照度图，其中，相对照度是指像平面不同坐标点的照度和中心点照度之比。由图6可知，本实施例的投影镜头中，最边缘相对中心照度＞95％，说明该投影镜头的成像画面亮度均匀，边缘损失光能量少，能够提高光能的利用率，给驾驶者良好的观感。

本发明还提出一种投影装置100，请参阅图1至2，该投影装置100包括图像源80和投影镜头，该投影镜头的具体结构参照上述实施例，由于本投影装置100采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。其中，所述图像源80设于所述第六透镜60背离所述第五透镜50的一侧。

本实施例中，图像源80可选用数字微镜元件(Digital Micromirror Device，DMD)芯片。DMD是由很多矩阵排列的数字微反射镜组成，工作时每个微反射镜都能够朝正反两个方向进行偏转并锁定，从而使光线按既定的方向进行投射，并且以数万赫兹的频率进行摆动，将来自照明光源的光束通过微反射镜的翻转反射进入投影镜头成像在屏幕上。DMD具有分辨率高，信号无需数模转换等优点。当然，图像源80也可以选用硅上液晶(LiquidCrystal On Silicon，LCOS)芯片或其他可用于出射光线的显示元件。

本发明选用0.55英寸DMD作为发光芯片进行镜头成像设计。

在可选的实施方式中，请参阅图1至2，所述投影装置100还包括：转折棱镜90，所述转折棱镜90设于所述第六透镜60和所述图像源80之间。

在一些实施例中，图像源80有时需要被动发光。因此，需要借助外部光源和转折棱镜90给图像源80提供额外的照明。具体地，棱镜可以为直角棱镜，直角棱镜的斜面朝向图像源80，直角棱镜的其中一个直角面朝向第六透镜60，同时，光源对应直角棱镜的斜面设置，且直角棱镜的斜面设置有半反半透膜。使用时，外部光源发出照明光线，射向直角棱镜的斜面，经半反半透膜反射后射向图像源80，从而为图像源80提供光线，光线经图像源80调制后经半反半透膜透射后向第六透镜60射出，并依次经过第六透镜60、第五透镜50、第四透镜40、第三透镜30、第二透镜20以及第一透镜10，从而在投影屏幕上显示出投影图像。

在可选的实施方式中，请参阅图1至2，所述投影装置100还包括：透明保护层81，所述透明保护层81设于所述图像源80朝向所述第六透镜60的一侧。

本实施例中，透明保护层81具体为一盖玻片，盖玻片的厚度为1.1㎜，盖玻片盖设于图像源80的出光面，能够在保证很好的透光率的前提下，有效保护图像源80，防止外界的灰尘进入图像源80，并且，还能够避免投影镜头中的其他透镜因振动对图像源80造成磕碰，保护图像源80免受外界环境或其他元件的冲击影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种投影镜头，其特征在于，所述投影镜头包括具有光焦度的六片透镜，所述投影镜头由放大侧至缩小侧沿同一光轴依次包括：

第一透镜，所述第一透镜具有正光焦度；

第二透镜，所述第二透镜具有正光焦度；

第三透镜，所述第三透镜具有负光焦度；

第四透镜，所述第四透镜具有负光焦度；

第五透镜，所述第五透镜具有正光焦度，且所述第四透镜和所述第五透镜相对的表面相互胶合；以及

第六透镜，所述第六透镜具有正光焦度；

其中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜组成前镜头组，所述前镜头组具有负光焦度；所述第四透镜、第五透镜和第六透镜组成后镜头组，所述后镜头组具有正光焦度。

2.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜朝向放大侧的表面为凸面，朝向像方一侧的表面为凸面；

所述第二透镜朝向放大侧的表面为凸面，朝向缩小侧的表面为凹面；

所述第三透镜朝向放大侧的表面为凸面，朝向缩小侧的表面为凹面；

所述第四透镜朝向放大侧的表面为凹面，朝向缩小侧的表面为凹面；

所述第五透镜朝向放大侧的表面为凸面，朝向缩小侧的表面为凸面；

所述第六透镜朝向放大侧的表面为凸面，朝向缩小侧的表面为凸面。

3.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的焦距为f00，30mm<f00<36mm；和/或，

所述前镜头组的焦距为f11，-357mm<f11<-347mm；

所述后镜头组的焦距为f22，14mm<f22<20mm。

4.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜的焦距为f1，33mm<f1<39mm；

所述第三透镜的焦距为f3，-14mm<f3<-8mm；

所述第四透镜的焦距为f4，-29mm<f4<-23mm；

所述第五透镜的焦距为f5，20mm<f5<24mm；

所述第六透镜的焦距为f6，25mm<f6<31mm；和/或，

所述第四透镜和所述第五透镜形成的双胶合透镜的焦距为f4/5，43mm<f4/5<50mm。

5.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头还包括：

光阑，所述光阑设于所述前镜头组和所述后镜头组之间。

6.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜以及所述第六透镜均为球面透镜。

7.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜以及所述第六透镜均为光学玻璃材质。

8.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括图像源以及如权利要求1至7中任一项所述的投影镜头，所述图像源设于所述第六透镜背离所述第五透镜的一侧。

9.如权利要求8所述的投影装置，其特征在于，所述投影装置还包括：

转折棱镜，所述转折棱镜设于所述第六透镜和所述图像源之间。

10.如权利要求8所述的投影装置，其特征在于，所述投影装置还包括：

透明保护层，所述透明保护层设于所述图像源朝向所述第六透镜的一侧。

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