CN114721124A - 投影镜头、投影装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影镜头、投影装置及电子设备。投影镜头包括：具有正屈折力的第一透镜，所述第一透镜的成像侧表面于近光轴处为凸面；具有负屈折力的第二透镜，所述第二透镜的成像侧表面于近光轴处为凹面；具有正屈折力的第三透镜，所述第三透镜的成像侧表面于近光轴处为凸面，像源侧表面于近光轴处为凸面。本申请实施例的投影镜头具有小型化同时能够满足高成像质量的需求。

Description

投影镜头、投影装置及电子设备

技术领域

本发明涉及摄影成像技术领域，特别是涉及一种投影镜头、投影装置及电子设备。

背景技术

近年来，随着摄影摄像、投影等技术的不断进步，手机、相机、VR(VirtualReality)设备、AR(Augmented Reality)设备不断进入人们的生活。

而随着电耦合器件(charge-coupled device，CCD)及互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)图像传感器的性能提高及尺寸减小，对应的投影镜头也需满足高成像品质及小型化的要求。现有的三片式投影镜头已经发展较为成熟，然而，三片式的投影镜头仍然存在较多的限制。而如何实现小型化的同时兼顾良好的成像品质，成为业内所需要解决的问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请第一方面提出一种投影镜头，能够有效解决在实现小型化设计的同时兼顾良好的成像品质的问题。

本发明第二方面还提出一种投影装置。

本发明第三方面还提出一种电子设备。

根据本申请第一方面所述的投影镜头，沿光轴由成像侧至像源侧依次包括：

具有正屈折力的第一透镜，所述第一透镜的成像侧表面于近光轴处为凸面；

具有负屈折力的第二透镜，所述第二透镜的成像侧表面于近光轴处为凹面；

具有正屈折力的第三透镜，所述第三透镜的成像侧表面于近光轴处为凸面，像源侧表面于近光轴处为凸面；

投影镜头中，通过使第一透镜具有正屈折力，且成像侧表面于近光轴处为凸面，有利于抓住射入第一透镜的大角度光线，从而实现大广角的投影效果，利于投影镜头覆盖大视角范围。第二透镜具有负屈折力，搭配成像侧表面于近光轴处设置为凹面型设计，有利于分担第一透镜的大角度光线以合理的角度平滑地射入第二透镜，同时可以修正第一透镜因大视场角光线所产生的像差。第三透镜的成像侧表面与像源侧表面于近光轴处均设置为凸面，可以进一步地使中心和边缘视场光线汇聚，为投影镜头各视场光线提供了汇聚能力，利于收缩光线，从而有利于压缩投影镜头的总长，且具有的正屈折力，可以抵消负屈折力的成像侧透镜(即第一透镜和第二透镜)所产生的像差。由此，本申请的投影镜头能在实现小型化设计的同时兼顾良好的成像品质。

可选地，所述投影镜头满足关系：0.3mm^-1＜TTL/(f*EPD)<0.6mm^-1；TTL为所述第一透镜的成像侧表面至所述投影镜头的成像侧表面于光轴上的距离，f为所述投影镜头的有效焦距，EPD为所述投影镜头的入瞳直径。

通过满足条件式，可以缩短光学总长，减小投影镜头组件的总体厚度，减少镜头组件的占用空间，另外，还通过平衡投影镜头的焦距和第一透镜的成像侧表面至投影镜头的像源面于光轴上的距离，可以在满足成像质量的前提下，更好地限制投影镜头组件的总体厚度，避免镜头组件长度过长，同时避免镜头组件体积过大。在一些实施例中，投影镜头所满足的该实施例具体可以为0.345mm^-1、0.385mm^-1、0.398mm^-1、0.518mm^-1、0.522mm^-1。低于条件式下限，入射瞳孔径或者投影镜头的有效焦距均较小，容易影响成像质量，高于条件式上限，镜头组件的长度过长，不利于小型化设计。

在其中一个实施例中，投影镜头满足关系：6.0<TTL/ImgH<6.5；Imgh为投影镜头的最大视场角所对应的像高的一半。通过合理配置上述关系式的比值，可以有效控制投影镜头的光学总长，降低投影镜头的组装敏感度；同时，有利于投影镜头在小型化和大像面之间取得平衡，以使投影镜头在具有较小尺寸的同时，还可具备足够大的像源面，以匹配更高像素的图像传感器，进而能够拍摄出物体更多的细节。在一些实施例中，投影镜头所满足的该实施例具体可以为6.09、6.12、6.13、6.30、6.31。

在其中一个实施例中，投影镜头满足关系：2.5<TA/ImgH<3.4；TA为第一透镜的成像侧表面至第三透镜的像源侧表面在光轴上的距离，Imgh为投影镜头的最大视场角所对应的像高的一半。通过合理配置上述关系式的比值，可以有效控制第一透镜至第三透镜的光学总长，有利于投影镜头在小型化和大像面之间取得平衡，以使投影镜头在具有较小尺寸的同时，还可具备足够大的像源面，以匹配更高像素的图像传感器，进而能够拍摄出物体更多的细节。在一些实施例中，投影镜头所满足的该实施例具体可以为2.51、2.52、2.68、3.16、3.28。

在其中一个实施例中，投影镜头满足关系：0<(A2/A1)*(L3_nd/L1_nd)<3.5，A1为第一透镜的像源侧表面至第二透镜的成像侧表面在光轴上的距离，A2为第二透镜的像源侧表面至第三透镜的成像侧表面在光轴上的距离，L1_nd为第一透镜的折射率，L3_nd为第三透镜的折射率。通过合理配置上述关系式的比值，可以有效控制投影镜头的光学总长，同时还可以较好地平衡投影结构的大小，有效控制投影镜头的体积。在一些实施例中，投影镜头所满足的该实施例具体可以为0.14、0.97、1.34、1.76、3.38.

在其中一个实施例中，投影镜头满足关系：1.0<(SD_L1+SD_L2)/(SD_L3)<1.65；SD_L1为所述第一透镜的成像侧表面与像源侧表面的最大有效半径，SD_L2为所述第二透镜的成像侧表面与像源侧表面的最大有效半径，SD_L3为所述第三透镜的成像侧表面与像源侧表面的最大有效半径。通过上述关系式能够合理控制第一透镜、第二透镜和第三透镜的光学有效直径之间的比例，可使第一透镜和第二透镜的光学有效直径与第三透镜之间的段差保持在合理范围内，有利于减小投影镜头的像差；另外，第三透镜靠近棱镜或者说发光显示单元，第三透镜的高度大小与发光显示单元的大小呈正相关，控制第一透镜和第二透镜的最大有效半径小于第三透镜，有利于投影镜头在成像侧的小型化设计，可以减小整个投影镜头的体积和重量。在一些实施例中，投影镜头所满足的该实施例具体可以为1.007、1.019、1.221、1.565。

在其中一个实施例中，投影镜头满足关系：0.2<ImgH/f<0.4；Imgh为投影镜头的最大视场角所对应的像高的一半，f为投影镜头的有效焦距。通过对投影镜头的有效焦距和像高的控制，使得光学系统除了拥有长焦特性外，还能够匹配更大的像面，从而能够与更高像素的图像传感器配合，以实现高清晰成像，进而在对远景拍摄时依然能够获得如同近距离拍摄的高清晰成像效果。超过关系式上限，保证大像面成像的同时会减小焦距长度，影响光学系统的成像质量，低于关系式下限，保证大像面的同时会增大焦距的长度，导致光学系统的体积增大，不满足小型化设计要求。在一些实施例中，投影镜头所满足的该实施例具体可以为：0.25、0.26、0.28、0.33、0.34。

在其中一个实施例中，投影镜头满足关系：1.1<EPD/ImgH<1.5；EPD为投影镜头的入瞳直径；Imgh为投影镜头的最大视场角所对应的像高的一半。通过满足关系条件式，使得投影镜头在满足大像面、高品质成像的同时，可以通过控制投影镜头的入瞳直径，保证投影镜头满足边缘视场充足的像面亮度，以防止入瞳直径较小而不利于大光圈投影镜头和像面亮度的提升。同时可以防止入瞳直径过大，进而可以降低边缘视场光线束的像散，利于投影镜头成像质量的提升，防止像面弯曲，利于提高投影镜头的解像力。在一些实施例中，投影镜头所满足的该实施例具体可以为1.11、1.16、1.21、1.22、1.39。

在其中一个实施例中，投影镜头满足关系：-1.25<(f1*f3)/(f2*f)<-0.9；f1为第一透镜的有效焦距，f2为第二透镜的有效焦距，f3为第三透镜的有效焦距，f为投影镜头的有效焦距。通过合理控制第一透镜、第二透镜、第三透镜与光学系统的有效焦距的比值关系，使投影镜头的屈折力分配合理，有利于控制投影镜头光束的投射，利于实现投影镜头的高分辨率成像。在一些实施例中，投影镜头所满足的该实施例具体可以为-0.98、-1、-1.10、-1.12、-1.15。

在其中一个实施例中，第一透镜、第二透镜和第三透镜中有一个是玻璃镜片，其玻璃镜片可为球面或非球面，利用玻璃的膨胀系数较小，塑料的膨胀系数较大，以调整整个投影镜头的温度补偿，此外，还可同时利用玻璃的非球面，还可提高光学的性能。当然，可以理解的是，投影镜头也可为全部为塑胶或树酯等材料镜片，以眼镜为例，当将投影镜头应用至眼镜上时，由于人眼佩戴需求，所以还要使得投影镜头满足轻量的需求。

在其中一个实施例中，投影镜头满足关系：25°<FOV<40°，能有效降低畸变，是像质在投影过程中得到有力保障。

本申请的实施例还提供了一种投影装置，投影装置包括投影镜头以及至少一光源，所述光源设于所述投影镜头的像源侧。以光源为发光显示单元为例，在发光显示单元和投影镜头之间还可具有棱镜，投影镜头设置在发光显示单元出光侧，棱镜位于发光显示单元和投影镜头之间。

投影镜头包含三枚镜片，从物侧(出瞳侧)往像侧(面板显示侧),依序分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜、棱镜、发光显示单元。其第一透镜的屈折力为正，第二透镜的屈折力为负，第三透鏡的屈折力为正。具有正屈折力的第一透镜，于光轴处成像侧表面为凸面；具有负屈折力的第二透镜，且于光轴处成像侧表面为凹面；具有正屈折力的第三透镜，且于光轴处成像侧表面为凸面，像源侧表面为凸面。在一个示例中，发光显示单元可为棱镜与分开不同侧的单独红色、绿色、蓝色的发光显示单元，透过RGB混合成全彩，在拎一个示例中，棱镜与同一侧的彩色发光单元加另一侧显示面板，或是单独为单色或彩色会发光的显示器面板。

棱镜位于第三透镜与发光显示单元之间。若其中为microLED单色发光显示单元，如红色，绿色，蓝色发光显示单元。其分光棱镜为四胶合，其四胶合为四块三棱镜组合而成，目的用以将RGB三色混合成彩色，如附图1。因LCoS也为目前常用的显示模组，但一般LCoS需外界辅助光源，若为需要外界辅助光源，则分光棱镜为二胶合，其二胶合为二块三棱镜组合而成，也即由一边是光源，序列式的点亮RGB，另一边是显示器，达成全彩的显示。若是自发光的全彩的显示器，如OLED或未来发展出全彩的microLED，则不需要棱镜，一块平板也可。本专利提案之架构，皆有保留棱镜的空间，可做三种方式的交替使用，如microLED与LCoS与OLED等。

本实施例的投影装置通过装配由上述示例的投影镜头，可以较好得减小投影装置的体积，有利于投影装置的小型化以及轻量化，同时，本申请的投影装置还具有较好的成像质量。

本申请的一些实施例还提供了一种电子设备。电子设备包括壳体和投影装置，投影装置位于壳体内。值得注意的是，因为本发明电子设备包含了上述投影装置的全部实施例，因此本发明电子设备具有上述投影装置的所有有益效果，此处不再赘述。

本申请的电子设备不仅可以是AR设备、VR设备、手机、相机等。以AR设备为例，近年来扩增实境(AR,AugmentedReality)的应用需求被广泛提出，各家努力推出其对应的技术与应用，其技术上越来越普及，其光机架构主要方案有LCoS，DLP，microLED，及LBS等，再搭配衍射波导(Diffractivewaveguide)或几何光波导，投影成像在人眼上。通常LCoS或DLP的方案，其系统是体积较大，microLED或LBS体积较小，是未来趋势，由于眼睛是人体佩戴，不希望体积太大与太重，如何轻薄与短小是未来的发展重点。

由于microLED自带光源，其省去了光路的部份，故体积可以作小，目前LED以单色居多，也限制了目前的应用，未来彩色microLED广泛出现，则应用将可更加广泛与普及。现阶段也有LCoS为自带LED发光源的，但因为体积限制的关系，缺点是亮度不够，在加上偏极化的关系，光学效能不高。而本申请的电子设备，体积小、亮度高，光学成像效果好，能够满足使用需求。当然，本申请的电子设备不仅可以用在AR设备上，还可以用在其他的设备上，例如VR设备、手机、相机等。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本申请第一实施例提供的投影镜头的结构示意图；

图2包括第一实施例中投影镜头的纵向球差图、像散图和畸变图；

图3为本申请第二实施例提供的投影镜头的结构示意图；

图4包括第二实施例中投影镜头的纵向球差图、像散图和畸变图；

图5为本申请第三实施例提供的投影镜头的结构示意图；

图6包括第三实施例中投影镜头的纵向球差图、像散图和畸变图；

图7为本申请第四实施例提供的投影镜头的结构示意图；

图8包括第四实施例中投影镜头的纵向球差图、像散图和畸变图；

图9为本申请第五实施例提供的投影镜头的结构示意图；

图10包括第五实施例中投影镜头的纵向球差图、像散图和畸变图；

图11为本申请一实施例提供的投影装置的发光显示单元为单色发光显示单元的结构示意图；

图12为本申请一实施例提供的投影装置的发光显示单元为RGB发光单元的结构示意图；

图13为本申请一实施例提供的投影装置的发光显示单元为彩色显示单元的结构示意图。

附图标记：

投影装置100，

投影镜头10，

光轴101，

光阑STO，第一透镜L1，第二透镜L2，第三透镜L3，

第一透镜成像侧表面S1，第一透镜像源侧表面S2，第二透镜成像侧表面S3，第二透镜像源侧表面S4，第三透镜成像侧表面S5，第三透镜像源侧表面S6，

棱镜L4，棱镜成像侧表面S7，棱镜像源侧表面S8，

发光显示单元30，红色发光显示单元1、蓝色发光显示单元2、绿色发光显示单元3、RGB发光单元4、显示单元5、彩色显示单元6。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面将参考附图描述根据本发明的投影镜头10。

参考图1，本申请的实施例提供一种投影镜头10，投影镜头10沿光轴由成像侧至像源侧一次包括具有正屈折力的第一透镜L1、具有负屈折力的第二透镜L2、具有正屈折力的第三透镜L3。投影镜头10中的各透镜应同轴设置，各透镜共同的轴线即为投影镜头10的光轴101，且各透镜能够安装于投影镜头的镜筒内，或者安装在投影装置镜筒内。

第一透镜L1具有成像侧表面S1和像源侧表面S2，第二透镜L2具有成像侧表面S3和像源侧表面S4，第三透镜L3具有成像侧表面S5和像源侧表面S6。同时，投影镜头10还存在像源面S9，像源面S9位于第三透镜L3的像侧，或者，像源面S9位于第一透镜L1的物侧，也即，光线可以由第一透镜L1的物侧进入投影镜头10，也可以由第三透镜L3的像侧进入投影镜头10，具体可以根据投影镜头10的实际需求进行应用。

一般地，投影镜头10的像源面S9与感光芯片的感光面重合。需要说明的是，在一些实施例中，投影镜头10可以匹配具有矩形感光面的图像传感器，投影镜头10的像源面S9与图像传感器的矩形感光面重合。此时，投影镜头10像源面S9上有效像素区域具有水平方向、垂直方向以及对角线方向，本申请中投影镜头10的最大视场角可以理解为投影镜头10对角线方向的最大视场角，最大视场角所对应的像高可以理解为投影镜头10像源面S9上有效像素区域对角线方向的长度的一半。

在本申请的实施例中，第一透镜L1的成像侧表面S1于近光轴101处为凸面；第二透镜L2的成像侧表面S3于近光轴101处为凹面；第三透镜L3的成像侧表面S5于近光轴101处为凸面，像源侧表面S6于近光轴101处为凸面。当描述透镜表面于近光轴101处具有某种面型时，即该透镜表面于光轴101附近具有该种面型；当描述透镜表面于近最大有效口径处具有某种面型时，即该透镜表面沿径向且在靠近最大有效通光口径处具有该种面型。

以如图1所示的光线由第一透镜L1的物侧进入投影镜头10为例，投影镜头10中，通过使第一透镜L1具有正屈折力，且成像侧表面S1于近光轴101处为凸面，有利于抓住射入第一透镜L1的大角度光线，从而实现大广角的投影效果，利于投影镜头10覆盖大视角范围。第二透镜L2具有负屈折力，搭配成像侧表面于近光轴101处设置为凹面型设计，有利于分担第一透镜L1的大角度光线以合理的角度平滑地射入第二透镜L2，同时可以修正第一透镜L1因大视场角光线所产生的像差。第三透镜L3的成像侧表面S5与像源侧表面S6于近光轴101处均设置为凸面，可以进一步地使中心和边缘视场光线汇聚，为投影镜头10各视场光线提供了汇聚能力，利于收缩光线，从而有利于压缩投影镜头10的总长，且具有的正屈折力，可以抵消负屈折力的物方透镜(即第一透镜L1和第二透镜L2)所产生的像差。

在其中一个实施例中，投影镜头10满足关系：0.3mm^-1<TTL/(f*EPD)<0.6mm^-1；TTL为第一透镜L1的成像侧表面S1至投影镜头10的像源面S9于光轴101上的距离，f为投影镜头10的有效焦距，EPD为投影镜头10的入瞳直径。

通过满足条件式，可以缩短光学总长，减小投影镜头10的总体厚度，减少镜头组件10的占用空间，另外，还通过平衡投影镜头10的焦距和第一透镜L1的成像侧表面S1至投影镜头10的像源面S9于光轴101上的距离，可以在满足成像质量的前提下，更好地限制投影镜头组件10的总体厚度，避免镜头组件10长度过长，同时避免镜头组件10体积过大。在一些实施例中，投影镜头10所满足的该实施例具体可以为0.345mm^-1、0.385mm^-1、0.398mm^-1、0.518mm^-1、0.522mm^-1。低于条件式下限，入射瞳孔径或者投影镜头10的有效焦距均较小，容易影响成像质量，高于条件式上限，镜头组件10的长度过长，不利于小型化设计。

在其中一个实施例中，投影镜头10满足关系：6.0<TTL/ImgH<6.5；Imgh为投影镜头10的最大视场角所对应的像高的一半。通过合理配置上述关系式的比值，可以有效控制投影镜头10的光学总长，降低投影镜头10的组装敏感度；同时，有利于投影镜头10在小型化和大像面之间取得平衡，以使投影镜头10在具有较小尺寸的同时，还可具备足够大的像源面S9，以匹配更高像素的图像传感器，进而能够拍摄出物体更多的细节。在一些实施例中，投影镜头10所满足的该实施例具体可以为6.09、6.12、6.13、6.3、6.31。

在其中一个实施例中，投影镜头10满足关系：2.5<TA/ImgH<3.4；TA为第一透镜L1的成像侧表面S1至第三透镜L3的像源侧表面S6在光轴101上的距离，Imgh为投影镜头10的最大视场角所对应的像高的一半。通过合理配置上述关系式的比值，可以有效控制第一透镜L1至第三透镜L3的光学总长，有利于投影镜头10在小型化和大像面之间取得平衡，以使投影镜头10在具有较小尺寸的同时，还可具备足够大的像源面S9，以匹配更高像素的图像传感器，进而能够拍摄出物体更多的细节。在一些实施例中，投影镜头10所满足的该实施例具体可以为2.51、2.52、2.68、3.16、3.28。

在其中一个实施例中，投影镜头10满足关系：0<(A2/A1)*(L3_nd/L1_nd)<3.5，A1为第一透镜L1的像源侧表面S2至第二透镜L2的成像侧表面S3在光轴101上的距离，A2为第二透镜L2的像源侧表面S4至第三透镜L3的成像侧表面S5在光轴101上的距离，L1_nd为第一透镜L1的折射率，L3_nd为第三透镜L3的折射率。通过合理配置上述关系式的比值，可以有效控制投影镜头10的光学总长，同时还可以较好地平衡投影结构的大小，有效控制投影镜头10的体积。在一些实施例中，投影镜头10所满足的该实施例具体可以为0.14、0.97、1.34、1.76、3.38.

在其中一个实施例中，投影镜头10满足关系：1.0<(SD_L1+SD_L2)/(SD_L3)<1.65；SD_L1为第一透镜L1的成像侧表面S1与像源侧表面S2的最大有效半径，SD_L2为第二透镜L2的成像侧表面S3与像源侧表面S4的最大有效半径，SD_L3为第三透镜L3的成像侧表面S5与像源侧表面S6的最大有效半径。通过上述关系式能够合理控制第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的光学有效直径之间的比例，可使减小第一透镜L1和第二透镜L2的光学有效直径与第三透镜L3之间的段差保持在合理范围内，有利于减小投影镜头10的像差，另外，第三透镜L3靠近棱镜L4或者说发光显示单元30，第三透镜L3的高度大小与发光显示单元30的大小呈正相关，可以减小投影镜头10的体积。在一些实施例中，投影镜头10所满足的该实施例具体可以为1.007、1.019、1.221、1.565。

在其中一个实施例中，投影镜头10满足关系：0.2<ImgH/f<0.4；Imgh为投影镜头10的最大视场角所对应的像高的一半，f为投影镜头10的有效焦距。通过对投影镜头10的有效焦距和像高的控制，使得光学系统除了拥有长焦特性外，还能够匹配更大的像面，从而能够与更高像素的图像传感器配合，以实现高清晰成像，进而在对远景拍摄时依然能够获得如同近距离拍摄的高清晰成像效果。超过关系式上限，保证大像面成像的同时会减小焦距长度，影响光学系统的成像质量，低于关系式下限，保证大像面的同时会增大焦距的长度，导致光学系统的体积增大，不满足小型化设计要求。在一些实施例中，投影镜头10所满足的该实施例具体可以为：0.25、0.26、0.28、0.33、0.34。

在其中一个实施例中，投影镜头10满足关系：1.1<EPD/ImgH<1.5；EPD为投影镜头的入瞳直径；Imgh为投影镜头的最大视场角所对应的像高的一半。通过满足关系条件式，使得投影镜头10在满足大像面、高品质成像的同时，可以通过控制投影镜头10的入瞳直径，保证投影镜头10满足边缘视场充足的像面亮度，以防止入瞳直径较小而不利于大光圈投影镜头10和像面亮度的提升。同时可以防止入瞳直径过大，进而可以降低边缘视场光线束的像散，利于投影镜头10成像质量的提升，防止像面弯曲，利于提高投影镜头10的解像力。在一些实施例中，投影镜头10所满足的该实施例具体可以为1.11、1.16、1.21、1.22、1.39。

在其中一个实施例中，投影镜头10满足关系：-1.25<(f1*f3)/(f2*f)<-0.9；f1为第一透镜L1的有效焦距，f2为第二透镜L2的有效焦距，f3为第三透镜L3的有效焦距，f为投影镜头10的有效焦距。通过合理控制第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3与投影镜头10的有效焦距的比值关系，使投影镜头10的屈折力分配合理，有利于控制投影镜头10光束的投射，利于实现投影镜头10的高分辨率成像。在一些实施例中，投影镜头10所满足的该实施例具体可以为-0.98、-1.10、-1、-1.12、-1.15。

在其中一个实施例中，投影镜头10的第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3中有一个是玻璃镜片，其玻璃镜片可为球面或非球面，利用玻璃的膨胀系数较小，塑料的膨胀系数较大，以调整整个投影镜头10的温度补偿，此外，还可同时利用玻璃的非球面，还可提高光学的性能。当然，可以理解的是，投影镜头10也可为全部为塑胶或树酯等材料镜片，以眼镜为例，当将投影镜头10应用至眼镜上时，由于人眼佩戴需求，所以还要使得投影镜头10满足轻量的需求。

在其中一个实施例中，投影镜头10满足关系：25°<FOV<40°，以满足电子设备的使用需求。

以上各关系式条件中的有效焦距的数值参考波长为587nm，有效焦距至少是指相应透镜于近光轴101处的数值，透镜的屈折力至少是指于近光轴101处的情况。且以上各关系式条件及其所带来的技术效果针对的是具有上述透镜设计的投影镜头10。在无法确保拥有前述投影镜头10的透镜设计(透镜数量、屈折力配置、面型配置等)时，将难以确保投影镜头10在满足这些关系式时依然能够拥有相应的技术效果，甚至可能会导致投影性能发生显著下降。

在一些实施例中，投影镜头10中的至少一个透镜可以具有球面面型，球面面型的设计可降低透镜的制备难度，降低制备成本。在一些实施例中，投影镜头10的至少一个透镜也可以具有非球面面型，当透镜的至少一侧表面(成像侧表面或像源侧表面)为非球面时，即可称该透镜具有非球面面型。在一个实施例中，可以将各透镜的成像侧表面及像源侧表面均设计为非球面。非球面设计能够帮助投影镜头10更为有效地消除像差，改善成像品质。在一些实施例中，为了兼顾制备成本、制备难度、成像品质、组装难度等，投影镜头10中的各透镜表面的设计可由球面及非球面面型搭配而成。

非球面的面型计算可参考非球面公式：

其中，Z为非球面上相应点到该面于光轴101处的切平面的距离，r为非球面上相应点到光轴101的距离，c为非球面于光轴101处的曲率，k为圆锥系数，Ai为非球面面型公式中与第i阶高次项相对应的高次项系数。

另外应注意的是，当某个透镜表面为非球面时，该透镜表面可以存在反曲点，此时该面沿径向将发生面型种类的改变，例如一个透镜表面在近光轴101处为凸面，而在靠近最大有效口径处则为凹面。反曲点的面型设计，从而能够对投影镜头10中的边缘视场的场曲、畸变像差实现良好的校正，改善成像质量。

在一些实施例中，投影镜头10中至少一个透镜的材质为玻璃(GL，Glass)。例如，可使最靠近物侧的第一透镜L1采用玻璃材质，利用第一透镜L1玻璃材料的消温效果，可以有效减小环境温度变化对投影镜头10的影响，进而维持较好较稳定的成像品质。在一些实施例中，投影镜头10中至少一个透镜的材质也可为塑料(PC，Plastic)，塑料材质可以为聚碳酸酯、树胶等。具有塑料材质的透镜能够降低投影镜头10的生产成本，而具有玻璃材质的透镜能够耐受较高或较低的温度且具有优良的光学效果及较佳的稳定性。在一些实施例中，投影镜头10中可设置不同材质的透镜，即可采用玻璃透镜及塑料透镜相结合的设计，但具体配置关系可根据实际需求而确定，此处不加以穷举。

需要注意的是，第一透镜L1并不意味着只存在一片透镜，在一些实施例中，第一透镜L1中也可以存在两片或多片透镜，两片或多片透镜能够形成胶合透镜，胶合透镜最靠近物侧的表面可视为成像侧表面S1，最靠近像侧的表面可视为像源侧表面S2。或者，第一透镜L1中的各透镜之间并不形成胶合透镜，但各透镜之间的距离相对固定，此时最靠近物侧的透镜的成像侧表面为成像侧表面S1，最靠近像侧的透镜的像源侧表面为像源侧表面S2。另外，一些实施例中的第二透镜L2、第三透镜L3中的透镜数量也可大于或等于两片，且任意相邻透镜之间可以形成胶合透镜，也可以为非胶合透镜。

在一些实施例中，投影镜头10还包括孔径光阑STO，本申请的光阑也可以为视场光阑，孔径光阑STO用于控制投影镜头10的入光量及景深，同时也能对非有效光线实现良好的拦截以改善投影镜头10的成像质量，其可设置在投影镜头10的物侧与第一透镜L1的成像侧表面S1之间。可以理解的是，在其他实施例中，该光阑STO也可设置在相邻的两个透镜之间，例如设置在第一透镜L1和第二透镜L2之间，或设置在第二透镜L2和第三透镜L3之间，根据实际情况调整设置，本申请实施例对此不作具体限定。孔径光阑STO也可以由固定透镜的夹持件形成。

以下通过更具体的实施例以对本申请的投影镜头10进行说明：

第一实施例

参考图1，在第一实施例中，投影镜头10沿光轴101由物侧至像侧依次包括具有正屈折力的第一透镜L1、具有负屈折力的第二透镜L2、具有正屈折力的第三透镜L3。

在第一实施例中，第一透镜L1的成像侧表面S1和像源侧表面S2均为球面，第二透镜L2和第三透镜L3的成像侧表面、像源侧表面均为非球面。且第一透镜L1的材质为玻璃(GL)，第二透镜L2和第三透镜L3的材质为塑料(PC)。

第一实施例中投影镜头10的各透镜参数由以下表1所展现。由投影镜头10的物侧至像侧的各元件依次按照表1从上至下的顺序排列，其中光阑表征孔径光阑STO。表1中Y半径为透镜相应表面于光轴101处的曲率半径。表1中面序号为S1的表面代表第一透镜L1的成像侧表面，面序号为S2的表面代表第一透镜L1的像源侧表面，以此类推。透镜于“厚度”参数列中的第一个数值的绝对值为该透镜于光轴101上的厚度，第二个数值的绝对值为该透镜的像源侧表面至后一光学面(后一透镜的成像侧表面或光阑面)于光轴101上的距离，其中光阑的厚度参数表示光阑面至像方相邻透镜的成像侧表面于光轴101上的距离。表格中各透镜的折射率、阿贝数的参考波长均为587.6nm，焦距(有效焦距)的参考波长为587nm，且Y半径、厚度、焦距(有效焦距)的数值单位均为毫米(mm)。另外，以下各实施例中用于关系式计算的参数数据和透镜面型结构以相应实施例中的透镜参数表格中的数据为准。

表1

以下表2展现了表1中相应透镜表面的非球面系数，其中K为圆锥系数，Ai为非球面面型公式中与第i阶高次项相对应的系数。

表2

第一实施例中的投影镜头10的有效焦距f为13.11mm，光圈数FNO为3.28，光学总长TTL为20.2mm，以下各实施例中的光学总长TTL数值为面序号光阑STO至S9所对应的厚度值之和，投影镜头10的最大视场角FOV为28.5°。

进一步地，在第一实施例中，投影镜头10满足以下各关系：

图2包括了第一实施例中投影镜头10的纵向球差图、像散图和畸变图。纵向球面像差图(Longitudinal Spherical Aberration)展现了不同波长的光线经由镜头后的汇聚焦点偏离。纵向球面像差图的纵坐标表示归一化的由光瞳中心至光瞳边缘的光瞳坐标(Normalized Pupil Coordinator)，横坐标表示像源面S9到光线与光轴交点的距离(单位为mm)。由纵向球面像差图可知，第一实施例中的各波长光线的汇聚焦点偏离程度趋于一致，各参考波长的最大焦点偏移均被控制在±0.0025mm以内，成像画面中的弥散斑或色晕得到有效抑制。图2还包括投影镜头10的场曲像散图(Astigmatic Field Curves)，其中X1曲线代表656.2725nm波长下的矢场曲，Y1曲线代表656.2725nm波长下的子午场曲；X2曲线代表587.5618nm波长下的弧矢场曲，Y2曲线代表587.5618nm波长下的子午场曲，X3曲线代表486.1327nm波长下的弧矢场曲，Y3曲线代表456.1327nm波长下的子午场曲。由图中可知，投影镜头10的场曲较小，最大场曲被控制在±0.08mm以内，像面弯曲程度得到有效抑制，且各视场下的弧矢场曲及子午场曲趋于一致，各视场的像散得到较佳的控制，因此可知投影镜头10的视场中心至边缘均拥有清晰的成像。另外根据畸变图可知，投影镜头10的畸变程度也得到了良好的控制。

第二实施例

参考图3，在第二实施例中，投影镜头10沿光轴101由物侧至像侧依次包括具有正屈折力的第一透镜L1、具有负屈折力的第二透镜L2、具有正屈折力的第三透镜L3。

在第一实施例中，第一透镜L1、第二透镜和第三透镜的成像侧表面、像源侧表面均为非球面。且第一透镜的材质为玻璃(GL)，第二透镜和第三透镜的材质均为塑料(PC)。

本投影镜头10的各透镜参数由表3给出，其中各元件名称和参数的定义可由第一实施例中得出，此处不加以赘述。

表3

以下表4展现了表3中相应透镜表面的非球面系数，其中K为圆锥系数，Ai为非球面面型公式中与第i阶高次项相对应的系数。

表4

由图4中的各像差图可知，投影镜头10的纵向球差、场曲、像散、畸变均得到良好的控制，该实施例的投影镜头10可拥有良好的成像品质。

第三实施例

参考图5，在第三施例中，投影镜头10沿光轴101由物侧至像侧依次包括具有正屈折力的第一透镜L1、具有负屈折力的第二透镜L2、具有正屈折力的第三透镜L3。

在第一实施例中，第一透镜L1、第二透镜和第三透镜的成像侧表面、像源侧表面均为非球面。且第一透镜、第二透镜和第三透镜的材质均为塑料(PC)。

本投影镜头10的各透镜参数由表5给出，其中各元件名称和参数的定义可由第一实施例中得出，此处不加以赘述。

表5

以下表6展现了表5中相应透镜表面的非球面系数，其中K为圆锥系数，Ai为非球面面型公式中与第i阶高次项相对应的系数。

表6

由图6中的各像差图可知，拥有广角特性的投影镜头10的纵向球差、场曲、像散、畸变均得到良好的控制，该实施例的投影镜头10可拥有良好的成像品质。

第四实施例

参考图7，在第四施例中，投影镜头10沿光轴101由物侧至像侧依次包括具有正屈折力的第一透镜L1、具有负屈折力的第二透镜L2、具有正屈折力的第三透镜L3。

在第一实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的成像侧表面、像源侧表面均为非球面。且第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的材质均为塑料(PC)。

本投影镜头10的各透镜参数由表7给出，其中各元件名称和参数的定义可由第一实施例中得出，此处不加以赘述。

表7

以下表8展现了表7中相应透镜表面的非球面系数，其中K为圆锥系数，Ai为非球面面型公式中与第i阶高次项相对应的系数。

表8

由图8中的各像差图可知，拥有广角特性的投影镜头10的纵向球差、场曲、像散、畸变均得到良好的控制，该实施例的投影镜头10可拥有良好的成像品质。

第五实施例

参考图9，在第五施例中，投影镜头10沿光轴101由物侧至像侧依次包括具有正屈折力的第一透镜L1、具有负屈折力的第二透镜L2、具有正屈折力的第三透镜L3。

在第一实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的成像侧表面、像源侧表面均为非球面。且第一透镜L1、第二透镜L2的材质均为塑料(PC)，第三透镜L3的材质为玻璃(GL)。

本投影镜头10的各透镜参数由表9给出，其中各元件名称和参数的定义可由第一实施例中得出，此处不加以赘述。

表9

以下表10展现了表9中相应透镜表面的非球面系数，其中K为圆锥系数，Ai为非球面面型公式中与第i阶高次项相对应的系数。

表10

由图10中的各像差图可知，拥有广角特性的投影镜头10的纵向球差、场曲、像散、畸变均得到良好的控制，该实施例的投影镜头10可拥有良好的成像品质。

请参阅表11，表11为本申请第一实施例至第五实施例中各关系式的比值汇总。

表11

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						Imgh/f(mm<sup>-1</sup>)	0.252	0.260	0.339	0.331	0.283
TTL/(f*EPD)	0.385	0.398	0.518	0.522	0.345
						(f1*f3)/(f2*f)	-1.000	-0.982	-1.124	-1.154	-1.097
(SD_L1+SD_L2)/(SD_L3)	1.007	1.019	1.099	1.565	1.221
						TTL/Imgh	6.121	6.121	6.121	6.303	6.092
TA/Imgh	3.164	3.164	3.164	2.679	3.278
						EPD/Imgh	1.212	1.212	1.212	1.212	1.389
(A2/A1)*(L3_nd/L1_nd)	1.345	3.382	1.763	0.135	0.975

相较于一般的投影镜头，上述各实施例中的投影镜头10能够在压缩总长以实现小型化设计的同时保持良好的成像质量。

参考图11、图12和图13，本申请的实施例还提供了一种投影装置100，投影装置100包括投影镜头10及至少一光源，光源设于投影镜头10的相源侧，这里的像源侧可以参考图11中投影镜头10与光源之间的相对位置，其中，在图11所示出的具体实施例中，光源为发光显示单元30，投影镜头10设置在发光显示单元30出光侧，棱镜L4位于发光显示单元30和投影镜头10之间。投影镜头10包含3枚镜片，从物侧(出瞳侧)往像侧(面板显示侧),依序分别为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、棱镜L4、发光显示单元30。其中，第一透镜L1至第三透镜L3的屈折力依序为正，负，正。具有正屈折力的第一透镜L1，于光轴101处成像侧表面S1为凸面；具有负屈折力的第二透镜L2，且于光轴101处成像侧表面S3为凹面；具有正屈折力的第三透镜L3，且于光轴101处成像侧表面S5为凸面，像源侧表面S6为凸面。发光显示单元30为棱镜L4与分开不同侧的单独红色发光显示单元1，绿色发光显示单元3，蓝色发光显示单元2，棱镜L4为四胶合，其四胶合为四块三棱镜组合而成，四胶合的棱镜L4具有成像侧表面S7和像源侧表面S8。具体地投影过程为：红色发光显示单元1，绿色发光显示单元3，蓝色发光显示单元2分别将光线投射到棱镜L4上，然后四胶合棱镜L4将红色发光显示单元1，绿色发光显示单元3，蓝色发光显示单元2投射的具有三种颜色的光线混合成彩色，然后混合成彩色的光线依次经过第三透镜L3、第二透镜L2、第一透镜L1后，能够投射到投影屏上，实现彩色显示。

在图12所示出的具体实施例中，光源为发光显示单元30，投影镜头10设置在发光显示单元30出光侧，棱镜L4位于发光显示单元30和投影镜头10之间。投影镜头10包含3枚镜片，从物侧(出瞳侧)往像侧(面板显示侧),依序分别为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、棱镜L4、发光显示单元30。其中，第一透镜L1至第三透镜L3的屈折力依序为正，负，正。具有正屈折力的第一透镜L1，于光轴101处成像侧表面S1为凸面；具有负屈折力的第二透镜L2，且于光轴101处成像侧表面S3为凹面；具有正屈折力的第三透镜L3，且于光轴101处成像侧表面S5为凸面，像源侧表面S6为凸面。发光显示单元30为棱镜L4与同一侧的RGB发光单元4加另一侧显示单元5，棱镜L4为二胶合，其二胶合为二块三棱镜组合而成，二胶合棱镜L4具有成像侧表面S7和像源侧表面S8。具体地投影过程为：RGB发光单元4序列式发出光线，然后与显示屏投射出的光线混合达成彩色光线，然后混合成彩色的光线依次经过第三透镜L3、第二透镜L2、第一透镜L1后，能够投射到投影屏上，实现彩色显示。

在图13所示出的具体实施例中，光源为发光显示单元30，投影镜头10设置在发光显示单元30出光侧，棱镜L4位于发光显示单元30和投影镜头10之间。投影镜头10包含3枚镜片，从物侧(出瞳侧)往像侧(面板显示侧),依序分别为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、棱镜L4、发光显示单元30。其中，第一透镜L1至第三透镜L3的屈折力依序为正，负，正。具有正屈折力的第一透镜L1，于光轴101处成像侧表面S1为凸面；具有负屈折力的第二透镜L2，且于光轴101处成像侧表面S3为凹面；具有正屈折力的第三透镜L3，且于光轴101处成像侧表面S5为凸面，像源侧表面S6为凸面。发光显示单元30为单色或彩色会发光的显示器面板，也即彩色显示单元6。彩色显示单元6直接将彩色的光线依次经过第三透镜L3、第二透镜L2、第一透镜L1后，能够投射到投影屏上，实现彩色显示。其中，彩色显示单元6若是自发光的全彩的显示器，如OLED或未来发展出全彩的microLED，则不需要棱镜。

如附图11至图13的三种实施例，皆有保留棱镜L4的空间，可做三种方式的交替使用，如microLED与LCoS与OLED等。

本申请的一些实施例还提供了一种电子设备。电子设备包括壳体和投影装置100，投影装置100位于壳体内。值得注意的是，因为本发明电机设备包含了上述投影装置100的全部实施例，因此本发明电子设备具有上述投影装置的所有有益效果，此处不再赘述。

电子设备可以是手机、相机、VR设备、AR设备等，例如AR设备，近年来扩增实境(AR,AugmentedReality)的应用需求被广泛提出，各家努力推出其对应的技术与应用，其技术上越来越普及，其光机架构主要方案有LCoS，DLP，microLED，及LBS等，再搭配衍射波导(Diffractivewaveguide)或几何光波导，投影成像在人眼上。通常LCoS或DLP的方案，其系统是体积较大，microLED或LBS体积较小，是未来趋势，由于眼睛是人体佩戴，不希望体积太大与太重，如何轻薄与短小是未来的发展重点。由于microLED自带光源，其省去了光路的部份，故体积可以作小，目前LED以单色居多，也限制了目前的应用，未来彩色microLED广泛出现，则应用将可更加广泛与普及。现阶段也有LCoS为自带LED发光源的，但因为体积限制的关系，缺点是亮度不够，在加上偏极化的关系，光学效能不高。而本申请的电子设备，体积小、亮度高，光学成像效果好，能够满足使用需求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种投影镜头，其特征在于，沿光轴由成像侧至像源侧依次包括：

具有正屈折力的第一透镜，所述第一透镜的成像侧表面于近光轴处为凸面；

具有负屈折力的第二透镜，所述第二透镜的成像侧表面于近光轴处为凹面；

具有正屈折力的第三透镜，所述第三透镜的成像侧表面于近光轴处为凸面，像源侧表面于近光轴处为凸面。

2.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头满足关系：所述投影镜头满足关系：

0.3mm^-1<TTL/(f*EPD)<0.6mm^-1；

TTL为所述第一透镜的成像侧表面至所述投影镜头的成像侧表面于光轴上的距离，f为所述投影镜头的有效焦距，EPD为所述投影镜头的入瞳直径。

3.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头满足关系：

6.0<TTL/ImgH<6.5；

Imgh为所述投影镜头的最大视场角所对应的像高的一半。

4.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头满足关系：

2.5<TA/ImgH<3.4；

TA为所述第一透镜的成像侧表面至所述第三透镜的像源侧表面在光轴上的距离。

5.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头满足关系：

0<(A2/A1)*(L3_nd/L1_nd)<3.5；

A1为所述第一透镜的像源侧表面至所述第二透镜的成像侧表面在光轴上的距离，A2为所述第二透镜的像源侧表面至所述第三透镜的成像侧表面在光轴上的距离，L1_nd为所述第一透镜的折射率，L3_nd为所述第三透镜的折射率。

6.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头满足关系：

1.0<(SD_L1+SD_L2)/(SD_L3)<1.65；

SD_L1为所述第一透镜的成像侧表面与像源侧表面的最大有效半径，SD_L2为所述第二透镜的成像侧表面与像源侧表面的最大有效半径，SD_L3为所述第三透镜的成像侧表面与像源侧表面的最大有效半径。

7.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头满足关系：

0.2<ImgH/f<0.4。

8.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头满足关系：

1.1<EPD/ImgH<1.5。

9.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头满足关系：

-1.25<(f1*f3)/(f2*f)<-0.9；

f1为所述第一透镜的有效焦距，f2为所述第二透镜的有效焦距，f3为所述第三透镜的有效焦距。

10.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括如权利要1-9所述的投影镜头以及至少一光源，所述光源设于所述投影镜头的像源侧。

11.一种电子设备，其特征在于，包括壳体和如权利要求10所述的投影装置，所述投影装置位于所述壳体内。

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