CN116068730A - 投影镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种投影镜头，共三片透镜，沿光轴从投影面到像源面依次包括：具有正光焦度的第一透镜，其像源侧为凸面；具有负光焦度的第二透镜；具有正光焦度的第三透镜；所述投影镜头的最大视场角FOV与光圈值满足：5.0°＜FOV/FNO＜25.0°。本发明提供的投影镜头可以有效地限制镜头的长度，有利于实现投影镜头小型化；通过合理搭配三个镜片的光焦度，提高相对照度，使得投影镜头在投影面处亮度得到提升避免暗角产生，提高投影镜头的投影质量。

Description

投影镜头
技术领域
本发明涉及光学镜头技术领域，特别是涉及一种投影镜头。
背景技术
近年来，灯光投影在生活中的应用越来越广泛。投影系统在城市建筑灯光秀和舞台中秀中给我们呈现出视觉盛宴，给我们带来全新的感官体验。伴随着人们对驾驶体验的不断提高，灯光投影在智能驾驶上的使用越来越多，如迎宾灯等。迎宾灯是一种汽车灯饰，它主要是安装使用在车门底端和后视镜下方，当打开车门时，迎宾灯就会投影出各种车主自己定制的图案。然而市面上的投影镜头尺寸较大，影响其在车门上的安装。同时光线环境复杂，容易使得投影出来的图案产生暗角，投影面处亮度不够，导致图案不清晰，难以满足使用需求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种投影镜头，具有成本低、尺寸小、亮度高和高投影质量的优点。
本发明的目的在于提供一种投影镜头，共三片透镜，沿光轴从投影面到像源面依次包括：
具有正光焦度的第一透镜，其像源侧为凸面；
具有负光焦度的第二透镜；
具有正光焦度的第三透镜；
所述投影镜头的最大视场角FOV与光圈值满足：5.0°＜FOV/FNO＜25.0°。
进一步地优选，所述投影镜头的最大视场角所对应的像源面上的入射角满足：CRA＜1°。
进一步地优选，所述投影镜头的最大视场角所对应的像源面高度IH与有效焦距f满足：0.3＜IH/f＜0.8。
进一步地优选，所述投影镜头的最大视场角所对应的像源面高度IH与入瞳直径EPD满足：1.2＜IH/EPD＜1.7。
进一步地优选，所述第一透镜的焦距f1与所述投影镜头的有效焦距f满足：0.3＜f1/f＜1.1。
进一步地优选，所述第二透镜的焦距f2与所述投影镜头的有效焦距f满足：-0.2＜f2/f＜-0.8。
进一步地优选，所述第三透镜的焦距f3与所述投影镜头的有效焦距f满足：0.3＜f3/f＜1.3。
进一步地优选，所述投影镜头的光学总长TTL与所述第一透镜至所述第三透镜分别沿光轴的中心厚度的总和∑CT满足：0.3＜∑CT/TTL＜0.8。
进一步地优选，所述投影镜头的最大视场角所对应的像源面高度IH、最大视场角FOV、所述第一透镜投影侧的通光口径D1三者之间满足：2.2＜D1/IH/tan(FOV/2)＜5.3。
进一步地优选，所述投影镜头的光学总长TTL与有效焦距f满足：TTL/f＜2.4。
本发明提供的投影镜头可以有效地限制镜头的长度，有利于实现投影镜头小型化；通过合理搭配三个镜片的光焦度，提高相对照度，使得投影镜头在投影面处亮度得到提升避免暗角产生，提高投影镜头的投影质量。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例1中投影镜头的结构示意图。
图2为本发明实施例1中投影镜头的F-Tanθ畸变曲线图。
图3为本发明实施例1中投影镜头的相对照度曲线图。
图4为本发明实施例2中投影镜头的结构示意图。
图5为本发明实施例2中投影镜头的F-Tanθ畸变曲线图。
图6为本发明实施例2中投影镜头的相对照度曲线图。
图7为本发明实施例3中投影镜头的结构示意图。
图8为本发明实施例3中投影镜头的F-Tanθ畸变曲线图。
图9为本发明实施例3中投影镜头的相对照度曲线图。
图10为本发明实施例4中投影镜头的结构示意图。
图11为本发明实施例4中投影镜头的F-Tanθ畸变曲线图。
图12为本发明实施例4中投影镜头的相对照度曲线图。
图13为本发明实施例5中投影镜头的结构示意图。
图14为本发明实施例5中投影镜头的F-Tanθ畸变曲线图。
图15为本发明实施例5中投影镜头的相对照度曲线图。
具体实施方式
为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的实施例的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本发明的教导的情况下，下文中讨论的第一透镜也可被称作第二透镜或第三透镜。
在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了透镜的厚度、尺寸和形状。具体来讲，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
在本文中，近轴区域是指光轴附近的区域。若透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凸面；若透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凹面。每个透镜最靠近投影面的表面称为该透镜的投影侧，每个透镜最靠近像源面的表面称为该透镜的像源侧。
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
根据本申请实施例的投影镜头沿光轴从投影面到像源面依次包括：光阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜。
在一些实施例中，第一透镜可具有正光焦度，其像源侧为凸面，可以有效地压缩投影镜头的光学总长。同时有利于压制边缘视场入射于投影面的角度，将更多的光束有效地传递至投影面，提升投影镜头的投影质量。
在一些实施例中，第二透镜可具有负光焦度，有利于增大投影镜头的成像面积，能够平衡投影镜头的像差，提升投影镜头的投影质量。
在一些实施例中，第三透镜可具有正光焦度，有利于汇聚光线的同时降低光线偏折角度，让光线走势平稳过渡，有利于提升投影面的相对照度，提高投影镜头的投影质量。
在一些实施例中，投影面和第一透镜之间可设置限制光束的光阑，能够收束出射光线的范围，能减少投影镜头像散的产生。
在一些实施例中，投影镜头的最大视场角FOV与光圈值满足：5.0°＜FOV/FNO＜25.0°，可以提高投影图像的相对照度，有利于提升边缘视场的相对照度避免暗角的产生，提升投影镜头的投影质量。
在一些实施例中，投影镜头的最大视场角所对应的像源面上的入射角满足：CRA＜1°，满足上述范围，可以使图像显示面板的CRA与投影镜头的CRA之间的相适配，提升投影镜头对于图像显示面板的适配能力。
在一些实施例中，投影镜头的最大视场角所对应的像源面高度IH与有效焦距f满足：0.3＜IH/f＜0.8，可以使得投影镜头能够匹配大像源面，在投影时具有良好的投影质量。
在一些实施例中，投影镜头的最大视场角所对应的像源面高度IH与入瞳直径EPD满足：1.2＜IH/EPD＜1.7，能够增大射入投影镜头的光线束的宽度，使得投影镜头在投影面处亮度得到提升避免暗角产生。
在一些实施例中，第一透镜的焦距f1与投影镜头的有效焦距f满足：0.3＜f1/f＜1.1，可以使第一透镜具有适当的正光焦度，有利于光线走势平稳过渡，提升投影镜头的投影质量。
在一些实施例中，第二透镜的焦距f2与投影镜头的有效焦距f满足：-0.2＜f2/f＜-0.8，可以使第二透镜具有适当的负光焦度，有利于平衡投影镜头的各类像差，提升投影镜头的投影质量。
在一些实施例中，所述第二透镜的焦距f3与投影镜头的有效焦距f满足：0.3＜f3/f＜1.3，可以使第三透镜具有适当的正光焦度，有利于光线走势平稳过渡，提升投影镜头的投影质量。
在一些实施例中，投影镜头的光学总长TTL与第一透镜至第三透镜分别沿光轴的中心厚度的总和∑CT满足：0.3＜∑CT/TTL＜0.8，可以有效压缩投影镜头的总长，同时有利于投影镜头的结构设计和生产工艺。
在一些实施例中，投影镜头的最大视场角所对应的像源面高度IH、最大视场角FOV、第一透镜投影侧的通光口径D1三者之间满足：2.2＜D1/IH/tan(FOV/2)＜5.3，可以在满足投影镜头具有大视场角与大像面的同时前端口径小，有利于投影镜头的小型化。
在一些实施例中，所述投影镜头的光学总长TTL与有效焦距f满足：TTL/f＜2.4，可以有效地限制镜头的长度，有利于实现投影镜头小型化。
在一些实施例中，投影镜头的光学总长TTL与最大视场角所对应的像源面高度IH满足：2.0＜TTL/IH＜3.7，可以有效平衡投影镜头大像源面与小型化的需求。
在一些实施例中，投影镜头的最大视场角FOV、最大视场角所对应的像源面高度IH和有效焦距f满足：0.9＜(IH/2)/f*tan(FOV/2)＜1.1，可以满足投影镜头在投影面边缘的畸变控制在合理范围内，有利于提高投影镜头的投影质量。
在一些实施例中，投影镜头的光学后焦BFL与有效焦距f满足：BFL/f≤0.3，可以有效地压低投影镜头的光学总长，实现投影镜头的小型化。
为使系统具有更好的光学性能，镜头中采用多片非球面透镜，所述投影镜头的各非球面表面形状满足下列方程：
；
其中，z为曲面与曲面顶点在光轴方向的距离，h为光轴到曲面的距离，c为曲面顶点的曲率，K为二次曲面系数，A、B、C、D、E分别为二阶、四阶、六阶、八阶、十阶曲面系数。
下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在各个实施例中，投影镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。下述实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受下述实施例的限制，其他的任何未背离本发明创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
实施例1
请参阅图1，所示为本发明实施例1中提供的投影镜头的结构示意图，该投影镜头沿光轴从投影面到像源面依次包括：光阑ST、第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3。
光阑ST；
第一透镜L1具有正光焦度，其投影侧S1和像源侧S2均为凸面；
第二透镜L2具有负光焦度，其投影侧S3和像源侧S4均为凹面；
第三透镜L3具有正光焦度，其投影侧S5和像源侧S6均为凸面。
实施例1中的投影镜头中各透镜的相关参数如表1-1所示。
表1-1
实施例1中的投影镜头的非球面透镜的面型参数如表1-2所示。
表1-2
图2示出了实施例1的F-Tanθ畸变曲线，其表示不同波长的光线在像源面上不同像高处的F-Tanθ畸变，横轴表示F-Tanθ畸变(单位：%)，纵轴表示半视场角(单位：°)。从图中可以看出，投影镜头的F-Tanθ畸变控制在2.5%以内，边缘角度区域的图像压缩较为平缓，有效提高了展开图像的清晰度。
图3示出了实施例1的相对照度曲线图，其表示投影面上不同视场角度的相对照度值，横轴表示半视场角（单位：°），纵轴表示相对照度（单位：%）。从图中可以看出，在最大半视场角时投影镜头的相对照度值仍大于80%，说明投影镜头具有极好地相对照度。
实施例2
请参阅图4，所示为本发明实施例2中提供的投影镜头的结构示意图，该投影镜头沿光轴从投影面到像源面依次包括：光阑ST、第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3。
光阑ST；
第一透镜L1具有正光焦度，其投影侧S1为平面，像源侧S2为凸面；
第二透镜L2具有负光焦度，其投影侧S3和像源侧S4均为凹面；
第三透镜L3具有正光焦度，其投影侧S5和像源侧S6均为凸面。
实施例2中的投影镜头中各透镜的相关参数如表2-1所示。
表2-1
实施例2中的投影镜头的非球面透镜的面型参数如表2-2所示。
表2-2
图5示出了实施例2的F-Tanθ畸变曲线，其表示不同波长的光线在像源面上不同像高处的F-Tanθ畸变，横轴表示F-Tanθ畸变(单位：%)，纵轴表示半视场角(单位：°)。从图中可以看出，投影镜头的F-Tanθ畸变控制在3%以内，边缘角度区域的图像压缩较为平缓，有效提高了展开图像的清晰度。
图6示出了实施例2的相对照度曲线图，其表示投影面上不同视场角度的相对照度值，横轴表示半视场角（单位：°），纵轴表示相对照度（单位：%）。从图中可以看出，在最大半视场角时投影镜头的相对照度值仍大于80%，说明投影镜头具有极好地相对照度。
实施例3
请参阅图7，所示为本发明实施例3中提供的投影镜头的结构示意图，该投影镜头沿光轴从投影面到像源面依次包括：光阑ST、第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3。
光阑ST；
第一透镜L1具有正光焦度，其投影侧S1和像源侧S2均为凸面；
第二透镜L2具有负光焦度，其投影侧S3为凹面，像源侧S4为凸面；
第三透镜L3具有正光焦度，其投影侧S5为凹面，像源侧S6为凸面。
实施例3中的投影镜头中各透镜的相关参数如表3-1所示。
表3-1
实施例3中的投影镜头的非球面透镜的面型参数如表3-2所示。
表3-2
图8示出了实施例3的F-Tanθ畸变曲线，其表示不同波长的光线在像源面上不同像高处的F-Tanθ畸变，横轴表示F-Tanθ畸变(单位：%)，纵轴表示半视场角(单位：°)。从图中可以看出，投影镜头的F-Tanθ畸变控制在±0.3%以内，边缘角度区域的图像压缩较为平缓，有效提高了展开图像的清晰度。
图9示出了实施例3的相对照度曲线图，其表示投影面上不同视场角度的相对照度值，横轴表示半视场角（单位：°），纵轴表示相对照度（单位：%）。从图中可以看出，在最大半视场角时投影镜头的相对照度值仍大于92%，说明投影镜头具有极好地相对照度。
实施例4
请参阅图10，所示为本发明实施例4中提供的投影镜头的结构示意图，该投影镜头沿光轴从投影面到像源面依次包括：光阑ST、第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3。
光阑ST；
第一透镜L1具有正光焦度，其投影侧S1为平面，像源侧S2为凸面；
第二透镜L2具有负光焦度，其投影侧S3为凸面，像源侧S4为凹面；
第三透镜L3具有正光焦度，其投影侧S5和像源侧S6均为凸面。
实施例4中的投影镜头中各透镜的相关参数如表4-1所示。
表4-1
实施例4中的投影镜头的非球面透镜的面型参数如表4-2所示。
表4-2
图11示出了实施例4的F-Tanθ畸变曲线，其表示不同波长的光线在像源面上不同像高处的F-Tanθ畸变，横轴表示F-Tanθ畸变(单位：%)，纵轴表示半视场角(单位：°)。从图中可以看出，投影镜头的F-Tanθ畸变控制在5%以内，边缘角度区域的图像压缩较为平缓，有效提高了展开图像的清晰度。
图12示出了实施例4的相对照度曲线图，其表示投影面上不同视场角度的相对照度值，横轴表示半视场角（单位：°），纵轴表示相对照度（单位：%）。从图中可以看出，在最大半视场角时投影镜头的相对照度值大于70%，说明投影镜头具有较好地相对照度。
实施例5
请参阅图13，所示为本发明实施例5中提供的投影镜头的结构示意图，该投影镜头沿光轴从投影面到像源面依次包括：光阑ST、第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3。
光阑ST；
第一透镜L1具有正光焦度，其投影侧S1和像源侧S2均为凸面；
第二透镜L2具有负光焦度，其投影侧S3为凹面，像源侧S4为凸面；
第三透镜L3具有正光焦度，其投影侧S5为凸面，像源侧S6为凹面。
实施例5中的投影镜头中各透镜的相关参数如表5-1所示。
表5-1
实施例5中的投影镜头的非球面透镜的面型参数如表5-2所示。
表5-2
图14示出了实施例5的F-Tanθ畸变曲线，其表示不同波长的光线在像源面上不同像高处的F-Tanθ畸变，横轴表示F-Tanθ畸变(单位：%)，纵轴表示半视场角(单位：°)。从图中可以看出，投影镜头的F-Tanθ畸变控制在-1%以内，边缘角度区域的图像压缩较为平缓，有效提高了展开图像的清晰度。
图15示出了实施例5的相对照度曲线图，其表示投影面上不同视场角度的相对照度值，横轴表示半视场角（单位：°），纵轴表示相对照度（单位：%）。从图中可以看出，在最大半视场角时投影镜头的相对照度值仍大于80%，说明投影镜头具有极好地相对照度。
请参阅表6，为上述各实施例对应的光学特性，包括所述投影镜头的有效焦距f、光学总长TTL、像高IH以及最大投影视场角FOV以及与所述实施例中每个条件式对应的数值。
表6
综合上述实施例，本发明所提供的投影镜头至少具有以下的优点：
（1）本发明提供的投影镜头成本低，有效地限制镜头的长度，有利于实现投影镜头小型化。
（2）本发明提供的投影镜头具有优良的光学性能,光阑之前第一透镜、第二透镜主要负责对光学系统像差的矫正，并将光线扩大投射入投影面上，通过合理搭配三个镜片的光焦度，提高相对照度，使得投影镜头在投影面处亮度得到提升避免暗角产生，提高投影镜头的投影质量。
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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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 (10)

1.一种投影镜头，共三片透镜，其特征在于，沿光轴从投影面到像源面依次包括：
具有正光焦度的第一透镜，其像源侧为凸面；
具有负光焦度的第二透镜；
具有正光焦度的第三透镜；
所述投影镜头的最大视场角FOV与光圈值满足：5.0°＜FOV/FNO＜25.0°。
2.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的最大视场角所对应的像源面上的入射角满足：CRA＜1°。
3.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的最大视场角所对应的像源面高度IH与有效焦距f满足：0.3＜IH/f＜0.8。
4.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的最大视场角所对应的像源面高度IH与入瞳直径EPD满足：1.2＜IH/EPD＜1.7。
5.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜的焦距f1与所述投影镜头的有效焦距f满足：0.3＜f1/f＜1.1。
6.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第二透镜的焦距f2与所述投影镜头的有效焦距f满足：-0.2＜f2/f＜-0.8。
7.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第三透镜的焦距f3与所述投影镜头的有效焦距f满足：0.3＜f3/f＜1.3。
8.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的光学总长TTL与所述第一透镜至所述第三透镜分别沿光轴的中心厚度的总和∑CT满足：0.3＜∑CT/TTL＜0.8。
9.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的最大视场角所对应的像源面高度IH、最大视场角FOV、所述第一透镜投影侧的通光口径D1三者之间满足：2.2＜D1/IH/tan(FOV/2)＜5.3。
10.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的光学总长TTL与有效焦距f满足：TTL/f＜2.4。
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