TWI760698B - 投影鏡頭及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種投影鏡頭，包括第一塑膠非球面透鏡、第二塑膠非球面透鏡、第 三透鏡、第四透鏡、第五透鏡及光圈。光圈由第一方向光圈和第二方向光圈組成，第一方向光圈不等於第二方向光圈，且兩者都不大於1.0。投影鏡頭滿足下列條件：投影鏡頭具屈光度的透鏡數目不超過7片，該些透鏡在第一方向的屈光度依序為負、正、正、負、正，在第二方向的屈光度依序為正、負、正、負、正，且第一方向和第二方向實質垂直。

Description

投影鏡頭及其製造方法
本發明關於一種投影鏡頭及其製造方法，尤其是一種應用於汽車頭燈的投影鏡頭及其製造方法。
現今市面上常見用來代步的工具絕大部分都是汽車，而在汽車的使用上最為重要的無非是用來提供駕駛辨識前方的環境狀態之車燈，又車燈的功效不僅在於提供環境上的辨識外，進一步也可以提供給周遭人員知曉駕駛人現在所在的位置，以及達到相當程度的警示效果，然而警示用部分上，傳統之汽車車燈僅具有近光照明與遠光照明兩種，已經無法滿足駕駛人的需求。現今市面上有業者推出可投射圖案的汽車車燈，但傳統使用在一般投影裝置的投影鏡頭，無法滿足交通法規對汽車車燈照明範圍的要求。因此，目前需要一種兼顧交通法規要求的照明範圍、廣視角、低熱飄移量、大光圈，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的光學投影鏡頭設計。
本發明的其他目的和優點可以從本發明實施例所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
本發明之一實施例提出一種投影鏡頭，包括第一塑膠非球面透鏡、第二塑膠非球面透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡及光圈。光圈由第一方向光圈和第二方向光圈組成，第一方向光圈不等於第二方向光圈，且兩者都不大於1.0。投影鏡頭滿足下列條件：投影鏡頭具屈光度的透鏡數目不超過7片，該些透鏡在第一方向的屈光度依序為負、正、正、負、正，在第二方向的屈光度依序為正、負、正、負、正，且第一方向和第二方向實質垂直。藉由本發明實施例的設計，可提供一種能兼顧可使投影鏡頭兼具符合交通法規要求的照明範圍、低熱飄移量、廣工作溫度範圍(-40度到125度)、大光圈與廣視角的特性，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的投影鏡頭設計。
本發明之一實施例提出一種投影鏡頭，包括第一塑膠非對稱式透鏡(anamorphic lens)、第二塑膠非對稱式透鏡(anamorphic lens)、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡及光圈。光圈由第一方向光圈和第二方向光圈組成，且兩者都不大於1.0，並且該第一方向和該第二方向實質垂直。投影鏡頭具屈光度的透鏡數目不超過7片，投影鏡頭可用以將長寬比為2：1的第一影像光束投影為長寬比介於2.2：1至4：1的第二投影光束。藉由本發明實施例的設計，可提供一種能兼顧可使投影鏡頭兼具符合交通法規要求的照明範圍、大光圈與廣視角的特性，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的投影鏡頭設計。
藉由本發明實施例的設計，可提供一種能兼顧可使投影鏡頭兼具符合交通法規要求的照明範圍、低熱飄移量、廣工作溫度範圍(-40度到125度)、大光圈與廣視角的特性，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的投影鏡頭設計。再者，本發明實施例投影鏡頭具有5~7片光學透鏡、BFL為投影鏡頭最接近光閥的透鏡表面到光閥表面在光軸上的總長，TTL為最遠離光閥的透鏡表面到光閥表面在光軸上的總長，0.2<BFL/TTL<0.4，能夠提供具大光圈(F#小於等於1.0)、符合交通法規要求的照明範圍、高解析度、小型化、低熱飄移量、廣工 作溫度範圍與廣視角(FOV介於17度至40度)等特點，且能提供應用在汽車頭燈的較低的製造成本及較佳的成像品質的投影鏡頭設計。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例並配合所附圖式，作詳細說明如下。
10a、10b:投影鏡頭
12:光軸
14:光圈
16:玻璃蓋
19:光閥表面
L1-L5:透鏡
S1-S13:表面
OS:放大側
IS:縮小側
P、Q:交點
D:鏡片直徑
圖1為依本發明第一實施例之投影鏡頭10a在X軸的示意圖。
圖2為依本發明第一實施例之投影鏡頭10a在Y軸的示意圖。
圖3為依本發明第一實施例之投影鏡頭10a中第一透鏡和第二透鏡的立體示意圖。
圖4至圖5分別為投影鏡頭10a的成像面上影像高度位置的照明數值與成像面上光軸位置的照明數值的比值圖，以及場曲和畸變圖。
圖6為依本發明第二實施例之投影鏡頭10b在X軸的示意圖。
圖7為依本發明第二實施例之投影鏡頭10b在Y軸的示意圖。
圖8為依本發明第二實施例之投影鏡頭10b中第一透鏡和第二透鏡的立體示意圖。
圖9至圖10分別為投影鏡頭10b的成像面上影像高度位置的照明數值與成像面上光軸位置的照明數值的比值圖，以及場曲和畸變圖。
有關本發明前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式的多個實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。另外，下列實施例中所使用的用語「第一」、「第二」是為了辨識相同或相似的元件而使用，且方向用語例如「前」、「後」等，僅是參考附加圖式的方向，並非用以限定所述元件。
本發明所謂的透鏡，係指元件具有部份或全部可穿透的材質所構成且具屈光度(power)，通常包含玻璃或塑膠所組成。可以包含一般透鏡(lens)、稜鏡(prism)、光圈、圓柱狀透鏡、雙錐形透鏡、柱狀陣列透鏡、楔形透鏡、楔形平板(wedge)或前述元件的組合。
當鏡頭應用在投影系統中時，影像放大側(像側)係指在光路上靠近成像面(例如是螢幕)所處的一側，影像縮小側(物側)則係指在光路上靠近光閥的一側。
一透鏡的物側面(或像側面)具有位於某區域的凸面部(或凹面部)，是指該區域相較於徑向上緊鄰該區域的外側區域，朝平行於光軸的方向更為「向外凸起」(或「向內凹陷」)而言。
圖1是本發明第一實施例的投影鏡頭10a在X軸的架構示意圖，圖2是本發明實施例的投影鏡頭10a在Y軸的架構示意圖。請參照圖1和圖2，在本實施例中，投影鏡頭10a有一鏡筒(未繪示)，鏡筒裡由第一側(影像放大側OS)往第二側(影像縮小側IS)排列包含了第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5和光圈14。再者，影像縮小側IS可設置玻璃蓋16以及光閥19，投影鏡頭10a可將圖案光束透過一車燈燈罩(圖中未顯示)投射至一成像面(圖中未顯示)，玻璃蓋16位於第五透鏡L5與光閥19之間。於本實施例中，第一透鏡L1至第五透鏡L5在X軸(第一方向)上的屈光度依序分別為負、正、正、負、正，在Y軸(第二方向)上的屈光度依序分別為正、負、正、負、正。請參照圖3，顯示第一透鏡L1和第二透鏡L2的立體示意圖，可清楚看出兩透鏡在X軸(第一方向)和Y軸(第二方向)的差異。第一透鏡L1和第二透鏡L2為塑膠透鏡，其餘透鏡均為玻璃球面透鏡。在一實施例中，玻璃透鏡可以用塑膠透鏡取代。另外，兩透鏡相鄰的兩面有大致相同(曲率半徑差異小於0.005mm)或完全相同(實質相同)的曲率半徑且形成結合透鏡、膠合透鏡、雙合透鏡(doublet)或三合透鏡 (triplet)，例如本實施例的第四透鏡L4及第五透鏡L5可構成膠合透鏡，但本發明實施例並不以此為限制。本發明各具體實施例之影像放大側OS均分別設於各圖之左側，而影像縮小側IS均設於各圖之右側，將不予重覆說明之。
本發明所指光圈14是指一孔徑光欄(Aperture Stop)，光圈為一獨立元件或是整合於其他光學元件上。於本實施例中，光圈是利用機構件擋去周邊光線並保留中間部份透光的方式來達到類似的效果，而前述所謂的機構件可以是可調整的。所謂可調整，是指機構件的位置、形狀或是透明度的調整。或是，光圈也可以在透鏡表面塗佈不透明的吸光材料，並使其保留中央部份透光以達限制光路的效果。
各透鏡係定義有鏡片直徑。舉例而言，如圖1所示，鏡片直徑是指該於光軸12兩端的鏡面轉折點P、Q於垂直光軸12方向上的距離(例如鏡片直徑D)。再者，於本實施例中，第一鏡片L1的直徑(D1)為50.5mm，第五鏡片L5的直徑(DL)為52mm。
球面透鏡是指透鏡前面和後面的表面都分別是球形表面的一部份，而球形表面的曲率是固定的。非球面透鏡和自由曲面透鏡則是指透鏡前後表面中，至少一表面的曲率半徑會隨著中心軸而變化，可以用來修正像差。投影鏡頭10a的透鏡在X軸上的設計參數、外形及非球面係數分別如表一及表二所示，投影鏡頭10a的透鏡在Y軸上的設計參數、外形及非球面係數分別如表三及表四所示，於本發明如下的各個設計實例中，非球面多項式可用下列公式表示：
Figure 109105723-A0305-02-0007-1
 上述的公式(1)中，Z為光軸方向之偏移量(sag)，c是密切球面(osculating sphere)的半徑之倒數，也就是接近光軸處的曲率半徑的倒數，k是二次曲面係數(conic)，r是非球面高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度。表二的A-H分 別代表非球面多項式的4階項、6階項、8階項、10階項、12階項、14階項、16階項、18階項係數值。然而，下文中所列舉的資料並非用以限定本發明，任何所屬領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明的範疇內。
Figure 109105723-A0305-02-0008-2
S1的間距為表面S1到S2在光軸12的距離，S2的間距為表面S2到S3在光軸12的距離，S12間距為表面S12到光閥19表面在光軸12的距離。
Figure 109105723-A0305-02-0008-3
Figure 109105723-A0305-02-0009-4
Figure 109105723-A0305-02-0009-5
Figure 109105723-A0305-02-0009-6
表中表面有出現的＊係指該表面為非球面表面或自由曲面表面，而若未標示即為球面之意。
曲率半徑是指曲率的倒數。曲率半徑為正時，透鏡表面的球心在透鏡的影像縮小側方向。曲率半徑為負時，透鏡表面的球心在透鏡的影像放大側方向。而各透鏡之凸凹可見上表。
本發明的光圈值係以F/#來代表，如上表所標示者。本發明鏡頭應用在投影系統時，成像面位於影像放大側。本發明實施例中，F/#小於等於1.0。
本實施例中，影像高度IM係指在光閥19表面影像對角線(image circle)長度，如上表所標示者。
本發明中，投影鏡頭的總長係以OAL來表示，如上表所標示者。更明確的說，本實施例的總長是指投影鏡頭10a最接近影像放大側的光學表面S1與最接近影像縮小側的光學表面S9之間，沿光軸12量測的距離。投影鏡頭的鏡頭總長(OAL)小於110mm。本發明中，投影鏡頭最靠近影像放大側到光閥表面19的總長係以TTL來表示，如上表所標示者。更明確的說，本實施例鏡頭到光閥表面19的總長是指鏡頭10a最接近影像放大側的光學表面S1與光閥表面19之間，沿光軸12量測的距離。鏡頭到光閥表面19的總長(TTL)小於140mm。本發明中，IM為投影鏡頭在光閥表面的影像高度(Image circle)。本發明中，投影鏡頭最靠近影像縮小側到光閥表面19的總長係以BFL來表示，更明確的說，本實施例鏡頭最靠近影像縮小側到光閥表面19的總長是指鏡頭10a最靠近影像縮小側的光學表面S9與光閥表面19之間，沿光軸12量測的距離。鏡頭到光閥表面19的總長(BFL)小於50mm，本實施例的BFL/TTL為0.25，本發明實施例的BFL/TTL介於0.2和0.4之間。本發明實施例的投影鏡頭設計可滿足下列條件：投影鏡頭第一透鏡直徑(D1)除以OAL，其值介於0.4到0.6之間，投影鏡頭第一透鏡直徑(D1)除以IM，其值介於3到12之間。
於本實施例中，全視場角FOV是指最接近影像放大端的光學表面S1的收光角度，亦即以對角線量測所得之視野(field of view)，如上表所標示者。本發明實施例中，FOV介於17度至40度。於另一實施例中，FOV介於16度至42度。本發明實施例，當FOV為18.5度時，其相對照度值大於等於50。本發明實施 例中，投影鏡頭為定焦鏡頭，且投影鏡頭各個透鏡到光閥在光軸上的距離為固定。
本發明一實施例之投影鏡頭可用以將一長寬比為2：1的第一影像光束投影為一長寬比介於2.64：1的第二投影光束。本發明實施例中，投影鏡頭可用以將長寬比為2：1的第一影像光束投影為長寬比介於2.2：1至4：1的第二投影光束。本發明實施例中，投影鏡頭可將投影光束，投影到水平地面，且車燈燈罩至地面投影光束的距離為5公尺到25公尺之間。
本發明一實施例之投影鏡頭包含兩個屈光度(Power)相反的塑膠透鏡，達到低熱飄移能力，但其並不限定。鏡頭的光圈數值約小於等於1.0。投影鏡頭包含膠合透鏡及非球面透鏡以修正像差和色差，膠合透鏡的兩個透鏡間沿光軸的最小距離小於等於0.01mm。膠合透鏡(doublet lens)例如可為三合透鏡(triplet lens)取代而不限定。雙合透鏡、膠合透鏡、結合透鏡、三合透鏡都包含曲率半徑實質相同或相近的對應鄰近表面。鏡頭具屈光度的透鏡總片數為5~7片，且鏡頭具有至少阿貝數大於40的兩片透鏡，其中後組中的膠合透鏡至少包含一片阿貝數大於45的透鏡，至少包含一片阿貝數小於30的透鏡。本發明實施例透過兩個屈光度(Power)相反的塑膠透鏡的搭配，達成投影鏡頭在攝氏-40度和攝氏125度時，兩者的焦平面位移量小於等於5mm，投影鏡頭在攝氏-40度時，其可見光焦平面(EFL)約為234mm，投影鏡頭在攝氏125度時，其可見光焦平面(EFL)約為231mm。本發明實施例投影鏡頭適用於至少-40到125度的工作溫度範圍。
以下將說明本發明的投影鏡頭的第二實施例的設計。圖5是本實施例的投影鏡頭10b在X軸的架構示意圖，圖6是本實施例的投影鏡頭10b在Y軸的架構示意圖。請參照圖5和圖6，在本實施例中，投影鏡頭10b有一鏡筒(未繪示)，鏡筒裡由第一側(影像放大側OS)往第二側(影像縮小側IS)排列包含了第一透鏡 L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5和光圈14。再者，影像縮小側IS可設置玻璃蓋16以及光閥19，投影鏡頭10b可將圖案光束透過一車燈燈罩(圖中未顯示)投射至一成像面(圖中未顯示)，玻璃蓋16位於第五透鏡L5與光閥19之間。於本實施例中，第一透鏡L1至第五透鏡L5在X軸(第一方向)上的屈光度依序分別為負、正、正、負、正，在Y軸(第二方向)上的屈光度依序分別為正、負、正、負、正。請參照圖8，顯示第一透鏡L1和第二透鏡L2的立體示意圖，可清楚看出兩透鏡在X軸(第一方向)和Y軸(第二方向)的差異。第一透鏡L1和第二透鏡L2為塑膠透鏡，其餘透鏡均為玻璃球面透鏡本實施例的第四透鏡L4及第五透鏡L5可構成膠合透鏡。再者，於本實施例中，鏡片L1的直徑(D1)為57.14mm，鏡片L5的直徑(DL)為51.8mm。投影鏡頭10b的透鏡在X軸上的設計參數、外形及非球面係數分別如表五及表六所示，投影鏡頭10b的透鏡在Y軸上的設計參數、外形及非球面係數分別如表七及表八所示。
Figure 109105723-A0305-02-0012-7
S1的間距為表面S1到S2在光軸12的距離，S2的間距為表面S2到S3在光軸12的距離，S12間距為表面S12到光閥19表面在光軸12的距離。
Figure 109105723-A0305-02-0013-8
Figure 109105723-A0305-02-0013-9
Figure 109105723-A0305-02-0013-10
Figure 109105723-A0305-02-0014-11
圖4至圖5和圖9至圖10分別為依本發明實施例之投影鏡頭10a和10b的成像面(螢幕)上影像高度位置的照明數值與成像面上光軸位置的照明數值的比值圖，以及場曲和畸變圖。圖4至圖5和圖9至圖10擬數據圖所顯示出的圖形均在標準的範圍內，由此可驗證本實施例之投影鏡頭10a和10b確實能夠兼具良好的光學成像品質的特性。本實施例之投影鏡頭10a和10b，當FOV為18.5度時，其相對照度值大於50。
藉由本發明實施例的設計，可提供一種能兼顧可使投影鏡頭兼具符合交通法規要求的照明範圍、低熱飄移量、廣工作溫度範圍(-40度到125度)、大光圈與廣視角的特性，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的投影鏡頭設計。再者，本發明實施例投影鏡頭具有5~7片光學透鏡、BFL為投影鏡頭最接近光閥的透鏡表面到光閥表面在光軸上的總長，TTL為最遠離光閥的透鏡表面到光閥表面在光軸上的總長，0.2<BFL/TTL<0.4，能夠提供具大光圈(F#小於等於1.0)、符合交通法規要求的照明範圍、高解析度、小型化、低熱飄移量、廣工作溫度範圍與廣視角(FOV介於17度至40度)等特點，且能提供應用在汽車頭燈的較低的製造成本及較佳的成像品質的投影鏡頭設計。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
10a:投影鏡頭
12:光軸
14:光圈
16:玻璃蓋
19:光閥表面
L1-L5:透鏡
S1-S13:表面
OS:放大側
IS:縮小側
P、Q:交點
D:鏡片直徑

Claims (10)

  1. 一投影鏡頭，包括：一第一塑膠非球面透鏡、一第二塑膠非球面透鏡，一第三透鏡、一第四透鏡及一第五透鏡；以及一光圈，且該光圈由一第一方向光圈和一第二方向光圈組成，該第一方向光圈不等於該第二方向光圈，且兩者都不大於1.0，其中，該投影鏡頭滿足下列條件：該投影鏡頭具屈光度的透鏡數目不超過7片，且該些透鏡，在該第一方向的屈光度依序為負、正、正、負、正，在該第二方向的屈光度依序為正、負、正、負、正，且該第一方向和該第二方向實質垂直。
  2. 一種投影鏡頭，包括：一第一塑膠非對稱式透鏡(anamorphic lens)、一第二塑膠非對稱式透鏡(anamorphic lens)，一第三透鏡、一第四透鏡及一第五透鏡；以及一光圈，且該光圈在一第一方向和一第二方向兩者都不大於1.0，並且該第一方向和該第二方向實質垂直，而該投影鏡頭滿足下列條件：該投影鏡頭具屈光度的透鏡數目不超過7片，該投影鏡頭可用以將一長寬比為2：1的第一影像光束投影為一長寬比介於2.2：1至4：1的第二投影光束。
  3. 如申請專利範圍第1至2項任一項所述之投影鏡頭，其中該投影鏡頭滿足下列條件之一：(1)該等具屈光度透鏡，至少有一透鏡的直徑在50mm至60mm之間，(2)該等具屈光度透鏡，由一方向排列，依序為非球面、非球面、新月、新月和雙凸透鏡。
  4. 如申請專利範圍第1至2項任一項所述之投影鏡頭，其中該投影鏡頭滿足下列條件之一：(1)視場角(FOV)為17度至40度，(2)在攝氏-40度和攝氏125度時，兩者的焦平面位移量小於等於5mm。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之投影鏡頭，其中該投影鏡頭具屈光度的透鏡，在該第一方向的屈光度依序為負、正、正、負、正，在該第二方向的屈光度依序為正、負、正、負、正。
  6. 如申請專利範圍第1至2項任一項所述之投影鏡頭，其中該投影鏡頭滿足下列條件之一：(1)包含2片阿貝數大於40的透鏡，(2)包含一膠合透鏡，且該膠合透鏡包含一片阿貝數小於30的透鏡，(3)包含一膠合透鏡，且該膠合透鏡包含一片阿貝數大於45的透鏡。
  7. 一種車燈裝置，包括如申請專利範圍第1至2項任一項所述之投影鏡頭，該車燈裝置還包含一光閥、一光源和一車燈燈罩，其中，依該車燈裝置之光路，由上游至下游的依序排列為：該光源、該光閥、該投影鏡頭及該車燈燈罩。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之車燈裝置，其中該車燈裝置滿足下列條件之一：(1)該投影鏡頭可將部份該投影光束，投影到水平地面，且該車燈燈罩至地面的該投影光束的距離為5公尺到25公尺之間，(2)該投影鏡頭為定焦鏡頭，且投影鏡頭各個透鏡到該光閥在光軸上的距離為固定。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之車燈裝置，其中該投影鏡頭滿足下列條件之一：(1)最遠離該光閥的透鏡表面到該光閥表面在光軸上的總長(TTL)小於140mm，(2)BFL為最接近該光閥的透鏡表面到該光閥表面在光軸上的總長， TTL為最遠離該光閥的透鏡表面到該光閥表面在光軸上的總長，0.2<BFL/TTL<0.4。
  10. 一種投影鏡頭製造方法，包含：提供一鏡筒；以及將一第一塑膠非球面透鏡、一第二塑膠非球面透鏡，一第三透鏡、一第四透鏡、一第五透鏡和一光圈，置入並固定於該鏡筒內，其中該光圈在一第一方向和一第二方向均不大於1.0，該投影鏡頭還滿足下列條件：該投影鏡頭具屈光度的透鏡數目不超過7片，該些透鏡在該第一方向的屈光度依序為負、正、正、負、正，在該第二方向的屈光度依序為正、負、正、負、正，其中該第一方向和該第二方向實質垂直。
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