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CN119165632A - 一种投影镜头 - Google Patents

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CN119165632A
CN119165632A CN202411121594.1A CN202411121594A CN119165632A CN 119165632 A CN119165632 A CN 119165632A CN 202411121594 A CN202411121594 A CN 202411121594A CN 119165632 A CN119165632 A CN 119165632A
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CN202411121594.1A
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江程
佘俊
南基学
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Yejia Optical Technology Guangdong Corp
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Yejia Optical Technology Guangdong Corp
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/18—Optical objectives specially designed for the purposes specified below with lenses having one or more non-spherical faces, e.g. for reducing geometrical aberration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S41/00—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps
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    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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Abstract

本发明公开一种投影镜头，沿着光轴从物侧面至像侧面包括四片透镜，其依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，第一透镜是至少一面为非球面的弯月透镜，第二透镜是至少一面为非球面的弯月透镜，第三透镜和第四透镜设置为具有相反的光焦度符号；第一透镜的凸面朝向物侧，|R1|>|R2|，其中R1和R2分别为第一透镜的物侧与像侧的曲率半径；第二透镜的凹面朝向物侧，|R3|<|R4|，其中R3和R4分别为第二透镜的物侧与像侧的曲率半径；第三透镜的物侧面为凸面，第四透镜的像侧面为凸面；|f1|/f>3.0，其中f为系统的等效焦距，f1为第一透镜的等效焦距；|f2|/f>5，其中f2为第一透镜的等效焦距；f12/f<‑3.0，其中f12为第一透镜与第二透镜组合的等效焦距。具有长后焦、消热差、成本低的优势。

Description

一种投影镜头
技术领域
本发明涉及光学成像显示技术领域，具体公开了一种投影镜头。
背景技术
随着新能源汽车发展，市场车载的投影成像光电技术有了多方面需求，比如百万级的高像素的车灯，车载微型动态迎宾光毯，车内投影娱乐系统。这些应用多需要采用数字微镜技术(DMD或DLP)。而由于DMD自身不发光，需要照明模块(包括光源和照明光学组件)把光投射到像源DMD上，这就要求投影镜头有较长的后焦，有足够的空间让光能无阻挡地照射到像源。如图1所示，该图展示了典型的DLP投影系统的架构，光源2(多为大功率发光二极管LED)光能经照明透镜3准直，被反射器6调控光线到像源DMD5上，进而从DMD5上反射，再入射耦合进入投影镜头1，最后投射到接收面上。为了达到足够高的像质，一部分投影镜头会采用传统的DLP投影仪的光学镜头，一般镜片数多达7片，从而组装复杂，重量较重且空间体积较大，如中国发明专利申请公布号CN115598795A，申请公布日为2023年01月13日，提公开了一种满足无热化和大偏置要求的车载投影镜头，从物方到像方依次包括第一透镜组、第二透镜组、光阑、第三透镜组、第四透镜组、分光棱镜及图像传感器；所述第一透镜组包括具有负光焦度的第一透镜和具有正光焦度的第二透镜；所述第二透镜组和第三透镜组均为胶合透镜组，其中第二透镜组由具有正光焦度的第三透镜和具有负光焦度的第四透镜胶合而成，第三透镜组由具有正光焦度的第五透镜和具有负光焦度的第六透镜胶合而成；所述第四透镜组包括具有正光焦度的第七透镜和具有正光焦度的第八透镜。
另外，由于汽车的行驶环境复杂，因而车灯的应用环境也可能会比较恶劣，需要满足环境温度-45℃到85℃正常工作，性能没有大变化，从而要求高像素车大灯的投影镜头能在大的温度范围内-45℃到85℃后焦稳定。
再有成本也是车载投影镜头非常重要的考量因素。一个基本事实是，球面玻璃透镜相比非球玻璃透镜便宜，而注塑的塑胶透镜比同样口径的球面透镜成本更低，并且能采用自由曲面或非球面，设计自由度更大。除此之外，塑胶透镜质量轻，抗震性好。但是注塑的塑胶透镜有一个明显的缺点，热稳定差，主要体现在折射率和热膨胀系数随温度变化大，如果设计不恰当会导致镜头光学性能在高低温环境下剧烈恶化。但塑胶透镜优势是面型可以有更多设计自由度，并且质量轻，成本更低。
鉴于上述现有技术中存在的问题，有必要提供一种技术，针对DLP的长后焦特点，针对应用温度范围广的要求，既能充分利用塑胶透镜和玻璃透镜的优势，又能避开两者的缺点。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术问题，提供一种投影镜头，具有长后焦、消热差、成本低的优势。
为解决现有技术问题，本发明公开了一种投影镜头，沿着光轴从物侧面至像侧面包括四片透镜，其依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，所述第一透镜是至少一面为非球面的弯月透镜，所述第二透镜是至少一面为非球面的弯月透镜，所述第三透镜和所述第四透镜设置为具有相反的光焦度符号，即，当第三透镜具有正光焦度，第四透镜就具有负光焦度；当第三透镜具有负光焦度，第四透镜就具有正光焦度；其满足以下条件式：
所述第一透镜的凸面朝向物侧，|R1|>|R2|，其中R1和R2分别为所述第一透镜的物侧与像侧的曲率半径；
所述第二透镜的凹面朝向物侧，|R3|<|R4|，其中R3和R4分别为所述第二透镜的物侧与像侧的曲率半径；
所述第三透镜的物侧面为凸面，所述第四透镜的像侧面为凸面；
|f1|/f>3.0，其中f为系统的等效焦距，f1为所述第一透镜的等效焦距；
|f2|/f>5，其中f2为所述第二透镜的等效焦距；
f12/f<-3.0，其中f12为所述第一透镜与所述第二透镜组合镜组的等效焦距；
1.9>f34/f>1.1，其中f34为所述第三透镜与所述第四透镜组合镜组的等效焦距；
d14/OAL<0.65，其中d14为所述第一透镜到所述第四透镜镜组的长度，OAL为整个光学投影镜头包括镜组和成像面的系统工作总长。
优选的，所述第三透镜与所述第四透镜的相邻面设置为凸面，所述第四透镜与所述第三透镜的相邻面设置为凹面。
优选的，所述第三透镜与所述第四透镜的相邻面设置为凹面，所述第四透镜与所述第三透镜的相邻面设置为凸面。
优选的，所述第一透镜和所述第二透镜均设置为注塑非球面透镜，所述第三透镜和所述第四透镜均设置为球面玻璃透镜。
优选的，所述第三透镜和所述第四透镜胶合为一体。
优选的，所述第三透镜和所述第四透镜分立设置。
优选的，所述第四透镜与像侧面之间设置有场镜，所述场镜与所述第四透镜之间的间距大于1.3倍有效焦距。
优选的，所述第四透镜与像侧面之间设置有棱镜。
优选的，所述第三透镜和所述第四透镜的材料设置为不同，所述第三透镜和所述第四透镜的阿贝数相差大于20。
本发明的有益效果为：
1、本发明镜头具有长后焦的特点，能提供足够的后部机械空间给DLP的照明光学模组；
2、本发明具有优秀的热稳定性，第一透镜和第二透镜主要用于矫正系统的高级像差，而光焦度小，可以使得受温度影响极小，其它镜片使用玻璃镜片，而玻璃镜片相对温度光学性能变化小，从而组合应用，能使镜头适应于对温度应用范围广的领域；
3、本发明为玻塑混合设计，能起到提升性能的同时降低成本作用。
附图说明
图1为典型的DLP投影系统的架构示意图。
图2本发明实施例一的结构示意图。
图3为本发明实施例一的MTF曲线图。
图4为本发明实施例二的结构示意图。
图5为本发明实施例二的MTF曲线图。
图6为本发明实施例三的结构示意图。
图7为本发明实施例四的MTF曲线图。
附图标记为：第一透镜10、第二透镜11、第三透镜12、第四透镜13、场镜14。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参考图2至图7。
本发明基础实施例公开一种投影镜头，沿着光轴从物侧面至像侧面包括四片透镜，其依次为第一透镜10、第二透镜11、第三透镜12、第四透镜13，所述第一透镜10是至少一面为非球面的弯月透镜，所述第二透镜11是至少一面为非球面的弯月透镜，所述第三透镜12和所述第四透镜13设置为具有相反的光焦度符号，即，当第三透镜12具有正光焦度，第四透镜13就具有负光焦度；当第三透镜12具有负光焦度，第四透镜13就具有正光焦度；
其满足以下条件式：
第一透镜10的凸面朝向物侧，|R1|>|R2|，其中R1和R2分别为第一透镜10的物侧与像侧的曲率半径；
第二透镜11的凹面朝向物侧，|R3|<|R4|，其中R3和R4分别为第二透镜11的物侧与像侧的曲率半径；
第三透镜12的物侧面为凸面，第四透镜13的像侧面为凸面；
|f1|/f>3.0，其中f为系统的等效焦距，f1为第一透镜10的等效焦距；
|f2|/f>5，其中f2为第二透镜11的等效焦距；
f12/f<-3.0，其中f12为第一透镜10与第二透镜11组合镜组的等效焦距；
通过以上的设置，使得第一透镜10与第二透镜11的光焦度很小，即使有温度变化，对系统的光学性能影响较小。
1.9>f34/f>1.1，其中f34为第三透镜12与第四透镜13组合镜组的等效焦距；通过这样的设置，使得玻璃材料的第三镜片12与第四镜片13承担主要光焦度，因为玻璃性能稳定，所以温度变化对系统的光学性能影响较小。
为了设置系统有较长的后部空间以容纳照明模块，而不会影响入射光能量，通过设置
d14/OAL<0.65，其中d14为第一透镜10到第四透镜13镜组的长度，OAL为整个光学投影镜头包括镜组和成像面的系统工作总长。
优选的，第三透镜12与第四透镜13的相邻面设置为凸面，第四透镜13与第三透镜12的相邻面设置为凹面。
优选的，第三透镜12与第四透镜13的相邻面设置为凹面，第四透镜13与第三透镜12的相邻面设置为凸面。
优选的，第一透镜10和第二透镜11均设置为注塑非球面透镜，第三透镜12和第四透镜13均设置为球面玻璃透镜。
优选的，第三透镜12和第四透镜13胶合为一体，胶合有利于组装和减少能量损失。
优选的，第三透镜12和第四透镜13分立设置，分立因为增加了一个面自由度，有时可以减小像差。
优选的，第四透镜13与像侧面之间设置有场镜14，场镜14与第四透镜13之间的间距大于1.3倍有效焦距，从而仍然保证足够的后部空间留给照明单元。
优选的，第四透镜13与像侧面之间设置有棱镜，用于耦合照明光路。
优选的，第三透镜12和第四透镜13的材料设置为不同，第三透镜12和第四透镜13的阿贝数相差大于20，从而实现消色差的效果。
实施例一，本实施例设置为带负光焦度的第三镜片12与带正光焦度的第四镜片13是分立镜片，结构示意图如图2，MTF曲线图如图3。
表1，实施例一各表面的参数
表面序号 表面类型 曲率半径R(mm) 厚度(mm) 折射率 阿贝数
S1 非球面 6.147 2.240 1.537 56.1
S2 非球面 3.846 2.950
S3 非球面 -3.490 5.000 1.537 56.1
S4 非球面 -5.129 3.444
S5 球面 11.226 0.840 1.755 27.6
S6 球面 5.895 0.300
S7 球面 6.631 3.200 1.496 81.6
S8 球面 -6.893 13.000
S9(像面) 球面 无穷 0.000
表2，实施例一各表面的参数
非球面的表达式如下：
其中z为非球面位置为r位置的矢高；c为非球面的近轴曲率，c＝1/R(即近轴曲率c为面型曲率半径R的倒数)；k为圆锥系数；A～J为高阶次项系数。
表3，实施例一光学镜片的设计参数
表4，实施例一的约束关系
约束条件 设计结果
|R1|>|R2| 由参数表，知满足
|R3|<|R4| 由参数表，知满足
|f1|/f>3.0 |f1|/f＝3.61知满足
|f2|/f>5.0 |f2|/f＝37.1知满足
f12/f<-3.0 f12/f＝-6.41知满足
1.9>f34/f>1.1 f34/f＝1.46知满足
d14/OAL<0.65 d14/OAL＝0.58知满足
实施例二，本实施例第三镜片为负透镜，第四镜片为正透镜，两镜片胶合一体，光学系统投影距离为1m，结构示意图如图4，MTF曲线图如图5。
表5，实施例二各表面的参数
表面序号 表面类型 曲率半径R(mm) 厚度(mm) 折射率 阿贝数
S1 非球面 6.140 2.240 1.537 56.1
S2 非球面 3.907 2.950
S3 非球面 -3.440 5.500 1.537 56.1
S4 非球面 -5.855 2.137
S5 球面 9.782 0.840 1.753 28.9
S6 球面 5.468 3.333 1.496 81.6
S7 球面 -7.549 13.000
S8(像面) 球面 无穷大 0.000
表6，实施例二各表面的参数
非球面的表达式如下：
其中z为非球面位置为r位置的矢高；c为非球面的近轴曲率，c＝1/R(即近轴曲率c为面型曲率半径R的倒数)；k为圆锥系数；A～J为高阶次项系数。
表7，实施例二光学镜片的设计参数
表8，实施例二的约束关系
约束条件 设计结果
|R1|>|R2| 由参数表，知满足
|R3|<|R4| 由参数表，知满足
|f1|/f>3.0 |f1|/f＝3.84知满足
|f2|/f>5.0 |f2|/f＝9.55知满足
f12/f<-3.0 f12/f＝-3.6知满足
1.9>f34/f>1.1 f34/f＝1.38知满足
d14/OAL<0.65 d14/OAL＝0.56知满足
实施例三，本实施例展示在实际使用时，第四透镜13与像侧面之间设置有场镜14，用以提高边缘光束的控制能力而减少透镜口径，并且不影响整体投影镜组的光学特性。本实施例的第三透镜12为正透镜，第四透镜13为负透镜，胶合一体，如图6所述；MTF曲线图如图7所示。
表9，实施例三各表面的参数
表面序号 表面类型 曲率半径R(mm) 厚度(mm) 折射率 阿贝数
S1 非球面 8.020 2.240 1.537 56.1
S2 非球面 5.671 2.950
S3 非球面 -2.869 5.000 1.537 56.1
S4 非球面 -5.052 4.764
S5 球面 12.615 2.706 1.496 81.5
S6 球面 -5.069 0.840 1.753 28.9
S7 球面 -8.195 13.000
S8 球面 10.000 1.500 1.589 61.3
S9 球面 无穷 1.000
S10(像面) 球面 无穷 0.000
表10，实施例三各表面的参数
非球面的表达式如下：
其中z为非球面位置为r位置的矢高；c为非球面的近轴曲率，c＝1/R(即近轴曲率c为面型曲率半径R的倒数)；k为圆锥系数；A～J为高阶次项系数。
表11，实施例三光学镜片的设计参数
表12，实施例三的约束关系
约束条件 设计结果
|R1|>|R2| 由参数表，知满足
|R3|<|R4| 由参数表，知满足
|f1|/f>3.0 |f1|/f＝6.73知满足
|f2|/f>5.0 |f2|/f＝7.75知满足
f12/f<-3.0 f12/f＝-4.55知满足
1.9>f34/f>1.1 f34/f＝1.6知满足
d14/OAL<0.65 d14/OAL＝0.54知满足
本发明镜头具有长后焦的特点，能提供足够的后部机械空间给DLP的照明光学模组；本发明具有优秀的热稳定性，第一透镜和第二透镜主要用于矫正系统的高级像差，而光焦度小，可以使得受温度影响极小，其它镜片使用玻璃镜片，而玻璃镜片相对温度光学性能变化小，从而组合应用，能使镜头适应于对温度应用范围广的领域；本发明为玻塑混合设计，能起到提升性能的同时降低成本作用。
以上所述实施例仅表达了本发明的三种实施方式，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 (9)

1.一种投影镜头，其特征在于，沿着光轴从物侧面至像侧面包括四片透镜，其依次为第一透镜(10)、第二透镜(11)、第三透镜(12)、第四透镜(13)，所述第一透镜(10)是至少一面为非球面的弯月透镜，所述第二透镜(11)是至少一面为非球面的弯月透镜，所述第三透镜(12)和所述第四透镜(13)设置为具有相反的光焦度符号；
其满足以下条件式：
所述第一透镜(10)的凸面朝向物侧，|R1|>|R2|，其中R1和R2分别为所述第一透镜(10)的物侧与像侧的曲率半径；
所述第二透镜(11)的凹面朝向物侧，|R3|<|R4|，其中R3和R4分别为所述第二透镜(11)的物侧与像侧的曲率半径；
所述第三透镜(12)的物侧面为凸面，所述第四透镜(13)的像侧面为凸面；
|f1|/f>3.0，其中f为系统的等效焦距，f1为所述第一透镜(10)的等效焦距；
|f2|/f>5，其中f2为所述第二透镜(11)的等效焦距；
f12/f<-3.0，其中f12为所述第一透镜(10)与所述第二透镜(11)组合镜组的等效焦距；
1.9>f34/f>1.1，其中f34为所述第三透镜(12)与所述第四透镜(13)组合镜组的等效焦距；
d14/OAL<0.65，其中d14为所述第一透镜(10)到所述第四透镜(13)镜组的长度，OAL为整个光学投影镜头包括镜组和成像面的系统工作总长。
2.根据权利要求1所述的一种投影镜头，其特征在于，所述第三透镜(12)与所述第四透镜(13)的相邻面设置为凸面，所述第四透镜(13)与所述第三透镜(12)的相邻面设置为凹面。
3.根据权利要求1所述的一种投影镜头，其特征在于，所述第三透镜(12)与所述第四透镜(13)的相邻面设置为凹面，所述第四透镜(13)与所述第三透镜(12)的相邻面设置为凸面。
4.根据权利要求1所述的一种投影镜头，其特征在于，所述第一透镜(10)和所述第二透镜(11)均设置为注塑非球面透镜，所述第三透镜(12)和所述第四透镜(13)均设置为球面玻璃透镜。
5.根据权利要求1所述的一种投影镜头，其特征在于，所述第三透镜(12)和所述第四透镜(13)胶合为一体。
6.根据权利要求1所述的一种投影镜头，其特征在于，所述第三透镜(12)和所述第四透镜(13)分立设置。
7.根据权利要求1所述的一种投影镜头，其特征在于，所述第四透镜(13)与像侧面之间设置有场镜(14)，所述场镜(14)与所述第四透镜(13)之间的间距大于1.3倍有效焦距。
8.根据权利要求1所述的一种投影镜头，其特征在于，所述第四透镜(13)与像侧面之间设置有棱镜。
9.根据权利要求1所述的一种投影镜头，其特征在于，所述第三透镜(12)和所述第四透镜(13)的材料设置为不同，所述第三透镜(12)和所述第四透镜(13)的阿贝数相差大于20。
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