CN117031690B - 投影镜头、投影***及抬头显示设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及镜头领域，具体而言，涉及一种投影镜头。投影镜头包括从物面至显示芯片之间依次设置的第一光具组、光阑、第二光具组、合光棱镜和第七透镜。其中，第一光具组包括沿第一光轴朝向显示芯片的方向依次设置的第一透镜和第二透镜，第二光具组包括沿第一光轴朝向显示芯片的方向依次设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜与第六透镜。第三透镜与第四透镜组合成为双胶合透镜。本公开的投影镜头有利于提升显示质量。

Description

投影镜头、投影***及抬头显示设备
技术领域
本公开涉及镜头领域，具体而言，涉及一种投影镜头、投影***及抬头显示设备。
背景技术
投影显示广泛应用于各行各业，镜头作为投影显示的核心技术，设计与加工难度高，对成像质量有至关重要的作用的同时，又显著影响硬件成本以及整机的体积与质量。现有投影镜头存在清晰度不足、像差较大，以及透镜数量多，成本高的问题，需要对投影镜头进行优化。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种投影镜头、投影***及抬头显示设备，有利于提升显示质量。
根据本公开的一个方面，提供一种投影镜头，投影镜头包括从物面至显示芯片之间依次设置的第一光具组、光阑、第二光具组、合光棱镜和第七透镜：其中，
第一光具组包括沿第一光轴朝向显示芯片的方向依次设置的第一透镜和第二透镜，第二光具组包括沿第一光轴朝向显示芯片的方向依次设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜与第六透镜；
光阑的主光轴与第一光轴相重合，第七透镜的主光轴与第二光轴相重合，第二光轴与第一光轴相平行，显示芯片与第一光轴垂直；
第三透镜与第四透镜组合成为双胶合透镜，第一透镜、第二透镜、第五透镜、光阑、第六透镜与第七透镜相互分离；
第一透镜为正弯月透镜，第一透镜的凹面位于第一透镜靠近光阑的一侧；
第二透镜为负弯月透镜，第二透镜的凹面位于第二透镜靠近光阑的一侧；
双胶合透镜为正弯月透镜，
第五透镜为凸透镜，第五透镜的凸面位于第五透镜远离双胶合透镜的一侧；
第六透镜为凸透镜，第六透镜的凸面位于第六透镜远离合光棱镜的一侧。
在本公开的一种示例性实施方式中，
显示芯片包括第一显示区与第二显示区，第一显示区用于出射第一图像，第二显示区用于出射第二图像，第二光轴在第一显示区之外；
第一显示区出射的第一图像依次经过合光棱镜、第二光具组、光阑和第一光具组后，在第一物面成像；
第二显示区出射的第二图像依次经过第七透镜、合光棱镜、第二光具组、光阑和第一光具组后，在第二物面成像；
第二物面沿第一光轴至光阑的距离大于第一物面沿第一光轴至光阑的距离。
在本公开的一种示例性实施方式中，
第三透镜为双面凹透镜，第四透镜为双面凸透镜。
在本公开的一种示例性实施方式中，
第三透镜为负弯月透镜，第四透镜为正弯月透镜。
在本公开的一种示例性实施方式中，
第一光具组的焦距fa满足-90＜fa/f＜-15；
第二光具组的焦距fb满足0.55＜fb/f＜0.75；
其中，f为第一透镜至第六透镜的有效焦距。
在本公开的一种示例性实施方式中，
第一物面与第二物面在第一光轴上的距离δ满足20mm＜δ＜40mm。
在本公开的一种示例性实施方式中，
第一透镜具有第一光学面与第二光学面，第一光学面朝向物面所在的一侧，第二光学面朝向第二透镜所在的一侧；
第二透镜具有第三光学面与第四光学面，第三光学面朝向第一透镜所在的一侧，第四光学面朝向双胶合透镜所在的一侧；
双胶合透镜具有第五光学面、第六光学面与第七光学面，第五光学面朝向第二透镜所在的一侧，第六光学面为第三透镜与第四透镜的胶合面，第七光学面朝向第五透镜所在的一侧；
第五透镜具有第八光学面与第九光学面，第八光学面朝向双胶合透镜所在的一侧，第九光学面朝向第六透镜所在的一侧；
第六透镜具有第十光学面和第十一光学面，第十光学面朝向第五透镜所在的一侧，第十一光学面朝向合光棱镜所在的一侧；
其中，第一物面与第二物面在第一光轴上的距离δ满足20mm＜δ≤25mm；
第六透镜为双面凸透镜，第六光学面、第八光学面、第九光学面、第十光学面和第十一光学面均为球面，第一透镜至第六透镜的有效焦距f满足20.5＜f＜22。
在本公开的一种示例性实施方式中，
第一透镜具有第一光学面与第二光学面，第一光学面朝向物面所在的一侧，第二光学面朝向第二透镜所在的一侧；
第二透镜具有第三光学面与第四光学面，第三光学面朝向第一透镜所在的一侧，第四光学面朝向双胶合透镜所在的一侧；
双胶合透镜具有第五光学面、第六光学面与第七光学面，第五光学面朝向第二透镜所在的一侧，第六光学面为第三透镜与第四透镜的胶合面，第七光学面朝向第五透镜所在的一侧；
第五透镜具有第八光学面与第九光学面，第八光学面朝向双胶合透镜所在的一侧，第九光学面朝向第六透镜所在的一侧；
第六透镜具有第十光学面和第十一光学面，第十光学面朝向第五透镜所在的一侧，第十一光学面朝向合光棱镜所在的一侧；
其中，第一物面与第二物面在第一光轴上的距离δ满足25mm＜δ≤30mm；
第六透镜为双面凸透镜，第十光学面和第十一光学面均为偶次对称非球面；第六光学面为球面；第一透镜至第六透镜的有效焦距f满足20＜f≤20.5。
在本公开的一种示例性实施方式中，
第十光学面满足；
第十一光学面满足：
其中，k1、k2为二次曲线系数，a2、a4、a6、a8、a10、b2、b4、b6、b8、b10均为级数的系数；a2＝b2＝0，k1＞0，k2＝0；
a4≠b4≠0，a6≠b6≠0；a8≠b8≠0；a10≠b10≠0。
在本公开的一种示例性实施方式中，
第七透镜为平凹透镜，第七透镜的凹面位于第七透镜靠近合光棱镜的一侧。
在本公开的一种示例性实施方式中，第七透镜为平板透镜。
根据本公开的一个方面，提供一种投影***，包括：
显示芯片；
上述任意一项的投影镜头；
第一扩散屏，位于第一物面；第二扩散屏，位于第二物面。
在本公开的一种示例性实施方式中，显示芯片为透射式液晶显示芯片。
根据本公开的一个方面，提供一种抬头显示设备，包括：
上述任意一项的投影***；
成像***，用于接收投影***投射的图像，并将投影***投射的图像投射至抬头显示设备外部。
本公开的投影镜头、投影***及抬头显示设备在工作时，显示芯片出射的光线部分经过第七透镜，部分不经过第七透镜，光线之间具有光程差。第二光具组、光阑和第一光具组可以矫正存在光程差的第一光线与第二光线成像的球差、慧差、像散、场曲以及畸变，并能够对轴上色差进行矫正，可以提高成像的清晰度。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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获得其他的附图。
为了更好地理解本公开，可参考在下面的附图中示出的实施例。在附图中的部件未必是按比例的，并且相关的元件可能省略，以便强调和清楚地说明本公开的技术特征。另外，相关要素或部件可以有如本领域中已知的不同的设置。此外，在附图中，同样的附图标记在各个附图中表示相同或类似的部件。其中：
图1为本公开投影镜头的结构示意图；
图2为本公开投影镜头的光路示意图；
图3为本公开投影镜头的结构示意图；
图4为本公开投影镜头的实施例一中第一光线成像的MTF曲线图；
图5为本公开投影镜头的实施例一中第二光线成像的MTF曲线图；
图6为本公开投影镜头的实施例一中第一光线成像的场曲曲线图；
图7为本公开投影镜头的实施例一中第二光线成像的场曲曲线图；
图8为本公开投影镜头的实施例一中第一光线成像的畸变曲线图；
图9为本公开投影镜头的实施例一中第二光线成像的畸变曲线图；
图10为本公开投影镜头的实施例一中第一光线成像的轴向色差曲线图；
图11为本公开投影镜头的实施例一中第二光线成像的轴向色差曲线图；
图12为本公开投影镜头的实施例二中第一光线成像的MTF曲线图；
图13为本公开投影镜头的实施例二中第二光线成像的MTF曲线图；
图14为本公开投影镜头的实施例二中第一光线成像的场曲曲线图；
图15为本公开投影镜头的实施例二中第二光线成像的场曲曲线图；
图16为本公开投影镜头的实施例二中第一光线成像的畸变曲线图；
图17为本公开投影镜头的实施例二中第二光线成像的畸变曲线图；
图18为本公开投影镜头的实施例二中第一光线成像的轴向色差曲线图；
图19为本公开投影镜头的实施例二中第二光线成像的轴向色差曲线图。
附图标记说明如下：
1、第一光具组；101、第一透镜；102、第二透镜；2、光阑；3、第二光具组；301、第三透镜；302、第四透镜；303、第五透镜；304、第六透镜；4、合光棱镜；5、第七透镜；601、第一物面；602、第二物面；7、平板玻璃；900、显示芯片；901、第一显示区；902、第二显示区。
具体实施方式
下面将结合本公开示例实施例中的附图，对本公开示例实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。本文中的描述的示例实施例仅仅是用于说明的目的，而并非用于限制本公开的保护范围，因此应当理解，在不脱离本公开的保护范围的情况下，可以对示例实施例进行各种修改和改变。
需要特殊说明的是，本公开的描述中，采用“像面”来表示显示芯片900的出光面，采用“物面”来表示从显示芯片900发出的光线在经过光学***的一系列光学面后的投影面。由于物像共轭的原理，光路实际是可逆的，因此，“像面”与“物面”可以对调，而不会对光路的性能产生影响。因此，投影镜头与摄影镜头的光路实际是相对的，可以采用同种方法进行设计。在本公开的方案中，为了便于在设计过程中优化、求解光学***各光学面的参数，对光路采用反向设计，将投影面看做“物面”，而将显示芯片900的出光面看做“像面”，本领域技术人员可以理解，可以任意地将“物面”与“像面”对调，这种做法并不会对本方案的实现构成阻碍，亦不会损害本公开能达到的技术效果。
本公开的示例实施方式中可能使用“内”、“外”、“左”、“右”、“水平”、“竖直”等方位词，这仅是为了方便参考附图对光路内各光学元件的相对位置关系进行说明，例如根据附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本公开的示例实施例的限定。用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
本公开所述“沿某光轴设置的透镜”，指透镜的主光轴沿该光轴的方向设置，对于球面透镜，指透镜的球面对应的球心位于该光轴上；对于非球面透镜，指透镜的非球面的旋转中心位于该光轴上。
本公开首先提供一种投影镜头，针对现有技术中投影镜头存在的清晰度不足、像差较大，以及透镜数量多，成本高的问题，对投影镜头的光学结构进行了优化设计。现在结合附图1至附图3对本公开的投影镜头进行详细说明。
参考图1及图2所示，本公开的投影镜头，从物面至显示芯片900之间依次设置有第一光具组1、光阑2、第二光具组3、合光棱镜4和第七透镜5。
其中：
第一光具组1包括沿第一光轴朝向显示芯片900的方向依次设置的第一透镜101和第二透镜102，第二光具组3包括沿第一光轴朝向显示芯片900的方向依次设置的第三透镜301、第四透镜302、第五透镜303与第六透镜304；
光阑2的主光轴与第一光轴相重合，第七透镜5的主光轴与第二光轴相重合，第二光轴与第一光轴相平行，显示芯片900与第一光轴垂直；
第三透镜301与第四透镜302组合成为双胶合透镜，其余透镜相互分离；
第一透镜101为正弯月透镜，第一透镜101的凹面位于第一透镜101靠近光阑2的一侧；
第二透镜102为负弯月透镜，第二透镜102的凹面位于第二透镜102靠近光阑2的一侧；
双胶合透镜为正弯月透镜，
第五透镜303为凸透镜，第五透镜303的凸面位于第五透镜303远离双胶合透镜的一侧；
第六透镜304为凸透镜，第六透镜304的凸面位于第六透镜304远离合光棱镜4的一侧。
本公开的投影镜头在工作时，显示芯片出射的光线部分经过第七透镜，部分不经过第七透镜，因而在光线之间产生光程差。第二光具组、光阑和第一光具组可以矫正存在光程差的光线的球差、慧差、像散、场曲以及畸变，并能够对轴上色差进行矫正，可以提高成像的清晰度。
例如，在一种示例性实施方式中，显示芯片900包括第一显示区901与第二显示区902，第一显示区901用于出射第一图像，第二显示区902用于出射第二图像，第二光轴在第一显示区901之外。
投影镜头在工作时，显示芯片900的第一显示区901与第二显示区902可以分别显示不同的图像，第一显示区901与第二显示区902到光阑2的第一光轴上距离相等，由于第二显示区902与合光棱镜4间设有沿第二光轴设置的第七透镜5，光线从第一显示区901出射后，不经过第七透镜5直接进入合光棱镜4；光线从第二显示区902出射后先经过第七透镜5再进入合光棱镜4，如此一来，从第一显示区901出射的第一光线与从第二显示区902出射的第二光线之间便会产生光程差。第一光线通过第二光具组3、光阑2和第一光具组1后，在第一物面601成像；第二光线通过第二光具组3、光阑2和第一光具组1后，在第二物面602成像，第一物面601到光阑2与第二物面602到光阑2在第一光轴上的距离不相等。第二光具组3、光阑2和第一光具组1可以矫正第一光线与第二光线成像的球差、慧差、像散、场曲以及畸变，并能够对轴上色差进行矫正，可以提高光线在第一物面601与第二物面602成像的清晰度。
具体的，参考图3所示，第二光具组3在光阑2与分光棱镜之间，并包括第三透镜301、第四透镜302、第五透镜303与第六透镜304。第五透镜303和第六透镜304均为凸透镜，对光线起会聚作用。具体的，第五透镜303和第六透镜304均可以为平凸透镜，且第五透镜303的凸面与第六透镜304的凸面相对；或者，第五透镜303可以为双凸透镜，且第五透镜303靠近第六透镜304的表面曲率半径小于远离第六透镜304的表面的曲率半径，第六透镜304也可以为双凸透镜，且第六透镜304靠近第五透镜303的表面曲率半径小于远离第五透镜303的表面的曲率半径。第五透镜303和第六透镜304可以有利于对第一光线与第二光线成像的球差与畸变进行矫正。
第三透镜301与第四透镜302组合成为双胶合透镜，具体的，第三透镜301与第四透镜302组合而成的双胶合透镜为正弯月透镜。在本公开的一种示例性实施方式中，第三透镜301为双面凹透镜，第四透镜302为双面凸透镜，第三透镜301与第四透镜302相邻的两表面胶合在一起，形成胶合面。在另一种示例性实施方式中，第三透镜301可以为负弯月透镜，第四透镜302为正弯月透镜，第三透镜301与第四透镜302胶合后依然可以形成正弯月透镜。即，第四透镜302背离第三透镜301的一侧的曲率半径的绝对值小于第三透镜301背离第四透镜302的一侧的曲率半径的绝对值。
第三透镜301与第四透镜302组合成为正弯月型双胶合透镜，可以有利于对第一光线与第二光线成像的色差进行矫正。具体的，第三透镜301为负透镜，具有较高的色散，即较低的阿贝数；第四透镜302为正透镜，具有较低的色散，即较高的阿贝数。在一些实施例中，第四透镜302的阿贝数与第三透镜301的阿贝数之比的范围在2.25～2.27，经试验，对色差具有良好的矫正作用。
透镜的凸面及凹面均可为球面，特别的，在一种示例性实施方式中，第三透镜301与第四透镜302胶合处的第六光学面为球面，可以降低第三透镜301与第四透镜302的加工难度，并使胶合效果更优。第一透镜101、第二透镜102、第三透镜301、第四透镜302、第五透镜303与第六透镜304可以为塑料透镜或玻璃透镜，具体的，可以根据折射率与阿贝数的设计选择透镜的材质。
从第二显示区902出射的第二光线光程较长，在距离光阑2较远的第二物面602成像；从第一显示区901出射的第一光线光程较短，在距离光阑2较近的第一物面601成像。在本公开的一种示例性实施方式中，第一物面601与第二物面602在第一光轴上的距离满足20mm＜δ＜40mm。其中，第一光具组1与第二光具组3的焦距分别满足：第一光具组1的焦距满足-90＜fa/f＜-15；第二光具组3的焦距fb满足0.55＜fb/f＜0.75。在本公开的一些示例性实施方式中，第一光具组1仅包含第一透镜101与第二透镜102两透镜，而第二光具组3仅包括第三透镜301、第四透镜302、第五透镜303与第六透镜304四枚透镜，通过采取上述光学参数，可以使显示芯片900出射的第一图像与第二图像分别在第一物面601与第二物面602清晰成像，而且，投影镜头的透镜数量较少，可以有利于减小投影镜头的体积与质量，并降低成本。
第七透镜5可以为平凹透镜，且第七透镜5的凹面位于第七透镜5靠近合光棱镜4的一侧，对光线起一定的发散作用，可以增大光程。或者，在本公开的一些示例性实施方式中，第七透镜5也可以为平板透镜。即，第七透镜5两侧的光学面均为平面，也可以使透过的第二光线的光程增加，经过合光棱镜4、第二光具组3、光阑2与第一光具组1后，可以实现第一光线与第二光线的分离。
显示芯片900用于出射图像光线，具体的，显示芯片900可以为数字微镜装置(Digital Micro-mirror Device,DMD)芯片、硅基液晶显示(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)芯片、穿透式液晶显示(Liquid Crystal Display,LCD)芯片及其组合中的一种。在一些示例性实施方式中，第七透镜5与显示芯片900之间设有平板玻璃7，平板玻璃7可以与显示芯片900的出光表面相平行，且平板玻璃7沿第一光轴方向在显示芯片900的出光表面的投影可以覆盖第一显示区901与第二显示区902，从而可以保护显示芯片900。
例如，显示芯片900可以为数字微镜装置芯片，数字微镜装置芯片出光面由数字微镜构成，平板玻璃7可以为数字微镜提供有效保护。在另一些实施例中，显示芯片900可以为穿透式液晶显示芯片900，第一显示区901和第二显示区902可以是液晶显示芯片900出光表面的不同区域。
下面结合两具体实施例对本公开投影镜头的结构进行说明，并结合试验数据等进一步凸显本公开投影镜头的有益效果。
为了便于说明，自物面向显示芯片900的方向依次规定各光学面的名称，具体的有：第一透镜101具有朝向物面的第一光学面与朝向第二透镜102的第二光学面；第二透镜102具有朝向第一透镜101的第三光学面与朝向双胶合透镜的第四光学面；双胶合透镜具有朝向第二透镜102的第五光学面、胶合第三透镜301与第四透镜302的第六光学面，以及朝向第五透镜303的第七光学面；第五透镜303具有朝向双胶合透镜的第八光学面与朝向第六透镜304的第九光学面；第六透镜304具有朝向第五透镜303的第十光学面和朝向合光棱镜4的第十一光学面。在下述实施例中，为便于标记，在表一与表二中将第一光学面至第十一光学面依次标记为序号S1至S11。
在本公开的一些实施方式中，第一透镜101至第六透镜304的有效焦距f满足20.5＜f＜22，第一物面601与第二物面602在第一光轴上的距离δ满足20mm＜δ≤25mm。经实验，这种光学设计可以有效改善投影镜头显示的像差。例如，请参考下述实施例一。
实施例一：
投影镜头中各光学结构参数可以参考表一。
表一
在表一中，曲率半径以及焦距的正负，均以从物面到像面的方向为基准，即，从物面到像面的方向，朝向物面方向突出的表面曲率半径为正，朝向像面方向突出的表面曲率半径为负。例如对于第一透镜101，在本实施例中，第一光学面朝向物面方向突出，曲率半径为25.278，第二光学面也朝向物面方向突出，曲率半径为114.568，由于第二光学面的曲率半径绝对值更大，因此第一透镜101为正弯月透镜。同理可以参照表1获取其他透镜的具体光学参数。可以理解的是，在表一中，表面类型为球面，而曲率半径为“无限”的光学表面，实际可以理解为平面。表1中曲率半径与厚度的单位均为mm。
各表面的厚度，依然按照从物面到像面的方向为基准，表示该表面顶点至下一表面顶点的距离。例如，对于第一物面601的厚度为100mm，其含义是从第一物面601至第一透镜101的第一光学面顶点的距离为100mm，其实际含义为第一图像的投影距离。对于第二物面602的厚度为125mm，其含义是从第二物面602至第一透镜101的第一光学面顶点的距离为125mm，其实际含义为第二头像的投影距离。
对于透镜，在表一中，透镜靠近物面的光学表面的厚度表示该光学表面至该透镜另一光学表面顶点的距离，即该透镜的厚度；透镜靠近显示芯片900的光学表面的厚度表示该光学表面至下一光学元件光学表面顶点的距离。例如，对于第一透镜101，第一光学面的厚度为6mm，其含义是从第一光学面顶点至第二光学面顶点在第一光轴上的距离；第二光学面的厚度为3.3mm，其含义是从第二光学面顶点至第二透镜102的第三光学面顶点在第一光轴上的距离。
采用表一中的光学结构参数，第一透镜101至第六透镜304的有效焦距f为21.9mm，第一物面601与第二物面602在第一光轴上的距离δ为25mm。第一光具组1的焦距fa满足fa/f＝-86.953。第二光具组3的焦距fb满足fb/f＝0.647。经试验，投影镜头成像的像差和色差可以得到良好的控制。
图4与图5分别为实施例一提供的，表一所示的投影镜头的调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)曲线图。其中，图4为针对第一光线成像过程的调制传递函数曲线图；图5为针对第二光线成像过程的调制传递函数曲线图。调制传递函数是光学传递函数(Optical Transfer Function，OTF)的模值，可以理解为图像调制度对目标调制度之比，可以用于评价光学***的成像质量。具体的，图示调制传递函数的横坐标是空间频率，用每毫米线对数来定义；纵坐标MTF的变化范围为1～0，其中1为理想值，通常认为，在奈奎斯特频率下，光学传递函数达到0.3以上，则不影响光学***的成像清晰度。在实施例一中，由于第一显示区901与第二显示区902相比，距第一光轴更远，即，第一光线在经过第二光具组3与第一光具组1时，更靠近各透镜的边缘位置，因而第一光线在第一物面601成像的像差较第二光线在第二物面602成像的像差更大。从图4及图5所示的MTF曲线可以看出，在空间频率达到66线对/毫米(lp/mm)时，第一光线与第二光线成像依然有较高的MTF值，即具有较高的清晰度。其中，第一光线成像的MTF大于0.4，第二光线成像的MTF大于0.6。
图6与图7为本公开实施例一提供的，表一所示的投影镜头的场曲曲线图。在透镜成像过程中，某一垂直于光轴的物平面上的各物点通过透镜折射后，所成的像并不全在理想的垂直于光轴的像平面上，而是分布在以光轴为对称轴的一个旋轴的弧面上，称作场曲。场曲会导致图像的清晰度从中央向***变化，影响投影镜头轴外视场光线的像差。在图6与图7所示的场曲曲线中，纵轴为视场，由于场曲曲线总是用最大径向视场来归一化，因此纵轴不设单位，横坐标为场曲，单位为毫米。从图6与图7所示的场曲曲线可以看出，本公开投影镜头通过上述第一光具组1与第二光具组3各透镜的组合设计，可以将场曲控制在很低的范围内。具体的，第一光线成像的场曲可以控制在0.1mm以内，第二光线成像的场曲可以控制在0.05mm以内。
图8与图9为本公开实施例一提供的，表一所示的投影镜头的畸变曲线图。畸变代表图像的变形失真，通常在经过光学***后，图像会出现枕形畸变或桶形畸变等。在图8与图9所示的畸变曲线中，与场曲曲线同理，纵轴为视场，由于畸变曲线总是用最大径向视场来归一化，因此纵轴不设单位，横坐标为用百分比表示的畸变。通常可以认为，人眼无法察觉不超过1.5％的畸变，从图8与图9所示的畸变曲线可以看出，本公开投影镜头通过上述第一光具组1与第二光具组3各透镜的组合设计，可以将畸变控制在很低的范围内。具体的，第一光线成像的畸变的绝对值可以控制在1.2％以内，第二光线成像的畸变的绝对值可以控制在0.5％以内。
图10与图11为本公开实施例一提供的，表一所示的投影镜头的轴向色差曲线图。轴向色差指不同波长的光束通过透镜后焦点位于光轴上不同位置，由于本公开投影镜头投影图像的光线为复色光，每种波长的光线经过透镜时折射率不同，因此产色分色，在到达相应的成像位置时出现颜色失真。各透镜的形状、材料以及相对位置分布均会影响轴向色差。在图10与图11所示的轴向色差中，光瞳半径为4.5623mm，将光瞳尺寸定义为0，图中纵轴为归一化光瞳坐标，代表不同的光瞳区域，横坐标表示像面两边沿轴离焦距离，单位为毫米。其中，曲线C1代表波长为525nm的绿光；曲线C2代表波长为460nm的蓝光；曲线C3代表波长为620nm的红光。可以看出，轴向色差可以控制在很低的范围。
在本公开的另一些实施方式中，第一透镜101至第六透镜304的有效焦距f满足20＜f≤20.5，第一物面601与第二物面602在第一光轴上的距离δ满足25mm＜δ≤30mm。经实验，这种光学设计可以有效改善投影镜头显示的像差。
进一步的，在一些实施方式中，第六透镜304为双面凸透镜，第十光学面和第十一光学面均为偶次对称非球面。焦距较小时，光学***的畸变会较大；同时，第一物面601与第二物面602在第一光轴上的距离增加，即，第二物面602的投影距离增加，也容易导致球差的扩大。第十光学面和第十一光学面均采用偶次对称非球面设计，有利于提升成像质量。
具体的，在本公开的一种示例性实施方式中，
第十光学面满足；
第十一光学面满足
在上式中，第十光学面和第十一光学面均为旋转对称非球面，z表示非球面上的任意点离非球面顶点在光轴方向的距离，r为非球面上任意点到光轴的距离，c为非球面顶点处的曲率。k1、k2为二次曲线系数，a2、a4、a6、…、b2、b4、b6等均为级数的系数。非球面表达式的第一项表达了一个二次曲面，代表非球面的基础面型；后面各高次项表示非球面偏离二次曲面的表面特征。
在一种实施例中有k2＝0，即，第十一光学面的基础面型为球面，k1＞0，即，第十光学面的基础面型为扁平椭球面。a2＝b2＝0，可以防止对第十光学面和第十一光学面的基础面型发生影响。a4≠b4≠0，a6≠b6≠0；a8≠b8≠0；a10≠b10≠0，第十光学面和第十一光学面均具有四次、六次、八次、十次非球面高次项，可以显著矫正投影镜头的像差。
例如，请参考下述实施例二。
实施例二：
投影镜头中各光学结构参数可以参考表二。
表二
关于曲率半径以及焦距的正负、表二中各光学参数的含义，请参考实施例一中的说明，在此不再赘述。
第六透镜304为非球面透镜，第十光学面和第十一光学面均为偶次对称非球面，第十光学面和第十一光学面的非球面系数具体可以为：
k1＝0.1979，a2＝0，a4＝7.8609×10-7，a6＝8.37×10-9，a8＝-5.5056×10-11，a10＝1.751×10-13；
k2＝0，b2＝0，b4＝1.556×10-6，a6＝1.3906×10-8，a8＝1.0787×10-10，a10＝-1.1617×10-12。
采用表二中的光学结构参数，第一透镜101至第六透镜304的有效焦距f为20.33mm，第一物面601与第二物面602在第一光轴上的距离δ为30mm。第一光具组1的焦距fa满足fa/f＝-19.607。第二光具组3的焦距fb满足fb/f＝0.692。经试验，投影镜头成像的像差和色差可以得到良好的控制。
图12与图13分别为实施例二提供的，表二所示的投影镜头的调制传递函数曲线图。其中，图12为针对第一光线成像过程的调制传递函数曲线图；图13为针对第二光线成像过程的调制传递函数曲线图。调制传递函数曲线图的含义及图中坐标的含义请参考实施例一的说明。在实施例二中，由于第一显示区901与第二显示区902相比，距第一光轴更远，即，第一光线在经过第二光具组3与第一光具组1时，更靠近各透镜的边缘位置，因而第一光线在第一物面601成像的像差较第二光线在第二物面602成像的像差更大。从图12与图13所示的MTF曲线可以看出，在空间频率达到66线对/毫米(lp/mm)时，第一光线与第二光线成像依然有较高的MTF值，即具有较高的清晰度。其中，第一光线成像的MTF大于0.3，第二光线成像的MTF大于0.5。
图14与图15为本公开实施例二提供的，表二所示的投影镜头的场曲曲线图。场曲曲线图的含义及图中坐标的含义请参考实施例一的说明。从图14与图15所示的场曲曲线可以看出，本公开投影镜头通过上述第一光具组1与第二光具组3各透镜的组合设计，可以将场曲控制在很低的范围内。具体的，第一光线成像的场曲可以控制在0.1mm以内，第二光线成像的场曲可以控制在0.05mm以内。
图16与图17为本公开实施例二提供的，表二所示的投影镜头的畸变曲线图。畸变曲线图的含义及图中坐标的含义请参考实施例一的说明。从图16与图17所示的畸变曲线可以看出，本公开投影镜头通过上述第一光具组1与第二光具组3各透镜的组合设计，可以将畸变控制在很低的范围内。具体的，第一光线成像的畸变的绝对值可以控制在0.8％以内，第二光线成像的畸变的绝对值可以控制在0.16％以内。
图18与图19为本公开实施例二提供的，表二所示的投影镜头的轴向色差曲线图。轴向色差曲线图的含义及图中坐标的含义请参考实施例一的说明。在图18与图19所示的轴向色差中，光瞳半径为4.6166mm；在图所示的轴向色差中，光瞳半径为4.6211mm。可以看出，轴向色差可以控制在很低的范围。
上述实施例一与实施例二分别示出了第一物面601与第二物面602在第一光轴上的距离δ不同的两种具体情况。可以理解的是，实施例一与实施例二仅代表两较为优选的实施例，意在说明本公开投影镜头光路的原理并通过试验数据更为直观的体现本公开投影镜头的有益效果，而非对本公开保护范围的限制。
根据本公开的第二个方面，提供一种投影***，投影***包括显示芯片900以及投影镜头。其中，投影镜头可参考前述示例性实施方式，或可在不冲突的前提下采用上述示例性实施方式的组合，在此不再赘述。显示芯片900可以为数字微镜装置芯片、硅基液晶显示芯片、穿透式液晶显示芯片及其组合中的一种，或者也可以为其他类型的显示芯片。特别的，投影***还可以包括第一扩散屏与第二扩散屏，第一扩散屏位于第一物面601，第二扩散屏位于第二物面602。
本公开的投影***，第一扩散屏可以在第一物面601承接投影镜头出射的第一图像，第二扩散屏可以在第二物面602承接投影镜头出射的第二图像。本公开的投影***，可以通过一个显示芯片900配合投影镜头实现两组图像的分离，第一扩散屏与第二扩散屏互不交叠，且投影镜头在第一扩散屏与第二扩散屏上成像均具有较高的清晰度。
第一扩散屏与第二扩散屏可以为透射式扩散屏或反射式扩散屏。对于透射式扩散屏，观察侧在扩散屏入光侧的背侧；对于反射式扩散屏，观察侧在扩散屏入光侧的同侧。第一扩散屏与第二扩散屏可以具有粗糙面，或表面设有光扩层，以获得柔和均匀的显示效果。在一些示例性实施方式中，第一扩散屏与第二扩散屏中的至少之一为透射式扩散屏。
需要说明的是，显示芯片900可以包括数字微镜装置芯片、硅基液晶显示芯片、穿透式液晶显示芯片等，本公开仅对显示芯片900出光的表面划分为包括第一显示区901与第二显示区902，在实际应用中，显示芯片900还包括使其正常工作的各光学结构如光源、匀光元件、准直元件、合光元件和散斑抑制元件等，本公开对此不作特殊限定。
在本公开的一种示例性实施方式中，显示芯片900为透射式液晶显示屏。在光学***中，液晶显示屏幕是较为常用的光阀器件，具有结构可靠，成本低的优势。然而，在投影镜头的许多应用场景中，例如户外投影，建筑物外墙上投影等情况下，由于液晶显示屏不耐高温，在受到阳光强烈照射时寿命短，甚至可能具有起火的安全隐患，因此应用受到限制。
例如，在抬头显示器(Head Up Display,HUD)中，如将液晶显示屏幕作为图像源，太阳光穿过风挡玻璃进入抬头显示器后，由于光路的可逆性，将逆向沿抬头显示器出光光路汇聚到液晶显示屏幕处，形成高亮光斑，影响液晶显示屏幕寿命。尤其是对于增强现实抬头显示器(AR-HUD)，视场角较大，光学***放大率大，对射入抬头显示器内部的外界阳光具有更强的汇聚作用，轻则影响抬头显示器使用性能，重则可能导致电路***起火，引发严重事故。而本公开的投影***在应用时，外界阳光汇聚在耐高温性能优良的第一扩散屏与第二扩散屏上，由于反射式扩散屏表面发生漫反射，透射式扩散屏表面也包括光扩结构，因此不会有大量外界光线逆光路进入投影镜头，损伤液晶显示屏幕。
从而，本公开的投影***的有益效果还包括：可以采用液晶显示屏幕作为图像源，在具有液晶显示屏幕带来的优质成像效果与较低成本之外，可以延长液晶显示屏幕的寿命，提升安全性。同时，也可以应用其他类型的显示芯片900作为图像源，并可以避免外界光线对显示芯片900造成损害。
根据本公开的第三个方面，还提供一种抬头显示设备。抬头显示设备包括上述的投影***以及成像***。成像***用于接收投影***投射的图像，并将投影***投射的图像投射至抬头显示设备外部。抬头显示设备通常可以安装于汽车或其他交通载具的仪表面板下侧，通过将含有道路状况、车辆状态、导航提示等信息的光线投射至驾驶员前方的成像板或风挡玻璃上，使驾驶员可以方便地了解驾驶信息，提高行车安全性以及便捷性。
成像***可以包括由一个或多个反光镜组成的反光镜***，反光镜***将来自第一扩散屏与第二扩散屏的光线进行转折、压缩以及优化，并使其投射至车辆的前风挡玻璃或其他成像屏上，再通过前风挡玻璃或成像屏反射至驾驶员眼睛，在驾驶员眼盒范围内成虚像。在另一些实施方式中，成像***可以包括一个或多个光波导，光波导可以具有耦入区与耦出区，光波导用于在耦入区耦入来自第一扩散屏与第二扩散屏的光线，并使光线自耦入区传输至耦出区，光线在耦出区离开光波导并出射至风挡玻或其他成像屏上。
由于第一扩散屏与第二扩散屏不发生交叠，在成像***的设计过程中，可以很方便地将第一图像与第二图像相互分离地投射至抬头显示设备外部，在风挡玻璃上同时呈现相互独立的两组图像。由于第一图像与第二图像均使用同一投影镜头与显示芯片900，可以有效缩小抬头显示设备的体积。此外，本公开的抬头显示设备还具有良好的抗紫外线性能。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的保护范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种投影镜头，其特征在于，所述投影镜头包括从物面至显示芯片之间依次设置的第一光具组、光阑、第二光具组、合光棱镜和第七透镜：其中，
所述第一光具组由沿第一光轴朝向所述显示芯片的方向依次设置的第一透镜和第二透镜组成，所述第二光具组由沿第一光轴朝向所述显示芯片的方向依次设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜与第六透镜组成；
所述光阑的主光轴与所述第一光轴相重合，所述第七透镜的主光轴与第二光轴相重合，所述第二光轴与所述第一光轴相平行，所述显示芯片与所述第一光轴垂直；
所述第三透镜与所述第四透镜组合成为双胶合透镜，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第五透镜、所述光阑、所述第六透镜与所述第七透镜相互分离；
所述第一透镜为正弯月透镜，所述第一透镜的凹面位于所述第一透镜靠近所述光阑的一侧；
所述第二透镜为负弯月透镜，所述第二透镜的凹面位于所述第二透镜靠近所述光阑的一侧；
所述双胶合透镜为正弯月透镜，
所述第五透镜为凸透镜，所述第五透镜的凸面位于所述第五透镜远离所述双胶合透镜的一侧；
所述第六透镜为凸透镜，所述第六透镜的凸面位于所述第六透镜远离所述合光棱镜的一侧；
所述第七透镜为平凹透镜，所述第七透镜的凹面位于所述第七透镜靠近所述合光棱镜的一侧；
所述显示芯片包括第一显示区与第二显示区，所述第一显示区用于出射第一图像，所述第二显示区用于出射第二图像，所述第二光轴在所述第一显示区之外；
所述第一显示区出射的所述第一图像不经过所述第七透镜，所述第一图像依次经过所述合光棱镜、所述第二光具组、所述光阑和所述第一光具组后，在第一物面成像；
所述第二显示区出射的所述第二图像依次经过所述第七透镜、所述合光棱镜、所述第二光具组、所述光阑和所述第一光具组后，在第二物面成像；
所述第二物面沿所述第一光轴至所述光阑的距离大于所述第一物面沿所述第一光轴至所述光阑的距离。
2.一种投影镜头，其特征在于，所述投影镜头包括从物面至显示芯片之间依次设置的第一光具组、光阑、第二光具组、合光棱镜和第七透镜：其中，
所述第一光具组由沿第一光轴朝向所述显示芯片的方向依次设置的第一透镜和第二透镜组成，所述第二光具组由沿第一光轴朝向所述显示芯片的方向依次设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜与第六透镜组成；
所述光阑的主光轴与所述第一光轴相重合，所述第七透镜的主光轴与第二光轴相重合，所述第二光轴与所述第一光轴相平行，所述显示芯片与所述第一光轴垂直；
所述第三透镜与所述第四透镜组合成为双胶合透镜，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第五透镜、所述光阑、所述第六透镜与所述第七透镜相互分离；
所述第一透镜为正弯月透镜，所述第一透镜的凹面位于所述第一透镜靠近所述光阑的一侧；
所述第二透镜为负弯月透镜，所述第二透镜的凹面位于所述第二透镜靠近所述光阑的一侧；
所述双胶合透镜为正弯月透镜，
所述第五透镜为凸透镜，所述第五透镜的凸面位于所述第五透镜远离所述双胶合透镜的一侧；
所述第六透镜为凸透镜，所述第六透镜的凸面位于所述第六透镜远离所述合光棱镜的一侧；
所述第七透镜为平板透镜；
所述显示芯片包括第一显示区与第二显示区，所述第一显示区用于出射第一图像，所述第二显示区用于出射第二图像，所述第二光轴在所述第一显示区之外；
所述第一显示区出射的所述第一图像不经过所述第七透镜，所述第一图像依次经过所述合光棱镜、所述第二光具组、所述光阑和所述第一光具组后，在第一物面成像；
所述第二显示区出射的所述第二图像依次经过所述第七透镜、所述合光棱镜、所述第二光具组、所述光阑和所述第一光具组后，在第二物面成像；
所述第二物面沿所述第一光轴至所述光阑的距离大于所述第一物面沿所述第一光轴至所述光阑的距离；
所述第一透镜具有第一光学面与第二光学面，所述第一光学面朝向所述物面所在的一侧，所述第二光学面朝向所述第二透镜所在的一侧；
所述第二透镜具有第三光学面与第四光学面，所述第三光学面朝向所述第一透镜所在的一侧，所述第四光学面朝向所述双胶合透镜所在的一侧；
所述双胶合透镜具有第五光学面、第六光学面与第七光学面，所述第五光学面朝向所述第二透镜所在的一侧，所述第六光学面为所述第三透镜与所述第四透镜的胶合面，所述第七光学面朝向所述第五透镜所在的一侧；
所述第五透镜具有第八光学面与第九光学面，所述第八光学面朝向所述双胶合透镜所在的一侧，所述第九光学面朝向所述第六透镜所在的一侧；
所述第六透镜具有第十光学面和第十一光学面，所述第十光学面朝向所述第五透镜所在的一侧，所述第十一光学面朝向所述合光棱镜所在的一侧；
其中，所述第一物面与所述第二物面在所述第一光轴上的距离δ满足20mm＜δ≤25mm；
所述第六透镜为双面凸透镜，所述第六光学面、所述第八光学面、所述第九光学面、所述第十光学面和所述第十一光学面均为球面，所述第一透镜至所述第六透镜的有效焦距f满足20.5＜f＜22。
3.根据权利要求1或2所述的投影镜头，其特征在于，
所述第三透镜为双面凹透镜，所述第四透镜为双面凸透镜；或，
所述第三透镜为负弯月透镜，所述第四透镜为正弯月透镜。
4.根据权利要求1或2所述的投影镜头，其特征在于，
所述第一光具组的焦距fa满足-90＜fa/f＜-15；
所述第二光具组的焦距fb满足0.55＜fb/f＜0.75；
其中，f为所述第一透镜至所述第六透镜的有效焦距。
5.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，
所述第一物面与所述第二物面在所述第一光轴上的距离δ满足20mm＜δ＜40mm。
6.根据权利要求5所述的投影镜头，其特征在于，
所述第一透镜具有第一光学面与第二光学面，所述第一光学面朝向所述物面所在的一侧，所述第二光学面朝向所述第二透镜所在的一侧；
所述第二透镜具有第三光学面与第四光学面，所述第三光学面朝向所述第一透镜所在的一侧，所述第四光学面朝向所述双胶合透镜所在的一侧；
所述双胶合透镜具有第五光学面、第六光学面与第七光学面，所述第五光学面朝向所述第二透镜所在的一侧，所述第六光学面为所述第三透镜与所述第四透镜的胶合面，所述第七光学面朝向所述第五透镜所在的一侧；
所述第五透镜具有第八光学面与第九光学面，所述第八光学面朝向所述双胶合透镜所在的一侧，所述第九光学面朝向所述第六透镜所在的一侧；
所述第六透镜具有第十光学面和第十一光学面，所述第十光学面朝向所述第五透镜所在的一侧，所述第十一光学面朝向所述合光棱镜所在的一侧；
其中，所述第一物面与所述第二物面在所述第一光轴上的距离δ满足25mm＜δ≤30mm；
所述第六透镜为双面凸透镜，所述第十光学面和所述第十一光学面均为偶次对称非球面；所述第六光学面为球面；所述第一透镜至所述第六透镜的有效焦距f满足20＜f≤20.5。
7.根据权利要求6所述的投影镜头，其特征在于，
所述第十光学面满足；
所述第十一光学面满足
其中，z表示非球面上的任意点离非球面顶点在所述第一光轴方向的距离，r为非球面上任意点到所述第一光轴的距离，c为非球面顶点处的曲率；
k1、k2为二次曲线系数，a2、a4、a6、a8、a10、b2、b4、b6、b8、b10均为级数的系数；
a2＝b2＝0，k1＞0，k2＝0；
a4≠b4≠0，a6≠b6≠0；a8≠b8≠0；a10≠b10≠0。
8.一种投影***，其特征在于，包括：
显示芯片；
权利要求1至7中任一项所述的投影镜头；
第一扩散屏，位于所述第一物面；第二扩散屏，位于所述第二物面。
9.根据权利要求8所述的投影***，其特征在于，所述显示芯片为透射式液晶显示芯片。
10.一种抬头显示设备，其特征在于，包括：
权利要求8或9所述的投影***；
成像***，用于接收所述投影***投射的图像，并将所述投影***投射的图像投射至所述抬头显示设备外部。
CN202310965902.8A 2023-08-02 2023-08-02 投影镜头、投影***及抬头显示设备 Active CN117031690B (zh)

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