一种投影镜头和投影系统

技术领域

本发明涉及投影显示技术领域，尤其涉及一种投影镜头和投影系统。

背景技术

抬头显示(Head Up Display，简称HUD)，也称汽车平视显示，是指利用光学反射原理，将时速、导航等重要的行车信息投影到驾驶员前面的挡风玻璃上，使驾驶员尽量做到视线不离开前方即可获得驾驶信息的技术，对于行车安全起着很好的辅助作用。

数字光处理技术(Digital Light Processing，简称DLP)是目前HUD中使用最为广泛的技术，在基于DLP的投影系统中，光源发射出的光线经过调制之后照射到数字微镜器件(Digital Micro Device，简称DMD)上，由DMD上的微镜单元反射后照射到投影镜头，并经过投影镜头投射到投影屏幕上形成图像。

然而，由于HUD的使用空间较小，而目前的投影镜头一般体积较大，光路结构复杂且使用的透镜数量较多，目前的投影镜头难以与HUD的尺寸相匹配。

发明内容

本发明提供了一种投影镜头，用以减少投影镜头中的透镜数量，和投影镜头的体积、简化光路结构。

本发明第一方面提供一种投影镜头，包括：第一透镜群；

第二透镜群，位于所述第一透镜群的出光侧，所述第二透镜群中包括一个双胶合透镜组；

第三透镜群，位于所述第二透镜群远离所述第一透镜群的一侧；

第四透镜群，位于所述第三透镜群远离所述第二透镜群的一侧；

所述第一透镜群、所述第二透镜群、所述第三透镜群、所述第四透镜群中的透镜数量之和为七个。

本发明的一些实施例中，所述第一透镜群包括第一透镜，所述第一透镜为双凸球面正透镜。

本发明的一些实施例中，所述第二透镜群包括第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第三透镜和所述第四透镜胶合构成所述双胶合透镜组。

本发明的一些实施例中，所述第二透镜为双凸球面正透镜，所述第三透镜为双凸球面正透镜，所述第四透镜为双凹球面负透镜。

本发明的一些实施例中，所述第三透镜的折射率小于所述第四透镜的折射率，所述第三透镜的阿贝系数大于所述第四透镜的阿贝系数。

本发明的一些实施例中，所述第三透镜群包括第五透镜和第六透镜；所述第五透镜为凹凸球面负透镜，所述第六透镜为双凸球面正透镜。

本发明的一些实施例中，所述第四透镜群包括第七透镜，所述第七透镜为凹凸球面负透镜。

本发明的一些实施例中，所述投影镜头的等效焦距、所述第一透镜群的焦距、所述第二透镜群的焦距、所述第三透镜群的焦距和所述第四透镜群的焦距满足以下关系：

1<|F1/F0|<2；

1<|F2/F0|<1.5；

2.5<|F3/F0|<3.5；

2.5<|F4/F0|<3；

其中，F0表示所述投影镜头的等效焦距，F1表示所述第一透镜群的焦距，F2表示所述第二透镜群的焦距，F3表示所述第三透镜群的焦距，F4表示所述第四透镜群的焦距。

本发明的一些实施例中，所述投影镜头的镜头投射比为1.0～2.0；

所述投影镜头的总长度、所述第一透镜群的长度、所述第二透镜群的长度、所述第三透镜群的长度和所述第四透镜群的长度满足以下关系：

0.01<|L1/L0|<0.06；

0.1<|L2/L0|<0.5；

0.1<|L3/L0|<0.5；

0.01<|L4/L0|<0.05；

所述投影镜头的后工作距离满足以下关系：

0.15<|BFL/L0|<0.5；

其中，L0表示所述投影镜头的总长度，L1表示所述第一透镜群的长度，L2表示所述第二透镜群的长度，L3表示所述第三透镜群的长度，L4表示所述第四透镜群的长度，BFL表示所述投影镜头的后工作距离。

本发明另一方面提供一种投影系统，包括：投影光源、光调制部件、投影屏幕和上述的任一种投影镜头；

所述投影光源，用于出射投影光线；

所述光调制部件，位于所述投影光源的出光侧，用于对入射光线进行调制；

所述投影镜头，位于所述光调制部件的出光侧，用于对所述光调制部件的出射光进行成像；

所述投影屏幕，位于所述投影镜头的出光侧。

本发明有益效果如下：

本发明提供的投影镜头，包括：第一透镜群；第二透镜群，位于第一透镜群的出光侧，第二透镜群中包括一个双胶合透镜组；第三透镜群，位于第二透镜群远离第一透镜群的一侧；第四透镜群，位于第三透镜群远离第二透镜群的一侧；第一透镜群、第二透镜群、第三透镜群、第四透镜群中的透镜数量之和为七个。投影镜头中透镜数量之和为七个且仅包括一个双胶合透镜组，极大的降低了投影镜头的复杂程度和减小了投影镜头的体积，适用于HUD产品中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所介绍的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1为本发明实施例提供的投影系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的投影镜头的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光线追迹图；

图4为本发明实施例提供的投影镜头的光线扇形模拟示意图之一；

图5为本发明实施例提供的投影镜头的光线扇形模拟示意图之二；

图6为本发明实施例提供的投影镜头的光线扇形模拟示意图之三；

图7为本发明实施例提供的投影镜头的场曲曲线的模拟示意图；

图8为本发明实施例提供的投影镜头的畸变曲线的模拟示意图；

图9为本发明实施例提供的投影镜头的光斑分布的模拟示意图；

图10为本发明实施例提供的投影镜头的相对照度的模拟示意图；

图11为本发明实施例提供的投影镜头的调制传递函数曲线的模拟示意图。

其中，100-投影镜头，200-投影光源，300-投影屏幕，1-光调制部件，2-玻璃盖板，3-全反射棱镜，4-第一透镜，5-第二透镜，6-第三透镜，7-第四透镜，8-第五透镜，9-第六透镜，10-第七透镜，101-第一透镜群，102-第二透镜群，103-第三透镜群，104-第四透镜群，S-孔径光阑。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。本发明中所描述的表达位置与方向的词，均是以附图为例进行的说明，但根据需要也可以做出改变，所做改变均包含在本发明保护范围内。本发明的附图仅用于示意相对位置关系不代表真实比例。

目前的HUD主要由图像生成单元(Picture Generation Unit，简称PGU)和光学显示系统两大部分组成，其中图像生成单元用于生成HUD的输出图像，光学显示系统则用于显示图像，由图像生成单元形成的图像经过一系列光学手段被放大拉远后再成像在驾驶员视线前方的设定位置处。

HUD本质上是一个光学投影系统，其中的核心部件PGU由光源、照明光路、光学镜头和其他光学组件构成，因此PGU是决定整个HUD体积的最大因素。相关技术中的投影镜头结构大多分为三个透镜群，并且使用的透镜数量较多，导致投影镜头的体积较大、光学结构复杂，然而由于HUD使用空间较小的特点，目前的投影镜头难以与HUD的尺寸相匹配。

有鉴于此，本发明实施例提供一种可以适用于HUD中的小型定焦投影镜头和包括该投影镜头的一种投影系统，本发明实施例提供的小型定焦投影镜头可以在不影响使用效果的前提下，减少投影镜头中的透镜数量，从而有效的减小PGU的体积、简化光路结构。

图1为本发明实施例提供的投影系统的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供的投影系统中包括：投影镜头100、投影光源200、光调制部件1和投影屏幕300。其中，投影光源200可以用于出射投影光线，光调制部件1位于投影光源200的出光侧，可以用于对入射光线进行调制，投影镜头100位于光调制部件1的出光侧，可以用于对光调制部件1的出射光进行成像，投影屏幕300位于投影镜头100的出光侧，投影镜头100所成的像会投射至投影屏幕300上。

本发明实施例中的HUD可以采用基于DLP的投影系统。具体来说，投影光源200可以采用发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)光源或激光光源等，投影光源200可以是单色光源也可以是多色光源。当投影光源200采用LED光源时，可以采用多个红、绿、蓝三色的LED灯组合而成。当投影光源200采用激光光源时，可以采用多个出射不同颜色激光的激光器组合而成，也可以采用单色激光器。由于红、绿、蓝三色激光器组成的系统过于庞大，为了节省成本，可以采用单色激光器如蓝色激光器，此时还需要在投影系统中设置色轮来实现全彩色投影，色轮可以用于将入射的单色激光转换为其他颜色的激光出射。

光调制部件1具体可以指DMD芯片，DMD芯片由成千上万个微镜片组成，微镜片是精密、微型的反射镜，每一个微镜片可以控制投影平面的一个像素。DMD芯片中的每个微镜片可以倾斜为开或者关状态，各微镜片在数字驱动信号的控制下可以被其下方的转动装置带动，并以很快的速度调整其角度与方向，入射至处于开态的微镜片表面的光线可以被反射至投影镜头中最终成像在投影屏幕300上。

由于HUD使用场景的特性，PGU的照明光路中还可以包括如折射镜、反射镜等的光学部件，这类光学部件可以设置于DMD芯片的入光侧，通过设置合理数量和位置的反射镜等对投影光源出射的光进行反射，可以缩短光路的长度，HUD产品中可以不设置投影屏幕，光线直接落在汽车的挡风玻璃前方形成一个虚像，便于驾驶员观察，本发明实施例主要提供一种有利于减小PGU尺寸的投影镜头，在此不对PGU的照明光路中其他的光学元件做限定。

在具体实施时，投影系统中还可以包括玻璃盖板2和全反射(Total InternalReflection，简称TIR)棱镜3。玻璃盖板2位于DMD芯片的出光侧，通常为DMD芯片成品中的部件，可以保护DMD芯片的表面，TIR棱镜3位于玻璃盖板2靠近投影镜头100的一侧，从照明光路中的DMD芯片被反射的光可以经过TIR棱镜3的透射进入投影镜头100中。

图2为本发明实施例提供的投影镜头的结构示意图；图3为本发明实施例提供的光线追迹图。

如图2所示，本发明实施例提供的投影镜头中包括：第一透镜群101、第二透镜群102、第三透镜群103和第四透镜群104。

第一透镜群101所在的一侧为光线入射的一侧，第二透镜群102位于第一透镜群101的出光侧，第三透镜群103位于第二透镜群102远离第一透镜群101的一侧，第四透镜群104位于第三透镜群103远离第二透镜群102的一侧。本发明的一些实施例中，第二透镜群102和第三透镜群103之间还可以设置孔径光阑S，孔径光阑S可以用于限制从第二透镜群102入射至第三透镜群103的光线范围。

第一透镜群101、第二透镜群102、第三透镜群103和第四透镜群104共轴设置，各透镜群中包括的所有透镜的中心均位于主光轴上。参照图3，从照明光路入射的光线经过DMD芯片的反射经玻璃盖板进入TIR棱镜中，从TIR棱镜出射后入射第一透镜群101、第二透镜群102，经过孔径光阑S后进入第三透镜群103和第四透镜群104，随后进入后续光学系统中。

在具体实施时，可以将第一透镜群101和第四透镜群104固定设置，第二透镜群102和第三透镜群103的位置可以进行微调，从而可以针对不同的HUD产品获得更好的成像质量，在针对某一特定的HUD产品，在调整的过程中可以在一定范围内改变成像的尺寸，在调整好成像尺寸和成像质量之后第二透镜群102和第三透镜群103的位置固定。

具体来说，第一透镜群101包括第一透镜4，第一透镜4为双凸球面正透镜。

第二透镜群102包括逐渐远离第一透镜群101方向设置的第二透镜5、第三透镜6和第四透镜7，其中，第二透镜5为双凸球面正透镜，第三透镜6为双凸球面正透镜，第四透镜7为双凹球面负透镜，第三透镜6和第四透镜7胶合构成双胶合透镜组。双胶合透镜组中第三透镜6的折射率小于第四透镜7的折射率，且第三透镜6的阿贝系数大于第四透镜7的阿贝系数。在投影镜头中设置双胶合透镜组，可以优化透镜的性能，有利于减少透镜上的反射损失，同时还可以矫正色差。

第三透镜群103包括逐渐远离第二透镜群102方向设置的第五透镜8和第六透镜9，其中，第五透镜8为凹凸球面负透镜，第六透镜9为双凸球面正透镜。第三透镜群103可以用于改善各类像差。

第四透镜群104包括第七透镜10，第七透镜10为凹凸球面负透镜。

第一透镜群101、第二透镜群102、第三透镜群103和第四透镜群104中的透镜数量之和为七个，其中，仅第二透镜群102中包括一个双胶合透镜组，相比于相关技术中的投影镜头，本发明实施例提供的投影镜头中使用的透镜数量较少，极大的降低了投影镜头中光路结构的复杂程度。并且，投影镜头中的所有透镜均为球面透镜，无非球面透镜，且仅包含一个双胶合透镜，极大的降低了加工难度和节省了生产成本。

本发明实施例提供的投影镜头内各个光学部件的面型参数和各光学部件之间的间距如下表所示：

本发明实施例中，投影镜头的等效焦距、第一透镜群的焦距、第二透镜群的焦距、第三透镜群的焦距和第四透镜群的焦距满足以下关系：

1<|F1/F0|<2；

1<|F2/F0|<1.5；

2.5<|F3/F0|<3.5；

2.5<|F4/F0|<3；

其中，F0表示投影镜头的等效焦距，F1表示第一透镜群的焦距，F2表示第二透镜群的焦距，F3表示第三透镜群的焦距，F4表示第四透镜群的焦距，且投影镜头的等效焦距F0、第一透镜群的焦距F1、第二透镜群的焦距F2、第三透镜群的焦距F3和第四透镜群的焦距F4的符号分别为：正、正、正、正、负。

本发明实施例中，投影镜头的总长度、第一透镜群的长度、第二透镜群的长度、第三透镜群的长度和第四透镜群的长度满足以下关系：

0.01<|L1/L0|<0.06；

0.1<|L2/L0|<0.5；

0.1<|L3/L0|<0.5；

0.01<|L4/L0|<0.05；

其中，L0表示投影镜头的总长度，L1表示第一透镜群的长度，L2表示第二透镜群的长度，L3表示第三透镜群的长度，L4表示第四透镜群的长度。

投影镜头的后工作距离满足以下关系：

0.15<|BFL/L0|<0.5；

BFL表示投影镜头的后工作距离，即DMD芯片到第一透镜之间的距离。

由上述数据可知，本发明实施例通过改变投影镜头中内部各光学部件的厚度、尺寸、距离、半径等参数，对投影镜头中的各光学部件的面型进行合理的光学设计，可以在不影响投影镜头的使用效果的前提下，减少投影镜头中的透镜数量，将投影镜头的长度缩短到5cm之内，同时将整个PGU的横截面积压缩到7cm×7cm的范围内，从而可以有效的减小投影系统的体积，使该投影系统可以匹配HUD的尺寸，适用于HUD产品中。

本发明实施例中，投影镜头的投射比可以达到1.0～2.0，可以使投影镜头与投影屏幕之间的距离达到一个较小的值，在较短的投影距离内实现较大尺寸的图像显示。将本发明实施例提供的投影镜头应用于HUD产品中，当投射画面为2.53英寸时，投影画面的解析力可以达到66lp/mm，且最高可以支持投影画面的解析力达到72pl/mm。

本发明实施例对投影镜头进行了仿真并提供了投影镜头的像质评价图。

图4为本发明实施例提供的投影镜头的光线扇形模拟示意图之一；图5为本发明实施例提供的投影镜头的光线扇形模拟示意图之二；图6为本发明实施例提供的投影镜头的光线扇形模拟示意图之三。

图4、图5和图6分别表示出了波长为0.465μm、0.525μm和0.647μm三种波长的光线在归一化的最小视场、中心视场和最大视场条件下与主波长光线之间的像差。

如图4、图5和图6所示，每个视场中包括两个光线扇形模拟示意图，分别可以表示投影镜头在子午和弧矢的光线像差，每个曲线的横坐标表示归一化的入瞳坐标Px或Py；纵坐标表示各波长光线在像面上相对于主光线坐标的差值即横向像差，其中，e

由图4、图5和图6可以看出，不同波长的曲线在各视场下的重合度较高，且曲线在纵轴上的最大值也在可接受的范围内，本发明实施例提供的投影镜头像散和球差等像差在可接受的范围内，可以达到预期的使用效果。

图7为本发明实施例提供的投影镜头的场曲曲线的模拟示意图。

图7分别示出了本发明实施例提供的投影镜头对波长为0.465μm、0.525μm和0.647μm三种波长的光线成像时在子午和弧矢方向的场曲曲线。场曲曲线可以表示像平面到近轴焦面的距离，其中，子午场曲数据为在子午(YZ面)上沿z轴测量的从像面到近轴焦面的距离，弧矢场曲数据是在与子午面垂直的平面(XZ面)上测量的距离，曲线顶部代表最大视场。图7中横轴为畸变的大小，单位为mm，纵轴为Y方向上的视场，由于场曲曲线是以最大的径向视场来归一化的，因此纵轴上不设置单位。

根据模拟结果，本发明实施例中最大视场为48.0mm，本发明实施例提供的投影镜头的最大子午场曲为0.0559mm，最大弧矢场曲为0.0596mm，本发明实施例提供的投影镜头在子午和弧矢的场曲均为一个很小的值，具有较好的结果。

图8为本发明实施例提供的投影镜头的畸变曲线的模拟示意图。

图8分别示出了本发明实施例提供的投影镜头对波长为0.465μm、0.525μm和0.647μm三种波长的光线成像时的畸变曲线。图8中横轴表示畸变百分比，纵轴表示视场大小。

根据模拟结果，本发明实施例中最大视场为48.0mm，本发明实施例提供的投影镜头的最大畸变为±1.2825％，通常HUD中畸变在±3％即为较好的结果，因此本发明实施例提供的投影镜头也具有较好的畸变表现。

图9为本发明实施例提供的投影镜头的光斑分布的模拟示意图。

图9分别示出了本发明实施例提供的投影镜头对波长为0.465μm、0.525μm和0.647μm三种波长的光线成像的光斑分布，可以看出本发明实施例提供的投影镜头的像散、彗差和色散等像差不明显。

本发明实施例共模拟了12个视场，模拟数据如下表所示：

本发明实施例可以采用0.23”的DMD芯片，DMD芯片的口径约为7.4μm，由上表可以看出，成像光斑的均方根半径和几何半径均具有较小的值，且均小于DMD芯片的口径，因此可以具有较好的成像质量。

图10为本发明实施例提供的投影镜头的相对照度的模拟示意图。

图10示出本发明实施例提供的投影镜头对波长为0.525μm的光线成像时以径向视场坐标Y为函数的相对照度，相对照度即按照零视场的照度归一化后的像平面上的一个微小区域上的照度，其中，横坐标表示Y方向上的视场坐标，单位为mm，纵轴表示相对照度。由图10可以看出，相对照度一直保持在1或者接近1的范围内，投影镜头的成像质量较好。

图11为本发明实施例提供的投影镜头的调制传递函数曲线的模拟示意图。

图11示出本发明实施例提供的投影镜头分别对波长为0.465μm～0.647μm的光线分别在子午和弧矢成像时的调制传递函数曲线图即MTF曲线图，其中，横坐标表示空间频率，以像空间每毫米的线对数来表示，纵坐标表示光学传递函数OTF。由图11可以看出，纵坐标值接近于1且曲线较平坦，说明投影镜头边缘和中心的成像差距小、成像质量较好。

根据第一发明构思，用七个透镜构成投影镜头，使用的透镜数量很少，极大的降低了投影镜头中光路结构的复杂程度。

根据第二发明构思，投影镜头中的所有透镜均为球面透镜，无非球面透镜，且仅包含一个双胶合透镜，极大的降低了加工难度和节省了生产成本。

根据第三发明构思，通过改变投影镜头中内部各光学部件的厚度、尺寸、距离、半径等参数，对投影镜头中的各光学部件的面型进行合理的光学设计，可以在不影响投影镜头的使用效果的前提下，缩短投影镜头的长度，减小投影系统的体积，使该投影系统可以匹配HUD的尺寸，适用于HUD产品中。

根据第四发明构思，投影镜头的投射比可以达到1.0～2.0，可以使投影镜头与投影屏幕之间的距离达到一个较小的值，在较短的投影距离内实现较大尺寸的图像显示，同时具有较好的解析力。

根据第五发明构思，在投影镜头中设置第三透镜群用以改善像差，对投影镜头进行光学仿真，根据各类像质评价图，可以得到投影镜头的各类像差均在可接受的范围内，投影镜头成像质量较好的结论。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。