光学镜头、投影模组及电子设备

技术领域

本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学镜头、投影模组及电子设备。

背景技术

在增强现实(Augmented Reality，简称AR)设备和虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)设备中，光学镜头是必不可少的一部分，而随着增强现实技术和虚拟现实技术的发展，小型化、超清化逐渐成为光学镜头的发展趋势。然而相关技术中，难以在满足光学镜头轻薄小型化的设计趋势的同时，实现光学镜头的高品质投影成像。

发明内容

本申请提供一种光学镜头、投影模组及电子设备，旨在缩短光学镜头的光学总长，实现小型化设计的同时，实现高品质投影成像。

第一方面，本申请提供一种光学镜头，所述光学镜头由从成像侧至像源侧依次设置的光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜构成；

所述第一透镜具有正光焦度，所述第一透镜的成像侧表面为凹面，所述第一透镜的像源侧表面为凸面；

所述第二透镜具有负光焦度，所述第二透镜的成像侧表面为凸面，所述第二透镜的像源侧表面为凹面；

所述第三透镜具有负光焦度，所述第三透镜的成像侧表面为凸面，所述第三透镜的像源侧表面为凹面；

所述第四透镜具有正光焦度，所述第四透镜的成像侧表面为凸面，所述第四透镜的像源侧表面为凸面；

所述光学镜头满足关系式：

0.5＜f/TTL＜0.7；

其中，f为所述光学镜头的有效焦距，TTL为所述光阑与所述光学镜头的像源面于光轴上的距离。

在本申请的光学镜头中，所述光学镜头满足关系式：

1.8≤f/EPD；

其中，EPD为所述光阑的通光直径。

在本申请的光学镜头中，所述光学镜头满足关系式：

3.7≤TTL/Imgh/2≤4.2；

其中，Imgh为所述光学镜头的像源面上有效像素区域的对角线长。

在本申请的光学镜头中，所述光学镜头满足关系式：

11°≤HFOV≤13°；。

其中，HFOV为所述投影镜头的最大视场角的一半。

在本申请的光学镜头中，所述光学镜头满足关系式：

1.2≤|(Φ1+Φ4)/(Φ2+Φ3)|≤1.6；和/或，

10≤|Φ2/Φ3|≤15；

其中，Φ1为所述第一透镜的光焦度，Φ2为所述第二透镜的光焦度，Φ3为所述第三透镜的光焦度，Φ4为所述第四透镜的光焦度。

在本申请的光学镜头中，所述光学镜头满足关系式：

1.50≤n1≤1.6，50≤VD1≤60；和/或，

1.58≤n2≤1.62，20≤VD2≤30；和/或，

1.60≤n3≤1.68，19≤VD3≤25；和/或，

1.7≤n4≤1.8，45≤VD4≤55；

其中，n1为所述第一透镜的折射率，n2为所述第二透镜的折射率，n3为所述第三透镜的折射率，n4为所述第四透镜的折射率，VD1为所述第一透镜的阿贝数，VD2为所述第二透镜的阿贝数，VD3为所述第三透镜的阿贝数，VD4为所述第四透镜的阿贝数。

在本申请的光学镜头中，所述光学镜头满足关系式：

0.8≤f1/f≤1.1；和/或，

-7.5≤f2/f≤-6.0；和/或，

-1≤f3/f≤-0.3；和/或，

0.3≤f4/f≤0.8；

其中，f1为所述第一透镜的有效焦距，f2为所述第二透镜的有效焦距，f3为所述第三透镜的有效焦距，f4为所述第四透镜的有效焦距。

第二方面，本申请还提供一种投影模组，投影模组包括图像显示元件以及如第一方面所述的光学镜头，所述图像显示元件设于所述光学镜头的像源侧。

在本申请的投影模组中，所述投影模组还包括棱镜和光源，所述棱镜位于所述图像显示元件和所述光学镜头之间，所述棱镜用于将所述光源的照明光束引导至所述图像显示元件，以使所述图像显示元件能够产生图像光束并经所述棱镜出射至所述光学镜头的第四透镜的像源侧表面。

第三方面，本申请还提供一种电子设备，电子设备包括壳体以及如第二方面所述的投影模组，所述投影模组设于所述壳体。

本申请提供一种光学镜头、投影模组及电子设备，所述光学镜头采用四片透镜，通过对四片透镜的光焦度、面型进行设计的同时，使得光学镜头满足关系式：0.5＜f/TTL＜0.7，从而有利于在光学镜头总长和光学镜头远心度之间实现平衡，实现光学镜头的小型化的同时，控制光学镜头的远心度，保证投影成像的均匀度，实现高品质投影成像。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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为本申请一实施例提供的光学镜头的结构示意图；

图2为本申请一实施例提供的投影模组的结构示意图；

图3为本申请一实施例提供的光学镜头的调制传递函数曲线图；

图4为本申请一实施例提供的光学镜头的像散场曲图及畸变图；

图5为本申请一实施例提供的光学镜头的垂轴色差图；

图6为本申请一实施例提供的光学镜头的相对照度。

具体实施方式

下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参照图1，本申请提供了一种光学镜头100，该光学镜头100由从成像侧至像源侧依次设置的光阑101、第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3以及第四透镜G4构成。投影时，图像光束从第四透镜G4的像源侧依次进入第四透镜G4、第三透镜G3、第二透镜G2和第一透镜G1并出射至成像侧的成像部件上实现投影成像。示例性的，光阑101可为孔径光阑、视场光阑。

其中，第一透镜G1具有正光焦度，第二透镜G2具有负光焦度，第三透镜G3具有负光焦度，第四透镜G4具有正光焦度。第一透镜G1的成像侧表面S1为凹面，第一透镜G1的像源侧表面S2为凸面。第二透镜G2的成像侧表面S3为凸面，第二透镜G2的像源侧表面S4为凹面。第三透镜G3的成像侧表面S5为凸面，第三透镜G3的像源侧表面S6为凹面。第四透镜G4的成像侧表面S7为凸面，第四透镜G4的像源侧表面S8为凸面。

进一步地，光学镜头100满足关系式：0.5＜f/TTL＜0.7。其中，f为光学镜头100的有效焦距，TTL为光阑101与光学镜头100的像源面102于光轴O上的距离。可以理解的，满足上述关系式的光学镜头100，能够在光学镜头100总长和光学镜头100远心度之间实现平衡，保持光学镜头100的结构紧凑性，有效地压缩光学镜头100的尺寸，以满足对光学镜头100实现轻薄、小型化设计的需求，另外还有利于控制光学镜头100的远心度，保证投影成像的均匀度，使得光学镜头100具有良好的投影成像品质。

一些实施例中，光学镜头100满足关系式：1.8≤f/EPD。其中，EPD为光阑101的通光直径，也即是光学镜头100的出瞳直径。满足上述关系式时，有利于平衡光学镜头100的像差，提高光学镜头100的投影成像质量。

一些实施例中，光学镜头100满足关系式：3.7≤TTL/Imgh/2≤4.2。其中，Imgh为光学镜头100的像源面102上有效像素区域的对角线长。满足上述关系式时，有利于减小光学镜头100的边缘视场像差，能够有效地压缩光学镜头100的尺寸，以满足对光学镜头100实现超薄特性的需求，另外还有利于保持光学镜头100的结构紧凑性以及良好的投影成像品质。

一些实施例中，光学镜头100满足关系式：11°≤HFOV≤13°。其中，HFOV为投影镜头的最大视场角的一半。满足上述关系式时，有利于控制光学镜头100的视场角，避免光学镜头100的视场角过大而导致边缘视场畸变过大，图像外围出现扭曲现象，避免光学镜头100的视场角过小而降低投影镜头的视场范围，导致投影镜头的成像信息不全，影响投影镜头的成像质量。

一些实施例中，光学镜头100满足关系式：1.2≤|(Φ1+Φ4)/(Φ2+Φ3)|≤1.6。其中，Φ1为第一透镜G1的光焦度，Φ2为第二透镜G2的光焦度，Φ3为第三透镜G3的光焦度，Φ4为第四透镜G4的光焦度。满足上述关系式时，有利于控制第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3以及第四透镜G4的光焦度，使得第一透镜G1至第四透镜G4的光焦度之间实现平衡，从而有利于控制光学镜头100的像差，提升光学镜头100的投影成像品质，以及使得光学镜头100具有良好的温漂效果。

一些实施例中，10≤|Φ2/Φ3|≤15。其中，Φ2为第二透镜G2的光焦度，Φ3为第三透镜G3的光焦度。满足上述关系式时，有利于控制第二透镜G2以及第三透镜G3，使得第一透镜G1至第四透镜G4的光焦度之间实现平衡，有利于控制光学镜头100的像差，提升光学镜头100的投影成像品质，以及使得光学镜头100具有良好的温漂效果。

一些实施例中，光学镜头100满足关系式：1.50≤n1≤1.6，50≤VD1≤60。其中，n1为第一透镜G1的折射率，VD1为第一透镜G1的阿贝数。满足上述关系式时，有利于控制光学镜头100的像差，降低光学镜头100的色差，提高光学镜头100的投影成像品质。

一些实施例中，光学镜头100满足关系式：1.58≤n2≤1.62，20≤VD2≤30。其中，n2为第二透镜G2的折射率，VD2为第二透镜G2的阿贝数。满足上述关系式时，有利于控制光学镜头100的像差，降低光学镜头100的色差，提高光学镜头100的投影成像品质。

一些实施例中，光学镜头100满足关系式：1.60≤n3≤1.68，19≤VD3≤25。其中，n3为第三透镜G3的折射率，VD3为第三透镜G3的阿贝数。满足上述关系式时，有利于控制光学镜头100的像差，降低光学镜头100的色差，提高光学镜头100的投影成像品质。

一些实施例中，光学镜头100满足关系式：1.7≤n4≤1.8，45≤VD4≤55。其中，n4为第四透镜G4的折射率，VD4为第四透镜G4的阿贝数。满足上述关系式时，有利于控制光学镜头100的像差，降低光学镜头100的色差，提高光学镜头100的投影成像品质。

一些实施例中，光学镜头100满足关系式：0.8≤f1/f≤1.1。其中，f1为第一透镜G1的有效焦距。满足上述关系式时，有利于控制光学镜头100的像差，提升光学镜头100的成像质量，使得光学镜头100具有良好的温漂效果。

一些实施例中，光学镜头100满足关系式：-7.5≤f2/f≤-6.0。其中，f2为第二透镜G2的有效焦距。满足上述关系式时，有利于控制光学镜头100的像差，提升光学镜头100的成像质量，使得光学镜头100具有良好的温漂效果。

一些实施例中，光学镜头100满足关系式：-1≤f3/f≤-0.3。其中，f3为第三透镜G3的有效焦距。满足上述关系式时，有利于控制光学镜头100的像差，提升光学镜头100的成像质量，使得光学镜头100具有良好的温漂效果。

一些实施例中，光学镜头100满足关系式：0.3≤f4/f≤0.8。其中，f4为第四透镜G4的有效焦距。满足上述关系式时，有利于控制光学镜头100的像差，提升光学镜头100的成像质量，使得光学镜头100具有良好的温漂效果。

请参阅图2，本申请还提供了一种投影模组200，投影模组200包括图像显示元件201以及前文所述的光学镜头100，图像显示元件201设于光学镜头100的像源侧。可以理解的，具有上述光学镜头100的投影模组200，也具有上述光学镜头100的全部技术效果，即，能够在光学镜头100总长和光学镜头100远心度之间实现平衡，保持光学镜头100的结构紧凑性，有效地压缩光学镜头100的尺寸，以满足对光学镜头100实现轻薄、小型化设计的需求，另外还有利于控制光学镜头100的远心度，保证投影成像的均匀度，使得光学镜头100具有良好的投影成像品质。

示例性，图像显示元件201可以是数字微镜器件(Digital Micro mirror Device，简称DMD)、硅基液晶芯片(Liquid Crystal On Silicon芯片，简称LCOS芯片)或有机发光二极管(organic light emitting diode，简称OLED)等可显示图像的元件。

进一步地，投影模组200还包括棱镜202和光源(未图示)，棱镜202位于图像显示元件201和光学镜头100之间，棱镜202用于将光源的照明光束引导至图像显示元件201，以使图像显示元件201能够产生图像光束并经棱镜202出射至光学镜头100的第四透镜G4的像源侧表面。示例性的，棱镜202可以选用直角棱镜。

一些实施例中，投影模组200还包括保护玻璃203，保护玻璃203可位于棱镜202和图像显示元件201之间。由于保护玻璃203具有高透光率和高强度，因此在棱镜202和图像显示元件201之间设置保护玻璃203，能够在不影响图像显示元件201的正常使用的情况下保护图像显示元件201，使其免受外部环境的影响。

以下将结合具体参数对光学镜头100、投影模组200进行详细说明。

请参阅图2，图2为本申请的实施例公开的一种投影模组的结构示意图。投影模组200包括沿光轴O从成像侧至像源侧依次设置的光学镜头100、棱镜L6、保护玻璃L7以及图像显示元件200。光学镜头100包括沿光轴O从成像侧至像源侧依次设置的光阑101、第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3和第四透镜G4。

进一步地，第一透镜G1具有正光焦度，第二透镜G2具有负光焦度，第三透镜G3具有负光焦度，第四透镜G4具有正光焦度。

更进一步地，第一透镜G1的成像侧表面S1、像源侧表面S2分别为凹面和凸面；第二透镜G2的成像侧表面S3、像源侧表面S4分别为凸面和凹面；第三透镜G3的成像侧表面S5、像源侧表面S6分别为凸面和凹面；第四透镜G4的成像侧表面S7、像源侧表面S8分别为凸面和凸面。

具体地，以光学镜头100的焦距f＝7.83mm、光学镜头100的视场角的一半HFOV＝12.5°，光学镜头的像源面上有效像素区域的对角线长Imgh＝1.742mm，以及光学镜头的出瞳直径EPD＝3.92mm为例，投影模组200的其他参数由下表1给出。其中，沿光轴O由成像侧向像源侧的各元件依次按照表1从上至下的各元件的顺序排列。在同一透镜中，面序号较小的表面为该透镜的成像侧表面，面序号较大的表面为该透镜的像源侧表面，如面序号1和2分别对应第一透镜G1的成像侧表面S1和像源侧表面S2。透镜的“厚度”参数列中的第一个数值为该透镜于光轴O上的厚度，第二个数值为该透镜的像源侧表面至后一表面于光轴O上的距离。光阑101于“厚度”参数列中的数值为光阑101至后一表面顶点(顶点指表面与光轴O的交点)于光轴O上的距离，默认第一透镜G1成像侧表面到最后一枚透镜像源侧表面的方向为光轴O的正方向，当该值为负时，表明光阑101设置于后一表面顶点的像源侧，若光阑101厚度为正值时，光阑101在后一表面顶点的成像侧。可以理解的是，表1中的曲率半径、厚度的单位均为mm。且表1中各个透镜的折射率、阿贝数的参考波长为587.6nm。

表1

在本实施例中，第一透镜G1为塑料非球面透镜、第二透镜G2为塑料非球面透镜、第三透镜G3为塑料非球面透镜、第四透镜G4为玻璃非球面透镜。第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3和第四透镜G4的成像侧表面和像源侧表面均为非球面，非球面透镜的面型x可利用但不限于以下非球面公式进行限定：

其中，x为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为非球面的近轴曲率，c＝1/R(即，近轴曲率c为上表1中曲率半径R的倒数)；k为圆锥系数；Ai是非球面第i项高次项相对应的修正系数。表2给出了可用于本实施例中各个非球面镜面S1S8的高次项系数A2、A4、A6、A8、A10、A12、A14和A16。

表2

请参阅图3，图3示出了本实施例中的光学镜头100的调制传递函数(ModulationTransfer Function，简称MTF)曲线图，图3中沿X轴方向的横坐标表示空间频率，单位为周期/毫米(cycles/mm)，沿Y轴方向的纵坐标表示MTF的对比度大小，整体的曲线的MTF对比度大小接近1，该光学镜头100解析力较好。

请参阅图4，图4中的左图示出了本实施例中的光学镜头100在波长436mm、485mm、578mm以及656mm下的像散场曲图。其中，沿X轴方向的横坐标表示焦点偏移，沿Y轴方向的纵坐标表示视场角，单位为°。可见，各波长下的子午场曲值和弧矢场曲值均被控制在(0.10mm，0.10mm)范围内，说明光学镜头100的场曲得到较好的控制，同时子午方向和弧矢方向焦点偏移差距较小，像散均得到了良好的校正。

请参阅图4，图4中的右图示出了本实施例中光学镜头100在波长436mm、485mm、578mm以及656mm下的畸变图，其中，横坐标表示畸变值，单位为％，纵坐标表示视场角，单位为°。由图可知，畸变量被控制在5％的范围内。

请参阅图5，图5示出了本实施例中的光学镜头100在波长436mm、485mm、578mm以及656mm下的垂轴色差图。其中，沿Y轴方向上的纵坐标表示视场角，单位为°，沿X轴方向上的横坐标表示色差大小，单位为微米，由图可知，色差较小，该光学镜头的垂轴色差得到了较好的校正。

请参阅图6，图6示出了本实施例的光学镜头的相对照度图。其中，相对照度是指像平面不同坐标点的照度和中心点照度之比。由图可知，本实施例的光学镜头投影的画面亮度均匀，边缘损失光能量少，能够提高光能的利用率。

本申请还提供了一种电子设备，包括壳体以及前文所述的投影模组200，投影模组200设于壳体。其中，电子设备可以但不限于智能眼镜、智能头盔等。可以理解的是，具有上述投影模组200的电子设备，也具有上述投影模组200的全部技术效果，即，能够在光学镜头100总长和光学镜头100远心度之间实现平衡，保持光学镜头100的结构紧凑性，有效地压缩光学镜头100的尺寸，以满足对光学镜头100实现轻薄、小型化设计的需求，另外还有利于控制光学镜头100的远心度，保证投影成像的均匀度，使得光学镜头100具有良好的投影成像品质。

以上所述，仅为本申请的具体实施例，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。