车用的镜头、车灯装置和可用于交通工具的镜头及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种镜头及其制造方法，尤其是一种应用于汽车头灯的镜头及其制造方法，以及一种车用的镜头、车灯装置和可用于交通工具的镜头。

背景技术

现今市面上常见用来代步的工具绝大部分都是汽车，而在汽车的使用上最为重要的无非是用来提供驾驶辨识前方的环境状态的车灯，又车灯的功效不仅在于提供环境上的辨识外，进一步也可以提供给周遭人员知晓驾驶员现在所在的位置，以及达到相当程度的警示效果，然而警示用部分上，传统的汽车车灯仅具有近光照明与远光照明两种，已经无法满足驾驶员的需求。现今市面上有业者推出可投射图案的汽车车灯，但传统使用在一般投影装置的投影镜头，无法满足交通法规对汽车车灯照明范围的要求。因此，目前需要一种兼顾交通法规要求的照明范围、广视角、大光圈，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的光学镜头设计。

发明内容

本发明的其他目的和优点可以从本发明实施例所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

本发明的一实施例提出一种可用于交通工具的镜头，包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及光圈。光圈不大于0.8。镜头满足下列条件：镜头具屈光度的透镜只有4片，该些透镜的屈光度依序为正、负、正、正，光圈介于第一透镜和第三透镜之间，第一透镜的直径与第二透镜的直径的比值大于1.5。藉由本发明实施例的设计，可提供一种能兼顾可使镜头兼具符合交通法规要求的照明范围、广工作温度范围(摄氏-40度到105度)、大光圈与广视角的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的镜头设计。

本发明的一实施例提出一种车用的镜头，包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及光圈。光圈不大于0.8。镜头满足下列条件：镜头具屈光度的透镜只有4片，该等透镜自影像放大侧至影像缩小侧的屈光度，依序为正、负、正、正，镜头的空间频率在10lp/mm下，且在波长550nm光谱下的调制转换函数(MTF)值小于25％。藉由本发明实施例的设计，可提供一种可使镜头兼具符合交通法规要求的照明范围、大光圈与广视角的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的镜头设计。

本发明的一实施例提出一种车灯装置，包括前述的镜头，而所述车灯装置还包含阵列式光源和车灯灯罩，其中，依车灯装置的光路，由上游至下游的依序排列为：阵列式光源、镜头及车灯灯罩。

本发明的一实施例提出一种可用于交通工具的镜头的制造方法，包含以下步驟。提供一镜筒。将第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和光圈，置入并固定于镜筒内，其中光圈(F-number)不大于0.8。镜头满足下列条件：镜头具屈光度的透镜只有4片，透镜的屈光度依序为正、负、正、正，其中光圈介于第一透镜和第三透镜之间，第一透镜的直径与第二透镜的直径的比值大于1.5。

藉由本发明实施例的设计，可提供一种镜头兼具符合交通法规要求的照明范围、广工作温度范围(摄氏-40度到105度)、大光圈与广视角的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的镜头设计。再者，本发明实施例投影镜头具有4片光学透镜、BFL为镜头最接近光源的透镜表面到光源表面在光轴上的总长，TTL为最远离光源的透镜表面到光源表面在光轴上的总长，0.05

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1为依本发明第一实施例的镜头10a的示意图。

图2至图3分别为镜头10a的成像面上影像高度位置的照明数值与成像面上光轴位置的照明数值的比值图，以及场曲和畸变图。

图4为依本发明第二实施例的镜头10b的示意图。

图5至图6分别为镜头10b的成像面上影像高度位置的照明数值与成像面上光轴位置的照明数值的比值图，以及场曲和畸变图。

图7为依本发明实施例的镜头10a/10b配合阵列式光源的示意图。

具体实施方式

有关本发明前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的多个实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。另外，下列实施例中所使用的用语“第一”、第二”是为了辨识相同或相似的元件而使用，且方向用语例如“前”、“后”等，仅是参考附加图式的方向，并非用以限定所述元件。

本发明所谓的透镜，是指元件具有部分或全部可穿透的材料所构成且具屈光度(power)，通常包含玻璃或塑胶所组成。可以包含一般透镜(lens)、棱镜(prism)、光圈、圆柱状透镜、双锥形透镜、柱状阵列透镜、楔形透镜、楔形平板(wedge)或前述元件的组合。

当镜头应用在投影系统中时，影像放大侧(像侧)是指在光路上靠近成像面(例如是屏幕)所处的一侧，影像缩小侧(物侧)则是指在光路上靠近光源或光阀的一侧。

一透镜的物侧面(或像侧面)具有位于某区域的凸面部(或凹面部)，是指该区域相较于径向上紧邻该区域的外侧区域，朝平行于光轴的方向更为“向外凸起”(或“向内凹陷”)而言。

图1是本发明第一实施例的投影镜头10a的架构示意图。请参照图1，在本实施例中，投影镜头10a有一镜筒(未绘示)，镜筒里由第一侧(影像放大侧OS)往第二侧(影像缩小侧IS)排列包含了第一透镜L1、光圈14、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4。再者，影像缩小侧IS可设置阵列式光源(LED array)19，可发出一具有图案的图案光束，投影镜头10a可将图案光束通过一车灯灯罩(图中未显示)投射至一成像面(图中未显示)。于另一实施例中，阵列式光源(LED array)可以光源和光阀的组合来取代。于本实施例中，第一透镜L1至第四透镜L4在光轴12上的屈光度依序分别为正、负、正、正。全部透镜均为玻璃球面透镜。在一实施例中，玻璃透镜可以用塑胶透镜取代。另外，两透镜相邻的两面有大致相同(曲率半径差异小于0.005mm)或完全相同(实质相同)的曲率半径且形成结合透镜、胶合透镜、双合透镜(doublet)或三合透镜(triplet)，例如本实施例的第二透镜L2及第三透镜L3可构成胶合透镜，但本发明实施例并不以此为限制。本发明各具体实施例的影像放大侧OS均分别设于各图的左侧，而影像缩小侧IS均设于各图的右侧，将不予重复说明之。

本发明所指光圈14是指一孔径光阑(Aperture Stop)，光圈为一独立元件或是整合于其他光学元件上。于本实施例中，光圈是利用机构件挡去周边光线并保留中间部分透光的方式来达到类似的效果，而前述所谓的机构件可以是可调整的。所谓可调整，是指机构件的位置、形状或是透明度的调整。或是，光圈也可以在透镜表面涂布不透明的吸光材料，并使其保留中央部分透光以达限制光路的效果。

各透镜定义有镜片直径。举例而言，如图1所示，镜片直径是指该于光轴12两端的镜面转折点P、Q于垂直光轴12方向上的距离(例如镜片直径D)。再者，于本实施例中，第一透镜L1的直径(D1)为49.04mm，第四透镜L4的直径(DL)为24.6mm，第一透镜L1的直径与第二透镜L2或第四透镜L4的直径的比值大于1.5。于本实施例中，镜头10a具屈光度透镜，至少有一透镜的直径在40mm至60mm之间。

球面透镜是指透镜前面和后面的表面都分别是球形表面的一部分，而球形表面的曲率是固定的。投影镜头10a的透镜设计参数、外形分别如表一所示。然而，下文中所列举的资料并非用以限定本发明，任何所属领域中具有通常知识者在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更动，惟其仍应属于本发明的范畴内。

表一

S1的间距为表面S1到S2在光轴12的距离，S2的间距为表面S2到S3在光轴12的距离，S8间距为表面S8到阵列式光源19在光轴12的距离。

表中表面有出现的＊是指该表面为非球面表面或自由曲面表面，而若未标示即为球面之意。

曲率半径是指曲率的倒数。曲率半径为正时，透镜表面的球心在透镜的影像缩小侧IS方向。曲率半径为负时，透镜表面的球心在透镜的影像放大侧OS方向。而各透镜的凸凹可见上表。

本发明的光圈值是以F/#来代表，如上表所标示者。本发明镜头应用在投影系统时，成像面位于影像放大侧OS。本发明实施例中，F/#小于或等于0.8。

本实施例中，影像高度IM是指在阵列式光源(LED array)19表面发光区域对角线(image circle)长度，如上表所标示者。

本实施例中，镜头10a的总长是以OAL来表示，如上表所标示者。更明确的说，本实施例的总长是指镜头10a最接近影像放大侧OS的光学表面S1与最接近影像缩小侧IS的光学表面S8之间，沿光轴12量测的距离。镜头10a的镜头总长(OAL)小于70mm。本实施例中，镜头10a最靠近影像放大侧OS的光学表面S1到阵列式光源19表面的总长是以TTL来表示，如上表所标示者。更明确的说，本实施例镜头10a到阵列式光源19表面的总长是指镜头10a最接近影像放大侧OS的光学表面S1与阵列式光源19表面之间，沿光轴12量测的距离。镜头10a到阵列式光源19表面的总长(TTL)小于75mm。本实施例中，IM为阵列式光源表面发光区域对角线的影像高度(Image circle)。本实施例中，镜头10a最靠近影像缩小侧IS到阵列式光源19表面的总长是以BFL来表示，更明确的说，本实施例镜头10a最靠近影像缩小侧IS到阵列式光源19表面的总长是指镜头10a最靠近影像缩小侧IS的光学表面S8与阵列式光源19表面之间，沿光轴12量测的距离。镜头10a到阵列式光源19表面的总长(BFL)小于15mm，本实施例的BFL/TTL介于0.065和0.25之间。本发明实施例的镜头设计可满足下列条件：镜头的第一透镜L1的直径(D1)除以OAL，其值介于0.6到0.8之间，镜头的第一透镜L1的直径(D1)除以IM，其值大于3。

于本实施例中，全视场角FOV是指最接近影像放大端的光学表面S1的收光角度，亦即以水平线与垂直线量测所得的视野(field of view)，如上表所标示者。本实施例中，FOV介于-11度至+11度。于另一实施例中，FOV介于-12度至+12度。本实施例，当FOV为10度时，其相对照度值大于等于50。本实施例中，镜头10a为定焦镜头。

本发明实施例中，镜头可将阵列式光源19发出的长宽比介于2.2：1至4：1的光束，投射到水平地面，且车灯灯罩至地面投影光束的距离为5米到25米之间。本发明实施例中，镜头的空间频率在10lp/mm以下，且在波长550nm光谱下的调制转换函数(MTF)值小于25％。在另一实施例中，镜头的空间频率在10lp/mm以下，且在波长550nm光谱下的调制转换函数(MTF)值小于20％。

本发明一实施例的镜头的光圈数值约小于或等于0.8。投影镜头包含胶合透镜以修正色差，胶合透镜的两个透镜间沿光轴的最小距离小于或等于0.01mm。两片式胶合透镜(doublet lens)例如可为三合透镜(triplet lens)取代而不限定。双合透镜、胶合透镜、结合透镜、三合透镜都包含曲率半径实质相同或相近的对应邻近表面。镜头具屈光度的透镜总片数为4片。本发明实施例投影镜头适用于至少摄氏-40到105度的工作温度范围。

以下将说明本发明的投影镜头的第二实施例的设计。本实施例与第一实施例相同的部分将不再描述，而只描述主要的差异。第一透镜L1的直径(D1)为48.72mm，第四透镜L4的直径(DL)为24.6mm，第一透镜L1的直径与第二透镜L2或第四透镜L4的直径的比值大于1.5。第二实施例投影镜头的设计参数、外形分别如表二所示。

表二

S1的间距为表面S1到S2在光轴12的距离，S2的间距为表面S2到S3在光轴12的距离，S8间距为表面S8到LED array 19在光轴12的距离。

以下将说明本发明的投影镜头的第三实施例的设计。本实施例与第一实施例相同的部分将不再描述，而只描述主要的差异。第一透镜L1的直径(D1)为48.65mm，第四透镜L4的直径(DL)为25mm，第一透镜L1的直径与第二透镜L2或第四透镜L4的直径的比值大于1.5。第三实施例投影镜头的设计参数、外形分别如表三所示。

表三

图4是本发明第四实施例的投影镜头10b的架构示意图。请参照图4，在本实施例中，投影镜头10b有一镜筒(未绘示)，镜筒里由第一侧(影像放大侧OS)往第二侧(影像缩小侧IS)排列包含了第一透镜L1、第二透镜L2、光圈14、第三透镜L3和第四透镜L4。再者，影像缩小侧IS可设置阵列式光源19，可发出一具有图案的图案光束，投影镜头10b可将图案光束通过一车灯灯罩(图中未显示)投射至一成像面(图中未显示)。于另一实施例中，阵列式光源(LED array)可以光源和光阀的组合来取代。于本实施例中，第一透镜L1至第四透镜L4在光轴12上的屈光度依序分别为正、负、正、正。全部透镜均为玻璃球面透镜。于本实施例中，第一透镜L1的直径(D1)为49mm，第四透镜L4的直径(DL)为22mm，第一透镜L1的直径与第二透镜L2或第四透镜L4的直径的比值大于1.5。于本实施例中，镜头10b具屈光度透镜，至少有一透镜的直径在40mm至60mm之间。投影镜头10b的透镜设计参数、外形分别如表四所示。

表四

S1的间距为表面S1到S2在光轴12的距离，S2的间距为表面S2到S3在光轴12的距离，S9间距为表面S9到LED array 19在光轴12的距离。

以下将说明本发明的投影镜头的第五实施例的设计。本实施例与第四实施例相同的部分将不再描述，而只描述主要的差异。镜片L1的直径(D1)为48mm，第四透镜L4的直径(DL)为22mm，第一透镜L1的直径与第二透镜L2或第四透镜L4的直径的比值大于1.5。第五实施例投影镜头的设计参数、外形分别如表五所示。

表五

S1的间距为表面S1到S2在光轴12的距离，S2的间距为表面S2到S3在光轴12的距离，S9间距为表面S9到LED array 19在光轴12的距离。

以下将说明本发明的投影镜头的第六实施例的设计。本实施例与第四实施例相同的部分将不再描述，而只描述主要的差异。第一透镜L1的直径(D1)为48mm，第四透镜L4的直径(DL)为22.4mm，第一透镜L1的直径与第二透镜L2或第四透镜L4的直径的比值大于1.5。第六实施例投影镜头的设计参数、外形分别如表六所示。

表六

图2至图3和图5至图6分别为依本发明实施例的镜头10a和10b的成像面(屏幕)上影像高度位置的照明数值与成像面上光轴位置的照明数值的比值图，以及场曲和畸变图。图2至图3和图5至图6拟数据图所显示出的图形均在标准的范围内，由此可验证本实施例的镜头10a和10b确实能够兼具良好的光学成像品质的特性。本实施例的镜头10a，当FOV为10度时，其相对照度值大于50。本实施例的镜头10b，当FOV为20度时，其相对照度值大于50。

本实施例中，镜头10b的总长是以OAL来表示，如上表所标示者。更明确的说，本实施例的总长是指镜头10b最接近影像放大侧OS的光学表面S1与最接近影像缩小侧IS的光学表面S9之间，沿光轴12量测的距离。镜头10b的镜头总长(OAL)小于55mm。本实施例中，镜头10b最靠近影像放大侧OS的光学表面S1到阵列式光源19表面的总长是以TTL来表示，如上表所标示者。更明确的说，本实施例镜头10b到阵列式光源19表面的总长是指镜头10b最接近影像放大侧OS的光学表面S1与阵列式光源19表面之间，沿光轴12量测的距离。镜头10b到阵列式光源19表面的总长(TTL)小于60mm。本实施例中，IM为阵列式光源表面发光区域对角线的影像高度(Image circle)。本实施例中，镜头10b最靠近影像缩小侧IS到阵列式光源19表面的总长是以BFL来表示，更明确的说，本实施例镜头10b最靠近影像缩小侧IS到阵列式光源19表面的总长是指镜头10b最靠近影像缩小侧IS的光学表面S9与阵列式光源19表面之间，沿光轴12量测的距离。镜头10b到阵列式光源19表面的总长(BFL)小于10mm，本实施例的BFL/TTL介于0.05和0.2之间。本发明实施例的镜头设计可满足下列条件：镜头的第一透镜L1的直径(D1)除以OAL，其值介于0.85到0.95之间，镜头的第一透镜L1的直径(D1)除以IM，其值小于4。

于本实施例中，全视场角FOV是指最接近影像放大端的光学表面S1的收光角度，亦即以水平线与垂直线量测所得的视野(field of view)，如上表所标示者。本实施例中，FOV介于-21度至+21度。于另一实施例中，FOV介于-22度至+22度。本实施例，当FOV为20度时，其相对照度值大于等于50。本实施例中，镜头10b为定焦镜头。

如图7所示，阵列式光源(LED array)110包括基板111及数个发光元件112。发光元件112配置在基板111上。由于阵列式光源110的发光元件112可发出一具图案的光束L1’，因此阵列式光源110与镜头10a/10b之间的光路可不配置任何光阀，然本发明实施例不受此限。此外，阵列式光源110与镜头10a/10b之间的光路可不配置有习知的合光模块或合光元件。镜头10a/10b可将阵列式光源(LED array)110(19)发出的长宽比介于2.2：1至4：1的光束，投射到水平地面，且车灯灯罩至地面投影光束的距离为5米到25米之间。

此外，各发光元件112例如是自发光的发光元件。在此情况下，阵列式光源110不需要背光模块。在一实施例中，发光元件112例如是微型发光二极管(Micro LED)，利用微缩制程技术可以让Micro LED介于约1微米～约10微米，其可通过巨量转移等适合技术配置在基板111上，再封装成单一Micro LED芯片，其尺寸小于100微米，与有机发光二极管(OLED)一样能够实现每个像素(pixel)单独定址，单独驱动发光(自发光)，但相较OLED更加省电，且反应速度更快。在另一实施例中，发光元件112例如是次毫米发光二极管(Mini LED)，次毫米发光二极管介于约100微米～约200微米之间。但根据晶元光电股份有限公司的分类为例，一般的发光二极管晶粒是介于约200微米～约300微米，而Mini LED介于约50微米～约60微米，而Micro LED则是在约15微米，所以尺寸并不适合用来唯一分类，只能辅助分类，还是要以是否可自发光和LED生产技术来区分。

在一实施例中，多个发光元件112可独立受控发光，使此些发光元件112的一些发光，而另一些可不发光，使光束L1’呈现一图案。换言之，阵列式光源110可发出具有图案的第一长宽比的光束L1’(影像光)，通过对多个发光元件112的控制，可改变光束L1’的图案。在其它实施例中，此些发光元件112可同时发出不同光色(不同色温)的色光，各发光元件112可发出例如是红光、蓝光、绿光与白光等多个不同色光。或者，所有发光元件112可发出具有不同灰阶的单一光色的色光，如白光或任何色温的色光。

此外，数个发光元件112排列成一n×m的矩阵，其中n及m为等于或大于1的正整数，且n与m的和大于2，且n与m的数值可相等或相异。在一实施例中，n及m的值可介于约1～约1000000之间，如数个、数十、数百、数千、数万或数十万等，甚至更多。如此，可提高光束L1’的图案的解析度且/或使光束L1’提供更多图案变化。

藉由本发明实施例的设计，可提供一种能兼顾可使镜头兼具符合交通法规要求的照明范围、广工作温度范围(摄氏-40度到105度)、大光圈与广视角的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的镜头设计。再者，本发明实施例投影镜头具有4片光学透镜、BFL为镜头最接近光源的透镜表面到光源表面在光轴上的总长，TTL为最远离光源的透镜表面到光源表面在光轴上的总长，0.05

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。