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CN111853699A - 一种大孔径的三片式透镜光学镜头 - Google Patents

一种大孔径的三片式透镜光学镜头 Download PDF

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CN111853699A CN202010884484.6A CN202010884484A CN111853699A CN 111853699 A CN111853699 A CN 111853699A CN 202010884484 A CN202010884484 A CN 202010884484A CN 111853699 A CN111853699 A CN 111853699A
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Abstract

本发明系提供一种大孔径的三片式透镜光学镜头，包括依次设置的光阑、具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜和具有正光焦度的第三透镜，第一透镜的两面分别为S1面和S2面，第二透镜的两面分别为S3面和S4面，第三透镜的两面分别为S5面和S6面，S6面远离S5面的一侧设有S7面，S6面处或S6面与S7面之间设有渐晕光阑；|ST‑Fobj|<0.5f0；S1面至S7面的口径依次递减，|r3|<|r4|，|r5|<|r6|，第一透镜的等效焦距大于第三透镜的等效焦距；G12<G23，镜头的数值孔径大于0.6。本发明通过增大数值孔径来提高能量利用率，成像品质高，整体结构简单稳定。

Description

一种大孔径的三片式透镜光学镜头
技术领域
本发明涉及光学镜头，具体公开了一种大孔径的三片式透镜光学镜头。
背景技术
传统技术中，采用投影原理的车大灯镜头由光源、光能收集元件、明暗截止线结构和凸透镜的组合而成。
现在新发展的像素大灯，也称之为矩阵式大灯，使用了灯光数字投影技术，使得车大灯不仅仅有照明功能，还能在地面投影图案，如天气情况、道路导航，或是其他供车外人员识别的符号。像素大灯的光学系统主要包括可以发光的像元(如mini LED、microLED、LCD液晶屏、LCOS或是被点亮的DMD数字微镜)和投射的光学镜头。为了使投影图案清晰可见，镜头需要实现良好的光学性能：消除色差、场曲、像散等多种光学像差。
现有技术中的光学镜头需要恰当地组合多片正负透镜的联合使用，从而消除像差。具体使用的光学透镜数量与光学镜头的参数、性能指标以及使用的光学材料和光学工艺相关，稍微复杂的光学镜头的透镜数量可以达10片以上，目前用于手机的光学镜头中透镜的数量多为6片以上，成本高。
库克三片式透镜系统，如图1所示，可以对多种像差都有不错的校正，能有较好的成像品质，但原始设计的数值孔径较小，一般不超过0.2，这意味着光能利用率低，且透镜装配使用时需要非常精确的调整，容差率小，使用要求高。
像素大灯兼具照明与成像的功能，一方面需要更高的能量利用率，需要的亮度更高，另一方面投影的成像具有一定的像质要求，尤其需要低色差。此外，由于汽车应用的特殊性，光学镜头需要具备更高的热学可靠性、更好的震动可靠性和更轻的质量，为进一步提高市场竞争力，同时需求更低的成本。
现有技术中的光学镜头无法同时满足高能量利用率、高成像品质、结构简单稳定和成本低的性能需求。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术问题，提供一种大孔径的三片式透镜光学镜头，能量利用率高、成像品质高、结构简单稳定、制作使用成本低。
为解决现有技术问题，本发明公开一种大孔径的三片式透镜光学镜头，包括依次设置的光阑、具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜和具有正光焦度的第三透镜，第一透镜的两面分别为S1面和S2面，第二透镜的两面分别为S3面和S4面，第三透镜的两面分别为S5面和S6面，S1面、S2面、S3面、S4面、S5面和S6面依次排列，S6面远离S5面的一侧设有S7面，S6面处或S6面与S7面之间设有渐晕光阑，S1面、S2面和S5面均为凸面，S3面为凹面；
光阑与镜头的物方焦点之间的距离为|ST-Fobj|，镜头的等效焦距为f0，|ST-Fobj|<0.5f0；
S1面至S7面的口径依次递减，S3面的曲率半径为r3，S4面的曲率半径r4，|r3|<|r4|，S5面的曲率半径为r5，S6面的曲率半径为r6，|r5|<|r6|，第一透镜的等效焦距大于第三透镜的等效焦距；
第一透镜和第二透镜的中心间距为G12，第二透镜与第三透镜的中心间距为G23，G12<G23，镜头的数值孔径大于0.6。
进一步的，镜头的后截距大于5mm。
进一步的，S4面为凹面。
进一步的，S6面为凸面。
进一步的，S1面、S2面、S3面、S4面、S5面和S6面为球面或非球面。
进一步的，第一透镜、第二透镜和第三透镜为单透镜或胶合透镜。
进一步的，第一透镜、第二透镜和第三透镜为玻璃透镜或塑胶透镜。
进一步的，第一透镜的阿贝数为Vd1，第二透镜的阿贝数为Vd2，第三透镜的阿贝数为Vd3，Vd1-Vd2>25，Vd3-Vd2>25。
本发明的有益效果为：本发明公开一种大孔径的三片式透镜光学镜头，通过增大数值孔径来提高能量利用率，可有效提高配光亮度，应用于投影成像系统时，且本光学镜头具有良好的色散性能，具有良好的画像解析度，即成像品质高，此外，镜头中所使用的透镜仅有三个，制作成本低，整体结构简单稳定，抗震性能好、镜头质量轻，各个透镜装配时对轴向公差的敏感性低，装配难度低，使用成本低。
附图说明
图1为库克三片式透镜系统的结构示意图。
图2为本发明实施例一的结构示意图。
图3为本发明实施例一的像散与场曲曲线和畸变曲线图。
图4为本发明实施例一的轴上色差曲线图。
图5为本发明实施例二的结构示意图。
图6为本发明实施例二的像散与场曲曲线和畸变曲线图。
图7为本发明实施例二的轴上色差曲线图。
附图标记为：光阑10、第一透镜20、S1面21、S2面22、第二透镜30、S3面31、S4面32、第三透镜40、S5面41、S6面42、S7面50、渐晕光阑60。
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1至图7。
本发明基础实施例公开一种大孔径的三片式透镜光学镜头，包括沿光入射方向依次设置的光阑10、具有正光焦度的第一透镜20、具有负光焦度的第二透镜30和具有正光焦度的第三透镜40，第一透镜20的两面分别为S1面21和S2面22，第二透镜30的两面分别为S3面31和S4面32，第三透镜40的两面分别为S5面41和S6面42，S1面21、S2面22、S3面31、S4面32、S5面41和S6面42沿光入射方向依次排列，S6面42远离S5面41的一侧设有S7面50，S7面50为像面，即S7面50位于整个光学镜头的像焦点处，S6面42处或S6面42与S7面50之间设有渐晕光阑60，即S6面42处设置有渐晕光阑60，或S6面42与S7面50之间设有渐晕光阑60，渐晕光阑60一般设置为透镜框，S1面21、S2面22和S5面41均为凸面，S3面31为凹面；
光阑10与整个光学镜头的物方焦点之间的距离为|ST-Fobj|，ST代表光阑10与整个光学镜头中心之间的距离，Fobj代表整个光学镜头物方焦点与整个光学镜头中心之间的距离，整个光学镜头的等效焦距为f0，由于实际应用时，整个光学镜头的物方焦点可能在第一透镜20的内部，因而光阑10设置在整个光学镜头的物方焦点附近，即满足下式：|ST-Fobj|<0.5f0；
S1面21至S7面50的口径依次递减，即整个光学镜头的口径沿物侧至像侧逐渐减小，di>dj，d为口径，i<j，i取1～6的整数，j取2～7的整数，d为口径大小，S3面31的曲率半径为r3，S4面32的曲率半径r4，|r3|<|r4|，S5面41的曲率半径为r5，S6面42的曲率半径为r6，|r5|<|r6|，第一透镜20的等效焦距大于第三透镜40的等效焦距，即f1>f3；
第一透镜20和第二透镜30的中心间距为G12，第二透镜30与第三透镜40的中心间距为G23，G12<G23，整个光学镜头的数值孔径大于0.6。
工作时，光线依次到达S1面21、S2面22、S3面31、S4面32、S5面41、S6面42和S7面50。本发明的光学镜头能够显著提升车前照灯的色散性能，并降低透镜装配时对轴向公差的敏感性，装配容错率高，装配难度低。
基于经典的库克三片式透镜系统，如图1所示，一般的三片式或者变体多把光阑放在中间镜片处，可通过结构上的对称降低或校正常见的像差，如场曲、像散、色差等。但采用此结构一方面会导致数值孔径较小，另一方面还会导致大视场的主光线在像面处的入射角很大，一般光源的发光强度满足朗伯余弦定律，在0度位置的光强最大，60度位置衰减至0.5，90度位置则为0，意味着对于同样大小的立体角，该透镜系统得到的能量更低。
本发明将光阑10设置在光学镜头的物方焦点处，从而能够形成像方远心光路，从而各视场的主光线平行，即各视场的主光线在像面即S7面50处的入射角均为0，这意味着对于相同大小的立体角，本发明的能量利用率更高。实际应用时，光阑10设置光学镜头的物方焦点附近，而各视场的主光线在像面即S7面50处的入射角均小于20°，能量的利用率高。
在本实施例中，整个光学镜头的后截距大于5mm，即S6面42和S7面50之间的距离大于5mm，由于应用时光源工作会产生一定热量，设置足够大的后截距能够有效避免零件因受热而发生变形等问题。
在本实施例中，S4面32为凹面，即第二透镜30为双凹透镜。
在本实施例中，S6面42为凸面，即第三透镜40为双凸透镜。
在本实施例中，S1面21、S2面22、S3面31、S4面32、S5面41和S6面42为球面或非球面，S1面21～S6面42可以均为球面，或S1面21～S6面42均为非球面，或S1面21～S6面42中存在球面和非球面。
在本实施例中，第一透镜20、第二透镜30和第三透镜40为单透镜或胶合透镜，即第一透镜20、第二透镜30和第三透镜40可以均为单透镜，或第一透镜20、第二透镜30和第三透镜40均为胶合透镜，或第一透镜20、第二透镜30和第三透镜40中存在单透镜和胶合透镜。胶合透镜又称消色差透镜，是由两个单透镜通过胶合而成，在复色成像的性能比单透镜性能提高了许多。
在本实施例中，第一透镜20、第二透镜30和第三透镜40为玻璃透镜或塑胶透镜，即第一透镜20、第二透镜30和第三透镜40可以均为玻璃透镜，或第一透镜20、第二透镜30和第三透镜40均为塑胶透镜，或第一透镜20、第二透镜30和第三透镜40中存在玻璃透镜和塑胶透镜。
在本实施例中，第一透镜20所使用的光学材料的阿贝数为Vd1，第二透镜30所使用的光学材料的阿贝数为Vd2，第三透镜40所使用的光学材料的阿贝数为Vd3，Vd1-Vd2>25，Vd3-Vd2>25。
实施例一，光学镜头结构如图2所示，根据下表1、表2、表3和表4设置光学镜头。
表1，实施例一各表面的参数
Figure BDA0002655142950000051
非球面表达式如下：
Figure BDA0002655142950000052
其中z为非球面上r位置的矢高，c为非球面的近轴曲率，c＝1/r，r为曲率半径，k为圆锥系数，A～J为高阶次项系数。
表2，实施例一各非球面参数
Figure BDA0002655142950000053
表3，实施例一光学镜片的设计参数
Figure BDA0002655142950000054
Figure BDA0002655142950000061
表4，实施例一的约束关系
约束条件 结果
|ST-Fobj|<0.5f |ST-Fobj|＝7.55mm,故满足
口径大小di>dj 由表1知满足
S6面设置渐晕光阑 1/2FOV的渐晕系数0.44
|R3|<|R4| 由表1知满足
f1>f3 由表3知满足
|R5|<|R6| 由表1知满足
G12<G23 由表1知满足
后截距大于5mm 由表3知后截距为10.01mm,满足
数值孔径NA 0.76
综上，可知实施例一的数值孔径达到0.76，远大于库克三片式透镜系统的0.2，显著提升了能量的利用率。实施例一的像散与场曲曲线和畸变曲线如图3所示，轴上色差曲线如图4所示，可知本光学镜头应用于投影成像系统时具有良好的成像品质。
实施例二，如图5所示，根据下表5、表6、表7和表8设置光学镜头。
表5，实施例二各表面的参数
Figure BDA0002655142950000062
非球面表达式如下：
Figure BDA0002655142950000071
其中z为非球面上r位置的矢高，c为非球面的近轴曲率，c＝1/r，r为曲率半径，k为圆锥系数，A～J为高阶次项系数。
表6，实施例二各非球面参数
S1 S2 S3 S4 S5 S6
k 27.637 -20.000 -9.151 58.147 8.717 -23.032
A -0.740 -7.44E+00 -4.04E+00 -1.18E+02 -1.83E+00 -5.17E+01
B 1.35E-06 2.91E-06 1.84E-06 -7.70E-06 9.93E-06 1.15E-05
C -1.48E-09 -8.77E-09 -8.90E-09 3.15E-09 3.46E-07 -2.14E-08
D 0 1.24E-11 1.06E-11 0 -1.47E-09 4.97E-11
E 0 0 0 0 2.62E-12 0
表7，实施例二光学镜片的设计参数
Figure BDA0002655142950000072
表8，实施例二的约束关系
约束条件 结果
|ST-Fobj|<0.5f |ST-Fobj|＝12.64，满足
口径大小di>dj 由表5知满足
S6面设置渐晕光阑 1/2FOV的渐晕系数0.42
|R3|<|R4| 由表5知满足
f1>f3 由表5知满足
|R5|<|R6| 由表5知满足
G12<G23 由表5知满足
后截距大于5mm 由表7知后截距为10.00mm,满足
数值孔径NA 0.82
综上，可知实施例二的数值孔径达到0.82，远大于库克三片式透镜系统的0.2，显著提升了能量的利用率。实施例二的像散曲线和畸变曲线如图6所示，轴上色差曲线如图7所示，可知本光学镜头应用于投影成像系统时具有良好的成像品质。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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 (8)

1.一种大孔径的三片式透镜光学镜头，其特征在于，包括依次设置的光阑(10)、具有正光焦度的第一透镜(20)、具有负光焦度的第二透镜(30)和具有正光焦度的第三透镜(40)，所述第一透镜(20)的两面分别为S1面(21)和S2面(22)，所述第二透镜(30)的两面分别为S3面(31)和S4面(32)，所述第三透镜(40)的两面分别为S5面(41)和S6面(42)，所述S1面(21)、所述S2面(22)、所述S3面(31)、所述S4面(32)、所述S5面(41)和所述S6面(42)依次排列，所述S6面(42)远离所述S5面(41)的一侧设有S7面(50)，所述S6面(42)处或所述S6面(42)与所述S7面(50)之间设有渐晕光阑(60)，所述S1面(21)、所述S2面(22)和所述S5面(41)均为凸面，所述S3面(31)为凹面；
所述光阑(10)与镜头的物方焦点之间的距离为|ST-Fobj|，镜头的等效焦距为f0，|ST-Fobj|<0.5f0；
所述S1面(21)至所述S7面(50)的口径依次递减，所述S3面(31)的曲率半径为r3，所述S4面(32)的曲率半径r4，|r3|<|r4|，所述S5面(41)的曲率半径为r5，所述S6面(42)的曲率半径为r6，|r5|<|r6|，所述第一透镜(20)的等效焦距大于所述第三透镜(40)的等效焦距；
所述第一透镜(20)和所述第二透镜(30)的中心间距为G12，所述第二透镜(30)与所述第三透镜(40)的中心间距为G23，G12<G23，镜头的数值孔径大于0.6。
2.根据权利要求1所述的一种大孔径的三片式透镜光学镜头，其特征在于，镜头的后截距大于5mm。
3.根据权利要求1所述的一种大孔径的三片式透镜光学镜头，其特征在于，所述S4面(32)为凹面。
4.根据权利要求1所述的一种大孔径的三片式透镜光学镜头，其特征在于，所述S6面(42)为凸面。
5.根据权利要求1所述的一种大孔径的三片式透镜光学镜头，其特征在于，所述S1面(21)、所述S2面(22)、所述S3面(31)、所述S4面(32)、所述S5面(41)和所述S6面(42)为球面或非球面。
6.根据权利要求1所述的一种大孔径的三片式透镜光学镜头，其特征在于，所述第一透镜(20)、所述第二透镜(30)和所述第三透镜(40)为单透镜或胶合透镜。
7.根据权利要求1所述的一种大孔径的三片式透镜光学镜头，其特征在于，所述第一透镜(20)、所述第二透镜(30)和所述第三透镜(40)为玻璃透镜或塑胶透镜。
8.根据权利要求1所述的一种大孔径的三片式透镜光学镜头，其特征在于，所述第一透镜(20)的阿贝数为Vd1，所述第二透镜(30)的阿贝数为Vd2，所述第三透镜(40)的阿贝数为Vd3，Vd1-Vd2>25，Vd3-Vd2>25。
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