投影镜组及抬头显示系统的制作方法

1.本实用新型涉及投影光学技术领域，特别涉及一种投影镜组及抬头显示系统。


背景技术：

2.抬头显示(hud，head up display)系统在车辆、飞机的辅助驾驶系统中使用越来越广泛，其作用是不需要驾驶员低头查看仪表的显示信息，始终保持抬头的姿势，便可清楚地了解自己所需信息，这样更有利于驾驶安全。
3.现有的hud通常采用投影光机作为像源，由于成像距离一般要求较远，这就使得光机体积将变大，安装更为不便。对于空间相对小的车型就无法安装较大体积的hud光机。此外，考虑到抬头显示系统温度较高，因此，其对应的投影光学系统应该具有耐高温，体积小的特点。


技术实现要素：

4.本实用新型的主要目的是提供一种投影镜组及抬头显示系统，旨在解决现有技术中的投影的成像距离大，导致投影设备体积较大安装不便的技术问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提出一种投影镜组，所述投影镜组从物侧至像侧依次包括投影芯片、第一透镜组、光阑以及第二透镜组，其中，
6.所述投影芯片与垂直于光轴方向之间具有第一夹角，投影像面与垂直于光轴方向之间具有第二夹角；
7.所述第一透镜组具有正光焦度，所述第二透镜组具有负光焦度，定义所述第一透镜组的焦距为f1，所述第二透镜组的焦距为f2，则满足：
8.12mm《f1《18.155mm，100mm《f2《183.836mm。
9.可选地，所述第一透镜组从物侧至像侧依次包括第一镜片、第二镜片、第三镜片以及第四镜片，所述第一镜片为正透镜，所述第二镜片为正透镜，所述第三镜片为负透镜，所述第四镜片为正透镜，定义所述第一镜片的焦距为f
11
，所述第二镜片的焦距为f
12
，所述第三镜片的焦距为f
13
，所述第四镜片的焦距为f
14
，则满足：
10.28mm《f
11
《36.1mm，20mm《f
12
《26.748mm，-19mm《f
13
《-13.1mm，16mm《f
14
《24.722mm。
11.可选地，所述第一镜片的入光面和/或出光面为凸面，所述第二镜片的入光面和/或出光面为凸面，所述第三镜片的入光面和出光面均为凹面，所述第四镜片的入光面为凸面，所述第四镜片的出光面为凹面。
12.可选地，所述第一透镜组从物侧至像侧依次包括第五镜片、第六镜片以及第七镜片，所述第五镜片为负透镜，所述第六镜片为正透镜，所述第七镜片为负透镜；定义所述第五镜片的焦距为f
21
，所述第六镜片的焦距为f
22
，所述第七镜片的焦距为f
23
，则满足：
[0013]-29mm《f
21
《-22.4mm，30mm《f
22
《38.1mm，-89mm《f
23
《-80mm。
[0014]
可选地，所述第五镜片的入光面为凹面，所述第五镜片的出光面为凸面，所述第六镜片的入光面和出光面均为凸面，所述第七镜片的入光面为凹面，所述第七镜片的出光面
为凸面。
[0015]
可选地，所述第一透镜组和所述第二透镜组的所有镜片的入光面和出光面均为球面。
[0016]
可选地，所述第一透镜组和所述第二透镜组的所有镜片的材质均为玻璃材质。
[0017]
可选地，定义所述投影芯片与垂直于光轴方向之间具有第一夹角为α，所述投影像面与垂直于光轴方向之间具有第二夹角为β，则满足：
[0018]
2.4
°
≤α≤2.6
°
，15
°
≤β≤19
°
。
[0019]
可选地，所述投影镜组还包括棱镜，所述棱镜设置于所述第一透镜组的入光面的一侧。
[0020]
此外，为解决上述问题，本实用新型还提出了一种抬头显示系统，包括如上述的投影镜组。
[0021]
本实用新型技术方案利用上述投影机组及抬头显示系统，通过由七个镜片形成的第一透镜组和第二透镜组，极大程度减小了成像距离，进而减小了抬头显示系统的体积大小，同时搭配投影芯片和像面倾斜的方式，避免了太阳光引起的像源温度过高，不仅适用于体积较小的抬头显示系统，同时还提高了产品安装的便捷程度。
附图说明
[0022]
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
[0023]
图1为本实用新型投影镜组的结构示意图；
[0024]
图2为本实用新型投影镜组中镜片的具体结构示意图；
[0025]
图3为本实用新型投影镜组的调制传递函数示意图；
[0026]
图4为本实用新型投影镜组的色差图；
[0027]
图5为本实用新型投影镜组的畸变图。
[0028]
附图标号说明：
[0029]
标号名称标号名称10投影芯片31第五镜片20第一透镜组32第六镜片21第一镜片33第七镜片22第二镜片40光阑23第三镜片50投影像面24第四镜片60棱镜30第二透镜组
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[0030]
本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0031]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行
清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0032]
需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0033]
另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
[0034]
本实用新型提出了一种投影镜组，请参照图1，所述投影镜组从物侧至像侧依次包括投影芯片10、第一透镜组20、光阑40以及第二透镜组30，其中，投影芯片10与垂直于光轴方向之间具有第一夹角，投影像面50与垂直于光轴方向之间具有第二夹角；第一透镜组20具有正光焦度，第二透镜组30具有负光焦度。具有正光焦度的第一透镜组20能够会聚光线，具有负光焦度的第二透镜组30能够发散光线。定义所述第一透镜组20的焦距为f1，所述第二透镜组30的焦距为f2，则满足：12mm《f1《18.155mm，100mm《f2《183.836mm。本实用新型的技术方案中，通过第一透镜组20的会聚光线作用和第二透镜组30的发散光线的作用，在保证投影画面足够大的同时，还能够在较短的投影距离内完成投影。定义投影镜组的总焦距为fn，则满足18.3mm《fn《24.6mm，投影镜组的总长度与最大镜片口径的比值范围为0.5～4.5。
[0035]
在本实施例中，投影芯片10采用0.55英寸的dmd芯片，投影芯片10的尺寸的横纵比为2:1，具体可设置为12.447*6.2262mm，投射比范围在1.2～1.7之间，在保证投影显示效果的前提下尽可能降低设备尺寸。
[0036]
在上述实施例中，为了进一步的保证第一透镜组20能够发挥会聚光线的作用，第一透镜组20从物侧至像侧依次包括第一镜片21、第二镜片22、第三镜片23以及第四镜片24，其中，第一镜片21为正透镜，第二镜片22为正透镜，第三镜片23为负透镜，第四镜片24为正透镜，定义第一镜片21的焦距为f
11
，第二镜片22的焦距为f
12
，第三镜片23的焦距为f
13
，第四镜片24的焦距为f
14
，则满足：
[0037]
28mm《f
11
《36.1mm，20mm《f
12
《26.748mm，-19mm《f
13
《-13.1mm，16mm《f
14
《24.722mm。
[0038]
本实施例中的光线依次经过第一镜片21、第二镜片22、第三镜片23以及第四镜片24后会聚。此外，第一镜片21的焦距如果小于28mm，会导致光线会聚的距离太短，投影镜组距离投影面太近，导致光线难以形成较大画面尺寸的投影画面。如果第一镜片21的焦距大于36.1mm，会导致光线会聚的距离较长，投影镜组距离投影面较远，难以在有限的空间内形成投影画面。为此，第一镜片21的焦距应设置在28mm至36.1mm之间。同样地，第二镜片22、第三镜片23和第四镜片24的焦距范围应分别设置在20mm至26.748mm，-19mm至-13.1mm，16mm至24.722mm之间。
[0039]
在上述实施例中，为了进一步保证第一透镜组20的会聚光线实现短距离投影的效果。第一镜片21的入光面s1和/或出光面s2为凸面，第二镜片22的入光面s3和/或出光面s4
为凸面，第三镜片23的入光面s5和出光面s6均为凹面，第四镜片24的入光面s7为凸面，第四镜片24的出光面s8为凹面。其中，第一镜片21和第二镜片均可以采用双凸透镜，通过采用双凸透镜使光线产生大角度的偏折，进而缩短光线的聚焦位置。而第三镜片23则采用双凹透镜，通过双凹透镜使光线有效发散，提高投影画面大小。第四镜片24则采用面s7为凸面、面s8为凹面的凹凸透镜，光从凸面入射从凹面出射，从而实现缩束，进一步调整光束传播路径，确保能够在投影像面上投影出清晰的成像。
[0040]
在上述实施例中，为了进一步的保证第二透镜组30能够发挥发散光线的作用，第二透镜组30从物侧至像侧依次包括第五镜片31、第六镜片32以及第七镜片33，其中，第五镜片31为负透镜，第六镜片32为正透镜，第七镜片33为负透镜；定义第五镜片的焦距为f
21
，第六镜片的焦距为f
22
，第七镜片的焦距为f
23
，则满足：
[0041]-29mm《f
21
《-22.4mm，30mm《f
22
《38.1mm，-89mm《f
23
《-80mm。
[0042]
本实施例中的光线依次经过第五镜片31、第六镜片32以及第七镜片33后发散。需要指出的是为了避免光线过于发散，第五镜片31的焦距大于29mm。并且为了保证投影画面的尺寸满足要求，第五镜片31的焦距小于22.4mm。同样地，避免光线过于发散，第七镜片33的焦距大于89mm。并且为了保证投影画面的尺寸满足要求，第七镜片33的焦距小于-80mm。此外，需要指出的是，为了使光线能够实现短距离聚焦，第六镜片32的焦距为正，并且第六镜片32的焦距如果小于30mm，会导致光线会聚的距离太短，投影镜组距离投影面太近，导致光线难以形成较大画面尺寸的投影画面。如果第六镜片32的焦距大于38.1mm，会导致光线会聚的距离较长，投影镜组距离投影面较远，难以在有限的空间内形成投影画面。
[0043]
在上述实施例中，为了进一步保证第二透镜组30有效发散，第五镜片31的入光面s9为凹面，第五镜片31的出光面s10为凸面，第六镜片32的入光面s11和出光面s12均为凸面，第七镜片33的入光面s13为凹面，第七镜片33的出光面s14为凸面。其中，第六镜片32采用双凸透镜，通过采用双凸透镜使光线产生大角度的偏折，进而缩短光线的聚焦位置。而第五镜片31采用面采用面s9为凹面、面s10为凸面的凹凸透镜，第七镜片33则采用面s13为凹面、面s14为凸面的凹凸透镜，在经过第五镜片31及第七镜片33时，光束均从凹面入射，凸面出射，以会聚光束，进一步调整光束传播路径，确保能够在投影像面上投影出清晰的成像。
[0044]
第一透镜组20和第二透镜组30的所有镜片的材质均为玻璃材质，由于玻璃材质价格优势，本实施例中可采用玻璃材质制作镜片，以降低制作成本，同时，利用玻璃材质耐高温的特性，更适用于车内的极端环境。例如汽车经过暴晒后车内温度急剧升高等。在其中一个实施例中，投影镜组还包括棱镜60，棱镜60设置于第一透镜组20的入光面的一侧。棱镜60可以实现光路的偏折，在保证光程不变的情况下，可以缩短光路，进而使投影镜组的整体体积更小，并且便于携带。
[0045]
定义投影芯片10与垂直于光轴方向之间具有第一夹角为α，所述投影像面与垂直于光轴方向之间具有第二夹角为β，则满足：
[0046]
2.4
°
≤α≤2.6
°
，15
°
≤β≤19
°
。
[0047]
当投影镜组应用在汽车上时，投影像面50则为汽车的前挡风玻璃上，而前挡风玻璃通常为倾斜设置，也即导致投影相面50与光轴之间具有第二夹角β。为了保证投影效果，使司机能够清楚看到投影画面，可同时将投影芯片10倾斜设置形成第一夹角α，例如第一夹角α可设置为2.4
°
～2.6
°
，第二夹角β可设置为15
°
～19
°
。此外，通过设置第一夹角α与第二
夹角β，能够避免反射光照射在投影芯片10上，避免投影芯片10温度过高。
[0048]
基于上述实施例，本技术列举投影镜组的具体实施例，其中第一镜片21采用玻璃材质(nd＝1.69，vd＝49.2)所制成具有正光焦度(面s1与面s2均为凸面的双凸透镜)透镜，且两个表面均为球面。第二镜片22采用玻璃材质(nd＝1.69，vd＝54.6)所制成具有正光焦度(面s3与面s4均为凸面的双凸透镜)透镜，且两个表面均为球面。第三镜片23采用玻璃材质(nd＝1.81，vd＝25.5)所制成具有负光焦度(面s5与面s6均为凹面的双凹透镜)透镜，且两个表面均为球面。第四镜片24采用玻璃材质(nd＝1.59，vd＝68.5)所制成具有正光焦度(面s7为凸面，面s8均为凹面凹凸透镜)透镜，凹面朝向光阑方向。第五镜片31采用玻璃材质(nd＝1.91，vd＝35.3)所制成具有负光焦度(面s9为凹面，面s10为凸面的凹凸透镜)透镜，且两个表面均为球面。第六镜片32采用玻璃材质(nd＝1.71，vd＝53.9)所制成具有正光焦度(面s11与面s12均为凸面的双凸透镜)透镜，且两个表面均为球面。第七镜片33采用玻璃材质(nd＝1.531，vd＝48.9)所制成具有负光焦度(面s13为凹面，面s14为凸面的月牙型透镜)透镜，且两个表面均为球面。具体参数请参照下表：
[0049]
表1：
[0050]
[0051][0052]
其中，表一中的s15指的是保护玻璃面向投影芯片一侧的表面，s16指的是保护玻璃面向棱镜一侧的表面；s17指的是棱镜面向保护玻璃一侧的表面，s18指的是保护玻璃面向第一镜片一侧的表面。
[0053]
图3为本发明投影镜组的调制传递函数示意图，即mtf(modulation transfer function)图，mtf值用于表示调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力；该投影镜组的调制传递函数在各个视场都大于0.5，分辨率表现良好。
[0054]
图4为本发明投影镜组的色差图，其中，垂轴色差又称为倍率色差，主要是指物方的一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线。由图4可见最大色散小于4μm。
[0055]
图5为本发明投影镜组的畸变图，其中，场曲是指像场弯曲，主要用于表示投影镜组中，整个光束的交点与理想像点的不重合程度。畸变是指物体通过光学组件成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差，畸变会导致物像的相似性变坏，但不影响像的清晰度。由图4可见畸变小于1％。
[0056]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。