车用投影镜头及车灯装置的制作方法

1.本发明涉及一种投影镜头，尤其涉及一种应用于汽车头灯的投影镜头。


背景技术：

2.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人现在所在的位置，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，已经无法满足驾驶人的需求。
3.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，此外，也需要考虑光学品质与成本间的平衡。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。


技术实现要素：

4.根据本发明一观点，提供一种车用投影镜头，当满足特定条件时，该车用投影镜头符合交通法规要求的照明范围。
5.根据本发明一观点，提供一种车用投影镜头，具有大光圈孔径、小光圈值(f number)，以使应用该车用投影镜头的产品具有较大的亮度。
6.根据本发明的另一观点，提供一种车用投影镜头，当满足特定条件时，能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的镜头设计。
7.根据本发明的又一观点，提供一种车用投影镜头，具有广工作温度范围(摄氏-20度到摄氏80度)特性。
8.本发明一实施例的车用投影镜头，包括由放大侧至缩小侧依序排列的一塑胶非球面第一透镜、一光圈、一由玻璃第二透镜及玻璃第三透镜所组成的胶合透镜，以及一玻璃第四透镜；车用投影镜头的光圈值(f-number)不大于0.8，且车用投影镜头主要由所述四片透镜所组成，且各透镜的屈光度依序为正、正、负、正。
9.本发明一实施例的车用投影镜头，包含一非玻璃材料的第一透镜，为一非球面透镜；一玻璃材料的第二透镜，具有正屈光度；一玻璃材料的第三透镜，具有屈光度；及一玻璃材料的第四透镜，具有正屈光度；以及一光圈，设于该第一透镜和该第二透镜之间；该车用投影镜头主要由所述四片透镜依序所组成，而该车用投影镜头的光圈值不大于0.8；且该第一透镜为上述所有透镜中，外径最大的一片。
10.本发明一实施例的车灯装置，包含一发光二极管阵列(led array)光源；一实质由四片透镜所组成的投影镜头，设于该光源光路下游，且投影镜头包括：一非玻璃的第一透镜，为一非球面形状；一玻璃的第二透镜，具有正屈光度；一玻璃的第三透镜，具有屈光度；及一玻璃的第四透镜，具有正屈光度；以及一光圈，设于第一透镜和该第二透镜之间；而该
投影镜头光圈值不大于0.8；一车灯外罩，设于投影镜头光路下游。
11.基于上述，本发明的实施例的车用投影镜头及车灯装置符合交通法规要求的照明范围，并具有大光圈孔径、小光圈值，以使应用该车用投影镜头的产品具有较大的亮度。并且，本发明的实施例的车用投影镜头及车灯装置借由使第一透镜的材料为塑胶，且将第二透镜及第三透镜设计为胶合透镜，能提供较低的制造成本且保有较佳的成像品质；而且，本发明的实施例的车用投影镜头及车灯装置，借由使近缩小侧/近光源一侧的三个透镜材料为玻璃，能具有广的工作温度范围。
12.为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
13.图1绘示为本发明一实施例的车用投影镜头的示意图。
14.图2绘示为本发明另一实施例的车用投影镜头的示意图。
15.图3绘示为本发明又一实施例的车用投影镜头的示意图。
具体实施方式
16.有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。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。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。为显现本实施例的特征，仅显示与本实施例有关的结构，其余结构予以省略。
17.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。
18.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。
19.一透镜的物侧面(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。
20.图1绘示的是本发明一实施例的车用投影镜头100的架构示意图。请参照图1，在本实施例中，车用头影镜头100设置于第一侧(影像放大侧os，也可称放大侧)与第二侧(影像缩小侧is，也可称缩小侧)之间，车用投影镜头100有一镜筒(未绘示)，镜筒里由影像放大侧os往影像缩小侧is排列包含了透镜l1(可称为第一透镜)、光圈s(aperture stop)、透镜l2(可称为第二透镜)、透镜l3(可称为第三透镜)、透镜l4(可称为第四透镜)。再者，影像缩小侧is可设置光源20，更详细的说，例如可为发光二极管阵列光源(led array)、矩阵式光源、微型发光二极管阵列(micro led array)光源或光阀，车用投影镜头100可将图案光束通过一车灯外罩(图中未显示)投射至一成像面(图中未显示)。
21.于本实施例中，车用投影镜头100实值上由四片透镜所组成，且第一透镜l1至第四透镜l4在光轴12上的屈光度依序分别为正、正、负、正。第一透镜l1为塑胶非球面透镜；第二
透镜l2、第三透镜l3及第四透镜l4为玻璃球面透镜。另外，本实施例的第二透镜l2及第三透镜l3是为胶合透镜。本发明各具体实施例中的影像放大侧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。此外，本发明并不特别限制各透镜的屈光度，例如，由于第一透镜l1为非球面透镜，因此可能视需求而将第一透镜l1设计为负屈光度，而第三透镜l3也可视使用需求，设计为正屈光度。
22.本发明所指光圈s是指一孔径光阑(aperture stop)，光圈s例如为一独立元件，但本发明不限于此，光圈s亦可以整合于其他光学元件上。于本实施例中，光圈s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s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。
23.各第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3及第四透镜l4是定义有镜片直径。举例而言，如图1所示，镜片直径是指该于光轴两端的镜面转折点p、q于垂直光轴方向上的距离。再者，于本实施例中，第一透镜l1的直径(d1)为47.27mm，第二透镜l2的直径(d2)为33.12mm，第一透镜l1的直径(d1)与第二透镜l2的直径(d2)的比值大于1.4。于本实施例中，车用投影镜头100具屈光度的透镜中，至少有一透镜的直径在40mm至60mm之间。
24.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。车用投影镜头100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，任何本领域技术人员在参照本发明之后，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。
25.表一是记载了光学系统中各透镜的光学参数的值，所述的表面编号中的*号是代表该表面为一非球面；反之，若表面编号中无*号则为球面。表一中的曲率半径、厚度/间隔及直径的单位为毫米(mm)。
26.表一
[0027][0028]
在表1中，间距指的是在邻近的表面之间沿着光轴12的一直线距离。例如，表面s1的间距为表面s1到表面s2在光轴12的距离，表面s2的间距为表面s2到表面s3在光轴12的距离，表面s8的间距为表面s8到led array(s9)在光轴12的距离。表1纪录了各个透镜的厚度、折射率及阿贝数，而且备注纪录相对应的透镜。透镜l1由影像放大侧os往影像缩小侧is依序为表面s1与表面s2，透镜l2由影像放大侧os往影像缩小侧is依序为表面s4与表面s5，依此类推，各元件所对应的表面则不再重复赘述。其中，光圈s的显示面以表面s3来表示，且其曲率半径为无限大(即为垂直光轴12的平面)；由表一中也可得知，本实施例中的第二透镜l2与第三透镜l3为胶合透镜，且表面s5为胶合面，亦即，表面s5为第二透镜l2与第三透镜l3的共同的表面。
[0029]
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方向。而各透镜的凸凹可见上表，例如第一透镜l1为新月形透镜，第二透镜l2为双凸透镜。
[0030]
本实施例的光圈值是以f/#(f number)来代表，如上表所标示者。本实施例车用投影镜头100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，光圈值小于等于0.8，例如本实施例中为0.70。
[0031]
本实施例中，影像高度(im)是指在矩阵式光源(led array)表面发光区域对角线(image circle)长度，如上表所标示者。
[0032]
本实施例中，车用投影镜头100的总长是以oal(overall length)来表示，如上表所标示者。更明确的说，本实施例的总长是指车用投影镜头100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。车用投影镜头100的总长(oal)小于75mm，例如本实施例中为71.67mm。
[0033]
本实施例中，车用投影镜头100最靠近影像放大侧os的光学表面s1到光源20表面(s9)的总长是以镜头到光源表面的总长ttl来表示，如上表所标示者。更明确的说，本实施例镜头到光源表面的总长是指车用投影镜头100最接近影像放大侧os的光学表面(s1)与光源20表面(s9)之间，沿光轴20量测的距离。镜头到光源表面的总长(ttl)小于90mm。较佳为小于80mm，例如本实施例中为76.88mm。
[0034]
本实施例中，车用投影镜头最靠近影像缩小侧is的表面(例如为本实施例中为s8)到光源20表面(s9)的总长是以bfl来表示，更明确的说，本实施例镜头最靠近影像缩小侧is到光源20表面的总长是指车用投影镜头100最靠近影像缩小侧的光学表面s8与光源20表面(s9)之间，沿光轴12量测的距离。镜头到光源表面的总长(bfl)小于6mm，较佳为小于5.5mm，并可大于3.5mm，较佳为大于5mm，例如本实施例中的bfl为5.21mm。此外，bfl/ttl可介于0.05和0.10之间，较佳为介于0.05到0.08之间，例如本实施例中为0.068。
[0035]
本实施例中，第一透镜l1与第三透镜l3的阿贝数的比值介于1.8至3之间，较佳为介于2.2至2.6之间，例如例如本实施例中为2.41。
[0036]
本发明实施例的车用投影镜头100设计可满足下列条件：第一透镜l1的直径(d1)除以oal，其值介于0.6到1.00之间，较佳为介于0.65到0.8之间、第一透镜l1的直径(d1)与第二透镜l2的直径(d2)的比值大于1.35，较佳为大于1.4，小于1.6，较佳为小于1.55、第一透镜l1至第二透镜l2的间距(即表面s2至表面s4间的距离)介于20到35mm间，较佳为介于25到30mm间，且第一透镜l1至第二透镜l2间距与车用投影镜头总长(oal)的比值介于0.33到0.45间，较佳为0.35到0.43间，更佳为0.39到0.43间、第一透镜的直径(d1)除以影像高度im，其值大于3，较佳为大于3.3。例如本实施例中，第一透镜l1直径(d1)除以oal的值为0.66、第一透镜l1的直径(d1)与第二透镜l2的直径(d2)的比值为1.43、第一透镜l1至第二透镜l2的间距为29.97mm、且第一透镜l1至第二透镜l2间距与车用投影镜头镜头总长(oal)的比值为0.42、第一透镜l1的直径(d1)除以影像高度im的值为3.48。
[0037]
于本实施例中，全视场角fov是指最接近影像放大侧os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，全视场角fov为24度。于另一实施例中，全视场角fov为20度。在一实施例中，当全视场角fov为20度时，其相对照度值大于等于50。本实施例中，车用投影镜头100为定焦镜头。
[0038]
本发明实施例中，车用投影镜头100可将矩阵式光源发出的长宽比介于2.5：1至6：1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公尺到25公尺之间。本发明实施例中，车用投影镜头100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50％。在另一实施例中，车用投影镜头100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30％。
[0039]
本发明一实施例的车用投影镜头100的光圈值约小于或等于0.8，例如本实施例中，车用投影镜头的光圈值为0.70。车用投影镜头100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。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。车用投影镜头具屈光度的透镜总片数为4片。本发明实施例车用投影镜头适用于至少摄氏-40到摄氏105度的工作温度范围。
[0040]
在本实施例中，表面s1到表面s2为非球面，可被以下的方程式(1)表述：
[0041][0042]
在前述方程式(1)中，z为光轴a方向的偏移量(sag)，c为一密切球面(osculating sphere)的半径的倒数，即接近光轴a的曲率半径的倒数(例如是表面s1到表面s2的曲率半径)。k为一圆锥系数(conic constant)，r为一非球面高度，即一透镜中心到一透镜边缘的高度。a2、a4、a6、a8、a10、及a12
…
等为非球面系数(aspheric coefficient)，且在本实施例中，圆锥系数k与非球面系数a2皆为零。表面s1到表面s2的参数值列于下表二。
[0043]
表二
[0044][0045][0046]
以下将说明本发明另一实施例的车用投影镜头100，其各元件的实际设计可见于下列表三。下述实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，下述实施例不再重复赘述。
[0047]
表三
[0048][0049]
由表三中可得知，本实施例主要由所述四片透镜所组成，本实施例中的第二透镜l2与第三透镜l3为胶合透镜，且表面s5为胶合面。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、正、负、正。第一透镜l1为塑胶非球面透镜；第二透镜l2、第三透镜l3及第四透镜l4为玻璃球面透镜。此外，本发明并不特别限制各透镜的屈光度，例如，由于第一透镜l1为非球面透镜，因此可能视需求而将第一透镜l1设计为负屈光度，而第三透镜l3也可视使用需求，设计为正屈光度。
[0050]
本实施例的光圈值是以f/#(f number)来代表，如上表所标示者。本实施例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，光圈值小于或等于0.8，例如本实施例中为0.71。
[0051]
本实施例中，车用投影镜头100的总长是以(oal)来表示，如上表所标示者。车用投影镜头100的镜头总长(oal)小于75mm，例如本实施例中为71.81mm。
[0052]
本实施例中，车用投影镜头100最靠近影像放大侧os的光学表面(s1)到光源表面(s9)的总长是以镜头到光源表面的总长(ttl)来表示，如上表所标示者。镜头到光源表面的总长(ttl)小于80mm，例如本实施例中为76.84mm。
[0053]
本实施例中，车用投影镜头100最靠近影像缩小侧is到光源20表面的总长是以(bfl)来表示。镜头到光源表面的总长(bfl)小于6mm，例如本实施例中为5.02mm，本实施例的bfl/ttl介于0.05和0.10之间，例如本实施例中为0.065。
[0054]
本发明实施例的车用投影镜头100设计可满足下列条件：第一透镜l1直径(d1)除
以oal，其值介于0.6到0.90之间、第一透镜l1的直径(d1)与第二透镜l2的直径(d2)的比值大于1.4、第一透镜l1至第二透镜l2的间距介于20～35mm间，且第一透镜l1至第二透镜l2间距与镜头总长(oal)的比值介于0.33～0.45间、第一透镜直径(d1)除以影像高度(im)，其值大于3。例如本实施例中，第一透镜l1直径(d1)除以oal的值为0.63、第一透镜l1的直径(d1)与第二透镜l2的直径(d2)的比值为1.42、第一透镜l1至第二透镜l2的间距为28.59，第一透镜l1至第二透镜l2间距与镜头总长(oal)的比值为0.40、第一透镜l1的直径(d1)除以影像高度im的值为3.35。
[0055]
本发明实施例中，车用投影镜头100可将矩阵式光源发出的长宽比介于2.5：1至6：1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公尺到25公尺之间。本发明实施例中，车用投影镜头100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％。在另一实施例中，车用投影镜头100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20％。
[0056]
在本实施例中，表面s1到表面s2为非球面，且亦可被方程式(1)表述：
[0057]
在本实施例中，圆锥系数k与非球面系数a2皆为零。表面s1到表面s2的参数值列于下表四。
[0058]
表四
[0059]
表面a4a6a8a10a12s1*2.7054e-05-3.7564e-087.9461e-11-6.4412e-141.0847e-17s2*-1.3955e-065.8481e-08-5.4619e-11-1.6194e-152.2503e-17
[0060]
以下将说明本发明又一实施例的车用投影镜头，其各元件的实际设计可见于下列表五。
[0061]
表五
[0062][0063][0064]
由表五中可得知，本实施例主要由所述四片透镜所组成，本实施例中的第二透镜l2与第三透镜l3为胶合透镜，且表面s5为胶合面。
[0065]
本实施例的光圈值是以f/#(f number)来代表，如上表所标示者。本实施例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，光圈值小于或等于0.8，例如本实施例中为0.70。
[0066]
本实施例中，车用投影镜头100的总长是以oal来表示，如上表所标示者。车用投影镜头100的镜头总长(oal)小于75mm，例如本实施例中为62.44mm。
[0067]
本实施例中，车用投影镜头100最靠近影像放大侧os的光学表面s1到光源表面s9的总长是以镜头到光源表面的总长(ttl)来表示，如上表所标示者。镜头到光源表面的总长(ttl)小于80mm，例如本实施例中为67.80mm。
[0068]
本实施例中，车用投影镜头100最靠近影像缩小侧is到光源20表面s9的总长是以bfl来表示。镜头到光源20表面s9的总长(bfl)小于6mm，例如本实施例中为5.36mm，本实施例的bfl/ttl介于0.05和0.10之间，例如本实施例中为0.079。
[0069]
本发明实施例的车用投影镜头100设计可满足下列条件：第一透镜l1直径(d1)除以oal，其值介于0.6到0.85之间、第一透镜l1的直径(d1)与第二透镜l2的直径(d2)的比值大于1.4、第一透镜l1至第二透镜l2的间距介于20～35mm间，且第一透镜l1至第二透镜l2间距与镜头总长(oal)的比值介于0.33～0.45间、第一透镜l1直径(d1)除以影像高度im，其值
大于3。例如本实施例中，第一透镜l1直径(d1)除以oal的值为0.80、第一透镜l1的直径(d1)与第二透镜l2的直径(d2)的比值为1.52、第一透镜l1至第二透镜l2的间距为26.30，第一透镜l1至第二透镜l2间距与镜头总长(oal)的比值为0.42、第一透镜l1的直径(d1)除以影像高度im的值为3.68。
[0070]
在本实施例中，表面s1到表面s2为非球面，且亦可被方程式(1)表述：
[0071]
在本实施例中，圆锥系数k与非球面系数a2皆为零。表面s1到表面s2的参数值列于下表六。
[0072]
表六
[0073]
表面a4a6a8a10a12s1*6.732e-066.297e-09-4.842e-111.456e-13-2.121e-16s2*7.045e-06-3.096e-081.460e-10-4.259e-133.154e-16
[0074]
综上所述，本发明的实施例的车用投影镜头100，符合交通法规要求的照明范围，并具有大光圈孔径、小光圈值，以使应用该车用投影镜头的产品具有较大的亮度及较高的效率。并且，本发明的实施例的车用投影镜头100及车灯装置借由使第一透镜l1的材料为塑胶，且将第二透镜l2及第三透镜l3设计为胶合透镜，能提供较低的制造成本且保有较佳的成像品质；而该车用投影镜头100中透镜的屈光度，由放大侧至缩小侧依序为正、正、负、正，亦使该车用头影镜头100具有较佳的成像品质；此外，本实施例借由使车用投影镜头100主要由四片透镜所组成，亦能达成低制造成本的目的。而且，本发明的实施例的车用投影镜头100及车灯装置，借由使近缩小侧/近光源一侧的三个透镜材料为玻璃，能具有广的工作温度范围。
[0075]
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视附的权利要求书所界定者为准。