專利名稱：：用于架空式投影儀的固定焦距三重投影透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明通常涉及光學(xué)透鏡，具體而言，涉及用于架空式投影儀的Cooke三重投影透鏡，該透鏡包括兩個(gè)由眼用冕牌玻璃(ophthalmiccrownglass)制成的外側(cè)正單元和一個(gè)由輕質(zhì)燧石玻璃(lightflintglass)制成的內(nèi)部負(fù)單元。通過選擇具有特殊光學(xué)特性的玻璃材料，這種透鏡結(jié)構(gòu)提供了出眾的性能價(jià)格比。
背景技術(shù)：
：Cooke三重投影透鏡最初發(fā)明于1893年(參見英國(guó)專利Nos.15,107和22,607以及美國(guó)專利Nos.540,122和568,052)，從那時(shí)起在設(shè)計(jì)上對(duì)其作了許多改進(jìn)。攝影和投影物體是三重透鏡最重要的用途。照相屬于這種透鏡形式最初一類的應(yīng)用，并且延續(xù)至今成為重要的應(yīng)用領(lǐng)域(參見美國(guó)專利Nos.1,035,408、1,073,789、1,658,365、1,880,393、1,892,162、1,987,878、2,064,550、2,270,234、2,279,372、2,298,090、2,388,869、2,391,114、2,416,033、2,430,550、2,582,362、2,645,157、2,736,234、2,962,930、3,194,116、3,359,057、3,438,696、3,443,863、3,449,041、3,578,847、3,640,606、3,649,103、3,784,287、3,912,379、3,944,337、3,967,884、4,542,961、英國(guó)專利4,714(1911)、422,246(1933)、5,32,950(1939)、601,649(1948)、612,757(1948)、德國(guó)專利434,759(1924)和法國(guó)專利1,037,274(1953))。在投影應(yīng)用領(lǐng)域，Cooke三重投影透鏡已經(jīng)被用于CRT電視投影儀(美國(guó)專利No.4,163,604)、運(yùn)動(dòng)圖像投影儀(美國(guó)專利Nos.2,503,701、2,720,814)、幻燈投影儀(美國(guó)專利Nos.1,937,168、3,237,520和3,905,686)和架空式投影儀(美國(guó)專利No.3,936,155)。三重透鏡也有少數(shù)專利涉及靜電復(fù)印和其它應(yīng)用領(lǐng)域(美國(guó)專利Nos.1,485,929、1,937,168、3,202,051和3,584,936)。在架空式投影儀中，Cooke三重透鏡有兩種基本類型定焦(參見’155專利)和變焦(參見德國(guó)專利No.4,118,146)。后者的透鏡單元之間的間隔是可變的，以出眾的性能。Cooke三重透鏡一般由安置在稱為鏡筒的機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)的三塊玻璃或聚合物(稱作單元)構(gòu)成。外側(cè)的開始和結(jié)束單元通常具有正的光學(xué)放大率，而內(nèi)部單元的放大率通常為負(fù)。經(jīng)過嘗試，發(fā)現(xiàn)相反的排列不大容易滿足需要。已經(jīng)出版了許多有關(guān)這種類型透鏡設(shè)計(jì)方法的專著(例如參見WarrenJ.Smith的“現(xiàn)代光學(xué)工程”節(jié)12.6或者RudlofKingslake的“透鏡設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”第13章節(jié)V)。通常建議選用高折射率的玻璃并且從最初專利開始在實(shí)踐中就一直沿用這種做法。一個(gè)極端的例子是美國(guó)專利No.3,838,910，它采用折射率大于1.9的玻璃制造透鏡。實(shí)踐中的這種做法的理論基礎(chǔ)在于簡(jiǎn)單透鏡(例如單個(gè)單元)情況下折射率與球差之間的關(guān)系。單元折射率的提高減小了給定焦距下透鏡的曲率，進(jìn)而抑制了一定光孔高度下的入射角變化，并由此減小了球差。這表明在快f數(shù)的透鏡中高折射率是極有用處的。美國(guó)專利No.2,731,884揭示，三重透鏡中兩個(gè)正放大率單元的平均折射率應(yīng)該大于負(fù)放大率單元的折射率，從而通過減小透鏡的Petzval曲率來(lái)提高視場(chǎng)范圍。注意到Petzval曲率等于諸單元的放大率與其折射率相除之和就可以理解這一點(diǎn)。對(duì)于正焦距透鏡而言，正單元的放大率必須大于負(fù)單元的放大率。因此如果折射率相等，則Petzval曲率很重要。使正單元的折射率大于負(fù)單元的折射率減小了視場(chǎng)曲率。在架空式投影儀的投影透鏡設(shè)計(jì)中，透鏡總長(zhǎng)度(又稱鏡筒長(zhǎng)度)是另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。它被定義為第一透鏡表面沿軸向到最后透鏡表面的距離。正如’155專利中所指出的那樣，較短的透鏡可以用小透鏡直徑制造并且節(jié)省材料，從而降低材料和其它成本。這還提高了架空式投影儀的機(jī)械穩(wěn)定性。美國(guó)專利No.3,762,801不僅強(qiáng)調(diào)了總長(zhǎng)度短的重要性，而且強(qiáng)調(diào)了攝像機(jī)成品體積小巧的重要性。在前面Smith論及的一般原理中，以縮小孔徑為代價(jià)，減少冕牌單元與燧石單元的Abbe數(shù)值差將縮短優(yōu)化透鏡的總長(zhǎng)度并增加視場(chǎng)范圍。該原理對(duì)于所有消象散透鏡而非僅僅是三重透鏡的沒計(jì)都是重要的，并且對(duì)設(shè)計(jì)者在改進(jìn)用于其它特殊場(chǎng)合的透鏡方面提出了建議。Smith引用三種專利透鏡(美國(guó)專利No.2,453,260、英國(guó)專利No.155,640和德國(guó)專利287,089)作為優(yōu)秀設(shè)計(jì)的例子，這些設(shè)計(jì)對(duì)快速、小視場(chǎng)透鏡的Abbe數(shù)值差較大(Δν＝22)，而慢速、大視場(chǎng)透鏡的Abbe數(shù)值差較小(Δν＝15)。相反，美國(guó)專利No.3,762,801論述了相以Abbe數(shù)值差的短而慢速的窄視場(chǎng)透鏡，但是這種透鏡需要非球面單元或者高折射率材料適當(dāng)校正象差。在以下幾個(gè)專利中都暗示采用凹凸形正單元，它們包括美國(guó)專利Nos.2,818,777、3,762,801、3,838,910、3,910,685、4,105,308、4,109,995和4,787,724。所有這些專利都論述采用這種類型的單元，但是卻沒有提及這樣做的優(yōu)點(diǎn)。按照Kingslake的看法(p.240)，“一旦高斯提出望遠(yuǎn)鏡的物鏡可以用兩塊凹凸形單元制造，那么顯而易見的優(yōu)點(diǎn)就是這種系統(tǒng)沒有色球差?！彼M(jìn)而指出，AlvanClark預(yù)見到用這樣兩塊背對(duì)背的物鏡可以制造出優(yōu)秀的攝像機(jī)透鏡。這種攝像機(jī)透鏡就是現(xiàn)在人們熟知的雙高斯型透鏡并且被當(dāng)作高質(zhì)量的攝像機(jī)物鏡使用。該類型的透鏡校正能力強(qiáng)。凹凸形單元另一熟知的應(yīng)用是在Bouwers-Maksutov望遠(yuǎn)鏡中作為球差“校正器”(Kingslake，p.311ff.)。在這些透鏡中，凹凸形單元被用來(lái)補(bǔ)償球面主鏡的球差。盡管有上面的技術(shù)基礎(chǔ)，但是現(xiàn)有技術(shù)中的Cooke三重透鏡，尤其是用于架空式投影儀的這類透鏡仍然存在某些缺點(diǎn)，例如存在球面象差、慧形象差和象散，而且雖然可以通過調(diào)整單元的某些參數(shù)來(lái)抑制其中某一缺陷，但是在這過程中又會(huì)擴(kuò)大其它缺陷的不利影響。對(duì)于架空式投影儀制造而言，始終有降低制造成本并保持或不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量的要求。因此設(shè)計(jì)一種體積小巧、成本低廉并且重要性能出眾(例如能在一般情況下提供輪廓明晰的真實(shí)圖像)的Cooke三重透鏡結(jié)構(gòu)是值得的，并且也是有利可圖的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種架空式投影儀用的投影透鏡，該透鏡通常包括兩個(gè)由眼用冕牌玻璃制成的外側(cè)正單元和一個(gè)由燧石玻璃制成的內(nèi)部負(fù)單元。其中一個(gè)正單元為雙凸面形；另一個(gè)為凹凸形。雙凸面形單元可以是等凸面形的。比較好的是，冕牌玻璃的折射率為1.523左右，而Abbe數(shù)值在58.5左右或者至少在58-60范圍內(nèi)。燧石玻璃的折射率小于1.573，而Abbe數(shù)值在43-53范圍內(nèi)，比較好的是在48-52.5范圍內(nèi)。透鏡總長(zhǎng)度小于焦距的六分之一。附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明借助以下附圖將能最透徹地理解本發(fā)明，本發(fā)明的附圖包括圖1為采用按照本發(fā)明結(jié)構(gòu)的投影透鏡的通用型架空式投影儀的剖面圖；圖2為本發(fā)明透鏡較佳實(shí)施例的軸向部分的示意圖；以及圖3為本發(fā)明較佳實(shí)施例的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)。實(shí)施發(fā)明的較佳方式在Cooke三重投影透鏡中，正如上述實(shí)例所示，采用凹凸形狀來(lái)校正帶象差。如果在設(shè)計(jì)中將凹凸形單元的內(nèi)表面改為平面并對(duì)設(shè)計(jì)重新進(jìn)行優(yōu)化，則慧形象差得到了改善(由于透鏡對(duì)稱性提高)，但是卻大大增加了球面象差和象散。本發(fā)明克服了這個(gè)難題，其實(shí)現(xiàn)途徑是，將透鏡彎曲成所需的凹凸形狀，減小入射到兩個(gè)表面上的大部分光線的入射角，這樣就減少了象散，并形成負(fù)球面象差來(lái)補(bǔ)償?shù)谝粏卧^強(qiáng)的正球面象差。除了象差校正能力以外，凹凸形單元對(duì)于透鏡公差也有積極的意義。由于減小了大部分光線的入射角，所以該單元對(duì)曲率和厚度的公差要求相對(duì)放寬，從而節(jié)約了制造成本并提高了透鏡成品的性能。當(dāng)凹凸形單元離光闌最遠(yuǎn)時(shí)效果尤其明顯。在架空式投影儀(OHP)中(例如在圖1所示的通用OHP10中)，光闌為光源即燈21圖像。本發(fā)明的新型多單元投影透鏡16位于投影儀頭部18內(nèi)，一般通過懸臂20固定在底座14上。為了盡可能地縮小投影儀頭部18的尺寸，最好使透鏡側(cè)面上的光闌與屏幕靠得最近。在這種情況下，比較好的但非必須的做法是使透鏡16的凹凸形單元位于與被投影幻燈片靠得最近的透鏡側(cè)面上。圖1示出了典型OHP的其它特征，包括諸如安裝在懸臂20粗調(diào)機(jī)構(gòu)上的旋鈕22之類的裝置，用來(lái)調(diào)節(jié)頭部18的實(shí)際高度；光源或等21；背反射鏡23；以及安裝在臺(tái)面區(qū)域12上的Fresnel透鏡24。但是，由于投影透鏡16同樣可以用于其它改進(jìn)的OHP設(shè)計(jì)，所以這里OHP10特定的實(shí)施例并不對(duì)本發(fā)明有限定的含義存在。例如，這里闡述的設(shè)計(jì)是透射式OHP，但是透鏡16同樣可以用于反射式OHP。降低三重透鏡成本的一種可行途徑是采用價(jià)格低廉的玻璃或聚合物。但是，由于透鏡附近高度集中的光能可能會(huì)引起材料的熱變形并且伴隨而來(lái)的是性能上的損失，所以聚合物一般不宜在架空式投影儀中采用。這樣只剩下玻璃成為合適的材料了。玻璃的成本取決于成份和加工精度。投影透鏡一般用特殊的“光學(xué)質(zhì)量”玻璃制造。眼用透鏡由“眼用冕牌”玻璃(例如SchottB270或ComingB23-59)制得。雖然眼用級(jí)玻璃的制造過程不如光學(xué)級(jí)玻璃規(guī)定得那樣嚴(yán)格，但是其質(zhì)量已經(jīng)足以供架空式投影透鏡使用。因此本發(fā)明的目標(biāo)是采用眼用冕牌玻璃來(lái)制造質(zhì)量有所提高的投影透鏡。冕牌單元的折射率介于1.518-1.28之間，Abbe數(shù)選在58-60范圍內(nèi)?，F(xiàn)在參見圖2，該圖示出了本發(fā)明的投影透鏡16。透鏡16一般由三個(gè)單元26、28和30構(gòu)成。外面的兩個(gè)單元26和30由眼用冕牌玻璃構(gòu)成，而內(nèi)部的單元28由非常輕的燧石玻璃構(gòu)成。這種輕質(zhì)燧石玻璃的色散較小，對(duì)于架空式投影儀而言足以保證透鏡的視場(chǎng)范圍。燧石玻璃的Abbe數(shù)應(yīng)該設(shè)定為5.5＜[(ν1+ν2)/2-ν3]＜15.5，這里ν1、ν2和ν3分別為單元26、28和30的Abbe數(shù)值；Abbe數(shù)最好滿足不等式6＜[(ν1+ν2)/2-ν3]＜10.5。內(nèi)部的單元30比較好的折射率小于1.573，而Abbe數(shù)在43-53的范圍內(nèi)，最好是在48-52.5的范圍內(nèi)。此外，透鏡的視場(chǎng)范圍得益于低折射率。理想情況下，燧石玻璃的折射率應(yīng)該小于冕牌玻璃的折射率。但是遺憾的是，這樣的玻璃價(jià)格不便宜，所以燧石玻璃的折射率代之以小于(n1+n3)/2+0.05，這里n1和n3分別為單元26和30的折射率。在所需視場(chǎng)范圍內(nèi)，這樣提供的性能足以令人接受。按照本發(fā)明構(gòu)造的透鏡的總(物理)長(zhǎng)度小于其焦距的六分之一，但是并不一定非得象現(xiàn)有技術(shù)通常要求的那樣，為了縮短總長(zhǎng)度而使負(fù)單元表面呈非球面形狀或者采用折射率非常高的材料。實(shí)例1現(xiàn)在給出三重投影透鏡具體的設(shè)計(jì)實(shí)例。透鏡焦距為345毫米；無(wú)窮遠(yuǎn)處的f/數(shù)為f/6.2，但是為便于安裝和聚焦，透鏡直徑為65.4毫米。架空式投影儀一般設(shè)計(jì)成圖像最大高度為176毫米，標(biāo)稱放大倍數(shù)為-0.19。在下表中，表面編號(hào)1-6分別對(duì)應(yīng)圖2中的表面R1-R6。如果曲率中心位于表面右側(cè)，則半徑數(shù)值為正，而如果曲率中心位于表面左側(cè)，則半徑數(shù)值為負(fù)。厚度指的是到下一表面的距離；最終的厚度是從最后的透鏡表面到臺(tái)階區(qū)12的實(shí)際距離。折射率nd和Abbe數(shù)值νd為表面后面材料的性能參數(shù)(即空氣隙為1.000)。給定的折射率是氦-d波長(zhǎng)(587.6nm)下的折射率，而給定的Abbe數(shù)值是紅色與藍(lán)色氫光譜線C(656.3nm)與F(486.1nm)下的數(shù)值。光闌位于第二表面。比較好的做法是冕牌單元為SchottB270，而燧石單元為SchottLLF6。</tables>圖3為根據(jù)計(jì)算機(jī)模型得到的實(shí)例1的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線。5條曲線分別對(duì)應(yīng)軸上調(diào)制、離軸125毫米的正切和徑向調(diào)制以及離軸176毫米的正切和徑向調(diào)制。由于人眼能夠區(qū)分出小到10-15％的調(diào)制，所以由該曲線圖可見，按照本發(fā)明構(gòu)造的透鏡具有出眾的分辨率，即5周期/mm(在短共軛側(cè))。實(shí)例2在給出的第二設(shè)計(jì)實(shí)例中，前面的冕牌單元26是等凸面的。為了保持380毫米的背焦距，焦距改為356毫米。光闌也位于第二表面。</tables>實(shí)例3在給出的第三設(shè)計(jì)實(shí)例中，凹凸形單元最靠近屏幕，即位于長(zhǎng)共軛側(cè)。焦距為342毫米，而光闌位于第四表面。本實(shí)例中燧石單元30的密度略大于前面的實(shí)例(SchottLLF1)。實(shí)例4在給出的第四設(shè)計(jì)實(shí)例中，凹凸形單元最靠近幻燈片，即位于短共軛側(cè)。焦距仍然為342毫米，而光闌位于第二表面。本實(shí)例中燧石單元30的密度略小于前面的實(shí)例(SchottKF9)。雖然以上借助實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了闡述，但是這種闡述并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)范圍由后面所附權(quán)利要求限定。權(quán)利要求1.一種多單元透鏡，其特征在于包括第一和第二透鏡單元，每個(gè)都是正透鏡并且由眼用冕牌玻璃構(gòu)成；以及插在所述第一和第二透鏡單元之間的第三透鏡單元，所述第三透鏡單元為輕質(zhì)燧石構(gòu)成的負(fù)透鏡，所述第一、第二和第三透鏡單元的Abbe數(shù)滿足不等式5.5＜[(ν1+ν3)/2-ν2]＜15.5，這里ν1、ν2和ν3分別為所述第一、第二和第三透鏡單元的Abbe數(shù)值。2.如權(quán)利要求1所述的多單元透鏡，其特征在于所述第一透鏡單元為雙凸面形而所述第二透鏡單元為凹凸形。3.如權(quán)利要求1所述的多單元透鏡，其特征在于所述第一、第二和第三透鏡單元的Abbe數(shù)滿足不等式6＜[(ν1+ν3)/2-ν2]＜10.5。4.如權(quán)利要求1所述的多單元透鏡，其特征在于多單元透鏡的總體長(zhǎng)度小于焦距的六分之一。5.如權(quán)利要求1所述的多單元透鏡，其特征在于所述第三透鏡單元的折射率小于1.573而Abbe數(shù)介于43-53之間。6.如權(quán)利要求1所述的多單元透鏡，其特征在于所述第一和第三透鏡單元的Abbe數(shù)介于58-60之間。7.如權(quán)利要求2所述的多單元透鏡，其特征在于所述第一透鏡單元為等凸面形。8.如權(quán)利要求4所述的多單元透鏡，其特征在于所述第三透鏡單元的折射率小于1.573而Abbe數(shù)介于43-53之間。9.如權(quán)利要求8所述的多單元透鏡，其特征在于所述第一和第二透鏡單元的Abbe數(shù)為58.5左右。10.一種Cooke三重透鏡組，其特征在于包括第一透鏡單元，它是正的雙凸面透鏡，Abbe數(shù)介于58-60之間；第二透鏡單元，它是正的凹凸形透鏡，Abbe數(shù)介于58-60之間，所述第二透鏡單元與所述第一透鏡單元相隔一定距離，所述第二透鏡單元的光軸與所述第一透鏡單元的光軸一致；以及插在所述第一和第二透鏡單元之間的第三透鏡單元，其光軸與所述第一和第二透鏡單元的光軸一致，所述第三透鏡單元為負(fù)單元，Abbe數(shù)介于48-52.5之間，折射率小于0.05與所述第一和第二透鏡單元平均折射率之和。11.如權(quán)利要求10所述的透鏡組，其特征在于所述第一和第二透鏡單元由眼用冕牌玻璃構(gòu)成。12.如權(quán)利要求10所述的透鏡組，其特征在于所述透鏡單元中至少有一個(gè)由玻璃構(gòu)成。13.如權(quán)利要求10所述的透鏡組，其特征在于Cooke三重透鏡組的總體長(zhǎng)度小于其焦距的六分之一。14.如權(quán)利要求13所述的透鏡組，其特征在于所述第一透鏡單元具有第一和第二表面；所述第三透鏡單元具有第三和第四表面；以及所述第二透鏡單元具有第五和第六表面，每個(gè)所述表面具有如下表所示的曲率半徑，并且每個(gè)所述單元的折射率(nd)和Abbe數(shù)(νd)也在下表給出</tables>這里給定厚度指的是到下一表面的距離，而最終的厚度為從第六透鏡表面到成像平面的實(shí)際距離。15.如權(quán)利要求13所述的透鏡組，其特征在于所述第一透鏡單元具有第一和第二表面；所述第三透鏡單元具有第三和第四表面；以及所述第二透鏡單元具有第五和第六表面，每個(gè)所述表面具有如下表所示的曲率半徑，并且每個(gè)所述單元的折射率(nd)和Abbe數(shù)(νd)也在下表給出</tables>這里給定厚度指的是到下一表面的距離，而最終的厚度為從第六透鏡表面到成像平面的實(shí)際距離。16.如權(quán)利要求13所述的透鏡組，其特征在于所述第一透鏡單元具有第一和第二表面；所述第三透鏡單元具有第三和第四表面；以及所述第二透鏡單元具有第五和第六表面，每個(gè)所述表面具有如下表所示的曲率半徑，并且每個(gè)所述單元的折射率(nd)和Abbe數(shù)(νd)也在下表給出</tables>這里給定厚度指的是到下一表面的距離，而最終的厚度為從第六透鏡表面到成像平面的實(shí)際距離。17.一種架空式投影儀，其特征在于包括具有臺(tái)面的底座；用于照射所述臺(tái)面的光源；位于所述臺(tái)面處的Fresenel透鏡；在所述底座和臺(tái)面上方的投影頭；以及位于所述投影頭內(nèi)的投影透鏡，所述投影透鏡包括第一和第二透鏡單元，每個(gè)都是正透鏡并且由眼用冕牌玻璃構(gòu)成；以及插在所述第一和第二透鏡單元之間的第三透鏡單元，所述第三透鏡單元為輕質(zhì)燧石構(gòu)成的負(fù)透鏡，其折射率小于1.573左右并且Abbe數(shù)介于43-53之間。18.如權(quán)利要求17所述的架空式投影儀，其特征在于其中一個(gè)所述冕牌單元位于投影透鏡的長(zhǎng)共軛側(cè)并且是雙凸面的，而另一個(gè)所述冕牌單元是凹凸形的。19.如權(quán)利要求17所述的架空式投影儀，其特征在于其中一個(gè)所述冕牌單元位于投影透鏡的短共軛側(cè)并且是雙凸面的，而另一個(gè)所述冕牌單元是凹凸形的。20.如權(quán)利要求17所述的架空式投影儀，其特征在于所述第一和第二透鏡單元的Abbe數(shù)為58.5左右，而所述第一和第二透鏡單元的折射率介于1.518-1.528之間。全文摘要本發(fā)明提出一種用于架空式投影儀的Cooke三重投影透鏡組,它包括靠近外面的兩個(gè)由眼用冕牌玻璃制成的正單元和一個(gè)內(nèi)部的由輕質(zhì)燧石玻璃制成的負(fù)單元。冕牌玻璃的折射率為1.523左右而Abbe數(shù)值為58.5。燧石玻璃的折射率小于1.573而Abbe數(shù)值介于43—53之間。其中的一個(gè)正單元為雙凸面形而另一個(gè)為凹凸形。文檔編號(hào)G03B21/132GK1189222SQ96195111公開日1998年7月29日申請(qǐng)日期1996年5月9日優(yōu)先權(quán)日1996年5月9日發(fā)明者S·K·艾克哈特申請(qǐng)人:美國(guó)3M公司