專(zhuān)利名稱(chēng)：采用像素化面板的小型投影透鏡系統(tǒng)的寬視場(chǎng)投影透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及投影透鏡，特別涉及可以用于用像素(例如LCD)構(gòu)成物體圖像的投影透鏡。
背景技術(shù)：
投影透鏡系統(tǒng)(又成為“投影系統(tǒng)”)用來(lái)在觀察屏幕上形成物體圖像。這種系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示于圖6，其中10為光源(例如鎢鹵素?zé)?，12為照明光學(xué)系統(tǒng)，它構(gòu)成光源的圖像(以下成為照明系統(tǒng)的“輸出”)，14為投影物體(例如具有開(kāi)和關(guān)像素的LCD矩陣)，而13為投影透鏡，它由多個(gè)透鏡單元組成，在觀察屏16上形成對(duì)象14放大的圖像。系統(tǒng)也可以在像素面板附近包括視場(chǎng)透鏡，例如Fresenel透鏡，從而適當(dāng)?shù)囟ㄎ徽彰飨到y(tǒng)的出射光瞳。
對(duì)于前投影系統(tǒng)，觀察者位于圖6屏幕16的左邊，而對(duì)于后投影系統(tǒng)，觀察者位于屏幕的右邊。對(duì)于安裝在一個(gè)箱子內(nèi)的后投影系統(tǒng)，經(jīng)常用鏡子折疊光路并且減少系統(tǒng)的總體尺寸。本發(fā)明的投影透鏡特別示于后投影系統(tǒng)，但是如果需要也可以用于前投影系統(tǒng)。
物體為像素化面板的投影透鏡系統(tǒng)有各種應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。這種投影透鏡系統(tǒng)比較好的是采用單一的投影透鏡來(lái)形成紅、綠和藍(lán)像素面板的圖像。在有些情況下，例如大型圖像后投影系統(tǒng)，采用的是多個(gè)面板和多個(gè)投影透鏡，每個(gè)面板／投影透鏡組合產(chǎn)生整個(gè)圖像的一部分。
像素化面板，具體而言是LCD面板根據(jù)所采用投影系統(tǒng)的類(lèi)型而有各種尺寸。由于像素較多而且有足夠大的像素尺寸保證制造質(zhì)量足以可靠，所以大型LCD面板(例如對(duì)角線(xiàn)12．5英寸(約320毫米)的面板)能夠有效地產(chǎn)生高分辨率的彩色圖像。值得注意的是，對(duì)于單個(gè)LCDM面板的全彩色圖像，象素?cái)?shù)目是單色圖像所需像素?cái)?shù)的3倍，因此除非采用大型LCD面板，否則像素尺寸較小。
在現(xiàn)有技術(shù)中需要用于大型像素化面板并且同時(shí)至少具備下列性質(zhì)的投影透鏡(1)寬視場(chǎng)，即較小的焦距；(2)能夠在各種放大倍數(shù)下工作并保證較高的象差校正；(3)較小的尺寸，包括較少數(shù)量的透鏡單元、較短的鏡頭筒和較小的最大透鏡直徑；(4)較高的顏色校正；(5)低變形；以及(6)對(duì)溫度變化敏感度較小。
觀察的寬視場(chǎng)使得整個(gè)投影透鏡系統(tǒng)能夠小型化，對(duì)于空間寶貴的場(chǎng)所這是非常需要的。特別是小型化使尺寸和容納投影系統(tǒng)以及安裝、運(yùn)輸所需成本最小。
由于可以使投影系統(tǒng)與尺寸不同的屏幕一起使用而無(wú)需改變系統(tǒng)的單元，所以需要在各種放大倍數(shù)下有效工作的投影透鏡。僅僅需要改變的是物體和圖像的共軛，通過(guò)相對(duì)像素化面板移動(dòng)透鏡很容易完成這種改變。當(dāng)然在整個(gè)放大倍數(shù)工作范圍內(nèi)提供較高的象差校正是一個(gè)難題。
從成本、重量和尺寸的角度考慮，需要較小的投影透鏡。大量的透鏡單元和大直徑的透鏡會(huì)消耗更多的原材料，重量更重，并且制造和安裝更昂貴。較長(zhǎng)的長(zhǎng)筒一般增加了投影系統(tǒng)的總體尺寸，導(dǎo)致成本和重量增加。因此需要使較小透鏡單元的數(shù)量最小，并且相互靠近。
由于在像素化面板圖像中很容易發(fā)現(xiàn)色差(像素沾污，在極端情況下圖像的像素完全脫落)，所以較好的色差校正很重要。這些問(wèn)題在視場(chǎng)邊沿一般是最嚴(yán)重的。在通常情況下，像素化面板上測(cè)量的色差應(yīng)該好于一個(gè)像素，并且比較好地是半個(gè)像素以避免這些問(wèn)題。
系統(tǒng)的所有色差都需要解決，包括橫向色差、彗形色差和最難解決的象散色差。由于隨對(duì)比度下降，橫向色差，即顏色隨放大倍數(shù)而變化，由于當(dāng)對(duì)比度減小時(shí)就顯示出來(lái)，所以特別麻煩，特別是在視場(chǎng)邊沿。在極端情況下，可以看到整個(gè)視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的彩虹效應(yīng)。
在采用陰極射線(xiàn)管(CRT)的投影系統(tǒng)中，例如通過(guò)相對(duì)藍(lán)色CRT減少紅色CRT表面的圖像尺寸補(bǔ)償較小的(殘余)橫向色差量。然而對(duì)于像素化面板，由于圖像是數(shù)字化的并且在整個(gè)視場(chǎng)平滑調(diào)整尺寸是不可能的，所以無(wú)法作這種補(bǔ)償。因此投影透鏡需要更高的橫向色差校正。
利用像素化面板顯示數(shù)據(jù)對(duì)失真的校正有嚴(yán)格的要求。這是因?yàn)橛^看數(shù)據(jù)時(shí)即使在透鏡視場(chǎng)極端位置上也要求較好的圖像質(zhì)量。顯而易見(jiàn)，顯示的數(shù)字和字母在視場(chǎng)邊沿顯示與中心顯示一樣重要。
為了產(chǎn)生足夠量度的圖像，大量的光線(xiàn)必須通過(guò)投影透鏡。因此室溫與透鏡工作溫度之間存在可觀的溫差。此外，透鏡需要能夠工作在各種環(huán)境條件下。例如投影透鏡通常安裝在天花板上，包括建筑物的屋頂，那兒的環(huán)境溫度在40℃以上。為了這些問(wèn)題，需要光學(xué)性質(zhì)對(duì)溫度變化不靈敏的投影透鏡。
解決溫度靈敏性的一種方法是采用玻璃構(gòu)成的透鏡單元。與塑料的相比，玻璃單元的曲率半徑和折射率的變化通常小于塑料單元。單色玻璃單元通常比塑料單元貴，特別是為色差控制而采用非球面時(shí)。如下所述，通過(guò)選擇合適的塑料粉末和位置，可以采用塑料單元并且達(dá)到所需的溫度靈敏度。
下述投影透鏡滿(mǎn)足了上述要求并且可以成功用于制造低成本的在顯示屏幕上形成高質(zhì)量彩色圖像的投影透鏡系統(tǒng)。具體而言，如下面實(shí)例所示，本發(fā)明的透鏡例如具有最大的視場(chǎng)±45°，可以工作在f／4，并且放大倍數(shù)為5．5X～9．6X。
在下列美國(guó)專(zhuān)利中描述了與像素化面板一起使用的投影透鏡，包括Taylor的美國(guó)專(zhuān)利No．4，189，211、Tanaka等人的的美國(guó)專(zhuān)利No．5，042，861、Yano等人的美國(guó)專(zhuān)利No．5，179，473、Moskovich的美國(guó)專(zhuān)利No．5，200，861、No．5，218，480、Iizuka等人的美國(guó)專(zhuān)利N0．5，278，698、Betensky的美國(guó)專(zhuān)利No．5，313，330和Yano的美國(guó)專(zhuān)利No．5，331，462。
有關(guān)LCD系統(tǒng)的討論可以參見(jiàn)Gagnon等人的美國(guó)專(zhuān)利No．4，425，028、No．4，461，542、Ledebuhr的美國(guó)專(zhuān)利No．4，826，311和EPO專(zhuān)利出版No．311，116。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述論述，本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種與像素化面板一起使用的改進(jìn)的投影透鏡，同時(shí)它具有上述6種性質(zhì)。為此，投影透鏡的焦距為f0并且按照從圖像側(cè)到物體側(cè)的順序(即從長(zhǎng)共軛側(cè)至短共軛側(cè))包括(A)焦距為f1的第一透鏡單元(U1)，包括(ⅰ)焦距為fE1的透鏡單元(E1)；以及(ⅱ)至少一個(gè)用于失真校正的非球面；以及(B)焦距為f2的第二透鏡單元(U2)，按照從圖像側(cè)的順序包括(ⅰ)焦距為f2S1的第一透鏡子單元(U2S1)；以及(ⅱ)與第一透鏡子單元相隔空間間距(tS1S2)并且焦距為f2S2的第二透鏡子單元(U2S2)，所述第二透鏡子單元包含(a)至少一個(gè)用于校正球面象差的非球面；以及(b)向透鏡系統(tǒng)提供軸向色差校正的裝置；其中|f1|／f0＞0．75；fE1＜0；f2＞0；f2／f0＜2．0；f2S1＞0；f2S1／f0＜1．5；以及|f2S2|／f0＞1．5。
在某些較佳實(shí)施例中，透鏡系統(tǒng)還滿(mǎn)足部分或全部下列關(guān)系|fE1|／f0＜1．5；以及tS1S2／f0＞0．1。
在其他較佳實(shí)施例中，第二透鏡子單元從圖像側(cè)依次包括負(fù)透鏡單元；正透鏡單元；以及包含至少一個(gè)非球面的塑料透鏡單元。帶非球面的塑料透鏡單元具有正或負(fù)的軸上放大率。這種布局便于透鏡系統(tǒng)的冷卻變態(tài)性和制造。
在進(jìn)一步的較佳實(shí)施例中，投影透鏡的半視場(chǎng)大于35°。這樣，投影透鏡系統(tǒng)的總體尺寸縮小。第一和第二透鏡單元的凈孔徑對(duì)系統(tǒng)的整體小型化也有貢獻(xiàn)，其中第一透鏡單元的凈孔徑比較好的是大于第二透鏡單元的凈孔徑。比較好的是，第一透鏡單元的凈孔徑小于像素化面板對(duì)角線(xiàn)的0．7倍。下面的實(shí)例1－3具有大于35°的半視場(chǎng)并且第一透鏡單元的最大凈孔徑小于對(duì)角線(xiàn)為12．5英寸的像素化面板的對(duì)角線(xiàn)的0．7倍。
通過(guò)改變下列參數(shù)比較好地實(shí)現(xiàn)了投影透鏡系統(tǒng)的放大倍數(shù)變化(a)投影透鏡與像素化面板之間的距離；以及(b)第一與第二透鏡單元之間的距離。特別是，第一和第二透鏡單元為聚焦而相對(duì)像素化面板沿同一方向移動(dòng)，但是移動(dòng)率不同，從而使單元之間的距離隨透鏡系統(tǒng)對(duì)不同放大倍數(shù)的聚焦而變化。
本發(fā)明的投影透鏡比較好的是設(shè)計(jì)為基本上是冷卻變態(tài)的。如下所述，為此將位置的選擇和具有光學(xué)放大率的塑料透鏡單元的放大率平衡結(jié)合起來(lái)。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1－3為按照本發(fā)明構(gòu)造的與像素化面板(PP)和Fresenal透鏡(FL)結(jié)合的投影透鏡側(cè)視圖。
圖4和5為圖1透鏡系統(tǒng)的單色光學(xué)轉(zhuǎn)移函數(shù)(MTF)曲線(xiàn)，物體(像素化面板)高度為158毫米，圖4的圖像高度為－869毫米而圖5為－1524毫米，即圖4和圖5是屏幕一面板放大倍數(shù)為－0．182和－0．104時(shí)的MTF曲線(xiàn)。這些曲線(xiàn)的左邊表明焦距數(shù)據(jù)而右邊表示焦距對(duì)頻率的數(shù)據(jù)。點(diǎn)劃線(xiàn)表示相位數(shù)據(jù)，折線(xiàn)表示SAG數(shù)據(jù)，而實(shí)線(xiàn)表示TAN數(shù)據(jù)。圖4的焦距、f／數(shù)和焦距位置為178．81、4．00和0．094。圖5的焦距、f／數(shù)和焦距位置為170．48、4．00和－0．023。
圖6為可以利用本發(fā)明投影透鏡的整個(gè)投影透鏡系統(tǒng)示意圖。
上述附圖包含在說(shuō)明書(shū)內(nèi)，描述了本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并且與描述一起闡述了本發(fā)明的原理。但是應(yīng)該理解的是，附圖以及描述僅僅具有示意性質(zhì)，對(duì)本發(fā)明無(wú)限定作用。
實(shí)施發(fā)明的較佳方式如上所述，本發(fā)明的投影透鏡系統(tǒng)被用于圖像像素化面板，例如大尺寸的LCD，在這種小型化設(shè)備中，必須在保持非常好的失真校正同時(shí)提供寬視場(chǎng)。透鏡系統(tǒng)還用于大共軛范圍，因此必須對(duì)象差進(jìn)行校正，使得象差不會(huì)隨透鏡放大倍數(shù)變化(增大)而發(fā)生明顯變化。
為此，采用負(fù)焦距型寬視場(chǎng)的透鏡系統(tǒng)。透鏡系統(tǒng)由兩個(gè)透鏡單元組成－在透鏡系統(tǒng)長(zhǎng)共軛側(cè)為放大率較弱的第一(前)透鏡單元(U1)，而在系統(tǒng)短共軛側(cè)為放大率較強(qiáng)的第二(后)透鏡單元(U2)。第二透鏡單元由兩個(gè)透鏡子單元組成，在系統(tǒng)長(zhǎng)共軛側(cè)為第一(前)透鏡單元，而在系統(tǒng)短共軛側(cè)為第二(后)透鏡單元。
這些單元和子單元的重要性質(zhì)如下(1)第一單元包含非球面以提供必要的失真校正。如上所述，對(duì)于采用像素化面板的透鏡系統(tǒng)，系統(tǒng)的失真需要很好地校正。在圖像處本發(fā)明透鏡系統(tǒng)的失真校正通常好于1％，比較好是好于0．5％。
(2)第二單元提供了透鏡系統(tǒng)的大部分放大率。這樣，透鏡系統(tǒng)的總體長(zhǎng)度可以減小。
(3)第二單元的后子單元包括提供球面象差校正的非球面。
(4)沿同一方向?yàn)榫劢苟苿?dòng)，但是移動(dòng)率不同的單元在各種圖像共軛下提供了穩(wěn)定的象散色差校正。
(5)為了降低透鏡系統(tǒng)的整體成本，用光學(xué)塑料材料制造非球面單元。
為了顏色校正，第二透鏡子單元包括軸向顏色校正裝置。可以采用現(xiàn)有技術(shù)中已知的各種軸向顏色校正裝置。比較好的方法為在第二透鏡子單元中包括由高色散材料構(gòu)成的負(fù)透鏡單元和至少一個(gè)由低色散材料構(gòu)成的正透鏡單元。高和低色散材料可以是玻璃或塑料。
高色散材料通常是具有如燧石玻璃那樣色散的材料而低色散材料是具有如無(wú)鉛玻璃那樣色散的材料。具體而言，高色散材料是折射率為1．85－1．5之間的V值介于20－50的材料，低色散材料是同樣折射率范圍內(nèi)的V值介于35－75的材料。
對(duì)于塑料透鏡單元，高和低色散材料可以是苯乙烯和聚丙烯。如果需要也可以采用其他塑料。例如可以用具有燧石類(lèi)色散的聚苯乙烯聚酯和聚合物(例如NAS)代替苯乙烯。參見(jiàn)塑料光學(xué)手冊(cè)，美國(guó)精密透鏡股份有限公司，Cincinnati，Ohio，1983，pages17－29。
如上所述，本發(fā)明的投影透鏡是冷卻變態(tài)的，因此系統(tǒng)的光學(xué)性質(zhì)(特別是系統(tǒng)的后焦距)基本上不隨投影透鏡從室溫加熱至工作溫度而變化。具體而言，后焦距的變化比較好的是小于明顯改變系統(tǒng)調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)(MTF)的量，例如每毫米3個(gè)周期上MTF的變化小于10％。對(duì)于下述具體實(shí)例，其MTF判據(jù)對(duì)應(yīng)小于±0．4毫米后焦距的變化。通過(guò)選擇和放置塑料透鏡單元的透鏡實(shí)現(xiàn)了所需的透鏡焦距熱穩(wěn)定。
通常情況下，使用塑料透鏡單元的缺點(diǎn)是塑料光學(xué)材料的折射率隨溫度明顯變化。另一種效應(yīng)是形狀變化，即塑料光學(xué)材料隨溫度變化而膨脹或收縮。后一效應(yīng)通常沒(méi)有折射率的變化明顯。
如果在透鏡中僅僅采用低放大率塑料透鏡，則可以在塑料光學(xué)熱變化與系統(tǒng)的塑料或鋁機(jī)械單元的熱變化之間實(shí)現(xiàn)平衡，例如透鏡鏡筒通常是熱引起的焦距變化的主要機(jī)械原因。在設(shè)計(jì)中不限制使用光學(xué)塑料(即可以至少使用某些較高放大率的塑料透鏡單元)的優(yōu)點(diǎn)是由于塑料透鏡單元很容易模塑，所以可以最大程度地實(shí)現(xiàn)非球面設(shè)計(jì)。使用較高放大率的塑料單元使得系統(tǒng)的整體成本降低。
如果設(shè)計(jì)中的凈塑料光學(xué)放大率是可觀的，則需要冷卻變態(tài)否則透鏡焦距將隨室溫變化至工作溫度而發(fā)生明顯變化。在必須發(fā)射大量光線(xiàn)以觀察屏幕并且由此造成工作溫度明顯大于室溫的投影儀中特別突出。
對(duì)于本發(fā)明的投影透鏡，通過(guò)考慮塑料透鏡單元的位置和放大率以及這些單元的邊緣圖像高度實(shí)現(xiàn)了冷卻變態(tài)。
就溫度變化量而言，塑料透鏡單元的位置是重要的，因此將改變單元的折射率。通常情況下，接近光源的單元或光源圖像的溫度變化更大。實(shí)際上，投影透鏡所在區(qū)域的溫度分布與光源和照明光學(xué)系統(tǒng)工作有關(guān)并且測(cè)量的值被用于投影透鏡的設(shè)計(jì)中。
特定塑料透鏡單元的邊緣光線(xiàn)高度在給定溫度變化下確定了單元折射率變化就透鏡整體熱穩(wěn)定性而言是否明顯。邊緣光線(xiàn)較小的單元通常對(duì)系統(tǒng)熱穩(wěn)定性的影響較邊緣光線(xiàn)較大的單元要小。
根據(jù)上述考慮，通過(guò)根據(jù)單元預(yù)計(jì)經(jīng)受的溫度變化和單元的邊緣光線(xiàn)高度來(lái)平衡塑料透鏡單元的正負(fù)放大率實(shí)現(xiàn)了冷卻變態(tài)。實(shí)際上，這種冷卻變態(tài)程序包含在下列計(jì)算機(jī)化的透鏡設(shè)計(jì)程序中。首先在第一種溫度分布下完成光線(xiàn)掃跡并計(jì)算后焦距。光線(xiàn)掃跡可以是邊緣光線(xiàn)的等軸掃跡。其次，在第二種溫度分布下完成光線(xiàn)掃跡并計(jì)算后焦距。在整個(gè)透鏡上第一或第二種溫度分布無(wú)需是恒定的，在典型情況下，它隨透鏡單元而變化。計(jì)算的后焦距隨后被限制為常數(shù)以在利用透鏡設(shè)計(jì)程序優(yōu)化系統(tǒng)時(shí)使用。
值得注意的是，上述方法假定投影透鏡的機(jī)械量和像素化面板保證在系統(tǒng)溫度變化下最后的透鏡表面與面板之間的距離基本上為常數(shù)。如果這種假定不成立，則可以作其他假設(shè)以完成冷卻變態(tài)，例如可以在處理中包含機(jī)械量的相對(duì)變動(dòng)測(cè)量值或者改變距離，例如可以認(rèn)為前透鏡表面與面板之間的距離的機(jī)械固定的。
圖1－3示出了按照本發(fā)明構(gòu)造的各種投影透鏡。表1－3示出了相應(yīng)的描述和光學(xué)性質(zhì)。HOYA或SVHOTT表示透鏡系統(tǒng)所用的玻璃。在實(shí)施本發(fā)明時(shí)可以采用其他制造商制造的等同玻璃。工業(yè)用材料被用于塑料單元。
表中的非球面系數(shù)用于下列方程z=cy21+[1-(1+k)c2y2]ν2+Dy4+Ey6+Fy8+Gy10+Hy12+Iy14]]>這里z為從系統(tǒng)光軸開(kāi)始距離y上的表面垂度，c為光軸上透鏡的曲率，而k為錐度常數(shù)，它除了在表1－3中指明的以外為零。
表1－3中的“第一階數(shù)據(jù)”在作為系統(tǒng)部分的Fresenel透鏡下計(jì)算。與表中各種表面有關(guān)的標(biāo)號(hào)“a”表示非球面，即上述方程中不為零的D、E、F、G、H或I中的至少一個(gè)表面；標(biāo)號(hào)“c”表示上述方程中“k”不為零的表面；以及標(biāo)號(hào)“f”表示Fresnel透鏡。表中所有給出的單位都是毫米。
表格假定光線(xiàn)從圖中左邊射向右邊。實(shí)際上，觀察屏幕在左邊而像素化面板在右邊，并且光線(xiàn)從右邊射向左邊。像素化面板在圖1－3中用標(biāo)號(hào)“PP”表示而與像素化面板相關(guān)的Fresnel透鏡用標(biāo)號(hào)“FL”表示。Fresnel透鏡用來(lái)使光源與投影透鏡的入射光瞳(表中的出射光瞳)匹配。
如上所述，通過(guò)改變共同相對(duì)像素化面板移動(dòng)的第一與第二透鏡單元之間的距離可以使圖1－3的投影透鏡在較大共軛范圍內(nèi)聚焦。如表1－3所示，與透鏡系統(tǒng)相對(duì)像素化面板的整體移動(dòng)相比，第一透鏡單元相對(duì)第二透鏡單元的移動(dòng)通常較小。
表1－3的表面編號(hào)與上述U1、E1、U2、U2S1、U2S2和FL的對(duì)應(yīng)關(guān)系示于表4。
表5概括了本發(fā)明透鏡系統(tǒng)的各種性質(zhì)。如表所示，實(shí)例的透鏡系統(tǒng)滿(mǎn)足各種透鏡單元、透鏡子單元和單元的焦距限制以及第二透鏡單元的子單元之間間距(tS1S2)的限制。
在首部“PP22”下，表5列出了第二透鏡單元相對(duì)該單元后表面的后主點(diǎn)的位置。這些值與表1－3的比較表明，該單元的后主點(diǎn)位于第二子單元較前方。這將本發(fā)明透鏡的第二透鏡單元與后主點(diǎn)位于單元中間的普通三合透鏡區(qū)分開(kāi)來(lái)。
圖4和5的曲線(xiàn)示出了圖1透鏡系統(tǒng)左邊的過(guò)焦距MTF和右邊的軸焦距MTF，圖1的透鏡系統(tǒng)的屏幕一像素化面板的放大倍數(shù)分別為－0．182和－0．104。數(shù)據(jù)示于5個(gè)區(qū)域點(diǎn)，即軸上以及最大視場(chǎng)高度的35％、70％、85％和100％。屏幕上精確的視場(chǎng)高度是示于右邊的曲線(xiàn)。這些視場(chǎng)高度用于右邊和左邊的曲線(xiàn)并且以毫米為單位。
過(guò)焦距數(shù)據(jù)用空間頻率表示，以周期／毫米為單位。過(guò)焦距和最佳焦距數(shù)據(jù)表示了正切和矢狀(虛線(xiàn))MTF。模度位于每個(gè)塊的左邊并且從0到1。MTF的相位在最佳焦距曲線(xiàn)中用點(diǎn)劃線(xiàn)表示。相位標(biāo)度示于每個(gè)最佳焦距塊的右邊并且以半徑度量。所有的MTF數(shù)據(jù)都在546．1納米波長(zhǎng)下。軸焦距如上所述偏移而最佳焦距相對(duì)過(guò)焦距曲線(xiàn)的零位移動(dòng)。最佳焦距平面位于軸過(guò)焦距曲線(xiàn)的峰值上。
圖2和3的透鏡系統(tǒng)在放大倍數(shù)范圍內(nèi)具有與圖4和5相似的MTF曲線(xiàn)。這些圖表明本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)在較寬的放大倍數(shù)范圍內(nèi)具有較好的象差控制。
圖3的透鏡設(shè)計(jì)用于對(duì)角線(xiàn)為12．5英寸(320毫米左右)的LCD面板。面板的像素尺寸為200微米，對(duì)應(yīng)1000條線(xiàn)TV的水平分辨率。本發(fā)明透鏡產(chǎn)生的面板圖像從36英寸(900毫米)至60英寸(1500毫米)。透鏡將色差控制在1／4像素(50微米)以下。對(duì)于高質(zhì)量數(shù)據(jù)或視頻投影這是非常重要的。
雖然描述和闡述了本發(fā)明的具體實(shí)施例，但是應(yīng)該理解的是，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員可以在不偏離本發(fā)明范圍的前提下對(duì)此作各種修改。
表1表面編號(hào)類(lèi)型半徑 厚度 玻璃 凈孔徑直徑1 a 194．8286 8．00000丙烯酸 170．252 c 60．4976 109．75660 126．07375．1853 10．00000LLF175．484136．8907 間隔174．905孔徑停止 0．00000 73．026129．0860 12．00000SK1872．827－344．437121．9903571．598－108．09865．00000 SF1061．529205．3792 1．00000 62．9210 201．2503 10．0000 SK1864．2411 ∞ 1．96305 69．1812a －394．464710．00000丙烯酸 70．3213a －100．0000間隔274．8414 ∞ 2．00000 丙烯酸 320．0015 －145．1760象距 320．00符號(hào)說(shuō)明a－多項(xiàng)式非球面c－錐度f(wàn)－freshel錐度表面編號(hào)常數(shù)2 －4．1664E－0115 －1．0000E+00偶多項(xiàng)式非球面表面 D EF G HI編號(hào)1－6．0946E－082．5026E－12－4．2474E－165．0369E－20 －4．4208E－24 1．6693E－28126．0712E－08 2．0076E－107．2384E－14 －75148E－17 5．4549E－20 －1．6568E－23135．5349E－07 3．8742E－10－1．5666E－141．3171E－17 1．3083E－20 －9．0221E－2415－3．5550E－091．5454E－14－4．2142E－200．0000E+000．0000E+00 0．0000E+00變量間隔焦距間隔1 間隔2 焦距偏移 圖像距離位置T(4) (13)1 25．031227．354－1．83012．5732 26．294213．849－1．51412．566表1(續(xù))第一階數(shù)f／數(shù) 4．004．00放大倍數(shù)－0．1818－0．1037物體高度－869．00－1524．0物體距離－900．14－1565．2有效焦距 178．81 170．48圖像距離 12．573 12．566總體長(zhǎng)度 1356．8 2009．7正向頂點(diǎn)距離 456．67 444．42筒長(zhǎng) 444．10 431．85停止表面數(shù) 55停止距離0．000．00停止直徑 73．024 69．240入射光瞳距離 88．419 88．943出射光瞳距離－6246．4—2940．9單元第一階性質(zhì)單元表面編號(hào) 編號(hào)放大率 f′ 1pp1′pp11 2 －0．55002E－02 －181．81 7．9311 2．462723 40．34935E－02286．24－7．4284 －13．52536 70．67621E－02147．88 2．0131 －5．371448 9 －0．10438E－01 －95．802 0．9875 －1．8762510 11 0．31865E－02313．82 －0．38351E－08 —6．0928612 13 0．37160E－02269．11 8．8774 2．2505714 15 0．34012E－02294．01 1．3389 －0．97909E－07組的第一階性質(zhì)組 表面編號(hào) 編號(hào) 放大率 f′1pp1′pp11 4 －0．87724E－04－11399． －3969．1 —6275．025 13 0．38798E－02 257．742．1688 －49．915314 15 0．34012E－02 294．011．3389 －0．97909E－07透鏡的第一階性質(zhì)焦距位置編出 放大率f′ 1pp 1′pp1 0．55926E－02178．81262．09－196．912 0．58658E－02170．48249．53－174．08
表2表面編號(hào) 類(lèi)型半徑厚度 玻璃凈孔徑直徑1a 27156．6506 8．00000丙烯酸156．132c 61．4019 54．48984 113．693a 83．5640 18．00000丙烯酸98．614 592．1970間隔195．065a 106．4909 13．00000丙烯酸68．996a －612．1763 18．45447 66．627 孔徑停止 16．00000 58．258a －79．7997 6．00000 苯乙烯61．039c 277．3432 0．75000 73．2910 230．4632 21．0000 SK5 76．9211 －74．6603 0．50000 81．3712a －104．7869 10．00000丙烯酸84．0513a －175．5202 間隔2 91．8214∞ 2．00000 丙烯酸315．0015 acf －145．1760 象距 316．34符號(hào)說(shuō)明a－多項(xiàng)式非球面c－錐度f(wàn)－freshel錐度表面編號(hào) 常數(shù)2 －2．9168E－019 －9．7917E+0115 －1．0000E+00偶多項(xiàng)式非球面表面編號(hào) DE F G H I1 2．3908E－07 －3．4397E－112．4621E－151．2648E－19 －4．0977E－232．2303E－273 －3．8129E－073．9533E－12 －8．4237E－152．2693E－183．7384E－22 －3．6138E－265 9．8098E－072．6109E－102．0807E－144．2367E－171．6288E－20 －2．4869E－236 5．9783E－071．3543E－121．7372E－13 －4．5067E－17 －4．4564E－20 －3．1331E－258 －1．3838E－061．5573E－11 －5．1429E－13 －6．8140E－172．9291E－19 －2．4056E－2212 2．0475E－074．6005E－114．2151E－14 －7．1866E－19 －5．4839E－211．0257E－2413 3．5125E－077．9683E－119．2083E－15 －3．2327E－181．6141E－228．8822E－2615 －3．5550E－091．5454E－14 －4．2142E－200．0000E+00 0．0000E+00 0．0000E+00變量間隔焦距間隔1 間隔焦距圖像位置T(4) T(13) 偏移距離134．327207．009－0．82312．493235．479193．765－0．53912．492
表3表面編號(hào) 類(lèi)型 半徑厚度 玻璃 凈孔徑直徑1 a773．31778．00000 丙烯酸 131．342 a68．8038 間隔1 104．973 a57．5756 20．00000 丙烯酸 85．074 a43000．3193 33．11847 83．245 孔徑停止 18．00000 54．396 a－51．0808 8．00000 苯乙烯 55．337 20188．0991 0．7500071．928 399．401720．00000 SK1883．619 －62．2385 0．5000084．8410 －144．3189 10．0000丙烯酸 54．3911 －162．3311 間隔2 99．9812 ∞ 2．00000丙烯酸 324．9613acf －145．1760 象距326．20符號(hào)說(shuō)明a－多項(xiàng)式非球面c－錐度f(wàn)－freshel錐度表面編號(hào) 常數(shù)13 －1．0000E+00偶多項(xiàng)式非球面表面編號(hào) D EF G H I12．8065E－08 －9．5802E－123．4911E－15 －3．8405E－19 －1．1330E－221．8634E－262 －1．1685E－07 －1．3373E－105．3413E－14 －6．7212E－18 －5．2030E－219．4262E－2536．3109E－09 －9．3902E－126．7268E－14 －8．4753E－18 －1．4957E－205．9849E－2442．9658E－078．8683E－11 －2．7028E－14 －1．8565E－171．6503E－20 －3．2817E－246 －7．5920E－073．0930E－10 －1．9499E－127．5804E－161．3124E－18 －1．2617E－21112．0900E－074．8660E－112．4565E－14 －1．5910E－175．0824E－21 －5．0813E－2513 －3．5550E－091．5454E－14 －4．2142E－200．0000E+00 0．0000E+00 0．0000E+00變量間隔焦距 間隔1 間隔 焦距 圖像位置 T(4) T(13)偏移 距離141．972223．883－2．7079．996238．104217．390－1．4999．996
表2(續(xù))第一階數(shù)f／數(shù) 4．004．00放大倍數(shù)－0．1818－0．1037物體高度－869．00－1524．0物體距離－900．14－1553．1有效焦距 175．49 167．37圖像距離 12．493 12．492總體長(zhǎng)度 1322．0 1963．0正向頂點(diǎn)距離 422．02 409．93筒長(zhǎng) 409．53 397．44停止表面數(shù) 77停止距離0．000．00停止直徑 57．578 54．700入射光瞳距離 80．298 80．825出射光瞳距離 －2056．5 —1434．2單元第－階性質(zhì)單元 表面編號(hào) 編號(hào) 放大率 f′1pp 1′pp11 2 －0．79984E－02 －125．035．3736 0．12150E－0123 40．51188E－02 195．36 －1．9588 －13．88235 60．53945E－02185．381．2986 －7．465248 9 －0．96608E－02 －103．51 0．83532 －2．9031510 11 0．10219E－01 97．85210．229 －3．3136612 13 －0．18049E－02 －554．04 －10．413 －17．442714 15 0．34012E－02 294．011．3389 －0．97909E—07組的第一階性質(zhì)組 表面編號(hào) 編號(hào)放大率 f′1pp 1′pp11 4 －0．72934E－03 －1371．1 －363．23 －589．8425 13 0．46009E－02217．3527．600 －52．653314 15 0．34012E－02294．011．3389 －0．97909E－07透鏡的第一階性質(zhì)焦距位置編出 放大率 f′1pp 1′pp10．56983E－02175．49240．68 －194．0820．59746E－02167．37228．61 －171．70
表3(續(xù))第一階數(shù)f／數(shù) 4．024．02放大倍數(shù) －0．1805－0．1066物體高度 －900．58—1524．0物體距離 －1057．8－1827．7有效焦距203．28 201．65圖像距離9．9964 9．9964總體長(zhǎng)度1454．0 2213．6正向頂點(diǎn)距離396．22 385．86筒長(zhǎng)386．22 375．86停止表面數(shù)55停止距離 0．000．00停止直徑54．392 53．125入射光瞳距離72．868 71．621出射光瞳距離 －9386．3—5310．9單元第一階性質(zhì)單元 表面編號(hào) 編號(hào)放大率 f′ 1pp 1′pp1 1 2 －0．65135E－02 －153．53 5．9007 0．525002 3 40．85660E－02116．74 －0．17948E－01 －13．4053 6 7 －0．11678E－01 －85．6280．12657E－01 －5．00244 8 90．11708E－0185．414 10．724 －1．67125 10 11 －0．30997E－03 －3226．1－65．694 －73．8936 12 13 0．34012E－02294．01 1．3389 －0．97909E－07組的第一階性質(zhì)組表面編號(hào) 編號(hào) 放大率 f′1pp 1′pp1 1 2 －0．65135E－02 —153．535．9007 0．525002 3 110．76563E－02130．6142．328－87．4653 12 130．34012E－02294．011．3389 －0．97909E－07透鏡的第一階性質(zhì)焦距位置編出 放大率 f′1pp 1′pp10．49192E—02203．28271．74－227．2720．49590E－02201．65265．60－211．65
表4

表5

表中f0值不包括Fresnel透鏡(f3)。包括fresnel透鏡的對(duì)應(yīng)值在實(shí)例1、2和3中分別為178．81，157．49和203．28。
權(quán)利要求
1．一種形成物體圖像的投影透鏡，其特征在于所述投影透鏡的焦距為f0并且按照從圖像側(cè)的順序包括(A)焦距為f1的第一透鏡單元，包括(ⅰ)焦距為fE1的透鏡單元；以及(ⅱ)至少一個(gè)用于失真校正的非球面；以及(B)焦距為f2的第二透鏡單元，按照從圖像側(cè)的順序包括(ⅰ)焦距為f2S1的第一透鏡子單元；以及(ⅱ)與第一透鏡子單元相隔空間間距并且焦距為f2S2的第二透鏡子單元，所述第二透鏡子單元包含(a)至少一個(gè)用于校正球面象差的非球面；以及(b)向透鏡系統(tǒng)提供軸向色彩校正的裝置；其中|f1|／f0＞0．75；fE1＜0；f2＞0；f2／f0＜2．0；f2S1＞0；f2S1／f0＜1．5；以及|f2S2|／f0＞1．5。
2．一種形成物體圖像的投影透鏡，其特征在于所述投影透鏡的焦距為f0并且按照從圖像側(cè)的順序包括(A)焦距為f1的第一透鏡單元，包括(ⅰ)焦距為fE1的透鏡單元；以及(ⅱ)至少一個(gè)用于失真校正的非球面；以及(B)焦距為f2的第二透鏡單元，按照從圖像側(cè)的順序包括(ⅰ)焦距為f2S1的第一透鏡子單元；以及(ⅱ)與第一透鏡子單元相隔空間間距并且焦距為f2S2的第二透鏡子單元，所述第二透鏡子單元按照從圖像側(cè)的順序包含(a)負(fù)透鏡單元；(b)正透鏡單元；以及(c)具有至少一個(gè)非球面的塑料透鏡單元；其中|f1|／f0＞0．75；fE1＜0；f2＞0；f2／f0＜2．0；f2S1＞0；f2s1／f0＜1．5；以及|f2s2|／f0＞1．5。
3．如權(quán)利要求2所述的投影透鏡，其特征在于第二透鏡子單元的塑料透鏡單元具有正的軸上放大率。
4．如權(quán)利要求2所述的投影透鏡，其特征在于第二透鏡子單元的塑料透鏡單元具有負(fù)的軸上放大率。
5．如權(quán)利要求2所述的投影透鏡，其特征在于第二透鏡子單元的負(fù)透鏡單元的色散大于第二透鏡子單元的正透鏡單元的色散。
6．如權(quán)利要求1或2所述的投影透鏡，其特征在于|fE1|／f0＜1．5。
7．如權(quán)利要求1或2所述的投影透鏡，其特征在于tS1S2／f0＞0．1，這里，tS1S2是第一和第2透鏡子單元間的空間長(zhǎng)度。
8．如權(quán)利要求1或2所述的投影透鏡，其特征在于透鏡沿圖像方向具有至少35°的半視場(chǎng)。
9．如權(quán)利要求1或2所述的投影透鏡，其特征在于第一透鏡單元的最大凈孔徑大于第二透鏡單元的最大凈孔徑。
10．如權(quán)利要求1或2所述的投影透鏡，其特征在于第二透鏡單元的后主點(diǎn)位于第二透鏡子單元圖像端的前面。
11．如權(quán)利要求1或2所述的投影透鏡，其特征在于透鏡的失真小于圖像處的1％。
12．如權(quán)利要求1或2所述的投影透鏡，其特征在于物體是像素化面板。
13．如權(quán)利要求12所述的投影透鏡，其特征在于投影透鏡的橫向色差小于物體的一個(gè)像素。
14．如權(quán)利要求12所述的投影透鏡，其特征在于第一透鏡單元的最大凈孔徑小于像素化面板對(duì)角線(xiàn)的0．7倍。
15．一種用于形成物體圖像的投影透鏡系統(tǒng)，其特征在于包括(a)包括光源和形成光源圖像的照明光學(xué)的照明系統(tǒng)，所述光源的圖像是照明系統(tǒng)的輸出；(b)包含物體的像素化面板；以及(c)權(quán)利要求1或2所述的投影透鏡。
16．如權(quán)利要求15所述的投影透鏡系統(tǒng)，其特征在于通過(guò)改變下列參數(shù)改變系統(tǒng)的放大倍數(shù)(ⅰ)投影透鏡與像素化面板之間的距離；以及(ⅱ)第一與第二透鏡單元之間的距離。
全文摘要
一種與LCD面板一起使用的投影透鏡。透鏡包括:第一透鏡單元(U1),它包括具有校正失真的非球面的強(qiáng)的負(fù)透鏡單元(E1);第二透鏡單元(U2),它包括與較弱放大率的第二透鏡子單元(U文檔編號(hào)G02B27/18GK1278925SQ98811140
公開(kāi)日2001年1月3日 申請(qǐng)日期1998年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月13日
發(fā)明者J·莫斯可維奇 申請(qǐng)人:美國(guó)精密鏡片股份有限公司