专利名称：投影变焦透镜及配备所述透镜的光学投影机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于投影机以将胶片或幻灯片上形成的图像或由液晶显示或其它类似装置显示的图像在屏幕上投影成放大的图像的投影变焦透镜，以及配备了所述透镜的光学投影机。
背景技术：
用于将胶片或幻灯片上形成的图像或由液晶显示或其它类似装置显示的图像在屏幕上投影成放大的图像的光学投影机具有包括一个远心变焦透镜的投影光学系统。大多数投影变焦透镜是具有1.2倍变焦率的四组或五组变焦透镜。大多数标准的四组或五组远心变焦透镜在增大焦距(因此增大放大率)时，在屏幕一侧的变焦透镜前端的第一组透镜以及在物点一侧的变焦透镜后端的第四组或第五组透镜是固定的，在第一和第四透镜组之间或者第一和第五透镜组之间的透镜组移动。
常规的四组或五组远心变焦透镜(例如在JP2000-206409A中所公开的)需要大量的透镜以获得较高的像差减小和较广的视场角。因此，常规的投影变焦透镜需要大量透镜以将像差(例如慧差和畸变)减小到期望的水平，所以常规的投影变焦透镜构造复杂，成本较高。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够减少常规投影变焦透镜中的问题并通过使用相对较少数量的透镜较为满意地减少像差的投影变焦透镜，并提供一种能够在屏幕上形成具有较高图片质量的图像的光学投影机。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有一光轴的投影变焦透镜，所述投影变焦透镜包括具有负折射率并置于屏幕一侧的前端第一透镜组；具有正折射率并置于第一透镜组之后的第二透镜组；具有负折射率并置于第二透镜组之后的第三透镜组；具有正折射率并置于第三透镜组之后的第四透镜组；以及具有正折射率并置于第四透镜组之后、物点一侧的后端第五透镜组；其中第五透镜组保持静止，第一、第二、第三和第四透镜组沿光轴移动以增大放大率，第一透镜组包括一个单个弯月透镜，具有一个面对屏幕的凸面和面对物点的非球面，第二透镜组包括一个凸面面对屏幕的单个第二组透镜，第三透镜组包括具有负折射率的双凹第三组第一透镜以及一个双凸第三组第二透镜，它具有面对物点的非球面以及正折射率并粘合到第三组第一透镜物点一侧的后表面，第四透镜组包括一个具有正折射率、凸面面对物点的单个第四组透镜，第五透镜组包括一个具有正折射率的单个双凸第五组透镜。
在根据本发明的投影变焦透镜中，第一至第五透镜组实际上包括六个透镜。
在根据本发明的投影变焦透镜中，第一、第二、第三和第四透镜组沿光轴朝屏幕移动以增大放大率。
根据本发明的光学投影机包括一个用于产生图像的图像形成装置；以及通过其投影由图像形成装置产生的图像的上述投影变焦透镜。
根据本发明，投影变焦透镜的组件透镜的表面包括最少必需数量的非球面表面，并且第一、第二、第三和第四透镜组沿光轴朝屏幕移动以增大放大率，第五透镜组保持静止。包括相对较少数量组件透镜的投影变焦透镜能够较为满意地减少像差并具有较宽的半视场角。
以下结合附图的说明可以更清楚地说明本发明的上述以及其它目的、特性和优点，这些附图是
图1(a)、1(b)和1(c)是根据本发明的一个优选实施例的分别处于广角位置的最大广角、中间角度位置和远摄位置的投影变焦透镜的示意图；图2是图1中示出的投影变焦透镜的示意图，示出了出射自物点的光线的通路；图3是图1中示出的投影变焦透镜的数据表，其中表面数显示在OBJ一栏，表面的曲率半径(毫米)显示在RDY一栏，透镜的厚度或相邻表面之间的间隙显示在THI一栏，并且*1、*2、*3、*4和*5表示投影变焦透镜分别处于广角位置的最大广角、中间角度位置和摄远位置时透镜组之间的间隔；图4(A)、4(B)和4(C)分别显示了图1示出的投影变焦透镜处于摄远位置时的球面像差、像散和畸变；图5(A)、5(B)和5(C)分别显示了图1示出的投影变焦透镜处于远摄位置时由图1中示出的投影变焦透镜引起的球面像差、像散和畸变；图6(A)、6(B)、6(C)、6(D)和6(E)显示了图1示出的投影变焦透镜处于广角位置(相对视场高度分别为1.00、0.86、0.73、0.53和0.00)时引起的横向像差；图7(A)、7(B)、7(C)、7(D)和7(E)显示了由图1示出的投影变焦透镜处于摄远位置(相对视场高度分别为1.00、0.86、0.73、0.53和0.00)时引起的横向像差；以及图8是一个配备了根据本发明的投影变焦透镜的光学投影机。
具体实施例方式
图1(a)、1(b)和1(c)示出了根据本发明的一个优选实施例的分别处于广角位置、中间角度位置和远摄位置的投影变焦透镜2，图2示出了图1中示出的投影变焦透镜2中出射自物点的光线的通路。
参见图1和2，投影变焦透镜2包括具有负折射率的第一透镜组10、具有正折射率的第二透镜组20、具有负折射率的第三透镜组30、具有正折射率的第四透镜组40以及具有正折射率的第五透镜组50，所述五组透镜组排列顺序为自屏幕一侧的前端(即图1中的左侧)朝向物体表面一侧的后端(即图1中的右侧)。在本说明书中，术语“透镜组”同时用于指单个透镜和复合透镜。尽管第一透镜组10、第二透镜组20、第四透镜组40和第五透镜组50实际上是单个透镜，但此处为了方便起见，同样命名为“透镜组”。
投影变焦透镜2在物点一侧实质上是远心的。在图1中，每一平行光束都具有一朝向左侧、出射自物体表面70上的物点的主光线，并且该主光线通过投影变焦透镜2被投射到屏幕上。为简化说明，假设每一光束都包括一出射自屏幕的主光线并且该主光线通过投影变焦透镜2被聚焦到物点上。
第五透镜组50保持静止，第一透镜组10、第二透镜组20、第三透镜组30和第四透镜组40沿光轴移动以增大放大率。这样，第一透镜组10移动，第三透镜组30和第四透镜组40独立地移动以进行变焦。第一透镜组10、第二透镜组20、第三透镜组30和第四透镜组40沿光轴朝向屏幕移动以增大放大率。
第一透镜组10是一个具有凸球面面对屏幕、非球面11a面对物点的单个弯月透镜11。弯月透镜11具有较大直径以将光线以较大的视场角投射到屏幕上。弯月透镜的非球面11a是为了将来自屏幕并且落在弯月透镜11上的光线的像差减小到尽可能小的程度。由于移动第一透镜组10进行变焦，对于最大和最小放大率之间较宽的放大率范围，可以保持较大的视场角和较高的像差减小特性，尽管第一透镜组10是单个弯月透镜11。
第二透镜组20是一个前凸面面对屏幕的单个第二组透镜21。一光阑20a置于第二组透镜21的前表面附近。光阑20a和第二组透镜21作为一个单元移动。
第三透镜组30是一个复合透镜30a，该复合透镜30a通过将屏幕一侧的双凹第三组第一透镜31和处于物点一侧的、其非球面背表面32a面对物点的双凸第三组第二透镜32放置在一起，并将透镜31和32粘合在一起构成的。复合透镜30a主要用作校正色差，具有非球面背表面32a的第三组第二透镜32主要用作校正球面像差。
第四透镜组40是一单个第四组透镜41。第四组透镜41和复合透镜30a独立地移动以增大放大率。第四组透镜41与复合透镜30a协同校正球面像差。第四组透镜41紧靠第五透镜组50放置以与第五透镜组50协同为投影变焦透镜2提供远心特性。由于第四组透镜41与复合透镜30a可以独立地移动以进行变焦，第四组透镜41可以相对于复合透镜30a第五透镜组50自由移动以校正球面像差并由第四组透镜41在不同的放大率保证远心特性。
第五透镜组50是一个具有正折射率的单个双凸第五组透镜51。第五透镜组50为投影变焦透镜2提供了远心特性。投影变焦透镜2的远心特性可以通过相对于第五透镜组50移动第四组透镜41从最小和最大放大率之间的放大率范围来保持。
因此，投影变焦透镜2具有非常少的透镜，即，实际上为六个透镜。
以下将以投影变焦透镜2的一个实例说明投影变焦透镜。
图1(a)、1(b)和1(c)是分别处于广角位置的最大角度、中间角度位置和摄远位置的投影变焦透镜2。在该投影变焦透镜2中，第一透镜组10、第二透镜组20、第三透镜组30、第四透镜组40和第五透镜组50的表面，除非球面表面11a和32a以外，是球面。
表面11a和32a的非球面形状通过表达式(1)描述。
x=Ry21+1-(1+K)R2y2+Ay4+By6+Cy8+Dy10---(1)]]>在表达式(1)中，非球面表面11a的系数R的值是OBJ一栏中编号为2的表面的曲率半径(RDY)，系数K、A、B、C和D的值是显示在图3中No.2和STO(光阑20a)之间的那些值。非球面表面32a的系数R的值是编号为8的表面的曲率半径(RDY)，系数K、A、B、C和D的值是显示在图3中No.8和9之间的那些值。在以下对投影变焦透镜2的说明中，f表示投影变焦透镜2的焦距，f-No.表示光圈数。
投影变焦透镜2的焦距f在f＝16.55mm(广角位置的最大角度)和f＝19.85mm(远摄位置)之间可变。投影变焦透镜2的光圈数在f-No.＝0.2(广角位置的最大角度)和f-No.＝2.3(远摄位置)之间可变。投影变焦透镜2的半视场角θ约为30°。投影变焦透镜2的变焦率约为1.2，在相同的空气中的后焦距为23.2mm。
图3示出了有关投影变焦透镜2的数据，其中OBJ一栏中显示了从前端朝向后端的透镜的表面数，RDY一栏中显示了表面的曲率半径(单位为毫米)，THI一栏中显示了透镜的厚度或相邻表面之间的间隙(单位为毫米)。GLA一栏中显示了构成透镜的材料的D线折射指数和阿贝数。例如，GLA＝583130.594609意味着构成透镜的材料的D线折射指数为1.583130(＝1+0.583130)并且阿贝数为59.4609。
在图3中，*1表示投影变焦透镜2分别处于广角位置的最大广角、中间角度位置和摄远位置时弯月透镜11面对屏幕的前表面和屏幕之间的间隔，*2表示弯月透镜11在物点一侧的后表面与第二组透镜21在屏幕一侧的前表面之间的间隔，*3表示第二组透镜21在物点一侧的后表面与第三组第一透镜31在屏幕一侧的前表面之间的间隔，*4表示第三组第二透镜32在物点一侧的后表面与第四组透镜41在屏幕一侧的前表面之间的间隔，*5表示第四组透镜41在物点一侧的后表面与第五组透镜51在屏幕一侧的前表面之间的间隔。
投影变焦透镜2处于广角位置的最大广角时引起的像差显示在图4和6中，投影变焦透镜2处于摄远位置时引起的像差显示在图5和7中。图4(A)和5(A)显示了球面像差，图4(B)和5(B)显示了像散，图4(C)和5(C)显示了畸变。图4(B)和5(B)中的曲线S和T是分别相对于弧矢像表面和正切像表面的像散。图6(A)、6(B)、6(C)、6(D)和6(E)是投影变焦透镜2处于广角位置(相对视场高度分别为1.00、0.86、0.73、0.53和0.00)时引起的横向像差的曲线图，图7(A)、7(B)、7(C)、7(D)和7(E)是投影变焦透镜2处于摄远位置(相对视场高度分别为1.00、0.86、0.73、0.53和0.00)时引起的横向像差的曲线图。
第五透镜组50保持静止，第一透镜组10、第二透镜组20、第三透镜组30和第四透镜组40沿光轴移动以增大投影变焦透镜2的放大率，该投影变焦透镜2包括具有负折射率的第一透镜组10、具有正折射率的第二透镜组20、具有负折射率的第三透镜组30、具有正折射率的第四透镜组40以及具有正折射率的第五透镜组50，所述五组透镜组排列顺序为自屏幕一侧的前端朝向物点一侧的后端。第一透镜组10是凸球面面对屏幕、非球面11a面对物点的单个弯月透镜11，第二透镜组20是凸面面对屏幕的单个第二组透镜21，第三透镜组30是通过将屏幕一侧具有负折射率的双凹第三组第一透镜31和位于物点一侧、非球面背面32a面对物点的第三组第二透镜32放置在一起并将透镜31和32粘合在一起形成的复合透镜30a，第四透镜组40是具有正折射率、凸面面对物点的单个第四组透镜41，第五透镜组50是具有正折射率的单个双凸第五组透镜51。这样，投影变焦透镜2包括相对较少的透镜数(即六个透镜)、具有较大的半视场角θ(约为30°)并且在减少包括球面像差、像散和畸变的像差方面具有非常令人满意的光学性能。
第一透镜组10、第二透镜组20、第三透镜组30和第四透镜组40沿光轴朝向屏幕移动以增大投影变焦透镜2的放大率。由于第一透镜组10并不保持静止，而是朝向屏幕移动以增大放大率，对于最大和最小放大率之间较宽的放大率范围，可以保持较大的视场角和较高的像差减小特性，尽管第一透镜组10是单个弯月透镜11。
由于第四组透镜41与复合透镜30a可以独立地移动以进行变焦，第四组透镜41可以相对于复合透镜30a和第五透镜组50自由移动以校正球面像差并由第四组透镜41在不同的放大率保证远心特性。
由胶片、幻灯片或液晶显示在图1中右侧的物点70上形成一个图像，并且物体表面70通过投影变焦透镜2投影到屏幕上。
以下将参照图8说明根据本发明的一个优选实施例的配备了上述投影变焦透镜2的光学投影机1。
光学投影机1具有用于形成彩色图像的图像形成单元3以及投影变焦透镜2。图像形成单元3包括三个液晶显示，一个将由三个液晶显示形成的三个彩色图像进行合成的合成棱镜60以及一个用于支承合成棱镜60并进行光学补偿的光学元件60a。在图8中，通常假设由三个液晶显示形成的图像由一个置于物体表面70上的液晶显示来显示，而省略该三个液晶显示。通过合成棱镜60合成由三个液晶显示形成的三个图像所形成的图像通过投影变焦透镜2投影到屏幕5上。由于投影变焦透镜2在从物体表面70朝向屏幕5的方向上是远心的，图像可以被清晰地投影到屏幕5上，图片质量不受由液晶显示形成的图像的角度的影响。投影变焦透镜2具有较长的后焦距，因此，合成棱镜60可以置于投影变焦透镜2和物体表面70之间。
图像形成单元3可以包括光调制器，例如具有用作像素、胶片或幻灯片以替代液晶显示的微镜的装置。
配备了所述投影变焦透镜2的光学投影机1能够将图像以较高的图片质量投影到屏幕5上。
从上述说明可以显而易见，根据本发明，具有简单的构造、实际上包括六个透镜的投影变焦透镜能够形成具有较小像差和较大视场角(例如半视场角约为30°)图像。配备了所述投影变焦透镜的光学投影机能够将图像以较高的图片质量投影到屏幕上。
尽管根据本发明的优选实施例对本发明所作的说明带有一定程度的特殊性，显而易见的是，可以在其中做出许多更改和变更。因此，应当理解，在不偏离本发明的范围和精神的情况下，可以这里处具体说明以外的方式实施本发明。
权利要求
1.一种具有光轴的投影变焦透镜，包括具有负折射率并置于屏幕一侧前端的第一透镜组；具有正折射率并置于该第一透镜组之后的第二透镜组；具有负折射率并置于该第二透镜组之后的第三透镜组；具有正折射率并置于该第三透镜组之后的第四透镜组；以及具有正折射率并置于该第四透镜组之后、物点一侧后端的第五透镜组；其中所述第五透镜组保持静止，所述第一、第二、第三和第四透镜组沿光轴移动以增大放大率，所述第一透镜组包括一个凸面面对屏幕、非球面面对物点的单个弯月透镜，所述第二透镜组包括一个凸面面对屏幕的单个第二组透镜，所述第三透镜组包括一个复合透镜，该复合透镜包含一个具有负折射率的双凹第三组第一透镜以及一个具有面对物点的非球面和正折射率并粘合到第三组第一透镜物点一侧后表面的双凸第三组第二透镜，所述第四透镜组包括一个具有正折射率、凸面面对物点的单个第四组透镜，以及所述第五透镜组包括一个具有正折射率的单个双凸第五组透镜。
2.根据权利要求1的投影变焦透镜，其特征在于所述第一至第五透镜组实际上包括六个透镜。
3.根据权利要求1的投影变焦透镜，其特征在于所述第一、第二、第三和第四透镜组沿光轴朝向屏幕移动以增大放大率。
4.一种光学投影机，包括用于产生图像的图像形成装置；以及根据权利要求1至3的任意一项、通过其投影由所述图像形成装置产生的图像的投影变焦透镜。
全文摘要
投影变焦透镜，包括具有负折射率并包括一个非球面面对物体表面的单个弯月透镜的第一透镜组，具有正折射率并包括一个单个第二组透镜的第二透镜组，具有负折射率并包括一个复合透镜的第三透镜组，包括一个单个第四组透镜的第四透镜组以及具有正折射率并包括一个单个第五组透镜的第五透镜组。第五透镜组保持静止，第一、第二、第三和第四透镜组沿光轴朝向屏幕移动以增大投影变焦透镜的放大率。
文档编号G02B15/177GK1550818SQ20041000483
公开日2004年12月1日 申请日期2004年2月9日 优先权日2003年2月10日
发明者西田和弘 申请人:精工爱普生株式会社