专利名称：变焦透镜和具有该变焦透镜的图像投影设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变焦透镜。
背景技术：
过去，开发了用于液晶投影仪(图像投影设备)中的各种变焦透镜，所述液晶投影仪使用显示元件例如液晶显示器，并把在显示元件上形成的图像投影到屏幕上。
要求在液晶投影仪中使用的变焦透镜能够以短的投影距离投影大的图像，并且要投影清晰的图像。因而，要求用于液晶投影仪的变焦透镜具有大的视场角和高的分辨率，特别要求其没有显著的颜色漂移(偏移)或横向色差。
在这种投影仪中的照明光源装置产生热量，这引起环境温度的增加。因此要求在投影仪中使用的变焦透镜的光学特性随环境温度不发生大的改变，特别是，聚焦状态不发生大的改变。
作为用于投影仪中的变焦透镜，已知有一种负前置型(negative-lead-type)变焦透镜，其中负透镜单元被设置在放大侧，以使得视场角宽(见美国专利申请公开No.2003/0234984和美国专利No.6204976)。
已知一种用于投影仪的变焦透镜，其中在各种像差当中，尤其是横向色差被有效地校正，以减少颜色漂移(偏移)，借以增强光学性能(见美国专利No.7016188)。
一种有效的用于容易地提供高清晰度投影图像的方法是在变焦透镜中使用由塑料材料制成的非球面透镜。
不过，由塑料材料制成的非球面透镜的光学特性随环境的改变而发生显著的改变。鉴于此，在已知的变焦透镜中，使用由玻璃制成的非球面透镜，以提供高清晰度的投影图像(见美国专利No.6985302)。
近年来，强烈要求在液晶投影仪中使用的变焦透镜具有宽的视场角、在缩小侧是远心的、并且在整个变焦范围内具有良好的光学性能。
还要求即使环境发生改变时，光学特性的改变，尤其是聚焦的改变是小的。
为了满足这种要求，需要变焦透镜的类型、每个透镜单元的配置以及每个透镜的材料被合适地设计。
发明内容
按照本发明的一个方面，提供一种在缩小侧上为远心的变焦透镜，其从放大侧到缩小侧按照以下提及的顺序包括第一负透镜、第二负透镜和第一正透镜，其中在第一负透镜和第二负透镜当中，至少一个负透镜具有非球面表面，所述变焦透镜满足-f12/fw＜1.4，-f12/(Hwpn-f12)＜0.6，以及|dn/dt|＜1.0×10-5，其中f12是由第一负透镜和第二负透镜构成的组合光学系统的焦距，Hwpn是从由第一负透镜和第二负透镜构成的组合光学系统的后主点到第一正透镜的前主点的距离，dn/dt是相对于所述一个负透镜的材料的温度从25℃开始的变化，所述材料的折射率的改变，fw是整个透镜系统在广角端的焦距。
按照本发明的另一个方面，提供一种图像投影设备，其包括用于形成原始图像的显示单元，以及用于把所述原始图像投影到投影表面上的上述的变焦透镜。
按照本发明的另一个方面，提供一种图像拾取设备，其包括固态图像拾取元件和在所述固态图像拾取元件上形成对象的图像的上述的变焦透镜。
从下面参照附图进行的示例实施例的说明，可以清楚地看出本发明的其它特征。
图1示意地表示具有按照第一实施例的变焦透镜的图像投影设备的相关部分；图2表示按照第一实施例的变焦透镜在广角端的像差；图3表示按照第一实施例的变焦透镜在远摄端的像差；图4示意地表示具有按照第二实施例的变焦透镜的图像投影设备的相关部分；图5表示按照第二实施例的变焦透镜在广角端的像差；图6表示按照第二实施例的变焦透镜在远摄端的像差；图7示意地表示具有按照第三实施例的变焦透镜的图像投影设备的相关部分；图8表示按照第三实施例的变焦透镜在广角端的像差；图9表示按照第三实施例的变焦透镜在远摄端的像差；图10示意地表示具有按照第四实施例的变焦透镜的图像投影设备的相关部分；图11表示按照第四实施例的变焦透镜在广角端的像差；图12表示按照第四实施例的变焦透镜在远摄端的像差；图13示意地表示具有按照第五实施例的变焦透镜的图像投影设备的相关部分；图14表示按照第五实施例的变焦透镜在广角端的像差；图15表示按照第五实施例的变焦透镜在远摄端的像差；图16示意地表示具有按照第六实施例的变焦透镜的图像投影设备的相关部分；图17表示按照第六实施例的变焦透镜在广角端的像差；图18表示按照第六实施例的变焦透镜在远摄端的像差；图19示意地表示液晶彩色投影仪的相关部分；以及图20示意地表示一种图像拾取设备的相关部分。
具体实施例方式
本发明提供一种变焦透镜(适用于例如液晶投影仪)，在整个变焦范围内，其具有良好的光学性能，并且当环境条件改变时，不发生光学特性的显著改变，在变焦时也没有显著的像差改变。
按照后面将要说明的本发明的多个实施例的一个方面的变焦透镜的特征如下。首先，这种变焦透镜在缩小侧是远心的，并具有第一负透镜、第二负透镜和第一正透镜。第一和第二负透镜中的至少一个具有非球面的表面。在这种变焦透镜中，满足以下条件-f12/fw＜1.4，(1)-f12/(Hwpn-f12)＜0.6，(2)以及|dn/dt|＜1.0×10-5， (3)其中f12是由第一负透镜和第二负透镜构成的合成光学系统的焦距，Hwpn是由第一负透镜和第二负透镜构成的合成光学系统的后主点和第一正透镜的前主点之间的距离，dn/dt是相对于温度从25℃开始的变化前述的负透镜中的一个的材料的折射率的改变，fw是整个透镜系统在广角端的焦距。
其中，缩小侧指的是缩小共轭侧，即，在投影仪的情况下原件一侧(或面板侧)，以及在图像拾取设备的情况下(例如照相机)的光电变换器一侧(或胶卷侧)。与缩小侧相对的一侧被称为“放大侧”或“放大共轭侧”。
借助于上述特征，可以解决前述的问题，实现本发明的目的。下面参照
的特定实施例仅仅是一些示例的方案，它们是用于解决上述问题和其它问题所希望的方案，但是它们的特定特征对于本发明未必是必要的。
下面说明按照本发明的变焦透镜和具有所述变焦透镜的图像投影设备以及图像拾取设备。
图1分别表示使用按照本发明的第一实施例的变焦透镜的图像投影设备(液晶视频投影仪)在广角端和在远摄端的相关部分。
图2和图3分别表示在第一实施例中在广角端(或者最短焦距位置)以及在远摄端(最长焦距位置)在1890毫米的屏幕距离(从第一透镜单元到屏幕的距离)下的像差。
图4分别表示使用按照本发明的第二实施例的变焦透镜的图像投影设备在广角端和在远摄端的相关部分。
图5和图6分别表示在第二实施例中在广角端和远摄端在1890毫米的屏幕距离下的像差。
图7分别表示使用按照本发明的第三实施例的变焦透镜的图像投影设备在广角端和在远摄端的相关部分。
图8和图9分别表示在第三实施例中在广角端和远摄端在2100毫米的屏幕距离下的像差。
图10分别表示使用按照本发明的第四实施例的变焦透镜的图像投影设备在广角端和在远摄端的相关部分。
图11和图12分别表示在第四实施例中在广角端和远摄端在2100毫米的屏幕距离下的像差。
图13分别表示使用按照本发明的第五实施例的变焦透镜的图像投影设备在广角端和远摄端的相关部分。
图14和图15分别表示在第五实施例中在广角端和远摄端在2100毫米的屏幕距离下的像差。
图16分别表示使用按照本发明的第六实施例的变焦透镜的图像投影设备在广角端和远摄端的相关部分。
图17和图18分别表示在第六实施例中在广角端和远摄端在2100毫米的屏幕距离下的像差。
图19示意地表示彩色液晶投影仪的相关部分。
图20示意地表示图像拾取设备的相关部分。
图1，4，7，10，13和16表示按照第一到第六实施例的图像投影设备，所示的图像投影设备处于这样一种状态在液晶板LCD上显示的原件(或者要被投影的图像)被变焦透镜(或投影透镜)PL以放大的方式投影到屏幕表面S上。
屏幕表面(投影表面)S和液晶板(液晶显示元件)被设置在变焦透镜PL的像面上。屏幕表面S和液晶板LCD是相互共轭的，一般屏幕表面S位于放大侧(或前侧)上较长距离的共轭点上，液晶板LCD位于缩小侧(或后侧)上较短距离的共轭点上。
当变焦透镜被用作拍摄系统时，屏幕表面S侧相当于物侧，液晶板LCD侧相当于像侧。
变焦透镜具有孔径光阑STO。
这种设备具有玻璃块GB，例如符合光学设计而提供的颜色组合棱镜、偏振滤光器或彩色滤光器。
变焦透镜PL通过安装件(未示出)被安装在液晶视频投影仪(未示出)的主体上。玻璃块GB和液晶显示元件LCD(作为显示单元)被容纳在投影仪的主体内。
透镜单元按照从放大侧到缩小侧的次序被编号，第i个透镜单元由Li表示。
图1，4，7，10，13和16中的箭头表示各个透镜单元在从广角端到远摄端变焦时的移动轨迹。
液晶板LCD由来自在缩小侧上提供的照明光学系统(未示出)的光照明。
为了确保和照明光学系统的满意的光瞳对准(pupil alignment)，变焦透镜PL被设计成具有远心性，其中在液晶板LCD侧(即缩小侧)上的光瞳位于远方位置。
玻璃块GB包括用于组合各种颜色R、G和B的液晶板的图像的装置，用于只选择特定的偏振方向的装置和用于改变偏振相位的装置。
按照各实施例的变焦透镜PL被构成为一种负前置型变焦透镜，包括多个透镜单元，其中最前面的透镜(被设置在放大侧上)是负透镜。借助于这种结构，确保后焦点足够长，以使得没有困难地安排玻璃块GB。
在按照各实施例的变焦透镜PL中，为了获得变焦功能，使一些透镜单元沿着光轴移动，以改变整个系统的组合焦距。
按照图1，4，7和10所示的第一到第四实施例的每个变焦透镜共包括六个透镜单元L1到L6。在按照第一到第四实施例的变焦透镜中，当从广角端到远摄端进行变焦时，第二透镜单元L2、第三透镜单元L3、第四透镜单元L4和第五透镜单元L5被相互独立地朝着放大侧上的屏幕S移动，如相应的图中的箭头所示。
第一透镜单元L1和第六透镜单元L6不被移动用于变焦，即，它们在变焦时是不移动的。因为第一透镜单元L1移动用于聚焦，如下面将要说明的，如果变焦和聚焦被同时进行，则在变焦期间第一透镜单元L1移动。
按照图13和16所示的第五和第六实施例的变焦透镜包括共5个透镜单元L1到L5。在按照第五和第六实施例的变焦透镜中，当从广角端到远摄端变焦时，第二透镜单元L2、第三透镜单元L3和第四透镜单元L4被相互独立地朝着屏幕S移动，如相应的图中的箭头所示。
第一透镜单元L1和第五透镜单元L5不被移动用于变焦。
在每个实施例的变焦透镜中，通过沿着光轴移动第一透镜单元L1实现聚焦。
或者，可通过移动液晶板LCD或第六透镜单元L6实现聚焦。
在按照图1，4，13和16所示的第一、第二、第五和第六实施例的变焦透镜中，在第三透镜单元L3的缩小侧上设置有孔径光阑STO。
在按照图7和图10所示的第三和第四实施例的变焦透镜中，孔径光阑STO被设置在第四透镜单元L4的缩小侧上。
孔径光阑STO在变焦时被移动。
每个透镜表面具有被施加到其上用于防止反射的多层涂层。
在像差图中，曲线G表示在波长为550纳米时的像差，曲线R表示在波长为620纳米时的像差，曲线B表示在波长为470纳米时的像差。并且示出了在波长为550纳米时弧矢像面S的倾斜以及子午像面M的倾斜。在像差图中，Fno是F数，ω是半视场角，Y是图像高度。
按照各实施例的每个变焦透镜在缩小侧上是远心的，并且由多个透镜单元构成。
每个变焦透镜具有负透镜(第一负透镜)G1，负透镜(第二负透镜)G2，正透镜(第一正透镜)G3，它们按照以上提及的顺序从放大侧到缩小侧排列。在负透镜G1和G2当中，至少一个负透镜具有非球面表面。
此时，阿贝常数νd和局部色散率θgF被分别表示如下νd＝(Nd-1)/(NF-NC)，θgF＝(Ng-NF)/(NF-NC)，其中Ng，Nd，NF和NC分别表示材料对于g线、d线、F线和C线的折射率。
按照每个实施例的变焦透镜满足以下条件(1)到条件(7)中的至少一个条件-f12/fw＜1.4 (1)，-f12/(Hwpn-f12)＜0.6 (2)，|dn/dt|＜1.0×10-5(3)，θgF-(0.6438-0.001682×νd)＜0.006 (4)，f3/fw＜5.0 (5)，fn/fw＞-4.5 (6)，1.3＞|L/Dpw|，1.3＞|L/Dpt| (7)，其中fn表示负透镜G1或负透镜G2的焦距，f12表示由负透镜G1和负透镜G2构成的组合系统的焦距，Hwpn表示从由负透镜G1和负透镜G2构成的组合系统的后主点到正透镜G3的前主点的距离，dn/dt表示构成负透镜Gn的材料的折射率相对于从25℃开始的温度变化(0℃-40℃)的改变，f3表示正透镜G3的焦距，νd和θgF分别表示构成正透镜G3的材料的阿贝常数和局部色散率，Dpw和Dpt分别表示在广角端和远摄端从缩小侧透镜表面到缩小侧光瞳位置的距离，L表示透镜的全长，其在这里被定义为从第一透镜表面到最后一个透镜表面的距离，fw表示在广角端变焦透镜的焦距。
条件(1)表示使正透镜G3中离轴主光线的高度hb为大的条件。如果-f12/fw的值大于条件(1)的上限，则正透镜G3对于校正由具有强的折射本领(power)的负透镜G1和负透镜G2产生的横向色差几乎没有效果。
条件(2)表示使负透镜G1和负透镜G2中的轴上光线(on-axisray)的高度h为小的条件。如果-f12/(Hwpn-f12)的值大于条件(2)的上限，则在负透镜G1和负透镜G2中的球面像差的敏感度变高，因而在失真校正中的自由度变小。
条件(3)表示构成具有非球面表面的负透镜Gn的材料的折射率的改变相对温度改变的比率。如果|dn/dt|的值变得大于条件(3)的上限，则温度的改变将引起焦点位置的改变和/或变焦透镜的性能变劣。
当使用满足条件(4)的材料作为正透镜G3的材料时，在负透镜G1和负透镜G2中产生的横向色差被有效地校正。
如果θgF-(0.6438-0.001682×νd)的值大于条件(4)的上限，则在短波长分量中的横向色差可能不能被校正(具有在短波长分量中的横向色差不能被充分地校正的可能性)。
条件(5)表示在使变焦透镜的整个长度较短的同时有效地校正正透镜G3中的横向色差和失真的条件。如果f3/fw的值变得大于条件(5)的上限，则不能满意地达到上述的效果。
条件(6)表示通过使用负透镜G1或负透镜G2更容易地使视场角为大的条件。如果fn/fw的值小于所述下限，则不能实现足够宽的视场角。
条件(7)是使按照每个实施例的变焦透镜在缩小侧上为远心的条件。在这些实施例中，“在图像侧上为远心”这个表述指的是满足条件(7)的至少一个条件。
当满足条件(7)的至少一个条件时，便满意地实现了在图像侧的远心性。
在按照各实施例的变焦透镜中，更优选的是在条件(1)到(7)中的数值限制被修改如下
-f12/fw＜1.36(1a)，-f12/(Hwpn-f12)＜0.55(2a)，|dn/dt|＜0.5×10-5(3a)，θgF-(0.6438-0.001682×νd)＜0 (4a)，f3/fw＜4.8 (5a)，fn/fw＞-4.0 (6a)，1.2＞|L/Dpw|，1.2＞|L/Dpt| (7a).
在按照各实施例的每个变焦透镜中，可以在负透镜G1和负透镜G2之间或者在负透镜G2和正透镜G3之间，提供具有比由条件(5)和(6)限定的折光力显著地小的折光力的透镜。在这种情况下，从像差校正的观点看来，希望这些附加的透镜的焦距fe满足以下条件|fe|/fw＞6.0。
更优选的是满足以下的条件(1b)到(7b)0.8＜-f12/fw (1b)，0.1＜-f12/(Hwpn-f12) (2b)，1.0×10-7＜|dn/dt|(3b)，-0.03＜θgF-(0.6438-0.001682×νd)(4b)，1.0＜f3/fw(5b)，fn/fw＜-1.0 (6b)，0.85＞|L/Dpw|，0.85＞|L/Dpt| (7b).
当不满足条件(1b)时，负透镜G1和G2的折射本领是如此之强，使得产生失真和横向色差。当不满足条件(2b)时，负透镜G2和正透镜G3之间的间隔是如此之大，以使得整个变焦透镜的尺寸变大。当不满足条件(5b)时，正透镜G3的折射本领是如此之大，以致产生球面像差。当不满足条件(6b)时，负的折射本领是如此之大，以致产生像差，例如失真和横向色差。
下面将参照
按照各实施例的变焦透镜的各个细节。
在下面的说明中，术语“旁轴边缘光线(旁轴轴上光线)”指的是来自光轴上的物点的光束当中离开光轴最远而行进的光束。轴上光线的高度h是轴上光线和光轴之间的距离。
术语“离轴主光线(或光瞳旁轴光线)指的是来自离开光轴的物点的光束当中通过其重心的光束。离轴主光线的高度hb是离轴主光线和光轴之间的距离。
假定光束从放大侧(即，在这些实施例中从屏幕侧)发出。还假定屏幕被设置在光学系统的左侧，并且从屏幕侧进入光学系统的光束从左向右行进。
在下面对每个透镜单元的透镜配置的说明中，除非另有说明，将按照透镜从放大侧到缩小侧的排列次序提及各组成透镜。
按照第一实施例的变焦透镜是一种六单元变焦透镜，其包括从放大侧到缩小侧按照提及的顺序排列的第一到第六透镜单元L1到L6，它们分别具有负的、正的、正的、负的、正的和正的折光力(折光力是由焦距的倒数表示的光焦度)，如图1所示。
第一透镜单元L1包括具有非球面表面的负弯月透镜G11，其凸面朝向放大侧，该第一透镜单元L1还包括双凹负透镜G12。
在其上离轴主光线的高度hb较小的负透镜G11的缩小侧表面被设计使得具有负的折射本领(折光力)，以实现宽视场角。在其上离轴主光线的高度hb较大的负透镜G11的放大侧表面被设计使得具有正的折光力，这对于校正失真是有效的，并且其被设计为非球面表面，以便出色地校正失真。
构成负透镜G11的材料满足条件(3)。因而，即使其具有强的折射本领，也不会发生由温度改变引起的焦点位置的改变或者性能的变劣。
负透镜G12被设计使得具有强的折射本领以提供宽的视场角。负透镜G11和负透镜G12被设计使得满足条件(1)，因此使得当反向行进时从负透镜G12朝着缩小侧出射的离轴主光线基本上平行于光轴，借以使得将在下面说明的第二透镜单元L2中的正透镜G21上的离轴主光线的高度hb为大。
第二透镜单元L2只包括具有正折光力的双凸正透镜G21。第二透镜单元L2有效地校正横向色差，该横向色差是在离轴主光线的高度hb大的位置处，由第一透镜单元L1中的具有负折射本领的负透镜G11以及负透镜G12产生的，如上所述；该第二透镜单元L2还校正失真。
在这种变焦透镜中，满足条件(2)。因而使得在负透镜G11和负透镜G12上的轴上光线的高度h足够小，并使球面像差的敏感度较小，由此使得校正失真时的自由度较大。
通过使用满足条件(4)的材料作为正透镜G21的材料，其校正二次光谱的能力被增强。因而，使得能够容易地进行横向色差的校正。
第三透镜单元L3包括双凸正透镜G31和光阑STO。和第二透镜单元L2类似，第三透镜单元L3沿着光轴移动以改变整个透镜系统的组合焦距，从而实现变焦。
第四透镜单元L4包括由凸面朝着放大侧的负弯月透镜G41和双凸正透镜G42构成的接合透镜。第四透镜单元L4减轻像差，例如由在变焦时起主要作用的第二透镜单元L2和第三透镜单元L3的移动引起的球面像差和轴向色差。第四透镜单元L4被设置在轴上光线的高度h大，而离轴主光线的高度hb小的位置，由此使得第四透镜单元L4满意地校正球面像差和轴向色差，同时抑制横向色差的产生。
第五透镜单元L5包括由双凹负透镜G51和双凸正透镜G52构成的接合透镜以及双凸正透镜G53。第五透镜单元L5在整个变焦范围内满意地校正横向色差和像场弯曲。
第六透镜单元L6包括双凸正透镜G61。第六透镜单元L6具有减少第一到第五透镜单元L1到L5的组合折光力的功能。第六透镜单元L6的这种光学功能对于构成大视场角、大直径的变焦透镜是有利的。
利用上述的特征，按照第一实施例的变焦透镜在广角端和远摄端都具有出色的光学特性，这一点由图2和图3将会理解。
按照第二实施例的变焦透镜是一种六单元变焦透镜，包括从放大侧到缩小侧按照所提及的顺序排列的第一到第六透镜单元L1-L6，它们分别具有负的、正的、正的、负的、正的和正的折光力(折光力是由焦距的倒数表示的光焦度)，如图4所示。
第一透镜单元L1包括凸面朝着放大侧的负弯月透镜G11，还包括具有非球面表面的双凹负透镜G12以及双凸正透镜G13。
第三透镜单元L3包括凸面朝着放大侧的正弯月透镜G31和光阑STO。和第二透镜单元L2类似，第三透镜单元L3沿着光轴移动，以改变整个透镜系统的组合焦距的焦距，从而实现变焦。
在按照第二实施例的变焦透镜中，在第二透镜单元L2上离轴主光线的高度hb小于按照第一实施例的变焦透镜中的该高度。第二透镜单元L2在变焦中起主要作用。
除去上面提及的那些之外的透镜单元的功能与按照第一实施例的变焦透镜中的相同。
利用上述的特征，按照第二实施例的变焦透镜在广角端和远摄端都具有出色的光学特性，由图5和图6将会理解这一点。
按照第三实施例的变焦透镜是一种六单元变焦透镜，包括从放大侧到缩小侧按照所提及的顺序排列的第一到第六透镜单元L1-L6，它们分别具有负的、正的、正的、正的、负的和正的折光力，如图7所示。
在按照第三实施例的变焦透镜中，在第二实施例中的第一透镜单元L1被分成包括两个负透镜的第一透镜单元L1和包括单个正透镜的第二透镜单元L2，从而减少在变焦时的像差改变。
在按照第三实施例的变焦透镜中的第三透镜单元L3和第四透镜单元L4对应于在按照第二实施例的变焦透镜中的第二透镜单元L2和第三透镜单元L3。
在按照第三实施例的变焦透镜中的第五透镜单元L5对应于按照第二实施例的变焦透镜中的第四透镜单元L4和第五透镜单元L5，不过其被构成一个透镜单元。在第三实施例中，附加地提供有具有弱的负折射本领的第五透镜单元L5。第五透镜单元L5具有两种功能，即作为补偿器透镜单元的功能和使得在变焦时离轴像差的改变为小的功能。
除去上面提及的那些之外的透镜单元的配置与按照第二实施例的变焦透镜中的相同。
利用上述的特征，按照第三实施例的变焦透镜在广角端和远摄端都具有出色的光学特性，由图8和图9将会理解这一点。
按照第四实施例的变焦透镜是一种六单元变焦透镜，包括从放大侧到缩小侧按照所提及的顺序排列的第一到第六透镜单元L1-L6，它们分别具有负的、正的、正的、正的、正的和正的折光力，如图10所示。
在按照第四实施例的变焦透镜中，在按照第二实施例的变焦透镜中的第一透镜单元L1被分成包括两个负透镜的第一透镜单元L1和包括单个正透镜的第二透镜单元L2，如同第一实施例的情况那样，从而减少在变焦时的像差改变。
在按照第四实施例的变焦透镜中的第三透镜单元L3和第四透镜单元L4对应于在按照第二实施例的变焦透镜中的第二透镜单元L2和第三透镜单元L3。
在按照第四实施例的变焦透镜中的第五透镜单元L5对应于按照第二实施例的变焦透镜中的第四透镜单元L4和第五透镜单元L5，不过其被构成一个透镜单元。在第四实施例中，附加地提供有具有弱的正折射本领的第五透镜单元L5。第五透镜单元L5具有两种功能，即作为补偿器透镜单元的功能和使得在变焦时离轴像差的改变为小的功能。
除去上面提及的那些之外的透镜单元的配置与按照第二实施例的变焦透镜中的相同。
利用上述的特征，按照第四实施例的变焦透镜在广角端和远摄端都具有出色的光学特性，由图11和图12将会理解这一点。
按照第五实施例的变焦透镜是一种五单元变焦透镜，包括从放大侧到缩小侧按照所提及的顺序排列的第一到第五透镜单元L1-L5，它们分别具有负的、正的、正的、正的和正的折光力，如图13所示。
在按照第五实施例的变焦透镜中的第四透镜单元L4对应于按照第一实施例的变焦透镜中的第四透镜单元L4和第五透镜单元L5，不过其被构成一个透镜单元。在第五实施例中，附加地提供有具有弱的正折射本领的第四透镜单元L4。第四透镜单元L4具有两种功能，即作为补偿器透镜单元的功能和使得在变焦时离轴像差的改变为小的功能。
在第五实施例中的第一、第二、第三和第五透镜单元L1、L2、L3和L5分别对应于第一实施例中的第一、第二、第三和第六透镜单元L1、L2、L3和L6，在第五实施例中的这些透镜单元的配置和技术益处与第一实施例中的相同。
利用上述的特征，按照第五实施例的变焦透镜在广角端和远摄端都具有出色的光学特性，由图14和图15将会理解这一点。
按照第六实施例的变焦透镜是一种五单元变焦透镜，包括从放大侧到缩小侧按照所提及的顺序排列的第一到第五透镜单元L1-L5，它们分别具有负的、正的、正的、负的和正的折光力，如图16所示。
在按照第六实施例的变焦透镜中的第四透镜单元L4对应于按照第一实施例的变焦透镜中的第四透镜单元L4和第五透镜单元L5，不过其被构成一个透镜单元。在第六实施例中，附加地提供有具有弱的负折射本领的第四透镜单元L4。第四透镜单元L4具有两种功能，即作为补偿器透镜单元的功能和使得在变焦时离轴像差的改变为小的功能。
在第六实施例中的第一、第二、第三和第五透镜单元L1、L2、L3和L5分别对应于第一实施例中的第一、第二、第三和第六透镜单元L1、L2、L3和L6，在第六实施例中的这些透镜单元的配置和技术益处与第一实施例中的相同。
利用上述的特征，按照第六实施例的变焦透镜在广角端和远摄端都具有出色的光学特性，由图17和图18将会理解这一点。
图19示意地表示按照本发明的一个实施例的图像投影设备的相关部分。
在图19所示的设备中，如上面描述的变焦透镜被应用于三板型液晶彩色投影仪，其中由多个液晶板产生的多种颜色的光的图像信息通过颜色组合装置102被组合。图像投影设备通过变焦透镜103把放大的图像投影到屏幕表面(投影表面)104上。
图19所示的液晶彩色投影仪101借助于作为颜色组合装置的棱镜102把来自用于R，G，B各颜色的三个液晶板105R，105G，105B的多种颜色R，G，B的光组合在一个光路中，并借助于采取如上述的变焦透镜形式的投影透镜103把组合的光投影到屏幕104上。
图20示意地表示按照本发明的一个实施例的图像拾取设备的相关的部分。在图20所示的实施例中，使用如上述的变焦透镜作为图像拾取设备106例如摄像机、胶卷照相机或数字照相机中的拍摄透镜。
图20所示的设备通过拍摄透镜108在感光部件107上形成对象109的图像，从而感光部件接收来自对象的光，并获得图像信息。感光部件可以是银卤化物胶卷或固态图像拾取元件(光电变换器)，例如CCD传感器或CMOS传感器。
按照上述的实施例，可以提供一种适用于液晶投影仪中的变焦透镜，其在整个图像帧内呈现出色的光学性能，在变焦时能够满意地校正像差，同时可以使得整个透镜系统的尺寸为小。
此外，可以提供一种适用于图像拾取设备例如摄像机、胶卷照相机或数字照相机中的变焦透镜，其中图像信息(对象的图像)被形成在银卤化物胶卷上或固态图像拾取元件(光电变换器)例如CCD传感器或CMOS传感器上。
下面给出对应于按照第一到第六实施例的变焦透镜的数值实施例1-6。在每个数值实施例中，数字i表示从放大侧(或前侧)计数的光学表面编号。因而，ri是第i个光学表面(第i个表面)的曲率半径，di是第i个表面和第(i+1)个表面之间的间隔。曲率半径ri和间隔di以毫米为单位表示。ni表示第i个光学部件的d线折射率，νi表示第i个光学部件的阿贝常数，fw表示在广角端的焦距，ft表示在远摄端的焦距，Fno表示f数。
非球面形状根据距离光轴的高度h，以及在所述高度h处沿平行于光轴的方向距离作为参考点的表面顶点的位移(或距离)，由下面的公式表示X＝(h2/r)/[1+{1-(1+k)(h/r)2}1/2]+Ah4+Bh6+Ch8+Dh10+Eh12，其中k是圆锥常数，A，B，C，D和E是非球面系数，r是旁轴曲率半径。
在下面，表达“e-z”代表“10-z”。
在表1中将给出在数值实施例1-6中和上述的条件(1)-(7)相关的透镜结构和值。
在表1中，将对于分别被表示为f1和f2的负透镜G1和负透镜G2的焦距给出与条件(6)相关的值。
(数值实施例1)fw15.05 ft22.28 Fno1.95-2.54
(*)非球面表面表面间隔
非球面系数
(数值实施例2)fw16.68 ft24.70 Fno2.2-2.73
(*)非球面表面表面间隔
非球面系数
(数值实施例3)fw16.69 ft24.72 Fno2.2-2.67
(*)非球面表面表面间隔
非球面系数
(数值实施例4)fw16.69 ft24.72 Fno2.2-2.89
(*)非球面表面表面间隔
非球面系数
(数值实施例5)fw16.71 ft21.38 Fno1.95-2.20
(*)非球面表面表面间隔
非球面系数
(数值实施例6)fw16.72 ft21.42 Fno1.95-2.27
(*)非球面表面表面间隔
非球面系数
表1(和实施例中的条件相关的值)
*反常色散＝θgF-(0.6438-0.001682×νd)按照上述实施例，可以提供一种变焦透镜或投影仪，其在图像帧内具有出色的光学性能，其中由环境改变引起的光学特性的改变以及在变焦时的像差改变是小的。这种变焦透镜适用于例如液晶投影仪中。
虽然参照示例的实施例对本发明进行了说明，应当理解，本发明不限于上述的示例的实施例。对下面的权利要求的范围应当给予最宽的解释，以便包括所有的修改和等同结构与功能。
权利要求
1.一种在缩小侧为远心的变焦透镜，其从放大侧到缩小侧按照以下提及的顺序包括第一负透镜；第二负透镜；以及第一正透镜，其中第一负透镜和第二负透镜中的至少一个负透镜具有非球面表面，以及所述变焦透镜满足以下条件-f12/fw＜1.4，-f12/(Hwpn-f12)＜0.6，以及|dn/dt|＜1.0×10-5，其中f12是由第一负透镜和第二负透镜构成的组合光学系统的焦距，Hwpn是从由第一负透镜和第二负透镜构成的组合光学系统的后主点到第一正透镜的前主点的距离，dn/dt是所述一个负透镜的材料的折射率相对于其温度从25℃开始的变化的改变，fw是整个透镜系统在广角端的焦距。
2.如权利要求1所述的变焦透镜，其满足以下条件θgF-(0.6438-0.001682×vd)＜0.006其中vd和θgF分别是第一正透镜的材料的阿贝常数和局部色散率。
3.如权利要求1所述的变焦透镜，其满足以下条件f3/fw＜5.0其中f3是第一正透镜的焦距。
4.如权利要求1所述的变焦透镜，其满足以下条件fn/fw＞-4.5其中fn是第一负透镜或第二负透镜的焦距。
5.如权利要求1所述的变焦透镜，其满足以下条件1.3＞|L/Dpw|以及1.3＞|L/Dpt|其中Dpw和Dpt分别是在广角端和在远摄端从缩小侧透镜表面到缩小侧光瞳位置的距离，L是变焦透镜的总长度。
6.如权利要求1所述的变焦透镜，其中所述第一负透镜被设置在变焦透镜内放大侧最前方的位置，第二负透镜被设置在与第一负透镜相邻的位置，以及第一正透镜被设置在与第二负透镜相邻的位置。
7.如权利要求1到6中任何一个所述的变焦透镜，其中变焦透镜从放大侧到缩小侧按照以下提及的顺序包括具有负折光力的第一透镜单元，具有正折光力的第二透镜单元，具有正折光力的第三透镜单元，具有负折光力的第四透镜单元，具有正折光力的第五透镜单元和具有正折光力的第六透镜单元，第一透镜单元和第六透镜单元不移动用于变焦，在从广角端到远摄端变焦时，第二、第三、第四和第五透镜单元向放大侧移动，第一负透镜和第二负透镜被包括在第一透镜单元中，以及第一正透镜被包括在第二透镜单元中。
8.如权利要求1到6中任何一个所述的变焦透镜，其中变焦透镜从放大侧到缩小侧按照以下提及的顺序包括具有负折光力的第一透镜单元，具有正折光力的第二透镜单元，具有正折光力的第三透镜单元，具有负折光力的第四透镜单元，具有正折光力的第五透镜单元和具有正折光力的第六透镜单元，第一透镜单元和第六透镜单元不移动用于变焦，在从广角端到远摄端变焦时，第二、第三、第四和第五透镜单元向放大侧移动，第一负透镜、第二负透镜和第一正透镜被包括在第一透镜单元中。
9.如权利要求1到6中任何一个所述的变焦透镜，其中变焦透镜从放大侧到缩小侧按照以下提及的顺序包括具有负折光力的第一透镜单元，具有正折光力的第二透镜单元，具有正折光力的第三透镜单元，具有正折光力的第四透镜单元，具有负折光力的第五透镜单元和具有正折光力的第六透镜单元，第一透镜单元和第六透镜单元不移动用于变焦，在从广角端到远摄端变焦时，第二、第三、第四和第五透镜单元向放大侧移动，第一负透镜和第二负透镜被包括在第一透镜单元中，以及第一正透镜被包括在第二透镜单元中。
10.如权利要求1到6中任何一个所述的变焦透镜，其中变焦透镜从放大侧到缩小侧按照以下提及的顺序包括具有负折光力的第一透镜单元，具有正折光力的第二透镜单元，具有正折光力的第三透镜单元，具有正折光力的第四透镜单元，具有正折光力的第五透镜单元和具有正折光力的第六透镜单元，第一透镜单元和第六透镜单元不移动用于变焦，在从广角端到远摄端变焦时，第二、第三、第四和第五透镜单元向放大侧移动，第一负透镜和第二负透镜被包括在第一透镜单元中，以及第一正透镜被包括在第二透镜单元中。
11.如权利要求1到6中任何一个所述的变焦透镜，其中变焦透镜从放大侧到缩小侧按照以下提及的顺序包括具有负折光力的第一透镜单元，具有正折光力的第二透镜单元，具有正折光力的第三透镜单元，具有正折光力的第四透镜单元和具有正折光力的第五透镜单元，第一透镜单元和第五透镜单元不移动用于变焦，在从广角端到远摄端变焦时，第二、第三和第四透镜单元向放大侧移动，第一负透镜和第二负透镜被包括在第一透镜单元中，以及第一正透镜被包括在第二透镜单元中。
12.如权利要求1到6中任何一个所述的变焦透镜，其中变焦透镜从放大侧到缩小侧按照以下提及的顺序包括具有负折光力的第一透镜单元，具有正折光力的第二透镜单元，具有正折光力的第三透镜单元，具有负折光力的第四透镜单元和具有正折光力的第五透镜单元，第一透镜单元和第五透镜单元不移动用于变焦，在从广角端到远摄端变焦时，第二、第三和第四透镜单元向放大侧移动，第一负透镜和第二负透镜被包括在第一透镜单元中，以及第一正透镜被包括在第二透镜单元中。
13.一种图像投影设备，包括用于形成原件的显示单元；以及用于把原件投影到投影表面上的按照权利要求1到6中任何一个所述的变焦透镜。
14.一种图像拾取设备，包括固态图像拾取元件；以及用于在所述固态图像拾取元件上形成对象的图像的按照权利要求1到6中任何一个所述的变焦透镜。
全文摘要
一种在缩小侧上为远心的变焦透镜，包括从放大侧到缩小侧排列的第一负透镜，第二负透镜和第一正透镜。第一负透镜和第二负透镜中的至少一个具有非球面表面。所述变焦透镜满足－f12/fw＜1.4，－f12/(Hwpn－f12)＜0.6，以及|dn/dt|＜1.0×10
文档编号G03B21/00GK101086552SQ20071011022
公开日2007年12月12日 申请日期2007年6月8日 优先权日2006年6月8日
发明者杉田茂宣 申请人:佳能株式会社