专利名称：：用于架空式投影仪的固定焦距三重投影透镜的制作方法
技术领域：
：本发明通常涉及光学透镜，具体而言，涉及用于架空式投影仪的Cooke三重投影透镜，该透镜包括两个由眼用冕牌玻璃(ophthalmiccrownglass)制成的外侧正单元和一个由轻质燧石玻璃(lightflintglass)制成的内部负单元。通过选择具有特殊光学特性的玻璃材料，这种透镜结构提供了出众的性能价格比。
背景技术：
：Cooke三重投影透镜最初发明于1893年(参见英国专利Nos.15,107和22,607以及美国专利Nos.540,122和568,052)，从那时起在设计上对其作了许多改进。摄影和投影物体是三重透镜最重要的用途。照相属于这种透镜形式最初一类的应用，并且延续至今成为重要的应用领域(参见美国专利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、英国专利4,714(1911)、422,246(1933)、5,32,950(1939)、601,649(1948)、612,757(1948)、德国专利434,759(1924)和法国专利1,037,274(1953))。在投影应用领域，Cooke三重投影透镜已经被用于CRT电视投影仪(美国专利No.4,163,604)、运动图像投影仪(美国专利Nos.2,503,701、2,720,814)、幻灯投影仪(美国专利Nos.1,937,168、3,237,520和3,905,686)和架空式投影仪(美国专利No.3,936,155)。三重透镜也有少数专利涉及静电复印和其它应用领域(美国专利Nos.1,485,929、1,937,168、3,202,051和3,584,936)。在架空式投影仪中，Cooke三重透镜有两种基本类型定焦(参见’155专利)和变焦(参见德国专利No.4,118,146)。后者的透镜单元之间的间隔是可变的，以出众的性能。Cooke三重透镜一般由安置在称为镜筒的机械结构内的三块玻璃或聚合物(称作单元)构成。外侧的开始和结束单元通常具有正的光学放大率，而内部单元的放大率通常为负。经过尝试，发现相反的排列不大容易满足需要。已经出版了许多有关这种类型透镜设计方法的专著(例如参见WarrenJ.Smith的“现代光学工程”节12.6或者RudlofKingslake的“透镜设计基础”第13章节V)。通常建议选用高折射率的玻璃并且从最初专利开始在实践中就一直沿用这种做法。一个极端的例子是美国专利No.3,838,910，它采用折射率大于1.9的玻璃制造透镜。实践中的这种做法的理论基础在于简单透镜(例如单个单元)情况下折射率与球差之间的关系。单元折射率的提高减小了给定焦距下透镜的曲率，进而抑制了一定光孔高度下的入射角变化，并由此减小了球差。这表明在快f数的透镜中高折射率是极有用处的。美国专利No.2,731,884揭示，三重透镜中两个正放大率单元的平均折射率应该大于负放大率单元的折射率，从而通过减小透镜的Petzval曲率来提高视场范围。注意到Petzval曲率等于诸单元的放大率与其折射率相除之和就可以理解这一点。对于正焦距透镜而言，正单元的放大率必须大于负单元的放大率。因此如果折射率相等，则Petzval曲率很重要。使正单元的折射率大于负单元的折射率减小了视场曲率。在架空式投影仪的投影透镜设计中，透镜总长度(又称镜筒长度)是另一个重要的设计参数。它被定义为第一透镜表面沿轴向到最后透镜表面的距离。正如’155专利中所指出的那样，较短的透镜可以用小透镜直径制造并且节省材料，从而降低材料和其它成本。这还提高了架空式投影仪的机械稳定性。美国专利No.3,762,801不仅强调了总长度短的重要性，而且强调了摄像机成品体积小巧的重要性。在前面Smith论及的一般原理中，以缩小孔径为代价，减少冕牌单元与燧石单元的Abbe数值差将缩短优化透镜的总长度并增加视场范围。该原理对于所有消象散透镜而非仅仅是三重透镜的没计都是重要的，并且对设计者在改进用于其它特殊场合的透镜方面提出了建议。Smith引用三种专利透镜(美国专利No.2,453,260、英国专利No.155,640和德国专利287,089)作为优秀设计的例子，这些设计对快速、小视场透镜的Abbe数值差较大(Δν＝22)，而慢速、大视场透镜的Abbe数值差较小(Δν＝15)。相反，美国专利No.3,762,801论述了相以Abbe数值差的短而慢速的窄视场透镜，但是这种透镜需要非球面单元或者高折射率材料适当校正象差。在以下几个专利中都暗示采用凹凸形正单元，它们包括美国专利Nos.2,818,777、3,762,801、3,838,910、3,910,685、4,105,308、4,109,995和4,787,724。所有这些专利都论述采用这种类型的单元，但是却没有提及这样做的优点。按照Kingslake的看法(p.240)，“一旦高斯提出望远镜的物镜可以用两块凹凸形单元制造，那么显而易见的优点就是这种系统没有色球差。”他进而指出，AlvanClark预见到用这样两块背对背的物镜可以制造出优秀的摄像机透镜。这种摄像机透镜就是现在人们熟知的双高斯型透镜并且被当作高质量的摄像机物镜使用。该类型的透镜校正能力强。凹凸形单元另一熟知的应用是在Bouwers-Maksutov望远镜中作为球差“校正器”(Kingslake，p.311ff.)。在这些透镜中，凹凸形单元被用来补偿球面主镜的球差。尽管有上面的技术基础，但是现有技术中的Cooke三重透镜，尤其是用于架空式投影仪的这类透镜仍然存在某些缺点，例如存在球面象差、慧形象差和象散，而且虽然可以通过调整单元的某些参数来抑制其中某一缺陷，但是在这过程中又会扩大其它缺陷的不利影响。对于架空式投影仪制造而言，始终有降低制造成本并保持或不断提高产品质量的要求。因此设计一种体积小巧、成本低廉并且重要性能出众(例如能在一般情况下提供轮廓明晰的真实图像)的Cooke三重透镜结构是值得的，并且也是有利可图的。
发明内容本发明提供一种架空式投影仪用的投影透镜，该透镜通常包括两个由眼用冕牌玻璃制成的外侧正单元和一个由燧石玻璃制成的内部负单元。其中一个正单元为双凸面形；另一个为凹凸形。双凸面形单元可以是等凸面形的。比较好的是，冕牌玻璃的折射率为1.523左右，而Abbe数值在58.5左右或者至少在58-60范围内。燧石玻璃的折射率小于1.573，而Abbe数值在43-53范围内，比较好的是在48-52.5范围内。透镜总长度小于焦距的六分之一。附图的简要说明借助以下附图将能最透彻地理解本发明，本发明的附图包括图1为采用按照本发明结构的投影透镜的通用型架空式投影仪的剖面图；图2为本发明透镜较佳实施例的轴向部分的示意图；以及图3为本发明较佳实施例的调制传递函数(MTF)。实施发明的较佳方式在Cooke三重投影透镜中，正如上述实例所示，采用凹凸形状来校正带象差。如果在设计中将凹凸形单元的内表面改为平面并对设计重新进行优化，则慧形象差得到了改善(由于透镜对称性提高)，但是却大大增加了球面象差和象散。本发明克服了这个难题，其实现途径是，将透镜弯曲成所需的凹凸形状，减小入射到两个表面上的大部分光线的入射角，这样就减少了象散，并形成负球面象差来补偿第一单元较强的正球面象差。除了象差校正能力以外，凹凸形单元对于透镜公差也有积极的意义。由于减小了大部分光线的入射角，所以该单元对曲率和厚度的公差要求相对放宽，从而节约了制造成本并提高了透镜成品的性能。当凹凸形单元离光阑最远时效果尤其明显。在架空式投影仪(OHP)中(例如在图1所示的通用OHP10中)，光阑为光源即灯21图像。本发明的新型多单元投影透镜16位于投影仪头部18内，一般通过悬臂20固定在底座14上。为了尽可能地缩小投影仪头部18的尺寸，最好使透镜侧面上的光阑与屏幕靠得最近。在这种情况下，比较好的但非必须的做法是使透镜16的凹凸形单元位于与被投影幻灯片靠得最近的透镜侧面上。图1示出了典型OHP的其它特征，包括诸如安装在悬臂20粗调机构上的旋钮22之类的装置，用来调节头部18的实际高度；光源或等21；背反射镜23；以及安装在台面区域12上的Fresnel透镜24。但是，由于投影透镜16同样可以用于其它改进的OHP设计，所以这里OHP10特定的实施例并不对本发明有限定的含义存在。例如，这里阐述的设计是透射式OHP，但是透镜16同样可以用于反射式OHP。降低三重透镜成本的一种可行途径是采用价格低廉的玻璃或聚合物。但是，由于透镜附近高度集中的光能可能会引起材料的热变形并且伴随而来的是性能上的损失，所以聚合物一般不宜在架空式投影仪中采用。这样只剩下玻璃成为合适的材料了。玻璃的成本取决于成份和加工精度。投影透镜一般用特殊的“光学质量”玻璃制造。眼用透镜由“眼用冕牌”玻璃(例如SchottB270或ComingB23-59)制得。虽然眼用级玻璃的制造过程不如光学级玻璃规定得那样严格，但是其质量已经足以供架空式投影透镜使用。因此本发明的目标是采用眼用冕牌玻璃来制造质量有所提高的投影透镜。冕牌单元的折射率介于1.518-1.28之间，Abbe数选在58-60范围内。现在参见图2，该图示出了本发明的投影透镜16。透镜16一般由三个单元26、28和30构成。外面的两个单元26和30由眼用冕牌玻璃构成，而内部的单元28由非常轻的燧石玻璃构成。这种轻质燧石玻璃的色散较小，对于架空式投影仪而言足以保证透镜的视场范围。燧石玻璃的Abbe数应该设定为5.5＜[(ν1+ν2)/2-ν3]＜15.5，这里ν1、ν2和ν3分别为单元26、28和30的Abbe数值；Abbe数最好满足不等式6＜[(ν1+ν2)/2-ν3]＜10.5。内部的单元30比较好的折射率小于1.573，而Abbe数在43-53的范围内，最好是在48-52.5的范围内。此外，透镜的视场范围得益于低折射率。理想情况下，燧石玻璃的折射率应该小于冕牌玻璃的折射率。但是遗憾的是，这样的玻璃价格不便宜，所以燧石玻璃的折射率代之以小于(n1+n3)/2+0.05，这里n1和n3分别为单元26和30的折射率。在所需视场范围内，这样提供的性能足以令人接受。按照本发明构造的透镜的总(物理)长度小于其焦距的六分之一，但是并不一定非得象现有技术通常要求的那样，为了缩短总长度而使负单元表面呈非球面形状或者采用折射率非常高的材料。实例1现在给出三重投影透镜具体的设计实例。透镜焦距为345毫米；无穷远处的f/数为f/6.2，但是为便于安装和聚焦，透镜直径为65.4毫米。架空式投影仪一般设计成图像最大高度为176毫米，标称放大倍数为-0.19。在下表中，表面编号1-6分别对应图2中的表面R1-R6。如果曲率中心位于表面右侧，则半径数值为正，而如果曲率中心位于表面左侧，则半径数值为负。厚度指的是到下一表面的距离；最终的厚度是从最后的透镜表面到台阶区12的实际距离。折射率nd和Abbe数值νd为表面后面材料的性能参数(即空气隙为1.000)。给定的折射率是氦-d波长(587.6nm)下的折射率，而给定的Abbe数值是红色与蓝色氢光谱线C(656.3nm)与F(486.1nm)下的数值。光阑位于第二表面。比较好的做法是冕牌单元为SchottB270，而燧石单元为SchottLLF6。</tables>图3为根据计算机模型得到的实例1的调制传递函数(MTF)曲线。5条曲线分别对应轴上调制、离轴125毫米的正切和径向调制以及离轴176毫米的正切和径向调制。由于人眼能够区分出小到10-15％的调制，所以由该曲线图可见，按照本发明构造的透镜具有出众的分辨率，即5周期/mm(在短共轭侧)。实例2在给出的第二设计实例中，前面的冕牌单元26是等凸面的。为了保持380毫米的背焦距，焦距改为356毫米。光阑也位于第二表面。</tables>实例3在给出的第三设计实例中，凹凸形单元最靠近屏幕，即位于长共轭侧。焦距为342毫米，而光阑位于第四表面。本实例中燧石单元30的密度略大于前面的实例(SchottLLF1)。实例4在给出的第四设计实例中，凹凸形单元最靠近幻灯片，即位于短共轭侧。焦距仍然为342毫米，而光阑位于第二表面。本实例中燧石单元30的密度略小于前面的实例(SchottKF9)。虽然以上借助实施例对本发明作了阐述，但是这种阐述并不构成对本发明的限定。本发明的精神和实质范围由后面所附权利要求限定。权利要求1.一种多单元透镜，其特征在于包括第一和第二透镜单元，每个都是正透镜并且由眼用冕牌玻璃构成；以及插在所述第一和第二透镜单元之间的第三透镜单元，所述第三透镜单元为轻质燧石构成的负透镜，所述第一、第二和第三透镜单元的Abbe数满足不等式5.5＜[(ν1+ν3)/2-ν2]＜15.5，这里ν1、ν2和ν3分别为所述第一、第二和第三透镜单元的Abbe数值。2.如权利要求1所述的多单元透镜，其特征在于所述第一透镜单元为双凸面形而所述第二透镜单元为凹凸形。3.如权利要求1所述的多单元透镜，其特征在于所述第一、第二和第三透镜单元的Abbe数满足不等式6＜[(ν1+ν3)/2-ν2]＜10.5。4.如权利要求1所述的多单元透镜，其特征在于多单元透镜的总体长度小于焦距的六分之一。5.如权利要求1所述的多单元透镜，其特征在于所述第三透镜单元的折射率小于1.573而Abbe数介于43-53之间。6.如权利要求1所述的多单元透镜，其特征在于所述第一和第三透镜单元的Abbe数介于58-60之间。7.如权利要求2所述的多单元透镜，其特征在于所述第一透镜单元为等凸面形。8.如权利要求4所述的多单元透镜，其特征在于所述第三透镜单元的折射率小于1.573而Abbe数介于43-53之间。9.如权利要求8所述的多单元透镜，其特征在于所述第一和第二透镜单元的Abbe数为58.5左右。10.一种Cooke三重透镜组，其特征在于包括第一透镜单元，它是正的双凸面透镜，Abbe数介于58-60之间；第二透镜单元，它是正的凹凸形透镜，Abbe数介于58-60之间，所述第二透镜单元与所述第一透镜单元相隔一定距离，所述第二透镜单元的光轴与所述第一透镜单元的光轴一致；以及插在所述第一和第二透镜单元之间的第三透镜单元，其光轴与所述第一和第二透镜单元的光轴一致，所述第三透镜单元为负单元，Abbe数介于48-52.5之间，折射率小于0.05与所述第一和第二透镜单元平均折射率之和。11.如权利要求10所述的透镜组，其特征在于所述第一和第二透镜单元由眼用冕牌玻璃构成。12.如权利要求10所述的透镜组，其特征在于所述透镜单元中至少有一个由玻璃构成。13.如权利要求10所述的透镜组，其特征在于Cooke三重透镜组的总体长度小于其焦距的六分之一。14.如权利要求13所述的透镜组，其特征在于所述第一透镜单元具有第一和第二表面；所述第三透镜单元具有第三和第四表面；以及所述第二透镜单元具有第五和第六表面，每个所述表面具有如下表所示的曲率半径，并且每个所述单元的折射率(nd)和Abbe数(νd)也在下表给出</tables>这里给定厚度指的是到下一表面的距离，而最终的厚度为从第六透镜表面到成像平面的实际距离。15.如权利要求13所述的透镜组，其特征在于所述第一透镜单元具有第一和第二表面；所述第三透镜单元具有第三和第四表面；以及所述第二透镜单元具有第五和第六表面，每个所述表面具有如下表所示的曲率半径，并且每个所述单元的折射率(nd)和Abbe数(νd)也在下表给出</tables>这里给定厚度指的是到下一表面的距离，而最终的厚度为从第六透镜表面到成像平面的实际距离。16.如权利要求13所述的透镜组，其特征在于所述第一透镜单元具有第一和第二表面；所述第三透镜单元具有第三和第四表面；以及所述第二透镜单元具有第五和第六表面，每个所述表面具有如下表所示的曲率半径，并且每个所述单元的折射率(nd)和Abbe数(νd)也在下表给出</tables>这里给定厚度指的是到下一表面的距离，而最终的厚度为从第六透镜表面到成像平面的实际距离。17.一种架空式投影仪，其特征在于包括具有台面的底座；用于照射所述台面的光源；位于所述台面处的Fresenel透镜；在所述底座和台面上方的投影头；以及位于所述投影头内的投影透镜，所述投影透镜包括第一和第二透镜单元，每个都是正透镜并且由眼用冕牌玻璃构成；以及插在所述第一和第二透镜单元之间的第三透镜单元，所述第三透镜单元为轻质燧石构成的负透镜，其折射率小于1.573左右并且Abbe数介于43-53之间。18.如权利要求17所述的架空式投影仪，其特征在于其中一个所述冕牌单元位于投影透镜的长共轭侧并且是双凸面的，而另一个所述冕牌单元是凹凸形的。19.如权利要求17所述的架空式投影仪，其特征在于其中一个所述冕牌单元位于投影透镜的短共轭侧并且是双凸面的，而另一个所述冕牌单元是凹凸形的。20.如权利要求17所述的架空式投影仪，其特征在于所述第一和第二透镜单元的Abbe数为58.5左右，而所述第一和第二透镜单元的折射率介于1.518-1.528之间。全文摘要本发明提出一种用于架空式投影仪的Cooke三重投影透镜组,它包括靠近外面的两个由眼用冕牌玻璃制成的正单元和一个内部的由轻质燧石玻璃制成的负单元。冕牌玻璃的折射率为1.523左右而Abbe数值为58.5。燧石玻璃的折射率小于1.573而Abbe数值介于43—53之间。其中的一个正单元为双凸面形而另一个为凹凸形。文档编号G03B21/132GK1189222SQ96195111公开日1998年7月29日申请日期1996年5月9日优先权日1996年5月9日发明者S·K·艾克哈特申请人:美国3M公司