专利名称：与像素化面板连用的微小可变焦投影透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及投影透镜，特别是涉及用于形成由像素(例如LCD)组成的物体图像的投影透镜。
投影透镜系统(这里也称为“投影系统”)被用来在显示屏上形成物体图像。根据观看者与物体在显示屏的同侧(前投影)还是在显示屏的两侧(背投影)，可以将这些系统分为前投影和背投影两类。
图6示出了与像素化面板连用的投影透镜系统的基本结构，其中10为光源(例如卤化钨灯)，12为形成光源图像(以下称为照明系统的“输出”)的照明光学系统，14为被投射的物体(像素化面板，例如启闭像素的LCD矩阵)，而13为投影透镜，它由多个透镜单元组成，在显示屏16上形成物体14的放大图像，其放大倍数介于3-35倍之间。系统还可以在像素化面板附近包括物镜(例如Fresnel透镜)以准确地定位照明系统的出射光孔。
对于前投影系统，观看者在图6位于显示屏16的左侧，而对于背投影系统，观看者位于显示屏16的右侧。对于安装在一个壳罩内的背投影系统，常常利用镜子使光路折叠以缩小整个系统的尺寸。
物体为像素化面板的投影系统应用于各种场合，包括数据显示系统。这种投影透镜系统比较好的采用单块投影透镜，它形成例如包含红、绿、蓝三种像素的单块面板的像。在有些情况下(例如较大像的背投影系统)，应用多块面板和多块投影透镜，而每块面板/投影透镜的组合用来产生整个图像的一部分。
在本领域内需要一种投影透镜，它能与具有如下性质的像素化面板一起使用(1)能够在保持照明系统高效输出和高级象差校正的同时在较宽范围内调节放大倍数(以下称为“焦距范围”)；(2)能够在保持照明系统高效输出和高级象差校正的同时对在透镜焦距范围中的任一组共轭体提供一个放大倍数范围(以下称为“透镜变焦范围”)；(3)较为简单的结构，即透镜元件数量较少；(4)高级颜色校正；(5)失真小；以及(6)对温度变化的低灵敏度。
由于可以在较宽范围内有效调节放大倍数的投影透镜(即具有较大焦距范围的透镜)能够使得投影系统用于不同尺寸的显示屏和空间大小不一的大厅而无需改变系统的组成部分，所以对这种透镜是有需求的。需要改变的只有物体和图像共轭，这可以通过相对像素化面板移动透镜实现。随之而来的挑战就是在放大倍数范围内提供高效的照明系统输出耦合与高级象差校正。
对于任意给定的图像和物体共轭改变放大倍数的能力，即变焦能力将带来同样的益处。在这种情况下，通过改变放大倍数来调整图像从而例如使图像满屏。而且在采用多面板和多投影透镜的背投影系统中，可以利用变焦使整幅图像不同区域之间的放大倍数差异减小至最低程度。
应该指出的是，虽然上述的性质(1)和(2)，即聚焦和变焦都牵涉到放大倍数的改变，但是实现放大倍数变化的途径基本上是不同的。因此在聚焦期间，随着图像和物体共轭的改变，透镜焦距保持不变，而放大倍数的变化是那些共轭变化的结果。另一方面，在变焦期间，焦距发生变化而图像和物体共轭保持不变，并且放大倍数变化是焦距变化的结果。(在下面表1和表2中，所示焦距包括在聚焦和变焦期间保持固定的Fresnel透镜。)因此在聚焦期间透镜焦距看上去是变化的而实际上当聚焦期间对透镜的几个元件来说却保持不变。表中的透镜还包括容纳变焦引起的透镜焦距变化的装置。特别是表中示出了变焦期间某些实现焦距校正的共轭变化。
从成本、重量和体积考虑，对于上述性质(3)，即相对简单的构造也是需要的。较多的透镜元件数量将耗用更多的原材料，重量将会增加并且建造和按装的成本提升。因此需要用最少的透镜元件制造透镜。
正如在本领域内熟知的那样，变焦透镜一般采用多单元的复杂结构以同时提供焦距变化和象差校正。因此在透镜设计中上述性质(2)和(3)是互相矛盾的。
根据本发明，已经发现微小的变焦范围(以显示屏上图像高度(表中的目标高度)描述为15％以下(从变焦范围中心起算±7.5％或者更小))就足以满足大多数LCD投影透镜系统用户的需要。而且进一步发现采用简单的透镜设计就能达到这种微小变焦范围，这种设计采用最多一个附加透镜元件，并且在许多情形下除了能在显示焦距范围内获得同样图像质量的固定焦距透镜以外可以不用附加的透镜元件。借助本发明的这些方面，性质(2)和(3)之间的不相容得到了克服。
由于在像素沾污后特别是图像中的像素完全失效时很容易在像素化面板上观察到色差，所以性质(4)，即高级颜色校正是重要的性质。这些问题在视场边缘表现得尤其严重。
系统所有的色差都需要校正，包括侧向颜色、慧形色变和最难校正的象散性色差。由于对比度很容易下降，特别是在视场边缘，所以侧向颜色，即彩色图像的放大倍数变化特别麻烦。在极端情况下，整个视场区域会出现彩虹现象。
在采用阴极射线管(CRT)的投影系统中，可以电子学方式对少量(残余)侧向颜色进行补偿，例如使红色CRT面上产生的图像小于蓝色CRT产生的图像。但是对于像素化面板，由于图像是数字化的并且整个视场大小的平滑调节是不可能的，所以无法实现这种调整。由此需要对投影透镜进行更高级的侧向颜色校正。
采用像素面板来显示数据对失真校正提出了迫切的要求。这是因为当观看数据时即使在视场边缘位置也要求有良好的图像质量。显而易见，对于一幅显示数字和字母的未失真图像来说，视场边缘处的内容与中心处的内容同样重要。而且投影透镜经常与偏置的面板一起使用，本实例的透镜即为此种应用而设计。在这种情况下，显示屏上的失真并不随穿过显示屏中心的水平线对称变化，而是例如从显示屏下部向上部单调增加。这种效应使得即使是少量失真也很容易被观看者发觉。
当投影到显示屏上的是WINDOWS类计算机接口的放大图像时低失真度和高级颜色校正特别重要。这种接口包含了平行线条、边界命令和对话框以及复合色，是失真和颜色基本的测试图案。用户很容易察觉和非难这种接口图像中即使是微小的失真或色差。
为了使图像产生足够的亮度，大量的光线必须穿过投影透镜。因此在室温与透镜工作温度之间一般存在明显的温差。此外，透镜需要能够在各种环境条件下工作。例如投影透镜系统经常被安装在包括建筑物屋顶的天花板上，其环境温度可以达到40℃以上。为了解决这些问题，需要采用对环境温度变化不敏感的透镜。
解决温度敏感性问题的一种途径是采用由玻璃组成的透镜元件。与塑料相比，玻璃元件的曲率半径和折射率相对温度的变化要小于塑料元件。但是玻璃元件通常比塑料元件贵，特别是需要采用非球面进行色差控制。而且玻璃元件较重。如下所述，如果对塑料元件的放大率和位置进行适当的选取，同样也可以采用塑料元件并且获得同样的温度不敏感性能。
下面所述的投影透镜满足了上述各种要求并且可以成功地用于制造成本相对低廉但是同样能够在显示屏上形成像素化面板高质量彩色图像的透镜系统。
在各种专利中都对在像素化面板下使用的投影透镜系统作了描述，它们包括Talor的美国专利No.4,189,211、Tanaka等人的美国专利No.5,042,929、Yano等人的美国专利No.5,179,473、Moskovich的美国专利No.5,200,861、No.5,218,480、Iizuka等人的美国专利No.5,278,698、Betensky的美国专利No.5,313,330和Yano的美国专利No.5,331,462。
有关LCD系统的讨论见于Gagnon等人的美国专利No.4,425,028、Gagnon的美国专利No.4,461,542、Ledebuhr的美国专利No.4,826,311和EPO专利公开No.311,116。
由前述可见，本发明的目标是提供一种在像素化面板下使用的改进投影透镜系统，它同时具备上述描述的六个性质。利用焦距范围较大而在该焦距范围内变焦范围较小(微小变焦范围)的投影透镜实现了上述目标。
这里所用的投影透镜的焦距范围F定义为F＝max｜h0/hi｜-min｜h0/hi｜其中ho为物体高度，hi为放大图像的高度，而max｜h0/hi｜和min｜h0/hi｜分别为在保持投影透镜图像质量达到一定水平前提下图像-物体的最大和最小放大倍数(放大率)。
比较好的图像质量水平是失真小于1％，更好的是小于0.5％，在470-630钠米范围内侧向颜色模糊小于半个像素，轴向颜色模糊小于两个像素。(注意这些颜色校正判据可以应用于物体或成像处，当判据用于成像处时采用放大的像素。另外需要注意的是由于轴向颜色作为对称晕圈出现的而不易为用户察觉，所以判据不如侧向颜色模糊迫切。)这里所用的投影透镜的变焦范围Z定义为Z＝2*(max｜hi｜-min｜hi｜)(max｜hi｜+min｜hi｜)其中max｜hi｜和min｜hi｜分别为在焦距范围的｜h0/hi｜比率附近变焦时成像高度的最大和最小值。
正如在本领域内熟知的那样，可变焦透镜可以“推”至所需变焦范围以外。当然这种“推”将导致透镜性能的下降。但是通常下降得并不快并且不会以同一速率影响所有的性能参数。
因此正如这里的使用情况，投影透镜的变焦范围是这样一种变焦范围，即如果范围增加50％，例如从15％增加至22.5％，则在470-630钠米范围内至少在一些点上增加1％的失真和/或侧向颜色模糊增加半个像素以上和/或在470-630钠米范围内轴向颜色模糊增加两个像素以上和/或透镜元件的运动受到透镜物理结构和支撑结构的限制。
借助上述F和Z参数，本发明的投影透镜包含(A)位于投影透镜成像端的第一透镜单元，单元的成像端与像素化面板轴向距离为D；以及(B)位于第一透镜单元与像素化面板之间用于变焦的第二透镜单元，该单元成像端与第一单元的物体端相隔距离为D12；其中(i)投影透镜的聚焦包括改变轴向距离D；(ii)投影透镜的变焦包括改变轴向距离D12；(iii)F＞0.05；以及(iv)聚焦范围内Z的最大值(ZMAX)小于0.15。
在本发明某些实施例中，F＞0.1和/或ZMAX＜0.1。
本发明的投影透镜比较好的采用照明系统输出位置设计成投影透镜的伪孔径停止/入射光孔(参见Betensky的美国专利No.5,313,330，其有关部分作为参考文献包含在这里)。在这种方式下，在照明系统的光输出与投射透镜之间实现了高效的耦合。
根据这些实施例，本发明提供了形成物体图像的投影透镜系统并且包括
(a)包含光源和形成光源成像的照明光路，所述成像是照明系统的输出；(b)包含物体的像素化面板；以及(c)上述类型的投影透镜，所述投影透镜包括一个入射光孔，其位于大体上对应照明系统输出的位置。
本发明的投影透镜还设计成基本上非热的。如下将要详细论述的，通过采用玻璃和塑料元件并平衡包含具有大的光学放大率的各塑料透镜元件放大率可以做到这一点。在这种方式下，温度变化引起的正透镜元件放大率变化由负透镜元件放大率变化补偿，由此在温度变化时保持了投影透镜整体光学性质的稳定。
图1-5为按照本发明构造的投影透镜侧视图。
图6为表示采用本发明投影透镜的整个投影透镜系统的示意图。
前述作为说明书一部分的附图阐述了本发明的较佳实施例，并且与文字描述一起阐明了本发明的原理。应该理解的是附图和文字描述只是用来举例用的，并不对本发明构成限定。
如上所述，本发明的关键之处是限制投影透镜的变焦范围从而使透镜具有相对简单的结构。特别是本发明的透镜变焦范围最多为15％(从变焦范围中心起算±7.5％)并且在许多情况下比15％小许多通过这样限制变焦范围，已经发现通过以下步骤可以设计出本发明的透镜1)设计能实现所需焦距的无变焦透镜，2)选择在变焦期间移动的透镜单元，以及3)通过移动选择好的透镜单元以实现所需变焦范围来反复优化设计。特别是已经发现透镜的变焦设计最多需要增加一个透镜元件并且在许多情况下无需增加透镜元件就能在保持所需焦距范围的同时获得所需的有限变焦。
如下所述，通过提供带有互相相对移动实现变焦的第一透镜单元和第二透镜单元实现了本发明的有限变焦。如果需要，投影透镜可以包括另外的透镜单元，例如在下面实例4和实例5中跟在第二透镜单元之后的透镜单元。本发明的透镜聚焦通过相对像素化面板移动整个透镜实现。在一些实施例中，第一透镜单元包括两个子单元，并且子单元的相对运动也被用来聚焦。采用本领域内熟知的普通机构来相对像素化面板移动透镜并相向移动透镜单元和子单元。
投影透镜包括至少一个非球面，并且比较好的是包括多个非球面用来进行象差校正，象差校正包括球面象差、像散、慧形和失真的校正。如上所述，系统的失真需要进行大的校正并且在焦距范围(和变焦范围)内比较好的是小于1％左右，更好的是小于0.5％左右。
为了进行颜色校正，投影透镜一般包括由强色散材料构成的负透镜元件和至少一个由弱色散材料构成的正透镜元件。强色散材料和弱色散材料可以是玻璃或塑料。
一般而言，强色散材料是一种类似燧石玻璃之类的材料而弱色散材料是一种类似冕牌玻璃之类的材料。具体而言，强色散材料是一种V值在20-50之间而折射率在1.85-1.5之间的材料，弱色散材料是一种V值介于35-70之间而折射率在同样范围内的材料。
对于塑料透镜元件，强色散材料和弱色散材料可以分别是苯乙烯和丙烯酸酯有机玻璃。如需要可采用另种塑料。例如可以采用具有类似燧石色散特性的聚苯乙烯和丙烯酸的聚碳酸酯和共聚物代替苯乙烯。参见The Handbook of PlasticOptics，U.S.Precision Lens，Inc.，Cincinnati，Ohio，1983，page 17-29。
如上所述，本发明的投影透镜是非热性的从而使得系统的光学特性基本上不会随投影透镜从室温变化至工作温度而变化。具体而言，在系统特征空间频率处的系统调制传输函数的热因变化比较好的是不超过25％，这里特征空间频率等于二分之一像素尺寸。通过选择和替换塑料透镜元件中的透镜实现了所需的热稳定。
一般来说，采用塑料透镜元件的缺点是塑料光学材料的折射率随温度明显变化。另一种效应是形状的改变，例如塑料光学材料随温度变化而膨胀或收缩。后者的变化通常不如折射率的变化明显。
如果只用弱色散塑料透镜元件，则可以实现塑料光学系统热变化与系统塑料或铝制机械组件(例如通常是热引起的焦距改变的主要机械因素)热变化的平衡。在设计中不受限制地采用光学塑料(即采用放大率较高的塑料透镜元件)的优点是由于塑料透镜元件可以方便地模制，所以可以采用非球面光学面(非球面)来最大程度地发挥某些透镜的设计潜力(性能)。采用较高放大率的塑料元件还可以从整体上降低成本并减轻重量，特别是在设计大型透镜元件时。
如果设计中的净塑料光学放大率是有重要意义的，则需要非热特性，否则随着透镜从室温变化至工作温度，其焦距范围将明显变化。这对投影器来说尤为重要，因为有相当数量的光线通过透镜到达显示屏并且工作温度明显高于室温。
对于本发明的投影透镜，通过在考虑塑料透镜元件位置和元件边缘光线高度的同时平衡正负塑料光学放大率实现了非热特性。
塑料透镜元件的位置在它经受温度的变化方面有重要意义，由此引起折射率的变化。靠近光源或光源图像的元件将经受更多的温度变化。特别是投影透镜所在区域的温度分布在光源和有关的照明光学工作环境下测量并且将测量值用于投影透镜的设计中。
在某些塑料透镜元件上的边缘光线高度决定了在给定热变化条件下元件的折射率的变化是否相对整个透镜热稳定而言有重要意义。
对于边缘光线高度较小的元件(例如靠近系统焦点的元件)一般对系统热稳定的影响比边缘光线高度较大的元件小。
根据前面的考虑，通过根据元件将经受的温度变化和元件的边缘光线高度调整特定元件的分布从而平衡塑料透镜元件的负和正放大率来实现非热特性。在实践中，这种非热特性程序包含在下面的计算透镜设计程序中。首先在第一温度分布下完成光线跟踪并计算背焦距。对于边缘光线来说光线轨迹可以是傍轴光线轨迹。其次，在第二温度分布下完成同一光线跟踪并在此计算背焦距。对于整个透镜来说第一和第二温度分布不必保持不变，在典型情况下是随着透镜元件的不同而不同的。所计算的背焦距随后限定为常数以在透镜设计程序中用来优化系统设计。
应该注意的是前述方法的前提条件是当温度变化时投影透镜和像素化面板的机械固件使最后一个透镜的表面与面板之间的距离基本保持不变。如果这种假设不能满足，则为了实现非热特性可以采用其它假定，例如机械固件的相对运动测量值可以包含在过程中，或者可以假设用机械方式固定另外的距离，例如最前面的透镜的表面与面板之间的距离。
图1-5示出了按照本发明构造的各种投影透镜。表1-5分别示出了相应的描述和光学性质。对于采用玻璃的透镜系统用HOYA或者SCHOTT设计。其它厂商生产的相同性质的玻璃也可以用于本发明中。对于塑料元件可用工业上接受的材料。实例5透镜所用的玻璃FCD1与实例4的透镜相比减少了色差。
表中的非球面系数用于下式其中z为与系统光轴距离y处的表面垂度，c是光轴处的曲率，而k为光锥常数，除了在表1-5中指明的以外其它都取值为零。
表中所用缩写如下EFL有效焦距FVD前顶点距离f/ f数ENP从长共轭观察的入射光孔BRL镜头桶长OBJ HT 物体高度MAG放大倍数STOP 孔径停止的位置和尺寸IMD成像距离OBD物体距离OVL整体长度表1-2中的参数值是在Fresnel透镜作为系统一部分的情况下计算的。表中与各表面有关的标号”a”代表非球面，对这种表面来说上述方程中的D，E，F，G，H或I中至少一个不为零；标号”c”表示上述方程中k不为零的表面；而标号”f”表示Fresnel透镜。表1中的表面1和表3中的表面7是可选的渐晕表面。表中给出的尺寸都以毫米为单位。
表格假定光线从图中的左方向右方行进。在实际应用中，显示屏位于左方而像素化面板位于右方，而光线将从左向右行进。特别是表格中物体和成像的标号与说明书和权项中所用的其它部分是相反的。
图中的标号”PP”表示像素化面板而与像素化面板相连的Fresnel透镜用标号”FL”表示。实例1和2的系统中采用Fresnel透镜，这是由于采用较大的面板而Fresnel透镜有助于使来自照明光学系统的光线以接近法线的入射角入射。
表6示出了上面讨论的表1-5各种透镜元件和表面与“第一透镜单元”、“第一透镜子单元”、“第二透镜子单元”和“第二透镜单元”之间的对应。具体而言U1是第一透镜单元，U1S1是第一透镜单元的第一透镜子单元，U1S2是第一透镜单元的第二透镜子单元，而U2是第二透镜单元。
表7概括了表1-5中聚焦和变焦的位置。
如上所述，表1-5中的投影透镜采用伪孔径停止/入射光孔技术(参见Betensky的美国专利No.5,313,330)进行设计。根据这种方法，照明系统被用来限定投影透镜的入射光孔，对于所有的焦距和共轭来说，入射光孔的位置相对像素化面板保持不变。光孔的位置由来自照明系统穿过像素化面板的基本平行的光线和位于面板投影透镜侧固定位置处的Fresnel透镜决定。
表1-5中用标号“孔径停止”表示的面构成了上面Betensky专利的伪孔径停止。其位置与照明系统的输出位置对应。正如在用“可变空间”表示的子表中所见，对于图1-5的投影透镜系统所有的焦距位置/变焦位置(放大倍数)，从伪孔径停止到像素化面板之间的距离基本不变(参见“成像距离”一栏)。对于所示的聚焦位置和变焦位置，限定孔径停止相对投影透镜背面位置的可变空间对应于位于透镜前后面限定的空间内的照明系统输出来说是负说。值得注意的是虽然在较佳实施例中采用了伪孔径停止，但是并非必须采用它。透镜可以采用普通的孔径停止设计。
表8汇总了表1-5的各种透镜性质。对于实例1和2，表中的数值是在将Fresnel透镜作为整个系统一部分的情况下计算出来的。如该表所示，实例中的透镜的焦距范围至少为0.05并且在许多情况下为0.1以上，表中给定的焦距范围根据上述较佳的失真、侧向颜色和轴向颜色判据确定。即，对于表中的焦距范围，透镜的失真小于1％(见标以“失真”一栏)和在波长为470-630钠米之间颜色校正小于半个像素而侧向和轴向颜色校正小于两个像素。
如表8所示，透镜的有限变焦范围小于0.15并且在许多情况下不超过0.1，这使得它们具有图中所示相对简单的结构。表中“限制”栏示出了限制变焦范围的判据。例如，对于实例1的透镜，如果变焦范围增加至0.090，失真将超过1％，而对于实例3，如果变焦范围增加至0.177，则在470-630钠米范围内透镜的颜色校正中的侧向颜色校正将小于半个像素和/或轴向颜色校正小于两个像素。
总之，本发明的透镜达到上述所列与像素化面板连用的投影透镜的性能。
虽然上面对本发明的实施例作了描述，但是应该理解的本领域内的技术人员很容易对其作出各种修改而不偏离本发明的范围和精神。
表1表面编号类别半径 厚度 玻璃 净孔径直径1∞ 5.00000 90.502 83.171913.00000BACED5 91.003233.926413.33000 89.114 -485.5457 6.47000FD285.225105.336325.75000 81.166a 154.188810.00000 83.92丙烯酸7a 174.3731 2.00000 85.208284.229814.70000BACD5 87.009 -139.0179 空间189.1010a -585.433211.69000丙烯酸 95.0011 -164.020315.47000 95.5012a -131.3993 7.79000 96.0013a 452.6431 空间2 108.0014 孔径停止 321.37000 82.7015 ∞2.00000 丙烯酸 304.0016acf -145.1760成像距离 304.00符号描述a-多项式非球面c-圆锥截面f-fresnel圆锥形表面数常数16-1.0000E+00偶次多项式非球面表面编号D E F G H I6 -7.0450E-07 -1.4118E-11-4.6437E-142.0991E-17-8.3654E-21 1.8668E-247 -5.8899E-071.3633E-12 5.5836E-14 -8.2367E-17 3.4781E-20 -4.8293E-2410-4.2671E-082.3388E-10-1.2627E-136.6272E-17-2.3640E-20 3.6813E-2412-5.3253E-07 -1.0642E-10 3.9159E-14 -9.0601E-18 6.1443E-21 -1.7273E-2413-4.8337E-071.0322E-10-3.0287E-141.7560E-17-4.5633E-21 3.8509E-2516-2.9975E-091.1630E-14-2.8304E-200.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00可变空间空间1空间2Pos.
T(9) T(13) 焦距偏移 成像距离1 5.227-69.256-1.4329.9572 5.227-92.613-0.6429.9903 5.227-52.312-1.7879.935414.700 -116.470-1.2859.9975 0.777-80.140 0.2659.993
表1(续)系统第一阶性质，位置1OBJ.HT-1360.0 f/ 3.93 MAG-0.1100STOP 0.00 在表面14后 DIA 82.432EFL 363.715 FVD 394.498ENP 37.2564IMD 9.95692 BRL 384.541OBD -3229.58 OVL 3624.07系统第一阶性质，位置2OBJ. HT -3750.0f/3.93 MAG -0.0400STOP 0.00 在表面14后 DIA 82.572EFL 334.551 FVD 371.174ENP 10.2225IMD 9.98978 BRL 361.184OBD -8319.72 OVL 8690.90系统第一阶性质，位置3OBJ.HT-935.00f/4.15 MAG-0.1600STOP 0.00 在表面14后 DIA 77.947EFL 388.269 FVD 411.420ENP 59.6933IMD 9.93544 BRL 401.484OBD -2322.07 OVL 2733.49系统第一阶性质，位置4OBJ. HT -3901.0f/3.93 MAG-0.038 4STOP0.00在表面14后 DIA 82.662EFL 320.597 FVD 356.797ENP -9.34592IMD 9.99721 BRL 346.800OBD -8331.49 OVL 8688.29系统第一阶性质，位置5OBJ. HT -3672.0f/3.93 MAG -0.0409STOP 0.00 在表面14后 DIA 82.52 4EFL 342.287 FVD 379.200ENP 21.0808IMD 9.99287 BRL 369.207OBD -8312.39 OVL 8691.59元件的第一阶性质元件编号 表面编号 放大率 f12 3 0.53017E-02 188.6224 5-0.75677E-02 -132.1436 7 0.43140E-03 2318.048 9 0.62533E-02 159.925 10 11 0.21869E-02 457.276 12 13-0.48701E-02 -205.347 15 16 0.34012E-02 294.01元件组的第一阶性质元件组编号 表面编号放大率 f1 19 0.46991E-02 212.812 10 13-0.25381E-02 -393.993 14 16 0.34012E-02 294.01
表2表面编号类别半径 厚度 玻璃 净孔径直径1a 134.960545.00000丙烯酸220.002a 348.1941 8.62976 207.003 230.157413.00000FD60 200.004 136.5336 空间1 179.005 521.283423.00000FC5 142.126 -217.2857 空间2 140.407 -401.183911.00000FEL6 93.168 -185.180727.79300 93.129a -128.3218 8.00000丙烯酸90.0010 2115.1861 空间3 96.0011 孔径停止 321.37000 82.1212∞ 2.00000 丙烯酸308.0013acf -145.1760成像距离 308.00符号描述a-多项式非球面c-圆锥截面f-fresnel圆锥形表面数常数13-1.0000E+00偶次多项式非球面表面编号DE FG HI1-1.5457E-08 3.0560E-12 -3.7466E-16 1.1699E-20 2.0202E-24 -1.0151E-282 2.1531E-08 9.8359E-12 -1.9790E-15 2.6 450E-19 -1.5527E-23 3.4627E-289 4.3896E-08 -6.3309E-11 9.1509E-14 -6.5759E-17 2.3749E-20 -3.3880E-2413-2.9975E-09 1.1630E-14 -2.8304E-20 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00可变空间空间1 空间2 空间3Pos.
T(4) T(6) T(10)焦距偏移 成像距离1115.08156.378-37.017-0.495 9.9992111.87956.378-74.519-0.228 9.9923116.99556 378 -9.880-0.404 9.9954115.08146.000 -4.750 1.00010.0095115.08175.000-88.000-2.00010.093
表2(续)系统第一阶性质，位置1OBJ.HT -1350.0 f/4.00 MAG-0.1100STOP 0.00在表面11后 DIA80.981EFL627.485FVD 604.234ENP 386.760IMD9.99915BRL 594.235OBD-5200.63 OVL 5804.87系统第一阶性质，位置2OBJ.HT-3710.0f/4.00 MAG-0.0400STOP 0.00 在表面11后 DIA 81.007EFL 542.999FVD 563.523ENP 260.814IMD 9.99177BRL 553.531OBD -13225.3OVL 13788.8系统第一阶性质，位置3OBJ.HT-925.00f/4.30 MAG-0.1600STOP 0.00 在表面11后 DIA 75.241EFL 706.650FVD 633.281ENP 500.675IMD 9.99470BRL 623.286OBD-3769.40 OVL 4402.68系统第一阶性质，位置4OBJ.HT-1291.0f/4.40 MAG-0.1157STOP0.00在表面11后 DIA 73.704EFL 670.653FVD 626.134ENP 477.592IMD 10.0094BRL 616.124OBD -5185.62OVL 5811.75系统第一阶性质，位置5POS 5 System First Order PropertiesOBJ.HT -1471.0f/4.10 MAG-0.1010STOP 0.00 在表面11后 DIA 78.860EFL 565.174FVD 571.968ENP 260.515IMD 10.0934BRL 561.874OBD -5239.96OVL 5811.92元件的第一阶性质元件编号 表面编号 放大率 f11 20.23969E-02 417.2123 4 -0.22704E-02-440.4535 60.31569E-02 316.7747 80.15811E-02 632.4959 10 -0.40862E-02-244.736 12 130.34012E-02 294.01元件组的第一阶性质元件组编 号表面编号 放大率 f1 140.52599E-03 1901.22 560.31569E-02 316.773 7 10 -0.23626E-02-423.26411 130.34012E-02 294.01
表3表面编号类别半径 厚度玻璃 净孔径直径1a123.4725 23.00000 丙烯酸 155.962a268.9281 6.37000150.963 185.7020 11.00000 FD60 145.514 122.5292 空间1 134.155 999.8936 15.00000 BACD5 133.876-280.9443 空间2 133.977∞15.00000114.008-465.4986 13.00000 BACD14 114.559-215.1220 41.33000 丙烯酸 115.6310a -133.5451 9.00000110.3811a 1999.9999 空间3 114.1812 孔径停止 112.94符号描述a-多项式非球面偶次多项式非球面表面编号 DE F G HI1 -7.2724E-09 2.0437E-12 -4.3841E-162.1119E-202.7645E-24 4.6551E-312 2.5764E-08 4.6251E-12 -1.0544E-151.3024E-19 -3.7725E-24 3.5026E-2910 1.0147E-07 -2.0828E118.7030E-15 -3.5103E-188.7106E-22 -8.5534E-2611 6.4862E-08 -1.5431E-111.0319E-156.3748E-19 -1.9275E-22 1.7923E-26可变空间空间1 空间2 空间3P0s.
T(4) T(6) T(11) 焦距偏移 成像距离1140.58755.451-216.496-0.221504.0212143.37355.451-176.092-0.469503.9463145.62055.451-147.183-0.508504.0234143.37340.929-132.000 0.013503.9935143.37370.036-215.740-0.817504.019系统第一阶性质，位置1OBJ.HT-2550.0f/4.50 MAG -0.0400STOP 0.00 在表面12后DIA 112.78EFL 581.441FVD 617.263ENP-5.08552IMD 504.021BRL 113.242OBD -15244.0OVL 15861.3系统第一阶性质，位置2OBJ.HT-940.00f/450 MAG-0.1100STOP0.00在表面12后DIA 112.82EFL 582.019FVD 660.378ENP 63.0101IMD 503.946BRL 156.432OBD -5997.26OVL 6657.64
表3(续)系统第一阶性质，位置3OBJ.HT-635.00 f/4.70 MAG-0.1600STOP 0.00 a在表面12后 DIA 107.99EFL 582.486FVD 691.611ENP 120.116IMD 504.023BRL 187.588OBD -4345.28OVL 5036.89系统第一阶性质，位置4OBJ.HT-872.00 f/4.65 MAG-0.1169STOP 0.00 在表面12后 DIA 109.02EFL 612.010FVD 689.995ENP 135.082IMD 503.993BRL 186.002OBD -5966.40OVL 6656.40系统第一阶性质，位置5OBJ.HT-982.00f/ 4.50 MAG-0.1040STOP0.00 在表面12后 DIA 112.93EFL 554.718FVD 635.388ENP4.64639IMD 504.01BRL 131.369OBD -6017.35OVL 6652.73元件的第一阶性质元件编号 表面编号 放大率 f1 1 2 0.22760E-02 439.362 3 4-0.20800E-02 -480.773 5 6 0.26849E-02 372.464 8 9 0.15435E-02 647.865 10 11-0.39498E-02 -253.18元件组的第一阶性质元件组编号表面编号 放大率 f1 1 4 0.44587E-03 2242.82 5 6 0.26849E-02 372.463 7 11-0.21936E-02 -455.87
表4表面编号类别半径 厚度 玻璃 净孔径直径1a117.889412.00000 丙烯酸175.002ac49.7129 196.66640 130.003 243.8700 9.00000 FD672.554∞ 空间1 72.405 -1257.8370 7.00000 NBFD10 71.926 276.8531 空间2 71.947 224.452615.00000 FC573.098 -95.9987 7.00000 F8 73.609-156.4273 空间3 75.1710 223.896811.00000 FC5 105.3811∞0.30000 105.9712 268.1102 9.00000 FD6 107.0413 147.0862 7.30000 105.9514 503.376516.50000 FC5 106.0715-175.6372 7.36000 107.4916-105.1167 9.00000 FD6 107.5817-149.8025 空间4 114.5518孔径停止 115.29符合描述a-多项式非球面c-圆锥截面圆锥形表面数 常数2 -6.0000E-01偶次多项式非球面表面编号 D EF GH I1-3.0550E-07 2.9273E-11 -6.7828E-16 -4.5421E-19 5.1109E-23 -1.8247E-272-2.4894E-07 1.5645E-11 -1.2814E-14 9.9261E-18 -2.5832E-211.9012E-25可变空间空间1 空间2空间3 空间4Pos.
T(4) T(6) T(9) T(17)焦距偏移 成像距离1 11.24017.40053.580 -269.580-0.569503.9942 11.24010.27060.756 -265.987-0.402503.9943 11.240 3.00067.976 -261.753-0.100503.9944 7.77510.27060.756 -257.944-0.442503.9945 12.77110.27060.756 -269.299-0.415503.994
表4(续)系统第一阶性质，位置1OBJ.HT-3095.0 f/ 4.50 MAG-0.0335STOP 0.00 在表面18后 DIA 112.89EFL 142.786FVD 623.761ENP 100.479IMD 503.994BRL 119.767OBD -4205.14OVL 4828.90系统第一阶性质，位置2OBJ.HT-2935.0 f/ 4.50 MAG-0.0350STOP 0.00 在表面18后DIA 112.84EFL 148.995FVD 627.297 ENP 99.4580IMD 503.892BRL 123.405OBD -4202.03OVL 4829.32系统第一阶性质，位置3OBJ.HT-2780.0f/ 4.54 MAG -0.0367STOP 0.00 在表面18后 DIA 111.79EFL 155.789FVD 631.591 ENP 98.5263IMD 504.002BRL 127.590OBD -4197.42OVL 4829.01系统第一阶性质，位置4OBJ.HT-1135.0f/ 4.60 MAG -0.0900STOP 0.00在表面18后DIA 110.39EFL 148.702FVD 632.101 ENP 99.3860IMD 504.119BRL 127.983OBD -1597.88OVL 2229.98系统第一阶性质，位置5OBJ.HT-7300.0f/ 4.50 MAG -0.0140STOP0.00 在表面18后DIA 112.88EFL 149.125FVD 625.625ENP 99.5175IMD 504.001BRL 121.623OBD -10596.5OVL 11222.2元件的第一阶性质元件编号 表面编号 放大率 f1 12-0.54099E-02-184.852 34 0.33323E-02 300.103 56-0.37065E-02-269.794 78 0.71627E-02 139.615 89-0.23062E-02-433.616 10 11 0.21847E-02 457.737 12 13-0.24108E-02-414.808 14 15 0.37267E-02 268.339 16 17-0.20979E-02-476.68Doublets的第一阶性质元件代号 表面编号 放大率 f4 5 79 0.47870E-02 208.90
表4(续)组的第一阶性质组代号 表面代号 放大率 f1 1 40.13556E-02 737.682 5 6 -0.37065E-02-269.793 7 90.47870E-02 208.904 10 170.14185E-02 704.99
表5表面编号类别半径 厚度 玻璃 净孔径直径1a139.178312.00000 丙烯酸185.002ac51.2880 224.88409 137.003 246.8481 9.00000 FD681.554∞ 空间1 81.375∞7.00000 NBFD10 80.686 252.9223 空间2 80.357 273.063317.00000 FC580.948-114.4438 7.00000 F2 81.229-179.9972 空间3 82.2110 103.740022.00000 FC5 103.6411-483.1217 0.30000 102.9812∞9.00000 NBFD11102.0913 102.3704 8.6000098.6814 199.232526.50000 FCD1 100.2815 -95.2652 1.20000 101.6116 -90.2695 8.50000 NBFD11101.5517-207.3439 空间4 108.9718 孔径停止 115.12符号描述a-多项式非球面c-圆锥截面圆锥形表面数 常数2 -6.0000E-01偶次多项式非球面表面编号 D E F GH I1-3.2280E-07 3.3804E-11 -6.7708E-16 -4.3472E-19 4.8435E-23 -1.5927E-272-3.1725E-07 5.6735E-12 -1.3489E-141.0145E-17 -2.6514E-21 2.0405E-25可变空间空间1 空间2空间3空间4Pos.
T(4) T(6) T(9) T(17)焦距偏移成像距离1 11.51820.76048.230 -249.990 -0.573 504.0352 11.51811.52257.514 -245.654 -0.382 504.0353 11.518 3.00065.983 -241.090 -0.100 504.0354 7.77511.52257.514 -237.388 -0.392 504.0355 13.25211.52257.514 -249.113 -0.442 504.035
表5(续)系统第一阶性质，位置1OBJ. HT -3110.0f/4.50 MAG -0.0333STOP 0.00 在表面18后 DIA 112.95EFL142.220FVD 687.538 ENP 103.574IMD504.035BRL 183.503OBD -4205.20OVL 4892.73系统第一阶性质，位置2OBJ.HT-2935.0f/4.50 MAG -0.0350STOP0.00在表面18后 DIA 112.89EFL149.045FVD 691.766 ENP 102.743IMD503.882BRL 187.884OBD -4200.19OVL 4891.95系统第一阶性质，位置3OBJ.HT -2782.0 f/4.54 MAG -0.0367STOP0.00在表面18后DIA 111.85EFL155.824FVD 696.383 ENP 102.110IMD503.988BRL 192.395OBD -4195.98OVL 4892.36系统第一阶性质，位置4OBJ.HT-1135.0f/4.60 MAG -0.0900STOP0.00在表面18后 DIA 110.42EFL148.714FVD 696.417 ENP 102.808IMD504.011BRL 192.406OBD -1594.60OVL 2291.02系统第一阶性质，位置5OBJ.HT-7300.0f/4.50 MAG -0.0140STOP0.00在表面15后 DIA 112.95EFL149.198FVD 690.202 ENP 102.752IMD504.042BRL 186.159OBD -10598.6OVL 11288.8元件的第一阶性质元件编号表面编号 放大率 f11 2 -0.58053E-02-172.2623 40.32921E-02 303.7635 6 -0.33184E-02-301.3547 80.59780E-02 167.2858 9 -0.19045E-02-525.076 10 110.56570E-02 176.777 12 13 -0.77185E-02-129.568 14 150.75026E-02 133.299 16 17 -0.47840E-02-209.03Doublets的第一阶性质元件代号 表面代号 放大率 f4 5 7 90.40231E-02 248.57
表5(续)组的第一阶性质组代号 表面代号 放大率 f11 4 0.16908E-02591.4425 6 -0.33184E-02 -301.3537 9 0.40231E-02248.57410 17 0.13194E-02757.92
表6实例 U1 U1S1U1S2U21 S2-S9 --- ---S10-S132 S1-S6S1-S4S5-S6S7-S103 S1-S6S1-S4S5-S6S8-S114 S1-S6S1-S4S5-S6S7-S95 S1-S6S1-S4S5-S6S7-S9表7实例焦距位置 变焦位置11，2，3 2，4，521，2，3 1，4，531，2，3 2，4，542，4，5 1，2，352，4，5 1，2，3
表8实例面板尺寸像素尺寸 焦距范围 变焦范围 限制 失真(d)1 203×152 0.20.12 0.060 Distortion-0.5＜d＜0.252 203×152 0.20.12 0.132 Distortion-0.25＜d＜0.253 118×88 0.09 0.12 0.118 Color40＜d＜0.14 118×88 0.09 0.08 0.108 Distortion-1＜d＜0.55 118×88 0.09 0.08 0.112 Distortion-1＜d＜0.41定义共轭放大范围绝值对值之差2定义为图像质量(包括失真度)令人满意情况的多焦范围3限制可用多焦范围的图像质量组件4可接纳受的侧向颜色和轴向颜色模糊分别为0.5个像素和2个像素的数值
权利要求
1.一种形成物体放大图像的焦距可变、微小变焦的投影透镜，所述物体的高度为ho，所述放大图像的高度为hi，这里｜hi｜＞｜ho｜，其特征在于包括(A)位于投影透镜成像端的第一透镜单元，所述第一透镜单元包括至少一个透镜元件，所述第一透镜单元的成像端与像素化面板轴向距离为D；以及(B)位于第一透镜单元与像素化面板之间用于变焦的第二透镜单元，所述第二透镜单元包括至少一个透镜元件，所述第二透镜单元成像端与第一透镜单元的物体端相隔距离为D12；其中(i)物体包括由像素构成的面板；(ii)投影透镜的聚焦包括改变轴向距离D；(iii)投影透镜的变焦包括改变轴向距离D12；(iv)投影透镜的焦距范围F至少为0.05，这里的F由下式定义F＝max｜h0/hi｜-min｜h0/hi｜其中max｜h0/hi｜和min｜h0/hi｜分别为投影透镜的图像-物体的最大和最小放大倍数；以及(v)在焦距范围内投影透镜的变焦范围Z的最大值ZMAX小于0.15，变焦范围Z由下列方程定义Z＝2*(max｜hi｜-min｜hi｜)(max｜hi｜+min｜hi｜)其中max｜hi｜和min｜hi｜分别为在焦距范围的｜h0/hi｜比率附近变焦时成像高度的最大和最小放大倍数。
2.如权利要求1所述的焦距可变、微小变焦的投影透镜，其特征在于35*｜h0｜＞｜hi｜＞3*｜h0｜。
3.如权利要求1所述的焦距可变、微小变焦的投影透镜，其特征在于投影透镜的变焦进一步包括投影透镜的再聚焦，所述再聚焦包括改变轴向距离D。
4.如权利要求1所述的焦距可变、微小变焦的投影透镜，其特征在于第二透镜单元包括两个透镜元件，一个具有正放大率而另一个具有负放大率。
5.如权利要求1所述的焦距可变、微小变焦的投影透镜，其特征在于第一透镜单元包括第一透镜子单元和第二透镜子单元，所述子单元由轴向空间互相隔开，每个所述子单元都至少包括一个透镜单元；以及投影透镜的聚焦进一步包括在所述子单元之间改变轴向空间距离。
6.如权利要求1所述的焦距可变、微小变焦的投影透镜，其特征在于F＞0.1。
7.如权利要求1所述的焦距可变、微小变焦的投影透镜，其特征在于ZMAX＜0.1。
8.如权利要求1所述的焦距可变、微小变焦的投影透镜，其特征在于投影透镜在焦距范围的失真小于或等于1％。
9.如权利要求1所述的焦距可变、微小变焦的投影透镜，其特征在于投影透镜在焦距范围和在变焦范围内的失真小于或等于0.5％。
10.如权利要求1所述的焦距可变、微小变焦的投影透镜，其特征在于在470-630钠米范围内在焦距范围内投影透镜的侧向颜色模糊小于半个像素。
11.如权利要求1所述的焦距可变、微小变焦的投影透镜，其特征在于投影透镜在焦距范围内的轴向颜色模糊在470-630钠米范围内小于两个像素。
12.如权利要求1所述的焦距可变、微小变焦的投影透镜，其特征在于投影透镜包括至少一个由塑料组成的透镜单元和至少一个由玻璃组成的透镜单元。
13.如权利要求1所述的焦距可变、微小变焦的投影透镜，其特征在于投影透镜包括至少一个非球面。
14.如权利要求1所述的焦距可变、微小变焦的投影透镜，其特征在于面板具有一个以周期/毫米为单位的特征空间频率，其等于二分之一个像素的尺寸(以毫米为单位)，并且当投影透镜从室温加热至工作温度时在所述特征空间频率处投影透镜的调制传输函数的变化小于25％。
15.一种形成物体图像的投影透镜系统，所述系统包括(a)包含光源和形成光源成像的照明光路，所述光源成像是照明系统的输出；(b)包含物体的像素化面板；以及(c)如权利要求1所述的焦距可变、微小变焦的投影透镜。
16.如权利要求15所述的投影透镜系统，其特征在于所述投影透镜包含一个入射光孔，其位置基本上与照明系统输出的位置对应。
全文摘要
一种形成物体图像的投影透镜系统,所述系统包括:(a)包含光源和形成光源成像的照明光路,所述成像是照明系统的输出;(b)包含物体的像素化面板;以及(c)如权利要求1所述的焦距可变、微小变焦的投影透镜。
文档编号G02B15/16GK1186254SQ9711760
公开日1998年7月1日 申请日期1997年8月15日 优先权日1996年8月16日
发明者M·H·克雷泽 申请人:美国精密镜片股份有限公司