专利名称：可自动热调焦的透镜装置的制作方法
本申请要求申请日为2001年1月26日，申请号为60/264，483按照35U.S.C.§120递交的临时申请的优先权。该临时申请所披露的全部内容全部作为本文的参考文献。
每个CRT在靠近CRT板面处安装有附加的放大透镜系统。通常，透镜装置至少有一个“A”透镜元件，至少一个“B”透镜元件和至少一个“C”透镜元件。不论透镜部件数目多少，本领域中一般称它们为“A”，“B”和“C”透镜组。也就是说，每“组”可能有一个或多个透镜部件。“B”透镜组一般包含一个玻璃透镜，而“A”和“C”透镜组可能为塑料透镜。然而，需要申明的是，每组可能包含一个或多个玻璃透镜和一个或多个塑料透镜。可选地，透镜装置可能全部为玻璃透镜或全部为塑料透镜。CRTs产生的热量会导致塑料透镜变形或光学性质发生改变。特别是对于紧临CRT安装的“C”透镜更是如此。另外，用于冷却透镜装置的液体，如乙烯乙酯的折光指数也会因温度的变化而发生改变。由于温度的变化引起类似上述光学性质的改变，透镜系统的焦距也会发生变化。更特别的是，当透镜装置的温度在连续操作的几个小时内不断发生变化时，由于温度升高的散焦效应可能导致投射到电视屏幕上的图像模糊不清。对于高分辩率的电视(HDTV)系统，高的分辨率使这种模糊效应更加显著。
有些温度校正系统依靠装于投射电视机机壳内的一个或多个温度传感器和一个可根据温度传感器反馈的信息使透镜装置重新聚焦的自动调焦的机械。这类系统的缺点包括价格昂贵和难于确保每个透镜装置有效和独立的进行调焦。解决热感应透镜失真问题的一个简便的方法在授予本专利权人的美国专利号为6,104,554的专利中有描述，其中所披露的内容此处全部列为参考。在美国专利号为6,104,554专利中所示和描述的优选实施例使用了多个栅，当透镜装置受到相近的CRT放出的热量而膨胀时，栅也热膨胀。栅与置有“A”和“B”透镜元件的室机械地结合在一起。“C”透镜元件的位置紧邻CRT，并远离“A”和“B”透镜元件。栅同样由于受热而变形或膨胀，进而使“A”和“B”透镜元件向“C”透镜元件方向移动。因此，当电视系统内部温度升高时，可以使“A”和“B”透镜元件与“C”透镜元件之间保持适当的距离。同样的道理，当电视系统冷却时，“C”元件和栅将会收缩回原位，这样，当重新打开电视时，它们有合适的焦距。
需要申明的是，这种温度感应散焦会在多种实施例中发生，包括那些温度升高和降低的过程。尽管在这方面取得了进步，但是对于透镜装置在解决温度感应聚焦问题的同时，还需要降低制备透镜装置的成本和复杂性。
更特别地，对于投射电视领域，在第一个实施例中，“A”和“B”透镜元件载于透镜支架中，并调节与“C”透镜元件的轴向相对距离，然后机械的地固定其位置。当温度升高时，透镜支架膨胀的速度大于调焦支架膨胀的速度，这样，至少使“A”透镜元件移向“C”透镜元件。这样，当“C”元件的光学性质在热环境下发生变化时，确保透镜之间的距离保持为最初调节好的适当的距离。
在该实施例中，调焦支架和透镜支架为圆柱形构件，在这两个构件之间有一个机械的紧固装置用于转动和轴动调焦支架(？应为透镜支架)来调节其与调焦支架的相对位置。一旦完成上述手动调节过程，调焦支架和透镜支架之间的相对位置就固定了，使用过程中，两个支架材料的不同CTEs的自动调节开始起作用，并自动补偿由热感应变化引起的光学性质的变化。手动调节功能通过一个槽和位于调焦支架和透镜支架装置之间的约中间位置处的螺纹紧固器来完成。一旦固定，该紧固装置就可以有一个位置，该位置使透镜支架向相反的方向膨胀。由于CRT区域的温度最高，故朝向CRT方向的膨胀最大。因此，至少“B”透镜组载于透镜支架区域中，该透镜支架位于紧固装置和“C”元件及CRT之间。可选地，“A”和“B”透镜组都位于该区域，以便它们协调一致地向“C”透镜组移动。
在第一个实施例中，调焦支架的材料优选为充填10％玻璃的聚碳酸酯，其热膨胀系数为3.22*10-5cm/cm/C。透镜支架的材料优选为未充填的聚碳酸酯，其热膨胀系数为6.75*10-5cm/cm/C。应该明白的是，可以使用其他具有不同CTEs的替代材料，而并不脱离本发明的实质和范围。例如，虽然该实施例中使用了两种塑料，但是，可以用金属取代其中的一种或两种材料而可以达到同样的效果。
在第二个实施例中，透镜支架由铝制备，而调焦支架由塑料制备。在该实施例中，自动校正位移使载于透镜支架中的透镜或透镜组远离光传导元件或光源元件。
结合附图
对以下优选实施例进行详细的说明，可以使本领域中的一般技术人员对本发明的其他目标，优点和特征有更加明确的理解。
透镜装置10包括一个远离中心的圆筒形的调焦支架14。透镜装置包括一个“C”透镜元件16，本领域中称为白场(透)镜。使用支架构件或连接件17将调焦支架14安装于电视机内(图中未示出电视机)，并通过适当的紧固器18和法兰件20使调焦支架14与连接件17固定。白场(透)镜或“C”元件16固定于调焦支架14和连接件17之间，并用销子22固定在中央位置。与现有的工艺一样，“C”透镜元件16由纯塑料制成，并且面向CRT12的一面为凸面16a。
如图2所示，使用支架23和弹簧紧固装置24使CRT12靠在连接件17上。O型环25位于“C”透镜元件16的法兰部分16b和连接件17之间，O型环26位于CRT 12和连接件17之间。这样在“C”透镜元件16和CRT 12之间形成了现有的用于容纳液体冷却剂的空间27。当温度发生变化时，该液体冷却剂的折光指数一般也会发生变化。本发明也对这种散焦效应进行矫正。
参见图3和4，透镜支架28上载有三个透镜，包括“A”元件30和一对“B”元件32，34。靠近“C”元件16的“B”元件32和“A”元件30由纯塑料制备。大一点的位于中间的“B”元件34由玻璃制成，是透镜装置10的主要的放大元件。回过头再参见图2，在光线和图像被位于透镜装置10相对于CRT 12的电视屏幕接受到时，光最先通过“C”透镜元件16，然后分别通过“B”元件32，34，最终通过“A”元件30。
如图3和4所示，包括“A”和“B”透镜元件30，32，34的透镜支架28可以相对于“C”透镜元件16进行轴向的左右移动。这种初步的调节一般是在工厂的生产过程进行的。为了使这种调节更容易，紧固装置40的外螺纹紧固器42插入在内螺纹插件43中，进一步穿过两个螺母44a，44b及其之间的锁紧垫圈46，并从调焦支架14上的狭槽50延伸出来。上部插件43不会承受任何紧固作用，只是在旋转调节过程中简单地起到导向元件的作用。松开螺母44a，44b后，调焦支架14可以相对于透镜支架28进行旋转。如图2所示，狭槽50的延长线与透镜装置10的轴52(如图2所示)不成直角关系。因此，当调焦支架14旋转时，紧固插件43沿轴52移动，并根据旋转方向的不同带动透镜支架28和透镜30，32，34沿轴52或朝向CRT 12或背向CRT 12移动。根据这种方法一旦调节好合适的焦距，拧紧螺母44a和44b，这样，“A”和“B”透镜组的透镜30，32，34相对于“C”透镜16的距离就固定了。
进一步由图4所示，当电视机连续使用一段时间后，CRT12发出的热会使“C”透镜元件16从图中点划线所示的位置变形到实线所示的位置，为描述清楚起见，图中实线位置有所夸张。也就是说，“C”透镜元件16会朝着CRT12的方向变形或扭曲。因此，如果“B”透镜元件32，34在如图3所示的原来位置上保持不动，“B”透镜元件32，34和“C”透镜元件16之间的距离L1，L2，与使用紧固装置40初次调焦时设定的L1，L2不同。投射到屏幕上的影像会因此变得模糊不清。为了能够补偿“C”透镜元件16的热感应或其他光学性质变化引起的变形效应，制备透镜支架28的材料与制备调焦支架14的材料的热膨胀系数(CTE)不同。特别地，如图4所示，装有“B”透镜元件32，34的透镜支架28部分向右移动，这样，L1和L2的长度尽量保持与图3所示的最初设定的L1和L2的长度相同。这样，如图4所示，透镜支架28的部分到紧固装置40右端的部分热膨胀并向右移动，同时带动透镜元件32，34从点划线所示的位置移动到实线所示的位置。在优选实施例中，透镜支架28由CTE为6.75*10-5cm/cm/C的塑料制备，而调焦支架材料的CTE较小，为3.22*10-5cm/cm/C。更优选的，调焦支架14用填充了10％玻璃的聚碳酸酯制备，而透镜支架28使用未填充的聚碳酸酯。当电视机连续使用时，假设“C”透镜元件16部分的温度为60-65℃，投射电视机透镜装置10的重调焦距的范围在0.10mm到0.15mm之间。
图5A和5B所示为本发明众多可能可选实施例之一的透镜装置100的形状。透镜装置100包括牢牢固定于适当的支撑结构104的远离圆心的外调焦支架102和内透镜支架106。调焦支架102和106优选为圆筒状，但更普遍的是沿纵向轴108延伸的管状。透镜支架106插入到调焦支架102中，并通过螺纹110固定在调焦支架102上，螺纹110还可以调节调焦支架102和透镜支架106之间的相对位置。这样就可以使透镜支架16靠近或远离光投射体或光产生体，如图5A，5B所示的棱镜112。透镜支架106的初始焦距位置由锁紧环114固定，锁紧环114紧靠在调焦支架102的一端102a处，并通过螺纹固定在透镜支架106上。透镜元件系列116，118a，118b固定于透镜支架106内，用于传输光或图像。图示中的形状，使用的材料和透镜元件116，118a，118b的数目没有任何限制的含义。远离中心的“A”透镜元件118a和远离中心的“B”透镜元件118b可以由塑料制备，如丙烯酸纤维。其余“A”和“B”透镜元件116可以用玻璃制备。适当的固定元件120用于将“A”和“B”透镜元件116，118a，118b固定于透镜支架106内。如同第一个实施例，该透镜装置100只是说明性的描述本发明，根据实际的需要可以进行形状和使用材料的改动。
图5A所示为透镜装置未受热时的状态和相应的距离L1，L2，L3。图5B所示为受热状态(例如，60-65℃)下的状况，其中，“B”透镜元件118b已经向光发射体或光产生体112的方向发生向外的变形(图中所示为夸张的形状)。典型的情况下，这将会改变距离L1，并使通过透镜装置110投射的图像失真。然而，根据本发明，透镜支架106的材料，例如铝，其CTE值小于调焦支架102材料的CTE值。本例中，调焦支架102可用塑料材料，如麻萨诸塞州的General ElectricPlastics，Pittsfield的Cycolac KJW，其CTE值为11.2*10-5cm/cm/C。铝的CTE值为2.4*10-5cm/cm/C。这样，如图5B的夸张所示，调焦支架102会从相对于支撑结构104的原来的L2位置膨胀到L2’的位置。如图5B所示，这将会带动透镜支架106向左移动，这样，距离L3就变为较短的L3’。结果是“B”透镜元件118b的外表面与光传输体或产生体112之间的距离优选的保持不变或仅有微小的改变。也就是说，L1等于或近似等于L1’。如图5B所示，在加热的情况下，即使不能够完全达到最初的L1距离，但透镜118b向左的任何移动都有利于通过透镜装置100传输的图像效果最佳。
虽然通过优选实施例的描述对本发明进行了说明，并且对实施例进行了某种程度的详细说明，但这并非意味着本发明人想限制或以任何形式来如此限定权利要求。对本领域中的那些熟练技术人员而言，本发明的其他优点和改进都是显而易见的。根据需要和使用者的喜好，本发明的各种特征可以单独应用，也可以进行多种的组合应用。连同实施本发明的优选方法对本发明进行了一般的描述。
权利要求
1.适合安装于温度变化环境的透镜装置，该透镜装置包括具有内表面和外表面的通常为管状的透镜支架，其制备材料的热膨胀系数为第一热膨胀系数，在所述的透镜支架的所述的内表面沿轴向至少安装第一透镜，与所述的透镜支架的所述的外表面结合在一起的通常为管状的调焦支架，其制备材料的热膨胀系数不同于所述的第一热膨胀系数，为第二热膨胀系数，和使所述透镜支架和所述调焦支架结合在一起的调节和锁定装置，使所述的透镜支架相对于所述的调焦支架沿轴向做相对运动，然后固定于使所述的第一透镜获得初步焦点的位置上，其中，在所述的第一透镜固定于初步的焦点位置后，当透镜支架和调焦支架受热时，第一和第二热膨胀系数导致所述透镜支架和所述调焦支架的轴向相对位置自动改变，从而使所述的第一透镜移动到一个新的聚焦位置。
2.如权利要求1中的透镜装置，其特征在于，其中所述的第一透镜装载于所述的调节和锁定装置的一侧，当所述的透镜支架的温度变化时，所述的第一透镜向远离调节和锁定装置的一侧移动。
3.如权利要求2中的透镜装置，其特征在于，其中所述的调节和锁定装置进一步包括紧固装置和锁固元件，其中，紧固装置的一部分直接与所述的透镜支架结合在一起，另一部分从位于所述的调焦支架上的槽穿过并可以沿着该槽移动从而使透镜支架移动到初步的焦点位置；锁固元件牢牢固定于所述透镜支架的外表面，使所述的透镜支架固定在初步的焦点位置。
4.如权利要求1中的透镜装置，其特征在于，其中所述的调节和锁定装置进一步包括位于所述的透镜支架和所述的调焦支架之间的螺纹连接件和所述的透镜支架上的锁定部件，锁定部件可在锁定和非锁定位置之间变换以选择性的固定所述的透镜支架于初步的焦点位置。
5.如权利要求1中的透镜装置，其特征在于，进一步包括沿所述的轴安装的第二透镜，该透镜有一个向远离所述的第一透镜方向弯曲的凸起部分，其中，当使用过程中受热时，由于第一和第二热膨胀系数造成所述的凸起部分向远离所述的第一透镜方向发生变形，所述的第一透镜自动向所述的第二透镜方向移动。
6.如权利要求1中的透镜装置，其特征在于，进一步包括一种容于其中的液体冷却剂，当温度变化时，所述的液体冷却剂的折光指数发生改变，此时，新的焦点位置有助于校正由于所述的折光指数改变而引起的散焦。
7.如权利要求1中的透镜装置，其特征在于，其中所述的第一热膨胀系数大于所述的第二热膨胀系数。
8.如权利要求7中的透镜装置，其特征在于，其中所述第一热膨胀系数至少比第二热膨胀系数大两倍。
9.如权利要求1中的透镜装置，其特征在于，其中所述的调焦支架和所述的透镜支架中的一个是由塑料制备，所述的调焦支架和所述的透镜支架中的另外一个由金属制备。
10.如权利要求1中的透镜装置，其特征在于，其中所述的调焦支架和所述的透镜支架都是由塑料制备。
11.如权利要求1中的透镜装置，其特征在于，其中所述的调焦支架和所述的透镜支架都是由金属制备。
12.如权利要求1中的透镜装置，其特征在于，其中所述的透镜支架和所述的调焦支架一般地都是圆筒形状。
13.一个投射电视透镜装置包括由具有第一热膨胀系数的材料制备的，带有内表面和外表面的通常管状的透镜支架；在所述的透镜支架的所述的内表面沿轴向至少安装有第一透镜；第二透镜沿所述的轴安装，所述的第二透镜适合安装于邻近光源处；一个通常管状的调焦支架与所述的透镜支架的所述的外表面结合在一起，并且该调焦支架是由具有小于所述的第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的材料制备，和将所述的透镜支架和所述的调焦支架结合在一起的调节和琐定装置，可以使所述的透镜支架相对于所述的调焦支架沿所述的轴移动，然后使所述的第一透镜锁定在第二透镜的初步焦点的位置上，其中，在至少所述的第一透镜锁定在初步的焦点位置上，并且透镜支架，调焦支架和第二透镜被光源加热之后，所述的透镜支架和调焦支架自动做相对移动，这样，由于第一和第二热膨胀系数的不同，使所述的第一透镜和第二透镜中的至少一个移动到新的焦点位置。
14.如权利要求13中的投射电视透镜装置，其特征在于，通过使用所述的调节和锁定装置，所述的第一和第二透镜的安装方式可以使它们沿所述的轴做相对移动，在光源的加热下也会使它们相对移动。
15.如权利要求13中的投射电视透镜装置，其特征在于，通过使用所述的调节和锁定装置，所述的第一和第二透镜的安装方式可以使它们一起沿所述的轴移动，加热的光源也会使它们移动。
16.如权利要求13中的投射电视透镜装置，其特征在于，进一步包括第三透镜，该透镜沿所述的轴安装于所述的透镜支架上，位于所述的第一和第二透镜之间，其中，由于第一和第二热膨胀系数的不同，所述的第三透镜自动朝所述的第二透镜方向移动，这样，所述的第三透镜就移动到第二透镜的新的焦点位置上。
17.如权利要求16中的投射电视透镜装置，其特征在于，所述的第一和第三透镜沿所述的轴装于所述的调节和锁定装置的一侧，当所述的透镜支架受到光源的加热时，所述的第一和第二透镜向远离所述的调节和锁定装置的方向移动。
18.如权利要求13中的投射电视透镜装置，其特征在于，所述的调节和锁定装置进一步包括紧固装置和锁定元件，紧固装置的第一部分直接与所述的透镜支架结合在一起，第一部分从调焦支架上的槽穿过并可沿着该槽移动，使透镜支架移动到初步的焦点位置上，锁定元件牢固装于所述调焦支架的外表面并使透镜支架锁定在初步的焦点位置上。
19.如权利要求13中的投射电视透镜装置，其特征在于，所述的第一热膨胀系数大于所述的第二热膨胀系数。
20.如权利要求19中的投射电视透镜装置，其特征在于，所述的第一热膨胀系数至少比所述的第二热膨胀系数大两倍。
21.如权利要求13中的投射电视透镜装置，其特征在于，所述的调焦支架和所述的透镜支架中的一个是由塑料制备，所述的调焦支架和所述的透镜支架中的另外一个由金属制备。
22.如权利要求13中的投射电视透镜装置，其特征在于，所述的调焦支架和所述的透镜支架都是由塑料制备。
23.如权利要求13中的投射电视透镜装置，其特征在于，所述的调焦支架和所述的透镜支架都是由金属制备。
24.如权利要求13中的投射电视透镜装置，其特征在于，所述的第二透镜为塑料白场(透)镜。
25.如权利要求13中的投射电视透镜装置，其特征在于，进一步包括容于其中的液体冷却剂，当受到光的加热时，所述的液体冷却剂的折光指数发生改变，其中新的焦点位置有助于校正由于所述的折光指数的改变而引起的散焦。
26.如权利要求13中的投射电视透镜装置，其特征在于，所述的第二透镜包括一个凸起部分，该凸起部分向远离所述的第一透镜的方向弯曲，当使用过程中受热时，其中所述的凸起部分向远离所述的第一透镜的方向变形，由于第一和第二热膨胀系数的不同，所述的第一透镜自动向所述的第二透镜方向移动。
27.如权利要求13中的投射电视透镜装置，其特征在于，所述的第二透镜的材料，在透镜使用过程中受热的情况下，会使透镜发生变形散焦，所述的第一透镜和第二透镜中的至少一个会自动移向新的焦点位置以便对变形进行补偿。
28.投射电视透镜装置调焦的方法，其中投射电视透镜装置包括一个通常管状的调焦支架，可以沿一个轴相对于调焦支架移动的通常管状的透镜支架，和至少沿轴装于透镜支架上的第一透镜，制备透镜支架和调焦支架的材料的热膨胀系数不同，方法包括使调焦支架和透镜支架沿轴向做相对移动，从而调节第一透镜的轴向位置位于初步的焦点位置；用光源加热调焦支架和透镜支架；利用光源发出的热使透镜支架和调焦支架中的至少一个发生热膨胀，从而使透镜支架和第一透镜沿轴向自动调节到新的焦点位置。
29.如权利要求28中的方法，其特征在于，自动调节透镜支架和第一透镜轴向位置的方法进一步包括调焦支架的热膨胀大于透镜支架的热膨胀。
30.如权利要求28中的方法，其特征在于，透镜装置进一步包括第二透镜，自动调节透镜支架和第一透镜的轴向位置的方法进一步包括使第一透镜和第二透镜沿轴向做相对移动。
31.如权利要求28中的方法，其特征在于，透镜装置进一步包括第二透镜，自动调节透镜支架和第一透镜的轴向位置的方法进一步包括使第一透镜和第二透镜沿轴一起移动。
全文摘要
特别适用于温度变化的环境，例如，投射电视机，包括自动热调焦的透镜装置(10)。透镜支架(28)由具有第一热膨胀系数的材料制备，并至少载有一个透镜(30，32，34)。调焦支架(14)与透镜支架(28)结合在一起，并由具有与第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数的材料制备。调节和锁定装置(40)将透镜支架(28)和调焦支架(14)结合在一起，并可以使透镜支架(28)相对于调焦支架(14)沿轴向调整位置，然后锁定在该位置上。在通过调节和锁定装置(40)固定好位置后，使用过程中，透镜支架(28)和调焦支架(14)的相对轴向位置自动变化，从而使透镜(30，32，34)对应用环境温度的变化做出相应的响应。
文档编号G02B13/16GK1455878SQ02800093
公开日2003年11月12日 申请日期2002年1月16日 优先权日2001年1月26日
发明者E·格列格·弗克森, 迈克·拉森 申请人:科宁精密透镜公司