专利名称：适应性强的微显示投影透镜族的制作方法
技术领域：
本发明涉及投影镜头，更具体地说，涉及对于多种优化参数都具有良好性能的透镜族。
背景技术：
在微显示系统中，从成像器输出的调制过的光由投影透镜系统投影到屏幕上以形成可视图像。用于现有微显示系统的投影透镜系统通常包括11到13个透镜元件。为了产生可视图像，投影透镜系统必须具有较高性能。为满足性能要求所需的透镜元件的数目和质量可能导致透镜系统成本很高。此外，现有的投影镜头通常是为具体应用场合定制的，导致透镜系统设计成本高昂，且灵活性有限。
发明内容
本发明提供了一种投影透镜系统，它包括双高斯式结构，在透镜系统的开始处和末端处具有非球面透镜元件，在非球面透镜之间设有系统光阑，每个非球面透镜与系统光阑之间具有消色差透镜元件对。
本发明还提供了一种投影透镜族，它包括多个透镜系统，每个透镜系统具有双高斯式基础结构，所述基础结构在透镜系统的开始处和末端处具有非球面透镜元件，在非球面透镜元件之间设有系统光阑，每个非球面透镜与系统光阑之间具有消色差透镜元件对。每个透镜系统都得到了优化以提供不同的成本/性能选择。
本发明将参考下列附图进行说明，其中图1示出了根据本发明一种实施例的一种示例性投影透镜系统，它包括用于透镜系统族的基础结构；图2示出了图1中的示例性投影透镜系统光学传递函数的一组计算曲线；图3示出了根据本发明一种实施例，采用长镜头的可替换示例性投影透镜系统；图4示出了图3中的示例性投影透镜系统光学传递函数的一组计算曲线；图5示出了图3中的示例性投影透镜系统场曲失真的一组计算曲线；图6示出了根据本发明的一种实施例，采用了基础结构和附加非球面透镜的可替换示例性投影透镜系统；图7示出了图6中的示例性投影透镜系统光学传递函数的一组计算曲线；图8示出了图6中的示例性投影透镜系统场曲失真的一组计算曲线；图9示出了根据本发明的一种实施例，采用了长镜头和附加非球面透镜的可替换示例性投影透镜系统；图10示出了图9中的示例性投影透镜系统光学传递函数的一组计算曲线；图11示出了图9中的示例性投影透镜系统场曲失真的一组计算曲线；图12示出了根据本发明的一种实施例，采用基础结构和附加消色差透镜的可替换示例性投影透镜系统；图13示出了图12中的示例性投影透镜系统光学传递函数的一组计算曲线；图14示出了图12中的示例性投影透镜系统场曲失真的一组计算曲线；图15示出了根据本发明的一种实施例，采用了长镜头和附加消色差透镜的可替换示例性投影透镜系统；图16示出了图15中的示例性投影透镜系统光学传递函数的一组计算曲线；图17示出了图15中的示例性投影透镜系统场曲失真的一组计算曲线；图18示出了根据本发明的一种实施例，采用附加非球面透镜和附加消色差透镜，并且附加的消色差透镜上具有非球面的可替换示例性投影透镜系统；图19示出了图18中的示例性投影透镜系统光学传递函数的一组计算曲线；
图20示出了图18中的示例性投影透镜系统场曲失真的一组计算曲线。
具体实施例方式
本发明采用6到9个透镜元件提供了具有良好性能的投影透镜系统，还提供了透镜系统族，所述透镜系统族给具体应用提供了在性能/成本之间进行平衡的机会，以便以对于该应用最低的成本获得所需性能而无需定制设计。如图1、3、6、9、12、15和18所示的投影透镜系统族，是根据本发明的一种示例性实施例提供的。对于该示例性透镜族中的透镜系统，计算所得性能如图2、4、5、7、8、10、11、13、14、16、17、19和20所示。这族示例性的透镜系统提供了适应性强的基础结构，该结构具有各种性能增强变体以允许在成本/性能之间进行平衡来满足特定应用的需要而无需定制设计。示例性透镜族中的透镜系统从成像器(未示出)接收光经过调制的象素的输出矩阵，并将其投影到屏幕(未示出)上以提供可视图像。透镜系统族提供了多个带有6到9个透镜元件的高性能投影透镜系统，与11到13个透镜元件的透镜系统相比，降低了成本。
图示的透镜系统族中每个透镜系统都具有图1所示的基本结构10。基本结构10包括6个透镜元件。两个丙烯酸非球面透镜(即非球面)81、85(分别是最前面和最后面的透镜)设在透镜系统10的相反端，各形成一个非球面透镜元件。两个玻璃消色差镜头(即消色差透镜)82、84(由便宜的玻璃型号制成)设置在非球面81、85之间，光阑83设在消色差透镜82、84之间。每个消色差透镜82、84包括两个球面透镜元件(即具有均匀球面几何形状的透镜元件)。第二非球面透镜85的两个表面都具有前向曲率(即正半径)。第一非球面透镜81中，第一表面81a具有后向曲率(即负半径)，而第二表面81b具有前向曲率。第一消色差透镜82具有限定了两个透镜元件82x、82y的三个表面82a、82b和82c。第一表面82a具有负方向的曲率，第二表面82b和第三表面82c具有正方向的曲率。第二消色差透镜84也具有限定了两个透镜元件84x、84y的三个表面83a、83b和83c。第二消色差透镜84的每个表面84a、84b和84c都具有负方向的曲率。消色差透镜元件由便宜的玻璃制成，例如SF14、SF15、BAK1和BALF4。
表1中提供了示例性基础结构中透镜81、82、84、85的表面数据，表2中提供了非球面系数。这些示例性透镜表面是发明人采用ZEMAXTM软件结合发明人确定的新颖特性来开发的。厚度值是到前一表面的距离(即对于透镜元件后表面的厚度，是指该透镜元件的厚度，对于透镜前表面的厚度，是指该透镜前面的空气间隙)。
表1(单位为毫米)
表2
投影透镜系统设在成像器(未示出)与观察屏幕(未示出)之间。成像器提供光象素的矩阵，象素的强度根据供给成像器的信号进行了调制。在使用LCOS成像器的微显示情况下，来自成像器的输出穿过偏振分束器，即PBS(未示出)，并进入包括单个非球面透镜元件的第一非球面81，第一非球面81将被调制的光矩阵导入第一消色差透镜82。第一消色差透镜82包括由例如胶连接的两个球透镜元件82x、82y。第一消色差透镜82对光进行聚焦，使其在透镜系统的光阑83处会聚并倒转。在经过系统光阑83之后，光矩阵是发散的，直到进入第二消色差透镜84。第二消色差透镜84使光矩阵会聚并将光矩阵导入第二非球面透镜85。第二非球面透镜85以发散方式将光矩阵投影到观察屏幕上，使光象素分布在整个观察屏幕上。
图2示出了对于上述基础结构10，计算得到的光学传递函数的模(MTF)。这些值是用ZEMAXTM软件计算得到的。如图2所示，对于每毫米36周的空间频率，MTF在最差位置处大于约0.48。对于基础结构10，用ZEMAXTM软件确定的失真，也称为网格畸变，约为0.55％，这表明在最差位置，来自宽度200象素矩阵的成像器的特定象素的光会投影到观察屏幕上距离预计位置或最佳位置约半个象素宽度的位置处。
表1的厚度值之和表明，基础结构提供的系统长度小于1050毫米。
图3示出示例性透镜系统族中的第一优化透镜系统110。第一优化透镜系统110类似于上述基础结构10，顺序地包括具有两个表面181a、181b的第一非球面透镜181；具有三个表面182a、182b和182c的第一消色差透镜182；系统光阑183；具有三个表面184a、184b和184c的第二消色差透镜184以及具有两个表面185a、185b的第二非球面透镜185。
表3给出了示例性第一优化透镜系统的透镜181、182、184、185的表面数据，表4给出了非球面系数。这些示例性透镜表面是发明人采用ZEMAXTM软件结合发明人确定的新颖特性来开发的。厚度值是到前一表面的距离(即对于透镜元件后表面的厚度，是指该透镜元件的厚度，对于透镜前表面的厚度，是指该透镜前面的空气间隙)。
表3中半径的符号表明，第一优化透镜系统110的表面曲率方向与基础结构的相应表面相同。第一优化透镜系统110与基础结构10的不同之处在于第一优化透镜系统110的透镜元件具有比基础结构10的相应表面更大的厚度。
第一优化透镜系统110与基础结构10的不同，在于第一优化透镜系统110的透镜元件厚度没有短系统的约束条件，因此大于基础结构10中相应透镜元件的厚度。第一优化透镜系统110的表面数据是对于新的约束条件(即系统长度)进行优化的。虽然增大透镜元件厚度提高了第一优化透镜系统110的性能，但是也由于与更厚的透镜元件相关的材料消耗而提高了成本。此外，由于表3中厚度值的总和表明，第一优化透镜系统100的总长度大于基础结构10的长度，所以由于需要更大的管子来容纳更大的系统长度，也会导致成本增加。因此，第一优化透镜系统110通过以成本为代价提供了更好的性能，相对于基础结构，它在性能/成本之间进行了一种平衡。
表3
表4
图4和图5示出了对于第一优化透镜系统110，用ZEMAXTM软件计算得到的性能数据。如图4所示，第一优化透镜系统110的MTF在每毫米36周时大于0.6。如图5所示，由于场曲引起的失真小于0.5％，得到的网格畸变小于约0.21％。
图6示出第二优化透镜系统210。第二优化透镜系统210顺序地设有与基础结构10中的透镜81、82、84、85和系统光阑83相应的第一非球面透镜281、第一消色差透镜282、系统光阑283、第二消色差透镜284以及第二非球面透镜285。另外，第一非球面透镜281与第一消色差透镜282之间设有第三非球面透镜286。第二优化透镜系统210的表面数据是为新的约束条件(即增加了非球面透镜)优化的。
表5给出了示例性第二优化透镜系统的透镜281、282、284、285、286的表面数据，表6给出了非球面系数。这些示例性透镜表面是发明人采用ZEMAXTM软件结合发明人确定的新颖特性来开发的。厚度值是到前一表面的距离(即对于透镜元件后表面的厚度，是指该透镜元件的厚度，对于透镜前表面的厚度，是指该透镜前面的空气间隙)。表5中半径的符号表明，第二优化透镜系统210的表面曲率方向与基础结构的相应表面相同。
虽然增加的非球面透镜286增强了第二优化透镜系统210的性能，但是由于与所加透镜有关的材料和处理成本，所以也增加了系统成本。因此，第二优化透镜系统210相对于基础结构和第一优化透镜系统110，在性能/成本之间进行了一种平衡。
表5
表6
表6(续)
图7和图8示出了对于第二优化透镜系统210，用ZEMAXTM软件计算得到的性能数据。如图7所示，第二优化透镜系统210的MTF在每毫米36周时大于0.5。如图8所示，由于场曲引起的失真小于0.5％，得到的网格畸变小于约0.37％。
图9示出第三优化透镜系统310。第三优化透镜系统310顺序地设有与第二优化透镜系统210中的透镜281、286、282、284、285和系统光阑283相应的第一非球面透镜381、第三非球面透镜386、第一消色差透镜382、系统光阑383、第二消色差透镜384以及第二非球面透镜385。第三优化透镜系统310与第二优化透镜系统210的不同之处在于第三优化透镜系统310的透镜元件厚度没有短系统的约束条件，因此大于第二优化透镜系统210中相应透镜元件的厚度。第三优化透镜系统310的表面数据对新的约束条件(即系统长度)进行了优化。虽然增大透镜元件厚度提高了第三优化透镜系统310的性能，但是也由于与更厚的透镜元件相关的材料消耗而提高了成本。第三优化透镜系统310的表面数据对新的约束条件(即厚度约束)进行了优化。
表7给出了示例性第三优化透镜系统的透镜381、382、384、385、386的表面数据，表8给出了非球面系数。这些示例性透镜表面是发明人采用ZEMAXTM软件结合发明人确定的新颖特性来开发的。厚度值是到前一表面的距离(即对于透镜元件后表面的厚度，是指该透镜元件的厚度，对于透镜前表面的厚度，是指该透镜前面的空气间隙)。表7中半径的符号表明，第三优化透镜系统310的表面曲率方向与第二优化透镜系统210的相应表面相同。
表7
表8
表8(续)
图10和图11示出了对于第三优化透镜系统310，用ZEMAXTM软件计算得到的性能数据。如图10所示，第三优化透镜系统310的MTF在每毫米36周时大于0.7。如图11所示，由于场曲引起的失真小于0.6％，得到的网格畸变小于约0.53％。
图12示出第四优化透镜系统410。第四优化透镜系统410顺序地设有与基础结构10中的透镜81、82、84、85和系统光阑83相应的第一非球面透镜481、第一消色差透镜482、系统光阑483、第二消色差透镜484以及第二非球面透镜485。另外，第三消色差透镜486设在第一非球面透镜481与第一消色差透镜482之间。第四优化透镜系统410的表面数据对新的约束(即增加的消色差透镜)进行了优化。
表9给出了示例性第四优化透镜系统的透镜481、482、484、485、486的表面数据，表10给出了非球面系数。这些示例性透镜表面是发明人采用ZEMAXTM软件结合发明人确定的新颖特性来开发的。厚度值是到前一表面的距离(即对于透镜元件后表面的厚度，是指该透镜元件的厚度，对于透镜前表面的厚度，是指该透镜前面的空气间隙)。表9中半径的符号表明，第四优化透镜系统410的表面曲率方向与基础结构的相应表面相同。
虽然增加的消色差透镜486增强了第四优化透镜系统410的性能，但是由于与所加透镜有关的材料和处理成本，所以也增加了系统成本。因此，第四优化透镜系统410相对于基础结构和其他优化透镜系统，在性能/成本之间进行了一种平衡。
表9
表10
图13和图14示出了对于第四优化透镜系统410，用ZEMAXTM软件计算得到的性能数据。如图13所示，第四优化透镜系统410的MTF在每毫米36周时大于约0.45。如图14所示，由于场曲引起的失真小于0.3％，得到的网格畸变小于约0.11％。
图15示出第五优化透镜系统510。第五优化透镜系统510顺序地设有与第四优化透镜系统410的透镜481、486、482、484、485和系统光阑483相应的第一非球面透镜581、第三消色差透镜586、第一消色差透镜582、系统光阑583、第二消色差透镜584以及第二非球面透镜585。第五优化透镜系统510与第四优化系统410的不同之处在于第五优化透镜系统510的透镜元件厚度没有短系统的约束条件，因此大于第四优化透镜系统410中相应透镜元件的厚度。第五优化透镜系统510的表面数据对新的约束条件进行了优化。
表11给出了示例性第五优化透镜系统的透镜581、582、584、585、586的表面数据，表12给出了非球面系数。这些示例性透镜表面是发明人采用ZEMAXTM软件结合发明人确定的新颖特性来开发的。厚度值是到前一表面的距离(即对于透镜元件后表面的厚度，是指该透镜元件的厚度，对于透镜前表面的厚度，是指该透镜前面的空气间隙)。表11中半径的符号表明，第五优化透镜系统510的表面曲率方向与基础结构的相应表面相同。
虽然增加的消色差透镜586和更长的镜头增强了第五优化透镜系统510的性能，但是由于与所加透镜有关的材料和处理成本，所以也增加了系统成本。因此，第五优化透镜系统510相对于基础结构和其他优化透镜系统，在性能/成本之间进行了一种平衡。
表11
表12
图16和图17示出了对于第五优化透镜系统510，用ZEMAXTM软件计算得到的性能数据。如图16所示，第五优化透镜系统510的MTF在每毫米36周时大于0.55。如图17所示，由于场曲引起的失真小于0.4％，得到的网格畸变小于约0.16％。
图18示出第六优化透镜系统610。第六优化透镜系统610顺序地设有与基础结构10中的透镜81、82、84、85和系统光阑83相应的第一非球面透镜681、第一消色差透镜682、系统光阑683、第二消色差透镜684以及第二非球面透镜685。另外，第三消色差透镜686设在第一非球面透镜681与第一消色差透镜682之间，第三非球面透镜687设在第二消色差透镜684与第二非球面透镜685之间。而且，消色差透镜683、684和686不限于球面形状，而可以采用非球面形状来进行优化。第六优化透镜系统610的表面数据对新的约束(即增加的消色差透镜)进行了优化。
表13给出了示例性第六优化透镜系统的透镜681、682、684、685、686、687的表面数据，表14给出了非球面系数。这些示例性透镜表面是发明人采用ZEMAXTM软件结合发明人确定的新颖特性来开发的。厚度值是到前一表面的距离(即对于透镜元件后表面的厚度，是指该透镜元件的厚度，对于透镜前表面的厚度，是指该透镜前面的空气间隙)。表13中半径的符号表明，第六优化透镜系统610的表面曲率方向与基础结构的相应表面相同。
虽然增加的消色差透镜686和增加的球面透镜687以及消色差透镜682、684、686上的非球表面增强了第六优化透镜系统610的性能，但是由于与所加透镜和复杂几何形状有关的材料和处理成本，所以也增加了系统成本。因此，第六优化透镜系统610相对于基础结构和其他优化透镜系统，在性能/成本之间进行了一种平衡。
表13
表14
表14(续)
表14(续)
图19和图20示出了对于第六优化透镜系统610，用ZEMAXTM软件计算得到的性能数据。如图19所示，第六优化透镜系统610的MTF在每毫米36周时大于0.65。如图20所示，由于场曲引起的失真小于0.35％，得到的网格畸变小于约0.30％。
上述示例性投影透镜系统族提供了多个透镜系统，每个透镜系统包括双高斯式基础结构，透镜系统的开始处和末端处具有非球面透镜元件，它们之间设有系统光阑，每个非球面透镜与系统光阑之间设有消色差透镜元件对。对每个透镜系统进行了优化，提供了不同的成本/性能选择。因此，可以对透镜系统族中的元件进行选择以获得所需的性能，免去了为获得更好性能而设计透镜系统导致的成本，也不必为特定应用而对透镜系统进行定制设计。由于双高斯式基础结构的适应性，根据本发明的每种示例性透镜系统还用比现有投影透镜系统更少的透镜元件提供了良好的性能。
整个透镜族中每个元件的曲率方向并不因为用添加的元件和/或更长的透镜长度对透镜系统进行优化而改变。透镜系统在0.48％的MTF(最差位置)和0.55％的失真(6个元件的短结构)到0.69的MTF(最差位置)和0.30％的失真(9个元件)之间提供了多种性能选择。
上文对本发明的某些可能实施方式进行了说明。在本发明的范围和精神之内，可以有许多其他的实施方式。因此，上文的说明应当理解为示例性而不是限制性的，本发明的范围由权利要求及其所有的等同物一起限定。例如，上文的说明和附图示出了单一成像器的LCOS系统中透镜的情况，所述系统在LCOS成像器与第一透镜元件之间具有22mm厚的SF2PBS。但透镜族也可以适用于其他尺寸的LCOS系统，以及用TIR棱镜代替PBS的DLPTM系统。
权利要求
1.一种投影透镜族，包括多个透镜系统，每个所述透镜系统具有双高斯式基础结构，所述基础结构在所述透镜系统的开始处和末端处具有非球面透镜，在所述非球面透镜之间设有系统光阑，每个非球面透镜与所述系统光阑之间具有消色差透镜元件对。
2.根据权利要求1所述的投影透镜族，其中，在所述投影透镜族中，所述透镜的长度不同。
3.根据权利要求2所述的投影透镜族，其中，所述透镜系统中至少一个针对小于1050毫米的系统长度进行了优化。
4.根据权利要求1所述的投影透镜族，其中，通过将一个或多个透镜元件加入所述透镜系统开始处和末端处的非球面透镜之间的基础结构，对所述透镜系统中至少一个进行优化。
5.根据权利要求1所述的投影透镜族，其中，对于所述透镜族中的透镜系统，所述透镜元件的曲率方向不发生改变。
6.根据权利要求1所述的投影透镜族，其中，对所述透镜系统进行优化，使最大失真在约0.55％到约0.30％之间变化，模量传递函数在约0.48到约0.69之间变化。
7.根据权利要求6所述的投影透镜族，其中，所述透镜系统采用6到9个透镜元件。
8.根据权利要求1所述的投影透镜族，其中，至少一个透镜系统所用的所述消色差透镜元件对由便宜的玻璃材料组合形成，所述玻璃材料选自由SF14、SF15、BAK1和BALF4组成的组中。
9.一种投影透镜系统，包括双高斯结构，所述双高斯结构在所述透镜系统的开始处和末端处具有非球面透镜，在所述非球面透镜之间设有系统光阑，每个非球面透镜与所述系统光阑之间具有消色差透镜元件对。
10.根据权利要求9所述的投影透镜系统，其中，所述透镜系统能够提供小于约0.55％的最大失真和至少约0.48的模量传递函数。
11.根据权利要求10所述的投影透镜系统，其中，至少一个透镜系统所用的所述消色差透镜元件对由便宜的玻璃材料组合形成，所述玻璃材料选自由SF14、SF15、BAK1和BALF4组成的组中。
12.根据权利要求10所述的投影透镜系统，其中，所述透镜系统具有至少六个透镜元件，但不超过九个透镜元件。
13.根据权利要求9所述的投影透镜系统，还包括附加的非球面透镜，所述附加的非球面透镜设于在所述透镜系统开始处的非球面透镜与位于在所述透镜系统开始处的非球面透镜与所述系统光阑之间的消色差透镜之间。
14.根据权利要求9所述的投影透镜系统，还包括附加的消色差透镜对，所述附加的消色差透镜对设于在所述透镜系统开始处的非球面透镜与位于所述透镜系统开始处的非球面透镜与所述系统光阑之间的消色差透镜之间。
15.根据权利要求14所述的投影透镜系统，还包括附加的非球面透镜和附加的消色差透镜，所述附加的非球面透镜设在所述透镜系统末端处的非球面透镜与所述系统光阑之间，所述附加的消色差透镜设在所述透镜系统开始处的非球面透镜与所述系统光阑之间。
16.根据权利要求9所述的投影透镜系统，其中，所述透镜系统针对系统长度小于1050毫米的镜头进行了优化。
全文摘要
本发明提供了一种投影透镜系统，它包括双高斯式结构，在透镜系统的开始处和末端处具有非球面透镜元件，在非球面透镜元件之间设有系统光阑，每个非球面透镜与系统光阑之间具有消色差透镜元件对。本发明还提供了一种投影透镜族，它包括多个透镜系统，每个透镜系统具有双高斯式基础结构，所述基础结构在透镜系统的开始处和末端处具有非球面透镜元件，在非球面透镜元件之间设有系统光阑，每个非球面透镜与系统光阑之间具有消色差透镜元件对。每个透镜系统都得到了优化以提供不同的成本/性能选择。
文档编号G02B13/18GK1918500SQ200480041888
公开日2007年2月21日 申请日期2004年2月19日 优先权日2004年2月19日
发明者艾斯特尔·索恩·小霍尔 申请人:汤姆逊许可证公司