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：
本发明涉及具有变焦功能的变焦透镜和具有该变焦透镜的光学仪器。
背景技术：
为了响应对投影图像的更高精细度的要求，对于在液晶投影仪中使用的变焦透镜来说，要求极其严格的规范，尤其是在光学功能之一的色移(横向色差)方面更是如此。
一般来说，为了校正横向色差，有效的是使用由异常色散玻璃制成的透镜。
例如，一种常规系统论述通过利用由异常色散玻璃制成的透镜，在横向色差方面被校正的变焦透镜的使用，其中该变焦透镜用在液晶投影仪中(USP No.6816320，NO.7016118)。
最近，市场已突出对供液晶投影仪之用的变焦透镜的强烈需求，所述液晶投影仪具有更高的变焦比，更宽的视场，和以更高的效率利用照明光的更大光圈，以及在整个变焦范围内具有更高的光学性能。所需求的这些特性普遍与各种像差(包括球面像差和横向色差)的校正和伴随变焦的像差变化有关。
特别地，变焦中所涉及的球面像差和横向色差的变化极大地影响所需求特性之中的光学性能，使得已需要减少球面像差和横向色差。
为了具有高的光学性能，同时在整个变焦范围内顺利地校正球面像差和横向色差，必须恰当地确定每个透镜的透镜构造和材料。
发明内容
本发明的至少一个例证实施例目的在于通过校正伴随变焦的各种像差，在各个像面内具有改进的光学性能的变焦透镜，其中所述变焦透镜可用在液晶投影仪中。
至少一个例证实施例的目的在于一种包括多个透镜单元的变焦透镜，其中所述多个透镜单元具有至少一个负透镜，包括布置在变焦透镜的负透镜中有效直径被最小化的位置的第一负透镜Gn1，其中当所述至少一个负透镜由第i个负透镜Gni表示(表示从放大侧到缩小侧的第i个负透镜)，并且Xi＝θgFni-(0.6438-0.001682×vdni)时，下述条件被满足(ΣXi×fni)/(Σfni)＜-0.003，其中第i个负透镜Gni的材料的阿贝数和局部色散比分别为vdni和θgFni，第i个负透镜Gni的焦距为fni。
至少一个例证实施例的目的在于一种图像投影设备，它包括配置成形成原始图像的显示单元；和配置成把显示装置形成的原始图像投影到待投影平面上的变焦透镜，其中在缩小侧充分远心的变焦透镜包括多个透镜单元，其中所述多个透镜单元包括至少一个负透镜，包括布置在构成变焦透镜的负透镜中有效直径被最小化的位置的第一负透镜Gn1，其中当所述至少一个负透镜由第i个负透镜Gni表示(表示从放大侧到缩小侧的第i个负透镜)，并且Xi＝θgFni-(0.6438-0.001682×vdni)时，下述条件被满足(ΣXi×fni)/(Σfni)＜-0.003，其中第i个负透镜Gni的材料的阿贝数和局部色散比分别为vdni和θgFni，第i个负透镜Gni的焦距为fni。
至少一个例证实施例的目的在于一种图像投影设备，它包括配置成形成原始图像的显示单元；和配置成把显示装置形成的原始图像投影到待投影平面上的变焦透镜，其中基本上不具有折光力的至少一个光学元件被布置在变焦透镜的缩小侧，其中当参考字符j指示从放大侧到缩小侧排列的所述至少一个光学元件的顺序时，变焦透镜满足下述等式0.02＜{Σ(NFj-NCj)×Dj}/fw＜0.15，其中第j个光学元件材料的F-光线和C-光线的折射率分别为NFj和NCj，光轴方向上第j个光学元件的长度为Dj，在广角端整个系统的焦距为fw。
至少另一个例证实施例的目的在于一种图像拾取设备，它包括固体图像拾取器件；和被配置为把目标图像聚焦在固体图像拾取器件上的变焦透镜，其中在缩小端充分远心的变焦透镜包括多个透镜单元，其中所述多个透镜单元包括至少一个负透镜，包括布置在构成变焦透镜的负透镜中有效直径被最小化的位置的第一负透镜Gn1，其中当所述至少一个负透镜由第i个负透镜Gni表示(表示从放大侧到缩小侧的第i个负透镜)，并且Xi＝θgFni-(0.6438-0.001682×vdni)时，下述条件被满足(ΣXi×fni)/(Σfni)＜-0.003，其中第i个负透镜Gni的材料的阿贝数和局部色散比分别为vdni和θgFni，第i个负透镜Gni的焦距为fni。
参考附图，根据例证实施例的下述说明，本发明的其它特征将变得明显。
图1A和1B是利用根据第一例证实施例的变焦透镜的图像投影设备的一部分的示意图。
图2图解说明在广角端，根据第一例证实施例的变焦透镜的像差数据。
图3图解说明在望远端，根据第一例证实施例的变焦透镜的像差数据。
图4A和4B是利用根据第二例证实施例的变焦透镜的图像投影设备的一部分的示意图。
图5图解说明在广角端，根据第二例证实施例的变焦透镜的像差数据。
图6图解说明在望远端，根据第二例证实施例的变焦透镜的像差数据。
图7包括利用根据第三例证实施例的变焦透镜的图像投影设备的一部分的示意图。
图8图解说明在广角端，根据第三例证实施例的变焦透镜的像差数据。
图9图解说明在望远端，根据第三例证实施例的变焦透镜的像差数据。
图10包括利用根据第四例证实施例的变焦透镜的图像投影设备的一部分的示意图。
图11图解说明在广角端，根据第四例证实施例的变焦透镜的像差数据。
图12图解说明在望远端，根据第四例证实施例的变焦透镜的像差数据。
图13包括利用根据第五例证实施例的变焦透镜的图像投影设备的一部分的示意图。
图14图解说明在广角端，根据第五例证实施例的变焦透镜的像差数据。
图15图解说明在望远端，根据第五例证实施例的变焦透镜的像差数据。
图16是彩色液晶投影仪的一部分的示意图。
图17是图像拾取设备的一部分的示意图。
具体实施例方式
在例证实施例中，位于缩小侧(reduction side)的充分远心的变焦透镜包括多个透镜单元。所述多个透镜单元包括布置在在构成变焦透镜的负透镜之中有效直径最小的位置的第一负透镜Gn1。所述多个透镜单元包括从放大侧到缩小侧的至少一个负透镜(所述至少一个负透镜包括第一负透镜Gn1)。当所述至少一个负透镜用第i个负透镜Gni(第i个负透镜Gni表示从放大侧到缩小侧的第i个负透镜)表示(上述第一负透镜被表示成Gn1)，并且Xi＝θgFni-(0.6438-0.001682×vdni)时，下这条件被满足(ΣXi×fni)/(Σfni)＜-0.003，其中第i个负透镜Gni的材料的阿贝数和局部色散比分别为vdni和θgFni，第i个负透镜的焦距为fni。不存在第2个、第3个、...负透镜的变焦透镜排列的结构也是本发明的例证实施例。
本发明的例证实施例涉及变焦透镜和具有所述变焦透镜，把图像信息投影到预定平面(屏幕等)上的液晶投影仪(图像投影设备)和光学仪器，比如图像拾取设备。下面将参考附图详细说明根据本发明的例证实施例的变焦透镜和液晶投影仪(图像投影设备)，以及图像拾取设备的例证实施例。至少一个例证实施例的下述说明只是对本发明的举例说明，决不意图限制本发明、其应用或用途。
本领域的普通技术人员已知的工艺、技术、设备和材料将不再详细说明，但是在适当的地方，打算使之成为所述说明的一部分，例如透镜元件的制备和它们的材料。
在这里举例说明的所有例子中，任何具体值，例如变焦比和F数应被理解成只是例证性的，而不是限制性的。从而，例证实施例的其它例子可具有不同的值。
注意，相同的附图标记指的是附图中的相同对象，从而一旦一个对象在一个附图中被定义，那么在后面的附图中可能不再赘述。
注意这里当涉及误差(例如像差)的校正时，意味着误差的减小和/或误差的校正。
首先说明附图标记。附图标记L1i-L6i表示第一～第六个透镜单元(例如L1-4a-e，L5a-d和L6a-b)；附图标记STO表示孔径光阑；附图标记IP表示像面(例如液晶面板(液晶显示(LCD)装置))；附图标记GB1-8表示镜片；附图标记S表示弧矢像场倾斜；附图标记M表示子午像场倾斜。附图标记101表示液晶投影仪；附图标记102表示颜色合成装置；附图标记103表示投影透镜；附图标记104表示屏幕；附图标记105B、105G和105R表示液晶面板；附图标记106表示图像拾取设备；附图标记107表示图像拾取器件；附图标记108表示拍摄透镜；附图标记109表示目标。
图1A和1B分别是在广角端和望远端利用根据第一例证实施例的变焦透镜的图像投影设备(液晶视频投影仪)的一部分的示意图。
图2和3分别是当(第一透镜单元和屏幕之间的)距离为1760mm时，第一例证实施例在广角端和望远端的像差数据的例示图。
图4A和4B分别是在广角端和望远端利用根据第二例证实施例的变焦透镜的图像投影设备的一部分的示意图。
图5和6分别是当在广角端和望远端，到屏幕的距离为2100mm时，第二例证实施例的像差数据的例示图。
图7A和7B分别是在广角端和望远端利用根据第三例证实施例的变焦透镜的图像投影设备的一部分的示意图。
图8和9分别是当在广角端和望远端，到屏幕的距离为1760mm时，第三例证实施例的像差数据的例示图。
图10A和10B分别是在广角端和望远端利用根据第四例证实施例的变焦透镜的图像投影设备的一部分的示意图。
图11和12分别是当在广角端和望远端，到屏幕的距离为2100mm时，第四例证实施例的像差数据的例示图。
图13A和13B分别是在广角端和望远端利用根据第五例证实施例的变焦透镜的图像投影设备的一部分的示意图。
图14和15分别是当在广角端和望远端，到屏幕的距离为2100mm时，第五例证实施例的像差数据的例示图。
图16是彩色液晶投影仪的一部分的示意图。
图17是图像拾取设备的一部分的示意图。
在根据图1A-B、4A-B、7A-B、10A-B和13A-B中所示的第一～第五例证实施例的图像投影设备中，通过利用变焦透镜(投影透镜)PL1-5进行放大，显示在像面(例如，液晶面板)上的原始图像(待投影的图像)被投射到屏幕S上。
附图标记S表示屏幕平面(投影平面)，附图标记LCD表示置于变焦透镜PL的像面的液晶平面(液晶显示装置)。屏幕平面S和像面(IP)(例如，液晶面板LCD)相互共轭。一般来说，屏幕平面S对应于位于较长距离共轭点的放大侧(前部放大共轭侧)，而像面IP(例如液晶面板LCD)对应于位于较短距离共轭点的缩小侧(后部缩小共轭侧)。
当在摄影系统中使用变焦透镜时，屏幕平面S是与位于像侧的像面(IP)相对的物侧。
附图标记STO表示孔径光阑。
附图标记GB1-8表示对应于颜色合成棱镜、偏振滤光镜和滤色镜，在光学设计中提供的镜片(glass block)。
变焦透镜PL1-5通过耦合部件(未示出)被安装到投影仪机体(未示出)(例如，液晶投影仪机体)上。从镜片GB1-8到像面IP(例如，液晶面板LCD)的组件包含在液晶投影仪机体中。
另外，在像面IP(例如，液晶面板LCD)可被包含在液晶投影仪机体中的时候，镜片GB1-8可作为组件被包含在变焦透镜PL1-5中。
如果附图标记i表示从放大侧到缩小侧的透镜单元的顺序，那么Li表示第i个透镜单元。
字符箭头(例如，A1-5，B1-5，C1-4和D1-2)表示在广角端和望远端之间，每个透镜单元的轨迹方向。
像面IP(例如，液晶面板LCD)被来自设置在缩小侧的照明光学系统(未示出)的光线照射。
变焦透镜PL1-5包括远心性，其中毗邻像面IP(例如，液晶面板LCD)(缩小侧)设置的光瞳距离相当远，以确保有利的光瞳一致性。
镜片GB1-8包括组合液晶面板的R、G和B图像的组合装置，只选择特定的偏振方向的选择装置和改变偏振光的相位的改变装置。
在根据例证实施例的变焦透镜PL1-5中，通过采用多个负前导透镜单元(其中具有负折光力的透镜居于首位(被布置在放大侧))，易于获得长到足以排列镜片GB1-8的后焦点。
在根据例证实施例的变焦透镜PL1-5中，为了获得变焦功能，几个透镜单元沿着光轴被移动(例如，A1-5，B1-5，C1-4和D1-2)，以便改变整个系统的合成焦距。
按照图1A-B和4A-B中所示的第一和第二例证实施例，在从广角端到望远端的变焦期间，第二透镜单元L2a-b，第三透镜单元L3a-b，第四透镜单元L4a-b和第五透镜单元L5a-b被独立地移向屏幕平面S(放大侧)，如用箭头(A1-2，B1-2，C1-2和D1-2)所示。
对于变焦来说，第一透镜单元L1a-b和第六透镜单元L6a-b并不移动。
按照图7A-B和10A-B中所示的第三和第四例证实施例，在从广角端到望远端的变焦期间，第二透镜单元L2c-d，第三透镜单元L3c-d，第四透镜单元L4c-d被独立地移向屏幕平面S，如用箭头(A3-4，B3-4和C3-4)所示。
对于变焦来说，第一透镜单元L1c-d和第五透镜单元L5c-d并不移动。
按照图13A-B中所示的第五例证实施例，在从广角端到望远端的变焦期间，第二透镜单元L2e和第三透镜单元L3e被独立地移向放大侧，如用箭头(A5和B5)所示。
对于变焦来说，第一透镜单元L1e和第四透镜单元L4e并不移动。
按照例证实施例，通过沿光轴移动第一透镜单元L1a-e进行聚焦。
另一方面，可通过移动像面IP(例如，液晶面板LCD)进行聚焦。
按照图1A-B中所示的第一例证实施例，毗邻第三透镜单元L3a的缩小侧布置孔径光阑STO。
按照图4A-B、7A-B、10A-B和13A-B中所示的第二～第五例证实施例，毗邻第二透镜单元L2c-e的缩小侧布置孔径光阑STO。
在变焦期间，孔径光阑STO被移动(A1-A5)。
每个透镜表面镀有多层的增透物质。
在像差数据的例证图中，附图标记G表示550纳米波长下的像差；附图标记R表示620纳米波长下的像差；附图标记B表示470纳米波长下的像差；附图标记S(弧矢像场倾斜)和M(子午像场倾斜)表示550纳米波长下的像差；附图标记Fno表示F数；附图标记ω表示半视场角；附图标记Y表示图像高度。
一般来说，在负折光力透镜单元被尽量布置在放大侧的负前导投影透镜中，布置在孔径光阑放大侧的具有强折光力的可变倍率透镜单元沿着光轴被移动，以便改变整个系统的合成焦距。
正光焦度透镜单元产生许多不同的像差，包括球面像差和纵向色差的阈值。于是，需要在孔径光阑STO缩小侧排列具有强的负光焦度的透镜单元(下面称为补偿透镜单元)，来校正这些不同的像差。
为了有效地校正球面像差和纵向色差，补偿透镜单元的透镜材料通常可以是高色散玻璃。如果假定在补偿透镜单元的透镜中将使用低色散玻璃材料，那么要求增大负透镜的光焦度，以有效地校正纵向色差。从而，球面像差的校正变得过度，使得难以很平衡地校正球面像差和横向色差。
但是，在可用的玻璃材料中，具有高色散特性的玻璃具有大的局部色散量。当在光阑的缩小侧的负透镜中使用由这种玻璃材料制成的透镜时，产生许多次级光谱，使得难以校正横向色差。
下面将参考算术表达式详细说明横向色差的产生。按照YoshiyaMATSUI的书籍“Renzu Sekkeihou(Lens Design Method)”，平面v上的横向色差系数Tv被表示成如下所示Tv=hvh‾vQ‾vΔv(∂NN)]]>h‾vQ‾v=h‾vNvrv-α‾v]]>其中， 离轴主光线高度(近轴主光线高度)(下面称为“hb”)N折射率r曲率半径 近轴主光线角(下面称为“αa”)h近轴边缘光线高度(下面称为“ha”)这里，近轴边缘光线指的是当整个光学系统的焦距被归一化为“1”时，在离光轴的高度为“1”的情况下，平行于光学系统的光轴入射的光线。近轴主光线指的是当整个光学系统的焦距被归一化为“1”时，在相对于光轴以-45°的角度入射的光线中，通过光学系统的入射光瞳和光轴之间的交点的光线。光学系统的入射角被定义为使得顺时针角度为正，反时针角度为负。
光线将从放大侧(按照例证实施例，屏幕侧)发出。屏幕位于光学系统的左侧，使得从屏幕入射到光学系统的光线从左向右前进。
根据上面的等式可理解，为了最大抑制横向色差，通常有效的是把补偿透镜单元布置在近轴主光线高度hb极小，即有效直径最小的位置。从而，根据例证实施例，布置在有效直径最小的位置的负透镜被包含在补偿透镜单元中，如后所述。有效直径指的是光轴与经过离光轴更远的位置的光线间的距离，该位置位于从位于缩小侧的共轭平面的中心发出的光束的最外侧光线(边缘光线)和从位于缩小侧的共轭平面的离轴点(与光轴极度分离的点)发出的光束的最外侧光线之间。
但是，近轴主光线角αa和近轴主光线高度hb不能同时被减小，使得终归不能避免补偿透镜单元中的横向色差的产生。如果在这样的位置(近轴主光线高度hb变成最小的位置)使用由局部色散比(即，上面等式中的δN/N)大的玻璃材料制成的透镜，那么会大量产生横向色差。为了有利地校正像差，必须使用异常(anamalous)色散玻璃。
从而，根据例证实施例，在不使用异常色散玻璃作为构成补偿透镜单元的负透镜的材料的情况下，使用和通常用于补偿透镜单元的材料相比，局部色散比稍小的玻璃材料，以便减少横向色差的产生。
此外，借助下面将说明的构造，均衡地校正球面像差和纵向色差。
下面将说明根据例证实施例的变焦透镜的特征。
按照例证实施例的变焦透镜PL1-5包括在缩小侧远心的多个透镜单元。在构成变焦透镜PL1-5的透镜中，有效直径最小的负透镜Gn被标准化为基准。附图标记i表示排列在负透镜Gn的缩小侧的负透镜(包括负透镜Gn)的顺序。
此时，第i个负透镜Gni的材料的阿贝数和局部色散比分别为vdni和θgFni，负透镜Gni的焦距为fni。
当异常色散量Xi＝θgFni-(0.6438-0.001682×vdni)时，下面的条件(1)被满足(ΣXi×fni)/(Σfni)＜-0.003(1)相对于g-光线、d-光线、F-光线和C-光线，该材料的折射率分别为Ng、Nd、NF和NC。此时，阿贝数vd和局部色散比θgF如下。
Nd＝(Nd-1)/(NF-NC)，θgF＝(Ng-NF)/(NF-NC)。
等式(1)的左侧如下所示。
X1×fn1+X2×fn2+··fn1+fn2+···]]>条件等式(1)用于有利地校正横向色差。
如果(ΣXi×fni)/(Σfni)超过条件等式(1)的上限，那么次级光谱的数目被增大，使得不利地增大横向色差。
当条件等式(1)的上限被降低到小于-0.0035时，次级光谱的数目被进一步有效抑制，使得能够有利并且容易地校正横向色差。在本实施例中，通过满足上述条件等式(1)，能够实现本发明的目的。尽管满足后面说明的条件等式(2)～(9)的透镜的组件以及其它组件特征不是本发明不可或缺的，不过当变焦透镜包括这些组件时是有益的。
在负透镜Gn1的两侧，分别加入正透镜。
从而，负透镜Gn1的光焦度(power)被增大，以便有利地校正纵向色差，同时借助加入的正透镜，有利地校正球面像差。当材料的阿贝数和局部色散比分别为vdpb和θgFpb时，满足下述等式的正透镜Gpb被布置在负透镜Gn1的缩小侧θgFpb-(0.6438-0.001682×vdpb)＞0.005(2)借助满足条件等式(2)的正透镜Gpb，横向色差被有效校正。
当材料的阿贝数和局部色散比分别为vdna和θgFna时，满足下述条件的负透镜Gna被布置在负透镜Gn1的放大侧θgFna-(0.6438-0.001682×vdna)＞0.010(3)借助满足条件等式(3)的负透镜Gna，横向色差被有效校正。
当材料的阿贝数和局部色散比分别为vdpa和θgFpa时，满足下述条件的正透镜Gpa被加入到负透镜Gna中θgFpa-(0.6438-0.001682×vdpa)＜0.003(4)此时，当接合面的有效直径和曲率半径分别为Dpa和rpa时，下述条件被满足
Dpa/|rpa|＞0.25(5)通过把满足条件等式(4)和(5)的正透镜Gpa加入到负透镜Gna中，横向色差被有利校正。
当材料的阿贝数和局部色散比分别为vdpa1和θgFpa1时，满足下述条件的一个或多个正透镜Gpa1、Gpa2、...被布置在负透镜Gn1的放大侧θgFpa1-(0.6438-0.001682×vdpa1)＜-0.003(6)通过利用这些正透镜Gpa1、Gpa2、...，横向色差被令人满意地校正。
当整个系统的在广角端的焦距和在望远端的焦距分别为fw和ft时，下述条件被满足ft/fw＞1.25(7)通过使变焦比满足条件等式(7)，能够容易地在整个变焦范围内获得高的光学性能。
当条件等式(7)的下限为1.39时是有用的，即增大了变焦比。
当在根据例证实施例中的变焦透镜中使用至少一个非球面透镜时，能够更顺利地校正各种像差。
如上所述，根据例证实施例，即使就高变焦比、高视场角和高孔径来说，也能够获得能够有效地校正横向色差、球面像差以及伴随着变焦的横向色差和球面像差的变化的远心变焦透镜。
按照例证实施例的变焦透镜把显示单元形成的原始图像投影在投影平面(屏幕平面)上。此时在变焦透镜或图像投影设备中，当没有折光力的光学元件，例如棱镜被布置在缩小侧时，可采用下述配置。
当基本上没有折光力的一个或多个光学元件(焦距为整个系统焦距fw的50倍或更大，甚至100倍或更大)被布置在变焦透镜PL1-5的缩小侧时，附图标记j表示从放大侧到缩小侧排列的一个或多个光学元件的顺序。
此时，当第j个光学元件材料的F-光线和C-光线的折射率分别为NFi和NCj；光轴方向上第j个光学元件的长度为Dj；并且在广角端整个系统焦距为fw时，系统可被配置成满足下述条件0.02＜{Σ(NFj-NCj)×Dj}/fw＜0.15(8)这里{Σ(NFj-NCj)×Dj}指的是(NF1-NC1)×D1+(NF2-NC2)×D2+...。
条件等式(8)是当无折光力的光学元件，比如供三色显示板的颜色合成之用的棱镜被最大限度地布置在缩小侧时，减少色差的产生的条件。该光学元件按照和补偿透镜单元中的负透镜相同的方式，具有纵向色差的消色差效果。条件等式(8)表述纵向色差的消色差量。如果应用条件等式(8)，那么补偿透镜单元的轴向消色差负担被减轻，以便增大校正球面像差的自由度。
当条件等式(8)的值小于其下限时，纵向色差的校正不足，从而降低校正球面像差的自由度。相反，当条件等式(8)的值大于其上限时，纵向色差被过度校正，使得终归降低校正球面像差的自由度。
供常规的液晶投影仪之用的棱镜可使用诸如由Schot公司供应的Optical Glass BK7之类的玻璃材料。当使用这种玻璃材料时，条件等式(8)被满足。更有利的是条件等式(8)的下限为0.03和/或上限为0.1，甚至0.8。
按照例证实施例的变焦透镜在缩小侧是远心的。根据本发明，远心指的是至少一个下述条件等式(9)被满足的情况0.3＜|Dpw/L|0.3＜|Dpt/L|(9)其中在广角端和望远端，缩小侧的共轭平面(像面IP)和缩小侧的光瞳位置之间的距离分别为Dpw和Dpt，总的透镜长度(第一透镜平面和最后的透镜平面之间的距离)为L。这里更有利的是条件等式(9)的下限为1.0和/或上限为5.0。
下面将参考
根据例证实施例的变焦透镜的特征。
(第一例证实施例)如图1A和1B中所示的根据第一例证实施例的6单元变焦透镜包括从放大侧到缩小侧，按照负、正、正、正、负和正折光力的顺序排列的第一～第六透镜单元L1a-L6a。
下面将如同从放大侧到缩小侧排列的那样，描述每个透镜单元的构造。
第一透镜单元L1a包括在放大侧具有凸面镜面的凹凸负透镜G11a，包括非球面镜面的负透镜G12a、负透镜G13a和在缩小侧具有凸面镜面的凹凸正透镜G14a。
在近轴主光线入射高度hb较小的缩小侧的镜面具有负折光力，以便得到更宽的角度，而在近轴主光线入射高度hb较大的放大侧的镜面具有正折光力，以便校正畸变。
负透镜G12a和G13a具有强折光力，以便得到更宽的角度，从而有效地校正畸变。
正透镜G14a校正在负透镜G11a-G13a中产生的各种像差。
第二透镜单元L2a包括由双凸正透镜G21a和在缩小侧具有凸面镜面的凹凸负透镜G22a共同形成的接合透镜。
第二透镜单元L2a是移动以便变焦的移动透镜单元，在四个移动透镜单元中具有最强的正折光力。在变焦期间，第二透镜单元L2a的移动极大地改变合成焦距。即，整个系统的主要可变倍率(power)归因于第二透镜单元L2a的移动。
第二透镜单元L2a中的正透镜G21a和负透镜G22a分别满足条件等式(4)和(3)。
正透镜G21a和负透镜G22a之间的接合面满足条件等式(5)。当在具有大的近轴主光线入射高度hb的第二透镜单元L2a中使用减少次级光谱的玻璃材料时，横向色差被有效校正。
第三透镜单元L3a包括满足条件等式(6)的正透镜G31a。第三透镜单元L3a是移动以便变焦并且和作为主要的可变倍率单元的第二透镜单元L2a一起提供可变倍率的移动透镜单元。第三透镜单元L3a校正横向色差。
第四透镜单元L4a包括正透镜G41a。第四透镜单元L4a补偿在第二透镜单元L2a中产生的像差，横向色差，以及纵向色差。
第五透镜单元L5a是补偿透镜单元，包括一个三接合透镜，其中在满足条件等式(1)的负透镜G52a的两侧，接合凹凸正透镜G51a和G53a；包括非球面平面的负透镜G54a；和双凸正透镜G55a。
第五透镜单元L5a是移动以便变焦的移动透镜单元。在利用三接合透镜抑制横向色差的产生的同时，第五透镜单元L5a令人满意地校正球面像差和纵向色差。整个变焦区中的横向色差和像场弯曲由负透镜G54a和正透镜G55a顺利校正。
第六透镜单元L6a包括正透镜G61a并具有减小与第一透镜单元L1a到第五透镜单元L5a相结合的合成折光力的功能。这在光学上有利地增加场角度和孔径。
第六透镜单元L6a满足条件等式(2)，并且顺利校正横向色差。
按照第一例证实施例的变焦透镜的变焦比约为1.65。按照第一例证实施例，如图2和3中所示，在广角端和望远端都表现出优异的光学特性。
(第二例证实施例)按照第二例证实施例的变焦透镜供反射型投影仪之用。如图4A和4B中所示，在变焦透镜中，将被插入最后透镜镜面的缩小侧的光学部件具有较大的长度。按照第二例证实施例的变焦透镜是一个6单元变焦透镜，包括从放大侧到缩小侧，按照负、正、正、负、正和正折光力的顺序排列的第一～第六透镜单元L1b-L6b。
第六透镜单元L6b的构造和第一例证实施例中的相同。
第一透镜单元L1b的构造和功能与第一例证实施例中的相同。除此之外，按照第二例证实施例，负透镜G11b满足条件等式(3)，以便同时校正横向色差。
第二透镜单元L2b包括双凸正透镜G21b。第三透镜单元L3b包括在放大侧具有凸面镜面的凹凸正透镜。变焦(variation)由第二和第三透镜单元执行。
第二透镜单元L2b的正透镜G21b满足条件等式(6)，以便有效校正横向色差。
第四透镜单元L4b是由负透镜G41b和双凸正透镜G42b共同形成的接合补偿透镜单元。负透镜G41b和第五透镜单元L5b(将在后面说明)的负透镜G51b一起满足条件等式(1)。第四透镜单元L4b校正由长度较长的棱镜引起的纵向色差，另外它抑制横向色差的产生。从而，球面像差和纵向色差被顺利校正。
第五透镜单元L5b包括双凸负透镜G51b和双凸正透镜G52b共同形成的接合透镜，和双凸正透镜G53b。
上述接合透镜具有强的折光力，以便帮助补偿透镜单元L4b，同时顺利地校正由每个接合面和正透镜G53b引起的沿整个变焦区的横向色差和畸变。
按照第二例证实施例的变焦透镜的变焦比约为1.66。按照第二例证实施例，如图5和6中所示，在广角端和望远端都表现出优异的光学特性。
(第三例证实施例)如图7A和7B中所示，按照第三例证实施例的变焦透镜是一个5单元变焦透镜，包括从放大侧到缩小侧按照负、正、负、正和正折光力的顺序排列的第一～第五透镜单元L1c-L5c。
按照第三例证实施例的第二透镜单元L2c具有按照图1A和1B中所示的第一例证实施例的第二透镜单元L2a和第三透镜单元L3a的集成结构。从而，能够获得和第一例证实施例相同的效果。
按照第三例证实施例的变焦透镜的变焦比约为1.40。按照第三例证实施例，如图8和9中所示，在广角端和望远端都表现出优异的光学特性。
(第四例证实施例)如图10A和10B中所示，按照第四例证实施例的变焦透镜是一个5单元变焦透镜，包括从放大侧到缩小侧按照负、正、正、负和正折光力的顺序排列的第一～第五透镜单元L1d-L5d。
按照第四例证实施例的第四透镜单元L4d具有按照图4A和4B中所示的第二例证实施例的第四透镜单元L4b和第五透镜单元L5b的集成结构。从而，能够获得和第二例证实施例相同的效果。
按照第四例证实施例的变焦透镜的变焦比约为1.48。按照第四例证实施例，如图11和12中所示，在广角端和望远端都表现出优异的光学特性。
(第五例证实施例)如图13A和13B中所示，按照第五例证实施例的变焦透镜是一个4单元变焦透镜，包括从放大侧到缩小侧按照负、正、负和正折光力的顺序排列的第一～第四透镜单元L1e-L4e。
第五例证实施例与按照图10A和10B中所示的第四例证实施例的第三透镜单元L3d和第四透镜单元L4d的集成结构类似。从而，能够获得和第四例证实施例相同的效果。
按照第五例证实施例的变焦透镜的变焦比约为1.29。按照第五例证实施例，如图14和15中所示，在广角端和望远端都表现出优异的光学特性。
下面，表1表示构成按照例证实施例的透镜单元的透镜与上面提及的负透镜Gn1、正透镜Gpb、负透镜Gna、正透镜Gpa和正透镜Gpa1、Gpa2...之间的对应关系。
按照第一～第五例证实施例，如表1中所示，负透镜Gn1包括负透镜G52a-b，负透镜G41a-e，负透镜G42a-d，负透镜G41a-e和负透镜G32a-e。另外，在第二例证实施例中，负透镜Gn2是负透镜G51b；在第三例证实施例中，负透镜Gn2是负透镜G43c；在第五例证实施例中，负透镜Gn2是负透镜G34e。
表1
图16是按照本发明的例证实施例的图像投影设备的一部分的示意图。
参见该图，上述变焦透镜被包含到三板(three-plate)式彩色液晶投影仪中，其中基于来自多个液晶显示板的图像信息的多个有色光线通过颜色合成装置102被合成，图像投影设备利用变焦透镜103放大图像，以便把图像投影到屏幕平面104上。
参见图16，彩色液晶投影仪101把来自三板液晶显示板105R、105G和105B的颜色光线合并到具有作为颜色合成装置的棱镜102的光路中。随后，利用包括上述变焦透镜的投影透镜103，合成的图像被投影到屏幕104上。
如上所述，按照例证实施例的变焦透镜适合于投影仪设备，因为显示媒体的图像被放大，以便把它们投影到布置在一定距离的屏幕上。
简单并且远心的变焦透镜特别适合于在通过把多个每种颜色光线的液晶显示板用作显示媒体，合成相应的颜色光线之后，通过变焦透镜精细地把图像投影到屏幕上。
图17是按照本发明的一个实施例的图像拾取设备的一部分的示意图。按照该例证实施例，上述变焦透镜被用在诸如摄像机、胶片摄影机和数字照相机之类的图像拾取设备106中。
参见图17，目标109的图像由拍摄透镜108聚焦到感光器107，以便获得图像信息。
如上所述，按照例证实施例，通过顺利地校正涉及变焦的各种像差，以及通过使整个透镜系统小型化，能够获得适合于在整个图像内具有令人满意的光学功能的液晶投影仪的变焦透镜。
除此之外，能够获得适合于图像拾取设备，比如摄像机、胶片摄影机和数字照相机的变焦透镜，用于在固体图像拾取器件(光电换能器)，比如银盐胶片，CCD传感器，CMOS传感器上形成图像信息。
下面将展示分别对应于按照第一～第五例证实施例的变焦透镜的数字例子。在数字例子中，字符i表示从放大侧(前侧)开始排列的光学面的顺序；ri表示第i个光学面(第i个面)的曲率半径；di表示第i个面与第(i+1)个面之间的距离。ri和di的单位为毫米。字符ni和vi分别表示用标准d-光线表述的第i个光学元件的折射率和阿贝数；字符fw和ft分别是广角端的焦距和望远端的焦距；字符Fno是F数。
当参考字符k表示锥形常数；字符A、B、C、D和E表示相应的非球面系数；并且x表示在到光轴的高度为h的位置，光轴方向上的位移(用镜面顶点基准表达)时，非球面形状被表述成如下所示x＝(h2/r)/[1+[1-(1+k)(h/R)2]1/2]+Ah4+Bh6+Ch8+Dh10+Eh12其中r表示近轴曲率半径。
例如，表达式“e-Z”指的是“10-Z”。
透镜构造、条件等式1-8和数字例子1-5的数字之间的关系示于表2和3中。
数字例子1fw1942ft32.05Fno1.75～2.64
异常色散量＝θgF-(0.5438-0.001882×vd)(※)非球面面距离
非球面系数
数字例子2fw16.72ft27.15Fno1.85～2.56
异常色散量＝θgf-(0.6438-0001682×vd)(※)非球面面距离
非球面系数
数字例子3fw19.42ft27.18Fno175～2.65
异常色散量＝θgf-(0.6438·0.001682×vd)(※)非球面面距离
非球面系数
数字例子4fw16.76ft24.74Fno1.85～2.32
异常色散量＝θgf(0.6438-0001682×vd)(※)非球面面距离
非球面系数
数字例子5fw16.75ft21.61Fno1.85～2.08
异常色散量＝θgF-(0.6438-0001682×vd)(※)非球面面距离
非球面系数
表2
利用按照上述实施例的变焦透镜，能够令人满意地校正(减小)涉及变焦的各种像差。当把该变焦透镜包含在图像投影设备中时，能够在整个画面内投影极好的图像。
虽然参考例证实施例说明了本发明，不过本发明并不局限于公开的例证实施例。下述权利要求的范围应被给予最宽广的解释，以包含所有修改、等同结构和功能。
权利要求
1.一种变焦透镜，包括多个透镜单元，其中所述多个透镜单元具有至少一个负透镜，包括布置在在变焦透镜的负透镜中有效直径最小的位置的第一负透镜Gn1，其中当所述至少一个负透镜由第i个负透镜Gni表示，表示从放大侧到缩小侧的第i个负透镜，并且Xi＝θgFni-(0.6438-0.001682×vdni)时，下述条件被满足(∑Xi×fni)/(∑fni)＜-0.003，其中第i个负透镜Gni的材料的阿贝数和局部色散比分别为vdni和θgFni，第i个负透镜Gni的焦距为fni。
2.按照权利要求1所述的变焦透镜，其中第一负透镜Gn1配有分别接合在第一负透镜Gn1的放大侧和缩小侧的正透镜。
3.按照权利要求1所述的变焦透镜，还包括布置在第一负透镜Gn1的缩小侧，并且满足下述条件的正透镜θgFpb-(0.6438-0.001682×dpb)＞0.005，其中材料的阿贝数和局部色散比分别为vdpb和θgFpb。
4.按照权利要求1所述的变焦透镜，还包括布置在第一负透镜Gn1的放大侧，并且满足下述条件的负透镜GnaθgFna-(0.6438-0.001682×vdna)＞0.010，其中材料的阿贝数和局部色散比分别为vdna和θgFna。
5.按照权利要求4所述的变焦透镜，其中正透镜Gpa接合到负透镜Gna上，以便满足下述条件θgFpa-(0.6438-0.001682×vdpa)＜0.003Dpa/|rpa|＞0.25，其中正透镜Gpa的材料的阿贝数和局部色散比分别为vdpa和θgFpa，接合面的有效直径和曲率半径分别为Dpa和rpa。
6.按照权利要求1所述的变焦透镜，还包括至少一个布置在第一负透镜Gn1的放大侧，并且满足下述条件的正透镜θgFpa1-(0.6438-0.001682 ×vdpa1)＜-0.003，其中材料的阿贝数和局部色散比分别为vdpa1和θgFpa1。
7.按照权利要求1所述的变焦透镜，其中变焦透镜满足下述条件ft/fw＞1.25，其中整个系统在广角端的焦距和在望远端的焦距分别为fw和ft。
8.按照权利要求1所述的变焦透镜，其中所述多个透镜单元包括按照下述顺序从放大侧到缩小侧排列的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，其中第一和第六透镜单元是不可移动以供变焦的，在从广角端到望远端的变焦期间，第二到第五透镜单元被移向放大侧，其中负透镜Gn1包含在第五透镜单元中。
9.按照权利要求1所述的变焦透镜，其中所述多个透镜单元包括按照下述顺序从放大侧到缩小侧排列的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，其中第一和第六透镜单元是不可移动以供变焦的，在从广角端到望远端的变焦期间，第二到第五透镜单元被移向放大侧，其中负透镜Gn1包含在第四透镜单元中。
10.按照权利要求1所述的变焦透镜，其中所述多个透镜单元包括按照下述顺序从放大侧到缩小侧排列的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，具有负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，其中第一和第五透镜单元是不可移动以供变焦的，在从广角端到望远端的变焦期间，第二到第四透镜单元被移向放大侧，其中负透镜Gn1包含在第四透镜单元中。
11.按照权利要求1所述的变焦透镜，其中所述多个透镜单元包括按照下述顺序从放大侧到缩小侧排列的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，具有负折光力的第三透镜单元和具有正折光力的第四透镜单元，其中第一和第四透镜单元是不可移动以供变焦的，在从广角端到望远端的变焦期间，第二和第三透镜单元被移向放大侧，其中负透镜Gn1包含在第三透镜单元中。
12.按照权利要求1所述的变焦透镜，还包括至少一个基本上不具有折光力，并且布置在所述多个透镜单元的缩小侧的光学元件，其中当参考字符j指示从放大侧到缩小侧排列的所述至少一个光学元件的顺序时，变焦透镜满足下述等式0.02＜{∑(NFj-NCj)×Dj}/fw＜0.15，其中第j个光学元件材料的F-光线和C-光线的折射率分别为NFj和NCj，光轴方向上第j个光学元件的长度为Dj，在广角端整个系统的焦距为fw。
13.一种图像投影设备，包括配置成形成原始图像的显示单元；和配置成把显示装置形成的原始图像投影到待投影平面上的变焦透镜，其中在缩小侧充分远心的变焦透镜包括多个透镜单元，其中所述多个透镜单元包括至少一个负透镜，包括布置在在变焦透镜的负透镜中有效直径最小的位置的第一负透镜Gn1，其中当所述至少一个负透镜由第i个负透镜Gni表示，表示从放大侧到缩小侧的第i个负透镜，并且Xi＝θgFni-(0.6438-0.001682×vdni)时，下述条件被满足(∑Xi×fni)/(∑fni)＜-0.003，其中第i个负透镜Gni的材料的阿贝数和局部色散比分别为vdni和θgFni，第i个负透镜Gni的焦距为fni。
14.一种图像投影设备，包括配置成形成原始图像的显示单元；和配置成把显示装置形成的原始图像投影到待投影平面上的变焦透镜，其中至少一个基本上不具有折光力的光学元件被布置在变焦透镜的缩小侧，其中当参考字符j指示从放大侧到缩小侧排列的所述至少一个光学元件的顺序时，变焦透镜满足下述等式0.02＜{∑(NFj-NCj)×Dj}/fw＜0.15，其中第j个光学元件材料的F-光线和C-光线的折射率分别为NFj和NCj，光轴方向上第j个光学元件的长度为Dj，在广角端整个系统的焦距为fw。
15.一种图像拾取设备，包括固体图像拾取器件；和配置把目标图像聚焦在固体图像拾取器件上的变焦透镜，其中在缩小端充分远心的变焦透镜包括多个透镜单元，其中所述多个透镜单元包括至少一个负透镜，包括布置在在变焦透镜的负透镜中有效直径最小的位置的第一负透镜Gn1，其中当所述至少一个负透镜由第i个负透镜Gni表示，表示从放大侧到缩小侧的第i个负透镜，并且Xi＝θgFni-(0.6438-0.001682×vdni)时，下述条件被满足(∑Xi×fni)/(∑fni)＜-0.003，其中第i个负透镜Gni的材料的阿贝数和局部色散比分别为vdni和θgFni，第i个负透镜Gni的焦距为fni。
全文摘要
至少一个例证实施例针对一种包括多个透镜单元的变焦透镜，其中所述多个透镜单元具有至少一个负透镜，包括布置在变焦透镜的负透镜中有效直径最小的位置的第一负透镜Gn1，其中当所述至少一个负透镜由第i个负透镜Gni表示，表示从放大侧到缩小侧的第i个负透镜，并且Xi＝θgFni－(0.6438－0.001682×νdni)时，下述条件被满足(∑Xi×fni)/(∑fni)＜－0.003，其中第i个负透镜Gni的材料的阿贝数和局部色散比分别为νdni和θgFni，第i个负透镜Gni的焦距为fni。
文档编号G03B21/00GK101025469SQ20071007891
公开日2007年8月29日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年2月23日
发明者杉田茂宣 申请人:佳能株式会社