专利名称：投影电视透镜系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及本发明涉及一种宽视场的大数值孔径透镜系统，它在投影电视中，尤其在采用阴极射线管(CRT)的投影电视中采用部分彩色校正。
背景技术：
现有的用于CRT投影电视的投影透镜，从长共轭到短共轭，包括弱非球面校正器，接着是强的正光焦度单元，另一个弱的非球面校正器，以及靠近CRT的强的负光焦度元件。在许多现有专利中都可以找到关于该透镜结构的描述，包括Betensky发明的美国专利4,697,892号，和Moskovich发明的美国专利4,682,862号、4,755,028号和4,776,681号。
为了实现对色差的校正，通常在强的正光焦度单元中包括一个彩色校正双合透镜。美国专利4,963,007号描述了一种透镜结构，该结构通过对两个前单元都增加负光焦度、高色散的元件来实现彩色校正。在这些形式的透镜中，玻璃元件和塑料元件的形状已造成了较高的生产成本。发明内容本发明的透镜系统提供了可以对色差作部分校正并且制造透镜的难度和成本增加最小的装置。透镜最好包括(从长共轭至短共轭)弱的光焦度单元、第二强的正光焦度单元、弱的光焦度非球面元件和强的负光焦度元件，其中弱的光焦度单元至少包括一个由高色散材料制成的负的非球面元件并紧跟由低色散材料制成的正的非球面元件，第二强的正光焦度单元提供大部分的透镜光焦度，而强的负光焦度元件靠近透镜短共轭上的CRT。
在上述形式的透镜中，第一单元负责校正球差和慧差之类的与光瞳有关的象差。为了校正来自透镜光焦度单元的过校正球面作用，第一单元表面的形状向透镜边缘提供增大的负光焦度。甚至在第一单元中联合使用一个由高色散材料制成的弱光焦度非球面负元件和一个由低色散材料制成的正元件，就可以显著改善对透镜全孔径的色差校正。应该注意，在负元件后面跟正元件可以通过以下方式实现对象差的必要校正，即两个元件的厚度，作为透镜直径的函数，其变化都相当小，由此为这些元件提供的形状适于大批量的生产。
因此，本发明提供了一种高速、宽视场的投影透镜系统，它从长共轭到短短共轭依次包括弱光焦度的非球面校正单元，强光焦度单元，它提供了透镜的大部分正光焦度，弱光焦度的非球面单元，和强的负光焦度单元，它接近透镜的短共轭，并且提供了对透镜场曲率的大部分校正，其中校正单元包括一个由高色散材料制成的负光焦度的非球面元件，后面紧跟一个由低色散材料制成的正光焦度的元件。在某些实施例中，正光焦度的元件可以是非球面的。附图概述
图1、2和3是按照本发明构造的透镜系统的侧视示意图。
图4是采用按照本发明构造的透镜系统的投影TV的示意图。
包括在说明书中并且构成说明书的一部分的上述附图示出了本发明的较佳实施例，并且用这些附图连同描述来说明本发明的原理。当然，应该明白，这些附图和描述仅仅用于说明而不是限制本发明。较佳实施例的描述如这里所使用的，高色散材料的色散类似于火石玻璃。具体地说，高色散材料是一种这样的材料，即对于1.85至1.5范围内的折射率，其V值在20至50的范围内。相反，低色散材料的色散类似于冕牌玻璃，或者用V值来描述是，对于1.85至1.5范围内的折射率，其V值在35至75的范围内。
图1至3描述了按照本发明构造的各种投影透镜。相应的说明和光学性质分别示于表1至3。对于在透镜系统中使用的玻璃，采用HOYA或SCHOTT牌号。在本发明的实践中能够采用由其他的制造商制造的等同的玻璃。对于苯乙烯和聚丙烯元件，采用工业上容许的材料。采用“xxxxxx”形式的材料牌号表示CRT的折射率和色散特性，以及透镜系统最后元件与CRT之间的耦合流体的折射率和色散特性。具体地说，通过对牌号的前三个数字加1.000，来获得材料的Ne值，并通过在最后一位数字之前加一小数点，由后三位数字获得Ve值。
在表中列出的非球面系数用于下述公式z=cy21+[1-(1+k)c2y2]1/2+Dy4+Ey6+Fy8-Gy10-Hy12+Iy14]]>这里，z是在离系统光轴的距离为y处的表面弛垂度，c是透镜在光轴处的曲率，而k是圆锥常数。
在表中，与各个表面相关的标记“a”代表非球面，即，在上述公式中的D、E、F、G、H或I中至少有一个不为零的表面。标记“c”表示一个圆锥表面，对于圆锥表面，上述公式中的k值不为零。表1中的表面7、表2中的表面5和8，以及表3中的表面4和7是任选的光晕表面。表中给出的所有的尺寸以毫米为单位。在制作这些表时假设光线在图中从左至右行进。在实践中，LCD面板将在右方，而观看屏将在左方，光线将从右向左行进。
图4是按照本发明构造的CRT投影电视10的示意图。如该图所示，投影电视10包括机壳12，投影屏14沿其前表面，倾斜的反射镜沿其后表面。模块13示意表示按照本发明构造的透镜系统，而模块16表示其相关的CRT管。在实践中，用三个透镜系统13和三个CRT管16将红色、绿色和蓝色图象投影到屏幕14上。图4表示背投式电视。本发明的透镜系统还可以用于前投式电视，它除了不使用反射镜之外，其它结构类似。
表4的上半部分列出了上述透镜单元与表103中透镜的各种元件和表面之间的对应关系。具体地说，“单元1”是弱光焦度的非球面校正单元，“单元2”是提供透镜之大部分正光焦度的强光焦度单元。“单元3”是位于单元2之短共轭侧的弱光焦度的非球面单元，而“单元4”是位于透镜短共轭侧的强的负光焦度单元。
在表4中，已将CRT屏幕以及屏幕与透镜系统之间的耦合流体包括在单元4中，因为当把它们包括在投影电视系统中时，这些元件会影响透镜系统的光学性能。在实践中，一般将本发明的透镜系统与这些元件分开，提供给投影电视的制造商。下述的权利要求书试图覆盖提供给制造商的本发明透镜系统以及组装成投影电视系统后的透镜系统。
表4的下半部分列出了单元1至4的焦距，分别为f1至f4，还列出了透镜系统的总焦距(f0)，所有这些数据都可由表1-3确定。由表4可见，本发明透镜系统中｜f1｜/f0、f2/f0、｜f3｜/f0和｜f4｜/f0的比值满足以下关系｜f1｜/f0＞2.5；f2/f0＜1.25；｜f3｜/f0＞2.0；和｜f4｜/f0＞1.4。
例如，由图1-3可见，非球面校正透镜单元的第一和第二透镜元件间隔接近。特别是，这些元件之间的距离小于透镜系统焦距2个百分点(见表1)。
例如，从图1-3中还可以看出，构成非球面校正透镜单元(单元1)的透镜元件，元件厚度作为透镜直径的函数变化很小。特别是，这些透镜元件的Tmax至Tmin的比值小于大约3.0，其中Tmax是透镜元件在其净通光孔径上的最大厚度，而Tmin是在净通光孔径上的最小厚度。
虽然已经描述了本发明的一些特定的实施例，但应明白，根据上面的揭示，不背离本发明范围和精神的种种变更对于本领域内的一般技术人员而言将是显而易见的。
表1透镜数据表面 净通光编号 类型半径厚度 玻璃孔径直径1 a70.41527.00000苯乙烯79.272 c61.49901.00352 70.783 c65.252613.00000 丙烯酸70.854 a144.1335 12.89880 70.745 75.816720.00000 SK5 73.336 -105.1768 0.20000 71.987 ∞ 8.60337 64.208 a-125.828 9 10.00000 丙烯酸64.579 a-95.7773 间距167.1110 a-44.4784 4.00000丙烯酸70.4411 -44.0000 10.00000 42350076.5012 ∞ 14.60000 563500120.0013 -350.0000 象距 130.00标记说明a-多项式非球面c－圆锥段物和象表面表面半径象-350.0000圆锥表面编号常数2 6.3398E-013 7.0767E-01偶次幂多项式非球面表面编号 D E F GH I1-1.0861E-06 -4.6061E-10 -1.6847E-13 -7.9765E-17 6.5207E-20 -8.3615E-244-6.3055E-07 -7.9726E-10 -5.8507E-14 1.6704E-17 2.9988E-19 -1.5254E-228 4.4531E-07 -1.0971E-09 4.4062E-12 -4.4536E-15 2.2309E-18 -4.9618E-229 5.5645E-07 3.3468E-09 -6.0536E-12 9.1895E-15 -6.3376E-18 1.6546E-2110 -5.7493E-06 1.3479E-08 -3.1054E-11 3.6189E-14 -2.0704E-17 4.4979E-21可变间隔可变焦距间隔1焦点位移象距位置T(9)1 26.426-0.6150.0002 25.686-0 2230.000
表1(续)一阶数据可变焦距位置12f/数 1.23 1.21放大率 -0.1074-0.0895物高-635.00-762.00物距-797.27-946.72有效焦距 77.330 77.819象距 0.00 0.00总长度 925.00 1073.7前镜顶距离 127.73 126.99镜筒长度 127.73 126.99孔径阑表面编号 5 5至孔径阑的距离 -4.67 -4.67孔径阑直径 77.872 77.482入射光瞳距离 28.218 28.218出射光瞳距离-64.533-64.171元件的一阶性质元件编号 表面编号光焦度 f′ Ipp I′pp11 2 -0.86623E-03 -1154.449.015 42.80823 4 0.43669E-02228.99 -6.8273 -15.08035 6 0.12873E-0177.6855.4898 -7.615848 9 0.13667E-02731.6825.253 19.2225 10 11 0.45430E-032201.266.146 65.4356 11 12 -0.96136E-02 -104.020.20995E-07 -7.02747 12 13 0.16086E-02621.679.3410 0.67400E-06双合透镜的一阶性质元件编号 表面编号光焦度 f′ Ipp I′pp57 10 13-0.75400E-02-132.63-4.6195-24.447透镜的一阶性质可变焦距位置编号光焦度 f′ Ipp I′pp10.12932E-0177.330 0.35091-85.01720.12850E-0177.819 0.58689-84.561
表2透镜数据表面 净通光编号 类型半径厚度玻璃孔径直径1 a68.3529 5.00000苯乙烯80.792 a60.1983 0.50000 74.093 a66.1998 13.00000 丙烯酸74.084 a101.6611 3.35577 72.135 ∞5.00000 72.346 92.1515 20.00000 SK18 75.617 -101.391 38.64185 75.038 ∞0.10000 67.359 a-188.4645 10.00000 丙烯酸68.0010 a-8 3.2324 间距166.0911 a-48.8548 4.00000丙烯酸69.0412 -45.0000 11.50000 44750075.6913 ∞14.60000 563500120.0014 -350.0000 象距 130.00标记说明a-多项式非球面物和象表面表面半径象-350.0000偶次幂多项式非球面表面编号 DE F G H I1-1.5682E-06 -8.8872E-10 -4.0656E-13 4.1805E-17 1.7413E-19 -4.5166E-232-1.2788E-09 -3.0172E-12 -5.7082E-15 -6.9688E-18 -6.8894E-21 -4.5975E-243 5.5753E-08 1.0686E-10 1.6634E-13 2.2197E-17 -3.0723E-20 -4.5797E-234-8.3683E-07 -9.8124E-10 1.0071E-13 1.2402E-16 2.2547E-19 -1.2612E-229-1.8654E-07 -1.4606E-10 3.3020E-12 -4.3894E-15 2.7316E-18 -5.1357E-2210-1.7405E-07 2.6987E-09 -5.4255E-12 8.6440E-15 -6.7446E-18 2.2054E-2111-7.2604E-06 1.3847E-08 -3.0488E-11 3.5523E-14 -2.1416E-17 4.9592E-21可变间隔可变焦距间隔1焦点位移象距位置 T(10)1 29.416-0.371 0.0002 28.715+0.031 0.000
表2(续)一阶数据可变焦距位置1 2f/数 1.201.19放大率 -0.1074-0.0895物高-635.00-762.00物距-769.89-914.10有效焦距 74.91875.344象距0.16716E-030.00总长度 895.001038.5前镜顶距离 125.11124.41镜筒长度 125.11124.41孔径阑表面编号6 6至孔径阑的距离 7.97 7.97孔径阑直径 75.63174.840入射光瞳距离 29.82429.824出射光瞳距离-62.758-62.378元件的一阶性质元件编号表面编号 光焦度 f′ Ipp I′pp11 2 -0.90939E-03-1099.6 34.07030.00523 4 0.29171E-02342.81-14.491 -22.25336 7 0.12748E-0178.4476.0460-6.652349 10 0.34166E-02292.6911.6245.13365 11 12 0.11628E-02860.0225.27023.2766 12 13-0.994 22E-02 -100.58 0.42949E-07 -7.94537 13 14 0.16086E-02621.679.34100.67400E-06双合透镜的一阶性质元件编号 表面编号 光焦度 f′Ipp I′pp5 7 11 14 -0.71448E-02-139.96-4.8702-25.680透镜的一阶性质可变焦距位置编号光焦度 f′ Ipp I′pp1 0.13348E-0174.9182.8513-82.5902 0.13272E-0175.3343.0752-82.118
表3透镜数据表面 净通光编号 类型半径 厚度玻璃孔径直径1a 68.15805.00000苯乙烯81.452 60.000010.00000 丙烯酸74.713a 85.39004.77696 74.094 ∞ 5.00000 73.945 87.671920.00000 SK18 75.196 -111.6353 12.84178 74.267 ∞ 0.10000 65.728 a -353.2924 10.00000 丙烯酸65.729 a -90.3933 间距165.3310 a -45.9840 4.00000丙烯酸69.3011 -45.0000 11.50000 44750075.8012 ∞ 14.60000 563500120.0013 -350.0000 象距 130.00标记说明a-多项式非球面物和象表面表面半径象-350.0000偶次幂多项式非球面表面编号D EF G HI1 -1.6137E-06 -9.3026E-10 -4.2370E-13 6.9489E-17 1.8182E-19 -5.1822E-233 -9.0208E-07 -1.4302E-09 -3.1208E-16 1.4607E-16 2.6774E-19 -1.1444E-228 5.8996E-08 -7.7972E-10 3.5734E-12 -4.0936E-15 2.7666E-18 -6.6880E-229 -3.9337E-08 2.5609E-09 -5.1742E-12 8.6565E-15 -6.7957E-18 2.2546E-2110 -6.4458E-06 1.3223E-08 -2.9071E-11 3.5175E-14 -2.2029E-17 5.3207E-21可变间隔可变焦距间隔1焦点位移象距位置T(19)1 25.827-0.204-0.0042 25.115 +0.168-0.004
表3(续)一阶数据可变焦距位置1 2f/数 1.201.19放大率 -0.1074-0.0895物高-635.00-762.00物距-771.31-916.02有效焦距 74.88275.354象距 -36822E-02 -35942E-02总长度 894.961038.9前镜顶距离 123.64122.93镜筒长度 123.65122.93孔径阑表面编号5 5至孔径阑的距离10.1810.18孔径阑直径 74.88274.133入射光瞳距离 30.27930.279出射光瞳距离-61.697-61.329波长0.54610 0.48000 0.64380 0.43580 0.70652元件的一阶性质元件编号 表面编号光焦度 f′ IppI′pp1 1 2 -0.91551E-03 -1092.333.954 29.8902 2 3 0.27656E-02361.59 -13.997 -19.9213 5 6 0.12547E-0179.7005.5790 -7.10394 8 9 0.41160E-02242.958.8845 2.27325 10 11 0.55031E-031817.253.393 52.2516 11 12-0.99422E-02 -100.580.42949E-07 -7.94537 12 13 0.16086E-02621.679.3410 0.67400E-06双合透镜的一阶性质元件编号 表面编号 光焦度 f′ Ipp I′pp1 21 3 0.17390E-02 575.06-35.843-43.0265 7 10 13 -0.77539E-02-128.97-4.4876-25.284透镜的一阶性质可变焦距位置编号光焦度f′ Ipp I′pp1 0.13354E-0174.8821.0490-82.7202 0.13271E-0175.3541.2798-82.269
权利要求
1．一种用于阴极射线管的投影透镜系统，其特征在于，从象的一侧开始依次包括a)弱光焦度的校正透镜单元，所述单元从透镜系统的象的一侧开始依次包括；ⅰ)第一透镜元件，它具有负的光焦度，并至少包括一个非球面，所述第一透镜元件由高色散材料制成；和ⅱ)第二透镜元件，它具有正的光焦度，并且由低色散材料制成；b)光焦度透镜单元，它提供了透镜系统的大部分正光焦度；c)弱光焦度的透镜单元，它至少包括一个非球面；和d)具有强的负光焦度的透镜单元，在使用透镜系统期间，它与阴极射线管关联，并且对透镜系统的场曲率进行大部分校正。
2．如权利要求1所述的投影透镜系统，其特征在于，校正透镜单元在单元净通光孔径的附近具有比系统光轴附近更大的负光焦度。
3．如权利要求1所述的投影透镜系统，其特征在于，第一透镜元件与第二透镜元件间隔很近。
4．如权利要求1所述的投影透镜系统，其特征在于，第一透镜元件在其净通光孔径上的厚度变化很小。
5．如权利要求1所述的投影透镜系统，其特征在于，第二透镜元件至少包括一个非球面。
6．如权利要求5所述的投影透镜系统，其特征在于，第二透镜元件在其净通光孔径上的厚度变化很小。
7．如权利要求1所述的投影透镜系统，其特征在于，第一透镜元件由苯乙烯制成，而第二透镜元件由丙烯酸制成。
8．一种投影电视机，它包括阴极射线管、屏幕和用于将来自阴极射线管光投射到屏幕上以便形成图象的投影透镜系统，其特征在于，所述投影透镜系统是权利要求1所述的投影透镜系统。
9．一种投影电视机，它包括三个阴极射线管、一个屏幕和三个投影透镜系统，一个投影透镜系统与每个阴极射线管关联，用于将该射线管的光投射到屏幕上以便形成图象，其特征在于，每个投影透镜系统是权利要求1所述的投影透镜系统。
全文摘要
提供了在投影电视中使用的投影透镜系统(13)。系统的特征是屏幕一侧的透镜单元(U1),它具有弱的光焦度,具有由高色散材料制成的负的非球面透镜元件,并且具有由低色散材料制成的正的透镜元件。
文档编号G02B9/34GK1217073SQ97194164
公开日1999年5月19日 申请日期1997年4月28日 优先权日1996年4月29日
发明者杰克伯·莫斯科维基 申请人:美国精密镜片股份有限公司