专利名称：液晶显示投影透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及投影透镜，尤其涉及能够用于形成由象素(诸如液晶显示器)组成的物体图象的投影透镜。发明背景投影透镜系统(这里也称为“投影系统”)用于在一观察屏上形成物体的图象。这种系统的基本结构示于图7，其中10是光源(例如，卤钨灯)，12是照射光学装置，该装置形成光源的象(下面称为照射系统的“输出”)，14是要投影的物体(例如，LCD面板的接通和断开象素的矩阵)，以及13是由多个透镜元件构成的投影透镜，它在观察屏16上形成物体14的放大图象。
被投影物体是LCD或其他象素化面板的投影透镜系统有许多应用，包括数据显示系统。这种投影透镜系统最好使用单个投影透镜，它所形成的图象或者是例如具有红色、绿色和蓝色象素的单个面板的图象，或者是三个单独的面板(每个面板用于一种颜色)的象。为便于说明起见，在下面的讨论中将采取使用单个LCD面板的投影透镜系统，应该明白，本发明也能用于使用多个面板和/或其他象素化(pixelization)类型的系统。发明内容本发明的投影透镜具有两个正透镜单元，孔径阑位于两者之间。每个透镜单元的光焦度使得第一透镜单元(U1)的焦距f1明显小于第二透镜单元(U2)的焦距f2，其中第一透镜单元(U1)位于系统的长共轭一侧，而第二透镜单元(U2)位于短共轭一侧。特别是，f1与f2的比最好小于大约0.75。(参见表7，并注意当第二单元包括一个向场透镜例如菲涅尔向场透镜时，对f2值的计算不考虑该向场透镜。)相反，对于经典的双高斯形式，f1约等于f2，或大于f2。
本发明的投影透镜能够覆盖宽广的视场。它们的后焦距约等于透镜焦距。第一和第二透镜单元都至少有一个非球面。
位于孔径阑长共轭一侧的第一透镜单元由单个正元件构成。但是，为了获得对剩余象散和色差的较佳校正，该单元可以包括一个负元件和一个正元件，负元件在前，正元件紧跟在后，并且正元件可以颜色校正双合透镜。如表1-5所示，前面的负元件与正元件之间的间隔最多为第一透镜单元焦距的约5％。
位于孔径阑后面的第二透镜单元包括一个颜色校正双合透镜和至少有一个非球面的单个正元件。在第一透镜单元中可以获得大部分球差校正，而包括彗差和畸变的轴外象差以及色差则主要在第二透镜单元中校正。附图概述
图1至6是按照本发明构造的投影透镜侧视示意图。
图7是示出能够采用本发明投影透镜的整个投影透镜系统的示意图。
包括在说明书中并且构成说明书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。较佳实施例的描述图1至6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6。表7列出了上述透镜单元与表1-6中透镜的各种元件和表面的对应关系。
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。
在表中列出的非球面系数采用下述公式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。标记“f”代表菲涅尔透镜表面(在图1和图3中，菲涅尔透镜用标记“FL”表示)。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，观察屏将在左方，而LCD面板将在右方，光线将从右向左行进。
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透镜数据净通光表面编号 类型 半径 厚度 玻璃 孔径直径1 a -1770.1750 8.00000 丙烯酸 84.112 a 72.519510.00000 71.77363.366025.00000 SK1868.984 -63.3660 4.00000 KF6 65.895 762.9749 9.16228 60.486 孔径阑 35.18800 57.727 -38.4192 5.00000 SF1463.388 -31.9407 1.00000 80.139 a -77.403118.00000 丙烯酸 83.6010 a -57.0000 Space 1 93.6511 c-927.453929.50000 丙烯酸 119.7712 a -79.0000 Space 2124.9913cf 185.6000 4.00000 丙烯酸 237.0614 -象距236.86标记说明a．多项式非球面c．圆锥段f．菲涅尔圆锥表面编号常数11 -7.1739E+0113 -1.7000E+00偶次幂多项式非球面表面编号D E FG HI1-7.0051E-08 -6.3254E-12 -2.9530E-14 7.5364E-19 9.4792E-21 -3.0013E-242 7.7762E-08 1.2679E-111.0260E-13 -3.2966E-17 -1.6803E-211.6991E-239 4.1171E-07 2.1244E-101.0122E-14 4.0619E-18 4.4932E-21 -1.0666E-24102.4362E-07 1.2454E-101.2955E-14 1.0067E-17 1.8340E-213.0151E-24121.3759E-07 5.0414E-11 -2.7910E-15 1.1423E-18 3.9343E-23 -3.3950E-27可变间隔可变焦距间隔1间隔2 焦点位移 象距位置T(10)T(12)1 1.500182.411-1.425 10.0212 0.500190.200-1.000 10.0153 2.000175.350-1.800 10.013
表1(续)一阶数据可变焦距位置1 23f/数 3.50 3.50 3.50放大率-0.0645 -0.1000 -0.0322物高 -1830.8 -1180.0 -3660.0物距 -3048.7 -1998.8 6010.2有效焦距 198.28202.52 194.61象距 10.02110.015 10.013总长度 3391.42348.3 6346.5前镜顶距离 342.78349.56 336.21镜筒长度 332.76339.55 326.20孔径阑表面编号 6 66至孔径阑的距离 0.00 0.00 0.00孔径阑直径 55.24456.62154.042入射光瞳距离 40.83840.83840.838出射光瞳距离 -2564.2 -2859.8 -2270.8元件的一阶性质元件编号 表面编号 光焦度 f′ lppl′PP1 1 2 -0.70980E-02-1 40.88 5.1374-0.210472 3 4 0.18681E-01 53.532 8.2520 -8.25203 4 5 -0.88988E-02 -112.380.20149 -2.42614 7 8 -0.10095E-01 -99.059-2.6269 -5.60255 9 10 0.29494E-02 339.06 35.393 26.0636 11 12 0.57837E-02 172.90 21.342 1.81797 13 14 0.26604E-02 375.88 -0.51716E-08 -2.6778双合透镜的一阶性质元件编号表面编号 光焦度 f′ lpp l′pp2 33 5 0.11187E-01 89.3891.5277-16.542透镜组的一阶性质组号 表面编号 光焦度 f′ lpp l′PP11 10-0.26248E-03 -3809.7495.35349.412 11 12 0.57837E-02172.9021.3421.81793 13 14 0.26604E-02375.88 -0.51716E-08-2.6778透镜的一阶性质可变焦距位置编号 光焦度 f′ lpp l′PP10.50433E-02 198.28223.78-199.6320.49377E-02 202.52228.97-211.7630.51385E-02 194.61218.81-189.07
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 a -3501.6551 8.00000 丙烯酸 83.972 a 73.804710.00000 72.073 63.926225.00000 SK1869.864 -63.9262 4.00000 KF6 67.045 570.3825 2.53228 60.396 - 41.97092 59.727 -39.0852 5.00000 SF1464.458 -83.4350 1.00000 80.909 a -77.403118.00000 丙烯酸 83.8810 a -57.0000 0.50000 94.2611 c -927.453930.50000 丙烯酸 119.0412 a -79.0000 194.22819 124.60标记说明a- 多项式非球面c- 圆锥段焦点偏移=-1.97869圆锥表面编号常数11 -7.5322E+01偶次幂多项式非球面表面编号 D E F GH I1 -8.1680E-08-9.0415E-12-2.8846E-14 9.7292E-19 9.4877E-21 -2.8507E-242 6.1549E-08 5.4266E-12 9.8518E-14-3.4835E-17-1.5392E-21 1.7744E-239 3.8615E-07 1.8759E-10 1.0984E-14 7.6281E-18 5.6048E-21 -1.6720E-2410 2.7112E-07 1.4686E-10 1.7530E-14 1.0200E-17 1.4695E-21 2.8348E-2412 1.1260E-07 4.4374E-11-2.9777E-15 1.1981E-18 4.3134E-23 -6.5187E-27一阶数据f/数3.50 总长度 3505.33放大率 -0.0645 前镜顶距离 340.731物高 -1830.8 镜筒长度 146.503物距-3164.60 入射光瞳距离 40.9073有效焦距 198.998 出射光瞳距离-145.903象距 194.228 孔径阑直径57.224孔径阑表面编号 6 到孔径阑的距离 6.43
表2(续)元件的一阶性质元件编号 表面编号 光焦度 f′lpp l′PP1 1 2 -0.68364E-02 -146.28 5.241 -0.110472 3 4 0.18530E-01 53.965 8.2460-8.24603 4 5 -0.90617E-02 -110.350.26468-2.36164 7 8 -0.99405E-02 -100.60-2.6199-5.59265 9 10 0.29494E-02 339.06 35.393 26.0636 11 12 0.57859E-02 172.83 22.057 1.8788双合透镜的一阶性质元件编号 表面编号光焦度f′ lpp l′PP23 3 5 0.10898E-0191.7621.1692-16.833透镜的一阶性质光焦度f′ lppl′PP0.50252E-02199.00119.64-15.627表面1-5的一阶数据K PP1 PP2f′0.490176E-0230.3186-1.10148204.00表面7-12的一阶数据K PP1 PP2 f′0.232360E-02147.569172.803430.37
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1 a-148.46666.00000丙烯酸51.922 a 54.47470.50000 45.043 40.0292 15.00000SK18 45.074 -130.37236.26676 42.155 孔径阑 21.40605 34.586-23.15273.00000SF13 39.967-64.20341.50000 54.398-54.0449 16.67610丙烯酸54.699 a -35.82730.50000 63.6810 a -3465.3279 24.66862丙烯酸93.0911 a -54.7193 121.94030 95.7412cf 120.00004.00000丙烯酸 166.7913 - 9.99997 166.48标记说明a- 多项式非球面c- 圆锥段f- 菲涅尔焦点偏移=-1.94463圆锥表面编号常数12 -2.0085E+00偶次幂多项式非球面表面编号 DEF G H I1 -1.0532E-06 -1.0364E-09 1.3079E-12 -2.2637E-154.0754E-18-2.4681E-212 -1.0077E-061.3853E-10-5.4208E-12 1.3555E-14 -3.2354E-18-5.1055E-219 -7.2513E-071.8571E-09 2.8477E-12 1.3532E-156.7032E-19-5.6155E-2210-2.1332E-072.4 887E-113.24 58E-14 8.2905E-182.9285E-22-1.2661E-2511 5.7413E-074.5720E-11 4.8259E-14 2.5315E-17 -1.5472E-20 9.1310E-24一阶数据f/数 3.50 总长度 1401.46放大率-0.1083 前镜顶距离 231.458物高 -762.00 镜筒长度221.458物距 -1170.00 入射光瞳距离20.3913有效焦距 129.271 出射光瞳距离5729.90象距 9.99997 孔径阑直径 34.576孔径阑表面编号 5 到孔径阑的距离0.00
表3(续)元件的一阶性质元件编号 表面编号 光焦度 f′ lpp l′PP11 2 -0.12511E-01 -79.9282.9100 -1.06723 4 0.20219E-01 49.4 582.2234-7.241436 7 -0.19987E-01 -50.032 -0.99970-2.772248 9 0.60514E-02 165.2525.425 16.8555 10 11 0.8 9025E-02 112.3316.7390.264326 12 13 0.41148E-02 243.03 -0.82019E-08-2.6778透镜的一阶性质光焦度f′ lpp l′PP0.77357E-02129.27152.58-131.33
表4透镜数据表面 净通光编号 类型 半径 厚度 玻璃孔径直径1 a -143.9480 6.00000 丙烯酸 52.572 a 54.0933 0.5000046.453 39.976615.00000 SK18 47.014 -138.3967 6.2667644.555 -23.2647737.096 -23.3945 3.00000 SF13 41.347 -57.7517 1.5000055.588 -50.604016.57162 丙烯酸 56.009 a -36.2946 0.5000064.8910 a-2367.899924.39444 丙烯酸 92.9211 a -54.6713 134.1716695.59标记说明a- 多项式非球面焦点偏移=-1.24114偶次幂多项式非球面表面编号 DE F G H I1-7.8786E-07 -7.4301E-10 1.2284E-12 -2.6558E-15 3.7917E-18 -1.8308E-212-4.9688E-07 6.228 4E-10-5.5378E-121.2528E-14-4.7256E-18 -2.2320E-219-6.7035E-07 1.60355-09-2.8384E-121.4275E-15 6.5802E-19 -6.1437E-2210 -2.4379E-07 2.3325E-11 3.2535E-148.2976E-18 2.0542E-22 -2.1158E-25116.0221E-07 5.9205E-11 4.6922E-142.3851E-17-1.6076E-20 8.9490E-24一阶数据f/数3.50 总长度 1473.17放大中 -0.1083 前镜顶距离 231.169物高 -762.00 镜筒长度96.9976物距-1242.00 入射光瞳距离20.8429有效焦距 129.736 出射光瞳距离 -136.607象距 134.172 孔径阑直径 36.897孔径阑表面编号 5 到孔径阑的距离 0.45元件的一阶性质元件编号 表面编号光焦度f′ lppl′PP1 1 2 -0.12684E-01 -78.838 2.8906 -1.0862 3 4 0.19996E-01 50.010 2.1178 -7.33183 6 7 -0.18289E-01 -54.677 -1.2146 -2.99834 8 9 0.53197E-02 187.98 28.371 20.349510 11 0.88 539E-02 112.94 16.659 0.38462
表4(续)透镜的一阶性质光焦度f′ lpp l′PP0.77080E-02129.7485.332-8.3775表面1-4的一阶数据K PP1PP2 f′0.825105E-0211.8672-1.63760121.20表面6-11的一阶数据K PP1 PP2 f′0.412919E-02105.968138.422242.18
表5透镜数据表面 净通光编号类型 半径 厚度 玻璃 孔径直径1 a -215.0838 6.00000丙烯酸 50.102 a51.3941 0.50000 44.843 39.5202 15.00000SK18 45.084 -204.0199 6.26676 41.865 - 24.70386 37.346 -23.5819 3.00000SF13 42.807 -54.983817.4 8359SK5 58.118 -38.5513 0.50000 68.169 a -442.7462 22.96924丙烯酸 93.1810 a -54.6936133.38308 95.54标记说明a-多项式非球面焦点偏移=-1.06757偶次幂多项式非球面表面编号D E F G HI1 -6.2558E-07 -6.6007E-101.3377E-12-2.7764E-153.6207E-18 -1.7047E-212 -4.7729E-07 2.8390E-10 -5.2520E-12 1.3608E-14 -6.5024E-18 -3.3618E-219 -4.6643E-08 3.6819E-112.8968E-14 8.8163E-181.7148E-212.3288E-2510 5.3589E-07 1.0862E-104.8657E-14 2.7503E-17 -1.4201E-209.3743E-24一阶数据f/数 3.50 总长度 1471.80放大率 -0.1083 前镜顶距离 229.807物高-762.00 镜筒长度 96.4234物距 -1241.99 入射光瞳距离 19.6498有效焦距129.598 出射光瞳距离 -136.742象距133.383 孔径阑直径 37.137孔径阑表面编号5 到孔径阑的距离 -0.86元件的一阶性质元件编号 表面编号 光焦度 f′ lpp l′PP1 1 2 -0.11992E-01 -83.389 3.2180 -0.768952 3 4 0.18904E-0152.899 1.5196 -7.84493 6 7 -0.17354E-01 -57.623 -1.3444 -3.13474 7 8 0.63978E-02156.30 26.344 18.4715 9 10 0.80676E-02123.95 17.207 2.1256
表5(续)双合透镜的一阶性质元件编号 表面编号光焦度 f′ lpp l′PP3 4 6 8-0.76835E-02-130.15-25.890-48.110透镜组的一阶性质光焦度f′lppl′PP0.77162E-02129.6083.934-9.1868表面1-4的一阶数据K PP1 PP20.754400E-0210.2057-3.41220表面6-10的一阶数据K PP1 PP20.446394 E-0293.0606115.413
表6透镜数据表面 净通光编号类型 半径厚度 玻璃 孔径直径1 a 94.476015.00000 丙烯酸 42.782 a -528.9612 0.50000 37.323 -21.29839 36.844 -27.7690 3.00000 丙烯酸 40.465 a -407.8987 4.00000 53.216 -74.334512.15753 BK7 53.557 -42.4453 0.50000 61.028 a 164.471826.97190 丙烯酸 92.869 a -62.3055 135.01787 95.37标记说明a- 多项式非球面焦点偏移=0.74200偶次幂多项式非球面表面编号DE F GH I1 -2.1948E-07 -3.1161E-09 7.4142E-12 -1.0377E-14 -2.2299E-17 3.2858E-202 -1.5111E-06 -5.1899E-09 -8.6485E-122.3336E-14 2.8430E-17-1.0133E-195 -3.9131E-07 -6.8333E-10 5.5582E-136.5433E-16 1.3386E-20-7.1347E-228 -2.9686E-07 -3.7064E-12 9.5859E-154.9355E-18 1.5459E-21 5.8285E-2595.6173E-07 1.1183E-10 1.3209E-141.5832E-17 -1.7718E-20 7.9237E-24一阶数据f/数 3.50 总长度 1460.42放大率 -0.1083 前镜顶距离 218.446物高 -762.00 镜筒长度83.4286物距 -1241.97 入射光瞳距离14.3855有效焦距 128.370 出射光瞳距离 -110.515象距 135.018 孔径阑直径 35.707孔径阑表面编号 3 到孔径阑的距离 3.27元件的一阶性质元件编号 表面编号 光焦度 f′ lpp l′PP1 1 2 0.73555E-02 135.951.4381 -8.05182 4 5 -0.19908E-01 -50.232 -0.13781 -2.02433 6 7 0.59254E-02 168.7616.511 9.42764 8 9 0.10498E-01 95.25913.631 -5.1638
表6(续)透镜的一阶性质光焦度f′ lpp l′pp0.77900E-02128.3771.383-7.9999表面4-9的一阶数据K PP1PP20.444232E-0292.8040107.813表7
由于菲涅尔透镜根本上为向场透镜，用于使透镜的入射光瞳与照射系统的出射光瞳耦合，所以计算得到的值没有考虑菲涅尔透镜。因此，菲涅尔透镜对透镜总焦距的影响很小，但对f2的影响较大，该影响不代表f2单元的实际作用。
权利要求
1．一种用于形成物体图象的投影透镜，所述透镜具有一个孔径阑，其特征在于，所述投影透镜从其图象至其物体依次包括(a)第一透镜单元，它具有正光焦度，焦距为f1；(b)第二透镜单元，它具有正光焦度，焦距为f2；其中所述孔径阑位于所述第一透镜单元和所述第二透镜单元之间，并且f1明显小于f2。
2．如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，f1与f2的比小于大约0.75。
3．如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，透镜的后焦距大约等于透镜的焦距。
4．如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第一透镜单元和所述第二透镜单元都至少具有一个非球面。
5．如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第一透镜单元由单个正透镜元件构成。
6．如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第一透镜单元从其图象开始依次包括(a)一负透镜元件；和(b)一正透镜子单元。
7．如权利要求6所述的投影透镜，其特征在于，所述正透镜子单元与所述负透镜单元间隔很近。
8．如权利要求6所述的投影透镜，其特征在于，所述正透镜子单元是一个颜色校正双合透镜
9．如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第二透镜单元包括一个颜色校正双合透镜和一个至少有一个非球面的正透镜元件。
10．如权利要求6所述的投影透镜，其特征在于，所述第二透镜单元包括一个颜色校正双合透镜和一个至少有一个非球面的正透镜元件。
11．如权利要求7所述的投影透镜，其特征在于，所述第二透镜单元包括一个颜色校正双合透镜和一个至少有一个非球面的正透镜元件。
12．如权利要求8所述的投影透镜，其特征在于，所述第二透镜单元包括一个颜色校正双合透镜和一个至少有一个非球面的正透镜元件。
13．一种用于形成物体图象的投影透镜系统，其特征在于，所述透镜系统包括(a)照射系统，它包括光源和用于形成光源的象的照射光学装置；(b)象素化面板，它构成物体；和(c)权利要求1所述的透镜。
全文摘要
提供一种与象素化面板(LCD)一起使用的投影透镜。透镜具有两个正透镜单元(U1,U2),孔径阑位于它们之间。每个透镜单元的光焦度使得第一透镜单元(U1)的焦距f1明显小于第二透镜单元(U2)的焦距f2,其中第一透镜单元(U1)位于系统的长共轭一侧,而第二透镜单元(U2)位于短共轭一侧。f1与f2的比最好小于大约0.75。
文档编号G02B9/08GK1220010SQ97194167
公开日1999年6月16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