具有透镜校正单元的变焦投影透镜制造技术

本发明专利技术提供了与ＬＣＤ或ＤＭＤ面板一起使用的变焦投影透镜。透镜具有两个单元Ｕ１和Ｕ２，两者相对移动，进行变焦。还有一个校正单元（ＣＲ），离开ＬＣＤ或ＤＭＤ面板（ＰＰ）一段固定的距离。校正单元可以是色修正双合透镜，它位于透镜的物方（面板），并且光焦度较小。该单元对畸变和横向色的校正性能较好，而且没有不适当地增加透镜的复杂性或成本。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及投影透镜，尤其涉及用来对物体成象的变焦投影透镜，其中所述物体由诸如液晶显示器(LCD)或数字反光镜器件(DMD)等象素组成。
技术介绍
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象。这种系统的基本结构示于图6，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，由接通和断开象素组成的矩阵)，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的经放大的象。图6画出了LCD面板的情况，在该情况下，照射系统的输出射到面板的背面，并透过这些透明的象素。另一方面，DMD则利用反射进行工作，通过一个棱镜或类似器件将照射系统的输出射到面板的正面。物体是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。这类投影透镜系统最好用单个投影透镜形成单个面板的象或者三个独立面板的象，其中所述单个面板例如具有红色、绿色和蓝色象素，而所述三个面板的每个面板带一种颜色。某些情况下，使用两个面板，一个面板带两种颜色(例如，红色和绿色)，另一个面板带一种颜色(例如，蓝色)。旋转滤光轮或类似器件与带两种颜色的面板关联，并且同步于滤光器，交替地向该面板提供有关两种颜色的信息。本领域需要一种与象素化面板一起使用的投影透镜，它至少同时具有以下性能(1)能够在最大有效焦距和最小有效焦距之间变焦；(2)后焦距(工作距离)长；(3)色修正水平高；(4)畸变小；和(5)对温度变化的灵敏度低。希望有一种能够在一焦距范围内有效工作的投影透镜，因为它无需改变投影系统中的任何元件就能使投影系统与尺寸不同的屏幕和大小不同的大厅一起使用。当然，要求在整个焦距工作范围内保持高水平的象差校正，且不使透镜设计过度复杂。特别当使用多个面板时，需要较长的后焦距(即，从最后的透镜表面到象素化面板的距离)，以容纳诸如滤光镜、二向色分光镜、分束棱镜等光学元件，这些光学元件用来合并透镜系统投向观察屏的、来自不同颜色光路的光。另外，后焦距较长允许照射系统的输出位于投影透镜的附近，用以获得相对大的输出距离。希望有相对大的输出距离，因为它们在象素化面板上提供相对小的光入射角，这在LCD面板情况下特别重要。由于在象素化面板的象中很容易观察到色差，它们看上去象象素的斑点，或者在极端情况上，看上去象整个象素从图像上落下，因此，高水平的色修正是重要的。一般，这些问题在视场的边缘最为严重。系统的所有色差都需要解决，其中横向色、彗差的色变化和象散色差一般是最困难的。横向色是放大率随颜色的变化，由于它表现为反差的减少，尤其在视场边缘，所以特别麻烦。在极端情况下，在全视场范围内可以看到彩虹现象。在使用阴极射线管(CRT)的投影系统中，可以用电子学方法补偿少量的(剩余)横向色，例如其方法是相对于蓝色CRT上产生的象的大小，缩小红色CRT表面上产生的像的大小。但是，对于象素化面板，由于图像被数字化，不可能对整个视场进行平滑的尺寸调节，所以不能实现这种适应性调节。因此，投影透镜需要高水平的横向色修正。用象素化面板显示数据对畸变校正提出了严格的要求。这是因为当观察数据时，即使在透镜视场的边缘各点处，也要求有良好的图像质量。显然，被显示的数字或字母在视场边缘具有非畸变图像与在中心同样重要。另外，投影透镜通常与偏移板一起使用，例1-5的透镜就是设计作此用途的。在这种情况下，观察屏上的畸变对经过屏幕中心的水平线的变化不对称，而是例如从屏幕底部到顶部单调上升。这种现象使观察者很容易观察到即使是小的畸变。当关于WINDOWS类型计算机界面的经放大的图象投影到观察屏上时，畸变小以及色修正水平高就显得特别重要。这类界面具有平行线，带边界的命令框和对话框，以及复杂的着色，它们实质上是畸变和颜色的测试模式。对于这类界面的象，用户很容易认识并反对即使是最小的畸变或色差。为了产生足够亮的像，必须有相当多的光线通过投影透镜。结果，通常在室温和透镜工作温度之间存在明显的温差。另外，透镜要能够在各种环境条件下工作。例如，通常将投影透镜系统固定在房间的天花板上，它可以是环境温度基本在40℃以上的屋顶。为了解决这些影响，需要光学性能对温度变化相当不灵敏的投影透镜。解决温度灵敏性问题的一种办法是使用由玻璃制成的透镜元件。与塑料相比，玻璃元件之曲率半径和折射率的变化一般比塑料元件的小。但是，玻璃元件一般比塑料元件贵，特别是需要对非球面进行象差控制时。它们还较重。如下所述，只要适当选择塑料元件的光焦度和位置，就可以使用塑料元件，并且仍可以获得对温度不灵敏性。下述投影透镜满足上述所有要求，并且可以成功地用于制造成本相当低的投影透镜系统，该系统能够在观察屏上形成象素化面板的高质量彩色图像。现有技术的描述有许多专利描述了与象素化面板一起使用的投影透镜，这些专利包括授于Taylor的美国专利第4,189,211号；授于Tanaka等人的美国专利第5,042,929号；授于Yano等人的美国专利第5,179,473号；授于Moskovich的美国专利第5,200,861号；授于Moskovich的美国专利第5,218,480号；授于Moskovich的美国专利第5,625,495号；授于Iizuka的美国专利第5,278,698；授于Betensky的美国专利第5,313,330号；以及授于Yano的美国专利第5,331,462号；以下专利对LCD系统作了讨论授于Gagnon等人的美国专利第4,425,028号；授于Gagnon的美国专利第4,461,542号；授于Ledebuhr的美国专利第4,826,311号；以及EPO专利公报第311,116号。
技术实现思路
基于以上叙述，本专利技术的一个目的是提供一种与象素化面板一起使用的改进型投影透镜，该投影透镜同时具有上述五项性能。此目的可以通过一种变焦投影透镜来实现，所述透镜具有最小有效焦距(fmin)和最大有效焦距(fmax)，并且所述透镜从象方到物方(即，从其长共轭一侧到其短共轭一侧)按顺序包括(A)第一透镜单元(U1)；(B)第二透镜单元(U2)，它与第一透镜单元相隔一段轴向距离，在透镜变焦和/或聚焦期间，所述第一和第二透镜单元相对象素化面板(物体)移动；和(C)校正透镜单元(CR)，它至少有一个非球面和满足下述关系的焦距fCR|fCR/fmin|≥5； (1)所述校正透镜单元与象素化面板相隔一段固定的轴向距离DCR-OB，并且与第二透镜单元相隔一段可变的轴向距离DCR-U2，对于透镜在fmin和fmax之间的所有有效焦距，都有DCR-OB≥DCR-U2。(2)如关系式(2)中所使用的，DCR-OB是从物体到距物体最近的校正透镜单元表面的距离，而DCR-U2是从CR象方表面到U2物方表面的距离。在某些较佳实施例中，投影透镜还满足下述关系DCR-OB/(fmin·tanω)|≥2其中ω是当透镜的有效焦距等于fmin时投影透镜沿图像方向的半视场。当透镜满足该关系时，其后焦距的长度足以容纳用来形成象素化面板之彩色图像的光学元件，例如放在校正透镜单元和象素化面板之间的滤光镜、二向色分光镜和分束棱镜等。应该注意，本专利技术校正透镜单元的性能和功能与Iizuka等人的美国专利第5,本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于物体成像的投影透镜，所述透镜的变焦范围在最小有效焦距ｆ↓［ｍｉｎ］和最大有效焦距ｆ↓［ｍａｘ］之间，其特征在于，所述透镜从其象方到其物方按顺序包括：（Ａ）第一透镜单元；（Ｂ）第二透镜单元，它与第一透镜单元相距一段轴向间隔，在 透镜变焦和／或聚焦期间，所述第一和第二透镜单元相对物体移动；和（Ｃ）校正透镜单元，它至少有一个非球面和满足下述关系的焦距ｆ↓［ＣＲ］：｜ｆ↓［ＣＲ］／ｆ↓［ｍｉｎ］｜≥５；所述校正透镜单元与物体相隔一段固定的轴向距离Ｄ↓［ＣＲ－ ＯＢ］，并且与第二透镜单元相隔一段可变的轴向距离Ｄ↓［ＣＲ－Ｕ２］，对于透镜在ｆ↓［ｍｉｎ］和ｆ↓［ｍａｘ］之间的所有有效焦距，都有：Ｄ↓［ＣＲ－ＯＢ］≥Ｄ↓［ＣＲ－Ｕ２］。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：J莫斯可维奇，
申请(专利权)人：美国精密镜片股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]