CN1110716C - 液晶显示投影透镜 - Google Patents
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Abstract
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***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。
Description
发明领域
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***(这里也称为“投影***”)用于在一观察屏上形成物体的图象。这种***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***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***有许多应用,包括数据显示***。这种投影透镜***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***,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***。
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***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***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***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:
这里,z是在离***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 84.11
2 a 72.5195 10.00000 71.77
3 63.3660 25.00000 SK18 68.98
4 -63.3660 4.00000 KF6 65.89
5 762.9749 9.16228 60.48
6 孔径阑 35.18800 57.72
7 -38.4192 5.00000 SF14 63.38
8 -91.9407 1.00000 80.13
9 a -77.4031 18.00000 丙烯酸 83.60
10 a -57.0000 Space 1 93.65
11 c -927.4539 29.50000 丙烯酸 119.77
12 a -79.0000 Space 2 124.99
13 cf 185.6000 4.00000 丙烯酸 237.06
14 - 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+01
13 -1.7000E+00偶次幂多项式非球面
表面编号 D E F G H I
1 -7.0051E-08 -6.3254E-12 -2.9530E-14 7.5364E-19 9.4792E-21 -3.0013E-24
2 7.7762E-08 1.2679E-11 1.0260E-13 -3.2966E-17 -1.6803E-21 1.6991E-23
9 4.1171E-07 2.1244E-10 1.0122E-14 4.0619E-18 4.4932E-21 -1.0666E-24
10 2.4362E-07 1.2454E-10 1.2955E-14 1.0067E-17 1.8340E-21 3.0151E-24
12 1.3759E-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 1.500 182.411 -1.425 10.021
2 0.500 190.200 -1.000 10.015
3 2.000 175.350 -1.800 10.013
表1(续)一阶数据
可变焦距位置
1 2 3
f/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 198.28 202.52 194.61
象距 10.021 10.015 10.013
总长度 3391.4 2348.3 6346.5
前镜顶距离 342.78 349.56 336.21
镜筒长度 332.76 339.55 326.20
孔径阑表面编号 6 6 6
至孔径阑的距离 0.00 0.00 0.00
孔径阑直径 55.244 56.621 54.042
入射光瞳距离 40.838 40.838 40.838
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′ 1pp l′pp
1 1 2 -0.70980E-02 -140.88 5.1374 -0.21047
2 3 4 0.18681E-01 53.532 8.2520 -8.2520
3 4 5 -0.88988E-02 -112.38 0.20149 -2.4261
4 7 8 -0.10095E-01 -99.059 -2.6268 -5.6025
5 9 10 0.29494E-02 339.06 35.393 26.063
6 11 12 0.57837E-02 172.90 21.342 1.8179
7 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′pp
2 3 3 5 0.11187E-01 89.389 1.5277 -16.542透镜组的一阶性质
组号 表面编号 光焦度 f′ lpp l′pp
1 1 10 -0.26248E-03 -3809.7 495.35 349.41
2 11 12 0.57837E-02 172.90 21.342 1.8179
3 13 14 0.26604E-02 375.88 -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′pp
1 0.50433E-02 198.28 223.78 -199.63
2 0.49377E-02 202.52 228.97 -211.76
3 0.51385E-02 194.61 218.81 -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 83.97
2 a 73.8047 10.00000 72.07
3 63.9262 25.00000 SK18 69.86
4 -63.9262 4.00000 KF6 67.04
5 570.3825 2.53228 60.39
6 -41.97092 59.72
7 -39.0852 5.00000 SF14 64.45
8 -83.4350 1.00000 80.90
9 a -77.4031 18.00000 丙烯酸 83.88
10 a -57.0000 0.50000 94.26
11 c -927.4539 30.50000 丙烯酸 119.04
12 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 G H 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′pp
1 1 2 -0.68364E-02 -146.28 5.2411 -0.11047
2 3 4 0.18530E-01 53.965 8.2460 -8.2460
3 4 5 -0.90617E-02 -110.35 0.26468 -2.3616
4 7 8 -0.99405E-02 -100.60 -2.6199 -5.5926
5 9 10 0.29494E-02 339.06 35.393 26.063
6 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′pp
2 3 3 5 0.10898E-01 91.762 1.1692 -16.833透镜的一阶性质
光焦度 f′ lpp l′pp
0.50252E-02 199.00 119.64 -15.627表面1-5的一阶数据
K PP1 PP2 f′
0.490176E-02 30.3186 -1.10148 204.00表面7-12的一阶数据
K PP1 PP2 f′
0.232360E-02 147.569 172.803 430.37
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 -148.4666 6.00000 丙烯酸 51.92
2 a 54.4747 0.50000 45.04
3 40.0292 15.00000 SK18 45.07
4 -130.3723 6.26676 42.15
5 孔径阑 21.40605 34.58
6 -23.1527 3.00000 SF13 39.96
7 -64.2034 1.50000 54.39
8 -54.0449 16.67610 丙烯酸 54.69
9 a -35.8273 0.50000 63.68
10 a -3465.3279 24.66862 丙烯酸 93.09
11 a -54.7193 121.94030 95.74
12 cf 120.0000 4.00000 丙烯酸 166.79
13 - 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 D E F G H I
1 -1.0532E-06 -1.0364E-09 1.3079E-12 -2.2637E-15 4.0754E-18 -2.4681E-21
2 -1.0077E-06 1.3853E-10 -5.4208E-12 1.3555E-14 -3.2354E-18 -5.1055E-21
9 -7.2513E-07 1.8571E-09 -2.8477E-12 1.3532E-15 6.7032E-19 -5.6155E-22
10 -2.1332E-07 2.4887E-11 3.2458E-14 8.2905E-18 2.9285E-22 -1.2661E-25
11 5.7413E-07 4.5720E-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′pp
1 1 2 -0.12511E-01 -79.928 2.9100 -1.0677
2 3 4 0.20219E-01 49.458 2.2234 -7.2414
3 6 7 -0.19987E-01 -50.032 -0.99970 -2.7722
4 8 9 0.60514E-02 165.25 25.425 16.855
5 10 11 0.89025E-02 112.33 16.739 0.26432
6 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′pp
0.77357E-02 129.27 152.58 -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 52.57
2 a 54.0933 0.50000 46.45
3 39.9766 15.00000 SK18 47.01
4 -138.3967 6.26676 44.55
5 - 23.26477 37.09
6 -23.3945 3.00000 SF13 41.34
7 -57.7517 1.50000 55.58
8 -50.6040 16.57162 丙烯酸 56.00
9 a -36.2946 0.50000 64.89
10 a -2367.8999 24.39444 丙烯酸 92.92
11 a -54.6713 134.17166 95.59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 D E F G H I
1 -7.8786E-07 -7.4301E-10 1.2284E-12 -2.6558E-15 3.7917E-18 -1.8308E-21
2 -4.9688E-07 6.22845-10 -5.5378E-12 1.2528E-14 -4.7256E-18 -2.2320E-21
9 -6.7035E-07 1.6035E-09 -2.8384E-12 1.4275E-15 6.5802E-19 -6.1437E-22
10 -2.4379E-07 2.3325E-11 3.2535E-14 8.2976E-18 2.0542E-22 -2.1158E-25
11 6.0221E-07 5.9205E-11 4.6922E-14 2.3851E-17 -1.6076E-20 8.9490E-2 4一阶数据
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′ lpp l′pp
1 1 2 -0.12684E-01 -78.838 2.8906 -1.0862
2 3 4 0.19996E-01 50.010 2.1178 -7.3318
3 6 7 -0.18289E-01 -54.677 -1.2146 -2.9983
4 8 9 0.53197E-02 187.98 28.371 20.349
5 10 11 0.88539E-02 112.94 16.659 0.38462
表4(续)透镜的一阶性质
光焦度 f′ lpp l′pp
0.77080E-02 129.74 85.332 -8.3775表面1-4的一阶数据
K PP1 PP2 f′
0.825105E-02 11.8672 -1.63760 121.20表面6-11的一阶数据
K PP1 PP2 f′
0.412919E-02 105.968 138.422 242.18
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 50.10
2 a 51.3941 0.50000 44.84
3 39.5202 15.00000 SK18 45.08
4 -204.0199 6.26676 41.86
5 - 24.70386 37.34
6 -23.5819 3.00000 SF13 42.80
7 -54.9838 17.48359 SK5 58.11
8 -38.5513 0.50000 68.16
9 a -442.7462 22.96924 丙烯酸 93.18
10 a -54.6936 133.38308 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 H I
1 -6.2558E-07 -6.6007E-10 1.3377E-12 -2.7764E-15 3.6207E-18 -1.7047E-21
2 -4.7729E-07 2.8390E-10 -5.2520E-12 1.3608E-14 -6.5024E-18 -3.3618E-21
9 -4.6643E-08 3.6819E-11 2.8968E-14 8.8163E-18 1.7148E-21 2.3288E-25
10 5.3589E-07 1.0862E-10 4.8657E-14 2.7503E-17 -1.4201E-20 9.3743E-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′pp
1 1 2 -0.11992E-01 -83.389 3.2180 -0.76895
2 3 4 0.18904E-01 52.899 1.5196 -7.8449
3 6 7 -0.17354E-01 -57.623 -1.3444 -3.1347
4 7 8 0.63978E-02 156.30 26.344 18.471
5 9 10 0.80676E-02 123.95 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′pp
3 4 6 8 -0.76835E-02 -130.15 -25.890 -48.110透镜组的一阶性质
光焦度 f′ lpp l′pp
0.77162E-02 129.60 83.934 -9.1868表面1-4的一阶数据
K PPl PP2
0.754400E-02 10.2057 -3.41220表面6-10的一阶数据
K PP1 PP2
0.446394E-02 93.0606 115.413
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 94.4760 15.00000 丙烯酸 42.79
2 a -528.9612 0.50000 37.32
3 - 21.29889 36.84
4 -27.7690 3.00000 丙烯酸 40.46
5 a -407.8987 4.00000 53.21
6 -74.3345 12.15783 BK7 53.55
7 -42.4453 0.50000 61.02
8 a 164.4718 26.97190 丙烯酸 92.86
9 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 D E F G H I
1 -2.1948E-07 -3.1161E-09 7.4142E-12 -1.0377E-14 -2.2299E-17 3.2858E-20
2 -1.5111E-06 -5.1899E-09 -3.6485E-12 2.3336E-14 2.8430E-17 -1.0133E-19
5 -3.9131E-07 -6.8333E-10 5.5582E-13 6.5433E-16 1.3386E-20 -7.1347E-22
8 -2.9686E-07 -3.7064E-12 9.5859E-15 4.9355E-18 1.5459E-21 5.8285E-25
9 5.6173E-07 1.1183E-10 1.3209E-14 1.5832E-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 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′pp
1 1 2 0.73555E-02 135.95 1.4381 -8.0518
2 4 5 -0.19908E-01 -50.232 -0.13781 -2.0243
3 6 7 0.59254E-02 168.76 16.511 9.4276
4 8 9 0.10498E-01 95.259 13.631 -5.1638
表6(续)透镜的一阶性质
光焦度 f′ lpp l′pp
0.77900E-02 128.37 71.383 -7.9999表面4-9的一阶数据
K PP1 PP2
0.444232E-02 92.8040 107.813
表7
单元1 | 单元2 | |||||
实例编号 | 表面编号 | 表面编号 | f1 | f2 | f | f1/f2 |
1 | 1~5 | 7~12 | 199.16 | 448.33* | 198.99* | 0.444 |
2 | 1~5 | 7~12 | 204.00 | 430.37 | 199.00 | 0.474 |
3 | 1~4 | 6~11 | 115.38 | 257.84* | 129.60* | 0.447 |
4 | 1~4 | 6~11 | 121.20 | 242.18 | 129.74 | 0.500 |
5 | 1~4 | 6~10 | 132.56 | 224.02 | 129.60 | 0.592 |
6 | 1~2 | 4~9 | 135.95 | 225.11 | 128.37 | 0.604 |
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***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。
Claims (12)
1.一种用于形成物体(14)之图象(16)的投影透镜(13),所述透镜(13)具有焦距f和一个孔径阑,并且由下述单元按从其图象至其物体的次序构成:
(a)第一透镜单元(U1),它具有正光焦度,焦距为f1;
(b)第二透镜单元(U2),它具有正光焦度,焦距为f2;
其中(i)所述孔径阑位于所述第一透镜单元(U1)和所述第二透镜单元(U2)之间;并且
(ii)f1小于f2,
其特征在于,所述透镜(13)具有近似等于透镜焦距的后焦距。
2.如权利要求1所述的投影透镜(13),其特征在于,f1与f2的比小于0.75。
3.如权利要求1所述的投影透镜(13),其特征在于,所述第一透镜单元(U1)和所述第二透镜单元(U2)都至少具有一个非球面。
4.如权利要求1所述的投影透镜(13),其特征在于,所述第一透镜单元(U1)由单个正透镜元件构成。
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(U1)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。
6.如权利要求5所述的投影透镜(13),其特征在于,所述正透镜子单元与所述负透镜元件的间隔距离小于或等于f1的5%。
7.如权利要求5所述的投影透镜(13),其特征在于,所述正透镜子单元是一个颜色校正双合透镜。
8.如权利要求1、5、6或7所述的投影透镜(13),其特征在于,所述第二透镜单元(U2)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。
9.如权利要求1所述的投影透镜(13),其特征在于,所述第二透镜单元(U2)在其图像侧包括一个负透镜单元。
10.如权利要求1所述的投影透镜(13),其特征在于,f1/f小于或等于1.1。
11.一种用于形成物体(14)之图象(16)的投影透镜***,其特征在于,所述透镜***包括:
(a)照射***,它包括光源(10)和用于形成光源(10)的象的照射光学装置(12);
(b)象素化面板,它构成物体(14);和
(c)权利要求1、9或10所述的投影透镜(13)。
12.如权利要求11所述的投影透镜***,其特征在于,还包括一场透镜(FL),所述场透镜位于所述象素化面板和所述投影透镜(13)之间。
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