專利名稱：投影變焦透鏡及配備所述透鏡的光學(xué)投影機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于投影機(jī)以將膠片或幻燈片上形成的圖像或由液晶顯示或其它類似裝置顯示的圖像在屏幕上投影成放大的圖像的投影變焦透鏡，以及配備了所述透鏡的光學(xué)投影機(jī)。
背景技術(shù)：
用于將膠片或幻燈片上形成的圖像或由液晶顯示或其它類似裝置顯示的圖像在屏幕上投影成放大的圖像的光學(xué)投影機(jī)具有包括一個(gè)遠(yuǎn)心變焦透鏡的投影光學(xué)系統(tǒng)。大多數(shù)投影變焦透鏡是具有1.2倍變焦率的四組或五組變焦透鏡。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的四組或五組遠(yuǎn)心變焦透鏡在增大焦距(因此增大放大率)時(shí)，在屏幕一側(cè)的變焦透鏡前端的第一組透鏡以及在物點(diǎn)一側(cè)的變焦透鏡后端的第四組或第五組透鏡是固定的，在第一和第四透鏡組之間或者第一和第五透鏡組之間的透鏡組移動(dòng)。
常規(guī)的四組或五組遠(yuǎn)心變焦透鏡(例如在JP2000-206409A中所公開的)需要大量的透鏡以獲得較高的像差減小和較廣的視場(chǎng)角。因此，常規(guī)的投影變焦透鏡需要大量透鏡以將像差(例如慧差和畸變)減小到期望的水平，所以常規(guī)的投影變焦透鏡構(gòu)造復(fù)雜，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠減少常規(guī)投影變焦透鏡中的問題并通過使用相對(duì)較少數(shù)量的透鏡較為滿意地減少像差的投影變焦透鏡，并提供一種能夠在屏幕上形成具有較高圖片質(zhì)量的圖像的光學(xué)投影機(jī)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種具有一光軸的投影變焦透鏡，所述投影變焦透鏡包括具有負(fù)折射率并置于屏幕一側(cè)的前端第一透鏡組；具有正折射率并置于第一透鏡組之后的第二透鏡組；具有負(fù)折射率并置于第二透鏡組之后的第三透鏡組；具有正折射率并置于第三透鏡組之后的第四透鏡組；以及具有正折射率并置于第四透鏡組之后、物點(diǎn)一側(cè)的后端第五透鏡組；其中第五透鏡組保持靜止，第一、第二、第三和第四透鏡組沿光軸移動(dòng)以增大放大率，第一透鏡組包括一個(gè)單個(gè)彎月透鏡，具有一個(gè)面對(duì)屏幕的凸面和面對(duì)物點(diǎn)的非球面，第二透鏡組包括一個(gè)凸面面對(duì)屏幕的單個(gè)第二組透鏡，第三透鏡組包括具有負(fù)折射率的雙凹第三組第一透鏡以及一個(gè)雙凸第三組第二透鏡，它具有面對(duì)物點(diǎn)的非球面以及正折射率并粘合到第三組第一透鏡物點(diǎn)一側(cè)的后表面，第四透鏡組包括一個(gè)具有正折射率、凸面面對(duì)物點(diǎn)的單個(gè)第四組透鏡，第五透鏡組包括一個(gè)具有正折射率的單個(gè)雙凸第五組透鏡。
在根據(jù)本發(fā)明的投影變焦透鏡中，第一至第五透鏡組實(shí)際上包括六個(gè)透鏡。
在根據(jù)本發(fā)明的投影變焦透鏡中，第一、第二、第三和第四透鏡組沿光軸朝屏幕移動(dòng)以增大放大率。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)投影機(jī)包括一個(gè)用于產(chǎn)生圖像的圖像形成裝置；以及通過其投影由圖像形成裝置產(chǎn)生的圖像的上述投影變焦透鏡。
根據(jù)本發(fā)明，投影變焦透鏡的組件透鏡的表面包括最少必需數(shù)量的非球面表面，并且第一、第二、第三和第四透鏡組沿光軸朝屏幕移動(dòng)以增大放大率，第五透鏡組保持靜止。包括相對(duì)較少數(shù)量組件透鏡的投影變焦透鏡能夠較為滿意地減少像差并具有較寬的半視場(chǎng)角。
以下結(jié)合附圖的說明可以更清楚地說明本發(fā)明的上述以及其它目的、特性和優(yōu)點(diǎn)，這些附圖是

圖1(a)、1(b)和1(c)是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的分別處于廣角位置的最大廣角、中間角度位置和遠(yuǎn)攝位置的投影變焦透鏡的示意圖；圖2是圖1中示出的投影變焦透鏡的示意圖，示出了出射自物點(diǎn)的光線的通路；圖3是圖1中示出的投影變焦透鏡的數(shù)據(jù)表，其中表面數(shù)顯示在OBJ一欄，表面的曲率半徑(毫米)顯示在RDY一欄，透鏡的厚度或相鄰表面之間的間隙顯示在THI一欄，并且*1、*2、*3、*4和*5表示投影變焦透鏡分別處于廣角位置的最大廣角、中間角度位置和攝遠(yuǎn)位置時(shí)透鏡組之間的間隔；圖4(A)、4(B)和4(C)分別顯示了圖1示出的投影變焦透鏡處于攝遠(yuǎn)位置時(shí)的球面像差、像散和畸變；圖5(A)、5(B)和5(C)分別顯示了圖1示出的投影變焦透鏡處于遠(yuǎn)攝位置時(shí)由圖1中示出的投影變焦透鏡引起的球面像差、像散和畸變；圖6(A)、6(B)、6(C)、6(D)和6(E)顯示了圖1示出的投影變焦透鏡處于廣角位置(相對(duì)視場(chǎng)高度分別為1.00、0.86、0.73、0.53和0.00)時(shí)引起的橫向像差；圖7(A)、7(B)、7(C)、7(D)和7(E)顯示了由圖1示出的投影變焦透鏡處于攝遠(yuǎn)位置(相對(duì)視場(chǎng)高度分別為1.00、0.86、0.73、0.53和0.00)時(shí)引起的橫向像差；以及圖8是一個(gè)配備了根據(jù)本發(fā)明的投影變焦透鏡的光學(xué)投影機(jī)。
具體實(shí)施例方式
圖1(a)、1(b)和1(c)示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的分別處于廣角位置、中間角度位置和遠(yuǎn)攝位置的投影變焦透鏡2，圖2示出了圖1中示出的投影變焦透鏡2中出射自物點(diǎn)的光線的通路。
參見圖1和2，投影變焦透鏡2包括具有負(fù)折射率的第一透鏡組10、具有正折射率的第二透鏡組20、具有負(fù)折射率的第三透鏡組30、具有正折射率的第四透鏡組40以及具有正折射率的第五透鏡組50，所述五組透鏡組排列順序?yàn)樽云聊灰粋?cè)的前端(即圖1中的左側(cè))朝向物體表面一側(cè)的后端(即圖1中的右側(cè))。在本說明書中，術(shù)語“透鏡組”同時(shí)用于指單個(gè)透鏡和復(fù)合透鏡。盡管第一透鏡組10、第二透鏡組20、第四透鏡組40和第五透鏡組50實(shí)際上是單個(gè)透鏡，但此處為了方便起見，同樣命名為“透鏡組”。
投影變焦透鏡2在物點(diǎn)一側(cè)實(shí)質(zhì)上是遠(yuǎn)心的。在圖1中，每一平行光束都具有一朝向左側(cè)、出射自物體表面70上的物點(diǎn)的主光線，并且該主光線通過投影變焦透鏡2被投射到屏幕上。為簡(jiǎn)化說明，假設(shè)每一光束都包括一出射自屏幕的主光線并且該主光線通過投影變焦透鏡2被聚焦到物點(diǎn)上。
第五透鏡組50保持靜止，第一透鏡組10、第二透鏡組20、第三透鏡組30和第四透鏡組40沿光軸移動(dòng)以增大放大率。這樣，第一透鏡組10移動(dòng)，第三透鏡組30和第四透鏡組40獨(dú)立地移動(dòng)以進(jìn)行變焦。第一透鏡組10、第二透鏡組20、第三透鏡組30和第四透鏡組40沿光軸朝向屏幕移動(dòng)以增大放大率。
第一透鏡組10是一個(gè)具有凸球面面對(duì)屏幕、非球面11a面對(duì)物點(diǎn)的單個(gè)彎月透鏡11。彎月透鏡11具有較大直徑以將光線以較大的視場(chǎng)角投射到屏幕上。彎月透鏡的非球面11a是為了將來自屏幕并且落在彎月透鏡11上的光線的像差減小到盡可能小的程度。由于移動(dòng)第一透鏡組10進(jìn)行變焦，對(duì)于最大和最小放大率之間較寬的放大率范圍，可以保持較大的視場(chǎng)角和較高的像差減小特性，盡管第一透鏡組10是單個(gè)彎月透鏡11。
第二透鏡組20是一個(gè)前凸面面對(duì)屏幕的單個(gè)第二組透鏡21。一光闌20a置于第二組透鏡21的前表面附近。光闌20a和第二組透鏡21作為一個(gè)單元移動(dòng)。
第三透鏡組30是一個(gè)復(fù)合透鏡30a，該復(fù)合透鏡30a通過將屏幕一側(cè)的雙凹第三組第一透鏡31和處于物點(diǎn)一側(cè)的、其非球面背表面32a面對(duì)物點(diǎn)的雙凸第三組第二透鏡32放置在一起，并將透鏡31和32粘合在一起構(gòu)成的。復(fù)合透鏡30a主要用作校正色差，具有非球面背表面32a的第三組第二透鏡32主要用作校正球面像差。
第四透鏡組40是一單個(gè)第四組透鏡41。第四組透鏡41和復(fù)合透鏡30a獨(dú)立地移動(dòng)以增大放大率。第四組透鏡41與復(fù)合透鏡30a協(xié)同校正球面像差。第四組透鏡41緊靠第五透鏡組50放置以與第五透鏡組50協(xié)同為投影變焦透鏡2提供遠(yuǎn)心特性。由于第四組透鏡41與復(fù)合透鏡30a可以獨(dú)立地移動(dòng)以進(jìn)行變焦，第四組透鏡41可以相對(duì)于復(fù)合透鏡30a第五透鏡組50自由移動(dòng)以校正球面像差并由第四組透鏡41在不同的放大率保證遠(yuǎn)心特性。
第五透鏡組50是一個(gè)具有正折射率的單個(gè)雙凸第五組透鏡51。第五透鏡組50為投影變焦透鏡2提供了遠(yuǎn)心特性。投影變焦透鏡2的遠(yuǎn)心特性可以通過相對(duì)于第五透鏡組50移動(dòng)第四組透鏡41從最小和最大放大率之間的放大率范圍來保持。
因此，投影變焦透鏡2具有非常少的透鏡，即，實(shí)際上為六個(gè)透鏡。
以下將以投影變焦透鏡2的一個(gè)實(shí)例說明投影變焦透鏡。
圖1(a)、1(b)和1(c)是分別處于廣角位置的最大角度、中間角度位置和攝遠(yuǎn)位置的投影變焦透鏡2。在該投影變焦透鏡2中，第一透鏡組10、第二透鏡組20、第三透鏡組30、第四透鏡組40和第五透鏡組50的表面，除非球面表面11a和32a以外，是球面。
表面11a和32a的非球面形狀通過表達(dá)式(1)描述。
x=Ry21+1-(1+K)R2y2+Ay4+By6+Cy8+Dy10---(1)]]>在表達(dá)式(1)中，非球面表面11a的系數(shù)R的值是OBJ一欄中編號(hào)為2的表面的曲率半徑(RDY)，系數(shù)K、A、B、C和D的值是顯示在圖3中No.2和STO(光闌20a)之間的那些值。非球面表面32a的系數(shù)R的值是編號(hào)為8的表面的曲率半徑(RDY)，系數(shù)K、A、B、C和D的值是顯示在圖3中No.8和9之間的那些值。在以下對(duì)投影變焦透鏡2的說明中，f表示投影變焦透鏡2的焦距，f-No.表示光圈數(shù)。
投影變焦透鏡2的焦距f在f＝16.55mm(廣角位置的最大角度)和f＝19.85mm(遠(yuǎn)攝位置)之間可變。投影變焦透鏡2的光圈數(shù)在f-No.＝0.2(廣角位置的最大角度)和f-No.＝2.3(遠(yuǎn)攝位置)之間可變。投影變焦透鏡2的半視場(chǎng)角θ約為30°。投影變焦透鏡2的變焦率約為1.2，在相同的空氣中的后焦距為23.2mm。
圖3示出了有關(guān)投影變焦透鏡2的數(shù)據(jù)，其中OBJ一欄中顯示了從前端朝向后端的透鏡的表面數(shù)，RDY一欄中顯示了表面的曲率半徑(單位為毫米)，THI一欄中顯示了透鏡的厚度或相鄰表面之間的間隙(單位為毫米)。GLA一欄中顯示了構(gòu)成透鏡的材料的D線折射指數(shù)和阿貝數(shù)。例如，GLA＝583130.594609意味著構(gòu)成透鏡的材料的D線折射指數(shù)為1.583130(＝1+0.583130)并且阿貝數(shù)為59.4609。
在圖3中，*1表示投影變焦透鏡2分別處于廣角位置的最大廣角、中間角度位置和攝遠(yuǎn)位置時(shí)彎月透鏡11面對(duì)屏幕的前表面和屏幕之間的間隔，*2表示彎月透鏡11在物點(diǎn)一側(cè)的后表面與第二組透鏡21在屏幕一側(cè)的前表面之間的間隔，*3表示第二組透鏡21在物點(diǎn)一側(cè)的后表面與第三組第一透鏡31在屏幕一側(cè)的前表面之間的間隔，*4表示第三組第二透鏡32在物點(diǎn)一側(cè)的后表面與第四組透鏡41在屏幕一側(cè)的前表面之間的間隔，*5表示第四組透鏡41在物點(diǎn)一側(cè)的后表面與第五組透鏡51在屏幕一側(cè)的前表面之間的間隔。
投影變焦透鏡2處于廣角位置的最大廣角時(shí)引起的像差顯示在圖4和6中，投影變焦透鏡2處于攝遠(yuǎn)位置時(shí)引起的像差顯示在圖5和7中。圖4(A)和5(A)顯示了球面像差，圖4(B)和5(B)顯示了像散，圖4(C)和5(C)顯示了畸變。圖4(B)和5(B)中的曲線S和T是分別相對(duì)于弧矢像表面和正切像表面的像散。圖6(A)、6(B)、6(C)、6(D)和6(E)是投影變焦透鏡2處于廣角位置(相對(duì)視場(chǎng)高度分別為1.00、0.86、0.73、0.53和0.00)時(shí)引起的橫向像差的曲線圖，圖7(A)、7(B)、7(C)、7(D)和7(E)是投影變焦透鏡2處于攝遠(yuǎn)位置(相對(duì)視場(chǎng)高度分別為1.00、0.86、0.73、0.53和0.00)時(shí)引起的橫向像差的曲線圖。
第五透鏡組50保持靜止，第一透鏡組10、第二透鏡組20、第三透鏡組30和第四透鏡組40沿光軸移動(dòng)以增大投影變焦透鏡2的放大率，該投影變焦透鏡2包括具有負(fù)折射率的第一透鏡組10、具有正折射率的第二透鏡組20、具有負(fù)折射率的第三透鏡組30、具有正折射率的第四透鏡組40以及具有正折射率的第五透鏡組50，所述五組透鏡組排列順序?yàn)樽云聊灰粋?cè)的前端朝向物點(diǎn)一側(cè)的后端。第一透鏡組10是凸球面面對(duì)屏幕、非球面11a面對(duì)物點(diǎn)的單個(gè)彎月透鏡11，第二透鏡組20是凸面面對(duì)屏幕的單個(gè)第二組透鏡21，第三透鏡組30是通過將屏幕一側(cè)具有負(fù)折射率的雙凹第三組第一透鏡31和位于物點(diǎn)一側(cè)、非球面背面32a面對(duì)物點(diǎn)的第三組第二透鏡32放置在一起并將透鏡31和32粘合在一起形成的復(fù)合透鏡30a，第四透鏡組40是具有正折射率、凸面面對(duì)物點(diǎn)的單個(gè)第四組透鏡41，第五透鏡組50是具有正折射率的單個(gè)雙凸第五組透鏡51。這樣，投影變焦透鏡2包括相對(duì)較少的透鏡數(shù)(即六個(gè)透鏡)、具有較大的半視場(chǎng)角θ(約為30°)并且在減少包括球面像差、像散和畸變的像差方面具有非常令人滿意的光學(xué)性能。
第一透鏡組10、第二透鏡組20、第三透鏡組30和第四透鏡組40沿光軸朝向屏幕移動(dòng)以增大投影變焦透鏡2的放大率。由于第一透鏡組10并不保持靜止，而是朝向屏幕移動(dòng)以增大放大率，對(duì)于最大和最小放大率之間較寬的放大率范圍，可以保持較大的視場(chǎng)角和較高的像差減小特性，盡管第一透鏡組10是單個(gè)彎月透鏡11。
由于第四組透鏡41與復(fù)合透鏡30a可以獨(dú)立地移動(dòng)以進(jìn)行變焦，第四組透鏡41可以相對(duì)于復(fù)合透鏡30a和第五透鏡組50自由移動(dòng)以校正球面像差并由第四組透鏡41在不同的放大率保證遠(yuǎn)心特性。
由膠片、幻燈片或液晶顯示在圖1中右側(cè)的物點(diǎn)70上形成一個(gè)圖像，并且物體表面70通過投影變焦透鏡2投影到屏幕上。
以下將參照?qǐng)D8說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的配備了上述投影變焦透鏡2的光學(xué)投影機(jī)1。
光學(xué)投影機(jī)1具有用于形成彩色圖像的圖像形成單元3以及投影變焦透鏡2。圖像形成單元3包括三個(gè)液晶顯示，一個(gè)將由三個(gè)液晶顯示形成的三個(gè)彩色圖像進(jìn)行合成的合成棱鏡60以及一個(gè)用于支承合成棱鏡60并進(jìn)行光學(xué)補(bǔ)償?shù)墓鈱W(xué)元件60a。在圖8中，通常假設(shè)由三個(gè)液晶顯示形成的圖像由一個(gè)置于物體表面70上的液晶顯示來顯示，而省略該三個(gè)液晶顯示。通過合成棱鏡60合成由三個(gè)液晶顯示形成的三個(gè)圖像所形成的圖像通過投影變焦透鏡2投影到屏幕5上。由于投影變焦透鏡2在從物體表面70朝向屏幕5的方向上是遠(yuǎn)心的，圖像可以被清晰地投影到屏幕5上，圖片質(zhì)量不受由液晶顯示形成的圖像的角度的影響。投影變焦透鏡2具有較長(zhǎng)的后焦距，因此，合成棱鏡60可以置于投影變焦透鏡2和物體表面70之間。
圖像形成單元3可以包括光調(diào)制器，例如具有用作像素、膠片或幻燈片以替代液晶顯示的微鏡的裝置。
配備了所述投影變焦透鏡2的光學(xué)投影機(jī)1能夠?qū)D像以較高的圖片質(zhì)量投影到屏幕5上。
從上述說明可以顯而易見，根據(jù)本發(fā)明，具有簡(jiǎn)單的構(gòu)造、實(shí)際上包括六個(gè)透鏡的投影變焦透鏡能夠形成具有較小像差和較大視場(chǎng)角(例如半視場(chǎng)角約為30°)圖像。配備了所述投影變焦透鏡的光學(xué)投影機(jī)能夠?qū)D像以較高的圖片質(zhì)量投影到屏幕上。
盡管根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所作的說明帶有一定程度的特殊性，顯而易見的是，可以在其中做出許多更改和變更。因此，應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以這里處具體說明以外的方式實(shí)施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種具有光軸的投影變焦透鏡，包括具有負(fù)折射率并置于屏幕一側(cè)前端的第一透鏡組；具有正折射率并置于該第一透鏡組之后的第二透鏡組；具有負(fù)折射率并置于該第二透鏡組之后的第三透鏡組；具有正折射率并置于該第三透鏡組之后的第四透鏡組；以及具有正折射率并置于該第四透鏡組之后、物點(diǎn)一側(cè)后端的第五透鏡組；其中所述第五透鏡組保持靜止，所述第一、第二、第三和第四透鏡組沿光軸移動(dòng)以增大放大率，所述第一透鏡組包括一個(gè)凸面面對(duì)屏幕、非球面面對(duì)物點(diǎn)的單個(gè)彎月透鏡，所述第二透鏡組包括一個(gè)凸面面對(duì)屏幕的單個(gè)第二組透鏡，所述第三透鏡組包括一個(gè)復(fù)合透鏡，該復(fù)合透鏡包含一個(gè)具有負(fù)折射率的雙凹第三組第一透鏡以及一個(gè)具有面對(duì)物點(diǎn)的非球面和正折射率并粘合到第三組第一透鏡物點(diǎn)一側(cè)后表面的雙凸第三組第二透鏡，所述第四透鏡組包括一個(gè)具有正折射率、凸面面對(duì)物點(diǎn)的單個(gè)第四組透鏡，以及所述第五透鏡組包括一個(gè)具有正折射率的單個(gè)雙凸第五組透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的投影變焦透鏡，其特征在于所述第一至第五透鏡組實(shí)際上包括六個(gè)透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的投影變焦透鏡，其特征在于所述第一、第二、第三和第四透鏡組沿光軸朝向屏幕移動(dòng)以增大放大率。
4.一種光學(xué)投影機(jī)，包括用于產(chǎn)生圖像的圖像形成裝置；以及根據(jù)權(quán)利要求1至3的任意一項(xiàng)、通過其投影由所述圖像形成裝置產(chǎn)生的圖像的投影變焦透鏡。
全文摘要
投影變焦透鏡，包括具有負(fù)折射率并包括一個(gè)非球面面對(duì)物體表面的單個(gè)彎月透鏡的第一透鏡組，具有正折射率并包括一個(gè)單個(gè)第二組透鏡的第二透鏡組，具有負(fù)折射率并包括一個(gè)復(fù)合透鏡的第三透鏡組，包括一個(gè)單個(gè)第四組透鏡的第四透鏡組以及具有正折射率并包括一個(gè)單個(gè)第五組透鏡的第五透鏡組。第五透鏡組保持靜止，第一、第二、第三和第四透鏡組沿光軸朝向屏幕移動(dòng)以增大投影變焦透鏡的放大率。
文檔編號(hào)G02B15/177GK1550818SQ20041000483
公開日2004年12月1日 申請(qǐng)日期2004年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月10日
發(fā)明者西田和弘 申請(qǐng)人:精工愛普生株式會(huì)社