CN100368856C - 变焦透镜及包含该变焦透镜的图像投影装置 - Google Patents

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Abstract

一种变焦透镜，包括：包含安装在最前侧并具有负光功率的第一透镜组的多个透镜组。变焦是通过沿着平行于变焦透镜的光轴的方向移动所述多个透镜组的至少其中一个来执行的。在变焦期间第一透镜组被固定。第一透镜组的设置在最前侧的第一透镜具有负的折射本领。当配置第一透镜的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdn和θg ，Fn，第一透镜组的焦距表示为f1，在聚焦于无穷远物体时空中等效后焦点表示为bf时，满足下面的条件：vdn＜32，0.008＜θg ，Fn-(0.644-0.00168×vdn)＜0.040，和|f1/bf|＜0.9。

Description

变焦透镜及包含该变焦透镜的图像投影装置
技术领域
本发明涉及一种变焦透镜及包含该变焦透镜的图像投影装置，其例如适用于具有长后焦点并使用照明系统保持良好光瞳相容性的液晶投影仪。
背景技术
迄今为止，已经提出各种液晶投影仪(图像投影装置)，其每一种包括例如液晶显示器的显示设备并将在显示设备上形成的图像投影到屏幕。
尤其是，由于液晶投影仪能够将个人电脑等输出的图像投影到大屏幕上，所以这种装置广泛应用在会议和家庭影院中。在液晶投影仪中使用的投影透镜例如要求具有下面的特征。
(a)在包括三个液晶显示器的三面板彩色液晶投影仪中，从白光源发出的光通常被通过色彩分离光学系统分离为红、绿和蓝色并被引入到相应的液晶显示器。从各个液晶显示器发出的三种光被色彩合成光学系统合成，并入射到投影透镜上。
由于其配置，在液晶显示器和投影透镜之间必须提供具有在其中配置了棱镜等的空间，用来合成通过液晶显示器的三色光，从而能够使得投影透镜具有一定长度的后焦点。此外，使用反射液晶显示器，即，使用硅上液晶(LCOS)作为液晶显示器使得投影透镜比使用透射性液晶显示器具有更长的后焦点。
(b)当从液晶显示器发出并入射到色彩合成光学系统的光通量的角度改变时，色彩合成光学系统的光谱透射率相应地改变。因此，投影图像的每种颜色的亮度根据视角而变化，从而导致观察图像困难。为了减少角度依赖的影响，投影透镜必须是所谓的远心光学系统，其中靠近于液晶显示器的光瞳(减小共轭面)基本上趋于无穷大。
(c)当三色液晶显示器的图片(图像)被合成并投射到屏幕上时，各种色彩的像素必须在整个屏幕上相互重叠以防止例如由看到两个字符的现象引起的分辨率感觉的损失。
为了实现该目的，在投影透镜中产生的色彩漂移(放大的色差)必须在可见光区域内进行令人满意地补偿。
(d)必须令人满意地补偿畸变失真以便防止由于畸变而使得投影图像观看起来很困难。
(e)投影透镜必须具有小的F号(下文称作Fno)，并且是明亮的以便有效吸收从光源发出的光。
(f)最近，存在对于更高亮度和高分辨率投影仪的需求，同时，在其中安装有小液晶显示面板的投影仪也需要具有减小的尺寸和重量以赋予其便携性和可移动性更高的重要性。同时，考虑到这种小型投影装置的使用环境，投影透镜必须是较大的放大倍数可变的变焦透镜，使用这种透镜，图像被投影到具有较短投影距离的大屏幕上，且投影屏幕的大小很容易调整。
如上所述，需要具有长后焦点和多种高光学属性的液晶投影仪使用的投影透镜有时具有非球面透镜(一种具有非球形表面的透镜)，其被包含在其中作为一种有效的机制来令人满意性地补偿各种畸变而不用增加透镜的数量。
而且，当专注于容易工作性和可生产性时，非球面透镜应该由塑料材料构成。
迄今为止，提出了多种液晶投影仪使用的投影透镜(参见日本专利公开No.2004-004964，2001-100100和2002-131636)。
虽然日本专利公开No.2004-004964公开了一种定位于减小尺寸和低成本的光学系统，但是该系统致力于用于透射性液晶投影仪，当用于反射性液晶投影仪时，除了对实现更广角和更大放大倍数的限制以外具有非常短的后焦点。
虽然日本专利公开No.2001-100100公开了一种具有减小的尺寸并抑制由于其放大倍数变化而产生的各种畸变的光学系统，但是除了对于实现更大放大倍数的限制之外，该系统在用于反射性液晶投影仪时还具有过小的后焦点。
虽然日本专利公开No.2002-131636公开了一种具有长后焦点的光学系统，但是考虑到在反射性液晶投影仪中使用同时保持宽视角，该系统具有较大的Fno并包括单个焦点透镜。
而且，作为用于液晶投影仪的投影透镜，US公开专利申请2001050818公开了一种通过六个透镜组作为一个整体配置的六组变焦透镜，其具有这样的一种结构，其中从其放大共轭侧(从其前侧)依次安装分别具有负、正、正、负、正(或负)和正折射本领的第一到第六透镜组，并通过恰当地移动这些透镜组中的预定透镜组来执行变焦。
通过在其中安装第一和第六透镜组并且在从其广角端向远距镜头端进行变焦时朝着减小共轭侧(变焦透镜的后侧)移动内部的第二到第五透镜组的结构，上述六组变焦透镜在变焦时保持了整体长度固定，并在降低变焦时的畸变失真和色差畸变的同时充当朝着减小共轭侧的远心变焦透镜。
除了上述透镜之外，作为用于已知液晶投影仪的投影透镜，日本专利公开No.2001-108900公开了一种由六个透镜组作为整体配置的六组变焦透镜，其具有这样一种结构，其中从其放大共轭侧(从其前侧)依次安装分别具有负、正、正、负、正和正折射本领的第一到第六透镜组，并通过恰当地移动这些透镜组中的预定透镜组来执行变焦。
通过在其中固定第一、第四和第六透镜组并在从其广角端向远距镜头端改变放大倍数时移动内部的第二、第三和第五透镜组的结构，所述六组变焦透镜在改变放大倍数期间保持整体长度固定，并在抑制包括色差畸变的各种畸变中的变化的同时充当在减小共轭侧上的远心变焦透镜。
而且，作为用于液晶投影仪的变焦透镜，US公开申请2003117716公开了一种具有以下结构的五组变焦透镜，其中，从其前侧到后侧，五个透镜组依次分别具有负、正、负、正和正折射本领，并通过移动这些透镜组中的多个透镜组来执行变焦。
另外，虽然在日本专利公开No.2004-138678中公开的变焦透镜包括一个具有相对长后焦点的光学系统，但是在其广角端的Fno大约为2.3或2.4，换句话说，其充当了暗变焦透镜。此外，由于使用大量玻璃透镜，所以需要提高变焦透镜的成本和重量。
当前，与进一步实现液晶投影仪小型化相结合，即，强烈需要实现尤其有助于家庭影院使用的投影仪作为明显优点的其短距投影，即，其更宽视角。
而且，为了实现投影图像的更高亮度，需要投影透镜明亮并具有较大的孔径比。
通常，当制造投影透镜以便在维持长后焦点的同时实现更宽的视角时，其最靠近放大侧的透镜组具有更大的折射本领。
而且，为了在减小共轭侧实现远心变焦透镜，从其光圈到减小共轭侧安装的整个透镜组具有更大的正折射本领，并且整个透镜系统具有反远距折射本领配置。因此，透镜系统的不对称性增加，从而导致尤其对畸变失真、放大倍数的色差等的补偿很困难。
此外，象场弯曲根据较宽的视角而增加，而不会减小Petzval和，从而导致很难补偿该现象。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种变焦透镜，包括多个透镜组，这些透镜组包括安装在最前侧并具有负光功率的第一透镜组。变焦是通过沿着平行于变焦透镜的光轴的方向移动多个透镜组中的至少一个来执行的。在变焦期间，第一透镜组被固定。安装在第一透镜组的最前侧的第一透镜具有负的折射本领。当配置第一透镜的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdn和θg，Fn，第一透镜组的焦距表示为f1，在聚焦于无穷远物体时的空中等效后焦点表示为bf时，满足下面的条件：
vdn＜32，
0.008＜θg，Fn-(0.644-0.00168×vdn)＜0.040，并且
|f1/bf|＜0.9。
根据本发明的第二方面，提供一种变焦透镜，包括多个透镜组，所述透镜组包括安装在最前侧具有负光功率的第一透镜组。变焦是通过沿着平行于变焦透镜的光轴的方向移动多个透镜组的至少一个来执行的。在变焦期间，多个透镜组的最后的透镜组被固定。第一透镜组的安装在最前侧的第一透镜具有负折射本领。当配置第一透镜的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdn和θg，Fn；第一透镜组的焦距表示为f1；在聚焦于位于距离变焦透镜无穷远处的无穷远物体时的空中等效后焦点表示为bf(换句话说，bf表示在变焦透镜聚焦在无穷远时变焦透镜的后焦点长度的空中等效值，即，在最靠近减小侧的透镜表面和减小共轭位置之间的长度的空中等效值)时，满足下面的条件：
vdn＜32，
0.008＜θg，Fn-(0.644-0.00168×vdn)＜0.040，并且
|f1/bf|＜0.9。
根据本发明的第三方面，提供一种变焦透镜，其包括五个或六个透镜组，所述透镜组包括安装在最前侧并具有负折射本领的第一透镜组。在变焦时，第一透镜组和最后面的透镜组被固定，并且可以移动多个透镜组。负和正透镜Ln和Lp分别安装在最前侧并最靠近图像。当配置负透镜Ln的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdn和θg，Fn，并且配置正透镜Lp的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdp和θg，Fp，并且当第一透镜组的焦距定义为f1，空中等效后焦点表示为bf时，满足下面的条件：
vdn＜32，
0.008＜θg，Fn-(0.644-0.00168×vdn)＜0.040，并且
|f1/bf|＜0.9，
vdp＞63，并且
-0.005＜θg，Fp-(0.644-0.00168×vdp)＜0.045。
根据本发明的第四方面，提供一种图像投影装置，其包括用来形成原始图像的显示器；以及根据本发明的第一方面用来将通过所述显示单元形成的原始图像投影到投影屏幕上的变焦透镜。
从下面参考附图的典型实施例的描述中，本发明的进一步特征将变得明显。
附图说明
图1是包括根据本发明实施例1的变焦透镜的图像投影装置的主要部分的示意图。
图2显示了根据数值实施例1的变焦透镜的像差视图。
图3是包括根据本发明实施例2的变焦透镜的图像投影装置的主要部分的示意图。
图4显示了根据数值实施例2的变焦透镜的像差视图。
图5是包括根据本发明实施例3的变焦透镜的图像投影装置的主要部分的示意图。
图6显示了根据数值实施例3的变焦透镜的像差视图。
图7是包括根据本发明实施例4的变焦透镜的图像投影装置的主要部分的示意图。
图8显示了根据数值实施例4的变焦透镜的像差视图。
图9是包括根据本发明实施例5的变焦透镜的图像投影装置的主要部分的示意图。
图10显示了根据数值实施例5的变焦透镜的像差视图。
图11显示了根据本发明另一个实施例的投影类型图像显示装置的光学系统。
图12是彩色液晶投影仪的主要部分的示意图。
图13是图像拾取装置的主要部分的示意图。
具体实施方式
本发明的一个方面目的在于提供一种变焦透镜，其在整个屏幕上通过令人满意地补偿随着变焦产生的各种畸变而具有令人满意的光学属性，同时最小化整个透镜系统，并适用于用在例如液晶投影仪中。
本发明的另一个方面的目的在于一种变焦透镜，其通过短的投影距离实现大屏幕投影，除了容易地实现较大放大倍数的改变以外，还具有长后焦点。
根据本发明的一个实施例，提供一种变焦透镜，其包括多个透镜组，所述透镜组包括安装在最前侧(在放大共轭侧，即，相对于图像投影装置靠近于例如屏幕的投影表面)并具有负光功率的第一透镜组。同时，所述透镜组可以这样来配置，只要其包括例如透镜(折光元件)或光衍射单元的至少一个光学单元即可。变焦是通过沿着平行于变焦透镜光轴的方向移动多个透镜组中的至少一个来执行的。在变焦期间，所述第一透镜组被固定。第一透镜组的安装在最前侧的第一透镜具有负的折射本领。当配置第一透镜的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdn和θg，Fn，第一透镜组的焦距表示为f1，并且在聚焦于位于距变焦透镜无穷远的无穷远物体时的空中等效后焦点表示为bf(换句话说，bf表示在变焦透镜聚焦在无穷远时变焦透镜的后焦点长度的空中等效值，即，在最靠近减小侧配置的透镜表面和减小共轭位置之间的长度的空中等效值)时，满足下面的条件：
vdn＜32，(1)
0.008＜θg，Fn-(0.644-0.00168×vdn)＜0.040，(2)
并且
|f1/bf|＜0.9(3)。
根据本发明的另一个实施例，提供一种变焦透镜，其包括多个透镜组，所述透镜组包括安装在最前侧并具有负光功率的第一透镜组。变焦是通过沿着平行于变焦透镜的光轴方向移动多个透镜组中的至少一个来执行的。在变焦期间，所述多个透镜组中的最后面的透镜组被固定。第一透镜组的安装在最前侧的第一透镜具有负的折射本领。当配置第一透镜的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdn和θg，Fn；第一透镜组的焦距表示为f1，并且在聚焦于无穷远物体时的空中等效后焦点表示为bf时，满足下面的条件：
vdn＜32，(1)
0.008＜θg，Fn-(0.644-0.00168×vdn)＜0.040，(2)
并且
|f1/bf|＜0.9(3)。
变焦透镜具有安装在最后侧(在减小共轭侧，即，在图像投影装置中的情况下为靠近于图像显示设备或液晶面板)的正透镜。当配置该正透镜的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdp和θg，Fp时，满足下面的条件：
vdp＞63，(4)，并且
-0.005＜θg，Fp-(0.644-0.00168×vdp)＜0.045(5)。
而且，变焦透镜具有安装在最后面的透镜和图像平面之间的棱镜。当配置该棱镜的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdpr和θg、Fr时，满足下面的条件：
vdpr＜50，(6)，并且
0.002＜θg，Fr-(0.644-0.00168×vdpr)＜0.040(7)。
从变焦透镜的前侧到后侧，按照顺序，所述多个透镜组可以包括具有负折射本领的第一透镜组，具有正折射本领的第二透镜组，具有正折射本领的第三透镜组，具有负折射本领的第三透镜组，具有负折射本领的第四透镜组，具有正折射本领的第五透镜组和具有正折射本领的第六透镜组。在变焦时，第一和第六透镜组可以被固定，并且第二到第五透镜组可以移动。而且，安装在最后侧的透镜组可以与第六透镜组相同。
变焦透镜可以包括具有至少一个非球面的非球面透镜。尤其是，第五透镜组可以包括至少一个具有非球面的塑料正透镜。而且，第一透镜组可以包括至少一个具有非球面的塑料负透镜。
第五透镜组可以包括至少一个正透镜。当配置该至少一个正透镜的材料的平均Abbe常数表示为v5p时，满足下面的条件：
v5p＞60(8)。
第四透镜组可以包括光圈和至少一个具有凸后表面的凹凸负透镜。
从其前侧到后侧，按照顺序，所述多个透镜组可以包括具有负折射本领的第一透镜组，具有正折射本领的第二透镜组，具有正折射本领的第三透镜组，具有正折射本领的第四透镜组，具有正折射本领的第五透镜组。在变焦时，第一和第五透镜组可以被固定，第二到第四透镜组可以移动。
第四透镜组可以包括至少一个正透镜。当配置该至少一个正透镜的材料的平均Abbe常数表示为v4p时，满足下面的条件：
v4p＞60(9)。
第四透镜组可以包括光圈和在最前侧上具有凸后表面的凹凸负透镜。
根据本发明另一个实施例的变焦透镜整体上可以包括五个或六个透镜组，包括安装在最前侧并具有负折射本领的第一透镜组。在变焦时，第一透镜组和最后面的透镜组可以被固定，并且可以移动多个透镜组。负和正透镜Ln和Lp分别安装在最前侧和最靠近于图像。当配置负透镜Ln的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdn和θg、Fn，并且配置正透镜Lp的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdp和θg、Fp；第一透镜组的焦距定义为f1；空中等效后焦点表示为bf时，可以满足下面的条件：
vdn＜32，(1)
0.008＜θg，Fn-(0.644-0.00168×vdn)＜0.040，(2)
|f1/bf|＜0.9，(3)
vdp＞63，(4)并且
-0.005＜θg，Fp-(0.644-0.00168×vdp)＜0.045(5)。
聚焦透镜在其广角端可以具有Fno，其不小于1.4并且不大于2.05，理想地，不小于1.5和/或不大于1.9。
根据本发明另一个实施例的图像投影装置包括前述变焦透镜中的任何一个和形成原始图像的显示单元。通过这种变焦透镜，由显示单元形成的原始图像被投射到屏幕表面(投影表面；自然，在后产生型装置的情况中，它应该包括双凸透镜等以便分散入射光)。
下面将简单描述显示本发明实施例的附图。
图1是包括根据本发明实施例1的变焦透镜的图像投影装置(液晶视频投影仪)的主要部分的示意图。图2A和2B显示了根据数值实施例1的变焦透镜的像差视图，这将在后面进行描述，并在其广角端(靠近于其短距离焦点)和在远距镜头端(靠近于其长距离焦点)相应于本发明的实施例1，当数值实施例1的数值以mm进行表示且物距(距离第一透镜组的距离)为2.1m时。
图3是包括根据本发明实施例2的变焦透镜的图像投影装置(液晶视频投影仪)的主要部分的示意图。图4A和4B显示了根据数值实施例2的变焦透镜的像差视图，这将在后面进行描述，并在其广角端(靠近于其短距离焦点)和在远距镜头端(靠近于其长距离焦点)相应于本发明的实施例2，当数值实施例2的数值以mm进行表示且物距(距离第一透镜组的距离)为2.1m时。
图5是包括根据本发明实施例3的变焦透镜的图像投影装置(液晶视频投影仪)的主要部分的示意图。图6A和6B显示了根据数值实施例3的变焦透镜的像差视图，这将在后面进行描述，并在其广角端(靠近于其短距离焦点)和在远距镜头端(靠近于其长距离焦点)相应于本发明的实施例3，当数值实施例3的数值以mm进行表示且物距(距离第一透镜组的距离)为2.1m时。
图7是包括根据本发明实施例4的变焦透镜的图像投影装置(液晶视频投影仪)的主要部分的示意图。图8A和8B显示了根据数值实施例4的变焦透镜的像差视图，这将在后面进行描述，并在其广角端(靠近于其矩距离焦点)和在远距镜头端(靠近于其长距离焦点)相应于本发明的实施例4，当数值实施例4的数值以mm进行表示且物距(距离第一透镜组的距离)为2.1m时。
图9是包括根据本发明实施例5的变焦透镜的图像投影装置(液晶视频投影仪)的主要部分的示意图。图10A和10B显示了根据数值实施例5的变焦透镜的像差视图，这将在后面进行描述，并在其广角端(靠近于其短距离焦点)和在远距镜头端(靠近于其长距离焦点)相应于本发明的实施例5，当数值实施例5的数值以mm进行表示且物距(距离第一透镜组的距离)为2.1m时。
图1、3、5、7和9分别显示了根据第一、第二、第三、第四和第五实施例的图像投影装置，每一个处于由LCD形成的原始图像(要投影的图像)被使用变焦透镜(投影透镜)PL以放大方式投影到屏幕S上的状态。
在附图中，屏幕表面(投影表面)表示为S，并且用来形成原始图像(要投影的图像)的例如液晶显示面板的显示设备表示为LCD。屏幕表面S和原始图像形成LCD具有相互之间的共轭关系，并且通常，屏幕表面S和原始图像形成LCD分别相应于位于放大侧(前方)的较长距离共轭点(第一共轭点)和位于减小侧(后方)的较短共轭点(第二共轭点)。同时，当使用变焦透镜以便充当图像捕获系统时，屏幕表面S和原始图像形成LCD分别靠近物体和靠近于图像。
相应于彩色合成棱镜、偏振器滤光镜、滤色器等，根据光学设计的观点提供玻璃块(棱镜)GB。
在连接元件(没有示出)的帮助下，变焦透镜PL安装在液晶视频投影仪(没有示出)的主体上。从玻璃块GB延伸到液晶显示器LCD的一部分变焦透镜被包括在投影仪的主体内。
在图1、3、5和7中分别显示的第一、第二、第三和第四实施例中，第一透镜组L1具有负的折射本领，第二透镜组L2具有正的折射本领，第三透镜组L3具有正的折射本领，第四透镜组L4具有负的折射本领，第五透镜组L5具有正的折射本领，并且第六透镜组L6具有正的折射本领。
在实施例1到4中，在从广角端变焦到远距镜头端(改变放大倍数)时，第二透镜组L2、第三透镜组L3、第四透镜组L4和第五透镜组L5独立地朝着第一共轭点(屏幕S)移动，即，朝着由相应箭头指示的放大侧方向移动。
第一透镜组L1和第六透镜组L6不能移动用来变焦。第一透镜组L1沿着光轴进行移动用于进行聚焦。同时，可以通过移动显示器面板LCD进行聚焦。
第三透镜组L3和第四透镜组L4具有在其之间插入的光圈ST。每个透镜表面具有在其上形成的抗反射多层涂层。
在图9所示的实施例5中，第一透镜组L具有负的折射本领，第二透镜组L2具有正的折射本领，第三透镜组L3具有正的折射本领，第四透镜组L4具有负的折射本领，并且第五透镜组L5具有正的折射本领。
在实施例5中，在从广角端向远距镜头端变焦时(在改变放大倍数时)，第二透镜组L2、第三透镜组L3和第四透镜组L4独立地朝着第一共轭点(屏幕S)移动，即，朝着由相应箭头指示的放大侧移动。
第一透镜组L1和第五透镜组L5不被移动来进行变焦。第一透镜组L1沿着光轴移动用于进行聚焦。同时，可以通过移动显示器面板LCD来执行聚焦。
第三透镜组L3和第四透镜组L4具有在其之间插入的光圈ST。每个透镜表面具有在其上形成的反折射多层涂层。
在图2、4、6、8和10中所示的像差视图中，在波长550nm、620nm和450nm时的畸变分别表示为G、R和B；指示在波长550nm时的畸变的弧矢像面和经向图像面的倾斜分别表示为S和M；并且F号和半视角分别表示为F和ω。
每个实施例都满足下面的条件。
(A)变焦透镜包括多个透镜组，所述透镜组包括安装在最前侧(在放大共轭侧，即，靠近于具有较长共轭长度的共轭点)并具有负光功率的第一透镜组L1。变焦是通过沿着平行于变焦透镜的光轴的方向(当然，可以在正交于光轴的方向移动)移动所述多个透镜组中至少一个(理想地为多个)来执行的。第一透镜组L1包括安装在最前侧(最靠近物体)并具有负折射本领的第一透镜G11。当配置该第一透镜G11的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdn和θg，Fn；第一透镜组的焦距表示为f1；并且在聚焦于无穷远物体时的空中等效后焦点表示为bf时，满足下面的条件：
vdn＜32，(1)
0.008＜θg，Fn-(0.644-0.00168×vdn)＜0.040，(2)
和
|f1/bf|＜0.9，(3)
其中vdn＝(nd-1)/(nF-nC)；
θg，Fn＝(ng-nF)/(nF-nC)；
nd是对d线(587.56nm)的折射率；
ng是对g线(435.84nm)的折射率；
nF是对F线(486.13nm)的折射率；和
nC是对C线(656.28nm)的折射率，
(在下文中，Abbe常数、折射率、nd、ng、nF和nC按照如上所述相同的方式进行定义)。
条件表达式(1)如此定义以便最靠近于物体的负透镜由具有高色散(即，小Abbe常数)的材料构成，并特定用来令人满意地补偿色差。通常，高色散材料可能具有高的折射率。因此，最靠近物体的透镜的材料具有较高的有效直径，来充当反远距类型的变焦透镜的特征的趋势被减弱。对纵向色差和放大倍数的色差补偿的效果在超过由条件表达式(1)给出的上限的范围内降低。
条件表达式(2)定义了材料的反常部分色散，并主要用来有效地补偿纵向色差和放大倍数的色差。对纵向色差和放大倍数的色差的补偿效果在超过由条件表达式(2)给出的上限和下限的范围内降低。
条件表达式(3)用来容易地获得长的后焦点。超过由条件表达式(3)给出的上限产生较短的后焦点，从而导致很难获得在其中容纳棱镜等所需的后焦点长度。
在表达式(1)中的Abbe常数vdn可以进一步满足下面的表达式：
vdn＜28(1a)。
表达式(2)中的部分色散θg，Fn可以进一步满足下面的表达式：
0.010＜θg，Fn-(0.644-0.00168×vdn)＜0.030(2a)。
在表达式(3)中的焦距f1和空中等效后焦点bf之比的绝对值|f1/bf|可以进一步满足下面的表达式：
|f1/bf|＜0.8(3a)。
(B)正透镜被安装在最后侧。当配置该正透镜的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdp和θg，Fp时，满足下面的条件：
vdp＞63，和(4)，
-0.005＜θg，Fp-(0.644-0.00168×vdp)＜0.045(5)，
其中vdp＝(nd-1)/(nF-nC)并且，θg，Fp＝(ng-nF)/(nF-nC)。
条件表达式(4)定义了配置最靠近于图像平面的正透镜的材料的Abbe常数，并用来在主要维持远心性的同时令人满意地补偿色差。
条件表达式(5)定义了配置最靠近于图像平面的正透镜的材料的反常部分色散，并主要用来有效地补偿纵向色差和放大倍数的色差。对纵向色差和放大倍数的色差的补偿效果在超过由条件表达式(5)给出的上限和下限的范围内降低。
(C)在最后面的透镜和图像平面之间至少安装一个棱镜。当配置具有最长棱镜长度的棱镜GB的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdpr和θg，Fr时，满足下面的条件：
vdpr＜50，(6)，并且
0.002＜θg，Fr-(0.644-0.00168×vdpr)＜0.040(7)。
其中vdpr＝(nd-1)/(nF-nC)，并且，θg，Fr＝(ng-nF)/(nF-nC)。
条件表达式(6)定义了配置棱镜的材料的Abbe常数。变焦透镜的光学属性主要地不仅依赖于其透镜部分，而且依赖于棱镜的材料。因此，对于在其后聚焦部分具有长棱镜长度的液晶投影仪使用的投影透镜来说，应当选择配置该棱镜的材料的Abbe常数以便满足表达式(6)。可选地，由满足条件表达式(6)由不同材料构成的棱镜可以组合起来。当满足条件表达式(6)时，就实现了主要补偿纵向色差、球面像差和慧形像差的明显效果。
条件表达式(7)定义了材料的反常部分色散并用来有效地补偿纵向色差和放大倍数的色差。对纵向色差和放大倍数的色差的补偿效果在超过由条件表达式(7)给出的上限和下限的范围内降低。
在条件表达式(6)中的Abbe常数vdn可以进一步满足下面的表达式：
vdpr＜40(6a)。
而且，可以使用例如S-BSL7(由HOYA公司制造)具有大Abbe常数的普通玻璃材料。
(D)在实施例1到4的每一个中，变焦透镜包括六个棱镜组，按照顺序从其前侧到后侧排列：在变焦时(改变放大倍数)被固定并具有负折射本领的第一透镜组，具有正折射本领的第二透镜组，具有正折射本领的第三透镜组，具有负折射本领的第四透镜组，具有正折射本领的第五透镜组和在变焦时被固定并具有正折射本领的第六透镜组。
所述变焦透镜通过六个透镜组作为整体进行配置并用作反远距透镜系统。因此，该变焦透镜具有适用于在整个变焦范围保持令人满意的远心性并对像差进行补偿的透镜配置，同时通过恰当地安排各个透镜组来最小化整个透镜系统。而且，在变焦时第一透镜组L1和第六透镜组L6都被固定(用于变焦)，以便变焦不会使得变焦透镜的整体长度发生变化，从而实现投影透镜所需的强健性，并提供结构上的益处。
第五透镜组L5包括包含有非球面表面并具有正折射本领的塑料透镜。
使用这种结构的原因在于，为了在变焦透镜的最后侧(在减小共轭侧)提供令人满意的远心性，使用由具有相对强的正折射本领的塑料构成的透镜。通过在透镜上提供非球面表面，能够有效消除剩余的轴外像差。虽然从容易制造角度考虑透镜应当用塑料构成，但是也可以使用混合非球面透镜或玻璃形成的非球面透镜来代替塑料透镜。
第一透镜组L1包括由具有负折射本领的塑料构成的至少一个非球面透镜。如此，具有负折射本领的透镜在需要具有强功率(折射本领)的第一透镜组L1中有效地进行工作，强功率是具有长后焦点的广角透镜类型(反远距类型)变焦透镜的特征。
而且，由于第一透镜组L1具有比其它透镜组的光圈更大的光圈，所以投影时的光束的密度低。因此，能够很容易设置用来恰当补偿光束的非球面表面，从而降低了实现畸变补偿的其它透镜的负载。此外，该结构还具有减少透镜数目的效果，从而从制造角度考虑提供益处。
虽然从制造的角度考虑使用塑料材料有利，但是也可以使用混合非球面透镜或玻璃形成的非球面透镜来代替塑料透镜。
当在第五透镜组L5中的正透镜的平均Abbe常数表示为v5p时，满足下面的条件表达式(8)：
v5p＞60(8)。
条件表达式(8)用来通过在第五透镜组L5中具有相对强功率的正透镜上应用具有大Abbe常数的材料，同时抑制色差产生，从而在图像平面上获得满意的远心性。
在由六个透镜组配置的反远距类型变焦透镜中，第四透镜组L4包括光圈SP和具有至少一个靠近于图像平面的凸面的凹凸负透镜。
通过给光圈SP提供同心形状，第四透镜组L4具有相对强的负功率，同时抑制产生畸变失真。这种结构对于在变焦时补偿聚焦面的移动以便获得高放大倍数变焦比并降低变焦透镜的整体长度是有效的。
(E)根据实施例5的变焦透镜包括五个透镜组，按照顺序从其前侧到后侧排列：在变焦时固定并具有负折射本领的第一透镜组L1，具有正折射本领的第二透镜组L2，具有正折射本领的第三透镜组L3，具有正折射本领的第四透镜组L4和在变焦时固定并具有正折射本领的第五透镜组L5。
所述变焦透镜通过五个透镜组作为整体来配置，并用作反远距型透镜系统。因此，变焦透镜的这种配置适用于在整个变焦范围内保持令人满意的远心性并适用于对畸变进行补偿，同时通过恰当地安排各个透镜组能最小化整个透镜系统。而且，在变焦时第一透镜组L1和第五透镜组L5都被固定以便变焦不会使得变焦透镜的整体长度发生改变，从而获得投影透镜所需的强健性并提供结构益处。至于根据每个实施例的变焦透镜的透镜组的透镜配置，透镜配置并不限制于六个透镜组和五个透镜组类型。替代地，在两个、三个和四个透镜组型中至少两个透镜组可以在改变放大倍数时进行移动。
在五组变焦透镜中，第四透镜组L4包括至少一个具有非球面表面的正塑料透镜。通过这种结构，正透镜具有相对强的功率以便在变焦透镜的最后侧提供远心性。通过对正透镜提供非球面效果，能够有效消除剩余的轴外像差。除了塑料透镜之外，可以使用混合非球面透镜或玻璃形成的非球面透镜。
在五组变焦透镜中，第一透镜组L1包括由具有负折射本领的塑料构成的至少一个非球面透镜。使用这种结构，具有负折射本领的透镜在需要具有强功率的第一透镜组L1中有效地进行工作，所述强功率是具有长后焦点的广角透镜类型(反远距型)变焦透镜的特征。
由于第一透镜组L1具有比其它透镜组的光圈更大的光圈，所以投影时光束的密度低。因此，很容易设置用来恰当补偿光束的非球面表面，从而降低了其它透镜进行畸变补偿的负载，此外，还具有降低透镜数量的效果。
代替塑料透镜，还可以使用混合非球面透镜或玻璃形成的非球面透镜。
当配置第四透镜组中的正透镜的材料的平均Abbe常数表示为v4p时，满足下面的条件表达式(9)：
v4p＞60(9)。
条件表达式(9)用来通过在具有相对强功率的正透镜上应用具有大Abbe常数的材料，同时抑制产生色差，从而获得满意的远心性。
在由五个透镜组配置的变焦透镜中，第四透镜组L4包括光圈SP以及具有靠近于物体的凸表面的凹凸负透镜。
使用这种结构，在由五个透镜组配置的变焦透镜中，通过给光圈SP提供同心透镜形状，可以使用具有相对强负功率的透镜，同时抑制产生畸变失真，从而实现高的放大变焦比并降低变焦透镜的整体长度。
(F)在根据每个实施例的变焦透镜中，当使用塑料透镜时，尤其是在液晶投影仪中，透镜的温度增加，塑料透镜比玻璃透镜更易受到温度的影响。因此，为了使用塑料透镜，必须配置变焦透镜以便具有相对弱的功率，换句话说，功率随温度增加变化很小，从而导致对于使用塑料透镜有限制。
通常，由于温度增加而导致的材料折射率改变使得正负塑料透镜分别具有比设计或多或少地向后(朝图像)偏移焦点位置的倾向。
因此，当使用一对正和负塑料透镜时，偏移焦点位置的方向是相互成对的，从而在抑制由于它们的温度变化而导致的焦点偏移的同时有效提供功率给塑料透镜。下面的条件表达式(a)提供了对于将塑料透镜包括在变焦透镜中的指示：
-0.05＞fn/fp＞-0.56(a)，
其中fn和fp分别是负和正塑料透镜的焦距。
由于在超过由条件表达式(a)给出功率限制的区域内，正功率的水平过分大于负功率的水平，所以正塑料透镜的由温度变化导致的影响是很明显的，从而导致比设计过多地偏移焦点。而且，负功率的水平在超过由条件表达式(a)给出的上限的区域内过多地大于正功率的水平，因此负塑料透镜的由温度变化对导致的影响是很明显的，从而导致比设计过分地偏移焦点。
以下将描述根据每个实施例的变焦透镜的特征。
(i)根据每个实施例的变焦透镜整体上包括五个或六个透镜组，其中具有负折射本领的透镜组位于最前侧。
(ii)每个透镜组除了透镜之外，还包括衍射光学器件和反射光学器件等等。
实施例1
图1是具有根据在此所包含的实施例1的变焦透镜的图像投影装置(液晶视频投影仪)的主要部分的示意图。表1和2显示了根据实施例1的透镜的数据(光学数据)。在表9和10中，显示了透镜表面(光学表面)曲率半径、表面间隙、玻璃材料的折射率和Abbe常数。由于多个透镜表面的一部分是非球面的，所以在表1和2中显示了非球面表面的非球面系数。而且，由于在预定的两个透镜表面之间的表面间隙在改变放大倍数时变化，所以在表格中显示了变焦透镜在远距镜头端和广角端的两个透镜表面的表面间隙。在表1和2中的数值以mm表示(当然，这些值可以用其它单位表示)。图2A和2B是当物距(从第一透镜组到物体的距离)为2.1m时在广角端(靠近于短距离焦点)和远距镜头端(靠近长距离焦点)的像差视图。
表1
实施例1：f＝22.0-36.5  Fno＝1.85-2.53
  Ri   di   Ni   vi
  1   48.17797   2.1000   1.80518   25.4
  2   21.02255   6.8699
  *3   39.48183   3.1000   1.52996   55.8
  *4   24.03284   11.1736
  5   -27.29939   1.7500   1.48749   70.2
  6   -1618.318   1.5
  7   -265.48769   4.3994   1.83400   37.2
  8   -56.18928   (d8)
  9   39.879   4.7985   1.83400   37.2
  10   -107.50029   (d10)
  11   51.95061   4.5760   1.60342   38.0
  12   321.40468   (d12)
  13   (光圈)   1.6086
  14   -39.83686   1.5000   1.75520   27.5
  15   -310.77422   (d15)
16 -372.48925 1.5000 1.83400 37.2
  17   34.47372   5.7430   1.48749   70.2
  18   -101.37253   0.1500
  19   63.73334   7.8842   1.48749   70.2
  20   -43.26493   0.1500
  *21   -106.36784   4.1500   1.52996   55.8
  *22   -53.96491   (d22)
  23   57.67619   5.1699   1.48749   70.2
  24   -452.65497   1.4500
  25   ∞   55.0000   1.84666   23.8
  26   ∞   3.8000   1.51633   64.1
  27   ∞   8.6222
表2
非球面数据
  1/r   K   A   B   C   D   E
  *3   0.02533   -0.86529   -2.10552E-05   1.11564E-07   -4.35408E-10   1.14943E-12   -1.36179E-15
  *4   0.04161   -4.32910   -3.04578E-06   4.22209E-08   -3.68497E-10   1.21913E-12   -1.83226E-15
  *21   -0.00940   -65.86607   -1.24675E-05   2.94309E-08   -1.16213E-10   3.39774E-13   -3.00719E-16
  *22   -0.01853   -7.91329   -1.00648E-05   1.52133E-08   -6.09115E-11   1.87901E-13   -1.40099E-16
间隙数据
  d8   d10   d12   d17   d24
广 14.0690 33.9164 25.7779 7.2136 0.9000
  远距   2.4000   2.0357   37.9823   2.6045   36.8743
第一透镜组L1具有四透镜配置，从其前侧到后侧依次包括具有凸出前表面的凹凸负透镜G11，具有凸出前表面的凹凸负透镜G12，具有凹前表面的负透镜G13和具有凸出后表面的正透镜G14。
负透镜G12是由塑料透镜构成的，并且其两个表面都是非球面。由于两个表面都是非球面的，所以塑料透镜G12主要补偿畸变失真。而且，由于最后面的正透镜G14的后表面是凸出的，所以正透镜G14补偿畸变失真和像散。此外，通过在第一透镜组L1中包含高和低色散玻璃透镜，尽可能地抑制产生放大倍数的色差。
第二透镜组L2具有正透镜G21的单个透镜配置，该正透镜G21在其两侧具有凸透镜表面，并主要用来补偿在第一透镜组L1中产生的各种畸变。正透镜G21由具有高折射率的材料构成，以便补偿Petzval和并最小化变焦(改变放大倍数)时在包括球面像差的各种畸变中的变化。
通常，当场弯曲和像散很大时，例如，在图像的半高位置，分辨率感觉恶化。因此，补偿Petzval和以便最小化是很重要的。此外，从补偿色差的角度考虑，为了有效补偿在第一透镜组L1中产生的放大倍数的色差，为第二透镜组L2选择具有高折射率和低色散属性的材料。
第三透镜组L3通过具有凸出前表面的凹凸正透镜G31来配置，并用作执行放大倍数变化的主要透镜组。
第四透镜组L4通过具有凸出后表面的凹凸负透镜G41来配置。在具有强的负折射本领的同时，负透镜G41用来补偿根据放大倍数改变产生的聚焦面的移动。
通过具有强负折射本领的负透镜G41的这种配置，有效地使Petzval和最小化。光圈ST出现在第四透镜组L4，并抑制在变焦时轴外像差的变化。光圈ST可以设置在除第四透镜组L4之外的地方。
在变焦时，光圈ST可以形成为无需与透镜组一起移动就可以独立地移动。
第五透镜组L5具有四透镜配置，从其前侧到后侧依次包括：在其两侧具有凹透镜表面的负透镜G51和在其两侧具有凸透镜表面的正透镜G52，这两个透镜配置成粘合透镜，在其两侧具有凸透镜表面的正透镜G53，和具有凸出后表面的凹凸正透镜G54。
通过在最前侧具有负折射本领的负透镜G51的配置，有效地使Petzval和最小化。控制后主点的位置允许后焦点具有必需的长度，同时获得令人满意的远心性。
为了减小色差，在粘合透镜和独立正透镜G53中使用低色散玻璃。最后面的透镜G54由塑料构成，并且其两个透镜表面都为非球面的，因而有效地补偿了例如像散之类的轴外像差。
第六透镜组L6通过在其两侧具有凸透镜表面的正透镜G61来配置。在由低色散玻璃构成以便抑制色差的同时，正透镜G61具有更强的功率以便改善远心性。
虽然在本实施例中，两个非球面塑料透镜分别具有正和负折射本领，但是除了这种配置之外，可以采用多个塑料透镜。
非球面透镜的材料并不限于塑料材料，并且可以是玻璃材料。可选地，非球面透镜可以具有所谓的混合非球面结构，其中其光学表面具有在其上形成的薄树脂层以便提供非球面形状。
根据本实施例，实现了能够提供高放大倍数变化，即变焦放大倍数约为1.7的投影透镜，同时具有其F号为1.85那么小和其100模型在大约3.0m的短范围内进行投影的特征。
实施例2
图3是具有根据在此所包含的实施例2的变焦透镜的图像投影装置(液晶视频投影仪)的主要部分的示意图。表3和4显示了根据实施例2的透镜的数据(光学数据)。在表3和4中，显示了透镜表面(光学表面)曲率半径、表面间隙、玻璃材料的折射率和Abbe常数。由于多个透镜表面的一部分是非球面的，所以在表3和4中显示了非球面表面的非球面系数。而且，由于在预定的两个透镜表面之间的表面间隙在改变放大倍数时变化，所以在表格中显示了在远距镜头端和广角端的两个透镜表面的表面间隙。在表3和4中的数值以mm表示(当然，这些值可以用其它单位表示)。图4A和4B是当物距(从第一透镜组到物体的距离)为2.1m时在广角端(靠近于短距离焦点)和远距镜头端(靠近长距离焦点)的像差视图。
表3
实施例2f＝18.4-30.3  Fno＝1.85-2.63
Ri di Ni vi
  1   30.89556   2.0000   1.84666   23.8
  2   16.25391   7.2163
  *3   111.48919   3.2000   1.52996   55.8
  *4   34.16444   5.9420
  5   -30.03606   1.5000   1.49700   81.6
  6   44.97378   0.6576
  7   52.13529   4.0860   1.69895   30.1
  8   -249.08891   (d8)
  9   85.3129   4.0744   1.83400   37.2
  10   -84.49263   (d10)
  11   41.35398   4.0486   1.62588   35.7
  12   4880.52702   14.3321
  13   (光圈)   (d13)
  14   -31.13904   1.5000   1.78470   26.3
  15   -352.59772   (d15)
  16   -185.1227   1.5000   1.83400   37.2
  17   26.58768   6.2140   1.48749   70.2
  18   -47.64016   0.1500
  19   57.15633   8.0772   1.48749   70.2
  20   -31.01415   0.1500
  *21   -70.69805   4.3000   1.52996   55.8
  *22   -41.24778   (d22)
  23   70.17739   4.0020   1.49700   81.6
  24   -514.06963   1.4500
  25   ∞   47.0000   1.84666   23.8
  26   ∞   3.4000   1.51633   64.1
  27   ∞   8.2055
表4
非球面数据
  1/r   K   A   B   C   D   E
  *3   0.00897   49.23525   5.08871E-05   -2.01823E-07   5.94120E-10   -4.57829E-13   -2.81211E-15
  *4   0.02927   1.77287   3.74608E-05   -2.49124E-07   8.11018E-10   -1.31248E-12   -2.88279E-15
  *21   -0.01414   -1.35444   -1.57784E-05   -8.08535E-09   7.27328E-12   1.42963E-14   6.88522E-16
  *22   -0.02424   -2.25517   -1.52235E-05   -8.49054E-09   2.09653E-11   -1.04714E-13   5.99474E-16
间隙数据
  d8   d10   d13   d15   d22
广 9.1171 24.3229 1.6669 3.5430 0.9000
  远距   1.6000   0.6000   9.7022   1.3552   26.2922
第一透镜组L1具有四透镜配置，从其前侧到后侧依次包括具有凸出前表面的凹凸负透镜G11，具有凸出前表面的凹凸负透镜G12，在其两侧具有凹透镜表面的负透镜G13，和在其两侧具有凸透镜表面的正透镜G14。
负透镜G12是由塑料透镜构成的，并且其两个表面都是非球面。由于两个表面都是非球面的，所以塑料透镜G12主要用来补偿畸变失真。而且，由于最后面的正透镜G14的后表面是凸出的，所以正透镜G14补偿畸变失真和像散。此外，通过在第一透镜组L1中包含高和低色散玻璃透镜，尽可能地抑制产生放大倍数的色差。
第二透镜组L2具有正透镜G21的单个透镜配置，该正透镜G21在其两侧具有凸透镜表面，并主要用来补偿在第一透镜组L1中产生的各种畸变。正透镜G21由具有高折射率的材料构成，以便补偿Petzval和并最小化变焦(改变放大倍数)时在包括球面像差的各种畸变中的变化。
通常，在场弯曲和像散很大时，例如，在图像高度的中部，分辨率感觉恶化。因此，补偿Petzval和以使其最小化是很重要的。此外，从补偿色差的角度考虑，为了有效补偿在第一透镜组L1中产生的放大倍数色差，为第二透镜组L2选择具有高折射率和低色散属性的材料。
第三透镜组L3通过具有凸出前表面的凹凸正透镜G31来配置，并用作执行放大倍数改变的主要透镜组。
第四透镜组L4通过具有凸出后表面的凹凸负透镜G41来配置。在具有强的负折射本领的同时，负透镜G41还用来补偿根据放大倍数改变产生的聚焦面的移动。
通过具有强负折射本领的负透镜G41的配置，有效地使减Petzval和最小化。光圈ST出现在第四透镜组L4中，并抑制在变焦时轴外像差的变化。光圈ST可以设置在除第四透镜组L4中之外的地方。
在变焦时，光圈ST可以形成为无需与透镜组一起移动就可以独立地移动。
第五透镜组L5具有四透镜配置，从其前侧到后侧依次包括：在其两侧具有凹透镜表面的负透镜G51和在其两侧具有凸透镜表面的正透镜G52，这两个透镜配置成粘合透镜，在其两侧具有凸透镜表面的正透镜G53，和具有凸出后表面的凹凸正透镜G54。
通过在最前侧具有负折射本领的负透镜G51的配置，有效地使Petzval和最小化。控制后主点的位置允许后焦点具有必需的长度，同时获得令人满意的远心性。
为了减小色差，在粘合透镜和独立正透镜G53中使用低色散玻璃。最后面的透镜G54由塑料构成，并且其两个透镜表面为非球面的，因而有效地补偿了例如像散之类的轴外像差。
第六透镜组L6通过在其两侧具有凸透镜表面的正透镜G61来配置。在由低色散玻璃构成以便抑制色差的同时，正透镜G61具有较强的功率以改善远心性。
虽然在本实施例中，两个非球面塑料透镜分别具有正和负折射本领，但是除了这种配置之外，可以采用多个塑料透镜。
非球面透镜的材料并不限于塑料材料，并且可以是玻璃材料。可选地，非球面透镜可以具有所谓的混合非球面结构，其中其光学表面具有在其上形成的薄树脂层以便提供非球面形状。
根据本实施例，实现了能够提供高放大倍数变化，即变焦放大倍数约为1.7的投影透镜，同时具有其F号为1.85那么小和其100模型在大约2.5m的短范围内进行投影的特征。
实施例3
图5是具有根据在此所包含的实施例3的变焦透镜的图像投影装置(液晶视频投影仪)的主要部分的示意图。表5和6显示了根据实施例3的透镜的数据(光学数据)。在表5和6中，显示了透镜表面(光学表面)曲率半径、表面间隙、玻璃材料的折射率和Abbe常数。由于多个透镜表面的一部分是非球面的，所以在表5和6中显示了非球面表面的非球面系数。而且，由于在预定的两个透镜表面之间的表面间隙在改变放大倍数时变化，所以在表格中显示了在远距镜头端和广角端的两个透镜表面的表面间隙。在表5和6中的数值以mm表示(当然，这些值可以用其它单位表示)。图6A和6B是当物距(从第一透镜组到物体的距离)为2.1m时在广角端(靠近于短距离焦点)和远距镜头端(靠近长距离焦点)的像差视图。
表5
实施例3：f＝20.4-39.7  Fno＝1.85-3.10
  Ri   di   Ni   vi
  1   44.57786   2.2000   1.84666   23.8
  2   19.26381   6.9850
  *3   68.68298   3.2000   1.52996   55.8
  *4   31.402   10.0059
  5   -23.06703   2.0000   1.48749   70.2
  6   -142.42449   4.5000   1.69895   30.1
  7   -42.55434   (d7)
  8   125.67028   4.7452   1.83400   37.2
  9   -100.0108   (d9)
  10   49.52234   4.4514   1.58267   46.4
  11   445.16477   19.4041
  12   (光圈)   (d12)
  13   -38.68609   1.5000   1.75520   27.5
  14   -209.17028   (d14)
  15   -521.00866   1.5000   1.83400   37.2
  16   30.28309   5.7000   1.48749   70.2
  17   -159.49708   0.1500
  18   54.58126   8.4148   1.48749   70.2
  19   -36.95692   0.1500
  *20   -111.70304   4.2005   1.52996   55.8
  *21   -55.88571   (d21)
  22   113.61568   4.2000   1.48749   70.2
  23   -158.14288   1.4500
  24   ∞   55.0000   1.84666   23.8
  25   ∞   3.8000   1.51633   64.1
  26   ∞   8.6125
表6
非球面数据
  1/r   K   A   B   C   D   E
  *3   0.01456   9.28254   2.69498E-08   1.68485E-08   -9.32548E-11   4.42842E-13   -2.57029E-16
  *4   0.03185   -4.03516   6.46512E-06   -3.77153E-09   -1.85042E-10   9.50324E-13   -2.21519E-15
  *20   -0.00895   -27.97288   -1.59832E-05   -1.61790E-08   5.12399E-11   -1.85141E-13   3.94901E-16
  *21   -0.01789   -5.91335   -1.44712E-05   -1.18898E-08   3.18141E-11   -1.05013E-13   2.27861E-16
间隙数据
d7 d9 d12 d14 d21
  广   17.5669   38.4099   1.8750   7.9412   0.9000
  远距   1.6000   0.6000   21.5400   0.9875   41.9655
第一透镜组L1具有四透镜配置，从其前侧到后侧依次包括：具有凸出前表面的凹凸负透镜G11，具有凸出前表面的凹凸负透镜G12，具有凹前表面的凹凸负透镜G13，和具有凸出后表面的凹凸正透镜G14，其中最后两个透镜配置为粘合透镜。
负透镜G12是由塑料透镜构成的，并且其两个表面都是非球面。由于两个表面都是非球面的，所以塑料透镜G12主要用来补偿畸变失真。而且，由于最后面的正透镜G14的后表面是凸出的，所以正透镜G14补偿畸变失真和像散。此外，通过在第一透镜组L1中包含高和低色散玻璃透镜，尽可能地抑制产生放大倍数的色差。
第二透镜组L2具有正透镜G21的单个透镜配置，该正透镜G21在其两侧具有凸透镜表面，并主要用来补偿在第一透镜组L1中产生的各种畸变。正透镜G21由具有高折射率的材料构成，以便补偿Petzval和并最小化变焦(改变放大倍数)时在包括球面像差的各种畸变中的变化。
通常，在场弯曲和像散很大时，例如，在图像高度的中部，分辨率感觉会恶化。因此，补偿Petzval和以使其最小化是很重要的。此外，从补偿色差的角度考虑，为了有效补偿在第一透镜组L1中产生的放大倍数色差，为第二透镜组L2选择具有高折射率和低色散属性的材料。
第三透镜组L3通过具有凸出前表面的凹凸正透镜G31来配置，并用作执行放大倍数改变的主要透镜组。
第四透镜组L4通过具有凸出后表面的凹凸负透镜G41来配置。在具有强的负折射本领的同时，负透镜G41用来补偿根据放大倍数改变产生的聚焦面的移动。
通过具有强负折射本领的负透镜G41的配置，有效地使Petzval和最小化。光圈ST出现在第四透镜组L4中，并抑制在变焦时轴外像差的变化。光圈ST可以设置在除第四透镜组L4中之外的地方。
在变焦时，光圈ST可以形成为无需与透镜组一起移动就可以独立地移动。
第五透镜组L5具有四透镜配置，从其前侧到后侧依次包括：在其两侧具有凹透镜表面的负透镜G51和在其两侧具有凸透镜表面的正透镜G52，这两个透镜配置成粘合透镜，在其两侧具有凸透镜表面的正透镜G53，和具有凸出后表面的凹凸正透镜G54。
通过在最前侧具有负折射本领的负透镜G51的配置，有效地使Petzval和最小化。控制后主点的位置允许后焦点具有必需的长度，同时获得令人满意的远心性。
为了使色差最小化，在粘合透镜和独立正透镜G53中使用低色散玻璃。最后面的透镜G54由塑料构成，并且其两个透镜表面为非球面的，因而有效地补偿了例如像散之类的轴外像差。
第六透镜组L6通过在其两侧具有凸透镜表面的正透镜G61来配置。在由低色散玻璃构成以便抑制色差的同时，正透镜G61具有较强的功率以便改善远心性。
虽然在本实施例中，两个非球面塑料透镜分别具有正和负折射本领，但是除了这种配置之外，可以采用多个塑料透镜。
非球面透镜的材料并不限于塑料材料，并且可以是玻璃材料。可选地，非球面透镜可以具有所谓的混合非球面结构，其中其光学表面具有在其上形成的薄树脂层以便提供非球面形状。
根据本实施例，实现了能够提供高放大倍数变化，即变焦放大倍数约为2.0的投影透镜，同时具有其F号为1.85那么小和其100模型在大约2.8m的短范围内可以投影的特征。
实施例4
图7是具有根据在此所包含的实施例4的变焦透镜的图像投影装置(液晶视频投影仪)的主要部分的示意图。表7和8显示了根据实施例4的透镜的数据(光学数据)。在表7和8中，显示了透镜表面(光学表面)曲率半径、表面间隙、玻璃材料的折射率和Abbe常数。由于多个透镜表面的一部分是非球面的，所以在表7和8中显示了非球面表面的非球面系数。而且，由于在预定的两个透镜表面之间的表面间隙在改变放大倍数时变化，所以在表格中显示了在远距镜头端和广角端的两个透镜表面的表面间隙。在表7和8中的数值以mm表示(当然，这些值可以用其它单位表示)。图8A和8B是当物距(从第一透镜组到物体的距离)为2.1m时在广角端(靠近于短距离焦点)和远距镜头端(靠近长距离焦点)的像差视图。
表7
实施例4：f＝23.5-31.6  Fno＝1.85-2.42
  Ri   di   Ni   vi
  1   63.30264   2.4000   1.84666   23.8
  2   29.06773   4.5021
  *3   57.58216   2.2000   1.52996   55.8
  *4   28.1121   6.7695
  5   -55.43384   2.2000   1.48749   70.2
  6   65.18485   (d6)
  7   99.88649   5.4242   1.83400   37.2
  8   -78.02861   (d8)
  9   48.02402   4.2979   1.83400   37.2
  10   159.69401   22.6710
  11   (光圈)   (d11)
  12   -36.77684   1.5000   1.75520   27.5
  13   -205.53931   (d13)
  14   -123.70149   1.5000   1.83400   37.2
  15   27.93362   5.7000   1.60311   60.7
  16   -236.54179   0.1500
  17   53.57628   10.0740   1.48749   70.2
  18   -31.5691   0.1500
  *19   -299.47998   4.1373   1.52996   55.8
  *20   -78.88286   (d20)
  21   91.59604   4.5000   1.48749   70.2
  22   -221.5602   1.4500
  23   ∞   55.0000   1.84666   23.8
  24   ∞   3.8000   1.51633   64.1
  25   ∞   8.5949
表8
非球面数据
  1/r   K   A   B   C   D   E
  *3   0.01737   8.29005   -1.53525E-05   1.88375E-08   -1.17593E-10   3.26386E-13   -8.32741E-16
  *4   0.03557   -1.97476   -5.03956E-06   7.92029E-09   5.34636E-11   -3.42798E-13   4.21247E-16
*19 -0.00334 38.85349 -1.97384E-05 -3.50105E-08 7.18275E-11 -3.50947E-13 8.96058E-16
  *20   -0.01268   -1.04980   -1.58375E-05   -2.47872E-08   3.79764E-11   -1.56452E-13   3.25300E-16
间隙数据
d6 d8 d11 d13 d20
广 15.5294 30.1400 1.8594 7.6954 0.9000
  远距   10.6048   15.8585   11.6223   1.4507   16.5878
第一透镜组L1具有四透镜配置，从其前侧到后侧依次包括具有凸出前表面的凹凸负透镜G11，具有凸出前表面的凹凸负透镜G12，和在其两侧具有凹透镜表面的负透镜G13。
负透镜G12是由塑料透镜构成的，并且其两个表面都是非球面。由于两个表面都是非球面的，所以塑料透镜G12主要用来补偿畸变失真。而且，由于最后面的正透镜G14的后表面是凸出的，所以正透镜G14补偿畸变失真和像散。此外，通过在第一透镜组L1中包含高和低色散玻璃透镜，尽可能地抑制产生放大倍数的色差。
第二透镜组L2具有正透镜G21的单个透镜配置，该正透镜G21在其两侧具有凸透镜表面，并主要用来补偿在第一透镜组L1中产生的各种畸变。正透镜G21由具有高折射率的材料构成，以便补偿Petzval和并最小化变焦(改变放大倍数)时在包括球面像差的各种畸变中的变化。
通常，在场弯曲和像散很大时，例如，在图像高度的中部，分辨率感觉会恶化。因此，补偿Petzval和以使其最小化是很重要的。此外，从补偿色差的角度考虑，为了有效补偿在第一透镜组L1中产生的放大倍数的色差，为第二透镜组L2选择具有高折射率和低色散属性的材料。
第三透镜组L3通过具有凸出前表面的凹凸正透镜G31来配置，并用作执行放大倍数改变的主要透镜组。
第四透镜组L4通过具有凸出后表面的凹凸负透镜G41来配置。在具有强的负折射本领的同时，负透镜G41还用来补偿根据放大倍数改变产生的聚焦面的移动。
通过具有强负折射本领的负透镜G41的配置，有效地使Petzval和最小化。光圈ST出现在第四透镜组L4中，并抑制在变焦时轴外像差的变化。光圈ST可以设置在除第四透镜组L4之外的地方。
在变焦时，光圈ST可以形成为无需与透镜组一起移动就可以独立地移动。
第五透镜组L5具有四透镜配置，从其前侧到后侧依次包括：在其两侧具有凹透镜表面的负透镜G51和在其两侧具有凸透镜表面的正透镜G52，这两个透镜配置成粘合透镜，在其两侧具有凸透镜表面的正透镜G53，和具有凸出后表面的凹凸正透镜G54。
通过在最前侧具有负折射本领的负透镜G51的配置，有效地使Petzval和最小化。控制后主点的位置允许后焦点具有必需的长度，同时获得令人满意的远心性。
为了减小色差，在粘合透镜和独立正透镜G53中使用低色散玻璃。最后面的透镜G54由塑料构成，并且其两个透镜表面为非球面的，因而有效地补偿了例如像散之类的轴外像差。
第六透镜组L6通过在其两侧具有凸透镜表面的正透镜G61来配置。在由低色散玻璃构成以便抑制色差的同时，正透镜G61具有较强的功率以便改善远心性。
虽然在本实施例中，两个非球面塑料透镜分别具有正和负折射本领，但是除了这种配置之外，可以采用多个塑料透镜。
非球面透镜的材料并不限于塑料材料，并且可以是玻璃材料。可选地，非球面透镜可以具有所谓的混合非球面结构，其中其光学表面具有在其上形成的薄树脂层以便提供非球面形状。
根据本实施例，实现了能够提供高放大倍数变化，即变焦放大倍数约为1.4的投影透镜，同时具有其F号为1.85那么小和其100模型在大约3.2m的短范围内可以投影的特征。
实施例5
图9是具有根据在此所包含的实施例5的变焦透镜的图像投影装置(液晶视频投影仪)的主要部分的示意图。表9和10显示了根据实施例5的透镜的数据(光学数据)。在表9和10中，显示了透镜表面(光学表面)曲率半径、表面间隙、玻璃材料的折射率和Abbe常数。由于多个透镜表面的一部分是非球面的，所以在表9和10中显示了非球面表面的非球面系数。而且，由于在预定的两个透镜表面之间的表面间隙在改变放大倍数时变化，所以在表格中显示了在远距镜头端和广角端的两个透镜表面的表面间隙。在表9和10中的数值以mm表示(当然，这些值可以用其它单位表示)。图10A和10B是当物距(从第一透镜组到物体的距离)为2.1m时在广角端(靠近于短距离焦点)和远距镜头端(靠近长距离焦点)的像差视图。
表9
实施例5：f＝23.4-34.4  Fno＝1.85-2.30
  Ri   di   Ni   vi
  1   41.69873   2.6000   1.80518   25.4
  2   20.72632   7.3389
  3*   43.3722   3.3000   1.52996   55.8
  4*   23.93318   11.2533
  5   -25.69109   1.8983   1.48749   70.2
  6   -268.94696   1.5000
  7   -202.20306   5.0000   1.83400   37.2
  8   -46.3916   (d8)
  9   82.55475   4.0157   1.83400   37.2
  10   -1.5000E+09   (d10)
  11   56.7807   4.8519   1.64769   33.8
  12   -825.1516   (d12)
  13   (光圈)   1.8206
  14   -34.17057   1.5000   1.75520   27.5
  15   -175.55047   5.5439
  16   -100.03237   1.7000   1.83400   37.2
  17   37.6337   5.9000   1.48749   70.2
  18   -75.91589   0.6300
  19   85.02211   7.9998   1.48749   70.2
  20   -38.56084   0.6135
  *21   -94.5781   4.1500   1.52996   55.8
  *22   -51.82303   (d22)
  23   56.4896   5.8646   1.48749   70.2
  24   -226.3227   1.4500
  25   ∞   64.0000   1.84666   23.8
  26   ∞   3.8000   1.51633   64.1
  27   ∞   5.8000
表10
非球面数据
1/r K A B C D E
  *3   0.02306   -0.86529   -1.98616E-05   1.04605E-07   -4.13759E-10   1.12382E-12   -1.35302E-15
  *4   0.04178   -4.32910   -1.46656E-06   2.96844E-08   -3.14350E-10   1.09785E-12   -1.73923E-15
  *21   -0.01057   -65.86607   -1.32936E-05   3.77040E-08   -1.13310E-10   3.75335E-13   -3.73470E-16
  *22   -0.01930   -7.91329   -8.43109E-06   1.51489E-08   -3.51631E-11   1.84823E-13   -161827E-16
间隙数据
  d8   d10   d12   d22
广 9.1893 28.0476 26.3825 0.9000
  远距   0.5000   1.0000   30.9454   32.0740
第一透镜组L1具有四透镜配置，从其前侧到后侧依次包括具有凸出前表面的凹凸负透镜G11，具有凸出前表面的凹凸负透镜G12，具有凹前表面的负透镜G13和具有凸出后表面的正透镜G14。
负透镜G12是由塑料透镜构成的，并且其两个表面都是非球面。由于两个表面都是非球面的，所以塑料透镜G12主要用来补偿畸变失真。而且，由于最后面的正透镜G14的后表面是凸出的，所以正透镜G14补偿畸变失真和像散。此外，通过在第一透镜组L1中包含高和低色散玻璃透镜，尽可能地抑制产生放大倍数的色差。
第二透镜组L2具有正透镜G21的单个透镜配置，该透镜在其两侧具有凸透镜表面，并主要用来补偿在第一透镜组L1中产生的各种畸变。正透镜G21由具有高折射率的材料构成，以便补偿Petzval和并最小化变焦(改变放大倍数)时在包括球面像差的各种畸变中的变化。
通常，在场弯曲和像散很大时，例如，在图像高度的中部，分辨率感觉会恶化。因此，补偿Petzval和以使其最小化是很重要的。此外，从补偿色差的角度考虑，为了有效补偿在第一透镜组L1中产生的放大倍数的色差，为第二透镜组L2选择具有高折射率和低色散属性的材料。
第三透镜组L3通过在其两侧具有凸透镜表面的正透镜G31来配置，并用作执行放大倍数改变的主要透镜组。
第四透镜组L4具有五透镜配置，从其前侧到后侧依次包括具有凸出后表面的凹凸负透镜G41，在其两侧具有凹透镜表面的负透镜G42，这两个透镜配置为粘合透镜，在其两侧具有凸透镜表面的正透镜G44，和具有凸出后表面的凹凸正透镜G45。
通过在其最前侧具有负折射本领的负透镜G41的配置，有效地使Petzval和最小化。控制后主点的位置允许后焦点具有必需的长度，同时获得令人满意的远心性。
为了使色差最小化，在粘合透镜和独立正透镜G44中使用低色散玻璃。最后面的透镜G45由塑料构成，并且其两个透镜表面为非球面的，因而有效地补偿了例如像散之类的轴外像差。
光圈ST出现在第四透镜组L4中，并抑制变焦时在轴外像差中的变化。光圈ST可以设置在除了第四透镜组L4中之外的地方.
在变焦时，光圈ST可以形成为无需与透镜组一起移动就可以独立地移动.
第五透镜组L5通过在其两侧的具有凸透镜表面的正透镜G51来配置。在由低色散玻璃构成以便抑制色差的同时，正透镜G51具有较强的功率以便改善远心性。
虽然在本实施例中，两个非球面塑料透镜分别具有正和负折射本领，但是除了这种配置之外，可以采用多个塑料透镜。
非球面透镜的材料并不限于塑料材料，并且可以是玻璃材料。可选地，非球面透镜可以具有所谓的混合非球面结构，其中其光学表面具有在其上形成的薄树脂层以便提供非球面形状。
根据本实施例，实现了能够提供高放大倍数变化，即变焦放大倍数约为1.5的投影透镜，同时具有其F号为1.85那么小和其100模型在大约3.2m的短范围内可以投影的特征。
现在参考图11，将描述包括根据前述实施例1到5中任何一个的投影透镜(投影光学系统)的投影类型图像显示装置。在此，将参考图11描述具有在其中安装的反射液晶显示器的投影类型图像显示装置(例如反射液晶显示面板的图像显示设备；自然，可以应用投影类型液晶面板)的光学配置，包括灯1、照明光学系统α、色彩分离合成光学系统β，包括在投影透镜筒(没有示出)中的投影透镜光学系统70。
如图11所示，灯1包括以连续光谱形式发出白光的光发射管41和用于聚焦以预定方向来自光发射管41的光的反光镜42。这两个元件构成灯1。
投影型图像显示装置包括由具有多个部署其中的圆柱形透镜的透镜矩阵配置的第一圆柱阵列43a，每个透镜具有在正交方向上(在正交于从灯1发出的光的行进方向上(在垂直于附图平面的方向上))的折射本领；由另一个包括相应于第一圆柱阵列43a的各个圆柱透镜的圆柱透镜的透镜阵列配置的第二圆柱阵列43b；紫外线吸收滤光镜44；和用来将非偏振光调整为预定偏振光的偏振检测单元45。
投影型图像显示装置还包括由具有在水平方向(平行于附图平面)的折射本领的圆柱透镜配置的前压缩器46；将光轴转换90度的镜反射47；聚光透镜48；由具有在水平方向上的折射本领的圆柱透镜配置的后压缩器49。
上述元件构成了照明光学系统α。
投影型图像显示装置进一步包括用来反射在蓝色(B)和红色(R)光线的波长区域内的光并允许绿色(G)波长区域的光通过的分色镜58；通过将偏振器粘合到透明基片上并只允许S偏振光通过形成G-使用的入射侧起偏振片59；允许P偏振光通过并在此反射S偏振光，并具有偏振和分离表面60a的第一偏振射束分离器60。
投影型图像显示装置进一步包括红(R)光使用的反射液晶显示器61R，绿(G)光使用的反射液晶显示器61G，蓝(B)光使用的反射液晶显示器61B，每一个由扭曲的向列型(TN)液晶构成，在此反射入射光并执行图像调制。
该投影型图像显示装置进一步包括红色使用的四分之一波片62R，绿色使用的四分之一波片62G，蓝色使用的四分之一波片62B；通过将偏振器粘合到透镜基片上并只允许S偏振光通过形成的R和B使用的入射侧起偏振片64；用来将B光的偏振方向改变90而不改变R光的偏振方向的第一色彩选择延迟薄膜65；允许P偏振光通过并在此反射S偏振光，并具有偏振分离表面66a的第二偏振射束分离器66。
该投影型图像显示装置进一步包括用来将R光的偏振方向改变90度而不改变B光的偏振方向的第二色彩选择延迟薄膜67。
该投影型图像显示装置进一步包括允许S偏振光通过的R和B使用的发射侧起偏振片(偏振器)68；允许P偏振光通过并在此反射S偏振光，并具有偏振分离表面69a的第三偏振射束分离器69(色彩合成机构)。
上述从分色镜58到第三偏振射束分离器69的元件构成了色彩分离一合成光学系统β。
照明光学系统α，色彩分离合成光学系统β和投影透镜光学系统70构成了图像显示光学系统。
下面将描述投影型图像显示装置的光学操作。
从光发射管41发出的光由反射器42会聚到预定的方向。由于反射器42的反射表面是抛物线形的，所以从抛物线表面的焦点位置发出的光平行于抛物线表面的对称轴(光轴)行进。由于来自光发射管41的光通量不是从理想光源发射的通量，而是来自尺寸有限的发光单元的通量，所以许多会聚光通量并不平行于抛物线表面的对称轴行进。
光通量被入射到第一圆柱阵列43a。入射到第一圆柱阵列43a的光通量被分解并会聚到相应于各个圆柱透镜的多个光通量(在水平方向的多个带形光通量)。该多个光通量(在水平方向上的多个带形光通量)通过第二圆柱阵列43b，然后通过紫外线吸收滤光镜44，并形成在偏振检测单元45的附近。
偏振检测单元45包括在垂直方向排列的多个偏振分离表面、反射表面和半波片。所述多个光通量被入射到相应于各个阵列的偏振分离表面并分解成通过的P偏振成分和在此反射的S偏振成分。
所反射的S偏振成分的光在反射表面被反射，并被作为P偏振成分发射到相同的方向。然而，所发射的P偏振成分的光通过半波片，并被转换成与S偏振成分相同的偏振成分，并作为其偏振方向被调整的光通量发射。在从偏振检测单元45发出之后，所述多个偏振光通量(在水平方向上的多个带形光通量)通过前压缩器46，并在反射镜47被反射90度，然后到达聚光透镜48和后压缩器49。
前压缩器46、聚光透镜48和后压缩器49的光学操作被恰当地设置。如此所述多个光通量具有相互重叠的矩形图像，从而形成矩形和统一的照明区域。
反射液晶显示器61R、61G和61B被安排在照明区域，这将在后面进行描述。由偏振检测单元45偏振的S偏振光被入射到分色镜58。分色镜58在此反射B光(具有从430到495nm范围内的波长)和R光(具有从590到650nm范围的波长)，并允许G光(具有从505到580nm范围的波长)通过。
下面，将描述G光的光路。
通过分色镜58的G光被入射到入射侧起偏振片59。在被分色镜58分离之后G光保持作为S偏振光。在从入射侧起偏振片59发射之后，G光被入射到第一偏振射束分离器60以便用作S偏振光，在其偏振分离表面60a被反射，并到达G光使用的反射液晶显示器61G。G光在G光使用的反射液晶显示器61G中进行图像调制并在此进行反射。经过图像调制反射G光的S偏振成分在第一偏振射束分离器60的偏振分离表面60a再次被反射，返回到光源1，并从投影光中移除。
然而，经过图像调制的反射G光的P偏振成分通过第一偏振射束分离器60的偏振分离表面60a，并朝着第三偏振射束分离器69行进以便用作投影光。
在此情况下，在所有偏振成分被转换成S偏振光的状态下(显示黑色的状态)，通过在预定的方向调整在第一偏振射束分离器60和G光使用的反射液晶显示器61G之间提供的四分之一波片62G的相位延迟轴，可以最小化在第一偏振射束分离器60和G光使用的反射液晶显示器61G中产生的偏振状态干扰的影响。
由第一偏振射束分离器60发射的G光被入射到第三偏振射束分离器69以便用作P偏振光，通过第三偏振射束分离器69的偏振分离表面69a，并到达投影透镜系统70。
然而，在分色镜58反射的R光和B光被入射到入射侧起偏振片64。在由分色镜58分解之后，R光和B光保持作为S偏振光。在从入射侧起偏振片64发射之后，R光和B光被入射到第一色彩选择延迟薄膜65。由于第一色彩选择延迟薄膜65具有将只是B光的偏振方向旋转90度的功能，所以B光和R光被入射到第二偏振射束分离器66以便分别用作P偏振光和S偏振光。入射到第二偏振射束分离器66以用作S偏振光的R光在第二偏振射束分离器66的偏振分离表面66a被反射，并到达R光使用的反射液晶显示器61R。入射到第二偏振射束分离器66以用作P偏振光的B光通过第二偏振射束分离器66的偏振分离表面66a，并到达B光使用的反射液晶显示器61B。
入射到R光使用的反射液晶显示器61R的R光在其中经过图像调制之后在此被反射。经过图像调制的反射R光的S偏振成分在第二偏振射束分离器66的偏振分离表面66a再次被反射，返回到光源1，并从投影光中移除。然而，经过图像调制的反射R光的P偏振成分通过第二偏振射束分离器66的偏振分离表面66a并朝着第二色彩选择延迟薄膜67行进以便用作投影光。
入射到B光使用的反射液晶显示器61B的B光在其中经过图像调制之后在此被反射。经过图像调制的反射B光的P偏振成分再次通过第二偏振射束分离器66的偏振分离表面66a，返回到光源1，并从投影光中移除。
然而，经过图像调制的反射B光的S偏振成分在第二偏振射束分离器66的偏振分离表面66a被反射，并朝着第二色彩选择延迟薄膜67行进以便用作投影光。
在此情况下，通过调整在第二偏振射束分离器66以及R光和B光使用的反射液晶显示器61R和61B之间提供的四分之一波片62R和62B的相位延迟轴，可以用与G光的情况下相同的方式调整R光和B光中每一个的黑色显示(black display)。
如上所述，单个光通量被合成，并且每一个均从第二偏振射束分离器66发出并用作投影光的R光和B光中的R光被转换成S偏振成分，这是因为借助于第二色彩选择延迟薄膜67将其偏振方向旋转90度，通过发射侧起偏振片68进行分解，并入射到第三偏振射束分离器69。
B光通过第二色彩选择延迟薄膜67，同时保持作为S偏振光，通过发射侧起偏振片68进行分解，并入射到第三偏振射束分离器69。由于发射侧起偏振片68的分解，在通过第二偏振射束分离器66时产生的每个R光和B光的投影光的有效成分分别还通过R光和B光使用的反射液晶显示器61R和61B，以及四分之一波片62R和62B。
入射到第三偏振射束分离器69上的R光和B光的每一个的投影光在第三偏振射束分离器69的偏振分离表面69a被反射，与通过前述的偏振分离表面69a的G光合成，并到达投影透镜系统70。
合成的R光，G光和B光的每一个的合成投影光按照放大方式通过投影透镜系统70被投影到诸如屏幕的投影表面。
虽然上述光路径是在反射液晶显示器的白色显示的情况下建立的，但是以下将描述在反射液晶显示器的黑色显示的情况下的光路径。
首先描述G光的光路径。
通过分色镜58的G光的S偏振光被入射到入射侧起偏振片59，然后入射到第一偏振射束分离器60，在偏振分离表面60a反射，并到达G光使用的反射液晶显示器61G。同时，由于反射液晶显示器61G的黑色显示，在G光使用的反射液晶显示器61G中于没有进行图像调制的情况下反射G光。
因此，G光在反射液晶显示器61G处被反射之后仍然保持为S偏振光，在第一偏振射束分离器60的偏振分离表面60a再次被反射，通过入射侧起偏振片59，返回到光源1，并从投影光中移除。
随后，将描述R光和B光的光路。
在分色镜58反射的R光和B光的每一个的S偏振光入射到入射侧起偏振片64。然后，在从入射侧起偏振片64发出之后，R光和B光被入射到第一色彩选择延迟薄膜65。由于第一色彩选择延迟薄膜65具有将只是B光的偏振方向旋转90度的功能，所以B光和R光被入射到第二偏振射束分离器66以便分别用作P偏振光和S偏振光。
入射到第二偏振射束分离器66以用作S偏振光的R光在第二偏振射束分离器66的偏振分离表面66a被反射，并到达R光使用的反射液晶显示器61R。入射到第二偏振射束分离器66以便用作P偏振光的B光通过第二偏振射束分离器66的偏振分离表面66a，并到达B光使用的反射液晶显示器61B。
由于反射液晶显示器61R的黑色显示，在R光使用的反射液晶显示器61R上入射的R光在没有进行图像调制的情况下被反射。因此，由于在R光使用的反射液晶显示器61R处反射之后仍然保持为S偏振光，所以R光在第二偏振射束分离器66的偏振分离表面66a处再次被反射，通过入射侧起偏振片64，返回到光源1，并从投影光中移除，从而建立黑色显示。
由于B光使用的反射液晶显示器61B的黑色显示，入射到B光使用的反射液晶显示器61B上的B光在没有进行图像调制的情况下被反射。因此，由于在B光使用的反射液晶显示器61B反射之后仍然保持为P偏振光，所以B光再次通过第二偏振射束分离器66的偏振分离表面66a，由第一色彩选择延迟薄膜65转换成S偏振光，通入射侧起偏振片64，返回到光源1，并从投影光中移除。
从其特征的角度来考虑，前述的第一到第三偏振射束分离器的每一个的玻璃材料的折射率应当不小于1.60并且不大于1.90(具有波长587.56nm的光的折射率)。根据前面的实施例1到5的任意一个的投影透镜(变焦透镜)可以应用到投影型图像显示装置(尤其是包括反射液晶面板的反射液晶显示装置)，该装置具有这样的结构，其中色彩合成(相互不同波长范围的光的光路的合成)是通过这样一种偏振射束分离器来执行的(具有反射至少在预定波长范围内光的预定偏振方向中的一个成分的属性的光学装置，理想地在相应于红、绿和蓝色在此被反射的波长区域，并允许在正交于前述偏振方向的偏振方向中的另一个成分通过)。
如上所述，建立包括反射液晶显示器(反射液晶面板)的投影类型图像显示装置的光学配置。
代替反射液晶显示器，透射式液晶显示器提供了与反射式液晶显示器相同的效果。
图12是根据本发明的另一实施例的图像投影装置的主要部分的示意图。
附图显示了具有这样一种结构的图像投影装置，其中前述变焦透镜应用到三面板彩色液晶投影仪，并且基于多个液晶显示器的多个彩色光的图像数据通过色彩合成机构合成，并通过投影透镜以放大的方式投影到屏幕表面。
如图12所示，彩色液晶投影仪101借助于用作彩色合成机构的棱镜102将从相应于R、G和B色彩的三种液晶面板105R、105G和105B发出的相应于R、G和B色彩的三种彩色光合成到单个光路中，并借助于通过前述变焦透镜配置的投影透镜103将其投影到屏幕104上。
图13是根据本发明另一实施例的图像拾取设备的主要部分的示意图。在本实施例中，将前述的变焦透镜应用到例如视频照相机、胶片照相机或数码相机的图像拾取设备中以作为示例的成像透镜。
图13所述的图像拾取设备通过借助于成像透镜108将物体109的图像形成在光感受器107上来获得图像数据。
根据上述实施例的每一个，实现了通过令人满意地补偿根据变焦所产生的各种畸变在整个屏幕上具有令人满意的光学属性，同时使得整个透镜系统小型化并适用于液晶投影仪等的变焦透镜。
此外，实现了适用于例如视频照相机、胶片照相机或数码相机等用于在银盐胶片上形成图像数据的图像拾取设备或者例如CCD传感检测器或CMOS传感器之类的固态图像拾取设备(光电转换设备)的变焦透镜。
将描述相应于根据实施例1到5的各个变焦透镜的数值例1到5。在每个数值例中，从放大侧(从前侧)的光学表面的顺序表示为i，第i个光学表面(第i个表面)的弯曲半径表示为ri，并且在第i个表面和第(i+1)个表面之间的间隙表示为di。而且，第i光学元件的材料的折射率和Abbe常数分别表示为ni和vi，与那些在d行的相关。此外，焦距表示为f，F号表示为Fno，并且半视角表示为ω。
数值例1到5的每一个的三个最后面的表面构成了玻璃块GB的三个表面。
当K表示圆锥常数时，A、B、C、D和E表示非球面系数，与第i个非球面光学表面的顶点(或由第i个光学表面和光学系统的光轴所构成的交叉点)相关，x表示在平行于变焦透镜的光轴的方向上在距离光轴高度为h处的位移，非球面形状表示如下：
x＝(h2r)/[1+{1-(1+k)×(h/r)2}]
+Ah4+Bh6+Ch8+Dh10+Eh12
其中r是半径曲率。
在上面的方程中，例如，表达式“(E-XX)”意思是“10-xx”。
表11显示了前面的条件表达式1到9中的每一个与数值例1到5中的各个数值之间的关系。
表11
每个条件表达式的值
(表1)
  实施例1   实施例2   实施例3   实施例4   实施例5
  (1)   25.4   23.8   23.8   23.8   25.4
  (2)   0.0153   0.0163   0.0163   0.0163   0.0153
  (3)   0.66   0.53   0.59   0.51   0.77
  (4)   70.2   81.6   70.2   70.2   70.2
  (5)   0.0043   0.0317   0.0043   0.0043   0.0043
  (6)   24.6   24.6   24.6   24.6   24.6
  (7)   0.0099   0.0099   0.0099   0.0099   0.0099
  (8)   65.4   65.4   65.4   62.2   -
  (9)   -   -   -   -   65.4
实施例1
  条件表达式(1)，(2)   条件表达式(4)，(5)   条件表达式(6)，(7)
  所使用的玻璃   S-TIH6(由OHARA制造)   S-FSL5(由OHARA制造)   SF57HHT(由SCHOTT制造)
  nd   1.80518   1.48749   1.84666
  ng   1.84729   1.49596   1.89393
  nF   1.82777   1.49228   1.87204
  nC   1.79611   1.48534   1.83650
实施例2
  条件表达式(1)，(2)   条件表达式(6)，(7)   条件表达式(4)，(5)
  所使用的玻璃   S-TIH53(由OHARA制造)   S-FPL51(由OHARA制造)   SF57HHT(由SCHOTT制造)
  nd   1.84666   1.49700   1.84666
  ng   1.89419   1.50451   1.89393
  nF   1.87210   1.50123   1.87204
  nC   1.83649   1.49514   1.83650
实施例3
  条件表达式(1)，(2)   条件表达式(6)，(7)   条件表达式(4)，(5)
  所使用的玻璃   S-TIH53(由OHARA制造)   S-FSL5(由OHARA制造)   SF57HHT(由SCHOTT制造)
  nd   1.84666   1.48749   1.84666
  ng   1.89419   1.49596   1.89393
  nF   1.87210   1.49228   1.87204
  nC   1.83649   1.48534   1.83650
此外，表12显示了在各个实施例中所使用的玻璃材料和条件表达式(1)、(2)和(4)到(7)之间的关系。
表12
实施例4
 条件表达式(1)，(2)  条件表达式(6)，(7)   条件表达式(4)，(5)
  所使用的玻璃  S-TIH53(由OHARA制造)  S-FSL5(由OHARA制造)   SF57HHT(由SCHOTT制造)
  nd  1.84666  1.48749   1.84666
  ng  1.89419  1.49596   1.89393
  nF  1.87210  1.49228   1.87204
  nC  1.83649  1.48534   1.83650
实施例5
  条件表达式(1)，(2)   条件表达式(6)，(7)   条件表达式(4)，(5)
  所使用的玻璃   S-TIH6(由OHARA制造)   S-FSL5(由OHARA制造)   SF57HHT(由SCHOTT制造)
  nd   1.80518   1.48749   1.84666
  ng   1.84729   1.49596   1.89393
  nF   1.82777   1.49228   1.87204
  nC   1.79611   1.48534   1.83650
根据上述实施例，实现了通过令人满意地补偿根据变焦产生的各种变化而在整个屏幕上具有令人满意的光学属性，同时使得整个透镜系统小型化的变焦透镜。
此外，根据上述实施例，实现了具有大光圈、宽视角、大的放大倍数变化、令人满意地补偿各种畸变同时具有长后焦点，并具有远心性的变焦透镜。
虽然本发明已经参考典型实施例进行了描述，但是应该明白，本发明并不限制于所公开的典型实施例。下面权利要求的范围应当符合最宽的解释以便包括所有的修改、等同结构和功能。

Claims (18)

1.一种变焦透镜，包括：
包含设置在放大共轭侧并具有负折射本领的第一透镜组的多个透镜组，
其中，变焦是通过沿着平行于变焦透镜的光轴的方向移动所述多个透镜组中的至少一个来执行的，
其中，在变焦期间第一透镜组被固定，
其中，第一透镜组的设置在放大共轭侧的第一透镜具有负的折射本领，和
其中，当配置第一透镜的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdn和θg，Fn，第一透镜组的焦距表示为f1，在聚焦于无穷远物体时的空中等效后焦点表示为bf时，满足下面的条件：
vdn＜32，
0.008＜θg，Fn-(0.644-0.00168×vdn)＜0.040，和
|f1/bf|＜0.9。
2.根据权利要求1的变焦透镜，
其中，在减小共轭侧设置正透镜，并且，当配置该正透镜的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdp和θg，Fp时，满足下面的条件：
vdp＞63，并且
-0.005＜θg，Fp-(0.644-0.00168×vdp)＜0.045。
3.根据权利要求1的变焦透镜，其中，在最后面的透镜和图像平面之间安装至少一个棱镜，并且，当配置该棱镜的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdpr和θg，Fr时，满足下面的条件：
vdpr＜50，并且
0.002＜θg，Fr-(0.644-0.00168×vdpr)＜0.040。
4.根据权利要求1的变焦透镜，其中，按从其放大共轭侧到减小共轭侧的顺序，所述多个透镜组包括具有负折射本领的第一透镜组，具有正折射本领的第二透镜组，具有正折射本领的第三透镜组，具有负折射本领的第四透镜组，具有正折射本领的第五透镜组和具有正折射本领的第六透镜组，以及
其中，在变焦时，所述第一和第六透镜组被固定，并且第二到第五透镜组可以移动。
5.根据权利要求4的变焦透镜，其中，第五透镜组包括至少一个具有非球面表面的塑料正透镜。
6.根据权利要求4的变焦透镜，其中，所述第五透镜组包括至少一个具有非球面表面的塑料负透镜。
7.根据权利要求4的变焦透镜，其中，第五透镜组包括至少一个正透镜，并且，当配置所述至少一个正透镜的材料的平均Abbe常数表示为v5p时，满足下面的条件：
v5p＞60。
8.根据权利要求4的变焦透镜，其中，所述第四透镜组包括光圈和至少一个具有减小共轭侧的凸出后表面的凹凸负透镜。
9.根据权利要求1的变焦透镜，其中，按从其放大共轭侧到减小共轭侧的顺序，所述多个透镜组包括具有负折射本领的第一透镜组，具有正折射本领的第二透镜组，具有正折射本领的第三透镜组，具有正折射本领的第四透镜组和具有正折射本领的第五透镜组，和
其中，在变焦时，第一和第五透镜组被固定，并且第二到第四透镜组可以移动。
10.根据权利要求9的变焦透镜，其中，第四透镜组包括至少一个具有非球面表面的塑料正透镜。
11.根据权利要求9的变焦透镜，其中，所述第一透镜组包括至少一个具有非球面表面的塑料负透镜。
12.根据权利要求9的变焦透镜，其中，所述第四透镜组包括至少一个正透镜，并且，当配置所述至少一个正透镜的材料的平均Abbe常数表示为v4p时，满足下面的条件：
v4p＞60。
13.根据权利要求9的变焦透镜，其中，所述第四透镜组包括具有设置得最接近放大共轭侧的凹凸负透镜，该凹凸负透镜的减小共轭侧的表面是凸表面。
14.一种变焦透镜，包括：
包含设置在放大共轭侧的具有负折射本领的第一透镜组的多个透镜组，
其中，变焦是通过沿着平行于变焦透镜光轴的方向移动所述多个透镜组中的至少一个来执行的，
其中，在变焦期间所述多个透镜组的设置得最接近减小共轭侧的透镜组被固定，
其中，第一透镜组的设置在放大共轭侧的第一透镜具有负的折射本领，并且
其中，当配置第一透镜的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdn和θg，Fn；第一透镜组的焦距表示为f1；聚焦于无穷远物体时的空中等效后焦点表示为bf时，满足下面的条件：
vdn＜32，
0.008＜θg，Fn-(0.644-0.00168×vdn)＜0.040，和
|f1/bf|＜0.9。
15.一种变焦透镜，包括：
包含设置在放大共轭侧并具有负折射本领的第一透镜组的五个或六个透镜组，
其中，在变焦时，第一透镜组和设置得最接近减小共轭侧的透镜组被固定，并且多个透镜组是可移动的，
其中，负透镜Ln和正透镜Lp分别设置在放大共轭侧以及最靠近于图像，和
其中，当配置负透镜Ln的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdn和θg，Fn，以及配置正透镜Lp的材料的Abbe常数和部分色散分别表示为vdp和θg，Fp，当第一透镜组的焦距定义为f1，空中等效后焦点表示为bf时，满足下面的条件：
vdn＜32，
0.008＜θg，Fn-(0.644-0.00168×vdn)＜0.040，和
|f1/bf|＜0.9
vdp＞63，并且
-0.005＜θg，Fp-(0.644-0.00168×vdp)＜0.045。
16.一种图像投影装置，包括：
形成原始图像的显示单元；和
根据权利要求1的变焦透镜，用来将由显示单元形成的原始图像投影到投影屏幕上。
17.一种图像投影装置，包括：
形成原始图像的显示单元；和
根据权利要求14的变焦透镜，用来将由显示单元形成的原始图像投影到投影屏幕上。
18.一种图像投影装置，包括：
形成原始图像的显示单元；和
根据权利要求15的变焦透镜，用来将由显示单元形成的原始图像投影到投影屏幕上。
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