CN102236159B

CN102236159B - 投影用变焦透镜和投影型显示装置

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Publication number: CN102236159B
Application number: CN201110115224.3A
Authority: CN
Inventors: 佐渡谦造
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: JP2011232653A; US20110267704A1; CN102236159A; US8503098B2; JP5513248B2

Abstract

一种投影用变焦透镜包括：从投影用变焦透镜的放大侧依次排列的负的第一透镜组、正的第二透镜组、正的第三透镜组和正的第四透镜组。第一透镜组和第四透镜组在变焦期间固定，但是第二透镜组和第三透镜组基于从广角端到远距端操作变焦透镜的操作来在变焦透镜的光轴Z上朝着放大侧移动，使得第二透镜组和第三透镜组之间的距离变化。另外，满足以下公式(1)：17＜F_G3/fw (1)，其中F_G3：第三透镜组的焦距；以及fw：整个系统在广角端的焦距。

Description

投影用变焦透镜和投影型显示装置

技术领域

本发明涉及一种投影用变焦透镜，用作投影仪装置等的投影透镜。具体地，本发明涉及一种适用于所谓的正面型投影仪装置的投影用变焦透镜，所述投影仪装置将诸如液晶显示装置之类的光阀上显示的原始图像放大并投影到屏幕上，并且还涉及一种其上安装有投影用变焦透镜的投影型显示装置。

背景技术

将图像投影到装置前方屏幕上的所谓正面投影型投影仪装置通常用于学校教育、公司培训、演示等。另外，随着投影仪市场的成熟，投影仪的多样性增加，并且诸如大影院屏幕用的大型投影仪和移动电话用的超小型投影仪之类的各种投影仪均在使用。

同时，在作为最古老投影装置市场的数据投影装置市场中，对于能够投影高光强度图像、具有高分辨率能力的小型低成本投影仪的需求较为强烈。为了满足这种需求，正在开发具有高分辨能力的小型光阀，例如液晶显示面板(包括DMD等，但是下文中简称为液晶显示面板等)。另外，对于开发与这种光阀相对应的变焦透镜的愿望也较为强烈。

在数据投影时，经常要求在明亮的室内环境中进行数据投影。因此，数据投影装置的光学系统具有小F值(F-number，光圈数)是必须的。然而，因为小型液晶显示面板的显示面积较小，当与通过传统液晶显示面板的光线类似的光线试图通过较小的显示面积时，需要增加进入液晶显示面板等的光线的入射角、或者使用所包括的光输出单元比传统光输出单元小的高亮度光源，并且使光学系统的F值低于传统光学系统。

然而，因为高亮度光源中光输出单元尺寸的进一步缩小有变难的倾向，难以实现上述措施。另外，当设法减小液晶显示面板等的尺寸时，像素尺寸变小，并且需要应对比传统液晶显示面板等高的空间频率。因此，增加了成本。

在这种情况下，在一定程度上可以满足强光(fast)小型低成本变焦透镜需求的投影用变焦透镜是已知的(请参照日本专利No.4338812(专利文件1)、日本未审专利公布No.2006-039033(专利文件2)、日本未审专利公布No.2006-065026(专利文件3)以及日本未审专利公布No.2007-206331(专利文件4))。这些投影用变焦透镜就是所谓的双组可移动变焦透镜，其通过移动两个透镜组来执行变焦。另外，每一完整的透镜系统由6至13个透镜组成。

专利文件1、3和4公开了F值超过1.7的投影用变焦透镜。另外，专利文件2至4公开了包括一个非球面透镜、两个或三个非球面透镜的投影用变焦透镜。

当如上所述减小液晶显示面板等的尺寸时，可以减小液晶显示面板等的成本。同时，如果减小照明系统的尺寸和投影用透镜的尺寸，成本可以进一步减小。

然而，当在减小液晶显示面板等尺寸的同时设法维持光强度时，如上所述，需要降低投影用透镜的F值(强光透镜，fast lens)并且增加进入液晶显示面板等的光线的入射角、或者安装包括小型光输出单元的高亮度光源。因此，成本大大增加。

另外，当用于改变放大率的可移动透镜组的数目增加到三个以上以降低变焦透镜的F值时，透镜系统的生产成本大大增加。

为了降低变焦透镜的生产成本，整个系统中透镜的数目应该较小，并且每一个透镜的外直径应该较小。另外，为减小透镜的外直径等，应该最小化透镜的相对光量。

然而，当减小相对光量时，与所减小的相对光量相对应的光能量被消耗来增加透镜周围的镜桶的温度。尤其是当由塑料(成本低于玻璃)制成的非球面透镜设置在光阑(stop)的缩小侧时，由温度变化引起的像面波动和像面弯曲等波动变大。另外，在光阑缩小侧设置的由塑料制成的非球面透镜周围的温度和在光阑放大侧设置的由塑料制成的非球面透镜周围的温度之间的差变得太大。另外，返回稳定温度所用的时间在彼此远离设置的两个非球面透镜之间彼此不同。因此，难以精确地抵消温度变化对于由塑料制成的两个非球面透镜的影响。

发明内容

考虑到上述情况，本发明的目的是提供一种紧凑、低成本的投影用变焦透镜，该投影用变焦透镜具有广角投影角度和小F值，不易受到温度变化的影响，并且能够通过使用最小数目的非球面透镜实现极好的光学性能。另外，本发明的另一个目的是提供一种投影型显示装置。

为了实现这些目的，本发明的投影用变焦透镜是一种这样的投影用变焦透镜，包括：

第一透镜组，具有负折射能力；

第二透镜组，具有正折射能力；

第三透镜组，具有正折射能力；以及

第四透镜组，具有正折射能力，这些透镜组从变焦透镜的放大侧按照上述顺序排列，

其中第一透镜组和第四透镜组在变焦期间固定，但是第二透镜组和第三透镜组基于从广角端到远距端操作变焦透镜的操作来在变焦透镜的光轴上朝着放大侧移动，使得第二透镜组和第三透镜组之间的距离变化；以及

满足以下公式(1)：

17＜F_G3/fw (1)，其中

F_G3：第三透镜组的焦距；以及

fw：整个系统在广角端的焦距。

理想的是第一透镜组由从放大侧依次排列的负的第一透镜和负的第二透镜组成，所述负的第一透镜是由塑料制成的非球面透镜。另外，理想的是第二透镜组由从放大侧依次排列的正的第三透镜和正的第四透镜组成。另外，理想的是第三透镜组由第五透镜、负的第六透镜、正的第七透镜和正的第八透镜组成，所述第五透镜是面对放大侧具有凸面的负弯月透镜，所述负的第六透镜面对放大侧具有凹面，所述正的第七透镜面对变焦透镜的缩小侧具有凸面，所述第五至第八透镜从放大侧按照上述顺序排列，并且所述负的第六透镜和所述正的第七透镜接合在一起以形成接合透镜。另外，理想的是第四透镜组由正的第九透镜组成。

理想的是满足以下公式(2)：

1.7＜|F_G1/fw|＜2.5(2)，其中

F_G1：第一透镜组的焦距。

另外，理想的是满足以下公式(3)：

1.4＜F_G2/fw＜2.3(3)，其中

F_G2：第二透镜组的焦距。

另外，理想的是满足以下公式(4)：

2.9＜F_G4/fw＜4.0(4)，其中

F_G4：第四透镜组的焦距。

另外，理想的是满足以下公式(5)：

1.4≤bf/fw＜2.2(5)，其中

bf：后焦距。

另外，理想的是满足以下公式(6)：

-1.0＜β2w＜-0.4(6)，其中

β2w：第二透镜组在广角端的放大率。

另外，理想的是满足以下公式(7)：

1.35＜β3w＜1.80(7)，其中

β3w：第三透镜组在广角端的放大率。

另外，本发明的投影型显示装置是这样一种投影型显示装置，包括：

光源；

光阀；

照明光学单元，所述照明光学单元将从光源输出的光线导引至光阀；以及

根据本发明任一方面的投影用变焦透镜，

其中从光源输出的光线由光阀进行光调制，并且通过投影用变焦透镜投影到屏幕上。

术语“放大侧”意味着投影侧(屏幕一侧)。即使在缩影投影时，为了方便起见仍然将屏幕一侧称作“放大侧”。另外，术语“缩小侧”意味着原始图像显示区域侧(光阀一侧)。即使在缩影投影时，为了方便起见仍然将光阀一侧称作“缩小侧”。

本发明的投影用变焦透镜由从放大侧依次排列的负透镜组、正透镜组、正透镜组和正透镜组的四个透镜组组成。另外，本发明的投影用变焦透镜使用双组可移动变焦方法，并且只有作为中间透镜组的第二透镜组和第三透镜组在变焦期间移动。

因此，可以向放大侧分配负折射能力、向缩小侧分配正折射能力，可以增加缩小侧的远心度，同时维持必要的后焦距。

另外，本发明的投影用变焦透镜无需在第三透镜组中使用任何非球面透镜就可以在色差、象散差等方面实现极好的光学性能。为此目的，本发明的投影用变焦透镜满足公式(1)，并且大大减小了第三透镜组的折射能力，以最小化第三透镜组的可变放大功能。

当在投影用变焦透镜中使用双组可移动变焦方法时，存在向两个可移动透镜组中每一透镜组分配强折射能力以获得高放大比、同时最小化总象差的发生的选项。然而，这种选项对于光学性能实际上是不利的，因为通过使用作为缩小侧可移动透镜组的第三透镜组的折射能力的可变放大，总象差的波动变大。

因此，在本发明的投影用变焦透镜中，大大减小了第三透镜组的折射能力以满足公式(1)，并且向第三透镜组分配象差校正作为主要功能。另外，将大多数可变放大功能分配给第二透镜组。因此，尽管本发明的投影用变焦透镜是使用最少数目非球面透镜的紧凑透镜，仍然可以按照极好的方式实现通过使用双组可移动变焦方法可实现的光学性能。

如上所述，当将由塑料制成的非球面透镜设置在光阑的缩小侧时，由温度变化引起的像面波动和像面弯曲波动变大。然而，在本发明的投影用变焦透镜中，无须将非球面透镜设置在光阑的缩小侧上。因此，可以减小由温度变化引起的对象差的不利影响。

附图说明

图1是示出了实施例1中的投影用变焦透镜结构的详细图；

图2是示出了进入实施例1中的投影用变焦透镜的入射光线路径的图；

图3是示出了实施例2中的投影用变焦透镜结构的详细图；

图4是示出了进入实施例2中的投影用变焦透镜的入射光线路径的图；

图5是示出了实施例3中的投影用变焦透镜结构的详细图；

图6是示出了进入实施例3中的投影用变焦透镜的入射光线路径的图；

图7A-i是示出了实施例1中的投影用变焦透镜在广角端的球差的图；

图7A-ii是示出了实施例1中的投影用变焦透镜在广角端的象散的图；

图7A-iii是示出了实施例1中的投影用变焦透镜在广角端的失真的图；

图7A-iv是示出了实施例1中的投影用变焦透镜在广角端的横向色差的图；

图7B-i是示出了实施例1中的投影用变焦透镜在中间位置处的球差的图；

图7B-ii是示出了实施例1中的投影用变焦透镜在中间位置处的象散的图；

图7B-iii是示出了实施例1中的投影用变焦透镜在中间位置处的失真的图；

图7B-iv是示出了实施例1中的投影用变焦透镜在中间位置处的横向色差的图；

图7C-i是示出了实施例1中的投影用变焦透镜在远距端的球差的图；

图7C-ii是示出了实施例1中的投影用变焦透镜在远距端的象散的图；

图7C-iii是示出了实施例1中的投影用变焦透镜在远距端的失真的图；

图7C-iv是示出了实施例1中的投影用变焦透镜在远距端的横向色差的图；

图8A-i是示出了实施例2中的投影用变焦透镜在广角端的球差的图；

图8A-ii是示出了实施例2中的投影用变焦透镜在广角端的象散的图；

图8A-iii是示出了实施例2中的投影用变焦透镜在广角端的失真的图；

图8A-iv是示出了实施例2中的投影用变焦透镜在广角端的横向色差的图；

图8B-i是示出了实施例2中的投影用变焦透镜在中间位置处的球差的图；

图8B-ii是示出了实施例2中的投影用变焦透镜在中间位置处的象散的图；

图8B-iii是示出了实施例2中的投影用变焦透镜在中间位置处的失真的图；

图8B-iv是示出了实施例2中的投影用变焦透镜在中间位置处的横向色差的图；

图8C-i是示出了实施例2中的投影用变焦透镜在远距端的球差的图；

图8C-ii是示出了实施例2中的投影用变焦透镜在远距端的象散的图；

图8C-iii是示出了实施例2中的投影用变焦透镜在远距端的失真的图；

图8C-iv是示出了实施例2中的投影用变焦透镜在远距端的横向色差的图；

图9A-i是示出了实施例3中的投影用变焦透镜在广角端的球差的图；

图9A-ii是示出了实施例3中的投影用变焦透镜在广角端的象散的图；

图9A-iii是示出了实施例3中的投影用变焦透镜在广角端的失真的图；

图9A-iv是示出了实施例3中的投影用变焦透镜在广角端的横向色差的图；

图9B-i是示出了实施例3中的投影用变焦透镜在中间位置处的球差的图；

图9B-ii是示出了实施例3中的投影用变焦透镜在中间位置处的象散的图；

图9B-iii是示出了实施例3中的投影用变焦透镜在中间位置处的失真的图；

图9B-iv是示出了实施例3中的投影用变焦透镜在中间位置处的横向色差的图；

图9C-i是示出了实施例3中的投影用变焦透镜在远距端的球差的图；

图9C-ii是示出了实施例3中的投影用变焦透镜在远距端的象散的图；

图9C-iii是示出了实施例3中的投影用变焦透镜在远距端的失真的图；

图9C-iv是示出了实施例3中的投影用变焦透镜在远距端的横向色差的图；以及

图10是示出了根据本发明实施例的投影型显示装置配置的示意图。

具体实施方式

在下文中将参考附图描述本发明的实施例。图1是示出了根据本发明实施例的投影用变焦透镜的图(实施例1用作示例)。在图1所示的投影用变焦透镜中，第一透镜组G₁具有负折射能力，第二透镜组G₂具有正折射能力，第三透镜组G₃具有正折射能力，第四透镜组G₄具有正折射能力，这些透镜组从变焦透镜的放大侧按照上述顺序设置。另外，将主要是颜色组合棱镜的玻璃块(包括滤色器单元)2和诸如液晶显示面板之类的光阀的图像显示面板1设置在变焦透镜之后的后续级。在图1中，直线Z表示光轴。另外，投影用变焦透镜的缩小侧是远心的(telecentric)或者略微远心的，以使得颜色组合棱镜的颜色性质极佳，并且使得光阀的对比度在整个屏幕上均匀。

另外，第一透镜组G₁和第四透镜组G₄在变焦期间固定。然而，第二透镜组G₂(可以集成孔径光阑(可以使用屏蔽罩)3)和第三透镜组G₃基于从广角端到远距端操作变焦透镜的操作来在变焦透镜的光轴Z上朝着放大侧移动，使得第二透镜组G₂和第三透镜组G₃之间的距离变化。

在聚焦期间，理想的是整个第一透镜组G₁作为一组沿光轴Z移动。可选地，可以通过移动其他透镜组的全部或一部分来执行聚焦。

另外，理想的是第一透镜组G₁由从放大侧依次设置的负的第一透镜L₁和负的第二透镜L₂组成，负的第一透镜是由塑料制成的非球面透镜。

另外，理想的是第二透镜组G₂由两个正透镜组成。因此，可以使得透镜系统紧凑，并且减小透镜系统的成本。另外，更加理想的是第二透镜组G₂由第三透镜L₃、光阑(可以使用屏蔽罩，下同)3和第四透镜L₄组成，第三透镜是双凸透镜，第四透镜是双凸透镜。当将光阑(屏蔽罩)3设置在两个正透镜之间时，可以使得缩小侧的远心度更佳。

另外，理想的是第三透镜组G₃由第五透镜L₅、负的第六透镜L₆、正的第七透镜L₇和正的第八透镜L₈组成，第五透镜是面对放大侧具有凸面的负弯月透镜，负的第六透镜面对放大侧具有凹面，正的第七透镜面对变焦透镜的缩小侧具有凸面。第五至第八透镜从放大侧按照上述顺序设置。另外，理想的是负的第六透镜L₆和正的第七透镜L₇接合在一起以形成接合透镜。

另外，理想的是第四透镜组G₄由正的第九透镜L₉组成。

如上所述，根据本发明实施例的投影用变焦透镜是负导程型(negative-lead-type)变焦透镜。因此，可以容易地增加投影角度，并且维持后焦距(back focus)的合适长度。

另外，根据本发明实施例的投影用变焦透镜满足以下公式(1)：

17＜F_G3/fw (1)，其中

F_G3：第三透镜组G₃的焦距；以及

fw：变焦透镜整个系统在广角端的焦距。

如上所述，在根据本发明实施例的投影用变焦透镜中，大大地减小了第三透镜组G₃的折射能力以满足公式(1)，并且向第三透镜组G₃分配象差校正作为主要功能。另外，将大多数可变放大功能分配给第二透镜组G₂。因此，以极佳的方式实现了通过使用双组可移动变焦方法可实现的光学性能。

具体地，当F_G3/fw的值小于由公式(1)定义的下限时，第三透镜组G₃的折射能力变得太强，并且变得难以获得极佳的光学性能。

因此，理想的是满足以下公式(1’)来代替公式(1)：

20＜F_G3/fw (1′)。

另外，更理想的是满足以下公式(1”)来代替公式(1)：

25＜F_G3/fw (1″)。

在根据本发明实施例的投影用变焦透镜中，如上所述设置每一透镜组的能力，并且缩小侧光束的直径大于放大侧光束的直径。另外，缩小侧是远心的。因此，作为缩小侧透镜组的第三透镜组G₃和第四透镜组G₄中至少一个透镜的外直径变大。在这种情况下，第三透镜组G₃由四个透镜组成，以维持能够应对第三透镜组G₃在变焦期间的移动的光学性能，并且获得F值约为1.7的的强光变焦透镜。

如上所述，理想的是第一透镜组G₁用作聚焦单元。当第一透镜组G₁由两个透镜组成时，可以在聚焦期间容易地驱动第一透镜组G₁。

另外，理想的是第一透镜组G₁中两个负透镜之一是非球面透镜。另外，更理想的是放大侧的第一透镜L₁是非球面透镜，以增强第一透镜组G1的象差校正功能。在这种情况下，非球面透镜由塑料制成是有成本优势的。当非球面透镜由塑料制成时，使非球面透镜的折射能力尽可能低以减小温度变化对非球面透镜的影响是必要的。因此，由于第一透镜组G₁的大部分折射能力由第二透镜L₂提供，理想的是第一透镜组G₁的折射能力整体上满足以下公式(2)，以防止各种象差大幅增加：

1.7＜|F_G1/fw|＜2.5(2)，其中

F_G1：第一透镜组G₁的焦距，以及

fw：变焦透镜整个系统在广角端的焦距。

当|F_G1/fw|的值超过由公式(2)定义的上限时，第一透镜组G₁在聚焦期间的移动距离变得太长，并且前端透镜的直径增加。相反，当|F_G1/fw|的值小于由公式(2)定义的下限时，各种象差的校正、尤其是与像面相关的象差校正变得困难。

因此，理想的是满足以下公式(2′)来代替公式(2)：

1.8＜|F_G1/fw|＜2.3(2′)。

另外，更理想的是满足以下公式(2″)来代替公式(2)：

1.9＜|F_G1/fw|＜2.2(2″)。

另外，理想的是第二透镜组G₂由从放大侧依次设置的正的第三透镜L₃和正的第四透镜L₄组成。如上所述，在双组可移动方法中，两个可移动透镜组中第三透镜组G₃的折射能力非常小。因此，可移动透镜组的可变放大功能基本上分配给第二透镜组G₂。因此，尽管需要使第二透镜组G₂的能力强到一定程度，但是如果第二透镜组G₂的能力太强，则可移动透镜组的象差整体上太大，并且难以校正这些象差。因此，理想的是满足以下公式(3)：

1.4＜F_G2/fw＜2.3(3)，其中

F_G2：第二透镜组G₂的焦距，以及

fw：整个系统在广角端的焦距。

具体地，当F_G2/fw的值超过由公式(3)定义的上限时，第二透镜组G₂的能力变得太弱，并且第二透镜组G₂的移动距离变得太长。相反，当F_G2/fw的值小于由公式(3)定义的下限时，第二透镜组G₂的能力变得太强，并且难以按照极佳的方式校正象差。

因此，理想的是满足以下公式(3′)来代替公式(3)：

1.5＜F_G2/fw＜2.2(3′)。

另外，更理想的是满足以下公式(3″)来代替公式(3)：

1.6＜F_G2/fw＜2.1(3″)。

另外，理想的是第四透镜组G₄具有正折射能力，并且第四透镜组G₄可以将象差校正抑制在极佳的范围，同时减小整个透镜长度。因此，理想的是满足以下公式(4)：

2.9＜F_G4/fw＜4.0(4)，其中

F_G4：第四透镜组G₄的焦距；以及

Fw：变焦透镜整个系统在广角端的焦距。

具体地，当F_G4/fw的值超过由公式(4)定义的上限时，第四透镜组G₄的能力变得太弱，并且整个长度变得太长。相反，当F_G4/fw的值小于由公式(4)定义的下限时，第四透镜组G₄的能力变得太强，并且难以维持足够的后焦距(backfocus)。另外，难以按照极佳的方式校正象差。

因此，理想的是满足以下公式(4′)来代替公式(4)：

3.1＜F_G4/fw＜3.8(4′)。

另外，更理想的是满足以下公式(4′)来代替公式(4)：

3.3＜F_G4/fw＜3.6(4″)。

另外，理想的是满足以下公式(5)至(8)中至少之一：

1.4≤bf/fw＜2.2(5)

-1.0＜β2w＜-0.4(6)

1.35＜β3w＜1.80(7)

0.99＜Z_R3＜1.00(8)，其中

bf：后焦距，

Fw：整个系统在广角端的焦距，

β2w：第二透镜组G₂在广角端的放大率，

β3w：第三透镜组G₃在广角端的放大率，以及

Z_R3：通过将第三透镜组G3在远距端的放大率除以第三透镜组G3在广角端的放大率得到的值。

对于β2w和β3w的值，将描述一般性的第n透镜组G_n在广角端的放大率(βnw)的定义。具体地，当光线从放大侧进入投影用变焦透镜时，如果在广角端由在第n透镜组G_n的放大侧的透镜组(在n是3的情况下为第一透镜组G₁和第二透镜组G₂)形成的图像的高度是像高1，并且由第n透镜组G_n使用已经通过其放大侧的透镜组形成的图像作为物体所形成的图像的高度是像高2，将像高2与像高1之比(像高比)定义为第n透镜组G_n在广角端的放大率(βnw)。

公式(5)定义了投影用变焦透镜的后焦距。当bf/fw的值小于由公式(5)定义的下限时，难以在透镜和光阀之间插入诸如颜色组合棱镜之类的光学系统。相反，当bf/fw的值超过由公式(5)定义的上限时，整个透镜长度变得太长，并且不能按照极佳的方式校正广角端的象差。

因此，理想的是满足以下公式(5′)来代替公式(5)：

1.5＜bf/fw＜1.9(5′)。

另外，更理想的是满足以下公式(5″)来代替公式(5)：

1.6＜bf/fw＜1.7(5″)。

公式(6)定义了第二透镜组G₂在广角端的放大率。当β2w的值小于由公式(6)定义的下限时，第二透镜组G₂的能力变得太强，并且难以按照极佳的方式校正象差。相反，当β2w的值超过由公式(6)定义的上限时，第二透镜组G₂的能力变得太弱，并且第二透镜组G₂的移动距离变得太长。

因此，理想的是满足以下公式(6′)来代替公式(6)：

-0.9＜β2w＜-0.5(6′)。

另外，更理想的是满足以下公式(6″)来代替公式(6)：

-0.75＜β2w＜-0.60(6″)。

同时，公式(7)定义了第三透镜组G₃在广角端的放大率。当β3w的值超过由公式(7)定义的上限时，第三透镜组G₃的能力变得太强，难以按照极佳方式校正象差。相反，当β3w的值小于由公式(7)定义的下限时，第三透镜组G₃的能力变得太弱，并且第三透镜组G₃的移动距离变得太长。

因此，理想地的是满足以下公式(7′)来代替公式(7)：

1.40＜β3w＜1.75(7′)。

另外，更理想的是满足以下公式(7″)来代替公式(7)：

1.45＜β3w＜1.70(7″)。

另外，公式(8)定义了通过将第三透镜组G3在远距端的放大率除以第三透镜组G₃在广角端的放大率β3w得到的值Z_R3的范围。具体地，理想的是第三透镜组G₃中不包括非球面透镜，并且需要使组成第三透镜组G₃的每一正透镜和负透镜的折射率强到减小色差和象散差别。因此，整体上减小第三透镜组G₃的折射能力，并且将表示放大率之比的Z_R3的值设置在1.0(最小范围)左右的范围，以最小化每一象差的影响。

当Z_R3的值超过由公式(8)定义的上限或者Z_R3的值小于由公式(8)定义的下限时，象差的波动在每一种情况下均较大，并且难以校正象差。

在随后所述的本发明的投影用变焦透镜的每一个实施例中，第一透镜组G₁包括至少一个非球面表面。这对于校正诸如失真之类的象差是有利的。非球面表面的形状由以下非球面表面方程来表示：

[方程1]

Z = \frac{Y^{2} / R}{1 + \sqrt{1 - K \times Y^{2} / R^{2}}} + Σ_{i = 3}^{10} A_{i} Y^{i}

其中

Z：从非球面表面上与光轴相距Y的点到与该非球面顶点接触的平面(与光轴垂直的平面)的垂线的长度；

Y：与光轴的距离；

R：光轴附近非球面表面的曲率半径；

K：离心率；以及

A_i：非球面系数(i＝3至10)。

接下来将参考图10描述安装有上述投影用变焦透镜的投影型显示装置的实施例。图10中所示的投影型显示装置30包括透射型液晶面板11a至11c作为光阀。另外，根据本发明上述实施例的投影用变焦透镜用作投影用变焦透镜10。另外，将诸如蝇眼积分器(fly eyeintegrator)之类的积分器(未示出)设置在光源15和分色镜12之间。从光源15输出的白光通过照明光学单元进入与分别与三种颜色的光线(G光、B光和R光)相对应的液晶面板11a至11c，并且受到光学调制。通过十字形分色棱镜14将调制光的颜色进行组合，并且所组合光通过投影用变焦透镜10投影到未示出的屏幕上。投影型显示装置30包括用于分离颜色的分色镜12、13、用于组合颜色的十字形分色棱镜14、会聚透镜16a至16c和全反射镜18a至18c。因为本实施例的投影型显示装置30包括根据本发明实施例的投影用变焦透镜，可以减小该装置的尺寸、重量和成本，同时按照可实现高可变放大率的方式构建该装置。另外，可以维持极佳的光学性能。

本发明的投影用变焦透镜的用途不局限于用于使用透射型液晶显示面板等的投影型显示装置中。本发明的投影用变焦透镜可以用作使用反射型液晶显示面板等或者诸如DMD之类的不同光调制装置的装置中的投影用变焦透镜。

[实施例]

接下来将使用具体的实施例进一步描述本发明的投影用变焦透镜。

在以下实施例中，假设整个系统在广角端的焦距fw为1，对数据的数值进行归一化。

<实施例1>

如前所述，实施例1中的投影用变焦透镜如图1所示构建。另外，在图2中示出了变焦期间每一可移动透镜组的移动路径。

具体地，在实施例1的投影用变焦透镜中，透镜组和透镜按照下述顺序从投影用变焦透镜的放大侧排列。第一透镜组G₁由第一透镜L₁和第二透镜L₂组成。第一透镜L₁的两个表面都是非球面，并且第一透镜L₁具有负弯月形状，所述负弯月形状在光轴Z附近面对投影用变焦透镜的放大侧具有凹面。第二透镜L₂是负弯月透镜，在光轴Z附近面对投影用变焦透镜的缩小侧具有凹面。另外，第二透镜组G₂由第三透镜L₃、屏蔽罩3和第四透镜L₄组成。第三透镜L₃是面对放大侧具有凸面的正弯月透镜，第四透镜L₄是双凸透镜。第三透镜组G₃由第五透镜L₅、第六透镜L₆、第七透镜L₇和第八透镜L₈组成。第五透镜L₅是面对放大侧具有凸面的负弯月透镜，第六透镜L₆是双凹透镜。另外，第七透镜L₇是双凸透镜，第八透镜L₈是双凸透镜。第六透镜L₆和第七透镜L₇接合在一起以形成接合透镜。第四透镜组G₄由双凸透镜的第九透镜L₉组成。

当改变放大率时，第二透镜组G₂和第三透镜组G₃基于从广角端到远距端操作变焦透镜的操作，沿着光轴Z朝着放大侧移动，使得第二透镜组G₂和第三透镜组G₃之间的距离变化。

通过沿光轴Z移动第一透镜组G₁执行聚焦。

表1的上半部分示出了实施例1中每一透镜表面的曲率半径R(假设整个透镜系统在广角端的焦距是1.0，进行归一化，其他表中同样如此)、每一个透镜的中心厚度D以及透镜之间的空气间隔D(按照与曲率半径类似的方式归一化，在其他表中同样如此)、每一透镜的有效直径、对于d线的折射率N_d以及阿贝数v_d。在表1以及随后所述的表2和3中，与符号R和D、有效直径、符号N_d和v_d相对应的表面号码从放大侧顺序增加。另外，在表1的最上端示出了焦距f、视角2ω和F值Fno(其他表中同样如此)。

表1的中间部分示出了常数K和A₃至A₁₀，它们是与非球面表面相对应的非球面系数。另外，表1的下半部分示出了当投影距离是162.47时在广角端(广角)、中间位置(中距)和远距端(远距)的可变距离1、可变距离2和可变距离3。可变距离1是第一透镜组G₁和第二透镜组G₂之间的距离。可变距离2是第二透镜组G₂和第三透镜组G₃之间的距离。可变距离3是第三透镜组G₃和第四透镜组G₄之间的距离。

[表1]

焦距：0.9956-1.0952、投影距离：162.47、视角：57.9-53.4度，光圈数：F1.70-1.78

*非球面系数

表4示出了实施例1中与公式(1)至(8)相对应的数值。

图7A-i、7A-ii、7A-iii和7A-iv是示出了实施例1中的投影用变焦透镜在广角端(广角)的球差(spherical aberration)、象散(astigmatism)、失真(distortion)和横向色差(lateralchromatic aberration)的图。图7B-i、7B-ii、7B-iii和7B-iv是示出了实施例1中的投影用变焦透镜在中间位置处(中距)的球差、象散、失真和横向色差的图。图7C-i、7C-ii、7C-iii和7C-iv是示出了实施例1中的投影用变焦透镜在远距端(远距)的球差、象散、失真和横向色差的图。在图7A-i至7C-iv以及随后所述的图8A-i至8C-iv和图9A-i至9C-iv中，球差图示出了G(绿色)、B(蓝色)和R(红色)每一波长下光的象差。另外，象散图示出了相对于径向像面和切向像面的象差。另外，横向色差图示出了B光和R光相对于G光的象差。

如表1所示，在广角端实施例1中的投影用变焦透镜的视角2ω是57.9度(广角)，实施例1中的投影用变焦系统的F值是1.70，该值较小(强光透镜)。另外，如图7A-i至7C-iv清楚所示，按照极佳的方式校正每一种象差。

另外如表4所示，实施例1中的投影用变焦透镜满足所有的公式(1)至(8)、公式(1′)至(7′)以及公式(1″)至(4″)、(6″)和(7″)。

<实施例2>

实施例2中的投影用变焦透镜如图3所示构建。另外，在图4中示出了在变焦期间每一可移动透镜组的移动路径。

实施例2中的投影用变焦透镜按照与实施例1中的投影用变焦透镜基本上类似的方式构建。然而，实施例2中的投影用变焦透镜与实施例1中的投影用变焦透镜的主要区别在于：在实施例1中第一透镜L₁的两个表面都是非球面，而在实施例2中第一透镜L₁在光轴Z上具有双凹面形状，第三透镜L₃是双凸透镜，第九透镜L₉是面对放大侧具有凸面的正弯月透镜。

表2的上半部分示出了实施例2中每一透镜表面的曲率半径R、每一透镜的中心厚度D以及透镜之间的空气间隔D、每一透镜的有效直径、对于d线的折射率N_d和阿贝数v_d。

表2的中间部分示出了常数K和A₃至A₁₀，它们是与非球面表面相对应的非球面系数。另外，表2的下半部分示出了当投影距离是160.43时在广角端(广角)、中间位置(中距)和远距端(远距)的可变距离1、可变距离2和可变距离3。可变距离1是第一透镜组G₁和第二透镜组G₂之间的距离。可变距离2是第二透镜组G₂和第三透镜组G₃之间的距离。可变距离3是第三透镜组G₃和第四透镜组G₄之间的距离。

[表2]

焦距：0.9952-1.0947、投影距离：160.43、视角56.9-52.5度，光圈数：F1.70-1.75

*非球面系数

表4示出了实施例2中与上述公式相对应的数值。

图8A-i、8A-ii、8A-iii和8A-iv是示出了实施例2中的投影用变焦透镜在广角端(广角)的球差、象散、失真和横向色差的图。图8B-i、8B-ii、8B-iii和8B-iv是示出了实施例2中的投影用变焦透镜在中间位置处(中距)的球差、象散、失真和横向色差的图。图8C-i、8C-ii、8C-iii和8C-iv是示出了实施例2中的投影用变焦透镜在远距端(远距)的球差、象散、失真和横向色差的图。

如表2所示，在广角端实施例2中的投影用变焦透镜的视角2ω是56.9度(广角)，实施例2中的投影用变焦系统的F值是1.70，该值较小(强光透镜)。另外，如图8A-i至8C-iv清楚所示，按照极佳的方式校正每一种象差。

另外如表4所示，实施例2中的投影用变焦透镜满足所有的公式(1)至(8)、公式(1′)至(7′)和公式(1″)至(7″)。

<实施例3>

实施例3中的投影用变焦透镜如图5所示构建。另外，在图6中示出了在变焦期间每一可移动透镜组的移动路径。

实施例3中的投影用变焦透镜按照与实施例1中的投影用变焦透镜基本上类似的方式构建。然而，实施例3中的投影用变焦透镜与实施例1中的投影用变焦透镜的主要区别在于：在实施例1中第一透镜L₁的两个表面都是非球面，而在实施例3中第一透镜L₁在光轴Z上具有双凹面形状，并且光阑3没有设置在透镜系统中。

表3的上半部分示出了实施例3中每一透镜表面的曲率半径R、每一透镜的中心厚度D以及透镜之间的空气间隔D、每一透镜的有效直径、对于d线的折射率N_d和阿贝数v_d。

表3的中间部分示出了常数K和A₃至A₁₀，它们是与非球面相对应的非球面系数。另外，表3的下半部分示出了当投影距离是162.80时在广角端(广角)、中间位置(中距)和远距端(远距)的可变距离1、可变距离2和可变距离3。可变距离1是第一透镜组G₁和第二透镜组G₂之间的距离。可变距离2是第二透镜组G₂和第三透镜组G₃之间的距离。可变距离3是第三透镜组G₃和第四透镜组G₄之间的距离。

[表3]

焦距：0.9956-1.0956、投影距离：162.80、视角：57.8-53.3度，光圈数：F1.70-1.76

*非球面系数

表4示出了实施例3中与上述公式相对应的数值。

图9A-i、9A-ii、9A-iii和9A-iv是示出了实施例3中的投影用变焦透镜在广角端(广角)的球差、象散、失真和横向色差的图。图9B-i、9B-ii、9B-iii和9B-iv是示出了实施例3中的投影用变焦透镜在中间位置处(中距)的球差、象散、失真和横向色差的图。图9C-i、9C-ii、9C-iii和9C-iv是示出了实施例3中的投影用变焦透镜在远距端(远距)的球差、象散、失真和横向色差的图。

如表3所示，在广角端实施例3中的投影用变焦透镜的视角2ω是57.8度(广角)，实施例3中的投影用变焦系统的F值是1.70，该值较小(强光透镜)。另外，如图9A-i至9C-iv清楚所示，按照极佳的方式校正每一种象差。

另外如表4所示，实施例3中的投影用变焦透镜满足所有的公式(1)至(8)、公式(1′)至(7′)以及公式(1″)至(4″)、(6″)和(7″)。

[表4]

公式号码	公式	示例1	示例2	示例3
					(1)	F_G3/f_w	28.4	27.4	129.5
(2)	\|F_G1/f_w\|	2.0	2.0	2.1
					(3)	F_G2/f_w	2.0	1.7	2.0
(4)	F_G4/f_w	3.4	3.5	3.4
					(5)	bf/f_w	1.71	1.68	1.72
(6)	β2w	-0.7	-0.7	-0.7
					(7)	β3w	1.5	1.6	1.6
(8)	Z_R3	0.995	0.995	0.999

本发明的投影用变焦透镜不局限于上述实施例，在不脱离本发明要旨的情况下可以进行各种修改。例如，每一透镜的曲率半径R和轴向表面距离D(每一透镜的中心厚度D以及透镜之间的空气间隔D)可以按照适当方式改变。

如上所述，根据本发明实施例的投影用变焦透镜由九个透镜组成，包括在投影用变焦透镜的放大侧设置的非球面透镜，并且采用双组可移动变焦方法。尽管按照这种方式构建本发明的投影用变焦透镜，本发明的投影用变焦透镜是具有约1.7的小F值的高分辨率透镜，并且维持大于或等于50％的外围光量。

Claims

1.一种投影用变焦透镜，包括：

从投影用变焦透镜的放大侧依次排列的下述透镜组：

第一透镜组，具有负折射能力；

第二透镜组，具有正折射能力；

第三透镜组，具有正折射能力；以及

第四透镜组，具有正折射能力，

其中所述第一透镜组和所述第四透镜组在变焦期间固定，但是所述第二透镜组和所述第三透镜组基于从广角端到远距端操作所述变焦透镜的操作来在所述变焦透镜的光轴上朝着放大侧移动，使得所述第二透镜组和所述第三透镜组之间的距离变化；以及

满足以下公式(1)：

17＜F_G3/fw (1)，其中

F_G3：所述第三透镜组的焦距；以及

fw：整个系统在广角端的焦距，其中，

所述第一透镜组由从放大侧依次排列的负的第一透镜和负的第二透镜组成，所述负的第一透镜是由塑料制成的非球面透镜，以及

所述第二透镜组由从放大侧依次排列的正的第三透镜和正的第四透镜组成；以及

所述第三透镜组由从放大侧依次排列的第五透镜、负的第六透镜、正的第七透镜和正的第八透镜组成，所述第五透镜是面对放大侧具有凸面的负弯月透镜，所述负的第六透镜面对放大侧具有凹面，所述正的第七透镜面对变焦透镜的缩小侧具有凸面，并且所述负的第六透镜和所述正的第七透镜接合在一起以形成接合透镜；以及

所述第四透镜组由正的第九透镜组成。

2.根据权利要求1所述的投影用变焦透镜，其中满足以下公式(2)：

1.7＜|F_G1/fw|＜2.5 (2)，其中

F_G1：所述第一透镜组的焦距。

3.根据权利要求1所述的投影用变焦透镜，其中满足以下公式(3)：

1.4＜F_G2/fw＜2.3 (3)，其中

F_G2：所述第二透镜组的焦距。

4.根据权利要求1所述的投影用变焦透镜，其中满足以下公式(4)：

2.9＜F_G4/fw＜4.0 (4)，其中

F_G4：所述第四透镜组的焦距。

5.根据权利要求1所述的投影用变焦透镜，其中满足以下公式(5)：

1.4≤bf/fw＜2.2 (5)，其中

bf：后焦距。

6.根据权利要求1所述的投影用变焦透镜，其中满足以下公式(6)：

-1.0＜β2w＜-0.4 (6)，其中

β2w：所述第二透镜组在广角端的放大率。

7.根据权利要求1所述的投影用变焦透镜，其中满足以下公式(7)：

1.35＜β3w＜1.80 (7)，其中

β3w：所述第三透镜组在广角端的放大率。

8.一种投影型显示装置，包括：

光源；

光阀；

照明光学单元，所述照明光学单元将从所述光源输出的光线导引至所述光阀；以及

根据权利要求1至7中任一项所述的投影用变焦透镜，

其中从所述光源输出的光线由所述光阀进行光调制，并且通过所述投影用变焦透镜投影到屏幕上。