CN102279461B - 变焦透镜和包括变焦透镜的图像投影设备 - Google Patents

变焦透镜和包括变焦透镜的图像投影设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及变焦透镜和包括变焦透镜的图像投影设备。该变焦透镜从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括：具有负折光力的第一透镜单元；具有正折光力的第二透镜单元；具有正折光力的第三透镜单元；具有负折光力的第四透镜单元；具有负折光力的第五透镜单元；和具有正折光力的第六透镜单元。第一和第六透镜单元对于变焦不移动，而第二到第五透镜单元在从广角端到望远端的变焦期间向放大共轭侧移动。第二和第三透镜单元中的每一个由单个正透镜组成。从广角端到望远端的变焦期间的第二、第三和第四透镜单元的移动量满足适当的关系。

Description

变焦透镜和包括变焦透镜的图像投影设备
技术领域
本发明涉及变焦透镜，该变焦透镜适于例如作为用于将图像放大并且投影到屏幕上的图像投影设备(投影仪)的投影透镜。
背景技术
能够将来自个人计算机或视频设备的图像投影到大屏幕上的图像投影设备(投影仪)被广泛用于讲座和电影欣赏等。
在投影设备中，所谓的安装型投影仪被广泛使用，所述安装型投影仪被固定地安装在会议室或电影院等中。为了使固定的安装型投影仪适应各种安装条件，希望投影仪是可互换投影透镜型投影仪，在所述可互换投影透镜型投影仪中，可对于同一主体互换多个投影透镜。
在可互换投影透镜投影仪中，通过标准投影透镜来确定灯泡在光轴方向上的位置。因此，其它可互换透镜的轴向色差需要被调整为与标准投影透镜一致。
出于上述的原因，被用于可互换投影透镜投影仪等的投影透镜被要求具有小的轴向色差。此外，近年来，为了以数量较少的透镜覆盖大的投影距离范围的目的，已要求投影透镜是具有高变焦比的变焦透镜。一般地，当确保高变焦比时，在变焦时轴向色差的变动增大。
为了减小变焦时的轴向色差的变动，已知一种由各被配置为自身消色差的透镜单元组成的变焦透镜(US 2002/0060858)。
为了在确保高变焦比的同时减小透镜系统的总长，已知一种用于投影仪的变焦透镜，该变焦透镜由总共六个透镜单元构成，所述六个透镜单元包括各由具有大的折光力的用于变倍的单正透镜构成的透镜单元(US 2007/0285802和日本专利申请特开No.2008-052174)。
用于投影仪的变焦透镜被要求具有高的变焦比并且几乎没有轴向色差，使得能够获得具有高图像质量的投影图像。此外，用于投影仪的变焦透镜被要求具有长的后焦距以在其中布置颜色分离/组合棱镜。
为了满足这些要求，适当地设置构成变焦透镜的多个透镜单元的折光力、用于变焦的透镜单元的移动量以及构成透镜单元的透镜的材料是重要的。如果这些因素不合适，那么确保预定长度的后焦距以及降低对于以高变焦比变焦的轴向色差的变动以便获得高光学性能变得困难。
发明内容
根据本发明的变焦透镜从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括：具有负折光力的第一透镜单元；具有正折光力的第二透镜单元；具有正折光力的第三透镜单元；具有负折光力的第四透镜单元；具有负折光力的第五透镜单元；以及具有正折光力的第六透镜单元，其中：所述第一透镜单元和第六透镜单元对于变焦不移动，而第二透镜单元、第三透镜单元、第四透镜单元和第五透镜单元在从广角端到望远端的变焦期间向放大共轭侧移动；所述第二透镜单元和第三透镜单元中的每一个由单个正透镜组成；以及，满足以下的条件表达式：
0.8＜D3/D4＜1.2；
1.2＜D3/D2＜2.0；以及
0.2＜D4/L＜0.4、
其中，D2、D3和D4分别表示第二透镜单元、第三透镜单元和第四透镜单元在从广角端到望远端的变焦期间的移动量，并且，L表示透镜长度。
参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明
图1是本发明的实施例1的透镜截面视图。
图2是本发明的实施例1的轴向色差的说明图。
图3A是本发明的实施例1的广角端处的像差图。
图3B是本发明的实施例1的望远端处的像差图。
图4是本发明的实施例2的透镜截面视图。
图5是本发明的实施例2的轴向色差的说明图。
图6A是本发明的实施例2的广角端处的像差图。
图6B是本发明的实施例2的望远端处的像差图。
图7是本发明的实施例3的透镜截面视图。
图8是本发明的实施例3的轴向色差的说明图。
图9A是本发明的实施例3的广角端处的像差图。
图9B是本发明的实施例3的望远端处的像差图。
图10是本发明的实施例4的透镜截面视图。
图11是本发明的实施例4的轴向色差的说明图。
图12A是本发明的实施例4的广角端处的像差图。
图12B是本发明的实施例4的望远端处的像差图。
图13是本发明的实施例5的透镜截面视图。
图14是本发明的实施例5的轴向色差的说明图。
图15A是本发明的实施例5的广角端处的像差图。
图15B是本发明的实施例5的望远端处的像差图。
图16是本发明的图像投影设备的说明图。
具体实施方式
以下参照附图详细描述本发明的示例性实施例。
本发明的变焦透镜包括从放大共轭侧到缩小共轭侧依次布置的以下透镜单元。具体地，设置有：具有负折光力的第一透镜单元、具有正折光力的第二透镜单元、具有正折光力的第三透镜单元、具有负折光力的第四透镜单元、具有负折光力的第五透镜单元以及具有正折光力的第六透镜单元。
于是，所述第一透镜单元和第六透镜单元对于变焦不移动，而第二透镜单元到第五透镜单元在从广角端到望远端的变焦时向放大共轭侧移动。
所述第二透镜单元和第三透镜单元中的每一个由单个正透镜形成。因而，获得预定长度的后焦距，使得能够获得在以高变焦比变焦时几乎没有轴向色差波动的变焦透镜，并且，该变焦透镜能够在整个变焦范围上获得高光学性能。
图1是本发明的实施例1的变焦透镜在广角端(WIDE)处的透镜截面视图。
图2是本发明的实施例1的变焦透镜在广角端、中间变焦位置(MIDDLE)和望远端(TELE)处的轴向色差关于波长的说明图。
在图2中，水平轴指示波长，并且，垂直轴把轴向色差作为散焦来指示(在以下的描述中也是如此)。
图3A和3B是当投影距离(该距离是到第一透镜表面的距离)为3.29m(该距离是当数值实施例由mm表示时的距离；在以下的描述中也是如此)时实施例1的变焦透镜在广角端和望远端处的纵向像差图。
图4是本发明的实施例2的变焦透镜在广角端的透镜截面视图。
图5是本发明的实施例2的变焦透镜在广角端、中间变焦位置和望远端处的轴向色差关于波长的说明图。
图6A和6B是当投影距离为3.29m时实施例2的变焦透镜在广角端和望远端处的纵向像差图。
图7是本发明的实施例3的变焦透镜在广角端的透镜截面视图。
图8是本发明的实施例3的变焦透镜在广角端、中间变焦位置和望远端处的轴向色差关于波长的说明图。
图9A和9B是当投影距离为3.29m时实施例3的变焦透镜在广角端和望远端处的纵向像差图。
图10是本发明的实施例4的变焦透镜在广角端的透镜截面视图。
图11是本发明的实施例4的变焦透镜在广角端、中间变焦位置和望远端处的轴向色差关于波长的说明图。
图12A和12B是当投影距离为3.29m时实施例4的变焦透镜在广角端和望远端处的纵向像差图。
图13是本发明的实施例5的变焦透镜在广角端的透镜截面视图。
图14是本发明的实施例5的变焦透镜在广角端、中间变焦位置和望远端处的轴向色差关于波长的说明图。
图15A和15B是当投影距离为3.29m时实施例5的变焦透镜在广角端和望远端处的纵向像差图。
图16是包括本发明的变焦透镜的图像投影设备的主要部分的示意图。
每个实施例的变焦透镜是用于图像投影设备(投影仪)的投影透镜(投影光学系统)。在透镜截面视图中，左侧是放大共轭侧(屏幕)(前方)，并且右侧是缩小共轭侧(图像显示元件侧)(后方)。
所述投影透镜包括变焦透镜LA、孔径光阑STO、液晶板(图像显示元件)等的(要被投影的)原图像IE、屏幕S和与颜色分离/组合棱镜、滤光器、面板(平行平板玻璃)、晶体低通滤波器或红外截止滤波器等对应的光学块GB。箭头指示在从广角端到望远端的变焦时透镜单元的移动方向(移动轨迹)。广角端和望远端指示当用于变倍的透镜单元位于光轴上的机械可移动范围的各端时的变焦位置。
每个实施例中的变焦透镜从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括：具有负折光力的第一透镜单元10、具有正折光力的第二透镜单元20、具有正折光力的第三透镜单元30以及孔径光阑STO。此外，变焦透镜还包括：具有负折光力的第四透镜单元40、具有负折光力的第五透镜单元50和具有正折光力的第六透镜单元60。于是，第一透镜单元10和第六透镜单元60对于变焦不移动。第二到第五透镜单元20到50对于从广角端到望远端的变焦向放大共轭侧移动。
第一透镜单元10和第六透镜单元60是对变倍不做贡献的透镜单元，并且，第二到第五透镜单元20到50是用于变倍的透镜单元。
第一透镜单元10包括固定的第一透镜子单元11和具有正折光力的第二透镜子单元12，该第二透镜子单元12在从无限远位置处的物体向近距离处的物体聚焦时向缩小共轭侧移动。
在像差图中，Fno表示F数，并且，对于450nm的波长、470nm的波长、550nm的波长和620nm的波长示出了球面像差图(纵向球面像差)。
在像散图(像散像场弯曲)中，用T表示子午像面，并且用S表示弧矢像面。
对于550nm的波长示出了畸变图(畸变)。
用IMGHT表示像高。
每个实施例是用于包括灯泡的图像投影设备(特别地，装备有液晶显示元件的三色投影仪)的变焦透镜。每个实施例的变焦透镜可以被用作图像拾取设备的图像拾取光学系统，该图像拾取设备使用图像拾取元件而不是灯泡。
每个实施例的变焦透镜包括从放大共轭侧到缩小共轭侧依次布置的六个透镜单元，即，具有负折光力、正折光力、正折光力、负折光力、负折光力和正折光力的第一透镜单元10到第六透镜单元60。于是，第二透镜单元20到第五透镜单元50的所有透镜单元在从广角端到望远端的变焦期间向放大共轭侧移动。第一透镜单元10和第六透镜单元60对于变焦不移动。由于第一透镜单元10对于变焦不移动，所以第一透镜单元10对变倍不做贡献，而是通过其一部分即通过第二透镜子单元12使得能够进行聚焦。另外，使用液晶显示元件的投影仪由于其入射角特性所以被要求在缩小共轭侧具有高的远心特性。如果在变焦期间第六透镜单元60可移动同时保持远心特性，那么当第六透镜单元60向放大共轭侧移动时在屏幕周边处光量明显减小，这是不希望的。
另外，棱镜(光学部件)GB位于第六透镜单元60的缩小共轭侧。在三板型(tri-panel)投影仪的情况下，该棱镜GB是颜色分离/组合棱镜。
棱镜GB通常包括用于把入射光分离成具有R(波长620nm)、G(波长550nm)和B(波长470nm)的中心波长的三种颜色的二向色棱镜。此外，棱镜GB还包括用于组合由三种不同液晶灯泡调制的光的二向色棱镜。
第一透镜单元10包括第一透镜子单元11和第二透镜子单元12。第一透镜子单元11对于聚焦是固定的，并且，第二透镜子单元12对于从近距离向无限远的聚焦向缩小共轭侧移动。具有大的有效直径的第一透镜子单元是固定的，而只有由单个弯月透镜形成的第二透镜子单元12对于聚焦移动。因而，第一透镜单元10可被镜筒高精度地保持，并且，要被移动的透镜的重量能够减小，结果，偏心特性被减小并且能够有利于精确聚焦。
对于变焦，第二透镜单元20和第三透镜单元30是用于变倍的主要透镜单元，它们与其它透镜单元相比具有相对高的焦度(折光力)。在每个实施例中，第二透镜单元20和第三透镜单元30各由单透镜形成。如果用于变倍的具有高焦度的主要透镜单元20和30由多个透镜形成，则色差减小但是每个透镜表面的曲率趋向于变大。结果，透镜单元的尺寸被增大从而使得无法获得足够的行程(移动量)，或者透射率与单透镜相比趋向于明显变小，这是不希望的。
即使用于变倍的具有相对短的焦距和小的变倍比的透镜单元是由单透镜形成的，也容易将各种像差的变动减小到相对小的值。相反地，具有长焦距和大的变倍比的透镜单元趋向于在透镜单元中具有较大光束高度以及光束高度的较大的变动。因此，特别地，轴向色差的变动增大。
在每个实施例中，用于从广角端向望远端变焦的第二、第三和第四透镜单元20、30和40的移动量分别由D2、D3和D4表示。透镜长度(透镜前端表面和透镜后端表面之间的距离)由L表示。在这种情况下，满足以下条件表达式。
0.8＜D3/D4＜1.2  ....(1)
1.2＜D3/D2＜2.0  ....(2)
0.2＜D4/L＜0.4   ....(3)
根据每个实施例的变焦透镜满足条件表达式(1)到(3)，从而实现即使第二透镜单元20和第三透镜单元30每个都由单透镜形成的情况下在变焦期间轴向色差的变动也减小。
条件表达式(1)指示在变焦期间第三透镜单元30和第四透镜单元40的移动量的比率接近1.0。条件表达式(2)指示在变焦期间第三透镜单元30的移动量大于第二透镜单元20的移动量。条件表达式(3)指示在变焦期间第四透镜单元40的移动量是相对大的。
描述通过变焦透镜的轴向光束的光路。在负前导型变焦透镜中，第一透镜单元10使光束的高度更高，在所述负前导型变焦透镜中，第一透镜单元10由各具有负折光力的透镜单元形成。因此，在第二透镜单元20中，轴向光束的入射高度(此后用h表示)总是大于第一透镜单元10中的轴向光束的入射高度。因此，当第二透镜单元20在从广角端到望远端的变焦期间向放大共轭侧移动时，轴向光束的入射高度h变化较大。轴向色差的三阶系数与入射高度h的平方成比例。因此，为了减少轴向色差的变动，需要减小第二透镜单元20处的入射高度h的变动。另一方面，具有这样的特征：即，对于变倍，在孔径光阑STO处，入射高度h总是相同的。因此，如果在其中入射高度h不应该被改变的透镜单元抵抗相对于孔径光阑STO的移动，则入射高度h的变动能够被减小。
如果孔径光阑STO被包括在第三透镜单元30中，则在第三透镜单元30处，入射高度h的变动能够被减小。此外，通过如条件表达式(1)中所示把用于变焦的第三透镜单元30的移动量与第四透镜单元40的移动量之间的比率设置为接近于1.0，到第四透镜单元40的入射高度h的变动能够被减小。
另外一方面，为了获得高的变倍比，需要增大第二透镜单元20的移动量。然而，为了将入射高度h的变动保持为最小，第三透镜单元30的移动量被设置为大于第二透镜单元20的移动量，如条件表达式(2)所示。作为减小用于变焦的第三透镜单元30和第四透镜单元40之间的移动量的比率的结果，第四透镜单元40为了变焦而移动较大，如条件表达式(3)中所示。
当上述条件被满足时，第二透镜单元20和第三透镜单元30之间的上方轴向光束和下方轴向光束(它们是从光轴上的一个点发射出并且穿过被F数限制的光束的最外部分的光束(边缘光束))变得比通常更平行于光轴。换言之，能够实现这样的光学布置，即在该光学布置中，即使第二透镜单元20和第三透镜单元30之间的间隔被改变，入射高度h的变动也能够被减小。
在条件表达式(1)没有被满足的情况下，第四透镜单元40处的入射高度h的变动趋向于变大而增大轴向色差的变动，这是不希望的。在条件表达式(2)的上限不被满足的情况下，第二透镜单元20的移动量相对于透镜长度减小而弱化变倍效果，这是不希望的。另外，在条件表达式(2)的下限不被满足的情况下，第二透镜单元20处的入射高度h的变动增大，这是不希望的。在条件表达式(3)的上限不被满足的情况下，孔径光阑STO过度移动，从而使得难以校正离轴像差或者极度减小边缘光束量，这是不希望的。在条件表达式(3)的下限不被满足的情况下，第二透镜单元20中的入射高度h的变动被增大或者变倍效果被弱化，这是不希望的。
更优选地，如下设置条件表达式(1)到(3)的值范围。
1.0＜D3/D4＜1.1    ....(1a)
1.25＜D3/D2＜1.80  ....(2a)
0.25＜D4/L＜0.35   ....(3a)
如上所述，根据每个实施例，能够在整个屏幕上合适地校正色差，并且因此能够获得具有高光学性能的变焦透镜。
在每个实施例的变焦透镜中，满足以下条件中的一个或更多个是更优选的。
第一透镜单元10、第二透镜单元20和第六透镜单元60的焦距被表示为f1、f2和f6。在广角端处和在望远端处的第一透镜单元10和第二透镜单元20之间的主点间隔被分别表示为H12W和H12T。
在望远端处的第二透镜单元20和第三透镜单元30的成像倍率被分别表示为β2T和β3T。
第二透镜单元20的正透镜的材料的部分色散比被表示为θgf(B2)。第三透镜单元30的正透镜的部分色散比和异常色散被分别表示为θgf(B3)和Δθgf(B3)。
这里，Abbe数(关于d线的Abbe数)Vd、对于g线和F线的部分色散比θgf以及异常色散Δθgf如下。材料关于g线(波长435.8nm)、F线(486.1nm)、d线(587.6nm)和C线(656.3nm)的折射率被分别表示为Ng、Nd、Nf和Nc。在这种情况下，满足以下等式。
部分色散比θgf＝(Ng-Nf)/(Nf-Nc)
异常色散Δθgf＝θgf-(0.6438-0.001682×Vd)
Vd＝(Nd-1)/(Nf-Nc)
在构成第一透镜单元10的透镜中的从放大共轭侧起的第a个透镜的材料的折光力和Abbe数分别被表示为和Vd1a。假设第三透镜单元30和第四透镜单元40的组合为单个透镜单元，那么，从放大共轭侧起的第a个透镜的材料的折光力和Abbe数分别被表示为
Figure BDA0000066058220000102
和Vd34a。
从广角端到望远端的变焦时的第五透镜单元50的移动量被表示为D5。
在这种情况下，满足以下条件表达式中的一个或者更多个是好的。
1.0＜(|f1|+H12W)/f2＜1.5            …(4)
0.8＜(|f1|+H12T)/f2＜1.2            …(5)
-1.3＜β2T×β3T＜-0.7              …(6)
0.520＜θgf(B2)＜0.550              …(7)
0.590＜θgf(B3)＜0.670              …(8)
0.007＜Δθgf(B3)＜0.030            …(9)
Figure BDA0000066058220000103
Figure BDA0000066058220000104
0.8＜D2/D5＜1.2                     …(12)
1.2＜D4/D5＜2.0                     …(13)
1.0＜|f6/f1|＜2.0                   …(14)
为了减小轴向色差，用于变倍的透镜单元的放大共轭侧的每个透镜单元都需要被配置为充分消色差的。条件表达式(4)和(5)示出对于其的条件。
条件表达式(4)和条件表达式(5)示出了用于使第二透镜单元20和第三透镜单元30之间的上方轴向光束和下方轴向光束接近平行于光轴的条件。
当这些条件被满足时，即使透镜单元之间的间隔被改变，也容易减小轴向光束的入射高度h的变动。
条件表达式(5)示出了使第二透镜单元20和第三透镜单元30之间的上方轴向光束和下方轴向光束在入射高度h变大的望远端处平行于光轴的条件。当条件表达式(5)的值是1.0时，获得完全平行的状态。条件表达式(4)定义了在广角端的平行程度。由于第二透镜单元20和第三透镜单元30之间的间隔为了变倍而减小，因此能够通过配置在广角端向缩小共轭侧会聚的光束而减小第三透镜单元30处的入射高度h的变动。
在条件表达式(4)的上限不被满足的情况下，上方轴向光束和下方轴向光束关于光轴的倾斜在广角端处趋向于变大，这是不希望的。在条件表达式(4)的下限不被满足的情况下，上方轴向光束和下方轴向光束关于光轴的倾斜在望远端处趋向于变大，这是不希望的。在条件表达式(5)的上限不被满足的情况下，上方轴向光束和下方轴向光束关于光轴的倾斜在广角端处趋向于变大，这是不希望的。在条件表达式(5)的下限不被满足的情况下，上方轴向光束和下方轴向光束关于光轴的倾斜在望远端处趋向于变大，这是不希望的。
条件表达式(6)示出了用于即使主要在高变倍时也减小轴向色差的变动的条件。条件表达式(6)示出了作为用于变倍的主要透镜单元的第二透镜单元20和第三透镜单元30的组合成像倍率。通过将条件表达式(6)的值保持为小，容易防止第一透镜单元10中残留的纵向像差不希望地增大。为了获得高变焦比，条件表达式(6)的值被设置为接近-1。于是，容易获得高的变焦比以及最小化轴向色差的变动。在条件表达式(6)的上限不被满足的情况下，第一透镜单元10中残留的纵向像差趋向于变大。结果，轴向色差及其变动增大，并且难以通过第四透镜单元40及之后的透镜单元校正该增大。在条件表达式(6)的下限不被满足的情况下，难以获得必要的变焦比，这是不希望的。
条件表达式(7)到(9)示出了用于减小轴向色差及其变动的绝对值的条件。如果第二透镜单元20和第四透镜单元40在减小轴向光束对于透镜单元的入射高度h的变动时为了变焦而移动，那么难以把入射高度h的变动减小为零。条件表达式(7)到(9)示出了用于通过适当地选择构成第二透镜单元20的透镜的材料以及通过适当地选择构成第三透镜单元30的透镜的材料来减小轴向色差的条件。
在每个实施例中，比较第二透镜单元20和第三透镜单元30，第二透镜单元20处的入射高度h的变动略微较大。因此，优选地对于第二透镜单元20使用具有小的颜色色散的材料。特别地，通过使用具有低部分色散比的材料，容易改善轴向色差。
这里，在通常的色差校正中，在极短波长和极长波长处的色差很可能被略微过度校正。如果试图平衡色差的校正，则很可能获得焦点向上方侧(over side)偏移的未对焦状态，这就是所谓的碗形轴向色差。因此，具有小的色散的材料、特别是具有低的部分色散比的材料被用于其中入射高度h的变动小的第三透镜单元30的透镜，从而可以有利于进一步减小轴向色差。此外，对构成第三透镜单元30的透镜使用具有异常色散的材料是有效的。
在条件表达式(7)的上限、条件表达式(8)的上限和条件表达式(9)的上限中的任何一个不被满足的情况下，无法获得具有稳定特性的材料，这是不希望的。在条件表达式(7)的下限不被满足的情况下，第二透镜单元20中的轴向色差的变动趋向于变大，这是不希望的。在条件表达式(8)的下限不被满足的情况下，应通过其它透镜单元来实现轴向色差的较高校正效果，这是不希望的。在条件表达式(9)的下限不被满足的情况下，在短波长和长波长处，轴向色差增大，这是不希望的。
条件表达式(10)通过消除光束的入射高度h而近似地表达在第一透镜单元10中的轴向色差的发生，其中条件表达式(10)的值越小，由于在第一透镜单元10中的残留轴向色差越小，因此就越优选。条件表达式(11)示出了，第三透镜单元30中和第四透镜单元40中的轴向色差值的和处于恒定范围中或更小，这表明第三透镜单元30中和第四透镜单元40中的消色差关系。
除了条件表达式(1)和(2)，还优选地满足条件表达式(12)和(13)。根据这一点，在第二透镜单元20和第五透镜单元50移动所沿的具有近似平移关系的轨迹之间，第三透镜单元30和第四透镜单元40沿着具有近似平移关系的各自的轨迹移动，从而执行像点校正和轴向色差调整。因而，容易减小轴向色差的变动。
条件表达式(14)示出了固定的第六透镜单元60和固定的第一透镜单元10之间的焦度(折光力)之比。在条件表达式(14)的范围内，容易防止透镜长度被不希望地增大。在条件表达式(14)的上限不被满足的情况下，难以保持长的后聚焦。在条件表达式(14)的下限不被满足的情况下，容易校正像差，但是透镜长度增大，这是不希望的。
作为用于校正本发明的变焦透镜中的轴向色差的优选方面，存在一种结构，在该结构中，在具有上面提到的六单元结构的变焦透镜中满足以下条件表达式。
(a)满足条件表达式(2)、(7)和(8)。更优选地，也满足条件表达式(9)。
(b)满足条件表达式(1)、(2)和(7)到(9)。更优选地，也满足条件表达式(11)。
(c)满足条件表达式(2)和(7)到(9)。更优选地，也满足条件表达式(1)、(10)和(11)。
更优选地，如下设置条件表达式(4)到(7)的数值范围是更好的。
1.10＜(|f1|+H12W)/f2＜1.47        …(4a)
0.83＜(|f1|+H12T)/f2＜1.15        …(5a)
-1.10＜β2T×β3T＜-0.73          …(6a)
0.525＜θgf(B2)＜0.546            …(7a)
0.600＜θgf(B3)＜0.650            …(8a)
0.010＜Δθgf(B3)＜0.020          …(9a)
Figure BDA0000066058220000141
Figure BDA0000066058220000142
0.9＜D2/D5＜1.1                   …(12a)
1.3＜D4/D5＜1.9                   …(13a)
1.1＜|f6/f1|＜1.5                 …(14a)
如上所述，根据每个实施例，由于变焦导致的轴向色差能够被简单的单元结构合适地校正，使得能够获得在整个变焦范围上具有良好光学性能和长焦距的变焦透镜。
在每个实施例中，采用所谓的内对焦(inner-focus)进行聚焦，但是，整个第一透镜单元10可以被移动，或者可以利用所谓的浮动法(floating)，在所述浮动法中，第一透镜子单元11也为了聚焦而移动与第二透镜子单元12的移动量不同的量。此后，描述各单个数值实施例的特征。
数值实施例1
在数值实施例1中，变焦时的轴向色差的变动被减小。主要地，假设R(620nm)、G(550nm)和B(470nm)的三种波长，并且，其轴向色差的变动的目标被设置为R-G＝10μm并且B-G＝30μm。这里，当广角端的F数Fno是2.0时用于以64/mm的空间频率获得适当的分辨率的焦深范围是±22μm。图1中所示的本发明的实施例1的变焦透镜是由从第一透镜单元10到第六透镜单元60的总共15个透镜元件形成的。表1(D)示出了图2中所示的绘图的值。在数值实施例1中，轴向色差与目标的差在R(620nm)处最大为10.4μm并且在B(470nm)处最大为18.9μm。因此，轴向色差被优化为基本上合适的范围中。
数值实施例2
在数值实施例2中，与数值实施例1相比，变焦时的轴向色差的变动被减小。主要地，假设R(620nm)、G(550nm)和B(470nm)的三种波长，并且，其轴向色差的变动的目标被设置为R-G＝10μm并且B-G＝30μm。表2(D)示出了与图5对应的值。在数值实施例2中，轴向色差与目标的差在R(620nm)处最大为8.7μm并且在B(470nm)处最大为12.5μm。因此，轴向色差被优化为基本上合适的范围中。
数值实施例3
当假设三板型投影仪时，把对应于各颜色的灯泡固定在对于各颜色在光轴方向上的最优位置是可能的。如果轴向色差关于波长的变动是陡峭的，则对于各波长，灯泡的最优位置是不同的。因此，即使投影图像对于某个波长聚焦，对于接近的波长的聚焦位置也具有大的偏差，结果是图像略微模糊。在数值实施例3中，在短波长中，关于波长的聚焦偏差敏感度被合适地设置。对于三种波长R(620nm)、G(550nm)和B(470nm)的轴向色差的变动的目标被设置为R-G＝3μm和B-G＝15μm。在数值实施例3中，第二透镜单元20的正透镜的材料是低色散材料，从而使得在短波长中获得关于波长的相对平坦的轴向色差，并且，短波长侧的模糊被减小。表3(D)示出对应于图8的值。在数值实施例3中，轴向色差与目标的差在R(620nm)处最大为3.6μm并且在B(470nm)处最大为6.7μm。因此，轴向色差被优化为基本上合适的范围中。
数值实施例4
在数值实施例4中，关于R(620nm)、G(550nm)和B(470nm)的三种波长的轴向色差的变动的目标被设置为R-G＝5μm和B-G＝30μm。表4(D)示出了图11中所示的绘图的值。在数值实施例4中，轴向色差与目标的差在R(620nm)处最大为7.4μm并且在B(470nm)处最大为11.4μm。因此，轴向色差被优化为基本上合适的范围中。
数值实施例5
在数值实施例5中，关于R(620nm)、G(550nm)和B(470nm)的三种波长的轴向色差的变动的目标被设置为R-G＝-2μm和B-G＝30μm。表5(D)示出了图14中所示的绘图的值。在数值实施例5中，轴向色差与目标的差在R(620nm)处最大为2.2μm并且在B(470nm)处最大为9.2μm。因此，轴向色差被优化为合适的范围中。
以上描述了本发明的优选实施例，但本发明不限于这些实施例，可在本发明的实质的范围内做出各种变更方式和改变。
表1到5示出了各单个实施例的变焦透镜的数值实施例。表(A)中的表面号是按照从放大共轭侧到缩小共轭侧的顺序依次分配给透镜表面的号码。孔径光阑用STO表示。每个透镜表面的曲率半径用r表示，并且，透镜表面i和透镜表面(i+1)之间在光轴上的间隔(物理间隔)用d表示。在表中用d1到d5表示的间隔根据变焦而改变。另外，构成每个透镜元件的材料关于d线的折射率和Abbe数被分别表示为nd和vd。用在右侧带有＊的表面号表示的表面具有由以下函数表达的非球面形状。表(B)示出了指示非球面形状的非球面系数。透镜表面在径向上的坐标由y表示，并且在光轴方向上的坐标由x表示。另外，E-X意指10-x。
x＝(y2/R)/[1+{1-
(1+K)(y2/R2)}1/2]+Ay4+By6+cy8+Dy10+Ey12
表(C)示出了数值实施例的变焦透镜的焦距、F数、场角、像高、整个透镜长度、等效空气后焦距(BF)、变焦时的每个透镜单元间隔。
另外，上面提到的实施例和值之间的关系在表6中示出。
(表1)与实施例1有关的数值实施例
(A)
Figure BDA0000066058220000171
(B)非球面系数
  s3   s4
  R   118.763   37.141
  K   0   0
  A(四阶)   -3.889E-06   -9.881E-06
  B(六阶)   -6.121E-09   -1.496E-08
  C(八阶)   5.727E-11   7.921E-11
  D(十阶)   -2.192E-13   -3.388E-13
  E(十二阶)   2.080E-16   3.649E-16
(C)近轴量
  WIDE   middle   TELE
  焦距   33.96   45.87   57.87
  F数   2.00   2.42   2.84
  场角   42.1   31.8   25.6
  像高   13.1   13.1   13.1
  透镜总长   204.17   204.16   204.17
  BF(在空气中)   45.74   45.73   45.74
  d1   32.87   13.46   3.56
  d2   25.88   18.76   5.60
  d3   5.13   7.93   7.71
  d4   1.61   7.12   19.05
  d5   1.02   19.25   30.59
总长：从透镜前端表面到透镜后端表面的距离加上BF
BF：从透镜后端表面到近轴像面的等效空气距离
(D)数值实施例1中的轴向色差
  WL(nm)   WIDE   middle   TELE
  450   34.6   59.2   17.6
  470   20.9   40.9   11.1
  550   0.0   0.0   0.0
  620   11.7   -0.4   16.8
(表2)与实施例2有关的数值实施例
(A)
Figure BDA0000066058220000191
(B)非球面系数
  s3   s4
  R   116.409   37.132
  K   0   0
  A    (四阶)   -4.535E-06   -1.084E-05
  B    (六阶)   4.840E-09   -1.282E-09
  C    (八阶)   -4.557E-13   1.422E-12
  D    (十阶)   -4.466E-14   -8.458E-14
  E    (十二阶)   1.632E-17   5.324E-17
(C)近轴量
  WIDE   middle   TELE
  焦距   34.00   46.29   57.98
  F数   1.97   2.42   2.85
  场角   42.1   31.6   25.5
  像高   13.1   13.1   13.1
  透镜总长   204.25   204.25   204.25
  BF(在空气中)   45.76   45.76   45.76
  d1   33.92   13.86   3.62
  d2   25.88   18.76   5.60
  d3   5.90   9.51   9.85
  d4   1.50   6.98   18.49
  d5   1.02   19.25   30.59
总长：从透镜前端表面到透镜后端表面的距离加上BF
BF：从透镜后端表面到近轴像面的等效空气距离
(D)数值实施例2中的轴向色差
  WL(nm)   WIDE   middle   TELE
  450   51.1   64.0   38.2
  470    31.3   42.5   24.4
  550   0.0   0.0   0.0
  620   8.6   1.3   13.8
(表3)与实施例3有关的数值实施例
(A)
Figure BDA0000066058220000211
(B)非球面系数
  s3   s4
  R   110.053   36.171
  K   0   0
  A    (四阶)   -4.549E-06   -1.110E-05
  B    (六阶)   6.345E-09   -1.642E-09
  C    (八阶)   -6.794E-12   6.919E-12
  D    (十阶)   -3.129E-14   -1.195E-13
  E    (十二阶)   -5.614E-18   9.148E-17
(C)近轴量
  WIDE   middle   TELE
  焦距   34.01   47.98   61.37
  F数   2.02   2.47   2.89
  场角   42.0   30.5   24.2
  像高   13.1   13.1   13.1
  透镜总长   209.22   209.21   209.21
  BF(在空气中)   45.72   45.71   45.71
  d1   37.85   13.91   3.70
  d2   22.24   17.80   3.72
  d3   5.06   8.19   7.61
  d4   1.50   5.08   15.87
  d5   1.00   22.68   36.75
总长：从透镜前端表面到透镜后端表面的距离加上BF
BF：从透镜后端表面到近轴像面的等效空气距离
(D)数值实施例3中的轴向色差
  WL(nm)   WIDE   middle   TELE
  450   27.6   26.6   8.3
  470   18.2   21.7   9.3
  550   0.0   0.0   0.0
  620   6.6   0.6   6.6
(表4)与实施例4有关的数值实施例
(A)
Figure BDA0000066058220000231
(B)非球面系数
  s3   s4
  R   111.352   35.273
  K   0   0
  A    (四阶)   -3.983E-06   -1.086E-05
  B    (六阶)   6.051E-09   -9.850E-10
  C    (八阶)   -3.078E-12   5.575E-13
  D    (十阶)   -4.763E-14   -1.046E-13
  E    (十二阶)   2.063E-17   7.120E-17
(C)近轴量
  WI DE   middle   TELE
  焦距   34.01   46.28   57.95
  F数   1.99   2.41   2.81
  场角   42.0   31.6   25.6
  像高   13.1   13.1   13.1
  透镜总长   204.25   204.24   204.25
  BF(在空气中)   45.75   45.74   45.75
  d1   34.44   13.83   3.61
  d2   20.34   14.56   2.50
  d3   5.72   8.35   7.55
  d4   1.50   6.59   18.37
  d5   1.00   19.67   30.97
总长：从透镜前端表面到透镜后端表面的距离加上BF
BF：从透镜后端表面到近轴像面的等效空气距离
(D)数值实施例4中的轴向色差
  WL(nm)   WIDE   middle   TELE
  450   44.4   55.9   33.5
  470   29.3   41.4   24.6
  550   0.0   0.0   0.0
  620   5.5   -2.4   8.4
(表5)与实施例5有关的数值实施例
(A)
(B)非球面系数
  s3   s4
  R   82.381   33.635
  K   0   0
  A    (四阶)   -4.036E-06   -1.062E-05
  B    (六阶)   5.921E-09   -1.151E-09
  C    (八阶)   -1.642E-12   4.503E-12
  D    (十阶)   -3.397E-14   -8.911E-14
  E    (十二阶)   2.639E-18   4.454E-17
(C)近轴量
  WIDE   middle   TELE
  焦距   34.00   47.61   61.29
  F数   1.990   2.372   2.846
  场角   42.1   30.8   24.2
  像高   13.1   13.1   13.1
  透镜总长   209.218   209.216   209.214
  BF(在空气中)   45.728   45.726   45.724
  d1   43.33   16.67   3.81
  d2   21.29   22.63   9.94
  d3   4.52   9.22   4.81
  d4   5.08   3.47   19.37
  d5   1.00   23.23   37.30
总长：从透镜前端表面到透镜后端表面的距离加上BF
BF：从透镜后端表面到近轴像面的等效空气距离
(D)数值实施例5中的轴向色差
  WL(nm)   WIDE   middle   TELE
  450   50.1   26.2   31.5
  470   34.5   20.8   26.7
  550   0.0   0.0   0.0
  620   -1.5   0.2   -3.9
(表6)实施例中的每个条件表达式的值
实施例
  实施例1   实施例2   实施例3   实施例4   实施例5
  条件表达式(1)   1.055   1.084   1.051   1.039   1.006
  条件表达式(2)   1.692   1.640   1.542   1.579   1.287
  条件表达式(3)   0.297   0.293   0.307   0.296   0.309
  条件表达式(4)   1.228   1.410   1.144   1.297   1.455
  条件表达式(5)   0.939   1.070   0.853   0.989   1.057
  条件表达式(6)   -0.966   -0.962   -0.865   -0.936   -0.787
  条件表达式(7)   0.544   0.544   0.537   0.530   0.544
  条件表达式(8)   0.616   0.616   0.616   0.621   0.616
  条件表达式(9)   0.015   0.015   0.015   0.017   0.015
  条件表达式(10)   0.012   0.013   0.012   0.012   0.010
  条件表达式(11)   -0.015   -0.025   -0.007   -0.010   0.013
  条件表达式(12)   0.991   1.028   0.955   1.029   1.089
  条件表达式(13)   1.590   1.555   1.402   1.563   1.394
  条件表达式(14)   1.249   1.200   1.181   1.177   1.195
此后，参照图16描述其中本发明的光学系统被应用于投影设备(投影仪)的实施例。图16示出了投影设备，在该投影设备中，本发明的变焦透镜被应用于三板型液晶投影仪，并且，基于形成原图像的多个液晶显示元件的多条彩色光图像信息被颜色组合单元组合，从而通过用于投影的透镜将图像放大并且投影到屏幕上。
在图16中，彩色液晶投影仪100包括作为颜色组合单元的棱镜200，该颜色组合单元用于组合来自R、G和B的三个面板的RGB颜色光。接着，在被组合到一条光路中之后，该RGB颜色光通过使用由上述变焦透镜构成的投影透镜300而被投射到屏幕400上。以这种方式，数值实施例1到5的变焦透镜能够被用于数字照相机或投影仪等，从而可实现具有高光学性能的投影设备(光学设备)。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这些变更方式以及等同的结构和功能。

Claims (7)

1.一种变焦透镜，该变焦透镜从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括：
具有负折光力的第一透镜单元；
具有正折光力的第二透镜单元；
具有正折光力的第三透镜单元；
具有负折光力的第四透镜单元；
具有负折光力的第五透镜单元；和
具有正折光力的第六透镜单元，其中：
所述第一透镜单元和第六透镜单元对于变焦不移动，而第二透镜单元、第三透镜单元、第四透镜单元和第五透镜单元在从广角端到望远端的变焦期间向放大共轭侧移动；
所述第二透镜单元和第三透镜单元中的每一个由单个正透镜构成；以及
满足以下的条件表达式：
0.8＜D3/D4＜1.2；
1.2＜D3/D2＜2.0；以及
0.2＜D4/L＜0.4，
其中，D2、D3和D4分别表示第二透镜单元、第三透镜单元和第四透镜单元在从广角端到望远端的变焦期间的移动量，并且，L表示透镜长度。
2.根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足以下条件表达式：
1.0＜(|f1|+H12W)/f2＜1.5；以及
0.8＜(|f1|+H12T)/f2＜1.2，
其中，f1和f2分别表示第一透镜单元和第二透镜单元的焦距，并且，H12W和H12T分别表示在广角端处和在望远端处的第一透镜单元和第二透镜单元之间的主点间隔。
3.根据权利要求1或2的变焦透镜，其中，满足以下条件表达式：
-1.3＜β2T×β3T＜-0.7，
其中，β2T和β3T分别表示第二透镜单元和第三透镜单元在望远端处的成像倍率。
4.根据权利要求1或2的变焦透镜，其中，满足以下条件表达式：
0.520＜θgf(B2)＜0.550；
0.590＜θgf(B3)＜0.670；以及
0.007＜Δθgf(B3)＜0.030，
其中，θgf(B2)表示第二透镜单元的单个正透镜的材料的部分色散比，并且，θgf(B3)和Δθgf(B3)分别表示第三透镜单元的单个正透镜的部分色散比和异常色散。
5.根据权利要求1或2的变焦透镜，其中，满足以下条件表达式：
0.8＜D2/D5＜1.2；以及
1.2＜D4/D5＜2.0，
其中，D5表示第五透镜单元在从广角端到望远端的变焦期间的移动量。
6.根据权利要求1或2的变焦透镜，其中，满足以下条件表达式：
1.0＜(|f6/f1|)＜2.0，
其中，f1和f6分别表示第一透镜单元和第六透镜单元的焦距。
7.一种图像投影设备，包括：
根据权利要求1或2的变焦透镜；和
图像显示元件，用于形成原图像，
其中，由图像显示元件形成的原图像被变焦透镜投影。
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