CN102819104A - 变焦透镜 - Google Patents

Abstract

提供具有较少的畸变并表现良好的成像性能的变焦透镜。变焦透镜包含被设置在放大共轭侧的端头处并具有负折光力的第一透镜单元和被设置在缩小共轭侧的端头处并具有正折光力的最后的透镜单元。最后的透镜单元包含缩小共轭侧的端头处的胶合透镜。该胶合透镜具有正折光力。变焦透镜满足具体的条件式。

Description

变焦透镜

本申请是申请日为2010年12月15日、申请号为201010588383.0、发明名称为“变焦透镜”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及变焦透镜，更特别地，涉及后聚焦型（retrofocus）变焦透镜。

背景技术

投影仪是将在个人计算机、视频照相机等上形成的图像投影到大的屏幕上以供观察的装置，并且被广泛用于诸如会议、报告和家庭电影观赏的情况。对于投影仪存在几种要求。例如，一般希望用于投影仪的变焦透镜（投影透镜）具有足够的后焦距的长度、在其缩小共轭侧为远心的（telecentric），并具有较小的横向色差和较小的畸变。

为了便于安装，还希望意欲用于投影仪的变焦透镜具有较短的投影距离。因此，采用后聚焦型透镜配置，在所述后聚焦型透镜配置中，相对于光阑设置在放大共轭侧的前透镜单元具有负折光力，并且设置在缩小共轭侧的后透镜单元具有正折光力的。

但是，后聚焦型透镜关于光阑是不对称的，并因此常常导致负的畸变和/或横向色差。对于希望在缩小共轭侧远心的投影仪透镜尤其如此。随着这种不对称的特性变得更加显著，包含于后透镜单元中的正透镜元件的折光力增加。因此，球面像差和诸如纵向色差的纵向像差变得更加难以校正。

随着最近对于投影图像的电视（TV）畸变的问题的认识，还希望减少畸变。并且，随着最近的分辨率的增加，希望更严格地抑制色差。

为了校正在后聚焦型透镜中出现的畸变，一般通过在前透镜单元中的边缘光线高度大的位置处设置正透镜元件使得光线被会聚而产生正畸变。在这种配置中，横向色差也被校正。但是，由于横向色差的校正水平随着波长改变，因此短波长的光线趋于被过校正。

为了解决这种问题，公开了几种校正由短波长光线导致的过校正的横向色差的技术，在这些技术中，在后透镜单元中的边缘光线高度大的位置处设置导致大的色分散的元件。

在日本专利公开No.2001-100100中，最后的透镜由异常高色散（dispersion）玻璃制成。但是，由这种技术产生的校正的效果有限。在日本专利公开No.2001-154091和No.2002-048974中，“色（chromatic）”胶合透镜被设置为最终的透镜元件。虽然该技术可能比在日本专利公开No.2001-100100中公开的技术更有效，但是，胶合表面大，并且这里采用的透镜元件的组合导致球面像差。因此，即使减少横向色差，分辨率也不增加。鉴于以上，在日本专利公开No.2001-100100、No.2001-154091和No.2002-048974中公开的技术没有提供足以满足最近对于意欲用于投影仪的变焦透镜的要求的性能。

发明内容

本发明提供具有较少的畸变并表现良好的成像性能的变焦透镜。

根据本发明的一个方面，变焦透镜包括：被设置在放大共轭侧的端头（extremity）处并具有负折光力的第一透镜单元；和被设置在缩小共轭侧的端头处并具有正折光力的最后的透镜单元。最后的透镜单元在缩小共轭侧的端头处包含胶合透镜。胶合透镜具有正折光力并包含正透镜元件和负透镜元件。变焦透镜满足以下的条件：

v_N-v_P＞0

n_N-n_P＞0

2.0＜fe/fw＜6.5

这里，n_P和v_P分别表示所述正透镜元件的折射率和Abbe数，n_N和v_N分别表示所述负透镜元件的折射率和Abbe数，fe表示最后的透镜单元的焦距，以及fw表示变焦透镜在广角端的焦距。

从参照附图对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表示根据本发明的第一实施例的变焦透镜的广角端的配置。

图2表示根据本发明的第一实施例的变焦透镜的像差。

图3表示根据本发明的第二实施例的变焦透镜的广角端的配置。

图4表示根据本发明的第二实施例的变焦透镜的像差。

图5表示根据本发明的第三实施例的变焦透镜的广角端的配置。

图6表示根据本发明的第三实施例的变焦透镜的像差。

图7示意性地表示彩色液晶投影仪的相关部分。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的实施例。

根据以下的实施例的变焦透镜分别包含：光阑、相对于光阑被设置在放大共轭侧的负的前透镜单元、以及相对于光阑被设置在缩小共轭侧的正的后透镜单元。换句话说，各变焦透镜包含具有负折光力并被设置在放大共轭侧的端头处的第一透镜单元和具有正折光力并被设置在缩小共轭侧的端头处的最后的透镜单元。后透镜单元（最后的透镜单元）在缩小共轭侧的端头处包含胶合透镜。胶合透镜包含正透镜元件和负透镜元件，并且总体上具有正折光力。这里，使所述胶合透镜的正透镜元件的折射率和Abbe数分别由n_P和v_P表示，并使所述胶合透镜的负透镜元件的折射率和Abbe数分别由n_N和v_N表示。那么，满足被表达为v_N>v_P和n_N>n_P的条件式。

并且，变焦透镜被配置为关于最后的透镜单元的焦距fe和变焦透镜在广角端的焦距fw满足以下的条件：

2.0＜fe/fw＜6.5

因此，在如上面那样配置的根据以下的实施例中的每一个的变焦透镜中，即使后焦距加长并且缩小共轭侧的远心性增强，变焦透镜也有益地表现具有较少的畸变的良好的成像性能。

根据以下的实施例中的每一个的变焦透镜可包含五个、六个或更多个透镜单元。具体而言，变焦透镜可具有以下的配置中的任何配置：其中，按照从放大共轭侧起的顺序，设置包含负、正、正、正和正透镜单元（第三实施例）或负、正、正、负和正透镜单元的五个透镜单元；设置包含负、正、正、正、负和正透镜单元（第一实施例），负、正、正、负、正和正透镜单元（第二实施例）或负、正、负、正、负和正透镜单元的六个透镜单元；设置包含负、正、正、正、负、正和正透镜单元或负、正、正、正、正、负和正透镜单元的七个透镜单元；等等。在这些配置中的每一个中，后透镜单元与从缩小共轭侧计数的第一和第二透镜单元、或者第一到第三透镜单元对应，并且，前透镜单元与包含于后透镜单元中的那些透镜单元以外的透镜单元（相对于后透镜单元在放大共轭侧的所有透镜单元）对应。

第一实施例

图7示意性地表示本发明的所有的以下的实施例共同的图像投影装置的相关部分。

图7所示的图像投影装置是应用上述的变焦透镜的三板（three-panel）、彩色液晶投影仪。在装置中，通过颜色合成单元合成基于多个液晶板的多种颜色的多条图像信息，并且，得到的图像通过变焦透镜被放大并被投影到屏幕表面（投影的表面）上。

在图7所示的彩色液晶投影仪101中，来自三个液晶板105R、105G和105B的光的红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）光线通过颜色合成单元（棱镜）102被合成，以沿单一路径行进，并且，合成的光线通过作为上述的变焦透镜的变焦透镜（投影透镜）103被投影到屏幕104上。

现在将参照附图描述包含于图像投影装置中的根据本发明的第一实施例的变焦透镜。图1是表示根据本发明的第一实施例的变焦透镜（广角端处）的配置的截面图。变焦透镜包括总共包含十五个透镜元件的六个透镜单元。具体而言，变焦透镜从放大共轭侧起依次包含负的第一透镜单元10和20、正的第二透镜单元30、正的第三透镜单元40、正的第四透镜单元50、负的第五透镜单元60和正的第六透镜单元（最后的透镜单元）70。透镜单元之间的距离在变焦中改变。在这十五个透镜元件之中，从放大共轭侧起计数的第二透镜元件是非球面的（在两个表面上）。在第一实施例中，当执行变焦时，第一透镜单元10和20以及第六透镜单元70是静止的，而第二到第五透镜单元30～60移动。第四透镜单元50主要负责变焦。当执行聚焦时，第一透镜单元10和20（具体而言，第一透镜单元10和第二个第一透镜单元20）移动，使得其间的距离（相对距离）改变。随着焦点从无限远物体向近距离物体改变，第一透镜单元10和20沿使得变焦透镜回缩的方向（向缩小共轭侧）移动。

表1概括与第一实施例对应的数值例。在数值例中，f_a表示变焦透镜的焦距，ω表示半视角，以及F表示f数。在表1中，表面序号表示给予从放大共轭侧起依次计数的透镜元件的表面中的每一个的序号。并且，r表示曲率半径，d表示表面之间的距离（到下一序号表面的物理距离），并且，n_d和v_d分别表示透镜元件的材料的对于d线的折射率和Abbe数。从放大共轭侧起计数的第i个透镜元件的厚度和空气间隙被表示为di。标有星号（*）的表面序号意味着该表面具有根据以下的函数的非球面形状：

x＝(y²/R)/[1+{1-(1+K)(y²/R²)}^1/2]+Ay⁴+By⁶+Cy⁸+Dy¹⁰+Ey¹²

这里，y表示径向的坐标，以及x表示光路方向的坐标。在表1中表示非球面形状的系数。

在表1中示为“可变”的表面之间的距离在变焦或聚焦中是可变的。虽然光阑在第一实施例中被设置为第十七个表面，但是不必在所有的实施例中设置光阑。即，保持变焦透镜的透镜元件中的任一个的机械透镜镜筒可用作光阑，或者，边缘光线与光轴相交的位置可被称为光阑。以上给出的符号和后缀对于所有的实施例是共同的。

第六透镜单元70即最后的透镜单元是从放大共轭侧起依次包含正透镜元件和负透镜元件的胶合透镜，并且是色透镜。使包含于该胶合透镜中的正透镜元件和负透镜元件的Abbe数分别由v_P和v_N表示。

这里，要满足以下的条件式：

v_N-v_P＞0···(1)

更具体而言，要满足以下的条件式：

30.0＞v_N-v_P＞5.0···(1a)

条件式（1a）的下限可变为10.0。

更具体而言，要满足以下的条件式：

20.0＞v_N-v_P＞10.0···(1b)

并且，使包含于该胶合透镜（缩小共轭侧的端头处的胶合透镜）中的正透镜元件和负透镜元件的折射率分别由n_P和n_N表示。然后，根据第一实施例的变焦透镜满足以下的条件式：

n_N-n_P＞0···(2)

这样的配置减少在后聚焦透镜（在放大共轭侧的端头处包含具有负折光力的透镜单元的变焦透镜）的后透镜单元（相对于光阑设置在缩小共轭侧）中显著出现的欠侧（under side）的球面像差。更具体而言，要满足以下的条件式：

0.10＞n_N-n_P＞0.02···(2a)

即，第一实施例中的第六透镜单元70由于其色特性的效果而以比已知的玻璃材料高的色散性校正横向色差，并且还由于其胶合表面处的负折光力的效果而减少球面像差。因此，根据第一实施例的变焦透镜表现出比已知的变焦透镜更改善的性能。胶合表面的凸面方向对于提高性能也是重要的。在缩小共轭侧的端头处的透镜位置处，轴向光束向着缩小共轭面会聚。对于这种会聚的光线束，与其它的即使具有相同的折光力的情况相比，如第一实施例那样向着缩小共轭侧凸起的胶合表面也具有导致光线束更显著地发散的效果。因此，产生更大的球面像差的校正效果。相反，如果从放大共轭侧起依次设置负透镜元件和正透镜元件，那么由入射到胶合表面上的轴向光线束形成的折射角度显著变小。因此，与其它的即使具有相同的负折光力的情况相比，过侧（over side）的球面像差的量更多地减小。可根据需要的球面像差的校正量确定胶合表面的凸面的方向。在第一实施例中，胶合表面向着缩小共轭侧凸出。

这里，使包含于胶合透镜中的正透镜元件的焦距和Abbe数分别由f_P和v_P表示；包含于胶合透镜中的负透镜元件的焦距和Abbe数分别由f_N和v_N表示；且胶合透镜的焦距由f表示。然后，要满足以下的条件式：

$\frac{1}{f\&CenterDot;(\frac{1}{f_P{v}_P}+\frac{1}{f_N{v}_N})}<30\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(3\right)$

通过满足条件式（3）的配置，提供实现同时减小畸变和横向色差的变焦透镜。

更具体而言，要满足以下的条件式：

$11.0<\frac{1}{f\&CenterDot;(\frac{1}{f_P{v}_P}+\frac{1}{f_N{v}_N})}<21.0\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(3a\right)$

在根据第一实施例的第六透镜单元70的情况下，f_P＝47.29，f_N＝-79.11，并且f＝117.37。由此，根据条件式（3）的计算结果归为14.56。在图2中表示根据第一实施例的变焦透镜的像差。图2示出畸变减小到0.1%或更低，并且，实现高的性能。

并且，使具有正折光力并被设置在缩小共轭侧的端头处的最后的透镜单元的焦距由fe表示，并且广角端的变焦透镜的焦距由fw表示。然后，根据第一实施例的变焦透镜满足以下的条件式：

2.0＜fe/fw＜6.5···(4)

通过这种配置，变焦透镜被设置为适于在缩小共轭侧远心的投影仪的投影透镜。如果超出条件式（4）的上限或下限，那么不能保持远心性。即，主光线以不可忽略的程度关于光轴呈现角度。一般地，设置在投影透镜的缩小共轭侧的端头处的光学元件（设置在投影透镜和图像显示器件之间的光学元件）对于角度特性的改变敏感。如果不满足条件式（4），那么出现颜色的不均匀性和对比度的不均匀性，例如，这导致图像质量的显著劣化。这种变焦透镜不适于用作用于投影仪的投影透镜。

更具体而言，要满足以下的条件式：

2.8＜fe/fw＜5.5···(4a)

f_a＝23.3～39.4（变焦比：1.7）

ω＝29.3°～18.3°

F/2.0～2.8

表1

表面数据单位：mm

表面序号

   K      A          B         C            D         E

3  0  8.194e-06  -3.001e-08  8.121e-11  -1.211e-13  6.359e-17

4  0  -1.167e-06  -4.294e-08  9.409e-11  -1.623e-13  5.209e-17

第二实施例

图3是根据本发明的第二实施例的变焦透镜的截面图。表2概括与第二实施例对应的数值例。根据第二实施例的变焦透镜从放大共轭侧起依次包括具有负、正、正、负、正和正折光力的六个透镜单元。当执行变焦时，第二到第五透镜单元20～50移动，而第一和第二透镜单元10和60是静止的（不为了变焦而移动）。

第二实施例与第一实施例的不同特别是在于，作为第六透镜单元60并作为色胶合透镜的最后的透镜单元包含从放大共轭侧起依次设置的负透镜元件和正透镜元件。第二实施例中的复合Abbe数v为19.35。由于胶合表面处的折光力为负并且由于上述的原因，因此，出现过侧的球面像差。但是，由于胶合表面向着放大共轭侧凸出，因此，球面像差的量在第一实施例中较小。可根据胶合表面的凸面的方向并通过考虑像差的总体平衡设定通过在胶合表面处出现的球面像差而产生的效果。

其它的细节和效果与第一实施例中的细节和效果相同，并且，其描述被省略。在图4中示出表现变焦透镜的性能的根据第二实施例的变焦透镜的像差。

f_a＝21.8～32.9（变焦比：1.50）

ω＝31.2°～21.7°

F/1.95～2.60

表2

表面数据单位：mm

表面序号

   K       A         B          C         D           E

3  0  2.455e-05  -6.308e-08  1.413e-10  -1.760e-13  9.637e-017

4  0  2.018e-05  -7.080e-08  1.422e-10  -1.763e-13  6.697e-017

第三实施例

图5是根据本发明的第三实施例的变焦透镜的截面图。表3概括与第三实施例对应的数值例。根据第三实施例的变焦透镜包括具有负、正、正、正和正折光力的五个透镜单元。当执行变焦时，第一透镜单元10和20以及第五透镜单元60是静止的，而第二到第四透镜单元30～50移动。第一透镜单元包含在聚焦中静止的第一透镜单元10和在聚焦中沿光轴方向移动的第二个第一透镜单元20。第五透镜单元60固定。作为第三实施例中的最后的透镜单元的第五透镜单元60如第一实施例那样使用正透镜元件和负透镜元件的组合，但是在这两个透镜元件之间具有大得多的折射率差，由此，过侧的球面像差的量增大。因此，分辨率增大。在第三实施例中，根据条件式（3）的计算归为20.82。在图6中示出根据第三实施例的变焦透镜的广角端和望远端的像差。其它的效果与第一实施例中的效果相同，并且，其描述被省略。

f_a＝21.8～32.0（变焦比：1.47）

ω＝29.2°～20.9°

F/1.85～2.65

表3

表面数据单位：mm

表面序号

   K       A         B          C         D         E

3  0  2.631e-05  -7.460e-08  1.998e-10  -2.398e-13  5.347e-17

4  0  1.737e-05  -8.373e-08  1.339e-10  1.969e-14   -6.487e-16

在下表4中概括数值例1～3的根据条件式（1）～（4）的计算结果。

表4

	例子1	例子2	例子3
				式（1）	14.4	11.7	15.3
式（2）	0.026	0.029	0.077
				式（3）	14.56	19.35	20.82
式（4）	4.98	4.74	3.87

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，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样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (8)

1.一种包含5个、6个或多于7个透镜单元的变焦透镜，所述变焦透镜包括：

第一透镜单元，所述第一透镜单元被设置为最接近放大共轭侧并具有负折光力；和

最后的透镜单元，所述最后的透镜单元被设置为最接近缩小共轭侧并具有正折光力，所述最后的透镜单元包含被设置为最接近缩小共轭侧的胶合透镜，所述胶合透镜具有正折光力并包含正透镜元件和负透镜元件，

所述变焦透镜的特征在于满足以下的条件：

v_N-v_P＞0

n_N-n_P＞0

2.0＜fe/fw＜6.5

这里，n_P和v_P分别表示所述正透镜元件的折射率和Abbe数，n_N和v_N分别表示所述负透镜元件的折射率和Abbe数，fe表示所述最后的透镜单元的焦距，以及fw表示所述变焦透镜在广角端的焦距。

2.根据权利要求1的变焦透镜，其中，所述正透镜元件相对于所述负透镜元件被设置在放大共轭侧。

3.根据权利要求1的变焦透镜，其中，所述负透镜元件相对于所述正透镜元件被设置在放大共轭侧。

4.根据权利要求1～3中的任一项的变焦透镜，其中，所述胶合透镜在变焦中是静止的。

5.根据权利要求1～3中的任一项的变焦透镜，

其中，所述第一透镜单元和所述最后的透镜单元在变焦中是静止的，并且，

其中，通过移动设置在所述第一透镜单元和所述最后的透镜单元之间的至少一个透镜单元执行变焦。

6.根据权利要求1～3中的任一项的变焦透镜，满足以下的条件：

v_N-v_P＞5.0。

7.根据权利要求1～3中的任一项的变焦透镜，满足以下的条件：

$\frac{1}{f\&CenterDot;(\frac{1}{f_P{v}_P}+\frac{1}{f_N{v}_N})}<30$

这里，f表示所述胶合透镜的焦距，f_P表示所述正透镜元件的焦距，以及f_N表示所述负透镜元件的焦距。

8.一种图像投影装置，包括：

根据权利要求1～3中的任一项的变焦透镜；和

图像显示器件，所述图像显示器件相对于所述变焦透镜被设置在缩小共轭侧，

其中，来自图像显示器件的光通过所述变焦透镜被投影在投影面上。

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