CN109212732A - 变焦透镜和图像投影装置 - Google Patents

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Abstract

公开了变焦透镜和图像投影装置。变焦透镜包括多个透镜单元，其中相邻透镜单元之间的距离在变倍时可变。所述多个透镜单元从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括：第一透镜单元、第二透镜单元、第三透镜单元、第四透镜单元、第五透镜单元、第六透镜单元、第七透镜单元以及第八透镜单元，第一透镜单元具有负折光力并且对于变倍被固定，第二至第七透镜单元中的每一个对于变倍移动，并且第八透镜单元具有正折光力并且对于变倍被固定。

Description

变焦透镜和图像投影装置
技术领域
本发明涉及用于图像投影装置的具有变焦功能的投影透镜。
背景技术
用于图像投影装置(投影仪)的投影透镜需要能够投影高分辨率图像的高分辨率性能和能够任意调节投影图像尺寸的变倍(变焦)功能。日本专利特开No.(“JP”)2014-134567公开了移动五个透镜单元以用于变倍的投影透镜。
然而，诸如JP2014-134567中公开的投影透镜之类的传统投影透镜难以在从广角端到望远端的整个变焦区域中保持高分辨率性能。换句话说，广角端和望远端之间的分辨率性能显著不同。
发明内容
本发明提供了一种变焦透镜和图像投影装置，其可以在整个变焦区域中提供高分辨率性能。
根据本发明一个方面的变焦透镜包括多个透镜单元，其中相邻透镜单元之间的距离在变倍时可变，其中所述多个透镜单元从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括：第一透镜单元、第二透镜单元、第三透镜单元、第四透镜单元、第五透镜单元、第六透镜单元、第七透镜单元以及第八透镜单元，第一透镜单元具有负折光力并且对于变倍被固定，第二透镜单元、第三透镜单元、第四透镜单元、第五透镜单元、第六透镜单元和第七透镜单元中的每一个对于变倍移动，并且第八透镜单元具有正折光力并且对于变倍被固定。
根据以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的变焦透镜的结构的截面图。
图2是根据第一实施例的变焦透镜在广角端和2050mm的投影距离处的像差图。
图3是根据第一实施例的变焦透镜在望远端和2050mm的投影距离处的像差图。
图4是根据本发明第二实施例的变焦透镜的结构的截面图。
图5是根据第二实施例的变焦透镜在广角端和2050mm的投影距离处的像差图。
图6是根据第二实施例的变焦透镜在望远端和2050mm的投影距离处的像差图。
图7是根据本发明第三实施例的变焦透镜的结构的截面图。
图8是根据第三实施例的变焦透镜在广角端和2050mm的投影距离处的像差图。
图9是根据第三实施例的变焦透镜在望远端和2050mm的投影距离处的像差图。
图10是使用根据第一到第三实施例的变焦透镜作为投影透镜的投影仪的结构的截面图。
具体实施方式
现在将参考附图描述根据本发明的实施例。在说明第一到第三实施例(数值示例1到3)之前，现在将参考图1、图4和图7描述对于每个实施例共同的事项。
在图1、图4和图7中示出的每个变焦透镜被用于投影透镜，该投影透镜将来自各图中右侧的缩小共轭侧(下面的光调制元件侧)的光投影到各图中左侧的放大共轭侧(下面的目标面侧)。每个变焦透镜包括多个透镜单元，其中相邻透镜单元之间的间隔或距离在变倍时在光轴方向上发生改变。
如后面将要描述的那样，这里使用的相邻透镜单元之间的距离例如是指第一透镜单元B1和第二透镜单元B2之间的距离，第三透镜单元B3和第四透镜单元B4之间的距离，等等。换句话说，透镜单元之间的边界位于透镜单元之间，该边界对于变倍被改变。对于变倍，改变相邻透镜单元之间的距离可以改变固定透镜单元与可移动透镜单元之间的距离，诸如第一透镜单元B1和第二透镜单元B2之间的距离。在每个实施例中的说明性变焦透镜中，多个透镜单元包括八个透镜单元。
根据本发明的每个实施例的透镜单元可以包括一个或多个透镜。
图1、图4和图7示出了每个变焦透镜中的广角端(Wide)和望远端(Tele)的光学配置。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B1、具有正折光力的第二透镜单元B2、具有正折光力的第三透镜单元B3以及具有负折光力的第四透镜单元B4。变焦透镜还包括具有正折光力的第五透镜单元B5、具有正折光力或负折光力的第六透镜单元B6、具有正折光力的第七透镜单元B7和具有正折光力的第八透镜单元B8。孔径光阑(光圈)ST被设置在第四透镜单元B4和第五透镜单元B5之间。
对于变倍，第一透镜单元B1和第八透镜单元B8不可移动(固定)，并且第二透镜单元、第三透镜单元、第四透镜单元、第五透镜单元和第六透镜单元B2到B6在光轴方向上移动以绘制不同的轨迹，如箭头方向所示。更具体地，对于从广角侧(广角端)到望远侧(望远端)的变倍，第二透镜单元B2、第三透镜单元B3、第五透镜单元B5、第六透镜单元B6和第七透镜单元B7向放大共轭侧移动。另一方面，第四透镜单元B4向缩小共轭侧移动。
在该结构中，作为负透镜的第四透镜单元的形状可以满足以下条件表达式(1)。这种结构为变焦透镜1提供了良好的光学性能，诸如从广角端到望远端的整个变焦区域内的高分辨率性能。
在表达式(1)中，是整个变焦透镜系统在广角端处的折光力，并且是第四透镜单元中最靠近放大共轭侧的透镜表面R1的折光力。当高于表达式(1)中的上限时，畸变被过度校正。当低于下限时，畸变的校正不足。无论哪种情况都不能提供良好的光学性能。
可以满足缩小了表达式(1)的范围的条件表达式(1)'。表达式(1)'的上限可以低于0。
如图1所示，由于需要在用于投影仪的投影透镜(变焦透镜1)和光调制元件3之间为诸如颜色组合棱镜之类的光学元件提供空间，因此变焦透镜1需要一定程度长的后焦距。因此，变焦透镜1可以满足以下条件表达式(2)。
在表达式(2)中，是第一透镜单元B1的折光力。当满足表达式(2)的条件时，整个变焦区域可以确保足够的后焦距。
可以满足缩小了表达式(2)的范围的条件表达式(2)'。
当第四透镜单元的折光力满足条件表达式(3)时，变焦透镜在整个变焦区域中可以具有良好的光学性能。
在表达式(3)中，是第四透镜单元B4的折光力。当位于表达式(3)中的上限和下限之间的范围之外时，不能抑制对于变倍的像场弯曲改变。
可以满足缩小了表达式(3)的范围的条件表达式(3)'。
位于第四透镜单元B4和第五透镜单元B5之间的孔径光阑ST可以被移动以便满足下面的表达式(4)并且对于变倍绘制与第二到第七透镜单元B2到B7的轨迹不同的轨迹。对于变倍，这种配置可以抑制亮度(F数)的改变。
0.8≤Fnot/Fnow≤1.2 (4)
在表达式(4)中，Fnow是变焦透镜在广角端处的Fno，并且Fnot是变焦透镜在望远端处的Fno。
可以满足缩小了表达式(4)的范围的条件表达式(4)'。
0.9≤Fnot/Fnow≤1.1 (4)'
当第二透镜单元B2和第四透镜单元B4中的每一个包括一个透镜时，可以使得移动透镜单元的结构简单且轻便。
每个实施例可以实现在整个视场角(angle of field)中具有良好的光学性能并且在整个变焦区域中分辨率性能具有小的改变(或者保持高分辨率性能)的近似远心的变焦透镜。尤其是，通过满足表达式(1)到(4)中的到少一个，可以更容易地获得上述效果。
每个实施例中的变焦透镜的结构仅仅是说明性的，并且孔径光阑ST不限于第四透镜单元B4和第五透镜单元B5之间的位置。类似于孔径光阑ST的功能可以由镜筒等来代替。
第一实施例
图1示出了根据本发明第一实施例的变焦透镜1在2050mm的投影距离处的结构。根据该实施例的变焦透镜1从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括上述第一到第八透镜单元B1到B8。根据该实施例，第六透镜单元B6具有正折光力。对于变倍，孔径光阑ST与第五透镜单元B5一起移动。
第一透镜单元B1从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括五个透镜或负透镜、负透镜、负透镜、负透镜和正透镜L11到L15。第二透镜单元B2包括一个正透镜L16。第三透镜单元B3从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括两个透镜或正透镜L17和负透镜L18。第四透镜单元B4包括一个负透镜L19。第五透镜单元B5从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括两个透镜或负透镜L20和正透镜L21。第六透镜单元B6从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括四个透镜或负透镜、正透镜、正透镜和负透镜L22到L25。第七透镜单元B7从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括两个透镜或正透镜L26和负透镜L27。第八透镜单元B8包括一个正透镜L28。
在图1中，附图标记2表示包括颜色组合棱镜等的光学系统，附图标记3表示诸如液晶面板和数字微镜器件之类的光调制元件。光学系统2将由光调制元件3调制的光导向投影透镜(变焦透镜1)。将在后面进行描述的其它实施例也是如此。
表1总结了根据该实施例的数值示例。如表1中的(C)所示，该实施例满足条件表达式(1)到(4)。
图2示出了根据本实施例的变焦透镜1在广角端和2050mm的投影距离处的纵向像差图。图3示出了变焦透镜1在望远端和2050mm的投影距离处的纵向像差图。这些图示出了d线的球面像差和畸变以及子午像面(T)和弧矢像面(S)上的像散。将在后面进行描述的其它实施例也是如此。
第二实施例
图4示出了根据本发明第二实施例的变焦透镜21在2050mm的投影距离处的结构。根据该实施例的变焦透镜21从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括上述第一到第八透镜单元B1到B8。根据该实施例，第六透镜单元B6具有负折光力。对于变倍，孔径光阑ST与第五透镜单元B5一起移动。
第一透镜单元B1从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括五个透镜或者负透镜、负透镜、负透镜、负透镜和正透镜L31到L35。第二透镜单元B2包括一个正透镜L36。第三透镜单元B3从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括两个透镜或正透镜L37和负透镜L38。第四透镜单元B4包括一个负透镜L39。第五透镜单元B5从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括两个透镜或负透镜L40和正透镜L41。第六透镜单元B6从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括四个透镜或负透镜、正透镜、正透镜和负透镜L42到L45。第七透镜单元B7从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括两个透镜或正透镜L46和负透镜L47。第八透镜单元B8包括一个正透镜L48。
表2总结了根据该实施例的数值示例。如表2中的(C)所示，该实施例满足条件表达式(1)到(4)。
图5示出了根据本实施例的变焦透镜21在广角端和2050mm的投影距离处的纵向像差图。图6示出了变焦透镜21在望远端和2050mm的投影距离处的纵向像差图。
第三实施例
图7示出了根据本发明第三实施例的变焦透镜31在2050mm的投影距离处的结构。根据该实施例的变焦透镜31从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括上述第一到第八透镜单元B1到B8。根据该实施例，第六透镜单元B6具有正折光力。对于变倍，孔径光阑ST移动以绘制与任何透镜单元的轨迹不同的轨迹。
第一透镜单元B1从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括五个透镜或负透镜、负透镜、负透镜、负透镜和正透镜L51到L55。第二透镜单元B2包括一个正透镜L56。第三透镜单元B3从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括两个透镜或正透镜L57和负透镜L58。第四透镜单元B4包括一个负透镜L59。第五透镜单元B5从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括两个透镜或负透镜L60和正透镜L61。第六透镜单元B6从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括四个透镜或负透镜、正透镜、正透镜和负透镜L62到L65。第七透镜单元B7从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括两个透镜或正透镜L66和负透镜L67。第八透镜单元B8包括一个正透镜L68。
表3总结了根据该实施例的数值示例。如表3中的(C)所示，该实施例满足条件表达式(1)到(4)。
图8示出了根据本实施例的变焦透镜31在广角端和2050mm的投影距离处的纵向像差图。图9示出了变焦透镜31在望远端和2050mm的投影距离处的纵向像差图。
(数值示例)
下表将总结对应于第一到第三实施例的数值示例。在每个表中，(A)表示透镜配置，f表示焦距(mm)，并且F表示孔径比。另外，ri表示从物侧(缩小共轭侧)起的第i个面的曲率半径，且di表示第i个面和第(i+1)个面之间的距离(mm)。此外，ni和νi是第i个光学构件对于d线的折射率和阿贝数。ST是光阑的位置。
在左侧带星号的平面具有由以下函数表示的非球面形状。(B)示出了非球面系数。在该函数中，y是径向上的坐标，z是光轴方向上的坐标，k是圆锥系数。另外，e-x表示“×10-x”。
z(y)＝(y2/ri)/[1+{1-(1+k)(y2/ri2)}1/2]+Ay4+By6+Cy8+Dy10+Ey12+Fy14+Gy16
每个表中的(C)表示每个数值示例中的表达式(1)到(4)的值。
表1
数值示例1
(A)透镜配置
(B)非球面系数
(C)条件表达式的值
各个数值
表2
数值示例2
(A)透镜配置
(B)非球面系数
(C)条件表达式的值
(1) -0.030
(2) -0.51
(3) -0.35
(4) 1.14
各个数值
表3
数值示例3
(A)透镜配置
(B)非球面系数
(C)条件表达式的值
(1) 0.101
(2) -0.32
(3) -0.28
(4) 1.00
参考值
图10示出了使用根据每个实施例的变焦透镜作为投影透镜的图像投影装置(投影仪)的配置。照明光学系统52将来自光源51的光转换为线性偏振光，并以均匀的强度将线性偏振光引导到三个光调制元件57、58和59。颜色分离/组合光学系统包括分色镜53和偏振分束器54和55，颜色分离/组合光学系统将来自光源51的白光分离成红光、绿光和蓝光，并将这些彩色的光束引导到光调制元件57、58和59。每个光调制元件根据外部图像信号被驱动，并且调制和反射入射的彩色光。
颜色分离/组合光学系统组合由光调制元件57、58和59调制的红光、绿光和蓝光，并由偏振分束器54和55引导到颜色组合棱镜56，并将组合后的光导向投影透镜60。投影透镜60是在各实施例中描述的变焦透镜(1、21和31)并且由透镜镜筒60a保持。投影透镜60将来自颜色组合棱镜56的组合光放大并投影到诸如屏幕之类的目标平面61。由此，在目标平面61上显示彩色投影图像。
当投影透镜60使用根据每个实施例的变焦透镜时，可以显示具有高分辨率的、像差被良好地校正的投影图像。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释以涵盖所有这些修改以及等同的结构和功能。

Claims (12)

1.一种变焦透镜，包括多个透镜单元，其中相邻透镜单元之间的距离在变倍时可变，
其特征在于，所述多个透镜单元从放大共轭侧到缩小共轭侧依次包括：第一透镜单元、第二透镜单元、第三透镜单元、第四透镜单元、第五透镜单元、第六透镜单元、第七透镜单元以及第八透镜单元，第一透镜单元具有负折光力并且对于变倍被固定，第二透镜单元、第三透镜单元、第四透镜单元、第五透镜单元、第六透镜单元和第七透镜单元中的每一个对于变倍移动，并且第八透镜单元具有正折光力并且对于变倍被固定。
2.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，还包括在第四透镜单元与第五透镜单元之间的光阑。
3.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，第二透镜单元具有正折光力，第三透镜单元具有正折光力，并且第四透镜单元具有负折光力。
4.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，对于从广角侧到望远侧的变倍，第二透镜单元和第三透镜单元向放大共轭侧移动，并且第四透镜单元向缩小共轭侧移动。
5.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，第五透镜单元和第七透镜单元中的每一个具有正折光力，并且第六透镜单元具有正折光力或负折光力。
6.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，以下条件被满足：
其中，是整个变焦透镜系统在广角端处的折光力，并且是第四透镜单元中最靠近放大共轭侧的透镜表面的折光力。
7.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，以下条件被满足：
其中，是整个变焦透镜系统在广角端处的折光力，并且是第一透镜单元的折光力。
8.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，以下条件被满足：
其中，是整个变焦透镜系统在广角端处的折光力，并且是第四透镜单元的折光力。
9.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，以下条件被满足：
0.8≤Fnot/Fnow≤1.2
其中，Fnow是变焦透镜的广角端处的F数，并且Fnot是变焦透镜的望远端处的F数。
10.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，第四透镜单元包括一个负透镜。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的变焦透镜，还包括被配置为保持所述多个透镜单元的镜筒。
12.一种图像投影装置，其特征在于，包括：
光调制元件，被配置为调制光；和
根据权利要求1至11中任一项所述的变焦透镜。
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