CN1098464C - 具有大的后焦距与焦距之比的投影透镜 - Google Patents

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Abstract

一种用来形成某一物的象的投影透镜，它包含：第一透镜单元、第二透镜单元和第三透镜单元，并且满足：D12/f0＞1.0，D23/f0＞0.7，1.5＜(D12+D23+BFL)/BFL＜4.0，以及BFL/f0＞3.0。

Description

具有大的后焦距与焦距之比的投影透镜
本发明涉及一种投影透镜组，尤其涉及一种可以特别用来形成由象素组成的物体(例如LCD或DMD)的象的投影透镜组。
投影透镜系统(本文中也称为“投影系统”)用来在观察屏幕上形成物体的象这种系统的基本结构如图7所示，图中，标号10为光源(例如卤-钨灯)，标号12为形成光源的象的照明光学装置(下文中称为照明系统的“输出”)标号14为要投影的物体(例如接通(on)和断开(off)的象素的阵列)，标号13为由多个透镜元件组成并在观察屏幕16上形成物体14的放大象的投影透镜。图7绘出的是LCD板的情况，这种情况下照明系统的输出投射板的后背并穿过那些透明的象素。另一方面，DMD通过反射而工作，因而照明系统的输出通过棱镜或类似的装置引到板的前面。
其中的物体是象素化板的投影透镜系统用于作各种不同的应用场合，包括数据显示系统。这种投影透镜系统最好采用单个的投影透镜，该透镜形成具有如红、绿和蓝象素的单块板，或三块单独的板的象，每块板用于一种颜色。在某些情况下，采用两块板，每块板用于两种颜色(例如红和绿)，而另一块板用于一种颜色(例如蓝色)。用于两种颜色的板有一个旋转滤光片轮(spinning filter wheel)或类似的装置，并且与滤光片同步地交替将两种颜色的信息馈送给板。
人们需要一种与象素化的板一起使用的投影透镜，这种象素化的板同时具有至少下述性能：(1)很长的后焦长度，例如，后焦距至少大于透镜焦距的三倍；(2)高水平的颜色校正；(3)低畸变；(4)对温度变化的低灵敏度。
需要后焦距(即从最后一个透镜表面到象素化板的距离)较长，特别是在使用多块板的情况下更是如此，以容纳光学元件，例如滤光片、分束镜、棱镜等，这些光学元件用来组合来自不同颜色的光路的光，透镜系统将该光投射到观察屏幕上。另外，对于相当大的输出距离，长后焦距使得照明系统的输出位于投影透镜的附近。要求相当大的输出距离是因为它们对于象素化板处的光提供了相当小的入射角，这在LCD在板的情况下尤其重要。
高水平的颜色校正很重要是因为在象素化板的象中可以容易地看到色差，使象素模糊不清，或者在极端的情况下，是象素完全从象中。这些问题在场的边缘处通常最严重。一般说来，在象素化板处测量的颜色校正应当好于约一个象素，最后好于半个象素，以避免这些问题。
系统的所有色差都需要被涉及到，而横向颜色、彗形象差的颜色改变及象散色差通常最为复杂。横向颜色(即放大倍数随颜色而改变)是最麻烦的，这是因为其自身表现在对比度的下降，特别是在场的边缘处。在极端的情况下，可以看到满场区域中的虹彩效应。
在采用阴极射线管(CRT)的投影系统中，少量的(残余)横向颜色例如可以通过如相对于蓝色CRT上产生的图象的尺寸减小在红色CRT表面上产生的图象的尺寸用电子学的方法作补偿。然而采用象素化板，是不能够进行这样的调节的，这是因为图象是数字化的，并且因此不寸可能平滑调节全场观察的尺寸。因此需要从投影透镜得到高水平的横向颜色校正。
采用象素化板来显示数据对校正畸变有严格的要求。这是因为在观察数据时即使在透镜观察场的极端点处也要求图像质量良好。在下面读者将看到，被显示的数字或字母的无畸变图象在场的边缘处与在中心处是一样重要的。再有，投影透镜经常与偏置板一起使用，例如，图1所示的透镜就是为此用途而设计的。在这种情况下，观察屏幕上的畸变不会的对称于通过屏幕中心处的水平线而改变，但会例如从屏幕的底部到顶部单调的增加。这种效果使得很少量的畸变也能被观察者观察到。
为了产生具有足够亮度的图象，必须有大量的光通过投影透镜。因而室温与透镜的工作温度之间通常存在显著的温差。另外，要求透镜能够在各种环境条件下工作。例如，投影透镜系统经常被安装在房间的天花板上，该房间可能包含房屋的屋顶，而屋顶处的环境温度可以大大高于40℃。为了消除这些影响，要求报影透镜的光学性能对温度变化相当不灵敏。
解决温度灵敏问题的一个途径是使用由玻璃组成的透镜元件。与塑料相比，玻璃元件的曲率半径的变化通常比塑料元件的曲率半径的变化要小。但是，玻璃元件通常比塑料元件贵，特别是为控制色差而需要采用非球面表面时更是如此。如下所述，可以采用塑料元件，并且如果恰当选择塑料元件的光焦度和位置，仍然可以实现对温度不灵敏。
下述投影透镜满足了所有上述要求，并且可以成功地用来产生低成本的投影透镜系统，这种系统能够在观察屏幕上形成象素化板的高质量彩色图象。
Taylor的美国专利4,189,211、Tanaka等人的美国专利5,042,929、Yano等；人的美国专利5,179,473、Moskovich的美国专利5,200,861、Moskovich的美国专利5,218,480、Iizuka等人的美国专利5,278,698、Betensky的美国专利5,313,330和Yano的美国专利5,331,462中描述了用于象素化板的投影透镜。LCD系统的讨论可参见Gagnon等人的美国专利4,425,028、Gagnon的美国专利4,461,542、Ledebuhr的美国专利4,826,311和EPO专利公报311,116。
鉴于上述，本发明的目的是提供一种用于象素化板的改进的投影透镜，这些透镜同时具有上面讨论的四个所要求的性能中的第一个性能。这一目的是借助于这样一个投影透镜组来实现的，该投影透镜组从象侧至物侧(即从长共轭侧至短共轭侧)包含：
(A)第一透镜单元，它具有负光焦度，并包含一个塑料透镜元件，该塑料透镜元件具有至少一个非球面表面；
(B)第二透镜单元，它具有负的光焦度数或弱的正光焦度，并且包含颜色校正双合透镜；
(C)第三透镜单元，它具有正光焦度，并且包含在玻璃元件上或弱塑料元件上的一个非球面表面；
其中：
    D12/f0＞1.0                          (1)
    D23/f0＞0.7                          (2)
    1.5＜(D12+D23+BFL)/BFL＜4.0，以及    (3)
    BFL/f0＞3.0                          (4)
这里，
(i)f0是第一、第二和第三透镜单元的组合的有效焦距；
(ii)BFL是第一、第二和第三透镜的组合对于沿投影透镜的长共轭侧，位
    于无限远处物体的后焦距；
(iii)D12是第一和第二透镜单元之间的距离；
(iv)D23是第二和第三透镜单元之间的距离。
限制条件(1)-(3)与投影透镜的物理结构有关。当满足这些限制条件时，限制条件(4)也被满足，并仍然实现高水平的颜色校正和低的畸变。在某些实施例中，BFL/f0比(限制条件(4))大于4.0，而在另一些实施例中，大于5.0。
除了限制条件(1)-(4)以外，投影透镜最好还能满足下述限制条件：
|EPD|/f0＞4.0                        (5)这里，EPD是从照明光学装置看时，从象素化板到投影透镜入射光瞳的距离。要求有大的|EPD|/f0比是因为：(1)为了得到明亮、均匀照射的图象，重要的是使照明系统的出射光瞳的位置和大小与透镜系统的入射光瞳匹配，(2)当出射光瞳位于远离光源时，照明光学装置通常工作最佳。另外，要求比较大的|EPD|/f0，因为这样会使来自照明光学装置的光以相当小的角度与象素化板相交而使板的工作状况最好。对于某些实施例，EPD|/f0比可以大到100或100以上。
在某些实施例中，可以采用照明系统输出的位置作为投影透镜的伪孔径阑/入射光瞳来设计本发明的投影透镜(见Betensky的美国专利5,313,330，该发明的有关部分通过引述包括在此)。这样，在照明系统的光输出和投影透镜之间实现了有效耦合。图1和图2所示的投影透镜就是以这样的方法来设计的。
按照这些实施例，本发明提供了一种形成物的象的投影透镜系统，它包含：
(a)照明系统，它包含一光源和形成光源的象照明光学装置，所述象是照明系统的输出；
(b)包括物的象素化板；以及
(c)上述类型的投影透镜，所述投影透镜具有一入射光瞳，其位置大体对应于照明系统的输出的位置。
在某些实施例中(例如，图1和图2所示的投影透镜)，通过改变象素化板与第二、第三透镜单元之间的距离但保持(a)第二透镜单元和第三透镜单元之间的距离以及(b)第一透镜单元和象素化板之间的距离不变，来改变投影透镜的放大倍数。
本发明的投影透镜还被设计成是大体无热的。正如下文中所讨论的那样，这是这样来实现的：(1)仅在系统中轴向光束高度较小的点处(即仅在第一单元中)采用具有光焦度较强的塑料透镜元件；(2)在系统中的其他位置处(如第三单元处)仅采用弱塑料元件。这样，温度变化基本上不会影响系统的整体光学特性，特别，基本上不会影响系统的后焦距。
图1-6是按照本发明构造的投影透镜侧视示意图。
图7是采用了本发明投影透镜的总体投影透镜系统示意图。
构成本发明一部分的上述附图描述了本发明的较佳实施例，它们与说明书一起用来说明本发明的原理，当然，应当理解，附图和说明书仅用来描述本发明，并不是对本发明的限定。
本发明的投影透镜为反焦型透镜，从图1-6可以看出，它包含三个相距较远的透镜单元。例如，在如图所示的透镜系统中，某一单元中任何两个透镜单元之间的最大间距小于两个单元之间最小间距的30％，这里，单元之间的间距(即D12和D23)是从一个单元的末尾表面量到下一个单元的开头表面的。在图3的透镜系统中，该比值约为30％。对于所有其他的透镜系统，该比值小于10％。透镜系统的特征是高水平的色差校正和宽视场，即，视场的二分之一约大于35°。
第一透镜单元具有负光焦度和具有至少一个非球面的至少一个塑料透镜。第一透镜单元最好包含单个的塑料透镜单元，而这个单个透镜单元具有两个非球面表面则更好。对于第一透镜单元最好是单个元件，这是因为该单元的元件通常是系统中最大的，因此使那些元件的尺寸最小就减小了系统的总成本。在某些实施例中，例如，为了实现超宽视场，第一透镜单元可以包括两个透镜元件，这两个透镜元件最好都由塑料制成，并且两者都具有两个非球形表面。一般说来，第一透镜单元，尤其是该单元的非球形表面，起校正系统畸变的作用，而正如上面讨论的那样，系统畸变是与象素化板一起使用的透镜系统所要高水平校正的。畸变校正通常在象处要好于一个百分点。
第二透镜单元或者具有负光焦度(图1-4和6)或者具有弱的正光焦度(图5)，这里，弱的正光焦度指的是光焦度(P2)小于第一、第二和第三透镜单元的组合的光焦度(P0)的10％，并且最好小于5％。第二透镜单元包含至少一个颜色校正双合透镜，并且在某些情况下，可以包含两个颜色校正双合透镜(图1和图2)。照明系统的输出位于第二透镜单元的附近，并且因此该单元最好仅包括能够耐受输出附近产生的热量的玻璃元件。一般说来，第二透镜单元起离轴颜色校正的作用。第三透镜单元具有正光焦度，并且包含在玻璃元件(图6)上或弱塑料元件(图1-5)上的非球形表面，这里，弱塑料元件是一个具有绝对值小于第一、第二和第三透镜单元的组合的光焦度5％的光焦度(Pelement)。弱塑料元件在使用时，可以看作是校正器透镜元件，因为它的用途是校正透镜象差，这与提供系统的光焦度不同。第三透镜单元最好含有一个颜色校正双合透镜，这样整个系统通常含有两个颜色校正双合透镜(一个在第二透镜单元内，一个在第三透镜单元内)，并且可以含有三个颜色校正双合透镜(两个在第二透镜单元内，一个在第三透镜单元内)。
第一和第三透镜单元的光焦度一般相似，并且每一个透镜单元的光焦度明显大于第二透镜单元的光焦度。
正如上面讨论的那样，本发明的投影透镜是无热的，所以当将投影透镜从室温加热到工作温度时，系统的光学性能(尤其包括系统的后焦距)基本不变。更具体地说，后焦距的变化最好小于使系统的调制传递函数(MTF)显著变化的量，例如，MTF的变化应当小于约5％。对于下面给出的特例，该MTF标准对应于后焦距的变化小于约0.1毫米。通过对塑料透镜元件的透镜进行选择和放置，来实现所要求的透镜焦点热稳定。
通常，采用塑料透镜元件有这样一个缺点，即塑料光学材料的折射率会随温度而显著变化。另一个影响是形状的变化，即塑料光学材料随温度变化而膨胀和收缩。与折射率的变化相比，后者通常不明显。
如果在透镜中只采用低光焦度的塑料透镜元件，那么可以在塑料光学装置中的热变化与系统的塑料机械元件或铝机械元件(例如，通常是由热引起焦点热变化的主要机械来源的透镜镜筒)中的热变化之间实现平衡。在设计中不限制使用光学塑料(即能够使用具有相当高光焦度的至少某些塑料透镜元件)的优点在于，由于塑料透镜元件可以模制，非球形光学表面(非球面)可以用来使特定的透镜设计的能力(性能)最大。使用相当高光焦度的塑料元件还使透镜的总体成本更低。
如果设计中的净塑料光焦度较为显著，则需要进行无热化，否则，当透镜的温度从室温变化到其工作温度时，透镜的焦点将显著地变化。对于必须将大量的光传送到观察屏幕并且因此具有显著高于室温的工作温度的投影机而言情况更是如此。
对于本发明的投影透镜，无热化是通过考虑塑料透镜元件的位置和光焦度以及那些元件处边缘光线高度来实现的。
就元件将经受的温度变化量(因此即元件的折射率中将要出现的变化量)而言，塑料透镜元件的位置关系重大。一般说来，靠近光源或光源的象的元件将经受更大的温度变化。实践中，投影透镜所处的区域中的温度分布是用光源及其相关的照明光学装置工作来测量的，并且在投影透镜的设计中使用这些测量值。
对于给定的热变化，特定塑料透镜元件处的边缘光线高度决定元件的折射率变化相对于透镜的总的热稳定性是否显著。边缘光线高度较小的元件比起边缘光线高度较大的元件一般较少影响到系统的总的热稳定性。
基于上述考虑，本发明的投影透镜的无热化是通过下述途径来实现的：(1)在边缘光线高度较大的地方仅采用低光焦度的塑料透镜元件，(2)仅在边缘光线高度较小的地方使用高光焦度的塑料透镜元件，(3)在照明系统的输出处从第二透镜单元中去掉塑料元件。
最好用下述的计算机化透镜设计程序使实现的无热化程度最佳。首先，在第一温度分布处形成光线轨迹，并计算后焦距。对于边缘光线，光线轨迹可以是旁轴光线轨迹。其次，在第二温度分布处形成同样的光线轨迹，并再次计算后焦距。第一温度分布和第二温度分布在整个透镜上无需恒定，相反，在典型的情况下可以随透镜元件的不同而不同。随后，当采用透镜设计程序而使系统的设计优化时，可以将算得的后焦距约束为恒定值。
应当指出，上述方法假设投影透镜和象素化板的机械量在系统温度变化时最后一个透镜表面与象素化板之间的距离基本保持不变。如果不能确保该假设，则可以采用其他的措施来进行无热化，例如可以将机械量相对运动的测量值包括在过程中，或者可以将间距(例如前透镜表面与板之间的距离)假设为机械上固定的。
除了长的后焦距、高水平的颜色校正、低的畸变和低的温度灵敏度以外，对于某些应用场合，要求投影透镜具有短的焦距，从而可以实现象素化板的恰当放大倍数。尤其是，当象素化板为DMD时，就需要这样短焦距的透镜，一般，DMD具有小于约20毫米的特征尺寸(例如对角线)。图3-6所示的投影透镜的焦距小于20毫米，所以适合于与DMD配合使用。另一方面，图1-2所示的透镜的焦距在50毫米以上，所以更适合于与LCD配合使用。图1-2所示透镜的颜色校正比图3-6所示透镜的颜色校正更好一些，特别是对于像素大小而言，这是因为LCD(图1-2)的象素大小通常比DMD(图3-6)的象素大小要大得多。
图1至图6描述的是按照本发明构造的各种投影透镜。表1至表6分别列出了相应的说明和光学性能。标记HOYA或SCHOTT用于透镜系统中采用的玻璃。实施本发明时可以采用其他制造商制造的等获的玻璃。对于塑料元件可以采用工业上可接受的材料。
表中列出的非球面系数用于下述等式： z = cy 2 1 + [ 1 - ( 1 + k ) c 2 y 2 ] 1 / 2 + D y 4 + Ey 6 + Fy 8 + Gy 10 + Hy 12 + Iy 14 这里，z是在距系统的光轴距离为y处的表面垂弛度(sag)，c是光轴处透镜的曲率，而k是圆锥常数(conic constant)。
表中使用的缩写如下：
EFL       有效焦距
FVD       前顶点距离
f/        f数
ENP       从长共轭看的入射光瞳
EXP       从长共轭看时的出射光瞳
BRL       镜筒长度
OBJ HT    物高
MAG       放大倍数
STOP      孔径阑的位置
IMD       象距
OBD       物距
OVL       总长
标记“a”与表中的各个表面相关，代表一非球面，即上述等式中的D、E、F、G、H或I中的至少一个不为零的表面。标记“c”代表上述等式中的k值不为零的一个锥面。表中给出的所有尺寸均以毫米为单位。这些表格是在假设图中的光是从左到右传播的基础上构成的。实际应用中，观察屏幕位于左侧，而象素化板位于右侧，并且光从右侧传播到左侧。象素化板在图中用标记“PP”表示。
表1和表2中，第一透镜单元(U1)包含表面1-2，第二透镜单元(U2)包含表面3-10，第三透镜单元(U3)表示表面11-17。表面18-19代表玻璃板，例如，透镜系统后端处的防护板。尽管将其包括在表1和表2的一级性能计算中，但它们不是透镜系统的一部分，并且不被包括在表7和表8中列出的透镜性能一览表内。
表3中，第一透镜单元(U1)包含表面1-4，第二透镜单元(U2)包含表面5-7，第三透镜单元(U3)表示表面9-15。表面16-18代表位于透镜系统的后端处的棱镜和相关的DMD元件。尽管将它们包括在表3的一级性能计算中，但它们不是透镜系统的一部分，并且不被包括在表7和表8中列出的透镜性能一览表内。
表4-5中，第一透镜单元(U1)包含表面1-2，第二透镜单元(U2)包含表面3-5，第三透镜单元(U3)表示表面7-13。与表3中相同，表面14-16代表透镜系统后端处的DMD元件，这些元件未包括在表7和表8中列出的透镜性能一览表中，但包括在表4-5的一级性能计算中。
表6中，第一透镜单元(U1)包含表面1-2，第二透镜单元(U2)包含表面3-5，第三透镜单元(U3)表示表面7-11。与表3-5中相同，表面12-14是表7和表8中不包括的DMD元件，但它们包括在表6的一级性能计算中。
正如上面讨论的那样，图1和图2的投影透镜是用Betensky的美国专利5,313,330中的伪孔径阑/入射光瞳技术来设计的。表1和表2中的表面20构成伪孔径阑。它的位置与照明系统的输出位置对应。从标明“变量空间”的子表中可以看出，对于投影透镜系统的所有焦点位置(放大率)，从伪孔径阑到象素化板的距离(即“象距”)基本不变。
也正如上面讨论的那样，图1和图2中的投影透镜可以用相对于象素化板保持第一单元固定并使第二单元和第三单元作为一组相对于板移动来聚焦。也可以先使整个投影透镜移动并随后使第一单元往后移动到其恒定的位置上。如图1和图2所示，使第二单元和第三单元移动5-10毫米的数量级，可以使放大率变化约六倍。图3-6所示的投影透镜是通过使整个透镜相对于象素化板移动来聚焦的。
表7和表8总结了本发明透镜系统的各种性能。这些表中列出的值本质上是用于第一、第二和第三透镜单元的，并且不包括图1-6中所示的那些单元以后的光学元件。  BFL值是对沿系统长共轭方向无限远处的物体计算的。应当指出，表7的EPD值与前面的表中的EXP值对应，但表1和表2除外，那里，EPD值是从“可变空间”子表获得的。
如表8中所示，透镜系统1-6中的每一个满足上面设置的限制条件(1)至(5)。另外，该表给出D12与D23之比落在本发明的透镜系统的下述范围内：
       1.0＜D12/D23＜2.5                (6)尽管上文中描述了本发明的特定实施例，但应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，很明显，可以从上文揭示的内容中对上述实施例作各种修改，这些修改均不偏离本发明的范围和精神。
                                     表1 透明数据
                                                       通光孔径
    表面  表面
                      半径        厚度       玻璃     直径
    编号  类型
    1     a           368.5410    5 00000     聚丙烯的  106.58
    2     a           45.6769           1                83.33
    3                 153.3231    7.50000       FD2      38.39
    4                -72.7876     0.85000                37.24
    5                -78.3469     3.00000       TAF1     36.55
    6                 38.4407     9.30000       C10      36.14
    7                -155.9928    0.18000                36.91
    8                -515.5717    3.50000       LAC14    37.13
    9                 37.4924    10.30000       F5       38.65
    10               -382.1087   54.70000                39.76
    11               -281.0522    9.60000       FC5      58.31
    12               -67.1076     3.00000                59.72
    13    a          -52.3755     8.00000       ACRYLIC  59.77
    14    a          -54.3902     0.20000                62.82
    15               -397.9817    6.00000       FD6      63.23
    16                163.8136   15.00000       FC5      64.27
    17               -74.5926     Space2                 65.18
    18                ∞          7.50000       C5       66.15
    19                ∞         -89.65000               66.88
    20                孔径阑      像距                   79.49符号说明
                       a-多项式非球面 偶项式非球面表面符号        D           E           F           G            H            I1       9.4659E-07  -5.7939E-10  -5.1394E-14   1.8767E-16   -6.7075E-20    7.5390E-242       1.2713E-07  -3.4925E-10  -6.8949E-13  -1.9181E-16    6.0301E-19   -2.2113E-2213      2.1223E-07   4.2506E-10   8.1369E-15   8.1278E-17    6.1788E-22    2.7541E-2314      4.0595E-07   2.6522E-10   1.3626E-13  -8.7488E-17    6.4370E-20    3.6391E-24变量空间
    焦点位置    间距1T(2)  间距2T(17)   焦距移动      像距
    1           106.620     5.370         -0.300       355.003
    2           101.220     10.770        -0.300       354.997
    3           111.990     0.000         -0.500       355.007
                     表1(续) 系统第一级性能，位置1
OBJ.HT：-1520.0     f/       4.50 MAG：    -0.0380
STOP：0.00          表面20以后    DIA：79.494
EFL：80.0069        FVD：520.973       ENP：67.4373
IMD：355.003        BRL：165.970
OBD：-2056.18       OVL：2577.15系统第一级件能，位置2
OBJ.HT：-900.00     f/       4.50 MAG：    -0.0640
STOP：0.00          表面20以后    DIA：79.470
EFL：82.4051        FVD：520.967       ENP：66.8465
IMD：354.997        BRL：165.970
OBD：-1240.13       OVL：1761.10系统第一级性能，位置3
OBJ.HT：-5300.0     f/       4.50 MAG：    -0.0108
STOP：0.00          表面20以后    DIA：79.560
EFL：77.7565        FVD：520.977      ENP：68.0207
IMD：355.007        BRL：165.970
OBD：-7148.70       OVL：7669.68元件的一级性能 元件号    表面号      光焦度         f′         1pp       1′pp1          1   2     -0.94219E-02    -106.14    3.8404     0.475982          3   4      0.13041E-01     76.678    3.1189    -1.48073          5   6     -0.30437E-01    -32.854    1.1205    -0.549764          6   7      0.16064E-01     62.251    1.2428    -5.04355          8   9     -0.20074E-01    -49.815    1.9145    -0.139226          9   10     0.17619E-01     56.758    0.57800   -5.89077          11  12     0.56303E-02     177.61    8.3458     1.99278          13  14     0.10916E-03     9160.9    445.40     462.549          15  16    -0.70362E-02    -142.12    2.3337    -0.9605910         16  17     0.93462E-02     106.99    7.0674    -3.2181双合透镜的第一级性能 元件号    表面号   光焦度         f′               1pp      1′pp3    4     5   7     -0.13497E-01    -74.092    -1.0131   -9.08615    6     8   10    -0.22018E-02    -454.17    -3.8246   -12.4309    10    15  17     0.28380E-02     352.36     26.772    16.685
                            表2 明数据
                                                 通光孔径
表面  表面
                  半径      厚度      玻璃      直径
编号  类型
1     a           429.0479   5.00000    聚丙烯的   108.02
2     a           46.0871    1                     85.64
3                 308.4044   7.50000    FL5        37.01
4                -49.2176    0.85000               35.75
5                -49.6570    3.00000    TAF1       34.14
6                 42.9034    9.30000    C10        31.96
7                -62.7809    0.50000               32.30
8                -104.5868   3.20000    TAF1       32.36
9                 37.3326    9.30000    FD8        34.15
10               -156.2506   72.27450              35.36
11               -1142.8400  9.60000    FC5        61.00
12               -68.7114    3.30000               61.75
13    a          -52.1950    8.00000    聚丙烯的   61.68
14    a          -56.2840    0.20000               64.67
15               -356.0175   5.70000    FD6        64.65
16                174.7998   14.30000   FC5        65.48
17               -79.1509    Space 2               66.20
18                ∞         7.50000    C5         64.11
19                ∞        -89.65000              64.08
20                孔径阑     像距                  79.49说明
                   a-多项式非球面 式非球面
   D           E           F           G           H          I5.0896E-07  -4.1457E-10  -6.9178E-14   1.8713E-16  -6.7901E-20  7.7140E-24-6.6893E-07  -2.0408E-10  -6.7153E-13  -1.6876E-16   5.6336E-19 -2.0869E-221.4772E-07   4.0695E-10  -1.4288E-13   2.1258E-16  -1.3073E-19  7.5704E-234.4237E-07   1.4337E-10   2.4751E-13  -2.2448E-16   1.0947E-19  8.6717E-25变量空间
焦点位置   间距1T(2)   间距2T(17)   像距      焦距移动
1           118.697      5.370         354.996    -0.270
2           116.297      7.770         355.021    -0.270
3           121.467      2.600         355.015    -0.270
                    表2(续) 系统第一级性能，位置1
OBJ.HT：-1160.0    f/       4.50 MAG：    -0.0380
STOP：0.00         表面20以后    DIA：79.476
EFL：62.9170       FVD：548.937  ENP：69.0765
IMD：354.996       BRL：193.941
OBD：-1597.85      OVL：2146.79系统第一级性能，位置2
OBJ.HT：-715.00    f/       4.50 MAG：    -0.0620
STOP：0.00         表面20以后    DIA：79.472
EFL：63.6221       FVD：548.962       ENP：68.8085
IMD：355.021       BRL：193.941
OBD：-968.875      OVL：1517.84系统第一级性能，位置3
OBJ.HT：-4400.0    f/       4.50 MAG：    -0.0100
STOP：0.00         表面20以后    DIA：79.488
EFL：62.1225       FVD：548.956      ENP：69.3830
IMD：355.015       BRL：193.942
OBD：-6153.74      OVL：6702.70元件的一级性能 元件号   表面号       光焦度      f′           1pp     1′pp1         1   2      -0.95218E-02  -105.02   3.7663   0.404562         3   4       0.13672E-01   73.144   4.1130  -0.656383         5   6      -0.34201E-01  -29.239   0.89346 -0.771954         6   7       0.19173E-01   52.156   2.5873  -3.78615         8   9      -0.28491E-01  -35.099   1.3147  -0.469296         9   10      0.22583E-01   44.281   1.0799  -4.51987         11  12      0.67104E-02   149.02   6.8390   0.411188         13  14     -0.24281E-03  -4118.5  -193.50  -208.669         15  16     -0.69649E-02  -143.58   2.0990  -1.030610        16  17      0.88121E-02   113.48   6.7344  -3.0494双合透镜的第一级性能 元件号   表面号     光焦度       f′           1pp     1′pp3   4     5   7      -0.12825E-01  -77.974  -4.1287  -12.7455   6     8   10     -0.49113E-02  -203.61  -5.8088  -13.5079   10    15  17      0.23238E-02   430.34   31.545   20.224
                          表3 透明数据
                                                 通光孔径
表面    表面
                  半径       厚度      玻璃      直径
编号   类型
1       a         2023.5141   6.50000    聚丙烯的   79.85
2       a         34.7639     14.52895              58.68
3       a         134.3043    6.00000    聚丙烯的   56.35
4       a         64.3362     78.21745              50.16
5                -36.0676     2.00000    LAK8       15.96
6                 18.6395     5.50000    SF15       15.61
7                -65.0770     18.65000              15.53
8                 孔径阑      31.74455              15.26
9                 582.7881    7.00000    FK5        26.57
10               -28.0086     2.50000    SF6        27.58
11               -69.3662     0.20000               29.62
12                47.6849     8.50000    FK5        31.71
13               -47.6849     0.50000               31.89
14      a        -66.0000     4.50000    聚丙烯的   31.52
15      a        -51.0000     1.20000               31.42
16                ∞          70.67000   BK7        30.69
17                ∞          3.00000    ZK7        20.37
18                ∞          10.47164              19.93符号说明
                  a-多项式球面表面
                       焦点平移＝0.03796偶项式非球面表面
         D           E           F          G           H           I 符号1       1.6047E-06   2.3044E-10  -2.1672E-15  4.4338E-17  -5.7852E-21  -1.5003E-232      -4.1021E-06  -9.2507E-11   2.0540E-12  1.0280E-15   2.4804E-19  -1.8987E-223       1.0218E-06  -2.3579E-10  -1.1271E-12  3.1803E-16  -7.2539E-19   1.9049E-214       5.1894E-06   6.9149E-10  -6.0898E-12 -2.7710E-15   2.2080E-18   5.3959E-2114     -2.2395E-06   8.9092E-09   5.2995E-12  2.6729E-15   6.1593E-17  -3.4316E-1915      3.7601E-06   7.4597E-09   2.0109E-11  5.3271E-15  -1.2006E-16   3.1859E-20
                    表3(续) 系统第一级性能，位置
OBJ.HT：-880.00    f/       3.00 MAG：    -0.0100
STOP：0.00         表面8以后     DIA：14.803
EFL：11.4999       FVD：271.683       ENP：44.3891
IMD：10.4716       BRL：261.211       EXP：-2210.50
OBD：-1105.66      OVL：1377.34元件的一级性能 元件号   表面号     光焦度         f′           1pp       1′pp1         1   2      -0.13945E-01    -71.712   4.4322     0.76146E-012         3   4      -0.38850E-02    -257.40   7.9349     3.80113         5   6      -0.59167E-01    -16.901   0.75678   -0.391104         6   7       0.47297E-01     21.143   0.73852   -2.57845         9   10      0.18234E-01     54.841   4.5021    -0.216376         10  11     -0.16830E-01    -59.417  -0.96005   -2.37777         12  13      0.19915E-01     50.213   2.9401    -2.94018         14  15      0.24186E-02     413.46   12.059     9.3184双合透镜的第一级性能 元件号   表面号     光焦度         f′           1pp      1′pp3    4    5   7      -0.87079E-02    -114.84  -5.3788   -10.2545    6    9   11      0.11761E-02     850.27   15.144    9.1525
                          表4 透明数据
                                                     通光孔径
表面   表面
                   半径       厚度      玻璃        直径
编号  类型
1      a           832.6757    9.00000    聚丙烯的     94.49
2      ac          30.0992     120.64190               67.91
3                 -198.0282    3.00000    LAC8         37.20
4                  34.8452     9.50000    FD8          36.31
5                 -180.9231    54.00602                36.02
6                  孔径阑      42.00000                23.45
7                  97.5036     9.50000    FC5          35.95
8                 -45.4020     3.16000    SF6          36.60
9                 -141.7385    4.60000                 38.18
10     a          -55.3507     6.25478    聚丙烯的     38.51
11     a          -50.2569     0.70000                 42.05
12                -297.6356    10.13644   FC5          43.93
13                -39.0453     10.00000                45.07
14                 ∞          102.50000  BK7          41.01
15                 ∞          3.00000    ZK7          26.00
16                 ∞          0.99729                 26.00符号说明
                   a-多项式非球面
                   c-锥形截面
                         焦点平移＝0.00000圆锥
                         表面
                                  常数
                          编号
                         2       -9.0000E-01偶项式非球面 表面编号      D           E           F           G           H           I1         2.0459E-08  -4.3610E-11   6.1077E-14   1.6799E-18  -9.6593E-21   1.5489E-242         2.8170E-07   1.0846E-10  -3.4780E-13   5.2951E-16   3.9333E-19  -3.7853E-2210       -7.8808E-06  -3.5347E-09  -2.5932E-12  -1.4259E-15   7.3563E-17  -1.3990E-1911       -2.4815E-06  -2.5456E-09   4.0267E-12   9.9295E-15  -1.9894E-17   5.4499E-21
                       表4(续) 系统第一级性能，位置
OBJ.HT：-1220.0      f/          3.00 MAG：    -0.0100
STOP：0.00           表面6以后         DIA：22.201
EFL：16.7012         FVD：388.996          ENP：53.0427
IMD：0.997294        BRL：387.999          EXP：-2799.63
OBD：-1617.18        OVL：2006.17元件的一级性能 元件号   表面号    光焦度         f′            1pp      1′pp1         1   2     -0.15753E-01    -63.479    6.2742    0.226802         3   4     -0.24299E-01    -41.154    1.4786   -0.260173         4   5      0.23329E-01     42.864    0.92221  -4.78834         7   8      0.15221E-01     65.700    4.4183   -2.10275         8   9     -0.11605E-01    -86.172   -0.86130  -2.63096         10  11     0.12712E-02     786.67    32.363    29.3857         12  13     0.11024E-01     90.709    7.7351    1.0147双合透镜的第一级性能 元件号   表面号    光焦度         f′            1pp      1′pp2    3    3   5     -0.29917E-03    -3342.6   -90.725   -100.824    5    7   9      0.38352E-02    260.74     0.66215  -7.5574
                         表5 透明数据
                                                            通光孔径
    表面    表面
                     半径         厚度        玻璃         直径
    编号   类型
    1       a        12057.0951    9.00000      聚丙烯的      86.18
    2       ac       26.2462       120.77813                  61.46
    3               -574.2251      3.00000      LAC8          38.70
    4                41.7117       9.50000      FD8           37.90
    5               -205.2798      54.32126                   37.53
    6                孔径阑        42.00000                   24.32
    7                101.0769      9.50000      FC5           35.62
    8               -45.9452       3.16000      SF6           36.23
    9               -144.9350      4.60000                    37.75
    10      a       -54.7664       6.23804      聚丙烯的      38.10
    11      a       -50.6562       0.70000                    41.50
    12              -277.7475      9.68102      FC5           43.21
    13              -39.1902       10.00000                   44.29
    14               ∞            102.50000    BK7           40.44
    15               ∞            3.00000      ZK7           25.08
    16               ∞            1.00563                    24.63符号说明
                    a-多项式非球面
                    c-锥形截面
                           焦点平移＝0.00000圆锥
                           表面
                                      常数
                            编号
                           2         -9.0000E-01偶项式非球面 表面编号       D           E           F          G           H           I1          8.1077E-08  -4.9913E-11   5.9749E-14  1.1278E-18  -1.0091E-20   1.4111E-242         -1.1414E-07   4.1498E-10  -1.5660E-13  5.5103E-16   3.2180E-19  -5.1455E-2210        -7.7823E-06  -3.3365E-09  -1.9906E-12  -5.9533E-17  7.6060E-17  -1.3444E-1911        -2.6114E-06  -2.4026E-09   4.3735E-12  1.0618E-14  -1.8774E-17   4.8159E-21
                            表5(续) 系统第一级性能，位置
OBJ.HT：-1220.0      f/         3.00 MAG：    -0.0100
STOP：0.00           表面6以后       DIA：23.170
EFL：16.7013         FVD：388.984         ENP：47.4679
IMD：1.00563         BRL：387.978         EXP：-1214.27
OBD：-1622.89        OVL：2011.88元件的一级性能  元件号      表面号     光焦度        f′            1pp       1′pp1            1   2      -0.18768E-01   -53.283    6.0396   0.13147E-012            3   4      -0.18454E-01   -54.190    1.6264    -0.118143            4   5       0.19708E-01    50.741    0.96215   -4.73514            7   8       0.15157E-01    65.977    4.4810    -2.03695            8   9      -0.11907E-01   -83.981   -0.82089   -2.58956            10  11      0.10986E-02    910.28    37.054     34.2737            12  13      0.10863E-01    92.055    7.4695     1.0539双合透镜的第一级性能 元件号      表面号     光焦度        f′            1pp       1′pp2    3       3   5       0.16469E-02    607.19    14.554     7.36964    5       7   9       0.34689E-02    288.28    0.30695   -7.9026
                              表6 透明数据
                                                    通光孔径
    表面    表面
                      半径       厚度     玻璃     直径
    编号   类型
    1       a         292.8219    9.00000   聚丙烯的  96.26
    2       ac        28.1642     120.24370           66.85
    3                -266.8324    3.00000   LAC8      35.99
    4                 33.2578     9.50000   FD8       34.91
    5                -259.6141    53.16168            34.46
    6                 孔径阑      42.00000            23.38
    7                 519.0042    9.50000   FC5       34.73
    8                -47.2408     3.16000   SF6       36.16
    9                -131.0132    5.87579             38.06
    10                72.7138     10.13644  FC5       42.51
    11      ac       -56.1142     10.00000            42.74
    12                ∞          102.50000 BK7       39.77
    13                ∞          3.00000   ZK7       25.31
    14                ∞          1.02121             24.88符号说明
                      a-多项式非球面
                      c-锥形截面
                            焦点平移＝-0.08000圆锥
                            表面
                                        常数
                             编号
                            2          -9.0000E-01
                            11         -1.4000E+00偶项式非球面 表面编号       D           E           F           G           H            I1          1.4941E-07  -1.6298E-10   9.7911E-14   4.6897E-18  -1.2743E-20    2.1836E-242          9.2188E-07   3.5505E-10  -3.3822E-13   5.5051E-16   3.0208E-19   -1.9330E-2211         1.5012E-06  -4.0662E-09   1.4997E-11  -7.7650E-15  -5.8554E-17    8.2240E-20
                       表6(续) 系统第一级性能，位置OBJ.HT：-1220.0        f/        3.00 MAG：    -0.0100STOP：0.00             表面6以后      DIA：22.169EFL：16.6986           FVD：382.099         ENP：53.5799IMD：1.02121           BRL：381.078         EXP：-879.883OBD：-1616.60          OVL：1998.70元件的一级性能 元件号     表面号     光焦度       f′          1pp      1′pp1           1   2      -0.15668E-01  -63.826   6.7420    0.648462           3   4      -0.24318E-01  -41.121   1.5479   -0.192933           4   5       0.23233E-01   43.042   0.64535  -5.03774           7   8       0.11234E-01   89.012   5.8797   -0.535185           8   9      -0.10813E-01  -92.478  -0.99999  -2.77336           10  11      0.15045E-01   66.469   3.9439   -3.0436双合透镜的第一级性能 元件号     表面号     光焦度       f′          1pp      1′pp2   3       3   5      -0.61182E-03  -1634.5  -30.284   -38.3574   5       7   9       0.36454E-03   2743.2   19.667   11.551
                                             表7
  透镜     f0     D12     D23     BFL     f2     EPD
  1     77.03     113.79     54.70     265.98     -418.41     355
  2     61.86     122.40     72.27     271.94     -213.40     355
  3     11.50     78.22     50.40     60.08     -114.84     2200
  4     16.70     120.64     96.01     80.31     -3342.6     2800
  5     16.70     120.78     96.32     80.32     607.19     -1214.3
  6     16.70     120.24     95.16     80.33     -1634.5     -879.9
Figure C9710552400271

Claims (22)

1.一种用来形成某一物的象的投影透镜，其特征在于，按从其象端到其物端的次序，所述透镜包含：
(A)第一透镜单元，它具有负的光焦度，并包含一个具有至少一个非球面的塑料透镜元件；
(B)第二透镜单元，它具有负的光焦度或弱的正光焦度，并包含一个颜色校正双合透镜；
(C)第三透镜单元，它具有正的光焦度，并在玻璃元件或弱塑料元件上包含一个非球形表面；
其中：
    D12/f0＞1.0
    D23/f0＞0.7
    1.5＜(D12+D23+BFL)/BFL＜4.0，以及
    BFL/f0＞3.0
这里，
    (i)f0是第一、第二和第三透镜单元组合的有效焦距；
    (ii)BFL第一、第二和第三透镜组合对于沿投影透镜的长共轭侧方向，位于无限远处物体的后焦距；
    (iii)D12是第一和第二透镜单元的间距；
    (iv)D23是第二和第三透镜单元的间距。
2.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，
    BFL/f0＞4.0。
3.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，
    BFL/f0＞5.0。
4.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，
    |EPD|/f0＞4.0，这里，对于从物到象传播的光来说，EPD是从物到投影透镜入射光瞳的距离。
5.如权利要求4所述的投影透镜，其特征在于，
|EPD|/f0＞100。
6.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第一透镜单元包含至少两个非球面。
7.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第一透镜单元由单个透镜元件组成。
8.如权利要求7所述的投影透镜，其特征在于，所述单个透镜单元具有两个非球面。
9.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第一透镜单元包含两个透镜元件。
10.如权利要求9所述的投影透镜，其特征在于，所述两个透镜元件中的每一个具有两个非球面。
11.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第二透镜单元包含两个颜色校正双合透镜。
12.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第二透镜单元仅包含玻璃透镜元件。
13.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第三透镜单元包含一个颜色校正双合透镜。
14.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，当将透镜从室温加热到工作温度时，BFL基本不变。
15.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述f0小于20毫米。
16.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，其中，
    1.0＜D12/D23＜2.5。
17.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述透镜在象处的畸变小于一个百分点。
18.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述透镜沿象的方向的二分之一视场大于约35°。
19.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述物体是象素化板。
20.如权利要求19所述的投影透镜，其特征在于，所述透镜在物处的横向色差小于约一个象素。
21.一种用来形成某一物休体的象的投影透镜系统，其特征在于，所述系统包含：
(a)一照明系统，它包含一光源和形成所述光源的象的照明光学装置，所述光源的所述象是所述照明的系统的输出；
(b)一象素化板，它包含所述物体；以及
(c)一种用来形成某一物的象的投影透镜，按从其象端到其物端的次序，所述透镜包含：
    (A)第一透镜单元，它具有负的光焦度，并包含一个具有至少一个非球面的塑料透镜元件；
(B)第二透镜单元，它具有负的光焦度或弱的正光焦度，并包含一个颜色校正又合透镜；
    (C)第三透镜单元，它具有正的光焦度，并在玻璃元件或弱塑料元件上包含一个非球形表面；
其中：
    D12/f0＞1.0
    D23/f0＞0.7
  1.5＜(D12+D23+BFL)/BFL＜4.0，以及
    BFL/f0＞3.0
这里，
    (i)f0是第一、第二和第三透镜单元组合的有效焦距；
    (ii)EFL是第一、第二和第三透镜组合对于沿投影透镜的长共轭侧方向，位于无限远处物体的后焦距；
    (iii)D12是第一和第二透镜单元的间距；
    (iv)D23是第二和第三透镜单元的间距，
其中，所述投影透镜具有一入射光瞳，所述入射光瞳的位置基本对应于所述照明系统的输出的位置。
22.一种形成某一物体的象的可变放大率投影透镜系统，其特征在于，它包含：
(A)一照明系统，它包含一光源和形成所述光源的象的照明光学装置，所述光源的所述象是所述照明系统的输出；
(B)一象素化板，它包含所述物体；以及
(C)一投影透镜，它包含：
    (i)第一透镜单元，它具有负的光焦度，并包含一个具有至少一个非球面的塑料透镜元件；
    (ii)第二透镜单元，它具有负的光焦度或弱的正光焦度，并包含一个颜色样正双合透镜；
    (iii)第三透镜单元，它具有正的光焦度，并在玻璃元件或弱塑料元件上包含一个非球形表面；
其中：
    D12/f0＞1.0
    D23/f0＞0.7
    1.5＜(D12+D23+BFL)/BFL＜4.0，以及
    BFL/f0＞3.0
这里，
    (1)f0是第一、第二和第三透镜单元组合的有效焦距；
    (2)BFL是第一、第二和第三透镜组合对于沿投影透镜的长共轭侧方向，位于无限远处物体的后焦距；
    (3)D12是第一和第二透镜单元的间距；
    (4)D23是第二和第三透镜单元的间距，
其中，通过改变所述象素化板与第二和第三透镜单元之间的距离并使(a)第二透镜单元与第三透镜单元之间的距离以及(b)第一透镜单元与象素化板之间的距离保持不变，来改变投影透镜系统的放大率。
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