CN1117992C - 长焦距投影透镜 - Google Patents

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    • G02B9/00—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
    • G02B9/12—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having three components only

Abstract

提供了用于LCD或DMD板的投影透镜。该透镜具有第一透镜单元，其光焦度很低且包括高色散材料构成的负透镜元件和低色散材料构成的正透镜元件，所述第一透镜单元具有至少一个非球面表面；第二透镜单元，具有正光焦度；以及第三透镜单元，它与第二透镜单元隔得很开，所述第三透镜单元具有负光焦度和整体的弯月形状。投影透镜满足以下关系：0.3＞D23/f0＞0.1，|f1|/f0＞1.3，以及BFL/f0＞0.3。

Description

长焦距投影透镜
本发明涉及投影透镜，尤其涉及形成由像素构成的物体诸如LCD或DMD的图像用的投影透镜。
使用投影透镜系统(这里也叫做“投影系统”)，以在观看屏上形成物体的图像。这种系统的基本结构如图4所示，其中10是光源(例如，卤钨灯)，12是形成光源的像(这里叫做照明系统的“输出”)的照明光学装置，14是被投影的物体(例如接通和断开像素的矩阵)，以及13是的透镜元件构成的投影透镜，它在观看屏16上形成物体14的放大图像。该系统也包括位于像素化板附近的物镜，例如Fresnel透镜，以将照明系统的出射光瞳引向投影透镜的入射光瞳。
图4绘出了LCD板的情况，其中照明系统的输出射到板的背面并通过板的那些透明的像素。另一方面，DMD由反射而进行工作继而照明系统的输出由棱镜或类似的装置引到板的前面。
在其中物体是像素化板的投影透镜系统可用于各种应用，包括数据显示系统。此投影透镜系统最好应用单个投影透镜，该透镜形成例如具有红、绿和蓝像素的单个板的图像，或形成三个单独的板的图像，一个板用于一种颜色。在某些情况下，使用两个板，一个板用于两种颜色，例如，红和绿，另一个板用于一种颜色，例如，蓝。旋转滤光镜轮或类似的装置与用于两种颜色的板相关，对该板也可与旋转滤光镜同步地馈送用于两种颜色的信息。
需要用于像素化板的投影透镜，所述投影透镜至少同时具有以下特性：(1)长的焦距；(2)长的后焦距；(3)能在各种放大率下工作，而保持与照明系统输出的有效耦合以及高水平的像差校正；(4)相当小的尺寸，包括数目少的透镜元件，相当短的镜筒长度，以及相当小的最大透镜直径；(5)高水平的颜色校正；(6)低畸变；以及(7)对温度变化的低敏感度。
用于剧院、会议厅和类似场所的投影系统需要长的焦距。在这种环境中，投影系统一般位于厅的后面，从而从透镜到观看屏的投射距离很长。对于给定的板尺寸和屏幕尺寸，即，给定的放大率，焦距越长，则投射距离越长。相应地，对于给定的放大率范围，透镜的焦距必须随投射距离的增加而增加。
需要长的后焦距，即，从最后一个透镜表面到像素化板的距离，尤其是在使用多个板以容纳光学元件例如滤光镜、分束器、棱镜和类似元件的情况，这些元件用于组合来自透镜系统向观看屏投影的不同颜色光路的光。此外，长的后焦距使照明系统的输出对于相当大输出距离将位于投影透镜附近。想要相当大的输出距离，因为它们可对像素化板处的光提供相当窄的入射角，这对于LCD板的情况尤为重要。
想要一种可在各种放大率下有效地工作的投影透镜，因为它使得投影系统可使用不同尺寸的屏幕和用于不同大小的厅，而不必改变系统的任何一个元件。只需要改变物和像的共轭，这很容易通过相对于像素化板移动透镜来实现。当然，问题的困难之处在于对照明系统的输出提供有效的耦合，并在放大率的操作范围内提供高水平的像差校正。
从成本、重量和尺寸的观点来看，需要一种相当小的投影透镜。透镜元件数目多且元件直径大要消耗更多的原材料，重量更重，生产和安装更费钱。长的镜筒长度通常增加了投影系统的总尺寸，这也将导致成本和重量的增加。相应地，想要一种透镜，它具有最少数目的相当小的透镜元件，且透镜元件相互的距离相当近。
高水平的颜色校正是重要的，因为很容易看出像素化板图像中的色差，有如一个模糊的像素，或在极端情况下，一个像素从图像中完全消失。这些问题一般在视场的边缘处最严重。一般来说，在像素化板处测得的颜色校正应优于大约一个像素，最好是优于大约半个像素，以避免这些问题。
需要解决系统的所有色差，而横向颜色、彗形像差的色彩变化，以及像散色差一般最具有挑战性。横向颜色(即，放大率随颜色的变化)尤其麻烦，因为它本身表现为对比度的降低，尤其是在视场的边缘处。在极端情况下，可在整个视场区域中的看见彩虹效应。
在使用阴极射线管(CRT)的投影系统中，例如可通过相对于蓝色CRT上产生的图像尺寸减小红色CRT上产生的图像尺寸，用电子学的方法补偿少量(剩余)的横向颜色。然而，对于像素化板不能进行这样的调节，因为图像被数字化，从而不可能在整个视场内平稳地调节尺寸。因此投影透镜需要更高水平的横向颜色校正。
应注意，随着投影透镜焦距的增加，对色差进行校正就更难了。于是，上述第一和第五标准(即，长焦距和高水平的颜色校正)在达到适宜的透镜设计时是相互矛盾的。
使用像素化板来显示数据迫切需要对畸变的校正。这是因为在观看数据时即使在透镜视场之极端点处也需要良好的图像质量。将看出，显示数字或字母的不畸变的图像在视场边缘处与在视场中央处同样重要。此外，投影透镜常用于偏置板，例如图1-3的透镜就是为这种使用而设计的。在此情况下，观看屏处的畸变并不相对于通过该屏中心的水平线对称改变，而是例如从屏的底部到顶部单调增加。这个效应使得即使少量的畸变也容易被观看者看到。
为了产生亮度足够的图像，必须有大量的光通过投影透镜。结果，在室温和透镜工作温度之间通常存在明显的温差。此外，需要透镜可在各种环境条件下工作。例如，投影透镜系统常常安装在房间的天花板上，包括周围温度显著超过40℃的建筑物的屋顶。为了解决这些效应，需要其光学特性对温度变化相当不敏感的投影透镜。
解决温度敏感问题的一个方法是使用玻璃构成的透镜元件。与塑料相比，玻璃元件的曲率半径和折射率的变化一般低于塑料元件的这些变化。然而，玻璃元件一般比塑料元件贵，在像差控制需要非球面表面时更贵。如下所述，可使用塑料元件，只要适当地选择塑料元件的光焦度和位置，它仍可实现对温度的不敏感性。
下述投影透镜实现了以上的所有需要，并可成功地用于生产相当低成本的投影透镜系统，该系统能在观看屏上形成像素化板的高质量彩色图像。
在以下的各个专利中描述了使用像素化板的投影透镜，包括Taylor的美国专利No.4,189,211，Tanaka等人的美国专利No.5,042,929,Yano等人的美国专利No.5,179,473，Moskovich的美国专利No.5,200,861，Moskovich的美国专利No.5,218,480，Iizuka等人的美国专利No.5,278,698，Betensky的美国专利No.5,313,330，以及Yano的美国专利No.5,331,462。可在Gagnon等人的美国专利No.4,425,028，Gagnon的美国专利No.4,461,542，Ledebuhr的美国专利No.4,826,311，以及欧洲专利局专利公报No.311,116中找到对LCD系统的讨论。
依据上述观点，本发明的一个目的是提供使用像素化板的改进的投影透镜，它同时具有以上讨论的七个所需的性质的每一个性质。利用从其像侧到其物侧(即，从长共轭侧到其短共轭侧)依次包括以下单元的投影透镜实现此目的：
(A)第一透镜单元，其光焦度很弱且包括高色散材料构成的负透镜元件和低色散材料构成的正透镜元件，所述第一透镜单元具有至少一个非球面表面；
(B)第二透镜单元，具有正光焦度；以及
(C)第三透镜单元，它与第二透镜单元隔得很开，所述第三透镜单元具有负光焦度和总的弯月形形状。
在本发明的某些较佳实施例中，第三透镜单元的总弯月形形状包括一较短的半径表面和一较长的半径表面，较短的半径表面面对投影透镜的长共轭(像侧)。
在其它较佳实施例中，透镜系统至少满足下述某些数值限制，最好满足下述所有的数值限制：
0.3＞D23/f0＞0.1                (1)
|f1|/f0＞1.3                    (2)
BFL/f0＞0.3                   (3)
这里：
(i)f0是第一、第二和第三透镜单元组合的有效焦距；
(ii)f1是第一透镜单元的有效焦距；
(iii)BFL是第一、第二和第三透镜单元组合的后焦距，物体位于投影透镜长共轭侧的无限远处；以及
(iv)D23是从第二透镜单元的最后表面到第三透镜单元单元的最前表面测得的第二和第三单元之间的距离。
在还有一些较佳实施例中，|f1|/f0大于大约2.5，BFL/f0大于大约0.4。
限制(1)-(2)相应于投影透镜的物理结构。当满足这些限制时，可实现限制(3)，且仍可实现高水平的颜色校正和低水平的畸变。
在某些实施例中，把照明系统输出的位置用作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，美国专利No.5,313,330，通过引用，把其相关部分包括于此)。于是，可在照明系统的光输出和投影透镜之间实现有效的耦合。以此方法设计图1的投影透镜。
依据这些实施例，本发明提供了形成物体图像的投影透镜系统，它包括：
(a)照明系统，包括光源和形成光源像的照明光学装置，所述像是照明系统的输出；
(b)包括物体的像素化板；以及
(c)上述类型的投影透镜，所述投影透镜具有入射光瞳，该入射光瞳的位置基本上相应于照明系统输出的位置。
结合本发明的其它方面，通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的光焦度。
也把本发明的投影透镜设计成基本上是无热的。如下所述，这可通过使用具有类似的正和负光焦度的塑料透镜元件来实现。于是，通过负透镜元件光焦度的变化来补偿温度变化引起的正透镜元件光焦度的变化，这样对投影透镜提供了随温度变化基本上不变的总的光学性质。
图1-3是依据本发明构成的投影透镜的侧视示意图。
图4是示出可使用本发明投影透镜的全部投影透镜系统的示意图。
引入并构成说明书一部分的上述附图示出本发明的较佳实施例，并结合描述用于说明本发明的原理。当然，应理解附图和描述都只是示例，而不是对本发明的限制。
本发明的投影透镜在摄远镜头(单元2和3)的长共轭一侧上具有校正器单元(单元1)的一般形式。摄远镜头一般具有小于大约10°的半个视场。利用校正器单元，本发明的投影透镜具有宽得多的视场，例如大于大约20°的半视场。
第一透镜单元(校正器单元)具有弱的光焦度以及至少一个非球面表面，并包括高色散材料构成的负透镜元件和低色散材料构成的正透镜元件。第一透镜单元最好满足以上限制条件(2)。虽然在必要时可使用玻璃材料，但负和正透镜元件最好由塑料材料构成。然而，为了实现热稳定，如果把透镜元件之一从塑料改为玻璃，则两个透镜元件的材料都应改变。
一般来说，高色散材料是具有类似于火石玻璃的色散的材料，低色散材料是具有类似于冕牌玻璃的色散的材料。尤其是，高色散材料是对于1.85到1.5范围内的折射率其V值范围分别从20到50的那些材料，低色散材料是对于相同范围内的折射率其V值范围分别从35到75的那些材料。
对于塑料透镜元件，选中的低和高色散材料分别是丙烯酸和苯乙烯。当然，必要时可使用其它塑料。例如，替代苯乙烯，可使用具有类似于火石玻璃色散的聚碳酸酯以及聚苯乙烯和丙烯酸的共聚物(例如，NAS)。见《The Hand book ofPlastic Optics)》U.S.Precison Lens，Inc.，Cincinnati，Ohio，1983，pp.17～29。
第一透镜单元，尤其是该单元的非球面表面有利于校正系统畸变，对于使用像素化板的透镜系统需要很好地校正上述畸变。在像处畸变校正一般优于大约一个百分点，最好优于大约0.5个百分点。非球面表面也有利于校正球差、像散和彗形像差。通过第一单元的高色散负元件并结合低色散正元件可实现颜色校正。第一透镜单元在透镜系统的聚焦中也起重要的作用。尤其是，第一透镜单元以不同于第二和第三透镜单元的速度相对于像素化板移动，以改变系统的放大率而保持高的图像质量。于是第一透镜单元可看作是前部、非球面、聚焦的颜色校正器。
第二和第三透镜单元具有摄远镜头的形式。因此，第二透镜单元具有正光焦度，第三透镜单元具有负光焦度，这两个单元隔得很开。这两个单元之间的间隔最好满足以上限制条件(1)。照明系统的输出一般位于第二和第三透镜单元之间，因此这些单元最好只包括可承受该输出附近所产生的热量的玻璃元件。
第二和第三透镜单元的光焦度的值一般相同，每个透镜单元的光焦度值显著大于第一透镜单元的光焦度的值。
如上所述，把本发明的投影透镜做成无热化的，从而系统的光学性能(尤其包括系统的后焦距)基本上不随投影透镜从室温加热到其工作温度而变化。说得具体些，后焦距的变化最好小于明显改变系统调制传递函数(MTF)的量，例如，在5周/毫米处MTF中的变化应小于大约10％。对于以下提出的特殊例子，此MTF标准相应于小于大约0.8毫米的后焦距的变化。通过选择和放置塑料透镜元件的透镜来实现透镜焦点所需的热稳定性。
一般，使用塑料透镜元件的缺点是塑料光学材料的折射率明显地随温度而变化。另一个效应是形状随温度而改变(即，膨胀或收缩)。通常，后一个效应没有折射率的变化那么明显。
如果在透镜中只使用低光焦度的塑料透镜元件，则可在塑料镜片的热变化和系统的塑料或铝制部件(例如，通常是由热引起的焦点变化的主要机械来源的透镜镜筒)的热变化之间实现平衡。在设计中不加限制地使用光学塑料，(即，使用光焦度相当高的塑料透镜元件的能力)的优点在于塑料透镜元件很容易模制，所以可使用非球面光学表面(非球面)来增大特殊透镜设计的能力(性能)。使用光焦度相当高的塑料元件也使透镜一般具有较低的总成本。
如果在设计中的净的塑料光焦度是显著的，则需要进行无热化，否则透镜的焦点将随透镜温度从室温到其工作温度的变化而明显改变。对于必须把大量的光传输到观看屏，因此该投影机所具有的操作温度明显高于室温的投影机来说尤其如此。
对于本发明的投影透镜，通过平衡正和负塑料光焦度，并考虑塑料透镜元件的位置和这些元件处边缘光线高度，可实现无热化。
就元件将经受的温度变化量因而将在元件折射率中产生的变化量而言，塑料透镜元件的位置很重要。一般，靠近光源或光源像的元件将经受较大的温度变化。在实践中，用光源及其相关的照明光学装置的工作来测量投影透镜所在区域中的温度分布，并把这些测量值用于投影透镜的设计中。
对给定的热变化，特殊塑料透镜元件处的边缘光线高度确定元件折射率的变化相对于透镜的总体热稳定性是否明显。与边缘光线高度大的元件相比，边缘光束高度小的元件(例如，靠近系统焦点的元件)一般将对系统的总体热稳定性产生较小的影响。
根据上述考虑，通过使塑料透镜元件中负和正光焦度的值相平衡，并根据元件将经受的温度变化以及元件处的边缘光线高度调节特殊元件的贡献，来实现此无热化。在实践中，可在计算机透镜设计程序中包括此无热化过程，如下所述。首先，在第一温度分布处完成光线轨迹，并计算后焦距。此光线轨迹可以是对于边缘光线的旁轴光线轨迹。其次，在第二温度分布处完成相同的光线轨迹，并再次计算后焦距。对于整个透镜第一和第二温度分布都不必恒定，但在一般情况下它们可随透镜元件的不同而不同。然后当使用透镜设计程序来优化的系统设计时把计算得到的后焦距限定于恒定值。
应注意上述方法假设随系统温度的变化，对投影透镜和像素化板的机械安装保持最后一个透镜表面和板之间的距离基本上不变。如果不能保证这样的假设，则可制定用于进行无热化的其它规定，例如。可在处理或另一个距离中包括机械安装的相对移动，还可假设前透镜表面和板之间的距离是机械上固定的。
图1到3示出依据本发明构成的各种投影透镜。相应的说明和光学特性分别呈现在表1到3中。HOYA或SCHOTT标记用于透镜系统中使用的玻璃。在本发明的实验中可使用其它制造商生产的同等的玻璃。对于塑料元件采用在工业可接受的材料。
在表中提出的非球面系数用于以下公式： z = cy 2 1 + [ 1 - ( 1 + k ) c 2 y 2 ] 1 / 2 + Dy 4 + Ey 6 + Fy 8 + Gy 10 + Hy 12 + Iy 14
这里z是从系统光轴算起的距离y处的表面垂弛度，c是光轴处透镜的曲率，k是圆锥常数，对于表1-3的说明，它为0。
表中使用的缩写如下：
EFL    有效聚焦
FVD    前顶点距离
f/     f数
ENP    从长共轭看到的入射光瞳
EXP    从长共轭看到的出射光瞳
BRL    镜筒长度
OBJ HT 物体高度
MAG    放大率
STOP   孔径阑位置
IMD    像距
OBD    物距
OVL    总长度。
与表中各个表面相关的标记“a”代表非球面表面，即，在以上公式中D、E、F、G、H或I中至少有一个不为零的表面。以毫米为单位给出表中所有的尺寸。根据图中光从左到右行进的假设构成这些表。实际上，观看屏将在左侧，而像素化板将在右侧，光将从右侧行进到左侧。在图中由标记“PP”示出像素化板。当包括板从透镜系统光轴的偏置时，要为其设计透镜的板(具体说，LCD板)具有大约330毫米的有效对角线。
在表1中，第一透镜单元(U1)包括表面1-4，第二透镜单元(U2)包括表面5-6，第三透镜单元(U3)包括表面7-8。在表2-3中，第一透镜单元(U1)包括表面1-4，第二透镜单元(U2)包括表面5-6，第三透镜单元(U3)包括表面8-11。
如上所述，使用Betensky的美国专利No.5,313,330中的伪孔径阑/入射光瞳技术设计图1的投影透镜。表1中的表面9构成伪孔径阑。其位置相应于照明系统输出的位置。
从标有“变量空间”的子表可看出，从伪孔径阑到像素化板的距离，即，对于图1投影透镜系统的所有焦点位置(放大率)，“像距”基本上是不变的。相反，对不同的放大率，空间8有变化。对于示出的焦点位置，该空间相应于位于由透镜的前后透镜表面限定的空间内的照明输出为负。
如上所述，可通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，使图1-3的投影透镜聚焦。如表1-3所示，与透镜系统相对于像素化板的整体移动相比，第一透镜单元相对于第二透镜单元的移动量很小。
表4和5总结了本发明透镜系统的各种性质。对沿系统长共轭的无限远处的物体计算BFL值。如表5所示，图1-3的透镜系统可满足限制条件(1)到(3)中的每一条。
虽然已描述和示出了本发明的实施例，但应理解，本领域内的普通技术人员将从以上揭示的内容明白。
                              表1
透镜数据
    表面编号     类型    半径        厚度     玻璃     净孔径直径
       1           a       145.6603    20.00000   丙烯酸    140.69
       2           a       771.1563    8.16629              37.81
       3                   -343.2301   10.00000   苯乙烯    137.61
       4           a       529.6310    Space 1              130.01
       5                   243.9732    20.00000   BK7       106.72
       6                   -243.9732   97.41089             105.53
       7                   -105.3823   5.50000    SK5       92.02
       8                   -366.2086   Space 2              97.35
       9                   孔径阑      像距                 67.03符号说明
    a-多项式非球面偶次幂多项式非球面
                                 表1(续) 表面编号    D            E            F            G           H            I
1       -5.1941E-08  1.1394E-12   -9.4992E-16  -5.6960E-20  1.1729E-24   -5.2932E-28
2       -1.1391E-07  1.3300E-11   -3.3639E-15  4.4420E-19   -3.2536E-23  1.2845E-27
4       5.6668E-08  -5.2761E-12   3.7040E-16   -5.8822E-20  -7.7815E-24  2.6646E-28变量空间
焦点位置   空间1T(4)    空间2T(8)   焦点偏移  像距
    1       84.377       -69.197      -0.986    340.005
    2       87.132       -33.674      -1.516    340.005
    3       85.161       -58.998      -1.086    340.005系统第一级特征，位置1
OBJ.HT：-5615.0          f/5.28        MAG：-0.0300
STOP：0.00 after surface 9             DIA：64.878
EFL：514.956             FVD：516.262  ENP：159.421
IMD：340.005             BRL：176.257
OBD：-17820.4            OVL：18336.6系统第一级特征，位置2
OBJ.HT：-1685.3          f/5.28        MAG：-0.10000
STOP：0.00 after surface 9             DIA：64.931
EFL：515.132             FVD：554.541  ENP：262.591
IMD：340.005             BRL：214.536
OBD：-5803.75            OVL：6358.29
                          表1(续) 系统第一级特征，位置3
OBJ.HT：-3370.0          f/5.28         MAG：-0.0500
STOP：0.00 after surface 9              DIA：64.884
EFL：514.006             FVD：527.245   ENP：186.716
IMD：340.005             BRL：187.240
OBD：-10954.5            OVL：11481.7元件的第一级特性 元件编号  表面编号   光焦度        f′            1pp       1′pp1       1     2    0.27787E-02    359.88     -3.0853   -16.3342       3     4    -0.28689E-02   -348.56    2.4549    -3.78823       5     6    0.41927E-02    238.51     6.6780    -6.67804       7     8    -0.39658E-02   -252.15    -1.4074   -4.8907透镜的第一级特性 焦点位置编号  光焦度         f′         1pp        1′pp
 1        0.19419E-02    514.96    -140.20    -189.41
 2        0.19412E-02    515.13    -137.29    -255.12
 3        0.19417E-02    515.01    -139.37    -199.67
                               表2 透镜数据
表面编号   类型    半径       厚度      玻璃     净孔径直径
    1      a       126.8687    33.00000    丙烯酸     162.43
    2      a       548.1152    20.29232               152.43
    3              -369.9293   13.20000    苯乙烯     146.42
    4      a       233.1603    Space 1                134.87
    5              184.6235    27.50000    BK7        127.01
    6              -279.5319   63.63133               123.12
    7              孔径阑      45.11486               76.09
    8              -78.9788    5.50000     SK1        889.10
    9              -396.7956   0.55000                101.26
    10             4927.7431   11.00000    F2         105.93
    11             -210.3431   像距                   108.23符号说明
    a-多项式非球面偶次幂多项式非球面 表面编号  D              E             F             G              H              I
1    -3.0991E-08    2.0041E-12    -1.9651E-16    -4.5534E-20    -2.6881E-24    1.0855E-27
2    -1.3196E-07    1.6297E-11    -3.5632E-16    4.6548E-19     -2.9665E-23    2.1789E-27
4    -4.6012E-08    -6.3344E-12   1.4385E-15     -8.8970E-20    -3.9446E-23    4.4942E-28变量空间
焦点位置    空间1T(4)    焦点偏移     像距
    1        23.039       -2.570       317.280
    2        18.696       -1.589       272.413
                           表2(续) 系统第一级特征，位置1
OBJ.HT：-887.00          f/5.75          MAG：-0.1900
STOP：0.00 after surface 7               DIA：72.135
EFL：513.555             FVD：560.108    ENP：252.606
IMD：317.280             BRL：242.828    EXP：-53.4854
OBD：-3406.72            OVL：3966.83系统第一级特征，位置2
OBJ.HT：-1685.3          f/5.75          MAG：-0.1000
STOP：0.00 after surface 7               DIA：63.368
EFL：515.056             FVD：510.897    ENP：247.242
IMD：272.413             BRL：238.484    EXP：-53.4853
OBD：-5864.56            OVL：6375.45元件的第一级特性 元件编号  表面编号  光焦度         f′       1pp        1′pp
1      1   2    0.30686E-02    325.88    -6.4855    -28.020
2      3   4    -0.41939E-02   -238.44   5.0354     -3.1737
3      5   6    0.45709E-02    218.78    7.3512     -11.130
4      8   9    -0.64596E-02   -154.81   -0.83842   -4.2123
5      10  11   0.30911E-02    323.51    6.5011     -0.27750透镜的第一级特性 焦点位置编号 光焦度         f′           1pp        1′pp
 1       0.19472E-02    513.55    -190.24    -291.28
 2       0.19415E-02    515.06    -198.94    -292.56
                                表3 透镜数据
表面编号  类型   半径       厚度      玻璃     净孔径直径
   1       a      90.4208    24.54543    丙烯酸     97.73
   2       a      175.8292   15.09344               86.72
   3              -359.8547  9.81817     苯乙烯     82.17
   4       a      159.2121   Space 1                78.60
   5              137.6614   20.45452    BK7        79.74
   6              -123.2003  7.44364                78.67
   7              孔径阑     45.18737               72.29
   8              -60.7926   4.09091     SK18       82.19
   9              -172.5408  0.40909                93.84
   10             -119.8987  8.18181     F2         91.53
   11             -84.5813   像距                   94.33符号说明
    a-多项式非球面偶次幂多项式非球面 表面编号     D             E             F             G             H             I1         -1.1374E-07   -1.5369E-11   -4.0794E-15   -8.8952E-19   -1.4217E-22   -5.0944E-262         -4.3679E-09   7.7379E-11    -2.1796E-14   8.2862E-18    -8.2641E-22   -2.2717E-264         -8.2574E-08   -4.9966E-11   -3.7277E-16   -3.8757E-18   -1.2593E-21   4.3922E-26变量空间
焦点位置    空间1T(4)    焦点偏移     像距
   1         18.713       -3.364       300.266
   2         17.672       -2.219       267.480
                                表3(续) 系统第一级特征，位置1
OBJ.HT：-887.00          f/5.75          MAG：-0.1900
STOP：0.00 after surface 7               DIA：70.863
EFL：383.676             FVD：454.204    ENP：97.7951
IMD：300.266             BRL：153.937    EXP：-50.6355
OBD：-2444.74            OVL：2898.94系统第一级特征，位置2
OBJ.HT：-1685.3          f/5.75          MAG：-0.1000
STOP：0.00 after surface 7               DIA：63.949
EFL：385.052             FVD：420.376    ENP：96.5881
IMD：267.480             BRL：152.896    EXP：-50.6355
OBD：-4280.01            OVL：4700.38元件的第一级特性 元件编号  表面编号   光焦度         f′       1pp       1′pp1       1   2     0.29046E-02    344.28    -15.887   -30.8932       3   4     -0.54282E-02   -184.22   4.2377    -1.87493       5   6     0.77648E-02    128.79    7.3030    -6.53594       8   9     -0.67343E-02   -148.49   -1.3756   -3.90435       10  11    0.23669E-02    422.50    15.705    -11.079透镜的第一级特性 焦点位置编号    光焦度        f′          1pp        1′pp
 1          0.26064E-02    383.68    -41.714    -152.94
 2          0.25971E-02    385.05    -44.441    -153.86
                                  表4
    例子     f0    f1     f2     f3     f23     f23     BFL
    1     514.9    8023.1     238.5     -252.2     517.0     97.4     255.4
    2     517.0    -2279.3     218.8     -318.1     335.7     108.7     221.2
    3     387.3    -577.5     128.8     -247.0     193.6     52.6     229.8
                       表5
    例子     D23/f0     |f1|/f0     BFL/f0
    1     0.19     15.58     0.50
    2     0.21     4.41     0.43
    3     0.14     1.49     0.59

Claims (44)

1.一种用于形成物体像的投影透镜，其特征在于按从其像端到其物端的次序，所述透镜依次包括：
(A)第一透镜单元，其光焦度很弱且包括高色散材料构成的负透镜元件和低色散材料构成的正透镜元件，所述第一透镜单元具有至少一个非球面表面；
(B)第二透镜单元，具有正的光焦度；以及
(C)第三透镜单元，它与第二透镜单元以距离D23隔得很开，所述第三透镜单元具有负光焦度和整体的弯月形形状，
其中：
(i)  |f1|/f0＞1.3；
(ii) D23/f0＞0.1；
(iii)BFL/f0＞0.3，
这里，(a)f0是第一、第二和第三透镜单元组合的有效焦距；(b)f1是第一透镜单元的有效焦距，(c)BFL是第一、第二和第三透镜单元组合的后焦距，对应于位于投影透镜长共轭侧的无限远处的物体。
2.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于第三透镜单元的整体弯月形形状包括较短半径的表面和较长半径的表面，较短半径的表面面对投影透镜的像端。
3.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于：
D23/f0＜0.3。
4.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于：
|f1|/f0＞2.5。
5.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于：
BFL/f0＞0.4。
6.如权利要求1-5中任一项所述的投影透镜，其特征在于第一透镜单元包括至少两个非球面表面。
7.如权利要求6所述的投影透镜，其特征在于第一透镜单元只包括塑料透镜元件以及第二和第三透镜元件只包括玻璃透镜元件。
8.如权利要求1-5中任一项所述的投影透镜，其特征在于第一透镜单元只包括塑料透镜元件以及第二和第三透镜元件只包括玻璃透镜元件。
9.如权利要求1-5中任一项所述的投影透镜，其特征在于具有以下的至少一个特征：
(a)透镜的BFL基本上不随透镜从室温加热到其工作温度而变化；
(b)透镜具有的畸变在图像处小于大约一个百分点；
(c)透镜沿像的方向具有大于大约20°的半视场；
(d)物体是像素化板；
(e)透镜具有的横向色差在物体处小于大约一个像素。
10.如权利要求6所述的投影透镜，其特征在于具有以下的至少一个特征：
(a)透镜的BFL基本上不随透镜从室温加热到其工作温度而变化；
(b)透镜具有的畸变在图像处小于大约一个百分点；
(c)透镜沿像的方向具有大于大约20°的半视场；
(d)物体是像素化板；
(e)透镜具有的横向色差在物体处小于大约一个像素。
11.如权利要求7所述的投影透镜，其特征在于具有以下的至少一个特征：
(a)透镜的BFL基本上不随透镜从室温加热到其工作温度而变化；
(b)透镜具有的畸变在图像处小于大约一个百分点；
(c)透镜沿像的方向具有大于大约20°的半视场；
(d)物体是像素化板；
(e)透镜具有的横向色差在物体处小于大约一个像素。
12.如权利要求8所述的投影透镜，其特征在于具有以下的至少一个特征：
(a)透镜的BFL基本上不随透镜从室温加热到其工作温度而变化；
(b)透镜具有的畸变在图像处小于大约一个百分点；
(c)透镜沿像的方向具有大于大约20°的半视场；
(d)物体是像素化板；
(e)透镜具有的横向色差在物体处小于大约一个像素。
13.如权利要求1-5中任一项所述用于形成物体图像的系统中的投影透镜，其特征在于所述系统包括：
(a)照明系统，包括光源和形成光源像的照明光学装置，所述光源像是照明系统的输出；
(b)包括物体的像素化板。
14.如权利要求6所述用于形成物体图像的系统中的投影透镜，其特征在于所述系统包括：
(a)照明系统，包括光源和形成光源像的照明光学装置，所述光源像是照明系统的输出；
(b)包括物体的像素化板。
15.如权利要求7所述用于形成物体图像的系统中的投影透镜，其特征在于所述系统包括：
(a)照明系统，包括光源和形成光源像的照明光学装置，所述光源像是照明系统的输出；
(b)包括物体的像素化板。
16.如权利要求8所述用于形成物体图像的系统中的投影透镜，其特征在于所述系统包括：
(a)照明系统，包括光源和形成光源像的照明光学装置，所述光源像是照明系统的输出；
(b)包括物体的像素化板。
17.如权利要求9所述用于形成物体图像的系统中的投影透镜，其特征在于所述系统包括：
(a)照明系统，包括光源和形成光源像的照明光学装置，所述光源像是照明系统的输出；
(b)包括物体的像素化板。
18.如权利要求10所述用于形成物体图像的系统中的投影透镜，其特征在于所述系统包括：
(a)照明系统，包括光源和形成光源像的照明光学装置，所述光源像是照明系统的输出；
(b)包括物体的像素化板。
19.如权利要求11所述用于形成物体图像的系统中的投影透镜，其特征在于所述系统包括：
(a)照明系统，包括光源和形成光源像的照明光学装置，所述光源像是照明系统的输出；
(b)包括物体的像素化板。
20.如权利要求12所述用于形成物体图像的系统中的投影透镜，其特征在于所述系统包括：
(a)照明系统，包括光源和形成光源像的照明光学装置，所述光源像是照明系统的输出；
(b)包括物体的像素化板。
21.如权利要求13所述的投影透镜，其特征在于所述投影透镜具有入射光瞳，其位置基本上相应于照明系统输出的位置。
22.如权利要求14所述的投影透镜，其特征在于所述投影透镜具有入射光瞳，其位置基本上相应于照明系统输出的位置。
23.如权利要求15所述的投影透镜，其特征在于所述投影透镜具有入射光瞳，其位置基本上相应于照明系统输出的位置。
24.如权利要求16所述的投影透镜，其特征在于所述投影透镜具有入射光瞳，其位置基本上相应于照明系统输出的位置。
25.如权利要求17所述的投影透镜，其特征在于所述投影透镜具有入射光瞳，其位置基本上相应于照明系统输出的位置。
26.如权利要求18所述的投影透镜，其特征在于所述投影透镜具有入射光瞳，其位置基本上相应于照明系统输出的位置。
27.如权利要求19所述的投影透镜，其特征在于所述投影透镜具有入射光瞳，其位置基本上相应于照明系统输出的位置。
28.如权利要求20所述的投影透镜，其特征在于所述投影透镜具有入射光瞳，其位置基本上相应于照明系统输出的位置。
29.如权利要求13所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
30.如权利要求14所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
31.如权利要求15所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
32.如权利要求16所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
33.如权利要求17所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
34.如权利要求18所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
35.如权利要求19所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
36.如权利要求20所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
37.如权利要求21所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
38.如权利要求22所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
39.如权利要求23所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
40.如权利要求24所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
41.如权利要求25所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
42.如权利要求26所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
43.如权利要求27所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
44.如权利要求28所述的投影透镜，其特征在于通过改变像素化板与第一、第二和第三透镜单元之间的距离，而(a)保持第二和第三透镜单元之间的距离不变，以及(b)改变第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离，来改变投影透镜系统的焦点。
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