CN1122457A - 用于液晶投影机的投影光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于液晶投影机的投影光学系统，该光学系统具有多个透镜和将图像从液晶显示装置投影到一个屏上，该光学系统包括具有顺序地安置在图像平面的最前方的一个凹凸镜、一个第一凹透镜、一个凸透镜和一个第二凹透镜的前镜头部分；和具有两个放置在前镜头部分与图像平面(显示屏)之间的平凸透镜，且该平凸透镜的平面朝着图像平面的后镜头部分。该用于液晶投影机的投影光学系统具有紧凑的尺寸和可以通过调整前后镜头部分之间的距离在屏上投影聚焦的图像。

Description

用于液晶投影机的投影光学系统
本发明涉及液晶投影机的投影光学系统，用于将显示在液晶显示机(LCD)平面的图象投影到一个大屏幕上，更为具体地讲，是涉及就镜头直径与厚度而言在体积上显著地减小的液晶投影机，以便节约制造成本。
近来，随着半导体集成技术的民展，已经成功地实现了高密度集成，以致于液晶显示器被广泛地使用，特别是在小型便携液晶电视机领域，在所述的电视机领域已不在经受关于其应用和制造的一些严重的问题。但是，至于大屏幕电视显示器，利用螺旋向列型液晶作为光控制材料的薄膜晶体管液晶显示器(TFT LCD)和TFT作为一个象素开关元件，则要求相当困难的制造工艺。此外，较大的TFT LCD变为一种低产量的产业。因此，在利用TFT CLD获得大屏幕方面存在一个限制。从而，为了得到利用TFT CLD的大屏幕，TFTLCD被采用到一种投影机中，利用投影机作为控制来自通过电图象信号的光源的光入射的图象处理器，能够很容易地实现大屏幕。
图1表示用于由多个透镜组成的一种常规液晶投影机的投影光学系统的示意图。另外，图2示意性表示一种常规液晶投影机的安排结构。
在这种情况下，为保证镜头装置30与屏之间的适当距离，该常规液晶投影机应当是负焦距光学系统。其中后焦距，即从镜头装置的最远的镜片表面(R13)到屏的距离是相当长的。
如图1所示，用于常规液晶投影机的投影光学系统总共有六片镜片。其中第一镜片是具有曲率半径分别为R1和R2的两个表面的平凸镜，和第二镜片是具有曲率半径分别为R3和R4的两个表面的凹凸透镜。第一和第二透镜构成前镜头部分31。第三透镜是其曲率半径为R6和R7的凸透镜，第四透镜是具有其曲率半径为R8和R9的两个表面的凸透镜，第五透镜是其曲率半径为R10和R11的凸透镜，和第六透镜是具有两个表面其曲率半径分别为R12和R13的凸透镜。第三到第六镜片组成后镜部分32。光圈20被设置在前镜头部分31与后镜头部分32之间。
参照图2，在棱镜46的光发射表南46a的前部设置投影光学系统30，该棱镜46具有以各自的45°角相交的二色性滤光片46c和46d。三个LCD 48a、48b和48c被分别设置在三个光入射表面46g、46b和46r。从光源41获得的红、绿和兰分别入射到LCD 48a、48b和48c。在光源41的前面，设置用于从向其投射的光束之中过滤红外线的红外滤光片44a。在红外滤光片44a的前面设置用于展示和反射来自传播光束中的绿光的第一分色镜44b。在绿光的传播路径上设置用于反射绿光束进入绿LCD 48a的第一全反射器42a。在经第一分色镜44b的光束传送路径，即红光束路径上设置用于反射兰光束进入兰LCD 48b的第二分色镜44c。另外，在经第二分色镜44c，即红、兰混合光束的传送光束的路径上设置用于反射红光束进入红LCD 48c。第二和第三全反射器42b和42c。
在上述的现有技术中，从上述液晶投影机的特性方面来看，在投影图象的亮度与室内照明之间的较大反差是经常需要的。此外，因为构成这样一个投影机的整个光学系统必须是一个远心光系统(telecentric optical system)，从而增加了后镜头部分的有效直径，这种增加由于较大的镜头尺寸，实现缩小体积很困难，所以是一个缺点。
现在，将要参照图1描述常规投影光学系统的镜头组态。
开始端五个透镜具有曲率半径R1和R11，第一至第五透镜具有对称高斯形式，更具体地讲，具有一种远心光学系统的组态。另外，光圈20被安置在前镜头部分31与后镜头部分32之间。
另外，要求一种返远距焦点型镜头，以便达到较长的后焦距，因此附加上第三凸透镜(曲率半径R12和R13)，该透镜在波茨维尔和中产生一定程度的不对称。因此，曲率半径R4和R6与那些满足常规高斯形式的透镜稍有不同。
然而，在实现上述要求中(即，反远距焦点型镜头形式)，出现了另外的后镜头部分32的镜头直径变大的问题。另外，在这种光学系统中，因为后焦距较大，从而液晶投影器30的长度也较长。较大的投影器导致其制造成本的不可避免地上升。
此外，上述液晶投影机的聚焦是靠改变直径D13调节的。但是，如果整个光学系统被安装在一个筒中，则制造和搬运这样的大筒必然是困难的。
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种用于液晶投影机的投影光学系统，该系统具有紧凑的体积和呈现较好的聚焦性能。
为了实现上述目的，按照本发明的液晶投影机的投影光学系统包括：具有从图象平面的最远端顺序地安排的，一个凹凸透镜、第一凹透镜、一个凸透镜和第二凹透镜的前镜头部分；和由设置在前镜头部分与图象平面之间的两个平凸透镜组成的，以平凸透镜的平面朝着图象平面的后镜头部分。
本发明的上述目的和其他优点通过结合附图对一个优选实施例的详细描述，将变得更为清楚，其中：
图1是由多透镜组成的用于常规液晶投影机的投影光学系统的示意图；
图2示意性地表示常规液晶投影机的光学单元的安排结构；
图3表示按照本发明的液晶投影机的示意组态；
图4表示按照本发明的液晶投影机的投影光学系统的示意性组态；
图5表示与本发明的一个实施例相连系的像差特性；
图6表示与本发明的另一个实施例相连系的像差特性。
图3表示采用单一平板型具有在机体上的红、绿和兰象素的彩色LCD的液晶投影机的示意图。参照图3，光源141、红外滤光片144、彩色LCD 148和投影光学系统130被设置在相同的光束传播轴上。因此，具有上述组态的液晶投影机不再要求如图2所示的那些镜片，这样也就不需要色彩混合的分色棱镜。
单一平板型LCD如上所述具有比如图2所示的具有三片LCD投影器较为简单的结构，因此可以被更为紧凑地制造。另外，因为彩色LCD 148与光源141之间的距离缩小，投影机的整个长度可以被缩短。
图4表示按照本发明的实施例的液晶投影机的投影光学系统的镱头组态。这里，光学系统总共有六片镜片。第一镜片是具有曲率半径分别为R1和R2的两个表面凹凸镜，第二个镜片是具有曲率半径分别为R4和R5的两个表面的凹面镜，第三个镜片是曲率半径分别为R6和R7凸面镜，和第四个镜片是曲率半径分别为R8和R9具有两个表面的凹面镜。第一到第四镜片形成一个前透镜部分131。
另外，第五个是具有两个曲率半径分别为R10和R11的表面的平凹镜，和第六个镜片是具有两个曲率半径分别为R12和R13的表面的平凹镜。第五和第六镜片构成后透镜部分132。
为了使投影光学系统在保持液晶投影机的远心特性的同时，具有短的长度，后聚焦长度(d13)和光圈120(其曲率半径是R3)与具有曲率半径R13的镜片之间的距离两者都应当缩短。在前镜头部分131中采用远心型光学系统，以减小投影光学系统的长度。另外，为了补偿具有曲率半径R9的镜片表面的扩张角的增大，因此使光束垂直地入射到屏110，具有很强正聚散度的凸透镜被用做为后镜头部分132的每个部件。
按照具有上述镜片部件的用于液晶投影机的投影光学系统，通过考虑某些设计规范，因此可以有效地补偿像差。首先，作为第一和第三镜片(从如图4所示的各镜片安排的输入侧面言)要利用高折射和低散射的材料，以便能够显著地改善波茨维尔和对称性的色差。接下来，通过公知的，即第三镜片和第四镜片之间的距离越长，补偿波茨维尔和及校正色散性能越好，镜头筒必须做得长些并且每个镜片应当具有较大的直径，以便适应这个加长了的距离。为了这种原因，第三镜片和第四镜片之间的距离应当被设置为一个适当的值。
最后，由第三、第四和第六镜片引起的大的波茨维尔和被在具有曲率半径R5和R8的镜片表面抵消了。
另外，因为当所有镜片部件都移动时，聚焦是困难的，最好是分别地校正前镜头部分和后镜头部分像差，以便仅通过改变d9的数值实现聚焦。通过这样做，每当投影距离改变时，重新聚焦就能够相当容易地实现，并且节约了镜头筒成本的造价。
按照本发明的各实施例，因为第五和第六镜片具有大的直径，因此采用平凸镜作为第五和第六镜片，其中具有曲率径R11和R13的表面制造成平的，以便容易将其固定。
同时，镜片的一个表面被制造成平的，当后镜头部分132被从前镜头部分131分离时，还可以提供后镜头部分132的各镜片间较小的距离。
表1表示按照本发明的一个优选实施例的代表液晶投影器的投影光学系统的镜片的技术要求。这里，n1～n12代表各个镜头材料的折射率，r1—r12还相应的色散数字。
                              表1
    曲率半径     空间距离      折射系数      色散系数
    R1＝0.290    d1＝0.0637     n1＝1.776      v1＝49.9
    R2＝1.213    d2＝0.0278
    R3＝∞    d3＝0.0069
    R4＝-2.341    d4＝0.0255     n4＝1.694      v2＝31.4
    R5＝0.275    d5＝0.0931
    R6＝0.700    d6＝0.0882     n6＝1.808      v6＝46.7
    R7＝-0.700    d7＝0.1412
    R8＝-0.416    d8＝0.0294     n8＝1.543      v8＝47.3
    R9＝1.202    d9＝0.2794
    R10＝1.043    d10＝0.1471     n10＝1.519      v10＝64.4
    R11＝∞    d11＝0.0020
    R12＝1.043    d12＝0.1471     n12＝1.519      v12＝64.4
    R13＝∞    d13＝0.1979
这里，假设整个光学系统130的有效聚焦长度是1，从具有曲率半径R1的镜片表面到屏110的总距离是1.249。
另一方面，表2表示按照本发明的第二个优选实施例的用于液晶投影机的投影光学系统的镜片技术要求。
                                表2
    曲率半径      空间距离      折射系数      色散系数
    R1＝0.290     d1＝0.0644      n1＝1.776      v1＝49.9
    R2＝1.134     d2＝0.0276
    R3＝∞     d3＝0.0069
    R4＝-2.368     d4＝0.0248      n4＝1.680      v2＝30.0
    R5＝0.275     d5＝0.0941
    R6＝0.705     d6＝0.0891      n6＝1.808      v6＝46.7
    R7＝-0.705     d7＝0.1427
    R8＝-0.407     d8＝0.0297      n8＝1.543      v8＝47.4
    R9＝1.338     d9＝0.2822
    R10＝1.048     d10＝0.1485      n10＝1.519      v10＝64.4
    R11＝∞     d11＝0.0020
    R12＝1.048     d12＝0.1485      n12＝1.519      v12＝64.4
    R13＝∞
按照本发明的第一和第二实施例的用于液晶投影机的投影光学系统的像差特性分别表示在图5和图6。
在按照本发明的液晶投影机的投影光学系统中，假设有效焦距等于1，因此，当整个光学系统的正常放大率是1时，前镜头部分131的放大率是大约0.70和后镜头部分132的放大率是大约0.97。因此，较大的放大率集中在后镜头部分132。另一方面，前镜头部分131的长度将被缩短，第四个镜片的放大率预定地保持在-1.76，以便仅前镜头部分131具有远心组态。
选择比由各实施例(表1和表2)支持的那些数据小的后镜头部分132的放大率不影响分辨能力。但是，作为后镜头部分132的放大率被减小3，前镜头部分131和后镜头部分132之间的距离应当是非常大的，以便保持远心特性。因此，保持范围为从第一个镜片到图象板110的整个光学系统的长度(即，d1＋d2＋d3＋d4＋d5＋d6＋d7＋d8＋d9＋d10＋d11＋d12＋d13)将小于1.3倍的有效焦距，后镜头部分132的放大率应当大于整个光学放大率的80％。
另一方面，当后镜头部分132的放大率大于整个放大率的130％时，波茨维尔和与色差要超过，这样要妨碍前镜头部分131的像差补偿。
至于前镜头131，第一、第二和第三镜片是常规的三件一套组成的透镜，和以一个平凸透镜、一个凹透镜和一个凸透镜以串联方式联接起来。另外，第四个镜片用做前、后镜头部分的波茨维尔和的补偿。由于具有正聚散度的第一和第三镜片的波茨维尔和主要在具有曲率半径R5和R8的镜片表面被补偿。其中，第一和第三镜片产生的色差主要由第四镜片来补偿。
为了整个镜头的直径较小的目的，光圈120位于具有曲率半径R2和R4的镜片表面之间。如果光圈120放置在具有曲率半径R5和R6的镜片表面之间，则第一和第四镜片应当具有较大的直径，以便保持施加到该镜头装置上的恒定的照度，及保持在光圈120的输入侧的镜片间的距离。
通过实验已显示出，按照本发明的投影光学系统对于比常规的大的投影角的情况下改善了聚焦结果。在1.00视场情况下，环境照度仍然保持在48％以上和第一、第四镜片的有效半径能被减小到低于50％。因此，可以实现镜片材料和制造成本的节约。
如上所述，按照本发明的用于液晶投影机的投影光学系统是一个更为紧凑的光学系统，该光学系统的总长度小于有效焦距的125％，从而减少了制造成本。进一步来说，一种低折射的，低色散的、不昂贵的材料(例如，BK—7)可以理想地用后镜头部分的凸透镜，从而降低了材料成本。此外，甚至在有良的条件下，这种投影光学系统仍显示了改善的图象形成特性，在这种系统中所显示的图象角比现有技术的大的很多。

Claims (8)

1.一种用于液晶投影机的投影光学系统，该系统包括：
一个前镜头部分，该部分具有顺序地安排在图象平面的最远部分的一个凹凸透镜、第一凹透镜、一个凸透镜和第二凹透镜；和
一个后镜头部分，该部分包括安置在所述前镜头部分与图象平面之间的两个平凸透镜，所述两个平凸透镜的平面表面朝着所述图象平面。
2.按照权利要求1所要求的用于液晶投影机的投影光系统，所述包括在所述前镜头部分的所述凹凸镜与所述第一凹透镜之间的一个光圈，所述光圈设置在与所述第凹透镜相邻的位置。
3.按照权利要求1所要求的用于液晶投影机的投影光学系统，其中所述各透镜满足以下关系：
(1)f/1.3≤fback＜f/0.8
(2)f/2.0≤｜f4｜＜f/1.4
(3)n6＞1.75
(4)n10＞1.55
(5)n12＞1.55
(6)p10＞60
(7)p12＞60
(8)0.8≤R5/R1＜102其中f是整个投影光学系统的焦距，fback是所述后镜头部分的焦距，f4是所述第二凹透镜的焦距，n6是所述不朝着图象平面的凸透镜的表面的折射系数，n10和n12是所述各平凸透镜的各自凸表面的折射系数，r10和r12是所述各平凸透镜的凸表面的色散系数，R1是所述不朝着图象平面的凹凸镜的表面的曲率半径，和R5是所述朝着图象平面的第一凹透镜的表面的曲率半径。
4.按照权利要求1所要求的液晶投影机的投影光学系统，其中所述后镜头部分的放大率大于整个光学系统放大率的85％。
5.按照权利要求4所要求的液晶投影机的投影光学系统，其中所述投影光学系统的长度与从所述投影光学系统到所述图象平面的距离小于所述投影光学系统的有效焦距的130％。
6.按照权利要求5所要求的液晶投影机的投影光学系统，其中主光束入射到所述图象平面的角度是在80°和100°之间。
7.按照权利要求1所要求的液晶投影机的投影光学系统，其中所述所镜头部分的所述平凸镜具有在所述投影光学系统中最低的放大率。
8.按照权利要求1所要求的液晶投影机的投影光学系统，其中聚焦操作是通过调节所述后镜头部分与所述前镜头部分之间的距离执行的。
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