CN1153995C - 与大型像素化面板联用的投影镜头及其系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种与LCD屏面联用的投影镜头。镜头包括具有正光焦度的第一透镜组件和具有负光焦度的第二透镜组件。第一透镜组件至少包含四个透镜元件，即第一正透镜元件、由高色散材料制成的第二负透镜元件、光光焦度较弱的第三透镜元件和光光焦度较强的第四正透镜元件。对于像素为200微米数量级的大型LCD屏面，投影镜头的色差校正达到约四分之一像素的数量级。

Description

与大型像素化面板联用的投影镜头及其系统
技术领域
本发明涉及投影镜头，尤其涉及这样的投影镜头，它们特别用来形成由像素组成的物体(例如液晶显示(LCD))的像。
背景技术
投影镜头系统(这里也称为“投影系统”)被用来在观察屏上形成物像。图4示出了这类系统的基本结构，其中标号10是一光源(例如，卤钨灯)；标号12是照明透镜，用来形成光源(下文称为照明系统的“输出”)的像，标号14是将作投影的物体(例如，由断断续续的像素所组成的LCD矩阵)；而标号13是投影镜头，它由多个透镜元件组成，可在观察屏16上形成物体14放大的像。该系统还可以在像素化面板附近包含一场透镜(field lens)，例如菲涅耳透镜，用来对照明系统的出射光瞳适当定位。
物体为一像素化面板的投影镜头系统可在各种场合中使用，包括数据显示系统。这种投影镜头系统最好采用单个投影镜头来形成单个面板(例如面板中具有红绿蓝三色像素)的像。
像素化面板，特别是LCD面板，根据其在其中应用的投影系统的类型而采用各种大小。大型LCD面板，例如对角线大约为10.6英寸(大约270毫米)的面板，可以有效地用来产生分辨率较高的彩色图像，因为这类面板的像素数量可以很大，而且仍然保持足够大的像素大小，以保证可靠生产。关于这一点应该注意，对于来自单个LCD面板的一个全色图像，所需的像素数量是单色图像所需数量的三倍，因此除非使用大型LCD面板，否则必须将像素制作得很小。
本领域需要一种与大型像素化面板联用的投影镜头，该投影镜头至少同时具有以下特性：(1)长焦距；(2)能够以各种放大倍率工作，并且保持与照明系统的输出有效耦合，而且进行高级像差校正；(3)规模相当小，包括透镜元件的数量相当少，镜筒长度相当短，并且透镜最大直径相当小；(4)进行高级色修正；(5)畸变小；以及(6)对温度变化的敏感性较低。
对于大型像素化面板，使用长焦距允许将投影镜头的视场保持在便于校正像差的范围内，例如镜头的半视场可以在25°左右。
需要一种能够以各种放大倍率进行有效工作的投影镜头，因为它允许投影系统与不同大小的屏幕和不同大小的放映厅联用，不需要改变系统中的任何部件。只需要改变物和象的配合，这可以通过将镜头相对像素化面板移动来实现。当然，需要解决的问题是，能够在整个放大倍率工作范围内提供与照明系统输出的有效耦合和高级像差校正。
从成本、重量和大小的角度考虑，希望采用一个相当小的投影镜头。大量的透镜元件和直径较大的元件将消耗较多的原材料，较重，并且建造和安装也较昂贵。镜筒长度较长通常会增加投影系统的整体尺寸，这又会增加成本和重量。因此，希望提供这样一种镜头，它由相当小的透镜元件组成，元件数量最少，并且各元件相互靠近。
高级色修正是重要的，因为在像素化面板的像中很容易将色差看成是一个像素的斑点，或者在极端情况下，看成是一像素从图像中整个落下。这些问题一般在视场边缘最为严重。在一般情况下，在像素化面板测量获得的色修正应该约好于一个像素，最好约好于半个像素，从而避免这些问题。
系统所有的色差都需解决，一般横向色彩、慧差色变以及像散色差是最具挑战性的课题。横向色彩即放大率随颜色而变化特别令人头痛，因为它显露出对比度的下降，尤其在视场的边缘。在某些极端情况下，在全视场区域中可以看到彩虹效应。
在使用阴极射线管(CRT)的投影系统中，可以用电学的方式补偿少量的(剩余)横向色彩，例如通过减小与蓝色CRT上产生的图像尺寸相关的在红色CRT表面上产生的图像尺寸。但是，使用像素化面板时不能进行这种调节，因为图像被数字化，从而不可能在整个视场中对尺寸进行平滑调节。因此，投影镜头需要进行较高级的横向色修正。
应该注意，当投影镜头的焦距增大时，色差变得更难校正。因此，上述讨论的第一和第四判据，即长焦距和高级色修正，在设计合适镜头时是相互对立的。
使用像素化面板来显示数据导致了对畸变校正的严格要求。这是因为当观察数据时，即使在镜头视场的极端点也要求有良好的图像质量。正如将要证明的，被显示数字或字母的非畸变图像位于视场边缘与位于中心是同样重要的。但是，投影镜头通常与偏离面板联用，图1-3中的镜头就是被设计作此用途的。在该情况下，观察屏上的畸变并不相对通过屏幕中心的水平线作对称变化，而是例如从屏幕的底部单调上升至屏幕的顶部。该效应正好产生对于观察者可见的少量畸变。
为了产生足够亮的像，必须有大量的光通过投影镜头。结果，通常在室温和镜头工作温度之间会存在明显的温差。另外，镜头需要能够在各种环境条件下工作。例如，常常将投影镜头系统安装在房间的天花板上，而天花板可以包含环境温度基本上在40℃以上的建筑物屋顶。为了解决这些影响，需要采用一种光学特性对温度变化相当不敏感的投影镜头。
一种克服温度敏感性问题的方法是使用由玻璃制成的透镜元件。与塑料相比，玻璃元件的曲率半径和折射率的变化一般比塑料元件要小。但是，玻璃元件一般比塑料元件贵，特别在需要用非球面进行像差控制时。如下所述，可以使用塑料元件，并且只要适当选择塑料元件的光焦度和位置仍能获得温度的不敏感性。
下述投影镜头能够达到上述所有要求，并且可以成功地用来生产成本相当低的投影镜头系统，该系统能够在观察屏上形成高质量的像素化面板的彩色图像。
与像素化面板联用的投影镜头在各种专利中均有描述，包括Taylor的美国专利第4,189,211号，Tanaka等人的美国专利第5,042,929号，Yano等人的美国专利第5,179,473号，Moskovich的美国专利第5,200,861号，Moshkovich的美国专利第5,218,480号，Iizuka等人的美国专利第5,278,698号，Betensky的美国专利第5,313,330号，和Yano的美国专利第5,331,462号。
关于LCD系统的讨论可以在以下专利中找到：Gagnon等人的美国专利第4,425,028号，Gagnon的美国专利第4,461,542号，Ledebuhr的美国专利第4,826,311号，和欧洲专利局公开专利第311,116号。
发明内容
鉴于以上分析，本发明的目的是，提供一种改进的与像素化面板联用的投影镜头，该投影镜头同时具有上述讨论的六个所需的特性。该目的可以用这样的投影镜头来实现，所述镜头从其像端到其物端(即从其长共轭一侧至其短共轭一侧)按顺序由以下部件组成：
(A)第一透镜组件，它具有正光焦度并且从像端到物端按顺序包括：
(i)一正透镜元件；
(ii)一负透镜元件；
(iii)一光焦度较弱的透镜元件；
(iv)一光焦度较强的正透镜元件；和
(B)第二透镜组件，它具有负光焦度；
其中，所述投影镜头的畸变在像处小于1％。
对于光焦度较弱的透镜元件，其光焦度小于投影镜头总光焦度的大约50％；对于光焦度较强的正透镜元件，其光焦度至少约是投影镜头总光焦度的150％。
在某些实施例中，第二透镜组件是单一元件(见图1和2)，而在另一些实施例中，它包括两个透镜元件，一个具有正光焦度，另一个具有负光焦度(见图3)。
最好如此设计本发明的投影镜头，即将照明系统输出的位置用作投影镜头的赝孔径阑/入射光瞳(见美国专利第5,313,330号，其相关部分通过引用包括在此)。用这种方法，可以在照明系统光输出和投影镜头之间获得有效耦合。
依照这些实施例，本发明提供了一种用于形成物体的像的投影镜头系统，所述系统包括：
(a)照明系统，该系统包括光源和形成光源的像的照明透镜，光源的所述像是照明系统的输出；
(b)像素化面板，它构成所述物体；和
(c)用于形成物体的像的投影镜头，所述镜头从其像端到其物端按顺序包括：
(A)第一透镜组件，它具有正光焦度并且从像端到物端按顺序包括：
(i)一正透镜元件；
(ii)一负透镜元件；
(iii)一光焦度较弱的透镜元件；
(iv)一光焦度较强的正透镜元件；和
(B)第二透镜组件，它具有负光焦度。
在本发明的某些实施例中，所述投影镜头具有一个入射光瞳，其位置基本上对应于照明系统输出的位置。
在本发明的某些实施例中，通过改变以下参数可以使投影镜头系统变焦：(a)投影镜头和像素化面板之间的距离；和(b)第一透镜组件和第二透镜组件之间的距离。用该方法可以获得5％数量级的变焦。图3的镜头系统就是这种类型。
在其它一些实施例中，通过改变一些参数可以使投影镜头系统聚焦：(a)投影镜头和像素化面板之间的距离；和(b)第一透镜组件中第一和第二透镜元件之间的距离。图1和2的镜头系统就是这种类型。
还可将本发明的投影镜头设计成基本上是不透辐射热的。如以下的充分讨论，这可以通过平衡具有基础光光焦度的塑料投影元件的光焦度来实现。通过这种方法，可用负透镜元件的光焦度变化来补偿因温度变化引起的正透镜元件的光焦度变化，从而当其温度改变时，投影镜头的所有光学特性基本不变。
附图说明
图1A、2A和3A是依照本发明构造的投影镜头的侧视示意图。
图1B、2B和3B分别示出了图1A、2A和3A的投影镜头，以及像素化面板(PP)和菲涅耳透镜(FL)。
图4是一示意图，示出了使用本发明投影镜头的整个投影镜头系统。
上述附图包含在说明书中并构成说明书的一部分。这些附图描述了本发明的较佳实施例，并且与描述部分一起解释了本发明的原理。当然，应该理解，附图和描述部分都只是说明性的，不对发明作限制。
具体实施方式
本发明的投影镜头具有普通形状的第一正透镜组件和第二负透镜组件。两个组件的每一个都至少包括一个用于校正像差的非球形表面，像差校正包括对球差、像散、慧差和畸变的校正。如以上所讨论的，对于与像素化面板联用的镜头系统，需要对系统的畸变进行高度精密的校正。在像处的畸变校正一般要好于约1％，最好是好于约0.5％。也就是说，畸变在像处小于约1％。
为了达到色修正的目的，第一透镜组件包括一个由高色散材料制成的负透镜元件和至少一个由低色散材料制成的正透镜元件。高色散和低色散材料可以是玻璃或塑料。
一般地说，高色散材料是一种色散类似于铅玻璃的材料，而低色散材料是一种色散类似于无铅玻璃的材料。具体地说，高色散材料是那些对于折射率范围1.85至1.5其V值范围为20至50的材料，而低色散材料则是那些对于相同的折射率范围V值范围为35至75的材料。
对于塑料透镜元件，高色散和低色散材料可以分别是苯乙烯和丙烯酸类材料。当然，如果需要也可使用其它塑料。例如，可以用色散类似于火石的聚碳酸酯和聚苯乙烯与丙烯酸类材料的共聚物来代替苯乙烯。参见Ohio州Cincinnati市美国精密透镜股份有限公司于1983年出版的塑料镜片手册第17-29页。
如以上所讨论的，使本发明的投影镜头是不透辐射热的，所以当投影镜头从室温加热至它的工作温度时，系统的光学性能基本上不会变化。具体地说，例如在5周/毫米的情况下，因热引起的系统调制传递函数的变化最好小于约10％。通过选择和布置由塑料透镜元件构成的镜头可以获得所需的热稳定。
通常，使用塑料透镜元件的缺点是，塑料光学材料的折射率随温度的变化很大。另一个影响是塑料光学材料的形状随温度的变化，即膨胀或收缩。一般，后一种影响比折射率变化的影响小。如果镜头中只使用低光焦度的塑料透镜元件，那么可以在塑料镜片热变化和系统之塑料或铝制机械部件(例如，镜筒，它通常是因热产生焦距变化的主要机械源)的热变化之间实现平衡。在设计中不受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，其优点在于，因为塑料透镜元件可以模压，所以可用非球形的光学表面(非球面)使设计特殊镜头的能力(性能)最强。使用光焦度相当高的塑料元件还使镜头的总体成本较低。
如果设计中净塑料光光焦度很大，那么当镜头温度从室温变化到它的工作温度时，需要实行绝热，否则镜头的焦距将发生很大的变动。这对于必须将大量的光投射到观察屏并因此工作温度大大超过室温的投影机来说尤其如此。
对于本发明的投影镜头，绝热是通过以下方式实现的，即平衡正负塑料光光焦度，并且考虑塑料透镜元件的位置和边缘光线在这些元件处的高度。
就元件将经历的温度变化量以及由此元件折射率将发生的变化量而论，塑料透镜元件的位置是很重要的。一般情况下，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，利用光源及其相关的照明工作元件对将要安装投影镜头的区域测量其温度分布，并在设计投影镜头时使用这些测得的值。
对于某一给定的热变化，特定塑料透镜元件的边光高度决定了该元件折射率的变化对整个透镜热稳定性的影响是不是很大。一般，边光高度较小的元件(例如，系统焦距附近的元件)对系统整个热稳定性的影响比边光高度较大的元件要小。
根据上述考虑，绝热可以通过以下方式来实现，即平衡塑料透镜元件中正负光焦度的数量，并且根据元件预计将要经历的温度变化以及元件上的边光高度调节特定元件的作用。在实践中，该绝热过程包含在以下的一个用计算机处理的镜头设计程序中。首先，在第一温度分布下进行光线跟踪，并且计算后焦距。光线跟踪可以是对边光的傍轴光线跟踪。其次，在第二温度分布下，进行相同的光线跟踪，并且再次计算后焦距。第一和第二温度分布对于整个镜头都不必为恒定的，但可以而且在一般情况下沿各透镜元件有所变化。然后当用镜头设计程序优化系统设计时，将计算得到的后焦距限定为一个恒定值。
应该注意，上述方法假设，当系统温度变化时，投影镜头和像素化面板的机械安装使最后镜头表面与面板之间的距离基本保持不变。如果该假设不能保证，那么可以用其它措施进行绝热，例如过程中可以包括机械安装之相对移动的测量值，或者假设另一距离(例如前镜头表面与面板之间的距离)是机械固定的。
图1至3示出了依照本发明构造的各种投影镜头。相应的描述和光学性能列分别列在表1至3中。镜头系统中所用的玻璃用HOYA或SCHOTT牌。在实施本发明时可以使用其它制造商生产的同类玻璃。塑料元件使用工业界可接受的材料。
诸表中列出的非球面系数用于以下等式；
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
其中，z是距离系统光轴y处的表面垂度(surface sag)，c是透镜在光轴上的曲率，而k是圆锥常数(conic constant)，除了表1-3中所表示的，该值为零。
以下是表中所用的缩写：
EFL        有效焦距
FVD        前镜顶距离
f/        f数
ENP       从长共轭观察时的入射光瞳
BRL       镜筒长度
OBJHT     物体高度
MAG       放大率
STOP      孔径阑的位置和尺寸
IMD       像距
OBD       物距
OVL       总长度
表1-3中所列这些参数的值是用作为系统一部分的菲涅耳透镜计算得到的。与表中各种表面相关的标记“a”表示非球面，即对于该表面，上述等式中的D、E、F、G、H和I至少有一个不为零。表中给出的所有尺寸的单位为毫米。诸表是在以下假设基础上建立的，即在附图中光线从左至右传播。在实践中，观察屏可放在左边，而像素化面板可在右边，并且光线将从右至左传播。在图1B、2B和3B中，像素化面板用标记“PP”表示，而与像素化面板相关的菲涅耳透镜用标记“FL”表示。
在表1和2中，第一透镜组件(U1)包括表面1-8，而第二透镜组件(U2)包括表面9-10。在表3中，第一透镜组件(U1)包括表面2-9，而第二透镜组件(U2)包括表面10-13。表3中的表面1是一可选择的光晕表面。
如以上所讨论的，用Betensky的美国专利第5,313,330号中的赝孔径阑/入射光瞳技术设计了图1-3的投影镜头。根据该方法，用照明系统确定投影镜头的入射光瞳，而对于所有的镜头焦距和共轭，入射光瞳相对像素化面板的位置是不变的。该光瞳的位置由大体上平行的光(大体上的远心光)确定，平行光从照明系统中发出，通过像素化面板和菲涅耳透镜，其中菲涅耳透镜的位置固定，位于面板的投影镜头一侧。
表1和2中的表面11和表3中的表面14构成了上述Betensky专利中的赝孔径阑。它的位置与照明系统输出的位置对应。如在“可变间隔”子表中所看到的，从赝孔径阑至像素化面板的距离对于图1-3中投影镜头系统的所有焦点位置/变焦位置(放大率)基本不变(见“像距”列)。相反，“间距2”对不同的放大率有变化。对于所示的焦点位置，该间距为负，对应于位于镜头前后表面所确定的间隔内的照明输出。
仍如上述讨论的，通过改变第一透镜组件中第一和第二透镜元件之间的距离并且使整个镜头相对像素化面板移动，可在一个较大的共轭范围内聚焦图1-2的投影镜头。如表1-2所示，这些透镜元件之间的移动量很小，例如，约小于1毫米。
在图3所示的投影镜头的情况下，通过改变第一和第二透镜组件之间的距离并且移动整个镜头，可以达到变焦的目的。如表3所示，第一透镜组件相对第二透镜组件的移动量比镜头系统相对像素化面板总的移动量小。
表4概括了本发明镜头系统的各种性能，其中P0是镜头系统除了菲涅耳透镜以外的总光焦度，PU1是第一透镜组件的光焦度并且在所有情况下都为正，PU2是第二透镜组件的光焦度并且在所有情况下都为负，PE3是第三透镜元件的光焦度并且在所有情况下都小于P0的50％，而PE4是第四透镜元件的光焦度并且在所有情况下都大于P0的150％。还应注意，PU1/P0的较佳比值约大于1.3，而|PU2|/P0的较佳比值约大于0.6。如表4所示，图1-3的镜头系统获得了这些较佳比值。
图1-3的镜头被设计成能与对角线大约为10.6英寸(大约270毫米)的LCD面板联用，当面板偏离镜头系统的光轴时，对应的有效对角线大约为12.2英寸(大约310毫米)。面板的像素大小为200微米，所对应的水平分辨率超过1,000TV行。由本发明镜头产生的面板的像一般处在大约60英寸(约1,525毫米)至大约250英寸(约6,350毫米)的范围内。有意义的是，镜头获得了极佳的色差校正，达到四分之一个像素(50微米)的数量级或更小。这对于高质量数据或视频投影而言是一个极为重要的特征。特别是，本发明投影镜头的横向色差在物体(像素化面板)处小于约一个像素。
尽管已经描述和说明了本发明的具体实施例，但应该理解，由以上揭示对本发明进行各种不脱离其范围和精神的变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。
                                            表1
表面
      类型            半径            厚度         玻璃         清晰的孔径直径
编号
  1                  80.2345        13.60000       BACD18            91.61
  2                  189.5129       间隔1                            89.35
  3    a             -363.9135      8.71000        苯乙烯            87.86
  4    ac            128.5309       20.04798                         83.57
                                                   丙烯酸类材料
  5    ac            335.8461       12.44000                         87.46
  6    a             1374.9859      1.46824                          88.46
                                                   类丙烯酸材料
  7    ac            121.3770       24.04000                         87.21
  8    a             -180.9905      36.06222                         87.18
                                                   丙烯酸类材料
  9    a             -58.6444       8.71000                          88.41
  10   a             -146.2454      间隔2                            105.89
  11                 孔径阑         278.00000                        72.07
                                                   丙烯酸类材料
  12                 -              2.00000                          303.99
  13   acf           -145.1760      像距                             305.15
符号说明
  a-   多项式非球面
  c-   锥形截面
  f-   菲涅耳
锥形
表面编号           常数
   4            5.0000E-01
   5            2.0000E+01
   7            -1.8000E+00
   13           -1.0000E+00
偶数个多项式非球面
表面编号      D            E             F            G            H             I
  3      2.5865E-08   4.6778E-11   -3.2126E-14   6.7943E-18   2.2478E-21   -1.0837E-24
  4      1.8487E-07   8.5854E-11   1.5067E-14    -1.0392E-17  1.2111E-20   -2.3976E-24
  5      2.5567E-08   -5.6794E-11  -1.0633E-14   1.2259E-18   -1.8325E-22  -9.9762E-25
  6      -5.0030E-07  -1.5892E-10  4.7261E-15    -3.4141E-18  -1.1894E-21  -2.7529E-26
  7      -2.4788E-07  -3.3215E-11  -1.5518E-14   1.6811E-18   -5.1058E-22  -1.1613E-24
  8      -1.4800E-07  -5.8020E-11  -6.5836E-15   -8.4681E-18  -1.9423E-21  1.6749E-26
  9      -6.3747E-07  6.9165E-11   2.5912E-14    1.5153E-17   -1.5001E-20  3.9065E-24
  10     -2.7228E-07  1.7843E-10   -1.2246E-14   -1.7512E-18  -2.1004E-23  5.3283E-26
  13     -3.5550E-09  1.5454E-14   -4.2142E-20   0.0000E+00   0.0000E+00   0.0000E+00
可变间距
                间距1            间距2
焦点位置                                    焦点移动            像距
                 T(2)            T(10)
   1            10.566          -68.357      -0.894            10.006
   2            10.007          -89.647      -0.285            10.021
   3            10.817          -53.005      -1.586            10.006
                        表1(继续)
系统第一级性能，位置1
  OBJ.HT：-1370.0        f/           3.93MAG：-0.1100
  STOP：0.00        在表面11后        DIA：71.702
  EFL：350.123      FVD：357.293      ENP：35.8 909
  IMD：10.0058      BRL：347.287
  OBD：-3169.06     OVL：3526.35
系统第一级性能，位置2
  OBJ.HT：-3750.0      f/          3.93MAG：-0.0400
  STOP：0.00       在表面11后      DIA：71.734
  EEL：323.586     FVD：335.459    ENP：4.10812
  IMD：10.0205     BRL：325.439
  OBD：-8104.27    OVL：8439.73
系统第一级性能，位置3
  OBJ.HT：-935.00      f/            4.02MAG：-0.1600
  STOP：0.00       在表面11后        DIA：70.033
  EFL：371.879     FVD：372.896      ENP：62.2578
  IMD：10.0061     BRL：362.890
  OBD：-2286.90    OVL：2659.80
元件的第一级性能
元件编号     表面编号        光焦度                  f
    1        1   2         0.48329E-02             206.92
    2        3   4         -0.63050E-02            -158.60
    3        5   6         0.11155E-02             896.44
    4        7   8         0.66177E-02             151.11
    5        9   10        -0.48777E-02            -205.01
    6        12  13        0.34012E-02             294.01
                                             表2
表面
        类型        半径         厚度          玻璃         清晰的孔径直径
编号
  1               80.2345      13.60000       BACD18            91.70
  2               189.5129     间隔1                            89.40
                                              苯乙烯
  3     a         -350.9185    8.71000                          86.28
  4     ac        128.9831     20.50230                         82.25
  5     ac        335.8461     12.44000       丙烯酸类材料      87.50
  6     a         1374.9859    1.46824                          88.50
                                              丙烯酸类材料
  7     ac        121.3770     24.04000                         87.30
  8     a         -180.9905    36.06000                         87.20
                                              丙烯酸类材料
  9     a         -57.9805     8.71000                          88.84
  10    a         -136.8970    间隔2                            105.83
  11              孔径阑       278.00000                        72.10
  12                           2.00000        丙烯酸类材料      304.00
  13    acf       -145.1760    像距                             305.20
符号说明
  a-   多项式非球面
  c-   锥形截面
  f-   菲涅耳
锥形
表面编号            常数
  4              5.0000E-01
  5              2.0000E+01
  7              -1.8000E+00
  13             -1.0000E+00
偶数个多项式非球面
表面编号       D            E            F            G             H            I
 3        1.7590E-08   5.0387E-11   -3.3204E-14  7.6014E-18   2.2646E-21    -1.2446E-24
 4        1.6747E-07   8.4 654E-11  1.7954E-14   -1.0849E-17  1.2013E-20    -2.5146E-24
 5        2.5567E-08   -5.6794E-11  -1.0633E-14  1.2259E-18   -1.8325E-22   -9.9762E-25
 6        -5.0030E-07  -1.5892E-10  4.7261E-15   -3.4141E-18  -1.1894E-21   -2.7529E-26
 7        -2.4788E-07  -3.3215E-11  -1.5518E-14  1.6811E-18   -5.1058E-22   -1.1613E-24
 8        -1.4800E-07  -5.8020E-11  -6.5836E-15  -8.4681E-18  -1.9423E-21   1.6749E-26
 9        -7.1616E-07  5.7268E-11   5.0760E-14   1.3376E-17   -1.6262E-20   4.2647E-24
 10       -3.6370E-07  1.9830E-10   -1.0978E-14  -1.4929E-18  -2.8229E-22   7.7082E-26
 13       -3.5550E-09  1.5454E-14   -4.2142E-20  0.0000E+00   0.0000E+00    0.0000E+00
可变间距
          间距1        间距2
焦点位置                        焦点移动           像距
          T(2)        T(10)
   1     10.566      -70.095     -1.230            9.995
   2     10.007      -91.034     -0.494            10.009
   3     10.817      -55.028     -2.053            9.997
                         表2(继续)
系统第一级性能，位置1
  OBJ.HT：-1370.0       f/          3.93MAG：-0.1100
  STOP：0.00        在表面11后      DIA：71.697
  EFL：344.980      FVD：355.996    ENP：34.9155
  IMD：9.99523      BRL：346.001
  OBD：-3122.63     OVL：3478.62
系统第一级性能，位置2
  OBJ.HT：-3750.0      f/          3.93MAG：-0.0400
  STOP：0.00       在表面11后      DIA：71.735
  EFL：319.279     FVD：334.513    ENP：4.50331
  IMD：10.0094     BRL：324.504
  OBD：-7995.69    OVL：8330.21
系统第一级性能，位置3
  OBJ.HT：-935.00      f/           4.02MAG：-0.1600
  STOP：0.00        在表面11后      DIA：70.028
  EFL：365.941      FVD：371.317    ENP：60.0103
  IMD：9.99720      BRL：361.319
  OBD：-2231.24     OVL：2622.56
元件的第一级性能
元件编号    表面编号           光焦度                  f
   1        1   2           0.48329E-02             206.92
   2        3   4           -0.63507E-02            -157.46
   3        5   6           0.11155E-02             896.44
   4        7   8           0.66177E-02             151.11
   5        9   10          -0.47302E-02            -211.41
   6        12  13          0.34012E-02             294.01
                                            表3
表面
      类型              半径       厚度          玻璃          清晰的孔径直径
编号
  1                      ∞       5.00000                          90.50
  2                   83.1719     13.00000       BACED5            91.00
  3                   233.9264    13.33000                         89.11
  4                   -485.5457   6.47000        FD2               85.22
  5                   105.3363    25.75000                         81.16
  6      a            154.1888    10.00000       丙烯酸类材料      83.92
  7      a            174.3731    2.00000                          85.20
  8                   284.2298    14.70000       BACD5             87.00
  9                   -139.0179   间隔1                            89.10
  10      a           -585.4332   11.69000       丙烯酸类材料      95.00
  11                  -164.0203   15.47000                         95.50
  12      a           -131.3993   7.79000        丙烯酸类材料      96.00
  13      a           452.6431    间距2                            108.00
  14                  孔径阑      321.37000                        82.70
  15                              2.00000        丙烯酸类材料      304.00
  16      acf         -145.1760   像距                             304.00
符号说明
  a-    多项式非球面
  c-    锥形截面
  f-    菲涅耳
锥形
表面编号        常数
16          -1.0000E+00
偶数个多项式非球面
表面编号      D            E            F           G             H           I
   6     -7.0450E-07  -1.4118E-11  -4.6437E-14  2.0991E-17   -8.3654E-21  1.8668E-24
   7     -5.8899E-07  1.3633E-12   5.5836E-14   -8.2367E-17  3.4781E-20   -4.8293E-24
   10    -4.2671E-08  2.3388E-10   -1.2627E-13  6.6272E-17   -2.3640E-20  3.6813E-24
   12    -5.3253E-07  -1.0642E-10  3.9159E-14   -9.0601E-18  6.1443E-21   -1.7273E-24
   13    -4.8337E-07  1.0322E-10   -3.0287E-14  1.7560E-17   -4.5633E-21  3.8509E-25
   16    -2.9975E-09  1.1630E-14   -2.8304E-20  0.0000E+00   0.0000E+00   0.0000E+00
可变间距
           间距1    间距2
焦点位置                               焦点移动   像距
           T(2)     T(10)
    1      5.227   -69.256             -1.432     9.957
    2      5.227   -92.613             -0.642     9.990
    3      5.227   -52.312             -1.787     9.935
    4      14.700  -116.470            -1.285     9.997
    5      0.777   -80.140             0.265      9.993
                   表3(继续)
系统第一级性能，位置1
  OBJ.HT：-1360.0       f/           3.93MAG：-0.1100
  STOP：0.00         在表面14后      DIA：82.432
  EFL：363.715       FVD：394.498    ENP：37.2564
  IMD：9.95692       BRL：384.541
  OBD：-3229.58      OVL：3624.07
系统第一级性能，位置2
  OBJ.HT：-3750.0       f/          3.93MAG：-0.0400
  STOP：0.00        在表面14后      DIA：82.572
  EFL：334.551      FVD：371.174    ENP：10.2225
  IMD：9.98978      BRL：361.184
  OBD：-8319.72     OVL：8690.90
系统第一级性能，位置3
  OBJ.HT：-935.00       f/          4.15MAG：-0.1600
  STOP：0.00        在表面14后      DIA：77.947
  EFL：388.269      FVD：411.420    ENP：59.6933
  IMD：9.93544      BRL：401.484
  OBD：-2322.07     OVL：2733.49
系统第一级性能，位置4
  OBJ.HT：-3901.0      f/            3.93MAG：-0.0384
  STOP：0.00        在表面14后       DIA：82.662
  EFL：320.597      FVD：356.797     ENP：-9.34592
  IMD：9.99721      BRL：346.800
  OBD：-8331.49     OVL：8688.29
系统第一级性能，位置5
  OBJ.HT：  -3672.0    f/           3.93MAG：-0.0409
  STOP：0.00        在表面14后      DIA：82.524
  EFL：342.287      FVD：379.200    ENP：21.0808
  IMD：9.99287      BRL：369.207
  OBD：-8312.39     OVL：8691.59
元件的第一级性能
元件编号    表面编号        光焦度                  f
  1         2    3        0.53017E-02             188.62
  2         4    5        -0.75677E-02            -132.14
  3         6    7        0.43140E-03             2318.0
  4         8    9        0.62533E-02             159.92
  5         10   11       0.21869E-02             457.27
  6         12   13       -0.48701E-02            -205.34
  7         15   16       0.34012E-02             294.01表4
    图号   P0   PU1   PU2   PE3   PE4
    1   0.0031   0.0061   -0.0049   0.0011   0.0066
    2   0.0032   0.0061   -0.0047   0.0011   0.0066
    3   0.0030   0.0047   -0.0025   0.0004   0.0063

Claims (17)

1.一种用于形成物体的像的投影镜头，其特征在于，所述镜头从其像端到其物端按顺序由以下部件组成：
(A)第一透镜组件，它具有正光焦度并且从像端到物端按顺序包括：
(i)一正透镜元件；
(ii)一负透镜元件；
(iii)一光焦度较弱的透镜元件；
(iv)一光焦度较强的正透镜元件；和
(B)第二透镜组件，它具有负光焦度；
其中，所述投影镜头的畸变在像处小于1％。
2.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，
(a)所述第一透镜组件和所述第二透镜组件具有组合的光焦度P0；
(b)所述光焦度较强的正透镜元件具有光焦度PE4；并且
(c)PE4＞1.5P0。
3.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜组件的负透镜元件由高色散材料制成。
4.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第二透镜组件是单一元件。
5.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第二透镜组件包含两个透镜元件，一个具有正光焦度，另一个具有负光焦度。
6.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，第一和第二透镜组件都至少包含一个非球面。
7.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，当所述镜头从室温加热至它的工作温度时，镜头的调制传递函数在5周/毫米处的变化小于10％。
8.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述物体是一像素化面板。
9.如权利要求8所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的横向色差在物体处小于一个像素。
10.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜组件由所述正透镜元件、所述负透镜元件、所述光焦度较弱的透镜元件和所述光焦度较强的正透镜元件组成。
11.一种用于形成物体的像的投影镜头系统，其特征在于，所述系统包括：
(a)照明系统，该系统包括光源和形成光源的像的照明透镜，光源的所述像是照明系统的输出；
(b)像素化面板，它构成所述物体；和
(c)用于形成物体的像的投影镜头，所述镜头从其像端到其物端按顺序包括：
(A)第一透镜组件，它具有正光焦度并且从像端到物端按顺序包括：
(i)一正透镜元件；
(ii)一负透镜元件；
(iii)一光焦度较弱的透镜元件；
(iv)一光焦度较强的正透镜元件；和
(B)第二透镜组件，它具有负光焦度。
12.如权利要求11所述的投影镜头系统，其特征在于，所述投影镜头的畸变在像处小于1％。
13.如权利要求11所述的投影镜头系统，其特征在于，
(a)所述第一透镜组件和所述第二透镜组件具有组合的光焦度P0；
(b)所述光焦度较强的正透镜元件具有光焦度PE4；并且
(c)PE4＞1.5P0。
14.如权利要求11所述的投影镜头系统，其特征在于，所述投影镜头由所述第一透镜组件和所述第二透镜组件组成。
15.如权利要求14所述的投影镜头系统，其特征在于，所述第一透镜组件由所述正透镜元件、所述负透镜元件、所述光焦度较弱的透镜元件和所述光焦度较强的正透镜元件组成。
16.如权利要求11所述的投影镜头系统，其特征在于，所述投影镜头具有一个入射光瞳，其位置对应于所述照明系统输出的位置。
17.如权利要求11所述的投影镜头系统，其特征在于，还包括一场透镜，所述场透镜位于所述像素化面板和所述投影镜头之间。
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