CN1265743A - 具有透镜校正单元的变焦投影透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了与LCD或DMD面板一起使用的变焦投影透镜。透镜具有两个单元U1和U2,两者相对移动,进行变焦。还有一个校正单元(CR),离开LCD或DMD面板(PP)一段固定的距离。校正单元可以是色修正双合透镜,它位于透镜的物方(面板),并且光焦度较小。该单元对畸变和横向色的校正性能较好,而且没有不适当地增加透镜的复杂性或成本。

Description

具有透镜校正单元的变焦投影透镜
发明领域
本发明涉及投影透镜，尤其涉及用来对物体成象的变焦投影透镜，其中所述物体由诸如液晶显示器(LCD)或数字反光镜器件(DMD)等象素组成。
发明背景
投影透镜系统(这里也称为“投影系统”)用于在一观察屏上形成物体的象。这种系统的基本结构示于图6，其中10是光源(例如，卤钨灯)，12是照射光学装置，该装置形成光源的象(下面称为照射系统的“输出”)，14是要投影的物体(例如，由接通和断开象素组成的矩阵)，以及13是由多个透镜元件构成的投影透镜，它在观察屏16上形成物体14的经放大的象。图6画出了LCD面板的情况，在该情况下，照射系统的输出射到面板的背面，并透过这些透明的象素。另一方面，DMD则利用反射进行工作，通过一个棱镜或类似器件将照射系统的输出射到面板的正面。
物体是象素化面板的投影透镜系统有许多应用，包括数据显示系统。这类投影透镜系统最好用单个投影透镜形成单个面板的象或者三个独立面板的象，其中所述单个面板例如具有红色、绿色和蓝色象素，而所述三个面板的每个面板带一种颜色。某些情况下，使用两个面板，一个面板带两种颜色(例如，红色和绿色)，另一个面板带一种颜色(例如，蓝色)。旋转滤光轮或类似器件与带两种颜色的面板关联，并且同步于滤光器，交替地向该面板提供有关两种颜色的信息。
本领域需要一种与象素化面板一起使用的投影透镜，它至少同时具有以下性能：(1)能够在最大有效焦距和最小有效焦距之间变焦；(2)后焦距(工作距离)长；(3)色修正水平高；(4)畸变小；和(5)对温度变化的灵敏度低。
希望有一种能够在一焦距范围内有效工作的投影透镜，因为它无需改变投影系统中的任何元件就能使投影系统与尺寸不同的屏幕和大小不同的大厅一起使用。当然，要求在整个焦距工作范围内保持高水平的象差校正，且不使透镜设计过度复杂。
特别当使用多个面板时，需要较长的后焦距(即，从最后的透镜表面到象素化面板的距离)，以容纳诸如滤光镜、二向色分光镜、分束棱镜等光学元件，这些光学元件用来合并透镜系统投向观察屏的、来自不同颜色光路的光。另外，后焦距较长允许照射系统的输出位于投影透镜的附近，用以获得相对大的输出距离。希望有相对大的输出距离，因为它们在象素化面板上提供相对小的光入射角，这在LCD面板情况下特别重要。
由于在象素化面板的象中很容易观察到色差，它们看上去象象素的斑点，或者在极端情况上，看上去象整个象素从图像上落下，因此，高水平的色修正是重要的。一般，这些问题在视场的边缘最为严重。
系统的所有色差都需要解决，其中横向色、彗差的色变化和象散色差一般是最困难的。横向色是放大率随颜色的变化，由于它表现为反差的减少，尤其在视场边缘，所以特别麻烦。在极端情况下，在全视场范围内可以看到彩虹现象。
在使用阴极射线管(CRT)的投影系统中，可以用电子学方法补偿少量的(剩余)横向色，例如其方法是相对于蓝色CRT上产生的象的大小，缩小红色CRT表面上产生的像的大小。但是，对于象素化面板，由于图像被数字化，不可能对整个视场进行平滑的尺寸调节，所以不能实现这种适应性调节。因此，投影透镜需要高水平的横向色修正。
用象素化面板显示数据对畸变校正提出了严格的要求。这是因为当观察数据时，即使在透镜视场的边缘各点处，也要求有良好的图像质量。显然，被显示的数字或字母在视场边缘具有非畸变图像与在中心同样重要。另外，投影透镜通常与偏移板一起使用，例1-5的透镜就是设计作此用途的。在这种情况下，观察屏上的畸变对经过屏幕中心的水平线的变化不对称，而是例如从屏幕底部到顶部单调上升。这种现象使观察者很容易观察到即使是小的畸变。
当关于WINDOWS类型计算机界面的经放大的图象投影到观察屏上时，畸变小以及色修正水平高就显得特别重要。这类界面具有平行线，带边界的命令框和对话框，以及复杂的着色，它们实质上是畸变和颜色的测试模式。对于这类界面的象，用户很容易认识并反对即使是最小的畸变或色差。
为了产生足够亮的像，必须有相当多的光线通过投影透镜。结果，通常在室温和透镜工作温度之间存在明显的温差。另外，透镜要能够在各种环境条件下工作。例如，通常将投影透镜系统固定在房间的天花板上，它可以是环境温度基本在40℃以上的屋顶。为了解决这些影响，需要光学性能对温度变化相当不灵敏的投影透镜。
解决温度灵敏性问题的一种办法是使用由玻璃制成的透镜元件。与塑料相比，玻璃元件之曲率半径和折射率的变化一般比塑料元件的小。但是，玻璃元件一般比塑料元件贵，特别是需要对非球面进行象差控制时。它们还较重。如下所述，只要适当选择塑料元件的光焦度和位置，就可以使用塑料元件，并且仍可以获得对温度不灵敏性。
下述投影透镜满足上述所有要求，并且可以成功地用于制造成本相当低的投影透镜系统，该系统能够在观察屏上形成象素化面板的高质量彩色图像。现有技术的描述
有许多专利描述了与象素化面板一起使用的投影透镜，这些专利包括授于Taylor的美国专利第4,189,211号；授于Tanaka等人的美国专利第5,042,929号；授于Yano等人的美国专利第5,179,473号；授于Moskovich的美国专利第5,200,861号；授于Moskovich的美国专利第5,218,480号；授于Moskovich的美国专利第5,625,495号；授于Iizuka的美国专利第5,278,698；授于Betensky的美国专利第5,313,330号；以及授于Yano的美国专利第5,331,462号；
以下专利对LCD系统作了讨论：授于Gagnon等人的美国专利第4,425,028号；授于Gagnon的美国专利第4,461,542号；授于Ledebuhr的美国专利第4,826,311号；以及EPO专利公报第311,116号。
发明内容
基于以上叙述，本发明的一个目的是提供一种与象素化面板一起使用的改进型投影透镜，该投影透镜同时具有上述五项性能。此目的可以通过一种变焦投影透镜来实现，所述透镜具有最小有效焦距(fmin)和最大有效焦距(fmax)，并且所述透镜从象方到物方(即，从其长共轭一侧到其短共轭一侧)按顺序包括：
(A)第一透镜单元(U1)；
(B)第二透镜单元(U2)，它与第一透镜单元相隔一段轴向距离，在透镜变焦和/或聚焦期间，所述第一和第二透镜单元相对象素化面板(物体)移动；和
(C)校正透镜单元(CR)，它至少有一个非球面和满足下述关系的焦距fCR：
     |fCR/fmin|≥5；         (1)所述校正透镜单元与象素化面板相隔一段固定的轴向距离DCR-OB，并且与第二透镜单元相隔一段可变的轴向距离DCR-U2，对于透镜在fmin和fmax之间的所有有效焦距，都有：
     DCR-OB≥DCR-U2。        (2)
如关系式(2)中所使用的，DCR-OB是从物体到距物体最近的校正透镜单元表面的距离，而DCR-U2是从CR象方表面到U2物方表面的距离。
在某些较佳实施例中，投影透镜还满足下述关系：
     DCR-OB/(fmin·tanω)|≥2其中ω是当透镜的有效焦距等于fmin时投影透镜沿图像方向的半视场。当透镜满足该关系时，其后焦距的长度足以容纳用来形成象素化面板之彩色图像的光学元件，例如放在校正透镜单元和象素化面板之间的滤光镜、二向色分光镜和分束棱镜等。
应该注意，本发明校正透镜单元的性能和功能与Iizuka等人的美国专利第5,278,698号中的聚光透镜不同。’698专利的聚光透镜靠近象素化面板，具体地说，相比’698专利的正透镜单元，聚光透镜更靠近象素化面板，并且聚光透镜具有足够的光焦度，可将来自照射系统的光射到投影透镜上。相反，本发明的校正透镜单元具有最小的光焦度(参见上述关系式(1))，位置远离象素化面板，具体地说，其离开象素化面板的距离大于离开透镜的第二透镜单元的距离(参见上述关系式(2))，并且可以校正剩余畸变。具体地说，由于校正透镜单元离开象素化面板的距离足够大，所以校正透镜单元表面上的轴向光束大小不重要。因此，此单元对校正剩余球差有贡献，并且在进行校正时，该单元允许在透镜的前部分完成对畸变的较佳校正。
在本发明的某些实施例中，校正透镜单元包括色修正装置，例如色修正双合透镜，或者更一般的是具有低色散的正透镜单元和具有高色散的负透镜单元。在其余实施例中，第一透镜单元具有负光焦度，而第二透镜单元具有正光焦度，致使第一和第二透镜单元具有反焦透镜的基本结构。在又一些实施例中，透镜系统包括正的第三透镜单元(U3)，它位于第一透镜单元的象方，所述第三透镜单元在透镜系统变焦和聚焦期间保持固定。
最好将本发明的投影透镜设计成基本上绝热。如以下全面讨论的，这可以通过使用玻璃和塑料透镜元件以及平衡具有足够大光焦度的塑料透镜元件的光焦度来做到。通过这种方式，可以用负透镜元件光焦度的变化来补偿因温度变化引起的正透镜元件光焦度的变化，从而当温度变化时，可以使投影透镜的所有光学性能基本上恒定。
本发明的投影透镜可以具有传统的孔径阑，或者对它们进行设计，将照射系统输出的位置用作投影透镜的伪孔径阑/入射光瞳(参见Betensky的美国专利第5,313,330号，该专利的相关部分通过引用包括在此。)。利用这种方法，可以在照射系统的光输出和投影透镜之间获得有效耦合。
当使用伪孔径阑/入射光瞳方法时，本发明提供了一种用于对物体成象的投影透镜系统，所述系统包括：
(A)照射系统，它包括光源和用于形成光源的象的照射光学装置，所述象是照射系统的输出；
(B)象素化面板，它构成所述物体；和
(C)上述类型的投影透镜，所述投影透镜有一入射光瞳，其位置基本上对应于照射系统输出的位置。
附图概述
图1-5是侧视示意图，示出了依照本发明构造的投影透镜。在这些图中，用标志“PP”表示与透镜一起使用的象素化面板。
图6是一示意图，示出了可以使用本发明投影透镜的整个的投影透镜系统。
上述附图包含在说明书中，并且构成说明书的一部分。这些附图图示了本发明的较佳实施例，它们与说明书一起解释本发明的原理。当然应该理解，附图和说明书都只对本发明作说明，而非限制。
较佳实施例的描述
本发明的投影透镜主要用于这样的投影系统，这些系统用三个数字器件(三个象素化面板)产生三原色(红、绿和蓝)的输入图像。用物体和透镜之间的二向色分光镜或分束棱镜合并这些图像，从而在屏幕上提供彩色的象。为了容纳这些元件，投影透镜要具有较长的工作距离。为了做到这点，一般使用反焦类型的变焦透镜。这种变焦透镜的特征是在长共轭一侧有负光焦度组，而短共轭一侧有正光焦度组。两组相对移动，使放大率变化。
一般来说，如果在透镜中用足够多的元件来提供足够大的自由度，那么就可以控制色差。偶然用非球面的塑料元件来减少元件数量并使透镜的总成本最低。但是，当视场对于宽角度变焦(例如，30°左右半视场)变得相当宽时，畸变和横向色的校正难度变得更大。如上所述，LCD和DMD投影仪中所用数字器件的特性以及一般用这类器件显示的信息类型使得必须将畸变和横向色校正到非常高的水平。由于投影系统的应用对分辨率提出越来越多的要求，所以数字器件的象素大小变得更小，象差校正要求也变得更为严格。
依照本发明，通过增加上述反焦变焦透镜，在透镜的短共轭一侧附加一个具有低光焦度的非球面固定校正器，来达到所要求的较高的象差校正水平，并且没有明显增加透镜的复杂程度和成本。特别是，已经发现单个弱的非球面元件可以极佳地校正各种象差的剩余量，尤其是校正畸变的剩余量。最好，在整个透镜变焦范围内，畸变校正能高出约2.5％。如上所述，校正器通过校正球面象差的剩余量(这允许在透镜的正面部分更好地校正畸变)，使整个透镜的畸变校正达到上述水平。
当校正单元包含色修正装置时，还可以提高对横向色的校正。色修正装置可以包括由高色散材料制成的负透镜元件和由低色散材料制成的正透镜元件(参见例4)。如果需要，正负透镜元件可以是一个粘合在一起的双合透镜。高色散材料和低色散材料可以是玻璃或塑料。
一般来说，高色散材料的色散象氧化铅玻璃，而低色散材料的色散象冕牌玻璃。具体地说，对于折射率范围为1.85-1.5的情况，高色散材料的V值在20-50的范围内，而低色散材料的V值在35-75的范围内。
对于塑料透镜元件，高和低色散材料分别可以是苯乙烯和丙烯酸。当然如果需要，也可以使用其它塑料。例如，可以用聚碳酸酯以及聚苯乙烯和丙烯酸的共聚物(例如NAS)来代替苯乙烯，它们具有火石般的色散。参见Ohio州Cincinnati市美国精密镜片股份有限公司于1983年出版的“塑料光学装置手册”第17-29页。
通过移动第一和第二透镜单元可以改变本发明投影透镜的焦距。同样，通过移动这些单元可以聚焦。可以使用本领域常规的装置实现上述移动。
如上所述，使本发明的投影透镜绝热，由此当投影透镜从室温加热到其工作温度时，系统的光学性能基本不变。具体地说，系统后焦距的热致变化最好小于大约0.2％。通过选择和放置塑料透镜元件中的透镜，可以实现所需的热稳定性。
一般来说，使用塑料透镜元件有以下缺点，即塑料光学材料的折射率随温度明显变化。另一影响是塑料光学材料的形状随温度改变，即膨胀或收缩。后一影响通常没有折射率的改变来得明显。
如果透镜中只使用光焦度较低的塑料透镜元件，那么可以在塑料光学装置的热变化和系统之塑料或铝制元件的热变化(例如，透镜镜筒，它通常是热致焦距变化的主要机械源。)之间达到一种平衡。在设计中无限制使用光学塑料元件(即，能够使用具有相当高光焦度的塑料透镜元件)的优点在于：因为塑料透镜元件容易注模，所以可以用非球面的光学表面(非球面)使特殊透镜的设计性能最强。使用相当高光焦度元件还可以使透镜的整个成本较低，重量减轻，尤其当透镜设计包括较大的透镜元件时。
如果设计中净塑料光焦度很重要，那么需要进行绝热处理，否则当透镜温度从室温变为其工作温度时，透镜焦距会发生明显的变化。当投影仪必须向观察屏投射大量光线，致使工作温度明显高于室温时，尤其如此。
对于本发明的投影透镜，通过平衡正负塑料光焦度来实现绝热，同时还要考虑塑料透镜元件的位置以及在这些元件处的边缘光线高度。
对于元件将经历的温度变化量乃至元件折射率将产生的变化量而言，塑料透镜元件的位置是很重要的。一般来说，靠近光源或光源象的元件会受到较大的温度变化。实践中，在光源及其相关的照射光学装置工作时，测量投影透镜放置区中的温度分布，并且将这些测量值用到投影透镜的设计中。
对于一给定的热变化，特定塑料透镜元件上的边缘光线高度决定了元件折射率的变化对于透镜的总体热稳定性是否重要。边缘光线高度较低的元件(例如，系统焦点附近的元件)对系统总体热稳定性的影响一般比边缘光线高度较高的元件小。
基于上述考虑，可以通过以下方式来实现绝热，即通过平衡塑料透镜元件的正负光焦度，并且根据期望元件经受的温度变化以及元件的边缘光线高度，调节特定元件的贡献。实践中，绝热过程包含在下述计算机化的透镜设计程序中。首先，在第一温度分布下完成一条光迹(ray trace)，并且计算后焦距。该光迹可以是对边缘光线的近轴光迹。其次，在第二温度分布下完成相同的光迹，并且再次计算后焦距。第一和第二温度分布对整个透镜都不必为常数，但可以且在一般情况下确实是随透镜元件的不同而变化。然后，当用透镜设计程序优化系统设计时，将计算得到的后焦距限制为常数。
应该注意，上述方法假设：当系统温度变化时，投影透镜和象素化面板的机械支架基本上保持最后透镜表面与面板之间的距离恒定。如果该假设是不到保证，那么可以实行其他规定来实现绝热，例如在过程中包括机械支架相对移动的测量值，或者假设另一距离是机械固定的，例如透镜正面与面板之间的距离。
图1-5示出了依照本发明构造的各种投影透镜。相应的规定和光学性能分别列在表1-5中。对于透镜系统中使用的玻璃，使用HOYA或SCHOTT标记。在实施本发明时，还可以使用由其它制造商制造的等价玻璃。工业上可接受的材料用于塑料元件。
诸表所列的非球面系数可用于以下等式： z = cy 2 1 + [ 1 - ( 1 + k ) c 2 y 2 ] 1 / 2 + Dy 4 + Ey 6 + Fy 8 + G y 10 + H y 12 + I y 14
这里，z是在离系统光轴的距离为y处的表面弛垂度；c是透镜在光轴处的曲率；而k是圆锥常数，对于表1-5中的透镜系统，k为零。
在表中，与各个表面相关的标记“a”代表非球面，即，在上述公式中的D、E、F、G、H或I中至少有一个不为零的表面。表3-5中的表面1是可选择的光晕表面(vignetting surface)。表1中的表面20-22以及表2中的表面21-23对应于诸如反光镜、棱镜等光学元件，它们用于形成象素化面板的彩色的象。尽管表3-5中没有列出，但也可以将类似的光学元件与这些表中的透镜系统一起使用。
在制作这些表时，假设光线在图中从左至右行进。在实践中，观察屏将在左方，而象素化面板将在右方，光线将从右向左行进。具体地说，表中物和象的标号与说明书其余部分和权利要求书中使用的相反。表中给出的所有尺寸都以毫米为单位。
表6列出了表1-5的各种元件和透镜表面与上述“第一透镜单元”、“第二透镜单元”、“第三透镜单元”(可选择)和“校正透镜单元”等术语之间的对应关系。具体地说，U1是第一透镜单元，U2是第二透镜单元，U3是第三透镜单元，而CR是校正透镜单元。
例1-4的透镜是用传统孔径阑设计的。这种传统孔径阑一般会在某些变焦位置造成光的损失，但其好处是照射系统的输出不必完全特征化或全面控制。例5的投影透镜是用Betensky的美国专利第5,313,330号的伪孔径阑/入射光瞳技术设计的。根据该方法，用照射系统确定投影透镜的入射光瞳，对于所有透镜焦距和共轭，入射光瞳相对象素化面板的位置恒定。
表5中标有“孔径阑”的表面构成上述Betensky专利的伪孔径阑。其位置对应于照射系统输出的位置。该规定下的表面22是一虚拟表面，它使孔径阑位于透镜的正透镜表面和后透镜表面所限定的间距内。由标有“可变间隔”的子表可见，对于例5中投影透镜的所有变焦位置，从伪孔径阑到象素化面板的距离基本不变(参见，标有“象距”的列)。
表6概括了表1-5中透镜的各种性能。如该表所示，例示的透镜满足上述关系式(1)，即它们的|fCR/fmin|比值都大于5。如最好的那样，这些例子的|fCR/fmin|比值还都大于10。
至于关系式(2)，由表1-5可见，校正单元的位置更靠近透镜，而远离物体。因此保持了较长的工作距离(透镜与LCD/DMD器件之间的距离)。在数量上，对于透镜的所有变焦位置，DCR-OB与SCR-U2的比值都大于1.2。
如表7所示，对于例1-5的透镜，还满足关系式(3)。
关于象差校正，对表1-5列出的变焦范围，透镜获得的畸变小于2.5％，并且对于470纳米和630纳米之间的波长，色修正优于一个象素。
虽然已经描述了本发明的一些特定实施例，但应明白，根据上面的揭示，不背离本发明范围和精神的种种变更对于本领域内的一般技术人员而言将是显而易见的。
                           表1表面                                       净通光编号 类型     半径      厚度      玻璃    孔径直径1   a     72.2998     4.00000    丙烯酸  49.422   a     24.4899    27.09795            38.583        -85.0790     3.00000    LAK8    29.714         55.3261     0.50000            28.455         47.0661     5.00000    SF6     28.486        201.3419     间隔1              27.617         孔径阑      1.99828            21.158        211.5049     6.00000    LF6     21.749        -22.4657     2.00000    SK18    22.2210        -56.6906    28.90509            23.1611        -29.6643     2.00000    SF6     28.8512       -374.7046     7.00000    FK5     32.2613        -42.3814     0.50000            35.1014        152.2023     9.00000    SK5     39.5315        -43.8850     0.50000            40.5516       -258.2722     6.00000    丙烯酸  40.5017a        -72.1510      间隔2             40.7018a       -975.9416     4.00000    丙烯酸  37.9919        -165.2441     1.00000            37.7920            -        70.67000    BK7     37.3621            -         3.00000    ZK7     27.7322            -          象距              27.32标记说明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       2.5042E-05  -4.6111E-08   2.9946E-12   1.5904E-13  -2.3985E-16  1.1367E-192       2.7558E-05  -5.3311E-09  -2.9095E-10   9.0640E-13  -7.1726E-16  1.7276E-1917       2.2010E-06   9.2620E-10  -1.0191E-13   5.8030E-16  -2.6548E-19  5.8635E-2218      -7.1025E-07  -6.9015E-12   1.3363E-12  -1.4732E-15  -2.1087E-18  9.5727E-22可变间隔可变焦     间隔1     间隔2     焦点位移     象距距位置     T(6)      T(17)1         53.901     2.000      0.000      10.5002         20.228    18.917     -0.086      10.5003          3.000    35.978     -0.053      10.500
                          表1(续)一阶数据f/数                              2.85         2.90        3.00放大率                         -0.0050      -0.0050     -0.0050物高                           -2500.0      -2500.0     -2500.0物距                           -4160.6      -6167.2     -8173.2有效焦距                        21.000       31.000      41.000象距                            10.500       10.500      10.500总长度                          4409.1       6399.0      8404.8前镜顶距离                      248.57       231.82      231.65镜筒长度                        238.07       221.32      221.15孔径阑表面编号                       7            7           7至孔径阑的距离                    0.00         0.00        0.00孔径阑直径                      20.156       20.748      20.983入射光瞳距离                    39.704       33.283      27.383出射光瞳距离                   -1614.0      -2123.6     -2999.3元件的一阶性质元件    表面编号    编号         光焦度           f1      1  2      -0.12964E-01     -77.1362      3  4      -0.21552E-01     -46.3993      5  6       0.13422E-01      74.5044      8  9       0.27828E-01      35.9355      9  10     -0.16839E-01     -59.3846      11 12     -0.25160E-01     -39.7457      12 13      0.10307E-01      97.0238      14 15      0.17066E-01      58.5959      16 17      0.49844E-02      200.6310      18 19      0.24863E-02      402.21双合透镜的一阶性质元件    表面编号    编号      光焦度4  5   8  10     0.10778E-016  7   11 13    -0.13177E-01
                    表2表面                                     净通光编号  类型   半径       厚度     玻璃   孔径直径1     a    97.9903    4.00000  丙烯酸   47.222     a    23.9903   20.98199           37.283         -80.1623    3.00000  TAF1     31.504          56.3974    5.00000  SF57     30.715        -725.7978     间隔1            30.496           孔径阑    3.02983           21.787          68.8076    2.00000  SSK5     22.878          33.5003    6.00000  LF5      23.089        -125.9711   26.49730           23.4510         -27.8264    2.00000  SF11     25.1811       -1505.6150    7.00000  FK5      28.3712         -40.8821    0.50000           31.4813        -528.5488    6.00000  BAK4     34.1114         -55.4622    0.20000           35.7715        -528.5488    6.00000  BAK4     36.9116         -55.4622    0.50000           37.7417     a  -120.0000    5.00000  丙烯酸   37.8118     a   -69.2027     间隔2            38.3619     a       -       4.00000  丙烯酸   37.1120     a  -144.0249    1.00000           36.8621             -      70.67000  BK7      36.4522             -       3.00000  ZK7      27.4423             -         象距            27.05标记说明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      1.4196E-05  -3.1124E-08   7.2170E-12  1.4060E-13  -2.5612E-16   1.3642E-192      1.1526E-05   9.3457E-10  -2.7899E-10  9.4564E-13  -4.6984E-16  -1.0955E-1817     -7.0619E-07   1.5712E-11  -2.0515E-13  2.1405E-15   6.4550E-18  -3.2905E-2018      2.0465E-07  -5.1086E-10   2.0254E-12  3.0081E-15  -1.0258E-17  -6.5138E-2119     -1.2834E-06  -3.3184E-10   3.1373E-12  5.1744E-16   1.4226E-17   7.0676E-2020     -1.9866E-07   9.8049E-10  -2.7704E-13  2.2504E-15   1.6525E-17   8.5178E-20可变间隔可变焦       间隔1    间隔2     焦点位移    象距距位置       T(5)     T(18)1            53.893    2.000     0.003     10.5002            22.123   21.249    -0.205     10.5013             6.488   40.981    -0.028     10.500
                       表2(续)一阶数据f/数                           2.70        2.85         3.00放大率                      -0.0050     -0.0050      -0.0200物高                        -2500.0     -2500.0      -625.00物距                        -4179.1     -6171.7      -2002.6有效焦距                     21.071      31.005       40.544象距                         10.500      10.501       10.500总长度                       4421.9      6402.0       2237.0前镜顶距离                   242.77      230.25       234.35镜筒长度                     232.27      219.75       223.85孔径阑表面编号                    6           6            6至孔径阑的距离                 0.00        0.00         0.00孔径阑直径                   21.466      21.493       21.492入射光瞳距离                 35.172      29.257       24.222出射光瞳距离                -4000.1 -.10530E+06       4737.3元件的一阶性质元件      表面编号      编号      光焦度            f1        1  2      -0.15266E-01    -65.5072        3  4      -0.23671E-01    -42.2453        4  5       0.16291E-01     61.3844        7  8      -0.99041E-02    -100.975        8  9       0.21793E-01     45.8876        10 11     -0.27916E-01    -35.8227        11 12      0.11658E-01     85.7778        13 14      0.92614E-02     107.979        15 16      0.92614E-02     107.9710       17 18      0.31187E-02     320.6511       19 20      0.34284E-02     291.68双合透镜的一阶性质元件    表面编号    编号      光焦度             f2  3    3  5   -0.70388E-02      -142.074  5    7  9    0.11810E-01       84.6716  7    10 12  -0.14317E-01      -69.845
                    表3表面                                             净通光编号 类型    半径          厚度       玻璃       孔径直径1            -         0.00000                149.442   a  -2758.9689     10.00000      丙烯酸    121.893   a    162.7148     32.41289                 97.024       1317.9611      6.00000      LAK8       94.745         71.7345      5.58533                 88.036        106.5479     10.50000      SF6        88.047        285.6476      0.20000                 87.958   a    140.6917     10.50000      丙烯酸     88.889   a    226.6795       间隔1                  88.3810        孔径阑       10.00000                 59.2911       -115.7482      4.00000      LAK8       60.9612        372.6067      0.20000                 65.4913        115.6547     14.00000      SF2        69.8714       -160.1106      1.00000                 71.1515   a   -353.2545      6.00000      丙烯酸     71.4016   a   -206.8843      5.68170                 73.5617       -257.8060     11.00000      BK7        75.5618        -80.6332      0.50000                 76.9319        -96.1449      5.00000      SF6        76.8720        795.2449      6.88605                 82.0521      -6516.3498     22.00000      BK7        86.6122        -67.0669       间隔2                  89.2423   a    -90.0000      6.00000      丙烯酸     88.3524   a    -86.0735       象距                   89.82标记说明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           I2     3.0424E-06   -8.1984E-10   1.4501E-13   5.7852E-18  -2.4707E-21  -9.0217E-263     3.4492E-06   -1.7946E-10  -3.3006E-13   2.9306E-16  -7.8431E-20   1.8517E-238    -4.7800E-07    1.0095E-10   7.9308E-14   4.2610E-17  -3.4798E-21  -7.6237E-249    -9.8746E-07    7.2987E-11   4.3678E-14   1.2424E-17   3.7489E-24  -6.9653E-2415    -7.6932E-07   -1.4655E-10  -5.4268E-14   7.2357E-18   5.3795E-21  -5.3761E-2616     4.4139E-07   -4.9168E-11   9.3095E-15   1.1944E-18  -5.2487E-21   3.9426E-2423     7.6092E-08    2.5927E-11   4.1204E-15   1.8260E-18   2.8035E-21   1.5980E-2524     1.3565E-07    2.0958E-11   1.1490E-14  -7.6191E-18   7.3884E-21  -8.4099E-25可变间隔可变焦    间隔1    间隔2    焦点位移    象距距位置    T(9)     T(22)1        148.330    1.856     0.603    280.0042         68.874   63.419     0.256    279.9983         29.152  125.088    -0.226    279.986
                     表3(续)一阶数据f/数                        3.82       4.41       5.00放大率                   -0.0100    -0.0125    -0.0150物高                     -5800.0    -4640.0    -3866.7物距                     -9919.6    -11963.    -13338.有效焦距                  100.00     150.00     200.00象距                      280.00     280.00     279.99总长度                    10517.     12543.     13939.前镜顶距离                597.66     579.76     601.69镜筒长度                  317.65     299.76     321.71孔径阑表面编号                10         10         10至孔径阑的距离              0.00       0.00       0.00孔径阑直径                58.448     58.404     58.419入射光瞳距离              103.35     84.275     68.015出射光瞳距离             -126.58    -198.81    -274.96元件的一阶性质元件    表面编号    编号        光焦度          f1     2  3      -0.32172E-02    -310.832     4  5      -0.94211E-02    -106.143     6  7       0.49078E-02     203.764     8  9       0.13851E-02     721.995     11 12     -0.81369E-02    -122.906     13 14      0.95182E-02     105.067     15 16      0.10023E-02     997.678     17 18      0.45149E-02     221.499     19 20     -0.94980E-02    -105.2910     21 22      0.76637E-02     130.4911     23 24      0.37670E-03     2654.7
                   表4表面                                           净通光编号 类型     半径     厚度        玻璃      孔径直径1            -       17.00229                276.022  a     237.1932    15.00000    丙烯酸      212.503  a      90.8590    82.32077                168.714  a    -247.2009    10.00000    丙烯酸      160.285        529.5923     0.50000                158.896        187.5174    13.00000    SF6         159.937        348.1046      间隔1                 158.388  a     221.8899    12.00000    丙烯酸      115.079  a    1611.4189    63.03422                113.2810       -272.3091     7.00000    SF4         123.1811       2233.7061     0.50000                129.2212        388.2929    29.00000    BK7         133.5213       -117.0573     0.50000                134.2714  a    -534.1219    12.00000    丙烯酸      131.8215  a    -489.5588      间隔2                 132.5316  a    -193.4819    14.00000    丙烯酸      146.6517  a    -124.8392     0.50000                147.0118       -168.3820     8.00000    F2          146.9519       -286.9523      象距                  151.88标记说明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            I2      3.5251E-08   3.2290E-12  -4.3225E-17   2.0451E-20   -4.9581E-24   2.7651E-283     -4.1104E-08  -7.3823E-13   9.6994E-17   6.1436E-20   -9.4222E-24  -3.0426E-274     -3.8044E-08  -1.9972E-12   1.1467E-15  -1.8033E-19   -7.7360E-24   1.8761E-278     -7.9932E-08   1.6498E-13  -8.3436E-15   3.5489E-18   -5.8447E-22   3.8050E-269      8.5788E-09  -6.5729E-12   1.6655E-15   4.1854E-19   -2.8205E-23   8.6648E-2814     -1.1719E-07   1.0781E-11  -2.3805E-16   3.9958E-19   -1.1846E-22   9.4444E-2715     -4.6160E-08   9.1968E-12   1.8379E-15  -2.1439E-19   -2.0830E-23   3.5330E-2716      2.7832E-08   6.0546E-12   2.1169E-15   2.8769E-19    1.4529E-24  -1.8868E-2817      6.0329E-08   9.0569E-12   9.7519E-16   3.0046E-19    4.1042E-23  -2.7867E-27可变间隔可变焦   间隔1     间隔2     焦点位移    象距距位置   T(7)      T(15)1      196.719     60.449    -0.102    316.9562       94.237    138.001     0.452    316.9933       35.717    224.093     0.744    317.058
                   表4(续)一阶数据f/数                        3.70       4.35       5.05放大率                   -0.0100    -0.0150    -0.0200物高                     -10890.    -7260.0    -5445.0物距                     -16973.    -16413.    -16578.有效焦距                  170.95     246.95     330.97象距                      316.96     316.99     317.06总长度                    17832.     17247.     17439.前镜顶距离                858.48     833.59     861.23镜筒长度                  541.52     516.60     544.17孔径阑表面编号                 9          9          9至孔径阑的距离             31.52      31.52      31.52孔径阑直径               103.695    103.446    103.870入射光瞳距离              182.32     159.29     140.50出射光瞳距离             -165.15    -246.68    -336.51元件的一阶性质元件    表面编号    编号        光焦度           f1       2  3      -0.32392E-02   -308.722       4  5      -0.29423E-02   -339.873       6  7       0.20718E-02    482.684       8  9       0.19244E-02    519.655      10 11      -0.31418E-02   -318.296      12 13       0.56542E-02    176.867      14 15       0.91642E-04    10912.8      16 17       0.14978E-02    667.629      18 19      -0.14918E-02   -670.35
                  表5表面                                        净通光编号 类型    半径      厚度       玻璃     孔径直径1            -       6.09264             215.772        469.1296   12.00000    F2       206.043        176.4976    0.50000             193.304   a    152.1949   42.83528    丙烯酸   193.715      -1177.0830     间隔1              191.606   a    881.8484   15.00000    丙烯酸   147.247        112.3877   32.37052             126.108   a   -176.4906   14.00000    丙烯酸   125.939   a -34734.4229    1.00000             128.5810        234.1772   13.00000    SF14     130.1711        867.4759     间隔2              129.1812        141.0650   23.00000    FK5      121.5113       -467.6623    0.50000             120.7014        161.7719   14.00000    LAK13    118.3515        500.3741   10.45864             115.9516       -465.6965    7.00000    F2       114.1617        113.0470   11.91093             109.2118        716.9085   15.00000    FK5      109.1819       -261.1313     间隔3              110.5820       -131.9850   16.00000    丙烯酸   121.3221   a   -135.9592    1.00000             127.9422           -     -150.00000             131.7623         孔径阑      象距               110.43标记说明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           I4   -1.1309E-08  -2.1131E-13  -7.7869E-17   1.0282E-20  -8.6300E-25  2.3371E-296    3.2299E-08   9.2468E-13   2.3854E-16   2.9361E-20  -3.8454E-24  9.6267E-288    2.8793E-09  -1.1965E-11   9.0379E-17  -1.6077E-19  -9.5758E-23  1.7893E-269    3.7715E-08  -5.1432E-12  -2.6470E-16   6.8702E-21  -2.0528E-23  7.7139E-2721    1.3255E-08   3.4416E-12  -6.6612E-16   1.0710E-19  -5.6243E-24  8.4682E-29可变间隔可变焦    间隔1    间隔2     间隔3    焦点位移    象距距位置    T(5)     T(11)     T(19)1        42.651    193.998   40.683    -1.131     490.0002       104.114     86.943   86.275    -1.416     490.0033        99.122     12.000  166.210     0.690     490.011
                    表5(续)一阶数据f/数                              4.50         4.50          5.13放大率                         -0.0200      -0.0200       -0.0200物高                           -5500.0      -5500.0       -5500.0物距                           -16047.      -24147.       -32148.有效焦距                        322.41       480.94        634.64象距                            490.00       490.00        490.01总长度                          16900.       25000.        33001.前镜顶距离                      853.00       853.00        853.01镜筒长度                        363.00       363.00        363.00孔径阑表面编号                      23           23            23至孔径阑的距离                    0.00         0.00          0.00孔径阑直径                     109.917      109.944        95.868入射光瞳距离                    287.75       379.76        429.26元件的一阶性质元件     表面编号     编号       光焦度           f1       2  3    -0.21709E-02   -460.652       4  5     0.36248E-02    275.883       6  7    -0.38089E-02   -262.554       8  9    -0.27832E-02   -359.305      10 11     0.24174E-02    413.666      12 13     0.44574E-02    224.357      14 15     0.29634E-02    337.458      16 17    -0.68925E-02   -145.099      18 19     0.25426E-02    393.3010      20 21     0.36176E-04    27643.
       表6*
          U1           U2           CR     U3
  例子 表面编号     f1 表面编号     f2 表面编号     fCR 表面编号     f3  fmin  fmax
    1  1-6 -42.17  7-17  60.97  18-19  402.21  -  -  21.00  41.00
    2  1-5 -41.07  6-18  63.93  19-20  291.68  -  -  21.07  40.54
    3  1-9 -152.48  10-22  170.53  23-24  2654.70  -  -  100.00  200.00
    4  1-7 -228.67  8-15  237.36  16-19 -22457.00  -  -  170.95  330.97
    5  6-11 -244.60  12-19  260.03  20-21  27643.00  1-5  690.42  322.41  634.64
*f1、f2、fCR和f3是相应透镜单元的焦距，而fmin和fmax分别是透镜作为一个整体在变焦范围的最短端和最长端的焦距。
              表7
  例子     DCR-OB/fmin  fmin处的1/2视场    DCR-OB/(fmin·tanω)
    1     2.86     30.8°     4.80
    2     2.86     30.7°     4.82
    3     2.80     30.1°     4.83
    4     1.86     32.4°     2.93
    5     1.07     18.6°     3.18

Claims (15)

1.一种用于物体成像的投影透镜，所述透镜的变焦范围在最小有效焦距fmin和最大有效焦距fmax之间，其特征在于，所述透镜从其象方到其物方按顺序包括：
(A)第一透镜单元；
(B)第二透镜单元，它与第一透镜单元相距一段轴向间隔，在透镜变焦和/或聚焦期间，所述第一和第二透镜单元相对物体移动；和
(C)校正透镜单元，它至少有一个非球面和满足下述关系的焦距fCR：|fCR/fmin|≥5；所述校正透镜单元与物体相隔一段固定的轴向距离DCR-OB，并且与第二透镜单元相隔一段可变的轴向距离DCR-U2，对于透镜在fmin和fmax之间的所有有效焦距，都有：DCR-OB≥DCR-U2。
2.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，|fCR/fmin|≥10。
3.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，透镜满足下述关系：DCR-OB/(fmin·tanω)|≥2其中ω是当透镜有效焦距等于fmin时，投影透镜沿图像方向的半视场。
4.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，第一透镜单元具有负光焦度。
5.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，第二透镜单元具有正光焦度。
6.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，第一透镜单元具有负光焦度，且第二透镜单元具有正光焦度。
7.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，校正透镜单元包括色修正装置。
8.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，还包括第三透镜单元，它位于第一透镜单元的象方。
9.如权利要求8所述的投影透镜，其特征在于，第三透镜单元与物体相隔一段固定的轴向距离。
10.如权利要求8所述的投影透镜，其特征在于，第三透镜单元具有正光焦度。
11.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，投影透镜在变焦范围内的畸变小于或等于2.5％。
12.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，物体是一象素化面板，并且对于在465纳米到608纳米范围内的波长，透镜在整个变焦范围内的横向色斑点小于一个象素。
13.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，当透镜从室温加热到其工作温度时，透镜的后焦距改变小于0.2％。
14.一种用于物体成象的投影透镜系统，其特征在于，所述系统包括：
(A)照射系统，它包括光源和用于形成光源的象的照射光学装置；
(B)象素化面板，它构成所述物体；
(C)权利要求1所述的投影透镜。
15.如权利要求14所述的投影透镜系统，其特征在于，所述投影透镜具有入射光瞳，其位置基本上对应照射系统输出的位置。
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