CN1410795A - 投影透镜和具有这种投影透镜的投影仪 - Google Patents

Abstract

一种投影透镜由较小数量的透镜组成并能够减少各种象差，以及一种投影仪具有相同的投影透镜。该投影透镜实质是一种包括如下透镜的五元件的投影透镜：具有负折射能力的第一透镜(10)、具有正折射能力的第二透镜(20)、由具有负折射能力的第一分量透镜(31)和具有正折射能力的第二分量透镜(32)组成的并具有负折射能力的第三透镜(30)以及具有正折射能力的第四透镜(40)。第一、第二、第三和第四透镜(10，20，30，40)以从屏幕侧朝图像表面侧的顺序设置以朝图像表面侧形成远心光路系统。在第一透镜(10)的图像表面侧的表面和在第三透镜(30)的第二分量透镜(32)的图像表面侧的表面(33)都是非球面。

Description

投影透镜和具有这种投影透镜的投影仪

发明领域

本发明涉及一种适合于在投影仪上使用的投影透镜以及具有这种投影透镜的投影仪，该投影仪将形成在胶片或幻灯片上的图像或通过液晶显示器显示的图像以放大的图像投影在显示屏上。

已有技术描述

要求用于低成本的LCD投影仪的投影透镜具有较大的数值孔径、紧凑且轻便、能够形成高清晰度的图像、能够防止畸变、能够防止放大色差、为远心的、具有较长的后焦距、具有较短的投影距离以及不昂贵。

将形成在胶片或幻灯片上的图像或通过液晶显示器显示的图像以放大的图像投影在显示屏上的投影仪的投影光学系统通常使用远心变焦透镜。然而，变焦透镜比较昂贵，因此增加了投影仪的成本。

通过使用多个透镜能够形成高清晰度的图像，减小畸变并且能够防止放大色差。然而，在透镜的数量增加时由于内部吸收的缘故，减少了具有短波长的光线的投影系统的透射率。通过形成铅玻璃透镜能够减小透镜的短波长的光线内部吸收，然而，这种铅玻璃透镜增加了投影光学系统的成本。

发明概述

因此，本发明的一个目的是解决在已有技术中的问题并提供一种由较小数量的透镜组成的投影透镜以及具有这种投影透镜的投影仪，这投影透镜具有简单的结构并且能够满意地减少各种像差。

为实现上述发明目的，本发明提供一种投影透镜，该投影透镜包括具有负折射能力的第一透镜；具有正折射能力的第二透镜；具有负折射能力的第三透镜，该第三透镜由具有负折射能力的第一分量透镜和具有正折射能力的第二分量透镜组成；以及具有正折射能力的第四透镜；其中第一、第二、第三和第四透镜以从屏幕侧朝图像表面侧的顺序设置以朝图像表面侧形成远心光路系统，在第一透镜的图像表面侧的表面和在第三透镜的第二分量透镜的图像表面侧的表面都是非球面。

由于在第一透镜的图像表面侧的表面和在第三透镜的第二分量透镜的图像表面侧的表面都是非球面，即使投影透镜由较少数量的透镜组成时也可以减小包括畸变、慧差和象散的像差。

在根据本发明的投影透镜中，0.7＜|f₁/f_2-4|＜1.0，这里f₁是第一透镜的焦距，f_2-4是第二透镜、第三透镜和第四透镜的复合焦距，以及焦距f₁和复合焦距f_2-4分别具有相反的符号。

因此，第一透镜能够从较宽的角度范围中采集光线，后焦距相对于投影透镜的焦距f较长。

根据本发明的投影透镜，0.8＜|f₂/f₄|＜1.2，这里f₂是第二透镜的焦距，f₄是第四透镜的焦距，在第二透镜的屏幕侧的表面曲率半径小于在第二透镜的图像表面侧的其它的表面的曲率半径，在第四透镜的屏幕侧的表面曲率半径大于在第四透镜的图像表面侧的其它的表面的曲率半径。

因此，由第二和第四透镜所产生的像差彼此补偿，因此可以减小由第二和第四透镜所引起的像差。

在根据本发明的投影透镜中，在第一透镜的图像表面侧的非球面表示如下： $x=\frac{{\mathrm{Ry}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)R^2{y}^2}}+{\mathrm{Ay}}^4+{\mathrm{By}}^6+C{y}^8+D{y}^{10}$ 这里A，B，C和D都是预定的固定值，R满足0.5＜R/f＜1.0，这里f是投影透镜的焦距。

因此，在第一透镜的图像表面侧的表面可以形成为不产生包括畸变、慧差和象散的较大的像差的形状。

在根据本发明的投影透镜中，通过如下的方式将第一透镜的图像表面侧的表面形成为非球形：以紫外线固化树脂的薄膜涂敷第一透镜的玻璃体的球面，并将薄膜的外表面抛光为非球形。

因此，在第一透镜的图像表面侧的表面容易地形成为非球形。

根据本发明的投影仪包括形成图像的图像形成装置和投影由该图像形成装置所形成的图像的根据本发明的投影透镜。

因此，该投影仪能够以高图像质量投影图像。

附图概述

从下文结合附图的描述中可以清楚地看到本发明的上述目的和其它目的、特征和优点，在附图中：

附图1所示为在根据本发明的优选实施例中的投影透镜的示意图，在该优选实施例中左侧是屏幕侧，右侧是图像表面侧；

附图2所示为在附图1中所示的投影透镜上的透镜数据的表；

附图3(A)、3(B)和3(C)所示为说明分别由在附图1中所示的投影透镜引起的球面像差、象散和畸变的附图；

附图4(A)至4(E)所示为分别说明由在附图1中所示的相对象场高度为1.00，0.80，0.60和0.00的投影透镜引起的横向像差的附图；以及

附图5所示为解释在图像表面中出现的主光线和光轴之间的关系的辅助示意图。

优选实施例的描述

参考附图1所示为根据本发明的优选实施例的投影透镜2，投影透镜2包括5个透镜，即具有负折射能力的第一透镜(单个透镜)10、具有正折射能力的第二透镜(单个透镜)20、具有负折射能力并且由具有负折射能力的第一分量透镜(单个透镜)31和具有正折射能力的第二分量透镜(单个透镜)32的第三透镜(复合透镜)30和具有正折射能力的第四透镜(单个透镜)40，以从屏幕侧(即在附图1中的左侧)朝图像表面侧(在附图1中的右侧)的顺序设置这些透镜。投影透镜2朝图像表面基本是远心的。

在附图1中，右侧称为图像表面侧而不是物点侧，因为在胶片或幻灯片上形成的图像或通过液晶显示器所显示的图像设置在图像表面侧。在本实施例中将投影透镜2用于提供具有三个液晶显示器作为图像形成装置的投影仪。因此，在第四透镜40的图像表面侧设置合成由三个液晶显示器所形成的图像的图像合成棱镜70。三个液晶显示器都设置在投影透镜2的图像表面附近。

参考附图5，第一透镜10从较宽的角度范围中采集光线，第二透镜20会集光线，所会集的光线经过第三透镜30，该第三透镜30降低了色差，而第四透镜40会集光线。

投影透镜2的第一透镜10在图像表面侧具有表面11，第二分量透镜32在图像表面侧具有表面33。第三透镜30的第一透镜10的表面11和第二分量透镜32的表面33都是非球面。通过非球面11和33可以极大地降低除了色差以外的像差比如畸变、慧差和象散。例如，可以将包括畸变、慧差和象散的3.0％的像差降低到大约1.5％。虽然投影透镜2由相对较少数量的透镜组成，但是包括分别具有非球面11和33的第一透镜10和第二分量透镜32的投影透镜2能够实现像差的所需降低。

投影透镜2满足如下的条件，0.7＜|f₁/f_2-4|＜1.0，这里f₁是第一透镜10的焦距，f_2-4是第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40的复合焦距，以及焦距f₁和复合焦距f_2-4分别具有相反的符号。由0.7＜|f₁/f_2-4|＜1.0所表示的条件表明了第一透镜10的发散能力和第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40的复合会集能力的相应的大小基本相等。因此，通过第一透镜10能够从较宽的角度范围中采集光线，后焦距相对于投影透镜2的焦距f较长，并且合成棱镜70可以被设置在图像表面侧。如果|f₁/f_2-4|≥1.0，则投影透镜2不具有相对于它的焦距f较长的后焦距，因此相对所需的后焦距不可避免地较大，不能形成为紧凑的结构。如果|f₁/f_2-4|≤0.7，则虽然投影透镜2能够具有所需的后焦距，第一透镜10的发散能力过大，包括畸变、慧差和象散的像差增加。

投影透镜2满足如下的条件，0.8＜|f₂/f₄|＜1.2，这里f₂是第二透镜20的焦距，f₄是第四透镜40的焦距，在第二透镜20的屏幕侧的表面21曲率半径R₂₁小于在第二透镜20的图像表面侧的其它的表面的曲率半径R₂₂，在第四透镜40的屏幕侧的表面41的曲率半径R₄₁大于在第四透镜40的图像表面侧的其它的表面42的曲率半径R₄₂。设置第二透镜20和第四透镜40以使分别具有更小的曲率半径的表面21和42分别在相反的方向上彼此背离，如在附图1中所示，分别具有更大的曲率半径的表面22和42彼此面对。

以0.8＜|f₂/f₄|＜1.2表示的条件表明第二透镜20和第四透镜40的相应的焦距F₂和F₄基本相等。因此，由第二透镜20和第四透镜40所产生的像差彼此补偿，因此可以减小由第二透镜20和第四透镜40所引起的畸变。

在第一透镜10的图像表面侧的非球面11表示如下： $x=\frac{{\mathrm{Ry}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)R^2{y}^2}}+{\mathrm{Ay}}^4+{\mathrm{By}}^6+C{y}^8+D{y}^{10}$ 这里A，B，C和D都是预定的固定值，R满足0.5＜R/f＜1.0的条件，这里f是投影透镜2的焦距。字母R定量表示第一透镜10的非球面11的中心部分的曲率半径。在非球面11满足如下条件时：0.5＜R/f＜1.0，非球面11防止产生包括畸变、慧差和象散的较大的像差。如果R/f≤0.5，则半径R过小，包括畸变的像差变大。如果R/f≥1.0，则半径R过大，第一透镜10的能力(power)较小，投影透镜2变得不可避免地较大。在半径R满足如下条件时：0.5＜R/f＜1.0，可以减小包括畸变的像差，因此可以以紧凑的结构制造投影透镜2。

下文具体地描述投影透镜2。

应用本发明的投影透镜2具有由在附图2中所示的透镜数据所表示的如下结构。在附图2中，OBJ代表指示透镜表面从屏幕侧朝图像表面侧的顺序的表面编号，RDY代表以毫米为单位的曲率半径，THI代表在相邻透镜之间以毫米为单位的间隔和透镜的厚度，以及GLA代表透镜玻璃的阿贝数(Abbe number)和D线折射率。例如，GLA1.48749-70.4表示玻璃的D线折射率为1.48749，它的阿贝数为70.4。

附图3和4所示由投影透镜2引起的像差的像差图。附图3(A)、3(B)和3(C)分别说明了由投影透镜2引起的球面像差、象散和畸变。附图4(A)至4(E)分别说明了由1.00，0.80，0.60，0.40和0.00的相对象场高度的投影透镜2引起的像差。

通过前述的表达式表示第一透镜10的非球面11。在附图2中，表面No.2的曲率半径(RDY)对应于系数R，示出了表面No.2的A、B、C和D的值。

类似地，通过前述的表达式表示第三透镜30的非球面33。在附图2中，表面No.7的曲率半径(RDY)对应于系数R，示出了表面No.7的A、B、C和D的值。

投影透镜2的焦距f＝16.62毫米，第一透镜10的焦距f₁＝-26.24毫米，第二透镜20的焦距f₂＝26.48毫米，第三透镜30的焦距f₃＝-57.64毫米，第四透镜40的焦距f₄＝24.70毫米。第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40的复合焦距为f_2-4＝31.53毫米。因此，满足f₁/f_2-4＝-0.828和条件：0.7＜|f₁/f_2-4|＜1.0。比率f2/f4＝1.072，它满足条件：0.8＜|f₂/f₄|＜1.2。

在附图2中所示的表面No.2的系数K、A、B、C和D的值用于定义在第一透镜10的图像表面侧的非球面11时，R/f＝0.715，它满足如下的条件：0.5＜|R/f|＜1.0。

虽然通过处理形成第一透镜10的玻璃体的表面可以形成在第一透镜10的图像表面侧的非球面11，但是可以通过如下的方式可以容易地形成非球面11：以厚度大约为50微米的薄的紫外线固化树脂膜涂敷透镜体的表面，以及将薄的紫外线固化树脂膜的表面成形为非球面。具有经精加工为非球面11的薄的紫外线固化树脂膜的第一透镜10实质上是单个透镜。因此，投影透镜2是由第一透镜10、第二透镜20、由第一分量透镜31和第二分量透镜32组成的第三透镜30和第四透镜40构成的五元件的投影透镜。五元件的投影透镜2具有较大的数值孔径，紧凑并且轻便，制造成本低，并且能够适当地用于在LCD投影仪中。

由于在第一透镜10的图像表面侧的表面和在第二分量透镜32的图像表面侧的表面33都是非球面，因此可以极大地减小除了色差以外的像差比如畸变、慧差和象散，并且可以形成高清晰度的图像。

第三透镜30是由第一分量透镜31和第二分量透镜32组成的两元件的复合透镜，它可以减小色差。

满足0.7＜|f₂/f₄|＜1.0的条件的投影透镜2具有长的后焦距和短的投影距离。

在前文的描述中虽然将第一透镜10、第二透镜20和第四透镜40都假设是单个的透镜，但是术语“单个透镜”表示实质上的单个透镜，具有以薄膜涂敷的表面的一个透镜被认为是实质上的单个透镜。

投影透镜可以用于具有投影由图像形成设备所形成的图像的图像形成设备的投影仪。图像形成设备例如是液晶显示器、光学调制器(比如具有作为像素的微镜的设备)、胶片或幻灯片。具有应用本发明的投影透镜的投影仪能够形成高图像质量的图像。

正如从前述的描述中可以清楚地看出，根据本发明的投影透镜由较小数量的透镜组成，构造简单并且能够满意地减小像差。

Claims (9)

1.一种投影透镜，包括：具有负折射能力的第一透镜；具有正折射能力的第二透镜；具有负折射能力的第三透镜，该第三透镜由具有负折射能力的第一分量透镜和具有正折射能力的第二分量透镜组成；以及具有正折射能力的第四透镜；

其中第一、第二、第三和第四透镜以从屏幕侧朝图像表面侧的顺序设置以朝图像表面侧形成远心系统，以及

在第一透镜的图像表面侧的表面和在第三透镜的第二分量透镜的图像表面侧的表面都是非球面。

2.根据权利要求1所述的投影透镜，其中0.7＜|f₁/f_2-4|＜1.0，这里f₁是第一透镜的焦距，f_2-4是第二透镜、第三透镜和第四透镜的复合焦距，以及焦距f₁和复合焦距f_2-4分别具有相反的符号。

3.根据权利要求1所述的投影透镜，其中0.8＜|f₂/f₄|＜1.2，这里f₂是第二透镜的焦距，f₄是第四透镜的焦距。

4.根据权利要求1所述的投影透镜，其中在第二透镜的屏幕侧的表面曲率半径小于在第二透镜的图像表面侧的其它的表面的曲率半径，在第四透镜的屏幕侧的表面曲率半径大于在第四透镜的图像表面侧的其它的表面的曲率半径。

5.根据权利要求1所述的投影透镜，其中在第一透镜的图像表面侧的非球面表示如下： $x=\frac{{\mathrm{Ry}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)R^2{y}^2}}+{\mathrm{Ay}}^4+{\mathrm{By}}^6+C{y}^8+D{y}^{10}$ 这里A，B，C和D都是预定的固定值，R满足0.5＜R/f＜1.0，这里f是投影透镜的焦距。

6.根据权利要求1所述的投影透镜，其中通过如下的方式将第一透镜的图像表面侧的表面形成为非球形：以紫外线固化树脂的薄膜涂敷第一透镜的玻璃体的球面，并将薄膜的外表面精加工为非球形。

7.根据权利要求2所述的投影透镜，其中第一透镜的焦距f₁＝-26毫米，第二、第三和第四透镜具有f_2-4＝32毫米的复合焦距，f₁/f_2-4＝-0.8。

8.根据权利要求3所述的投影透镜，其中第二透镜的焦距f₂＝27毫米，第四透镜的焦距f₄＝25毫米，f₂/f₄＝1.1。

9.一种投影仪，该投影仪包括：

形成图像的图像形成装置，和

投影由该图像形成装置所形成的图像的根据权利要求1-8所述的投影透镜。

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