CN1529193A - 液晶投影显示变焦投影物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液晶投影显示变焦投影物镜。它依次具有调焦组G1、变焦组G2、G3、G4，固定组G5、正方棱镜、液晶板。本发明的优点是：1)采用大相对孔径设计，相对孔径F#＝1.7～2.1，可以保证采用微透镜类型的液晶板具有高亮度输出；2)采用短焦距大视场角设计，能够在短投影距离下投影大的面积，设计在3m的投影距离下投射出100”的图像；3)采用像方远心设计，保证系统的光能输出效率和对比度；4)长后工作距设计，良好地校正像差，保证在屏幕上获得高清晰度图像。

Description

液晶投影显示变焦投影物镜
                          技术领域
本发明涉及一种液晶投影显示变焦投影物镜。
                          背景技术
液晶投影显示技术在近几年来发展迅速，大屏幕、高清晰度图像显示是液晶投影显示的主要优点，而且其体积小、重量轻，可广泛应用于电化教学、办公、商务以及广告娱乐等方面，应用前景十分广泛。液晶投影显示将计算机产生的数字VGA信号或其他视频信号经驱动电路在LCD液晶板形成图像源，通过照明系统将光源发出的光由液晶板调制后，再由投影物镜放大成像在屏幕上形成彩色图像。
在液晶投影显示系统中，投影物镜具有重要的作用，系统的许多性能尤其是亮度、清晰度等与投影物镜密切相关。在液晶投影显示系统中，由于被照明物体(液晶板)和系统的工作要求，需要提供液晶板远心照明，同时由于需要提高系统的输出亮度，液晶板也经常采用带微透镜的结构，这相应增加了光线经液晶板后的相对孔径，而且，目前液晶投影系统要求尽可能地缩短镜头焦距，以能在短距离情况下投影大面积，因此，对于高效高亮度的液晶投影系统中，液晶投影镜头是一个短焦、大相对孔、反远距的远心变焦镜头。
                          发明内容
本发明的目的是提供一种液晶投影显示变焦投影物镜。
它依次具有调焦组G1、变焦组G2、G3、G4，固定组G5、正方棱镜、液晶板。
本发明的优点是：
1)采用大相对孔径设计，相对孔径F#＝1.7～2.1，可以保证采用微透镜类型的液晶板具有高亮度输出；
2)采用短焦距大视场角设计，能够在短投影距离下投影大的面积，设计在3m的投影距离下投射出100”的图像；
3)采用像方远心设计，保证系统的光能输出效率和对比度；
4)长后工作距设计，良好地校正像差，保证在屏幕上获得高清晰度图像。
                          附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2(a)是投影物镜在短焦段的结构示意图；
图2(b)是投影物镜在长焦段的结构示意图；
图3是投影物镜在短焦段的结构详细说明图；
图4是投影物镜的变焦凸轮曲线；
图5是投影物镜在短焦段的像差曲线；
图6是投影物镜在中间焦段的像差曲线；
图7是投影物镜在长焦焦段的像差曲线。
                        具体实施方式
本发明为液晶投影显示提供短焦、大视场角、大相对孔径远心投影变焦物镜。如图1所示，系统为十一组十四片三个双胶合结构，采用机械补偿式变焦设计，共采用一个调焦组G1，一个后固定组G5，三个变焦组G2、G3、G4，设计还保证长后工作距以能够把投影屏幕的物面经棱镜2成像清晰到像面液晶板1上。
调焦组G1在变焦过程保持固定，只在调焦过程有移动，以适应投影距离变化时调整调焦组1仍能保持像面清晰，调焦组G1采用负-正-负-负四片分离结构，合成焦距为负值，这样的结构能够保证由物面的入射光线经调焦组G1发散后，由后组成像，使整个系统主面后移，从而达到系统的长后工作距要求，同时视场角大的轴外光线经前组发散后，相对于后组来说视场角变小，从而达到广角的目的。调焦组1中第一片、第三片和第四片都采用弯月形结构，同时弯曲向光阑方向，这能保证大相对孔径要求，同时减小出射口径。调焦组1的焦距满足以下条件：
-2.5＜F1/F＜-1.6                  (1)
其中，F1为调焦组G1的组合焦距，F为系统的整体焦距。
条件(1)为调焦组的焦距分配，条件(1)为结构相差平衡必须满足的条件，当F1/F＜-2.5时，整体结构就很难校正在大相对孔径条件下变焦所引起的像差，当F1/F＞-1.6时，就会引起大的球差和畸变。
系统变焦距过程通过移动变焦组G2、G3、G4相互之间的距离来实现，加上变焦过程保持固定的调焦组G1、后固定组G5共五组透镜系统，五组透镜系统的焦距分别为负-正-正-负-正结构，变焦组G2、G3、G4相互之间联动通过凸轮曲线实现，以保证变焦过程像差平衡和像面位置保持不变。
变焦组G2由一个双胶合透镜和一个分离透镜组成，主要用于校正由大相对孔径引起的轴外像差，变焦组G3由一个双胶合透镜组成，用于校正畸变和场曲等轴外像差，变焦组G4由一个负透镜、一个双胶合透镜和一个分离正透镜组成，主要用于补偿变焦过程前组移动形成的各种像差。同时，调焦组G1，变焦组G2、G3、G4的系统像差要尽可能小，剩余的残留像差由后固定组G5补偿，后固定组的焦距分配满足：
2.5＜F5/F＜3.2                      (2)
其中，F5为后固定组G5的组合焦距，F为系统的整体焦距。
条件(2)为后固定组G5的焦距分配，条件(2)为结构相差平衡必须满足的条件，当F5/F＜2.5时，整体结构就很难校正在大相对孔径条件下变焦所引起的像差，当F5/F＞3.2时，就会缩短系统的后工作距离，造成系统后截距不足以满足条件。
同时，调焦组G4中的负透镜必须满足：
Ab＜35                               (3)
Ab为负透镜的阿贝常数，条件(3)如果不满足，则很难校正系统的各类色差。
图2(a)是系统在短焦端的结构示意图。变焦组G2、G3、G4相互距离更为紧凑。图2(b)是系统在长焦端的结构示意图，变焦组G2、G3、G4相互移开。
图3是系统详细结构图，调焦组G1由负透镜L11、正透镜L12以及两个弯月形透镜L13、1L4组成；变焦组G2由透镜L21、透镜L22、透镜L23组成，透镜L21、L22组成双胶合透镜；变焦组G3由透镜L31、L32形成的双胶合透镜构成；变焦组G4由负透镜L41，透镜L42、透镜L43、透镜L44组成，透镜L42、透镜L43组合成双胶合透镜；后固定组G5由一片正透镜L51构成。
表1为系统结构归一化后的详细参数：
                   表1：系统结构详细参数
Surf Ri Di nd Vd 说明
    1      2.7220     0.1000   1.5164   64.13   L11
    2      1.5990     0.2670
    3      4.9190     0.2240   1.7552   27.54   L12
    4     -82.1292     0.0397
    5      2.3383     0.1933   1.5164   64.13   L13
    6      1.1503     0.2643
    7      5.3813     0.0833   1.5164   64.13   L14
    8      1.2327     d8
    9     -1.3330     0.3523   1.6727   32.25   L21
   10     -0.8050     0.0997   1.7282   28.35   L22
   11     -1.3833     0.3323
   12      1.7493     0.2297   1.6921   54.58   L23
   13     -10.8866     d13
    14      3.0000     0.2047   1.8063     25.38   L31
    15     -4.4350     0.0810   1.5801     38.02   L32
    16      16.0183     d16
    17     -1.8438     0.3640   1.8063     25.38   L41
    18      2.0840     0.1253
    19     -102.5323     0.0897   1.8063     25.38   L42
    20      1.4450     0.4090   1.4875     70.12   L43
    21     -1.7656     0.0363
    22      2.9436     0.3047   1.6936     49.19   L44
    23     -6.8066     d23
    24      2.5933     0.3273   1.6921     54.58   L51
    25     -6.0936     0.1667
    26     Infinity     1.1667   1.5164     64.13
    27     Infinity     0.1670
    28     Infinity     0.0767   1.5164     64.13
    29     Infinity     0.0000
  IMA     Infinity
其中，ri为由屏幕到像面依次的透镜的曲率半径，di为由屏幕到像面依次的透镜相互之间的间隔，nd为依次透镜的玻璃材料在d线的折射率，vd为依次透镜的阿贝常数。变焦过程中，d8、d13、d16、d23相互之间距离由凸轮带动改变。表2为各焦段的间距变化。
                     表2：各焦段间距变化
    短焦段     中焦段   长焦段
  焦距     1.0000     1.1500   1.300
  相对孔径     1.7500     2.0000   2.200
  D8     1.4320     1.1390   0.893
  D13     0.0033     0.1877   0.324
  D16     0.4197     0.4100   0.420
  D23     0.0033     0.1220   0.221
图4是系统变焦过程中的凸轮曲线，在变焦过程中，变焦组G2、G3、G4的移动方向一致而且凸轮曲线规整无拐点，因而加工容差大，易于保证成品率。
图5是透镜在短焦段的像差曲线。图5(a)为透镜的波像差，图5(b)为透镜的场曲和畸变曲线。
图6是透镜在中间焦段的像差曲线。图6(a)为透镜的波像差，图6(b)为透镜的场曲和畸变曲线。
图7是透镜在长焦段的像差曲线。图7(a)为透镜的波像差，图7(b)为透镜的场曲和畸变曲线。

Claims (7)

1.一种液晶投影显示变焦投影物镜，其特征在于它依次具有调焦组G1、变焦组G2、G3、G4，固定组G5、正方棱镜2、液晶板1。
2.根据权利要求1所述的一种液晶投影显示变焦投影物镜，其特征在于所说的调焦组G1采用负-正-负-负四片分离结构，合成焦距为负值，调焦组1的焦距满足以下条件：-2.5＜F1/F＜-1.6，其中，F1为调焦组G1的组合焦距，F为系统的整体焦距。
3.根据权利要求1所述的一种液晶投影显示变焦投影物镜，其特征在于所说的变焦组G2由一个双胶合透镜和一个分离透镜组成。
4.根据权利要求1所述的一种液晶投影显示变焦投影物镜，其特征在于所说的变焦组G3由一个双胶合透镜组成，用于校正畸变和场曲等轴外像差。
5.根据权利要求1所述的一种液晶投影显示变焦投影物镜，其特征在于所说变焦组G4由一个负透镜、一个双胶合透镜和一个分离正透镜组成，主要用于补偿变焦过程前组移动形成的各种像差，调焦组G4中的负透镜必须满足：Ab＜35Ab为负透镜的阿贝常数。
6.根据权利要求1所述的一种液晶投影显示变焦投影物镜，其特征在于所说后固定组G5补偿，后固定组的焦距分配满足：2.5＜F5/F＜3.2其中，F5为后固定组G5的组合焦距，F为系统的整体焦距。
7.根据权利要求1所述的一种液晶投影显示变焦投影物镜，其特征在于所说调焦组G1和变焦组G2的移动距离范围d8为0.893～1.432，变焦组G2和变焦组G3的移动距离范围d13为0.324～0.0033，变焦组G3和变焦组G4的移动距离范围d16为0.420～0.4197，调焦组G4和变焦组G5的移动距离范围d23为0.221～0.0033。
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