CN1768289A - 与像素化平板一起使用的其元件数目较少的投影镜头 - Google Patents

与像素化平板一起使用的其元件数目较少的投影镜头 Download PDF

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Abstract

提供与像素化平板(PP)一起使用的投影镜头。该投影镜头包括第一透镜单元和第二透镜单元(U1，U2)，每个透镜单元可仅包括两个光学部件，例如，第一透镜单元包括LM和LP1，第二透镜单元包括LDB和LP2。第二透镜单元可包括混合部件(例如LP2)，该混合部件包括其上附有可成型材料层的玻璃基底，该可成型材料层具有非球形外表面。使用混合部件可使投影镜头的热漂移减小、光部件数目减少并使镜筒长度变短。第一透镜单元可以包括附加的负透镜元件LN，以改善LM的可塑性，第二透镜单元可以包括代替混合部件的模铸玻璃非球面透镜。

Description

与像素化平板一起使用的其元件数目较少的投影镜头
技术领域
本发明涉及投影镜头，具体地讲，涉及用于形成由像素组成的物体的像的投影镜头，所述的物体诸如为DMD、反射式LCD、透射式LCD等。
背景技术
A.定义
在本说明书及权利要求书中所用的以下术语具有如下的含义：
(1)光学部件
光学部件是一种部件，该部件具有光焦度和/或用于校正一种或多种单色像差和/或一种或多种色像差，并且要求与投影镜头的其它部件分开安装和对齐。
如下文中的例子所示，光学部件包括单透镜元件、其上附有可成型材料层的单透镜元件、胶合双透镜和其上附有可成型材料层的胶合双透镜。具有较少光学部件的投影镜头优于具有较多光学部件的投影镜头，因为具有较少的部件能简化组装工序，并且通常降低投影镜头的重量和部件成本。
(2)远心
远心镜头是至少有一个光瞳在无限远处的镜头。就主光线而言，在无限远处具有光瞳意味着，(a)如果入射光瞳在无限远处，则主光线平行于物空间中的光轴，或者(b)如果出射光瞳在无限远处，则主光线平行于像空间中的光轴。
在实际应用中，远心光瞳实际上不必非得在无限远处，因为入射光瞳或出射光瞳离镜头光学面的距离足够大的镜头基本上如远心系统一样工作。这种镜头的主光线将基本上平行于光轴，从而一般来讲该镜头在功能上等效于其光瞳的理论(Gaussian)位置在无限远处的镜头。
因此，本文中所用的术语“远心的”和“远心镜头”旨在包括其光瞳离镜头的元件的距离远的镜头，术语“远心光瞳”用来描述离镜头的元件的距离远的这种光瞳。对于本发明的投影镜头，远心光瞳距离一般至少是镜头的有效焦距的大约10倍。
(3)有效后焦距
当(1)像素化平板的像位于无限远处，并且(2)投影镜头置于空气中，即，投影镜头的最后端光学部件与像素化平板之间的空间由空气填充，而不是由通常被制成投影镜头和像素化平板之间的常用棱镜、分光镜等光学元件的玻璃填充时，投影镜头/像素化平板组合的有效后焦距(BFL)是像素化平板的前表面和投影镜头的最后端光学部件的后表面的顶点之间的距离。
(4)镜筒长度
镜筒长度(BRL)是投影镜头的最前端光学部件的前表面的顶点与最后端光学部件的后表面的顶点之间的距离。
B.投影系统
图像投影系统用来在屏幕上形成物体例如显示平板的像。这种系统可属于前投影类型或背投影类型，依观看者和物体位于屏幕的同一侧(前投影)还是位于屏幕的不同侧(背投影)而定。
图6以简化的形式显示了与微显示成像设备(在本领域中也称为“数字光阀”或“像素化成像设备”)一同使用的图像投影系统17的基本部件。在本图中，10是照明系统，其包含光源11和照明光学装置(illumination optics)12，该照明光学装置12将来自光源的一些光转向屏幕，13是成像设备，14是投影镜头，该投影镜头在屏幕15上形成成像设备的放大像。
为了便于显示，图6以线性排列的形式示出系统的部件。对于通常与本发明一起使用的这类反射式成像设备，将照明系统设置成使得来自该照明系统的光从成像设备上反射，即光照射到成像设备的前面而不是如图6所示照射到该设备的后面。此外，对于这种成像设备，一个或多个棱镜组件将被置于成像设备的前面，接收来自照明系统的照明光，并为投影镜头提供成像光。
对于前投影系统，观看者将位于图6中的屏幕15的左边，而对于背投影系统，观看者将位于屏幕的右边。对于安装在机壳内的背投影系统，经常会在投影镜头和屏幕之间使用一个或多个反射镜，以便使光通路折叠，从而减小系统的总尺寸。
优选地，图像投影系统使用单一一个投影镜头，该投影镜头形成以下设备的像：(1)单一一个成像设备，其连续地或者同步地生成最终像的红、绿、蓝部分；或者(2)三个成像设备，一个用于红光，第二个用于绿光，第三个用于蓝光。一些图像投影系统使用了两个或最多六个成像仪，而不是使用一个或三个成像设备。此外，对于某些应用，例如大图像背投影系统，使用多个投影镜头，其中，每个镜头与其相关的成像设备生成整个像的一部分。不管具体怎样应用，投影镜头通常都需要具有相对长的有效后焦距，以容纳经常与像素化平板一起使用的棱镜、分光镜及其它部件。
使用像素化平板的投影系统的一个特别重要的应用在于背投影系统领域，所述背投影系统能作为大屏幕投影电视(PTV)和/或电脑监视器。对用来制造微显示器的这项技术的改进已经导致采用这种显示器的投影系统的大量普及。为了与成熟的阴极射线管(CRT)技术有效地竞争，基于微显示器的投影系统需要比相同屏幕大小的CRT系统在尺寸上更小且重量更轻。
C.光学性能
为了显示具有高信息量的图像(例如，显示数据)，微显示器必须具有大量的像素。由于设备本身小，所以各个像素小，通常像素的尺寸范围从DMD显示器的17μ到反射式和透射式LCD的大约8μ或者甚至更小。这意味着这些系统中所用的投影镜头必须具有非常高级别的像差校正。具体而言，镜头需要在镜头的整个视场内具有高级别的分辨率例如小的RMS光点直径以及高级别的色像差校正。
使用像素化平板来显示数据，从而导致对投影镜头的分辨率的严格要求。这是由于在显示数据时，即使在镜头视场的极端点上也需要良好的图像质量。显而易见的是，在视场边缘上显示数字或字母的清晰的、不畸变的像与在中心显示同样重要。
由于在像素化平板的像中的颜色失真(color aberration)可以很容易被看成像素闪点，或者在极端情况下，像素从图像上完全消失，所以高级别的色像差校正是重要的。横向色差，即放大率随颜色变化，是特别棘手的问题，因为它随着对比度的下降而显现出，特别是在视场的边缘上。在极端情况下，在整个视场的区域内都可以看到虹彩效应。
在使用CRT的投影系统中，少量的(残余的)横向色差能够通过电子手段来补偿，例如相对于蓝色CRT上产生的图像，减少在红色CRT面上产生的图像的尺寸。但是，在像素化平板中，不能执行这样的调节，因为图像是数字化的，从而在整个视场上平滑地调节尺寸是不可能的。因此，投影镜头需要更高级别的横向色差校正。
当WINDOWS型计算机界面的放大像投影到显示屏上时，高分辨率和高级别的颜色校正就特别重要。具有平行线、加边命令和对话框以及复杂着色的这种界面基本上是对畸变和颜色的测试图案。即使在这种界面的像上存在微小的分辨率损失或颜色失真，用户也会轻易地察觉到并对此产生反感。
除了高级别的分辨率和颜色校正以外，与像素化平板一起使用的投影镜头还需要具有低的鬼像出现率(ghost generation)，特别是当像素化平板属于反射类型例如DMD或反射式LCD时。
在本领域中众所周知，鬼像能够通过图像光从投影镜头的一个透镜表面反射回物体而形成。根据透镜表面的形状及其相对于物体的位置，这样的反射光能够重新从物体上反射，从而重新进入投影镜头，并与需要的像一同投影到屏幕上。这种鬼像光至少在一定程度上始终会降低对比度。在极端情况下，在屏幕上的确可以看到第二个像。
因为DMD和反射式LCD的工作依赖于它们有效地反射光的能力，所以采用这些类型的平板的投影系统特别容易受到鬼像问题的影响。鬼像也能够通过光从一个透镜表面向后反射，然后被第二个透镜表面重新向前反射而形成。当使用反射式像素化平板时，通常，由两个透镜表面反射产生的鬼像比由透镜表面/像素化平板组合产生的鬼像易于处理。
D.聚焦远心
上述的像素化平板，尤其是，DMD，通常通过将来自照明系统的光反射来工作，所述光将用来与显示器近似成直角地成像。类似地，对于透射式平板，穿过平板的光通常近似成直角地从平板中射出。
就投影镜头而言，这转化为一个要求：镜头具有远心的入射光瞳，即，投影镜头在其短成像共轭方向上必须是远心的，物体(像素化平板)位于所述短成像共轭方向上。这使得镜头相对于孔径光阑不对称，从而使得横向色差校正更加困难。
E.机壳尺寸
对于背投影系统，对较小尺寸的机壳(更小的占用空间)的需求日益增加。就投影镜头而言，这转化为一个要求：镜头在像(屏幕)的方向上具有宽的视场(FOV)。
对大视场的要求使得校正镜头的横向色差变得更加困难。当该要求与对长有效后焦距的要求结合在一起时，这就尤其是如此，对长有效后焦距的要求本身也使得横向色差校正更加困难。而且，如上所述，对于聚焦远心的要求是使得横向色差校正难以实现的第三因素。
实现聚焦远心、相对长的后焦距和在镜头的长共轭方向上的宽视场，并同时仍保持高级别的像差校正和低的鬼像出现率，特别困难，因为这些不同的要求往往互相抵制。当使镜头中所用的光学部件的数目最小时，这样做就更加费力。如下面例子所示，本发明的优选实施例提供了满足这些冲突标准的投影镜头。
发明内容
根据第一方面，本发明提供一种用于在屏幕上形成像素化平板的放大像的投影镜头，所述投影镜头具有长共轭侧(像或屏幕侧)、短共轭侧(物体或像素化平板侧)、有效焦距f0和光圈数F/#，所述镜头从长共轭侧至短共轭侧依次包括：
(A)第一透镜单元(U1)，由从长共轭侧至短共轭侧依次布置的(i)第一透镜子单元(US1)和(ii)第二透镜子单元(US2)组成，所述第一透镜子单元(US1)具有负光焦度并包括负透镜元件LM，该负透镜元件具有凹向短共轭侧的短共轭面，并且具有至少一个非球形表面(优选地，第一透镜子单元仅由(1)LM或者(2)LM和负透镜元件(LN)的组合构成，这使得LM具有允许更快地模制的结构(参见下文))；所述第二透镜子单元(US2)优选地仅由一个光学部件构成，更优选地，该光学部件是正透镜元件(LP1)，该正透镜元件优选地具有低色散并可具有异常低的色散；
(B)孔径光阑(AS)(优选地，孔径光阑是物理孔径光阑，但是，如果需要的话，照明系统的输出可以用作虚拟的孔径光阑)；
(C)第二透镜单元(U2)，从长共轭侧至短共轭侧依次包括：(i)双合透镜(LDB)和(ii)正透镜元件(LP2)(优选地，第二透镜单元的唯一光学部件是LDB和LP2)；
其中：
(a)第一透镜单元和第二透镜单元(U1，U2)是投影镜头的唯一透镜单元；
(b)投影镜头在短共轭侧是远心的；
(c)投影镜头在其短共轭焦平面上具有横向色差LC，该横向色差以微米计满足如下关系：
    LCred-green＜4.5*F/#(优选地，LCred-green＜3.5*F/#)，且
    LCblue-green＜5.0*F/#(优选地，LCblue-green＜4.0*F/#)，其中在整个全视场上都满足该关系，红色、绿色和蓝色的波长分别是0.62微米、0.55微米和0.46微米；
(d)在投影镜头的短共轭焦平面上，RMS光点直径为Drms，该RMS光点直径Drms以微米计满足如下关系：
    Drms＜4.5*F/#(优选地，Drms＜3.5*F/#)，其中，波长为0.55微米的绿光在整个全视场上都满足该关系；
(e)第二透镜单元(U2)包括可成型材料层(M)，该可成型材料层附着到双合透镜(LDB)或正透镜元件(LP)(优选地附着到LP)，所述层具有非球形的外表面。
根据本发明的该方面，投影镜头优选地满足以下关系中的一些关系，更优选地满足所有这些关系：
FOV＞70°，
BFL/f0＞1.5，且/或
BRL/f0＜10。
根据第二方面，本发明提供一种用于在屏幕上形成像素化平板的放大像的投影镜头，所述投影镜头具有长共轭侧(像或屏幕侧)、短共轭侧(物体或像素化平板侧)、有效焦距f0和光圈数F/#，所述镜头从长共轭侧至短共轭侧依次包括：
(A)第一透镜单元(U1)，由从长共轭侧至短共轭侧依次布置的(i)第一透镜子单元(US1)和(ii)第二透镜子单元(US2)组成，所述第一透镜子单元(US1)具有负光焦度并由第一负透镜元件(LM)和可任选的第二负透镜元件(LN)组成，所述第一负透镜元件(LM)具有凹向短共轭侧的短共轭面，并且具有至少一个非球形表面；所述第二透镜子单元(US2)由第一正透镜元件(LP1)构成，如上所述，该正透镜元件优选地具有低色散并可具有异常低的色散；
(B)孔径光阑(AS)(如上所述，孔径光阑优选地是物理孔径光阑，但也可以是虚拟的孔径光阑)；
(C)第二透镜单元(U2)，由从长共轭侧至短共轭侧依次布置的(i)双合透镜(LDB)和(ii)第二正透镜元件(LP2)组成；
其中：
(a)第一透镜单元和第二透镜单元(U1，U2)是投影镜头的唯一透镜单元；
(b)投影镜头在短共轭侧是远心的；
(c)投影镜头在其短共轭焦平面上具有横向色差LC，该横向色差以微米计满足如下关系：
    LCred-green＜4.5*F/#(优选地，LCred-green＜3.5*F/#)，且
    LCblue-green＜5.0*F/#(优选地，LCblue-green＜4.0*F/#)，其中在整个全视场上都满足该关系，红色、绿色和蓝色的波长分别是0.62微米、0.55微米和0.46微米；
(d)在投影镜头的短共轭焦平面上，RMS光点直径为Drms，该RMS光点直径Drms以微米计满足如下关系：
    Drms＜4.5*F/#(优选地，Drms＜3.5*F/#)，其中，波长为0.55微米的绿光在整个全视场上都满足该关系；
(e)投影镜头在长共轭方向上的全视场大于70度；
(f)投影镜头的有效后焦距BFL满足如下关系：
BFL/f0＞1.5；
(g)投影镜头的镜筒长度BRL满足如下关系：
BRL/f0＜10；
(h)第二正透镜元件(LP2)至少部分由玻璃构成，并且具有非球形表面。
使用基于玻璃并具有非球形表面的第二正透镜元件使得当投影镜头从室温加热到其工作温度(例如，～40℃)时该投影镜头产生较小的热漂移，并同时允许第二透镜单元在该单元的后顶点附近具有单一一个非球形表面的光学部件，在该单元的后顶点位置上，非球形表面对校正像差非常有效，例如与通常和反射式像素化平板一起使用的一个或多个棱镜相关的像差。
根据本发明的第一方面或第二方面，投影镜头优选地满足如下的关系：
fP/f0＜3.0，其中，fP是LP2的焦距。通过满足该关系，投影镜头在短共扼侧可以是远心的，并且仍具有短的镜筒长度。此外，当LP2部件具有非球形表面时，fP/f0＜3.0往往会使非球形表面对校正投影镜头的像差更有效。
本发明的投影镜头优选地共具有四个或五个光学部件，这大大地简化了组装工序，并且，通过使可反射光的表面的数目最小来减少鬼像形成。
在本发明的各个方面的以上综述中，所用的附图标号仅为了方便读者，而不旨在且不应该解释为限制本发明的范围。更通常应该这样理解，上面的概述说明和以下的详细说明仅仅解释本发明，并旨在提供用于理解本发明的实质和特征的概览或基本构架。
在下面的详细描述中阐述本发明的其它特征和优点，对于本领域的技术人员来说，有一部分通过描述将是显而易见的，或者通过实施在此描述的本发明而得知。为了对本发明提供进一步的理解，本文包括附图，这些附图被并入本说明书中，并且构成本说明书的一部分。
附图说明
图1到图5是按照本发明构造的代表性的投影镜头的侧面示意图。在图1-2和4-5中，可成型材料层(M)显示得比实际上厚，以便在图中更容易看到它。
图6是可使用本发明的投影镜头的整个投影镜头系统的示意图。
具体实施方式
如上所述，根据本发明的某些方面，本发明提供用于像素化微显示投影仪的投影镜头，所述投影镜头使用混合光学部件，所述混合光学部件，即，具有球形表面的玻璃透镜元件与非球形外表面的可成型材料层组合而成的部件。这种部件的使用为投影镜头的第二透镜单元提供非球面校正，而没有增加投影镜头的元件数目或其整体总光程。而且，在大体积时，一个在玻璃上的非球面树脂混合部件可能比两个透镜元件的组合的成本低，所述两个透镜元件的组合，即一个球面玻璃元件加一个非球面塑料透镜。
实际上，混合部件允许塑料元件的非球面校正移动到与玻璃元件非常近的距离。以这种方式，将非球面校正的好处提供给玻璃元件，而没有丧失玻璃透镜的基本属性，即易于制造、较低的热膨胀和在较大的工作温度范围内折射率的变化小。
混合部件(这里也称为“混合透镜”)是通过利用固化的、模铸的树脂或薄的人造塑料将可成型材料层施加到传统的球面玻璃透镜而形成的。这种非球面与球面的配合使得一个部件有效地执行以前需要两个部件才能执行的功能。这有几个优点，包括：
(1)一个混合部件能够比两个独立的部件薄。
(2)在制造中，只有一个表面的产生是关键的，即可成型材料层的非球面侧，因为另一个相配的表面具有玻璃透镜的球面特性。
(3)该混合透镜的非球面部分本身没有光焦度，所以投影镜头对热漂移的敏感度是最小的。
混合透镜的例子能够在美国专利第4,738,516号和第5,299,062中找到，它们的内容以引用的方式合并于此。这种透镜以及带有透镜的摄像机可以从Toyotec Co.，Ltd.(位于日本Aichi-Perf.的Toyokawa-city)和Tamron及Canon购买到。
通常，可通过以下方法来制造这些部件：将UV可固化树脂放入模具中，并使用透过玻璃的UV光将该树脂固化到抛光玻璃基底(球面透镜)上。接受模具具有成型混合表面的非球面外形。材料特性限制了树脂层的厚度及其中心到边缘的变化。过多的树脂材料在固化或使用期间由于热循环而可能导致该层从玻璃基底剥离。
可用的几种树脂的折射率(nd)和色散(vd(F-C))大约为1.5202和51.7、1.518和37.6以及1.519和53.7。适用于例子1的投影镜头的树脂具有如下折射率：在460nm处为1.529705；在546nm处为1.521307；在620nm处为1.515568。
总的来说，通过模铸UV可固化树脂而制造成的混合部件优选地满足下列标准：
(1)所述玻璃基底的直径优选地小于大约28毫米。
(2)基底玻璃优选地透射足够量的UV光，以便使UV光通过透镜而使在模具中的树脂固化。具体而言，360nm光的透射率优选地大于60％。
(3)树脂层的最薄部分优选地不小于20微米，最厚部分优选地不大于400微米。
(4)从树脂层中心到边缘的厚度变化优选地不大于5∶1，由于厚边缘比薄边缘难于形成，所以厚边缘应优选地避免。
本发明的投影镜头具有负焦距或者反摄远镜头的全部形式，其中，第一透镜单元(U1)的第一透镜子单元(Us1)具有相对强的负光焦度，而其余透镜(Us2+U2)具有正光焦度。本发明的镜头与许多负焦距镜头不同，其不同之处在于本发明投影镜头的孔径光阑位于第一透镜单元和第二透镜单元(U1，U2)之间，所述第一透镜单元和第二透镜单元通常都具有正光焦度，而所述负焦距镜头的孔径光阑位于镜头的正光焦度部分和负光焦度部分之间。
使用这种整体镜头形式来产生像素化平板的像，这具有多种优点。这样，聚焦远心可通过将镜头的孔径光阑放置到第二透镜单元的前焦平面来实现。如下面例子所示，其它的优点是，能够实现相对长的有效后焦距，并且在镜头的长共轭方向上能够提供宽视场。如上所述，该两项特性在背投影系统中特别有用，在背投影系统中，镜头必须具有宽视场，才可能实现最小的总包装尺寸，并且在背投影系统中还需要在镜头和像素化平板之间放置分光棱镜和/或光导棱镜。这些棱镜可以包括TIR棱镜、偏振光束分光镜和/或分色棱镜。
本发明的镜头通过在第一透镜子单元中使用一个或多个非球形表面来实现高级别的分辨率。具体而言，LM透镜元件有一个(优选地两个)非球形表面。优选地，LM具有凸向投影镜头的长共轭侧的全弯月形的形状。优选地，使LM透镜元件的厚度变化最小，以便减少模铸时间从而降低该元件的成本。具体而言，LM优选地具有中心厚度tc和边缘厚度te，它们满足如下关系：
te/tc≤3.0，其中te是在LM的短共轭面(即表1-5中的表面2)的通光孔径处测定的。
通过在第二透镜单元中使用的非球形表面例如混合部件的非球形表面(参见例子1-2和4-5)或者模铸玻璃元件的非球形表面(参见例子3)来校正镜头的入射光瞳的球面像差。应该使入射光瞳的球面像差最小，以便对在镜头的物平面上的任意点实现聚焦远心。
如上所述，由于反射式像素化平板被设计成能反射光，所以使用这种平板将使鬼像形成问题变得严重。根据本发明，已经发现由于低数目的部件和低数目的元件而导致本发明的投影镜头具有极其低的鬼像出现率。这些低鬼像出现率大部分归因于可反射光的表面的数目的减小。一旦表面数目已经减小，这些低鬼像出现率也就归因于所余下的表面的形状。
具体而言，如在2003年1月7日提交的名称为“Folded，Telecentric Projection Lenses for Use with Pixelized Panels”的未审的美国申请第10/337,959号(其所描述的内容以引入的方式并入本文)中所述，低鬼像出现率能够通过确保从投影镜头的短共轭焦平面穿过投影镜头的轴向边界光线以大于1.5度的入射角与投影镜头的每个透镜表面相交来实现。当透镜表面数目象本发明的投影镜头中的那样少时，这个标准通常会自动满足，其作为本发明的镜头实现低鬼像出现率的一个附加基准。
通过下面的例子对本发明进行更加全面的描述，而本发明不局限于任何形式。
例子
图1-5和表1-5示出根据本发明构造的具有代表性的投影镜头。
这些例子简略地说明如下：
例子1描述的是混合部件(LP2)在投影镜头中的应用，所述投影镜头具有四个光学部件并被设计用来与反射式像素化平板一起使用，在本例中，棱镜置于投影镜头和平板之间。
例子2描述的是混合部件(LP2)在投影镜头中的应用，所述投影镜头具有四个光学部件并被设计用来与透射式像素化平板一起使用，在本例中，偏振器(例如检偏器)置于投影镜头和平板之间。
例子3描述的是玻璃非球面透镜(LP2)在投影镜头中的应用，所述投影镜头具有四个光学部件并被设计用来与反射式像素化平板一起使用，在本例中，棱镜置于投影镜头和平板之间(注意：目前，为了产生足以实现高级别像差校正的精度的玻璃非球面透镜的表面外形，在制造期间需要十分小心，因而这种使用混合部件的投影镜头是本发明的优选实施例)。
例子4描述的是混合部件(LDB)在投影镜头中的应用，所述投影镜头具有四个光学部件并被设计用来与反射式像素化平板一起使用，在本例中，棱镜置于投影镜头和平板之间(注意，在LP2上涂覆可成型材料层通常比在LDB上涂覆可实现更高级别的像差校正，因此在LP2上涂覆可成型材料层是优选的)。
例子5描述的是混合部件(LP2)在投影镜头中的应用，所述投影镜头具有五个光学部件并被设计用来与反射式像素化平板一起使用，在本例中，(1)棱镜置于投影镜头和平板之间，并且(2)第一透镜子单元(LS1)具有两个透镜元件，以改善LM的可塑性。
对于在表1-5中所列的项目，镜头系统中使用的各种玻璃以OHARA公司给出的产品名称表示。由其它制造商(例如HOYA或SCHOTT)生产的同种玻璃也可以用在本发明的实施中。塑料元件采用工业可接受的材料。在混合部件中使用的可成型材料的折射率和色散率以标准的六个数字的形式即abcxyz给出，其中n＝1.abc，v＝xy.z。
在表中列出的非球面系数用于下列方程中：
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是在距系统的光轴距离y处的表面垂度，c是光轴上透镜的曲率，k是二次曲线常量，除了在表1-5中明确指出外，该常量为0。
在图和表中位于U2的短共轭侧的各种平面结构表示与像素化平板一起使用或作为像素化平板的一部分的部件(例如棱镜PR和偏振器PO)。它们不属于投影镜头的一部分。除了显示的其它单位外，表1-5中给出的所有尺寸都是以毫米计。
表格所列项目的构建是假设光在图中从左到右传播。在实际应用中，屏幕将在左边，像素化平板将在右边，光从右到左传播。具体而言，在表格所列项目中物体/像和出射光瞳/入射光瞳的参照基准与本说明书的其它部分中所用的参照基准相反。像素化平板在图1-5中标明为“PP”，孔径光阑标明为“AS”。
例子中的光学性能，具体而言，蓝/绿横向色差、红/绿横向色差和绿光的RMS光点直径按照衍射极限系统的艾里斑直径来显示在表1-5中。本领域众所周知(例如，参看1990年纽约McGraw-Hill出版的由Warren J.Smith编写的 Modern Optical Engineering：The Design of Optical Systems(第二版)的第151-154和452-453页)，从艾里斑中心到第一暗圈的距离由下式给出：
Z＝1.22·λ·F/#其中λ是波长，对于表1-5，该波长选定为0.55微米(绿光)。
代表性的像素尺寸也显示在表1-5中。这个尺寸与镜头的光学性能的比较说明了，对于每个例子，蓝/绿横向色差、红/绿横向色差和RMS光点直径都比像素小。
表6列出了例子1-5的BFL/f0和BRL/f0值。从这个表中可知，例子1-5中的每个都具有大于1.5的BFL/f0值和小于10的BRL/f0值。从表1-5中可知，所有的例子在镜头的长共轭方向都还具有大于70°的全视场，并还具有远心的入射光瞳(在表1-5中是出射光瞳)。
总的来说，如上所讨论和演示的，本发明提供与像素化平板一起使用的投影镜头，所述投影镜头具有某些(优选地所有)以下特性：
(1)高级别的横向色差校正；
(2)高级别的分辨率；
(3)在像方向上的大视场；
(4)远心的入射光瞳；
(5)相对长的有效后焦距；
(6)镜筒长度短；
(7)光学部件数目少，例如4或5个部件；
(8)元件数目少，例如5或6个元件；
(9)鬼像出现率低；和/或
(10)热漂移量小。
本发明的投影镜头很适合于制造小型的、重量轻的、使用像素化平板的投影电视和监视器。
尽管已经描述和示出了本发明的具体实施例，但从上述公开中本领域的普通技术人员应该明白，显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。
                              表1
  表面   半径   厚度   玻璃   直径   类型
  OBJ1234光阑6789101112131415像   无限大175.00016.41142.380无限大无限大-16.22518.964-18.96440.11540.115-40.115无限大无限大无限大无限大   733.004.5043.295.0020.274.093.506.508.830.0710.503.3326.003.003.000.44 丙烯酸S-TIH6S-TIH10S-BSM25521369S-LAL14BK7S-FSL5 60.0043.0028.0030.0010.3111.6018.8017.0025.5026.0029.0027.0027.0022.0022.00 塑料非球面塑料非球面非球面树脂
  偶次多项式非球面
  表面   K   D   E   F   G
  129   -1257.53-2.922.83   1.35079E-063.96302E-05-1.82745E-05   -1.95684E-09-6.10837E-081.11478E-08   9.06899E-135.83808E-11-9.57933E-11 -2.23766E-141.50867E-13
  元件的一级特性
  元件#   表面#   EFL
  12345   1-23-46-77-89-11   -36.5550.64-19.0031.6029.90
  双合透镜特性
  元件#   表面#   EFL
  34   6-8   -181.30
                      表1(续)
  单元EFL特性
  元件#   表面#   EFL
  1-23-5   1-46-11   64.0725.24
  一级数据
  光圈数(F/#)放大率物体高度物距像高度有效焦距镜筒长度(BRL)前顶点距离(FVD)入射光瞳距离出射光瞳距离光阑直径视场角(半对角；度)后焦距(BFL)LM的te/tc   2.456.53576.0733.010.213.48106.0142.329.1-204.110.337.025.73.8
  性能
  微米   相对于F/#
  衍射极限艾里斑(DL)相对于DL的像素横向色差(R-G)1横向色差(B-G)2RMS光点直径(G)3   3.213.77.28.86.5   1.35.73.03.72.7
1对于所有的边缘点，620-550nM
2对于所有的边缘点，460-550nM
3对于所有的视场点都小于
                                 表2
  表面   半径   厚度   玻璃   直径   类型
  OBJ1234光阑67891011121314像   无限大248.71318.23041.495-1507.600无限大-15.77731.101-19.16640.11540.115-40.115无限大无限大无限大   796.6644.50055.2725.00016.0537.7571.8008.5002.7110.07010.50025.2120.7502.9001.000 丙烯酸S-TIH4S-TIH6S-BSM25518375S-LAL14BK7BK7   1270.060.044.024.825.011.813.718.020.325.026.028.028.026.026.0 塑料非球面塑料非球面非球面树脂
  偶次多项式非球面
表面 K D E F
  129   -1257.525-2.91525.500   4.25749E-063.85561E-05-1.83E-05   -5.49870E-09-4.91525E-081.11E-08   3.77213E-125.43639E-11-9.58E-11
  表面   G   H   I
  129   -7.57586E-16-9.60685E-161.51E-13   -4.88590E-19-1.07329E-16   2.45339E-221.28864E-19
  元件的一级特性
  元件#   表面#   EFL
  12345   1-23-46-77-89-11   -40.1853.09-17.6032.7730.31
                  表2(续)
  双合透镜特性
  元件#   表面#   EFL
  34   6-8   -96.7
  单元EFL特性
  元件#   表面#   EFL
  1-23-5   1-46-11   50.627.9
  一级数据
  光圈数放大率物体高度物距像高度有效焦距(EFL)镜筒长度(BRL)前顶点距离(FVD)入射光瞳距离出射光瞳距离光阑直径视场角(半对角)后焦距(BFL)LM的te/tc   2.456.53576.0796.710.2013.34101.6140.330.4-172.011.1737.0028.604.07
  性能
  微米   相对于F/#
  衍射极限艾里斑(DL)相对于DL的像素横向色差(R-G)1横向色差(B-G)2RMS光点直径(G)3   3.2013.7010.5010.909.00   1.35.74.44.53.8
1对于所有的边缘点，620-550nM
2对于所有的边缘点，460-550nM
3对于所有的视场点都小于
                                     表3
  表面   半径   厚度   玻璃   直径   类型
  OBJ1234光阑67891011121314像   无限大175.00016.41142.380无限大无限大-16.22518.964-18.96439.626-39.016无限大无限大无限大无限大无限大   733.0004.50043.2935.00020.2744.0943.5006.5008.41610.0005.28826.0002.0002.4000.188 丙烯酸S-TIH6S-TIH10S-BSM25S-LAL12BK7BK7   1148.260.040.028.030.010.211.618.817.028.028.027.027.021.821.520.4 塑料非球面塑料非球面玻璃非球面
  偶次多项式非球面
  表面   K   D   E   F   G
  129   -1257.525-2.9153.508   1.350794E-063.963025E-05-1.700834E-05   -1.956845E-09-6.108372E-089.233635E-10   9.068988E-135.838076E-11-6.705536E-11 -2.237662E-14
  元件的一级特性
  元件#   表面#   EFL
  12345   1-23-46-77-89-11   -36.5550.64-19.0031.6030.06
  双合透镜特性
  元件#   表面#   EFL
  34   6-8   -181.30
                  表3(续)
  单元EFL特性
  元件#   表面#   EFL
  1-23-5   1-46-11   64.0725.24
  一级数据
  光圈数放大率物体高度物距像高度有效焦距镜筒长度(BRL)前顶点距离(FVD)入射光瞳距离出射光瞳距离光阑直径视场角(半对角)后焦距(BFL)LM的te/tc   2.456.53576.0733.010.213.48106.0142.329.1-204.110.337.025.703.80
  性能
  微米   相对于F/#
  衍射极限艾里斑(DL)相对于DL的像素横向色差(R-G)1横向色差(B-G)2RMS光点直径(G)3   3.213.78.18.47.0   1.35.73.43.52.9
1对于所有的边缘点，620-550nM
2对于所有的边缘点，460-550nM
3对于所有的视场点都小于
                                表4
  表面   半径   厚度   玻璃   直径   类型
  OBJ1234光阑6789101112131416像   无限大300.00014.23898.846-98.846无限大-45.69716.445-43.394-43.394121.958-24.741无限大无限大无限大无限大无限大   733.0004.50031.8177.00025.9479.6304.0009.0000.0503.87610.0009.01926.0003.0003.0000.440 丙烯酸S-TIH6S-TIH10S-BSM25518376S-LAL14BK7S-FSL5   1,14853.239.034.933.814.019.024.022.022.032.032.027.027.024.223.6 塑料二次曲面塑料非球面非球面树脂
  偶次多项式非球面
  表面   K   D   E   F
  129   -4,164.177-2.5822.149 6.10971E-053.05382E-05 -1.33460E-076.48692E-08 2.41530E-108.50069E-11
  表面   G   H
  29   -1.94589E-13-8.62105E-13 3.47336E-15
  元件的一级特性
  元件#   表面#   EFL
  12345   1-23-46-77-810-11   -30.4361.77-48.4189.4030.24
                      表4(续)
  双合透镜特性
  元件#   表面#   EFL
  34   6-8   -318.9
  单元EFL特性
  元件#   表面#   EFL
  1-23-5   1-46-11   831.027.9
  一级数据
  光圈数放大率物体高度物距像高度有效焦距(EFL)镜筒长度(BRL)前顶点距离(FVD)入射光瞳距离出射光瞳距离光阑直径视场角(半对角)后焦距(BFL)LM的te/tc   2.456.33576.0796.710.2013.34105.6147.330.4-172.011.1737.031.73.9
  性能
  微米   相对于F/#
  衍射极限艾里斑(DL)相对于DL的像素横向色差(R-G)1横向色差(B-G)2RMS光点直径(G)3   3.2013.709.706.209.80   1.35.74.02.64.1
1对于所有的边缘点，620-550nM
2对于所有的边缘点，460-550nM
3对于所有的视场点都小于
                                    表5
  表面   半径   厚度   玻璃   直径   类型
  OBJ123456光阑891011121314151617像   无限大186.35917.426-16.461-19.71532.341-219.816无限大-23.28024.713-24.71344.31444.314-44.314无限大无限大无限大无限大   867.14.80020.1233.00027.9517.5000.80010.2912.7509.0006.9090.0706.0005.41726.0003.0003.0000.440 丙烯酸BK7S-TIH6S-TIH53S-PHM53518376S-LAL14BK7S-FSL5   1148.246.034.024.027.015.620.013.616.016.021.026.026.029.030.030.0024.024.0 塑料非球面塑料非球面非球面树脂
  偶次多项式非球面
  表面   K   D   E   F
  1211 -0.688188.10382   1.180700E-051.087223E-05-2.646302E-05   -3.117928E-08-2.704129E-087.474352E-08   5.420886E-11-2.194379E-10-1.381647E-09
  表面   G   H
  1211   -4.086549E-141.439643E-128.442319E-12   8.670902E-19-4.743224E-15-2.525340E-14
  元件的一级特性
  元件#   表面#   EFL
  123456   1-23-45-68-99-1011-13   -39.31-280.6635.22-21.2062.9432.55
                  表5(续)
  双合透镜特性
  元件#   表面#   EFL
  45   8-10   -67.37
  单元EFL特性
  元件#   表面#   EFL
  1-34-6   1-68-13   24.3133.71
  一级数据
  光圈数放大率物体高度物距像高度有效焦距(EFL)镜筒长度(BRL)前顶点距离(FVD)入射光瞳距离出射光瞳距离光阑直径视场角(半对角)后焦距(BFL)LM的te/tc   2.456.30576.0733.010.213.9099.1137.125.3175.613.736.928.12.3
  性能
  微米   相对于F/#
  衍射极限艾里斑(DL)相对于DL的像素横向色差(R-G)1横向色差(B-G)2RMS光点直径(G)3   3.213.55.810.88.8   1.35.62.44.53.7
1对于所有的边缘点，620-550nM
2对于所有的边缘点，460-550nM
3对于所有的视场点都小于
               表6
  例子   BFL/f0   BRL/f0
  1   1.9   7.9
  2   2.1   7.6
  3   1.9   7.9
  4   2.4   7.9
  5   2.0   7.1

Claims (25)

1.一种用于在屏幕上形成像素化平板的放大像的投影镜头，所述投影镜头具有长共轭侧、短共轭侧、有效焦距f0和光圈数F/#，所述镜头从长共轭侧至短共轭侧依次包括：
(A)第一透镜单元，由从长共轭侧至短共轭侧依次布置的(i)第一透镜子单元和(ii)第二透镜子单元组成，所述第一透镜子单元具有负光焦度并包括负透镜元件LM，该负透镜元件具有凹向短共轭侧的短共轭面，并且具有至少一个非球形表面；
(B)孔径光阑；
(C)第二透镜单元，从长共轭侧至短共轭侧依次包括：
(i)双合透镜；
(ii)正透镜元件；
其中：
(a)所述第一透镜单元和第二透镜单元是所述投影镜头的唯一透镜单元；
(b)所述投影镜头在短共轭侧是远心的；
(c)所述投影镜头在其短共轭焦平面上具有横向色差LC，该横向色差以微米计满足如下关系：
          LCred-green＜4.5*F/#，且
          LCblue-green＜5.0*F/#，其中在整个全视场上都满足该关系，红色、绿色和蓝色的波长分别是0.62微米、0.55微米和0.46微米；
(d)在所述投影镜头的短共轭焦平面上，RMS光点直径为Drms，该RMS光点直径Drms以微米计满足如下关系：
          Drms＜4.5*F/#，其中，波长为0.55微米的绿光在整个全视场上都满足该关系；
(e)所述第二透镜单元包括可成型材料层，该可成型材料层附着到所述双合透镜或正透镜元件，所述层具有非球形的外表面。
2.根据权利要求1所述的投影镜头，其中，所述LM是第一透镜子单元的唯一光学部件。
3.根据权利要求1所述的投影镜头，其中，所述LM和负透镜元件是第一透镜子单元的唯一光学部件。
4.根据权利要求3所述的投影镜头，其中，所述LM具有中心厚度tc和边缘厚度te，它们满足如下关系：
          te/tc≤3.0，
其中，te是在LM的短共轭面的通光孔径处测定的。
5.根据权利要求1所述的投影镜头，其中，所述LM具有全弯月形的形状。
6.根据权利要求1所述的投影镜头，其中，所述第二透镜子单元仅具有一个光学部件。
7.根据权利要求6所述的投影镜头，其中，所述的一个光学部件是正透镜元件。
8.根据权利要求1所述的投影镜头，其中，所述双合透镜和正透镜元件是第二透镜单元的唯一光学部件。
9.根据权利要求1所述的投影镜头，其中，所述可成型材料层附着到正透镜元件。
10.根据权利要求9所述的投影镜头，其中，所述正透镜元件的焦距fP满足如下关系：
fP/f0＜3.0。
11.根据权利要求1所述的投影镜头，其中，所述LCred-green和LCblue-green满足如下关系：
          LCred-green＜3.5*F/#，且
          LCblue-green＜4.0*F/#。
12.根据权利要求1所述的投影镜头，其中，所述Drms满足如下关系：
Drms＜3.5*F/#。
13.根据权利要求1所述的投影镜头，其中，所述镜头在长共轭方向上的全视场大于70度。
14.根据权利要求1所述的投影镜头，其中，所述镜头的有效后焦距BFL满足如下关系：
          BFL/f0＞1.5。
15.根据权利要求1所述的投影镜头，其中，所述镜头的镜筒长度BRL满足如下关系：
          BRL/f0＜10。
16.根据权利要求1所述的投影镜头，其中，所述第一透镜单元和第二透镜单元一起共具有五个光学部件。
17.根据权利要求1所述的投影镜头，其中，所述第一透镜单元和第二透镜单元一起共具有四个光学部件。
18.一种投影镜头系统，包括：
(a)像素化平板；
(b)由权利要求1限定的投影镜头。
19.根据权利要求18所述的投影镜头系统，还包括照明系统，该照明系统包括光源和照明光学装置，所述照明光学装置将来自光源的一些光转向所述像素化平板和投影镜头。
20.一种用于在屏幕上形成像素化平板的放大像的投影镜头，所述投影镜头具有长共轭侧、短共轭侧、有效焦距f0和光圈数F/#，所述镜头从长共轭侧至短共轭侧依次包括：
(A)第一透镜单元，由从长共轭侧至短共轭侧依次布置的(i)第一透镜子单元和(ii)第二透镜子单元组成，所述第一透镜子单元具有负光焦度并由全弯月形的第一负透镜元件和可任选的第二负透镜元件组成，该第一负透镜元件凸向长共轭侧，并且具有至少一个非球形表面；所述第二透镜子单元由第一正透镜元件组成；
(B)孔径光阑；
(C)第二透镜单元，由从长共轭侧至短共轭侧依次布置的(i)双合透镜和(ii)第二正透镜元件组成；
其中：
(a)所述第一透镜单元和第二透镜单元是所述投影镜头的唯一透镜单元；
(b)所述投影镜头在短共轭侧是远心的；
(c)所述投影镜头在其短共轭焦平面上具有横向色差LC，该横向色差以微米计满足如下关系：
       LCred-green＜3.5*F/#，且
       LCblue-green＜4.0*F/#，其中在整个全视场上都满足该关系，红色、绿色和蓝色的波长分别是0.62微米、0.55微米和0.46微米；
(d)在所述投影镜头的短共轭焦平面上，RMS光点直径为Drms，该RMS光点直径Drms以微米计满足如下关系：
       Drms＜3.5*F/#，其中，波长为0.55微米的绿光在整个全视场上都满足该关系；
(e)所述投影镜头在长共轭方向上的全视场大于70度；
(f)所述投影镜头的有效后焦距BFL满足如下关系：
          BFL/f0＞1.5；
(g)所述投影镜头的镜筒长度BRL满足如下关系：
          BRL/f0＜10；
(h)所述第二透镜单元包括可成型材料层，该可成型材料层附着到所述第二正透镜元件，所述层具有非球形的外表面。
21.根据权利要求20所述的投影镜头，其中，所述第二正透镜元件的焦距fP满足如下关系：
          fP/f0＜3.0。
22.一种投影镜头系统，包括：
(a)像素化平板；
(b)由权利要求20限定的投影镜头。
23.一种用于在屏幕上形成像素化平板的放大像的投影镜头，所述投影镜头具有长共轭侧、短共轭侧、有效焦距f0和光圈数F/#，所述镜头从长共轭侧至短共轭侧依次包括：
(A)第一透镜单元，由从长共轭侧至短共轭侧依次布置的(i)第一透镜子单元和(ii)第二透镜子单元组成，所述第一透镜子单元具有负光焦度并由第一负透镜元件和可任选的第二负透镜元件组成，该第一负透镜元件具有凹向短共轭侧的短共轭面，并且具有至少一个非球形表面；所述第二透镜子单元由第一正透镜元件组成；
(B)孔径光阑；
(C)第二透镜单元，由从长共轭侧至短共轭侧依次布置的(i)双合透镜和(ii)第二正透镜元件组成；
其中：
(a)所述第一透镜单元和第二透镜单元是所述投影镜头的唯一透镜单元；
(b)所述投影镜头在短共轭侧是远心的；
(c)所述投影镜头在其短共轭焦平面上具有横向色差LC，该横向色差以微米计满足如下关系：
          LCred-green＜4.5*F/#，且
          LCblue-green＜5.0*F/#，其中在整个全视场上都满足该关系，红色、绿色和蓝色的波长分别是0.62微米、0.55微米和0.46微米；
(d)在所述投影镜头的短共轭焦平面上，RMS光点直径为Drms，该RMS光点直径Drms以微米计满足如下关系：
          Drms＜4.5*F/#，其中，波长为0.55微米的绿光在整个全视场上都满足该关系；
(e)所述投影镜头在长共轭方向上的全视场大于70度；
(f)所述投影镜头的有效后焦距BFL满足如下关系：
          BFL/f0＞1.5；
(g)所述投影镜头的镜筒长度BRL满足如下关系：
          BRL/f0＜10；
(h)所述第二正透镜元件至少部分由玻璃构成，并且具有非球形表面。
24.根据权利要求23所述的投影镜头，其中，所述第二正透镜元件的焦距fP满足如下关系：
          fP/f0＜3.0。
25.一种投影镜头系统，包括：
(a)像素化平板；
(b)由权利要求23限定的投影镜头。
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