專利名稱：投影物鏡的制作方法
應用領域本發(fā)明的主要應用領域是電影放映，特別是35毫米膠片放映。已知技術的解決方案特征及存在的問題本發(fā)明涉及一種強光投影物鏡。已知的這種物鏡(DE-OS3833946)被設計成滿足于投影的要求，特別是首先要有良好的圖像質量。經過數(shù)年的努力提出了多個改進的雙高斯物鏡(DE-OS3633032，US-PS4704011)來實現(xiàn)該目標，進一步減少圖像失真。再有這種開發(fā)的結果使得該光闌是有利的，最好在雙高斯物鏡特征尺寸的空間中的空的內表面設置有凹凸透鏡。這對于校正像差是有利的，但是對于投影有決定性的缺點，因為上述設計導致沒有在照射一側實現(xiàn)入射光圈位置的優(yōu)化配合。在文件DE-OS3029929和DE-OS3029916中指出了光圈位置和關于在投影時聚光器適配的意義。入射光圈可以優(yōu)化照射配合但不能單獨決定。而必須同時要考慮通過光照射物場的分光流的立體角的相關性。這種典型的光流分布特性要求對所有與光照射相關的物鏡參數(shù)進行調整入射光圈、孔徑和光束限制角σRBa以及σRBi，如果不是這種情況，那么如同已知技術的解決方案，會使投影到圖像上的光強減小。本發(fā)明的目標本發(fā)明的目標是一個物鏡或一個物鏡系列，該物鏡或物鏡系列一方面可以保證對通過整個物鏡場的光流分布的有效充分利用，另一方面證明了其圖像質量高于或者與采用技術上有利的鏡片的已知技術解決方案的圖像質量相同。發(fā)明方式的說明(解決方案和實現(xiàn)的優(yōu)點)按照本發(fā)明，上述任務將采用按照權利要求1的特征的物鏡的來完成。根據(jù)本發(fā)明的物鏡與上述的系統(tǒng)(DE-OS3833946)相比其特征在于保持所有效應參數(shù)以匹配聚光器系統(tǒng)。分別來說，孔徑比從1∶2.4提高到1∶1.9，最外場點的光闌阻從61％減小到73％。與上述系統(tǒng)相比，這種軸和外軸孔徑的可觀擴大保持圖像質量不變，其中包括總像差。
根據(jù)本發(fā)明投影物鏡的設計與根據(jù)文件US 2 701 982，2 897 724和3 005 379的已知的解決方案的不同之處已經在于US 2 701 982，2 897 724和3 005 379所述的公知方案系統(tǒng)例涉及膠接的元件。另外，這些已知物鏡的成像質量很差。此外US 2 701 982和2 897 724不論在鏡頭數(shù)、折射本領順序還是透鏡形狀都不一致。而根據(jù)3 005 379所述系統(tǒng)中，盡管折射本領序列一致，但是形狀卻不一致。只有第一個和最后一個鏡頭在形狀上是相同的。
按照權利要求1，根據(jù)本發(fā)明的物鏡滿足所列出的保證有效匹配聚光器系統(tǒng)的條件等式。為了闡明本發(fā)明這部分的特點，必須較為詳盡地研究電影放映應用的聚光器系統(tǒng)中的光流分布。光流分布應當理解為分光流與物平面中的小面積元的立體角的關系。立體角的零軸通過觀察場點并且平行于照明系統(tǒng)的軸。在按這種小面積元沿投影方向得到的空間光流特性包含聚光器系統(tǒng)的所有的光學技術相關性質。光流分布取決于物場并且在照明系統(tǒng)軸上有近似地徑向對稱的分布。對于較小的對光軸的立體角光流在結構上規(guī)定為零，以較陡的斜坡上升到一個峰值然后向外平坦地下降。這種分布經過物方視場向外改變。徑向對稱性隨之消失并且光流分布的最大值沿著入射光圈的中心從照明場點中露出的方向移動。在光束照射在立體角軸上的處于最大的光流量分布的部分中，光流顯著地下降。其最大值與光束的其它部分比較僅有幾分之一。從而能量分布非常不對稱。
假如物場的邊緣區(qū)域成像時，物鏡孔徑U＝14.7°(相應于虛投影距離無窮大時光圈數(shù)為K＝1.9)，就可以很好地匹配照明孔徑，但是入射光圈的位置LEP＜100毫米，結果對于光軸，在投影場點相對一側的外入射光圈面積的主要部分根本沒有參與成像，而對于光軸在放映場點同側的外入射光圈面積的部分被截斷了，在僅很小的光闌阻時也是這樣。此外，如果孔徑僅為U＝11.8°(相應于K＝2.4)卻導致更大的光損耗，因為光流(lichtstrom)最大值的環(huán)境中的部分被截去了。這種作用在較大光闌阻時還要強。
與之相反，如果在孔徑U＝14.7°時入射光圈位置LEP＞400毫米，光流分布的大部分就不會被關于光軸處在放映場點相對一側的外部入射光圈面積截斷，并且在關于光軸處在放映場點同側的外部入射光圈面積中光流可以忽略不計。此外，可以看到，入射光圈位置＞400毫米在物鏡側要求較大的透鏡直徑，并且難于校正圖像失真。
這是所述的現(xiàn)有系統(tǒng)(DE-OS3833946)的現(xiàn)實。
在根據(jù)本發(fā)明的物鏡中，全部消除了這些決定性的缺點。在物鏡孔徑U＝14.7°(K＝1.9)時光流能量上重要的部分包含在光軸上。在光場范圍內入射光圈位置LEP和光闌角бRBa及бRBi使得光場的每個面積元的物鏡理想地接納到達該面積元的光流，將其應用于投影圖像的照明強度。同時避免了對于成像實際上無參與意義的在能量上次要的光束通過光圈，這些次要的光束只會不必要地加重圖像失真均衡的平衡工作的困難，總體上導致成像質量變差。
通過技術上有利的透鏡實質上地提高光學成像的能力，只有通過保留有利于消像差的雙高斯結構的條件下改變正性和負性的折射本領順序才能達到，在此，前提是允許透鏡有較大的單個像差。
制造調整到投影條件所必須的焦距分級的透鏡組，采用相同的鏡類作等效的透鏡具有決定性的技術優(yōu)勢。此外只采用技術上有利的，也就是有利于加工并且成本低的鏡頭。
根據(jù)本發(fā)明的投影物鏡的優(yōu)選應用是只采用物鏡，也就是沒有其它部件。在本發(fā)明的意義上，貫徹始終的是用投影物鏡組合成分開的部件。這些部件例如可以是物鏡配件，也可以是物鏡附件，特別是改變焦距的配件及寬銀幕放映的變形配件。實施例前言為了方便，以下所有各圖中的剖視圖、光路和成像質量評估圖都涉及使用位置相反的投影物鏡位置(從放大側向縮小側映射)。輸入截距S＝無限遠。從而必然地原來的物成為像，原來的像成為物。在語言習慣上以這樣相反的關系稱謂。例外的是光圈成像(習慣位置取向)。對以下實施例要注意這些。
具有根據(jù)權利要求3的彎曲像面的強光投影物鏡示出在以下圖中

圖1.1a系統(tǒng)的截面圖，圖中透鏡加以編號，并且光程在于午平面進行不同的物點成像。光闌安排在透鏡2和3之間。
圖1.1b系統(tǒng)的截面圖，光程在子午平面進行最外的物點(物場的對角)的成像，并且在入射光圈位置LEP＝166毫米的特征角бRBa及бRBi的值為RBa＝4.4°而бRBi＝-17.1°。從而關于成像軸上和軸外點至聚光器系統(tǒng)的光流分布邊緣的立體角軸把光圈的大小和角位置優(yōu)化了。另外бRBa及бRBi的角度值起把光場依從性的光流分布的能量相關區(qū)域包括到光圈內的作用，還起到，但是并非不必要的，把對能量不重要的光流分布區(qū)域放進光圈范圍內。通過這種按實際比例對聚光器系統(tǒng)取向的和有目的地引入光闌阻，還防止，校正均衡過程中，在優(yōu)化成像質量時的對光圈平面成像的負面影響，使之對總的成像質量不起重要作用。
圖1.2三個主色λ(d)＝587.6nm、λ(c)＝656.3nm和λ(F)＝486.1nm的光闌阻曲線，帶有取決于半像角w(wmax＝13.2°)的權重λ(d)＝1、λ(c)＝λ(F)＝0.5。光闌阻的極小值為74％并且從根本上由角度бRBa共同確定。與前述方案(DE-OS3833946)比較，在此顯示出顯著小約12％的光闌阻，較小強度的漸進下降的曲線并且是在大得多的孔徑處。
圖1.3是，三個主色λ(d)＝587.6nm、λ(c)＝656.3nm和λ(F)＝486.1nm的子午線(Tan)和經線(Sag)調制傳輸函數(shù)MFT，帶有取決于本機振蕩頻率60LP/mm、30LP/mm和15LP/mm的半像角w(wmax＝13.2°)的權重λ(d)＝1、λ(c)＝λ(F)＝0.5。與前述方案(DE-OS3833946)比較，在最大孔徑時顯示出得到很大改善的，在整個成像場中協(xié)調的成像質量。在整個30LP/mm的成像場上對比度以較高的約80％絕對值保持準恒定，而在前述的方案中，在K＝2.0的較小的光闌數(shù)時對比度下降20％從而絕對對比度下降到60％。
圖1.4是子午(T)截面和經(S)截面的三個主色的橫向像差Δy’和Δx’，與半像角w＝0、w＝0.25x wmax、w＝0.5x wmax、w＝0.75x wmax為參數(shù)的入射光圈半徑ρEP的關系，在此w＝wmax＝13.2°。從這些曲線可以看到依從于三個波長的光圈坐標和場坐標的校正性能。圖中表明了在整個像場上有非常良好的成像質量，如調制函數(shù)傳輸曲線所示以及深入觀察系統(tǒng)的校正曲線可見。圖中還表明良好的軸向和橫向色校正。
圖1.5a至1.5c是三個主色的像散現(xiàn)像與像角的關系。最大的像散差為0.03mm。這是在子午面和經面曲線之間的最大偏差，它表明與彎曲的圖像表面之間的偏差。這是非常小的數(shù)值，總歸只在物場的一定區(qū)域中出現(xiàn)，圖像邊緣重新為零。
圖1.6是失真與平均基色的像角的關系。失真在圖像邊緣達到0.7％的最大偏差。
從而根據(jù)圖1.5a至1.5c和圖1.6的這兩個成像失真都比前述的方案(DE-OS3833846)小或者相同。
在圖2.1至圖2.6中，以與圖1.1至1.6所述的同樣技術和方式強光投影物鏡具有根據(jù)權利要求4的均勻物場。在這些圖中圖2.1a系統(tǒng)的截面圖，圖中透鏡加以編號，并且光程在子午平面進行不同的物點成像。光闌安排在透鏡2和3之間。
圖2.1b系統(tǒng)的截面圖，光程在子午平面最外物點(物場的對角)的成像，并且在入射光圈位置LEP＝199毫米的特征角бRBa及бRBi的值為Rba＝5.3度而бRBi＝16.2度。
圖2.2對應圖1.2。光闌阻的最小值為74％。
圖2.3對應圖1.3。在30LP/mm的整個像場上對比度在較高的絕對值約78％近乎恒定。
圖2.4對應于圖1.4。
圖2.5a至2.5c對應于圖1.5a至1.5c，但是這些圖中曲線涉及平坦的像場。
圖2.6對應于圖1.6。
圖2.2至2.6中的包括評估成像質量的曲線，圖中示出對于平坦的像場也可以有相同的成像性能。
權利要求
1.投影物鏡，該物鏡包括7個其雙面均與空氣鄰接的透鏡，其特征在于以下總體上必須滿足的條件等式u≥12.8°、100mm≤LEP≤400mmσRBa≥1°σRBi≤-14°此處u為進光側的孔徑角(2u-總角)，LEP為入射光圈(進光側)至物平面(從參考點沿投影方向的位置對應于正值的的物平面)的距離，σRBa為光束相對于物與物鏡的第一透鏡表面之間的物空間光軸所呈的傾斜角，該物鏡將場邊緣的束(在物中的外場點)限制成朝外(離開光軸，遠離光軸)，σRBi為光束相對于物與物鏡的第一透鏡表面之間的物空間光軸所呈的傾斜角，該物鏡將場邊緣的束(在物中的外場點)限制成朝內(朝向光軸，接近光軸)，并且當對應光束與光軸在以下點相交時，即從物方向向外觀察時所述點位于投影的相反方向，角度σRBa和σRBi為正。當對應光束與光軸在以下點相交時，即從物方向向外觀察時所述點位于投影方向，所述角度為負，從像(放大一側))到物(縮小和照光一側)按照以下順序排列透鏡第一雙凸透鏡(1)，第二負透鏡(2)，在像一側表面為凹形，第三正透鏡(3)，在像一側表面為凸形，第四負透鏡(4)，在物一側表面為凹形，第五負透鏡(5)，在像一側表面為凹形，第六正透鏡(6)，在物一側為表面為凸形和第七雙凸透鏡(7)。
2.根據(jù)權利要求1的投影物鏡，其特征在于以下透鏡數(shù)據(jù)(1至7)表1
和f’以毫米為單位的系統(tǒng)焦距，j透鏡編號，i折射表面編號，ri以毫米為單位的第i個折射面半徑，di以毫米為單位的第i與第i-1面之間的頂點距離，nd該鏡片對d線的折射率和vd該鏡片對d線的阿貝系數(shù)
3.根據(jù)權利要求1或2的投影物鏡，其特征在于以下透鏡數(shù)據(jù)(1至7)表2
f’＝60mm相對孔徑1∶1.9圖像角2w＝26.4彎曲物場
4.根據(jù)權利要求1或2的投影物鏡，其特征在于以下透鏡數(shù)據(jù)(1至7)表3
f’＝60mm相對孔徑1∶1.9圖像角2w＝26.4平面物場
全文摘要
本發(fā)明涉及一種投影物鏡，該物鏡至少包括7個其兩側均與空氣鄰接的透鏡。該投影物鏡總體滿足以下條件等式u≥12.8°、100mm≤LEP≤400mm、σRBa≥1°、σRBi≤－14°，此處u為光入射一側的孔徑角(2u－總角)；LEP為進入光圈(光入射一側)至物平面(從參考點沿投影方向的位置對應于正值的的物鏡平面)的距離；σRBa為光束相對于物與物鏡的第一透鏡表面之間的物空間光軸所呈的傾斜角，該物鏡將場邊緣的束(在物中的外場點)限制成朝外(離開光軸，遠離光軸)而σRBi為光束相對于物與物鏡的第一透鏡表面之間的物空間光軸所呈的傾斜角，該物鏡將場邊緣的束(在物中的外場點)限制成朝內(朝向光軸，接近光軸)。當對應光束與光軸在以下點相交時，即從物方向觀察時所述點位于投影的相反方向，角度σRBa和σRBi為正。當對應光束與光軸在以下點相交時，即從物方向觀察時所述點位于投影方向，所述角度為負。
文檔編號G02B13/00GK1395695SQ01803871
公開日2003年2月5日 申請日期2001年1月16日 優(yōu)先權日2000年1月18日
發(fā)明者沃爾夫岡·賴內克, H·林格 申請人:格丁根光學系統(tǒng)伊斯科-光學股份公司, 沃爾夫岡·賴內克工程博士光學開發(fā)事務所