專利名稱：用于圖像顯示裝置的投影鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，可包括在如背投電視系統(tǒng)、會(huì)議或教學(xué)的臺(tái)式計(jì)算機(jī)投影儀、視頻飛行模擬系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中使用的投影式圖像顯示裝置的投影鏡頭。
背景技術(shù)：
用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，歷史悠久，除主要用在背投電視系統(tǒng)中外，還包括用于舉辦會(huì)議或教學(xué)的臺(tái)式計(jì)算機(jī)投影儀、以及視頻飛行模擬系統(tǒng)等領(lǐng)域。其通常是由3個(gè)投影鏡頭組合，分別提供紅信道像、綠信道像和藍(lán)信道像，共同投影于顯示屏后，還原形成可視圖像。
投影鏡頭有單色像差(即使只使用一種波長(zhǎng)也存在像差)和色差(即多于一種波長(zhǎng)所產(chǎn)生的像差)。單色像差包括各級(jí)球差、彗差、匹茲瓦爾場(chǎng)曲、像散和畸變。軸上色差和垂軸色差則是與波長(zhǎng)有關(guān)的像差。此外，單色像差也可以隨波長(zhǎng)發(fā)生很小的變化，產(chǎn)生色球差或色像散，它們雖然小于單色像差，但對(duì)于投影鏡頭相對(duì)的大孔徑和大視場(chǎng)角來(lái)說(shuō)仍有很大影響。軸上色差被視為軸上物點(diǎn)的最佳焦點(diǎn)沿光軸的偏移。垂軸色差被視為視場(chǎng)邊沿的放大率變化(即色模糊)。在使用紅信道、綠信道和藍(lán)信道的顯示系統(tǒng)中，通過(guò)電路調(diào)整每個(gè)信道的畫幅結(jié)構(gòu)可以在全視場(chǎng)中使顏色會(huì)聚，用這種方法垂軸色差幾乎可以得到全部校正。因此，軸上色差是投影鏡頭的主要剩余像差。
色差校正通常需要配合使用火石類和冕牌兩類材料?；鹗惒牧仙⒏?，折射率隨波長(zhǎng)變化而有很大的變化。比較而言，冕牌材料色散低，折射率隨波長(zhǎng)變化很小。冕牌玻璃如Hoya公司的BaC7玻璃，或中國(guó)的K9玻璃，是典型的冕牌材料。丙烯酸(PMMA)和Topas(COC)塑料則是典型的塑料冕牌材料。
目前的技術(shù)常采用兩條原則使現(xiàn)有的投影鏡頭實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和更便宜1)紅管和藍(lán)管對(duì)像敏銳度的影響比綠管小得多，因此，分辨率可以比綠管低得多；2)目標(biāo)(通常為CRT)的光譜很窄，使得鏡頭基本上不需要校正軸上色差。這類投影鏡頭的像質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)播放TV兼容，其中CRT限制為2cy(周)/mm(毫米)或3cy/mm的極限分辨率。這類投影鏡頭中的3個(gè)不同色管均采用相同的結(jié)構(gòu)，因而可以使加工成本最少。
用于高亮度顯示裝置的投影鏡頭需要較大的相對(duì)孔徑(如f數(shù)大于f/1.5)和大視場(chǎng)角(畫幅對(duì)角線的張角典型地大于60°)。要獲得這些設(shè)計(jì)要求，鏡頭至少需要4片鏡片。對(duì)于更高的像質(zhì)，需要5片鏡片。當(dāng)采用4片鏡片設(shè)計(jì)時(shí)，其中最接近投影像的第1片鏡片，通常采用的是由注塑塑料形成的非球面鏡片(零件)，以校正與孔徑有關(guān)的像差，如球差和彗差；第2個(gè)鏡片通常采用的是光學(xué)玻璃的球面零件，它的面非常彎曲，中心厚很大，因而其幾乎擁有鏡頭的全部光焦度；第3個(gè)鏡片主要用于校正與視場(chǎng)有關(guān)的如像散等像差；第4個(gè)鏡片通常是注塑形成的非常凹的薄殼零件，用來(lái)存放最靠近物面(如CRT)一側(cè)的光學(xué)耦合液，其與耦合液并結(jié)合物面的曲率可用以校正場(chǎng)曲和畸變。當(dāng)要求很大的相對(duì)孔徑(如f/1.05)時(shí)，目前通常的辦法是在4片式鏡頭中的第1和第2個(gè)零件間增加一個(gè)注塑塑料非球面零件，從而形成為典型的5片式的投影鏡頭設(shè)計(jì)。
在這些設(shè)計(jì)形式的鏡頭方案中，通常使用低色散，即阿貝數(shù)大、被稱為“冕牌”類的材料。這些材料使每個(gè)鏡片零件給圖像帶來(lái)的軸上色差量最小，但這些零件中沒有一個(gè)有很大的負(fù)光焦度，也沒有相關(guān)的大色散。所以，這些零件都不能校正鏡頭零件產(chǎn)生的軸上色差。這些現(xiàn)行的投影鏡頭的剩余軸上色差限制了其能達(dá)到的像分辨率。
在1993年發(fā)布的N.Konuma等人的美國(guó)專利號(hào)5,255,122中，提供了現(xiàn)有采用四片式的投影鏡頭的例子，其三種顏色信道的鏡頭組成結(jié)構(gòu)均可如附圖1所示，通常是用于采用標(biāo)準(zhǔn)的NTSC電視制式的顯示投影系統(tǒng)。該鏡頭從陰極射線管至投影圖像有十倍的放大倍率，在投影屏處的分辨率通常為0.30lp(線對(duì))/mm，陰極射線管處的分辨率約為3.0lp/mm。在這種情況下，屏幕高度為775mm，在整個(gè)垂直視場(chǎng)中有490條線，兩條線組成一個(gè)線對(duì)(lp)。屏幕極限空間頻率為(490)/(2)(775)＝0.3lp/mm。水平分辨率大致相同。因而該投影系統(tǒng)在此空間頻率上應(yīng)該能保持較高的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)值。由于其每個(gè)鏡頭在對(duì)應(yīng)的CRT上的光譜波帶很窄，所以沒有必要校正剩余軸上色差。設(shè)計(jì)者可以容許許多剩余色差的存在，同時(shí)在上面所說(shuō)的低空間頻率時(shí)仍能獲得滿意的MTF值。在此設(shè)計(jì)中，3個(gè)零件組成一個(gè)部件，第4個(gè)零件浸在鄰近CRT面板的耦合液里。第4個(gè)零件、耦合液和CRT面板的作用像一個(gè)能很好校正由部件里的3個(gè)零件所產(chǎn)生的匹茲瓦爾場(chǎng)曲的光學(xué)零件。這是能滿足現(xiàn)行電視像播映標(biāo)準(zhǔn)的一種最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。較新的TV制式利用的數(shù)字成像術(shù)能提高垂直視場(chǎng)的線數(shù)，也能提高隨電子系統(tǒng)頻率帶通而變的水平分辨率。對(duì)于數(shù)字式或增強(qiáng)型TV系統(tǒng)，CRT處的極限空間頻率可高達(dá)5lp/mm，這相當(dāng)于投影屏處約0.5lp/mm。要獲得這么高的分辨率水平，需要校正軸上色差?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)已通過(guò)增加一般具有負(fù)光焦度和高色散的零件實(shí)現(xiàn)這種校正功能。
五片式投影鏡頭設(shè)計(jì)的例子可有如1992年發(fā)布的T.Kashihara的美國(guó)專利號(hào)5,157,554，1994年發(fā)布的T.Yoshioka的美國(guó)專利號(hào)5,357,373，1995年發(fā)布的D.Kim的美國(guó)專利號(hào)5,440,429，1995年發(fā)布的D.Kim的美國(guó)專利號(hào)5,452,132，1997年發(fā)布的A.Osawa的美國(guó)專利號(hào)5,659,424，2000年發(fā)布的A.Yokota的美國(guó)專利號(hào)6,144,499等。例如，其中美國(guó)專利號(hào)5,659,424的五片式鏡頭設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，該鏡頭設(shè)計(jì)的垂軸像差曲線如圖3所示。該設(shè)計(jì)中有四個(gè)鏡片(零件)構(gòu)成一個(gè)部件，其中的第一個(gè)零件使用丙烯酸(PMMA)以使其容易注塑成型，但這是以軸上色差的欠校正為代價(jià)的；第五個(gè)鏡片(零件)浸在鄰近CRT面板的耦合液里。第5個(gè)零件也是和耦合液以及CRT面板一起起作用，以很好地校正由前4個(gè)零件所產(chǎn)生的匹茲瓦爾場(chǎng)曲。這種設(shè)計(jì)通常都是由冕牌類材料構(gòu)成，所以軸上色差仍未校正，分辨率限制到3lp/mm的等級(jí)。這種結(jié)構(gòu)的一些變體使用PS制作第1個(gè)零件，這種材料的高色散加上負(fù)光焦度能部分地校正軸上色差，也能獲得很高的分辨率。但使用PS會(huì)使注塑困難得多，所以，這種設(shè)計(jì)實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)。
在顯示該鏡頭設(shè)計(jì)垂軸像差曲線的圖3中有8個(gè)小圖，其下面的2個(gè)小圖表示軸上物點(diǎn)；左下圖示出像面上隨入瞳直徑而變的光線截距高度誤差。這張圖里有5條不同的曲線，每條曲線代表鏡頭光譜范圍的其中一個(gè)波長(zhǎng)。對(duì)于沒有像差的鏡頭，這5條曲線應(yīng)和這張圖的水平軸重合。5條曲線彼此互相傾斜這一事實(shí)是度量鏡頭剩余軸上色差的一個(gè)方法。
圖4所示為圖2所示的該五片式鏡頭設(shè)計(jì)在CRT面處的MTF值。所繪出的MTF值隨空間頻率(lp/mm或cy/mm)而變。這個(gè)圖的上面有一條黑色的虛線，這是理想(無(wú)像差)鏡頭的MTF值。圖中同時(shí)還繪出了7條曲線。第1條表示軸上點(diǎn)的MTF值，它只示出了一條曲線，這是因?yàn)閷?duì)于軸上點(diǎn)，在垂直和水平兩個(gè)方向上有相同的MTF值。剩下的6條曲線代表全視場(chǎng)內(nèi)的3個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)、兩個(gè)方向(水平線和垂直線)的MTF值。2lp/mm時(shí)的MTF值超過(guò)0.75，畫幅邊角除外。畫幅邊角處，5lp/mm時(shí)的MTF值超過(guò)0.40。這些值并不包括加工公差的影響，在典型加工環(huán)境下的加工公差能使MTF值降低一半，所以這樣加工的鏡頭能滿足標(biāo)準(zhǔn)的NTSC播放要求，可用于一些較低檔的增強(qiáng)型或數(shù)字式TV。
一些顯示系統(tǒng)需要更高的分辨率，如HDTV，極限分辨率需要5cy/mm。一些顯示系統(tǒng)使用一個(gè)投影鏡頭來(lái)投影多色目標(biāo)。為了校正軸上色差，獲得高分辨率，這兩類鏡頭更為復(fù)雜。要使用大負(fù)光焦度和高色散的玻璃或塑料零件來(lái)校正軸上色差。如美國(guó)專利5,808,804和5,455,713給出的是六片式投影鏡頭設(shè)計(jì)的例子，它們提高了軸上色差的校正能力，實(shí)現(xiàn)了高的像分辨率。使用塑料火石類材料如PS(聚苯乙烯)或NAS(聚苯乙烯與聚甲基丙烯酸甲酯的混合物)由于在注塑時(shí)會(huì)產(chǎn)生困難，因而通常采用玻璃零件予以解決。其中，美國(guó)專利5,808,804的六片式鏡頭設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可如圖5所示。此設(shè)計(jì)第一個(gè)零件用了PS，以部分校正軸上色差，它還加了一個(gè)零件使鏡頭能有較短的物像距離。PS零件很難注塑，加之零件的數(shù)目多也使產(chǎn)品變得很昂貴。圖6顯示的是該鏡頭的垂軸像差曲線，其中也包含有8個(gè)小圖。把圖6的左下圖和圖3作一比較，可看出軸上色差校正水平雖有適當(dāng)?shù)奶岣?，但PS零件的低光焦度使得它不能更有效地影響對(duì)色差的控制。圖7是該鏡頭的MTF值，其中2lp/mm時(shí)的MTF值超過(guò)0.80，畫幅邊角除外。畫幅邊角處，5lp/mm時(shí)的MTF值超過(guò)0.50。MTF值的提高要?dú)w因于PS零件和所增加的零件，但成本高得使這種鏡頭僅適用于很高檔的產(chǎn)品。
美國(guó)專利5,455,713還給出了一種如圖8所示的七片式的鏡頭設(shè)計(jì)，它使用3個(gè)球面玻璃零件，以校正所有的軸上色差，獲得極高的像分辨率。雖然在如圖9所示的該鏡頭的垂軸像差曲線中，其左下圖示出5個(gè)波長(zhǎng)已重合在一起，表明其軸上色差已基本上降到0，且可適合于MTF值高到5lp/mm～7lp/mm的HDTV，但這種鏡頭加工起來(lái)很昂貴。
對(duì)于如數(shù)字增強(qiáng)型TV的極限分辨率約4cy/mm的顯示系統(tǒng)，則需要更復(fù)雜的投影鏡頭以獲得滿意的像質(zhì)。因此這些鏡頭中要求3個(gè)顏色的信道采用不同的結(jié)構(gòu)，并且通常使用許多玻璃或塑料零件以校正軸上色差，因而將使加工成本大大增加。
因此，為了使能用于中等像質(zhì)的鏡頭設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、便宜，目前所有的大顯示投影鏡頭系統(tǒng)對(duì)軸上色差，要么基本上都是欠校正的，要么就要增加火石類零件(通常用玻璃)以校正軸上色差，得到高的成像質(zhì)量，其結(jié)果將使鏡頭設(shè)計(jì)昂貴。
實(shí)用新型內(nèi)容鑒于上述情況，本實(shí)用新型的一個(gè)主要目的是提供一種成本相對(duì)低廉的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，在使用和現(xiàn)有投影鏡頭有同樣多的鏡片(零件)數(shù)的前提下，不必采用火石類玻璃或塑料而使投影圖像分辨率有明顯的改善，并且可以使紅、綠和藍(lán)三種顏色信道的投影鏡頭單獨(dú)和/或同時(shí)分別實(shí)現(xiàn)同樣的改善。在此實(shí)用新型目的的前提下，本實(shí)用新型的另一個(gè)目的是使該鏡頭能有短的物像距離，而使投影圖像的分辨率不受影響，因而使圖像顯示裝置可以做得小一些；本實(shí)用新型的再一個(gè)目的是增加投影鏡頭系統(tǒng)的相對(duì)孔徑，在不增加鏡頭復(fù)雜程度的前提下，同時(shí)能改善投影圖像的分辨率。
本實(shí)用新型所說(shuō)用于圖像顯示裝置的投影鏡頭的結(jié)構(gòu)，是在現(xiàn)有由沿光軸排列的若干鏡片組合而成的鏡頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在所說(shuō)的鏡片組合中還設(shè)置有至少一個(gè)具有能在光路中產(chǎn)生衍射效果的衍射結(jié)構(gòu)的衍射結(jié)構(gòu)層。
在上述的結(jié)構(gòu)中，所說(shuō)的該衍射結(jié)構(gòu)層可以為其基底面是與光軸方向垂直的平面結(jié)構(gòu)形式，也可以為其基底面是具有一定球面或非球面的曲率的曲面形式。該衍射結(jié)構(gòu)層上所說(shuō)的能在光路中產(chǎn)生衍射效果的衍射結(jié)構(gòu)，一般應(yīng)采用為一系列以光軸為同心圓形式的圓環(huán)形衍射結(jié)構(gòu)。如，一般情況行下可以采用為開諾型(Kinoform)、二元光學(xué)面形(Binary)或全息圖型(Hoe)衍射結(jié)構(gòu)中的任何一種；其共同的特點(diǎn)還在于由圓心向外排列的各圓環(huán)形衍射結(jié)構(gòu)的間距依次遞減。例如，可以作為具體實(shí)施例之一的形式，是其中心部分衍射環(huán)結(jié)構(gòu)的間距約為1mm，依次遞減至外周邊緣處的衍射環(huán)結(jié)構(gòu)的間距則可僅為0.025mm。
根據(jù)光學(xué)衍射原理可以理解，對(duì)于本實(shí)用新型上述結(jié)構(gòu)中所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層或衍射結(jié)構(gòu)，可以首先將其視為或理解為是由互相平行且間距相等的線性衍射槽形式的衍射光柵。這種光柵可以使入射波前在與原方向成某一角度的方向上發(fā)生衍射，但平面波前仍然是非聚焦的平面波前，因而它只能改變方向。衍射光學(xué)零件(DOE)的外觀就象微小的菲涅耳透鏡，其每一環(huán)帶取入射波前的一小環(huán)形部分，并使它朝著像點(diǎn)衍射。隨著衍射結(jié)構(gòu)的環(huán)帶接近透鏡邊沿，衍射槽挨得越來(lái)越近，并且每個(gè)衍射槽的衍射角增加。這樣，整個(gè)衍射面將入射波前聚焦在空間的一個(gè)點(diǎn)上。這種面的聚焦能力由衍射作用獲得，而不是由斯涅耳定律的折射效應(yīng)獲得。在大多數(shù)衍射面上，衍射槽的深度是不變的，衍射槽深度的選擇要使衍射波前的順序環(huán)形部分移位一個(gè)波長(zhǎng)，而且像點(diǎn)處的結(jié)果波前是相干的(這就好象一個(gè)單一波前的成像沒有環(huán)形分割現(xiàn)象發(fā)生)。換句話說(shuō)，成像波前的相位被保留，衍射面可認(rèn)為是相位改變的機(jī)構(gòu)。
由于衍射結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)之一是其衍射與光的波長(zhǎng)有關(guān)，相當(dāng)于折射透鏡面的色散。而用來(lái)校正色差的火石類光學(xué)玻璃的阿貝色散數(shù)一般不小于+25，阿貝數(shù)越小，色差校正越好。阿貝數(shù)定義為V＝(Nd-1)/(Nf-Nc)，其中Nd、Nf、Nc是能使光線折射的光學(xué)表面的折射率。衍射結(jié)構(gòu)通過(guò)與波長(zhǎng)極為相關(guān)的衍射使光線偏折，所以衍射結(jié)構(gòu)的阿貝數(shù)可以通過(guò)衍射面對(duì)不同波長(zhǎng)光線所產(chǎn)生的偏折量計(jì)算出來(lái)，計(jì)算的結(jié)果是衍射結(jié)構(gòu)的阿貝數(shù)為-3.45。因此，上述衍射光學(xué)零件常常能提供10倍于火石類折射零件的色差校正能力。
光線通過(guò)衍射面時(shí)，衍射面可以把物的像傳遞到不同的幾個(gè)衍射級(jí)，即產(chǎn)生多個(gè)軸向和徑向彼此錯(cuò)開的像。以開諾型衍射結(jié)構(gòu)為例，其衍射槽的深度(或是在二元光學(xué)面形或相位型全息圖型等其它形式衍射結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)結(jié)構(gòu)或參數(shù)指標(biāo))控制傳遞到各個(gè)衍射級(jí)的光多少。例如，-1衍射級(jí)是以與光軸成10°的方向傳遞光；而0級(jí)是以與光軸成0°的方向傳遞光等。顯然，0級(jí)是不能使用的，因?yàn)槠浣Y(jié)果就好象不存在有衍射結(jié)構(gòu)。其次，物理學(xué)告訴我們?nèi)绻覀冞x擇衍射槽深度＝λ/(n-1)，就可以把幾乎所有的光傳入-1級(jí)。我們需要把所有的光傳入最佳的像中，而不是傳到雜散光像中，所以此時(shí)就應(yīng)該是以使用-1級(jí)為最佳。但即使如此，將鏡頭設(shè)計(jì)的目的是在-1衍射級(jí)形成一個(gè)像，但一些能量仍會(huì)在0級(jí)、+1級(jí)表現(xiàn)出來(lái)，更少一些能量還會(huì)在-2和+2級(jí)上表現(xiàn)出來(lái)。如果系統(tǒng)是單色的，光線在衍射結(jié)構(gòu)的入射角不變，衍射面沒有加工缺陷，對(duì)于開諾形狀的衍射結(jié)構(gòu)(類似斜坡的直線表面)，則其能量的99％會(huì)表現(xiàn)在設(shè)計(jì)者選擇的-1級(jí)上。
例如，雖然藍(lán)信道的光譜不是單色的，光線在衍射面上的角度變化大約30°，這些不利情況可以被減少到最小，但設(shè)計(jì)仍然有百分之幾的能量泄漏進(jìn)入其它衍射級(jí)有關(guān)的不需要的像中。這種現(xiàn)象會(huì)在明亮物體像的周圍產(chǎn)生不需要的微弱光暈，還能稍稍降低各空間頻率時(shí)的MTF值。這些不利影響必須由設(shè)計(jì)者努力使其降至最小。
試驗(yàn)的結(jié)果顯示，由于衍射結(jié)構(gòu)在具有成像功能的同時(shí)，還可以具有極強(qiáng)的像差校正功能，提供很好的校正軸上色差(即像沿軸向的位移)的能力，還可以提供現(xiàn)有投影鏡頭所沒有的單色像差的校正功能，因而可以得到很高的像分辨率。同時(shí)，衍射結(jié)構(gòu)和它極強(qiáng)的像差校正功能也可以得到比現(xiàn)有的投影鏡頭更大的相對(duì)孔徑(f數(shù))而不會(huì)降低成像的質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)其中的一些分辨率還可以換來(lái)實(shí)現(xiàn)更短的物像距，短物像距使得顯示裝置更小，因而可以使該鏡頭系統(tǒng)的成本更低。
仍以上述所說(shuō)的具有開諾型衍射結(jié)構(gòu)的該衍射結(jié)構(gòu)層為例，該衍射結(jié)構(gòu)可以采用符合下列關(guān)系式的設(shè)計(jì)形式衍射槽深度＝[λ/(n-1)]，其中λ為波長(zhǎng)(mm)，n為零件的折射率；衍射面產(chǎn)生的波前位置位移的相位＝[2π/λ][C1r2+C2r4+…Cnr2n]，其中C1為二次項(xiàng)系數(shù)、C2…Cn為高次項(xiàng)系數(shù)，r是離光軸的徑向距離，其中的相位應(yīng)是2π的整數(shù)倍，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求來(lái)確定相位的項(xiàng)數(shù)。其中，所提出的衍射槽深度＝[λ/(n-1)]的要求，正是為盡量滿足把所有的衍射光都傳入-1衍射級(jí)的設(shè)計(jì)需要。
由于在CRT投影裝置中通常具有紅、綠、藍(lán)三種顏色信道的投影鏡頭中，無(wú)論是單獨(dú)采用，還是同時(shí)分別采用本實(shí)用新型上述結(jié)構(gòu)形式的投影鏡頭，在不同顏色信道的投影鏡頭中，所設(shè)置的該衍射結(jié)構(gòu)層應(yīng)分別具有與其工作波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的衍射結(jié)構(gòu)。
如上述，在本實(shí)用新型上述結(jié)構(gòu)的投影鏡頭中，所說(shuō)的該衍射結(jié)構(gòu)層的衍射結(jié)構(gòu)除可以采用上述的開諾型衍射結(jié)構(gòu)外，也可以選擇二元光學(xué)面形或相位型全息圖型等衍射結(jié)構(gòu)中的任何一種。由于在目前以采用開諾型衍射結(jié)構(gòu)時(shí)的加工相對(duì)較為容易，而采用二元光學(xué)面形或相位型全息圖型等衍射結(jié)構(gòu)時(shí)的加工難度相對(duì)較大，并且會(huì)使鏡頭的成本上升，因此就目前而言仍以采用開諾型衍射結(jié)構(gòu)的形式為最佳。
在本實(shí)用新型的上述投影鏡頭中，一般情況下可以采用只設(shè)置一個(gè)所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層的形式。至少通過(guò)目前的試驗(yàn)結(jié)果顯示，若再增加一個(gè)衍射面，對(duì)分辨率的提高不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的改善效果，但卻反而會(huì)使對(duì)比度降低。
上述結(jié)構(gòu)中所說(shuō)的該衍射結(jié)構(gòu)層在鏡頭中的設(shè)置方式和/或位置，可以有多種可供選擇的方式。在設(shè)置方式上，例如，其可以為是在現(xiàn)有的某一鏡頭鏡片的表面上直接形成所說(shuō)的該衍射結(jié)構(gòu)，從而可以與現(xiàn)有的該鏡片成為整體結(jié)構(gòu)的形式。此外，也可以使所說(shuō)的該衍射結(jié)構(gòu)層為具有所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)且獨(dú)立于各鏡片的獨(dú)立衍射結(jié)構(gòu)單元的形式；還可以采用使所說(shuō)的該衍射結(jié)構(gòu)層為該獨(dú)立衍射結(jié)構(gòu)單元形式的衍射結(jié)構(gòu)層以被覆方式結(jié)合在現(xiàn)有鏡頭鏡片表面所成為的混合透鏡形式等。這些設(shè)置方式在具體實(shí)施時(shí)都可以作為參考實(shí)例之一被使用。特別是其中采用使衍射結(jié)構(gòu)層與現(xiàn)有的鏡片(零件)相結(jié)合成為的整體結(jié)構(gòu)形式或混合透鏡的形式后，與未使用衍射結(jié)構(gòu)層的較低像質(zhì)的投影鏡頭相比，本實(shí)用新型形式的透鏡鏡頭可以與其具有相同的鏡片(零件)數(shù)，并不增加鏡頭零件的復(fù)雜程度以及一樣的加工成本。
進(jìn)一步，由于鏡頭中的各鏡片都具有在圖像投影方向上的表面和與之相反的另一側(cè)表面，因此，當(dāng)本實(shí)用新型上述鏡頭結(jié)構(gòu)中所說(shuō)的該衍射結(jié)構(gòu)層無(wú)論是與現(xiàn)有鏡頭中的某一鏡片采用的是整體結(jié)構(gòu)的形式，或是采用相互被覆方式結(jié)合而成為混合透鏡的形式，既可以使該衍射結(jié)構(gòu)層設(shè)置在相應(yīng)鏡片的圖像投影方向表面，也可以將其設(shè)置在與圖像投影方向相反方向的表面。
上述所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層在本實(shí)用新型投影鏡頭中的設(shè)置位置，可以以其與光闌間相對(duì)位置的遠(yuǎn)近來(lái)描述。在投影鏡頭的結(jié)構(gòu)中，光闌不僅是一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)部件，也是一個(gè)重要的位置參照點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在本實(shí)用新型上述結(jié)構(gòu)形式的投影鏡頭中，將所說(shuō)的該衍射結(jié)構(gòu)層設(shè)置在近光闌的位置處——無(wú)論采用上述的何種設(shè)置方式，均可以具有校正軸上色差的功能；而將所說(shuō)的該衍射結(jié)構(gòu)層設(shè)置在遠(yuǎn)離光闌的位置處時(shí)，則可用以校正垂軸色差(即像的徑向位移，它是波長(zhǎng)的函數(shù))。
從加工制造的難易程度考慮，本實(shí)用新型上述結(jié)構(gòu)中所說(shuō)的該衍射結(jié)構(gòu)層以采用塑料結(jié)構(gòu)單元的形式為佳，例如，可作為具體實(shí)施例參考方式之一的，是使所說(shuō)的該衍射結(jié)構(gòu)層采用易于由注塑成型的丙烯酸結(jié)構(gòu)單元形式，以避開PC注塑的難度。此結(jié)構(gòu)形式的衍射結(jié)構(gòu)層，既包括了該衍射結(jié)構(gòu)層是與現(xiàn)有的某一鏡頭鏡片為整體鏡片單元的形式，也包括上述采用獨(dú)立衍射結(jié)構(gòu)層和被覆所成的混合透鏡的結(jié)構(gòu)形式。
例如，在本實(shí)用新型中采用與易于注塑成型的丙烯酸衍射結(jié)構(gòu)層復(fù)合所成的混合透鏡后，藍(lán)信道系統(tǒng)在5cy/mm時(shí)的MTF差別可大到2倍。而在目前許多設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、用于一般品質(zhì)TV機(jī)的投影鏡頭中沒有進(jìn)行色差校正時(shí)，其藍(lán)信道系統(tǒng)在2cy/mm空間頻率附近的MTF值甚至可以降到0(其理想值＝1)。
在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在具體實(shí)施中可以作為參考的幾種方式可以包括在由5片鏡片組成的投影鏡頭中，其中最接近投影像的第一片及第二片鏡片可以均為模壓塑料的非球面鏡片，第三片為光學(xué)玻璃的球面鏡片，第四和第五片鏡片也為模壓塑料的非球面鏡片。所說(shuō)的該衍射結(jié)構(gòu)層可以設(shè)置在前三個(gè)零件的任何一個(gè)上。當(dāng)將其設(shè)置在第二片和第三片鏡片之間，例如可以采取以模壓方式被覆在第二片鏡片的第二面上形成混合透鏡的方式，并且在紅、綠、藍(lán)三種不同的顏色信道的鏡頭中均按同樣的方式設(shè)置該衍射結(jié)構(gòu)層，能大大改善分辨率，這是因?yàn)樗ぶ讖焦鈾?，所以軸上色差和球差以及色球差能得到最好的校正。此外，對(duì)于由三片鏡片組成的投影鏡頭，所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層可以設(shè)置在第一片鏡片的第二面上；對(duì)于由四片鏡片組成的投影鏡頭，則可以使所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層設(shè)置在第一片鏡片的第二面上；對(duì)于由六片鏡片組成的投影鏡頭，可以使所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層可以設(shè)置在第三片鏡片的第二面上；對(duì)于由七片鏡片組成的投影鏡頭，可以使所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層設(shè)置在第四片鏡片的第二面上，分別都成為在現(xiàn)有鏡片的表面結(jié)合有衍射結(jié)構(gòu)層的混合透鏡的形式。
顯然，在不背離本實(shí)用新型上述技術(shù)思想和范圍的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域的普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段，是可能并且也容易實(shí)現(xiàn)對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行多種形式的修改、替換或變更的。
以下結(jié)合由附圖所示實(shí)施例的具體實(shí)施方式
，對(duì)本實(shí)用新型的上述內(nèi)容再作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。但不應(yīng)將此理解為本實(shí)用新型上述主題的范圍僅限于下述的實(shí)例。凡基于本實(shí)用新型上述內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本實(shí)用新型的范圍。


圖1是現(xiàn)有的一種四片式投影鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是現(xiàn)有的一種五片式投影鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2結(jié)構(gòu)鏡頭的光線像差的示意圖。
圖4是圖2結(jié)構(gòu)鏡頭的MTF值示意圖。
圖5是現(xiàn)有的一種六片式投影鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是圖5結(jié)構(gòu)鏡頭的光線像差的示意圖。
圖7是圖5結(jié)構(gòu)鏡頭的MTF值示意圖。
圖8是現(xiàn)有的一種七片式投影鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9是圖8結(jié)構(gòu)鏡頭的光線像差的示意圖。
圖10是本實(shí)用新型的一種五片式結(jié)構(gòu)投影鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11是圖10中的a局部的衍射結(jié)構(gòu)放大示意圖圖12是圖10結(jié)構(gòu)鏡頭對(duì)綠管光路光線像差的示意圖。
圖13是圖10結(jié)構(gòu)鏡頭對(duì)綠管光路的MTF值示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1本例為一種采用五片式結(jié)構(gòu)的本實(shí)用新型的投影鏡頭，結(jié)構(gòu)如圖10和圖11所示，其各鏡片相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)可參見表1。其中的第一、第二、第三、第八、第九、第十面為非球面，非球面系數(shù)可參見表2，該非球面方程為 C-軸上半徑的倒數(shù)，K-園錐常數(shù)，r-離光軸的徑向距離，AR3、AR4、…AR10-非球面系數(shù)。
在鏡片的第四面表面直接形成有一開諾型衍射結(jié)構(gòu)面2的衍射結(jié)構(gòu)層1，其衍射面的相位為＝[2π/λ][C1r2+C2r4+C3r6]λ為波長(zhǎng)(mm)，r為離光軸的徑向距離，C1、C2和C3分別為-二次項(xiàng)、四次項(xiàng)和六次項(xiàng)的系數(shù)，其中C1＝4.44896E-4，C2＝-2.64265E-7，C3＝1.02559E-10。
在上述鏡頭中，除第三個(gè)鏡片零件選擇冕牌玻璃，是因?yàn)樗纳⒌?，其被分配大部分光焦度外，其余的四個(gè)零件均由丙烯酸(PMMA)模壓而成，具有非球面表面。衍射結(jié)構(gòu)層1疊加在靠近光闌3的第四個(gè)面上，主要用來(lái)校正大部分軸上色差。雖然色差還可以比此實(shí)施例校正的水平更高，但衍射面溝槽的最小間距被有意限制到25微米，以保證良好的加工工藝性，并使溝槽結(jié)構(gòu)的“陰影”效應(yīng)和隨之而來(lái)的對(duì)雜散光的影響減至最小。
圖12所示的是上述鏡頭的垂軸像差曲線，與前述的同為五片式設(shè)計(jì)鏡頭的垂軸像差曲線的圖3相比較，可以明顯看出通過(guò)使用衍射面，軸上色差校正水平明顯得到提高。其MTF值如圖13所示，在2lp/mm時(shí)的MTF值超過(guò)0.90，視場(chǎng)邊角除外。視場(chǎng)邊角處，5lp/mm時(shí)的MTF值超過(guò)0.40?？梢詫⑦@些值與如圖4所示的同類鏡頭的MTF值進(jìn)行比較。
使用衍射結(jié)構(gòu)層時(shí)需要注意它所獨(dú)有的幾個(gè)物理特性。通過(guò)一個(gè)衍射層的波前能被聚焦到空間幾個(gè)不同像位置上，因?yàn)樵撗苌浣Y(jié)構(gòu)層有和衍射光柵相同的特性——不僅能將能量傳遞到用來(lái)成像的某個(gè)級(jí)次上，還能傳遞到其它級(jí)次上。對(duì)于理想像所選的衍射級(jí)次典型地是-1級(jí)，如果溝槽深度沒有準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的話，非要求的能量也能被傳遞到0、+1、-2和+2級(jí)上。被傳遞到一個(gè)給定級(jí)次上的能量數(shù)量稱為此級(jí)次的衍射效率。設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo)就是使-1級(jí)次的衍射效率最大并且使其它級(jí)次的衍射效率最小。
本投影鏡頭實(shí)施例中的衍射結(jié)構(gòu)層1上所選擇的衍射結(jié)構(gòu)2，是一個(gè)沒有缺陷的開諾型表面，其中每一個(gè)溝槽都有一個(gè)表面基礎(chǔ)曲率的彎曲截面。它可以和在每個(gè)溝槽上有一接近于彎曲截面的斜線的開諾結(jié)構(gòu)相比較，以及和一個(gè)接近于彎曲截面的多臺(tái)階二元光學(xué)面相比較。理論上，對(duì)于單一波長(zhǎng)和單一入射角來(lái)說(shuō)，一個(gè)沒有缺陷的開諾型結(jié)構(gòu)的溝槽深度能被選擇得在-1級(jí)時(shí)有100％的衍射效率，而其它的衍射級(jí)次衍射效率為0％。但是，有三個(gè)因素會(huì)使這種簡(jiǎn)單模型復(fù)雜化1)光譜波段寬于一個(gè)波長(zhǎng)，并且衍射效率對(duì)波長(zhǎng)是弱靈敏的，2)衍射效率對(duì)入射角的靈敏度是非常弱的，最佳實(shí)施例的入射角從0°變到±40°，3)由于加工誤差，溝槽的形狀和深度并不理想，并且衍射效率對(duì)這些誤差有弱靈敏度。
傳遞到那些非要求級(jí)次的光會(huì)引起兩種雜散光效應(yīng)，這兩種雜散光效應(yīng)會(huì)降低成像質(zhì)量。首先，非要求級(jí)次上的光能聚焦在要求像點(diǎn)附近的彌散圓內(nèi)，以至于明亮的物體在主像的周圍能產(chǎn)生一個(gè)很弱的光暈。這種效應(yīng)是由于理論衍射效率隨波長(zhǎng)和入射角變化而發(fā)生改變所引起的。其次，從衍射面被抬高的臺(tái)階區(qū)和降低表面形狀精度的制造缺陷處散射的光線布滿整個(gè)像面而產(chǎn)生“雜散光”，就象在投影像上有一個(gè)非常微弱的灰色背景。第二種效應(yīng)將造成像面上對(duì)比度的下降。
本實(shí)施例的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了本實(shí)用新型衍射結(jié)構(gòu)層的這些特征。每個(gè)CRT的光譜帶寬僅僅允許百分之幾的光傳遞在-1級(jí)次像的外面。入射到衍射面上的入射角已經(jīng)得到控制，以便把非要求的背景光限制到要求像亮度的百分之幾。最小溝槽寬度已被保持在25微米以上，以至在衍射結(jié)構(gòu)的臺(tái)階處的散射光保持大約在1.5％，并且溝槽結(jié)構(gòu)能用單點(diǎn)金剛石和注射成型加工到合適的精度。
表1

表2
權(quán)利要求1.用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，由沿光軸排列的若干鏡片組合而成，其特征是在所說(shuō)的鏡片組合中還設(shè)置有至少一個(gè)具有能在光路中產(chǎn)生衍射效果的衍射結(jié)構(gòu)(2)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)，該衍射結(jié)構(gòu)(2)為一系列以光軸為同心圓形式的圓環(huán)形衍射結(jié)構(gòu)，且由圓心向外排列的各圓環(huán)形衍射結(jié)構(gòu)間的間距應(yīng)依次遞減。
2.如權(quán)利要求1所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是所說(shuō)的該衍射結(jié)構(gòu)層(1)的衍射結(jié)構(gòu)(2)為開諾型、二元光學(xué)面形或全息圖型衍射結(jié)構(gòu)中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)為在現(xiàn)有鏡頭鏡片的表面直接形成所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)(2)而與該鏡片成為整體結(jié)構(gòu)的形式。
4.如權(quán)利要求1所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)為具有所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)(2)且獨(dú)立于各鏡片的獨(dú)立衍射結(jié)構(gòu)單元。
5.如權(quán)利要求4所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)為該獨(dú)立衍射結(jié)構(gòu)單元形式的衍射結(jié)構(gòu)層(1)以被覆方式結(jié)合在現(xiàn)有鏡頭鏡片表面所成為的混合透鏡形式。
6.如權(quán)利要求2或4所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)設(shè)置在鏡片的圖像投影方向表面。
7.如權(quán)利要求2或4所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)設(shè)置在鏡片的與圖像投影方向相反方向的表面。
8.如權(quán)利要求2所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)上的衍射結(jié)構(gòu)為開諾型衍射結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式應(yīng)符合關(guān)系式為衍射槽深度＝[λ/(n-1)]，其中λ為波長(zhǎng)(mm)，n為零件的折射率；衍射面產(chǎn)生的波前位置位移的相位＝[2π/λ][C1r2+C2r4+…Cnr2n]，其中C1為二次項(xiàng)系數(shù)、C2…Cn為高次項(xiàng)系數(shù)，r是離光軸的徑向距離，其中相位應(yīng)是2π的整數(shù)倍。
9.如權(quán)利要求8所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是在投影裝置中紅、綠、藍(lán)三種顏色信道的投影鏡頭中，分別設(shè)置具有與其工作波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的衍射結(jié)構(gòu)(2)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)。
10.如權(quán)利要求1至5之一所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)設(shè)置在近光闌的位置處，用以校正軸上色差。
11.如權(quán)利要求1至5之一所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)設(shè)置在遠(yuǎn)離光闌的位置處，用以校正垂軸色差。
12.如權(quán)利要求1、2、4或5所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)塑料結(jié)構(gòu)單元。
13.如權(quán)利要求12所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)是由注射成型結(jié)構(gòu)單元。
14.如權(quán)利要求3所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是所說(shuō)的鏡頭鏡片是由注射成型的帶有該衍射結(jié)構(gòu)層(1)的整體鏡片單元。
15.如權(quán)利要求1至5之一所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是鏡頭由5片鏡片組成，其中最接近投影像的第一片及第二片鏡片均為模壓塑料的非球面鏡片，第三片為光學(xué)玻璃的球面鏡片，第四和第五片鏡片也為模壓塑料的非球面鏡片，所說(shuō)的該衍射結(jié)構(gòu)層(1)設(shè)置在第二片和第三片鏡片之間。
16.如權(quán)利要求15所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)以模壓方式被覆在第二片鏡片的第二面上。
17.如權(quán)利要求15所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是在不同的顏色信道的鏡頭中，各鏡頭中的衍射結(jié)構(gòu)層(1)均按同樣的方式設(shè)置。
18.如權(quán)利要求1至5之一所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是鏡頭由三片鏡片組成，所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)設(shè)置在第一片鏡片的第二面上。
19.如權(quán)利要求1至5之一所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是鏡頭由四片鏡片組成，所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)設(shè)置在第一片鏡片的第二面上。
20.如權(quán)利要求1至5之一所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是鏡頭由六片鏡片組成，所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)設(shè)置在第三片鏡片的第二面上。
21.如權(quán)利要求1至5之一所述的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，其特征是鏡頭由七片鏡片組成，所說(shuō)的衍射結(jié)構(gòu)層(1)設(shè)置在第四片鏡片的第二面上。
專利摘要本實(shí)用新型涉及的用于圖像顯示裝置的投影鏡頭，在沿光軸排列的若干鏡片中還設(shè)置有至少一個(gè)具有能在光路中產(chǎn)生衍射效果的衍射結(jié)構(gòu)的衍射結(jié)構(gòu)層，該衍射結(jié)構(gòu)為一系列以光軸為同心圓形式的圓環(huán)形衍射結(jié)構(gòu)，且由圓心向外排列的各圓環(huán)形衍射結(jié)構(gòu)間的間距應(yīng)依次遞減。該衍射結(jié)構(gòu)可以采用開諾型、二元光學(xué)面形或全息圖型等衍射結(jié)構(gòu)中的一種。通過(guò)在不同顏色信道的光通路中設(shè)置相應(yīng)的衍射結(jié)構(gòu)層，可以使投影圖像在軸向和垂軸方向上的色差得到十分滿意的校正，明顯改善投影圖像的像質(zhì)，并可大為縮短物相距，達(dá)到既不增加鏡頭的復(fù)雜程度，又有效地改善圖像分辨率，并縮小裝置體積的目的。
文檔編號(hào)G02B13/16GK2554642SQ0227574
公開日2003年6月4日 申請(qǐng)日期2002年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月15日
發(fā)明者張治全, 辛企明, 趙銳, 高峰, 常偉 申請(qǐng)人:成都奧晶科技有限責(zé)任公司