專利名稱：液晶顯示投影透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及投影透鏡，尤其涉及能夠用于形成由象素(諸如液晶顯示器)組成的物體圖象的投影透鏡。發(fā)明背景投影透鏡系統(tǒng)(這里也稱為“投影系統(tǒng)”)用于在一觀察屏上形成物體的圖象。這種系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示于圖7，其中10是光源(例如，鹵鎢燈)，12是照射光學(xué)裝置，該裝置形成光源的象(下面稱為照射系統(tǒng)的“輸出”)，14是要投影的物體(例如，LCD面板的接通和斷開象素的矩陣)，以及13是由多個透鏡元件構(gòu)成的投影透鏡，它在觀察屏16上形成物體14的放大圖象。
被投影物體是LCD或其他象素化面板的投影透鏡系統(tǒng)有許多應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。這種投影透鏡系統(tǒng)最好使用單個投影透鏡，它所形成的圖象或者是例如具有紅色、綠色和藍(lán)色象素的單個面板的圖象，或者是三個單獨的面板(每個面板用于一種顏色)的象。為便于說明起見，在下面的討論中將采取使用單個LCD面板的投影透鏡系統(tǒng)，應(yīng)該明白，本發(fā)明也能用于使用多個面板和/或其他象素化(pixelization)類型的系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的投影透鏡具有兩個正透鏡單元，孔徑闌位于兩者之間。每個透鏡單元的光焦度使得第一透鏡單元(U1)的焦距f1明顯小于第二透鏡單元(U2)的焦距f2，其中第一透鏡單元(U1)位于系統(tǒng)的長共軛一側(cè)，而第二透鏡單元(U2)位于短共軛一側(cè)。特別是，f1與f2的比最好小于大約0.75。(參見表7，并注意當(dāng)?shù)诙卧ㄒ粋€向場透鏡例如菲涅爾向場透鏡時，對f2值的計算不考慮該向場透鏡。)相反，對于經(jīng)典的雙高斯形式，f1約等于f2，或大于f2。
本發(fā)明的投影透鏡能夠覆蓋寬廣的視場。它們的后焦距約等于透鏡焦距。第一和第二透鏡單元都至少有一個非球面。
位于孔徑闌長共軛一側(cè)的第一透鏡單元由單個正元件構(gòu)成。但是，為了獲得對剩余象散和色差的較佳校正，該單元可以包括一個負(fù)元件和一個正元件，負(fù)元件在前，正元件緊跟在后，并且正元件可以顏色校正雙合透鏡。如表1-5所示，前面的負(fù)元件與正元件之間的間隔最多為第一透鏡單元焦距的約5％。
位于孔徑闌后面的第二透鏡單元包括一個顏色校正雙合透鏡和至少有一個非球面的單個正元件。在第一透鏡單元中可以獲得大部分球差校正，而包括彗差和畸變的軸外象差以及色差則主要在第二透鏡單元中校正。附圖概述

圖1至6是按照本發(fā)明構(gòu)造的投影透鏡側(cè)視示意圖。
圖7是示出能夠采用本發(fā)明投影透鏡的整個投影透鏡系統(tǒng)的示意圖。
包括在說明書中并且構(gòu)成說明書一部分的上述附圖示出了本發(fā)明的較佳實施例，并且用這些附圖連同描述來說明本發(fā)明的原理。當(dāng)然，應(yīng)該明白，這些附圖和描述僅僅用于說明而不是限制本發(fā)明。較佳實施例的描述圖1至6描述了按照本發(fā)明構(gòu)造的各種投影透鏡。相應(yīng)的說明和光學(xué)性質(zhì)分別示于表1至6。表7列出了上述透鏡單元與表1-6中透鏡的各種元件和表面的對應(yīng)關(guān)系。
對于在透鏡系統(tǒng)中使用的玻璃，采用HOYA或SCHOTT牌號。在本發(fā)明的實踐中能夠采用由其他的制造商制造的等同的玻璃。對于苯乙烯和聚丙烯元件，采用工業(yè)上容許的材料。
在表中列出的非球面系數(shù)采用下述公式z=cy21+[1-(1+k)c2y2]1/2+Dy4+Ey6+Fy8+Gy10+Hy12+Iy14]]>這里，z是在離系統(tǒng)光軸的距離為y處的表面弛垂度，c是透鏡在光軸處的曲率，而k是圓錐常數(shù)。
在表中，與各個表面相關(guān)的標(biāo)記“a”代表非球面，即，在上述公式中的D、E、F、G、H或I中至少有一個不為零的表面。標(biāo)記“c”表示一個圓錐表面，對于圓錐表面，上述公式中的k值不為零。標(biāo)記“f”代表菲涅爾透鏡表面(在圖1和圖3中，菲涅爾透鏡用標(biāo)記“FL”表示)。表中給出的所有的尺寸以毫米為單位。在制作這些表時假設(shè)光線在圖中從左至右行進。在實踐中，觀察屏將在左方，而LCD面板將在右方，光線將從右向左行進。
雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的一些特定的實施例，但應(yīng)明白，根據(jù)上面的揭示，不背離本發(fā)明范圍和精神的種種變更對于本領(lǐng)域內(nèi)的一般技術(shù)人員而言將是顯而易見的。
表1透鏡數(shù)據(jù)凈通光表面編號 類型 半徑 厚度 玻璃 孔徑直徑1 a -1770.1750 8.00000 丙烯酸 84.112 a 72.519510.00000 71.77363.366025.00000 SK1868.984 -63.3660 4.00000 KF6 65.895 762.9749 9.16228 60.486 孔徑闌 35.18800 57.727 -38.4192 5.00000 SF1463.388 -31.9407 1.00000 80.139 a -77.403118.00000 丙烯酸 83.6010 a -57.0000 Space 1 93.6511 c-927.453929.50000 丙烯酸 119.7712 a -79.0000 Space 2124.9913cf 185.6000 4.00000 丙烯酸 237.0614 -象距236.86標(biāo)記說明a．多項式非球面c．圓錐段f．菲涅爾圓錐表面編號常數(shù)11 -7.1739E+0113 -1.7000E+00偶次冪多項式非球面表面編號D E FG HI1-7.0051E-08 -6.3254E-12 -2.9530E-14 7.5364E-19 9.4792E-21 -3.0013E-242 7.7762E-08 1.2679E-111.0260E-13 -3.2966E-17 -1.6803E-211.6991E-239 4.1171E-07 2.1244E-101.0122E-14 4.0619E-18 4.4932E-21 -1.0666E-24102.4362E-07 1.2454E-101.2955E-14 1.0067E-17 1.8340E-213.0151E-24121.3759E-07 5.0414E-11 -2.7910E-15 1.1423E-18 3.9343E-23 -3.3950E-27可變間隔可變焦距間隔1間隔2 焦點位移 象距位置T(10)T(12)1 1.500182.411-1.425 10.0212 0.500190.200-1.000 10.0153 2.000175.350-1.800 10.013
表1(續(xù))一階數(shù)據(jù)可變焦距位置1 23f/數(shù) 3.50 3.50 3.50放大率-0.0645 -0.1000 -0.0322物高 -1830.8 -1180.0 -3660.0物距 -3048.7 -1998.8 6010.2有效焦距 198.28202.52 194.61象距 10.02110.015 10.013總長度 3391.42348.3 6346.5前鏡頂距離 342.78349.56 336.21鏡筒長度 332.76339.55 326.20孔徑闌表面編號 6 66至孔徑闌的距離 0.00 0.00 0.00孔徑闌直徑 55.24456.62154.042入射光瞳距離 40.83840.83840.838出射光瞳距離 -2564.2 -2859.8 -2270.8元件的一階性質(zhì)元件編號 表面編號 光焦度 f′ lppl′PP1 1 2 -0.70980E-02-1 40.88 5.1374-0.210472 3 4 0.18681E-01 53.532 8.2520 -8.25203 4 5 -0.88988E-02 -112.380.20149 -2.42614 7 8 -0.10095E-01 -99.059-2.6269 -5.60255 9 10 0.29494E-02 339.06 35.393 26.0636 11 12 0.57837E-02 172.90 21.342 1.81797 13 14 0.26604E-02 375.88 -0.51716E-08 -2.6778雙合透鏡的一階性質(zhì)元件編號表面編號 光焦度 f′ lpp l′pp2 33 5 0.11187E-01 89.3891.5277-16.542透鏡組的一階性質(zhì)組號 表面編號 光焦度 f′ lpp l′PP11 10-0.26248E-03 -3809.7495.35349.412 11 12 0.57837E-02172.9021.3421.81793 13 14 0.26604E-02375.88 -0.51716E-08-2.6778透鏡的一階性質(zhì)可變焦距位置編號 光焦度 f′ lpp l′PP10.50433E-02 198.28223.78-199.6320.49377E-02 202.52228.97-211.7630.51385E-02 194.61218.81-189.07
表2透鏡數(shù)據(jù)表面 凈通光編號 類型半徑 厚度玻璃 孔徑直徑1 a -3501.6551 8.00000 丙烯酸 83.972 a 73.804710.00000 72.073 63.926225.00000 SK1869.864 -63.9262 4.00000 KF6 67.045 570.3825 2.53228 60.396 - 41.97092 59.727 -39.0852 5.00000 SF1464.458 -83.4350 1.00000 80.909 a -77.403118.00000 丙烯酸 83.8810 a -57.0000 0.50000 94.2611 c -927.453930.50000 丙烯酸 119.0412 a -79.0000 194.22819 124.60標(biāo)記說明a- 多項式非球面c- 圓錐段焦點偏移=-1.97869圓錐表面編號常數(shù)11 -7.5322E+01偶次冪多項式非球面表面編號 D E F GH I1 -8.1680E-08-9.0415E-12-2.8846E-14 9.7292E-19 9.4877E-21 -2.8507E-242 6.1549E-08 5.4266E-12 9.8518E-14-3.4835E-17-1.5392E-21 1.7744E-239 3.8615E-07 1.8759E-10 1.0984E-14 7.6281E-18 5.6048E-21 -1.6720E-2410 2.7112E-07 1.4686E-10 1.7530E-14 1.0200E-17 1.4695E-21 2.8348E-2412 1.1260E-07 4.4374E-11-2.9777E-15 1.1981E-18 4.3134E-23 -6.5187E-27一階數(shù)據(jù)f/數(shù)3.50 總長度 3505.33放大率 -0.0645 前鏡頂距離 340.731物高 -1830.8 鏡筒長度 146.503物距-3164.60 入射光瞳距離 40.9073有效焦距 198.998 出射光瞳距離-145.903象距 194.228 孔徑闌直徑57.224孔徑闌表面編號 6 到孔徑闌的距離 6.43
表2(續(xù))元件的一階性質(zhì)元件編號 表面編號 光焦度 f′lpp l′PP1 1 2 -0.68364E-02 -146.28 5.241 -0.110472 3 4 0.18530E-01 53.965 8.2460-8.24603 4 5 -0.90617E-02 -110.350.26468-2.36164 7 8 -0.99405E-02 -100.60-2.6199-5.59265 9 10 0.29494E-02 339.06 35.393 26.0636 11 12 0.57859E-02 172.83 22.057 1.8788雙合透鏡的一階性質(zhì)元件編號 表面編號光焦度f′ lpp l′PP23 3 5 0.10898E-0191.7621.1692-16.833透鏡的一階性質(zhì)光焦度f′ lppl′PP0.50252E-02199.00119.64-15.627表面1-5的一階數(shù)據(jù)K PP1 PP2f′0.490176E-0230.3186-1.10148204.00表面7-12的一階數(shù)據(jù)K PP1 PP2 f′0.232360E-02147.569172.803430.37
表3透鏡數(shù)據(jù)表面 凈通光編號 類型 半徑 厚度 玻璃孔徑直徑1 a-148.46666.00000丙烯酸51.922 a 54.47470.50000 45.043 40.0292 15.00000SK18 45.074 -130.37236.26676 42.155 孔徑闌 21.40605 34.586-23.15273.00000SF13 39.967-64.20341.50000 54.398-54.0449 16.67610丙烯酸54.699 a -35.82730.50000 63.6810 a -3465.3279 24.66862丙烯酸93.0911 a -54.7193 121.94030 95.7412cf 120.00004.00000丙烯酸 166.7913 - 9.99997 166.48標(biāo)記說明a- 多項式非球面c- 圓錐段f- 菲涅爾焦點偏移=-1.94463圓錐表面編號常數(shù)12 -2.0085E+00偶次冪多項式非球面表面編號 DEF G H I1 -1.0532E-06 -1.0364E-09 1.3079E-12 -2.2637E-154.0754E-18-2.4681E-212 -1.0077E-061.3853E-10-5.4208E-12 1.3555E-14 -3.2354E-18-5.1055E-219 -7.2513E-071.8571E-09 2.8477E-12 1.3532E-156.7032E-19-5.6155E-2210-2.1332E-072.4 887E-113.24 58E-14 8.2905E-182.9285E-22-1.2661E-2511 5.7413E-074.5720E-11 4.8259E-14 2.5315E-17 -1.5472E-20 9.1310E-24一階數(shù)據(jù)f/數(shù) 3.50 總長度 1401.46放大率-0.1083 前鏡頂距離 231.458物高 -762.00 鏡筒長度221.458物距 -1170.00 入射光瞳距離20.3913有效焦距 129.271 出射光瞳距離5729.90象距 9.99997 孔徑闌直徑 34.576孔徑闌表面編號 5 到孔徑闌的距離0.00
表3(續(xù))元件的一階性質(zhì)元件編號 表面編號 光焦度 f′ lpp l′PP11 2 -0.12511E-01 -79.9282.9100 -1.06723 4 0.20219E-01 49.4 582.2234-7.241436 7 -0.19987E-01 -50.032 -0.99970-2.772248 9 0.60514E-02 165.2525.425 16.8555 10 11 0.8 9025E-02 112.3316.7390.264326 12 13 0.41148E-02 243.03 -0.82019E-08-2.6778透鏡的一階性質(zhì)光焦度f′ lpp l′PP0.77357E-02129.27152.58-131.33
表4透鏡數(shù)據(jù)表面 凈通光編號 類型 半徑 厚度 玻璃孔徑直徑1 a -143.9480 6.00000 丙烯酸 52.572 a 54.0933 0.5000046.453 39.976615.00000 SK18 47.014 -138.3967 6.2667644.555 -23.2647737.096 -23.3945 3.00000 SF13 41.347 -57.7517 1.5000055.588 -50.604016.57162 丙烯酸 56.009 a -36.2946 0.5000064.8910 a-2367.899924.39444 丙烯酸 92.9211 a -54.6713 134.1716695.59標(biāo)記說明a- 多項式非球面焦點偏移=-1.24114偶次冪多項式非球面表面編號 DE F G H I1-7.8786E-07 -7.4301E-10 1.2284E-12 -2.6558E-15 3.7917E-18 -1.8308E-212-4.9688E-07 6.228 4E-10-5.5378E-121.2528E-14-4.7256E-18 -2.2320E-219-6.7035E-07 1.60355-09-2.8384E-121.4275E-15 6.5802E-19 -6.1437E-2210 -2.4379E-07 2.3325E-11 3.2535E-148.2976E-18 2.0542E-22 -2.1158E-25116.0221E-07 5.9205E-11 4.6922E-142.3851E-17-1.6076E-20 8.9490E-24一階數(shù)據(jù)f/數(shù)3.50 總長度 1473.17放大中 -0.1083 前鏡頂距離 231.169物高 -762.00 鏡筒長度96.9976物距-1242.00 入射光瞳距離20.8429有效焦距 129.736 出射光瞳距離 -136.607象距 134.172 孔徑闌直徑 36.897孔徑闌表面編號 5 到孔徑闌的距離 0.45元件的一階性質(zhì)元件編號 表面編號光焦度f′ lppl′PP1 1 2 -0.12684E-01 -78.838 2.8906 -1.0862 3 4 0.19996E-01 50.010 2.1178 -7.33183 6 7 -0.18289E-01 -54.677 -1.2146 -2.99834 8 9 0.53197E-02 187.98 28.371 20.349510 11 0.88 539E-02 112.94 16.659 0.38462
表4(續(xù))透鏡的一階性質(zhì)光焦度f′ lpp l′PP0.77080E-02129.7485.332-8.3775表面1-4的一階數(shù)據(jù)K PP1PP2 f′0.825105E-0211.8672-1.63760121.20表面6-11的一階數(shù)據(jù)K PP1 PP2 f′0.412919E-02105.968138.422242.18
表5透鏡數(shù)據(jù)表面 凈通光編號類型 半徑 厚度 玻璃 孔徑直徑1 a -215.0838 6.00000丙烯酸 50.102 a51.3941 0.50000 44.843 39.5202 15.00000SK18 45.084 -204.0199 6.26676 41.865 - 24.70386 37.346 -23.5819 3.00000SF13 42.807 -54.983817.4 8359SK5 58.118 -38.5513 0.50000 68.169 a -442.7462 22.96924丙烯酸 93.1810 a -54.6936133.38308 95.54標(biāo)記說明a-多項式非球面焦點偏移=-1.06757偶次冪多項式非球面表面編號D E F G HI1 -6.2558E-07 -6.6007E-101.3377E-12-2.7764E-153.6207E-18 -1.7047E-212 -4.7729E-07 2.8390E-10 -5.2520E-12 1.3608E-14 -6.5024E-18 -3.3618E-219 -4.6643E-08 3.6819E-112.8968E-14 8.8163E-181.7148E-212.3288E-2510 5.3589E-07 1.0862E-104.8657E-14 2.7503E-17 -1.4201E-209.3743E-24一階數(shù)據(jù)f/數(shù) 3.50 總長度 1471.80放大率 -0.1083 前鏡頂距離 229.807物高-762.00 鏡筒長度 96.4234物距 -1241.99 入射光瞳距離 19.6498有效焦距129.598 出射光瞳距離 -136.742象距133.383 孔徑闌直徑 37.137孔徑闌表面編號5 到孔徑闌的距離 -0.86元件的一階性質(zhì)元件編號 表面編號 光焦度 f′ lpp l′PP1 1 2 -0.11992E-01 -83.389 3.2180 -0.768952 3 4 0.18904E-0152.899 1.5196 -7.84493 6 7 -0.17354E-01 -57.623 -1.3444 -3.13474 7 8 0.63978E-02156.30 26.344 18.4715 9 10 0.80676E-02123.95 17.207 2.1256
表5(續(xù))雙合透鏡的一階性質(zhì)元件編號 表面編號光焦度 f′ lpp l′PP3 4 6 8-0.76835E-02-130.15-25.890-48.110透鏡組的一階性質(zhì)光焦度f′lppl′PP0.77162E-02129.6083.934-9.1868表面1-4的一階數(shù)據(jù)K PP1 PP20.754400E-0210.2057-3.41220表面6-10的一階數(shù)據(jù)K PP1 PP20.446394 E-0293.0606115.413
表6透鏡數(shù)據(jù)表面 凈通光編號類型 半徑厚度 玻璃 孔徑直徑1 a 94.476015.00000 丙烯酸 42.782 a -528.9612 0.50000 37.323 -21.29839 36.844 -27.7690 3.00000 丙烯酸 40.465 a -407.8987 4.00000 53.216 -74.334512.15753 BK7 53.557 -42.4453 0.50000 61.028 a 164.471826.97190 丙烯酸 92.869 a -62.3055 135.01787 95.37標(biāo)記說明a- 多項式非球面焦點偏移=0.74200偶次冪多項式非球面表面編號DE F GH I1 -2.1948E-07 -3.1161E-09 7.4142E-12 -1.0377E-14 -2.2299E-17 3.2858E-202 -1.5111E-06 -5.1899E-09 -8.6485E-122.3336E-14 2.8430E-17-1.0133E-195 -3.9131E-07 -6.8333E-10 5.5582E-136.5433E-16 1.3386E-20-7.1347E-228 -2.9686E-07 -3.7064E-12 9.5859E-154.9355E-18 1.5459E-21 5.8285E-2595.6173E-07 1.1183E-10 1.3209E-141.5832E-17 -1.7718E-20 7.9237E-24一階數(shù)據(jù)f/數(shù) 3.50 總長度 1460.42放大率 -0.1083 前鏡頂距離 218.446物高 -762.00 鏡筒長度83.4286物距 -1241.97 入射光瞳距離14.3855有效焦距 128.370 出射光瞳距離 -110.515象距 135.018 孔徑闌直徑 35.707孔徑闌表面編號 3 到孔徑闌的距離 3.27元件的一階性質(zhì)元件編號 表面編號 光焦度 f′ lpp l′PP1 1 2 0.73555E-02 135.951.4381 -8.05182 4 5 -0.19908E-01 -50.232 -0.13781 -2.02433 6 7 0.59254E-02 168.7616.511 9.42764 8 9 0.10498E-01 95.25913.631 -5.1638
表6(續(xù))透鏡的一階性質(zhì)光焦度f′ lpp l′pp0.77900E-02128.3771.383-7.9999表面4-9的一階數(shù)據(jù)K PP1PP20.444232E-0292.8040107.813表7
由于菲涅爾透鏡根本上為向場透鏡，用于使透鏡的入射光瞳與照射系統(tǒng)的出射光瞳耦合，所以計算得到的值沒有考慮菲涅爾透鏡。因此，菲涅爾透鏡對透鏡總焦距的影響很小，但對f2的影響較大，該影響不代表f2單元的實際作用。
權(quán)利要求
1．一種用于形成物體圖象的投影透鏡，所述透鏡具有一個孔徑闌，其特征在于，所述投影透鏡從其圖象至其物體依次包括(a)第一透鏡單元，它具有正光焦度，焦距為f1；(b)第二透鏡單元，它具有正光焦度，焦距為f2；其中所述孔徑闌位于所述第一透鏡單元和所述第二透鏡單元之間，并且f1明顯小于f2。
2．如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其特征在于，f1與f2的比小于大約0.75。
3．如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其特征在于，透鏡的后焦距大約等于透鏡的焦距。
4．如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其特征在于，所述第一透鏡單元和所述第二透鏡單元都至少具有一個非球面。
5．如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其特征在于，所述第一透鏡單元由單個正透鏡元件構(gòu)成。
6．如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其特征在于，所述第一透鏡單元從其圖象開始依次包括(a)一負(fù)透鏡元件；和(b)一正透鏡子單元。
7．如權(quán)利要求6所述的投影透鏡，其特征在于，所述正透鏡子單元與所述負(fù)透鏡單元間隔很近。
8．如權(quán)利要求6所述的投影透鏡，其特征在于，所述正透鏡子單元是一個顏色校正雙合透鏡
9．如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其特征在于，所述第二透鏡單元包括一個顏色校正雙合透鏡和一個至少有一個非球面的正透鏡元件。
10．如權(quán)利要求6所述的投影透鏡，其特征在于，所述第二透鏡單元包括一個顏色校正雙合透鏡和一個至少有一個非球面的正透鏡元件。
11．如權(quán)利要求7所述的投影透鏡，其特征在于，所述第二透鏡單元包括一個顏色校正雙合透鏡和一個至少有一個非球面的正透鏡元件。
12．如權(quán)利要求8所述的投影透鏡，其特征在于，所述第二透鏡單元包括一個顏色校正雙合透鏡和一個至少有一個非球面的正透鏡元件。
13．一種用于形成物體圖象的投影透鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述透鏡系統(tǒng)包括(a)照射系統(tǒng)，它包括光源和用于形成光源的象的照射光學(xué)裝置；(b)象素化面板，它構(gòu)成物體；和(c)權(quán)利要求1所述的透鏡。
全文摘要
提供一種與象素化面板(LCD)一起使用的投影透鏡。透鏡具有兩個正透鏡單元(U1,U2),孔徑闌位于它們之間。每個透鏡單元的光焦度使得第一透鏡單元(U1)的焦距f1明顯小于第二透鏡單元(U2)的焦距f2,其中第一透鏡單元(U1)位于系統(tǒng)的長共軛一側(cè),而第二透鏡單元(U2)位于短共軛一側(cè)。f1與f2的比最好小于大約0.75。
文檔編號G02B9/08GK1220010SQ97194167
公開日1999年6月16日 申請日期1997年4月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月29日
發(fā)明者杰克伯·莫斯科維基 申請人:美國精密鏡片股份有限公司