專利名稱：用于投影顯示系統(tǒng)的投影透鏡的制作方法
用于投影顯示系統(tǒng)的投影透鏡

發(fā)明內(nèi)容
盡管已描述出多種投影透鏡，但行內(nèi)仍認(rèn)為將會(huì)受益于具有改善特性(如，高通過量)的(如緊湊型)投影透鏡。在一個(gè)實(shí)施例中，描述了下述投影透鏡，其包括從屏幕側(cè)依次排列的第一透鏡組、具有正屈光力的第二透鏡組、和具有正屈光力的第三透鏡組。至少一個(gè)透鏡組具有非球面表面。投影透鏡的焦距(F)相對(duì)透鏡組中的每一個(gè)的焦距(F1、F2、和F3)的比率使得IF1/F|>5、0.5< IF2/FI <0.9、并且 1〈F3/F〈8。在另一個(gè)實(shí)施例中，描述了下述投影透鏡，其包括從屏幕側(cè)依次排列的第一透鏡組、具有正屈光力的第二透鏡組、和具有正屈光力的第三透鏡組。至少一個(gè)透鏡組具有非球面表面。投影透鏡的焦距(F)相對(duì)透鏡組中的每一個(gè)的焦距(FpF2、和F3)的比率使得IF1/F|>5、0.5<|F2/F|<2.0、并且1.4〈F3/F〈8。在其他實(shí)施例中，描述了下述光學(xué)引擎，其包括照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)；和本文所述的投影透鏡。描述了包括這種光學(xué)引擎的前投影和背投影顯示裝置。


圖1為可用于本發(fā)明的示例性光學(xué)引擎的示意圖；圖2為可用于本發(fā)明的示例性投影光學(xué)器件的示意圖；圖3A和3B分別示出了所體現(xiàn)的背投影顯示裝置的側(cè)視圖和等軸視圖，這些圖未按比例繪制，并且僅用于示例性目的。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明描述了適用于投影顯示系統(tǒng)的投影透鏡。圖1示出了示例性光學(xué)引擎61的示意圖，該引擎具有下述部件中的一個(gè)或多個(gè):照明系統(tǒng)62或62’、成像系統(tǒng)64、聚焦機(jī)構(gòu)65、和投影光學(xué)器件66。盡管示出了兩個(gè)不同的照明系統(tǒng)62和62’，但通常僅使用一個(gè)照明系統(tǒng)。當(dāng)照明系統(tǒng)位于由附圖標(biāo)記62標(biāo)示的位置時(shí)，使用的成像器為反射型成像器。相比之下，當(dāng)照明系統(tǒng)位于由附圖標(biāo)記62’標(biāo)示的位置時(shí)，使用的成像器為透射型成像器。光學(xué)引擎可在投影屏幕68或觀看表面上生成圖像。由于觀看者和光學(xué)引擎位于投影屏幕的同一側(cè)，則圖1示出了采用光學(xué)引擎61的前投影顯示系統(tǒng)。圖3A和3B示出了采用光學(xué)引擎110的背投影顯示系統(tǒng)。下面對(duì)光學(xué)引擎中的各個(gè)元件進(jìn)行詳細(xì)的討論。照明系統(tǒng)62、62’可包括燈組件、濾光器(例如紅外線抑制濾光器和/或紫外線拒波濾光器)、色分離裝置、和積分器。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，燈組件包括反射器和燈。適用的市售燈包括:(i)可得自荷蘭埃因霍溫(Eindhoven, The Netherlands)的飛利浦半導(dǎo)體公司(Philips Semiconductors)的Philips UHP型燈組件,其采用的是橢圓反射器和
(ii)可得自德國慕尼黑(Munich, Germany)的歐司朗有限股份公司(OSRAM GmBH)的OSRAMP-VIP250燈組件。其他適用的燈和燈組件結(jié)構(gòu)也可用于本發(fā)明。例如，可使用金屬鹵化物燈、或鹵鎢燈、或發(fā)光二極管(LED)?？捎糜诒景l(fā)明實(shí)施例的濾光器、色輪和積分器的類型并不是關(guān)鍵的。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，色分離裝置為成像器光源中的旋轉(zhuǎn)型紅/綠/藍(lán)(RGB)色序盤。示例性的市售色輪為得自列支敦士登巴爾查斯(Balzers, Liechtenstein)的優(yōu)利訊巴爾查斯有限公司(UNAXIS Balzers, LTD)的UNAXIS RGBW色輪。液晶RGB色序快門同樣可以用于本發(fā)明的實(shí)施例。示例性的市售積分器為可得自優(yōu)利訊巴爾查斯有限公司(UNAXIS Balzers LTD.)的空心管型積分器。成像系統(tǒng)64包括成像器并且通常還包括電子器件?？捎糜诒景l(fā)明的有用的反射型成像器為可得自德克薩斯州達(dá)拉斯(Dallas，Texas)的德州儀器公司(TexasInstruments)的具有約22mm對(duì)角線尺寸的XGA數(shù)字微鏡器件(DMD)。作為另外一種選擇，可將透射型或反射型液晶顯示器用作成像器。在光學(xué)引擎中，成像器的表面被布置為基本上平行于投影屏幕的表面。對(duì)一些具體實(shí)施，聚焦機(jī)構(gòu)65可通過將一個(gè)或多個(gè)下述透鏡裝配在可滑動(dòng)的或有螺紋的底座(未示出)上實(shí)現(xiàn)，所述底座可以通過手動(dòng)或通過使用電子驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)。例如，聚焦可以通過使用變焦或縮放透鏡來實(shí)現(xiàn)。作為另外一種選擇，對(duì)于具有設(shè)定在光學(xué)引擎61和顯示屏68之間的預(yù)定固定位置的投影組件而言或者對(duì)于背投影應(yīng)用而言，不需要用戶聚焦。在一些具體實(shí)施中，屏幕68可包括多層材料，例如，被構(gòu)造為如美國專利N0.6，179，426中所述的多個(gè)菲涅耳元件。屏幕可被設(shè)計(jì)為控制光強(qiáng)分布沿水平方向播散，以適應(yīng)水平就位在屏幕前面的觀看者。屏幕的替代實(shí)施例可包括多層膜工藝、雙倍增亮膜(DBEF)工藝、或VIKUITI 工藝，這些工藝均得自明尼蘇達(dá)州圣保羅(Saint Paul, Minn)的3M公司。任選的是，可在任何表面(如，墻壁或其他結(jié)構(gòu)、或者標(biāo)準(zhǔn)顯示屏)上觀看生成的圖像。在優(yōu)選實(shí)施例中，本文所述的投影透鏡為緊湊型的。投影透鏡的“緊湊性”可由多種物理特征來表征。在一個(gè)實(shí)施例中，描述了下述緊湊型投影透鏡，其具有最大透鏡直徑相對(duì)焦距的比率(即Lmax/F)。最大透鏡直徑為具有最大直徑的透鏡元件的直徑。最靠近屏幕側(cè)的透鏡通常為具有最大透鏡直徑的透鏡元件。隨著此比率的降低，透鏡組總體的直徑也降低。本文所述的緊湊型投影透鏡通常具有不大于1.5的最大透鏡直徑相對(duì)焦距的比率(Lfflax/F)。在一些實(shí)施例中，最大透鏡直徑相對(duì)焦距的比率不大于1.0。Lmax/F的最小值通常為至少0.7。在一些實(shí)施例中，Lmax/F為至少0.85或0.90。作為另外一種選擇或除此之外，本文所述的投影透鏡的“緊湊性”可由“總軌跡”或者總軌跡相對(duì)焦距的比率(即TT/F)來表征。投影透鏡的總軌跡(TT)被定義為從第一透鏡組(最靠近屏幕側(cè))的第一表面到最后透鏡組(最靠近成像器)的最后表面的總距離。術(shù)語“屏幕側(cè)”意味著投影透鏡最靠近投影屏幕的一側(cè)。本文所述的緊湊型投影透鏡通常具有不大于IOOmm或90mm的總軌跡。最小總軌跡通常為至少50mm。在一些實(shí)施例中，總軌跡不大于65mm或60mm。本文所述的緊湊型投影透鏡通常具有不大于5.5的總軌跡相對(duì)焦距(TT/F)的比率。在一些實(shí)施例中，總軌跡相對(duì)焦距的比率不大于5.0、或不大于4.0、或不大于
3.5、或不大于3.0?？傑壽E相對(duì)焦距的最小比率通常為至少2.50。在一些實(shí)施例中，總軌跡相對(duì)焦距的比率為至少2.90、或2.91、或2.92。在優(yōu)選實(shí)施例中，本文所述的投影透鏡具有由F#表征的高通過量。F#通常為至少1.2、或1.3、或1.4。在一些實(shí)施例中，F(xiàn)3為至少1.50或1.55。F#通常不大于2.4。在一些實(shí)施例中，F(xiàn)#不大于2.2、或2.0、或1.8。本文所述的投影透鏡具有至少20度且不大于50度的視場(chǎng)。在一些實(shí)施例中，視場(chǎng)為至少25、30、或35度。在一些實(shí)施例中，視場(chǎng)不大于40度、或41度、或42度。在其他實(shí)施例中，視場(chǎng)為至少40或45度。本文所述的投影透鏡具有高分辨率。分辨率是指投影透鏡可分辨的圖像的最小特征尺寸?？墒褂谜{(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來確定分辨率，所述調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)表示隨空間頻率變化的由透鏡實(shí)現(xiàn)的從物體到圖像的調(diào)制度的傳遞?？砂凑誒ptical System Design(Robert E.Fischer, Biljana Tadic-Galeb, Paul R.Roder;McGraw Hill, New York(2008),第191-198頁)中所述來計(jì)算MTF。分辨率被定義為交替的(黑色)線條和(白色)空白的最小寬度，其中全視場(chǎng)下的MTF大于或等于0.30。在一些實(shí)施例中，分辨率為10微米、或9微米、或8微米、7微米。在其他實(shí)施例中，分辨率為6微米、或5微米、或4微米。在優(yōu)選實(shí)施例中，描述了具有高通過量的緊湊型投影透鏡。具有這些特征組合的投影透鏡的一個(gè)示例性實(shí)施例示于圖2中。圖2的投影光學(xué)器件包括三個(gè)透鏡組(根據(jù)輸出側(cè)或屏幕側(cè)進(jìn)行確定):第一透鏡組(G1)、第二透鏡組(G2)、和第三透鏡組(G3)。術(shù)語“屏幕側(cè)”意味著投影透鏡最靠近投影
屏幕的一側(cè)。圖2中的示例性投影透鏡包括從屏幕側(cè)開始數(shù)起的三個(gè)透鏡組中的總共七個(gè)元件。第一透鏡組(Gl)由從屏幕側(cè)依次排列的第一透鏡元件(LI)和第二透鏡元件(L2)形成。Gl中的F1ZiF比率使得iF·i/FlM。F1ZiF可為正值或負(fù)值。然而，F(xiàn)^F通常視為“低焦度”。在一些實(shí)施例中，F(xiàn)/F為正值并且為至少5、或6、或7、或8、或9、或10。在一些實(shí)施例中，
在其他實(shí)施例中，F(xiàn)/F為負(fù)值。例如，F(xiàn)1ZiF可不大于-10、或不大于-20、或不大于-30、或不大于-40、或不大于-50、或不大于-60、或不大于-70?？讖焦怅@位于第二透鏡組內(nèi)或者第一和第二透鏡組之間。第二透鏡組(G2)由通常利用常規(guī)粘合劑粘結(jié)在一起的三個(gè)透鏡元件(包括(L3)到(L5))形成。G2具有正屈光力。G2中的F2/F比率使得0.5〈F2/F〈2。在一些實(shí)施例中，F(xiàn)2/F不大于1.5或1.2。在一些實(shí)施例中，F(xiàn)2/F小于1.0、或小于0.95。例如，F(xiàn)2/F可為至少 0.70 或 0.75。第三透鏡組(G3)由包括(L3)到(L6)在內(nèi)的四個(gè)透鏡元件形成。G3具有正屈光力。F3/F比率使得1〈F3/F〈8。在一些實(shí)施例中，F(xiàn)3/F不大于7、或6、或5、或4。在一些實(shí)施例中，F(xiàn)3/F為至少1.4、或1.6、或1.8、或2.0。如圖2所示，透明固體(如玻璃)棱鏡或偏振光分束器位于第二透鏡組(G2)和第三透鏡組(G3)之間。在一些實(shí)施例中，棱鏡不提供可測(cè)量數(shù)量的屈光力。在其他實(shí)施例中，棱鏡具有有助于第四透鏡組的屈光力的棱鏡表面。至少一個(gè)透鏡組的至少一個(gè)透鏡元件具有非球面表面。非球面表面的形狀可通過以下公式來定義:
IZ =-=^^=== + a,r +aAr4 +ahr6 ~ aKiJ + awrt0 + avru + aurlA
I +.-(l + *)eV '—
(公式I)其中Z為在距系統(tǒng)的光學(xué)軸線距離r處的表面垂度，c為透鏡在光學(xué)軸線處的曲率，單位為」一，
mmr為徑向坐標(biāo)，單位為mm，k為二次曲面常數(shù)，并且α2為二次項(xiàng)系數(shù)，04為四次項(xiàng)系數(shù)，α6為六次項(xiàng)系數(shù)，α8為八次項(xiàng)系數(shù)，α1(ι為十次項(xiàng)系數(shù)，α 12為十二次項(xiàng)系數(shù)，并且Ct14為十四次項(xiàng)系數(shù)。在一些實(shí)施例中，第二透鏡組具有非球面表面。作為另外一種選擇或除此之外，第三透鏡組可具有非球面表面。為了便于制造，具有非球面表面的各個(gè)透鏡通常由具有光學(xué)品質(zhì)的熱塑性或固化性聚合物材料形成。在一些實(shí)施例中，第一透鏡組通常不含具有非球面表面的透鏡元件。不含非球面表面的透鏡可具有較低的制造成本。在其他實(shí)施例中，第一透鏡組可具有非球面表面。當(dāng)?shù)谝煌哥R組包括非球面表面時(shí)，透鏡可具有較少的像差，然而具有較昂貴的制造成本。不含非球面表面的透鏡中的每一個(gè)均可任選地由熱塑性或固化性聚合物材料形成，但通常由玻璃形成。光學(xué)品質(zhì)透鏡材料通常具有至少約1.50的折射率。第三透鏡組在下文中進(jìn)行詳細(xì)的討論。第一透鏡組(Gl)具有負(fù)或正屈光力。第一透鏡組由多個(gè)透鏡元件(即至少兩個(gè)透鏡元件)形成。第一透鏡組通常包括具有正屈光力的第一透鏡元件和具有負(fù)屈光力的第二透鏡元件。在第一透鏡 組中，最靠近屏幕的第一透鏡元件(LI)通常具有(如三個(gè))透鏡組中所有透鏡的最大直徑。第一透鏡組中的第一透鏡元件具有足夠大的直徑，由此可在基本上沒有畸變的情況下沿著屏幕方向以大于至少20°并且通常不大于50°的視角來投影圖像。第一透鏡組的第一透鏡元件通常具有不大于50mm、或40mm的直徑。第一透鏡組的第一透鏡元件優(yōu)選具有不大于35mm或30mm的直徑。第一透鏡組的第一透鏡元件的最小直徑通常為至少 8mm、或 9mm、或 10mm、或 11mm、或 12mm、或 13mm、或 14mm、或 15mm。第一透鏡組(Gl)的全部透鏡均可由玻璃構(gòu)成并且具有球面表面。在一些實(shí)施例中，第一透鏡組(GI)為粘結(jié)在一起的雙透鏡，以有助于控制球面像差和彗差。第二透鏡組(G2)具有正屈光力。第二透鏡組可由多個(gè)(如四個(gè))透鏡元件形成。投影透鏡的孔徑光闌位于第二透明組內(nèi)或者第一和第二透鏡組之間。在一些示例性實(shí)施例中，如圖2所示，第二透鏡組包括具有正透鏡元件(L3)和負(fù)透鏡元件(L4)的雙透鏡以及具有正屈光力的兩個(gè)單透鏡(L5和L6)。第三透鏡組(G3)具有正屈光力。第三透鏡組可由單個(gè)透鏡元件(L7)形成，如圖2所示。任選的(如玻璃)棱鏡或偏振光分束器設(shè)置在第三透鏡組和成像器之間，即設(shè)置在距屏幕側(cè)最遠(yuǎn)的位置處。可調(diào)節(jié)透鏡之間的間距以平衡像差。還將結(jié)合以下實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述。根據(jù)本文的具體實(shí)施方式
，可采用投影透鏡的替代構(gòu)造，其包括透鏡元件更少、相同或更多的替代構(gòu)造，這對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是顯而易見的。
實(shí)例I以下的表1-3列出了圖2的第一實(shí)施例的常規(guī)透鏡數(shù)據(jù)、表面數(shù)據(jù)匯總、和非球面系數(shù)。以下的表2列出了從屏幕側(cè)開始依次編號(hào)的表面編號(hào)(其中表面I為最靠近第一透鏡元件LI屏幕側(cè)的表面)、每個(gè)表面的光學(xué)軸線附近的半徑(r)(毫米)、表面之間的軸向間距⑶(毫米)，并且還列出了材料類型。可通過公式曲率(C)=I/半徑來計(jì)算曲率。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，從材料類型可以確定材料的折射率和色散系數(shù)。表面O為物體表面或投影屏幕的表面。表I

權(quán)利要求
1.一種投影透鏡，包括從屏幕側(cè)依次排列的下述部件: (a)第一透鏡組； (b)具有正屈光力的第二透鏡組； (c)具有正屈光力的第三透鏡組； 并且至少一個(gè)透鏡組具有非球面表面； 其中 F為所述投影透鏡的焦距； F1為所述第一透鏡組的焦距； F2為所述第二透鏡組的焦距； F3為所述第三透鏡組的焦距； 所述焦距的比率如下: F1ZFI >5 ；0.5〈F2/F〈0.9 ;并且1〈F3/F〈8。
2.一種投影透鏡，包括從屏幕側(cè)依次排列的下述部件: (a)第一透鏡組； (b)具有正屈光力的第二透鏡組； (c)具有正屈光力的第三透鏡組； 并且至少一個(gè)透鏡組具有非球面表面； 其中 F為所述投影透鏡的焦距； F1為所述第一透鏡組的焦距； F2為所述第二透鏡組的焦距； F3為所述第三透鏡組的焦距； 所述焦距的比率如下: F1ZFI >5 ；0.5〈F2/F〈2.0 ;并且 1.4〈F3/F〈8。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的投影透鏡，其中孔徑光闌位于所述第二透鏡組內(nèi)或者所述第一和第二透鏡組之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的投影透鏡，其中所述視場(chǎng)角在所述屏幕側(cè)的方向上為至少35°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的投影透鏡，其中所述投影透鏡具有不大于2.4的F#。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任 一項(xiàng)所述的投影透鏡，其中所述投影透鏡具有不大于5.5的總軌跡相對(duì)焦距的比率。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的投影透鏡，其中所述投影透鏡具有不大于3.5的總軌跡相對(duì)焦距的比率。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的投影透鏡，其中所述投影透鏡具有不大于1.5的最大直徑相對(duì)焦距的比率。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的投影透鏡，其中所述第一透鏡組包括至少兩個(gè)透鏡兀件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影透鏡，其中所述第一透鏡組包括具有負(fù)屈光力的透鏡元件和具有正屈光力的透鏡元件。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的投影透鏡，其中所述透鏡具有不大于1.8的F#。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的投影透鏡，其中所述第二透鏡組、第三透鏡組、或它們的組合包括非球面表面。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的投影透鏡，其中所述透鏡還包括位于所述第二和第三透鏡組之間的偏振光分束器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的投影透鏡，其中所述透鏡還包括位于所述第二和第三透鏡組之間的棱鏡。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的投影透鏡，其中所述棱鏡包括有助于所述第三透鏡組的屈光力的透鏡表面。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的投影透鏡，其中所述透鏡具有6微米的分辨率。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的投影透鏡，其中所述第一和第二透鏡組的組合具有所述總光強(qiáng)度的至少50%。
18.一種光學(xué)引擎，包括: (a)照明系統(tǒng)； (b)成像系統(tǒng)；和 (c)根據(jù)權(quán)利要求1-17所述的投影透鏡。
19.一種前投影顯示裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求18所述的光學(xué)引擎。
20.一種背投影顯示裝置 ，包括根據(jù)權(quán)利要求18所述的光學(xué)引擎。
全文摘要
本發(fā)明描述了下述投影透鏡，其具有改善的特性，例如高通過量。在一個(gè)實(shí)施例中，描述了下述投影透鏡，其包括從屏幕側(cè)依次排列的第一透鏡組、具有正屈光力的第二透鏡組、和具有正屈光力的第三透鏡組。至少一個(gè)透鏡組具有非球面表面。投影透鏡的焦距(F)相對(duì)透鏡組中的每一個(gè)的焦距(F1、F2、和F3)的比率使得|F1/F|>5、0.5<|F2/F|<0.9、并且1<F3/F<8。在另一個(gè)實(shí)施例中，描述了下述投影透鏡，其包括從屏幕側(cè)依次排列的第一透鏡組、具有正屈光力的第二透鏡組、和具有正屈光力的第三透鏡組。至少一個(gè)透鏡組具有非球面表面。投影透鏡的焦距(F)相對(duì)透鏡組中的每一個(gè)的焦距(F1、F2、和F3)的比率使得|F1/F|>5、0.5<|F2/F|<2.0、并且1.4<F3/F<8。
文檔編號(hào)H04N5/74GK103081458SQ201180041619
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
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