[发明专利]具有大的后焦距与焦距之比的投影透镜

说明书

本发明涉及一种投影透镜组，尤其涉及一种可以特别用来形成由象素组成的物体(例如LCD或DMD)的象的投影透镜组。

投影透镜系统(本文中也称为“投影系统”)用来在观察屏幕上形成物体的象这种系统的基本结构如图7所示，图中，标号10为光源(例如卤-钨灯)，标号12为形成光源的象的照明光学装置(下文中称为照明系统的“输出”)标号14为要投影的物体(例如接通(on)和断开(off)的象素的阵列)，标号13为由多个透镜元件组成并在观察屏幕16上形成物体14的放大象的投影透镜。图7绘出的是LCD板的情况，这种情况下照明系统的输出投射板的后背并穿过那些透明的象素。另一方面，DMD通过反射而工作，因而照明系统的输出通过棱镜或类似的装置引到板的前面。

其中的物体是象素化板的投影透镜系统用于作各种不同的应用场合，包括数据显示系统。这种投影透镜系统最好采用单个的投影透镜，该透镜形成具有如红、绿和蓝象素的单块板，或三块单独的板的象，每块板用于一种颜色。在某些情况下，采用两块板，每块板用于两种颜色(例如红和绿)，而另一块板用于一种颜色(例如蓝色)。用于两种颜色的板有一个旋转滤光片轮(spinning filter wheel)或类似的装置，并且与滤光片同步地交替将两种颜色的信息馈送给板。

人们需要一种与象素化的板一起使用的投影透镜，这种象素化的板同时具有至少下述性能：(1)很长的后焦长度，例如，后焦距至少大于透镜焦距的三倍；(2)高水平的颜色校正；(3)低畸变；(4)对温度变化的低灵敏度。

需要后焦距(即从最后一个透镜表面到象素化板的距离)较长，特别是在使用多块板的情况下更是如此，以容纳光学元件，例如滤光片、分束镜、棱镜等，这些光学元件用来组合来自不同颜色的光路的光，透镜系统将该光投射到观察屏幕上。另外，对于相当大的输出距离，长后焦距使得照明系统的输出位于投影透镜的附近。要求相当大的输出距离是因为它们对于象素化板处的光提供了相当小的入射角，这在LCD在板的情况下尤其重要。

高水平的颜色校正很重要是因为在象素化板的象中可以容易地看到色差，使象素模糊不清，或者在极端的情况下，是象素完全从象中。这些问题在场的边缘处通常最严重。一般说来，在象素化板处测量的颜色校正应当好于约一个象素，最后好于半个象素，以避免这些问题。

系统的所有色差都需要被涉及到，而横向颜色、彗形象差的颜色改变及象散色差通常最为复杂。横向颜色(即放大倍数随颜色而改变)是最麻烦的，这是因为其自身表现在对比度的下降，特别是在场的边缘处。在极端的情况下，可以看到满场区域中的虹彩效应。

在采用阴极射线管(CRT)的投影系统中，少量的(残余)横向颜色例如可以通过如相对于蓝色CRT上产生的图象的尺寸减小在红色CRT表面上产生的图象的尺寸用电子学的方法作补偿。然而采用象素化板，是不能够进行这样的调节的，这是因为图象是数字化的，并且因此不寸可能平滑调节全场观察的尺寸。因此需要从投影透镜得到高水平的横向颜色校正。

采用象素化板来显示数据对校正畸变有严格的要求。这是因为在观察数据时即使在透镜观察场的极端点处也要求图像质量良好。在下面读者将看到，被显示的数字或字母的无畸变图象在场的边缘处与在中心处是一样重要的。再有，投影透镜经常与偏置板一起使用，例如，图1所示的透镜就是为此用途而设计的。在这种情况下，观察屏幕上的畸变不会的对称于通过屏幕中心处的水平线而改变，但会例如从屏幕的底部到顶部单调的增加。这种效果使得很少量的畸变也能被观察者观察到。

为了产生具有足够亮度的图象，必须有大量的光通过投影透镜。因而室温与透镜的工作温度之间通常存在显著的温差。另外，要求透镜能够在各种环境条件下工作。例如，投影透镜系统经常被安装在房间的天花板上，该房间可能包含房屋的屋顶，而屋顶处的环境温度可以大大高于40℃。为了消除这些影响，要求报影透镜的光学性能对温度变化相当不灵敏。

解决温度灵敏问题的一个途径是使用由玻璃组成的透镜元件。与塑料相比，玻璃元件的曲率半径的变化通常比塑料元件的曲率半径的变化要小。但是，玻璃元件通常比塑料元件贵，特别是为控制色差而需要采用非球面表面时更是如此。如下所述，可以采用塑料元件，并且如果恰当选择塑料元件的光焦度和位置，仍然可以实现对温度不灵敏。

下述投影透镜满足了所有上述要求，并且可以成功地用来产生低成本的投影透镜系统，这种系统能够在观察屏幕上形成象素化板的高质量彩色图象。