專利名稱：適應(yīng)性強(qiáng)的微顯示投影透鏡族的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及投影鏡頭，更具體地說，涉及對(duì)于多種優(yōu)化參數(shù)都具有良好性能的透鏡族。
背景技術(shù)：
在微顯示系統(tǒng)中，從成像器輸出的調(diào)制過的光由投影透鏡系統(tǒng)投影到屏幕上以形成可視圖像。用于現(xiàn)有微顯示系統(tǒng)的投影透鏡系統(tǒng)通常包括11到13個(gè)透鏡元件。為了產(chǎn)生可視圖像，投影透鏡系統(tǒng)必須具有較高性能。為滿足性能要求所需的透鏡元件的數(shù)目和質(zhì)量可能導(dǎo)致透鏡系統(tǒng)成本很高。此外，現(xiàn)有的投影鏡頭通常是為具體應(yīng)用場(chǎng)合定制的，導(dǎo)致透鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本高昂，且靈活性有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種投影透鏡系統(tǒng)，它包括雙高斯式結(jié)構(gòu)，在透鏡系統(tǒng)的開始處和末端處具有非球面透鏡元件，在非球面透鏡之間設(shè)有系統(tǒng)光闌，每個(gè)非球面透鏡與系統(tǒng)光闌之間具有消色差透鏡元件對(duì)。
本發(fā)明還提供了一種投影透鏡族，它包括多個(gè)透鏡系統(tǒng)，每個(gè)透鏡系統(tǒng)具有雙高斯式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，所述基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在透鏡系統(tǒng)的開始處和末端處具有非球面透鏡元件，在非球面透鏡元件之間設(shè)有系統(tǒng)光闌，每個(gè)非球面透鏡與系統(tǒng)光闌之間具有消色差透鏡元件對(duì)。每個(gè)透鏡系統(tǒng)都得到了優(yōu)化以提供不同的成本/性能選擇。


本發(fā)明將參考下列附圖進(jìn)行說明，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例的一種示例性投影透鏡系統(tǒng)，它包括用于透鏡系統(tǒng)族的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；圖2示出了圖1中的示例性投影透鏡系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)的一組計(jì)算曲線；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例，采用長(zhǎng)鏡頭的可替換示例性投影透鏡系統(tǒng)；圖4示出了圖3中的示例性投影透鏡系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)的一組計(jì)算曲線；圖5示出了圖3中的示例性投影透鏡系統(tǒng)場(chǎng)曲失真的一組計(jì)算曲線；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，采用了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和附加非球面透鏡的可替換示例性投影透鏡系統(tǒng)；圖7示出了圖6中的示例性投影透鏡系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)的一組計(jì)算曲線；圖8示出了圖6中的示例性投影透鏡系統(tǒng)場(chǎng)曲失真的一組計(jì)算曲線；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，采用了長(zhǎng)鏡頭和附加非球面透鏡的可替換示例性投影透鏡系統(tǒng)；圖10示出了圖9中的示例性投影透鏡系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)的一組計(jì)算曲線；圖11示出了圖9中的示例性投影透鏡系統(tǒng)場(chǎng)曲失真的一組計(jì)算曲線；圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，采用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和附加消色差透鏡的可替換示例性投影透鏡系統(tǒng)；圖13示出了圖12中的示例性投影透鏡系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)的一組計(jì)算曲線；圖14示出了圖12中的示例性投影透鏡系統(tǒng)場(chǎng)曲失真的一組計(jì)算曲線；圖15示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，采用了長(zhǎng)鏡頭和附加消色差透鏡的可替換示例性投影透鏡系統(tǒng)；圖16示出了圖15中的示例性投影透鏡系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)的一組計(jì)算曲線；圖17示出了圖15中的示例性投影透鏡系統(tǒng)場(chǎng)曲失真的一組計(jì)算曲線；圖18示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，采用附加非球面透鏡和附加消色差透鏡，并且附加的消色差透鏡上具有非球面的可替換示例性投影透鏡系統(tǒng)；圖19示出了圖18中的示例性投影透鏡系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)的一組計(jì)算曲線；
圖20示出了圖18中的示例性投影透鏡系統(tǒng)場(chǎng)曲失真的一組計(jì)算曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用6到9個(gè)透鏡元件提供了具有良好性能的投影透鏡系統(tǒng)，還提供了透鏡系統(tǒng)族，所述透鏡系統(tǒng)族給具體應(yīng)用提供了在性能/成本之間進(jìn)行平衡的機(jī)會(huì)，以便以對(duì)于該應(yīng)用最低的成本獲得所需性能而無需定制設(shè)計(jì)。如圖1、3、6、9、12、15和18所示的投影透鏡系統(tǒng)族，是根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實(shí)施例提供的。對(duì)于該示例性透鏡族中的透鏡系統(tǒng)，計(jì)算所得性能如圖2、4、5、7、8、10、11、13、14、16、17、19和20所示。這族示例性的透鏡系統(tǒng)提供了適應(yīng)性強(qiáng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有各種性能增強(qiáng)變體以允許在成本/性能之間進(jìn)行平衡來滿足特定應(yīng)用的需要而無需定制設(shè)計(jì)。示例性透鏡族中的透鏡系統(tǒng)從成像器(未示出)接收光經(jīng)過調(diào)制的象素的輸出矩陣，并將其投影到屏幕(未示出)上以提供可視圖像。透鏡系統(tǒng)族提供了多個(gè)帶有6到9個(gè)透鏡元件的高性能投影透鏡系統(tǒng)，與11到13個(gè)透鏡元件的透鏡系統(tǒng)相比，降低了成本。
圖示的透鏡系統(tǒng)族中每個(gè)透鏡系統(tǒng)都具有圖1所示的基本結(jié)構(gòu)10?；窘Y(jié)構(gòu)10包括6個(gè)透鏡元件。兩個(gè)丙烯酸非球面透鏡(即非球面)81、85(分別是最前面和最后面的透鏡)設(shè)在透鏡系統(tǒng)10的相反端，各形成一個(gè)非球面透鏡元件。兩個(gè)玻璃消色差鏡頭(即消色差透鏡)82、84(由便宜的玻璃型號(hào)制成)設(shè)置在非球面81、85之間，光闌83設(shè)在消色差透鏡82、84之間。每個(gè)消色差透鏡82、84包括兩個(gè)球面透鏡元件(即具有均勻球面幾何形狀的透鏡元件)。第二非球面透鏡85的兩個(gè)表面都具有前向曲率(即正半徑)。第一非球面透鏡81中，第一表面81a具有后向曲率(即負(fù)半徑)，而第二表面81b具有前向曲率。第一消色差透鏡82具有限定了兩個(gè)透鏡元件82x、82y的三個(gè)表面82a、82b和82c。第一表面82a具有負(fù)方向的曲率，第二表面82b和第三表面82c具有正方向的曲率。第二消色差透鏡84也具有限定了兩個(gè)透鏡元件84x、84y的三個(gè)表面83a、83b和83c。第二消色差透鏡84的每個(gè)表面84a、84b和84c都具有負(fù)方向的曲率。消色差透鏡元件由便宜的玻璃制成，例如SF14、SF15、BAK1和BALF4。
表1中提供了示例性基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中透鏡81、82、84、85的表面數(shù)據(jù)，表2中提供了非球面系數(shù)。這些示例性透鏡表面是發(fā)明人采用ZEMAXTM軟件結(jié)合發(fā)明人確定的新穎特性來開發(fā)的。厚度值是到前一表面的距離(即對(duì)于透鏡元件后表面的厚度，是指該透鏡元件的厚度，對(duì)于透鏡前表面的厚度，是指該透鏡前面的空氣間隙)。
表1(單位為毫米)

表2


投影透鏡系統(tǒng)設(shè)在成像器(未示出)與觀察屏幕(未示出)之間。成像器提供光象素的矩陣，象素的強(qiáng)度根據(jù)供給成像器的信號(hào)進(jìn)行了調(diào)制。在使用LCOS成像器的微顯示情況下，來自成像器的輸出穿過偏振分束器，即PBS(未示出)，并進(jìn)入包括單個(gè)非球面透鏡元件的第一非球面81，第一非球面81將被調(diào)制的光矩陣導(dǎo)入第一消色差透鏡82。第一消色差透鏡82包括由例如膠連接的兩個(gè)球透鏡元件82x、82y。第一消色差透鏡82對(duì)光進(jìn)行聚焦，使其在透鏡系統(tǒng)的光闌83處會(huì)聚并倒轉(zhuǎn)。在經(jīng)過系統(tǒng)光闌83之后，光矩陣是發(fā)散的，直到進(jìn)入第二消色差透鏡84。第二消色差透鏡84使光矩陣會(huì)聚并將光矩陣導(dǎo)入第二非球面透鏡85。第二非球面透鏡85以發(fā)散方式將光矩陣投影到觀察屏幕上，使光象素分布在整個(gè)觀察屏幕上。
圖2示出了對(duì)于上述基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)10，計(jì)算得到的光學(xué)傳遞函數(shù)的模(MTF)。這些值是用ZEMAXTM軟件計(jì)算得到的。如圖2所示，對(duì)于每毫米36周的空間頻率，MTF在最差位置處大于約0.48。對(duì)于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)10，用ZEMAXTM軟件確定的失真，也稱為網(wǎng)格畸變，約為0.55％，這表明在最差位置，來自寬度200象素矩陣的成像器的特定象素的光會(huì)投影到觀察屏幕上距離預(yù)計(jì)位置或最佳位置約半個(gè)象素寬度的位置處。
表1的厚度值之和表明，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提供的系統(tǒng)長(zhǎng)度小于1050毫米。
圖3示出示例性透鏡系統(tǒng)族中的第一優(yōu)化透鏡系統(tǒng)110。第一優(yōu)化透鏡系統(tǒng)110類似于上述基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)10，順序地包括具有兩個(gè)表面181a、181b的第一非球面透鏡181；具有三個(gè)表面182a、182b和182c的第一消色差透鏡182；系統(tǒng)光闌183；具有三個(gè)表面184a、184b和184c的第二消色差透鏡184以及具有兩個(gè)表面185a、185b的第二非球面透鏡185。
表3給出了示例性第一優(yōu)化透鏡系統(tǒng)的透鏡181、182、184、185的表面數(shù)據(jù)，表4給出了非球面系數(shù)。這些示例性透鏡表面是發(fā)明人采用ZEMAXTM軟件結(jié)合發(fā)明人確定的新穎特性來開發(fā)的。厚度值是到前一表面的距離(即對(duì)于透鏡元件后表面的厚度，是指該透鏡元件的厚度，對(duì)于透鏡前表面的厚度，是指該透鏡前面的空氣間隙)。
表3中半徑的符號(hào)表明，第一優(yōu)化透鏡系統(tǒng)110的表面曲率方向與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)表面相同。第一優(yōu)化透鏡系統(tǒng)110與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)10的不同之處在于第一優(yōu)化透鏡系統(tǒng)110的透鏡元件具有比基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)10的相應(yīng)表面更大的厚度。
第一優(yōu)化透鏡系統(tǒng)110與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)10的不同，在于第一優(yōu)化透鏡系統(tǒng)110的透鏡元件厚度沒有短系統(tǒng)的約束條件，因此大于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)10中相應(yīng)透鏡元件的厚度。第一優(yōu)化透鏡系統(tǒng)110的表面數(shù)據(jù)是對(duì)于新的約束條件(即系統(tǒng)長(zhǎng)度)進(jìn)行優(yōu)化的。雖然增大透鏡元件厚度提高了第一優(yōu)化透鏡系統(tǒng)110的性能，但是也由于與更厚的透鏡元件相關(guān)的材料消耗而提高了成本。此外，由于表3中厚度值的總和表明，第一優(yōu)化透鏡系統(tǒng)100的總長(zhǎng)度大于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)10的長(zhǎng)度，所以由于需要更大的管子來容納更大的系統(tǒng)長(zhǎng)度，也會(huì)導(dǎo)致成本增加。因此，第一優(yōu)化透鏡系統(tǒng)110通過以成本為代價(jià)提供了更好的性能，相對(duì)于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，它在性能/成本之間進(jìn)行了一種平衡。
表3


表4

圖4和圖5示出了對(duì)于第一優(yōu)化透鏡系統(tǒng)110，用ZEMAXTM軟件計(jì)算得到的性能數(shù)據(jù)。如圖4所示，第一優(yōu)化透鏡系統(tǒng)110的MTF在每毫米36周時(shí)大于0.6。如圖5所示，由于場(chǎng)曲引起的失真小于0.5％，得到的網(wǎng)格畸變小于約0.21％。
圖6示出第二優(yōu)化透鏡系統(tǒng)210。第二優(yōu)化透鏡系統(tǒng)210順序地設(shè)有與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)10中的透鏡81、82、84、85和系統(tǒng)光闌83相應(yīng)的第一非球面透鏡281、第一消色差透鏡282、系統(tǒng)光闌283、第二消色差透鏡284以及第二非球面透鏡285。另外，第一非球面透鏡281與第一消色差透鏡282之間設(shè)有第三非球面透鏡286。第二優(yōu)化透鏡系統(tǒng)210的表面數(shù)據(jù)是為新的約束條件(即增加了非球面透鏡)優(yōu)化的。
表5給出了示例性第二優(yōu)化透鏡系統(tǒng)的透鏡281、282、284、285、286的表面數(shù)據(jù)，表6給出了非球面系數(shù)。這些示例性透鏡表面是發(fā)明人采用ZEMAXTM軟件結(jié)合發(fā)明人確定的新穎特性來開發(fā)的。厚度值是到前一表面的距離(即對(duì)于透鏡元件后表面的厚度，是指該透鏡元件的厚度，對(duì)于透鏡前表面的厚度，是指該透鏡前面的空氣間隙)。表5中半徑的符號(hào)表明，第二優(yōu)化透鏡系統(tǒng)210的表面曲率方向與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)表面相同。
雖然增加的非球面透鏡286增強(qiáng)了第二優(yōu)化透鏡系統(tǒng)210的性能，但是由于與所加透鏡有關(guān)的材料和處理成本，所以也增加了系統(tǒng)成本。因此，第二優(yōu)化透鏡系統(tǒng)210相對(duì)于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和第一優(yōu)化透鏡系統(tǒng)110，在性能/成本之間進(jìn)行了一種平衡。
表5

表6


表6(續(xù))

圖7和圖8示出了對(duì)于第二優(yōu)化透鏡系統(tǒng)210，用ZEMAXTM軟件計(jì)算得到的性能數(shù)據(jù)。如圖7所示，第二優(yōu)化透鏡系統(tǒng)210的MTF在每毫米36周時(shí)大于0.5。如圖8所示，由于場(chǎng)曲引起的失真小于0.5％，得到的網(wǎng)格畸變小于約0.37％。
圖9示出第三優(yōu)化透鏡系統(tǒng)310。第三優(yōu)化透鏡系統(tǒng)310順序地設(shè)有與第二優(yōu)化透鏡系統(tǒng)210中的透鏡281、286、282、284、285和系統(tǒng)光闌283相應(yīng)的第一非球面透鏡381、第三非球面透鏡386、第一消色差透鏡382、系統(tǒng)光闌383、第二消色差透鏡384以及第二非球面透鏡385。第三優(yōu)化透鏡系統(tǒng)310與第二優(yōu)化透鏡系統(tǒng)210的不同之處在于第三優(yōu)化透鏡系統(tǒng)310的透鏡元件厚度沒有短系統(tǒng)的約束條件，因此大于第二優(yōu)化透鏡系統(tǒng)210中相應(yīng)透鏡元件的厚度。第三優(yōu)化透鏡系統(tǒng)310的表面數(shù)據(jù)對(duì)新的約束條件(即系統(tǒng)長(zhǎng)度)進(jìn)行了優(yōu)化。雖然增大透鏡元件厚度提高了第三優(yōu)化透鏡系統(tǒng)310的性能，但是也由于與更厚的透鏡元件相關(guān)的材料消耗而提高了成本。第三優(yōu)化透鏡系統(tǒng)310的表面數(shù)據(jù)對(duì)新的約束條件(即厚度約束)進(jìn)行了優(yōu)化。
表7給出了示例性第三優(yōu)化透鏡系統(tǒng)的透鏡381、382、384、385、386的表面數(shù)據(jù)，表8給出了非球面系數(shù)。這些示例性透鏡表面是發(fā)明人采用ZEMAXTM軟件結(jié)合發(fā)明人確定的新穎特性來開發(fā)的。厚度值是到前一表面的距離(即對(duì)于透鏡元件后表面的厚度，是指該透鏡元件的厚度，對(duì)于透鏡前表面的厚度，是指該透鏡前面的空氣間隙)。表7中半徑的符號(hào)表明，第三優(yōu)化透鏡系統(tǒng)310的表面曲率方向與第二優(yōu)化透鏡系統(tǒng)210的相應(yīng)表面相同。
表7

表8

表8(續(xù))

圖10和圖11示出了對(duì)于第三優(yōu)化透鏡系統(tǒng)310，用ZEMAXTM軟件計(jì)算得到的性能數(shù)據(jù)。如圖10所示，第三優(yōu)化透鏡系統(tǒng)310的MTF在每毫米36周時(shí)大于0.7。如圖11所示，由于場(chǎng)曲引起的失真小于0.6％，得到的網(wǎng)格畸變小于約0.53％。
圖12示出第四優(yōu)化透鏡系統(tǒng)410。第四優(yōu)化透鏡系統(tǒng)410順序地設(shè)有與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)10中的透鏡81、82、84、85和系統(tǒng)光闌83相應(yīng)的第一非球面透鏡481、第一消色差透鏡482、系統(tǒng)光闌483、第二消色差透鏡484以及第二非球面透鏡485。另外，第三消色差透鏡486設(shè)在第一非球面透鏡481與第一消色差透鏡482之間。第四優(yōu)化透鏡系統(tǒng)410的表面數(shù)據(jù)對(duì)新的約束(即增加的消色差透鏡)進(jìn)行了優(yōu)化。
表9給出了示例性第四優(yōu)化透鏡系統(tǒng)的透鏡481、482、484、485、486的表面數(shù)據(jù)，表10給出了非球面系數(shù)。這些示例性透鏡表面是發(fā)明人采用ZEMAXTM軟件結(jié)合發(fā)明人確定的新穎特性來開發(fā)的。厚度值是到前一表面的距離(即對(duì)于透鏡元件后表面的厚度，是指該透鏡元件的厚度，對(duì)于透鏡前表面的厚度，是指該透鏡前面的空氣間隙)。表9中半徑的符號(hào)表明，第四優(yōu)化透鏡系統(tǒng)410的表面曲率方向與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)表面相同。
雖然增加的消色差透鏡486增強(qiáng)了第四優(yōu)化透鏡系統(tǒng)410的性能，但是由于與所加透鏡有關(guān)的材料和處理成本，所以也增加了系統(tǒng)成本。因此，第四優(yōu)化透鏡系統(tǒng)410相對(duì)于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和其他優(yōu)化透鏡系統(tǒng)，在性能/成本之間進(jìn)行了一種平衡。
表9


表10

圖13和圖14示出了對(duì)于第四優(yōu)化透鏡系統(tǒng)410，用ZEMAXTM軟件計(jì)算得到的性能數(shù)據(jù)。如圖13所示，第四優(yōu)化透鏡系統(tǒng)410的MTF在每毫米36周時(shí)大于約0.45。如圖14所示，由于場(chǎng)曲引起的失真小于0.3％，得到的網(wǎng)格畸變小于約0.11％。
圖15示出第五優(yōu)化透鏡系統(tǒng)510。第五優(yōu)化透鏡系統(tǒng)510順序地設(shè)有與第四優(yōu)化透鏡系統(tǒng)410的透鏡481、486、482、484、485和系統(tǒng)光闌483相應(yīng)的第一非球面透鏡581、第三消色差透鏡586、第一消色差透鏡582、系統(tǒng)光闌583、第二消色差透鏡584以及第二非球面透鏡585。第五優(yōu)化透鏡系統(tǒng)510與第四優(yōu)化系統(tǒng)410的不同之處在于第五優(yōu)化透鏡系統(tǒng)510的透鏡元件厚度沒有短系統(tǒng)的約束條件，因此大于第四優(yōu)化透鏡系統(tǒng)410中相應(yīng)透鏡元件的厚度。第五優(yōu)化透鏡系統(tǒng)510的表面數(shù)據(jù)對(duì)新的約束條件進(jìn)行了優(yōu)化。
表11給出了示例性第五優(yōu)化透鏡系統(tǒng)的透鏡581、582、584、585、586的表面數(shù)據(jù)，表12給出了非球面系數(shù)。這些示例性透鏡表面是發(fā)明人采用ZEMAXTM軟件結(jié)合發(fā)明人確定的新穎特性來開發(fā)的。厚度值是到前一表面的距離(即對(duì)于透鏡元件后表面的厚度，是指該透鏡元件的厚度，對(duì)于透鏡前表面的厚度，是指該透鏡前面的空氣間隙)。表11中半徑的符號(hào)表明，第五優(yōu)化透鏡系統(tǒng)510的表面曲率方向與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)表面相同。
雖然增加的消色差透鏡586和更長(zhǎng)的鏡頭增強(qiáng)了第五優(yōu)化透鏡系統(tǒng)510的性能，但是由于與所加透鏡有關(guān)的材料和處理成本，所以也增加了系統(tǒng)成本。因此，第五優(yōu)化透鏡系統(tǒng)510相對(duì)于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和其他優(yōu)化透鏡系統(tǒng)，在性能/成本之間進(jìn)行了一種平衡。
表11

表12


圖16和圖17示出了對(duì)于第五優(yōu)化透鏡系統(tǒng)510，用ZEMAXTM軟件計(jì)算得到的性能數(shù)據(jù)。如圖16所示，第五優(yōu)化透鏡系統(tǒng)510的MTF在每毫米36周時(shí)大于0.55。如圖17所示，由于場(chǎng)曲引起的失真小于0.4％，得到的網(wǎng)格畸變小于約0.16％。
圖18示出第六優(yōu)化透鏡系統(tǒng)610。第六優(yōu)化透鏡系統(tǒng)610順序地設(shè)有與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)10中的透鏡81、82、84、85和系統(tǒng)光闌83相應(yīng)的第一非球面透鏡681、第一消色差透鏡682、系統(tǒng)光闌683、第二消色差透鏡684以及第二非球面透鏡685。另外，第三消色差透鏡686設(shè)在第一非球面透鏡681與第一消色差透鏡682之間，第三非球面透鏡687設(shè)在第二消色差透鏡684與第二非球面透鏡685之間。而且，消色差透鏡683、684和686不限于球面形狀，而可以采用非球面形狀來進(jìn)行優(yōu)化。第六優(yōu)化透鏡系統(tǒng)610的表面數(shù)據(jù)對(duì)新的約束(即增加的消色差透鏡)進(jìn)行了優(yōu)化。
表13給出了示例性第六優(yōu)化透鏡系統(tǒng)的透鏡681、682、684、685、686、687的表面數(shù)據(jù)，表14給出了非球面系數(shù)。這些示例性透鏡表面是發(fā)明人采用ZEMAXTM軟件結(jié)合發(fā)明人確定的新穎特性來開發(fā)的。厚度值是到前一表面的距離(即對(duì)于透鏡元件后表面的厚度，是指該透鏡元件的厚度，對(duì)于透鏡前表面的厚度，是指該透鏡前面的空氣間隙)。表13中半徑的符號(hào)表明，第六優(yōu)化透鏡系統(tǒng)610的表面曲率方向與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)表面相同。
雖然增加的消色差透鏡686和增加的球面透鏡687以及消色差透鏡682、684、686上的非球表面增強(qiáng)了第六優(yōu)化透鏡系統(tǒng)610的性能，但是由于與所加透鏡和復(fù)雜幾何形狀有關(guān)的材料和處理成本，所以也增加了系統(tǒng)成本。因此，第六優(yōu)化透鏡系統(tǒng)610相對(duì)于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和其他優(yōu)化透鏡系統(tǒng)，在性能/成本之間進(jìn)行了一種平衡。
表13

表14


表14(續(xù))

表14(續(xù))

圖19和圖20示出了對(duì)于第六優(yōu)化透鏡系統(tǒng)610，用ZEMAXTM軟件計(jì)算得到的性能數(shù)據(jù)。如圖19所示，第六優(yōu)化透鏡系統(tǒng)610的MTF在每毫米36周時(shí)大于0.65。如圖20所示，由于場(chǎng)曲引起的失真小于0.35％，得到的網(wǎng)格畸變小于約0.30％。
上述示例性投影透鏡系統(tǒng)族提供了多個(gè)透鏡系統(tǒng)，每個(gè)透鏡系統(tǒng)包括雙高斯式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，透鏡系統(tǒng)的開始處和末端處具有非球面透鏡元件，它們之間設(shè)有系統(tǒng)光闌，每個(gè)非球面透鏡與系統(tǒng)光闌之間設(shè)有消色差透鏡元件對(duì)。對(duì)每個(gè)透鏡系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，提供了不同的成本/性能選擇。因此，可以對(duì)透鏡系統(tǒng)族中的元件進(jìn)行選擇以獲得所需的性能，免去了為獲得更好性能而設(shè)計(jì)透鏡系統(tǒng)導(dǎo)致的成本，也不必為特定應(yīng)用而對(duì)透鏡系統(tǒng)進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。由于雙高斯式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，根據(jù)本發(fā)明的每種示例性透鏡系統(tǒng)還用比現(xiàn)有投影透鏡系統(tǒng)更少的透鏡元件提供了良好的性能。
整個(gè)透鏡族中每個(gè)元件的曲率方向并不因?yàn)橛锰砑拥脑?或更長(zhǎng)的透鏡長(zhǎng)度對(duì)透鏡系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化而改變。透鏡系統(tǒng)在0.48％的MTF(最差位置)和0.55％的失真(6個(gè)元件的短結(jié)構(gòu))到0.69的MTF(最差位置)和0.30％的失真(9個(gè)元件)之間提供了多種性能選擇。
上文對(duì)本發(fā)明的某些可能實(shí)施方式進(jìn)行了說明。在本發(fā)明的范圍和精神之內(nèi)，可以有許多其他的實(shí)施方式。因此，上文的說明應(yīng)當(dāng)理解為示例性而不是限制性的，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其所有的等同物一起限定。例如，上文的說明和附圖示出了單一成像器的LCOS系統(tǒng)中透鏡的情況，所述系統(tǒng)在LCOS成像器與第一透鏡元件之間具有22mm厚的SF2PBS。但透鏡族也可以適用于其他尺寸的LCOS系統(tǒng)，以及用TIR棱鏡代替PBS的DLPTM系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種投影透鏡族，包括多個(gè)透鏡系統(tǒng)，每個(gè)所述透鏡系統(tǒng)具有雙高斯式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，所述基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在所述透鏡系統(tǒng)的開始處和末端處具有非球面透鏡，在所述非球面透鏡之間設(shè)有系統(tǒng)光闌，每個(gè)非球面透鏡與所述系統(tǒng)光闌之間具有消色差透鏡元件對(duì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影透鏡族，其中，在所述投影透鏡族中，所述透鏡的長(zhǎng)度不同。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的投影透鏡族，其中，所述透鏡系統(tǒng)中至少一個(gè)針對(duì)小于1050毫米的系統(tǒng)長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影透鏡族，其中，通過將一個(gè)或多個(gè)透鏡元件加入所述透鏡系統(tǒng)開始處和末端處的非球面透鏡之間的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對(duì)所述透鏡系統(tǒng)中至少一個(gè)進(jìn)行優(yōu)化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影透鏡族，其中，對(duì)于所述透鏡族中的透鏡系統(tǒng)，所述透鏡元件的曲率方向不發(fā)生改變。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影透鏡族，其中，對(duì)所述透鏡系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使最大失真在約0.55％到約0.30％之間變化，模量傳遞函數(shù)在約0.48到約0.69之間變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的投影透鏡族，其中，所述透鏡系統(tǒng)采用6到9個(gè)透鏡元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影透鏡族，其中，至少一個(gè)透鏡系統(tǒng)所用的所述消色差透鏡元件對(duì)由便宜的玻璃材料組合形成，所述玻璃材料選自由SF14、SF15、BAK1和BALF4組成的組中。
9.一種投影透鏡系統(tǒng)，包括雙高斯結(jié)構(gòu)，所述雙高斯結(jié)構(gòu)在所述透鏡系統(tǒng)的開始處和末端處具有非球面透鏡，在所述非球面透鏡之間設(shè)有系統(tǒng)光闌，每個(gè)非球面透鏡與所述系統(tǒng)光闌之間具有消色差透鏡元件對(duì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影透鏡系統(tǒng)，其中，所述透鏡系統(tǒng)能夠提供小于約0.55％的最大失真和至少約0.48的模量傳遞函數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的投影透鏡系統(tǒng)，其中，至少一個(gè)透鏡系統(tǒng)所用的所述消色差透鏡元件對(duì)由便宜的玻璃材料組合形成，所述玻璃材料選自由SF14、SF15、BAK1和BALF4組成的組中。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的投影透鏡系統(tǒng)，其中，所述透鏡系統(tǒng)具有至少六個(gè)透鏡元件，但不超過九個(gè)透鏡元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影透鏡系統(tǒng)，還包括附加的非球面透鏡，所述附加的非球面透鏡設(shè)于在所述透鏡系統(tǒng)開始處的非球面透鏡與位于在所述透鏡系統(tǒng)開始處的非球面透鏡與所述系統(tǒng)光闌之間的消色差透鏡之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影透鏡系統(tǒng)，還包括附加的消色差透鏡對(duì)，所述附加的消色差透鏡對(duì)設(shè)于在所述透鏡系統(tǒng)開始處的非球面透鏡與位于所述透鏡系統(tǒng)開始處的非球面透鏡與所述系統(tǒng)光闌之間的消色差透鏡之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的投影透鏡系統(tǒng)，還包括附加的非球面透鏡和附加的消色差透鏡，所述附加的非球面透鏡設(shè)在所述透鏡系統(tǒng)末端處的非球面透鏡與所述系統(tǒng)光闌之間，所述附加的消色差透鏡設(shè)在所述透鏡系統(tǒng)開始處的非球面透鏡與所述系統(tǒng)光闌之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影透鏡系統(tǒng)，其中，所述透鏡系統(tǒng)針對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)度小于1050毫米的鏡頭進(jìn)行了優(yōu)化。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種投影透鏡系統(tǒng)，它包括雙高斯式結(jié)構(gòu)，在透鏡系統(tǒng)的開始處和末端處具有非球面透鏡元件，在非球面透鏡元件之間設(shè)有系統(tǒng)光闌，每個(gè)非球面透鏡與系統(tǒng)光闌之間具有消色差透鏡元件對(duì)。本發(fā)明還提供了一種投影透鏡族，它包括多個(gè)透鏡系統(tǒng)，每個(gè)透鏡系統(tǒng)具有雙高斯式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，所述基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在透鏡系統(tǒng)的開始處和末端處具有非球面透鏡元件，在非球面透鏡元件之間設(shè)有系統(tǒng)光闌，每個(gè)非球面透鏡與系統(tǒng)光闌之間具有消色差透鏡元件對(duì)。每個(gè)透鏡系統(tǒng)都得到了優(yōu)化以提供不同的成本/性能選擇。
文檔編號(hào)G02B13/18GK1918500SQ200480041888
公開日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2004年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月19日
發(fā)明者艾斯特爾·索恩·小霍爾 申請(qǐng)人:湯姆遜許可證公司