專利名稱：變焦透鏡和包括變焦透鏡的圖像投影設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變焦透鏡，該變焦透鏡適于例如作為用于將圖像放大并且投影到屏幕上的圖像投影設(shè)備(投影儀)的投影透鏡。
背景技術(shù)：
能夠?qū)碜詡€(gè)人計(jì)算機(jī)或視頻設(shè)備的圖像投影到大屏幕上的圖像投影設(shè)備(投影儀)被廣泛用于講座和電影欣賞等。在投影設(shè)備中，所謂的安裝型投影儀被廣泛使用，所述安裝型投影儀被固定地安裝在會(huì)議室或電影院等中。為了使固定的安裝型投影儀適應(yīng)各種安裝條件，希望投影儀是可互換投影透鏡型投影儀，在所述可互換投影透鏡型投影儀中，可對(duì)于同一主體互換多個(gè)投影透鏡。在可互換投影透鏡投影儀中，通過標(biāo)準(zhǔn)投影透鏡來確定燈泡在光軸方向上的位置。因此，其它可互換透鏡的軸向色差需要被調(diào)整為與標(biāo)準(zhǔn)投影透鏡一致。出于上述的原因，被用于可互換投影透鏡投影儀等的投影透鏡被要求具有小的軸向色差。此外，近年來，為了以數(shù)量較少的透鏡覆蓋大的投影距離范圍的目的，已要求投影透鏡是具有高變焦比的變焦透鏡。一般地，當(dāng)確保高變焦比時(shí)，在變焦時(shí)軸向色差的變動(dòng)增大。為了減小變焦時(shí)的軸向色差的變動(dòng)，已知一種由各被配置為自身消色差的透鏡單元組成的變焦透鏡(us 2002/0060858)。為了在確保高變焦比的同時(shí)減小透鏡系統(tǒng)的總長(zhǎng)，已知一種用于投影儀的變焦透鏡，該變焦透鏡由總共六個(gè)透鏡單元構(gòu)成，所述六個(gè)透鏡單元包括各由具有大的折光力的用于變倍的單正透鏡構(gòu)成的透鏡單元(US 2007/(^85802和日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_ No. 2008-052174)。用于投影儀的變焦透鏡被要求具有高的變焦比并且?guī)缀鯖]有軸向色差，使得能夠獲得具有高圖像質(zhì)量的投影圖像。此外，用于投影儀的變焦透鏡被要求具有長(zhǎng)的后焦距以在其中布置顏色分離/組合棱鏡。為了滿足這些要求，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置構(gòu)成變焦透鏡的多個(gè)透鏡單元的折光力、用于變焦的透鏡單元的移動(dòng)量以及構(gòu)成透鏡單元的透鏡的材料是重要的。如果這些因素不合適， 那么確保預(yù)定長(zhǎng)度的后焦距以及降低對(duì)于以高變焦比變焦的軸向色差的變動(dòng)以便獲得高光學(xué)性能變得困難。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的變焦透鏡從放大共軛側(cè)到縮小共軛側(cè)依次包括具有負(fù)折光力的第一透鏡單元；具有正折光力的第二透鏡單元；具有正折光力的第三透鏡單元；具有負(fù)折光力的第四透鏡單元；具有負(fù)折光力的第五透鏡單元；以及具有正折光力的第六透鏡單元， 其中所述第一透鏡單元和第六透鏡單元對(duì)于變焦不移動(dòng)，而第二透鏡單元、第三透鏡單元、第四透鏡單元和第五透鏡單元在從廣角端到望遠(yuǎn)端的變焦期間向放大共軛側(cè)移動(dòng)；所述第二透鏡單元和第三透鏡單元中的每一個(gè)由單個(gè)正透鏡組成；以及，滿足以下的條件表達(dá)式0. 8 < D3/D4 <1.2；1. 2 < D3/D2 < 2. 0 ；以及0. 2 < D4/L < 0. 4、其中，D2、D3和D4分別表示第二透鏡單元、第三透鏡單元和第四透鏡單元在從廣角端到望遠(yuǎn)端的變焦期間的移動(dòng)量，并且，L表示透鏡長(zhǎng)度。參照附圖閱讀示例性實(shí)施例的以下描述，本發(fā)明的其它特征將變得清晰。


圖1是本發(fā)明的實(shí)施例1的透鏡截面視圖。圖2是本發(fā)明的實(shí)施例1的軸向色差的說明圖。圖3A是本發(fā)明的實(shí)施例1的廣角端處的像差圖。圖;3B是本發(fā)明的實(shí)施例1的望遠(yuǎn)端處的像差圖。圖4是本發(fā)明的實(shí)施例2的透鏡截面視圖。圖5是本發(fā)明的實(shí)施例2的軸向色差的說明圖。圖6A是本發(fā)明的實(shí)施例2的廣角端處的像差圖。圖6B是本發(fā)明的實(shí)施例2的望遠(yuǎn)端處的像差圖。圖7是本發(fā)明的實(shí)施例3的透鏡截面視圖。圖8是本發(fā)明的實(shí)施例3的軸向色差的說明圖。圖9A是本發(fā)明的實(shí)施例3的廣角端處的像差圖。圖9B是本發(fā)明的實(shí)施例3的望遠(yuǎn)端處的像差圖。圖10是本發(fā)明的實(shí)施例4的透鏡截面視圖。圖11是本發(fā)明的實(shí)施例4的軸向色差的說明圖。圖12A是本發(fā)明的實(shí)施例4的廣角端處的像差圖。圖12B是本發(fā)明的實(shí)施例4的望遠(yuǎn)端處的像差圖。圖13是本發(fā)明的實(shí)施例5的透鏡截面視圖。圖14是本發(fā)明的實(shí)施例5的軸向色差的說明圖。圖15A是本發(fā)明的實(shí)施例5的廣角端處的像差圖。圖15B是本發(fā)明的實(shí)施例5的望遠(yuǎn)端處的像差圖。圖16是本發(fā)明的圖像投影設(shè)備的說明圖。
具體實(shí)施例方式以下參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。本發(fā)明的變焦透鏡包括從放大共軛側(cè)到縮小共軛側(cè)依次布置的以下透鏡單元。具體地，設(shè)置有具有負(fù)折光力的第一透鏡單元、具有正折光力的第二透鏡單元、具有正折光力的第三透鏡單元、具有負(fù)折光力的第四透鏡單元、具有負(fù)折光力的第五透鏡單元以及具有正折光力的第六透鏡單元。
于是，所述第一透鏡單元和第六透鏡單元對(duì)于變焦不移動(dòng)，而第二透鏡單元到第五透鏡單元在從廣角端到望遠(yuǎn)端的變焦時(shí)向放大共軛側(cè)移動(dòng)。所述第二透鏡單元和第三透鏡單元中的每一個(gè)由單個(gè)正透鏡形成。因而，獲得預(yù)定長(zhǎng)度的后焦距，使得能夠獲得在以高變焦比變焦時(shí)幾乎沒有軸向色差波動(dòng)的變焦透鏡， 并且，該變焦透鏡能夠在整個(gè)變焦范圍上獲得高光學(xué)性能。圖1是本發(fā)明的實(shí)施例1的變焦透鏡在廣角端(WIDE)處的透鏡截面視圖。圖2是本發(fā)明的實(shí)施例1的變焦透鏡在廣角端、中間變焦位置(MIDDLE)和望遠(yuǎn)端 (TELE)處的軸向色差關(guān)于波長(zhǎng)的說明圖。在圖2中，水平軸指示波長(zhǎng)，并且，垂直軸把軸向色差作為散焦來指示(在以下的描述中也是如此)。圖3A和;3B是當(dāng)投影距離(該距離是到第一透鏡表面的距離)為3. 29m(該距離是當(dāng)數(shù)值實(shí)施例由mm表示時(shí)的距離；在以下的描述中也是如此)時(shí)實(shí)施例1的變焦透鏡在廣角端和望遠(yuǎn)端處的縱向像差圖。圖4是本發(fā)明的實(shí)施例2的變焦透鏡在廣角端的透鏡截面視圖。圖5是本發(fā)明的實(shí)施例2的變焦透鏡在廣角端、中間變焦位置和望遠(yuǎn)端處的軸向色差關(guān)于波長(zhǎng)的說明圖。圖6A和6B是當(dāng)投影距離為3. 29m時(shí)實(shí)施例2的變焦透鏡在廣角端和望遠(yuǎn)端處的縱向像差圖。圖7是本發(fā)明的實(shí)施例3的變焦透鏡在廣角端的透鏡截面視圖。圖8是本發(fā)明的實(shí)施例3的變焦透鏡在廣角端、中間變焦位置和望遠(yuǎn)端處的軸向色差關(guān)于波長(zhǎng)的說明圖。圖9A和9B是當(dāng)投影距離為3. 29m時(shí)實(shí)施例3的變焦透鏡在廣角端和望遠(yuǎn)端處的縱向像差圖。圖10是本發(fā)明的實(shí)施例4的變焦透鏡在廣角端的透鏡截面視圖。圖11是本發(fā)明的實(shí)施例4的變焦透鏡在廣角端、中間變焦位置和望遠(yuǎn)端處的軸向色差關(guān)于波長(zhǎng)的說明圖。圖12A和12B是當(dāng)投影距離為3. 29m時(shí)實(shí)施例4的變焦透鏡在廣角端和望遠(yuǎn)端處的縱向像差圖。圖13是本發(fā)明的實(shí)施例5的變焦透鏡在廣角端的透鏡截面視圖。圖14是本發(fā)明的實(shí)施例5的變焦透鏡在廣角端、中間變焦位置和望遠(yuǎn)端處的軸向色差關(guān)于波長(zhǎng)的說明圖。圖15A和15B是當(dāng)投影距離為3. 29m時(shí)實(shí)施例5的變焦透鏡在廣角端和望遠(yuǎn)端處的縱向像差圖。圖16是包括本發(fā)明的變焦透鏡的圖像投影設(shè)備的主要部分的示意圖。每個(gè)實(shí)施例的變焦透鏡是用于圖像投影設(shè)備(投影儀)的投影透鏡(投影光學(xué)系統(tǒng))。在透鏡截面視圖中，左側(cè)是放大共軛側(cè)(屏幕)(前方)，并且右側(cè)是縮小共軛側(cè)(圖像顯示元件側(cè))(后方)。所述投影透鏡包括變焦透鏡LA、孔徑光闌ST0、液晶板(圖像顯示元件)等的(要被投影的)原圖像IE、屏幕S和與顏色分離/組合棱鏡、濾光器、面板(平行平板玻璃)、晶體低通濾波器或紅外截止濾波器等對(duì)應(yīng)的光學(xué)塊GB。箭頭指示在從廣角端到望遠(yuǎn)端的變焦時(shí)透鏡單元的移動(dòng)方向(移動(dòng)軌跡)。廣角端和望遠(yuǎn)端指示當(dāng)用于變倍的透鏡單元位于光軸上的機(jī)械可移動(dòng)范圍的各端時(shí)的變焦位置。 每個(gè)實(shí)施例中的變焦透鏡從放大共軛側(cè)到縮小共軛側(cè)依次包括具有負(fù)折光力的第一透鏡單元10、具有正折光力的第二透鏡單元20、具有正折光力的第三透鏡單元30以及孔徑光闌ST0。此外，變焦透鏡還包括具有負(fù)折光力的第四透鏡單元40、具有負(fù)折光力的第五透鏡單元50和具有正折光力的第六透鏡單元60。于是，第一透鏡單元10和第六透鏡單元60對(duì)于變焦不移動(dòng)。第二到第五透鏡單元20到50對(duì)于從廣角端到望遠(yuǎn)端的變焦向放大共軛側(cè)移動(dòng)。 第一透鏡單元10和第六透鏡單元60是對(duì)變倍不做貢獻(xiàn)的透鏡單元，并且，第二到第五透鏡單元20到50是用于變倍的透鏡單元。第一透鏡單元10包括固定的第一透鏡子單元11和具有正折光力的第二透鏡子單元12，該第二透鏡子單元12在從無限遠(yuǎn)位置處的物體向近距離處的物體聚焦時(shí)向縮小共軛側(cè)移動(dòng)。在像差圖中Jno表示F數(shù)，并且，對(duì)于450nm的波長(zhǎng)、470nm的波長(zhǎng)、550nm的波長(zhǎng)和620nm的波長(zhǎng)示出了球面像差圖(縱向球面像差)。在像散圖(像散像場(chǎng)彎曲)中，用T表示子午像面，并且用S表示弧矢像面。對(duì)于550nm的波長(zhǎng)示出了畸變圖(畸變)。用IMGHT表示像高。每個(gè)實(shí)施例是用于包括燈泡的圖像投影設(shè)備(特別地，裝備有液晶顯示元件的三色投影儀)的變焦透鏡。每個(gè)實(shí)施例的變焦透鏡可以被用作圖像拾取設(shè)備的圖像拾取光學(xué)系統(tǒng)，該圖像拾取設(shè)備使用圖像拾取元件而不是燈泡。每個(gè)實(shí)施例的變焦透鏡包括從放大共軛側(cè)到縮小共軛側(cè)依次布置的六個(gè)透鏡單元，即，具有負(fù)折光力、正折光力、正折光力、負(fù)折光力、負(fù)折光力和正折光力的第一透鏡單元10到第六透鏡單元60。于是，第二透鏡單元20到第五透鏡單元50的所有透鏡單元在從廣角端到望遠(yuǎn)端的變焦期間向放大共軛側(cè)移動(dòng)。第一透鏡單元10和第六透鏡單元60對(duì)于變焦不移動(dòng)。由于第一透鏡單元10對(duì)于變焦不移動(dòng)，所以第一透鏡單元10對(duì)變倍不做貢獻(xiàn)，而是通過其一部分即通過第二透鏡子單元12使得能夠進(jìn)行聚焦。另外，使用液晶顯示元件的投影儀由于其入射角特性所以被要求在縮小共軛側(cè)具有高的遠(yuǎn)心特性。如果在變焦期間第六透鏡單元60可移動(dòng)同時(shí)保持遠(yuǎn)心特性，那么當(dāng)?shù)诹哥R單元60向放大共軛側(cè)移動(dòng)時(shí)在屏幕周邊處光量明顯減小，這是不希望的。另外，棱鏡(光學(xué)部件)GB位于第六透鏡單元60的縮小共軛側(cè)。在三板型 (tri-panel)投影儀的情況下，該棱鏡GB是顏色分離/組合棱鏡。棱鏡GB通常包括用于把入射光分離成具有R(波長(zhǎng)620nm)、G(波長(zhǎng)550nm)和 B(波長(zhǎng)470nm)的中心波長(zhǎng)的三種顏色的二向色棱鏡。此外，棱鏡GB還包括用于組合由三種不同液晶燈泡調(diào)制的光的二向色棱鏡。第一透鏡單元10包括第一透鏡子單元11和第二透鏡子單元12。第一透鏡子單元 11對(duì)于聚焦是固定的，并且，第二透鏡子單元12對(duì)于從近距離向無限遠(yuǎn)的聚焦向縮小共軛側(cè)移動(dòng)。具有大的有效直徑的第一透鏡子單元是固定的，而只有由單個(gè)彎月透鏡形成的第二透鏡子單元12對(duì)于聚焦移動(dòng)。因而，第一透鏡單元10可被鏡筒高精度地保持，并且，要被移動(dòng)的透鏡的重量能夠減小，結(jié)果，偏心特性被減小并且能夠有利于精確聚焦。對(duì)于變焦，第二透鏡單元20和第三透鏡單元30是用于變倍的主要透鏡單元，它們與其它透鏡單元相比具有相對(duì)高的焦度(折光力)。在每個(gè)實(shí)施例中，第二透鏡單元20和第三透鏡單元30各由單透鏡形成。如果用于變倍的具有高焦度的主要透鏡單元20和30由多個(gè)透鏡形成，則色差減小但是每個(gè)透鏡表面的曲率趨向于變大。結(jié)果，透鏡單元的尺寸被增大從而使得無法獲得足夠的行程(移動(dòng)量)，或者透射率與單透鏡相比趨向于明顯變小， 這是不希望的。即使用于變倍的具有相對(duì)短的焦距和小的變倍比的透鏡單元是由單透鏡形成的， 也容易將各種像差的變動(dòng)減小到相對(duì)小的值。相反地，具有長(zhǎng)焦距和大的變倍比的透鏡單元趨向于在透鏡單元中具有較大光束高度以及光束高度的較大的變動(dòng)。因此，特別地，軸向色差的變動(dòng)增大。在每個(gè)實(shí)施例中，用于從廣角端向望遠(yuǎn)端變焦的第二、第三和第四透鏡單元20、30 和40的移動(dòng)量分別由D2、D3和D4表示。透鏡長(zhǎng)度(透鏡前端表面和透鏡后端表面之間的距離)由L表示。在這種情況下，滿足以下條件表達(dá)式。0. 8 < D3/D4 <1.2 · · · · (1)1. 2 < D3/D2 < 2. 0 . . . . (2)0. 2 < D4/L < 0. 4 · · · · (3)根據(jù)每個(gè)實(shí)施例的變焦透鏡滿足條件表達(dá)式(1)到(3)，從而實(shí)現(xiàn)即使第二透鏡單元20和第三透鏡單元30每個(gè)都由單透鏡形成的情況下在變焦期間軸向色差的變動(dòng)也減條件表達(dá)式(1)指示在變焦期間第三透鏡單元30和第四透鏡單元40的移動(dòng)量的比率接近1. 0。條件表達(dá)式( 指示在變焦期間第三透鏡單元30的移動(dòng)量大于第二透鏡單元20的移動(dòng)量。條件表達(dá)式C3)指示在變焦期間第四透鏡單元40的移動(dòng)量是相對(duì)大的。描述通過變焦透鏡的軸向光束的光路。在負(fù)前導(dǎo)型變焦透鏡中，第一透鏡單元10 使光束的高度更高，在所述負(fù)前導(dǎo)型變焦透鏡中，第一透鏡單元10由各具有負(fù)折光力的透鏡單元形成。因此，在第二透鏡單元20中，軸向光束的入射高度(此后用h表示)總是大于第一透鏡單元10中的軸向光束的入射高度。因此，當(dāng)?shù)诙哥R單元20在從廣角端到望遠(yuǎn)端的變焦期間向放大共軛側(cè)移動(dòng)時(shí)，軸向光束的入射高度h變化較大。軸向色差的三階系數(shù)與入射高度h的平方成比例。因此，為了減少軸向色差的變動(dòng)，需要減小第二透鏡單元 20處的入射高度h的變動(dòng)。另一方面，具有這樣的特征即，對(duì)于變倍，在孔徑光闌STO處， 入射高度h總是相同的。因此，如果在其中入射高度h不應(yīng)該被改變的透鏡單元抵抗相對(duì)于孔徑光闌STO的移動(dòng)，則入射高度h的變動(dòng)能夠被減小。如果孔徑光闌STO被包括在第三透鏡單元30中，則在第三透鏡單元30處，入射高度h的變動(dòng)能夠被減小。此外，通過如條件表達(dá)式(1)中所示把用于變焦的第三透鏡單元 30的移動(dòng)量與第四透鏡單元40的移動(dòng)量之間的比率設(shè)置為接近于1. 0，到第四透鏡單元40 的入射高度h的變動(dòng)能夠被減小。另外一方面，為了獲得高的變倍比，需要增大第二透鏡單元20的移動(dòng)量。然而，為了將入射高度h的變動(dòng)保持為最小，第三透鏡單元30的移動(dòng)量被設(shè)置為大于第二透鏡單元20的移動(dòng)量，如條件表達(dá)式( 所示。作為減小用于變焦的第三透鏡單元30和第四透鏡單元40之間的移動(dòng)量的比率的結(jié)果，第四透鏡單元40為了變焦而移動(dòng)較大，如條件表達(dá)式 ⑶中所示。當(dāng)上述條件被滿足時(shí)，第二透鏡單元20和第三透鏡單元30之間的上方軸向光束和下方軸向光束(它們是從光軸上的一個(gè)點(diǎn)發(fā)射出并且穿過被F數(shù)限制的光束的最外部分的光束(邊緣光束))變得比通常更平行于光軸。換言之，能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的光學(xué)布置，即在該光學(xué)布置中，即使第二透鏡單元20和第三透鏡單元30之間的間隔被改變，入射高度h的變動(dòng)也能夠被減小。在條件表達(dá)式(1)沒有被滿足的情況下，第四透鏡單元40處的入射高度h的變動(dòng)趨向于變大而增大軸向色差的變動(dòng)，這是不希望的。在條件表達(dá)式O)的上限不被滿足的情況下，第二透鏡單元20的移動(dòng)量相對(duì)于透鏡長(zhǎng)度減小而弱化變倍效果，這是不希望的。 另外，在條件表達(dá)式O)的下限不被滿足的情況下，第二透鏡單元20處的入射高度h的變動(dòng)增大，這是不希望的。在條件表達(dá)式C3)的上限不被滿足的情況下，孔徑光闌STO過度移動(dòng)，從而使得難以校正離軸像差或者極度減小邊緣光束量，這是不希望的。在條件表達(dá)式 (3)的下限不被滿足的情況下，第二透鏡單元20中的入射高度h的變動(dòng)被增大或者變倍效果被弱化，這是不希望的。更優(yōu)選地，如下設(shè)置條件表達(dá)式(1)到(3)的值范圍。1. 0 < D3/D4 <1.1 · · · · (Ia)1. 25 < D3/D2 < 1. 80 ____(2a)0. 25 < D4/L < 0. 35 ____(3a)如上所述，根據(jù)每個(gè)實(shí)施例，能夠在整個(gè)屏幕上合適地校正色差，并且因此能夠獲得具有高光學(xué)性能的變焦透鏡。在每個(gè)實(shí)施例的變焦透鏡中，滿足以下條件中的一個(gè)或更多個(gè)是更優(yōu)選的。第一透鏡單元10、第二透鏡單元20和第六透鏡單元60的焦距被表示為fl、f2和 f6。在廣角端處和在望遠(yuǎn)端處的第一透鏡單元10和第二透鏡單元20之間的主點(diǎn)間隔被分別表示為Hiaf和H在望遠(yuǎn)端處的第二透鏡單元20和第三透鏡單元30的成像倍率被分別表示為β 2Τ 禾口 β 3Τ ο第二透鏡單元20的正透鏡的材料的部分色散比被表示為9gf(B》。第三透鏡單元30的正透鏡的部分色散比和異常色散被分別表示為θ gf(B3)和Δ θ gf(B3)。這里，Abbe數(shù)(關(guān)于d線的Abbe數(shù))Vd、對(duì)于g線和F線的部分色散比θ gf以及異常色散Δ θ gf如下。材料關(guān)于g線(波長(zhǎng)435. 8nm)、F線(486. Inm)、(！線(587. 6nm)和 C線(656. 3nm)的折射率被分別表示為Ng、Nd、Nf和Ne。在這種情況下，滿足以下等式。部分色散比egf = (Ng-Nf) / (Nf-Nc)異常色散Δ θ gf = θ gf-(0. 6438-0. 001682 X Vd)Vd= (Nd-I)/(Nf-Nc)在構(gòu)成第一透鏡單元10的透鏡中的從放大共軛側(cè)起的第a個(gè)透鏡的材料的折光力和Abbe數(shù)分別被表示為(pla和Vdla。假設(shè)第三透鏡單元30和第四透鏡單元40的組合為單個(gè)透鏡單元，那么，從放大共軛側(cè)起的第a個(gè)透鏡的材料的折光力和Abbe數(shù)分別被表示為(p34a和 VdlMa。從廣角端到望遠(yuǎn)端的變焦時(shí)的第五透鏡單元50的移動(dòng)量被表示為D5。在這種情況下，滿足以下條件表達(dá)式中的一個(gè)或者更多個(gè)是好的。1.0 < (|fl|+H12ff)/f2 <1.5…0. 8 < (|fl |+H12T)/f2 < 1. 2...(5)-1· 3 < β2ΤΧ β3Τ <-0· 7...(6)0. 520 < θ gf (Β2) < 0. 550…(7)0. 590 < θ gf (Β3) < 0. 670…(8)0. 007 < Δ θ gf (Β3) < 0. 030... (9)
I Σ (9la/Vdla) | / | Stpla I <〇.015 ■ , · {10)
I Σ (tp34a/Vd34a) I / | Scp34a I <0. 026 · ■ ■ (11)0. 8 < D2/D5 <1.2— (12)1. 2 < D4/D5 < 2. 0— (13)1. 0 < |f6/fl I < 2· 0... (14)為了減小軸向色差，用于變倍的透鏡單元的放大共軛側(cè)的每個(gè)透鏡單元都需要被配置為充分消色差的。條件表達(dá)式(4)和( 示出對(duì)于其的條件。條件表達(dá)式(4)和條件表達(dá)式( 示出了用于使第二透鏡單元20和第三透鏡單元30之間的上方軸向光束和下方軸向光束接近平行于光軸的條件。當(dāng)這些條件被滿足時(shí)，即使透鏡單元之間的間隔被改變，也容易減小軸向光束的入射高度h的變動(dòng)。條件表達(dá)式( 示出了使第二透鏡單元20和第三透鏡單元30之間的上方軸向光束和下方軸向光束在入射高度h變大的望遠(yuǎn)端處平行于光軸的條件。當(dāng)條件表達(dá)式(5)的值是1.0時(shí)，獲得完全平行的狀態(tài)。條件表達(dá)式(4)定義了在廣角端的平行程度。由于第二透鏡單元20和第三透鏡單元30之間的間隔為了變倍而減小，因此能夠通過配置在廣角端向縮小共軛側(cè)會(huì)聚的光束而減小第三透鏡單元30處的入射高度h的變動(dòng)。在條件表達(dá)式的上限不被滿足的情況下，上方軸向光束和下方軸向光束關(guān)于光軸的傾斜在廣角端處趨向于變大，這是不希望的。在條件表達(dá)式的下限不被滿足的情況下，上方軸向光束和下方軸向光束關(guān)于光軸的傾斜在望遠(yuǎn)端處趨向于變大，這是不希望的。在條件表達(dá)式(5)的上限不被滿足的情況下，上方軸向光束和下方軸向光束關(guān)于光軸的傾斜在廣角端處趨向于變大，這是不希望的。在條件表達(dá)式(5)的下限不被滿足的情況下，上方軸向光束和下方軸向光束關(guān)于光軸的傾斜在望遠(yuǎn)端處趨向于變大，這是不希望的。條件表達(dá)式(6)示出了用于即使主要在高變倍時(shí)也減小軸向色差的變動(dòng)的條件。 條件表達(dá)式(6)示出了作為用于變倍的主要透鏡單元的第二透鏡單元20和第三透鏡單元 30的組合成像倍率。通過將條件表達(dá)式(6)的值保持為小，容易防止第一透鏡單元10中殘留的縱向像差不希望地增大。為了獲得高變焦比，條件表達(dá)式(6)的值被設(shè)置為接近-1。 于是，容易獲得高的變焦比以及最小化軸向色差的變動(dòng)。在條件表達(dá)式(6)的上限不被滿足的情況下，第一透鏡單元10中殘留的縱向像差趨向于變大。結(jié)果，軸向色差及其變動(dòng)增大，并且難以通過第四透鏡單元40及之后的透鏡單元校正該增大。在條件表達(dá)式(6)的下限不被滿足的情況下，難以獲得必要的變焦比，這是不希望的。條件表達(dá)式(7)到(9)示出了用于減小軸向色差及其變動(dòng)的絕對(duì)值的條件。如果第二透鏡單元20和第四透鏡單元40在減小軸向光束對(duì)于透鏡單元的入射高度h的變動(dòng)時(shí)為了變焦而移動(dòng)，那么難以把入射高度h的變動(dòng)減小為零。條件表達(dá)式(7)到(9)示出了用于通過適當(dāng)?shù)剡x擇構(gòu)成第二透鏡單元20的透鏡的材料以及通過適當(dāng)?shù)剡x擇構(gòu)成第三透鏡單元30的透鏡的材料來減小軸向色差的條件。在每個(gè)實(shí)施例中，比較第二透鏡單元20和第三透鏡單元30，第二透鏡單元20處的入射高度h的變動(dòng)略微較大。因此，優(yōu)選地對(duì)于第二透鏡單元20使用具有小的顏色色散的材料。特別地，通過使用具有低部分色散比的材料，容易改善軸向色差。這里，在通常的色差校正中，在極短波長(zhǎng)和極長(zhǎng)波長(zhǎng)處的色差很可能被略微過度校正。如果試圖平衡色差的校正，則很可能獲得焦點(diǎn)向上方側(cè)(over side)偏移的未對(duì)焦?fàn)顟B(tài)，這就是所謂的碗形軸向色差。因此，具有小的色散的材料、特別是具有低的部分色散比的材料被用于其中入射高度h的變動(dòng)小的第三透鏡單元30的透鏡，從而可以有利于進(jìn)一步減小軸向色差。此外，對(duì)構(gòu)成第三透鏡單元30的透鏡使用具有異常色散的材料是有效的。在條件表達(dá)式(7)的上限、條件表達(dá)式(8)的上限和條件表達(dá)式(9)的上限中的任何一個(gè)不被滿足的情況下，無法獲得具有穩(wěn)定特性的材料，這是不希望的。在條件表達(dá)式 (7)的下限不被滿足的情況下，第二透鏡單元20中的軸向色差的變動(dòng)趨向于變大，這是不希望的。在條件表達(dá)式(8)的下限不被滿足的情況下，應(yīng)通過其它透鏡單元來實(shí)現(xiàn)軸向色差的較高校正效果，這是不希望的。在條件表達(dá)式(9)的下限不被滿足的情況下，在短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)處，軸向色差增大，這是不希望的。條件表達(dá)式(10)通過消除光束的入射高度h而近似地表達(dá)在第一透鏡單元10中的軸向色差的發(fā)生，其中條件表達(dá)式(10)的值越小，由于在第一透鏡單元10中的殘留軸向色差越小，因此就越優(yōu)選。條件表達(dá)式(11)示出了，第三透鏡單元30中和第四透鏡單元40 中的軸向色差值的和處于恒定范圍中或更小，這表明第三透鏡單元30中和第四透鏡單元 40中的消色差關(guān)系。除了條件表達(dá)式(1)和O)，還優(yōu)選地滿足條件表達(dá)式(12)和(13)。根據(jù)這一點(diǎn)， 在第二透鏡單元20和第五透鏡單元50移動(dòng)所沿的具有近似平移關(guān)系的軌跡之間，第三透鏡單元30和第四透鏡單元40沿著具有近似平移關(guān)系的各自的軌跡移動(dòng)，從而執(zhí)行像點(diǎn)校正和軸向色差調(diào)整。因而，容易減小軸向色差的變動(dòng)。條件表達(dá)式(14)示出了固定的第六透鏡單元60和固定的第一透鏡單元10之間的焦度(折光力)之比。在條件表達(dá)式(14)的范圍內(nèi)，容易防止透鏡長(zhǎng)度被不希望地增大。 在條件表達(dá)式(14)的上限不被滿足的情況下，難以保持長(zhǎng)的后聚焦。在條件表達(dá)式(14) 的下限不被滿足的情況下，容易校正像差，但是透鏡長(zhǎng)度增大，這是不希望的。作為用于校正本發(fā)明的變焦透鏡中的軸向色差的優(yōu)選方面，存在一種結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，在具有上面提到的六單元結(jié)構(gòu)的變焦透鏡中滿足以下條件表達(dá)式。(a)滿足條件表達(dá)式(2)、(7)和⑶。更優(yōu)選地，也滿足條件表達(dá)式(9)。(b)滿足條件表達(dá)式(1)、(2)和(7)到(9)。更優(yōu)選地，也滿足條件表達(dá)式(11)。
(c)滿足條件表達(dá)式(2)和(7)到(9)。更優(yōu)選地，也滿足條件表達(dá)式(1)、(10) 和(11)。更優(yōu)選地，如下設(shè)置條件表達(dá)式(4)到(7)的數(shù)值范圍是更好的。1. 10 < (|fl |+H12ff)/f2 < 1. 47— (4a)0. 83 < (|fl |+H12T)/f2 < 1. 15...(5a)-1. 10 < β2ΤΧ β3Τ < -0. 73...(6a)0. 525 < θ gf (B2) < 0. 546...(7a)0. 600 < θ gf (B3) < 0. 650... (8a)0. 010 < Δ θ gf (B3) < 0. 020... (9a)
I Σ (cpla/Vdla) | / | Σφ β [ <0. 014 . ■ . (IOa)
I Σ (<p34a/Vd34a) | / | Σφ34β | <0 . 0255 ■ · · (Ila)0. 9 < D2/D5 < 1. 1... (12a)1. 3 < D4/D5 <1.9...(13a)1. 1 < |f6/fl I < 1. 5...(14a)如上所述，根據(jù)每個(gè)實(shí)施例，由于變焦導(dǎo)致的軸向色差能夠被簡(jiǎn)單的單元結(jié)構(gòu)合適地校正，使得能夠獲得在整個(gè)變焦范圍上具有良好光學(xué)性能和長(zhǎng)焦距的變焦透鏡。在每個(gè)實(shí)施例中，采用所謂的內(nèi)對(duì)焦(irmer-focus)進(jìn)行聚焦，但是，整個(gè)第一透鏡單元10可以被移動(dòng)，或者可以利用所謂的浮動(dòng)法(floating)，在所述浮動(dòng)法中，第一透鏡子單元11也為了聚焦而移動(dòng)與第二透鏡子單元12的移動(dòng)量不同的量。此后，描述各單個(gè)數(shù)值實(shí)施例的特征。數(shù)值實(shí)施例1在數(shù)值實(shí)施例1中，變焦時(shí)的軸向色差的變動(dòng)被減小。主要地，假設(shè)R(620nm)、 G(550nm) 的三種波長(zhǎng)，并且，其軸向色差的變動(dòng)的目標(biāo)被設(shè)置為R-G = IOym 并且B-G = 30 μ m。這里，當(dāng)廣角端的F數(shù)!^no是2. 0時(shí)用于以64/mm的空間頻率獲得適當(dāng)?shù)姆直媛实慕股罘秶鞘?2μπι。圖1中所示的本發(fā)明的實(shí)施例1的變焦透鏡是由從第一透鏡單元10到第六透鏡單元60的總共15個(gè)透鏡元件形成的。表I(D)示出了圖2中所示的繪圖的值。在數(shù)值實(shí)施例1中，軸向色差與目標(biāo)的差在R (620nm)處最大為10.4μπι并且在^47011!11)處最大為18.9μπι。因此，軸向色差被優(yōu)化為基本上合適的范圍中。數(shù)值實(shí)施例2在數(shù)值實(shí)施例2中，與數(shù)值實(shí)施例1相比，變焦時(shí)的軸向色差的變動(dòng)被減小。主要地，假設(shè)R(620nm)、G(550nm)和W470nm)的三種波長(zhǎng)，并且，其軸向色差的變動(dòng)的目標(biāo)被設(shè)置為R-G = IOym并且B-G = 30 μ m。表2 (D)示出了與圖5對(duì)應(yīng)的值。在數(shù)值實(shí)施例2 中，軸向色差與目標(biāo)的差在R(620nm)處最大為8. 7 μ m并且在B G70nm)處最大為12. 5μπι。 因此，軸向色差被優(yōu)化為基本上合適的范圍中。數(shù)值實(shí)施例3當(dāng)假設(shè)三板型投影儀時(shí)，把對(duì)應(yīng)于各顏色的燈泡固定在對(duì)于各顏色在光軸方向上的最優(yōu)位置是可能的。如果軸向色差關(guān)于波長(zhǎng)的變動(dòng)是陡峭的，則對(duì)于各波長(zhǎng)，燈泡的最優(yōu)
12位置是不同的。因此，即使投影圖像對(duì)于某個(gè)波長(zhǎng)聚焦，對(duì)于接近的波長(zhǎng)的聚焦位置也具有大的偏差，結(jié)果是圖像略微模糊。在數(shù)值實(shí)施例3中，在短波長(zhǎng)中，關(guān)于波長(zhǎng)的聚焦偏差敏感度被合適地設(shè)置。對(duì)于三種波長(zhǎng)R(620nm)、G(550nm)的軸向色差的變動(dòng)的
目標(biāo)被設(shè)置為R-G = 3 μ m和B-G = 15 μ m。在數(shù)值實(shí)施例3中，第二透鏡單元20的正透鏡的材料是低色散材料，從而使得在短波長(zhǎng)中獲得關(guān)于波長(zhǎng)的相對(duì)平坦的軸向色差，并且，短波長(zhǎng)側(cè)的模糊被減小。表3(D)示出對(duì)應(yīng)于圖8的值。在數(shù)值實(shí)施例3中，軸向色差與目標(biāo)的差在R(620nm)處最大為3. 6 μ m并且在B G70nm)處最大為6. 7 μ m。因此，軸向色差被優(yōu)化為基本上合適的范圍中。數(shù)值實(shí)施例4在數(shù)值實(shí)施例4中，關(guān)于R(620nm)、G(550nm)和^470歷)的三種波長(zhǎng)的軸向色差的變動(dòng)的目標(biāo)被設(shè)置為R-G = 5 μ m和B-G = 30 μ m。表4 (D)示出了圖11中所示的繪圖的值。在數(shù)值實(shí)施例4中，軸向色差與目標(biāo)的差在R (620nm)處最大為7. 4 μ m并且在B (470nm) 處最大為11.4μπι。因此，軸向色差被優(yōu)化為基本上合適的范圍中。數(shù)值實(shí)施例5在數(shù)值實(shí)施例5中，關(guān)于R(620nm)、G(550nm)和W470nm)的三種波長(zhǎng)的軸向色差的變動(dòng)的目標(biāo)被設(shè)置為R-G = -2 μ m和B-G = 30 μ m。表5 (D)示出了圖14中所示的繪圖的值。在數(shù)值實(shí)施例5中，軸向色差與目標(biāo)的差在R(620nm)處最大為2.2μπι并且在 B(470nm)處最大為9. 2 μ m。因此，軸向色差被優(yōu)化為合適的范圍中。以上描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例，可在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)做出各種變更方式和改變。表1到5示出了各單個(gè)實(shí)施例的變焦透鏡的數(shù)值實(shí)施例。表㈧中的表面號(hào)是按照從放大共軛側(cè)到縮小共軛側(cè)的順序依次分配給透鏡表面的號(hào)碼。孔徑光闌用STO表示。 每個(gè)透鏡表面的曲率半徑用r表示，并且，透鏡表面i和透鏡表面(i+Ι)之間在光軸上的間隔(物理間隔)用d表示。在表中用dl到d5表示的間隔根據(jù)變焦而改變。另外，構(gòu)成每個(gè)透鏡元件的材料關(guān)于d線的折射率和Abbe數(shù)被分別表示為nd和vd。用在右側(cè)帶有女的表面號(hào)表示的表面具有由以下函數(shù)表達(dá)的非球面形狀。表(B)示出了指示非球面形狀的非球面系數(shù)。透鏡表面在徑向上的坐標(biāo)由y表示，并且在光軸方向上的坐標(biāo)由χ表示。另外， E-X意指10、χ = (y2/R)/[l+{l-(1+K) (y2/R2)}1/2] +Ay4+By6+cy8+Dy10+Ey12表(C)示出了數(shù)值實(shí)施例的變焦透鏡的焦距、F數(shù)、場(chǎng)角、像高、整個(gè)透鏡長(zhǎng)度、等效空氣后焦距(BF)、變焦時(shí)的每個(gè)透鏡單元間隔。另外，上面提到的實(shí)施例和值之間的關(guān)系在表6中示出。(表1)與實(shí)施例1有關(guān)的數(shù)值實(shí)施例(A)
權(quán)利要求
1. 一種變焦透鏡，該變焦透鏡從放大共軛側(cè)到縮小共軛側(cè)依次包括 具有負(fù)折光力的第一透鏡單元； 具有正折光力的第二透鏡單元； 具有正折光力的第三透鏡單元； 具有負(fù)折光力的第四透鏡單元； 具有負(fù)折光力的第五透鏡單元；和具有正折光力的第六透鏡單元，其中所述第一透鏡單元和第六透鏡單元對(duì)于變焦不移動(dòng)，而第二透鏡單元、第三透鏡單元、 第四透鏡單元和第五透鏡單元在從廣角端到望遠(yuǎn)端的變焦期間向放大共軛側(cè)移動(dòng)； 所述第二透鏡單元和第三透鏡單元中的每一個(gè)由單個(gè)正透鏡構(gòu)成；以及滿足以下的條件表達(dá)式·0.8 < D3/D4 <1.2;·1.2 < D3/D2 < 2. 0 ；以及 0. 2 < D4/L < 0. 4、其中，D2、D3和D4分別表示第二透鏡單元、第三透鏡單元和第四透鏡單元在從廣角端到望遠(yuǎn)端的變焦期間的移動(dòng)量，并且，L表示透鏡長(zhǎng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的變焦透鏡，其中，滿足以下條件表達(dá)式 1.0 < (|fl|+H12ff)/f2 < 1.5 ；以及·0. 8 < (|fl |+H12T)/f2 < 1. 2，其中，Π和f2分別表示第一透鏡單元和第二透鏡單元的焦距，并且，Hm和H12t分別表示在廣角端處和在望遠(yuǎn)端處的第一透鏡單元和第二透鏡單元之間的主點(diǎn)間隔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的變焦透鏡，其中，滿足以下條件表達(dá)式 -1. 3 < β2ΤΧ β3χ < "O- 7,其中，β2Τ和β 3Τ分別表示第二透鏡單元和第三透鏡單元在望遠(yuǎn)端處的成像倍率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的變焦透鏡，其中，滿足以下條件表達(dá)式
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的變焦透鏡，其中，滿足以下條件表達(dá)式 I Σ (9la/Vdla) | / | Stpla | < , 015 ；以及I Σ (cp34a/Vd34a) 1 / 丨 S<p34a | <0. 026， 其中，(pla和Vdla分別表示在構(gòu)成第一透鏡單元的透鏡中從放大共軛側(cè)起的第a個(gè)透鏡的材料的折光力和Abbe數(shù)，并且，當(dāng)將第三透鏡單元和第四透鏡單元組合為單個(gè)透鏡單元時(shí)，(p34a和Vd3^分別表示從放大共軛側(cè)起的第a個(gè)透鏡的材料的折光力和Abbe數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2的變焦透鏡，其中，滿足以下條件表達(dá)式·0.8 < D2/D5 < 1. 2 ；以及·1.2 < D4/D5 < 2. 0，其中，D5表示第五透鏡單元在從廣角端到望遠(yuǎn)端的變焦期間的移動(dòng)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2的變焦透鏡，其中，滿足以下條件表達(dá)式1.0 < (|f6/fl I) < 2. 0，其中，Π和f6分別表示第一透鏡單元和第六透鏡單元的焦距。
8.一種圖像投影設(shè)備，包括 根據(jù)權(quán)利要求1或2的變焦透鏡；和圖像顯示元件，用于形成原圖像，其中，由圖像顯示元件形成的原圖像被變焦透鏡投影。
全文摘要
本發(fā)明涉及變焦透鏡和包括變焦透鏡的圖像投影設(shè)備。該變焦透鏡從放大共軛側(cè)到縮小共軛側(cè)依次包括具有負(fù)折光力的第一透鏡單元；具有正折光力的第二透鏡單元；具有正折光力的第三透鏡單元；具有負(fù)折光力的第四透鏡單元；具有負(fù)折光力的第五透鏡單元；和具有正折光力的第六透鏡單元。第一和第六透鏡單元對(duì)于變焦不移動(dòng)，而第二到第五透鏡單元在從廣角端到望遠(yuǎn)端的變焦期間向放大共軛側(cè)移動(dòng)。第二和第三透鏡單元中的每一個(gè)由單個(gè)正透鏡組成。從廣角端到望遠(yuǎn)端的變焦期間的第二、第三和第四透鏡單元的移動(dòng)量滿足適當(dāng)?shù)年P(guān)系。
文檔編號(hào)G03B21/14GK102279461SQ20111014807
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
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