專利名稱：投影用變焦透鏡和投影型顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種投影用變焦透鏡，用作投影儀裝置等的投影透鏡。具體地，本發(fā)明涉及一種適用于所謂的正面型投影儀裝置的投影用變焦透鏡，所述投影儀裝置將諸如液晶顯示裝置之類的光閥上顯示的原始圖像放大并投影到屏幕上，并且還涉及一種其上安裝有投影用變焦透鏡的投影型顯示裝置。
背景技術(shù)：
將圖像投影到裝置前方屏幕上的所謂正面投影型投影儀裝置通常用于學(xué)校教育、 公司培訓(xùn)、演示等。另外，隨著投影儀市場的成熟，投影儀的多樣性增加，并且諸如大影院屏幕用的大型投影儀和移動電話用的超小型投影儀之類的各種投影儀均在使用。同時，在作為最古老投影裝置市場的數(shù)據(jù)投影裝置市場中，對于能夠投影高光強(qiáng)度圖像、具有高分辨率能力的小型低成本投影儀的需求較為強(qiáng)烈。為了滿足這種需求，正在開發(fā)具有高分辨能力的小型光閥，例如液晶顯示面板(包括DMD等，但是下文中簡稱為液晶顯示面板等)。另外，對于開發(fā)與這種光閥相對應(yīng)的變焦透鏡的愿望也較為強(qiáng)烈。在數(shù)據(jù)投影時，經(jīng)常要求在明亮的室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)投影。因此，數(shù)據(jù)投影裝置的光學(xué)系統(tǒng)具有小F值(F-number，光圈數(shù))是必須的。然而，因?yàn)樾⌒鸵壕э@示面板的顯示面積較小，當(dāng)與通過傳統(tǒng)液晶顯示面板的光線類似的光線試圖通過較小的顯示面積時， 需要增加進(jìn)入液晶顯示面板等的光線的入射角、或者使用所包括的光輸出單元比傳統(tǒng)光輸出單元小的高亮度光源，并且使光學(xué)系統(tǒng)的F值低于傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)。然而，因?yàn)楦吡炼裙庠粗泄廨敵鰡卧叽绲倪M(jìn)一步縮小有變難的傾向，難以實(shí)現(xiàn)上述措施。另外，當(dāng)設(shè)法減小液晶顯示面板等的尺寸時，像素尺寸變小，并且需要應(yīng)對比傳統(tǒng)液晶顯示面板等高的空間頻率。因此，增加了成本。在這種情況下，在一定程度上可以滿足強(qiáng)光(fast)小型低成本變焦透鏡需求的投影用變焦透鏡是已知的(請參照日本專利No. 4338812 (專利文件1)、日本未審專利公布 No. 2006-039033 (專利文件2)、日本未審專利公布No. 2006-065026 (專利文件3)以及日本未審專利公布No. 2007-206331 (專利文件4))。這些投影用變焦透鏡就是所謂的雙組可移動變焦透鏡，其通過移動兩個透鏡組來執(zhí)行變焦。另外，每一完整的透鏡系統(tǒng)由6至13個透鏡組成。專利文件1、3和4公開了 F值超過1. 7的投影用變焦透鏡。另外，專利文件2至 4公開了包括一個非球面透鏡、兩個或三個非球面透鏡的投影用變焦透鏡。當(dāng)如上所述減小液晶顯示面板等的尺寸時，可以減小液晶顯示面板等的成本。同時，如果減小照明系統(tǒng)的尺寸和投影用透鏡的尺寸，成本可以進(jìn)一步減小。然而，當(dāng)在減小液晶顯示面板等尺寸的同時設(shè)法維持光強(qiáng)度時，如上所述，需要降低投影用透鏡的F值(強(qiáng)光透鏡，fast lens)并且增加進(jìn)入液晶顯示面板等的光線的入射角、或者安裝包括小型光輸出單元的高亮度光源。因此，成本大大增加。另外，當(dāng)用于改變放大率的可移動透鏡組的數(shù)目增加到三個以上以降低變焦透鏡的F值時，透鏡系統(tǒng)的生產(chǎn)成本大大增加。為了降低變焦透鏡的生產(chǎn)成本，整個系統(tǒng)中透鏡的數(shù)目應(yīng)該較小，并且每一個透鏡的外直徑應(yīng)該較小。另外，為減小透鏡的外直徑等，應(yīng)該最小化透鏡的相對光量。然而，當(dāng)減小相對光量時，與所減小的相對光量相對應(yīng)的光能量被消耗來增加透鏡周圍的鏡桶的溫度。尤其是當(dāng)由塑料(成本低于玻璃)制成的非球面透鏡設(shè)置在光闌 (stop)的縮小側(cè)時，由溫度變化引起的像面波動和像面彎曲等波動變大。另外，在光闌縮小側(cè)設(shè)置的由塑料制成的非球面透鏡周圍的溫度和在光闌放大側(cè)設(shè)置的由塑料制成的非球面透鏡周圍的溫度之間的差變得太大。另外，返回穩(wěn)定溫度所用的時間在彼此遠(yuǎn)離設(shè)置的兩個非球面透鏡之間彼此不同。因此，難以精確地抵消溫度變化對于由塑料制成的兩個非球面透鏡的影響。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述情況，本發(fā)明的目的是提供一種緊湊、低成本的投影用變焦透鏡，該投影用變焦透鏡具有廣角投影角度和小F值，不易受到溫度變化的影響，并且能夠通過使用最小數(shù)目的非球面透鏡實(shí)現(xiàn)極好的光學(xué)性能。另外，本發(fā)明的另一個目的是提供一種投影型顯示裝置。為了實(shí)現(xiàn)這些目的，本發(fā)明的投影用變焦透鏡是一種這樣的投影用變焦透鏡，包括第一透鏡組，具有負(fù)折射能力；第二透鏡組，具有正折射能力；第三透鏡組，具有正折射能力；以及第四透鏡組，具有正折射能力，這些透鏡組從變焦透鏡的放大側(cè)按照上述順序排列，其中第一透鏡組和第四透鏡組在變焦期間固定，但是第二透鏡組和第三透鏡組基于從廣角端到遠(yuǎn)距端操作變焦透鏡的操作來在變焦透鏡的光軸上朝著放大側(cè)移動，使得第二透鏡組和第三透鏡組之間的距離變化；以及滿足以下公式(1)17 < FG3/fw(1)，其中Fg3 第三透鏡組的焦距；以及fw 整個系統(tǒng)在廣角端的焦距。理想的是第一透鏡組由從放大側(cè)依次排列的負(fù)的第一透鏡和負(fù)的第二透鏡組成， 所述負(fù)的第一透鏡是由塑料制成的非球面透鏡。另外，理想的是第二透鏡組由從放大側(cè)依次排列的正的第三透鏡和正的第四透鏡組成。另外，理想的是第三透鏡組由第五透鏡、負(fù)的第六透鏡、正的第七透鏡和正的第八透鏡組成，所述第五透鏡是面對放大側(cè)具有凸面的負(fù)彎月透鏡，所述負(fù)的第六透鏡面對放大側(cè)具有凹面，所述正的第七透鏡面對變焦透鏡的縮小側(cè)具有凸面，所述第五至第八透鏡從放大側(cè)按照上述順序排列，并且所述負(fù)的第六透鏡和所述正的第七透鏡接合在一起以形成接合透鏡。另外，理想的是第四透鏡組由正的第九透鏡組成。理想的是滿足以下公式O)
1. 7 < I FG1/fw I < 2. 5 O)，其中Fgi 第一透鏡組的焦距。另外，理想的是滿足以下公式(3)1. 4 < FG2/fw < 2. 3 ⑶，其中Fg2 第二透鏡組的焦距。另外，理想的是滿足以下公式⑷2. 9 < FG4/fw < 4. (K4)，其中Fe4:第四透鏡組的焦距。另外，理想的是滿足以下公式(5)1. 4 彡 bf/fw < 2. 2(5)，其中bf:后焦距。另外，理想的是滿足以下公式(6)-1. 0 < β 2w < -0· 4 (6)，其中β 2w 第二透鏡組在廣角端的放大率。另外，理想的是滿足以下公式(7)1. 35 < β 3w < 1. 80(7)，其中β 3w 第三透鏡組在廣角端的放大率。另外，本發(fā)明的投影型顯示裝置是這樣一種投影型顯示裝置，包括光源；光閥；照明光學(xué)單元，所述照明光學(xué)單元將從光源輸出的光線導(dǎo)引至光閥；以及根據(jù)本發(fā)明任一方面的投影用變焦透鏡，其中從光源輸出的光線由光閥進(jìn)行光調(diào)制，并且通過投影用變焦透鏡投影到屏幕上。術(shù)語“放大側(cè)”意味著投影側(cè)(屏幕一側(cè))。即使在縮影投影時，為了方便起見仍然將屏幕一側(cè)稱作“放大側(cè)”。另外，術(shù)語“縮小側(cè)”意味著原始圖像顯示區(qū)域側(cè)(光閥一側(cè))。即使在縮影投影時，為了方便起見仍然將光閥一側(cè)稱作“縮小側(cè)”。本發(fā)明的投影用變焦透鏡由從放大側(cè)依次排列的負(fù)透鏡組、正透鏡組、正透鏡組和正透鏡組的四個透鏡組組成。另外，本發(fā)明的投影用變焦透鏡使用雙組可移動變焦方法， 并且只有作為中間透鏡組的第二透鏡組和第三透鏡組在變焦期間移動。因此，可以向放大側(cè)分配負(fù)折射能力、向縮小側(cè)分配正折射能力，可以增加縮小側(cè)的遠(yuǎn)心度，同時維持必要的后焦距。另外，本發(fā)明的投影用變焦透鏡無需在第三透鏡組中使用任何非球面透鏡就可以在色差、象散差等方面實(shí)現(xiàn)極好的光學(xué)性能。為此目的，本發(fā)明的投影用變焦透鏡滿足公式 (1)，并且大大減小了第三透鏡組的折射能力，以最小化第三透鏡組的可變放大功能。當(dāng)在投影用變焦透鏡中使用雙組可移動變焦方法時，存在向兩個可移動透鏡組中每一透鏡組分配強(qiáng)折射能力以獲得高放大比、同時最小化總象差的發(fā)生的選項。然而，這種選項對于光學(xué)性能實(shí)際上是不利的，因?yàn)橥ㄟ^使用作為縮小側(cè)可移動透鏡組的第三透鏡組的折射能力的可變放大，總象差的波動變大。
因此，在本發(fā)明的投影用變焦透鏡中，大大減小了第三透鏡組的折射能力以滿足公式(1)，并且向第三透鏡組分配象差校正作為主要功能。另外，將大多數(shù)可變放大功能分配給第二透鏡組。因此，盡管本發(fā)明的投影用變焦透鏡是使用最少數(shù)目非球面透鏡的緊湊透鏡，仍然可以按照極好的方式實(shí)現(xiàn)通過使用雙組可移動變焦方法可實(shí)現(xiàn)的光學(xué)性能。如上所述，當(dāng)將由塑料制成的非球面透鏡設(shè)置在光闌的縮小側(cè)時，由溫度變化引起的像面波動和像面彎曲波動變大。然而，在本發(fā)明的投影用變焦透鏡中，無須將非球面透鏡設(shè)置在光闌的縮小側(cè)上。因此，可以減小由溫度變化引起的對象差的不利影響。


圖1是示出了實(shí)施例1中的投影用變焦透鏡結(jié)構(gòu)的詳細(xì)圖2是示出了進(jìn)入實(shí)施例1中的投影用變焦透鏡的入射光線路徑的圖3是示出了實(shí)施例2中的投影用變焦透鏡結(jié)構(gòu)的詳細(xì)圖4是示出了進(jìn)入實(shí)施例2中的投影用變焦透鏡的入射光線路徑的圖5是示出了實(shí)施例3中的投影用變焦透鏡結(jié)構(gòu)的詳細(xì)圖6是示出了進(jìn)入實(shí)施例3中的投影用變焦透鏡的入射光線路徑的圖Tk-i是示出了實(shí)施例1中的投影用變焦透鏡在廣角端的球差的圖Tk--ii是示出了實(shí)施例1中的投影用變焦透鏡在廣角端的象散的圖Tk--iii是示出了實(shí)施例1中的投影用變焦透鏡在廣角端的失真的圖Tk--iv是示出了實(shí)施例1中的投影用變焦透鏡在廣角端的橫向色差的圖7B-- 是示出了實(shí)施例1中的投影用變焦透鏡在中間位置處的球差的圖7B--ii是示出了實(shí)施例1中的投影用變焦透鏡在中間位置處的象散的圖7B--iii是示出了實(shí)施例1中的投影用變焦透鏡在中間位置處的失真的圖7B--iv是示出了實(shí)施例1中的投影用變焦透鏡在中間位置處的橫向色差的圖
圖7C-- 是示出了實(shí)施例1中的投影用變焦透鏡在遠(yuǎn)距端的球差的圖7C--ii是示出了實(shí)施例1中的投影用變焦透鏡在遠(yuǎn)距端的象散的圖7C--iii是示出了實(shí)施例1中的投影用變焦透鏡在遠(yuǎn)距端的失真的圖7C--iv是示出了實(shí)施例1中的投影用變焦透鏡在遠(yuǎn)距端的橫向色差的圖8A-i是示出了實(shí)施例2中的投影用變焦透鏡在廣角端的球差的圖8A--ii是示出了實(shí)施例2中的投影用變焦透鏡在廣角端的象散的圖8A--iii是示出了實(shí)施例2中的投影用變焦透鏡在廣角端的失真的圖8A--iv是示出了實(shí)施例2中的投影用變焦透鏡在廣角端的橫向色差的圖8B-i是示出了實(shí)施例2中的投影用變焦透鏡在中間位置處的球差的圖8B--ii是示出了實(shí)施例2中的投影用變焦透鏡在中間位置處的象散的圖8B--iii是示出了實(shí)施例2中的投影用變焦透鏡在中間位置處的失真的圖8B--iv是示出了實(shí)施例2中的投影用變焦透鏡在中間位置處的橫向色差的圖
圖8C-i是示出了實(shí)施例2中的投影用變焦透鏡在遠(yuǎn)距端的球差的圖8C--ii是示出了實(shí)施例2中的投影用變焦透鏡在遠(yuǎn)距端的象散的圖8C--iii是示出了實(shí)施例2中的投影用變焦透鏡在遠(yuǎn)距端的失真的圖8C--iv是示出了實(shí)施例2中的投影用變焦透鏡在遠(yuǎn)距端的橫向色差的7
圖9A_i是示出了實(shí)施例3中的投影用變焦透鏡在廣角端的球差的圖；圖9A_ii是示出了實(shí)施例3中的投影用變焦透鏡在廣角端的象散的圖；圖9A_iii是示出了實(shí)施例3中的投影用變焦透鏡在廣角端的失真的圖；圖9A_iv是示出了實(shí)施例3中的投影用變焦透鏡在廣角端的橫向色差的圖；圖9B_i是示出了實(shí)施例3中的投影用變焦透鏡在中間位置處的球差的圖；圖9B_ii是示出了實(shí)施例3中的投影用變焦透鏡在中間位置處的象散的圖；圖9B_iii是示出了實(shí)施例3中的投影用變焦透鏡在中間位置處的失真的圖；圖9B_iv是示出了實(shí)施例3中的投影用變焦透鏡在中間位置處的橫向色差的圖；圖9C_i是示出了實(shí)施例3中的投影用變焦透鏡在遠(yuǎn)距端的球差的圖；圖9C_ii是示出了實(shí)施例3中的投影用變焦透鏡在遠(yuǎn)距端的象散的圖；圖9C_iii是示出了實(shí)施例3中的投影用變焦透鏡在遠(yuǎn)距端的失真的圖；圖9C_iv是示出了實(shí)施例3中的投影用變焦透鏡在遠(yuǎn)距端的橫向色差的圖；以及圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的投影型顯示裝置配置的示意圖。
具體實(shí)施例方式在下文中將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的投影用變焦透鏡的圖(實(shí)施例1用作示例)。在圖1所示的投影用變焦透鏡中，第一透鏡組G1 具有負(fù)折射能力，第二透鏡組&具有正折射能力，第三透鏡組&具有正折射能力，第四透鏡組(^4具有正折射能力，這些透鏡組從變焦透鏡的放大側(cè)按照上述順序設(shè)置。另外，將主要是顏色組合棱鏡的玻璃塊(包括濾色器單元)2和諸如液晶顯示面板之類的光閥的圖像顯示面板1設(shè)置在變焦透鏡之后的后續(xù)級。在圖1中，直線Z表示光軸。另外，投影用變焦透鏡的縮小側(cè)是遠(yuǎn)心的(telecentric)或者略微遠(yuǎn)心的，以使得顏色組合棱鏡的顏色性質(zhì)極佳，并且使得光閥的對比度在整個屏幕上均勻。另外，第一透鏡組G1和第四透鏡組&在變焦期間固定。然而，第二透鏡組( (可以集成孔徑光闌(可以使用屏蔽罩)3)和第三透鏡組基于從廣角端到遠(yuǎn)距端操作變焦透鏡的操作來在變焦透鏡的光軸Z上朝著放大側(cè)移動，使得第二透鏡組( 和第三透鏡組( 之間的距離變化。在聚焦期間，理想的是整個第一透鏡組G1作為一組沿光軸Z移動?？蛇x地，可以通過移動其他透鏡組的全部或一部分來執(zhí)行聚焦。另外，理想的是第一透鏡組G1由從放大側(cè)依次設(shè)置的負(fù)的第一透鏡！^和負(fù)的第二透鏡L2組成，負(fù)的第一透鏡是由塑料制成的非球面透鏡。另外，理想的是第二透鏡組( 由兩個正透鏡組成。因此，可以使得透鏡系統(tǒng)緊湊， 并且減小透鏡系統(tǒng)的成本。另外，更加理想的是第二透鏡組&由第三透鏡L3、光闌(可以使用屏蔽罩，下同)3和第四透鏡L4組成，第三透鏡是雙凸透鏡，第四透鏡是雙凸透鏡。當(dāng)將光闌(屏蔽罩)3設(shè)置在兩個正透鏡之間時，可以使得縮小側(cè)的遠(yuǎn)心度更佳。另外，理想的是第三透鏡組( 由第五透鏡L5、負(fù)的第六透鏡L6、正的第七透鏡1^和正的第八透鏡L8組成，第五透鏡是面對放大側(cè)具有凸面的負(fù)彎月透鏡，負(fù)的第六透鏡面對放大側(cè)具有凹面，正的第七透鏡面對變焦透鏡的縮小側(cè)具有凸面。第五至第八透鏡從放大側(cè)按照上述順序設(shè)置。另外，理想的是負(fù)的第六透鏡L6和正的第七透鏡L7接合在一起以形成接合透鏡。另外，理想的是第四透鏡組&由正的第九透鏡L9組成。如上所述，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的投影用變焦透鏡是負(fù)導(dǎo)程型 (negative-lead-type)變焦透鏡。因此，可以容易地增加投影角度，并且維持后焦距(back focus)的合適長度。另外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的投影用變焦透鏡滿足以下公式(1)17 < FG3/fw(1)，其中Fg3 第三透鏡組( 的焦距；以及fw 變焦透鏡整個系統(tǒng)在廣角端的焦距。如上所述，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的投影用變焦透鏡中，大大地減小了第三透鏡組 &的折射能力以滿足公式(1)，并且向第三透鏡組&分配象差校正作為主要功能。另外，將大多數(shù)可變放大功能分配給第二透鏡組&。因此，以極佳的方式實(shí)現(xiàn)了通過使用雙組可移動變焦方法可實(shí)現(xiàn)的光學(xué)性能。具體地，當(dāng) ^/fw的值小于由公式⑴定義的下限時，第三透鏡組&的折射能力變得太強(qiáng)，并且變得難以獲得極佳的光學(xué)性能。因此，理想的是滿足以下公式(1’ )來代替公式(1)20 < FG3/fw(1')。另外，更理想的是滿足以下公式(1”)來代替公式(1)25 < FG3/fw(1〃)。在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的投影用變焦透鏡中，如上所述設(shè)置每一透鏡組的能力，并且縮小側(cè)光束的直徑大于放大側(cè)光束的直徑。另外，縮小側(cè)是遠(yuǎn)心的。因此，作為縮小側(cè)透鏡組的第三透鏡組&和第四透鏡組(^4中至少一個透鏡的外直徑變大。在這種情況下，第三透鏡組&由四個透鏡組成，以維持能夠應(yīng)對第三透鏡組&在變焦期間的移動的光學(xué)性能， 并且獲得F值約為1. 7的的強(qiáng)光變焦透鏡。如上所述，理想的是第一透鏡組G1用作聚焦單元。當(dāng)?shù)谝煌哥R組G1由兩個透鏡組成時，可以在聚焦期間容易地驅(qū)動第一透鏡組Α。另外，理想的是第一透鏡組G1中兩個負(fù)透鏡之一是非球面透鏡。另外，更理想的是放大側(cè)的第一透鏡L1是非球面透鏡，以增強(qiáng)第一透鏡組Gl的象差校正功能。在這種情況下，非球面透鏡由塑料制成是有成本優(yōu)勢的。當(dāng)非球面透鏡由塑料制成時，使非球面透鏡的折射能力盡可能低以減小溫度變化對非球面透鏡的影響是必要的。因此，由于第一透鏡組 G1的大部分折射能力由第二透鏡L2提供，理想的是第一透鏡組G1的折射能力整體上滿足以下公式( ，以防止各種象差大幅增加1. 7 < |Fcl/fw| < 2. 5 )，其中Fgi 第一透鏡組G1的焦距，以及fw 變焦透鏡整個系統(tǒng)在廣角端的焦距。當(dāng)|Fei/fw|的值超過由公式(2)定義的上限時，第一透鏡組G1在聚焦期間的移動距離變得太長，并且前端透鏡的直徑增加。相反，當(dāng)Ii7eiAvI的值小于由公式(2)定義的下限時，各種象差的校正、尤其是與像面相關(guān)的象差校正變得困難。因此，理想的是滿足以下公式⑵)來代替公式O)
9
1. 8 < |FG1/fw| < 2. 3(2')。另外，更理想的是滿足以下公式以“)來代替公式O)1. 9 < FG1/fw < 2. 2(2")。另外，理想的是第二透鏡組( 由從放大側(cè)依次設(shè)置的正的第三透鏡L3和正的第四透鏡L4組成。如上所述，在雙組可移動方法中，兩個可移動透鏡組中第三透鏡組( 的折射能力非常小。因此，可移動透鏡組的可變放大功能基本上分配給第二透鏡組&。因此，盡管需要使第二透鏡組&的能力強(qiáng)到一定程度，但是如果第二透鏡組&的能力太強(qiáng)，則可移動透鏡組的象差整體上太大，并且難以校正這些象差。因此，理想的是滿足以下公式(3)1. 4 < FC2/fw < 2. 3(3)，其中Fg2 第二透鏡組( 的焦距，以及fw 整個系統(tǒng)在廣角端的焦距。具體地，當(dāng)Fe2/fw的值超過由公式(3)定義的上限時，第二透鏡組( 的能力變得太弱，并且第二透鏡組&的移動距離變得太長。相反，當(dāng)Fe2/fw的值小于由公式(3)定義的下限時，第二透鏡組&的能力變得太強(qiáng)，并且難以按照極佳的方式校正象差。因此，理想的是滿足以下公式(3')來代替公式(3)1. 5 < FG2/fw < 2. 2(3')。另外，更理想的是滿足以下公式(3")來代替公式(3)1. 6 < FG2/fw < 2. 1(3")。另外，理想的是第四透鏡組&具有正折射能力，并且第四透鏡組可以將象差校正抑制在極佳的范圍，同時減小整個透鏡長度。因此，理想的是滿足以下公式2. 9 < FG4/fw < 4. (K4)，其中Fg4 第四透鏡組&的焦距；以及Fw 變焦透鏡整個系統(tǒng)在廣角端的焦距。具體地，當(dāng)Fe4/fw的值超過由公式(4)定義的上限時，第四透鏡組的能力變得太弱，并且整個長度變得太長。相反，當(dāng)Fe4/fW的值小于由公式(4)定義的下限時，第四透鏡組(^4的能力變得太強(qiáng)，并且難以維持足夠的后焦距(backfocus)。另外，難以按照極佳的方式校正象差。因此，理想的是滿足以下公式)來代替公式⑷3. 1 < FG4/fw < 3. 8(4')。另外，更理想的是滿足以下公式)來代替公式⑷3. 3 < FG4/fw < 3. 6(4")。另外，理想的是滿足以下公式(5)至(8)中至少之一1. 4 ^ bf/fw < 2. 2(5)-1. 0 < β 2w < -0. 4(6)1. 35 < β 3w < 1. 80(7)0· 99 < ΖΚ3 < 1· 00(8)，其中bf:后焦距，F(xiàn)w 整個系統(tǒng)在廣角端的焦距，β 2w:第二透鏡組(；2在廣角端的放大率，
β 3w 第三透鏡組( 在廣角端的放大率，以及Ze3 通過將第三透鏡組G3在遠(yuǎn)距端的放大率除以第三透鏡組G3在廣角端的放大率得到的值。對于β 2w和β 3w的值，將描述一般性的第η透鏡組Gn在廣角端的放大率(β nw) 的定義。具體地，當(dāng)光線從放大側(cè)進(jìn)入投影用變焦透鏡時，如果在廣角端由在第η透鏡組Gn 的放大側(cè)的透鏡組(在η是3的情況下為第一透鏡組G1和第二透鏡組( )形成的圖像的高度是像高1，并且由第η透鏡組Gn使用已經(jīng)通過其放大側(cè)的透鏡組形成的圖像作為物體所形成的圖像的高度是像高2，將像高2與像高1之比(像高比)定義為第η透鏡組Gn在廣角端的放大率(β )。公式(5)定義了投影用變焦透鏡的后焦距。當(dāng)bf/fw的值小于由公式(5)定義的下限時，難以在透鏡和光閥之間插入諸如顏色組合棱鏡之類的光學(xué)系統(tǒng)。相反，當(dāng)bf/fw的值超過由公式(5)定義的上限時，整個透鏡長度變得太長，并且不能按照極佳的方式校正廣角端的象差。因此，理想的是滿足以下公式(5')來代替公式(5)1. 5 < bf/fw < 1. 9(5')。另外，更理想的是滿足以下公式(5")來代替公式(5)1. 6 < bf/fw < 1. 7(5〃 )。公式(6)定義了第二透鏡組( 在廣角端的放大率。當(dāng)β 2w的值小于由公式(6) 定義的下限時，第二透鏡組&的能力變得太強(qiáng)，并且難以按照極佳的方式校正象差。相反， 當(dāng)β 2w的值超過由公式(6)定義的上限時，第二透鏡組( 的能力變得太弱，并且第二透鏡組&的移動距離變得太長。因此，理想的是滿足以下公式(6')來代替公式(6)-0. 9 < β 2w < -0. 5(6')。另外，更理想的是滿足以下公式(6")來代替公式(6)-0. 75 < β 2w < _0· 60 (6 〃)。同時，公式(7)定義了第三透鏡組( 在廣角端的放大率。當(dāng)β 3w的值超過由公式(7)定義的上限時，第三透鏡組( 的能力變得太強(qiáng)，難以按照極佳方式校正象差。相反， 當(dāng)β 3w的值小于由公式(7)定義的下限時，第三透鏡組( 的能力變得太弱，并且第三透鏡組&的移動距離變得太長。因此，理想地的是滿足以下公式(7')來代替公式(7)1. 40 < β 3w < 1. 75(7')。另外，更理想的是滿足以下公式(7")來代替公式(7)1. 45 < β 3w < 1. 70(7〃 )。另外，公式(8)定義了通過將第三透鏡組G3在遠(yuǎn)距端的放大率除以第三透鏡組( 在廣角端的放大率0 得到的值^的范圍。具體地，理想的是第三透鏡組( 中不包括非球面透鏡，并且需要使組成第三透鏡組&的每一正透鏡和負(fù)透鏡的折射率強(qiáng)到減小色差和象散差別。因此，整體上減小第三透鏡組&的折射能力，并且將表示放大率之比的的值設(shè)置在1. 0(最小范圍)左右的范圍，以最小化每一象差的影響。當(dāng)^i3的值超過由公式⑶定義的上限或者^i3的值小于由公式⑶定義的下限時，象差的波動在每一種情況下均較大，并且難以校正象差。在隨后所述的本發(fā)明的投影用變焦透鏡的每一個實(shí)施例中，第一透鏡組G1包括至少一個非球面表面。這對于校正諸如失真之類的象差是有利的。非球面表面的形狀由以下非球面表面方程來表示[方程1]其中Z 從非球面表面上與光軸相距Y的點(diǎn)到與該非球面頂點(diǎn)接觸的平面(與光軸垂直的平面)的垂線的長度；Y:與光軸的距離；R 光軸附近非球面表面的曲率半徑；K:離心率；以及Ai 非球面系數(shù)(i = 3至10)。接下來將參考圖10描述安裝有上述投影用變焦透鏡的投影型顯示裝置的實(shí)施例。圖10中所示的投影型顯示裝置30包括透射型液晶面板Ila至Ilc作為光閥。另外， 根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的投影用變焦透鏡用作投影用變焦透鏡10。另外，將諸如蠅眼積分器(fly eyeintegrator)之類的積分器(未示出)設(shè)置在光源15和分色鏡12之間。從光源15輸出的白光通過照明光學(xué)單元進(jìn)入與分別與三種顏色的光線(G光、B光和R光)相對應(yīng)的液晶面板Ila至11c，并且受到光學(xué)調(diào)制。通過十字形分色棱鏡14將調(diào)制光的顏色進(jìn)行組合，并且所組合光通過投影用變焦透鏡10投影到未示出的屏幕上。投影型顯示裝置 30包括用于分離顏色的分色鏡12、13、用于組合顏色的十字形分色棱鏡14、會聚透鏡16a至 16c和全反射鏡18a至18c。因?yàn)楸緦?shí)施例的投影型顯示裝置30包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的投影用變焦透鏡，可以減小該裝置的尺寸、重量和成本，同時按照可實(shí)現(xiàn)高可變放大率的方式構(gòu)建該裝置。另外，可以維持極佳的光學(xué)性能。本發(fā)明的投影用變焦透鏡的用途不局限于用于使用透射型液晶顯示面板等的投影型顯示裝置中。本發(fā)明的投影用變焦透鏡可以用作使用反射型液晶顯示面板等或者諸如 DMD之類的不同光調(diào)制裝置的裝置中的投影用變焦透鏡。[實(shí)施例]接下來將使用具體的實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明的投影用變焦透鏡。在以下實(shí)施例中，假設(shè)整個系統(tǒng)在廣角端的焦距fw為1，對數(shù)據(jù)的數(shù)值進(jìn)行歸一化。〈實(shí)施例1>如前所述，實(shí)施例1中的投影用變焦透鏡如圖1所示構(gòu)建。另外，在圖2中示出了變焦期間每一可移動透鏡組的移動路徑。具體地，在實(shí)施例1的投影用變焦透鏡中，透鏡組和透鏡按照下述順序從投影用變焦透鏡的放大側(cè)排列。第一透鏡組G1由第一透鏡L1和第二透鏡L2組成。第一透鏡L1的兩個表面都是非球面，并且第一透鏡L1具有負(fù)彎月形狀，所述負(fù)彎月形狀在光軸Z附近面對投影用變焦透鏡的放大側(cè)具有凹面。第二透鏡L2是負(fù)彎月透鏡，在光軸Z附近面對投影
12用變焦透鏡的縮小側(cè)具有凹面。另外，第二透鏡組&由第三透鏡L3、屏蔽罩3和第四透鏡 L4組成。第三透鏡1^3是面對放大側(cè)具有凸面的正彎月透鏡，第四透鏡L4是雙凸透鏡。第三透鏡組&由第五透鏡L5、第六透鏡L6、第七透鏡L7和第八透鏡L8組成。第五透鏡L5是面對放大側(cè)具有凸面的負(fù)彎月透鏡，第六透鏡L6是雙凹透鏡。另外，第七透鏡L7是雙凸透鏡，第八透鏡L8是雙凸透鏡。第六透鏡L6和第七透鏡L7接合在一起以形成接合透鏡。第四透鏡組(^4由雙凸透鏡的第九透鏡L9組成。當(dāng)改變放大率時，第二透鏡組(；2和第三透鏡組( 基于從廣角端到遠(yuǎn)距端操作變焦透鏡的操作，沿著光軸Z朝著放大側(cè)移動，使得第二透鏡組( 和第三透鏡組( 之間的距離變化。通過沿光軸Z移動第一透鏡組G1執(zhí)行聚焦。表1的上半部分示出了實(shí)施例1中每一透鏡表面的曲率半徑R(假設(shè)整個透鏡系統(tǒng)在廣角端的焦距是1. 0，進(jìn)行歸一化，其他表中同樣如此)、每一個透鏡的中心厚度D以及透鏡之間的空氣間隔D(按照與曲率半徑類似的方式歸一化，在其他表中同樣如此)、每一透鏡的有效直徑、對于d線的折射率 以及阿貝數(shù)vd。在表1以及隨后所述的表2和3中， 與符號R和D、有效直徑、符號 和Vd相對應(yīng)的表面號碼從放大側(cè)順序增加。另外，在表1 的最上端示出了焦距f、視角2 ω和F值!^o (其他表中同樣如此)。表1的中間部分示出了常數(shù)K和A3至Altl，它們是與非球面表面相對應(yīng)的非球面系數(shù)。另外，表1的下半部分示出了當(dāng)投影距離是162. 47時在廣角端(廣角)、中間位置(中距)和遠(yuǎn)距端(遠(yuǎn)距)的可變距離1、可變距離2和可變距離3?？勺兙嚯x1是第一透鏡組 G1和第二透鏡組( 之間的距離?？勺兙嚯x2是第二透鏡組( 和第三透鏡組( 之間的距離。 可變距離3是第三透鏡組( 和第四透鏡組之間的距離。[表1]焦距0.9956-1. 0952、投影距離162. 47、視角57. 9-53. 4 度，光圈數(shù) Fl. 70-1. 78
權(quán)利要求
1.一種投影用變焦透鏡，包括從投影用變焦透鏡的放大側(cè)依次排列的下述透鏡組 第一透鏡組，具有負(fù)折射能力； 第二透鏡組，具有正折射能力； 第三透鏡組，具有正折射能力；以及第四透鏡組，具有正折射能力，其中所述第一透鏡組和所述第四透鏡組在變焦期間固定，但是所述第二透鏡組和所述第三透鏡組基于從廣角端到遠(yuǎn)距端操作所述變焦透鏡的操作來在所述變焦透鏡的光軸上朝著放大側(cè)移動，使得所述第二透鏡組和所述第三透鏡組之間的距離變化；以及滿足以下公式⑴17 < FG3/fw(1)，其中Fg3 所述第三透鏡組的焦距；以及 fw 整個系統(tǒng)在廣角端的焦距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影用變焦透鏡，其中，所述第一透鏡組由從放大側(cè)依次排列的負(fù)的第一透鏡和負(fù)的第二透鏡組成，所述負(fù)的第一透鏡是由塑料制成的非球面透鏡，以及所述第二透鏡組由從放大側(cè)依次排列的正的第三透鏡和正的第四透鏡組成；以及所述第三透鏡組由從放大側(cè)依次排列的第五透鏡、負(fù)的第六透鏡、正的第七透鏡和正的第八透鏡組成，所述第五透鏡是面對放大側(cè)具有凸面的負(fù)彎月透鏡，所述負(fù)的第六透鏡面對放大側(cè)具有凹面，所述正的第七透鏡面對變焦透鏡的縮小側(cè)具有凸面，并且所述負(fù)的第六透鏡和所述正的第七透鏡接合在一起以形成接合透鏡；以及所述第四透鏡組由正的第九透鏡組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影用變焦透鏡，其中滿足以下公式O) 1.7 < |Fcl/fV| < 2.50)，其中Fgi 所述第一透鏡組的焦距。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影用變焦透鏡，其中滿足以下公式(3)1.4 < FG2/fw < 2. 3(3)，其中 Fg2 所述第二透鏡組的焦距。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影用變焦透鏡，其中滿足以下公式2.9 < FG4/fw < 4. O，其中 Fg4 所述第四透鏡組的焦距。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影用變焦透鏡，其中滿足以下公式(5) 1.4^ bf/fw < 2. 2(5)，其中bf 后焦距。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影用變焦透鏡，其中滿足以下公式(6) -1. O < β 2w < -0. 4(6)，其中β 2w 所述第二透鏡組在廣角端的放大率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影用變焦透鏡，其中滿足以下公式(7) 1. 35 < β 3w < 1. 80(7)，其中β 3w 所述第三透鏡組在廣角端的放大率。
9. 一種投影型顯示裝置，包括 光源； 光閥；照明光學(xué)單元，所述照明光學(xué)單元將從所述光源輸出的光線導(dǎo)引至所述光閥；以及根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的投影用變焦透鏡，其中從所述光源輸出的光線由所述光閥進(jìn)行光調(diào)制，并且通過所述投影用變焦透鏡投影到屏幕上。
全文摘要
一種投影用變焦透鏡包括從投影用變焦透鏡的放大側(cè)依次排列的負(fù)的第一透鏡組、正的第二透鏡組、正的第三透鏡組和正的第四透鏡組。第一透鏡組和第四透鏡組在變焦期間固定，但是第二透鏡組和第三透鏡組基于從廣角端到遠(yuǎn)距端操作變焦透鏡的操作來在變焦透鏡的光軸Z上朝著放大側(cè)移動，使得第二透鏡組和第三透鏡組之間的距離變化。另外，滿足以下公式(1)17＜FG3/fw (1)，其中FG3第三透鏡組的焦距；以及fw整個系統(tǒng)在廣角端的焦距。
文檔編號G03B21/14GK102236159SQ20111011522
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者佐渡謙造 申請人:富士膠片株式會社