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

發(fā)明內(nèi)容
盡管已描述了多種投影透鏡，但行內(nèi)仍認(rèn)為將會(huì)受益于具有改善特性(如，高通過(guò)量、大視野、以及它們的組合)的(如緊湊型)投影透鏡。在一個(gè)實(shí)施例中，描述了下述廣角投影透鏡，其包括從屏幕側(cè)依次排列的具有負(fù)屈光力的第一透鏡組、具有正屈光力的第二透鏡組、具有正屈光力的第三透鏡組；以及具有正屈光力的第四透鏡組。至少一個(gè)透鏡組具有非球面表面。廣角投影透鏡的焦距(F)相對(duì)透鏡組中的每一個(gè)的焦距(Fp F2、&、和F4)的比率使得I Fi/F I >1. 3、F2/F>2、1〈F3/F〈2、并且1.5〈F4/F〈8。在另一個(gè)實(shí)施例中，描述了下述廣角投影透鏡，其具有50到85度范圍內(nèi)的視場(chǎng)角、1. 2到1. 8的F#、和不大于3. 5的最大直徑相對(duì)焦距的比率。在另一個(gè)實(shí)施例中，廣角投影透鏡具有50到85度范圍內(nèi)的視場(chǎng)角、1. 2到1. 8的F#、和不大于9. 0的總軌跡相對(duì)焦距的比率。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)；和本文所述的廣角投影透鏡。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分別示出了所實(shí)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)的廣角投影透鏡。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)，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(guó)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的)?？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(pán)。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(mén)同樣可用于本發(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)于一些具體實(shí)施而言，聚焦機(jī)構(gòu)65可通過(guò)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)，所述底座可通過(guò)手動(dòng)或通過(guò)使用電子驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)。例如，聚焦可以通過(guò)使用變焦或縮放透鏡來(lái)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(guó)專利No. 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，本文所述的廣角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(lái)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L_/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3. 5、或不大于3. 4、或不大于3. 3的最大透鏡直徑相對(duì)焦距的比率。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
3.O、或不大于2. 5、或不大于2. O。最大透鏡直徑相對(duì)焦距的最小比率通常為至少1. 5。作為另外一種選擇，或其組合，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(lái)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(yǔ)“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。在一些實(shí)施例中，總軌跡不大于65mm或70mm。在其他實(shí)施例中，總軌跡不大于75mm或約80mm。最小總軌跡通常為至少50mm。本文所述的緊湊型投影透鏡通常具有不大于8. 5的總軌跡相對(duì)焦距的比率。在一些實(shí)施例中，總軌跡相對(duì)焦距的比率不大于7. O、或不大于6. O。總軌跡相對(duì)焦距的最小比率通常為至少5. 5。在優(yōu)選實(shí)施例中，本文所述的廣角投影透鏡具有由F#表征的高通過(guò)量。F#通常為至少1. 2、或1. 3、或1. 4。F#通常不大于1. 8、或1. 7。在一些實(shí)施例中，F(xiàn)#不大于1. 6。在優(yōu)選實(shí)施例中，本文所述的廣角投影透鏡具有由視場(chǎng)角表征的至少45或50度并且優(yōu)選50或55度的相對(duì)較大視場(chǎng)。視場(chǎng)角可高達(dá)約80或85度。在一些實(shí)施例中，視場(chǎng)角可高達(dá)75度、或70度、或65度?？尚薷牡谝煌哥R組(Gl)的焦度以調(diào)節(jié)視場(chǎng)，其中焦度等于I/焦距。如下述實(shí)例所示，當(dāng)If1A7I略高于1.3時(shí)，視場(chǎng)角為約80度；然而當(dāng)IF1/Fl為約2. 0時(shí)，視場(chǎng)角為約55度。因此，當(dāng)?shù)谝煌哥R組(Gl)的焦度變得越來(lái)越負(fù)時(shí)，視場(chǎng)增大。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(lái)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 DesignCRobert E. Fischer, Biljana Tadic-Galeb, PaulR. Roder;McGraw Hill, New York(2008),第 191-198 頁(yè))中所述來(lái)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15微米或10微米。在其他實(shí)施例中，分辨率為9微米、8微米、或7微米、或6微米。在優(yōu)選實(shí)施例中，描述了下述緊湊型廣角投影透鏡，其具有高通過(guò)量和大視場(chǎng)的組合。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)器件包括四個(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)、第三透鏡組(G3)、和第四透鏡組(G4)。術(shù)語(yǔ)“屏幕側(cè)”意味著投影透鏡最靠近投影屏幕的一側(cè)。根據(jù)本文的具體實(shí)施方式
，可采用投影透鏡66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)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。圖2中的示例性投影透鏡包括從屏幕側(cè)開(kāi)始數(shù)起的四個(gè)透鏡組中的總共十(10)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F/F比率使得lFi/FlM.3。在一些實(shí)施例中，h/Fl為至少1. 5、或1. 6、或
1.7、或1. 8、或1. 9、或2. O。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?？讖焦怅@位于第二透鏡組內(nèi)或者第二和第三透鏡組之間。G2中的F2/F比率使得F2/F>2。在一些實(shí)施例中，F(xiàn)2/F為至少2. 5、或
2.6、或2. 7、或2. 8、或2. 9、或3. O。第三透鏡組(G3)由包括(L6)到(L9)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〈2。在一些實(shí)施例中，F(xiàn)3/F為至少1.1。在其他實(shí)施例中，F(xiàn)3/F為至少1. 2、或1. 3、或1. 4、或1. 5、或1. 6、或1. 7。如圖2所示，透明固體(如玻璃)棱鏡位于第三透鏡組(G3)和第四透鏡組(G4)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，棱鏡包括有助于第四透鏡組的屈光力的棱鏡表面。第四透鏡組(G4)具有正屈光力。F4/F比率使得1. 5〈F4/F〈8。在一些實(shí)施例中，F(xiàn)4/F為至少2或3。在其他實(shí)施例中，F(xiàn)4/F為至少4或5。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(guò)以下公式來(lái)定義
權(quán)利要求
1.一種廣角投影透鏡，包括從屏幕側(cè)依次排列的下述部件: (a)具有負(fù)屈光力的第一透鏡組； (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； (d)具有正屈光力的第四透鏡組；并且 至少一個(gè)透鏡組具有非球面表面； 其中 F為所述廣角投影透鏡的焦距； 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； F4為所述第四透鏡組的焦距；并且 所述焦距的比率如下:Fi/FlM.3 ; F2/F>2 ；1〈F3/F〈2 ;并且 1.5〈F4/F〈8。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣角投影透鏡，其中孔徑光闌位于所述第二透鏡組內(nèi)或者所述第二和第三透鏡組之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣角投影透鏡，其中所述視場(chǎng)角在所述屏幕側(cè)的方向上為至少 50℃
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的廣角投影透鏡，其中所述投影透鏡具有不大于2.0的F#。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的廣角投影透鏡，其中所述投影透鏡具有不大于1.8的F#。
6.根據(jù)權(quán)利要求4-5所述的廣角投影透鏡，其中所述投影透鏡具有至少1.2的F#。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的廣角投影透鏡，其中所述投影透鏡具有不大于9.0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)所述的廣角投影透鏡，其中所述投影透鏡具有不大于3.5的最大直徑相對(duì)焦距的比率。
9.一種廣角投影透鏡，具有50到85度范圍內(nèi)的視場(chǎng)角、1.2到1.8的F#、和不大于3.5的最大直徑相對(duì)焦距的比率。
10.一種廣角投影透鏡，具有50到85度范圍內(nèi)的視場(chǎng)角、1.2到1.8的F#、和不大于9.0的總軌跡相對(duì)焦距的比率。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的廣角投影透鏡，其中所述第一或第三透鏡組具有非球面表面。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的廣角投影透鏡，其中所述第四透鏡組具有非球面表面。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的廣角投影透鏡，其中所述透鏡還包括位于所述第三和第四透鏡組之間的棱鏡。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的廣角投影透鏡，其中所述棱鏡包括有助于所述第四透鏡組的屈光力的透鏡表面。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的廣角投影透鏡，其中所述透鏡具有7微米的分辨率。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的廣角投影透鏡，其中所述透鏡適用于背投影顯示系統(tǒng)。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的廣角投影透鏡，其中所述透鏡適用于前投影顯示系統(tǒng)。
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1-15所述的廣角投影透鏡。
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)明涉及廣角投影透鏡、以及包括這種投影透鏡的光學(xué)引擎和投影顯示裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，描述了下述廣角投影透鏡，其包括從屏幕側(cè)依次排列的具有負(fù)屈光力的第一透鏡組、具有正屈光力的第二透鏡組、具有正屈光力的第三透鏡組；以及具有正屈光力的第四透鏡組。至少一個(gè)透鏡組具有非球面表面。所述廣角投影透鏡的焦距(F)相對(duì)所述透鏡組中的每一個(gè)的焦距(F1、F2、F3、和F4)的比率使得|F1/FI>1.3、F2/F>2、1<F3/F<2、并且1.5<F4/F<8。
文檔編號(hào)G02B13/06GK103080808SQ201180041217
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者贠智省, 史蒂芬·J·威利特, 小埃內(nèi)斯托·M·羅德里格斯 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司