專利名稱：投影透鏡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于投影裝置的投影透鏡系統(tǒng)，具體涉及一種能夠校正色象差的緊湊的投影透鏡系統(tǒng)。
最近，隨著顯示裝置對(duì)大屏幕和高質(zhì)量圖象要求的增加，一種使用投影透鏡來很好地投影小型圖象的投影式裝置迅速流行開來。根據(jù)圖象投影到屏幕上的方向，這種投影裝置主要可分為前投影系統(tǒng)和背投影系統(tǒng)。背投影系統(tǒng)有一個(gè)更顯著的優(yōu)點(diǎn)在于，即使在一個(gè)周邊環(huán)境較亮的地方，它也可以顯示出相對(duì)更亮的圖象。典型的背投影裝置包括一臺(tái)投影電視(TV)。投影電視主要利用陰極射線管(CRT)和液晶顯示器等作為實(shí)現(xiàn)小型圖象的光源。在陰極射線管或液晶板上重現(xiàn)出的小型圖象被投影透鏡放大，然后以大型圖象的方式投射到屏幕的后表面上。
參見

圖1A和1B，兩圖分別顯示了用傳統(tǒng)陰極射線管作為光源的投影電視的前視內(nèi)部結(jié)構(gòu)和側(cè)視內(nèi)部結(jié)構(gòu)。投影電視包括陰極射線管2，用來顯示對(duì)應(yīng)于圖象信號(hào)的圖象；投影透鏡系統(tǒng)4，用來很好地投影顯示在CRT2上的圖象；反射鏡6，用來把從投影透鏡系統(tǒng)4投射出的圖象反射到屏幕8上；屏幕8，用來顯示從投影透鏡系統(tǒng)4很好地投射出的圖象。如圖1A所示，陰極射線管2包括紅、綠、藍(lán)陰極射線管2R、2G、2B，分別來顯示每一個(gè)紅、綠、藍(lán)彩色象素。投影透鏡系統(tǒng)4包括紅、綠、藍(lán)投影透鏡系統(tǒng)4R、4G、4B，它們分別位于每一個(gè)紅、綠、藍(lán)陰極射線管2R、2G、2B的出口處，用來很好地投射來自每一個(gè)紅、綠、藍(lán)陰極射線管2R、2G、2B的圖象。反射鏡6通過反射由紅、綠、藍(lán)投影透鏡系統(tǒng)4R、4G、4B很好地投射出的將成像到屏幕8上的圖象使得屏幕8可顯示大型的彩色圖象。在這種情況下，為了實(shí)現(xiàn)高清晰度的圖象，投影透鏡系統(tǒng)4需要通過校正球差、象散、畸變、色差來確?？梢栽贑RT上分辨出掃描線的性能。為此目的，每一個(gè)紅、綠、藍(lán)投影透鏡系統(tǒng)4R、4G、4B包括多個(gè)塑料透鏡和一個(gè)玻璃透鏡。
投影透鏡系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)在美國(guó)專利Nos．4，300，817，4，384，081，4，526，442和4，697，892中有詳細(xì)描述。并且美國(guó)專利No．4，685，774還公開了一種投影透鏡系統(tǒng)，它通過增加光軸和邊緣部分非球面處的屈光力的變化來校正隨場(chǎng)視角的增加而產(chǎn)生的象差。此外，美國(guó)專利No．4，776，581講授了一種能夠增加場(chǎng)視角并且很精密的投影透鏡系統(tǒng)。但是，由于1．0左右的F／#，美國(guó)專利Nos．4，300，817，4，384，081，4，526，442，4，697，892，4，685，774和4，776，581所公開的投影透鏡系統(tǒng)在亮度等方面并沒有獲得好的性能。換句話說，投影透鏡系統(tǒng)必須有低于1．0的F／#。然而，以上美國(guó)專利所公開的投影透鏡系統(tǒng)由于受所提出的透鏡結(jié)構(gòu)和屈光力的分散的限制而不能獲得低于1．0的F／#。
美國(guó)專利No．4，963，007還把一種軸向色差校正作為象差校正技術(shù)進(jìn)行公開。按照慣例，軸向色差校正定義為以下等式K／v=K1／v1+K2／v2………………………………(1)其中，K1和K2是透鏡元件L1和L2的屈光力，v1和v2是透鏡元件L1和L2的色散值(1／阿貝數(shù))。v1和v2可以校正軸向色差，因?yàn)楫?dāng)公式(1)中K／v的值為“0”時(shí)，v1和v2的值為無窮。為了達(dá)到校正軸向色差的目的，美國(guó)專利No．4，963，007所提出的投影透鏡系統(tǒng)把屈光力進(jìn)行合理分布并把具有各自不同色散值的透鏡組合在一起。同樣為了達(dá)到此目的，美國(guó)專利No．5，272，540所公開的投影透鏡系統(tǒng)采用了膠合雙合透鏡的結(jié)構(gòu)。以上美國(guó)專利所公開的這些投影透鏡系統(tǒng)，因?yàn)榭梢砸罁?jù)屈光力的分散而分割透鏡或者投影透鏡系統(tǒng)使用膠合雙合透鏡結(jié)構(gòu)，所以其適用于校正軸向色差。然而，這些投影透鏡系統(tǒng)也要允許由于增加多余的透鏡而造成的成本增加。上面美國(guó)專利No．4，963，007所描述的投影透鏡系統(tǒng)為了達(dá)到校正軸向色差的目的組合了火石系列(Flint Series)和冕牌系列(Grown Series)玻璃透鏡或聚苯乙烯以及丙烯酸塑料透鏡。上面美國(guó)專利No．5，272，240所公開的投影透鏡系統(tǒng)為了達(dá)到校正軸向光學(xué)色差的目的使用了膠合雙合透鏡，這種透鏡把具有不同阿貝數(shù)的透鏡膠合在一起。以上美國(guó)專利No．5，272，540公開的投影透鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2所示的投影透鏡系統(tǒng)包括具有弱屈光力的第一透鏡10和第二透鏡12；承擔(dān)投影透鏡系統(tǒng)主要正屈光力的第三透鏡14；具有弱的正屈光力的第四透鏡16；以及具有強(qiáng)屈光力的第五透鏡18。第一透鏡10起校正球差的作用，第二透鏡12起校正慧差和象散的作用。第一和第二透鏡10和12均由塑料材料制成。第四透鏡16和第五透鏡18也由塑料材料制成，它們起到校正象散的作用。第三透鏡14由玻璃制成的雙合透鏡組成，它的作用是校正色象差。換句話說，第三透鏡14利用具有正屈光力的透鏡與具有負(fù)屈光力的透鏡的組合而校正了色象差。
如上所述，美國(guó)專利No．5，272，540公開的投影透鏡系統(tǒng)為了達(dá)到校正色象差和各種光學(xué)象差的目的包括一個(gè)雙合透鏡和多個(gè)單透鏡。因?yàn)槊绹?guó)專利No．5，272，540的投影透鏡系統(tǒng)包括大量透鏡，所以其難于建造一個(gè)小型結(jié)構(gòu)并且還會(huì)導(dǎo)致制造成本的上升。這就需要一種既能實(shí)現(xiàn)高分辨率、高亮度又能減少透鏡數(shù)量的投影透鏡系統(tǒng)。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種投影透鏡系統(tǒng)，它可以通過校正色差和設(shè)計(jì)低的F數(shù)(F／#)實(shí)現(xiàn)高清晰度和高亮度。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些和其它目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的投影透鏡系統(tǒng)包括多個(gè)折射透鏡和在這些折射透鏡表面之中至少一個(gè)表面上形成的至少一個(gè)衍射光學(xué)元件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面的投影透鏡系統(tǒng)包括多個(gè)折射透鏡和在這些折射透鏡表面之中至少一個(gè)表面上形成的至少一個(gè)衍射光學(xué)元件以校正軸向和軸外側(cè)的象差。
根據(jù)本發(fā)明還有一方面的投影透鏡系統(tǒng)包括用于校正由離光軸的高度變化產(chǎn)生的象差的第一透鏡，該透鏡至少在一表面上形成有衍射光學(xué)元件；用于折射通過第一透鏡的光線的第二透鏡；用于校正通過第二透鏡后光線的場(chǎng)曲率和象散的第三透鏡。
根據(jù)本發(fā)明還有一方面的投影透鏡系統(tǒng)包括在中心有正屈光力在邊緣有負(fù)屈光力的第一透鏡；有較大正屈光力的第二透鏡；有正屈光力的第三透鏡；有負(fù)屈光力的第四透鏡；在這些透鏡的表面之中至少一個(gè)表面上形成的至少一個(gè)衍射光學(xué)元件。
根據(jù)本發(fā)明還有一方面的投影透鏡系統(tǒng)包括有弱屈光力的第一透鏡；有弱屈光力的第二透鏡；有強(qiáng)正屈光力的第三透鏡，用于校正來自第三透鏡的光線中的象差的第四透鏡；有負(fù)屈光力的第五透鏡；在這些透鏡的表面之中至少一個(gè)表面上形成的至少一個(gè)衍射光學(xué)元件。
通過參照附圖對(duì)下面本發(fā)明一些實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其它目的就很明顯了。其中圖1A和圖1B分別是傳統(tǒng)的背投影裝置的前視圖和側(cè)視圖；圖2是傳統(tǒng)投影透鏡系統(tǒng)的詳圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的投影透鏡系統(tǒng)的詳圖；圖4是解釋適用于本發(fā)明的設(shè)計(jì)有衍射光線元件的透鏡的光衍射特征的光程圖；圖5是顯示當(dāng)衍射光學(xué)元件用于平坦表面時(shí)，最初衍射光線的會(huì)聚狀態(tài)圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的投影透鏡系統(tǒng)的詳圖7A和圖7B分別圖解了一光束通過折射透鏡和衍射光學(xué)元件的色散特性；圖8是顯示衍射光學(xué)元件的衍射表面與相位數(shù)(phase amount)的關(guān)系的圖；圖9A和9B是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的投影透鏡系統(tǒng)的色差校正特性圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的投影透鏡系統(tǒng)的詳圖。
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的投影透鏡系統(tǒng)。圖3所示投影透鏡系統(tǒng)包括3個(gè)透鏡30，32，34。第一透鏡30的一個(gè)側(cè)面被設(shè)計(jì)為具有衍射光學(xué)功能的表面，從而提高了透鏡系統(tǒng)的性能并且還使系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)在尺寸上變小。為此目的，圖3中的投影透鏡系統(tǒng)包括具有衍射光學(xué)表面的第一透鏡30；用于折射通過第一透鏡30光線的第二透鏡32；用于校正通過第二透鏡的光線的場(chǎng)曲率和象散的第三透鏡34。第一透鏡30的前表面S1形成為非球面表面，在后表面S2上形成有衍射光學(xué)元件30A。第一透鏡30校正光學(xué)系統(tǒng)的球差。在這種情況下，衍射光學(xué)表面S2在校正軸向色差時(shí)因?yàn)榫哂胸?fù)的色散特性，故與其它具有基本相同色散特性的透鏡相比更為有效。而且衍射光學(xué)表面S2是由塑性鑄造過程制成，所以有利于大規(guī)模生產(chǎn)并且降低生產(chǎn)成本。第二透鏡32由于是球面玻璃透鏡故具有很強(qiáng)的屈光力。因?yàn)榈诙哥R32對(duì)溫度變化不敏感，所以它可以確保外部環(huán)境溫度變化時(shí)保持穩(wěn)定的性能。第三透鏡34形成凹面狀并安裝在陰極射線管面板38的前表面上的冷卻器36上。第三透鏡34校正場(chǎng)曲率和畸變象差。
如圖4所示，投影透鏡系統(tǒng)所使用的衍射光學(xué)表面S2為微米尺寸的精細(xì)結(jié)構(gòu)。圖4所示衍射光學(xué)表面S2是用來衍射而不是折射經(jīng)由第一透鏡30的前表面S1折射出的光線。在這種情況下，衍射光線根據(jù)衍射光學(xué)元件30A的特性分離為第0級(jí)衍射光(m=0)，第一級(jí)衍射光(m=±1)，第二級(jí)衍射光(m=±2)，以及第三級(jí)以上的更高級(jí)衍射光。如果調(diào)節(jié)衍射光學(xué)元件30A的間距(pitch)、結(jié)構(gòu)和厚度，那么便可獲得所希望級(jí)的衍射光線。若衍射光學(xué)元件30A采用這樣的特征，那么折射透鏡只須具有橋形(shape oflattice)便可獲得相當(dāng)高的折射率，而不用管材料的折射率，透鏡的曲率以及決定屈光力的厚度。而且如果合理地調(diào)整衍射光學(xué)元件30A的相位項(xiàng)(作為非球表面，相位項(xiàng)有很多系數(shù))，也可以有效地校正象差。
同樣，當(dāng)衍射光學(xué)元件30A在如圖5所示平板35的一個(gè)表面上形成時(shí)，可以獲得理想的屈光力。平板35上形成的衍射光學(xué)元件30A盡管是平面但是具有正的屈光力，這是由衍射光學(xué)元件30A被設(shè)計(jì)為提供第一級(jí)衍射光線而消除高級(jí)衍射光線的結(jié)果造成的。為此目的，使用衍射光學(xué)元件的折射透鏡只需該平面而無需能為折射透鏡提供負(fù)屈光力或正屈光力的曲面便可獲得理想的屈光力。衍射光學(xué)元件30A的這樣一個(gè)特點(diǎn)使得透鏡系統(tǒng)的厚度和尺寸變小。
表1是每一個(gè)透鏡的表面半徑r，透鏡間距d，以及每一個(gè)透鏡的屈光力Nd和阿貝數(shù)νd的第一組數(shù)據(jù)。表2和表3分別是定義非球面鏡頭和衍射光學(xué)元件30A的形狀的第一組系數(shù)值。
表1
表2 表3 表4是每一個(gè)透鏡表面半徑r，透鏡間距d，以及每一個(gè)透鏡的屈光力Nd和阿貝數(shù)νd的第二組數(shù)據(jù)。表5和表6分別是定義非球面鏡頭和衍射光學(xué)元件30A形狀的第二組系數(shù)值。
表4
表5 表6 表1至表6中的數(shù)據(jù)有如下含義首先，定義非球面鏡頭30的表面S1和S2的形狀的非球面系數(shù)由下面等式確定；X(r)=[cr2/{1+(1+k)c2r2}1/2]+Ar4+Br6+Cr8+Dr10+Er12···(2)]]>其中x(r)是關(guān)于與光軸距離r高度處非球表面的下陷值(sagvalue)，c是與光軸距離r高度處透鏡表面的曲率，K是圓錐常數(shù)，A至E是非球面系數(shù)。
表3和表6中的“HZl”和“HZ2”分別是從衍射光學(xué)元件30A到物點(diǎn)源和到參考點(diǎn)源的距離。由于應(yīng)用于本發(fā)明的投影透鏡系統(tǒng)的衍射光學(xué)元件30A具有軸對(duì)稱的特征，物點(diǎn)源和參考點(diǎn)源都位于光軸上。“HWL”是制造衍射光學(xué)元件30A所使用光束的參考波長(zhǎng)。本發(fā)明使用綠光陰極射線管發(fā)出的光束作為參考波長(zhǎng)，它的中心波長(zhǎng)為544nm。由發(fā)自物體源和參考源的光的干涉產(chǎn)生的衍射光學(xué)元件的非球面相位數(shù)由下面等式?jīng)Q定φ(y)=c1y2+c2y4+c3y6………………………………(3)其中，φ(y)是對(duì)應(yīng)于與光軸距離y高度處的位置的相位，c1至c3是具有非球面效應(yīng)的相位項(xiàng)的系數(shù)。表1至表3中的第一組數(shù)據(jù)和系數(shù)值所適用的投影透鏡系統(tǒng)的F／#為1．047，那么焦距為74．0mm。同樣，表4至表6中的第二組數(shù)據(jù)和系數(shù)值所適用的投影透鏡系統(tǒng)的F／#為1．054，焦距為78．2449mm。上面所描述的數(shù)據(jù)適用的圖3中的投影透鏡系統(tǒng)因?yàn)樗械姆乔蛎骁R頭30和衍射光學(xué)元件30A都以光軸為軸對(duì)稱，所以方便了它們的組合與調(diào)節(jié)。
參見圖6，其中顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的投影透鏡系統(tǒng)。該投影透鏡系統(tǒng)包括中心具有正屈光力，邊緣具有負(fù)屈光力的第一透鏡20；具有正屈光力的第二透鏡22；具有正屈光力并且在其一側(cè)配備了衍射光學(xué)元件(DOE)的第三透鏡24；具有負(fù)屈光力的第四透鏡26。第一透鏡20是由塑料材料制成的非球面透鏡用于校正球差。而且第一透鏡20中心具有正屈光力邊緣具有負(fù)屈光力以便校正慧差和象散。第二透鏡22由玻璃材料制成，承擔(dān)著投影透鏡系統(tǒng)全部屈光力的大部分。第三和第四透鏡24，26是塑料透鏡用于校正象散和場(chǎng)曲率。第三透鏡24的具有正屈光力的一側(cè)形成了衍射光學(xué)元件24A使得能夠校正色象差。
詳細(xì)地講，如圖7A所示，常規(guī)的折射透鏡28使具有彩色信號(hào)的光束中藍(lán)光的焦距比紅光的焦距短。與此同時(shí)，衍射光學(xué)元件24A使圖7B中具有彩色信號(hào)的光束中紅光的焦距比藍(lán)光的焦距短。在這種情況下，代表折射透鏡28色散性的阿貝數(shù)νd由下面等式確定νd=(Nd-1)／(NF-Nc)………………………………………(4)其中，“N”是每一個(gè)附加字母的光譜波長(zhǎng)的折射率。同樣，若每一個(gè)附加字母的光譜線的波長(zhǎng)是“λ”，那么衍射光學(xué)元件24A的阿貝數(shù)由下面等式確定νd=λd／(λF-λC)=-3．45……………………………………(5)從等式4和等式5可以看出，折射透鏡28的阿貝數(shù)νd是大約從25到65的正值，而衍射光學(xué)元件24A的阿貝數(shù)是負(fù)值-3．45。換句話說，折射透鏡28和衍射光學(xué)元件24A具有相反的色散特性。為此目的，第三透鏡24包括一塊具有正屈光力的塑料透鏡(也就是折射透鏡)和形成于該塑料透鏡表面之上的具有衍射特性的衍射光學(xué)元件24A，通過利用它們相反的色散特性來達(dá)到校正的目的。圖6所示的投影透鏡系統(tǒng)由于第三透鏡24而具有圖9A和9B所示的良好的色差校正特性。圖9A和圖9B中，“PR”，“PG”和“PB”是本發(fā)明的光的特性，“OR”，“OG”和“OB”是現(xiàn)有技術(shù)下光的特性。從圖9A所示的隨著離Y軸上光軸的高度y的變化而變化的色差曲線圖和圖9B所示的隨著離X軸上光軸的高度y的變化而變化的色差曲線圖可以看出，第三透鏡24使紅、綠、藍(lán)光的色差減小，從而提高了透鏡的色差校正特性。
表7是可適用于圖6所示投影透鏡系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括每一個(gè)透鏡表面的曲率半徑r，透鏡間距d，以及每一個(gè)透鏡的屈光力Nd和阿貝數(shù)νd。表8是定義圖6所示非球面鏡頭和衍射光學(xué)元件24A形狀的系數(shù)值。
表7 表8 表8中，決定第一透鏡20的非球表面形狀和第三和第四透鏡24和26形狀的系數(shù)值由上面描述的公式2定義。同樣，物體源和參考源發(fā)出的光在衍射光學(xué)元件24A中干涉產(chǎn)生的衍射光學(xué)元件24A的非球面相位數(shù)由上面描述的相位數(shù)公式3確定。可適用于本發(fā)明的衍射光學(xué)元件24A的相位數(shù)如圖8所示有一個(gè)隨距光軸的高度r成比例減小的特性。圖8所示的衍射光學(xué)元件24A的相位數(shù)特性曲線與衍射光學(xué)元件24A的環(huán)帶數(shù)有關(guān)，這也顯示出為了提高透鏡的衍射效率和工作性能等光學(xué)性能對(duì)衍射光學(xué)元件24A的相位數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)所提出的要求。為此目的，衍射光學(xué)元件24A包括多個(gè)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的同心環(huán)形凹槽，并且隨著從中心到邊緣，凹槽的間距減小。色差、球差和畸變象差等都可以通過把衍射光學(xué)元件24A同非球面塑料透鏡加以組合進(jìn)行校正。因此，沒有必要象現(xiàn)有技術(shù)那樣為了校正色象差而另外使用由具有負(fù)屈光力的昂貴材料制成的透鏡和擴(kuò)大光束的色散度，所以本發(fā)明能夠減少生產(chǎn)成本并且具有制造小型投影透鏡系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。同樣，由于投影透鏡系統(tǒng)的焦距變短，它可以制成更薄的類型。為此目的，需要把承擔(dān)全部屈光力中大部分的第二透鏡22設(shè)計(jì)成具有大的屈光力。但是，當(dāng)屈光力變大，就會(huì)產(chǎn)生球差，因此擴(kuò)大第二透鏡22的屈光力就要有一定限度。因此，第二透鏡22的屈光力被分配給衍射光學(xué)元件24A以提高投影透鏡系統(tǒng)的屈光力，從而減小總體焦距，進(jìn)而可以制造薄型裝置。
此外，借助于衍射光學(xué)元件24A還可以提高投影透鏡系統(tǒng)的亮度。換句話說，將屈光力分配給衍射光學(xué)元件24A減小了投影透鏡系統(tǒng)的焦距，因此提高了投影透鏡系統(tǒng)的亮度。這是因?yàn)橥队巴哥R系統(tǒng)的亮度與F／#的平方成反比，而F／#又與焦距f成比例，它們之間的關(guān)系如下式所示亮度∝1／(F／#)2，F(xiàn)／#=f／D………………………………(6)其中D代表透鏡的直徑。從等式(6)可以看出，隨著投影透鏡系統(tǒng)的總體焦距變小，F(xiàn)／#變小，所以與F／#的平方成反比的投影透鏡系統(tǒng)的亮度變得很好，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)高亮度。
如上所述，本投影透鏡系統(tǒng)利用衍射光學(xué)元件24A來校正色象差和球差等等，因此不須增加透鏡的數(shù)目便可提高系統(tǒng)的光學(xué)性能。同樣，本投影透鏡系統(tǒng)使用衍射光學(xué)元件24A承擔(dān)部分屈光力，因此減小了總體焦距，從而可以獲得薄型裝置和高亮度。另外，本投影透鏡系統(tǒng)利用具有非球表面且在中心有正屈光力在邊緣具有負(fù)屈光力的第一透鏡20來補(bǔ)償光學(xué)象差(即球差、波形差、象散)，因此減少了透鏡數(shù)目。
圖10顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的投影透鏡系統(tǒng)。圖10中的投影透鏡系統(tǒng)包括具有正屈光力的第一透鏡110；具有弱屈光力的第二透鏡120；具有正屈光力的第三透鏡130；在其中一側(cè)形成了衍射光學(xué)元件(DOE)140a的第四透鏡140；具有負(fù)屈光力的第五透鏡150。第一和第二透鏡110，120是由塑料材料制成的非球面透鏡，用于校正球差。第三透鏡130由玻璃材料制成，承擔(dān)投影透鏡系統(tǒng)總屈光力的多數(shù)。第四，第五透鏡140和150包括塑料透鏡用于校正象散和場(chǎng)曲率。為校正色差，第四透鏡140在具有正屈光力的一側(cè)形成有衍射光學(xué)元件140a。由于折射透鏡和衍射光學(xué)元件140a具有彼此相反的色散特性，所以第四透鏡140具有良好的色散校正特性。投影透鏡系統(tǒng)由于第四透鏡140而具有良好的色散校正特性的情況可參見圖9A和9B。
隨距離光軸的高度y而變化并且定義衍射光學(xué)元件140a的表面形狀的非球面相位數(shù)由上面描述的相位數(shù)等式3決定?？蛇m用于本發(fā)明的衍射光學(xué)元件140a的相位數(shù)如圖8所示有一個(gè)隨距光軸的高度y成比例減小的特性。圖8所示的衍射光學(xué)元件140a的相位數(shù)特性曲線與衍射光學(xué)元件140a的環(huán)帶數(shù)有關(guān)，這也顯示出為了提高透鏡的衍射效率和工作性能等光學(xué)性能對(duì)衍射光學(xué)元件140a的相位數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)所提出的要求。為此目的，衍射光學(xué)元件140a包括多個(gè)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的同心環(huán)形凹槽，并且隨著從中心到邊緣，凹槽的間距減小。色差、球差和畸變象差等都可以通過把衍射光學(xué)元件140a同非球面塑料透鏡加以組合進(jìn)行校正。因此，沒有必要象現(xiàn)有技術(shù)那樣為了校正色象差而另外使用由具有負(fù)屈光力的昂貴材料制成的透鏡和擴(kuò)大光束的色散度，所以本發(fā)明能夠減少生產(chǎn)成本并且具有制造小型投影透鏡系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。同樣，由于投影透鏡系統(tǒng)焦距變短，它可以制成更薄的類型。為此目的，需要把承擔(dān)全部屈光力中大部分的第三透鏡130設(shè)計(jì)成具有大的屈光力。但是，當(dāng)屈光力變大，就會(huì)產(chǎn)生球差，因此擴(kuò)大第三透鏡130的屈光力就要有一定限度。因此，第三透鏡130的屈光力被分配給衍射光學(xué)元件140a用于提高投影透鏡系統(tǒng)的屈光力，從而減小總體焦距，進(jìn)而可以制造薄型裝置。同樣，將屈光力分配給衍射光學(xué)元件140a減小了投影透鏡系統(tǒng)的焦距，因此提高了投影透鏡系統(tǒng)的亮度。這是因?yàn)橥队巴哥R系統(tǒng)的亮度與F／#的平方成反比，而F／#又與焦距f成比例，它們之間的關(guān)系可參見上面描述的等式(6)。
表9是可適用于圖10所示投影透鏡系統(tǒng)的第一組數(shù)據(jù)，包括每一個(gè)透鏡表面的曲率半徑r，透鏡間距d，以及每一個(gè)透鏡的屈光力Nd和阿貝數(shù)νd。表10是定義圖10所示非球面鏡頭110、120、140、150的形狀和衍射光學(xué)元件140a的表面形狀的第一組系數(shù)值。表10中，定義第一、第二、第四、第五透鏡110、120、140、150的非球表面形狀的第一組系數(shù)值由上面描述的等式(2)決定。
表9
表10 在表9和表10數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，就可以確定和設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的投影透鏡系統(tǒng)所包括的每一個(gè)透鏡的形狀。同樣，還將描述非球面透鏡的處理方法。事實(shí)上，半徑為111.000的第一透鏡110的前表面的形成方法是把具有固定半徑的球面透鏡上的A到E位置加工處理成對(duì)應(yīng)于表10的系數(shù)值。第一、第二、第四、第五透鏡110、120、140、150是經(jīng)同樣的處理過程而制成的。
表11是可適用于圖10所示投影透鏡系統(tǒng)的第二組數(shù)據(jù)，包括每一個(gè)透鏡表面的曲率半徑r，透鏡間距d，以及每一個(gè)透鏡的屈光力Nd和阿貝數(shù)νd。表12是定義圖10所示非球面鏡頭110、120、140、150的形狀和衍射光學(xué)元件140a的表面形狀的第二組系數(shù)值。
表11
表12 在表11和表12數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，就可以確定和設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的投影透鏡系統(tǒng)所包括的每一個(gè)透鏡的形狀。同樣，還將描述非球面透鏡的處理方法。事實(shí)上，半徑為101.635的第一透鏡110的前表面的形成方法是把具有固定半徑的球面透鏡上的A到E位置加工處理成對(duì)應(yīng)于表12的系數(shù)值。第一、第二、第四、第五透鏡110、120、140、150是經(jīng)同樣的處理過程而制成的。
表13是可適用于圖10所示投影透鏡系統(tǒng)的第三組數(shù)據(jù)，包括每一個(gè)透鏡表面的曲率半徑r，透鏡間距d，以及每一個(gè)透鏡的屈光力Nd和阿貝數(shù)νd。表14是定義圖10所示非球面鏡頭110、120、140、150的形狀和衍射光學(xué)元件140a的表面形狀的第三組系數(shù)值。
表13
表14 在表13和表14數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，就可以確定和設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的投影透鏡系統(tǒng)所包括的每一個(gè)透鏡的形狀。同樣，還將描述非球面透鏡的處理方法。事實(shí)上，半徑為82.962的第一透鏡110的前表面的形成方法是把具有固定半徑的球面透鏡上的A到E位置加工處理成對(duì)應(yīng)于表14的系數(shù)值。第一、第二、第四、第五透鏡110、120、140、150是經(jīng)同樣的處理過程而制成的。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的投影透鏡系統(tǒng)利用衍射光學(xué)元件來校正色象差、球差等光學(xué)象差，所以不需要增加火石系列透鏡，它就能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本。同樣，根據(jù)本發(fā)明的投影透鏡系統(tǒng)利用衍射光學(xué)元件來減小焦距，所以能夠獲得薄型裝置和高亮度。
盡管本發(fā)明在上面描述的實(shí)施例中已經(jīng)有所解釋，但是本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員也應(yīng)理解本發(fā)明并不只局限于實(shí)施例，因?yàn)橹灰幻撾x本發(fā)明的精神，各種各樣的改造或修改都是有可能的。因此，本發(fā)明的范圍只由所附權(quán)利要求和它們的等同物所決定。
權(quán)利要求
1．一種投影透鏡系統(tǒng)，包括多個(gè)透鏡；和在這些透鏡表面之中至少一個(gè)表面上形成的至少一個(gè)衍射光學(xué)元件。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件的一個(gè)表面包括一個(gè)在一球面上有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的凹槽。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件的一個(gè)表面包括一個(gè)在一平面上有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的凹槽。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件具有正屈光力。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件具有負(fù)屈光力。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件的一個(gè)表面包括在一球面上有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的一組有間距的凹槽。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件的一個(gè)表面包括在一平面上有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的一組有間距的凹槽。
8．一種投影透鏡系統(tǒng)，包括多個(gè)折射透鏡；和在這些折射透鏡表面之中至少一個(gè)表面上形成的至少一個(gè)衍射光學(xué)元件，用于校正軸上和軸外色差。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件的一個(gè)表面包括一個(gè)在一球面上有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的凹槽。
10．根據(jù)權(quán)利要求8的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件的一個(gè)表面包括一個(gè)在一平面上有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的凹槽。
11．根據(jù)權(quán)利要求8的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件具有正屈光力。
12．根據(jù)權(quán)利要求8的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件具有負(fù)屈光力。
13．根據(jù)權(quán)利要求8的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件的一個(gè)表面包括在一球面上有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的一組有間距的凹槽。
14．根據(jù)權(quán)利要求8的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件的一個(gè)表面包括在一平面上有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的一組有間距的凹槽。
15．一種投影透鏡系統(tǒng)，包括用于校正因離光軸的高度不同而產(chǎn)生的象差的第一透鏡，并且該透鏡的至少一個(gè)表面上形成有衍射光學(xué)元件；用于折射通過第一透鏡的光線的第二透鏡；和用于校正通過第二透鏡的光線的場(chǎng)曲率和色散的第三透鏡。
16．根據(jù)權(quán)利要求15的投影透鏡系統(tǒng)，其中第一透鏡的一側(cè)為非球表面，另一側(cè)為衍射光學(xué)表面。
17．根據(jù)權(quán)利要求15的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件的一個(gè)表面包括一個(gè)在一球面上有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的凹槽。
18．根據(jù)權(quán)利要求15的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件的一個(gè)表面包括一個(gè)在一平面上有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的凹槽。
19．一種投影透鏡系統(tǒng)，包括中心具有正屈光力而邊緣具有負(fù)屈光力的第一透鏡；有相對(duì)較大正屈光力的第二透鏡；有正屈光力的第三透鏡；有負(fù)屈光力的第四透鏡；和在所述透鏡的至少一個(gè)表面上形成的衍射光學(xué)元件。
20．根據(jù)權(quán)利要求19的投影透鏡系統(tǒng)，其中所述的第一、第三和第四透鏡設(shè)計(jì)成具有非球表面。
21．根據(jù)權(quán)利要求19的投影透鏡系統(tǒng)，其中所述第一透鏡的一個(gè)表面設(shè)計(jì)成非球表面而另一表面設(shè)計(jì)成衍射光學(xué)元件表面。
22．根據(jù)權(quán)利要求19的投影透鏡系統(tǒng)，其中所述第三透鏡的一個(gè)表面設(shè)計(jì)成非球表面而另一表面設(shè)計(jì)成衍射光學(xué)元件表面。
23．根據(jù)權(quán)利要求19的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件上有多個(gè)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的同心環(huán)形的凹槽。
24．根據(jù)權(quán)利要求23的投影透鏡系統(tǒng)，其中所述凹槽的間距以使相位數(shù)從衍射光學(xué)元件的中心向邊緣減小的方式而減小。
25．根據(jù)權(quán)利要求19的投影透鏡系統(tǒng)，其中所述透鏡中的至少一個(gè)是由塑料制成。
26．一種投影透鏡系統(tǒng)，包括有弱屈光力的第一透鏡；有弱屈光力的第二透鏡；有強(qiáng)的正屈光力的第三透鏡；用于校正由第三透鏡產(chǎn)生的象差的第四透鏡；有負(fù)屈光力的第五透鏡；和在所述透鏡表面中至少一個(gè)表面上形成的至少一個(gè)衍射光學(xué)元件。
27．根據(jù)權(quán)利要求26的投影透鏡系統(tǒng)，其中第一透鏡有一個(gè)凸形的上表面，第二透鏡的兩側(cè)均為凸面，第四透鏡的一個(gè)表面為衍射光學(xué)元件表面。
28．根據(jù)權(quán)利要求26的投影透鏡系統(tǒng)，其中所述第一透鏡的一個(gè)表面設(shè)計(jì)成非球表面而另一表面設(shè)計(jì)成衍射光學(xué)元件表面。
29．根據(jù)權(quán)利要求26的投影透鏡系統(tǒng)，其中所述第二透鏡的一個(gè)表面設(shè)計(jì)成非球表面而另一表面設(shè)計(jì)成衍射光學(xué)元件表面。
30．根據(jù)權(quán)利要求26的投影透鏡系統(tǒng)，其中所述第四透鏡的一個(gè)表面設(shè)計(jì)成非球表面而另一表面設(shè)計(jì)成衍射光學(xué)元件表面。
31．根據(jù)權(quán)利要求26的投影透鏡系統(tǒng)，其中第四透鏡具有弱屈光力。
32．根據(jù)權(quán)利要求26的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件具有正屈光力。
33．根據(jù)權(quán)利要求26的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件具有負(fù)屈光力。
34．根據(jù)權(quán)利要求26的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件的一個(gè)表面包括多個(gè)有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的同心環(huán)形凹槽。
35．根據(jù)權(quán)利要求26的投影透鏡系統(tǒng)，其中衍射光學(xué)元件包括一組有間距的凹槽，它們的間距逐漸變小以使相位數(shù)隨著從衍射光學(xué)元件的中心向邊緣而減小。
36．根據(jù)權(quán)利要求26的投影透鏡系統(tǒng)，其中第二透鏡具有負(fù)屈光力。
37．根據(jù)權(quán)利要求26的投影透鏡系統(tǒng)，其中所述透鏡中至少有一塊透鏡是由塑料材料制成。
全文摘要
一種具有緊湊結(jié)構(gòu)并且能夠校正色象差的投影透鏡系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,第一和第二透鏡分別具有弱屈光力,第三透鏡具有強(qiáng)的正屈光力,第四透鏡用于校正由第三透鏡產(chǎn)生的象差,第五透鏡具有負(fù)屈光力。第一到第五透鏡的表面中至少一個(gè)上形成有衍射光學(xué)元件。該衍射光學(xué)元件可校正色象差和球差,因此不須增加透鏡的數(shù)目便可實(shí)現(xiàn)高分辨率并且還可降低生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)H04N9/31GK1282887SQ00121200
公開日2001年2月7日 申請(qǐng)日期2000年7月31日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月31日
發(fā)明者崔豪永, 文熙淙, 樸晚孝 申請(qǐng)人:Lg電子株式會(huì)社