用於投影顯示系統的投影透鏡的製作方法

2023-06-03 15:48:31 3

專利名稱：用於投影顯示系統的投影透鏡的製作方法
用於投影顯示系統的投影透鏡

發明內容
儘管已描述出多種投影透鏡，但行內仍認為將會受益於具有改善特性(如，高通過量)的(如緊湊型)投影透鏡。在一個實施例中，描述了下述投影透鏡，其包括從屏幕側依次排列的第一透鏡組、具有正屈光力的第二透鏡組、和具有正屈光力的第三透鏡組。至少一個透鏡組具有非球面表面。投影透鏡的焦距(F)相對透鏡組中的每一個的焦距(F1、F2、和F3)的比率使得IF1/F|>5、0.5< IF2/FI 5、0.5<|F2/F|<2.0、並且1.4〈F3/F〈8。在其他實施例中，描述了下述光學引擎，其包括照明系統、成像系統；和本文所述的投影透鏡。描述了包括這種光學引擎的前投影和背投影顯示裝置。


圖1為可用於本發明的示例性光學引擎的示意圖；圖2為可用於本發明的示例性投影光學器件的示意圖；圖3A和3B分別示出了所體現的背投影顯示裝置的側視圖和等軸視圖，這些圖未按比例繪製，並且僅用於示例性目的。
具體實施例方式本發明描述了適用於投影顯示系統的投影透鏡。圖1示出了示例性光學引擎61的示意圖，該引擎具有下述部件中的一個或多個:照明系統62或62』、成像系統64、聚焦機構65、和投影光學器件66。儘管示出了兩個不同的照明系統62和62』，但通常僅使用一個照明系統。當照明系統位於由附圖標記62標示的位置時，使用的成像器為反射型成像器。相比之下，當照明系統位於由附圖標記62』標示的位置時，使用的成像器為透射型成像器。光學引擎可在投影屏幕68或觀看表面上生成圖像。由於觀看者和光學引擎位於投影屏幕的同一側，則圖1示出了採用光學引擎61的前投影顯示系統。圖3A和3B示出了採用光學引擎110的背投影顯示系統。下面對光學引擎中的各個元件進行詳細的討論。照明系統62、62』可包括燈組件、濾光器(例如紅外線抑制濾光器和/或紫外線拒波濾光器)、色分離裝置、和積分器。在一個示例性實施例中，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)的飛利浦半導體公司(Philips Semiconductors)的Philips UHP型燈組件,其採用的是橢圓反射器和
(ii)可得自德國慕尼黑(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構也可用於本發明。例如，可使用金屬滷化物燈、或滷鎢燈、或發光二極體(LED)。可用於本發明實施例的濾光器、色輪和積分器的類型並不是關鍵的。在一個示例性實施例中，色分離裝置為成像器光源中的旋轉型紅/綠/藍(RGB)色序盤。示例性的市售色輪為得自列支敦斯登巴爾查斯(Balzers, Liechtenstein)的優利訊巴爾查斯有限公司(UNAXIS Balzers, LTD)的UNAXIS RGBW色輪。液晶RGB色序快門同樣可以用於本發明的實施例。示例性的市售積分器為可得自優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64包括成像器並且通常還包括電子器件。可用於本發明的有用的反射型成像器為可得自德克薩斯州達拉斯(Dallas，Texas)的德州儀器公司(TexasInstruments)的具有約22mm對角線尺寸的XGA數字微鏡器件(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。在光學引擎中，成像器的表面被布置為基本上平行於投影屏幕的表面。對一些具體實施，聚焦機構65可通過將一個或多個下述透鏡裝配在可滑動的或有螺紋的底座(未示出)上實現，所述底座可以通過手動或通過使用電子驅動機構來調節。例如，聚焦可以通過使用變焦或縮放透鏡來實現。作為另外一種選擇，對於具有設定在光學引擎61和顯示屏68之間的預定固定位置的投影組件而言或者對於背投影應用而言，不需要用戶聚焦。在一些具體實施中，屏幕68可包括多層材料，例如，被構造為如美國專利N0.6，179，426中所述的多個菲涅耳元件。屏幕可被設計為控制光強分布沿水平方向播散，以適應水平就位在屏幕前面的觀看者。屏幕的替代實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州聖保羅(Saint Paul, Minn)的3M公司。任選的是，可在任何表面(如，牆壁或其他結構、或者標準顯示屏)上觀看生成的圖像。在優選實施例中，本文所述的投影透鏡為緊湊型的。投影透鏡的「緊湊性」可由多種物理特徵來表徵。在一個實施例中，描述了下述緊湊型投影透鏡，其具有最大透鏡直徑相對焦距的比率(即Lmax/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於1.5的最大透鏡直徑相對焦距的比率(Lfflax/F)。在一些實施例中，最大透鏡直徑相對焦距的比率不大於1.0。Lmax/F的最小值通常為至少0.7。在一些實施例中，Lmax/F為至少0.85或0.90。作為另外一種選擇或除此之外，本文所述的投影透鏡的「緊湊性」可由「總軌跡」或者總軌跡相對焦距的比率(即TT/F)來表徵。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)的第一表面到最後透鏡組(最靠近成像器)的最後表面的總距離。術語「屏幕側」意味著投影透鏡最靠近投影屏幕的一側。本文所述的緊湊型投影透鏡通常具有不大於IOOmm或90mm的總軌跡。最小總軌跡通常為至少50mm。在一些實施例中，總軌跡不大於65mm或60mm。本文所述的緊湊型投影透鏡通常具有不大於5.5的總軌跡相對焦距(TT/F)的比率。在一些實施例中，總軌跡相對焦距的比率不大於5.0、或不大於4.0、或不大於
3.5、或不大於3.0。總軌跡相對焦距的最小比率通常為至少2.50。在一些實施例中，總軌跡相對焦距的比率為至少2.90、或2.91、或2.92。在優選實施例中，本文所述的投影透鏡具有由F#表徵的高通過量。F#通常為至少1.2、或1.3、或1.4。在一些實施例中，F3為至少1.50或1.55。F#通常不大於2.4。在一些實施例中，F#不大於2.2、或2.0、或1.8。本文所述的投影透鏡具有至少20度且不大於50度的視場。在一些實施例中，視場為至少25、30、或35度。在一些實施例中，視場不大於40度、或41度、或42度。在其他實施例中，視場為至少40或45度。本文所述的投影透鏡具有高解析度。解析度是指投影透鏡可分辨的圖像的最小特徵尺寸。可使用調製傳遞函數(MTF)來確定解析度，所述調製傳遞函數(MTF)表示隨空間頻率變化的由透鏡實現的從物體到圖像的調製度的傳遞。可按照Optical System Design(Robert E.Fischer, Biljana Tadic-Galeb, Paul R.Roder;McGraw Hill, New York(2008),第191-198頁)中所述來計算MTF。解析度被定義為交替的(黑色)線條和(白色)空白的最小寬度，其中全視場下的MTF大於或等於0.30。在一些實施例中，解析度為10微米、或9微米、或8微米、7微米。在其他實施例中，解析度為6微米、或5微米、或4微米。在優選實施例中，描述了具有高通過量的緊湊型投影透鏡。具有這些特徵組合的投影透鏡的一個示例性實施例示於圖2中。圖2的投影光學器件包括三個透鏡組(根據輸出側或屏幕側進行確定):第一透鏡組(G1)、第二透鏡組(G2)、和第三透鏡組(G3)。術語「屏幕側」意味著投影透鏡最靠近投影
屏幕的一側。圖2中的示例性投影透鏡包括從屏幕側開始數起的三個透鏡組中的總共七個元件。第一透鏡組(Gl)由從屏幕側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F1ZiF比率使得iF·i/FlM。F1ZiF可為正值或負值。然而，F^F通常視為「低焦度」。在一些實施例中，F/F為正值並且為至少5、或6、或7、或8、或9、或10。在一些實施例中，
在其他實施例中，F/F為負值。例如，F1ZiF可不大於-10、或不大於-20、或不大於-30、或不大於-40、或不大於-50、或不大於-60、或不大於-70。孔徑光闌位於第二透鏡組內或者第一和第二透鏡組之間。第二透鏡組(G2)由通常利用常規粘合劑粘結在一起的三個透鏡元件(包括(L3)到(L5))形成。G2具有正屈光力。G2中的F2/F比率使得0.5〈F2/F〈2。在一些實施例中，F2/F不大於1.5或1.2。在一些實施例中，F2/F小於1.0、或小於0.95。例如，F2/F可為至少 0.70 或 0.75。第三透鏡組(G3)由包括(L3)到(L6)在內的四個透鏡元件形成。G3具有正屈光力。F3/F比率使得1〈F3/F〈8。在一些實施例中，F3/F不大於7、或6、或5、或4。在一些實施例中，F3/F為至少1.4、或1.6、或1.8、或2.0。如圖2所示，透明固體(如玻璃)稜鏡或偏振光分束器位於第二透鏡組(G2)和第三透鏡組(G3)之間。在一些實施例中，稜鏡不提供可測量數量的屈光力。在其他實施例中，稜鏡具有有助於第四透鏡組的屈光力的稜鏡表面。至少一個透鏡組的至少一個透鏡元件具有非球面表面。非球面表面的形狀可通過以下公式來定義:
IZ =-=^^=== + a,r +aAr4 +ahr6 ~ aKiJ + awrt0 + avru + aurlA
I +.-(l + *)eV '—
(公式I)其中Z為在距系統的光學軸線距離r處的表面垂度，c為透鏡在光學軸線處的曲率，單位為」一，
mmr為徑向坐標，單位為mm，k為二次曲面常數，並且α2為二次項係數，04為四次項係數，α6為六次項係數，α8為八次項係數，α1(ι為十次項係數，α 12為十二次項係數，並且Ct14為十四次項係數。在一些實施例中，第二透鏡組具有非球面表面。作為另外一種選擇或除此之外，第三透鏡組可具有非球面表面。為了便於製造，具有非球面表面的各個透鏡通常由具有光學品質的熱塑性或固化性聚合物材料形成。在一些實施例中，第一透鏡組通常不含具有非球面表面的透鏡元件。不含非球面表面的透鏡可具有較低的製造成本。在其他實施例中，第一透鏡組可具有非球面表面。當第一透鏡組包括非球面表面時，透鏡可具有較少的像差，然而具有較昂貴的製造成本。不含非球面表面的透鏡中的每一個均可任選地由熱塑性或固化性聚合物材料形成，但通常由玻璃形成。光學品質透鏡材料通常具有至少約1.50的折射率。第三透鏡組在下文中進行詳細的討論。第一透鏡組(Gl)具有負或正屈光力。第一透鏡組由多個透鏡元件(即至少兩個透鏡元件)形成。第一透鏡組通常包括具有正屈光力的第一透鏡元件和具有負屈光力的第二透鏡元件。在第一透鏡 組中，最靠近屏幕的第一透鏡元件(LI)通常具有(如三個)透鏡組中所有透鏡的最大直徑。第一透鏡組中的第一透鏡元件具有足夠大的直徑，由此可在基本上沒有畸變的情況下沿著屏幕方向以大於至少20°並且通常不大於50°的視角來投影圖像。第一透鏡組的第一透鏡元件通常具有不大於50mm、或40mm的直徑。第一透鏡組的第一透鏡元件優選具有不大於35mm或30mm的直徑。第一透鏡組的第一透鏡元件的最小直徑通常為至少 8mm、或 9mm、或 10mm、或 11mm、或 12mm、或 13mm、或 14mm、或 15mm。第一透鏡組(Gl)的全部透鏡均可由玻璃構成並且具有球面表面。在一些實施例中，第一透鏡組(GI)為粘結在一起的雙透鏡，以有助於控制球面像差和彗差。第二透鏡組(G2)具有正屈光力。第二透鏡組可由多個(如四個)透鏡元件形成。投影透鏡的孔徑光闌位於第二透明組內或者第一和第二透鏡組之間。在一些示例性實施例中，如圖2所示，第二透鏡組包括具有正透鏡元件(L3)和負透鏡元件(L4)的雙透鏡以及具有正屈光力的兩個單透鏡(L5和L6)。第三透鏡組(G3)具有正屈光力。第三透鏡組可由單個透鏡元件(L7)形成，如圖2所示。任選的(如玻璃)稜鏡或偏振光分束器設置在第三透鏡組和成像器之間，即設置在距屏幕側最遠的位置處。可調節透鏡之間的間距以平衡像差。還將結合以下實例對本發明進行進一步描述。根據本文的具體實施方式
，可採用投影透鏡的替代構造，其包括透鏡元件更少、相同或更多的替代構造，這對本領域的普通技術人員是顯而易見的。
實例I以下的表1-3列出了圖2的第一實施例的常規透鏡數據、表面數據匯總、和非球面係數。以下的表2列出了從屏幕側開始依次編號的表面編號(其中表面I為最靠近第一透鏡元件LI屏幕側的表面)、每個表面的光學軸線附近的半徑(r)(毫米)、表面之間的軸向間距⑶(毫米)，並且還列出了材料類型。可通過公式曲率(C)=I/半徑來計算曲率。本領域的技術人員將會認識到，從材料類型可以確定材料的折射率和色散係數。表面O為物體表面或投影屏幕的表面。表I

權利要求
1.一種投影透鏡，包括從屏幕側依次排列的下述部件: (a)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； 並且至少一個透鏡組具有非球面表面； 其中 F為所述投影透鏡的焦距； 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； 所述焦距的比率如下: F1ZFI >5 ；0.5〈F2/F〈0.9 ;並且1〈F3/F〈8。
2.一種投影透鏡，包括從屏幕側依次排列的下述部件: (a)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； 並且至少一個透鏡組具有非球面表面； 其中 F為所述投影透鏡的焦距； 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； 所述焦距的比率如下: F1ZFI >5 ；0.5〈F2/F〈2.0 ;並且 1.4〈F3/F〈8。
3.根據權利要求1或2所述的投影透鏡，其中孔徑光闌位於所述第二透鏡組內或者所述第一和第二透鏡組之間。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的投影透鏡，其中所述視場角在所述屏幕側的方向上為至少35°。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的投影透鏡，其中所述投影透鏡具有不大於2.4的F#。
6.根據前述權利要求中任 一項所述的投影透鏡，其中所述投影透鏡具有不大於5.5的總軌跡相對焦距的比率。
7.根據前述權利要求中任一項所述的投影透鏡，其中所述投影透鏡具有不大於3.5的總軌跡相對焦距的比率。
8.根據前述權利要求中任一項所述的投影透鏡，其中所述投影透鏡具有不大於1.5的最大直徑相對焦距的比率。
9.根據前述權利要求中任一項所述的投影透鏡，其中所述第一透鏡組包括至少兩個透鏡兀件。
10.根據權利要求9所述的投影透鏡，其中所述第一透鏡組包括具有負屈光力的透鏡元件和具有正屈光力的透鏡元件。
11.根據前述權利要求中任一項所述的投影透鏡，其中所述透鏡具有不大於1.8的F#。
12.根據前述權利要求中任一項所述的投影透鏡，其中所述第二透鏡組、第三透鏡組、或它們的組合包括非球面表面。
13.根據前述權利要求中任一項所述的投影透鏡，其中所述透鏡還包括位於所述第二和第三透鏡組之間的偏振光分束器。
14.根據權利要求1-13中任一項所述的投影透鏡，其中所述透鏡還包括位於所述第二和第三透鏡組之間的稜鏡。
15.根據權利要求14所述的投影透鏡，其中所述稜鏡包括有助於所述第三透鏡組的屈光力的透鏡表面。
16.根據前述權利要求中任一項所述的投影透鏡，其中所述透鏡具有6微米的解析度。
17.根據前述權利要求中任一項所述的投影透鏡，其中所述第一和第二透鏡組的組合具有所述總光強度的至少50%。
18.一種光學引擎，包括: (a)照明系統； (b)成像系統；和 (c)根據權利要求1-17所述的投影透鏡。
19.一種前投影顯示裝置，包括根據權利要求18所述的光學引擎。
20.一種背投影顯示裝置 ，包括根據權利要求18所述的光學引擎。
全文摘要
本發明描述了下述投影透鏡，其具有改善的特性，例如高通過量。在一個實施例中，描述了下述投影透鏡，其包括從屏幕側依次排列的第一透鏡組、具有正屈光力的第二透鏡組、和具有正屈光力的第三透鏡組。至少一個透鏡組具有非球面表面。投影透鏡的焦距(F)相對透鏡組中的每一個的焦距(F1、F2、和F3)的比率使得|F1/F|>5、0.5<|F2/F|<0.9、並且1<F3/F5、0.5<|F2/F|<2.0、並且1.4<F3/F<8。
文檔編號H04N5/74GK103081458SQ201180041619
公開日2013年5月1日 申請日期2011年8月9日 優先權日2010年8月27日
發明者貟智省, 史蒂芬·J·威利特 申請人:3M創新有限公司