CN1161461A - 用于反射型光调制器的偏移变焦距透镜 - Google Patents

Abstract

一种投影光学系统。该系统(10)包括两个可移动的透镜组，即一个变焦距透镜组(20)和一个补偿器组(18)。补偿器组(18)包括可移动的孔径阑(21)，从而不需要可变的孔径阑。两个组都包含至少一个消球差透镜元件(22，32)，用于消除象差。补偿器组具有正的放大率，而变焦组具有负的放大率，形成了逆远距照相结构。

Description

用于反射型光调制器的偏移变焦距透镜

本发明涉及投影光学系统，尤其涉及具有可变放大率的投影光学系统。

投影显示器的几个约束对设计其光学系统带来了阻碍。它们一般需要更清楚观看所要的低的失真，向给定区域中大量观看者提供清晰画面所要的宽的视角，高画面质量所要的高分辨率，亮度和均匀屏幕照射所要的高的光输出。使用反射型空间光调制器更增加对设计的约束。

在本文中，空间光调制器是单独可寻址元件的阵列，其中每个元件一般代表观看到的图像中的一个像素或像素。反射型空间光调制器通常包括这些元件的阵列，每个元件都能反射投向显示器表面的光或从显示器表面的出来光。相反，透射型调制器一般直接位于光路中，透射或遮挡被寻址的光。

使用偏移投影的反射型调制器可消除有关照射效率和假像(ar-tifact)的一些问题。一般，调制器排列在投影透镜的中心的轴上。然而，这样可引起叫做梯形失真的失真。当投影轴与屏幕不垂直时将产生梯形失真。例如，放置于桌子上的投影机向上倾斜，以投影出一完全超出桌面高度的图像。因为图像的顶部比图像的底部离投影机更远，所以图像的顶角比底角分得更开。把调制器从投影透镜的轴上移开可避免这个结果。

除了这些要求以外，反射型调制器还需要长的后焦距。光照射到调制器上，并且当调制器从调制器阵列反射出光时，光转变成图像。入射光路和反射光路必须相互隔开，否则将影响图像。可通过增加入射光路和出射光路之间的间隔大小来实现这样的隔离，结果导致长的后焦距。

最后，常希望适合所有上述需要的投影机具有如同变焦距透镜那样的可变放大率。因此，需要一些能适合低失真、宽视野、均匀屏幕照射、有变焦能力和可偏移投影等要求的光学系统。

这里揭示了投影光学系统。它包括两个可移动的透镜组，一个变焦距透镜组和一个补偿器组。变焦距透镜组具有负的放大率。补偿器组具有正的放大率，并包含至少一个消球差透镜，且具有可随补偿器组移动的孔径阑。补偿器组还包括至少两个固定在一起的其它透镜元件。

本发明的一个优点在于能使投影的图像具有低的失真和高的分辨率。

本发明的另一个优点在于可不必使用可变的孔径阑。

本发明的再一个优点在于使用有限的几个透镜元件。

本发明的又一个优点在于把投影系统与反射型空间光调制器及其照射系统有效地耦合在一起。

为了更完全地理解本发明和它的其它优点，现在把以下结合附图的详细描述作为参考，其中：

图1示出用于反射型空间光调制器的偏移投影系统的一个实施例。

图2示出在最小焦距结构下的投影光学系统的一个实施例。

图3示出在最大焦距结构下的投影光学系统的一个实施例。

图1示出了使用反射型空间光调制器16并可得到可变放大率的最小的光学系统10。光源12通过窗14照射调制器16。一般，空间光调制器包含激发调制器上阵列的单个元件的寻址电路。为了有足够的强度和能够运输，调制器通常被封装在密封的环境中，顶部的窗使调制器接收和反射光。

通过选择某些单个的元件可使入射光转变成图像。被选的元件把照射到那些元件上的光向第一透镜组18(这里以筒状外壳示出，以后叫做补偿器组)反射。然后补偿器组把光输送到第二透镜组20(以后叫做变焦距透镜组)。然后把放大的图像送到观看面。投影在观看面上的图像的尺寸随补偿器组和变焦距透镜组的位置及而改变，它们都可移动。

图2和3中示出从空间光调制器16到观看面的光路(投影光路)的侧视图。在这些图中，没有示出每个组中透镜的外壳。图2示出在最小焦距结构下的全部变焦距透镜。透镜组18(补偿器组)包括孔径阑21。孔径阑21随补偿器组18一起移动。这使得系统的f数随显示器放大率而变化，保持了显示器照度的恒定，并且不必使用可变孔径阑。

可变孔径阑涉及改变孔径阑(例如35mm摄影机透镜的f孔径阑)开口的能力。这些常做成机动的，并对机械系统增加了很大的复杂性。因为该系统中的孔径阑随补偿器组而移动，所以系统的f数自然以试图保持屏幕照度(亮度)恒定的方式而变化。

该实施例使用逆远距照相结构，补偿器组的放大率为正而变焦距透镜组的放大率为负。这里示出的补偿器组是一个“++-+”的结构。透镜元件28、26和22的放大率都为正，透镜元件24的放大率为负。透镜元件22是消球差透镜，可控制光学象差。象差指与透镜系统形成的图像完美性的偏离。象差来源于球面(容易制造)透镜不形成完美图像的事实。它们叫做单色象差，以把它们与色象差互相区分。玻璃的反射率随波长或颜色的变化产生有色象差。

一般通过增加设计中透镜的数量来减少单色象差。可使用消球差表面，以在较少透镜元件的情况下获得相似的性能。然而，很难制造消球差，尤其是测量已做好的正确的形状。此外，用于制造消球差的材料和过程是有限的。

在本发明的一个实施例中，用丙烯酸(acrylic)塑料(可用钻石刻刀加工或注模法来产生消球差表面)来制造这些透镜。一般通过使用不同玻璃来做放大率为正和负的透镜元件以减少色象差。然后把这些元件粘在一起，以消除它们之间的机械不同轴性，因为单色象差常对此不同轴性敏感。

也可减少象差的一种相当新的技术是使用衍射光学元件。原则上，衍射元件可包含在消球差制造过程中，从而不需要附加的元件或部件。

透镜组20(变焦距透镜组)具有“---+”的结构和负的放大率。透镜元件32、34和36的放大率都是负的，而透镜元件30的放大率是正的。透镜元件32也是消球差的，很象补偿器组中的消球差透镜元件22。透镜元件32可包括衍射元件，以修正象差。

这里示出的透镜组18除了孔径阑21以外还具有四个元件，透镜组20也具有四个元件。这里示出的例子并不试图限制每个组可具有的元件数量。为了修正象差，可考虑在每个组中具有一个消球差透镜。

同样地，示出的孔径阑21位于补偿器组中的元件24和22之间，但并不试图限制孔径阑的位置。可考虑把孔径阑放置在其它位置处。因为上面已讨论过的理由，也可考虑使孔径阑随补偿器组移动。

每个组的相对移动确定了可变焦比，即固定距离处的最大显示尺寸比最小显示尺寸。透镜组的位置和它们移动的距离随所需的可变焦比而变化，并把焦点保持在显示的位置处。图3示出在最大焦距结构下的系统。

可移动透镜组(每个组包含至少一个消球差透镜)和逆远距照相结构的组构成的投影光学系统具有几个优点。与具有可变放大率的投影系统的现有的实施例相比，此系统以更少的透镜元件实现低的失真和高的分辨率。此外，它不需要可变的孔径阑并能使反射型光调制器和其照射系统与投影系统有效地耦合在一起。

因此，至此虽然描述了具有可变放大率的偏移投影光学系统的特殊实施例，但除了在以下的权利要求中所限定的情况下，不应把这些特别的说明作为对本发明范围的限制。

Claims (7)

1.一种具有可变放大率的光学系统，其特征在于包括：

包括至少一个消球差透镜的变焦距透镜组，所述变焦距透镜组具有负的光学放大率并可移动；

具有正的光学放大率并可移动的补偿器透镜组，所述补偿器组包括：

至少一个消球差透镜元件；以及

至少两个其它的透镜元件，其中所述至少两个其它的透镜元件固定在一起，以减少所述系统中的色象差；以及

与所述补偿器组放在一起的孔径阑，所述孔径阑可随所述补偿器组一起移动。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于所述变焦距透镜组包括四个透镜。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于所述补偿器组包括四个透镜。

4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于所述孔径阑位于所述补偿器组的第三和第四元件之间。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于包含在所述变焦距组中的消球差透镜包括衍射元件。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于包含在所述补偿器组中的消球差透镜包括衍射元件。

7.一种具有可变放大率的光学系统，其特征在于包括：

具有负的放大率并可移动的变焦距透镜组，包括：

具有负的放大率的第一和第二透镜元件；

第三透镜元件，所述第三透镜元件是消球差的并具有负的放大率；以及

具有正的放大率的第四透镜元件；

具有正的放大率并可移动的补偿器透镜组，包括：

具有正的放大率的第一和第二透镜元件；

具有负的放大率的第三透镜元件，所述第三透镜元件与所述第二透镜元件固定；以及

具有正的放大率的第四透镜元件；以及

位于所述补偿器组的所述第三透镜元件和所述第四透镜元件之间的孔径阑，所述孔径阑可随所述补偿器组移动。

Images