CN1201169C - 投影透镜系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有紧凑结构并且能够校正色象差的投影透镜系统。在该系统中，第一和第二透镜分别具有弱屈光力，第三透镜具有强的正屈光力，第四透镜用于校正由第三透镜产生的象差，第五透镜具有负屈光力。第一到第五透镜的非球表面中至少一个上形成有衍射光学元件。该衍射光学元件可校正色象差和球差，因此不须增加透镜的数目便可实现高分辨率并且还可降低生产成本。

Description

投影透镜系统
技术领域
本发明涉及一种用于投影装置的投影透镜系统，具体涉及一种能够校正色象差的紧凑的投影透镜系统。
背景技术
最近，随着显示装置对大屏幕和高质量图象要求的增加，一种使用投影透镜来很好地投影小型图象的投影式装置迅速流行开来。根据图象投影到屏幕上的方向，这种投影装置主要可分为前投影系统和背投影系统。背投影系统有一个更显著的优点在于，即使在一个周边环境较亮的地方，它也可以显示出相对更亮的图象。典型的背投影装置包括一台投影电视(TV)。投影电视主要利用阴极射线管(CRT)和液晶显示器等作为实现小型图象的光源。在阴极射线管或液晶板上重现出的小型图象被投影透镜放大，然后以大型图象的方式投射到屏幕的后表面上。
参见图1A和1B，两图分别显示了用传统阴极射线管作为光源的投影电视的前视内部结构和侧视内部结构。投影电视包括：阴极射线管2，用来显示对应于图象信号的图象；投影透镜系统4，用来很好地投影显示在CRT2上的图象；反射镜6，用来把从投影透镜系统4投射出的图象反射到屏幕8上；屏幕8，用来显示从投影透镜系统4很好地投射出的图象。如图1A所示，阴极射线管2包括红、绿、蓝阴极射线管2R、2G、2B，分别来显示每一个红、绿、蓝彩色象素。投影透镜系统4包括红、绿、蓝投影透镜系统4R、4G、4B，它们分别位于每一个红、绿、蓝阴极射线管2R、2G、2B的出口处，用来很好地投射来自每一个红、绿、蓝阴极射线管2R、2G、2B的图象。反射镜6通过反射由红、绿、蓝投影透镜系统4R、4G、4B很好地投射出的将成像到屏幕8上的图象使得屏幕8可显示大型的彩色图象。在这种情况下，为了实现高清晰度的图象，投影透镜系统4需要通过校正球差、象散、畸变、色差来确保可以在CRT上分辨出扫描线的性能。为此目的，每一个红、绿、蓝投影透镜系统4R、4G、4B包括多个塑料透镜和一个玻璃透镜。
投影透镜系统的基本结构在美国专利Nos.4,300,817，4,384,081，4,526,442和4,697,892中有详细描述。并且美国专利No.4,685,774还公开了一种投影透镜系统，它通过增加光轴和边缘部分非球面处的屈光力的变化来校正随场视角的增加而产生的象差。此外，美国专利No.4,776,581讲授了一种能够增加场视角并且很精密的投影透镜系统。但是，由于1.0左右的F/#，美国专利Nos.4,300,817，4,384,081，4,526,442，4,697,892，4,685,774和4,776,581所公开的投影透镜系统在亮度等方面并没有获得好的性能。换句话说，投影透镜系统必须有低于1.0的F/#。然而，以上美国专利所公开的投影透镜系统由于受所提出的透镜结构和屈光力的分散的限制而不能获得低于1.0的F/#。
美国专利No.4,963,007还把一种轴向色差校正作为象差校正技术进行公开。按照惯例，轴向色差校正定义为以下等式：
K/v＝K1/v1+K2/v2………………………………(1)
其中，K1和K2是透镜元件L1和L2的屈光力，v1和v2是透镜元件L1和L2的色散值(1/阿贝数)。v1和v2可以校正轴向色差，因为当公式(1)中K/v的值为“0”时，v1和v2的值为无穷。为了达到校正轴向色差的目的，美国专利No.4,963,007所提出的投影透镜系统把屈光力进行合理分布并把具有各自不同色散值的透镜组合在一起。同样为了达到此目的，美国专利No.5,272,540所公开的投影透镜系统采用了胶合双合透镜的结构。以上美国专利所公开的这些投影透镜系统，因为可以依据屈光力的分散而分割透镜或者投影透镜系统使用胶合双合透镜结构，所以其适用于校正轴向色差。然而，这些投影透镜系统也要允许由于增加多余的透镜而造成的成本增加。上面美国专利No.4,963,007所描述的投影透镜系统为了达到校正轴向色差的目的组合了火石系列(Flint Series)和冕牌系列(Grown Series)玻璃透镜或聚苯乙烯以及丙烯酸塑料透镜。上面美国专利No.5,272,240所公开的投影透镜系统为了达到校正轴向光学色差的目的使用了胶合双合透镜，这种透镜把具有不同阿贝数的透镜胶合在一起。以上美国专利No.5,272,540公开的投影透镜系统的结构如图2所示。
图2所示的投影透镜系统包括：具有弱屈光力的第一透镜10和第二透镜12；承担投影透镜系统主要正屈光力的第三透镜14；具有弱的正屈光力的第四透镜16；以及具有强屈光力的第五透镜18。第一透镜10起校正球差的作用，第二透镜12起校正慧差和象散的作用。第一和第二透镜10和12均由塑料材料制成。第四透镜16和第五透镜18也由塑料材料制成，它们起到校正象散的作用。第三透镜14由玻璃制成的双合透镜组成，它的作用是校正色象差。换句话说，第三透镜14利用具有正屈光力的透镜与具有负屈光力的透镜的组合而校正了色象差。
如上所述，美国专利No.5,272,540公开的投影透镜系统为了达到校正色象差和各种光学象差的目的包括一个双合透镜和多个单透镜。因为美国专利No.5,272,540的投影透镜系统包括大量透镜，所以其难于建造一个小型结构并且还会导致制造成本的上升。这就需要一种既能实现高分辨率、高亮度又能减少透镜数量的投影透镜系统。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种投影透镜系统，它可以通过校正色差和设计低的F数(F/#)实现高清晰度和高亮度。
为了实现本发明的这些和其它目的，根据本发明的一个方面的投影透镜系统包括多个折射透镜和在这些折射透镜表面之中至少一个非球表面上形成的至少一个衍射光学元件。
根据本发明的另一方面的投影透镜系统包括多个折射透镜和在这些折射透镜表面之中至少一个非球表面上形成的至少一个衍射光学元件以校正轴向和轴外侧的象差。
根据本发明还有一方面的投影透镜系统包括：用于校正由离光轴的高度变化产生的象差的第一透镜，该透镜至少在一非球表面上形成有衍射光学元件；用于折射通过第一透镜的光线的第二透镜；用于校正通过第二透镜后光线的场曲率和象散的第三透镜。
根据本发明还有一方面的投影透镜系统包括：在中心有正屈光力在边缘有负屈光力的第一透镜；有较大正屈光力的第二透镜；有正屈光力的第三透镜；有负屈光力的第四透镜；在这些透镜的表面之中至少一个非球表面上形成的至少一个衍射光学元件。
根据本发明还有一方面的投影透镜系统包括：有弱屈光力的第一透镜；有弱屈光力的第二透镜；有强正屈光力的第三透镜，用于校正来自第三透镜的光线中的象差的第四透镜；有负屈光力的第五透镜；在这些透镜的表面之中至少一个非球表面上形成的至少一个衍射光学元件。
附图说明
通过参照附图对下面本发明一些实施例的详细描述，本发明的这些和其它目的就很明显了。其中：
图1A和图1B分别是传统的背投影装置的前视图和侧视图；
图2是传统投影透镜系统的详图；
图3是根据本发明一个实施例的投影透镜系统的详图；
图4是解释适用于本发明的设计有衍射光线元件的透镜的光衍射特征的光程图；
图5是显示当衍射光学元件用于平坦表面时，最初衍射光线的会聚状态图；
图6是根据本发明的另一个实施例的投影透镜系统的详图；
图7A和图7B分别图解了一光束通过折射透镜和衍射光学元件的色散特性；
图8是显示衍射光学元件的衍射表面与相位数(phase amount)的关系的图；
图9A和9B是显示根据本发明的一个实施例的投影透镜系统的色差校正特性图；
图10是根据本发明另一个实施例的投影透镜系统的详图。
具体实施方式
图3显示了根据本发明一个实施例的投影透镜系统。图3所示投影透镜系统包括3个透镜30，32，34。第一透镜30的一个侧面被设计为具有衍射光学功能的表面，从而提高了透镜系统的性能并且还使系统的机构在尺寸上变小。为此目的，图3中的投影透镜系统包括：具有衍射光学表面的第一透镜30；用于折射通过第一透镜30光线的第二透镜32；用于校正通过第二透镜的光线的场曲率和象散的第三透镜34。第一透镜30的前表面S1形成为非球面表面，在后表面S2上形成有衍射光学元件30A。第一透镜30校正光学系统的球差。在这种情况下，衍射光学表面S2在校正轴向色差时因为具有负的色散特性，故与其它具有基本相同色散特性的透镜相比更为有效。而且衍射光学表面S2是由塑性铸造过程制成，所以有利于大规模生产并且降低生产成本。第二透镜32由于是球面玻璃透镜故具有很强的屈光力。因为第二透镜32对温度变化不敏感，所以它可以确保外部环境温度变化时保持稳定的性能。第三透镜34形成凹面状并安装在阴极射线管面板38的前表面上的冷却器36上。第三透镜34校正场曲率和畸变象差。
如图4所示，投影透镜系统所使用的衍射光学表面S2为微米尺寸的精细结构。图4所示衍射光学表面S2是用来衍射而不是折射经由第一透镜30的前表面S1折射出的光线。在这种情况下，衍射光线根据衍射光学元件30A的特性分离为第0级衍射光(m＝0)，第一级衍射光(m＝±1)，第二级衍射光(m＝±2)，以及第三级以上的更高级衍射光。如果调节衍射光学元件30A的间距(pitch)、结构和厚度，那么便可获得所希望级的衍射光线。若衍射光学元件30A采用这样的特征，那么折射透镜只须具有桥形(shape of lattice)便可获得相当高的折射率，而不用管材料的折射率，透镜的曲率以及决定屈光力的厚度。而且如果合理地调整衍射光学元件30A的相位项(作为非球表面，相位项有很多系数)，也可以有效地校正象差。
同样，当衍射光学元件30A在如图5所示平板35的一个表面上形成时，可以获得理想的屈光力。平板35上形成的衍射光学元件30A尽管是平面但是具有正的屈光力，这是由衍射光学元件30A被设计为提供第一级衍射光线而消除高级衍射光线的结果造成的。为此目的，使用衍射光学元件的折射透镜只需该平面而无需能为折射透镜提供负屈光力或正屈光力的曲面便可获得理想的屈光力。衍射光学元件30A的这样一个特点使得透镜系统的厚度和尺寸变小。
表1是每一个透镜的表面半径r，透镜间距d，以及每一个透镜的屈光力Nd和阿贝数vd的第一组数据。表2和表3分别是定义非球面镜头和衍射光学元件30A的形状的第一组系数值。
                                    表1
透镜 表面 R d Nd vd
第一透镜     S1   65.841   6.930   1.4915     57.8
    S2   200.000   30.437
第二透镜     S3   98.102   20.000   1.5943     62.0
    S4   -92.729   35.026
第三透镜     S5   -54.000   3.500   1.5090     51.9
    S6   -50.000   9.000   1.4395     62.8
  阴极射线管面板     S7   平面   14.100   1.5632     55.2
    S8   -350.000
                                             表2
  K   A   B   C   D   E
S1 -0.1597   -0.5007E-09   -0.4273E-07   0.4141E-12   -0.3524E-15   0.6939E-19
S2 -3.2887   -0.1541E-04   0.2379E-07   -0.3023E-10   0.1776E-13   -0.3834E-17
                                    表3
HZ1 HZ2 HWL C1 C2 C3
S2   -0.1000E3   -0.1100E3 544.00   4.1763E-05   9.9045E-08   7.7178E-11
表4是每一个透镜表面半径r，透镜间距d，以及每一个透镜的屈光力Nd和阿贝数vd的第二组数据。表5和表6分别是定义非球面镜头和衍射光学元件30A形状的第二组系数值。
                                      表4
  透镜     表面   r   d   Nd     vd
第一透镜     S1   65.841   6.930   1.4915     57.8
    S2   200.000   30.437
第二透镜     S3   98.102   20.000   1.5943     62.0
    S4   -92.729   35.026
第三透镜     S5   -54.000   3.500   1.5090     51.9
    S6   -50.000   9.000   1.4395     62.8
  阴极射线管面板     S7   平面   14.100   1.5632     55.2
    S8   -350.000
                                            表5
  K   A   B   C   D   E
S1 -0.0656   -0.5107E-06   -0.2450E-09   0.2173E-12   -0.1598E-15   0.2394E-19
S2 -0.9022   -0.1121E-04   0.2084E-07   -0.3039E-10   0.2062E-13   -0.5216E-17
                                        表6
  HZ1   HZ2   HWL   C1   C2   C3
S2   -0.1000E-13   -0.1100E-03 544.00   -1.767E-05   6.0183E-08   7.2765E-17
表1至表6中的数据有如下含义：首先，定义非球面镜头30的表面S1和S2的形状的非球面系数由下面等式确定；
X(r)＝[cr2/{1+(1+K)c2r2)}1/2]+Ar4+Br6+Cr8+Dr10+Er12…(2)
其中X(r)是关于与光轴距离r高度处非球表面的下陷值(sagvalue)，c是与光轴距离r高度处透镜表面的曲率，K是圆锥常数，A至E是非球面系数。
表3和表6中的“HZ1”和“HZ2”分别是从衍射光学元件30A到物点源和到参考点源的距离。由于应用于本发明的投影透镜系统的衍射光学元件30A具有轴对称的特征，物点源和参考点源都位于光轴上。″HWL″是制造衍射光学元件30A所使用光束的参考波长。本发明使用绿光阴极射线管发出的光束作为参考波长，它的中心波长为544nm。由发自物体源和参考源的光的干涉产生的衍射光学元件的非球面相位数由下面等式决定：
(y)＝c1y2+c2y4+c3y6………………………………(3)
其中，(y)是对应于与光轴距离y高度处的位置的相位，c1至c3是具有非球面效应的相位项的系数。表1至表3中的第一组数据和系数值所适用的投影透镜系统的F/#为1.047，那么焦距为74.0mm。同样，表4至表6中的第二组数据和系数值所适用的投影透镜系统的F/#为1.054，焦距为78.2449mm。上面所描述的数据适用的图3中的投影透镜系统因为所有的非球面镜头30和衍射光学元件30A都以光轴为轴对称，所以方便了它们的组合与调节。
参见图6，其中显示了根据本发明的一个实施例的投影透镜系统。该投影透镜系统包括：中心具有正屈光力，边缘具有负屈光力的第一透镜20；具有正屈光力的第二透镜22；具有正屈光力并且在其一侧配备了衍射光学元件(DOE)的第三透镜24；具有负屈光力的第四透镜26。第一透镜20是由塑料材料制成的非球面透镜用于校正球差。而且第一透镜20中心具有正屈光力边缘具有负屈光力以便校正慧差和象散。第二透镜22由玻璃材料制成，承担着投影透镜系统全部屈光力的大部分。第三和第四透镜24，26是塑料透镜用于校正象散和场曲率。第三透镜24的具有正屈光力的一侧形成了衍射光学元件24A使得能够校正色象差。
详细地讲，如图7A所示，常规的折射透镜28使具有彩色信号的光束中蓝光的焦距比红光的焦距短。与此同时，衍射光学元件24A使图7B中具有彩色信号的光束中红光的焦距比蓝光的焦距短。在这种情况下，代表折射透镜28色散性的阿贝数vd由下面等式确定：
vd＝(Nd-1)/(NF-NC)………………………………………(4)
其中，“N”是每一个附加字母的光谱波长的折射率。同样，若每一个附加字母的光谱线的波长是“λ”，那么衍射光学元件24A的阿贝数由下面等式确定：
vd＝λd/(λF-λC)＝-3.45……………………………………(5)
从等式4和等式5可以看出，折射透镜28的阿贝数vd是大约从25到65的正值，而衍射光学元件24A的阿贝数是负值-3.45。换句话说，折射透镜28和衍射光学元件24A具有相反的色散特性。为此目的，第三透镜24包括一块具有正屈光力的塑料透镜(也就是折射透镜)和形成于该塑料透镜表面之上的具有衍射特性的衍射光学元件24A，通过利用它们相反的色散特性来达到校正的目的。图6所示的投影透镜系统由于第三透镜24而具有图9A和9B所示的良好的色差校正特性。图9A和图9B中，“PR”，“PG”和“PB”是本发明的光的特性，“OR”，“OG”和“OB”是现有技术下光的特性。从图9A所示的随着离Y轴上光轴的高度y的变化而变化的色差曲线图和图9B所示的随着离X轴上光轴的高度y的变化而变化的色差曲线图可以看出，第三透镜24使红、绿、蓝光的色差减小，从而提高了透镜的色差校正特性。
表7是可适用于图6所示投影透镜系统的相关数据，包括每一个透镜表面的曲率半径r，透镜间距d，以及每一个透镜的屈光力Nd和阿贝数vd。表8是定义图6所示非球面镜头和衍射光学元件24A形状的系数值。
                                         表7
  透镜     S   r   d   Nd     vd
第一透镜     S11   72.4300   8.6400   1.4935     57.8
    S12   80.9700   28.8000
第二透镜     S13   73.6700   25.0000   1.5916     62.0
    S14   -215.3300   20.0200
第三透镜     S15   -359.8100   8.0000   1.4938     57.8
    S16   -94.5   29.55
第四透镜     S17   -49.5100   3.5000   1.4938     57.8
    S18   -47.0000   12.9400   1.4392     62.8
  阴极射线管面板     S19   无穷   14.1000   1.5551     55.2
    S20   -350.0000   0.000
                                                表8
  透镜表面   K     A   B   C   D   E
S11   -1.3480E+00     1.6080E-07   -8.4679E-10   1.5770E-13   1.3850E-17   -2.9262E-21
S12   5.0000E-02     5.3046E-07   -1.8278E-09   1.4642E-12   -7.9311E-16   2.5535E-19
S15   8.3325E+01     -1.5942E-06   -6.9339E-10   3.800E-13   -6.0061E-16   2.0398E-19
S16 -14.987     9.66E-07   5.32E-10   -3.77E-13   -3.26E-17 0
S17 0.432533     -3.12E-06   1.09E-08   -1.90E-11   1.80E-14   -8.65E-18
  S16(DOE) 0     -4.45E-04 0 0 0 0
表8中，决定第一透镜20的非球表面形状和第三和第四透镜24和26形状的系数值由上面描述的公式2定义。同样，物体源和参考源发出的光在衍射光学元件24A中干涉产生的衍射光学元件24A的非球面相位数由上面描述的相位数公式3确定。可适用于本发明的衍射光学元件24A的相位数如图8所示有一个随距光轴的高度r成比例减小的特性。图8所示的衍射光学元件24A的相位数特性曲线与衍射光学元件24A的环带数有关，这也显示出为了提高透镜的衍射效率和工作性能等光学性能对衍射光学元件24A的相位数的最优设计所提出的要求。为此目的，衍射光学元件24A包括多个具有旋转对称的同心环形凹槽，并且随着从中心到边缘，凹槽的间距减小。色差、球差和畸变象差等都可以通过把衍射光学元件24A同非球面塑料透镜加以组合进行校正。因此，没有必要象现有技术那样为了校正色象差而另外使用由具有负屈光力的昂贵材料制成的透镜和扩大光束的色散度，所以本发明能够减少生产成本并且具有制造小型投影透镜系统的优点。同样，由于投影透镜系统的焦距变短，它可以制成更薄的类型。为此目的，需要把承担全部屈光力中大部分的第二透镜22设计成具有大的屈光力。但是，当屈光力变大，就会产生球差，因此扩大第二透镜22的屈光力就要有一定限度。因此，第二透镜22的屈光力被分配给衍射光学元件24A以提高投影透镜系统的屈光力，从而减小总体焦距，进而可以制造薄型装置。
此外，借助于衍射光学元件24A还可以提高投影透镜系统的亮度。换句话说，将屈光力分配给衍射光学元件24A减小了投影透镜系统的焦距，因此提高了投影透镜系统的亮度。这是因为投影透镜系统的亮度与F/#的平方成反比，而F/#又与焦距f成比例，它们之间的关系如下式所示：
亮度∝1/(F/#)2，F/#＝f/D………………………………(6)
其中D代表透镜的直径。从等式(6)可以看出，随着投影透镜系统的总体焦距变小，F/#变小，所以与F/#的平方成反比的投影透镜系统的亮度变得很好，进而可以实现高亮度。
如上所述，本投影透镜系统利用衍射光学元件24A来校正色象差和球差等等，因此不须增加透镜的数目便可提高系统的光学性能。同样，本投影透镜系统使用衍射光学元件24A承担部分屈光力，因此减小了总体焦距，从而可以获得薄型装置和高亮度。另外，本投影透镜系统利用具有非球表面且在中心有正屈光力在边缘具有负屈光力的第一透镜20来补偿光学象差(即球差、波形差、象散)，因此减少了透镜数目。
图10显示了根据本发明的一个实施例的投影透镜系统。图10中的投影透镜系统包括：具有正屈光力的第一透镜110；具有弱屈光力的第二透镜120；具有正屈光力的第三透镜130；在其中一侧形成了衍射光学元件(DOE)140a的第四透镜140；具有负屈光力的第五透镜150。第一和第二透镜110，120是由塑料材料制成的非球面透镜，用于校正球差。第三透镜130由玻璃材料制成，承担投影透镜系统总屈光力的多数。第四，第五透镜140和150包括塑料透镜用于校正象散和场曲率。为校正色差，第四透镜140在具有正屈光力的一侧形成有衍射光学元件140a。由于折射透镜和衍射光学元件140a具有彼此相反的色散特性，所以第四透镜140具有良好的色散校正特性。投影透镜系统由于第四透镜140而具有良好的色散校正特性的情况可参见图9A和9B。
随距离光轴的高度y而变化并且定义衍射光学元件140a的表面形状的非球面相位数由上面描述的相位数等式3决定。可适用于本发明的衍射光学元件140a的相位数如图8所示有一个随距光轴的高度y成比例减小的特性。图8所示的衍射光学元件140a的相位数特性曲线与衍射光学元件140a的环带数有关，这也显示出为了提高透镜的衍射效率和工作性能等光学性能对衍射光学元件140a的相位数的最优设计所提出的要求。为此目的，衍射光学元件140a包括多个具有旋转对称性的同心环形凹槽，并且随着从中心到边缘，凹槽的间距减小。色差、球差和畸变象差等都可以通过把衍射光学元件140a同非球面塑料透镜加以组合进行校正。因此，没有必要象现有技术那样为了校正色象差而另外使用由具有负屈光力的昂贵材料制成的透镜和扩大光束的色散度，所以本发明能够减少生产成本并且具有制造小型投影透镜系统的优点。同样，由于投影透镜系统焦距变短，它可以制成更薄的类型。为此目的，需要把承担全部屈光力中大部分的第三透镜130设计成具有大的屈光力。但是，当屈光力变大，就会产生球差，因此扩大第三透镜130的屈光力就要有一定限度。因此，第三透镜130的屈光力被分配给衍射光学元件140a用于提高投影透镜系统的屈光力，从而减小总体焦距，进而可以制造薄型装置。同样，将屈光力分配给衍射光学元件140a减小了投影透镜系统的焦距，因此提高了投影透镜系统的亮度。这是因为投影透镜系统的亮度与F/#的平方成反比，而F/#又与焦距f成比例，它们之间的关系可参见上面描述的等式(6)。
表9是可适用于图10所示投影透镜系统的第一组数据，包括每一个透镜表面的曲率半径r，透镜间距d，以及每一个透镜的屈光力Nd和阿贝数vd。表10是定义图10所示非球面镜头110、120、140、150的形状和衍射光学元件140a的表面形状的第一组系数值。表10中，定义第一、第二、第四、第五透镜110、120、140、150的非球表面形状的第一组系数值由上面描述的等式(2)决定。
                                       表9
  透镜   透镜表面   r   d   Nd     vd
第一透镜   S21   111.000   8.600 1.494000     57.8
  S22   299.109   14.400
第二透镜   S23   -140.000   8.200 1.494000     57.8
  S24   -155.321   3.600
第三透镜   S25   74.500   25.000 1.592000     62.0
  S26   -220.500   9.863
第四透镜   S27   -415.000   7.000 1.494000     57.8
  S28   -115.876   33.000
第五透镜   S29   -50.782   3.500   1.494000     57.8
  S30   -45.000   9.000   1.430000     62.8
  阴极射线管面板   S31   无穷   14.1   1.563000     55.2
  S32   -350.0   0
                                              表10
  透镜表面   K   A   B   C   D   E
S21 -17.15900   1.162E-07   -1.313E-09   -4.585E-13   4.961E-16   -1.025E-19
S22 0.000000   6.029E-07   7.796E-10   -5.599E-13   4.406E-16   -8.283E-20
S23 -10.00000   1.717E-06   -2.944E-10   -1.286E-12   4.009E-16   0.000E+00
S24 -1.727000   1.612E-06   -3.750E-10   -1.096E-12   5.164E-16   -5.476E-20
S27   101.81000   5.163E-07   3.253E-10   -1.839E-14   4.097E-16   0.000E+00
  S27(DOE) 0.000000   -2.546E-04 0.000000 0.000000 0.000000   0.000E+00
S28 -41.46900   2.136E-06   3.747E-09   -3.142E-12   1.889E-15   -2.799E-19
S29 -0.77700   5.140E-06   2.687E-09   -3.730E-12   2.504E-15   -7.896E-19
S30 0.000000   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00
在表9和表10数据的基础上，就可以确定和设计根据本发明的实施例的投影透镜系统所包括的每一个透镜的形状。同样，还将描述非球面透镜的处理方法。事实上，半径为111.000的第一透镜110的前表面的形成方法是把具有固定半径的球面透镜上的A到E位置加工处理成对应于表10的系数值。第一、第二、第四、第五透镜110、120、140、150是经同样的处理过程而制成的。
表11是可适用于图10所示投影透镜系统的第二组数据，包括每一个透镜表面的曲率半径r，透镜间距d，以及每一个透镜的屈光力Nd和阿贝数vd。表12是定义图10所示非球面镜头110、120、140、150的形状和衍射光学元件140a的表面形状的第二组系数值。
                                      表11
  透镜   透镜表面   r   d   Nd     vd
第一透镜   S21   101.635   8.600 1.494000     57.8
  S22   190.658   15.400
第二透镜   S23   280.338   8.200 1.494000     57.8
  S24   443.295   3.600
第三透镜   S25   78.280   25.000 1.592000     62.0
  S26   -194.639   7.000
第四透镜   S27   -712.755   7.000 1.494000     57.8
  S28   -137.901   33.562
第五透镜   S29   -48.084   3.500   1.494000     57.8
  S30   -45.000   9.000   1.430000     62.8
  阴极射线管面板   S31   无穷   14.1   1.563000     55.2
  S32   -350.0   0
                                              表12
  透镜表面   K   A   B   C   D   E
S21 -10.00000   2.963E-07   -1.925E-09   1.485E-14   3.251E-16   -6.104E-20
S22 0.000000   5.029E-07   -2.422E-09   6.559E-13   4.874E-17   -1.649E-20
S23 -10.00000   1.717E-06   -2.944E-10   -1.288E-12   4.009E-16   0.000E+00
S24 0.000000   9.716E-07   1.142E-10   -1.612E-12   6.936E-16   -7.465E-20
S27 24.65800   2.926E-07   -3.045E-11   5.413E-14   2.714E-16   0.000E+00
  S27(DOE) 0.000000   -2.000E-04 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
S28 -45.04800   1.117E-06   1.429E-09   -6.531E-13   4.908E-16   -1.380E-20
S29 0.000000   5.236E-06   3.978E-09   -4.788E-12   3.183E-15   -9.871E-19
S30 0.000000   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00
在表11和表12数据的基础上，就可以确定和设计根据本发明的实施例的投影透镜系统所包括的每一个透镜的形状。同样，还将描述非球面透镜的处理方法。事实上，半径为101.635的第一透镜110的前表面的形成方法是把具有固定半径的球面透镜上的A到E位置加工处理成对应于表12的系数值。第一、第二、第四、第五透镜110、120、140、150是经同样的处理过程而制成的。
表13是可适用于图10所示投影透镜系统的第三组数据，包括每一个透镜表面的曲率半径r，透镜间距d，以及每一个透镜的屈光力Nd和阿贝数vd。表14是定义图10所示非球面镜头110、120、140、150的形状和衍射光学元件140a的表面形状的第三组系数值。
                                        表13
  透镜   透镜表面     r     d   Nd     vd
第一透镜   S21     82.962     8.600 1.494000     57.8
  S22     121.163     15.381
第二透镜   S23     280.338     8.200 1.494000     57.8
  S24     817.986     3.660
第三透镜   S25     71.753     25.000 1.592000     62.0
  S26     -265.639     7.020
第四透镜   S27     -356.111     7.000 1.494000     57.8
  S28     -127.715     33.000
第五透镜   S29     -52.782     3.500   1.494000     57.8
  S30     -45.000     9.000   1.430000     62.8
  阴极射线管面板   S31     无穷     14.1   1.563000     55.2
S32 -350.0 0
                                             表14
  透镜表面   K   A   B   C   D   E
S21 -10.525000   1.446E-06   -2.585E-09   -2.577E-13   6.292E-16   -1.224E-19
S22 0.000000   5.697E-07   -2.303E-09   -1.592E-13   5.906E-16   -1.153E-19
S23 -10.000000   1.717E-06   -3.481E-10   -1.286E-12   4.009E-16   0.000E+00
S24 0.000000   7.759E-07   -3.480E-10   -9.128E-13   2.923E-16   0.000E+00
S27 -85.58500   3.547E-07   -1.366E-09   2.086E-12   4.252E-16   0.000E+00
  S27(DOE) 0.000000   -2.546E-04 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
S28 -45.04800   1.599E-06   1.098E-09   4.231E-13   1.535E-16   0.000E+00
S29 0.000000   6.856E-06   8.342E-09   -1.223E-11   8.706E-15   -2.530E-18
S30 0.000000   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00
在表13和表14数据的基础上，就可以确定和设计根据本发明的实施例的投影透镜系统所包括的每一个透镜的形状。同样，还将描述非球面透镜的处理方法。事实上，半径为82.962的第一透镜110的前表面的形成方法是把具有固定半径的球面透镜上的A到E位置加工处理成对应于表14的系数值。第一、第二、第四、第五透镜110、120、140、150是经同样的处理过程而制成的。
如上所述，根据本发明的投影透镜系统利用衍射光学元件来校正色象差、球差等光学象差，所以不需要增加火石系列透镜，它就能够实现高分辨率同时也降低了生产成本。同样，根据本发明的投影透镜系统利用衍射光学元件来减小焦距，所以能够获得薄型装置和高亮度。
尽管本发明在上面描述的实施例中已经有所解释，但是本技术领域内的普通技术人员也应理解本发明并不只局限于实施例，因为只要不脱离本发明的精神，各种各样的改造或修改都是有可能的。因此，本发明的范围只由所附权利要求和它们的等同物所决定。

Claims (32)

1.一种投影透镜系统，包括：
多个透镜；和
在这些透镜表面之中至少一个非球表面上形成的至少一个衍射光学元件。
2.根据权利要求1的投影透镜系统，其中衍射光学元件的一个表面包括一个有旋转对称性的凹槽。
3.根据权利要求1的投影透镜系统，其中衍射光学元件具有正屈光力。
4.根据权利要求1的投影透镜系统，其中衍射光学元件具有负屈光力。
5.根据权利要求1的投影透镜系统，其中衍射光学元件的一个表面包括有旋转对称性的一组有间距的凹槽。
6.一种投影透镜系统，包括：
多个折射透镜；和
在这些折射透镜表面之中至少一个非球表面上形成的至少一个衍射光学元件，用于校正轴上和轴外色差。
7.根据权利要求6的投影透镜系统，其中衍射光学元件的一个表面包括一个有旋转对称性的凹槽。
8.根据权利要求6的投影透镜系统，其中衍射光学元件具有正屈光力。
9.根据权利要求6的投影透镜系统，其中衍射光学元件具有负屈光力。
10.根据权利要求6的投影透镜系统，其中衍射光学元件的一个表面包括有旋转对称性的一组有间距的凹槽。
11.一种投影透镜系统，包括：
用于校正因离光轴的高度不同而产生的象差的第一透镜，并且该透镜的至少一个非球表面上形成有衍射光学元件；
用于折射通过第一透镜的光线的第二透镜；和
用于校正通过第二透镜的光线的场曲率和畸变象差的第三透镜。
12.根据权利要求11的投影透镜系统，其中第一透镜的一侧为非球表面，另一侧为衍射光学表面。
13.根据权利要求11的投影透镜系统，其中衍射光学元件的一个表面包括一个有旋转对称性的凹槽。
14.一种投影透镜系统，包括：
中心具有正屈光力而边缘具有负屈光力的第一透镜；
有相对较大正屈光力的第二透镜；
有正屈光力的第三透镜；
有负屈光力的第四透镜；和
在所述透镜的至少一个非球表面上形成的衍射光学元件。
15.根据权利要求14的投影透镜系统，其中所述的第一、第三和第四透镜设计成具有非球表面。
16.根据权利要求14的投影透镜系统，其中所述第一透镜的一个表面设计成非球表面而另一表面设计成衍射光学元件表面。
17.根据权利要求14的投影透镜系统，其中所述第三透镜的一个表面设计成非球表面而另一表面设计成衍射光学元件表面。
18.根据权利要求14的投影透镜系统，其中衍射光学元件上有多个具有旋转对称性的同心环形的凹槽。
19.根据权利要求18的投影透镜系统，其中所述凹槽的间距以使相位数从衍射光学元件的中心向边缘减小的方式而减小。
20.根据权利要求14的投影透镜系统，其中所述透镜中的至少一个是由塑料制成。
21.一种投影透镜系统，包括：
有弱屈光力的第一透镜；
有弱屈光力的第二透镜；
有强的正屈光力的第三透镜；
用于校正由第三透镜产生的象差的第四透镜；
有负屈光力的第五透镜；和
在所述透镜表面中至少一个非球表面上形成的至少一个衍射光学元件。
22.根据权利要求21的投影透镜系统，其中第一透镜有一个凸形的上表面，第二透镜的两侧均为凸面，第四透镜的一个表面为衍射光学元件表面。
23.根据权利要求21的投影透镜系统，其中所述第一透镜的一个表面设计成非球表面而另一表面设计成衍射光学元件表面。
24.根据权利要求21的投影透镜系统，其中所述第二透镜的一个表面设计成非球表面而另一表面设计成衍射光学元件表面。
25.根据权利要求21的投影透镜系统，其中所述第四透镜的一个表面设计成非球表面而另一表面设计成衍射光学元件表面。
26.根据权利要求21的投影透镜系统，其中第四透镜具有弱屈光力。
27.根据权利要求21的投影透镜系统，其中衍射光学元件具有正屈光力。
28.根据权利要求21的投影透镜系统，其中衍射光学元件具有负屈光力。
29.根据权利要求21的投影透镜系统，其中衍射光学元件的一个表面包括多个有旋转对称性的同心环形凹槽。
30.根据权利要求21的投影透镜系统，其中衍射光学元件包括一组有间距的凹槽，它们的间距逐渐变小以使相位数随着从衍射光学元件的中心向边缘而减小。
31.根据权利要求21的投影透镜系统，其中第二透镜具有负屈光力。
32.根据权利要求21的投影透镜系统，其中所述透镜中至少有一块透镜是由塑料材料制成。
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