CN1745325A - 透镜系统及使用该透镜系统的物镜系统和光学投影系统 - Google Patents

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Abstract

一种透镜系统，以放大的视场补偿包括色差在内的各种像差。该透镜系统包括一正元件和一负元件，各自位于入射光光路中。所述正元件包括一第一负透镜，一凸透镜和一全息光学元件。所述负元件包括一第二负透镜。

Description

透镜系统及使用该透镜系统的物镜系统和光学投影系统
技术领域
本发明涉及一种透镜系统，具体地，涉及一种能够补偿色差并且放大视场的透镜系统，以及使用该透镜系统的物镜系统和光学投影系统。
背景技术
通常，用于各种光学显示器或光电装置的物镜系统或光学投影系统包括透镜系统。常规的透镜系统包括接近像平面设置的用于孔径像差校正的小焦度光学元件、双凸透镜以及接近像平面设置的具有凹面的负光学元件。
上述常规透镜系统在1981年11月17日公布的题名为“投影透镜”的美国专利4,300,817中公开。
图1示出了美国专利4,300,817中公开的透镜系统的结构。参照图1，投影透镜系统包括三个组G1，G2和G3。组G1只包括一个有很小的正光焦度(optical power)的单透镜L1。单透镜L1有一个平面S1和一个非球面S2，并校正取决于孔径的像差。组G2的单透镜L2是有至少一个非球面的双凸透镜，并大致提供投影透镜系统的全部正焦度。组3的单透镜L3有一最接近像平面的具有负焦度的凹形像侧表面S5。单透镜L3与物最接近的物表面(object surface)S6是平面，而像侧表面S5则是非球面。单透镜L3用作像面平整镜，校正单透镜L1和L2的佩兹伐曲率。元件L4是通常用在黑白CRT投影系统中的辐射屏蔽件。参考标号P表示CRT的表面。
但是，当常规的透镜系统应用于物镜系统时，由于最接近像平面的元件是双凸透镜，对由光学系统光瞳直径引起的像差的校正受到显著限制，进一步限制了提高物镜焦度的可能性。
另外，常规的透镜系统不能充分补偿色差，从而降低了投影在屏幕上的图像的质量。
此外，由于弯月形的透镜的凹面朝向像表面，由于其曲率，物镜的视场显著缩小，从而使得该物镜不能用在紧凑型的光学装置中。
在图1所示的常规透镜系统中，所有光学元件均由丙烯(acryl)制成以易于非球面的成形。然而，丙烯的折射系数会随温度改变，使得丙烯制成的光学元件的焦点随温度漂移，从而引起整个光学系统的散焦或难以锐聚焦。
为克服这些问题，在1988年11月11日公布的题名为“投影透镜”的美国专利4,776,681中公开的另一种常规透镜系统中，使用了一种弯月形的校正透镜单元。该校正透镜单元的物侧表面具有非常大的曲率半径，补偿行进方向不平行于透镜系统光轴的光中的像差，如慧形像差。
然而，美国专利4,776,681中公开的透镜系统的校正透镜单元具有靠近屏幕的曲率半径很大的凸面镜，使得视场太过狭窄而无法应用于较小的光学系统。
发明内容
本发明提供一种能够放大视场并补偿像差的透镜系统。
本发明还提供一种使用所述透镜系统的物镜系统，能够以较大的视场在屏幕上形成高质量的图像，并校正像差。
本发明还提供一种使用所述透镜系统的光学投影系统，能够以较大的视场在屏幕上形成高质量的图像，并校正像差。
在本发明的一个方面中，提供一种透镜系统，包括位于光路中且包括一第一负透镜，一凸透镜和一全息光学元件的一正元件，以及位于该光路中且包括一第二负透镜的负元件。
本发明还提供一种透镜系统，包括：位于入射光光路中且包括一正透镜、一凸透镜和一全息光学元件的一正元件；以及位于所述光路中的一负元件，包括一负透镜。
在本发明的另一个方面中，提供一种物镜系统，用于以预定形状成像来自物方的光，该物镜系统包括：一透镜系统，其包括位于光路中且包括一第一负透镜，一凸透镜和一全息光学元件的一正元件，以及位于该光路中且包括一第二负透镜的一负元件。
本发明还提供一种物镜系统，用于以预定形状成像来自物方的光，该物镜系统包括：一透镜系统，包括位于入射光光路中且包括一正透镜、一凸透镜和一全息光学元件的一正元件，以及位于该光路中且包括一负透镜的一负元件。
在本发明的另一个方面中，提供一种光学投影系统，用于将光源发出的光以预定形状投影到屏幕上，该光学投影系统包括：一个透镜系统，其包括位于入射光光路中且包括一第一负透镜，一凸透镜和一全息光学元件的一正元件和位于所述光路中且包括一第二负透镜的一负元件；以及一耦接器，其将光源耦接到透镜系统。
本发明还提供一种光学投影系统，用于将光源发出的光以预定形状投影到屏幕上，该光学投影系统包括：一透镜系统，其包括位于入射光光路中且包括一正透镜、一凸透镜和一全息光学元件的一正元件和位于所述光路中且包括一负透镜的一负元件；以及一耦接器，其将光源耦接到透镜系统。
附图说明
图1是示出用于光学投影系统的常规的透镜系统的图。
图2是示出使用根据本发明的一个实施例的透镜系统的物镜系统的图。
图3是示出使用图2中的透镜系统的光学投影系统的图。
图4是示出使用根据本发明的另一实施例的透镜系统的物镜系统的图。
图5是示出使用图4中的透镜系统的光学投影系统的图。
具体实施方式
使用根据本发明的一个实施例的透镜系统的物镜系统在图2中示出。如图2所示，根据本发明的一个实施例的物镜系统100包括物102，透镜系统110，以及像平面104，其中透镜系统110包括具有正折射系数的正元件P，辅助元件117，和具有负折射系数的负元件N。正元件P包括一个第一负透镜112，一个双凸透镜114，及一个在双凸透镜114与第一负透镜112相邻的表面上形成的全息光学元件(HOE)116。
在整个本说明书中使用的术语“正元件”意为使从其中通过的光束向光轴会聚的元件。在整个本说明书中使用的术语“负元件”意为使从其中通过的光束发散远离光轴的元件。
在图2所示实施例中，第一负透镜112与物102相邻，负元件N与像平面104相邻。辅助元件117位于正元件P和负元件N之间。双凸透镜114位于第一负透镜112与辅助元件117之间。
尽管图2的实施例中示出HOE 116形成于双凸透镜114与第一负透镜112最接近的表面上，该HOE 116也可形成于正元件P的光学元件的任何表面上。
第一负透镜112由聚碳酸酯制成，焦度的范围为0.1到0.2，曲率半径足够大以校正射在其上的具有大光斑尺寸的光束中的像差。
双凸透镜114由丙烯制成，焦度的范围为0.35到0.4。双凸透镜114预聚焦光线。双凸透镜114，与辅助元件117一起校正在平行于光传播方向的光轴的方向上的纵轴色差，与负透镜118一起校正在垂直于光轴的方向上的横轴色差。
HOE 116形成于双凸透镜114与物102最接近的一个表面上，焦度的范围为0.01到0.1。HOE 116有由如下公式(1)所定义的相分布(phase profile)VH。
VH＝A1y2+A2y4+A3y6                           (1)
其中A1为与HOE 116的焦度成正比的系数，A2是与物镜系统100的正元件P引起的球面像差成正比的系数，A3是与负元件N引起的球面像差成正比的系数，y是与光轴成直角测量的以透镜光轴为起点的距离。
利用相方程(1)，可以计算出与HOE 116中的线数(number of lines)相关的弛垂度值和HOE 116的高度。例如，HOE 116可以具有包括多个高度不同的同心环的微观结构。
在本发明的实施例中，HOE 116的形成可以使得外围区域比中心区域更多地衍射入射光，从而有效地补偿像差，例如色差。
辅助元件117由丙烯制成。辅助元件117为轴对称形，其放大率与整个物镜系统100相似。
第二负透镜118处于凸面朝向像平面104的位置。第二负透镜118由聚苯乙烯制成。第二负透镜118可具有0.5-0.7的焦度。第二负透镜118校正在图像区域中的失真。
在本发明的一个可选实施例中，第一负透镜112，双凸透镜114，辅助元件117和第二负透镜118中的一个可具有至少一个非球表面，以补偿使用较大焦度透镜时产生的各种像差。
下面将描述根据本发明的图2的物镜系统100的操作。
物102发出的光透过第一负透镜112、HOE 116、双凸透镜114和辅助元件117，随后由第二负透镜118发散以在像平面104上形成图像。由于负元件P的第一负透镜112与物102相邻，而双凸透镜114与第一负透镜112相邻，双凸透镜114的焦度被显著减小。可加大物镜系统的物理直径以补偿像差。
由于第二负透镜118的凸面朝向像平面104，物镜系统100的视场将会增大。辅助元件117是附加置于负元件N和正元件P之间的双凸透镜，提高物镜系统100的聚焦能力。
图3示出使用根据本发明的图2所示的透镜系统的光学投影系统。如图3所示，适合阴极射线管(CRT)投影电视的光学投影系统200包括屏幕208，透镜系统110，光信号源202如CRT，像平面204，及用于耦接光信号源202到透镜系统110的耦接器206。除了进一步设置容纳有散热剂的耦接器206以连接第二负透镜118和与像平面204接触的光信号源202以外，图3中的透镜系统110与应用于图2的物镜系统100的透镜系统具有相同的结构。
根据本发明的图2的透镜系统110应用于如图3所示的光学投影系统200时，光路被反转。具体地，在像平面204后发出的光相继透过第二负透镜118，辅助元件117，双凸透镜114，HOE 116和第一负透镜112，并投影到屏幕208上。
图4示出使用根据本发明的另一实施例的物镜系统。参照图4，根据本发明的另一个实施例的物镜系统300包括物302，包括正元件P、辅助元件317和负元件N的透镜系统310，以及像平面304。正元件P包括一个丙烯制成的弯月形正透镜312，一个丙烯制成的双凸透镜314，一个在双凸透镜314最接近正透镜312的表面上形成的HOE 316。
在图4所示的实施例中，正透镜312位于物302和双凸透镜314之间，与物302的距离为物镜系统焦距的0.15-0.25倍。负元件N包括接近像平面304的弯月形负透镜318。负透镜318的凸面朝向像平面304。
在图4所示的实施例中，负透镜318由聚苯乙烯制成，其焦度为物镜系统300的焦度的0.2-0.3倍。
尽管在如图4所示的实施例中，在双凸透镜314最接近物302的表面上形成具有焦度为物镜系统300的焦度的0.01-0.1倍的HOE 316，HOE 316也可形成于正元件P的任一透镜中的至少一个的一个光学表面上。HOE 316遵循与图2所示的实施例相关的上述相方程(1)。
图4中的物镜系统300包括在正元件P和负元件N之间的辅助元件317。辅助元件317由丙烯制成，并且是一个双凸透镜，其曲率半径较小的表面朝向像平面304。正透镜312，双凸透镜314，辅助元件317和负透镜318中的一个可具有至少一个非球表面，以补偿使用较大焦度透镜时产生的包括色差在内的各种像差。
图5示出使用根据本发明的图4中的透镜系统的光学投影系统。参照图5，适合CRT投影电视的光学投影系统400包括屏幕408，透镜系统310，光信号源402如CRT，像平面404，及用于耦接光信号源402到透镜系统310的耦接器406。除了进一步设置容纳有散热剂的耦接器406以连接负透镜318和与像平面404接触的光信号源402以外，图5中的透镜系统310与应用于图4的物镜系统300的透镜系统具有相同的结构。在图5所示的光学投影系统400中，与图4中的物镜系统300相反的过程。换句话说，由光信号源402形成在像平面404上的图像通过透镜系统310投影到屏幕408上。
根据本发明的实施例的透镜系统能够补偿像差如色差，并放大物镜系统的视场，形成高质量图像。
本领域的技术人员能理解可通过在本发明范围内的以各种方式改型HOE而有效校正色差。
尽管只描述和显示了本发明的一些实施例，可以在不背离所附权利要求限定的本发明的原则、精神和范围的情况下，对本发明的实施例做各种修改。

Claims (23)

1.一种透镜系统，包括：
一正元件，其位于入射光光路中且包括一第一负透镜，一凸透镜和一全息光学元件；以及
一负元件，其位于所述光路中且包括一第二负透镜。
2.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，在组成所述正元件的所述第一负透镜和所述凸透镜的至少一个表面上形成所述全息光学元件。
3.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，所述第一负透镜由聚碳酸酯制成。
4.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，所述第一负透镜的焦度的范围为0.1到0.2。
5.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，所述第二负透镜由聚苯乙烯制成。
6.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，所述第二负透镜的焦度的范围为0.5到0.7。
7.一种透镜系统，包括：
一正元件，位于入射光光路中且包括一正透镜、一凸透镜和一全息光学元件；以及
一负元件，位于所述光路中且包括一负透镜。
8.根据权利要求7所述的透镜系统，其中，在组成所述正元件的所述正透镜和所述凸透镜的至少一个表面上形成所述全息光学元件。
9.根据权利要求7所述的透镜系统，其中，弯月形的所述正透镜由丙烯制成。
10.根据权利要求7所述的透镜系统，其中，所述正透镜位于相对透镜系统焦距0.15-0.25的位置处。
11.根据权利要求7所述的透镜系统，其中，所述负透镜由聚苯乙烯制成。
12.根据权利要求7所述的透镜系统，其中，所述负透镜的焦度的范围为0.2到0.3。
13.根据权利要求7所述的透镜系统，其中作为双凸透镜的所述辅助元件的放大率位于所述正元件和所述负元件之间的光路中。
14.根据权利要求7所述的透镜系统，其中，所述全息光学元件的焦度的范围为0.01到0.1。
15.根据权利要求7所述的透镜系统，其中，所述全息光学元件具有由如下方程定义的相分布VH：
                      VH＝A1y2+A2y4+A3y6
其中A1为与所述全息光学元件的焦度成正比的系数，A2是与由所述正元件引起的球面像差成正比的系数，A3是与由所述负元件引起的球面像差成正比的系数，y是与光轴成直角测量的距透镜光轴的距离。
16.根据权利要求7所述的透镜系统，其中，所述凸透镜是双凸透镜且由丙烯制成。
17.根据权利要求13所述的透镜系统，其中，所述辅助元件是双凸透镜且由丙烯制成。
18.根据权利要求7所述的透镜系统，其中，所述凸透镜的焦度的范围为0.35到0.4。
19.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，所述正透镜，所述凸透镜和所述负透镜中的至少一个具有至少一个非球面。
20.一种用于对来自物方的光成像的物镜系统，所述物镜系统包括：
一透镜系统，包括：
一正元件，位于所述光的光路中且包括一第一负透镜，一凸透镜和一全息光学元件；以及
一负元件，位于所述正元件之后的光路中，所述负元件包括一第二负透镜。
21.一种用于对来自物方的光成像的物镜系统，所述物镜系统包括：
一透镜系统，包括：
一正元件，位于所述光的光路中且包括一正透镜、一凸透镜和一全息光学元件；以及
一负元件，位于所述正元件之后的光路中，所述负元件包括一负透镜。
22.一种光学投影系统，用于将光源发出的光投影到屏幕上，所述光学投影系统包括：
一透镜系统，包括：
一正元件，位于所述光的光路中且包括一第一负透镜，一凸透镜和一全息光学元件；以及
一负元件，位于所述正元件之前的光路中，所述负元件包括一第二负透镜；以及
一耦接器，其耦接光源到所述透镜系统。
23.一种光学投影系统，用于将光源发出的光投影到屏幕上，所述光学投影系统包括：
一透镜系统，包括：
一正元件，位于所述光的光路中且包括一正透镜、一凸透镜和一全息光学元件；以及
一负元件，位于所述正元件之前的光路中，所述负元件包括一负透镜；以及
一耦接器，其耦接光源到所述透镜系统。
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