专利名称：投影镜头和图象显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及投影类图象显示装置，特别是涉及具有短的投影距和宽视场角的投影镜头，以及使用该投影镜头的具有好的性能价格比的图象显示装置，在该图象显示装置中即使在屏幕的角部也能投射明亮的投影图象，同时该图象显示装置外型紧凑。
为享受诸如Hivision图象的高清晰度图象，至今已开发了大尺寸屏幕显示装置。这种大尺寸屏幕显示装置分为两类，即直视型和投影型。这两类显示装置都有其长处和短处。一般说来，投影型显示装置在重量、深度和成本方面优于直视型显示装置，但其在图象亮度和分辨率方面不如直视型显示装置。然而，随着对投影管和关键部件诸如投影镜头和屏幕的日益改进，新的投影型显示装置在前面提到的问题方面有显著的改善。考虑到为易于在家中安置和可携带性，可望在将来会更广泛地使用投影型显示装置。
在开发这种投影型显示装置的过程中，人们已尝试通过使用大量的非球面透镜来减小f数从而得到与直视型显示装置相等的图象亮度，如在美国专利4，682，862和4，792，217中所公开的。最近，美国专利5，200814公开了使用双合玻璃透镜来获得在亮度和聚焦特性两方面的改善的情形。结果，目前在投影型电视装置中使用大约f/1.0的投影镜头以致在屏幕的中心部分得到特别充分的亮度。
虽然上面所描述的已展示这样的事实，即如果投影型显示装置与直视型显示尺寸相等，使用了多个这样大尺寸投影透镜的本投影型图象显示装置的成本低于直视型显示装置的成本，但是为使投影型显示装置得到广泛使用，还需要进一步降低其成本。然而，与降低如由大规模集成技术得到的电路部分的成本相比，降低投影镜头的成本是困难的，因为所使用的投影透镜数已减少到4或5。
当将现有的投影型电视装置与直视型电视装置相比较时，目前在投影型电视装置的特性中，图象角亮度不足尤为突出。因此有必要加强投影镜头的角亮度。在现有直视型电视装置中，屏幕角部分的亮度约为60%，其为作为代表点的相对图象高度＝0.9的象点的亮度与屏幕中心的亮度之比率，而在投影型电视装置中该亮度约为30%，就是说，投影型电视装置的亮度比直视型电视装置的亮度低。
为利用投影型电视装置紧凑这一最大优点，必须进一步缩短投影距。虽然现在在短投影距的投影镜头中半视场角约为35°，但需要其半视场角约为38°的投影镜头以获得紧凑的设置，诸如相对于40英寸的屏幕尺寸约为40cm的深度。
至于投影镜头的成本，在体积上比小尺寸照相机镜头大得多的玻璃光焦度透镜占了整个成本的很大权重。因此可以考虑对于玻璃透镜使用低价格材料。然而，其折射率高以致可易于校正单色象差的低价格材料一般色散大(低Abbe数)，而导致色象差。相反，低色数(高Abbe数)以致色差易于降低的材料折射率低，使校正单色象差困难。总之没有低成本材料适合光学设计。
本发明的一个目的就是解决现有技术中的前述问题。
本发明还有一个目的是提供一种大视场角的投影镜头，其中屏幕的角部分亮度得到改善以致与屏幕尺寸相比能相对地缩短投影距。
本发明的又一个目的是提供一种使用该投影镜头的图象显示装置，以降低成本。
为达到上述目的，本发明如下设计了投影镜头和将该投影镜头应用于图象显示装置的方法。
首先，投影透镜系统含有一个具有正光焦度的双凸透镜组，以及四组非球面透镜，两组在所述双凸透镜组前，两组在所述双凸透镜组后。该双凸透镜组的光焦度不低于整个系统光焦度的70%。其它透镜组，即，具有低光焦度的四组非球面透镜这样形成以致将透镜组的每一透镜的中心光焦度设定在预定的范围内。再者，四组非球面透镜的每一透镜边缘区域的局部形状这样形成以致保持在预定趋势内。结果，既在屏幕的角部分改善了亮度，又减小了投影距。
将该投影透镜系统应用到图象显示装置的方法如下。准备两种类型的玻璃透镜，即使用价格昂贵但低色散(高Abbe数)、高折射率材料的玻璃透镜和使用可能产生色差但价格低廉的高色散(低Abbe数)、与前述玻璃透镜一样高的高折射率材料的玻璃透镜。将前种使用低色散(高阿贝数)、高折射率材料的玻璃透镜应用于绿色图象光的投影镜头，其亮度高并在整个图象的图象特性中占主导地位。将后一种使用高色散(低阿贝数)、高折射率材料的玻璃透镜应用于蓝色图象的投影镜头，其亮度低并对整个图象的图象特性几乎无影响，应用于红色图象光的投影镜头，其在单波长附近有荧光谱并有可能减小色差。结果，降低了成本。
在该方法中，在投影型图象显示装置的整个光学系统中，高性能和低成本可做到相互兼容。
整个透镜系统从屏幕侧顺序排列有五组透镜。
最靠近投影管的第五透镜组用作场曲率校正凹透镜，并确定入射到透镜系统的每个物高的光锥的通路位置。
第四组透镜在其中心部分有微弱的正光焦度以便朝着边缘部分方向光焦度下降。这就是说，第四组透镜的作用是使来自屏面角部分的入射光锥朝具有大光焦度的第三组透镜展宽。结果，第四组透镜有助于后续透镜组校正象差。
第三组透镜具有约不低于整个光焦度70%的光焦度，并有会聚由每个物点产生的光锥的作用。这样来设定第三组透镜的形状，以使屏幕测的出射表面的曲率大于入射表面的曲率，从而减小了由其产生的球差和彗差。
第二组透镜是辅助透镜组。第二组透镜的中心部份几乎没有光焦度，并校正初级球差和彗差。边缘部分校正高阶球差。另外，具有比其中心部分高的光焦度的第二组透镜的边缘部分起这样的作用，即，将从具有大视场角物点散射的光锥的角光线弯向透镜组的中心。
第一组透镜的中心部分作为凸透镜。该中心部分校正由第三组透镜的出射表面产生的象散和高阶球差。第一组透镜的边缘部分对于如上所述通过第二组透镜具有大视场角的光束起凹透镜的作用。当第一组透镜入射表面边缘部分的曲率方向和第二组透镜出射表面边缘部份的曲率方向设定得与第三组透镜的出射表面的曲率方向一样时，第一组透镜的边缘部分可很好地校正光束的子午横向光线象差。
通过使用前述结构，不仅从投影管的荧光表面上边缘部分具有大视场角的物点散射出的光锥能广泛地拿来以确保充分的角部照明，而且能减小投影距而获得高分辨率图象的投影。
在这种透镜系统中，作为高的光谱发光效率的绿色图象光投影镜头以及具有较高光焦度的第三组透镜中的玻璃透镜使用了高色散(低阿贝数)、高折射率的材料，从而确保了整个系统的成象性能。另一方面，即使在作为红色或蓝色图象光投影镜头使用高色散(低阿贝数)、如前类材料一样的高折射率的低成本材料的情况下，不仅不会降低图象性能因为红色图象光几乎没有色差，而且也几乎不会对图象性能产生影响，因为即使在蓝色图象光的色差很大的情况下蓝色图象的光谱发光效率也很低。
当正确地使用前述投影透镜系统的结构和玻璃透镜材料时，本发明的目的在投影型图象显示装置的整个光学系统中得以实现。
图1是示出本发明第一实施例的镜头安置的示意性截面图;
图2是示出使用根据本发明的投影透镜系统的图象显示装置的示意性截面图;
图3是用于说明界定本发明所述的非球面表面的曲线图;
图4是示出根据表1中所列透镜数据的投影透镜系统的MTF(调制传递函数)的特性曲线图;
图5是示出通过根据表1所列透镜数据的投影透镜系统处理后投影屏上光量的变化曲线图;
图6是根据表4所列透镜数据的投影透镜系统的示意性截面图;
图7是示出玻璃材料A和玻璃材料B之间比较结果的折射率作为波长函数的曲线图;
图8是根据表1所列透镜数据的投影透镜系统中MTF特性作为绿色荧光光谱函数的曲线图，示出玻璃材料A和玻璃材料B的比较结果;
图9是根据表1所列透镜数据的投影透镜系统中MTF特性作为红色荧光光谱函数的曲线图，示出玻璃材料A和玻璃材料B之间的比较结果;
图10是根据表1所列透镜数据的投影透镜系统中MTF特性作为蓝色荧光光谱函数的曲线图，示出玻璃材料A和玻璃材料B的比较结果;
图11是折射率作为阿贝数函数的图表，示出两类光学玻璃间的比较结果;
图12是示出投影管中绿色荧光光谱的图形;
图13是示出投影管中红色荧光光谱的图形;
图14是示出投影管中蓝色荧光光谱的图形;
图15是示出作为使用三个根据本发明的投影透镜系统的投影型图象显示装置的第一实施例的光学结构的示意性截面图;
图16是示出作为使用三个根据本发明的投影透镜系统的投影型图象显示装置的第二实施例的光学结构的示意性截面图;和图17是示出作为使用三个根据本发明的投影透镜系统的投影型图象显示装置的第三实施例的光学结构的示意性截面图。
下面参照附图描述本发明的各个实施例。
参照图2，描述一种使用了根据本发明的投影透镜系统的图象显示装置(背面型投影显示装置)的一个实施例。
图2中，作为图象显示部件的投影管20，根据本发明的投影透镜系统40和作为用于连接投影管20和投影透镜系统40的元件的固定夹30一起安装在背面型投影显示壳体10内。另外，如图2所示安置一块反射镜50和一块透明屏60。
在上述结构中，从投影管20的荧光表面射出的光线100通过固定夹30和投影透镜系统40并在光路径反射镜50弯折后到达透明屏60，如图2中箭头所示。结果，在投影管20的荧光表面所形成的图象被投影透镜系统40放大并投影到透明屏60上。因此，在透明屏60上显示出放大后图象。
图1是示出一个根据本发明的投影透镜系统40的一个实施例的结构视图。图1中，标号1，2，3，4和5分别表示第一组透镜、第二组透镜、第三组透镜、第四组透镜和第五组透镜。特别是，第五组透镜是一套透镜5′、冷却液5″和投影管荧光面板6。投影管是图象显示部件。图1中，投影透镜系统由五组透镜组成，即从屏60侧到投影管荧光面板6侧顺序排列的第一、第二、第三、第四和第五组透镜。第一组透镜1是非球面凸透镜、其边缘部分有负的折射光焦度。第二组透镜2是非球面凸透镜，其边缘部分的折射光焦度比中心部分的高。第三组透镜3是双凸球面透镜，其具有不低于整个投影透镜系统总的光焦度的70%光焦度。第四组透镜4是非球面透镜，在其中心部分具有双凸形状。第五组透镜5是具有大的负光焦度的透镜，其中在透镜5′和投影管荧光面板6之间的空间充满了冷却液5″。在该实施例中，第三组透镜3由玻璃透镜构成而其它非球面透镜组，即第一、第二、第四和第五透镜组1，2，4和5分别由塑料透镜构成。
更确切地说，下面将描述具有f/1.0孔径和38°半视场角的投影透镜系统的诸实施例。
实施例1实施例1中各元件(第一到第五组透镜)数据的一个例子示于下表1中。表1中，“球面系统”代表光轴附近的透镜区域，“非球面系统”代表设置在球面系统以外的透镜区域。
表1中，例如屏60(图2)形状象一个平面，其曲率半径为∞，屏60与透镜1的表面S1间的沿光轴距离(表面距离)为588mm。透镜1的表面S1的曲率半径为-94.354mm，透镜表面S1和S2之间的表面距离为7.282mm，透镜表面S1和S2之间的折射率为1.49345。“折射率”列上的空白代表面间的介质为空气(折射率1.0)。在作为最后元件的阴极射线管平板8中，荧光表面P1的曲率半径是-350mm，沿光轴厚度(表面距离)是14.6mm，折射率为1.53994。这里所用的折射率代表对应于具有设计中心波长545nm的光的折射率。
第一组透镜的表面S1和S2，第二组透镜的表面S3和S4，第四组透镜的表面S7和S8，以及第五组透镜的表面S9和S10是非球面。这些表面的非球面系数数据示于表1下半部的“非球面系统”部分。
这里所用的“非球面系数”代表在表面形状由下列方程表示的情况下各个系统CC、AE、AF、AG和AHZ(r)=r2/Rd1+1-(1+CC)r2/Rd2+AEr4+AFr6+AGr8+AHr10]]>这里Z(r)代表在分别将透镜的光轴方向和透镜半径方向设定为Z轴和r轴的情况下，Z轴方向透镜表面的表面垂度(相对于r的函数)，如图3所示，r代表半孔径距，Rd代表近轴(paraxial)曲率半径。因此，如果确定了各系数CC，AE，AF，AG和AH则根据前述方程可确定透镜表面的高度，即确定了透镜表面形状。
假定图1中透镜组1到5由表1所示的透镜数据所表示，当系统的总光焦度、第一组透镜1的光焦度、第二组透镜2的光焦度、第三组透镜3的光焦度、第四组透镜4的光焦度和第五组透镜5的光焦度分别由1/f0、1/f1、1/f2、1/f3、1/f4和1/f5表示时，则各透镜组相对于系统总光焦度的光焦度值f0/f1到f0/f5如下。
第一组透镜;
f0/f1＝0.230第二组透镜;
f0/f2＝0.0311第三组透镜;
f0/f3＝0.760第四组透镜;
f0/f4＝0.311第五组透镜;
f0/f5＝-0.630在透镜系统中，最影响成象的透镜组是具有最高正光焦度的第三组透镜3，其它透镜组是用于校正象差的非球面透镜组。在非球面透镜组中，除了第五组透镜5以外，所有透镜组提供正光焦度给它们的中心部分。这意味着第三组透镜3的正光焦度或多或少地分散到其它组从而改善了校正球面象差的效率。
另外，如图1所示，从荧光表面中心部分和其边缘部分散射出的各光锥在其通过第三组透镜3光锥前后被大大地展宽了。位于比第三组透镜更靠近屏60(图2)的第一和第二组透镜1和2以非球面准确地控制和校正从具有各视场角的物点散射出的光束的象差，同时第四和第五组透镜4和5控制光锥入射到第一、第二和第三组透镜1、2和3上的条件，从而使基于第一、第二和第三组透镜1、2和3的象差较正平稳进行。
下面描述透镜组1到5的作用。
最靠近投影管荧光表面6的第五组透镜5是由凹透镜5′和冷却液5″构成的具有强的负光焦度透镜组。第五组透镜5与投影管20的弯曲的荧光表面6相配合来确定各物高光锥入射到透镜系统的通路位置，并校正整个透镜系统的象面弯曲率。另外，透镜5′的形状使其靠屏侧的出射表面形成非球面以在弧矢(sagittal)图象平面弯曲形状和子午图象平面弯曲形状间保持平衡从而减小象散。投影管的热量由冷却液5″散发。
第四组透镜4由非球面透镜构成，其具有对成象负担微弱正光焦度的双凸中心部分。因此，该中心部分的形状使相对于从其相对象高约为0.2到0.4从而是小视角场的物点一散射出的光锥产生彗差。另外，第四组透镜4所形成的弯曲度随着其位置从中心部分移到边缘部分而减小，这就是说，第四组透镜4的作用使从具有大的相对视场角的物点散射出的光锥朝第三组透镜3展宽。
第三组透镜3由具有如上所述最高光焦度的玻璃透镜构成。为将初级球差抑制到某种程度，选择屏侧表面的曲率半径使其小于投影管侧表面的曲率半径。
第二组透镜2是一组辅助透镜，由非球面透镜构成。其中心部分有微弱的正光焦度。因此，第二组透镜2的中心部分校正在第四和第三组透镜4和3的中心部分所产生的彗差。第二组透镜边缘部分的出射表面朝与第三组透镜3的出射表面的弯曲方向同一方向弯曲，以使第二组透镜2的边缘部分局部有强的正光焦度。该边缘部分对通过特别大孔径光瞳边缘区域的光线有会聚作用以分担有最大光焦度的第三组透镜3的出射表面的会聚作用从而减小象差。
第一组透镜由非球面透镜的透镜1构成，其入口表面的弯曲方向与第三组透镜的出口表面弯曲方向一致。另外，透镜1的边缘部分具有双凹形状并局部有强的负光焦度。通过透镜1的该强的负光焦度和给予第二和第三组透镜2和3的边缘部分的强的正光焦度的组合，校正了由入瞳(pupil)的大孔径引起的通过入瞳边缘部分的光的子午横向光线象差。
在上述的结构中，基于在第五组透镜5的边缘部分中取出光锥的量来确定该边缘的亮度。所取出光锥的量由透镜5′的有效孔径，表面形状和弛垂度所限制并再根据冷却液5″的厚度而改变。因为随着液体厚度减小边缘光锥的取出更容易，并因为随着液体厚度减小从各物点散射出的光锥的相关性更高，所以随着液体厚度的减小象差校正更容易。然而，随着液体厚度减小出口表面上的内反射增大，以致对比度降低。因此，在该透镜系统中，将液体厚度设定为能将内反射抑制到某种程度以确保所取出光锥的量到某种程度的值，即，将荧光表面和第五组透镜的出射表面之间的距离d设定为使距离d与整个透镜系统的焦距f的比率不小于约0.35。于是，由于第四和第五组透镜4和5的边缘形状而校正了边缘光锥的象差，从而宽广地取出从投影管20的荧光表面边缘部分具有大视场角的物点散射出的光锥。结果，不仅确保了充分的边缘亮度，而且能在短的投影距中投影出高分辨率图象。
图4和5示出由实施例1中的透镜系统获得的MTF特性和相对图象亮度。在实施例1的透镜结构中，如图4所示，在视场角不同的各角点获得良好的MTF特性。实施例1中的透镜结构不仅可以应用于普通的NTSC图象或PAL图象显示，而且可以将该透镜结构充分应用于MUSE或类似系统的高清晰度图象显示。在图2中的屏60的入口表面边缘部分所获得的亮度值与在图5中由虚线所代表的传统值相比足够大。
虽然实施例1已示出了第三组透镜的光焦度被设定为0.76的情形，但是即使在第三组透镜的光焦度改变的情形下，通过改变各表面形状以保持各透镜表面的作用仍可得到同样的效果。
下面将描述作为第二、第三、第四或第五实施例的其中第三组透镜3的光焦度增大的设计例子。这些实施例的透镜数据示于表2、表3、表4和表5中。象上面所描述的，在这些实施例中，整个系统的光焦度、第一组透镜1的光焦度、第二组透镜2的光焦度、第三组透镜3的光焦度、第四组透镜4的光焦度和第五组透镜5的光焦度分别由1/f0、1/f1、1/f2、1/f3、1/f4和1/f5来表示。
图6示出基于表4中所列透镜数据的投影透镜系统的透镜结构。
实施例2从表2中的数据，各透镜组的相对光焦度值f0/f1到f0/f5如下。
第一组透镜1;
f0/f1＝0.290第二组透镜2;
f0/f2＝0.006第三组透镜3;
f0/f3＝0.771第四组透镜4;
f0/f4＝0.236第五组透镜5;
f0/f5＝-0.568在该实施例中，第四透镜组4的光焦度值减小而第一和第三透镜组1和3的光焦度值增大。
实施例3从表3的数据，各透镜组相对光焦度值f0/f1到f0/f5如下。
第一组透镜;
f0/f1＝0.281第二组透镜;
f0/f2＝0.002第三组透镜;
f0/f3＝0.772第四组透镜;
f0/f4＝0.287第五组透镜;
f0/f5＝-0.615实施例4从表4中的数据，各透镜组的相对光焦度值f0/f1到f0/f5如下。
第一组透镜;
f0/f1＝0.270第二组透镜;
f0/f2＝0.021第三组透镜;
f0/f3＝0.775第四组透镜;
f0/f4＝0.292第五组透镜;
f0/f5＝-0.609在实施例4和3中，第四透镜组4的光焦度值的减少比实施例1中的小，以保持第四组透镜和第一组透镜间的平衡。
实施例5从表5中的数据，各透镜组的相对光焦度值f0/f1到f0/f5如下。
第一组透镜;
f0/f1＝0.259第二组透镜;
f0/f2＝-0.0007第三组透镜;
f0/f3＝0.787第四组透镜;
f0/f4＝0.290第五组透镜;
f0/f5＝-0.623实施例6表6示出作为实施例6的透镜数据。
从表6中的数据，得各透镜组相对光焦度值f0/f1到f0/f5如下。
第一组透镜;
f0/f1＝0.230第二组透镜;
f0/f2＝0.0007第三组透镜;
f0/f3＝0.802第四组透镜;
f0/f4＝0.281第五组透镜;
f0/f5＝-0.621在实施例6和5中，第三透镜组3的光焦度的增加是由第四透镜组4的光焦度提供的。
在前面提到的实施例2到6中，随着第三透镜组3的光焦度增大通过其的光线弯曲的角度增大。因此，具有以与第三透镜组3同样方法弯曲光线作用的第二透镜组2的边缘部分的正光焦度减小。
下面参照示出其透镜数据的表7-8、9和10描述其中第三透镜组3的光焦度减小情况下的诸实施例。类似上面的描述，在这些实施例中，整个系统的光焦度、第一透镜组1的光焦度，第二透镜组2的光焦度，第三透镜组3的光焦度，第四透镜组4的光焦度和第五透镜组5的光焦度分别由1/f0、1/f1、1/f2、1/f3、1/f4和1/f5表示。
实施例7从表7中数据，得各透镜组相对光焦度值f0/f1到f0/f5如下。
第一组透镜;
f0/f1＝0.308第二组透镜;
f0/f2＝0.002第三组透镜;
f0/f3＝0.748第四组透镜;
f0/f4＝0.287第五组透镜;
f0/f5＝-0.641在该实施例中，第一透镜组1的光焦度增大与第三透镜组3的光焦度减小相合。
实施例8从表8中的数据，得各透镜组的相对光焦度值f0/f1到f0/f5如下。
第一组透镜1;
f0/f1＝0.310第二组透镜2;
f0/f2＝0.025第三组透镜3;
f0/f3＝0.723第四组透镜4;
f0/f4＝0.285第五组透镜5;
f0/f5＝-0.610在该实施例中，第一和第二透镜组1和2的光焦度值的增加与第三透镜组3的光焦度减少相合。
实施例9从表9中的数据，得各透镜组的相对光焦度值f0/f1到f0/f5如下。
第一组透镜1;
f0/f1＝0.313第二组透镜2;
f0/f2＝0.043第三组透镜3;
f0/f3＝0.711第四组透镜4;
f0/f4＝0.285第五组透镜5;
f0/f5＝-0.645在该实施例中，第一和第二透镜组1和2的光焦度值的增加与第三透镜组3的光焦度减少相合。
实施例10
从表10中的数据，得各透镜组的相对光焦度值f0/f1到f0/f5如下。
第一组透镜1;
f0/f1＝0.296第二组透镜2;
f0/f2＝0.018第三组透镜3;
f0/f3＝0.704第四组透镜4;
f0/f4＝0.275第五组透镜5;
f0/f5＝-0.589在该实施例中，第五透镜组5的负光焦度减小与第三透镜组3的光焦度减小相合。
在上述实施例7到10中，为补偿第三透镜组光焦度的下降，第二透镜组2的边缘部分的出口表面侧的曲率有增大趋势而其入口表面趋近为平面。
上面描述了根据本发明的投影透镜系统40的设计例子。在所有的例子中，上述基本结构为校正象差的目的，可将从各视场角入射的光线取到入瞳足够高的部分，以致获得具有足够边缘亮度的良好聚焦投影图象。
下面将描述第三透镜3的玻璃材料。图11是所谓的“nd/νd曲线图”，其表示在基于d线(587.6n.m)的折射率nd和阿贝数νd中光学玻璃材料折射率和色散间的关系。图11中，光学材料呈现一个沿两条向上趋势线分布的趋势，其中色散随折射率增大而增大(Abbe数减小)。至今这两组分布状态区分为阿贝数较小的组和阿贝数较大的组，分别称作为“火石”F和“王冠”C。至于通常用作光焦度透镜材料的折射率在1.6到1.7范围的玻璃材料的价格，目前王冠材料一般是具有同样折射率的火石材料的1.5～2.5倍。
图4中所示的MTF特性是关于图12所示的用在实际投影管20中的绿色荧光材料的光谱特性。选择小色散(大阿贝数νd)的王冠玻璃材料Cνd＝60.34)作为第三透镜组3的玻璃透镜所用的玻璃材料A。然而如上所述王冠玻璃材料A较贵。因此，用价廉但大色散(小阿贝数νd)的火石玻璃材料B(νd＝36.30)来替代第三组透镜3中的玻璃透镜。如图7所示，玻璃材料A和玻璃材料B的折射率在设计中心波长545nm附近几乎没有差异。因此，即使在用玻璃材料B取代第三透镜组3所用的玻璃材料A的情况下，设计中心波长的光线产生象差的状态几乎没有变化，因此没有必要改变第一、第二、第四和第五透镜组，也就是说，除第三透镜组3的折射率稍有变化外，表1、2、3、4、5、6、7、8、9和10中所示透镜数据没有必要改变。当第三透镜组3所用的玻璃材料A被玻璃材料B所取代时，作为色差的伪象出现在合成象中因而一旦该伪象包含在投影管20所使用的荧光光谱中便要降低MTF特性。图8、9和10分别示出相对于图12、13和14中所示的绿色，红色和蓝色荧光光谱的MTF特性。图中，实线A表示使用玻璃材料A作为第三透镜组3的玻璃材料的情形，虚线B表示用玻璃材料B作为第三透镜组3的玻璃材料的情形。为简便起见，示出的是子午象面和弧矢象面中的值的平均值。从图中可清楚看到当第三透镜组3中所用的玻璃材料A被玻璃材料B所替换时，对于其荧光光谱是如图14所示的宽分布的蓝色荧光，MTF(图10)降低得最多。相反，在红色荧光的情况下，此时在如图13所示的荧光光谱中几乎没有伪象，MTF(图9)几乎没有下降。在图12所示的绿色荧光情况中，MTF的下降是在蓝色荧光情况和在红色荧光情况之间的中间值(图8)。
因此，将使用低色散(高阿贝数)、高折射率玻璃材料A的凸透镜的投影系统用作绿色图象光投影镜头，其亮度高支配着整个图象的图象特性，而将使用高色散(低阿贝数)、高折射率玻璃材料B的凸透镜的投影透镜系统用作蓝色图象光投影镜头，其亮度低几乎不对整个图象的图象特性产生影响，还将该投影透镜系统用作红色图象光投影镜头，其具有接近单波长的荧光光谱并有可能减小色差，据此，可使投影型图象显示装置的整个光学系统中的高性能和低成本得以兼容。
图15示出根据本发明的投影型图象显示装置的光学系统的一个实施例。图15中，标号20a，20b和20c分别代表为图象显示部件的红色、绿色和蓝色投影管，40a，40b和40c分别代表对应投影管20a，20b和20c的红色、绿色和蓝色投影透镜系统，30a，30b和30c分别代表用于分别连接投影管20a，20b和20c与投影透镜系统40a，40b和40c的红色、绿色和蓝色固定夹，60代表透明屏幕。为简单起见，图15中没有示出由图2中标号50所代表的反射镜。从图15可清楚看到，绿色投影透镜系统40b的凸透镜使用玻璃材料A，而红色和蓝色投影透镜系统40a和40c的凸透镜使用玻璃材料B。
图16示出根据本发明的投影型图象显示装置的光学系统的第二实施例。图15和16中同样标号指的是同样部分。图16与图15所不同的是在图16中蓝色投影透镜系统40c′中凸透镜使用玻璃材料A。这个实施例应用于在图表显示中蓝色图象特性重要的场合。在该实施例中，将使用了低色散(高阿贝数)、高折射率玻璃材料A的凸透镜的投影透镜系统用作绿色和蓝色图象光投影透镜系统，而将采用高色散(低阿贝数)、高折射率玻璃材料B的凸透镜的投影透镜系统用作红色图象光投影透镜系统。
图17示出根据本发明的投影型图象显示装置的光学系统的第三实施例。图16和17中同样标号指的是同样部分。图17和图16所不同的是所有的投影透镜系统，就是说，图17中的红色、绿色和蓝色投影透镜系统40a′、40b′和40c′的凸透镜使用玻璃材料B。至今，还没有将具有不大于50的νd的高色散玻璃材料用于凸透镜，因为易于产生色差。然而，在不需要如此高性能如NTSC图象的场合，当将使用高色散(低阿贝数)、高折射率玻璃材料B的凸透镜的投影透镜系统，如在本实施例中所示，用作所有，即绿色、红以和蓝色图象光投影透镜系统时，可提供一种非常低成本的投影型图象显示装置。
虽然该实施例已示出使用其νd＝36.30和nd＝1.62004的材料用作玻璃材料B的情形，但是只要使用νd不大于50的任何价廉的火石玻璃材料诸如其νd＝3.84和nd＝1.64769的材料作为玻璃材料B都可得到本发明的效果。
另外，在将用于消除或减小荧光光谱的不必要杂光成份的波长选择滤光镜，诸如最近使用的分色滤色镜和有色滤光镜，应用于组分透镜的情形中例如，图8所示的玻璃材料A和B间的MTF差异可进一步减小，从而可促进本发明的效果。
如上所述，根据本发明，可提供一种具有高的角亮度和良好图象性能的宽角度投影透镜系统，从而提供一种非常紧凑的投影型图象显示装置。
再者，在第三透镜组中可以使用其色散大(阿贝数低)但价格低的高折射率凸透镜而投影型图象显示装置整个图象的图象性能没有恶化，以致在投影型图象显示装置的整个光学系统中，高性能和低成本得以兼容。
权利要求
1.一种用于将由图象显示部件显示的图象投影到屏幕上从而在所述屏幕上显示被放大图象的投影透镜系统，包括含有一组双凸透镜和四组非球面透镜的五组透镜，所述双凸透镜组在所述五组透镜中具有最大的正光焦度，即具有不低于所述系统整个光焦度70%的正光焦度，致使其屏幕侧曲率半径小于图象显示部件侧曲率半径，所述四组非球面透镜包括安置在所述双凸透镜组前侧的两组非球面透镜和安置在所述双凸透镜组后侧的另两组非球面透镜，安置在所述双凸透镜组前侧的所述两组非球面透镜包括安置在屏幕侧的第一组非球面透镜和安置在图象显示部件侧和第二组非球面透镜，所述第二组非球面透镜在其中心部分具有几乎为零或正的光焦度，使所述第一组非球面透镜的入口表面边缘部分的弯曲方向和所述第二组非球面透镜的出口表面边缘部分的弯曲方向与所述双凸透镜组的出口表面的弯曲方向一样。
2.一种图象显示装置，包括一个弯曲得象在屏幕侧有曲率中心的圆弧的图象显示荧光表面，和根据权利要求1的投影透镜系统的组合结构。
3.根据权利要求2的投影透镜系统，其特征在于所述第一组非球面透镜的出口表面的边缘部分是按与所述第一组非球面透镜的所述出口表面中心部分的弯曲方向相反的方向被弯曲的。
4.根据权利要求3的投影透镜系统，其特征在于所述第一组非球面透镜中心部分的光焦度1/f1和所述系统的总光焦度1/f0的比率f0/f1是在由下式表示的范围内选择的0.23≤f0/f1≤0.32
5.根据权利要求1的投影透镜系统，其特征在于所述第二组非球面透镜的中心部分的光焦度1/f2与所述系统的总光焦度1/f0之比率f0/f2是在由下式表示的范围内选出的｜f0/f2｜≤0.05
6.根据权利要求1的投影透镜系统，其特征在于安置所述双凸透镜组后侧的所述另两组非球面透镜包括一个具有负光焦度并安置在所述五组透镜中最靠近所述图象显示部件的第五透镜组和一个至少在其中心部分做成双凸并被置于所述双凸透镜组和所述第五组透镜之间的第四组非球面透镜。
7.根据权利要求6的投影透镜系统，其特征在于所述第四组透镜的入口表面成形为非球面表面，其曲率从其中心到其边缘部分逐渐减小。
8.根据权利要求6的投影系统，其特征在于将所述第四组非球面透镜中心部分的光焦度1/f4与所述系统的总光焦度1/f0的比率f0/f4选择在下式表示的范围内0.23≤f0/f4≤0.32
9.根据权利要求1的投影透镜系统，其特征在于安置在所述双凸透镜组后侧的所述另两组非球面透镜包括一个安置在所述五组透镜中最靠近所述图象显示部件的第五组透镜，而且所述第五组透镜的出口表面与图象显示表面间的距离d选择为相对所述透镜系统的总焦距f0满足下式d/f0≥0.35
10.根据权利要求9的投影透镜系统，其特征在于所述第五组非球面透镜中心部分的光焦度1/f5与所述系统的总光焦度1/f0的比率f0/f5在下式表示的范围内选择-0.65≤f0/f5≤-0.56
11.一种图象显示装置，包括图象显示部件的显示表面与根据权利要求10的投影透镜系统的组合，所述显示荧光表面弯曲得象在屏侧具有曲率中心的圆弧。
12.一种投影透镜系统，从屏侧到图象显示部件顺序包括，至少在其边缘部分是双凸形的第一组透镜，第二组透镜，其中心部分具有接近零的微弱光焦度，在其出口表面中心部分的弯曲方向与其边缘部分的弯曲方向相反，第三组透镜，其具有的正光焦度不低于所述系统总光焦度的70%，第四组透镜，其至少在中心部分是双凸形的，以及具有负光焦度的第五组透镜。
13.根据权利要求12的投影透镜系统，其特征在于所述第五组透镜安置在最靠近所述图象显示部件的位置，而且所述第五组透镜的出口表面与图象显示表面间的距离d和所述透镜系统的总焦距f0选择成满足下式d/f0≥0.35
14.一种图象显示装置，包括图象显示部件的显示表面和根据权利要求12的投影透镜系统的组合，所述显示表面弯曲得象在屏侧具有曲率中心的圆弧。
15.一种用于将由图象显示部件显示的图象投影到屏上从而在所述屏上显示放大图象的投影透镜系统，包括五组透镜含有一组双凸透镜，即，具有不低于所述系统总光焦度70%的正光焦度的第三组透镜和四组非球面透镜，即，第一、第二、第四和第五组透镜，它们从屏侧按此顺序安置，所述第一和第二组透镜被安置在所述第三组透镜的前侧，所述第四和第五组透镜安置在所述第三组透镜的后侧，其中所述第一组透镜中心部分的光焦度1/f1与所述系统的总光焦度1/f0的比率，所述第二组透镜中心部分的光焦度1/f2与所述系统的总光焦度1/f0的比率，所述第四组透镜中心部分的光焦度1/f4与所述系统总光焦度1/f0的比率，以及所述第五组透镜中心部分的光焦度1/f5与所述系统总光焦度1/f0的比率选择成满足下列条件0.23≤f0/f1≤0.32-0.007≤f0/f2≤0.050.23≤f0/f4≤0.32-0.65≤f0/f5≤-0.56
16.根据权利要求15的投影透镜系统，其特征在于安置在最靠近所述图象显示部件位置的所述第五组透镜的出口表面与图象显示表面间的距离d和所述透镜系统总焦距f0选择成满足下式d/f0≥0.35
17.一种图象显示装置，包括图象显示部件的显示表面与根据权利要求16的投影透镜系统的组合，所述显示荧光表面被弯曲得象在屏侧具有曲率中心的圆弧。
18.一种在投影型图象显示装置中使用的用于投影由图象显示部件显示的原图象从而在屏上显示放大图象的投影透镜系统，包括多个透镜元件，在所述透镜元件中，具有最高光焦度的透镜元件是由阿贝数(νd)不大于50的玻璃材料制成。
19.一种用于通过所提供的对应于图象显示部件的投影透镜系统投影由所述图象显示部件显示的原图象从而在屏上显示放大图象的投影型图象显示装置，其特征在于用于所述投影型图象显示装置中的所述投影系统是由多个透镜元件构成的，并且在所述透镜元件中，具有最高光焦度的透镜元件是由阿贝数(νd)不大于50的玻璃材料制成。
20.一种用于通过分别提供给对应于各图象显示部件的投影透镜系统投影由多个所述图象显示部件显示的原图象从而在屏上显示放大图象的投影型图象显示装置，其特征在于用于所述投影型图象显示装置中的每一个所述投影透镜系统由多个透镜元件构成，在所述透镜元件中具有最大光焦度的所述多个元件之一使用至少两种可根据原图象颜色和精度所选择的玻璃材料的组合作为其玻璃材料。
21.根据权利要求20的投影型图象显示装置，其特征在于将波长选择滤光镜应用于至少各所述投影透镜系统的所述透镜元件之一。
22.根据权利要求20的图象显示装置，其特征在于所述至少两种玻璃材料，将一种其具有在νd＝60.34和nd＝1.62041的附近值的玻璃材料用作为其阿贝数(νd)不小于50的玻璃材料，将一种其具有在νd＝36.30和nd＝1.62004附近值的玻璃材料用作其阿贝数(νd)不大于50的玻璃材料。
23.根据权利要求20的投影型图象显示装置，其特征在于将阴极射线管用作所述图象显示部件。
24.根据权利要求20的投影型图象显示装置，其特征在于透明液晶显示部件和用于从后侧照明该透明液晶显示部件的光源的组合用作每个所述图象显示部件。
25.根据权利要求20的投影型图象显示装置，其特征在于将等离子体图象显示部件用作每个所述图象显示部件。
26.根据权利要求20的图象显示装置，其特征在于选择阿贝数(νd)不小于50的玻璃材料作为在所述多个投影透镜系统中相应提供给绿色图象显示部件的投影透镜系统的所述多个透镜元件中具有最大光焦度的透镜元件的玻璃材料，选择阿贝数(νd)不大于50的玻璃材料作为在所述多个投影透镜系统中相应提供给红色和蓝色图象显示部件的每个投影透镜系统的所述透镜元件中具有最大光焦度的透镜元件的玻璃材料。
27.根据权利要求26的投影型图象显示装置，其特征在于将波长选择滤色镜应用于各所述投影透镜系统的至少所述透镜元件之一。
28.根据权利要求26的图象显示装置，其特征在于具有在νd＝60.34和nd＝1.62041附近值的玻璃材料用作所述其阿贝数(νd)不小于50的玻璃材料，以及νd＝36.30和nd＝1.62004附近值的玻璃材料用作所述其所阿贝数(d)不大于50的玻璃材料。
29.根据权利要求26的投影型图象显示装置，其特征在于用阴极射线管作为所述图象显示部件。
30.根据权利要求20的图象显示装置，其特征在于选择阿贝数(νd)不小于50.的玻璃材料作为在所述多个投影透镜系统中相应提供给绿色和蓝色图象显示部件的每个投影透镜系统的所述多个透镜元件中具有最大光焦度的透镜元件的玻璃材料，选择阿贝数(νd)不大于50的玻璃材料作为在所述多个投影透镜系统中相应提供给红色图象显示部件的投影透镜系统的透镜元件中具有最大光焦度的透镜元件的玻璃材料。
31.根据权利要求30的投影型图象显示装置，其特征在于波长选择滤光镜被应用于每个所述投影透镜系统的至少透镜元件之一。
32.根据权利要求30的图象显示装置，其特征在于具有在νd＝60.34和nd＝1.62041附近值的玻璃材料被用作其阿贝数(νd)不小于50的玻璃材料;具有在νd＝36.30和nd＝1.62004附近值的玻璃材料被用作其阿贝数(νd)不大于50的玻璃材料。
33.根据权利要求30的投影型图象显示装置，其特征在于阴极射线管被用作所述图象显示部件。
全文摘要
一种整体紧凑、廉价的图象显示器，它用多个各由五组透镜依次包括第一组非球面透镜、第二组非球面透镜、第三组双凸透镜、第四组非球面透镜和第五组非球面透镜构成的投影系统，第三组透镜的折射光焦度不低于该系统总光焦度的70％，第一和第二组非球面透镜的各边缘形状设置得具有预定关系，将低色散、高折射率玻璃材料用于绿色投影透镜系统的凸透镜将高色散、高折射率玻璃材料用于蓝色和红色投影透镜系统的凸透镜。
文档编号G02B9/60GK1102887SQ9410513
公开日1995年5月24日 申请日期1994年5月25日 优先权日1993年5月25日
发明者大泽敦夫, 吉川博树, 森繁, 小仓直之 申请人:株式会社日立制作所