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CN1103058C - 投影电视透镜系统及使用该系统的投影电视机 - Google Patents

投影电视透镜系统及使用该系统的投影电视机 Download PDF

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CN1103058C
CN1103058C CN97194164A CN97194164A CN1103058C CN 1103058 C CN1103058 C CN 1103058C CN 97194164 A CN97194164 A CN 97194164A CN 97194164 A CN97194164 A CN 97194164A CN 1103058 C CN1103058 C CN 1103058C
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US Precision Lens Inc
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Abstract

提供了在投影电视中使用的投影透镜系统。该系统包括弱光焦度的校正透镜单元、用于提供透镜系统大部分正光焦度的光焦度透镜单元、至少包括一个非球面的弱光焦度透镜单元，和具有强的负光焦度的透镜单元，在投影电视中。第四单元与阴极射线管关联，并且对透镜系统的场曲率进行大部分校正。在本发明中，弱光焦度的校正透镜单元包括第一透镜元件，它具有轴上负的光焦度，至少包括一个非球面，且由高色散材料制成；第二透镜元件，它具有正的光焦度，由低色散材料制成。第一和第二透镜元件的联合使用可以显著改善对透镜全孔径的色差校正。由于两个透镜元件的厚度，作为透镜直径的函数，其变化都相当小，因此为这些元件提供的形状适于大批量的生产。

Description

投影透镜系统及使用该系统的投影电视机
发明背景
1.发明领域
本发明涉及一种宽视场的大数值孔径透镜系统，它在投影电视中，尤其在采用阴极射线管(CRT)的投影电视中采用部分彩色校正。
2.背景技术
现有的用于CRT投影电视的投影透镜，从长共轭到短共轭，包括弱非球面校正器，接着是强的正光焦度单元，另一个弱的非球面校正器，以及靠近CRT的强的负光焦度元件。在许多现有专利中都可以找到关于该透镜结构的描述，包括Betensky发明的美国专利4,697,892号，和Moskovich发明的美国专利4,682,862号、4,755,028号和4,776,681号。
为了实现对色差的校正，通常在强的正光焦度单元中包括一个彩色校正双合透镜。美国专利4,963,007号描述了一种透镜结构，该结构通过对两个前单元都增加负光焦度、高色散的元件来实现彩色校正。在这些形式的透镜中，玻璃元件和塑料元件的形状已造成了较高的生产成本。
发明内容
本发明的透镜系统提供了可以对色差作部分校正并且制造透镜的难度和成本增加最小的装置。透镜最好包括(从长共轭至短共轭)弱的光焦度单元、第二强的正光焦度单元、弱的光焦度非球面元件和强的负光焦度元件，其中弱的光焦度单元至少包括一个由高色散材料制成的负的非球面元件并紧跟由低色散材料制成的正的非球面元件，第二强的正光焦度单元提供大部分的透镜光焦度，而强的负光焦度元件靠近透镜短共轭上的CRT。
在上述形式的透镜中，第一单元负责校正球差和慧差之类的与光瞳有关的象差。为了校正来自透镜光焦度单元的过校正球面作用，第一单元表面的形状向透镜边缘提供增大的负光焦度。甚至在第一单元中联合使用一个由高色散材料制成的弱光焦度非球面负元件和一个由低色散材料制成的正元件，就可以显著改善对透镜全孔径的色差校正。应该注意，在负元件后面跟正元件可以通过以下方式实现对象差的必要校正，即两个元件的厚度，作为透镜直径的函数，其变化都相当小，由此为这些元件提供的形状适于大批量的生产。
因此，本发明提供了一种高速、宽视场的投影透镜系统，它从长共轭到短共轭依次包括：
弱光焦度的非球面校正单元，
强光焦度单元，它提供了透镜的大部分正光焦度，
弱光焦度的非球面单元，和
强的负光焦度单元，它接近透镜的短共轭，并且提供了对透镜场曲率的大部分校正，
其中校正单元包括一个由高色散材料制成的负光焦度的非球面元件，后面紧跟一个由低色散材料制成的正光焦度的元件。在某些实施例中，正光焦度的元件可以是非球面的。
附图概述
图1、2和3是按照本发明构造的透镜系统的侧视示意图。
图4是采用按照本发明构造的透镜系统的投影TV的示意图。
包括在说明书中并且构成说明书的一部分的上述附图示出了本发明的较佳实施例，并且用这些附图连同描述来说明本发明的原理。当然，应该明白，这些附图和描述仅仅用于说明而不是限制本发明。
较佳实施例的描述
如这里所使用的，高色散材料的色散类似于火石玻璃。具体地说，高色散材料是一种这样的材料，即对于1.85至1.5范围内的折射率，其V值在20至50的范围内。相反，低色散材料的色散类似于冕牌玻璃，或者用V值来描述是，对于1.85至1.5范围内的折射率，其V值在35至75的范围内。
图1至3描述了按照本发明构造的各种投影透镜。相应的说明和光学性质分别示于表1至3。对于在透镜系统中使用的玻璃，采用HOYA或SCHOTT牌号。在本发明的实践中能够采用由其他的制造商制造的等同的玻璃。对于苯乙烯和聚丙烯元件，采用工业上容许的材料。采用“xxxxxx”形式的材料牌号表示CRT的折射率和色散特性，以及透镜系统最后元件与CRT之间的耦合流体的折射率和色散特性。具体地说，通过对牌号的前三个数字加1.000，来获得材料的Ne值，并通过在最后一位数字之前加一小数点，由后三位数字获得Ve值。
在表中列出的非球面系数用于下述公式： z = cy 2 1 + [ 1 - ( 1 + k ) c 2 y 2 ] 1 / 2 + Dy 4 + Ey 6 + Fy 8 - Gy 10 - Hy 12 + Iy 14
这里，z是在离系统光轴的距离为y处的表面弛垂度，c是透镜在光轴处的曲率，而k是圆锥常数。
在表中，与各个表面相关的标记“a”代表非球面，即，在上述公式中的D、E、F、G、H或I中至少有一个不为零的表面。标记“c”表示一个圆锥表面，对于圆锥表面，上述公式中的k值不为零。表1中的表面7、表2中的表面5和8，以及表3中的表面4和7是任选的光晕表面。表中给出的所有的尺寸以毫米为单位。在制作这些表时假设光线在图中从左至右行进。在实践中，LCD面板将在右方，而观看屏将在左方，光线将从右向左行进。
图4是按照本发明构造的CRT投影电视10的示意图。如该图所示，投影电视10包括机壳12，投影屏14沿其前表面，倾斜的反射镜18沿其后表面。模块13示意表示按照本发明构造的透镜系统，而模块16表示其相关的CRT管。在实践中，用三个透镜系统13和三个CRT管16将红色、绿色和蓝色图象投影到屏幕14上。图4表示背投式电视。本发明的透镜系统还可以用于前投式电视，它除了不使用反射镜之外，其它结构类似。
表4的上半部分列出了上述透镜单元与表1-3中透镜的各种元件和表面之间的对应关系。具体地说，“单元1”是弱光焦度的非球面校正单元，“单元2”是提供透镜之大部分正光焦度的强光焦度单元。“单元3”是位于单元2之短共轭侧的弱光焦度的非球面单元，而“单元4”是位于透镜短共轭侧的强的负光焦度单元。
在表4中，已将CRT屏幕以及屏幕与透镜系统之间的耦合流体包括在单元4中，因为当把它们包括在投影电视系统中时，这些元件会影响透镜系统的光学性能。在实践中，一般将本发明的透镜系统与这些元件分开，提供给投影电视的制造商。下述的权利要求书试图覆盖提供给制造商的本发明透镜系统以及组装成投影电视系统后的透镜系统。
表4的下半部分列出了单元1至4的焦距，分别为f1至f4，还列出了透镜系统的总焦距(f0)，所有这些数据都可由表1-3确定。由表4可见，本发明透镜系统中|f1|/f0、f2/f0、|f3|/f0和|f4|/f0的比值满足以下关系：
                            |f1|/f0＞2.5；
                             f2/f0＜1.25；
                            |f3|/f0＞2.0；和
                            |f4|/f0＞1.4。
例如，由图1-3可见，非球面校正透镜单元的第一和第二透镜元件间隔接近。特别是，这些元件之间的距离小于透镜系统焦距2个百分点(见表1)。
例如，从图1-3中还可以看出，构成非球面校正透镜单元(单元1)的透镜元件，元件厚度作为透镜直径的函数变化很小。特别是，这些透镜元件的Tmax至Tmin的比值小于大约3.0，其中Tmax是透镜元件在其净通光孔径上的最大厚度，而Tmin是在净通光孔径上的最小厚度。
虽然已经描述了本发明的一些特定的实施例，但应明白，根据上面的揭示，不背离本发明范围和精神的种种变更对于本领域内的一般技术人员而言将是显而易见的。
                        表1透镜数据
表面                                净通光
编号    类型    半径        厚度       玻璃      孔径直径
1       a       70.4152     7.00000    苯乙烯    79.27
2       c       61.4990     1.00352              70.78
3       c       65.2526     13.00000   丙烯酸    70.85
4       a       144.1335    12.89880             70.74
5               75.8167     20.00000   SK5       73.33
6               -105.1768   0.20000              71.98
7               ∞          8.60337              64.20
8       a       -125.8289   10.00000   丙烯酸    64.57
9       a       -95.7773    间距1                67.11
10      a       -44.4784    4.00000    丙烯酸    70.44
11              -44.0000    10.00000   423500    76.50
12              ∞          14.60000   563500    120.00
13              -350.0000   象距                 130.00标记说明
a-多项式非球面
c-圆锥段物和象表面
表面     半径
象       -350.0000圆锥
表面编号  常数
2         6.3398E-01
3         7.0767E-01偶次幂多项式非球面
表面
编号 D            E            F            G             H           I
1    -1.0861E-06  -4.6061E-10  -1.6847E-13  -7.9765E-17   6.5207E-20  -8.3615E-24
4    -6.3055E-07  -7.9726E-10  -5.8507E-14   1.6704E-17   2.9988E-19  -1.5254E-22
8     4.4531E-07  -1.0971E-09   4.4062E-12  -4.4536E-15   2.2309E-18  -4.9618E-22
9     5.5645E-07   3.3468E-09  -6.0536E-12   9.1895E-15  -6.3376E-18   1.6546E-2110    -5.7493E-06   1.3479E-08  -3.1054E-11   3.6189E-14  -2.0704E-17   4.4979E-21可变间隔
可变焦距     间隔1      焦点位移      象距
位置         T(9)
1            26.426     -0.615        0.000
2            25.686     -0.223        0.000
                表1(续)一阶数据
                             可变焦距位置
                            1             2
f/数                     1.23          1.21
放大率                -0.1074       -0.0895
物高                  -635.00       -762.00
物距                  -797.27       -946.72
有效焦距               77.330        77.819
象距                     0.00          0.00
总长度                 925.00        1073.7
前镜顶距离             127.73        126.99
镜筒长度               127.73        126.99
孔径阑表面编号              5             5
至孔径阑的距离          -4.67         -4.67
孔径阑直径             77.872        77.482
入射光瞳距离           28.218        28.218
出射光瞳距离          -64.533       -64.171元件的一阶性质
元件编号  表面编号     光焦度          f′       lpp         l′PP
1          1   2     -0.86623E-03   -1154.4      49.015      42.808
2          3   4      0.43669E-02    228.99     -6.8273     -15.080
3          5   6      0.12873E-01    77.685      5.4898     -7.6158
4          8   9      0.13667E-02    731.68      25.253      19.222
5          10  11     0.45430E-03    2201.2      66.146      65.435
6          11  12    -0.96136E-02   -104.02 0.20995E-07     -7.0274
7          12  13     0.16086E-02    621.67      9.3410 0.67400E-06双合透镜的一阶性质
元件编号  表面编号       光焦度        f′        lpp       l′PP
5     7    10  13     -0.75400E-02   -132.63    -4.6195    -24.447透镜的一阶性质
可变焦距
位置编号    光焦度       f′      lpp      l′PP
1         0.12932E-01  77.330    0.35091  -85.017
2         0.12850E-01  77.819    0.58689  -84.561
                     表2透镜数据
表面                                       净通光
编号  类型    半径      厚度      玻璃      孔径直径
1     a       68.3529   5.00000   苯乙烯    80.79
2     a       60.1983   0.50000             74.09
3     a       66.1998   13.00000  丙烯酸    74.08
4     a       101.6611  3.35577             72.13
5             ∞        5.00000             72.34
6             92.1515   20.00000  SK18      75.61
7             -101.3913 8.64185             75.03
8             ∞        0.10000             67.35
9     a       -188.4645 10.00000  丙烯酸    68.00
10    a       -83.2324  间距1               66.09
11    a       -48.8548  4.00000   丙烯酸    69.04
12            -45.0000  11.50000  447500    75.69
13            ∞        14.60000  563500    120.00
14            -350.0000 象距                130.00标记说明
a-多项式非球面物和象表面
表面    半径
象      -350.0000偶次幂多项式非球面表面编号      D             E            F           G            H            I1      -1.5682E-06  -8.8872E-10  -4.0656E-13   4.1805E-17   1.7413E-19  -4.5166E-232      -1.2788E-09  -3.0172E-12  -5.7082E-15  -6.9688E-18  -6.8894E-21  -4.5975E-243       5.5753E-08   1.0686E-10   1.6634E-13   2.2197E-17  -3.0723E-20  -4.5797E-234      -8.3683E-07  -9.8124E-10   1.0071E-13   1.2402E-16   2.2547E-19  -1.2612E-229      -1.8654E-07  -1.4606E-10   3.3020E-12  -4.3894E-15   2.7316E-18  -5.1357E-2210      -1.7405E-07   2.6987E-09  -5.4255E-12   8.6440E-15  -6.7446E-18   2.2054E-2111      -7.2604E-06   1.3847E-08  -3.0488E-11   3.5523E-14  -2.1416E-17   4.9592E-21可变间隔
可变焦距      间隔1      焦点位移      象距
位置          T(10)
1             29.416     -0.371        0.000
2             28.715     +0.031        0.000
                  表2(续)一阶数据
                   可变焦距位置
                      1            2
f/数               1.20         1.19
放大率          -0.1074      -0.0895
物高            -635.00      -762.00
物距            -769.89      -914.10
有效焦距         74.918       75.344
象距        0.16716E-03         0.00
总长度           895.00       1038.5
前镜顶距离       125.11       124.41
镜筒长度         125.11       124.41
孔径阑表面编号        6            6
至孔径阑的距离     7.97         7.97
孔径阑直径       75.631       74.840
入射光瞳距离     29.824       29.824
出射光瞳距离    -62.758      -62.378元件的一阶性质
元件编号    表面编号       光焦度          f′           lpp         l′PP
1            1    2      -0.90939E-03     -1099.6       34.070       30.005
2            3    4       0.29171E-02      342.81      -14.491      -22.253
3            6    7       0.12748E-01      78.447       6.0460      -6.6523
4            9    10      0.34166E-02      292.69       11.624       5.1336
5            11   12      0.11628E-02      860.02       25.270       23.276
6            12   13     -0.99422E-02     -100.58  0.42949E-07      -7.9453
7            13   14      0.16086E-02      621.67       9.3410  0.67400E-06双合透镜的一阶性质
元件编号    表面编号      光焦度         f′        lpp        l′pp
5    7      11   14     -0.71448E-02    -139.96    -4.8702    -25.680透镜的一阶性质可变焦距位置编号    光焦度       f′       lpp        l′pp
1       0.13348E-01    74.918    2.8513    -82.590
2       0.13272E-01    75.344    3.0752    -82.118
                 表3透镜数据
表面                                           净通光
编号 类型         半径        厚度     玻璃  孔径直径
1    a         68.1580     5.00000   苯乙烯     81.45
2              60.0000    10.00000   丙烯酸     74.71
3    a         85.3900     4.77696              74.09
4              ∞          5.00000              73.94
5              87.6719    20.00000     SK18     75.19
6             -111.6353   12.84178              74.26
7             ∞           0.10000              65.72
8    a        -353.2924   10.00000   丙烯酸     65.72
9    a        -90.3933       间距1              65.33
10   a        -45.9840     4.00000   丙烯酸     69.30
11            -45.0000     11.50000  447500     75.80
12             ∞          14.60000  563500    120.00
13            -350.0000    象距                130.00标记说明
    a-多项式非球面物和象表而
表面    半径
象      -350.0000偶次幂多项式非球面表面编号     D              E         F               G          H              I
1    -1.6137E-06  -9.3026E-10  -4.2370E-13   6.9489E-17   1.8182E-19  -5.1822E-23
3    -9.0208E-07  -1.4302E-09  -3.1208E-16   1.4607E-16   2.6774E-19  -1.1444E-22
8     5.8996E-08  -7.7972E-10   3.5734E-12  -4.0936E-15   2.7666E-18  -6.6880E-22
9    -3.9337E-08   2.5609E-09  -5.1742E-12   8.6565E-15  -6.7957E-18   2.2546E-2110    -6.4458E-06   1.3223E-08  -2.9071E-11   3.5175E-14  -2.2029E-17   5.3207E-21可变间隔
可变焦距     间隔1         焦点位移           象距
位置         T(19)
1           25.827         -0.204             -0.004
2           25.115         +0.168             -0.004
              表3(续)一阶数据
                    可变焦距位置
                   1             2
f/数            1.20          1.19
放大率       -0.1074       -0.0895
物高         -635.00       -762.00
物距         -771.31       -916.02
有效焦距      74.882        75.354
象距     -.36822E-02   -.35942E-02
总长度        894.96        1038.9
前镜顶距离    123.64        122.93
镜筒长度      123.65        122.93
孔径阑表面编号     5             5
至孔径阑的距离 10.18         10.18
孔径阑直径    74.882        74.133
入射光瞳距离  30.279        30.279
出射光瞳距离 -61.697       -61.329波长
0.54610    0.48000    0.64380     0.43580    0.70652元件的一阶性质元件编号 表面编号    光焦度         f′           lpp         l′PP
1    1    2     -0.91551E-03   -1092.3        33.954       29.890
2    2    3      0.27656E-02    361.59       -13.997      -19.921
3    5    6      0.12547E-01    79.700        5.5790      -7.1039
4    8    9      0.41160E-02    242.95        8.8845       2.2732
5   10   11      0.55031E-03    1817.2        53.393       52.251
6   11   12     -0.99422E-02   -100.58   0.42949E-07      -7.9453
7   12   13      0.16086E-02    621.67        9.3410  0.67400E-06双合透镜的一阶性质
元件编号   表面编号    光焦度         f′      lpp        l′PP
  1    2    1    3    0.17390E-02    575.06   -35.843    -43.026
  5    7   10   13   -0.77539E-02   -128.97   -4.4876    -25.284透镜的一阶性质可变焦距位置编号        光焦度      f′      lpp      l′PP
1       0.13354E-01    74.882   1.0490   -82.720
2       0.13271E-01    75.354   1.2798   -82.269
                             表4
  示例编号     1      2     3
  单元1(表面编号)     1～4      1～4     1～3
  单元2(表面编号)     5～6      6～7     5～6
  单元3(表面编号)     8～9      9～10     8～9
  单元4(表面编号)     10～13      11～14     10～13
  f1     301.50      528.82     575.06
  f2     77.69      78.45     79.70
  f3     731.68      292.69     242.95
  f4    -132.63     -139.96    -128.97
  f0     77.33      74.92     74.88

Claims (9)

1.一种用于阴极射线管的投影透镜系统，其特征在于，从象的一侧开始依次包括：
a)弱光焦度的校正透镜单元，所述单元从透镜系统的象的一侧开始依次包括；
i)第一透镜元件，它具有轴上负的光焦度，并至少包括一个非球面，所述第一透镜元件由高色散材料制成；和
ii)第二透镜元件，它具有正的光焦度，并且由低色散材料制成；
b)光焦度透镜单元，它提供了透镜系统的大部分正光焦度；
c)弱光焦度的透镜单元，它至少包括一个非球面；和
d)具有强的负光焦度的透镜单元，在使用透镜系统期间，它与阴极射线管关联，并且对透镜系统的场曲率进行大部分校正。
2.如权利要求1所述的投影透镜系统，其特征在于，校正透镜单元在单元净通光孔径的附近具有比系统光轴附近更大的负光焦度。
3.如权利要求1所述的投影透镜系统，其特征在于，第一透镜元件与第二透镜元件间隔很近。
4.如权利要求1所述的投影透镜系统，其特征在于，第一透镜元件在其净通光孔径上的厚度变化很小。
5.如权利要求1所述的投影透镜系统，其特征在于，第二透镜元件至少包括一个非球面。
6.如权利要求5所述的投影透镜系统，其特征在于，第二透镜元件在其净通光孔径上的厚度变化很小。
7.如权利要求1所述的投影透镜系统，其特征在于，第一透镜元件由苯乙烯制成，而第二透镜元件由丙烯酸制成。
8.一种投影电视机，它包括一个阴极射线管、一个屏幕和一个用于将来自所述阴极射线管的光投射到屏幕上以便形成图象的投影透镜系统，其特征在于，所述投影透镜系统是权利要求1所述的投影透镜系统。
9.如权利要求8所述的投影电视机，其特征在于，它还包括二个阴极射线管和二个投影透镜系统，一个投影透镜系统与每个阴极射线管关联，用于将该射线管的光投射到屏幕上以便形成图象，每个投影透镜系统是权利要求1所述的投影透镜系统。
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