成像光學(xué)系統(tǒng)、使用它的投射型圖像顯示和圖像拾取設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種成像光學(xué)系統(tǒng)、使用它的投射型圖像顯示和圖像拾取設(shè)備，該成像光學(xué)系統(tǒng)包括：具有正折光力的第一光學(xué)單元，用于使成像光學(xué)系統(tǒng)的放大側(cè)的像面處的圖像與成像光學(xué)系統(tǒng)中的中間圖像位置處的中間圖像彼此共軛，以及具有正折光力的第二光學(xué)單元，用于使中間圖像與成像光學(xué)系統(tǒng)的縮小側(cè)的像面處的圖像彼此共軛，其中，當(dāng)由fF表示第一光學(xué)單元的焦距并由fR表示第二光學(xué)單元的焦距時(shí)，滿足下面的條件：0<fF/fR<0.8，以及其中第二光學(xué)單元包括被設(shè)置在光軸上的距離放大側(cè)最近的負(fù)透鏡。
【專利說(shuō)明】成像光學(xué)系統(tǒng)、使用它的投射型圖像顯示和圖像拾取設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及成像光學(xué)系統(tǒng)，諸如成像透鏡或投影儀投射透鏡，更具體地，涉及一種適于具有寬視角的廣角透鏡的成像透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]在相關(guān)技術(shù)中，當(dāng)要通過(guò)照相機(jī)拍攝寬廣的風(fēng)景時(shí)，或者當(dāng)要通過(guò)投影儀在短距離中投射寬屏幕時(shí)，使用具有寬廣視角的廣角透鏡。廣角透鏡可用于這樣的設(shè)備:其中在縮小側(cè)成像面與最接近縮小側(cè)成像面的透鏡端之間的距離較長(zhǎng)。例如，具有顏色組合系統(tǒng)的投影儀或單透鏡反射照相機(jī)。對(duì)于該應(yīng)用，廣角透鏡通常使用反望遠(yuǎn)型(retiOfocus-type)透鏡單元。反望遠(yuǎn)型透鏡單元為包括以下透鏡的透鏡單元:該透鏡具有強(qiáng)負(fù)折光力，被布置為相比于光闌離放大側(cè)成像面更近。下文中，將縮小側(cè)成像面?zhèn)确Q為縮小側(cè)；并將放大側(cè)成像面?zhèn)确Q為放大側(cè)。
[0003]然而，當(dāng)反望遠(yuǎn)型透鏡單元具有較寬視角時(shí)，放大側(cè)透鏡的直徑大大增加。在日本專利申請(qǐng)公開(kāi)N0.04-356008的英文摘要和美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)N0.2005/0117123中討論了用于解決該問(wèn)題的技術(shù)。
[0004]日本專利申請(qǐng)公開(kāi)N0.04-356008的英文摘要中討論了一種光學(xué)系統(tǒng)，其在透鏡單元內(nèi)形成物體的中間圖像，并在像面上重新形成中間圖像。下文中，為了避免說(shuō)明書(shū)中的混淆，相對(duì)于其中在透鏡單元內(nèi)形成中間圖像的作為分割點(diǎn)的透境內(nèi)共軛點(diǎn)，將放大側(cè)透鏡單元稱為第一透鏡單元，并將縮小側(cè)透鏡單元稱為第二透鏡單元。
[0005]在日本專利申請(qǐng)公開(kāi)N0.04-356008的英文摘要中討論的透鏡單元中的第一透鏡單元通過(guò)縮小光學(xué)系統(tǒng)形成物體的縮小圖像作為中間圖像。第二透鏡單元被配置為中繼系統(tǒng)，其在像面(圖像傳感器的成像面)上形成中間圖像。因此，縮短了第一透鏡單元的后焦距，從而第一透鏡單元的放大側(cè)透鏡的直徑減小。
[0006]在美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)N0.2005/0117123中討論的透鏡單元是用于投影儀的投射透鏡，其形成通過(guò)光調(diào)制元件獲得的圖像作為中間圖像，并將該中間圖像放大以將放大的圖像投射到投射接收表面上。從而，類似于日本專利申請(qǐng)公開(kāi)N0.04-356008的英文摘要，第一透鏡單元的放大側(cè)透鏡的直徑也減小。
[0007]日本專利申請(qǐng)公開(kāi)N0.2001-23887的英文摘要討論了一種曝光設(shè)備的投影光學(xué)系統(tǒng)，其形成中間圖像，盡管該投影光學(xué)系統(tǒng)不是廣角透鏡。
[0008]然而，在日本專利申請(qǐng)公開(kāi)N0.04-356008的英文摘要中討論的透鏡單元是魚(yú)眼透鏡，并且在最終像面上保持較大畸變。因此，該透鏡單元不適于需要充分校正畸變的用于一般圖片拍攝的廣角透鏡或用于投影儀的投射透鏡。
[0009]另一方面，在美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)N0.2005/0117123中討論的透鏡單元中，盡管校正了畸變，但在相對(duì)于作為分割點(diǎn)的透鏡內(nèi)共軛點(diǎn)設(shè)置的第一和第二透鏡單元中獨(dú)立地執(zhí)行像差校正。因此，盡管放大側(cè)透鏡的直徑縮小，但是總透鏡長(zhǎng)度增大。換句話說(shuō)，日本專利申請(qǐng)公開(kāi)N0.04-356008的英文摘要和美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)N0.2005/0117123都沒(méi)有同時(shí)滿足對(duì)畸變的校正和在光軸方向上的小型化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本發(fā)明針對(duì)一種形成中間圖像的成像光學(xué)系統(tǒng)，該成像光學(xué)系統(tǒng)具有縮小的尺寸同時(shí)充分地校正畸變。
[0011 ] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，成像光學(xué)系統(tǒng)包括:具有正折光力的第一光學(xué)單元，用于使成像光學(xué)系統(tǒng)的放大側(cè)的像面處的圖像與成像光學(xué)系統(tǒng)中的中間圖像位置處的中間圖像彼此共軛；以及具有正折光力的第二光學(xué)單元，用于使中間圖像與成像光學(xué)系統(tǒng)的縮小側(cè)的像面處的圖像彼此共軛，其中，當(dāng)由fF表示第一光學(xué)單元的焦距并由fR表示第二光學(xué)單元的焦距時(shí)，滿足下面的條件:
[0012]0〈fF/fR〈0.8，以及
[0013]其中第二光學(xué)單元包括被設(shè)置在光軸上的距離放大側(cè)最近的負(fù)透鏡。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以提供一種形成中間圖像的成像光學(xué)系統(tǒng)，該成像光學(xué)系統(tǒng)具有縮小的尺寸同時(shí)充分地校正畸變，以及提供一種使用該成像光學(xué)系統(tǒng)的投射型圖像顯示設(shè)備和圖像拾取設(shè)備。
[0015]通過(guò)下面參考附圖對(duì)實(shí)施例的描述，本發(fā)明的其它特征將變得清楚。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0016]被引入說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分的附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例、特征以及各方面，并與說(shuō)明書(shū)一起用于說(shuō)明本發(fā)明的原理。
[0017]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的截面圖。
[0018]圖2示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的縱向像差圖。
[0019]圖3示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)中在共軛點(diǎn)處的縱向像差圖。
[0020]圖4為示出其中根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)用于投射型圖像顯示設(shè)備的情況的截面圖。
[0021]圖5是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的截面圖。
[0022]圖6示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的縱向像差圖。
[0023]圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的截面圖。
[0024]圖8示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的縱向像差圖。
[0025]圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的截面圖。
[0026]圖10示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的縱向像差圖。
[0027]圖11是示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的截面圖。
[0028]圖12示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的縱向像差圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例、特征以及方面。
[0030]圖1是示出包括根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的成像透鏡(S卩，成像光學(xué)系統(tǒng))的配置的截面圖。成像光學(xué)系統(tǒng)是投射光學(xué)系統(tǒng)，其被設(shè)計(jì)用于投影儀(即，用于投射型圖像顯示設(shè)備)。成像光學(xué)系統(tǒng)是廣角透鏡，其將通過(guò)液晶面板5 (光調(diào)制元件)調(diào)制的光束投射到屏幕(未示出)(投射接收表面)上。圖1左側(cè)為放大側(cè)，其右側(cè)為縮小側(cè)。圖1所示廣角透鏡被配置為自放大側(cè)起依次包括第一透鏡單元I (第一光學(xué)單元)和第二透鏡單元2 (第二光學(xué)單元)。屏幕表面表示放大側(cè)成像面，以及液晶面板5表示縮小側(cè)成像面。這里，在例如投影儀的放大投影設(shè)備中，放大側(cè)成像面位于通過(guò)光調(diào)制元件(液晶面板)形成的圖像被投影的位置。在圖像拾取設(shè)備中，放大側(cè)成像面位于物體將被成像的位置。相對(duì)而言，在放大投影設(shè)備(如投影儀等)的情況中，縮小側(cè)成像面是其中光調(diào)制元件(液晶面板)被設(shè)置的位置。在圖像拾取設(shè)備的情況中，縮小側(cè)成像面是圖像拾取元件(例如(XD)被設(shè)置的位置。
[0031]根據(jù)該實(shí)施例的廣角透鏡包括共20個(gè)透鏡。不具有折光力的棱鏡玻璃4被設(shè)置在最靠近縮小側(cè)的透鏡L20與液晶面板5之間。棱鏡玻璃4用于投影儀中的顏色合成。
[0032]在圖1中，點(diǎn)虛線表示廣角透鏡的光軸。透鏡內(nèi)共軛點(diǎn)3 (中間圖像點(diǎn))在第十透鏡LlO與第十一透鏡Lll之間位于光軸上。相對(duì)于作為分割點(diǎn)的透鏡內(nèi)共軛點(diǎn)3，第一透鏡LI至第十透鏡LlO構(gòu)成第一透鏡單元1，以及第十一透鏡Lll至最后透鏡L20構(gòu)成第二透鏡單元2。
[0033]第一透鏡單元I被配置為使得屏幕(放大側(cè)成像面)與透鏡內(nèi)共軛點(diǎn)3彼此共軛。第二透鏡單元2被配置為使得透鏡內(nèi)共軛點(diǎn)3與液晶面板5 (縮小側(cè)成像面)彼此共軛。如果將液晶面板5設(shè)置為基準(zhǔn)，則第一透鏡單元I和第二透鏡單元2被配置為使得液晶面板5與屏幕彼此共軛，從而，可以將放大側(cè)成像面稱為放大側(cè)共軛面。相反，如果將屏幕設(shè)置為基準(zhǔn)，則可以將縮小側(cè)成像面稱為縮小側(cè)共軛面。
[0034]本實(shí)施例的數(shù)值示例在下面列出為數(shù)值示例I。表面號(hào)是從放大側(cè)起依次唯一指定給每個(gè)透鏡表面的號(hào)碼；R為每個(gè)透鏡表面的曲率半徑，d為表面距離，以及nd和V d分別為在d線(587.56nm)處玻璃材料的折射率和Abbe數(shù)。具有附在表面號(hào)的右側(cè)的符號(hào)的透鏡表面表示該透鏡表面具有根據(jù)下面描述的函數(shù)的非球面形狀，并且其系數(shù)在數(shù)值示例中列出。這里，坐標(biāo)y為當(dāng)將透鏡表面的表面頂點(diǎn)設(shè)置為基準(zhǔn)時(shí)在徑向上的坐標(biāo)，坐標(biāo)X是當(dāng)將透鏡表面的表面頂點(diǎn)設(shè)置為基準(zhǔn)時(shí)在光軸方向上的坐標(biāo)。物距是無(wú)限遠(yuǎn)。
[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種成像光學(xué)系統(tǒng),包括: 具有正折光力的第一光學(xué)單元，用于使成像光學(xué)系統(tǒng)的放大側(cè)的像面處的圖像與成像光學(xué)系統(tǒng)中的中間圖像位置處的中間圖像彼此共軛；以及 具有正折光力的第二光學(xué)單元，用于使中間圖像與成像光學(xué)系統(tǒng)的縮小側(cè)的像面處的圖像彼此共軛， 其中，當(dāng)由fF表示第一光學(xué)單元的焦距并由fR表示第二光學(xué)單元的焦距時(shí)，滿足下面的條件:
0.0<fF/fR<0.8，以及 其中第二光學(xué)單元包括設(shè)置在光軸上的距離放大側(cè)最近的負(fù)透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，當(dāng)由fI表示負(fù)透鏡的焦距時(shí)，滿足下面的條件:
-5.00<fl/fR< - 0.05。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，當(dāng)由fl表示負(fù)透鏡的焦距并由|f|表示包括第一光學(xué)單元和第二光學(xué)單元的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距時(shí)，滿足下面的條件:
0.0<fl/|f|<20.0。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，當(dāng)由fl表示負(fù)透鏡的焦距時(shí)，滿足下面的條件:
-12.0<fl/fF<0.0。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，負(fù)透鏡的放大側(cè)表面具有朝向縮小側(cè)凸起的形狀，以及 其中，當(dāng)由r表示負(fù)透鏡的放大側(cè)表面的曲率半徑并由|f|表示包括第一光學(xué)單元和第二光學(xué)單元的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距時(shí)，滿足下面的條件:
0.l〈r/|f I〈3.0。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，負(fù)透鏡的放大側(cè)表面具有朝向縮小側(cè)凸起的形狀，以及 其中，當(dāng)由r表示負(fù)透鏡的放大側(cè)表面的曲率半徑、由η表示負(fù)透鏡的折射率、并且由fRl表示第二光學(xué)單元中的針對(duì)最大表面間距而被設(shè)置于放大側(cè)的透鏡或透鏡組的焦距時(shí)，滿足下面的條件:
-1.5<r/{fRl.(n-l)}< — 0.5。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，能操作為通過(guò)移動(dòng)第二光學(xué)單元的作為聚焦組的一部分來(lái)執(zhí)行聚焦。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，當(dāng)由ff。表示聚焦組的焦距并由|f|表示包括第一光學(xué)單元和第二光學(xué)單元的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距時(shí)，滿足下面的條件:
I<|ff0/|f I〈200。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，聚焦組中的透鏡具有第二光學(xué)單元中的任意透鏡的最小直徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述聚焦組被布置為使得其在從無(wú)限遠(yuǎn)到最近聚焦距離進(jìn)行聚焦期間從縮小側(cè)向放大側(cè)移動(dòng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，其被設(shè)置為使得為了變焦而在第一光學(xué)單元和第二光學(xué)單元的每個(gè)光學(xué)單元中移動(dòng)至少一個(gè)透鏡。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第一光學(xué)單元和第二光學(xué)單元被布置為使得會(huì)聚光線入射到負(fù)透鏡上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，還包括被設(shè)置于負(fù)透鏡的縮小側(cè)的正透鏡， 其中所述正透鏡被設(shè)置于與負(fù)透鏡相鄰的位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，正透鏡是具有朝向縮小側(cè)凸起的形狀的彎月透鏡。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，當(dāng)由fl表示負(fù)透鏡的焦距并由f2表示正透鏡的焦距時(shí)，滿足下面的條件:
-1.00<fl/f2< - 0.05。
16.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，成像光學(xué)系統(tǒng)為投射光學(xué)系統(tǒng)，該投射光學(xué)系統(tǒng)被配置為通過(guò)把根據(jù)來(lái)自在縮小側(cè)成像面處的光調(diào)制元件的光形成的圖像投射到在放大側(cè)成像面處的投射接收表面上來(lái)投射圖像。
17.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，成像光學(xué)系統(tǒng)被配置為在縮小側(cè)成像面處的圖像傳感器上根據(jù)從在放大側(cè)成像面處的物體接收的光形成圖像。
18.一種投射型圖像顯示設(shè)備，包括: 光調(diào)制元件；以及 根據(jù)權(quán)利要求16所述的成像光學(xué)系統(tǒng)， 其中成像光學(xué)系統(tǒng)為投射光學(xué)系統(tǒng)，該投射光學(xué)系統(tǒng)被配置為通過(guò)把根據(jù)來(lái)自在縮小側(cè)成像面處的光調(diào)制元件的光形成的圖像投射到在放大側(cè)成像面處的投射接收表面上來(lái)投射圖像。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的投射型圖像顯示設(shè)備，還包括移動(dòng)單元，該移動(dòng)單元被配置為在給出成像光學(xué)系統(tǒng)的與成像光學(xué)系統(tǒng)的光軸垂直的移動(dòng)分量的方向上移動(dòng)成像光學(xué)系統(tǒng)，并且 被布置為使得在移動(dòng)成像光學(xué)系統(tǒng)的情況下在與成像光學(xué)系統(tǒng)的移動(dòng)方向相反的方向上移動(dòng)投射圖像。
20.一種圖像拾取設(shè)備，包括: 圖像傳感器；以及 根據(jù)權(quán)利要求17所述的成像光學(xué)系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G02B27/64GK103576289SQ201310323656
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月31日
【發(fā)明者】豬子和宏 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社