ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ПРОЕКЦИОННЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2005 года по МПК G02B9/64 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к широкоугольным проекционным объективам, используемым, например, для проецирования изображений, формируемых DMD и LCD модуляторами.

Известен проекционный объектив [Патент США №US 6275343, МПК⁷ G 02 B 9/00; G 02 B 13/04, опубл. 14.08.2001], содержащий три группы линзовых элементов и призму, расположенную со стороны плоскости модулятора. Первая группа в направлении от плоскости экрана к плоскости модулятора с отрицательной оптической силой состоит из двух отрицательных одиночных линз и содержит, по крайней мере, одну асферическую поверхность. Вторая группа с положительной оптической силой включает, по крайней мере, одну одиночную линзу, расположенную в плоскости апертурной диафрагмы проекционного объектива, и имеет одну асферическую поверхность. Третья группа с положительной оптической силой содержит четыре линзовых элемента, один из которых представляет собой склеенный дублет. Оптическая схема объектива содержит шесть одиночных линз, склеенный дублет и призму.

Недостатком известного проекционного объектива является его низкое относительное отверстие, равное 1:3.

Известен проекционный объектив [Заявка США №US 2004/0027497, МПК⁷ H 04 N 5/74, опубл. 12.02.2004], содержащий четыре группы линзовых элементов, призму и плоскопараллельную пластинку, расположенные со стороны модулятора. Первая группа линзовых элементов в направлении от плоскости модулятора к плоскости экрана с положительной оптической силой состоит из двух положительных одиночных линз, вторая группа с положительной оптической силой содержит два линзовых элемента, первый из которых представляет собой склеенный дублет, второй элемент - одиночная линза с положительной оптической силой - расположен в плоскости апертурной диафрагмы. Третья группа с положительной оптической силой содержит две одиночные положительные линзы. Четвертая группа с отрицательной оптической силой содержит три отрицательные одиночные линзы. Обе поверхности последней линзы этой группы выполнены асферическими.

К недостаткам известного проекционного объектива следует отнести увеличенное число элементов, образующих его оптическую схему - оптическая схема объектива содержит восемь одиночных линз и склеенный дублет. Увеличение числа элементов в оптической схеме приводит к повышенному светорассеянию, пониженному светопропусканию и увеличивает затраты на изготовление и сборку объектива.

Известен широкоугольный проекционный объектив [Патент США №US 6542316, МПК⁷ G 02 B 13/04, опубл. 01.04.2003], выбранный в качестве прототипа и содержащий три группы линзовых элементов, призму и плоскопараллельную пластинку, расположенные со стороны модулятора. Первая группа в направлении от плоскости экрана к плоскости модулятора с отрицательной оптической силой содержит пять линзовых элементов, одним из которых является склеенный дублет. Обе поверхности первой линзы этой группы выполнены асферическими и имеют равные радиусы кривизны в вершинах. Вторая группа представлена одной одиночной линзой с положительной оптической силой. Третья группа с положительной оптической силой содержит три линзовых элемента, один из которых представляет собой склеенный дублет. Апертурная диафрагма расположена между второй и третьей группами линзовых элементов.

Недостатками известного широкоугольного проекционного объектива являются его низкое относительное отверстие, равное 1:3, и увеличенное число элементов, образующих его оптическую схему - оптическая схема объектива содержит девять линзовых элементов, два из которых являются склеенными дублетами. Увеличение числа элементов в оптической схеме приводит к повышенному светорассеянию, пониженному светопропусканию и увеличивает затраты на изготовление и сборку объектива.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения относительного отверстия широкоугольного проекционного объектива и уменьшения числа составляющих его оптическую схему линзовых элементов.

Это достигается тем, что в широкоугольном проекционном объективе, например, для проецирования изображений, формируемых DMD и LCD модуляторами, так же как в прототипе, содержащем в направлении от плоскости экрана к плоскости модулятора первую, вторую и третью группы линзовых элементов, призму, плоскопараллельную пластинку и апертурную диафрагму, расположенную между второй и третьей группами линзовых элементов, где первая группа имеет отрицательную оптическую силу, вторая и третья группы - положительную оптическую силу, а третья группа содержит три линзовых элемента, первый из которых представляет собой склеенный дублет, согласно изобретению первая группа линзовых элементов состоит из трех одиночных линз - первой линзы в виде отрицательного мениска, обе поверхности которого выполнены асферическими, второй линзы в виде отрицательного мениска и третьей двояковогнутой линзы, а вторая группа представляет собой одиночную двояковыпуклую линзу, одна из поверхностей которой выполнена асферической.

В первой группе линзовых элементов первая линза в форме отрицательного мениска, обращенного выпуклостью в сторону экрана, в отличие от прототипа является силовым элементом, участвующим в создании суммарной оптической силы; одновременно с этим асферизация обеих поверхностей мениска уменьшает отрицательную дисторсию до величины порядка 1% и устраняет аберрации широких наклонных пучков лучей; формы второй и третьей линз обеспечивают малые углы падения лучей на преломляющих поверхностях линз, следствием чего являются малые значения аберраций высших порядков на этих поверхностях. Астигматизм первой группы линзовых элементов не исправлен и компенсируется последующей частью оптической схемы объектива. Вследствие малых высот лучей осевого пучка на поверхностях линз первой группы формы этих линз не оказывают существенного влияния на качество изображения осевой точки предмета. Реализация всех вышеуказанных положений является причиной уменьшения числа линз первой группы в 2 раза по сравнению с прототипом.

Основным препятствием на пути повышения относительного отверстия является сферическая аберрация осевой точки предмета. Асферизация, по крайней мере, одной из поверхностей двояковыпуклой линзы второй группы элементов полностью устраняет сферическую аберрацию осевой точки, тем самым обеспечивая возможность повышения относительного отверстия без усложнения оптической схемы посредством добавления линзовых элементов.

На фиг.1 показана оптическая схема предлагаемого широкоугольного проекционного объектива.

На фиг.2 представлен график продольной сферической аберрации для точки на оси для трех длин волн G, R, В.

На фиг.3 представлен график меридиональной Т и сагиттальной S кривизны поверхности изображения.

На фиг.4 приведен график остаточной дисторсии.

На фиг.5 представлен график относительной освещенности в плоскости изображения.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана оптическая схема предлагаемого широкоугольного проекционного объектива (фиг.1), содержащая в направлении от плоскости экрана к плоскости модулятора первую 1, вторую 2 и третью 3 группы линзовых элементов, призму 4, плоскопараллельную пластинку 5 и апертурную диафрагму 6. Первая группа линзовых элементов 1 состоит из трех одиночных линз - первой линзы 7 в виде отрицательного мениска, обе поверхности которого выполнены асферическими, второй линзы 8 в виде отрицательного мениска и третьей двояковогнутой линзы 9, вторая группа 2 представляет собой одиночную двояковыпуклую линзу 10, одна из поверхностей которой выполнена асферической. Третья группа линзовых элементов 3 включает склеенный дублет 11, двояковыпуклую линзу 12 и двояковыпуклую линзу 13. Изображение, формируемое модулятором в плоскости 14, с большим увеличением проецируется объективом в плоскость экрана; плоскость экрана на фиг.1 не показана.

В качестве примера конкретного исполнения рассчитан широкоугольный проекционный объектив с фокусным расстоянием f'=9.964 мм, относительным отверстием D/f'=1:2.4, линейным полем в пространстве предметов 2y=1386.84 мм, линейным полем в пространстве изображений 2y'=20.278, расстоянием от первой поверхности объектива до плоскости предметов s=-649 мм и конструктивными параметрами:

rdn_0.55553.288*¹41.493315824.921*²5.907152.8432.71.604927722.02618.4441-65.8122.9431.6049277159.37164.94142.389*³5.9031.4933158-73.79515.5191∞(АР)27.6621-159.1161.4591.760145127.5877.3691.4981111-49.0640.462184.9664.1351.4981111-121.1340.33131.1215.9931.4981111-1760.1631.8341∞241.5182719∞31∞31.5099896∞  *¹ - радиус при вершине асферической поверхности; асферическая поверхность выполнена в соответствии с уравнением профиля

где r - радиус при вершине асферической поверхности, k - коэффициент деформации второго порядка, А, В, С, D, Е, F, G - коэффициенты деформации высших порядков; r=53.288, k=-10.0948, А=4.4443074е-006, В=-1.552714е-009, С=9.3853775е-013, D=-1.0894061e-015, E=6.8810629e-020, F=-7.3357233e-024, G=2.718291e-025; z, у - координаты точки профиля поверхности;

*² - радиус при вершине асферической поверхности; асферическая поверхность выполнена в соответствии с уравнением профиля

где r - радиус при вершине асферической поверхности, k - коэффициент деформации второго порядка, А, В, С, D, Е, F, G - коэффициенты деформации высших порядков; r=24.921, k=-0.6384, А=-8.5841528е-006, В=7.4610746е-009, С=-1.5467828е-011, D=2.7620621e-015, E=-3.8738051e-018, F=1.7570263e-020, G=-8.9050236e-024;

*³ - радиус при вершине асферической поверхности; асферическая поверхность выполнена в соответствии с уравнением профиля

где r - радиус при вершине асферической поверхности, k - коэффициент деформации второго порядка, А, В, С - коэффициенты деформации высших порядков; r=42.389, k=-2.5004, А=6.570958е-008, В=4.7721866е-010, C=-4.1401828е-012.

При расчете за плоскость предметов принята плоскость экрана, плоскостью изображения является плоскость модулятора. Плоскость изображения находится на расстоянии 1.473 мм от последней поверхности объектива.

Объектив характеризуется малыми значениями остаточных аберраций и обеспечивает равномерную освещенность изображения в пределах всего линейного поля, что подтверждается кривыми, представленными на фиг.2, 3, 4 и 5.

Предлагаемое изобретение позволяет существенно повысить относительное отверстие широкоугольного проекционного объектива и одновременно с этим уменьшить число линзовых элементов, составляющих его оптическую схему.

Широкоугольный проекционный объектив, например, для проецирования изображений, формируемых DMD и LCD модуляторами, содержит в направлении от плоскости экрана к плоскости модулятора три группы линзовых элементов, призму, плоскопараллельную пластинку и апертурную диафрагму, расположенную между второй и третьей группами линзовых элементов. Первая группа - с отрицательной оптической силой, вторая и третья - с положительной оптической силой. Первая группа линзовых элементов образована из трех одиночных линз - первой линзы в форме отрицательного мениска, обе поверхности которого выполнены асферическими, второй линзы в форме отрицательного мениска и третьей двояковогнутой линзы. Вторая группа выполнена в виде одиночной двояковыпуклой, одна из поверхностей которой асферическая. Третья группа содержит склеенный дублет и две одиночные положительные линзы. Обеспечивается повышение относительного отверстия и уменьшение числа линзовых элементов. 5 ил.

Широкоугольный проекционный объектив, например, для проецирования изображений, формируемых DMD и LCD модуляторами, содержащий в направлении от плоскости экрана к плоскости модулятора первую группу линзовых элементов с отрицательной оптической силой, вторую группу линзовых элементов с положительной оптической силой и третью группу линзовых элементов с положительной оптической силой, призму, плоскопараллельную пластинку и апертурную диафрагму, расположенную между второй и третьей группами линзовых элементов, причем третья группа содержит склеенный дублет и две одиночные положительные линзы, отличающийся тем, что первая группа линзовых элементов образована из трех одиночных линз - первой линзы в форме отрицательного мениска, обе поверхности которого выполнены асферическими, второй линзы в форме отрицательного мениска и третьей двояковогнутой линзы, а вторая группа выполнена в виде одиночной двояковыпуклой, одна из поверхностей которой асферическая.