[发明专利]用于架空式投影仪的固定焦距三重投影透镜

说明书

发明领域

本发明通常涉及光学透镜，具体而言，涉及用于架空式投影仪的Cooke三重投影透镜，该透镜包括两个由眼用冕牌玻璃(ophthalmic crown glass)制成的外侧正单元和一个由轻质燧石玻璃(light flint glass)制成的内部负单元。通过选择具有特殊光学特性的玻璃材料，这种透镜结构提供了出众的性能价格比。

背景技术

Cooke三重投影透镜最初发明于1893年(参见英国专利Nos.15,107和22,607以及美国专利Nos.540,122和568,052)，从那时起在设计上对其作了许多改进。摄影和投影物体是三重透镜最重要的用途。照相属于这种透镜形式最初一类的应用，并且延续至今成为重要的应用领域(参见美国专利Nos.1,035,408、1,073,789、  1,658,365、  1,880,393、  1,892,162、  1,987,878、  2,064,550、2,270,234、  2,279,372、  2,298,090、  2,388,869、  2,391,114、  2,416,033、2,430,550、  2,582,362、  2,645,157、  2,736,234、  2,962,930、  3,194,116、3,359,057、  3,438,696、  3,443,863、  3,449,041、  3,578,847、  3,640,606、3,649,103、  3,784,287、  3,912,379、  3,944,337、  3,967,884、  4,542,961、英国专利4,714(1911)、 422,246(1933)、 5,32,950(1939)、 601,649(1948)、612,757(1948)、德国专利434,759(1924)和法国专利1,037,274(1953))。在投影应用领域，Cooke三重投影透镜已经被用于CRT电视投影仪(美国专利No.4,163,604)、运动图像投影仪(美国专利Nos.2,503,701、2,720,814)、幻灯投影仪(美国专利Nos.1,937,168、3,237,520和3,905,686)和架空式投影仪(美国专利No.3,936,155)。三重透镜也有少数专利涉及静电复印和其它应用领域(美国专利Nos.1,485,929、1,937,168、3,202,051和3,584,936)。

在架空式投影仪中，Cooke三重透镜有两种基本类型：定焦(参见’155专利)和变焦(参见德国专利No.4,118,146)。后者的透镜单元之间的间隔是可变的，以出众的性能。

Cooke三重透镜一般由安置在称为镜筒的机械结构内的三块玻璃或聚合物(称作单元)构成。外侧的开始和结束单元通常具有正的光学放大率，而内部单元的放大率通常为负。经过尝试，发现相反的排列不大容易满足需要。已经出版了许多有关这种类型透镜设计方法的专著(例如参见Warren J.Smith的“现代光学工程”节12.6或者Rudlof Kingslake的“透镜设计基础”第13章节V)。

通常建议选用高折射率的玻璃并且从最初专利开始在实践中就一直沿用这种做法。一个极端的例子是美国专利No.3,838,910，它采用折射率大于1.9的玻璃制造透镜。实践中的这种做法的理论基础在于简单透镜(例如单个单元)情况下折射率与球差之间的关系。单元折射率的提高减小了给定焦距下透镜的曲率，进而抑制了一定光孔高度下的入射角变化，并由此减小了球差。这表明在快f数的透镜中高折射率是极有用处的。

美国专利No.2,731,884揭示，三重透镜中两个正放大率单元的平均折射率应该大于负放大率单元的折射率，从而通过减小透镜的Petzval曲率来提高视场范围。注意到Petzval曲率等于诸单元的放大率与其折射率相除之和就可以理解这一点。对于正焦距透镜而言，正单元的放大率必须大于负单元的放大率。因此如果折射率相等，则Petzval曲率很重要。使正单元的折射率大于负单元的折射率减小了视场曲率。

在架空式投影仪的投影透镜设计中，透镜总长度(又称镜筒长度)是另一个重要的设计参数。它被定义为第一透镜表面沿轴向到最后透镜表面的距离。正如’155专利中所指出的那样，较短的透镜可以用小透镜直径制造并且节省材料，从而降低材料和其它成本。这还提高了架空式投影仪的机械稳定性。美国专利No.3,762,801不仅强调了总长度短的重要性，而且强调了摄像机成品体积小巧的重要性。