Широкоугольный проекционный объектив
Владельцы патента RU 2302650:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)
Объектив содержит в направлении от плоскости экрана к плоскости модулятора первую и вторую группы линзовых элементов, плоскопараллельную пластинку, призму, плоскопараллельную пластинку и апертурную диафрагму, расположенную вблизи первого линзового элемента второй группы. Первая группа линзовых элементов имеет отрицательную оптическую силу и состоит из пяти одиночных линз - первой линзы в виде отрицательного мениска, обе поверхности которого выполнены асферическими, второй линзы в виде отрицательного мениска, третьей двояковогнутой линзы, по крайней мере, одна из поверхностей которой выполнена асферической, четвертой двояковогнутой линзы и пятой двояковыпуклой линзы. Вторая группа линзовых элементов имеет положительную оптическую силу и содержит пять одиночных линз, первая из которых представляет собой положительный мениск, вторая - отрицательный мениск, третья - двояковыпуклую линзу, четвертая - положительный мениск, по крайней мере, одна из поверхностей которого выполнена асферической, пятая - положительный мениск, обращенный выпуклостью в сторону модулятора. Технический результат - повышение относительного отверстия широкоугольного проекционного объектива и уменьшение величины остаточной телевизионной дисторсии. 5 ил.
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 6,471,359, МПК7 G03B 21/00, опубл. 29.10.2002], содержащий две группы линзовых элементов, плоскопараллельную пластинку, призму и плоскопараллельную пластинку, расположенные со стороны плоскости модулятора. Первая группа линзовых элементов в направлении от плоскости экрана к плоскости модулятора с отрицательной оптической силой состоит из пяти линзовых элементов, один из которых представляет собой склеенный дублет, и содержит, по крайней мере, один асферический линзовый элемент. Вторая группа с положительной оптической силой включает три линзовых элемента, первый из которых представляет собой склеенный дублет, второй - склеенный триплет, третий - одиночную положительную линзу. Апертурная диафрагма расположена между первой и второй группами линзовых элементов.
Недостатками известного проекционного объектива являются его низкое относительное отверстие, равное 1:3, и большая величина остаточной телевизионной дисторсии, превышающая по абсолютному значению 4,5%.
Известен широкоугольный проекционный объектив [Патент США № US 6,542,316, МПК7 G02B 13/04, опубл. 01.04.2003], 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. 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 большая величина остаточной телевизионной дисторсии, превышающая по абсолютному значению 0,64%.
Известен широкоугольный проекционный объектив [Патент Японии № JP 2003005069, МПК7 G02B 13/24, 13/18, 15/16, опубл. 08.01.2003], выбранный в качестве прототипа и содержащий две 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 четыре линзовых элемента, одним из которых является склеенный дублет. Первая поверхность первой линзы этой группы выполнена асферической. Вторая группа содержит шесть линзовых элементов, четыре из которых представляют собой склеенные дублеты. Апертурная диафрагма расположена вблизи первого в направлении от плоскости экрана к плоскости модулятора линзового элемента второй группы.
К недостаткам известного широкоугольного проекционного объектива следует отнести его низкое относительное отверстие, равное 1:3,24, и большую величину остаточной телевизионной дисторсии, превышающую по абсолютному значению 0,53%.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения относительного отверстия широкоугольного проекционного объектива и уменьшения величины остаточной телевизионной дисторсии.
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 и вторую группы линзовых элементов, призму, плоскопараллельную пластинку и апертурную диафрагму, расположенную вблизи первого линзового элемента второй группы, где первая группа имеет отрицательную оптическую силу, вторая группа - положительную оптическую силу, согласно изобретению первая группа линзовых элементов состоит из пяти одиночных линз - первой линзы в виде отрицательного мениска, обе поверхности которого выполнены асферическими, второй линзы в виде отрицательного мениска, третьей двояковогнутой линзы, по крайней мере, одна из поверхностей которой выполнена асферической, четвертой двояковогнутой линзы и пятой двояковыпуклой линзы, а вторая группа содержит пять одиночных линз, первая из которых представляет собой положительный мениск, вторая - отрицательный мениск, третья - двояковыпуклую линзу, четвертая - положительный мениск, по крайней мере, одна из поверхностей которого выполнена асферической, пятая - положительный мениск, обращенный выпуклостью в сторону модулятора.
В первой группе линзовых элементов обе поверхности первой линзы в форме отрицательного мениска, обращенного выпуклостью в сторону экрана, в отличие от прототипа выполнены асферическими. Асферизация второй поверхности вследствие значительной разницы толщин по оси мениска и по его краю является эффективным коррекционным параметром, участвующим в устранении отрицательной дисторсии третьего порядка и воздействующим на аберрации широких наклонных пучков лучей. Асферизация поверхностей третьей линзы полностью устраняет дисторсию высших порядков, что является необходимым условием устранения телевизионной дисторсии, определяемой соотношением величин дисторсий для крайней точки и зоны линейного поля широкоугольного проекционного объектива. Формы второй, четвертой и пятой линз обеспечивают малые углы падения на преломляющие поверхности этих линз лучей внеосевых точек поля, следствием чего являются малые значения аберраций высших порядков на этих поверхностях. Воздушный промежуток между четвертой и пятой линзами, в отличие от прототипа, является дополнительным коррекционным параметром, позволяющим воздействовать на аберрации широких наклонных пучков лучей. 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 обеспечивает возможность практически полного устранения телевизионной дисторсии (до величин порядка нескольких сотых долей процента) и повышения относительного отверстия вследствие уменьшения аберраций внеосевых точек линейного поля широкоугольного проекционного объектива.
Основным препятствием на пути повышения относительного отверстия является сферическая аберрация осевой точки предмета. Формы первой, второй, третьей и пятой линз второй группы линзовых элементов в совокупности с асферизацией хотя бы одной из поверхностей четвертой линзы обеспечивают полное устранение сферической аберрации осевой точки и уменьшение дисторсии второй группы линзовых элементов. Устранение сферической аберрации асферизацией хотя бы одной из поверхностей четвертой линзы позволяет существенно повысить относительное отверстие.
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 и вторую 2 группы линзовых элементов, плоскопараллельную пластинку 3, призму 4, плоскопараллельную пластинку 5 и апертурную диафрагму 6. Первая группа линзовых элементов 1 состоит из пяти одиночных линз - первой линзы 7 в виде отрицательного мениска, обе поверхности которого выполнены асферическими, второй линзы 8 в виде отрицательного мениска, третьей двояковогнутой линзы 9, обе поверхности которой выполнены асферическими, четвертой двояковогнутой линзы 10 и пятой двояковыпуклой линзы 11. Вторая группа 2 включает пять одиночных линз: первую - положительный мениск 12, вторую - отрицательный мениск 13, третью - двояковыпуклую линзу 14, четвертую - положительный мениск 15, обе поверхности которого выполнены асферическими, пятую - положительный мениск 16. Изображение, формируемое модулятором в плоскости 17, с большим увеличением проецируется объективом в плоскость экрана; плоскость экрана на чертеже не показана.
В качестве примера конкретного исполнения рассчитан широкоугольный проекционный объектив с фокусным расстоянием f'=6,99 мм, относительным отверстием D/f'=1: 2,4, линейным полем в пространстве предметов 2у=1386,84 мм, линейным полем в пространстве изображений 2у'=14,226 мм, расстоянием от первой поверхности объектива до плоскости предметов s=-649 мм и конструктивными параметрами:
| R | d | n0.546 |
| 465.85*1 | 3.5 | 1.493798 |
| 38.6*2 | 5.972 | 1 |
| 88.728 | 3 | 1.489145 |
| 26.605 | 14.47 | 1 |
| 880.9*3 | 3 | 1.493798 |
| 79.792*4 | 5.476 | 1 |
| -125.17 | 2.2 | 1.489145 |
| 36.769 | 5.517 | 1 |
| 51.84 | 6.566 | 1.761693 |
| -247.16 | 68.31 | 1 |
| ∞ (АР) | 0.573 | 1 |
| -131.74 | 2.423 | 1.596666 |
| -32.447 | 10.89 | 1 |
| -13.557 | 2 | 1.761693 |
| -34.484 | 2.008 | 1 |
| 600.68 | 4.972 | 1.498453 |
| -21.674 | 0.468 | 1 |
| -44.524*5 | 4.886 | 1.591429 |
| -25.372*6 | 0.3 | 1 |
| -125.28 | 4.97 | 1.498453 |
| -21.975 | 0.77 | 1 |
| ∞ | 2 | 1.525213 |
| ∞ | 3.15 | 1 |
| ∞ | 33 | 1.624091 |
| ∞ | 3 | 1 |
| ∞ | 3 | 1.488778 |
| ∞ | 1 | |
| *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=465.85, k=120.3181, A=2.5642182e-006, B=-6.0884138e-010, С=1.0197739е-013, D=5.5314899e-017, E=1.9177402e-020, F=-2.312291e-024, 0=2.6715182е-028; 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=38.6; k=-0.004835237, A=-6.2929808e-006, В=1.3586205е-009, С=-1.205456е-012, D=-2.9790458e-016, Е=-1.119833е-019, F=2.6599156e-023, G=4.7232874e-026;
*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, D, Е, F, G - коэффициенты деформации высших порядков; r=880.9; k=-1594.886, А=-3.5413618е-006, B=-4.7912251e-009, С=-6.3968134е-013, D=5.890671e-015, Е=1.7807694е-017, F=1.2015937e-021, G=-4.642179e-024;
*4 - 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=79.792; k=-0.45711, А=1.1648691е-007, В=-1.8432253е-009, С=-9.0067843е-012, D=-2.7813362e-015, E=3.5121251e-017, F=1.2720989e-020, G=2.9995844e-023;
*5 - 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 - коэффициенты деформации высших порядков; r=-44.524; k-8.051833, А=-1.6813717e-005, В=-6.3012476е-008, C=-1.1430429e-011, D=6.5669967e-013;
*6 - 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 - коэффициенты деформации высших порядков; r=-25.372; k=1.040751, А=1.2770463е-005, В=-2.8674707е-008, С=1.0437111e-010, D=2.3178768e-013.
При расчете за плоскость предметов принята плоскость экрана, плоскостью изображения является плоскость модулятора. Плоскость изображения находится на расстоянии 0,478 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. Величина телевизионной дисторсии по абсолютному значению не превышает 0,05%.
Предлагаемое изобретение позволяет существенно повысить относительное отверстие широкоугольного проекционного объектива и практически полностью устранить телевизионную дисторсию.
Широкоугольный проекционный объектив, например, для проецирования изображений, формируемых DMD и LCD модуляторами, содержащий в направлении от плоскости экрана к плоскости модулятора первую и вторую группы линзовых элементов, призму, плоскопараллельную пластинку и апертурную диафрагму, расположенную вблизи первого линзового элемента второй группы, где первая группа имеет отрицательную оптическую силу, вторая группа - положительную оптическую силу, отличающийся тем, что первая группа линзовых элементов состоит из пяти одиночных линз - первой линзы в виде отрицательного мениска, обе поверхности которого выполнены асферическими, второй линзы в виде отрицательного мениска, третьей двояковогнутой линзы, по крайней мере, одна из поверхностей которой выполнена асферической, четвертой двояковогнутой линзы и пятой двояковыпуклой линзы, а вторая группа содержит пять одиночных линз, первая из которых представляет собой положительный мениск, вторая - отрицательный мениск, третья - двояковыпуклую линзу, четвертая - положительный мениск, по крайней мере, одна из поверхностей которого выполнена асферической, пятая - положительный мениск, обращенный выпуклостью в сторону модулятора.
