具有大的后焦距与焦距之比的投影透镜.pdf

摘要
申请专利号：	CN97105524.6	申请日：	1997.05.26
公开号：	CN1180841A	公开日：	1998.05.06
当前法律状态：	终止	有效性：	无权
法律详情：	专利权的终止(未缴年费专利权终止)授权公告日：2003.1.8\|\|\|专利申请权、专利权的转移(专利权的转移)变更项目:专利权人变更前权利人:3M精密光学股份有限公司变更后权利人:3M创新有限公司变更项目:地址变更前:美国俄亥俄州变更后:美国明尼苏达州登记生效日:2003.9.12\|\|\|专利权人的姓名或者名称、地址的变更变更事项:专利权人变更前:康宁精密镜片股份有限公司变更后:3M精密光学股份有限公司\|\|\|专利权人的姓名或者名称、地址的变更变更事项:专利权人变更前:美国精密镜片股份有限公司变更后:康宁精密镜片股份有限公司\|\|\|授权\|\|\|\|\|\|公开
IPC分类号：	G02B3/02	主分类号：	G02B3/02
申请人：	美国精密镜片股份有限公司;
发明人：	梅尔文·H·克赖泽尔; 雅各布·莫斯科维奇
地址：	美国俄亥俄州
优先权：	1996.05.24 US 60/018,325
专利代理机构：	上海专利商标事务所	代理人：	李家麟
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内容摘要

一种用来形成某一物的象的投影透镜,它包含:第一透镜单元、第二透镜单元和第三透镜单元,并且满足:D12/f0>1.0,D23/f0>0.7,1.5<(D12+D23+BFL)/BFL<4.0,以及BFL/f0>3.0。

权利要求书

1.一种用来形成某一物的象的投影透镜，其特征在于，按从其象端到其物端
的次序，所述透镜包含：
(A)第一透镜单元，它具有负的光焦度，并包含一个具有至少一个非球面的
塑料透镜元件；
(B)第二透镜单元，它具有负的光焦度或弱的正光焦度，并包含一个颜色校正
双合透镜；
(C)第三透镜单元，它具有正的光焦度，并在玻璃元件或弱塑料元件上包含一
个非球形表面；
其中：
D₁₂/f₀＞1.0
D₂₃/f₀＞0.7
1.5＜(D₁₂+D₂₃+BFL)/BFL＜4.0，以及
BFL/f₀＞3.0
这里，
(i) f₀是第一、第二和第三透镜单元组合的有效焦距；
(ii) BFL是第一、第二和第三透镜组合对于沿投影透镜的长共轭侧方
向，位于无限远处物体的后焦距；
(iii)D₁₂是第一和第二透镜单元的间距；
(iv)D₂₃是第二和第三透镜单元的间距。
2.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，
BFL/f₀＞4.0。
3.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，
BFL/f₀＞5.0。
4.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，
|EPD|/f₀＞4.0，
这里，对于从物到象传播的光来说，EPD是从物到投影透镜入射光瞳的距离。
5.如权利要求4所述的投影透镜，其特征在于，
|EPD|/f₀＞100。
6.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第一透镜单元包含至少
两个非球面。
7.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第一透镜单元由单个透
镜元件组成。
8.如权利要求7所述的投影透镜，其特征在于，所述单个透镜单元具有两个
非球面。
9.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第一透镜单元包含两个
透镜元件。
10.如权利要求9所述的投影透镜，其特征在于，所述两个透镜元件中的每
一个具有两个非球面。
11.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第二透镜单元包含两
个颜色校正双合透镜。
12.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第二透镜单元仅包含
玻璃透镜元件。
13.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述第三透镜单元包含一
个颜色校正双合透镜。
14.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，当将透镜从室温加热到工
作温度时，BFL基本不变。
15.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述f₀小于20毫米。
16.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，其中，
1.0＜D₁₂/D₂₃＜2.5。
17.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述透镜在象处的畸变小
于一个百分点。
18.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述透镜沿象的方向的二
分之一视场大于约35°。
19.如权利要求1所述的投影透镜，其特征在于，所述物体是象素化板。
20.如权利要求19所述的投影透镜，其特征在于，所述透镜在物处的横向色
差小于约一个象素。
21.一种用来形成某一物体的象的投影透镜系统，其特征在于，所述系统包
含：
(a)一照明系统，它包含一光源和形成所述光源的象的照明光学装置，所述
光源的所述象是所述照明系统的输出；
(b)一象素化板，它包含所述物体；以及
(c)权利要求1所述的投影透镜，
其中，所述投影透镜具有一入射光瞳，所述入射光瞳的位置基本对应于所述
照明系统的输出的位置。
22.一种形成某一物体的象的可变放大率投影透镜系统，其特征在于，它包
含：
(A)一照明系统，它包含一光源和形成所述光源的象的照明光学装置，所述
光源的所述象是所述照明系统的输出；
(B)一象素化板，它包含所述物体；以及
(C)一投影透镜，它包含：
(i)第一透镜单元，它具有负的光焦度，并包含一个具有至少一个非球面
的塑料透镜元件；
(ii)第二透镜单元，它具有负的光焦度或弱的正光焦度，并包含一个颜色
校正双合透镜；
(iii)第三透镜单元，它具有正的光焦度，并在玻璃元件或弱塑料元件上包
含一个非球形表面；
其中，通过改变所述象素化板与第二和第三透镜单元之间的距离并使(a)第二
透镜单元与第三透镜单元之间的距离以及(b)第一透镜单元与象素化板之间的距
离保持不变，来改变投影透镜系统的放大率。

说明书

具有大的后焦距与焦距之比的投影透镜

本发明涉及一种投影透镜组，尤其涉及一种可以特别用来形成由象素组成的
物体(例如LCD或DMD)的象的投影透镜组。

投影透镜系统(本文中也称为“投影系统”)用来在观察屏幕上形成物体的象。
这种系统的基本结构如图7所示，图中，标号10为光源(例如卤-钨灯)，标号12
为形成光源的象的照明光学装置(下文中称为照明系统的“输出”)，标号14为要
投影的物体(例如接通(on)和断开(off)的象素的阵列)，标号13为由多个透镜元件
组成并在观察屏幕16上形成物体14的放大象的投影透镜。图7绘出的是LCD板
的情况，这种情况下照明系统的输出投射板的后背并穿过那些透明的象素。另一
方面，DMD通过反射而工作，因而照明系统的输出通过棱镜或类似的装置引到
板的前面。

其中的物体是象素化板的投影透镜系统用于作各种不同的应用场合，包括数
据显示系统。这种投影透镜系统最好采用单个的投影透镜，该透镜形成具有如
红、绿和蓝象素的单块板，或三块单独的板的象，每块板用于一种颜色。在某些
情况下，采用两块板，每块板用于两种颜色(例如红和绿)，而另一块板用于一种
颜色(例如蓝色)。用于两种颜色的板有一个旋转滤光片轮(spinning filter wheel)或
类似的装置，并且与滤光片同步地交替将两种颜色的信息馈送给板。

人们需要一种与象素化的板一起使用的投影透镜，这种象素化的板同时具有
至少下述性能：(1)很长的后聚焦长度，例如，后焦距至少大于透镜焦距的三倍；
(2)高水平的颜色校正；(3)低畸变；(4)对温度变化的低灵敏度。

需要后焦距(即从最后一个透镜表面到象素化板的距离)较长，特别是在使用
多块板的情况下更是如此，以容纳光学元件，例如滤光片、分束镜、棱镜等，这
些光学元件用来组合来自不同颜色的光路的光，透镜系统将该光投射到观察屏幕
上。另外，对于相当大的输出距离，长后焦距使得照明系统的输出位于投影透镜
的附近。要求相当大的输出距离是因为它们对于象素化板处的光提供了相当小的
入射角，这在LCD板的情况下尤其重要。

高水平的颜色校正很重要是因为在象素化板的象中可以容易地看到色差，使
象素模糊不清，或者在极端的情况下，是象素完全从象中。这些问题在场的边缘
处通常最严重。一般说来，在象素化板处测量的颜色校正应当好于约一个象素，
最后好于半个象素，以避免这些问题。

系统的所有色差都需要被涉及到，而横向颜色、彗形象差的颜色改变及象散
色差通常最为复杂。横向颜色(即放大倍数随颜色而改变)是最麻烦的，这是因为
其自身表现在对比度的下降，特别是在场的边缘处。在极端的情况下，可以看到
满场区域中的虹彩效应。

在采用阴极射线管(CRT)的投影系统中，少量的(残余)横向颜色例如可以通过
如相对于蓝色CRT上产生的图象的尺寸减小在红色CRT表面上产生的图象的尺
寸用电子学的方法作补偿。然而采用象素化板，是不能够进行这样的调节的，这
是因为图象是数字化的，并且因此不寸可能平滑调节全场观察的尺寸。因此需要
从投影透镜得到高水平的横向颜色校正。

采用象素化板来显示数据对校正畸变有严格的要求。这是因为在观察数据时
即使在透镜观察场的极端点处也要求图象质量良好。在下面读者将看到，被显示
的数字或字母的无畸变图象在场的边缘处与在中心处是一样重要的。再有，投影
透镜经常与偏置板一起使用，例如，图1所示的透镜就是为此用途而设计的。在
这种情况下，观察屏幕上的畸变不会对称于通过屏幕中心处的水平线而改变，但
会例如从屏幕的底部到顶部单调的增加。这种效果使得很少量的畸变也能被观察
者观察到。

为了产生具有足够亮度的图象，必须有大量的光通过投影透镜。因而室温与
透镜的工作温度之间通常存在显著的温差。另外，要求透镜能够在各种环境条件
下工作。例如，投影透镜系统经常被安装在房间的天花板上，该房间可能包含房
屋的屋顶，而屋顶处的环境温度可以大大高于40℃。为了消除这些影响，要求
投影透镜的光学性能对温度变化相当不灵敏。

解决温度灵敏度问题的一个途径是使用由玻璃组成的透镜元件。与塑料相
比，玻璃元件的曲率半径的变化通常比塑料元件的曲率半径的变化要小。但是，
玻璃元件通常比塑料元件贵，特别是为控制色差而需要采用非球面表面时更是如
此。如下所述，可以采用塑料元件，并且如果恰当选择塑料元件的光焦度和位置，
仍然可以实现对温度不灵敏。

下述投影透镜满足了所有上述要求，并且可以成功地用来产生低成本的投影
透镜系统，这种系统能够在观察屏幕上形成象素化板的高质量彩色图象。

Taylor的美国专利4,189,211、Tanaka等人的美国专利5,042,929、Yano等
人的美国专利5,179,473、Moskovich的美国专利5,200,861、Moskovich的美国
专利5,218,480、Iizuka等人的美国专利5,278,698、Betensky的美国专利
5,313,330和Yano的美国专利5,331,462中描述了用于象素化板的投影透镜。
LCD系统的讨论可参见Gagnon等人的美国专利4,425,028、Gagnon的美国专利
4,461,542、Ledebuhr的美国专利4,826,311和EPO专利公报311,116。

鉴于上述，本发明的目的是提供一种用于象素化板的改进的投影透镜，这些
透镜同时具有上面讨论的四个所要求的性能中的第一个性能。这一目的是借助于
这样一个投影透镜组来实现的，该投影透镜组从象侧至物侧(即从长共轭侧至短共
轭侧)包含：

(A)第一透镜单元，它具有负光焦度，并包含一个塑料透镜元件，该塑料透
镜元件具有至少一个非球面表面；

(B)第二透镜单元，它具有负的光焦度数或弱的正光焦度，并且包含颜色校正
双合透镜；

(C)第三透镜单元，它具有正光焦度，并且包含在玻璃元件上或弱塑料元件上
的一个非球面表面；

其中：

D₁₂/f₀＞1.0 (1)

D₂₃/f₀＞0.7 (2)

1.5＜(D₁₂+D₂₃+BFL)/BFL＜4.0，以及 (3)

BFL/f₀＞3.0 (4)

这里，

(i)f₀是第一、第二和第三透镜单元的组合的有效焦距；

(ii)BFL是第一、第二和第三透镜的组合对于沿投影透镜的长共轭侧，位

于无限远处物体的后焦距；

(iii)D₁₂是第一和第二透镜单元之间的距离；

(iv)D₂₃是第二和第三透镜单元之间的距离。

限制条件(1)-(3)与投影透镜的物理结构有关。当满足这些限制条件时，限制
条件(4)也被满足，并仍然实现高水平的颜色校正和低的畸变。在某些实施例中，
BFL/f₀比(限制条件(4))大于4.0，而在另一些实施例中，大于5.0。

除了限制条件(1)-(4)以外，投影透镜最好还能满足下述限制条件：

EPD|/f₀＞4.0 (5)
这里，EPD是从照明光学装置看时，从象素化板到投影透镜入射光瞳的距离。要
求有大的|EPD|/f₀比是因为：(1)为了得到明亮、均匀照射的图象，重要的是使照
明系统的出射光瞳的位置和大小与透镜系统的入射光瞳匹配，(2)当出射光瞳位于
远离光源时，照明光学装置通常工作最佳。另外，要求比较大的|EPD|/f₀，因为
这样会使来自照明光学装置的光以相当小的角度与象素化板相交而使板的工作
状况最好。对于某些实施例，|EPD|/f₀比可以大到100或100以上。

在某些实施例中，可以采用照明系统输出的位置作为投影透镜的伪孔径阑/
入射光瞳来设计本发明的投影透镜(见Betensky的美国专利5,313,330，该发明的
有关部分通过引述包括在此)。这样，在照明系统的光输出和投影透镜之间实现了
有效耦合。图1和图2所示的投影透镜就是以这样的方法来设计的。

按照这些实施例，本发明提供了一种形成物的象的投影透镜系统，它包含：

(a)照明系统，它包含一光源和形成光源的象照明光学装置，所述象是照明系
统的输出；

(b)包括物的象素化板；以及

(c)上述类型的投影透镜，所述投影透镜具有一入射光瞳，其位置大体对应于
照明系统的输出的位置。

在某些实施例中(例如，图1和图2所示的投影透镜)，通过改变象素化板与
第二、第三透镜单元之间的距离但保持(a)第二透镜单元和第三透镜单元之间的距
离以及(b)第一透镜单元和象素化板之间的距离不变，来改变投影透镜的放大倍
数。

本发明的投影透镜还被设计成是大体无热的。正如下文中所讨论的那样，这
是这样来实现的：(1)仅在系统中轴向光束高度较小的点处(即仅在第一单元中)采
用具有光焦度较强的塑料透镜元件；(2)在系统中的其他位置处(如第三单元处)仅
采用弱塑料元件。这样，温度变化基本上不会影响系统的整体光学特性，特别，
基本上不会影响系统的后焦距。

图1-6是按照本发明构造的投影透镜侧视示意图。

图7是采用了本发明投影透镜的总体投影透镜系统示意图。

构成本发明一部分的上述附图描述了本发明的较佳实施例，它们与说明书一
起用来说明本发明的原理，当然，应当理解，附图和说明书仅用来描述本发明，
并不是对本发明的限定。

本发明的投影透镜为反焦型透镜，从图1-6可以看出，它包含三个相距较远
的透镜单元。例如，在如图所示的透镜系统中，某一单元中任何两个透镜单元之
间的最大间距小于两个单元之间最小间距的30％，这里，单元之间的间距(即
D₁₂和D₂₃)是从一个单元的末尾表面量到下一个单元的开头表面的。在图3的透
镜系统中，该比值约为30％。对于所有其他的透镜系统，该比值小于10％。透
镜系统的特征是高水平的色差校正和宽视场，即，视场的二分之一约大于35°。

第一透镜单元具有负光焦度和具有至少一个非球面的至少一个塑料透镜。第
一透镜单元最好包含单个的塑料透镜单元，而这个单个透镜单元具有两个非球面
表面则更好。对于第一透镜单元最好是单个元件，这是因为该单元的元件通常是
系统中最大的，因此使那些元件的尺寸最小就减小了系统的总成本。在某些实施
例中，例如，为了实现超宽视场，第一透镜单元可以包括两个透镜元件，这两个
透镜元件最好都由塑料制成，并且两者都具有两个非球形表面。一般说来，第一
透镜单元，尤其是该单元的非球形表面，起校正系统畸变的作用，而正如上面讨
论的那样，系统畸变是与象素化板一起使用的透镜系统所要高水平校正的。畸变
校正通常在象处要好于一个百分点。

第二透镜单元或者具有负光焦度(图1-4和6)或者具有弱的正光焦度(图5)，
这里，弱的正光焦度指的是光焦度(P₂)小于第一、第二和第三透镜单元的组合的
光焦度(P₀)的10％，并且最好小于5％。第二透镜单元包含至少一个颜色校正双
合透镜，并且在某些情况下，可以包含两个颜色校正双合透镜(图1和图2)。照明
系统的输出位于第二透镜单元的附近，并且因此该单元最好仅包括能够耐受输出
附近产生的热量的玻璃元件。一般说来，第二透镜单元起离轴颜色校正的作用。
第三透镜单元具有正光焦度，并且包含在玻璃元件(图6)上或弱塑料元件(图1-5)
上的非球形表面，这里，弱塑料元件是一个具有绝对值小于第一、第二和第三透
镜单元的组合的光焦度5％的光焦度(P_element)。弱塑料元件在使用时，可以看作是
校正器透镜元件，因为它的用途是校正透镜象差，这与提供系统的光焦度不同。
第三透镜单元最好含有一个颜色校正双合透镜，这样整个系统通常含有两个颜色
校正双合透镜(一个在第二透镜单元内，一个在第三透镜单元内)，并且可以含有
三个颜色校正双合透镜(两个在第二透镜单元内，一个在第三透镜单元内)。

第一和第三透镜单元的光焦度一般相似，并且每一个透镜单元的光焦度明显
大于第二透镜单元的光焦度。

正如上面讨论的那样，本发明的投影透镜是无热的，所以当将投影透镜从室
温加热到工作温度时，系统的光学性能(尤其包括系统的后焦距)基本不变。更具
体地说，后焦距的变化最好小于使系统的调制传递函数(MTF)显著变化的量，例
如，MTF的变化应当小于约5％。对于下面给出的特例，该MTF标准对应于后
焦距的变化小于约0.1毫米。通过对塑料透镜元件的透镜进行选择和放置，来实
现所要求的透镜焦点热稳定。

通常，采用塑料透镜元件有这样一个缺点，即塑料光学材料的折射率会随温
度而显著变化。另一个影响是形状的变化，即塑料光学材料随温度变化而膨胀和
收缩。与折射率的变化相比，后者通常不明显。

如果在透镜中只采用低光焦度的塑料透镜元件，那么可以在塑料光学装置中
的热变化与系统的塑料机械元件或铝机械元件(例如，通常是由热引起焦点热变化
的主要机械来源的透镜镜筒)中的热变化之间实现平衡。在设计中不限制使用光学
塑料(即能够使用具有相当高光焦度的至少某些塑料透镜元件)的优点在于，由于
塑料透镜元件可以模制，非球形光学表面(非球面)可以用来使特定的透镜设计的
能力(性能)最大。使用相当高光焦度的塑料元件还使透镜的总体成本更低。

如果设计中的净塑料光焦度较为显著，则需要进行无热化，否则，当透镜的
温度从室温变化到其工作温度时，透镜的焦点将显著地变化。对于必须将大量的
光传送到观察屏幕并且因此具有显著高于室温的工作温度的投影机而言情况更
是如此。

对于本发明的投影透镜，无热化是通过考虑塑料透镜元件的位置和光焦度以
及那些元件处边缘光线高度来实现的。

就元件将经受的温度变化量(因此即元件的折射率中将要出现的变化量)而
言，塑料透镜元件的位置关系重大。一般说来，靠近光源或光源的象的元件将经
受更大的温度变化。实践中，投影透镜所处的区域中的温度分布是用光源及其相
关的照明光学装置工作来测量的，并且在投影透镜的设计中使用这些测量值。

对于给定的热变化，特定塑料透镜元件处的边缘光线高度决定元件的折射率
变化相对于透镜的总的热稳定性是否显著。边缘光线高度较小的元件比起边缘光
线高度较大的元件一般较少影响到系统的总的热稳定性。

基于上述考虑，本发明的投影透镜的无热化是通过下述途径来实现的：(1)在
边缘光线高度较大的地方仅采用低光焦度的塑料透镜元件，(2)仅在边缘光线高度
较小的地方使用高光焦度的塑料透镜元件，(3)在照明系统的输出处从第二透镜单
元中去掉塑料元件。

最好用下述的计算机化透镜设计程序使实现的无热化程度最佳。首先，在第
一温度分布处形成光线轨迹，并计算后焦距。对于边缘光线，光线轨迹可以是旁
轴光线轨迹。其次，在第二温度分布处形成同样的光线轨迹，并再次计算后焦距。
第一温度分布和第二温度分布在整个透镜上无需恒定，相反，在典型的情况下可
以随透镜元件的不同而不同。随后，当采用透镜设计程序而使系统的设计优化
时，可以将算得的后焦距约束为恒定值。

应当指出，上述方法假设投影透镜和象素化板的机械量在系统温度变化时最
后一个透镜表面与象素化板之间的距离基本保持不变。如果不能确保该假设，则
可以采用其他的措施来进行无热化，例如可以将机械量相对运动的测量值包括在
过程中，或者可以将间距(例如前透镜表面与板之间的距离)假设为机械上固定
的。

除了长的后焦距、高水平的颜色校正、低的畸变和低的温度灵敏度以外，对
于某些应用场合，要求投影透镜具有短的焦距，从而可以实现象素化板的恰当放
大倍数。尤其是，当象素化板为DMD时，就需要这样短焦距的透镜，一般，DMD
具有小于约20毫米的特征尺寸(例如对角线)。图3-6所示的投影透镜的焦距小于
20毫米，所以适合于与DMD配合使用。另一方面，图1-2所示的透镜的焦距在
50毫米以上，所以更适合于与LCD配合使用。图1-2所示透镜的颜色校正比图
3-6所示透镜的颜色校正更好一些，特别是对于像素大小而言，这是因为LCD(图
1-2)的象素大小通常比DMD(图3-6)的象素大小要大得多。

图1至图6描述的是按照本发明构造的各种投影透镜。表1至表6分别列出
了相应的说明和光学性能。标记HOYA或SCHOTT用于透镜系统中采用的玻璃。
实施本发明时可以采用其他制造商制造的等获的玻璃。对于塑料元件可以采用工
业上可接受的材料。

表中列出的非球面系数用于下述等式：
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是在距系统的光轴距离为y处的表面垂弛度(sag)，c是光轴处透镜的曲
率，而k是圆锥常数(conic constant)。

表中使用的缩写如下：

EFL 有效焦距

FVD 前顶点距离

f/ f数

ENP 从长共轭看的入射光瞳

EXP 从长共轭看时的出射光瞳

BRL 镜筒长度

OBJ HT 物高

MAG 放大倍数

STOP 孔径阑的位置

IMD 象距

OBD 物距

OVL 总长

标记“a”与表中的各个表面相关，代表一非球面，即上述等式中的D、E、
F、G、H或I中的至少一个不为零的表面。标记“c”代表上述等式中的k值
不为零的一个锥面。表中给出的所有尺寸均以毫米为单位。这些表格是在假设图
中的光是从左到右传播的基础上构成的。实际应用中，观察屏幕位于左侧，而象
素化板位于右侧，并且光从右侧传播到左侧。象素化板在图中用标记“PP”表
示。

表1和表2中，第一透镜单元(U₁)包含表面1-2，第二透镜单元(U₂)包含表面
3-10，第三透镜单元(U₃)表示表面11-17。表面1 8-19代表玻璃板，例如，透镜
系统后端处的防护板。尽管将其包括在表1和表2的一级性能计算中，但它们不
是透镜系统的一部分，并且不被包括在表7和表8中列出的透镜性能一览表内。

表3中，第一透镜单元(U₁)包含表面1-4，第二透镜单元(U₂)包含表面5-7，
第三透镜单元(U₃)表示表面9-15。表面16-18代表位于透镜系统的后端处的棱镜
和相关的DMD元件。尽管将它们包括在表3的一级性能计算中，但它们不是透
镜系统的一部分，并且不被包括在表7和表8中列出的透镜性能一览表内。

表4-5中，第一透镜单元(U₁)包含表面1-2，第二透镜单元(U₂)包含表面3-5，
第三透镜单元(U₃)表示表面7-13。与表3中相同，表面14-16代表透镜系统后端
处的DMD元件，这些元件未包括在表7和表8中列出的透镜性能一览表中，但
包括在表4-5的一级性能计算中。

表6中，第一透镜单元(U₁)包含表面1-2，第二透镜单元(U₂)包含表面3-5，
第三透镜单元(U₃)表示表面7-11。与表3-5中相同，表面12-14是表7和表8中
不包括的DMD元件，但它们包括在表6的一级性能计算中。

正如上面讨论的那样，图1和图2的投影透镜是用Betensky的美国专利
5,313,330中的伪孔径阑/入射光瞳技术来设计的。表1和表2中的表面20构成伪
孔径阑。它的位置与照明系统的输出位置对应。从标明“变量空间”的子表中可
以看出，对于投影透镜系统的所有焦点位置(放大率)，从伪孔径阑到象素化板的
距离(即“象距”)基本不变。

也正如上面讨论的那样，图1和图2中的投影透镜可以用相对于象素化板保
持第一单元固定并使第二单元和第三单元作为一组相对于板移动来聚焦。也可以
先使整个投影透镜移动并随后使第一单元往后移动到其恒定的位置上。如图1和
图2所示，使第二单元和第三单元移动5-10毫米的数量级，可以使放大率变化约
六倍。图3-6所示的投影透镜是通过使整个透镜相对于象素化板移动来聚焦的。

表7和表8总结了本发明透镜系统的各种性能。这些表中列出的值本质上是
用于第一、第二和第三透镜单元的，并且不包括图1-6中所示的那些单元以后的
光学元件。BFL值是对沿系统长共轭方向无限远处的物体计算的。应当指出，表
7的EPD值与前面的表中的EXP值对应，但表1和表2除外，那里，EPD值是
从“可变空间”子表获得的。

如表8中所示，透镜系统1-6中的每一个满足上面设置的限制条件(1)至(5)。
另外，该表给出D₁₂与D₂₃之比落在本发明的透镜系统的下述范围内：

1.0＜D₁₂/D₂₃＜2.5 (6)
尽管上文中描述了本发明的特定实施例，但应当指出，对于本领域的普通技术人
员来说，很明显，可以从上文揭示的内容中对上述实施例作各种修改，这些修改
均不偏离本发明的范围和精神。

表1
透明数据通光孔径

表面表面半径厚度玻璃直径

编号类型

1 a 368.5410 5.00000 聚丙烯的 106.58

2 a 45.6769 1 83.33

3 153.3231 7.50000 FD2 38.39

4 -72.7876 0.85000 37.24

5 -78.3469 3.00000 TAF1 36.55

6 38.4407 9.30000 C10 36.14

7 -155.9928 0.18000 36.91

8 -515.5717 3.50000 LAC14 37.13

9 37.4924 10.30000 F5 38.65

10 -382.1087 54.70000 39.76

11 -281.0522 9.60000 FC5 58.31

12 -67.1076 3.00000 59.72

13 a -52.3755 8.00000 ACRYLIC 59.77

14 a -54.3902 0.20000 62.82

15 -397.9817 6.00000 FD6 63.23

16 163.8136 15.00000 FC5 64.27

17 -74.5926 Space 2 65.18

18 ∞ 7.50000 C5 66.15

19 ∞ -89.65000 66.88

20 孔径阑像距 79.49
符号说明

                a-多项式非球面
偶项式非球面
表面
符号       D            E           F             G            H           I
1    9.4659E-07  -5.7939E-10  -5.1394E-14  1.8767E-16  -6.7075E-20   7.5390E-24
2    1.2713E-07  -3.4925E-10  -6.8949E-13  -1.9181E-16  6.0301E-19  -2.2113E-22
13    2.1223E-07   4.2506E-10   8.1369E-15   8.1278E-17  6.1788E-22   2.7541E-23
14    4.0595E-07   2.6522E-10   1.3626E-13  -8.7488E-17  6.4370E-20   3.6391E-24
变量空间

焦点位置间距1T(2) 间距2T(17) 焦距移动像距

1 106.620 5.370 -0.300 355.003

2 101.220 10.770 -0.300 354.997

3 111.990 0.000 -0.500 355.007

表1(续)
系统第一级性能，位置1

OBJ HT：-1520.0 f/ 4.50 MAG: -0.0380

STOP： 0.00 表面20以后 DIA：79.494

EFL： 80.0069 FVD：520.972 ENP：67.4373

IMD： 355.003 BRL：165.970

OBD： -2056.18 OVL：2577.15
系统第一级性能位置2

OBJ.HT：-900.00 f/ 4.50MAG： -0.0640

STOP： 0.00 表面20以后 DIA：79.470

EFL： 82.4051 FVD：520.967 ENP：66.8465

IMD： 354.997 BRL：165.970

DBD： -1240.13 OVL：1761 10
系统第一级性能，位置3

OBJ.HT：-5300.0 f/ 4.50 MAG： -0.0108

STOP： 0.00 表面20以后 DIA：79.560

EFL： 77.7565 FVD： 520.977 ENP 68.0207

IMD： 355.007 BRL： 165.970

OBD： -7148.70     OVL：  7669.68
元件的一级性能
元件号   表面号      光焦度           f′    1pp        1′pp
  1      1    2   -0.94219E-02    -106.14    3.8404     0.47598
  2      3    4    0.13041E-01     76.678    3.1189    -1.4807
  3      5    6   -0.30437E-01    -32.854    1.1205    -0.54976
  4      6    7    0.16064E-01     62.251    1.2428    -5.0435
  5      8    9   -0.20074E-01    -49.815    1.9145    -0.13922
  6      9    10   0.17619E-01     56.758    0.57800   -5.8907
  7      11   12   0.56303E-02     177.61    8.3458     1.9927
  8      13   14   0.10916E-03     9160.9    445.40     462.54
  9      15   16  -0.70362E-02    -142.12    2.3337    -0.96059
  10     16   17   0.93462E-02     106.99    7.0674    -3.2181
双合透镜的第一级性能
元件号表面号    光焦度          f′      1pp        1′pp
  3 4  5  7   -0.13497E-01    -74.092    -1.0131    -9.0861
  5 6  8  10  -0.22018E-02    -454.17    -3.8246    -12.430
  9 10 15 17   0.28380E-02     352.36     28.772     16.685

表2
透明数据通光孔径

表面表面半径厚度玻璃直径

编号类型

1 a 429.0479 5.00000 聚丙烯的 108.02

2 a 46.0871 1 85.64

3 308.4044 7.50000 FL5 37.01

4 -49 2176 0.85000 35.75

5 -49.6570 3.00000 TAF1 34.14

6 42.9034 9.30000 C10 31.96

7 -62.7809 0.50000 32.30

8 -104.5868 3.20000 TAF1 32.36

9 37.3326 9.30000 FD8 34.15

10 -156.2506 72.27450 35.36

11 -1142.8400 9.60000 FC5 61.00

12 -68.7114 3.30000 61.75

13 a -52.1950 8.00000 聚丙烯的 61.68

14 a -56.2840 0.20000 64.67

15 -356.0175 5.70000 FD6 64.65

16 174.7998 14.30000 FC5 65.48

17 -79.1509 Space 2 66.20

18 ∞ 7.50000 C5 64.11

19 ∞ -89.65000 64.08

20 孔径阑像距 79.49
符号说明

           a-多项式非球面
偶项式非球面
表面
编号       D          E             F            G            H            I
1    5.0896E-07  -4.1457E-10  -6.9178E-14   1.8713E-16  -6.7901E-20   7.7140E-24
2   -6.6893E-07  -2.0408E-10  -6.7153E-13  -1.6876E-16   5.6336E-19  -2.0869E-22
13    1.4772E-07   4.0695E-10  -1.4288E-13   2.1258E-16  -1.3073E-19   7.5704E-23
14    4.4237E-07   1.4337E-10   2.4751E-13  -2.2448E-16   1.0947E-19   8.6717E-25
变量空间

焦点位置间距1T(2) 间距2T(17) 像距焦距移动

1 118.697 5.370 354.996 -0.270

2 116.297 7.770 355.021 -0.270

3 121.467 2.600 355.015 -0.270

表2(续)
系统第一级性能，位置1

OBJ.HT：-1160.0 f/ 4.50 MAG： -0.0380

STOP 0.00 表面20以后 DIA： 79.476

EFL： 62.9170 FVD：548.937 ENP：69.0765

IMD： 354.996 BRL：193.941

OBD：-1597.85 OVL：2146.79
系统第一级性能，位置2

OBJ. HT：-715.00 f/ 4.50MAG： -0.0620

STOP： 0.00 表面20以后 DIA： 79.472

EFL： 63.6221 FVD：548.962 ENP：68.8085

IMD： 355.021 BRL：193.941

OBD： -968.875 OVL：1517.84
系统第一级性能，位置3

OBJ.HT：-4400.0 f/ 4.50MAG： -0.0100

STOP：0.00 表面20以后 DIA： 79.488

EFL： 62.1225 FVD：548.956 ENP：69.3830

IMD： 355.015 BRL：193.942

0BD：-6153.74    OVL：6702.70
  元件的一级性能
元件号  表面号  光焦度            f′      1pp        1′pp
  1     1   2  -0.95218E-02    -105.02    3.7663     0.40456
  2     3   4   0.13672E-01     73.144    4.1130    -0.65638
  3     5   6  -0.34201E-01    -29.239    0.89346   -0.77195
  4     6   7   0.19173E-01     52.156    2.5873    -3.7861
  5     8   9  -0.28491E-01    -35.099    1.3147    -0.46929
  6     9  10   0.22583E-01     44.281    1.0799    -4.5198
  7     11 12   0.67104E-02     149.02    6.8390     0.41118
  8     13 14  -0.24281E-03    -4118.5   -193.50    -208.66
  9     15 16  -0.69649E-02    -143.58    2.0990    -1.0306
10     16 17   0.88121E-02     113.48    6.7344    -3.0494
双合透镜的第一级性能
元件号   表面号  光焦度             f′      1pp       1′pp
3  4    5  7   -0.12825E-01    -77.974    -4.1287    -12.745
5  6    8  10  -0.49113E-02    -203.61    -5.8088    -13.507
9  10   15 17   0.23238E-02     430.34     31.545     20.224

表3
透明数据通光孔径

表面表面半径厚度玻璃直径

编号类型

1 a 2023.5141 6.50000 聚丙烯的 79.85

2 a 34.7639 14.52895 58.68

3 a 134.3043 6.00000 聚丙烯的 56.35

4 a 64.3362 78.21745 50.16

5 -36.0676 2.00000 LAK8 15.96

6 18.6395 5.50000 SF15 15.61

7 -65.0770 18.65000 15.53

8 孔径阑 31.74455 15.26

9 582.7881 7.00000 FK5 26.57

10 -28.0086 2.50000 SF6 27.58

11 -69.3662 0.20000 29.62

12 47.6849 8.50000 FK5 31.71

13 -47.6849 0.50000 31.89

14 a -66.0000 4.50000 聚丙烯的 31.52

15 a -51.0000 1.20000 31.42

16 ∞ 70.67000 BK7 30.69

17 ∞ 3.00000 ZK7 20.37

18 ∞ 10.47164 19.93
符号说明

a-多项式球面表面

             焦点平移＝    0.03796
偶项式非球面
表面
符号    D               E            F           G           H            I
1    1.6047E-06    2.3044E-10  -2.1672E-15  4.4338E-17  -5.7852E-21  -1.5003E-23
2   -4.1021E-06   -9.2507E-11   2.0540E-12  1.0280E-15   2.4804E-19  -1.8987E-22
3    1.0218E-06   -2.3579E-10  -1.1271E-12  3.1803E-16  -7.2539E-19   1.9049E-21
4    5.1894E-06    6.9149E-10  -6.0898E-12 -2.7710E-15   2.2080E-18   5.3959E-21
14  -2.2395E-06    8.9092E-09   5.2995E-12  2.6729E-15   6.1593E-17  -3.4316E-19
15   3.7601E-06    7.4597E-09   2.0109E-11  5.3271E-15   -1.2006E-16  3.1859E-20

表3(续)
系统第一级性能，位置

OBJ.HT：-880.00 f/ 3.00 MAG： -0.0100

STOP： 0.00 表面8以后 DIA：14.803

EFL： 11.4999 FVD： 271.683 ENP：44.3891

IMD： 10.4716 BRL： 261.211 EXP：-2210.50

OBD： -1105.66    OVL：  1377.34
  元件的一级性能
元件号表面号   光焦度          f′        1pp    1′pp
  1    1  2   -0.13945E-01   -71.712    4.4322    0.76146E-01
  2    3  4   -0.38850E-02   -257.40    7.9349    3.8011
  3    5  6   -0.59167E-01   -16.901    0.75678  -0.39110
  4    6  7    0.47297E-01    21.143    0.73852  -2.5784
  5    9  10   0.18234E-01    54.841    4.5021   -0.21637
  6    10 11  -0.16830E-01   -59.417   -0.96005  -2.3777
  7    12 13   0.19915E-01    50.213    2.9401   -2.9401
  8    14 15   0.24186E-02    413.46    12.059    9.3184
双合透镜的第一级性能
元件号  表面号    光焦度           f′      1pp        1′pp
  3  4    5  7  -0.87079E-02    -114.84    -5.3788    -10.254
  5  6    9 11   0.11761E-02     850.27     15.144     9.1525

表4
透明数据通光孔径

表面表面半径厚度玻璃直径

编号类型

1 a 832.6757 9.00000 聚丙烯的 94.49

2 ac 30.0992 120.64190 67.91

3 -198.0282 3.00000 LAC8 37.20

4 34.8452 9.50000 FD8 36.31

5 -180.9231 54.00602 36.02

6 孔径阑 42.00000 23.45

7 97.5036 9.50000 FC5 35.95

8 -46.4020 3.16000 SF6 36.60

9 -141.7385 4.60000 38.18

10 a -55.3507 6.25478 聚丙烯的 38.51

11 a -50.2569 0.70000 42.05

12 -297.6356 10.13644 FC5 43.93

13 -39.0453 10.00000 45.07

14 ∞ 102.50000 BK7 41.01

15 ∞ 3.00000 ZK7 26.00

16 ∞ 0.99729 26.00
符号说明

a-多项式非球面

c-锥形截面

焦点平移＝ 0.00000
圆锥

表面常数

编号

                2          -9.0000E-01
偶项式非球面
表面编号       D           E             F            G          H              I
   1     2.0459E-08   -4.3610E-11   6.1077E-14   1.6799E-18  -9.6593E-21   1.5489E-24
   2     2.8170E-07    1.0846E-10  -3.4780E-13   5.2951E-16   3.9333E-19  -3.7853E-22
  10    -7.8808E-06   -3.5347E-09  -2.5932E-12  -1.4259E-15   7.3563E-17  -1.3990E-19
  11    -2.4815E-06   -2.5456E-09   4.0267E-12   9.9295E-15  -1.9894E-17   5.4499E-21

表4(续)
系统第一级性能，位置

0BJ.HT：-1220.0 f/ 3.00 MAG： -0.0100

STOP：0.00 表面6以后 DIA： 22.201

EFL： 16.7012 FVD：388.996 ENP：53.0427

IMD： 0.997294 BRL：387.999 EXP：-2799.63

OBD： -1617.18    OVL：2006.17
  元件的一级性能
元件号表面号    光焦度        f′        1pp       1′pp
  1    1  2  -0.15753E-01    -63.479    6.2742     0.22680
  2    3  4  -0.24299E-01    -41.154    1.4786    -0.26017
  3    4  5   0.23329E-01     42.864    0.92221   -4.7883
  4    7  8   0.15221E-01     65.700    4.4183    -2.1027
  5    8  9  -0.11605E-01    -86.172  -0.86130    -2.6309
  6    10 11  0.12712E-02    786.67    32.363      29.385
  7    12 13  0.11024E-01     90.709    7.7351      1.0147
双合透镜的第一级性能
元件号表面号  光焦度           f′        1pp       1′pp
  2 3  3  5  -0.29917E-03    -3342.6    -90.725    -100.82
  4 5  7  9   0.38352E-02     260.74    0.66215    -7.5574

表5
透明数据通光孔径

表面表面半径厚度玻璃直径

编号类型

1 a 12057.0951 9.00000 聚丙烯的 86.18

2 ac 26.2462 120.77813 61.46

3 -574.2251 3.00000 LAC8 38.70

4 41.7117 9.50000 FD8 37.90

5 -205.2798 54.32126 37.53

6 孔径阑 42.00000 24.32

7 101.0769 9.50000 FC5 35.62

8 -45.9452 3.16000 SF6 36.23

9 -144.9350 4.60000 37.75

10 a -54.7664 6.23804 聚丙烯的 38.10

11 a -50.6562 0.70000 41.50

12 -277.7475 9.68102 FC5 43.21

13 -39.1902 10.00000 44.29

14 ∞ 102.50000 BK7 40.44

15 ∞ 3.00000 ZK7 25.08

16 ∞ 1.00563 24.63
符号说明

a-多项式非球面

c-锥形截面

焦点平移＝ 0.00000
圆锥

表面常数

                            编号2    -9.0000E-01
偶项式非球面
表面编号      D            E            F            G           H             I
  1      8.1077E-08  -4.9913E-11   5.9749E-14   1.1278E-18  -1.0091E-20   1.4111E-24
  2     -1.1414E-07   4.1498E-10  -1.5660E-13   5.5103E-16   3.2180E-19  -5.1455E-22
  10    -7.7823E-06  -3.3365E-09  -1.9906E-12  -5.9533E-17   7.6060E-17  -1.3444E-19
  11    -2.6114E-06  -2.4026E-09   4.3735E-12   1.0618E-14  -1.8774E-17   4.8159E-21

表5(续)
系统第一级性能，位置

0BJ.HT：-1220.0 f/ 3.00 MAG： -0.0100

STOP：0.00 表面6以后 DIA：23.170

EFL： 16.7013 FVD：388.984 ENP：47.4679

IMD： 1.00563 BRL：387.978 EXP：-1214.27

OBD： -1622.89    OVL：2011.88
  元件的一级性能
元件号  表面号    光焦度          f′       1pp         1′pp
  1      1  2  -0.18768E-01    -53.283    6.0396     0.13147E-01
  2      3  4  -0.18454E-01    -54.190    1.6264    -0.11814
  3      4  5   0.19708E-01     50.741    0.96215   -4.7351
  4      7  8   0.15157E-01     65.977    4.4810    -2.0369
  5      8  9  -0.11907E-01    -83.981   -0.82089   -2.5895
  6      10 11  0.10986E-02     910.28    37.054     34.273
  7      12 13  0.10863E-01     92.055    7.4695      1.0539
双合透镜的第一级性能
元件号表面号      光焦度        f′     1pp      1′pp
2  3  3  5    0.16469E-02    607.19    14.554    7.3696
4  5  7  9    0.34689E-02    288.28    0.30695  -7.9026

表6
透明数据通光孔径

表面表面半径厚度玻璃直径

编号类型

1 a 292.8219 9.00000 聚丙烯的 96.26

2 ac 28.1642 120.24370 66.85

3 -266.8324 3.00000 LAC8 35.99

4 33.2578 9.50000 FD8 34.91

5 -259.6141 53.16168 34.46

6 孔径阑 42.00000 23.38

7 519.0042 9.50000 FC5 34.73

8 -47.2408 3.16000 SF6 36.16

9 -131.0132 5.87579 38.06

10 72.7138 10.13644 FC5 42.51

11 ac -56.1142 10.00000 42.74

12 ∞ 102.50000 BK7 39.77

13 ∞ 3.00000 ZK7 25.31

14 ∞ 1.02121 24.88

符号说明

a-多项式非球面

c-锥形截面

焦点平移＝ -0.08000
圆锥

表面常数

编号

2 -9.0000E-01

                   11      -1.4000E+00
偶项式非球面
表面编号        D         E              F            G             H         I
  1      1.4941E-07  -1.6298E-10   9.7911E-14    4.6897E-18  -1.2743E-20   2.18366E-24
  2      9.2188E-07   3.5505E-10  -3.3822E-13    5.5051E-16   3.0208E-19  -1.9330E-22
  11     1.5012E-06  -4.0662E-09   1.4997E-11   -7.7650E-15  -5.8554E-17   8.2240E-20

表6(续)
系统第一级性能，位置

OBJ.HT：-1220.0 f/ 3.00 MAG： -0.0100

STOP：0.00 表面6以后 DIA：22.169

EFL： 16.6986 FVD：382.099 ENP：53.5799

IMD： 1.02121 BRL：381.078 EXP：-879.883

OBD：-1616.60 OVL：1998.70

元件的一级性能
元件号  表面号   光焦度         f′       1pp       1′pp
  1     1  2  -0.15668E-01   -63.826    6.7420     0.64846
  2     3  4  -0.24318E-01   -41.121    1.5479    -0.19293
  3     4  5   0.23233E-01    43.042    0.64535   -5.0377
  4     7  8   0.11234E-01    89.012    5.8797    -0.53518
  5     8  9  -0.10813E-01   -92 478   -0.99999   -2.7733
  6     10 11  0.15045E-01    66.469    3.9439    -3.0436
双合透镜的第一级性能
元件号表面号      光焦度    f′       1pp      1′pp
  2 3    3  5  -0.61182E-03  -1634.5  -30.284    -38.357
  4 5    7  9   0.36454E-03  2743.2    19.667     11.551

表7

  透镜
    f₀
    D₁₂
    D₂₃
    BFL
    f₂
    EPD
  1
    77.03
    113.79
    54.70
    265.98
    -418.41
    355
  2
    61.8G
    122.40
    72.27
    271.94
    -213.40
    355
  3
    11.50
    78.22
    50.40
    60.08
    -114.84
    2200
  4
    16.70
    120.64
    96.01
    80.31
    -3342.6
    2800
  5
    16.70
    120.78
    96.32
    80.32
    607.19
    -1214.3
  6
    16.70
    120.24
    95.16
    80.33
    -1634.5
    -879.9

表8

透镜
    D₁₂/f₀
    D₂₃/f₀
  D₁₂+D₂₃+BFL
    BFL/f₀
  |EPD|/f₀
    D₁₂/D₂₃
    f₀/f₂
    BFL
  1
    1.48
    0.71
    1.63
    3.45
    4.61
    2.08
    -0.184
  2
    1.98
    1.17
    1.72
    4.40
    5.74
    1.69
    -0.290
  3
    6.80
    4.38
    3.14
    5.22
    191.30
    1.55
    -0.100
  4
    7.22
    5.75
    3.70
    4.81
    167.66
    1.26
    -0.005
  5
    7.23
    5.77
    3.70
    4.81
    72.71
    1.25
    0.028
  6
    7.20
    5.70
    3.68
    4.81
    52.69
    1.26
    -0.010