ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ПРОЕКЦИОННЫЙ ОБЪЕКТИВ

Предлагаемая полезная модель относится к области оптического приборостроения, в частности, к широкоугольным проекционным объективам, например типа «рыбий глаз» используемым, например, для проецирования на плоский или сферический экран изображений, формируемых DMD и LCD модуляторами.
К объективам данного типа предъявляются особые дополнительные требования, связанные со спецификой работы проекционной системы.
В частности:
- большой задний отрезок в пространстве модулятора LCD S'≥(8-9)f', где f' - фокусное расстояние объектива, для установки перед модулятором цветоделительной призмы с фильтрами;
- телецентрический ход лучей в пространстве модулятора;
- большое относительное отверстие, не ниже D:F=1:2,5;
- угловое поле зрения 2β до 175°;
- технологичность конструкции оптической системы, отсутствие сложных несферических поверхностей.
Известны широкоугольные проекционные объективы [1], содержащие три группы линзовых элементов и призму, расположенную со стороны модулятора. Первая группа в направлении от 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 включает три линзовых элемента, один из которых представляет собой склеенный дублет.
Апертурная диафрагма расположена между второй и третьей группами линзовых элементов.
Недостатками широкоугольного проекционного объектива являются его низкое относительное отверстие, равное 1:3 и нетехнологичность, вызванная наличием двух асферических поверхностей.
I
I,1
I,2
II
III
Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели является широкоугольный проекционный объектив, например, для проецирования изображений, формируемых DMD и LCD модуляторами на экран [2], содержащий в направлении от поверхности экрана к плоскости модулятора первую группу линзовых элементов с отрицательной оптической силой φ, включающую линзу в форме отрицательного мениска с оптической силой φ и двояковогнутую линзу с оптической силой φ вторую группу в виде одиночного линзового компонента с положительной оптической силой φ и третью группу линзовых элементов с положительной оптической силой φ, апертурную диафрагму, расположенную между второй и третьей группами линзовых элементов и призму, расположенную в заднем отрезке объектива.
Недостатком указанного широкоугольного проекционного объектива является его нетехнологичность. Оптическая схема объектива содержит три асферические поверхности высших порядков, из которых две выполнены на обеих поверхностях первого отрицательного мениска первой группы линзовых элементов, а третья - на поверхности одиночной линзы второй группы.
Изготовление асферической поверхности высшего порядка является технологически крайне сложной трудоемкой задачей, а наличие трех подобных асферических поверхностей делает объектив втройне сложнее и вызывает повышенные требования к точности установки в процессе сборки объектива.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение технологичности изготовления оптических элементов за счет исключения асферических поверхностей на линзах, снижения требований к точности установки оптических элементов при высоких относительном отверстии и качестве изображения.
I
I,I
I,2
II
III
Для решения поставленной задачи предлагается широкоугольный проекционный объектив, например, для проецирования на экран изображений, формируемых DMD и LCD, который, как и прототип, содержит в направлении от экрана к плоскости модулятора первую группу линзовых элементов с отрицательной оптической силой φ, включающую линзу в форме отрицательного мениска с оптической силой φ и двояковогнутую линзу с оптической силой φ, вторую группу в виде одиночного линзового компонента с положительной оптической силой φ и третью группу линзовых элементов с положительной оптической силой φ, апертурную диафрагму, расположенную между второй и третьей группами линзовых элементов, и призму, расположенную в заднем отрезке объектива.
III,1
III,2
В отличие от прототипа линзовый компонент второй группы выполнен в виде склеенного дублета, третья группа линзовых элементов выполнена из двух компонентов, из которых первый с оптической силой φ склеен из трех линз: плосковогнутой, двояковыпуклой и отрицательного мениска, второй с оптической силой φ, выполнен в виде склеенного дублета, при этом оптические силы групп линзовых элементов и отдельных линз и расстояние между группами линз удовлетворяют условию:
I
0.20<|φ/φ|<0.40
I,1
0.07<|φ/φ|<0.10
I,2
0.15<|φ/φ|<0.20
II
0.02<φ/φ<0.045
III
0.12<|φ/φ|<0.16
III,1
0.013<|φ/φ|<0.023
III,2
0.10<φ/φ<0.18
1
II
0.45<d·φ<0.8
2
II
0.45<d·φ<0.8, где φ - оптическая сила объектива в целом.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
1
I
II
Первая и вторая группы линз, расположенные на расстоянии d друг относительно друга, образуют двухкомпонентный объектив с отрицательной оптической силой, у которого первый компонент - первая группа линз с отрицательной оптической силой, удовлетворяющей условию 0.2<|φ/φ|<0.4, а второй компонент - вторая группа линз с оптической силой, удовлетворяющей условию 0.02<|φ/φ|<0.045, задний отрезок - отрицательный, равный - .
III
III,1
III,2
Третья группа линз с оптической силой, удовлетворяющей условию 0.12<|φ/φ|<0.16, выполнена из двух компонентов, первый из которых отрицательнй с оптической силой 0.013<|φ/φ|<0.023 и второй положительный с оптической силой 0.10<φ/φ<0.18, создающая задний отрезок по величине не менее размера цветоделительной призмы.
Кроме того, выбранные соотношения оптических сил обеспечивают коррекцию полевых аберраций, кривизны изображения и хроматизма увеличения.
Первая группа линз из-за малых размеров апертурного пучка вносит незначительные сферическую аберрацию и кому, но большой отрицательный астигматизм.
Вторая группа линз в силу большого значения фокусного расстояния (малой оптической силы) и малого размера апертурной диафрагмы практически не вносит сферическую аберрацию, кому и астигматизм, но вносит большую отрицательную кривизну.
I,1
III,2
Выполнение линзового компонента второй группы в виде склеенного дублета создает положительный хроматизм увеличения, который компенсирует отрицательный хроматизм увеличения, вносимый первой группой линзовых элементов с отрицательной оптической силой φ и вторым компонентом с оптической силой φ третьей линзовой группы.
III,1
III,2
Первый компонент с оптической силой φ третьей группы линзовых элементов вносит отрицательную кому, компенсируя положительную кому второго компонента с оптической силой φ третьей группы линзовых элементов, и значительный положительный астигматизм и кривизну изображения, компенсируя отрицательный астигматизм и кривизну изображения первой группы линз.
III,1
III,2
Выполнение первого компонента с оптической силой φ третьей группы линз склеенным из трех линз: плосковогнутой, двояковыпуклой и отрицательного мениска исправляет хроматические аберрации положения и увеличения компонента, а выполнение второго компонента с оптической силой φ склеенным дублетом исправляет сферическую аберрацию и кому первого компонента.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - представлена оптическая схема объектива;
на фиг. 2 - изображен график астигматизма и кривизны поля изображения;
на фиг. 3 - приведен график поперечных аберраций для ω=0°;
на фиг. 4 - приведен график поперечных аберраций для ω=60°;
на фиг. 5 - изображен график поперечных аберраций для ω=87.5°;
на фиг. 6 - изображен график относительной освещенности в плоскости изображения;
на фиг. 7 - представлен график ЧКХ.
I
I,1
I,2
III,1
III,2
Предлагаемый широкоугольный проекционный объектив, например, для проецирования на экран изображений, формируемых DMD и LCD модуляторами состоит из первой группы линз I с отрицательной оптической силой φ, включающей линзу 1 в форме отрицательного мениска с оптической силой φ и двояковогнутую линзу 2 с оптической силой φ, вторую группу линз II в виде одиночного склеенного дублета 3, третьей группы линз III, выполненных из двух компонентов 4 и 5, из которых первый компонент 4 с оптической силой φ, склеен из трех линз: плосковогнутой 6, двояковыпуклой 7 и отрицательного мениска 8, второй компонент 5 с оптической силой φ выполнен в виде склеенного дублета.
Между второй II и третьей III группами линзовых элементов расположена апертурная диафрагма 9, а в заднем отрезке объектива установлена цветоделительная призма 10 перед модулятором LCD 11.
Оптические силы групп линзовых элементов и отдельных линз и расстояние между группами линз удовлетворяют условию:
I
0.2<|φ/φ|<0.4
I,1
0.07<|<φ/φ|<0.10
I,2
0.15<|φ/φ|<0.20
II
0.02<φ/φ<0.045
III
0.12<|φ/φ|<0.16
III,1
0.013<|φ/φ|<0.023
III,2
0.10<φ/φ<0.18
1
II
0.45<d·φ<0.8
2
II
0.45<d·φ<0.8, где φ - оптическая сила объектива в целом.
I,II
Работа объектива (в обратном ходе лучей от экрана) осуществляется следующим образом: объект на экране первой группой линз I изображается мнимым и располагается перед первой линзой 1 вблизи фокуса первой группы линз I, вторая группа линз II строит его мнимое изображение на расстоянии S', третья группа линз III проектирует его в плоскость изображения всего объектива - плоскость LCD модулятора 11.
Соответственно, в прямом ходе лучей от модулятора 11 к экрану, объект на модуляторе проектируется на экран.
Например, объекту на модуляторе размером 2y=10 мм соответствует изображение на полусфере экрана с угловым полем 2β' до 175°.
В качестве примера рассчитан широкоугольный проекционный объектив со следующими конструктивными параметрами и аберрационными характеристиками.
Основные параметры объектива:
фокусное расстояние - f'=4.4 мм
относительное отверстие - D:F=1:2.5
угловое поле в пространстве экрана - 2β=175°
диаметр изображения, мм 10.200
длина системы, мм 252.7
Таким образом, совокупность указанных выше признаков полезной модели позволяет решить поставленную задачу и добиться:
об.
- габаритных характеристик - большого заднего отрезка (более 8,5f') для установки призмы;
- телецентрического хода лучей в пространстве призмы;
- аберрационных характеристик - существенно исправить аберрации объектива и получить высокое качество изображения.
- технологичности, ввиду отсутствия асферических поверхностей.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент США №6542316, МПК: G02B 13/06, G02B 13/22, 2003.
2. Патент Российской Федерации №2253141, МПК: G02B 9/64, 2005 - прототип.