專利名稱：可自動熱調焦的透鏡裝置的制作方法
本申請要求申請日為2001年1月26日，申請號為60/264，483按照35U.S.C.§120遞交的臨時申請的優先權。該臨時申請所披露的全部內容全部作為本文的參考文獻。
每個CRT在靠近CRT板面處安裝有附加的放大透鏡系統。通常，透鏡裝置至少有一個“A”透鏡元件，至少一個“B”透鏡元件和至少一個“C”透鏡元件。不論透鏡部件數目多少，本領域中一般稱它們為“A”，“B”和“C”透鏡組。也就是說，每“組”可能有一個或多個透鏡部件。“B”透鏡組一般包含一個玻璃透鏡，而“A”和“C”透鏡組可能為塑料透鏡。然而，需要申明的是，每組可能包含一個或多個玻璃透鏡和一個或多個塑料透鏡。可選地，透鏡裝置可能全部為玻璃透鏡或全部為塑料透鏡。CRTs產生的熱量會導致塑料透鏡變形或光學性質發生改變。特別是對于緊臨CRT安裝的“C”透鏡更是如此。另外，用于冷卻透鏡裝置的液體，如乙烯乙酯的折光指數也會因溫度的變化而發生改變。由于溫度的變化引起類似上述光學性質的改變，透鏡系統的焦距也會發生變化。更特別的是，當透鏡裝置的溫度在連續操作的幾個小時內不斷發生變化時，由于溫度升高的散焦效應可能導致投射到電視屏幕上的圖像模糊不清。對于高分辯率的電視(HDTV)系統，高的分辨率使這種模糊效應更加顯著。
有些溫度校正系統依靠裝于投射電視機機殼內的一個或多個溫度傳感器和一個可根據溫度傳感器反饋的信息使透鏡裝置重新聚焦的自動調焦的機械。這類系統的缺點包括價格昂貴和難于確保每個透鏡裝置有效和獨立的進行調焦。解決熱感應透鏡失真問題的一個簡便的方法在授予本專利權人的美國專利號為6,104,554的專利中有描述，其中所披露的內容此處全部列為參考。在美國專利號為6,104,554專利中所示和描述的優選實施例使用了多個柵，當透鏡裝置受到相近的CRT放出的熱量而膨脹時，柵也熱膨脹。柵與置有“A”和“B”透鏡元件的室機械地結合在一起。“C”透鏡元件的位置緊鄰CRT，并遠離“A”和“B”透鏡元件。柵同樣由于受熱而變形或膨脹，進而使“A”和“B”透鏡元件向“C”透鏡元件方向移動。因此，當電視系統內部溫度升高時，可以使“A”和“B”透鏡元件與“C”透鏡元件之間保持適當的距離。同樣的道理，當電視系統冷卻時，“C”元件和柵將會收縮回原位，這樣，當重新打開電視時，它們有合適的焦距。
需要申明的是，這種溫度感應散焦會在多種實施例中發生，包括那些溫度升高和降低的過程。盡管在這方面取得了進步，但是對于透鏡裝置在解決溫度感應聚焦問題的同時，還需要降低制備透鏡裝置的成本和復雜性。
更特別地，對于投射電視領域，在第一個實施例中，“A”和“B”透鏡元件載于透鏡支架中，并調節與“C”透鏡元件的軸向相對距離，然后機械的地固定其位置。當溫度升高時，透鏡支架膨脹的速度大于調焦支架膨脹的速度，這樣，至少使“A”透鏡元件移向“C”透鏡元件。這樣，當“C”元件的光學性質在熱環境下發生變化時，確保透鏡之間的距離保持為最初調節好的適當的距離。
在該實施例中，調焦支架和透鏡支架為圓柱形構件，在這兩個構件之間有一個機械的緊固裝置用于轉動和軸動調焦支架(？應為透鏡支架)來調節其與調焦支架的相對位置。一旦完成上述手動調節過程，調焦支架和透鏡支架之間的相對位置就固定了，使用過程中，兩個支架材料的不同CTEs的自動調節開始起作用，并自動補償由熱感應變化引起的光學性質的變化。手動調節功能通過一個槽和位于調焦支架和透鏡支架裝置之間的約中間位置處的螺紋緊固器來完成。一旦固定，該緊固裝置就可以有一個位置，該位置使透鏡支架向相反的方向膨脹。由于CRT區域的溫度最高，故朝向CRT方向的膨脹最大。因此，至少“B”透鏡組載于透鏡支架區域中，該透鏡支架位于緊固裝置和“C”元件及CRT之間。可選地，“A”和“B”透鏡組都位于該區域，以便它們協調一致地向“C”透鏡組移動。
在第一個實施例中，調焦支架的材料優選為充填10％玻璃的聚碳酸酯，其熱膨脹系數為3.22*10-5cm/cm/C。透鏡支架的材料優選為未充填的聚碳酸酯，其熱膨脹系數為6.75*10-5cm/cm/C。應該明白的是，可以使用其他具有不同CTEs的替代材料，而并不脫離本發明的實質和范圍。例如，雖然該實施例中使用了兩種塑料，但是，可以用金屬取代其中的一種或兩種材料而可以達到同樣的效果。
在第二個實施例中，透鏡支架由鋁制備，而調焦支架由塑料制備。在該實施例中，自動校正位移使載于透鏡支架中的透鏡或透鏡組遠離光傳導元件或光源元件。
結合附圖
對以下優選實施例進行詳細的說明，可以使本領域中的一般技術人員對本發明的其他目標，優點和特征有更加明確的理解。
透鏡裝置10包括一個遠離中心的圓筒形的調焦支架14。透鏡裝置包括一個“C”透鏡元件16，本領域中稱為白場(透)鏡。使用支架構件或連接件17將調焦支架14安裝于電視機內(圖中未示出電視機)，并通過適當的緊固器18和法蘭件20使調焦支架14與連接件17固定。白場(透)鏡或“C”元件16固定于調焦支架14和連接件17之間，并用銷子22固定在中央位置。與現有的工藝一樣，“C”透鏡元件16由純塑料制成，并且面向CRT12的一面為凸面16a。
如圖2所示，使用支架23和彈簧緊固裝置24使CRT12靠在連接件17上。O型環25位于“C”透鏡元件16的法蘭部分16b和連接件17之間，O型環26位于CRT 12和連接件17之間。這樣在“C”透鏡元件16和CRT 12之間形成了現有的用于容納液體冷卻劑的空間27。當溫度發生變化時，該液體冷卻劑的折光指數一般也會發生變化。本發明也對這種散焦效應進行矯正。
參見圖3和4，透鏡支架28上載有三個透鏡，包括“A”元件30和一對“B”元件32，34。靠近“C”元件16的“B”元件32和“A”元件30由純塑料制備。大一點的位于中間的“B”元件34由玻璃制成，是透鏡裝置10的主要的放大元件。回過頭再參見圖2，在光線和圖像被位于透鏡裝置10相對于CRT 12的電視屏幕接受到時，光最先通過“C”透鏡元件16，然后分別通過“B”元件32，34，最終通過“A”元件30。
如圖3和4所示，包括“A”和“B”透鏡元件30，32，34的透鏡支架28可以相對于“C”透鏡元件16進行軸向的左右移動。這種初步的調節一般是在工廠的生產過程進行的。為了使這種調節更容易，緊固裝置40的外螺紋緊固器42插入在內螺紋插件43中，進一步穿過兩個螺母44a，44b及其之間的鎖緊墊圈46，并從調焦支架14上的狹槽50延伸出來。上部插件43不會承受任何緊固作用，只是在旋轉調節過程中簡單地起到導向元件的作用。松開螺母44a，44b后，調焦支架14可以相對于透鏡支架28進行旋轉。如圖2所示，狹槽50的延長線與透鏡裝置10的軸52(如圖2所示)不成直角關系。因此，當調焦支架14旋轉時，緊固插件43沿軸52移動，并根據旋轉方向的不同帶動透鏡支架28和透鏡30，32，34沿軸52或朝向CRT 12或背向CRT 12移動。根據這種方法一旦調節好合適的焦距，擰緊螺母44a和44b，這樣，“A”和“B”透鏡組的透鏡30，32，34相對于“C”透鏡16的距離就固定了。
進一步由圖4所示，當電視機連續使用一段時間后，CRT12發出的熱會使“C”透鏡元件16從圖中點劃線所示的位置變形到實線所示的位置，為描述清楚起見，圖中實線位置有所夸張。也就是說，“C”透鏡元件16會朝著CRT12的方向變形或扭曲。因此，如果“B”透鏡元件32，34在如圖3所示的原來位置上保持不動，“B”透鏡元件32，34和“C”透鏡元件16之間的距離L1，L2，與使用緊固裝置40初次調焦時設定的L1，L2不同。投射到屏幕上的影像會因此變得模糊不清。為了能夠補償“C”透鏡元件16的熱感應或其他光學性質變化引起的變形效應，制備透鏡支架28的材料與制備調焦支架14的材料的熱膨脹系數(CTE)不同。特別地，如圖4所示，裝有“B”透鏡元件32，34的透鏡支架28部分向右移動，這樣，L1和L2的長度盡量保持與圖3所示的最初設定的L1和L2的長度相同。這樣，如圖4所示，透鏡支架28的部分到緊固裝置40右端的部分熱膨脹并向右移動，同時帶動透鏡元件32，34從點劃線所示的位置移動到實線所示的位置。在優選實施例中，透鏡支架28由CTE為6.75*10-5cm/cm/C的塑料制備，而調焦支架材料的CTE較小，為3.22*10-5cm/cm/C。更優選的，調焦支架14用填充了10％玻璃的聚碳酸酯制備，而透鏡支架28使用未填充的聚碳酸酯。當電視機連續使用時，假設“C”透鏡元件16部分的溫度為60-65℃，投射電視機透鏡裝置10的重調焦距的范圍在0.10mm到0.15mm之間。
圖5A和5B所示為本發明眾多可能可選實施例之一的透鏡裝置100的形狀。透鏡裝置100包括牢牢固定于適當的支撐結構104的遠離圓心的外調焦支架102和內透鏡支架106。調焦支架102和106優選為圓筒狀，但更普遍的是沿縱向軸108延伸的管狀。透鏡支架106插入到調焦支架102中，并通過螺紋110固定在調焦支架102上，螺紋110還可以調節調焦支架102和透鏡支架106之間的相對位置。這樣就可以使透鏡支架16靠近或遠離光投射體或光產生體，如圖5A，5B所示的棱鏡112。透鏡支架106的初始焦距位置由鎖緊環114固定，鎖緊環114緊靠在調焦支架102的一端102a處，并通過螺紋固定在透鏡支架106上。透鏡元件系列116，118a，118b固定于透鏡支架106內，用于傳輸光或圖像。圖示中的形狀，使用的材料和透鏡元件116，118a，118b的數目沒有任何限制的含義。遠離中心的“A”透鏡元件118a和遠離中心的“B”透鏡元件118b可以由塑料制備，如丙烯酸纖維。其余“A”和“B”透鏡元件116可以用玻璃制備。適當的固定元件120用于將“A”和“B”透鏡元件116，118a，118b固定于透鏡支架106內。如同第一個實施例，該透鏡裝置100只是說明性的描述本發明，根據實際的需要可以進行形狀和使用材料的改動。
圖5A所示為透鏡裝置未受熱時的狀態和相應的距離L1，L2，L3。圖5B所示為受熱狀態(例如，60-65℃)下的狀況，其中，“B”透鏡元件118b已經向光發射體或光產生體112的方向發生向外的變形(圖中所示為夸張的形狀)。典型的情況下，這將會改變距離L1，并使通過透鏡裝置110投射的圖像失真。然而，根據本發明，透鏡支架106的材料，例如鋁，其CTE值小于調焦支架102材料的CTE值。本例中，調焦支架102可用塑料材料，如麻薩諸塞州的General ElectricPlastics，Pittsfield的Cycolac KJW，其CTE值為11.2*10-5cm/cm/C。鋁的CTE值為2.4*10-5cm/cm/C。這樣，如圖5B的夸張所示，調焦支架102會從相對于支撐結構104的原來的L2位置膨脹到L2’的位置。如圖5B所示，這將會帶動透鏡支架106向左移動，這樣，距離L3就變為較短的L3’。結果是“B”透鏡元件118b的外表面與光傳輸體或產生體112之間的距離優選的保持不變或僅有微小的改變。也就是說，L1等于或近似等于L1’。如圖5B所示，在加熱的情況下，即使不能夠完全達到最初的L1距離，但透鏡118b向左的任何移動都有利于通過透鏡裝置100傳輸的圖像效果最佳。
雖然通過優選實施例的描述對本發明進行了說明，并且對實施例進行了某種程度的詳細說明，但這并非意味著本發明人想限制或以任何形式來如此限定權利要求。對本領域中的那些熟練技術人員而言，本發明的其他優點和改進都是顯而易見的。根據需要和使用者的喜好，本發明的各種特征可以單獨應用，也可以進行多種的組合應用。連同實施本發明的優選方法對本發明進行了一般的描述。
權利要求
1.適合安裝于溫度變化環境的透鏡裝置，該透鏡裝置包括具有內表面和外表面的通常為管狀的透鏡支架，其制備材料的熱膨脹系數為第一熱膨脹系數，在所述的透鏡支架的所述的內表面沿軸向至少安裝第一透鏡，與所述的透鏡支架的所述的外表面結合在一起的通常為管狀的調焦支架，其制備材料的熱膨脹系數不同于所述的第一熱膨脹系數，為第二熱膨脹系數，和使所述透鏡支架和所述調焦支架結合在一起的調節和鎖定裝置，使所述的透鏡支架相對于所述的調焦支架沿軸向做相對運動，然后固定于使所述的第一透鏡獲得初步焦點的位置上，其中，在所述的第一透鏡固定于初步的焦點位置后，當透鏡支架和調焦支架受熱時，第一和第二熱膨脹系數導致所述透鏡支架和所述調焦支架的軸向相對位置自動改變，從而使所述的第一透鏡移動到一個新的聚焦位置。
2.如權利要求1中的透鏡裝置，其特征在于，其中所述的第一透鏡裝載于所述的調節和鎖定裝置的一側，當所述的透鏡支架的溫度變化時，所述的第一透鏡向遠離調節和鎖定裝置的一側移動。
3.如權利要求2中的透鏡裝置，其特征在于，其中所述的調節和鎖定裝置進一步包括緊固裝置和鎖固元件，其中，緊固裝置的一部分直接與所述的透鏡支架結合在一起，另一部分從位于所述的調焦支架上的槽穿過并可以沿著該槽移動從而使透鏡支架移動到初步的焦點位置；鎖固元件牢牢固定于所述透鏡支架的外表面，使所述的透鏡支架固定在初步的焦點位置。
4.如權利要求1中的透鏡裝置，其特征在于，其中所述的調節和鎖定裝置進一步包括位于所述的透鏡支架和所述的調焦支架之間的螺紋連接件和所述的透鏡支架上的鎖定部件，鎖定部件可在鎖定和非鎖定位置之間變換以選擇性的固定所述的透鏡支架于初步的焦點位置。
5.如權利要求1中的透鏡裝置，其特征在于，進一步包括沿所述的軸安裝的第二透鏡，該透鏡有一個向遠離所述的第一透鏡方向彎曲的凸起部分，其中，當使用過程中受熱時，由于第一和第二熱膨脹系數造成所述的凸起部分向遠離所述的第一透鏡方向發生變形，所述的第一透鏡自動向所述的第二透鏡方向移動。
6.如權利要求1中的透鏡裝置，其特征在于，進一步包括一種容于其中的液體冷卻劑，當溫度變化時，所述的液體冷卻劑的折光指數發生改變，此時，新的焦點位置有助于校正由于所述的折光指數改變而引起的散焦。
7.如權利要求1中的透鏡裝置，其特征在于，其中所述的第一熱膨脹系數大于所述的第二熱膨脹系數。
8.如權利要求7中的透鏡裝置，其特征在于，其中所述第一熱膨脹系數至少比第二熱膨脹系數大兩倍。
9.如權利要求1中的透鏡裝置，其特征在于，其中所述的調焦支架和所述的透鏡支架中的一個是由塑料制備，所述的調焦支架和所述的透鏡支架中的另外一個由金屬制備。
10.如權利要求1中的透鏡裝置，其特征在于，其中所述的調焦支架和所述的透鏡支架都是由塑料制備。
11.如權利要求1中的透鏡裝置，其特征在于，其中所述的調焦支架和所述的透鏡支架都是由金屬制備。
12.如權利要求1中的透鏡裝置，其特征在于，其中所述的透鏡支架和所述的調焦支架一般地都是圓筒形狀。
13.一個投射電視透鏡裝置包括由具有第一熱膨脹系數的材料制備的，帶有內表面和外表面的通常管狀的透鏡支架；在所述的透鏡支架的所述的內表面沿軸向至少安裝有第一透鏡；第二透鏡沿所述的軸安裝，所述的第二透鏡適合安裝于鄰近光源處；一個通常管狀的調焦支架與所述的透鏡支架的所述的外表面結合在一起，并且該調焦支架是由具有小于所述的第一熱膨脹系數的第二熱膨脹系數的材料制備，和將所述的透鏡支架和所述的調焦支架結合在一起的調節和瑣定裝置，可以使所述的透鏡支架相對于所述的調焦支架沿所述的軸移動，然后使所述的第一透鏡鎖定在第二透鏡的初步焦點的位置上，其中，在至少所述的第一透鏡鎖定在初步的焦點位置上，并且透鏡支架，調焦支架和第二透鏡被光源加熱之后，所述的透鏡支架和調焦支架自動做相對移動，這樣，由于第一和第二熱膨脹系數的不同，使所述的第一透鏡和第二透鏡中的至少一個移動到新的焦點位置。
14.如權利要求13中的投射電視透鏡裝置，其特征在于，通過使用所述的調節和鎖定裝置，所述的第一和第二透鏡的安裝方式可以使它們沿所述的軸做相對移動，在光源的加熱下也會使它們相對移動。
15.如權利要求13中的投射電視透鏡裝置，其特征在于，通過使用所述的調節和鎖定裝置，所述的第一和第二透鏡的安裝方式可以使它們一起沿所述的軸移動，加熱的光源也會使它們移動。
16.如權利要求13中的投射電視透鏡裝置，其特征在于，進一步包括第三透鏡，該透鏡沿所述的軸安裝于所述的透鏡支架上，位于所述的第一和第二透鏡之間，其中，由于第一和第二熱膨脹系數的不同，所述的第三透鏡自動朝所述的第二透鏡方向移動，這樣，所述的第三透鏡就移動到第二透鏡的新的焦點位置上。
17.如權利要求16中的投射電視透鏡裝置，其特征在于，所述的第一和第三透鏡沿所述的軸裝于所述的調節和鎖定裝置的一側，當所述的透鏡支架受到光源的加熱時，所述的第一和第二透鏡向遠離所述的調節和鎖定裝置的方向移動。
18.如權利要求13中的投射電視透鏡裝置，其特征在于，所述的調節和鎖定裝置進一步包括緊固裝置和鎖定元件，緊固裝置的第一部分直接與所述的透鏡支架結合在一起，第一部分從調焦支架上的槽穿過并可沿著該槽移動，使透鏡支架移動到初步的焦點位置上，鎖定元件牢固裝于所述調焦支架的外表面并使透鏡支架鎖定在初步的焦點位置上。
19.如權利要求13中的投射電視透鏡裝置，其特征在于，所述的第一熱膨脹系數大于所述的第二熱膨脹系數。
20.如權利要求19中的投射電視透鏡裝置，其特征在于，所述的第一熱膨脹系數至少比所述的第二熱膨脹系數大兩倍。
21.如權利要求13中的投射電視透鏡裝置，其特征在于，所述的調焦支架和所述的透鏡支架中的一個是由塑料制備，所述的調焦支架和所述的透鏡支架中的另外一個由金屬制備。
22.如權利要求13中的投射電視透鏡裝置，其特征在于，所述的調焦支架和所述的透鏡支架都是由塑料制備。
23.如權利要求13中的投射電視透鏡裝置，其特征在于，所述的調焦支架和所述的透鏡支架都是由金屬制備。
24.如權利要求13中的投射電視透鏡裝置，其特征在于，所述的第二透鏡為塑料白場(透)鏡。
25.如權利要求13中的投射電視透鏡裝置，其特征在于，進一步包括容于其中的液體冷卻劑，當受到光的加熱時，所述的液體冷卻劑的折光指數發生改變，其中新的焦點位置有助于校正由于所述的折光指數的改變而引起的散焦。
26.如權利要求13中的投射電視透鏡裝置，其特征在于，所述的第二透鏡包括一個凸起部分，該凸起部分向遠離所述的第一透鏡的方向彎曲，當使用過程中受熱時，其中所述的凸起部分向遠離所述的第一透鏡的方向變形，由于第一和第二熱膨脹系數的不同，所述的第一透鏡自動向所述的第二透鏡方向移動。
27.如權利要求13中的投射電視透鏡裝置，其特征在于，所述的第二透鏡的材料，在透鏡使用過程中受熱的情況下，會使透鏡發生變形散焦，所述的第一透鏡和第二透鏡中的至少一個會自動移向新的焦點位置以便對變形進行補償。
28.投射電視透鏡裝置調焦的方法，其中投射電視透鏡裝置包括一個通常管狀的調焦支架，可以沿一個軸相對于調焦支架移動的通常管狀的透鏡支架，和至少沿軸裝于透鏡支架上的第一透鏡，制備透鏡支架和調焦支架的材料的熱膨脹系數不同，方法包括使調焦支架和透鏡支架沿軸向做相對移動，從而調節第一透鏡的軸向位置位于初步的焦點位置；用光源加熱調焦支架和透鏡支架；利用光源發出的熱使透鏡支架和調焦支架中的至少一個發生熱膨脹，從而使透鏡支架和第一透鏡沿軸向自動調節到新的焦點位置。
29.如權利要求28中的方法，其特征在于，自動調節透鏡支架和第一透鏡軸向位置的方法進一步包括調焦支架的熱膨脹大于透鏡支架的熱膨脹。
30.如權利要求28中的方法，其特征在于，透鏡裝置進一步包括第二透鏡，自動調節透鏡支架和第一透鏡的軸向位置的方法進一步包括使第一透鏡和第二透鏡沿軸向做相對移動。
31.如權利要求28中的方法，其特征在于，透鏡裝置進一步包括第二透鏡，自動調節透鏡支架和第一透鏡的軸向位置的方法進一步包括使第一透鏡和第二透鏡沿軸一起移動。
全文摘要
特別適用于溫度變化的環境，例如，投射電視機，包括自動熱調焦的透鏡裝置(10)。透鏡支架(28)由具有第一熱膨脹系數的材料制備，并至少載有一個透鏡(30，32，34)。調焦支架(14)與透鏡支架(28)結合在一起，并由具有與第一熱膨脹系數不同的第二熱膨脹系數的材料制備。調節和鎖定裝置(40)將透鏡支架(28)和調焦支架(14)結合在一起，并可以使透鏡支架(28)相對于調焦支架(14)沿軸向調整位置，然后鎖定在該位置上。在通過調節和鎖定裝置(40)固定好位置后，使用過程中，透鏡支架(28)和調焦支架(14)的相對軸向位置自動變化，從而使透鏡(30，32，34)對應用環境溫度的變化做出相應的響應。
文檔編號G02B13/16GK1455878SQ02800093
公開日2003年11月12日 申請日期2002年1月16日 優先權日2001年1月26日
發明者E·格列格·弗克森, 邁克·拉森 申請人:科寧精密透鏡公司