CN100417969C - 投影光学系统及投影型图像显示装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种投影光学系统，它适用于减少背投式电视机的屏幕的深度和底部部分(或顶部部分)，并使其具有低失真，高分辨率、缩小的反射面积以及减少的反射表面个数。该投影光学系统从缩小侧的一次像面放大/投影到放大侧的二次像面。该投影光学系统包括，第一光学系统(L11)，用于形成一次像面的中间像，以及第二光学系统(L12)，它具有凹面反射面(AM1)，用于根据中间像来形成二次像面。光线从一次像面的中心行进至二次像面的中心，与光轴交叉，并再由凹面反射面反射以再次与光轴交叉并到达二次像面。

Description

投影光学系统及投影型图像显示装置

技术领域

本发明涉及一种新的投影光学系统及一种新的投影型图像显示装置。更具体地，本发明涉及一种维持高分辨率和低失真、提供很小的深度、并减少屏幕底部(或顶部)的技术。

背景技术

近来，对背投式电视机的需求日益增长。背投式电视机具有由LCD(液晶显示器)直观式电视机和PDP(等离子体显示面板)所代表的平板电视机的特征。与这些电视机相比，背投式电视机提供一种将近似一英寸那么大的图像显示元件进行放大并投影系统。由此，背投式电视机能以低价购买。背投式电视机相对较易符合对以BS(广播卫星)数字广播和地面数字广播为代表的全HD(高清晰度)信号水平的高图像质量的需要。

另一方面，背投式电视机装有光源、照明光学系统、以及投影光学系统。背投式电视机使用大口径的背面镜将图像投影到屏幕上。图62示出一种公知的投影方法，其中光轴a穿过图像显示元件b和屏幕c的中心。根据该方法，原理上要同时减小深度d和显示器底部的大小e是非常困难的。

此外，有一种光学系统可用，它将图像倾斜地投影到屏幕上(以下称为倾斜投影)，以放大投影图像并将背投式电视机变薄(减小深度)。

例如，特开平5-100312号日本专利公报提出了使用具有大视场角的广角镜的投影光学系统。该投影光学系统配备了偏离该投影光学系统的光轴的图像显示元件和屏幕，并使用视场角的端部来进行倾斜投影。

如特开平5-80418号日本专利公报中所提出的，第一投影光学系统基于灯泡在中间形成图像光。第二投影光学系统将图像放大并投影在屏幕上。各投影光学系统的光轴被适当地倾斜以进行倾斜投影。近期所提出的投影光学系统使用反射面来进行倾斜投影，以防止伴随广角化而发生色差。

PCT专利申请国际公开第WO01/006295号的国家再次公开中所示的投影光学系统主要使用折射光学系统g和由凸面反射面f构成的光学系统来实现倾斜投影。图63示出PCT专利申请国际公开第WO01/006295号的国家再次公开中所示的光学系统。

特开2002-40326号日本专利公报公开了没有色差的投影光学系统，它使用从图像显示面板h起顺次排列的四个反射面i(凹面)、j(凸面)、k(凸面)和l(凸面)(见图64)。

这些专利公报中所示的光学系统是关于光轴旋转对称的，并且使用超广角光学系统的一部分来执行倾斜投影。

特开2001-255462号日本专利公报提出了使用离轴光学系统的倾斜投影光学系统。该投影光学系统使用离轴光学系统来校正梯形失真。此外，该投影光学系统在多个反射面m与一个反射面n之间形成中间像以限制反射面的尺寸(见图65)。

如PCT专利申请国际公开第WO01/006295号的国家再次公开中所示，该投影光学系统由凸面反射面f和折射光学系统g的组合构成。与仅使用折射光学系统的配置相比，所提出的投影光学系统便于消除色差和广角化。正相反，对绝大部分的发散使用一个反射面。需要将折光力降低到某个程度才能适当地校正失真和图像表面像差。该投影光学系统不可避免地趋向于增大凸面反射面f和增加下垂量。这不仅使得凸面反射面的制造变得困难，还升高了显示器的底部部分(见图62中的参考标号e)。另外，向背投式电视机应用该投影光学系统会增加深度(见图62中的参考标号d)。

特开2002-40326号日本专利公报中所示的投影光学系统没有任何折射光学系统，且原理上不会引起任何色差。因为不会因透镜而产生任何吸收，所以就能够提供一种能够实现高亮度的光学系统。但是，因为仅使用反射面来配置该系统，所以该系统倾向于很容易受到每个反射面的表面精度和装配精度的影响，并且提高了制造成本。因为多个反射面i到l被纵向排列，所以显示器的底部(见图62的参考标号e)升高了。为了更加薄型化而增加投影角就要增大反射面，特别是最后一个反射面l，这使得反射面的制造变得困难。将此投影光学系统应用于背投式电视机就会进一步增大显示器的底部。

特开2001-255462号日本专利公报中所描述的投影光学系统使用中间成像表面，并且具有广角化和减小反射面的优点。正相反，使反射面偏心以产生偏心像差。使用其余的偏心反射面来校正偏心像差。至少需要三个反射面。将此投影光学系统应用于背投式电视机仍然没有解决使显示器底部小型化的难题。此外，这些反射面不是旋转对称的，而是被配置以构成自由弯曲的表面。该投影光学系统往往非常容易受到表面精度和装配精度的影响，这使得制造变得困难，并提高了制造成本。

考虑到上述问题而作出本发明。因此本发明的一个目的是提供一种投影光学系统，它适用于例如维持背投式电视机所使用的显示器的高分辨率和低失真，将反射面小型化，减少反射面的个数，以及减小其深度和底部(或顶部)。

发明公开内容

为解决上述问题，根据本发明的投影光学系统包括：第一光学系统，用于形成缩小侧存在的的一次像面的中间像；以及第二光学系统，它具有凹面反射面，用于根据中间像来形成放大侧存在的二次像面。光束从一次像面的中心行进到二次像面的中心，与第一光学系统的光轴交叉，在凹面反射面上反射，再次与光轴交叉，并到达二次像面。

为解决上述问题，根据本发明的投影型图像显示装置包括：光源；调制装置，用于基于视频信号调制并输出从光源发出的光；以及投影光学系统，用于从调制装置一侧的一次像面向屏幕一侧的二次像面进行放大投影。该投影光学系统包括：第一光学系统，用于形成一次像面的中间像；以及第二光学系统，它具有凹面反射面，用于根据中间像来形成二次像面。光束从一次像面的中心行进到二次像面的中心，穿过第一光学系统的光轴，在凹面反射面上反射，再次穿过光轴，并到达二次像面。

根据本发明，光束从一次像面的中心行进到二次像面的中心，并与第一光学系统的光轴交叉。然后光束在凹面反射面上反射，再次与光轴交叉，并到达二次像面。沿此光路，例如，第二光学系统向上输出从近似水平地布置的第一光学系统在二次像面上形成的光。第二光学系统只需要将来自第一光学系统的中间像上的一点的略有发散的光通量会聚到二次像面上的一点上。可使用很小的光学部件来实现第二光学系统。考虑使用该投影光学系统来构造投影型图像显示装置。在此情形中，例如，第二光学系统可向上(或向下)输出从近似水平地布置的第一光学系统在二次像面上形成的光。以此方式，就能够大大地减少布置在屏幕底部(或顶部)处的光学系统所需的空间。

根据本发明的投影光学系统被构造成用于从缩小侧存在的一次像面向放大侧存在的二次像面进行放大投影，它包括：第一光学系统，用于形成一次像面的中间像；以及第二光学系统，它具有凹面反射面，用于根据中间像来形成二次像面。光束从一次像面的中心行进至二次像面的中心，与第一光学系统的光轴交叉，在凹面反射面上反射，再次与光轴交叉，并到达二次像面。

根据本发明的投影型图像显示装置包括：光源；调制装置，用于基于视频信号来调制并输出从光源发出的光；以及投影光学系统，用于从调制装置一侧的一次像面向屏幕一侧的二次像面进行放大投影。该投影光学系统包括：第一光学系统，用于形成一次像面的中间像；以及第二光学系统，它具有凹面反射面，用于根据中间像来形成二次像面。光束从一次像面的中心行进到二次像面的中心，与第一光学系统的光轴交叉，在凹面反射面上反射，再次与光轴交叉，并到达二次像面。

在根据本发明的投影光学系统中，光束从一次像面的中心行进到二次像面的中心，并与第一光学系统的光轴交叉。该光束然后在凹面反射面上反射，再次与光轴交叉，并到达二次像面。沿此光路，第一光学系统一次形成中间成像面。凹面反射面被布置在中间成像面之后，以在第二像面上再次形成图像。大的凹面反射面是不需要的。提供像差校正良好并表现出充分的光学性能的大型显示器是可能的。

根据本发明的投影型图像显示装置使用投影光学系统来将由调制装置形成的图像投影到屏幕上。由此，该投影型图像显示装置不仅可具有薄型化的屏幕并将屏幕的底部(或顶部)小型化，还可显示像差纠正良好并表现出充足的光学性能的放大图像。

附图简述

图1以及图2到9示出了第一实施例，并示出对投影型图像显示装置所使用的投影光学系统的概略图。

图2是该投影光学系统的放大视图。

图3示出图像显示元件上的评价点。

图4是示出从图3中所示的评价点发出的光照到屏幕上的光斑图。

图5示出屏幕上的失真。

图6以及图7到图9示出了背投式电视机的配置示例以及部分的光轨迹，并提供了从屏幕后方看到的透视图。

图7是侧视图。

图8是示出该投影光学系统的放大透视图。

图9示出屏幕与从紧靠屏幕前面放置的反射镜定向到屏幕的光通量中最靠外的光束之间的角度。

图10以及图11到18示出了第二实施例，并示出对投影型图像显示装置所使用的投影光学系统的概略图。

图11是该投影光学系统的放大视图。

图12示出图像显示元件上的评价点。

图13是示出从图12中所示的评价点发出的光照到屏幕上的光斑图。

图14示出屏幕上的失真。

图15以及图16到18示出了背投式电视机的配置示例以及部分的光轨迹，并提供了从屏幕后方看到的透视图。

图16是侧视图。

图17是示出该投影光学系统的放大透视图。

图18示出屏幕与从紧靠屏幕前面放置的反射镜定向到屏幕的光通量中最靠外的光束之间的角度。

图19示出条件等式(1)与根据第一实施例的投影光学系统中的相关联部分之间的对应关系。

图20以及图21到27示出了第三实施例，并示出对投影型图像显示装置所使用的投影光学系统的概略图。

图21是该投影光学系统的放大视图。

图22示出图像显示元件上的评价点。

图23是示出从图22中所示的评价点发出的光照到屏幕上的光斑图。

图24示出屏幕上的失真。

图25以及图26到27示出了背投式电视机的配置示例以及部分的光轨迹，并提供了从屏幕后方看到的透视图。

图26是侧视图。

图27是示出该投影光学系统的放大透视图。

图28以及图29到35示出了第四实施例，并示出对投影型图像显示装置所使用的投影光学系统的概略图。

图29是该投影光学系统的放大视图。

图30示出图像显示元件上的评价点。

图31是示出从图30中所示的评价点发出的光照到屏幕上的光斑图。

图32示出屏幕上的失真。

图33以及图34和35示出了背投式电视机的配置示例以及部分的光轨迹，并提供了从屏幕后方看到的透视图。

图34是侧视图。

图35是示出该投影光学系统的放大透视图。

图36以及图37到40示出了第五实施例，并示出对投影型图像显示装置所使用的投影光学系统的概略图。

图37是该投影光学系统的放大视图。

图38示出图像显示元件上的评价点。

图39是示出从图38中所示的评价点发出的光照到屏幕上的光斑图。

图40示出屏幕上的失真。

图41以及图42到45示出了第六实施例，并示出对投影型图像显示装置所使用的投影光学系统的概略图。

图42是该投影光学系统的放大视图。

图43示出图像显示元件上的评价点。

图44是示出从图43中所示的评价点发出的光照到屏幕上的光斑图。

图45示出屏幕上的失真。

图46以及图47到50示出了第七实施例，并示出对投影型图像显示装置所使用的投影光学系统的概略图。

图47是该投影光学系统的放大视图。

图48示出图像显示元件上的评价点。

图49是示出从图48中所示的评价点发出的光照到屏幕上的光斑图。

图50示出屏幕上的失真。

图51以及图52到55示出了第八实施例，并示出对投影型图像显示装置所使用的投影光学系统的概略图。

图52是该投影光学系统的放大视图。

图53示出图像显示元件上的评价点。

图54是示出从图53中所示的评价点发出的光照到屏幕上的光斑图。

图55示出屏幕上的失真。

图56以及图57到60示出了第九实施例，并示出对投影型图像显示装置所使用的投影光学系统的概略图。

图57是该投影光学系统的放大视图。

图58示出图像显示元件上的评价点。

图59是示出从图58中所示的评价点发出的光照到屏幕上的光斑图。

图60示出屏幕上的失真。

图61示出条件等式(1)与根据第四实施例的投影光学系统中的相关联部分之间的对应关系。

图62示出公知的背投式电视机的一般配置的概略图。

图63示出PCT专利申请国际公开第WO01/006295号的国家再次公开中所示的投影光学系统的概略图。

图64示出特开2002-40326号日本专利公报中所示的投影光学系统的概略图。

图65示出特开2001-255462号日本专利公报中所示的投影光学系统的概略图。

图66示出特开2005-84576号日本专利公报中所示的投影光学系统的概略图。

实施本发明的最佳模式

以下参考附图来描述实施根据本发明的投影光学系统和投影型图像显示装置的最佳模式(投影光学系统见图19、21和61，投影型图像显示装置见图7和8)。

根据本发明的投影光学系统将来自缩小侧处存在的一次像面的图像放大并将其投影到放大侧存在的二次像面。该投影光学系统具有第一光学系统和第二光学系统。第一光学系统有凹面反射面，它形成一次像面的中间像。第二光学系统形成由中间像产生的二次像面。光束从一次像面的中心行进到二次像面的中心，并与光轴交叉。光束在凹面反射面上反射，再次与光轴交叉，并到达二次像面。为概述成像过程，第一光学系统形成一次像面的中间像。然后凹面反射面会聚该图像以形成光瞳，该光瞳作为二次像面形成。第一光学系统以低放大倍数生成中间像。第二光学系统将中间像放大，并以特定放大倍数将其形成二次像面。

PCT专利申请国际公开第WO01/006295号的国家再次公开中所描述的光学系统提供了具有放大图像效果的凸面反射面。在此情形中，减小凸面反射面的曲率就会使光束渐晕。仅使用一个凸面反射面不能提高放大因子。增大凸面反射面的曲率使像差校正变得困难，并且导致无法获得充足的光学性能。为避免此问题，可使用多个凸面反射面来分散能量并减小每个凸面反射面的曲率。但是，足够大来布置这多个凸面反射面的空间进一步增加了光学系统的大小。

相反，当使用凹面反射面时，减小曲率几乎不会使光束渐晕。取决于被放置在光瞳之前还是之后，凸面反射面或凹面反射面将如下所述地增宽视场角。

(A)在光瞳位置与成像位置(二次像面)之间，凸面反射面增宽视场角。

(B)在成像位置(中间像)与光瞳位置之间，凹面反射面增宽视场角。

但是，即使是在使用凹面反射面的时候，光瞳位置与二次像面之间仍可能会有许多光学面。在此情形中，这些光学面必须接收被凹面反射面增宽的光束。这些光学面使得光学系统增大。为此，凹面反射面需要被放置在二次像面一侧。由此，根据本发明的投影光学系统使用第一光学系统一次生成中间像。接着放置凹面反射面来形成图像以作为二次像面。凹面反射镜被适当地放置以在紧接着凹面反射面之后形成光瞳。以此方式，就可避免要增大凹面反射面。

在根据本发明的投影光学系统中，优选构造其表面关于公共光轴旋转对称的第一和第二光学系统。与自由弯曲的表面或是离轴表面相比，每个构造表面都能很容易地形成。降低每个构造表面的制造成本并提高表面精度是可能的。因此，就能很容易地得到极佳的光学性能。

当仅使用单侧凹面反射面来构造第二光学系统时，就能够减少部件的个数并进一步节约空间和成本。可将凹面或凸面反射面放置在该凹面反射面之前或之后以进一步改善像差校正。

第一光学系统被配置成在一次像面一侧、而不是在第二光学系统的凹面反射面一侧形成中间像。以此方式，就能够避免要增大凹面反射面，并能够形成像差校正良好并表现出充足的光学性能的大的二次像面。当第一光学系统形成中间像时，对增加一次像面与中间像之间的距离的趋势需要特别加以注意。增加该距离也使光学系统变大。需要减小第一光学系统与中间像之间的距离。作为目标，需要满足以下条件等式(1)：

(1)Si/Ls＜2

其中Ls是第一光学系统的长度，而Si是第一光学系统与中间像之间的距离。

当条件等式(1)的左侧大于或等于2时，一次像面与第二光学系统之间的距离变长。即使是在使用平面镜来缩短该距离时，光学系统也仍然很大。

根据本发明的投影光学系统在凹面反射面与二次像面之间形成光瞳以有效地引导光路。为此，必须满足以下条件等式(2)：

(2)S12＞|R|/2

其中|R|/2是凹面的焦距，而S12是第一光学系统最后一个表面与凹面反射面之间沿光轴的距离。

当该光学系统在凹面反射面的一次或二次像面上有反射面时，必须满足以下条件等式(3)：

(3)SR12＞|R|/2

其中SR12是凹面反射面与之前或之后的反射面之间沿光轴的距离。

当根据本发明的投影光学系统被放置在构成二次像面的屏幕下时，靠近光轴的光束到达屏幕的底部，而远离光轴的光束到达其顶部。即，靠近光轴的光束成像位置近。远离光轴的光束成像位置远。为了在屏幕上形成图像而不弯曲输入信号，需要对该系统进行配置以根据与光轴的间距来减小凹面反射面的近轴曲率。即，需要提供满足圆锥常数K≤-1的区域。尤其期望接近抛物面(K＝-1)或双曲面(K＜-1)。

根据本发明的投影光学系统使用旋转对称且非球面的表面是有效的。特别地，像面曲率可被自由控制。这使得减少透镜个数并减小F(数值孔径)值成为可能。可以实现低成本且高质量的投影光学系统。

旋转对称且非球面的形状由以下公式1定义。

[公式1]

$Z=(h^2/r)/\{1+\sqrt{(1-(1+K)h^2/r^2)}\}+A4\·h^4+A6\·h^6+A8\·h^8+...$

其中，

Z：非球面表面的下垂量

h：光轴所对的垂直高度

r：近轴曲率半径

K：圆锥常数

Ai：i次的非球面系数。

根据本发明的投影光学系统使用旋转对称且含奇数次的非球面系数的非球面的表面是有效的。在此情形中，以下等式(2)定义旋转对称且非球面的表面的形状。

[公式2]

$Z=(h^2/r)/\{1+\sqrt{(1-(1+K)h^2/r^2)}\}+A1\·h+A2{\·h}^2+A3\·h^3+A4\·h^4$

$+A5\·h^5+A6{\·h}^6+A7{\·h}^7+A8{\·h}^8+A9{\·h}^9+...$

如以上公式2中所示，由于奇数次的项，即到光轴的距离h，而产生偶数次的像差。例如，当有h³项时，就产生二维像面曲率或失真像差。当向凹面反射面提供了适当的非球面系数时，与使用根据以上公式1的非球面表面相比，失真像差能被更好地控制。

根据本发明的投影型图像显示装置包括光源、调制装置以及投影光学系统。调制装置基于视频信号调制并输出从光源发出的光。该投影光学系统将来自调制装置一侧的一次像面的图像放大并投影到屏幕一侧的二次像面。该投影光学系统包括第一和第二光学系统。第一光学系统形成一次像面的中间像。第二光学系统具有凹面反射面，它形成由中间像构成的二次像面。光束从一次像面的中心行进到二次像面的中心，并且与第一光学系统的光轴交叉。然后光束在凹面反射面上反射，再次与光轴交叉，并到达二次像面。

根据本发明的投影型图像显示装置使用根据本发明的投影光学系统来将由调制装置形成的图像投影到屏幕上。根据本发明的投影型图像显示装置不仅可具有薄型化的屏幕并将屏幕的底部(或顶部)小型化，还可显示像差纠正良好并表现出充足的光学性能的放大图像。

考虑使用透射型屏幕。该屏幕被布置在机柜的前面。机柜内藏光源、调制装置以及投影光学系统。投影光学系统将图像放大并从背面投影到透射型屏幕上。以此方式，就能够构造背投式电视机，它能显示与使用薄型液晶面板或PDP的平板电视机相似的外观。

此外，假设该投影光学系统被设置在机柜的底部。在机柜的顶部可设置平面镜，它反射从投影光学系统输出的光线，并使光线偏转以到达透射型屏幕。以此方式，还可进一步将投影型图像显示装置薄型化。

当第二光学系统形成将中间像对应到第二像面上的光瞳时，可在从平面镜行进到透射型屏幕表面的光通量外侧形成光瞳。这增加了在机柜中定向光路的自由度。此外，可以在第二光学系统与二次像面之间设置遮蔽元件，它在光通量缩到最小的光瞳位置有开口。这使得能够很容易地保护投影光学系统不受灰尘和外界光线的影响。

光束从一次像面的中心行进到二次像面的中心，并在垂直面内与光轴交叉。优选设置反射装置，它在第一与第二光学系统之间反射光束，并在水平面内偏转光束。设置反射装置就能够将构成第一光学系统的光学构件的光轴布置成与屏幕表面平行。根据本发明的投影型图像显示装置可沿深度反向进一步被小型化，即，被进一步薄型化。

根据特开2005-84576号日本专利公报中所描述的投影型图像显示装置(见图66)，平面镜q被布置成使最外面的光p几乎与屏幕o成平行反射。此外，投影光学系统r被布置在平面镜q的对面(例如，当平面镜q被放置在顶部时则r被布置在底部)。以此方式，即可减少深度(薄型化)并减小屏幕的底部(或顶部)。

但是，根据特开2005-84576号日本专利公报中所描述的投影型图像显示装置，平面镜q被布置成使最外面的光束几乎与屏幕o成平行反射。此外，投影光学系统r被布置在平面镜q的对面。以此方式，可使深度变薄，并使屏幕的底部(或顶部)减小。当试图在保持显示器的底部(或顶部)很小的情况下进一步使投影型图像显示装置变薄时，就必须略微增大最外面的光束p与屏幕o所成的角度。如特开2005-84576号日本专利公报中所描述的投影光学系统使用许多曲面反射面，由此减少了弯曲光路的自由度。投影光学系统的深度无法被减小。要再进一步使投影光学系统变薄是很困难的。

根据本发明的投影型图像显示装置配备了至少一个平面反射面，用于定向在凹面反射面上反射之后的光路。当平面反射面被紧靠屏幕之前放置的时候，光束从平面反射面被反射到屏幕。在这些光束中，最外面的光束通过离屏幕最远的位置。假定最外面的光束与屏幕成角度θ。根据本发明的投影型图像显示装置可通过满足条件等式(4)0.6＞tanθ＞0.05而进一步变薄。

以下参考附图和表格来进一步详细描述根据本发明的投影光学系统和投影型图像显示装置的实施例及数值示例。

(第一实施例)

图1示出使用根据本发明的第一实施例的投影光学系统的投影机(投影型图像显示装置)的整个光学系统的概略图。图2示出该投影光学系统的放大视图。

在示出第一实施例的图中，P1表示如调制装置等图像显示元件。基于视频信号，图像显示元件P1对从光源(未示出)发射的光进行调制以形成一次像面。图像显示元件P1可表示反射型或透射型点阵液晶面板、数字微镜装置(DMD)等等。在图中，PP1表示偏振光束分束器(PBS)、4P棱镜、TIR(全内反射面)棱镜等等。STOP表示光圈。尽管投影机需要照明光学系统来照亮图像显示元件P1，但是图1、2以及示出第一实施例的其它附图中省略了照明光学系统。

L11表示由折射光学元件组成的第一光学系统。L12表示由凹面反射面AM1组成的第二光学系统。该投影光学系统由第一光学系统L11和第二光学系统L12组成，并将由图像显示元件P1图像调制的光(一次像面)引导到屏幕S1，以在屏幕S1上形成图像(二次像面)。即，第一光学系统L11在图2中的位置II处形成中间像。然后该图像在第二光学系统L12的凹面反射面AM1上反射，以形成在屏幕S1上成像的光瞳图像。如图2中所示，投影光学系统的各光学面是关于光轴AXIS1旋转对称的。在图2中，虚线表示第二光学系统L12的凹面反射面AM1中未被使用的、因而被移除的部分。

表1示出将具体数值应用于根据第一实施例的投影光学系统的数值示例的数据。在下表中，从一次像面(显示装置)到二次像面(投影的像面)按升序，如1、2、3等来规定表面编号。对光圈不进行编号。曲率半径行的“无穷大”表示对应的表面是平面。折射率和阿贝(Abbe)数适用于包含该平面的一次像面所使用的玻璃，并适用于e线(546.1nm)。以英寸计的尺寸表示投影的像面中所包含的对角线的尺寸。“E”表示指示非球面系数的基数为10的指数记数法。

[表1]

屏幕对角：52.7英寸显示元件一侧的数值孔径：0.204

表面编号		曲率半径	间隔	玻璃(e线折射率/阿贝数)
					显示元件表面		无穷大	22.100
1		无穷大	12.000	1.83962/42.8
					2		无穷大	27.300	1.51872/64.0
3		无穷大	6.050
					4		81.82639	6.359	1.48914/70.2
5		-1254.73767	0.300
					6		43.89754	11.831	1.48914/70.2
7		-198.97423	0.200
					8		43.61635	2.303	1.83930/37.1
9		25.81806	12.032	1.48914/70.2
					10		-131.45439	1.656
11		-61.19711	1.947	1.81184/33.0
					12		30.63239	11.922	1.49845/81.2
13		-31.42185	0.200
					14		-32.45023	1.725	1.81184/33.0
15		36.45838	8.480	1.85505/23.6
					16		-58.84008	17.579
光圈		无穷大	47.218
					17		43.97454	10.553	1.57125/55.8
18		-1904.72192	12.159
					19	非球面	-1403.57952	7.000	1.49357/57.8
20	非球面	135.84325	0.300
					21		32.78514	12.508	1.58913/61.3
22		44.75799	9.839
					23		-56.04514	2.033	1.83930/37.1
24		43.91998	22.513
					25		-49.88309	9.344	1.49357/57.8
26	非球面	-40.64674	320.000
					27	非球面	-85.89587	-439.276	反射面
投影像面		无穷大

根据数值示例1，图像显示元件P1的高宽比为16∶9，包含1920×1080个像素，并且大小为0.61英寸。图像显示元件P1被放大到52.7英寸以进行投影。物体一侧的数值孔径为0.204(等于F数2.5)。像素尺寸在图像显示元件P1上大约为7μm，而在屏幕S1上大约为0.608mm。

图4示出根据数值示例1的投影光学系统的光斑图。图5示出失真。光斑图中所示出的视场角(1)到(15)分别是从图3中所示的图像显示元件P1上的位置(1)到(15)生成的。参考波长为656.28nm、620.0nm、546.07nm、460.0nm以及435.84nm，并且分别给予其2、2、3、2、1的权重。图4的比例是屏幕S1上一个像素的两倍那样大。如图4中所示，可得到充足的成像性能。如图5中所示，没有发现任何显著的图像失真，并且得到了充足的性能。

为将根据数值示例1的投影光学系统布置在背投式电视机的机柜CAB1内，需要通过如图6和7中所示地在平面镜MM11、MM12和MM13上折叠光路来使投影光学系统紧凑。图6和7示出通过将平面镜MM13布置在投影光学系统与屏幕S1之间，并将平面镜MM11和MM12布置在第一光学系统L11与第二光学系统L12之间来巧妙地折叠光路的构造。光束从一次像面的中心行进至二次像面的中心，并在垂直面内与光轴交叉。在此情形中，平面镜MM11和MM12在第一光学系统与第二光学系统的凹面反射面AM1之间反射光束，并在水平面内偏转光束。当该投影光学系统被布置在例如机柜的底部时，平面镜MM13被布置在机柜CAB1的顶部，反射从投影光学系统输出的光线，并使光线偏转以到达屏幕S1。

图7是侧视图。如图9中所示，平面镜MM13被用来折叠光路，以使最外面的光束与屏幕成大约8.4度的角度θ。以此方式，该装置的厚度可以在200mm或以下，并且显示器底部部分可以很小。

图8将图6和7中的投影光学系统局部放大。

通过使用平面镜MM11、MM12和MM13来折叠光路，就可使根据第一实施例的投影型图像显示装置紧凑。本发明并不限于上述折叠光路的方法。例如，可优选在第一光学系统L11中布置一个平面镜。此外，可在平面镜MM13与凹面反射面AM1之间布置另一个平面镜。

第二光学系统L12形成光瞳AP1(即，光通量会聚的部分)，它在屏幕S1上形成了第一光学系统L11的中间图像。光瞳AP1形成在从平面镜MM13到屏幕S1的整个表面的光通量之外的地方。当投影光学系统以此方式布置时，就能够在从第二光学系统L12定向到平面镜MM13的光通量与从平面镜MM13定向到屏幕S1的整个表面的光通量之间设置遮挡箱PB，从而使被导向到屏幕S1的光通量通过近似最小的开口TO1。遮挡箱PB1可保护投影光学系统(即，第一光学系统L11和第二光学系统L12)不受灰尘影响，而不会阻挡投影的视频光线。此外，遮挡箱PB1可阻挡从屏幕S1进入机柜的外界光线。例如，遮挡箱PB1可防止外界的光线在第二光学系统L12的凹面反射面AM1上等被反射而变成漫射光线并降低投影在屏幕S1上的视频的对比度。

(第二实施例)

图10示出了使用根据本发明的第二实施例的投影光学系统的投影机(投影型图像显示装置)的整个光学系统的概略图。图11示出该投影光学系统的放大视图。

在示出第二实施例的图中，P2表示如调制装置等图像显示元件。基于视频信号，图像显示元件P2对从光源(未示出)发射的光进行调制以形成一次像面。图像显示元件P2可表示反射型或透射型点阵液晶面板、数字微镜装置(DMD)等等。在图中，PP2表示偏振光束分束器(PBS)、4P棱镜、TIR(全内反射面)棱镜等等。STOP表示光圈。尽管投影机需要照明光学系统来照亮图像显示元件P2，但是图10、11以及示出第二实施例的其它附图中省略了照明光学系统。

L21表示由折射光学元件组成的第一光学系统。L22表示由凹面反射面AM2组成的第二光学系统。该投影光学系统由第一光学系统L21和第二光学系统L22组成，并将由图像显示元件P2图像调制的光(一次像面)导引到屏幕S2，以在屏幕S2上形成图像(二次像面)。即，第一光学系统L21在图10和11中的位置II处形成中间像。然后该图像在第二光学系统L22的反射面AM2上反射，以形成随后在屏幕S2上成像的光瞳图像。如图11中所示，投影光学系统的各光学面是关于光轴AXIS2旋转对称的。在图11中，虚线表示第二光学系统L22的凹面反射面AM2中未被使用的、因而被移除的部分。

表2示出将具体数值应用于根据第二实施例的投影光学系统的数值示例2的数据。

[表2]

屏幕对角：67.9英寸显示元件一侧的数值孔径：0.204

表面编号		曲率半径	间隔	玻璃(e线折射率/阿贝数)
					显示元件表面		无穷大	22.100
1		无穷大	12.000	1.83962/42.8
					2		无穷大	27.300	1.51872/64.0
3		无穷大	6.050
					4		48.02646	12.579	1.48914/70.2
5		-149.37820	0.300
					6		470.90347	4.869	1.48914/70.2
7		-141.59099	2.024
					8		51.42610	8.429	1.49845/81.2
9		-121.51292	1.377
					10		-70.77524	2.158	1.81184/33.0
11		31.36886	12.970	1.49845/81.2
					12		-34.28097	0.200
13		-34.24547	1.872	1.81184/33.0
					14		39.69278	8.724	1.85505/23.6
15		-67.65941	22.810
					光圈		无穷大	47.690
16		41.92112	11.966	1.48914/70.2
					17		-287.76955	7.924
18	非球面	1611.33087	7.000	1.49357/57.8
					19	非球面	118.54047	0.300
20		32.60197	14.000	1.48914/70.2
					21		41.37986	10.096
22		-50.40323	2.005	1.77621/49.4
					23		44.94476	20.707
24		-52.51332	10.000	1.49357/57.8
					25	非球面	-42.31242	325.000
26	非球面	-87.00193	-547.789	反射面
					投影像面		无穷大	0.000

图像显示元件P2的高宽比为16∶9，包含1920×1080个像素，并且大小为0.61英寸。图像显示元件P2被放大到67.9英寸以进行投影。物体一侧的数值孔径为0.204(等于F数2.5)。像素尺寸在图像显示元件P2上大约为7μm，而在屏幕S2上大约为0.783mm。

图13示出根据数值示例2的光斑图。图14示出失真。光斑图中所示出的视场角(1)到(15)分别是从图12中所示的图像显示元件P2上的位置(1)到(15)生成的。参考波长为656.28nm、620.0nm、546.07nm、460.0nm以及435.84nm，并且分别给予其2、2、3、2、1的权重。图13的比例是屏幕S2上一个像素的两倍那样大。如图13中所示，可得到充足的成像性能。如图14中所示，没有发现任何显著的图像失真，并且得到了充足的性能。

为将根据数值示例2的投影光学系统布置在背投式电视机的机柜CAB2内，需要通过如图15和16中所示地在平面镜MM21、MM22和MM23上折叠光路来使投影光学系统紧凑。图15和16示出通过将平面镜MM23布置在投影光学系统与屏幕S2之间，并将平面镜MM21和MM22布置在第一光学系统L21与第二光学系统L22之间来巧妙地折叠光路的构造。

图16是侧视图。如图18中所示，平面镜MM23被用来折叠光路，以使最外面的光束与屏幕成大约9.8度的角度θ。以此方式，该装置的厚度可以在250mm或以下，并且显示器底部部分可以很小。最外面的光束与屏幕之间所形成的角度θ优选范围在2.9度与31.0度之间，等价于tanθ范围在0.05与0.6之间。

图17将图15和16中的投影光学系统局部放大。

通过使用平面镜MM21、MM22和MM23来折叠光路，就可使根据第二实施例的投影型图像显示装置紧凑。本发明并不限于上述折叠光路的方法。例如，可优选在第一光学系统L21中布置一个平面镜。此外，可在平面镜MM23与凹面反射面AM2之间布置另一个平面镜。

显然，第二实施例也可使用如第一实施例中所述的遮挡装置。根据第二光学系统L22的光瞳被布置在从平面镜MM23行进到屏幕S2的光通量中最外面的光束之外的地方。在从投影光学系统行进到平面镜MM23的光通量与从平面镜MM23行进到屏幕S2的光通量之间没有干扰。此外，光通量会聚在光瞳上。

表3列出根据数值示例1和2的条件等式(1)和(2)的对应值。

[表3]

表3示出示例1和2的数值都满足条件等式(1)和(2)。

图19示出根据上述实施例1的第一光学系统L11的中间像位置。在图19中，Si1、Si2和Si3表示第一光学系统L11与分别对应于屏幕上的最低、中间和最高视场角的中间图像位置之间的距离。这些位置对应于图3中的点(1)、(7)和(13)。距离是Si1≈185mm，Si2≈102mm，而Si3≈38mm。第一光学系统L11的长度Ls是210mm，并且满足条件等式(1)。示例1和2的数值都满足条件等式(2)(见表3)。

(第三实施例)

图20示出了使用根据本发明的第三实施例的投影光学系统的投影机(投影型图像显示装置)的整个光学系统的概略图。图21示出该投影光学系统的放大视图。

在示出第三实施例的图中，P3表示如调制装置等图像显示元件。基于视频信号，图像显示元件P3对从光源(未示出)发射的光进行调制以形成一次像面。图像显示元件P3可表示反射型或透射型点阵液晶面板、数字微镜装置(DMD)等等。在图中，PP3表示偏振光束分束器(PBS)、二向棱镜、TIR(全内反射面)棱镜等等。STOP表示光圈。尽管投影机需要照明光学系统来照亮图像显示元件P3，但是图20、21以及示出第三实施例的其它附图中省略了照明光学系统。

L31表示由折射光学元件组成的第一光学系统。L32表示由反射面R31和R32组成的第二光学系统。在此例中，按照从图像显示元件P3出发的光路的顺序，R31表示一次像面一侧的凸面反射面，而R32表示凹面反射面AM1。该投影光学系统由第一光学系统L31和第二光学系统L32组成，并将由图像显示元件P3图像调制的光(一次像面)引导到屏幕S3，以在屏幕S3上形成图像(二次像面)。即，第一光学系统L31在图20和21中的位置II处形成中间像。然后该图像在第二光学系统L32的反射面R31和R32上反射，以形成随后在屏幕S3上成像的光瞳图像。如图21中所示，投影光学系统的各光学面是关于光轴AXIS3旋转对称的。在图21中，虚线表示第二光学系统L32的反射面R31和R32中未被使用的、因而被移除的部分。

表4示出将具体数值应用于根据第三实施例的投影光学系统的数值示例3的数据。

[表4]

根据数值示例3，图像显示元件P3的高宽比为16∶9，包含1920×1080个像素，并且大小为0.61英寸。图像显示元件P3被放大到73.1英寸以进行投影。F数为3。像素尺寸在图像显示元件P3上大约为7μm，而在屏幕S3上大约为0.845mm。

图23示出根据数值示例3的光斑图。图24示出失真。光斑图中所示出的视场角(1)到(15)分别是从图22中所示的图像显示元件P3上的位置(1)到(15)生成的。参考波长为656.28nm、620.0nm、587.56nm、546.07nm、460.0nm以及435.84nm。图23的比例是屏幕S3上一个像素的两倍那样大。如图23中所示，可得到充足的成像性能。如图24中所示，没有发现任何显著的图像失真，并且得到了充足的性能。

为将根据数值示例3的投影光学系统布置在背投式电视机的机柜内，需要通过如图25和26中所示地在平面镜MM31和MM32上折叠光路来使投影光学系统紧凑。图25和26示出通过将平面镜MM32布置在投影光学系统与屏幕S3之间，并将平面镜MM31布置在第一光学系统L31与第二光学系统L32之间来巧妙地折叠光路的构造。光束从一次像面的中心行进至二次像面的中心，并在垂直面内与光轴交叉。在此情形中，平面镜MM31在第一光学系统与第二光学系统的凹面反射面之间反射光束，并在水平面内偏转光束。当该投影光学系统被布置在例如机柜的底部时，平面镜MM33被布置在机柜的顶部，反射从投影光学系统输出的光线，并使光线偏转以到达屏幕S3。

图27将图25和26中的投影光学系统局部放大。

通过使用平面镜MM31和MM32来折叠光路，就可使根据第三实施例的投影型图像显示装置紧凑。本发明并不限于上述折叠光路的方法。例如，可优选在第一光学系统L31中布置一个平面镜。此外，可在平面镜MM32与凹面反射面R32之间布置另一个平面镜。

图26是侧视图。以此方式，平面镜M31和M32折叠光路。当屏幕尺寸为73.1英寸且高宽比为16∶9时，仅为该光学系统定义的装置厚度(深度)Dx将变为小于或等于250mm。当假定尺寸Hx是屏幕底部与第二光学系统L32的最低部分之间的高度时，Hx将变为小于或等于50mm。可使显示器底部部分变小。此外，通过针对各种屏幕大小来检查装置厚度以及显示器底部部分的尺寸发现如下结果。当屏幕大小的范围是从46到73英寸且长宽比为16∶9时，仅为该光学系统定义的装置厚度可变为小于或等于250mm。屏幕底部与第二光学系统L32的最低部分之间的高度可变为小于或等于50mm。实际的装置可包括该光学系统，并可配备诸如反射镜和机柜等机械部件。在此情形中，该装置可实现包括300mm或以下的厚度以及100mm或以下的显示器底部部分(屏幕底部与投影光学系统的最低部分之间的高度)的实际外部尺寸。

第二光学系统L32形成光瞳(即，光通量会聚的部分)，它在屏幕S3上形成第一光学系统L31的中间像。光瞳形成在从平面镜M32到屏幕S3的整个平面的光通量之外的地方。当投影光学系统以此方式布置时，就能够在从第二光学系统L32定向到平面镜M32的光通量与从平面镜M32定向到屏幕S3的整个表面的光通量之间设置诸如遮挡箱等遮挡构件(未示出，见图7)。该遮挡构件设有近似最小的透光开口，它允许被定向到屏幕S3的光通量通过。遮挡构件可保护投影光学系统(即，第一光学系统L31和第二光学系统L32)不受灰尘影响，而不会阻挡投影的视频光线。此外，遮挡构件阻挡从屏幕S3进入机柜的外界光线。例如，遮挡构件可防止外界的光线在第二光学系统的凹面反射面上等反射而变成漫射光线并降低投影在屏幕S3上的视频的对比度。上述遮挡构件的遮挡效果也可被施加于第四实施例。类似的效果可被施加于使用根据第五到第九实施例的投影光学系统的投影型图像显示装置。

(第四实施例)

图28示出了使用根据本发明的第四实施例的投影光学系统的投影机(投影型图像显示装置)的整个光学系统的概略图。图29示出该投影光学系统的放大视图。

在示出第四实施例的图中，P4表示图像显示元件。图像显示元件P4上形成一次像面。图像显示元件P4可表示数字微镜装置(DMD)。STOP表示光圈。尽管投影机需要照明光学系统来照亮图像显示元件P4，但是图28、29以及示出第四实施例的其它附图中省略了照明光学系统。

L41表示由折射光学元件组成的第一光学系统。L42表示由反射面R41和R42组成的第二光学系统。该投影光学系统由第一光学系统L41和第二光学系统L42组成，并将由图像显示元件P4图像调制的光(一次像面)引导到屏幕S4，以在屏幕S4上形成图像(二次像面)。第一光学系统L41在图28和29中的位置II处形成中间像。然后该图像在反射面R41和R42上反射，以形成随后在屏幕S4上形成的光瞳图像。如图29中所示，投影光学系统的各光学面是关于光轴AXIS4旋转对称的。在图29中，虚线表示第二光学系统L42的反射面R41和R42中未被使用的、因而被移除的部分。

表5示出将具体数值应用于根据第四实施例的投影光学系统的数值示例4的数据。

[表5]

F数	F/3.0
		以英寸计的尺寸	50″

		曲率半径	间隔	玻璃(e线折射率/阿贝数)
					显示元件表面		无穷大	54
光圈		无穷大	2.000
					1		-52.65808	5.807	1.67000/47.97
2		-23.18766	0.937
					3		-20.50806	3.000	1.63003/35.48
4		-36.35509	0.100
					5		60.64965	8.053	1.49845/81.20
6		-33.07412	0.100
					7		-58.53481	3.000	1.51978/51.85
8		41.88391	0.249
					9		45.54872	3.341	1.78167/27.31
10		52.75286	0.576
					11		69.68878	8.817	1.49845/81.20
12		-32.45941	1.122
					13		-26.48920	12.000	1.52033/58.69
14		-87.21177	26.181
					15		46.33716	14.214	1.62286/60.10
16		-89.13615	0.500
					17		-84.27186	8.911	1.67764/31.92
18		185.40020	4.858
					19		-81.21411	5.232	1.69416/30.92
20		58.72757	5.160
					21		92.26113	13.991	1.76167/27.31
22		-51.22638	0.100
					23		-60.90220	3.000	1.52033/58.69
24		47.28213	183.365
					25	非球面	100.00000	-140.000	反射面(第一反射镜)
26	非球面	69.81598	368.158	反射面(第二反射镜)
					投影像面		无穷大

使用DMD来作为图像显示元件P4，它的高宽比为16∶9，包含1280×768个像素，并且大小为0.7英寸。图像显示元件P4被放大到50英寸以在屏幕P4上投影。F数为3。像素尺寸在图像显示元件P4上大约为12μm，而在屏幕S3上大约为0.86mm。在图像显示元件P4与投影光学系统之间设置了光圈STOP。ON的光线在图像显示元件P4上反射，通过光圈STOP和投影光学系统，然后到达屏幕S4。光圈STOP遮断OFF的光线。ON的光线通过光圈STOP并进入折射光学系统L41以在图28和10中的位置II处形成中间像。然后ON的光线在反射面R41和R42上反射以在屏幕上形成光瞳图像。

图31示出根据数值示例4的投影光学系统的光斑图。图32示出失真。光斑图中所示出的视场角(1)到(15)分别是从图30中所示的图像显示元件P4上的位置(1)到(15)生成的。参考波长为656.28nm、620.0nm、587.56nm、546.07nm、460.0nm以及435.84nm。图31的比例是屏幕上一个像素的两倍那样大。如图31中所示，可得到充足的成像性能。如图32中所示，没有发现任何显著的图像失真，并且得到了充足的性能。

为将根据数值示例4的投影光学系统布置在背投式电视机的机柜内，需要通过如图33和34中所示地在平面镜M41和M42上折叠光路来使投影光学系统紧凑。图33和34示出通过将平面镜M42布置在投影光学系统与屏幕S4之间，并将平面镜M41布置在第一光学系统L41与第二光学系统L42之间来巧妙地折叠光路的构造。图34是侧视图。因为使用平面镜M41和M42以此方式来折叠光路，所以装置厚度将在250mm或以下，并且显示器底部部分可以很小。图35将图33和34中的投影光学系统局部放大。通过使用平面镜M41和M42来折叠光路，就可使根据第四实施例的投影型图像显示装置紧凑。本发明并不限于上述折叠光路的方法。例如，可优选在第一光学系统L41中布置一个平面镜。此外，可在平面镜M42与凹面反射面R42之间布置另一个平面镜。

(第五实施例)

图36示出了使用根据本发明的第五实施例的投影光学系统的投影机(投影型图像显示装置)的整个光学系统的概略图。图37示出该投影光学系统的放大视图。

在示出第五实施例的图中，P5表示图像显示元件。图像显示元件P5形成一次像面。图像显示元件P5可表示反射型点阵液晶面板、数字微镜装置(DMD)等。在图中，PP5表示偏振光束分束器(PBS)、二向棱镜、TIR(全内反射面)棱镜等等。STOP表示光圈。尽管投影机需要照明光学系统来照亮图像显示元件P5，但是图36和37中省略了照明光学系统。

L51表示由折射光学元件组成的第一光学系统。L52表示由反射面R51和R52组成的第二光学系统。该投影光学系统由第一光学系统L51和第二光学系统L52组成，并将由图像显示元件P5图像调制的光(一次像面)引导到屏幕S5，以在屏幕S5上形成图像(二次像面)。第一光学系统L51在图36和37中的位置II处形成中间像。然后该图像在反射面R51和R52上反射，以形成随后在屏幕S5上形成的光瞳图像。如图37中所示，投影光学系统的各光学面是关于光轴AXIS5旋转对称的。在图37中，虚线表示第二光学系统L52的反射面R51和R52中未被使用的、因而被移除的部分。

表6示出将具体数值应用于根据第五实施例的投影光学系统的数值示例5的数据。

[表6]

根据数值示例5，图像显示元件P5的高宽比为16∶9，包含1920×1080个像素，并且大小为0.61英寸。图像显示元件P5被放大到55.8英寸以进行投影。F数为3.0。像素尺寸在图像显示元件P5上大约为7μm，而在屏幕S5上大约为0.64mm。

图39示出根据数值示例5的投影光学系统的光斑图。图40示出失真。光斑图中所示出的视场角(1)到(15)分别是从图38中所示的图像显示元件P5上的位置(1)到(15)生成的。参考波长为656.28nm、620.0nm、587.56nm、546.07nm、460.0nm以及435.84nm。图39的比例是屏幕S5上一个像素的两倍那样大。如图39中所示，可得到充足的成像性能。如图40中所示，没有发现任何显著的图像失真，并且得到了充足的性能。

在将根据第五实施例的投影光学系统应用于投影机(投影型图像显示装置)时，可通过与上述第一和第四实施例类似地将诸平面镜放置在合适的位置来使投影光学系统变薄。

(第六实施例)

图41示出了使用根据本发明的第六实施例的投影光学系统的投影机(投影型图像显示装置)的整个光学系统的概略图。图42示出该投影光学系统的放大视图。

在示出第六实施例的图中，P6表示图像显示元件。图像显示元件P6形成一次像面。图像显示元件P6可表示反射型点阵液晶面板、数字微镜装置(DMD)等。在图中，PP6表示偏振光束分束器(PBS)、二向棱镜、TIR(全内反射面)棱镜等等。STOP表示光圈。尽管投影机需要照明光学系统来照亮图像显示元件P6，但是图41和42中省略了照明光学系统。

L61表示由折射光学元件组成的第一光学系统。L62表示由反射面RR61和RR62组成的第二光学系统。该投影光学系统由第一光学系统L61和第二光学系统L62组成，并将由图像显示元件P6图像调制的光(一次像面)引导到屏幕S6，以在屏幕S6上形成图像(二次像面)。第一光学系统L61在图41和42中的位置II处形成中间像。然后该图像在反射面RR61和RR62上反射，以形成随后在屏幕S6上形成的光瞳图像。在此例中，按照从图像显示元件P6出发的光束路径的顺序，RR61表示凹面反射面，而RR62表示第二像面一侧的凸面反射面。如图42中所示，投影光学系统的各光学面是关于光轴AXIS6旋转对称的。在图42中，虚线表示第二光学系统L62的反射面RR61和RR62中未被使用的、因而被移除的部分。

表7示出将具体数值应用于根据第六实施例的投影光学系统的数值示例6的数据。

[表7]

F数	F/3.0
		以英寸计的尺寸	50″

		曲率半径	间隔	玻璃(e线折射率/阿贝数)
					显示元件表面		无穷大	1.400
1		无穷大	27.300	1.51872/64.00
					2		无穷大	12.000	1.83962/42.75
3		无穷大	8.613
					4		-66.70934	4.619	1.76167/27.31
5		-40.20806	1.466
					6		33.43195	7.449	1.76167/27.31
7		131.35118	14.577
					8		59.72796	5.955	1.48914/70.24
9		-30.09630	3.000	1.75456/34.77
					10		18.28717	0.100
11		18.17450	7.246	1.48914/70.24
					12		-23.90429	1.977
13		-21.85215	3.000	1.81081/40.49
					14		-303.96553	0.100
15		109.80180	7.224	1.48914/70.24
					16		-28.10454	0.100
光圈		无穷大	99.059
					17		182.80303	15.241	1.67764/31.92
18		-135.37528	0.100
					19		64.12991	10.744	1.52033/58.69
20		119.23170	10.935
					21		-280.88707	3.000	1.72793/37.72
22		114.79624	216.118
					23	非球面	-73.93950	-120.000	反射面(第一反射镜)
24	非球面	-69.01404	229.652	反射面(第二反射镜)
					投影像面			0.000

根据数值示例6，图像显示元件P6表示诸如反射型点阵液晶面板等液晶装置，并且被设计成远心的。图像显示元件P6的高宽比为16∶9，包含1920×1080个像素，并且大小为0.61英寸。图像显示元件P6被放大到50英寸以进行投影。F数为3.0。像素尺寸在图像显示元件P6上大约为7μm，而在屏幕S6上大约为0.58mm。

图44示出根据数值示例6的投影光学系统的光斑图。图45示出失真。光斑图中所示出的视场角(1)到(15)分别是从图43中所示的图像显示元件P6上的位置(1)到(15)生成的。参考波长为656.28nm、620.0nm、587.56nm、546.07nm、460.0nm以及435.84nm。图44的比例是屏幕上一个像素的两倍那样大。如图44中所示，可得到充足的成像性能。如图45中所示，没有发现任何显著的图像失真，并且得到了充足的性能。

在将根据第六实施例的投影光学系统应用于投影机(投影型图像显示装置)时，可通过与上述第一和第四实施例类似地将诸平面镜放置在合适的位置来使投影光学系统变薄。

(第七实施例)

图46示出了使用根据本发明的第七实施例的投影光学系统的投影机(投影型图像显示装置)的整个光学系统的概略图。图47示出该投影光学系统的放大视图。

在示出第七实施例的图中，P7表示图像显示元件。图像显示元件P7形成一次像面。图像显示元件P7可表示反射型点阵液晶面板、数字微镜装置(DMD)等。在该图中，PP7表示偏振光束分束器(PBS)、二向棱镜、TIR(全内反射面)棱镜等等。STOP表示光圈。尽管投影机需要照明光学系统来照亮图像显示元件P7，但是图46和47中省略了照明光学系统。

L71表示由折射光学元件组成的第一光学系统。L72表示由反射面R71和R72组成的第二光学系统。该投影光学系统由第一光学系统L71和第二光学系统L72组成，并将由图像显示元件P7图像调制的光(一次像面)引导到屏幕S7，以在屏幕S7上形成图像(二次像面)。第一光学系统L71在图46和47中的位置II处形成中间像。然后该图像在反射面R71和R72上反射，以形成随后在屏幕S7上形成的光瞳图像。如图47中所示，投影光学系统的各光学面是关于光轴AXIS7旋转对称的。在图47中，虚线表示第二光学系统L72的反射面R71和R72中未被使用的、因而被移除的部分。

表8示出将具体数值应用于根据第七实施例的投影光学系统的数值示例7的数据。

[表8]

F数	F/3.0
		以英寸计的尺寸	52.5″

		曲率半径	间隔	玻璃(e线折射率/阿贝数)
					显示元件表面		无穷大	1.400
1		无穷大	20.700
					2		无穷大	12.000	1.83962/42.8
3		无穷大	27.300	1.51872/64.0
					4		无穷大	6.050
5		59.22241	12.300	1.49845/81.2
					6		-86.13954	4.172
7		44.25213	9.409	1.49845/81.2
					8		-96.55688	4.207
9		-50.21938	1.779	1.81184/33.0
					10		34.23739	3.003
11		38.84939	10.553	1.49845/81.2
					12		-33.38322	2.575
13		-35.32416	1.574	1.81184/33.0
					14		-294.59246	8.563
15		-2771.84910	5.043	1.85505/23.6
					16		-49.26150	10.336
光圈		无穷大	32.667
					17		-31.30247	1.800	1.83962/42.8
18		-41.95428	21.541
					19		45.68213	15.174	1.59142/61.0
20		-179.12544	11.472
					21		-84.96068	2.526	1.81263/25.3
22		-513.97498	0.300
					23		38.82080	7.423	1.67340/46.9
24		55.78713	11.970
					25		-68.01291	8.000	1.80831/46.3
26		45.75187	14.403
					27		-55.92187	13.306	1.81081/40.5
28		-48.48920	170.904
					29	非球面	1.01174E-05	-151.155	反射面(第一反射)
30	非球面	68.49207	364.319	反射面(第二反射)
					投影像面		无穷大

根据数值示例7，第30个表面，即，凹面反射面R72包含奇数次的非球面系数。因此，上述等式2定义了第30个表面的形状。

根据数值示例7，图像显示元件P7的高宽比为16∶9，包含1920×1080个像素，并且大小为0.61英寸。图像显示元件P7被放大到52.5英寸以进行投影。F数为3.0。像素尺寸在图像显示元件上大约为7μm，而在屏幕S7上大约为0.605mm。

图49示出根据数值示例7的投影光学系统的光斑图。图50示出失真。光斑图中所示出的视场角(1)到(15)分别是从图48中所示的图像显示元件P7上的位置(1)到(15)生成的。参考波长为656.28nm、620.0nm、587.56nm、546.07nm、460.0nm以及435.84nm。图49的比例是屏幕S7上一个像素的两倍那样大。如图49中所示，可得到充足的成像性能。如图50中所示，没有发现任何显著的图像失真，并且得到了充足的性能。

在将根据第七实施例的投影光学系统应用于投影机(投影型图像显示装置)时，可通过与上述第一和第四实施例类似地将诸平面镜放置在合适的位置来使投影光学系统变薄。

(第八实施例)

图51示出了使用根据本发明的第八实施例的投影光学系统的投影机(投影型图像显示装置)的整个光学系统的概略图。图52示出该投影光学系统的放大视图。

在示出第八实施例的图中，P8表示图像显示元件。在图像显示元件P8上形成一次像面。图像显示元件P8可表示数字微镜装置(DMD)。尽管投影机需要照明光学系统来照亮图像显示元件P8，但是图51和52中省略了照明光学系统。

L81表示由折射光学元件组成的第一光学系统。L82表示由反射面RR81和RR82组成的第二光学系统。该投影光学系统由第一光学系统L81和第二光学系统L82组成，并将由图像显示元件P8图像调制的光(一次像面)引导到屏幕S8，以在屏幕S8上形成图像(二次像面)。第一光学系统L81在图51和52中的位置II处形成中间像。然后该图像在反射面RR81和RR82上反射，以形成随后在屏幕S8上形成的光瞳图像。如图52中所示，投影光学系统的各光学面是关于光轴AXIS8旋转对称的。在图52中，虚线表示第二光学系统L82的反射面RR81和RR82中未被使用的、因而被移除的部分。

表9示出将具体数值应用于根据第八实施例的投影光学系统的数值示例8的数据。

[表9]

F数	F/3.0
		以英寸计的尺寸	55.8″

		曲率半径	间隔	玻璃(e线折射率/阿贝数)
					显示元件表面		无穷大	54.000
光圈		无穷大	0.100
					1		71.13311578	3.000	1.76167/27.31
2		-132.8219538	6.435
					3		87.24914913	9.995	1.76167/27.31
4		-111.03702	0.100
					5		-477.69876	3.000	1.80932/39.39
6		34.30104	1.000
					7		42.77973	6.841	1.56605/60.58
8		-22.24372	3.000	1.73432/28.10
					9		49.09361	0.100
10		44.96886	5.684	1.48914/70.24
					11		-52.48688	51.478
12		-931.71066	5.000	1.76167/27.31
					13		-302.78002	70.336
14		94.02440	7.538	1.76167/27.31
					15		298.10396	6.199
16		-186.511621	5.000	1.74794/44.63
					17		1081.95709	285.517
18	非球面	-83.79108	-110.000	反射面(第一反射镜)
					19	非球面	-177.21176	260.000	反射面(第二反射镜)
投影像面		无穷大	1.000

根据数值示例8，使用DMD来作为图像显示元件P8，它的高宽比为16∶9，包含1280×768个像素，并且大小为0.7英寸。图像显示元件P8被放大到55.8英寸以进行投影。F数为3。像素尺寸在图像显示元件P8上大约为12μm，而在屏幕S8上大约为0.86mm。在图像显示元件P8与投影光学系统之间设置了光圈STOP。ON的光线在图像显示元件P8上反射，通过光圈STOP和投影光学系统，然后到达屏幕S8。光圈STOP遮断OFF的光线。ON的光线通过光圈STOP并进入折射光学系统L81以在图51和52中的位置II处形成中间像。然后ON的光线在反射面RR81上反射以在屏幕S8上形成光瞳图像。该图像在反射面RR82上反射以在屏幕S8上成像。

图54示出根据数值示例8的投影光学系统的光斑图。图55示出失真。光斑图中所示出的视场角(1)到(15)分别是从图53中所示的图像显示元件上的位置(1)到(15)生成的。参考波长为656.28nm、620.0nm、587.56nm、546.07nm、460.0nm以及435.84nm。图54的比例是屏幕S8上一个像素的两倍那样大。如图54中所示，可得到充足的成像性能。如图55中所示，没有发现任何显著的图像失真，并且得到了充足的性能。

在将根据第八实施例的投影光学系统应用于投影机(投影型图像显示装置)时，可通过与上述第一到第四实施例类似地将诸平面镜放置在合适的位置来使投影光学系统变薄。

(第九实施例)

图56示出了使用根据本发明的第九实施例的投影光学系统的投影机(投影型图像显示装置)的整个光学系统的概略图。图57示出该投影光学系统的放大视图。

在示出第九实施例的图中，P9表示图像显示元件。图像显示元件P9形成一次像面。图像显示元件P9可表示反射型点阵液晶面板、数字微镜装置(DMD)等等。在图中，PP9表示偏振光束分束器(PBS)、二向棱镜、TIR(全内反射面)棱镜等等。STOP表示光圈。尽管投影机需要照明光学系统来照亮图像显示元件P9，但是图56和57中省略了照明光学系统。

L91表示由折射光学元件组成的第一光学系统。L92表示由反射面AM9组成的第二光学系统。该投影光学系统由第一光学系统L91和第二光学系统L92组成，并将由图像显示元件P9图像调制的光(一次像面)引导到屏幕S9，以在屏幕S9上形成图像(二次像面)。即，第一光学系统L91在图56和57中的位置II处形成中间像。然后该图像在反射面AM9上反射，以形成随后在屏幕S9上形成的光瞳图像。如图57中所示，投影光学系统的各光学面是关于光轴AXIS9旋转对称的。在图57中，虚线表示第二光学系统L92的凹面反射面AM9中未被使用的、因而被移除的部分。

表10示出将具体数值应用于根据第九实施例的投影光学系统的数值示例9的数据。

[表10]

F数	F/3.0
		以英寸计的尺寸	62.6″

		曲率半径	间隔	玻璃(e线折射率/阿贝数)
					显示元件表面		无穷大	0.900
1		无穷大	30.000	1.51872/64.0
					2		无穷大	5.000
3		62.65902	9.402	1.48914/70.2
					4		-82.6989	6.176
5		36.38095	10.475	1.49845/81.2
					6		-81.168	6.000
7		-37.1714	1.539	1.64940/31.7
					8		27.24078	3.912
9		33.08227	10.504	1.49845/81.2
					10		-28.5041	2.809
11		-26.4725	1.341	1.61864/34.5
					12		60.76307	1.402
13		87.88232	6.476	1.75520/27.5
					14		-32.7878	9.119
光圈		无穷大	13.175
					15		-27.9681	1.500	1.54285/47.0
16		-52.9861	18.502
					17		91.05025	10.217	1.75450/51.6
18		-58.8245	3.649
					19		-49.6999	5.690	1.84666/23.8
20		-117.323	50.536
					21		68.55467	8.000	1.48914/70.2
22		46.45361	14.599
					23		-149.905	3.005	1.48914/70.2
24		115.63	5.973
					25		426.1313	6.000	1.84829/29.7
26		-670.278	250.000
					27	非球面	-88.935	-700.000	反射面(第一反射镜)
投影像面

根据数值示例9，图像显示元件P9表示诸如反射型点阵液晶等液晶装置，并且被设计成远心的。图像显示元件P9的高宽比为16∶9，包含1920×1080个像素，并且大小为0.61英寸。图像显示元件P6被放大到62.6英寸以进行投影。F数为3.0。像素尺寸在图像显示元件P9上大约为7μm，而在屏幕上大约为0.725mm。

图59示出根据数值示例9的投影光学系统的光斑图。图60示出失真。光斑图中所示出的视场角(1)到(15)分别是从图58中所示的图像显示元件上的位置(1)到(15)生成的。参考波长为656.28nm、620.0nm、587.56nm、546.07nm、460.0nm以及435.84nm。图59的比例是屏幕S9上一个像素的两倍那样大。如图59中所示，可得到充足的成像性能。如图60中所示，没有发现任何显著的图像失真，并且得到了充足的性能。

在将根据第九实施例的投影光学系统应用于投影机(投影型图像显示装置)时，可通过与上述第一和第四实施例类似地将诸平面镜放置在合适的位置来使投影光学系统变薄。

表11根据上述数值示例3到9列出条件等式(1)、(2)和(3)的相关数据及对应数据。

[表11]

可以理解，上述数值示例3到9全部都满足条件等式(1)、(2)和(3)。

图61示出根据上述实施例4的第一光学系统L41的中间像位置。在图61中，Si1、Si2和Si3表示第一光学系统L41与分别对应于屏幕上最低、中间和最高视场角的中间像位置之间的距离。这些位置对应于图22中的点(1)、(7)和(13)。这些距离是Si1≈183mm、Si2≈112mm、及Si3≈50mm。第一光学系统L41的长度Ls是131.25mm，并且满足条件等式(1)。数值示例3到9中任何一个不仅满足条件等式(1)，还满足条件等式(2)和(3)(见表11)。

当恰当地使用上述特征和效果时，就能够使用很少反射面来适当地校正失真，并紧凑地构造成像能力极佳的投影光学系统。

上述实施例描述了用于在透射型屏幕上进行投影的投影型图像显示装置。显然根据本发明的投影型图像显示装置适用于作为用于在反射型屏幕上进行投影的装置。

上述实施例描述了由关于公共光轴旋转对称的表面组成的第一光学系统和第二光学系统。此外，本发明还适用于非旋转对称的表面。

上述实施例和数值示例表示诸部件的具体形状和数值纯粹是作为具体化本发明的示例。这些具体细节不应使本发明的技术范围被限定性地解释。

工业实用性

本发明可提供以很小的深度和高度以及很大的放大倍数为特征的投影光学系统。该投影光学系统特别适用于大型背投式电视机。此外，该投影光学系统适用于在诸如狭小的房间等有限空间里在反射型屏幕上进行放大投影。

Claims (19)

1. 一种用于从缩小侧存在的一次像面向放大侧存在的二次像面进行放大投影的投影光学系统，包括：

第一光学系统，它形成所述一次像面的中间像；以及

第二光学系统，它具有凹面反射面，用于根据所述中间像来形成所述二次像面，

其中，光束从所述一次像面的中心行进至所述二次像面的中心，与所述第一光学系统的光轴交叉，在所述凹面反射面上反射，再次与所述光轴交叉，并到达所述二次像面，并且

所述第一光学系统形成的所述中间像的中心位于这样的位置：所述位置沿所述光束的行进路径离所述第一光学系统的出射面比离所述第二光学系统的凹面反射面更近。

2. 如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，

所述第一光学系统和所述第二光学系统包括关于公共光轴旋转对称的表面。

3. 如权利要求2所述的投影光学系统，其特征在于，

所述第二光学系统仅包括所述凹面反射面。

4. 如权利要求2所述的投影光学系统，其特征在于，

所述第二光学系统在所述凹面反射面的放大侧或缩小侧有一凸面反射面。

5. 如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，

满足以下条件关系式(1)，其中Ls是所述第一光学系统的光线入射表面与光线出射表面之间沿所述光轴的长度，而Si是所述第一光学系统的所述光线出射表面与所述中间像之间沿所述光轴的距离，

(1)Si/Ls＜2。

6. 如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，

满足以下条件关系式(2)，其中S12是所述第一光学系统的所述出射表面与所述凹面反射面之间沿所述光轴的距离，而R是所述凹面反射面的近轴曲率半径，

(2)S12＞|R|/2。

7. 如权利要求4所述的投影光学系统，其特征在于，

满足以下条件关系式(3)，其中SR12是所述凸面反射面与所述凹面反射面之间沿所述光轴的距离，R是所述凹面反射面的近轴曲率半径。

(3)SR12＞|R|/2。

8. 如权利要求2所述的投影光学系统，其特征在于，

所述凹面反射面是关于所述光轴旋转对称的非球面表面。

9. 如权利要求8所述的投影光学系统，其特征在于，

表示所述旋转对称的非球面表面形状的函数包含奇数次的非球面系数。

10. 如权利要求8所述的投影光学系统，其特征在于，

所述凹面反射面被定形为当所述凹面反射面变得远离所述光轴时，减小其相对于近轴曲面的曲率。

11. 如权利要求4所述的投影光学系统，其特征在于，

所述凸面反射面包含至少一个旋转对称的非球面表面。

12. 如权利1到4中任何一项所述的投影光学系统，其特征在于，

所述第一光学系统包含一个或多个旋转对称的非球面表面。

13. 一种投影型图像显示装置，包括：

光源；

调制装置，用于基于视频信号来调制并输出从所述光源发出的光；以及

投影光学系统，用于从所述调制装置一侧的一次像面向屏幕一侧的二次像面进行放大投影，

其中，所述投影光学系统包括：

第一光学系统，它形成所述一次像面的中间像；以及

第二光学系统，它具有凹面反射面，用于根据所述中间像来形成所述二次像面，

其中，光束从所述一次像面的中心行进至所述二次像面的中心，与所述第一光学系统的光轴交叉，在所述凹面反射面上反射，再次与所述光轴交叉，并到达所述二次像面，并且

所述第一光学系统形成的所述中间像的中心位于这样的位置：所述位置沿所述光束的行进路径离所述第一光学系统的出射面比离所述第二光学系统的凹面反射面更近。

14. 如权利要求13所述的投影型图像显示装置，其特征在于，

所述第一光学系统和所述第二光学系统包括关于公共光轴旋转对称的表面。

15. 如权利要求13所述的投影型图像显示装置，其特征在于，

所述屏幕是透射型的；

所述屏幕被布置在机柜的前面，所述机柜中包含所述光源、所述调制装置和所述投影光学系统；以及

所述投影光学系统提供从其背面到所述透射型屏幕的放大投影。

16. 如权利要求15所述的投影型图像显示装置，其特征在于，

所述投影光学系统被设置在所述机柜的底部；以及

在所述机柜的顶部设置平面镜，所述平面镜反射从所述投影光学系统输出的光线，并使所述光线偏转以到达所述透射型屏幕。

17. 如权利要求16所述的投影型图像显示装置，其特征在于，

所述第二光学系统在从所述平面镜行进至所述透射型屏幕表面的光通量之外形成将所述中间像对应到所述二次像面上的光瞳。

18. 如权利要求13所述的投影型图像显示装置，其特征在于，

光束从所述一次像面的中心行进至所述二次像面的中心，并在垂直面内与所述光轴交叉；以及

设置了反射装置，用于在所述第一与所述第二光学系统之间反射所述光束，并使所述光束在水平面内偏转。

19. 如权利要求13到18中任何一项所述的投影型图像显示装置，其特征在于，包括：

至少一个平面反射面，用于自由地定向在所述凹面反射面上反射的光路，

满足以下条件关系式(4)，其中θ是所述屏幕与最外面的光束之间的角度，所述最外面的光束是从紧靠所述屏幕之前放置的平面反射面定向到所述屏幕、并且通过离所述屏幕最远的位置的光束，

(4)0.6＞tanθ＞0.05。

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