CN100593324C - 投影光学系统和采用该投影光学系统的投影显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种投影光学系统和一种采用该投影光学系统的投影显示装置。投影光学系统包括：显示装置，用于显示将要被投射到图像显示区域上的图像；第一光学系统和第二光学系统，按顺序地沿着从屏幕到显示装置的光路设置。当第一光学系统的光轴是参考轴时，显示装置的图像显示区域相对于参考轴平行偏心地设置，第二光学系统相对于参考轴偏心地设置。因此，在图像显示区域上显示的图像被放大并被投射到相对于参考轴偏心的位置上。投影显示装置包括照射单元和投影光学系统，所述照射单元用于照射用于形成将要被投射的图像的光。

Description

投影光学系统和采用该投影光学系统的投影显示装置
技术领域
本发明涉及一种投影光学系统以及一种投影显示装置。更具体地，本发明涉及一种在与光轴偏移的位置上投射图像的偏移投影光学系统以及包括该光学投影系统的投影显示装置。
背景技术
传统的投影显示装置倾斜地将显示装置，如投影仪中显示的图像投射到被布置在竖直表面，如墙壁上的屏幕上。例如，投影显示装置被安装在桌子上或天花板上，并沿着高于或低于安装位置的方向倾斜地投射图像。因为投影光学系统的光轴被设为与屏幕成一定角度，所以屏幕的表面倾斜地与投影光学系统的光轴相交。因此，投影的图像扭曲，从而使图像质量变差。
因此，可几乎水平地布置投影光学系统的光轴，以使投影光学系统按照一定角度将图像投射到投影光学系统的有效图像区域的上部区域，这被称为偏移投影。
例如，如平11-249069号日本专利公布中的图9所示，在显示光学系统(投影显示装置)中，数字微镜装置(DMD)被布置为平行地偏心，从而DMD的显示区域的边缘部分对应于投影光学系统的光轴，并且DMD将图像投射到投影光学系统的投影区域的一侧的一半上，例如，将图像投影到投影区域的上部。
此外，虽然在有效的图像区域内与偏移投影无关，但是存在这样一种投影技术：该技术可被用于投影图像，以使得通过校正显示装置的图像可使投影光学系统的光轴和图像显示区域的中心互相对应，所述显示装置被设置为相对于投影光学系统的光轴平行地偏心。
例如，如第2000-39585号日本专利公开中的图1、2、5、6、9和10所示，投影显示装置具有偏心的光学装置，该光学装置被高度偏心地设置在反射式显示装置和投影显示装置之间。反射式显示装置的图像显示区域的中心与投影系统的光轴对应，其中，所述反射式显示装置被设置为相对于投影系统的光轴倾斜地偏心。
然而，如上所述的传统的投影光学系统和投影显示装置具有下列问题。
例如在平11-249069号日本专利公布中，因为投影光学系统的图像表面和屏幕可被设置为互相平行，所以即使当沿着向上的方向投射图像时，也不会产生由于图像表面绕屏幕的旋转而引起的图像扭曲。然而，投影光学系统必须将整个图像显示区域投射到有效的图像显示区域的一部分上，例如上部。投影光学系统仅可被用在投影视角中包括具有不适当的像差的高视角单元的窄范围的视角。因此，应当扩展投影光学系统的有效的图像显示区域或增加光学元件的数目以减小像差。结果，投影光学系统变大变复杂，并增加了投影光学系统的价格。
根据第2000-39585号日本专利公开，通过在显示装置和投影光学系统之间布置被偏心地设置的光学装置能够使被偏心地设置的显示装置的投影区域移动。然而，第2000-39585号日本专利公开涉及通过将光学装置偏心地设置在图像投影区域的中心与投影光学系统的中心相对应的位置上来实现像差的减小。因此，其与通过平行偏心地设置显示装置而实现的偏移投影无关。即，第2000-39585号日本专利公开不能被应用到偏移投影光学系统。
为了应用偏移投影，应当使在偏移方向上的显示区域一侧加倍，并且应当仅使用具有减小的像差的整个区域的一半，在这种情况下，像差明显不会减小到第2000-39585号日本专利公开中的那种程度。
因此，需要一种包括改进的投影光学系统的投影显示装置，其中，所述改进的投影光学系统能够偏移投影并提高图像质量。
发明内容
本发明提供一种投影光学系统以及一种采用该投影光学系统的投影显示装置，所述投影光学系统在偏移投影期间通过利用简单的结构减小像差来投射高质量图像。
根据本发明的示例性实施例，投影光学系统包括：显示装置，用于显示将要被投射到图像显示区域上的图像；第一光学系统和第二光学系统，按顺序地沿着从屏幕到显示装置的光路设置。当第一光学系统的光轴是参考轴时，显示装置的图像显示区域相对于参考轴平行偏心地设置。第二光学系统相对于参考轴偏心地设置，从而在图像显示区域上显示的图像被放大并被投射到相对于参考轴偏心的位置上。
根据本发明的另一示例性实施例，投影显示装置包括照射单元和投影光学系统，所述照射单元用于照射用于形成将要被投射的图像的光。
根据本发明的示例性实施例，接近显示装置的第二光学系统在接近屏幕的第一光学系统的光轴周围偏心地设置。因此，在参考轴的周围被设置为平行偏心的图像显示区域中，根据第二光学系统的偏心量可纠正偏心的漫射光束的方向。
显示装置的图像显示区域被设置为在参考轴的周围平行偏心，即用于偏移投影，光束透过投影光学系统的图像高度的上部。因此，可能增加像差，并且因为图像显示区域和参考轴彼此不对应，所以在投射的图像中产生不对称的像差。
当第二光学系统被设置为平行偏心时，相对于轴移位部件的像差，如扭曲，在平行偏心的方向上产生。因此，通过在相对于图像显示区域的参考轴的平行偏心相同的方向上平行偏心地设置第二光学系统可消除扭曲并可改善扭曲的尺寸和对称性。此外，当第二光学系统被设置为分别在参考轴和图像显示区域的平行偏心的方向的周围倾斜偏心时，可产生相对于轴移位部件的像差，如扭曲，因此，通过倾斜偏心地设置第二光学系统可消除扭曲，从而改善扭曲的尺寸和对称性。
因此，即使在第一光学系统的图像高度的上部分中仍存在着像差，如扭曲，在投射图像的范围内仍可校正这些像差。
此外，根据本发明的示例性实施例的图像投影装置利用所述投影光学系统来放大图像显示区域的图像。
根据本发明示例性实施例的投影显示装置使用所述投影光学系统并因此具有与投影光学系统相同的效果。
通过下面结合附图公开本发明示例性实施例的详细的描述，本发明的其它目的、优点和显著的特点将变得更加清楚。
附图说明
通过参考附图对示例性实施例进行详细的描述，本发明的以上和其它特点和优点将会更加清楚，其中：
图1是根据本发明示例性实施例的投影显示装置的正视图；
图2是用在图1中的投影显示装置中的包括光轴的投影光学系统的截面图；
图3是根据本发明另一示例性实施例的投影显示装置的正视图；
图4是用在图3中的投影显示装置中的包括光轴的投影光学系统的截面图；
图5是包括光轴的图1的投影光学系统和根据第一至第四变形例子的投影光学系统的光路的截面图；
图6是表示对比例子的扭曲的矢量图；
图7A和图7B是表示第一变形例子和第二变形例子的扭曲的矢量图；
图8A和图8B是表述第三变形例子和第三变形例子的扭曲的矢量图；
图9是表示每个变形例子和对比例子的像面曲率的计算位置的示意图。
在所有的附图中，相同的标号应当被理解为指示相同的零件、部件和结构。
具体实施方式
现在参照附图更加全面地描述本发明的示例性实施例。省略对附图之间类似的或相应的构件的相同描述。
下文描述根据本发明示例性实施例的投影光学系统和投影显示装置。
图1是表示根据本发明示例性实施例的投影显示装置的正视图。图2是用在图1中的投影显示装置中的包括光轴的投影光学系统的截面图。
因为附图是示意图，所以尺寸或形状可能会被夸大，并且可能会没有指示准确的位置，这点适用于以下的整个说明书。
如图1所示，本发明示例性实施例中的投影显示装置1包括被设置在外壳1a中的照射单元2、反射式显示装置3和投影光学系统4。此外，虽然在附图中未显示，但是还包括与照射单元2和反射式显示装置3连接的供电单元和装置控制单元，供电单元用于驱动投影显示装置1，装置控制单元用于控制投影显示装置1。
在图1的示例性实施例中，投影显示装置1的外壳1a被水平地布置，从而投射的光束5从布置表面向上倾斜，从而将图像投射到基本上与布置表面垂直地安装的屏幕6上。然而，这样的布置和投影方向不限于这种构造，可以使用任何适合的构造。例如，可以使屏幕6的表面倾斜，或者使投影方向向下倾斜。
照射单元2是用于向反射式显示装置3的图像显示区域照射照明光的光源。在图1的示例性实施例中，至少红(R)、绿(G)和蓝(B)这三种颜色的光以及具有与白光相应的波长的光束可以被分时地且按顺序地照射，以显示全彩图像。例如，可以被独立地驱动的具有R、G和B波长的光源被联合设置在同一光路上。此外，可在光路上设置白光源，并且可在光路上安装用于R、G和B的驱动滤波器。
从照射单元2照射的光可按照合适的角度发射，以使得被反射式显示装置3反射的光入射到投影光学系统4。然而，在图1的示例性实施例中，来自照射单元2的光沿着从屏幕6的下方到上方的方向倾斜地照射，并通过稍后将描述的第二光学系统4B，然后入射到反射式显示装置3。此外，可包括镜子或棱镜以根据投影显示装置1的布局的形式使光路折叠。
反射式显示装置3根据图像信号对从照射单元2根据照射定时照射的各波长的照射光进行空间调制，并且色分离的图像被显示在被盖玻璃3c覆盖的图像显示区域3a上(见图2)。
在此不详细表示图像显示区域3a，但是图像显示区域3a由多个空间调制元件形成，按照点阵形式布置在显示平面上的每个空间调制元件与图像信号的一个象素单元对应。在图1和图2的示例性实施例中，图像显示区域3a由W×H的矩形形成，其中，W是长边，H是短边。中心法线3b表示显示平面在图像显示区域3a的中心的法线。
反射式显示装置3的图像显示区域3a被设置为使得中心法线3b相对于稍后将描述的第一光学系统4A的光轴4a平行地偏心，其偏心距为a。图像显示区域3a沿着基本上与在投影光学系统4的图像表面上的屏幕相对的方向设置。
偏心的程度与图像显示区域3a的短边的一半的比率用轴偏移量Δh来表示，即，
Δh＝a/(H/2)             ...(1)。
轴偏移量可根据偏移投影条件设定，在图1和图2的示例性实施例中，轴偏移量满足下面的范围：
0＜Δh＜2.0              ...(2)，
优选地，1.0≤Δh≤1.5    ...(3)。
反射式显示装置3可以是小型的镜阵列，如数字微镜装置(DMD)或反射式硅基液晶(LCOS)。
投影光学系统4是用于将显示在反射式显示装置3的图像显示区域3a上的图像放大并将该图像投射到屏幕6上的光学系统，并且投影光学系统4对图像显示区域3a和屏幕6都进行操作。
投影光学系统4由依次提到的布置在从反射式显示装置3到屏幕6的光路上的第二光学系统4B和第一光学系统4A形成。
第一光学系统4A是具有视角θ0的扩展投影系统。在图1和图2的示例性实施例中，第一光学系统4A包括布置在光轴4a上的第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15、第六透镜16和第七透镜17。光轴4a被布置为基本上与投影显示装置1的布置表面垂直。
每个透镜可具有满足扩展投影系统的功用的形状和光焦度(power)，例子如下。
第一透镜11和第二透镜12最好是凸向屏幕6的凹弯月透镜(concavemeniscus lens)。
第三透镜13最好是双凸透镜。
第四透镜14最好是从屏幕方向开始按顺序布置的双凸透镜14A和双凹透镜14B形成的连接透镜。
第五透镜15最好是双凹透镜。
第六透镜16最好是凸向图像显示区域3a的凸弯月透镜(convex meniscuslens)。
第七透镜17最好是双凸透镜。
因此，从屏幕到图像显示区域3a，投影光学系统具有负(-)光焦度、负(-)光焦度、正(+)光焦度、正(+)光焦度、负(-)光焦度、正(+)光焦度和正(+)光焦度的构造。
第二光学系统4B是用于在第一光学系统4A和反射式显示装置3之间调整光路并使光聚焦的具有正光焦度的光学系统，该第二光学系统4B被设置为相对于光轴4a偏心。在图1和图2的示例性实施例中，第二光学系统4B被设置为沿着与反射式显示装置3的偏心相同的方向相对于光轴4a基本上平行地偏心，其偏心距为b。标号4b表示第二光学系统4B的光轴。
因为平行偏心程度的大小和方向根据投影光学系统4的构造而变化，所以跟踪光束以使在放大图像显示区域3a的投影位置处的扭曲量或对称平衡被设在允许的范围内。
通常，第二光学系统4B的与距离b相关的平行偏心的程度可小于反射式显示装置3的与距离a相关的平行偏心的程度，以获得良好的效果。因此，当第二光学系统4B被偏心地设置时，屏幕6上的图像投影区域没有改变很多，并且保持偏移投影状态。
第二光学系统4B仅由观测透镜18形成，该透镜最好是双凸透镜，其中，面对图像显示区域3a的侧面基本是平面。
观测透镜18面对图像显示区域3a。不具有折射力(refractive power)的盖玻璃3c被设置在观测透镜18和图像显示区域3a之间。因此，作为具有折射力的光学装置的第二光学系统4B被设置为最接近反射式显示装置3。
在本发明的图1和图2的示例性实施例中的第二光学系统4B被设置在照射单元2和反射式显示装置3之间的光路上，并使来自照射单元2的光准直并射至图像显示区域3a上。
下面参照投影光学系统4的光学功能描述图像投影装置1的操作。
根据预定的定时从照射单元2发射的预定波长的照明光通过第二光学系统4B并准直，如图2所示，然后通过盖玻璃3c并倾斜地入射到图像显示区域3a的中心法线3b上。
图像显示区域3a上的每个空间调制元件根据与预定的波长和定时相对应的图像信号被驱动，从而处于打开状态和关闭状态，在打开状态中，照射光被反射后入射到投影光学系统4上，在关闭状态中，照射光没有被反射，从而也没有入射到投影光学系统4上。
因此，由处于打开状态的空间调制元件反射的光使图像显示在图像显示区域3a上。被反射的光通过盖玻璃3c并入射到第二光学系统4B上，然后被第二光学系统4B折射以准直并通向第一光学系统4A。
这里，因为观测透镜18被设置为相对于光轴平行偏心，其偏心距为b，所以，与观测透镜18和光轴4a同轴时相比，折射的方向根据偏心的方向变化。因此，光入射到第一光学系统4A的入射位置和入射角根据观测透镜18的光焦度和焦距变化。
因为观测透镜18是光学投影系统4中的用于使反射式显示装置3的反射光初始通过的具有一定光焦度的光学装置，所以具有相对小的发光直径的光通过观测透镜18。因此，观测透镜18的折射影响与屏幕上的图像形成位置的几何不一致有关的像差，如扭曲或像面曲率，而不是影响成像像差，如球面像差。例如，平行偏心影响扭曲，倾斜偏心影响像面曲率。
此外，当与距离b相关的平行偏心被适当地设定时，通过使用与反射式显示装置3的平行偏心相比更小的偏心，可减小扭曲或提高对称性。
由于上述偏心，朝向屏幕6上的图像投影区域所不包括的投影区域的光路上的像差可能会增加。然而，因为按照偏移投影的方式，不将图像投射到这种区域上，所以不会发生这种问题。在图1和图2的示例性实施例中，修改投影光学系统4的所有视角的像差分布，以改善屏幕6的图像投影区域中的像差。
从第二光学系统4B发射的光入射到第一光学系统4A上并通过第七透镜17、第六透镜16、第五透镜15、第四透镜14、第三透镜13、第二透镜12和第一透镜11，并被所述透镜的每个折射，增加视角θ1，从而在屏幕6上形成图像。视角θ1是在中心投影轴5a的周围得到的角度，所述中心投影轴5a是从光轴4a向上倾斜地延伸的轴。如图1所示，视角θ1与投影光学系统4的放大倍率有关。
因此，在图像显示区域3a上显示的图像被放大并投射在屏幕6上。屏幕6上的投影位置大致通过投影光学系统4的放大倍率以及与图像显示区域3a的中心法线3b的距离a相关的平行偏心的程度来确定，而在投影位置的扭曲通过与第二光学系统4B的距离b相关的平行偏心的程度来改善。因此，通过投影显示装置1可偏移投射高质量的图像。
图1和图2的示例性实施例可被修改为各种形式。即，光学装置的偏心可根据上述构造而改变成各种形式。
例如，还可以通过使第二光学系统4B绕着与光轴4a和反射式显示装置3的平行偏心方向都垂直的轴旋转来倾斜偏心地设置第二光学系统，以此代替平行偏心地布置的第二光学系统4B。因此，通过方向的旋转可改善由于反射式显示装置3的平行偏心而引起的扭曲。
可对图1和图2的示例性实施例进行的另一种修改涉及的是：除了第二光学系统4B的偏心之外，还可以平行偏心地设置第一光学系统4A的一些光学元件。与另一光学装置的平行偏心的结合对扭曲等产生了不同的影响，因而使像差更加明确地被校正。此外，由于在第一光学系统4A的光学装置的一部分和第二光学系统4B之间给定了最佳偏心量，所以可减小对其它像差的影响。
此外，作为投影光学系统4的参考轴的第一光学系统4A的光轴4a指的是排除被偏心地设置的第一光学系统4A的一些元件之后的第一光学系统4A的光轴。
可以对图1和图2的示例性实施例进行另一种修改，这种修改增加通过使反射式显示装置3、第二光学系统4B或第一光学系统4A的一些光学元件绕着与光轴4a以及反射式显示装置3的平行偏心方向都垂直的轴旋转来获得的倾斜偏心。
倾斜偏心通常影响上文所述的像面曲率，从而可改善图像表面上的图像的不一致，并使高质量的偏移投影成为可能。
根据投影光学系统4的构造，考虑对其它像差的影响，可适当地设定倾斜偏心的方向和偏心的程度。例如，平行偏心使扭曲减小，但可使像面曲率变差。因此，可增加倾斜偏心的程度以减小扭曲和像面曲率。
以下描述根据本发明另一示例性实施例的投影光学系统和投影显示装置。
图3是根据本发明另一示例性实施例的投影显示装置的正视图。图4是用在图3的投影显示装置中的包括光轴的投影光学系统。
本发明的图3和图4的示例性实施例中的投影显示装置10包括代替图1的投影显示装置1的反射式显示装置3的透射式显示装置7，照射单元2的照射方向被改变为射向透射式显示装置7的后表面。以下，参照与图1和图2的示例性实施例的主要差别来描述本发明的图3和图4的示例性实施例的投影显示装置10。
透射式显示装置7根据图像信号对根据照射定时从显示表面的后表面由照射单元2照射的预定波长的照明光进行空间调制，并且该透射式显示装置7将色分离的图像显示在图像显示区域7a上。透射式显示装置7可以是，例如液晶显示器(LCD)。
在图3和图4的示例性实施例中，为了解释方便，透射式显示装置7形成为单面板型。传统的透射式显示装置形成为包括用于R、G、B光的透射式空间调制装置的三面板型，如LCD，并且传统的透射式显示装置包括色彩组合单元，该色彩组合单元用于使通过每个透射式空间调制装置的光结合。需要将色彩组合单元设置在投影光学系统4和透射式显示装置7a之间。然而，在当前的描述中省略了色彩组合单元。此外，三个透射式空间调制装置的显示表面形成图像显示区域，色彩组合单元使该图像显示区域布置在光学等效位置上。
不对图像显示区域7a进行详细说明，所述图像显示区域7由多个空间调制元件形成，每个空间调制元件对应于图像信号的一个象素单元，所述多个空间调制元件按照点阵形式布置在显示平面上。在图3和图4的示例性实施例中，图像显示区域7a被设置为W×H的矩形，其中，W指长边，H指短边。中心法线7b指显示平面在图像显示区域7a的中心的法线。
透射式显示装置7的图像显示区域7a的位置被布置为与图1和图2的示例性实施例中的反射式显示装置3相对于投射光学系统4的位置相同。即，图像显示区域7a被设置为相对于第一光学系统4A的光轴4a平行地偏心，其偏心距为a，并且图像显示区域7a被设置为与投影光学系统4的图像表面上的屏幕相对。
此外，轴偏移量Δh与图1和图2的示例性实施例中的定义相同。
如上所述，本发明的图3和图4的示例性实施例中的投影显示装置10利用透射式显示装置7来代替反射式显示装置3。
因此，可从透射式显示装置2的后表面射出照射光，因而，容易将照射单元2布置为不与投影光学系统4干扰，从而提高装置的布局的自由度。
此外，因为图3和图4的当前的示例性实施例与先前的图1和图2的示例性实施例的差别仅在于：在当前的示例性实施例中，来自照射单元2的照射光不通过第二光学系统4B而被引入到透射式显示装置中，所以，关于从透射式显示装置到屏幕6的光路和光学功能方面，当前示例性实施例中的投影光学系统与先前的示例性实施例相比具有相同的效果。
因此，投影光学系统4使显示在图像显示区域7a上的图像被放大并被投射到屏幕6上。屏幕6上的投射位置大致上由与图像显示区域7a的中心法线的距离a相关的平行偏心的程度来确定。在投射位置处的扭曲可由与第二光学系统4B的距离b相关的平行偏心的程度来减小。因此，投影显示装置10可偏移投射高质量的图像。
参照先前的图1和图2的示例性实施例，本发明的图3和图4的示例性实施例的投影显示装置也可按照各种方式修改。
此外，在利用反射式显示装置3的先前的示例性实施例中，来自照射单元2的照明光通过第二光学系统4B而被引到图像显示区域3a，但是不限于此。例如，可适当地设定照射单元2中的照明光的控制程度，并且可使照射光不通过第二光学系统4B而被照射到图像显示区域3a上。
上述第二光学系统4B形成为单个的透镜。然而，第二光学系统4B可形成为一组透镜。
上述显示装置由一个空间调制装置或多个空间调制装置和色彩组合单元形成，空间调制装置的图像显示表面变为图像显示区域。然而，图像显示区域可以不同于空间调制装置的图像显示表面，即，空间调制装置的图像显示表面上的图像可形成在另一显示表面上。
上面已经描述了正投影式投影显示装置，在正投影式投影显示装置中，将图像投射到被安装在投影显示装置外部的屏幕上。然而，也可以使用背投影式投影显示装置，在背投影式投影显示装置中，将图像从装置的内部投射到形成在投影显示装置的外周部分上的透射式屏幕上。
显示装置的轴偏移方向被描述为在图像显示区域3a的短边的方向上，但不限于此。例如，当轴偏移方向是图像显示区域3a的长边的方向或在另一方向上，通过改变显示装置的偏移方向可以获得相同的效果。
显示装置、第二光学系统和第一光学系统的一些光学元件被描述为具有恒定的偏心，但是，通过安装偏心变化单元可以根据需要手动或自动地对显示装置、第二光学系统和第一光学系统的一些光学元件进行调节。
在每个示例性实施例及其变化的例子中描述的部件可通过在本发明的精神和范围内进行组合而实现。
以下描述根据图1和图2的示例性实施例的第一变形至第四变形的投影光学系统以及传统的技术系统的对比例子。
图5是包括光轴的图1的投影光学系统和根据第一至第四变形例子的投影光学系统的光路的截面图。在每个变形例子中，一些光学装置被偏心地设置，由于每个光学装置的偏心程度都小，所以利用一张附图描述变形例子。
以下，将屏幕6的与光轴4a垂直的平行偏心方向(图1、2和5中的向上方向)设为y轴的正方向。与y轴垂直的方向，即纸面的正方向被设为x轴正方向。图像显示区域3a是在x轴方向上宽度为W，在y轴方向上高度为H的矩形，并且图1中的平行偏心b在y轴的负方向上。
在第一变形例子中，第二光学系统4B被设置为在y轴的负方向上平行地偏心，偏心距为0.3mm。第一变形例子是参照图1的示例性实施例的例子。
在第二变形例子中，图像显示区域(图像表面)3a被倾斜偏心地设置，以使图像显示区域与第一变形例子相比与盖玻璃3c一起在纸面上顺时针旋转6分的角度。
在第三变形例子中，第二光学系统4B被设置为倾斜地偏心，以使第二光学系统4B在纸面上顺时针旋转1.5度(1度30分)。在第四变形例子中，将第三变形例子的第一光学系统4A的第一透镜11设置为倾斜地偏心，以使第一光学系统4A的第一透镜11在纸面上顺时针旋转33分。
对比例子用于相对于传统技术的系统计算像差减小比率，并显示第一变形例子的第二光学系统4B的平行偏心为0mm，即，与光轴4a同轴。
反射式显示装置3使用具有宽高比为4∶3的0.55英寸DMD。即，图像显示区域3a的宽度W为11.2mm，高度H为8.4mm。轴偏移量Δh是130％。
变形例子的焦距是16.4mm，F数是2.3。
下面表示具有无限物距的透镜数据。图5的变量ri和di(i为整数)对应于下面标明的ri和di。长度的单位是毫米。折射率是相对于d线的(波长为587.56mm)。
表面    曲率半径         距离         偏心距   折射率       阿贝数
物体    ∞               ∞
1       r1＝44.054       d1＝2.000    α1      n1＝1.5163    v1＝64.1
2       r2＝14.882       d2＝5.168    α1
3       r3＝58.054       d3＝2.000             n2＝1.5163    v2＝64.1
4       r4＝20.547       d4＝9.075
5       r5＝226.227      d5＝3.000             n3＝1.8052    v3＝25.4
6       r6＝-31.665      d6＝2.766
7       r7＝16.829       d7＝5.000             n4＝1.8061    v4＝40.9
8       r8＝-13.402      d8＝2.000             n5＝1.6990    v5＝30.1
9       r9＝25.399       d9＝1.557
10      r10＝-18.655     d10＝1.750            n6＝1.8052    v6＝25.4
11      r11＝21.401      d11＝0.981
12      r12＝-135.750    d12＝3.500            n7＝1.6031    v7＝60.7
13    r13＝-16.139    d13＝0.200
14    r14＝91.202     d14＝3.500               n8＝1.6031    v8＝60.7
15    r15＝-22.576    d15＝15.000
16    r16＝25.848     d16＝6.500    y1，α2    n9＝1.7200    v9＝50.2
17    r17＝3092.900   d17＝2.500    y1，α2
18    r18＝∞         d18＝3.000    α3        n10＝1.4875   v10＝70.4
19    r19＝∞         d19＝0.500    α3
图像  ∞                            α3
这里，y1表示平行偏心，、α1、α2和α3表示倾斜偏心，每个变形例子具有下列值。每个方向如上所述(参照图5中的箭头所示)。
             y1(mm)    α1(分)    α2(度)     α3(分)
变形例子1    0.3        0         0            0
变形例子2    0.3        0         0            6
变形例子3    0          0         1.5          0
变形例子4    0          33        1.5          0
对比例子     0          0         0            0
接着对变形例子和对比例子的扭曲和像面曲率的计算进行描述。
通过追踪逆向光束从图像显示区域3a上的值可进行计算。
图6是表示对比例子的扭曲的矢量图。表示扭曲的矢量图的水平轴表示以毫米为单位的在x方向上的图像高度(X图像高度)，垂直轴表示以毫米为单位的在y方向上的图像高度(Y图像高度)。在图中，扭曲的计算位置被设为箭头起始点的网格点，扭曲的方向由箭头的方向表示，扭曲的尺寸由箭头线相对于标尺的长度表示，这适用于以下所有附图。图7A和图7B分别是表示第一变形例子和第二变形例子的扭曲的矢量图。图8A和图8B分别是表示第三变形例子和第四变形例子的扭曲的矢量图。图9是表示对比例子和变形例子的像面曲率的计算位置的示意图。
下面的表1显示每个变形例子的最大扭曲值(Dmax)和改进比(％)。
改进比是通过用对比例子的Dmax和每个变形例子的差值除以对比例子的Dmax获得的。
表1
Figure C20071000431800171
下面的表2表示每个变形例子的像面曲率的计算。
表2
Figure C20071000431800172
以毫米为单位的每个像面曲率C++、C+-、C--、C-+和C00表示图像显示区域3a中的每个顶点和中心，并对应于X轴正方向和Y轴正方向上的顶点3d、X轴正方向和Y轴负方向上的顶点3e、X轴负方向和Y轴正方向上的顶点3f、X轴负方向和Y轴负方向上的顶点3g以及与中心法线的交叉中心3b，如图9所示。
表2中的栏目(max-min)表示图像显示区域3a中的像面曲率的最大值和最小值的差。
改进比是通过用对比例子的(max-min)值和每个变形例子的(max-min)值的差除以对比例子的(max-min)值获得的。
在X图像高度的中心的周围，对比例子的扭曲在Y图像高度的正方向上最小，并且在Y图像高度的负方向上以及在X图像高度的绝对值增加的区域上增加，如图6所示。因此，在投影的图像的上方向和下方向上产生不规则的扭曲，从而使图像质量变差。
对比例子的像面曲率在顶点3e和3g处较大，如图6所示。因此，图像在这一区域周围没有对准焦点。
在第一变形例子中，扭曲在如图7A所示的图像显示区域3a的中心变得最小，从而提高了在上方向和下方向上的扭曲量的对称性。此外，如图1所示，与对比例子相比，Dmax提高了13.7％。
因此，在第一变形例子中，由于第二光学系统4B沿着发生扭曲的方向平行偏心而使扭曲显著减小。
同时，根据表2，与对比例子的像面曲率相比，第一变形例子的像面曲率是最差的。
在第二变形例子中，如图7B所示，扭曲的趋势大致上与第一变形例子的趋势相同，并且与对比例子的Dmax相比，第二例子的Dmax提高12.2％，如表1所示。
因此，即使为第一变形例子加上反射式显示装置3的倾斜偏心，与第二变形例子相似，扭曲也显著减小，其减小量与第一变形例子中的相同。
同时，根据表2，第二变形例子的像面曲率的值更接近对比例子的像面曲率，而不是更接近第一变形例子的像面曲率。因此，像面曲率的差与对比例子相比提高了3.0％。
因此，通过将平行偏心和倾斜偏心相结合，扭曲减小，并且像面曲率提高。
在第三变形例子中，如图8A所示，扭曲的趋势大致与第一对比例子的趋势相同，与对比例子的Dmax相比，第三变形例子的Dmax提高了3.6％，如表1所示。
因此，图像扭曲减小的程度相对较小，但是图像扭曲的对称性提高。
同时，根据表2，与对比例子相比，像面曲率可能会变差。
在第四变形例子中，扭曲Dmax是-0.7％，基本上与图6所示的对比例子相同，并且在图8B中所示的上方向和下方向上的对称性与第一对比例子中的类似，是适当的。因此，提高了图像扭曲的对称性。
根据表2，第四变形例子的像面曲率与第三对比例子相比显著提高，并且基本上与对比例子相同，为-0.6％。
通过这些结果明显可看出，第二光学系统4B在平行偏心和倾斜偏心的情况下都减小了扭曲。
此外，通过为反射式显示装置3和第一光学系统4A的一些光学元件增加倾斜偏心可提高像面曲率。
因此，通过适当地将平行偏心或倾斜偏心组合，可减小扭曲并可提高像面曲率，从而提高图像质量。
当偏心的方向颠倒时，像差变化的方向也颠倒，因此在必要时可通过改变光学装置的方向来优化整个像差。
根据本发明示例性实施例的投影光学系统和投影显示设备，被设置在显示装置附近的偏心的第二光学系统可使在图像显示区域被偏移投影的区域上的像差减小。因此，利用简单的结构就可以减小像差，以投射高质量图像。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体地显示和描述了本发明，但是本领域普通技术人员应当理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在形式上和细节上进行各种改变。
本申请要求于2006年2月20日提交到日本知识产权局的第2006-042394号日本专利申请以及于2006年8月30日提交到韩国知识产权局的第10-2006-0082936号韩国专利申请的权益，通过引用将这两个申请的全部公开包含于此。

Claims (14)

1、一种投影光学系统，包括：
显示装置，用于显示将要被投射到图像显示区域上的图像；
第一光学系统和第二光学系统，按顺序地沿着从屏幕到显示装置的光路设置，其中，当第一光学系统的光轴是参考轴时，显示装置的图像显示区域相对于参考轴平行偏心地设置，第二光学系统相对于参考轴偏心地设置，从而在图像显示区域上显示的图像被放大并被投射到相对于参考轴偏心的位置上。
2、如权利要求1所述的投影光学系统，其中，作为具有折射力的光学装置的第二光学系统被设置为最接近于显示装置。
3、如权利要求1所述的投影光学系统，其中，第二光学系统被设置为相对于参考轴平行偏心。
4、如权利要求1所述的投影光学系统，其中，第二光学系统被设置为相对于参考轴倾斜偏心。
5、如权利要求1所述的投影光学系统，其中，第一光学系统由多个光学元件形成。
6、如权利要求5所述的投影光学系统，其中，第一光学系统的所述多个光学元件中的至少一个被设置为相对于参考轴平行偏心或倾斜偏心。
7、一种投影光学系统，包括：
显示装置，用于显示将要被投射到图像显示区域上的图像；
第一光学系统和第二光学系统，按顺序地沿着从屏幕到显示装置的光路设置，其中，当第一光学系统的光轴是参考轴时，显示装置的图像显示区域被设置为相对于参考轴倾斜偏心，第二光学系统相对于参考轴偏心地设置，从而在图像显示区域上显示的图像被放大并被投射到相对于参考轴偏心的位置上。
8、如权利要求7所述的投影光学系统，其中，第一光学系统由多个光学元件形成。
9、一种投影显示装置，包括：
照射单元，用于照射光以形成将要被投射的图像；
显示装置，用于显示将要被投射在图像显示区域上的图像；
第一光学系统和第二光学系统，按顺序地沿着从屏幕到显示装置的光路设置，
其中，当第一光学系统的光轴是参考轴时，显示装置的图像显示区域相对于参考轴平行偏心地设置，第二光学系统相对于参考轴偏心地设置，从而在图像显示区域上显示的图像被放大并被投射到相对于参考轴偏心的位置上。
10、如权利要求9所述的投影显示装置，其中，显示装置是反射式显示装置。
11、如权利要求10所述的投影显示装置，其中，照射单元被设置为向显示装置的前表面照射光。
12、如权利要求9所述的投影显示装置，其中，显示装置是透射式显示装置。
13、如权利要求12所述的投影显示装置，其中，照射单元被设置为向显示装置的后表面照射光。
14、一种投影显示装置，包括：
照射单元，用于照射光以形成将要被投射的图像；
显示装置，用于显示将要被投射在图像显示区域上的图像；
第一光学系统和第二光学系统，按顺序地沿着从屏幕到显示装置的光路设置，
其中，当第一光学系统的光轴是参考轴时，显示装置的图像显示区域相对于参考轴倾斜偏心地设置，第二光学系统相对于参考轴偏心地设置，从而在图像显示区域上显示的图像被放大并被投射到相对于参考轴偏心的位置上。
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