CN101339286A

CN101339286A - 投影透镜、图像投影设备和光学设备

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Publication number: CN101339286A
Application number: CNA2008101357307A
Authority: CN
Inventors: 猪子和宏
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2028-07-03
Also published as: CN102565998B; CN101339286B; JP5063224B2; EP2012163B1; EP2012163A3; CN102565998A; JP2009014905A; US7830604B2; US20090009878A1; EP2012163A2

Abstract

本发明提供投影透镜、图像投影设备和光学设备。一种将来自物体的光通量投影到投影表面上的投影透镜。该投影透镜包括：具有负光焦度的负透镜单元；校正机构，其使负透镜单元相对于投影透镜的光轴倾斜，以使得在与投影表面处产生的像场弯曲的方向相反的方向上产生像场倾斜。该投影透镜使用简单配置来减小像场弯曲的产生及其变化。

Description

投影透镜、图像投影设备和光学设备

技术领域

本发明涉及在诸如图像投影设备之类的光学设备中使用的投影透镜。

背景技术

在诸如投影仪之类的图像投影设备中使用的投影透镜需要长的后焦距，以避免投影透镜与色彩分离/组合光学系统的干涉。因此，用于投影仪的投影透镜通常采用所谓的焦点后移(retrofocus)型透镜配置，与孔径光阑相比，该透镜配置在比屏幕更近的位置处具有更强的负折光力。

然而，焦点后移型透镜的特征在于：主要因其不对称性，容易因距离变化引起像场弯曲，换言之，图像质量容易因该透镜的投影距离的变化而改变。此外，最近，由于对较短投影距离的需求，投影透镜的场角增大，并且由此上述特性变得更为显著。除此之外，由于诸如液晶板之类的图像形成元件的较高分辨率，对于因距离变化而对像场弯曲变化的影响具有较低容许量。

存在一种称为浮动(floating)的方法，用于减少像场弯曲的变化。利用该浮动方法，在聚焦时多个透镜单元同时在光轴方向上移动，以相互消除由该多个透镜单元产生的像场弯曲。在用于投影仪的投影透镜中使用浮动方法的示例已经在日本专利特开第2005-352407号中公开。

然而，为了实现日本专利特开第2005-352407号中公开的浮动方法，需要提供在投影透镜中不仅包括凸轮机构而且包括螺旋机构的复杂机械配置。因此，不仅投影透镜的尺寸更大，而且容易发生制造变化，该制造变化引起投影透镜的性能变化。

发明内容

本发明提供一种投影透镜，其使用简单配置来降低像场弯曲的产生及其变化，还提供一种装配有该投影透镜的图像投影设备和光学设备。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种将来自物体的光通量投影到投影表面上的投影透镜。该投影透镜包括：具有负光焦度的负透镜单元；以及校正机构，其使负透镜单元相对于投影透镜的光轴倾斜，以使得在与投影表面处产生的像场弯曲的方向相反的方向上产生像场倾斜。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种将来自物体的光通量投影到投影表面上的投影透镜。该投影透镜包括：具有负光焦度的负透镜单元；以及校正机构，其使负透镜单元在投影透镜的光轴方向上移动，并且改变负透镜单元相对于光轴的倾斜量。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种图像投影设备，其包括：形成图像的图像形成元件；以及上述投影透镜，其将来自图像形成元件的光通量投影到投影表面上。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种光学设备，其包括上述投影透镜，该投影透镜将来自物体的光通量投影到放置在投影表面处的执行光电转换的图像拾取元件上。

从下面的描述以及附图，本发明的其它方面将变得明了。

附图说明

图1是示出作为本发明一个实施例的投影透镜的配置的示意图。

图2是该实施例中的凸轮机构的配置的展开图。

图3是聚焦和像场弯曲变化的说明图。

图4是示出包括该实施例的投影透镜的投影仪的配置的示意图。

图5是像场弯曲的放大图。

图6是示出该实施例中的通过倾斜第一透镜单元而引起的像面倾斜的说明图。

图7A示出当没有像场弯曲校正机构时在距离互不相同的投影表面处引起的像场弯曲。

图7B示出当存在该实施例中的像场弯曲校正机构时在距离互不相同的投影表面处引起的像场弯曲。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的示例性实施例。

图1示意性示出作为本发明实施例的用于投影仪的投影透镜。为了简化说明，将使用所谓的逆投影方法来说明本实施例，在该方法中，从诸如平坦屏幕之类的投影表面上的各点发射的光通量通过投影透镜在诸如液晶板之类的图像形成元件上形成图像。

因此，在以下说明中，屏幕侧(放大侧或放大共轭(conjugate)侧)被定义为物侧，图像形成元件侧(缩小侧或缩小共轭侧)被定义为像面侧。通过从投影表面上的各点发射的光通量的图像形成而形成的表面被称为像面。在正常状态下要形成平坦像面的表面被称为预定像面。投影透镜使得图像形成元件和投影表面(屏幕)具有共轭关系，以在投影表面上形成图像形成元件的图像。

注意，实际上，图像形成元件侧对应于物侧。从图像形成元件上的各点发射的光通量在作为预定像面的投影表面(下文中称为屏幕)上形成像面。屏幕侧的含义与投影表面侧的含义相同。

在图1中，参考字符I表示第一透镜单元，其可在光轴方向上移动并且构成投影透镜PL的一部分。第一透镜单元I是具有负折光力(负光焦度)的负透镜单元(光学单元)。参考字符II表示第二透镜单元，其构成投影透镜PL的另一部分并且被设置为比第一透镜单元I更靠近像面(侧)(实际上被设置为更接近屏幕(侧))。第二透镜单元II由至少一个透镜单元(更为优选地，由多个透镜单元)构成。

参考字符IE表示设置在预定像面处的诸如液晶板之类的图像形成元件。图像形成元件形成与来自诸如个人计算机、DVD播放器或电视调谐器之类的图像供应设备(未示出)的图像信号对应的原始图像。参考字符AXL表示投影透镜PL的光轴。

图中的水平方向被定义为z方向，作为逆投影方向的从左到右的方向被定义为z轴方向上的正方向。图中的垂直方向被定义为y轴方向，并且从下到上的方向是y轴方向上的正方向。

本实施例中的投影透镜PL是焦点后移型投影透镜，在该投影透镜PL中，与屏幕最接近(设置在最屏幕侧)的第一透镜单元I具有负折光力。在该投影透镜PL中，通过使第一透镜单元I在光轴方向上移动进行聚焦。具体地，当将图像投影到其距离短于参考投影距离(在图中示为参考距离)的屏幕上时，第一透镜单元I移动到屏幕侧(向外移动)。当将图像投影到其距离长于参考投影距离的屏幕上时，第一透镜单元I移动到图像形成元件侧(向内移动)。

图3示意性地示出该情况。图3还示意性地示出了在聚焦时产生的像场弯曲FC。当像面的在与光轴AXL正交的方向上的周边部分被简单地称为“周边图像部分”时，该周边图像部分向着正(+)方向的偏移被称为“在过方向(over direction)上产生的像场弯曲”，其向着负(-)方向的偏移被称为“在不足方向(under direction)上产生的像场弯曲”。

在本实施例的焦点后移型投影透镜中，由于其不对称性，当具有负折光力的第一透镜单元I向外移动时，在过方向上产生像场弯曲FC，并且当第一透镜单元I向内移动时，在不足方向上产生像场弯曲FC。第一透镜单元I向外移动以聚焦在更近位置，从而在过方向上产生像场弯曲，向内移动以聚焦在更远位置，从而在不足方向上产生像场弯曲。

如图4所示，在本实施例的投影仪(图像投影设备)中，图像形成元件IE相对于投影透镜PL的光轴AXL向下偏移Sc。也就是说，图像形成元件IE的中心坐标是y＝-Sc。图像形成元件IE的上边缘和下边缘(换言之，在与光轴AXL正交的方向上，图像形成元件IE上的与光轴AXL最近和最远的位置)的y坐标分别由Su和Sb表示。

在图像形成元件IE相对于投影透镜PL的光轴AXL移动的这种投影仪中，y坐标Su通常被设置为使得y＝0，或者接近y＝0的坐标，并且投影仪大致上仅使用投影透镜PL的有效图像圈(image circle)的下半区域。换言之，使用常规表达而没有使用逆投影方法，投影透镜PL将来自位于与光轴AXL正交的方向上的一侧(下侧)的图像形成元件(物体)IE的光通量投影到位于该方向上的另一侧(上侧)的屏幕SN上。换言之，投影透镜PL将来自位于相对于光轴AXL的下侧的图像形成元件IE的光通量投影到位于相对于光轴AXL的上侧的屏幕SN上。

图5示意性地示出了在逆投影方法中，在图像形成元件IE上产生了像场弯曲FC的状态。

在图5中，在像面上的任意y坐标处的像场弯曲的量被定义为ΔW(y)。过方向被示为ΔW＞0，并且不足方向被示为ΔW＜0。像面上的与图像形成元件IE的上边缘(y＝Su)和下边缘(y＝Sb)对应的位置之间的位移量为表示如下：

ΔW(Sb)-ΔW(Su)。

因此，像面上的与图像形成元件IE的上边缘和下边缘对应的位置之间的像面倾斜量(倾斜角度)θ是使用以下表达式来计算的：

θ＝tan^-1[{ΔW(Sb)-ΔW(Su))/(Su-Sb)]。

像面的倾斜量θ的符号在过方向上为正，并且由图5中的箭头示出。

另一方面，本实施例的投影透镜PL使得第一透镜单元I用作聚焦透镜以相对于光轴AXL(换言之，相对于第二透镜单元II)倾斜，从而产生按照第一透镜单元I的倾斜方向的像场倾斜。第一透镜单元I的倾斜方向是在与屏幕SN上的像场弯曲的方向相反的方向上产生像场倾斜(像面被倾斜)的方向。

通过这种方式，在例如如图5所示在过方向上产生像场弯曲的状态下倾斜第一透镜单元I使得能够通过相对于y轴倾斜角度θ的直线平行于(包括被认为平行的情况)或者接近平行于y轴。这使得甚至在产生像场弯曲时也能够使大致平坦的物面和大致平坦的像面具有基本共轭的关系，由此使得对焦图像能够投影在屏幕SN上。

图6示意性示出了通过倾斜第一透镜单元I产生的像场倾斜。在如图3所示在垂直方向上相对于光轴AXL对称地产生像场弯曲FC的同时，在垂直方向上不对称地产生像场倾斜FT。

本实施例中的对于像场倾斜FT的说明与实际图像投影中使用的有效图像圈的下半区域有关。用图6中的参考字符CW示出的旋转(倾斜)方向被称为顺时针方向，用参考字符CCW示出的旋转方向被称为逆时针方向。旋转方向CW和CCW是对于右侧是缩小共轭侧(图像形成元件侧)和左侧是放大共轭侧(投影表面侧)的情况定义的。换言之，旋转方向CW和CCW是当在右侧的共轭面中使用有效图像圈的下半区域并且在左侧的共轭面中使用其上半区域时的方向。因此，如果左侧和右侧反转，则旋转方向CW和CCW也反转。

在类似于本实施例的投影透镜的焦点后移型透镜中，被设置为最接近屏幕(最屏幕侧)的第一透镜单元I具有负折光力。在顺时针(CW)方向上倾斜第一透镜单元I产生在过方向上的像场倾斜FT，在逆时针(CCW)方向上倾斜其产生在不足方向上的像场倾斜FT。

此外，在第一透镜单元I倾斜单位角度(单位量)时产生的像场倾斜的角度(量)被定义为α的情况下，对上述像面的倾斜量θ进行校正的第一透镜单元I的倾斜量D被表达为：

D＝A·θ/α...(1)。

在表达式(1)中，第一透镜单元I在顺时针方向上的倾斜量D为正量，并且在过方向上的像场倾斜的角度α是正角度，类似于像面的倾斜量θ。A代表任意微调系数，并且是用于根据各个投影透镜的像场弯曲的形状进行充分微调的正值。实际上，可以通过在以下范围中调整系数A来获得第一透镜单元I的充分倾斜量D：

0.5＜A＜2。

换言之，优选地，第一透镜单元I的倾斜量D满足以下条件：

θ/2α＜D＜2θ/α...(2)。

注意，优选地满足条件(2)，但是条件(2)并非必须满足的条件。

通过如上所述将第一透镜单元I从与参考投影距离对应的位置向内和向外移动来改变像场弯曲的方向。然而，像场弯曲的量根据第一透镜单元I向内和向外的移动量而改变。

因此，本实施例根据第一透镜单元I在光轴方向上的位置，改变第一透镜单元I相对于光轴AXL的倾斜量和倾斜方向。

为了实现第一透镜单元I的倾斜动作，本实施例采用例如凸轮机构。

图2示出凸轮筒CB，其构成凸轮机构并且在投影透镜的周缘方向上展开。在凸轮筒CB上的与实际投影透镜的上部、右下部和右上部对应的其周缘方向上的三个位置处形成三个凸轮(凸轮槽)C1、C2和C3。对于保持第一透镜单元I的透镜保持构件(未示出)提供的凸轮钉CP与凸轮C1、C2和C3啮合。

在本实施例中，上凸轮C1的倾斜角度被设置为大于其它凸轮C2和C3的倾斜角度。因此，通过凸轮钉CP在凸轮C1的两端之间的移动而获得的光轴方向上的全升量(lift amount)L1大于通过凸轮钉CP在其它凸轮C2和C3的两端之间的移动而获得的全升量L2。全升量还可以是当聚焦状态从无限远(最远距离)对焦状态向最近距离对焦状态改变时(在第一透镜单元1移动时)，凸轮钉CP在光轴方向上的移动量。换言之，这也是凸轮槽在光轴方向上的长度。

凸轮C2和C3的倾斜角度和全升量是彼此相同的。

凸轮C1、C2和C3之一的全升量可能小于其它两个凸轮的全升量。

该配置可以在第一透镜单元I向外移动时(当投影透镜聚焦到较近距离时)在逆时针(CCW)方向上倾斜第一透镜单元I。该配置还可以在第一透镜单元I向内移动时(当投影透镜聚焦到较远距离时)在顺时针(CW)方向上倾斜第一透镜单元I。可以使用以上表达式(1)来计算凸轮C1的倾斜角度。

如上所述，本实施例将在第一透镜单元I的周缘方向上的多个位置处形成的多个凸轮中的至少一个的全升量设置为不同于其它凸轮的全升量。这使得能够利用简单的配置，按照第一透镜单元I在光轴方向上的位置，即，按照投影距离，来控制第一透镜单元I的倾斜方向和倾斜量。凸轮的数量可以不是三个。

图2示出每个凸轮被形成为直线凸轮的情况。然而，每个凸轮可以被形成为非直线凸轮，以使得能够按照第一透镜单元I的向内和向外的移动量来微调第一透镜单元I的倾斜量。

图7A和7B示出在使用上述配置的在实际屏幕上获得的像场弯曲校正效果。在这些图中，相同的参考字符被应用于与图1到6所示的元件相同的元件。

在这些图中，参考字符V表示设置在不同投影距离的位置处的、与投影透镜PL的光轴AXL正交的投影表面。图7A示出当投影透镜PL没有使用在本实施例中描述的对于像场弯曲的校正机构(用于第一透镜单元I的倾斜机构)时在每个投影表面V处产生的像场弯曲。图7B示出当投影透镜PL使用该校正机构时在每个透镜表面V处产生的像场弯曲。

如上所述，投影透镜PL将来自位于相对于光轴AXL的下侧的图像形成元件IE的光通量投影到位于相对于光轴AXL的上侧的投影表面V上。相对于光轴AXL的上侧的像面(其上形成有实际投影图像的实际投影像面)用实线示出，并且相对于光轴AXL的下侧的像面(没有实际形成)用点线示出。

通过比较这些图可以理解，本实施例可以通过如上所述相对于光轴AXL(第二透镜单元II)倾斜第一透镜单元I来实现图7B中所示的对于像场弯曲的良好校正效果。本实施例相对于光轴AXL倾斜第一透镜单元I，以使得在投影表面V处在与像场弯曲方向相反的箭头B所示的方向上产生像场倾斜。

此外，本实施例在实际投影像面的部分P接近与光轴AXL正交的平面(投影表面V)的方向上倾斜第一透镜单元I，部分P是当第一透镜单元I没有相对于光轴AXL倾斜时实际投影像面中像场弯曲量最大的部分。与第一透镜单元I没有倾斜的图7A所示的情况相比，在图7B所示的第一透镜单元I倾斜的情况下，光轴方向上的像场弯曲的宽度(量)较小。

通过使用通过倾斜第一透镜单元I而产生的像场倾斜(而不校正像场弯曲)，可以减少诸如因像场弯曲引起的散焦之类的图像质量劣化。因此，本实施例的投影透镜(和投影仪)可以以如下方式投影图像，即，减少因像场弯曲引起的图像质量劣化和因投影距离的变化引起的图像质量变化。

如上所述，本实施例的投影透镜包括具有负折光力并且由至少一个透镜构成的负透镜单元，该负透镜单元被设置为最接近投影表面(被设置在最投影表面侧，最屏幕侧或最放大侧)。此外，当进行聚焦(调整焦距)时，负透镜单元在光轴方向上移动。为了减少诸如因在聚焦期间产生的像场变化(主要是像场弯曲的变化)引起的散焦之类的图像质量的劣化，在光轴方向上移动负透镜单元，并且改变负透镜单元相对于光轴的倾斜。具体地，在可以通过减少因像差变化引起的负面影响的方向上改变负透镜单元的倾斜。

因此，当进行从远距离侧到近距离侧的聚焦时，优选地，负透镜单元相对于光轴(或者与光轴正交的平面)的倾斜角度在一个方向上逐渐改变。此外，还优选地，负透镜单元在最远距离对焦状态下相对于光轴的倾斜方向与在最近距离对焦状态下的不同。还可以接受的是，只有负透镜单元的倾斜角度在相同倾斜方向上改变。

根据本实施例，通过使负透镜单元独立地倾斜的简单配置，实现了可以减少与像场弯曲和投影距离的变化相关联的图像质量变化的投影透镜。因此，实现了无论投影距离如何都能够投影良好质量图像的图像投影设备。

此外，本发明不限于该实施例，可以在不脱离本发明的范围的情况下进行各种变化和修改。

例如，以上实施例描述了投影透镜相对于图像形成元件向上偏移的情况。然而，还可以当投影透镜相对于图像形成元件向下、向左或向右偏移时使用该同一像场弯曲校正方法来投影良好质量的图像。

此外，以上实施例描述了投影透镜相对于图像形成元件向上偏移和固定的情况。然而，如果执行根据上述条件(2)的动态校正，可以对于其中投影透镜可移动以相对于图像形成元件偏移的投影仪使用与以上实施例中的方法类似的像场弯曲校正方法。

此外，以上实施例描述了在焦点后移型投影透镜中的与屏幕最近的负透镜单元倾斜的情况。然而，要倾斜的透镜单元可以是设置在不是与屏幕最接近的位置处的负透镜单元。

此外，以上实施例描述了投影仪。然而，如果代替图像形成元件，在预定像面处放置对来自对象(物体)的光通量进行光电转换的图像拾取元件，则可以在除投影仪之外的诸如图像拾取设备(摄像机)和可互换透镜之类的光学设备中获得与以上实施例中描述的效果类似的像场弯曲校正效果。图像拾取元件包括CCD传感器和CMOS传感器。

Claims

1.一种将来自物体的光通量投影到投影表面上的投影透镜，包括：

具有负光焦度的负透镜单元；以及

校正机构，其使负透镜单元相对于投影透镜的光轴倾斜，以使得在与投影表面处产生的像场弯曲的方向相反的方向上产生像场倾斜。

2.根据权利要求1所述的投影透镜，其中负透镜单元能够在投影透镜的光轴的方向上移动，并且

校正机构根据负透镜单元在光轴方向上的位置改变负透镜单元的倾斜量和倾斜方向。

3.根据权利要求1所述的投影透镜，其中负透镜单元被设置为比在投影透镜中包括的另一透镜单元更接近投影表面或更接近物体。

4.根据权利要求1所述的投影透镜，其中

投影透镜将来自位于与光轴正交的方向上的一侧处的物体的光通量投影到位于该方向上的另一侧处的投影表面上，并且

校正机构使负透镜单元在投影透镜形成的像面的一部分接近与光轴正交的平面的方向上倾斜，像面的该一部分是当负透镜单元没有相对于光轴倾斜时像场弯曲量最大的部分。

5.根据权利要求1所述的投影透镜，其中

负透镜单元的倾斜量D满足以下条件：

θ/2α＜D＜2θ/α。

其中θ代表通过投影透镜形成的像面的倾斜量，并且被定义为θ＝tan^-1[{ΔW(Sb)-ΔW(Su)}/(Su-Sb)]；

Su和Sb分别代表在与光轴正交的方向上物体的离光轴最近和最远的位置；

ΔW(Su)和ΔW(Sb)分别代表在像面上的与位置Su和Sb对应的位置处的像场弯曲量；并且

α代表当负透镜单元倾斜单位量时产生的像场倾斜量。

6.根据权利要求1所述的投影透镜，其中

校正机构包括在其沿负透镜单元的周缘方向的多个位置处形成的多个凸轮，并且

所述多个凸轮中的至少一个凸轮的全升量不同于其它凸轮的全升量。

7.一种将来自物体的光通量投影到投影表面上的投影透镜，包括：

具有负光焦度的负透镜单元；以及

校正机构，其使负透镜单元在投影透镜的光轴方向上移动，并且改变负透镜单元相对于光轴的倾斜量。

8.根据权利要求7所述的投影透镜，其中

负透镜单元在投影透镜中包括的透镜单元之中被设置在最接近投影表面的位置处；并且

负透镜单元在光轴的方向上移动以进行聚焦。

9.根据权利要求7所述的投影透镜，其中

10.一种图像投影设备，包括：

形成图像的图像形成元件；以及

根据权利要求1到9中任一项的投影透镜，该投影透镜将来自图像形成元件的光通量投影到投影表面上。

11.一种光学设备，包括：

根据权利要求1到9中任一项的投影透镜，该投影透镜将来自物体的光通量投影到放置在投影表面处的执行光电转换的图像拾取元件上。