CN101395516A - 投影光学系统和图像投影装置 - Google Patents

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Abstract

一种投影光学系统，包括第一光学系统和第二光学系统，第一光学系统构成为形成与物体共轭的第一图像，第二光学系统构成为朝投影面投影与第一图像共轭的第二图像，其中至少第一光学系统和第二光学系统之一包括相对于所述物体可移动的至少一个光学元件，其中，通过相对于所述物体移动所述光学元件中的至少一个，改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。

Description

投影光学系统和图像投影装置
技术领域
本发明涉及投影光学系统和图像投影装置。
背景技术
投影型图像显示装置是已知的，其通过投影光学系统放大或投影在小型光阀上作为二维图像显示的字符或图片的静态图像或动态图像，从而显示图像。最近，注意力集中在使用显示装置(在下面称为光阀)的放大投影方法，显示装置使用透射型或反射型矩阵液晶、DMD(数字微镜装置)等，放大在光阀上显示的图像并将其投影到屏幕上，以便显示大尺寸图像。而且，关于光阀，最近，注意力集中在LCOS(硅上液晶)，除了透射型液晶板和DLP(数字光处理器)之外，LCOS对比度性能极佳。
实际上，图像放大投影装置(投影仪)也已经在办公室、学校和家庭广泛利用，因为图像尺寸不受限制，能够获得非常大的图像尺寸。
关于投影仪型图像显示装置，具有前投型显示装置和背投型显示装置，前投型显示装置将图像放大到光阀上并将它投影到投影屏，诸如，远离装置设置的反射型屏幕，从而观看反射的光，背投型显示装置在装置中设有透射型屏幕作为投影面，在光阀上的图像被放大并从屏幕背面投影，从而从屏幕的前面观看图像。
作为光学系统的实例，提供JP-A-2004-258620。它是具有这种结构的投影光学系统，一旦中间图像被透镜系统形成，并且被凹面镜放大和投影，就实现近距离的投影。然而，因为没有改变投影图像的尺寸的机构，只允许固定的尺寸，存在将使用条件限制在固定投影尺寸的条件的可能性。
因此，提出用于改变投影图像的尺寸的光学系统，作为前投型的投影光学系统的实例，提供JP-A-2003-177320，其要求由四个反射镜组成的远心系统。在JP-A-2003-177320公开的投影光学系统由相对布置的四个反射镜元件组成，是允许通过反射镜的移动在近距离范围内用可变放大率投影的投影光学系统。
然而，因为反射镜具有对其位置位移的性能下降灵敏性，该灵敏性通常大于透镜的灵敏性，预料当反射镜为了可变放大率的投影移动时，由于反射镜的位置误差造成的图像质量下降会很大。即，对于可变放大率，需要移动反射镜，但是，预料由于反射镜的位置误差造成图像质量下降会很大，考虑到需要提供反射镜布置的严格限制。
同样，采用光线在反射镜之间反复反射的光路，光线在放大侧的最后的反射镜处很高。因此，难以减小这种装置的高度，工作时装置的尺寸比较大。此外，因为反射镜设置在装置壳体的外面，要考虑由于外部因素，诸如，灰尘、污染、和碰撞，反射镜容易劣化。
同样，JP-A-2004-295107公开了一种可变放大率的投影光学系统，其中布置由能够移到物方侧的多个透镜系统组成的第一光学系统，和在像方侧具有反射镜系统为反射凹面的第二光学系统。在JP-A-2004-295107中公开的光学系统的实例中，通过移动透镜部分同时固定反射镜部分来获得放大率的变化。同样，它包括由透镜系统组成的光学系统和由多个凹面反射镜组成的光学系统，透镜系统在反射镜部分形成中间图像。中间图像的位置设置在远离第一表面的反射镜系统的放大侧，第一表面靠近反射镜系统中的透镜系统。
在该系统中，中间图像的图像尺寸通过移动透镜部分来改变，变化的中间图像被第二光学系统再次成像，从而通过改变投影图像的尺寸获得放大率的变化。然而，因为视角被改变来用于放大率的变化，而不用投影距离，需要通过投影图像尺寸的放大率变化的因素，改变具有屈光力(optical power)的光学元件(透镜部分)的(总)焦距，由此光学元件复杂化，用于它的透镜部分的移动程度也很大。
同样，在实际例子中需要多个旋转不对称非球面反射镜，以便用反射镜部分来补偿由于焦距变化造成的像差变化，不用说成本要增加。那么，由于高公差灵敏度，加工组装困难，实际上，投影距离太大，不适于在像近距离范围的投影光学系统的小间隔中使用。
而且，第一光学系统由透射折射光学系统组成和第二光学系统由多个反射镜组成的可变放大率光学系统在JP-A-2004-295107中公开和图示，但是，没有提供一个反射镜结构的实例。在通过多个反射镜反复反射的第二光学系统中，光线的高度逐渐增加，当它们从多个反射镜顺序地反射时，因此，难以将反射镜系统的高度与透镜系统的高度一致并构成为小型的第二光学系统。结果，难以构成小高度的装置。
同样，第一光学系统由多个可移动透镜系统组成，如果透镜系统被折叠并且构成小型的第一光学系统，移动前面或后面折叠的透镜，因此，要考虑凸轮机构被复杂化。在公开的附图中，第一光学系统的所有透镜组被移动来用于放大率的变化，因此，要考虑难以构成折叠透镜系统的机构。同样，因为在第二光学系统中的反射镜系统部分的总长度很大，要考虑难以构成小型的装置。
而且，在JP-A-2004-295107中公开的可变放大率光学系统具有在通常相同的投影距离、通过改变视角来改变投影放大率的功能，但是，没有公开在改变投影距离时改变投影放大率的功能。同样，因为在可变放大率光学系统中视角很小，如果通过改变投影距离来改变投影放大率而视角保持不变的话，投影距离必须被急剧地改变。因为投影距离被急剧地改变，聚焦度也增加。
图23是表示JP-A-2004-295107中公开的光学系统的结构的示意图。
第一光学系统102和第二光学系统104都形成实像，因此，它们的放大率为正。同样，第二光学系统104由反射镜系统组成，但是，即使用透镜示意性地表示，不存在下述问题。在物体101和图像105之间的关系方面，中间图像103的尺寸被改变，以改变图像105的尺寸，因为第二光学系统104是固定的(参见JP-A-2004-295107的图2)。那么，根据中间图像103的尺寸变化，第一光学系统102必须改变其放大率以及必须移动其主点。实际上，在视差理论中，焦距或放大率必须通过中间图像103的放大率变化的系数来改变。即，图像尺寸的放大率变化的系数(最大图像尺寸除以最小图像尺寸的值)用α′表示，第一光学系统102的最大焦距和最小焦距分别用fa′和fb′表示，满足以下公式(2)。
α′＝fa′/fb′                     (2)
发明内容
本发明的一个目的是提供一种投影光学系统，其包括第一光学系统和第二光学系统，第一光学系统用于形成与物体共轭的第一图像，第二光学系统用于朝投影表面投影与第一图像共轭的第二图像，其中改变像距和改变第二图像的尺寸。
本发明的另一目的是提供一种包括投影光学系统的图像投影装置，该投影光学系统包括第一光学系统和第二光学系统，第一光学系统用于形成与物体共轭的第一图像，第二光学系统用于朝投影表面投影与第一图像共轭的第二图像，其中改变像距和改变第二图像的尺寸。
根据本发明的一方面，提供一种投影光学系统，其包括第一光学系统和第二光学系统，第一光学系统用于形成与物体共轭的第一图像，第二光学系统用于朝投影表面投影与第一图像共轭的第二图像，其中至少第一光学系统和第二光学系统之一包括至少一个相对于物体可移动的光学元件，其中通过相对于所述物体移动所述光学元件中的至少一个，改变投影光学系统的像距，和改变第二图像的尺寸。
根据本发明的另一方面，提供一种用于将图像投影到投影面上的图像投影装置，其包括上述投影光学系统。
根据本发明的一方面，可以提供一种投影光学系统，其包括第一光学系统和第二光学系统，第一光学系统用于形成与物体共轭的第一图像，第二光学系统用于朝投影表面投影与第一图像共轭的第二图像，其中改变像距和改变第二图像的尺寸。
根据本发明的另一方面，可以提供一种包括投影光学系统的图像投影装置，该投影光学系统包括第一光学系统和第二光学系统，第一光学系统用于形成与物体共轭的第一图像，第二光学系统用于朝投影表面投影与第一图像共轭的第二图像，其中改变像距和改变第二图像的尺寸。
附图说明
图1是表示根据本发明实施例的具体实例的示意图。
图2是表示本发明实施例的第一具体实例的示意图，并表示80英寸对角线图像以551mm的投影距离投影到像面的状态。
图3是表示本发明实施例的第一具体实例的示意图，并表示60英寸对角线图像以438mm的投影距离投影的状态。
图4是表示本发明实施例的第一具体实例的示意图，并表示40英寸对角线图像以334mm投影距离投影的状态。
图5是图2的光学系统的放大图。
图6是图3的光学系统的放大图。
图7是图4的光绪系统的放大图。
图8是表示本发明实施例的第二具体实例的示意图，并表示将图像投影到80英寸对角线屏幕的结构。
图9是表示本发明实施例的第二具体实例的示意图，并表示将图像投影到60英寸对角线屏幕的结构。
图10是表示本发明实施例的第三具体实例的示意图。
图11是表示具有正屈光力(positive power)的光学元件的场曲的示意图。
图12是表示本发明实施例的第四具体实例的示意图，并表示物面与第一光学系统的光轴偏移的结构。
图13是表示本发明实施例的第四具体实例的示意图，并表示通过壳体结构遮盖光学系统的结构。
图14(a)和(b)表示本发明实施例的第五具体实例。
图15是表示在用数字表示的实例1中，在像面上放大率为127的光点图形的示意图。
图16是表示在用数字表示的实例1中，在像面上放大率为95.2的光点图形的示意图。
图17是表示在用数字表示的实例1中，在像面上放大率为63.5的光点图形的示意图。
图18是在图15、16、和17中所示的光点之间的一致的示意图。
图19是表示在用数字表示的实例1中，投影放大率为127的TV畸变特征的示意图。
图20是表示在用数字表示的实例1中，投影放大率为95.2的TV畸变特征的示意图。
图21是表示在用数字表示的实例1中，投影放大率为63.5的TV畸变特征的示意图。
图22是表示在用数字表示的实例1中，中间图像的移动的示意图。
图23是表示在JP-A-2004-295107中公开的光学系统的结构的示意图。
图24表示在用数字表示的实例2中，以759mm的投影距离投影100英寸对角线图像的状态。
图25表示在用数字表示的实例2中，以544mm的投影距离投影70英寸对角线图像的状态。
图26表示在用数字表示的实例2中，以400mm的投影距离投影50英寸对角线图像的状态。
图27表示在图24、25和26的任何一个中，物面1到第二光学系统4的放大图。
图28是表示在用数字表示的实例2中，在像面上放大率为164.7的光点图形的示意图。
图29是表示在用数字表示的实例2中，在像面上放大率为115.3的光点图形的示意图。
图30是表示在用数字表示的实例2中，在像面上放大率为82.4的光点图形的示意图。
图31是表示在用数字表示的实例2中，投影放大率为164.7的TV畸变特征的示意图。
图32是表示在用数字表示的实例2中，投影放大率为115.3的TV畸变特征的示意图。
图33是表示在用数字表示的实例2中，投影放大率为82.4的TV畸变特征的示意图。
图34是在用数字表示的实例3中，以739mm的投影距离投影80英寸对角线图像的状态。
图35是在用数字表示的实例3中，以571mm的投影距离投影60英寸对角线图像的状态。
图36是在用数字表示的实例3中，以400mm的投影距离投影40英寸对角线图像的状态。
图37表示在图34、35和36的任何一个中，物面1到第二光学系统4的放大图。
图38是表示在用数字表示的实例3中，在像面上放大率为131.8的光点图形的示意图。
图39是表示在用数字表示的实例3中，在像面上放大率为98.8的光点图形的示意图。
图40是表示在用数字表示的实例3中，在像面上放大率为65.9的光点图形的示意图。
图41是表示在用数字表示的实例3中，投影放大率为131.8的TV畸变特征的示意图。
图42是表示在用数字表示的实例3中，投影放大率为98.8的TV畸变特征的示意图。
图43是表示在用数字表示的实例3中，投影放大率为65.9的TV畸变特征的示意图。
附图标记说明：
1：物面
2：偏振分束器和正交棱镜的合成系统
3：具有负屈光力的多个光学系统
3′：第一光学系统
4：反射曲面
5：像面
6：中间像面
7：折叠反射镜
8：壳体
9：光阑
10：光源
11、12：截止滤光片
13：偏振光转换元件
14、15：蝇眼透镜阵列
16：聚光透镜
17、18：分色镜
19、20、21：偏振分束器
22、23、24：光阀元件
25：正交棱镜
26：反射镜
101：物体
102：第一光学元件
103：中间图像
104：第二光学系统
105：图像
具体实施方式
接下来，参照附图描述本发明的实施例。
本发明的第一实施例是一种投影光学系统，该投影光学系统包括第一光学系统和第二光学系统，第一光学系统用于形成与物体共轭的第一图像，第二光学系统朝投影面投影与第一图像共轭的第二图像，其中至少第一光学系统和第二光学系统之一包括至少一个相对于物体可移动的光学元件，其中通过相对于所述物体移动所述光学元件中的至少一个，改变投影光学系统的相距，改变第二图像的尺寸。
在此，投影面可以是投影光学系统的组成部分或可以不是投影光学系统的组成部分。例如，当投影面是投影光学系统的组成部分时，通过相对于物体移动包括投影面的组成部分，投影面的位置可以与第二图像的位置相同，同时使用合适的已知机构。同样，例如，当投影面不是投影光学系统的组成部分时，通过相对投影光学系统的壳体等移动整个投影光学系统，第二图像的位置可以与投影面的位置相同，同时使用合适的已知机构。同样，例如，当投影面不是投影光学系统的组成部分时，通过用户的人工方法相对投影面移动整个投影光学系统，第二图像的位置可以与投影面的位置相同。另外，仅仅需要第二图像朝投影面投影，不必要求形成于投影面。
同样，第一图像和第二图像的每一个可以是包含像差的图像。而且，已知方式的任一种允许用于相对于物体移动的方式，至少一个光学元件相对于物体可移动。
另外，投影光学系统的像距意思是从第二图像侧的整个投影光学系统的主点到第二图像的近轴光学位置的近轴光学距离。
根据本发明的第一实施例，有可能提供一种投影光学系统，该光学系统包括第一光学系统和第二光学系统，第一光学系统用于形成于物体共轭的第一图像，第二光学系统用于朝投影面投影于第一图像共轭的第二图像，其中改变像距和改变第二图像的尺寸。
在根据本发明的第一实施例的投影光学系统种，优选地，通过相对于物体移动光学元件的至少一个，改变第一图像和第二光学系统之间的距离。
在此，第一图像和第二图像之间的距离意思是第一图像的近轴光学位置和第二光学系统中的一个任意位置之间的距离。
在这种情况下，有可能提供一种投影光学系统，其中通过改变第一图像和第二光学系统之间的距离，允许相当容易地改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
例如，当第一光学系统包括至少一个光学元件、第二光学系统没有包括相对于物体可移动的光学元件时，通过相对于物体移动至少一个在第一光学系统中包括的光学元件，可以改变第一图像和第二光学系统之间的距离，从而第一图像相对于物体移动。结果，允许改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
同样，例如，当第二光学系统包括至少一个光学元件、第一光学系统没有包括相对于物体可移动的光学元件时，通过相对于物体移动在第二光学系统中包括的至少一个光学元件，可以改变第一图像和第二光学系统之间的距离，从而第二光学系统相对第一图像移动。结果，允许改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，第一光学系统包括至少一个光学元件，通过相对于物体移动在第一光学系统中包括的所述光学元件中的至少一个，第一图像相对于物体移动。
第一图像的近轴光学尺寸与物体的近轴光学尺寸的比率，即，第一光学系统的放大率用m1(>0)表示，第二图像的近轴光学尺寸与第一图像的近轴光学尺寸的比率，即，第二光学系统的放大率用m2(>0)表示，第二图像的近轴光学尺寸与物体的近轴光学尺寸的比率，即，投影光学系统的放大率是m1×m2。在此，投影光学系统的近轴光学放大率的变化与第一光学系统的放大率的变化Δm1的比率是m2，投影光学系统的近轴光学放大率的变化与第二光学系统的放大率的变化Δm2的比率是m1。
在此，例如，在满足m2>m1的投影光学系统中，投影光学系统的近轴光学放大率的变化与第一光学系统的放大率的变化的比率(第一光学系统的放大率的灵敏度)可以大于投影光学系统的近轴光学放大率的变化与第二光学系统的放大率的变化的比率(第二光学系统的放大率的灵敏度)。
因此，第一光学系统包括至少光学元件之一和通过相对于物体移动在第一光学系统中包括的至少光学元件之一来改变第二图像的尺寸的投影光学系统具有比第二光学系统包括至少光学元件之一和通过相对于物体移动在第二光学系统中包括的至少光学元件之一来改变第二图像的尺寸的投影光学系统更高的放大率灵敏度。
因此，当投影光学系统满足m2>m1时，有可能提供一种投影光学系统，其允许更容易改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，第二光学系统相对于物体是固定的。
在这种情况下，允许仅仅通过相对于物体移动在第一光学系统中包括的至少光学元件之一，相当容易地改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸，同时第二光学系统相对于物体是固定的。结果，允许相当容易地提供能够一种投影光学系统，其中改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
例如，投影光学系统可以是将物体的放大图像或缩小图像投影到像面上的投影光学系统，能够改变图像尺寸与物体尺寸的比率，具有第一光学系统和第二光学系统，第一光学系统设有在变化时可移动并且具有正屈光力(positive optical power)的透镜单元，第二光学系统设有在变化时固定并具有正屈光力(positive optical power)的反射凹面，通常通过将从物面发射的光束聚焦在第一光学系统和第二光学系统之间提供的中间图像，其中允许在变化时移动第一光学系统来移动中间图像和相应地改变像距，改变图像的尺寸。
在这种情况下，投影光学系统是能够用高放大率由小的投影距离放大投影，并允许改变投影尺寸。因为通过在光学系统中移动中间图像可以实现变化，从而改变投影距离，通过简单的结构可以实现图像尺寸的变化，从而仅仅需要用于中间图像移动的光学元件移动。同样，因为由光学元件移动造成的像差变化很小，用很少数量的元件可以实现用于将中间图像放大和投影到像面上的反射镜光学系统，可以大大地提高装配的简易性。
也就是说，可以提供新颖的投影光学系统，其能够以预定图像尺寸的高放大变化系数提供放大的投影，即使投影距离根小，具有简单的光学系统，从而装置的成本很低，并获得简单的装配。
同样，例如，投影光学系统至少设有平物面，布置在像面侧、具有折射力、包括沿光轴方向的移动机构和包括能够沿光轴方向移动的多个光学元件的第一光学系统，布置在像面侧、包括反射面的第二光学系统，其中第一光学系统在第一光学系统侧由第二光学系统最靠近第一光学系统的光学表面形成中间图像，第二光学系统放大和投影中间图像，中间图像的位置通过移动在第一光学系统中包括的光学元件来移动，从而投影距离和图像的尺寸相应地改变。
投影光学系统不仅具有允许以很小的投影距离用高放大率方法图像的特征，而且还可以在改变投影放大率时操纵聚焦的调整而反射镜是固定的。即，通过移动在第一光学系统中具有折射力的光学元件可以调整投影光学系统的焦距，从而操纵聚焦的调整。因此，不需要反射镜移动的机构。在通过反射镜移动操纵聚焦的方法中，反射镜移动的机构需要的成本很高，因为反射镜移动所要求的精度很高，但是，通过本发明的实施例可以降低成本。本发明的实施例可以杂第一光学系统中沿其光轴方向容易地移动具有折射力的光学元件，因此，可以以低成本提供移动机构。
同样，因为投影的视角很大，仅仅稍微改变投影距离就可以大大地改变投影放大率，因此，聚焦控制的量也可以很小。
而且，在包括折射力的光学元件的第一光学系统、中间图像、和反射面按从物面的顺序(或中间图像在反射镜系统和透镜系统之间)布置的结构条件下，中间图像利用反射面、在很小的投影距离可以放大和投影中间图像。
因此，因为提供用于放大和投影中间图像的光学系统，反射镜可以很小。同样，尽管反射镜尺寸很小，可以获得高放大率和较小畸变的图像，可以降低制造反射镜的成本。
同样，由于该投影光学系统，在很小的投影距离允许高放大率的放大投影。关于利用该投影光学系统的图像投影装置，该装置可以位于投影屏附近。在用于会议等的空间中，装置不需要位于用户附近。即，即使用户和装置之间的距离很大，也可以使用装置。而且，使用装置不会给用户带来由装置产生的噪音和废气造成的影响。
那么，在该装置中，投影图像与投影屏的法线成预定角度倾斜地投影。这样，即使用户接近投影屏，投影光不容易被遮蔽并且不会产生阴影。因此，易于使用并且提高其方便性。
也就是说，新颖投影光学系统可以提供减小图像显示装置大高度和减小装置尺寸的优点，当改变投影放大率时具有用于抑制图像劣化的低装置成本，即使投影距离很小也能够以高放大率操纵放大投影。
而且，在该投影光学系统中，优选地，在两个任意状态，投影放大率彼此不同，从投影光学系统中最靠近像面的元件到像面的投影距离不同，在第一光学系统中一些元件之间的间隔不同(而其它元件之间的间隔相同)。
在这种情况下，不需要用于移动构成第二光学系统的光学元件的机构。第二光学系统包括反射镜。因为要求移动反射镜的机构的高精度，移动反射镜的机构所要求的成本很高。根据这种投影光学系统，不需要高成本的移动反射镜的机构。那么，当改变投影放大率时，可以提供稳定的图像质量。同样，可以降低装置的成本。而且，也可以降低取决于装置的图像质量的变化。
在根据本发明第一实例的投影光学系统中，优选地，当通过相对于物体移动在第一光学系统中包括的至少光学元件之一、第一光学系统的焦距从第一焦距变到第二焦距、和第二图像的尺寸从第一尺寸变到第二尺寸时，第二焦距与第一焦距的比率不同于第二尺寸与第一尺寸的比率。
在这种情况下，当第二图像的尺寸从第一尺寸便道第二尺寸时，通过用与第二图像比第一图像的比例不同的第二焦距比第一焦距的比率、从第一焦距到第二焦距改变第一光学系统的焦距，可以相当容易地改变第二图像的尺寸，同时改变投影光学系统的像距。结果，有可能相当容易地提供这样的投影光学系统，其中改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，当第二焦距大于第一焦距、第二尺寸大于第一尺寸时，第二尺寸与第一尺寸的比率大于第二焦距比第一焦距的比率。
在这种情况下，当第二图像的尺寸从第一尺寸变到第二尺寸时，通过用小于第二尺寸比第一尺寸的比率的第二焦距比第一焦距的比率、从第一焦距到第二焦距改变第一光学系统的焦距，可以相当容易地改变第二图像的尺寸，同时改变投影光学系统的像距。结果，有可能相当容易地提供这样的投影光学系统，其中改变投影光学系统的像距，和改变第二图像的尺寸。
例如，上述投影光学系统可以是满足以下条件公式(1)的投影光学系统：
α>fa/fb                  (1)
其中α是图像的最大尺寸除以图像的最小尺寸得到的值，fa第一光学系统的最大焦距，fb是第一光学系统的最小焦距。
同样，条件公式(1)可以用下面的式子表示：
1/α<fb/fa                      (1)′
同样，从条件公式(1)和(1)′可以理解，考虑到在fa的图像尺寸是图像的最大尺寸，在fb的图像尺寸是图像的最小尺寸，fa与fb的比率不等于在fa的图像的最大尺寸与在fb的图像的最小尺寸的比率(α或1/α)。
在这种情况下，投影光学系统可以是能够以高放大率从小投影距离操纵放大的投影图像、能够改变投影尺寸的光学系统。因为通过移动在光学系统中形成的中间图像可以获得放大率的变化，从而改变投影距离，仅仅需要移动中间图像的光学元件的移动，因此，用简单的机构可以获得图像尺寸的放大率变化。同样，因为通过移动光学元件产生的像差变化很小，用很少数量的元件，可以获得将中间图像放大和投影到像面上的反射镜光学系统，因此，可以大大地提高装配的简易性。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，包括至少一个光学元件的至少第一光学系统和第二光学系统之一是共轴光学系统。
在这种情况下，因为至少一个光学元件包括在共轴光学系统中，和至少一个光学元件可以相对于物体沿共轴光学系统的光轴相当容易地移动，有可能相当容易地提供这样的投影光学系统，其中改变投影光学系统的像距，和改变第二图像的尺寸。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，第一光学系统和第二光学系统之一包括至少一个光学元件，包括多于构成第一光学系统或第二光学系统的另一个的光学元件的光学元件。
在这种情况下，因为至少一个光学元件包括在(第一或第二)光学系统中，该光学系统包括更多光学元件，当移动至少一个光学元件时，可以减小第二图像的性能劣化。结果，有可能提供高光学性能的投影光学系统，其中改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，朝投影面投影的主光线的半视角基本上不变，而第二图像的尺寸改变。
在此，朝投影面投影的主光线意指朝投影面投影的光束的中心光线。同样，朝投影面投影的主光线的半视角意指90°-(在主光线在投影面上的入射点的投影面的法向矢量与主光线的方向矢量之间的角度(小于90°))。而且，朝投影面投影的主光线的半视角基本上不变意指当改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸时、朝投影面投影的主光线的半视角变化在±2°之内。
在这种情况下，有可能提供这样的投影光学系统，其允许改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸，而朝投影面投影的主光线的半视角基本上不变。
例如，投影光学系统可以是这样的投影光学系统，其中在放大率改变时，入射到像面上的主光线的最大入射角基本上不变。
在这种情况下，因为图像的尺寸根据投影距离线性变化，基本上不改变入射到像面上的主光线的最大入射角，可以容易地要求图像尺寸的放大率变化的情况，其易于使用。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，朝投影面投影的主光线的半视角的最大值等于或大于60°。
在这种情况下，有可能提供(超广角)投影光学系统，其中当改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸时，朝投影面投影的.主光线的半视角的最大值等于或大于60°。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，第二光学系统包括至少一个正屈光力的反射面的光学元件。
在这种情况下，有可能相当容易地提供投影光学系统，当改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸时，其中朝投影面投影的主光线的半视角的最大值很大。
例如，投影光学系统中的第二光学系统具有一个或多个具有放大率的反射镜。同样，在投影光学系统中，在第二光学系统中的一个或多个反射镜具有正屈光力。
在这种情况下，中间图像允许被放大和投影。当形成中间图像时，会聚从物体传播到中间图像的光束，发散从中间图像传播到像面的光束。然后，发散的光束被一个具有放大率的反射镜再次会聚，以获得放大的图像。同样，通过提供合适的放大率反射光束被引入预定像面，从而提供图像。而且，可以减小图像的畸变。
如上所述，尽管从中间图像传播到第二光学系统的光束被发散，再通过具有正屈光力的反射面可以会聚。当反射面的数量等于或大于2时，仅需要反射面的总放大率为正，可以提供具有负屈光力(negative power)的反射面。在此，一个或多个反射面的放大率为正。具有正屈光力的反射面意指所谓的凹面反射镜。
从具有正屈光力的反射面反射的光线在像面前面相交并随后到达像面的光路上传播。在交叉的位置，光束的宽度减小。在该位置设置光阑让反射光斑成分被排除。因此，可以获得提高图像对比度的效果。在没有相交的光学系统中不会获得该效果。通过设计可以优化光阑的位置和形状。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，在至少一个光学元件中的至少一个正屈光力的反射面是旋转对称非球面。
在此，旋转对称非球面意指正屈光力的反射面具有旋转轴和反射面的形状绕旋转轴完全或基本轴向对称。此外，基本轴向对称的形状意指其设计是轴向对称和在其加工中存在由于误差造成的非对称。
在这种情况下，利用旋转对称非球面可以相当容易地减小在第二图像中的像差。结果，有可能相当容易地提供具有较高光学性能的投影光学系统，其中改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
例如，用已知的非球面公式(a)可以表示旋转对称非球面：
z = c &CenterDot; r 2 / [ 1 + { 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 } ] + Ar 4 + Br 6 + Cr 8 . . . - - - ( a )
其中z是沿其光轴方向的深度，c是其近轴曲率半径，r是其沿垂直于光轴的方向离光轴的距离，k是其二次曲线的常数，A、B、C等是非球面的高次系数，其形状用具体的值代入k、A、B、C...来确定。
可替换地，例如，旋转对称非球面的形状包括偶数次项和奇数次项作为非球面系数的非球面形状。包括偶数次项和奇数次项的非球面形状用下面的公式(b)来表示：
Z ( r ) = ( cr 2 ) / [ 1 + { 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 } ] + C 1 &CenterDot; r + C 2 &CenterDot; r 2 + C 3 &CenterDot; r 3 + C 4 &CenterDot; r 4 + &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; - - - ( b )
其中c是其近轴曲率，K是其二次曲线的系数，Ci(i＝1，2，3，...)是非球面系数。
在此，r是其离光轴的距离，Z是其沿光轴方向的深度。
例如，在该投影光学系统中，第二光学系统的反射曲面的至少一个表面可以是具有轴向对称非球面的形状。可替换地，在该投影光学系统中，反射镜的形状可以是轴向对称非球面。
在这种情况下，当反射镜具有轴向对称非球面的形状时，设计的自由度可以增加，光线的会聚良好。同样，分辨性能可以提高，相同的功能可以用很少数量的元件来再现。而且，利用非球面反射镜表面容易获得分辨率和畸变的校正。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，在至少一个具有正屈光力的反射面的光学元件中至少一个具有正屈光力的反射面是自由形式的表面。
在此，自由形式表面意指除了旋转对称非球面之外的任何球面。
在这种情况下，利用自由形式表面可以更好地减小第二图像的像差。结果，有可能提供高光学形同的投影光学系统，其中改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
例如，变形多项式的自由形式表面可以是用下面的公是表示的形状：
X2·X2+Y2·Y2+X2Y·X2Y+Y3·Y3+X4·X4+X2 Y2·X2Y2+Y4·Y4
+X2Y3·X2Y3+X6·X6+X4Y2·X4Y2+X2 Y4·X2Y4+Y6·Y6+...   (c)
其中Y方向是短轴方向，X方向是长轴方向，Z方向是沿曲面的深度的方向，X2、Y、X2Y、Y3、X2Y2等是系数，投影面作为基准。
例如，在该投影光学系统中，第二光学系统的反射凹面的至少一个表面可以是具有自由形是表面的形状。可替换地，在投影光学系统中，上述一个或多个反射镜的形状是自由形是表面。
当反射镜具有轴向对称非球面的形状或自由形是表面的形状时，设计的自由度可以增加，光线的会聚良好。同样，用很少数量的元件可以提高分辨性能和再现相同的功能。
而且，利用自由形是表面不仅可以容易获得分辨率和畸变的校正，而且可以获得反射镜布置在光轴附近的结构。因此，可以减小装置的厚度。同样可以减小反射镜的尺寸。因此，也可以降低装置的成本。可以同时获得装置的尺寸下降和成本降低。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，包括在第二光学系统中、具有正屈光力的反射面的至少一个光学元件是一个。
在这种情况下，因为第二光学系统的结构可以更简单，有可能提供具有更简单结构的投影光学系统，其中改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
例如，在该投影光学系统中，第二光学系统的反射凹面的数量可以是一个。
在这种情况下，当反射镜的数量是一个时，不仅整个第二光学系统的成本可以降低，而且产量可以提高，因为具有高公差灵敏度的反射镜系统的装配一次完成。同样，当光学系统包括在壳体中时，其尺寸很小，导致尺寸下降。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，折叠从物体到第二图像的光路的至少一个折叠反射镜(folding mirror)包括在所述光路中。
在这种情况下，从物体到第二图像的光路被折叠，从而有可能提供更小型的投影光学系统，其中改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
例如，在该投影光学系统中，通过将折叠反射镜布置在物面和像面之间可以折叠其光路。可替换地，在该投影光学系统中，第一光学系统可以用于折叠光路。
在这种情况下，当折叠反射镜布置成折叠光路时，光学系统的占据面面积可以减小，壳体的尺寸可以减小。可替换地，第一光学系统可以包括在小型的壳体中，即，装置的壳体可以构成得紧凑。因此，可以提高装置的便携性并且容易将其定位。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，相对于物体可移动的至少一个光学元件相对于至少一个折叠反射镜布置在物体侧或第二图像侧。
在这种情况下，相对于物体可移动的至少一个光学元件可以容易地(或用更简单的机构)相对于物体移动，从而改变投影光绪光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。结果，有可能提供具有更简单机构的投影光学系统，其中改变投影光绪光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
例如，在该投影光学系统中，仅仅在物体或图像的任意一个的侧面的光学元件可以相对第一光学系统中的折叠位置移动。
通常，在折叠机构的前面和后面协同移动两个光学元件的机构复杂化，并且倾向于增加其成本。然而，根据该投影光学系统，可以避免这种凸轮机构的复杂性，使得凸轮的成本降低和装置的成本降低。同样，因为光学系统布置成折叠的，装置可以小型化。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，至少一个折叠反射镜布置在物体和第一图像之间。
在这种情况下，因为可以防止第一图像的位置与至少一个折叠反射镜的位置重叠，可以减小至少一个折叠反射镜对第一图像的影响，即，可以减小至少一个折叠反射镜对第二图像的影响。结果，有可能提供具有更好光学性能的投影光学系统，其中改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
例如，在该投影光学系统中，折叠反射镜可以布置在第一光学系统中。
在这种情况下，第一光学系统的光轴沿垂直于屏幕的方向延伸，而且通过如上所述折叠其光路，第一光学系统可以小型化。同样，不在第一光学系统和第二光学系统之间折叠，而是在第一光学系统中折叠，即在其透镜单元中折叠，可以防止在第一光学系统和第二光学系统之间的中间图像与折叠反射镜重叠。因此，从物体上的一点发射的光束通常再次会聚中间图像上，从而光束的直径很小，因此，如果微小的灰尘等进入折叠反射镜的话，灰尘的尺寸与光束的直径的比率很大，从而对后来的像面上的图像的影响很大。因此，最好防止中间图像与折叠反射镜重叠。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，第一光学系统包括相对于物体固定并最靠近第一图像的光学元件。
在这种情况下，即使第一光学元件包括至少一个相对于物体可移动的光学元件，相对于物体可移动的至少一个光学元件布置在物体和相对于物体固定并且最靠近第一图像的光学元件之间，因此，至少一个光学元件更容易相对于物体移动。结果，有可能提供具有更简单结构的投影光学系统，其中改变投影光学图像的像距和改变第二图像的尺寸。
例如，在该投影光学系统中，在放大率变化时，最靠近图像侧的第一光学系统的透镜单元被固定。
在这种情况下，因为最靠近图像侧的第一光学系统的透镜单元设置在从物体每点上发射的光束最分散的位置，透镜的直径很大并且其高度很高。然而，当透镜单元被固定时，用于其镜筒的可变机构会很小，并且是易于操作的机构。同样，关于第一光学系统中折叠反射镜的作用与其布置结构的作用的结合，当在物体侧布置固定在透镜单元前面的折叠透镜时，仅需要在物体和折叠反射镜之间移动透镜单元。反之，如果透镜单元也是可变的，在反射镜前后被折叠反射镜折叠光轴的透镜单元同时和线性地移动，因此，用于其镜筒的可变机构的设计非常复杂。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，第一图像具有朝物体侧弯曲的场曲。
在这种情况下，利用至少一个具有正屈光力反射面的光学元件，可以更容易减小朝物体侧弯曲的第一图像的场曲。结果，有可能相当容易地提供具有更高光学性能的投影光学系统，其中改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
例如，在该投影光学系统中，中间图像具有在下侧场曲的特征。在此，在图像下侧是指在垂直于光轴的平面的坐标中离光轴越远越靠近物体侧的方向，物体的上侧是指在垂直于光轴的坐标中离光轴越远越离开图像侧的方向。
因此，当中间图像具有在下侧的场曲的特征时，结合正屈光力的反射镜，容易校正图像的倾斜。在下侧的场曲的特征是指离光轴的距离越大、中间图像与第一光学系统之间的距离越小的状态。如果中间图像被认为是第二光学系统的物面，物面与上侧方向倾斜。即，离光轴的位置距离越大，从中间图像到反射镜的距离越大。在这种情况下，可以容易地校正由具有正屈光力的反射镜获得的第二图像的中间图像的第二图像的图像倾斜。因此，中间图像的第二图像对应于投影光学系统的图像。
同样，当通过具有正屈光力的光学元件获得物体的图像时，在物体不倾斜的条件下，像面容易倾斜到下侧。在此，倾斜到下侧的像面倾斜量减小，物面倾斜到上侧。通常，倾斜不是线性的，而是弯曲的。同时，通常难以将物面弯曲成弯曲形状。物面在许多实例中是平面。例如，物面可以在投影光学系统的光阀元件上，在光阀元件上的图像形成平面形状。对于光阀元件来说，提供DMD(数字微镜装置、)LCoS(硅上液晶)、透射型液晶光阀等。它们中的任意一种具有平面形状。因此，将它形成弯曲形状需要高成本。然而，根据本发明的实施例，因为物面是中间图像，具有不同的情形。即，通过第一光学系统的设计，有可能提供弯曲到下侧的中间图像，实施所需要的附加成本很低。那么，具有这样的效果，通过提供弯曲到下侧的中间图像，可以容易地校正投影光学系统的像面的倾斜。
在根据本发明第一实施例的投影光学系统中，优选地，第一光学系统是共轴光学系统，物体偏离第一光学系统的光轴。
在这种情况下，物体偏离第一光学系统的光轴，从而有可能提供这样的投影光学系统，其中第一光学系统和第二光学系统更合适第布置，而投影光学系统的像距，同时改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
例如，投影光学系统可以是物面中心布置成与第一光学系统的光轴偏离和入射到反射镜的光线的高度低于第一光学系统的光轴的投影光学系统。
在该投影光学系统中，物面的中心布置成偏离第一光学系统的光轴。在此，笛卡尔坐标系定义为Z轴是光轴的方向、X轴和Y轴是分别垂直于光轴并且相互垂直的方向。当物面偏移该方向+Y时，根据光学成像原理，中间图像形成于-Y方向。当第二光学系统的反射镜布置在中间图像的放大侧，反射镜可以布置在-Y区域来反射光。如果+Y方向为装置高度的方向，反射镜可以布置成不从装置上侧投影。因此，反射镜可以包括在装置的壳体内。那么，用户不会接触反射镜。同样，因为反射镜被壳体遮盖，灰尘不容易粘到它上面。如果灰尘被热烧焦，可以降低反射镜的反射率，或降低投影图像的图像质量，同时它起散射源的作用。那么，反射的减少可以降低亮度。散射可以降低对比度。然而，这种情形可以防止。同样，也防止由于接触反射镜造成的损坏，诸如，破损或翘曲的产生。
本发明的第二实施例是将图像投影到投影面的图像投影装置，其包括根据本发明第一实施例的投影光学系统。
根据本发明的第二实施例，有可能提供一种包括投影光学系统的图像投影装置，该投影光学系统包括第一光学系统和第二光学系统，第一光学系统形成与物体共轭的第一图像，第二光学系统朝投影面投影与第一图像共轭的第二图像，其中改变其像距和改变第二图像的尺寸。
例如，该图像投影装置可以是具有至少一个图像形成元件、照明图像形成元件的照明光学系统、放大或缩小由图像形成元件调制的光图像信号的投影光学系统的图像显示装置，其中投影光学系统是上述投影光学系统的任意一种。
在这种情况下，可以获得利用新颖投影光学系统的图像显示装置，即使投影距离很小，该图像显示装置能够以高放大率放大和投影投影图象尺寸，由于简单的光学系统，具有低装置成本，并获得装配的简易性。
同样，例如，该图像投影装置可以是具有至少一个光阀元件、照明光阀的照明光学系统、和放大和投影由光阀调制的光图像信号的投影光学系统，其中投影光学系统是上述投影光学系统的任意一种。
根据这种图像投影装置，有可能提供这样一种结构，其中反射镜包括在壳体中，不增加壳体的高度和/或厚度。因此，可以获得投影光学系统的效果，其中像面的中心布置成与第一光学系统的光轴偏离，入射到反射镜的光线高度低于第一光学系统的光轴。同样，通过低成本的第一光学系统的设计可以控制中间图像的图像形状。因此，可以获得聚焦良好没有倾斜的像面。同样，因为物面移动，倾斜的投影提供与像面的法线的预定角度，因此，放大的投影可以以小投影距离设置。而且，即使改变投影放大率，不移动反射镜可以提供聚焦。不需要移动要求高精度和造成成本增加的反射镜的机构。而且，因为反射镜可以构成很小，反射镜的成本可以很低。而且，因为，反射镜可以构成很小并且甚至具有除了非球面形状之外的自由形是表面的形状，通过自由形是表面可以获得好的像差校正效果，同时抑制成本，因此，图像质量可以提高。尽管用透镜表示的具有折射力的元件布置在第一光学系统中，仅仅沿其光轴方向移动它们可以控制聚焦，因此，不需要空间移动机构。同样，通过第一光学系统被折叠的结构，壳体可以构成紧凑。尽管优选折叠方向通常是沿XY平面折叠，不破坏本发明的精神，即使根据需要在XY平面存在折叠角度成分。同样，有可能获得这样的结构，即使采用折叠，移动光学元件的结构不复杂。
也就是说，有可能利用新颖的投影光学系统提供一种图像显示装置，其具有将图像显示装置的高度降低为紧凑的优点，具有在改变投影放大率时抑制图像劣化的低装置成本，即使投影距离很小，能够提供高放大率的放大投影。
接下来，参照附图描述本发明的实施例的具体实例。
图1是表示本发明的实施例的具体实例的示意图。
类似于图23，第一光学系统102和第二光学系统104都具有正屈光力，尽管第二光学系统104由反射镜系统组成，即使示意性地表示为透镜，用于说明没有问题。因为第二光学系统是固定的，中间图像103的位置被移动，以改变像距，如图1所示，从而改变图像105的大小。因此，既然第二光学系统104大大地放大中间图像103，其正屈光力很大。因此，即使中间图像103的位置稍微改变，根据纵向放大率的关系，像距变化很大，图像105的尺寸也变化很大。即，稍微改变中间图像103的位置，可以大大地改变图像105的尺寸。那么，第一光学系统102具有固定焦距，只是移动其主点的位置，从而中间图像103的位置稍微移动。实际上，改变第一光学系统102的焦距是用于像差校正，对应于用上述公是(2)(α′＝fa′/fb′)表示的图像尺寸变化的变化不需要焦距的变化。即，满足上述公是(1)(α>fa/fb)，其中α是图像尺寸的放大率(用最大图像尺寸除以最小图像尺寸得到的值)，fa和fb分别是第一光学系统102的最大焦距和最小焦距。因为第一光学系统102的焦距变化允许很小，放大率变化的结构可以很简单。而且，因为在整个光学系统中的像差变化很小，应该被第二光学系统104吸收的像差变化很小，第二光学系统可以很简单。而且，通过稍微改变中间图像103的位置，稍微改变入射到像面的主光线的最大入射角，以便吸收像差变化，而且根据近轴理论，基本上不变化。
图2、3和4是表示本发明实施例的第一实例的示意图。
在图2、3和4中，附图标记1表示投影光学系统在成像时的物面。实际上，例如，它是“光阀的图像显示表面”，在本实施例的具体实例中提出“反射型光阀的图像显示表面”。另外，不限于反射型光阀的图像显示表面，而且可以是透射型光阀的图像显示表面。在本实施例的具体实例中，提出使用三个反射型光阀的彩色图像显示器，因为三个光阀布置在投影光学系统的相同位置，物面1表示三个物面。
附图标记2表示“用于将光从光源引导到每个光阀的偏振分束器和用于将从反射光阀反射的光束混合的正交棱镜的组合”作为与其相同的光程长度的透明板。
附图标记3表示“具有折射力的多个光学元件”。在本实施例的具体实例中，尽管它们由透镜和光阑组成，透镜元件的数量不限于10。同样，光阑的位置不限于图中表示的位置。
附图标记4表示“不可移动反射曲面”。在本实施例中，第二光学系统仅仅由不可移动反射曲面4组成。
图2是表示本发明实施例的第一具体实例的示意图，并表示80英寸对角线图像以551mm的投影距离投影到像面的状态。
图3是表示本发明实施例的第一具体实例的示意图，并表示60英寸对角线图像以438mm的投影距离投影的状态。
图4是表示本发明实施例的第一具体实例的示意图，并表示40英寸对角线图像以334mm投影距离投影的状态。
在图2、3和4中，光阀元件是0.6英寸对角线的光阀元件，具有3：4的高宽比。
在图2、3和4中，表示从物面1发射的5束光束的光路。它们被放大和聚焦在像面5上。
图5、6和7分别表示图2、3和4中物面1到第二光学系统4的放大图。
图5表示图2的光学系统的放大图。
图6表示图3的光学系统的放大图。
图7表示图4的光绪系统的放大图。
在图5、6和7中，附图标记6表示在物面1上的物点的中间图像。严格的说，每个视角的光束不是聚焦在中间图像的一点上，而是具有像差。
在图5、6和7中，实际上，从物面1发射无数光束，只是没有示出所有光束。虚线6示意性地表示通过这些光束获得的中间图像，如图所示，在本实施例的具体实例中，中间图像弯曲到下侧。在根据本发明实施例的光学系统中，作为典型实例示出弯曲到下侧的中间图像。
在图5、6和7中，第一光学系统在第一光学系统相对第二光学系统中最靠近第一光学系统的光学表面这侧形成中间图像。
然后，中间图像被第二光学系统的反射镜放大和投影。
在此，图5、图6和图7提到，仅仅第一光学系统的元件移动，第二光学系统的反射镜不移动。
同样，第一光学系统中的透镜L8、L9和L10不移动。
第二光学系统由一个凹面反射镜4组成，凹面反射镜具有放大率。而且，放大率为正。在这个实例中，凹面反射镜4具有自由形是表面。用上述变形多项是自由形是表面的公是(c)表示定义自由形是表面的公是。
采用图2所示的坐标系，公是(2)可以应用于反射曲面4。在这种情况下，在本实施例的典型实例中，反射凹面具有相对+X方向和-X方向的X＝0的位置的对称形状。
在本实施例中反射曲面4可以是自由形是表面，另外，例如，可以是用上述公是(b)或(c)表示的轴向对称非球面。而且，轴向对称非球面包括用上述公是(c)表示的奇数次非球面。
图8和图9表示本发明实施例的第二具体实例。
图8是表示本发明实施例的第二具体实例的示意图，其表示将图像投影到80英寸对角线屏幕的结构。图9是表示本发明实施例的第二具体实例的示意图，其表示将图像投影到60英寸对角线屏幕的结构。
在图8中示出折叠反射镜7设置在第一光学系统的透镜L7和透镜L8之间的结构。在图8的结构中，投影是投影到80英寸对角线屏幕上，在图9的结构中，投影是投影到60英寸对角线屏幕上。在图8和9中，因为透镜L8、L9和L10在第一光学系统3′中不移动，仅仅需要在折叠反射镜的缩小侧设置凸轮。同样，在图8和9中，第二光学系统的反射镜4不移动。而且折叠反射镜不移动。在此，尽管在具体实例中第一光学系统3′的透镜固定，凸轮仅仅设置在折叠反射镜的缩小侧，另外，在折叠反射镜的缩小侧的透镜固定，凸轮设置在第二光学系统这侧，以在第二光学系统这侧移动透镜，如图27所示。
图10和11表示发明实施例的第三具体实例。
图10是表示本发明实施例的第三具体实例的示意图。图11是表示具有正屈光力的光学元件的场曲的示意图。
在图10中，用虚线表示由第一光学系统形成的中间图像。中间图像弯曲到下侧。
当中间图像具有下侧的场曲的特性时，结合具有正屈光力的反射镜可以容易校正图像的倾斜。下侧场曲的特性是指离光轴的距离越大、中间图像和第一光学系统之间的距离越小的状态。在此，在图10中光轴用O-O′表示。
从不同的视点看，当中间图像6被认为是第二光学系统的物面时，物面倾斜到上面的方向。即，离光轴O-O′的位置距离越大，从中间图像6到反射镜4的距离越大。在这种情况下，中间图像的二次图像的图像倾斜容易被校正，其中二次图像通过具有正屈光力的反射镜获得。在此，中间图像的二次图像对应于投影光学系统的像面。
当通过具有正屈光力的光学元件获得物体的图像时，在物体不倾斜的条件下，像面容易倾斜到下侧。图11示意性低表示该状态。
在此，当物面倾斜到上侧时，可以减小倾斜到下侧的物面的倾斜。
通常，倾斜不是线性的，而是弯曲的。同时，通常难以将物面弯曲成弯曲形状。在许多实例中，物面是平面。例如，物面是在投影光学系统的光阀元件上，在光阀元件上形成平面图像。对于光阀元件，提供DMD(数字微镜装置、)LCoS(硅上液晶)、透射型液晶光阀等。这些光阀的任意一种具有平面形状。因此，将其形成弯曲形状需要高成本。
同时，根据本发明的实施例提供不同的情形，因为物面对应于中间图像。即，通过第一光学系统的设计，有可能形成形状弯曲到下侧的中间图像，实施所需的附加成本很低。那么，获得这样的效果，通过将中间图像弯曲到下侧，容易校正投影光学系统的像面的倾斜。
图12和图13表示本发明实施例的第四具体实例。图12是表示本发明实施例的第四具体实例的示意图，并表示物面与第一光学系统的光轴偏移的结构。图13是表示本发明实施例的第四具体实例的示意图，并表示通过壳体结构遮盖光学系统的结构。
在图10中，用直线O-O′表示第一光学系统的光轴。物面布置成移到光轴的+Y侧。然后，用虚线MM′表示由第一光学系统形成的中间图像。同样，该图表示第二光学系统的凹面反射镜布置在光轴的-Y侧。图12是图10所示的光学系统的总图，也表示像面的位置，具有从反射镜反射的光线通过光轴并到达相反侧的像面的结构。从光轴到反射镜的最大距离用H1表示。当光学系统用壳体遮盖时，仅仅需要大约H1+H2的厚度(其中H2时透镜L19的外径)。在此，反射不需要用弯曲反射镜重复几次的结构不同于常规实例的示意图中所示的结构。因此，不会产生由于反复反射造成的光学系统的厚度增加。
在图10中，像面布置成移到垂直于第一光学系统的光轴方向。在这个实施例中的移动量是6.8mm。如图10和12所示，获得这样的效果，通过将平板偏移，第二光学系统的反射曲面的高度不布置在+Y方向的高度，因为从第一光学系统发射后，光路到达光轴的-Y方向。同样，如下面所述，因为反射曲面的尺寸构成紧凑，可以防止反射曲面太小，以致不能到-Y方向。由于这些作用，当这种光学系统包括在壳体中时，反射曲面可以容易地包括在壳体中，壳体在Y方向的高度可以很小。
图13示意性地示出用壳体遮盖的包括反射镜部分的光学系统的结构。在图13的结构中，用户不接触反射镜。而且，因为反射镜被壳体8遮盖，灰尘不容易粘到反射镜上。这些作用类似地应用于第一光学系统。
如果灰尘被热烧焦，反射镜的反射率可以降低或它可以是散射源，使得投影图像的图像质量下降。反射率的减小降低亮度。散射降低对比度。在这个实例中，这种情形被防止。而且，还防止由于接触反射镜造成损坏，诸如，破损或翘曲的产生。
此外，装置9设置在图13的部分装置壳体8上，使得光线传出壳体8。
同样，尽管在图13的实例中的第一光学系统中的光路不折叠，当然，可能是如图8和9所示的折叠结构。通过将光路折叠，可以减小装置沿Z方向的长度。
图14(a)和(b)表示本发明实施例的第五具体实例。
利用上述投影光学系统，可以构成图像显示装置。图14(a)和(b)示意性地表示结构的实例。
灯光源表示为光源10。对于灯光源来说，可以使用氙灯、卤素灯、金属卤化物灯、超高压水银灯等。
光源的光可以包括UV成分和IR成分，但是，用截止滤光片11和12可以截止它们，从而抑制光学元件的劣化。
偏振光转换元件13让光线的偏振特性转换成线性偏振光，从而可以提高光利用效率。
一对蝇眼透镜阵列14和15让照明光量的分布均匀。
聚光透镜16容许调整光阀的照明角度和照明区域。
图14(a)中从蝇眼透镜15发射的光束到达图14(b)中的分色镜17。
分色镜17选择和反射蓝色波长成分，以将蓝色照明的光路与多色照明的光路分离。透过分色镜17的光(包括绿色波长成分和红色波长成分的光)从反射镜26反射，并进入分色镜18。
分色镜18选择和反射绿色波长成分，以分离绿色照明和红色照明的光路。
从反射镜17反射的光透过偏振分束器19，以照明光阀元件22。
从分色镜18反射的光透过偏振分束器20，以照明光阀元件23。
透过分色镜18的光透过偏振分束器21，以照明光阀元件24。
光阀元件22、23和24在此示为反射型光阀元件。
光阀元件22的照明光被光阀元件22调制，以提供蓝色波长成分的图像信号。
光阀元件23的照明光被光阀元件23调制，以提供绿色波长成分的图像信号。
光阀元件24的照明光被光阀元件24调制，以提供红色成分的图像信号。
被光阀22调制的反射光从偏振分束器19反射，并通过正交棱镜25与具有其它颜色的反射光混合。
被光阀元件23反射的光从偏振分束器20反射，并通过正交棱镜与具有其它颜色的反射光混合。
被光阀元件24反射的光从偏振分束器21反射，并通过正交棱镜与具有其它颜色的反射光混合。
被分色镜25混合的反射光被投影光学系统的第一光学系统形成中间图像。
中间图像被第二光学系统放大和投影。
投影光学系统这样构成，光阀元件22、23和24是投影光学系统的物面1。
根据上述的结构实例，可以提供三片型放大的图像显示装置。利用根据本发明实施例的投影光学系统，可以获得已经描述的效果。
另外，根据本发明的实施例的投影光学系统也可以应用于使用透射型光阀的图像显示装置，没有问题。
可替换地，根据本发明的投影光学系统也可以应用于用一个光阀元件场序显示图像的图像显示装置。
接下来，参照图15-22，下面表示根据本发明实施例的投影光学系统的数字表示的实例1。
表1中表示实例中的表面号的数值、曲率半径、表面距离、折射率和阿贝数。
表1
 
表面号 曲率半径(mm) 表面距离(mm) 折射率 阿贝数 备注1 备注2
物体 0.000 4.200
1 0.000 1.100 1.517 64.2
2 0.000 4.010
3 0.000 24.900 1.517 64.2
4 0.000 6.567
5 -352.269 6.496 1.497 81.6
6 -32.778 2.465
7 87.501 2.946 1.834 37.3
8 30.729 9.454 1.497 81.6
9 -34.470 3.839
10 -20.746 1.800 1.517 64.2
11 -362.003 6.492 1.497 81.6
12 -23.226 26.066
 
光阑 0.000 2.224
14 26.708 2.597 1.511 56 ○
15 19.023 9.979 ○
16 69.143 4.990 1.569 71.3
17 -99.499 77.949 ○
18 -62.400 9.835 1.713 53.9
19 -32.800 3.190 1.487 70.4
20 62.528 23.041
21 -33.721 5.539 1.531 56 ○
22 -35.600 30.000 ○
23 0.000 100.566
24 0.000 -535.393 ○ ○
图像 0.000 0.000
备注1：用“○”标记表示非球面。(但是，在此，第24表面是自由形式表面。)
备注2：用“○”标记表示反射面。
在表1中，在备注1的栏中用“○”标记表示非球面。第14表面、第15表面、第17表面、第21表面和第22表面是旋转对称非球面，第24表面是变形多项式自由形式表面。
在表1中，在备注2的栏中也用“○”标记表示反射面。即，第24表面是反射镜表面。
在表1中，根据投影放大率变化的表面距离值用斜体格式表示。
在物体和第5表面之间提供光程长度，其等于在设置正交棱镜或偏振分束器的情况下的光程长度。
在表2-6中表示非球面的系数。
表2
 
表面号 14
K 0
A -0.00010
B -1.64E-08
C 6.26E-10
D -1.95E-13
E -2.80E-14
F 8.91E-17
表3
 
表面号 15
K 0
A -0.00014
B -3.66E-08
C 1.34E-09
D -8.64E-12
E 1.74E-14
F -4.50E-18
表4
 
表面号 17
K 0
A -0.00014
B -3.66E-08
C 1.34E-09
D -8.64E-12
E 1.74E-14
F -4.50E-18
表5
 
表面号 21
K 0
A 5.23E-06
B -6.84E-08
C 1.10E-10
D 2.68E-15
E -7.52E-17
F 3.35E-20
表6
 
表面号 22
K 0
A 3.12E-06
B -4.29E-08
C 6.31E-11
D -4.01E-14
E 3.49E-17
F -1.62E-20
表7
 
第4级系数 A
第6级系数 B
第8级系数 C
第10级系数 D
第12级系数 E
第14级系数 F
在表7中总结上述公式(a)中提供的级系数和系数符号之间的关系。
在表8中表示第24表面的自由形式表面的系数。自由形式表面的系数是上述公式(b)中提供的系数。
表8
 
表面号 24
X2 -0.0057697
Y2 -3.44E-03
X2Y -4.09E-05
Y3 -1.92E-05
X4 -1.79E-08
X2Y2 -4.25E-07
Y4 -2.15E-07
X4Y 5.78E-10
X2Y3 -2.26E-09
Y5 -2.25E-09
X6 -8.76E-13
X4Y2 -9.06E-13
X2Y4 -8.10E-12
Y6 -2.90E-11
X6Y 1.47E-14
X4Y3 -1.15E-13
X2Y5 -2.21E-13
Y7 -3.89E-14
X8 -1.48E-15
X6Y2 2.05E-15
X4Y4 -9.37E-16
X2Y6 -5.66E-15
Y8 7.05E-15
 
X8Y -1.84E-17
X6Y3 5.49E-18
X4Y5 3.85E-17
X2Y7 -6.43E-17
Y9 1.06E-16
X10 2.27E-19
X8Y2 -4.02E-19
X6Y4 -2.97E-21
X4Y6 4.72E-19
X2Y8 -3.17E-19
Y10 4.88E-19
在表9中表示第24表面的偏心度。
表9
 
沿X方向的偏移(mm) -48.22
沿YZ面的旋转(°) -33.66
在数字表示的实例1中的物方侧的光学系统的数值孔径(NA)是0.25。
在数字表示的实例1中，像面的中心布置成相对第一光学系统的光轴偏移到+Y方向6.46mm。
另外，表1中数字表示的实例1的放大率是127。在此，放大率接近图像尺寸与物体尺寸的比率。
同样，在数字表示的实例1的不同放大率状态的表面距离值在表10中示出。
在表10中，例如，表面距离d10意指表面号10和表面号11之间的表面距离。
表10
 
放大率 126.99 95.20 63.49
d4 6.57 7.59 8.52
d6 2.46 1.97 5.53
d9 3.84 6.15 7.69
d12 26.07 23.08 19.20
d113 2.22 9.04 18.13
d17 77.95 71.23 60.00
d24 -535.39 -424.89 -321.62
图15是表示在用数字表示的实例1中，在像面上放大率为127的光点图形的示意图。类似地，图16是表示在用数字表示的实例1中，在像面上放大率为95.2的光点图形的示意图。另外，图17是表示在用数字表示的实例1中，在像面上放大率为63.5的光点图形的示意图。
图18是在图15、16、和17中所示的光点之间的一致并且其位置在像面上的示意图。关于在XY平面的像面上X≤0的区域，在图18中示出将它沿X方向等分成三部分将它沿Y方向等分成三部分获得的9个格子点。这些格子点用①～⑨表示，在图15、16和17中示出它们的点图形。
另外，在数字表示的实例1中，像面是在XY平面中，在图18中仅仅示出在+X侧的光点位置，因为在像面上的光点特性应该是与±X方向的Y轴对称光点特性。
如图15、16和17所示，光点以任何投影放大率会聚得很好。在数字表示的实例1中，可以获得XGA级的分辨率。
关于XGA级的分辨率频率，所获得的性能是在整个屏幕区域的白调制转换函数(MTF)的值为50％或更高。
图19是投影放大率为127的TV畸变特征的示意图。图20是投影放大率为95.2的TV畸变特征的示意图。图21是投影放大率为63.5的TV畸变特征的示意图。
在此，TV畸变是图像投影在TV显示器上沿其长侧方向计算的图像畸变的数值，用Dh＝Δh/2h×100％定义，其中Dh表示TV畸变，h表示沿其短侧方向、图像中心与图像端部之间的长度，Δh表示从沿图像长侧方向延伸并且通过图像顶点的直线到沿图像长侧方向延伸并且沿图像短侧方向通过图像端点的直线之间的距离。
TV畸变是1％或更小，在任何情况下畸变都能校正好。
同样，投影放大率为127、95.2和63.5时，像面与反射镜之间的最大距离分别是535.4mm、424.9mm和321.6mm。因此，从反射镜到像面的距离很小，实例可以获得允许在近范围内用高放大率放大投影的性能。
同样，在数字表示的实例1的投影光学系统中，朝投影面投影的主光线的半视角最大值是大约74°。
另外，在数字表示的实例1的投影光学系统中，当投影距离和投影放大率改变时，中间图像移动。
图22是表示在用数字表示的实例1中，中间图像的移动的示意图。在图22中示出凹面反射镜(具有第24表面)和最靠近凹面反射镜的透镜(具有第21和第22表面)。如图22所示，“a”是主光线从中间图像到其在凹面反射镜的入射点的光程长度，光线是沿连接透镜光轴和屏幕中心的轴线(Y轴，屏幕的短轴方向)到达部分屏幕的最上面的部分。
表11
 
像面尺寸 a
80英寸 112.3mm
40英寸 117.6mm
如表11所示，在投影距离大的80英寸对角线图像中的中间图像和凹面反射镜之间的光程长度“a”很小，在投影距离小的40英寸对角线图像中的中间图像和凹面反射镜之间的光程长度“a”很大。因此，当投影距离改改变时，即，投影放大率改变时，在用数字表示的实例1中从80英寸到40英寸，可以确定中间图像被移动。
接下来，下面参照图24-33表示根据本发明实施例的投影光学系统的数字表示的实例2。
在表12中示出该实例的投影光学系统的表面号的数值、曲率半径、表面距离、折射率和阿贝数。
表12
 
表面号 曲率半径(mm) 表面距离(mm) 折射率 阿贝数 备注1 备注2
物体 0.000 4.000
1 0.000 1.800 1.517 64.2
2 0.000 0.400 1.517 64.2
3 0.000 20.560 1.589 61.3
4 0.000 3.250 1.589 61.3
5 0.000 25.000 1.517 64.2
6 0.000 5.000
7 49.502 6.228 1.497 81.6
8 -57.839 0.100
9 73.010 1.600 1.835 43.0
10 18.571 8.910 1.497 81.6
 
11 -62.839 11.303
12 279.254 6.379 1.567 42.8
13 -201.777 3.891
14 -26.570 2.839 1.581 40.9
15 -22.006 12.388
16 0.000 3.755
17 -73.296 1.300 1.806 40.7
18 43.180 1.500
19 51.386 3.920 1.723 38.0
20 -93.574 1.000
21 0.000 78.501
22 41.833 10.000 1.533 56.7 ○
23 47.189 20.022 ○
24 55.093 16.606 1.488 70.4
25 -353.432 3.273
26 -166.099 9.000 1.786 43.9
27 -1582.630 8.796
28 -936.901 6.442 1.713 53.9
29 50.387 26.257
30 -83.019 8.000 1.533 56.7 ○
31 -62.823 12.000 ○
32 0.000 100.000
33 0.000 -703.095 ○ ○
图像 0.000 0.000
备注1：用“○”标记表示非球面。(但是，在此，第33表面是自由形式表面。)
备注2：用“○”标记表示反射面。
在表12中，在备注1的栏中用“○”标记表示非球面。第22表面、第23表面、第30表面和第31表面是旋转对称非球面，第33表面是变形多项式自由形式表面。
在表12中，在备注2的栏中也用“○”标记表示反射面。即，第33表面是反射镜表面。
在表12中，根据投影放大率变化的表面距离值用斜体格式表示。
在物体和第7表面之间提供光程长度，其等于在设置正交棱镜或偏振分束器的情况下的光程长度。
在表13-16中表示非球面的系数。
表13
 
表面号 22
K 0
A -6.22E-06
B -5.72E-10
C 1.13E-12
D -9.50E-16
E 1.92E-19
F -5.59E-23
G -5.45E-27
表14
 
表面号 23
K 0
A -8.09E-06
B 1.39E-09
C -7.92E-14
D -1.41E-16
E -1.37E-19
F 1.22E-23
G 2.53E-26
表15
 
表面号 30
K 0
A -1.23E-05
B 1.42E-08
C -2.88E-11
D 2.74E-14
E -9.84E-18
F 1.33E-21
G -8.38E-26
表16
 
表面号 31
K 0
A -9.30E-06
B 9.38E-09
 
C -1.51E-11
D 1.14E-14
E -4.21E-18
F 1.98E-21
G -5.82E-25
表17
 
第4级系数 A
第6级系数 B
第8级系数 C
第10级系数 D
第12级系数 E
第14级系数 F
第16级系数 G
在表17中总结上述公式(a)中提供的级系数和系数符号之间的关系。
在表18中表示第33表面的自由形式表面的系数。第33表面的自由形式表面的系数是上述公式(c)中提供的系数。
表18
 
表面号 33
X2 -0.0038697
Y2 -0.0017467
X2Y -1.09E-05
Y3 -1.87E-05
X4 -2.48E-08
X2Y2 -3.35E-07
Y4 7.79E-07
X4Y -8.55E-10
X2Y3 9.47E-09
Y5 -2.07E-08
X6 -4.53E-12
X4Y2 4.18E-11
X2Y4 -3.29E-10
Y6 3.08E-10
X6Y 4.80E-14
X4Y3 -1.32E-12
X2Y5 6.54E-12
 
Y7 -2.61E-12
X8 9.46E-16
X6Y2 -3.83E-15
X4Y4 1.35E-14
X2Y6 -8.68E-14
Y8 9.33E-15
X8Y 2.71E-18
X6Y3 1.09E-16
X4Y5 2.78E-18
X2Y7 6.43E-16
Y9 1.16E-17
X10 -1.13E-19
X8Y2 -8.22E-20
X6Y4 -1.00E-18
X4Y6 -4.92E-19
X2Y8 -2.06E-18
Y10 -1.45E-19
在表19中表示第33表面的偏心度。
表19
 
沿X方向的偏移(mm) -97.18
沿YZ面的旋转(°) -48.46
在数字表示的实例2中的物方侧的光学系统的数值孔径(NA)是0.22。
在数字表示的实例2中，像面的中心布置成相对第一光学系统的光轴偏移到+Y方向5.57mm。
另外，表12中数字表示的实例2的放大率是164.7。
同样，在数字表示的实例的不同放大率状态的表面距离值在表20中示出。
在表20中，例如，表面距离d21意指表面号21和表面号22之间的表面距离。
表20
 
放大率 164.72 115.30 82.36
d21 78.501 80.012 82.289
d23 20.022 12.258 1.500
 
d27 8.796 9.984 11.545
d29 26.257 31.322 38.242
d33 -73.095 -487.617 -343.987
图24表示在用数字表示的实例2中，以759mm的投影距离投影100英寸对角线图像的状态。图25表示在用数字表示的实例2中，以544mm的投影距离投影70英寸对角线图像的状态。图26表示在用数字表示的实例2中，以400mm的投影距离投影50英寸对角线图像的状态。
在图24、25和26中，光阀元件是0.16英寸对角线的，其高宽比是9：16。
图27表示在图24、25和26的任何一个中，物面1到第二光学系统4的放大图。
与图5、6和7类似，提供中间图像，中间图像的像面弯曲到下侧。
在此，尽管在图27中没有提供如图8和9所示的通过反射镜折叠的第一光学系统的光路，足够保持用于布置折叠反射镜7以操纵这种折叠的空间，尽管光路用直线示意性地画出，允许光路用反射镜7折叠。
在缩小侧的透镜，即，在物面侧的透镜相对数字表示的实例1中的折叠反射镜7移动。在放大侧的透镜，即，在折叠反射镜和第二光学系统4之间的透镜相对数字表示的实例2中的折叠透镜7移动。因此，移动透镜的凸轮机构可以是在折叠反射镜7的缩小侧的透镜组或在放大侧的透镜组。
图28是表示在用数字表示的实例2中，在像面上放大率为164.7的光点图形的示意图。类似地，图29是表示在用数字表示的实例2中，在像面上放大率为115.3的光点图形的示意图。而且，图30是表示在用数字表示的实例2中，在像面上放大率为82.4的光点图形的示意图。
在此，图28、29和30表示在格子点上的点图形，如图18所示，与图15、16和17类似。
另外，同样在用数字表示的实例2中，像面在XY平面中，在图18中仅示出在+X侧的光点位置，因为在像面上的光点特性应该是与±X方向的Y轴对称光点特性。
如图28、29和30所示，光点以任何投影放大率会聚得很好。在数字表示的实例2中，可以获得完全高清晰电视级的分辨率(1920×1080)。
图31是表示投影放大率为164.7的TV畸变特征的示意图。图32是表示投影放大率为115.3的TV畸变特征的示意图。图33是表示投影放大率为82.4的TV畸变特征的示意图。TV畸变为1％或更小，在任何情况下畸变被校正得很好。
同样，投影放大率为164.7、115.3、和82.4时，在像面和反射镜之间的最大距离分别为759mm、544mm、和400mm。因此，从反射镜到像面的距离很小，该实例可以获得允许在近范围内用高放大率放大投影的性能。同样，在数字表示的实例2的投影光学系统中，朝投影面投影的主光线的半视角最大值是大约71.9°。
而且，类似于数字表示的实例2，其中“a”是主光线从中间图像到其在凹面反射镜的入射点的光程长度，光线是沿连接透镜光轴和屏幕中心的轴线(Y轴，屏幕的短轴方向)到达部分屏幕的最上面的部分，在投影距离大的100英寸对角线图像中的中间图像和凹面反射镜之间的光程长度“a”很小，在投影距离小的50英寸对角线图像中的中间图像和凹面反射镜之间的光程长度“a”很大，如表21所示。
表21
 
像面尺寸 a
100英寸 113.5mm
50英寸 121.1mm
因此，当投影距离改变时，即，投影放大率改变时，在用数字表示的实例1中从100英寸到50英寸，可以确定中间图像被移动。
接下来，下面参照图34-43表示根据本发明实施例的投影光学系统的数字表示的实例3。
在表22中示出该实例的投影光学系统的表面号的数值、曲率半径、表面距离、折射率和阿贝数。
表22
 
表面号 曲率半径(mm) 表面距离(mm) 折射率 阿贝数 备注1 备注2
物体 0.000 22.100
1 0.000 12.000 1.835 43.0
2 0.000 27.300 1.517 64.2
3 0.000 6.050
4 164.630 4.792 1.488 70.4
 
5 -84.820 0.300
6 31.675 6.548 1.488 70.4
7 158.047 0.300
8 56.577 1.600 1.804 35.1
9 26.874 7.546 1.488 70.4
10 -365.882 0.300
11 -665.123 1.600 1.762 32.2
12 22.955 10.471 1.497 81.6
13 -31.691 0.395
14 -30.477 1.700 1.808 40.3
15 26.927 8.552 1.785 25.7
16 -53.271 24.826
17 0.000 5.000
18 -52.415 1.896 1.534 58.1 ○
19 -44.013 67.772 ○
20 35.540 14.290 1.506 73.7
21 439.032 15.735
22 -147.851 10.790 1.835 43.0 ○
23 52.844 37.629 ○
24 82.003 13.000 1.608 39.3
25 -96.520 1.827
26 -95.986 10.000 1.835 43.0
27 90.174 25.217
28 -85.919 7.423 1.550 51.8 ○
29 -62.856 154.802 ○
30 -74.638 -738.910 ○ ○
图像 0.000 0.000
备注1：用“○”标记表示非球面。
备注2：用“○”标记表示反射面。
在表22中，在备注1的栏中用“○”标记表示非球面。第18表面、第19表面、第22表面、第23表面、第28表面、第29表面和第30表面是旋转对称非球面。
在表12中，在备注2的栏中用“○”标记表示反射面。即，第30表面是反射镜表面。相对数字表示的实例1和2，在数字表示的实例第二光学系统的反射镜表面是旋转对称非球面。在表22中，根据投影放大率改变的表面距离的数值用斜体格式表示。
在物体和第4表面之间提供光程长度，其等于在设置正交棱镜或偏振分束器的情况下的光程长度。
在表23-29中表示非球面的系数。
表23
 
表面号 18
K 0
A 1.84E-06
B -6.61E-09
C 6.08E-11
D -1.13E-13
表24
 
表面号 19
K 0
A 1.71E-06
B -7.40E-09
C 5.89E-11
D -1.07E-13
表25
 
表面号 22
K 0
A -1.18E-05
B 1.67E-08
C -1.30E-11
D 3.94E-16
E 2.64E-17
F -2.74E-20
表26
 
表面号 23
K -10.1056
A -3.89E-06
B 1.37E-08
C -1.49E-11
D 1.32E-14
E 6.37E-18
F -5.72E-21
表27
 
表面号 28
K 0
A -5.36E-06
B -1.27E-08
C 2.26E-11
D -1.89E-14
表28
 
表面号 29
K 0
A -3.53E-06
B -1.26E-08
C 2.57E-11
D -3.21E-14
F 2.09E-17
F -8.00E-21
表29
 
表面号 30
K -2.2565
A -1.44E-07
B 7.94E-12
C -4.34E-16
D -1.95E-20
E 3.69E-24
F -1.41E-28
表30
 
第4级系数 A
第6级系数 B
第8级系数 C
第10级系数 D
第12级系数 E
第14级系数 F
在表30中总结在上述公式(a)中提供的级系数和系数符号之间的关系。
在数字表示的实例3中的物方侧的光学系统的数值孔径(NA)是0.20。
在数字表示的实例3中，像面的中心布置成相对第一光学系统的光轴偏移到+Y方向5.80mm。
另外，表22中数字表示的实例3的放大率是131.8。
同样，在数字表示的实例3的不同放大率状态的表面距离值在表31中示出。
在表31中，例如，表面距离d19意指表面号19和表面号20之间的表面距离。
表31
 
放大率 131.72 98.83 65.89
d19 67.772 69.026 71.398
d23 37.629 30.428 13.482
d25 1.827 2.278 3.183
d27 25.217 30.713 44.381
d30 -738.910 -570.890 -400.000
图34表示在用数字表示的实例3中，以739mm的投影距离投影80英寸对角线图像的状态。
图35表示在用数字表示的实例3中，以571mm的投影距离投影60英寸对角线图像的状态。
图36表示在用数字表示的实例3中，以400mm的投影距离投影40英寸对角线图像的状态。
在图34、35、和36中，光阀元件是0.16英寸对焦线的，其高宽比为9：16。
图37表示在图34、35和36的任何一个中，物面1到第二光学系统4的放大图。
与图5、6和7类似，提供中间图像，中间图像的像面弯曲到下侧。
在此，尽管在图37中没有提供如图8和9所示的通过反射镜折叠的第一光学系统的光路，足够保持用于布置折叠反射镜7以操纵这种折叠的空间，尽管光路用直线示意性地画出，允许光路用反射镜7折叠。
与用数字表示的实例2类似，在放大侧的透镜，即，在折叠反射镜和第二光学系统4之间的透镜相对折叠透镜7移动。
图38是表示在用数字表示的实例3中，在像面上放大率为131.8的光点图形的示意图。类似地，图39是表示在用数字表示的实例3中，在像面上放大率为98.8的光点图形的示意图。另外，图40是表示在用数字表示的实例3中，在像面上放大率为65.9的光点图形的示意图。
在此，图38、39和40表示在表18中所示的9个格子点的光点图形，与图15、16和17类似。
另外，同样在用数字表示的实例3中，像面在XY平面中，在图18中仅示出在+X侧的光点位置，因为在像面上的光点特性应该是与±X方向的Y轴对称光点特性。
如图38、39和40所示，光点以任何投影放大率会聚得很好。在数字表示的实例3中，可以获得完全高清晰电视级的分辨率(1920×1080)。
图41是表示投影放大率为131.8的TV畸变特征的示意图。图42是表示投影放大率为98.8的TV畸变特征的示意图。图43是表示投影放大率为65.9的TV畸变特征的示意图。TV畸变为1％或更小，在任何情况下畸变被校正得很好。
同样，投影放大率为131.8、198.8、和65.9时，在像面和反射镜之间的最大距离分别为739mm、571mm、和400mm。因此，从反射镜到像面的距离很小，该实例可以获得允许在近范围内用高放大率放大投影的性能。
同样，在数字表示的实例3的投影光学系统中，朝投影面投影的主光线的半视角最大值是大约67.7°。
而且，类似于数字表示的实例1，其中“a”是主光线从中间图像到其在凹面反射镜的入射点的光程长度，光线是沿连接透镜光轴和屏幕中心的轴线(Y轴，屏幕的短轴方向)到达部分屏幕的最上面的部分，在投影距离大的80英寸对角线图像中的中间图像和凹面反射镜之间的光程长度“a”很小，在投影距离小的50英寸对角线图像中的中间图像和凹面反射镜之间的光程长度“a”很大，如表32所示。
表32
 
像面尺寸 a
80英寸 106.2mm
40英寸 111.2mm
因此，当投影距离改变时，即，投影放大率改变时，在用数字表示的实例3中从80英寸到40英寸，可以确定中间图像被移动。
尽管上面具体描述了本发明的实施例和/或实例，本发明不限于这些实施例和/或实例，不脱离本发明的精神和范围，可以改变或修改这些实施例和/或实例。
[附录]
下面提供本发明的典型实施例(1)-(20)。
实施例(1)是一种投影光学系统，包括第一光学系统和第二光学系统，第一光学系统构成为形成与物体共轭的第一图像，第二光学系统构成为朝投影面投影与第一图像共轭的第二图像，至少第一光学系统和第二光学系统之一包括至少一个相对于物体可移动的光学元件，其特征在于，通过相对于所述物体移动所述光学元件中的至少一个，改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
实施例(2)是如上述实施例(1)所述的投影光学系统，其特征在于，通过相对于所述物体移动所述光学元件中的至少一个，改变第一图像和第二光学系统之间的距离。
实施例(3)是如上述实施例(1)或(2)所述的投影光学系统，其特征在于，第一光学系统包括至少一个光学元件，通过相对于物体移动在第一光学系统中包括的所述光学元件中的至少一个，相对于物体移动第一图像。
实施例(4)是如上述实施例(3)所述的投影光学系统，其特征在于，第二光学系统相对于物体固定。
实施例(5)是如上述实施例(4)所述的投影光学系统，其特征在于，当通过相对于物体移动在第一光学系统中包括的所述光学元件中的至少一个而使第一光学系统的焦距从第一焦距变到第二焦距并且第二图像的尺寸从第一尺寸变到第二尺寸时，第二焦距与第一焦距的比率不同于第二尺寸与第一尺寸的比率。
实施例(6)是如上述实施例(5)所述的投影光学系统，其特征在于，当第二焦距大于第一焦距和第二尺寸大于第一尺寸时，第二尺寸与第一尺寸的比率大于第二焦距与第一焦距的比率。
实施例(7)是如上述实施例(1)-(6)任意一个所述的投影光学系统，其特征在于，包括所述光学元件中的至少一个的所述至少第一光学系统和第二光学系统之一是共轴光学系统。
实施例(8)是如上述实施例(1)-(7)任意一个所述的投影光学系统，其特征在于，第一光学系统和第二光学系统包括至少一个光学元件，和包括比构成第一光学系统或第二光学系统的另一个的光学元件更多的光学元件。
实施例(9)是如上述实施例(1)-(8)任意一个所述的投影光学系统，其特征在于，朝投影面投影的主光线的半视角基本上不变，而第二图像的尺寸改变。
实施例(10)是如上述实施例(9)所述的投影光学系统，其特征在于，朝投影面投影的主光线的半视角的最大值等于或大于60°。
实施例(11)是如上述实施例(1)-(10)任意一个所述的投影光学系统，其特征在于，第二光学系统包括具有正屈光力的反射面的至少一个光学元件。
实施例(12)是如上述实施例(11)所述的投影光学系统，其特征在于，在所述至少一个具有正屈光力的反射面的光学元件中的具有正屈光力的反射面中的至少一个是旋转对称非球面。
实施例(13)是如上述实施例(11)所述的投影光学系统，其特征在于，在所述至少一个具有正屈光力的反射面的光学元件中的具有正屈光力的反射面中的至少一个是自由形式表面。
实施例(14)是如上述实施例(11)-(13)任意一个所述的投影光学系统，其特征在于，在第二光学系统中包括的具有正屈光力的反射面的至少一个光学元件的数量是一个。
实施例(15)是如上述实施例(1)-(14)任意一个所述的投影光学系统，其特征在于，构成为折叠从物体到第二图像的光路的至少一个折叠反射镜包括在所述光路中。
实施例(16)是如上述实施例(15)所述的投影光学系统，其特征在于，相对于物体可移动的至少一个光学元件布置在相对于至少一个折叠反射镜的物体侧或第二图像侧。
实施例(17)是如上述实施例(15)或(16)所述的投影光学系统，其特征在于，至少一个折叠反射镜布置在物体和第一图像之间。
实施例(18)是如上述实施例(1)-(17)任意一个所述的投影光学系统，其特征在于，第一图像具有朝物体侧弯曲的场曲。
实施例(19)是如上述实施例(1)-(18)任意一个所述的投影光学系统，其特征在于，第一光学系统是共轴光学系统，物体偏离第一光学系统的光轴。
实施例(20)是一种图像投影装置，其构成为将图像投影到投影面上，其特征在于，包括上述实施例(1)-(19)的任意一个所述的投影光学系统。
工业应用性
本发明的实施例可以应用于投影光学系统、放大投影光学系统、可变放大率投影光学系统和图像显示装置，诸如，投影仪。例如，本发明的实施例可以应用于图像投影装置诸如投影装置的投影光学系统，特别是，可以应用于正面投影仪中在很近范围内获得投影的投影光学系统。
本申请要求2006年12月4日提交的日本专利申请No.2006-327592和2007年10月10日提交的日本专利申请No.2007-264801的优先权，其全部内容在此并入作为参考。

Claims (19)

1.一种投影光学系统，包括第一光学系统和第二光学系统，第一光学系统构成为形成与物体共轭的第一图像，第二光学系统构成为朝投影面投影与第一图像共轭的第二图像，至少第一光学系统和第二光学系统之一包括相对于所述物体可移动的至少一个光学元件，其中，通过相对于所述物体移动所述光学元件中的至少一个，改变投影光学系统的像距和改变第二图像的尺寸。
2如权利要求1所述的投影光学系统，其中，通过相对于所述物体移动所述光学元件中的至少一个，改变第一图像和第二光学系统之间的距离。
3.如权利要求1所述的投影光学系统，其中，所述第一光学系统包括所述光学元件中的至少一个，通过相对于所述物体移动在第一光学系统中包括的所述光学元件中的至少一个，相对于所述物体移动第一图像。
4.如权利要求3所述的投影光学系统，其中，所述第二光学系统相对于所述物体固定。
5.如权利要求4所述的投影光学系统，其中，当通过相对于所述物体移动在第一光学系统中包括的所述光学元件中的至少一个而使第一光学系统的焦距从第一焦距变到第二焦距并且第二图像的尺寸从第一尺寸变到第二尺寸时，所述第二焦距与第一焦距的比率不同于所述第二尺寸与第一尺寸的比率。
6.如权利要求5所述的投影光学系统，其中，当所述第二焦距大于所述第一焦距和所述第二尺寸大于所述第一尺寸时，所述第二尺寸与第一尺寸的比率大于所述第二焦距与第一焦距的比率。
7.如权利要求1所述的投影光学系统，其中，包括所述光学元件中的至少一个的所述至少第一光学系统和第二光学系统之一是共轴光学系统。
8.如权利要求1所述的投影光学系统，其中，所述第一光学系统和第二光学系统之一包括所述至少一个光学元件，并且包括比构成所述第一光学系统或第二光学系统中的另一个的光学元件多的光学元件。
9.如权利要求1所述的投影光学系统，其中，朝投影面投影的主光线的半视角基本上不变，而第二图像的尺寸改变。
10.如权利要求9所述的投影光学系统，其中，朝投影面投影的主光线的半视角的最大值等于或大于60°。
11.如权利要求1所述的投影光学系统，其中，所述第二光学系统包括具有正屈光力的反射面的至少一个光学元件。
12.如权利要求11所述的投影光学系统，其中，在所述至少一个具有正屈光力的反射面的光学元件中的具有正屈光力的反射面中的至少一个是旋转对称非球面。
13.如权利要求11所述的投影光学系统，其中，在所述至少一个具有正屈光力的反射面的光学元件中的具有正屈光力的反射面中的至少一个是自由形式表面。
14.如权利要求11所述的投影光学系统，其中，在第二光学系统中包括的具有正屈光力的反射面的所述至少一个光学元件的数量是一个。
15.如权利要求1所述的投影光学系统，其中，构成为折叠从所述物体到第二图像的光路的至少一个折叠反射镜包括在所述光路中。
16.如权利要求15所述的投影光学系统，其中，相对于所述物体可移动的所述至少一个光学元件布置在相对于所述至少一个折叠反射镜的物体侧或第二图像侧。
17.如权利要求15所述的投影光学系统，其中，所述至少一个折叠反射镜布置在所述物体和第一图像之间。
18.如权利要求1所述的投影光学系统，其中，所述第一图像具有朝物体侧弯曲的场曲。
19.所述的投影光学系统，其中，所述第一光学系统是共轴光学系统，所述物体偏离第一光学系统的光轴。
20.一种图像投影装置，其构成为将图像投影到投影面上，包括如权利要求1所述的投影光学系统。
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