CN101430484B - 投射型图像显示装置 - Google Patents
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Abstract
提供能够对应广角化的要求的投射型图像显示装置，该投射型图像显示装置能够降低成像性能的恶化、表面处的反射，具备小型的盖板。放大侧的凹凸透镜(41)的放大侧的折射光学面(40b)具有向放大侧凸出的凸面形状，所以即使在以广视场角投射时，也能够使第2折射光学部(40)作为投射光学系统(50)的保护盖而起作用。此时，凹凸透镜(41)的厚度大致均匀并且设为向放大侧凸出的凸面形状，所以能够缩小作为保护盖的表面积，能够减小对成像的影响。另外，由于凹凸透镜(41)形成为将透镜面的曲率中心配置在反射光学部(30)的射出瞳位置附近的同心球形状的圆顶型，所以能够降低由凹凸透镜(41)引起的对成像作用的影响。
Description
技术领域
本发明涉及组装有用于将由液晶面板等形成的图像投射在屏幕上的投射光学系统的投射型图像显示装置。
背景技术
作为用于在屏幕附近配置投射装置而将其图像投射在屏幕上的投射光学系统，有下述装置，其具有：被配置在缩小侧的包含多个透镜的折射光学系统，和被配置在放大侧而使光路折回的凹面反射镜，放大接近投射在屏幕上(例如专利文献1、2)。
专利文献1：特开2004-258620号公报
专利文献2：特开2006-235516号公报
但是，上述那样的投射光学系统为超广视场角，所以焦点距离变得极短，特别是光轴附近的光束直径变细，相反为了确保周边光量，射向画面周边部分的光束变为非常粗的光束。因此，在为了保护凹面反射镜而将平行平面的盖板配置在凹面反射镜的附近时，由于是广角的投射，所以射入盖板的周边部的光线的角度变得非常浅，成像性能的恶化、盖板的表面处的反射变得不能无视。另外，在利用这种凹面镜的投射光学系统中，光路聚集在凹面镜的焦点附近或者射出瞳位置附近，所以从安全性等方面出发，优选在从会聚部稍稍离开的位置配置盖板，但随着从会聚位置使平行平面盖板离开，盖板的尺寸也容易变大，而且在盖板的强度、支撑方法等观点产生问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够对应广角化的要求的投射型图像显示装置，该投射型图像显示装置能够抑制成像性能的恶化、表面处的反射，具备小型的盖板。
为了解决上述课题，本发明所涉及的第1投射型图像显示装置，包括：(a)投射光学系统，其从缩小侧按照顺序具有，具有多块透镜的第1折射光学部、至少具有1面凹面形状的反射面的反射光学部和第2折射光学部；和(b)图像形成光学部，其进一步被配置在投射光学系统的缩小侧；其中：(a1)第2折射光学部具有被配置在主光线与反射光学部的光轴相交的点(该交点是投射光比较会聚的位置，下面为了方便称作射出瞳位置)的光路后段、大致均匀的厚度的射出透镜，所述主光线被所述反射面反射而朝向最大视场角；(a2)射出透镜的放大侧的光学面具有向放大侧凸出的凸面形状。另外，所谓光路后段，意味着以投射光的行进方向为基准相对位于下游的光射出侧(即放大侧)。因此，当在投射光学系统的光路后段配置有例如表面投射型的屏幕时，所述射出透镜被配置在所述射出瞳位置与屏幕之间。
在上述投射型图像显示装置中，在第2折射光学部，射出透镜的厚度大致均匀，该射出透镜的放大侧的光学面为向放大侧凸出的凸面形状，所以即使在以广视场角投射时，也能够使第2折射光学部作为均匀地覆盖投射光学系统的保护盖而起作用。此时，射出透镜的厚度大致均匀并且设为向放大侧凸出的凸面形状并且相对于射出瞳位置形成为凹陷形状，所以不但能够将作为保护盖的尺寸设置得比较小，而且能够抑制在周边部的反射，同时减小对成像的影响。
本发明所涉及的第2投射型图像显示装置，包括：(a)投射光学系统，其从缩小侧按照顺序具有，具有多块透镜的第1折射光学部、至少具有1面凹面形状的反射面的反射光学部和第2折射光学部；和(b)图像形成光学部，其进一步配置在投射光学系统的缩小侧即光路前侧；其中：(a1)第2折射光学部在反射光学部与射出瞳位置之间配置有大致均匀的厚度的射出透镜，所述射出瞳位置是被所述反射面反射而朝向最大视场角的主光线与反射光学部的光轴相交的位置；(a2)射出透镜的放大侧的光学面具有向放大侧凹陷的凹面形状。
在上述投射型图像显示装置中，在第2折射光学部，射出透镜的厚度大致均匀，该射出透镜的放大侧的光学面为向放大侧凹陷的凹面形状，所以即使在以广视场角投射时，也能够使第2折射光学部作为均匀地覆盖投射光学系统的保护盖而起作用。此时，射出透镜的厚度大致均匀并且设为向放大侧凹陷的凹面形状并且相对于射出瞳位置也形成为凹陷形状，所以不但能够将作为保护盖的尺寸设置得比较小，而且能够抑制在周边部的反射，同时减小对成像的影响。
在本发明的具体的技术方案中，在上述投射型图像显示装置中，第2折射光学部由作为将凸面朝向放大侧或者将凹面朝向放大侧的凹凸透镜的1块射出透镜构成。此时，能够将第2折射光学部设为简单的结构。
在本发明的其它的技术方案中，凹凸透镜具有一对球面的光学面，与反射光学部具有同一光轴。此时，能够使用制造容易的凹凸透镜构成第2折射光学部。
在本发明的又一其它的技术方案中，凹凸透镜为透镜面的曲率中心配置在所述射出瞳位置附近的同心球形状的圆顶型。由于被反射光学部反射的投射光通过射出瞳位置及其附近的倾向较强，所以通过将凹凸透镜的曲率中心配置在射出瞳位置附近，能够将向透镜入射的入射角设为大致垂直，另外通过设为同心球形状能够减小入射部分的作为透镜的效果，能够降低由凹凸透镜引起的对成像作用的影响，同时减小凹凸透镜即第2折射光学部。
在本发明的又一其它的技术方案中，凹凸透镜具有相对于反射光学部的光轴偏心的光轴。在使用这种曲面镜的反射光学系统中，光轴上的光被曲面镜反射，然后再次返回到第1光学系统，所以在屏幕上光轴附近不能使用。即只要仅仅保证光轴外的成像性能即可，所以通过使用偏心等，能够有效地对光轴外的成像进行校正。
在本发明的又一其它的技术方案中，凹凸透镜的一对光学面中至少1面由非球面构成。此时，通过凹凸透镜，能够对屏幕上的成像状态起到校正效果。
在本发明的又一其它的技术方案中，凹凸透镜由树脂材料形成。此时，凹凸透镜的加工变得简单，能够使凹凸透镜较大地弯曲，也容易形成非球面。
在本发明的又一其它的技术方案中，第1折射光学部的至少放大侧的一部分与反射光学部的光轴通用的光轴相对于投射用的屏幕垂直地延伸。此时，作为反射光学部而有助于成像的基本上是夹着光轴而位于屏幕的相反侧的光学面，能够通过配置在该屏幕侧的第2折射光学部来保护这样的光学面即反射光学部。
在本发明的又一其它的技术方案中，在将第1折射光学部的反射面的曲率半径设为Ra，将第2折射光学部的射出透镜的凸面侧的曲率半径设为R1，将其凹面侧的曲率半径设为R2，将射出瞳位置与主光线和射出透镜的凹面侧相交的位置的距离设为S时，满足下面的各条件(1)～(3)中的至少一个条件：
0.2<|R1/Ra|<2.0 ......(1)
0.7<R2/R1<1.1 ......(2)
0.3<S/R2<1.5 ......(3)
另外，在射出透镜的放大侧的光学面具有向放大侧凸出的凸面形状时，射出透镜的入射面成为曲率半径R2的凹面，射出面成为曲率半径R1的凸面。另一方面，在射出透镜的放大侧的光学面具有向放大侧凹陷的凹面形状时，射出透镜的入射面成为曲率半径R1的凸面，射出面成为曲率半径R2的凹面。
上述条件式(1)限定射出透镜的曲率半径的条件。在超过条件式(1)的上限，射出透镜的形状接近平面时，为了包括以较广的角度从反射面发散的光束，射出透镜的有效面积增大，并且在画面周边部射入射出透镜的光线的入射角变得较陡，反射率增加，所以不优选。在超过条件式(1)的下限，射出透镜的曲率半径变得过小时，射出透镜的像差产生增大，成为性能恶化的原因。
上述条件式(2)限定与射出透镜的放大率相关的条件。射出透镜在条件(2)的范围内，优选将入射面与射出面设为相近的曲率半径设为较小的放大率。具体地说，在超过条件式(2)的上限，射出透镜具有正的放大率时，出现使视场角变窄这样的效果，反射面的负担增大，所以不优选。相反，在超过条件式(2)的下限，射出透镜的负的放大率变得过大时，从广角化方面不优选，成为使被第1折射光学部校正为良好的歪曲像差、像面弯曲恶化的原因。另外，在射出透镜的正或负的放大率变得过大时，由于设置的位置精度等，会变为性能恶化等的原因，不优选。
上述条件式(3)限定与射出透镜的位置和形状相关的条件。即，通过相对于以非常广的范围的角度从反射面发散的光线，使当地设定射出透镜的凹面侧的曲率半径与反射面的会聚位置，能够将性能恶化抑制为最小限度，并且使各光线向射出透镜入射的入射角度的范围变窄，能够防止局部的光量下降。具体地说，在超过条件式(3)的上限，与从反射面的会聚位置到射出透镜的距离相比较、射出透镜的凹面侧的曲率半径变得过小时，像差的产生变大，所以不优选。相反，在超过条件式(3)的下限，与从反射面的会聚位置到射出透镜的距离相比较、射出透镜的凹面侧的曲率半径变得过大时，在画面周边部射入射出透镜的入射角变得较陡，反射率增大。
附图说明
图1是说明第1实施方式所涉及的投射型图像显示装置的主要部分的概念图。
图2是说明图1的投射型图像显示装置的外观的立体图。
图3是说明投射型图像显示装置中投射光学系统的结构的图。
图4是说明图3的投射光学系统的主要部分的放大图。
图5是说明图像形成光学部的概念图。
图6是说明外壳中的投射光学系统等的配置的剖视图。
图7是说明第2实施方式所涉及的投射型图像显示装置的主要部分的概念图。
图8是说明图7的投射型图像显示装置中投射光学系统的结构的图。
图9是说明图8的投射光学系统的主要部分的放大图。
图10是说明第3实施方式所涉及的投射型图像显示装置的主要部分的概念图。
图11是说明图10的投射型图像显示装置中投射光学系统的结构的图。
图12是说明图11的投射光学系统的主要部分的放大图。
符号说明
10：屏幕
10a：屏幕投射面
20：第1折射光学部
30：反射光学部
31：曲面镜
40：第2折射光学部
41：凹凸透镜
50：投射光学系统
60：图像形成光学部
61：光源装置
63：分离照明系统
63a、63b：分色镜
65：光调制部
65a、65b、65c：液晶光阀
67：十字分色棱镜
100：投射型图像显示装置
100a：外壳
100b：投影部
100c：主体部
100t：顶板部分
EP：射出瞳位置
F2：焦点位置
LB、LG、LR：色光
OA：光轴
OS：物面
RL：投射光
SA：系统光轴
具体实施方式
[第1实施方式]
图1是表示构成本发明的第1实施方式所涉及的投射型图像显示装置的光学系统的主要部分的侧视图。图2是说明投射型图像显示装置的外观的立体图。
本实施方式中的投射型图像显示装置100包括：屏幕10，投射光学系统50，和图像形成光学部60。在这里，屏幕10被设置在投射光学系统50的放大侧即光路后段，图像形成光学部60被设置在投射光学系统50的缩小侧即光路前段。另外，在图1中，对于图像形成光学部60，仅表示其一部分即十字分色棱镜67，其余部分的详细省略。另外，对于投射光学系统50以及图像形成光学部60，在图2中，设为被收纳在密闭型的容器即外壳100a内的状态而省略图示。
屏幕10是反射型投影板，通过对射入表面侧的屏幕投射面10a的投射光进行扩散反射而显示图像。屏幕10由例如白色塑料板形成。另外，屏幕10可以设为在基板表面涂布有包含小珠、微粒的涂料的类型，或者在基板表面埋入有微透镜、微反射镜的类型。
投射光学系统50用于将物面OS上的图像放大投射在屏幕10的屏幕投射面10a上，从缩小侧按照顺序，由第1折射光学部20、反射光学部30和第2折射光学部40构成。在这里，第1折射光学部20由多个透镜构成，反射光学部30具有至少1面凹面形状的反射面，第2折射光学部40由1块射出透镜(具体地说是1块圆顶状的凹凸透镜)构成。
图3是说明投射型图像显示装置100中投射光学系统50的结构的图。第1折射光学部20由在图1的屏幕10的下方沿着相对于屏幕投射面10a垂直地延伸的光轴OA配置的多个折射透镜构成。
下面，对第1折射光学部20的具体的透镜结构进行说明。
图3等所示的第1折射光学部20包括第1透镜L1、第2透镜L2、第3透镜L3、第4透镜L4、第5透镜L5、第6透镜L6、第7透镜L7、第8透镜L8、第9透镜L9和光阑45。
透镜L1～L9从缩小侧即物面OS侧向放大侧即反射光学部30按照从第1透镜L1到第9透镜L9的顺序配设。在这里，光阑45被设置在第4透镜L4与第5透镜L5之间。
第1透镜L1以及第8透镜L8为非球面透镜。另外，第2透镜L2为两面凸的透镜，第3透镜L3为凸凹的3块透镜接合而成的透镜，第4透镜L4为凹凸的2块透镜接合而成的透镜。另外，第5透镜L5以及第7透镜L7为两面凸的透镜。另外，第6透镜L6以及第9透镜L9为凹凸透镜。另外，各透镜L1～L9的配置可以根据反射光学部30等的形状与配置的关系而进行调整，以能够向图1所示的屏幕10投射最适当的图像。
第1折射光学部20被构成为在缩小侧即物面OS侧大致变得远心。另外，在第1折射光学部20的前端即第1透镜L1与配置有液晶面板的物面OS之间，配置有用于将3色图像合成的十字分色棱镜67。另外，对于应该配置其它2色液晶面板的物面，将图示省略，但它们的配置与图示的物面OS等价，即共轭。在图1等中，从物面OS上的各物点，射出以主光线为中心且具有一定的范围的光束，所述主光线与物面OS垂直并且与光轴OA平行，该光束向图中右侧行进，通过第1折射光学部20，然后被设置在光轴OA的下侧的反射光学部30反射，射入设置在光轴OA的上侧的第2折射光学部40(参照图1)。
反射光学部30由1块曲面镜31构成。该曲面镜31是由以光轴OA为轴的旋转对称面构成的凹面反射镜。曲面镜31在光轴OA的下侧即夹着光轴OA而与屏幕10相反一侧具有非球面的反射光学面31a(图3的实线部分)，将从第1折射光学部20向前方射出的投射光向屏幕投射面10a反射。在这里，图3的单点划线部分即光轴OA的上侧表示曲面镜31的假想性的延长面即非实体曲面31f。
第2折射光学部40由例如塑料制的1块凹凸透镜41构成。该凹凸透镜41为由例如以光轴OA为轴的一对球面构成的同心球形状的透镜，被配置在射出瞳位置EP的光路后段。另外，射出瞳位置EP意味着被反射光学部30反射而朝向最大视场角的主光线与反射光学部30等的光轴OA相交的位置。所谓光路后段，意味着以投射光的行进方向为基准相对位于下游的光射出侧(即放大侧)。因此，当在反射光学部30的光路后段配置有例如表面投射型的屏幕10时，凹凸透镜41被配置在射出瞳位置EP与屏幕10之间。凹凸透镜41整体具有大致相同的厚度。凹凸透镜41在光轴OA的上侧具有折射光学面41a、41b(图3的实线部分)，使被曲面镜31折回的投射光向屏幕投射面10a向斜上方向通过。在这里，图3的双点划线部分即光轴OA的下侧表示凹凸透镜41的假想性的延长面即非实体部分41f。凹凸透镜41被配置成与曲面镜31的反射光学面31a相对。由此，能够使凹凸透镜41作为反射光学面31a的保护盖进而作为投射光学系统50的保护盖而起作用。进而，凹凸透镜41具有向光路后段侧即放大侧凸的圆顶型的外形。由此，凹凸透镜41与平坦的盖板相比较能够比较简单地将尺寸小型化，容易确保作为保护盖的强度，其支撑也变得简单且可靠。进而，凹凸透镜41大致沿着以射出瞳位置EP为中心的球面配置，具有大致均匀的厚度，所以以较浅的角度入射的光束较少，也能够减少相对于入射光的折射量，所以能够减少相对于屏幕10上的成像的影响。另外，在上面的说明中，将构成凹凸透镜41的两折射光学面41a、41b设为球面，但只要不将两折射光学面41a、41b的厚度的变动设为极大的范围内，也可以设为用于校正像差的非球面。
图4是说明第1实施方式的投射光学系统50的主要部分的放大图。在这里，将作为构成第1折射光学部20的反射面的曲面镜31的曲率半径设为Ra，将作为构成第2折射光学部40的射出透镜的凹凸透镜41的入射光学面41a的曲率半径设为R2，将其射出光学面41b的曲率半径设为R1，将被曲面镜31反射而朝向最大视场角的主光线与反射光学部30等的光轴OA相交的位置(即射出瞳位置EP)与主光线与凹凸透镜41的设为凹面侧的入射光学面41a相交的位置的距离设为S。此时，投射光学系统50满足下面的各条件：
0.2<|R1/Ra|<2.0 ......(1)
0.7<R2/R1<1.1 ......(2)
0.3<S/R2<1.5 ......(3)
在本投射光学系统50中，由于设定为不超过条件式(1)的上限，避免了凹凸透镜41的形状接近平面，所以能够防止为了包括以广角度从反射光学面31a发散的光束从而凹凸透镜41的有效面积变得过大，并且能够防止在画面周边部射入凹凸透镜41的光线的入射角变得较陡、反射率增加。另一方面，在本投射光学系统50中，由于设定为不超过条件式(1)的下限，避免了凹凸透镜41的曲率半径变得过小，所以能够防止凹凸透镜41的像差产生变得过大而成为性能恶化的原因。
另外，在本投射光学系统50中，由于设定为不超过条件式(2)的上限从而凹凸透镜41不具有正的放大率，所以能够防止出现使视场角变窄这样的效果从而反射光学面31a的负担增大。另一方面，在本投射光学系统50中，由于设定为不超过条件式(2)的下限从而凹凸透镜41的负的放大率不会变得过大，所以能够防止使被第1折射光学部20校正为良好的歪曲像差、像面弯曲恶化。进而由于避免了凹凸透镜41的正或负的放大率变得过大，所以能够防止设置的位置精度变为性能的恶化等的原因。
在本投射光学系统50中，由于设定为不超过条件式(3)的上限，避免了与从反射光学面31a的会聚位置到凹凸透镜41的距离相比较、凹凸透镜41的折射光学面41a的曲率半径变得过小，所以能够防止像差的产生变大。另一方面，在本投射光学系统50中，由于设定为不超过条件式(3)的下限，避免了与从反射光学面31a的会聚位置到凹凸透镜41的距离相比较、凹凸透镜41的折射光学面41a的曲率半径变得过大，所以能够防止在画面周边部射入凹凸透镜41的光线的入射角变得较陡、反射率增加。
表1表示由第1折射光学部20、反射光学部30以及第2折射光学部40构成的所述投射光学系统50的具体的实施例的透镜数据。
【表1】
透镜数据
面编号 R D Nd Nv
物面 无限 5.00
1 无限 27.50 1.51680 64.2 棱镜
2 无限 3.00
3非球 78.767 4.00 1.52473 56.7
4非球面 -120.000 0.10
5 137.990 9.50 1.49700 81.6
6 -40.628 0.10
7 57.396 8.00 1.48749 70.4
8 -36.316 2.00 1.81194 24.0
9 21.287 6.50 1.76359 50.0
10 80.365 26.69
11 -175.488 5.00 1.79588 25.9
12 -30.000 2.00 1.54915 45.5
13 -51.122 1.55
光阑 无限 67.56
15 730.574 4.50 1.68845 50.2
16 -118.877 10.22
17 -38.904 3.00 1.85000 23.0
18 -102.113 0.27
19 98.256 7.00 1.61230 35.4
20 -273.663 76.70
21非球 90.705 4.00 1.52473 56.7
22非球面 45.100 6.64
23 90.833 5.00 1.81180 25.3
24 51.694 199.16
25非球面 -59.882 -100.00 反射面 曲面镜
26 70.000 -5.00 1.52473 56.7
27 75.000 -250.00
屏幕 无限 0.00
非球面
系数
面编号 K A04 A06 A08 A10 A12
3 0.0000E+00 -1.2349E-05 1.5332E-09 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
4 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
21 0.0000E+00 1.1280E-06 2.5645E-10 -2.6807E-13 -2.6650E-16 0.0000E+00
22 0.0000E+00 -6.6621E-06 2.9220E-09 -1.8263E-12 0.0000E+00 0.0000E+00
25 -1.9765E+00 -1.9217E-07 3.7303E-12 7.9640E-17 -2.0731E-20 0.0000E+00
在该表1的上栏，“面编号”是从物面OS侧开始按顺序对各透镜的面赋予的编号。另外，“R”表示曲率半径，“D”表示与接下来的面之间的透镜厚度或者空气空间。进而，“Nd”表示透镜材料的d线上的折射率，“Nv”表示透镜材料的d线上的色散系数。
在本实施方式中，透镜L1～L9基本由球面形成，但第1透镜L1的入射和射出面(表1的3面以及4面)与第8透镜L8的入射和射出面(表1的21面以及22面)形成为非球面。另外，曲面镜31的反射光学面31a(表1的25面)形成为非球面。在将c设为近轴曲率半径的倒数、将h设为距光轴的高度、将k设为圆锥系数、将A04～A12设为高次非球面系数时，从这些非球面形状的光轴方向的曲面顶点变位的变位量x通过下式表示：
【式1】
在本实施方式的情况下，对于上述非球面式中的各系数“k”、“A04”～“A12”的值，如表1的下栏所示那样。
表2表示将表1的实施例应用于上述条件式(1)～(3)的结果。如从下述表2可明了那样，表1的实施例满足上述条件式(1)～(3)中的所有式子。
【表2】
图5是图像形成光学部60的概念图。图像形成光学部60，沿着系统光轴SA包括：射出均匀化的光源光的光源装置61，将从光源装置61射出的照明光分离为红·绿·蓝3色的分离照明系统63，由从分离照明系统63射出的各色照明光照亮的光调制部65，和将经过了光调制部65的各色调制光合成的十字分色棱镜67。从十字分色棱镜67射出的图像光经投射光学系统50的第1折射光学部20等进行投射。
在这里，光源装置61包括：射出光源光的光源单元61a，和将从该光源单元61a射出的光源光转换成均匀且预定的偏振方向的照明光的均匀化光学系统61c。光源单元61a具有光源灯61m、反射器61n。另外，均匀化光学系统61c包括：用于将光源光分割为部分光束的第1透镜阵列61d，调节分割后的部分光束的范围的第2透镜阵列61e，使各部分光束的偏振方向一致的偏振转换装置61g，和将各部分光束重叠射入作为对象的照明区域的重叠透镜61i。
分离照明系统63包括第1以及第2分色镜63a、63b和光路折射用的反射镜63m、63n、63o，将系统光轴SA分支为3个光路OP1～OP3，由此将照明光分离为蓝色光LB、绿色光LG以及红色光LR这3个光束。另外，中继透镜LL1、LL2将形成在入射侧的第1中继透镜LL1的正前方的图像大致原样地向射出侧的场透镜63h传递，由此防止由光的扩散等引起的光的利用效率的下降。
光调制部65包括3色照明光LB、LR、LG分别入射的3块液晶光阀65a、65b、65c，根据驱动信号而以像素单位对经由场透镜63f、63g、63h入射到各液晶光阀65a、65b、65c的各色光LB、LG、LR进行强度调制。另外，各液晶光阀65a、65b、65c是具有通过一对偏振板夹持液晶面板的构造的图像形成元件。另外，构成各液晶光阀65a、65b、65c的液晶面板与图1等所示的物面OS相对应。
十字分色棱镜67包括交叉的分色膜67a、67b，射出将来自各液晶光阀65a、65b、65c的调制光合成后的图像光。由十字分色棱镜67合成的图像光通过投射透镜即投射光学系统50以适当的放大率作为彩色图像投射到未图示的屏幕10上。
返回到图2，对于上述的投射型图像显示装置100的设置例进行说明。投射型图像显示装置100的光学系统被收纳在外壳100a内，与屏幕10一起固定在架台111上。在架台111上的屏幕10的下方侧配置投影部100b，在屏幕10的下部的背面侧配置主体部100c，从屏幕10下方接近而将投射光RL投射在屏幕投射面10a上。在这里，在投影部100b中收纳有图3等所示的投射光学系统50，在主体部100c中主要收纳有图像形成光学部60。
图6是说明外壳100a中的投射光学系统50等的配置的具体例的剖视图。投射光学系统50中，第1折射光学部20被主要收纳在投影部100b而配置在屏幕10的下部。此时，考虑到收纳空间，第1折射光学部20由反射镜MR使光路弯折，具有在与屏幕10的屏幕投射面10a平行的竖直方向上延伸的缩小侧的部分和在与屏幕投射面10a垂直的水平方向上延伸的放大侧的部分。反射光学部30被收纳在投影部100b，被配置并固定在第1折射光学部20的前端侧即放大侧。第2折射光学部40被嵌入固定在投影部100b的顶板部分100t上，被配置并固定在反射光学部30的上方即反射光学部30的放大侧。另外，第1折射光学部20是塑料制的，不但容易加工成均匀的厚度的圆顶状，而且具有充分的强度。
如从上面的说明可知那样，根据本实施方式的投射型图像显示装置100，在第2折射光学部40，凹凸透镜41的放大侧的折射光学面41b具有向放大侧凸出的凸面形状，所以即使在以广视场角投射时，也能够使第2折射光学部40作为投射光学系统50的保护盖而起作用。此时，凹凸透镜41的厚度大致均匀并且设为向放大侧凸出的凸面形状，所以能够缩小作为保护盖的尺寸，能够减小对成像的影响。另外，由于凹凸透镜41形成为将透镜面的曲率中心配置在射出瞳位置EP附近的同心球形状的圆顶型，所以被反射光学部30的曲面镜31反射的投射光通过射出瞳位置EP及其附近的倾向增强，因此能够降低由凹凸透镜41引起的图像恶化的影响。另外，不管是朝向画面的哪个方向的光线，射入凹凸透镜41的光线的入射角度都相对于面接近垂直，所以能够有效地抑制特别是周边部处的反射，所以能够实现投射图像的周边部的光量提高。
[第2实施方式]
图7是表示构成第2实施方式所涉及的投射型图像显示装置的光学系统的主要部分的侧视图，图8是说明投射型图像显示装置中投射光学系统的结构的图。另外，图9是说明投射光学系统的主要部分的放大图。
本实施方式的投射型图像显示装置200，是对图1等所示的第1实施方式的投射型图像显示装置100进行变形之后的图像显示装置，对于没有特别说明的部分，与第1实施方式的投射型图像显示装置100具有相同的构造。
本实施方式中的投射型图像显示装置200包括：屏幕10，投射光学系统250，和图像形成光学部60；投射光学系统250从缩小侧按照顺序，由第1折射光学部220、反射光学部230和第2折射光学部240构成。
第1折射光学部220包括第1透镜L1、第2透镜L2、第3透镜L3、第4透镜L4、第5透镜L5、第6透镜L6、第7透镜L7、第8透镜L8、第9透镜L9和光阑45。反射光学部230具有至少1块曲面镜31。第2折射光学部240由1块凹凸透镜241构成。该凹凸透镜241是仅在光轴OA的上侧具有球面的折射光学面241a、241b的稍微负的透镜，凹凸透镜241的光轴OA3被保持为相对于第1折射光学部220以及反射光学部230的光轴OA以曲面镜31的焦点位置F2附近为中心顺时针旋转了α°的倾斜状态，并且相对于倾斜后的光轴OA2进而向下侧偏心距离Y。凹凸透镜241被配置成与曲面镜31的反射光学面31a相对，具有向光路后段侧即放大侧凸的圆顶型的外形。由此，凹凸透镜241作为用于投射光学系统250的比较小型的保护盖，对成像的影响度比较小。另外，凹凸透镜241作为小型的保护盖容易确保强度，并且支撑也简单且可靠。在这种投射光学系统中，对于光轴中心，由于由曲面镜31反射的光线返回到第1光学系统，所以只要保证不与第1光学系统干涉的范围内的轴外形能即可，不需要保证光轴附近的性能。在这样的情况下，通过对凹凸透镜241赋予偏心，能够高效地对轴外形能进行校正。此时通过使凹凸透镜241具有少许的放大率，能够提高校正效果。进而，通过将折射光学面241a、241b设为非球面，能够提高同样的校正效果。
下面的表3表示由第1折射光学部220、反射光学部230以及第2折射光学部240构成的所述投射光学系统250的透镜数据。
【表3】
透镜数据
面编号 R D Nd Nv
物面 无限 23.00
1 无限 38.00 1.51680 64.2 棱镜
2 无限 3.00
3非球面 -6747.433 4.00 1.52473 56.7
4 -120.000 0.10
5 45.612 9.50 1.49700 81.6
6 -65.431 0.10
7 65.719 8.00 1.48749 70.4
8 -40.127 2.00 1.84666 23.8
9 30.449 6.50 1.62041 60.3
10 59.953 24.27
11 -492.354 5.00 1.76182 26.6
12 -30.000 2.00 1.58913 61.3
13 -64.320 25.14
光阑 无限 110.95
15 99.897 4.50 1.67270 32.2
16 -558.153 10.06
17 -46.639 3.00 1.84666 23.8
18 -2046.421 0.10
19 72.732 7.00 1.567302 42.8
20 -1702.465 59.14
21非球面 90.541 4.00 1.52473 56.7
22非球面 45.426 22.09
23 81.756 5.00 1.62041 60.3
24 54.409 186.56
25非球面 -58.425 -100.00 反射面 曲面镜
26 无限 55.00
27 无限 -55.00 旋转α
28 55.000 -5.00 1.52473 56.7 偏心Y
29 65.000 0.00
30 无限 60.00 偏心Y
31 无限 -60.00 旋转α
32 无限 -250.00
屏幕 无限 0.00
非球面
系数
面编号 K A04 A06 A08 A10 A12
3 0.0000E+00 -2.7080E-06 -6.8661E-10 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
21 0.0000E+00 -8.5562E-08 5.1467E-10 -4.6529E-13 -1.7147E-16 0.0000E+00
22 0.0000E+00 -6.2958E-06 2.5248E-09 -1.5924E-12 0.0000E+00 0.0000E+00
25 -2.1095E+00 -1.9959E-07 4.1584E-12 9.8699E-17 -2.3789E-20 0.0000E+00
另外，下面的表4是凹凸透镜241的倾斜以及偏心一览表。
【表4】
偏心量
面编号 偏心Y 旋转α
27 0.000 -28.000
28 -20.000 0.000
30 20.000 0.000
31 0.0002 8.000
在本实施方式中，透镜L1～L9基本由球面形成，但第1透镜L1的入射面(表3的3面)与第8透镜L8的入射和射出面(表3的21面以及22面)形成为非球面。另外，曲面镜31的反射光学面31a(表3的25面)形成为非球面。
表5是将表3的实施例应用于在第1实施方式中说明的条件式(1)～(3)的结果。如从下述表5可明了那样，表3的实施例满足上述条件式(1)～(3)中的所有式子。
【表5】
在本实施方式中，从图像形成光学部60投射的投射光，在投射光学系统250中，经过第1折射光学部220，被反射光学部230折回，从第2折射光学部240向屏幕10射出。从投射光学系统250射出的投射光以所希望的倍率投射在屏幕投射面10a上。
[第3实施方式]
图10是表示构成第3实施方式所涉及的投射型图像显示装置的光学系统的主要部分的侧视图，图11是说明投射型图像显示装置中投射光学系统的结构的图。另外，图12是说明投射光学系统的主要部分的放大图。
本实施方式的投射型图像显示装置300，是对图1等所示的第1实施方式的投射型图像显示装置100进行变形之后的图像显示装置，对于没有特别说明的部分，与第1实施方式的投射型图像显示装置100具有相同的构造。
本实施方式中的投射型图像显示装置300包括：屏幕10，投射光学系统350，和图像形成光学部60；投射光学系统350从缩小侧按照顺序，由第1折射光学部320、反射光学部330和第2折射光学部340构成。
第1折射光学部320包括第1透镜L1、第2透镜L2、第3透镜L3、第4透镜L4、第5透镜L5、第6透镜L6、第7透镜L7、第8透镜L8、第9透镜L9和光阑45。反射光学部330具有至少1块曲面镜31。第2折射光学部340由1块凹凸透镜341构成。凹凸透镜341是在光轴OA的主要是下侧具有球面的折射光学面341a、341b的稍微负的透镜。凹凸透镜341的光轴与图8所示的第2实施方式的情况同样，被保持为相对于第1折射光学部320以及反射光学部330的光轴OA以曲面镜31的焦点位置F2附近为中心顺时针旋转了α°的倾斜状态，并且相对于倾斜后的光轴进而向下侧偏心距离Y。凹凸透镜341被配置成与曲面镜31的反射光学面31a相对，具有向光路后段侧即放大侧凹的倒圆顶型(在本说明书中，该倒圆顶型也包含在以向上凸的圆顶型为基本的广义的圆顶型中)的外形。凹凸透镜341为由例如以光轴OA为轴的一对球面构成的同心球形状的透镜，被配置在反射光学部330与射出瞳位置EP之间。在这里，射出瞳位置EP意味着被曲面镜31反射而朝向最大视场角的主光线与反射光学部330等的光轴OA相交的位置。由此，凹凸透镜341作为用于投射光学系统350的比较小型的保护盖，对成像的影响度比较小。另外，凹凸透镜341作为小型的保护盖容易确保强度，并且支撑也简单且可靠。进而，在该投射光学系统350，通过对凹凸透镜341赋予偏心，能够高效地对轴外形能进行校正，通过使凹凸透镜342具有少许的放大率，能够提高校正效果。另外，通过将凹凸透镜341的折射光学面341a、341b设为非球面，能够提高同样的校正效果。
下面的表6表示由第1折射光学部320、反射光学部330以及第2折射光学部340构成的所述投射光学系统350的透镜数据。
【表6】
透镜数据
面编号 R D Nd Nv
物面 无限 23.00
1 无限 38.00 1.51680 64.2 棱镜
2 无限 3.00
3非球面 -428.966 3.50 1.52473 56.7
4非球面 -120.000 0.10
5 43.272 8.50 1.49700 81.6
6 -76.323 0.10
7 72.850 8.00 1.48749 70.4
8 -38.293 2.00 1.84666 23.8
9 32.697 5.50 1.62041 60.3
10 67.269 23.19
11 -202.632 5.00 1.76182 26.8
12 -30.000 2.00 1.58913 61.3
13 -50.236 17.10
光阑 无限 20.00
15 1831.206 99.40
16 119.397 7.00 1.67270 32.2
17 -255.760 6.63
18 -52.162 3.00 1.84666 23.8
19 -1671.339 0.10
20 83.208 12.00 1.56732 42.8
21 -357.687 65.27
22非球面 126.728 4.00 1.52473 56.7
23非球面 47.108 17.43
24 -218.292 5.00 1.62041 60.3
25 96.529 184.19
26非球面 -68.338 -35.00反射面 曲面镜
27 无限 3.00 旋转α
28 -30.000 -3.00 1.52473 56.7 偏心Y
29 -27.000 0.00
30 无限 0.00 偏心Y
31 无限 0.00 旋转α
32 无限 -320.00
屏幕 无限 0.00
非球面
系数
面编号 K A04 A06 A08 A10 A12
3 0.0000E+00 -4.0624E-06 -2.1098E-09 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
4 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
22 0.0000E+00 1.3528E-06 8.0389E-10 -3.9057E-13 -2.7328E-17 0.0000E+00
23 0.0000E+00 -6.4034E-0 63.1488E-09 -1.2821E-12 0.0000E+00 0.0000E+00
26 -1.7126E+00 -1.6532E-07 2.7341E-12 4.5999E-17 -1.9562E-20 0.0000E+00
另外，下面的表7是凹凸透镜341的倾斜以及偏心一览表。
【表7】
偏心量
面编号 偏心Y 旋转α
27 0.000 -60.000
28 -25.000 0.000
30 25.000 0.000
31 0.000 60.000
在本实施方式中，透镜L1～L9基本由球面形成，但第1透镜L1的入射和射出面(表6的3面以及4面)与第8透镜L8的入射和射出面(表6的22面以及23面)形成为非球面。另外，曲面镜31的反射光学面31a(表6的26面)形成为非球面。
表8是将表6的实施例应用于在第1实施方式中说明的条件式(1)～(3)的结果。如从下述表8可明了那样，表6的实施例满足上述条件式(1)～(3)中的所有式子。
【表8】
在本实施方式中，从图像形成光学部60投射的投射光，在投射光学系统350中，经过第1折射光学部320，被反射光学部330折回，从倒圆顶型的第2折射光学部340向屏幕10射出。从投射光学系统350射出的投射光以所希望的倍率投射在屏幕投射面10a上。
另外，本发明申请并不限定于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种方式实施，例如也能够进行下述那样的变形。
在上述实施方式中，将图像形成光学部60以及投射光学系统50、250、350配置在了屏幕10的下方，但也可以配置在屏幕10的上方。
另外，在上述实施方式中，在图像形成光学部60作为图像形成元件使用了液晶光阀65a、65b、65c，但也能够使用像素由微反射镜构成的设备那样的光调制装置、胶片、幻灯片那样的图像形成装置。
Claims (12)
1.一种投射型图像显示装置，
该投射型图像显示装置包括：
投射光学系统，其从缩小侧按照顺序具有，具有多块透镜的第1折射光学部，至少具有1面凹面形状的反射面的反射光学部，和第2折射光学部；和
图像形成光学部，其进一步配置在所述投射光学系统的缩小侧；
其特征在于：
所述第2折射光学部具有配置在射出瞳位置的光路后段的大致均匀的厚度的射出透镜，所述射出瞳位置是被所述反射面反射而朝向最大视场角的主光线与所述反射光学部的光轴相交的位置；
所述射出透镜的放大侧的光学面具有向放大侧凸出的凸面形状。
2.一种投射型图像显示装置，
该投射型图像显示装置包括：
投射光学系统，其从缩小侧按照顺序具有，具有多块透镜的第1折射光学部，至少具有1面凹面形状的反射面的反射光学部，和第2折射光学部；和
图像形成光学部，其进一步配置在所述投射光学系统的缩小侧；
其特征在于：
所述第2折射光学部在所述反射光学部与射出瞳位置之间配置有大致均匀的厚度的射出透镜，所述射出瞳位置是被所述反射面反射而朝向最大视场角的主光线与所述反射光学部的光轴相交的位置；
所述射出透镜的放大侧的光学面具有向放大侧凹陷的凹面形状。
3.如权利要求1以及2中的任意一项所述的投射型图像显示装置，其特征在于：所述第2折射光学部由设为凹凸透镜的1块所述射出透镜构成。
4.如权利要求3所述的投射型图像显示装置，其特征在于：所述凹凸透镜具有一对球面的光学面，与所述反射光学部具有同一光轴。
5.如权利要求3所述的投射型图像显示装置，其特征在于：所述凹凸透镜为透镜面的曲率中心配置在所述射出瞳位置附近的同心球形状的圆顶型。
6.如权利要求3所述的投射型图像显示装置，其特征在于：所述凹凸透镜具有相对于所述反射光学部的光轴偏心的光轴。
7.如权利要求3所述的投射型图像显示装置，其特征在于：所述凹凸透镜的一对光学面中至少1面为非球面。
8.如权利要求3所述的投射型图像显示装置，其特征在于：所述凹凸透镜由树脂材料形成。
9.如权利要求1或2所述的投射型图像显示装置，其特征在于：所述第1折射光学部的至少放大侧的一部分与所述反射光学部通用的光轴相对于投射用的屏幕垂直地延伸。
10.如权利要求3所述的投射型图像显示装置，其特征在于，在将所述第1折射光学部的所述反射面的曲率半径设为Ra，将所述第2折射光学部的所述射出透镜的凸面侧的曲率半径设为R1时，满足下面的条件：
0.2＜|R1/Ra|＜2.0......(1)
11.如权利要求3所述的投射型图像显示装置，其特征在于，在将所述第2折射光学部的所述射出透镜的凸面侧的曲率半径设为R1，将所述射出透镜的凹面侧的曲率半径设为R2时，满足下面的条件：
0.7＜R2/R1＜1.1......(2)
12.如权利要求3所述的投射型图像显示装置，其特征在于，在将所述第2折射光学部的所述射出透镜的凹面侧的曲率半径设为R2，将所述射出瞳位置与所述主光线和所述射出透镜的凹面侧相交的位置的距离设为S时，满足下面的条件：
0.3＜S/R2＜1.5......(3)
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