CN101520592A - 投影光学系统和图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种投影光学系统，其中从一个共轭面发射的多个光束进入另一共轭面，并且形成在所述一个共轭面上的像被投影在所述另一共轭面上，其包含：包括至少一个透镜的第一光学系统；以及包括至少两个具有光焦度的反射表面的第二光学系统，所述另一共轭面从投影在所述另一共轭面上的像的中心的法线与所述第一光学系统，或所述第二光学系统的任何空间，或所述第一光学系统和所述第二光学系统之间的空间没有相交，并且当由投影在所述另一共轭面上的像的垂直方向和所述法线的延伸方向限定的平面被设置为YZ平面时，从所述第一光学系统到所述另一共轭面，光路在所述YZ平面上仅相交一次。

Description

投影光学系统和图像显示装置
相关申请的交叉引用
在此申请中要求其作为常规优先权的，在2008年2月27日提交的日本专利申请号JP2008-046534的全部内容，通过引用被结合到本文中。
技术领域
[0001]本发明涉及一种设置为将光从图像形成元件投影到将要投影的平面的投影光学系统，并且涉及一种包括该投影光学系统的图像显示装置。
背景技术
[0002]JP 2006-235516 A公开了一种包括具有透镜系统和一个凹面镜的投影光学系统的投影显示装置。该凹面镜被以大大地鼓胀的状态排布在透镜系统的光轴的下面。
JP 2007-225776 A公开了一种背面投影型(后投影型)图像投影装置，其中来自最后的镜(final mirror)的投影光与透镜系统和反射镜系统之间的光路交叉，并且用于投影上图像的屏幕被排布为近似平行于透镜系统的光轴，并且改进了包括屏幕的整个装置的薄度。
[0003]在JP 2006-235516 A中公开的投影光学系统中，凹面镜在透镜系统的光轴下方大大地鼓胀，所以如果投影光学系统被应用到前投影型装置，则当构造投影装置(屏幕除外的投影器主体)时，因为机壳的底部是基于凹面镜的下端限定的，所以需要增加投影装置的尺寸，并且这样出现问题，装置的高度大，并且由于光轴位于装置的机壳中的上侧，装置的重心高，并且投影器主体的安装表面(设置平面)的不稳定性是不可避免的。
类似的问题存在于在JP 2004-309765 A和JP 2007-079524 A中公开的投影装置。
[0004]在JP 2007-225776 A中公开的投影装置中，出于减少包括投影光学系统单元PU和屏幕的整个装置的屏幕的厚度方向的宽度的目的，获得了薄的装置。
然而，由于投影光学系统单元PU被优化为后投影器，它不能直接地应用到前投影器。
当投影光学系统单元PU被应用到前投影器时，这样的结构是可得到的，其中在投影光学系统中通过例如折回镜(folding back mirror)，光束被折叠，以使得从观察侧观察投影图像成为可能；然而，对于其中除屏幕以外的投影光学系统被容纳在机壳中的投影器主体，阻碍了紧凑，并且成本上升是不可避免的。
发明内容
[0005]本发明的至少一个目的是提供，例如，一种包括投影器主体的投影光学系统。当投影光学系统应用到前投影器时，可以获得投影器主体的紧凑和设置稳定性，并且投影器主体可应用到前投影器和后投影器两者，而不必改变它的最佳化的技术规范，并且这样可以通过共用模块化实现成本优势。
本发明的另一个目的是提供包括以上提及的投影光学系统的图像显示装置。
[0006]在本发明中，投影光学系统包括屏幕，并且试图改进除屏幕以外的部分(包括透镜系统和反射表面)的紧凑和设置稳定性。
[0007]按照以上提及的，本发明提议，例如，投影光学系统，其中从一个共轭面发射的多个光束进入另一共轭面并且形成在所述一个共轭面上的像被投影在所述另一共轭面上，包括：包括至少一个透镜的第一光学系统；以及包括至少两个具有光焦度的反射表面的第二光学系统，其中所述另一共轭面从投影在所述另一共轭面上的像的中心的法线与所述第一光学系统，或所述第二光学系统的任何空间，或所述第一光学系统和所述第二光学系统之间的空间没有相交，并且其中当由投影在所述另一共轭面上的像的垂直方向和所述法线的延伸方向限定的平面被设置为YZ平面时，从所述第一光学系统到所述另一共轭面，光路在所述YZ平面上仅相交一次。
另外，本发明提议，例如，一种包括以上提及的投影光学系统的图像显示装置。
附图说明
[0008]将在下面参考示范性实施例和后附的示意性附图进一步地描述本发明，其中：
图1图解根据本发明第一实施例的投影光学系统的示意性结构；
图2图解根据本发明第一实施例的透镜系统和反射表面的排布关系；
图3A图解根据本发明第一实施例的投影光学系统的紧凑结构，图3B图解不紧凑的投影光学系统的结构的实例，图3C图解根据传统技术的不紧凑的投影光学系统的结构；
图4图解根据本发明第二实施例的投影光学系统的示意的结构；
图5是根据本发明第二实施例的中间像的周边的放大图；
图6图解根据本发明第三实施例的不形成中间像的投影光学系统的示意性结构；
图7图解根据本发明第四实施例的投影光学系统的主要部分的结构；
图8图解根据本发明第五实施例的投影光学系统的主要部分的结构；
图9图解根据本发明第六实施例的后投影光学系统的示意性结构；
图10图解根据本发明的第七实施例的图像显示装置的示意性结构；
图11图解根据本发明的另一个实施例的屏幕上的光斑图示；
图12图解图像形成元件上发射的光束的位置与图11中图解的那些的对应关系；以及
图13图解根据本发明的另一个实施例的TV畸变(distortion)特性。
具体实施方式
[0009]以下将参考图1-3解释第一实施例。
根据第一实施例的前投影器的投影光学系统1包括具有一个共轭面的投影器主体2，以及形成另一共轭面的屏幕105。
投影器主体2包括机壳110。图像形成元件101，具有多个透镜的第一光学系统102，以及第二光学系统112被收容在机壳110中。
第二光学系统112具有对应于第一光学系统102的第一反射表面103，其具有正光焦度，以及对应于屏幕105的第二反射表面104，其具有光焦度。反射表面103和104两者都具有变形的可调节的表面形状。
这里，“对应于第一光学系统的第一反射表面”代表从第一光学系统出射的光首先进入的反射表面，并且“对应于屏幕(共轭面)的第二反射表面”代表由对应于第一光学系统的第一反射表面反射的光进入的，并且将进入的光反射向共轭面的方向的反射表面。
[0010]对整个光学系统进行最优化设计，以使得从作为一个共轭面(共轭面A)排布在机壳110中的图像形成元件101发射的光束，在作为另一个共轭面(共轭面B)的屏幕105上的期望的投影性能，例如分辨性能和畸变，能够被满足。换句话说，第一光学系统102和第二光学系统112被一致地最佳地设计。
另外，第一光学系统102也可以包括具有有光焦度的反射表面，或者折回光路的没有光焦度的反射表面的光学系统，而不是仅具有透镜的光学系统。此外，在图1中，第一光学系统102包括三个透镜，但是它不局限于由三个透镜构成的光学系统。
对应于共轭面B的，图1中图解的第二光学系统112的第二反射表面104，具有有正光焦度的凹反射表面，但是它不局限于凹反射表面，因为当对整个光学系统进行最优化设计以满足期望的投影性能时，凹表面和凸表面两者都是可能的。
[0011]从排布在共轭面A上的图像形成元件101发射的光束通过第一光学系统102，并且从第一光学系统102出射，然后进入第二光学系统112的，对应于第一光学系统的凹反射表面103。
从第一反射表面103接收了正光焦度的光束在其上被反射然后进入对应于共轭面B的第二反射表面104。如图1中图解的，第二反射表面104被布置在YZ平面上相对于第一光学系统102的光轴106，与第二光学系统112的对应于第一光学系统的第一反射表面103相对的空间中。
[0012]这里，“YZ平面”代表由投影到共轭面B上的像的垂直方向，以及从投影到共轭面B上的像的中心的法线107的延伸方向限定的平面，即图1中的纸平面。
换句话说，“YZ平面”由投影到屏幕105上的像的中心和第一光学系统102的有最大孔径(aperture)的透镜的光轴106限定。
[0013]由于具有正光焦度的第一反射表面103，出射的光相对于入射光被聚焦。所以，对应于共轭面B的第二反射表面104可以紧密地产生而不会有大的尺寸。
由对应于共轭面B的第二反射表面104反射的光束在YZ平面上与从第一光学系统102到第一反射表面103的光路仅相交一次，然后被成像在屏幕105上。
[0014]“光束在YZ平面上相交”意指从第一光学系统(例如，在此实施例中第一光学系统102)出射的光束在YZ平面上与对应于共轭面B(例如，在此实施例中屏幕105)的反射表面(例如，在此实施例中第二反射表面104)反射的光束相交。
如上提及，因为由对应于共轭面B的第二光学系统的第二反射表面104反射的光束在YZ平面上与从第一光学系统102到第一反射表面103的光路仅相交一次，所以投影光学系统内部的空间可以被有效地用作用于成像的必须的和期望的空间(对满足投影性能必须的空间)，因此从物体到成像平面的由成像系统占据的空间可以被有效地使用。
所以，成像系统，投影系统，和投影装置可以被紧密地生产。
[0015]当相交发生多次时，三个反射表面或以上是必须的，如在JP2004-309765A中描述的。在这种情况下，三个镜或以上是必须的，而这是高成本的并且在制造时在定位精度方面是严格的，所以仅相交一次是更可取的。
另外，当相交的次数大时，因为达到共轭面B的闪烁光(flare light)的概率上升，所以图像质量的下降是所关切的事，所以由此观点，仅相交一次是有利的。
此外，整个光学系统被排布为通过共轭面B上屏幕105的中心的，共轭面B的法线107不与除屏幕以外的投影光学系统相交。这样，例如，当用户从图1中的右侧察看投影到屏幕上的投影图像时，由除屏幕以外的投影光学系统干涉的可能性被降低。所以，例如，对于其中除屏幕以外的投影光学系统被收容在一个机壳中的投影器主体2，当从图1中的右侧察看时，投影图像可以在没有任何由于投影器主体2的干扰的情况下被看见。也就是说，这个光学系统适合于应用到前投影器的投影装置。
特别是，在本实施例中，而且在随后解释的第二和第三实施例中，整个光学系统被排布为在共轭面B的下端沿垂直于共轭面B(例如，第一实施例中的屏幕105)的方向的切线不与从图像形成元件(例如，第一实施例中的图像形成元件101)到对应于共轭面B的反射表面(例如，第一实施例中的第二反射表面104)的光束相交。
所以，当观看投影到屏幕上的投影图像时，更低的投影光学系统干扰的效果被显著地体现。
[0016]参考图2和图3，将详细地解释第二光学系统112的反射表面103和104的排布位置关系。
在YZ平面上，参考第一光学系统102的具有最大孔径的透镜102a的光轴106，如果H1代表从光轴106开始，对应于第一光学系统102的第一反射表面103的有效直径的最大高度，并且H2代表从光轴106开始，对应于共轭面B的第二反射表面104的有效直径的最大高度，通过将H2的绝对值，即|H2|，设置为小于H1的绝对值，即|H1|，对应于共轭面B的第二反射表面104被排布为更接近光轴106，并且在相对于光轴106与屏幕105相对的空间(图2中从光轴106开始的下侧)中光学系统的空间需求是小的。
所以，如图3A中图解的，与当H1和H2被设置为|H1|<|H2|时的情况中的厚度(如在图3B中图解的)，和在JP2006-235516A的实施例中描述的光学系统的厚度(如在图3C中图解的)相比，包括没有屏幕105的投影光学系统(透镜系统和反射表面)的装置(投影器主体2)的厚度更小，并且该装置(投影器主体2)是紧凑的，虽然在它的上部有鼓胀。
[0017]也就是说，如在图3B中图解的，T2代表其中|H1|<|H2|的装置的厚度，并且如在图3C中图解的，T3代表在JP2006-235516A中描述的实施例的装置的厚度，并且T1代表根据本实施例的投影光学系统的厚度，虽然在本装置的上部存在鼓胀而这个部分的总厚度是T1’。T1小于T2和T3，所以整个装置可以紧凑地生产。
另外，在图3B和3C中图解的每个结构中，因为光轴位于从机壳底部开始的上侧，重心高并且在设置时有不稳定的风险，。
另一方面，在根据本实施例的投影器主体2中，光轴位于接近机壳底部的位置，所以，重心是低的，并且可以保证设置稳定性。
机壳110的底部被设置为参考沿屏幕105上像的垂直方向的第一光学系统102的下端线，没有无用的空间存在，并且第二光学系统112的第二反射表面104被安置在从第一光学系统102到第二光学系统112的光束的下边缘，和第一光学系统102的元件的最下端之间。也就是说，第二反射表面104被安置在从第一光学系统102到第一反射表面103的光束的下边缘，和第一光学系统102的透镜的最下端线之间，所以，在机壳110内部，没有无用的空间存在于第一光学系统102的下侧。
[0018]将参考图4和图5解释第二实施例。与以上实施例类似的部分被赋予相同的参考标记，并且详细的解释从略。以下，仅解释主要的部分。
图4是根据本实施例的图像显示装置400的整体视图，并且图5是除去如图4中图解的屏幕405的部分的放大图。
从由透射的液晶面板，反射的液晶面板，或DMD代表的图像形成元件401发射的光束进入仅由透镜形成的共轴的光学系统的第一光学系统402。
在本实施例中，第一光学系统402仅由透镜形成，只要满足期望的成像性能，使用例如反射表面或衍射的表面(diffractive surface)折叠光路的装置也是更可取的。另外，第一光学系统402被形成为共轴的光学系统，只要满足期望的成像性能，偏心的光学系统也是可容许的。
已经通过第一光学系统402的光束在仅由第一光学系统402形成的共轭面A上形成图像形成元件401的中间像407。中间像407相对于图像形成元件401被稍微放大。
[0019]中间像407由第二光学系统410的两个反射表面放大并投影，即，对应于第一光学系统的具有正光焦度的第一反射表面403，以及对应于共轭面B，即，屏幕405的第二反射表面404。
中间像自身的分辨性能不是问题，只要中间像407最终可以以期望的成像性能成像在屏幕405上。略微(slightly)会聚在中间像407的光束被再次散射，并进入第二光学系统的具有正光焦度的第一反射表面403。然后，接收的具有正光焦度的光束通过作为共轴的光学系统的第一光学系统的光轴406，同时整个有效光束的宽度变小，然后进入第二光学系统的第二反射表面404。在第二反射表面404接收的具有光焦度的光束在投影光学系统之内(在相交部分409)与从第一光学系统402到第一反射表面403的光束相交一次，并且被投影到共轭面B上的屏幕405。
[0020]作为其中获得一次中间像的光学系统的特殊效果，在从第二光学系统到屏幕的光路，对应于所谓的“出射光瞳(exit pupil)”的光束在集聚处408被集聚一次，并且通过将第二光学系统的对应于共轭面B的第二反射表面404布置在集聚处408的附近，可以减小第二反射表面404的尺寸。
与其中没有形成中间像的传统的光学系统相比较，在其中获得一次中间像的光学系统中，光束能够容易地相交。
另外，本发明对于其中例如图像形成元件的装置被偏移(shift)(例如，从第一光学系统的光轴被偏移)，并且在对角线方向进行投影，并且第二光学系统的尺寸大于第一光学系统的有效直径的投影光学系统是特别有效的。
在这样的投影光学系统中，如果没有对应于本发明的第二光学系统410的共轭面B的第二反射表面404，则投影光束朝向与布置第一反射表面403的侧(例如图5中的C侧)相反的另一侧，例如图5中的D侧，前进，并且以光轴406为基准，在另一侧(D侧)形成投影图像。在本实施例中，光路被第二光学系统的对应于共轭面B的第二反射表面弯曲，并且光束与从第一光学系统402到第一反射表面403的光束仅相交一次，并且被朝向C侧投影，并且在第二光学系统被偏移的C侧的空间能被有效地使用。
所以，可以实现更小的投影光学系统和投影光学装置。
[0021]将参考图6解释第三实施例(不形成中间像的实例)。
在根据本实施例的图像显示装置中，在投影器主体2的第二光学系统112中对应于共轭面B的第二反射表面104’，包括具有负光焦度的凸的反射表面。然而它不局限于凸的反射表面，因为当对整个光学系统进行最优化设计以满足期望的投影性能时，凹和凸的表面两者都是可能的。
在图1中图解的结构中，如果在第一和第二光学系统之间形成中间像，为了将中间像再次成像在屏幕上需要第二光学系统具有大的正，所以更可取地采用具有正光焦度的反射表面，即凹的表面，作为对应于共轭面B的第二反射表面104。在根据此实施例的不形成中间像的装置中，为将图像极大地放大并投影在屏幕上，更可取地采用散射光的具有负光焦度的反射表面，即，凸表面，作为对应于共轭面B的第二反射表面104’。
[0022]将参考图7解释本发明的第四实施例。
根据第四实施例的投影光学系统中的投影器主体3包括机壳610，其与图1中图解的机壳110相比较，是以长方体形状而不是在它的外表面凸凹的。图像形成元件101，第一光学系统102，以及第二光学系统112被收容在机壳610中，而外面没有鼓胀。
机壳610形成为长方体形状，对应于第一光学系统102在屏幕105上像的垂直方向的高度。也就是说，机壳610在垂直方向的高度设置为在没有无用的空间的情况下用于收容第一光学系统102要求的最小的高度，并且实现了紧凑。
第二光学系统112的对应于第一光学系统102的第一反射表面103被设置为在其下端被枢轴地支撑，并且在形成在屏幕105上的像的垂直方向是可转动的。
机壳610对应于第一反射表面103的上表面被打开，并且上表面的其余部分被半透明材料覆盖。在使用时，如在图7中图解的，第一反射表面103被从由实线图解的非使用位置(存储位置)拉起到由双点划线图解的使用位置并且被设置在那里，并且由未图解的挡块定位。
当装置在不使用(不投影)时，第一反射表面103被存储在由实线图解的位置，并且也作为盖子工作以关闭开口。
对于图3C中图解的传统的装置，不可能将这样的结构应用到投影器主体，因为反射表面(对应于本实施例中的第一反射表面103)投影到机壳(对应于本实施例中的机壳610)的底侧。
[0023]可以手动地或自动地执行第一反射表面103的驱动。如果例如马达或螺线管的致动器被用作驱动源并且操作被自动化，特别是当投影器主体2被设置在天花板平面时，第一反射表面103可以容易地由遥控操作驱动，并且可用性是好的。
另外，这样的结构是可能的，其中，机壳610是以分开的结构，例如右和左分开的结构形成，并且第二光学系统112是通过导轨结构等等相对于第一光学系统102可滑动的，并且当不在使用着时被推入机壳610，并且装置在光轴方向的宽度被缩短。所以装置是紧凑的，并且可携带性和处理性能可以被极大地改进。
从第一反射表面103分离地，可以在光轴方向可滑动地配备打开和关闭开口的盖子，这样当不在使用着时可以防止灰尘进入机壳610。
[0024]将参考图8解释本发明的第五实施例。
根据第五实施例的投影光学系统中的投影器主体4包括以长方体形状的机壳710，并且图像形成元件101，第一光学系统102，以及第二光学系统112被收容在外面没有鼓胀的机壳710中。
在形成在屏幕105上的像的垂直方向可滑动地配备有第二光学系统112的对应于第一光学系统102的第一反射表面103。
对应于第一反射表面103的机壳710的上表面以允许第一反射表面103的滑动的尺寸被打开，并且上表面的其余部分被半透明材料覆盖。在使用时，如在图8中图解的，第一反射表面103被从由实线图解的非使用位置(存储位置)拉起到由双点划线图解的使用位置并且被设置在那里，并且由未图解的挡块定位。
机壳710的其它的附加构成类似于在第四实施例中解释的那些。
在以上实施例中，单独地解释第一反射表面103的转动和滑动，但是可以采用同时进行这些操作的机构。
[0025]将参考图9解释第六实施例。
虽然在以上实施例中解释了本发明应用到前投影器的实例，但是本发明也可以直接地应用到后投影器(后投影型)而不改变投影器主体的最佳化。
图1中图解的结构可以直接地应用到后投影器。这里，将解释其中改进了整个装置的紧凑性的结构的实例。
从图像形成元件101发射的光束被包括多个透镜的第一光学系统中的光路弯曲镜120弯曲，并且进入第二光学系统。光路弯曲镜120被配备在第一光学系统中，以弯曲光路并且因此减少整个装置的厚度(在Z方向)。
在本实施例中，光路弯曲镜120被布置在第一光学系统中，但是它不局限于此，即，光路弯曲镜120可以布置在第一和第二光学系统之间，或在图像形成元件101和第一光学系统之间。另外，光束可以弯曲一或多于一次。
在图9中，光路被从纸面的垂直方向(X轴方向)弯曲大约90度到Z方向，但是它不局限于90度。另外，不弯曲光路是可能的。
[0026]光束进入第二光学系统并且由两个弯曲的表面镜(反射表面103，104)反射，然后从第二光学系统出射，并且在YZ平面上与从第一光学系统102到第一反射表面103的光束仅相交一次。然后，相交的投影光由包括平面镜并且被排布在机壳810的后面(图9中的左侧)上的投影光折叠镜121反射，并且在排布在机壳的前面(图9中的右侧)上的屏幕105上产生像。
可以通过折回投影光使整个装置的厚度(在Z方向)变薄。
[0027]将参考图10解释第七实施例(图像显示装置)。
根据本实施例的图像显示装置，例如包括以上投影光学系统。图像显示装置的构成的实例在图10中图解。
参考号10代表作为光源的灯光源。氙气灯，卤素灯，金属卤化物灯，以及超高压汞灯等等能被使用作为灯光源。或，例如LED，LD，以及激光的固体光源能被使用。
包含在光源中的UV成分和IR成分可以被截除滤光器(cut filter)11截除，所以可以抑制光学元件的劣化。
偏振转换元件(polarization conversion element)12将以上提及的射线的偏振性质转换为线偏振，所以可以改进光使用效率。
可以通过一对蝇眼透镜(fry eye lens)阵列13和14使照明光数量分布均匀。光阀(图像形成元件)的照明角度和照明区域可以通过聚光透镜15调节。
[0028]已经通过蝇眼透镜14的光束到达第一分色镜16。第一分色镜16选择并反射蓝色波长成分，并且将蓝色照明光路与其它的颜色的照明光路分离。
第二分色镜17选择并反射绿色波长成分，并且分离绿色和红色照明光路。第一分色镜16的反射光被第一偏振分离元件18反射，并且照明第一图像形成元件21。第二分色镜17的反射光被第二偏振分离元件19反射，并且照明第二图像形成元件22。
第二分色镜17的透射光被第三偏振分离元件20反射，并且照明第三图像形成元件23。这里描述的图像形成元件21，22，和23是反射图像形成元件。
第一图像形成元件21的照明光由第一图像形成元件21调制，并且给予蓝色波长成分的图像信号。
[0029]第二图像形成元件22的照明光由第二图像形成元件22调制，并且给予绿色波长成分的图像信号。第三图像形成元件23的照明光由第三图像形成元件23调制，并且给予红色波长成分的图像信号。
由第一图像形成元件21调制的反射光透过第一偏振分离元件18，并且通过正交棱镜(cross prism)24与其它颜色的反射光结合。由第二图像形成元件22调制的反射光透过第二偏振分离元件19，并且通过正交棱镜24与其它颜色的反射光结合。
由第三图像形成元件23调制的反射光透过第三偏振分离元件20，并且通过正交棱镜24与其它的颜色的反射光结合。通过正交棱镜24结合的反射光进入投影光学系统主体部分25，并且通过投影光学系统主体部分25到达屏幕26，并且在屏幕26上产生图像形成元件的图像。
以上提及的每个实施例中的投影光学系统能被使用作为根据本实施例的投影光学系统27，其包括投影光学系统主体部分25和屏幕26。
[0030]可以根据以上提及的构造实例构成3CCD的放大图像显示装置。
另外，根据本发明的投影光学系统可以应用到包括透射光阀装置的图像显示装置。
或者，根据本发明的投影光学系统可以应用到用一个光阀装置以帧序制(fieldsequential)显示图像的图像显示装置中。
[0031]接下来将解释数值实施例。
以下解释投影光学系统的设计实例的数值实施例(对应于图5中图解的结构)。
投影光学系统的表面号，曲率半径(R)，表面距离(D)，折射率和阿贝数如表1所示。
在表1中，栏“＊1”中的“0”代表非球面表面。并且表1所示的第二十四，第二十五，第三十一和第三十二表面是旋转对称非球面表面，并且第三十四和第三十五表面是变形的多顶式的可调节表面。
在表1中，栏“＊2”中的“0”代表反射表面。也就是说，第三十四和第三十五表面是镜(mirror)。
从物到第八表面之间，赋予与其中设置正交棱镜或偏振射光束分裂器的情况同等的光路长度。
[0032]
表1
 
表面号 R(mm) D(mm) 折射率 阿贝数 ※1 ※2
物 0.000 3.55
1 0.000 1.80 1.517 64.2
2 0.000 0.85 1.458 67.7
3 0.000 20.56 1.589 61.3
4 0.000 3.25 1.589 61.3
5 0.000 25.00 1.517 64.2
6 0.000 0.10 1.458 67.7
7 0.000 2.00 1.517 64.2
8 0.000 3.81
9 60.955 7.41 1.572 68.4
10 -82.348 18.20
11 82.150 1.60 1.835 43
12 20.234 9.65 1.497 81.6
13 -77.994 16.54
14 193.762 3.70 1.501 79.6
15 -128.903 3.56
16 -38.633 3.17 1.53 64.5
17 -26.472 0.10
18 0.000 3.88
19 -77.484 4.18 1.818 37
20 52.543 2.98
21 67.246 3.97 1.712 47.5
22 -67.352 0.00
23 0.000 41.98
24 47.197 9.73 1.533 56.7 ○
25 45.615 1.50 ○
26 44.445 13.49 1.615 42.5
27 -139.183 2.10 1.806 31.2
28 120.890 16.39
29 258.232 2.00 1.743 27.5
30 29.653 5.83
31 62.183 7.00 1.533 56.7 ○
32 70.997 61.16 ○
33 0.000 60.00
34 0.000 -35.51 ○ ○
35 0.000 -700.00 ○ ○
像 0.000 0.00
[0033]旋转对称非球面表面是由非球面表面公式表示，即，
Figure A200910006863D00151
其中Z代表在光轴方向的深度，c代表近轴曲率半径，r代表在与光轴垂直的方向离光轴的距离，k代表圆锥(cone)常数，并且A，B，C...代表高阶的非球面系数。旋转对称非球面表面的形状是由k，A，B，和C...的值限定的。
变形的多顶式的可调节的表面包括由以下公式代表的形状，即，
Z＝X2·x2+Y2·y2+X2Y·x2y+Y3·y3+X4·x4+X2Y2·
x2y2+Y4·y4+X4Y·x4y+X2Y3·x2y3+Y5·y5+X6·x6+
X4Y2·x4y2+X2Y4·x2y4+Y6·y6+...
其中，投影图像被设置作为标准，短轴方向被设置作为Y方向，长轴方向被设置作为X方向，并且弯曲表面的深度方向被设置作为Z方向，并且“X2，Y2，X2Y，Y3，以及X2Y2，等等”被设置作为系数。
[0034]表2到5显示非球面系数。表6显示旋转对称非球面表面公式中的系数的阶和系数代码之间的关系。
[0035]表2
 
表面号 24
K 0
A -6.46E-06
B -5.11E-10
C 1.06E-12
D -3.18E-15
E -2.52E-18
F 1.08E-21
G 1.64E-23
[0036]表3
 
表面号 25
K 0
A -9.91E-06
B 1.11E-09
C -7.39E-13
D 4.63E-16
E -6.05E-18
F -3.41E-21
G 2.43E-23
[0037]表4
 
表面号 31
K 0
A -9.85E-06
B 1.49E-08
C -1.28E-11
D 2.10E-14
E -1.83E-17
F 8.94E-20
G -1.84E-22
[0038]表5
 
表面号 32
K 0
A -1.14E-05
B 1.45E-08
C -2.07E-11
D 2.05E-14
E 1.00E-17
F -4.02E-20
G -2.55E-23
[0039]表6
 
4阶的系数 A
6阶的系数 B
8阶的系数 C
10阶的系数 D
12阶的系数 E
14阶的系数 F
16阶的系数 G
[0040]第三十四和第三十五表面的可调节的表面系数分别地如表7和8所示。第三十四和第三十五表面的偏心的量分别地如表9和10所示。
[0041]表7
 
表面号 34
X2 -0.0053456
Y2 -0.002478
X2Y 2.86E-05
Y3 1.97E-05
X4 -1.55E-07
X2Y2 -4.30E-07
Y4 6.59E-07
X4Y 4.47E-10
X2Y3 -8.52E-09
Y5 2.33E-08
X6 8.24E-11
X4Y2 -6.79E-11
X2Y4 -4.13E-10
Y6 3.42E-10
X6Y 7.77E-13
X4Y3 1.04E-12
X2Y5 -5.52E-12
Y7 2.52E-12
X8 -3.56E-14
X6Y2 5.41E-14
X4Y4 1.54E-14
X2Y6 -1.02E-13
Y8 -1.58E-15
X8Y -1.72E-16
X6Y3 4.94E-16
X4Y5 -1.09E-15
X2Y7 -2.09E-15
Y9 -1.61E-160
X10 4.89E-18
X8Y2 -8.18E-18
X6Y4 -9.67E-19
X4Y6 -2.00E-17
X2Y8 -1.80E-17
Y10 -1.15E-18
[0042]表8
 
表面号 35
X2 0.0003032
Y2 3.69E-05
X2Y -4.98E-06
Y3 1.40E-06
X4 2.10E-09
X2Y2 4.37E-08
Y4 -8.95E-08
[0043]表9
 
表面号 34
在Y方向的偏移(mm) 70.73
在YZ平面中的转动(°) 45.19
[0044]表10
 
表面号 35
在Y方向的偏移(mm) -5.00
在YZ平面中的转动(°) 89.40
[0045]在本实施例中在光学系统的物体侧的数值孔径(NA)是0.21。
在本实施例中，图像形成元件被安置为图像形成元件的中心在Y方向从第一光学系统的光轴被偏移-6.37mm。
在本实施例中的图像形成元件的尺寸是0.61英寸对角线，屏幕的尺寸是100英寸对角线，并且投影放大是大约164倍。
图11图解根据本实施例的屏幕上的光斑图示。
图12图解从图像形成元件上的共轭面A发射的光束的位置与图11中图解的那些位置的对应关系。在图12中，在X≦0的区域中，并且在XY平面上的图像形成元件上的对象点之中，X方向被三等分，并且Y方向被三等分，然后获得九个网格点，如图12中图解的。
这些网格点由(1)到(9)代表，并且通过投影光学系统到达屏幕的光束的会聚情况在图11中被图解如光斑图示。
[0046]图13图解TV畸变特性。图13中的场的每个角的像点分别地对应于图12的网格点，与图11相似。TV畸变是1％以下，并且畸变被良好地修正。
另外，从屏幕到第二光学系统的第一光学系统侧的反射表面的最大长度是769mm。因为到屏幕的距离是短的，所以根据此实施例，可以实现在很近的范围里具有高倍放大的扩展的投影。
此外，本实施例解释其中投影光学系统用来放大图像的实例，但是它不局限于此，并且投影光学系统也可用于缩小图像。
[0047]根据本发明的一个方面，可以改进前投影器中包括屏幕除外的透镜系统和反射表面的投影器主体的紧凑性，设置稳定性，可携带性以及处理性能，并且因为投影器主体可被用于前和后投影器两者，可以降低制造成本。
根据本发明的优选实施例，可以有效地使用透镜系统和反射表面之间的空间，所以整个装置需要的体积是小的，并且投影器主体是紧凑的。
根据本发明的另一优选实施例，通过在第一和第二光学系统之间形成中间像，在中间像中，场的每个角的光束被分离，所以，在接着的第二光学系统，特别是在第二光学系统的第一光学系统侧的具有正光焦度的反射表面，容易地修正在宽角度的光学系统中容易产生的畸变和场曲。
另外，因为在出射光瞳的附近，所有的光被集聚在窄的位置，如果反射表面被安置在那里，则可以减少反射表面的面积，并且可以改进系统的紧凑性和降低成本。
[0048]根据本发明的进一步的优选实施例，包括多个透镜的第一光学系统是无偏心率的共轴的光学系统，所以，容易组装透镜，并且同时，因为单个透镜也是共轴的，所以便于制造。
根据本发明的进一步的优选实施例，第二光学系统的反射表面是变形的可调节的表面，所以设计自由度增加并且可以改善分辨性能。特别是，因为可以改变弯曲表面在X方向和Y方向的光焦度，所以它在像位置改变处修正在弧矢(sagittal)方向和子午(meridional)方向的像散是有效的。
根据本发明的进一步的优选实施例，通过可移动地配备第二光学系统的反射表面，例如，当不投影时，可以沿光轴方向或第一光学系统的方向折叠或移动鼓胀的反射表面，所以，当移动或存储该装置时装置是紧凑的。
[0049]根据本发明，与在按照类型减少整个装置的尺寸方面的提高不同，改进了屏幕除外的部分(投影器主要的部分)的紧凑性，并且投影器主要的部分可以应用到前和后投影器两者，所以在成本上的优势是很大的。
[0050]应当指出，虽然已经相对于示范性实施例说明了本发明，但是本发明不限制于其。考虑到上述，要指出的是，如果改动和变型属于接着的权利要求及其等效的范围，本发明涵盖该修改和变型。

Claims (15)

1.一种投影光学系统，其中从一个共轭面发射的多个光束进入另一共轭面，并且形成在所述一个共轭面上的像被投影在所述另一共轭面上，其特征在于，包含：
包括至少一个透镜的第一光学系统；以及
包括至少两个具有光焦度的反射表面的第二光学系统，
其中从投影在所述另一共轭面的像的中心的所述另一共轭面的法线与所述第一光学系统，或所述第二光学系统的任何空间，或所述第一光学系统和所述第二光学系统之间的空间没有相交，并且
其中当由投影在所述另一共轭面上的像的垂直方向和所述法线的延伸方向限定的平面被设置为YZ平面时，从所述第一光学系统到所述另一共轭面，光路在所述YZ平面上仅相交一次。
2.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第二光学系统的至少两个反射表面中对应于所述第一光学系统的第一反射表面，是具有正光焦度的反射表面。
3.如权利要求1或2所述的投影光学系统，其特征在于，在所述YZ平面上，以所述第一光学系统的具有最大孔径的透镜的光轴为基准，如果H1代表从所述光轴到对应于所述第一光学系统的所述第一反射表面的有效直径的最大高度，并且H2代表从所述光轴到所述至少两个反射表面中对应于所述另一共轭面的第二反射表面的有效直径的最大高度，则H1和H2满足下面的条件：
|H1|>|H2|。
4.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第二光学系统的所述至少两个反射表面中对应于所述另一共轭面的反射表面，被布置在从所述第一光学系统到所述第二光学系统的光束的下边缘和所述第一光学系统的元件的最下端之间。
5.如权利要求1或2所述的投影光学系统，其特征在于，在从所述第一光学系统到所述第二光学系统的光路之间，形成由所述多个光束的略微会聚产生的所述一个共轭面的中间像。
6.如权利要求5所述的投影光学系统，其特征在于，所述第二光学系统的、对应于所述另一共轭面的第二反射表面，被布置在朝向所述另一共轭面的光束的出射光瞳位置附近。
7.如权利要求1或2所述的投影光学系统，其特征在于，所述第一光学系统是共轴的光学系统。
8.如权利要求1或2所述的投影光学系统，其特征在于，所述第二光学系统的、对应于所述第一光学系统的第一反射表面，形成为变形的可调节的表面形状。
9.如权利要求1或2所述的投影光学系统，其特征在于，所述第二光学系统的、对应于所述另一共轭面的第二反射表面，形成为变形的可调节的表面形状。
10.如权利要求1或2所述的投影光学系统，其特征在于，所述第二光学系统的反射表面的至少一个设置为可移动。
11.如权利要求10所述的投影光学系统，其特征在于，对应于所述第一光学系统的第一反射表面是所述可移动的反射表面。
12.如权利要求11所述的投影光学系统，其特征在于，对应于所述第一光学系统的第一反射表面是在投影在所述另一共轭面上的像的垂直方向上可移动地或可滑动地设置的，容纳所述第一和第二光学系统的机壳形成为对应于所述第一光学系统在投影在所述另一共轭面上的像的垂直方向上的高度的长方体形状，并且对应于所述第一光学系统的第一反射表面被配置为有选择地设置在从所述机壳凸出的使用位置或所述第一反射表面被容纳在所述机壳中的非使用位置。
13.如权利要求1或2所述的投影光学系统，其特征在于，来自所述第二光学系统的对应于所述另一共轭面的第二反射表面的光束由折叠镜折叠，并且所述另一共轭面被设置在所述法线的延伸方向上的第二光学系统侧。
14.如权利要求13所述的投影光学系统，其特征在于，所述第一光学系统的光路由弯曲镜弯曲，并且所述投影光学系统在所述法线的延伸方向上的长度被减少。
15.一种图像显示装置，其特征在于，包含：
至少一个图像形成元件；以及
如权利要求1-14中的任何一个所述的投影光学系统，其被配置为放大或缩小由所述至少一个图像形成元件调制的光学图像信号。
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