CN101738837B - 投影图像显示装置和投影光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供投影图像显示装置和投影光学系统。一种投影图像显示装置，包括：光源；照明光学系统，其以从光源发出的光束均匀地照射图像调制元件的表面(初级图像表面)；和投影光学系统，其对屏幕(次级图像表面)针对所述初级图像表面处提供的并由所述图像调制元件调制的图像信息执行放大投影。所述投影光学系统包括：第一光学系统，其具有正屈光度，和第二光学系统，其具有凹反射表面。所述第一光学系统具有：公共的光轴，所述第一光学系统的所有光学器件具有绕所述光轴旋转对称的表面；和屏幕偏移功能，所述屏幕偏移功能通过使得所述第一光学系统的至少一个光学器件大致垂直于所述光轴移动而使得所述次级图像表面移动。

Description

投影图像显示装置和投影光学系统
技术领域
本发明涉及在屏幕上显示投影图像的投影图像显示装置和用于投影图像显示装置中的投影光学系统。
背景技术
近年来，作为将投影图像显示在屏幕上的投影图像显示装置，投影装置到处可见。具体地，近年来，对于能够在小投影空间内在大屏幕上实现投影操作的超广角型前投影式投影装置的需求日益增大。超广角型前投影式得到应用，因为通过倾斜地驱动所述投影装置并使其相对于屏幕具有广角能够在有限空间内在大屏幕上实现投影。
然而，如果投影装置例如是超广角型，其中超广角接近70度(半视角)，当投影装置和屏幕之间的距离仅发生略微的变化时，屏幕上的图像大小、图像位置等将会发生极大的变化。
例如，如图87所示，光线以角度θ入射在屏幕上。如果垂直于屏幕的面内(in-plane)测量的距离仅变化L，入射在屏幕上的光线的位置的偏移量与tanθ成正比。如果投影装置不是超广角型的，角度θ约为20度。相比之下，如果投影装置是超广角型的，则光线以约70度的角度θ入射在屏幕上。从而，灵敏度比率约为7.5x(＝tan70°/tan20°)。从而，对于超广角型投影装置，当根据投影表面调整投影装置的设定位置时，例如投影装置和屏幕之间的位置仅略微变化，图像位置将会发生极大的变化。
可通过使用投影光学系统的屏幕偏移功能和改变放大倍率功能(magnification changeover function)来克服这种问题(例如图像位置变化)。即，如图88所示，投影光学系统PJ的光轴位置垂直于图像调制元件P的位置移动从而移动在屏幕SCR上的屏幕位置。
更具体地，提出一种投影图像显示装置，其包括中继光学系统(其具有改变放大倍率功能)和非球面反射镜(其在中继光学系统的图像形成屏幕上执行放大投影)，并通过移动整个中继光学系统来实现屏幕偏移功能。(例如参见日本未审查专利文献No.2007-11248(专利文献1))。
此外，提出另一种显示装置，其利用fθ光学系统，包括折射系统和多个自由表面(包括折射系统的出射光瞳表面处的平面反射表面)，并通过使平面反射表面转动而实现屏幕偏移功能。(例如参见日本专利No.4086686(专利文献2))。
而且，还提出另一种投影装置，其通过在改变放大倍率期间在移动屏幕时移动图像调制元件或通过在投影光学系统和图像调制元件之间插入平行板并倾斜平行板而实现屏幕偏移功能。(例如参见日本未审查专利文献No.185709(专利文献3))。
发明内容
然而，上述相关技术具有下列问题。
例如，在图7中示出的结构中，尽管屏幕由于屏幕偏移功能而灵活地移动一个屏幕偏移量，还是需要移动整个投影光学系统。从而，对于实现屏幕偏移功能的机构，需要使用大型机构，其能够承受整个投影光学系统的重量，因而其成本可能会增高不少。
在专利文献1公开的结构中，由于需要使用中继光学系统，所以包括投影光学系统的整个光学系统的大小可能会增大，成本也会增高。
在专利文献2公开的结构中，折射系统较小，但是需要使用多个难以制造(与旋转对称的非球面相比)的自由表面。从而，例如难以固定反射面。因而，光学系统的成本可能会增高。
而且，正如专利文献3所公开的那样，在图像调制元件自身移动的系统中，尽管该结构较容易地形成为投影光学系统，还是需要作出较大的区域，在该区域中，从照明光学系统到图像调制元件自身事先执行均匀照明，或者需要同时移动图像调制元件和包括光源的照明光学系统。在前一种情形中，亮度降低。在后一种情形中，机械部分的尺寸变大且成本增高。当平行板倾斜时，用于产生象散差(astigmatic difference)的光学性能降低。
即，在上述相关技术中，当实现屏幕偏移功能时，装置的结构尺寸增大并且制作复杂，从而可能会使成本增高。
一般地，对于超广角型，为了获得与不是超广角型的相关类型相同的亮度，需要提供一种包括大型反射曲面的光学系统，其包括大光圈(或小F数)来实现明亮的屏幕。换言之，当试图形成提供亮度与不是超广角型的类型相同的亮度的超广角型光学系统时，与不是超广角型的类型的成本相比，容易增高成本。从而，为了实现屏幕偏移功能，希望保持成本尽可能地低。
投影装置可通过使用设定机构来设定，该设定机构例如所谓的屋顶悬挂装置。这种设定机构通常具有调节设定位置的功能。
然而，大多数普通的调节功能通过例如由螺栓紧固的结构来实现。从而，难以执行几毫米单位的微调。因此，当使用超广角型时，仅使用难以实现微调的前述调节功能还不足够。
从而，对于超广角型，可能包括能够执行几毫米单位的微调的精细调节功能。然而，这种精细调节功能不用于使用超广角型以外的情形，从而，其不通用。因而，成本增高。
希望提供一种投影图像显示装置和投影光学系统，通过允许由简单结构实现屏幕偏移功能，即使对于超广角型，也能够以小型和低成本的结构容易地和可靠地执行例如图像位置的微调。
根据本发明的实施例，提供一种投影图像显示装置，其包括：光源；照明光学系统，其以从光源发出的光束均匀地照射图像调制元件的表面，所述图像调制元件的所述表面为初级图像表面；投影光学系统，其对屏幕针对所述初级图像表面处提供的并由所述图像调制元件调制的图像信息执行放大投影，所述屏幕是次级图像表面。所述投影光学系统包括：第一光学系统，其具有正屈光度；第二光学系统，其具有凹反射表面。第一光学系统具有：公共的光轴，第一光学系统的所有光学器件具有绕所述光轴旋转对称的表面；屏幕偏移功能，所述屏幕偏移功能通过使得所述第一光学系统的至少一个光学器件大致垂直于所述光轴移动而使得所述次级图像表面移动。
在具有上述结构的投影图像显示装置中，通过使得所述第一光学系统的至少一个光学器件大致垂直于所述光轴移动，使得所述屏幕上的次级图像表面移动。即，通过使得所述第一光学系统的至少一个光学器件移动，实现屏幕偏移功能。从而，例如与整个投影光学系统移动的情形或图像调制元件移动的情形相比，待移动的器件数目减少，并且显示装置更小，从而能以简单结构实现屏幕偏移功能。
根据本发明，可以以简单结构实现屏幕偏移功能。从而，即使对于超广角型，也可以通过使用屏幕偏移功能对例如图像位置容易地和可靠地执行微调。此外，即使在此情形下，也可以避免实现屏幕偏移功能的结构的尺寸增大和复杂程度增加(二者皆造成成本增高)。即，屏幕偏移能够由低成本和小型结构来实现。
附图说明
图1A和1B是与超广角型液晶投影装置的优点有关的第一视图；
图2A和2B是与超广角型液晶投影装置的优点有关的第二视图；
图3A和3B是与超广角型液晶投影装置的优点有关的第三视图；
图4A和4B是与超广角型液晶投影装置的优点有关的第四视图；
图5A和5B是与超广角型液晶投影装置的优点有关的第五视图；
图6A和6B是示意性地示出了液晶投影装置的示例性结构；
图7示意性地示出了液晶投影装置中的光源和照明光学系统的示例性结构；
图8是示出根据第一实施例的投影光学系统的示例性结构的光线图；
图9示出根据第一实施例的投影光学系统的主要部分的示例性结构；
图10示出根据第一实施例的投影光学系统所造成的横向像差；
图11示出根据第一实施例的投影光学系统的透镜数据的具体示例；
图12示出根据第一实施例的投影光学系统中的初级图像表面侧孔径值NA、当距离为标准投影距离时的最大半视角ω、以及最大初级图像表面高度y；
图13A、13B和13C示出根据第一实施例的投影光学系统中的具有屏幕偏移功能的透镜组和移动量的具体示例以及具有浮动功能和改变放大倍率功能的透镜间距的具体示例；
图14示出根据第一实施例的投影光学系统的非球面系数的具体示例；
图15示出根据第一实施例的图像调制元件的具体示例的值；
图16示出当参照图15描述的图像调制元件通过使用根据第一实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时的TV失真状态；
图17A和17B示出当参照图15描述的图像调制元件通过使用根据第一实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时例如对角线尺寸和图像失真的变化量的具体示例；
图18示出在次级图像表面处例如对角线尺寸和图像失真的变化量所基于的公式的具体示例；
图19示出根据第一实施例的投影光学系统中条件表达式(1)到(6)中的每一个的具体数值的示例；
图20示意性地示出根据第二实施例的投影光学系统的示例性结构；
图21示出根据第二实施例的投影光学系统的主要部分的示例性结构；
图22示出根据第二实施例的投影光学系统所造成的横向像差；
图23示出根据第二实施例的投影光学系统的透镜数据的具体示例；
图24示出根据第二实施例的投影光学系统中的初级图像表面侧孔径值NA、当距离为标准投影距离时的最大半视角ω、以及最大初级图像表面高度y；
图25A、25B和25C示出根据第二实施例的投影光学系统中的具有屏幕偏移功能的透镜组和移动量的具体示例以及具有浮动功能和改变放大倍率功能的透镜间距的具体示例；
图26示出根据第二实施例的投影光学系统的非球面系数的具体示例；
图27示出根据第二实施例的图像调制元件的具体示例的值；
图28示出当参照图27描述的图像调制元件通过使用根据第二实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时的TV失真状态；
图29A和29B示出当参照图27描述的图像调制元件通过使用根据第二实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时例如对角线尺寸和图像失真的变化量的具体示例；
图30示出根据第二实施例的投影光学系统中条件表达式(1)到(6)中的每一个的具体数值的示例；
图31示意性地示出根据第三实施例的投影光学系统的示例性结构；
图32示出根据第三实施例的投影光学系统的主要部分的示例性结构；
图33示出根据第三实施例的投影光学系统所造成的横向像差；
图34示出根据第三实施例的投影光学系统的透镜数据的具体示例；
图35示出根据第三实施例的投影光学系统中的初级图像表面侧孔径值NA、当距离为标准投影距离时的最大半视角ω、以及最大初级图像表面高度y；
图36A、36B和36C示出根据第三实施例的投影光学系统中的具有屏幕偏移功能的透镜组和移动量的具体示例以及具有浮动功能和改变放大倍率功能的透镜间距的具体示例；
图37示出根据第三实施例的投影光学系统的非球面系数的具体示例；
图38示出根据第三实施例的图像调制元件的具体示例的值；
图39示出当参照图38描述的图像调制元件通过使用根据第三实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时的TV失真状态；
图40A和40B示出当参照图38描述的图像调制元件通过使用根据第三实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时例如对角线尺寸和图像失真的变化量的具体示例；
图41示出根据第三实施例的投影光学系统中条件表达式(1)到(6)中的每一个的具体数值的示例；
图42示意性地示出根据第四实施例的投影光学系统的示例性结构；
图43示出根据第四实施例的投影光学系统的主要部分的示例性结构；
图44示出根据第四实施例的投影光学系统所造成的横向像差；
图45示出根据第四实施例的投影光学系统的透镜数据的具体示例；
图46示出根据第四实施例的投影光学系统中的初级图像表面侧孔径值NA、当距离为标准投影距离时的最大半视角ω、以及最大初级图像表面高度y；
图47A、47B和47C示出根据第四实施例的投影光学系统中的具有屏幕偏移功能的透镜组和移动量的具体示例以及具有浮动功能和改变放大倍率功能的透镜间距的具体示例；
图48示出根据第四实施例的投影光学系统的非球面系数的具体示例；
图49示出根据第四实施例的图像调制元件的具体示例的值；
图50示出当参照图49描述的图像调制元件通过使用根据第四实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时的TV失真状态；
图51A和51B示出当参照图49描述的图像调制元件通过使用根据第四实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时例如对角线尺寸和图像失真的变化量的具体示例；
图52示出根据第四实施例的投影光学系统中条件表达式(1)到(6)中的每一个的具体数值的示例；
图53示意性地示出根据第五实施例的投影光学系统的示例性结构；
图54示出根据第五实施例的投影光学系统的主要部分的示例性结构；
图55示出根据第五实施例的投影光学系统所造成的横向像差；
图56示出根据第五实施例的投影光学系统的透镜数据的具体示例；
图57示出根据第五实施例的投影光学系统中的初级图像表面侧孔径值NA、当距离为标准投影距离时的最大半视角ω、以及最大初级图像表面高度y；
图58示出根据第五实施例的投影光学系统中的具有屏幕偏移功能的透镜组和移动量的具体示例；
图59示出根据第五实施例的投影光学系统中的具有浮动功能和改变放大倍率功能的透镜间距的具体示例；
图60示出根据第五实施例的投影光学系统的非球面系数的具体示例；
图61示出根据第五实施例的图像调制元件的具体示例的值；
图62示出当参照图61描述的图像调制元件通过使用根据第五实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时的TV失真状态；
图63A和63B示出当参照图61描述的图像调制元件通过使用根据第五实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时例如对角线尺寸和图像失真的变化量的具体示例；
图64示出根据第五实施例的投影光学系统中条件表达式(1)到(6)中的每一个的具体数值的示例；
图65示意性地示出根据第六实施例的投影光学系统的示例性结构；
图66示出根据第六实施例的投影光学系统的主要部分的示例性结构；
图67示出根据第六实施例的投影光学系统所造成的横向像差；
图68示出根据第六实施例的投影光学系统的透镜数据的具体示例；
图69示出根据第六实施例的投影光学系统中的初级图像表面侧孔径值NA、当距离为标准投影距离时的最大半视角ω、以及最大初级图像表面高度y；
图70示出根据第六实施例的投影光学系统中的具有屏幕偏移功能的透镜组和移动量的具体示例；
图71示出根据第六实施例的投影光学系统中的具有浮动功能和改变放大倍率功能的透镜间距的具体示例；
图72示出根据第六实施例的投影光学系统的非球面系数的具体示例；
图73示出根据第六实施例的图像调制元件的具体示例的值；
图74示出当参照图73描述的图像调制元件通过使用根据第六实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时的TV失真状态；
图75A和75B示出当参照图73描述的图像调制元件通过使用根据第六实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时例如对角线尺寸和图像失真的变化量的具体示例；
图76示出根据第六实施例的投影光学系统中条件表达式(1)到(6)中的每一个的具体数值的示例；
图77A和77B示意性地示出根据第七实施例的投影光学系统的示例性结构；
图78示出根据第七实施例的投影光学系统中条件表达式(8)到(14)中的每一个的具体数值的示例；
图79A和79B示意性地示出根据第八实施例的投影光学系统的示例性结构；
图80示出根据第八实施例的投影光学系统中条件表达式(8)到(14)中的每一个的具体数值的示例；
图81是当通过使用根据第八实施例的投影光学系统来形成液晶投影装置时包括次级图像表面的示例性光线图；
图82A和82B示意性地示出根据第九实施例的投影光学系统的示例性结构；
图83示出根据第九实施例的投影光学系统中条件表达式(8)到(15)中的每一个的具体数值的示例；
图84是当通过使用根据第九实施例的投影光学系统来形成液晶投影装置时包括次级图像表面的示例性光线图；
图85A和85B示意性地示出根据第十实施例的投影光学系统的示例性结构；
图86示出根据第十实施例的投影光学系统中条件表达式(8)到(14)中的每一个的具体数值的示例；
图87示出对于屏幕的入射角θ；
图88A和88B示出在相关液晶投影装置中使用的屏幕偏移功能的具体示例。
具体实施方式
下面将参照附图描述根据本发明的实施例的投影图像显示装置和投影光学系统。
投影图像显示装置的总体描述
首先，将使用液晶投影装置作为示例简单地给出投影图像显示装置的总体描述。
液晶投影装置形成为使得从光源(例如高压汞灯)发出的光线由液晶显示元件(作为图像调制元件)调制并用于根据图像信号形成光学图像，并使得光学图像由投影光学系统放大并投影从而将所述光学图像显示在屏幕上。对于这种液晶投影装置，使用所谓的三片式液晶投影装置。三片式包括与红(R)、绿(G)和蓝(B)相对应的面板液晶显示元件。在下面的描述中，面板液晶显示元件也可被简称为“液晶面板”。
在这里描述的液晶投影装置中，投影光学系统是能够实现例如半视角为约70度的超广角型。
能够实现超广角的能力的优点例如如下。
图1A到5B示出超广角型液晶投影装置的第一至第五个优点。
超广角型的优点为：
(1)较安全，因为从液晶投影装置发出的光线不直接进入人眼(例如见图1)；
(2)允许有效地演示，因为屏幕上不会出现阴影(例如见图1)；
(3)无需考虑屋顶上的障碍物即可设定，因为设定空间较狭窄(例如见图2)；
(4)易于维护，因为其能够与墙壁接触并用于投影，并且易于布线，因为个人电脑(PC)和图像音频装置(AV装置)之间的距离变小(例如见图3)；
(5)例如在教室或会议室中设置会议空间时或执行设定操作时提供更大的灵活性(例如见图4)；和
(6)还允许投影在桌上(例如见图5)。
互动白板的广泛使用是超广角型液晶投影装置需求日益增加的一个因素。然而，使用这种液晶投影装置不限制于例如学校和工作场所。还可将其用于数字播放器(digital sinage)(电子广告)领域。互动白板制成于液晶显示器(LCD)和等离子显示面板(PDP)中。与此相比较，投影装置是用于在约1英寸的液晶面板上执行放大投影的系统。从而，能够以低成本提供大屏幕。
投影显示装置的示例性总体结构
下面将描述超广角型液晶投影装置的总体结构。
图6A和6B示意性地示出液晶投影装置的示例性结构。
如图6A和6B所示，液晶投影装置形成为使得光源1、照明光学系统2和投影光学系统3设置在壳体中。
图7示意性地示出光源1和照明光学系统2的示例性结构。
光源1例如是高压汞灯，并朝向照明光学系统2发射光束。
照明光学系统2使得从光源1发出的光束均匀地照亮图像调制元件(液晶面板)的表面，其为初级图像表面。更具体地，在照明光学系统2中，来自于光源1的光束经过第一和第二复眼透镜FL、偏振转化元件PS和会聚透镜L。然后，通过上述部件后，光束由仅反射特定波长光线的分色镜DM分成RGB颜色分量光束。RGB颜色分量光束在例如使用全内反射镜M和透镜L的同时入射在液晶面板P(这些面板被与RGB颜色相对应地设置)上。然后，在根据图像信号在液晶面板P处进行光线调制后，已经经过光线调制的颜色分量光束由二向色棱镜PP组合，使得经过组合的光束朝向投影光学系统3出射。
这里，尽管照明光学系统2形成为使用透射式液晶面板，照明光学系统2也可形成为使用反射液晶面板。此外，对于图像调制元件，例如还可使用数字微镜器件(DMD)。此外，除了二向色棱镜PP，例如还可使用偏振分光镜(PBS)、组合各个RGB颜色的图像信号的颜色组合棱镜或全内反射(TIR)棱镜。
投影光学系统3接收从照明光学系统2发射的光线以根据图像信息对屏幕(其为次级图像表面)执行放大投影，所述图像信息被在初级图像表面处提供并由照明光学系统2的液晶面板P进行调制。
投影光学系统的示例结构
投影光学系统3表示这里所描述的液晶投影装置的特征。
接下来将参照第一至第六实施例来描述投影光学系统3的结构特征。
第一实施例
图8是示意性地示出根据第一实施例的投影光学系统的示例性结构的光线图。图8示出当距离是标准投影距离时的光路。
如图8所示，投影光学系统3包括具有正屈光度的第一光学系统L1和具有凹反射表面的第二光学系统L2。
第一光学系统L1具有公共的光轴，第一光学系统L1的所有光学器件具有绕所述光轴旋转对称的表面。
第二光学系统L2通过旋转对称的非球面形成，并具有与第一光学系统L1共用的光轴。
通过包括第一光学系统L1和第二光学系统L2，形成投影光学系统3从而从长焦侧(tele-side)的初级图像表面到广角侧的次级图像表面进行放大投影。即，初级图像表面处提供的、由照明光学系统2的液晶面板P调制的并由二向色棱镜PP组合的图像信息朝向屏幕(其为次级图像表面)进行放大投影。
在具有这种结构的投影光学系统3中，第一光学系统L1从初级图像表面那侧起包括具有正屈光度的第11光学系统L11和具有负屈光度的第12光学系统L12。在第一光学系统L1和第二光学系统L2之间形成中间图像IM一次后，从第一光学系统L1发出的光束入射在第二图像系统L2上。
尽管在图8中示出的M1和M2处设置有第一平面反射面、第二平面反射面和第三平面反射面，为方便起见，在图8中它们示出为虚拟面。
图9示出根据第一实施例的投影光学系统的主要部分的示例性结构。图9是执行短距离投影时第一光学系统L1的透镜的截面图。
在图9中第一光学系统L1具有屏幕偏移功能SF、改变放大倍率功能MF和浮动功能FF。图9中示出的附图标记S表示光阑。
屏幕偏移功能SF用于移动屏幕(其为次级图像表面)上的图像形成位置。为了实现屏幕偏移功能SF，第一光学系统L1形成为使得第一光学系统L1的某些光学器件大致垂直于第一光学系统L1的光轴移动。更具体地，与第一光学系统L1的某些光学器件相对应的第11光学系统L11大致垂直于该光轴移动。
不具体限制用于移动第11光学系统L11的机构。使用相关技术的任何机构均可用于移动第11光学系统L11。
因此，通过使得第一光学系统L1的某些光学器件(即第11光学系统L11)大致垂直于第一光学系统L1的光轴移动，可以给第一光学系统L1提供用于移动次级图像表面处的图像形成位置的屏幕偏移功能SF。
在大致垂直地移动第11光学系统L11时，如果能够执行屏幕偏移并且出现偏心像差的可能性小，则可移动任何光学器件。即，并非必需移动第11光学系统L11。可移动第12光学系统L12、整个第一光学系统或其一个光学器件。可根据所希望的移动量和成本选择要移动的合适的组。
即，屏幕偏移功能SF通过移动投影光学系统中除了第二光学系统(该系统在机械上可能较复杂)之外的一部分而不是包括所述第二光学系统在内的整个投影光学系统来实现。从而，例如与移动投影光学系统的所有光学器件或移动图像调制元件P的情形相比，需要移动的器件数目较少，投影光学系统更小，亮度也不降低等。因而，可以以简单的结构实现屏幕偏移功能SF，同时保持较高的图像质量。
至于为实现屏幕偏移功能SF而需要移动的某些光学器件，希望所述这些光学器件的折射率屈光度和第一光学系统L1在标准投影时的屈光度φ1满足下列条件表达式(1)：
0.2＜|φs/φ1|＜1.2    (1)
条件表达式(1)合适地规定了需要移动以实现屏幕偏移功能SF的组的屈光度。即，如果|φs/φ1|小于条件表达式(1)的下极值，则在出现偏心像差的可能性减小的同时，屏幕偏移量也减小了。相反，如果|φs/φ1|超过条件表达式(1)的上极值，则由于移动光学器件所带来的偏心像差出现的可能性增大，从而使得光学性能降低。
改变放大倍率功能用于改变图像在屏幕(其为次级图像表面)上的放大倍率。为了实现改变放大倍率功能，在第一光学系统L1中，第11光学系统L11沿第一光学系统L1的光轴包括多个透镜组，并且至少一个透镜组具有正屈光度。在图9中，最靠近广角侧的一侧被称为“广角侧”，最靠近长焦侧的一侧被称为“长焦侧”。
并不具体限制用于移动至少一个具有正屈光度的透镜组的机构。使用相关技术的任何机构都可用于移动所述至少一个透镜组。
因此，通过沿光轴方向移动第11光学系统L11中的多个透镜组中的至少一个具有正屈光度的透镜组，可以为第一光学系统L1提供改变放大倍率的功能，以改变次级图像表面处的图像放大倍率。
对于为实现改变放大倍率功能MF所需要移动的透镜组，移动量最大的透镜组的屈光度φm和第一光学系统L1在标准投影时的屈光度φ1满足下列条件表达式(2)：
0.2＜|φm/φ1|＜0.9    (2)
条件表达式(2)合适地规定了为实现改变放大倍率功能MF所需要移动的组的屈光度。即，如果|φm/φ1|小于条件表达式(2)的下极值，则偏移量增大。相反，如果|φm/φ1|超过条件表达式(2)的上极值，则出现误差(例如场曲)的数目增大，从而使得光学性能降低。
当改变放大倍率功能MF将要提供大的改变放大倍率时，可执行下列操作。即，第11光学系统L11包括四个透镜组，即从初级图像表面侧起，具有正屈光度的第11a组、具有正屈光度的第11b组、具有负屈光度的第11c组和具有正屈光度的第11d组。此外，通过朝向初级图像表面侧移动至少两个组，即第11b组和第11d组，增大放大倍率；通过使其朝向中间图像侧移动，减小放大倍率。这里，移动第11c组以增大放大倍率是有效的。这里，放大倍率是指通过将整个系统最靠近“长焦侧”的焦距除以整个系统最靠近“广角侧”的焦距得到的值。
浮动功能FF用于在从短距离投影到长距离投影期间实现聚焦时校正例如与图像形成能力和图像失真有关的光学性能。为了实现浮动功能FF，第一光学系统L1包括第12a组L12a和第12b组L12b。在第12a组L12a中，最靠近初级图像表面的表面形成为凸表面。整个第12a组L12a具有负屈光度。相反，第12b组L12b包括正弯月透镜，其在中间图像侧具有凸表面。包括第12a组L12a和第12b组L12b的第12光学系统L12形成为使得在从短距离投影到长距离投影期间实现聚焦时第12b组L12b沿着光轴从中间图像侧向初级图像表面侧移动。在图9中，“近”表示在短距离投影时的移动方向，而“远”表示在长距离投影时的运动方向。
不具体限制用于移动第12b组L12b的机构。使用相关技术的任何机构都可用于移动第12b组L12b。
与靠近光阑S时不同，通过第12光学系统L12的光束容易在初级图像表面上随意地分成光束。从而，在从短距离投影到长距离投影期间执行聚焦时通过略微改变光束的角度，可以实现用于校正与场曲和失真有关的光学性能的浮动功能FF。
更具体地，如上所述，第12a组L12a和第12b组L12b包括在具有总的负屈光度的第12光学系统L12中。当从短距离投影到长距离投影期间执行聚焦时，包括正弯月透镜的第12b组L12b移动到更为靠近设置在初级图像表面侧的第12a组L12a。由此，第12光学系统L12的中间图像侧处的主点位置能够移动为更靠近第二光学系统L2。从而，能够执行用于长距离投影的聚焦。
对于第12a组L12a和第12b组L12b，为了实现浮动功能FF，最好满足下列条件表达式(3)和(4)。即，第12a组L12a的屈光度φ12a、第12b组L12b的屈光度φ12b和第12光学系统L12在标准投影时的屈光度φ12满足下列条件表达式(3)和(4)：
0.2＜|φ12b/φ12|＜3.0      (3)
0.2＜|φ12b/φ12a |＜1.0    (4)
条件表达式(3)和(4)合适地规定了第12a组L12a和第12b组L12b的屈光度以实现浮动功能FF。
即，如果|φ12b/φ12|小于条件表达式(3)的下极值，在浮动期间移动量增大，从而增大了第12光学系统L12的尺寸。相反，如果|φ12b/φ12|超过条件表达式(3)的上极值，移动量减小，而正弯月透镜的屈光度增大。从而，光束角度变化较大，从而光学性能迅速降低。
如果|φ12b/φ12a |小于条件表达式(4)的下极值，在长距离投影范围内将不会浮动。相反，若|φ12b/φ12a |大于条件表达式(4)的上极值，由第12a组L12a造成的光束角度变化将会增大，从而光学性能迅速降低。
因此，第12光学系统L12不能处理长距离变化。
对于第12a组L12a和第12b组L12b，为了实现浮动功能，最好满足下列条件表达式(5)。即，在第12a组L12a浮动期间的移动量M12a和在第12b组L12b浮动期间的移动量M12b最好满足下列条件表达式(5)：
1.5＜M12b/M12a＜7.0     (5)
条件表达式(5)合适地规定了在第12a组L12a运动期间的移动量M12a和在第12b组L12b运动期间的移动量M12b的比率以实现浮动功能FF。即，如果M12b/M12a小于条件表达式(5)的下极值，在长距离投影范围内将不会浮动。相反，若M12b/M12a大于条件表达式(5)的上极值，由第12a组L12a造成的光束角度变化将会增大，从而光学性能迅速降低。因此，如果满足条件表达式(5)，在长距离投影范围内能校正光学性能。
如前所述，对于具有上述结构的第一光学系统L1，设置为比第一光学系统L1更靠近次级图像表面侧的第二光学系统L2包括旋转对称的非球面并设置为光轴与第一光学系统L1同轴。换言之，第二光学系统L2的凹反射表面具有旋转对称的非球面，该非球面的光轴与第一光学系统L1同轴。从而，通过设置光学系统L2，可以合适地校正场曲和失真。
对于具有上述结构的投影光学系统3，投影光学系统3的最大反射曲面的最大有效直径DM和初级图像表面的最大高度Dy满足下列条件表达式(6)：
3＜DM/Dy＜30         (6)
条件表达式(6)合适地规定了投影光学系统3的最大反射曲面的高度方向的尺寸与初级图像表面的高度方向尺寸之间的比率。即，如果DM/Dy小于条件表达式(6)的下极值，使包括所述机构的整个光学系统偏移的屏幕偏移功能(例如参见图9)就足够了。从而，上述结构的屏幕偏移功能SF就没有太大的必要性。如果DM/Dy超过了条件表达式(6)的上极值，整个投影光学系统可能会变得更大。从而，成本可能会增高。
这里，给出了投影光学系统3的每个光学系统具有凹反射表面和公共光轴的例子。但是，本发明可用于任何光学系统，如果该光学系统满足条件表达式(6)。即，如果是投影光学系统来执行从长焦侧初级图像表面到广角侧次级图像表面的放大投影，本发明可用于下面的光学系统。更具体地，光学系统中由反射面形成设置为最靠近次级图像表面并具有曲面，该光学系统设置有通过使投影光学系统一些光学器件大致与初级图像表面平行地偏心从而使次级图像表面屏幕偏移的功能。而且，光学系统可设置有改变放大倍率功能，所述改变放大倍率是指通过大致垂直于初级图像表面移动投影光学系统的一些光学器件而改变图像在次级图像表面的放大倍率。只要具有这种结构的投影光学系统满足条件表达式(6)，就可以以小型和低成本的结构通过仅移动一部分光学器件而实现屏幕偏移功能和改变放大倍率功能。
这里，在下面将参照具体的示例性数值来简单描述具有上述结构的投影光学系统3。
图10示出了由根据第一实施例的投影光学系统所产生的横向像差。在图10中，一个标度相当于对屏幕执行一个点的尺寸的放大投影时的一个点的尺寸。实线表示546.1nm，虚线表示620nm，交替的长短划线表示460nm。这里，尽管横向像差曲线图是投影光学系统沿y方向移动时的曲线图，但移动方向明显不限于方向y。只要方向垂直于光轴，移动方向可以是任何方向。
图11示出了根据第一实施例的投影光学系统的透镜数据的具体示例。在图11中，*表示具有非球面的表面，非球面满足下列条件表达式(7)。O表示虚拟面。第一平面反射表面和第二平面反射表面设置为虚拟面。r表示曲率半径。d表示间隔和透镜中心厚度。nd表示的d线(587.56nm)处的折射率。υd表示同一d线处的阿贝数。“{”内的透镜组是与浮动功能FF、改变放大倍率功能MF和屏幕偏移功能SF有关的透镜组。di表示在实现浮动功能FF和改变放大倍率MF时的透镜间距。
Z = ch 2 1 + [ 1 - ( 1 + K ) c 2 h 2 ] 1 / 2 + Σ i = 1 Aih i . . . ( 7 )
图12示出根据第一实施例的投影光学系统中的初级图像表面侧孔径值NA、当距离为标准投影距离时的最大半视角ω、以及最大初级图像表面高度y的具体示例。
图13A示出根据第一实施例的投影光学系统中的具有屏幕偏移功能SF的透镜组和移动量的具体示例。
13B和13C示出根据第一实施例的投影光学系统中的与浮动功能FF和改变放大倍率功能MF有关的透镜间距的具体示例。图13B和13C中的数值对应于图11中的di。这里，fl表示其焦距，β表示放大倍率。
图14示出根据第一实施例的投影光学系统的非球面系数的具体示例。
图15示出根据第一实施例的图像调制元件的具体示例的值。图10中示出的横向像象差中的一个点的尺寸对应于这里所表示的尺寸。
图16示出当参照图15描述的图像调制元件通过使用根据第一实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时的TV失真状态。
图17A和17B示出当参照图15描述的图像调制元件通过使用根据第一实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时例如对角线尺寸和图像失真的变化量的具体示例。
图18示出例如如图17所示的变化量的计算所根据的公式的具体示例。
图19示出根据第一实施例的投影光学系统中条件表达式(1)到(6)中的每一个的具体数值的示例。
根据由前述具体示例性数值所表示的投影光学系统3，对于屏幕偏移功能SF，通过使得整个第11光学系统L11(其为第一光学系统L1的一部分)相对于光轴垂直移动±0.4mm可得到约±5％的屏幕偏移。对于改变放大倍率功能MF，通过使得第11光学系统L11的一个组沿着光轴移动，其放大倍率变化率约为±0.35％。投影光学系统3具有当在从48.5英寸的短距离投影到135英寸的长距离投影中执行对焦时使得第12光学系统L12的第12a组L12a和第12b组L12b从中间图像侧朝向初级图像表面侧移动的浮动功能FF。
第二实施例
图20示意性地示出根据第二实施例的投影光学系统的示例性结构。在图示中，示出了当距离为标准投影距离时的光路。
图21示出根据第二实施例的投影光学系统的主要部分的示例性结构。在图示中，以截面图的形式示出了当执行短距离投影时第一光学系统L1的多个透镜。
如图所示，在根据第二实施例的投影光学系统3中，被移动而用于实现屏幕偏移功能SF的光学器件与第一实施例中的不同。即，通过移动第11光学系统L11的光学器件而不是整个第11光学系统L11来实现屏幕偏移功能SF。
此外，在根据第二实施例的投影光学系统3中，被移动而用于实现改变放大倍率MF的光学器件与第一实施例中的不同。
其它结构特征与第一实施例中的相同。因此，这里将不作描述。
这里，下面将参照具体的示例性数值简单地描述根据第二实施例的投影光学系统3。
图22示出根据第二实施例的投影光学系统所造成的横向像差。在图22中，一个标度相当于相对于屏幕执行一个点的尺寸的放大投影时的一个点的尺寸。实线表示546.1nm，虚线表示620nm，交替的长短划线表示460nm。这里，尽管横向像差曲线图是投影光学系统沿y方向移动时的曲线图，但移动方向明显不限制于方向y。只要方向垂直于光轴，移动方向可以是任何方向。
图23示出根据第二实施例的投影光学系统的透镜数据的具体示例。在图23中，*表示具有非球面的表面，非球面满足条件表达式(7)。O表示虚拟面。第一平面反射表面和第二平面反射表面设置为虚拟面。r表示曲率半径。d表示间隔和透镜中心厚度。nd表示的d线(587.56nm)处的折射率。υd表示同一d线处的阿贝数。“{”内的透镜组是与浮动功能FF、改变放大倍率功能MF和屏幕偏移功能SF有关的透镜组。di表示在实现浮动功能FF和改变放大倍率MF时的透镜间距。
图24示出根据第二实施例的投影光学系统中的初级图像表面侧孔径值NA、当距离为标准投影距离时的最大半视角ω、以及最大初级图像表面高度y。
图25A示出根据第二实施例的投影光学系统中的具有屏幕偏移功能SF的透镜组和移动量的具体示例。
图25B和25C示出根据第二实施例的投影光学系统中的具有浮动功能FF和改变放大倍率功能MF的透镜间距的具体示例。图25B和25C中的数值对应于图23中的di。这里，fl表示其焦距，β表示放大倍率。
图26示出根据第二实施例的投影光学系统的非球面系数的具体示例。
图27示出根据第二实施例的图像调制元件的具体示例的值。图22中示出的横向像差中的一个点的尺寸对应于这里所表示的尺寸。
图28示出当参照图27描述的图像调制元件通过使用根据第二实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时的TV失真状态。
图29A和29B示出当参照图27描述的图像调制元件通过使用根据第二实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时例如对角线尺寸和图像失真的变化量的具体示例。例如，图示中的变化量基于图18中示出的公式来计算。
图30示出根据第二实施例的投影光学系统中条件表达式(1)到(6)中的每一个的具体数值的示例。
根据由前述具体示例性数值所表示的投影光学系统3，对于屏幕偏移功能SF，通过使得第11光学系统L11(其为第一光学系统L1的一部分)的一个透镜相对于光轴垂直移动±0.1mm可得到约±0.7％的屏幕偏移。对于改变放大倍率功能MF，通过使得被移动而用于实现屏幕偏移功能SF的透镜沿着光轴移动，其放大倍率变化约±0.4％。投影光学系统3具有当从55英寸的短距离投影到100英寸的长距离投影而执行对焦时使得第12光学系统L12的第12b组L12b从中间图像侧朝向初级图像表面侧移动的浮动功能FF。
第三实施例
图31示意性地示出根据第三实施例的投影光学系统的示例性结构。在图示中，示出了当距离为标准投影距离时的光路。
图32示出根据第三实施例的投影光学系统的主要部分的示例性结构。在图示中，以截面图的形式示出了当执行短距离投影时第一光学系统L1的多个透镜。
如图所示，在根据第三实施例的投影光学系统3中，正如第一实施例中所述，通过移动整个第11光学系统L11来实现屏幕偏移功能SF。
然而，与上述第一实施例不同的是，通过使得第11光学系统L11的两个组沿着光轴移动而实现改变放大倍率功能MF。
其它结构特征与第一实施例中的相同。因此，这里将不作描述。
这里，下面将参照具体的示例性数值简单地描述根据第三实施例的投影光学系统3。
图33示出根据第三实施例的投影光学系统所造成的横向像差。在图33中，一个标度相当于相对于屏幕执行一个点的尺寸的放大投影时的一个点的尺寸。实线表示546.1nm，虚线表示620nm，交替的长短划线表示460nm。这里，尽管横向像差曲线图是投影光学系统沿y方向移动时的曲线图，移动方向明显不限制于方向y。只要方向垂直于光轴，移动方向可以是任何方向。
图34示出根据第三实施例的投影光学系统的透镜数据的具体示例。在图34中，*表示具有非球面的表面，非球面满足条件表达式(7)。r表示曲率半径。d表示间隔和透镜中心厚度。nd表示的d线(587.56nm)处的折射率。υd表示同一d线处的阿贝数。“{”内的透镜组是与浮动功能FF、改变放大倍率功能MF和屏幕偏移功能SF有关的透镜组。di表示在实现浮动功能FF和改变放大倍率MF时的透镜间距。
图35示出根据第三实施例的投影光学系统中的初级图像表面侧孔径值NA、当距离为标准投影距离时的最大半视角ω、以及最大初级图像表面高度y。
图36A示出根据第三实施例的投影光学系统中的具有屏幕偏移功能SF的透镜组和移动量的具体示例。
图36B和36C示出根据第二实施例的投影光学系统中的具有浮动功能FF和改变放大倍率功能MF的透镜间距的具体示例。图36B和36C中的数值对应于图34中的di。这里，fl表示其焦距，β表示放大倍率。
图37示出根据第三实施例的投影光学系统的非球面系数的具体示例。
图38示出根据第三实施例的图像调制元件的具体示例的值。图33中示出的横向像差中的一个点的尺寸对应于这里所表示的尺寸。
图39示出当参照图38描述的图像调制元件通过使用根据第三实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时的TV失真状态。
图40A和40B示出当参照图38描述的图像调制元件通过使用根据第三实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时例如对角线尺寸和图像失真的变化量的具体示例。例如，图示中的变化量基于图18中示出的公式来计算。
图41示出根据第三实施例的投影光学系统中条件表达式(1)到(6)中的每一个的具体数值的示例。
根据由前述具体示例性数值所表示的投影光学系统3，对于屏幕偏移功能SF，通过使得整个第11光学系统L11(其为第一光学系统L1的一部分)相对于光轴垂直移动±0.15mm可得到约±0.2％的屏幕偏移。对于改变放大倍率功能MF，通过使得第11光学系统L11的两个组沿着光轴移动，其放大倍率变化约±0.7％。投影光学系统3具有当从50英寸的短距离投影到100英寸的长距离投影而执行对焦时使得第12光学系统L12的第12a组L12a和第12b组L12b从中间图像侧朝向初级图像表面侧移动的浮动功能FF。
第四实施例
图42示意性地示出根据第四实施例的投影光学系统的示例性结构。在图示中，示出了当距离为标准投影距离时的光路。
图43示出根据第四实施例的投影光学系统的主要部分的示例性结构。在图示中，以截面图的形式示出了当执行短距离投影时第一光学系统L1的多个透镜。
如图所示，根据第四实施例的投影光学系统3具有屏幕偏移功能SF1和屏幕偏移功能SF2。通过移动整个第一光学系统L1来实现屏幕偏移功能SF1。相反，通过移动整个第12光学系统L12(其为第一光学系统L1的一部分)来实现屏幕偏移功能SF2。
正如上述第三实施例中所述，通过使得第11光学系统L11的两个组沿着光轴移动而实现改变放大倍率功能MF。
其它结构特征与第一实施例中的相同。因此，这里将不作描述。
这里，下面将参照具体的示例性数值简单地描述根据第四实施例的投影光学系统3。
图44示出根据第四实施例的投影光学系统所造成的横向像差。在图44中，一个标度相当于相对于屏幕执行一个点的尺寸的放大投影时的一个点的尺寸。实线表示546.1nm，虚线表示620nm，交替的长短划线表示460nm。这里，尽管横向像差曲线图是投影光学系统沿y方向移动时的曲线图，移动方向明显不限制于方向y。只要方向垂直于光轴，移动方向可以是任何方向。
图45示出根据第四实施例的投影光学系统的透镜数据的具体示例。在图45中，*表示具有非球面的表面，非球面满足条件表达式(7)。r表示曲率半径。d表示间隔和透镜中心厚度。nd表示的d线(587.56nm)处的折射率。υd表示同一d线处的阿贝数。“{”内的透镜组是与浮动功能FF、改变放大倍率功能MF和屏幕偏移功能SF有关的透镜组。di表示在实现浮动功能FF和改变放大倍率MF时的透镜间距。
图46示出根据第四实施例的投影光学系统中的初级图像表面侧孔径值NA、当距离为标准投影距离时的最大半视角ω、以及最大初级图像表面高度y。
图47A示出根据第四实施例的投影光学系统中的具有屏幕偏移功能SF1的透镜组、具有屏幕偏移功能SF2的透镜组和移动量的具体示例。
图47B和47C示出根据第二实施例的投影光学系统中的具有浮动功能FF和改变放大倍率功能MF的透镜间距的具体示例。图47B和47C中的数值对应于图45中的di。这里，fl表示其焦距，β表示放大倍率。
图48示出根据第四实施例的投影光学系统的非球面系数的具体示例。图中的非球面系数等于从前述条件表达式(7)中得到的那些数据。
图49示出根据第四实施例的图像调制元件的具体示例的值。图44中示出的横向像差中的一个点的尺寸对应于这里所表示的尺寸。
图50示出当参照图49描述的图像调制元件通过使用根据第四实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时的TV失真状态。
图51A和51B示出当参照图49描述的图像调制元件通过使用根据第四实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时例如对角线尺寸和图像失真的变化量的具体示例。例如，图示中的变化量基于图18中示出的公式来计算。
图52示出根据第四实施例的投影光学系统中条件表达式(1)到(6)中的每一个的具体数值的示例。
根据由前述具体示例性数值所表示的投影光学系统3，对于屏幕偏移功能SF1，通过使得整个第一光学系统L1相对于光轴垂直移动±0.1mm可得到约±3％的屏幕偏移。对于屏幕偏移功能SF2，通过使得整个第12光学系统L12(其为第一光学系统L1的一部分)相对于光轴垂直移动±0.6mm可得到约±0.6％的屏幕偏移。对于改变放大倍率功能MF，通过使得第11光学系统L11的两个组沿着光轴移动，其放大倍率变化约±0.3％。投影光学系统3具有当从20英寸的短距离投影到100英寸的长距离投影而执行对焦时使得第12光学系统L12的第12a组L12a和第12b组L12b从中间图像侧朝向初级图像表面侧移动的浮动功能FF。
在根据第四实施例的结构中，图像调制元件是方形的并且尺寸为5.6mm*5.6mm。根据应用，可执行在竖直长屏上的投影或在水平屏上的投影。从而，图像调制元件是例如用于在如图5所示的桌面上执行投影的光学元件。
第五实施例
图53示意性地示出根据第五实施例的投影光学系统的示例性结构。在图示中，示出了当距离为标准投影距离时的光路。
图54示出根据第五实施例的投影光学系统的主要部分的示例性结构。在图示中，以截面图的形式示出了当执行短距离投影时第一光学系统L1的多个透镜。在图54中，最靠近广角侧的一侧被称为“广角侧”，最靠近长焦侧的一侧被称为“长焦侧”。
如图所示，在根据第五实施例的投影光学系统3中，正如第一实施例中所述，通过移动整个第11光学系统L11来实现屏幕偏移功能SF。
第11光学系统L11包括四个透镜组，即，从初级图像表面侧起，具有正屈光度的第11a组L11a、具有正屈光度的第11b组L11b、具有负屈光度的第11c组L11c、具有正屈光度的第11d组L11d。在这些透镜组中，第11b组L11b和第11d组L11d沿着光轴移动以实现改变放大倍率功能MF。
其它结构特征与第一实施例中的相同。因此，这里将不作描述。
这里，下面将参照具体的示例性数值简单地描述根据第五实施例的投影光学系统3。
图55示出根据第五实施例的投影光学系统所造成的横向像差。在图55中，一个标度相当于相对于屏幕执行一个点的尺寸的放大投影时的一个点的尺寸。实线表示546.1nm，虚线表示620nm，交替的长短划线表示460nm。这里，尽管横向像差曲线图是投影光学系统沿y方向移动时的曲线图，移动方向明显不限制于方向y。只要方向垂直于光轴，移动方向可以是任何方向。
图56示出根据第五实施例的投影光学系统的透镜数据的具体示例。在图56中，*表示具有非球面的表面，非球面满足条件表达式(7)。r表示曲率半径。d表示间隔和透镜中心厚度。nd表示的d线(587.56nm)处的折射率。υd表示同一d线处的阿贝数。“{”内的透镜组是与浮动功能FF、改变放大倍率功能MF和屏幕偏移功能SF有关的透镜组。di表示在实现浮动功能FF和改变放大倍率MF时的透镜间距。
图57示出根据第五实施例的投影光学系统中的初级图像表面侧孔径值NA、当距离为标准投影距离时的最大半视角ω、以及最大初级图像表面高度y。
图58示出根据第五实施例的投影光学系统中的具有屏幕偏移功能SF的透镜组和移动量的具体示例。
图59示出根据第五实施例的投影光学系统中的具有浮动功能FF和改变放大倍率功能MF的透镜间距的具体示例。图59中的数值对应于图56中的di。这里，f1表示其焦距，β表示放大倍率。
图60示出根据第五实施例的投影光学系统的非球面系数的具体示例。图中的非球面系数等于从前述条件表达式(7)中得到的那些数据。
图61示出根据第五实施例的图像调制元件的具体示例的值。图55中示出的横向像差中的一个点的尺寸对应于这里所表示的尺寸。
图62示出当参照图61描述的图像调制元件通过使用根据第五实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时的TV失真状态。
图63A和64B示出当参照图61描述的图像调制元件通过使用根据第五实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时例如对角线尺寸和图像失真的变化量的具体示例。例如，图示中的变化量基于图18中示出的公式来计算。
图64示出根据第五实施例的投影光学系统中条件表达式(1)到(6)中的每一个的具体数值的示例。
根据由前述具体示例性数值所表示的投影光学系统3，对于屏幕偏移功能SF，通过使得整个第11光学系统L11相对于光轴垂直移动±0.1mm可得到约±1.7％的屏幕偏移。对于改变放大倍率功能MF，通过使得第11光学系统L11的第11b光学系统L11b和第11d光学系统L11d沿着光轴移动，其放大倍率变化约±10％。投影光学系统3在广角侧具有当从60英寸的短距离投影到例如100英寸的长距离投影而执行对焦时使得第12光学系统L12的第12a组L12a和第12b组L12b从中间图像侧朝向初级图像表面侧移动的浮动功能FF。在长焦侧也类似地提供该功能。在此情形下，从54.55到90.91英寸执行对焦。
第六实施例
图65示意性地示出根据第六实施例的投影光学系统的示例性结构。在图示中，示出了当距离为标准投影距离时的光路。
图66示出根据第六实施例的投影光学系统的主要部分的示例性结构。在图示中，以截面图的形式示出了当执行短距离投影时第一光学系统L1的多个透镜。在图66中，最靠近广角侧的一侧被称为“广角侧”，最靠近长焦侧的一侧被称为“长焦侧”。
如图所示，在根据第六实施例的投影光学系统3中，正如第一实施例中所述，通过移动整个第11光学系统L11来实现屏幕偏移功能SF。
第11光学系统L11包括四个透镜组，即，从初级图像表面侧起，具有正屈光度的第11a组L11a、具有正屈光度的第11b组L11b、具有负屈光度的第11c组L11c、具有正屈光度的第11d组L11d。在这些透镜组中，第11b组L11b、第11c组L11c和第11d组L11d沿着光轴移动以实现改变放大倍率功能MF。
其它结构特征与第一实施例中的相同。因此，这里将不作描述。
这里，下面将参照具体的示例性数值简单地描述根据第六实施例的投影光学系统3。
图67示出根据第六实施例的投影光学系统所造成的横向像差。在图67中，一个标度相当于相对于屏幕执行一个点的尺寸的放大投影时的一个点的尺寸。实线表示546.1nm，虚线表示620nm，交替的长短划线表示460nm。这里，尽管横向像差曲线图是投影光学系统沿y方向移动时的曲线图，移动方向明显不限制于方向y。只要方向垂直于光轴，移动方向可以是任何方向。
图68示出根据第六实施例的投影光学系统的透镜数据的具体示例。在图68中，*表示具有非球面的表面，非球面满足条件表达式(7)。r表示曲率半径。d表示间隔和透镜中心厚度。nd表示的d线(587.56nm)处的折射率。υd表示同一d线处的阿贝数。“{”内的透镜组是与浮动功能FF、改变放大倍率功能MF和屏幕偏移功能SF有关的透镜组。di表示在实现浮动功能FF和改变放大倍率MF时的透镜间距。
图69示出根据第六实施例的投影光学系统中的初级图像表面侧孔径值NA、当距离为标准投影距离时的最大半视角ω、以及最大初级图像表面高度y。
图70示出根据第六实施例的投影光学系统中的具有屏幕偏移功能SF的透镜组和移动量的具体示例。
图71示出根据第六实施例的投影光学系统中的具有浮动功能FF和改变放大倍率功能MF的透镜间距的具体示例。图71中的数值对应于图68中的di。这里，fl表示其焦距，β表示放大倍率。
图72示出根据第六实施例的投影光学系统的非球面系数的具体示例。图中的非球面系数对应于从前述条件表达式(7)中得到的那些数据。
图73示出根据第六实施例的图像调制元件的具体示例的值。图67中示出的横向像差中的一个点的尺寸对应于这里所表示的尺寸。
图74示出当参照图73描述的图像调制元件通过使用根据第六实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时的TV失真状态。
图75A和75B示出当参照图73描述的图像调制元件通过使用根据第六实施例的投影光学系统在次级图像表面处进行放大投影时例如对角线尺寸和图像失真的变化量的具体示例。例如，图示中的变化量基于图18中示出的公式来计算。
图76示出根据第六实施例的投影光学系统中条件表达式(1)到(6)中的每一个的具体数值的示例。
根据由前述具体示例性数值所表示的投影光学系统3，对于屏幕偏移功能SF，通过使得整个第11光学系统L11相对于光轴垂直移动±0.1mm可得到约±1.7％的屏幕偏移。对于改变放大倍率功能MF，通过使得第11光学系统L11的第11b光学系统L11b、第11c光学系统L11c和第11d光学系统L11d沿着光轴移动，其放大倍率变化约±20％。投影光学系统3在广角侧具有当从60英寸的短距离投影到例如100英寸的长距离投影而执行对焦时使得第12光学系统L12的第12a组L12a和第12b组L12b从中间图像侧朝向初级图像表面侧移动的浮动功能FF。在长焦侧也类似地提供该功能。在此情形下，从49.59到82.65英寸执行对焦。
通过具有上述第一到第六实施例中任一项的结构，在数值孔径约为0.3并且半视角为70度具有大直径和超广角(在数值孔径约为0.3时的超广角)的同时，投影光学系统3可设置有屏幕偏移功能SF、改变放大倍率功能MF和浮动功能FF。此外，能够以小结构和低成本实现这些功能。
当投影光学系统3设置有超广角并具有大直径时，包括投影光学系统3的液晶投影装置将变得对于设定环境敏感。即，对于这种液晶投影装置，可以根据振动作出反应(在例如不是超广角型的相关液晶投影装置中不必担心这些)，并使得其上正在执行投影的屏幕摆动。
从而，包括投影光学系统3的液晶投影装置可具有下面的结构。即，其可具有下列结构：该结构以红外传感器检测屏幕的振幅或使得装置自身检测振动。振幅或振动信息与使得某些光学器件(其为第一光学系统L1的一部分)大致垂直于光轴移动的机构同步。这使得可以校正屏幕的振动。例如，这里所使用的红外传感器、检测结构和同步单元可以通过相关技术实现，因此下面不对其进行描述。
投影光学系统的其它示例性结构
下面，将描述投影光学系统3的其它示例性结构。
对于使用大反射曲面的投影光学系统3，当考虑例如包括冷却机构和用于驱动图像调制元件的衬底的液晶投影装置的整个结构时，其高度容易较大。从而，用在液晶投影装置中的投影光学系统3可具有下列结构。
下面将参照第七到第十实施例来描述投影光学系统3的结构。
第七实施例
图77A和77B示意性地示出根据第七实施例的投影光学系统的示例性结构。
如图所示，正如根据第一实施例的投影光学系统3那样，根据第七实施例的投影光学系统3包括第一光学系统L1和第二光学系统L2。第一光学系统L1形成为从第一初级图像表面侧起包括第11光学系统L11和第12光学系统L12。
然而，与根据第一实施例的投影光学系统3不同，根据第七实施例的投影光学系统3具有设置在第11光学系统L11和第12光学系统L12之间的第一平面反射表面M1。此外，第二平面反射表面M2设置在第一光学系统L1和第二光学系统L2之间。而且，具有折射率n且透明的平行板T设置在第二光学系统L2和次级图像表面之间。
其它结构特征与第一实施例中的相同。因此，这里将不作描述。此外，第一平面反射表面M1、第二平面反射表面M2和平行板T的具体结构(包括其材料等)可使用相关技术实现。从而，这里将不作描述。
第一平面反射表面M1设置为使得第一平面反射表面M1的y轴旋转角β1和第一平面反射表面M1的x轴旋转角α1分别满足下列条件表达式(8)和(9)。这里，y轴旋转角是指绕y轴的旋转角。此外，x轴旋转角是指绕x轴的旋转角。y轴和x轴是相当于液晶投影装置的安装面的xy平面中的坐标轴。
30°＜|β1|＜65°(8)
3°＜α1＜15°   (9)
条件表达式(8)和(9)设置为用于减小液晶投影装置的高度(沿着与xy平面正交的z轴方向)。即，如果|β1|小于条件表达式(8)的下极值，第11光学系统L11和第12光学系统L12可能会相互干涉。相反，如果|β1|大于上极值，第一平面反射表面M1和第11光学系统L11或第12光学系统L12可能会彼此相互干涉。如果α1小于条件表达式(9)的下极值，光源将会相对于凹反射表面的高度方向突出较大量。从而，装置的高度增大。相反，如果α1大于上极值，用于驱动图像调制元件的衬底或用于冷却图像调制元件的器件相对于凹反射表面的高度方向突出。从而，装置的高度增大。
即，如条件表达式(8)和(9)所规定的那样，第一平面反射表面M1绕y轴和x轴都具有旋转角。从而，与第一平面反射表面绕y轴或者x轴中一者具有旋转角的情形相比，沿着垂直于xy平面的z轴方向的尺寸——即液晶投影装置的高度减小。
第一平面反射表面M1可形成为满足全内反射的条件。这种结构在实现明亮的光学系统时是有效的。
第二平面反射表面M2设置为使得第二平面反射表面M2的y轴旋转角β2和第二平面反射表面M2的x轴旋转角α2分别满足下列条件表达式(10)和(11)。
20°＜|β2|＜45°(10)
3°＜α2＜15°   (11)
条件表达式(10)和(11)设置为用于减小液晶投影装置的高度(沿着与xy平面正交的z轴方向)。即，如果|β2|小于条件表达式(10)的下极值，第11光学系统L11和第12光学系统L12可能会相互干涉。相反，如果|β2|大于上极值，第二光学系统L2和图像调制元件之间的距离增大，从而增大了整个装置的尺寸。如果α2大于条件表达式(11)的上极值，光源将会相对于凹反射表面的高度方向突出较大量。从而，装置的高度增大。相反，如果α2小于上极值，用于驱动图像调制元件的衬底或用于冷却图像调制元件的器件相对于凹反射表面的高度方向突出。从而，装置的高度增大。
希望第一平面反射表面M1和第二平面反射表面M2设置为满足下列条件表达式(12)和(13)：
-20°＜α1+α2＜20°(12)
70°＜β1+β2＜110°(13)
在使用汞灯作为光源时条件表达式(12)和(13)特别有效。即，条件表达式(12)和(13)是用于大致水平地设置光源的电弧部分的条件。当超过上下极值时，光源的寿命可能急剧下降。
条件表达式(12)中规定的条件在以垂直于例如墙壁或互动白板的区域作为投影表面时(例如参见图1)是有效的。条件表达式(13)中规定的条件在桌面上进行投影时(例如参见图5)是有效的。
如果满足条件表达式(12)和(13)，那么该结构是允许所有形式的投影的类型。即，在此情形下，光源设置在凹反射表面的后表面。
平行板T设置为使得平行板的x轴旋转角αt满足下列条件表达式(14)：
60°＜αt＜87°(14)
对于灰尘控制，在第二光学系统L2和次级图像表面之间插入平行板T是有效的。然而，例如当平行板T设置为大致平行于光轴时，入射在次级图像表面上的一部分光束以非常小的角度入射在平行板T上。从而，在抗反射膜上光束的反射得到增强以增强透光性。因而，例如亮度减小且产生鬼影。
从而，使得平行板T在条件表达式(14)规定的范围内倾斜是有效的。即，如果平行板T以小于条件表达式(14)的下极值的角度设置，可能减小反射。相反，如果大于上极值，包括平行板T和第二光学系统L2的整个装置的高度增大。
能够完全屏蔽来自于图像调制元件的图像信息的光屏蔽板可设置在从平行板T射出光线的位置处，即比平行板T更靠近次级图像表面的位置，并且光屏蔽板可形成为可打开和可关闭的。通过这种结构，可以根据使用条件在不关闭光源的情形下使得图像信息的状态在开/关之间切换。
这里，将给出根据第七实施例的投影光学系统3的具体示例性数值。
图78示出根据第七实施例的投影光学系统中条件表达式(8)到(14)中的每一个的具体数值的示例。
根据由前述具体示例性数值所表示的投影光学系统3，当液晶投影装置形成为设置有角度α1和α2时，液晶投影装置的高度减小到例如约130mm(例如参见图77B)。
第八实施例
图79A和79B示意性地示出根据第八实施例的投影光学系统的示例性结构。
如图所示，正如根据第七实施例的投影光学系统3那样，根据第八实施例的投影光学系统3包括第一平面反射表面M1、第二平面反射表面M2和平行板T。
这里，将给出根据第八实施例的投影光学系统3的具体示例性数值。
图80示出根据第八实施例的投影光学系统中条件表达式(8)到(14)中的每一个的具体数值的示例。
根据由前述具体示例性数值所表示的投影光学系统3，当液晶投影装置形成为使得平行板倾斜85°时，液晶投影装置的高度减小到例如约120mm(例如参见图79B)。
图81是当使用该液晶投影装置时包括次级图像表面的示例性光线图。图示是当距离是标准投影距离时的光线图，其中，投影约在80英寸时进行。
第九实施例
图82A和82B示意性地示出根据第九实施例的投影光学系统的示例性结构。
如图所示，根据第九实施例的投影光学系统3包括根据第八实施例的器件以及设置在从第二光学系统L2延伸到次级图像表面的光路上并具有一个反射面的第三平面反射表面M3。
第三平面反射表面M3的具体结构(包括其材料等)可使用相关技术实现。从而，这里将不作描述。此外，使得第三平面反射表面M3可以取下的机构不作具体限制。对此机构，可使用相关技术。
第三平面反射表面M3设置为使得第三平面反射表面M3的x轴旋转角α3满足下列条件表达式(15)：
-15°＜α3＜0°(15)
条件表达式(15)用于减小液晶投影装置的投影空间的尺寸。即，通过设置第三平面反射表面M3使得α3落入条件表达式(15)规定的范围内，可以减小投影空间的尺寸，而不会增大第三平面反射表面M3的尺寸。更具体地，如果α3小于条件表达式(15)的下极值，从第三平面反射表面M3朝向次级图像表面的光束与投影光学系统3干涉。相反，如果α3大于上极值，第三平面反射表面M3的尺寸增大。
通过为第三平面反射表面M3设置允许其可以取下的机构，可以根据应用变化投影空间。而且，当光束由第三平面反射表面M3的后表面反射时，用户不再直接接触蒸镀薄膜，从而便于操作第三平面反射表面M3。
这里，将给出根据第九实施例的投影光学系统3的具体示例性数值。
图83示出根据第九实施例的投影光学系统中条件表达式(8)到(15)中的每一个的具体数值的示例。
以此方式，根据第九实施例的投影光学系统3，当满足所有条件表达式(8)到(15)时，可以提供具有狭窄的投影空间的小型液晶投影装置。
图84是当通过使用根据第九实施例的投影光学系统来形成液晶投影装置时包括次级图像表面的示例性光线图。图示是当距离是标准投影距离时的光线图，其中，投影约在80英寸时进行。
如图所示，如第八实施例那样，当通过设定第三平面反射表面M3而形成液晶投影装置时，投影空间的尺寸能够从800mm显著减小到590mm(见图81)。
当设定第三平面反射表面M3时，可以使用平行板T形成第三平面反射表面M3，并形成投影光学系统使得两次透射和一次反射在从第二光学系统L2到次级图像表面延伸的光路中重复。
第十实施例
图85A和85B示意性地示出根据第十实施例的投影光学系统的示例性结构。
如图所示，根据第十实施例的投影光学系统3的结构大致与第七实施例的相同。不同在于全内反射棱镜TIR用作第一平面反射表面M1。其它结构特征与第七实施例的相同。因此，这里不对其进行描述。因为能够使用相关技术实现全反射棱镜TIR，这里将不作描述。
这里，将参照具体的示例性数值描述根据第十实施例的投影光学系统3。
图86示出根据第十实施例的投影光学系统中条件表达式(8)到(14)中的每一个的具体数值的示例。
根据由前述具体示例性数值所表示的投影光学系统3，当液晶投影装置形成为设置有角度α1和α2时，液晶投影装置的高度减小到例如约130mm(例如参见图85B)。
本申请包含与2008年11月21日提交给日本专利局的日本在先专利申请JP2008-297721中公开的主题相关的发明主题，在此通过引用引入其全部内容。
尽管在优选实施例中，描述了本发明的优选可行形式，本发明不限于其内容。
在第一到第十实施例中示出的器件的具体形式和数值仅仅是用于实现本发明的一些具体形式和数值。具体形式和数值不应该理解为限制本发明的技术范围。
例如，尽管在上述每个实施例中，液晶投影装置作为投影图像显示装置的例子，其它投影图像显示装置也可使用，即，除了液晶面板以外的器件也可用作图像调制元件。即使在此情形下，本发明也完全可以以同样方式实施。
而且，例如，尽管在上述每个实施例中，优选的投影光学系统描述为投影图像显示装置的光学系统，很显然优选光学系统可用作用于图像拾取装置(例如数码相机、监视相机或文件相机)的光学系统。
因此，本发明不限制于所述实施例的内容。在不偏离本发明的要旨的情形下可合适地作出改进。

Claims (8)

1.一种投影图像显示装置，包括：
光源；
照明光学系统，其以从所述光源发出的光束均匀地照射图像调制元件的表面，所述图像调制元件的所述表面为初级图像表面；和
投影光学系统，其对屏幕针对所述初级图像表面处提供的并由所述图像调制元件调制的图像信息执行放大投影，所述屏幕是次级图像表面，
其中，所述投影光学系统包括：
第一光学系统，其具有正屈光度，和
第二光学系统，其具有凹反射表面，并且
其中，所述第一光学系统具有：
公共的光轴，所述第一光学系统的所有光学器件具有绕所述光轴旋转对称的表面；和
屏幕偏移功能，所述屏幕偏移功能通过使得所述第一光学系统的至少一个光学器件大致垂直于所述光轴移动而使得所述次级图像表面移动，
其中，所述第一光学系统的所述至少一个光学器件的屈光度φs和所述第一光学系统L1在标准投影时的屈光度φ1满足条件表达式(1)：
0.2＜|φs/φ1|＜1.2         (1)。
2.如权利要求1所述的投影图像显示装置，其中，所述第一光学系统从所述初级图像表面侧起包括具有正屈光度的第11光学系统和具有负屈光度的第12光学系统，所述第一光学系统在所述第一光学系统和所述第二光学系统之间形成中间图像，
其中，所述第11光学系统包括多个透镜组并且具有改变放大倍率功能，所述改变放大倍率功能通过使得所述多个透镜组中具有正屈光度的至少一个透镜组沿着所述光轴的方向移动而改变所述次级图像表面处图像的放大倍率，并且
其中，在用于实现所述改变放大倍率功能的所述至少一个透镜组中移动量最大的透镜组的屈光度φm和所述第一光学系统L1在标准投影时的屈光度φ1满足条件表达式(2)：
0.2＜|φm/φ1|＜0.9      (2)。
3.如权利要求2所述的投影图像显示装置，其中，所述第11光学系统L11从所述初级图像表面那侧起包括四个透镜组，即具有正屈光度的第11a组、具有正屈光度的第11b组、具有负屈光度的第11c组和具有正屈光度的第11d组，并且
其中，所述改变放大倍率功能通过至少两个镜头组即第11b组和第11d组沿着所述光轴朝向所述初级图像表面那侧移动来使得放大倍率增大，并通过所述至少两个镜头组即所述第11b组和第11d组沿着所述光轴朝向所述中间图像那侧移动来使得放大倍率减小。
4.如权利要求1所述的投影图像显示装置，其中，所述第一光学系统从所述初级图像表面那侧起包括具有正屈光度的第11光学系统和具有负屈光度的第12光学系统，所述第一光学系统在所述第一光学系统和所述第二光学系统之间形成中间图像，
其中，所述第12光学系统包括第12b组和总体上具有负屈光度的第12a组，并具有浮动功能，所述第12a组的最靠近所述初级图像表面的表面是凸表面，所述第12b组包括正弯月透镜，所述正弯月透镜在中间图像那侧具有凸表面，在从短距离投影向长距离投影执行聚焦时，所述浮动功能使得所述第12b组沿着所述光轴从所述中间图像那侧朝向所述初级图像那侧移动，并且
其中，所述第12a组的屈光度φ12a、所述第12b组的屈光度φ12b和所述第12光学系统L12在标准投影时的屈光度φ12满足条件表达式(3)和(4)：
0.2＜|φ12b/φ12|＜3.0        (3)
0.2＜|φ12b/φ12a |＜1.0      (4)。
5.如权利要求4所述的投影图像显示装置，其中，所述第12a组浮动时的移动量M12a和所述第12b组浮动时的移动量M12b满足条件表达式(5)：
1.5＜M12b/M12a＜7.0      (5)。
6.如权利要求1所述的投影图像显示装置，其中，所述第二光学系统包括旋转对称的非球面，并具有与所述第一光学系统公共的光轴。
7.一种投影图像显示装置，包括：
光源；
照明光学系统，其以从光源发出的光束均匀地照射图像调制元件的表面，所述图像调制元件的所述表面为初级图像表面；和
投影光学系统，其相对于屏幕针对所述初级图像表面处提供的并由所述图像调制元件调制的图像信息执行放大投影，所述屏幕是次级图像表面，
其中，所述投影光学系统包括多个光学器件，所述多个光学器件构成了：
第一光学系统，其具有正屈光度，和
第二光学系统，所述第二光学系统是所述多个光学器件中设置为最靠近所述次级图像表面侧并具有曲面的光学器件，并由反射面形成，
所述第一光学系统具有公共的光轴，所述第一光学系统的所有光学器件具有绕所述光轴旋转对称的表面；
其中，所述投影光学系统设置有屏幕偏移功能，所述屏幕偏移功能通过使得所述第一光学系统的至少一个光学器件大致平行于所述初级图像表面偏心而使得所述次级图像表面移动，
其中，所述投影光学系统设置有改变放大倍率功能，所述改变放大倍率功能通过使得所述投影光学系统的所述多个光学器件中的至少一个光学器件大致垂直于所述初级图像表面移动而改变所述次级图像表面处图像的放大倍率，
其中，所述投影光学系统的最大的反射曲面的最大有效直径DM和所述初级图像表面的最大高度Dy满足条件表达式(6)：
3＜DM/Dy＜30          (6)，
所述第一光学系统的所述至少一个光学器件的屈光度φs和所述第一光学系统L1在标准投影时的屈光度φ1满足条件表达式(1)：
0.2＜|φs/φ1|＜1.2    (1)。
8.一种投影光学系统，包括：
第一光学系统，其具有正屈光度；和
第二光学系统，其具有凹反射表面，
其中，所述投影光学系统形成为使得从长焦侧的初级图像表面到广角侧的次级图像表面执行放大投影，
其中，所述第一光学系统具有：
公共的光轴，所述第一光学系统的所有光学器件具有绕所述光轴旋转对称的表面；和
屏幕偏移功能，所述屏幕偏移功能通过使得所述第一光学系统的所述光学器件中至少一个光学器件大致垂直于所述光轴移动而使得所述次级图像表面移动，
其中，所述第一光学系统的所述至少一个光学器件的屈光度φs和所述第一光学系统L1在标准投影时的屈光度φ1满足条件表达式(1)：
0.2＜|φs/φ1|＜1.2       (1)。
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