CN102103312A - 投影光学设备和图像显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种投影光学设备，包括：由具有屈光力的多个光学元件构成的形成与物体共轭的像的投影光学系统；以及构造为所述与物体共轭的像被投射的投影表面；没有屈光力的偏转元件，其被配置为偏转从所述投影光学系统出射的光束的光路以在所述多个光学元件之间通过所述光路被偏转的光束，其中在所述投影表面中心的投影表面法线不通过所述多个光学元件或所述多个光学元件之间。

Description

投影光学设备和图像显示设备

本申请为下述申请的分案申请：

原申请的申请日：2008年9月8日

原申请的申请号：200810212876.7

原申请的发明名称：投影光学设备和图像显示设备

技术领域

本发明涉及投影光学设备和图像显示设备。

背景技术

已知的公开有用于投影光学系统和图像显示设备的各种技术。例如，日本专利申请公开号2001-255462(JP-A-2001-255462)公开一投影光学系统，用于将光束从图像显示面板引导到相对于参考轴倾斜的屏幕上以在该屏幕上形成图像信息，其中该投影光学系统包括反射光学系统，其含有具有曲率的多个旋转不对称的反射表面，并且从该多个旋转不对称的反射面反射来自所述图像显示面板的光束，以将光引导到所述屏幕上；以及配备在所述反射光学系统的所述多个旋转不对称的反射面之间或者在所述反射光学系统和所述图像显示面板之间的光阑，其中所述光阑被设置为由位于所述光阑的屏幕侧的光学构件以负的放大率成像，等等。

具体地，包括六个自由形态的表面镜从而从下侧到上侧顺次进行向上反射，形成中间像，然后进行凹面镜的反射，最终以倾斜入射投射到屏幕的投影光学系统在JP-A-2001-255462的图1中公开。

然而，JP-A-2001-255462的图1中公开的投影光学系统可能因为其光路被配备在垂直方向的反射镜折叠而使设备高度折叠变大的问题。

同时，日本专利申请公开号2006-235516(JP-A-2006-235516)公开用于放大在一对共轭面之中缩小侧的共轭面上的图像并且使它在放大侧的共轭面上成像的投影光学系统，其中第一成像系统和第二成像系统从在缩小侧的共轭面侧开始顺次排布，其中第一成像系统包括多个透镜并且第二成像系统包括具有非球面形式的凹面镜，并且光学系统被设置为在第一成像系统和第二成像系统之间的位置形成中间图像等。

具体地，通过折射系统形成中间图像，然后在凹面镜上进行反射，并且最终通过倾斜入射投射到屏幕上的投影光学系统在JP-2006-235516的图1中公开。

然而，因为JP-A2006235516的图1中公开的投影光学系统的凹面镜虽然没有突向投影显示侧的部分(在图1中的透镜的上方)，但其具有向下凸出部，因此可能有设备高度大的问题。

同时，日本专利申请公开号2004-309765(JP-A-2004-309765)公开包括多个具有曲率的光学反射表面的反射成像光学系统，其中进入的光束在进入反射光学系统的时候通过的一对光学反射表面之间的间隙，相同于退出的光束在退出的时候通过的一对光学反射表面之间的间隙。

具体地，通过折射系统和反射镜系统获得中间图像，并通过凹面镜进行放大投射的光学系统在JP-A2004-309765的图2中公开。更具体地说，投影图像是光路在通过折射系统之后，通过四面形成的光学反射表面(在JP-A-2004-309765的段落[0027]中描述为具有曲率的旋转不对称的表面)，在反射光学系统内部中穿过多次而形成的。同样，具有三个表面的光学系统在JP-A2004-309765的图5中公开。JP-A-2004-309765的图2和图5的每一个中公开的光学系统的反射表面是具有光焦度的光学反射表面并具有基于投影光学系统的设计的期望形状。

然而，JP-A-2004-309765的图2和图5的每一个中公开的光学系统中的反射光学系统具有朝向向与投射侧(上侧)相反的侧(下侧)的凸出部以致设备具有投射底部并且相应地大。

此外，因为JP-A2004-309765的图2和图5公开的光学系统中成像光学系统的最终表面都具有光焦度，所以它必须按照它的相对于另一个光学反射表面的位置的期望设计值排布。在这里，可能通过倾斜或者移动光学元件控制投射方向但是具有光焦度的光学元件的移动会致使投射的光学性能退化。也就是说，将很难维持投射性能。如果需要设置期望角度，则必需重新设计整个的光学系统。如果作为最终表面的光学反射表面被替换为基本上没有光焦度的平面镜，其他个光学元件的形状被最佳化并且被再次设计以便确保投射性能，光学系统的尺寸例如整个光学系统的高度和在最大高度的投射位置和光学系统的底表面之间的距离不会减小。

同时，安装在后投影仪中并且包括第一光学系统和第二光学系统的光学系统在日本专利申请公开号2007-212748(JP-A-2007-212748)的图1和图2中公开。

具体地，从构成第二光学系统的凹面镜反射的光线被反射镜反射，横越第一光学系统和第二光学系统之间通过的光束，并且被投射到屏幕上的结构在JP-A-2007-212748的图2中公开。第一光学系统和第二光学系统的第一反射表面(例如，图2中的凹面镜)被排布为将图像平面(例如，屏幕)的法线放在其在它们之间的中心。也就是说，图像平面(例如，屏幕)的法线为中心第一光学系统与第二光学系统分离设置。

这样的结构导致尺寸大于反射在屏幕上的投影图像的纵向尺寸的投影光学系统。此外，如果第一光学系统和第二光学系统之间的位置关系未保持在期望的位置关系，则成像性能可能降低。也就是说，具体在其运用到前投影仪的情况下，由于用于支持凹面镜保持其与第一光学系统的位置关系的构件大，投射系统的实用性较差具体。此外，即使在其运用到后后投射过程中可能实现厚度减小，因为第一光学系统从第二光学系统分离也有由于在光学系统的内部中行进的光占据的空间大，投影仪尺寸增加的问题。

发明人已经设想配备更小型的投影光学系统的思想。

发明人也已经设想配备包含更小型的投影光学系统的图像显示设备的思想。

发明内容

根据本发明一个方面，提供一种投影光学设备，包含，由具有屈光力的多个光学元件构成的形成与物体共轭的像的投影光学系统，构造为投射与物体共轭的像的投影表面，以及没有屈光力的被设置为偏转从所述投影光学系统出射的光束的光路并且在多个光学元件之间通过所述光路被偏转的光束的偏转元件，其中投影表面在投影表面中心的法线不通过多个光学元件或多个光学元件之间。

根据本发明另一个方面，提供有一图像显示设备，包含被设置为生成图像的图像生成装置以及被设置为将由图像生成装置生成的图像投射到显示面上或者显示在显示面上的图像投射和显示装置，其中图像投射和显示装置包含如上所述投影光学设备。

附图说明

图1A及图1B是图解作为本发明的实施例的更具体的实例的投影光学设备中的成像光束和投影光束的图；

图2是图解根据本发明的实施例的实例1的投影光学设备的结构的图；

图3是图解根据本发明的实施例的实例1的投影光学系统的效果的图；

图4是图解根据本发明的实施例的实例2的投影光学设备的结构的图；

图5是图解根据本发明的实施例的实例3的投影光学设备的结构的图；

图6A和图6B是图解根据本发明的实施例的实例4的显示设备的结构的图；

图7是图解根据本发明的实施例的实例5的投影光学设备的结构的图；

图8A，图8B，和图8C是图解根据本发明的实施例的实例6的投影光学设备结构的图。

具体实施方式

接下来，将参考附图说明本发明的某些实施例。

本发明第一实施例是包括多个具有屈光力的光学元件并且将与物体共轭的像投射到投影表面上的投影光学系统，其中所述投影光学系统包括没有屈光力并使光束的光路被偏转的偏转元件，光路被偏转的光束在所述多个光学元件之通过，且在所述投影表面的中心的所述投影表面的法线不通过所述多个光学元件或者所述多个光学元件之间。

在这里，具有屈光力(光焦度)是指所述多个光学元件各自具有正的屈光力或者负的屈光力。此外，多个光学元件的每一个不具体地限制，可以是透射光的光学元件，例如透镜，或者可以是反射光的光学元件，例如反射镜。此外，如果所述投影表面是与物体共轭的像被投射到其上的表面，则不具体地限制，可以是平面表面或者曲面，并且可以或可以不包括在所述投影光学系统中。

因为在投影表面中心的投影表面的法线不通过多个光学元件或多个光学元件之间，所以它可以表示为在投影表面中心的投影表面的法线不穿越任何构成投影光学系统的光学元件并且不在光学元件之间通过。也就是说，结构被配备为在投影表面中心的投影表面的法线不穿过投影光学系统。

此外，当在投影表面中心的投影表面的法线不通过多个光学元件或多个光学元件之间时，并且从排布的投影光学系统侧观察显示在投影表面上的投影图像，存在投影图像不被投影光学系统自身遮盖的观察位置。

另外，投影表面的中心是指从投影表面的中心到投影表面上任意点的矢量和完全地或基本上为零的点。

此外，当在投影表面中心的投影表面的法线不通过多个光学元件或多个光学元件之间时，在光束主射线入射点的投影表面法线可不通过多个光学元件或多个光学元件之间。另外，光束的主光线指通过允许设置在投影光学系统的孔径光阑中心的光线。

此外，其光路被偏转的光束在多个光学元件之间通过，意指，其光路被偏转元件偏转的光束，通过第一光学系统在第一光学元件的表面与第一光学元件的光轴的交点的切平面，和最靠近第一光学元件的第二光学元件在第二光学元件在第一光学元件侧的表面与第二光学元件的光轴的交点的切平面之间的空间。

此外，没有屈光力的偏转元件可包括屈光力完全为零的偏转元件，或其屈光力被认为是基本上为零的偏转元件。对于其屈光力被认为是基本上为零的偏转元件是，例如，其屈光力的设计值为零的偏转元件，但它具有起因于制造误差的屈光力误差。

具体地，它是不能有助于投影光学系统的光学设计的表面，并且指，例如，平面镜或平行玻璃板。平行玻璃板取决于它的厚度，可能影响成像性能，但是相当于没有光焦度的元件。通常，取决于制造误差的容许限度，平行玻璃板可能具有对于坏的情况的几个毫米，直到对于好的情况的数千个毫米的曲率半径。精确地说，它这样具有曲率，但是如果成像性能没有影响，则它被表示为没有屈光力。

如果偏转元件是设置为使光路被偏转的光束在多个光学元件之间通过且没有屈光力地的元件，则具体限制，例如，可以是如上所述平面镜或例如菲涅耳型(Fresnel)反射镜。此外，偏转反射镜可以是从投影光学系统可分离的元件。其反射率可以被控制以控制反射光量。用于分离投射光的结构，例如半反射镜结构，可以被包括在本发明的实施例的范围内。

根据本发明第一实施例，可能配备更小型的投影光学系统。

本发明的第二实施例是根据本发明第一实施例的投影光学系统，其中偏转元件被配备为其光路被偏转的光束具有与通过所述多个光学元件的光束重叠。

在这里，具有与经过多个光学元件的光束重叠的其光路被偏转的光束，意指其光路被偏转元件偏转的光束的至少一部分与(重叠通过)经过多个光学元件的光束交叉。

根据本发明第二实施例，可能配备更小型的投影光学系统。

作为本发明的第一或第二实施例的更具体的实例，提供有投影光学设备，其由包括多个具有光焦度的光学元件和基本上没有光焦度的设置在从投影光学系统到投影图像的投影光路中的偏转元件的投影光学系统组成，其中从投影光学系统出射的投影光束的光路被偏转元件偏转，然后其横越通过具有光焦度的光学元件的成像光束。

在这里，投影光束从投影光学系统出射的，也就是说，从包括具有光焦度的多个光学元件的投影光学系统中具有光焦度的最终表面退出的一束光线。成像光束是经过光学元件的成像光束，也就是说，在从投影光学系统中具有光焦度的第一表面到具有光焦度的最终表面的光路中通过的光束。

在这样的投影光学设备中，可得到防止投影光学设备的尺寸增加而获得小型的光学系统。更具体地，因为通过偏转元件使投射光与投影光学系统中的光束交叉，所以可能高效地利用占有的空间并实现投影系统的小型化。此外，后投影光学系统，也可实现小型的设备。此外，可解决在如JP-A-2007-212748的图2中公开的传统技术中，投影光学系统的高度大于屏幕尺寸，相应地，由投影系统占据的空间增加的问题。

此外，关于前投影仪，可能实现小型的投影仪并且减低其投影空间。

图1A及图1B是图解作为本发明的实施例的更具体的实例的投影光学设备中的成像光束和投影光束的图。图1A是图解成像光束的图，图1B是图解投影光束的图。

在图1A和图1B中，投影光学设备100包括第一光学系统101和第二光学系统102。然而，包括在作为本发明的实施例的更具体的实例的投影光学设备内的偏转元件没有在图1A或图1B中显示。在投影光学设备100中，从物件103出射的光的光束经过第一光学系统101并且由第二光学系统102中的具有光焦度的最终表面104反射以致在没有偏转元件情况下形成投影图像105。在这里，如图1A所示。成像光束106是经过第一光学系统101中具有光焦度的第一表面到第二光学系统102中具有光焦度的最终表面104的光学元件的光束，如图1B所示，投影光束107是从第二光学系统102中具有光焦度的最终表面104出射的光束。另外，如果物体被配备在放大侧，则图像平面被配备在缩小侧，并且投影光束指图1A和图1B中从物体103到第一光学系统101的光束。

本发明的第三实施例是根据本发明的第一或第二实施例的投影光学系统，其中多个光学元件包括具有正的屈光力，并形成与物体共轭的中间像的第一光学系统，以及包括至少一个光学元件，并形成与中间像共轭的像的第二光学系统。

在这里，与中间像共轭的像可以相同于或不同于本发明的第一或第二实施例中与物体共轭的像。

根据本发明的第三实施例，可提供包括更小型的偏转元件的更小型的投影光学系统。

作为本发明第三实施例更具体的实例，提供有投影光学设备，其中本发明的第一或第二实施例的更具体的实例的投影光学系统由具有正的光焦度的第一光学系统以及第二光学系统组成，由第一光学系统形成中间像，然后由第二光学系统进行重新成像。

在这样的投影光学设备中，可使偏转元件小型化以减少设备的尺寸。更具体地说，可能获得允许使投影光学系统发出的投射光射线集束的光学系统。更具体地，因为使用形成中间像的光学系统，第二光学系统具有光线在其会聚的对应于所谓的“光阑”的位置，偏转元件被排布在其近旁，可减少偏转元件的尺寸。同时，可减少投影光学设备的尺寸。

本发明的第四实施例是根据本发明第三实施例的投影光学系统，其中所述至少一个光学元件包括具有正的屈光力的反射光学元件。

在这里，如果反射光学元件是反射光并具有正的屈光力的光学元件，则它没有具体地限制，例如，可以是球面凹镜和非球面凹镜。另外，对于非球面表面，例如，可以是旋转对称的非球面表面和旋转非对称非球面表面，例如变形的非球面表面和自由形态的表面。

根据本发明的第四实施例，可能配备包括更小型的偏转元件的更小型的投影光学系统。

作为本发明第四实施例的更具体的实例，提供有作为本发明第三实施例的更具体的实例的投影光学设备，其中第二光学系统由至少具有正的光焦度的反射镜组成。

在这样的投影光学设备中，可使偏转元件小型化以减少设备的尺寸。更具体地说，可获得使投影光学系统发出的投射光射线集束的光学系统。更具体地，因为使用形成中间像的光学系统，相当于所谓的“光阑”的，光线在其会聚的位置被配备在第二光学系统中，偏转元件被排布在其附近，借此可减小偏转元件的尺寸。同时，可减少投影光学设备的尺寸。

本发明的第五实施例是根据本发明第四实施例的投影光学系统，其中反射光学元件是至少一个光学元件中的最接近与中间像共轭的像的光学元件。

根据本发明第五实施例，可提供更加小型投影光学系统，其中从反射光学元件反射到偏转元件的光的光路相对于入射在反射光学元件上的光的光路的角度进一步地减小。

作为本发明第五实施例的更具体的实例，提供有作为本发明第四实施例的更具体的实例的投影光学设备，其中具有正的光焦度的反射镜被排布在第二光学系统在投影图像侧的最终表面。

在这样的投影光学设备中，第二光学系统具有反射功能，借此可能增加偏转角，以便于引导到偏转元件，以实现更小型的光学系统。更具体地，因为使用形成中间像的光学系统，因此在第二光学系统中具有对应于所谓的“光阑”的光线在其会聚的位置，通过将偏转元件设置在其附近，可减少偏转元件的尺寸。同时，可减少投影光学设备的尺寸。具体地，当第二光学系统由反射镜组成时，可折叠光路，并可通过偏转元件更高效地利用投影光路的空间。

本发明第六实施例是根据本发明第四或第五实施例的投影光学系统，其中偏转元件使其光路被偏转的光束在第一光学系统和反射光学元件之间通过。

在这里，在第一光学系统和反射光学元件之间通过的其光路被偏转的光束意思指其光路被偏转元件偏转的光束通过一空间，该空间位于第一光学系统中最靠近反射光学元件的第一光学元件的表面与第一光学元件的光轴的交点的切平面，和反射光学元件的第一光学元件侧的表面与反射光学元件的光轴的交点的切平面之间。

根据本发明第六实施例，可能配备更小型的投影光学系统，包括配备为更靠近反射光学元件的偏转元件。

作为本发明的第六实施例的更具体的实例，提供有作为本发明的第四或第五实施例的更具体的实例的投影光学设备，其中投影光路被如上所述光路偏转元件偏转，然后与在第一光学系统和构成第二光学系统的具有正的光焦度的反射镜之间通过的成像光束交叉。

在这样的投影光学设备中，第二光学系统具有反射功能，借此可能增大偏转角，以便于引导到偏转元件，并且以实现更小型的光学系统。更具体地，因为使用形成中间像的光学系统，在第二光学系统中具有对应于所谓的“光阑”的光线在其会聚的位置，偏转元件被排布在其附近，由此可减少偏转元件的尺寸。同时，可减少投影光学设备的尺寸。具体地，当第二光学系统由反射镜组成时，可折叠光路，并可通过偏转元件进一步地更高效地利用用于投影光路的空间。

本发明第七实施例是根据本发明的第一到第六实施例的任一的投影光学系统，其中投影光学系统进一步地包括用于调节偏转元件设置的单元。

在这里，作为用于调节偏转元件排布的单元，可以是，例如，用于改变偏转元件位置的单元(用于移动偏转元件的单元)和用于改变偏转元件方向配置的单元(用于旋转偏转元件的单元)。用于移动偏转元件的单元没有具体地限制，例如，可以是用于沿着导轨移动偏转元件的驱动机构和对于借助于臂移动偏转元件的驱动机构。同样，用于旋转偏转元件的单元没有具体地限制，例如，可以是用于绕作为转动轴的偏转元件的一侧旋转偏转元件的驱动机构。

根据本发明第七实施例，可配备能够调节由偏转元件偏转的光束的光路的投影光学系统。

作为本发明的第七实施例的更具体的实例，是本发明的第一到第六实施例的任一的更具体的实例的投影光学设备，其中投影图像的位置可通过调整转移偏转元件的位置调整。

在这样的投影光学设备中，可获得容易修正，例如由设备的倾斜所引起的图像倾斜的机构。更具体地，因为偏转元件没有光焦度，可获得能够借助于偏转元件位置的调整或其角度的调整，容易地修正，例如，投影图像的倾斜的机构。

本发明的第八实施例是根据本发明第七实施例的投影光学系统，其中用于调节偏转元件位置的单元包括用于移动偏转元件的单元。

根据本发明的第八实施例，可通过移动偏转元件获得更小型的投影光学系统。

本发明第九实施例是根据本发明第一到第八实施例的任一的投影光学系统，其中投影光学系统进一步地包括用于调节至少一个光学元件的排布的单元。

在这里，作为用于调节至少一个光学元件的排布的单元，可以是例如，用于改变至少一个光学元件(至少之一)的位置的单元(用于移动至少一个光学元件(至少之一)的单元)以及用于改变至少一个光学元件的方向配置的单元(用于旋转至少一个光学元件(至少之一)的单元)。

用于移动至少一个光学元件(至少之一)的单元没有具体地限制，并且例如，配备用于沿着导轨移动至少一个光学元件(至少之一)的驱动机构以及用于借助于臂移动至少一个光学元件(至少之一)的驱动机构。同样，用于旋转至少一个光学元件(至少之一)的单元没有具体地限制，并且例如，配备用于绕垂直于至少一个光学元件(至少之一)的光轴的一个轴作为转动轴旋转至少一个光学元件(至少之一)的驱动单元。

根据本发明的第九实施例，可能配备能够通过调节至少一个光学元件的排布使得它更小型的投影光学系统。

本发明第十实施例是根据本发明第九实施例的投影光学系统，其中用于调节至少一个光学元件的排布的单元是用于移动至少一个光学元件的单元。根据本发明第十实施例，可能配备能够通过移动至少一个光学元件使得它更小型的投影光学系统。

作为本发明第八，第九或者第十实施例的更具体的实例，提供有作为本发明的第一到第七实施例的任一的更具体的实例的投影光学设备，其中构成第二光学系统的光学元件和偏转元件任一或者两者在非投影的时候可移动到第一光学系统侧。

在这样的投影光学设备中，可改善例如便携性的功能，具体地需要其应用到前面类型的一个。更具体地，偏转元件或构成第二光学系统的元件在非投影的时候是可移动的，在适用于前方投影的情况下，借此可在收纳的时候实现小型化，从而可提供具有用于高效的收纳或放置空间及改善设备便携性的投影光学设备。

本发明的第十一实施例是根据本发明第一到第十实施例的任一的投影光学系统，其中投影光学系统是用于将与物体共轭的像投射到多个光学元件下方的投影表面上的投影光学系统。

在这里，多个光学元件下方的投影表面是指位于多个光学元件的各光轴下方的投影。

根据本发明第十一实施例，可配备投影光学系统，其中可减少可能在用于偏转朝向多个光学元件下方的投影表面的光束的光路的偏转元件上沉积的尘垢。

作为本发明第十一实施例的更具体的实例，提供有作为本发明第一到第十实施例的任一的更具体的实例的投影光学设备，其中投影光学设备从上侧向下侧投射显示图像。

在这样的投影光学设备中，可配备对其容易地防止反射镜构件上的尘垢沉积的投影系统。更具体地，因为可将作为偏转元件的反射镜的表面向下取向，因此即使长时间使用，沉积的灰尘或污垢量也很小，从而可防止投影质量的退化。同时，可防止灰尘或污垢的热吸收，因此可尽可能防止由热所引起的镜面可靠性降低。

本发明的第十二实施例是图像显示设备，其包括生成图像的图像生成装置和将通过图像生成装置生成的图像投射到并显示在投影表面上的图像投射显示装置，其中图像投射显示装置包括如本发明第一到第十一实施例的任一所述的投影光学系统。

在这里的投影表面可相同于作为本发明第一到第十一实施例的任一的投影光学系统中的投影表面。

根据本发明的第十二实施例，可提供包括更小型投影光学系统的图像显示设备。相应地，也可提供更小型图像显示设备。

作为本发明的第十二实施例的更具体的实例，提供有由至少图像生成单元组成的显示设备和作为本发明的第一到第十一实施例的任一构成投射显示形成在图像生成单元上的图像的投影光学设备。

在显示设备中，可减少投影仪设备的高度并且减少设备体积。更具体地，投射光通过偏转元件而与投影光学系统中的光束交叉，借此可高效地利用占有的空间并实现投影系统的小型化。具体地，关于后投影光学系统，可实现小型的设备。同时，关于前投影仪，可能减少其投影空间。因此，可减少投影仪设备的高度并且减少设备体积。

本发明的第十三实施例是根据本发明第十二实施例的图像显示设备，其中图像显示设备是前投射式图像显示设备。

根据本发明的第十三实施例，可提供前投射式图像显示设备，包括更小型投影光学系统。

对于本发明第十三实施例的更具体的实例，提供有作为本发明第十二实施例的更具体的实例的显示设备，其中显示设备是前投射式(前型)。

在这样的显示设备中，特别在其应用到前投射型的情况下，可提供具有更小的设备尺寸的显示设备。

接下来，根据本发明的实施例的某些实例将参考附图被说明。

(实例1)

图2是图解根据本发明的实施例的实例1的投影光学设备的结构的图。图3是图解根据本发明的实施例的实例1的投影光学设备的效果的图。图3(a)是图解根据本发明的实施例的实例1的投影光学设备的图；图3(b)是该图3的另一个部分，该部分图解现有技术的投影光学设备的实例。

图2所示的投影光学设备200包括物体，用于放大并且投射物体信息的投影光学系统，以及光路偏转元件203。

在这里，投影光学系统由第一光学系统201和第二光学系统202组成，其中第一光学系统201是由具有光焦度的多个光学元件组成的光学系统，第二光学系统202由具有光焦度的单个光学元件组成。第一光学系统201和第二光学系统202被整体地并且最佳化地设计。表示的第一光学系统201是折射光学系统，第二光学系统202是反射光学系统。

另外，图2是投影光学设备的示意图。为了获得，例如，第一光学系统201期望的成像性能，通常，它是通过多个透镜的组合构造的并且借助于传统地使用的透镜设计模拟被最佳化。例如，最好是第一光学系统201由多个折射透镜组成。对于更好的透镜结构，提供有“正-正-负”结构，其由完全地具有正光焦度的第一透镜组或透镜2011，完全地具有正光焦度的第二透镜组或透镜2012，以及完全地具有负光焦度的第三透镜组或透镜2013组成。然而，所述透镜组在图中从略。当然，第一光学系统201可以是反射镜光学系统或者可以是透镜和反射镜的组合。在图2中，第一光学系统201示意地显示为三个折射光学元件但是不局限于由三个折射光学元件或者组组成的光学系统。

第二光学系统202由凹镜组成。凹面镜固有地具有正光焦度，因此是更好的。当然，它可以由多个反射镜组成，以便获得期望的成像性能，或者折射光学系统可以被添加。凹面镜的特殊的形状更好地是旋转对称的非球面形状并且更加好地是具有更高的自由度的自由形态的表面镜形状。例如，所述自由形态的表面镜更好地是其在X方向和Y方向的曲率不同于彼此的XY多项式曲面，其中Z轴为光轴方向，X轴处于水平方向，Y轴处于垂直方向。

此外，光路偏转元件203设置在从由第一光学系统201和第二光学系统202组成的投影光学系统到达投影图像205的投影光路中。在本发明的实例1中，光路偏转元件203是与第一光学系统201的光轴平行排布的平面镜，但是，当然，不局限于平面镜。光路偏转元件203也可以是没有透镜会聚功能(没有光焦度)的菲涅耳类型偏转元件。光路偏转元件203的尺寸小于第二光学系统202的尺寸。因为第二光学系统202具有正光焦度，所以如在图2所示的光路图中表示的，小于第二光学系统202的光路偏转元件203可以被设置为使光束向光路偏转元件203会聚。

如图2所示，从物体发射并且已经通过构成第一光学系统201的光学元件的成像光束206被投影光学设备200中的第二光学系统202反射。在这里，如果投影光学设备200不包括光路偏转元件203，从第二光学系统202反射的光在没有配备光路偏转反射镜的情况下将形成投影图像204。然而，从第二光学系统202反射的光的光路被本发明的实例1的投影光学设备200中的光路偏转元件203偏转。投影光学系统放射的，其光路被光路偏转元件203偏转的投影光束207，在没有为第一光学系统201提供光路偏转元件的情况下，在投影图像204的相对侧形成投影图像205。

另外，本发明的实例1是其中中间像由第一光学系统201形成然后由第二光学系统202放大并投射的投影光学系统。物面上的信息被第一光学系统201稍微放大以形成中间像。中间像由第二光学系统202放大并投射。形成的中间像的位置未显示在图中，其配备在第一光学系统201和第二光学系统202之间。如果整体光学系统被最佳化以在投影图像的位置获得期望的成像性能，中间像的成像性能自身不成问题。在这样的光学系统中，光路偏转元件203设置在从投影光学系统到投影的位置之间。然后，投影光束的光路被光路偏转元件203偏转并且偏转的投影光束207与投影光学系统内部光路中的成像光束206交叉并且被投射。另外，中间像被形成在投影光学系统中，但是中间像不是必定需要的。此外，只要保持投影光束207通过的足够空间，中间像可以位于投影光学系统中的任何地方。可借助于传统地使用的透镜设计保证投影光束207通过的空间。

此外，如图2所示，屏幕设置为使得经过投影图像205的中心208的法线209不与投影光学系统(任一光学元件或者光学元件之间的空间)交叉。也就是说，构成投影光学系统的第一光学系统201和第二光学系统202两者被排布在法线209的同一侧。

如在下面更具体地说明的，投影仪在垂直方向具有第一端210和第二端2101，其中两者都排布在法线209的一侧并且相对于法线209在投影位置的底211的相对侧。

由这样的排布关系，保持投影图像205的足够观察面积。

如图2所示，观察者220的视野没有中断。至少观察者220的位置在图2所示的垂直方向没有限制，，。这几乎不能由如在JP-A-2007-212748中公开的传统技术的结构实现。

这样，在本发明的实例1中，提供有经过投影图像中心的法线不与投影光学系统(光学元件的任一或者光学元件之间的空间)交叉，并且光路偏转元件203被排布为使得投影系统例如聚光透镜放射的光线的投影光束207与投影光学系统内部光路的成像光束206交叉，即，同投影系统内部空间被投射的结构，其是本发明的实例1的的新的结构，未被现有技术公开。

同时，尽管有多个光路被折叠并且互相交叉的现有技术，但是这样的折叠元件自身付有光学系统性能的光学元件，本发明实例1的光路偏转元件203是基本上没有光焦度的偏转元件，例如，平面镜。这样，因为光路偏转元件203没有光焦度，完成的投影光学系统的性能没有影响并且可在某种程度上改变光路偏转元件203的位置从而自由地设置投影图像的期望的位置。同时，可在某种程度上旋转光路偏转元件203。如在图2中清楚地看出的，以投影光束207和投影仪不相互妨碍为准。

通过这样的结构的使用，可利用成像所需要的期望的空间(满足透镜性能需要的空间)作为投影光束207占据的空间，可高效地利用从物体到图像平面的由成像系统占据的空间。因为具有这样的特征，所以投影图像的观察面积可为大范围。这样装置小型化，并适用于前投影仪类型的光学系统。

如图3所示，整个系统从设备下端到投影位置上端的高度被从对于传统技术的H减少到对于本发明实例1的结构的h。同样，对于设备从其底开始的高度，尽管H’是传统技术需要的，但是本发明的实例1的大部分设备具有等于或者小于h’，实现更加小型化。

(实例2)

图4是图解根据本发明的实施例的实例2的投影光学设备的结构的图。

图4所示的投影光学设备400包括物体404，用于放大投射物体404的投影光学系统，以及偏转元件403。

这里，投影光学系统由第一光学系统401和第二光学系统402组成，其中第一光学系统401是由具有光焦度的多个光学元件组成的光学系统，第二光学系统402是反射光学系统。同样，第一光学系统401和第二光学系统402整体涉及以获得期望的成像性能。更好的实例被构造为第一光学系统401由多个折射透镜组成。另一方面，第二光学系统402由凹面镜组成。相应地，第二光学系统402同时具有正光焦度和光路偏转功能。此外，偏转元件403被排布在从由第一光学系统401和第二光学系统402组成的投影光学系统到投影图像405的位置的投影光路中。

如图4所示，在投影光学设备400中，物体404例如光阀等发出的并且经过构成第一光学系统401的光学元件的成像光束406由第二光学系统402反射。在这里，在本发明实例1的投影光学设备400中，从第二光学系统402反射的光的光路由偏转元件403偏转。投影光学系统出射并由偏转元件403偏转光路的投影光束407在屏幕等的显示位置上形成投影图像405。

此外，中间像被形成在本发明的实例2中的第一光学系统401和第二光学系统402之间。本发明的实例2中的投影光学系统是由第一光学系统401形成中间像然后由第二光学系统402放大投射的投影光学系统。物面上的信息被第一光学系统401稍微放大以形成中间像。中间像由第二光学系统402放大并且投射。如果期望的成像性能被完全地获得，则中间像的成像性能不成问题。在这样的光学系统中，偏转元件403被排布在投影光学系统和投影位置之间以偏转投影光束407并且偏转的投影光束407被投射以与投影光学系统内部的成像光束406交叉(交差区域409)。在本发明的实例2中，光路偏转元件403是与第一光学系统401的光轴平行排布的平面镜，但是，当然，不局限于平面镜。此外，偏转元件403可是具有透镜会聚功能(并且没有光焦度)的菲涅耳类型偏转元件。

如图4所示，对屏幕在投影图像405的中心410的法线4101，最靠近投影仪的投影图像405的下端411的高度4111，以及投影仪的最靠近投影图像的上端的高度4121进行定义，并且X，Y，和Z轴定义为为X轴处于水平方向并且Y轴处于垂直方向。屏幕在投影图像405的中心410的法线4101设置为不与投影光学系统(任一光学元件或者光学元件之间的空间，也就是说，第一光学系统401，第二光学系统402，或者成像光束406)。也就是说，第一光学系统401和第二光学系统402被排布在法线4101的一侧，夹设法线4101。

此外，投影仪上端412的高度4121被安置在低于投影图像405下端411的高度4111的位置(在Y方向)。

由这样的排布关系，可保证投影图像405的足够观察面积。也就是说，如图4所示，观察者420的视野没有中断。至少，观察者420的位置在图4所示的垂直方向没有限制。这几乎不能由如在JP-A-2007-212748中公开的传统技术的结构实现。

偏转元件430的位置最好设置在投影光学系统的最大有效直径中，以获得投影图像。也就是说，可设置在整体保持第一光学系统401和第二光学系统402组成的投影光学系统的壳体408中。图中仅显示了容纳用于图解本发明的实施例的最少元件的壳体408，而镜头筒或者用于支持透镜的支持构件等未显示在图中，，但是它们可在该最小区域中设置。当然，如果根据需要添加其他元件，则需要用于排布的更宽的空间。

更好的是应用本发明的实施例到如在由申请人预先提交的日本专利申请公开号2004-258620(JP-A-2004-258620)中公开的光学系统，在JP-A2004-30976中公开的光学系统或者如在背景技术中说明的JP-A2006-23551中公开的中公开的光学系统，等等。具体地，在JP-A-2004-258620中公开的光学系统有关于使用折射光学系统和凹面镜的放大投影光学系统。

使凹面镜反射的光线，即，用于图解本发明实例2的投影光束407被平面镜等折叠以通过折射光学系统和凹面镜之间的空间。通过这样的结构，可在其运用到设备的情况下，实现小型化的投影系统并且减少投影光学设备的尺寸，并且可以获得实现小型设备的各种效果，包括可安装性的改进，便携性的改进，小型外壳的实现(涉及精度的要求)以及原材料的减少。

使用获得中间像的光学系统的特殊效果是减小了偏转元件403的尺寸，因为对应于所谓的“光阑”的光线被会聚的位置被配备在第二光学系统402中，并且偏转元件403被排布在该位置附近。同样，因为光线被会聚在第二光学系统402的“光阑”附近，投影光束407的发散相对小。

在获得中间像的光学系统中，与没有形成中间像的另一个传统的光学系统相比，远远地有利于与成像光束406的交叉。同时，因为在传统的放大投影系统中在光束从投影光学系统出射之后投影光束407的宽度逐渐地增加，所以在投影光学系统内部经过的思想无法在实践中获得。此外，因为成像光学系统为了将它从周围分离而通常被安装在镜头筒等等中，在成像光束406通过投影光束407的思想通常不能实现。另一方面，在本发明实例2中，使成像光束406横过投影光束407以便当注意力被集中在投影光束的线性前进时不产生由于闪烁光而造成的其投影性能的退化。

虽然适合于本发明的光学系统已经如上所述，对于具有更进一步的以及具体的效果的光学系统的结构，补充地提供倾斜投影光学系统。也就是说，移转(shift)例如光阀的物体(从第一光学系统的光轴偏移地移动)以在倾斜的方向进行投影。另外，第二光学系统由反射光学系统组成并且第二光学系统从光轴一侧突出(对应实例：图4的投影光学系统，现有技术JP-A-2006-235516的图1等)。同样，不必移转物体位置，对于第二光学系统相对第一光学系统的一侧移转的光学系统(例如，JP-A-2004-309765中的传统技术(图2)等)，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也同样适用。

如果本发明的实施例的偏转元件没有配备在这样的投影光学系统中，则投影光束将行进到第二光学系统移转侧(称为A侧；未显示)的相对侧(称为B侧；未显示)以形成投影图像。然而，本发明的实施例的偏转元件可折叠光路，光束在多个光学元件之间通过以被投射到如上所述A侧，借此可能高效地利用在第二光学系统被转移至其的侧的空间。因此，可实现更加小型的投影光学系统和投影光学设备。

(实例3)

图5是图解根据本发明的实施例的实例3的投影光学设备的结构的图。在图5中的投影光学设备500中，第一光学系统501，第二光学系统502，偏转元件503，物体504，投影图像505，和投影光束507分别地类似于，如图2或者图4所示，第一光学系统201，401，第二光学系统202，402，(光路)偏转元件203，403，物体，投影图像205，405，和投影光束207，407。然而，本发明的实例3的特征在于，本发明实例1或者2中的偏转元件的角度是可变的。如图5所示，通过使用这样的结构，可调整投影图像的位置。也就是说，在图5中，可通过改变偏转元件的倾斜程度以移动投影图像。允许投影图像位置调整的效果几乎不能通过传统技术获得。

(实例4)

图6A和图6B是图解根据本发明的实施例的实例4的显示设备10的结构的图。图6A是实例4的显示设备的侧视图并且图6B是实例4的显示设备的俯视图。

图6A和图6B显示本发明的任一实例的投影光学设备被应用至其的显示设备600。显示设备600是由至少图像生成单元和本发明的任一实例的投影光学设备组成的显示设备以投射显示由图像生成单元形成的图像。

另外，本发明实例4中的第一光学系统605，第二光学系统606，偏转元件607，中间像608，投影图像609，成像光束610，投影光束611，以及交叉的区域612类似于本发明实例1到3的。

这里，此实例由用作图像生成单元的光阀(反射型液晶面板)601，用于照明光阀601的光源602(超高电压汞灯，卤素灯，氙气灯，等等)，以及用于使灯的光强分布均匀的均匀照明光学系统603组成(光学系统由第一蝇眼透镜603a，第二蝇眼透镜603b，主会聚透镜603c，子会聚透镜603d，可选的反射镜603f等组成，以高效地进行光阀601上的均匀照明的)。此外，因为灯光源602不是极化的，常使用光偏振转换元件603e等对液晶面板601进行高效照明。以上上述的结构是提供的照明光学系统603的一个实例，而不是对照明光学系统603的限制。对于其他实例，透射型液晶面板、其中对应于像素的微反射镜被二维地排列并且光调制通过倾斜每个反射镜被进行的元件等都可作为面板601。为了改善其效能光偏振转换对使用偏振光的液晶面板是必要的，但是对于不依靠光偏振的面板是不必要的。

图6A和图6B显示包括反射型液晶面板601的显示设备600的实例，其中充分地偏振的照明光通过光路分离元件604达到反射型液晶面板601。作为光路分离元件604，最好使用偏振光束分光器(在下面称为PBS)。从PBS反射并且照明面板601的光束基于输入图像信号而在光阀上形成图像光。另外，通常地在像素基础上调制光。调制图像光通过PBS从照明光分离并且导向本发明实例的投影光学设备。然后，这些被用于整体地支持它们的壳体覆盖成为投射式显示设备600。

此外，可容易地进行运用其到如图3所示光学系统。虽然如上所述的图像生成的实例4是一个面板601的情况，可准备对应于红，绿，和蓝的面板，然后，在将照明光分离为三原色，并且将它们的每一个如上所述进行照明光和投射光的分离，随后三原色可以合成并导向投影光学系统。光源602是灯光源，但是也可以使用LED光源或者LD光源。在那种情况下，使用适合于光源的照明光学系统。如果图像生成单元自身是自发光的元件，则不需要照明光学系统603。

此外，其他图像生成装置包括通过二维地扫描LD光源并调制驱动各像素获得显示图像的图像生成系统。在这种情况下，用于获得投影图像的扫描光路对应于投影光路。

(实例5)

图7是图解根据本发明的实施例的实例5的投影光学设备的结构的图。如图7所示，本发明实例5的投影光学设备700与本发明实例1到3的投影光学设备类似，包括例如折射光学系统的第一光学系统701，例如凹面镜的第二光学系统702，以及例如反射镜的偏转元件703，其中物面704发出的光束的光路通过偏转元件703偏转并且通过偏转元件703偏转的投影光束706被投射到在投影的位置的屏幕表面705。

然而，相对于图7所示的投影光学设备700中的第一光学系统701和第二光学系统702，投影光束被从上侧投射到下侧(用于成像平面半部的光线未显示在图7中)。

通常地用于办公室的所谓的前投影仪被放置在桌上并且在配置在前面的屏幕上进行投影。近年来，例如，用于从上侧到下侧投影在壁等的设备已经商业化并且可能通过使用本发明实例5的结构，在不改变例如照明系统、面板周围的光学系统、投影光学系统等所谓的投影仪引擎部分的姿势取向的情况下容易地进行向下投影。根据需要，偏转元件703可以是是可分离的。也可以得到向上投影和向下投影组合使用的设备。当然，设备自身可以被垂直地反转，并且其布局自由度的改进明显地对设备的设计提供有利的效果。

另外，从图中很明显，通过从上侧向下侧投射投影光束作为本发明实例5构成要件的偏转元件703的反射表面向下，其导致防灰尘沉积等等。此外，虽然在图中没有显示，因为没有光射线行进到偏转元件703的后表面，所以更好的是完全地覆盖光学系统以便外部漫射光不从其上侧进入光学系统，。当使用这样的结构时，凹面镜的反射镜稍微向上取向并且从防尘观点，可能获得非常有利的结构。

(实例6)

图8A，图8B，和图8C是图解根据本发明的实施例的实例6的投影光学设备结构的图。图8A是显示在光束被投射时候(在投影的时候)的投影光学设备的图。图8B是显示其中在光束未投射时候(在非投影的时候)偏转元件可移动的实例6的投影光学设备的图。图8C是显示其中凹面镜在光束未投射时候(在非投影的时候)是可移动的实例6的投影光学设备的图。更具体地，图8B是显示图8A所示的偏转元件是可移动的并且偏转元件移到第一光学系统侧的情况的图，并且图8C是显示图8A所示的凹面镜是可移动的并且凹面镜移到第一光学系统侧的情况的图。

如图8A，图8B，和图8C所示，本发明实例6的投影光学设备800类似于本发明的实例5的投影光学设备等，包括例如折射光学系统的第一光学系统801，例如凹面镜的第二光学系统802，以及例如反射镜的偏转元件803，其中物面804发出的光束的光路通过偏转元件803偏转并且通过偏转元件803偏转的光束被投射到例如屏幕表面的投影表面上。

本发明实例6的投影光学设备800是本发明实例5的投影光学设备的实例，其中作为构成第二光学系统802的光学元件的凹面镜和偏转元件803是可移动的，并且允许在非投影的时候移动到第一光学系统801侧。为了方便图解起见，光线未显示在图中。同时，本发明的实例6的投影光学设备800可以是例如本发明实例4的显示设备，其中作为显示设备的构成要件，光源、照明系统、光阀等为了避免图面的复杂性而从略，显示图7所示的本发明实例5的投影光学系统的放大图。此外，作为显示例如凹面镜等的第二光学系统802和偏转元件803的配置关系的透视图。

从投影光学设备800投射光束的时候，如图8A所示，获得如图7所示的投影图像。然而，偏转元件803，第二光学系统802等在不从投影光学设备800投射光束的时候从第一光学系统801突出。这些部分是可移动的，并且如图8所示，作为构成第二光学系统802的光学元件的凹面镜和偏转元件803被允许移动到第一光学系统801侧。虽然对于本发明实例6，用于支持第二光学系统802例如凹面镜和偏转元件803的外壳等等未显示在图8A，图8B，和图8C中，可使用传统使用的驱动机构使第二光学系统802或者偏转元件803沿着导轨滑动并且被移动或者臂驱动。可以第二光学系统802或者偏转元件803的一侧为轴设置旋转机构，采用对第二光学系统802或者偏转元件803进行折叠的结构。图8B显示偏转元件803绕作为转动轴805的偏转元件的一侧向上折叠的情况。因为偏转元件803被折叠到第一光学系统801侧，所以偏转元件803和例如凹面镜的第二光学系统802之间的间隙被增加，不仅偏转元件803而且例如凹面镜等的第二光学系统802也接近于第一光学系统801。当然，有可能对于移动第二光学系统802或者偏转元件803的方法使用各种手段。同时，偏转元件803可能是可分离的结构。在这种情况下，可能选择光束投射方向。此外如未显示在图中的，可使偏转元件可以被固定，仅凹面镜可移动。具体地，可包括将凹面镜折叠到偏转元件侧以防止凹面镜在收纳的时候突起的结构等。

虽然已经参考附图说明某些实施例和实例，例如，有可能本发明的实施例和实例将可得到用于投影光学设备和使用它的显示设备。例如，有可能本发明的实施例和实例将可得到用于投射和显示由例如液晶面板的光阀生成的图像的投影光学设备，或者使用它的显示设备。此外，例如，有可能本发明的实施例和实例将可得到用于作为产品或者安装在其中的投影光学系统的前投影仪或者后投影仪。虽然本发明实施例和特殊的实例已经具体地如上所述，本发明不局限于所述实施例或者特殊的实例并且本发明实施例和特殊的实例能够在没有背离本发明精神和范围的情况下被改变或者修改。

本申请要求2007年9月7日提交的日本专利申请号2007-233249以及2008年6月18日提交的日本专利申请号2008-159655的优先日期的权益，其申请的全部内容通过引用被结合在此。

Claims (5)

1.一种投影光学设备，其特征在于，包含：

由具有屈光力的多个光学元件构成的形成与物体共轭的像的投影光学系统；以及

构造为所述与物体共轭的像被投射的投影表面；

没有屈光力的偏转元件，其被配置为偏转从所述投影光学系统出射的光束的光路以在所述多个光学元件之间通过所述光路被偏转的光束，

其中在所述投影表面中心的投影表面法线不通过所述多个光学元件或所述多个光学元件之间，

所述偏转元件的反射率能够被控制。

2.一种投影光学设备，其特征在于，包含：

由具有屈光力的多个光学元件构成的形成与物体共轭的像的投影光学系统；以及

构造为所述与物体共轭的像被投射的投影表面；

没有屈光力的偏转元件，其被配置为偏转从所述投影光学系统出射的光束的光路以在所述多个光学元件之间通过所述光路被偏转的光束，

其中在所述投影表面中心的投影表面法线不通过所述多个光学元件或所述多个光学元件之间，

所述偏转元件是从所述投影光学设备可分离的。

3.一种投影光学设备，其特征在于，包含：

由具有屈光力的多个光学元件构成的形成与物体共轭的像的投影光学系统；以及

构造为所述与物体共轭的像被投射的投影表面；

没有屈光力的偏转元件，其被配置为偏转从所述投影光学系统出射的光束的光路以在所述多个光学元件之间通过所述光路被偏转的光束，

其中在所述投影表面中心的投影表面法线不通过所述多个光学元件或所述多个光学元件之间，

所述偏转元件具有半反射镜结构。

4.一种图像显示设备，其包含被配置为生成图像的图像生成装置，和被配置为将由所述图像生成装置生成的图像投射显示到显示面上的图像投射显示装置，其特征在于，所述图像投射显示装置包含如权利要求1至3中任一项所述的投影光学设备。

5.如权利要求4所述的图像显示设备，其特征在于，所述图像显示设备是前投射式图像显示设备。

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