CN102736375B - 投影机、投影单元及电子黑板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供投影机、投影单元及电子黑板。提供实现基于超短距离的接近投影的图像呈现和基于中长距离的投影的图像呈现的投影机及该投影机采用的投影单元。提供可实现重量、消耗功率、成本的降低、进深尺寸的抑制的便利性高的电子黑板。具备包含射出影像光的射出光学系统的主体部2和使射出光学系统射出的影像光向被照射面投影的投影单元3，投影单元3具备使影像光形成的像的倍率变换的变倍光学系统和使来自变倍光学系统的影像光反射并广角化的凹面的广角化镜，变倍光学系统对形成相对于射出光学系统的光轴倾斜的像面的像进行倍率变换。

Description

投影机、投影单元及电子黑板
技术领域
本发明涉及投影机、投影单元及电子黑板，特别地说，涉及接近投影用的投影机。
背景技术
近年，具备可通过短投影距离显示大画面的所谓接近投影用的投影光学系统的投影机产品化。通过采用该投影光学系统，与传统的前投影型的投影机比，可以超短距离显示大画面(例如，以40cm的投影距离显示100英寸)。这些投影机一般仅可在超短距离投影中使用，期待可根据目的应用于从超短距离投影到传统的投影机的中长距离投影。例如，专利文献1提案了通过在投影透镜的屏幕侧安装的反射投影单元而放大缩放比的投影机的技术。在安装了反射投影单元的状态和取下反射投影单元的状态下，可以获得不同缩放比的图像。
如果要在超短距离投影中适用专利文献1的反射投影单元，则必须显著放大缩放比。该场合，缩放比越大，越难降低像差。另外，由于采用相对于透镜的光轴(中心轴)偏心配置多个曲面镜的构成，光学元件的稍微偏移等往往对图像造成很大的影响。因而，为了获得期望的光学性能，需要非常高精度的调节，而且也难以降低偏心光学系统所导致的像差。
另外，近年，随着多媒体内容的增加，普及了在文教领域和/或演示等中使用的所谓互动板。互动板的特征在于，在显示内容的同时，可以由使用者对该内容进行写入。通常，互动板与传统的黑板和/或白板形成同样的尺寸，因此要求在比较广的范围进行显示。若在互动板的广范围的显示中适用一般的直视型的显示器，则存在装置全体的重量、消耗功率、成本方面的问题。
例如，专利文献2及3提案了从投影机投影的影像光由平面镜反射、入射透过型屏幕的电子黑板的技术。专利文献4提案了具备超短距离投影的投影机的电子黑板的技术。通过使用投影机的放大投影，可以实现广范围的显示。通过使用投影机，可减轻重量、消耗功率、成本。但是，为专利文献2及3的技术的场合，由于宽大的平面镜相对于透过型屏幕倾斜设置，进深方向的尺寸变大，存在设置性降低的问题。专利文献4的技术中的投影机仅仅适用于超短距离投影，由于使用用途被限定，存在便利性低的问题。
【专利文献】
【专利文献1】特开2002-6398号公报
【专利文献2】特开2003-136892号公报
【专利文献3】特开2004-252345号公报
【专利文献4】特开2009-83277号公报
发明内容
本发明鉴于上述的问题而提出，第1目的是提供用于实现基于超短距离的接近投影的图像呈现和基于中长距离的投影的图像呈现的投影机及该投影机中采用的投影单元。
另外，本发明的第2目的是提供可实现重量、消耗功率、成本的削减、进深尺寸的抑制的便利性高的电子黑板。
为了解决上述问题而实现目的，本发明涉及的第1投影机包括：(a)主体部，包含光源、由来自光源的光照明的显示面、以及射出光学系统，所述射出光学系统在射出来自显示面的光的同时可将来自显示面的光暂时设为形成相对于显示面倾斜的显示面的像面的光；和(b)投影单元，使从射出光学系统射出的来自显示面的光向被照射面投影，并具备具有正的放大率、将形成相对于显示面倾斜的显示面的像面的光反射并广角化的凹面的广角化镜，(c)主体部及投影单元的任一方具有对形成相对于显示面倾斜的显示面的像面的像变换倍率的变倍光学系统。
上述第1投影机中，将主体部和投影单元组合，可实现超短距离投影。取下投影单元，主体部可单体实现中长距离投影。这里，通过在投影单元设置的广角化镜，使形成相对于显示面或光轴充分倾斜的像面(即，相对于光轴的法线或与光轴垂直的面充分倾斜的像面)的光反射并广角化，因此，即使不采用偏心光学系统，也可以进行抑制了扭曲等的像差的发生的良好接近投影。另外，通过由凹面的广角化镜进行的反射使形成影像的光广角化，也可以降低广角化导致的色差。而且，可通过变倍光学系统将形成相对于显示面倾斜的像面的像设为适度的尺寸。从而，可以获得可实现基于超短距离的接近投影的图像呈现和基于中长距离投影的图像呈现的投影机。
本发明的具体的方面中，上述第1投影机中，变倍光学系统是使形成相对于显示面倾斜的显示面的像面的像相对地缩小的缩小光学系统。从而，可以使形成相对于显示面倾斜的像面的像缩小，进行接近投影。
本发明的其他方面中，投影单元使相对于显示面倾斜的显示面的像面在与显示面平行的被照射面成像。即，可观察到无倾斜的适当的像。
本发明的其他方面中，射出光学系统可切换为在沿光轴的比较远距离的第1范围使形成与显示面平行的显示面的像面的像成像的通常显示状态和在沿光轴的比较近距离的第2范围使形成与显示面平行的显示面的像面的像成像的微距显示状态。另外，由通常显示状态的射出光学系统可在比较远的距离形成比较大的像，由微距显示状态的射出光学系统可在比较近的距离形成比较小的像。
本发明涉及的第2投影机，包括：(a)主体部，包含光源、由来自光源的光照明的显示面、以及射出来自显示面的光的射出光学系统；和(b)投影单元，使从射出光学系统射出的来自显示面的光向被照射面投影，并具备具有正的放大率、将来自显示面的光反射并广角化的凹面的广角化镜，(c)在沿光轴的比较远距离的第1范围采用形成与显示面平行的显示面的像面的光，在沿光轴的比较近距离的第2范围采用形成相对于显示面倾斜的显示面的像面的光。
上述第2投影机中，将主体部和投影单元组合，可实现超短距离投影。取下投影单元，主体部可单体实现中长距离投影。这里，通过在投影单元设置的广角化镜，使形成相对于显示面或光轴充分倾斜的像面(即，相对于光轴的法线或与光轴垂直的面充分倾斜的像面)的光反射并广角化，因此，即使不采用偏心光学系统，也可以进行抑制了扭曲等的像差的发生的良好接近投影。另外，通过由凹面的广角化镜进行的反射使形成影像的光广角化，也可以降低广角化导致的色差。从而，可以获得可实现基于超短距离的接近投影的图像呈现和基于中长距离投影的图像呈现的投影机。
上述第1及第2投影机的具体的方面中，主体部对投影机可装卸。从而，从投影机取出比较轻量的主体部，可以实现中长距离投影。
本发明的其他方面中，射出光学系统和投影单元配置成使光轴一致。从而，能够容易进行用于获得期望的光学性能的光学系统的调节和/或光学元件的加工。特别地，可以使主体部和投影单元的位置对合容易。
本发明的其他方面中，射出光学系统和投影单元构成使来自显示面的光从光轴移位并行进的移位光学系统。从而，可以避免广角化镜反射的光与光轴上的光学元件的干涉，使广角化了的光向被照射面行进。
本发明涉及的投影单元，(a)与包含光源、由来自光源的光照明的显示面、以及射出来自显示面的光的射出光学系统的主体部组合使用，使从射出光学系统射出的来自显示面的光向被照射面投影，所述投影单元包括：(b)具有正的放大率、将形成相对于显示面倾斜的显示面的像面的光反射并广角化的凹面的广角化镜；和(c)对形成相对于显示面倾斜的显示面的像面的像变换倍率的变倍光学系统。从而，可以获得将基于中长距离的投影的图像呈现切换为基于超短距离的接近投影的图像呈现的投影单元。
而且，本发明的电子黑板包括：(a)上述第1及第2投影机；和(b)具备被照射面且可对被照射面写入其他信息的画面显示部；(c)投影机中，包含射出光学系统的主体部可装卸。
电子黑板通过来自由主体部及投影单元组合而成的投影机的接近投影，在画面显示部显示影像。通过采用接近投影用的构成，可以将进深方向的尺寸抑制得较小。另外，包含射出光学系统的主体部可相对于电子黑板装卸，由主体部单体可实现中长距离投影，因此可以确保高通用性、便利性。电子黑板适用于放大投影用的投影机，可降低重量、消耗功率、成本。从而，可实现重量、消耗功率、成本的降低、进深尺寸的抑制，获得便利性高的电子黑板。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的投影机的概略构成的示图。
图2是主体部的概略构成的示图。
图3(A)是说明主体部单体投影的示意图，(B)是说明主体部与投影单元组合时的投影的示意图。
图4是投影单元的截面构成和影像光的光线的示图。
图5是说明图4所示各光学元件的功能的示意图。
图6是中长距离投影时的像高和光线距离的关系的说明图。
图7是接近投影的场合的说明图。
图8是接近化和光线距离的变化的说明图。
图9(A)及(B)是由主透镜获得倾斜的像面的方法的说明图。
图10是背焦和像面的倾角的说明图。
图11是第1实施方式的实施例的光学系统的说明图。
图12是图11所示实施例的光学系统进行的接近投射的说明图。
图13表示从主体部分离了投影单元的状态。
图14是从主体部分离投影单元时的中远距离投影的说明图。
图15(A)是从图14(B)的系统除去了投影单元的状态示图，(B)是从图14(B)的系统部分地除去了投影单元的状态示图。
图16是本发明的第2实施方式的投影机的各光学元件的示意图。
图17是本发明的第3实施方式的投影机的各光学元件的示意图。
图18是本发明的第4实施方式的电子黑板的主视立体图。
图19是电子黑板的后视立体图。
图20(A)是投影机固定部及其周边部分的示图，(B)是从(A)所示状态取下了主体部后的状态示图。
图21是具备引导结构的投影机固定部的示图。
图22是画面显示部形成的菲涅耳透镜的截面示意图。
图23是第4实施方式的变形例的电子黑板的正面侧立体图。
【符号的说明】
1投影机，2主体部，3投影单元，SC屏幕，10光源，11第1积分透镜，12第2积分透镜，13偏振变换元件，14重叠透镜，15第1分色镜，16、23、25反射镜，17R、17G、17B场透镜，18R、18G、18B液晶显示面板，19交叉分色棱镜，20投影透镜，21第2分色镜，22、24中继透镜，31第1透镜，32第2透镜，33广角化镜，34透镜支撑部，35镜支撑部，36基板，AX光轴，N法线，IMG、IMGA、IMGB像面，R缩小光学系统，50电子黑板，51投影机，52主体部，53投影单元，54画面显示部，55基台，56投影机固定部，60引导结构，61菲涅耳透镜，62棱镜结构体，70电子黑板
具体实施方式
以下参照图面，详细说明本发明的实施方式。
第1实施方式
图1是本发明的第1实施方式的投影机1的概略构成的示图。投影机1具备主体部2及投影单元3。主体部2射出与图像信号相应的影像光。投影单元3使来自主体部2的影像光向屏幕SC的被照射面投影。
图2是主体部2的概略构成的示图。光源10是例如超高压水银灯，射出包含R光、G光、B光的光。这里，光源10可以是超高压水银灯以外的放电光源，也可以是LED和/或激光这样的固体光源。第1积分透镜11及第2积分透镜12具备按阵列状排列的多个透镜元件。第1积分透镜11将光源10的光束分割为多个。第1积分透镜11的各透镜元件使来自光源10的光束在第2积分透镜12的透镜元件附近会聚。第2积分透镜12的透镜元件及重叠透镜14使第1积分透镜11的透镜元件的像在液晶显示面板18R、18G、18B形成。通过这样的构成，来自光源10的光以近似均一的亮度照明液晶显示面板18R、18G、18B的期望的区域(图像显示面)全体。
偏振变换元件13将来自第2积分透镜12的光变换为预定的直线偏振光。重叠透镜14使第1积分透镜11的各透镜元件的像在液晶显示面板18R、18G、18B的照射面上重叠。
第1分色镜15使从重叠透镜14入射的R光反射，使G光及B光透过。第1分色镜15反射了的R光经反射镜16及场透镜17R入射空间光调制装置即液晶显示面板18R。液晶显示面板18R根据图像信号调制R光。
第2分色镜21使来自第1分色镜15的G光反射，使B光透过。第2分色镜21反射了的G光经场透镜17G，入射空间光调制装置即液晶显示面板18G。液晶显示面板18G根据图像信号调制G光。透过了第2分色镜21的B光经中继透镜22、24、反射镜23、25及场透镜17B，入射空间光调制装置即液晶显示面板18B。液晶显示面板18B根据图像信号调制B光。
色合成光学系统即交叉分色棱镜19，将各液晶显示面板18R、18G、18B调制了的光合成，形成影像光，使其向投影透镜20行进。投影透镜20起到使影像光从主体部2射出的射出光学系统的功能。另外，作为空间光调制装置，也可以取代透过型的液晶显示面板18R、18G、18B而采用反射型的液晶显示面板。另外，空间光调制装置也可以采用反射型的器件(例如，微镜器件等)。
图3(A)是说明通过主体部2单体投影影像光时的投影距离的示意图。主体部2可以相对于投影机1装卸。从投影机1取下的单体的主体部2通过从投影透镜20投影的影像光，在被照射面呈现影像。该场合，主体部2向屏幕SC侧设置投影透镜20。主体部2可以在从距离A到距离B(设为A＜B)之间，例如以相同画面尺寸对焦。
图3(B)是说明向主体部2组合投影单元3并投影影像光时的投影距离的示意图。投影机1由投影单元3投影从投影透镜20射出的影像光，在被照射面呈现影像。该场合，主体部2将投影透镜20朝向屏幕SC的相反侧的投影单元3地被安装于投影机1。投影机1可以比距离A短的距离C投影。
图4是投影单元3的截面构成和入射投影单元3前后的影像光的光线的例示图。投影单元3具备第1透镜31、第2透镜32及广角化镜33作为光学元件。第1透镜31及第2透镜32配置在与投影透镜20对向的位置。第1透镜31及第2透镜32可以采用例如球面透镜等。第1透镜31及第2透镜32通过透镜支撑部34被支撑在基板36上。
广角化镜33设置在来自第1透镜31及第2透镜32的影像光入射的位置。广角化镜33是使影像光反射并广角化的凹的非球面镜。广角化镜33通过镜支撑部35在基板36上被支撑。第1透镜31及第2透镜32和广角化镜33经由共同的基板36定位并固定。
广角化镜33具有相对于中心轴(光轴)近似旋转对称的形状，例如，具备切去臼状的一部分后的非球面形状。广角化镜33的对称轴或光轴与投影透镜20的光轴AX一致。第1透镜31及第2透镜32的光轴也与投影透镜20的光轴AX一致。这样，投影透镜20、第1透镜31、第2透镜32及广角化镜33配置为与光轴AX一致。
投影透镜20、第1透镜31、第2透镜32及广角化镜33使根据图像信号调制了的光向特定侧移位并行进。具体地说，在像侧中，相对于光轴AX，使光向特定侧即铅垂下侧移位并行进。在交叉分色棱镜19的入射面假想地形成的像面的中心法线(等于在后说明的显示面DS的图像显示面区域的中心法线)与光轴AX平行，相对于光轴AX，处于特定侧的相反侧即铅垂上侧。
另外，说明投影透镜20及投影单元3时，物体侧是指液晶显示面板18G(18R，18B)侧，像侧是指像面IMG侧或屏幕SC侧。
主体部2例如采用与投影单元3完全分体的结构，可相对于投影机1装卸。另外，主体部2也可以设为在投影机1内移动，与投影单元3一体构成。例如中长距离投影的场合，也可以采用使主体部2移动到从投影透镜20投影的影像光未被投影单元3遮挡的位置的构成。主体部2和投影单元3一体构成时，可省略投影机1搬运后两者的位置调节等，因此可以提高使用者的便利性。当然，也可以固定主体部2，而使投影单元3可移动到从投影透镜20投影的影像光未被投影单元3遮挡的位置。
图5是构成投影机1的投影用光学系统的各光学元件的概念示意图。投影透镜20具备放大投影用的主透镜ML，可单独进行如图3(A)所示的中长距离投影。投影单元3通过与投影透镜20组合，可以对在投影透镜20的背后上方配置的未图示的屏幕SC进行超短距离的接近投影。这里，投影单元3可以分为与折射光学系统30相当的在主透镜ML侧配置的调节用透镜L1和与广角化镜33相当的在屏幕SC侧的非球面镜AM加以考虑。
在主透镜ML附带着可动机构26，与投影单元3进行装卸时，可手动或电动地相对变更主透镜ML在光轴AX方向的位置。投影单元3的前段的调节用透镜L1作为全体具有正的放大率，具备在主透镜ML侧或光入射侧配置的负的放大率的第1透镜31和在光射出侧配置的正的放大率的第2透镜32。另外，调节用透镜L1起到随着主透镜ML的像面接近物体侧而使通过主透镜ML形成的中间像缩小的缩小光学系统R的功能。非球面镜AM具有使在折射光学系统30的光射出侧形成的中间像在未图示的屏幕SC上再成像的作用。
以上，投影单元3由全体具有比较小的正的放大率的调节用透镜L1和具有比较大的正的放大率的非球面镜AM组合而成，起到开普勒型的无焦系统的功能，使焦点距离缩短，放大像的倍率。即，投影单元3成为主透镜ML或投影透镜20的前转换器(该场合，广角化用的广角转换器)。这里，当作为前转换器的投影单元3仅仅由透镜构成时不容易抑制色差，例如要实现130度以上的广角化时，显著发生色差。因而，投影单元3中放大率大的部分由非球面镜AM构成，以抑制色差的发生。采用这样的非球面镜AM的场合，通过反射使光折返，因此，必须避免光轴AX附近的光线的干涉。因而，使作为物体的显示面DS从光轴AX偏离，将主透镜ML、调节用透镜L1及非球面镜AM作为移位光学系统。另外，显示面DS对应于在图2所示主体部2的液晶显示面板18R、18G、18B中形成与图像信号相应的图像的图像显示面。而且，以上的移位光学系统中，构成投影单元3等的各光学元件中，从轴AX离开的周边部被使用的倾向高，屏幕SC也远离轴AX。因而，通过由非球面形成构成投影单元3等的一个以上的光学元件(具体为非球面镜AM)，可以显著降低在从光轴AX远离的位置的像差。
图6是说明由主透镜ML单独进行中长距离投影时的像高和光线距离的关系图。像高是指以光轴AX为基准的铅垂方向的像的高度。仅仅由主透镜ML进行一般的中长距离投影的场合，像高最小的部分的倍率as0/ap和像高最大的部分的倍率bs0/bp成为接近值，像面IMG0成为与光轴AX近似垂直(与显示面DS近似平行)。
图7是向主透镜ML追加投影单元3后的超短距离的接近投影时的说明图。为超短距离的接近投影的场合，由主透镜ML等，在调节用透镜L1和非球面镜AM之间设定的像面IMGb上形成显示面DS的中间像II。为了在这样的位置形成中间像II，虽然详细情况将在后说明，但是首先，通过可动机构26使主透镜ML沿光轴AX方向适当移动，以在比图6所示应该非球面镜AM等配置的位置更靠屏幕SC侧处所设置的像面IMGa上暂时形成显示面DS的中间像II。而且，通过配置投影单元3，由起到缩小光学系统R功能的调节用透镜L1使仅仅由主透镜ML形成的中间像II缩小，使仅仅由主透镜ML形成的像面IMGa的位置移动到非球面镜AM的像侧的像面IMGb的位置。另外，能仅仅通过主透镜ML的移动就在非球面镜AM的像侧的像面IMGb上形成中间像II的场合，不必使调节用透镜L1具备作为缩小光学系统R的功能。
非球面镜AM包含由以下的多项式h表示的非球面形状。这里，y设为像离光轴AX的高度(像高)，c设为作为非球面镜AM的形状的基准的球面的曲率，k设为圆锥常数，A2、A4、A6、A8、A10...分别设为预定的补正项。
式1
h = cy 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 y 2 + A 2 y 2 + A 4 y 4 + A 6 y 6 + A 8 y 8 + A 10 y 10 + · · ·
上述式的分数项表示成为基准的非球面形状的项，在k＝0时表示球面形状。补正项表示从成为该基准的非球面形状的偏移。上述式表示即使通过补正项补正成为基准的非球面形状也相对于中心轴成旋转对称的非球面形状。另外，多项式h中的补正项的个数可任意。
使影像光广角化的场合，一般地说，离光轴AX越远的周边部越容易发生扭曲等像差，因此，特别需要显著降低周边部的像差的设计。本实施方式中，通过在表示非球面镜AM的形状的多项式h包含补正项，可对由c及k确定的二次曲线，进行与离光轴AX的高度y对应的形状的补正。由于对各补正项乘以y的乘方，因此，在y越大的部分进行越有效的补正。从而，即使由包含非球面镜AM等的投影单元3使主透镜ML短焦点化，也可以实现扭曲等像差在周边部非常少的高性能光学系统。另外，表示非球面镜AM的形状的式不限于本实施方式说明的式，也可以适当变形。而且，广角化镜33的形状也可以是作为XY多项式表示的自由曲面。
如图8所示，若进一步使屏幕SC和非球面镜AM接近，则对于像高最大的部分，光线的距离从bs变化到bs′。对于像高高的部分，通过调节表示非球面镜AM的形状的多项式以这样改变光线的距离，可以进行有效的补正。如果进一步接近，则不仅像高高的部分，对于像高低的部分，也必须进行将光线的距离从as变化为as′的补正。像高越低的部分，越难以进行基于上述的非球面镜AM的多项式的补正。因而，本实施方式中，对于像高低的部分，不进行基于非球面镜AM的像差补正，而利用主透镜ML的光学特性进行像差补正。
以下，参照图6，说明本实施方式中的主透镜ML的光学特性。主透镜ML形成的像面在比预定距离远的范围即成像范围中，相对于光轴AX近似垂直(与显示面DS近似平行)地正立或倒立，在比预定距离近的范围中，相对于光轴AX的法线N倾斜。主透镜ML使用使像面相对于显示面DS平行地正立或倒立的第1范围FL1，单独进行中长距离投影。另外，主透镜ML在比第1范围FL1靠主透镜ML侧的第2范围FL2中，如图中粗虚线所示，作成相对于法线N倾斜的像面IMGa，用于超短距离的接近投影。
图9(A)及9(B)是由主透镜ML获得倾斜像面的方法的说明图。图9(A)表示以背焦作为fa的中长距离投影的情况(第1模式)。第1模式是由主体部2即主透镜ML单体在被照射面显示图像的模式，相当于通常显示状态。图9(B)表示以背焦作为fa′(fa＜fa′)的超短距离的接近投影的情况(第2模式)。第2模式是将主体部2和投影单元3组合，在被照射面显示图像的模式，相当于微距显示状态。
第2模式(微距显示状态)中，通过图5的可动机构26，使主透镜ML从第1模式(通常显示状态)中的主透镜ML的通常的位置沿着光轴AX方向移动，使得背焦变长。若使近轴的成像位置向主透镜ML侧移动，则一般在从光轴AX离开的影像光形成的像面产生倾角。例如，如图10所示，随着背焦从+0扩大，像面的倾角呈现不规则，在+0.4、+0.3附近，相对于法线N完全倾斜。
通过预先制作可实现超短距离的投影用的第2模式的主透镜ML，将具备主透镜ML等的主体部2与具备非球面镜AM等的投影单元3组合时，可发挥高光学性能。通过在主体部2内使主透镜ML沿着光轴AX方向移动的简易动作可变换模式，从而，几乎不产生成本升高就可实现简单且高精度的构成。另外，由主透镜ML获得图6等所示的倾斜像面IMGa的方法不限于使主透镜ML沿着光轴AX的方向移动的情况。也可以通过改变构成主透镜ML的至少一个透镜的倾角，获得倾斜的像面IMGa。该场合，也可由简易动作实现模式的变换。另外，第2模式中，如已经说明的那样，主透镜ML形成的像面IMGa由缩小光学系统R缩小为小一轮的像面IMGb，配置在非球面镜AM的正面。来自缩小了的像面IMGb的影像光通过由非球面镜AM反射，与显示面DS近似平行地正立或倒立，在与光轴AX近似垂直的屏幕SC上成像(参照图7)。
以下，参照图5等，详细说明构成投影机1的投影单元3和/或投影透镜20的功能。与主透镜ML相当的投影透镜20可形成相对于光轴AX的法线N倾斜的像面IMGa(参照图6)。投影透镜20具有特别是对像高低的部分补正像差的功能。投影单元3即第1透镜31、第2透镜32及广角化镜33起到放大像的前转换器的功能。
另外，本实施方式中，起到前转换器功能的投影单元3由于采用移位光学系统，因此向屏幕SC上投影时焦点位置若干偏移。对于因此产生的各像差，可以采取并用广角化镜33所进行的补正和用于降低像差的透镜的措施。另外，构成折射光学系统30的第1透镜31及第2透镜32也可以采用非球面透镜取代球面透镜，并具有补正像差的功能。这样，通过组合具有像差补正的功能的多个光学元件，可满足高性能的光学规格。特别地，构成折射光学系统30的透镜群内，通过采用非球面透镜、自由曲面透镜取代球面透镜，也可以减少透镜的个数和/或使透镜小型化。从而，可以实现成本降低和/或镜框的小型化。
负的放大率的光学元件即第1透镜31和正的放大率的光学元件即第2透镜32起到在投影透镜20及广角化镜33(AM)之间，缩小投影透镜20形成的倾斜像面IMGa的缩小光学系统R的功能。即，具备第1透镜31和第2透镜32的缩小光学系统R起到对形成相对于光轴AX的法线N倾斜的像面IMGa的像变换倍率的变倍光学系统的功能。
与非球面镜AM相当的广角化镜33将影像光折返后放大投影，使得通过缩小光学系统R缩小了的像面IMGb(参照图7)与屏幕SC的被照射面近似平行。另外，广角化镜33具有特别是对像高高的部分像差补正的功能。
广角化镜33通过采用相对于中心轴具有近似旋转对称的形状，可容易地与其他构成(投影透镜20及折射光学系统30)对齐光轴AX。另外，广角化镜33可通过车床等加工，因此可以容易且高精度制造。投影机1通过采用共轴光学系统，可以采用通常的共轴光学系统的设计方法。因此，可以实现光学系统的设计工时少且像差少的光学系统。
本实施方式，由于采用沿光轴AX以预定的间隔配置多个光学元件的构成，因此，通过对齐光轴AX可使组装容易，也可实现高性能。特别地，装卸主体部2时，要求主体部2的投影透镜20和投影单元3的各光学元件进行高精度的定位。通过使光轴AX共通，可以容易地进行主体部2侧的光学元件和投影单元3侧的光学元件的位置调节。为共轴光学系统的场合，可以使从光轴AX向周边的光学性能的变化比偏心光学系统中的光学性能的变化平缓。因而，可以使配置精度具有一定程度的余裕，因此可实现适用于本发明的构成。
以上，可以在图像的品质不劣化的情况下由一台投影机1实现超短距离的接近投影和中长距离投影。可以由一台投影机1覆盖从超短距离到中长距离的宽大投影距离。另外，本实施方式的投影单元3也可以与现有的投影型的投影机组合。在具备可形成图6所示的第2范围FL2中倾倒的像面的像的投影透镜的现有的投影机中适用投影单元3，也可以实现与本实施方式同样的接近投影。
投影单元3至少具有广角化镜33即可，也可以适当变形。例如，也可以使主体部2的光学系统例如投影透镜20具备第1透镜31的功能或者第1透镜31及第2透镜32双方的功能。该场合，投影机1也可以进行接近投影。
实施例1
图11及图12是将第2模式的投影透镜20及投影单元3组合后的接近投影的具体实施例1的说明图。这里，投影透镜20具有透镜L01～L10。另外，投影单元3具有第1及第2透镜31、32和广角化镜33。其中，第1透镜31包含3个透镜31a、31b、31c。
以下的表1表示了实施例1的透镜数据等。该表1中，“面编号”是从显示面DS侧顺序赋予各透镜的面的编号。另外，“面类型”表示球面、非球面的类别或者反射面，“R”表示曲率半径，“D”表示与下一个面之间的透镜厚度或者空气空间。而且，“Nd”表示透镜材料的d线中的折射率，“vd”表示透镜材料的色散。
【表1】
[表1]
  面编号   面类型   R：曲率半径   D：面间隔   Nd   vd
  物体   球   无限   7.1929
  1   球   无限   25.7500   1.516800   64.2
  2   球   无限   6.0000
  3   球   -158.3124   5.4000   1.589130   61.2
  4   球   -30.3217   23.9376
  5   球   27.5882   6.8760   1.696800   55.4
  6   球   -207.1157   0.7212
  7   球   24.4661   6.3000   1.487490   70.4
  8   球   -43.8787   1.3000   1.805180   25.4
  9   球   21.3563   5.6116
  10   球   -41.4060   1.4000   1.834000   37.3
  11   非球面   180.8211   1.0639
  光圈面   球   无限   7.3060
  13   球   207.7320   1.3000   1.806100   33.2
  14   球   47.1046   11.5471   1.744000   44.9
  15   球   -31.9160   0.1000
  16   球   -284.1975   4.3186   1.805180   25.4
  17   球   -49.4235   16.7773
  18   非球面   -40.9261   2.2000   1.531160   56.0
  19   非球面   -170.8767   3.9060
  20   球   -20.3540   1.8000   1.696800   55.4
  21   球   -125.9050   0.1000
  22   球   52.2202   8.0000   1.496583   65.1
  23   球   -31.7923   0.1000
  24   球   -35.9710   6.0000   1.743972   44.8
  25   球   44.0299   0.1000
  26   非球面   47.9589   4.5268   1.492000   57.2
  27   非球面   -471.3569   13.7855
  28   非球面   -73.0640   7.3931   1.492000   57.2
  29   非球面   -50.9036   159.7585
  30   非球面   -88.9269   -900.0000
实施例1中，投影透镜20和/或投影单元3基本形成球面，但是，第5透镜L05的射出面、第9透镜L09的入出射面、第1透镜31所包含的一个透镜31C的入出射面、第2透镜32的入出射面、广角化镜33都形成非球面。离这些非球面形状的光轴AX方向的面顶点的变位量设为上述的多项式h。构成实施例1的非球面的圆锥常数“k”、高次补正项“A2”～“A10”的值如下记的表2所示。
【表2】
[表2]
图12表示主体部2与投影单元3连接时对屏幕SC的投影状态。从图可知，在屏幕SC上以良好的成像状态进行了接近投影。
图13表示从主体部2分离投影单元3后，投影透镜20成为了第1模式的状态。该场合，与图11的状态比较，第1透镜L01～第10透镜L10一体地向物体侧移动，成为通常显示状态。
图14与图13对应，表示从主体部2分离投影单元3后对屏幕SC的投影状态。该场合，投影透镜20成为通常显示状态。从图可知，投影透镜20单独在屏幕SC上以良好的成像状态进行了接近投影。
图15(A)表示从图12或图11的状态除去投影单元3，投影透镜20保持在微距显示状态的情况，可知在正面的屏幕SC上，像面IMG不成像，在接近投影透镜20的位置，像面IMGa成像。
图15(B)是投影透镜20为微距显示状态，投影单元3中保留折射光学系统30而仅仅除去广角化镜33后的成像状态的示图。这样可知，通过配置折射光学系统30，在与投影透镜20比较近的位置形成显著倾斜的像面IMGb。
第2实施方式
图16是功能性地说明本发明的第2实施方式的投影机的各光学元件的示意图。本实施方式的场合，从投影单元3省略了起到缩小光学系统R功能的折射光学系统30，在投影透镜(射出光学系统)20内设置起到缩小光学系统R功能的透镜部分24。从而，可以在非球面镜AM的跟前形成相对于显示面DS或光轴AX适度倾斜的像面IMGa，在屏幕SC上以良好成像状态进行接近投影。
第3实施方式
图17是功能性地说明本发明的第3实施方式的投影机的各光学元件的示意图。本实施方式的场合，从投影单元3省略起到缩小光学系统R功能的折射光学系统30，由投影透镜(射出光学系统)20本身在非球面镜AM的跟前形成相对于显示面DS或者光轴AX适度倾斜的像面IMGa。从而，可以在屏幕SC上以良好成像状态进行接近投影。
第4实施方式
图18是本发明的第4实施方式的电子黑板50的主视立体图。电子黑板50具备与第1～3实施方式的投影机1(参照图1等)同样构成的投影机51和在投影机51的上方配置的画面显示部54。这里，投影机51具有主体部52及投影单元53。
主体部52射出与图像信号相应的影像光。投影单元53将来自主体部52的影像光向画面显示部54投影。主体部52及投影单元53分别具有与第1～3实施方式说明了的主体部2(参照图2等)及投影单元3(参照图4等)同样的构成。投影单元53的光学元件在机箱收纳。机箱具备用于射出影像光的开口。
画面显示部54通过从投影机51入射的影像光显示图像，且可对影像的显示面进行写入。画面显示部54以使光透过的半透过玻璃或者合成树脂作为材料而构成。使用者使用写入用的工具例如笔、指示棒等，向画面显示部54写入文字和/或图画等。另外，使用者使用删除用的工具等删除对画面显示部54的写入。
电子黑板50除了以上外，还具备读入装置(图示省略)。读入装置读入在画面显示部54的显示面写入的写入内容、和/或在画面显示部54显示的影像、使工具接触或接近画面显示部54等而输入的信息等。读入装置例如采用CCD摄像机等图像传感器。通过在电子黑板50设置该读入装置，可以进行画面显示部54的写入内容、和/或此时显示的影像、输入信息等的记录。
画面显示部54在框状的基台55安装设置。基台55中在连接二只支脚部58的方柱59上，设置了固定投影机51的板状部件即投影机固定部56。投影机51通过投影机固定部56，相对于画面显示部54安装在铅垂下侧。连接投影机固定部56和基台55并按放射状延伸的四条棒状部件57起到加强基台55中的投影机固定部56的安装强度的加强部件的功能。备棒状部件57在投影机51和画面显示部54之间中，配置在图中虚线箭头表示的影像光行进的区域的周边以不妨碍影像光。
图19是电子黑板50的后视立体图。投影机51向观察画面显示部54中影像的正面侧的相反侧的背面，接近投影影像光。画面显示部54使向背面(即被照射面)入射的来自投影机51的影像光向正面侧透过。画面显示部54具备使从投影机51入射的影像光漫射的光漫射性。画面显示部54在从背面入射影像光而显示的影像上重合显示向表面写入的文字和/或图画等。观察者观察到向表面写入的文字、和/或图画等和由画面显示部54漫射了的影像光。
图20(A)是电子黑板50中，设置了投影机51的状态下的投影机固定部56及其周边部分的示图。该电子黑板50中，通过由投影机固定部56将投影机51固定到基台55，可以在相对于画面显示部54高精度定位的状态下保持投影机51。从而，可在画面显示部54中显示高精细影像。另外，投影机51中，投影单元53固定到投影机固定部56，投影机51中，主体部52可从投影单元53分离，可以单独从投影机固定部56取下。
图20(B)是从图20(A)所示状态取下主体部52后的状态的示图。主体部52可以相对于投影机固定部56适当装卸，可单独使用。从而，通过将主体部52安装到投影机固定部56可以作为电子黑板50使用(接近投影)，通过从电子黑板50取下主体部52可以实现中长距离投影。
通过采用相对于画面显示部54在铅垂下侧配置投影机51的构成，主体部52在电子黑板50中设置在低的位置。从而，主体部52可以容易地安装到电子黑板50。
另外，如图21所示，投影机固定部56也可以具备用于定位主体部52的引导结构60。作为引导结构60采用例如沿主体部52的侧面形成的板状部件。主体部52沿引导结构60在投影机固定部56上滑动，与投影单元53的外壳抵接，从而被定位。从而，每次向电子黑板50安装主体部52时，可以容易地在正确位置设置主体部52。另外，引导结构60不限于这里图示的构成，只要可以在电子黑板50中使主体部52相对于投影单元53等定位，则可采用任意的构成。
图22是在画面显示部54形成的菲涅耳透镜61的截面示意图。菲涅耳透镜61，在画面显示部54中的投影机51的影像光入射侧的背面形成。菲涅耳透镜61起到使影像光角度变换的角度变换部的功能。菲涅耳透镜61具备形成近似三角形的截面形状的多个棱镜结构体62。棱镜结构体62配置成以例如光轴AX(参照图4等)为中心的近似同心圆状。菲涅耳透镜61通过变换对画面显示部54斜向行进的影像光的角度，使影像光可以向观察者的方向效率良好地行进。从而，电子黑板50可以在画面显示部54中显示明亮且亮度均一的影像。
电子黑板50通过采用超短距离的接近投影用的投影机51，抑制进深方向的尺寸。另外，通过使主体部52单体的中长距离投影成为可能，可确保高通用性、便利性。电子黑板50通过适用于可接近且确保足够尺寸的放大投影用的投影机51，可降低重量、消耗功率、成本。从而，可实现重量、消耗功率、成本的降低、进深尺寸的抑制并获得高便利性的效果。
图23是本实施方式的变形例的电子黑板70的主视立体图。本变形例的电子黑板70的特征是，相对于画面显示部54在铅垂上侧安装投影机51。投影机固定部56在基台55中的设置在画面显示部54的上部的方柱71固定投影机51。
通过相对于画面显示部54在铅垂上侧配置投影机51，使影像光从铅垂上侧向画面显示部54入射。使用者对画面显示部54写入时，写入用工具的影子铅垂向下地产生。从而，可以减少影子挡住写入位置的情况，提高便利性。
上述实施方式的投影机1、51采用具备第1透镜阵列、第2透镜阵列及重叠透镜的光学系统，以近似均一亮度照明液晶面板18R、18G、18B的期望的全体区域，但是不限于此，也可以采用具有导光棒的光学系统等其他照明光学系统以近似均一亮度照明液晶面板18R、18G、18B的期望的全体区域。
上述第1～第4实施方式的投影机1、51适用于例如在中长距离的投影时从观察侧将投影图像投影的前投型的投影机，但是也可以适用于从观察侧的相反侧将投影图像投影的背投型的投影机。
上述实施方式的投影机1、51例示说明了采用3个液晶面板的投影机，但是本发明不限于此，也可以适用于采用了1个、2个或4个以上的液晶面板的投影机。

Claims (11)

1.一种投影机，包括：
主体部，包含光源、由来自上述光源的光照明的显示面、以及射出光学系统，所述射出光学系统在射出来自上述显示面的光的同时可将来自上述显示面的光暂时设为形成相对于上述显示面倾斜的上述显示面的像面的光；和
投影单元，使从上述射出光学系统射出的来自上述显示面的光向被照射面投影，并具备具有正的放大率、将形成相对于上述显示面倾斜的显示面的像面的光反射并广角化的凹面的广角化镜，
上述射出光学系统可转换为在沿光轴的比较远距离的第1范围使形成与上述显示面平行的上述显示面的像面的像成像的通常显示状态和在沿上述光轴的比较近距离的第2范围使形成相对于上述显示面倾斜的上述显示面的像面的像成像的状态，
上述主体部及上述投影单元的任一方具有对形成相对于上述显示面倾斜的上述显示面的像面的像变换倍率的变倍光学系统。
2.权利要求1所述的投影机，其特征在于，
上述变倍光学系统是使形成相对于上述显示面倾斜的上述显示面的像面的像相对地缩小的缩小光学系统。
3.权利要求1所述的投影机，其特征在于，
上述投影单元使相对于上述显示面倾斜的上述显示面的像面在与上述显示面平行的上述被照射面成像。
4.权利要求2所述的投影机，其特征在于，
上述投影单元使相对于上述显示面倾斜的上述显示面的像面在与上述显示面平行的上述被照射面成像。
5.权利要求1所述的投影机，其特征在于，
上述在沿上述光轴的比较近距离的第2范围使形成相对于上述显示面倾斜的上述显示面的像面的像成像的状态为微距显示状态。
6.一种投影机，包括：
主体部，包含光源、由来自上述光源的光照明的显示面、以及射出来自上述显示面的光的射出光学系统；和
投影单元，使从上述射出光学系统射出的来自上述显示面的光向被照射面投影，并具备具有正的放大率、将来自上述显示面的光反射并广角化的凹面的广角化镜，
在沿光轴的比较远距离的第1范围采用形成与上述显示面平行的上述显示面的像面的光，在沿上述光轴的比较近距离的第2范围采用形成相对于上述显示面倾斜的上述显示面的像面的光。
7.权利要求1到6任一项所述的投影机，其特征在于，
上述主体部对上述投影机可装卸。
8.权利要求1到6任一项所述的投影机，其特征在于，
上述射出光学系统和上述投影单元配置成使光轴一致。
9.权利要求8所述的投影机，其特征在于，
上述射出光学系统和上述投影单元构成使来自上述显示面的光从上述光轴移位并行进的移位光学系统。
10.一种投影单元，与包含光源、由来自上述光源的光照明的显示面、以及射出来自上述显示面的光的射出光学系统的主体部组合使用，使从上述射出光学系统射出的来自上述显示面的光向被照射面投影，
上述射出光学系统可转换为在沿光轴的比较远距离的第1范围使形成与上述显示面平行的上述显示面的像面的像成像的通常显示状态和在沿上述光轴的比较近距离的第2范围使形成相对于上述显示面倾斜的上述显示面的像面的像成像的状态，
所述投影单元包括：
具有正的放大率、将形成相对于上述显示面倾斜的上述显示面的像面的光反射并广角化的凹面的广角化镜；和
对形成相对于上述显示面倾斜的上述显示面的像面的像变换倍率的变倍光学系统。
11.一种电子黑板，包括：
权利要求1到9任一项所述的投影机；和
具备上述被照射面且可对上述被照射面写入其他信息的画面显示部，
上述投影机中，包含上述射出光学系统的上述主体部可装卸。
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