CN102914869A - 成像光学系统、透镜单元和图像投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及成像光学系统、透镜单元和图像投影装置。所述成像光学系统包括：透镜单元，所述透镜单元包含多个光学元件；以及光路合成部分，所述光路合成部分包含被设置为相对于所述透镜单元的光轴而倾斜的平板，并且，所述透镜单元包含校正部分，所述校正部分在与所述平板的法线和所述光轴两者平行的截面中具有相对于所述光轴不对称的形状。

Description

成像光学系统、透镜单元和图像投影装置

技术领域

本发明涉及成像光学系统、透镜单元和图像投影装置。

背景技术

在使用多个图像面板（panel）的投影仪中，光路需要在光束入射投影透镜之前被合成。当使用反射液晶面板时，为了分离入射光与发射光，需要在反射液晶面板和投影透镜之间设置偏振分离表面。常规上，存在通过设置平板（flat plate）作为偏振分离表面而配置的投影仪。但是，当光束通过被设置为倾斜的平板时，产生诸如像散的各种类型的像差并因此使成像性能劣化。

日本专利公开No.H06-337396公开了使用具有相互正交的倾斜方向的两个平板以补偿像散的配置。日本专利公开No.H05-100187公开了柱面透镜（cylinder lens）被设置在投影透镜与图像面板之间以校正像散的配置。日本专利公开No.2005-189635公开了在投影透镜与图像面板之间设置楔形（cuneiform）元件的配置。

根据日本专利公开No.H06-337396的配置，可以改善沿平板的倾斜方向的截面（倾角截面）中的像散。但是，在实际的光束中存在作为平板的倾斜方向以外的光线的斜光线（skew ray），因此，该配置不能校正斜光线的像差，并且不能充分地恢复成像性能。并且，日本专利公开No.H06-337396公开了在投影透镜与图像面板之间的后焦距（back focus）的区域中设置两个平板的配置。但是，在该配置中，投影透镜需要长的后焦距，并且，由于重量随着透镜直径的放大而更重、成本更昂贵并且设计性能劣化，因此这是不希望的。

另外，在日本专利公开No.H05-100187的配置中，由于斜光线入射倾斜的平板以在上侧与下侧之间不对称，因此，不能通过具有在上侧和下侧之间对称的形状的柱面透镜充分地校正像散。

并且，当如日本专利公开No.2005-189635中公开的那样使用楔形元件时，可同时改善像散和斜光线的像差。但是，在日本专利公开No.2005-189635的配置中，楔形元件的厚度根据光线通过的位置而不同。因此，由于产生像面倾斜（image plane tilt），所以不能改善所有图像高度的图像质量。因此，在任何情况下，不能充分地恢复由平板导致的图像质量的劣化。

发明内容

本发明在具有在后焦距的区域中相对于光轴倾斜的平板的成像光学系统中，提供以简易的配置抑制成像性能的劣化的成像光学系统。

作为本发明的一个方面的成像光学系统包括：透镜单元，所述透镜单元包含多个光学元件；以及光路合成部分，所述光路合成部分包含被设置为相对于所述透镜单元的光轴而倾斜的平板，并且，所述透镜单元包含校正部分，所述校正部分在与所述平板的法线和所述光轴两者平行的截面中具有相对于所述光轴不对称的形状。

作为本发明的另一方面的透镜单元包括多个光学元件和具有相对于光轴不对称的形状的校正部分。

作为本发明的另一方面的图像投影装置包括被配置为调制来自光源的光的光调制元件和成像光学系统，并且，来自光调制元件的光经由成像光学系统被投影到投影表面上。

从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征和方面将变得明显。

附图说明

图1是实施例1中的成像光学系统的截面图。

图2是实施例1中的成像光学系统的斑点图表（spot diagramchart）。

图3是实施例2中的成像光学系统的截面图。

图4是实施例2中的成像光学系统的斑点图表。

图5是实施例3中的成像光学系统的截面图。

图6是实施例3中的成像光学系统的斑点图表。

图7是实施例4中的成像光学系统的截面图。

图8是实施例4中的成像光学系统的斑点图表。

图9是实施例5中的成像光学系统的截面图。

图10是实施例5中的成像光学系统的斑点图表。

图11是实施例6中的投影仪的示意性配置图。

图12是作为比较例的成像光学系统的截面图。

图13是作为比较例的成像光学系统的斑点图表。

具体实施方式

以下将参照附图描述本发明的示例性实施例。在附图中的每一个中，相同的元件将由相同的附图标记表示，并且将省略其重复的描述。

[实施例1]

首先，将描述本发明的实施例1中的成像光学系统。图1是本实施例中的成像光学系统的截面图。通过包括透镜单元1和颜色合成部分2（光路合成部分）来配置成像光学系统。通过包括多个光学元件（透镜）来配置透镜单元1。在本实施例中，透镜单元1是通过总共14个透镜配置的反焦（retro-focus）型单焦点透镜，并且第二透镜是非球面透镜（两侧）。并且，透镜单元1在其内部（在光路中）包含具有对于光轴OA不对称的形状的校正部分5。透镜单元1例如将通过图像面板（液晶显示元件或光调制元件）调制的光投影到屏幕（投影面）上。

颜色合成部分2被设置在后焦距的区域内，其通过包含棱镜3和相对于光轴OA倾斜45度的平板4（倾斜平板）而配置。作为棱镜3，例如，使用通过用三角柱在两侧保持诸如二向色棱镜（dichroic prism）的电介质多层而配置的颜色合成棱镜。作为平板4，例如，使用板状的反射偏振板。本实施例的平板4是平行板，但是本实施例不限于此，并且也适用于具有其它的形状的平板。上述的校正部分5在沿平板4的倾斜方向的截面（图1所示的截面）上具有对于光轴OA不对称的形状。沿倾斜方向的截面意味着与平板4的法线和透镜单元1的光轴OA两者平行的截面。

表1是本实施例中的数值例。在表1中，表面号表示从屏幕侧（扩大侧）依次添加到各透镜的表面的号码，符号R表示曲率半径，符号d表示表面的间隔（关于相邻的表面的物理间隔），并且符号nd和vd分别表示玻璃材料对于d线的折射率和阿贝数。符号θ表示各表面的倾斜角度，这里，相对于光轴法线（与光轴正交的方向）以反时针方向旋转、以度为单位。各表面的倾斜角度意味着各表面的表面顶点处的面内方向（切线方向）与光轴的正交方向之间的角度。在本说明书中，各表中的R、d和f的单位为毫米（mm）。在表面号的右侧添加符号“＊”的通过光轴的表面具有由下式（1）表达的非球面形状。在表1中示出式中的系数A至E和K。式中的符号r表示透镜单元1的从光轴OA到径向方向的距离，符号x表示从r=0的位置到光轴方向的距离。

x＝(r²/R)/[1+{1-(1+K)(r²/R²)}^1/2]+Ay⁴+By⁶+Cy⁸+Dy¹⁰+Ey¹²...(1)

（表1）

在本实施例中，校正部分5是在沿两侧不具有曲率半径的平板4的倾斜方向（纸方向）的截面中具有预定顶角的具有所谓的楔形截面的板状元件（楔形板）。在本实施例中，预定顶角是0.68度，但是本实施例不限于此，并且，如果必要的话，可被设为适当的角度。换句话说，校正部分5是随着其离开缩小侧（缩小共轭侧）而变薄、并且随着其接近缩小侧而变厚的平板。缩小侧意味着诸如液晶显示元件的图像面板侧。

通过这样的板状元件来配置校正部分5：所述板状元件通过在第五透镜与第六透镜之间沿与平板4相同的方向（相同的倾斜方向）倾斜约20度而被设置。轴向光束通过第五透镜，并然后在朝向第六透镜前进（head toward）时变为会聚光。因此，特别地，上侧的光在通过校正部分5之后沿向下的方向改变其方向。因此，在轴向光束通过朝向缩小侧前进而被会聚的位置处，校正部分5被设置为沿与平板4相同的方向倾斜。结果，图1的截面中的光束的焦点位置（会聚位置）可沿纸面的向下方向移动。由于对于该截面中的光束通过平板4沿向上的方向移动焦点位置，因此，校正部分5补偿该光束的移动。

另一方面，具有高的场角（大的场角）的光束由于周边亮度下降而与轴向光束相比变细，并且还具有少量的由平板4产生的像散。但是，由于作为楔形板的校正部分5对于光轴OA倾斜，因此，轴外光束以浅的角度入射校正部分5，并且可以获得适当的校正量。另外，作为楔形板的校正部分5倾斜，产生上侧光线与下侧光线的折射角的差异，并且，由平板4产生并且在上侧与下侧之间不对称的斜光线的像差也可被校正。换句话说，由于校正部分5被设置在透镜单元1内以相对于光轴OA倾斜，因此，可同时校正整个图像高度处的像差。

图2是示出本实施例中的成像光学系统的成像性能的斑点图表。图2的斑点图表示出图像圆中图像面板（图像元件）的任意五个点（A）至（E）的散焦（defocus）特性。点（A）至（E）分别指示（A）画面底部处、（B）画面中心处、（C）画面顶部处、（D）画面右下处和（E）画面右上处的位置，这里，图像面板被偏移50%。横轴指示散焦方向，其示出图中的左侧相对于最佳焦点位置在扩大侧（-）被散焦并且图中的右侧在缩小侧（+）被散焦的斑点图。

随后，将描述作为比较例的成像光学系统。图12和图13分别是使用从本实施例的成像光学系统去除校正部分5的透镜单元100的情况下的截面图和斑点图表。如图13所示，由于产生在上侧与下侧之间不对称的像差，因此，平衡焦点位置处的斑点也具有饭团（rice ball）形状而不是圆形。换句话说，在不包含任何校正部分的成像光学系统中，成像性能劣化。比较图2与图13，成像光学系统的成像性能通过校正部分5得到改善。

在本实施例中，校正部分5被设置在透镜单元1内的第五透镜与第六透镜之间，但是本实施例不限于此。即使当校正部分5被设置在透镜单元1内的另一位置处，也可获得与本实施例的效果类似的校正效果。根据透镜系统（透镜单元）的设计，校正部分5的倾斜角度或楔形板的顶角也可不同。可根据透镜系统的设计适当地改变校正部分5在透镜单元1内应被设置在哪个位置或者校正部分5的倾斜角度或倾斜方向。

在本实施例中，校正部分5被设置在轴向光束通过朝向缩小侧前进而被会聚的位置处，相反，当校正部分5被设置在轴向光束通过朝向扩大侧（扩大共轭侧）前进而被会聚的位置处时，校正部分5被设置为对于平板4沿相反方向倾斜。

[实施例2]

接下来，将描述本发明的实施例2中的成像光学系统。图3是本实施例中的成像光学系统的截面图。在本实施例的成像光学系统中，被设置在透镜单元1a内的校正部分5a具有0.59度的顶角，并且其是被设置为相对于光轴OA倾斜约6度的楔形板。另外，校正部分5a的缩小侧的表面是在沿平板4的倾斜方向的截面（图3所示的截面）中具有曲率半径的柱面透镜表面（柱面表面（cylinder surface））。在本实施例的成像光学系统中，由于在实施例1的成像光学系统中设置柱面透镜表面，因此，可更有效地实现斜光线的校正和像面倾斜的校正，并且可以获得更高的性能。

表2是本实施例中的数值例。符号c被附于表面号的右侧的表面指示沿图3的截面方向具有曲率半径并且沿截面方向的正交方向不具有曲率半径的柱面透镜表面。

（表2）

图4是示出本实施例的成像性能的斑点图表。与实施例1（图2）相比，由于增加了作为柱面表面的自由度，因此可以执行更高水平（level）的校正。

[实施例3]

接下来，将描述本发明的实施例3中的成像光学系统。图5是本实施例中的成像光学系统的截面图。在本实施例的成像光学系统中，作为一个透镜表面而不是作为单独的元件来设置被设置在透镜单元1b内的校正部分5b，这与实施例1或2不同。

通过将第六透镜的扩大侧表面设计为自由形式的表面（free-formsurface），实现本实施例的校正部分5b。自由形式的表面意味着不对于光轴OA旋转对称的曲面。本实施例的自由形式的表面是从光轴OA具有相同距离的坐标位置处的自由形式的透镜的厚度相对于图5中的光轴OA在上侧薄并且还相对于光轴OA在下侧厚的曲面。

本实施例中的校正部分5b的形状（自由形式的表面）由下式（2）表达。符号z表示从r=0的位置到光轴方向的距离，符号r表示从透镜单元1b的光轴OA到径向方向的距离。符号y表示从光轴OA到图5的截面方向（纸面方向）的距离，其与光轴OA垂直；符号x表示从光轴OA到y方向的正交方向（纸面方向的正交方向）的距离，其与光轴OA垂直。这些是光轴被设为零的坐标系。

z＝(r²/R)/[1+{1-(1+K)(r²/R²)}^1/2]+C₃y+C₄x²+C₆y²...(2)

在式（2）中，符号y包含偶数次和奇数次两者。换句话说，它指示沿图5的截面方向（纸面方向）在上侧和下侧之间不对称的形状。另一方面，符号x仅包含偶数次的项。换句话说，它具有相对于纸面的正交方向完全对称的形状。

表3是本实施例中的数值例。符号f被添加于表面号的右侧的表面指示如上所述被定义的自由形式的表面。

（表3）

图6是示出本实施例中的成像光学系统的成像性能的斑点图表。与实施例1和2相比，由于不必增加单独的元件作为校正部分，因此，可以节省空间，并且可以容易地获得小尺寸的成像光学系统。

在第六透镜上形成本实施例的自由形式的表面，但是本实施例不限于此，它只需要在多个透镜中的任一个上形成。

[实施例4]

接下来，将描述本发明的实施例4中的成像光学系统。图7是本实施例中的成像光学系统的截面图。本实施例的成像光学系统是由总共13个透镜配置的五透镜单元（透镜单元1c）的变焦透镜，并且透镜单元从扩大侧依次分别具有负折射率、正折射率、正折射率、正折射率和正折射率。总共13个透镜中的第二透镜是非球面透镜（两侧）。图7示出透镜单元在广角端和望远端的布置。当执行变焦操作时，第一透镜单元B1和第五透镜单元B5被固定，并且，第二透镜单元B2、第三透镜单元B3和第四透镜单元B4被移动。主变倍单元是第二透镜单元B2。本实施例的校正部分5被设置在第三透镜单元B3中，其在变焦操作中根据第三透镜单元B3的轨迹而移动。换句话说，校正部分5被配置为可在变焦操作中在光轴方向上移动。本实施例的校正部分5具有与实施例1相同的配置。

表4是本实施例中的数值例。在表中，被添加符号z的表面间隔是随着变焦操作而改变的量。

（表4）

图8是示出本实施例中的成像光学系统的成像性能的斑点图表。即使当使用成像光学系统作为变焦透镜时，校正部分也有效地改善成像性能。

在本实施例中，校正部分5随着第三透镜单元B3移动，但它也可作为单独的单元而移动。在这种情况下，增加一个移动单元，但是，例如，如果一个凸轮（cam）的倾斜角度被稍微改变，那么可根据变焦操作来改变校正部分的角度。结果，由于光线通过校正部分的角度可根据变焦位置而被最优化，因此，即使在具有较高的倍率的变焦系统中，也可实现高的成像性能。

[实施例5]

接下来，将描述本发明的实施例5中的成像光学系统。图9是本实施例中的成像光学系统的截面图。本实施例的透镜单元1d是正先导（positive lead）的望远型，其是由总共16个透镜配置的单焦点透镜。在透镜单元1d中，不使用任何非球面透镜。校正部分5被设置在第10透镜与第11透镜之间。表5是本实施例中的数值例。

（表5）

图10是示出本实施例的成像性能的斑点图表。因此，即使在望远型的透镜系统中，也可通过校正部分有效地改善成像性能。

[实施例6]

接下来，将描述本发明的实施例6中的投影仪。图11是本实施例中的投影仪（图像投影装置）的示意性配置图。本实施例的投影仪是包含实施例1至5的成像光学系统中的任一个的反射型液晶投影仪。

从光源（未示出）发射的光束经由照明光学系统12入射光束分离元件13，并且入射的光束被分成多个光束。光束分离元件13在使用例如二向色镜的情况下通过波长（颜色）来分离光路，或者，替代性地，在使用偏振束分离器的情况下通过偏振来分离光路。分离的光束分别在反射的偏振板14和15上被反射。反射的偏振板14和15中的每一个包含以小于或等于波长的节距（pitch）配置的光栅（grating）结构，其具有反射光栅方向上的偏振光并且透射与光栅方向正交的方向上的偏振光的特性。一般地，在照明光学系统中设置偏振转换元件，其被配置为使得入射所述反射的偏振板14和15的偏振光中的每一个仅包含反射的偏振光。因此，分离的光束分别在反射的偏振板14和15上被反射，以入射反射的液晶元件16和17。

反射的液晶元件16和17将偏振光旋转90度，并且在反射的液晶元件16和17上反射的光束透射通过反射的偏振板14和15，以入射光束合成元件18。光束合成元件18合成通过光束分离元件13分离的两个光束，以将其引导到作为成像光学系统的投影透镜10。在本实施例的投影仪中，由于分离的光束透射通过反射的偏振板14和15，因此产生强的像散。因此，在一般的投影透镜（成像光学系统）中，不能获得足够的成像性能。另一方面，根据本实施例的投影仪，由于使用实施例1至5的成像光学系统中的任一个作为投影透镜10，因此可以获得优异的投影图像。

在本实施例中，使用反射的液晶元件，但是本实施例不限于此，并且，即使当投影仪使用透射的液晶元件时，也可获得本发明的效果。换句话说，如果本发明被应用于其中合成光路的平板被设置在投影透镜与液晶元件之间以相对于与投影透镜的光轴垂直的方向倾斜的投影仪，那么可以获得与本实施例类似的效果。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但要理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围要被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (11)

1.一种成像光学系统，包括：

透镜单元，所述透镜单元包含多个光学元件；以及

光路合成部分，所述光路合成部分包含被设置为相对于所述透镜单元的光轴而倾斜的平板，

其中，所述透镜单元包含校正部分，所述校正部分在与所述平板的法线和所述光轴两者平行的截面中具有相对于所述光轴不对称的形状。

2.根据权利要求1的成像光学系统，其中，所述校正部分是具有预定的顶角的楔形板。

3.根据权利要求1或2的成像光学系统，其中，所述校正部分是随着远离缩小侧而变薄并且向着所述缩小侧变厚的平板。

4.根据权利要求1或2的成像光学系统，其中，所述校正部分被设置为相对于所述光轴倾斜。

5.根据权利要求1或2的成像光学系统，其中，所述校正部分被设置为在轴向光束向着缩小侧被会聚的位置处沿与所述平板相同的方向倾斜。

6.根据权利要求1或2的成像光学系统，其中，所述校正部分被设置为在轴向光束向着扩大侧被会聚的位置处沿与所述平板相反的方向倾斜。

7.根据权利要求1或2的成像光学系统，其中，所述校正部分的至少一个表面是在与所述平板的法线和所述光轴平行的截面中具有曲率半径的柱面表面。

8.根据权利要求1的成像光学系统，其中，所述校正部分具有在所述多个光学元件中的任一个上形成的自由形式的表面。

9.根据权利要求1或2的成像光学系统，其中，所述校正部分被配置为能在变焦操作中沿光轴方向移动。

10.一种透镜单元，包括：

多个光学元件；以及

校正部分，所述校正部分具有相对于光轴不对称的形状。

11.一种图像投影装置，包括：

光调制元件，所述光调制元件被配置为调制来自光源的光；以及

根据权利要求1的成像光学系统，

其中，来自所述光调制元件的光经由所述成像光学系统被投影到投影表面上。

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