CN103837971B - 投影光学系统与图像投影装置 - Google Patents

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Abstract

一种投影光学系统，包括：配置为包括至少一个透镜且具有正折光力的第一透镜组；配置为包括至少一个透镜且具有正折光力的第二透镜组；配置为包括至少一个透镜且具有负折光力的第三透镜组；配置为包括至少一个具有非球面表面或自由曲面的透镜的第四透镜组；以及，凹面镜。其中，第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组以及凹面镜依次布置，且投影光学系统为非远心光学系统。

Description

投影光学系统与图像投影装置
技术领域
本发明的一方面涉及投影光学系统和图像投影装置中的至少一个。
背景技术
相较于传统装置，能够放置在距屏幕更近的位置上的图像投影装置是已知的。这种图像投影装置被称为近距离投影仪。近距离投影仪能够避免入射的投影光在站在屏幕附近的发言人(例如报告人或演讲者)的眼睛上产生闪耀，该屏幕为投射图像的投影表面。此外，近距离投影仪能够投射放大的图像，而不用将投影仪设置在聆听发言人发言的听众附近，从而使用时来自这种图像投影装置的排气或噪音不会影响到听众。
近距离投影仪所包含的投影光学系统被设置为，传统(共轴或旋转对称)投影光学系统的视角被增大以缩短其距屏幕的距离，使用曲面镜以能够在近距离上投射放大的图像，等等。在传统投影光学系统视角被增大的情况下，需增大靠近屏幕一侧上的透镜的外直径，从而增大了这种投影仪的整体尺寸。另一方面，使用曲面镜，则能够获得紧凑的投影仪，且在近距离上实现投影。
例如，日本专利No.4329863、日本专利申请No.2007-079524、日本专利申请No.2009-251457、日本专利申请No.2010-085973中描述的投影光学系统，已知其使用曲面镜。日本专利No.4329863、日本专利申请No.2007-079524、日本专利申请No.2009-251457、日本专利申请No.2010-085973的任一篇中都描述了折射光学系统与凹面镜组合的投影光学系统。
日本专利申请No.2009-251457和日本专利申请No.2010-085973中的投影光学系统为相对图像显示元件的远心投影光学系统。日本专利申请No.2009-251457和日本专利申请No.2010-085973中的投影光学系统为，孔径光阑设置在折射光学系统在其光轴方向上的中心附近。在这种远心光学系统中，从图像显示元件射向投影光学系统的所有主光线都垂直于图像显示元件。因此，在组成远心投影光学系统的透镜中，靠近图像显示元件的透镜的直径(透镜直径)需增大。然而，远心投影光学系统可为，光束全部聚焦在远离图像显示元件的位置上，因而能够减小设置在凹面镜附近的透镜的透镜直径。
另一方面，日本专利No.4329863和日本专利申请No.2007-079524中的投影光学系统为相对图像显示元件的非远心投影光学系统。日本专利申请No.2009-251457和日本专利申请No.2010-085973中的投影光学系统为，孔径光阑设置在比折射光学系统在其光轴方向上的中心附近更靠近图像显示元件一侧的位置上。这种非远心光学系统为，从图像显示元件射向投影光学系统的光束全部聚焦在图像显示元件附近的位置上。因此，全部离开图像显示元件的光束自然地传播，因而，在凹面镜附近位置上的透镜的直径需增大。因此，在非远心投影光学系统中，设置在最接近图像显示元件位置上的透镜的透镜直径与设置在最接近凹面镜位置上的透镜的透镜直径之间的差会更大。
距屏幕(作为投影表面)的“投影距离”除以投射在屏幕上的图像的“横向宽度”的值被称为“投射比”。日本专利No.4329863中的投影光学系统为，其投射比小于“0.5”，射向投影图像的顶部的光束的“光束聚焦的必需程度”与射向投影图像的底部的光束的“光束聚焦的必需程度”之间的差较小。因而，能够相对容易地校正畸变像差或场曲。然而，在投射比小于“0.35”的投影光学系统中，折射光学系统和凹面镜有必要将射向投影图像顶部的光束和射向投影图像底部的光束隔开，并进行不同的控制(控制光线的聚焦程度或方向)。因而，靠近凹面镜的透镜的透镜直径和凹面镜的尺寸将进一步增大。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种投影光学系统，包括：配置为包括至少一个透镜且具有正折光力的第一透镜组；配置为包括至少一个透镜且具有正折光力的第二透镜组；配置为包括至少一个透镜且具有负折光力的第三透镜组；配置为包括至少一个具有非球面表面或自由曲面的透镜的第四透镜组；以及，凹面镜。其中，第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组以及凹面镜依次布置，且投影光学系统为非远心光学系统。
根据本发明的另一方面，提供了一种图像投影装置，包括配置为显示图像的图像显示元件以及如上所述的投影光学系统。
附图说明
图1是从一个方向观察的、能够应用根据本发明实施例的投影光学系统的图像投影装置的主要部分的侧视图。
图2是示出相对图像显示元件的远心投影光学系统的示例的一部分的光学设计图。
图3是示出相对图像显示元件的非远心投影光学系统的示例的一部分的光学设计图。
图4是示出组成根据本发明实施例的投影光学系统的透镜组的示例的光学设计图。
图5是示出被上述投影光学系统折叠的主光线的角度的图。
图6是示出根据本发明另一实施例的投影光学系统的光学设计图。
图7是根据本发明实施例的投影光学系统的实践示例的光路图。
图8是上述投影光学系统的实践示例的具体光学设计图。
图9是根据本发明实施例的投影光学系统的另一实践示例的光路图。
图10是上述投影光学系统的另一实践示例的具体光学设计图。
图11是根据本发明实施例的投影光学系统的又一实践示例的光路图。
图12是上述投影光学系统的又一实践示例的具体光学设计图。
图13是根据本发明实施例的投影光学系统的又一实践示例的光路图。
图14是上述投影光学系统的又一实践示例的具体光学设计图。
具体实施方式
下文将描述根据本发明实施例的投影光学系统。首先，描述能够应用根据本发明实施例的投影光学系统的图像投影装置的示例。图1是从一个方向观察的、作为图像投影装置的投影仪100的主要部分的侧视图。投影仪100采用反射型图像显示元件用于图像显示元件。这里，能够应用于根据本发明实施例的投影光学系统的图像显示元件并不限于反射型图像显示元件，例如还可以为液晶面板。
图1中的投影仪100被配置为，使用从作为光源的灯具1发射的光，通过照明光学系统，照明反射型图像显示元件DMD7。照射DMD7的光被DMD7中的微镜反射。通过投影光学系统8将该反射光放大且将其投射在作为投影表面的屏幕20上。该投影光学系统8相应于根据本发明实施例的投影光学系统。
图1中的投影光学系统8被配置为具有折射光学系统和面镜光学系统，所述折射光学系统包括由多个透镜组成的透镜组，所述面镜光学系统包括面镜(未示出)，该面镜用于将由DMD7反射、并穿过折射光学系统的光反射至屏幕20。这里，图1中未示出用于支持透镜组的透镜或面镜镜筒。
投影仪100所包含的照明光学系统由灯具1至曲面镜6组成。通过反射器2，灯具1发射的光聚集在积分棒(integrator)3的入口处。积分棒3为将四个面镜组合为隧道状的光管。入射在积分棒3上的光被积分棒3中的镜面多次反射，从而在积分棒3的出口提供光量均匀且规则的光。
已穿过积分棒3的光穿过用于照明DMD的透镜4，所述光被折光镜5反射至图1中倾斜或右下方向，然后被引导至曲面镜6。由曲面镜6所反射的光照射DMD7。如上所述，当积分棒3的出口被认为是“具有均匀光量且规则的面光源”时，DMD7的有效成像区域被面光源生成的光照明。
照明DMD7的有效成像区域的光由设置在DMD7表面上的微镜反射，且入射在投影光学系统上。从投影光学系统8输出的光投射在屏幕20上，从而放大的图像显示在屏幕20上。
由于上述照明光学系统提供了均匀的照明分布，故DMD7被规则光量的光照明，从而作为其放大图像的投影图像也具有均匀的照明分布。
DMD7为包括许多微镜的装置，其中每个微镜的角度都可改变，例如，在+12°至-12°的范围内。例如，当微镜的角度为-12°时，进行调整以使得被微镜所反射的光入射在投影光学系统8上。另一方面，当微镜的角度为+12°时，进行调整以使得被微镜所反射的光不入射在投影光学系统8上。DMD7的每个微镜相应于投射并显示在屏幕20上的图像的像素。因而，如上所述独立地控制DMD7的微镜的倾斜角度，能够形成显示在屏幕20上的放大图像。
下文将描述作为根据本发明实施例的投影光学系统的投影光学系统8。投影光学系统8是非远心光学系统。首先描述非远心投影光学系统，且将其与远心投影光学系统比较。图2是光学设计图，示出了相对DMD7为远心的投影光学系统的示例的一部分，其中DMD7为反射型图像显示元件的示例。图3是光学设计图，示出了相对DMD7为非远心的投影光学系统的示例的一部分。
如图2所示，相对DMD7为远心的投影光学系统18(下文被称为“远心投影光学系统18”)被设置为，孔径光阑182设置在远心投影光学系统18在其光轴方向上的中心处附近。所有主光线，也即被DMD7反射且被引导至远心投影光学系统18的照明光Li，垂直于DMD7。因此，在组成远心投影光学系统18的透镜中，靠近DMD7的透镜181的透镜直径更大。然而，光束全部聚焦在远心投影光学系统18中远离DMD7的聚焦位置上。因而，可以减小设置在面镜附近位置的透镜的透镜直径，所述面镜用于朝着屏幕20(参见图1)反射并引导已穿过远心投影光学系统18的光。
另一方面，如图3所示，相对DMD7的非远心光学系统28(下文被称为“非远心投影光学系统28”)被设置为，孔径光阑282设置在比非远心投影光学系统28在其光轴方向上的中心更靠近DMD7的位置上。
如图3所示，被照明光Li所照明的DMD7所反射的光并不垂直于DMD7，并且倾斜入射在最靠近DMD7的透镜281上。因而，随着DMD7和非远心投影光学系统28之间距离增大，需要增大透镜281的透镜直径。
此外，DMD7所反射的光倾斜入射在透镜281上，因而全部入射在非远光投影光学系统28上的光束聚焦在靠近DMD7的位置上。因而，光束离开DMD7时被自然整体地展宽了，如附图标记283所示。因而，需要增大设置在面镜附近位置上的透镜的透镜直径，所述面镜用于朝着屏幕20(参见图1)反射已穿过非远心投影光学系统28的光。也即，非远光投影光学系统28在整体尺寸上要更大。
虽然根据本发明的投影光学系统8为非远光投影光学系统，但也能够实现小型化，而不增大其整体尺寸。因而，需要折射光学系统的一部分使离开DMD7而自然扩展的光束缩窄。图4是示出了组成投影光学系统8的透镜组的示例的光学设计图。
在图4中，投影光学系统8被配置为，在从作为图像显示元件的DMD7一侧(缩小侧)到图像侧(放大侧)上依次包含：具有正折光力的第一透镜组81；具有正折光力的第二透镜组82；具有负折光力的第三透镜组83；具有一个或多个非球面透镜或自由曲面透镜的第四透镜组84；以及，凹面镜85。
在图4中，在DMD7上各个点所出射的光束中，从DMD7的顶部或底部出射的光束由三条线表示，在第三透镜组处或在第三透镜组之后，这三条线由一条线来统一表示。如图4所示，具有正折光力的第二透镜组82被设置在第一透镜组81之后。由于这种第二透镜组的作用，离开DMD7后而自然扩展的光束被整体地且一次性地缩窄。因而，防止了组成投影光学系统8的后继透镜的透镜直径增大，并且缩小了透镜直径。
需要在投影光学系统8和DMD7之间，提供用于照明DMD7的照明光学系统的配置空间。为了提供这一空间，需要将DMD7和投影光学系统8隔开预定距离。DMD7与组成投影光学系统8的透镜中最靠近DMD7的透镜表面之间的距离被称为后焦距(Bf)。除非确保该后焦距，否则DMD7反射的光难以入射在投影光学系统8上。
为了确保该后焦距，需要在远离DMD7的位置上设置具有强的负折光力的透镜组，且在靠近DMD7的位置上设置具有正折光力的透镜组。因此，投影光学系统8设置为，第一透镜组81具有正折光力，而第三透镜组83具有负折光力。
此外，投影光学系统8设置为，第四透镜组84设置在第三透镜组83之后。这是由于下述原因。例如，假使投影光学系统中凹面镜85距屏幕20(参见图1)的距离(投影距离)较大，即使第四透镜组84并未设置在具有负折光力的第三透镜组83之后，也仍能满足光学性能(特别地，畸变像差或场曲)。
根据本发明的投影光学系统8能够实现“在超近距离上投影”，其中距屏幕的距离甚至小于传统近距离投影的距离。因而，需要提供合适的折光力并控制DMD7上每一点出射(反射)的各个光束的光线传播方向。如果光束被具有足够大的透镜直径的透镜接收，各个光束被分开，因而基本上能够对每个光束提供合适的作用(action)。然而，投影光学系统8也需要紧凑，因而通过第二透镜组82限制透镜直径。因而，透镜光学系统8设置为，使用非球面透镜或自由曲面透镜作为第四透镜组84。借由此，在透镜直径较小时，也能对每个光束提供合适的作用(action)。
这里，例如，“较远投影距离”指的是投射比大于0.35的投影光学系统。通常，投射比约为0.35的被称为近距光学系统，在本说明书中，投射比小于0.35的投影光学系统被称为“超近距离”，而投射比不小于0.35的投影距离被称为“较远投影距离”。
凹面镜85具有形状为旋转不对称或自由曲面的镜面表面。在组成折射光学系统(从第一透镜组81至第四透镜组84)的透镜的透镜直径减小的情况下，所导致的光学性能的退化可以由这种凹面镜85进行补偿。特别地，能够补偿其畸变或场曲的退化。此外，若凹面镜85具有自由曲面，即使凹面镜85上各个光束之间的间距较小，也能够获得足够好的光学性能，可减小凹面镜85的尺寸。
此外，投影光学系统8是非远心光学系统，因而能够减小折叠主光线的角度。图5是示出被投影光学系统8折叠的主光线的角度的示图。如图5所示，来自DMD7的主光线在第一透镜组81上的入射角为“A”，由第四透镜组84入射至凹面镜的主光线的角度为“B”，可减小投影光学系统8中角度A与角度B之间的差(A-B)。因而，如果投影光学系统由与远心光学系统的数值(number)相同的透镜组成，则能够相对地减少像差的形成。
参见图4，投影光学系统8设置为，在组成第一透镜组81的透镜中，最靠近第二透镜组82的透镜表面为面对凹面镜85的凸表面，也即面对第二透镜组82的凸表面。因而，能够产生使被引导至第二透镜组82的光束更贴近光轴的效果，并且，能够产生第二透镜组82的效果来帮助减小邻近凹面镜85的透镜的直径。
此外，投影光学系统8设置为，孔径光阑86设置在DMD7与第一透镜组81之间。因而，投影光学系统8能够限制从DMD7获得的光束，这能够缩小投影光学系统8的尺寸。
当投影光学系统8在屏幕20(也即投影表面)上实现显示图像的聚焦时，第一透镜组81是不动的(或者是固定的)，而第二透镜组82和第三透镜组83可被移动不同的量。第二透镜组82和第三透镜组83在投影光学系统8的光轴方向上的移动方向是相同的。
为了在超近距离投影中进行聚焦，基于浮动(floating)聚焦的场曲像差校正会是有效的。由于具有正折光力的第二透镜组82和具有负折光力的第三透镜组83在投影光学系统8的光轴方向上的移动方向是相同的，可对场曲产生相反的影响。也即，随着具有正折光力的第二投影组82移向DMD7一侧，图像表面被聚焦为在DMD7一侧是凸形的。然而，随着具有负折光力的第三投影组83移向DMD7一侧，图像表面被聚焦在DMD7一侧是凹形的。因而，相互的影响可以抵消。
然而，因为具有正折光力的第二透镜组82和具有负折光力的第三透镜组83在投影光学系统8的光轴方向上的移动方向是相同的，所以能够在每个图像位置上实现精密聚焦。
下文将描述“在每个图像位置上实现精密聚焦”。当距屏幕20的投影距离减小(屏幕20靠近凹面镜85)以改变“图像位置”，屏幕20顶部上的图像焦点的调节量要大于屏幕20底部上的图像焦点的调节量。
当根据屏幕20的位置(或根据图像位置)进行聚焦时，即使仅有第二透镜组82移向图像一侧，也能够移动焦点位置，以相对当前位置而靠近凹面镜85。因而，仅使用第二透镜组82也可以实现聚焦。然而，当仅有第二透镜组82移向图像一侧时，焦点位置并不垂直于屏幕20移动，由于场曲的存在，底部上的图像比顶部上的图像移动的更多。也即，当仅有第二透镜组82移向图像一侧时，焦点位置相对于屏幕20倾斜移动。
当仅有第三透镜组83移向图像一侧时，焦点位置移动，以相对于当前位置而远离凹面镜85。此处，当焦点位置也不垂直于屏幕20而是倾斜移动时，底部上的图像比顶部上的图像移动的更多。
由于第二透镜组82和第三透镜组83之间这种焦点移动的不同，能够在相同方向上移动第二透镜组82和第三透镜组83，以这种方式，由第三透镜组83所产生的焦点提供对由第二透镜组82移动的焦点的校正效果。因而，能够容易地对投影在屏幕20上的全部图像进行聚焦，且能够在每一图像位置上实现精密聚焦。
此外，当显示在屏幕20上的图像在投影光学系统8中聚焦时，也移动第四透镜组84。可以移动配置为具有非球面透镜或自由曲面透镜的第四透镜组84，以这种方式，能够调节对每一个投影距离而改变的畸变。此处，可进一步包括具有较弱折光力的透镜组，其具有在聚焦时移动的非球面透镜或自由曲面透镜。
此外，在投影光学系统8中，孔径光阑86设置在组成第一透镜组81的透镜之间。这种情况下，将孔径光阑86的优选位置相对聚焦位置而设置在DMD7一侧，此时，自DMD7射向凹面镜85的平行光线入射在光阑上，该平行光束垂直于DMD7且平行于第一透镜组81的光轴。
由于孔径光阑86设置在第一透镜组81中，因而孔径光阑86不能被移动。因此，当基于显示于屏幕20上的图像尺寸而改变各透镜组之间的间距时，能够维持最大光量不变，而不改变来自照明光学系统且入射在投影光学系统8上的光量。
下文将描述根据本发明另一实施例的投影光学系统。图6是示出了根据本发明实施例的投影光学系统8的另一示例的光学设计图。在图6中，投影光学系统8设置为，折光镜87设置在由第一透镜组81、第二透镜组82、第三透镜组83、以及第四透镜组84组成的折射光学系统和凹面镜85之间的空间中。也即，折光镜87设置在第四透镜组84和凹面镜85之间。折光镜87为平面镜。
如图6所示，从DMD7的长侧方向上的中心射向投影光学系统8的光束被由第一透镜组81、第二透镜组82、第三透镜组83、以及第四透镜组84所组成折射光学系统折射，随后被引导至折光镜87。根据本发明实施例的投影光学系统8的特征在于，引导至折光镜87的光束的主光线(或穿过孔径光阑86的光线)相对于垂直DMD7的轴线小于或等于30°。
如图6所示，由于折光镜87设置在折射光学系统和凹面镜85之间，从折光镜87射向凹面镜85的光束可能会被折射光学系统遮挡。当折射光学系统射出的光线的角度B大于30°时，折射光学系统会造成遮挡，此时由于第二透镜组82，透镜直径减小。
为了避免折射光学系统产生遮挡，可以充分地增大折射光学系统和折光镜87之间的距离D。然而，虽然通过增大间距D而将折光镜87和折射光学系统分开，但需将凹面镜和折射光学系统之间的距离保持在预定范围内。因而，可能需要缩小折光镜87和凹面镜85之间的距离H。
然而，通过缩小距离H使折光镜87靠近凹面镜85，可能会引起凹面镜85反射的光在射向屏幕20之前被折光镜87遮挡。由于需要增大折射光学系统和凹面镜85之间的距离来避免这种情况发生，因而会增大投影光学系统8的尺寸。
此处，投影光学系统8中的折射光学系统被配置为，折射光学系统射出的光线角度被控制为小于或等于30°，以减小投影光学系统8中的透镜直径且不产生遮挡。此处，这种情况下，采用自由曲面作为凹面镜85可能是必须的条件。
此处，虽然图6中折光镜87相对主光线倾斜45°，但折光镜87的角度并不需要被限制为45°。然而，这一角度至少需要在45°左右。
[实践示例1]
下文将描述根据本发明实施例的投影光学系统的更加具体的实践示例。图7是根据该实践示例的投影光学系统8的光路图。在图7中，投影光学系统8被配置为具有折射光绪系统80和凹面镜85，其中折射光绪系统80具有多个透镜组，凹面镜85是自由曲面镜。来自DMD7并入射在折射光学系统80上的光被凹面镜85反射且投射在屏幕20上。
图8是根据该实践示例的投影光学系统8的具体光学设计图。在图8中，构成投影光学系统8的折射光学系统80由第一透镜组81、第二透镜组82、第三透镜组83、以及第四透镜组84组成。
第一透镜组81为由9个球面透镜(透镜L11至透镜L19)组成的透镜组，在聚焦时不移动(或固定)，具有正折光力。
第二透镜组82为由1个球面透镜(L21)组成的透镜组，在聚焦时移动(或可移动)，具有正折光力。
第三透镜组83为由1个球面透镜(L31)和1个非球面透镜(L32)组成的透镜组，在聚焦时移动(或可移动)，具有负折光力。
第四透镜组84为由2个非球面透镜(L41和L42)组成的透镜组，在聚焦时移动(或可移动)，具有较弱的或正的折光力。此处，第四透镜组84的焦距为1310mm。
由于孔径光阑86设置在第一透镜组81中，因而聚焦时不移动。因此，即使聚焦时改变透镜组间距，也不改变由照明光学系统引入至投影光学系统8中的光量。
图8示出显示于屏幕上的图像的尺寸为80英寸时(或投影80英寸图像时)的透镜组的间隔。当投影尺寸小于80英寸的图像时，第二透镜组82沿着折射光学系统80的光轴(在垂直于DMD7的方向上的轴)移向DMD7的一侧，相似地，第三透镜组83移向DMD7的一侧。另外，第四透镜组84也相似地移向DMD7的一侧。由于这些透镜组中每个透镜的移动，能够实现聚焦。这种情况下，各个透镜组的移动量是不同的。
如上所述地移动各个透镜组的原因在于，对于投射至屏幕20上部的光线和投射至屏幕20的下部的光线，凹面镜85至屏幕20之间的距离是不同的。这是由于屏幕20的上部更远，而屏幕20的下部更近(参见图7)。例如，当屏幕20靠近凹面镜85的一侧时，在屏幕20上部的聚焦量明显大于在屏幕20下部的聚焦量。因此，组成折射光学系统80的第一透镜组81至第四透镜组84并不整体移动(或DMD7并不在其光轴上移动)来实现聚焦，而是多个透镜组中的各个透镜组移动不同的量来实现聚焦。因而，通过整体聚焦，同时控制场曲来实现浮动聚焦。
此外，在根据实施示例1的投影光学系统8中投影80英寸的图像时的投射比为“0.29”(其中，图像的宽度为1718mm，投影距离为501mm)。该投射比小于作为超近距离投影参考值的0.35。因而，根据实践示例1的投影光学系统8能够在超近距离上进行投影。
在具有较小投射比的投影光学系统8中，如图8所示，从DMD7上的点a、b、c分别发出的光束在第三透镜组83、第四透镜组84和凹面镜85充分地分离。这是由于若不进行充分的分离，则难以在屏幕20上实现畸变校正或场曲校正。若将这种配置应用至传统技术，则需要使用具有较大尺寸的透镜来组成第三透镜组83和第四透镜组84。
此外，实践示例1中的投影光学系统8为非远心光学系统，其中孔径光阑86设置在相对聚焦位置更靠近DMD7的位置上，此时，垂直于DMD7的光束(也即，平行于折射光学系统80的光轴)从DMD7的一侧被引入至第一透镜组81上。
从DMD7上的点a(或距光轴最远的点)射出的光束以一定角度入射在投影光学系统8上，因而，需要增大孔径光阑86至第四透镜组84的透镜直径。
虽然应用至传统技术时引起尺寸增大，但本实践示例中的投影光学系统8设置为，第一透镜组81中最靠近第二透镜组82的透镜表面为凸表面，且第二透镜组82为具有正折光力的透镜组，因而可以缩小其尺寸。
也即，从第一透镜组81发出的光束首先被聚焦(图8中向上折射)，随后入射在第三透镜组83上，再被具有负折光力的第三透镜组83分离。
此外，如果第三透镜组83被设置为紧随第一透镜组81，则无法充分地实现浮动聚焦功能。因而，第二透镜组82具有聚焦光束和浮动聚焦的功能。因此，能够缩小透镜直径并在超近距离上的投影中进行聚焦。特别地，第二透镜组82和第三透镜组83被配置为共同校正场曲。
此外，若使用非球面透镜和自由曲面透镜，即使使用较小的透镜直径或较小的面镜尺寸，也能充分地校正像差。因此，将非球面透镜或自由曲面透镜用于投影光学系统8，从而通过较小的透镜直径来获得高质量的图像(或获得具有较小畸变和较小场曲的图像)，也能够减小凹面镜85的尺寸。
图8清晰地示出了，第四透镜组84设置在光束最薄的位置上。因而，期望的是，第四透镜组84主要校正畸变，而不需聚焦或发散光线，也即场曲。因而，第四透镜组84被配置为具有正的或负的较弱的折光力，且由两个非球面透镜组成。
此外，凹面镜85可具有自由曲面，从而可减小凹面镜85的尺寸。另外，其可辅助校正投影光学系统80的畸变或场曲，也有利于减小透镜直径的尺寸。
如上所述，即使在具有诸如DMD7的反射型光学元件的非远心光学系统中，根据该实践示例的投影光学系统8仍能够减小透镜直径和凹面镜的尺寸，并投射高质量图像。
下文将示出根据实践示例1的投影光学系统8的数值的具体示例。表1是根据实践示例1的投影光学系统8的设计数据。
表1
表1(续)
在表1中，表面数值23、24、25、26、27和28表示非球面表面。表2示出了这些非球面表面的系数。
表2
表2(续)
公式1示出了通过应用上述非球面表面的系数计算非球面表面的公式。
公式1
表3示出了投影图像的尺寸为80英寸或48英寸时，每一表面数值对应的透镜组之间的距离(或透镜组间距)。
表3
表4示出了用于形成表面数值29的系数。此处，在表4中，“*”表示乘法，“**”表示求幂操作。
表4
公式2示出了通过应用上述系数计算表面数值29的公式。
公式2
此处，z为平行于z轴的表面中垂度，c是顶点处的曲率(CUY)，k是圆锥常数，cj是单项式xmyn的系数。
如上所述，根据实践示例1的投影光学系统8可实现能够减小靠近凹面镜85的透镜直径、能够减小凹面镜85的尺寸、能够在超近距离上投影且能够减小总体尺寸的投影光学系统。
[实践示例2]
下文将描述根据本发明的另一实践示例的投影光学系统。图9是根据该实践示例的投影光学系统8的光路图。此外，图10是根据该实践示例的投影光学系统8的具体光学设计图。实践示例2与实践示例1的不同之处在于，折光镜87设置在折射光学系统80与凹面镜85之间。由于设置了折光镜87，因而折射光学系统80与凹面镜85之间的空间被缩小了。
如图10所示，由于从DMD7上的点a发出的光束的主光线(或穿过孔径光阑86中心的光线)在被引导至折光镜87上时相对光轴的夹角大于或等于30°，因而在被折光镜87反射之后，折射光学系统80可能会产生遮挡。
将凹面镜85设置在图10的右方部分(或远离折射光学系统80的光轴的方向)以避免这种遮挡，折射光学系统80与凹面镜85之间需保持一定的位置关系，因而凹面镜85也可能被设置在图10的下方部分。因此，从图10中DMD7上的点a发出的光束被凹面镜85反射，然后被折光镜87遮挡。
为了避免这种遮挡且减小投影光学系统8的尺寸(或最小化折射光学系统80与凹面镜85之间的配置空间)，如上所述的角度需小于或等于30°。在根据实践示例2的投影光学系统8中，该角度为27°。
此外，根据实施示例2的投影光学系统8的投射比为“0.26”，远小于作为超近距离投影参考值的0.35。因而，根据实践示例2的投影光学系统8为超近距离上的投影光学系统。
下文将示出根据实践示例2的投影光学系统8的数值的具体示例。表5是根据实践示例2的投影光学系统8的设计数据。
表5
表5(续)
在表5中，表面数值24、25、26和27表示非球面表面。表6示出了这些非球面表面的系数。
表6
表面数值 24 25
第4级系数(A) -9.346371E-05 -1.098184E-04
第6级系数(B) -2.009836E-07 3.566201E-08
第8级系数(C) 1.279564E-09 3.824728E-10
第10级系数(D) 4.677615E-12 -8.487454E-13
第12级系数(E) 0.00E+00 0.00E+00
表6(续)
表面数值 26 27
第4级系数(A) -4.067320E-05 -1.118940E-05
第6级系数(B) -1.220569E-08 -1.644780E-07
第8级系数(C) -2.200349E-09 6.744822E-10
第10级系数(D) 1.035623E-11 -6.081986E-12
第12级系数(E) -1.236722E-14 1.723823E-14
通过应用上述非球面表面的系数来计算非球面表面的公式与实践示例1中所示出的公式1相同。
表7示出了投影图像的尺寸为80英寸或48英寸时，每一表面数值对应的透镜组之间的距离(或透镜组间距)。
表7
表8示出了用于形成表面数值29的系数。此处，在表8中，“*”表示乘法，“**”表示求幂操作。
表8
表9示出了最接近组成第一透镜组81的第一镜L11的透镜表面的“表面顶点参照”。在表9中，“屏幕距离1”表示110英寸投影时的屏幕位置，“屏幕距离2”表示60英寸投影时的屏幕位置。每个元件的坐标参照是在折射光学系统80中最靠近折光镜87的表面的顶点坐标。这里，表9中的X、Y和Z表示X轴、Y轴和Z轴上距参照坐标的距离。Z轴是平行于光轴的轴。X轴是在垂直于Z轴的方向上的轴，且平行于DMD7的纵向方向的轴。Y轴是垂直于Z轴和X轴的轴。
表9
如上所述，根据实践示例2的投影光学系统8可实现能够减小靠近凹面镜85的透镜直径、减小凹面镜85的尺寸、在超近距离上实现投影且减小总体尺寸的投影光学系统8。
[实践示例3]
下文将描述根据本发明的又一实践示例的投影光学系统。图11是根据该实践示例的投影光学系统8的光路图。此外，图12是根据该实践示例的投影光学系统8的具体光学设计图。
根据实践示例3的投影光学系统8与实践示例1的不同之处在于，第二透镜组82由三个球面透镜组成，焦距从实践示例1中的74mm缩短了47mm(也即，折光力增大)，且第四透镜组84的透镜直径减小了。此处，根据实践示例3的第三透镜组83由具有负折光力的一个透镜组成，第四透镜组84由两个非球面透镜组成。
下文将示出根据实践示例3的投影光学系统8的数值的具体示例。表10是根据实践示例3的投影光学系统8的设计数据。
表10
表10(续)
在表10中，表面数值28、29、30和31表示非球面表面。表11示出了这些非球面表面的系数。
表11
表面数值 28 29
第4级系数(A) -1.112646E-05 -2.306499E-05
第6级系数(B) 3.818850E-08 3.196423E-08
第8级系数(C) -3.271360E-11 -2.639339E-11
第10级系数(D) 7.397376E-15 6.159793E-15
第12级系数(E) 0.00E+00 0.00E+00
表11(续)
表面数值 30 31
第4级系数(A) 1.000867E-06 -6.536127E-06
第6级系数(B) -8.908101E-09 2.930092E-09
第8级系数(C) 8.199618E-12 -1.715305E-11
第10级系数(D) -5.411937E-15 2.079050E-14
第12级系数(E) 3.653303E-18 -1.062748E-17
通过应用上述非球面表面的系数来计算非球面表面的公式与实践示例1中所示出的公式1相同。
表12示出了投影图像的尺寸为110英寸或60英寸时，每一表面数值对应的透镜组之间的距离(或透镜组间距)。
表12
表13示出了用于形成表面数值32的系数。此处，在表13中，“*”表示乘法，“**”表示求幂操作。
表13
如上所述，根据实践示例3的投影光学系统8可实现能够减小靠近凹面镜85的透镜直径、减小凹面镜85的尺寸、在超近距离上实现投影且减小总体尺寸的投影光学系统。
[实践示例4]
下文将描述根据本发明的又一实践示例的投影光学系统。图13是根据该实践示例的投影光学系统8的光路图。此外，图14是根据该实践示例的投影光学系统8的具体光学设计图。
根据实践示例4的投影光学系统8与实践示例1的配置不同之处在于，第三透镜组83由具有负折光力的两个球面透镜组成，且第四透镜组84由一个非球面透镜和一个自由曲面透镜组成。
自由曲面的形状自由度要高于非球面透镜，特别地，第四透镜组84使用自由曲面透镜以施加畸变校正效果。因而，通过将自由曲面透镜用于第四透镜84，可降低非球面透镜(或多个非球面透镜)的数值。
下文将示出根据实践示例4的投影光学系统8的数值的具体示例。表14是根据实践示例4的投影光学系统8的设计数据。
表14
表14(续)
在表14中，表面数值25和26表示非球面表面。表15示出了这些非球面表面的系数。
表15
表面数值 25 26
第4级系数(A) 1.146523E-05 -2.340761E-05
第6级系数(B) 3.709642E-09 1.778994E-08
通过应用上述非球面表面的系数来计算非球面表面的公式与实践示例1中所示出的公式1相同。
表16示出了投影图像的尺寸为80英寸或48英寸时，每一表面数值对应的透镜组之间的距离(或透镜组间距)。
表16
表17示出了用于形成表面数值29的系数。此处，在表17中，“*”表示乘法，“**”表示求幂操作。
表17
表18示出了用于形成表面数值27和28的系数。此处，在表18中，“*”表示乘法，“**”表示求幂操作。
表18
表面数值 表面数值
27 28
C 0 0
K：圆锥常数 0 0
C2：y 0 0
C3：X**2 -2.664947E-04 2.16250E-03
C4：Y**2 -1.48875E-03 1.03667E-03
C5：X**2*Y 4.12550E-05 6.62277E-06
C6：Y**3 -1.64083E-05 1.10635E-05
C7：X**4 -1.59191E-05 1.20053E-05
C8：X**2*Y**2 -3.32462E-05 1.78769E-05
C9：Y**4 -1.40916E-05 1.51814E-05
C10：X**4*Y -1.49775E-07 -1.02445E-07
C11：X**2*Y**3 1.10670E-08 -7.63040E-08
C12：Y**5 -1.46802E-08 6.80352E-09
C13：X**6 1.21762E-08 -2.20486E-10
C14：X**4*Y*2 9.81435E-09 -2.05658E-08
C15：X**2*Y**4 1.63120E-07 -1.71142E-08
C16：Y**6 3.67243E-09 -7.67399E-09
根据上述实践示例4的投影光学系统8可实现能够减小靠近凹面镜85的透镜直径、减小凹面镜85的尺寸、在超近距离上实现投影且减小总体尺寸的投影光学系统。
如上所述，根据本发明实施例的投影光学系统由正透镜组、正透镜组、负透镜组、一个或多个具有非球面表或自由曲面的透镜组、以及凹面自由曲面镜组成。因而，能够减小靠近凹面镜的透镜直径和凹面镜的尺寸，且在确保后焦距的同时获得优秀的光学性能。此外，根据本发明实施例的投影光学系统被设置为，在聚焦时，正的第一透镜组固定，而正的第二透镜组和负的第三透镜沿光轴在相同方向上移动不同的移动量，具有非球面表面或自由曲面的第四透镜组从属地(accessorily)移动，而凹面镜固定。因而，能够显示出在整个屏幕上聚焦的(或具有较小场曲)且具有较小畸变的更好的图像。
[附录]
<投影光学系统的示例性实施方式>
本发明的至少一个示例性实施方式涉及一种投影光学系统，可应用在用于放大图像且在屏幕上投影图像的图像投影装置中。
本发明的至少一个示例性实施方式的目的在于提供一种投影光学系统，能够减小靠近凹面镜的透镜的透镜直径或凹面镜的尺寸，以减小投影光学系统的整体尺寸。
本发明的至少一个示例性实施方式为一种投影光学系统，用于放大在图像显示元件上显示的图像，且将其投影在投影表面上，主要特征在于，投影光学系统包括由多个透镜组所组成的折射光学系统和具有凹面镜的面镜光学系统，其中，折射光学系统和面镜光学系统设置为，从图像显示元件至投影表面依次布置具有正折光力的第一透镜组、具有正折光力的第二透镜组、具有负折光力的第三透镜组、包含具有非球面表面或自由曲面的一个或多个透镜的第四透镜组、以及凹面镜，并且，该投影光学系统为相对图像显示元件的非远心光学系统。
示例性实施方式(1)为一种投影光学系统，用于放大在图像显示元件上所显示的图像，且将其投影在投影表面上，其中，投影光学系统的特征在于，投影光学系统包括由多个透镜组所组成的折射光学系统和具有凹面镜的面镜光学系统，其中折射光学系统和面镜光学系统设置为，从图像显示元件至投影表面依次布置具有正折光力的第一透镜组、具有正折光力的第二透镜组、具有负折光力的第三透镜组、包含具有非球面表面或自由曲面的一个或多个透镜的第四透镜组、以及凹面镜，并且，该投影光学系统为相对图像显示元件的非远心光学系统。
示例性实施方式(2)为如示例性实施方式(1)所述的投影光学系统，其中组成第一透镜组的透镜中最靠近第二透镜组的透镜的透镜表面是面对第二透镜组的凸形表面。
示例性实施方式(3)为如示例性实施方式(1)或(2)所述的投影光学系统，具有用于限制从图形显示元件捕获的光束的孔径光阑，其中孔径光阑设置在图形显示元件和第一透镜组之间，或设置在组成第一透镜组的透镜之间。
示例性实施方式(4)为如示例性实施方式(1)至(3)中任一所述的投影光学系统，其中当对投影表面进行聚焦时，第一透镜组固定，第二透镜组和第三透镜移动，其移动方式为在第二透镜组和第三透镜组的光轴方向上的移动方向相同，但移动量不同。
示例性实施方式(5)为如示例性实施方式(1)至(4)中任一所述的投影光学系统，其中当对投影表面进行聚焦时，具有非球面表面或自由曲面的透镜组移动。
示例性实施方式(6)为如示例性实施方式(1)至(5)中任一所述的投影光学系统，其中当在折射光学系统和凹面镜之间设置折光镜时，从图像显示元件在其长侧方向上的中心出射至折光镜平面的光束的主光线与垂直于图像显示元件的轴线之间所形成的夹角小于或等于30°.
示例性实施方式(7)为一种投影光学系统，用于放大在图像显示元件上显示的图像，且将其投影在投影表面上，其中，投影光学系统的特征在于，投影光学系统包括用于限制进入投影光学系统的光束的孔径光阑、由多个透镜组组成的折射光学系统、以及具有凹面镜的面镜光学系统，其中折射光学系统和面镜光学系统设置为，从图像显示元件至投影表面依次布置具有正折光力的第一透镜组、具有正折光力的第二透镜组、具有负折光力的第三透镜组、包含具有非球面表面或自由曲面的一个或多个透镜的第四透镜组、以及凹面镜，孔径光阑被设置在与从图像显示元件至凹面镜的入射光的平行光线的焦点相比更靠近图像显示元件的一侧，所述平行光线垂直于图像显示元件并且平行于第一透镜组的光轴，该投影光学系统为相对图像显示元件的非远心光学系统。
示例性实施方式(8)为如示例性实施方式(1)至(7)中任一所述的投影光学系统，其中图像显示元件为反射型图像显示元件。
根据本发明的至少一个示例性实施方式，能够减小靠近凹面镜的透镜的透镜直径或凹面镜的尺寸，以减小投影光学系统的整体尺寸。
根据本发明的至少一个示例性实施方式，能够在实现超近距离投影时提供紧凑的投影光学系统。
虽然参考附图描述了本发明的示例性实施方式和具体示例，但本发明并不限于任一示例性实施方式和具体示例，且在不背离本发明范围的情况下，可以替换、修改或组合这些示例性实施方式和具体示例。
本申请基于2012年11月26日提交的申请号为No.2012-258052的日本专利申请，且要求其作为优先权，该申请的全文以引用的方式合并于此。

Claims (9)

1.一种投影光学系统，包括：
配置为包括至少一个透镜且具有正折光力的第一透镜组；
配置为包括至少一个透镜且具有正折光力的第二透镜组；
配置为包括至少一个透镜且具有负折光力的第三透镜组；
配置为包括至少一个具有非球面表面或自由曲面的透镜的第四透镜组；以及
凹面镜；
其中第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组以及凹面镜从图像显示元件一侧到图像侧依次布置，且投影光学系统为非远心光学系统。
2.如权利要求1所述的投影光学系统，其中第一透镜组所包括的最靠近第二透镜组的透镜具有面对第二透镜组的凸形表面。
3.如权利要求1或2所述的投影光学系统，进一步包括孔径光阑，其中该孔径光阑设置在第一透镜组的与第二透镜组相反的一侧，或者设置在第一透镜组中。
4.如权利要求1或2所述的投影光学系统，进一步包括孔径光阑，其中该孔径光阑相对于与第一透镜组光轴平行的光线的焦点而设置在第一透镜组的一侧。
5.如权利要求1或2所述的投影光学系统，其中通过固定第一透镜组，沿第二透镜组和第三透镜组的光轴方向在相同方向上以不同的量移动第二透镜组和第三透镜组来实现聚焦。
6.如权利要求1或2所述的投影光学系统，其中通过移动第四透镜组来实现聚焦。
7.如权利要求1或2所述的投影光学系统，进一步包括平面折光镜，该平面折光镜设置在第四透镜组和所述凹面镜之间，并且，穿过物面中心的主光线与物面法线的夹角为30°或更小。
8.一种图像投影装置，包括
配置为显示图像的图像显示元件；以及
如权利要求1-7中任一项所述的投影光学系统。
9.如权利要求8所述的图像投影装置，其中图像显示元件为反射型图像显示元件。
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