CN104793322A - 投影光学系统以及投影型图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供以长焦距进行变焦工作的投影光学系统和投影型图像显示装置，其抑制屏幕侧即放大侧的透镜变大又作为透镜整体比较小型化且高性能。投影透镜(40)为变焦透镜，从放大侧(也就是屏幕侧)依次包括第1组～第N组。而且，N为6或7。第1组(G1)从放大侧依次具备第1A组(G1－1)和第1B组(G1－2)。第1A组(G1－1)包括2个正透镜，第1B组(G1－2)包括正以及负的接合透镜。第2组(G2)至少具有2个负透镜。在改变倍率时，至少第1组和第N组固定，并且至少使第3组～第N－1组沿光轴移动。在对焦时，使第1组(G1)中的放大侧的第1A组(G1－1)单独沿光轴OA移动。

Description

投影光学系统以及投影型图像显示装置
技术领域
本发明涉及适于向放大投影图像显示元件的图像的投影机组装的投影光学系统以及组装有其的投影型图像显示装置。
背景技术
近年，伴随投影机的高辉度化以及高分辨率化，投影机的设置范围变宽，在向离屏幕比较远的位置设置的需求也不断增加。为了满足该需求，需要从离屏幕比较远的距离进行投影并满足特定屏幕尺寸、用于实现高分辨率的长焦距变焦透镜。
也就是，伴随投影机的高辉度化，该产品自身设置在相对于屏幕离开的位置而使用的用途正在增加。与此相伴，就需要投影透镜的焦距也长且F值亮的高分辨率的变焦透镜。
但是，作为一般的投影光学系统，存在下述投影光学系统：最靠屏幕侧的第一组为具有负的光焦度(power，折射能力)的反焦(retrofocus，负焦距)式构件。在将这样的投影光学系统用在长焦距系的情况下，如果要使入射瞳径变大而且实现大口径，则第2组以后的透镜直径会因轴上光线的影响而变大。因此，难以确保高性能。进而，因为产品主体机构部的直径变大、透镜的直径也变大，所以成本上升。
此外，拍摄系统中有长焦距系的变焦透镜(参照专利文献1～3)。
【专利文献1】日本特开2007－157097号公报
【专利文献2】日本特开2009－237400号公报
【专利文献3】日本特开2008－164997号公报
发明内容
例如，如果要将专利文献1的拍摄系统应用于投影光学系统，则因为发生前透镜以及全长的大型化、非球面透镜直径的增大，要面对加工困难、成本增加等问题，所以需要进行使其适于投影用途的设计。
本发明是鉴于上述背景技术的问题而完成的，其目的在于提供以长焦距进行变焦工作的投影光学系统，其既抑制屏幕侧即放大侧的透镜变大又作为透镜全体比较小型化且高性能。
为了实现上述目的，本发明涉及的投影光学系统，包括从放大侧起依次设置的第1组～第N组，N为6或7，所述第1组包括：包括2个或3个正透镜的第1A组；和包括正以及负的接合透镜且与第2组相邻地设置的第1B组；所述第2组至少具有2个负透镜，在对焦时使所述第1A组沿光轴移动，在改变倍率时至少将所述第1组和所述第N组固定且至少使第3组～第N－1组沿光轴移动。
根据上述投影光学系统，第1组包括：包括2个或3个正透镜的第1A组；和包括正以及负的接合透镜的第1B组，所以能够充分校正长焦距透镜的望远侧特有的像差即球面像差。另外，将第1组分成第1A组和第1B组，在对焦时，通过将第1组中的放大侧的第1A组设为聚焦组，能够减小对焦时的输送量，能够简化聚焦机构。另外，可动部变为轻量，因此也能够改善聚焦机构的可靠性。进而，将投影光学系统设为合计6或7组的构成，通过使第3组～第N－1组在改变倍率时移动，从而能够抑制从广角端到望远端为止的像差变动。通过使第2组包括2个以上的负透镜，从而能够确保周边光量且充分地确保投影光学系统或投影透镜所需的后焦点。
根据本发明的一个方面，在改变倍率时使所述第2组～所述第N－1组沿光轴移动。
根据本发明的另一方面，在改变倍率时将所述第1组、所述第2组和所述第N组固定。
根据本发明的其他别的方面，关于所述第1组内的透镜，在将存在于所述第1B组的所述接合透镜的正透镜的色散系数设为νd1并将所述接合透镜的负透镜的色散系数设为νd2时，满足以下条件式(1)
25＜(νd1－νd2)＜50···  (1)。
上述条件式(1)规定了第1B组内的接合透镜的色散系数的关系。通过使其在上述条件式(1)的范围内，能够对望远侧的轴上色像差进行校正。
根据本发明的其他别的方面，所述第2组具有包括所述2个负透镜的多个负透镜，所述多个负透镜中的一个为双凹透镜，并且，在将存在于所述第2组的所述多个负透镜中的配置在最靠放大侧的负透镜的色散系数设为νd时，满足以下条件式(2)
25＜νd＜50···  (2)。
上述条件式(2)规定了在最靠放大侧所配置的负透镜的色散系数。通过将其设在上述条件式(2)的范围内，能够抑制与从广角端到望远端为止的改变倍率相伴的色像差的变动。
根据本发明的其他别的方面，在将所述第1A组和所述第1B组的合成焦距设为f1、将所述第2组的焦距设为f2时，满足以下条件式(3)
1.5＜|f1/f2|＜4···  (3)。
上述条件式(3)规定了所述第1A组以及第1B组的合成焦距与所述第2组的焦距的关系。通过将其设在上述条件式(3)的范围内，所述第1组与第2组的折射能力的绝对值接近、能够校正广角端的球面像差，还能够抑制光圈附近的透镜的大型化。
根据本发明的其他别的方面，进一步具备实质上不具有折射能力的透镜。
为了实现上述目的，本发明涉及的投影型图像显示装置具备上述投影光学系统和在所述投影光学系统的光路前级所设置的像形成光学部。
附图说明
图1是表示组装有实施方式的投影光学系统的投影型图像显示装置的概略构成的图。
图2是实施例1的投影光学系统的剖视图。
图3(A)～(F)是实施例1的投影光学系统的像差图。
图4是实施例2的投影透镜的剖视图。
图5(A)～(F)是实施例2的投影光学系统的像差图。
图6是实施例3的投影透镜的剖视图。
图7(A)～(F)是实施例3的投影光学系统的像差图。
附图标记说明
40…投影透镜、41－43…投影透镜、
G1－G7…组或透镜组、G1－1…第1A组、
G1－2…第1B组、L1～L16…透镜、OA…光轴、
I…图像形成面、2…投影机(投影型图像显示装置)、
51…像形成光学部、52…投影光学系统
具体实施方式
下面参照附图，就本发明的实施方式涉及的投影光学系统以及组装有其的投影型图像显示装置详细进行说明。
如图1所示，投影机2作为组装有本发明的一个实施方式涉及的投影光学系统的投影型图像显示装置，具备：投影图像光的光学系统部分50；和控制光学系统部分50的工作的电路装置80。
在光学系统部分50中，光源10包括例如超高压水银灯、固体光源等。第1积分透镜11以及第2积分透镜12分别具有排列成阵列状的多个透镜元件。第1积分透镜11将来自光源10的光束分割为多束。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的透镜元件与重叠透镜14协同作用而将第1积分透镜11的透镜元件的像形成于后述的液晶面板18R、液晶面板18G以及液晶面板18B。
偏振转换元件13使得来自第2积分透镜12的光转换成预定的直线偏振光。重叠透镜14使第1积分透镜11的各透镜元件的像经由第2积分透镜12而在液晶面板18R、液晶面板18G以及液晶面板18B的显示区域上重叠。
第1分色镜15使从重叠透镜14入射的R光反射并使G光以及B光透射。在第1分色镜15反射的R光经反射镜16以及场透镜17R向作为光调制元件或显示元件的液晶面板18R入射。液晶面板18R通过与图像信号相应地对R光进行调制而形成R色的图像。
第2分色镜21使来自第1分色镜15的G光反射并使B光透射。在第2分色镜21反射的G光经场透镜17G向作为显示元件的液晶面板18G入射。液晶面板18G通过与图像信号相应地对G光进行调制而形成G色的图像。透射了第2分色镜21的B光经中继透镜22、反射镜23、中继透镜24、反射镜25以及场透镜17B向作为显示元件的液晶面板18B入射。液晶面板18B通过与图像信号相应地对B光进行调制而形成B色的图像。
十字分色棱镜19是光合成用的棱镜，将由各液晶面板18R、18G、18B调制后的光合成为图像光，并使其向投影透镜40行进。
投影透镜40将由各液晶面板18G、18R、18B调制并由十字分色棱镜19合成出的图像光放大投影到未图示的屏幕上。
在以上的光学系统部分50中，十字分色棱镜19和投影透镜40构成用于将由各液晶面板18R、18G、18B所形成的图像放大投影到屏幕上的投影光学系统52。此外，投影透镜40单独也能够作为投影光学系统52发挥作用，所以投影透镜40有时也单独称为投影光学系统。在以上那样的投影光学系统52的光路前级所设置的液晶面板18G、18R、18B、分色镜15、21、偏振转换元件13、积分透镜11、12、光源10等，作为像形成光学部51发挥作用。
电路装置80具备：被输入视频信号等的外部图像信号的图像处理部81；基于图像处理部81的输出而驱动在光学系统部分50所设置的液晶面板18G、18R、18B的显示驱动部82；和统一控制图像处理部81以及显示驱动部82的工作的主控制部88。
图像处理部81将被输入的外部图像信号转换成包括各色的灰度等的图像信号。此外，图像处理部81也可以对外部图像信号进行失真校正和/或颜色校正等各种图像处理。
显示驱动部82能够基于从图像处理部81输出的图像信号使液晶面板18G、18R、18B工作，能够使得与该图像信号相对应的图像或与对其实施了画像处理所得的结果相对应的图像形成于液晶面板18G、18R、18B。
下面，参照图2，就本发明的实施方式涉及的投影透镜40以及投影光学系统52具体地进行说明。此外，作为实施方式例示的投影透镜40成为与后述实施例1的投影透镜相同的构成。
实施方式的投影透镜40为变焦透镜，从放大侧(也就是屏幕侧)依次包括例如第1组G1～第6组G6。下面，第1组G1～第6组G6也称为第1透镜组G1～第6透镜组G6。在改变倍率时，第1组～第6组G1～G6中的最靠放大侧的第1组G1和最靠缩小侧的第6组G6固定，使其间的第2组～第5组G2～G5沿光轴OA独立地移动。另外，在对焦时，使第1组G1中的放大侧的第1A组G1－1单独沿光轴OA移动。此外，投影透镜40不限于包括第1组～第6组G1～G6的情况，也可以包括第1组～第7组(第1透镜组～第7透镜组)。该情况下，作为缩小侧的最终组的第7组在改变倍率时也固定。
投影透镜40的第1组G1从放大侧起依次具有第1A组G1－1和第1B组G1－2。第1A组G1－1包括2个正透镜，第1B组G1－2包括正的和负的接合透镜。具体而言，第1A组G1－1从放大侧起依次具有正的第1透镜L1和正的第2透镜L2，第1B组G1－2从放大侧起依次具有正的第3透镜L3和负的第4透镜L4、成为接合两个透镜L3、L4而成的组。
第2组G2至少具有2个负透镜。具体而言，第2组G2从放大侧起依次具有负的第5透镜L5和负的第6透镜L6。第2组G2有时除上述2个负透镜外例如还在缩小侧具有追加的正透镜等。关于第2组G2，虽然原则上在改变倍率时相对于第1组G1独立移动，但是也可以在改变倍率时附随于第1B组G1－2而固定。
第3组G3例如具有正的第7透镜L7，但不限于此。第4组G4例如包括正的第8透镜L8、正的以及负的接合透镜L9、L10和正的第11透镜L11，但不限于此，也可以例如设为省略了正的第8透镜L8的构成。此外，也可以在第3组G3与第4组G4之间追加透镜组而使第4组G4～第6组G6成为第5组～第7组。第5组G5例如具有负的第12透镜L12和正的第13透镜L13，但不限于此。第6组G6在本实施方式中为最终组并包括正的第14透镜L14，但不限于此。
根据以上的投影透镜40或投影光学系统52，放大侧第1组G1包括：包括正的第1透镜L1和第2透镜L2的第1A组G1－1；和包括正的以及负的接合透镜L3、L4的第1B组G1－2，所以能够充分校正长焦距透镜的望远侧特有的像差即球面像差。另外，通过将第1组G1的放大侧的第1A组G1－1设为聚焦组，能够使聚焦机构简化，并且通过将投影透镜40设为N组(合计6或7组)构成，通过至少使第3组～第N－1组在改变倍率时移动，能够抑制从广角端到望远端的像差变动。通过使第2组G2包括2个负透镜、即负的第5透镜L5和负的第6透镜L6，能够确保周边光量且充分确保投影透镜40或投影光学系统52所需的后焦距。
投影透镜40满足已说明的条件式(1)。即，在第1组G1中、将第1B组G1－2所具有的接合透镜L3、L4中的一个正的第3透镜L3的色散系数设为νd1、将另一个的负的第4透镜L4的色散系数设为νd2时，满足以下条件式(1)。
25＜(νd1－νd2)＜50···  (1)
投影透镜40除上述条件式(1)外还满足已说明的条件式(2)等。即，作为第2组G2所具有的多个负透镜中的一个的第5透镜L5为双凹透镜、且将第2组G2所具有的多个负透镜中的、作为在最靠放大侧配置的负透镜的第5透镜L5的色散系数设为νd时，满足以下条件式(2)。
25＜νd＜50···  (2)
投影透镜40除上述条件式(1)等外还满足已说明的条件式(3)。即，在将第1A组G1－1与第1B组G1－2的合成焦距设为f1、将第2组G－2的焦距设为f2时，满足
1.5＜|f1/f2|＜4···  (3)。
此外，实施方式的投影透镜40也可以进一步具备实质上不具有光焦度(power)的透镜。
〔实施例〕
下面，就投影透镜40(或投影光学系统52)的具体实施例进行说明。将实施例1～3共用的诸多要素的意思总结如下。
R：曲率半径
d：轴上面间隔(mm)(透镜厚度或透镜间隔)
nd：d线的折射率
μd：d线的色散系数
f：透镜的焦距
FNO：光圈数
OBJ：物距
A～G：组间隔(轴上面间隔d中的可变部分)
SC：屏幕面
L1～L16：透镜
DP：背面插入物(棱镜等)
PA：显示元件的图像形成面I
(实施例1)
构成实施例1的投影透镜的透镜面的数据如以下的表1所示。此外，在表1等中，“面编号”表示透镜面的面编号，“LENS”表示透镜编号，“组”表示透镜组。在表中，例如“L3/4”表示第3透镜L3以及第4透镜L4的接合透镜。并且，“INFINITY”表示无限大。
〔表1〕
以下的表2为说明实施例1的投影透镜的改变倍率工作的变焦数据。在表2中，与实施例1的投影透镜的广角端“WIDE”和望远端”TELE”相关地示出焦距f、光圈数FNO、组间隔A～F等。
〔表2〕
以下的表3是说明实施例1的投影透镜的对焦工作的数据。表3示出组间隔A，该组间隔A表示使物距OBJ从6m变化至无限大时的第1A组G1－1的位置。移动幅度成为与上述范围中的聚焦所需的第1A组G1－1的移动量相当。
〔表3〕
图2是包括实施例1的投影透镜等的投影光学系统的剖视图。图示的投影透镜41(或投影光学系统52)从放大侧起依次包括第1组G1～第6组G6。其中的第1组G1从放大侧起依次具备第1A组G1－1和第1B组G1－2。第1A组G1－1具有正的第1透镜L1和正弯月(meniscus)透镜的第2透镜L2，第1B组G1－2成为接合正的第3透镜L3和负的第4透镜L4而成的接合透镜。第2组G2具有负的第5透镜L5和负弯月透镜的第6透镜L6。第3组G3例如具有正的第7透镜L7。第4组G4例如具有正的第8透镜L8、包括正以及负的第9以及第10透镜L9、L10的接合透镜、和正弯月透镜的第11透镜L11。第5组G5例如具有负的第12透镜L12和正弯月透镜的第13透镜L13。最靠缩小侧的第6组G6具有接近凸平的正的第14透镜L14。在改变倍率时，使第2组G2～第5组G5沿光轴OA独立地移动，在对焦时使放大侧的第1A组G1－1沿光轴OA移动。
图3(A)～3(C)是实施例1的投影透镜41的广角端(WIDE)处的像差图(球面像差、非点像差以及畸变像差)，图3(D)～3(F)是实施例1的投影透镜41的望远端(TELE)处的像差图(球面像差、非点像差以及畸变像差)。此外，以上的像差是物距OBJ为6m时的像差。
以下的表4就实施例1的投影透镜41示出了与条件式(3)相关的数值(合成焦距)。
〔表4〕
(实施例2)
在以下的表5中示出构成实施例2的投影透镜的透镜面的数据。
〔表5〕
以下的表6为与广角端和望远端相关地对实施例2的投影透镜的改变倍率工作进行说明的变焦数据。
〔表6〕
以下的表7是说明实施例2的投影透镜的对焦工作的数据。在表7中，与使物距OBJ从6m变化至无限大相对应地、关于第1A组G1－1示出组间隔A的变化以及此时的移动幅度。
〔表7〕
图4是包括实施例2的投影透镜等的投影光学系统的剖视图。图示的投影透镜42(或投影光学系统52)从放大侧起依次包括第1组G1～第6组G6。其中的第1组G1从放大侧起依次具备第1A组G1－1和第1B组G1－2。第1A组G1－1具有正的第1透镜L1和正弯月透镜的第2透镜L2，第1B组G1－2成为接合正的第3透镜L3和负的第4透镜L4而成的接合透镜。第2组G2具有负弯月透镜的第5透镜L5、负的第6透镜L6和正弯月透镜的第7透镜L7。第3组G3例如具有正的第8透镜L8。第4组G4例如具有包括正以及负的第9以及第10透镜L9、L10的接合透镜、和正弯月透镜的第11透镜L11。第5组G5例如具有负的第12透镜L12和正的第13透镜L13。最靠缩小侧的第6组G6具有正弯月透镜的第14透镜L14。在改变倍率时，使第3组G3～第5组G5沿光轴OA独立移动，在对焦时使放大侧的第1A组G1－1沿光轴OA移动。
图5(A)～5(C)是实施例2的投影透镜42的广角端(WIDE)处的像差图(球面像差、非点像差以及畸变像差)，图5(D)～5(F)是实施例2的投影透镜42的望远端(TELE)处的像差图(球面像差、非点像差以及畸变像差)。以上的像差是物距OBJ为20m时的像差。
以下的表8就实施例2的投影透镜42示出与条件式(3)相关的数值(合成焦距)。
〔表8〕
(实施例3)
以下的表9示出构成实施例3的投影透镜的透镜面的数据。
〔表9〕
以下的表10为与广角端和望远端相关地对实施例3的投影透镜的改变倍率工作进行说明的变焦数据。
〔表10〕
以下的表11是说明实施例3的投影透镜的对焦工作的数据。在表11中，与使物距OBJ从9m变化至50m相对应地、关于第1A组G1－1示出组间隔A的变化及此时的移动幅度。
〔表11〕
图6是包括实施例3的投影透镜等的投影光学系统的剖视图。图示的投影透镜43(或投影光学系统52)从放大侧起依次包括第1组G1～第7组G7。其中的第1组G1从放大侧起依次具有第1A组G1－1和第1B组G1－2。第1A组G1－1具有接近凸平的正的第1透镜L1、正弯月透镜的第2透镜L2和正弯月透镜的第3透镜L3，第1B组G1－2成为接合正弯月透镜的第4透镜L4和负弯月透镜的第5透镜L5而成的接合透镜。第2组G2具有负的第6透镜L6和负的第7透镜L7。第3组G3例如具有正弯月透镜的第8透镜L8。第4组G4例如具有正的第9透镜L9。第5组G5例如具有正的第10透镜L10、包括正以及负的第11以及第12透镜L11、L12的接合透镜、和正弯月透镜的第13透镜L13。第6组G6具有负的第14透镜L14和正弯月透镜的第15透镜L15。最靠缩小侧的第7组G7具有正弯月透镜的第16透镜L16。在改变倍率时，使第2组G2～第6组G6沿光轴OA独立移动，在对焦时使放大侧的第1A组G1－1沿光轴OA移动。
图7(A)～7(C)是实施例3的投影透镜43的广角端(WIDE)处的像差图(球面像差、非点像差以及畸变像差)，图7(D)～7(F)是实施例3的投影透镜43的望远端(TELE)处的像差图(球面像差、非点像差以及畸变像差)。以上的像差是物距OBJ为17m时的像差。
以下的表12就实施例3的投影透镜43示出与条件式(3)相关的数值(合成焦距)。
〔表12〕
〔实施例的总结〕
以下的表13中就各实施例1～3总结了与条件式(1)～(3)的值νd1－νd2等相关的数值数据。
〔表13〕
条件式 实施例1 实施例2 实施例3
25＜(νd1－νd2)＜50 24.7 33.7 36.7
25＜νd＜50 32.2 32.2 36.3
1.5＜|f1/f2|＜4 2.6 2.3 3
本发明不限于上述实施方式或实施例，能够在不脱离其主旨的范围内按各种方式实施。
例如，在各实施例1～3中可以在透镜L1～L16的前后或其间追加1个以上的实质上不具有光焦度(power)的透镜。
另外，投影透镜40的放大投影的对象不限于液晶面板18G、18R、18B，也可以采用投影透镜40对通过以微镜为像素的数字微镜器件等各种光调制元件所形成的图像进行放大投影。

Claims (8)

1.一种投影光学系统，其特征在于，
包括从放大侧依次设置的第1组～第N组，
N为6或7，
所述第1组包括：包括2个或3个正透镜的第1A组；和包括正以及负的接合透镜且与所述第2组相邻设置的第1B组；
所述第2组至少具有2个负透镜，
在对焦时，使所述第1A组沿光轴移动，
在改变倍率时，至少将所述第1组和所述第N组固定且至少使所述第3组～所述第N－1组沿光轴移动。
2.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
在改变倍率时，使所述第2组～所述第N－1组沿光轴移动。
3.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
在改变倍率时，将所述第1组、所述第2组和所述第N组固定。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的投影光学系统，其特征在于，
关于所述第1组内的透镜，在将存在于所述第1B组的所述接合透镜的正透镜的色散系数设为νd1、将所述接合透镜的负透镜的色散系数设为νd2时，满足以下条件式：
25＜(νd1－νd2)＜50。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的投影光学系统，其特征在于，
关于所述第2组，具有包括所述2个负透镜的多个负透镜，所述多个负透镜中的一个为双凹透镜，并且，在将存在于所述第2组的所述多个负透镜中的配置在最靠放大侧的负透镜的色散系数设为νd时，满足以下条件式：
25＜νd＜50。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的投影光学系统，其特征在于，
在将所述第1A组和所述第1B组的合成焦距设为f1、将所述第2组的焦距设为f2时，满足以下条件式：
1.5＜|f1/f2|＜4。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的投影光学系统，其特征在于，
还具备实质上不具有折射能力的透镜。
8.一种投影型图像显示装置，其特征在于，具备：
权利要求1～7中任一项所述的投影光学系统；和
在所述投影光学系统的光路前级所设置的像形成光学部。
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