CN105319667B - 投影装置和投影系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及投影装置和投影系统，其目的在于提供一种投影距离短且具有高亮度的小型高性能投影装置。本发明的投影装置具有折射光学系统(11)、反射镜(12)以及自由曲面镜(13)，折射光学系统(11)从图像形成部(LV)出发，朝放大方向依次设有具有正屈光度的第一透镜群(G1)、具有正屈光度的第二透镜群(G2)、具有负屈光度的第三透镜群(G3)、具有正屈光度的第四透镜群(G4)，该折射光学系统(11)至少具有满足以下条件‑6＜dnT的正透镜和负透镜各一片，其中的dnT为40度至60度温度范围内D线上的相对折射率的温度系数。

Description

投影装置和投影系统
技术领域
本发明涉及将显示在图像显示元件上的图像放大投影到屏幕等被投影面上的投影装置、以及包含该投影装置和该屏幕在内的投影系统。
背景技术
通常，投影装置用照明装置照射数字微镜元件(Digital Micromirror Device，简略为DMD)或液晶显示面板等图像显示元件的显示画面，并通过投影光学系统，将图像显示元件的显示画面的放大像投影到构成被投影面的屏幕上。
目前对投影装置中，超短距离前置投影方式投影机的需求不断增大。这种方式的投影机具有投影距离短、显示画面大的特征。对此在现有技术中，提出将折射光学系统和曲面镜的结合起来，构成实现小型超短距离投影的技术方案(参见专利文献1(JP特开2007-79524号公报)、专利文献2(JP特开2009-251458号公报)、专利文献3(JP特开2011-242606号公报)以及专利文献4(JP特开2009-216883号公报))。
另一方面，近年来，随着上述超短距离投影机的高亮度要求，对能够充分考虑到照明灯和电源的发热以及吸收光线产生的热量所带来的温度特性的光学系统的需求也在增加。
然而，超短距离投影机的问题在于，其与现有的前置型投影机相比，投影角度大，周围部分、尤其是离开折射光学系统的共有光轴距离最大的点上焦点深度十分狭窄，只有数厘米。为此，在超短距离投影机中，因温度上升而产生的像面弯曲使得画面周围部分的焦点位置发生较大偏离，严重影响到图像质量。而这样的问题对现有投影机并没有显著影响。
但是，上述专利文献中没有涉及对温度上升所引起的像面弯曲的补偿，所以说，这些技术方案还不足以应对目前需要的投影机规格。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种投影距离短且具有高亮度的小型高性能投影装置。
为了达到上述目的，本发明提供的一种投影装置，用于将显示在图像显示元件上的图像放大投影到屏幕上，其中具有折射光学系统和反射光学系统，所述反射光学系统至少具有一个反射光学元件，其特征在于，所述折射光学系统至少具有满足以下条件(1)的正透镜和负透镜各一片，
-6<dnT (1)
其中，dnT为40度至60度温度范围内D线的相对折射率的温度系数。
进而，上述投影装置中的所述正透镜和所述负透镜进一步满足以下条件(2)
70<νd (2)
其中，νd为阿贝数。
进而，上述投影装置所述折射光学系统至少具有一片结合透镜，该结合透镜至少包含分别满足以下各项条件(5)至(8)的正透镜和负透镜各一片，
4<dnTP (5)
0.61<θgFP (6)
3<dnTN (7)
0.59<θgFN (8)
在此，设dnTP为所述正透镜在40至60度范围内e线的相对折射率的温度系数，θgFP为所述正透镜的g线、F线的部分分散比，dnTN为所述负透镜在40至60度范围内e线的相对折射率的温度系数，θgFN为所述负透镜的g线、F线的部分分散比，θgF为部分分散比，θgF＝(Ng-NF)/(NF-NC)，其中，Ng为相对于g线的折射率，NF为相对于F线的折射率，NC为相对于C线的折射率。
本发明的效果如下。
根据本发明，在用于将显示在图像显示元件上的图像放大投影到屏幕上，其中具有折射光学系统和反射光学系统，所述反射光学系统至少具有一个反射光学元件的投影装置中，所述折射光学系统至少具有满足以下条件(1)的正透镜和负透镜各一片，
-6<dnT (1)
其中，dnT为40度至60度温度范围内D线的相对折射率的温度系数。在这种情况下，本发明能够提供具有良好温度性能的超短投影距离的高性能小型投影装置。
进而，上述投影装置中的所述正透镜和所述负透镜进一步满足以下条件(2)
70<νd (2)
其中，νd为阿贝数，在这种情况下，本发明能够提供兼顾光学性能和温度性能，投影距离非常短且具有高亮度的高性能小型投影装置。
根据本发明，所述折射光学系统还至少具有一片结合透镜，该结合透镜至少包含分别满足以下各项条件(5)至(8)的正透镜和负透镜各一片，
4<dnTP (5)
0.61<θgFP (6)
3<dnTN (7)
0.59<θgFN (8)
在此，设dnTP为所述正透镜在40至60度范围内e线的相对折射率的温度系数，θgFP为所述正透镜的g线、F线的部分分散比，dnTN为所述负透镜在40至60度范围内e线的相对折射率的温度系数，θgFN为所述负透镜的g线、F线的部分分散比，θgF为部分分散比，θgF＝(Ng-NF)/(NF-NC)，其中，Ng为相对于g线的折射率，NF为相对于F线的折射率，NC为相对于C线的折射率。在这种情况下，本发明能够提供投影距离非常短且具有高亮度的高性能小型投影装置。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的实施例1涉及的投影装置的光路图。
图2是显示用于形成图像的图像形成部的中心和光轴之间的设置关系的示意图，图像形成部相对于光轴在Y方向偏离一定距离。
图3是以本发明第一实施方式实施的实施例1涉及的投影装置所使用的投影光学系统在不同大小投影时，合焦后的透镜移动位置的示意图。其中(A)的投影大小为远距离(80英寸)的透镜位置，(B)是投影大小为近距离(48英寸)的透镜位置。
图4是本发明第一实施方涉及的投影光学系统在以折射光学系统的光轴为原点时在图像显示元件上假设性显示的图像显示区域的视角编号(评价点)的示意图。
图5是本发明第一实施方的实施例1的投影装置在投影大小为80英寸时图4所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图6是本发明第一实施方的实施例1的投影装置在投影大小为60英寸时图4所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图7是本发明第一实施方的实施例1的投影装置在投影大小为48英寸时图4所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图8是以本发明第一实施方的实施例2涉及的投影装置的光路图。
图9是以本发明第一实施方式实施的实施例2涉及的投影装置所使用的投影光学系统在不同大小投影时，合焦后的透镜移动位置的示意图。其中(A)的投影大小为远距离(100英寸)时的透镜位置，(B)是投影大小为近距离(60英寸)时的透镜位置。
图10是本发明第一实施方的实施例2的投影装置在投影大小为100英寸时图4所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图11是本发明第一实施方的实施例2的投影装置在投影大小为80英寸时图4所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图12是本发明第一实施方的实施例2的投影装置在投影大小为60英寸时图4所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图13是以本发明第二实施方的实施例3涉及的投影装置的光路图。
图14是显示用于形成图像的图像形成部的中心和光轴之间的设置关系的示意图，图像形成部相对于光轴在Y方向偏离一定距离。
图15是以本发明第二实施方式实施的实施例3涉及的投影装置所使用的投影光学系统在不同大小投影时，合焦后的透镜移动位置的示意图。其中(A)的投影大小为远距离(100英寸)时的透镜位置，(B)是投影大小为近距离(80英寸)时的透镜位置。
图16是本发明第二实施方的实施例3的第三透镜群中，双面非球面负弯月形透镜在不同温度(室温和40度)环境下透镜屈光度发生变化时的屈光度之差与离开光轴的高度h之间关系的示意图。
图17是本发明第二实施方涉及的投影光学系统在以折射光学系统的光轴为原点时在图像显示元件上假设性显示的图像显示区域的视角编号(评价点)的示意图。
图18是本发明第二实施方的实施例3的投影装置在投影大小为100英寸时图17所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图19是本发明第二实施方的实施例3的投影装置在投影大小为80英寸时图17所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图20是本发明第二实施方的实施例3的投影装置在投影大小为60英寸时图17所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图21是温度从室温(20度)上升20度时实施例3的投影装置在投影大小为100英寸时图17所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图22是温度从室温(20度)上升20度时实施例3的投影装置在投影大小为80英寸时图17所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图23是温度从室温(20度)上升20度时实施例3的投影装置在投影大小为60英寸时图17所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图24是本发明第二实施方式的实施例4涉及的投影装置的光路图。
图25是本发明第二实施方式的实施例4涉及的投影装置使用的投影光学系统在进行不同大小投影时合焦后透镜移动位置的示意图。其中(A)的投影大小为远距离(100英寸)，(B)的投影大小为近距离(80英寸)。
图26是本发明第二实施方的实施例4的第三透镜群中，双面非球面负弯月形透镜在不同温度(室温和40度)环境下透镜屈光度发生变化时屈光度之差与离开光轴的高度h之间关系的示意图。
图27是本发明第二实施方的实施例4的投影装置在投影大小为100英寸时图17所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图28是本发明第二实施方的实施例4的投影装置在投影大小为80英寸时图17所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图29是本发明第二实施方的实施例4的投影装置在投影大小为60英寸时图17所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图30是温度从室温(20度)上升20度时实施例4的投影装置在投影大小为100英寸时图17所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图31是温度从室温(20度)上升20度时实施例4的投影装置在投影大小为80英寸时图17所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
图32是温度从室温(20度)上升20度时实施例4的投影装置在投影大小为60英寸时图17所示各评价点发出的光射到屏幕上的点图。
具体实施方式
以下参考附图，根据本发明的实施方式，详述本发明的投影装置以及包含该投影装置在内的投影系统。
《第一实施方式》
在描述本发明第一实施方式的实施例之前，首先说明本发明第一实施方式的概念和原理。
本发明的投影装置是用于将显示在图像显示元件上的图像放大投影到屏幕上的装置，其中具有折射光学系统和反射光学系统，所述反射光学系统至少具有一个反射光学元件，所述折射光学系统至少具有分别满足以下条件(1)的正透镜P1和负透镜N1各一片，
-6<dnT (1)
其中，dnT为40度至60度温度范围内D线的相对折射率的温度系数。
在上述正透镜P1和负透镜N1的玻璃材料满足上述条件(1)情况下，不仅能够用该两片透镜来补偿上述投影装置因温度上升造成的焦距变化，而且能够精确调整像面弯曲变化。这样，即便是在温度上升的情况下，超短距离投影机也能够在投影图像所有部分均能够获得良好的分辨率。
优选满足条件(1′)，
-5<dnT (1′)
但是，仅仅满足条件(1)，只能进行温度补偿。而仅作温度补偿，则不能充分进行像差补偿，尤其对色补偿不充分。对此，正透镜P1和负透镜N1进一步满足以下条件(2)。
70<νd (2)
其中，νd为阿贝数。进一步满足条件(2)，便能够兼顾光学性能和温度性能。此时，优选满足条件(2′)。
72<νd (2′)
进而，将所述正透镜P1设置在比光圈更靠近图像显示元件一方，并将负透镜N1设置在比光圈更加靠近放大一方。利用这样的设置将有利于有效实行像差补偿。在此，光圈是指来自图像显示元件整个区域的光束(整束光束)所通过的折射光学系统中最细部分。
进一步优选，所述正透镜P1和所述负透镜N1被包含在含有白图像显示时具有最高温的透镜的透镜群之中。这样，有利于投影光学系统获得良好的温度特性。
进一步优选，最靠近图像显示元件的透镜群、例如第一透镜群中包含所述正透镜P1和负透镜N1。这样，有利于投影光学系统获得良好的温度特性。
进一步优选聚焦时不发生移动的透镜群中包含所述正透镜P1和所述负透镜N1。这样在各种大小的投影中均能获得良好的温度特性。
进一步优选，所述折射光学系统还可以包含树脂透镜PL1，该树脂透镜PL1被包含在含有白图像显示时具有最低温的透镜的透镜群之中。这样能够有效抑制伴随温度变化而发生的像面弯曲。
进一步优选，所述反射光学元件为凹面镜，并具有自由曲面。利用自由曲面能够获得有效的像面弯曲补偿效果。
进一步优选，当设定所述折射光学系统中多片轴对称透镜共有的轴为折射光学系统的光轴时，满足条件(4)，
在此，BF为包含所述图像显示元件在内的面与所述光轴的交点、与最靠近所述图像显示元件的透镜的位于所述图像显示元件一侧的镜面顶点之间的距离，Y为所述光轴与所述图像形成部端部之间距离的最大值。满足上述条件(4)，能够使得投影光学系统更加小型化。进一步优选满足以下条件(4′)。
进一步优选投影光学系统为非远心(non-telecentric)光学系统。用非远心光学系统有利于小型化。
进而，本发明的投影系统具备上述投影装置，该投影装置中的反射光学元件为凹面镜，所述投影系统还包含满足以下条件(3)的屏幕，
TR<0.30 (3)
在此，
满足上述条件(3)，能够能够获得投影距离非常短的投影装置。更加优选TR满足条件(3′)。
TR<0.25 (3′)
如上所述，本发明的投影光学系统在满足上述条件的情况下，有望获得十分短的投影距离并实现大亮度，能够提供具有良好温度特性的小型高性能的投影方式视频显示装置。
以下详述上述本发明第一实施方式的投影装置的投影光学系统构成。
图1是本发明第一实施方式的实施例1涉及的投影装置的光路图。
图2是显示用于形成图像的图像形成部的中心和光轴之间的设置关系的示意图。图像形成部相对于光轴在Y方向偏离一定距离。
图3是以本发明第一实施方式实施实施的实施例1涉及的投影装置所使用的投影光学系统在不同大小投影时，合焦后的透镜移动位置的示意图。其中(A)的投影大小为远距离(80英寸)的透镜位置，(B)是投影大小为近距离(48英寸)的透镜位置。
图1中，标记LV表示图像形成部。图像形成部LV例如为数字微镜元件(DMD)、透射型液晶面板、反射型液晶面板等照明器件，用标记LV表示的部分为用来形成需要投影的图像的部分。如果图像形成部LV如DMD等不具备自我发光功能，则该图像形成部LV形成的图像信息受到照明光学系统LS发射的照明光照射。优选用具有良好效率照明的照明光学系统LS照射图像形成部。为了均匀照明，可以使用例如均光器或复眼均光器。另外，可以用超高压水银灯、氙气灯、卤素灯、LED等白色光源作为照明光源。还可以使用发单色光的LED、LD(激光二极管)等单色光源作为照明光源。照明光学系统采用公知技术，在此省略说明。
在本实施方式中，设定以DMD作为图像形成部LV，该图像形成部LV自己不具备发光功能，但是也适用于用具有使得生成图像发光的功能的自我发光方式的部件作为图像形成部LV。
此外，设定图像形成部LV附近设置的平行平板F为图像形成部LV的盖玻璃(密封玻璃盖)。H为投影装置外装部，S为光圈，SC为屏幕。
图1显示镜头伸出最大的48英寸时的光路图。如图1所示，以多片轴对称透镜的共有光轴为光轴A，Z轴平行于光轴A，在包含从图像显示元件中心射出并通过光圈S中心的光线在内的平面上，Y轴垂直于光轴A，X轴同时垂直于光轴A和Y轴。在图1中设+α方向为顺时针转动方向。
在DMD中经过基于图像信息的二维光强度调制的光束成为作为物体光的投影光束。图像形成部LV射出的投影光束经过折射光学系统11、反射镜12、自由曲面凹面镜13后成为成像光束。也就是说，DMD(图像形成部LV)上形成的图像通过投影光学系统被放大投影到屏幕SC上成为投影图像。在此，设形成图像的面为图像形成面。上述折射光学系统11中的各个光学元件共有同一根光轴，而图像形成部LV如图2所示，相对于光轴A在Y方向偏离。
在本实施方式的实施例中，以折射光学系统11、反射镜12、以及一片自由曲面凹面镜13构成一个光学系统。光学系统中增加镜片本身没有问题，但是，不希望系统结构变得复杂或形成大型结构而使得成本上升。
伴随亮度增加，照明光学系统LS吸收电源以及照明灯的发热而产生的热量增大。尤其是在采用非远心光学系统的投影机中，为了小型化而缩短后焦点，造成镜筒部分的光吸收量大幅度增加，位于最靠近图像显示一方的透镜群容易发生温度上升，从而需要对这些透镜群进行温度补偿。
对此，在本实施例1中，用满足条件(1)和(2)的玻璃材料，例如OHARA公司的S-FPM3，其nd：1.53775，νd：74.7031，dnT：-4.4，来形成位于最靠近图像显示元件的正投影、位于光圈S两侧的正透镜P1和负透镜N1，用以在焦距变动和机械保持部发热引起膨胀之间取得平衡。此外，位于最靠近图像显示元件的正透镜为非球面透镜，有利于精确调整像面弯曲的温度变化。
还可以通过设置冷却机构，抑制包含非球面透镜在内、在聚焦时发生移动的透镜群发生温度变化，从而抑制引起像面弯曲的温度变化。
通过所述折射光学系统11的光形成与图像形成部LV上形成的图像信息共轭的中间像，该中间像作为空间像，位于比反射镜12更加靠近图像形成部LV。中间像的成像不一定为平面像，除了第一实施方式以外，在其他实施方式中，该中间像也形成为曲面像。位于最靠近放大一方的自由曲面凹面镜13放大中间像，并将中间像投影到屏幕SC上。中间像上存在像面弯曲和变形，但是，用自由曲面凹面镜13作为凹面镜，可以用来对此进行补偿。为此，通过减小透镜系统的像差补偿负担，可以增加设计自由度，有利于小型化等。在此，所谓的自由曲面是指变形面，该变形面在Y轴向的任意位置上，X轴向的位置与X轴向上的曲率之间的关系不是常数，在X轴向的任意位置上，Y轴向的位置与Y轴向上的曲率之间的关系不是常数。
优选在自由曲面凹面镜13和屏幕SC之间设置防尘玻璃14。本实施方式中用平板玻璃作为防尘玻璃14，但也可以用带有曲率的玻璃或具有屈光度的透镜等光学元件作为防尘玻璃。防尘玻璃14被设置为相对于光轴A倾斜而不是垂直，但防尘玻璃14与光轴A之间的角度可以是任意角度，也可以垂直。
实施例1
以下参考图3，详述本发明实施例1。
在实施例1以及以下将要描述的实施例2中，诸记号意义如下。
f：整个系统的焦距
NA：开口值
ω：半视角(deg)
R：曲率半径(非球面时为盼轴半径)
D：镜面间隔
Nd：屈光度
νd：阿贝值
K：非球面圆锥常数
Ai：i次方非球面系数
Cj：自由曲面系数
非球面形状用众所周知的下式(13)表示，其中，X为沿光轴方向的非球面量，C为旁轴曲率半径的倒数(旁轴曲率)，H为到光轴的高度，K为圆锥常数，给出旁轴曲率半径、圆锥常数、以及上述各次方的非球面系数，便可确定非球面形状。
自由曲面形状用下式(14)表示，其中，X为沿光轴方向的自由曲面量，C为旁轴曲率半径的倒数(旁轴曲率)，H为到光轴的高度，K为圆锥常数，给出旁轴曲率半径、圆锥常数、以及上述各次方的非球面系数，便可确定自由曲面形状。
在此，
如图1所示，设图像形成部法线、也就是和对称轴透镜共有的轴即光轴A平行的轴为Z轴，设在包含从图像显示元件中心射出后通过光圈S中心的光线在内的平面上的轴中，与光轴A垂直的轴为Y轴，同时垂直于光轴A和Y轴的轴为X轴，顺时针转动方向为+α方向。
图3显示本发明第一实施方式的实施例1涉及的折射光学系统的透镜结构和聚焦形态。该折射光学系统中从图像形成部LV一方出发，朝放大方向依次设有具有正屈光度的第一透镜群G1、具有正屈光度的第二透镜群G2、具有负屈光度的第三透镜群G3、具有正屈光度的第四透镜群G4。在改变投影距离进行聚焦时，在从远距离(80英寸)向近距离(48英寸)聚焦时，具有正屈光度的第二透镜群G2和具有负屈光度的第三透镜群G3向图像形成部方向移动，而具有正屈光度的第四透镜群则向放大方向移动。
第一透镜群G1构成为，从图像形成部LV一侧出发，依次设有：第一透镜L1，为双面非球面双凸透镜，其中面向图像形成部一方的凸面的曲率大于放大一侧的镜面的曲率；第二透镜L2，为正弯月形透镜，其凸面面向放大一方；第三透镜L3，为负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方；结合透镜，包含第四透镜L4和第五透镜L5，其中，第四透镜L4为负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方，第五透镜L5为正弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方；光圈S；第六透镜L6，为负弯月形透镜，其凸面面向放大一方；第七透镜L7，为双面非球面双凸透镜，其中面向放大一侧的凸面的曲率大于图像形成部一方的镜面的曲率；第八透镜L8，为负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方；结合透镜，包含第九透镜L9和第十透镜L10，其中，第九透镜L9为双凸透镜，其中面向放大一方的凸面的曲率大于图像形成部一侧的镜面的曲率；第十透镜L10，为双凹透镜，其中面向图像形成部一方的凹面的曲率大于放大一侧的镜面的曲率；以及，第十一透镜L11，为双凸透镜，其中面向放大一侧的凸面的曲率大于图像形成部一方的镜面的曲率。第二透镜群G2以一片透镜即第十二透镜L12构成，该透镜为正弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方。第三透镜群G3构成为具有第十三透镜L13和第十四透镜L14以及第十五透镜L15，其中，第十三透镜L13为双凹透镜，其中面向放大一侧的凹面的曲率大于图像形成部一方的镜面的曲率；第十四透镜L14是平凹透镜，其平面面向放大一侧；第十五透镜L15是双面非球面负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方。第四透镜群G4构成为包含第十六透镜L16，第十六透镜L16是双面非球面正弯月形透镜，其凸面面向放大一侧。
上述透镜群构成折射光学系统11，在折射光学系统11的放大一侧设有平面镜即反射镜12(面34)和自由曲面凹面镜13(面35)。
此外，将第一透镜L1和第五透镜L5称为正透镜P1，第六透镜L6称为负透镜N1。
以下表1显示透镜参数。在该表中镜面编号上注有*的表示为非球面，**的表示为自由曲面。
表1 开口值：0.200
在表1中，注有*的第4面、第5面、第15面、第16面、第30面、第31面、第32面、第33面的各光学面为非球面，式(13)中的非球面参数如表2所示。
非球面系数中En表示10的次方，即表示(×10n)，例如(E-05)表示(×10－5)。
表2 非球面系数
表1中的DA、DB、DC、DD、DE均为可变间距。
其中，可变间距DA是第一透镜群G1和第二透镜群G2之间的间距，即面23和面24之间的可变距离。可变间距DB是第二透镜群G2和第三透镜群G3之间的间距，即面25和面26之间的可变距离。可变间距DC是第三透镜群G3和第四透镜群G4之间的间距，即面31和面32之间的可变距离。可变间距DD是第四透镜群G4和反射镜12之间的可变间距，可变间距DE是自由曲面凹面镜13和屏幕SC之间的可变间距。
这样，投影光学系统在改变投影距离，从远距离向近距离聚焦时，如图3所示，第二透镜群G2和第三透镜群G3向图像形成部一方移动，第四透镜群G4向放大方向移动。如此，改变放大倍率，投影图像的对角线从48英寸变化到60英寸，进而变化到80英寸，需要配合投影大小来进行聚焦调整。
表1中，用“可变DA”、“可变DB”、“可变DC”、“可变DD”、“可变DE”表示聚焦调整之际的透镜群的镜面之间间距发生变化的DA、DB、DC、DD、DE。表3显示投影图像对角线为80、60、48英寸时镜面间距DA至DE的变化。
表3 可变间距
给出旁轴曲率半径的倒数C、到光轴的高度H，圆锥常数K、以及表4中的自由曲面系数，用上式(14)来计算光轴方向上的自由曲面量X，确定自由曲面的形状。
表4 自由曲面系数
第35面
K 0
C4 1.0821E-02
C6 -1.1254E-03
C8 1.1482E-04
C10 -2.3053E-04
C11 -9.6864E-07
C13 7.8797E-06
C15 -5.2503E-07
C17 -4.5413E-08
C19 1.7411E-07
C21 3.7066E-08
C22 1.6826E-10
C26 9.8546E-10
C28 4.3972E-10
C30 1.9934E-12
C32 -5.8024E-11
C34 -1.2594E-11
C36 -2.2947E-14
C37 -1.9874E-14
C39 1.2852E-13
C41 -5.5519E-13
C43 -1.1902E-13
C45 -1.8461E-14
C47 2.7985E-16
C49 3.2797E-15
C51 -1.2440E-15
C53 7.3482E-16
C55 3.2915E-17
C56 1.7806E-18
C58 6.1984E-18
C60 2.3345E-17
C62 7.7410E-18
C64 8.6880E-18
C66 9.8187E-19
表5显示近距离、标准、远距离时的投影距离和TR的值。在此，TR表示
表5 投影距离和TR
短距离 标准 长距离
48英寸 60英寸 80英寸
投影距离 246.92 300.10 388.02
TR 0.232 0.226 0.219
以下显示实施例3中用以作为图像形成部LV的DMD以及其他元件的数据。DMD尺寸。
点大小：7.56μm
横向长度：14.5152mm
纵向长度：8.1648mm
光轴至元件中心的距离：5.31mm
3.45。表6显示位于最靠近反射面的透镜的投影图像为最大时的合焦状态下从顶点到反射镜12、自由曲面凹面镜13的位置坐标。关于转动，α表示面法线与光轴之间的角度。
表6
Y轴 Z轴 α
第34面 0.00 57.12 -45.00
第35面 83.91 79.15 -102.71
图5、图6、图7分别显示投影大小为80英寸、60英寸、48英寸时，对应图4所示的各视角的点图。各点图显示屏幕表面上波长为625nm(红)、550nm(绿)、420nm(蓝)的成像特性(mm)。从图中可知，均获得了良好的成像。
表7显示室温(20度)和从室温上升到40度时整个系统以及第一透镜群的旁轴焦距。
表7
室温(20度) 40度
整个系统 20.63 20.63
第一透镜群 72.43 72.44
从表7可知，温度发生变化时焦距变动受到抑制。
本实施例的系统具有的关于条件(1)至(4)中的数值如下，均满足条件(1)至(4)。
条件(1)：dnT＝-4.4
条件(2)：νd＝74.7031
条件(3)：TR＝0.219至0.232
条件(4)：
实施例2
以下参考图8，详述本发明实施例2。
如图8所示，设图像形成部法线、也就是和对称轴透镜共有的轴即光轴A平行的轴为Z轴，设在包含从图像显示元件中心射出后通过光圈S中心的光线在内的平面上的轴中，与光轴A垂直的轴为Y轴，同时垂直于光轴A和Y轴的轴为X轴，顺时针转动方向为+α方向。
图9显示本发明第一实施方式的实施例2涉及的折射光学系统的透镜结构和聚焦形态。该折射光学系统中从图像形成部一方出发，朝放大方向依次设有具有正屈光度的第一透镜群G1、具有正屈光度的第二透镜群G2、具有负屈光度的第三透镜群G3、具有正屈光度的第四透镜群G4。如图8所示，在最靠近放大一侧设有自由曲面凹面镜13，在改变投影距离进行聚焦时，在从远距离(100英寸)向近距离(60英寸)聚焦时，具有正屈光度的第二透镜群G2和具有负屈光度的第三透镜群G3向图像形成部方向移动，而具有正屈光度的第四透镜群则向放大方向移动。
第一透镜群G1构成为，从图像形成部LV一侧出发，依次设有：第一透镜L1，为双面非球面双凸透镜，其中面向图像形成部一方的凸面的曲率大于放大一侧的镜面的曲率；第二透镜L2，为负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方；结合透镜，包含第三透镜L3和第四透镜L4，其中，第三透镜L3为负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方；第四透镜L4为正弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方；光圈S；第五透镜L5，为负弯月形透镜，其凸面面向放大一方；第六透镜L6，为双凸透镜，其中面向放大一侧的凸面的曲率大于图像形成部一方的镜面的曲率；第七透镜L7，为双面非球面负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方；结合透镜，包含第八透镜L8和第九透镜L9，其中，第八透镜L8为双凸透镜，其中面向放大一侧的凸面的曲率大于图像形成部一方的镜面的曲率，第九透镜L9为双凹透镜，其中面向图像形成部一方的凹面的曲率大于放大一侧的镜面的曲率；以及，第十透镜L10，为双凸透镜，其中面向放大一侧的凸面的曲率大于图像形成部一方的镜面的曲率；第二透镜群G2以一片透镜即第十一透镜L11构成，该透镜为正弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方。第三透镜群G3构成为具有第十二透镜L12和第十三透镜L13以及第十四透镜L14，其中，第十二透镜L12为负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方；第十三透镜L13是双凹透镜，其中面向图像形成部一方的凹面的曲率大于放大一侧的镜面的曲率；第十四透镜L14是双面非球面负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方。第四透镜群G4构成为包含一片透镜，即第十五透镜L15，第十五透镜L15是双面非球面正弯月形透镜，其凸面面向放大一侧。
上述透镜群构成折射光学系统11，在折射光学系统11的放大一侧设有平面镜即反射镜12(面32)和自由曲面凹面镜13(面33)。
此外，将第三透镜L3称为正透镜P1，第五透镜L5称为负透镜N1。
以下表8显示透镜参数。在该表中镜面编号上注有*的表示为非球面，**的表示为自由曲面。
表8 开口值：0.200
在表8中，注有*的第4面、第5面、第15面、第16面、第28面、第29面、第30面、第31面的各光学面为非球面，式(13)中的非球面参数如表9所示。
非球面系数中En表示10的次方，即表示(×10n)，例如(E-05)表示(×10－5)。
表9 非球面系数
表8中的DA、DB、DC、DD、DE均为可变间距。
其中，可变间距DA是第一透镜群G1和第二透镜群G2之间的间距，即面21和面22之间的可变距离。可变间距DB是第二透镜群G2和第三透镜群G3之间的间距，即面23和面24之间的可变距离。可变间距DC是第三透镜群G3和第四透镜群G4之间的间距，即面29和面30之间的可变距离。可变间距DD是第四透镜群G4和反射镜12之间的可变间距，可变间距DE是自由曲面凹面镜13和屏幕SC之间的可变间距。
这样，投影光学系统在改变投影距离，从远距离向近距离聚焦时，如图9所示，第二透镜群G2和第三透镜群G3向图像形成部一方移动，第四透镜群G4向放大方向移动。如此，改变放大倍率，投影图像的对角线从60英寸变化到80英寸，进而变化到100英寸，需要配合投影大小来进行聚焦调整。
表10中，用“可变DA”、“可变DB”、“可变DC”、“可变DD”、“可变DE”表示聚焦调整之际的透镜群的镜面之间间距发生变化的DA、DB、DC、DD、DE。表10显示投影图像对角线为60、80、100英寸时镜面间距DA至DE的变化。
表10可变间距
给出旁轴曲率半径的倒数C、到光轴的高度H，圆锥常数K、以及表11中的自由曲面系数，用上式(14)来计算光轴方向上的自由曲面量X，确定自由曲面的形状。
表11 自由曲面系数
表12显示近距离、标准、远距离时的投影距离和TR的值。在此，TR表示
表12 投影距离和TR
以下显示实施例3中用以作为图像形成部LV的DMD以及其他元件的数据。DMD尺寸：
点大小：7.56μm
横向长度：14.5152mm
纵向长度：8.1648mm
光轴至元件中心的距离：5.30mm
3.45。
表13显示位于最靠近反射面的透镜的投影图像为最大时的合焦状态下从顶点到反射镜12、自由曲面凹面镜13的位置坐标。关于转动，α表示面法线与光轴之间的角度。
表13
Y轴 Z轴 α
第32面 0.00 55.59 -45.00
第33面 82.93 77.48 -102.80
图10、图11、图12分别显示投影大小为100英寸、80英寸、60英寸时，对应图4所示的各视角的点图。各点图显示屏幕表面上波长为625nm(红)、550nm(绿)、420nm(蓝)的成像特性(mm)。从图中可知，均获得了良好的成像。
表14显示室温(20度)和从室温上升到40度时整个系统以及第一透镜群的旁轴焦距。
表14
室温(20度) 40度
整个系统 20.19 20.20
第一透镜群 41.97 41.99
从表14可知，温度发生变化时焦距变动受到抑制。
本实施例的系统具有的关于条件(1)至(4)中的数值如下，均满足条件(1)至(4)。
条件(1)：dnT＝-4.4
条件(2)：νd＝74.7031
条件(3)：TR＝0.215至0.226
条件(4)：
《第二实施方式》
在描述本发明第二实施方式的实施例之前，首先说明本发明第二实施方式的概念和原理。
本发明的投影装置是用于将显示在图像显示元件上的图像放大投影到屏幕上的装置，其中具有折射光学系统和反射光学系统，所述反射光学系统至少具有一个具有屈光度的反射光学元件，所述折射光学系统至少具有一片结合透镜，该结合透镜至少包含分别满足以下各项条件(5)至(8)的正透镜P2和负透镜N2各一片，
4<dnTP (5)
0.61<θgFP (6)
3<dnTN (7)
0.59<θgFN (8)
在此，设dnTP为所述正透镜P2在40至60度范围内e线的相对折射率的温度系数，θgFP为所述正透镜P2的g线、F线的部分分散比，dnTN为所述负透镜N2在40至60度范围内e线的相对折射率的温度系数，θgFN为所述负透镜N2的g线、F线的部分分散比，θgF为部分分散比，θgF＝(Ng-NF)/(NF-NC)，其中，Ng为相对于g线的折射率，NF为相对于F线的折射率，NC为相对于C线的折射率。
在上述正透镜P2和负透镜N2的玻璃材料满足上述条件(5)和(7)情况下，不仅能够用该两片透镜来补偿上述投影装置因温度上升造成的焦距变化，而且能够精确调整像面弯曲变化。这样，即便是在温度上升的情况下，超短距离投影机也能够在投影图像所有部分均能够获得良好的分辨率。但是，单凭正透镜P2和负透镜N2的玻璃材料满足上述条件(5)和(7)，虽然能够进行温度补偿，却不利于像差补偿尤其是色差补偿。在此，如果正透镜P2和负透镜N2的玻璃材料还同时满足上述条件(2)和(4)，则光学性能和温度特性兼而得之。
进一步优选满足条件(5′)和(7′)。
4.8<dnTP (5′)
3.5<dnTN (7′)
更进一步优选上述结合透镜位于比光圈更靠近放大一方。这样有利于有效进行像差补偿。在此，光圈是指来自图像显示元件整个区域的光束(整束光束)所通过的折射光学系统中最细部分。
进一步优选所述结合透镜被包含在含有所述光圈的透镜群之中。包含光圈的透镜群因光线集中，温度容易上升。而将所述结合透镜设置在所述透镜群中，则能够获得温度特性良好的投影光学系统。
进一步优选所述结合透镜被包含在最接近图像显示元件的透镜群之中。将所述结合透镜设置在最接近图像显示元件的透镜群中，能够获得温度特性良好的投影光学系统。
进一步优选所述结合透镜被包含在聚焦时不发生移动的透镜群之中。这样，在各种大小的投影中均能获得温度特性良好的投影光学系统。进一步优选当设定所述折射光学系统中多片轴对称透镜共有的轴为光轴A时，聚焦时发生移动的透镜群中至少含有一片满足以下条件(9)和(10)的树脂透镜PL2，
|P40d(h)-P20d(h)|×FP<0.02 (9)
|h|<0.85×D (10)
在此，h为距离所述光轴A的高度，D是在位于缩小一侧的透镜镜面与光线的交点之中，离开所述光轴A距离最大的点到所述光轴A的距离，FP为所述树脂透镜PL的d线的旁轴焦距，P40d(h)是温度为40度时距离所述光轴A的高度为h的点的屈光度，P20d(h)是温度为20度时距离所述光轴A的高度为h的点的屈光度。
在聚焦时发生移动的透镜群包含非球面或自由曲面的树脂透镜PL2，能够精确补偿补偿画面周边部分的像面。但是，随着像面补偿效果的提高，温度上升时屈光度变化引起的像面移动增大。条件(9)表示温度从室温上升20度时，透镜在某一高度h上屈光度的变化，条件(10)表示高度h的范围。在满足条件(10)的高度h范围所对应的透镜直径范围以内，屈光度的变化能够控制在条件(9)给出的上限以下。进而，如果同时满足条件(5)至(10)，则即便是在温度上升的情况下也能够精确补偿画面周边的像面。
优选所述树脂透镜PL2被包含在聚焦时不发生移动的透镜群之中，这样有利于有效抑制伴随温度变化发生的像面弯曲。
进一步优选反射光学元件为凹面镜，具有自由曲面。自由曲面有利于有效补偿像面弯曲。
进一步优选，当设定所述折射光学系统中多片轴对称透镜共有的轴为所述折射光学系统的光轴时，满足以下条件(11)，
在此，BF为包含所述图像显示元件在内的面与所述光轴的交点、与最接近显示元件一方的透镜的位于所述显示元件一侧的镜面顶点之间的距离，Y为所述光轴与所述图像形成部端部之间距离的最大值。
满足上述条件(11)，能够使得投影光学系统更加小型化。进一步优选满足以下条件(11′)。
进一步优选投影光学系统为非远心(non-telecentric)光学系统。用非远心光学系统有利于小型化。
进而，本发明的投影系统具备上述投影装置，该投影装置中的反射光学元件为凹面镜，所述投影系统还包含满足以下条件(12)的屏幕，
TR<0.30 (12)
在此，
满足上述条件(12)，能够获得投影距离非常短的投影装置。在这种情况下，更加优选满足条件(12′)。
TR<0.27 (12′)
如上所述，本发明的投影光学系统在满足上述条件的情况下，有望获得十分短的投影距离并实现大亮度，能够提供具有良好温度特性的小型高性能的投影方式视频显示装置。
实施例3
以下详述上述本发明投影装置的投影光学系统构成。
图13是本发明第二实施方式的实施例3涉及的投影装置的光路图。
图14是显示用于形成图像的图像形成部的中心和光轴之间的设置关系的示意图。图像形成部相对于光轴在Y方向偏离一定距离。
图15是以本发明第二实施方式实施的实施例3涉及的投影装置所使用的投影光学系统，在进行不同大小投影时，合焦后的透镜移动位置的示意图。其中(A)的投影大小为远距离(100英寸)的透镜位置，(B)是投影大小为近距离(80英寸)的透镜位置。
图13中，标记LV表示图像形成部。图像形成部LV例如为数字微镜元件(DMD)、透射型液晶面板、反射型液晶面板等照明器件，用标记LV表示的部分为用来形成需要投影的图像的部分。如果图像形成部LV如DMD等不具备自我发光功能，则该图像形成部LV形成的图像信息受到照明光学系统LS发射的照明光照射。优选用具有良好效率照明的照明光学系统LS照射图像形成部。为了均匀照明，可以使用例如均光器或复眼均光器。另外，可以用超高压水银灯、氙气灯、卤素灯、LED等白色光源作为照明光源。还可以使用发单色光的LED、LD(激光二极管)等单色光源作为照明光源。照明光学系统采用公知技术，在此省略说明。
在本实施方式中，设定以DMD作为图像形成部LV，该图像形成部LV自己不具备发光功能，但是也适用于用具有使得生成图像发光的功能的自我发光方式的部件作为图像形成部LV。
此外，设定图像形成部LV附近设置的平行平板F为图像形成部LV的盖玻璃(密封玻璃盖)。H为投影装置外装部，S为光圈，SC为屏幕。图13显示镜头伸出最大的80英寸时的光路图。如图13所示，以多片轴对称透镜的共有光轴为光轴A，Z轴平行于光轴A，在包含从图像显示元件中心射出并通过光圈S中心的光线在内的平面上，Y轴垂直于光轴A，X轴同时垂直于光轴A和Y轴。在图13中设+α方向为顺时针转动方向。
在DMD中经过基于图像信息的二维光强度调制的光束成为作为物体光的投影光束。图像形成部LV射出的投影光束经过折射光学系统11、反射镜12、自由曲面凹面镜13后成为成像光束。也就是说，DMD(图像形成部LV)上形成的图像通过投影光学系统被放大投影到屏幕SC上成为投影图像。在此，设形成图像的面为图像形成面。上述折射光学系统11中的各个光学元件共有同一根光轴，而图像形成部LV如图14所示，相对于光轴A在Y方向偏离。
在本实施方式的实施例中，折射光学系统11、反射镜12、一片自由曲面凹面镜13构成一个光学系统。光学系统中增加镜片本身没有问题，但是，不希望系统结构变得复杂或形成大型结构而使得成本上升。
伴随亮度增加，照明光学系统LS吸收电源以及照明灯的发热而产生的热量增大。尤其是在采用非远心光学系统的投影机中，为了小型化而缩短后焦点，造成镜筒部分的光吸收量大幅度增加，位于最靠近图像显示一方的透镜群容易发生温度上升，从而需要对这些透镜群进行温度补偿。
对此，在本实施例3中，用满足条件(5)至条件(8)的玻璃材料，例如OHARA公司的S-NBH56，其nd：1.85478，νd：24.799，dnTP：5.1，θgFP：0.6122，或者HOYA公司的TAFD25，其nd：1.90366，νd：31.315，dnTN：3.6，θgFP：0.5947，分别形成位于比光圈S更靠近放大一侧的结合透镜中的正透镜P2和负透镜N2，用以在焦距变动和机械保持部发热引起膨胀之间取得平衡。此外，位于最靠近图像显示元件的正透镜为非球面透镜，有利于精确调整像面弯曲的温度变化。
还可以通过设置冷却机构，抑制包含非球面透镜在内、在聚焦时发生移动的透镜群发生温度变化，从而抑制引起像面弯曲的温度变化。
通过所述折射光学系统11的光形成与图像形成部LV上形成的图像信息共轭的中间像，该中间像作为空间像，位于比反射镜12更加靠近图像形成部LV。中间像的成像不一定为平面像，除了第二实施方式以外，在其他实施方式中，该中间像也形成为曲面像。位于最靠近放大一方的自由曲面凹面镜13放大中间像，并将中间像投影到屏幕SC上。中间像上存在像面弯曲和变形，但是，用自由曲面凹面镜13作为凹面镜，可以用来对此进行补偿。
为此，通过减小透镜系统的像差补偿负担，可以增加设计自由度，有利于小型化等。在此，所谓的自由曲面是指变形面，该变形面在Y轴向的任意位置上，X轴向的位置与X轴向上的曲率之间的关系不是常数，在X轴向的任意位置上，Y轴向的位置与Y轴向上的曲率之间的关系不是常数。
优选在自由曲面凹面镜13和屏幕SC之间设置防尘玻璃14。本实施方式中用平板玻璃作为防尘玻璃14，但也可以用带有曲率的玻璃或具有屈光度的透镜等光学元件作为防尘玻璃。防尘玻璃14被设置为相对于光轴A倾斜而不是垂直，但防尘玻璃14与光轴A之间的角度可以是任意角度，也可以垂直。以下参考图15，详述本发明实施例3。
在实施例3以及以下将要描述的实施例4中，诸记号意义如下。
f：整个系统的焦距
NA：开口值
ω：半视角(deg)
R：曲率半径(非球面时为盼轴半径)
D：镜面间隔
Nd：屈光度
νd：阿贝值
K：非球面圆锥常数
Ai：i次方非球面系数
Cj：自由曲面系数
非球面形状用众所周知的下式(16)表示，其中，X为沿光轴方向的非球面量，C为旁轴曲率半径的倒数(旁轴曲率)，H为到光轴的高度，K为圆锥常数，给出旁轴曲率半径、圆锥常数、以及上述各次方的非球面系数，便可确定非球面形状。
自由曲面形状用下式(17)表示，其中，X为沿光轴方向的自由曲面量，C为旁轴曲率半径的倒数(旁轴曲率)，H为到光轴的高度，K为圆锥常数，给出旁轴曲率半径、圆锥常数、以及上述各次方的非球面系数，便可确定自由曲面形状。
在此，
如图13所示，设图像形成部法线、也就是和对称轴透镜共有的轴即光轴A平行的轴为Z轴，设在包含从图像显示元件中心射出后通过光圈S中心的光线在内的平面上的轴中，与光轴A垂直的轴为Y轴，同时垂直于光轴A和Y轴的轴为X轴，顺时针转动方向为+α方向。
下式(19)至(21)可用来计算非球面上与光轴相距h位置上的曲率半径p。非球面计算式的h微分可用下式表示。
图15显示本发明第二实施方式的实施例3涉及的折射光学系统的透镜结构和聚焦形态。该折射光学系统中从图像形成部一方出发，朝放大方向依次设有具有正屈光度的第一透镜群G1、具有正屈光度的第二透镜群G2、具有负屈光度的第三透镜群G3、具有正屈光度的第四透镜群G4。在改变投影距离进行聚焦时，在从远距离(100英寸)向近距离(80英寸)聚焦时，具有正屈光度的第二透镜群G2和具有负屈光度的第三透镜群G3向图像形成部方向移动，而具有正屈光度的第四透镜群则向放大方向移动。
第一透镜群G1构成为，从图像形成部LV一侧出发，依次设有：第一透镜L1，为双面非球面双凸透镜，其中面向图像形成部一方的凸面的曲率大于放大一侧的镜面的曲率；第二透镜L2，为负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方；结合透镜，包含第三透镜L3和第四透镜L4，第三透镜L3，为负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方，第四透镜L4，为正弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方；光圈S；第五透镜L5，为负弯月形透镜，其凸面面向放大一方；第六透镜L6，为双面非球面双凸透镜，其中面向放大一方的凸面的曲率大于图像形成部一侧的镜面的曲率；第七透镜L7，为负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方；结合透镜，包含第八透镜L8和第九透镜9，第八透镜L8，为双凸透镜，其中面向放大一方的凸面的曲率大于图像形成部一侧的镜面的曲率，第九透镜L9，为双凹透镜，其中面向图像形成部一方的凹面的曲率大于放大一侧的镜面的曲率；以及，第十透镜L10，为双凸透镜，其中面向图像形成部一方的凸面的曲率大于放大一侧的镜面的曲率。
第二透镜群G2以一片透镜即第十一透镜L11构成，该透镜为正弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方。
第三透镜群G3构成为具有第十二透镜L12和第十三透镜L13，第十二透镜L12为双凹透镜，其中面向图像形成部一方的凹面的曲率大于放大一侧的镜面的曲率，第十三透镜L13是以树脂形成的双面非球面负弯月形透镜PL，其凸面面向图像形成部一方。
第四透镜群G4构成为包含第十四透镜L14，第十四透镜L14是双面非球面正弯月形透镜，其凸面面向放大一侧。
上述透镜群构成折射光学系统11，在折射光学系统11的放大一侧设有平面镜即反射镜12(面30)和自由曲面凹面镜13(面31)。
此外，将第八透镜L8称为正透镜P2，第九透镜L9称为负透镜N2。
以下表15显示透镜参数。在该表中镜面编号上注有*的表示为非球面，**的表示为自由曲面。
表15 开口值：0.200
在表15中，注有*的第4面、第5面、第13面、第14面、第26面、第27面、第28面、第29面的各光学面为非球面，式(16)中的非球面参数如表2所示。
非球面系数中En表示10的次方，即表示(×10n)，例如(E-05)表示(×10－5)。
表16 非球面系数
表15中的DA、DB、DC、DD、DE均为可变间距。
其中，可变间距DA是第一透镜群G1和第二透镜群G2之间的间距，即面21和面22之间的可变距离。可变间距DB是第二透镜群G2和第三透镜群G3之间的间距，即面23和面24之间的可变距离。可变间距DC是第三透镜群G3和第四透镜群G4之间的间距，即面27和面28之间的可变距离。可变间距DD是第四透镜群G4和反射镜12之间的可变间距，可变间距DE是自由曲面凹面镜13和屏幕SC之间的可变间距。
这样，投影光学系统在改变投影距离，从远距离向近距离聚焦时，如图15所示，第二透镜群G2和第三透镜群G3向图像形成部一方移动，第四透镜群G4向放大方向移动。如此，改变放大倍率，投影图像的对角线从80英寸变化到100英寸，需要配合投影大小来进行聚焦调整。
表15中，用“可变DA”、“可变DB”、“可变DC”、“可变DD”、“可变DE”表示聚焦调整之际的透镜群的镜面之间间距发生变化的DA、DB、DC、DD、DE。表17显示投影图像对角线为100、80、60英寸时镜面间距DA至DE的变化。
表17 可变间距
给出旁轴曲率半径的倒数C、到光轴的高度H，圆锥常数K、以及表4中的自由曲面系数，用上式(17)来计算光轴方向上的自由曲面量X，确定自由曲面的形状。
表18 自由曲面系数
表19显示近距离、标准、远距离时的投影距离和TR的值。在此，TR表示
表19 投影距离和TR
短距离 标准 长距离
60英寸 80英寸 100英寸
投影距离 347.24 448.94 550.55
TR 0.261 0.253 0.249
以下显示实施例3中用以作为图像形成部LV的DMD以及其他元件的数据。DMD尺寸。
点大小：7.56μm
横向长度：14.5152mm
纵向长度：8.1648mm
光轴至元件中心的距离：5.30mm
3.45。
表20显示位于最靠近反射面的透镜的投影图像为最大时的合焦状态下从顶点到反射镜12、自由曲面凹面镜13的位置坐标。关于转动，α表示面法线与光轴之间的角度。
表20
Y轴 Z轴 α
第30面 0.00 55.59 -45.00
第31面 82.93 77.48 -102.80
图18、图19、图20分别显示投影大小为100英寸、80英寸、60英寸时，对应图17所示的各视角的点图。各点图显示屏幕表面上波长为625nm(红)、550nm(绿)、420nm(蓝)的成像特性(mm)。从图中可知，均获得了良好的成像。
表21显示室温(20度)和从室温上升20度时投影大小为100英寸的整个系统以及第一透镜群的旁轴焦距。
表21
室温(20度) 40度
整个系统 20.86 20.87
第一透镜群 35.48 35.49
从表21可知，温度发生变化时焦距变动受到抑制。
图21至图23显示温度从室温(20度)上升20度时投影大小为100英寸、80英寸、60英寸的点图。
图21至图23显示温度上升时也能够获得良好的成像性能。
本实施例的系统具有的关于条件(5)至(12)中的数值如下，均满足条件(5)至(12)。
条件(5)：dnTP＝5.1
条件(6)：θgFP＝0.6122
条件(7)：dnTN＝3.6
条件(8)：θgFN＝0.5947
条件(9)：|P40d(h)-P20d(h)︱×FP＝0.02以下
条件(10)：0.85×D＝16.745
条件(11)：TR＝0.261(近距离60英寸时)
TR＝0.254(标准80英寸时)
TR＝0.249(远0距离100英寸时)
条件(12)：
如图16所示，在条件(10)的范围内，满足条件(9)
实施例4
图24是以本发明第二实施方式实施的实施例4涉及的投影装置的光路图。
图25是本发明第二实施方式的实施例4涉及的投影装置使用的投影光学系统在进行不同大小投影时合焦后透镜移动位置的示意图。其中(A)的投影大小为远距离(100英寸)，(B)的投影大小为近距离(80英寸)。
图24中标记LV表示图像形成部。图像形成部LV例如为数字微镜元件(DMD)、透射型液晶面板、反射型液晶面板等照明器件，用标记LV表示的部分为用来形成需要投影的图像的部分。如果图像形成部LV不具备自我发光功能，则该图像形成部LV形成的图像信息受到照明光学系统LS发射的照明光照射。优选用能够以良好的效率照明的照明光学系统LS作为图像形成部。为了均匀照明，可以使用例如均光器或复眼均光器。另外，可以用超高压水银灯、氙气灯、卤素灯、LED等白色光源作为照明光源。还可以使用单色发光的LED、LD(激光二极管)等单色光源作为照明光源。再者，照明光学系统采用的是众所周知的技术，在此省略说明。
在本实施方式中，设定以DMD作为图像形成部LV，该图像形成部LV自己不具备发光功能。但是，可以利用具有使得生成图像发光的功能的自我发光方式的部件作为图像形成部LV。
此外，设定图像形成部LV附近设置的平行平板F为图像形成部LV的盖玻璃(密封玻璃)。H为投影装置外装部，S为光圈，SC为屏幕。
图24显示镜头伸出最大的80英寸时的光路图。如图24所示，以多片轴对称透镜的共有光轴为光轴A，Z轴平行于光轴A，Y轴在包含从图像显示元件中心射出并通过光圈S中心的光线在内的平面内垂直于光轴A，X轴同时垂直于光轴A和Y轴。在图24中设顺时针转动方向为+α方向。
在DMD中根据图像信息经过二维光强度调制的光束成为作为物体光的投影光束。图像形成部LV射出的投影光束经过折射光学系统11、反射镜12、自由曲面凹面镜13后成为成像光束。也就是说，DMD(图像形成部LV)上形成的图像通过投影光学系统被放大投影到屏幕SC上成为投影图像。
在此，设图像形成的面为图像形成面。上述折射光学系统11中的各个光学元件共有同一根光轴，而图像形成部LV如图14所示，相对于光轴A在Y方向发生偏离。
在本实施方式中，折射光学系统11、反射镜12、一片自由曲面凹面镜13构成一个光学系统。增加镜片本身没有问题，但是，不希望系统结构变得复杂或形成大型结构而使得成本上升。
伴随亮度增加，照明光学系统LS吸收电源以及照明灯的发热而产生的热量增大。尤其是在采用非远心光学系统的投影机中，为了小型化而缩短背聚焦，造成镜筒部分的光吸收量大幅度增加，位于最靠近图像显示一方的透镜群容易发生温度上升，从而需要对这些透镜群进行温度补偿。
对此，在本实施例4中，用满足条件(5)至条件(8)的玻璃材料，例如OHARA公司的S-NBH56，其nd：1.85478，νd：24.799，dnTP：5.1，θgFP：0.6122，或者HOYA公司的TAFD25，其nd：1.90366，νd：31.315，dnTN：3.6，θgFP：0.5947，分别形成位于比光圈S更靠近放大一侧的结合透镜中的正透镜P2和负透镜N2，用以在焦距变动和机械保持部发热引起膨胀之间取得平衡。此外，位于最靠近图像显示元件的正透镜为非球面透镜，有利于精确调整像面弯曲的温度变化。
还可以通过设置冷却机构，抑制包含非球面透镜在内、在聚焦时发生移动的透镜群发生温度变化，从而抑制引起像面弯曲的温度变化。
通过所述折射光学系统11的光形成与在图像形成部LV上形成的图像信息共轭的中间像，该中间像作为空间像，位于比反射镜12更加靠近图像形成部LV。中间像的成像不一定为平面像，除了本实施方式以外，在其他实施方式中，该中间像也形成为曲面像。位于最靠近放大一方的自由曲面凹面镜13放大中间像，并将中间像投影到屏幕SC上。中间像上存在像面弯曲和变形，但通过用自由曲面凹面镜13作为凹面镜，可以对此进行补偿。
为此，通过减小透镜系统的像差补偿负担，可以增加设计自由度，有利于小型化等。在此，所谓的自由曲面是指变形面，该变形面在Y轴向的任意位置上，X轴向的位置与X轴向上的曲率之间的关系不是常数，在X轴向的任意位置上，Y轴向的位置与Y轴向上的曲率之间的关系不是常数。
优选在自由曲面凹面镜13和屏幕SC之间设置防尘玻璃14。本实施方式中用平板玻璃作为防尘玻璃14，但也可以用带有曲率的玻璃或具有屈光度的透镜等光学元件作为防尘玻璃。防尘玻璃14被设置位相对于光轴A倾斜而不是垂直，但防尘玻璃14与光轴A之间的角度可以是任意角度，也可以垂直。图25显示本发明第二实施方式的实施例4涉及的折射光学系统的透镜结构和聚焦形态。该折射光学系统中从图像形成部一方出发，朝放大方向依次设有具有正屈光度的第一透镜群G1、具有正屈光度的第二透镜群G2、具有负屈光度的第三透镜群G3、具有正屈光度的第四透镜群G4。在改变投影距离进行聚焦时，在从远距离(100英寸)向近距离(80英寸)聚焦时，具有正屈光度的第二透镜群G2和具有负屈光度的第三透镜群G3向图像形成部方向移动，而具有正屈光度的第四透镜群则像放大方向移动。
第一透镜群G1构成为，从图像形成部LV一侧出发，依次设有：第一透镜L1，为双面非球面双凸透镜，其中面向图像形成部一方的凸面的曲率大于放大一侧的镜面的曲率；第二透镜L2，为负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方；结合透镜，包含第三透镜L3和第四透镜L4，第三透镜L3，为负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方，第四透镜L4，为正弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方；光圈S；第五透镜L5，为负弯月形透镜，其凸面面向放大一方；第六透镜L6，为双面非球面双凸透镜，其中面向放大一方的凸面的曲率大于图像形成部一侧的镜面的曲率；第七透镜L7，为负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方；结合透镜，包含第八透镜L8和第九透镜9，第八透镜L8，为双凸透镜，其中面向放大一方的凸面的曲率大于图像形成部一侧的镜面的曲率，第九透镜L9，为双凹透镜，其中面向图像形成部一方的凹面的曲率大于放大一侧的镜面的曲率；以及，第十透镜L10，为双凸透镜，其中面向图像形成部一方的凸面的曲率大于放大一侧的镜面的曲率。
第二透镜群G2以一片透镜即第十一透镜L11构成，该透镜为正弯月形透镜，其凸面面向图像形成部一方。
第三透镜群G3构成为具有第十二透镜L12和第十三透镜L13，第十二透镜L12为双凹透镜，其中面向图像形成部一方的凹面的曲率大于放大一侧的镜面的曲率，第十三透镜L13是以树脂形成的双面非球面负弯月形透镜PL，其凸面面向图像形成部一方。
第四透镜群G4构成为包含第十四透镜L14，第十四透镜L14是双面非球面正弯月形透镜，其凸面面向放大一侧。
上述透镜群构成折射光学系统11，在折射光学系统11的放大一侧设有平面镜即反射镜12(面30)和自由曲面凹面镜13(面31)。
此外，将第八透镜L8称为正透镜2，第九透镜L9称为负透镜N2。
以下表22显示透镜参数。在该表中镜面编号上注有*的表示为非球面，**的表示为自由曲面。
表22 开口值：0.200
在表22中，注有*的第4面、第5面、第13面、第14面、第26面、第27面、第28面、第29面的各光学面为非球面，式(16)中的非球面参数如表2所示。
非球面系数中En表示10的次方，即表示(×10n)，例如(E-05)表示(×10－5)。
表23 非球面系数
表22中的DA、DB、DC、DD、DE均为可变间距。
其中，可变间距DA是第一透镜群G1和第二透镜群G2之间的间距，即面21和面22之间的可变距离。可变间距DB是第二透镜群G2和第三透镜群G3之间的间距，即面23和面24之间的可变距离。可变间距DC是第三透镜群G3和第四透镜群G4之间的间距，即面27和面28之间的可变距离。
可变间距DD是第四透镜群G4和反射镜12之间的可变间距，可变间距DE是自由曲面凹面镜13和屏幕SC之间的可变间距。
这样，投影光学系统在改变投影距离，从远距离向近距离聚焦时，如图25所示，第二透镜群G2和第三透镜群G3向图像形成部一方移动，第四透镜群G4向放大方向移动。如此，改变放大倍率，投影图像的对角线从80英寸变化到100英寸，需要配合投影大小来进行聚焦调整。
表22中，用“可变DA”、“可变DB”、“可变DC”、“可变DD”、“可变DE”表示聚焦调整之际的透镜群的镜面之间间距发生变化的DA、DB、DC、DD、DE。表22显示投影图像对角线为100、80、60时镜面间距DA至DE的变化。
给出旁轴曲率半径的倒数C、到光轴的高度H，圆锥常数K、以及表25中的自由曲面系数，用上式(14)来计算光轴方向上的自由曲面量X，确定自由曲面的形状。
表25 自由曲面系数
表26显示近距离、标准、远距离时的投影距离和TR的值。在此，TR表示
表26 投影距离和TR
以下显示实施例3中用以作为图像形成部LV的DMD以及其他元件的数据。DMD尺寸。
点大小：7.56μm
横向长度：14.5152mm
纵向长度：8.1648mm
光轴至元件中心的距离：5.30mm
3.45。表27显示位于最靠近反射面的透镜的投影图像为最大时的合焦状态下从顶点到反射镜12、自由曲面凹面镜13的位置坐标。关于转动，α表示面法线与光轴之间的角度。
表27
Y轴 Z轴 α
第30面 0.00 54.98 -45.00
第31面 86.21 74.51 -103.40
图27、图28、图29分别显示投影图像尺寸为100英寸、80英寸、60英寸时，对应图17所示的各视角的点图。各点图显示屏幕表面上波长为625nm(红)、550nm(绿)、420nm(蓝)的成像特性(mm)。从图中可知，均获得了良好的成像。
表28显示室温(20度)和从室温上升到40度时投影尺寸为100英寸的整个系统以及第一透镜群的旁轴焦距。
表28
室温(20度) 40度
整个系统 20.89 20.90
第一透镜群 35.70 35.72
从表28可知，温度发生变化时焦距变动受到抑制。
图30至图32显示温度从室温(20度)上升到40度时各投影图像尺寸100英寸、80英寸、60英寸的点图。
图30至图32显示温度上升时也能够获得良好的成像性能。
本实施例的系统具有的关于条件(5)至(12)中的数值如下，均满足条件(5)至(12)。
条件(5)：dnTP＝5.1
条件(6)：θgFP＝0.6122
条件(7)：dnTN＝3.6
条件(8)：θgFN＝0.5947
条件(9)：|P40d(h)-P20d(h)︱×FP＝0.02以下
条件(10)：0.85×D＝16.745
条件(11)：TR＝0.261(近距离60英寸时)
TR＝0.254(标准80英寸时)
TR＝0.249(远0距离100英寸时)
条件(12)：
如图26所示，在条件(10)的范围内，满足条件(9)
在以上述实施方式和以具体的参数值确定的投影装置中，用指定的玻璃材料来分别形成构成固定透镜群的正透镜和负透镜，能够获得高性能且良好温度特性的小型超短距离图像投影装置。采用上述第一和第二实施方式的各实施例均示出了本发明的最佳实施方式，但是，本发明并不受到这些实施方式内容的限制。
各实施例示出的各部分的具体形状和参数值仅仅是本发明具体实施中的一个例子，不能用其来限定本发明的技术范畴。
也就是说，本发明不局限于上述实施方式中描述的内容，对上述实施方式的改变或增删，只要其不脱离本发明的要旨范围，均属于本发明范畴。

Claims (19)

1.一种投影装置，用于将显示在图像显示元件上的图像放大投影到屏幕上，其中具有折射光学系统和反射光学系统，所述反射光学系统至少具有一个反射光学元件，其特征在于，所述折射光学系统至少具有分别满足以下条件(1)和(2’)的正透镜和负透镜各一片，
-6<dnT (1)
72<νd (2’)
其中，dnT为40度至60度温度范围内D线的相对折射率的温度系数，νd为阿贝数；
当设定所述折射光学系统中多片轴对称透镜共有的轴为折射光学系统的光轴时，满足以下条件(4)，
BF/Y<4.0 (4)
在此，BF为包含所述图像显示元件在内的面与所述光轴的交点、与最靠近所述图像显示元件的透镜的位于所述图像显示元件一侧的镜面顶点之间的距离，Y为所述光轴与所述图像形成部端部之间距离的最大值。
2.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，将所述正透镜设置在比光圈更靠近图像显示元件一方，并将负透镜设置在比光圈更加靠近放大一方。
3.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述正透镜和所述负透镜被包含在含有白图像显示时具有最高温的透镜的透镜群之中。
4.根据权利要求1所述投影装置，其特征在于，最靠近所述图像显示元件的透镜群中包含所述正透镜和所述负透镜。
5.根据权利要求1所述投影装置，其特征在于，聚焦时不发生移动的透镜群中包含所述正透镜和所述负透镜。
6.根据权利要求1所述投影装置，其特征在于，所述折射光学系统包含树脂透镜，该树脂透镜被包含在含有白图像显示时具有最低温的透镜的透镜群之中。
7.根据权利要求1所述投影装置，其特征在于，所述反射光学元件为凹面镜，并具有自由曲面。
8.根据权利要求1投影装置，其特征在于，所述投影光学系统为非远心光学系统。
9.一种投影系统，其中具备根据权利要求1至8中任意一项所述投影装置，该投影装置中的反射光学元件为凹面镜，所述投影系统还包含满足以下条件(3)的屏幕，
TR<0.30 (3)
在此，TR为
10.根据权利要求1的所述投影装置，其特征在于，所述折射光学系统至少具有一片结合透镜，该结合透镜至少包含分别满足以下各项条件(5)至(8)的正透镜和负透镜各一片，
4<dnTP (5)
0.61<θgFP (6)
3<dnTN (7)
0.59<θgFN (8)
在此，设dnTP为所述正透镜在40至60度范围内e线的相对折射率的温度系数，θgFP为所述正透镜的g线、F线的部分分散比，dnTN为所述负透镜在40至60度范围内e线的相对折射率的温度系数，θgFN为所述负透镜的g线、F线的部分分散比，θgF为部分分散比，θgF＝(Ng-NF)/(NF-NC)，其中，Ng为相对于g线的折射率，NF为相对于F线的折射率，NC为相对于C线的折射率。
11.根据权利要求10所述投影装置，其特征在于，所述结合透镜位于比光圈更靠近放大一方。
12.根据权利要求10所述投影装置，其特征在于，所述结合透镜被包含在含有光圈的透镜群之中。
13.根据权利要求10所述投影装置，其特征在于，所述结合透镜被包含在最接近图像显示元件的透镜群之中。
14.根据权利要求10所述投影装置，其特征在于，所述结合透镜被包含在聚焦时不发生移动的透镜群之中。
15.根据权利要求1或10所述投影装置，其特征在于，当设定所述折射光学系统中多片轴对称透镜共有的轴为光轴时，聚焦时发生移动的透镜群中至少含有一片满足以下条件(9)和(10)的树脂透镜，
|P40d(h)-P20d(h)|×FP<0.02 (9)
|h|<0.85×D (10)
在此，h为距离所述光轴的高度，D是在位于缩小一侧的透镜镜面与光线的交点之中，离开所述光轴距离最大的点到所述光轴的距离，FP为所述树脂透镜的d线的旁轴焦距，P40d(h)是温度为40度时距离所述光轴的高度为h的点的屈光度，P20d(h)是温度为20度时距离所述光轴的高度为h的点的屈光度。
16.根据权利要求15所述投影装置，其特征在于，所述树脂透镜被包含在聚焦时不发生移动的透镜群之中。
17.根据权利要求10所述投影装置，其特征在于，所述反射光学元件为凹面镜，具有自由曲面。
18.根据权利要求10所述投影装置，其特征在于，所述投影光学系统为非远心光学系统。
19.一种投影系统，其中具备根据权利要求10至18中任意一项所述投影装置，该投影装置中的反射光学元件为凹面镜，所述投影系统还包含满足以下条件(12)的屏幕，
TR<0.30 (12)
在此，TR为
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