CN105607403B - 投影光学系统和图像显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及投影光学系统和图像显示装置，其目的在于提供一种缩短投射距离并实现高辉度的小型投射光学系统。投射光学系统具备包含光圈(AD)和多个透镜的折射光学系统(RR)、以及在折射光学系统(RR)和屏幕(SC)之间依次设有反射平面镜(M1)和自由曲面凹面镜(M2)的反射光学系统(RL)，投射光学系统在图像显示元件与反射光学系统(RL)之间形成中间像，设光轴A为折射光学系统(RR)中多个轴对称透镜共有的轴，Y轴在包含光轴A和从图像显示元件中心射出后通过光圈(AD)中心的光线的平面上垂直于光轴A，折射光学系统(RL)中的光学元件(B)在Y轴向偏心，图像显示元件的图像形成部(LV)与光轴A交叉。
Description
技术领域
本发明涉及将图像放大投影到屏幕上显示的所谓投影机等图像显示装置，尤其涉及将图像显示元件上显示的图像放大投影到屏幕上的投影光学系统。
背景技术
近年来，被称为投影机等投射型图像显示装置获得广泛使用。在通常情况下，这类投射型图像显示装置用投射光学系统，将数字微镜器件(Digital Micromirror Device，以下简称为DVD)或液晶显示面板等被之称为光阀的图像显示元件上的显示图像的放大图像投影到屏幕上，来显示图像。
被用来作为图像显示元件的DMD具有多个微镜，这些微镜角的度能够在规定范围内单独受到电子控制。通过设定照明光的入射角度以控制DMD的各微镜倾斜角度，例如，当一个微镜角度为-12度时，受到微镜反射后照明光的反射光入射投射光学系统，而当微镜角度为+12度时，受到微镜反射后照明光的反射光不会入射投射光学系统，这样在DMD显示画面上便能够形成数字图像。
在上述这类投射型图像显示装置中，目前对缩短投射距离，能够在近距离设置的屏幕上显示大画面的超短投射距离前置投射型投影机的需求不断加大。
类似上述超短投射距离的前置投射型投影机，用于超短投射距离的投射型图像显示装置中的投射光学系统，在用曲面镜补偿图像弯曲变形的同时，还偏转投射光路，用以缩短图像显示元件与屏幕之间距离。这样利用曲面镜的方式使得小型投影机能够以超近距离进行投射。
专利文献1-4(JP特开2007-79524、JP特开2011-242606、JP特开2012-108267、JP特开2009-216883号公报)等公开了一种利用曲面镜实现小型且超短投射距离的投射型图像显示装置的技术方案。
上述专利文献均显示了组合折射光学系统和曲面镜的投射型图像显示装置的构成，根据这些专利文献，能够实现超短投射距离。
然而，对于这类投射型图像显示装置，即对于超短投射投影机，近年来出现小型化和降低生产成本的要求。而使用反射光学系统的投影机为了避免光线与框体之间发生干涉，必须采用图像显示元件相对于光轴偏心的构成。为此造成投影机厚度方向尺寸增加，该增加量相当于图像显示元件相对于光轴偏心的量。此外，仅使用折射光学系统的投影机与使用折射光学系统和反射光学系统双方的投影机之间无法通用同一图像显示元件的照明系统。为此各自需要单独开发照明系统，这也是成本上升的原因之一。
专利文献1和2没有涉及薄型化以及通用照明系统，因而无法应对上述的市场要求。
专利文献3公开了通过在折射光学系统中形成中间像用以抑制图像形成元件偏心量的构成，但是，在这样的折射光学系统中，如果仅形成中间像，将造成光轴方向大小增大，无法应对小型化要求。
专利文献4公开了使用多个自由曲面的方法以及使多片透镜偏心的方法，但是单纯使用自由曲面和透镜偏心，会引起制造误差感度上升，应该尽可能避免这种技术方案。
发明内容
鉴于上述现有技术，本发明的目的在于提供一种能够充分缩短投射距离同时实现高辉度的高性能小型投射光学系统。本发明的投射光学系统用于将图像显示元件上显示的图像放大投影到屏幕上的投射光学系统，其特征在于，
具备折射光学系统和反射光学系统，
该折射光学系统包括光圈和多个包含多个透镜的光学元件，用来放大所述图像显示元件上显示的图像，并使该图像成像，
该反射光学系统具有位于所述折射光学系统和所述屏幕之间的至少一个反射光学元件，
所述投射光学系统在所述图像显示元件与所述反射光学系统之间形成一个中间像，
当设定光轴A为所述折射光学系统中多个轴对称的所述透镜共有的轴，并设定Y轴在包含该光轴A并含有从所述图像显示元件中心射出后通过所述光圈中心的光线的平面内，而且垂直于该光轴A时，作为所述折射光学系统中一部分的光学元件B在平行于所述Y轴的方向上偏心，
所述图像显示元件的图像形成部与所述光轴A交叉。
根据以上所述，能够提供如下效果。
即，本发明的投射光学系统用于将图像显示元件上显示的图像放大投影到屏幕上的投射光学系统，其中，
具备折射光学系统和反射光学系统，
该折射光学系统包括光圈和多个包含多个透镜的光学元件，用来放大所述图像显示元件上显示的图像，并使该图像成像，
该反射光学系统具有位于所述折射光学系统和所述屏幕之间的至少一个反射光学元件，
所述投射光学系统在所述图像显示元件与所述反射光学系统之间形成一个中间像，
当设定光轴A为所述折射光学系统中多个轴对称的所述透镜共有的轴，并设定Y轴在包含该光轴A并含有从所述图像显示元件中心射出后通过所述光圈中心的光线的平面内，而且垂直于该光轴A时，作为所述折射光学系统中一部分的光学元件B在平行于所述Y轴的方向上偏心，
所述图像显示元件的图像形成部与所述光轴A交叉，
为此，本发明能够提供充分缩短投射距离，同时实现高辉度的高性能小型投射光学系统。
附图说明
图1是用包含光轴且垂直于图像显示元件的显示画面的长边的面来显示使用本发明实施例1涉及的投射光学系统的图像显示装置整体的主要结构的剖面图。
图2是进一步详细显示图1的投射光学系统中的主要部分即折射光学系统的透镜系统以及该透镜系统的聚焦动作的示意图。
图3是图1的投射光学系统中的图像显示元件的图像形成部的显示画面的形态以及相对于该光轴的位置关系的示意图。
图4是图1的投射光学系统中的旁轴像面、中间像以及光轴等之间关系的示意图。
图5是图1的投射光学系统的远距离(画面为100英寸)时旁轴像面与、主光线在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。
图6是图1的投射光学系统的中距离(画面为80英寸)时旁轴像面与、主光线在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。
图7是图1的投射光学系统的近距离(画面为60英寸)时旁轴像面与、主光线在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。
图8是图1的投射光学系统在远距离(画面为100英寸)时屏幕SC上各视角的波长550nm的光点位置的示意图。
图9是图1的投射光学系统在中距离(画面为80英寸)时屏幕SC上个视角的波长550nm的光点位置。
图10是图1的在投射光学系统在近距离(画面为60英寸)时屏幕SC上个视角的波长550nm的光点位置。
图11是表示图1的投射光学系统在远距离(画面为100英寸)时在屏幕上波长625nm(红色)、550nm(绿色)、425nm(蓝色)的成像特性的点列图。
图12是表示图1的投射光学系统在中距离(画面为80英寸)时在屏幕上波长625nm(红色)、550nm(绿色)、425nm(蓝色)的成像特性的点列图。
图13是表示图1的投射光学系统在远距离(画面为60英寸)时在屏幕上波长625nm(红色)、550nm(绿色)、425nm(蓝色)的成像特性的点列图。
图14是图11至图13的点列图中F1至F3对应的视角的示意图。
图15是用包含光轴且垂直于图像显示元件的显示画面的长边的截面图来显示使用本发明实施例2涉及的投射光学系统的图像显示装置整体的主要结构的示意图。
图16是进一步详细显示图15的投射光学系统中的主要部分即折射光学系统的透镜系统以及该透镜系统的聚焦动作的示意图。
图17是图15的投射光学系统的远距离(画面为100英寸)时旁轴像面与、主光线在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。
图18是图15的投射光学系统的中距离(画面为80英寸)时旁轴像面与、主光线在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。
图19是图15的投射光学系统的近距离(画面为60英寸)时旁轴像面与、主光线在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。
图20是图15的投射光学系统在远距离(画面为100英寸)时屏幕SC上各视角的波长550nm的光点位置的示意图。
图21是图15的投射光学系统在中距离(画面为80英寸)时屏幕SC上个视角的波长550nm的光点位置。
图22是图15的在投射光学系统在近距离(画面为60英寸)时屏幕SC上个视角的波长550nm的光点位置。
图23是表示图15的投射光学系统在远距离(画面为100英寸)时在屏幕上波长625nm(红色)、550nm(绿色)、425nm(蓝色)的成像特性的点列图。
图24是表示图15的投射光学系统在中距离(画面为80英寸)时在屏幕上波长625nm(红色)、550nm(绿色)、425nm(蓝色)的成像特性的点列图。
图25是表示图15的投射光学系统在远距离(画面为60英寸)时在屏幕上波长625nm(红色)、550nm(绿色)、425nm(蓝色)的成像特性的点列图。
具体实施方式
以下，参考附用本发明实施方式详述投射光学系统。首先用本实施例具体描述本发明的原理。
本发明涉及的投射光学系统为一般称之为投影机等投射型图像显示装置所具备，用于将图像显示元件上显示的图像放大投影到屏幕上，
其中具备折射光学系统和反射光学系统，
该折射光学系统包括光圈和包含多个透镜的光学元件，用来放大所述图像显示元件上显示的图像，并使该图像成像，
该反射光学系统具有位于所述折射光学系统和所述屏幕之间的至少一个反射光学元件，
所述投射光学系统在所述图像显示元件与所述反射光学系统之间形成一个中间像，
当设定光轴A为所述折射光学系统中多个轴对称的所述透镜共有的轴，并设定Y轴在包含该光轴A并含有从所述图像显示元件中心射出后通过所述光圈中心的光线的平面内，而且垂直于该光轴A时，作为所述折射光学系统中一部分的光学元件B在平行于所述Y轴的方向上偏心，
所述图像显示元件的图像形成部与所述光轴A交叉。在此的偏心是指光学元件B未将所述光轴A作为共有光轴。
通过使得作为折射光学系统中一部分的光学元件B偏心，即便是在图像显示元件与光轴A发生交叉时，也能够避免受到反射光学系统的镜反射的光线与折射光学系统或反射镜等之间发生干涉。而图像显示元件与光轴A发生交叉，能够减小投影机等投射型图像显示装置的框体的Y轴向厚度。在此，光学元件B为折射光学系统内部的透镜单体、结合透镜以及作整体移动的透镜组的其中之一。
通常，利用折射光学系统的前置投射型投影机大多采用图像显示元件与光轴交叉设计，而在利用包含镜等反射光学系统的构成中，如上所述，为了避免光线与透镜等之间的干涉，采用图像显示元件不与光轴发生交叉的设计。为此，这两种类型的照明系统互相难以通用。对此，本发明将一部分光学元件B设置为偏心，这样，即便图像显示元件与光轴A发生交叉，也能够避免光线与透镜等之间发生干涉，因而本发明的图像显示系统能够与利用折射光学系统的前置投射型投影机互相通用照明系统，有利于降低装置成本。
优选所述光学元件B具有负屈光度。将具有负屈光度的光学元件设为偏心，能够将对光学性能产生影响的偏心像差抑制为较小，有利于减小透镜或镜的大小。
优选将所述光学元件B设置为比光圈更靠近所述反射光学元件。这样，能够将偏心像差抑制到较小程度，有利于减小透镜或镜的大小。
优选所述光学元件B为球面透镜。这样，将球面透镜设为偏心，能够抑制高度偏心像差的发生。
优选所述反射光学元件为具有自由曲面的凹面镜。这样能够有效抑制光学元件B的偏心所带来的梯形变形等偏心像差，有利于投影机等投射型图像显示装置的小型化。尤其是在超短投射距离的投影机中经常会发生比透镜偏心更大的梯形变形，转动对称的光学元件难以完全弥补这样的变形，而用自由曲面镜则能够有效对此进行补偿。
进而，设从所述凹面镜与所述光轴A的交点到屏幕的距离/屏幕宽度为TR，该TR满足以下式(1)，
TR＜0.30 (1)
满足式(1)便能够实现投射空间小的小型投射光学系统。
优选所述光轴A垂直于所述图像显示元件。这样能够抑制偏心像差的发生。
设定在所述光学元件B的光轴与所述光轴A一致的状态下，Did为投影图像成为最大的合焦状态下所述中间像的旁轴最大像高，D为通过所述光圈中心的光线在所述折射光学系统的旁轴像面上的交点到所述光轴A的距离最大值时，优选满足下式(2)，
0.6＜D/Did＜0.8 (2)。
满足式(2)，能够抑制从折射光学系统射出的光线的角度，从而抑制投影光学系统的Y轴向厚度。如果D/Did的值小于式(2)下限，则会为了补偿变形而增加自由曲面镜的负担，增加制造误差感度。相反，如果D/Did的值大于式(2)上限，则不但会增加厚度而难以实现小型化，在立式投影机中还会使得反射光线于透镜之间发生干涉。同时满足上述光学元件B的偏心、图像显示元件与光轴A的交叉、满足式(2)，则在抑制偏心像差发生的同时，还能够减小投射光学系统Y轴向厚度。
优选以远心光学系统构成投射光学系统，这样有利于投射光学系统小型化。
优选所述反射光学系统与所述屏幕之间设有具有曲率的玻璃部件。这是因为，减小图像显示元件在Y轴向的偏心量或光学元件B的Y轴向偏心量，有利于光学性能，但是屏幕上的图像位置下降，从而造成入射例如作为防尘玻璃的上述玻璃部件的入射角度增大，位置画面周围的图像的照度下降。
对此，如果所述玻璃部件具有曲率，则能够减小入射角度，从而使得减小偏心量成为可能，有利于投射光学系统的薄型化和光学性能的改善。
以图像显示元件的对角线长度为Go，并以最小画面对角线长度为Gi，优选满足以下式(3)，
Gi/Go＞73 式(3)。
如果Gi/Go的值小于式(3)的下限值，则入射屏幕下端的上光线与透镜之间发生的干涉增大。而满足式(3)，则能够使得入射屏幕的光线的实际开口值变暗，从而避免干涉。
进一步优选满足式(3’)，
Gi/Go＞90 式(3’)。
本发明涉及的图像显示装置用上述投射光学系统将图像显示元件上显示的图像放大投影到屏幕上，投射显示图像。
以下描述本发明涉及的投射光学系统的具体实施方式以及实施例。在此，以本发明的投射光学系统涉及的第一实施方式的具体实施例1和第二实施方式的具体实施例2作为本发明的实施方式和具体实施例。
【第一实施方式】
首先详述作为本发明第一实施方式的具体实施例1。
实施例1
实施例1是本发明第一实施方式涉及的投射光学系统的一个具体实施例。
图1是本发明的第一实施方式的实施例1涉及的投射光学系统以及使用该投射光学系统的图像显示装置的结构示意图。图1用包含光轴且垂直于图像显示元件的显示画面的长边的截面图来显示使用实施例1涉及的投射光学系统的图像显示装置整体的主要结构。
首先描述以下所有实施方式和实施例均具备的主要结构部件。具体来说，例如用DMD作为图像显示元件的光阀。除DMD之外，还可以用例如透射型液晶面板以及反射性液晶面板作为图像显示元件，本发明对用于图像显示元件的光阀种类没有特殊限制。
作为图像显示元件的DMD具有多个微镜，DMD能够在规定的角度范围以内单独地电子控制这些微镜。设定照明光入射DMD的角度，例如，微镜角度为一12度时照明光受到微镜反射后的反射光入射投射光学系统，而当微镜角度为+12度时，照明光的微镜反射光不入射投射光学系统，如此通过控制DMD中各微镜的倾斜角度，在DMD的显示画面上形成数字图像。
图1所示的作为图像显示元件的光阀的图像形成部LV，为光阀中形成的需要投射的图像的显示画面部分。
在图像形成部LV不具有如DMD等那样的自己发光功能的情况下，用照明光学系统LS发射的照明光来照射图像形成部LV上形成的图像信息。优选使用能够有效照射图像形成部LV功能的照明光学系统LS，同时还可以使用如均光杆或复眼透镜均光器，获得均匀照明。
可以用超高压水银灯、氙气灯、卤素灯以及(白色)LED(发光二极管)等白色光源作为照明光学系统LS中的照明光源，另外还可以用发单色光的LED以及LD(激光二极管)等单色光源。本发明对于照明光源LS的具体结构没有特殊限制，在此省略详述。在本发明的实施例1中设定用DMD作为图像形成部LV。此外，如上所述，虽然本发明的实施例1中采用不具有自我发光功能的图像形成部，但是本发明也可以利用具有使得生成的图像发光的功能的自我发光方式的图像形成部，在这种情况下也存在不需要照明光学系统LS的场合。
设于图像形成部LV附近的平行平板为图像形成部LV的玻璃盖(密封玻璃)FG。
图像形成部LV的图像显示面上形成的图像通过平行平板FG入射折射光学系统RR，经过折射光学系统RR以及反射光学系统RL在屏幕SC上放大成像。折射光学系统RR包含光圈AD的透镜系统。
投射型图像显示装置的框体为外装部HB，其中收纳除屏幕SC以外的主要部分，构成投射型图像显示装置。
实施例1和2中统一使用的标记如下。
f：整个系统的焦距
NA：开口值
ω：半视角(deg)
R：曲率半径(非球面时为旁轴半径)
D：镜面间隔
Nd：屈光度
vd：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(4)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，Ai为各次方非球面系数。
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(5)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。
在此，
式(5)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。
如图1所示，Z轴为图像形成部LV的法线方向即平行于折射光学系统RR的轴对称透镜共有的光轴A(图1中未明确表示)，Y轴在包含从图像显示元件的显示画面即图像形成部LV的画面中心射出并通过光圈AD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(平行于光轴A的Z轴)和Y轴，a方向为从Z轴开始逆时针转动的方向。图中显示的箭头方向为各自的正方向。
图1和图2是用来描述采用本发明第一实施方式的实施例1涉及的投射光学系统的图形显示装置的结构示意图。其中图1是沿着包含光轴在内且垂直于图像显示元件的显示画面长边的截面图，用来概述实施例1涉及的整个投射光学系统的主要构成。图2是进一步详细显示图1的投射光学系统中的主要部分即折射光学系统的透镜系统以及该透镜系统的聚焦动作的示意图。
如图1和图2所示，作为图象显示元件的图像形成部LV的显示画面上的图像从玻璃盖FG开始，依次通过折射光学系统RR和反射光学系统RL，再经过防尘玻璃BG，投射到屏幕SC上。图象显示元件(图像形成部LV)、玻璃盖FG、折射光学系统RR以及反射光学系统RL被收纳于外装部HB中，构成投射型图像显示装置。玻璃盖FG被设置在来自外装部HB的投影光线的射出部上。
折射光学系统RR作为包含光圈AD在内的透镜系统，如图2所示，从图像形成部LV一方开始，依次设置第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4。光圈AD被设置在第一透镜组G1内。
反射光学系统RL包括反射平面镜M1和反射平面镜M2，反射平面镜M1用来直角偏转从折射光学系统射出的光线，反射平面镜M2用来偏转来自反射平面镜M1的光线，并使该光线经过防尘玻璃BG投射到屏幕SC上。
具体来说，图1显示本发明第一实施方式涉及的图像显示装置的投射光学系统的构成，图2显示该投射光学系统中的主要部分即折射光学系统RR的透镜系统的构成以及聚焦时透镜组的移动。图2中的下部以实线显示聚焦时透镜组从远距离一方(100英寸)向近距离一方的移动。如图1所示，Z轴平行于光轴A，Y轴在包含通过图像形成部LV的画面中心和光圈AD中心以及屏幕中心的光线在内的平面上垂直于光轴A。+Z方向为从图象显示元件(图像形成部LV)向反射平面镜M1的方向，+Y方向为反射平面镜M1向凹面镜M2的方向。+α转动是在包含通过图象显示元件(图像形成部LV)的画面中心和光圈AD中心以及屏幕中心的光线在内的平面上从+Z方向向+Y方向的转动。
基于图像信息在图像形成部LV的DMD上经过二维强度调制的光束是作为物体光的投射光束。图像形成部LV发出的投射光束经过包含光学元件B在内的折射光学系统RR(第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4)、反射平面镜M1以及凹面镜M2后成为成像光束。即DMD(图像形成部LV)上形成的图像通过投射光学系统放大投影到屏幕SC上成为投射图像。在此，设图像形成部LV中形成图像的面为图像形成面。
图3是投射光学系统中的图像显示元件的图像形成部LV的显示画面的形态以及相对于该光轴的位置关系的示意图。图4是投射光学系统中的旁轴像面、中间像以及光轴等之间关系的示意图。
构成折射光学系统RR的各个光学元件共有光轴，如图3所示，图像形成部LV相对于光轴A向Y方向偏离，与光轴A交叉。设图像形成部LV的图像形成面与光轴A的交点为CO，当光学元件B的光轴与光轴A一致时，折射光学系统RR与交点CO的共轭点为CC。以包含共轭点CC且垂直于光轴A的面为旁轴像面。如图4所示，设D是在该旁轴像面与通过光圈中心的光线(以下称为主光线)的交点中，离开光轴A与旁轴像面的交点CC距离最大的交点，与交点CC之间的距离，并设旁轴最大像高Did为光轴A上最远离图像形成部LV的端部的点(图3中的L0)与图像形成部LV端部之间的距离，乘以折射光学系统RR的旁轴倍率所得的值。本实施例中用折射光学系统RR和一片凹面镜M2构成实质上的光学系统，但也可以增设其他的镜片或使得反射镜具有屈光度。但是，这样会造成结构复杂和装置大型化，进而会使得成本大幅度上升。
通过折射光学系统RR的光形成与图形成部LV上形成的图像信息共轭的的中间像，该中间像为空间像，比反射光学系统RL的反射镜M1更加靠近图像形成部LV。中间像不必是平面像，在本实施例以及其他的实施例中均被形成为曲面像。位于最靠近放大投射一方的自由曲面凹面镜M2放大投影该中间像，将该中间像投射到屏幕SC上。中间像会发生像面弯曲和变形，而通过凹面镜M2的自由曲面后，该像面弯曲和变形能够得到补偿。为此，折射光学系统RR的透镜系统的像差补偿负担减轻，设计自由度增加，有利于小型化。在此的自由曲面意味着变形面，其在Y轴向任意位置上的X轴向曲率相对于X轴向位置不是常数，且在X轴向任意位置上的Y轴向曲率相对于Y轴向位置不是常数。自由曲面凹面镜M2和屏幕SC之间设置防尘玻璃BG。实施例1中用平行平板玻璃作为防尘玻璃BG，也可以用具有曲率的玻璃或者用透镜等具有屈光度的光学元件作为防尘玻璃BG。防尘玻璃BG相对于光轴A倾斜而非垂直，倾斜角度任意，而且也可以设置为垂直于光轴A。
图5是投射光学系统在远距离(画面为100英寸)时，旁轴像面与主光线在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。图6是投射光学系统在中距离(画面为80英寸)时，旁轴像面与主光线在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。图7是投射光学系统在近距离(画面为60英寸)时，旁轴像面与主光线在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。即图5、图6、图7是远距离(画面为100英寸)、中距离(画面为80英寸)、近距离(画面为60英寸)时旁轴像面与主光线的交点的点图。黑点表示各种视角下主光线与旁轴像面的交点坐标，虚线表示偏轴图像。从这些图可知，各画面发生梯型变形。换言之，中间像受到压缩。为此，通过减小中间像大小能够使得自由曲面镜小型化，有利于降低成本和装置小型化。
从远距离向近距离聚焦时，本实施例中正透镜组的第一透镜组G1、反射平面镜M1、自由曲面凹面镜M2相对于图像形成面固定，而正透镜组的第二透镜组G2和负透镜组的第三透镜组G3向图像形成部LV一方移动，正透镜组的第四透镜组G4向放大投射一方的反射光学系统RL移动。换言之，利用浮动聚焦，能够高度控制像面弯曲或变形像差的发生。进而，本实施例在发生移动的透镜组中设置非球面透镜，进一步提高补偿效应。
整个上述光学系统、图像形成所需部分即未图示的图像处理部和电源部、以及冷却用的风扇等与构成投射光学系统的光学系统一起，被收纳于构成框体的外装部HB中，构成投射型图像显示装置。
以下进一步详述上述投射光学系统的具体构成
。从图像形成部LV一方出发，朝放大投射方向依次设有具有正屈光度的第一透镜组G1、具有正屈光度的第二透镜组G2、具有负屈光度的第三透镜组G3、具有正屈光度并包含一片非球面透镜的第四透镜组G4、反射平面镜M1、以及最靠近放大投射一方的自由曲面凹面镜M2。改变投影距离的聚焦在从远距离到近距离聚焦时，具有正屈光度的第二透镜组G2和具有负屈光度的第三透镜组G3向图像形成部方向移动，而具有正屈光度的第四透镜组则向放大投影方向移动。
第一透镜组G1构成为，从图像形成部LV一方出发，依次设有：第一透镜E1，为双面非球面双凸透镜，其中面向图像形成部LV一方的凸面更加凸出；第二透镜E2，为正弯月形透镜，其凸面面向图像形成部LV；结合透镜，紧密接合两片透镜即第三透镜E3和第四透镜E4构成，其中，第三透镜E3为负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部LV，第四透镜E4为正弯月形透镜，其凸面面向图像形成部LV；光圈AD；第五透镜E5，为双面凹透镜，其中面向放大投影一方的凹面更加凹入；第六透镜E6，为双凸透镜，其面向放大投影一方的凸面更加凸出；第七透镜E7，为负弯月形透镜，其中凸面向图像形成部LV，双面均为非球面；光学元件B，为结合透镜，通过紧密接合两片透镜即第八透镜E8和第九透镜E9构成，且为偏心设置，相对于光轴A向+Y方向偏离2.04mm，其中，第八透镜L8为双凸透镜，面向放大投射一方的凸面更加凸出，第九透镜L9为双凹透镜，面向图像形成部LV的凹面更加凹入；以及，第十透镜L10，为正弯月形透镜，其中凸面面向图像形成部LV。其中以第八透镜E8和第九透镜E9构成的两片结合透镜为偏心设置的光学元件B。
第二透镜组G2以第十一透镜L11构成，该透镜为正弯月形透镜，其凸面面向图像形成部LV。第三透镜组G3构成为，从图像形成部LV一方开始依次设置第十二透镜L12、第十三透镜L13、第十四透镜L14，其中，第十二透镜L12为负弯月透镜，其中凸面面向放大投射一方；第十三透镜L13为负弯月透镜，其中凸面面向放大投射一方；第十四透镜L14是负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部LV，两侧镜面均为非球面。第四透镜组G4以第十五透镜L15构成，第十五透镜L15是正弯月形透镜，其凸面面向放大投射一侧，两侧镜面均为非球面。
上述透镜组G1至G4构成折射光学系统RR，其中在放大投射一方设置反射用的平面镜M1以及自由曲面凹面镜M2。
实施例1中的光学元件的光学特性如表1所示，此时的开口值NA为0.200。
表1 光学特性
表1中，镜面No上注有“*”的表示该透镜镜面为非球面镜面，注有“#”的表示凹面镜M2的反射面即第33镜面为自由曲面，该自由曲面形状以上述式(5)定义。
表1中显示各透镜的材料，其中透镜材料为光学玻璃时，以玻璃材料的编号以及生产商表示，OHARA表示株式会社OHARA制造，HOYA表示株式会社HOYA制造。
表1中第21和22面之间的DA、第23和24面之间的DB、第29和30面之间的DC、第31和32面之间的DD、以及第33面和屏幕SC的DE分别为第一透镜组G1和第二透镜组G2之间、第二透镜组G2和第三透镜组G3之间、第三透镜组G3和第四透镜组G4之间、第四透镜组G4和第1反射平面镜M1之间、以及凹面镜M2和屏幕SC之间的间距，改变这些间距，能够改变放大率。表2显示画面大小为60、80、100英寸时上述间距的值。换言之，改变投射距离即画面大小进行聚焦时，表1中作为可变间距的DA至DE的变化分别如表2所示。
表2 聚焦时的可变间距
表1中注有“*”的第4、5、15、16、28、29、30、31各光学镜面为非球面，式(4)中非球面的参数如表3所示。“En”表示n次方，即“×10n”。例如“E-05”表示“×10-5”。其他实施例相同。
表3 非球面系数
第33面的凹面镜M2(参见图1)的自由曲面以上述式(5)定义，其中的Cj等系数和常数如表4所示。
表4 自由曲面的系数和常数
表5显示改变投射距离，在画面大小为60英寸、80英寸、100英寸时上述式(1)中的TR＝凹面镜与光轴A的交点到屏幕的距离/屏幕宽度的值。为此，实施例1涉及的投射光学系统的TR值满足式(1)。
表5 投射距离和TR
| 近距离 | 基准距离 | 远距离 | |
| 60英寸 | 80英寸 | 100英寸 | |
| 投射距离 | 299.63 | 388.15 | 476.14 |
| TR | 0.226 | 0.219 | 0.215 |
本实施例1中用于图像形成部LV的DMD的大小如下，
点大小：7.56mm
横向长度：14.5152mm
纵向长度：8.1648mm
图像形成部LV偏离光轴A的量如下，
光轴到元件中心的距离：3.9824mm
进而，上述式(2)中的D/Did以及式(3)中的Gi/Go分别如下，
D/Did：0.68
Gi/Go：91.5。
因此，实施例1涉及的投射光学系统满足式(2)和式(3)。
表6显示在位于最靠近第十五透镜E15的投影图像成为最大的合焦状态下，从地点到反射平面镜M1以及自由曲面凹面镜M2的位置坐标。转动角度α是面法线与光轴之间夹角。
表6
| 镜面No | Y轴 | Z轴 | α |
| 32 | 0.00 | 49.92 | -45.00 |
| 33 | 89.35 | 75.06 | -103.17 |
图8、图9、图10显示实施例1在各种镜头投射距离下屏幕SC上个视角的波长550nm的光点位置。从这些图可知，在各种镜头投射距离均能够投射变形很少的投影图像。
图11、图12、图13是在各种镜头投射距离下的点列图。各点列图针对波长625nm(红色)、550nm(绿色)、425nm(蓝色)显示的屏幕SC面上的成像特性。其中的F1至F13对应图14所示的视角。
【第二实施方式】
以下详述作为本发明第二实施方式的具体实施例的实施例2。
实施例2
实施例2是本发明第二实施方式涉及的投射光学系统的具体构成的实施例。
图15和图16是采用实施例2涉及的投射光学系统的图像显示装置的结构示意图。其中，图15用包含光轴且垂直于图像显示元件的显示画面的长边的截面图来显示采用实施例2涉及的投射光学系统的图像显示装置整体的主要结构。图16是进一步详细显示图15的投射光学系统中的主要部分即折射光学系统的透镜系统以及该透镜系统的聚焦动作的图。
如图15和图16所示，作为图象显示元件的图像形成部LV的显示画面上的图像从玻璃盖FG开始，依次通过折射光学系统RR和反射光学系统RL，再经过防尘玻璃BG，投射到屏幕SC上。图象显示元件(图像形成部LV)、玻璃盖FG、折射光学系统RR以及反射光学系统RL被收纳于外装部HB中，构成投射型图像显示装置。玻璃盖FG被设置在来自外装部HB的投影光线的射出部上。
在图15和图16所示的实施例2的构成中，除了不具备实施例1中的反射平面镜M1，而用自由曲面凹面镜CM进行唯一一次反射这一点以外，其他与实施例1基本相同，所以，实施例2用外装部HBa、反射光学系统RLa以及自由曲面凹面镜CM取代实施例1中的外装部HB、反射光学系统RL以及凹面镜M2。
折射光学系统RR作为包含光圈AD在内的透镜系统，从图像形成部LV一方开始，依次设置第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4。光圈AD被设置在第一透镜组G1内。
反射光学系统RLa包括用来偏转从折射光学系统射出的光线，并通过防尘玻璃BG投射到屏幕SC上的自由曲面凹面镜CM。
具体来说，图15显示本发明第二实施方式涉及的图像显示装置的投射光学系统的构成，图16显示该投射光学系统中的主要部分即折射光学系统RR的透镜系统的构成以及聚焦时透镜组的移动。图16中的下部以实线显示聚焦时透镜组从远距离(100英寸)向近距离的移动。
如图15所示，Z轴平行于光轴A，Y轴在包含通过图像形成部LV的画面中心和光圈AD中心以及屏幕中心的光线在内的平面上垂直于光轴A。+Z方向为从图象显示元件(图像形成部LV)向自由曲面凹面镜MC的方向，+Y方向为受到自由曲面凹面镜MC反射后射往离开光轴A的方向。+α转动是在包含通过图象显示元件(图像形成部LV)的画面中心和光圈AD中心以及屏幕中心的光线在内的平面上从+Z方向向+Y方向的转动。
图像形成部LV的DMD上基于图像信息经过二维强度调制的光束是作为物体光的透射光束。图像形成部LV发出的投射光束经过包含光学元件B在内的折射光学系统RR(第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4)、自由曲面凹面镜MC后成为成像光束。即DMD(图像形成部LV)上形成的图像通过投射光学系统放大投影到屏幕SC上成为投射图像。在此，图像形成部LV中形成图像的面为图像形成面。
构成折射光学系统RR的各个光学元件共有光轴，如图3所示，图像形成部LV相对于光轴A向Y方向偏离，与光轴A交叉。设图像形成部LV的图像形成面与光轴A的交点为CO，当光学元件B的光轴与光轴A一致时，折射光学系统RR与交点CO的共轭点为CC。以包含共轭点CC且垂直于光轴A的面为旁轴像面。如图4所示，设D是在该旁轴像面与通过光圈中心的光线(以下称为主光线)的交点中，离开光轴A与旁轴像面的交点CC距离最大的交点，与交点CC之间的距离，并设旁轴最大像高Did为光轴A上最远离图像形成部LV的端部的点(图3中的L0)与图像形成部LV端部之间的距离，乘以折射光学系统RR的旁轴倍率所得的值。本实施例中用折射光学系统RR和一片凹面镜CM构成实质上的光学系统，但也可以增设其他的镜片或使得反射镜具有屈光度。但是，这样会造成结构复杂且使得装置大型化，进而会使得成本大幅度上升。
通过折射光学系统RR的光形成与图形成部LV上形成的图像信息共轭的的中间像，该中间像为空间像，比反射光学系统RL的反射镜M1更加靠近图像形成部LV。中间像不必是平面像，在本实施例2中也被形成为曲面像。位于最靠近放大投射一方的自由曲面凹面镜CM放大投影中间像，将该中间像投射到屏幕SC上。中间像具有像面弯曲和变形，而通过凹面镜CM的自由曲面，该像面弯曲和变形得到补偿。为此，折射光学系统RR的透镜系统的像差补偿负担减轻，设计自由度增加，有利于小型化。在此的自由曲面意味着变形镜面，其在Y轴向任意位置上的X轴向曲率相对于X轴向位置不是常数，且在X轴向任意位置上的Y轴向曲率相对于Y轴向位置不是常数。
自由曲面凹面镜CM和屏幕SC之间设置防尘玻璃BG。实施例2中用平行平板玻璃作为防尘玻璃BG，也可以用具有曲率的玻璃或者用透镜等具有屈光度的光学元件作为防尘玻璃BG。防尘玻璃BG相对于光轴A倾斜而非垂直，倾斜角度任意，而且也可以设置为垂直于光轴A。
图17是投射光学系统在远距离(画面大小为100英寸)时，旁轴像面与主光线在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。图18是投射光学系统在中距离(画面大小为80英寸)时，旁轴像面与主光线在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。图19是投射光学系统在近距离(画面大小为60英寸)时，旁轴像面与主光线在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。即图17、图18、图19是远距离(画面大小为100英寸)、中距离(画面大小为80英寸)、近距离(画面大小为60英寸)时旁轴像面与主光线的交点的点图。黑点表示各种视角下主光线与旁轴像面的交点坐标，虚线表示偏轴图像。从这些图可知，各画面大小发生梯型变形。换言之，中间像收到压缩。为此，通过减小中间像大小能够使得自由曲面镜小型化，有利于降低成本和装置小型化。
从远距离向近距离聚焦时，本实施例中正透镜组的第一透镜组G1、自由曲面凹面镜CM相对于图像形成面固定，而正透镜组的第二透镜组G2和负透镜组的第三透镜组G3向图像形成部LV一方移动，正透镜组的第四透镜组G4向放大投射一方的反射光学系统RL移动。
换言之，利用浮动聚焦，能够高度控制像面弯曲或变形像差的发生。进而，本实施例在发生移动的透镜组中设置非球面透镜，进一步提高补偿效应。
整个上述光学系统、用于图像形成的所需部分即未图示的图像处理部和电源部、以及冷却用的风扇等与构成投射光学系统的光学系统一起，被收纳于构成框体的外装部HBa中，构成投射型图像显示装置。
以下进一步详述上述投射光学系统的具体构成。
从图像形成部LV一方出发，朝放大投射方向依次设有具有正屈光度的第一透镜组G1、具有正屈光度的第二透镜组G2、具有负屈光度的第三透镜组G3、具有正屈光度并包含一片非球面透镜的第四透镜组G4、以及最靠近放大投射一方的自由曲面凹面镜CM。改变投影距离的聚焦在从远距离到近距离聚焦时，具有正屈光度的第二透镜组G2和具有负屈光度的第三透镜组G3向图像形成部方向移动，而具有正屈光度的第四透镜组则向放大投影方向移动。
第一透镜组G1构成为，从图像形成部LV一侧出发，依次设有：第一透镜E1，为双面非球面双凸透镜，其中面向图像形成部LV一方的凸面更加凸出；第二透镜E2，为正弯月形透镜，其凸面面向图像形成部LV；结合透镜，紧密接合两片透镜即第三透镜E3和第四透镜E4构成，其中，第三透镜E3为负弯月形透镜，其凸面面向图像形成部LV，第四透镜E4为正弯月形透镜，其凸面面向图像形成部LV；光圈AD；第五透镜E5，为双面凹透镜，其中面向放大投影一方的凹面更加凹入；第六透镜E6，为双凸透镜，其面向放大投影一方的凸面更加凸出；第七透镜E7，为负弯月形透镜，其中凸面向图像形成部LV，双面均为非球面；光学元件B，为结合透镜，通过紧密接合两片透镜即第三透镜E8和第四透镜E9构成，并为偏心设置，相对于光轴A向+Y方向偏离2.04mm，其中，第八透镜L8为双凸透镜，其中面向放大投射一方的凸面更加凸出，第九透镜L9为双凹透镜，面向图像形成不LV的凹面更加凹入；以及，第十透镜L10，为正弯月形透镜，其中凸面面向图像形成部LV。其中以第八透镜E8和第九透镜E9构成的两片结合透镜为偏心设置的光学元件B。
第二透镜组G2以第十一透镜L11构成，该透镜为正弯月形透镜，其凸面面向图像形成部LV。
第三透镜组G3构成为，从图像形成部LV一方开始依次设置，具有第十二透镜L12、第十三透镜L13、第十四透镜L14，其中，第十二透镜L12为负弯月透镜，其中凸面面向放大投射一方；第十三透镜L13为负弯月透镜，其中凸面向放大投射一方；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LV。第四透镜组G4以第十五透镜L15构成，第十五透镜L15是双面非球面正弯月形透镜，其凸面面向放大投射一侧。
上述透镜组G1至G4构成折射光学系统RR，其中在放大投射一方设置自由曲面凹面镜MC。
实施例2中的光学元件的光学特性如表7所示，此时的开口值NA为0.200。
表7 光学特性
表7中，镜面No上注有“*”的表示该透镜镜面为非球面镜面，注有“#”的表示凹面镜CM的反射面即第32镜面为自由曲面，该自由曲面形状以上述式(5)定义。
表7中显示各透镜的材料，其中透镜材料为光学玻璃时，以玻璃材料的编号以及生产商表示，OHARA表示株式会社OHARA制造，HOYA表示株式会社HOYA制造。
表7中第21和22面之间的DA、第23和24面之间的DB、第29和30面之间的DC、第31和32面之间的DD、以及第32面和屏幕SC的DE分别为第一透镜组G1和第二透镜组G2之间、第二透镜组G1和第三透镜组G2之间、第三透镜组G3和第四透镜组G4之间、第四透镜组G4和自由曲面凹面镜CM之间、以及自由曲面凹面镜CM和屏幕SC之间的间距，改变这些间距，能够改变放大率。表8显示画面大小为60、80、100英寸时，上述间距的值。换言之，改变投射距离即画面大小进行聚焦时，表7中作为可变间距的DA之DE的变化分别如表8所示。
表8 聚焦时的可变间距
表7中注有“*”的第4、5、15、16、28、29、30、31各光学镜面为非球面，式(4)中非球面的参数如表9所示。
表9 非球面系数
第32面的凹面镜CM的自由曲面以上述式(5)定义，其中的Cj等系数和常数如表10所示。
表10 自由曲面的系数和常数
表10显示改变投射距离，在画面大小为60英寸、80英寸、100英寸时上述式(1)中的TR＝凹面镜与光轴A的交点到屏幕的距离/屏幕宽度的值。
表11 投射距离和TR
| 近距离 | 基准距离 | 远距离 | |
| 60英寸 | 80英寸 | 100英寸 | |
| 投射距离 | 299.63 | 388.15 | 476.14 |
| TR | 0.226 | 0.219 | 0.215 |
由此可知，实施例2涉及的投射光学系统的TR值满足式(1)。
本实施例2中用于图像形成部LV的DMD的大小如下，
点大小：7.56mm
横向长度：14.5152mm
纵向长度：8.1648mm
图像形成部LV偏离光轴A的量如下，
光轴到元件中心的距离：3.9824mm
进而，上述式(2)中的D/Did以及式(3)中的Gi/Go分别如下，
D/Did：0.68
Gi/Go：91.5。
因此，实施例2涉及的投射光学系统满足式(2)和式(3)。
表12显示在位于最靠近第十五透镜E15的投影图像成为最大的合焦状态下，从地点到自由曲面凹面镜CM的位置坐标。转动角度α是面法线与光轴之间夹角。
表12
| 镜面No | Y轴 | Z轴 | α |
| 32 | 25.14 | 0.00 | 13.17 |
图20、图21、图22显示实施例2在各种镜头投射距离下屏幕SC上个视角的波长550nm的光点位置。从这些图可知，在各种镜头投射距离均能够投射变形很少的投影图像。
图23、图24、图25是在各种镜头投射距离下的点列图。各点列图针对波长625nm(红色)、550nm(绿色)、425nm(蓝色)显示的屏幕SC面上的成像特性。其中的F1至F13对应图14所示的视角。
Claims (12)
1.一种用于将图像显示元件上显示的图像放大投影到屏幕上的投射光学系统，其特征在于，
具备折射光学系统和反射光学系统，
该折射光学系统包括光圈和多个包含多个透镜的光学元件，用来放大所述图像显示元件上显示的图像，并使该图像成像，
该反射光学系统具有位于所述折射光学系统和所述屏幕之间的至少一个反射光学元件，
所述折射光学系统在所述图像显示元件与所述反射光学系统之间只形成一个中间像，
当设定光轴A为所述折射光学系统中多个轴对称的所述透镜共有的轴，并设定Y轴在包含该光轴A并含有从所述图像显示元件中心射出后通过所述光圈中心的光线的平面内，而且垂直于该光轴A时，作为所述折射光学系统中一部分的光学元件B在平行于所述Y轴的方向上偏心，
所述图像显示元件的图像形成部与所述光轴A交叉。
2.根据权利要求1所述的投射光学系统，其特征在于，所述光学元件B具有负屈光度。
3.根据权利要求1或2所述的投射光学系统，其特征在于，所述光学元件B被设置为比所述光圈更加靠近所述反射光学元件。
4.根据权利要求1所述的投射光学系统，其特征在于，所述光学元件B为球面透镜。
5.根据权利要求1所述的投射光学系统，其特征在于，所述反射光学元件为具有自由曲面的凹面镜。
6.根据权利要求5所述的投射光学系统，其特征在于，设定TR表示所述凹面镜与所述光轴A的交点至所述屏幕的距离/屏幕宽度，被投影图像的所述屏幕满足下式(1)，
TR＜0.30 (1)。
7.根据权利要求1所述的投射光学系统，其特征在于，所述光轴A垂直于所述图像显示元件。
8.根据权利要求1所述的投射光学系统，其特征在于，设定在所述光学元件B的光轴与所述光轴A一致的状态下，Did表示投影图像成为最大的合焦状态时所述中间像的旁轴最大像高，D表示通过所述光圈中心的光线在所述折射光学系统的旁轴像面上的交点到所述光轴A的距离的最大值时，满足下式(2)，
0.6＜D/Did＜0.8 (2)。
9.根据权利要求8所述的投射光学系统，其特征在于，该投射光学系统为远心光学系统。
10.根据权利要求9所述的投射光学系统，其特征在于，在所述反射光学系统和所述屏幕之间设置具有曲率的玻璃部件。
11.根据权利要求10所述的投射光学系统，其特征在于，当设定Go表示所述图像显示元件的对角线长度，Gi表示最小画面的对角线长度时，满足下式(3)，
Gi/Go＞73 (3)。
12.一种图像显示装置，其特征在于，使用权利要求1至10中任意一项所述投射光学系统将所述图像显示元件上显示的图像放大投影到所述屏幕上，投射显示图像。
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