CN105892026B - 投影光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种投影光学系统，在针对接近型的投影机的应用中，能够覆盖大的变倍范围，并且，还能够与高分辨率的图像显示元件相适应。在第1‑2透镜组(42)中，在最靠放大侧具有非球面的树脂透镜，并且，配置作为固定组的放大侧固定透镜组(第2固定透镜组H2)，在与第2固定透镜组(H2)相比靠缩小侧具有在伴随变倍的对焦之际移动的移动透镜组。由此，在第2光学组(40b)由一个反射镜(MR)构成的情况下，也能够使1次像包含适度的像差而使得经由第2光学组(40b)最终在屏幕上投影的图像成为像差少的良好的图像。

Description

投影光学系统
技术领域
本发明涉及适合组装于将图像显示元件的图像进行放大投影的投影机的投影光学系统。
背景技术
作为由于具有半视场角60度左右的广视场角而能够从近距离投影来得到大画面的投影机用的投影光学系统，提出了由多个透镜构成的折射光学系统的方案(参照专利文献1)。但是，在欲利用仅包括透镜的折射光学系统得到非常广的视场角的情况下，具有尤其是位于放大侧的透镜会非常大的缺点。另外，还考虑到当利用折射光学系统进行广视场角化时，尤其为了校正由位于放大侧的光焦度强的负弯月透镜产生的倍率色像差，而需要非常多的透镜个数。
作为消除折射光学系统的缺点的方法，提出了使用由多个透镜构成的折射光学系统和至少1个曲面反射镜的折射/反射混合光学系统的方案(例如参照专利文献2、3等)。在上述折射/反射型混合光学系统中，使用反射镜作为得到最终的广视场角的手段，因而，与仅使用上述的透镜的折射光学系统相比较，具有不易产生倍率色像差的特征。
但是，例如在专利文献2(日本特开2006-235516号)中，使用折射光学系统和凹面反射镜而具有非常广的视场角，但是曲面反射镜非常大，此外，全长也非常长。另外，在专利文献3(日本特开2007-079524号)中，例如第8实施例中视场角为60度左右，并且通过将凹面反射镜与凸面反射镜组合而使反射镜尺寸变小。然而，与上述的专利文献2同样，全长非常长。另外，F数(F-number)为3左右，较暗，作为使用透射型的液晶的光学系统，在明亮度这一点上也是无法令人满意的。此外，构成的2个反射镜是非球面，从精度、装配的观点出发难度也非常高。
如上所述，在折射/反射型混合光学系统中，虽能够得到超广视场角，但是存在难以缩短全长、并且反射镜的尺寸会变大这一缺点，例如无法面向如前投影机那样重视可移动性(便携性)的设备。
与此相对，已知有在正投影机用途中使用反射镜的光学系统(专利文献4、5等)。例如，在专利文献4(日本特开2008-250296号)中，通过将1或2个非球面透镜配置在非球面反射镜前来形成为紧凑的构成，但在F数为1.7左右的明亮的系统中，变倍的范围窄至1.2倍左右。相反地，在变倍范围为2倍左右的系统中，F数为1.85左右，较暗。另外，例如在专利文献5(日本特开2012-203139号)中，通过在折射光学系统的最靠反射镜侧配置正透镜而能够使反射镜小型化，进而，能够使光学系统整体小型化。然而，由于仅能应对到F数为1.8左右，因此，在明亮度这点上仍有不足之处。
另外，以往，针对固定的屏幕，接近用途的投影机多在天花板设置、壁面设置之类的设置时被以固定的方式使用。但是，近年来，要求渐高，不仅期望其能够应对将投影机纵置、以比较小的投影尺寸来向桌面投影的用途，还期望其能够应对使上述投影机在比较宽敞的房间等中移动而进行大画面投影的用途。在进行大画面投影的情况下，为了在比较明亮的场所也能够得到足够的对比度，而要求哪怕只有一点也希望再亮一些的光学系统。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2007-147970号公报
专利文献2：日本特开2006-235516号公报
专利文献3：日本特开2007-079524号公报
专利文献4：日本特开2008-250296号公报
专利文献5：日本特开2012-203139号公报
发明内容
本发明鉴于上述背景而提出，目的在于提供在针对接近型投影机的应用中，能够覆盖大的变倍范围并且还能够与高分辨率的图像显示元件相适应的投影光学系统。
为了达成上述目的，本发明的投影光学系统是从缩小侧起依次包括第1光学组和第2光学组的投影光学系统，所述第1光学组包括多个透镜，具有正的光焦度，所述第2光学组包括1个具有凹面非球面形状的反射面，所述投影光学系统的特征在于，第1光学组包括以最宽的空气间隔为界在缩小侧的第1-1透镜组和在放大侧的第1-2透镜组，所述第1-1透镜组具有正的光焦度，所述第1-2透镜组具有比第1-1透镜组的光焦度弱的正光焦度或负光焦度，第1-2透镜组具有放大侧固定透镜组和在伴随变倍的对焦时沿光轴方向移动的至少一个移动透镜组，所述放大侧固定透镜组配置在最靠放大侧，并且，在伴随变倍的对焦(变倍时的对焦)之际被固定，包括具有至少1个非球面的多个透镜。在此，关于透镜或者透镜组的光焦度的比较，相对地弱是指在比较光焦度的绝对值的情况下小。即，上述中意味着第1-2透镜组所具有的光焦度的绝对值比第1-1透镜组所具有的光焦度的绝对值小。
首先，在上述那样的构成的情况下，第1光学组发挥使物体(即面板部分)的像暂时在第2光学组的反射镜的近前成像而形成用于利用第2光学组的反射镜在屏幕上再次成像的1次像的作用。此时，由于第2光学组仅由1个反射镜构成，所以难以单独地对像差进行校正，因此，为了利用第2光学组最终在屏幕上得到像差少的图像，需要在第1光学组中形成包含像差的1次像。
进而，在上述那样的构成的超广角投影光学系统中，若使投影倍率变化，则由于视场角非常大，像差变动容易增大，第1光学组需要形成包含即便使成像倍率变化也能够与其对应的像差的1次像。
对此，在本发明的投影光学系统中，如上述那样，在第1光学组中的第1-2透镜组中，具有在伴随变倍的对焦之际移动的至少1个移动透镜组，据此，能够形成为在屏幕上得到良好的图像所需的1次像。另外，还配置有在伴随变倍的对焦之际位于最靠放大侧，并且作为固定组的放大侧固定透镜组。据此，能够减少因调焦组的不稳定等所产生的影响，并且，在针对接近型的投影机的应用中，能够覆盖大的变倍范围、还能够与高分辨率的图像显示元件相适应。
在超广角的折射和反射的混合光学系统中，从由折射光学系统构成的第1光学组射出的光束在第2光学组的反射镜处被反射，而向第1光学组这侧返回，因此，第1光学组中的靠第2光学组侧的透镜(例如放大侧固定透镜组中的位于最靠放大侧的透镜)有可能与从第2光学组返回来的光束干涉。因此，需要形成为例如不是圆形形状，而是一部分被切掉那样的形状。该情况下，用于固定切割后的形状的透镜的框构造也无法再使用一般的圆筒形状，很容易变得难以维持精度。在本发明的投影光学系统中，如上述那样，最靠放大侧的透镜在第1透镜组中为最大型的，采用异形构造，框构造上也有可能会难以维持精度，通过将包括最靠放大侧的透镜的透镜组形成为固定组(放大侧固定透镜组)，能够防止性能的偏差。
进一步，通过用多个透镜构成放大侧固定透镜组，能够以球面主要确保光焦度，以非球面校正和分配像差，能够维持更稳定的性能。
根据本发明的具体的方面，第1-2透镜组中的放大侧固定透镜组由2个负透镜构成，在放大侧配置由树脂形成的非球面透镜。该情况下，将该2个负透镜形成为例如树脂透镜(相对地靠放大侧的透镜)和玻璃透镜(相对地靠缩小侧的透镜)的组合，据此构成为减弱树脂透镜的光焦度、并且使得光线不以陡峭的角度向树脂透镜入射，能够减少树脂透镜的形状的偏差的影响。更具体地进行说明，首先，使玻璃透镜具有足够的负光焦度，另一方面，使树脂透镜具有弱的负光焦度，主要靠非球面发挥场曲、像散和/或歪曲像差等像差校正效果，据此能够抑制因树脂透镜的偏差而引起的性能劣化。
另外，作为树脂的成型透镜的一般特征，与玻璃的成型透镜等相比较，材料的收缩率大，因此，难以确保面的精度。另外，已知若树脂的成型透镜的光焦度过强，则由光轴附近的透镜厚与外周部的透镜厚之比表示的厚度不匀比(uneven thickness ratio)比变大，在门(gate)部分和/或外周部分会产生内部歪曲，据此有可能会对性能造成影响。树脂的线膨胀系数和/或折射率的温度系数与玻璃的情况相比较要大1个数量级左右，因环境温度和/或使用时的温度变化而引起的焦距变化也会成为焦点位置偏移的原因。因此，对于树脂的成型透镜而言，单体且光焦度过强是不希望的。另一方面，树脂的成型透镜的大口径透镜能够比较廉价，即便是圆形形状以外的形状也能够比较简单地应对这一方面存在优点。
据此，使用树脂透镜作为第1-2透镜组中的、成为比较大的口径的配置在最靠放大侧的透镜，据此，如上述那样通过形成为非圆形形状而是切割后的那样的形状，能够实现小型化且低成本化。此时，通过在树脂透镜的缩小侧配置玻璃透镜，能够适度地控制向配置在放大侧的非球面的树脂透镜入射的光线，能够减小关于使用上述的树脂的情况下的缺点的影响。
根据本发明的其它方面，第1-2透镜组具有在伴随变倍的对焦之际分别独立地移动的多个透镜组来作为移动透镜组。该情况下，第1-2透镜组在伴随变倍的对焦之际分为多个组而移动，据此，能够均衡地校正像高低的位置处的焦点位置和像高高的周边部的场曲，在大的变倍范围内也能够形成为在屏幕上得到良好的图像所需的1次像。
根据本发明的另外其它方面，第1-1透镜组在内部具有孔径光阑，在与孔径光阑相比靠放大侧，从缩小侧起依次包括凸面朝向放大侧的正透镜和凹面朝向放大侧的负弯月透镜这两个透镜。该情况下，在与孔径光阑相比靠放大侧配置上述那样的两个透镜，据此，在大的变倍范围内都能够维持良好的性能。
第1-1透镜组具有高效率地接收从物体(即面板)侧射出的光束，并向作为调焦透镜组的第1-2透镜组射出的作用。第1-2透镜组作为调焦透镜组而被要求具有在大的变倍范围内都能够形成适当的中间像的作用。如上述那样，使第1-1透镜组中的配置在与孔径光阑相比靠放大侧的透镜组为正负两个透镜时，尤其是为从缩小侧起依次为凸面朝向放大侧的正透镜和凹面朝向放大侧的负弯月透镜，据此，能够使第1-1透镜组的最靠放大侧的面为发散面。由此，与作为调焦透镜组的第1-2透镜组组合，能够在大的变倍范围良好地校正场曲、像散特性，能够获得用于形成适当的中间像的稳定的性能。
根据本发明的另外其它方面，其特征在于，第1-1透镜组在内部具有孔径光阑，在孔径光阑的缩小侧包含至少两组正透镜和负透镜的接合透镜，并且，至少在放大侧具有凹面形状的非球面。该情况下，即便为少的透镜个数的构成也能够防止色像差的产生，能够减少组装偏差，并且能够增大数值孔径(使其明亮)。
第1-1透镜组的配置在与孔径光阑相比靠缩小侧的多个透镜起到有效地接收从物体(即面板)侧射出的光束的作用。假设这些多个透镜仅由球面透镜构成的情况下，有可能需要增加透镜个数。若透镜个数增加，则透射率减少，并且由于透镜的增加而透镜全长也增加，有时也要求尽量为最低限度的透镜构成个数。
例如，为了能够与F数直至1.6左右的明亮度对应，在第1-1透镜组的与孔径光阑相比靠缩小侧，插入至少在放大侧具有凹面形状的非球面，据此，能够提供即确保明亮度又抑制光斑的产生的对比度高的图像。另外，在第1-1透镜组的与孔径光阑相比靠缩小侧，包括至少两组接合透镜，据此能够尽量抑制色像差的产生，通过进行接合，装配性也提高。
根据本发明的另外其它方面，物体侧的数值孔径为0.3以上。该情况下，能够形成足够明亮的投影图像。
根据本发明的另外其它方面，缩小侧为大致远心。
根据本发明的另外其它方面，构成第1光学组和第2光学组的要素都为旋转对称系统。
根据本发明的另外其它方面，变倍范围为1.5倍以上。
附图说明
图1是示出组装有实施方式的投影光学系统的投影机的概略构成的图。
图2是实施方式或者实施例1的投影光学系统的从物体面到投影面为止的构成以及光线图。
图3是图2中的、从物体面到凹面反射镜为止的局部放大图。
图4是示出实施例1的投影光学系统的构成的图。
图5的(A)～(C)是实施例1的投影光学系统的缩小侧像差图。
图6的(A)～(E)是与图5的(A)对应的投影光学系统的横向像差图。
图7的(A)～(E)是图5的(B)对应的投影光学系统的横向像差图。
图8的(A)～(E)是与图5的(C)对应的投影光学系统的横向像差图。
图9是示出实施例2的投影光学系统的构成的图。
图10的(A)～(C)是实施例2的投影光学系统的缩小侧像差图。
图11的(A)～(E)是与图10的(A)对应的投影光学系统的横向像差图。
图12的(A)～(E)是与图10的(B)对应的投影光学系统的横向像差图。
图13的(A)～(E)是与图10的(C)对应的投影光学系统的横向像差图。
图14是示出实施例3的投影光学系统的构成的图。
图15的(A)～(C)是实施例3的投影光学系统的缩小侧像差图。
图16的(A)～(E)是与图15的(A)对应的投影光学系统的横向像差图。
图17的(A)～(E)是与图15的(B)对应的投影光学系统的横向像差图。
图18的(A)～(E)是与图15的(C)对应的投影光学系统的横向像差图。
(标号的说明)
2…投影机；10…光源；11…积分透镜；12…积分透镜；13…偏振变换元件；14…叠合透镜；15…分色镜；16…反射镜；17G、17R、17B…场透镜；18G、18R、18B…液晶面板；19…十字分色棱镜；21…分色镜；22…中继透镜；23…反射镜；40…投影光学系统；40a…第1光学组；40b…第2光学组；41…透镜组；42…透镜组；50…光学系统部分；80…电路装置；81…图像处理部；82…显示驱动部；83…透镜驱动部；88…主控制部；A1…方向；AC…致动器；E1、E2…透镜组；F1-F3…移动透镜组；H1、H2…固定透镜组；L1-L16…透镜；MR…反射镜；OA…光轴；PI…面板面；PR…棱镜。
具体实施方式
以下参照附图，对本发明的实施方式的投影光学系统详细地进行说明。
如图1所示，组装有本发明的一个实施方式的投影光学系统的投影机2具备：将图像光进行投影的光学系统部分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例如是超高压水银灯，射出包含R光、G光以及B光的光。在此，光源10可以是超高压水银灯以外的放电光源，也可以是LED和/或激光那样的固体光源。第1积分透镜11以及第2积分透镜12具有排列为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的透镜元件附近聚光。第2积分透镜12的透镜元件与叠合透镜14协同作用，将第1积分透镜11的透镜元件的像形成在液晶面板18R、18G、18B。通过这样的构成，来自光源10的光以大致均匀的明亮度对液晶面板18R、18G、18B的显示区域的整体进行照明。
偏振变换元件13将来自第2积分透镜12的光变换为预定的直线偏振光。叠合透镜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而重叠在液晶面板18R、18G、18B的显示区域上。
第1分色镜15使从叠合透镜14入射的R光反射，而使G光以及B光透射。在第1分色镜15反射后的R光经过反射镜16以及场透镜17R，向作为光调制元件的液晶面板18R入射。液晶面板18R根据图像信号对R光进行调制，据此形成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，而使B光透射。在第2分色镜21反射后的G光经过场透镜17G，向作为光调制元件的液晶面板18G入射。液晶面板18G根据图像信号对G光进行调制，据此形成G色的图像。从第2分色镜21透射后的B光经过中继透镜22、24、反射镜23、25以及场透镜17B，向作为光调制元件的液晶面板18B入射。液晶面板18B根据图像信号对B光进行调制，据此形成B色的图像。
十字分色棱镜19为光合成用的棱镜，使得由各液晶面板18R、18G、18B调制后的光合成而作为图像光向投影光学系统40行进。
投影光学系统40是将由各液晶面板18G、18R、18B调制、并由十字分色棱镜19合成后的图像光在未图示的屏幕上进行放大投影的投影用变焦镜头。
电路装置80具备：被输入视频信号等外部图像信号的图像处理部81、基于图像处理部81的输出来驱动设置于光学系统部分50的液晶面板18G、18R、18B的显示驱动部82、使设置于投影光学系统40的驱动机构(未图示)工作而调整投影光学系统40的状态的透镜驱动部83、总体地控制这些电路部分81、82、83等的工作的主控制部88。
图像处理部81将所输入的外部图像信号变换为包括各色的灰阶等的图像信号。此外，图像处理部81也能够对外部图像信号进行失真校正和/或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对应的图像或者与对其实施图像处理后的图像对应的图像形成在液晶面板18G、18R、18B。
透镜驱动部83在主控制部88的控制下工作，使构成投影光学系统40的一部分的光学要素借助致动器AC沿着光轴OA适当移动，据此，能够在基于投影光学系统40的向屏幕上的图像投影中，进行伴随变倍的对焦(变倍时的对焦)。此外，透镜驱动部83能够通过使投影光学系统40整体沿着与光轴OA垂直的上下方向移动的倾斜调整而使投影在屏幕上的图像的纵位置变化。
以下，参照图2以及图3等，对实施方式的投影光学系统40具体地进行说明。此外，图2等中例示的投影光学系统40形成为与下述的实施例1的投影光学系统40同样的构成。
实施方式的投影光学系统40将形成在液晶面板18G(18R、18B)的被投影面的图像向未图示的屏幕上投影。在此，在投影光学系统40与液晶面板18G(18R、18B)之间，配置有与图1的十字分色棱镜19相当的棱镜PR。
投影光学系统40从缩小侧起依次包括第1光学组40a和第2光学组40b，第1光学组40a包括多个透镜，具有正的光焦度，第2光学组40b由1个包含具有凹面非球面形状的反射面的反射镜MR构成。第1光学组40a包括以形成于所包含的透镜间的空间中的、最大的空气间隔BD为界在缩小侧的第1-1透镜组41和在放大侧的第1-2透镜组42，第1-1透镜组41具有正的光焦度，第1-2透镜组42具有比第1-1透镜组41的光焦度弱的正光焦度或负光焦度。
第1-1透镜组41在内部具有孔径光阑ST，包括与孔径光阑ST相比靠缩小侧的透镜组E1和与孔径光阑ST相比靠放大侧的透镜组E2。
第1-2透镜组42从缩小侧起依次具有：在伴随变倍的对焦之际被固定的第1固定透镜组H1(缩小侧固定透镜组)、作为伴随变倍的对焦之际分别沿光轴方向移动的3个移动透镜组的F1透镜组(以下透镜组F1)、F2透镜组(以下透镜组F2)以及F3透镜组(以下透镜组F3)、在伴随变倍的对焦之际被固定的第2固定透镜组H2(放大侧固定透镜组)。即，第1-2透镜组42中，最靠放大侧的在伴随变倍的对焦之际被固定的透镜组被配置为第2固定透镜组H2(放大侧固定透镜组)。如图所示，作为放大侧固定透镜组的第2固定透镜组H2由2个负透镜L15、L16构成，配置在最靠放大侧的透镜L16是由树脂形成的非球面透镜。另外，3个透镜组F1～F3(移动透镜组)通过致动器AC在变倍时的对焦之际独立地分别在沿光轴OA的方向A1上移动。此外，借助致动器AC的透镜组F1～F3的移动方式根据变倍时的对焦的方式能够为各种方式，例如3个能够完全不相关地独立移动，也能够利用凸轮机构等而联动。
以下，对于构成各透镜组的透镜从缩小侧起依次进行说明。第1光学组40a中的、第1-1透镜组41的透镜组E1具有8个透镜L1～L8，透镜组E2具有2个透镜L9、L10。第1-2透镜组42的作为缩小侧固定透镜组的第1固定透镜组H1具有1个透镜L11，作为移动透镜组的透镜组F1具有1个透镜L12，透镜组F2具有1个透镜L13，透镜组F3具有1个透镜L14，如上述那样，作为放大侧固定透镜组的第2固定透镜组H2具有2个透镜L15、L16。即，第1光学组40a整体由16个透镜L1～L16构成。
构成透镜组E1的透镜L1～L8中的、作为正透镜的透镜L3和作为负透镜的透镜L4为接合透镜，另外，透镜L5和透镜L6为接合透镜。尤其是，透镜L6为玻璃制的非球面形状的负透镜，为放大侧的凹面形状的非球面。将以上换个方式来说，第1-1透镜组41在与孔径光阑ST相比靠缩小侧包括至少2组正透镜和负透镜的接合透镜，并且，至少在放大侧具有凹面形状的非球面。此外，构成透镜组E1的透镜中的、透镜L6以外的透镜为玻璃制的球面透镜。另外，透镜L1～L8成为关于光轴OA的轴对称的圆形形状。
关于构成透镜组E2的2个透镜L9、L10，透镜L9为正透镜，透镜L10为负透镜。尤其是，透镜L10为凹面朝向放大侧的负弯月透镜。将以上换个方式来说，第1-1透镜组41在与孔径光阑ST相比靠放大侧，从缩小侧起依次由凸面朝向放大侧的正透镜和凹面朝向放大侧的负弯月透镜这2个透镜构成。此外，透镜L9、L10为玻璃制的球面透镜，成为关于光轴OA的轴对称的圆形形状。
构成第1固定透镜组H1的透镜L11为正弯月透镜。此外，透镜L11为玻璃制的球面透镜，成为关于光轴OA的轴对称的圆形形状。
构成透镜组F1的透镜L12为双凸的正透镜。此外，透镜L12为玻璃制的球面透镜，成为关于光轴OA的轴对称的圆形形状。
构成透镜组F2的透镜L13为负弯月透镜。此外，透镜L13为玻璃制的球面透镜，成为关于光轴OA的轴对称的圆形形状。
构成透镜组F3的透镜L14为具有负的光焦度的双面被赋予非球面的透镜(非球面透镜)，是由树脂形成的透镜(树脂透镜)。此外，透镜L14成为关于光轴OA的轴对称的圆形形状。
构成透镜组中的、配置在最靠放大侧的第2固定透镜组H2的透镜L15、L16中的、透镜L15为双凹的负透镜。此外，透镜L15为玻璃制的球面透镜，成为关于光轴OA的轴对称的圆形形状。透镜L16为具有负的光焦度的双面被赋予非球面的透镜(非球面透镜)，是由树脂形成的透镜(树脂透镜)。此外，透镜L16不是圆形形状，而为从关于光轴OA的轴对称的圆形的状态切掉上部侧(投影影像光的一侧)的一部分那样的形状。
如上所述，第2光学组40b由1个具有凹面非球面形状的反射镜MR构成，反射镜MR将从第1光学组40a射出的影像光进行反射，据此朝向屏幕投影。
此外，如上述那样，在投影光学系统40中，构成第1光学组40a的所有的透镜L1～L16中的、透镜L1～L15为关于光轴OA的轴对称的圆形形状，透镜L16为切掉关于光轴OA的轴对称的圆形形状的一部分而成的形状。另外，构成第2光学组40b的反射镜MR也为切掉关于光轴OA轴对称的形状的一部分而成的形状。即，构成第1光学组40a以及第2光学组40b的要素都为旋转对称系统。另外，如图所示，在投影光学系统40中，缩小侧为大致远心。由此，如上述那样，在十字分色棱镜19中将由各液晶面板18R、18G、18B调制后的光合成而作为图像光的情况下，能够容易吸收装配的偏差。
在包括以上那样的投影光学系统40的接近投影光学系统中，一般而言，到屏幕为止的距离非常近。在上述的投影光学系统40中，在第1光学组40a中，使位于液晶面板18G(18R、18B)的面板面PI的物体(即面板部分)的像暂时在第2光学组40b的反射镜的近前成像，利用构成第2光学组40b的1个反射镜MR在屏幕再次成像，据此进行接近投影。也即是，该情况下，第1光学组40a发挥在反射镜MR的近前形成1次像(中间像)的作用。在上述那样的投影中，由变倍时的对焦引起的像差变动比普通投影的情况大，通常无法获取较大的变倍范围。因此，利用第1光学组40a形成的1次像还需要能够应对因视场角非常大而当使投影倍率变化时像差变动容易变大的情况。另外，在一般的接近投影光学系统中，对像性能的直接影响大的场曲、像散的变动容易显著地使对比度降低，因调焦组的移动而导致的歪曲像差的变化比通常透镜系统大的倾向也较高。
与此相对，在本实施方式中，如上述那样，在第1光学组40a中的第1-2透镜组42中，在最靠放大侧具有非球面的树脂透镜，并且，配置作为固定组的放大侧固定透镜组(第2固定透镜组H2)，在与第2固定透镜组H2相比靠缩小侧具有在伴随变倍的对焦之际移动的移动透镜组，据此，能够进行为将像差变动抑制为较小而有效的校正。由此，即便在第2光学组40b由1个反射镜MR构成那样的情况下，也能够使1次像中包含适度的像差而使得经由第2光学组40b最终在屏幕上投影的图像为像差少的良好的图像。即，在作为接近型的投影机的投影机2中，能够覆盖大的变倍范围，并且，还能够与高分辨率的图像显示元件相适应。
在此，关于第1光学组40a中的、作为配置在放大侧的调焦组的第1-2透镜组42中构成的透镜，若非球面透镜为1个，则有可能无法通过设计来取得足够的变倍范围。若第1-2透镜组42的非球面透镜为2个，虽可能增大变倍范围，但该情况下，为了充分地增大变倍范围，使各非球面透镜的形状形成为较大地偏离球面形状的面形状的高度非球面形状的倾向会变严重，面敏感度和/或折射率敏感度会变高，另外，相互的面的偏心敏感度也会变高，作为最终的透镜性能的偏差变大的可能性高。
另外，另一方面，关于第1-2透镜组42的非球面透镜(透镜L16)，为了避免与在第2光学组40b的反射镜反射后的光束的干涉，需要将形状形成为切掉圆形的一部分那样的异型形状，此外，由于直径成为比较大的口径，因此，通常使用树脂的成形非球面，在本实施方式中，透镜L16被形成为异型形状的树脂非球面透镜。然而，由于通常树脂成形非球面与玻璃成形非球面相比较，精度低、容易受基于上述那样的面精度和/或折射率的偏差的影响，因此，在设计时需要充分地降低敏感度。
与此相对，在本实施方式中，作为调焦组的第1-2透镜组42中的非球面透镜为2个(透镜L14、L16)，并且，其间插入玻璃制的负透镜(透镜L15)，通过形成为这种构成，能够使非球面透镜的负的光焦度适当地分散，降低非球面彼此的相对的敏感度，并且，能够在大的变倍范围内也减少像差变动。
另外，在作为调焦组的第1-2透镜组42中，还可以在缩小侧配置固定透镜组(第2固定透镜组H2)。该情况下，例如能够减少调焦组中的移动透镜组的数量(在下述的实施例2中，不由3个而由2个移动透镜组构成)，使得用于固定透镜的框构造等简易，进而，还能够实现装置整体的低成本化。
另外，在第1-1透镜组41中，假设孔径光阑ST的缩小侧的构成仅为球面透镜，则为了应对大的变倍范围，认为仅能够应对F数为1.8左右的明亮度。与此相对，在本实施方式中，通过在孔径光阑ST的缩小侧适当配置玻璃非球面(透镜L6)，即便F数为1.6左右，也能够得到光斑少的对比度高的图像。由此，即便为与以往的例子相比较同等程度的构成个数(在本实施方式中为16个)，也能够具备具有物体侧的数值孔径为0.3以上即F数为1.6左右的明亮度，并且能够确保1.5倍以上(甚至1.6倍以上)的高的变倍范围且与高分辨率的图像显示元件也能够充分适应的性能。
〔实施例〕
以下，对投影光学系统40的具体的实施例进行说明。以下说明的实施例1～3中共用的参数的意义总结如下。
f 整个系统的焦距
ω 半视场角
NA 数值孔径
R 曲率半径
D 轴上面间隔(透镜厚或者透镜间隔)
Nd d线的折射率
Vd d线的阿贝数
非球面通过以下的多项式(非球面式)来确定。
其中，
C：曲率(1/R)
H：距离光轴的高度
K：非球面的圆锥系数
Ai：非球面的高次非球面系数
(实施例1)
实施例1的透镜面的数据在以下的表1中示出。此外，OBJ表示面板面PI，STO表示孔径光阑ST。另外，面序号之外还标注有“*”的面是具有非球面形状的面。
〔表1〕
在以上的表1以及以下的表中，将10的幂乘数(例如1.00×10+18)用E(例如1.00E+18)来表示。
以下的表2示出实施例1的透镜面的非球面系数。
〔表2〕
以下的表3示出投影倍率133倍、投影倍率104倍以及投影倍率177倍的、表2中的可变间隔23、25、27、29、34的值。
〔表3〕
图4是实施例1的投影光学系统的截面图。图4的投影光学系统与实施方式1的投影光学系统40相当。此外，在图3等中，关于成为从圆形形状切掉一部分而成的形状的透镜L15和/或反射镜MR，在图4中以未切掉的方式而保持原样地绘制。在图4中，投影光学系统将面板面PI上的像以与到屏幕为止的距离对应的倍率进行放大投影。即，从缩小侧起依次具有：构成第1-1透镜组41的透镜组E1的透镜L1～L8、构成透镜组E2的透镜L9、L10、构成第1-2透镜组42的第1固定透镜组H1的透镜L11、构成透镜组F1的透镜L12、构成透镜组F2的透镜L13、构成透镜组F3的透镜L14、构成第2固定透镜组H2的透镜L15、L16这16个透镜L1～L16。例如从壁面投影变更为地板面投影的情况那样，由于投影位置变化(投影距离变化)而会进行变倍，在这样的变倍时的对焦之际，构成第1-1透镜组41和第1-2透镜组42的第1固定透镜组、第2固定透镜组H1、H2被保持固定，另一方面，构成第1-2透镜组42的透镜组F1～F3分别移动。
此外，对各透镜L1～L16详细地进行说明，在第1-1透镜组41中，作为第1透镜的透镜L1为正透镜，作为第2透镜的透镜L2为正透镜，作为第3透镜的透镜L3为正透镜，作为第4透镜的透镜L4为负透镜，第3透镜和第4透镜为接合透镜，作为第5透镜的透镜L5为正透镜，作为第6透镜的透镜L6为放大侧被赋予凹面形状的非球面的负透镜，第5透镜和第6透镜为接合透镜，作为第7透镜的透镜L7为双凸的正透镜，作为第8透镜的透镜L8为双凹的负透镜，作为第9透镜的透镜L9为双凸的正透镜，作为第10透镜的透镜L10为凹面朝向放大侧的负弯月透镜。另外，在第1-2透镜组42中，作为第11透镜的透镜L11为正透镜，作为第12透镜的透镜L12为正透镜，作为第13透镜的透镜L13为负透镜，作为第14透镜的透镜L14为双面被赋予非球面的负透镜，作为第15透镜的透镜L15为双凹的负透镜，作为第16透镜的透镜L16为双面被赋予非球面的负透镜。另外，第2光学组40b由1个凹面非球面反射镜构成。
图5的(A)为投影倍率133倍时的投影光学系统的缩小侧像差图(球面像差(spherical aberration)、像散(astigmatism)、歪曲像差(distortion))，图5的(B)为投影倍率104倍时的投影光学系统的缩小侧像差图，图5的(C)为投影倍率177倍时的投影光学系统的缩小侧像差图。另外，图6的(A)～图6的(E)为与图5的(A)对应的投影光学系统的横向像差图。其中，图6的(A)为最大视场角的情况下的横向像差图，以图6的(A)至图6的(E)的5个视场角示出横向像差。同样地，图7的(A)～图7的(E)是与图5的(B)对应的投影光学系统的横向像差图，图8的(A)～图8的(E)是与图5的(C)对应的投影光学系统的横向像差图。
(实施例2)
实施例2的透镜面的数据在以下的表4中示出。此外，OBJ表示面板面PI，STO表示孔径光阑ST。另外，面序号之外还标注有“*”的面是具有非球面形状的面。
〔表4〕
以下的表5示出实施例2的透镜面的非球面系数。
〔表5〕
以下的表6示出投影倍率135倍、投影倍率106倍以及投影倍率179倍的、表5中的可变间隔23、25、29、34的值。
〔表6〕
图9是实施例2的投影光学系统的截面图。此外，关于在实际的光学系统中，成为从圆形形状切掉一部分而成的形状的透镜L16和/或反射镜MR，在图9中以未切掉的方式而保持原样地绘制。在图9中，投影光学系统将面板面PI上的像以与到屏幕为止的距离对应的倍率进行放大投影。即，从缩小侧起依次具有：构成第1-1透镜组41的透镜组E1的透镜L1～L8、构成透镜组E2的透镜L9、L10、构成第1-2透镜组42的第1固定透镜组H1的透镜L11、构成透镜组F1的透镜L12、构成透镜组F2的透镜L13、L14、构成第2固定透镜组H2的透镜L15、L16这16个透镜L1～L16。例如从壁面投影变更为地板面投影的情况那样，由于投影位置变化(投影距离变化)而会进行变倍，在这样的变倍时的对焦之际，构成第1-1透镜组41和第1-2透镜组42的第1固定透镜组、第2固定透镜组H1、H2被保持固定，而另一方面，构成第1-2透镜组42的透镜组F1、F2分别移动。
如以上那样，在实施例2中，第1光学组40a由从缩小侧起计数的透镜L1(第1透镜)至透镜L16(第16透镜)为止的16个透镜构成，第1光学组40a能够被分为以最大的空气间隔BD为界在缩小侧的第1-1透镜组41和在放大侧的第1-2透镜组42，第1-1透镜组41具有正的光焦度，第1-2透镜组42具有比第1-1透镜组41的光焦度弱的正光焦度或负光焦度。
更具体而言，第1-1透镜组41从缩小侧起依次包括透镜组E1、孔径光阑ST、透镜组E2，透镜组E1包括正的透镜L1、正的透镜L2、正的透镜L3和负的透镜L4的接合透镜、正的透镜L5、双面被赋予非球面的负的透镜L6、正的透镜L7和负的透镜L8的接合透镜，透镜组E2包括双凸的正的透镜L9、凹面朝向放大侧的负弯月透镜的透镜L10。即，在透镜组E1、E2中依次配置总计10个透镜。
第1-2透镜组42从缩小侧起依次包括：包括正的透镜L11的第1固定透镜组H1、包括正的透镜L12的透镜组F1(F1透镜组)、包括负的透镜L13和双面被赋予非球面的负的透镜L14的透镜组F2(F2透镜组)、包括凸面朝向放大侧的负弯月透镜的透镜L15和双面被赋予非球面的负的透镜L16第2固定透镜组H2。即，在固定透镜组H1、H2以及透镜组F1、F2中依次配置有总计6个透镜。其中，透镜L14和透镜L16为由树脂形成的透镜。另外，第1-2透镜组42在变倍时使投影距离变化时的对焦之际，通过使2个透镜组F1、F2独立地移动来进行对焦。
第2光学组40b由1个凹面非球面反射镜构成。
图10的(A)为投影倍率135倍时的投影光学系统的缩小侧像差图(球面像差、像散、歪曲像差)，图10的(B)为投影倍率106倍时的投影光学系统的缩小侧像差图，图10的(C)为投影倍率179倍时的投影光学系统的缩小侧像差图。另外，图11的(A)～图11的(E)为与图10的(A)对应的投影光学系统的横向像差图。其中，图11的(A)为最大视场角的情况下的横向像差图，以图11的(A)至图11的(E)的5个视场角示出横向像差。同样地，图12的(A)～12的(E)为与图10的(B)对应的投影光学系统的横向像差图，图13的(A)～图13的(E)为与图10的(C)对应的投影光学系统的横向像差图。
(实施例3)
实施例3的透镜面的数据在以下的表7中示出。此外，OBJ表示面板面PI，STO表示孔径光阑ST。另外，面序号之外还标注有“*”的面是具有非球面形状的面。
〔表7〕
以下的表8示出实施例3的透镜面的非球面系数。〔表8〕
以下的表9示出投影倍率135倍、投影倍率106倍以及投影倍率223倍的、表8中的可变间隔21、23、27、29、34的值。
〔表9〕
图14是实施例3的投影光学系统的截面图。此外，关于在实际的光学系统中，成为从圆形形状切掉一部分而成的形状的透镜L16和/或反射镜MR，在图14中以未切掉的方式而保持原样地绘制。在图14中，投影光学系统将面板面PI上的像以与到屏幕为止的距离对应的倍率进行放大投影。即，从缩小侧起依次具有：构成第1-1透镜组41的透镜组E1的透镜L1～L8、构成透镜组E2的透镜L9、L10、构成第1-2透镜组42的透镜组F1的透镜L11、构成透镜组F2的透镜L12、L13、构成透镜组F3的透镜L14、构成第2固定透镜组H2的透镜L15、L16这16个透镜L1～L16。此外，在本实施例中，在第1-2透镜组42中，缩小侧不存在固定透镜组。即，不存在与第1固定透镜组H1相当的透镜组。例如从壁面投影变更为地板面投影的情况那样，由于投影位置变化(投影距离变化)而会进行变倍，在这样的变倍时的对焦之际，构成第1-1透镜组41和第1-2透镜组42的固定透镜组H2被保持固定不变，而另一方面，构成第1-2透镜组42的透镜组F1～F3分别移动。
如以上那样，在实施例3中，第1光学组40a由从缩小侧起计数的透镜L1(第1透镜)至透镜L16(第16透镜)为止的16个透镜构成，第1光学组40a能够被分成以最大的空气间隔BD为界在缩小侧的第1-1透镜组41和在放大侧的第1-2透镜组42，第1-1透镜组41具有正的光焦度，第1-2透镜组42具有比第1-1透镜组41的光焦度弱的正光焦度或负光焦度。
更具体而言，第1-1透镜组41从缩小侧起依次具有透镜组E1、孔径光阑ST、透镜组E2，透镜组E1包括：正的透镜L1、正的透镜L2、正的透镜L3和负的透镜L4的接合透镜、正的透镜L5和放大侧被赋予凹面形状的非球面的负的透镜L6的接合透镜、双凸的正的透镜L7、双凹的负的透镜L8，透镜组E2包括：双凸的正的透镜L9、凹面朝向放大侧的负弯月透镜的透镜L10。即，在透镜组E1、E2中依次配置有总计10个透镜。
第1-2透镜组42从缩小侧起依次包括：包括正的透镜L11的透镜组F1(F1透镜组)、包括正的透镜L12和负的透镜L13的透镜组F2(F2透镜组)、包括双面被赋予非球面的负的透镜L14的透镜组F3(F3透镜组)、包括双凹的负的透镜L15和双面被赋予非球面的负的透镜L16的固定透镜组H2。即，在透镜组F1～F3和固定透镜组H2中依次配置总计6个透镜。其中，透镜L14和透镜L16是由树脂形成的透镜。另外，第1-2透镜组42在变倍时使投影距离变化时的对焦之际，通过使3个透镜组F1～F3独立地移动来进行对焦。
第2光学组40b由1个凹面非球面反射镜构成。
图15的(A)为投影倍率135倍时的投影光学系统的缩小侧像差图(球面像差、像散、歪曲像差)，图15的(B)为投影倍率106倍时的投影光学系统的缩小侧像差图，图15的(C)为投影倍率223倍时的投影光学系统的缩小侧像差图。另外，图16的(A)～图16的(E)为与图15的(A)对应的投影光学系统的横向像差图。其中，图16的(A)为最大视场角的情况下的横向像差图，以图16的(A)至图16的(E)的5个视场角表示横向像差。同样地，图17的(A)～图17的(E)为与图15的(B)对应的投影光学系统的横向像差图，图18的(A)～图18的(E)为与图15的(C)对应的投影光学系统的横向像差图。
〔实施例的总结〕
在所有的实施例中，都在广角端具有半视场角70°以上的广视场角，且形成为最靠放大侧的透镜为树脂制非球面透镜的简易的构成。
本发明不局限于上述的实施方式或者实施例，能够在不脱离其主旨的范围内以各种方式进行实施。
例如，在各实施例中，能够在构成各透镜组的透镜的前后或者其间追加1个以上的实质上不具有光焦度的透镜。
另外，由投影光学系统40进行放大投影的对象不局限于液晶面板18G、18R、18B，能够利用投影光学系统40将以微镜作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 (9)

1.一种投影光学系统，从缩小侧起依次包括第1光学组和第2光学组，所述第1光学组包括多个透镜，具有正的光焦度，所述第2光学组包括一个具有凹面非球面形状的反射面，所述投影光学系统的特征在于，
所述第1光学组包括以最宽的空气间隔为界在缩小侧的第1-1透镜组和在放大侧的第1-2透镜组，所述第1-1透镜组具有正的光焦度，所述第1-2透镜组具有比所述第1-1透镜组的光焦度弱的正光焦度或负光焦度，
所述第1-2透镜组具有放大侧固定透镜组和在伴随变倍的对焦时沿光轴方向移动的至少一个移动透镜组，所述放大侧固定透镜组配置在最靠放大侧，并且，在伴随变倍的对焦时被固定，包括具有至少一个非球面的多个透镜。
2.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
所述第1-2透镜组中的所述放大侧固定透镜组包括两个负透镜，在放大侧配置有由树脂形成的非球面透镜。
3.根据权利要求1或2所述的投影光学系统，其特征在于，
所述第1-2透镜组具有在伴随变倍的对焦时分别独立地移动的多个透镜组来作为所述移动透镜组。
4.根据权利要求1或2所述的投影光学系统，其特征在于，
所述第1-1透镜组在内部具有孔径光阑，在与所述孔径光阑相比靠放大侧，从缩小侧起依次包括凸面朝向放大侧的正透镜和凹面朝向放大侧的负弯月透镜这2个透镜。
5.根据权利要求1或2所述的投影光学系统，其特征在于，
所述第1-1透镜组在内部具有孔径光阑，在所述孔径光阑的缩小侧包括至少两组的正透镜和负透镜的接合透镜，并且，至少在放大侧具有凹面形状的非球面。
6.根据权利要求1或2所述的投影光学系统，其特征在于，
物体侧的数值孔径为0.3以上。
7.根据权利要求1或2所述的投影光学系统，其特征在于，
缩小侧为大致远心。
8.根据权利要求1或2所述的投影光学系统，其特征在于，
构成所述第1光学组和所述第2光学组的要素都为旋转对称系统。
9.根据权利要求1或2所述的投影光学系统，其特征在于，
变倍范围为1.5倍以上。
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