CN107533215B - 投射光学系统以及投影仪 - Google Patents

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Abstract

提供投射光学系统以及具有该投射光学系统的投影仪，能够利用减少了构成透镜的个数的对焦透镜组来覆盖宽广的变倍范围。作为对焦透镜组的第1‑2透镜组(42)具有由1个正透镜构成的F1透镜组、由1个正透镜和1个负透镜构成的F2透镜组以及由1个负透镜构成的F3透镜组。在伴随着变倍的对焦时，至少使透镜组(F2)移动。

Description

投射光学系统以及投影仪
技术领域
本发明涉及适于组装到对图像显示元件的图像进行放大投影的投影仪中的投射光学系统以及使用该投射光学系统的投影仪。
背景技术
近年来，作为能够从近距离进行投射而得到大画面的投影仪用的投射光学系统，提出了使用折射光学系统和凹面反射镜的投射光学系统(例如参照专利文献1、2等)。
但是，例如在专利文献1(日本特开2006-235516号)中，使用折射光学系统和凹面反射镜实现了非常宽的视场角，但曲面反射镜非常大，并且全长非常长。此外，在专利文献2(日本特开2007-079524号)中，例如在第8实施例中，通过使视场角为60度左右，并且将凹面反射镜与凸面反射镜组合，而使反射镜尺寸变小。但是，与上述专利文献1同样地，全长非常长。此外，构成的2个反射镜是非球面的，从精度、组装的观点考虑，制造也非常困难。
如上所述，在折射光学系统与凹面反射镜的复合光学系统中，得到了超广视场角，但另一方面，不容易使全长变小。因此，该复合光学系统不适合例如前投影仪那样重视可移动性的设备。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-235516号公报
专利文献2：日本特开2007-079524号公报
发明内容
本发明是鉴于上述背景而完成的，其目的在于提供一种具有比较少个数的透镜但能够覆盖宽广的变倍范围的投射光学系统以及具有该投射光学系统的投影仪。
为了达成上述目的，本发明的投射光学系统从缩小侧起依次包含第1光学组和第2光学组，该第1光学组由多个透镜构成，具有正屈光力，该第2光学组包含具有凹面非球面形状的反射面，该投射光学系统的特征在于，第1光学组由第1-1透镜组和第1-2透镜组构成，该第1-1透镜组在伴随着变倍的对焦时固定，并且具有正屈光力，该第1-2透镜组整体具有正屈光力，第1-2透镜组从缩小侧起依次具有F1透镜组、F2透镜组和F3透镜组这3个透镜组，并且在伴随着变倍的对焦时，至少使F2透镜组移动，该F1透镜组由1个正透镜构成，该F2透镜组由1个正透镜和1个负透镜构成，该F3透镜组由1个负透镜构成。
在上述投射光学系统中，第1-2透镜组配置于第1光学组中的放大侧，需要比较大的透镜。在上述投射光学系统中，由于能够由比较少个数的透镜构成第1-2透镜组，因此，能够容易地使投射光学系统紧凑。此外，通过在伴随着变倍的对焦时，至少使F2透镜组移动，能够覆盖期望的变倍范围。
根据本发明的具体的方面，F3透镜组由双面非球面透镜构成，该双面非球面透镜由树脂成型而成。如F3透镜组那样配置于第1光学组中的放大侧的透镜往往较大。但是，通过由树脂成型出F3透镜组，容易制作双面非球面。此外，F3透镜组可能与借助构成第2光学组的反射镜而返回的光线发生干涉。因此，有时需要切掉构成F3透镜组的透镜的一部分，但通过树脂成型，容易使透镜成为非圆形形状等。
根据本发明的另一方面，F1透镜组由在放大侧具有凸面的正透镜构成，F2透镜组由在缩小侧具有凸面的正透镜、以及在缩小侧具有凹面的负透镜构成，F3透镜组由在放大侧具有凹面的负透镜构成，当设各透镜组的屈光力为各透镜组的焦距的倒数的绝对值时，F2透镜组的屈光力比F1透镜组的屈光力以及F3透镜组的屈光力小。在变倍时，在接近投射光学系统中，存在光轴附近的焦点位置变化较小、周边部的像面弯曲的变化较大的趋势。但是，通过预先使透镜组F2的屈光力相对较小，能够抑制移动时的光轴附近的焦点移动并且对像面弯曲等进行适当校正。
根据本发明的另一方面，F2透镜组是接合透镜。根据该结构，例如，在F2透镜组为非圆形形状的情况下，容易组装。
根据本发明的另一方面，第1-1透镜组在第1-1透镜组的内部具有开口光圈，在最放大侧具有负透镜，该负透镜在至少1面具有非球面形状。通过将该负透镜与第1-2透镜组组合，能够抑制透镜个数的增加并且在宽广的变倍范围内对像面弯曲和像散良好地进行校正。
根据本发明的另一方面，第1-1透镜组在第1-1透镜组的内部具有开口光圈，在比开口光圈靠缩小侧的位置处包含2个正透镜、由正透镜和负透镜构成的第1接合透镜以及由正透镜和负透镜构成的第2接合透镜，第1-1透镜组整体由9个以下的透镜构成。利用构成透镜的个数比较少的第1-1透镜组，能够减少色差。而且，抑制组装时的偏差。而且，能够增大数值孔径。
根据本发明的另一方面，物体侧的数值孔径为0.3以上。在该情况下，能够形成足够明亮的投射图像。
根据本发明的另一方面，缩小侧是大致远心的。
根据本发明的另一方面，多个透镜中的各个透镜与反射面关于公共的光轴成旋转对称。
根据本发明的另一方面，变倍范围为1.5倍以上。
为了达成上述目的，本发明的投影仪具有：光调制元件，其对来自光源的光进行调制而形成图像光；以及上述任意一项的投射光学系统，其投射来自光调制元件的图像光。投影仪通过具有上述任意一项的投射光学系统，能够成为抑制了透镜个数的结构，并且覆盖了期望的变倍范围。
附图说明
图1是示出组装有实施方式的投射光学系统的投影仪的概略结构的图。
图2是实施方式或者实施例1的投射光学系统中的从物体面至投射面的结构以及光线图。
图3是图2中的从物体面至凹面反射镜的局部放大图。
图4是示出实施例1的投射光学系统的结构的图。
图5的(A)～(C)是实施例1的投射光学系统的缩小侧像差图。
图6的(A)～(E)是与图5的(A)对应的投射光学系统的横向像差图。
图7的(A)～(E)是与图5的(B)对应的投射光学系统的横向像差图。
图8的(A)～(E)是与图5的(C)对应的投射光学系统的横向像差图。
图9是示出实施例2的投射光学系统的结构的图。
图10的(A)～(C)是实施例2的投射光学系统的缩小侧像差图。
图11的(A)～(E)是与图10的(A)对应的投射光学系统的横向像差图。
图12的(A)～(E)是与图10的(B)对应的投射光学系统的横向像差图。
图13的(A)～(E)是与图10的(C)对应的投射光学系统的横向像差图。
图14是示出实施例3的投射光学系统的结构的图。
图15的(A)～(C)是实施例3的投射光学系统的缩小侧像差图。
图16的(A)～(E)是与图15的(A)对应的投射光学系统的横向像差图。
图17的(A)～(E)是与图15的(B)对应的投射光学系统的横向像差图。
图18的(A)～(E)是与图15的(C)对应的投射光学系统的横向像差图。
图19是示出实施例4的投射光学系统的结构的图。
图20的(A)～(C)是实施例4的投射光学系统的缩小侧像差图。
图21的(A)～(E)是与图20的(A)对应的投射光学系统的横向像差图。
图22的(A)～(E)是与图20的(B)对应的投射光学系统的横向像差图。
图23的(A)～(E)是与图20的(C)对应的投射光学系统的横向像差图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式的投射光学系统进行详细说明。
如图1所示，组装有本发明的一个实施方式的投射光学系统的投影仪2具有：光学系统部分50，其投射图像光；以及电路装置80，其对光学系统部分50的动作进行控制。
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。这里，光源10可以是超高压水银灯以外的放电光源，也可以是LED、激光器那样的固体光源。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的光束分割为多个光束。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协作，将第1积分透镜11的透镜元件的像形成于液晶面板18R、18G、18B。通过这样的结构，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。
偏振转换元件13将来自第2积分透镜12的光转换为规定的线偏振光。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在液晶面板18R、18G、18B的显示区域上重叠。
第1分色镜15反射从重叠透镜14入射的R光，并且使G光以及B光透过。被第1分色镜15反射的R光经由反射镜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，从而形成R色的图像。
第2分色镜21反射来自第1分色镜15的G光，并且使B光透过。被第2分色镜21反射的G光经由场透镜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，从而形成G色的图像。透射过第2分色镜21的B光经由中继透镜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，从而形成B色的图像。
十字分色棱镜19是光合成用的棱镜，将被各液晶面板18R、18G、18B调制后的光合成而成为图像光，并使其向投射光学系统40行进。
投射光学系统40是将被各液晶面板18G、18R、18B调制并被十字分色棱镜19合成后的图像光放大投射到未图示的屏幕上的投射用变焦透镜。
电路装置80具有：图像处理部81，其输入有视频信号等外部图像信号；显示驱动部82，其根据图像处理部81的输出，对设置于光学系统部分50的液晶面板18G、18R、18B进行驱动；透镜驱动部83，其使设置于投射光学系统40的驱动机构(未图示)动作来调整投射光学系统40的状态；以及主控制部88，其统一地对这些电路部分81、82、83等的动作进行控制。
图像处理部81将所输入的外部图像信号转换为包含各色的灰度等的图像信号。另外，图像处理部81也能够对外部图像信号进行失真校正或颜色校正等各种图像处理。
显示驱动部82能够根据从图像处理部81输出的图像信号使液晶面板18G、18R、18B动作，能够将与该图像信号对应的图像、或者与对该图像信号实施了图像处理后的图像信号对应的图像形成于液晶面板18G、18R、18B。
透镜驱动部83在主控制部88的控制下进行动作，使构成投射光学系统40的一部分的光学要素经由致动器AC沿着光轴OA适当地移动，由此，能够在投射光学系统40向屏幕上投射图像的过程中，进行伴随着变倍的对焦(变倍时的对焦)。另外，透镜驱动部83也能够通过使投射光学系统40整体沿与光轴OA垂直的上下方向移动的倾斜度的调整，来改变投射到屏幕上的图像的纵向位置。
以下，参照图2以及图3等对实施方式的投射光学系统40进行具体说明。另外，图2等所例示的投射光学系统40与后述的实施例1的投射光学系统40是相同结构。
实施方式的投射光学系统40将形成于液晶面板18G(18R、18B)的图像投射到未图示的屏幕上。这里，在投射光学系统40与液晶面板18G(18R、18B)之间配置有相当于图1的十字分色棱镜19的棱镜PR。
投射光学系统40从缩小侧起依次包含第1光学组40a和第2光学组40b，该第1光学组40a由多个透镜构成，具有正屈光力，该第2光学组40b由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由第1-1透镜组41和第1-2透镜组42构成，该第1-1透镜组41设置于缩小侧，具有正屈光力，该第1-2透镜组42设置于放大侧，具有比第1-1透镜组41的屈光力小的正屈光力。
第1-1透镜组41在第1-1透镜组41的内部具有开口光圈ST，由比开口光圈ST靠缩小侧的透镜组E1以及比开口光圈ST靠放大侧的透镜组E2构成。
第1-2透镜组42从缩小侧起依次具有F1透镜组(以下称为透镜组F1)、F2透镜组(以下称为透镜组F2)以及F3透镜组(以下称为透镜组F3)。在伴随着变倍的对焦时，透镜组F1、透镜组F2、透镜组F3分别沿光轴方向移动。透镜组F1～F3中的位于最缩小侧的透镜组F1由1个正透镜L9构成。位于透镜组F1与透镜组F3之间的透镜组F2由1个正透镜L10以及1个负透镜L11构成。位于最放大侧的透镜组F3由双面非球面的1个负透镜构成。透镜组F3由树脂成型而成。在变倍时的对焦时，3个透镜组F1～F3中的至少透镜组F2借助致动器AC在沿着光轴OA的方向A1上移动。这里，透镜组F1～F3全部能够互相独立地分别在沿着光轴OA的方向A1上移动。另外，根据变倍时的对焦形式，透镜组F1～F3借助致动器AC的移动能够实现各种形式。例如透镜组F1～F3可以完全独立地移动，也可以利用凸轮机构等而互相联动地移动。
以下，从缩小侧起依次对构成各透镜组的透镜进行说明。透镜组E1具有透镜L1～L6，透镜组E2具有透镜L7、L8。透镜组F1具有透镜L9，透镜组F2具有透镜L10、11，透镜组F3具有透镜L12。即，第1光学组40a整体由12个透镜构成。
透镜L1、L2、L4、L6分别是正透镜，透镜L3、L5分别是负透镜。透镜L2与透镜L3是接合透镜，透镜L4与透镜L5是接合透镜。第1-1透镜组41包含设置于比开口光圈ST靠缩小侧的位置处的、由正透镜以及负透镜构成的至少2组接合透镜。此外，透镜L1～L6分别是玻璃制的球面透镜，是关于光轴OA轴对称的圆形形状。
透镜L7是正透镜，透镜L8是负透镜。另外，透镜L7、L8是玻璃制的球面透镜，是关于光轴OA轴对称的圆形形状。
如上所述，第1-1透镜组41整体由8个、即9个以下的透镜(透镜L1～L8)构成。本实施方式的投射光学系统40能够通过比较少个数的透镜来减少色差。此外，投射光学系统40包含接合透镜，因此，抑制了组装时的偏差。而且，能够增大数值孔径。
透镜L9是至少在放大侧具有凸面的正透镜(在图示的例子中是双凸的正透镜)。另外，透镜L9是玻璃制的球面透镜，是关于光轴OA轴对称的圆形形状。
透镜L10是至少在缩小侧具有凸面的正透镜(在图示的例子中是双凸的正透镜)，透镜L11是至少在缩小侧具有凹面的负透镜(在图示的例子中是负的弯月透镜)。在图示的例子中，透镜L10、L11构成接合透镜。换言之，透镜组F2是接合透镜。另外，透镜L10、L11都是玻璃制的球面透镜，是关于光轴OA轴对称的圆形形状。
如上所述，透镜L12是具有负屈光力的双面非球面透镜，由树脂成型而成。另外，透镜L12可以是关于光轴OA轴对称的圆形形状，也可以是非圆形形状。例如，可以是将关于光轴OA轴对称的圆形的上侧(投射有影像光的一侧)的一部分切掉的形状。
如已经叙述的那样，第2光学组40b由具有凹面非球面形状的反射镜MR构成。反射镜MR使从第1光学组40a射出的影像光向屏幕反射。
另外，如上所述，构成第1光学组40a的透镜L1～L12分别是关于光轴OA轴对称的圆形形状，或者，至少透镜L12是将关于光轴OA轴对称的圆形形状的一部分切掉的形状。此外，构成第2光学组40b的反射镜MR也是将关于光轴OA轴对称的形状的一部分切掉的形状。即，各个透镜L1～L12与反射镜MR所具有的反射面关于公共的光轴成旋转对称。此外，如图示那样，在投射光学系统40中，缩小侧是大致远心的。由此，例如，如上所述，当在十字分色棱镜19中将被各液晶面板18R、18G、18B调制后的光合成而形成图像光的情况下，能够容易地吸收组装的偏差。在要使朝向屏幕的投射位置接近光轴OA的方向的情况下，有时不仅使透镜组F3(透镜L12)为非圆形形状，还使透镜组F2(透镜L10、L11)为非圆形形状。在该情况下，通过预先使透镜组F2为接合透镜，能够实现框构造的简化、组装精度的提高。
在接近投射光学系统中，一般情况下，距屏幕的距离非常近。在投射光学系统40中，通过第1光学组40a使形成于液晶面板18G(18R、18B)的面板面PI的图像暂时在第2光学组40b的反射镜的近前成像，并通过第2光学组40b将图像再成像到屏幕上，由此，进行接近投射。即，第1光学组40a在反射镜MR的近前生成了1次像(中间像)。在上述那样的投射方法中，由变倍时的对焦导致的像差变动比较大，因此，可能无法取得较大的变倍范围。因此，优选将第1光学组40a所形成的1次像最优化，使得即使投射倍率变化，最终也能够得到良好的图像。此外，在通常的接近投射光学系统中，由像面弯曲、像散的变动导致的对比度下降较大。此外，由对焦组的移动导致的畸变的变化也往往比通常透镜系统大。
但是，如上所述，本实施方式的投射光学系统40具有在伴随着变倍的对焦时使透镜组F1～F3移动的结构，因此，能够将像差变动抑制为较小。更具体说明的话，首先，由正的透镜构成的透镜组F1将从第1-1透镜组41作为发散光束而射出的光束高效地引导至透镜组F2。此外，屈光力比透镜组F1以及透镜组F3小的透镜组F2在对焦时移动得最多，由此，抑制了像面弯曲、像散、畸变而生成了良好的1次像。而且，具有负屈光力并且具有非球面形状的透镜组F3与由具有凹面非球面形状的反射镜MR构成的第2光学组40b协作，进行最终的像差量的校正。第1光学组40a中的配置于第2光学组40b的紧前的透镜组F3是非球面透镜，因此，能够对各像高有效地进行最优的校正。如上所述，即使在由较少的透镜构成第1-1透镜组41(在图示的情况下是由8个构成)并且由1个反射镜MR构成第2光学组40b的情况下，通过由4个透镜(正的透镜L9、正的透镜L10、负的透镜L11、负的透镜L12)构成第1-2透镜组42，也能够使1次像中包含适度的像差，降低经由第2光学组40b投影到屏幕上的图像的像差。即，作为接近型的投影仪的投影仪2能够覆盖较宽的变倍范围，并且，也能够与高分辨率的图像显示元件对应。
此外，在接近投射光学系统中，由于透镜系统整体的焦距非常短，因此，在使变倍时的投射距离变化的情况下，光轴附近的焦点位置的变化较小，但周边部的像面弯曲较大程度地变化。但是，在本实施方式或者本实施例中，用于像面弯曲等的校正的透镜组F2的屈光力比透镜组F1的屈光力以及透镜组F3的屈光力小，因此，使透镜组F2移动时的光轴附近的焦点的移动减少，并且像面弯曲等被适当地校正。另外，假设在使透镜组F2的屈光力变强的情况下，可能能够使移动量变少，但需要通过其他的透镜组F1、F3来辅助校正，例如需要提高使透镜组F1～F3移动时的精度。
此外，透镜组F2能够对伴随着变倍而产生的像面的变化或畸变进行良好的校正，并且将入射到透镜组F3的光线的角度保持在适度的范围内。如上所述，在由树脂透镜构成透镜组F3的情况下，容易产生由面形状的误差、内部变形引起的透镜的折射率的误差等的影响，因此，入射到透镜组F3的光线朝向透镜组F3的透镜面的入射角度优选较小。因此，通过将从缩小侧起依次配置有正屈光力的透镜、负屈光力的透镜的透镜组F2配置于透镜组F3的前段，使得从透镜组F2射出的光线相对于透镜组F3以尽可能小的入射角入射，还能够使透镜组F3中的上述那样的影响减小。
而且，在投射光学系统40中，开口光圈ST的缩小侧的透镜组E1全部由球面透镜构成，并且，第1-1透镜组41由9个以下这样比较少个数的透镜构成，但确保了物体侧的数值孔径为0.27以上、即F数为1.8左右的明亮度以及1.5倍以上(进而为1.6倍以上)的较高的变倍范围，投射光学系统40也能够与高分辨率的图像显示元件充分对应。另外，在实施例3、4中，如后述那样，通过在开口光圈ST的缩小侧(透镜组E1)适当配置玻璃非球面，能够设为数值孔径为0.3以上、即F数为1.6左右的明亮度，并且也能够得到光斑较少的、对比度高的图像。此外，通过抑制了构成透镜的个数，能够使透镜全长变短。
此外，例如在要使投影的画面的高度更低的情况下，如上述那样，可能需要与构成透镜组F3的非球面透镜同样地，使透镜组F2成为将一部分切掉的非圆形形状。在该情况下，如上所述，优选使透镜组F2为接合透镜。
第1-1透镜组41在开口光圈ST的放大侧至少具有2个透镜(L7、L8)，最放大侧的透镜L8是至少在1面具有非球面形状的负透镜。另外，在这里的例子中，透镜L8在两面具有非球面形状。由此，使第1-2透镜组42的非球面透镜仅由透镜L12这1个构成，并且即使在宽广的变倍范围内也维持良好的性能。
第1-1透镜组41将从物体、即面板面PI(缩小侧)射出的光束高效地取入，并送向由第1-2透镜组42构成的对焦透镜组。为了在宽广的变倍范围内，通过第1-2透镜组42生成适当的中间像，通过在第1-1透镜组41的开口光圈ST的放大侧至少配置2个透镜(透镜L7、L8)，能够得到良好的图像。而且，在第1-2透镜组42中，为了如上述那样，仅使透镜L12为非球面透镜但在宽广的变倍范围内使像差校正变得容易，优选在第1-1透镜组41的开口光圈ST的放大侧的透镜中，配置至少1面为非球面的透镜。由此，无需增加第1-1透镜组41的透镜个数，而通过使第1-1透镜组41与作为对焦透镜组而发挥功能的第1-2透镜组42组合，由此能够在宽广的变倍范围内良好地对像面弯曲、像散进行校正，能够得到稳定的性能。
〔实施例〕
以下，对投射光学系统40的具体的实施例进行说明。对以下说明的实施例1～4中共同的参数定义总结如下。
f 整个系统的焦距
ω 半视场角
NA 数值孔径
R 曲率半径
D 轴向表面间隔(透镜厚度或者透镜间隔)
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)而确定。
Figure BDA0001458169210000101
其中，
c：曲率(1/R)
h：距光轴的高度
k：非球面的圆锥系数
Ai：非球面的高次非球面系数
另外，OBJ是指面板面PI，STO是指开口光圈ST，IMG是指屏幕上的像面(被投射面)。此外，在面编号之后记载有“＊”的面是具有非球面形状的面。
(实施例1)
实施例1的透镜面的数据如以下的表1所示。
〔表1〕
Figure BDA0001458169210000111
在以上的表1以及以下的表中，使用E(例如1.00E+18)来表示10的幂(例如1.00×10+18)。
以下的表2是实施例1的透镜面的非球面系数。
〔表2〕
非球面系数
Figure BDA0001458169210000121
以下的表3示出了投射倍率125倍、投射倍率100倍以及投射倍率169倍时的、表1中的可变间隔17、19、22、24、25的值。
〔表3〕
可变间隔
Figure BDA0001458169210000122
图4是实施例1的投射光学系统的剖视图。图4的投射光学系统相当于实施方式1的投射光学系统40。在图4中，投射光学系统40按照与距屏幕的距离对应的倍率将面板面PI上的像放大投射。投射光学系统40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～L6、构成透镜组E2的透镜L7、L8、构成第1-2透镜组42的透镜组F1的透镜L9、构成透镜组F2的透镜L10、L11以及构成透镜组F3的透镜L12这12个透镜L1～L12。例如在从壁面投射变更为地面投射的情况下，通过改变投射位置(改变投射距离)来进行变倍。在伴随着这样的变倍的对焦时，第1-1透镜组41保持固定，另一方面，透镜组F1～F3分别移动。即，第1-2透镜组42在变倍时，通过使3个透镜组F1、F2、F3独立地移动来进行对焦。在该情况下，由表3的数值可知，在伴随着变倍的对焦时，透镜组F1～F3中的透镜组F2(F2透镜组)的移动量相对最大。
对各透镜L1～L12进行详细说明。作为第1透镜的透镜L1是双凸形状的正透镜，作为第2透镜的透镜L2是双凸形状的正透镜，作为第3透镜的透镜L3是在缩小侧具有凹面的负的弯月透镜，第2透镜与第3透镜是接合透镜，作为第4透镜的透镜L4是双凸形状的正透镜，作为第5透镜的透镜L5是双凹形状的负透镜，第4透镜与第5透镜是接合透镜，作为第6透镜的透镜L6是双凸形状的正透镜，位于开口光圈ST的后段的作为第7透镜的透镜L7是双凸形状的正透镜，作为第8透镜的透镜L8是将两面形成为非球面的双凹形状的负透镜。作为第9透镜的透镜L9是双凸形状的正透镜，作为第10透镜的透镜L10是双凸形状的正透镜，作为第11透镜的透镜L11是在缩小侧具有凹面的负的弯月透镜，第10透镜与第11透镜是接合透镜，作为第12透镜的透镜L12是具有负屈光力的双面非球面透镜。透镜L12在光轴附近具有双凹形状。透镜L12是由树脂成型而成的透镜。此外，第2光学组40b由1个凹面非球面反射镜构成。
图5的(A)是投射倍率125倍时的投射光学系统的缩小侧像差图(球面像差、像散、畸变)，图5的(B)是投射倍率100倍时的投射光学系统的缩小侧像差图，图5的(C)是投射倍率169倍时的投射光学系统的缩小侧像差图。此外，图6的(A)～6的(E)是与图5的(A)对应的投射光学系统的横向像差图。图6的(A)～6的(E)分别表示像高100％、80％、60％、40％、15％时的横向像差。图6的(A)与最大视场角的情况对应。同样地，图7的(A)～7的(E)是与图5的(B)对应的投射光学系统的横向像差图，图8的(A)～8的(E)是与图5的(C)对应的投射光学系统的横向像差图。
(实施例2)
实施例2的透镜面的数据如以下的表4所示。
〔表4〕
Figure BDA0001458169210000141
以下的表5是实施例2的透镜面的非球面系数。
〔表5〕
非球面系数
Figure BDA0001458169210000151
以下的表6示出了投射倍率125倍、投射倍率100倍以及投射倍率168倍时的、表4中的可变间隔17、19、23、25、26的值。
〔表6〕
可变间隔
Figure BDA0001458169210000152
图9是实施例2的投射光学系统的剖视图。在实施例2中，第1光学组40a从缩小侧由透镜L1(第1透镜)至透镜L12(第12透镜)这12个透镜构成。第1光学组40a由第1-1透镜组41和第1-2透镜组42构成，该第1-1透镜组41设置于缩小侧，具有正屈光力，该第1-2透镜组42设置于放大侧，具有比第1-1透镜组41的屈光力小的正或者负的屈光力。第2光学组40b由1个凹面非球面反射镜MR构成。另外，关于透镜L12和反射镜MR等，在图9中，未进行切除而是直接进行描绘的，但在实际的光学系统中，有时至少反射镜MR是从圆形形状中切掉一部分而得的形状。其他的透镜组有时也是从圆形形状中切掉一部分而得的形状。
在图9中，投射光学系统40按照与距屏幕的距离对应的倍率将面板面PI上的像放大投射。投射光学系统40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～L6、构成透镜组E2的透镜L7、L8、构成第1-2透镜组42的透镜组F1的透镜L9、构成透镜组F2的透镜L10、L11以及构成透镜组F3的透镜L12这12个透镜L1～L12。例如在从壁面投射变更为地面投射的情况下，通过改变投射位置(改变投射距离)来进行变倍。在这样的变倍时的对焦时，第1-1透镜组41保持固定，另一方面，透镜组F1～F3分别移动。即，第1-2透镜组42在变倍时，通过使3个透镜组F1、F2、F3独立地移动来进行对焦。在该情况下，由表6的数值可知，在伴随着变倍的对焦时，透镜组F1～F3中的透镜组F2(F2透镜组)的移动量相对最大。
对各透镜L1～L12进行详细说明。作为第1透镜的透镜L1是双凸形状的正透镜，作为第2透镜的透镜L2是双凸形状的正透镜，作为第3透镜的透镜L3是在缩小侧具有凹面的负的弯月透镜，第2透镜与第3透镜是接合透镜，作为第4透镜的透镜L4是双凸形状的正透镜，作为第5透镜的透镜L5是双凹形状的负透镜，第4透镜与第5透镜是接合透镜，作为第6透镜的透镜L6是双凸形状的正透镜，位于开口光圈ST的后段的作为第7透镜的透镜L7是在缩小侧具有凸面的正的弯月透镜，作为第8透镜的透镜L8在两面为非球面的双凹形状的负透镜。作为第9透镜的透镜L9是在放大侧具有凸面的正的弯月透镜，作为第10透镜的透镜L10是双凸形状的正透镜，作为第11透镜的透镜L11是在缩小侧具有凹面的负的弯月透镜，作为第12透镜的透镜L12是具有负屈光力的双面非球面透镜。透镜L12在光轴附近具有双凹形状。透镜L12是由树脂成型而成的透镜。另外，如已经叙述的那样，第2光学组40b由1个凹面非球面反射镜构成。
图10的(A)是投射倍率125倍时的投射光学系统的缩小侧像差图(球面像差、像散、畸变)，图10的(B)是投射倍率100倍时的投射光学系统的缩小侧像差图，图10的(C)是投射倍率168倍时的投射光学系统的缩小侧像差图。此外，图11的(A)～11的(E)是与图10的(A)对应的投射光学系统的横向像差图。图11的(A)～11的(E)分别表示像高100％、80％、60％、40％、15％时的横向像差。图11的(A)与最大视场角的情况对应。同样地，图12的(A)～12的(E)是与图10的(B)对应的投射光学系统的横向像差图，图13的(A)～13的(E)是与图10的(C)对应的投射光学系统的横向像差图。
(实施例3)
实施例3的透镜面的数据如以下的表7所示。在本实施例中，成为数值孔径NA为0.3以上(即F数为1.6左右)的明亮度。
〔表7〕
Figure BDA0001458169210000171
以下的表8是实施例3的透镜面的非球面系数。
〔表8〕
非球面系数
Figure BDA0001458169210000181
以下的表9示出了投射倍率125倍、投射倍率100倍以及投射倍率169倍时的、表7中的可变间隔21、24、26、27的值。
〔表9〕
可变间隔
Figure BDA0001458169210000182
图14是实施例3的投射光学系统的剖视图。在实施例3中，第1光学组40a从缩小侧由透镜L1(第1透镜)至透镜L13(第13透镜)这13个透镜构成。第1光学组40a由第1-1透镜组41和第1-2透镜组42构成，该第1-1透镜组41设置于缩小侧，具有正屈光力，该第1-2透镜组42设置于放大侧，具有比第1-1透镜组41的屈光力小的正或者负的屈光力。第2光学组40b由1个凹面非球面反射镜MR构成。另外，关于透镜L13和反射镜MR等，在图14中，未进行切除而是直接进行描绘的，但在实际的光学系统中，有时至少反射镜MR是从圆形形状中切掉一部分而得的形状。其他的透镜组有时也是从圆形形状中切掉一部分而得的形状。
在图14中，投射光学系统40按照与距屏幕的距离对应的倍率将面板面PI上的像放大投射。投射光学系统40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～L7、构成透镜组E2的透镜L8、L9、构成第1-2透镜组42的透镜组F1的透镜L10、构成透镜组F2的透镜L11、L12以及构成透镜组F3的透镜L13这13个透镜L1～L13。例如在从壁面投射变更为地面投射的情况下，通过改变投射位置(改变投射距离)来进行变倍。在这样的变倍时的对焦时，第1-1透镜组41和透镜组F3保持固定，另一方面，透镜组F1、F2分别移动。即，第1-2透镜组42在变倍时，通过使2个透镜组F1、F2独立地移动来进行对焦。在该情况下，由表9的数值可知，在伴随着变倍的对焦时，透镜组F1、F2中的透镜组F2(F2透镜组)的移动量相对最大。
对各透镜L1～L13进行详细说明。作为第1透镜的透镜L1是双凸形状的正透镜，作为第2透镜的透镜L2是在缩小侧具有凸面的正的平凸形状的正透镜，作为第3透镜的透镜L3是在缩小侧具有凹面的平凹形状的负透镜，第2透镜与第3透镜是接合透镜，作为第4透镜的透镜L4是双凸形状的正透镜，作为第5透镜的透镜L5是双凹形状的负透镜，第4透镜与第5透镜是接合透镜，作为第6透镜的透镜L6是在两面具有非球面的负的弯月透镜。透镜L6在缩小侧具有凸面。作为第7透镜的透镜L7是在缩小侧具有凸面的正的弯月透镜，位于开口光圈ST的后段的作为第8透镜的透镜L8是双凸形状的正透镜，作为第9透镜的透镜L9是具有负屈光力的双面非球面透镜。透镜L9具有双凹形状。此外，作为第10透镜的透镜L10是双凸形状的正透镜，作为第11透镜的透镜L11是双凸形状的正透镜，作为第12透镜的透镜L12是双凹形状的负透镜，作为第13透镜的透镜L13是具有负屈光力的双面非球面透镜。透镜L13在光轴附近具有双凹形状。透镜L13是由树脂成型而成的透镜。另外，如已经叙述的那样，第2光学组40b由1个凹面非球面反射镜构成。
图15的(A)是投射倍率125倍时的投射光学系统的缩小侧像差图(球面像差、像散、畸变)，图15的(B)是投射倍率100倍时的投射光学系统的缩小侧像差图，图15的(C)是投射倍率169倍时的投射光学系统的缩小侧像差图。此外，图16的(A)～16的(E)是与图15的(A)对应的投射光学系统的横向像差图。图16的(A)～16的(E)分别表示像高100％、80％、60％、40％、15％时的横向像差。图16的(A)与最大视场角的情况对应。同样地，图17的(A)～17的(E)是与图15的(B)对应的投射光学系统的横向像差图，图18的(A)～18的(E)是与图15的(C)对应的投射光学系统的横向像差图。
(实施例4)
实施例4的透镜面的数据如以下的表10所示。在本实施例中，成为数值孔径NA为0.3以上(即F数为1.6左右)的明亮度。
〔表10〕
Figure BDA0001458169210000211
以下的表11是实施例4的透镜面的非球面系数。
〔表11〕
非球面系数
Figure BDA0001458169210000221
以下的表12示出了投射倍率125倍、投射倍率100倍以及投射倍率169倍时的、表10中的可变间隔19、23、26的值。
〔表12〕
可变间隔
Figure BDA0001458169210000222
图19是实施例4的投射光学系统的剖视图。在实施例4中，第1光学组40a从缩小侧由透镜L1(第1透镜)至透镜L12(第12透镜)这12个透镜构成。第1光学组40a由第1-1透镜组41和第1-2透镜组42构成，该第1-1透镜组41设置于缩小侧，具有正屈光力，该第1-2透镜组42设置于放大侧，具有比第1-1透镜组41的屈光力小的正或者负的屈光力。第2光学组40b由1个凹面非球面反射镜MR构成。另外，关于透镜L12和反射镜MR等，在图19中，未进行切除而是直接进行描绘的，但在实际的光学系统中，有时至少反射镜MR是从圆形形状中切掉一部分而得的形状。其他的透镜组有时也是从圆形形状中切掉一部分而得的形状。
在图19中，投射光学系统40按照与距屏幕的距离对应的倍率将面板面PI上的像放大投射。投射光学系统40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～L6、构成透镜组E2的透镜L7、L8、构成第1-2透镜组42的透镜组F1的透镜L9、构成透镜组F2的透镜L10、L11以及构成透镜组F3的透镜L12这12个透镜L1～L12。例如在从壁面投射变更为地面投射的情况下，通过改变投射位置(改变投射距离)来进行变倍。在这样的变倍时的对焦时，第1-1透镜组41和透镜组F2、F3保持固定，另一方面，透镜组F2移动。即，第1-2透镜组42在变倍时，通过仅使透镜组F2移动来进行对焦。
对各透镜L1～L12进行详细说明。作为第1透镜的透镜L1是双凸形状的正透镜，作为第2透镜的透镜L2是双凸形状的正透镜，作为第3透镜的透镜L3是双凹形状的负透镜，第2透镜与第3透镜是接合透镜，作为第4透镜的透镜L4是双凸形状的正透镜，作为第5透镜的透镜L5是双凹形状的负透镜，第4透镜与第5透镜是接合透镜，作为第6透镜的透镜L6是在两面具有非球面的正的弯月透镜。透镜L6在缩小侧具有凸面。位于开口光圈ST的后段的作为第7透镜的透镜L7是双凸形状的正透镜，作为第8透镜的透镜L8是具有负屈光力的双面非球面透镜。透镜L8具有双凹形状。此外，作为第9透镜的透镜L9是双凸形状的正透镜，作为第10透镜的透镜L10是在缩小侧具有凸面的正的弯月透镜，作为第11透镜的透镜L11是在缩小侧具有凹面的负的弯月透镜，作为第12透镜的透镜L12是具有负屈光力的双面非球面透镜。透镜L12在光轴附近具有双凹形状。透镜L12是由树脂成型而成的透镜。另外，如已经叙述的那样，第2光学组40b由1个凹面非球面反射镜构成。
图20的(A)是投射倍率125倍时的投射光学系统的缩小侧像差图(球面像差、像散、畸变)，图20的(B)是投射倍率100倍时的投射光学系统的缩小侧像差图，图20的(C)是投射倍率169倍时的投射光学系统的缩小侧像差图。此外，图21的(A)～21的(E)是与图20的(A)对应的投射光学系统的横向像差图。图21的(A)～21的(E)分别表示像高100％、80％、60％、40％、15％时的横向像差。图21的(A)与最大视场角的情况对应。同样地，图22的(A)～22的(E)是与图20的(B)对应的投射光学系统的横向像差图，图23的(A)～23的(E)是与图20的(C)对应的投射光学系统的横向像差图。
〔实施例的总结〕
在任意的实施例中，都采用如下简单的结构：虽然实现了广角端的半视场角70度以上的宽广的视场角，但是在作为对焦透镜组的第1-2透镜组42中，仅有透镜组F3(F3透镜组)的1个透镜是树脂制非球面透镜，第1-2透镜组42由4个透镜(2个正的透镜以及2个负的透镜)构成。此外，在投射光学系统40整体中，也采用透镜个数为12～13个的较少的透镜结构。
本发明不限于上述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实施。
例如，在各实施例中，可以在构成各透镜组的透镜的前后或者之间追加1个以上的实质不具有屈光力的透镜。
此外，投射光学系统40的放大投射的对象不限于液晶面板，可以通过投射光学系统40对光调制元件所形成的图像进行放大投射，光调制元件是以微镜为像素的数字微镜器件等。
标号说明
2：投影仪；11、12：积分透镜；13：偏振转换元件；14：重叠透镜；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：投射光学系统；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；70：半视场角；80：电路装置；81：图像处理部；81、82、83：电路部分；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：透镜组；E2：透镜组；F1：透镜组(F1透镜组)；F2：透镜组(F2透镜组)；F3：透镜组(F3透镜组)；L1-L13：透镜；MR：凹面非球面反射镜；OA：光轴；PI：面板面；PR：棱镜。

Claims (11)

1.一种投射光学系统，其从缩小侧起依次包含第1光学组和第2光学组，该第1光学组由多个透镜构成，具有正屈光力，该第2光学组包含具有凹面非球面形状的反射面，该投射光学系统的特征在于，
所述第1光学组由第1-1透镜组和第1-2透镜组构成，该第1-1透镜组在伴随着变倍的对焦时固定，并且具有正屈光力，该第1-2透镜组整体具有正屈光力，
所述第1-2透镜组从缩小侧起依次具有F1透镜组、F2透镜组和F3透镜组这3个透镜组，并且在伴随着变倍的对焦时，至少使所述F2透镜组移动，该F1透镜组由1个正透镜构成，该F2透镜组由1个正透镜和1个负透镜构成，该F3透镜组由1个负透镜构成。
2.根据权利要求1所述的投射光学系统，其中，
所述F3透镜组由双面非球面透镜构成，该双面非球面透镜由树脂成型而成。
3.根据权利要求1或2所述的投射光学系统，其中，
所述F1透镜组由在放大侧具有凸面的正透镜构成，
所述F2透镜组由在缩小侧具有凸面的正透镜、以及在缩小侧具有凹面的负透镜构成，
所述F3透镜组由在放大侧具有凹面的负透镜构成，
当设各透镜组的屈光力为各透镜组的焦距的倒数的绝对值时，所述F2透镜组的屈光力比所述F1透镜组的屈光力以及所述F3透镜组的屈光力小。
4.根据权利要求1或2所述的投射光学系统，其中，
所述F2透镜组是接合透镜。
5.根据权利要求1或2所述的投射光学系统，其中，
所述第1-1透镜组在所述第1-1透镜组的内部具有开口光圈，在最放大侧具有负透镜，该负透镜在至少1面具有非球面形状。
6.根据权利要求1或2所述的投射光学系统，其中，
所述第1-1透镜组在所述第1-1透镜组的内部具有开口光圈，在比所述开口光圈靠缩小侧的位置处包含2个正透镜、由正透镜和负透镜构成的第1接合透镜以及由正透镜和负透镜构成的第2接合透镜，所述第1-1透镜组整体由9个以下的透镜构成。
7.根据权利要求1或2所述的投射光学系统，其中，
物体侧的数值孔径为0.3以上。
8.根据权利要求1或2所述的投射光学系统，其中，
缩小侧是大致远心的。
9.根据权利要求1或2所述的投射光学系统，其中，
所述多个透镜中的各个透镜与所述反射面关于公共的光轴成旋转对称。
10.根据权利要求1或2所述的投射光学系统，其中，
变倍范围为1.5倍以上。
11.一种投影仪，其具有：
光调制元件，其对来自光源的光进行调制而形成图像光；以及
权利要求1～10中的任意一项所述的投射光学系统，其投射来自所述光调制元件的图像光。
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