CN108732725A - 投影光学系统以及投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供投影光学系统及具备投影光学系统的投影装置。投影光学系统是从放大侧起具有第1、第2光学系统的单焦点透镜或变焦透镜。第1光学系统从放大侧起包含第1A光学系统和第1B光学系统，在第1A光学系统与第1B光学系统间具有光路折弯用平面镜。投影光学系统在为单焦点透镜时在无限远对焦状态下及在为变焦透镜时在最短焦距状态下的无限远对焦状态下，满足0.18<Ta/Tw<0.4，1<fa/|fw|<15(Ta：第1A光学系统中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面的轴上距离，Tw：投影光学系统中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面的轴上距离，fa：第1A光学系统的焦距，fw：投影光学系统整体的焦距)。

Description

投影光学系统以及投影装置
技术领域
本发明涉及投影光学系统以及投影装置，涉及例如适于以超过100°的宽的视角将数字微镜器件(digital micromirror device)、LCD(liquid crystal display，液晶显示器)等图像显示元件的显示图像放大投影到屏幕的投影光学系统以及具备该投影光学系统的投影装置。
背景技术
近年来，要求能够以短的投影距离进行大画面投影的宽视角的投影装置。为了实现这样的宽视角的投影装置，有效的是采用一次形成中间像的中继类型的投影光学系统。但是，在该情况下，投影光学系统的全长伸长，由此，投影装置主体也变长，所以缩短投影距离的效果变小。作为其对策，在专利文献1、2中提出了通过投影光路的折弯而缩短了投影装置主体的全长的宽视角的投影光学系统。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2008-536175号公报
专利文献2：日本特表2006-523318号公报
发明内容
在此，在中继类型的投影光学系统中，将中间像的放大侧部分作为第1光学系统，将中间像的缩小侧部分作为第2光学系统。在专利文献1所记载的投影光学系统中，在第1光学系统内将光路折弯，进而在第1光学系统与第2光学系统之间也将光路折弯。因而，会大量使用光路折弯用的光学元件，所以导致成本上升。在专利文献2所记载的投影光学系统中，在第1光学系统内不将光路折弯，在中间像的位置处将光路折弯。因此，为了在投影方向上缩短投影光学系统，需要缩短将中间像投影到屏幕的第1光学系统，难以同时实现投影的宽视角化和投影像的高图像质量化。
本发明是鉴于这样的状况而完成的，其目的在于提供能够以短的投影距离实现良好的图像质量的大画面投影，并且能够以低成本缩短投影装置主体的投影方向长度的投影光学系统以及具备该投影光学系统的投影装置。
为了达到上述目的，第1发明的投影光学系统，对显示于图像显示面的图像进行放大投影，其特征在于，
所述投影光学系统是从放大侧起依次包含第1光学系统和第2光学系统的单焦点透镜或者变焦透镜，
所述第2光学系统在所述第1光学系统与第2光学系统之间形成所述图像的中间像，
所述第1光学系统对所述中间像进行放大投影，
所述第1光学系统从放大侧起依次包含第1A光学系统和第1B光学系统，且在所述第1A光学系统与所述第1B光学系统之间具有光路折弯用的反射光学元件，
在为所述单焦点透镜的情况下在无限远对焦状态下满足以下的条件式(1)以及(2)，
在为所述变焦透镜的情况下在最短焦距状态下的无限远对焦状态下满足以下的条件式(1)以及(2)。
0.18<Ta/Tw<0.4…(1)
1<fa/|fw|<15…(2)
其中，
Ta：在第1A光学系统中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面为止的轴上距离，
Tw：在投影光学系统中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面为止的轴上距离，
fa：第1A光学系统的焦距，
fw：投影光学系统整体的焦距。
第2发明的投影光学系统在上述第1发明中，其特征在于，在为所述单焦点透镜的情况下在无限远对焦状态下满足以下的条件式(3)，
在为所述变焦透镜的情况下在最短焦距状态下的无限远对焦状态下满足以下的条件式(3)。
0.1<Tb/Tw<0.3…(3)
其中，
Tb：在第1B光学系统中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面为止的轴上距离，
Tw：在投影光学系统中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面为止的轴上距离。
第3发明的投影光学系统在上述第1或者第2发明中，其特征在于，所述第1A光学系统从放大侧起依次包含在最靠缩小侧具有负透镜的负的前组和仅由正透镜构成的后组。
第4发明的投影光学系统在上述第3发明中，其特征在于，所述前组具有的正透镜为1张以下。
第5发明的投影光学系统在上述第3或者第4发明中，其特征在于，所述后组由3张正透镜构成。
第6发明的投影光学系统在上述第3～第5中的任意一个发明中，其特征在于，在为所述单焦点透镜的情况下在无限远对焦状态下满足以下的条件式(4)，
在为所述变焦透镜的情况下在最短焦距状态下的无限远对焦状态下满足以下的条件式(4)。
－0.4<faf/fa<－0.05…(4)
其中，
faf：前组的焦距，
fa：第1A光学系统的焦距。
第7发明的投影光学系统在上述第1～第6中的任意一个发明中，其特征在于，所述第1A光学系统具有在聚焦时移动的第1对焦部，所述第1B光学系统或者所述第2光学系统具有在聚焦时移动的第2对焦部。
第8发明的投影光学系统在上述第1～第7中的任意一个发明中，其特征在于，在相同的光轴上具有所述第1光学系统和所述第2光学系统。
第9发明的投影光学系统在上述第1～第8中的任意一个发明中，其特征在于，所述第2光学系统以及投影光学系统整体在缩小侧大致为远心的。
第10发明的投影光学系统在上述第1～第9中的任意一个发明中，其特征在于，所述投影光学系统是通过使由所述第2光学系统的一部分构成的透镜组沿着光轴移动而进行倍率改变的变焦透镜。
第11发明的投影光学系统在上述第1～第10中的任意一个发明中，其特征在于，从所述图像显示面向投影光学系统的光路中的光轴与从投影光学系统向放大投影侧的光路中的光轴所成的角度处于60度至120度的范围内。
第12发明的投影光学系统在上述第1～第11中的任意一个发明中，其特征在于，基于所述反射光学元件的光路的折弯仅为一次。
第13发明的投影光学系统在上述第1～第12中的任意一个发明中，其特征在于，所述反射光学元件为平面镜。
第14发明的投影光学系统在上述第1～第12中的任意一个发明中，其特征在于，所述反射光学元件为三角棱镜，将所述三角棱镜的斜边部作为反射面而进行光路的折弯。
第15发明的投影装置，具备：图像显示元件，具有图像显示面；以及投影光学系统，对显示于所述图像显示面的图像进行放大投影，所述投影装置的特征在于，
所述投影光学系统从放大侧起依次包含第1光学系统和第2光学系统，
所述第2光学系统在所述第1光学系统与第2光学系统之间形成所述图像的中间像，
所述第1光学系统对所述中间像进行放大投影，
所述第1光学系统从放大侧起依次包含第1A光学系统和第1B光学系统，且在所述第1A光学系统与所述第1B光学系统之间具有光路折弯用的反射光学元件。
第16发明的投影装置在上述第15发明中，其特征在于，从所述图像显示面向投影光学系统的光路中的光轴与从投影光学系统向放大投影侧的光路中的光轴所成的角度处于60度至120度的范围内。
第17发明的投影装置在上述第15或者第16发明中，其特征在于，基于所述反射光学元件的光路的折弯仅为一次。
第18发明的投影装置在上述第15～第17中的任意一个发明中，其特征在于，所述反射光学元件为平面镜。
第19发明的投影装置在上述第15～第17中的任意一个发明中，其特征在于，所述反射光学元件为三角棱镜，将所述三角棱镜的斜边部作为反射面而进行光路的折弯。
根据本发明，为在位于中间像的放大侧的第1光学系统的内部具有光路折弯用的反射光学元件的结构，所以无需大量使用光路折弯用的光学元件就能够将投影光学系统的投影方向长度的缩短、投影的宽视角化以及投影像的高图像质量化全部实现。因而，能够实现能够以短的投影距离进行良好的图像质量的大画面投影，并且能够以低成本缩短投影装置主体的投影方向长度的投影光学系统以及具备该投影光学系统的投影装置。
附图说明
图1是第1实施方式(实施例1)的光路图。
图2是第2实施方式(实施例2)的光路图。
图3是第3实施方式(实施例3)的光路图。
图4是第4实施方式(实施例4)的光路图。
图5是第1实施方式(实施例1)的光学结构图。
图6是第2实施方式(实施例2)的光学结构图。
图7是第3实施方式(实施例3)的光学结构图。
图8是第4实施方式(实施例4)的光学结构图。
图9是实施例1的像差图。
图10是实施例2的像差图。
图11是实施例3的像差图。
图12是实施例4的像差图。
图13是用于说明投影装置的投影距离和投影方向的尺寸的示意图。
图14是投影装置的一个实施方式的示意图。
附图标记说明
LN：投影光学系统；LN1：第1光学系统；LN2：第2光学系统；LA：第1A光学系统；LB：第1B光学系统；LF：前组；LR：后组；F1、F11、F12：第1对焦部；F2：第2对焦部；Gr1：第1透镜组；Gr2a：第2a透镜组；Gr2b：第2b透镜组；Gr2c：第2c透镜组；Gr2d：第2d透镜组；ST：开口光阑；IM1：中间像(中间像面)；IM2：图像显示面(缩小侧像面)；M1：平面镜(反射光学元件)；P1：三角棱镜(反射光学元件)；PJ：投影装置；PR：棱镜；SC：屏幕面(放大侧像面)；1：光源；2：照明光学系统；3：反射镜；4：图像显示元件；5：控制部；6：致动器；AX：光轴。
具体实施方式
以下，说明本发明的实施方式的投影光学系统、投影装置等。本发明的实施方式涉及的投影光学系统是对显示于图像显示面的图像进行放大投影的投影光学系统，所述投影光学系统是从放大侧起依次包含第1光学系统和第2光学系统的单焦点透镜或者变焦透镜，所述第2光学系统在所述第1光学系统与第2光学系统之间形成所述图像的中间像，所述第1光学系统对所述中间像进行放大投影，所述第1光学系统从放大侧起依次包含第1A光学系统和第1B光学系统，且在所述第1A光学系统与所述第1B光学系统之间具有光路折弯用的反射光学元件。
另外，本发明的实施方式涉及的投影装置具备：图像显示元件，具有图像显示面；以及投影光学系统，对显示于所述图像显示面的图像进行放大投影，在所述投影装置中，所述投影光学系统从放大侧起依次包含第1光学系统和第2光学系统，所述第2光学系统在所述第1光学系统与第2光学系统之间形成所述图像的中间像，所述第1光学系统对所述中间像进行放大投影，所述第1光学系统从放大侧起依次包含第1A光学系统和第1B光学系统，且在所述第1A光学系统与所述第1B光学系统之间具有光路折弯用的反射光学元件。
此外，“放大侧”为放大后的光学像被投影的屏幕面(放大侧像面)的方向(所谓的前侧)，与其相反方向为“缩小侧”、即是配置将原来的光学像显示于图像显示面(缩小侧像面)的图像显示元件(例如，数字微镜器件)的方向(所谓的后侧)。
在此，说明由光路的折弯带来的效果。图13示意地示出3个类型的投影装置PU、PS、PJ。在使光路U型回转的类型的投影装置PU中，投影距离为S2，装置主体的投影方向的长度为L2，投影范围的上端的高度为H2。在没有光路折弯的直型的投影装置PS中，投影距离为S1，装置主体的投影方向的长度为L3，投影范围的上端的高度为H1。在将光路在横向(相对于屏幕面SC为平行方向)上折弯的类型的投影装置PJ中，投影距离为S1，装置主体的投影方向的长度为L1，投影范围的上端的高度为H1。各尺寸的大小关系为S1<S2，L1<L2<L3，H1<H2。
在使光路U型回转的类型的投影装置PU中，为了避免光路与装置主体干扰，使投影位置向上方位移至高度H2。因此，在顶棚低的情况下无法应对，难以进行大画面投影。在没有光路折弯的直型的投影装置PS中，即使投影距离S1短，投影光学系统自身也变长，所以装置主体的尺寸L3在投影方向上变长。在将光路在横向上折弯的类型的投影装置PJ中，在位于比中间像IM1靠放大侧的第1光学系统内将光路折弯，所以装置主体的尺寸L1在投影方向上变短。
在形成中间像的中继类型的投影光学系统中，易于实现能够进行大画面投影的宽视角化，但投影光学系统的全长容易变长。即使在将这样的投影光学系统用于投影装置的情况下，通过在与放大侧接近的第1光学系统内将光路折弯，也能够缩短投影光学系统的投影方向的全长。因而，如图13所示的投影装置PJ那样与以往的投影装置PU、PS相比，能够在窄的空间进行大画面投影。
另外，实施方式的投影光学系统是如下结构：在为所述单焦点透镜的情况下在无限远对焦状态下满足以下的条件式(1)以及(2)，在为所述变焦透镜的情况下在最短焦距状态下的无限远对焦状态下满足以下的条件式(1)以及(2)。
0.18<Ta/Tw<0.4…(1)
1<fa/|fw|<15…(2)
其中，
Ta：在第1A光学系统中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面为止的轴上距离，
Tw：在投影光学系统中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面为止的轴上距离，
fa：第1A光学系统的焦距，
fw：投影光学系统整体的焦距。
条件式(1)由第1A光学系统的全长Ta与投影光学系统的全长Tw之比来规定。当超过条件式(1)的上限时，第1A光学系统变长，投影光学系统的投影方向的长度变长。当低于条件式(1)的下限时，第1A光学系统变得过短，反射光学元件变大，所以导致成本上升。另外，当为了即使在低于条件式(1)的下限的情况下也缩小反射光学元件而缩短第1A光学系统的焦距时，特别容易产生畸变而投影图像质量恶化。因而，通过满足条件式(1)，能够在抑制反射光学元件的尺寸的同时缩短投影光学系统的投影方向长度，并且使投影像的图像质量变好。
条件式(2)由第1A光学系统的焦距fa与投影光学系统的焦距|fw|之比来规定。当超过条件式(2)的上限时，第1A光学系统的焦距变得过长，当要进行宽视角投影时反射光学元件变大，所以导致成本上升。当低于条件式(2)的下限时，第1A光学系统的焦距变得过短，特别地产生畸变而投影图像质量恶化。因而，通过满足条件式(2)，能够在抑制反射光学元件的尺寸的同时缩短投影光学系统的投影方向长度，并且使投影像的图像质量变好。
在具有上述特征结构的投影光学系统或者投影装置中是在位于中间像的放大侧的第1光学系统的内部具有光路折弯用的反射光学元件的结构，所以无需大量使用光路折弯用的光学元件就能够将投影光学系统的投影方向长度的缩短、投影的宽视角化以及投影像的图像高质量化全部实现。因而，能够实现能够以短的投影距离进行良好的图像质量的大画面投影，并且能够以低成本缩短投影装置主体的投影方向长度的投影光学系统以及具备该投影光学系统的投影装置。而且，由于投影光学系统具有满足所述条件式(1)以及(2)的结构，从而其效果变得更大。以下说明用于平衡性良好地得到这样的效果、并且实现更高的光学性能、小型化等的条件等。
最好满足以下的条件式(1a)。
0.2<Ta/Tw<0.3…(1a)
该条件式(1a)在所述条件式(1)规定的条件范围之中还规定了基于所述观点等的更优选的条件范围。因而，优选的是满足条件式(1a)，从而能够使上述效果更加变大。
最好满足以下的条件式(2a)。
2<fa/|fw|<12…(2a)
该条件式(2a)在所述条件式(2)规定的条件范围之中还规定了基于所述观点等的更优选的条件范围。因而，优选的是满足条件式(2a)，从而能够使上述效果更加变大。
最好是投影光学系统在为所述单焦点透镜的情况下在无限远对焦状态下满足以下的条件式(3)，投影光学系统在为所述变焦透镜的情况下在最短焦距状态下的无限远对焦状态下满足以下的条件式(3)。
0.1<Tb/Tw<0.3…(3)
其中，
Tb：在第1B光学系统中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面为止的轴上距离，
Tw：在投影光学系统中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面为止的轴上距离。
条件式(3)由第1B光学系统的全长Tb与投影光学系统的全长Tw之比来规定。当低于条件式(3)的下限时，第1B光学系统过短，在第1B光学系统中难以校正轴外像差、特别是像面弯曲。因此，为了以宽的视角得到良好的光学性能，需要增大第1A光学系统，有可能会导致投影光学系统整体的大型化。超过条件式(3)的上限意味着第1B光学系统变长。为了应对它，需要将第1A光学系统的反焦距取得长，但在该情况下，如后所述，需要将第1A光学系统的后组的折射力取得大。作为结果，反射光学元件附近的轴外光线通过高度变高，需要增大反射光学元件，所以有可能会导致成本上升。因而，最好在该条件式(3)的范围内，通过满足条件式(3)，能够在抑制反射光学元件的尺寸的同时，平衡性良好地实现投影光学系统的小型化和高性能化。
最好满足以下的条件式(3a)。
0.15<Tb/Tw<0.25…(3a)
该条件式(3a)在所述条件式(3)规定的条件范围之中还规定了基于所述观点等的更优选的条件范围。因而，优选的是满足条件式(3a)，从而能够使上述效果更加变大。
所述第1A光学系统最好从放大侧起依次包含在最靠缩小侧具有负透镜的负的前组和仅由正透镜构成的后组。也就是说，最好利用由放大侧的负透镜和缩小侧的正透镜所隔的间隔将第1A光学系统分割成两个组，将放大侧作为负的前组，将缩小侧作为仅由正透镜构成的后组。根据该结构，第1A光学系统成为后聚焦型的折射力配置，所以能够将第1A光学系统的反焦距取得长。因而，能够容易地确保将反射光学元件插入到第1A光学系统的缩小侧的空间。
在所述前组中具有的正透镜最好为1张以下。根据该结构，能够缩小为了宽视角而在第1A光学系统中容易变大的前组。因而，能够更有效地缩短投影装置主体的投影方向长度。
所述后组最好包含3张正透镜。根据该结构，能够在第1A光学系统中以最小限度的透镜张数增大后组的正的折射力，所以无需使第1A光学系统的全长变长就能够更容易地确保将反射光学元件插入的空间。
最好是投影光学系统在为所述单焦点透镜的情况下在无限远对焦状态下满足以下的条件式(4)，投影光学系统在为所述变焦透镜的情况下在最短焦距状态下的无限远对焦状态下满足以下的条件式(4)。
-0.4<faf/fa<-0.05…(4)
其中，
faf：前组的焦距，
fa：第1A光学系统的焦距。
条件式(4)规定了前组相对于第1A光学系统的折射力比。在低于条件式(4)的下限的情况下，第1A光学系统中的前组的折射力变得过小，在第1A光学系统中前组出现变大型化的趋势。除此之外，第1A光学系统的反焦距变短，所以为了确保将反射光学元件插入的空间，需要缩短第1B光学系统，难以减小轴外像差、特别是像面弯曲。另外，在超过条件式(4)的上限的情况下，第1A光学系统中的前组的折射力变得过大，在前组中特别是畸变像差变大，有可能会导致投影图像质量的恶化。因而，最好在该条件式(4)的范围内，通过满足条件式(4)，能够在抑制反射光学元件的尺寸的同时平衡性良好地实现投影光学系统的小型化和高性能化。
最好是所述第1A光学系统具有在聚焦时移动的第1对焦部，所述第1B光学系统或者所述第2光学系统具有在聚焦时移动的第2对焦部。当在第1A光学系统内进行了对焦的情况下，轴上光线与轴外光线分离，所以当由于制造误差等原因而在对焦位置处产生误差时，容易产生像面弯曲等像差劣化。在该情况下，如果不在第1对焦部进行校正，而在通过轴上光线与轴外光线相近的位置的第1B光学系统或者第2光学系统的内部设置第2对焦部，在第2对焦部校正制造误差等所致的聚焦偏移，则能够防止轴外像差的劣化，维持良好的投影图像质量。但是，在不使用第1对焦部而仅利用第2对焦部进行了聚焦的情况下，一般在聚焦所致的像差劣化少的部位存在基于聚焦的移动量也变大的趋势，所以投影光学系统整体容易变大型化。因此，如果使聚焦主要通过第1对焦部的移动来进行，并且使第2对焦部中的聚焦只限于微调整，则能够在维持良好的投影图像质量的同时有效地防止投影光学系统的大型化。
最好在相同的光轴上具有所述第1光学系统和所述第2光学系统。根据该结构，在投影到比投影光学系统靠上侧的情况和投影到靠下侧的情况都能够得到稳定的图像质量，能够增加投影光学系统的设置场所的选项。
最好是所述第2光学系统以及投影光学系统整体在缩小侧大致为远心的。根据该结构，能够提高照明光取入时的效率，能够防止图像质量的劣化。
投影光学系统最好是通过使由所述第2光学系统的一部分构成的透镜组沿着光轴移动而进行倍率改变的变焦透镜。根据该结构，能够根据状况来调整画面尺寸，能够进一步提高设置的自由度。另外，通过仅利用第2光学系统进行倍率改变，能够容易地维持用于折弯的间隔，所以能够保持使投影装置的投影方向长度始终缩小的状态。
最好是从所述图像显示面向投影光学系统的光路中的光轴与从投影光学系统向放大投影侧的光路中的光轴所成的角度处于60度至120度的范围内。当低于下限的60度时，成为使光路折返而投影到投影装置主体侧的类型(图13的投影装置PU)。在该情况下，需要避免光路与装置主体干扰地进行投影，所以只能投影到高的位置，难以在顶棚低的房间进行大画面投影。当超过上限的120度时，与不进行光路的折弯的类型(图13的投影装置PS)相近，无法缩小基于光路的折弯的投影方向长度，难以在窄的空间进行大画面投影。因而，只要满足上述角度范围的条件，就能够利用更紧凑的投影结构进行大画面投影。根据这样的观点，更好的是从所述图像显示面向投影光学系统的光路中的光轴与从投影光学系统向放大投影侧的光路中的光轴所成的角度处于80度至100度的范围内。
基于所述反射光学元件的光路的折弯最好仅为一次。根据该结构，用于光路折弯的空间为1处就可以，能够防止投影透镜的大型化。
所述反射光学元件最好为平面镜。根据该结构，能够使光路折弯用的反射光学元件所致的成本上升成为最小限度。
最好是所述反射光学元件为三角棱镜，将所述三角棱镜的斜边部作为反射面而进行光路的折弯。根据该结构，能够用玻璃填充用于折弯的空间，即使只能获取小的空气间隔也能够将光路折弯，能够防止透镜的大型化。
接下来，举出第1～第4实施方式，说明投影光学系统LN的具体的光学结构。图1、图2、图4是与构成第1、第2、第4实施方式的投影光学系统LN分别对应的光路图，图5、图6、图8是与构成第1、第2、第4实施方式的投影光学系统LN分别对应的光学结构图(展开图)。这些光路图以及光学结构图以光学剖面示出了为单焦点透镜的投影光学系统LN的透镜剖面形状、透镜配置等。图3是与构成第3实施方式的投影光学系统LN对应的光路图，图7是与构成第3实施方式的投影光学系统LN对应的光学结构图(展开图)。这些光路图以及光学结构图关于广角端(W)和摄远端(T)分别以光学剖面示出了为变焦透镜的投影光学系统LN的透镜剖面形状、透镜配置等。此外，棱镜PR(例如，TIR(Total Internal Reflection：全反射)棱镜、颜色分解合成棱镜等)、以及图像显示元件的罩玻璃CG位于投影光学系统LN的缩小侧。
第1～第4实施方式的投影光学系统LN如图1～图4所示，从放大侧起依次包含第1光学系统LN1(从第1面至中间像面IM1的前部为止)和第2光学系统LN2(从中间像面IM1的后部至最终透镜面为止)，在第2光学系统LN2形成显示于图像显示元件的图像显示面IM2的图像(缩小侧像面)的中间像IM1而第1光学系统LN1对该中间像IM1进行放大投影的缩小侧为大致远心的结构。另外，投影光学系统LN在相同的光轴AX1、AX2上具有第1光学系统LN1和第2光学系统LN2，从图像显示面IM2向投影光学系统LN的光路中的光轴AX2与从投影光学系统LN1向放大投影侧的光路中的光轴AX1所成的角度为90度。此外，开口光阑ST位于第2光学系统LN2的中央附近(例如在第3实施方式中，第2c透镜组Gr2c中的最靠放大侧)。
第1光学系统LN1从放大侧起依次包含第1A光学系统LA和第1B光学系统LB，且在第1A光学系统LA与第1B光学系统LB之间具有平面镜M1或者三角棱镜P1作为光路折弯用的反射光学元件。另外，第1A光学系统LA是从放大侧起依次包含在最靠缩小侧具有负透镜的负的前组LF和仅由正透镜构成的后组LR(后聚焦型)，如图5～图8所示具有在聚焦时移动的第1对焦部F1或者第1对焦部F11以及F12的结构，第1B光学系统LB或者第2光学系统LN2是具有在聚焦时移动的第2对焦部F2的结构。
第1实施方式(图1、图5)为整体由30张透镜组件构成的单焦点透镜，放大侧19张为进行中间像IM1的放大投影的第1光学系统LN1，缩小侧11张为形成中间像IM1的第2光学系统LN2。第1光学系统LN1中的、放大侧8张为第1A光学系统LA，缩小侧11张为第1B光学系统LB。第1光学系统LN1在第1A光学系统LA与第1B光学系统LB之间作为光路折弯用的反射光学元件而具有平面镜M1。在第1实施方式中，通过利用平面镜M1将光路折弯90度，从而缩短投影光学系统LN的投影方向的长度，实现了投影装置PJ(图13)的设置的自由度的提高。
在第1实施方式(图1、图5)中，第1A光学系统LA的缩小侧5张为第1对焦部F1，通过从无限远向接近的聚焦而如箭头m1所示向缩小侧移动。另外，从第1B光学系统LB的缩小侧起第2张单透镜为第2对焦部F2，在由于制造误差等而在第1对焦部F1的焦点位置处产生误差的情况下用第2对焦部F2进行微调整。箭头m2表示此时的从无限远向接近的聚焦中的向放大侧的移动。在后述实施例1中，能够通过第1对焦部F1的驱动来进行近距离投影直至1.4m的投影距离为止，此时的第1对焦部F1的移动量为0.5162mm。
第2、第4实施方式(图2、图6；图4、图8)是整体由30张透镜组件构成的单焦点透镜，放大侧19张为进行中间像IM1的放大投影的第1光学系统LN1，缩小侧11张为形成中间像IM1的第2光学系统LN2。第1光学系统LN1中的、放大侧8张为第1A光学系统LA，缩小侧11张为第1B光学系统LB。第1光学系统LN1在第1A光学系统LA与第1B光学系统LB之间作为光路折弯用的反射光学元件而具有将斜面作为反射面的三角棱镜P1。在第2、第4实施方式中，通过利用三角棱镜P1将光路折弯90度，从而缩短投影光学系统LN的投影方向的长度，实现了投影装置PJ(图13)的设置的自由度的提高。
在第2、第4实施方式(图2、图6；图4、图8)中，第1A光学系统LA的缩小侧5张为第1对焦部F1，通过从无限远向接近的聚焦而如箭头m1所示向缩小侧移动。另外，从第1B光学系统LB的缩小侧起第2张单透镜为第2对焦部F2，在由于制造误差等而在第1对焦部F1的焦点位置处产生误差的情况下用第2对焦部F2进行微调整。箭头m2表示此时的从无限远向接近的聚焦中的向放大侧的移动。在后述实施例2、4中，能够通过第1对焦部F1的驱动来进行近距离投影直至1.4m的投影距离为止，此时的第1对焦部F1的移动量为0.5669mm(实施例2)和0.4364mm(实施例4)。
第3实施方式(图3、图7)是整体由31张透镜组件构成的不包括非球面的球面透镜系统，放大侧18张为进行中间像IM1的放大投影的第1光学系统LN1，缩小侧13张为形成中间像IM1的第2光学系统LN2。第1光学系统LN1作为整体而由正的第1透镜组Gr1构成，第2光学系统LN2从放大侧起依次包含正正正正的第2a透镜组Gr2a、第2b透镜组Gr2b、第2c透镜组Gr2c以及第2d透镜组Gr2d，将缩放中的中间像IM1的位置设为固定，仅利用第2光学系统LN2进行倍率改变(正正正正正的5组变焦结构)。
图7中的箭头m1x、m2a、m2b、m2c、m2d分别示意地表示从广角端(W)向摄远端(T)的缩放中的第1透镜组Gr1、第2a～第2d透镜组Gr2a～Gr2d的移动或者固定。也就是说，第1透镜组Gr1以及第2d透镜组Gr2d为固定组，第2a～第2c透镜组Gr2a～Gr2c为移动组，是通过使第2a～第2c透镜组Gr2a～Gr2c分别沿着光轴AX移动而进行缩放的结构。在从该广角端(W)向摄远端(T)的倍率改变中，第2a透镜组Gr2a、第2b透镜组Gr2b以及第2c透镜组Gr2c分别向放大侧单调地移动。
在第3实施方式(图3、图7)中，第1光学系统LN1中的、放大侧9张为第1A光学系统LA，缩小侧9张为第1B光学系统LB。第1光学系统LN1在第1A光学系统LA与第1B光学系统LB之间作为光路折弯用的反射光学元件而具有将斜面作为反射面的三角棱镜P1。在第3实施方式中，通过利用三角棱镜P1将光路折弯90度，从而缩短投影光学系统LN的投影方向的长度，实现了投影装置PJ(图13)的设置的自由度的提高。
在第3实施方式(图3、图7)中，第1A光学系统LA的缩小侧4张为第1对焦部F11、F12，由放大侧1张构成的第1对焦部F11和由缩小侧3张构成的第1对焦部F12如箭头m11、m12所示独立地向缩小侧移动，从而进行从无限远向接近的聚焦。另外，第2光学系统LN2的最靠缩小侧的单透镜为第2对焦部F2，在由于制造误差等而在第1对焦部F1的焦点位置处产生误差的情况下用第2对焦部F2进行微调整。箭头m2表示此时的从无限远向接近的聚焦中的向放大侧的移动。在后述实施例3中，能够通过第1对焦部F1的驱动来进行近距离投影直至2.8m的投影距离为止，此时的放大侧的第1对焦部F11的移动量为0.2275mm，缩小侧的第1对焦部F12的移动量为0.2781mm。
如上所述，在第3实施方式中，投影光学系统LN是通过使移动组相对于图像显示面IM2相对地移动，使轴上的各组间隔变化，从而进行从广角端(W)至摄远端(T)为止的倍率改变(即缩放)的结构。第1透镜组Gr1以及第2d透镜组Gr2d的变焦位置为固定，所以没有倍率改变所致的光学系统全长的变化，移动构件减少，所以能够简化倍率改变机构。此外，位于第2d透镜组Gr2d的缩小侧的棱镜PR以及罩玻璃CG的变焦位置也为固定。
在形成中间像IM1的中继类型的投影光学系统中，透镜系统容易变长，所以当如各实施方式那样，在第1光学系统LN1中配置平面镜M1、三角棱镜P1，从而使投影光学系统LN成为L字型的弯曲光学系统时，能够有效地实现投影光学系统LN整体的紧凑化。而且，当以满足所述条件式(1)以及(2)的方式设定第1A光学系统LA的全长以及焦距时，能够在抑制反射光学元件的尺寸的同时缩短投影光学系统LN的投影方向长度，并且使投影像IM2的图像质量变好。
接下来，说明具备上述投影光学系统LN的投影装置的一个实施方式。图14示出投影装置PJ的概略结构例。该投影装置PJ具备光源1、照明光学系统2、反射镜3、棱镜PR、图像显示元件(图像形成元件)4、控制部5、致动器6、投影光学系统LN等。控制部5为掌管投影装置PJ的整体控制的部分。图像显示元件4为对光进行调制而生成图像的图像调制元件(例如，数字微镜器件)，具有显示图像的图像显示面IM2，在该图像显示面IM2上设置有罩玻璃CG。
从光源1(例如、氙气灯等白色光源、激光光源)射出的光由照明光学系统2、反射镜3以及棱镜PR引导到图像显示元件4，在图像显示元件4中形成图像光。棱镜PR例如由TIR棱镜(除此之外，颜色分离合成棱镜等)构成，进行照明光与投影光的分离等。由图像显示元件4形成的图像光利用投影光学系统LN朝向屏幕面SC放大投射。也就是说，显示于图像显示元件4的图像IM2在利用第2光学系统LN2而成为中间像IM1之后，利用第1光学系统LN1放大投影到屏幕面SC。
如上所述，投影装置PJ具备显示图像的图像显示元件4、光源1、将来自该光源1的光引导到图像显示元件4的照明光学系统2以及将显示于图像显示元件4的图像放大投影到屏幕面SC的投影光学系统LN，但能够应用投影光学系统LN的投影装置不限于此。例如，如果使用利用图像显示面IM2自身的发光来显示图像的图像显示元件，则还能够不需要照明，在该情况下，能够不使用光源1、照明光学系统2地构成投影装置。
分别沿着光轴AX向放大侧或者缩小侧移动的致动器6连接于在投影光学系统LN中为了进行缩放、聚焦而移动的透镜组。而且，用于进行移动组的移动控制的控制部5连接于致动器6。此外，关于控制部5以及致动器6，也可以不使用它们而手动地使透镜组移动。
【实施例】
以下，举出实施例的结构数据等，更具体地说明实施本发明的投影光学系统的结构等。在此举出的实施例1～4(EX1～4)为与前述的第1～第4实施方式分别对应的数值实施例，表示第1～第4实施方式的光路图(图1～图4)以及光学结构图(图5～图8)分别示出了对应的实施例1～4的透镜剖面形状、透镜配置等。
在各实施例的结构数据中，作为面数据，从左侧的栏起依次示出面编号i、近轴处的曲率半径r(mm)、轴上表面间隔d(mm)、与d线(波长为587.56nm)有关的折射率nd、以及与d线有关的阿贝数vd。此外，SC表示屏幕面，ST表示开口光阑，IM1表示中间像面，IM2表示图像显示面。
对面编号i附加了*的面为非球面，其面形状由使用了以面顶点为原点的局部直角坐标系(x，y，z)的以下的式(AS)来定义。作为非球面数据，示出非球面系数等。此外，在各实施例的非球面数据中没有记载的项的系数为0，关于所有的数据为e-n＝×10-n。
其中，
h：相对于z轴(光轴AX)垂直的方向的高度(h2＝x2+y2)，
z：高度h的位置处的光轴AX方向的垂度量(以面顶点为基准)，
c：面顶点处的曲率(曲率半径r的倒数)，
K：圆锥常数，
Aj：j次的非球面系数。
作为实施例1、2、4的各种数据，示出整个系统的焦距(Fl，mm)、F数(Fno.)，半视角(ω，°)、像高(ymax，mm)、透镜全长(TL，mm)、以及反焦距(BF，mm)。另外，作为实施例3的各种数据，示出变焦比(zoom ratio，倍率改变比)，进而关于各焦距状态W(Wide)、M(Middle)、T(Tele)，示出整个系统的焦距(Fl，mm)、F数(Fno.)、半视角(ω，°)、像高(ymax，mm)、透镜全长(TL，mm)、反焦距(BF，mm)以及可变面间隔(di，i：面编号，mm)，作为变焦透镜组数据，示出各透镜组的焦距(mm)。其中，关于反焦距BF，通过空气换算长而标示从透镜最终面至近轴像面为止的距离，透镜全长TL是对从透镜最前面至透镜最终面为止的距离Tw加上反焦距BF而得到的。另外，像高ymax相当于图像显示面IM2的对角长的一半。此外，广角端(W)处的TL-BF相当于轴上距离Tw。
在表1中，关于各实施例而示出条件式对应值、其关联数据等。条件式关联数据在投影光学系统LN为单焦点透镜的情况下是无限远对焦状态下的数据，在投影光学系统LN为变焦透镜的情况下是最短焦距状态下的无限远对焦状态下的数据。此外，关于仅投影光学系统LN的投影方向长度L1，是最接近对焦状态下的数据。
例如，是在第1A光学系统LA中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面为止的轴上距离(Ta，mm)、在第1B光学系统LB中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面为止的轴上距离(Tb，mm)、在投影光学系统LN中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面为止的轴上距离(Tw，mm)、第1A光学系统LA的焦距(fa，mm)、第1B光学系统LB的焦距(fb，mm)、投影光学系统LN整体的焦距(fw，mm)、前组LF的焦距(faf，mm)、后组LR的焦距(far，mm)、仅投影光学系统LN的投影方向长度(L1，最接近聚焦时，mm)。
图9、图10、图12是与实施例1、2、4(EX1、2、4)对应的像差图(无限远对焦状态下的纵像差图)，(A)是球面像差图，(B)是像散图，(C)是畸变像差图。图11是与实施例3(EX3)对应的像差图(无限远对焦状态下的纵像差图)，(A)～(C)示出了广角端W处的各像差，(D)～(F)示出了中间焦距状态M下的各像差，(G)～(I)示出了摄远端T处的各像差。另外，在图11中，(A)、(D)、(G)是球面像差图，(B)、(E)、(H)是像散图，(C)、(F)、(I)是畸变像差图。
在球面像差图中，将相对于实线所示的d线(波长587.56nm)的球面像差量、相对于点划线所示的C线(波长656.28nm)的球面像差量、相对于虚线所示的g线(波长435.84nm)的球面像差量分别用从近轴像面起在光轴AX方向上的偏移量(单位：mm)表示，纵轴表示对向瞳孔的入射高度按照其最大高度进行了标准化而得到的值(即相对瞳高度)。在像散图中，虚线T表示相对于d线的切线像面，实线S以从近轴像面起在光轴AX方向上的偏移量(单位：mm)来表示相对于d线的弧矢像面，纵轴表示像高(IMG HT，单位：mm)。在畸变像差图中，横轴表示相对于d线的畸变(单位：％)，纵轴表示像高(IMG HT，单位：mm)。
此外，在将各实施例作为投影光学系统LN而用于投影装置(例如液晶投影装置)PJ的情况(图14)下，本来屏幕面(被投影面)SC为像面，图像显示面IM2(例如液晶面板面)为物面，但在各实施例中在光学设计上分别设为缩小系统而将屏幕面SC视为物面(object)，利用与像面(image)相当的图像显示面(缩小侧像面)IM2来评价光学性能。而且，从得到的光学性能可知，各实施例的投影光学系统LN不仅能够作为投影装置用的投影透镜而且还能够作为摄像装置(例如摄像机、数码相机)用的摄像透镜来适当地使用。
实施例1
单位：mm
面数据
非球面数据
非球面数据
各种数据
实施例2
单位：mm
面数据
非球面数据
非球面数据
各种数据
实施例3
单位：mm
面数据
各种数据
变焦透镜组数据
实施例4
单位：mm
面数据
非球面数据
非球面数据
各种数据
【表1】

Claims (19)

1.一种投影光学系统，对显示于图像显示面的图像进行放大投影，其特征在于，
所述投影光学系统是从放大侧起依次包含第1光学系统和第2光学系统的单焦点透镜或者变焦透镜，
所述第2光学系统在所述第1光学系统与第2光学系统之间形成所述图像的中间像，
所述第1光学系统对所述中间像进行放大投影，
所述第1光学系统从放大侧起依次包含第1A光学系统和第1B光学系统，且在所述第1A光学系统与所述第1B光学系统之间具有光路折弯用的反射光学元件，
在为所述单焦点透镜的情况下在无限远对焦状态下满足以下的条件式(1)以及(2)，
在为所述变焦透镜的情况下在最短焦距状态下的无限远对焦状态下满足以下的条件式(1)以及(2)，
0.18<Ta/Tw<0.4…(1)
1<fa/|fw|<15…(2)
其中，
Ta：在第1A光学系统中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面为止的轴上距离，
Tw：在投影光学系统中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面为止的轴上距离，
fa：第1A光学系统的焦距，
fw：投影光学系统整体的焦距。
2.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
在为所述单焦点透镜的情况下在无限远对焦状态下满足以下的条件式(3)，
在为所述变焦透镜的情况下在最短焦距状态下的无限远对焦状态下满足以下的条件式(3)，
0.1<Tb/Tw<0.3…(3)
其中，
Tb：在第1B光学系统中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面为止的轴上距离，
Tw：在投影光学系统中从最靠放大侧的透镜面至最靠缩小侧的透镜面为止的轴上距离。
3.根据权利要求1或者2所述的投影光学系统，其特征在于，
所述第1A光学系统从放大侧起依次包含在最靠缩小侧具有负透镜的负的前组和仅由正透镜构成的后组。
4.根据权利要求3所述的投影光学系统，其特征在于，
所述前组具有的正透镜为1张以下。
5.根据权利要求3或者4所述的投影光学系统，其特征在于，
所述后组由3张正透镜构成。
6.根据权利要求3～5中的任意一项所述的投影光学系统，其特征在于，
在为所述单焦点透镜的情况下在无限远对焦状态下满足以下的条件式(4)，
在为所述变焦透镜的情况下在最短焦距状态下的无限远对焦状态下满足以下的条件式(4)，
－0.4<faf/fa<－0.05…(4)
其中，
faf：前组的焦距，
fa：第1A光学系统的焦距。
7.根据权利要求1～6中的任意一项所述的投影光学系统，其特征在于，
所述第1A光学系统具有在聚焦时移动的第1对焦部，所述第1B光学系统或者所述第2光学系统具有在聚焦时移动的第2对焦部。
8.根据权利要求1～7中的任意一项所述的投影光学系统，其特征在于，
在相同的光轴上具有所述第1光学系统和所述第2光学系统。
9.根据权利要求1～8中的任意一项所述的投影光学系统，其特征在于，
所述第2光学系统以及投影光学系统整体在缩小侧大致为远心的。
10.根据权利要求1～9中的任意一项所述的投影光学系统，其特征在于，
所述投影光学系统是通过使由所述第2光学系统的一部分构成的透镜组沿着光轴移动而进行倍率改变的变焦透镜。
11.根据权利要求1～10中的任意一项所述的投影光学系统，其特征在于，
从所述图像显示面向投影光学系统的光路中的光轴与从投影光学系统向放大投影侧的光路中的光轴所成的角度处于60度至120度的范围内。
12.根据权利要求1～11中的任意一项所述的投影光学系统，其特征在于，
基于所述反射光学元件的光路的折弯仅为一次。
13.根据权利要求1～12中的任意一项所述的投影光学系统，其特征在于，
所述反射光学元件为平面镜。
14.根据权利要求1～12中的任意一项所述的投影光学系统，其特征在于，
所述反射光学元件为三角棱镜，将所述三角棱镜的斜边部作为反射面而进行光路的折弯。
15.一种投影装置，具备：图像显示元件，具有图像显示面；以及投影光学系统，对显示于所述图像显示面的图像进行放大投影，所述投影装置的特征在于，
所述投影光学系统从放大侧起依次包含第1光学系统和第2光学系统，
所述第2光学系统在所述第1光学系统与第2光学系统之间形成所述图像的中间像，
所述第1光学系统对所述中间像进行放大投影，
所述第1光学系统从放大侧起依次包含第1A光学系统和第1B光学系统，且在所述第1A光学系统与所述第1B光学系统之间具有光路折弯用的反射光学元件。
16.根据权利要求15所述的投影装置，其特征在于，
从所述图像显示面向投影光学系统的光路中的光轴与从投影光学系统向放大投影侧的光路中的光轴所成的角度处于60度至120度的范围内。
17.根据权利要求15或者16所述的投影装置，其特征在于，
基于所述反射光学元件的光路的折弯仅为一次。
18.根据权利要求15～17中的任意一项所述的投影装置，其特征在于，
所述反射光学元件为平面镜。
19.根据权利要求15～17中的任意一项所述的投影装置，其特征在于，
所述反射光学元件为三角棱镜，将所述三角棱镜的斜边部作为反射面而进行光路的折弯。
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