CN109073869A - 投影光学系统以及投影仪 - Google Patents

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Abstract

投影光学系统是将显示在图像显示面的图像放大投影到视场角70°以上，从放大侧开始在同一光轴上依次具有第一、第二光学系统的单焦点透镜或者变焦透镜。第二光学系统形成图像的中间像，第一光学系统放大投影中间像，正透镜分别相邻地位于中间像的放大侧和缩小侧。单焦点透镜或者在广角端的变焦透镜满足条件式：0.4＜Tm1/Tw＜0.7、T12w/Tw＜0.2(Tm1：第一光学系统中从最靠近放大侧的透镜面到最靠近中间像侧的透镜面为止的轴上距离，Tw：从第一光学系统中最靠近放大侧的透镜面到第二光学系统中最靠近缩小侧的透镜面为止的轴上距离，T12w：分别相邻地位于中间像的放大侧和缩小侧的正透镜的轴上空气间隔)。

Description

投影光学系统以及投影仪
技术领域
本发明涉及投影光学系统以及投影仪，例如涉及适合以广视场角将数字微镜器件(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、和具备该投影光学系统的投影仪。
背景技术
近年，要求即使在较窄的场所也能够进行大画面投影的广视场角的投影光学系统。为了使广视场角和优异的像差性能兼得，使用中继透镜较有效，在专利文献1、2提出了为了该广视场角投影而使用了中继透镜的投影光学系统。
专利文献1：日本特开2015－152890号公报
专利文献2：国际公开第2004/010199号
但是，即使在使用了中继透镜的情况下，也不容易修正轴外像差，特别是失真像差。因此，需要增大放大侧的透镜直径或者大量使用非球面，但这成为成本高的原因。例如，专利文献1记载的变焦透镜由于中间像的位置靠近放大侧，所以中间像附近的光线通过位置较低。因此，为了修正轴外像差需要大量使用非球面，所以成本高。专利文献2记载的变焦透镜由于中间像前后的透镜过于远离，所以这也导致中间像前后的透镜的其中一个的光线通过位置变低。因此，不容易充分地抑制轴外像差，所以未得到足够的广视场角。
发明内容
本发明是鉴于这样的状况而完成的，其目的在于提供广视场角并且良好地修正了轴外像差的高性能且小型·低成本的投影光学系统、和具备了该投影光学系统的投影仪。
为了实现上述目的，第一发明的投影光学系统是将显示于图像显示面的图像放大投影到视场角70°以上的投影光学系统，其特征在于，
是从放大侧开始依次在同一光轴上具有第一光学系统和第二光学系统的单焦点透镜或者变焦透镜，
上述第二光学系统形成上述图像的中间像，
上述第一光学系统放大投影上述中间像，
正透镜分别相邻地位于上述中间像的放大侧和缩小侧，
在上述单焦点透镜的情况下满足以下的条件式(1)以及(2)，
在上述变焦透镜的情况下在广角端满足以下的条件式(1)以及(2)，
0.4＜Tm1/Tw＜0.7…(1)
T12w/Tw＜0.2…(2)
其中，
Tm1：第一光学系统中从最靠近放大侧的透镜面到最靠近中间像侧的透镜面为止的轴上距离，
Tw：从第一光学系统中最靠近放大侧的透镜面到第二光学系统中最靠近缩小侧的透镜面为止的轴上距离，
T12w：分别相邻地位于中间像的放大侧和缩小侧的正透镜的轴上空气间隔。
第二发明的投影光学系统的特征在于，在上述第一发明中，分别相邻地位于上述中间像的放大侧和缩小侧的正透镜均为在中间像侧凹陷的正弯月形透镜。
第三发明的投影光学系统的特征在于，在上述第一或者第二发明中，在上述单焦点透镜的情况下满足以下的条件式(3)，在上述变焦透镜的情况下在广角端满足以下的条件式(3)，
1＞|β2|＞0.5…(3)
其中，
β2：第二光学系统的近轴倍率(这里，将近轴倍率设为[在图像显示面的图像尺寸]/[中间像尺寸]。)。
第四发明的投影光学系统的特征在于，在上述第一或者第二发明中，在上述单焦点透镜的情况下满足以下的条件式(3)，在上述变焦透镜的情况下在全变倍域满足以下的条件式(3)，
1＞|β2|＞0.5…(3)
其中，
β2：第二光学系统的近轴倍率(这里，将近轴倍率设为[在图像显示面的图像尺寸]/[中间像尺寸]。)。
第五发明的投影光学系统的特征在于，在上述第一～第四中任意一项发明中，满足以下的条件式(4)，
0.3＜f1/f2＜3…(4)
其中，
f1：相邻地位于中间像的放大侧的正透镜的焦距，
f2：相邻地位于中间像的缩小侧的正透镜的焦距。
第六发明的投影光学系统的特征在于，在上述第一～第五中任意一项发明中，上述第二光学系统具有负透镜，作为相邻地位于最靠近中间像侧的上述正透镜的缩小侧的透镜。
第七发明的投影光学系统的特征在于，在上述第一～第六中任意一项发明中，是通过使由上述第一、第二光学系统中的至少一方的一部分构成的透镜组沿着光轴移动来进行变倍的变焦透镜。
第八发明的投影光学系统的特征在于，在上述第七发明中，仅在上述第二光学系统有为了上述变倍而移动的透镜组。
第九发明的投影光学系统的特征在于，在上述第七或者第八发明中，上述第二光学系统在最靠近中间像侧具有上述变倍时可动且具有正的屈光力的第2a透镜组。
第十发明的投影光学系统的特征在于，在上述第九发明中，满足以下的条件式(5)，
T2/Tw＜0.1…(5)
其中，
T2：第2a透镜组的变焦时的从最靠近缩小侧位置到最靠近放大侧位置为止的移动量，
Tw：从第一光学系统中最靠近放大侧的透镜面到第二光学系统中最靠近缩小侧的透镜面为止的轴上距离。
第十一发明的投影光学系统的特征在于，在上述第九或者第十发明中，上述第二光学系统在上述第2a透镜组的缩小侧具有至少一个在上述变倍时可动的透镜组。
第十二发明的投影光学系统的特征在于，在上述第九～第十一中任意一项发明中，上述第二光学系统从放大侧开始依次由上述第2a透镜组、在变倍时可动且具有正的屈光力的第2b透镜组、在变倍时可动且具有正的屈光力的第2c透镜组、以及在变倍时固定且具有正的屈光力的第2d透镜组构成。
第十三发明的投影仪的特征在于，具备具有上述图像显示面的图像显示元件、和将显示在上述图像显示面的图像放大投影到屏幕面的上述第一～第十二中任意一项发明所涉及的投影光学系统。
根据本发明，适当地设定在第二光学系统形成的中间像的前后的透镜构成，所以即使是广视场角也能够不大量使用非球面而良好地修正以失真像差为首的轴外像差。因此，能够实现广视场角并且良好地修正了轴外像差的高性能且小型·低成本的投影光学系统、和具备了该投影光学系统的投影仪。
附图说明
图1是第一实施方式(实施例1)的光学构成图。
图2是第二实施方式(实施例2)的光学构成图。
图3是第三实施方式(实施例3)的光学构成图。
图4是实施例1的像差图。
图5是实施例2的像差图。
图6是实施例3的像差图。
图7是表示投影仪的一实施方式的示意图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式所涉及的投影光学系统、投影仪等进行说明。本发明的实施方式所涉及的投影光学系统是将显示在图像显示面的图像放大投影到视场角70°以上的投影光学系统，是从放大侧开始在同一光轴上依次具有第一光学系统和第二光学系统的单焦点透镜或者变焦透镜，上述第二光学系统形成上述图像的中间像，上述第一光学系统放大投影上述中间像，正透镜分别相邻地位于上述中间像的放大侧和缩小侧。而且，构成为在上述单焦点透镜的情况下满足以下的条件式(1)以及(2)，在上述变焦透镜的情况下在广角端满足以下的条件式(1)以及(2)。
0.4＜Tm1/Tw＜0.7…(1)
T12w/Tw＜0.2…(2)
其中，
Tm1：第一光学系统中从最靠近放大侧的透镜面到最靠近中间像侧的透镜面为止的轴上距离，
Tw：从第一光学系统中最靠近放大侧的透镜面到第二光学系统中最靠近缩小侧的透镜面为止的轴上距离，
T12w：分别相邻地位于中间像的放大侧和缩小侧的正透镜的轴上空气间隔。
此外，“放大侧”是投影放大后的光学像的屏幕面(放大侧像面)的方向(所谓的前侧)，其相反方向为“缩小侧”，也就是配置了在图像显示面(缩小侧像面)显示原来的光学像的图像显示元件(例如，数字微镜器件)的方向(所谓的后侧)。
条件式(1)在具有作为中继透镜的第二光学系统的广角投影光学系统中，规定分别相邻地位于中间像的前后的正透镜中，处于中间像的放大侧的正透镜的位置。若在条件式(1)的上限以上，则中间像的位置过于靠近缩小侧，所以第二光学系统变得过小。因此，在中间像较大地产生像差(主要为失真像差)，而难以抑制在对其进行放大投影后的像的像差。若在条件式(1)的下限以下，则相邻地位于中间像的放大侧的正透镜过于靠近放大侧，所以该中间像放大侧的正透镜的轴外光线通过位置变低，这也不容易进行轴外像差(主要是失真像差)的修正。因此，通过满足条件式(1)，能够有效地抑制失真等轴外像差。
条件式(2)在具有作为中继透镜的第二光学系统的广角投影光学系统中，规定分别相邻地位于中间像的放大侧和缩小侧的正透镜的轴上空气间隔。若在条件式(2)的上限以上，则中间像的前后的正透镜过于远离，所以即使满足条件式(1)，中间像的缩小侧的透镜的轴外光线通过位置也变得过低。因此，不容易进行轴外像差(主要是失真像差)的修正。因此，通过满足条件式(2)，能够有效地抑制失真等轴外像差。
在具有上述的特征构成的投影光学系统中，适当地设定了由第二光学系统形成的中间像的前后的透镜构成，所以即使是广视场角也能够不大量使用非球面而良好地修正以失真像差为首的轴外像差。因此，能够实现广视场角并且良好地修正了轴外像差的高性能且小型·低成本的投影光学系统。而且，若将该投影光学系统使用于投影仪，则能够有助于投影仪的高性能化、高功能化、小型化等。以下说明用于平衡地得到这样的效果，并且实现更高的光学性能、小型化等的条件等。
优选满足以下的条件式(1a)。
0.5＜Tm1/Tw＜0.65…(1a)
该条件式(1a)在上述条件式(1)规定的条件范围内，规定基于上述观点等的更优选的条件范围。因此，通过优选满足条件式(1a)，能够进一步增大上述效果。
优选满足以下的条件式(2a)。
T12w/Tw＜0.15…(2a)
该条件式(2a)在上述条件式(2)规定的条件范围内，规定基于上述观点等的更优选的条件范围。因此，通过优选满足条件式(2a)，能够进一步增大上述效果。
优选分别相邻地位于上述中间像的放大侧和缩小侧的正透镜均为在中间像侧凹陷的正弯月形透镜。根据该构成，中间像前后的透镜相对于中间像成为对称系，所以在中间像前后的透镜在相反方向产生像差，能够消除整体的像差。另外，通过使透镜形状为弯月形状，特别是能够减小在各个透镜产生的失真，所以能够进一步改善轴外像差性能。
优选在上述单焦点透镜的情况下满足以下的条件式(3)，在上述变焦透镜的情况下在广角端满足以下的条件式(3)。
1＞|β2|＞0.5…(3)
其中，
β2：第二光学系统的近轴倍率(这里，将近轴倍率设为[在图像显示面的图像尺寸]/[中间像尺寸]。)。
条件式(3)规定第二光学系统的近轴倍率。若在条件式(3)的上限以上，则使图像显示面的图像在中间像变小，所以成为在中间像附近的轴外光线通过位置变小，而不容易修正轴外像差的趋势。若在条件式(3)的下限以下，则中间像变得过大，也较大地产生在中间像的像差，所以成为不容易减小在投影像的像差的趋势。因此，优选在该条件式(3)的范围内，通过满足条件式(3)，能够在广角端进一步改善轴外像差。
优选在上述单焦点透镜的情况下满足上述条件式(3)，在上述变焦透镜的情况下在全变倍域满足上述条件式(3)。通过在全变倍域满足条件式(3)，不仅在广角端也能够在全变倍域得到良好的轴外像差。
优选满足以下的条件式(4)。
0.3＜f1/f2＜3…(4)
其中，
f1：相邻地位于中间像的放大侧的正透镜的焦距，
f2：相邻地位于中间像的缩小侧的正透镜的焦距。
条件式(4)规定中间像前后的透镜的焦距之比。若在条件式(4)的上限以上，则成为中间像放大侧的透镜不具有能够修正在中间像缩小侧的透镜产生的轴外像差的屈光力的趋势，所以在中间像前后的透镜产生的轴外像差容易残留。在条件式(4)的下限以下的情况也相同，成为不能够在中间像缩小侧的透镜修正在中间像放大侧的透镜产生的轴外像差的趋势，所以轴外像差也容易残留。因此，优选在该条件式(4)的范围内，通过满足条件式(4)，若使中间像前后的透镜的焦距差减少，则能够消除在中间像前后的像差进一步改善轴外像差。
优选满足以下的条件式(4a)。
0.3＜f1/f2＜2…(4a)
该条件式(4a)在上述条件式(4)规定的条件范围内，规定基于上述观点等的更优选的条件范围。因此，通过优选满足条件式(4a)，能够进一步增大上述效果。
优选上述第二光学系统具有负透镜，作为在最靠近中间像侧的上述正透镜的缩小侧相邻的透镜。根据该构成，能够进一步提高中间像缩小侧的正透镜的轴外光线通过位置，能够进一步改善轴外像差。
优选为通过使由上述第一、第二光学系统中的至少一方的一部分构成的透镜组沿着光轴移动进行变倍的变焦透镜。根据该构成，即使在有宽度、设置场所的制约的情况下也能够以良好的性能进行大画面投影。
优选仅在上述第二光学系统有为了上述变倍而移动的透镜组。根据该构成，能够在变倍时使容易产生轴外像差的第一光学系统固定，能够进一步减小变倍时的轴外像差的产生。
优选上述第二光学系统在最靠近中间像侧具有在上述变倍时可动且具有正的屈光力的第2a透镜组。根据该构成，通过提高在第2a透镜组的光线通过位置，并使第2a透镜组在变倍时移动，能够进一步减小变倍时的轴外像差变动。
优选满足以下的条件式(5)。
T2/Tw＜0.1…(5)
其中，
T2：第2a透镜组的变焦时的从最靠近缩小侧位置到最靠近放大侧位置为止的移动量，
Tw：从第一光学系统中最靠近放大侧的透镜面到第二光学系统中最靠近缩小侧的透镜面为止的轴上距离。
条件式(5)规定第2a透镜组的移动量。若满足条件式(5)，则第2a透镜组的移动量变小，所以能够较高地维持变倍时的第2a透镜组上的轴外光线通过位置，更有效地抑制变倍时的轴外像差变动。
优选满足以下的条件式(5a)。
T2/Tw＜0.01…(5a)
该条件式(5a)在上述条件式(5)规定的条件范围内，规定基于上述观点等的更优选的条件范围。因此，通过优选满足条件式(5a)，能够进一步增大上述效果。
优选上述第二光学系统在上述第2a透镜组的缩小侧具有至少一个在上述变倍时可动的透镜组。在仅利用一个透镜组进行变倍的情况下，产生变倍时的背景变动，但若在变倍时追加至少一个可动的透镜组，则能够有效地抑制变倍时的背景变动以及像差变动。
优选上述第二光学系统从放大侧开始依次由上述第2a透镜组、在变倍时可动且具有正的屈光力的第2b透镜组、在变倍时可动且具有正的屈光力的第2c透镜组、以及在变倍时固定且具有正的屈光力的第2d透镜组构成。通过具有三个在变倍时移动的正屈光力的透镜组，能够抑制变倍时的远心性的变动。为了发挥具有上述的特征构成的投影光学系统的效果，需要增大中间像，但若通过正屈光力的第2b透镜组使轴外光线向光轴的相反侧较大地跳起，然后通过正屈光力的第2c透镜组和第2d透镜组使该跳起的轴外光线弯曲，则能够得到与光轴平行的轴外光。另外，通过在变倍时使第2b透镜组和第2c透镜组移动，能够进一步抑制变倍时的像差变动。
接下来，列举第一～第三实施方式，对投影光学系统LN的具体的光学构成进行说明。图1是与构成第一实施方式的投影光学系统LN对应的光学构成图，对广角端(W)和望远端(T)的各个以光学剖面示出作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。图2、图3是分别与构成第二、第三实施方式的投影光学系统LN对应的光学构成图，以光学剖面示出作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。此外，棱镜PR(例如，TIR(Total Internal Reflection：全内反射)棱镜、分色合成棱镜等)、以及图像显示元件的防护玻璃CG位于投影光学系统LN的缩小侧。
第一～第三实施方式的投影光学系统LN从放大侧开始依次由第一光学系统LN1(从第一面到中间像面IM1之前为止)、和第二光学系统LN2(从中间像面IM1之后到最终透镜面为止)构成，成为由第二光学系统LN2形成显示在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，并由第一光学系统LN1对该中间像IM1进行放大投影的构成。此外，开口光圈ST位于第二光学系统LN2的中央附近(例如在第一实施方式中，位于第2c透镜组Gr2c的最靠近放大侧)。
第一实施方式(图1)是整体由三十个透镜成分构成的不包含非球面的球面透镜系统，放大侧的十七个是进行中间像IM1的放大投影的第一光学系统LN1，缩小侧的十三个是形成中间像IM1的第二光学系统LN2。第一光学系统LN1作为整体由正的第一透镜组Gr1构成，第二光学系统LN2由从放大侧开始依次为正正正正的第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构成，固定变焦时的中间像IM1的位置仅利用第二光学系统LN2进行变倍(正正正正正的五组变焦构成)。
图1中的箭头m1、m2a、m2b、m2c、m2d分别示意地示出从广角端(W)向望远端(T)的变焦时的第一透镜组Gr1、第2a～第2d透镜组Gr2a～Gr2d的移动或者固定。换句话说，构成为第一透镜组Gr1以及第2d透镜组Gr2d成为固定组，第2a～第2c透镜组Gr2a～Gr2c成为移动组，通过分别使第2a～第2c透镜组Gr2a～Gr2c沿着光轴AX移动来进行变焦。在该从广角端(W)向望远端(T)的变倍时，第2a透镜组Gr2a按照放大侧凸的轨迹移动(U形回转移动)，第2b透镜组Gr2b和第2c透镜组Gr2c分别向放大侧单调地移动。
如上述那样在第一实施方式中，投影光学系统LN构成为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，来进行从广角端(W)到望远端(T)的变倍(即变焦)。由于第一透镜组Gr1以及第2d透镜组Gr2d的变焦位置固定，所以没有基于变倍的光学系统全长的变化，且移动部件减少，所以能够使变倍机构简单化。此外，位于第2d透镜组Gr2d的缩小侧的棱镜PR以及防护玻璃CG的变焦位置也固定。
第二光学系统LN2形成的中间像IM1在投影光学系统LN整体的中央附近，成为放大了图像显示面IM2的像。由此，能够提高中间像IM1附近的透镜上的轴外光线通过位置，能够不使用非球面而实现较高的光学性能。在中间像IM1的放大侧配置有具有在中间像IM1侧凹陷的弯月形状的正透镜Mp1，在中间像IM1的缩小侧从中间像IM1侧开始依次配置有具有在中间像IM1侧凹陷的弯月形状的正透镜Mp2、和具有在中间像IM1侧凹陷的弯月形状的负透镜Mn2。通过像这样适当地设定中间像IM1的前后的透镜构成，即使没有非球面也能够有效地抑制失真像差。因此，能够以低成本实现高性能的广角投影变焦透镜。
第二实施方式(图2)整体由三十二个透镜成分构成，放大侧的二十个是进行中间像IM1的放大投影的第一光学系统LN1，缩小侧的十二个是形成中间像IM1的第二光学系统LN2。在第一光学系统LN1中，从放大侧开始第四个透镜的放大侧面、和从中间像IM1侧开始第三个透镜的中间像IM1侧面为非球面。第一、第二光学系统LN1、LN2一起作为整体成为正的单焦点透镜，且构成为在第一光学系统LN1内部的第18面和第19面之间配置反射面从而能够改变投影方向。
第二光学系统LN2形成的中间像IM1在投影光学系统LN整体的中央附近，成为放大了图像显示面IM2的像。由此，能够提高中间像IM1附近的透镜上的轴外光线通过位置，能够不大量使用非球面而实现较高的光学性能。在中间像IM1的放大侧相邻地配置有具有在中间像IM1侧凹陷的弯月形状的正透镜Mp1，在中间像IM1的缩小侧从中间像IM1侧还是依次配置有具有在中间像IM1侧凹陷的弯月形状的正透镜Mp2、和具有双凹形状的负透镜Mn2。通过像这样适当地设定中间像IM1的前后的透镜构成，能够有效地抑制失真像差。因此，能够以低成本实现高性能的广角投影变焦透镜。
第三实施方式(图3)整体由三十一个透镜成分构成，放大侧的十九个是进行中间像IM1的放大投影的第一光学系统LN1，缩小侧的十二个是形成中间像IM1的第二光学系统LN2。在第一光学系统LN1中，从放大侧开始第三个透镜的放大侧面、和从中间像IM1侧开始第二个透镜的中间像IM1侧面为非球面。第一、第二光学系统LN1、LN2一起作为整体成为正的单焦点透镜，且构成为在第一光学系统LN1内部的第16面和第17面之间配置反射面从而能够改变投影方向。
第二光学系统LN2形成的中间像IM1在投影光学系统LN整体的中央附近，成为放大了图像显示面IM2的像。由此，能够提高中间像IM1附近的透镜上的轴外光线通过位置，能够不大量使用非球面而实现较高的光学性能。在中间像IM1的放大侧相邻地配置有具有双凸形状的正透镜Mp1，在中间像IM1的缩小侧从中间像IM1侧开始依次配置有具有在中间像IM1侧凹陷的弯月形状的正透镜Mp2、和具有双凹形状的负透镜Mn2。通过像这样适当地设定中间像IM1的前后的透镜构成，能够有效地抑制失真像差。因此，能够以低成本实现高性能的广角投影变焦透镜。
在形成中间像IM1的类型的投影光学系统中，由于透镜系统容易变长，所以在实现投影光学系统LN整体的小型化方面优选如第二、第三实施方式那样，通过在第一光学系统LN1中隔开空气间隔配置反射面，使投影光学系统LN为L形的弯曲光学系统。若在第一光学系统LN1的正中附近配置反射面，则能够减小反射面尺寸，所以能够进行进一步的小型化。
接下来，对具备上述投影光学系统LN的投影仪的一实施方式进行说明。图7示出投影仪PJ的示意结构例。该投影仪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、以及投影光学系统LN等。控制部5是负责投影仪PJ的整体控制的部分。图像显示元件4是对光进行调制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，且在该图像显示面IM2上设有防护玻璃CG。
从光源1(例如，氙气灯等白色光源、激光光源)射出的光利用照明光学系统2、反射镜3以及棱镜PR并导向图像显示元件4，在图像显示元件4中形成图像光。棱镜PR例如由TIR棱镜(除此之外有分色合成棱镜等)构成，进行照明光与投影光的分离等。在图像显示元件4形成的图像光被投影光学系统LN朝向屏幕面SC放大投射。换句话说，图像显示元件4所显示的图像IM2利用第二光学系统LN2成为中间像IM1，之后利用第一光学系统LN1被放大投影到屏幕面SC。
如上述那样，投影仪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的光导向图像显示元件4的照明光学系统2、以及将图像显示元件4所显示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的投影仪并不限定于此。例如，若使用通过图像显示面IM2自身的发光显示图像的图像显示元件，则也能够不需要照明，该情况下，能够不使用光源1、照明光学系统2而构成投影仪。
在投影光学系统LN中为了变焦、调焦而进行移动的透镜组连接有使它们分别沿着光轴AX向放大侧或者缩小侧移动的致动器6。而且在致动器6连接有用于进行移动组的移动控制的控制部5。此外，对于控制部5以及致动器6来说，也可以不使用它们而利用手动使透镜组移动。
实施例
以下，列举实施例的构造数据等对实施了本发明的投影光学系统的构成等进行更具体的说明。这里列举的实施例1～3(EX1～3)是分别与上述的第一～第三实施方式对应的数值实施例，表示第一～第三实施方式的光学构成图(图1～图3)分别示出对应的实施例1～3的透镜剖面形状、透镜配置等。
在各实施例的构造数据中，作为面数据，从左侧的栏开始依次表示面编号i、近轴的曲率半径r(mm)、轴上面间隔d(mm)、d线(波长587.56nm)相关的折射率nd、以及d线相关的阿贝数vd。此外，SC表示屏幕面，ST表示开口光圈，IM1表示中间像面，IM2表示图像显示面。
对面编号i附加＊的面是非球面，以使用了将面顶点作为原点的局部的正交坐标系(x，y，z)的以下的式(AS)定义其面形状。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，关于全部的数据为e－n＝×10-n。
z＝(c·h2)/[1+√{1－(1+K)·c2·h2}]+Σ(Aj·hj)…(AS)
其中，
h：与z轴(光轴AX)垂直的方向的高度(h2＝x2+y2)，
z：高度h的位置的光轴AX方向的垂度量(面顶点基准)，
c：面顶点的曲率(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的各种数据，示出变焦比(zoom ratio，变倍比)，并且对于各焦距状态W(Wide：广角)、M(Middle：中间焦距状态)、T(Tele：望远)，示出整个系统的焦距(Fl，mm)、F号(Fno.)、半视场角(ω，°)、像高(ymax，mm)、透镜全长(TL，mm)、后焦点(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)。另外，作为实施例2、3的各种数据，示出整个系统的焦距(Fl，mm)、F号(Fno.)、半视场角(ω，°)、像高(ymax，mm)、透镜全长(TL，mm)、以及后焦点(BF，mm)。其中，对于后焦点BF来说，根据空气换算长度记载从透镜最终面到近轴像面为止的距离，透镜全长TL是对从透镜最前面到透镜最终面为止的距离加上后焦点BF后的值。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)的TL－BF相当于轴上距离Tw。
表1对各实施例示出条件式对应值和相关数据。条件式相关数据例如是最大视场角(2ω，°)、第一光学系统LN1的焦距(fLN1，mm)、第二光学系统LN2的焦距(fLN2，mm)、第一光学系统中从最靠近放大侧的透镜面到最靠近中间像IM1侧的透镜面为止的轴上距离(Tm1，mm)、从第一光学系统LN1中最靠近放大侧的透镜面到第二光学系统LN2中最靠近缩小侧的透镜面为止的轴上距离(Tw，mm)、分别相邻地位于中间像IM1的放大侧和缩小侧的正透镜Mp1、Mp2的轴上空气间隔(T12w，mm)、正透镜Mp1、Mp2的焦距(f1，f2；mm)、第2a透镜组Gr2a的变倍域的从最靠近缩小侧位置到最靠近放大侧位置为止的移动量(T2，mm)。
图4是与实施例1(EX1)对应的像差图(无限远调焦状态下的纵像差图)，(A)～(C)示出广角端W的各像差，(D)～(F)示出中间焦距状态M的各像差，(G)～(I)示出望远端T的各像差。另外，在图4中，(A)、(D)、(G)是球面像差图，(B)、(E)、(H)是非点像差图，(C)、(F)、(I)是失真像差图。图5、6是与实施例2、3(EX2、3)对应的像差图(无限远调焦状态下的纵像差图)，(A)是球面像差图，(B)是非点像差图，(C)是失真像差图。
球面像差图分别以距离近轴像面的光轴AX方向的偏移量(单位：mm)表示以实线示出的相对于d线(波长587.56nm)的球面像差量、以点划线示出的相对于C线(波长656.28nm)的球面像差量、以及以虚线示出的相对于g线(波长435.84nm)的球面像差量，纵轴表示利用其最大高度将向瞳孔的入射高度标准化后的值(即相对瞳高)。在非点像差图中，虚线T以距离近轴像面的光轴AX方向的偏移量(单位：mm)表示相对于d线的切向像面，实线S以距离近轴像面的光轴AX方向的偏移量(单位：mm)表示相对于d线的矢状像面，纵轴表示像高(IMGHT，单位：mm)。在失真像差图中，横轴表示相对于d线的失真(单位：％)，纵轴表示像高(IMGHT，单位：mm)。
此外，在将各实施例作为投影光学系统LN使用于投影仪(例如液晶投影仪)PJ的情况下(图7)，本来屏幕面(被投影面)SC是像面且图像显示面IM2(例如液晶面板面)为物体面，但在各实施例中在光学设计上分别作为缩小系统，将屏幕面SC视为物体面(object)并在相当于像面(image)的图像显示面(缩小侧像面)IM2评价光学性能。而且，根据得到的光学性能可知，各实施例的投影光学系统LN不仅能够作为投影仪用的投影透镜使用，也能够合适地作为拍摄装置(例如摄像机，数字照相机)用的拍摄透镜使用。
实施例1
单位：mm
面数据
各种数据
变焦透镜组数据
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
非球面数据
非球面数据
各种数据
[表1]
附图标记说明
LN…投影光学系统，LN1…第一光学系统，LN2…第二光学系统，Gr1…第一透镜组，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…开口光圈，IM1…中间像(中间像面)，IM2…图像显示面(缩小侧像面)，Mp1…正透镜，Mp2…正透镜，Mn2…负透镜，PJ…投影仪，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。

Claims (13)

1.一种投影光学系统，是将显示在图像显示面的图像放大投影到视场角70°以上的投影光学系统，其特征在于，
是从放大侧开始在同一光轴上依次具有第一光学系统和第二光学系统的单焦点透镜或者变焦透镜，
上述第二光学系统形成上述图像的中间像，
上述第一光学系统放大投影上述中间像，
正透镜分别相邻地位于上述中间像的放大侧和缩小侧，
在上述单焦点透镜的情况下满足以下的条件式(1)以及(2)，
在上述变焦透镜的情况下在广角端满足以下的条件式(1)以及(2)，
0.4＜Tm1/Tw＜0.7…(1)
T12w/Tw＜0.2…(2)
其中，
Tm1：第一光学系统中从最靠近放大侧的透镜面到最靠近中间像侧的透镜面为止的轴上距离，
Tw：从第一光学系统中最靠近放大侧的透镜面到第二光学系统中最靠近缩小侧的透镜面为止的轴上距离，
T12w：分别相邻地位于中间像的放大侧和缩小侧的正透镜的轴上空气间隔。
2.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
分别相邻地位于上述中间像的放大侧和缩小侧的正透镜均为在中间像侧凹陷的正弯月形透镜。
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，
在上述单焦点透镜的情况下满足以下的条件式(3)，在上述变焦透镜的情况下在广角端满足以下的条件式(3)，
1＞|β2|＞0.5…(3)
其中，
β2：第二光学系统的近轴倍率(这里，将近轴倍率设为[在图像显示面的图像尺寸]/[中间像尺寸]。)。
4.根据权利要求1或者2所述的投影光学系统，其特征在于，
在上述单焦点透镜的情况下满足以下的条件式(3)，在上述变焦透镜的情况下在全变倍域满足以下的条件式(3)，
1＞|β2|＞0.5…(3)
其中，
β2：第二光学系统的近轴倍率(这里，将近轴倍率设为[在图像显示面的图像尺寸]/[中间像尺寸]。)。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的投影光学系统，其特征在于，
满足以下的条件式(4)，
0.3＜f1/f2＜3…(4)
其中，
f1：相邻地位于中间像的放大侧的正透镜的焦距，
f2：相邻地位于中间像的缩小侧的正透镜的焦距。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的投影光学系统，其特征在于，
上述第二光学系统具有负透镜，作为相邻地位于最靠近中间像侧的上述正透镜的缩小侧的透镜。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的投影光学系统，其特征在于，
是通过使由上述第一、第二光学系统中的至少一方的一部分构成的透镜组沿着光轴进行移动来进行变倍的变焦透镜。
8.根据权利要求7所述的投影光学系统，其特征在于，
仅在上述第二光学系统有为了上述变倍进行移动的透镜组。
9.根据权利要求7或者8所述的投影光学系统，其特征在于，
上述第二光学系统在最靠近中间像侧具有在上述变倍时可动且具有正的屈光力的第2a透镜组。
10.根据权利要求9所述的投影光学系统，其特征在于，
满足以下的条件式(5)，
T2/Tw＜0.1…(5)
其中，
T2：第2a透镜组的变焦时的从最靠近缩小侧位置到最靠近放大侧位置为止的移动量，
Tw：从第一光学系统中最靠近放大侧的透镜面到第二光学系统中最靠近缩小侧的透镜面为止的轴上距离。
11.根据权利要求9或者10所述的投影光学系统，其特征在于，
上述第二光学系统在上述第2a透镜组的缩小侧具有至少一个在上述变倍时可动的透镜组。
12.根据权利要求9～11中任意一项所述的投影光学系统，其特征在于，
上述第二光学系统从放大侧开始依次由上述第2a透镜组、在变倍时可动且具有正的屈光力的第2b透镜组、在变倍时可动且具有正的屈光力的第2c透镜组、以及在变倍时固定且具有正的屈光力的第2d透镜组构成。
13.一种投影仪，其特征在于，
具备具有上述图像显示面的图像显示元件、和将显示在上述图像显示面的图像放大投影到屏幕面的权利要求1～12中任意一项所述的投影光学系统。
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