CN110873949B - 投影光学系统及图像投影装置 - Google Patents

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Abstract

一种投影光学系统及图像投影装置，投影光学系统是从缩小侧到放大侧依次配置第一折射光学系统、反射光学系统及第二折射光学系统而成的，反射光学系统具有凹面镜，第一折射光学系统具有将显示于图像显示元件的图像的中间图像成像于凹面镜的缩小侧的功能，第二折射光学系统为透镜系统，且具有一个以上非球面，将第一折射光学系统的光轴作为基准光轴，并将图像显示元件的有效图像显示区域中以距基准光轴最远的位置为物点的主光线作为最外角主光线，从最外角主光线入射凹面镜的位置到基准光轴之间的光路长度DM、在第二折射光学系统中从最外角主光线朝向配置于最靠近放大侧的透镜的入射面的入射位置到基准光轴之间的光路长度DR满足第一条件。

Description

投影光学系统及图像投影装置
技术领域
本发明涉及一种投影光学系统及图像投影装置。
背景技术
“图像投影装置”作为投影仪装置已广为人知，并且已对此提出了各种方案。
已经提出了各种类型的投影光学系统作为用于图像投影装置来将显示于图像显示元件的图像作为放大图像投影在被投影面上，作为其中的一种类型，已知有包括折射光学系统和具有折射力的反射光学系统、将通过反射光学系统来反射从配置于图像显示元件侧的折射光学系统出射的成像光束并使其在被投影面上成像的类型(专利文献1等)。
专利文献1：日本特愿2014-80509
发明内容
本发明的课题在于实现具有折射光学系统和反射光学系统的新型投影光学系统。
本发明的投影光学系统是一种将显示于图像显示元件的图像作为放大图像投影在被投影面上的投影光学系统，所述投影光学系统是从缩小侧朝向放大侧依次配置第一折射光学系统、反射光学系统及第二折射光学系统而成的，所述反射光学系统具有一个凹面镜，所述第一折射光学系统具有将显示于所述图像显示元件的图像的中间图像成像于所述凹面镜的所述缩小侧的功能，所述第二折射光学系统是透镜系统，且具有一个以上非球面，将所述第一折射光学系统的光轴作为基准光轴，并将在所述图像显示元件的有效图像显示区域中以距离所述基准光轴最远的位置为物点的主光线作为最外角主光线，从所述最外角主光线入射到所述凹面镜的位置到所述基准光轴之间的光路长度DM、在所述第二折射光学系统中从配置于最靠近放大侧的透镜的入射面到所述基准光轴之间的光路长度DR满足第一条件：0.2<DR/DM<3.0。
根据本发明，能够实现具有折射光学系统和反射光学系统的新型投影光学系统。
附图说明
图1为用于说明投影光学系统的实施例1的图。
图2为用于说明投影光学系统的实施例2的图。
图3为用于说明投影光学系统的实施例3的图。
图4为用于说明投影光学系统的实施例4的图。
图5为用于说明投影光学系统的实施例5的图。
图6为用于说明投影光学系统的实施例6的图。
图7为用于说明投影光学系统的实施例7的图。
图8为用于说明投影光学系统的实施例8的图。
图9为用于说明投影光学系统的实施例9的图。
图10为表示实施例1的数据的图。
图11为表示实施例1的非球面数据的图。
图12为实施例1的像差图。
图13为表示实施例2的数据的图。
图14为表示实施例2的非球面数据的图。
图15为实施例2的像差图。
图16为表示实施例3的数据的图。
图17为表示实施例3的非球面数据的图。
图18为实施例3的像差图。
图19为表示实施例4的数据的图。
图20为表示实施例4的非球面数据的图。
图21为实施例4的像差图。
图22为表示实施例5的数据图。
图23为表示实施例5的非球面数据的图。
图24为实施例5的像差图。
图25为表示实施例6的数据的图。
图26为表示实施例6的非球面数据的图。
图27为实施例6的像差图。
图28为表示实施例7的数据的图。
图29为表示实施例7的非球面数据的图。
图30为实施例7的像差图。
图31为表示实施例8的数据的图。
图32为表示实施例8的非球面数据的图。
图33为实施例8的像差图。
图34为表示实施例9的数据的图。
图35为表示实施例9的非球面数据的图。
图36为实施例9的像差图。
图37为列表表示实施例1至实施例9中的条件的参数的值的图。
附图标记说明
10…图像显示元件的图像显示面；Elm…有效图像显示区域；11…颜色合成棱镜；I…第一折射光学系统；II…反射光学系统(凹面镜)；III…第二折射光学系统。
具体实施方式
在说明具体的实施方式之前，将对本发明的结构进行说明。
本发明的投影光学系统具备如下“基本结构”。
即，一种投影光学系统，将显示于图像显示元件的图像作为放大图像投影在被投影面上，所述投影光学系统是从缩小侧朝向放大侧依次配置第一折射光学系统、反射光学系统、第二折射光学系统而成的，“反射光学系统”具有一个凹面镜。
“第一折射光学系统”在系统内具有光圈，并具有将显示于图像显示元件的图像的中间图像成像于凹面镜的缩小侧的功能。
“第二折射光学系统”是透镜系统，具有一个以上非球面。
由于第二折射光学系统是透镜系统，因此，它能够由一个以上透镜构成。需要指出，缩小侧是图像显示元件侧，放大侧是被投影面侧。
在该基本结构中，将所述第一折射光学系统的光轴作为“基准光轴”，并将所述图像显示元件的有效图像显示区域中以距离所述基准光轴最远的位置为物点的主光线作为“最外角主光线”。
“有效图像显示区域”是指在图像显示元件的显示面中“应该被投影光学系统作为放大图像投影的图像”所显示的面积区域。
此时，从所述最外角主光线入射到所述凹面镜的位置到所述基准光轴之间的光路长度DM、在所述第二折射光学系统中从配置于最靠近放大侧的透镜的入射面到所述基准光轴之间的光路长度DR满足条件(1)：0.2<DR/DM<3.0，将该投影光学系统的结构称为“结构1”。
另外，在所述基本结构中，从最外角主光线朝向最靠近放大侧的透镜的入射面的入射位置距离所述基准光轴的高度YLB、所述反射光学系统的凹面镜的镜面上的所述最外角主光线距离所述基准光轴的高度YMR满足条件(2)：0.2<YLBYMR<3.5。将此时的投影光学系统的结构称为“结构2”。
在所述基本结构中，所述基准光轴与有效图像显示区域之间的最大高度Yi、从最靠近所述图像显示面侧的透镜面到所述凹面镜的镜面的所述基准光轴上的距离OAL满足条件(3)：5.0<OAL/Yi<30.0。将此时的投影光学系统的结构称为“结构3”。
在基本结构中，所述第一折射光学系统的焦距f1A、整个系统的焦距f满足条件(4)：0.04<f/f1A<0.5。将此时的投影光学系统的结构称为“结构4”。
在基本结构中，从所述基准光轴到所述有效图像显示区域的最大高度Yi、从所述凹面镜的所述最外角主光线距离所述基准光轴的高度YMR满足条件(5)：1.5<YMR/Yi<5.0。将此时的投影光学系统的结构称为“结构5”。
在基本结构中，当由在所述第一折射光学系统中最靠近放大侧的透镜的顶点到每个图像高度处的主光线与上光线或下光线相交的位置中更靠近所述图像显示面的位置的距离来定义所述中间图像时，在所述有效图像显示区域中最靠近所述基准光轴的图像高度处的中间图像位置TA、距离所述基准光轴最远图像高度处的中间图像位置TB满足条件(6)：0.10<TB/TA<0.80。将此时的投影光学系统的结构称为“结构6”。
在基本结构中，被反射至所述凹面镜反射的所述最外角主光线相对于所述基准光轴的角θ满足条件(7)：1.5<tanθ<10.0。将此时的投影光学系统的结构称为“结构7”。
在基本结构中，将满足所述条件(1)至条件(7)中的任意的两个以上条件的投影光学系统的结构称为“结构8”。
本发明的图像投影装置具有：图像显示元件，及将显示于图像显示元件的图像投影在被投影面上作为放大图像的投影光学系统。作为所述投影光学系统，可以使用上述结构1至结构8中的任何一种结构。
下面，将对条件(1)至条件(7)的意义进行说明。
如果条件(1)的参数DR/DM超过下限值，则第二折射光学系统和凹面镜会靠近，因此，会出现诸如像面弯曲、畸变等“像差校正”方面的不利。另外，如果超过上限值，则第二折射光学系统和凹面镜之间的距离变长，这在像差校正方面是有利的。但是，这容易使第二折射光学系统、甚至投影光学系统大型化。
如果条件(2)的参数YLB/YMR超过下限值，则第二折射光学系统和凹面镜会靠近，因此，会出现诸如像面弯曲、畸变等“像差校正”方面的不利。另外，如果超过上限值，则第二折射光学系统将会变为远离光轴的方向，这在像差校正方面是有利的。但是，这容易使第二折射光学系统、甚至投影光学系统大型化。
如果条件(3)的参数OAL/Yi超过下限值，则投影透镜的总长度相对于图像尺寸会变短，从而将会使诸如像面弯曲等像差校正变得困难。另外，如果超过上限值，则有利于像差校正。但是，从第一折射光学系统的入射面到凹面镜的距离将会增大，从而容易导致投影光学系统大型化。
如果条件(4)的参数f/f1A超过下限值，则第一折射光学系统的焦距f1A将相对整个系统的焦距f变大，从而使广角化变得困难。如果超过上限值，则第一折射光学系统的焦距f1A相对整个系统的焦距f变小，这对广角化是有利的。但是，由于从第一折射光学系统出射的光线将会在凹面镜的前面成像为中间图像，因此，凹面镜的镜面尺寸将会变大，从而容易导致整个投影光学系统大型化。
如果条件(5)的参数YMR/Yi超过下限值，则凹面镜的尺寸会相对于有效图像显示区域变小，这对凹面镜的小型化是有利的。但是，凹面镜的放大倍数会变小，这对像差校正、广角化是不利的。如果超过上限值，则凹面镜的尺寸将会变大，这对像差校正是有利的。但是，这容易导致投影光学系统大型化。
如果条件(6)的参数TB/TA超过下限值，则最外角主光线上的中间图像位置会离开靠近基准光轴的图像高度处的中间图像位置,由此，在凹面镜的镜面上，光束直径将会变宽，这对像差校正是有利的,但是,这容易导致凹面镜的尺寸变大。如果超过上限值，则最外角主光线上的中间图像位置将会靠近光轴的图像高度处的中间图像位置，这对凹面镜的小型化是有利的，但是，凹面镜上的光束直径会变窄，这对像差校正是不利的。
条件(7)是对投影光学系统的广角化有利的条件，作为参数tanθ的值，条件(7)的范围是合适的。
下面，将说明本发明的实施方式。
图1至图9中示出了图像投影装置的主要部分，即示出了图像显示元件中的图像显示面和有效图像显示区域以及投影光学系统的结构。
按照图示的顺序，图1至图9对应于后述的实施例1至实施例9。
为了避免复杂，在图1至图9中符号通用。
即，关于投影光学系统，第一折射光学系统用符号I来表示，反射光学系统用符号II来表示，将第二折射光学系统用符号III来表示。虽然在实施例1至实施例9中，示出了“由一个透镜构成的结构”来作为第二折射光学系统III，但其并不限于此。第二折射光学系统III也可以由两个以上透镜系统构成。
图1至图9中，符号10表示图像显示元件中的“图像显示面”，显示于该图像显示面10的图像的“有效图像显示区域”用符号EIm来表示。
在图1至图9所示的实施方式中，假设将“彩色放大图像”投影在被投影面上(通常为“屏幕”，在下文中也称为屏幕。)，并假设用三块液晶面板作为图像显示元件。
当然，图像显示元件不限于液晶面板，也可以使用DMD(数字微镜器件)等。
在假设作为图像显示元件的三块液晶面板上，分别显示有对应于例如R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)的三原色的图像的颜色分量图像，通过各颜色的光进行照明，从而使透射光束或反射光束形成每种颜色的图像光。
以上每种颜色的图像光由在图中用符号11表示的“颜色合成棱镜”来合成。当合成的彩色成像光束入射到第一折射光学系统I，并从第一折射光学系统I出射时，作为“中间图像”成像后，其会入射到作为反射光学系统II的“凹面镜”，并在被反射时，入射第二折射光学系统III，从第二折射光学系统III出射后，成为投影光束，从而在图中未示出的屏幕上形成“彩色放大图像”。
下面，将具体举出实施例9的例子。
在实施例1至实施例9中，第一折射光学系统I在系统内均具有“光圈”。
在每个实施例的数据中，“i”表示在放大侧计数的表面(包含光圈的表面)的表面编号，其中，0是图像显示面10的表面，1是颜色合成棱镜11的入射面，“IMG”表示屏幕面。
“R”表示每个表面的曲率半径，“D”表示表面间距，“j”表示光学元件的编号，“Nd”表示光学元件的材料的d线的折射率”，“νd”表示“d线的阿贝数”。
另外，在每个实施例中所采用的非球面由熟知的下式来表示。
[数1]
Figure BDA0002183275830000081
需要指出，在每个实施例中，在图像显示元件的图像显示面10上所设置的有效图像显示区域EIm是以与图面正交的方向为长度方向的矩形形状。长度方向的中心位于图的平面内，并与第一成像光学系统的光轴即“基准光轴”处于同一平面。
在图的上下方向即“宽度方向”上，具有矩形形状的有效图像显示区域整体上位于比基准光轴更靠近图中的上方的位置。
实施例中的数值的单位是“mm”。
[实施例1]
图10示出了实施例1的数据。另外，图11示出了实施例1的非球面数据。
在“非球面数据”中，例如“7.582571E-17”用指数表示法表示为“7.582571×10-17”。这同样适用于以下的实施例2至实施例9中的非球面数据。
图12示出了实施例1的像差图。
在像差图中，从上图左侧开始依次示出“球差”、“像散”及“畸变”。
在像散的图中，“S”是弧矢方向，“T”是子午方向。像差图的下方的图是“慧差”的图。在与下面举出的实施例2至实施例9相关的像差图中，像差图的标记是相同。
[各种特性]
焦距3.62
NA 0.278
有效图像显示区域的最大高度13.195
[实施例2]
图13示出了实施例2的数据。另外，图14示出了实施例2的非球面数据。图15示出了实施例2的像差图。
[各种特性]
焦距3.46
NA 0.278
有效图像显示区域的最大高度13.2
[实施例3]
图16示出了实施例3的数据。另外，图17示出了实施例3的非球面数据。
图18示出了实施例3的像差图。
[各种特性]
焦距2.28
NA 0.250
有效图像显示区域的最大高度13.20
[实施例4]
图19示出了实施例4的数据。另外，图20示出了实施例4的非球面数据。图21示出了实施例4的像差图。
[各种特性]
焦距3.70
NA 0.250
有效图像显示区域的最大高度13.20
[实施例5]
图22示出了实施例5的数据。另外，图23示出了实施例5的非球面数据。图24示出了实施例5的像差图。
[各种特性]
焦距3.53
NA 0.278
有效图像显示区域的最大高度13.20
[实施例6]
图25示出了实施例6的数据。另外，图26示出了实施例6的非球面数据。图27示出了实施例6的像差图。
[各种特性]
焦距3.73
NA 0.278
有效图像显示区域的最大高度13.20
[实施例7]
图28示出了实施例7的数据。另外，图29示出了实施例7的非球面数据。图30示出了实施例7的像差图。
[各种特性]
焦距3.96
NA 0.278
有效图像显示区域的最大高度13.20
[实施例8]
图31示出了实施例8的数据。另外，图32示出了实施例8的非球面数据。图33示出了实施例8的像差图。
[各种特性]
焦距4.22
NA 0.313
有效图像显示区域的最大高度13.15
[实施例9]
图34示出了实施例9的数据。另外，图35示出了实施例9的非球面数据。图36示出了实施例9的像差图。
[各种特性]
焦距3.64
NA 0.227
有效图像显示区域的最大高度11.7
图37列表示出了上述条件(1)至条件(7)的各参数在实施例1至实施例9中的值。
从像差图可以看出，实施例1至实施例9的投影光学系统都具有良好的性能，特别是畸变得到了良好校正。这是由于第二折射光学系统III的透镜面所采用的非球面具有较大校正效果所致。
上面，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但是本发明并不限于上述特定的实施方式和实施例。除非在以上说明中有特别的限定，在权利要求书中所记载的本发明的主旨范围内，可以进行各种修改及改变。
还可以使构成第二折射光学系统的透镜，在图像投影装置中具有“玻璃盖片”的功能。
在本发明的实施方式中所记载的效果只是列举了由本发明产生的优选的效果，本发明的效果并不限于“实施方式中所记载的效果”。

Claims (9)

1.一种投影光学系统，将显示于图像显示元件的图像作为放大图像投影在被投影面上，其特征在于，
所述投影光学系统由在成像光束的光路上从缩小侧朝向放大侧依次配置的第一折射光学系统、反射光学系统及第二折射光学系统构成，
所述反射光学系统由一个凹面镜构成，
所述第一折射光学系统在系统内具有光圈并具有将显示于所述图像显示元件的图像的中间图像成像于所述凹面镜的所述缩小侧的功能，
所述第二折射光学系统由具有一个以上非球面的透镜系统构成，
将所述第一折射光学系统的光轴作为基准光轴，从所述图像显示元件朝向所述凹面镜的成像光束相对于所述基准光轴倾斜，所述凹面镜将入射的所述成像光束朝向相对于所述基准光轴倾斜的方向反射，并入射至所述第二折射光学系统，
所述第二折射光学系统的光轴与所述基准光轴一致，且所述第二折射光学系统位于所述第一折射光学系统与所述凹面镜之间，并且供从所述第一折射光学系统朝向所述凹面镜的成像光束的穿过的部分被裁切，并且所述第二折射光学系统使被所述凹面镜反射的成像光束朝向所述被投影面透射，
将在所述图像显示元件的有效图像显示区域中以距离所述基准光轴最远的位置为物点的主光线作为最外角主光线，
从所述最外角主光线入射至所述凹面镜的位置到所述基准光轴之间的光路长度DM、在所述第二折射光学系统中从所述最外角主光线朝向配置于最靠近放大侧的透镜的入射面的入射位置到所述基准光轴之间的光路长度DR满足第一条件：0.9≤DR/DM<3.0。
2.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
所述第二折射光学系统中的最外角主光线朝向最靠近放大侧的透镜的入射面的入射位置距离所述基准光轴的高度YLB、从所述反射光学系统的凹面镜的镜面上的所述最外角主光线距离所述基准光轴的高度YMR满足第二条件：0.2<YLB/YMR<3.5。
3.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
所述基准光轴与有效图像显示区域之间的最大高度Yi、从最靠近图像显示面侧的透镜面到所述凹面镜的镜面的所述基准光轴上的距离OAL满足第三条件：5.0<OAL/Yi<30.0。
4.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
所述第一折射光学系统的焦距f1A、整个系统的焦距f满足第四条件：0.04<f/f1A<0.5。
5.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
从所述基准光轴到所述有效图像显示区域的最大高度Yi、所述凹面镜上的所述最外角主光线距离所述基准光轴的高度YMR满足第五条件：1.5<YMR/Yi<5.0。
6.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
当由在所述第一折射光学系统中从最靠近放大侧的透镜的顶点到每个图像高度处的主光线与上光线或下光线相交的位置中更靠近图像显示面的位置的距离来定义所述中间图像时，
所述有效图像显示区域中，最靠近所述基准光轴的图像高度处的中间图像位置TA、距离所述基准光轴最远的图像高度处的中间图像位置TB满足第六条件：0.10<TB/TA<0.80。
7.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
被所述凹面镜反射的所述最外角主光线相对于所述基准光轴的角θ满足第七条件：1.5<tanθ<10.0。
8.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
所述投影光学系统满足以下第二条件至第七条件中的任意的两个以上条件，
设所述第二折射光学系统中的最外角主光线朝向最靠近放大侧的透镜的入射面的入射位置距离所述基准光轴的高度为YLB、从所述反射光学系统的凹面镜的镜面上的所述最外角主光线距离所述基准光轴的高度为YMR，第二条件为0.2<YLB/YMR<3.5，
设所述基准光轴与有效图像显示区域之间的最大高度为Yi、从最靠近图像显示面侧的透镜面到所述凹面镜的镜面的所述基准光轴上的距离为OAL，第三条件为5.0<OAL/Yi<30.0，
设所述第一折射光学系统的焦距为f1A、整个系统的焦距为f，第四条件为0.04<f/f1A<0.5，
设从所述基准光轴到所述有效图像显示区域的最大高度为Yi、所述凹面镜上的所述最外角主光线距离所述基准光轴的高度为YMR，第五条件为1.5<YMR/Yi<5.0，
所述有效图像显示区域中，设最靠近所述基准光轴的图像高度处的中间图像位置为TA、距离所述基准光轴最远的图像高度处的中间图像位置为TB，第六条件为0.10<TB/TA<0.80，
设被所述凹面镜反射的所述最外角主光线相对于所述基准光轴的角为θ，第七条件为1.5<tanθ<10.0。
9.一种图像投影装置，其特征在于，具有：
图像显示元件；以及
投影光学系统，将显示于所述图像显示元件的图像作为放大图像投影在被投影面上，
所述图像投影装置具有权利要求1至8中任一项所述的投影光学系统作为所述投影光学系统。
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