CN110888288A - 投影光学系统及图像投影装置 - Google Patents

Abstract

一种投影光学系统及图像投影装置，投影光学系统是从图像显示面的一侧朝向被投影面的一侧依次配置折射光学系统和折射反射光学元件而成的，折射光学系统由多个透镜构成，折射反射光学元件具备具有反射面的反射面部件、以及与反射面紧贴配置的折射介质部，并构成为反射面部件与折射介质部在边界面被接合的独立的光学元件，在折射介质部形成有从折射光学系统出射的成像光束的入射面与出射面，反射面为具有折射能力的曲面，在折射光学系统和折射反射光学元件中，成像一个以上显示于图像显示面的图像的中间像，在折射反射光学元件的入射面与反射面之间，成像一个以上显示于图像显示面的图像的中间像。

Description

投影光学系统及图像投影装置

技术领域

本发明涉及投影光学系统及图像投影装置。

背景技术

在以照相机、投影仪为代表的使用了反射型的投影光学系统的图像投影装置等光学装置中，要求进一步的小型化，从而反射镜的小型化成为课题。

作为解决这样的问题的手段，已知例如一种折射反射元件，其兼备具有折射能力的透镜与曲面反射镜的性质(例如参照专利文献1、2等)。

但是，这样的折射反射元件通常曲面反射镜的反射面为非球面，作为透镜侧的入射面和出射面侧由同一球面构成，因此在两面成为不同的制造工序，产生导致成本的上升的课题。

专利文献1：日本专利第5274030号公报

专利文献2：日本专利第5632782号公报

发明内容

本发明是鉴于以上那样的课题所做出的，目的在于提供使用了易生产且价格低的折射反射元件的投影光学系统。

为了解决上述的课题，本发明所涉及的投影光学系将显示于图像显示元件的图像显示面的图像作为投影图像放大投影于被投影面上，所述投影光学系统是从所述图像显示面的一侧朝向所述被投影面的一侧依次配置折射光学系统和折射反射光学元件而成的，所述折射光学系统由多个透镜构成，所述折射反射光学元件具备具有反射面的反射面部件、以及与所述反射面紧贴配置的折射介质部，并构成为所述反射面部件与所述折射介质部在边界面被接合的独立的光学元件，在所述折射介质部形成有从所述折射光学系统出射的成像光束的入射面与出射面，所述反射面为具有折射能力的曲面，在所述折射光学系统和所述折射反射光学元件中，成像一个以上显示于所述图像显示面的图像的中间像，在所述折射反射光学元件的所述入射面与所述反射面之间，成像一个以上显示于所述图像显示面的图像的中间像。

根据本发明，能够制造简单且价格低的折射反射元件。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的图像投影装置的结构的一例的图。

图2是表示本发明的第一实施例中的透镜单元的构成的一例的图。

图3是本发明的第一实施例的像差图。

图4是本发明的第一实施例的彗差图。

图5是表示本发明的第二实施例的图。

图6是表示本发明的第三实施例的图。

图7是表示本发明的第四实施例的图。

图8是表示本发明的第五实施例的图。

附图标记说明

102…图像显示元件；10…折射光学系统；20…折射反射光学元件(接合透镜)；20A…折射反射光学元件的入射面；20B…折射反射光学元件的反射面；20C…折射反射光学元件的出射面；21…反射面部件；22…折射介质部；23…边界面；30…折射反射光学元件(接合透镜)；30A…折射反射光学元件的入射面；30B…折射反射光学元件的第一反射面；30C…折射反射光学元件的第二反射面；30D…折射反射光学元件的出射面；31…反射面部件；32…折射介质部；33…边界面；40…折射反射光学元件(D切透镜)；LN1～LN11…构成折射光学系统的透镜；S…孔径光圈；Im1…中间像。

具体实施方式

作为本发明的实施方式之一，将图像投影装置的构成的一例在图1中示出。

图像投影装置100具有：光源101，出射作为成像光束的光束L0；图像显示元件102，将应投影的图像显示于图像显示面，来对透射的光束施加图像信息。

图像投影装置100还具备：透镜单元200，具备用于将图像向作为被投影面的投影面104投影的投影光学系统；以及控制部，为了显示应投影于投影面104的图像而控制图像显示元件102。

光源101使用出射光线的作为发光源的卤素灯，大致平行地出射白色光。这里作为光源也可以使用金属卤化物灯、高压汞灯、LED。

光源101为白色光源，但也可以是使用多个激光光源那样的单色光源，将向与R、G、B等一个或多个基本色对应的波长转换后的光组合而成的光源、或者将转换后的光与该激光光源的单色光组合而成的光源。

图像显示元件102为通过使入射的光束透射来施加空间调制并出射而提供图像信息的图像显示单元，在本实施方式中，为DMD(数字微镜设备)那样的反射型的空间光调制元件。此外，图像显示元件102也可以是液晶面板，还可以使用自发光性的发光元件阵列。另外，图像显示元件102也可以显示从计算机等外部设备输入的图像，还可以显示由配置于图像投影装置内部的控制部构成的图像数据。

关于透镜单元200的构成进行说明。

将向透镜单元200的入射光的光轴即透镜光轴设为Z轴、将与Z轴垂直的方向中的与图2的纸面上下方向平行的轴定为Y轴，将与Z轴及Y轴分别垂直的轴定为X轴。此外，关于X轴、Y轴、Z轴各自的方向，将图2所示的箭头的方向分别定为正方向。

如图2所示，透镜单元200具有：在Z轴上配置并构成折射光学系统10的多个透镜LN1～LN11；以及作为折射反射光学元件的接合透镜20，位于比透镜LN11靠Z方向下游侧并用于将成像光束朝向投影面104投影。

即，在本实施方式中，透镜单元200构成作为“从图像显示面的一侧朝向投影面104的一侧依次配置折射光学系统和折射反射光学元件”而成的投影光学系统。

折射光学系统10为由多个透镜LN1～LN11构成的折射光学系统，也可以是上述透镜中的两个以上相互接合的接合透镜。另外，在本实施方式中，关于使用了11个透镜的构成进行叙述，但并不限定构成折射光学系统10的透镜的个数，只要配合各种光学设计条件来使用适当的个数即可。

接合透镜20具有：供来自折射光学系统10的成像光束L1入射的入射面20A；作为凹面反射镜发挥功能的反射面20B；以及出射面20C，将被反射面20B反射的成像光束L1作为投影光束L2出射。

对于接合透镜20而言，反射面部件21与折射介质部22在边界面23相互紧贴地设置，反射面部件21与折射介质部22一体形成并构成为“独立的光学元件”。

若从折射光学系统10出射的成像光束L1从接合透镜20的入射面20A入射，并从折射介质部22经由反射面部件21被反射面20B反射，则从出射面20C朝向作为被投影面的投影面104出射。

这里，接合透镜20的入射面20A、反射面20B、出射面20C中的至少反射面20B为“具有折射能力的曲面”，入射面20A、出射面20C中的至少一方可以具有折射能力。此外，这里，在具有折射能力的情况下，可以具有正、负任意的折射能力。另外，具有这样的折射能力的面的形状除凸球面、凹球面等球面形状以外，也可以是非球面形状、圆柱面那样的变形形状、自由曲面。

图像显示元件102的图像显示面与被放大投影于被投影面104的投影图像通过投影光学系统处于共轭关系。另外，在该投影光学系在接合透镜20的内部，换言之，在从向入射面20A入射起至在出射面20C出射为止的光路中的至少一个以上的位置，将显示于图像显示面的图像的“中间像”成像。

另外，此时为了在接合透镜20的内部将中间像成像一个以上，存在即使在折射光学系统10之中也暂时成像的情况。因此，中间像在投影光学系统整体之中成像一个以上。

反射面部件21在内表面侧具有凹面且非球面形状的反射面20B，并配置在折射介质部22的+Z方向侧。此外，在本实施方式中，与折射介质部22的边界面23为与XY平面平行的面，但并不限于这样的构成。

折射介质部22由玻璃、塑料等光学材料构成，在图2中的-Z方向侧的下部分形成有入射面20A，在图2中的-Z方向侧的上部分将出射面20C形成于同一球面上。

将该反射面部件21与折射介质部22通过边界面23接合，由此接合透镜20作为-Z方向侧的面为球面、+Z方向侧的面为非球面那样的折射反射光学元件发挥功能。

通常，在光学元件中，使用基于透镜抛光、模具的成型等。

但是，像这样与折射一起进行反射的情况下，透镜厚度增大而导致困难。

像本实施例那样，通过将反射面部件21与折射介质部22一体形成，从而能够制造更易制作且价格低的折射反射光学元件。

但是，仅将两个光学元件一体接合，则由于附着于边界面23上的异物等，存在带来光学性能的下降的担忧。

因此，在本实施例中，在图2中示出主要的光路图，中间像Im1在接合透镜20内部，具体地在接合透镜20的入射面20A与反射面20B之间至少形成一个。

像这样，中间像Iml配置于接合透镜20内部，由此能够抑制进入边界面23的异物等的缺陷的影响。

然后，在这种透镜单元200中，与具体光学系数据一起示出数值实施例。

如在图2中已示出那样，数值实施例中的折射光学系统10构成为从物侧朝向像侧依次排列11个透镜LN1～LN11。透镜LN2～LN4的3个被接合，在透镜LN4与透镜LN5之间配置于有孔径光圈S。

在孔径光圈S的像侧配置有7个透镜LN5～LN11。

接合透镜20为“双凸透镜形状”，入射面20A与出射面20C为同一透镜面，反射面20B将蒸镀形成于透镜面的反射膜形成为“反射面部件”。

另外，在数值实施例中，“斜光束”用作成像光束L1。即，如图2所示，显示于图像显示元件102的图像相对于投影光学系统的透镜光轴朝+Y方向侧偏移。作为成像光束L1的斜光束通过折射光学系统10和接合透镜20的入射面20A的正的折射能力，在折射介质部22的内部将中间像Im1成像为倒像。

以中间像Iml为物体，通过反射面20B与出射面20C的正的折射能力，投射图像被朝向投影面104放大投影。此外，关于之后的实施例，省略投影面104的图示。

位于比孔径光圈S靠像侧的透镜LN5～LN11中的、透镜LN9～LN11也可以使被反射面20B反射的成像光束L1为将不使用的透镜部分切除后的形状(例如，D切透镜那样的形状)，以便“没有遮挡”。

第一实施例的投影光学系统假定为将显示于具有像素数：1920×1080、间距：5.4μm的图像显示面的图像显示元件104的图像显示面的图像放大投影至具有94.7寸的对角长度的投影面104上的形态。

成像的物体高度为10mm，焦点距离：4.28mm。另外，开口数NA：0.2778，光学系统全长：193.28mm，成像倍率为201.6倍。投影距离为“-855mm”，投影倍率为“201.6倍”。

在以下所示的光学系数据中，“面编号”从缩小侧(图像显示面侧)朝向放大侧用数数的数字表示，将图像显示面作为物面“So”，将作为被投影面的屏幕的面设为“Si”。

“R”表示孔径光圈S的面、包含色合成棱镜P的各面的曲率半径(在非球面中为近轴曲率半径)。

“D”表示光轴上的面间隔。

“Nd”及“Vd”表示在各透镜的材质的d线的折射率与阿贝常数。

“有效直径”表示各面的光学有效直径。具有长度维度的量的单位只要没有特别说明则为“mm”。

曲率半径：在R的栏标注(※)的记号的面为“非球面”。

非球面使用非球面量：Z、距光轴的高度：r、圆锥常数：k、2次～20次的偶数次的非球面系数：A、B、…G、H、J，由周知的下式表示。

式1

将实施例的光学系统数据在表1中表示。

表1

面编号	R	D	Nd	vd	有效直径
						S0		0.703			20
S1		1.1	1.50999	63.6	20.195
						S2		1.5			20.394
S3		23	1.66672	48.3	20.809
						S4		5.3			24.59
S5		1.1	1.52301	58.6	26.053
						S6		4			26.251
S7	19.027(※)	9.42	1.58313	59.4	28.981
						S8	-53.724(※)	0.5			27.856
S9	59.271	8.24	1.72	43.7	24.6
						S10	-16.232	1.2	1.80611	40.7	23.027
S11	12.692	7.25	1.59349	67	17.975
						S12	-102.122	9.02			17
S13		9			14.236
						STO	47.209	2	1.80518	25.5	18.18
S15	26.358	20.30			18.717
						S16	250.657	12.95	1.59349	67	45.4
S17	-33.539	6.18			46.961
						S18	48.399	11.54	1.90366	31.3	47.16
S19	-111.367	2.83			45.609
						S20	-54.339	2.2	1.90366	31.3	44.944
S21	49.217	2.5			42.857
						S22	27.344(※)	4.42	1.509	56	44.383
S23	29.97(※)	3.14			44.666
						S24	39.239(※)	3	1.509	56	44.885
S25	26.243(※)	11.46			47.109
						S26	-31.632(※)	3.93	1.509	56	48.156
S27	149.708(※)	12.2			50.437
						S28	43.817	50	1.58313	59.4	52.378
S29	-34.258(※)	-50	1.58313	59.4	44.088
						S30	43.817	-855			69.341
Si		0

“非球面的数据”

将非球面数据在表2中示出。

在非球面的数据中，例如“-1.392830E-17”意味着“-1.392830×10^-17”。

如“表1”所示，度射折射光学元件的入射面(S28)、出射面(S30)为同一面且为“凸球面”，反射面(S29)为“相对于光轴旋转对称的非球面”。

表2

将实施例的像差图在图3和图4中示出。

图3是球差、像散、畸变的图。图4是彗差的图。

在像散的图中，“粗线”关于“子午光线”，“细线”关于“弧矢光线”。根据图3、图4可知，像差被良好地修正，实施例的投影光学系统为高性能。

在图5中，将图2所示的实施方式的第二实施例作为说明图示出。此外，在之后的实施例中，对于认为没有混淆的担忧的部件，标注与图2相同的附图标记并适当省略说明。特别是，折射光学系统10的各透镜面的形状按照表1、表2等所示的结构。

在图5所示的第二实施例中，构成为形成中间像Iml的位置位于与边界面23不重复的位置，并且成像光束L1中的、主要的光线集中的位置均配置于接合透镜20中的折射介质部22的内部。

通过该构成，中间像Iml不横跨边界面23，因此能够制造更简单且价格低的折射反射元件。

像这样，通过接合透镜20的边界面23与形成中间像Iml的位置配置成不重复，从而能够进一步降低边界面23中的污垢、异物等的影响。

另外，中间像Iml的成像位置由于光线集中而预想变成高温。若由于这样的温度上升，而产生接合透镜20的折射介质部22与反射面部件21之间的热膨胀差，则对光学性能影响较大。因此，通过为接合透镜20的内部、且设为与边界面23不重复的位置，更易降低该光线的集中及伴随于此的温度上升的影响，因此优选。另外，在组装透镜单元200时等，也没有与集光位置附近接触的担忧，因此优选。

在图6中，将图2所示的实施方式的第三实施例作为说明图示出。

在图6所示的第三实施例中，边界面23相对于XY平面具有弯曲的曲面形状。

通过该结构，还能够考虑边界面23的折射能力来进行调整，另外，根据边界面23的形状，通过考虑折射介质部22的形状、反射面部件21的形状，能够进行接合透镜20的进一步的小型化、更容易且低价地制造。

作为本发明的第四实施例，在图7中示出透镜单元300。此外，对透镜单元300中的、与已说明的第一实施例相同的结构标注同一附图标记并适当省略说明。

在透镜单元300中，接合透镜30在入射面30A与出射面30D之间具有第一反射面30B和第二反射面30C。

接合透镜30具备具有第一反射面30B的反射面部件31、和与反射面部件31紧贴地配置的折射介质部32，反射面部件31与折射介质部32构成为通过边界面33接合的独立的光学元件。

另外，“在折射介质部32形成从折射光学系统10出射的成像光束L1的入射面30A和出射面30D，在接合透镜30的入射面30A与反射面30B之间，将显示于图像显示面的图像的中间像Iml成像一个以上”。

即，换言之，本实施例中的接合透镜30具有多个反射面。另外，根据图7可清楚，上述两个反射面中的、第一反射面30B具有曲面形状，具备折射能力。另一方面，第二反射面30C具有与ZX平面平行的平面形状，不具有折射能力。

即，在本实施例中。“折射反射光学元件具有沿与折射光学系统的透镜的光轴平行的方向延伸的第二反射面”。

像这样，通过接合透镜30具有多个反射面，从而在折射介质部32透射的光路的距离延长，因此即使对折射介质部32使用折射率小的材料，也能够在维持接合透镜30整体的折射能力的同时进行小型化。即，有助于透镜单元300的低成本化与小型化。

另外，根据将接合透镜30具有的多个反射面中的至少一个反射面设为沿与透镜的光轴平行的方向延伸的第二反射面30C，由于能够抑制接合透镜30中的第二反射面30C的能量的影响，因此更加优选。

然后，作为本发明的第五实施例，关于图8所示的结构进行说明。

在该第五实施例中，代替在第四实施例中使用的接合透镜30，而使用作为折射反射光学元件的D切透镜40。此外，关于折射光学系统10，为了避免说明的烦杂化，作为与第一实施方式同样的结构省略说明。

如图8所示，本实施方式中的D切透镜40构成为独立的光学元件。即，为不具有边界面的独立的光学元件。

另外，D切透镜40具有入射面40A和出射面40D，并分别具有配置在入射面40A与出射面40D的光路上，具有曲面形状的第一反射面40B、和具有与XZ平面平行的平面形状的第二反射面40C。

在该结构中，D切透镜40的材质例如希望使用在第一实施方式中作为折射介质部22使用的光学材料等。

另外，在本实施方式中，D切透镜40的+Z方向侧的表面具有作为第一反射面40B的功能，通过该结构，能够制造简单且价格低的折射反射元件。

另外，在本实施方式中，第一反射面40B为形成于D切透镜40的+Z方向侧的面的金属薄膜，但并不限于该结构。

在本实施方式中，第二反射面40C为不具有与XZ平面平行的平面状的折射能力的反射面，但并不限于该结构，第一反射面40B或第二反射面40C中的任一个具有折射能力即可。

在第三实施方式中，具有如下结构，即“从图像显示面的一侧朝向被投影面的一侧依次配置折射光学系统与折射反射光学元件而成，上述折射光学系统由多个透镜构成，上述折射反射光学元件构成为具有第一反射面、第二反射面、以及与上述反射面紧贴地配置的折射介质部的独立的光学元件，在上述折射介质部形成有从上述折射光学系统出射的成像光束的入射面与出射面，上述第一反射面和第二反射面中的至少一个为具有折射能力的曲面，在上述折射光学系统和上述折射反射光学元件中，成像一个以上显示于上述图像显示面的图像的中间像，在上述折射反射光学元件的上述入射面与上述反射面之间，成像一个以上显示于上述图像显示面的图像的中间像”。

通常，已知对于光学材料而言，越是高折射率的材料，越能够通过小型的透镜实现要求的折射能力，因此优选，但存在这样的高折射率的光学材料价格高，或者不易加工等的问题。但是，在本实施方式中，在第一反射面40B与第二反射面40C之间反射成像光束L1，并能够不改变折射反射光学元件的尺寸地加长内部的光路长度，从而即使使用更小型化、比较低的折射率的光学材料，也能够带给透镜单元300所希望的光学性能。

根据该结构，在折射反射光学元件的内部形成中间像Im1，并且由于被多次反射，因此能够确保光路长度较长而有助于D切透镜40的低成本与小型化。

以上，对发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限于上述的特定的实施方式，只要在上述的说明中未被特别限定，则能够在权利要求书记载的发明的主旨的范围内进行各种变形/变更。

例如，折射反射光学元件为“独立的光学元件”，但“单独”是形态上的。在此基础上，对折射介质部为单独构造的情况进行了说明，但作为折射介质部的构造，并不限于此，例如，如接合透镜形态那样，也可以是两个以上不同的光学介质的复合的构造。若将折射介质部像这样由多个光学介质构成，则调整投影光学系统的性能的参数增加，因此投影光学系统的设计变得容易。

本发明的实施方式所记载的效果不过是列举了由发明产生的适当的效果，发明的效果并不限定于“实施方式所记载的内容”。

Claims (7)

1.一种投影光学系统，将显示于图像显示元件的图像显示面的图像作为投影图像放大投影于被投影面上，其特征在于，

所述投影光学系统是从所述图像显示面的一侧朝向所述被投影面的一侧依次配置折射光学系统和折射反射光学元件而成的，

所述折射光学系统由多个透镜构成，

所述折射反射光学元件具备具有反射面的反射面部件、以及与所述反射面紧贴配置的折射介质部，并构成为所述反射面部件与所述折射介质部在边界面被接合的独立的光学元件，在所述折射介质部形成有从所述折射光学系统出射的成像光束的入射面与出射面，所述反射面为具有折射能力的曲面，

在所述折射光学系统和所述折射反射光学元件中，成像一个以上显示于所述图像显示面的图像的中间像，

在所述折射反射光学元件的所述入射面与所述反射面之间，成像一个以上显示于所述图像显示面的图像的中间像。

2.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，

所述边界面为平面。

3.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，

所述边界面为曲面。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的投影光学系统，其特征在于，

所述中间像在与所述边界面不重复的位置被成像。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的投影光学系统，其特征在于，

所述折射反射光学元件具有沿与所述折射光学系统的透镜的光轴平行的方向延伸的第二反射面。

6.一种投影光学系统，将显示于图像显示元件的图像显示面的图像作为投影图像放大投影于被投影面上，其特征在于，

所述投影光学系统是从所述图像显示面的一侧朝向所述被投影面的一侧依次配置折射光学系统与折射反射光学元件而成的，

所述折射光学系统由多个透镜构成，

所述折射反射光学元件构成为具有第一反射面、第二反射面、以及与所述反射面紧贴配置的折射介质部的独立的光学元件，

在所述折射介质部形成有从所述折射光学系统出射的成像光束的入射面与出射面，所述第一反射面和所述第二反射面中的至少一个为具有折射能力的曲面，在所述折射反射光学元件的所述入射面与所述反射面之间，成像一个以上显示于所述图像显示面的图像的中间像。

7.一种图像投影装置，其特征在于，具有：

权利要求1至6中的任一项所述的投影光学系统；

光源；以及

图像显示元件，将图像显示于图像显示面。

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