CN111699429A - 投影光学系统及图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明的技术问题在于实现折射/反射型的新型的投影光学系统。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到被投影面上，通过从所述图像显示面侧朝向所述被投影面侧依次配置折射光学系统和折射反射光学元件而成，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反射面和在该反射面的入射侧与所述反射面紧贴的折射介质的一个光学元件，在所述折射介质形成有入射面和出射面，所述反射面是具有折射能力的曲面，所述入射面和所述出射面中的至少一方具有折射能力，该投影光学系统使所述折射光学系统所出射的成像光束从所述折射介质的入射面入射到所述折射反射光学元件后被所述反射面反射，并从所述折射介质的出射面出射后在所述被投影面上成像为所述放大图像。

Description

投影光学系统及图像显示装置

技术领域

本发明涉及投影光学系统及图像显示装置。

图像显示装置可以以投影仪来实施。因此，下面还将图像显示装置称为“投影仪”。

背景技术

以往，已知有各种在图像显示元件的图像显示面显示图像、并通过投影光学系统将所显示的图像作为投影图像放大投影到被投影面(下面也称为“屏幕”)上的图像显示装置，但是近来，已知通过折射光学系统(透镜系统)与曲面镜的组合构成投影光学系统的图像显示装置(专利文献1、2)。

下面，为便于说明，将这样的“将折射光学系统和曲面镜组合构成的投影光学系统”称为“折射/反射型的投影光学系统”。

在折射/反射型的投影光学系统中，一般使从图像显示面经过折射光学系统后的成像光束通过曲面镜折返而反射到屏幕侧，并使曲面镜的折射能力发挥作用，在屏幕上成像投影图像。

因此，能够使图像显示装置中的图像显示元件和折射光学系统的一侧朝向屏幕侧，能够使图像显示装置接近屏幕，能够实现投影距离较短的所谓“超近距离投影仪”，所以近年来，各种类型的折射/反射型的投影光学系统正在被广泛地应用。

发明内容

本发明的技术问题在于实现折射/反射型的新型的投影光学系统。

本发明的投影光学系统是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到被投影面上的投影光学系统，该投影光学系统通过从所述图像显示面侧朝向所述被投影面侧依次配置折射光学系统和折射反射光学元件而成，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反射面部件和折射介质部的一个光学元件，所述反射面部件具有反射面，所述折射介质部紧贴于所述反射面，在所述折射介质部形成有入射面和出射面，所述反射面是具有折射能力的曲面，该投影光学系统使所述折射光学系统所出射的成像光束从所述折射介质部的入射面入射到所述折射反射光学元件后被所述反射面反射，并从所述折射介质部的出射面出射后在所述被投影面上成像为所述放大图像。

根据本发明，能够实现新型的投影光学系统。

附图说明

图1是示意性说明本发明的投影光学系统的图。

图2是示出投影光学系统的一实施方式的剖视图。

图3是示出用于实施投影光学系统的非球面的非球面数据的图表。

图4是示出投影光学系统的实施例中的球差、像散和歪曲像差的图。

图5是示出投影光学系统的实施例的彗形像差的图。

图6是用于说明图2所示的投影光学系统的变形例的图。

图7是用于说明图像显示装置的一实施方式的图。

具体实施方式

下面，对实施方式进行说明。

图1是示意性说明本发明的投影光学系统的图。

投影光学系统是拥有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到屏幕等被投影面上的功能的光学系统。

在图1中，附图标记10表示图像显示元件，附图标记12表示折射光学系统，附图标记14表示折射反射光学元件。

作为图像显示元件10，可以适当使用以往公知的各种元件，例如，液晶面板和/或DMD(Digital Micro Mirror Device，数字微镜器件)、LD那样的将微小的发光元件二维地阵列排列而成的发光元件阵列等。在这些图像显示元件中，显示作为由投影光学系统放大投影的对象的图像的面是“图像显示面”。

当图像显示元件10不拥有“发光元件阵列那样的发光功能”(液晶面板和/或DMD等)时，通过照明单元对显示于图像显示面的图像进行照明。

投影光学系统由折射光学系统12和折射反射光学元件14构成，从图像显示面(在图1中是图像显示元件10的右侧的面)侧朝向省略图示的被投影面侧，沿光路配置有折射光学系统12、折射反射光学元件14。

折射光学系统12由多个透镜构成。构成折射光学系统12的多个透镜中的两个以上也可以互相接合。

折射反射光学元件14由反射面部件140和折射介质部141构成。反射面部件140具有反射面14B，折射介质部141紧贴于反射面14B而设置，这些反射面部件140和折射介质部141一体地构成为“一个光学元件”。

折射介质部141由玻璃和/或塑料等光学材料构成，并形成有入射面14A和出射面14C。

如图1所示，来自图像显示元件10的图像显示面的光L0入射到投影光学系统的折射光学系统12，穿过构成折射光学系统12的多个透镜并受到各透镜的折射作用，成为成像光束L1而从折射光学系统12出射。

从折射光学系统12出射的成像光束L1从折射反射光学元件14的折射介质部141的入射面14A入射到折射介质部141，在反射面14B被反射后从出射面14C出射而成为投影光束L2，并被作为投影图像放大投影到被投影面上。

如上所述，折射反射光学元件14具有入射面14A、出射面14C和反射面14B。反射面14B形成为反射面部件140的表面。反射面部件140例如可以是直接蒸镀形成于折射介质部141的“反射膜”，但不限于此，也可以是将铝和/或银等“具有较高的表面反射率的金属”的表面形成为反射面形状的金属部件。

或者，也可以采用在形成有反射面形状的玻璃部件和/或树脂部件的上述反射面形状上形成反射膜的构成。

在图1中，折射反射光学元件14的入射面14A、反射面14B、出射面14C都被描绘为“平面形状”，但这是为了便于图示，实际上，入射面14A、反射面14B、出射面14C中，反射面14B是“具有折射能力的曲面”，将折射能力作用于成像光束L1。

即，图1所示的投影光学系统是将显示于图像显示元件10的图像显示面的图像作为投影图像放大投影到省略图示的被投影面上的投影光学系统，通过从图像显示面侧朝向被投影面侧依次配置折射光学系统12和折射反射光学元件14而成，折射光学系统12由多个透镜构成，折射反射光学元件14构成为具有反射面部件140和折射介质部141的一个光学元件，反射面部件140具有反射面14B，折射介质部141紧贴于该反射面，在折射介质部141上形成有入射面14A和出射面14C，反射面14B是具有折射能力的曲面，该投影光学系统使折射光学系统12所出射的成像光束L1从折射介质部141的入射面14A入射到折射反射光学元件14后被反射面14B反射，并从折射介质部141的出射面14C出射后在被投影面上成像为放大图像。

如上所述，折射反射光学元件14的入射面14A、反射面14B、出射面14C中，反射面14B是“拥有折射能力的曲面”，而入射面14A、出射面14C中的至少一方可以拥有折射能力。在这些入射面14A、出射面14C中，拥有折射能力的面为凸面(正折射能力)或凹面(负折射能力)。

拥有折射能力的面的曲面形状可以是凸球面、凹球面等球面形状、非球面形状、圆筒面那样的变形形状(アナモルフィックな形状)、自由曲面。

入射面14A和出射面14C可以是一方拥有正折射能力而另一方拥有负折射能力的形状，但也可以都是拥有正折射能力的形状(凸面)。另外，入射面14A、反射面14B和出射面14C也可以都是拥有正折射能力的形状，此时，反射面14B作为反射面形状形成为凹面。

图像显示元件10的图像显示面与放大投影于被投影面的投影图像通过投影光学系统处于共轭的关系。该共轭关系可以是简单的共轭关系，但也可以是入射到折射光学系统12的光束，在折射光学系统12与折射反射光学元件14的出射面14C之间，将显示于图像显示面的图像的“中间像”成像一个以上。中间像可以在折射光学系统12内成像，也可以在折射光学系统12与折射反射光学元件14之间成像，也可以在折射反射光学元件14的折射介质部141内成像。

当中间像在折射光学系统12与折射反射光学元件14之间成像时，将该中间像作为物体，投影图像在折射反射光学元件14的入射面14A、反射面14B、出射面14C的折射能力的作用下在被投影面上成像。因此，此时，入射面14A、出射面14C及反射面14B必须满足“合成的折射能力为正”。

作为中间像在折射反射光学元件14的折射介质部141内成像的情况，除了中间像在折射光学系统12和入射面14A的光学作用下成像的情况(第一种情况)和中间像在折射光学系统12、入射面14A和反射面14B的作用下成像的情况(第二种情况)以外，还可以有一种情况(第三种情况)，也就是在第一种情况下，将在折射光学系统12和入射面14A的光学作用下成像的中间像作为物体，通过反射面14B形成的其他中间像在折射介质部141内成像。

在第一种情况下，投影图像通过由反射面14B和出射面14C合成的正折射能力成像，因此可以允许出射面14C拥有正负任意的折射能力。在第二种及第三种情况下，投影图像通过出射面14C的折射能力成像，因此要求出射面14C拥有正折射能力。

如上所述，在折射反射光学元件14的折射介质部141形成有入射面14A和出射面14C，但这些入射面14A和出射面14C不需要是相互不同的光学面，入射面14A和出射面14C也可以是相同的面。

即，可以为入射面和出射面是相同的面的构成的折射反射光学元件。

反射面14B具有反射成像光束而使成像光束的方向偏向被投影面侧的功能，所以为了实现该功能，可以使反射面的中心法线相对于作为相同的面的入射面/出射面的中心法线倾斜。

然而，即使不这样做，也可以使入射面/出射面和反射面将光轴作为旋转对称轴。在这种情况下，通过使用“倾斜光束”作为成像光束，由反射面反射后的成像光束可以相对于向反射面入射的成像光束具有角度，并且由反射面反射后的成像光束可以投向被投影面。

入射面及与该入射面相同的面即出射面是凸球面，反射面是相对于光轴旋转对称的非球面，这种组合是一种良好的组合。

图2示出了投影光学系统的“一实施方式”。为了避免重复，当不会出现混淆时，使用与图1中的附图标记相同的附图标记。

在图2中，附图标记10A表示图像显示元件的图像显示面。

假设图2所示的投影光学系统是进行彩色图像的放大投影的彩色投影仪，作为图像显示元件假设是分别显示红、绿、蓝图像成分的三个液晶面板，图像显示面10A将这三个液晶面板的图像显示面合成一个面而示出。附图标记10B将各液晶面板的玻璃罩合成一个而示出，附图标记P表示“颜色合成棱镜”。另外，附图标记10C表示设置于颜色合成棱镜P的出射侧的玻璃罩。颜色合成棱镜P对于三个液晶面板是通用的。

投影光学系统由折射光学系统12和折射反射光学元件14构成，折射光学系统12配置于图像显示面10A侧，折射反射光学元件14配置于折射光学系统12的像侧。

折射光学系统12通过从物体侧朝向像侧依次排列十一个透镜LN1～LN11而构成。三个透镜LN2～LN4相接合，透镜LN4与透镜LN5之间配置有孔径光阑S。

在孔径光阑S的像侧，配置有七个透镜LN5～LN11。

折射反射光学元件14是“双凸透镜形状”，入射面14A和出射面14C是“相同的透镜面”，反射面14B是将蒸镀形成于透镜面的反射膜形成为“反射面部件”。

在本实施方式例中，使用了“倾斜光束”作为成像光束。即，如图所示，显示于图像显示面10A的图像相对于投影光学系统的光轴OX向“图中的上方”偏移。通过折射光学系统12和“折射反射光学元件14的入射面14A的正折射能力”，作为成像光束的倾斜光束在折射介质部内部将“显示于图像显示面10A的图像的中间像Im1”成像为倒立像。

投影图像以中间像Im1为物体，通过反射面14B和出射面14C的正折射能力被放大投影到省略图示的被投影面上。

在比孔径光阑S更靠近像侧的透镜LN5～LN11中，透镜LN9～LN11为：以由反射面14B反射并从折射反射光学元件14的出射面14C出射的成像光束不会被“踢开”(ケラない)的方式“切除不使用的透镜部分后的形状”。

需要说明的是，虽然能想到中间像Im1的成像位置会由于“光线的集中”而成为高温，但是在当前说明的实施方式中，由于中间像的成像位置是“折射介质部的内部”，所以没有不慎将手伸入而被烧伤的危险。

[实施例]

下面，举出在图2中示出了一实施方式的投影光学系统的具体的实施例。

假设该实施例的投影光学系统的像素数是1920×1080，像素间距是将显示于图像显示元件的图像显示面的图像放大投影到具有94.7英寸的对角线长度的屏幕上，其中图像显示元件拥有5.4μm的图像显示面。

成像的物高是10mm，焦距是4.28mm。另外，数值孔径NA是0.2778，光学系统全长是193.28mm，成像倍率是201.6倍。投影距离是“-855mm”，投影倍率是“201.6倍”。

下面所示的光学系统数据中，用从缩小侧(图像显示面10A侧)朝向放大侧计数的数字表示“面序号”，将图像显示面10A作为物面并设为“S0”，将作为被投影面的屏幕的面设为“Si”。

“R”表示孔径光阑S的面和/或包括颜色合成棱镜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”表示各透镜的材质在d线上的折射率和阿贝数。

“有效直径”表示各面的光学有效直径。除非另有说明，否则拥有长度维度的量的单位是“mm”。

曲率半径：在R栏中带有(※)记号的面是“非球面”。

用非球面量Z、距离光轴的高度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，通过公知的下式来表示非球面。

Z＝(1/R)r²/[1+√{1-(1+k)(1/R)²r²}]

+A·r⁴+B·r⁶+……+G·r¹⁶+H·r¹⁸+J·r²⁰

在表1中示出实施例的光学系统数据。

[表1]

非球面的数据

非球面数据在图2中以“图表”形式示出。

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

如表1所示，折射反射光学元件的入射面(S28)、出射面(S30)是相同的面且是“凸球面”，反射面(S29)是“相对于光轴旋转对称的非球面”。

在图4及图5中示出实施例的像差。

图4是球差、像散和歪曲像差的图。图5是彗形像差的图。

在像散图中，粗线是关于“子午光束”的线，细线是关于“弧矢光束”的线。从图4、图5可知，良好地校正了像差，实施例的投影光学系统为高性能系统。

在图6中，以说明图的形式示出了图2中示出的实施方式的变形例。为了避免重复，当不会出现混淆时，标注了与图2中的附图标记相同的附图标记。

图6的实施方式例与图2所示的实施方式例的不同之处在于“具有散热部14D”。折射反射光学元件14的反射面部件是蒸镀形成的“反射膜”，其折射介质部侧是反射面，能想到需要反射的成像光束的照射会导致反射面部件升温。

反射面部件的升温可能会导致折射介质部的温度上升和热膨胀，使折射反射光学元件14的光学特性发生变化。为了防止这种情况，优选如图6所示，设置散热部14D，进行反射面部件的散热，减轻反射面部件中的蓄热。

“散热部”可以是形成于反射面部件的散热片那样的“散热结构”，也可以通过将由导热性比反射面部件高的材质制成的散热器接合于反射面部件，或粘贴导热片材，或涂敷或涂装金属等导热体来构成。

图7示出图像显示装置的一实施方式。

作为图像显示装置的投影仪PR在壳体内具有如图2所示的投影光学系统(省略图示)和控制部CT。控制部CT控制“照明系统和图像显示元件(均省略图示)”。显示的图像从计算机等外部装置以图像信号的形式输入到控制部CT，控制部CT按照图像信号控制图像显示元件，将需要投影的图像显示于图像显示面。所显示的图像被控制部CT所控制的照明系统照射，并通过投影光学系统，作为放大后的投影图像投影到作为被扫描面的屏幕SC上。

作为投影光学系统，可以使用权利要求1～9中任一项所述的投影光学系统，具体而言，可以使用实施例的投影光学系统。

上面对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的特定实施方式，只要在上述说明中没有特别限定，就能够在权利要求书所记载的发明主旨的范围内进行各种变形及变更。

例如，折射反射光学元件是“一个光学元件”，但“一个”是针对形式而言。上面说明了折射介质部是单个结构的情况，但是折射介质部的结构不限于此，例如，也可以是诸如胶合透镜形式的两种以上的不同光学介质的复合结构。当折射介质部像这样由多个光学介质构成时，用于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。

本发明的实施方式中记载的效果只是列举了本发明所带来的优异效果，本发明的效果不限于“实施方式中记载的效果”。

附图标记说明

10A…图像显示面；12…折射光学系统；14…折射反射光学元件；140…反射面部件；14A…折射反射光学元件14的入射面；14B…折射反射光学元件14的反射面；14C…折射反射光学元件14的出射面；141…折射介质部；14D…散热部；LN1～LN11…构成折射光学系统的透镜；S…孔径光阑；OX…光轴；Im1…中间像；P…颜色合成棱镜。

现有技术文件

专利文献

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

Claims (11)

1.一种投影光学系统，所述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到被投影面上，其中，

所述投影光学系统通过从所述图像显示面侧朝向所述被投影面侧依次配置折射光学系统和折射反射光学元件而成，

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反射面部件和折射介质部的一个光学元件，所述反射面部件具有反射面，所述折射介质部紧贴于所述反射面，在所述折射介质部形成有入射面和出射面，所述反射面是具有折射能力的曲面，

所述投影光学系统使所述折射光学系统所出射的成像光束从所述折射介质部的入射面入射到所述折射反射光学元件后被所述反射面反射，并从所述折射介质部的出射面出射后在所述被投影面上成像为所述放大图像。

2.根据权利要求1所述的投影光学系统，其中，

所述折射介质部的所述入射面和所述出射面中的至少一方具有折射能力。

3.根据权利要求2所述的投影光学系统，其中，

所述入射面和所述出射面都具有折射能力。

4.根据权利要求3所述的投影光学系统，其中，

所述入射面、所述出射面和所述反射面都具有正折射能力。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的投影光学系统，其中，

在所述折射光学系统与所述折射反射光学元件的出射面之间，将显示于所述图像显示面的图像的中间像成像一个以上。

6.根据权利要求5所述的投影光学系统，其中，

一个或两个所述中间像在所述折射反射光学元件的折射介质部内成像。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的投影光学系统，其中，

所述折射反射光学元件的所述入射面和所述出射面是相同的面。

8.根据权利要求7所述的投影光学系统，其中，

所述入射面以及与该入射面相同的面即所述出射面是凸球面，所述反射面是相对于光轴旋转对称的非球面。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的投影光学系统，其中，

所述折射反射光学元件的所述反射面部件在与所述反射面相反侧的面具有散热部。

10.一种图像显示装置，所述图像显示装置具有图像显示元件以及投影光学系统，所述投影光学系统将显示于所述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到被投影面上，其中，

作为所述投影光学系统，使用权利要求1～9中任一项所述的投影光学系统。

11.根据权利要求10所述的图像显示装置，其中，

所述图像显示面相对于所述光轴向光轴的正交方向偏移，将倾斜光束作为成像光束。

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