CN1123419A - 投影装置和投影装置的焦点调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的旨在在使光源的光入射到透过型图像板上、通过由聚光透镜和成象透镜构成的投影透镜系统向屏幕上投射的投影装置中，不论如何改变投影倍率都能得到对比度不降低的良好的投影图像和良好的光量特性。该投影装置将构成投影透镜系统的成象透镜和聚光透镜设置成能与透过型图像板沿光轴方向相对地移动，并且，改变从成象透镜到屏幕之间的投影距离时，使这两个透镜都与透过型图像板相对地移动，以此在屏幕上进行焦点调节。

Description

投影装置和投影装置的焦点调节方法

本发明涉及液晶投影仪那样的投影装置，特别是投影装置的焦点调节装置和调节方法。

液晶投影仪是使光源的光入射到液晶板上、使透过液晶板的光通过由聚光透镜和成象透镜构成的投影透镜系统后投射到屏幕上的。由于聚光透镜将透过液晶板的光暂时聚焦，故现有技术的聚光透镜固定在液晶板上，当改变投影倍率(投影距离)时，使成象透镜沿着光轴方向移动。

这种先有装置使用的投影倍率范围窄，只使成象透镜移动，就完全进行焦点调节。本申请人了解到，正在开发一种液晶投影仪的光学系统，这种光学系统使用了使装置的进深变浅、缩短投影距离的超广角投影透镜，并且使其投影倍率的范围从数倍到数十倍变化；对于这种超广角透镜，当和先有装置一样根据投影倍率的变化只使成象透镜沿着光轴方向移动时，平行地入射到液晶板上的光不能进入成象透镜的入射光阑内，结果，不能得到良好的投影图像和光量特性。换言之，入射进投影透镜系统的入射光阑内的光，不是垂直地入射到液晶板上的光，而只是倾斜地入射后射出的光线。对于液晶板说来，由于具有随着入射到该液晶板上的光线的入射角偏离垂直入射的偏离量增大对比度降低的角度依赖关系，所以，不能得到良好的投影图像。

因此，本发明的目的旨在提供一种使用超广角透镜作为投影透镜系统、在其投影倍率的变化范围大时也能在所有的投影倍率下得到良好的投影图像的装置。

本发明的投影装置将光源的光入射到透过型图像板上、通过由聚光透镜和成象透镜构成的投影透镜系统投射到屏幕上。其特征在于：在成象透镜和聚光透镜设置得相对于透过型图像板可动地支撑在光轴方向上、并改变投影透镜系统到屏幕的投影距离时，使该成象透镜和聚光透镜一起相对于透过型图像板相对地移动，以此在屏幕上进行焦点调节。

聚光透镜是与透过型图像板(液晶板)的大小对应的大型的透镜，成象透镜是用于投射由聚光透镜暂时聚焦的光束，所以，是小型的透镜。因此，在先有装置中，聚光透镜固定在液晶板上，只移动成象透镜来进行焦点调节(改变投影倍率)。本发明先有技术中的这一常识，使用超广角透镜作为投影透镜系统，成功地获得了即使当其投影倍率的变化范围大时也能在所有的投影倍率下得到良好的投影图像和光量特性。

通过不仅移动成象透镜而且也移动聚光透镜，便可总是将基本上平行地入射到图像板上的光入射进成象透镜的入射光阑内，因此，在所有的投影倍率下都可以良好地投射图像。另外，在本案中，设放大一侧的投影倍率为M、缩小一侧的投影倍率为m、则有M＝1/m的关系。

由于使用超广角透镜使透镜全长缩短了，所以，聚光透镜上的光线的弯曲角较大。因此，实际上，聚光透镜是由菲涅尔透镜构成的。

成象透镜和聚光透镜保持着入射到透过型图像板上的基本上平行的光总是入射进成象透镜的入射光阑内的关系而移动。如果允许有若干误差，则这一关系可通过一体地移动成象透镜和聚光透镜而实现。

另外，本发明的投影装置，特别在由聚光透镜和成象透镜构成的投影透镜系统的半像角为30～45°、投影倍率比大于5倍例如M＝4x～-20x(m＝-0.25x～-0.05x)时，可以发挥很好的效果。

另外，本发明提供了一种投影装置的焦点调节方法，这种投影装置将基本上平行的光入射到透过型图像板上、通过由聚光透镜和成象透镜构成的投影透镜系统投射到屏幕上，此焦点调节方法的特征是使入射到该透过型图像板上的基本上平行的光不论在什么样的投影倍率下都入射进成象透镜的入射光阑内那样地使成象透镜、聚光透镜和透过型图像板相对地移动，以此在屏幕上进行焦点调节。

用于本发明的投影装置和投影装置的焦点调节方法的透过型图像板最好是液晶板。

图1是本发明的投影装置和表示其焦点调节方法的光路图。

图2是为了比较的先有装置和表示其焦点调节方法的光路图。

图3是表示液晶投影仪的总体结构的光路图。

图4是用于说明本发明的投影装置和先有的投影装置的差别的光路图。

图5是用于说明本发明的投影装置和先有的投影装置的差别的光路图。

图6是用于说明本发明的投影装置和先有的投影装置的差别的光路图。

图7是用于说明本发明的投影装置和先有的投影装置的差别的光路图。

图8是本发明的投影装置的具体实施例的光路图。

图9是本发明的投影装置的别的实施例的图。

图10是本发明的投影装置的别的实施例的图。

图11是用于说明先有的投影装置的问题的具体的光路图。

图12是说明本发明的成象透镜的光阑的定义的图。

图13是将更具体地表示本发明的投影装置的实施例的主要部分取其剖面的平面图。

图14是沿XIV—XIV线的剖面图。

图15是沿XV—XV线的剖面图。

下面，参照附图说明本发明的实施例。图3是本发明的液晶投影仪的总体结构。从照明光源11发出的大致平行的光束入射到彩色液晶板(LCD)12上，透过之后，入射到由菲涅尔聚光透镜(以后简称为菲涅尔透镜)13和成象透镜14构成的投影透镜系统15上。投影透镜系统15的菲涅尔透镜13将来自LCD12的大致平行的光暂时聚焦，成象透镜14将彩色LCD12的像投射到屏幕16上。

照明光源11是将光源11b置于抛物面镜11a的焦点位置而构成的，光源11b的光在抛物面镜11a上反射后成为大致平行的光束。图3示出的是单板式的彩色LCD12，但是，在彩色液晶投影仪中，也有将R(红)、G(绿)、B(蓝)三色合成彩色LCD12的像的类型。在这样的彩色液晶投影仪中，对各LCD看来，图3的光学系统也成立。

图1表示本发明的投影装置和投影装置的焦点调节方法的原理，图2表示现有的投影装置和投影装置的焦点调节方法的原理。入射到彩色LCD12上的大致平行的光束透过彩色LCD12后，入射到菲涅尔透镜13上，暂时聚焦后通过成象透镜14投射到屏幕16上。图1、图2中的实线表示最长投影距离(最大投影倍率、例如为∞)时的菲涅尔透镜13和成象透镜14的位置和通过成象透镜14的入射光阑的光线，图中的虚线表示最短投影距离(最小投影倍率、例如投影图像尺寸10″(英寸))时的情况。

在图1中，随着投影距离从最长向最短变化，聚光透镜13和成象透镜14基本上以等量向屏幕16一侧移动。菲涅尔透镜13和成象透镜14的移动量规定为不论在什么样的投影倍率下，平行地入射到彩色LCD12上后又射出的光线都通过成象透镜14的入射光阑。换言之，构成投影透镜系统15的菲涅尔透镜13和成象透镜14不论在什么样的投影倍率下移动，都使在彩色LCD12一侧构成为基本上是焦阑的光学系统。这样，当移动菲涅尔透镜13和成象透镜14时，便只有垂直地入射到彩色LCD12上的光投射到屏幕16上，不会使彩色LCD12的对比度降低。另外，菲涅尔透镜13和成象透镜14都由正透镜构成。

与此相反，在表示现有例的图2中，菲涅尔透镜13固定在彩色LCD12上。因此，例如，在最长投影距离下，将平行地入射到彩色LCD12上后又射出的光线定位成通过成象透镜14的入射光阑时，在使成象透镜14往屏幕16一侧移动的最短投影距离下，同一光线就不能通过成象透镜14的入射光阑了。通过成象透镜14的入射光阑的光线如虚线所示的那样，是相对于彩色LCD12成某一角度θ’而入射的光线。即，大致平行地入射到彩色LCD12上的光入射不进成象透镜14的入射光阑内，而只入射进虚线所示的与彩色LCD12的正交方向倾斜的光线。

设入射到彩色LCD12上的基本上平行的光束与该虚线所示的光线的角度为θ’，则如前面所述的那样，彩色LCD12具有角度θ’越大对比度越低的与角度的依赖关系。因此，假定在最长投影距离下确定了可以得到最佳的对比度的成象透镜14的位置，随着投影距离变短，照明彩色LCD12的大致平行的光(垂直地入射到液晶板12上的光)就逐渐地不能入射进成象透镜14的入射光阑内了，相反，与光轴的平行度偏离大的光开始入射进上述入射光阑内。并且，越是入射到彩色LCD12的周边的光，与平行的偏离量越大。结果，对比度降低，在最短投影距离下对比度降低得最厉害。反之，如果使得在最短投影距离下得到最佳的对比度，则在最长投影距离下就成为最差的对比度。另外，只用基本上平行的光照明彩色LCD12时，如果以使在最长投影距离下周边光量成为良好来确定成象透镜14的位置，则随着投影距离变短，便难以有效地使光进入成象透镜14的入射光阑内，随着靠近周边部，光量降低越大。相反，在最短投影距离下使周边光量成为良好也是如此。

与此相反，按照本发明，不论投影距离如何，平行地入射到彩色LCD12上的光总是入射进成象透镜14的入射光阑内，所以，对比度不会降低。

图4～图7是用于进一步说明改变投影距离时只移动投影透镜系统15的成象透镜14的先有例的问题和使投影透镜系统15的菲涅尔透镜13和成象透镜14分别移动的本发明的优点的图。在图4～图7中，取成象透镜14为第1组G₁、菲涅尔透镜13为第2组G₂、第1组G₁的焦点距离及倍率分别为f₁及m₁，第2组的焦点距离及倍率分别为f₂及m₂。

图4是投影距离为∞时的第1组G₁和第2组G₂的配置图。图5和图6是只移动第1组G₁改变投影倍率时的说明图，图7是将第1组G₁和第2组G₂一体地移动改变投影倍率时的说明图。以图4的第1组G₁的位置为基准，设使远焦的投影倍率为m_T的第1组G₁的移动量为Δ_T(图5)、使广角的投影倍率为m_W的第1组G₁的移动量为Δ_W(图6)。为了使第1组G₁在图中向左移动得到综合倍率m_T、m_W，第1组G₁中的各倍率给定为m_T/m₂、m_W/m₂。

第1组G₁的移动量Δ_T、Δ_W分别为

Δ_T＝(m_T/m₂)·f₁

Δ_W＝(m_W/m₂)·f₁

远焦、广角间的移动量Δ₁为

Δ₁＝Δ_T－Δ_W

＝(m_W－m_T)f₁/m₂·····(1)

与此相反，图7所示的第1组G₁和第2组G₂一体地移动时，设第1组G₁和第2组G₂的合成焦点距离为f₁₂，则其移动量为

Δ₂＝(m_W－m_T)f₁₂·····(2)

因|m₂|＜1，所以，有

|m_W－m_T|＜|(m_W－m_T)/m₂|

另外，如后面所述的实施例那样，若f₁₂＜f₁，则

|m_W—m_T|·f₁₂＜|(m_W—m_T)/m₂|·f₁，即

|Δ₂|＜|Δ₁|

这一结果表明，使第1组G₁和第2组G₂一体地移动与只移动第1组G₁的情况相比，得到相同的倍率变化的移动量小。

另外，为了简单起见，对于图4所示的取基准投影距离为∞的情况，因

-1/(f₁－f₂)＋1/f_B＝1/f₂

所以，有

f_B＝(f₂/f₁)(f₁－f₂)

另外，因

m₂＝f_B/(f₁－f₂)

所以，有

m₂＝f₂/f₁

因此，Δ₁也可以表为

Δ₁＝(m_W－m_T)(f₁ ²/f₂)·····(3)

在本发明的实施例中，

m_T＝—0.04

m_W＝—0.24

f₁＝55.9

f₂＝39.9

将这些值代入(3)式，计算只移动G₁时的远焦、广角间的移动量Δ₁，则得

Δ₁＝-15.7(-号表示在图4中向左移动)

另外，因f₁₂＝39.8，所以，利用(2)式计算使G₁和G₂一体地移动时的远焦、广角间的移动量Δ₂，则得

Δ₂＝-8.0

可见，使第1组G₁和第2组G₂一体地移动时，移动量减小了。

对于近轴光线的倾角的大小和第1组G₁的光阑的大小，移动量不是可以忽视的量。即，如果只移动第1组G₁，则平行地入射到透过型图像板12上的光线就不能通过第1组G₁的光阑。另外，通过第1组G₁的近轴光线向透过型图像板12的入射角变得与光轴不平行了(图6)。

上述说明是对假定投影距离为∞(即，缩小端的投影倍率m＝0X)的情况进行的，但是，由于本发明的实施例所示的m＝0.04x与m＝0x十分接近，所以，把投影距离设定为通常的有限距离时，上述讨论也适用。

本发明用于由菲涅尔透镜13和成像透镜14构成的投影透镜系统15的半像角为30～45XIV、投影倍率比变化约5倍以上的投影装置时特别理想。在投影透镜系统15的半像角约为15～20°、放大端的投影倍率M的范围约为M＝-10x～-40x(m＝-0.1x～-0.025x)的先有的投影装置中，θ’最大也只有约2～3°，对比度的降低不会成为什么问题。

通常，为了使基本上平行地入射到彩色LCD12上的光总是入射进成象透镜14的入射光阑内，最好独立地移动菲涅尔透镜13和成象透镜14。但是，当从LCD射出的光的平行度好时，使菲涅尔透镜13和成象透镜14一体地移动，θ’也不变化，所以，对比度不发生变化。反之，如果使两个透镜一体地移动，便具有可使其移动机构简化的优点。

另外，在图示的例子中，是使菲涅尔透镜13和成象透镜14相对于彩色LCD12移动的，但是，也可以使彩色LCD12相对于菲涅尔透镜13和成象透镜14移动，这在理论上本发明也是成立的。

下面，使用示出本发明具体实施例的图8进一步详细地说明用图1说明过的内容。在图8中，取

成象透镜14的焦点距离：f₁＝55.9mm

菲涅尔透镜13的焦点距离：f₂＝39.9mm

整个透镜系统的合成焦点距离：f₁₂＝39.8mm

S：从缩小端倍率m＝0x到m_W＝-0.24x的投影透镜(入射光阑)的移动量

x：从缩小端倍率m＝0x到m_W＝-0.24x的菲涅尔透镜的移动量

L：各倍率的成象透镜与菲涅尔透镜的距离

h：从LCD的中心到对角的长度、或者投影透镜系统的最大物体高度(＝31mm)

φ：成象透镜的入射光阑的直径(＝8.3mm)

θ：入射进成象透镜的入射光阑的中心的光线的角度

θ’：入射进成象透镜的入射光阑的中心的光线向LCD入射的角度(与LCD的垂直方向的偏离)

α：h处的菲涅尔透镜的顶角(＝59.7°)

另外，由于缩小端倍率m_T＝-0.04x(M_T＝-25x)的条件与m＝0x接近，所以，为了简单起见，和前面的说明一样，以投影距离为∞即以缩小倍率m＝0x为基准进行说明。另外，图中的成象透镜14用入射光阑的位置代表。入射光阑如图12所示的那样，假定是从缩小端(LCD一侧)看的投影透镜的光阑。在图12中，14A、14B分别表示成象透镜14的入射光阑位置和出射光阑位置。

在图8中，x＝S的各倍率的数值如下所示：

m       L       θ      θ’

0x      39.7mm   38°    0°-0.04x   39.7mm   38°    0°-0.24x   39.7mm   38°    0°

在图8中，在缩小端倍率m＝0x时，投影透镜系统15是半画角θ＝38°的超广角透镜。这里，在使成象透镜14和菲涅尔透镜13一体地移动，以使最短投影距离下缩小端倍率m_W＝-0.24x时，即，使成象透镜的移动量S和菲涅尔透镜的移动量x相等地移动投影透镜系统进行调焦时，投影透镜系统15的移动量成为S＝x＝-9.6mm。另外，从mT＝-0.04x到m_W＝-0.24x移动时，Δ₂＝-8.0mm。这时，透过LCD12的平行光束通过菲涅尔透镜13后，以与m＝0x时相同的条件进行聚焦，但是，由于菲涅尔透镜13和成象透镜14的位置关系保持未变，所以，

即，透过LCD的与光轴平行的照明光束进入成象透镜14的入射光阑内的条件为

|(S－x)·h/L|≤φ/2······(4)

因此，当成象透镜14的移动量S和菲涅尔透镜的移动量x相等即S＝x时，亦即成象透镜和菲涅尔透镜如图1和图8所示的那样一起移动时，

0≤φ/2的关系成立，即使投影倍率发生很大变化，透过LCD的与光轴平行的照明光束也总是入射进成象透镜的入射光阑内，所以，可以获得良好的图像。另外，只要满足条件式(4)，即使在x≠S的情况下，也可以得到符合要求性能的图像。

另外，当透过LCD的光束偏离平行光束时，即照明光成为发散光束或聚焦光束时，通过使x≠S，便可使照明光束更有效地入射进成象透镜14的入射光阑14A内。

例如，如图9所示的那样，当入射到LCD上的照明光的发散性很强时，将投影透镜和菲涅尔透镜设置成当缩小端倍率m＝0x时条件最好。然后，为了在最短投影倍率m_W＝-0.24x下进行调焦，使满足x＝S后驱动投影透镜系统时，由于LCD与菲涅尔透镜之间的距离发生变化，所以，在最短投影倍率m_W＝-0.24x下向菲涅尔透镜的入射高度H与在m＝0x时向菲涅尔透镜的入射高度H不同，结果，如图9所示的那样，就不能使有效的光束入射进成象透镜的入射光阑内。

这时，如图10所示的那样，将成象透镜的移动量S和菲涅尔透镜的移动量x分别设定为不同的移动量，使之满足条件式(4)，则是有效的。

相反，当照明光的聚光性很强时，通过使S≠x，可以有效地使光束入射进成象透镜的入射光阑内。

下面，参照图11更详细地说明将在图2中说明过的菲涅尔透镜固定时的问题。在图11中，x＝0时，即将菲涅尔透镜13固定，只移动成象透镜14在各倍率下进行调焦时，上述各数值如下所示：

m      L       θ     θ’

0x     39.7mm   38°   0°-0.04x  42.8mm   36°   3°-024x   58.5mm   28°   21°

XIV成象透镜14、菲涅尔透镜13等的条件和上述例子相同。从缩小端倍率m＝0x变化到最短投影倍率m_W＝-0.24x时，若将菲涅尔透镜13固定(x＝0)、只移动成象透镜14而想得到所希望的倍率时，成象透镜的移动量为S＝18.8mm。另外，当从m_T＝-0.04x移动到m_W＝-0.24x时，则Δ₁＝-15.7mm，与上述将成象透镜和菲涅尔透镜一起移动的情况相比，可知透镜的移动量非常大。

另外，垂直地入射到LCD上的光线(h＝31)在L＝58.5时为Z＝14.7，大于成像透镜的入射光阑的大小φ/2＝4.15。相反，如果是θ＝28°的光线，在L＝58.5时通过成象透镜的入射光阑的中心，但是，由于该光线是以θ’＝21°透过LCD12的光线，所以，根据液晶随角度的依赖关系，由于不仅透过率降低，而且对比度也变坏，所以，不能得到良好的图像。

下面，说明将本发明的投影装置更具体化的液晶投影仪的实施例。图13～图15是其机械结构。在该液晶投影仪20的本体机箱21内，顺序设置具有抛物面镜11a和位于其焦点位置的光源11b的照明光源11、第1反射镜23、LCD12、可动透镜单元22、第2反射镜24和屏幕板25。在可动透镜单元22内装配着由聚光菲涅尔透镜13和成象透镜14构成的投影透镜系统15。在本例中，为了使结构简单，投影透镜系统15的菲涅尔透镜13和成象透镜14按预先确定的距离固定。可动透镜单元22可沿光轴方向移动，利用手动或电动的驱动机构进行驱动。这种驱动机构是大家所熟知的。

屏幕板25是例如10英寸的鉴赏用板，将其抽出或者收纳到本体机箱21内后，露出投影开口26时，通过可动透镜单元22的成象透镜14的光束就向外部投射。这时，在外部设置别的屏幕25’，通过改变该屏幕25’与液晶投影仪20之间的距离，便可得到任意的投影倍率。使整个可动透镜单元22沿光轴方向移动而进行焦点调节。

本发明不限于液晶投影仪，可广泛地应用于OHP(悬吊式投影仪)等一般的投影装置。

如上所述，按照本发明，即使改变投影倍率，也可以总是得到对比度不降低的良好的投影图像，并且，也可以保持良好的光量特性。

Claims (6)

1.一种投影装置，该投影装置使光源的光入射到透过型图像板上、通过由聚光透镜和成象透镜构成的投影透镜系统投射到屏幕上，其特征在于：在上述成象透镜和聚光透镜相对于透过型图像板可动地支撑在光轴方向上、并改变从该投影透镜系统到屏幕的投影距离时，该成象透镜和聚光透镜一起相对于透过型图像板相对地移动，以此在屏幕上进行焦点调节。

2.按权利要求1所述的投影装置，其特征在于：大致平行的光入射到透过型图像板上，成象透镜和聚光透镜能保持着使入射到透过型图像板上的大致平行的光总是入射进成象透镜的入射光阑内的关系而移动。

3.按权利要求1或2所述的投影装置，其特征在于：聚光透镜由菲涅尔透镜构成。

4.按权利要求1～3中任一项所述的投影装置，其特征在于：成象透镜和聚光透镜一体地移动。

5.按权利要求1～4中任一项所述的投影装置，其特征在于：投影透镜系统的半像角为30～45°，投影倍率比的变化为5倍以上。

6.一种投影装置的焦点调节方法，该投影装置大致平行的光入射到透过型图像板上、通过由聚光透镜和成象透镜构成的投影透镜系统投射到屏幕上，其特征在于：使上述成象透镜、聚光透镜和透过型图像板相对地移动，而在屏幕上进行焦点调节，以使入射到该透过型图像板上的大致平行的光在任和投影倍率下都入射进成象透镜的入射光阑内。

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