CN114114804A - 光学系统、投影仪和摄像装置 - Google Patents

Abstract

光学系统、投影仪和摄像装置。光学系统在宽度方向上放大投射图像而转换放大像相对于投射图像的纵横比。光学系统在缩小侧共轭面与放大侧共轭面之间形成中间像。光学系统具有：第1光学系统；以及第2光学系统，其具有透镜，配置于第1光学系统的放大侧。透镜具有：第1透过面；反射面，其配置于第1透过面的放大侧；以及第2透过面，其配置于反射面的放大侧。反射面和第2透过面中的至少一方具有自由曲面形状。

Description

光学系统、投影仪和摄像装置

技术领域

本发明涉及光学系统、投影仪和摄像装置。

背景技术

专利文献1记载了通过光学系统放大由图像形成元件形成的投射图像并将放大像投射到屏幕上的投影仪。该文献的光学系统具有：第1光学系统，其具有多片透镜；以及第2光学系统，其配置于第1光学系统的放大侧。投射图像形成在光学系统的缩小侧成像面上，放大像形成在光学系统的放大侧成像面上。在第1光学系统与第2光学系统之间形成有与投射图像以及放大像共轭的中间像。第2光学系统由1片凹面镜构成。凹面镜的反射面具有自由曲面形状。在该文献中，放大像的纵横比与投射图像的纵横比不同。

专利文献1：日本特开2014-130365号公报

在专利文献1的光学系统中，通过在宽度方向上减小投射图像的倍率，转换放大像相对于投射图像的纵横比。专利文献1没有记载在宽度方向上增大投射图像的倍率而转换放大像相对于投射图像的纵横比的光学系统。

发明内容

为了解决上述课题，本发明的光学系统在缩小侧共轭面与放大侧共轭面之间形成中间像，其特征在于，所述光学系统具有：第1光学系统；以及第2光学系统，其具有透镜，配置于所述第1光学系统的放大侧，所述透镜具有：第1透过面；反射面，其配置于所述第1透过面的所述放大侧；以及第2透过面，其配置于所述反射面的所述放大侧，所述反射面和所述第2透过面中的至少一方具有自由曲面形状。

此外，为了解决上述课题，本发明的另一光学系统在缩小侧共轭面与放大侧共轭面之间形成中间像，其特征在于，所述光学系统具有：第1光学系统，其具有偏转部件；以及第2光学系统，其具有透镜，配置于所述第1光学系统的放大侧，所述偏转部件具有光反射面，在所述第1光学系统中配置于最靠所述放大侧，所述透镜具有：第1 透过面；反射面，其配置于所述第1透过面的所述放大侧；以及第2透过面，其配置于所述反射面的所述放大侧，所述反射面和所述光反射面具有自由曲面形状。

接着，本发明的投影仪的特征在于，具有：上述的光学系统；以及图像形成部，其在所述光学系统的所述缩小侧成像共轭面上形成投射图像。

此外，本发明的摄像装置的特征在于，具有：上述的光学系统；以及摄像元件，其配置于所述光学系统的所述缩小侧共轭面。

附图说明

图1是具有光学系统的投影仪的概略结构图。

图2是示意性示出实施例1的光学系统的整体的光线图。

图3是实施例1的光学系统的光线图。

图4是位于实施例1的第1光学系统的最靠放大侧的透镜、偏转部件和第2光学系统的光线图。

图5是示出实施例1的液晶面板上的投射图像的范围的图。

图6是示出实施例1的屏幕上的放大像的范围的图。

图7是示出实施例1的光学系统的放大像的横向像差的图。

图8是示出实施例1的光学系统的放大像的横向像差的图。

图9是示意性示出实施例2的光学系统的整体的光线图。

图10是实施例2的光学系统的光线图。

图11是位于实施例2的第1光学系统的最靠放大侧的透镜、偏转部件和第2光学系统的光线图。

图12是示出实施例2的液晶面板上的投射图像的范围的图。

图13是示出实施例2的屏幕上的放大像的范围的图。

图14是示出实施例2的光学系统的放大像的横向像差的图。

图15是示出实施例2的光学系统的放大像的横向像差的图。

图16是示意性示出实施例3的光学系统的整体的光线图。

图17是实施例3的光学系统的光线图。

图18是位于实施例3的第1光学系统的最靠放大侧的透镜、偏转部件和第2光学系统的光线图。

图19是示出实施例3的液晶面板上的投射图像的范围的图。

图20是示出实施例3的屏幕上的放大像的范围的图。

图21是示出实施例3的光学系统的放大像的横向像差的图。

图22是示出实施例3的光学系统的放大像的横向像差的图。

图23是实施例4的光学系统的光线图。

图24是具有摄像光学系统的摄像装置的概略图。

标号说明

1：投影仪；2：图像形成部；3、3A、3B、3C、3D：光学系统；4：控制部；5 ：摄像装置；6：图像处理部；7：显示驱动部；8：摄像元件；10：光源；11：第1 积分透镜；12：第2积分透镜；13：偏振转换元件；14：重叠透镜；15：第1分色镜； 16：反射镜；17R：场透镜；17G：场透镜；17B：场透镜；18R：液晶面板；18G：液晶面板；18B：液晶面板；18：各液晶面板；19：十字分色棱镜；21：第2分色镜；22：中继透镜；23：反射镜；24：中继透镜；25：反射镜；31：第1光学系统；32 ：第2光学系统；33：偏转部件；33a：光反射面；34：透镜；35：中间像；36：第1 面；37：第2面；38：第1光学元件；39：偏转部件；41：第1透过面；42：反射面； 43：第2透过面；51：第1面；52：第2面；53：第3面；56：第1面；57：第2面；58 ：第3面；61：入射面；62：第1反射面；63：第2反射面；64：射出面；66：入射面；67：第1反射面；68：射出面；69：第2反射面；100：主光线；200：放大侧共轭面；F1～F3：光束；L1～L14：透镜；L21～L23：接合透镜；C：中心；N：第1光轴； M1：设计轴；M2：第2光轴；P1：投射图像；P2：放大像；Q1：光线；Q2：光线； S：屏幕。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明实施方式的光学系统、投影仪和摄像装置。

(投影仪)

图1是具有本发明的光学系统3的投影仪的概略结构图。如图1所示，投影仪1具有：图像形成部2，其生成投射到屏幕S的投射图像；光学系统3，其放大投射图像，将放大像投射到屏幕S；以及控制部4，其对图像形成部2的动作进行控制。

(图像生成光学系统和控制部)

图像形成部2具有光源10、第1积分透镜11、第2积分透镜12、偏振转换元件13和重叠透镜14。光源10例如由超高压汞灯、固体光源等构成。第1积分透镜11和第2积分透镜12分别具有排列成阵列状的多个透镜元件。第1积分透镜11将来自光源10的光束分割为多个。第1积分透镜11的各透镜元件使来自光源10的光束会聚到第2积分透镜12 的各透镜元件的附近。

偏振转换元件13将来自第2积分透镜12的光转换为规定的线偏振光。重叠透镜14使第1积分透镜11的各透镜元件的像经由第2积分透镜12在后述的液晶面板18R、液晶面板18G和液晶面板18B的显示区域上重叠。

此外，图像形成部2具有第1分色镜15、反射镜16、场透镜17R和液晶面板18R。第1分色镜15使作为从重叠透镜14入射的光线的一部分的R光反射，使作为从重叠透镜14入射的光线的一部分的G光和B光透过。被第1分色镜15反射后的R光经由反射镜 16和场透镜17R入射到液晶面板18R。液晶面板18R为光调制元件。液晶面板18R根据图像信号对R光进行调制，由此，形成红色的投射图像。

并且，图像形成部2具有第2分色镜21、场透镜17G和液晶面板18G。第2分色镜21 使作为来自第1分色镜15的光线的一部分的G光反射，使作为来自第1分色镜15的光线的一部分的B光透过。被第2分色镜21反射后的G光经过场透镜17G入射到液晶面板 18G。液晶面板18G为光调制元件。液晶面板18G根据图像信号对G光进行调制，由此，形成绿色的投射图像。

此外，图像形成部2具有中继透镜22、反射镜23、中继透镜24、反射镜25、场透镜17B、液晶面板18B和十字分色棱镜19。透过第2分色镜21后的B光经由中继透镜22 、反射镜23、中继透镜24、反射镜25和场透镜17B入射到液晶面板18B。液晶面板18B 为光调制元件。液晶面板18B根据图像信号对B光进行调制，由此，形成蓝色的投射图像。

液晶面板18R、液晶面板18G和液晶面板18B从3个方向包围十字分色棱镜19。十字分色棱镜19是光合成用的棱镜，生成对由各液晶面板18R、18G、18B调制后的光进行合成而得到的投射图像。

光学系统3将十字分色棱镜19合成的投射图像(各液晶面板18R、18G、18B形成的图像)放大并投射到屏幕S。屏幕S是光学系统3的放大侧共轭面。

控制部4具有被输入视频信号等外部图像信号的图像处理部6、以及根据从图像处理部6输出的图像信号而驱动液晶面板18R、液晶面板18G和液晶面板18B的显示驱动部7。

图像处理部6将从外部设备输入的图像信号转换成包含各颜色的灰度等的图像信号。显示驱动部7根据从图像处理部6输出的各颜色的投射图像信号，使液晶面板18R 、液晶面板18G和液晶面板18B进行动作。由此，图像处理部6将与图像信号对应的投射图像显示在液晶面板18R、液晶面板18G和液晶面板18B上。

(光学系统)

接着，说明光学系统3。下面，说明实施例1～实施例4作为搭载于投影仪1的光学系统3的结构例。另外，在各实施例1～实施例4中，在光学系统的光线图中，将液晶面板18R、液晶面板18G、液晶面板18B表示为液晶面板18。

(实施例1)

图2是示意性示出实施例1的光学系统的整体的光线图。在图2中，通过光束F1～F3示意性示出从本例的光学系统3A到达屏幕S的光束。光束F1为到达像高最低的位置的光束。光束F3为到达像高最高的位置的光束。光束F2为到达光束F1与光束F3之间的位置的光束。图3是实施例1的光学系统3A的光线图。图4是位于第1光学系统的最靠放大侧的位置的透镜、偏转部件和第2光学系统的光线图。

如图3所示，本例的光学系统3A从缩小侧朝向放大侧依次由第1光学系统31和第2光学系统32构成。

第1光学系统31具有14片的透镜L1～L14和偏转部件33。透镜L1～透镜L14从缩小侧朝向放大侧依次配置。在本例中，透镜L2和透镜L3是接合起来的第1接合透镜L21 。透镜L4和透镜L5是接合起来的第2接合透镜L22。透镜L9和透镜L10是接合起来的第 3接合透镜L23。在透镜L7与透镜L8之间配置有光圈O。

偏转部件33配置于透镜L14的放大侧。偏转部件33是具有光反射面33a的反射镜。偏转部件33配置于相对于透镜L1～L14的第1光轴N向一侧偏移的位置。由此，光反射面33a位于第1光轴N的一侧。在本实施例中，光反射面33a相对于第1光轴N倾斜45°。从透镜L14向光反射面33a射出的光线朝向远离第1光轴N的方向。从透镜L14向放大侧射出的光线的光路利用光反射面33a朝与第1光轴N垂直的方向弯折。

在以下的说明中，为了方便起见，设相互正交的3个轴为X轴、Y轴和Z轴。Y轴与透镜L1～L14的第1光轴N一致。假设在沿着Y轴的Y轴方向上透镜L1所处的一侧为 Y1方向、透镜L14所处的一侧为Y2方向。假设偏转部件33相对于第1光轴N偏移的方向为Z轴方向。假设光反射面33a相对于第1光轴N所处的一侧为Z1方向、其相反侧为 Z2方向。

此处，光反射面33a为自由曲面形状。此外，在设包含Y轴和Z轴的假想面为第1 平面时，光反射面33a具有关于第1平面对称的形状。在本例中，光反射面33a为变形面。另外，光反射面33a也能够设为XY多项式面、Fringe-Zernike多项式面、Zernike 多项式面、Q2D自由曲面。光反射面33a的设计轴M1设定于在第1光轴N的Y1方向上经由该光反射面33a的光线的主光线100通过的位置C。即，光反射面33a的设计轴M1 配置于从第1光轴N向光反射面33a侧偏移的位置。

第2光学系统32由1片透镜34构成。透镜34是玻璃制或树脂制。透镜34配置于偏转部件33的Z2方向。更详细而言，透镜34隔着第1光轴N配置于与光反射面33a相反的一侧。透镜34具有朝向Z1方向的第1面36和朝向Z2方向的第2面37。第1面36和第2面37 均具有凸形状。透镜34的光轴M2在Z轴方向上延伸。因此，透镜34的光轴M2与第1 光学系统31的透镜L1～L14的第1光轴N垂直。此外，透镜34在第2面37上具有反射涂层。

透镜34从缩小侧起依次具有第1透过面41、反射面42和第2透过面43。第1透过面41设置于第1面。因此，第1透过面41具有凸形状。反射面42为设置在透镜34的第2面 37上的反射涂层。因此，反射面42具有转印有第2面37的表面形状的凹形状。反射面 42的光轴与透镜34的光轴M2一致。第1透过面41和反射面42在Z轴方向上排列。第1 透过面41和反射面42位于透镜34的光轴M2的Y2方向。第2透过面43设置于第1面36。因此，第2透过面43具有凸形状。第1透过面41和第2透过面43在Y轴方向上排列。第2 透过面43位于透镜34的光轴M2的Y1方向。

在本例中，第1透过面41、反射面42和第2透过面43均为自由曲面形状。此外，第 1透过面41、反射面42和第2透过面43均具有关于第1平面对称的形状。第1透过面41 、反射面42和第2透过面43均为变形面。另外，第1透过面41、反射面42和第2透过面 43能够采用如XY多项式面、Fringe-Zernike多项式面、Zernike多项式面或Q2D自由曲面等那样在X方向和Y方向上具有不同形状的自由曲面。另外，第1透过面41、反射面 42和第2透过面43均以反射面42的光轴M2为设计基准轴来设计。另外，第1透过面41 、反射面42和第2透过面43中的至少一个面也可以不具有自由曲面形状。

此处，在光学系统3A的缩小侧共轭面上配置有图像形成部2的液晶面板18。液晶面板18在第1光轴N的Z2方向上形成投射图像。在光学系统3A的放大侧共轭面上配置有屏幕S。屏幕S位于第1光轴N的Z1方向。屏幕的高度方向是沿着Y轴的方向，屏幕的宽度方向是沿着X轴的方向。

此外，光学系统3A在缩小侧共轭面与放大侧共轭面之间形成与缩小侧共轭面以及放大侧共轭面共轭的中间像35。在本例中，中间像35形成于偏转部件33的光反射面 33a与透镜34的反射面42之间。更具体而言，中间像35形成于透镜34的第1透过面41 与反射面42之间。中间像35相对于反射面42的光轴M2位于Y2方向。

(透镜数据)

光学系统3A的透镜数据如下。面编号是从缩小侧向放大侧依次标注的。标号为液晶面板、分色棱镜、透镜、偏转部件、第1透过面、反射面、第2透过面和屏幕的标号。不与液晶面板、分色棱镜、透镜、偏转部件、第1透过面、反射面、第2透过面以及屏幕对应的面编号的数据为虚设数据。R为曲率半径。D为轴上面间距。C为光圈半径，光圈半径的2倍为透镜的面的直径。R、D、C的单位为mm。

各非球面系数如下。

各变形面系数如下。

此外，光学系统3A的画面宽度放大率、显示器件宽度、数值孔径、TR如下。画面宽度放大率是用投射到屏幕S的放大像的纵横比中的横向的值除以形成在液晶面板 18面的投射图像的纵横比中的横向的值而得到的值。显示器件宽度为液晶面板18面上的宽度尺寸，单位为mm。数值孔径用NA表示。TR为投射比，是用投射距离除以将投射图像投射到屏幕S时的X轴方向上的尺寸而得到的值。

此处，参照图5、图6，对本例的画面宽度放大率进行说明。图5是示出液晶面板 18上的投射图像P1的范围的图。图6是示出屏幕S上的放大像P2的范围的图。在图5的投射图像P1的右半部分，设定了A1～A9的9个光束的位置。图5的“A4”表示投射图像 P1的中心的中央光束。在图6的放大像P2中，A1～A9的位置表示从投射图像P1的A1 ～A9射出的光束到达的位置。本例的光学系统3A将纵横比中的横向的值为在液晶面板18上形成的投射图像P1的纵横比中的横向的值的“1.35”倍的放大像P2投射到屏幕S。

(实施例1的作用效果)

在本例中，光学系统3A在缩小侧共轭面与放大侧共轭面之间形成中间像35，光学系统3A具有第1光学系统31和配置于第1光学系统31的放大侧的第2光学系统32。第 1光学系统31在最靠放大侧具有偏转部件33，该偏转部件33具有光反射面33a。第2光学系统32具有透镜，该透镜从缩小侧朝向放大侧依次具有第1透过面41、反射面42和第2透过面43。反射面42和光反射面33a具有自由曲面形状。

根据本例，透镜34的反射面42和偏转部件33的光反射面33a具有自由曲面形状。因此，借助反射面42和光反射面33a的作用，能够在缩小侧共轭面的投射图像与放大侧共轭面的放大像之间转换纵横比。因此，例如，与仅借助反射面42的作用来转换投射图像与放大像的纵横比的情况相比，本例的转换纵横比的自由度较高。由此，在本例中，能够放大投射图像的X轴方向而转换投射图像与放大像的纵横比。

此外，在本例中，第1透过面41和第2透过面43具有自由曲面形状。由此，借助反射面42、光反射面33a、第1透过面41和第2透过面43的作用，能够在缩小侧共轭面的投射图像与放大侧共轭面的放大像之间转换纵横比。因此，与借助反射面42和光反射面33a的2个面的作用转换纵横比的情况相比，本例能够增大转换量。由此，在本例中，能够使画面宽度放大率成为1.35倍。另外，第1透过面41和第2透过面43中的至少一个面也可以不具有自由曲面形状。

在本例中，中间像35位于比反射面42靠缩小侧的位置。因此，能够利用反射面42和第2透过面43放大中间像35。因此，能够提高光学系统的倍率。

在本例中，第2透过面43具有向放大侧突出的凸形状。由此，更容易提高光学系统的倍率。

在本例中，中间像35位于反射面42与第1透过面41之间。因此，与中间像35形成于透镜34与偏转部件33之间的情况相比，本例能够使透镜34与偏转部件33接近。因此，容易使光学系统紧凑。

在本例中，第1透过面41具有向缩小侧突出的凸形状。因此，容易在第1透过面41与反射面42之间形成中间像35。

此外，在本例中，在设相互正交的3个轴为X轴(第3轴)、Y轴(第2轴)和Z轴(第1轴)并使透镜34的光轴M2与Z轴一致的情况下，第1透过面41和反射面42沿着Z 轴排列，第1透过面41和第2透过面43沿着Y轴排列。而且，在设包含Z轴、Y轴的假想平面为第1平面的情况下，反射面42具有关于第1平面对称的形状。因此，即使在反射面42具有自由曲面形状的情况下，也容易设计该反射面42。此外，如果反射面42具有关于第1平面对称的形状，则容易制造反射面42。

并且，在本例中，第2透过面43具有关于第1平面对称的形状。因此，即使在第2 透过面43具有自由曲面形状的情况下，也容易设计该第2透过面43。此外，如果第2 透过面43具有关于第1平面对称的形状，则容易制造第2透过面43。同样，在本例中，第1透过面41具有关于第1平面对称的形状。因此，即使在第1透过面41具有自由曲面形状的情况下，也容易设计该第1透过面41。此外，如果第1透过面41具有关于第1平面对称的形状，则容易制造第1透过面41。

此外，在本例中，偏转部件33从第1光轴N向Z1方向偏移，光反射面33a位于第1 光轴N的Z1方向。如果光反射面33a位于第1光轴N的一侧，则容易利用光反射面33a 校正像差。

此处，光反射面33a的设计轴M1设定于在第1光轴N的Y1方向上经由该光反射面33a的光线的主光线100通过的位置C。位置C为投射图像P1的中心的中央光束的主光线。如果根据这样的设计轴来设计光反射面33a，则容易设计出对光学系统的像差进行校正的光反射面33a。

图7和图8是示出光学系统3A的放大像的横向像差的图。在图7和图8中，A1～A9 与图6的放大像P2中的A1～A9的光束的位置对应。如图7和图8所示，本例的光学系统 3A的放大像中的横向像差得到了抑制。

(实施例2)

图9是示意性示出实施例2的光学系统的整体的光线图。在图9中，通过光束F1～F3示意性示出从本例的光学系统3B到达屏幕S的光束。光束F1为到达像高最低的位置的光束。光束F3为到达像高最高的位置的光束。光束F2为到达光束F1与光束F3之间的位置的光束。图10是实施例2的光学系统3B的光线图。图11是位于第1光学系统的最靠放大侧的位置的透镜、偏转部件和第2光学系统的光线图。

如图10所示，本例的光学系统3B从缩小侧朝向放大侧依次由第1光学系统31和第2光学系统32构成。

第1光学系统31具有14片的透镜L1～L14和偏转部件33。透镜L1～透镜L14从缩小侧朝向放大侧依次配置。在本例中，透镜L2和透镜L3是接合起来的第1接合透镜L21 。透镜L4和透镜L5是接合起来的第2接合透镜L22。透镜L9和透镜L10是接合起来的第 3接合透镜L23。在透镜L7与透镜L8之间配置有光圈O。

偏转部件33配置于透镜L14的放大侧。偏转部件33是具有光反射面33a的反射镜。偏转部件33配置于相对于透镜L1～L14的第1光轴N向一侧偏移的位置。由此，光反射面33a位于第1光轴N的一侧。光反射面33a相对于第1光轴N倾斜45°。从透镜L14向光反射面33a射出的光线朝向远离第1光轴N的方向。从透镜L14向放大侧射出的光线的光路利用光反射面33a朝与第1光轴N垂直的方向弯折。

此处，光反射面33a是平坦的。光反射面33a的设计轴M1设定于在第1光轴N的Y1 方向上经由该光反射面33a的光线的主光线100通过的位置C。即，光反射面33a的设计轴M1配置于从第1光轴N向光反射面33a侧偏移的位置。

第2光学系统32由1片透镜34构成。透镜34是玻璃制或树脂制。透镜34配置于偏转部件33的Z2方向。更详细而言，透镜34隔着第1光轴N配置于与光反射面33a相反的一侧。透镜34具有朝向Z1方向的第1面36和朝向Z2方向的第2面37。第1面36和第2面37 均具有凸形状。透镜34的光轴M2在Z轴方向上延伸。因此，透镜34的光轴M2与第1 光学系统31的透镜L1～L14的第1光轴N垂直。此外，透镜34在第2面37上具有反射涂层。

透镜34从缩小侧起依次具有第1透过面41、反射面42和第2透过面43。第1透过面41设置于第1面。因此，第1透过面41具有凸形状。反射面42为设置在透镜34的第2面 37上的反射涂层。因此，反射面42具有转印有第2面37的表面形状的凹形状。反射面 42的光轴与透镜34的光轴M2一致。第1透过面41和反射面42在Z轴方向上排列。第1 透过面41和反射面42位于透镜34的光轴M2的Y2方向。第2透过面43设置于第1面36。因此，第2透过面43具有凸形状。第1透过面41和第2透过面43在Y轴方向上排列。第2 透过面43位于透镜34的光轴M2的Y1方向。

在本例中，第1透过面41为非球面形状。反射面42和第2透过面43均为自由曲面形状。此外，第1透过面41、反射面42和第2透过面43均具有关于第1平面对称的形状。反射面42和第2透过面43均为变形面。另外，反射面42和第2透过面43能够采用如XY 多项式面、Fringe-Zernike多项式面、Zernike多项式面或Q2D自由曲面等那样在X方向和Y方向上具有不同形状的自由曲面。另外，第1透过面41、反射面42和第2透过面43 均以反射面42的光轴M2为设计基准轴来设计。另外，反射面42和第2透过面43中的至少一个面也可以不具有自由曲面形状。

此处，在光学系统3B的缩小侧共轭面上配置有图像形成部2的液晶面板18。液晶面板18在第1光轴N的Z2方向上形成投射图像。在光学系统3B的放大侧共轭面上配置有屏幕S。屏幕S位于第1光轴N的Z1方向。屏幕的高度方向是沿着Y轴的方向，屏幕的宽度方向是沿着X轴的方向。

此外，光学系统3B在缩小侧共轭面与放大侧共轭面之间形成与缩小侧共轭面以及放大侧共轭面共轭的中间像35。在本例中，中间像35形成于偏转部件33的光反射面 33a与透镜34的反射面42之间。更具体而言，中间像35形成于透镜34的第1透过面41 与反射面42之间。中间像35相对于反射面42的光轴M2位于Y2方向。

(透镜数据)

光学系统3B的透镜数据如下。面编号是从缩小侧向放大侧依次标注的。标号为液晶面板、分色棱镜、透镜、偏转部件、第1透过面、反射面、第2透过面和屏幕的标号。不与液晶面板、分色棱镜、透镜、偏转部件、第1透过面、反射面、第2透过面以及屏幕对应的面编号的数据为虚设数据。R为曲率半径。D为轴上面间距。C为光圈半径，光圈半径的2倍为透镜的面的直径。R、D、C的单位为mm。

各非球面系数如下。

各变形面系数如下。

此外，光学系统3B的画面宽度放大率、显示器件宽度、数值孔径、TR如下。画面宽度放大率是用投射到屏幕S的放大像的纵横比中的横向的值除以形成在液晶面板18面上的投射图像的纵横比中的横向的值而得到的值。显示器件宽度为液晶面板18 面上的宽度尺寸，单位为mm。数值孔径用NA表示。TR为投射比，是用投射距离除以将投射图像投射到屏幕S上时的X轴方向上的尺寸而得到的值。

此处，参照图12、图13，对本例的画面宽度放大率进行说明。图12是示出液晶面板18上的投射图像P1的范围的图。图13是示出屏幕S上的放大像P2的范围的图。在图 12的投射图像P1的右半部分，设定了A1～A9的9个光束的位置。图12的“A4”表示投射图像P1的中心的中央光束。在图13的放大像P2中，A1～A9的位置表示从投射图像P1 的A1～A9射出的光束到达的位置。本例的光学系统3B将纵横比中的横向的值为在液晶面板18上形成的投射图像P1的纵横比中的横向的值的“1.22”倍的放大像P2投射到屏幕S。

(实施例2的作用效果)

在本例中，光学系统3B在缩小侧共轭面与放大侧共轭面之间形成中间像35，光学系统3B具有第1光学系统31和配置于第1光学系统31的放大侧的第2光学系统32。第 2光学系统32具有透镜34，该透镜34从缩小侧朝向放大侧依次具有第1透过面41、反射面42和第2透过面43。反射面42和第2透过面43具有自由曲面形状。

在本例的光学系统3B中，反射面42和第2透过面43具有自由曲面形状。因此，能够借助反射面42和第2透过面43的作用，在缩小侧共轭面的投射图像与放大侧共轭面的放大像之间转换纵横比。因此，例如，与仅借助反射面42的作用转换投射图像与放大像的纵横比的情况相比，本例的转换纵横比的自由度较高。由此，在本例中，能够放大投射图像的X轴方向而转换投射图像与放大像的纵横比。

此处，在本例中，借助反射面42和第2透过面43的2个面的作用，在缩小侧共轭面的投射图像与放大侧共轭面的放大像之间转换纵横比。因此，与借助4个面的作用转换纵横比的实施例1的光学系统相比，纵横比的转换量较少。但是，除了该方面以外，还能够获得与实施例1的光学系统相同的作用效果。

此外，在本例中，偏转部件33的光反射面33a是平坦的。因此，能够抑制偏转部件33的制造成本。由此，能够抑制光学系统的制造成本。

图14和图15是示出光学系统3B的放大像的横向像差的图。在图14和图15中，A1 ～A9与图13的放大像P2中的A1～A9的光束的位置对应。如图14和图15所示，本例的光学系统3B的放大像中的横向像差得到了抑制。

另外，在本例中，也可以省略偏转部件33。在该情况下，例如，将透镜34配置于透镜L1～L14的第1光轴N，使透镜34的光轴M2与第1光轴N一致。而且，使从L14朝向放大侧的光线入射到第1透过面41即可。

(实施例3)

图16是示意性示出实施例3的光学系统的整体的光线图。在图16中，通过光束F1～F3示意性示出从本例的光学系统3C到达屏幕S的光束。光束F1为到达像高最低的位置的光束。光束F3为到达像高最高的位置的光束。光束F2为到达光束F1与光束F3之间的位置的光束。图17是实施例3的光学系统3C的光线图。图18是位于第1光学系统的最靠放大侧的位置的透镜、偏转部件和第2光学系统的光线图。

如图17所示，本例的光学系统3C从缩小侧朝向放大侧依次由第1光学系统31和第2光学系统32构成。

第1光学系统31具有14片的透镜L1～L14和偏转部件33。透镜L1～透镜L14从缩小侧朝向放大侧依次配置。在本例中，透镜L2和透镜L3是接合起来的第1接合透镜L21 。透镜L4和透镜L5是接合起来的第2接合透镜L22。透镜L9和透镜L10是接合起来的第 3接合透镜L23。在透镜L7与透镜L8之间配置有光圈O。

偏转部件33配置于透镜L14的放大侧。偏转部件33是具有光反射面33a的反射镜。偏转部件33配置于相对于透镜L1～L14的第1光轴N向一侧偏移的位置。由此，光反射面33a位于第1光轴N的一侧。光反射面33a相对于第1光轴N倾斜45°。从透镜L14向光反射面33a射出的光线朝向远离第1光轴N的方向。从透镜L14向放大侧射出的光线的光路利用光反射面33a朝与第1光轴N垂直的方向弯折。

此处，光反射面33a为自由曲面形状。此外，在设包含Y轴和Z轴的假想面为第1 平面时，光反射面33a具有关于第1平面对称的形状。在本例中，光反射面33a为变形面。另外，光反射面33a也能够采用XY多项式面、Fringe-Zernike多项式面、Zernike 多项式面、Q2D自由曲面。光反射面33a的设计轴M1设定于在第1光轴N的Y1方向上经由该光反射面33a的光线的主光线100通过的位置C。即，光反射面33a的设计轴M1 配置于从第1光轴N向光反射面33a侧偏移的位置。

第2光学系统32由1片透镜34构成。透镜34是玻璃制或树脂制。透镜34配置于偏转部件33的Z2方向。更详细而言，透镜34隔着第1光轴N配置于与光反射面33a相反的一侧。透镜34具有朝向Z1方向的第1面36和朝向Z2方向的第2面37。第1面36和第2面37 均具有凸形状。透镜34的光轴M2在Z轴方向上延伸。因此，透镜34的光轴M2与第1 光学系统31的透镜L1～L14的第1光轴N垂直。此外，透镜34在第2面37上具有反射涂层。

透镜34从缩小侧起依次具有第1透过面41、反射面42和第2透过面43。第1透过面41设置于第1面。因此，第1透过面41具有凸形状。反射面42为设置在透镜34的第2面 37上的反射涂层。因此，反射面42具有转印有第2面37的表面形状的凹形状。反射面 42的光轴与透镜34的光轴M2一致。第1透过面41和反射面42在Z轴方向上排列。第1 透过面41和反射面42相对于透镜34的光轴M2位于Y2方向。第2透过面43设置于第1面 36。因此，第2透过面43具有凸形状。第1透过面41和第2透过面43在Y轴方向上排列。第2透过面43相对于透镜34的光轴M2位于Y1方向。

在本例中，第1透过面41和第2透过面43均为非球面形状。反射面42为自由曲面形状。此外，第1透过面41、反射面42和第2透过面43均具有关于第1平面对称的形状。反射面42均为变形面。另外，反射面42能够设为XY多项式面、Fringe-Zernike多项式面、Zernike多项式面或Q2D自由曲面。另外，第1透过面41、反射面42和第2透过面43 均以反射面42的光轴M2为设计基准轴来设计。另外，反射面42也可以不具有自由曲面形状。

此处，在光学系统3C的缩小侧共轭面上配置有图像形成部2的液晶面板18。液晶面板18在第1光轴N的Z2方向上形成投射图像。在光学系统3C的放大侧共轭面上配置有屏幕S。屏幕S位于第1光轴N的Z1方向。屏幕的高度方向是沿着Y轴的方向，屏幕的宽度方向是沿着X轴的方向。

此外，光学系统3C在缩小侧共轭面与放大侧共轭面之间形成与缩小侧共轭面以及放大侧共轭面共轭的中间像35。在本例中，中间像35形成于偏转部件33的光反射面 33a与透镜34的反射面42之间。更具体而言，中间像35形成于透镜34的第1透过面41 与反射面42之间。中间像35位于反射面42的光轴M2的Y2方向。

(透镜数据)

光学系统3C的透镜数据如下。面编号是从缩小侧向放大侧依次标注的。标号为液晶面板、分色棱镜、透镜、偏转部件、第1透过面、反射面、第2透过面和屏幕的标号。不与液晶面板、分色棱镜、透镜、偏转部件、第1透过面、反射面、第2透过面以及屏幕对应的面编号的数据为虚设数据。R为曲率半径。D为轴上面间距。C为光圈半径，光圈半径的2倍为透镜的面的直径。R、D、C的单位为mm。

各非球面系数如下。

各变形面系数如下。

此外，光学系统3C的画面宽度放大率、显示器件宽度、数值孔径、TR如下。画面宽度放大率是用投射到屏幕S的放大像的纵横比中的横向的值除以形成在液晶面板 18面上的投射图像的纵横比中的横向的值而得到的值。显示器件宽度为液晶面板18 面上的宽度尺寸，单位为mm。数值孔径用NA表示。TR为投射比，是用投射距离除以将投射图像投射到屏幕S时的X轴方向上的尺寸而得到的值。

此处，参照图19、图20，对本例的画面宽度放大率进行说明。图19是示出液晶面板18上的投射图像P1的范围的图。图20是示出屏幕S上的放大像P2的范围的图。在图 19的投射图像P1的右半部分，设定了A1～A9的9个光束的位置。图19的“A4”表示投射图像P1的中心的中央光束。在图20的放大像P2中，A1～A9的位置表示从投射图像P1 的A1～A9射出的光束到达的位置。本例的光学系统3C将纵横比中的横向的值为在液晶面板18上形成的投射图像P1的纵横比中的横向的值的“1.18”倍的放大像P2投射到屏幕S。

(实施例3的作用效果)

在本例中，光学系统3C在缩小侧共轭面与放大侧共轭面之间形成中间像35，光学系统3C具有第1光学系统31和配置于第1光学系统31的放大侧的第2光学系统32。第 1光学系统31在最靠放大侧具有偏转部件33，该偏转部件33具有光反射面33a。第2光学系统32具有透镜34，该透镜34从缩小侧朝向放大侧依次具有第1透过面41、反射面 42和第2透过面43。反射面42和光反射面33a具有自由曲面形状。

根据本例，透镜34的反射面42和偏转部件33的光反射面33a具有自由曲面形状。因此，借助反射面42和光反射面33a的作用，能够在缩小侧共轭面的投射图像与放大侧共轭面的放大像之间转换纵横比。因此，例如，与仅借助反射面42的作用转换投射图像与放大像的纵横比的情况相比，本例的转换纵横比的自由度较高。由此，在本例中，能够放大投射图像的X轴方向而转换投射图像与放大像的纵横比。

此处，在本例中，借助透镜34的反射面42和偏转部件33的光反射面33a的作用，在缩小侧共轭面的投射图像与放大侧共轭面的放大像之间转换纵横比。因此，与借助 4个面的作用转换纵横比的实施例1的光学系统相比，纵横比的转换量较少。但是，除了该方面以外，还能够获得与实施例1的光学系统相同的作用效果。

此外，在本例中，将设置为自由曲面形状的部件划分为偏转部件33和透镜34的部件。因此，例如，即使在透镜34中产生品质的偏差的情况下，也能够通过偏转部件33 的品质，抑制像差的产生。因此，光学系统的生产性提高。

图21和图22是示出光学系统3C的放大像的横向像差的图。在图21和图22中，A1 ～A9与图20的放大像P2中的A1～A9的光束的位置对应。如图21和图22所示，本例的光学系统3C的放大像中的横向像差得到了抑制。

(实施例4)

图23是实施例4的光学系统3D的光线图。另外，在图23中，对与上述方式相同的结构标注相同标号并省略说明。如图23所示，本例的光学系统3D从缩小侧朝向放大侧依次由第1光学系统31和第2光学系统32构成。

第1光学系统31从缩小侧朝向放大侧具有第1光学元件38和偏转部件39。另外，在本例的说明中，为了方便起见，设相互正交的3个轴为X轴、Y轴和Z轴。Y轴方向为第1光学元件38和偏转部件39的排列方向。Z轴方向为液晶面板18和第1光学元件38的排列方向。此外，假设在Y轴方向上第1光学元件38所处的一侧为Y2方向、偏转部件 39所处的一侧为Y1方向。假设在Z轴方向上液晶面板所处的一侧为Z1方向、第1光学元件38所处的一侧为Z2方向。

第1光学元件38具有：第1面51，其朝向Z1方向；以及第2面，其朝向与第1面51 相反的一侧；以及第3面53，其朝向Y1方向。第1光学元件38在第1面51的Y1方向侧具有第1反射涂层。并且，第1光学元件38在第2面52上具有第2反射涂层。由此，第1面 51的Y2方向侧的部分为入射面61，第1面51的Y1方向的部分为第1反射面62。第2面52 为第2反射面63。第3面53为射出面64。从缩小侧朝向放大侧在第1光学元件38中通过的光线依次经由入射面61、第2反射面63、第1反射面62和射出面64。

偏转部件39具有：第1面56，其朝向第1光学元件38侧；第2面57，其朝向第2光学系统32侧；以及第3面58，其朝向与第2面57相反的一侧。偏转部件39在第2面57的Y2 方向侧具有第1反射涂层。偏转部件39在第3面58上具有第2反射涂层。由此，第1面56 为入射面66。第2面57的Y2方向侧的部分为第1反射面67，第2面57的Y1方向侧的部分为射出面68。第3面58为第2反射面69。从缩小侧朝向放大侧在偏转部件39中通过的光线依次经由入射面66、第1反射面67、第2反射面69和射出面68。

此处，第2反射面69(光反射面)为自由曲面形状。此外，在设包含Y轴和Z轴的假想面为第1平面时，第2反射面69具有关于第1平面对称的形状。在本例中，第2反射面69为变形面。

第2光学系统32由1片透镜34构成。透镜34配置于偏转部件39的Z2方向。透镜34 具有朝向Z1方向的第1面36和朝向Z2方向的第2面37。第1面36和第2面37均具有凸形状。透镜34的光轴M2在Z轴方向上延伸。

透镜34从缩小侧起依次具有第1透过面41、反射面42和第2透过面43。第1透过面41设置于第1面36。因此，第1透过面41具有凸形状。反射面42为设置在透镜34的第2 面37上的反射涂层。因此，反射面42具有转印有第2面37的表面形状的凹形状。反射面42的光轴与透镜34的光轴M2一致。第1透过面41和反射面42在Z轴方向上排列。第1 透过面41和反射面42位于透镜34的光轴M2的Y2方向。第2透过面43设置于第1面36。因此，第1面36具有凸形状。第1透过面41和第2透过面43在Y轴方向上排列。第2透过面43位于透镜的光轴M2的Y1方向。

在本例中，第1透过面41、反射面42和第2透过面43均为自由曲面形状。此外，第 1透过面41、反射面42和第2透过面43均具有关于第1平面对称的形状。第1透过面41 、反射面42和第2透过面43均为变形面。

根据本例，透镜34的反射面42和偏转部件39的第2反射面69具有自由曲面形状。因此，借助反射面42和第2反射面69的作用，能够在缩小侧共轭面的投射图像与放大侧共轭面的放大像之间转换纵横比。因此，例如，与仅借助透镜的反射面的作用转换投射图像与放大像的纵横比的情况相比，转换纵横比的自由度较高。由此，在本例中，能够放大投射图像的X轴方向而转换投射图像与放大像的纵横比。

此外，在本例中，第1透过面41和第2透过面43具有自由曲面形状。由此，借助偏转部件39的第2反射面69、透镜34的反射面42、第1透过面41和第2透过面43的作用，能够在缩小侧共轭面的投射图像与放大侧共轭面的放大像之间转换纵横比。因此，与借助反射面和光反射面的2个面的作用转换纵横比的情况相比，容易增大转换量。

(摄像装置)

图24是具有本例的光学系统3的摄像装置5的说明图。本例的光学系统3能够形成为与上述的实施例1～4所示的结构相同的结构。在摄像装置5中，在光学系统3的缩小侧共轭面配置摄像元件8。在该情况下，来自放大侧共轭面200的光线Q1入射到第2透过面43，该第2透过面43在透镜32的第1面36上位于光轴M2的上方Y1。入射到第2透过面43的光线利用位于光轴M2的下方Y2的反射面42折回。由反射面42折回后的光线Q2 从位于光轴M2的下方的第1透过面41射出，并朝向第1光学系统31。入射到第1光学系统31的光线在摄像元件8上成像，该摄像元件8配置于缩小侧共轭面。

在本例的光学系统3中，反射面42具有自由曲面形状。此外，第1透过面41、光反射面33a和第2透过面43中的至少一个面具有自由曲面形状。因此，例如，与仅借助反射面42的作用转换放大侧共轭面200的放大像和摄像元件8的摄像图像的纵横比的情况相比，本例的转换纵横比的自由度较高。由此，在本例中，能够放大摄像图像的X 轴方向而转换摄像图像与放大像的纵横比。

Claims (17)

1.一种光学系统，其在缩小侧共轭面与放大侧共轭面之间形成中间像，其特征在于，所述光学系统具有：

第1光学系统；以及

第2光学系统，其具有透镜，配置于所述第1光学系统的放大侧，

所述透镜具有：第1透过面；反射面，其配置于所述第1透过面的所述放大侧；以及第2透过面，其配置于所述反射面的所述放大侧，

所述反射面和所述第2透过面中的至少一方具有自由曲面形状。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，

所述中间像相对于所述反射面位于缩小侧。

3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，

所述中间像位于所述反射面与所述第1透过面之间。

4.一种光学系统，其在缩小侧共轭面与放大侧共轭面之间形成中间像，其特征在于，所述光学系统具有：

第1光学系统，其具有偏转部件；以及

第2光学系统，其具有透镜，配置于所述第1光学系统的放大侧，

所述偏转部件具有光反射面，在所述第1光学系统中配置于最靠所述放大侧，

所述透镜具有：第1透过面；反射面，其配置于所述第1透过面的所述放大侧；以及第2透过面，其配置于所述反射面的所述放大侧，

所述反射面和所述光反射面具有自由曲面形状。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，

所述第2透过面具有自由曲面形状。

6.根据权利要求4或5所述的光学系统，其特征在于，

所述中间像位于所述光反射面与所述反射面之间。

7.根据权利要求4或5所述的光学系统，其特征在于，

所述第1光学系统具有多个光学元件，所述多个光学元件配置于所述偏转部件的缩小侧，

所述光反射面位于所述第1光学系统的第1光轴的一侧，

所述第1透过面位于所述第1光轴的另一侧。

8.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，

所述光反射面的设计轴从所述第1光轴向光反射面侧偏移。

9.根据权利要求1或4所述的光学系统，其特征在于，

所述第1透过面具有自由曲面形状。

10.根据权利要求1或4所述的光学系统，其特征在于，

所述透镜具有：第1面，其朝向缩小侧；以及第2面，其具有凸形状，朝向与所述第1面相反的一侧，

在所述第2面上设置有作为所述反射面的反射涂层，

所述反射涂层具有转印有所述第2面的表面形状的凹形状。

11.根据权利要求10所述的光学系统，其特征在于，

所述第1透过面、所述中间像和所述反射面位于所述透镜的第2光轴的一侧，

所述第2透过面位于所述第2光轴的另一侧。

12.根据权利要求11所述的光学系统，其特征在于，

在第1轴、第2轴和第3轴是相互正交的3个轴、包含所述第1轴和所述第2轴的平面是第1平面、所述第2光轴是所述第1轴时，

所述第1透过面和所述反射面沿着所述第1轴排列，

所述第1透过面和所述第2透过面沿着所述第2轴排列，

所述反射面具有关于所述第1平面对称的形状。

13.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，

所述第2透过面具有关于所述第1平面对称的形状。

14.根据权利要求13所述的光学系统，其特征在于，

所述第1透过面具有关于所述第1平面对称的形状。

15.根据权利要求10所述的光学系统，其特征在于，

所述第1面具有凸形状。

16.一种投影仪，其特征在于，所述投影仪具有：

光调制元件，其对从光源射出的光进行调制；以及

权利要求1～15中的任意一项所述的光学系统，其投射由所述光调制元件调制后的光。

17.一种摄像装置，其特征在于，所述摄像装置具有：

权利要求1～15中的任意一项所述的光学系统；以及

摄像元件，其配置在所述缩小侧共轭面上，从所述光学系统射出的光在所述缩小侧共轭面上成像。

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