CN1264046C - 投射光学系统,投射型图像显示装置和图像显示系统 - Google Patents
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Abstract
公开了投射距离短,紧凑地构成,能够斜投射的投射光学系统。投射光学系统把来自形成原图的图像形成元件的光束,投射于对作为从原图的中心到最终成像图像的中心的光束的主光线的中心主光线倾斜的被投射面。该投射光学系统,含有具有曲率的多个反射面。进而,满足规定的条件(1),即0<(S0×|β|)/S1<8。
Description
技术领域
本发明涉及投影机等投射型图像显示装置中所用的投射光学系统。
背景技术
历来,由来自光源的光来照明液晶显示板等图像形成元件,用靠图像形成元件所图像调制的透过光或反射光,由投射光学系统放大投射于屏幕等被投射面的、被动型的投影机被进行了种种设计。
这种投影机中所用的投射光学系统中,为了既实现投射图像的大型化又使装置薄型化,有能够对屏幕从倾斜方向投射(以下称为斜投射)者。
例如,在特开1993-100312号公报中,提出了作为投射光学系统用大视场角的广角镜头,相对投射光学系统的光轴,把图像形成元件和屏幕错开配置,通过使用视场角的端部进行斜投射者。
此外,在特开平1993-80418号公报中,提出了使基于光调制器的图像光由第1投射光学系统中间成像,由第2投射光学系统放大投射于屏幕使各投射光学系统的光轴适当地倾斜借此来进行斜投射者。
这里,投影机中的所谓非同轴光学系统,是指在以从图像形成元件中所显示的原图的中心通过光瞳(光圈)到达投射于屏幕上的图像(最终成像图像)的中心的光线为中心主光线时,包含构成面中的与中心主光线的交点处的法线不在中心主光线的光路上的曲面的光学系统,其基准轴成为曲折的形状。
这种离轴线光学系统由于可以比较自由地进行光路的折叠、拉回,所以容易形成小型的光学系统。此外,因为构成面一般来说为非对称非球面,所以即使在斜投射中也进行足够的相差修正是可能的。
其有用性在特开2001-2554621号公报,特开2001-215412号公报和特开2000-027307号公报中说明了。
图9中示出由上述特开2001-255462号公报所提出的投射光学系统。图中的P是图像显示板,K是把靠图像显示板P所调制的光导光到屏幕S,在屏幕S上形成图像用的由利用离轴线系统的多个反射面所构成的投射光学系统。
此外,图10中示出由特开2001-215412号公报所提出的投射光学系统。图中的P表示图像显示板,S表示屏幕。投射光学系统由具有偏心的折射透镜群(单元),和由多个反射面所构成的离轴线光学系统来构成。
在投影机中,为了得到更加大型的投射图像,如果加长投射距离,则或者可以考虑缩短焦距谋求高视场角化的方法。图9中所示的由特开平2001-255462号公报提出的投射光学系统由于在光瞳中成像,所以焦距缩短了。
可是,因为光瞳成像的成像位置为从图像显示板P到屏幕S的光束最后通过的具有曲率的反射面与屏幕S之间,故有必要充分确保从光瞳成像位置到屏幕的距离。因此,投射距离加长。
另一方面,图10中所示的由特开2001-215412号公报提出的投射光学系统中,通过把从屏幕S从列举最初的具有光焦度的光学面到屏幕S的中心主光线行进的长度相对从图像显示板P到屏幕S的中心主光线行进的长度的比率定在某个范围,使得投射距离不过长,而且,使得靠近屏幕S的光学元件的直径不过大。
可是,在上述特开2001-215412号公报中所公开的条件的范围内,在以更短的焦距放大投射于大型屏幕(对应于高视场角)的投射光学系统的场合,把光学系统的直径抑制得足够小很困难。
这里,光学系统的直径,从光瞳面到屏幕之间容易变大。这是因为从图像显示板到光瞳面之间相当于焦距,无法配置多个透镜,透镜必然要配置于从光瞳面到屏幕之间的缘故。此外,特别是,离光瞳最远的光学系统中直径的扩大化变得显著。由此,为了防止光学系统的直径的巨大化,有必要规定直到离光瞳面最远的反射面的距离。
发明内容
本发明目的在于提供一种投射距离短、紧凑地构成、能够斜投射的投射光学系统。
实现上述目的用的本发明的一种投射光学系统,使由图像形成元件形成的原图的最终图像在最终像面上放大成像,其特征在于,
包括分别具有曲率的多个反射面;
以从所述原图的中心到达所述最终图像中心的光束的主光线为中心主光线时,所述中心主光线相对于所述最终像面倾斜入射;
所述投射光学系统在所述中心主光线的光路上的所述原图和所述最终图像之间,形成所述原图的中间像;
位于所述原图和所述最终像面之间的多个光瞳面中最靠近所述最终像面的最终光瞳面被配置在比所述多个反射面中最靠近所述最终像面的最终反射面更靠近所述原图一侧;并且满足以下条件:
0<(S0×|β|)/S1<8
其中,S0是从所述最终光瞳面到所述最终反射面为止的所述中心主光线所行进的路径的长度,S1是从所述最终光瞳面到所述最终像面为止的所述中心主光线所行进的路径的长度,β是在包含所述最终像面的法线和入射到所述最终像面的所述中心主光线的平面内的、所述最终图像相对于所述原图的放大率。
此外,本发明的投射光学系统,把来自形成原图的图像形成元件的光束,投射于对从前述原图的中心到最终成像图像的中心的中心主光线倾斜的被投射面上,其中包括具有曲率的多个反射面,以及配置在比前述多个反射面当中最靠近前述被投射面的最终反射面更靠近前述图像形成元件一侧的光圈,这里,在前述光圈与前述最终反射面之间,形成前述光圈的像(存在光瞳成像位置,或者存在与光圈共轭的面)。
实现上述目的用的本发明的一种投射型图像显示装置,其特征在于,包括:
形成原图的图像形成元件;和
使由所述图像形成元件形成的原图的最终图像在最终像面上放大成像的投射光学系统,
其中,所述投射光学系统包括分别具有曲率的多个反射面;
以从所述原图的中心到达所述最终图像中心的光束的主光线为中心主光线时,所述中心主光线相对于所述最终像面倾斜入射;
所述投射光学系统在所述中心主光线的光路上的所述原图和所述最终图像之间,形成所述原图的中间像;
位于所述原图和所述最终像面之间的多个光瞳面中最靠近所述最终像面的最终光瞳面被配置在比所述多个反射面中最靠近所述最终像面的最终反射面更靠近所述原图一侧;并且满足以下条件:
0<(S0×|β|)/S1<8
其中,S0是从所述最终光瞳面到所述最终反射面为止的所述中心主光线所行进的路径的长度,S1是从所述最终光瞳面到所述最终像面为止的所述中心主光线所行进的路径的长度,β是在包含所述最终像面的法线和入射到所述最终像面的所述中心主光线的平面内的、所述最终图像相对于所述原图的放大率。
实现上述目的用的本发明的一种图像显示系统,其特征在于,包括:
投射型图像显示装置,包括形成原图的图像形成元件和使由所述图像形成元件形成的原图的最终图像在最终像面上放大成像的投射光学系统,以及
图像信息供给装置,将用于在所述图像形成元件中显示原图的图像信息提供给所述投射型图像显示装置,
其中,所述投射光学系统包括分别具有曲率的多个反射面;
以从所述原图的中心到达所述最终图像中心的光束的主光线为中心主光线时,所述中心主光线相对于所述最终像面倾斜入射;
所述投射光学系统在所述中心主光线的光路上的所述原图和所述最终图像之间,形成所述原图的中间像;
位于所述原图和所述最终像面之间的多个光瞳面中最靠近所述最终像面的最终光瞳面被配置在比所述多个反射面中最靠近所述最终像面的最终反射面更靠近所述原图一侧;并且满足以下条件:
0<(S0×|β|)/S1<8
其中,S0是从所述最终光瞳面到所述最终反射面为止的所述中心主光线所行进的路径的长度,S1是从所述最终光瞳面到所述最终像面为止的所述中心主光线所行进的路径的长度,β是在包含所述最终像面的法线和入射到所述最终像面的所述中心主光线的平面内的、所述最终图像相对于所述原图的放大率。
通过参照附图的以下的具体的实施例的说明将可以明确本发明的投射光学系统的特征。
附图说明
图1是作为本发明的第1实施例的投影机的光学系统的构成图。
图2是图1中所示的光学系统当中的投射光学系统的构成图。
图3是图1中所示的投射光学系统的光点图。
图4是图1中所示的投射光学系统的投影偏差图。
图5是作为本发明的第2实施例的投影机的光学系统的构成图。
图6是图5中所示的光学系统的投射光学系统的构成图。
图7是图5中所示的投射光学系统的光点图。
图8是图5中所示的投射光学系统的投影偏差图。
图9是历来的斜投射光学系统的构成图。
图10是历来的斜投射光学系统的构成图。
图11是本发明的实施例中用的坐标系的说明图。
具体实施方式
在进入本发明的实施例的说明之前,就各实施例中的构成各种因素的表示方式和所有实施例的共同事项进行说明。图11是定义本发明的光学系统的构成数据用的坐标系的说明图。在本发明的实施例中,令沿着从物体侧向像面前进的一个光线(图1中单点划线所示者,称为中心主光线或基准轴光线)第i号的面为第i面。
此外,在图11中,第1面R1是折射面,第2面R2是对第1面R1倾斜的反射面,第3面R3、第4面R4是对各自的前面错开、倾斜的反射面,第5面R5是对第4面R4错开、倾斜的反射面。从第1面R1到第5面R5的各个面构成于由玻璃、塑料等介质来构成的一个光学元件上,在图11中作为第1光学元件B1。因而,在图11的构成中,从未画出的物体面到第1面R1的介质是空气,从第1面R1到第5面R5有共同的介质,从第5面R5到未画出的第6面R6的介质由空气来构成。
因为本发明的光学系统是离轴线光学系统,故构成光学系统的各面没有共同的光轴。因此,在本发明的实施例中,设定以第1面的中心为原点的绝对坐标系。而且,把通过作为第1面的中心点的原点与最终成像面(最终成像图像)的中心的光线(中心主光线或基准轴光线)的行进路径定义成光学系统的基准轴。再者,如果还考虑在配置于物体面的图像形成元件上所形成的原图,则把通过该原图的中心与光学系统的光瞳的中心,进而通过最终成像面的中心的光束的主光线,也就是中心主光线(或者基准轴光线)的行进路径定义成基准轴。进而,本实施例中的基准轴具有方向(朝向)。该方向是基准轴光线成像之际行进的方向。
虽然在本发明的实施例中,像以上这样设定成为光学系统的基准的基准轴,但是成为光学系统的基准的轴的确定方法只要采用在光学设计上,像差的排解上,或在表现构成光学系统的各面形状上方便的轴就可以了。但是,一般来说把通过像面的中心,与光圈、入射光瞳、出射光瞳或光学系统的第1面的中心或者最终面的中心的某一个的光线的路径设定成成为光学系统的基准的基准轴。
也就是说,在本发明的实施例中,把通过第1面的中心点,到最终成像面的中心的中心主光线(基准轴光线)靠各折射面和反射面折射、反射的路径设定成基准轴。各面的顺序按中心主光线受到折射、反射的顺序来设定。因而,按照基准轴沿着所设定的各面的顺序折射或者反射的法则一边使其方向变化一边最终到达像面的中心。
构成本发明的实施例的光学系统的倾斜面,基本上全都在同一面内倾斜。因此,像以下这样确定对坐标系的各轴。Z轴:取为作为最物体侧(这里,缩小侧共轭面侧,换句话说靠近共轭长度短的共轭面一侧)的光学面的第1面R1的,前述中心主光线通过的点处的,对第1面的法线方向。这里,以从物体面朝第1面R1的方向为正方向。
Y轴:以在通过原点倾斜面内(图11的纸面内)对Z轴逆时针旋转方向成90°的方向为正。
X轴:通过原点与Z、Y各轴垂直的方向(与图11的纸面垂直的直线)。以纸面眼前侧(从Z轴的正方向看,以原点为中心使Y轴逆时针旋转90°的方向)为正。
此外,为了表示构成光学系统的第1面的面形状,通过用绝对坐标系表示该面的形状,设定以基准轴(中心主光线)与第1面交叉点为原点的局部坐标系,因为用局部坐标系表示该面的面形状的方法在认识形状上易于理解,故决定用局部坐标系来表示第1面的面形状。局部坐标x轴、y轴、z轴像以下这样定义。
z轴:是通过局部坐标的原点,此一局部坐标的原点处的第1面的法线方向,以对前述绝对坐标系的Z方向夹角不足90°的方向为正。
y轴:通过局部坐标的原点,以对z方向在绝对坐标的YZ面内逆时针方向旋转90°的方向为正。
x轴:通过局部坐标的原点,对YZ面垂直的方向(从z轴的正方向看,以原点为中心使y轴逆时针旋转90°的方向为正)。
此外,第1面的z轴的,在YZ面内的倾斜角,用以对绝对坐标系的Z轴逆时针旋转方向为正的角度θi(单位°)来表示。这里的角度θi是对第i面的z轴的绝对坐标系的Z轴的,YZ平面内的朝逆时针旋转方向的倾斜角。也就是,可以说第i面的局部坐标(x、y、z)的y、z轴对绝对坐标系(X、Y、Z)在YZ面内倾斜角度θi。在以下的第1、第2实施例中,各面的局部坐标的原点处于绝对坐标系的YZ平面上。此外,在以下的第1、第2实施例中,没有XZ和XY面内的面的偏心。
此外,在各实施例中与光学系统的断面图一起示出数值数据。这里,Yi、Zi是各面的原点的绝对坐标系中的坐标,θi是各面的倾斜角,Di是表示第i面与第(i+1)面的局部坐标的原点的间隔的标量。Ni、νi分别是第i面与第(i+1)面间的介质的折射率与阿贝数。此外,e-X表示10-X。
这里,球面是由以下的公式表达的形状:
此外,本发明的光学系统至少有一面以上旋转非对称的非球面,其形状由以下的公式表达:
z=C02y2+C20x2+C03y3+C21x2y+C04y4+C22x2y2+C40x4
+C05y5+C23x2y3+C41x4y+C06y6+C24x2y4+C42x4y2+C60x6
因为上述曲面式仅有关于x的偶数次项,故由上述曲面式所规定的曲面是以yz面为对称面的面对称的形状。进而在满足以下的条件的场合表示对xz面对称的形状。
C03=C21=t=0
进而,在满足
C02=C20
C04=C40=C22/2
C06=C60=C24/3=C42/3
的场合表示旋转对称的形状。在不满足以上的条件的场合是旋转非对称的形状。
下面,参照附图就本发明的实施例进行说明。
(第1实施例)
图1是用作为本发明的第1实施例的投射光学系统的投影机(投射型图像显示装置)的整个光学系统的局部概略图。此外,图2中放大示出投射光学系统。
在这些图中,P是图像形成元件,可以用反射型点阵液晶或数字式微反射镜器件等。
在图像形成元件上,如图2中所示,连接着驱动电路10。从个人计算机、录像机、电视机、DVD播放机、移动电话、电磁波接收装置(有线、无线)等图像信息供给装置向驱动电路10输入图像信息,驱动电路10驱动图像形成元件P以便在其上显示与所输入的图像信息对应的原图。借此,构成用投射型图像显示装置的图像显示系统。关于这些在以下的实施例中,虽然未画出但是同样的。
在这些图中,L是向图像形成元件P照射光的照明系统。照明系统L由聚光透镜,选择波长的滤光片等来构成。
K1是投射光学系统,把由图像形成元件P所调制的光导光到屏幕S,在屏幕S上形成图像。此一投射光学系统K1是利用离轴线系统的光学系统。
这里,就投射光学系统K1详细地进行说明。投射光学系统K1由具有曲率的多个旋转非对称形状的反射面来构成。在图1和图2中,投射光学系统K1按来自图像形成元件P的光线的通过顺序,由凹面镜R1,凸面镜R2(有光圈SS0),凹面镜R3,凸面镜R4,凹面镜R5,和凸面镜R6等六个反射面来构成。所有的反射面都仅对YZ平面是对称的面。
这里,光圈SS0的像在凹面镜R5与凸面镜R6之间的位置SS1处成像。也就是说,在位于光圈SS0与凸面镜R6之间的位置(以下称为光瞳成像位置)SS1处形成光瞳面(也就是图像形成元件P的中间像),所述凸面镜R6为从图像形成元件P到屏幕S的光线最后通过的、具有曲率的光学面。
此外,作为从光瞳成像位置SS1向图像形成元件P第1个反射面的凹面镜R5具有正的光焦度,作为从光瞳成像位置SS1向屏幕S一侧第1个反射面的凸面镜R6具有负的光焦度。借此,因为从图像形成元件P到光瞳成像位置SS1的距离缩短,而且从光瞳成像位置SS1到屏幕S的距离缩短,所以投影距离可以进一步缩短。
进而,在本投射光学系统中,为了更加缩短投射距离,而且靠近屏幕S的光学面的直径不加大,最好是满足以下的条件(1)。
0<(S0×|β|)/S1<8 (1)
式中,S0是对六个反射面(R1~R6)当中作为最终反射面的凸面镜R6在图像形成元件P一侧中从最近的光瞳面(光瞳成像位置SS1)(也就是最靠近被投射面的光瞳面)到凸面镜R6的中心主光线行进路径的长度,β是斜投射方向的放大倍数(这里,包括被投影面的法线与入射于被投影面的中心主光线的平面内的放大倍数)。
上述条件(1)是规定直到作为离光瞳面最远的反射面的凹面镜R1的距离的公式。从图像形成元件P到光瞳面(光瞳成像位置SS1)的距离的区域的长度相当于此一投射光学系统K1的焦距,因为在此一区域中配置多个透镜是困难的,故光学系统的直径在从光瞳面(光瞳成像位置SS1)到屏幕S之间容易变大。其中尤以在图像形成元件P一侧离光瞳面最远的光学面的直径的扩大最为显著。特别是,在具有高视场角的光学系统中,该影响很大。
由此,为了在图像形成元件P一侧离光瞳面最远的光学面的直径不变大,有必要规定从光瞳面到最远的凹面镜R1的距离。
如果(S0×|β|)/S1的值超过上述条件式(1)的上限,则靠近屏幕S的反射面的直径变大,连带着成本提高。此外,低于条件式(1)的下限的,也就是在光瞳面的位置比从图像形成元件P到达屏幕S的光线最后通过的具有曲率的凸面镜R6更靠近屏幕S的场合,投射距离加长,薄型化的效果减小。
在本实施例的场合,S0=46.1,S1=1046,β=40,因此,成为
(S0×|β|)/S1=1.76
在本实施例中,图像形成元件P的大小在纵向为12.4mm,在横向为22.1mm,屏幕S在纵向为498mm,在横向为885mm,斜投射方向的放大倍数β为40。此外,屏幕S的法线Sa对基准轴倾斜40°。以下,示出本实施例中所用的投射光学系统K1的构成数据。在以下的构成数据中,按从图像形成元件P到屏幕S的顺序给各面赋予编号i。
再者,数据中的各符号的含义按前述。
物体侧数值孔径0.08
I | Yi | Zi | θi | Di | Ni | νi |
1234567 | 0.0010.7151.4240.69105.8165.031014.32 | 0.00-55.74-5.70-72.43-52.68-155.30159.09 | 0.0014.1324.1341.1347.4046.6831.68 | 56.7664.5167.5968.05110.431000.00 | 1111111 | 反射面反射面、光圈反射面反射面反射面反射面像面 |
非球面形状
R1面C02=-3.85514e-003 C20=-4.70776e-003
C03=-6.01477e-006 C21=7.63415e-006
C04=-9.29336e-007 C22=-6.48743e-007 C40=-1.65168e-007
C05=5.44406e-009 C23=-1.66977e-008 C41=-6.26718e-009
C06=2.25085e-010 C24=-3.91876e-010 C42=-3.90924e-010
C60=-7.12693e-011
R2面C02=-2.42541e-003 C20=-3.78075e-003
C03=3.26301e-005 C21=5.40437e-005
C04=-2.24073e-006 C22=-1.62725e-006 C40=-2.85399e-007
C05=1.82912e-008 C23=-3.44283e-008 C41=-3.09964e-008
C06=-4.01368e-010 C24=1.97237e-009 C42=-1.47562e-009
C60=-6.47878e-010
R3面C02=-4.22738e-003 C20=-4.63587e-003
C03=4.78509e-006 C21=3.10784e-006
C04=-2.12346e-007 C22=-1.66509e-007 C40=-6.96903e-008
C05=-2.10613e-009 C23=-2.42411e-009 C41=6.59704e-010
C06=8.31338e-012 C24=7.63810e-012 C42=-4.88019e-011
C60=7.52629e-011
R4面C02=-3.25274e-003 C20=-8.61030e-003
C03=-4.95358e-005 C21=-8.03344e-005
C04=-1.23822e-006 C22=2.09653e-006 C40=2.92425e-006
C05=-2.16840e-007 C23=5.06569e-008 C41=8.98138e-008
C06=6.55391e-010 C24=3.77927e-010 C42=1.83979e-009
C60=-2.94289e-009
R5面C02=-5.07944e-003 C20=-5.83334e-003
C03=-2.06964e-005 C21=-5.25282e-006
C04=2.21360e-007 C22=-5.92065e-008 C40=-1.47013e-007
C05=5.29859e-009 C23=-6.04296e-009 C41=-2.78952e-009
C06=-8.29096e-013 C24=2.33718e-011 C42=2.57878e-011
C60=3.56041e-013
R6面C02=-7.97556e-004 C20=-2.17105e-003
C03=1.67223e-005 C21=8.84246e-005
C04=-3.29418e-007 C22=-9.85571e-007 C40=1.62308e-006
C05=-3.24574e-009 C23=4.14815e-008 C41=-1.12141e-007
C06=-2.55783e-010 C24=-5.46939e-010 C42=3.54399e-010
C60=1.27042e-009
接下来,说明本实施例的投射光学系统K1中的光学作用。从图1中所示的照明系统L的光源所发出的光,通过未画出的聚光透镜、彩色滤光片等,照射图像形成元件P。靠图像形成元件P所调制的光,如图2中所示,一边靠构成投射光学系统K1的六个反射面R1~R6依次反射一边行进,被导光到屏幕S,放大投影与在图像形成元件P上所显示的原图对应的投射图像。
这里,本实施例的投射光学系统K1的光点图示于图3,投影偏差图示于图4。光点图就波长643.85mm的光束示出屏幕S处的成像性能。由于本实施例的投射光学系统K1仅由反射面来构成所以不产生色像差,故仅述及关于一个波长的光点图。
另一方面,投影偏差图记着与图像形成元件P处的长方形的纲目对应的屏幕S上的像高位置。相当于纵轴(y)方向的100%像高的位置是离画面中心纵向498mm的位置,相当于横轴(x)方向的100%像高的位置,是离画面中心横向855mm的位置。
(第2实施例)
图5中是用作为本发明的第2实施例的投射光学系统的投影机的整个光学系统的局部概略图。此外,图6中放大示出投射光学系统。
在这些图中,P是图像形成元件,可以用反射型点阵液晶或数字式微反射镜器件等。
L是向图像形成元件P照射光的照明系统。照明系统L由灯、聚光透镜、选择波长的滤光片等来构成。
K是把靠图像形成元件P进行图像调制的光导光到屏幕S,在屏幕S上形成图像的投射光学系统,从图像形成元件P一侧依次由多个同轴折射透镜所构成的折射光学系统K2,和利用离轴线系统的反射光学系统K3来构成。
反射光学系统K3由具有曲率的多个旋转非对称形状的反射面来构成。
具体地说,反射光学系统K3按来自图像形成元件P的光线的通过顺序,由凸面镜R13,凹面镜R14,凸面镜R15三个反射面来构成。在反射光学系统K3中,所有的反射面都是仅对YZ平面对称的面,凸面镜R13在y轴方向错开25mm。
这里,光圈SS0的像在凹面镜R14与凸面镜R15之间的位置SS1处成像。也就是说,在从光圈SS0,与图像形成元件P到达屏幕S的光线最后通过的,与作为具有曲率的光学面的凸面镜R15之间的位置(以下称为光瞳成像位置)SS1处形成光瞳面(也就是图像形成元件P的中间像)。
这样一来,由于不是仅由旋转非对称形状的反射面构成投射光学系统K,通过加上同轴折射光学系统K2,可以在折射光学系统K2中分担光焦度,所以可以把制造成本高的旋转非对称形状的反射面的个数抑制得更少。此外,由于每个旋转非对称形状的反射面的光焦度减小,所以可以放大对制造时的误差的允许量。
此外,作为从光瞳成像位置SS1向图像形成元件P第1个反射面的凹面镜R14具有正的光焦度,作为从光瞳成像位置SS1向屏幕S一侧第1个反射面的凸面镜R14具有负的光焦度。借此,因为从图像形成元件P到光瞳成像位置SS1的距离缩短,而且从光瞳成像位置SS1到屏幕S的距离缩短,所以投影距离可以进一步缩短。
此外,在投射光学系统K中,为了更加缩短投射距离,而且靠近屏幕S的光学面的直径不加大,最好是满足上述条件式(1)。
在本实施例的场合,为S0=43.0,S1=831,β=69.1。
因此,成为
(S0×|β|)/S1=3.58
在本实施例中,图像形成元件P的大小在纵向是14mm,在横向是19mm,屏幕S在纵向是966mm,在横向是1314mm,斜投射方向的放大倍数为69.15。
此外,屏幕S的法线Sa对基准轴倾斜50.9°。以下,示出本实施例中所用的投射光学系统K的构成数据。在以下的构成数据中,按从图像形成元件P到屏幕S的顺序给各面赋予序号i.此外,数据中的各符号的含义如前所述。
物体侧数值孔径0.21
i | Yi | Zi | θi | Di | Ni | νi | |
123456789101112131415161718 | -10.45-10.47-11.72-14.10-14.52-16.08-16.52-18.18-18.60-22.72-23.12-24.44-77.1442.9539.23389.20501.28501.28 | 50.1850.2856.1567.3669.3176.6778.7386.5588.51107.91109.77116.00243.67137.96287.96283.02707.01707.01 | -12.00-12.00-12.00-12.00-12.00-12.00-12.00-12.00-12.00-12.00-12.00-12.00-24.00-18.00-44.60-37.19-37.19-37.19 | 0.106.0011.462.007.520.1010.002.0019.841.906.36135.84156.11150.00350.00438.550.00 | 11.8550411.768591.4891511.489151.7685911.652221.855041111111 | 0.000.000.000.000.000.000.00 | 光圈折射面折射面折射面折射面折射面折射面折射面折射面折射面折射面折射面反射面反射面反射面反射面反射面像面 |
球面形状
R2面r2=51.550
R3面r3=799.180
R4面r4=-371.002
R5面r5=35.660
R6面r6=-49.426
R7面r7=333.809
R8面r8=-26.698
R9面r9=-75.896
R10面r10=-144.207
R11面r11=220.204
R12面r12=-86.830
非球面形状
R13面C02=1.56917e-003 C20=1.18915e-003
C03=-2.54018e-005 C21=-1.87725e-005
C04=3.93797e-007 C22=7.81221e-007 C40=1.27036e-007
C05=-1.42359e-009 C23=-9.62848e-009 C41=-3.95620e-009
C06=-5.96310e-012 C24=3.85809e-011 C42=1.70824e-011
C60=1.96716e-011
R14面C02=3.10814e-003 C20=4.57287e-003
C03=1.21999e-005 C21=1.92043e-005
C04=4.80365e-008 C22=1.23036e-007 C40=2.93548e-008
C05=9.37615e-010 C23=1.45812e-009 C41=4.43416e-010
C06=3.19557e-012 C24=2.07844e-012 C42=-1.33848e-012
C60=-8.77205e-013
R15面C02=-4.75238e-004 C20=-1.11111e-004
C03=-5.56000e-008 C21=-3.15944e-006
C04=1.51670e-008 C22=2.76942e-008 C40=-3.22758e-009
C05=-2.32814e-010 C23=-2.14547e-011 C41=1.18082e-010
C06=1.23430e-012 C24=-1.64855e-012 C42=-1.30829e-012
C60=-1.98888e-013
接下来,说明本实施例的投射光学系统K1中的光学作用。从照明系统L的光源所发出的光,通过未画出的聚光透镜,彩色滤光片等,照射图像形成元件P。靠图像形成元件P所调制的光首先透过构成投射光学系统K的折射光学系统K2,借着一边被三个反射面(R14~R16)依次反射一边行进,被导光到屏幕S,放大投影与图像形成元件P上所显示的原图对应的投射图像。
这里,本实施例的投射光学系统K的光点图示于图7,投影偏差图示于图8。光点图就波长643.85mm(用△表示),546.07mm(用○表示),435.83mm(用+表示)的光束示出屏幕S处的成像性能。
另一方面,投影偏差图记着与图像形成元件P处的长方形的纲目对应的屏幕S上的像高位置。相当于纵轴(y)方向的100%像高的位置是离画面中心纵向966mm的位置,相当于横轴(x)方向的100%像高的位置,是离画面中心横向1314mm的位置。
在下述的表1中汇总示出上述第1和第2实施例(表中记成实施例)中的S0、S1、β和(S0×|β|)/S1的值。
表1
S0 | S1 | β | (S0×|β|)/S1 | |
第1实施例 | 46.1 | 1046 | 40 | 1.76 |
第2实施例 | 43 | 831 | 69.1 | 3.58 |
这里,也可以减小条件式(1)的上限值,满足以下的条件式(1),。
0<(S0×|β|)/S1<5 (1)′
通过满足此一条件式(1)′,可以进一步缩短投射距离,而且进一步减小靠近屏幕S的光学面的直径。
再者,构成本发明的投射光学系统的反射面的个数不限于上述实施例的。此外,即使在像第2实施例那样在投射光学系统中包含折射光学元件的场合,该折射光学元件的个数也不限于第2实施例的。
这里,虽然在第1实施例和第2实施例中,包含通过前述多个(具有折射力的)反射面的中心主光线的平面与屏幕(被投影面)垂直地构成但是不限于此。具体地说,包含中心主光线的平面实际上可以与屏幕平行地构成。或者,也可以构成为使对图像形成元件(透过型液晶显示板,反射型液晶显示板,DMD等公知的图像显示器件)的图像显示面的法线,与屏幕的法线垂直。
在这种场合,为了使中心主光线的光路朝向屏幕方向,通过在多个反射面当中的最终反射面(最靠近屏幕的具有折射力的面)与屏幕之间,用没有折射力的平面反射镜等反射构件,可以产生本发明的特征地使光路曲折,当然可以谋求整个装置的小型化,薄型化。最好是,可以用两个或三个平面反射镜。
此外,本发明的投射光学系统不限定于像上述各实施例那样用液晶显示元件的投射型图像显示装置,也可以运用于用自发光元件(例如有机电子荧光)等其他图像形成元件的场合。
像以上说明的这样,如果用上述各实施例,则在进行斜投射的投射光学系统中,可以既谋求光学系统的紧凑化,又实现放大倍数高,投射距离短的高性能的投射光学系统。
虽然已经描述了最佳实施例,但是应该指出,可以进行本发明的修改和变动而不脱离以下权利要求书的范围。
Claims (7)
1.一种投射光学系统,使由图像形成元件形成的原图的最终图像在最终像面上放大成像,其特征在于,
包括分别具有曲率的多个反射面;
以从所述原图的中心到达所述最终图像中心的光束的主光线为中心主光线时,所述中心主光线相对于所述最终像面倾斜入射;
所述投射光学系统在所述中心主光线的光路上的所述原图和所述最终图像之间,形成所述原图的中间像;
位于所述原图和所述最终像面之间的多个光瞳面中最靠近所述最终像面的最终光瞳面被配置在比所述多个反射面中最靠近所述最终像面的最终反射面更靠近所述原图一侧;并且满足以下条件:
0<(S0×|β|)/S1<8
其中,S0是从所述最终光瞳面到所述最终反射面为止的所述中心主光线所行进的路径的长度,S1是从所述最终光瞳面到所述最终像面为止的所述中心主光线所行进的路径的长度,β是在包含所述最终像面的法线和入射到所述最终像面的所述中心主光线的平面内的、所述最终图像相对于所述原图的放大率。
2.如权利要求1所述的投射光学系统,其特征在于,进一步满足以下条件:0<(S0×|β|)/S1<5。
3.如权利要求1所述的投射光学系统,其特征在于,所述多个反射面是旋转非对称面。
4.如权利要求1或2所述的投射光学系统,其特征在于,还包括至少一个折射光学元件。
5.一种投射型图像显示装置,其特征在于,包括:
形成原图的图像形成元件;和
使由所述图像形成元件形成的原图的最终图像在最终像面上放大成像的投射光学系统,
其中,所述投射光学系统包括分别具有曲率的多个反射面;
以从所述原图的中心到达所述最终图像中心的光束的主光线为中心主光线时,所述中心主光线相对于所述最终像面倾斜入射;
所述投射光学系统在所述中心主光线的光路上的所述原图和所述最终图像之间,形成所述原图的中间像;
位于所述原图和所述最终像面之间的多个光瞳面中最靠近所述最终像面的最终光瞳面被配置在比所述多个反射面中最靠近所述最终像面的最终反射面更靠近所述原图一侧;并且满足以下条件:
0<(S0×|β|)/S1<8
其中,S0是从所述最终光瞳面到所述最终反射面为止的所述中心主光线所行进的路径的长度,S1是从所述最终光瞳面到所述最终像面为止的所述中心主光线所行进的路径的长度,β是在包含所述最终像面的法线和入射到所述最终像面的所述中心主光线的平面内的、所述最终图像相对于所述原图的放大率。
6.如权利要求5所述的投射型图像显示装置,其特征在于,在从所述投射光学系统朝向所述最终像面的光路上设有平面反射面。
7.一种图像显示系统,其特征在于,包括:
投射型图像显示装置,包括形成原图的图像形成元件和使由所述图像形成元件形成的原图的最终图像在最终像面上放大成像的投射光学系统,以及
图像信息供给装置,将用于在所述图像形成元件中显示原图的图像信息提供给所述投射型图像显示装置,
其中,所述投射光学系统包括分别具有曲率的多个反射面;
以从所述原图的中心到达所述最终图像中心的光束的主光线为中心主光线时,所述中心主光线相对于所述最终像面倾斜入射;
所述投射光学系统在所述中心主光线的光路上的所述原图和所述最终图像之间,形成所述原图的中间像;
位于所述原图和所述最终像面之间的多个光瞳面中最靠近所述最终像面的最终光瞳面被配置在比所述多个反射面中最靠近所述最终像面的最终反射面更靠近所述原图一侧;并且满足以下条件:
0<(S0×|β|)/S1<8
其中,S0是从所述最终光瞳面到所述最终反射面为止的所述中心主光线所行进的路径的长度,S1是从所述最终光瞳面到所述最终像面为止的所述中心主光线所行进的路径的长度,β是在包含所述最终像面的法线和入射到所述最终像面的所述中心主光线的平面内的、所述最终图像相对于所述原图的放大率。
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