CN1297835C - 变焦光学系统、投影光学系统及使用该系统的图像投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种广视场角、反焦距长的变焦光学系统，该系统是从前至后按顺序具备：为了变焦而处于不动状态的负光焦度的第1透镜单元、正光焦度的第2透镜单元、负光焦度的第3透镜单元、第4透镜单元、负光焦度的第5透镜单元、为了变焦而处于不动状态的正光焦度的第6透镜单元。第1透镜单元L1的焦距记为f1、空气换算反焦距记为bf、广角端的整个系统的焦距记为fw时，满足以下条件：1.7＜bf/(|f1|·fw)1/2＜2.3。通过满足该条件，在谋求透镜系统整体的小型化的同时，良好地修正变焦产生的各像差，并且在画面整体上具有良好的光学性能。

Description

变焦光学系统、投影光学系统及 使用该系统的图像投影装置
技术领域
本发明涉及变焦光学系统或者投影光学系统，比如，适用于将原图像放大投影到屏幕(投影面)上的图像投影装置的投影光学系统。
背景技术
以往，提出了各种使用液晶显示元件等图像显示元件，将该显示元件上显示的图像(原图像)投射到屏幕面(投射面)上的液晶投影仪(图像投射装置)。
特别是液晶投影仪作为能够将微机等的图像投影在大画面上的装置，广泛应用在会议及演示厅的场合。最近，可以看到家庭剧院用的小型液晶投影仪正在普及，与此同时还有液晶显示元件尺寸小型化的倾向。
关于这样的液晶投影仪，其种类大致分为两种，一种是对透过了液晶显示元件的调制图像进行色合成后投影的投射型液晶投影仪，另一种是在液晶显示元件背面一侧设置反射镜，将调制图像通过该反射镜反射后进行投影的反射型液晶投影仪。
在使用3片液晶显示元件的3板式液晶投影仪中，必须在液晶显示元件与投影透镜之间设置一种空间，在该空间中配置对由液晶显示元件调制的色光进行合成的分色棱镜以及偏振光板等元件，必须确保投影透镜上某个一定长度的反焦距。
在这样的液晶投影仪中广泛使用了负光焦度的透镜单元占先的负引导型变焦透镜。负引导型变焦透镜具有比较容易广角化，而且能够良好地维持近摄影距离的光学性能等特点，但是，另一方面变焦时移动透镜单元的移动量增大，像差变动也随着增大。还存在着难以高变焦比化，进而难以实现抑制各像差的广角化等缺点。
另外，作为在彩色液晶投影仪中使用的投射光学系统必须做到：
·该光学系统是为了使在分色棱镜中设置的色合成膜对角度依赖的影响极小，为了确保与照明系统的良好的光瞳匹配性，液晶显示元件(缩小)侧的光瞳位于无限远的所谓的远心光学系统，
·把3色的液晶显示元件的图(图像)合成投射到屏幕上时，必须把各色像素在画面的整个区域上重合，使得个人计算机的文字不会看到双影，或者不会损坏析像感以及品质。因此，在可视光区良好地修正在投影透镜中发生的色偏(倍率色像差)。
·充分的修正畸变像差使得对所投影的图像不会产生轮廓部分畸变而难以观看(特别是如果残存周边及中间部分的急剧的畸变像差的变化等，则图像品质低下，是不理想的)。
另外，最近在要求画面的高亮度、图像的高清晰度，另一方面强烈要求在搭载小型面板的投影仪中重视机动性的、装置的小型、轻量化。进而还要求在狭小的室内可以得到明亮而且大画面的投影的高亮度、广角的标准。
以往，作为液晶投影仪用的投影透镜，众所周知，从放大侧(前方侧)顺序地由负、正、正、负、正、正光焦度的透镜单元构成，总体6个透镜单元(注：译为透镜单元)构成，而且是使其中预定的透镜单元适当移动进行变焦的6组变焦透镜。(例如，特开2001-108900号公报)该6组变焦透镜由于把第1、第4及第6透镜单元固定，从广角端向望远端变焦时，移动透镜内部的第2、第3及第5组，因此变焦时透镜全长保持一定，是抑制色像差、变焦时的像差变动的远心变焦透镜。但是，这6组变焦透镜用于反射型液晶投影仪时反焦距的长度不够。
另外，作为液晶投影仪用的投影透镜，众所周知，从放大侧(前方侧)顺序地由负、正、负、正光焦度的透镜单元构成，总体4个透镜单元构成，而且是使其中预定的透镜单元适当移动进行变焦的4组变焦透镜。(例如，特开2001-215410号公报)该4组变焦透镜由于把第1及第4透镜单元固定，从广角端向望远端变焦时，使透镜系统内部的第2、第3组移动，因此透镜全长保持一定，并且是考虑了反射型的液晶投影仪的具有充分长的反焦距和比较宽的像角的远心变焦透镜。但是，该4组变焦透镜开口F值(以后F值表示开口)比较大，不能达到足够的亮度。
另外，作为使用了透射型液晶显示元件的投影仪用的投影透镜，已知特开平11-190821号公报(对应：US 6285509)及特开2000-01900号公报(对应：US 6081398)。
现在，作为液晶投影仪希望是小型的、移动型的。另外作为家庭影院用要求能够进行最大优点的近距离投影，即要求液晶投影仪的广角化。另外，近年来，以投影图像的高亮度化为目的，多使用开口效率好的反射型的液晶显示元件。
对于液晶投影仪小型化的课题，首先必须使液晶显示元件小，但是如果要求同样析像率时，液晶显示元件的开口率降低，以及被照明区域与发光光源的大小比(＝被照明领域的大小/光源的大小)减小，因此，照明效率一般降低，产生即使能够实现装置的小型化，但是亮度降低的问题。
透射型液晶显示元件的情况下，随着液晶显示元件尺寸变小，根据驱动电路，其开口率降低，光亮减少。与此不同，反射型液晶显示元件的情况下，可以在面板背面一侧设置驱动电路，所以开口率高，可以抑制光亮降低。因此，最近以有效的高亮度为目标，期望开口效率高的反射型的液晶投影仪用的变焦透镜。但是，反射型的液晶投影仪中，投影透镜与液晶显示元件间加入分色棱镜等色合成光学系统，插入偏光分离光学系统等，因此与透射型液晶投影仪相比，需要具有长的反焦距的投影透镜。
在上述问题的基础上，为了确保荧光照明灯下也能观察的屏幕照度，对于小型投影仪用的投影透镜期望是广角端的F值(F数)在3.0或其以上明亮度的投影透镜。
另外，由于变焦或者对焦引起原图像一侧的光瞳位置变动是不理想的。对于液晶显示元件需要固定孔径光阑，或者用多个透镜单元的移动把光瞳的变动抑制为很小。
即，作为小型轻量的反射型液晶投影仪期待是高亮度、高析像度的，光瞳位置变动少，而且具有足够长的反焦距，可以近距离投影的投影透镜。
发明内容
本发明的目的是提供一种变焦光学系统或投影光学系统，该系统在谋求透镜系统整体的小型化的同时，反焦距长，例如适用于液晶投影仪的投影透镜。
作为本发明的一个方案的变焦光学系统，其特征在于从前方(投影装置情况下的屏幕侧，摄影装置情况下的被照相侧)至后方(投影装置的情况下原图像侧，摄影装置情况下的成像侧)顺序地具备：为了变焦而不动的负光焦度的第1透镜单元、正光焦度的第2透镜单元、负光焦度的第3透镜单元、第4透镜单元、负光焦度的第5透镜单元、为了变焦而不动的正光焦度的第6透镜单元。当把第1透镜单元L1的焦距记为f1、空气换算反焦距记为bf、广角端的整个系统的焦距记为fW时，满足以下条件：
1.7＜bf/(|f1|·fw)1/2＜2.3。
另外，作为本发明的另一方案的投射光学系统，具有变焦时相互间隔变化的多个透镜单元，将原图像放大投影到投影面上，其特征在于空气换算反焦距(共轭长度短的缩小侧共轭位置(原图像位置)与缩小侧共轭位置最近的透镜元件间的空气换算距离)为原有图像位置上的有效像圆(像圈)直径的2.5倍或其以上，当把其有效像圆的直径记为φ、从上述原图像到在上述原图像一侧观看的近轴光瞳的位置的短焦距端的距离记为tk时，满足以下条件：
|φ/tk|＜0.12                (1)
附图说明
图1是使用了数值实施例1的变焦光学系统的图像投影装置的主要部位的概略图。
图2A及图2B是数值实施例1的变焦光学系统的像差图。
图3是使用了数值实施例2的变焦光学系统的图像投影装置的主要部位的概略图。
图4A及图4B是数值实施例2的变焦光学系统的像差图。
图5是使用了数值实施例3的变焦光学系统的图像投影装置的主要部位的概略图。
图6A及图6B是数值实施例3的变焦光学系统的像差图。
图7是使用了数值实施例4的投影光学系统的图像投影装置的主要部位的概略图。
图8是使用了数值实施例5的投影光学系统的图像投影装置的主要部位的概略图。
图9是使用了数值实施例6的投影光学系统的图像投影装置的主要部位的概略图。
图10是使用了数值实施例7的投影光学系统的图像投影装置的主要部位的概略图。
图11是使用了数值实施例8的投影光学系统的图像投影装置的主要部位的概略图。
图12是使用了数值实施例9的使用投影光学系统的图像投影装置的主要部位的概略图。
图13是使用了数值实施例10的投影光学系统的图像投影装置的主要部位的概略图。
图14是使用了数值实施例11的投影光学系统的图像投影装置的主要部位的概略图。
图15是使用了数值实施例12的投影光学系统的图像投影装置的主要部位的概略图。
图16是使用了数值实施例13的投影光学系统的图像投影装置的主要部位的概略图。
图17A及图17B是数值实施例4的投影光学系统的像差图。
图18A及图18B是数值实施例5的投影光学系统的像差图。
图19A及图19B是数值实施例6的投影光学系统的像差图。
图20A及图20B是数值实施例7的投影光学系统的像差图。
图21A及图21B是数值实施例8的投影光学系统的像差图。
图22A及图22B是数值实施例9的投影光学系统的像差图。
图23A及图23B是数值实施例10的投影光学系统的像差图。
图24A及图24B是数值实施例11的投影光学系统的像差图。
图25A及图25B是数值实施例12的投影光学系统的像差图。
图26A及图26B是数值实施例13的投影光学系统的像差图。
图27是图像投影装置应用于反射型液晶投影仪时的主要部位的概略图。
具体的实施方式
第1实施形态
以下，根据附图对本发明的变焦光学系统(变焦透镜)的实施形态进行说明。
图1是本发明实施例1的使用变焦透镜的图像投影装置(液晶视频投影仪)的主要部位概略图。图2A、2B是对应本发明的实施例1的、后述的数值实施例1的数值用单位mm表示时的物体距离(从第1透镜单元到屏幕的距离)为1.8m时的广角端(短焦距端)和望远端(长焦距端)的像差图。
图3是本发明实施例2的使用变焦透镜的图像投影装置(液晶视频投影仪)的主要部位概略图。图4A、4B是对应本发明的实施例2的、后述的数值实施例2的数值用单位mm表示时的物体距离(从第1透镜单元到屏幕的距离)为1.8m时的广角端(短焦距端)和望远端(长焦距端)的像差图。
图5是本发明实施例3的使用变焦透镜的图象投影装置(液晶视频投影仪)的主要部位概略图。图6A、6B是对应本发明的实施例3的、后述的数值实施例1的数值用单位mm表示时的物体距离(从第1透镜单元到屏幕的距离)为1.8m时的广角端(短焦距端)和望远端(长焦距端)的像差图。
图1、图3、图5的实施例1～3的图像投影装置中表示在液晶屏LCD等上面显示的原图像(被投影的图像)用变焦透镜(投影透镜、投影透镜)在屏幕面S上放大投影时的状态。
S是屏幕面(投影面)、LCD是液晶屏(液晶显示元件)等的原图像。屏幕面S和原图像LCD呈共轭关系，一般屏幕面S是在距离长的一侧的共轭点(第一共轭点)，相当于放大侧(前方)；原图像LCD是在距离短的一侧的共轭点(第二共轭点)，相当于缩小侧(后方)。
GB相当于色合成棱镜、偏光滤光片以及彩色滤光片等，是设计上设置的玻璃块。
变焦透镜PL通过连接材料(未图示)装在液晶视频投影机的主体上(未图示)。玻璃块GB后面的液晶显示元件LCD包含在投影机的主体里。
L1是负光焦度(光焦度＝焦距的倒数)的第1透镜单元，L2是正光焦度的第2透镜单元，L3是负光焦度的第3透镜单元，L4是负或正光焦度的第4透镜单元，L5是负光焦度的第5透镜单元，L6是正光焦度的第6透镜单元。第4透镜单元L4在实施例1及3中是负光焦度的，在实施例2中是正光焦度的。ST是孔径光阑，设置在第2透镜单元中。
各个实施例中，从广角端向望远端变焦时，如箭头所示，第2透镜单元L2、第3透镜单元L3向着屏幕侧S，第4透镜单元L4、第5透镜单元L5向着原图像侧LCD分别独立移动。因为变焦，所以第1透镜单元L1、第6透镜单元L6不移动。但是，可以使第1透镜单元L1在光轴上移动，进行聚焦。聚焦也可以通过移动显示屏LCD来进行。
各个透镜面施加了多层涂层，以此可以防止屏幕面S的照度降低。
图2A、2B、图4A、4B、图6A、6B的像差图中，G表示波长550nm下的像差，R表示波长620nm下的像差，B表示波长450nm下的像差，S(弧矢画像的倒影)、M(子午图像的倒影)每一个都表示波长550nm下的像差。Y是像高，Fno是F数。
以下对各个实施例的特征进行说明。
在各个实施例中，特征是：作为整体有6个透镜单元，从广角端到望远端变焦时至少使4个透镜单元移动。
在各个实施例中，通过采用负光焦度的透镜单元先行的负引导型结构容易确保画面的广角及长的反焦距。另外，把用于变焦的可移动透镜单元作成4个成分能够修正变焦的像差变动，在全变焦范围内得到广泛的光学性能。
另外，为了变焦，第1、第6透镜单元同时相对像面固定，使焦距全长不变。因此可以确保投射部分的坚牢性，另外在变焦时通过固定有效直径大的透镜单元(第1透镜单元)可以使重量平衡变化小，在机构方面起到有利的作用。
当把第1透镜单元的焦距记为f1、空气换算反焦距记为bf、广角端的整个系统的焦距记为fw时，满足以下(1)式：
1.7＜bf/(|f1|·fw)1/2＜2.3-------(1)
条件式(1)是实现广角化并同时得到足够长度的反焦距的条件。如果超过上限，则第1透镜单元L1的光焦度会过强，特别是难以进行轴外光线的像差修正。相反，如果超过下限，则由于第1透镜单元L1的光焦度(焦距的倒数)变弱，因此透镜的直径呈增大的倾向，进而透镜的全长会变长，机械构造不理想。
当把第1透镜单元和第2透镜单元的焦距分别记为f1和f2时，满足式(2)：
0.5＜|f1|/f2＜0.9---------(2)
条件式(2)适当地设定了主变焦透镜单元的第2透镜单元L2和第1透镜单元L1的关系。如果超过上限，则变焦时的像差变化大，难以修正，如果超过下限，则变焦时的第2透镜单元L2的移动量会变大，难以小型化。
当把广角端的整个系统的焦距记为fW，上述第4透镜单元的焦距记为f4时，满足式(3)：
10＜|f4|/fw＜40---------(3)
条件式(3)是规定修正成像位置随变焦的变动的修正透镜单元(补偿棱镜)L4的倍率的条件。如果超过下限，则第4透镜单元的L4的光焦度过强，反焦距加长到所需要的以上，难以小型化，是不理想的。相反，如果超过上限，则第4透镜单元的L4的光焦度过弱，变焦中移动量增多，是不理想的。
另外，第6透镜单元L6由一片或一片以上正透镜构成，当把构成该一片或一片以上正透镜的材料的阿贝数中最小的阿贝数记为v6p时，满足以下(4)式：
v6p＜30--------(4)
条件式(4)是把高色散性材料用于正透镜时的条件。高色散性且高光焦度的两个透镜面通过使用凸面的正透镜可以保持相对像面的远心性，同时可以起到抑制在第5透镜单元L5中发生的高次倍率色像差的作用。如果超过上限，则难以充分修正呈低色散状态的倍率色像差，进而由于伴随着一般使用的玻璃为低色散玻璃，具有低光焦度的倾向，所以难以得到足够的远心性。
另外，为了谋求像差修正及装置整体的小型化，上述条件式(1)～(4)的数值范围可以设定如下：
1.9＜bf/(|f1|·fw)1/2＜2.2--(1a)
0.55＜|f1|/f2＜0.8----------------(2a)
11＜|f4|/fw＜38---------------------(3a)
v6p＜28------------------------------------(4a)
各个实施例中，第1透镜单元L1从前至后顺序地由两个透镜面凸形的正透镜、凸面朝向前方的弯月形的负透镜、两片负透镜、凸面朝向后方的弯月形的正透镜构成。这样，第1透镜单元L1最前方设置了正透镜，主要很好地修正在广角端变焦位置的畸变像差。
另外，为了把高次倍率色像差抑制得很小，在轴外光线高度小的、最后方侧的正透镜中使用色散大的(阿贝数小)材料。另外，第1透镜单元L1的2片正透镜间设置的3片负透镜，用上述形状构成，使得具有分割3片负透镜的各透镜面中的光焦度，负透镜产生的畸变像差、像散、慧型像差成为最小的。
第2透镜单元L2，由正透镜、负透镜、孔径光阑、两透镜面为凸形的正透镜构成(实施例1、3)，或由两透镜面为凸形的正透镜、负透镜、孔径光阑、两透镜面为凸形的正透镜构成(实施例2)。
第3透镜单元L3，由两透镜面为凹型的负透镜和两透镜面为凸形的正透镜粘合的透镜构成。
第2透镜单元L2和第3透镜单元L3主要担当变焦透镜单元的作用，提供大的光焦度。因此在正透镜中使用折射率高的玻璃材料，ペッツバ-ル和及变焦时的球面像差等像差变动减小。如果要求大口径、高析像力，则后方的像面深度要浅；而如果中间像高等像面弯曲及像散大，则析像感会急剧恶化。因此，第2透镜单元L2如前所述构成，以此将ペッツバ-ル和修正为很小。
特别是，颜色不华丽时，在可视光宽频带中为了很好地修正倍率色像差，在正透镜中使用有异常色散性的镧族的重燧石等材料能够有效地修正。
另外，孔径光阑存在于第2透镜单元L2内，变焦时与第2透镜单元L2同时移动，可以抑制变焦时的轴外像差变动。
第4透镜单元L4由两透镜面为凹型的负透镜和两透镜面为凸形的正透镜构成。
第4透镜单元L4担负修正变焦时焦面的移动。对于变焦全域(可变焦距全域)，第4透镜单元L4的倍率在等倍或等倍以上，从广角端向望远端变焦时，向后方移动。
第5透镜单元L5从前至后顺序地由负透镜、两透镜面为凸形的正透镜、凸面朝向后方的弯月形的负透镜构成，这些各个透镜可以是独立的，也可以包括粘合了2个或2个以上透镜的接合透镜。
在从孔径光阑ST观看时配置于缩小侧的第5透镜单元L5的前方轴上光线的入射高度为最小的位置上，通过配置具有强的负光焦度的透镜，可以很有效地把ペッツバ-ル和抑制为很小。还有，通过利用2片或3片粘合的透镜，容易修正倍率色像差，同时可以使各个透镜具有比较小的曲率，钝化制造上易于成为问题的敏感度。
在各个实施例中，第5透镜单元L5由3片粘合的透镜构成，在两个透镜面把凸面的正透镜夹在中间的曲率小的2片透镜上提供强的负光焦度。根据该强的负光焦度，可以有效地减小ペッツバ-ル和。另外，通过采用粘合透镜起到抑制倍率色像差的作用。而且，由于能够把主平面位置配置在液晶显示元件LCD侧，因此对于光瞳有利于确保远心性及反焦距。
第6透镜单元L6，由两透镜面为凸形的正透镜构成。该正透镜为了从孔径光阑ST看配置于缩小侧的负光焦度的透镜单元跳出来的光线平缓地曲折以便具有良好的远心性，而最好使用作为玻璃材料具有高折射率的材料，如果这样做，则容易减小ペッツバ-ル和。另外，第6透镜单元L6使用了高光焦度且高色散的正透镜，对于像面保持远心性的同时可以起到抑制第5透镜单元L5的负透镜中发生的高次倍率色像差的作用。
为了整个光学系统小型化，增加各个透镜的光焦度是必要的。为了修正这时的光焦度增加带来的各种像差的增加，最好在投影透镜PL内部至少采用1片非球面透镜。具体地讲，在图5的实施例3中，把第1透镜单元L1的、从前方开始数第4个负透镜的前方一侧的透镜面做成非球面。
非球面最好由铸型玻璃或者复制光栅构成，但是，根据析像度的目标和非球面透镜的敏感度，也可以使用塑料的非球面透镜。虽然也依赖于要去除的像差，但是为了很好的修正像面弯曲、像散等轴外像差，采用从第1及第5和第6透镜单元的孔径光阑ST的位置到尽可能远的位置是有效的。
孔径光阑ST可以设置为本来独立移动的光圈组，如果同时考虑生产上添加凸轮槽等，可以配置在第2或第3透镜单元内的变焦透镜单元内，这样就能够很有效地修正聚焦时的像差变动。
如以上所说明的那样，如果依据各实施例，则可以实现大口径、缩小侧具有良好的远心性、高析像、低畸变、在可视光宽频带内具有很好地修正倍率像差的长的反焦距的反焦距型的变焦镜头。进而，在1.8m的短投射距离中可以得到60英寸的大屏幕投影图像。
以下，示出分别对应实施例1～3的变焦透镜的数值数据的数值实施例1～3。各个数值实施例中i表示从放大侧(前方)开始的光学面的顺序，ri是第i号光学面(第i面)的曲率半径，di是第i面与第(i+1)面的间隔，ni和vi分别是对于d线的第I个光学材料的材质折射率，表示阿贝数。f是焦点距离，Fno是F数。另外，数值实施例1～3的最缩小侧的3个面是构成相当于色合成棱镜或者面平板、各种滤光片等相当的玻璃块GB的面。
另外，当把k作为圆锥常数，A、B、C、D作为非球面系数，以面顶点为基准，把距光轴的高度h位置中的光轴方向的变位记为x时，非球面形状可以用[数1]表示。
[数1]
x = ( 1 / r ) h 2 1 + { 1 - ( 1 + k ) ( h / r ) 2 } + Ah 4 + B h 6 + Ch 8 + D h 10
其中r是近轴曲率半径。另外，如[e-Z]表示的是「10-Z」。
上述各条件式(1)～(4)与数值实施例1～3的各数值的关系示于表1。
数值实施例1
i   ri         di         ni       vi
1   113.900    3.811      1.72000  50.2
2   -2324.594  0.150
3   51.859     1.600      1.69680  55.5
4   23.124     6.166
5   2309.678   1.600      1.69680  55.5
6   35.836     6.493
7   -36.287    1.600      1.69680  55.5
8   107.216    7.128
9   -95.912    4.560      1.83400  37.2
10  -34.286    (可变D10)
11  43.509     5.088      1.63980  34.5
12  -1026.440  22.982
13  24.184     1.700      1.65160  58.6
14  15.689     20.56824
15  (光圈)     4.33424
16  75.917     4.468      1.51633  64.1
17  -27.394    (可变D17)
18  -52.882    1.500      1.83400  37.2
19  29.124     5.708      1.51823  58.9
20  -29.134    (可变D20)
21  -28.832    1.600      1.83400  37.2
22  53.636     0.150
23  43.349     5.158      1.80518  25.4
24  -43.359    (可变D24)
25  -72.144    1.600      1.80518  25.4
26  24.550     11.452     1.60311  60.6
27  -24.560    1.600      1.80518  25.4
28  -41.022    (可变D28)
29  73.690     5.234      1.84666  23.8
30  -73.680    1.000
31  ∞         60.000     1.74400  44.8
32  ∞         6.000      1.51633  64.1
33  ∞
  可变量   广角   中等   远距离
  焦距   15.3mm   17.1mm   18.2mm
  D10D17D20D24D28   12.291.001.002.152.13   4.553.017.551.861.60   0.974.0811.221.211.09
Fno＝2.0-2.3
数值实施例2
i    ri        di        ni       vi
1    123.812   3.811     1.51633  64.1
2    -311.006  0.150
3    52.482    1.700     1.69680  55.5
4    24.197    4.815
5    116.908   1.700     1.69680  55.5
6    32.549    7.522
7    -29.619   1.700     1.69680  55.5
8    117.550   6.366
9    -123.304  4.773     1.83400  37.2
10   -35.252   (可变D10)
11   80.895    4.891     1.63980  34.5
12   -90.556   26.694
13   374.281   1.700     1.72000  50.2
14   19.853    1.14497
15   28.366    2.91551   1.61293  37.0
16   96.680    11.971
17   (光圈)    0.300
18   50.441    4.457     1.65844  50.9
19   -31.225   (可变D19)
20   -43.587   1.700     1.83400  37.2
21   31.140    4.955     1.51633  64.1
22   -31.150   (可变D22)
23   -26.247   2.200     1.83400  37.2
24   58.237    0.150
25   49.007    5.542     1.80518  25.4
26   -29.326   (可变D26)
27   -38.974   1.700     1.80518  25.4
28   26.858    11.775    1.60311  60.6
29   -19.557   2.100     1.84666  23.8
30   -30.998   (可变D30)
31   72.772    5.087     1.84666  23.8
32   -88.527   1.000
33   ∞        60.000    1.74400  44.8
34   ∞        6.000     1.51633  64.1
35   ∞
  可变量   广角   中等   远距离
  焦距   15.3mm   16.3mm   18.3mm
  D10D19D22D26D30   11.901.471.003.004.40   7.751.965.532.334.21   0.483.2813.880.153.99
Fno＝2.0-2.3
数值实施例3
i    ri        di         ni        vi
1    115.356   3.593      1.72000   50.2
2    -1411.068 0.065
3    50.378    1.582      1.69680   55.5
4    23.001    6.117
5    1208.830  1.790      1.69680   55.5
6    35.770    6.198
7*   -36.326   1.626      1.69680   55.5
8    92.829    7.506
9    -106.651  4.537      1.83400   37.2
10   -35.136   (可变D10)
11   43.718    5.028      1.63980   34.5
12   -895.592  22.986
13   23.758    1.702      1.65160   58.6
14   15.326    19.386
15   (光圈)    4.52962
16   73.460    4.509      1.51633   64.1
17   -26.599   (可变D17)
18   -51.513   1.616      1.83400   37.2
19   29.012    5.719      1.51823   58.9
20   -29.072   (可变D20)
21   -29.187   1.605      1.83400   37.2
22   51.207    0.150
23   42.108    5.421      1.80518   25.4
24   -42.704   (可变D24)
25   -68.804   1.605      1.80518   25.4
26   24.1571   1.464      1.60311   60.6
27   -24.499   1.702      1.80518   25.4
28   -41.387   (可变D28)
29   73.388    5.224      1.84666   23.8
30   -72.276   1.000
31   ∞        60.000     1.74400   44.8
32   ∞        6.000      1.51633   64.1
33   ∞
  可变量   广角   中等   远距离
  焦距   15.3mm   17.1mm   18.1mm
  D10D17D20D24D28   12.241.001.001.542.02   4.582.797.561.301.54   0.993.7711.200.661.07
Fno＝2.0-2.3
7面※…是玻璃型非球面，非球面常数如下
r＝-2.75286e-02  K＝-2.89785e-02
A＝-1.24937e-07  B＝3.2469e-09  C＝-2.37336e-11  D＝5.25583e-14
表1
  数值实施例
  条件式   1   2   3
  (1)bf/(|f1|·fw)1/2   2.18   2.08   2.17
  (2)|f1|/f2   0.57   0.74   0.59
  (3)|f4|/fw   12.9   35.4   14.4
  (4)v6p   23.8   23.8   23.8
(第2实施形态)
以下，对本发明的第2实施方式的投影光学系统(投影透镜)进行说明。
图7～16是使用实施例4～13的投影透镜的图像投影装置(液晶视频投影仪)的主要部分的概略图。图17～26是对应实施例4～13的后述的数值实施例4～13的、数值用单位mm表示时广角端(短焦距端)和望远端(长焦距端)的像差图。像差图中实施例4～7假定物体距离(第1透镜单元到屏幕的距离)是2.85m，实施例8～13假定物体距离(第1透镜单元到屏幕的距离)是2.1m。
图7～16中，左方是屏幕侧(放大共轭侧、前方)，右方是原图像侧(缩小共轭侧、后方)。L1是第1透镜单元、L2是第2透镜单元、L3是第3透镜单元、L4是第4透镜单元、L5是第5透镜单元、L6是第6透镜单元。P表示的是色分离、色合成棱镜等的玻璃块。该玻璃块在实施例4～13中记载为用2片构成，但还既可以分为多个玻璃块，也可以按照适当的厚度设置空气间隔进行分离。该玻璃块P假定为分色棱镜、偏光分离元件、色滤光片等在设计上设定。
像差图里表示的是，从左开始，球面像差、像面弯曲、畸变像差、倍率色像差。像差图分别示出球面像差、像散(像面弯曲)、畸变(％)倍率色像差，上段记为广角端(WIDE)、下端记为望远端(TELE)。球面像差示出550nm、470nm和620nm的情况。倍率色像差示出的是在550nm基准下，470nm、620nm的值。像散中实线表示的是弧矢截面、点画线表示的是子午截面。
实施例4～8，从放大共轭侧开始顺序地，由负光焦度的第1透镜单元L1、正光焦度的第2透镜单元L2、负光焦度的第3透镜单元L3、正光焦度的第4透镜单元L4的4个透镜单元构成，变焦时第4透镜单元L4是固定的，在该第4透镜单元L4旁边有孔径光阑。实施例4～8中第1、2、3透镜单元在变焦时可以移动。
另外，实施例4～8中实施例5、6的F数为1.6和大口径投影透镜的实施例，其他的实施例4、7、8的F数为2。
实施例5、8示出缩小侧共轭面(原图像)的最大像高y下的主光线的原图像上的偏差角θ在负侧，即从出现像差的原图像一侧看到的光瞳位置在正侧(与原图像相比，缩小侧(后方))的例子。用这样的结构往往可以使最末的透镜(最缩小侧的透镜)的直径大型化。
实施例9～13是变焦时，第1透镜单元L1和最末的透镜单元(第5透镜单元L5或第6透镜单元L6)固定，其他透镜单元移动的例子。孔径光阑位于各个移动组中。实施例9～13孔径光阑虽然位于移动组中，但是构成了抑制光瞳位置变化的结构。
对实施例9～13进行更详细的说明。
首先，实施例9、13是从放大共轭侧开始，顺序地具有负正负正正正光焦度的6个透镜单元的6组结构。
实施例10～12是从放大共轭侧开始，顺序地具有负正负正正光焦度的5个透镜单元的5组结构。
实施例9、10、13是缩小侧共轭面(原图像)的最大像高y下的主光线的原图像上的偏差角θ在负侧，即从出现像差的原图像观看的光瞳位置在正侧(与原图像相比，缩小侧)的例子。
实施例4～13的每一个投影透镜为了加长反焦距，在最靠近放大侧设置负光焦度的透镜单元(第1透镜单元)，为了抑制变焦时光瞳位置的变动而且为了对于原图像(缩小侧共轭面)较远地设定光瞳(缩小侧呈远心效果)，在最缩小侧设置变焦时不移动的正光焦度的透镜单元。另外，使第1透镜单元L1沿光轴移动进行屏幕上的对焦。
实施例4～13投影光学系统的反焦距(最后方(缩小共轭侧)的透镜和原图像间的空气换算距离)是有效像园(像圈、围绕液晶显示元件等原图像的园)的直径的2.5倍或其以上，当把有效像圆的直径记为φ、从上述原图像位置到在原图像侧观看的近轴光瞳的位置的短焦距端中的距离记为tk时，满足以下式(5)：
|φ/tk|＜0.12     (5)
另外，当把缩小侧共轭面位置(原图像)中的最大像高的主光线与缩小侧共轭面(原图像)位置中的面法线构成的角度记为θ时，构成为满足
|θ|＜0.8°(6)
另外，当把最缩小共轭侧(后方)的透镜直径记为D，反焦距(最后方的透镜和原图像间的空气换算距离)记为bf时，构成为满足
0.6＜D/bf＜0.92   (7)
按照与上述有效像圆的直径φ的关系，最好把D构成为满足
1.5＜D/φ＜2.5  (8)
当把位于最缩小共轭侧(后方)的透镜单元的焦距记为fk时，最好满足
0.9＜bf/fk＜2.0      (9)
特别是最好在有效像圆的直径φ和反焦距fk之间有以下的关系
0.3＜φ/bf＜0.47       (10)
下面对条件式的技术意义进行说明。
条件式(5)是为了本实施例的投影透镜有效地取入反射型显示元件等显示体面上的反射光的必要条件。如果脱离该条件时，即使多么明亮、周边光度多的投影透镜也难以在屏幕上有效地投影。
对此进行详细的说明。使用透射型液晶显示元件的情况下，从光源侧透过液晶显示元件的光束的主光线(光束中心的光线)是设定为向液晶显示元件大致垂直(远心)入射的。因此，对于该光束如果把大致远心(光瞳距离十分长)的透镜作为投影透镜，则投影透镜侧的损失几乎依赖于开口率(vignetting factor)。即，对于照明光束，投影透镜的有效光束如果大致相同，可以说几乎没有投影透镜产生的损失。照明光束与透镜有效光束分别独立。
与此不同，使用反射型液晶显示元件的情况下，如果来自光源侧的照明光的主光线对于液晶显示元件不垂直，则不能用投影透镜取入液晶显示元件表面的反射光(反射光不返回透镜内)，照明光的利用率降到投影透镜的开口率以上。即，使用反射型显示元件的投射光学系统中，成为「液晶显示元件的反射光＝投影透镜取入的光束」，这一点如果与按照投影透镜的有效直径张开的角度一致，光的利用率最好，照明光束与透镜有效光束成为从属的关系。简单而言，如果投向液晶显示元件的光束和液晶显示元件反射的光束相同，效率好。如果投向液晶显示元件的光束从液晶显示元件显示面的法线错开θ，反射光相对错开2θ。最好使θ尽量小。这一点意味着与使用透射型液晶显示元件的投影仪相比，使用反射型液晶显示元件的投影仪的投影透镜的光瞳的长度容易影响明亮度。
另外，在投影透镜的后方(原图像侧)配置的构成玻璃块P的色合成、分离棱镜，如果尺寸小就不能透过明亮的宽范围的光量，不能充分产生带有明亮开口的投影透镜的效率。另外，特别是使用反射型液晶显示元件的情况下，由于把色分离的光束投入到投影透镜的光路中，进而需要在同一个进行色合成，因此，在投影透镜的缩小侧必须具有2.5倍或2.5倍以上的像园(有效像园)厚度的棱镜块。
条件式(6)是用投影透镜更有效地取入反射型液晶显示元件的反射光的必要条件。条件式(6)中，θ如果是无像差透镜，根据像高可以是一定的，但是，实际上产生像差，在像高或变焦等中会变动。如果脱离这个条件，则不能够使投影在屏幕上的图像的亮度充分。
一般，由于在最大像高y下，周围光量最小，因此，如果在中间像高中光量有富裕，则可以在全部的像高下不满足条件式(6)，因此，在上述投影透镜的最缩小侧配置变焦时不动的正光焦度的透镜单元是理想的。
条件式(7)是维持适当的反焦距的同时，实现明亮的投影透镜的条件。在液晶显示元件的光轴中心以及周边如果不能以适当的角度在投影透镜中取入光束，则成为暗光学系统。具体地讲，从液晶显示元件以遵从F数的角度向投影透镜照射光轴中心。(F数＝1/(2sinρ)：光轴±ρ是来自液晶显示元件的轴上光束的张角)。另外，如果周边部位开口率大，则用与光轴上同等的角度照射周边部分。因此，如果脱离条件(7)的范围，作为投影透镜难以明亮。
这时，为了达到明亮的光学系统，F数在3以下是理想的。
条件式(7)所说的透镜的直径D是指对于该透镜的有效直径De大3％至5％左右。
条件式(8)是用于亮度地适当地设定周边光量的条件。如果脱离条件(8)的下限，不仅周边光量不足，而且难以加长至周边的光瞳的长度。如果脱离上限，透镜系统会大型化，是不适宜的。
条件式(9)是适当保持进入到色分离、色合成使用的棱镜的反焦距的间隔，适当地设定上述投影透镜在最缩小侧设置的透镜单元的焦距fk的必要公式.如果脱离该式，变焦时光瞳位置的移动会变大，而且不能将光瞳设置到远处(缩小侧远心处).
条件式(10)是对于有效像园，是用于适当地以有效的大小配置色分离、色合成系统的棱镜发的条件。如果超过上限，则不能确保适宜的反焦距，如果超过下限则会大型化。
以下，示出对应实施例4～13的数值实施例4～13的透镜数据。表2示出了对于各个实施例计算了上述各个条件式的值的结果。
Figure C20041005659700241
数值实施例5
Figure C20041005659700251
数值实施例6
数值实施例7
Figure C20041005659700271
数值实施例8
数值实施例9
数值实施例10
数值实施例11
数值实施例12
Figure C20041005659700321
数值实施例13
Figure C20041005659700331
表2
图27是在使用反射型的液晶显示元件的投影仪(画像投影装置)中，适用了本发明的变焦光学系统或投影光学系统的实施形态的主要部位的概略图。
从照明光学系统101发出的光束，通过光束分裂器反射后，入射到反射型液晶显示屏103后再反射，其后，用液晶显示屏103调制后的光束通过分光器102，入射到由实施例1～3所示的变焦透镜或实施例4～13所示的投影透镜构成的投影光学系统104，由投影光学系统104，把根据液晶显示屏103的画像信息投影到屏幕105。

Claims (7)

1、一种变焦光学系统，其特征在于从放大侧至缩小侧按顺序具备：
具有负的光焦度的第1透镜单元；
具有正的光焦度的第2透镜单元；
具有负的光焦度的第3透镜单元；
第4透镜单元；
具有负的光焦度的第5透镜单元；
具有正的光焦度的第6透镜单元；
其中，在变焦时各透镜单元的间隔变化，而且上述第1透镜单元及第6透镜单元为变焦而处于不动状态，
当把上述第1透镜单元的焦距记为f1、空气换算反焦距记为bf、短焦距端的整个系统的焦距记为fw时，满足以下条件：
1.7＜bf/(|f1|·fw)1/2＜2.3。
2、根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于：
上述第1透镜单元从放大侧至缩小侧按顺序由两个透镜面为凸形的正透镜元件、凸面朝向放大侧的弯月形的负透镜元件、两片负透镜元件、凸面朝向缩小侧的弯月形的正透镜元件构成。
3、根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于：
当把上述第1透镜单元和第2透镜单元的焦距分别记为f1和f2时，满足以下条件：
0.5＜|f1|/f2＜0.90。
4、根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于：
当把短焦距端的整个系统的焦距记为fw，上述第4透镜单元的焦距记为f4时，满足以下条件：
10＜|f4|/fw＜40。
5、根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于：
上述第6透镜单元具有1片或1片以上的正透镜元件，而且当把构成该1片或1片以上的正透镜元件的材料的阿贝数中最小的阿贝数记为υ6p时，满足以下条件：
υ6p＜30。
6、根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于：
上述第5透镜单元从放大侧至缩小侧按顺序由负透镜元件、两个透镜面为凸形的正透镜元件、凸面朝向后方的弯月形的透镜元件构成。
7、一种图像投影装置，其特征在于具备：
显示原图像的图像显示元件；
把该原图像投影到投影面上的权利要求1所述的变焦光学系统。
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