JP2022080873A - 結像システム及び投影装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】台形ひずみ現象を改善することができる、結像システム及び投影装置の提供。【解決手段】縮小側及び拡大側を有する。ライトバルブは投影レンズアセンブリの縮小側に配置される。投影面は投影レンズアセンブリの拡大側に配置される。投影面とライトバルブの受光面との間に夾角を有する。投影レンズアセンブリはレンズ群及び凸面反射鏡を含む。レンズ群は拡大側と縮小側との間の光経路上に配置される。レンズ群は、拡大側から縮小側へ順に配列された第1のレンズ、第2のレンズ、第3のレンズ、第4のレンズ、第5のレンズ、第6のレンズ及び第7のレンズを含む。前記第1のから第7のレンズの屈折度がそれぞれ負、負、正、正、負、正及び正である。第3のレンズ及び第4のレンズのうちの少なくとも一つが自由曲面レンズである。凸面反射鏡はレンズ群と拡大側との間の光経路上に配置される。【選択図】図1
Description
本発明は光学システム及び光学装置に関し、特に結像システム及び投影装置に関する。
プロジェクターは既に家電製品、オフィス設備、ゲーム機器等に幅広く応用されている。プロジェクターの需要は軽量小型へ進んでいる。例を挙げると、従来型光源を用いたプロジェクターに比べると、発光ダイオードを用いたポケット型プロジェクターは体積が小さく、重量が軽いため、空間の要求を下げることが可能で、携帯も便利である。
実際の応用において、プロジェクターの使用空間を縮小するには、プロジェクターの構造を変えて、従来の垂直式投影を斜め投影に変更することが必要であり、反射鏡により投影画面を屈折させ、屈折後の投影画面を必要に応じて投影面(例えば、テーブル面、地面、壁面、スクリーン等)に投射する。斜め投影構造において、プロジェクターの出射光の基準光線を投影面に対し垂直にすることができず、即ち、斜め入射(oblique incidence)であるため、投影画面に台形歪み(trapezoidal distortion)が生じる原因になる。従来、台形歪みを改善するために、ソフトウェアを利用して投影画面の歪み領域をカットし、歪みのない状態を実現できるが、このソフトウェア補正方法により解像度の低下、輝度損失が発生する。また、台形歪みを改善する別の方法として、ハードウェア補正、即ち、投影レンズアセンブリを移動させる方法があるが、この方法ではプロジェクターの体積が大きくなる。
「背景技術」部分は本発明内容に対する理解を促すためにあり、「背景技術」部分で開示された内容には当業者に知られている既知技術以外の構成が含まれている可能性がある。「背景技術」部分で開示された内容は、当該内容または本発明の一つ若しくは複数の実施例が解決しようとする課題が本発明の出願前に既に当業者に把握または認識されていたことを意味するものではない。
本発明は、台形ひずみ現象を改善できる結像システムを提供する。
本発明は、台形ひずみ現象を改善できる投影装置提供する。
本発明のその他の目的と利点について、本発明が開示する技術特徴からより一層理解を深めることができる。
前記一つ、一部若しくはすべての目的、またはその他の目的を実現するために、本発明の一実施例は結像システムを提供する。本発明の結像システムはライトバルブ、投影面及び投影レンズアセンブリを含む。ライトバルブは画像光束を提供する。投影面とライトバルブの受光面との間に夾角を有する。投影レンズアセンブリは画像光束の伝達経路上に配置され、かつ縮小側と拡大側を有する。ライトバルブは投影レンズアセンブリの縮小側に配置される。投影面は投影レンズアセンブリの拡大側に配置される。投影レンズアセンブリはレンズ群及び凸面反射鏡を含む。レンズ群は拡大側と縮小側の間の光経路上に配置され、かつ、拡大側から縮小側へ順に配列された第1のレンズ、第2のレンズ、第3のレンズ、第4のレンズ、第5のレンズ、第6のレンズ及び第7のレンズを含む。第1のレンズ、第2のレンズ、第3のレンズ、第4のレンズ、第5のレンズ、第6のレンズ及び第7のレンズの屈折度(diopter)がそれぞれ負、負、正、正、負、正及び正である。第3のレンズ及び第4のレンズのうちの少なくとも一つが自由曲面レンズである。凸面反射鏡はレンズ群と拡大側との間の光経路上に配置される。第1のレンズ、第2のレンズ、第3のレンズ、第4のレンズ、第5のレンズ、第6のレンズ及び第7のレンズはそれぞれ、凸面反射鏡に向けられた第1の表面及びライトバルブに向けられた第2の表面を有する。
前記一つ、一部若しくはすべての目的、またはその他の目的を実現するために、本発明の別の実施例は投影装置を提供する。本発明の投影装置は前記結像システム及び照明システムを含む。照明システムは照明光束を提供する。結像システムは照明光束の伝達経路上に配置される。結像システムのライトバルブの受光面は照明光束を受け、かつ、結像システムのライトバルブは照明光束を前記画像光束に変換する。
以上の通り、本発明の一実施例の投影装置及びその結像システムにおいて、投影レンズアセンブリの第3のレンズ及び第4のレンズのうちの少なくとも一つが自由曲面レンズである。これにより、投影レンズアセンブリ自身が台形ひずみ現象を改善することができ、ソフトウェアを用いて台形ひずみを補正する必要がなく、投影画面の輝度及び解像度を損なうことがない。
本発明の前記特徴と利点をより明確、分かりやすく示すために、以下は実施例を挙げて、かつ図面を参照しながら詳しく説明する。
本発明の前記及びその他の技術内容、特徴と効果を明確に示すべく、以下は図面を参照しながら好ましい実施例を詳しく説明する。以下の実施例で言及びされる方向用語、例えば、上、下、左、右、前または後ろ等は図面を参照する方向のみである。従って、これらの方向用語は説明目的に用いられるものであり、本発明を制限するものではない。
以下は本発明の代表的な実施例を詳細に参照し、代表的な実施例の実例を図面で説明する。図面と説明における同じまたは類似部分はなるべく同じ素子符号で示す。
図1は本発明の一実施例の投影装置の側面概略図である。図2は図1の投影装置の結像システムを拡大した側面概略図である。投影レンズアセンブリPLを明確に示すために、図2では図1の結像システムIMSの投影面PSを省略している。
図1及び図2を参照すると、図中の方向zは例えば投影面PSに垂直な一方向であり、方向yは例えば投影面PSに平行な一方向であり、また、方向xは例えば投影面PSに平行であるとともに、方向yに垂直な一方向である。
図1を参照すると、投影装置100は照明システムILS及び結像システムIMSを含む。照明システムILSは照明光束ILBを提供する。結像システムIMSは照明光束ILBの伝達経路上に配置される。結像システムIMSはライトバルブLV、投影レンズアセンブリPL及び投影面PSを含む。投影レンズアセンブリPLは縮小側及び拡大側を有する。ライトバルブLVは投影レンズアセンブリPLの縮小側に配置される。投影面PSは投影レンズアセンブリPLの拡大側に配置される。ライトバルブLVの受光面LVaは照明システムILSの提供した照明光束ILBを受けて、かつ、ライトバルブLVは照明光束ILBを画像光束IMBに変換する。投影レンズアセンブリPLは画像光束IMBの伝達経路上に配置され、かつ、ライトバルブLVからの画像光束IMBを拡大側に位置する投影面PSに結像させる。特に、投影面PSとライトバルブLVの受光面LVaとの間に夾角θを有する。言い換えれば、投影装置100は傾斜投影装置である。
投影面PSとライトバルブLVの受光面LVaとの間の夾角θは0°<θ<90°を満たす。例を挙げると、本実施例において、夾角θが25°<θ<90°を満すとしてもよいが、本発明はこれに限定されない。
投影面PSは、その上に投影画面を形成することが可能な物体の表面を総じて言う。例を挙げると、本実施例において、投影面PSはテーブルの面であってもよい。しかし、本発明はこれに限定されず、別の実施例において、投影面PSは地面、壁面、スクリーン等であってもよい。
本実施例において、ライトバルブLVは反射式光変調器、例えば、デジタルマイクロミラー素子(digital micro-mirror device)、シリコン液晶パネル(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS panel)等であってもよい。しかし、本発明はこれに限定されず、別の実施例において、ライトバルブLVは透過式光変調器、例えば、透光液晶パネル(Transparent Liquid Crystal Panel)、電気光学変調器(Electro-Optical Modulator)、磁気光学変調器(Magneto-Optic modulator)、音響光学変調器(Acousto-Optic Modulator,AOM)等であってもよい。
本実施例において、結像システムIMSはさらに光合成素子PRを選択的に含んでもよい。照明システムILSは照明光束ILBを光合成素子PRまで発し、照明光束ILBが光合成素子PRを経由してライトバルブLVまで伝達され、ライトバルブLVが照明光束ILBを画像光束IMBとして反射し、画像光束IMBが光合成素子元PRを経由して投影レンズアセンブリPLまで伝達される。例を挙げると、本実施例において、光合成素子PRは全内反射プリズム(Total Internal Reflection Prism,TIR Prism)であってもよい。しかし、本発明はこれに限定されず、別の実施例において、光合成素子PRがビームスプリッタ(beam splitter)、偏光ビームスプリッタ(polarizer beam splitter)、視野レンズまたはその他の光学素子であってもよく、投影装置100に必要な分光または導光設計に基づいて決めるとし、本発明はこれについて制限しない。
本実施例において、結像システムIMSはさらに保護蓋CGを選択的に含むことも可能であり、保護蓋CGはライトバルブLVの受光面LVaに設置され、かつライトバルブLVと光合成素子PRとの間に位置する。保護蓋CGはライトバルブLVを保護する。本実施例において、保護蓋CGの材質が例えばガラスであるが、本発明はこれに限定されない。
本実施例において、結像システムIMSはさらにアクチュエータACを選択的に含んでもよい。アクチュエータACは平板ガラスを有し、かつ揺動(swing)技術を採用して、平板ガラスを快速に往復揺動させ、投影装置100の投影画面の品質を高めるためのものである。
本実施例において、ライトバルブLVと投影レンズアセンブリPLとの間に配置された光学素子(例えば:光合成素子PR、アクチュエータAC等)が画像光束IMBの光経路に対する影響を低減するよう、ライトバルブLVと投影レンズアセンブリPLが遠心システムであってもよいが、本発明はこれに限定されない。
投影レンズアセンブリPLはレンズ群LG及び凸面反射鏡Mを含む。レンズ群LGは拡大側と縮小側との間の光経路上に配置される。凸面反射鏡Mはレンズ群LGと拡大側との間の光経路上に配置される。凸面反射鏡Mは反射面Maを有する。反射面Maは凸面である。凸面反射鏡Mの屈折度は負である。例を挙げると、本実施例において、反射鏡Mの反射面Maが非球面であってもよいが、本発明はこれに限定されない。
図1及び図2を参照すると、レンズ群LGは、拡大側から縮小側へ向かって順に配列された第1のレンズL1、第2のレンズL2、第3のレンズL3、第4のレンズL4、第5のレンズL5、第6のレンズL6及び第7のレンズL7を含む。レンズ群LG全体の屈折度は負である。第1のレンズL1、第2のレンズL2、第3のレンズL3、第4のレンズL4、第5のレンズL5、第6のレンズL6及び第7のレンズL7の屈折度がそれぞれ負、負、正、正、負、正及び正である。第1のレンズL1は、凸面反射鏡Mに向けられた第1の表面L11(図2が示す)及びライトバルブLVに向けられた第2の表面L12(図2が示す)を有する。第2のレンズL2は、凸面反射鏡Mに向けられた第1の表面L21(図2が示す)及びライトバルブLVに向けられた第2の表面L22(図2が示す)を有する。第3のレンズL3は、凸面反射鏡Mに向けられた第1の表面L31(図2が示す)及びライトバルブLVに向けられた第2の表面L32(図2が示す)を有する。第4のレンズL4は、凸面反射鏡Mに向けられた第1の表面L41(図2が示す)及びライトバルブLVに向けられた第2の表面L42(図2が示す)を有する。第5のレンズL5は、凸面反射鏡Mに向けられた第1の表面L51(図2が示す)及びライトバルブLVに向けられた第2の表面L52(図2が示す)を有する。第6のレンズL6は、凸面反射鏡Mに向けられた第1の表面L61(図2が示す)及びライトバルブLVに向けられた第2の表面L62(図2が示す)を有する。第7のレンズL7は、凸面反射鏡Mに向けられた第1の表面L71(図2が示す)及びライトバルブLVに向けられた第2の表面L72(図2が示す)を有する。本実施例において、投影レンズアセンブリPLはさらに、第1のレンズL1と第2のレンズL2との間に配置された開口絞りASを含む。
なお、第3のレンズL3及び第4のレンズL4のうちの少なくとも一つが自由曲面レンズである。これにより、投影レンズアセンブリPLは台形ひずみ(trapezoidal distortion)現象を改善することができる。
本実施例において、第3のレンズL3が自由曲面レンズであってもよい。例を挙げると、本実施例において、第3のレンズL3の凸面反射鏡Mに向けられた第1の表面L31が自由曲面であってもよい。しかし、本発明はこれに限定されず、別の実施例において、自由曲面を第3のレンズL3の第2の表面L32に設計してもよい。
本実施例において、第4のレンズL4が自由曲面レンズであってもよい。例を挙げると、本実施例において、第4のレンズL4の凸面反射鏡Mに向けられた第1の表面L41が自由曲面であってもよい。しかし、本発明はこれに限定されず、別の実施例において、第4のレンズL4の第2の表面L42を自由曲面に設計してもよい。
本実施例において、第3のレンズL3と第4のレンズL4の何れも自由曲面レンズである。しかし、本発明はこれに限定されず、別の実施例において、第3のレンズL3が自由曲面レンズであり、第4のレンズL4が自由曲面レンズではなくてもよい。さらに別の実施例において、第4のレンズL4が自由曲面レンズであり、第3のレンズL3が自由曲面レンズではなくてもよい。
図3は図2の第1のレンズを拡大した側面概略図である。図2及び図3を参照すると、本実施例において、第1のレンズL1の第1の表面L11及び第2の表面L12のうちの一つがレンズ群LGの光軸Oと第1の交点C11において交差し、第1の接平面P11が第1の交点C11を通るとともに、第1のレンズL1の第1の表面L11及び第2の表面L12のうちの前記一つと接し、かつ、第1の接平面P11の第1の法線ベクトルN11とレンズ群LGの光軸Oとの間に夾角αを有する。
図4は図2の第2のレンズを拡大した側面概略図である。図2及び図4を参照すると、第2のレンズL2の第1の表面L21及び第2の表面L22のうちの一つがレンズ群LGの光軸Oと第2の交点C21において交差し、第2の接平面P21が第2の交点C21を通るとともに、第2のレンズL2の第1の表面L21及び第2の表面L22のうちの前記一つと接し、かつ、第2の接平面P21の第2の法線ベクトルN21とレンズ群LGの光軸Oとの間に夾角βを有する。
図5は図2の第4のレンズを拡大した側面概略図である。図2及び図5を参照すると、第4のレンズL4の第1の表面L41及び第2の表面L42のうちの一つがレンズ群LGの光軸Oと第3の交点C41において交差し、第3の接平面P41が第3の交点C41を通るとともに、第4のレンズL4の第1の表面L41及び第2の表面L42のうちの前記一つと接し、かつ、第3の接平面P41の第3の法線ベクトルN41とレンズ群LGの光軸Oとが夾角γを有する。
図2、図3、図4及び図5を参照すると、本実施例において、夾角α、夾角β、夾角γのうちの少なくとも二つが0°ではなく、前記少なくとも二つのうちの一つが正の角であり、前記少なくとも二つのうちのもう一つが負の角であり、かつ、前記正の角及び前記負の角の絶対値がそれぞれ0°より大きく、かつ20°以下である。言い換えれば、第1のレンズL1の一表面、第2のレンズL2の一表面及び第4のレンズL4の一表面のうちの少なくとも二つがレンズ群LGの光軸Oに対し傾斜し、前記少なくとも二つの傾斜方向が逆であり、前記少なくとも二つの傾斜角度の絶対値が0°より大きく、かつ20°以下である。これにより、投影レンズアセンブリPLは台形ひずみ現象を一層改善することができる。
図2、図3及び図4を参照し、例を挙げると、本実施例において、第1のレンズL1の一表面及び第2のレンズL2の一表面が光軸Oに対し傾斜し、第1のレンズL1の前記表面及び第2のレンズL2の前記表面の傾斜方向が逆であり、かつ、第1のレンズL1の前記表面及び第2のレンズL2の前記表面の傾斜角度の絶対値が0°より大きく、かつ20°以下である。
図2及び図3を参照し、具体的に言うと、本実施例において、第1の接平面P11の第1の法線ベクトルN11がレンズ群LGの光軸Oに対し傾斜し、即ち、第1のレンズL1の第1の表面L11が光軸Oに対し傾斜している。本実施例において、第1のレンズL1の第1の表面L11は凸面反射鏡Mから離れる方向へ傾斜し、第1の法線ベクトルN11が光軸Oの上方に向かっているため、第1のレンズL1の第1の表面L11の傾斜角度(即ち、夾角α)が正の角になり、かつ|α|≦20°である。図2及び図4を参照すると、第2の接平面P21の第2の法線ベクトルN21はレンズ群LGの光軸Oに対し傾斜し、即ち、第2のレンズL2の第1の表面L21が光軸Oに対し傾斜している。本実施例において、第2のレンズL2の第1の表面L21が凸面反射鏡Mに近づく方向に傾斜し、第2の法線ベクトルN21が光軸Oの下方に向かっているため、第2のレンズL2の第1の表面L21の傾斜角度(即ち、夾角β)が負の角になり、かつ|β|≦20°である。
図2、図4及び図5を参照し、例を挙げて言うと、本実施例において、第4のレンズL4の一表面及び第2のレンズL2の一表面が光軸Oに対し傾斜し、第4のレンズL4の前記表面及び第2のレンズL2の前記表面の傾斜方向が逆であり、かつ、第4のレンズL4の前記表面及び第2のレンズL2の前記表面の傾斜角度の絶対値が0°より大きく、かつ20°以下である。
図2及び図5を参照し、具体的に言うと、本実施例において、第3の接平面P41の第3の法線ベクトルN41がレンズ群LGの光軸Oに対し傾斜し、即ち、第4のレンズL4の第1の表面L41が光軸Oに対し傾斜している。本実施例において、第4のレンズL4の第1の表面L41が凸面反射鏡Mから離れる方向へ傾斜し、第3の法線ベクトルN41が光軸Oの上方に向かっているため、第4のレンズL4の第1の表面L41の傾斜角度(即ち、夾角γ)が正の角になり、かt|γ|≦20°である。図2及び図4を参照すると、第2のレンズL2の第1の表面L21が光軸Oに対し傾斜し、第2のレンズL2の第1の表面L21が凸面反射鏡Mに近づく方向へ傾斜し、第2の法線ベクトルN21が光軸Oの下方に向かっているため、第2のレンズL2の第1の表面L21の傾斜角度(即ち、夾角β)が負の角になり、かつ|β|≦20°である。
図1及び図2を参照すると、ライトバルブLVの受光面LVaは照明光束ILBを受けて、かつ照明光束ILBがライトバルブLVの受光面LVaにおいて照明範囲ILR(図2が示す)を形成する。特に、本実施例において、ライトバルブLVの受光面LVaとレンズ群LGの光軸Oが第4の交点CLVを有し(図2が示す)、かつ、照明範囲ILRの中心ILRc(図2が示す)と第4の交点CLVと間にオフセット量δを有する(図2が示す)。言い換えれば、本実施例の投影装置10はオフセット(offset)設計を採用し、第1のレンズL1の第1の表面L11と凸面反射鏡Mの反射面Maが光軸Oにおける距離Dを一層縮小するものである。また、開口絞りASをなるべく第1のレンズL1に近づけること(例えば、開口絞りASを第1のレンズL1と第2のレンズL2の間に配置する)も距離Dの縮小に有利である。
図1及び図2を参照し、凸面反射鏡Mの代わりに平面反射鏡を用いて画像光束IMBを屈折させた場合、画像光束IMBが平面反射鏡に反射されて投影レンズアセンブリPLに戻され易いため、干渉を引き起こす。干渉を防ぐために、前記平面反射鏡と第1のレンズL1の第1の表面L11が光軸Oにおける距離を大きくする必要があり、投影レンズアセンブリPLの長さLを縮減することができない。本実施例の投影装置100は凸面反射鏡Mを用いて画像光束IMBを投影面PSまで屈折させ、凸面反射鏡Mは負の屈折度を有し、画像光束IMBが凸面反射鏡Mに反射された後、レンズ群LGまで戻されて干渉を起こし難い。これにより、凸面反射鏡Mと第1のレンズL1の第1の表面L11が光軸Oにおける距離Dを縮減することができるため、投影レンズアセンブリPLの長さLを縮小することができる。投影レンズアセンブリPLの長さLとは、凸面反射鏡Mの反射面Maと第7のレンズL7の第2の表面L72が光軸Oにおける距離を言う。例を挙げると、本実施例において、投影レンズアセンブリPLの長さLが42mm未満としてもよい。
本実施例において、凸面反射鏡Mの反射面Maは曲率半径Rを有し、曲率半径Rが50mm<R<110mmを満たすとしてもよい。これにより、凸面反射鏡Mのサイズを小さくすることができ、投影レンズアセンブリPLが占める空間を縮小することができる。また、本実施例において、光軸Oに垂直な方向における凸面反射鏡Mの光学有効径M1及び照明範囲ILRが高さ(画像源の高さを指すことも)が2<(光軸Oに垂直な方向におけるM1/ILRの高さ)<3を満たすとしてもよい。
光軸Oにおける凸面反射鏡Mと第1のレンズL1の第1の表面L11との距離Dが大きすぎる場合、凸面反射鏡Mの反射面Ma上に出る光点が大き過ぎて、投影レンズアセンブリPLが占める空間を縮小するには不利である。逆に、光軸Oにおける凸面反射鏡Mと第1のレンズL1の第1の表面L11との距離Dが小さすぎる場合、画像光束IMBが凸面反射鏡Mに反射されて投影レンズアセンブリPLに戻され易くなり、干渉を引き起こす。画像光束IMBが凸面反射鏡Mの反射でレンズ群LGに戻されないことを前提とすると、本実施例において、光軸Oにおける第1のレンズL1の第1の表面L11と凸面反射鏡Mの反射面Maとの距離Dが1.5mm<D<5mmを満たすとしてもよい。
本実施例において、凸面反射鏡Mの反射面Maの曲率半径Rが50mm<R<110mmを満たし、かつ、光軸Oにおける第1のレンズL1の第1の表面L11と凸面反射鏡Mの反射面Maとの距離Dが1.5mm<D<5mmを満たす場合、投影レンズアセンブリPLの最大高さHを13.5mm未満にすることができる。レンズ群LG中の直径が最大の一つのレンズのエッジ部(例えば:第7のレンズL7のエッジ部L7e)と凸面反射鏡Mの一端点Mtはそれぞれ光軸Oの両側に位置する。投影レンズアセンブリPLの最大高さHとは、光軸Oに垂直な的方向における、レンズ群LG中の直径が最大の一つのレンズのエッジ部(例えば:第7のレンズL7のエッジ部L7e)と凸面反射鏡Mの端点Mtとの距離としてもよい。
図6は本発明の一実施例の画像光束が投影面において形成する画像を概略的に示す図である。図1及び図6を参照すると、本実施例において、ライトバルブLVの受光面LVaが照明光束ILBを受けて、照明光束ILBを画像光束IMBに変換する。画像光束IMBはレンズ群LGを順に透過し、かつ凸面反射鏡Mによって投影面PSまで反射される。画像光束IMBは投影面PS(即ち、図6の紙面)において画像IMを形成する。画像IMの対向する両側の第1のエッジ部光線IMB1及び第2のエッジ部光線IMB2が互いに略平行であり、かつ、方向xにおいてそれぞれ長さA及び長さBを有する。画像IMは方向xにおいて最大幅Wを有し、[(B-A)/W]・100%=T、かつ|T|<0.5%である。簡単に言うと、本実施例において、画像IMの台形ひずみが0.5%未満である。
以下は結像システムIMSの一実施例を挙げて説明する。なお、以下の表一ないし表四で示すデータ資料は本発明を限定するものではなく、当業者が本発明を参照したうえ、そのパラメータまたは設定を適宜変更することが可能であり、その変更も本発明の範囲に属する。
図2及び表一を参照すると、本実施例において、凸面反射鏡Mの反射面Maが非球面であってもよい。本実施例において、第1のレンズL1が非球面レンズであってもよい。詳しく言うと、第1のレンズL1における凸面反射鏡M向きの第1の表面L11及びライトバルブLV向きの第2の表面L12が全て非球面であってもよい。本実施例において、第2のレンズL2が球面レンズであってもよい。詳しく言うと、第2のレンズL2における凸面反射鏡M向きの第1の表面L21及びライトバルブLV向きの第2の表面L22が全て球面であってもよい。
本実施例において、第3のレンズL3が自由曲面レンズであってもよい。詳しく言うと、第3のレンズL3における凸面反射鏡M向きの第1の表面L31が自由曲面であり、かつ、第3のレンズL3におけるライトバルブLV向きの第2の表面L32が非球面であってもよい。本実施例において、第4のレンズL4が自由曲面レンズであってもよい。詳しく言うと、第4のレンズL4における凸面反射鏡M向きの第1の表面L41が自由曲面であり、かつ第4のレンズL4におけるライトバルブLV向きの第2の表面L42が非球面であってもよい。
本実施例において、第5のレンズL5が球面レンズであってもよい。詳しく言うと、第5のレンズL5における凸面反射鏡M向きの第1の表面L51及びライトバルブLV向きの第2の表面L52が全て球面であってもよい。本実施例において、第6のレンズL6が球面レンズであってもよい。詳しく言うと、第6のレンズL6における凸面反射鏡M向きの第1の表面L61及びライトバルブLV向きの第2の表面L62が全て球面であってもよい。また、本実施例において、第5のレンズL5の第2の表面L52と第6のレンズL6の第1の表面L61を貼り合わせて、第5のレンズL5と第6のレンズL6が複合レンズを形成してもよい。第5のレンズL5と第6のレンズL6によって形成された複合レンズの屈折度が負であってもよい。本実施例において、第7のレンズL7が非球面レンズであってもよい。詳しく言うと、第7のレンズL7における凸面反射鏡M向きの第1の表面L71及びライトバルブLV向きの第2の表面L72が全て非球面であってもよい。
前記反射鏡Mの反射面Ma、第1のレンズL1における凸面反射鏡M向きの第1の表面L11、第1のレンズL1におけるライトバルブLV向きの第2の表面L12、第3のレンズL3におけるライトバルブLV向きの第2の表面L32及び第4のレンズL4におけるライトバルブLV向きの第2の表面L42が偶数次非球面であり、偶数次非球面を下記式で示すことができる:
また、本実施例において、第1のレンズL1、第2のレンズL2、第3のレンズL3、第4のレンズL4、第5のレンズL5、第6のレンズL6及び第7のレンズL7の材質はそれぞれプラスチック、ガラス、ガラス、ガラス、ガラス、ガラス及びガラスである、本発明はこれに限定されない。
本実施例において、投影レンズアセンブリPLは固定焦点レンズアセンブリ(prime lens)であり、可変焦点レンズアセンブリ(zoom lens)に比較すると、構造が簡単で、組立てし易く、かつ、製造時間が短い。本実施例において、投影レンズアセンブリPLは大きな半画角(half field angle)有し、つまり、投影レンズアセンブリPLは小さい投影比(throw ratio)を有し、短い投影距離内に広い投影画面を投射することができる。例を挙げると、本実施例において、投影レンズアセンブリPLの半画角が45°より大きいとしてもよいが、本発明はこれに限定されない。
図7は図2の投影レンズアセンブリの変調伝達関数図である。図7を参照すると、図7は投影レンズアセンブリPLの異なる像高における変調伝達関数図(modulation transfer function,MTF)であり、横軸が焦点移動量(focus shift)であり、縦軸が光学伝達関数の係数(modulus of the optical transfer function)であり、Tが子午方向(meridional direction)の曲線を示し、Sが矢状方向(sagittal direction)の曲線を示し、“TS”に付けた数値が像高を意味する。
図8は図2の投影レンズアセンブリの横収差図であり、これは波長462ナノメートル(nm)、525ナノメートル、615ナノメートルの光を用いて作成されたシミュレーションデータ図であり、その縦座標が正規化された像高である。
図9Aないし図9Iは図2の投影レンズアセンブリのレイファンプロットである。図9Aないし図9Iを参照すると、図9Aないし図9Iは投影レンズアセンブリPL在が異なる像高におけるレイファンプロット(ray fan plot)であり、Ex軸及びEy軸の最大目盛りと最小目盛りがそれぞれ+10マイクロメートル(μm)と-10マイクロメートルであるが、Px軸及びPy軸が既に正規化されているため、此Px及びPy軸の最大目盛りと最小目盛りがそれぞれ1と-1になっている。
図7、図8及び図9Aないし図9Iが示す図形は何れも標準範囲内にある。これにより、本実施例の投影レンズアセンブリPLが良好な結像効果を有することが検証された。
図10は図1の投影装置の投影面における画像を概略的に示す図である。図11は比較例の投影装置の投影面における画像を概略的に示す図である。図11に対応する比較例の投影装置(図示せず)と図10に対応する本発明一実施例の投影装置100は類似するが、両者の相違点は、図11に対応する比較例の投影装置において、第3のレンズ(投影レンズアセンブリの拡大側から縮小側へ順に配列された第3の個のレンズを指す)の第1の表面(第3のレンズにおける凸面反射鏡向きの表面を指す)及び第4のレンズ(投影レンズアセンブリの拡大側から縮小側へ順に配列された第4の個のレンズを指す)の第1の表面(第4のレンズにおける凸面反射鏡向きの表面)が非自由曲面であり、かつ、第1のレンズ(投影レンズアセンブリの拡大側から縮小側へ順に配列された第1の個のレンズを指す)の第1の表面(第1のレンズにおける凸面反射鏡向きの表面を指す)、第2のレンズ(投影レンズアセンブリの拡大側から縮小側へ順に配列された第2の個のレンズを指す)の第1の表面(第2のレンズの凸面反射鏡向きの表面を指す)及び第4のレンズ(投影レンズアセンブリの拡大側から縮小側へ順に配列された第4の個のレンズを指す)の第1の表面(第4のレンズにおける凸面反射鏡向きの表面を指す)がレンズ群の光軸に対し傾斜してない。図10及び図11を比較すると、投影レンズアセンブリPLの第3のレンズL3及び第4のレンズL4のうちの少なくとも一つを自由曲面レンズとし、及び/または第1のレンズL1の一表面、第2のレンズL2の一表面及び第4のレンズL4の一表面のうちの少なくとも二つを光軸Oに対し傾斜させ、かつ、前記少なくとも二つの傾斜方向を逆にすることで、確実に台形ひずみ現象を有効に改善できることが検証された。
以上を纏めると、本発明の一実施例の投影装置及びその結像システムは、拡大側及び縮小側を有する投影レンズアセンブリを含む。投影レンズアセンブリは、拡大側と縮小側との間の光経路上に配置されたレンズ群、及びレンズ群と拡大側との間の光経路上に配置された凸面反射鏡を含む。レンズ群は、拡大側から縮小側へ順に配列された第1のレンズ、第2のレンズ、第3のレンズ、第4のレンズ、第5のレンズ、第6のレンズ及び第7のレンズを含み、かつ、第1のレンズ、第2のレンズ、第3のレンズ、第4のレンズ、第5のレンズ、第6のレンズ及び第7のレンズの屈折度がそれぞれ負、負、正、正、負、正及び正である。特に、第3のレンズ及び第4のレンズのうちの少なくとも一つが自由曲面レンズである。これにより、投影レンズアセンブリ自身が台形ひずみ現象を改善することができ、ソフトウェアを利用して台形ひずみを補正する必要がなく、投影画面の輝度及び解像度を損なうことが起きない。
まあ、本発明の一実施例において、第1のレンズの一表面、第2のレンズの一表面及び第4のレンズの一表面のうちの少なくとも二つがレンズ群の光軸に対し傾斜し、前記少なくとも二つの傾斜方向が逆であり、前記少なくとも二つの傾斜角度の絶対値が0°より大きく、かつ20°以下である。これにより、台形ひずみ現象を一層改善することができる。
以上は本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明の実施範囲を制限するものではない。本発明の請求の範囲及び発明内容を基に行われた簡単、等価の変更と修正はすべて本発明の範囲内に属する。また、本発明の任意の実施例または請求項は、必ずしも本発明のすべての目的または利点または特徴を達成するものとは限らない。さらに、要約書と発明の名称は特許検索に利用されるものであり、本発明の権利範囲を制限するものではない。また、請求の範囲で言及される「第1の」、「第2の」等の用語は素子(element)の名称を示し、または異なる実施例及び範囲を区別するものであり、素子の数の上限または下限を制限するものではない。
100 投影装置
A、B 長さ
AC1、CG1、L11、L21、L31、L41、L51、L61、L71、PR1 第1の表面
AC2、CG2、L12、L22、L32、L42、L52、L62、L72、PR2 第2の表面
AC アクチュエータ
AS 開口絞り
Asa 通光断面
CG 保護蓋
C11 第1の交点
C21 第2の交点
C41 第3の交点
CLV 第4の交点
D 距離
H 最大高さ
H1、H2 最大距離
IM 画像
IMB 画像光束
IMB1 第1のエッジ部光線
IMB2 第2のエッジ部光線
IMS 結像システム
ILB 照明光束
ILS 照明システム
ILR 照明範囲
ILRc 中心
LG レンズ群
LV ライトバルブ
LVa 受光面
L1 第1のレンズ
L2 第2のレンズ
L3 第3のレンズ
L4 第4のレンズ
L5 第5のレンズ
L6 第6のレンズ
L7 第7のレンズ
L7e エッジ部
L 長さ
M 反射鏡
Ma 反射面
Mt 端点
M1 光学有効径
N11 第1の法線ベクトル
N21 第2の法線ベクトル
N41 第3の法線ベクトル
O 光軸
PL 投影レンズアセンブリ
PR 光合成素子
PS 投影面
P11 第1の接平面
P21 第2の接平面
P41 第3の接平面
W 最大幅
x、y、z 方向
θ 夾角
α、β、γ 夾角
δ 偏移量
A、B 長さ
AC1、CG1、L11、L21、L31、L41、L51、L61、L71、PR1 第1の表面
AC2、CG2、L12、L22、L32、L42、L52、L62、L72、PR2 第2の表面
AC アクチュエータ
AS 開口絞り
Asa 通光断面
CG 保護蓋
C11 第1の交点
C21 第2の交点
C41 第3の交点
CLV 第4の交点
D 距離
H 最大高さ
H1、H2 最大距離
IM 画像
IMB 画像光束
IMB1 第1のエッジ部光線
IMB2 第2のエッジ部光線
IMS 結像システム
ILB 照明光束
ILS 照明システム
ILR 照明範囲
ILRc 中心
LG レンズ群
LV ライトバルブ
LVa 受光面
L1 第1のレンズ
L2 第2のレンズ
L3 第3のレンズ
L4 第4のレンズ
L5 第5のレンズ
L6 第6のレンズ
L7 第7のレンズ
L7e エッジ部
L 長さ
M 反射鏡
Ma 反射面
Mt 端点
M1 光学有効径
N11 第1の法線ベクトル
N21 第2の法線ベクトル
N41 第3の法線ベクトル
O 光軸
PL 投影レンズアセンブリ
PR 光合成素子
PS 投影面
P11 第1の接平面
P21 第2の接平面
P41 第3の接平面
W 最大幅
x、y、z 方向
θ 夾角
α、β、γ 夾角
δ 偏移量
Claims (20)
- 結像システムであって、
前記結像システムはライトバルブ、投影面及び投影レンズアセンブリを含み、
前記ライトバルブは画像光束を提供し、
前記投影面と前記ライトバルブの受光面との間に夾角を有し、
前記投影レンズアセンブリは前記画像光束の伝達経路上に配置され、かつ縮小側及び拡大側を有し、前記ライトバルブが前記投影レンズアセンブリの前記縮小側に配置され、前記投影面が前記投影レンズアセンブリの前記拡大側に配置され、
前記投影レンズアセンブリはレンズ群と凸面反射鏡を含み
レンズ群は、前記拡大側と前記縮小側との間の光経路上に配置され、かつ前記拡大側から前記縮小側への順に配列された第1のレンズ、第2のレンズ、第3のレンズ、第4のレンズ、第5のレンズ、第6のレンズ及び第7のレンズを含み、前記第1のレンズ、前記第2のレンズ、前記第3のレンズ、前記第4のレンズ、前記第5のレンズ、前記第6のレンズ及び前記第7のレンズの屈折度がそれぞれ負、負、正、正、負、正及び正であり、前記第3のレンズ及び前記第4のレンズのうち少なくとも一つが自由曲面レンズであり、
前記凸面反射鏡は前記レンズ群と前記拡大側との間の光経路上に配置され、
前記第1のレンズ、前記第2のレンズ、前記第3のレンズ、前記第4のレンズ、前記第5のレンズ、前記第6のレンズ及び前記第7のレンズの何れも前記凸面反射鏡に向けられた第1の表面、及び前記ライトバルブに向けられた第2の表面を有することを特徴とする、結像システム。 - 前記第3のレンズの第1の表面が自由曲面であることを特徴とする、請求項1に記載の結像システム。
- 前記第4のレンズの第1の表面が自由曲面であることを特徴とする、請求項1に記載の結像システム。
- 前記第1のレンズの第1の表面及び第2の表面のうちの一つが前記レンズ群の光軸と第1の交点において交差し、
第1の接平面は前記第1の交点を通り、かつ前記第1のレンズの第1の表面及び第2の表面のうちの前記一つと接し、
前記第1の接平面の第1の法線ベクトルが前記レンズ群の前記光軸に対し傾斜することを特徴とする、請求項1に記載の結像システム。 - 前記第2のレンズの第1の表面及び第2の表面のうちの一つが前記レンズ群の光軸と第2の交点において交差し、
第2の接平面は前記第2の交点を通り、かつ前記第2のレンズの第1の表面及び第2の表面のうちの前記一つと接し、
前記第2の接平面の第2の法線ベクトルが前記レンズ群の前記光軸に対し傾斜することを特徴とする、請求項1に記載の結像システム。 - 前記第4のレンズの第1の表面及び第2の表面のうちの一つが前記レンズ群の光軸と第3の交点において交差し、
第3の接平面は前記第3の交点を通り、かつ前記第4のレンズの第1の表面及び第2の表面のうちの前記一つと接し、
前記第3の接平面の第3の法線ベクトルが前記レンズ群の前記光軸に対し傾斜することを特徴とする、請求項1に記載の結像システム。 - 前記ライトバルブの前記受光面が照明光束を受け、前記照明光束が前記ライトバルブの前記受光面において照明範囲を形成し、
前記ライトバルブの前記受光面と前記レンズ群の光軸が第4の交点を有し、かつ、前記照明範囲の中心と前記第4の交点の間に偏移量を有することを特徴とする、請求項1に記載の結像システム。 - 前記第1のレンズの第1の表面と前記凸面反射鏡の反射面が前記レンズ群の光軸において距離Dを有し、かつ1.5mm<D<5mmであことを特徴とする、請求項1に記載の結像システム。
- 前記凸面反射鏡の反射面が曲率半径Rを有し、かつ50mm<R<110mmであることを特徴とする、請求項1に記載の結像システム。
- 前記投影レンズアセンブリは、前記レンズ群に垂直な光軸の方向において最大高さHを有し、かつH<13.5mmであることを特徴とする、請求項1に記載の結像システム。
- 前記夾角の角度がθであり、かつ25°<θ<90°であることを特徴とする、請求項1に記載の結像システム。
- 前記ライトバルブの前記受光面が照明光束を受けて、前記照明光束を前記画像光束に変換し、
前記画像光束が前記レンズ群を順に通り、かつ前記凸面反射鏡によって前記投影面まで反射され、
前記画像光束が前記投影面において画像を形成し、
前記画像の対向する両辺が互いに略平行であり、かつ、一方向においてそれぞれ長さA及び長さBを有し、
前記画像が前記一方向において最大幅Wを有し、[(B-A)/W]・100%=T、かつ|T|<0.5%であることを特徴とする、請求項1に記載の結像システム。 - 前記投影レンズアセンブリはさらに、前記第1のレンズと前記第2のレンズとの間に設置された開口絞りを有することを特徴とする、請求項1に記載の結像システム。
- 投影装置であって、
前記投影装置は照明システム及び結像システムを含み、
前記照明システムは照明光束を提供し、
前記結像システムは前記照明光束の伝達経路上に配置され、かつ、前記結像システムはライトバルブ、投影面及び投影レンズアセンブリを含み、
前記ライトバルブの受光面が前記照明光束を受け、かつ前記ライトバルブが前記照明光束を画像光束に変換し、
前記投影面と前記ライトバルブの前記受光面との間に夾角を有し、
前記投影レンズアセンブリは前記画像光束の伝達経路上に配置され、かつ縮小側及び拡大側を有し、前記ライトバルブが前記投影レンズアセンブリの前記縮小側に配置され、前記投影面が前記投影レンズアセンブリの前記拡大側に配置され、
前記投影レンズアセンブリはレンズ群と凸面反射鏡を含み、
前記レンズ群は、前記拡大側と前記縮小側との間の光経路上に配置され、かつ、前記拡大側から前記縮小側へ順に配列された第1のレンズ、第2のレンズ、第3のレンズ、第4のレンズ、第5のレンズ、第6のレンズ及び第7のレンズを含み、前記第1のレンズ、前記第2のレンズ、前記第3のレンズ、前記第4のレンズ、前記第5のレンズ、前記第6のレンズ及び前記第7のレンズの屈折度がそれぞれ負、負、正、正、負、正及び正であり、前記第3のレンズ及び前記第4のレンズのうちの少なくとも一つが自由曲面レンズであり、
前記凸面反射鏡は前記レンズ群と前記拡大側との間の光経路上に配置され、
前記第1のレンズ、前記第2のレンズ、前記第3のレンズ、前記第4のレンズ、前記第5のレンズ、前記第6のレンズ及び前記第7のレンズの何れも前記凸面反射鏡に向けられた第1の表面、及び前記ライトバルブに向けられた第2の表面を有することを特徴とする、投影装置。 - 前記第3のレンズの第1の表面が自由曲面であることを特徴とする、請求項14に記載の投影装置。
- 前記第4のレンズの第1の表面が自由曲面であることを特徴とする、請求項14に記載の投影装置。
- 前記第1のレンズの第1の表面及び第2の表面のうちの一つが前記レンズ群の光軸と第1の交点において交差し、
第1の接平面は前記第1の交点を通り、かつ前記第1のレンズの第1の表面及び第2の表面のうちの前記一つと接し、
前記第1の接平面の第1の法線ベクトルが前記レンズ群の前記光軸に対し傾斜することを特徴とする、請求項14に記載の投影装置。 - 前記第2のレンズの第1の表面及び第2の表面のうちの一つが前記レンズ群の光軸と第2の交点において交差し、
第2の接平面は前記第2の交点を通り、かつ前記第2のレンズの第1の表面及び第2の表面のうちの前記一つと接し、
前記第2の接平面の第2の法線ベクトルが前記レンズ群の前記光軸に対し傾斜することを特徴とする、請求項14に記載の投影装置。 - 前記第4のレンズの第1の表面及び第2の表面のうちの一つが前記レンズ群の光軸と第3の交点において交差し、
第3の接平面は前記第3の交点を通り、かつ前記第4のレンズの第1の表面及び第2の表面のうちの前記一つと接し、
前記第3の接平面の第3の法線ベクトルが前記レンズ群の前記光軸に対し傾斜することを特徴とする、請求項14に記載の投影装置。 - 前記照明光束は前記ライトバルブの前記受光面において照明範囲を形成し、前記ライトバルブの前記受光面と前記レンズ群の光軸が第4の交点を有し、
前記照明範囲の中心と前記第4の交点の間に偏移量を有することを特徴とする、請求項14に記載の投影装置。
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