投影光学单元和投影型彩色图像显示装置和使用该投影光学单元的背投型彩色图像显示装置.pdf

本发明提供投影光学单元和投影型彩色图像显示装置和使用该投影光学单元的背投型彩色图像显示装置，大幅度缩短投影光学单元的投影距离，同时实现小型化装置的高聚焦。本发明的投影透镜装置包含第一透镜组和第二透镜组，将由最接近于图像显示元件配置的第一透镜组形成的第一放大像(倍率M1)暂时成像在比第二透镜组还位于图像显示元件侧的位置。通过所述第二透镜组将该第一放大像放大投影到屏幕上(倍率为M2，M2＞M1)。在第一透镜组和所述第二透镜组间配置有正折射能力的物镜组(23)。因作为第二透镜组的F值F2和作为第一透镜组的F值的F1的关系为F2＝F1/M1，故可实现画角超过90度的超广角化。

1.  一种投影光学单元，将由图像显示元件显示的图像放大投影到屏幕上，其特征在于，包括：
具有正折射能力的第一透镜组，配置在图像显示元件到屏幕的光路间，形成第一放大像；和
具有正折射能力的第二透镜组，位于该第一透镜组的屏幕侧，并进一步放大由所述第一透镜组得到的第一放大像，并在所述屏幕上形成第二放大像，
其中，所述第一放大像在比所述第二透镜组还位于图像显示元件侧的位置处成像。

2.  根据权利要求1所述的投影光学单元，其特征在于：
所述该第一放大像的倍率M1小于所述第二放大像的倍率M2。

3.  一种投影光学单元，将由图像显示元件显示的图像放大投影到屏幕上，其特征在于，包括：
在图像显示元件到屏幕的光路上沿所述图像的光前进方向按顺序配置的
具有正折射能力的第一透镜组；和
具有正折射能力的第二透镜组，进一步放大由该第一透镜组得到的第一放大像，
其中，所述第一透镜组与图像显示元件侧大致为远心关系，所述第一放大像在比所述第二透镜组还位于图像显示元件侧的位置处成像，所述第二透镜组的画角在90度以上。

4.  根据权利要求3所述的投影光学单元，其特征在于：
在所述第一透镜组和所述第二透镜组之间配置具有正折射能力的物镜组，所述第一放大像成像在所述物镜组附近。

5.  根据权利要求4所述的投影光学单元，其特征在于：
所述第一放大像在比所述物镜组还位于所述第一透镜组侧的位置处成像。

6.  根据权利要求4所述的投影光学单元，其特征在于：
在所述第二透镜组和物镜组之间配置光路折返装置。

7.  根据权利要求4所述的投影光学单元，其特征在于：
所述光路折返装置包括全反射镜。

8.  根据权利要求4所述的投影光学单元，其特征在于：
所述光路折返装置包括棱镜元件。

9.  根据权利要求3所述的投影光学单元，其特征在于：
使所述第二透镜组的光轴相对所述第一透镜组的光轴偏移。    

10.  一种投影光学单元，将由图像显示元件显示的图像放大投影到屏幕上，其特征在于，包括：
在图像显示元件到屏幕的光路上沿所述图像的光前进方向按顺序配置的
具有正折射能力的第一透镜组；和
具有正折射能力的第二透镜组，进一步放大由该第一透镜组得到的第一放大像，
其中，构成为可替换所述第一透镜组整体或者其一部分的透镜元件。

11.  根据权利要求10所述的投影光学单元，其特征在于：
在改变了所述图像显示元件的有效画面尺寸的情况下，替换所述第一透镜组整体或其一部分的透镜元件，以维持第一放大像的绝对尺寸和通过所述第二透镜组在屏幕上形成的第二放大像的绝对尺寸。

12.  一种投影光学单元，将由图像显示元件显示的图像放大投影到屏幕上，其特征在于，包括：
在图像显示元件到屏幕的光路上沿所述图像的光前进方向按顺序配置的
具有正折射能力的第一透镜组；和
具有正折射能力的第二透镜组，进一步放大由该第一透镜组得到的第一放大像，
其中，由所述第二透镜组形成的到屏幕上的第二放大像相对所述图像显示元件为正立像的关系。

13.  一种投影型彩色图像显示装置，包括：
发射红、绿、蓝三原色光束的光源；
根据所输入的图像信号的振幅在每个像素调制所述光束的光强度的图像显示元件；和
投影光学单元，将由所述图像显示元件调制后的光束放大投影到屏幕上；
其中，所述投影光学单元构成为，使得在从所述图像显示元件到所述屏幕上的光路内至少得到两次以上的放大像。

14.  一种投影型彩色图像显示装置，包括：
白色光源；
光束分光器，将从该白色光源发射的可见光束分光为红、绿、蓝三原色；
多个图像显示元件，分别对应于来自光束分光器的三原色光束设置、并根据所输入的图像信号的振幅，分别对每个像素调制该三原色光束的光强度；
光合成器，合成通过该多个图像显示元件调制过的光束；和
投影光学单元，将由该光合成器合成的光束放大投影到屏幕上，
其中，所述投影光学单元构成为，使得在从所述图像显示元件到所述屏幕上的光路内至少得到两次以上的放大像。

15.  根据权利要求14所述的投影型彩色图像显示装置，其特征在于：
所述投影光学单元包括：在从所述图像显示元件侧向屏幕侧顺序配置的、将由所述图像显示元件调制的光束成像到第一成像位置处作为放大像的第一透镜组；配置在所述第一成像位置附近的物镜组；和第二透镜组，将成像到所述第一成像位置处的放大像再次放大投影到所述屏幕上。

16.  根据权利要求14所述的投影型彩色图像显示装置，其特征在于：
使用超高压水银灯、氙气灯、金属卤化物灯的其中之一来作为所述白色光源。

17.  一种背投型彩色图像显示装置，包括：
图像显示元件；
屏幕；和
投影光学单元，放大由所述图像显示元件显示的图像，并从所述屏幕的背面进行投影，其特征在于，
所述投影光学单元包括：
用于形成第一放大像的、具有正折射能力的第一透镜组；和
具有正折射能力的第二透镜组，位于该第一透镜组的屏幕侧，并进一步放大由所述第一透镜组得到的第一放大像，并在所述屏幕上形成第二放大像，
其中，所述第一放大像在比所述第二透镜组还位于图像显示元件侧的位置处成像。

18.  根据权利要求17所述的投影光学单元，其特征在于：
所述第一放大像的倍率M1小于所述第二放大像的倍率M2。

19.  一种背投型彩色图像显示装置，包括：
图像显示元件；
屏幕；和
投影光学单元，放大由所述图像显示元件显示的图像，并从所述屏幕的背面进行投影，其特征在于，
所述投影光学单元包括：
沿所述图像的光前进方向按顺序配置的
具有正折射能力的第一透镜组；和
具有正折射能力的第二透镜组，进一步放大由该第一透镜组得到的第一放大像，
其中，所述第一透镜组与图像显示元件侧大致为远心关系，所述第一放大像在比第二透镜组还位于图像显示元件侧的位置处成像，所述第二透镜组的画角在90度以上。

20.  据权利要求17或19所述的投影型彩色图像显示装置，其特征在于：
所述第一透镜组配置为相对所述屏幕画面水平方向大致平行。

21.  根据权利要求17或19所述的投影型彩色图像显示装置，其特征在于：
所述图像显示元件根据所输入的图像信号对每个像素调制从光源发射的三原色光束，并通过光路折返镜反射来自所述投影光学单元的光束而从所述屏幕的背面进行投影。

22.  一种背投型彩色图像显示装置，包括：
图像显示元件；
屏幕；和
投影光学单元，放大由所述图像显示元件显示的图像，并从所述屏幕的背面进行投影，其特征在于：
所述投影光学单元包括：
第一单元，将图像光束导入画面水平方向；
镜，将通过该第一单元导入的图像光束折返到与画面水平方向正交的方向；和
第二单元，将通过该镜折返的图像光束投影到所述屏幕上并形成放大像。

投影光学单元和投影型彩色图像显示装置和使用该投影光学单元的背 投型彩色图像显示装置
技术领域
本发明涉及将放大图像投影到屏幕上进行图像显示的投影型彩色图像显示装置、从屏幕背面投影该放大图像的背投型彩色图像显示装置和用于这些装置的投影光学单元。
背景技术
在通过投影光学单元将图像显示元件的画像放大投影到屏幕上的彩色图像显示装置中，要求在屏幕上得到充分大的放大图像且缩短投影距离。为实现该要求，例如如特开平5-134213号公报(特许文献1)、特开2000-162544号公报(特许文献2)和特开2002-357768号公报(特许文献3)上述特许文献1～3所记载的，已知有构成为从相对屏幕倾斜的方向放大投影的投影光学单元。
相对屏幕从倾斜方向投影图像时，在投影图像上产生了所谓的梯形失真。为消除该失真，在上述特许文献1所记载的投影光学单元中，构成为使在屏幕侧配置的远焦变距镜(afocal converter)偏心而抑制梯形失真。特许文献1中所公开的远焦变距镜由于倍率很低所以很难广角化。另外，在上述特许文献2中所记载的投影光学单元中，作为背投型彩色图像显示装置越薄形化广角化越难。另外，由于需要使所使用的透镜个别偏心，所以存在制造困难的问题。上述特许文献3中所记载的投影光学单元包括具有正放大率的第一折射透镜系统、具有负放大率的第二折射透镜系统和光路折返镜子，在具有负放大率的第二折射透镜系统内，有至少两个为旋转对称性不同的偏心系统。因此，存在制造时很难保证各透镜的位置精度的问题。
进一步，在上述现有技术中，仅着眼于投影光学单元进行设计很难使含有照明光学系统的系统整体为最佳设计。
如前所述，作为用于使用透过型液晶面板作为图像显示元件的现有彩色图像显示装置的投影光学单元的问题，除了装置的小型化所必须的广画角化之外，还具有下列问题。即，为对应于面板的高分辨率的高聚焦化、对应于面板或彩色图像显示装置的小型化的高倍率化。
另一方面，在使用反射型液晶面板作为图像显示元件的情况下，由于可将像素电极配置在液晶层的背面，故可实现高开口率。因此，相对透过型液晶面板具有下列特征。
(1)在相同分辨率的情况下，可减小一圈面板大小。
(2)在相同面板大小的情况下，可得到更多的像素数(高分辨率)。
因此，用于使用了反射型液晶面板的彩色图像显示装置的投影透镜装置相对于使用透过型面板的装置，希望更高聚焦化和更高倍率化。进一步，在使用了反射型液晶面板的图像投影装置的光学系统中，由于在图像显示元件和投影透镜装置间存在除色合成棱镜之外的大的空气间隔，所以需要更长的背焦距(back focus)。
另外，在上述的投影型彩色图像显示装置中，根据使用面板的有效画面尺寸来重新设计开发投影光学单元，而需要昂贵的开发投资。
这样，在背投型彩色图像显示装置中，应实现尺寸的小型化、需要广画角且高聚焦、进而高倍率下背焦距长的投影光学单元。另外，希望即使在使用有效画面尺寸或方式不同的面板的情况下，也不重新设计开发照明光学系统整体或投影光学单元，而可对应改变标准品的一部分来降低开发投资。
发明内容
本发明鉴于这样的问题而作出，本发明的目的是提供可实现装置的小型化的技术。
为实现上述目的，本发明的特征在于，构成为在图像显示元件到屏幕的光路间配置形成第一放大像用的具有正折射能力的第一透镜组，和位于该第一透镜组的屏幕侧，并进一步放大由所述第一透镜组得到的第一放大像，并在所述屏幕上形成第二放大像用的具有正折射能力的第二透镜组，所述第一放大像成像在比所述第二透镜组还位于图像显示元件侧的位置处。
另外，在第一透镜组和所述第二透镜组间配置具有正折射能力的物镜组，所述第一放大像的倍率M1小于所述第二放大像地倍率M2。另外，所述第一透镜组也可配合照明光学系统的F值以远心设计在图像显示元件侧。
根据第一透镜组的第一放大像成像在比第二透镜组还位于图像显示元件侧的位置处。因此，作为第二组的F值F2(光线的发散角度)是作为第一透镜组的F值的F1除以第一放大像的倍率M1的值，即F2＝F1/M1。因此，由于第二透镜组的F2大，所以对于画角超过90度的超广角化是有利的。
进一步，由所述第一透镜组形成的第一放大像成像在所述物镜组附近。例如，通过在所述第一透镜组侧成像即使在物镜组侧粘附了异物也不会对屏幕上的放大像产生影响。
另外，作为小型化投影型彩色图像显示装置的第一实现方法，可举出下列方法。
(1)在所述第二透镜组和物镜组间设置光路折返装置。作为该光路折返的具体技术方法也可使用棱镜，若使用折返镜子则可抑制成本上升，实现小型化。
(2)进一步，在构成第一透镜组的透镜元件和透镜元件间设置光路折返装置。
(3)除此之外，在构成第二透镜组的透镜元件和透镜元件间设置光路折返装置。
另外，作为小型化投影彩色图像显示装置本身的第二实现方法，可举出下列方法。
(4)在具有两个透镜组的投影光学单元的情况下，偏差配置上述第一透镜组的光轴和上述第二透镜组的光轴。即，使第二透镜组相对第一放大像偏移地配置，并通过经折返镜子在屏幕上得到放大像而可实现进一步小型化。
(5)在具有两个透镜组的投影光学单元的情况下，配置第一透镜组，使其与屏幕画面水平方向大致平行。进一步，在第一透镜组和第二透镜组之间设置光路折返装置，配置该第二透镜组，使其与屏幕画面水平方向大致垂直(即，使第一透镜组的光轴和第二透镜组的光轴彼此正交)。并且，通过经折返镜子在屏幕上得到放大像而可实现进一步小型化。
附图说明
图1是作为本发明的实施方式1的背投型彩色图像显示装置的主视图。
图2是作为本发明的实施方式1的背投型彩色图像显示装置的侧视图。
图3是作为本发明的实施方式2的背投型彩色图像显示装置的主视图。
图4是作为本发明的实施方式2的背投型彩色图像显示装置的侧视图。
图5是作为本发明的实施方式1的投影型彩色图像显示装置的俯视图。
图6是作为本发明的实施方式2的投影型彩色图像显示装置的俯视图。
图7是表示作为本发明的实施方式1的投影型彩色图像显示装置的照明光学系统的配置图。
图8是表示作为本发明的实施方式2的投影型彩色图像显示装置的照明光学系统的配置图。
图9是表示作为本发明的实施方式1的投影光学单元的第一透镜组的透镜数据的图。
图10是表示作为本发明的实施方式1的投影光学单元的第一透镜组的透镜配置的图。
图11是表示对作为本发明的实施方式1的投影光学单元的第一透镜组的光线追踪结果的图。
图12是表示作为本发明的实施方式1的投影光学单元的第二透镜组的透镜数据的图。
图13是表示作为本发明的实施方式1的投影光学单元的第二透镜组的透镜配置的图。
图14是表示对作为本发明的实施方式1的投影光学单元的第二透镜组的光线追踪结果的图。
图15是表示作为本发明的实施方式1的投影光学单元的光线追踪结果的图。
图16是表示由作为本发明的一实施方式的投影光学单元的第一透镜组形成的成像面的光斑形状的特性图。
图17是表示由作为本发明的一实施方式的投影光学单元的第二透镜组形成的成像面的光斑形状的特性图。
图18是表示由作为本发明的一实施方式的投影光学单元形成的成像面的光斑形状的特性图。
具体实施方式
下面，参照附图，详细说明使用本发明的投影光学单元的投影型彩色图像显示装置和背投型彩色图像显示装置。
图1是使用本发明的投影光学单元的背投型彩色图像显示装置的第一实施例的主视图。该图中，1表示照明光学系统、5表示框体、6表示屏幕、7表示光路折返镜子。4表示将来自白色光源的光通过照明光学系统1照射到图像显示元件(图中未示)中，并通过投影光学单元放大投影由图像显示元件根据图像信号形成的光学像的光学单元。另外，3表示投影光学单元的内置有具有正折射能力的第一透镜组(图中未示、后述)的第一透镜镜筒，2表示投影光学单元的内置有具有正折射能力的第二透镜组(图中未示、后述)的第二透镜镜筒。光学单元4和图中没有示出的电源和显示驱动电路等一起被组装到底盘(图中未示)中，形成投影彩色图像显示装置。下面，以光学单元4为代表表示该投影型彩色图像显示装置。
光学单元4如图2那样被配置在框体5的下部，并通过光路折返镜子7折返投影来的图像光，而从屏幕6的背面侧投影到屏幕6上。
本发明的投影光学单元4包含其光轴与屏幕6的画面水平方向大致平行地配置的、内置在第一透镜镜筒3中的第一透镜组(图中未示、后述)，和其光轴与第一透镜组的光轴大致正交地配置的、内置在第二透镜镜筒2中的第二透镜组(图中未示、后述)。另外，投影光学单元4在第一透镜组和第二透镜组的连接部分具有折返光路用的光路折返装置(图中未示、后述)，使得将来自第一透镜组的图像光导入到第二透镜组中。
这样，本发明的投影光学单元4至少分割为两个透镜组，并配置为其光轴大致正交。并且，由于第一透镜组的光轴配置为与屏幕6的画面水平方向上大致平行，所以可使背投型彩色图像显示装置的进深变薄，并进一步减小投影光学单元的高度方向。因此，本发明的投影光学单元4在装置整体的小型化方面是有效的。在使用水平点亮用的光源灯来作为光源，并在将该光源灯配置为与画面水平方向大致平行的情况下，尤其有效。
这里，为使下面的说明变得容易，导入右手系正交坐标。图1中屏幕6与YZ平面平行，屏幕6的水平(横)方向为Z轴，垂直(纵)方向为Y轴方向。屏幕6中从表面侧(观察者侧)向背面的方向为X轴。
图2是使用本发明的投影光学单元的背投型彩色图像显示装置的侧视图，对与图1所示的结构部件具有相同作用的部件赋予同一附图标记。图2中，配置有内置在第一透镜镜筒3中的第一透镜组(图中未示)的光轴3₁(该图中的Z轴、下面省略为第一透镜镜筒的光轴)和内置在第二透镜镜筒2内的第二透镜组(图中未示)的光轴2₁(下面，省略为第二透镜镜筒的光轴)，使其通过内置的光路折返装置(图中未示)大致正交。进一步，通过使第二镜筒2的光轴2₁相对所述第一透镜镜筒3的光轴3₁向纸面右侧方向的大致X轴方向偏心，而使投影光学单元的光轴相对屏幕6偏心。因此，光路折返镜子7向屏幕6的下端的光线LD和X轴所成的角度变大。因此，可在画面垂直方向上部方向的Y轴方向抬升该分光单元4的位置，可将第二透镜镜筒2相对于屏幕6的下端配置在画面垂直方向上部。根据这种结构，可实现屏幕下端到框体5的底面的距离短的小型化的装置。
图3是使用本发明的投影光学单元的背投型彩色图像显示装置的第二实施例的主视图。该图中，11表示照明光学系统、15表示框体、16表示屏幕、17表示光路折返镜子、14表示光学单元。另外，13表示内置有第一透镜组(图中未示)的第一透镜镜筒，12表示内置有第二透镜组(图中未示)的第二透镜镜筒。与第一实施例相同，配置第一透镜镜筒13的光轴，使其与屏幕16的画面水平方向(图中Z轴)大致平行，故对装置整体的小型化是有效的。
图4是使用本发明的投影光学单元的背投型彩色图像显示装置的第二实施例的侧视图，对与图3所示的结构部件具有相同作用的部件赋予同一附图标记。通过内置的图中没有示出的光路折返装置(后述)大致正交配置第一透镜镜筒13的光轴13₁(该图中的Z轴)和第二透镜镜筒的光轴12₁。进一步，使第二透镜镜筒12的光轴12₁相对所述第一透镜镜筒13的光轴13₁向与图2的情况相反的一侧(即，图4纸面左侧方向的大致X轴方向)偏心，并缩短第二透镜单元12的投影距离。由此，光路折返镜子17的配置方向接近于垂直方向，并减小与屏幕16之间所成的角度。进一步，光路折返镜子17的配置位置接近于屏幕侧，可直接减小装置的进深，并可实现小型化的装置。但是，这时，增加了框体15的高度。
接着，使用图5说明用于所述第一实施例的本发明的投影型彩色图像显示装置的投影光学单元的详细结构。为说明方便，对与图1所示的结构部件具有相同作用的部件赋予同一附图标记。
该图中，21表示作为光源的白色灯，4表示使用透过型液晶面板51(52，53)作为图像显示单元时的光学单元。
通过图中没有示出的照明光学系统偏光变换/分光来自白色灯21的光，并照射到透过型液晶面板51(52，53)上。在透过型液晶显示面板51(52，53)中光强度调制所入射的各色光而形成光学像。通过正交棱镜(cross prism)27合成各色光的光学像而成为彩色图像，并由投影光学单元210放大。
投影光学单元210包含内置在第一透镜镜筒3内具有正折射能力的第一透镜组22和物镜23，和具有正折射能力的内置在第二透镜镜筒内的的第二透镜组24，在第一透镜镜筒3和第二透镜镜筒2的连接部分处具有将来自第一透镜组22、物镜23的图像折返导光到第二透镜组24的光路折返装置25。另外，3₁和2₁是所述第一透镜组22的光轴和第二透镜组24的光轴。另外，图5中虽然物镜23以一个透镜示出，但是其也可以是由多个透镜构成的透镜组。
本发明中，由正交棱镜27合成的图像由第一透镜组22成像到物镜23的附近而作为暂时放大像(倒立像、在图5中由IMG表示一例)。并且，通过光路折返装置25使第二透镜组24的光轴2₁相对第一透镜组22的光轴3₁大致垂直配置，同时，向例如大致X轴的正方向(图2中为纸面右侧方向)偏心。
由于照明光学系统的F值为2.0到3.0左右，所以需要第一透镜组22的F值也相同程度地高效取入光束。若设透过型液晶面板的有效画面大小为0.7英寸，第一透镜组的放大率M1为3倍，则物镜23附近的放大像相当于2.1英寸。这时，由于从第二透镜组24看物体(第一透镜组22的放大像(图中的IMG))时的光束的入射角度与倍率M成反比，所以理论上第二透镜组24的F值为9.0左右。因此，可将第二透镜组24的画角设计为超广角。这里，若屏幕对角大小为50英寸，这时第二透镜组24的倍率M2大约为24倍左右。即，第一透镜组22的倍率M1比第二透镜组24的倍率M2小。
另外，本发明的投影型光学单元210包含具有正折射能力的第一透镜组和第二透镜组。因此，通过第一透镜组22将由正交棱镜27合成的图像成像到物镜23的附近作为倒立像(第一放大像)，通过第二透镜组将该倒立像投影到屏幕上来作为正立像(第二放大像)。在通常的投影型彩色图像显示装置中，投影为屏幕状的投影像相对图像显示元件上的图像倒立，但是本发明中具有正立的特征。
图5所示的本发明的投影型图像显示装置中，相对合成图像的正交棱镜27，作为图像显示元件的透过型液晶面板可将画面水平方向配置在XY平面。这是因为正交棱镜的尺寸由画面的高宽比短的方向的尺寸决定，故可缩短投影透镜的背焦距。因此，由于可使正交棱镜小型化，故对成本降低是有利的。进一步，可将光源用灯21和第二透镜组24的光轴配置为大致垂直。因此，如图1或图2所述，使用本发明的投影型彩色图像显示装置来构成背面投影型图像显示装置的情况下，可与画面水平方向大致平行地配置水平点亮用的光源灯。因此，即使在XY平面上投影型彩色图像显示装置的仰角改变，也可决定装置内部的布局，而不损害灯的寿命。
图6是表示使用全反射镜来作为在第一透镜组和第二透镜组间配置的光路折返装置26时的实施例。该图中，对于与图5所示的结构部件具有相同作用的部件赋予同一附图标记，由于各个结构部件的作用与图5所示的实施例相同，故省略说明。
在图5和图6所示的本发明的投影型彩色图像显示装置中，使第二透镜组24的光轴2₁相对第一透镜组22的光轴3₁在例如XZ平面中向大致X轴的正方向(图2中纸面右侧方向)偏心。由此，可实现从图2所示的屏幕下端到底面的距离短的小型化装置。进一步，在缩短第二透镜组的投影距离的同时，通过向上述的相反侧(图4中纸面左侧方向)偏心而可实现图4所示的小型化的装置。
即，共用照明光学系统和第一透镜组，仅改变第二透镜组的投影距离或两者的偏心量，从而可实现完全不同形式的装置。因此，由于可用最少的模具投资来实现装置的各种机型，故可提高开发效率。
进一步，通过使第二透镜组24的光轴2₁相对第一透镜组22的光轴3₁在例如XZ平面上向Z轴方向偏心，而不需要将第二透镜组配置在屏幕画面中央。由此，由于增加了装置内布局的自由度，所以可实现更小型化。
另一方面，即使改变透过型液晶显示面板的有效画面大小，也可仅通过改变照明光学系统的一部分和第一透镜组，而仍可适用于同一形式的装置。因此，可实现装置开发效率高的投影光学单元。
由第一透镜组22得到的放大像的倍率因所使用的图像元件的有效画面大小不同而可为2倍到7倍左右。为了将第一透镜组到成像位置的距离限制在最佳范围内，且在可制造范围内设定第一和第二透镜组的透镜外形，在2倍到5倍之内更好。
另外，在图5和图6所示的本发明的实施例中，使第二透镜组24的光轴相对第一透镜组22的光轴向XZ平面上偏心，适当选择该偏心量。由此，例如如图1所示，可任意改变对于透过型屏幕6的偏心量。因此，即使是同一画面大小也可自由改变装置的形式，而大幅度提高设计的自由度。
图7是表示在用于所述第一实施例的本发明的投影型彩色图像显示装置中，使用透过型液晶面板来作为图像显示元件时的照明光学系统的配置图。
由反射器31反射从作为白色光源的灯管30发出的白色光束而成为希望的光束后通过防爆玻璃33。该光束由蝇眼透镜34分割，并通过偏光束分离器35成为单一偏振光。成为该单一偏光的分割光束在通过配置在相对位置上的蝇眼透镜36和物镜37放大投影到液晶面板(G)51、液晶面板(B)52、液晶面板(R)53上的同时相重合。因此，输入到面板上的光束的能量分布均匀。另外，白光束通过配置在光路上的分色镜38分离为红色光束和蓝绿色光束。红色图像光的色度通过分色镜38的分光反射特性和设置在透镜53’上的补偿滤光器(trimmingfilter)的分光反射特性而提高色纯度。
进一步，分色镜39具有反射绿色区域的光的特性。另外，与红色同样，在透镜51’中使用补偿滤光器。最后残留的蓝色光束例如由设置在镜子41、镜子42或透镜52’上的分色镜的特性来分光蓝色光束。通过设置UV截止滤色器的蝇眼透镜34和透镜44截止短波长侧。
以上是使用透过型液晶面板来作为图像显示元件时的本发明的照明光学系统的分色部的说明。通过上述技术手段，将分色为红、绿、蓝的色光束入射到分别对应的透过型液晶面板53，51，52上，并根据图像信号的振幅来调制射出的光束量(光量)。通过正交棱镜27合成调制后的各色光束，并通过投影光学单元210放大投影到屏幕上。
图8是表示在本发明的投影型彩色图像显示装置中，使用透过型液晶面板来作为图像显示元件情况下的照明光学系统的另一实施例的配置图。通过反射器31反射从作为白色光源的灯管30发射的白色光束，而成为收敛光束后通过防爆玻璃33。通过该防爆玻璃33后的光束，在光隧道(light funnel)61内部通过多次反射而分割，并通过偏光束分离器62成为单一偏振光。成为该单一偏振光的分割光束通过放大用透镜63和透镜64放大投影到液晶面板(G)51、液晶面板(B)52、液晶面板(R)53上的同时重合。因此，入射到面板的光束的能量分布均匀。下面配置的光学部件的作用效果与前述的图7的照明光学系统的实施例相同，故在赋予同一附图标记的同时，省略各自的说明。
上面，对于本发明的照明光学系统，说明使用透过型液晶面板的情况。即使在使用反射型液晶面板作为图像显示元件的情况下，在合成图像后，当然也可适用本发明的投影光学单元。
如前所述，本发明的投影光学单元由于至少由两组以上的透镜组构成。由于物镜组的位置可相对光路折返装置配置在第二透镜组侧或第一透镜组侧，所以布局的自由度变大。但是，通过光路折返装置将物镜配置在第二透镜组侧时，构成物镜组和第二透镜组的各个透镜的口径变大，成本上升。另外，由于物镜的透镜面接近第一透镜组的成像面，所以在物镜的透镜表面上粘附了异物的情况下，最终可能有损屏幕放大图像的画质。因此，在这种情况下，需要在设计上加以注意。
如上所述，本发明的投影光学单元由至少两个以上的透镜组构成，并如图5和图6所示，由于在作为图像显示元件的透过型液晶面板和第一透镜组22间存在色合成用正交棱镜27，所以必然第一透镜组为负聚焦型。进一步，由于照明光学系统的光束大致平行，所以在远心光学系统中，该第一透镜组22的放大像在物镜组23附近成像。
作为本发明的投影光学单元的实施例，图9表示第一透镜组22的透镜数据，图10表示透镜的结构。图10中，赋予各个透镜的符号与图9的透镜面符号一致。图9的Sa6面到Sa7面为正交棱镜27(图5和图6)，第一透镜组22为Sa8面到Sa18面，物镜23为Sa20、Sa21面，第一成像位置为Sa21面，在图10中表示为IMG。
图11表示对于在光轴上成像的光束Φ1和在画面区域中间成像的光束Φ2和在画面周围成像的光束Φ3和Φ4的光线追踪结果。
图16是为了表示根据作为本发明的投影光学单元的实施例所示的第一透镜组的成像性能，将作为物面的面板大小设为0.7英寸、将高宽比设为16∶9情况下的成像面(IMG)的光斑图。使为蓝光的波长为450nm的光线，为绿光的波长为545nm的光线和为红光的波长为625nm的光线重合来进行评价。本发明的投影光学单元将光线收敛为大小为50μm左右的光斑，所以可得到良好的性能。
接着，作为超广角的本发明的投影光学单元的实施例，图12表示第二透镜组24的透镜数据，图13表示透镜的结构。图12中赋予各透镜的附图标记与图12的透镜面附图标记一致。图12中，Sb0面为第一透镜组的成像面(IMG)、同时为第二透镜组24的物面。
第二透镜组24为Sb1面到Sb20面，为使表示透镜面的非球面式和系数在该图中联合标记，使塑料非球面透镜由Sb1、Sb2面和Sb15、Sb16面和Sb19、Sb20面6个面即3个透镜构成。通常，根据照明光学系统的F值来决定第一透镜组的F值，但是本发明的实施例中第一透镜组的F值为3.0。另外，由于投影倍率为3倍，所以即使第二透镜组的F值为9.0也可取得充分的光束。另外，由于第二透镜组的F值大于9.0，所以50英寸投影时的最终面(Sb20面)到屏幕面的间隔(投影距离)为425mm，画角为113度时，可实现超广角的投影光学单元。
图14表示对于在光轴上成像的光束Φ1和在画面中间区域成像的光束Φ2和Φ3、在画面周围成像的光束Φ4和Φ5的光线追踪结果。
图17根据表示本发明的投影光学单元的第二透镜组24的成像性能。该图是物面为2.1英寸、高宽比为16∶9，并进一步将偏心量设为7∶1而增大物面情况下的屏幕面的光斑图。使为蓝光的波长为450nm的光线，为绿光的波长为545nm的光线和为红光的波长为625nm的光线重合来进行评价。收敛为大小为30μm左右的光斑，所以得到了良好的性能。
图15是使本发明的投影光学单元的第二透镜组24的光轴、第一透镜组22和物镜23的光轴以偏心量L1来偏心(相对高高比16∶9的短边为7∶1)配置的情况下的光线追踪结果。另外图18是作为本发明的投影光学单元的第一透镜组的物面的面板大小为0.7英寸、高宽比为16∶9、第二透镜组的物面(第一透镜组的像面)为2.1英寸、高宽比为16∶9，进一步偏心量为7∶1而增大物面时的屏幕面的光斑图。使为蓝光的波长为450nm的光线、为绿光的波长为545nm的光线和为红光的波长为625nm的光线重合来进行评价。本发明的投影光学单元是将光线收敛为光斑大小为1.8mm左右，所以得到了良好的性能。
如上所述，在采用了本发明的投影光学单元的投影型彩色图像显示装置中，即使缩短到反射屏的距离也可得到充分的放大倍率，而可看到喜欢动人的画面。进一步，通过在背投型彩色图像显示装置中使用本发明的投影光学单元，即使是一个折返镜子也可实现小型化的装置。
另外，本发明的投影光学单元并不限于背投型彩色图像显示装置，当然也可适用于从屏幕前面投影的前投型彩色图像显示装置。
如上所述，根据本发明的投影光学单元，即使高倍率化也可同时实现装置的小型化所需的超广角化和高聚焦化。另外，即使改变所使用的图像显示元件的有效画面大小，也可通过改变投影光学单元的一部分来进行对应，所以在采用该装置的彩色图像显示装置或背投型彩色图像显示装置中，可对随装置大小的扩展、图像显示元件的有效显示区域的改变的机型扩展降低开发成本，而得到从来没有过的很多优点。如上面所说明的，根据本发明，可实现装置的小型化。