投影光学系统和图像投影装置 【技术领域】
本申请涉及一种投影光学系统和一种包括投影光学系统的图像投影装置。背景技术 LCD( 液晶显示器 ) 投影仪作为图像投影装置是众所周知的。近年来， 利用液晶面 板的高分辨率图像和光源灯的有效能源管理， 正在进行具有增强亮度和更低价格的 LCD 投 影仪的开发。已经推广使用 DMD( 数字微镜装置 ) 的小尺寸、 轻重量图像投影装置， 并且在 办公室、 学校、 家庭等等广泛使用这种图像投影装置。特别地， 前端型投影仪在 LCD 投影仪 之中具有良好的可携带性并且便于用在小型会议等等。 在下文中将说明图像投影装置的一 些实例。
例如， 日本特开专利第 2006-235516 号公报公开一种投影光学系统和使用投影光 学系统的图像投影装置。投影光学系统被布置成具有小投影距离。在投影光学系统中， 通 过包括透镜组的第一光学系统形成图像形成元件的中间图像， 并且通过包括凹面镜的第二
光学系统大大地提高光束， 所以与中间图像对应的图像被形成在屏幕上。
日本特开专利第 2009-204846 号公报公开一种图像投影装置， 在该图像投影装置 中， 在凹面镜和屏幕之间设置反射镜， 并且从反射镜反射的光束经过透镜组和凹面镜之间 的部分并且被导向到屏幕。 屏幕对透镜组的光轴的垂直位置关系等于凹面镜对透镜组的光 轴的垂直位置关系。
第 4223936 号日本专利公开一种图像投影装置， 在该图像投影装置中， 在透镜部 的光路和投影光学系统的反射镜部之间设置平面反射镜以将光路弯曲大约 90 度。竖直布 置透镜部从而防止投影光学系统突出到屏幕表面。
日本特开专利第 2009-116149 号公报公开一种在其中布置包括凹面镜的投影光 学系统的图像投影装置。图像投影装置包括屏幕， 具有在屏幕的投影表面上设置的曲面镜 (curved mirror) 的反射光学部件， 在反射光学部件之前在光路上和在屏幕的非投影表面 上设置的弯曲反射镜 (bending mirror)， 在反射光学部件之前在光路上和在屏幕的非投影 表面上设置的折射光学部件， 和在屏幕的非投影表面上设置的图像形成光学部件。
但是， 在日本特开专利第 2006-235516 号公报中公开的图像投影装置中， 如果图 像形成元件、 第一光学系统和第二光学系统被布置在图像投影装置的壳体中并且图像被投 影在外部屏幕上， 那么壳体突出超过屏幕表面， 并且存在图像投影装置必需被嵌入在墙壁 中的问题。获得最佳投影距离是困难的。即使投影图像， 产生的图像也可能变得不聚焦。
在日本特开专利第 2006-235516 号公报的图像投影装置中的投影光学系统中， 利 用透镜组形成中间图像并且在使用凹面镜的屏幕上执行中间图像的成像， 所以生成图像形 成元件的图像。在该投影光学系统中， 图像形成元件相对于透镜光轴被移位并且光束通过 凹面镜被提高。因此， 能够使得投影距离短。因此， 凹面镜对透镜光轴的位置与屏幕对透镜 光轴的位置相反， 并且如果图像被投影在光轴的上方， 那么凹面镜必须被布置在光轴的下 方。因此， 存在壳体在其下部必须具有大的厚度， 并且整个壳体肯定是笨重的问题。在日本特开专利第 2009-204846 号公报中公开的图像投影装置中， 当图像投影装 置被布置在工作台上以在工作台上方设置的墙壁上投影图像时， 投影平面 ( 即， 屏幕 ) 必须 被设置在透镜光轴的上方。除了日本特开专利第 2006-235516 号公报的教导之外， 在光轴 上方布置凹面镜。因此， 如果当没有使用图像投影装置时凹面镜能够被折叠并且当使用图 像投影装置时凹面镜能够被布置在其原始位置中， 则能够在非使用的时候使得壳体紧凑， 并且能够避免整个壳体是笨重的问题。
但是， 当在投影距离的一定条件下必须布置图像投影装置时， 难以消除必须在墙 壁中嵌入图像投影装置的问题。如果能够使得投影距离相对地大， 那么指向到屏幕的光束 能够经过透镜和凹面镜之间的中间部分。但是， 如果缩短投影距离 ( 即， 如果大大地提高光 束 )， 那么凹面镜的尺寸在远离光轴的方向上就必须较大并且增加凹面镜的光焦度。 位于距 离凹面镜的光轴最远的部分将干扰透镜表面。 因此， 存在一个问题， 从反射镜指向到屏幕的 光束被凹面镜中断并且不能到达屏幕。
在日本专利号 4223936 公开的图像投影装置中， 不需要通过在墙壁中嵌入相同的 图像投影装置而布置该图像投影装置。 但是， 图像投影装置具有透镜部竖直站立的结构。 当 图像投影装置被布置在工作台上以在墙壁上投影图像时， 布置的图像投影装置的重心放置 得太高。已经存在图像投影装置容易在工作台上掉落的问题。在这种情况下， 图像形成元 件的显示表面面向上方并且存在灰尘容易被沉积在图像投影装置内侧的问题。
在日本特开专利第 2009-116149 号公报中公开的图像投影装置被布置成图像投 影装置能够被嵌入在墙壁中。日本特开专利第 2009-116149 号公报没有提出无需在墙壁中 嵌入图像投影装置而布置该图像投影装置的方法。 发明内容
根据本公开， 可以提供一种投影光学系统， 该投影光学系统允许减轻图像投影装 置的壳体的重量并且能够在屏幕上投影图像而无需将图像投影装置嵌入在墙壁中。
在解决或者减少一个或多个上述问题的实施例中， 本公开提供一种投影光学系 统， 该投影光学系统被布置成引起从在第一共轭面上的图像形成元件输出的多个光束倾斜 进入第二共轭面并且该投影光学系统将通过图像形成元件形成的图像的放大图像投影在 第二共轭面上， 投影光学系统包括 ： 第一光学系统， 第一光学系统被设置在图像形成元件和 第二共轭面之间的第一光路上并且包括折射光学系统 ； 第二光学系统， 第二光学系统被设 置在第一光路上的第一光学系统的下游位置处并且包括具有正光焦度的反射面 ； 和第一和 第二反射镜， 第一和第二反射镜被依次设置在图像形成元件和反射面之间的第二光路上以 沿第二光路反射光束， 其中， 第一和第二反射镜被布置成 ： 从第二反射镜到反射面的光束的 光路的方向包含与从图像形成元件到第一光学系统的预定方向相反的方向的分量， 并且在 第二共轭面上依次排列图像形成元件在第二共轭面上的投影图像、 反射面到第二共轭面上 的投影和图像形成元件到第二共轭面上的投影。
当连同附图一起阅读时， 本公开的其它目的、 特点和优点将从下文的具体说明中 变得更加显而易见。 附图说明图 1 是图解本公开的第一实施例的投影光学系统的光路的图。 图 2 是图 1 的投影光学系统的光路的一部分的放大图。 图 3 是用于说明两个反射镜的布置的图。 图 4 是图解比较例的投影光学系统的光路的图。 图 5 是图 4 的投影光学系统的光路的一部分的放大图。 图 6 是图解本公开的第二实施例的图像投影装置的组成的图。 图 7 是图解本公开的第三实施例的图像投影装置的组成的图。 图 8 是图解第三实施例的图像投影装置的变化例的图。 图 9 是图解在图像形成元件上 ( 共轭面 A) 的物点的位置的图。 图 10 是图解在对应于图 9 的格点的屏幕 ( 共轭面 B) 上的像点的位置的图。 图 11 是图解在屏幕 ( 共轭面 B) 上的点图的实例的图。具体实施方式
参照附图将给出本公开的实施例的说明。
图 1 是图解本公开的第一实施例的投影光学系统的光路的图。图 2 是图 1 的光路 的一部分的放大图。 在图 1 和图 2 的坐标系统中， X 表示屏幕的纵向， Y 表示屏幕的横向， 并且 Z 表示垂 直于屏幕的方向。具体地， +X 的方向指的是图纸的高度方向， -X 的方向指的是纸张的深度 方向， -Y 的方向指的是纸张的向下方向， +Y 的方向指的是纸张的向上方向， +Z 的方向指的 是纸张的右侧方向， 并且 -Z 的方向指的是纸张的左侧方向。
如图 1 和图 2 所示， 投影光学系统 10 包括第一光学系统 11、 第一反射镜 12、 第二 反射镜 13 和第二光学系统 14。附图标号 80 表示图像形成元件 ( 将被称为图像形成元件 80)， 并且附图标号 90 表示屏幕 ( 将被称为屏幕 90)。
图像形成元件 80 被设置在第一共轭面 ( 将被称为共轭面 A) 上， 并且屏幕 90 被设 置在第二共轭面 ( 将被称为共轭面 B) 上。 在下文中， 共轭面指的是一对表面中的一个， 该对 表面包括从其发散多个光束的第一表面 ( 物面 ) 和该多个光束被会聚到其的第二表面 ( 像 面 )。
投影光学系统 10 被布置成使得多个光束从共轭面 A 上的图像形成元件 80 输出， 从而倾斜进入共轭面 B 并且将通过图像形成元件 80 形成的图像的放大图像投影到共轭面 B 上的屏幕 90 上。在投影光学系统 10 中， 第一光学系统 11 为包括至少一个折射光学系统 的光学系统。
在该实施例中， 虽然第一光学系统 11 由十一个透镜组成， 但是本公开并不局限于 该实施例。
第二光学系统 14 为包括至少一个具有正光焦度 (power) 的反射面的光学系统。 较 佳地是， 包括在第二光学系统 14 中的具有正光焦度的反射面具有变形的多项式自由形式 表面。 在这种情况下， 对于相对于每个图像高度的每个反射区域， 能够调整反射面的曲面构 造并且能够提高像差补偿性能。
假定在投影图像表面的基础上， X 表示左右方向， Y 表示上下方向， Z 表示自由形式 表面的厚度， 并且 X2、 Y2、 X2Y、 Y3、 X4、 X2Y2、 Y4 等等表示各个系数， 变形的多项式自由形式
表面具有由以下公式 (1) 表示的构造。
Z ＝ X2x2+Y2y2+X2Yx2y+Y3y3+X4x4+X2Y2x2y2+
Y4y4+X4Yx4y+X2Y3x2y3+Y5y5+X6x6+X4Y2x4y2+
X2Y4x2y4+Y6y6+… (1)
在图 1 和图 2 的实例中， 第二光学系统 14 仅包括设置具有正光焦度的反射面的凹 面镜。即， 在该实施例中， 第二光学系统 14 为凹面镜本身。但是， 根据本公开的第二光学系 统 14 并不局限于所述凹面镜。另外， 可以使用具有聚光光焦度的反射光学元件代替作为第 二光学系统 14， 例如菲涅耳镜和全息反射镜。
第一反射镜 12 和第二反射镜 13 被设置在图像形成元件 80 和第二光学系统 14 之 间的光路上。具体地， 通过绕平行于投影在屏幕 90 上的图像的纵向 (X 的方向 ) 的轴线旋 转反射镜 12 和 13 的相应表面而布置第一反射镜 12 和第二反射镜 13， 所以在 +Z 的方向上 从图像形成元件 80 输出的光束通过第二反射镜 13 在 -Z 的方向上被反射到第二光学系统 14。此外， 第一反射镜 12 和第二反射镜 13 被布置成 ： 在共轭面 B 上在 -Y 的方向上依次排 列图像形成元件 80 在屏幕 90 上 ( 在共轭面 B 上 ) 的投影图像、 第二光学系统 14 到共轭面 B 上的投影和图像形成元件 80 到共轭面 B 上的投影。 换句话说， 第一反射镜 12 和第二反射镜 13 被布置在图像形成元件 80 和第二光学 系统 14 之间的光路上， 所以， 当从垂直于共轭面 B 的方向 ( 或者 Z 方向 ) 看屏幕 90、 投影光 学系统 10 和图像形成元件 80 时， 在 -Y 的方向上在共轭面 B 上依次排列屏幕 90、 投影光学 系统 10 的第二光学系统 14 和图像形成元件 80。
图 3 中图解第一反射镜 12 和第二反射镜 13 的这种布置。在图 3 中， 附图标号 14X 表示第二光学系统 14 到共轭面 B 上的投影 ( 将被称为投影 14X)， 附图标号 80X 表示图像形 成元件 80 到共轭面 B 上的投影 ( 将被称为投影 80X)， 并且点划线表示共轭面 B。
如图 3 所示， 在共轭面 B 上依次排列屏幕 90( ＝图像形成元件 80 在屏幕 90 上的 投影图像 )、 投影 14X 和投影 80X。第一反射镜 12 和第二反射镜 13 被布置成如图 3 所示地 排列屏幕 90( ＝图像形成元件 80 在屏幕 90 上的投影图像 )、 投影 14X 和投影 80X。
相对于光束移动的方向， +Z 方向涉及包含在图 1 和图 2 中箭头 +Z 指示的方向的 分量的方向， 并且并不简单地意味着由箭头 +Z 指示的方向 ( 或者平行于 Z 轴的方向 )。例 如， 在 +Z 的方向上指向的光并不简单地意味着在由箭头 +Z 指示的方向 ( 或者平行于 Z 轴 的方向 ) 上指向的光， 而是涉及在包含由箭头 +Z 指示的方向的分量的各种方向中的一个方 向上指向的光。
类似地， 对于光束移动的方向， -Z 方向涉及包含与图 1 和图 2 中箭头 +Z 指示的方 向相反的方向的分量的方向， 并且并不简单地意味着与由箭头 +Z 指示的方向 ( 或者平行于 Z 轴的方向 ) 相反的方向。例如， 在 -Z 的方向上反射的光并不简单地意味着在与由箭头 +Z 指示的方向 ( 或者平行于 Z 轴的方向 ) 相反的方向上反射的光， 而是涉及在包含与由箭头 +Z 指示的方向相反的方向的分量的各种方向中的一个方向上反射的光。
在该实施例的投影光学系统中， 从图像形成元件 80( 为诸如液晶面板的光阀 ) 输 出的光束进入第一光学系统 11， 通过设置在第一光学系统 11 中的第一反射镜 12 将光束的 光路旋转 90 度 ( 绕 X 轴将第一反射镜 12 的表面顺时针旋转 45 度 ) 并且从第一光学系统 11 输出光束。随后， 通过第二反射镜 13 再一次将光束的光路旋转 90 度。第二反射镜 13 被
设置在第一光学系统 11 和第二光学系统 14 之间的光路上， 并且绕 X 轴将第二反射镜 13 的 表面逆时针旋转 45 度。
因此， 在 +Z 的方向上从图像形成元件 80 输出的光束在相反的方向 ( 或 -Z 的方 向 ) 上被反射并且进入第二光学系统 14。光束在 +Z 的方向上被第二光学系统 14 反射并且 进入屏幕 90。当从第一光学系统 11 向第二光学系统 14 传递光束时， 图像形成元件 80 的中 间图像被形成在第一光学系统 11 和第二光学系统 14 之间的光路上， 并且中间图像的放大 图像通过第二光学系统 14 的反射成像功能被投影在屏幕 90 上。
在该实施例的投影光学系统中， 第一反射镜 12 和第二反射镜 13 可以被布置成将 在 +Z 的方向上从图像形成元件 80 输出的光束的光路改变为相反的方向 (-Z 的方向 ) 并且 引起光束进入第二光学系统 14。因此， 第一反射镜 12 和第二反射镜 13 的表面的旋转角并 不局限于如在上述实施例中的 45 度。
另外， 第一反射镜 12 可以被布置在第一光学系统 11 和第二光学系统 14 之间的光 路上， 而不是被布置如在上述实施例中的第一光学系统 11 中。但是， 如在下文中将说明的， 较佳地是， 第一反射镜 12 被布置在第一光学系统 11 中。
在投影光学系统 10 中， 从在第二光学系统 14 和第一光学系统 11 中的透镜中， 通 过在第二光学系统 14 中的透镜控制包括在投影光学系统 10 中的整个光学系统中出现的畸 变像差。期望的是， 用于每个视角的光束被互相分离。在第一光学系统 11 中， 在第一光学 系统 11 接近第二光学系统 14 的侧上设置具有最大负光焦度的透镜。具体地， 在图 1 和图 2 的实例中， 位于从第一光学系统 11 接近第二光学系统 14 的侧的第三位置处的第三透镜 ( 在下面给出的表 1 中的表面标识号 L3)， 为具有最大负光焦度的透镜。通过利用该透镜， 可以使得光束大大地发散。 即， 在从具有最大负光焦度的透镜 ( 在下面给出的表 1 中的 L3) 到第二光学系统 14 的区域中， 用于每个视角的光束很好地被分离并且使其大大地发散。
如果反射镜被设置在光束大大地发散的位置处， 那么反射镜的区域必须被增大并 且整个投影光学系统的尺寸将被增大。在这种情况下， 入射到反射镜的角的宽度也必须被 增大， 并且在反射镜上的反射膜的入射角特性将不得不被增加。 因此， 整个光学系统的反射 率将下降并且整个光学系统的输出将变坏。
较佳地在第一光学系统 11 中布置第一反射镜 12 的第一原因如下。如果第一反射 镜 12 和第二反射镜 13 被设置在第一光学系统 11 和第二光学系统 14 之间的区域中， 在该 区域中光束大大地发散， 那么第一反射镜 12 和第二反射镜 13 的范围都必须被增大并且整 个光学系统的尺寸必须被增加。这样就不是较佳的。
第二原因如下。如果不仅第二反射镜 13 而且第一反射镜 12 都被布置在第一光学 系统 11 和第二光学系统 14 之间的区域中， 在该区域中光束大大地发散， 入射到第一反射镜 12 和第二反射镜 13 中的每一个的角的宽度都必须被增大， 并且在每个反射镜上的反射膜 的入射角特性必须被增加。因此， 整个光学系统的反射率将下降并且整个光学系统的输出 将变坏。这样就不是较佳的。
因此， 在该实施例中， 两个反射镜 ( 第一反射镜 12 和第二反射镜 13) 中的至少一 个反射镜 ( 第一反射镜 12) 被布置在将来自第一光学系统 11 的光束大大地发散的位置的 前方的位置处。具体地， 在该实施例中， 第一反射镜 12 被设置在图像形成元件 80 和在第一 光学系统 11 中的具有最大负光焦度 ( 在下面给出的表 1 中的 L3) 之间的区域中。因此， 可以防止第一反射镜 12 的反射面区域的增加， 并且因为入射角的宽度小， 所以可以容易地生 产反射镜的反射膜。
因此， 在该实施例中， 能够减小第一反射镜 12 的尺寸。而且， 能够减小入射到第一 反射镜 12 的反射面的角的宽度， 并且可以为整个光学系统提供良好反射膜特性并且增加 整个光学系统的输出功率。
另外， 第一反射镜 12 和第二反射镜 13 都可以被布置在图像形成元件 80 和在第一 光学系统 11 中具有最大负光焦度的透镜之间的区域中。但是， 如在下文中将说明的， 较佳 地是， 仅第一反射镜 12 被布置在第一光学系统 11 中。
即， 如果第一反射镜 12 和第二反射镜 13 被设置在图像形成元件 80 和在第一光学 系统 11 中具有最大负光焦度的透镜之间的区域中， 那么第一光学系统 11 的长度必须较大 并且整个光学系统的尺寸必须较大。这样就不是较佳的。
因此， 在该实施例中， 仅第一反射镜 12 被布置在第一光学系统 11 中并且消除上述 问题。
例如， 能够将投影光学系统 10 的投影距离 ( 在第二光学系统 14 的远离屏幕 90 的 远端 14A 和屏幕 90 之间的平行于 Z 轴的距离 ) 设置成 240.0mm。当以线性形式布置投影光 学系统 10 时的投影光学系统 10 的总长度 ( 或者从图像形成元件 80 到第二光学系统 14 的 端 14A 的总距离 ) 能够被设置成 251.8mm。因此， 投影光学系统 10 为在其中投影距离小于 当以线性形式被布置时的总长度的光学系统。
接下来， 将给出当与比较例比较时的第一实施例的投影光学系统 10 的有利特点 的说明。
图 4 是图解比较例的投影光学系统的光路的图。图 5 是图 4 的光路的一部分的放 大图。
在图 4 和图 5 中所示的坐标系统与在图 1 和图 2 中所示的坐标系统相同。如图 4 和图 5 所示， 比较例的投影光学系统 10A 与第一实施例的投影光学系统 10 的不同之处在 于， 没有布置第一反射镜 12 和第二反射镜 13 并且只通过第二光学系统 14( 凹面镜 ) 执行 光路的折回。除了上述事情外， 投影光学系统 10A 的组成与投影光学系统 10 的组成相同。
如图 4 和图 5 所示， 投影光学系统 10A 不包括相当于如在投影光学系统 10 中的第 一反射镜 12 和第二反射镜 13 的两个反射镜并且没有使用光路的重复折回。光束在 +Z 的 方向上从图像形成元件 80 被指向到第二光学系统 14， 然而光束在 -Z 的方向上从第二光学 系统 14 被输出到屏幕 90 的入射面。即， 在投影光学系统 10A 中从第二光学系统 14 输出到 屏幕 90 的光束的方向不是如在投影光学系统 10 中的 +Z 的方向。
如果投影光学系统 10A 为在其中投影距离短于当以线性形式被布置时的总长度 的光学系统， 那么类似于投影光学系统 10， 图像形成元件 80 必须从屏幕 90 的位置在 -Z 的 方向上被移位。这就意味着， 例如， 当期望将图像投影到墙壁上的屏幕上时， 投影光学系统 10A 的组件被嵌入在墙壁中。这就将使得投影光学系统 10A 的使用容易度变差。一般而言， 当投影大小相同时， 即使投影距离被缩短， 当以线性形式被布置时的总长度也不会被缩短。 因此， 图像投影装置的一部分 ( 或者投影光学系统的组件 ) 有必要被嵌入在墙壁中。
另一方面， 在投影光学系统 10 的情况下， 通过第二反射镜 13 反射的并且指向到第 二光学系统 14 的光束的方向 (-Z 的方向 ) 与从图像形成元件 80 到第一光学系统 11 输出的光束的方向 (+Z 的方向 ) 相反。从第二光学系统 14 输出的光束的方向 (+Z 的方向 ) 与 从图像形成元件 80 输出的光束的方向 (+Z 的方向 ) 相同。因此， 可以消除投影光学系统的 组件如在投影光学系统 10A 中必须被嵌入在墙壁中的问题。
较佳地是， 投影光学系统 10 与 DMD 型图像形成元件一起使用， 在 DMD 型图像形成 元件中以二维形式排列微镜。 DMD 型图像形成元件在开 / 关的两个方向上反射照明光， 以便 形成图像。在这种情况下， 照明光必须从倾斜方向倾斜进入图像形成元件。在这种情况下 的发光方向与一般目的投影仪的投影光学系统的发光方向相同， 并且可以提供良好的兼容 性。
即， 当使用包括根据有关技术的投影光学系统的一般目的投影仪时， 其中有关技 术的投影光学系统仅由一组透镜组成而没有使用第二光学系统 14( 凹面镜 )， 投影仪被设 置在工作台上并且被激活以在位于远离工作台的墙壁上投影。在使用 DMD 型图像形成元件 的投影光学系统的情况下， 图像被投影到工作台上方 ( 在 +Y 的方向上 ) 的上部并且照射图 像形成元件的照明光被倾斜布置在图像形成元件的下方。
另一方面， 在比较例的直线型投影光学系统 10A 的情况下， 从第一光学系统 11 的 光轴向上 (+Y 的方向 ) 移位图像形成元件 80。照射图像形成元件 80 的照明光的方向被进 一步向上移位， 并且该方向与根据仅由透镜组成而没有使用第二光学系统 14( 凹面镜 ) 的 有关技术的投影光学系统的方向相反 ( 参照图 5)。 另一方面， 在使用第二光学系统 14 的投影光学系统 10 的情况下， 因为光束通过使 用第二光学系统 14 被倾斜向上 (+Y 的方向 ) 提高， 所以图像形成元件 80 被向下 (-Y 的方 向 ) 移位到第一光学系统 11 的光轴。即， 在投影光学系统 10 中， 执行光路的折回并且图像 形成元件 80 的面板移位被向下 (-Y 的方向 ) 执行到第一光学系统 11 的光轴， 并且照射图 像形成元件 80 的照明光的方向也是向下的方向 (-Y 的方向 )( 参照图 2)。
不像直线型投影光学系统 10A， 当 DMD 型图像形成元件 80 与该实施例的投影光学 系统 10 一起使用时， 发光方向能够与一般目的投影仪的投影光学系统的发光方向相同， 并 且可以为该实施例提供良好的兼容性。
在该实施例的投影光学系统 10 的情况下， 照明光学系统被布置在图像形成元件 80 的下部， 图像投影装置的重心被降低， 在工作台上的图像投影装置的安装能够被稳定。
因此， 根据第一实施例， 可以减轻壳体的重量， 并且可以提供一种无需嵌入在墙壁 中而能够投影图像的投影光学系统。
接下来， 将说明本公开的第二实施例。
在第二实施例中， 图解包括第一实施例的投影光学系统的图像投影装置。在第二 实施例中， 与第一实施例中的相应元件相同的元件用相同的附图标号表示并且将省略其说 明。
图 6 是图解第二实施例的图像投影装置的组成的图。如图 6 所示， 第二实施例的 图像投影装置 50 包括第一实施例的投影光学系统 10、 照明光学系统 60、 分隔单元 70 和图 像形成元件 80。
图像投影装置 50 可以被布置成进一步包括用于照明的电源、 用于图像形成元件 80 的调制单元、 图像处理单元等等， 这些都没有被图示。
例如， 照明光学系统 60 被构造成包括光源 61、 设置在光源 61 附近的反射镜 62( 可
以与光源 61 被集成 )、 中继透镜 63 和 64、 以及光强积分光学系统 65。光强积分光学系统 65 使通过反射镜 62 反射的光束的光强度均衡并且具有方向性。 照明光学系统 60 被布置成 在图像形成元件 80 的表面上获得均匀的光分布。
光源 61 的实例可以包括卤钨灯、 氙灯、 金属卤化物灯、 超高压汞灯、 LED( 发光二极 管 ) 等等。
照明光学系统 60 可以包括色轮 66。 色轮 66 被用于使照明光变成彩色并且图像形 成元件 80 的成像以同步方式被控制， 所以可以在屏幕上投影彩色图像。
当反射式液晶图像形成元件被用作图像形成元件 80 时， 分隔单元 70 被用于将光 路分离为照明光路和投影光路。在这种情况下， 可以提供更有效的光。
当 DMD( 数字微镜装置 ) 型图像形成元件被用作图像形成元件 80 时， 全反射棱镜 可以被用作光路分隔单元 70。 以这种方式， 可以依照使用的图像形成元件 80 的类型选择性 地使用适当的光学系统。
例如， 照明光经过蓝色、 红色、 和绿色中的每个滤色镜且被分别供给到图像形成元 件 80， 并且引起通过彩色耦合单元从彩色光束生成的合成光进入投影光学系统 10 以便在 屏幕 90 上可以投影彩色图像。 在图像投影装置 50 中， 图像形成元件 80 依照调制信号通过照明光形成图像。来 自光源 61 的照明光被供给到图像形成元件 80， 并且通过图像形成元件 80 形成的图像的放 大图像通过投影光学系统 10 被投影到屏幕 90 上。
接下来， 将说明本公开的第三实施例。
在第三实施例中， 图解包括有第一实施例的投影光学系统的图像投影装置。在第 三实施例中， 与第一实施例中的相应元件相同的元件用相同的附图标号表示并且将省略其 说明。
图 7 是图解第三实施例的图像投影装置的组成的图。如图 7 所示， 第三实施例的 图像投影装置 51 具有与第二实施例的图像投影装置 50 的组成基本相同的组成。第三实施 例的图像投影装置 51 包括第一实施例的投影光学系统 10、 图像形成元件 80 和未图示的照 明光学系统。
当图像投影装置 51 被安装在例如工作台上以在墙壁上投影图像时 ( 或者当使用 图像投影装置 51 时 )， 第二反射镜 13 和第二光学系统 14 被布置成完全或者部分从为长方 体的形状的图像投影装置 51 的壳体 52 突出。此时， 图像投影装置 51 的所有其它的组件被 容纳在壳体 52 中。
但是， 第二反射镜 13 和第二光学系统 14 被布置成可移动到壳体 52。当不使用图 像投影装置 51 时 ( 例如， 在携带图像投影装置 51 的情况下 )， 第二反射镜 13 和第二光学系 统 14 被移动并且能够完全容纳在壳体 52 中。例如， 第二反射镜 13 和第二光学系统 14 可 以被布置成第二反射镜 13 和第二光学系统 14 可分别绕与 X 轴平行地设置的轴 A 和轴 B 旋 转。即， 第二反射镜 13 和第二光学系统 14 通过在由图 7 中箭头所指示的方向上将它们旋 转而能够被容纳在壳体 52 中。
例如， 通过诸如玻璃的透明材料封闭壳体 52( 位于 +Y 的方向上 ) 的顶部表面， 并 且打开在壳体 52 的顶部表面上的第二反射镜 13 和第二光学系统 14 的相应部分。当使用 图像投影装置 51 时， 第二反射镜 13 和第二光学系统 14 从由虚线指示的位置 ( 容纳位置 )
被旋转到由实线指示的使用位置， 并且这些组件中的每一个都通过制动器 ( 未图示 ) 而被 定位。另一方面， 当不使用图像投影装置 51 时， 第二反射镜 13 和第二光学系统 14 在由虚 线指示的位置 ( 容纳位置 ) 处被容纳在壳体中。
可以手动执行第二反射镜 13 和第二光学系统 14 的旋转。另外， 可以安装诸如马 达和螺线管的调节器作为驱动源， 其中驱动源被用于自动执行第二反射镜 13 和第二光学 系统 14 的旋转。在这种情况下， 能够远程控制旋转的驱动。
在该实施例中， 第二反射镜 13 和第二光学系统 14 被布置成可被移动到壳体， 并且 当不使用图像投影装置 51 时， 第二反射镜 13 和第二光学系统 14 被移动并且容纳在壳体 52 中。因此， 可以减轻壳体 52 的重量， 并且当携带图像投影装置 51 时是期望这样的。如果壳 体 52 的高度 ( 在 Y 的方向上 ) 被设置成最小高度， 需要使该最小高度在不存在不必要空间 的状态下容纳第一光学系统 11， 那么就可以期望的方式减轻壳体 52 的重量。
在第二反射镜 13 或者第二光学系统 14 被布置成当使用图像投影装置 51 时从壳 体 52 突出的情况下， 仅从壳体 52 突出的组件被布置成可被移动是足够的。
接下来， 将说明第三实施例的变化例。在该变化例中， 第二反射镜 13 和第二光学 系统 14 被布置成可以不同方式被移动。在第三实施例的变化例中， 与第三实施例中的相应 元件相同的元件用相同的附图标号表示并且将省略其说明。 图 8 是图解第三实施例的变化例的图像投影装置的组成的图。如图 8 所示， 该变 化例的图像投影装置 53 具有与第二实施例的图像投影装置 50 的组成基本相同的组成。该 变化例的图像投影装置 53 包括第一实施例的投影光学系统 10、 图像形成元件 80 和未图示 的照明光学系统。
类似于图像投影装置 51( 参照图 7)， 在图像投影装置 53 中第二反射镜 13 和第二 光学系统 14 被布置成当使用图像投影装置 53 时从壳体 54 突出。此时， 图像投影装置 53 的所有其它的组件被容纳在壳体 54 中。
第二光学系统 14 被布置成可移动到壳体 54。例如， 类似于图像投影装置 51， 它被 布置成可绕与 X 轴平行地设置的轴 B 旋转。因此， 通过在由图 8 中箭头指示的方向上旋转 第二反射镜 13， 第二反射镜 13 能够被容纳在壳体 54 中。
第二反射镜 13 被布置成可移动到壳体 54。例如， 被布置成可绕与 X 轴平行地设 置的轴 A 旋转， 并且被进一步布置成可在向下方向 (-Y 的方向 ) 上移动。因此， 第二反射镜 13 通过将其在由箭头指示的方向上旋转并且将其在向下方向 ( 或者 -Y 的方向 ) 上移动而 能够被容纳壳体 54 中。
在该变化例中， 使用在其中第二反射镜 13 被布置成可旋转并在向下方向 (-Y 的方 向 ) 上可移动的构造， 第二反射镜 13 被容纳在壳体 54 中。因此， 可以使得壳体 54 比壳体 52 薄。
在第二反射镜 13 或者第二光学系统 14 被布置成当使用图像投影装置 51 时从壳 体 52 突出的情况下， 仅从壳体 52 突出的组件被布置成可被移动是足够的。
接下来， 将图解本公开的投影光学系统 10 的数值数据的一些实例。以下在表 1 中 将给出本公开的实施例的投影光学系统 10 的数值数据的实例。
表1
在表 1 中， 表面 ID 为给予在从物面到像面的方向上排列的投影光学系统 10 的每 个表面的标识号码。具体地， 表面标识号 1 指的是图像形成元件 80 的盖玻璃的一个表面( 位于远离第一光学系统 11 的表面 )， 表面标识号 2 指的是盖玻璃的另一个表面， 表面标识 号 3 至 16 指的是在离开图像形成元件 80 的方向上排列的第一光学系统 11 的各个表面， 表 面标识号 17 指的是第一反射镜 12 的表面， 表面标识号 18 至 26 指的是在离开第一反射镜 12 的方向上排列的第一光学系统 11 的各个表面， 表面标识号 27 指的是第二反射镜 13 的表 面， 并且表面标识号 28 指的是第二光学系统 14 的表面。
在表 1 的名称栏中， CG 表示盖玻璃， AP 表示孔径光阑， L1-L11 表示各个透镜， 并且 M1 表示凹面镜。 曲率半径表示相关表面标识号附属于其的每个表面的曲率半径。 表面间隔 表示相关表面标识号附属于其的表面和邻近于该表面的下一个表面之间的光轴的距离。 折 射率表示由相关表面标识号附属于其的表面和邻近于该表面的下一个表面组成的每个透 镜的折射率。用阿贝数来表示色散。用 d 线的值来表示每个折射率和阿贝数。
通过假定具有 0.55 的对角线长度和长轴对短轴的比 ( ＝ 4 ∶ 3) 的反射式图像形 成元件被用作图像形成元件 80 来设置该实例的投影光学系统。图像形成元件 80 的中心从 第一光学系统 11 的透镜光轴被向下 ( 在 -Y 的方向上 ) 移位了 5.5mm( 包括其第四表面的 移位在内 )。
投影大小具有 50 英寸的对角线长度， 并且投影放大倍数为大约 90.9 倍。
在该实例中， 两个反射镜 ( 第一反射镜 12 和第二反射镜 13) 中的每一个都是由平 面镜形成的。 另外， 如果反射镜具有折回光路的功能， 那么每个反射镜可以不是由平面镜形 成的。 但是， 因为平面镜的布置比较容易并且可以被布置成具有较低准确度的光路， 所以使 用平面镜是较佳的。
在该实例中， 照射图像形成元件 80 的每个光束的主光线并不是彼此平行的， 并且 该实例的投影光学系统为非远心光学系统。在第一光学系统 11 中的第一光学元件是孔径 光阑 (AP)， 并且 ( 具有表面标识号 4 和 5 的 ) 第二光学元件为非球面透镜。用于具有表面 标识号 4、 5、 22、 23、 24 或者 25 的表面的非球面表面由旋转对称非球面表面形成。
假如 Z 表示光轴方向上的厚度， c 表示近轴曲率半径， r 表示在垂直于光轴方向的 方向上与光轴的距离， k 表示圆锥系数， 并且 A、 B、 C……表示高阶非球面表面系数。由非球 面表面公式来表示旋转对称非球面表面 ：
Z ＝ cr2/[1+root{1-(1+k)c2r2}]+Ar4+Br6+Cr8…
通过给出系数 k、 A、 B、 C……的值来定义旋转对称非球面表面的构造。
在下文的用于该实施例的投影光学系统的每个表面的表 2、 3、 4、 5、 6 和 7 中图解用 于该实施例的非球面表面的非球面表面系数数据。在表 8 中图解系数的非球面表面阶数。
表2：
表面 ID K A B 4 0 7.02E-05 -3.72E-0914102346303 A CN 102346323 C D E F G
表面 ID K A B C D E F G
表面 ID K A B C D E说明书2.84E-09 -2.47E-11 -1.62E-13 4.91E-15 -9.55E-1812/18 页表3：5 0 6.47E-05 3.07E-08 1.28E-09 1.87E-11 -9.06E-13 1.08E-14 -2.09E-17表4：22 0 -9.32E-05 -2.73E-06 1.18E-07 -2.50E-09 2.80E-1115102346303 A CN 102346323 F G
表面 ID K A B C D E F G
表面 ID K A B C D E F G
说明书-1.60E-13 3.61E-1613/18 页表5：23 0 -5.45E-05 3.26E-08 1.46E-08 -1.88E-10 5.83E-13 5.41E-15 -3.41E-17表6：24 0 7.64E-05 9.64E-07 -7.72E-09 1.09E-11 -5.11E-15 -6.36E-16 1.72E-18表7：16102346303 A CN 102346323 表面 ID说明书2514/18 页K A B C D E F G
4 阶系数 6 阶系数 8 阶系数 10 阶系数 12 阶系数0 4.55E-05 4.74E-07 -1.03E-08 1.41E-10 -1.30E-12 5.30E-15 -7.80E-18表8：A B C D E14 阶系数 16 阶系数
F G在该实施例的投影光学系统中， 非球面表面被用于具有光焦度并且位于最接近孔 径光阑 (AP) 的光学元件。因为每个视角的光束都类似地进入并且照射光学元件， 所以可以 容易地校正由瞳孔的大小产生的像差 ( 即， 球面像差和彗差 )， 并且可以在屏幕 90 上提供良 好分辨率。
非球面表面被用于透镜 ( 即， 最接近第二光学系统 14 的透镜 )， 在该透镜中， 光束 的主光线在第一光学系统 11 中距离光轴最远。在该透镜处的每个视角的光束的主光线距 离光轴最远， 可以容易校正由视角产生的像差 ( 即， 畸变像差、 像面的曲率和象散 )， 并且可 以在屏幕 90 上提供良好分辨率。
由多顶式自由形式表面形成具有表面标识号 28 的第二光学系统 14( 凹面镜 )。 由上述公式 1 表示第二光学系统 14 的表面的构造。多顶式自由形式表面提供比非球面表面 构造更好的设计灵活性， 并且可以提供包括畸变像差的良好的像差补偿。
在下面的表 9 中图解具有表面标识号 28 的表面的自由形式表面系数。自由形式 表面系数对应于上述公式 1 的系数。在下文的表 10、 11、 12 和 13 中分别图解具有表面标识 号 3、 17、 27 和 28 的每个表面的 Y 方向移位的量和 YZ 平面中的旋转量。
表9：
表 10 ：19102346303 A CN 102346323 表面 ID说明书3 1.35 0.017/18 页Y 方向的移位 (mm) YZ 平面中的旋转 ( 度 )
表面 ID Y 方向的移位 (mm) YZ 平面中的旋转 ( 度 )
表面 ID Y 方向的移位 (mm) YZ 平面中的旋转 ( 度 )
表面 ID Y 方向的移位 (mm) YZ 平面中的旋转 ( 度 )
表 11 ：17 0.00 -45.0表 12 ：27 0.00 -45.0表 13 ：28 65.83 52.7图 9 是图解图像形成元件 ( 共轭面 A) 上的物点的位置。在图 9 中图解九格点 (1)-(9)， 在图 1 中的 XY 表面上， 在 X ≤ 0 的区域内通过在 X 方向上将区域分割为三个相 等部分并且在 Y 方向上将区域分割为三个相等部分， 从图像形成元件 80 上的物点获得九格 点。
图 10 是图解与图 9 的格点 (1)-(9) 对应的在屏幕 ( 共轭面 B) 上的像点的位置的 图， 并且图解屏幕的变形状态。能够确认的是， 在图 9 所示的图像形成元件 ( 共轭面 A) 上 的格点的构造基本被维持在图 10 所示的屏幕 ( 共轭面 B) 上， 并且使屏幕的变形最小化。
图 11 是图解在屏幕 ( 共轭面 B) 上的点图的实例的图。在图 11 中所示的每个点 (1)-(9) 的数字分别与图 9 中所示的格点 (1)-(9) 的数字相对应。 如图 11 所示， 能够确认的 是， 每个点被形成为足够地小， 并且可以提供在屏幕 90 上形成的具有良好分辨率的图像。
根据本公开， 可以提供一种图像投影装置， 该图像投影装置允许减轻图像投影装 置的壳体的重量并且能够投影图像而无需将投影光学系统嵌入在墙壁中。
本公开并不局限于具体公开的实施例， 并且在不背离本公开的范围内可以进行变化和修改。
本申请是基于并且要求在 2010 年 7 月 21 日申请的第 2010-163659 号日本在先专 利申请的优先权的利益， 并且该申请的全部内容通过引用而结合在本文中。