CN104181695A - 投影光学***和图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及投影光学***和图像显示装置，其目的在于提供投影距离十分短的小型投影光学***。投影光学***中，最靠近放大端的透镜的放大端一侧镜面与光轴的交点到反射镜(102)与光轴的交点间距离为最小时的距离L、折射光学***(101)的焦距f、以光轴方向为Z轴向并以平面镜(102)和曲面镜(103)的排列方向为Y轴时该Y轴向上光轴与图像形成部(10)的端部间距离最大值Ymax在YZ平面上满足及其中，D1是从光线与最靠近放大端的透镜的放大端一侧镜面的交点到光轴的距离最大值，ds1是D1所涵盖的镜面部分的凹陷量，θ1是连接光线与曲面镜(103)的交点中离开光轴距离最大的点和最小的点的线与光轴间的夹角。

Description

投影光学***和图像显示装置
技术领域
本发明涉及用于图像显示装置的投影光学***以及将图像放大投影到屏幕上的图像显示装置。
背景技术
图像显示装置也称为投影机，用于将在图像形成部形成的图像投影到被投影面即屏幕上。投影机中具备投影光学***，将图像形成部形成的图像放大投影到屏幕上。投影机的图像形成部中具备数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device，以下简称DMD)或液晶面板等元件。投影机中存在短距离方式的投影机，这类投影机能够缩短与屏幕之间的投影距离。近年来，以超短距离投影的投影机还能够放大屏幕上显示的图像大小，即能够进行大画面显示的超短距离投影机。目前，这种超短投影距离前方投影方式的投影机的需求越来越多。同时，对于这种投影机，进一步小型化的需求也不断提高。
关于上述投影机，例如专利文献1～4(JP特开2011-253024、2007-79524、2009-251457、2011-242606号公报)已有公开，该投影机的投影光学***具备折射光学***和曲面反射镜，能够用来进行超短距离投影。
但是，专利文献1～4公开的投影机所具备的投影光学***均不能充分够满足目前的小型化要求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供投影距离十分短的小型投影光学***。
为了达到上述目的，本发明提供一种投影光学***，用于将图像形成部形成的图像投影到被投影面上，其特征在于，该投影光学***从缩小端到放大端依次设有折射光学***、第一反射面、以及第二反射面，当设定：构成所述折射光学***的多片透镜的光轴中最大多数透镜所共有的光轴为该折射光学***的光轴，所述折射光学***中位于最靠近放大端的透镜的放大端一侧镜面与所述光轴的交点、和所述第一反射面与所述光轴的交点之间的距离为最小时的距离为L，所述折射光学***的焦距为f，以平行于所述光轴的方向为Z轴向，并以平行于排列设置所述第一反射面和所述第二反射面的方向为Y轴向，在该Y轴向上所述光轴与所述图像形成部的端部之间的距离的最大值为Ymax时，在同时平行于所述Y轴和所述Z轴的YZ平面上，满足以下条件式(1)和(2)：
Y max f - 1 tan θ 1 > 0 式(1)
L - D 1 - d s 1 L + D 1 - d s 1 - 1 tan θ 1 > - 0.1 式(2)
其中，D1是从所述图像形成部射出的光线与所述折射光学***中位于最靠近放大端的透镜的放大端一侧镜面的交点到所述光轴的距离的最大值，ds1是在所述Z轴上以从缩小端到放大端的方向为正方向时，所述折射光学***中位于最靠近放大端的透镜的放大端一侧镜面中所述D1高度所涵盖的镜面部分的凹陷量，θ1是连接所述光线与所述第二反射面的交点中离所述光轴距离最大的点和所述光线与所述第二反射面的交点中离所述光轴距离最小的点的连接线、与所述光轴之间的夹角。
本发明的效果在于提供投影距离十分短的小型投影光学***。
附图说明
图1是本发明涉及的图像显示装置的光学布置图。
图2是沿着光轴方向观察到的图1所示的图像显示装置所具备的图像形成部的平面图。
图3和图4均为图1所示的图像显示装置所具备的一例投影光学***的光学布置图。
图5是显示图1所示的图像显示装置所具备的投影光学***在对焦时各镜片组移动轨迹的光学布置图。
图6是上述投影光学***的实施例1在远距离投影时投影显示在屏幕上的一例图象的示意图。
图7A、7B、7C分别详细显示图6所示图象中的上边变形、左边变形、下边变形。
图8是上述投影光学***的实施例1在基准距离投影时投影显示在屏幕上的一例图象的示意图。
图9A、9B、9C分别详细显示图8所示图象中的上边变形、左边变形、下边变形。
图10是上述投影光学***的实施例1在近距离投影时投影显示在屏幕上的一例图象的示意图。
图11A、11B、11C分别详细显示图10所示图象中的上边变形、左边变形、下边变形。
图12是上述实施例1的投影光学***在远距离投影时的点图。
图13是上述实施例1的投影光学***在基准距离投影时的点图。
图14是上述实施例1的投影光学***在近距离投影时的点图。
图15是本发明涉及的图像显示装置的实施方式2的光学布置图。
图16是显示图15所示的图像显示装置所具备的投影光学***在对焦时各镜片组移动轨迹的光学布置图。
图17是上述投影光学***的实施例2在远距离投影时投影显示在屏幕上的一例图象的示意图。
图18A、18B、18C分别详细显示图17所示图象中的上边变形、左边变形、下边变形。
图19是上述投影光学***的实施例2在基准距离投影时投影显示在屏幕上的一例图象的示意图。
图20A、20B、20C分别详细显示图19所示图象中的上边变形、左边变形、下边变形。
图21是上述投影光学***的实施例2在近距离投影时投影显示在屏幕上的一例图象的示意图。
图22A、22B、22C分别详细显示图21所示图象中的上边变形、左边变形、下边变形。
图23是上述实施例2的投影光学***在远距离投影时的点图。
图24是上述实施例2的投影光学***在基准距离投影时的点图。
图25是上述实施例2的投影光学***在近距离投影时的点图。
图26是本发明涉及的图像显示装置的实施方式3的光学布置图。
图27是显示图26所示的图像显示装置所具备的投影光学***在对焦时各镜片组移动轨迹的光学布置图。
图28是上述投影光学***的实施例3在远距离投影时投影显示在屏幕上的一例图象的示意图。
图29A、29B、29C分别详细显示图28所示图象中的上边变形、左边变形、下边变形。
图30是上述投影光学***的实施例3在基准距离投影时投影显示在屏幕上的一例图象的示意图。
图31A、31B、31C分别详细显示图30所示图象中的上边变形、左边变形、下边变形。
图32是上述投影光学***的实施例3在近距离投影时投影显示在屏幕上的一例图象的示意图。
图33A、33B、33C分别详细显示图32所示图象中的上边变形、左边变形、下边变形。
图34是上述实施例3的投影光学***在远距离投影时的点图。
图35是上述实施例3的投影光学***在基准距离投影时的点图。
图36是上述实施例3的投影光学***在近距离投影时的点图。
图37是本发明涉及的图像显示装置的实施方式4的光学布置图。
图38是显示图37所示的图像显示装置所具备的投影光学***在对焦时各镜片组移动轨迹的光学布置图。
图39是上述投影光学***的实施例4在远距离投影时投影显示在屏幕上的一例图象的示意图。
图40A、40B、40C分别详细显示图39所示图象中的上边变形、左边变形、下边变形。
图41是上述投影光学***的实施例4在基准距离投影时投影显示在屏幕上的一例图象的示意图。
图42A、42B、42C分别详细显示图41所示图象中的上边变形、左边变形、下边变形。
图43是上述投影光学***的实施例4在近距离投影时投影显示在屏幕上的一例图象的示意图。
图44A、44B、44C分别详细显示图43所示图象中的上边变形、左边变形、下边变形。
图45是上述实施例4的投影光学***在远距离投影时的点图。
图46是上述实施例4的投影光学***在基准距离投影时的点图。
图47是上述实施例4的投影光学***在近距离投影时的点图。
图48是本发明涉及的图像形成部中与各视角相对应的区域位置的示意图。
具体实施方式
以下参考附图描述本发明涉及的投影光学***以及图像显示装置的实施方式。在此，本发明涉及的投影光学***用于将图像形成部形成的图像投影到被投影面上，本发明涉及的图像显示装置具备本发明涉及的投影光学***。
图像显示装置的实施方式1
首先说明本发明涉及的图像显示装置的实施方式。图1是本发明涉及的图像显示装置的光学布置图。图像显示装置即投影机1的框体30中收纳图像形成部10、平行平板40、本发明涉及的投影光学***100、具有发射照明光用来照射图像形成部10的光源的照明光学***20、以及其他用于图像形成所需的部件。
图像形成部10例如以DMD、透射型液晶面板、或反射型液晶面板等构成。本实施方式中的图像形成部10是指例如DMD中“用于形成需要投影的图像的部分”。
平行平板40位于图像形成部10附近，为用于保护图像形成部10的盖玻璃板(密封玻璃板)。
投影光学***100具有折射光学***101、作为第一反射面的平面镜102、以及作为第二反射面的曲面镜103。平面镜102被设置为如图1所示，在YZ平面上该平面镜102的法线与光轴Lx(平行于Z轴)之间的夹角为45度。曲面镜103既可以是凹面镜，也可以是反射面呈自由曲面形状的自由曲面镜。关于投影光学***将在以下详述。
照明光学***20具有例如均光杆或复眼均光器等，用于以良好的效率均匀照射图像形成部10。照明光学***20具有光源。光源采用超高压水银灯、氙气灯、卤素灯、以及LED等白色光源，或者单色发光LED、单色发光LD等单色光源。
在以下的描述中图像形成部10为，例如如同DMD那样的“不具备发光功能的图像形成部”。但是，可用于本发明涉及的投影光学***的图像形成部并不受此限制，也可以采用“自我发光方式即具有使得生成的图像发光的功能”的图像形成部。
DMD即图像形成部10受到照明光学***20发光照射后反射该照射光。该反射光形成图像信息。换言之，用DMD生成的图像信息是经过二维强度调制后的光束。该光束成为作为物体光的投影光束。
从图像形成部10射出的投影光束通过投影光学***被放大投影到屏幕(未显示)上。
屏幕(未显示)相对于图像形成部10垂直设置。换言之，图像形成部10的图像形成面的法线与被投影面即屏幕的法线正交。
通过折射光学***101的光线形成与图像形成部10形成的图像信息共轭的中间像，该中间像作为空间像，位于比平面镜102更加靠近图像形成部10的一方。中间像的成像并不一定需要是平面像，也可以是曲面像。
上述中间像通过投影光学***100中位于最靠近放大端的曲面镜103放大并投影，图像便被显示到屏幕上。该中间像中含有像面弯曲或变形，对此，如果采用自由曲面形状作为曲面镜103的反射面，则能够补偿像面弯曲及变形，从而减小射光学***101的像差补偿负担，增加投影光学***100的设计自由度，有利于装置的小型化。
折射光学***101中，在从远距离向近距离聚焦时，为正透镜组的第一透镜组11、平面镜102、以及曲面镜103相对于图像形成部10固定。为正透镜组的第二透镜组12和为负透镜组的第三透镜组13一旦向放大端移动，而后向图像形成部10一方移动。正透镜组的第四透镜组14在从远距离向近距离聚焦时向放大端移动。换言之，投影光学***100通过实行浮动聚焦(floating focus)来有效控制像面弯曲或畸变。
折射光学***101中，在聚焦时发生移动的透镜组中设置非球面透镜，由此提高补偿效果。
图1所示的投影机1是以下将要描述的实施例1涉及的图像显示装置。图1同时也是投影光学***100中折射光学***101所具备的最靠近放大端的透镜处于最大伸出状态下，投影图像大小为48英寸时的光路图。从图1可知，各透镜与光线之间具有充分的间隔，能够避免光线与透镜以及镜筒(未图示)之间发生干涉。
以下描述本发明涉及的投影光学***所具备的图像形成部。图2是涉及本实施方式的图像形成部10的平面图。该平面图是从图像形成面一侧观察到的平面。在此将图像形成部10中图像信息形成的面称为图像形成面。图2所示的图像形成部10相对于以下将要叙述的光轴Lx在Y轴方移动一距离，因此，图像形成部10不与光轴Lx交叉。如图2所示，设通过图像形成部10中心C的Y轴向的轴线与光轴Lx的交点为B0，通过图像形成部10中心C的Y轴向的轴线与图像形成部10的端部的交点为L0。交点B0和交点L0之间的距离的最大值以Ymax表示。设该距离为Y轴向的最大视角。
以下详述本实施方式涉及的投影光学***100。图3和图4均为投影光学
***100的光学布置图。如图3和图4所示，投影光学***100具有图像形成部10、折射光学***101、第一反射面即平面镜102、以及第二反射面即曲面镜103。
以下用图3和图4说明本发明涉及的各光学元件之间的关系。图3和图4同时也是光线从图像形成部10投影到屏幕上的光路图。
如图3和图4所示，设光轴Lx为构成折射光学***的多个透镜中为大多数透镜所共有的轴。并设Z轴平行于光轴Lx。Y轴平行于平面镜102和曲面镜103的排列方向，换言之，设Y轴向是在包含通过图像形成部10的中心C(参见图1)、折射光学***101具有的光圈(未图示)中心、以及屏幕(未图示)中心的光线的平面上，垂直于光轴Lx的方向。进而，X轴同时垂直于Y轴和Z轴。
图3和图4同时也是投影光学***100的YZ平面上的截面图。图3和图4仅显示从图像形成部10射出的光线中平行于YZ平面的光线。此外，在图3和图4中，设在YZ平面上从+Z轴方向向+Y轴方向的转动为+α转动。
如图3所示，对于折射光学***101中位于最靠近放大端的透镜，设该镜片镜面中位于放大一侧的镜面为S1。同时设在对焦期间中镜面S1与光轴Lx的交点到平面镜102与光轴Lx的交点之间的距离的最小值为L。而在L为最小值时，平面镜102上平行于YZ截面的光线与该平面镜102的交点中，到光轴Lx的距离为最大的点为H。曲面镜103上平行于YZ截面的光线与该曲面镜103的交点中，到光轴Lx的距离为最小的点为F。H和F的连接线与光轴Lx之间的角度为θ1。
设镜面S1上平行于YZ截面的光线与该镜面S1的交点中，到光轴Lx的距离为最大的点到光轴Lx的距离为D1。设该D1中镜面S1的凹陷量(sag)为ds1。凹陷量ds1是指Z轴向上从镜面S1到该镜面S1顶点的距离，并以从缩小到放大的方向为正方向。
在图4所示的光线中，以黑色粗实线表示的光线为Y轴向最大视角的上光线。设该上光线与镜面S1之间的交点到光轴Lx的距离为D2。D2中镜面S1的凹陷量(sag)为ds2。上光线从折射光学***101射出的光线与光轴Lx之间的角度为θ2。
在下述的各个实施例中也采用上述标记表示构成投影机1的光学元件之间的位置关系。
以下例举投影光学***100的具体数值例。各实施例中使用的各种标记的意义如下。
f：整个投影光学***100的焦距。
NA：数值孔径。
ω：半视角(deg)。
R：曲率半径(非球面时为旁轴曲率半径)。
D：镜面间距。
Nd：折射率。
γd：阿贝数。
K：非球面或自由曲面的圆锥常数。
Ai：非球面的第i次方常数。
Cj：自由曲面系数。
C：旁轴曲率半径的倒数(旁轴曲率)。
H：到光轴的高度。
关于非球面形状，可用下式(1)表示光轴方向上的非球面量X。
X = CH 2 1 + 1 - ( 1 + K ) C 2 H 2 + Σ i = 1 AiH i 式(1)
利用上式(1)，用旁轴曲率C、圆锥常数K、到光轴的高度H、以及非球面常数Ai便可求出非球面形状。
关于自由曲面形状，可以下式(2)表示光轴方向上的非球面量X。
X = CH 2 1 + 1 - ( 1 + K ) C 2 H 2 + Σ i = 1 C j x m y n 式(2)
在此，j用以下式(3)表示。
j = ( m + n ) 2 + m + 3 n 2 + 1 式(3)
利用上式(2)，用旁轴曲率C、圆锥常数K、到光轴的高度H、以及自由曲面常数Cj便可求出自由曲面形状。
实施例1
图5是本实施例涉及的折射光学***101的光学布置图。如图5所示，折射光学***101具有第一镜片组11、第二镜片组12、第三镜片组13、第四镜片组14。
图5中用实线显示从远距离到近距离的对焦时构成折射光学***101的各镜片组的移动轨迹。在此，设投影到屏幕上的图像大小为80英寸时的投影距离为远距离，图像大小为48英寸时的投影距离近距离。
第一镜片组11从图像形成部10一方开始依次设有以下透镜：两侧均为非球面的双凸镜，其中面向图像形成部10一方的凸面更为凸出；负弯月镜，其中的凸面面向图像形成部10；双凸镜和负弯月镜的结合镜，其中，双凸镜中面向放大端的凸面更为凸出，负弯月镜的凸面面向放大端；光圈(未图示)；双凸镜，其中面向放大端的凸面更为凸出；双凹镜，其中位于放大端的凹面更为凹入；正弯月镜和负弯月镜的结合镜，其中，正弯月镜的凸面面向放大端，负弯月镜的凸面面向放大端；以及，双凸镜，其中面向放大端的凸面更为凸出。图中的标记1至29表示图像形成部10的图像形成面、平行平板40的面、第一镜片组11至第四镜片组14中各片镜片的镜面、以及平面镜102和曲面镜103的镜面的编号。这些编号与下述表1等表中的“No”相对应。并且，下述所有实施例均采用相同的数字标记来表示镜面编号。
第二镜片组12以正弯月镜构成，该镜片的凸面面向图像形成部10。
构成第三镜片组13的镜片包括双凹镜B，其面向图像形成部10的凹面更为凹入；以及，两侧均为非球面的双凹镜A，其中面向图像形成部10的凹面更加凹入，并具有在轴上具有负能量而周围具有正能量的形状。
第四镜片组14包括两侧均为非球面的负弯月镜，其中的凸面面向图像形成部10，具有轴上具有负能量而周围具有正能量的形状；以及，两侧均为非球面的双凸镜，其中面向放大端的凸面更加凸出，具有轴上具有正能量而周围具有负能量的形状。
表1显示实施例1涉及的投影光学***100所具有的光学元件的一例数据。该表中的光线距离表示各镜面Y轴向最大视角的下光线与光轴Lx之间的距离。
表1开口值：0.195
表2是实施例1涉及的透镜光学***100对焦时的一例镜片间距。
表2对焦
近距离 基准 远距离
画面尺寸 48英寸 60英寸 80英寸
变量A 15.84 15.93 15.92
变量B 5.85 5.78 5.73
变量C 7.09 5.08 2.98
变量D 40.80 42.79 44.96
变量E 240.90 292.62 378.18
表3是实施例1涉及的透镜光学***100的一例非球面系数。非球面以上式(1)表示。
表3
No K A4 A6 A8 A10 A12
4 0.3639 -4.4519E-05 1.9855E-07 -3.7703E-09 3.9981E-11
5 0.0000 5.6950E-05 3.1743E-07 -1.5463E-09 3.8701E-11
24 1.5212 2.6329E-05 -1.6291E-08 -2.0499E-11 6.8657E-14
25 -99.0000 -3.1613E-05 4.4313E-08 -8.1223E-11 4.4700E-14
26 0.0000 -3.9296E-05 4.8386E-08 -4.6941E-11 -6.7203E-15 1.3195E-16
27 -3.6825 -3.8986E-05 -9.5303E-09 5.3261E-11 -2.3749E-13 3.8846E-16
28 -97.1149 1.3331E-05 -6.9770E-08 9.3196E-11 -1.1180E-13
29 3.5698 1.1027E-06 3.4018E-08 -6.2424E-11 2.4306E-15
表4是实施例1涉及的透镜光学***100的一例自由曲面系数。自由曲面以上式(2)表示。
表4
表5是实施例1涉及的透镜光学***100中用于作为图像形成部10的DMD的一具体例。
表5
点的大小 10.8um
横向长度 13.824mm
纵向长度 8.64mm
光轴到元件中心的距离 5.64mm
表6是一例在投影图像为最大的合焦状态下平面镜102和曲面镜103到折射光学***101中位于最接***面镜102一侧的透镜顶点的位置坐标以及α转动角度。转动表示镜面法线与光轴Lx之间的角度。
表6
No Y轴坐标 Z轴坐标 α
30 0.00 44.96 -45.00
31 75.71 54.23 -100.23
以下用图6至图11描述涉及本实施例的投影光学***100在各种投影距离下对图像劣化的控制。图6至图11是涉及实施例1的投影光学***100显示的波长为550nm的主光线位置图象、以及在各种对焦位置和各种投影距离下屏幕上显示主光线位置图象时各视角下发生的图象变形例的示意图。
图6是在远距离投影时投影光学***100投影显示在屏幕上的一例波长为550nm的点位置的图象。图7A、7B、7C分别详细显示了图6所示图象中的上边变形、左边变形、下边变形。
图8是在基准距离投影时投影光学***100投影显示到屏幕上的一例波长为550nm的点位置的图象。图9A、9B、9C分别详细显示了图8所示图象的上边变形、左边变形、下边变形。
图10是在近距离投影时投影光学***100投影显示到屏幕上的一例波长为550nm的点位置的图象。图11A、11B、11C分别详细显示了图10所示图象的上边弯曲、左边弯曲、下边弯曲。
如图6至图11所示，实施例1涉及的投影光学***100在各种对焦位置以及各种投影距离时的投影图象变形均较小。
以下用图12至图14图解本实施例涉及的投影光学***100如何在各种视角下抑制对焦时的图像变化。图12至图14所示的点图中各点与图48所示的F1至F13所示的区域位置相对应。各点图分别显示波长625nm(红)、550nm(绿)、以及425nm(蓝)的屏幕表面上的成像特性(mm)。
图12是远距离投影时的点图。图13是基准距离投影时的点图。图14是近距离投影时的点图。
如图12至图14所示，本实施例涉及的投影光学***100能够抑制在各种对焦位置以及各种投影距离下的画质变化。
图像显示装置的实施方式2
以下说明本发明涉及的图像显示装置的其他实施方式。在以下的说明中对已经说明了的内容，采用相同的标记，并且不再重复说明。
图15是涉及本实施方式的投影机1a的光路图。图15所示的投影机1a的框体30中收纳图像形成部10、平行平板40、本发明的折射光学***100a、照明光学***20、以及图像形成所需要的其他部件，其中，照明光学***20包含用来照射图像形成部10的照明光光源。
投影光学***100a包含折射光学***101a、第一反射面即平面镜102a、以及第二反射面即曲面镜103a。如图15所示，平面镜102a被设置为在YZ平面上，该平面镜102a的法线与光轴Lx(平行于Z轴)之间的夹角为45度。曲面镜103a既可以是凹面镜也可以是反射面为自由曲面形状的自由曲面镜。
从图像形成部10射出的投影光束通过投影光学***100a被放大投影到屏幕(未显示)上。
屏幕(未图示)垂直于图像形成部10。换言之，图像形成部10的图像形成面的法线与作为被投影面的屏幕的法线互相正交。
通过折射光学***101a的光线形成与在图像形成部10中形成的图像信息共轭的中间像。该中间像为空间像，形成在比平面镜102a更加靠近图像形成部10的一方。中间像并不一定需要形成为平面像，也可以是曲面像。
投影光学***100a中位于最靠近放大一侧的曲面镜103a用来放大中间像，并将该中间像投影显示到屏幕上。中间像中存在的像面弯曲以及畸变等可以通过具有自由曲面形状的曲面镜103a的反射面来进行补偿。这样有利于减轻折射光学***101a的像差补偿负担，增加投影光学***100a的设计自由度，进而有助于图像显示装置的小型化。
折射光学***101a在从远距离向近距离对焦时，具有正折射力的镜片组即第一镜片组11a、平面镜102a、以及曲面镜103a相对于图像形成部10固定。而具有正折射力的镜片组即第二镜片组12a以及具有负折射力的镜片组即第三镜片组13a则向图像形成部10方向移动。进而，具有正折射力的镜片组即第四镜片组14a向放大一侧移动。也就是说，投影光学***100a通过进行浮动对焦(floating focus)，来有效控制像面弯曲以及畸变等变形。
对焦时发生移动的折射光学***101a的镜片组中设有非球面透镜，因而能够提高补偿效果。
以下用图15所示的投影机1a作为实施例2的图像显示装置。图15同时也是投影光学***100a所具备的最靠近放大端的透镜处于最大伸出状态下，投影图像大小为48英寸时的光路图。根据图15可知，各镜片和光线之间设有充分间隔，能够避免光线与透镜镜片或镜筒之间发生干涉。
实施例2
图16是本实施例的投影光学***100a所具备的折射光学***101a的光路图。如图16所示，折射光学***101a从图像形成部10一侧开始依次设有第一镜片组11a、第二镜片组12a、第三镜片组13a、以及第四镜片组14a。
在图16中用实线表示，在从远距离到近距离的对焦中，构成折射光学***101a的各镜片组的移动轨迹。在此以投影到屏幕上的图像大小为80英寸时的投影距离作为远距离，并以48英寸时的投影距离作为近距离。
第一镜片组11a从图像形成部10一方开始依次设有以下透镜：两侧均为非球面的双凸镜，其中面向图像形成部10一方的凸面更为凸出；负弯月镜，其中的凸面面向图像形成部10；双凸镜和负弯月镜的结合镜，其中，双凸镜中面向放大端的凸面更为凸出，负弯月镜的凸面面向放大端；光圈(未图示)；双凸镜，其中面向放大一侧的凸面更为凸出；双凹镜，其中位于放大端的凹面更为凹入；正弯月镜和负弯月镜的结合镜，其中，正弯月镜的凸面面向放大端，负弯月镜的凸面面向屏幕；以及，双凸镜，其中面向放大端的凸面更为凸出。
第二镜片组12a以正弯月镜构成，该镜片的凸面面向图像形成部10。
构成第三镜片组13a的镜片包括负弯月镜Ba，该镜片的凸面面向放大端；以及，两侧均为非球面的双凹镜Aa，其中面向图像形成部10的凹面更加凹入，具有在光轴Lx轴上具有负能量而周围具有正能量的形状。
第四镜片组14a包括两侧均为非球面的双凹镜，其中面向图像形成部10一方的凹面更加凹入，具有在光轴Lx轴上具有负能量而周围具有正能量的形状；以及，两侧均为非球面的双凸镜，其中面向放大端的凸面更加凸出，具有在光轴Lx轴上具有正能量而周围具有负能量的形状。
表7显示实施例2涉及的投影光学***100a所具有的光学元件的一例数据。该表中的光线距离表示个镜面在Y轴向最大视角的下光线与光轴Lx之间的距离。
表7开口值：0.195
表8是实施例2涉及的透镜光学***100a对焦时的一例镜片间距。
表8对焦
表9是实施例2涉及的透镜光学***100a的一例非球面系数。非球面以上式(1)表示。
表9
No K A4 A6 A8 A10 A12
4 -0.6086 -2.0495E-07 2.6808E-07 -8.9454E-10 2.4766E-11
5 0.0000 7.7240E-05 9.9601E-08 2.4227E-09 1.1000E-11
24 2.5635 2.1612E-05 -8.0809E-09 -2.3562E-12 2.4255E-14
25 -89.5733 -3.7358E-05 5.4039E-08 -8.4950E-11 6.3554E-14
26 0.0000 -3.0637E-05 5.4069E-08 -7.1309E-11 -1.9333E-14 1.6204E-16
27 21.8336 -4.2214E-05 -1.1300E-08 7.8769E-11 -2.3214E-13 2.9588E-16
28 -99.0000 -7.5596E-06 -3.4189E-08 6.3468E-11 -9.6075E-14
29 2.4863 -2.6426E-06 3.1525E-08 -4.7602E-11 -1.0050E-14
表10是实施例2涉及的透镜光学***100a的一例各项自由曲面系数。自由曲面以上式(2)表示。
表10
表11是实施例2涉及的透镜光学***100a的用于作为图像形成部10的DMD的一具体例。
表11
点的大小 10.8um
横向长度 13.824mm
纵向长度 8.64mm
光轴到元件中心的距离 5.63mm
表12是一例在投影图像为最大的合焦状态下平面镜102a和曲面镜103a到折射光学***101a中位于最接***面镜102a一侧的透镜顶点的位置坐标以及α转动的角度。转动表示镜面法线与光轴Lx之间的角度。
表12
No Y轴坐标 Z轴坐标 α
30 0.00 42.86 -45.00
31 73.57 48.26 -95.52
以下用图17至图22描述涉及本实施例的投影光学***100a在各种投影距离下的图像劣化控制。图17至图22是涉及实施例2的投影光学***100a示出的波长为550nm的主光线位置图象、以及在各种对焦位置和各种投影距离下屏幕上显示主光线位置图象时各视角下的图象变形例的示意图。
图17是在远距离投影时投影光学***100a投影显示在屏幕上的一例波长为550nm的点位置的图象。图18A、18B、18C分别详细显示了图17所示图象的上边变形、左边变形、下边变形。
图19是在基准距离投影时投影光学***100a投影显示到屏幕上的一例波长为550nm的点位置的图象。图20A、20B、20C分别详细显示了图19所示图象的上边变形、左边变形、下边变形。
图21是在近距离投影时投影光学***100a投影显示到屏幕上的一例波长为550nm的点位置的图象。图22A、22B、22C分别详细显示了图21所示图象的上边变形、左边变形、下边变形。
如图17至图22所示，实施例2涉及的投影光学***100a在各种对焦位置以及各种投影距离下投影图象变形均较小。
以下用图23至图25图解本实施例涉及的投影光学***100a如何在各种视角下抑制对焦时的图像变化。图23至图25所示的点图中各点与图4至图8所示的F1至F13所示的区域位置相对应。各点图分别显示波长625nm(红)、550nm(绿)、以及425nm(蓝)的屏幕表面上的成像特性(mm)。
图23是远距离投影时的点图。图24是基准距离投影时的点图。图25是近距离投影时的点图。
如图23至图25所示，本实施例涉及的投影光学***100a能够抑制在各种对焦位置以及各种投影距离下的画质变化。
图像显示装置的实施方式3
以下进一步说明本发明涉及的图像显示装置的其他实施方式。在以下的说明中对已经说明了的内容，采用相同的标记，并且不再重复说明。
图26是涉及本实施方式的投影机1b的光路图。图26所示的投影机1b的框体30中收纳图像形成部10、平行平板40、本发明的折射光学***100a、照明光学***20、以及图像形成所需要的其他部件，其中，照明光学***20包含用来照射图像形成部10的照明光光源。
投影光学***100b包含折射光学***101b、第一反射面即平面镜102b、以及第二反射面即曲面镜103b。如图26所示，平面镜102b被设置为在YZ平面上，该平面镜102b的法线与光轴Lx(平行于Z轴)之间的夹角为45度。曲面镜103b既可以是凹面镜也可以是反射面为自由曲面形状的自由曲面镜。
从图像形成部10射出的投影光束通过投影光学***100b被放大投影到屏幕(未显示)上。
屏幕(未图示)垂直于图像形成部10。换言之，图像形成部10的图像形成面的法线与作为被投影面的屏幕的法线互相正交。
通过折射光学***101b的光线形成与在图像形成部10中形成的图像信息共轭的中间像。该中间像为空间像，形成在比平面镜102b更加靠近图像形成部10的一方。中间像不一定需要形成为平面像，也可以是曲面像。
投影光学***100b中位于最放大一侧的曲面镜103b用来放大中间像，并将该中间像投影显示到屏幕上。中间像中存在的像面弯曲以及畸变等可以通过具有自由曲面形状的曲面镜103b的反射面来进行补偿。这样有利于减轻折射光学***101b的像差补偿负担，增加投影光学***100b的设计自由度，进而有助于图像显示装置的小型化。
折射光学***101b在从远距离向近距离对焦时，具有正折射力的镜片组即第一镜片组11b、平面镜102b、以及曲面镜103b相对于图像形成部10固定。而具有正折射力的镜片组即第二镜片组12b以及具有负折射力的镜片组即第三镜片组13b则向图像形成部10方向移动。进而，具有正折射力的镜片组即第四镜片组14b向放大一侧移动。也就是说，投影光学***100b通过进行浮动对焦(floating focus)，来有效控制像面弯曲以及畸变等变形。
对焦时发生移动的折射光学***101b的镜片组中设有非球面透镜，因而能够提高补偿效果。
以下用图26所示的投影机1b作为实施例3的图像显示装置。图26同时也是投影光学***100b所具备的最靠近放大端的透镜处于最大伸出状态下，投影图像大小为48英寸时的光路图。根据图26可知，各镜片和光线之间设有充分间隔，能够避免光线与透镜镜片或镜筒之间发生干涉。
实施例3
图27是本实施例的投影光学***100b所具备的折射光学***101b的光路图。如图27所示，折射光学***101b从图像形成部10一方开始依次设有第一镜片组11b、第二镜片组12b、第三镜片组13b、以及第四镜片组14b。
在图27中用实线表示，在从远距离到近距离的对焦中，构成折射光学***101b的各镜片组的移动轨迹。在此以投影到屏幕上的图像大小为80英寸时的投影距离作为远距离，并以48英寸时的投影距离作为近距离。
第一镜片组11b从图像形成部10一方开始依次设有以下透镜：两侧均为非球面的双凸镜，其中面向图像形成部10一侧的凸面更为凸出；负弯月镜，其中的凸面面向图像形成部10；负弯月镜和双凸镜的结合镜，其中，负弯月镜的凸面面向图像形成部10一方，双凸镜中面向图像形成部10一方的凸面更为凸出；光圈(未图示)；两侧均为非球面的双凸镜，其中面向放大端的凸面更为凸出；双凹镜，其中位于放大端的凹面更为凹入；正弯月镜和负弯月镜的结合镜，其中，正弯月镜的凸面面向放大端，负弯月镜的凸面面向放大端；以及，双凸镜，其中面向放大端的凸面更为凸出。
第二镜片组12b以正弯月镜构成，该镜片的凸面面向图像形成部10。
构成第三镜片组13b的镜片包括负弯月镜Bb，其凸面面向放大端；以及，两侧均为非球面的双凹镜Ab，其中面向图像形成部10的凹面更加凹入，具有在光轴Lx轴上具有负能量而周围具有正能量的形状。
第四镜片组14b包括两侧均为非球面的负弯月镜，其中的凸面面向放大一侧，具有在光轴Lx轴上具有负能量而周围具有正能量的形状；以及，两侧均为非球面的正弯月镜，其中凸面面向放大端，具有在光轴Lx轴上具有正能量而周围具有负能量的形状。
表13显示实施例3涉及的投影光学***100b所具有的光学元件的一例数据。该表中的光线距离表示个镜面在Y轴向最大视角的下光线与光轴Lx之间的距离。
表13开口值：0.1９５
表14是实施例3涉及的透镜光学***100b对焦时的一例镜片间距。
表14对焦
表15是实施例3涉及的透镜光学***100b的一例非球面系数的数值。非球面以上式(1)表示。
表15
No K A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16
4 0.321 -1.549E-05 2.348E-07 -8.023E-10 2.681E-11
5 0.0000 6.621E-05 2.759E-07 -1.140E-11 2.885E-11
11 0.039 1.376E-06 -4.475E-08
12 0.189 2.530E-06 -6.381E-08
24 -0.727 1.733E-05 -1.008E-07 3.294E-10 -5.241E-13
25 -3.607 4.578E-05 7.716E-08 -1.653E-10 2.335E-13 -1.953E-16
26 -0.801 2.660E-05 -3.323E-07 1.159E-09 -1.614E-12 8.043E-16
27 -0.439 1.047E-05 7.131E-08 -1.254E-09 -3.952E-12 -4.868E-15 2.111E-18
28 2.299 -7.581E-05 5.903E-07 -3.350E-09 9.671E-12 -1.452E-14 1.119E-17 -3.585E-21
29 -1.174- 5.710E-05 2.478E-07 -1.176E-09 3.283E-12 -4.590E-15 3.119E-18 -8.254E-22
表16是实施例3涉及的透镜光学***100b的一例自由曲面系数的系数。自由曲面以上式(2)表示。
表16
表17是实施例3涉及的透镜光学***100b的用于作为图像形成部10的DMD的一具体例。
表17
点的大小 10.8um
横向长度 13.824mm
纵向长度 8.64mm
光轴到元件中心的距离 5.62mm
表18是一例在投影图像为最大的合焦状态下平面镜102b和曲面镜103b到折射光学***101b中位于最靠***面镜102b一方的透镜顶点的位置坐标以及α转动的角度。转动为面法线与光轴Lx之间的角度。
表18
No Y轴坐标 Z轴坐标 α
30 0.00 42.83- 45.00
31 79.13 51.06 -99.28
以下用图28至图33描述涉及本实施例的投影光学***100b在各种投影距离下的图像劣化控制。图28至图33是涉及实施例3的投影光学***100b示出的波长为550nm的主光线位置图象、以及在各种对焦位置和各种投影距离下屏幕上显示主光线位置图象时各视角下的图象变形例的示意图。
图28是在远距离投影时投影光学***100b投影显示在屏幕上的一例波长为550nm的点位置的图象。图29A、29B、29C分别详细显示了图28所示图象的上边变形、左边变形、下边变形。
图30是在基准距离投影时投影光学***100b投影显示到屏幕上的一例波长为550nm的点位置的图象。图31A、31B、31C分别详细显示了图30所示图象的上边变形、左边变形、下边变形。
图32是在近距离投影时投影光学***100b投影显示到屏幕上的一例波长为550nm的点位置的图象。图33A、33B、33C分别详细显示了图10所示图象的上边变形、左边变形、下边变形。
如图28至图33所示，实施例3涉及的投影光学***100b在各种对焦位置以及各种投影距离时的投影图象变形均较小。
以下用图34至图36图解本实施例涉及的投影光学***100b如何在各种视角下抑制对焦时的图像变化。图34至图36所示的点图中各点与图48所示的F1至F13所示的区域位置相对应。各点图分别显示波长625nm(红)、550nm(绿)、以及425nm(蓝)的屏幕表面上的成像特性(mm)。
图34是远距离投影时的点图。图35是基准距离投影时的点图。图36是近距离投影时的点图。
如图34至图36所示，本实施例涉及的投影光学***100b能够抑制在各种对焦位置以及各种投影距离下的画质变化。
图像显示装置的实施方式4
以下进一步说明本发明涉及的图像显示装置的其他实施方式。在以下的说明中对已经说明了的内容，采用相同的标记，并且不再重复说明。
图37是涉及本实施方式的投影机1c的光路图。图37所示的投影机1c的框体30中收纳图像形成部10、平行平板40、本发明的折射光学***100c、照明光学***20、以及图像形成所需要的其他部件，其中，照明光学***20包含用来照射图像形成部10的照明光光源。
投影光学***100c包含折射光学***101c、第一反射面即平面镜102c、以及第二反射面即曲面镜103c。如图37所示，平面镜102c被设置为在YZ平面上，该平面镜102c的法线与光轴Lx(平行于Z轴)之间的夹角为45度。曲面镜103c既可以是凹面镜也可以是反射面为自由曲面形状的自由曲面镜。
从图像形成部10射出的投影光束通过投影光学***100c被放大投影到屏幕(未显示)上。
屏幕(未图示)垂直于图像形成部10。换言之，图像形成部10的图像形成面的法线与作为被投影面的屏幕的法线互相正交。
通过折射光学***101c的光线形成与在图像形成部10中形成的图像信息共轭的中间像。该中间像为空间像，形成在比平面镜102c更加靠近图像形成部10的一侧。中间像不一定需要形成为平面像，也可以是曲面像。
投影光学***100c中位于最放大一侧的曲面镜103c用来放大中间像，并将该中间像投影显示到屏幕上。中间像中存在的像面弯曲以及畸变等可以通过具有自由曲面形状的曲面镜103c的反射面来进行补偿。这样有利于减轻折射光学***101c的像差补偿负担，增加投影光学***100c的设计自由度，进而有助于图像显示装置的小型化。
折射光学***101c在从远距离向近距离对焦时，具有正折射力的镜片组即第一镜片组11c、平面镜102c、以及曲面镜103c相对于图像形成部10固定。而具有正折射力的镜片组即第二镜片组12c以及具有负折射力的镜片组即第三镜片组13a则向图像形成部10方向移动。进而，具有正折射力的镜片组即第四镜片组14c向放大一侧移动。也就是说，投影光学***100c通过进行浮动对焦(floating focus)，来有效控制像面弯曲以及畸变等变形。
对焦时发生移动的折射光学***101c的镜片组中设有非球面透镜，因而能够提高补偿效果。
以下用图37所示的投影机1c作为实施例4的图像显示装置。图37同时也是投影光学***100c所具备的最靠近放大端的透镜处于最大伸出状态下，投影图像大小为48英寸时的光路图。根据图37可知，各镜片和光线之间设有充分间隔，能够避免光线与透镜镜片或镜筒之间发生干涉。
实施例4
图38是本实施例的投影光学***100c所具备的折射光学***101c的光路图。如图38所示，折射光学***101c从图像形成部10一方开始依次设有第一镜片组11c、第二镜片组12c、第三镜片组13c、以及第四镜片组14c。
在图38中用实线表示，在从远距离到近距离的对焦中，构成折射光学***10c的各镜片组的移动轨迹。在此以投影到屏幕上的图像大小为80英寸时的投影距离作为远距离，并以48英寸时的投影距离作为近距离。
第一镜片组11c从图像形成部10一方开始依次设有以下透镜：两侧均为非球面的双凸镜，其中面向图像形成部10一方的凸面更为凸出；负弯月镜，其中的凸面面向图像形成部10；负弯月镜和双凸镜的结合镜，其中，负弯月镜的凸面面向图像形成部10一方，双凸镜中面向放大端的凸面更为凸出；光圈(未图示)；两侧均为非球面的凸镜，其中面向放大端的凸面更为凸出；双凹镜，其中位于放大端的凹面更为凹入；正弯月镜和负弯月镜的结合镜，其中，正弯月镜的凸面面向放大端，负弯月镜的凸面面向放大端；以及，双凸镜，其中面向放大端的凸面更为凸出。
第二镜片组12c以正弯月镜构成，该镜片的凸面面向图像形成部10。
构成第三镜片组13c的镜片包括负弯月镜Bc，其凸面面向放大一侧；以及，两侧均为非球面的双凹镜Ac，其中面向图像形成部10的凹面更加凹入，具有在光轴Lx轴上具有负能量而周围具有正能量的形状。
第四镜片组14c包括两侧均为非球面的负弯月镜，其中的凸面面向放大端，具有在光轴Lx轴上具有负能量而周围具有正能量的形状；以及，两侧均为非球面的正弯月镜，其中凸面面向放大端，具有在光轴Lx轴上具有正能量而周围具有负能量的形状。
表19显示实施例4涉及的投影光学***100c所具有的光学元件的一例数据。该表中的光线距离表示个镜面在Y轴向最大视角的下光线与光轴Lx之间的距离。
表19开口值：0.195
表20是实施例4涉及的透镜光学***100c对焦时的一例镜片间距。
表20对焦
表21是实施例4涉及的透镜光学***100c的一例非球面系数。非球面以上式(1)表示。
表22是实施例4涉及的透镜光学***100c的一例自由曲面系数。自由曲面以上式(2)表示。
表22
表23是实施例4涉及的透镜光学***100c的用于作为图像形成部10的DMD的一具体例。
表23
点的大小 10.8um
横向长度 13.824mm
纵向长度 8.64mm
光轴到元件中心的距离 5.62mm
表24是一例在投影图像为最大的合焦状态下平面镜102c和曲面镜103c到折射光学***101c中位于最接***面镜102c一侧的透镜顶点的位置坐标以及α转动的角度。转动为面法线与光轴Lx之间的角度。
表24
No Y轴坐标 Z轴坐标 α
30 0.00 42.84 -45.00
31 77.52 50.75 -98.80
以下用图39至图44描述涉及本实施例的投影光学***100c在各种投影距离下的图像劣化控制。图39至图44是涉及实施例4的投影光学***100c示出的波长为550nm的主光线位置图象、以及在各种对焦位置和各种投影距离下屏幕上显示主光线位置图象时各视角下的图象变形例的示意图。
图39是在远距离投影时投影光学***100c投影显示在屏幕上的一例波长为550nm的点位置的图象。图40A、40B、40C分别详细显示了图39所示图象的上边变形、左边变形、下边变形。
图41是在基准距离投影时投影光学***100c投影显示到屏幕上的一例波长为550nm的点位置的图象。图42A、42B、42C分别详细显示了图42所示图象的上边变形、左边变形、下边变形。
图43是在近距离投影时投影光学***100c投影显示到屏幕上的一例波长为550nm的点位置的图象。图44A、44B、44C分别详细显示了图43所示图象的上边变形、左边变形、下边变形。
如图39至图44所示，实施例1涉及的投影光学***100c在各种对焦位置以及各种投影距离时的投影图象变形均较小。
以下用图45至图47图解本实施例涉及的投影光学***100c如何在各种视角下抑制对焦时的图像变化。图45至图47所示的点图中各点与图48所示的F1至F13所示的区域位置相对应。各点图分别显示波长625nm(红)、550nm(绿)、以及425nm(蓝)的屏幕表面上的成像特性(mm)。
图45是远距离投影时的点图。图46是基准距离投影时的点图。图47是近距离投影时的点图。
如图45至图47所示，本实施例涉及的投影光学***100能够抑制在各种对焦位置以及各种投影距离下的画质变化。
以下阐述至此描述的本发明涉及的投影光学***和图像显示装置的主要特征。
特征之一
本发明涉及的投影光学***的特征在于，该投影光学***从缩小端到放大端依次设有折射光学***、第一反射面、以及第二反射面，当设定：构成所述折射光学***的多片透镜的光轴中最大多数透镜所共有的光轴为该折射光学***的光轴，所述折射光学***中位于最靠近放大端的透镜的放大端一侧镜面与所述光轴的交点、和所述第一反射面与所述光轴的交点之间的距离为最小时的距离为L，所述折射光学***的焦距为f，以平行于所述光轴的方向为Z轴向，并以平行于排列设置所述第一反射面和所述第二反射面的方向为Y轴向，在该Y轴向上所述光轴与所述图像形成部的端部之间的距离的最大值为Ymax时，在同时平行于所述Y轴和所述Z轴的YZ平面上，满足以下条件式(1)和(2)：
Y max f - 1 tan θ 1 > 0   式(1)
L - D 1 - d s 1 L + D 1 - d s 1 - 1 tan θ 1 > - 0.1   式(2)
其中，D1是从所述图像形成部射出的光线与所述折射光学***中位于最靠近放大端的透镜的放大端一侧镜面的交点到所述光轴的距离的最大值，ds1是在所述Z轴上以从缩小端到放大端的方向为正方向时，所述折射光学***中位于最靠近放大端的透镜的放大端一侧镜面中所述D1高度所涵盖的镜面部分的凹陷量，θ1是连接所述光线与所述第二反射面的交点中离所述光轴距离最大的点和所述光线与所述第二反射面的交点中离所述光轴距离最小的点的连接线、与所述光轴之间的夹角。
在使用反射镜的投影光学***中，为了减小整个长度方向的大小，采用在折射光学***和反射面之间***反射镜的方法。在这种情况下，如果条件不适，光线与透镜或镜筒元件之间会发生干涉。对此，可以通过加大反射镜与折射光学***之间的距离，或者减小折射光学***中位于最靠近放大端的透镜的直径，来避免光线与元件之间的干涉。但是，前者有违减小整个长度方向方向大小的目的，后者则因在透镜的像差补偿、尤其是像面弯曲或畸变的补偿中所发挥的作用减小，导致第二反射面负担加重，从而不得不加大镜片，最终导致搭载投影光学***的图像显示装置大型化。因此此时的问题是，减小长度方向大小的方法反而招致性能下降，而要确保性能，则必须大型化。
针对上述问题，如果投影光学***满足条件式(1)和(2)，则不但有助于装置小型化，同时还能够避免光线干涉，有助于提供高性能投影光学***。上述条件式(1)和(2)均表示在第一反射面的反射光线的反射角度范围。
如果条件式(1)的值小于其下限，则第一反射面的反射光线与透镜之间容易发生干涉，折射光学***的射出角度也会增大。这样便需要加大反射镜，中间像将变大，从而必须增加第二反射面大小。其结果，造成搭载该投影光学***的图像显示装置大型化。
而若要将画面投影到屏幕上适当的位置，则有必要减小第二反射面的曲率半径。而这样将难以在像面弯曲补偿和畸变补偿之间取得平衡，并导致第二反射面的制造误差感度上升或性能下降。
如果条件式(2)的值小于其下限，则透镜和光线之间将发生干涉。
因此，同时满足条件式(1)和(2)，将能够在缩短折射光学***和第一反射面之间的距离的同时，避免光线发生干涉，增加折射光学***中位于最靠近放大端的透镜直径。这样，不仅对减小透镜负担，尤其是因对像面弯曲补偿作用增加，减轻第二反射面负担的效果明显，而且，还能够降低制造误差感度，提高性能，对第二反射面小型化以及装置小型化尤为有效。
特征之二
本发明涉及的投影光学***在具有上述特征之一的基础上，还进一步具有以下特征，即进一步满足以下条件式(3)和(4)：
Y max f - tan θ 2 > 0   式(3)
L - D 2 - d s 2 L + D 1 - d s 2 - tan θ 2 > - 0.05   式(4)
其中，θ2是从所述折射光学***射出的射出光线中在所述Y轴向上最大视角的上光线与所述光轴之间的夹角，D2是在所述Z轴上以从缩小端到放大端的方向为正方向时，从所述折射光学***射出的射出光线中在所述Y轴向上最大视角的上光线与所述折射光学***中位于最靠近放大端一侧的镜面之间的交点到所述光轴的距离，ds2是所述折射光学***中位于最靠近放大端的透镜的放大端一侧镜面中所述D2高度所涵盖的镜面部分的凹陷量。
条件(3)和条件(4)分别表示Y轴向最大视角的上光线的适当的射出角范围。
如果条件式(3)的值小于其下限，则将因上光线的射出角变大而造成反射镜大型化，从而中间像变大。而中间像增大，则会使得第二反射面大型化，进而引起投影光学***大型化。而且，从第一反射面上射出的射出光线与光轴之间的角度变小，容易发生与透镜的干涉。进而，为了将画面投影到屏幕上适当的位置，需要减小第二反射面的曲率半径。而这会招致难以在像面弯曲补偿和畸变补偿之间保持平衡，引起第二反射面制造误差干度上升或性能下降。
如果条件式(4)的值小于其下限，则透镜和光线之间将发生干涉。
因此，同时满足条件式(3)和(4)，将缩短折射光学***和第一反射面之间的距离，避免光线发生干涉，进而增加折射光学***中位于最靠近放大端的透镜直径。这样不仅对减轻透镜负担，尤其是因像面弯曲补偿作用的增加，减轻第二反射面负担效果明显，而且还能够降低制造误差感度，提高性能，对第二反射面小型化和装置小型化尤为有效。
特征之三
本发明涉及的投影光学***在具有上述特征之一和特征之二的基础上，还进一步具有以下特征，即所述折射光学***中位于最靠近放大端的透镜为非球面透镜，该非球面透镜的放大端一侧镜面为凸面且具有非球面形状。
上述特征之三通过将最靠近放大端的透镜镜面形成为凸面，使得主光线的折射效果增加，从而中间像减小，因而有利于第一反射面和第二反射面的小型化，而且有利于避免透镜与光线之间发生干涉。而镜面形成为非球面能够进一步提高主光线的折射效果以及像面弯曲的补偿效果。
特征之四
本发明涉及的投影光学***在具有上述特征之一至特征之三中任意一项特征的基础上，还进一步具有以下特征，即设有在光轴上具有负能量而周围具有正能量的非球面透镜。
根据特征之四，该非球面透镜的透镜周围凸出而具有正能量，可减小从折射光学***射出的轴外光的主光线的射出角度，有助于装置小型化，且有利于提高装置性能。
特征之五
本发明涉及的投影光学***在具有上述特征之四的基础上，还进一步具有以下特征，即将特征之三的非球面透镜和特征之四的非球面投影设为不同透镜。
根据特征之五，优选将特征之三的非球面透镜与上述具有凸面的特征之四非球面透镜设为不同的镜片。使用多个非球面透镜，能够有效控制畸变以及像面弯曲，该透镜的效果和凹面镜的效果的结合，有助于提供高性能投影光学***。
特征之六
本发明涉及的投影光学***在具有上述特征之一至特征之五中任意一项特征的基础上，还进一步具有以下特征，即所述非球面透镜位于所述第一反射面与球面透镜之间，从所述Y轴向最大视角的下光线与该球面透镜镜面的交点到所述光轴的距离为最大。
根据上述特征之六，将上述非球面透镜设置在光线被充分分离的部分，有助于对畸变以及像面弯曲的有效控制。
特征之七
本发明涉及的投影光学***在具有上述特征之一至特征之六中任意一项特征的基础上，还进一步具有以下特征，即所述第一反射面为平面镜，该平面镜被设置为，在所述YZ平面上该平面镜的法线与所述光轴之间的夹角为45度。
上述特征之七中的夹角45度的角度具体是指平面镜的法线从Z轴向Y轴的方向转动45度(沿着图1所示的α方向转动-45度)。据此，能够在不改变光学性能的情况下将光学***弯折90度，有利于装置小型化。
特征之八
本发明涉及的投影光学***在具有上述特征之一至特征之七中任意一项特征的基础上，还进一步具有以下特征，即所述第二反射面为凹面镜。
根据上述特征之八，用凹面镜放大投影所述折射光学***形成的中间像，有利于投影光学***的小型化。
特征之九
本发明涉及的投影光学***在具有上述特征之一至特征之八中任意一项特征的基础上，还进一步具有以下特征，即在所述L为最小的合焦状态下，所述折射光学***的旁轴倍率β满足以下条件式(5)，
5＜β＜8式(5)。
条件式(5)表示合适的所述中间像大小范围。如果条件式(5)的值大于其上限，虽然能够减小凹面镜的能量，降低制造误差感度，但却会加大凹面镜大小，不利于装置小型化。
如果条件式(5)的值小于其下限，虽然有利于小型化，但却因需要加大凹面镜的能量才能获得需要的图像大小，因而将引起制造误差感度上升。
在此，进一步优选满足条件式(5′)，
6＜β＜7式(5′)。
特征之十
本发明涉及的投影光学***在具有上述特征之一至特征之九中任意一项特征的基础上，还进一步具有以下特征，即所述第二反射面具有自由曲面形状。
通过将第二反射面形成为自由曲面形状，能够对像面弯曲和畸变进行良好的补偿。
特征之十一
本发明涉及的投影光学***在具有上述特征之一至特征之十中任意一项特征的基础上，还进一步具有以下特征，即所述图像形成部被设置为不与所述光轴交叉。
根据上述特征之十一，可以不使用光轴上的光线，这样，能够对非球面透镜以及自由曲面镜所造成的像面弯曲和畸变进行有效控制。
特征之十二
本发明涉及的投影光学***在具有上述特征之一至特征之十一中任意一项特征的基础上，还进一步具有以下特征，即在对焦时至少所述折射光学***中位于最靠近放大端的透镜发生移动。
根据上述特征之十二，可以对对焦时有可能发生的像面弯曲和畸变进行有效控制。尤其优选浮动对焦。在射往屏幕的光线中，射到画面下端的光线和射到画面上端的光线之间，入射角度相差较大，因而对焦时因投影距离的变化会引起像面弯曲以及畸变发生较大的变动。对此，采用浮动对焦，能够对投影距离变动造成的像面弯曲变动进行补偿。
特征之十三
本发明涉及的图像显示装置的特征在于包含照明光学***和投影光学***，该照明光学***用光源发射光照射图像形成部，该投影光学***将所述图像形成部形成的图像放大投影到被投影面上，所述投影光学***位具有上述特征之一至特征之十二中任意一项特征的投影光学***。
根据上述特征之十三，本发明能够提供投影距离非常短的小型图像显示装置。
上述各个实施例的具体数据
表25显示实施例1至实施例4中采用的一例用于计算上述各条件式的数据。
表26显示各个实施例的条件式计算结果。
如上述表25和表26所示，由实施例1至实施例4的投影光学***的数据计算得到的参数均满足条件式(1)至(5)限定的范围。
表25
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
D1 21.560 21.912 22.232 21.714
D2 15.846 17.161 17.392 16.884
ds1 -3.305 -4.837 -12.928 -12.475
ds2 -1.852 -2.829 -7.738 -7.923
L 40.801 38.425 40.570 40.258
Ymax 9.956 9.948 9.942 9.940
f 21.389 19.330 22.456 21.611
θ1 71.400 67.578 68.802 68.817
θ2 20.680 22.422 22.519 22.447
表26
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
条件式1 0.122 0.187 0.030 0.043
条件式2 0.007 -0.085 0.025 0.029
条件式3 0.088 0.102 0.028 0.047
条件式4 0.040 -0.031 0.024 0.035
条件式5 6.29 6.75 6.67 6.73
通过对具有以上具体数据的投影光学***的反射光线的角度、透镜的有效直径、反射镜与透镜之间的距离、以及非球面透镜的凹陷量进行适当地设定，能够提供高性能的小型图像投影装置。
在此需要明确的是，上述各实施例的实施方式只不过是本发明具体的优选实施例，本发明并不受到这些实施例内容的限定。
尤其是实施例1至实施例4所示的各部分的具体形状以及数据仅仅是在具体实施本发明时的一个例子，不对本发明的技术范畴有任何限制。
反过来说，本发明不受上述实施方式内容的限制，只要不脱离本发明的宗旨，允许对本发明作适当更改。

Claims (13)

1.一种投影光学***，用于将图像形成部形成的图像投影到被投影面上，其特征在于，
该投影光学***从缩小端到放大端依次设有折射光学***、第一反射面、以及第二反射面，当设定：
构成所述折射光学***的多片透镜的光轴中最大多数透镜所共有的光轴为该折射光学***的光轴，
所述折射光学***中位于最靠近放大端的透镜的放大端一侧镜面与所述光轴的交点、和所述第一反射面与所述光轴的交点之间的距离为最小时的距离为L，
所述折射光学***的焦距为f，
以平行于所述光轴的方向为Z轴向，
以平行于排列设置所述第一反射面和所述第二反射面的方向为Y轴向，
在该Y轴向上所述光轴与所述图像形成部的端部之间的距离的最大僮为Ymax时，
在同时平行于所述Y轴和所述Z轴的YZ平面上，满足以下条件式(1)和(2)：
Y max f - 1 tan θ 1 > 0 式(1)
L - D 1 - d s 1 L + D 1 - d s 1 - 1 tan θ 1 > - 0.1 式(2)
其中，D1是从所述图像形成部射出的光线与所述折射光学***中位于最靠近放大端的透镜的放大端一侧镜面的交点到所述光轴的距离的最大值，
ds1是在所述Z轴上以从缩小端到放大端的方向为正方向时，所述折射光学***中位于最靠近放大端的透镜的放大端一侧镜面中所述D1高度所涵盖的镜面部分的凹陷量，
θ1是连接所述光线与所述第二反射面的交点中离所述光轴距离最大的点和所述光线与所述第二反射面的交点中离所述光轴距离最小的点的连接线、与所述光轴之间的夹角。
2.根据权利要求1所述的投影光学***，其特征在于，进一步满足以下条件式(3)和(4)：
Y max f - 1 tan θ 2 > 0 式(3)
L - D 2 - d s 2 L + D 1 - d s 2 - tan θ 2 > - 0.05 式(4)
其中，θ2是从所述折射光学***射出的射出光线中在所述Y轴向上最大视角的上光线与所述光轴之间的夹角，
D2是在所述Z轴上以从缩小端到放大端的方向为正方向时，从所述折射光学***射出的射出光线中在所述Y轴向上最大视角的上光线与所述折射光学***中位于最靠近放大端一侧的镜面之间的交点到所述光轴的距离，
ds2是所述折射光学***中位于最靠近放大端的透镜的放大端一侧镜面中所述D2高度所涵盖的镜面部分的凹陷量。
3.根据权利要求1或2所述的投影光学***，其特征在于，所述折射光学***中位于最靠近放大端的透镜为非球面透镜，该非球面透镜的放大端一侧镜面为凸面且具有非球面形状。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的投影光学***，其特征在于，设有在光轴上具有负能量而周围具有正能量的非球面透镜。
5.根据权利要求4所述的投影光学***，其特征在于，权利要求3所述的非球面透镜和权利要求4所述的非球面透镜为不同透镜。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的投影光学***，其特征在于，所述非球面透镜位于所述第一反射面与球面透镜之间，从所述Y轴向最大视角的下光线与该球面透镜镜面的交点到所述光轴的距离为最大。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的投影光学***，其特征在于，所述第一反射面为平面镜，该平面镜被设置为，在所述YZ平面上该平面镜的法线与所述光轴之间的夹角为45度。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的投影光学***，其特征在于，所述第二反射面为凹面镜。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的投影光学***，其特征在于，在所述L为最小的合焦状态下，所述折射光学***的旁轴倍率β满足以下条件式(5)，
5＜β＜8式(5)。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的投影光学***，其特征在于，所述第二反射面具有自由曲面形状。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的投影光学***，其特征在于，所述图像形成部被设置为不与所述光轴交叉。
12.根据权利要求1至11中任意一项所述的投影光学***，其特征在于，在对焦时至少所述折射光学***中位于最靠近放大端的透镜发生移动。
13.一种图像显示装置，其特征在于包含照明光学***和投影光学***，该照明光学***中的光源发射光照射图像形成部，该投影光学***将所述图像形成部形成的图像放大投影到被投影面上，所述投影光学***为具有权利要求1至12中任意一种投影光学***。
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