CN111538146A - 投射光学装置和投影仪 - Google Patents

Abstract

投射光学装置和投影仪。提供小型的投射光学装置。本发明的投射光学装置具有：第1透镜组，该第1透镜组的多个透镜配置在第1光轴上，从缩小侧共轭面射出的光入射到该第1透镜组；第1反射元件，其使从第1透镜组射出的光反射而使光路弯折；第2透镜组，该第2透镜组的多个透镜配置在第2光轴上，从第1反射元件射出的光入射到该第2透镜组；第2反射元件，其使从第2透镜组射出的光反射而使光路弯折；以及第3透镜组，该第3透镜组的多个透镜配置在第3光轴上，使从第2反射元件射出的光透过并朝向放大侧共轭面射出，在设第1光轴与第2光轴所形成的角度为α(°)时，α≠90°。

Description

投射光学装置和投影仪

技术领域

本发明涉及投射光学装置和投影仪。

背景技术

在投影仪的领域中，以提高显示质量、提高设置环境的自由度等为目的，使用了具有多个透镜的大型的投射镜头单元。特别是，在支持短焦的投射镜头单元中，存在如下趋势：由于确保放大侧光学***的光路长度、增大透镜直径等原因而使投射镜头单元的全长增长，重量增大。由此，产生了投影仪的占用空间增大、难以稳定地支承投射镜头单元等问题。为了解决这些问题，提供了具有在单元内使光路弯折的结构的弯曲型投射镜头单元。

下述的专利文献1中公开了如下“投射用光学***”，该“投射用光学***”具有：第1光学***，其由多个透镜构成；第1光路弯折单元，其利用反射面使光路弯折；以及第2光学***，其包含第1透镜组、第2光路弯折单元和第2透镜组。

专利文献1：日本特开2016-156986号公报

专利文献1中记载了第1光路弯折单元和第2光路弯折单元配置成将光路弯折90°的朝向。但是，在将专利文献1的投射用光学***应用于投影仪的情况下，存在如下问题：在投影仪主体部中的投射用光学***的支承部的附近，结构部件的占用空间增大。并且，当欲延长第2光学***的光路长度时，存在这样的问题：必须延长第1光路弯折单元与第2光路弯折单元之间的距离，从而投影仪的整体大型化。

发明内容

为了解决上述的课题，本发明的一个方式的投射光学装置将缩小侧共轭面上的显示图像投射到放大侧共轭面上，生成投射图像，其中，该投射光学装置具有：第1透镜组，该第1透镜组的多个透镜配置在第1光轴上，从所述缩小侧共轭面射出的光入射到该第1透镜组；第1反射元件，其使从所述第1透镜组射出的光反射而使光路弯折；第2透镜组，该第2透镜组的多个透镜配置在第2光轴上，从所述第1反射元件射出的光入射到该第2透镜组；第2反射元件，其使从所述第2透镜组射出的光反射而使光路弯折；以及第3透镜组，该第3透镜组的多个透镜配置在第3光轴上，使从所述第2反射元件射出的光透过并朝向所述放大侧共轭面射出，在设所述第1光轴与所述第2光轴所形成的角度为α(°)时，α≠90°。

在本发明的一个方式的投射光学装置中，也可以是，在设所述第2光轴与所述第3光轴所形成的角度为β(°)时，β＝180°-α，所述投射图像的方向相对于所述显示图像的方向反转180°。

在本发明的一个方式的投射光学装置中，也可以是，95°≤α≤110°。

在本发明的一个方式的投射光学装置中，也可以是，构成所述第3透镜组的多个透镜中的、位于最接近所述放大侧共轭面的位置的放大侧透镜具有关于所述第3光轴不对称的形状，所述放大侧透镜中的、相对于所述第3光轴位于接近所述第1透镜组的一侧的第1部分具有相对于所述第3光轴位于远离所述第1透镜组的一侧的第2部分的一部分缺失而成的形状。

在本发明的一个方式的投射光学装置中，也可以是，所述投射光学装置在与所述缩小侧共轭面共轭的位置形成所述显示图像的中间像，将所述中间像投射到所述放大侧共轭面上。

本发明的一个方式的投影仪具有：光源装置，其射出光；光调制装置，其根据图像信息对从所述光源装置射出的光进行调制；以及本发明的一个方式的投射光学装置，其将由所述光调制装置调制后的光投射到被投射面上。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的投影仪的简要结构图。

图2是投射光学装置的立体图。

图3是投射光学装置的简要结构图。

图4是放大侧透镜的主视图和剖视图。

标号说明

1：投影仪；10：光源装置；40、40B、40G、40R：液晶光阀(光调制装置)；60：投射镜头单元(投射光学装置)；61：第1透镜组；62：第2透镜组；63：第3透镜组；71：第1反射镜(第1反射元件)；72：第2反射镜(第2反射元件)；611～617、621～624、631～640：透镜；641：透镜(放大侧透镜)；641a：第1部分；641b：第2部分；AX1：第1光轴；AX2：第2光轴；AX3：第3光轴；α：第1光轴与第2光轴所形成的角度；β：第2光轴与第3光轴所形成的角度。

具体实施方式

以下，使用图1～图3对本发明的一个实施方式进行说明。

图1是本实施方式的投影仪的简要结构图。图2是本实施方式的投影仪具备的投射光学装置的立体图。图3是投射光学装置的简要结构图。

另外，在以下的各图中，为了容易观察各结构要素，有时按照结构要素而示出不同的尺寸的比例尺。

在以下的各图中，根据需要，标注作为相互垂直的坐标轴的X轴、Y轴和Z轴。该情况下，关于各图中的X轴、Y轴和Z轴，使XY平面与水平面大致一致，设Z轴方向为铅垂方向。假设本实施方式的投影仪以图3所示的朝向设置在桌子上、地板面上等，为了方便说明，有时将Z轴的箭头所朝的正的方向称作“上方”、负的方向称作“下方”。但是，也可以使投影仪的上下方向与图3所示的朝向相反，将投影仪设置于天花板上。

对本实施方式的投影仪的一例进行说明。

本实施方式的投影仪是在屏幕(被投射面)上显示全彩色的图像的投射型图像显示装置。投影仪具有由对红色光、绿色光、蓝色光的各色光进行调制的液晶光阀构成的3个光调制装置。

如图1所示，本实施方式的投影仪1具有主体部2、外装壳体2a和投射镜头单元60(投射光学装置)。主体部2收纳在外装壳体2a中。外装壳体2a例如由树脂材料构成，具有对多个部件进行组合的结构。

投射镜头单元60配置成从外装壳体2a突出。投射镜头单元60安装成能够经由凸缘部83而相对于主体部2进行装卸。本实施方式的投射镜头单元60为支持超短焦的投射镜头单元，能够与标准镜头单元等进行更换。在安装有投射镜头单元60的状态下，能够将投影仪1设置于接近屏幕的位置，并投射图像。但是，投射镜头单元60也可以不一定构成为能够相对于主体部2装卸。之后叙述投射镜头单元60的详细结构。

主体部2具有作为照明光学***的光源装置10、颜色分离光学***20、中继光学***30、作为光调制装置的3个液晶光阀40R、40G、40B和作为颜色合成光学***的十字分色棱镜50。液晶光阀40R、40G、40B根据图像信息对从光源装置10射出的光进行调制。投射镜头单元60将由液晶光阀40R、40G、40B调制后的光投射在被投射面上。

光源装置10具有光源11、第1透镜阵列12、第2透镜阵列13、偏振转换元件14和重叠透镜15。第1透镜阵列12和第2透镜阵列13具有在XZ平面内呈矩阵状地排列有多个微透镜的结构。

在本实施方式的投影仪1中，采用放电型光源即灯作为光源11，但是，光源11的方式不限定于放电型光源。也可以采用例如发光二极管、激光器等固体光源作为光源11，还可以采用包含波长转换元件的光源装置作为光源11，该波长转换元件包含通过激励光的照射而产生荧光发光的荧光体。

从光源11射出的光利用第1透镜阵列12被分割为多个部分光束。多个部分光束利用第2透镜阵列13和重叠透镜15在作为照明对象的3个液晶光阀40R、40G、40B的有效显示区域上重叠。即，第1透镜阵列12、第2透镜阵列13和重叠透镜15构成利用从光源11射出的光以大致均匀的照度分布对液晶光阀40R、40G、40B进行照明的积分器光学***。

偏振转换元件14使从光源11射出的非偏振的光统一为3个液晶光阀40R、40G、40B可使用的线偏振光。

颜色分离光学***20具有第1分色镜21、第2分色镜22、反射镜23、场透镜24和场透镜25。颜色分离光学***20将从光源装置10射出的光分离为分别具有不同的波长范围的3色的色光。3色的色光为红色光R、绿色光G和蓝色光B。场透镜24配置于液晶光阀40R的光入射侧。场透镜25配置于液晶光阀40G的光入射侧。

第1分色镜21使红色光R透过，并且使绿色光G和蓝色光B反射。透过第1分色镜21的红色光R被反射镜23反射，透过场透镜24而对红色光用的液晶光阀40R进行照明。

场透镜24使被反射镜23反射的光会聚，对液晶光阀40R进行照明。与场透镜24同样，场透镜25使被第2分色镜22反射的光会聚，对液晶光阀40G进行照明。通过场透镜24、25，对液晶光阀40R、40G进行照明的光分别成为大致平行的光束。

第2分色镜22使蓝色光B透过，并且使绿色光G反射。被第1分色镜21反射的绿色光G在被第2分色镜22反射之后，透过场透镜25而对绿色光用的液晶光阀40G进行照明。

第1分色镜21和第2分色镜22均是通过将与各分色镜所要求的反射/透过特性对应的电介质多层膜形成在透明玻璃板上来制作的。

中继光学***30具有入射侧透镜31、第1反射镜32、中继透镜33、第2反射镜34和作为场透镜的射出侧透镜35。蓝色光B的光路比红色光R、绿色光G的光路长，因此，光的损耗容易增大。因此，通过使用中继透镜33，抑制了光的损耗。从颜色分离光学***20射出的蓝色光B被第1反射镜32反射，并且利用入射侧透镜31收敛至中继透镜33的附近。然后，蓝色光B朝向第2反射镜34和射出侧透镜35发散。

射出侧透镜35具有与上述的场透镜24、25相同的功能，对液晶光阀40B进行照明。通过射出侧透镜35，对液晶光阀40B进行照明的光成为大致平行的光束。

各色光用的液晶光阀40R、40G、40B将所入射的色光转换为分别与对应的图像信号相应的强度的光，作为调制光射出。液晶光阀40R、40G、40B采用了透射型液晶面板(省略图示)。此外，在液晶面板的光入射侧和光射出侧分别设置有偏振片(省略图示)。

另外，作为光调制装置的液晶光阀40R、40G、40B不限定于包含透射型液晶面板的结构。作为光调制装置，也可以采用反射型液晶面板等反射型的光调制装置。此外，还可以采用通过按照作为像素的每个微镜控制所入射的光的射出方向来对从光源11射出的光进行调制的数字微镜器件等。并且，不限定于按照多个色光分别具有光调制装置的结构，也可以采用通过1个光调制装置以时分的方式对多个色光进行调制的结构。

十字分色棱镜50对从液晶光阀40R、40G、40B射出的各色的调制光进行合成。十字分色棱镜50具有：红色光反射分色镜51R，其对红色光R进行反射，使蓝色光B和绿色光G透过；以及蓝色光反射分色镜51B，其对蓝色光B进行反射，使红色光R和绿色光G透过。红色光反射分色镜51R由对红色光R进行反射并使绿色光G透过的电介质多层膜构成。蓝色光反射分色镜51B由对蓝色光B进行反射并使绿色光G透过的电介质多层膜构成。以下，有时将红色光反射分色镜51R和蓝色光反射分色镜51B简称作分色镜51R、51B。

对红色光R进行反射并使绿色光G透过的电介质多层膜和对蓝色光B进行反射并使绿色光G透过的电介质多层膜在从Z轴方向观察的俯视时，配置成大致X字状。红色光R、绿色光G和蓝色光B的3色的调制光被分色镜51R、51B进行合成，生成显示彩色图像的合成光。由十字分色棱镜50生成的合成光朝向投射镜头单元60射出。

从主体部2射出的合成光作为图像光经由投射镜头单元60而被投射到未图示的屏幕等被投射面上。

以下，对投射镜头单元60进行说明。

投射镜头单元60将缩小侧共轭面上的显示图像投射到放大侧共轭面上，生成投射图像。在本实施方式的情况下，缩小侧共轭面对应于液晶光阀40R、40G、40B中的各液晶面板的显示面。此外，放大侧共轭面对应于屏幕等被投射面。投射镜头单元60在与缩小侧共轭面共轭的位置形成显示图像的中间像，将中间像投射到放大侧共轭面。

如图2和图3所示，投射镜头单元60具有第1透镜组61、第1反射镜71(第1反射元件)、第2透镜组62、第2反射镜72(第2反射元件)、第3透镜组63、镜头单元壳体81和凸缘部83。第1透镜组61和第2透镜组62作为缩小侧光学***发挥功能。第3透镜组63作为放大侧光学***发挥功能。

镜头单元壳体81具有第1弯曲部81e和第2弯曲部81f。由此，在投射镜头单元60的内部使图像光的光路弯折2次，因此，投射镜头单元60向与从主体部2射出光的方向相反的方向射出图像光。

第1透镜组61的多个透镜611～617配置在第1光轴AX1上，从缩小侧共轭面射出的光入射到该第1透镜组61。在本实施方式的情况下，第1透镜组61具有透镜611～617的7枚透镜。透镜611～617配置成透镜611～617各自的光轴全部位于第1光轴AX1上。透镜611～617中包括凸透镜、凹透镜等各种形状的透镜。透镜611～617的枚数、形状、尺寸和配置未特别限定。

第1反射镜71使从第1透镜组61射出的图像光反射而使光路弯折。

第2透镜组62的多个透镜621～624配置在第2光轴AX2上，从第1反射镜71射出的图像光入射到该第2透镜组62。在本实施方式的情况下，第2透镜组62具有透镜621～624的4枚透镜。透镜621～624配置成透镜621～624各自的光轴全部位于第2光轴AX2上。透镜621～624中包括凸透镜、凹透镜等各种形状的透镜。透镜621～624的枚数、形状、尺寸和配置未特别限定。

第2反射镜72使从第2透镜组62射出的图像光反射而使光路弯折。

第3透镜组63的多个透镜631～641配置在第3光轴AX3上，使从第2反射镜72射出的图像光透过并朝向放大侧共轭面射出。在本实施方式的情况下，第3透镜组63具有透镜631～641的11枚透镜。透镜631～641配置成透镜631～641各自的光轴全部位于第3光轴AX3上。透镜631～641中包括凸透镜、凹透镜等各种形状的透镜。透镜631～641的枚数、形状、尺寸和配置未特别限定。

第1透镜组61的第1光轴AX1与第2透镜组62的第2光轴AX2以直角以外的角度交叉。即，在设第1光轴AX1与第2光轴AX2所形成的角度为α(°)时，α≠90°。在本实施方式的情况下，α为钝角，例如为α＝95°。该情况下，第1反射镜71设置于从第1透镜组61射出的图像光相对于第1反射镜71的入射角为47.5°的角度。

此外，第2透镜组62的第2光轴AX2与第3透镜组63的第3光轴AX3以直角以外的角度交叉。即，在设第2光轴AX2与第3光轴AX3所形成的角度为β(°)时，β≠90°。此外，第1光轴AX1和第3光轴AX3均与Y轴平行，并相互平行。即，β＝180°-α。在本实施方式的情况下，β为锐角，例如β＝85°。该情况下，第2反射镜72设置成从第2透镜组62射出的图像光相对于第2反射镜72的入射角为42.5°的角度。

在图3中，示出了从液晶光阀40上的显示图像中的、位于第1光轴AX1上的显示图像的上端PT射出的图像光的光路、即用双点划线表示的光路和从显示图像的下端PB射出的图像光的光路、即用虚线表示的光路。如图3所示，从显示图像的上端PT射出的图像光入射到屏幕的下部，构成投射图像的下端。与此相反，从显示图像的下端PB射出的光入射到屏幕的上部，构成投射图像的上端。这样，投射图像的方向相对于显示图像的方向反转180°。

以下，将构成第3透镜组63的多个透镜631～641中的、位于最接近放大侧共轭面的位置的透镜641称作放大侧透镜641。

图4是放大侧透镜641的主视图和剖视图，图4的左侧是主视图，图4的右侧是沿着左侧的主视图的A-A线的剖视图。

如图4所示，放大侧透镜641具有关于第3光轴AX3不对称的形状。这里，设放大侧透镜641中的、相对于第3光轴AX3位于下方、即接近第1透镜组61的一侧的部分为第1部分641a，设放大侧透镜641中的、相对于第3光轴AX3位于上方、即远离第1透镜组61的一侧的部分为第2部分641b。在从沿着第3光轴AX3的方向观察放大侧透镜641时，第2部分641b的形状是中心角为180°的扇形，第1部分641a的形状是切除中心角为180°的扇形的下部后的形状。这样，第1部分641a具有第2部分641b的一部分缺失而成的形状。

镜头单元壳体81由筒状的部件构成，该筒状的部件具有由第1弯曲部81e和第2弯曲部81f构成的2个弯曲部。镜头单元壳体81收纳第1透镜组61、第1反射镜71、第2透镜组62、第2反射镜72和第3透镜组63。将镜头单元壳体81中的、收纳第1透镜组61的部分称作第1筒部81a、收纳第2透镜组62的部分称作第2筒部81b、收纳第3透镜组63的部分称作第3筒部81c。虽然省略图示，但是，镜头单元壳体81的内部设置有支承部，该支承部用于支承构成第1透镜组61、第2透镜组62和第3透镜组63的各个透镜、第1反射镜71和第2反射镜72。关于镜头单元壳体81的结构材料、形状、尺寸等，未特别限定。

如图1所示，凸缘部83设置在镜头单元壳体81与主体部2之间，将投射镜头单元60固定于主体部2。凸缘部83通过螺钉等固定单元安装于主体部2的外装壳体2a。因此，在将投射镜头单元60安装于主体部2的状态下，对主体部2与投射镜头单元60进行定位。另外，主体部2与投射镜头单元60的相对位置关系也能够通过位置调整机构来调整。

在使用第1光轴与第2光轴呈直角交叉的现有的投射镜头单元的情况下，由于镜头单元壳体与外装壳体在物理上发生干扰等原因，需要确保较长的从凸缘部到第1反射镜的距离，存在难以实现凸缘部周边的小型化的问题。

针对该问题，在本实施方式的投射镜头单元60中，第1光轴AX1与第2光轴AX2所形成的角度α为钝角，因此，与现有的投射镜头单元相比，第2筒部81b的第2弯曲部81f侧的端部位于远离外装壳体2a的方向，镜头单元壳体81与外装壳体2a难以在物理上发生干扰。因此，根据本实施方式的投射镜头单元60，与现有的投射镜头单元相比，能够使第1反射镜71的位置、即第1弯曲部81e的位置接近主体部2，能够缩短第1筒部81a的长度，因此，能够实现凸缘部83的周边的小型化、省空间化。

此外，为了即使从透镜611到第1反射镜71的距离变短也确保规定的光学性能，需要延长配置在从第1反射镜71到第2反射镜72之间的第2透镜组62的光路长度。但是，在现有的投射镜头单元中，存在如下问题：当延长第2透镜组的光路长度时，第1光轴AX1与第3光轴AX3的间隔变大，投影仪的整体高度增大。

针对该问题，在本实施方式的投射镜头单元60中，第1光轴AX1与第2光轴AX2所形成的角度α为钝角，因此，能够在不增大第1光轴AX1与第3光轴AX3的间隔的情况下，将第2透镜组62的光路长度延长第2光轴AX2相对于与第1光轴AX1垂直的方向倾斜的量。因此，根据本实施方式的投射镜头单元60，能够在不增加投影仪1的整体高度的情况下，维持期望的光学性能。

第1光轴AX1与第2光轴AX2所形成的角度α优选为处于95°≤α≤110°的范围。其理由是因为，当角度α小于95°时，几乎无法获得凸缘部83的周边的小型化的效果，当角度α大于110°时，投射镜头单元60的重心过于远离主体部2，对凸缘部83的负荷增大，并且投影仪1的全长增长。

在本实施方式的投射镜头单元60中，如图3所示，即使从放大侧透镜641向斜上方以较大的射出角射出图像光也没有问题，但是，当假设从放大侧透镜641向斜下方以较大的射出角射出光时，图像光被外装壳体2a遮挡，无法获得准确的投射图像。因此，采用了使图像光向放大侧透镜641的上部侧入射以使投射图像的下端侧的图像光大致沿着第3光轴AX3射出的结构。在这样的状况下，在本实施方式中，放大侧透镜641的第1部分641a具有第2部分641b的一部分缺失而成的形状，因此，可实现投射镜头单元60的小型化，能够抑制投影仪1的整体高度增加。

另外，本发明的技术范围不限于上述实施方式，能够在不脱离本发明主旨的范围内施加各种变更。

例如，在上述实施方式中，设第1光轴AX1与第2光轴AX2所形成的角度α为钝角、第2光轴AX2与第3光轴AX3所形成的角度β为锐角、并且α+β＝180°，但是，也可以与该例子相反，设角度α为锐角、角度β为钝角、并且α+β＝180°。根据该结构，除了与上述实施方式同样可获得能够延长第2透镜组的光路长度的效果以外，还能够将放大侧透镜配置于更接近主体部的前表面侧(图3的-Y侧)的位置。

或者，也可以替代上述实施方式，设角度α为α≠90°、角度β为β＝90°、并且α+β≠180°。即使在该情况下，也可获得与上述实施方式相同的效果。

此外，在上述实施方式中，使用反射镜作为第1反射元件和第2反射元件，但是，也可以替代反射镜，例如使用棱镜。但是，基于光损耗少、可实现投射镜头单元的轻量化等观点，优选使用反射镜作为第1反射元件和第2反射元件。

此外，投射镜头单元和投影仪的各结构要素的形状、数量、配置、材料等具体记载不限于上述实施方式，能够适当地进行变更。投射镜头单元也可以具有例如镜头移位(lensshift)功能等其它功能。在上述实施方式中示出了将本发明的投射镜头单元搭载于采用液晶光阀的投影仪的例子，但是不限于此。例如，也可以将本发明的投射镜头单元搭载于采用数字微镜器件作为光调制装置的投影仪。

Claims (6)

1.一种投射光学装置，其将缩小侧共轭面上的显示图像投射到放大侧共轭面上，生成投射图像，该投射光学装置具有：

第1透镜组，该第1透镜组的多个透镜配置在第1光轴上，从所述缩小侧共轭面射出的光入射到该第1透镜组；

第1反射元件，其使从所述第1透镜组射出的光反射而使光路弯折；

第2透镜组，该第2透镜组的多个透镜配置在第2光轴上，从所述第1反射元件射出的光入射到该第2透镜组；

第2反射元件，其使从所述第2透镜组射出的光反射而使光路弯折；以及

第3透镜组，该第3透镜组的多个透镜配置在第3光轴上，使从所述第2反射元件射出的光透过并朝向所述放大侧共轭面射出，

在设所述第1光轴与所述第2光轴所形成的角度为α(°)时，α≠90°。

2.根据权利要求1所述的投射光学装置，其中，

在设所述第2光轴与所述第3光轴所形成的角度为β(°)时，β＝180°-α，

所述投射图像的方向相对于所述显示图像的方向反转180°。

3.根据权利要求1或2所述的投射光学装置，其中，

95°≤α≤110°。

4.根据权利要求2所述的投射光学装置，其中，

构成所述第3透镜组的多个透镜中的、位于最接近所述放大侧共轭面的位置的放大侧透镜具有关于所述第3光轴不对称的形状，

所述放大侧透镜中的、相对于所述第3光轴位于接近所述第1透镜组的一侧的第1部分具有相对于所述第3光轴位于远离所述第1透镜组的一侧的第2部分的一部分缺失而成的形状。

5.根据权利要求1所述的投射光学装置，其中，

所述投射光学装置在与所述缩小侧共轭面共轭的位置形成所述显示图像的中间像，将所述中间像投射到所述放大侧共轭面上。

6.一种投影仪，其具有：

光源装置，其射出光；

光调制装置，其根据图像信息对从所述光源装置射出的光进行调制；以及

权利要求1～5中的任意一项所述的投射光学装置，其将由所述光调制装置调制后的光投射到被投射面上。

Images