投射光学系统及投影装置的制造方法
【专利说明】投射光学系统及投影装置
[0001]本申请是申请人日东光学株式会社于2012年7月5日提出的pct申请pct/jp2012/004384于2014年03月04日进入国家阶段的申请号为201280043000.9、发明名称为投射光学系统及投影装置的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及投影装置的投射光学系统。
【背景技术】
[0003]在日本国专利公开公报2004 — 258620号(文献1)中记载了这样的技术:为了谋求投射画面的大画面化并缩小投射装置外的投影空间，采用包含反射面的成像光学系统，并且实现了还能够校正色像差的投射光学系统以及使用这样的投射光学系统的图像投射装置。为此，在文献1中记载了这样的内容:在光阀的投影侧自光阀侧起按第1、第2光学系统的顺序配置第1、第2光学系统，第1光学系统包含1个以上折射光学系统，具有正焦度，第2光学系统包含1个以上具有焦度的反射面，具有正焦度，使利用光阀形成的图像在第1及第2光学系统的光路上成像为中间图像，使中间图像进一步放大而投射在屏幕上。
[0004]在日本国专利公开公报2004 — 295107号(文献2)中记载了实现这样的变焦光学系统的技术:该变焦光学系统能获得期望的变焦比，并且抑制产生倍率色像差等诸像差，结构紧凑。文献2的变焦光学系统由具有3个反射曲面的光学模块r、以及配置在比该光学模块r靠缩小侧的位置的光学模块c构成，光学模块c具有能够移动的多个透镜单元，利用多个透镜单元的移动进行变焦。而且，在光线从缩小侧向放大侧行进时，光学模块c在比光学模块r的最靠缩小侧的光学面(反射面)靠放大侧的位置形成缩小侧共轭点的图像。
[0005]在演示用、学校教育用等各种各样的用途中，期望一种更加紧凑且能够应对广角化的要求的投射光学系统。
【发明内容】
[0006]本发明的一技术方案是从缩小侧的第1像面向放大侧的第2像面进行投射的投射光学系统。该投射光学系统具有:第1折射光学系统，其包含多个透镜，利用从缩小侧入射的光在放大侧形成第1中间图像；第2折射光学系统，其包含多个透镜，使缩小侧的第1中间图像在放大侧成像为第2中间图像；以及第1反射光学系统，其包含位于比第2中间图像靠放大侧的位置的正折射力的第1反射面。
[0007]在该投射光学系统中，第1折射光学系统形成第1中间图像，第2折射光学系统使该第1中间图像在放大侧成像为第2中间图像，从而能够减小第2折射光学系统的放大侧的透镜直径。因而，能够使第2折射光学系统紧凑，并且易于缩短第1反射面距第2折射光学系统的空气间隔(光学距离)，能够使第1反射面小型化。
[0008]第1反射面不容易设计为与校正像散等一并校正梯形失真。在该投射光学系统中，易于利用第1折射光学系统形成校正了像散等像差的第1中间图像、利用第2折射光学系统形成主要调整了梯形失真等的第2中间图像。因而，易于投射鲜明且被进行了梯形失真的校正的图像。
[0009]在该投射光学系统中，第1中间图像、第2中间图像以及利用第1反射面形成的图像分别翻转。因而，在第1折射光学系统使形成在第1像面的图像成像为第1中间图像的情况下，能够将投射光学系统设计为:从第1像面的中心到达第2像面的中心的光线与第1折射光学系统的光轴、第2折射光学系统的光轴以及第1反射光学系统的光轴中的任一者交叉3次而到达第2像面。
[0010]在第1折射光学系统的光轴、第2折射光学系统的光轴以及第1反射光学系统的光轴重合的情况下从第1像面的中心到达第2像面的中心的光线与该重合的光轴交叉3次而到达第2像面，在1折射光学系统的光轴、第2折射光学系统的光轴以及第1反射光学系统的光轴偏移的情况下从第1像面的中心到达第2像面的中心的光线与其中任一个光轴交叉3次而到达第2像面，在上述两种情况下，在第1像面和第1反射面之间光线与光轴均交叉2次。因而，能够将第1像面和第1反射面相对于光轴配置在相同方向上。即，能够将第1像面和第1反射面相对于包含光轴的第1面配置在相同方向上。因此，能够将对第1像面进行照明的照明光学系统相对于第1面配置在与第1反射面的方向相同的方向上。因而，能够由照明光学系统和第1反射面共有相对于第1面为相同方向的空间。因此，能够使包含投射光学系统和照明光学系统的投影仪薄型化。
[0011]优选的是，放大侧的第2折射光学系统的最靠放大侧的透镜的有效直径小于缩小侧的第1折射光学系统的最大有效直径。进一步优选的是，放大侧的第2折射光学系统的最大有效直径小于缩小侧的第1折射光学系统的最大有效直径。能够抑制到达第1反射面的光线和被第1反射面反射的光线相干涉，能够提供一种紧凑的投射光学系统。
[0012]另外，优选的是，第1折射光学系统是等倍或者放大光学系统。第1中间图像也可以是缩小的图像，但通过将第1中间图像等倍或者放大，能够相对地抑制比第1折射光学系统靠放大侧的光学系统的倍率，像差校正变容易。因而，能够利用第1折射光学系统校正像面弯曲、像散以及彗差等诸像差，并且，利用第2折射光学系统校正梯形失真等畸变像差。
[0013]另外，优选的是，该投射光学系统包含配置在第1中间图像和第2中间图像之间的光圈。能够使第2折射光学系统的放大侧的尺寸更加紧凑。并且，由于能够缩短第2折射光学系统和第1反射面之间的空气间隔，因此也能够使第1反射面的尺寸更加紧凑。
[0014]s卩，该投射光学系统具有包含第1折射光学系统和第2折射光学系统的第1光学系统，在第1光学系统的内部形成第1中间图像，将第1光学系统分割成第1折射光学系统和第2折射光学系统，从而能够使第1光学系统的出射光瞳接近第1反射面一侧。因此，能够使第1反射面小型化。在这种情况下，优选的是，将配置在第1像面和第1中间图像之间的第1光圈作为第1光学系统的光圈时的出射光瞳和第1反射面之间的光学距离exp、以及第1像面和第1反射面之间的光学距离dw满足以下的条件(1)，
[0015]0.1 < exp/dw < 0.6...(1)。
[0016]并且，通过在第1光学系统的内部形成第1中间图像，将第1光学系统分割成第1折射光学系统和第2折射光学系统，从而能够在第1中间图像和第2中间图像之间配置第2光圈而会聚光束。因此，能够使第1光学系统的放大侧的透镜尺寸、特别是第2折射光学系统的放大侧的透镜尺寸小型化。第2光圈也可以配置在第2折射光学系统的内部。第2光圈优选为偏心光圈，能够阻断会导致耀斑、重影的散射光。
[0017]此外，由于能够减小第1光学系统的放大侧、即第2折射光学系统的放大侧的透镜尺寸，因此，即使使用以光轴为中心的旋转对称的透镜，也能够抑制来自第1反射面的光线和透镜相干涉。因此，为了确保第2折射光学系统和第1反射面之间的距离，也可以在第2折射光学系统的放大侧不配置负焦度的透镜。因而，第2折射光学系统的最靠放大侧的透镜既可以是正透镜或者正弯月形透镜，也可以是接合透镜。
[0018]还期望第2折射光学系统的最靠放大侧的透镜和第1反射面之间的光学距离dn、以及第1像面和第1反射面之间的光学距离dw满足以下的条件(2)，
[0019]0.1 < dn/dw < 0.3...(2)。
[0020]由于能够减小第2折射光学系统所含有的透镜和第1反射面之间的空间，因此，透镜和第1反射面之间的用于射出投影光的开口部变小。因而，能够提供更加紧凑的投影，能够降低从开口部进入的尘土、灰尘等所导致的透镜和反射面的损伤风险。
[0021]在该投射光学系统中，代表性的特征为第1中间图像和第2中间图像隔着光轴成像在相反侧。第1光学系统也可以在第1中间图像的缩小侧形成有1个或者多个中间图像。此外，第1反射光学系统也可以在第1反射面的前后包含1个或者多个反射面。此外，投射光学系统也可以在第1反射光学系统的放大侧还包含折射光学系统。
[0022]此外，第1光学系统也可以是变焦光学系统。优选的是，第1光学系统从缩小侧开始按顺序包含具有正折射力的透镜前组、具有正折射力的透镜中组、具有正折射力的透镜后组，在从广角端向望远端变焦时，透镜前组从缩小侧向放大侧移动，透镜中组以补偿透镜前组移动的方式移动，透镜后组固定，上述第1中间图像形成在透镜后组的内部。利用透镜中组能够将入射至透镜后组的光束补偿为恒定状态，能够抑制变焦过程中的第1中间图像的移动。因而，几乎不使第1中间图像和第2中间图像的位置移动就能够缩放投影在第2像面上的图像。
[0023]此外，在从广角端向望远端变焦时，能够利用透镜前组的移动主要变更第1中间图像的倍率，利用透镜中组的移动校正像面弯曲、像散以及彗差等诸像差。因此，能够提供一种包含抑制了像差变动和第1中间图像的位置变动的变焦光学系统的高分辨率的投射光学系统。
[0024]本发明的另一技术方案是具有上述投射光学系统和用于在第1像面形成图像的光调制器的投影仪。
【附图说明】
[0025]图1是表示采用本发明的投射光学系统的投影装置的概略结构的图，(a)是表示采用非远心的投射光学系统的投影装置的概略结构的图，(b)是表示采用远心的投射光学系统的投影装置的概略结构的图，(c)是表示采用不同的远心的投射光学系统的投影装置的概略结构的图。
[0026]图2是表示第1实施方式的投射光学系统的概略结构的图。
[0027]图3是表示第1实施方式的投射光学系统的透镜数据的图。
[0028]图4是表示第1实施方式的投射光学系统的诸数值的图，(a)表示基本数据，(b)表示间隔数据，(c)表示非球面数据。
[0029]图5是表示第1实施方式的投射光学系统的中间图像附近的平面中的光束状态的图，(a)表示第1中间图像的附近，(b)表示第2中间图像的附近。
[0030]图6是表不第2实施方式的投射光学系统的概略结构的图。
[0031]图7是表示第2实施方式的投射光学系统的透镜数据的图。
[0032]图8是表示第2实施方式的投射光学系统的诸数值的图，(a)表示基本数据，(b)表示间隔数据，(c)表示非球面数据，(d)表示变焦数据。
[0033]图9是表示第2实施方式的投射光学系统的中间图像附近的平面中的光束状态的图，(a)表示第1中间图像的附近，(b)表示第2中间图像的附近。
[0034]图10是表示第3实施方式的投射光学系统的概略结构的图。
[0035]图11是表示第3实施方式的投射光学系统的透镜数据的图。
[0036]图12是表示第3实施方式的投射光学系统的诸数值的图，(a)表示基本数据，(b)表示间隔数据，(c)表示非球面数据，(d)表示变焦数据。
[0037]图13是表示第3实施方式的投射光学系统的中间图像附近的平面中的光束状态的图，(a)表示第1中间图像的附近，(b)表示第2中间图像的附近。
[0038]图14是表示采用以往的投射光学系统的投影装置的概略结构的图。
【具体实施方式】
[0039]图1表示采用本发明的实施方式的典型的投射光学系统的投影装置的概略结构，图1的(a)是表示采用非远心的投射光学系统的投影装置的概略结构的图，图1的(b)是表示采用远心的投射光学系统的投影装置的概略结构的图，图1的(c)是表示采用不同的远心的投射光学系统的投影装置的概略结构的图。图14表示采用以往的投射光学系统的投影装置的概略结构。
[0040]如图1的(a)?图1的(c)所示，投影仪(投影装置)100包括光调制器(光阀)5、用于向光阀5照射调制用的照明光的照明光学系统90、以及将光阀5的像面作为缩小侧的第1像面、将利用光阀5形成的图像作为投影光91并向作为放大侧的第2像面的屏幕9放大地投射的投射光学系统1。光阀5只要是能够形成lcd、数字微镜装置(dmd)或者有机el等的图像的设备即可，既可以是单板式，也可以是分别形成各种颜色的图像的方式。另外，上述的光阀5既可以是反射型的ldc，也可以是透射型的lcd。光阀5是透射型的情况下的照明光学系统90相对于光阀5配置在投射光学系统1的光轴