投影光學系統和圖像顯示裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及將圖像放大投影到屏幕上顯示的所謂投影機等圖像顯示裝置，尤其涉 及將圖像顯示元件上顯示的圖像放大投影到屏幕上的投影光學系統。
【背景技術】
[0002] 近年來，被稱為投影機等投射型圖像顯示裝置獲得廣泛使用。在通常情況下，這類 投射型圖像顯示裝置用投射光學系統，將數字微鏡器件（Digital Micromirror Device，以 下簡稱為DVD)或液晶顯示面板等被之稱為光閥的圖像顯示元件上的顯示圖像的放大圖像 投影到屏幕上，來顯示圖像。
[0003] 被用來作為圖像顯示元件的DMD具有多個微鏡，這些微鏡角的度能夠在規定范圍 內單獨受到電子控制。通過設定照明光的入射角度以控制DMD的各微鏡傾斜角度，例如，當 一個微鏡角度為-12度時，受到微鏡反射后照明光的反射光入射投射光學系統，而當微鏡 角度為+12度時，受到微鏡反射后照明光的反射光不會入射投射光學系統，這樣在DMD顯示 畫面上便能夠形成數字圖像。
[0004] 在上述這類投射型圖像顯示裝置中，目前對縮短投射距離，能夠在近距離設置的 屏幕上顯示大畫面的超短投射距離前置投射型投影機的需求不斷加大。
[0005] 類似上述超短投射距離的前置投射型投影機，用于超短投射距離的投射型圖像顯 示裝置中的投射光學系統，在用曲面鏡補償圖像彎曲變形的同時，還偏轉投射光路，用以縮 短圖像顯示元件與屏幕之間距離。這樣利用曲面鏡的方式使得小型投影機能夠以超近距離 進行投射。
[0006] 專利文獻 1-4 (JP 特開 2007-79524、JP 特開 2011-242606、JP 特開 2012-108267、 JP特開2009-216883號公報）等公開了一種利用曲面鏡實現小型且超短投射距離的投射型 圖像顯示裝置的技術方案。
[0007] 上述專利文獻均顯示了組合折射光學系統和曲面鏡的投射型圖像顯示裝置的構 成，根據這些專利文獻，能夠實現超短投射距離。
[0008] 然而，對于這類投射型圖像顯示裝置，即對于超短投射投影機，近年來出現小型化 和降低生產成本的要求。而使用反射光學系統的投影機為了避免光線與框體之間發生干 涉，必須采用圖像顯示元件相對于光軸偏心的構成。為此造成投影機厚度方向尺寸增加，該 增加量相當于圖像顯示元件相對于光軸偏心的量。此外，僅使用折射光學系統的投影機與 使用折射光學系統和反射光學系統雙方的投影機之間無法通用同一圖像顯示元件的照明 系統。為此各自需要單獨開發照明系統，這也是成本上升的原因之一。
[0009] 專利文獻1和2沒有涉及薄型化以及通用照明系統，因而無法應對上述的市場要 求。
[0010] 專利文獻3公開了通過在折射光學系統中形成中間像用以抑制圖像形成元件偏 心量的構成，但是，在這樣的折射光學系統中，如果僅形成中間像，將造成光軸方向大小增 大，無法應對小型化要求。
[0011] 專利文獻4公開了使用多個自由曲面的方法以及使多片透鏡偏心的方法，但是單 純使用自由曲面和透鏡偏心，會引起制造誤差感度上升，應該盡可能避免這種技術方案。
【發明內容】
[0012] 鑒于上述現有技術，本發明的目的在于提供一種能夠充分縮短投射距離同時實現 高輝度的高性能小型投射光學系統。本發明的投射光學系統用于將圖像顯示元件上顯示的 圖像放大投影到屏幕上的投射光學系統，其特征在于，
[0013] 具備折射光學系統和反射光學系統，
[0014] 該折射光學系統包括光圈和多個包含多個透鏡的光學元件，用來放大所述圖像顯 示元件上顯示的圖像，并使該圖像成像，
[0015] 該反射光學系統具有位于所述折射光學系統和所述屏幕之間的至少一個反射光 學元件，
[0016] 所述投射光學系統在所述圖像顯示元件與所述反射光學系統之間形成一個中間 像，
[0017] 當設定光軸A為所述折射光學系統中多個軸對稱的所述透鏡共有的軸，并設定Y 軸在包含該光軸A并含有從所述圖像顯示元件中心射出后通過所述光圈中心的光線的平 面內，而且垂直于該光軸A時，作為所述折射光學系統中一部分的光學元件B在平行于所述 Y軸的方向上偏心，
[0018] 所述圖像顯示元件的圖像形成部與所述光軸A交叉。
[0019] 根據以上所述，能夠提供如下效果。
[0020] 即，本發明的投射光學系統用于將圖像顯示元件上顯示的圖像放大投影到屏幕上 的投射光學系統，其中，
[0021] 具備折射光學系統和反射光學系統，
[0022] 該折射光學系統包括光圈和多個包含多個透鏡的光學元件，用來放大所述圖像顯 示元件上顯示的圖像，并使該圖像成像，
[0023] 該反射光學系統具有位于所述折射光學系統和所述屏幕之間的至少一個反射光 學元件，
[0024] 所述投射光學系統在所述圖像顯示元件與所述反射光學系統之間形成一個中間 像，
[0025] 當設定光軸A為所述折射光學系統中多個軸對稱的所述透鏡共有的軸，并設定Y 軸在包含該光軸A并含有從所述圖像顯示元件中心射出后通過所述光圈中心的光線的平 面內，而且垂直于該光軸A時，作為所述折射光學系統中一部分的光學元件B在平行于所述 Y軸的方向上偏心，
[0026] 所述圖像顯示元件的圖像形成部與所述光軸A交叉，
[0027] 為此，本發明能夠提供充分縮短投射距離，同時實現高輝度的高性能小型投射光 學系統。
【附圖說明】
[0028] 圖1是用包含光軸且垂直于圖像顯示元件的顯示畫面的長邊的面來顯示使用本 發明實施例1涉及的投射光學系統的圖像顯示裝置整體的主要結構的剖面圖。
[0029] 圖2是進一步詳細顯示圖1的投射光學系統中的主要部分即折射光學系統的透鏡 系統以及該透鏡系統的聚焦動作的示意圖。
[0030] 圖3是圖1的投射光學系統中的圖像顯示元件的圖像形成部的顯示畫面的形態以 及相對于該光軸的位置關系的示意圖。
[0031] 圖4是圖1的投射光學系統中的旁軸像面、中間像以及光軸等之間關系的示意圖。
[0032] 圖5是圖1的投射光學系統的遠距離（畫面為100英寸）時旁軸像面與、主光線 在該旁軸像面上的交點之間關系的示意圖。
[0033] 圖6是圖1的投射光學系統的中距離（畫面為80英寸）時旁軸像面與、主光線在 該旁軸像面上的交點之間關系的示意圖。
[0034] 圖7是圖1的投射光學系統的近距離（畫面為60英寸）時旁軸像面與、主光線在 該旁軸像面上的交點之間關系的示意圖。
[0035] 圖8是圖1的投射光學系統在遠距離（畫面為100英寸）時屏幕SC上各視角的 波長550nm的光點位置的示意圖。
[0036] 圖9是圖1的投射光學系統在中距離（畫面為80英寸）時屏幕SC上個視角的波 長550nm的光點位置。
[0037] 圖10是圖1的在投射光學系統在近距離（畫面為60英寸）時屏幕SC上個視角 的波長550nm的光點位置。
[0038] 圖11是表示圖1的投射光學系統在遠距離（畫面為100英寸）時在屏幕上波長 625nm(紅色）、 55〇nm(綠色）、425nm(藍色）的成像特性的點列圖。
[0039] 圖12是表示圖1的投射光學系統在中距離（畫面為80英寸）時在屏幕上波長 625nm(紅色）、 55〇nm(綠色）、425nm(藍色）的成像特性的點列圖。
[0040] 圖13是表示圖1的投射光學系統在遠距離（畫面為60英寸）時在屏幕上波長 625nm(紅色）、 55〇nm(綠色）、425nm(藍色）的成像特性的點列圖。
[0041] 圖14是圖11至圖13的點列圖中F1至F3對應的視角的示意圖。
[0042] 圖15是用包含光軸且垂直于圖像顯示元件的顯示畫面的長邊的截面圖來顯示使 用本發明實施例2涉及的投射光學系統的圖像顯示裝置整體的主要結構的示意圖。
[0043] 圖16是進一步詳細顯示圖15的投射光學系統中的主要部分即折射光學系統的透 鏡系統以及該透鏡系統的聚焦動作的示意圖。
[0044] 圖17是圖15的投射光學系統的遠距離（畫面為100英寸）時旁軸像面與、主光 線在該旁軸像面上的交點之間關系的示意圖。
[0045] 圖18是圖15的投射光學系統的中距離（畫面為80英寸）時旁軸像面與、主光線 在該旁軸像面上的交點之間關系的示意圖。
[0046] 圖19是圖15的投射光學系統的近距離（畫面為60英寸）時旁軸像面與、主光線 在該旁軸像面上的交點之間關系的示意圖。
[0047] 圖20是圖15的投射光學系統在遠距離（畫面為100英寸）時屏幕SC上各視角 的波長550nm的光點位置的不意圖。
[0048] 圖21是圖15的投射光學系統在中距離（畫面為80英寸）時屏幕SC上個視角的 波長550nm的光點位置。
[0049] 圖22是圖15的在投射光學系統在近距離（畫面為60英寸）時屏幕SC上個視角 的波長550nm的光點位置。
[0050] 圖23是表示圖15的投射光學系統在遠距離（畫面為100英寸）時在屏幕上波長 625nm(紅色）、 55〇nm(綠色）、425nm(藍色）的成像特性的點列圖。
[0051] 圖24是表示圖15的投射光學系統在中距離（畫面為80英寸）時在屏幕上波長 625nm(紅色）、 55〇nm(綠色）、425nm(藍色）的成像特性的點列圖。
[0052] 圖25是表示圖15的投射光學系統在遠距離（畫面為60英寸）時在屏幕上波長 625nm(紅色）、 55〇nm(綠色）、425nm(藍色）的成像特性的點列圖。
【具體實施方式】
[0053] 以下，參考附用本發明實施方式詳述投射光學系統。首先用本實施例具體描述本 發明的原理。
[0054] 本發明涉及的投射光學系統為一般稱之為投影機等投射型圖像顯示裝置所具備， 用于將圖像顯示元