放大光學系統、光學單元和投影儀設備的制造方法

放大光學系統、光學單元和投影儀設備的制造方法
【專利摘要】本發明公開了放大光學系統、光學單元和投影儀設備。放大光學系統放大影像并投影被放大的影像，其包括：折射光學系統，包括多個透鏡；和反射表面，反射已經通過折射光學系統的光，其中，在折射光學系統和反射表面之間形成中間影像；并且，投影光學系統滿足“2.5<Did/F<6”的條件，其中“Did”代表在投影影像最大的聚焦狀態中所述中間影像的最大近軸像高度，“F”代表在投影影像最大的聚焦狀態中所述折射光學系統的焦距。
【專利說明】
放大光學系統、光學單元和投影儀設備
[0001 ] 本申請是申請號為201410092948.4、申請日為2014年3月13日、
【申請人】為株式會社 理光、發明名稱為"投影光學系統與投影儀設備"的中國發明專利申請的分案申請。
技術領域
[0002] 本發明設及一種投影光學系統和一種投影儀設備。
【背景技術】
[0003] 近來，通過數字微鏡裝置(DMD)或液晶顯示屏產生影像并把影像投影到屏幕上的 影像顯示裝置被廣泛使用。特別是，對具有超短投影距離并能W很短的投影距離實現大畫 面的正面投影型投影儀的需求越來越多。而且，除了超短投影距離外，還需要設備小型化。
[0004] 日本公開專利申請2008-250296中掲示的投影光學系統使用折射光學系統形成中 間影像，并使用凹面鏡對該影像進行放大投影。因而能夠通過減小鏡子的尺寸使設備小型 化，并能實現超短的投影距離。
[0005] 在日本公開專利申請2008-250296中掲示的投影光學系統中，中間影像的尺寸沒 有最佳化，因此鏡子的尺寸未充分減小。而且，在日本公開專利申請2008-250296中掲示的 投影光學系統中，投影距離不夠短。另外，在日本公開專利申請2008-250296中掲示的投影 光學系統中存在一個問題，即，由于鏡子的尺寸未充分減少，因此外殼的尺寸較大。
[0006] 考慮到上述方面，需要提供一種尺寸小、性能高的投影光學系統和投影儀設備。

【發明內容】

[0007] 本發明之目的是至少部分地解決常規技術中存在的問題。本發明提供一種投影光 學系統，該系統依次包括:形成影像的成像單元、包括多個放大影像并把影像投影在屏幕上 的透鏡的折射光學系統、W及反射表面，其中，在折射光學系統和反射表面之間形成中間影 像，投影光學系統滿足"0.6<D/Did<0.滬且"2.5<Did/F巧"的條件，其中/'DicT代表在投影 影像最大的聚焦狀態中所述中間影像的最大近軸像高度，"護代表光軸和近軸像表面與通 過折射光學系統的孔徑光闊中屯、的光束的交點之間的距離的最大值，"F"代表在投影影像 最大的聚焦狀態中折射光學系統的焦距。
[000引本發明還提供一種包括上述投影光學系統的投影儀設備。
[0009] 通過參照附圖閱讀本發明的優選實施例的W下詳細說明，能夠更好地理解本發明 的上述和其它目的、特征、優點、W及技術和行業意義。
【附圖說明】
[0010] 圖1是一種常規投影儀設備的截面圖。
[0011] 圖2是用于說明在小型化直接投影光學系統中發生的問題的示意圖。
[0012] 圖3是用于說明在小型化反射投影光學系統中發生的問題的示意圖。
[0013] 圖4是本發明的第一實施例的投影儀設備的概況示意圖。
[0014] 圖5是第一實施例的投影儀設備的截面圖。
[0015] 圖6是第一實施例的投影儀設備內的光軸與成像單元之間的位置關系的示意圖。
[0016] 圖7是說明用于設計第一實施例的投影儀設備的投影光學系統的條件表達式的每 個條件的示意圖。
[0017] 圖8是第一實施例的投影儀設備的近軸像平面與長距離(80英寸)主光束的繪圖交 點的示意圖。
[0018] 圖9是第一實施例的投影儀設備的近軸像平面與中距離(60英寸)主光束的繪圖交 點的示意圖。
[0019] 圖10是第一實施例的投影儀設備的近軸像平面與短距離(48英寸)主光束的繪圖 交點的示意圖。
[0020] 圖11是第一實施例的投影儀設備內提供的折射光學系統的透鏡構造的示意圖。
[0021] 圖12是第一實施例的投影儀設備的長投影距離(80英寸）屏幕上各個視角的光斑 位置的示意圖。
[0022] 圖13是第一實施例的投影儀設備的中投影距離(60英寸）屏幕上各個視角的光斑 位置的示意圖。
[0023] 圖14是第一實施例的投影儀設備的短投影距離(48英寸）屏幕上各個視角的光斑 位置的示意圖。
[0024] 圖15是第一實施例的投影儀設備的長投影距離(80英寸）屏幕表面上625納米波長 (紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光）的成像特征(mm)的光斑示意圖。
[0025] 圖16是第一實施例的投影儀設備的中投影距離(60英寸)屏幕表面上625納米波長 (紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光）的成像特征(mm)的光斑示意圖。
[0026] 圖17是第一實施例的投影儀設備的短投影距離(48英寸)屏幕表面上625納米波長 (紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光）的成像特征(mm)的光斑示意圖。
[0027] 圖18是第一實施例的投影儀設備的框圖。
[0028] 圖19是本發明的第二實施例的投影儀設備的截面圖。
[0029] 圖20是第二實施例的投影儀設備內提供的折射光學系統的透鏡構造的示意圖。
[0030] 圖21是第二實施例的投影儀設備的近軸像平面與長距離(80英寸)主光束的繪圖 交點的示意圖。
[0031] 圖22是第二實施例的投影儀設備的近軸像平面與中距離(60英寸)主光束的繪圖 交點的示意圖。
[0032] 圖23是第二實施例的投影儀設備的近軸像平面與短距離(48英寸)主光束的繪圖 交點的示意圖。
[0033] 圖24是第二實施例的投影儀設備的長投影距離(80英寸）屏幕上各個視角的光斑 位置的示意圖。
[0034] 圖25是第二實施例的投影儀設備的中投影距離(60英寸）屏幕上各個視角的光斑 位置的示意圖。
[0035] 圖26是第二實施例的投影儀設備的短投影距離(48英寸）屏幕上各個視角的光斑 位置的示意圖。
[0036] 圖27是第二實施例的投影儀設備的長投影距離(80英寸)屏幕表面上625納米波長 (紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光）的成像特征(mm)的光斑示意圖。
[0037] 圖28是第二實施例的投影儀設備的中投影距離(60英寸)屏幕表面上625納米波長 (紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光）的成像特征(mm)的光斑示意圖。
[0038] 圖29是第二實施例的投影儀設備的短投影距離(48英寸)屏幕表面上625納米波長 (紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光）的成像特征(mm)的光斑示意圖。
[0039] 圖30是本發明的第Ξ實施例的投影儀設備的截面圖。
[0040] 圖31是第Ξ實施例的投影儀設備內提供的折射光學系統的透鏡構造的示意圖。
[0041] 圖32是第Ξ實施例的投影儀設備的近軸像平面與長距離（80英寸）主光束的繪圖 交點的示意圖。
[0042] 圖33是第Ξ實施例的投影儀設備的近軸像平面與中距離（60英寸）主光束的繪圖 交點的示意圖。
[0043] 圖34是第Ξ實施例的投影儀設備的近軸像平面與短距離（48英寸）主光束的繪圖 交點的示意圖。
[0044] 圖35是第Ξ實施例的投影儀設備的長投影距離(80英寸）屏幕上各個視角的光斑 位置的示意圖。
[0045] 圖36是第Ξ實施例的投影儀設備的中投影距離(60英寸）屏幕上各個視角的光斑 位置的示意圖。
[0046] 圖37是第Ξ實施例的投影儀設備的短投影距離(48英寸）屏幕上各個視角的光斑 位置的示意圖。
[0047] 圖38是第Ξ實施例的投影儀設備的長投影距離(80英寸）屏幕表面上625納米波長 (紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光）的成像特征(mm)的光斑示意圖。
[0048] 圖39是第Ξ實施例的投影儀設備的中投影距離(60英寸）屏幕表面上625納米波長 (紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光）的成像特征(mm)的光斑示意圖。
[0049] 圖40是第Ξ實施例的投影儀設備的短投影距離(48英寸）屏幕表面上625納米波長 (紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光）的成像特征(mm)的光斑示意圖。
[0050] 圖41是本發明的第四實施例的投影儀設備的截面圖。
[0051] 圖42是第四實施例的投影儀設備內提供的折射光學系統的透鏡構造的示意圖。
[0052] 圖43是第四實施例的投影儀設備的近軸像平面與長距離(80英寸)主光束的繪圖 交點的示意圖。
[0053] 圖44是第四實施例的投影儀設備的近軸像平面與中距離(60英寸)主光束的繪圖 交點的示意圖。
[0054] 圖45是第四實施例的投影儀設備的近軸像平面與短距離(48英寸)主光束的繪圖 交點的示意圖。
[0055] 圖46是第四實施例的投影儀設備的長投影距離(80英寸）屏幕上各個視角的光斑 位置的示意圖。
[0056] 圖47是第四實施例的投影儀設備的中投影距離(60英寸）屏幕上各個視角的光斑 位置的示意圖。
[0057] 圖48是第四實施例的投影儀設備的短投影距離(48英寸）屏幕上各個視角的光斑 位置的示意圖。
[0058] 圖49是第四實施例的投影儀設備的長投影距離(80英寸）屏幕表面上625納米波長 (紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光）的成像特征(mm)的光斑示意圖。
[0059] 圖50是第四實施例的投影儀設備的中投影距離(60英寸)屏幕表面上625納米波長 (紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光）的成像特征(mm)的光斑示意圖。
[0060] 圖51是第四實施例的投影儀設備的短投影距離(48英寸)屏幕表面上625納米波長 (紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光）的成像特征(mm)的光斑示意圖。
[0061] 圖52是本發明的第五實施例的投影儀設備的截面圖。
[0062] 圖53是第五實施例的投影儀設備的投影光學系統內提供的折射光學系統的透鏡 構造的示意圖。
[0063] 圖54是第五實施例的投影儀設備的近軸像平面與長距離(80英寸)主光束的繪圖 交點的示意圖。
[0064] 圖55是第五實施例的投影儀設備的近軸像平面與中距離(60英寸)主光束的繪圖 交點的示意圖。
[0065] 圖56是第五實施例的投影儀設備的近軸像平面與短距離(48英寸)主光束的繪圖 交點的示意圖。
[0066] 圖57是第五實施例的投影儀設備的長投影距離(80英寸）屏幕上各個視角的光斑 位置(波長:550納米)的示意圖。
[0067] 圖58是第五實施例的投影儀設備的中投影距離(60英寸）屏幕上各個視角的光斑 位置(波長:550納米)的示意圖。
[0068] 圖59是第五實施例的投影儀設備的短投影距離(48英寸）屏幕上各個視角的光斑 位置(波長:550納米)的示意圖。
[0069] 圖60是第五實施例的投影儀設備的長投影距離(80英寸)屏幕表面上625納米波長 (紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光）的成像特征(mm)的光斑示意圖。
[0070] 圖61是第五實施例的投影儀設備的中投影距離(60英寸)屏幕表面上625納米波長 (紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光）的成像特征(mm)的光斑示意圖。
[0071] 圖62是第五實施例的投影儀設備的短投影距離(48英寸）屏幕表面上625納米波長 (紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光）的成像特征(mm)的光斑示意圖。
[0072] 圖63是每個實施例中的投影儀設備的投影光學系統的"高度"和"深度"示意圖。
[0073] 圖64是每個實施例中的投影儀設備的投影光學系統的"寬度"示意圖。
【具體實施方式】
[0074] 概況
[0075] 首先，將參照圖1至圖4說明本發明的實施例的投影儀設備的概況。圖1是一種常規 投影儀設備的截面圖。圖1的截面圖僅示出了投影儀設備的一個主要部分。在圖1中，投影儀 設備具有處于外殼Η中的投影光學系統TK，該投影光學系統包括成像單元G、平行板F、折射 光學系統Κ、反射平面鏡Ml、W及凹面鏡M2。折射光學系統Κ具有孔徑光闊S。
[0076] 為了減小投影光學系統TK的尺寸，減小反射平面鏡Ml與凹面鏡M2之間的空間的尺 寸很重要。該空間在圖1中W虛線圍出。圖2是說明在小型化直接投影光學系統中發生的問 題的示意圖，該直接投影光學系統通過凹面鏡M2反射成像單元G形成的影像一次，并把影像 投影在屏幕上。如圖2所示，在該直接投影光學系統中，通過縮短共輛點ΚΡ(即，通過縮短透 鏡的焦距(加寬角度））等方式，可W減小影儀設備的總長度方向的尺寸。運種方法可W減小 投影儀設備在總長度方向上的尺寸。但是，由于更大的角度增大出射角，因而增大凹面鏡M2 的尺寸，因此投影儀設備的尺寸未充分減小。
[0077] 圖3是說明在通常的小型化反射投影光學系統中發生的問題的示意圖，該反射投 影光學系統通過反射平面鏡Ml和凹面鏡M2把成像單元G形成的影像反射兩次，并把影像投 影在屏幕上。像在直接投影光學系統中的情況一樣，當僅縮短圖3所示的反射投影光學系統 的焦距時，角度變大，并且凹面鏡M2的頂部部分TP下降。但是，同時，反射平面鏡Ml的底部部 分BP也下降。因此，反射平面鏡Ml與凹面鏡M2之間的空間尺寸SIS未減小。更大的角度會增 大凹面鏡M2的鏡子尺寸，導致凹面鏡M2和折射光學系統K的透鏡之間發生沖突。
[0078] 圖4是第一實施例的投影儀設備的概況示意圖。第一實施例的投影儀設備實現了 折射光學系統K的焦距的減小，并形成具有負崎變(桶形崎變)的中間影像。因此，在第一實 施例的投影儀設備中，凹面鏡M2的頂部部分TP下降，而反射平面鏡Ml的底部部分BP升高，如 圖4所示。因而第一實施例的投影儀設備能夠減小反射平面鏡Ml與凹面鏡M2之間的空間尺 寸SIS。而且，通過使中間影像發生桶形崎變，第一實施例的投影儀設備能夠減小(壓縮）中 間影像的尺寸。因此，能夠減小凹面鏡M2的尺寸，并使投影儀設備小型化。凹面鏡M2的尺寸 的減小能防止凹面鏡M2與折射光學系統K的透鏡之間發生沖突。
[00巧]第一實施例
[0080] 下面說明第一實施例的投影儀設備。圖5是第一實施例的投影儀設備的截面圖。圖 5的截面圖僅示出了第一實施例的投影儀設備的一個主要部分。在圖5中，投影儀設備包括 處于外殼1中的投影光學系統7,該投影光學系統包括成像單元2、平行板3、折射光學系統4、 反射平面鏡5(-種反射鏡)和凹面鏡6(-種反射面）。折射光學系統4具有孔徑光闊8。
[0081] 可W使用光閥（例如DMD、透射液晶面板、W及反射液晶面板)作為成像單元2。當成 像單元2不具有自發光功能時，使用來自照明光學系統9的照射光來照射成像單元2，W形成 投影影像。照明光學系統9優選具有高效照亮成像單元2的功能。可W使用棒形積分器或蛹 眼積分器等作為照明光學系統9, W進一步勻化照度。可W使用超高壓水銀燈、氣氣燈、面素 燈和發光二極管化抓)等白光光源作為照明光源。另外，還可W使用單色光發光L抓和激光 二極管化D)等單色光源。第一實施例的投影儀設備是采用DMD作為成像單元2的一個例子。 布置在成像單元2附近的平行板3是成像單元2的保護鏡片(密封鏡片）。
[0082] 下列符號是在第一實施例W及在后文中所述的第二至第四實施例中使用的符號。
[0083] f:整個系統的焦距
[0084] NA:數值孔徑(孔徑效率）
[0085] ω:半視角(度）
[0086] R:曲率半徑(非球面的近軸曲率半徑）
[0087] D:間距 [008引 Nd:折光率 [00例 Vd:阿貝數
[0090] K:非球面的錐形常數
[0091] Ai:i階非球面常數
[0092] Cj:自由曲面系數
[0093] 使用近軸曲率半徑(近軸曲率)的倒數(C)、從光軸算起的高度化）、錐形常數化）、 各階非球面系數，并假定非球面量X處于光軸方向，則非球面形狀可定義為W下表達式（1)。 非球面形狀通過提供近軸曲率半徑、錐形常數和非球面系數來指定。
[0094] (1)
[00%]使用近軸曲率半徑(近軸曲率)的倒數(C)、從光軸算起的高度化）、錐形常數化）、 W及上述的自由曲面系數，并假定自由曲面量X處于光軸方向，則自由曲面形狀可定義為W 下表達式(2)。自由曲面通過提供近軸曲率半徑、錐形常數和自由曲面系數來指定。在包含 連接孔徑光闊8的中屯、和投影影像的中屯、的光束的面上，把垂直于的光軸的方向作為Y方 向。
[0096]
( 2 )
[0097] 在上述表達式(2)中，"j"滿足W下表達式(3)的條件。
[009引
（？）
[0099] 圖5中的實線所示的路徑是分別與折射光學系統4的不同聚焦對應的路徑。如圖5 所示，在包含通過影像中屯、、光闊中屯、和屏幕中屯、的光束的面上，假定光軸方向對應Z軸，并 且垂直于的光軸的方向對應Y軸。在包含通過影像中屯、、光闊中屯、和屏幕中屯、的光束的面 上，假定從+Z方向朝巧方向旋轉是旋轉+α。
[0100] 由成像單元2(例如DMD)基于影像信息進行二維強度調制的光通量成為作為物光 的投影光通量。來自于成像單元2的投影光通量在通過包括至少一個非球面透鏡、反射平面 鏡5和凹面鏡6的折射光學系統4后成為成像光通量。即，在成像單元2上形成的影像被投影 光學系統7放大并投影在屏幕上，作為投影影像。
[0101] 在此，圖6是光軸與成像單元2之間的位置關系的示意圖。圖7是說明在設計投影光 學系統時使用的條件表達式中的每個條件的示意圖。成像單元2形成影像的表面是成像表 面。折射光學系統4的光學元件共享光軸，成像單元2相對于光軸布置在偏離Υ方向的位置， 如圖6所示。當Β0是包含成像單元2的成像表面的平面與光軸的交點時，符號"Β"代表折射光 學系統4的交點Β0的共輛點。包含共輛點Β并垂直于光軸的表面是近軸像平面。如圖7所示， 符號"護代表光軸與近軸像平面的交點Β和近軸像平面與通過光闊中屯、的光束下稱為主 光束)的交點之間的最大距離。通過把光軸與成像單元2的端部之間的距離最大處的點（圖6 中的符號"L0")乘W折射光學系統4的近軸放大率所獲得的結果是最大近軸像高度Did。
[0102] 在第一實施例中，折射光學系統4和一個凹面鏡6組成投影光學系統7。可W增加投 影光學系統7的鏡子數目，W便為反射平面鏡5提供光功率。
[0103] 通過折射光學系統4的光形成中間影像，該中間影像是與成像單元2在成像單元2 的近側形成的影像信息相對于反射平面鏡5共輛的空間影像。該中間影像不一定必須形成 為平面影像。折射光學系統4具有至少一個非球面透鏡。非球面透鏡的過度校正會形成具有 桶形崎變的中間影像。在第一實施例W及后文所述的另一個實施例中，中間影像形成為曲 面影像。中間影像被布置在放大率最大側的自由曲面凹面鏡6放大并投影在屏幕上。雖然中 間影像有像面曲率(桶形崎變），但是像面曲率和桶形崎變被自由曲面凹面鏡6同時校正。因 此，能夠獲得高質量投影影像。而且，通過在中間影像上形成桶形崎變，可W減小中間影像 的尺寸。因此，可W減小凹面鏡6的必要鏡子尺寸，從而使投影儀設備小型化。中間影像上的 像面曲率和桶形崎變被自由曲面凹面鏡6校正。因此，能夠提高設計折射光學系統4和投影 光學系統的自由度，運對投影儀設備的小型化有顯著作用。例如，通過折射光學系統平衡像 面曲率和桶形崎變能夠降低自由曲面凹面鏡6的載荷，從而進一步減小投影儀設備的尺寸。
[0104] 圖8、圖9和圖10分別是長距離(80英寸）、中距離(60英寸）和短距離(48英寸)情況 下主光束與近軸像平面的繪圖交點的示意圖。在圖8、圖9和圖10中，黑點指示從多個視角觀 察的主光束與近軸像平面的交點的坐標，虛線指示近軸像。如圖8、圖9和圖10所示，在每種 屏幕尺寸中都發生了桶形崎變。即，運表明中間影像的尺寸被壓縮和減小。中間影像尺寸的 減小可減小自由曲面凹面鏡6的尺寸。因此，能夠減小投影儀設備的尺寸并降低投影儀設備 的成本。
[0105] 在第一實施例中，在從長距離側至短距離側的聚焦方向，折射光學系統4的一組正 透鏡（=圖11中的第一組透鏡15)、反射平面鏡5、W及自由曲面凹面鏡6相對于成像單元2的 成像表面固定，而折射光學系統4的一組正透鏡（=圖11中的第二組透鏡16)和折射光學系 統4的一組負透鏡（=圖11中的第Ξ組透鏡17)朝成像單元2移動。光學系統4的一組正透鏡 (圖11中的第四組透鏡18)朝放大側移動。即，在從長距離側至短距離側聚焦時，執行稱為浮 動焦點的過程。因此，第一實施例的投影儀設備能夠嚴格控制像面曲率和崎變像差。在第一 實施例的投影儀設備中，在按上述方式移動的透鏡中使用非球面透鏡，非球面透鏡的過度 校正導致在中間影像上產生桶形崎變，因而中間影像的尺寸減小。
[0106] 圖11是折射光學系統4的透鏡構造的示意圖。如圖11所示，從成像單元2至放大側， 折射光學系統4依次包括具有正折射能力的第一組透鏡15和具有負折射能力的第二組透鏡 16。折射光學系統4還包括具有負折射能力及一個非球面透鏡的第Ξ組透鏡17、W及具有正 折射能力及兩個非球面透鏡的第四組透鏡18。而且，折射光學系統4包括反射平面鏡5、W及 布置在放大率最大側的自由曲面凹面鏡6。在隨著投影距離的變化從長距離側至短距離側 聚焦時，折射光學系統4使正的第二組透鏡16和負的第Ξ組透鏡17朝成像單元2移動，并使 負的第四組透鏡18朝放大側移動。
[0107] 從成像單元2算起，第一組透鏡15依次包括:較凸的面朝向成像單元2的雙面非球 面雙凸透鏡21、W及凸面朝向成像單元2的負彎月透鏡22。而且，第一組透鏡15包括:較凸的 面朝向放大側的雙凸透鏡23、由凸面朝向放大側的負彎月透鏡構成的膠合透鏡24、W及較 凸的面朝向放大側的雙凸透鏡25。而且，第一組透鏡15包括:較凹的面朝向放大側的雙凹面 透鏡26、凸面朝向放大側的正彎月透鏡27、由凸面朝向屏幕側的負彎月透鏡構成的膠合透 鏡28、W及較凸面朝向放大側的雙凸透鏡29。
[0108] 第二組透鏡16包括凸面朝向成像單元2的正彎月透鏡30。第Ξ組透鏡17包括：凸面 朝向放大側的負彎月透鏡31、W及較凹的面朝向成像單元2的雙面非球面雙凹面透鏡32。第 四組透鏡18包括:較凹的面朝向成像單元2的雙面非球面雙凹面透鏡33、W及較凸的面朝向 放大側的雙面非球面雙凸透鏡34。
[0109] 下列的表1至5示出了第一實施例的投影儀設備中提供的折射光學系統4的數據。 表1中的"i"代表從成像單元2算起的第i個表面（棱鏡表面、透鏡表面、光闊表面、反射表 面）。
[0110] 數值孔徑
[0111] 表1
[0112] 數值孔徑:0.195
[0113]
[0114]
[0115] 聚焦
[0116] 表2
[0117]
[0119] 非球面系數
[0120] 表3
[0121]
[0123] 自由曲面系數
[0124] 表4
[0125]
[0126]
[0127] DMD 尺寸
[012引 點尺寸：10.祉m
[0129] 橫向長度：13.824mm
[0130] 豎向長度:8.64mm
[0131] 從光軸至裝置中屯、的距離:5.63mm
[0132] 下表5示出了在最靠近反射表面的透鏡產生的投影影像最大的聚焦狀態中從頂點 算起反射平面鏡5和自由曲面凹面鏡6的位置坐標。旋轉的角度在曲面法線和光軸之間。
[0133] 表5
[0134]
[0135] 圖12示出了長投影距離(80英寸）屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550納米）。圖 13示出了中投影距離(60英寸)屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550納米）。圖14示出了短 投影距離(48英寸)屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550納米）。根據圖12至圖14,在第一 實施例的投影儀設備中提供的折射光學系統4在每個放大倍率和每個投影距離時能夠投影 出崎變較小的投影影像。圖15至圖17示出了光斑圖。在圖15至圖17的光斑圖中，示出了625 納米波長（紅光）、550納米波長（綠光）和425納米波長（藍光）在屏幕表面上的成像特征 (mm)。成像單元2上的每個光斑的視場位置由坐標(X，y)給出。
[0136] 圖18是第一實施例的投影儀設備的框圖。第一實施例的投影儀布置為使外殼1的 正面(前面)la朝向屏幕(投影表面)42。投影儀設備通過普通電纜(例如專用電纜)和通用串 行總線化SB)電纜連接至外部信息處理設備(例如個人電腦(PC)設備），W便彼此通訊。投影 儀設備還可按照已知的無線通訊協議通過無線通訊連接至PC設備，W便彼此通訊。投影儀 設備具有上述的投影光學系統7、控制裝置44、存儲裝置45和通訊裝置46。投影儀設備由處 于外殼1中的圖象處理單元、供電單元和冷卻風扇(未示出）等W及上述的投影光學系統7構 成。
[0137] 投影光學系統7在控制裝置44的控制下把投影影像投影在屏幕42上。通過投影光 學系統7投影在屏幕42上的投影影像可W是從PC設備43向投影儀設備傳送的影像。即，在運 種情況下，顯示在PC設備43的顯示器上的圖像被投影光學系統7作為投影影像投影在屏幕 42上。
[0138] 上述內容可總結如下。在第一實施例的投影儀設備中，"Did"是在投影影像最大的 聚焦狀態中中間影像的最大近軸像高度。在投影儀設備中，"護是光軸和近軸像表面與通過 折射光學系統4的光闊中屯、的光束的交點之間的距離。在投影儀設備中，"F"是在投影影像 最大的聚焦狀態中折射光學系統4的焦距。在投影儀設備中，投影光學系統7設計為滿足 %. 6<D/Di d<0.8 (條件表達式1Γ且"2.5<Di d/F巧(條件表達式2 Γ的條件表達式。條件表達 式1和條件表達式2是分別定義中間影像的適當崎變量范圍和中間影像的尺寸的表達式。更 優選的是，投影光學系統7設計為滿足"0.65<D/Did<0.80(條件表達式3Γ且"3<Did/F<4.5 (條件表達式4Γ。
[0139] 為了通過鏡子減小投影光學系統的尺寸，減小折射光學系統和凹面鏡之間的距離 很重要(參見圖1)。因此，可W考慮縮短折射光學系統和凹面鏡之間的距離，或者減小凹面 鏡本身的尺寸。通常，使用折射光學系統形成中間影像的投影光學系統的一個限制是只能 在中間凹面鏡之前形成中間影像。因此，為了減小總長度，需要縮短成像單元和影像的共輛 長度。共輛長度可通過縮短折射光學系統的焦距來減小。但是，在縮短焦距時，凹面鏡的出 射角變寬，并且凹面鏡的尺寸增大，因而會導致投影儀設備尺寸增大的弊病。
[0140] 特別是，在投影光學系統中，考慮到與照明系統的平衡，通常采用焦點后移型透 鏡，W保證后焦點。在運種情況中，中間影像發生枕形崎變，因而使凹面鏡的尺寸增大。當減 小對凹面鏡的出射角W減小凹面鏡的尺寸時，除非適當控制中間影像的崎變像差，否則折 射光學系統的焦距會變小。此時，成像單元和中間影像的共輛長度變長，因而使投影儀設備 的尺寸增大。即，為了在減少凹面鏡尺寸的同時縮短系統的總長度，需要控制適當的中間影 像崎變像差W及中間影像本身的尺寸。
[0141] 當折射光學系統的焦距和中間影像的崎變量之間達到最優關系時，能在減小成像 單元和中間影像的同時減小凹面鏡的尺寸。當中間影像的崎變量超過表達式1的上限時，凹 面鏡的尺寸會增大，因而導致投影儀設備的尺寸增大。當中間影像的崎變量小于表達式1的 下限時，鏡子上的負載會增加，運導致對制造誤差的敏感性提高，并且屏幕上的崎變校正不 足。當中間影像的尺寸超過表達式2的上限時，中間影像變大，凹面鏡上的負載減小，運不利 于降低對制造誤差的敏感性。但是，凹面鏡的尺寸增大，因此，投影儀設備的尺寸增大。當中 間影像的尺寸小于表達式2的下限時，中間影像變小，因而凹面鏡的尺寸減小，運有利于減 小投影儀設備的尺寸。但是，凹面鏡上載荷會增大，在此情況下，導致對制造誤差的更敏感。
[0142] 由于運些原因，在第一實施例的投影儀設備中，投影光學系統7設計為滿足條件表 達式1和條件表達式2。通過運種方式，能夠壓縮中間影像并減小其尺寸，從而減小凹面鏡6 的尺寸。凹面鏡6的尺寸的減小有助于投影儀設備的小型化。
[0143] 在第一實施例的投影儀設備中，對于投影影像最大時的折射光學系統4的近軸橫 向放大率β，投影儀設備設計為滿足"5<β<8(條件表達式5Γ的條件表達式。更優選的是，投 影儀設備設計為滿足"6<β<7 (條件表達式6 Γ的條件表達式。條件表達式5和6是定義中間影 像的適當高度范圍的表達式。若在投影影像最大時折射光學系統4的近軸橫向放大率如勺值 超過條件表達式5(或條件表達式6)的上限，則能夠降低凹面鏡的載荷，從而降低對制造誤 差的敏感性。但是，凹面鏡的鏡子尺寸會增大，因而導致投影儀設備的尺寸增大。若在投影 影像最大時折射光學系統4的近軸橫向放大率β的值小于條件表達式5(或條件表達式6)的 下限，則有利于減小投影儀設備的尺寸。但是，需要增大凹面鏡上的載荷W獲得具有所需尺 寸的投影影像，因而會導致對制造誤差更敏感。
[0144] 因此，在第一實施例的投影儀設備中，投影光學系統7設計為使投影影像最大時折 射光學系統4的近軸橫向放大率β的值是由條件表達式5(或條件表達式6)定義的值。通過運 種方式，能夠設置適當的中間影像高度并減小凹面鏡6的尺寸，從而減小投影儀設備的尺 寸。
[0145] 在第一實施例的投影儀設備中，對于光軸和成像單元2端部之間的距離最大值Υ， 投影儀設備設計為滿足"0.4<Y/F<0.7 (條件表達式7 Γ的條件表達式。更優選的是，投影儀 設備設計為滿足"〇.45<Y/F<0.65(條件表達式8Γ的條件表達式。條件表達式7和8是指示折 射光學系統4的適當焦距范圍的表達式。當折射光學系統4的焦距小于條件表達式7(或條件 表達式8)的下限時，凹面鏡6的光束入射角變小，運不利于減小凹面鏡6的尺寸。但是，共輛 長度變成長，而運更不可取，因為需要加大外殼1的總長度方向上的尺寸。當折射光學系統4 的焦距超過條件表達式7(或條件表達式8)的上限時，可W減小共輛長度，并且無需增大外 殼1的總長度方向的尺寸。但是，在運種情況中，凹面鏡6的光束入射角變寬，運會增大凹面 鏡6的尺寸，因而導致投影儀設備的尺寸增大。
[0146] 由于運些原因，在第一實施例的投影儀設備中，投影光學系統7設計為使折射光學 系統4的焦距為由條件表達式7(或條件表達式8)定義的值。通過運種方式，能夠設置折射光 學系統4的適當焦距，從而減小投影儀設備的尺寸。
[0147] 在第一實施例的投影儀設備中，在聚焦狀態中，孔徑光闊8相對于成像單元2是固 定的。運能通過聚焦減少中間影像的崎變量變化，從而減少屏幕上的放大影像的崎變變化。
[0148] 在第一實施例的投影儀設備中，投影儀設備設計為使作為反射表面的一個例子的 凹面鏡6布置在放大率最大側。投影光學系統7構造為通過凹面鏡6放大并投影由折射光學 系統4形成的中間影像。運種構造能夠減小凹面鏡6的尺寸，從而減小投影儀設備的尺寸。
[0149] 在第一實施例的投影儀設備中，凹面鏡6具有自由曲面形狀。因此，在中間影像上 發生的桶形崎變能夠被凹面鏡6的自由曲面充分校正。因而能獲得沒有崎變的高質量投影 影像。
[0150] 在第一實施例的投影儀設備中，在構成折射光學系統4的多個透鏡中，至少一個透 鏡是非球面透鏡。在使用常規投影光學系統時，中間影像常常具有枕形崎變。但是，借助于 非球面透鏡，非球面透鏡的過度校正會使中間影像發生桶形崎變。因此，可W減小中間影像 的尺寸，而中間影像的尺寸的減小有利于減小投影儀設備的尺寸。
[0151] 在第一實施例的投影儀設備中，作為反射表面的一個例子，在折射光學系統4和凹 面鏡6之間提供有反射鏡5。因此，能夠減小折射光學系統4和凹面鏡6之間的距離。
[0152] 僅提供反射平面鏡5難W減少折射光學系統4和凹面鏡6之間的距離。因此，在第一 實施例的投影儀設備中，在提供反射平面鏡5的同時，還滿足上述的條件表達式1~8中定義 的條件。如參照圖1~3提供的說明所示，為了減小在折射光學系統和凹面鏡之間具有反射 平面鏡的投影光學系統的尺寸，需要減小反射鏡端部和凹面鏡端部之間的距離。但是，當僅 通過減小共輛長度來縮短折射光學系統的焦距時，從折射光學系統至凹面鏡的出射角變 寬，因而反射鏡的尺寸需要增大。而且，不能避免折射光學系統和光束之間發生沖突，因此， 必須增大投影儀設備(外殼1)在總長度方向上的尺寸。
[0153] 但是，當投影儀設備設計為包含反射平面鏡5并滿足條件表達式1~8定義的條件 時，能夠減少共輛長度（即，相當于反射平面鏡5和凹面鏡6之間的距離），并減小從折射光學 系統4的透鏡至反射平面鏡5的光束出射角。因此能夠在減小折射光學系統4和凹面鏡6之間 的距離的同時防止折射光學系統4和光束發生沖突，從而減小投影儀設備的尺寸。
[0154] 通過運種方式，根據第一實施例的投影儀設備，能夠提供具有超短投影距離的小 尺寸、高性能投影儀設備。
[0155] 第二實施例
[0156] 下面將說明第二實施例的投影儀設備。第二實施例的投影儀設備與第一實施例的 投影儀設備的不同之處僅在于折射光學系統的構造。因此，在用于說明第二實施例的投影 儀設備的附圖中，所示出的與上述第一實施例的投影儀設備中的相同的操作或功能的部分 將用與第一實施例的投影儀設備中的相同的符號來表示，并省略其詳細說明。下文中對第 二實施例的說明將主要集中于與第一實施例的不同的折射光學系統。
[0157] 圖19是第二實施例的投影儀設備的截面圖。圖19中的實線所示的路徑是聚焦移動 路徑。圖20示出了第二實施例的投影儀設備的投影光學系統50中提供的折射光學系統51。 在圖19和20中，由成像單元2(例如DMD)基于影像信息進行二維強度調制的光通量變成作為 物光的投影光通量。來自于成像單元2的投影光通量在通過包括至少一個非球面透鏡、反射 平面鏡5和凹面鏡6的折射光學系統51后成為成像光通量。即，在成像單元2(例如DMD)上形 成的影像被投影光學系統50放大并投影在屏幕上，作為投影影像。可W增加鏡子的數量，W 便為反射平面鏡5提供光功率。
[0158] 通過折射光學系統51的光形成中間影像，該中間影像是與成像單元2在成像單元2 的近側形成的影像信息相對于凹面鏡6共輛的空間影像。該中間影像不一定必須形成為平 面影像。在第二實施例W及后文所述的第Ξ和第四實施例中，中間影像形成為曲面影像。中 間影像被布置在放大率最大側的自由曲面凹面鏡6放大并投影在屏幕上。在中間影像上發 生的像面曲率和崎變被凹面鏡6的自由曲面校正。凹面鏡6的自由曲面對中間影像上發生的 像面曲率和崎變進行校正。因此能夠提高設計折射光學系統51和投影光學系統50的自由 度，運對投影儀設備的小型化有顯著作用。
[0159] 圖21、圖22和圖23分別是長距離(80英寸）、中距離(60英寸）和短距離(48英寸)情 況下主光束與近軸像平面的繪圖交點的示意圖。在圖21~23中，黑點指示從多個視角觀察 的主光束與近軸像平面的交點的坐標，虛線指示近軸像。如圖21~23所示，在每種屏幕尺寸 中都發生了桶形崎變。運表明中間影像的尺寸被壓縮和減小。在第二實施例的投影儀設備 中，可W通過運種方式減小中間影像的尺寸。因此，可W減小自由曲面凹面鏡6的尺寸，而運 能夠減小投影儀設備的尺寸，并降低投影儀設備的成本。
[0160] 在第二實施例的投影儀設備中，在從長距離側至短距離側聚焦時，圖20所示的折 射光學系統51的第一組透鏡55、反射平面鏡5和自由曲面凹面鏡6相對于成像表面是固定 的。第二組透鏡56和第Ξ組透鏡57朝成像單元2移動。第四組透鏡58朝放大側移動。即，在第 二實施例的投影儀設備中，在從長距離側至短距離側聚焦時，執行稱為浮動焦點的過程。因 此，第二實施例的投影儀設備能夠嚴格控制像面曲率和崎變像差。在第二實施例的投影儀 設備中，在按上述方式移動的透鏡中使用非球面透鏡，非球面透鏡的過度校正導致在中間 影像上產生桶形崎變。投影儀設備的完整構造和操作已在上文中參照圖18進行了說明。
[0161] 按從成像單元2至放大側的順序，折射光學系統51依次包括具有正折射能力的第 一組透鏡55W及具有負折射能力的第二組透鏡56,如圖20所示。折射光學系統51還包括具 有負折射能力及一個非球面透鏡的第Ξ組透鏡57W及具有正折射能力及兩個非球面透鏡 的第四組透鏡58。投影光學系統50由上述的折射光學系統51、圖19所示的反射平面鏡5、W 及布置在放大率最大側的自由曲面凹面鏡6構成。在隨著投影距離的變化從長距離側至短 距離側聚焦時，第二組透鏡56和第Ξ組透鏡57朝成像單元2移動，第四組透鏡58朝放大側移 動。
[0162] 從成像單元2算起，圖20所示的第一組透鏡55依次包括:較凸的面朝向成像單元2 的雙面非球面雙凸透鏡61、W及凸面朝向成像單元2的負彎月透鏡62。而且，第一組透鏡55 包括:較凸的面朝向放大率側的雙凸透鏡63、由凸面朝向放大側的負彎月透鏡構成的膠合 透鏡64、W及較凸的面朝向放大側的雙凸透鏡65。而且，第一組透鏡55包括:較凹的面朝向 放大側的雙凹面透鏡66、凸面朝向放大側的正彎月透鏡67、由凸面朝向放大側的負彎月透 鏡構成的膠合透鏡68、W及較凸面朝向放大側的雙凸透鏡69。
[0163] 第二組透鏡56包括凸面朝向成像單元2的正彎月透鏡70。第Ξ組透鏡57包括：凸面 朝向放大側的負彎月透鏡71、W及較凹的面朝向成像單元2的雙面非球面雙凹面透鏡72。第 四組透鏡58包括：凸面朝向放大側的雙面非球面負彎月透鏡73、W及較凸的面朝向放大側 的雙面非球面雙凸透鏡74。
[0164] 下列的表6至10示出了第二實施例的投影儀設備中提供的折射光學系統51的數 據。表6中的"Γ代表從成像單元2算起的第i個表面(棱鏡表面、透鏡表面、光闊表面、反射表 面）。
[01化]數值孔徑:0.195
[0166] 表6
[0167] 數值孔徑:0.195 [016 引
[0169]
[0170] 聚焦
[0171]表7 「01721
[0173] 非球面系數
[0174] 表8
[0175]
[0176]
[0177] 自由曲面系數
[017引 表9
[0179]
[0180]
[0181] DMD 尺寸
[0182] 點尺寸:10.祉m
[0183] 橫向長度：13.824mm
[0184] 豎向長度:8.64mm
[01化]從光軸至裝置中屯、的距離:5.63mm
[0186] 下表10示出了在最靠近反射表面的透鏡產生的投影影像最大的聚焦狀態中從頂 點算起反射平面鏡5和自由曲面凹面鏡6的位置坐標。旋轉的角度在曲面法線和光軸之間。
[0187] 表10 [018 引
[0189]圖24示出了長投影距離(80英寸）屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550納米）。圖 25示出了中投影距離(60英寸）屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550納米）。圖26示出了短 投影距離(48英寸)屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550納米）。根據圖24至圖26,在第二 實施例的投影儀設備中提供的折射光學系統51在每個放大倍率和每個投影距離時能夠投 影出崎變較小的投影影像。圖27至圖29示出了光斑圖。在圖27至圖29的光斑圖中，示出了 625納米波長(紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光)在屏幕表面上的成像特征 (mm)。成像單元2上的每個光斑的視場位置由坐標(X，y)給出。
[0190] 從上述說明可W能夠清晰看到，在第二實施例的投影儀設備中，在折射光學系統 51中提供的非球面透鏡導致中間影像發生桶形崎變，從而壓縮中間影像并減小其尺寸。通 過運種方式，能夠減小凹面鏡6的尺寸，凹面鏡6的尺寸的減小有助于投影儀設備的小型化。 在中間影像上發生的桶形崎變被自由曲面凹面鏡6校正，校正后的中間影像被投影在屏幕 上。因此，能夠獲得高質量投影影像，并實現與上述第一實施例相同的效果。
[0191] 第=實施例
[0192] 下面將說明第Ξ實施例的投影儀設備。第Ξ實施例的投影儀設備與上述實施例的 投影儀設備的不同之處僅在于折射光學系統的構造。因此，在用于說明第Ξ實施例的投影 儀設備的附圖中，所示出的與上述第一實施例的投影儀設備中的相同的操作或功能的部分 將用與第一實施例的投影儀設備中的相同的符號來表示，并省略其詳細說明。下文中對第 Ξ實施例的說明將主要集中于與上述實施例的不同的折射光學系統。
[0193] 圖30是第Ξ實施例的投影儀設備的截面圖。圖30中的實線所示的是聚焦移動路 徑。圖31示出了第Ξ實施例的投影儀設備的投影光學系統80中提供的折射光學系統81的透 鏡構造。在圖30和31中，由成像單元2(例如DMD)基于影像信息進行二維強度調制的光通量 變成作為物光的投影光通量。來自于成像單元2的投影光通量在通過包括至少一個非球面 透鏡、反射平面鏡5和凹面鏡6的折射光學系統81后成為成像光通量。即，在成像單元2(例如 DMD)上形成的影像被投影光學系統80放大并投影在屏幕上，作為投影影像。可W增加鏡子 的數量，W便為反射平面鏡5提供光功率。
[0194] 通過折射光學系統81的光形成中間影像，該中間影像是與成像單元2在成像單元2 的近側形成的影像信息相對于凹面鏡6共輛的空間影像。該中間影像不一定必須形成為平 面影像。在第Ξ實施例W及后文所述的第四實施例中，中間影像形成為曲面影像。中間影像 被布置在放大率最大側的自由曲面凹面鏡6放大并投影在屏幕上。在中間影像上發生像面 曲率和崎變。但是，發生在中間影像上的像面曲率和崎變被凹面鏡6的自由曲面校正，校正 后的中間影像被投影在屏幕上。凹面鏡6的自由曲面對發生在中間影像上的像面曲率和崎 變進行校正。因此能夠提高設計折射光學系統81和投影光學系統80的自由度，運對投影儀 設備的小型化有顯著作用。
[01M]圖32、圖33和圖34分別是長距離(80英寸）、中距離(60英寸）和短距離(48英寸)情 況下主光束與近軸像平面的繪圖交點的示意圖。在圖32~34中，黑點指示從多個視角觀察 的主光束與近軸像平面的交點的坐標，虛線指示近軸像。如圖32~34所示，在每種屏幕尺寸 中都發生了桶形崎變。運表明中間影像的尺寸被壓縮和減小。在第Ξ實施例的投影儀設備 中，可W通過運種方式減小中間影像的尺寸。因此，可W減小自由曲面凹面鏡6的尺寸，而運 能夠減小投影儀設備的尺寸，并降低投影儀設備的成本。
[0196]在第Ξ實施例的投影儀設備中，在從長距離側至短距離側聚焦時，圖31所示的折 射光學系統81的第一組透鏡85、反射平面鏡5和自由曲面凹面鏡6相對于成像表面是固定 的。第二組透鏡86和第Ξ組透鏡87朝成像單元2移動。第四組透鏡88朝放大側移動。即，在第 Ξ實施例的投影儀設備中，在從長距離側至短距離側聚焦時，執行稱為浮動焦點的過程。因 此，第Ξ實施例的投影儀設備能夠嚴格控制像面曲率和崎變像差。在第Ξ實施例的投影儀 設備中，在按上述方式移動的透鏡中使用非球面透鏡，非球面透鏡的過度校正導致在中間 影像上產生桶形崎變。投影儀設備的完整構造和操作已在上文中參照圖18進行了說明。
[0197] 按從成像單元2至放大側的順序，折射光學系統81依次包括具有正折射能力的第 一組透鏡85W及具有負折射能力的第二組透鏡86,如圖31所示。折射光學系統81還包括具 有負折射能力及一個非球面透鏡的第Ξ組透鏡87W及具有正折射能力及兩個非球面透鏡 的第四組透鏡88。投影光學系統80包括上述的折射光學系統81、反射平面鏡5、W及布置在 放大率最大側的自由曲面凹面鏡6。在隨著投影距離的變化從長距離側至短距離側聚焦時， 折射光學系統81使正的第二組透鏡86和負的第Ξ組透鏡87朝成像單元2移動，并使負的第 四組透鏡88朝放大側移動。
[0198] 從成像單元2算起，第一組透鏡85依次包括:較凸的面朝向成像單元2的雙面非球 面雙凸透鏡91、W及凸面朝向成像單元2的負彎月透鏡92。而且，第一組透鏡85包括：凸面面 朝成像單元2的負彎月透鏡93、由較凸的面朝向成像單元2的雙凸透鏡構成的膠合透鏡94、 W及較凸的面朝向放大側的雙面非球面雙凸透鏡95。而且，第一組透鏡85包括:較凹的面朝 向放大側的雙凹面透鏡96、凸面朝向放大側的正彎月透鏡97、由凸面朝向放大側的負彎月 透鏡構成的膠合透鏡98、W及較凸面朝向放大側的雙凸透鏡99。
[0199] 第二組透鏡86包括凸面朝向成像單元2的正彎月透鏡100。第Ξ組透鏡87包括：凸 面朝向放大側的負彎月透鏡101、W及較凹的面朝向成像單元2的雙面非球面雙凹面透鏡 102。第四組透鏡88包括:凸面朝向放大側的雙面非球面負彎月透鏡103、W及凸面朝向放大 側的雙面非球面正彎月透鏡104。
[0200] 下列的表11至15示出了第Ξ實施例的投影儀設備中提供的折射光學系統81的數 據。表11中的"Γ代表從成像單元2算起的第i個表面(棱鏡表面、透鏡表面、光闊表面、反射 表面）。
[0201] 數值孔徑:0.195
[0202] 表11
[0203] 數值孔徑:0.195
[0204]
[0205]
[0206] 聚焦 [0207]表12 [020引 L0209」非球面系數
[0^0]表 13
[0211]
[0212]
[0213] 自由曲面系數
[0214] 表 14
[0215]
[0216]
[0217] DMD 尺寸 惦1引 點尺寸：10.祉m
[0219] 橫向長度：13.824mm
[0220] 豎向長度:8.64mm
[0221] 從光軸至裝置中屯、的距離:5.62mm
[0222] 下表15示出了在最靠近反射表面的透鏡產生的投影影像最大的聚焦狀態中從頂 點算起反射平面鏡5和自由曲面凹面鏡6的位置坐標。旋轉的角度在曲面法線和光軸之間。
[0223] 表15 Γη994?
[0225] ~圖35示出了長投影距離(80英寸)屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550納米）。圖 36示出了中投影距離(60英寸)屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550納米）。圖37示出了短 投影距離(48英寸)屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550納米）。根據圖35至圖37,在第Ξ 實施例的投影儀設備中提供的折射光學系統81在每個放大倍率和每個投影距離時能夠投 影出崎變較小的投影影像。圖38至圖40示出了光斑圖。在圖38至圖40的光斑圖中，示出了 625納米波長(紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光)在屏幕表面上的成像特征 (mm)。成像單元2上的每個光斑的視場位置由坐標(x，y)給出。
[0226] 從上述說明可W能夠清晰看到，在第Ξ實施例的投影儀設備中，在折射光學系統 81中提供的非球面透鏡導致中間影像發生桶形崎變，從而壓縮中間影像并減小其尺寸。通 過運種方式，能夠減小凹面鏡6的尺寸，凹面鏡6的尺寸的減小有助于投影儀設備的小型化。 在中間影像上發生的桶形崎變被自由曲面凹面鏡6校正，校正后的中間影像被投影在屏幕 上。因此，能夠獲得高質量投影影像，并實現與上述實施例相同的效果。
[0227] 第四實施例
[0228] 下面將說明第四實施例的投影儀設備。第四實施例的投影儀設備與上述實施例的 投影儀設備的不同之處僅在于折射光學系統的構造。因此，在用于說明第四實施例的投影 儀設備的附圖中，所示出的與上述第一實施例的投影儀設備中的相同的操作或功能的部分 將用與第一實施例的投影儀設備中的相同的符號來表示，并省略其詳細說明。下文中對第 四實施例的說明將主要集中于與上述實施例的不同的折射光學系統。
[0229] 圖41是第四實施例的投影儀設備的截面圖。圖41中的實線所示的是聚焦移動路 徑。圖42示出了第四實施例的投影儀設備的投影光學系統110中提供的折射光學系統111的 透鏡構造。在圖41和42中，由成像單元2(例如DMD)基于影像信息進行二維強度調制的光通 量變成作為物光的投影光通量。來自于成像單元2的投影光通量在通過包括至少一個非球 面透鏡、反射平面鏡5和凹面鏡6的折射光學系統111后成為成像光通量。即，在成像單元2 (例如DMD)上形成的影像被投影光學系統110放大并投影在屏幕上，作為投影影像。可W增 加鏡子的數量，W便為反射平面鏡5提供光功率。
[0230] 通過折射光學系統111的光形成中間影像，該中間影像是與成像單元2在成像單元 2的近側形成的影像信息相對于凹面鏡6共輛的空間影像。該中間影像不一定必須形成為平 面影像。在第四實施例中，中間影像形成為曲面影像。中間影像被布置在放大率最大側的自 由曲面凹面鏡6放大并投影在屏幕上。在中間影像上發生像面曲率和崎變。但是，發生在中 間影像上的像面曲率和崎變被凹面鏡6的自由曲面校正，校正后的中間影像被投影在屏幕 上。凹面鏡6的自由曲面對發生在中間影像上的像面曲率和崎變進行校正。因此能夠提高設 計折射光學系統111和投影光學系統110的自由度，運例如對投影儀設備的小型化有顯著作 用。
[0231] 圖43、圖44和圖45分別是長距離(80英寸）、中距離(60英寸）和短距離(48英寸)情 況下主光束與近軸像平面的繪圖交點的示意圖。在圖43~45中，黑點指示從多個視角觀察 的主光束與近軸像平面的交點的坐標，虛線指示近軸像。如圖43~45所示，在每種屏幕尺寸 中都發生了桶形崎變。運表明中間影像的尺寸被壓縮和減小。在第四實施例的投影儀設備 中，可W通過運種方式減小中間影像的尺寸。因此，可W減小自由曲面凹面鏡6的尺寸，而運 能夠減小投影儀設備的尺寸，并降低投影儀設備的成本。
[0232] 在第四實施例的投影儀設備中，在從長距離側至短距離側聚焦時，圖42所示的折 射光學系統111的第一組透鏡115、反射平面鏡5和自由曲面凹面鏡6相對于成像表面是固定 的。第二組透鏡116和第Ξ組透鏡117朝成像單元2移動，第四組透鏡118朝放大側移動。即， 在第四實施例的投影儀設備中，在從長距離側至短距離側聚焦時，執行稱為浮動焦點的過 程。因此，第四實施例的投影儀設備能夠嚴格控制像面曲率和崎變像差。在第四實施例的投 影儀設備中，在按上述方式移動的透鏡中使用非球面透鏡，非球面透鏡的過度校正導致在 中間影像上產生桶形崎變。投影儀設備的完整構造和操作已在上文中參照圖18進行了說 明。
[0233] 按從成像單元2至放大側的順序，折射光學系統111依次包括具有正折射能力的第 一組透鏡115W及具有負折射能力的第二組透鏡116,如圖42所示。折射光學系統111還包括 具有負折射能力及一個非球面透鏡的第Ξ組透鏡117W及具有正折射能力及兩個非球面透 鏡的第四組透鏡118。投影光學系統110包括上述的折射光學系統111、反射平面鏡5、W及布 置在放大率最大側的自由曲面凹面鏡6。在隨著投影距離的變化從長距離側至短距離側聚 焦時，折射光學系統111使正的第二組透鏡116和負的第Ξ組透鏡117朝成像單元2移動，并 使負的第四組透鏡118朝放大側移動。
[0234] 從成像單元2算起，第一組透鏡115依次包括:較凸的面朝向成像單元2的雙面非球 面雙凸透鏡121、W及凸面朝向成像單元2的負彎月透鏡122。而且，第一組透鏡115包括：凸 面面朝成像單元2的負彎月透鏡123、W及由較凸的面朝向成像單元2的雙凸透鏡構成的膠 合透鏡124。而且，第一組透鏡115包括較凸的面朝向放大側的雙面非球面雙凸透鏡125、較 凹的面朝向放大側的雙凹面透鏡126、W及凸面朝向放大側的正彎月透鏡127。第一組透鏡 115包括：由凸面朝向放大側的負彎月透鏡構成的膠合透鏡128、W及較凸的面朝向放大側 的雙凸透鏡129。
[0235] 第二組透鏡116包括凸面朝向成像單元2的正彎月透鏡130。第Ξ組透鏡117包括： 凸面朝向放大側的負彎月透鏡131、W及較凹的面朝向成像單元2的雙面非球面雙凹面透鏡 132。第四組透鏡118包括：凸面朝向放大側的雙面非球面負彎月透鏡133、W及凸面朝向放 大側的雙面非球面正彎月透鏡134。
[0236] 下列的表16至20示出了第四實施例的投影儀設備中提供的折射光學系統111的數 據。表16中的"Γ代表從成像單元2算起的第i個表面(棱鏡表面、透鏡表面、光闊表面、反射 表面）。
[0237] 數值孔徑:0.195 [023引 表16
[0239] 數值孔徑:0.195
[0240]
[0241]
[0242] 聚焦
[0243] 表17
[0244]
[0245] 非球面系數
[0246] 表18
[0247]
[024引
[0249]自由曲面系數 [0巧0] 表19
[0251]
[ο 巧 2]
[0巧3] DMD尺寸 [Ο巧4] 點尺寸：10.祉m [0巧5] 橫向長度：13.824mm [0巧6] 豎向長度:8.64mm
[0257] 從光軸至裝置中屯、的距離:5.64mm
[0258] 下表20示出了在最靠近反射表面的透鏡產生的投影影像最大的聚焦狀態中從頂 點算起反射平面鏡5和自由曲面凹面鏡6的位置坐標。旋轉的角度在曲面法線和光軸之間。
[0巧9] 表20
[0260]
[0261]圖46示出了長投影距離(80英寸）屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550納米）。圖 47示出了中投影距離(60英寸）屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550納米）。圖48示出了短 投影距離(48英寸）屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550納米）。根據圖46至圖48,在第四 實施例的投影儀設備中提供的折射光學系統111在每個放大倍率和每個投影距離時能夠投 影出崎變較小的投影影像。圖49至圖51示出了光斑圖。在圖49至圖51的光斑圖中，示出了 625納米波長(紅光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光)在屏幕表面上的成像特征 (mm)。成像單元2上的每個光斑的視場位置由坐標(x，y)給出。從上述說明可W能夠清晰看 到，在第四實施例的投影儀設備中，在折射光學系統111中提供的非球面透鏡導致中間影像 發生桶形崎變，從而壓縮中間影像并減小其尺寸。通過運種方式，能夠減小凹面鏡6的尺寸， 凹面鏡6的尺寸的減小有助于投影儀設備的小型化。在中間影像上發生的桶形崎變被自由 曲面凹面鏡6校正，校正后的中間影像被投影在屏幕上。因此，能夠獲得高質量投影影像，并 實現與上述實施例相同的效果。
[0262] 第五實施例
[0263] 下面將說明第五實施例的投影儀設備。第五實施例的投影儀設備與上述實施例的 投影儀設備的不同之處僅在于折射光學系統的構造。因此，在用于說明第五實施例的投影 儀設備的附圖中，所示出的與上述第一實施例的投影儀設備中的相同的操作或功能的部分 將用與第一實施例的投影儀設備中的相同的符號來表示，并省略其詳細說明。下文中對第 五實施例的說明將主要集中于與上述實施例的不同的折射光學系統。
[0264] 圖52示出了第五實施例的投影儀設備的橫截面。圖53示出了第五實施例的投影儀 設備的投影光學系統140中提供的折射光學系統141的鏡頭構造。在圖52中，鏡頭組聚焦移 動路徑W實線示出。第五實施例的投影儀設備包括投影光學系統140,其構造滿足"2.5< Did/F<6(條件表達式9)"和"0.4<Y/F<0.75(條件表達式10)"。因此，能夠使用較大且分辨率 較高的DMD等元件作為成像單元2。
[0265] 在圖52和53中，由成像單元2(例如DMD)基于影像信息進行二維強度調制的光通量 變成作為物光的投影光通量。來自于成像單元2的投影光通量在通過包括至少一個非球面 透鏡、反射平面鏡5和凹面鏡6的折射光學系統141后成為成像光通量。即，在成像單元2上形 成的影像被投影光學系統140放大并投影在屏幕上，作為投影影像。
[0266] 通過折射光學系統141的光形成中間影像，該中間影像是與成像單元2在成像單元 2的近側形成的影像信息相對于反射平面鏡5共輛的空間影像。該中間影像不一定必須形成 為平面影像，可W形成為曲面影像。運也適用于上述實施例。中間影像被布置在放大率最大 側的凹面鏡6(自由曲面凹面鏡)放大并投影在屏幕上。在中間影像上發生像面曲率和崎變。 但是，使用自由曲面凹面鏡6,可W對發生在中間影像上的像面曲率和崎變進行校正。通過 運種方式，能夠降低透鏡系統的崎變校正載荷，從而提高設計的自由度，運能更容易地減小 投影儀設備的尺寸。
[0267] 圖54、圖55和圖56分別是在長距離(80英寸）、中距離(60英寸）和短距離(48英寸） 情況下第五實施例的投影儀設備的主光束與近軸像平面的繪圖交點的示意圖。在圖54~56 中，黑點指示從多個視角觀察的主光束與近軸像平面的交點的坐標，虛線指示近軸像。如圖 54~56所示，在每種屏幕尺寸中都發生了桶形崎變。運表明中間影像被壓縮。因此，在第五 實施例的投影儀設備中，中間影像尺寸的減小能夠減小自由曲面凹面鏡6的尺寸，運能夠降 低成本，并減小設備的尺寸。
[0268] 在第五實施例的投影儀設備中，在從長距離側至短距離側聚焦時，正透鏡組151 (參見圖53)、反射平面鏡5和自由曲面凹面鏡6相對于成像表面是固定的。相反，正透明組 152(參見圖53)、負透鏡組153(參見圖53)朝成像單元2移動，并且正鏡頭組154(參見圖53) 向放大側移動。即，通過浮動焦點能夠嚴格控制像面曲率和崎變像差。在第五實施例的投影 儀設備中，在透鏡組152、153、154中使用非球面透鏡，運能夠改善校正效果。成像的必要部 件(例如影像處理單元、供電單元、冷卻風扇(在圖52中未示出）等)與投影光學系統140-起 容置在外殼1中。
[0269] 按從成像單元2至放大側的順序，投影光學系統140的折射光學系統141依次包括 具有正折射能力的第一組透鏡151W及具有負折射能力的第二組透鏡152,如圖53所示。折 射光學系統141還包括具有負折射能力及一個非球面透鏡的第Ξ組透鏡153W及具有正折 射能力及一個非球面透鏡的第四組透鏡154。
[0270] 從成像單元2算起，第一組透鏡151依次包括:較凸的面朝向成像單元2的雙面非球 面雙凸透鏡161、W及較凹面朝向放大側雙凹透鏡162。而且，第一透鏡組151包括由凸面朝 向成像單元2的負彎月透鏡16 3構成的膠合透鏡165、凸面朝向成像單元2的正彎月透鏡164、 W及孔徑光闊8。另外，第一透鏡組151包括較凸面朝向成像單元2的雙面非球面雙凸透鏡 166、W及凸面朝向成像單元2的負彎月透鏡167。第一透鏡組151包括由較凸面朝向放大側 的雙凸透鏡168構成的膠合透鏡170、較凹面朝向成像單元2的雙凹透鏡169、W及較凸面朝 向放大側的正彎月透鏡171。
[0271] 第二組透鏡152包括較凸面朝向放大側的雙凸透鏡172、W及較凸面朝向成像單元 2的正彎月透鏡173。第Ξ組透鏡153包括凸面朝向放大側的負彎月透鏡174、W及較凹面朝 向成像單元2的雙面非球面雙凹透鏡175。第四組透鏡154包括凸面朝向放大側的雙面非球 面正彎月透鏡176。
[0272] 在運種折射光學系統141中，例如，在從長距離側至短距離側聚焦時，正的第二組 透鏡152和負的第Ξ組透鏡153朝成像單元2移動，正的第四組透鏡154朝放大側移動。
[0273] 下列的表21至24示出了第五實施例的投影儀設備中提供的折射光學系統141的數 據。表21中的"i"代表從成像單元2算起的第i個表面(棱鏡表面、透鏡表面、光闊表面、反射 表面）。
[0274] 數值孔徑:0.200
[0275] 表21
[0276]
[0277] '[0281]~非球面系數~' '
' '
[0282]表23
[0283]
[0284] 自由曲面系數
[0285] 表24
[0286]
[0287]
[028引 DMD尺寸
[0289] 點尺寸:7.56 皿(WUXGA)
[0290] 側向長度:14.5152mm
[0291] 豎向長度:9.072mm
[0292] 從光軸至設備中屯、的距離:5.91毫米
[0293] 下表25示出了在最靠近反射表面的透鏡產生的投影影像最大的聚焦狀態中從頂 點算起反射平面鏡5和自由曲面凹面鏡6的位置坐標。旋轉的角度在曲面法線和光軸之間。
[0294] 表25
[0295]
[0296] ~圖54示出了第五實施例的投影儀設備的長投影距離(80英寸)屏幕上各個視角的 光斑位置(波長:550納米）。圖55示出了中投影距離(60英寸)的屏幕上各個視角的光斑位置 (波長:550納米）。圖56示出了短投影距離(48英寸)屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550 納米）。根據圖54至圖56,在第五實施例的投影儀設備中提供的折射光學系統141在每個放 大倍率和每個投影距離時能夠投影出崎變較小的投影影像。
[0297] 圖57示出了長投影距離(80英寸)屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550納米）。圖 58示出了中投影距離(60英寸)屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550納米）。圖59示出了短 投影距離(48英寸)屏幕上各個視角的光斑位置(波長:550納米）。根據圖57至圖59,在第五 實施例的投影儀設備中提供的折射光學系統141在每個放大倍率和每個投影距離時能夠投 影出崎變較小的投影影像。
[0巧引圖60至圖62示出了光斑圖。在圖60至圖62的光斑圖中，示出了625納米波長（紅 光）、550納米波長(綠光)和425納米波長(藍光)在屏幕表面上的成像特征(mm)。成像單元2 上的每個光斑的視場位置由坐標(x，y)給出。
[0299]在第五實施例的投影儀設備中，能夠使用高分辨率成像單元(例如DMD)作為成像 單元2。因此，能夠在屏幕上投影高分辨率影像，并實現與上述實施例相同的效果。
[0300] 結論
[0301] 最后，表26示出了與上述的第一至第四實施例的投影儀設備的投影光學系統7、 50、80、110、140中的上述條件表達式1、2、5、7、9、10對應的參數的值。
[0302] 表26
[0303]
~~"Did":在投影影像最大的聚焦狀態中中間影像的最大近軸像高度。 '
[0305] "護光軸和近軸像表面與通過折射光學系統4的光闊中屯、的光束的交點之間的距 離的最大值。
[0306] "F":在投影影像最大的聚焦狀態中折射光學系統4的焦距。
[0307] "0.6<D/Did<0.8(條件表達式 1Γ
[030引 "2.5<Did/F巧(條件表達式2)"
[0309] "護：投影影像最大時折射光學系統4的近軸橫向放大率。
[0310] "5<β<8(條件表達式5Γ
[0311] ?' ：光軸與成像單元2的端部之間的距離的最大值。
[0312] "0.4<Y/F<0.7(條件表達式 7)"
[0313] "2.5<Did/F<6(條件表達式 9)"
[0314] "0.4<Y/F<0.75(條件表達式 10Γ
[0315] 根據表26,運些實施例的投影儀設備的投影光學系統7、50、80、110、140的參數值 在條件表達式1、2、5、7、9、10定義的范圍之內。因此，在運些實施例的投影儀設備中，中間影 像具有適當的尺寸，其崎變量適當。因此，例如，凹面鏡6的尺寸的減小可顯著減小投影儀設 備的尺寸。而且，在運些實施例的投影儀設備中，中間影像的崎變被自由曲面凹面鏡6校正， 校正后的中間影像被投影。因此能夠獲得高質量投影影像。
[0316] 表27示出了上述實施例的投影光學系統7、50、80、110、140的示例尺寸（單位:毫 米)。
[0317] 表27 [031 引
[0319] 在如圖63所示的反射平面鏡5和光束的交點之中，從成像單元2算起的Z軸方向的 最大距離Η對應表27中的"高度"。反射平面鏡5與光束的交點和自由曲面凹面鏡6與光束的 交點之間的Υ軸方向的最大距離U(如圖63所示)對應表27中的"深度"。自由曲面凹面鏡6與 光束的交點之間的X軸方向的最大距離W(如圖64所示)對應表27中的"寬度"。
[0320] 如表27所示，運些實施例的投影儀設備的尺寸能夠顯著減小。而且，中間影像的崎 變被自由曲面凹面鏡6校正，校正后的中間影像被投影。因此能夠獲得高質量投影影像。
[0321] 本發明實現了提供小尺寸、高性能的投影光學系統和投影儀設備的效果。
[0322] 對相關申請的引用
[0323] 本專利申請要求2013年3月13日在日本提交的日本專利申請2013-051055、2014年 2月19日在日本提交的日本專利申請2014-029911、W及2014年3月3日在日本提交的日本專 利申請2014-040214的優先權，其完整內容通過引用結合在此。
[0324] 為了全面、清晰地進行掲示，本發明是通過一些實施例來說明的，但是所附權利要 求不受運些實施例的限制，所屬領域的技術人員能夠在不脫離本文所述的基本原則的前提 下做出的所有修飾和更改都應屬于本發明的范圍。
【主權項】
1. 一種放大光學系統，放大影像并投影被放大的影像，該放大光學系統包括： 折射光學系統，包括多個透鏡;和 反射表面，反射已經通過折射光學系統的光， 其中 在折射光學系統和反射表面之間形成中間影像;并且 投影光學系統滿足"2.5〈Did/F〈6"的條件，其中， "Did"代表在投影影像最大的聚焦狀態中所述中間影像的最大近軸像高度，并且 "F"代表在投影影像最大的聚焦狀態中所述折射光學系統的焦距。2. 如權利要求1所述的放大光學系統，其中， 該放大光學系統滿足"5〈β〈8"的條件，其中"β"代表在投影影像最大的聚焦狀態中所述 折射光學系統的近軸放大率。3. 如權利要求1或2所述的放大光學系統，其中， 該放大光學系統滿足"0.4〈Y/F〈0.75"的條件，其中?'代表光軸與形成要被放大的影 像的成像單元的端部之間的距離的最大值。4. 如權利要求1-3中任一項所述的放大光學系統，其中， 折射光學系統包括孔徑光闌，并且 該孔徑光闌在聚焦狀態中相對于形成要被放大的影像的成像單元是固定的。5. 如權利要求1-4中任一項所述的放大光學系統，其中， 所述反射表面是位于放大率最大側的凹面鏡。6. 如權利要求5所述的放大光學系統，其中， 所述凹面鏡包括自由曲面。7. 如權利要求1-6中任一項所述的放大光學系統，其中， 該折射光學系統包括至少一個非球面透鏡。8. 如權利要求1-7中任一項所述的放大光學系統，還包括布置在折射光學系統與反射 表面之間的反射鏡。9. 如權利要求1所述的放大光學系統，其中， 折射光學系統包括孔徑光闌，并且 投影光學系統滿足"〇. 6〈D/Did〈0.8"的條件，其中， "D"代表光軸和近軸像表面與通過折射光學系統的孔徑光闌的中心的光束的交點之間 的距離的最大值。10. 如權利要求1所述的放大光學系統，其中， 中間影像具有桶形畸變像差。11. 如權利要求1所述的放大光學系統，其中， 在從長距離側向短距離側聚焦時，最靠近反射表面的具有折射表面的透鏡從光學系統 的減小側向放大側移動。12. 如權利要求1所述的放大光學系統，其中， 折射光學系統從光學系統的減小側到放大側依次包括具有正折射能力的第一元件、具 有負折射能力的第二元件、具有正折射能力的第三元件、以及孔徑光闌。13. 如權利要求12所述的放大光學系統，其中， 第三元件包括膠合透鏡，該膠合透鏡從光學系統的放大側到減小側依次包括正透鏡和 負透鏡。14. 如權利要求12所述的放大光學系統，其中， 第一透鏡包括正透鏡，并且第二透鏡包括負透鏡。15. -種投影光學系統的光學單元，包括： 成像單元，和 根據權利要求1的放大光學系統。16. -種投影儀設備，包括根據權利要求1的放大光學系統。
【文檔編號】G02B17/08GK105988207SQ201610569659
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2014年3月13日
【發明人】高野洋平
【申請人】株式會社理光