專利名稱：投射光學系統(tǒng)及使用該投射光學系統(tǒng)的投射型顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將反射型光閥所顯示的圖像放大投射到屏幕上的投射光學系統(tǒng)以及 搭載該投射光學系統(tǒng)的投射型顯示裝置，尤其涉及極為小型且便攜性優(yōu)異、光源的亮度也 較小的投射光學系統(tǒng)以及投射型顯示裝置。
背景技術(shù)：
近幾年，在投影儀中要求便攜性優(yōu)異的便攜式投影儀。這種便攜式投影儀中，若投影儀如電筒或鋼筆式電筒那樣能夠由單手握持且向所 希望的場所(例如墻壁或天花板等)進行投射，就會很方便。但是，作為投影儀所搭載的光閥，公知有反射型液晶顯示元件(LCOS)或DMD (數(shù)字 微型器件)等的反射型光閥。反射型光閥不僅可以與透過型光閥相比使孔徑率增大、且具 有光量轉(zhuǎn)換的效率化的優(yōu)點，并且在促進裝置的緊湊化方面也有用。另一方面，作為這種投射光學系統(tǒng)的配置，一般公知有在投射透鏡和反射型光閥 之間配置作為偏光分離部的PBS(偏光分離棱鏡)，且來自光源部的照明光經(jīng)由PBS而入射 到反射型光閥，并且來自該反射型光閥的調(diào)制光在上述PBS中與上述照明光光路分離，并 使用投射透鏡向屏幕方向進行投射。但是，在這種投射光學系統(tǒng)中，若上述PBS具有入射角度特性，朝向偏光分離面的 光入射角度具有范圍，則由此會發(fā)生亮度不勻或色不勻等的不足，從而需要對PBS在焦闌 性狀態(tài)下入射照明光，需要在采用可將投射透鏡的縮小側(cè)形成為焦闌性狀態(tài)的結(jié)構(gòu)之上、 配置PBS及反射型光閥。圖16表示搭載這種以往的投射光學系統(tǒng)的投射顯示裝置的一例。S卩，從由該3 色LED光源Illa C、分色鏡112a、b、作為光量均勻化機構(gòu)的蠅眼積分器113a、b、使照明 光與任意直線偏光(P偏光或者S偏光)一致的梳子型濾光片114及1對的場透鏡(聚光 透鏡)115a、lMb構(gòu)成的照明光學系統(tǒng)120所射出的照明光，入射到投射光學系統(tǒng)110的 PBS101。入射到PBSlOl后的照明光按照與預定的直線偏光方向一致的方式由偏光分離面 向反射型液晶顯示元件103方向反射，在此反射型液晶顯示元件103中，由預定的圖像信號 調(diào)制且被轉(zhuǎn)換為逆相位的直線偏光。此后，從反射型液晶顯示元件103反射射出的調(diào)制光 因為被轉(zhuǎn)換為逆相位的直線偏光，所以透過PBSlOl的偏光分離面，而被投射透鏡102放大 投射到屏幕上。但是，根據(jù)如圖16所示的以往的例子，如上述，需要將投射透鏡102的縮小側(cè)形成 為焦闌性狀態(tài)、且確?？刹迦隤BS的后部，并且投射透鏡中的尤其縮小側(cè)的透鏡的直徑大 型化，其結(jié)果，存在無法實現(xiàn)作為投射光學系統(tǒng)或投射型顯示裝置的緊湊化的問題。并且， 在如圖16所示的以往的例子中，來自照明光學系統(tǒng)120的光束入射到PBSlOl時，需要考慮 偏光分離面的入射角度特性，由此需要為了將自照明光學系統(tǒng)120的光束設(shè)為焦闌性狀態(tài) 的聚光透鏡llfe、115b，存在與投射光學系統(tǒng)的成本增加及大型化相關(guān)聯(lián)的問題。根據(jù)這種問題，作為通過光學要素配置的研究可實現(xiàn)光學系統(tǒng)的緊湊化的投射光學系統(tǒng)，公知有下述專利文獻1、2所述的內(nèi)容。專利文獻1 日本專利公開平4-326315專利文獻2 日本專利公開平5-203872上述專利文獻1、2所述的光學系統(tǒng)中，投射透鏡以夾著PBS的方式被分斷為2個 部分，一部分被配置于PBS的屏幕側(cè)，另一部分被配置于PBS的反射型液晶顯示元件側(cè)。如此，通過將PBS配置于投射透鏡的中間部，需要確?？梢圆迦隤BS的后部的空間 的所謂所述的以往技術(shù)的問題在某種程度被緩解。并且，由于不僅在PBS的放大側(cè)并且也 在縮小側(cè)配置投射透鏡的一部分，所以可以不要如圖16的聚光透鏡115a、lMb的光學要ο然而，根據(jù)上述專利文獻1、2所述的內(nèi)容，在一般的縮小側(cè)焦闌性的投射透鏡的 光瞳附近配置PBS，在PBS的放大側(cè)配置投射透鏡的一部分，因此，不能說投射透鏡整體上 的大型化被充分地抑制。另外，作為包括照明光學系統(tǒng)的投射型顯示裝置也難以實現(xiàn)充分 地緊湊化。并且，因為在投射透鏡的透鏡組之間配置PBS，所以如上述投射透鏡的結(jié)構(gòu)被PBS 分斷成放大側(cè)和縮小側(cè)，若考慮投射透鏡的組裝操作的難易性，良好的透鏡性能的確保變 得困難。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是借鑒于上述情況而提出的，其目的在于，使用反射型光閥、緊湊并可以使 偏光分離部的偏光分離狀態(tài)良好、且不必設(shè)置生成焦闌性狀態(tài)的另外的光學系統(tǒng)的并且光 學性能良好的投射光學系統(tǒng)以及使用該投射光學系統(tǒng)的投射型光學裝置。本發(fā)明所涉及的投射光學系統(tǒng)，其特征在于，順次排列以下部件而成反射型光 閥，將所入射的照明光按照所輸入的圖像信號調(diào)制后的調(diào)制光反射射出；投射透鏡，使入射 到該反射型光閥的上述照明光以及從該反射型光閥射出的調(diào)制光通過的、且縮小側(cè)成為焦 闌性的；偏光分離機構(gòu)，將入射到該投射透鏡的上述照明光和從該投射透鏡射出的調(diào)制光 的光路進行分離。并且，上述投射透鏡優(yōu)選滿足以下條件式(1)。-1. 0 < FF/f < 1. 0— (1)其中，F(xiàn)F 上述投射透鏡的放大側(cè)的焦點位置(該投射透鏡的最靠放大側(cè)的透鏡的放大 側(cè)面頂點設(shè)為原點，將朝向縮小側(cè)的方向取為正)f 上述投射透鏡的焦距并且，上述反射型光閥由1片構(gòu)成，并且優(yōu)選還滿足下述條件式(2)。Bf/f < 0. 8... (2)其中，Bf 上述投射透鏡的縮小側(cè)后截距并且，優(yōu)選上述投射型透鏡由4片以下的透鏡構(gòu)成。另外，優(yōu)選上述投射透鏡的最靠縮小側(cè)所配置的透鏡的至少1面成為非球面。通過上述投射透鏡的全透鏡的光束中的、在相對于光軸為垂直方向上的有效光束直徑的最大值為15mm以下時，尤其有用。并且，本發(fā)明的投射型顯示裝置，其特征在于，具備上述的任意一個投射光學系 統(tǒng)；和進行發(fā)光作為照明光、且實現(xiàn)該照明光的光量均勻化的照明光學系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明所涉及的投射光學系統(tǒng)，照明光首先入射到偏光分離部、其次在投射 透鏡總長范圍通過并被照射到反射型光閥。另一方面，調(diào)制光(投射光)由反射型光閥反 射射出，在投射透鏡以返回的方式在總長范圍通過，在偏光分離部中與照明光的光路分離 地向屏幕方向投射。如此，在本發(fā)明的投射光學系統(tǒng)，偏光分離部位于所有投射透鏡的放大 側(cè)(屏幕側(cè))，可以使透鏡后部極為短縮化。若能使透鏡后部極為短縮化，則能夠使與透鏡 后部是焦闌性的投射透鏡的縮小側(cè)接近的透鏡的直徑變小，所以可實現(xiàn)投射光學系統(tǒng)以及 搭載該投射光學系統(tǒng)的投射型顯示裝置的緊湊化。另外，對于來自照明光學系統(tǒng)的照明光 由投射光學系統(tǒng)構(gòu)筑成焦闌性狀態(tài)，因此不必設(shè)置如圖16所示的另外的透鏡llfe、115b， 即可促進投射光學系統(tǒng)以及投射型光學裝置的緊湊化。由此，結(jié)合使用可將裝置結(jié)構(gòu)緊湊化的反射型光閥，例如，能夠形成可將裝置整體 如電筒或鋼筆式電筒那樣由單手握持、緊湊式投射型顯示裝置。并且，在本發(fā)明的投射型光學系統(tǒng)中，若構(gòu)成為滿足上述條件式(1)，則易于將投 射透鏡的前側(cè)光瞳位置設(shè)定在投射透鏡中最靠放大側(cè)的透鏡以及從此透鏡直到偏光分離 部的區(qū)域，因此，能夠?qū)⑼渡渫哥R中的接近縮小側(cè)的透鏡的直徑變小、且使偏光分離部中的 偏光分離特性良好。
圖1是表示本發(fā)明的實施例1所涉及的投射光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖2是表示本發(fā)明的實施例2所涉及的投射光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖3是表示本發(fā)明的實施例3所涉及的投射光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖4是表示本發(fā)明的實施例4所涉及的投射光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖5是表示本發(fā)明的實施例5所涉及的投射光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖6是表示本發(fā)明的實施例6所涉及的投射光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖7是表示本發(fā)明的實施例7所涉及的投射光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖8是表示實施例1所涉及的投射光學系統(tǒng)的各種像差圖。圖9是實施例2所涉及的投射光學系統(tǒng)的各種像差圖。圖10是實施例3所涉及的投射光學系統(tǒng)的各種像差圖。圖11是實施例4所涉及的投射光學系統(tǒng)的各種像差圖。圖12是實施例5所涉及的投射光學系統(tǒng)的各種像差圖。圖13是實施例6所涉及的投射光學系統(tǒng)的各像差圖。圖14是實施例7所涉及的投射光學系統(tǒng)的各像差圖。圖15是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的投射型顯示裝置的主要部分的簡要結(jié)構(gòu) 的圖。圖16是表示在以往例中所涉及的投射型顯示裝置的主要部分的簡要結(jié)構(gòu)的圖。圖中1、101-偏光分離棱鏡(PBS)，IA-偏光分離鏡，2、102-投射透鏡，3、103-反 射型液晶顯示元件(LCOS)，10、110-投射光學系統(tǒng)，Ila 11c、Illa lllc-3色LED光源，12a、12b、11加、112b-二向色鏡，13a、1北、113a、11 -蠅眼積分器，14、114-偏光轉(zhuǎn)換元件 (梳子型濾光片)，20、120_照明光學系統(tǒng)，L1-L4-透鏡，R1-Rltl-透鏡面等的曲率半徑， D1-D9-軸上面間隔，Z-光軸。
具體實施方式
[0051 ] 以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。圖15是用于說明本發(fā)明實施方式所涉及的投射型顯示裝置的簡要圖。此裝置具備以下部件而成由3色LED光源Ila C、將該光源Ila c所射出的 各照明光進行合成的二向色鏡12a、b、作為光量均勻化機構(gòu)的蠅眼積分器13a、b以及使振 動面正交的2個直線偏光的一方與另一方一致地射出的偏光轉(zhuǎn)換元件(梳子型濾光片)14 構(gòu)成的照明光學系統(tǒng)20 ；由作為偏光分離機構(gòu)的偏光分離棱鏡(PBS 以下相同)1 ；由多片 透鏡(L1 L4)構(gòu)成的投射透鏡2 ；由反射型液晶顯示元件(LC0S 以下相同)3構(gòu)成的投射 光學系統(tǒng)10。S卩，照明光學系統(tǒng)20是將R、G、B的3色合成而成的預定的直線偏光輸出的迄今公 知的照明光學系統(tǒng)，該預定的直線偏光的偏光方向按照在PBSl的偏光分離面IP被反射大 約100%的方式設(shè)定。并且，投射光學系統(tǒng)10如上述其配置的特征是PBSl、投射透鏡2及LC0S3的配置。 即，來自照明光學系統(tǒng)20的照明光由PBSl反射且在投射透鏡2遍及該總長地通過并被照 射到LC0S3，被LC0S3調(diào)制的同時被轉(zhuǎn)換為逆相位的直線偏光(直線偏光的相位旋轉(zhuǎn)180 度)。調(diào)制光由于直線偏光的相位轉(zhuǎn)換為逆相位，因此從該LC0S3反射射出且在投射透鏡2 遍及該總長地通過之后，就透過PBSl的偏光分離面IP而被投射到未圖示的屏幕上。另外， LC0S3的照明光的調(diào)制是基于所輸入的預定的圖像信號而進行的調(diào)制，由此，承載于調(diào)制光 的圖像信息被放大投射到屏幕上。如此，在本實施方式的投射光學系統(tǒng)中，照明光首先入射到PBS1、其次通過投射透 鏡2而被照射到LC0S3。另一方面，調(diào)制光從LC0S3反射射出、通過投射透鏡2且在PBSl中 與照明光的光路分離地向屏幕方向行進。從而，在本實施方式的光學系統(tǒng)中，PBSl就位于 所有投射透鏡2的放大側(cè)(屏幕側(cè))，可以短縮投射透鏡2和LC0S3的距離。若該距離能 短縮，將投射透鏡2的縮小側(cè)后部設(shè)為焦闌性的同時，可以將投射透鏡2中的縮小側(cè)透鏡L4 的直徑變小。由此，能實現(xiàn)投射光學系統(tǒng)以及搭載該投射光學系統(tǒng)的投射型顯示裝置的緊 湊化。并且，優(yōu)選上述投射光學系統(tǒng)10滿足下述條件式(1)。-1. 0 < FF/f < 1. 0... (1)其中，F(xiàn)F 投射透鏡2的放大側(cè)焦點位置(將投射透鏡2的最靠放大側(cè)的透鏡L1的放大 側(cè)面頂點設(shè)為原點，將朝向縮小側(cè)的方向設(shè)為正)f:投射透鏡2的焦距即，通過滿足上述條件式(1)，容易將投射透鏡2的放大側(cè)光瞳位置設(shè)定在投射透 鏡2中最靠放大側(cè)的透鏡L1以及從該透鏡L1直到PBSl的區(qū)域附近，因此將投射透鏡2的 最靠縮小側(cè)的透鏡L4的直徑變小，并且將PBSl中的偏光分離特性能設(shè)為良好。對此進一步具體地說明，則在PBSl的附近配置縮小側(cè)為焦闌性的投射透鏡的放大側(cè)焦點位置，從而 向反射型光閥的各像素的照明光或來自反射型光閥的各像素的投射光在PBS內(nèi)成為大致 平行光束，因此能維持在一定角度內(nèi)的分離特性被均勻化的偏光分離特性。而且，由此能抑制畫面內(nèi)的亮度不均勻或色不均勻的發(fā)生。并且，通過在PBSl的附近配置縮小側(cè)為焦闌性的投射透鏡的放大側(cè)焦點位置，從 而在光束最為集中、在有效光束區(qū)域變小的部分可以配置在經(jīng)濟上并在重量上占較大比重 的PBS，可以將此PBS設(shè)為小的尺寸，因而能實現(xiàn)成本減小或輕量化。若脫離該條件式的范圍，則在投射透鏡的縮小側(cè)所接近的透鏡的直徑大型化的同 時，PBSl的偏光分離性劣化。從這種觀點，優(yōu)選代替上述條件式(1)滿足下述條件式(1')。-0. 5 < FF/f < 0. 6... (1 ‘)并且，優(yōu)選代替上述條件式(I')滿足下述條件式(1")。-0. 25 < FF/f < 0. 45... (1 “)另外，在上述投射光學系統(tǒng)10中，優(yōu)選LC0S3由1片(單板)構(gòu)成，還滿足下述條 件式⑵。Bf/f < 0. 8— (2)其中，Bf 投射透鏡2的縮小側(cè)后截距若LC0S3為單板，則不必在投射透鏡2和LC0S3之間插入合色光學系統(tǒng)，容易設(shè)成 該條件式O)的范圍，并且實際上通過滿足該范圍，可實現(xiàn)投射光學系統(tǒng)的緊湊化。并且，從這種觀點，若也一并考慮光學系統(tǒng)的組裝操作性等問題，則優(yōu)選代替上述 條件式( 滿足下述條件式O')。0. 05 < Bf/f < 0. 50— (2')另外，作為投射透鏡2的構(gòu)成片數(shù)，在采用便攜性優(yōu)異的便攜式投影儀時，必須成 為基于限制透鏡片數(shù)的緊湊化，因此優(yōu)選4片以下。即，實際上優(yōu)選設(shè)成4片(參照實施例 1)、3片(參照實施例2、3、4、5)或者2片(參照實施例6、7)。并且，優(yōu)選在投射透鏡2的最靠縮小側(cè)所配置的透鏡的至少1面(在圖15中為透 鏡L4的雙面)成為非球面。由此，可設(shè)為在投射光學系統(tǒng)中尤其重要的歪曲(也稱畸變) 的像差校正為良好的系統(tǒng)。另外，從通過片數(shù)少的透鏡使各種像差盡量良好的觀點，優(yōu)選將 在其他透鏡中的至少1片設(shè)為非球面透鏡。另外，優(yōu)選通過投射透鏡2的整個透鏡(在圖15中為L1 L4)的光束中的、在相 對于光軸Z為垂直方向上的有效光束直徑的最大值為15mm以下。S卩，在本實施方式中，優(yōu)選使用于如這樣有效光束直徑的最大值成為15mm以 下的、例如可確保100流明(優(yōu)選10流明)程度的明度(與一般投影儀的明度相比為 (1/10) (1/100)的明度)的小型的投影儀。如上述，在本實施方式中，將PBSl配置于投射透鏡2的放大側(cè)(屏幕側(cè))可得到 很多優(yōu)點，其相反方面也發(fā)生光束2次通過投射透鏡2而容易產(chǎn)生投射透鏡熱性變形的課 題。但，如本實施方式的主要用途是將便攜性優(yōu)異的便攜式小型投影儀進行近距離投影，可 以在這種用途中，認為例如若能確保100流明的明度即可充分，如果是這樣，即使光束在投射透鏡2往返也幾乎不產(chǎn)生熱性變形，本發(fā)明是基于這種申請發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)而成的。因此， 本發(fā)明的投射型光學裝置應(yīng)用于這樣的小型投影儀極為有效。[實施例]以下，對于本發(fā)明所涉及的投射透鏡的具體的實施例進行說明。另外，在各實施例 中，對于相互起到相同的作用效果的部件附加相同的符號。[實施例1]<4片結(jié)構(gòu)方式〉如圖1所示，實施例1所涉及的投射光學系統(tǒng)從放大側(cè)依次由如下部件構(gòu)成 PBSl ；由雙凸透鏡構(gòu)成的第1透鏡L1 ；由雙凹透鏡構(gòu)成的第2透鏡L2 ；由雙凸透鏡構(gòu)成的第 3透鏡L3;由在光軸Z上將凸面朝向縮小側(cè)的且為正彎月形的雙面非球面透鏡構(gòu)成的第4透 鏡L4 ；LC0S3。另外，由上述4片透鏡L1 L4構(gòu)成投射透鏡2。在本實施例中，由于如上述構(gòu)成，因此能構(gòu)成緊湊化并且更高性能的光學系統(tǒng)。并且，上述第4透鏡L4的雙面非球面形狀由下述非球面式規(guī)定。[數(shù)1]
權(quán)利要求1.一種投射光學系統(tǒng)，其特征在于， 順次排列以下部件而成反射型光閥，其將所入射的照明光按照所輸入的圖像信號調(diào)制后的調(diào)制光反射射出； 投射透鏡，其使入射到該反射型光閥的上述照明光以及從該反射型光閥射出的調(diào)制光 通過、且縮小側(cè)為焦闌性的；偏光分離機構(gòu)，其將入射到該投射透鏡的上述照明光和從該投射透鏡射出的調(diào)制光的 光路進行分離。
2.如權(quán)利要求1所述的投射光學系統(tǒng)，其特征在于， 上述投射透鏡滿足以下條件式(1)-1. 0 < FF/f < 1. 0... (1) 其中，F(xiàn)F:上述投射透鏡的放大側(cè)焦點位置，在此將該投射透鏡的最靠放大側(cè)的透鏡的放大 側(cè)面頂點設(shè)為原點，將朝向縮小側(cè)的方向取為正， f:上述投射透鏡的焦距。
3.如權(quán)利要求1或2所述的投射光學系統(tǒng)，其特征在于， 上述反射型光閥由1片構(gòu)成，并且滿足下述條件式(2) Bf/f < 0. 8... (2)其中，Bf 上述投射透鏡的縮小側(cè)后截距。
4.如權(quán)利要求1或2所述的投射光學系統(tǒng)，其特征在于， 上述投射透鏡由4片以下的透鏡構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求4所述的投射光學系統(tǒng)，其特征在于，上述投射透鏡的最靠縮小側(cè)所配置的透鏡的至少1面為非球面。
6.如權(quán)利要求1或2所述的投射光學系統(tǒng)，其特征在于，通過上述投射透鏡的全部透鏡的光束中的、在相對于光軸為垂直方向上的有效光束直 徑的最大值為15mm以下。
7.一種投射型顯示裝置，其特征在于，具備權(quán)利要求1 6中的任一項所述的投射光學系統(tǒng)、和進行發(fā)光作為照明光、且實現(xiàn)該照明光的光量均勻化的照明光學系統(tǒng)。
專利摘要本實用新型提供一種投射光學系統(tǒng)及其使用的投射型顯示裝置，該投射光學系統(tǒng)使用反射型光閥、緊湊并可以使偏光分離部的偏光分離狀態(tài)良好、且不必設(shè)置生成焦闌性狀態(tài)的另外的光學系統(tǒng)。投射光學系統(tǒng)(10)從放大側(cè)依次排列以下部件而成將照明光和調(diào)制光分離的偏光分離機構(gòu)的PBS1；由多片透鏡(L1～L4)構(gòu)成的投射透鏡(2)，使入射到該反射型光閥的上述照明光以及從該反射型光閥射出的調(diào)制光通過、且縮小側(cè)為焦闌性的；以及作為反射型光閥LCOS3，將所入射的照明光按照所輸入的圖像信號調(diào)制后的調(diào)制光反射射出。另外，投射光學系(10)優(yōu)選滿足下述條件式(1)-1.0＜FF/f＜1.0…(1)。其中，F(xiàn)F表示投射透鏡(2)的放大側(cè)焦點位置，f表示投射透鏡(2)的焦距。
文檔編號G03B21/00GK201837783SQ20102022492
公開日2011年5月18日 申請日期2010年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月16日
發(fā)明者山本力 申請人:富士能株式會社