專利名稱:投影光學系統(tǒng)及具備它的投影機的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及可以切換投影像的橫縱比的投影光學系統(tǒng)及具備它的投影機。
背景技術:
作為投影機的投影光學系統(tǒng)中采用的橫縱比變換用的變換器,存在有在本來的投影光學系統(tǒng)的前面位置即像側正面可進退地配置的前配置型的變換器。但是,該種變換器設置為從投影機本體獨立的外接光學部,使得投影機大型化,并使包含變換器的全投影光學系統(tǒng)的調節(jié)變得復雜,或者使圖像顯著劣化。另外,作為不在投影機的投影光學系統(tǒng)而在拍攝機等的拍攝光學系統(tǒng)使用的橫縱
比變換用的變換器,存在有在成像光學系統(tǒng)的像側可裝卸地配置的后配置型的中繼系統(tǒng)(參照專利文獻1、2)。該中繼系統(tǒng)包括第I組、第2組和第3組,這些中,中央的第2組是變形變換器,可以在第I組和第3組之間裝卸。但是,在專利文獻I等公開的中繼系統(tǒng)或變形變換器用于拍攝光學系統(tǒng),若直接用于投影光學系統(tǒng),則產生各種制約。例如,為上述后配置型的中繼系統(tǒng)的場合,未考慮遠心性。該中繼系統(tǒng)中,原理上無法同時實現橫截面的遠心性和縱截面的遠心性。因此,若在X截面或Y截面的任一方嚴格確保遠心性則另一方的遠心性顯著破壞,導致光的利用效率降低或者因方向變得不平衡。另外,專利文獻I等所述的拍攝光學系統(tǒng)中,以可更換透鏡為基本的前提,不使用后配置型的中繼系統(tǒng)的場合,成像光學系統(tǒng)直接固定到拍攝部單獨使用。因此,若要維持成像光學系統(tǒng)的性能,則后配置型的中繼系統(tǒng)變長。另一方面,投影光學系統(tǒng)中,一般不進行透鏡更換,因此作為可安裝各種更換透鏡的通用中繼系統(tǒng)或通用變換器的功能變得不必要。專利文獻I :日本特開2005-22159號公報專利文獻2 日本特開2005-300928號公報
發(fā)明內容
本發(fā)明目的是提供平衡并提高了光的利用效率的投影光學系統(tǒng)及包含它的投影機。為了達成上述目的,本發(fā)明的投影光學系統(tǒng),是在被投影面上放大投影圖像時,光調制元件的圖像的橫縱比和在被投影面投影的圖像的橫縱比設為不同的投影光學系統(tǒng),具有限制光束的通過的光圈,從光調制元件到光圈為止之間配置的物體側透鏡組在光調制元件的縱向和橫向具有不同的放大率,光圈和物體側透鏡組的被投影面?zhèn)鹊淖疃嗣娴木嚯x設為P,物體側透鏡組的橫截面中,被投影面?zhèn)鹊慕裹c和被投影面?zhèn)鹊淖疃嗣娴木嚯x設為FFPx,物體側透鏡組的縱截面中,被投影面?zhèn)鹊慕裹c和被投影面?zhèn)鹊淖疃嗣娴木嚯x設為FFPy,FFPx<FFPy 時,FFPx<p<FFPy (I),
FFPy〈FFPx 時,FFPy〈p〈FFPx (I)’。根據上述投影光學系統(tǒng),物體側透鏡組在光調制元件的縱向和橫向具有不同放大率,因此,即使作為投影光學系統(tǒng)的全系統(tǒng),也在縱橫向具有不同焦距,縱橫向的放大倍率也不同,可使光調制元件的圖像的橫縱比和在被投影面上投影的圖像的橫縱比不同。即,通過本投影光學系統(tǒng),可以進行幅度和高度比即橫縱比的變換。此時,光圈和物體側透鏡組的被投影面?zhèn)鹊淖疃嗣娴木嚯xP滿足上述條件式(I)、(I)’,因此,可以在縱向和橫向的雙方確保一定以上的遠心性。例如,為FFPX〈p〈FFPy的場合,縱向的主光線朝被投影面向內傾斜,橫向的主光線朝被投影面向外傾斜,保持作為全體的遠心性。反之,為FFPy〈p〈FFPx的場合,縱向的主光線朝被投影面向外傾斜,橫向的主光線朝被投影面向內傾斜,保持作為全體的遠心性。根據本發(fā)明的具體方面,上述投影光學系統(tǒng)中,FFPx<FFPy 時,FFPx〈p ( (FFPy+FFPx) /2 (2), FFPy〈FFPx 時,FFPy〈p 彡(FFPy+FFPx)/2 (2)’。該場合,可以使橫向和縱向的中間方向中的遠心性比較高,可以降低遠心性的方向上的不平衡,投影在觀察方向等難以產生不均的明亮圖像。根據本發(fā)明的其他方面,從被投影面?zhèn)劝错樞?,實質包括放大用的第I組、在光調制元件的縱向和橫向具有不同放大率的第2組和具有正的放大率的第3組。該場合,通過具有正的放大率的第3組,可以抑制入射第2組的光的入射角度,抑制在第2組發(fā)生的像差,可提高成像性能。另外,由于可以由第3組抑制光的擴展,第2組的口徑變小,因此,可以期待高精度的透鏡加工,提高性能并降低成本。根據本發(fā)明的其他方面,從被投影面?zhèn)劝错樞?,實質包括放大用的第I組和在光調制元件的縱向和橫向具有不同放大率的第2組。一般地說,旋轉非對稱光學元件的制造難,為了提高精度,小型化是必須條件。為上述投影光學系統(tǒng)的場合,在接近光調制元件的位置中,光線的擴展少,透鏡成為小型,因此,可以期待高精度的透鏡加工,提高性能并降低成本。根據本發(fā)明的其他方面,第2組在光路上可進退,在第2組從光路上避讓時,光調制元件的圖像和在被投影面投影的圖像的橫縱比一致。該場合,第I組具有與一般的投影光學系統(tǒng)相同的放大光學系統(tǒng)的功能,可以僅僅由第I組以明亮狀態(tài)在被投影面上放大投影光調制元件的圖像。而且,使第2組在光路上進退時,不必顯著移動第I組,因此機械機構等的負擔少。另外,第2組為傳統(tǒng)技術那樣的后配置型的中繼系統(tǒng)的場合,取下中繼系統(tǒng)時,必須使第I組以大約中繼系統(tǒng)的量接近拍攝元件,為了再安裝和顯著移動第I組,需要大型機械機構等,同時,中繼系統(tǒng)的光學負擔變大,中繼系統(tǒng)的長度和構成透鏡數不可避免地大型化為與第I組匹配。另一方面,根據本發(fā)明的投影光學系統(tǒng),不必使第2組具有中繼透鏡的功能,可以縮短全長,減少構成透鏡數。另外,為本發(fā)明的投影光學系統(tǒng)的場合,與傳統(tǒng)技術那樣的后配置型的中繼系統(tǒng)不同,使第2組的全體而非一部分從第I組獨立地進行進退,因此,在第2組的進退或裝卸時,對第I組的偏心等的影響少,而且可以形成機構上獨立的配置。從而,在投影光學系統(tǒng)安裝時,將第2組作為單元僅僅考慮與第I組的安裝精度即可,可以提高安裝性。另外,由于可在接近光調制元件的位置使第2組在光路上進退,因此,即使第2組在光線上插入的場合,各像高的光線也沿離像高比較近的通路通過第2組,因此容易進行光線的控制。因而,可以抑制第2組在光路上的進退動作導致的像差的發(fā)生,防止第2組在光路上插入時的成像性能的劣化。即,通過將可進退的第2組放置在接近光調制元件的位置,可以使第2組緊湊,并抑制像差的發(fā)生。根據本發(fā)明的其他方面,第I組是變倍光學系統(tǒng),光圈伴隨變倍光學系統(tǒng)的倍率變化在光軸方向移動。從而,即使由變倍光學系統(tǒng)即第I組改變投影倍率的場合,也可以抑制遠心性的不平衡,平衡地提高光的利用效率。根據本發(fā)明的其他方面,第2組的一部分或全部是圓柱透鏡、變形透鏡(環(huán)面或環(huán)形透鏡)及自由曲面透鏡之一。這里,圓柱透鏡和/或變形透鏡包含具有非球面型的光學面的情況。根據本發(fā)明的其他方面,第2組包含I枚以上的旋轉對稱透鏡和I枚以上的旋轉非對稱透鏡??梢栽诮咏庹{制元件的第2組側簡易抑制由第I組的放大光學系統(tǒng)未抑制完的各像差尤其是非點像差。 根據本發(fā)明的其他方面,第2組在光調制元件的縱向的截面中,從被投影面?zhèn)劝错樞颍ň哂姓姆糯舐实牡贗光學元件組和具有負的放大率的第2光學元件組。該場合,可以縱向壓縮或縮短在被投影面上投影的圖像。被投影面的橫尺寸被固定時,可以在不改變投影距離的情況下進行橫縱比的變更。根據本發(fā)明的其他方面,第2組在光調制元件的橫向的截面中,從被投影面?zhèn)劝错樞?,包括具有負的放大率的第I光學元件組和具有正的放大率的第2光學元件組。該場合,可以橫向擴展或放大在被投影面上投影的圖像。被投影面的縱尺寸被固定時,可以在不改變投影距離的情況下進行橫縱比的變更。根據本發(fā)明的其他方面,通過光調制元件的中心的法線和投影光學系統(tǒng)的光軸被配置為平行。該場合,不必使光調制元件的中心和投影光學系統(tǒng)的光軸一致,通過從投影光學系統(tǒng)的光軸偏離地配置光調制元件的中心,可以在利用仰投的傾斜方向進行比較精密的投影。根據本發(fā)明的其他方面,投影光學系統(tǒng)具備在使投影光學系統(tǒng)的光軸保持平行于通過光調制元件的中心的法線的狀態(tài)下移動的偏移機構。即使調節(jié)偏移量,也可以在傾斜方向進行比較精密的投影。而且,放大光學系統(tǒng)具備變倍功能時,若在進行利用仰投才'J,仰投影)的傾斜投影的狀態(tài)下進行投影光學系統(tǒng)的變倍,則偏移量的絕對量增減,因此,通過由偏移機構校正,容易在被投影面收斂地投影圖像。根據本發(fā)明的其他方面,在物體側透鏡組的光調制元件側配置光合成用的棱鏡。該場合,可以合成投影在多個光調制元件形成的多色圖像。根據本發(fā)明的其他方面,從物體側透鏡組的光調制元件側的最端面到光調制元件為止的光束中與最大視角對應的光束的主光線與光軸不平行,具有傾角。該場合,通過使橫截面的最大視角及縱截面的最大視角的主光線相對于光軸稍微傾斜,縱向或橫向的遠心性不會被顯著破壞,在縱向及橫向都可保持良好遠心性,因此,可以保持全體的高畫質。本發(fā)明的投影機具備上述投影光學系統(tǒng)和光調制元件。根據本投影機,可以在被投影面上投影與光調制元件的圖像的橫縱比不同的橫縱比的圖像。此時,通過特別的投影光學系統(tǒng),可以投影在觀察方向等難以產生不均的明亮圖像。
圖I是說明第I實施方式的投影機的使用狀態(tài)的立體圖。圖2是圖I的投影機的概略構成的示圖。圖3是圖I的投影機中投影光學系統(tǒng)的構造的說明圖。圖4(A)表示投影光學系統(tǒng)的橫截面的構成,(B)表示投影光學系統(tǒng)的縱截面的構成。圖5 (A)表示投影光學系統(tǒng)的第I動作狀態(tài),(B)表示投影光學系統(tǒng)的第2動作狀態(tài)。圖6(A)及⑶是縱截面及橫截面中的光圈位置的說明圖。 圖7(A)是液晶面板的顯示區(qū)域上的位置的說明圖,(B)是液晶面板的斜截面中的主光線角度和光圈位置的關系示圖,(C)是液晶面板的縱橫截面中的主光線角度和光圈位置的關系示圖。圖8 (A)表示圖3等所示投影光學系統(tǒng)的變形例的橫截面的構成,(B)表示投影光學系統(tǒng)的縱截面的構成。圖9是第I實施方式的實施例I的光學系統(tǒng)的橫截面的說明圖。圖10是實施例I的光學系統(tǒng)的縱截面的說明圖。圖11是圖9的光學系統(tǒng)設為寬端時的橫截面的說明圖。圖12是圖10的光學系統(tǒng)設為寬端時的縱截面的說明圖。圖130Vr(C)是實施例I的光學系統(tǒng)變焦的動作的說明圖。圖14(A) (C)表示變焦動作中的斜方向中的主光線角度。圖15(A)表不第2實施方式的投影機的投影光學系統(tǒng)的橫截面的構成,(B)表不投影光學系統(tǒng)的縱截面的構成。圖16(A)表不第3實施方式的投影機的投影光學系統(tǒng)的橫截面的構成,(B)表不投影光學系統(tǒng)的縱截面的構成。標號說明2…投影機,10…光源,15,21…分色鏡,17B, 17G,17R…場透鏡,18B, 18G,18R…液晶面板,19…交叉分色棱鏡,20, 320…投影光學系統(tǒng),20a…本體部分,20b…物體側透鏡組,20f…屏幕側的最端面,30…第I組,31…第I透鏡部,32…第2透鏡部,40,240,40…第2組,41,42,141,142…光學元件組,60…第3組,50…光學系統(tǒng)部分,61···變焦驅動機構,62···第I變形驅動機構,63···第2變形驅動機構,64···全系統(tǒng)驅動機構,70···光圈,80···電路裝置,81…圖像處理部,83···透鏡驅動部,88···主控制部,AO…顯不區(qū)域,A2…顯不區(qū)域,ARO…橫縱比,AR2…橫縱比,AX…中心軸,L01-L23…透鏡,OA…光軸,PL…圖像光,SC…屏幕。
具體實施例方式以下附圖參照,詳細說明本發(fā)明的實施方式的投影機及投影光學系統(tǒng)?!驳贗實施方式〕如圖I所示,本發(fā)明的第I實施方式的投影機2根據圖像信號形成圖像光PLJf該圖像光PL向屏幕SC等的被投影面投影。投影機2的投影光學系統(tǒng)20將在投影機2內內置的光調制元件即液晶面板18G(18R,18B)的圖像放大投影到屏幕(被投影面)SC上時,相對于液晶面板18G(18R, 18B)的圖像的橫縱比(aspect ratio) ARO,可以使投影于屏幕SC上的圖像的橫縱比AR2不同。S卩,液晶面板18G的顯示區(qū)域AO的橫縱比ARO和屏幕SC的顯示區(qū)域A2的橫縱比AR2可以設為不同,但是也可以設為相同。具體地說,液晶面板18G的顯示區(qū)域AO的橫縱比ARO是例如I. 78 :1,屏幕SC的顯示區(qū)域A2的橫縱比AR2是例如
I.78 1U. 85 1,2. 35 :1、2· 4 1 等。如圖2所示,投影機2具備投影圖像光的光學系統(tǒng)部分50和控制光學系統(tǒng)部分50的動作的電路裝置80。光學系統(tǒng)部分50中,光源10是例如超高壓水銀燈,出射包含R光、G光及B光的光。這里,光源10可以是超高壓水銀燈以外的放電光源,也可以是LED和/或激光那樣的固體光源。第I積分透鏡11及第2積分透鏡12具有陣列狀排列的多個透鏡元件。第I積分透鏡11將來自光源10的光束分割為多個。第I積分透鏡11的各透鏡兀件將來自光源10的光束會聚到第2積分透鏡12的透鏡元件附近。第2積分透鏡12的透鏡元件與重疊透鏡14協(xié)作,將第I積分透鏡11的透鏡元件的像在液晶面板18R、18G、18B形成。通過這樣 的構成,來自光源10的光以近似均一亮度照明液晶面板18R、18G、18B的顯示區(qū)域(圖I的顯示區(qū)域A0)全體。偏振變換元件13將來自第2積分透鏡12的光變換為預定的直線偏振光。重疊透鏡14將第I積分透鏡11的各透鏡元件的像經由第2積分透鏡12重疊到液晶面板18R、18GU8B的顯示區(qū)域上。第I分色鏡15使從重疊透鏡14入射的R光反射,使G光及B光透過。由第I分色鏡15反射的R光經反射鏡16及場透鏡17R,入射光調制元件即液晶面板18R。液晶面板18R通過根據圖像信號調制R光,形成R色的圖像。第2分色鏡21使來自第I分色鏡15的G光反射,使B光透過。由第2分色鏡21反射的G光經場透鏡17G入射光調制元件即液晶面板18G。液晶面板18G通過根據圖像信號調制G光,形成G色的圖像。透過第2分色鏡21的B光經中繼透鏡22、24、反射鏡23、25及場透鏡17B,入射光調制元件即液晶面板18B。液晶面板18B通過根據圖像信號調制B光,形成B色的圖像。交叉分色棱鏡19是光合成用的棱鏡,將各液晶面板18R、18G、18B調制的光合成為圖像光,向投影光學系統(tǒng)20行進。投影光學系統(tǒng)20將各液晶面板18G、18R、18B調制后由交叉分色棱鏡19合成的圖像光PL放大投影在圖I的屏幕SC上。此時,投影光學系統(tǒng)20可以將屏幕SC上投影的圖像的橫縱比AR2設為與液晶面板18G、18R、18B的圖像的橫縱比ARO不同或者相同。電路裝置80具備輸入視頻信號等的外部圖像信號的圖像處理部81 ;根據圖像處理部81的輸出驅動在光學系統(tǒng)部分50設置的液晶面板18G、18R、18B的顯示驅動部82 ;使在投影光學系統(tǒng)20設置的驅動機構(沒有圖示)動作,調節(jié)投影光學系統(tǒng)20的狀態(tài)的透鏡驅動部83 ;統(tǒng)一地控制這些電路部分81、82、83等的動作的主控制部88。圖像處理部81將輸入的外部圖像信號變換為包含各色的灰度等的圖像信號。圖像處理部81在投影光學系統(tǒng)20為變換圖像的橫縱比并投影的第I動作狀態(tài)的場合,預先進行與投影光學系統(tǒng)20進行的橫縱比的變換相反的圖像的橫縱比變換,使得屏幕SC上顯示的圖像不在縱橫上伸縮。具體地說,通過投影光學系統(tǒng)20例如從I. 78 :1成為例如2. 4 I的方式橫向擴展圖像的場合,預先橫向進行O. 742=1. 78/2. 4倍的圖像的壓縮,或者,縱向進行I. 35=2. 4/1. 78倍的圖像的擴展。另一方面,投影光學系統(tǒng)20為不變換圖像的橫縱比而投影的第2動作狀態(tài)的場合,圖像處理部81不進行上述的圖像的橫縱比變換。另外,圖像處理部81也可以對外部圖像信號進行失真校正和色校正等的各種圖像處理。顯示驅動部82可以根據從圖像處理部81輸出的圖像信號使液晶面板18G、18R、18B動作,可以在液晶面板18G、18R、18B形成與該圖像信號對應的圖像或與對其進行圖像處理后的信號對應的圖像。透鏡驅動部83在主控制部88的控制下動作,通過使包含例如構成投影光學系統(tǒng)20的光圈的部分光學元件沿光軸OA適宜移動,可以改變投影光學系統(tǒng)20在圖I的屏幕SC上的圖像的投影倍率。另外,透鏡驅動部83通過使構成投影光學系統(tǒng)20的其他部分光學元件在光軸OA上即光路上進退,可以改變在圖I的屏幕SC上投影的圖像的橫縱比AR2。透鏡驅動部83通過使投影光學系統(tǒng)20全體在與光軸OA垂直的上下方向移動的仰投(7才U )調節(jié),可以改變在圖I的屏幕SC上投影的圖像的縱位置。
以下,參照圖3,說明實施方式的投影光學系統(tǒng)20。投影光學系統(tǒng)20具備透鏡等的多個光學元件組合而成的本體部分20a ;通過使本體部分20a的一部分或全體移動而調節(jié)其成像狀態(tài)的驅動機構61、62、63、64。本體部分20a從屏幕SC側按順序包括第I組30、第2組40、第3組60和光圈70。第I組30具有第I透鏡部31和第2透鏡部32。例如,通過手動等使構成第I透鏡部31的至少I枚的透鏡沿光軸OA微動,可以調節(jié)本體部分20a的聚焦狀態(tài)。另外,第2透鏡部32包括圖4(A)所示的第I、第2及第3透鏡組32a、32b、32c等,各透鏡組32a、32b、32c包括I枚以上的透鏡。通過由圖3的變焦驅動機構61使這些透鏡組32a、32b、32c等或構成這些的至少I枚透鏡沿光軸OA移動,可以變更本體部分20a的投影倍率。第2組40在橫向(X方向)和縱向(Y方向)具有不同的焦距,結果,即使作為還包含第I組30的投影光學系統(tǒng)20的整個系統(tǒng),在縱向和橫向也具有不同焦距。即,本體部分20a的縱向和橫向的放大倍率也成為不同,可以在屏幕SC上投影與液晶面板18G(18R,18B)顯示的圖像的橫縱比ARO不同的橫縱比AR2的圖像。第2組40包含相對于光軸OA具有旋轉非對稱面的一個以上的調節(jié)光學元件,具體地說,對于圖4(B)所示縱向(Y方向)的截面,從屏幕SC側按順序,包括具有正的放大率的第I光學元件組41和具有負的放大率的第2光學元件組42。另外,第I光學元件組41和第2光學元件組42在圖4(A)所示橫向(X方向)的截面,不具有放大率。這樣,通過將變形光學系統(tǒng)即第2組40設為對于橫截面具有正的折射力的第I光學元件組41和具有負的折射力的第2光學元件組42的組合,可以簡易地進行變倍即變焦。通過由圖3所示第I變形驅動機構62使第2組40 —體地在光路上進退,可以在期望的定時切換在屏幕SC上投影的圖像的橫縱比。具體地說,如圖5(A)所示,通過設為將第2組40在光路上配置的第I動作狀態(tài),可以以將在液晶面板18G(18R,18B)形成的圖像在縱向壓縮的橫縱比(例如2.4:1)在屏幕SC上投影圖像?;?,如圖5(B)所示,通過設為將第2組40從光路上避讓的第2動作狀態(tài),可以以在液晶面板18G(18R,18B)形成的圖像的原來的橫縱比(例如I. 78:1)在屏幕SC上投影圖像。通過第2組40縱向壓縮在屏幕SC上投影的圖像的構成,在使用橫向尺寸固定的屏幕SC時是有效的。即,對于這樣的屏幕SC,可以在投影光學系統(tǒng)20的投影距離等不變的情況下僅僅改變橫縱比。另外,也可以通過第2變形驅動機構63使構成第2組40的第I光學元件組41和第2光學元件組42在光軸OA方向移動。通過調節(jié)這些的間隔,可以連續(xù)地增減在屏幕SC上投影的圖像的橫縱比。而且,如圖3所示,通過由全系統(tǒng)驅動機構64使本體部分20a全體在與光軸OA垂直的方向移動,調節(jié)偏移量,可以增減在屏幕SC上投影的圖像離光軸OA的偏移量。S卩,通過使本體部分20a的光軸OA與液晶面板18G的中心軸AX保持平行的狀態(tài)的同時使本體部分20a的光軸OA相對于液晶面板18G的中心軸AX移動適當偏移量SF,可以在從光軸OA向例如上方向(+Y方向)偏移的位置投影圖像(仰投投影),可以通過偏移量SF的調節(jié)使圖像的投影位置縱向上下移動。另外,本體部分20a的光軸OA的以液晶面板18G的中心軸AX為基準的偏移量即偏移量SF不必一定設為可變,例如也可以固定為非零值。另外,也可以通過全系統(tǒng)驅動機構64使本體部分20a全體在沿光軸OA的方向適宜移動。第3組60包含I枚以上橫向及縱向具有放大率的旋轉對稱透鏡。第3組60具有正的放大率,因此可以抑制從光調制元件出射的光的擴散。因此,可以抑制向第2組40入 射的光的角度,抑制在第2組40發(fā)生的像差。結果,第3組60為了可以抑制全體的像差,具有多個透鏡作為校正光學元件,這些透鏡中具有正的放大率,必要時也可以包含非球面透鏡。光圈70與構成例如第I組30的第2透鏡部32的任一透鏡相鄰配置。圖4 (A)所示例中,在第2透鏡部32的第2及第3透鏡組32b、32c間配置了光圈70。光圈70具有通過部分地遮擋通過第I組30的光束即圖像光而調節(jié)圖像光的狀態(tài)的功能。具體地說,光圈70將通過第I組30的光束的截面在光軸OA上的對應位置設為預定的尺寸及形狀。從而,通過限定從液晶面板18G(18R,18B)出射的圖像光,可以調節(jié)該主光線的出射角度和/或方向。光圈70與第I組30的第2透鏡部32的變焦動作連動,沿光軸OA移動。這樣,通過由變焦驅動機構61沿光軸OA移動光圈70,可以根據變焦即投影倍率使從液晶面板18G(18R,18B)出射的圖像光的出射狀態(tài)成為適當狀態(tài)。以上的變焦驅動機構61、第I變形驅動機構62、第2變形驅動機構63及全系統(tǒng)驅動機構64具有馬達、機械傳動機構、傳感器等,根據來自圖2的透鏡驅動部83的驅動信號而動作。這些驅動機構61、62、63、64不僅根據來自透鏡驅動部83的驅動信號單獨動作,而且復合地動作。例如,通過匹配變焦驅動機構61的動作而使全系統(tǒng)驅動機構64動作,可以抑制變焦時圖像偏移的現象等。這里,進一步詳細說明圖3等所示投影光學系統(tǒng)20的功能。為該投影光學系統(tǒng)20的場合,在離液晶面板18G (18R,18B)比較近的位置,第2組40可在光線上進退,因此,各像高的光線沿離像高比較近的通路通過第2組,從而容易控制光線。因而,可以抑制第2組40在光路上的進退動作導致的像差的發(fā)生。一般地說,旋轉非對稱光學元件的制造困難,為了提高精度,第2組40的小型化是必須條件。從而,第2組40越接近液晶面板18G(18R,18B)光線的擴散越小,可以使構成第2組40的調節(jié)光學元件即第I光學元件組41和第2光學元件組42小型化,因此,可以對這些光學元件組41、42期待高精度的透鏡加工,隨著投影光學系統(tǒng)20的性能提高,還可降低成本。而且,投影光學系統(tǒng)20通過具有離液晶面板18G(18R,18B)最近的第3組60,可以通過比較簡單的光學系統(tǒng)有效地校正合理的像差。通過存在這樣的第3組60,可以進一步顯著提高性能。具體地說,通過該第3組60,可以抑制第2組40內的光束的擴散,防止第2組40的直徑變大。另外,通過使變形型的第2組成為近似無焦系統(tǒng),可以在降低第2組40的構成透鏡的位置精度要求的同時確保精度。圖6(A)及6(B)是投影光學系統(tǒng)20中的光圈70的配置的說明圖。這里,投影光學系統(tǒng)20中,作為影響物體側的遠心性的部分,考慮在從液晶面板18G(18R,18B)到光圈70為止間配置的物體側透鏡組20b。為圖示的場合,物體側透鏡組20b包括第I組30中第2透鏡部32的第3透鏡組32c、第2組40、和第3組60。S卩,在光圈70的物體側,配置第I組30中的第3透鏡組32c、第2組40、第3組60。首先,將光圈70和物體側透鏡組20b的屏幕SC側的最端面20f的距離設為P。圖6㈧所示物體側透鏡組20b的縱截面即YZ截面中,將物體側透鏡組20b的屏幕SC側的焦點FPy和物體側透鏡組20b的屏幕SC側的最端面20f的距離設為FFPy。而且,圖6 (B)所示物體側透鏡組20b的橫截面即XZ截面中,將物體側透鏡組20b的屏幕SC側的焦點FPx和物體側透鏡組20b的屏幕SC側的最端面20f的距離設為FFPx。該場合,最端面20f到光圈70為止的距離P設定在距離FFPx和距離FFPy之間。即,FFPx〈FFPy時,距離P設定在下記條件(I)的范圍內。FFPx<p<FFPy (I) 另外,FFPy〈FFPx時,距離p設定在下記條件(I)’的范圍內。FFPy<p<FFPx (I),這里,圖6(A)及6(B)例示的投影光學系統(tǒng)20中,橫截面的焦點FPx比縱截面的焦點FPy更靠近最端面20f,FFPx〈FFPy,橫向具有相對大的放大率,使圖像的橫縱比增大。該場合,距離P設定在條件⑴的范圍內,比下限的FFPx大,比上限的FFPy小。以上的條件(I)、(I)’還考慮視角的方向,預定為了良好保持投影光學系統(tǒng)20的遠心性的光圈70的配置范圍。在條件(I)、(I)’的范圍內配置光圈70的場合,可以提高遠心性,確保光的利用效率,因此,可以提高投影機2的性能。例如,為縱向壓縮圖像類型的投影光學系統(tǒng)20的場合,一般FFPx〈FFPy,到物體側透鏡組20b的液晶面板18G(18R,18B)側的最端面20r為止的光束中與最大視角對應的光束與光軸OA不平行,具有傾角。具體地說,與縱截面的周邊圖像對應的主光線PLl朝屏幕SC向內傾斜,與橫截面的周邊圖像對應的主光線PL2朝屏幕SC向外傾斜。結果,投影光學系統(tǒng)20嚴格意義上對于縱或橫都不形成遠心,但是,在縱向和橫向上,平衡地提高了遠心性。另外,若超過條件(I)的上限在屏幕SC側配置光圈70,則與橫截面及縱截面的周邊圖像對應的主光線都朝向屏幕SC以從光軸OA離開的方式向外傾斜,投影光學系統(tǒng)20的遠心性被顯著破壞。反之,若超過條件(I)的下限在屏幕SC側配置光圈70,則與橫截面及縱截面的周邊圖像對應的主光線都朝向屏幕SC以接近光軸OA的方式向內傾斜,投影光學系統(tǒng)20的遠心性被顯著破壞。光圈70的更佳配置設為從物體側透鏡組20b的縱截面的焦點FPy和物體側透鏡組20b的橫截面的焦點FPx的中間位置到最端面20f側或物體側的焦點位置為止的范圍內。S卩,FFPx〈FFPy時,距離P設定在下記條件(2)的范圍內。FFPx〈p ( (FFPy+FFPx) /2 (2)另外,FFPy<FFPx時,距離p設定在下記條件(2) ’的范圍內。FFPy<p ( (FFPy+FFPx) /2 (2) ’這里,圖6(A)及6(B)例示的投影光學系統(tǒng)20中,FFPx〈FFPy,橫向具有相對大的放大率,使圖像的橫縱比增大。該場合,距離P設定在條件(2)的范圍內,比下限的FFPx大,小于等于上限的(FFPy+FFPx)/2。從而,可使橫向和縱向的中間方向中的遠心性比較高,可以降低遠心性的方向上的不平衡,投影在觀察方向等難以產生不均的明亮圖像。參照圖7⑷,考慮液晶面板18G的顯示區(qū)域AO的坐標。這里,以光軸OA為基準,確定與橫的X方向對應的X軸和與縱的Y方向對應的I軸。具備縱橫上非對稱變形型透鏡系統(tǒng)的投影光學系統(tǒng)20中,考慮來自液晶面板18G的主光線的出射角度時,僅僅考慮沿X軸的橫軸位置和/或沿y軸的縱軸位置是不夠的,必須考慮斜方向的位置。即,對于圖中斜矢量VS表示的方向,也考慮主光線的出射角度(主光線角度)。這里,沿X軸的橫軸位置Ex和來自該點的主光線角度設為近似線性,沿y軸的縱軸位置Ey和來自該點的主光線角度設為近似線性。同樣,與矢量VS平行的斜位置Es和來自該點的主光線角度也可以設為近似線性。圖7(B)表示改變光圈70的位置的同時計算的矢量VS的前端的斜位置Es中的主光線角度的模擬結果。從圖可知,在物體側透鏡組20b的縱截面的焦點FPy和橫截面的焦點FPx之間存在主光線角度的極小值。即,光圈70的位置設定在縱截面的焦點FPy和橫截面的焦點FPx·之間的場合,可知可以全體地抑制主光線角度的增加。換言之,物體側透鏡組20b的最端面20f到光圈70的距離P期望設定在距離FFPx和距離FFPy之間。S卩,距離p期望設定在上述條件(I)的范圍內。而且,進一步仔細觀察發(fā)現,在縱截面的焦點FPy和橫截面的焦點FPx的中間位置與橫截面的焦點FPx之間存在主光線角度的極小值。即,光圈70的位置設定在一對焦點FPy> FPx的中間位置與橫截面的焦點FPx之間的場合,認為可以全體地抑制主光線角度的增加。換言之,物體側透鏡組20b的最端面20f到光圈70的距離P期望在距離FFPx和距離FFPy的平均值以下,在距離FFPx以上。即,距離P期望設定在上述條件(2)的范圍內。圖7(C)表示改變光圈70的位置的同時計算的沿橫的X軸的位置Ex和沿縱的y軸的位置Ey中的主光線角度的模擬結果。從圖可知,橫軸位置Ex中,光圈70在橫截面的焦點FPx配置的場合,主光線角度成為零。另一方面,即使縱軸位置Ey中,光圈70在縱截面的焦點FPy配置的場合,主光線角度也成為零。如上所述,為本實施方式的投影光學系統(tǒng)20的場合,還考慮視角的方向,在物體側成為近似遠心。即,來自液晶面板18G(18R,18B)的光線在縱截面、橫截面及斜截面成為與光軸OA接近平行的狀態(tài)。從而,可以比較簡易地高精度組合液晶面板18G(18R,18B)和投影光學系統(tǒng)20,安裝性良好。而且,使投影光學系統(tǒng)20在與光軸OA垂直的方向移動,進行利用仰投的投影時,來自液晶面板18G(18R,18B)的出射光若以近似遠心的狀態(tài)取入投影光學系統(tǒng)20,則容易確保周邊光量,有利于畫質的提高。另外,通過形成近似遠心狀態(tài)可以降低色差,因此有利于畫質的提高。圖5 (B)所示投影光學系統(tǒng)20的第2組40向光路外避讓形成第2動作狀態(tài)的場合,在投影光學系統(tǒng)20內的第2組40的位置什么都不配置。S卩,第2組40避讓時,投影光學系統(tǒng)20的第I組30和第3組60協(xié)作,成為僅僅由旋轉對稱光學元件構成,因此,液晶面板18G(18R,18B)的顯示區(qū)域AO的橫縱比和屏幕SC的顯示區(qū)域A2的橫縱比一致。第2組40避讓時,透過率提高,可使圖像明亮。為本實施方式的投影光學系統(tǒng)20的場合,在光路上固定地設置第I組30和第3組60,使第2組40在光路上進退。該點顯著不同于將傳統(tǒng)的后配置型的中繼系統(tǒng)(參照日本特愿2004-027496號公報)沿用于投影系統(tǒng)的情況。即,傳統(tǒng)的后配置型的中繼系統(tǒng)中,取下后配置型的中繼系統(tǒng)時,投影光學系統(tǒng)以大約后配置型的中繼系統(tǒng)的量接近拍攝元件。另一方面,為本實施方式的投影光學系統(tǒng)20的場合,即使取下第2組40向光路外避讓,也幾乎不必改變第I組30和第3組60的位置。S卩,進行第2組40在光路上進退的縱橫倍率切換時,不必使第I組30和第3組60大幅動作,可以減輕機械機構的負擔。另外,將傳統(tǒng)的后配置型的中繼系統(tǒng)沿用于投影系統(tǒng)的場合,通過使后配置型的中繼系統(tǒng)的一部分即第2組在光路上進退而改變縱橫的倍率變換,但是,即使使縱橫的倍率變換用的第2組在光路上進退,本體光學系統(tǒng)也沒有大幅的移動。因此,傳統(tǒng)的后配置型的中繼系統(tǒng)取代可單獨使用的本體光學系統(tǒng),安裝固定到本體光學系統(tǒng)。因而,為傳統(tǒng)的后配置型的中繼系統(tǒng)的場合,存在其光學負擔大、光軸方向變長、構成透鏡數增加的問題,但是根據本實施方式的投影光學系統(tǒng)20,不必使第2組40具有中繼透鏡的功能,可以縮短全長,減少構成透鏡數。另外,為本實施方式的投影光學系統(tǒng)20的場合,與傳統(tǒng)的后配置型的中繼系統(tǒng)不同,使第2組40的全體而非部分與第I組30及第3組60獨立地進退,因此在第2組40的進退或裝卸時,可以減少對第I組30及第3組60的偏心等的影響, 而且機構上也可以形成比較獨立的配置,在投影光學系統(tǒng)20的安裝時,考慮第2組40作為單元在分體的第I組30及第3組60間的安裝精度即可,可以提高安裝性。投影光學系統(tǒng)20中,可以設為在將本體部分20a的光軸OA保持與液晶面板18G的中心軸AX平行的狀態(tài)的同時以適當偏移量SF移動的狀態(tài),因此,可以進行利用了仰投的投影,容易防止視聽者和圖像光PL干涉,提高設置性。投影光學系統(tǒng)20的本體部分20a為相對于液晶面板18G如上述那樣移動的狀態(tài)時,若由變焦驅動機構61使第2透鏡部32動作,進行變更投影倍率的變焦,則圖像光PL的偏移量的絕對量增加。因此,通過由全系統(tǒng)驅動機構64的動作校正基于變焦的偏移量的增加,可以提高投影機2的操作性、設置性。此時,在主控制部88的控制下,通過使變焦驅動機構61和全系統(tǒng)驅動機構64連動,使動作自動化,進一步提高操作性。為上述實施方式的投影光學系統(tǒng)20的場合,構成第2組40的調節(jié)光學元件即光學元件組41、42的單面或兩面為圓柱透鏡面。圓柱透鏡與變形透鏡和/或自由曲面透鏡等t匕,比較容易加工,可期待高精度并降低成本。另外,平面截面?zhèn)鹊钠拿舾卸鹊?,安裝性提高,結果,可期待高性能化。即,通過由圓柱透鏡構成第2組40,可以確保投影光學系統(tǒng)20的精度的同時降低成本。構成第2組40的光學元件組41、42的單面或兩面不限于圓柱透鏡面,可以采用變形透鏡(例如環(huán)面或環(huán)形透鏡)。以上,構成第2組40的圓柱型或變形透鏡型的光學元件組41、42的單面或兩面對
于縱的X截面或橫的Y截面,可具有由非球面式,具體為以下的多項式表示的形狀。
2h =-=^L=== + A2y2 + A4y4 + A6y6 + A8y8 +A10V10 +··.
1 + V1-(l + k)c‘y^這里,y設為離光軸OA的像的高度(像高),c設為基準球面的曲率,k設為圓錐常數,A2、A4、A6、AS、AlO、…分別設為預定的校正項。而且,構成第2組40的光學元件組41、42的單面或兩面可以設為自由曲面。通過采用自由曲面透鏡,可以在Y方向及X方向的兩截面控制曲率,因此可以降低非點像差,實現高性能化。另外,通過采用非球面,可以降低各種像差,實現高性能化。而且,通過采用自由曲面,在屏幕SC上或液晶面板18G(18R,18B)上的成像圈(image circle)面中,液晶面板18G (18R,18B)的縱橫方向以外的中間的斜方向的成像狀態(tài)的優(yōu)化也變得容易,可以實現高性能化。關于第2組40,不限于2枚的光學元件組41、42,也可以包括3枚以上的光學元件組。此時,期望不會因為第2組40發(fā)生色像差。因而,期望以下的關系成立。Σ (Φ Χ Vi) N O這里,φ i :構成第2組40的各透鏡的折射率,
V i :構成第2組40的各透鏡的阿貝數。圖8㈧及8(B)是圖4㈧及4(B)所示投影光學系統(tǒng)20的變形例的說明圖。第2組140在縱向(Y方向)和橫向(X方向)具有不同焦距,結果,即使作為還包含第I組30的投影光學系統(tǒng)20的全系統(tǒng),也在縱向和橫向具有不同焦距。該場合,第2組140在縱向(Y方向)的截面上,從屏幕SC側按順序包括具有負的放大率的第I光學元件組141和具有正的放大率的第2光學元件組142。使該第2組140從光路上避讓的場合,可以以在液晶面板18G(18R,18B)形成的圖像的原來橫縱比(例如I. 78:1)在屏幕SC上投影圖像。另外,如圖8 (A)等所示,可以在光路上配置第2組40,以將在液晶面板18G(18R,18B)形成的圖像在橫向放大的橫縱比(例如2. 4:1)在屏幕SC上投影圖像。而且,通過包括圖3的第2變形驅動機構63使構成第2組140的第I光學元件組141和第2光學元件組142在光軸OA方向移動來調節(jié)這些間隔,也可以使在屏幕SC上投影的圖像的橫縱比連續(xù)地增減。另外,由第2組40橫向放大屏幕SC上投影的圖像的構成在使用縱尺寸固定的屏幕SC時有效。即,對于這樣的屏幕SC,可以在不改變投影光學系統(tǒng)20的投影距離等的情況下僅僅進行橫縱比的變更。以上,根據本實施方式的投影光學系統(tǒng)20,物體側透鏡組20b在液晶面板18G(18R,18B)的縱向和橫向具有不同放大率,因此即使作為投影光學系統(tǒng)20的全系統(tǒng),也可使在縱橫方向具有不同焦距的縱橫方向的放大倍率成為不同,使液晶面板18G(18R,18B)的圖像的橫縱比和在屏幕SC上投影的圖像的橫縱比不同。即,通過本投影光學系統(tǒng)20,可進行幅度和高度比即橫縱比的變換。此時,光圈70和物體側透鏡組20b的屏幕SC側的最端面20f的距離P滿足上述條件式(I)、(I)’,因此,可以在縱向和橫向的雙方確保一定以上的遠心性?!矊嵤├齀〕圖9及10是第I實施方式的投影光學系統(tǒng)20的具體實施例I的說明圖。圖9表示橫截面,圖10表示縱截面。該場合,投影光學系統(tǒng)20形成放大率比較低的“遠端”的狀態(tài)。另外,投影光學系統(tǒng)20成為在光路上配置第2組40,橫縱比在縱的Y方向壓縮的第I動作狀態(tài)。投影光學系統(tǒng)20包括透鏡Lf L21,其中由透鏡Lf L13構成第I組30,由透鏡L14 L17構成第2組40,由透鏡L18 L21構成第3組60。第I組30所包含的透鏡L1 L13是繞光軸OA的旋轉對稱的球面的透鏡。第2組40中,接合透鏡L14、L15在縱的Y方向成為具有正的放大率的透鏡,在橫的X方向成為不具有放大率的圓柱透鏡。另外,接合透鏡L16、L17在縱的Y方向成為具有負的放大率的透鏡,在橫的X方向成為不具有放大率的圓柱透鏡。第3組60所包含的L18 L21是繞光軸OA的旋轉對稱的球面的透鏡。其中,透鏡L18、L19是負及正組合的接合透鏡,透鏡L20是負的彎月透鏡,透鏡L21是正的彎月透鏡。另外,第I組30中,包括透鏡L5、L6、7的第I透鏡組32a和包括透鏡L8、L9的第2透鏡組32b和包括透鏡L10、L11的第3透鏡組32c在投影倍率的變更時即變焦時沿光軸OA變位。以下的表I表示實施例I的透鏡數據等。該表I的上欄中,“面編號”表示從像面?zhèn)软樞蛳蚋魍哥R的面附上的編號。另外,“R1”、“R2”表示Y及X曲率半徑,“D”表示與次面之間的透鏡厚度或者空氣空間。而且,“Nd”表示透鏡材料的d線中的折射率,“ V d”表示透鏡材料的d線中的阿貝數。另外,實施例I的場合,全部的面形成球面或圓柱面。表I
面編號 ~Rl~R2Ndvd
~ 88.8419 85I. 533498 73. 348
~2708.7711738
350.3815Γ54I.834807 42.7137
~27.4327\70
573.014Ζ81I. 714084 53. 1945
631.515 Γ94
~564. 7653Γ021.697403 55.4447
~841.483WW
9-124. 147ΓδΟI. 799972 44.9972
~1045.064 Γθ41.660553 33. 1951
~Π-63. 330020
~12372.4465 70I.685991 31.1162
~13-131.915WW
~14-46.961Γ651.813225 44.077
~15-189.9524 281.682055 41.613權利要求
1.一種投影光學系統(tǒng),其特征在于,在被投影面上放大投影圖像時,光調制元件的圖像的橫縱比和在上述被投影面投影的圖像的橫縱比設為不同, 具有限制光束通過的光圈, 在從上述光調制元件到上述光圈為止之間配置的物體側透鏡組,在上述光調制元件的縱向和橫向具有不同的放大率, 上述光圈和上述物體側透鏡組的上述被投影面?zhèn)鹊淖疃嗣娴木嚯x設為P,上述物體側透鏡組的橫截面中,上述被投影面?zhèn)鹊慕裹c和上述被投影面?zhèn)鹊淖疃嗣娴木嚯x設為FFPx,上述物體側透鏡組的縱截面中,上述被投影面?zhèn)鹊慕裹c和上述被投影面?zhèn)鹊淖疃嗣娴木嚯x設為FFPy,FFPx〈FFPy 時,FFPx<p<FFPy,FFPy<FFPx 時,FFPy〈p〈FFPx。
2.如權利要求I所述的投影光學系統(tǒng),其特征在于,FFPx<FFPy 時,FFPx〈p ( (FFPy+FFPx)/2,FFPy<FFPx 時,FFPy<p ( (FFPy+FFPx)/2。
3.如權利要求I或2所述的投影光學系統(tǒng),其特征在于, 從上述被投影面?zhèn)劝错樞颍ǚ糯笥玫牡贗組、在上述光調制元件的縱向和橫向具有不同放大率的第2組和具有正的放大率的第3組。
4.如權利要求I或2所述的投影光學系統(tǒng),其特征在于, 從上述被投影面?zhèn)劝错樞?,包括放大用的第I組和在上述光調制元件的縱向和橫向具有不同放大率的第2組。
5.如權利要求3或4所述的投影光學系統(tǒng),其特征在于, 上述第2組在光路上可進退, 在上述第2組從光路上避讓時,上述光調制元件的圖像和在上述被投影面投影的圖像的橫縱比一致。
6.如權利要求3到5的任一項所述的投影光學系統(tǒng),其特征在于, 上述第I組是變倍光學系統(tǒng), 上述光圈伴隨上述變倍光學系統(tǒng)的倍率變化在光軸方向移動。
7.如權利要求3到6的任一項所述的投影光學系統(tǒng),其特征在于, 上述第2組的一部分或全部是圓柱透鏡、變形透鏡及自由曲面透鏡之一。
8.如權利要求3到7的任一項所述的投影光學系統(tǒng),其特征在于, 上述第2組包含I枚以上的旋轉對稱透鏡和I枚以上的旋轉非對稱透鏡。
9.如權利要求3到8的任一項所述的投影光學系統(tǒng),其特征在于, 上述第2組在上述光調制元件的縱向的截面中,從上述被投影面?zhèn)劝错樞颍ň哂姓姆糯舐实牡贗光學元件組和具有負的放大率的第2光學元件組。
10.如權利要求3到8的任一項所述的投影光學系統(tǒng),其特征在于, 上述第2組在上述光調制元件的橫向的截面中,從上述被投影面?zhèn)劝错樞?,包括具有負的放大率的第I光學元件組和具有正的放大率的第2光學元件組。
11.如權利要求I到10的任一項所述的投影光學系統(tǒng),其特征在于, 通過上述光調制元件的中心的法線和上述投影光學系統(tǒng)的光軸被配置為平行。
12.如權利要求11所述的投影光學系統(tǒng),其特征在于, 上述投影光學系統(tǒng)具備在使上述投影光學系統(tǒng)的光軸保持平行于通過上述光調制元件的中心的法線的狀態(tài)下移動的偏移機構。
13.如權利要求I到12的任一項所述的投影光學系統(tǒng),其特征在于, 在上述物體側透鏡組的上述光調制元件側配置光合成用的棱鏡。
14.如權利要求I到13的任一項所述的投影光學系統(tǒng),其特征在于, 從上述物體側透鏡組的上述光調制元件側的最端面到上述光調制元件為止的光束中與最大視角對應的光束的主光線與光軸不平行,具有傾角。
15.一種投影機,其特征在于,具備 如權利要求I到14的任一項所述的投影光學系統(tǒng);和 上述光調制元件。
全文摘要
本發(fā)明提供平衡地提高光的利用效率的投影光學系統(tǒng)及嵌有其的投影機。物體側透鏡組20b在液晶面板18G(18R,18B)的縱向和橫向具有不同放大率,因此,即使作為投影光學系統(tǒng)20的全系統(tǒng),在縱橫向具有不同焦距,縱橫向的放大倍率也成為不同,液晶面板18G(18R,18B)的圖像的橫縱比和在屏幕SC上投影的圖像的橫縱比可以形成為不同。即,通過本投影光學系統(tǒng)20,可進行寬高比即橫縱比的變換。此時,光圈70和物體側透鏡組20b的屏幕SC側的最端面20f的距離p滿足預定的條件式,因此,在縱向和橫向的雙方可以確保一定以上的遠心性。
文檔編號G02B13/08GK102841434SQ20121021261
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權日2011年6月22日
發(fā)明者大谷信, 守國榮時 申請人:精工愛普生株式會社