投影光學(xué)系統(tǒng)和圖像顯示裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及將圖像放大投影到屏幕上顯示的所謂投影機(jī)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(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，被稱為投影機(jī)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(xué)系統(tǒng)，將數(shù)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(gè)微鏡，這些微鏡角的度能夠在規(guī)定范圍 內(nèi)單獨(dú)受到電子控制。通過設(shè)定照明光的入射角度以控制DMD的各微鏡傾斜角度，例如，當(dāng) 一個(gè)微鏡角度為-12度時(shí)，受到微鏡反射后照明光的反射光入射投射光學(xué)系統(tǒng)，而當(dāng)微鏡 角度為+12度時(shí)，受到微鏡反射后照明光的反射光不會(huì)入射投射光學(xué)系統(tǒng)，這樣在DMD顯示 畫面上便能夠形成數(shù)字圖像。
[0004] 在上述這類投射型圖像顯示裝置中，目前對(duì)縮短投射距離，能夠在近距離設(shè)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(jī)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(jī)，用于超短投射距離的投射型圖像顯 示裝置中的投射光學(xué)系統(tǒng)，在用曲面鏡補(bǔ)償圖像彎曲變形的同時(shí)，還偏轉(zhuǎn)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(jī)能夠以超近距離 進(jìn)行投射。
[0006] 專利文獻(xiàn) 1-4 (JP 特開 2007-79524、JP 特開 2011-242606、JP 特開 2012-108267、 JP特開2009-216883號(hào)公報(bào)）等公開了一種利用曲面鏡實(shí)現(xiàn)小型且超短投射距離的投射型 圖像顯示裝置的技術(shù)方案。
[0007] 上述專利文獻(xiàn)均顯示了組合折射光學(xué)系統(tǒng)和曲面鏡的投射型圖像顯示裝置的構(gòu) 成，根據(jù)這些專利文獻(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)超短投射距離。
[0008] 然而，對(duì)于這類投射型圖像顯示裝置，即對(duì)于超短投射投影機(jī)，近年來出現(xiàn)小型化 和降低生產(chǎn)成本的要求。而使用反射光學(xué)系統(tǒng)的投影機(jī)為了避免光線與框體之間發(fā)生干 涉，必須采用圖像顯示元件相對(duì)于光軸偏心的構(gòu)成。為此造成投影機(jī)厚度方向尺寸增加，該 增加量相當(dāng)于圖像顯示元件相對(duì)于光軸偏心的量。此外，僅使用折射光學(xué)系統(tǒng)的投影機(jī)與 使用折射光學(xué)系統(tǒng)和反射光學(xué)系統(tǒng)雙方的投影機(jī)之間無法通用同一圖像顯示元件的照明 系統(tǒng)。為此各自需要單獨(dú)開發(fā)照明系統(tǒng)，這也是成本上升的原因之一。
[0009] 專利文獻(xiàn)1和2沒有涉及薄型化以及通用照明系統(tǒng)，因而無法應(yīng)對(duì)上述的市場要 求。
[0010] 專利文獻(xiàn)3公開了通過在折射光學(xué)系統(tǒng)中形成中間像用以抑制圖像形成元件偏 心量的構(gòu)成，但是，在這樣的折射光學(xué)系統(tǒng)中，如果僅形成中間像，將造成光軸方向大小增 大，無法應(yīng)對(duì)小型化要求。
[0011] 專利文獻(xiàn)4公開了使用多個(gè)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(huì)引起制造誤差感度上升，應(yīng)該盡可能避免這種技術(shù)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠充分縮短投射距離同時(shí)實(shí)現(xiàn) 高輝度的高性能小型投射光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明的投射光學(xué)系統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)，其特征在于，
[0013] 具備折射光學(xué)系統(tǒng)和反射光學(xué)系統(tǒng)，
[0014] 該折射光學(xué)系統(tǒng)包括光圈和多個(gè)包含多個(gè)透鏡的光學(xué)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(xué)系統(tǒng)具有位于所述折射光學(xué)系統(tǒng)和所述屏幕之間的至少一個(gè)反射光 學(xué)元件，
[0016] 所述投射光學(xué)系統(tǒng)在所述圖像顯示元件與所述反射光學(xué)系統(tǒng)之間形成一個(gè)中間 像，
[0017] 當(dāng)設(shè)定光軸A為所述折射光學(xué)系統(tǒng)中多個(gè)軸對(duì)稱的所述透鏡共有的軸，并設(shè)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(nèi)，而且垂直于該光軸A時(shí)，作為所述折射光學(xué)系統(tǒng)中一部分的光學(xué)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(jù)以上所述，能夠提供如下效果。
[0020] 即，本發(fā)明的投射光學(xué)系統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)，其中，
[0021] 具備折射光學(xué)系統(tǒng)和反射光學(xué)系統(tǒng)，
[0022] 該折射光學(xué)系統(tǒng)包括光圈和多個(gè)包含多個(gè)透鏡的光學(xué)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(xué)系統(tǒng)具有位于所述折射光學(xué)系統(tǒng)和所述屏幕之間的至少一個(gè)反射光 學(xué)元件，
[0024] 所述投射光學(xué)系統(tǒng)在所述圖像顯示元件與所述反射光學(xué)系統(tǒng)之間形成一個(gè)中間 像，
[0025] 當(dāng)設(shè)定光軸A為所述折射光學(xué)系統(tǒng)中多個(gè)軸對(duì)稱的所述透鏡共有的軸，并設(shè)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(nèi)，而且垂直于該光軸A時(shí)，作為所述折射光學(xué)系統(tǒng)中一部分的光學(xué)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(fā)明能夠提供充分縮短投射距離，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高輝度的高性能小型投射光 學(xué)系統(tǒng)。
【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(fā)明實(shí)施例1涉及的投射光學(xué)系統(tǒng)的圖像顯示裝置整體的主要結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0029] 圖2是進(jìn)一步詳細(xì)顯示圖1的投射光學(xué)系統(tǒng)中的主要部分即折射光學(xué)系統(tǒng)的透鏡 系統(tǒng)以及該透鏡系統(tǒng)的聚焦動(dòng)作的示意圖。
[0030] 圖3是圖1的投射光學(xué)系統(tǒng)中的圖像顯示元件的圖像形成部的顯示畫面的形態(tài)以 及相對(duì)于該光軸的位置關(guān)系的示意圖。
[0031] 圖4是圖1的投射光學(xué)系統(tǒng)中的旁軸像面、中間像以及光軸等之間關(guān)系的示意圖。
[0032] 圖5是圖1的投射光學(xué)系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離（畫面為100英寸）時(shí)旁軸像面與、主光線 在該旁軸像面上的交點(diǎn)之間關(guān)系的示意圖。
[0033] 圖6是圖1的投射光學(xué)系統(tǒng)的中距離（畫面為80英寸）時(shí)旁軸像面與、主光線在 該旁軸像面上的交點(diǎn)之間關(guān)系的示意圖。
[0034] 圖7是圖1的投射光學(xué)系統(tǒng)的近距離（畫面為60英寸）時(shí)旁軸像面與、主光線在 該旁軸像面上的交點(diǎn)之間關(guān)系的示意圖。
[0035] 圖8是圖1的投射光學(xué)系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離（畫面為100英寸）時(shí)屏幕SC上各視角的 波長550nm的光點(diǎn)位置的示意圖。
[0036] 圖9是圖1的投射光學(xué)系統(tǒng)在中距離（畫面為80英寸）時(shí)屏幕SC上個(gè)視角的波 長550nm的光點(diǎn)位置。
[0037] 圖10是圖1的在投射光學(xué)系統(tǒng)在近距離（畫面為60英寸）時(shí)屏幕SC上個(gè)視角 的波長550nm的光點(diǎn)位置。
[0038] 圖11是表示圖1的投射光學(xué)系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離（畫面為100英寸）時(shí)在屏幕上波長 625nm(紅色）、 55〇nm(綠色）、425nm(藍(lán)色）的成像特性的點(diǎn)列圖。
[0039] 圖12是表示圖1的投射光學(xué)系統(tǒng)在中距離（畫面為80英寸）時(shí)在屏幕上波長 625nm(紅色）、 55〇nm(綠色）、425nm(藍(lán)色）的成像特性的點(diǎn)列圖。
[0040] 圖13是表示圖1的投射光學(xué)系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離（畫面為60英寸）時(shí)在屏幕上波長 625nm(紅色）、 55〇nm(綠色）、425nm(藍(lán)色）的成像特性的點(diǎn)列圖。
[0041] 圖14是圖11至圖13的點(diǎn)列圖中F1至F3對(duì)應(yīng)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(fā)明實(shí)施例2涉及的投射光學(xué)系統(tǒng)的圖像顯示裝置整體的主要結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0043] 圖16是進(jìn)一步詳細(xì)顯示圖15的投射光學(xué)系統(tǒng)中的主要部分即折射光學(xué)系統(tǒng)的透 鏡系統(tǒng)以及該透鏡系統(tǒng)的聚焦動(dòng)作的示意圖。
[0044] 圖17是圖15的投射光學(xué)系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離（畫面為100英寸）時(shí)旁軸像面與、主光 線在該旁軸像面上的交點(diǎn)之間關(guān)系的示意圖。
[0045] 圖18是圖15的投射光學(xué)系統(tǒng)的中距離（畫面為80英寸）時(shí)旁軸像面與、主光線 在該旁軸像面上的交點(diǎn)之間關(guān)系的示意圖。
[0046] 圖19是圖15的投射光學(xué)系統(tǒng)的近距離（畫面為60英寸）時(shí)旁軸像面與、主光線 在該旁軸像面上的交點(diǎn)之間關(guān)系的示意圖。
[0047] 圖20是圖15的投射光學(xué)系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離（畫面為100英寸）時(shí)屏幕SC上各視角 的波長550nm的光點(diǎn)位置的不意圖。
[0048] 圖21是圖15的投射光學(xué)系統(tǒng)在中距離（畫面為80英寸）時(shí)屏幕SC上個(gè)視角的 波長550nm的光點(diǎn)位置。
[0049] 圖22是圖15的在投射光學(xué)系統(tǒng)在近距離（畫面為60英寸）時(shí)屏幕SC上個(gè)視角 的波長550nm的光點(diǎn)位置。
[0050] 圖23是表示圖15的投射光學(xué)系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離（畫面為100英寸）時(shí)在屏幕上波長 625nm(紅色）、 55〇nm(綠色）、425nm(藍(lán)色）的成像特性的點(diǎn)列圖。
[0051] 圖24是表示圖15的投射光學(xué)系統(tǒng)在中距離（畫面為80英寸）時(shí)在屏幕上波長 625nm(紅色）、 55〇nm(綠色）、425nm(藍(lán)色）的成像特性的點(diǎn)列圖。
[0052] 圖25是表示圖15的投射光學(xué)系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離（畫面為60英寸）時(shí)在屏幕上波長 625nm(紅色）、 55〇nm(綠色）、425nm(藍(lán)色）的成像特性的點(diǎn)列圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053] 以下，參考附用本發(fā)明實(shí)施方式詳述投射光學(xué)系統(tǒng)。首先用本實(shí)施例具體描述本 發(fā)明的原理。
[0054] 本發(fā)明涉及的投射光學(xué)系統(tǒng)為一般稱之為投影機(jī)等投射型圖像顯示裝置所具備， 用于將圖像顯示元