成像光学系统和包括该成像光学系统的图像投射设备的制作方法

(本申请是申请日为2015年2月13日、申请号为201510078537.4、发明名称为“成像光学系统和包括该成像光学系统的图像投射设备”的申请的分案申请。)本发明涉及成像光学系统和包括该成像光学系统的图像投射设备，其中该成像光学系统具有在中间成像位置处对从放大共轭侧的某点出射的光束进行成像、之后在缩小共轭侧进行再成像的光学作用。
背景技术：
：近年来，已经要求诸如数字照相机等的摄像设备和诸如投影仪等的图像投射设备要使用的成像光学系统具有紧凑的整个系统、宽的视角以及针对每个物体距离的高度精确的光学性能。已知利用以下的中间成像方法(再成像方法)的成像光学系统满足这些要求。具体地，以在光学系统内的中间成像位置处对放大共轭侧(物体侧)的放大共轭点进行一次成像、然后在缩小共轭点处进行再成像的方式，来在缩小共轭侧(像侧)对该放大共轭点进行成像。在美国专利5,748,385中，公开了被配置成利用前透镜单元形成被摄体的一次图像、然后经由场透镜利用后透镜形成该被摄体的二次图像的内窥镜用物镜。在美国专利5,748,385中，使后透镜单元在两个透镜位置之间切换，以改变观察视场角。在美国专利申请公开2005/0088762中，公开了被配置成利用物镜单元在视场光阑附近所配置的一次成像面上对被摄体进行成像、并且利用中继透镜单元在再成像面(摄像元件面)上对一次成像面上所形成的图像进行再成像的超广角透镜。在美国专利申请公开2005/0088762中，物镜以及中继透镜单元的透镜中的一部分或全部移动以进行调焦。另外，摄像元件移动以进行调焦。在日本特开2011-17984中，公开了被配置成远焦光学系统(afocalopticalsystem)可移除地安装在成像光学系统的物体侧的摄像设备。远焦光学系统从物体侧起依次包括物镜光学系统、场透镜和校正透镜单元。来自物体侧的光束由物镜光学系统在场透镜附近进行成像，之后由校正透镜单元作为准直光引导至成像光学系统。然后，在场透镜附近进行成像后的图像由成像光学系统在成像面上进行再成像。校正透镜单元和成像光学系统的透镜单元的一部分移动以进行焦点调节(调焦)。技术实现要素：根据本发明的一个实施方式，提供一种成像光学系统，其被配置成放大共轭侧的放大共轭面和缩小共轭侧的缩小共轭面都与配置在所述放大共轭面和所述缩小共轭面之间的中间成像面共轭，其特征在于，所述成像光学系统以从所述放大共轭侧向所述缩小共轭侧的顺序包括：具有负屈光力的第一透镜单元；具有正屈光力的第二透镜单元；具有正屈光力的第三透镜单元；具有负屈光力的第四透镜单元；以及具有正屈光力的第五透镜单元，所述第一透镜单元和所述第五透镜单元在调焦期间是固定的，以及所述第二透镜单元、所述第三透镜单元和所述第四透镜单元各自在所述调焦期间在该透镜单元和相邻透镜单元之间的距离改变的情况下移动。根据本发明的另一实施方式，提供一种图像投射设备，其特征在于，包括：所述的成像光学系统；以及图像显示元件，用于形成原始图像，其中，所述成像光学系统对所述图像显示元件所形成的原始图像进行投射。通过以下参考附图对典型实施方式的说明，本发明的其它特征将变得明显。附图说明图1是根据本发明的实施例1的成像光学系统的透镜截面图。图2a是根据本发明的实施例1的成像光学系统在物体距离480mm处的像差图。图2b是根据本发明的实施例1的成像光学系统在物体距离840mm处的像差图。图2c是根据本发明的实施例1的成像光学系统在物体距离3,600mm处的像差图。图3是根据本发明的实施例2的成像光学系统的透镜截面图。图4a是根据本发明的实施例2的成像光学系统在物体距离480mm处的像差图。图4b是根据本发明的实施例2的成像光学系统在物体距离840mm处的像差图。图4c是根据本发明的实施例2的成像光学系统在物体距离3,600mm处的像差图。图5是根据本发明的实施例3的成像光学系统的透镜截面图。图6a是根据本发明的实施例3的成像光学系统在物体距离480mm处的像差图。图6b是根据本发明的实施例3的成像光学系统在物体距离840mm处的像差图。图6c是根据本发明的实施例3的成像光学系统在物体距离3,600mm处的像差图。图7是示出根据本发明的图像投射设备的主要部分的示意图。具体实施方式现在将根据附图来详细说明本发明的优选实施方式。在利用再成像方法的成像光学系统中，适当地设置透镜结构、用于从无限远向近距离进行调焦的调焦方法和其它这些因素很重要。例如，适当地设置成像光学系统中的透镜单元的数量和这些透镜单元的屈光力、设置光路中的对光束进行再成像的中间成像位置并且选择调焦时要移动的透镜单元，这很重要。如果这些结构不适当，则调焦时像差变化增大，这导致在使整个系统小型化的情况下，难以以宽视角针对每个物体距离均获得高的光学性能。本发明的目的是提供利用再成像方法的成像光学系统和包括该成像光学系统的图像投射设备，其中该成像光学系统以宽视角针对每个物体距离均具有高的光学性能，并且容易实现整个系统的小型化。以下说明根据本发明的各个实施例的成像光学系统。根据本发明的成像光学系统从放大共轭侧向缩小共轭侧依次包括具有负屈光力的第一透镜单元、具有正屈光力的第二透镜单元、具有正屈光力的第三透镜单元、具有负屈光力的第四透镜单元和具有正屈光力的第五透镜单元。然后，成像光学系统具有在中间成像位置对放大共轭侧的放大共轭点进行成像、并且在缩小共轭侧的缩小共轭点对中间成像位置处所形成的图像进行再成像的光学作用。具体地，根据本发明的成像光学系统是放大共轭侧的放大共轭点和缩小共轭侧的缩小共轭点部都与内部的中间成像位置共轭的成像光学系统。在放大共轭点的从远距离向近距离的调焦期间，第一透镜单元和第五透镜单元是固定的，并且第二透镜单元、第三透镜单元和第四透镜单元各自在该透镜单元和相邻透镜单元之间的距离改变的情况下移动。换句话说，在调焦期间，第二透镜单元、第三透镜单元和第四透镜单元各自沿与所有其它透镜单元的轨迹不同的轨迹移动。现在说明将根据各个实施例的成像光学系统应用于投影仪(图像投射设备)要使用的投射光学系统的情况，其中该投影仪(图像投射设备)用于将诸如液晶面板等的图像显示元件上所显示的原始图像投射到屏幕上。图1是根据本发明的实施例1的成像光学系统的透镜截面图。图2a、2b和2c是根据本发明的实施例1的成像光学系统在投射距离分别为480mm、840mm和3,600mm处的像差图。如这里所使用的，投射距离是在以mm为单位表示数值实施例的情况下从图像显示元件到屏幕面的距离。这同样适用于以下实施例。图3是根据本发明的实施例2的成像光学系统的透镜截面图。图4a、4b和4c是根据本发明的实施例2的成像光学系统在投射距离分别为480mm、840mm和3,600mm处的像差图。图5是根据本发明的实施例3的成像光学系统的透镜截面图。图6a、6b和6c是根据本发明的实施例3的成像光学系统在投射距离分别为480mm、840mm和3,600mm处的像差图。图7是示出包括根据本发明的成像光学系统的图像投射设备的主要部分的示意图。各个实施例所示的成像光学系统是图像投射设备(投影仪)要使用的投射透镜(投射光学系统)。在透镜截面图中，左侧是放大共轭侧(屏幕)(前方)，并且右侧是缩小共轭侧(图像显示元件侧)(后方)。符号la表示成像光学系统。符号bi表示第i个透镜单元，其中i表示从放大共轭侧起进行计数的透镜单元的顺序。符号sp表示开口光阑。诸如液晶面板(图像显示元件)等的原始图像(被投射图像)ie与缩小共轭侧的缩小共轭点相对应。屏幕面s与放大共轭侧的放大共轭点相对应。光学块pr与颜色分离或颜色合成所用的棱镜、光学滤波器、面板(平行平板玻璃)、水晶低通滤波器或红外截止滤波器等相对应。符号mi表示对放大共轭点进行一次成像的中间成像位置。换句话说，符号mi表示对中间图像进行成像的、配置在放大共轭面和缩小共轭面之间的中间成像面。箭头各自表示用于使放大共轭点从远距离向近距离调焦时的各透镜单元的移动方向(移动轨迹)。在像差图中，符号fno表示f数并且符号ω表示半视角(度)。在球面像差图中，点划线表示波长435.8nm，虚线表示波长486.1nm，实线表示波长587.6nm，并且点线表示波长656.3nm。在像散图中，虚线表示波长587.6nm处的子午像面，并且实线表示波长587.6nm处的弧矢像面。失真图是针对波长587.6nm示出的。球面像差和像散是按0.15mm的标度示出的，并且失真是按0.5％的标度示出的。根据各个实施例的成像光学系统la从放大共轭侧向缩小共轭侧依次包括具有负屈光力的第一透镜单元b1、具有正屈光力的第二透镜单元b2、具有正屈光力的第三透镜单元b3、具有负屈光力的第四透镜单元b4和具有正屈光力的第五透镜单元b5。在调焦时，第一透镜单元b1和第五透镜单元b5是固定的，并且第二透镜单元b2、第三透镜单元b3和第四透镜单元b4移动。在这种情况下，中间成像位置mi配置在第三透镜单元b3内。第三透镜单元b3具有用于在中间成像位置前后将周边光线引导至缩小共轭侧的场透镜的光学作用。配置于最靠近放大共轭侧的第一透镜单元b1相对于光轴的光线角度大。因而，周边光量根据调焦时各透镜单元的移动而改变，结果失真改变。因此，优选第一透镜单元b1是固定的。在第五透镜单元b5中，像侧的远心性根据调焦时各透镜单元的移动而改变，结果周边光量改变。因此，优选第五透镜单元b5是固定的。在从远距离向近距离进行调焦时，第三透镜单元b3和第四透镜单元b4向缩小共轭侧移动，由此校正从远距离向近距离的调焦所引起的像场弯曲的变化。在第三透镜单元b3和第四透镜单元b4移动的情况下，产生球面像差和彗差，但第三透镜单元b3和第四透镜单元b4在相同方向上移动以抵消这些像差，由此整体减少像差变化。第二透镜单元b2配置在来自放大共轭侧的轴外主光线与光轴相交的位置附近。在各个实施例中，开口光阑sp不是配置在相对于中间成像位置mi的放大共轭侧。因而，利用第二透镜单元b2的位置来调整穿过第二透镜单元b2的中间像高和周边像高的主光线的高度。第二透镜单元b2对调焦时各透镜的移动所引起的中间像高和周边像高之间的像场弯曲的相对变化进行校正。在从远距离向近距离进行调焦时，第二透镜单元b2根据第三透镜单元b3和第四透镜单元b4的焦点移动量以及中间像高的像场弯曲变化和周边像高的像场弯曲变化各自的校正量，可以向放大共轭侧或缩小共轭侧移动。接着，说明根据各个实施例的示例性结构。利用a2、a3和a4来分别表示在从远距离向近距离对放大共轭点进行调焦时第二透镜单元b2的移动量、第三透镜单元b3的移动量和第四透镜单元b4的移动量。第三透镜单元b3在相对于中间成像位置mi的放大共轭侧包括至少一个正透镜，并且在相对于中间成像位置mi的缩小共轭侧包括至少一个正透镜。利用f3来表示第三透镜单元b3的焦距，并且利用f来表示整个系统的焦距。利用x2来表示在相对于中间成像位置mi的放大共轭侧的轴外光束的主光线与光轴相交的位置和第二透镜单元b2在放大共轭侧的主点位置之间的距离(差)。利用x4来表示在相对于中间成像位置mi的缩小共轭侧的轴外光束的主光线与光轴相交的位置和第四透镜单元b4在放大共轭侧的主点位置之间的距离(差)。利用l来表示光学全长。如这里所使用的，光学全长是从配置于最靠近放大共轭侧的透镜面到配置于最靠近缩小共轭侧的透镜面之间的距离。利用f1来表示第一透镜单元b1的焦距，利用f2来表示第二透镜单元b2的焦距，利用f4来表示第四透镜单元b4的焦距，并且利用f5来表示第五透镜单元b5的焦距。在这种情况下，优选满足以下条件表达式中的至少一个。-0.4<a2/a4<0.4...(1)0.2<a3/a4<0.9...(2)10.0<f3/|f|<500.0...(3)x2/l<0.15...(4)x4/l<0.15...(5)-15.0<f1/|f|<-1.0...(6)2.0<f2/|f|<7.0...(7)-15.0<f4/|f|<-4.0...(8)2.0<f5/|f|<10.0...(9)接着，说明上述各个条件表达式的技术含义。条件表达式(1)与第二透镜单元b2的移动量相对于第四透镜单元b4的移动量的比有关。条件表达式(2)与第三透镜单元b3的移动量相对于第四透镜单元b4的移动量的比有关。配置在相对于中间成像位置mi的缩小共轭侧并且在开口光阑sp附近的第四透镜单元b4中，在周边像高和中间像高处主光线的入射高度低。因而，失真不太可能由于调焦时各透镜单元的移动而改变。因此，优选使调焦时第四透镜单元b4的移动量a4最大。为了使第三透镜单元b3对第四透镜单元b4所产生的球面像差和彗差等进行校正并且减少像场弯曲的产生，优选使第三透镜单元b3以在条件表达式(2)的范围的移动量a3移动。为了使第二透镜单元b2与第三透镜单元b3的移动所引起的像场弯曲的变化量有关地移动、并且抵消像高之间的像场弯曲的变化量的差，优选使第二透镜单元b2以在条件表达式(1)的范围内的移动量a2移动。第三透镜单元b3在相对于中间成像位置mi的放大共轭侧包括至少一个正透镜，并且在相对于中间成像位置mi的缩小共轭侧包括至少一个正透镜。条件表达式(3)与第三透镜单元b3的焦距相对于整个系统的焦距的比有关。具有场透镜的光学作用的第三透镜单元b3使具有周边像高的光线在更大程度上弯曲。在这种情况下，通过如条件表达式(3)的范围那样、将第三透镜单元b3的近轴屈光力设置得小，在第三透镜单元b3移动的情况下，周边像高的像场弯曲可以在几乎不会对调焦产生影响的情况下容易地大幅改变。这样，容易地进行了像场弯曲的调整。条件表达式(4)与在相对于中间成像位置mi的放大共轭侧的主光线与光轴相交的位置和第二透镜单元b2在放大共轭侧的主点位置之间的距离(差)相对于光学全长之间的比有关。条件表达式(5)与在相对于中间成像位置mi的缩小共轭侧的主光线与光轴相交的位置和第四透镜单元b4在放大共轭侧的主点位置之间的距离(差)相对于光学全长之间的比有关。在这种情况下，放大共轭侧主点是在准直光从缩小共轭侧入射到透镜单元的情况下横向倍率为1的共轭点。在将第二透镜单元b2配置在条件表达式(4)的范围内的情况下，来自周边像高和中间像高的光束集中于第二透镜单元b2的位置。因而，在第二透镜单元b2移动的情况下，中间像高和周边像高的像场弯曲可以以与第三透镜单元b3的情况不同的方式容易地改变。在将第四透镜单元b4配置在条件表达式(5)的范围内的情况下，第四透镜单元b4大致配置在开口光阑sp附近。这样，第四透镜单元b4被成形为与开口光阑sp同心，由此减少第四透镜单元b4的移动所引起的失真的变化。条件表达式(6)与第一透镜单元b1的焦距相对于整个系统的焦距的比有关。条件表达式(7)与第二透镜单元b2的焦距相对于整个系统的焦距的比有关。条件表达式(8)与第四透镜单元b4的焦距相对于整个系统的焦距的比有关。条件表达式(9)与第五透镜单元b5的焦距相对于整个系统的焦距的比有关。在f1/|f|超过条件表达式(6)的上限的情况下，难以增加视角。在f1/|f|超过条件表达式(6)的下限或者f2/|f|超过条件表达式(7)的上限的情况下，配置在相对于中间成像位置mi的放大共轭侧的第二透镜单元b2的正屈光力过强，并且难以对轴向色像差进行校正。在f2/|f|超过条件表达式(7)的下限的情况下，光学全长过长。在f4/|f|超过条件表达式(8)的下限、由此第四透镜单元b4的负屈光力强(负屈光力的绝对值大)的情况下，调焦时球面像差和失真增大。在f4/|f|超过条件表达式(8)的上限的情况下，调焦时的第四透镜单元b4的移动量增大而导致光学全长变长。在f5/|f|超过条件表达式(9)的下限值的情况下，第五透镜单元b5的正屈光力增大，并且难以确保预定的后焦点。在f5/|f|超过条件表达式(9)的上限的情况下，相对于中间成像位置mi的缩小共轭侧的光学全长过长。在各个实施例中，更优选地，如下设置条件表达式(1)～(9)的数值范围。-0.3<a2/a4<0.3...(1a)0.3<a3/a4<0.8...(2a)20.0<f3/|f|<300.0...(3a)x2/l<0.10...(4a)x4/l<0.10...(5a)-14.0<f1/|f|<-1.5...(6a)3.0<f2/|f|<6.0...(7a)-14.0<f4/|f|<-6.0...(8a)3.0<f5/|f|<8.0...(9a)在利用中间成像方法的成像光学系统中，在中间成像位置mi前后，纵向像差具有相加的关系。因而，实现轴向色像差的消色差特别困难。有鉴于此，优选地，第二透镜单元b2、第四透镜单元b4和第五透镜单元b5各自包括以从放大共轭侧向缩小共轭侧的顺序使负透镜和正透镜接合所形成的至少一个接合透镜，由此对色像差进行校正。在中间成像位置mi前后良好地对周边像高的像差进行了校正。由于该原因，优选地，第三透镜单元b3从放大共轭侧向缩小共轭侧依次包括凸面面向放大共轭侧的至少一个正透镜、至少一个负透镜和凸面面向缩小共轭侧的至少一个正透镜。有鉴于像差校正，优选地，第一透镜单元b1包括凸面面向放大共轭侧的至少一个弯月形负透镜。在各个实施例中，镜头总共包括五个透镜单元，但还可以适当地进行变形。例如。可以对预定透镜单元进行分割，以使得分割后的透镜单元在调焦时沿大致相同的轨迹移动。在这种情况下，优选地，使分割后的透镜单元以相对移动比b大致满足-0.1<b<0.1的方式移动。以上说明了本发明的实施例，但本发明不限于这些实施例并且可以在本发明的主旨的范围内进行各种变形和变化。接着，说明各个实施例的除上述特征以外的特征。在实施例1中，在放大共轭点从远距离向近距离改变的调焦时，第二透镜单元b2、第三透镜单元b3和第四透镜单元b4全部向缩小共轭侧移动，并且第一透镜单元b1和第五透镜单元b5是固定的。在实施例2中，在放大共轭点从远距离向近距离改变的调焦时，第二透镜单元b2、第三透镜单元b3和第四透镜单元b4全部向缩小共轭侧移动，并且第一透镜单元b1和第五透镜单元b5是固定的。此外，实施例1中在第一透镜单元b1中所包括的具有非球面的弯月形负透镜包括在第二透镜单元b2中。据此，利用非球面内的光线高度的变化来减少中间像高和周边像高之间的像场弯曲的差。在实施例3中，屈光力配置以及调焦时的第二透镜单元b2的移动方向相对于实施例1和2的情况改变。在放大共轭点从远距离向近距离改变的调焦时，第三透镜单元b3和第四透镜单元b4这两者向缩小共轭侧移动，并且第二透镜单元b2向放大共轭侧移动。即使在如实施例3所例示的、屈光力配置和透镜单元的移动在条件表达式的范围内改变的情况下，也可以确保良好的光学性能。接着，参考图7来说明将根据本发明的成像光学系统应用于图像投射设备要使用的投射光学系统的实施例。在图7中，附图标记41表示光源。照明光学系统42具有针对图像显示元件实现不均匀较少的照明、并且使所出射的光的偏振方向在p偏振或s偏振的任意方向上对准的功能。颜色分离光学系统43使来自照明光学系统42的光分离成与图像显示元件相对应的任意颜色。图像显示元件47、48和49各自是由用于根据电信号对入射偏振光进行调制的反射型液晶面板构成的，从而形成图像。偏振分束器44和45根据图像显示元件47、48和49中的调制而使光透过或反射。颜色合成光学系统46将来自图像显示元件47、48和49的光束合成为一个光。投射光学系统50将颜色合成光学系统46合成后的光投射到诸如屏幕51等的投射对象上。将根据本发明的成像光学系统用于投射光学系统50。这样，获得了在宽的投射距离范围内良好地校正了像差的变化并且画面整体的光学性能良好的图像投射设备。以上说明了本发明的典型实施方式，但本发明不限于这些实施方式，并且可以在本发明的主旨的范围内进行各种变形和变化。接着，说明根据各实施例的成像光学系统的数值实施例。数值实施例的透镜结构中的面编号是以从放大共轭侧向缩小共轭侧的顺序添附至各透镜面的符号。符号r表示各透镜面的曲率半径。符号d表示透镜面i和透镜面(i+1)之间在光轴上的间隔(物理间隔)。在面编号的右侧标记有“s”的透镜面表示开口光阑的位置。此外，符号nd和νd分别表示针对各透镜的材料的d线的折射率和abbe(阿贝)常数。符号“glass”表示玻璃材料(产品名)。符号表示各透镜面的有效直径。还示出各个数值实施例中的整个系统的焦距(绝对值)、开口比(f数)和半视角ω。注意，在各个数值实施例中，利用绝对值|f|来表示整个透镜系统的焦距的值。原因如下。由于在透镜单元内形成共轭点，因此在最终像面上形成正像。因而，整个系统的焦距根据定义而取负值，但整个系统的屈光力为正。因此，利用绝对值来表示焦距。在面编号的右侧标记有星号(*)的透镜面表示透镜面具有按照以下函数的非球面形状。如下所述表示非球面形状：x＝(y2/r)/[1+{1-(1+k)(y2/r2)}1/2]+ay4+by6+cy8+dy10+ey12+fy14+gy16其中，x轴与光轴方向相对应，y轴与垂直于光轴的方向相对应，光传播方向为正，r表示近轴曲率半径，k表示圆锥常数，a、b、c…表示非球面系数，并且e～x表示10-x。在圆锥常数和非球面系数中，noi表示面编号i。表1示出各个实施例和数值之间的关系。数值实施例1img数值实施例2img数值实施例3img表1数值表实施例1实施例2实施例3整个系统的焦距f8.7458.7508.794fno2.802.802.80半视角(度)57.8757.8557.65第一透镜单元的焦距f1-18.55-63.25-116.43第二透镜单元的焦距f243.1341.7035.76第三透镜单元的焦距f3256.181,000.36917.03第四透镜单元的焦距f4-61.15-85.26-105.72第五透镜单元的焦距f530.7233.5637.96条件表达式的值尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。当前第1页12