图像投影装置的制作方法

专利名称：图像投影装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像投影装置。更具体地，本发明涉及使用投影透镜(或投影光学系 统)将显示在图像显示元件上的图像以放大的比例投影到屏幕上的图像投影装置。
背景技术：
通过投影透镜将图像显示元件(例如液晶面板)的图像投影到屏幕上以提供图像 的图像投影装置被广泛地使用。将构成投影透镜的若干透镜和透镜单元组装到镜筒中会具 有组装误差，这将产生平行偏心，其中每个透镜单元由多个透镜组成。结果，在投影图像中 出现色移。
如果在投影透镜中存在较大的色移，则投影在屏幕上的三种颜色(红色、绿色和 蓝色)的图像将被分开。这导致分辨率(或图像质量)的显著恶化。这种由于色移所引起 的图像质量的恶化类似地也出现在照像机中使用的获取物体图像的图像拾取透镜中。关于 色移，美国专利No. 6，038，068公开了被设计为减小由空气色散(air dispersion)所引起 的色移的光学系统。此外，日本专利申请公开No. 2005-274837公开了具有偏心调整功能以 减小组装误差对由多个透镜或透镜单元组成的光学系统中的像差的影响的变焦透镜。
如果在将构成光学系统的多个透镜或透镜单元组装到镜筒中时存在组装误差，则 产生偏心像差，并且尤其产生大的偏心横向色差。偏心横向色差指的是由于由组装误差所 导致的平行偏心而引起的光轴上的在与光轴垂直的方向上的色移。偏心横向色差在投影透 镜的情况下导致投影图像中的色移，而在图像拾取透镜的情况下导致图像中的色移，这引 起图像质量的显著恶化。近年来随着图像显示元件的分辨率的提高，这个问题变得更加严 重。很难在没有组装误差的情况下组装镜筒中的多个透镜和透镜单元。因此，使组成光学 系统的透镜(多个透镜)或透镜单元(多个透镜单元)偏心从而减小由于组装误差引起的 光学性能的恶化是非常有效的方法。然而，通过光学元件(多个光学元件)的简单偏心调 整仍然难以有效地减小色移。为了减小色移，重要的是恰当地选择要进行偏心调整的光学 系统中的光学元件，并且恰当地设计光学元件。发明内容
一种图像投影装置，包括图像显示元件；光学系统，将显示在图像显示元件上的 图像投影到屏幕上；光学元件，在具有在垂直于光学系统的光轴的方向上的分量的方向上 移动；调整机构，能够在具有在垂直于光轴的方向上的分量的方向上移动光学元件；以及 保持部件，将光学元件固定到镜筒，其中满足以下条件，
vdch <35，并且
0. 5 (mm2) < | P X fdch <1.3 (mm2)，
其中vdch是光学元件的材料关于d线的组合阿贝数，fdch是光学元件关于d线 的组合焦距，并且P是图像显示元件的像素间距。
根据以下参考附图的示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。

图1是具有根据本发明第一实施例的光学系统的图像投影装置的主要部分的示 意性截面图。
图2A是在根据本发明第一实施例的光学系统中的透镜没有偏心的情况下的像差 图。
图2B是在根据本发明第一实施例的光学系统中的透镜L2有偏心的情况下的像差 图。
图2C是在根据本发明第一实施例的光学系统中通过透镜L14校正色移的情况下 的像差图。
图3是具有根据本发明第二实施例的光学系统的图像投影装置的主要部分的示 意性截面图。
图4A是在根据本发明第二实施例的光学系统中的透镜没有偏心的情况下的像差 图。
图4B是在根据本发明第二实施例的光学系统中的透镜Ll有偏心的情况下的像差 图。
图4C是在根据本发明第二实施例的光学系统中通过第三透镜单元B3校正色移的 情况下的像差图。
图5是具有根据本发明第三实施例的光学系统的图像投影装置的主要部分的示 意性截面图。
图6A是在根据本发明第三实施例的光学系统中的透镜没有偏心的情况下的像差 图。
图6B是在根据本发明第三实施例的光学系统中的透镜G5有偏心的情况下的像差 图。
图6C是在根据本发明第三实施例的光学系统中通过第七透镜单元70校正色移的 情况下的像差图。
图7A示出了根据本发明的平行偏心调整机构的结构。
图7B示出了根据本发明的平行偏心调整机构的结构。
图8示出了允许根据本发明的平行偏心的镜筒的结构。
图9是彩色液晶投影仪的主要部分的示意图。
图10是图像拾取装置的主要部分的示意图。
具体实施方式
现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
根据本发明的图像投影装置包括由液晶面板等组成的图像显示元件以及光学系 统(诸如具有单一焦距的投影透镜或包括倍率变化的透镜单元的变焦透镜)，该光学系统 将显示在图像显示元件上的图像投影到屏幕上。光学系统具有由单一透镜组成的光学元件 或包括正透镜和负透镜的光学元件，并且在具有在垂直于光轴的方向上的分量(或具有垂 直于光轴的分量)的方向上移动该光学元件。光学系统还设有可以在具有垂直于光轴的分量的方向上移动光学元件的调整机构或者在已经在具有垂直于光轴的分量的方向上移动 光学元件之后将光学元件固定到固定的筒的保持部件。
因此，有可能利用简单结构来有效地减小偏心横向色差。偏心横向色差由在将单 独的光学元件组装到镜筒中期间出现的组装误差产生。
图1是使用具有单一焦距的投影透镜作为根据第一实施例的光学系统的图像投 影装置(具体地为，液晶视频投影仪)的主要部分的示意图。
图2A、图2B和图2C是在根据第一实施例的光学系统中分别在没有透镜的偏心的 情况下、在存在透镜L2的偏心的情况下、以及在通过透镜(光学元件)L14校正色移的情况 下的横向像差图。在像差图中，实线用于d线，双点划线用于g线，长短交替的虚线用于C 线，并且点线用于F线。
图3是使用具有单一焦距的投影透镜作为根据第二实施例的光学系统的图像投 影装置(具体地为，液晶视频投影仪)的主要部分的示意图。
图4A、图4B和图4C是在根据第二实施例的光学系统中分别在没有透镜的偏心的 情况下、在存在透镜Ll的偏心的情况下、以及在通过第三透镜单元(光学元件)B3校正色 移的情况下的横向像差图。
图5是在广角端的状态中使用变焦透镜作为根据第三实施例的光学系统的图像 投影装置(具体地为，液晶视频投影仪)的主要部分的示意图。
图6A、图6B和图6C是在根据第三实施例的光学系统中分别在没有透镜的偏心的 情况下、在存在透镜G5(第二透镜单元20)的偏心的情况下、以及在通过第七透镜单元(光 学元件)70校正色移的情况下的横向像差图。
图7A、图7B和图8是根据本发明的透镜的平行偏心调整机构的主要部分的示意 图。
在根据第一到第三实施例的图像投影装置中，将显示在液晶面板IXD(图像显示 元件)上的图像通过光学系统(或投影透镜)PL以放大的比例投影到屏幕表面S上。
屏幕表面S (投影表面)和液晶面板LCD(图像显示元件)分别位于光学系统PL 的物平面和像平面处。屏幕表面S和液晶面板LCD彼此共轭。屏幕表面S典型地位于较长 距离侧或放大侧上的共轭点(即，前面或放大共轭点)处，并且液晶面板LCD位于较短距离 侧或缩小侧上的共轭点(即，后面或缩小共轭点)处。
光学系统PL还包括光学设计所需的诸如颜色组合棱镜、偏振滤光片(polarizing filter)、和/或彩色滤光片的玻璃块PR。通过连接部件(未示出)将光学系统PL安装在 液晶视频投影仪的主体(未示出)上。布置在玻璃块I3R之后的液晶显示面板IXD被包括 在投影仪的主体中。液晶面板LCD是用从布置在缩小侧的照明光学系统(未示出)发出的 光来照明的。
在每个实施例中，光学系统PL具有如下的光学元件，该光学元件在具有垂直于光 轴的分量的方向上移动以便校正光轴上的在垂直于光轴的方向上的色移(或偏心横向色 差)。这里，令Vdch为光学元件的材料(多种材料)关于d线的组合阿贝数，fdch为光学 元件关于d线的组合焦距，并且P为图像显示元件的像素间距。于是，满足以下条件
vdch < 35... (1)
0. 5 (mm2) < PXfdch < 1.3 (mm2)... (2)
另外，令IMG为由光学系统PL投影在屏幕上的图像的有效投影范围。于是，还满 足以下条件
0. 10 < I IMG/fdch| < 0. 30 ... (3)
在光学元件包括正透镜和负透镜的情况下，给出组合阿贝数vdch和组合焦距 fdch如下。令fp为被包括在光学元件中的正透镜的焦距，VP为被包括在光学元件中的正 透镜的材料的阿贝数，fn为被包括在光学元件中的负透镜的焦距，vn为被包括在光学元件 中的负透镜的材料的阿贝数。于是，给出光学元件的组合焦距fdch如下
1/fdch = l/fp+1/fn
给出组合阿贝数vdch如下
1/(fdch X vdch) = l/(fpXvp)+l/(fnXvn)
因此，
vdch = 1/[fdch X {1/(fp X vp)+1/(fnX vn)}]
接下来，描述上述条件的含义。条件表达式(1)指定用于校正色移的光学元件的 材料的组合阿贝数。在光学元件是单一透镜的情况下，该条件指定单一透镜的材料的阿贝 数。如果超过条件(1)的上限，则在校正色移时光学元件的平行偏心的量变大，导致大的偏 心彗差和大的像平面倾斜。这是不期望的。
条件表达式( 指定图像显示元件的像素间距和光学元件的焦距的乘积的范围。 如果越过条件O)的下限，则光学元件的焦度(power)高至在光学元件被偏心时使得偏心 彗差和像平面的倾斜较大。这是不期望的。如果超过条件O)的上限，则光学元件的焦度 低至使得在校正色移时光学元件的平行偏心的量过大。这也是不期望的。如果光学元件的 平行偏心的量变得太大，则在光学元件的一侧有效光束被渐晕(vignette)。为了避免这一 点，必须增大光学元件的尺寸，导致不期望的大的光学元件。
条件表达式(3)指定通过用可以通过光学系统PL来投影图像的缩小共轭侧上的 有效投影范围的大小除以光学元件的组合焦距而获得的值。在低于条件(3)的下限的范围 内，光学元件的焦度变得低至使得在校正色移时光学元件的平行偏心的量过大。这是不期 望的。在超过条件(3)的上限的范围内，光学元件的焦度变得高至在光学元件被偏心时使 得偏心彗差和像平面的倾斜较大。这是不期望的。更优选地，在条件表达式(1)到(3)中 的数值范围被设置如下
vdch < 30 ... (la)
0. 7 (mm2) < PXfdch < 1. 1 (mm2) ... (2a)
0. 12 < I IMG/fdch| < 0. 28 ... (3a)
如上所述，在每个实施例中，光学系统由多个透镜或透镜单元组成，可以校正在将 单独的透镜组装到镜筒中时发生的、由透镜(多个透镜)的偏心所引起的光轴上的在垂直 于光轴的方向上的色移(或偏心横向色差)。
在各实施例中，更优选的是满足以下条件中的一个或多个。在光学元件被布置为 最接近光学系统PL中的缩小共轭点侧的情况下，令L为从光学元件到缩小共轭点的等效空 气长度。对于光学元件在垂直于光轴的方向上的每1毫米的移动的、在缩小共轭面上的关 于F线和C线的色移的敏感度Δ ch通过以下方程式表示
Δ ch = L/ (fdch X vdch)7
令Nch为光学元件的材料的平均折射率。光学元件由胶合透镜组成，该胶合透镜 由胶合在一起的正透镜和负透镜制成，Nchn为被包括在光学元件中的负透镜的材料关于d 线的折射率，并且Nchp为被包括在光学元件中的正透镜的材料关于d线的折射率。然后， 优选的是满足以下条件中的一个或多个
0. 7 < Δ ch/P < 4. 9 ... (4)
Nch > 1. 65 ... (5)
Nchn-Nchp | < 0. 1 ...(6)
接下来，描述如何导出表示关于用于色移校正的光学元件的敏感度Ach的方程 式。这里，Δ ch代表对于用于色移校正的光学元件的每1毫米移动的、在缩小共轭面上的关 于F线和C线的色移的量(色移敏感度)。令L为从用于色移校正的光学元件的缩小共轭 侧主点到缩小共轭点的距离，fFch为用于色移校正的光学元件关于F线的组合焦距，fCch 为用于色移校正的光学元件关于C线的组合焦距，fdch为用于色移校正的光学元件关于d 线的组合焦距，并且vdch为用于色移校正的光学元件的组合阿贝数。然后，敏感度Δ ch被 表示如下
Ach = L/fFch-L/fCch
=LX (1/fFch-l/fCch)
= LX {(fCch-fFch) / (fFchX fCch)}
= LX (fCch-fFch)/fdch2
= LX (fdch/vdch)/fdch2
= L/(fdchXvdch)
关于波长470nm (蓝色)和550nm (绿色)的色移敏感度等于值Δ ch的大约70 %。 关于波长620nm(红色)和550nm(绿色)的色移敏感度等于值Δ ch的大约30%。
这里，描述如何导出方程式“fCch-fFch = fdch/vdch"(左侧和右侧彼此近似相 等)。这里，令vd为阿贝数，nd为关于d线的折射率，nF为关于F线的折射率，nC为关于C 线的折射率。于是，阿贝数的定义为
vd= (nd-l)/(nF-nC)
该方程式可以被如下转换(nd-1) = (nF-nC) Xvd
令fd为单透镜关于d线的焦距，Rl为单透镜的放大共轭侧透镜表面的曲率半径， 并且R2为单透镜的缩小共轭侧表面的曲率半径。于是，在单透镜的焦距fd、折射率nd、曲 率半径Rl和R2之间成立如下关系
1/fd = (nd-1) X (1/R1-1/R2)
根据上面的方程式，后面的方程式可以转换如下
(nd-1) = 1/(fdX (1/R1-1/R2))
(nF-nC) Xvd = l/(fdX (1/R1-1/R2))
(nF-nC) = l/(fdX (1/R1-1/R2) Xvd)
(nF-nC) X (1/R1-1/R2) = l/(fdXvd)
(nF-1) X (1/R1-1/R2) - (nC_l) X (1/R1-1/R2) = l/(fdXvd)
1/fF-l/fC = l/(fdXvd)
(fC-fF)/(fFXfC) = l/(fdXvd)
fC-fF = (fF X fC) / (fd X vd)
这里，假设fFXfC fd2(近似相等，即差别为士 10%或更小)。于是，以下方程 式成立
fC-fF ^ fd2/ (fd X vd)
fC-fF ^ fd/vd (近似相等)
接下来，描述上述条件的技术含义。条件表达式(4)限制通过用色移的量(色移 敏感度)除以图像显示元件的像素间距而获得的值，所述色移的量是对于用于色移校正的 光学元件的每1毫米移动的、在缩小共轭面上的关于F线和C线的色移的量。在低于条件 (4)的下限的范围内，色移敏感度小至需要光学元件的不期望的大的平行偏心来校正色移。 在高于条件的上限的范围内，色移敏感度大至光学元件的微小的平行偏心引起过大的 色移变化。这是不期望的，因为精细调整是困难的。
条件表达式(5)限制光学元件的材料的平均折射率。如果越过条件(5)的下限， 则被包括在光学元件中的透镜的透镜表面的曲率半径将变小，导致在进行光学元件的平行 偏心以校正色移时偏心彗差较大且像平面的倾斜较大。这是不期望的。
在光学元件是通过将负透镜和正透镜胶合在一起而形成的胶合透镜的情况下，条 件表达式(6)限制在光学元件中的负透镜和正透镜的折射率之间的差的绝对值。在高于条 件(6)的上限的范围内，将由光学元件中的胶合透镜表面产生大的球面像差，并且在进行 平行偏心时将产生大的偏心彗差。这是不期望的。更优选的是条件(4)到(6)的数值范围 被修改如下
1. 5 < Δ ch/P < 4. 4 (4a)
Nch > 1. 70(5a)
I Nchn-Nchp | < 0. 06 (6a)
在每个实施例中，光学元件包括正透镜和负透镜并且整体上具有正的折光力 (refractive power)。正透镜的材料的阿贝数小于负透镜的材料的阿贝数。在光学系统是 具有倍率变化的透镜单元的变焦透镜的情况下，光学元件被布置在倍率变化的透镜单元的 缩小共轭侧。
现在，将描述在根据图1和图3所示的第一实施例和第二实施例的图像投影装置 中使用的光学系统PL的配置。图1和图3所示的实施例具有相同的透镜配置。这里，i表 示从放大共轭侧数到缩小共轭侧的透镜单元的顺序，因此Bi表示第i个透镜单元。图1所 示的光学系统PL从放大共轭侧开始依次包括由透镜Ll组成的具有负的折光力的第一透 镜单元Bi、由透镜L2到L5组成的具有负的折光力的第二透镜单元B2、由透镜L6和L7组 成的具有正的折光力的第三透镜单元B3、光阑(stop) S、以及由透镜L8到L14组成的具有 正的折光力的第四透镜单元B4。随着屏幕S的位置从放大共轭侧上的无限远变为近距离 的距离变化，第二透镜单元B2和第三透镜单元B3以增大第二透镜单元B2与第三透镜单元 B3之间的距离的方式向缩小共轭侧移动，从而进行聚焦。
在第一实施例和第二实施例中，以如下方式进行对由在将透镜单元组装到镜筒 (未示出)中时发生的平行偏心导致的在垂直于光轴的方向上的色移的校正。在图1所示 的第一实施例的情况下，在垂直于光轴的方向上移动在第四透镜单元B4中的位于最接近 缩小共轭侧的正透镜(光学元件)L14以进行校正。正透镜L14由阿贝数为22. 76的材料制成并且因此具有高的色散。因此，可以通过少量的平行偏心来实现色移校正。另外，材料 的折射率高达1. 808095。因此，由于针对其焦度(折光力是焦距的倒数)可以使透镜表面 的曲率半径较大，所以球面像差较小，并且容易减小由平行偏心所引起的偏心彗差和像平 面的倾斜的改变。
假设，例如，在稍后描述的数值实施例1中，透镜单元的平行偏心的最大偏心量是 0. 05mm,并且透镜单元中的平行偏心的最大量是0. 01mm。根据每个透镜和透镜单元的偏心 量以及每个透镜和透镜单元的光轴周围的方向和随机数的乘积，计算光轴上的色移的最大 量，从而关于波长470nm (蓝色)和550nm(绿色)的色移被计算为0. 0038mm。
如果该透镜被应用于使用像素间距为0. 008mm的液晶面板的投影仪，则产生达近 似像素间距的一半的色移，导致分辨率的很大的恶化。特别地，在屏幕的周边区域中，与由 投影透镜自身产生的横向色差相关联的色移也被添加到上述的色移，因此可以产生达近似 像素间距的色移。这导致分辨率的很大的恶化。在该实施例中，通过将正透镜L14在垂直 于光轴的方向上移动0.观讓，关于波长470nm (蓝色)和550nm (绿色)的色移0.0038mm可 以被减小到零。
在图3所示的第二实施例中的光学系统具有与第一实施例中的光学系统相同的 透镜配置，但是在第二实施例中用于校正色移的透镜不同于在第一实施例中用于校正色移 的透镜。在图3所示的第二实施例中，通过在垂直于光轴的方向上移动第三透镜单元(光 学元件)B3来校正由在将透镜单元组装到镜筒(未示出)中时出现的平行偏心引起的在垂 直于光轴的方向上的色移。在第三透镜单元B3中，正透镜L6由阿贝数为观.46的材料制 成，并且负透镜L7由阿贝数为55. 53的材料制成。因此，正透镜L6的材料具有更高的色散。 因此，第三透镜单元B3是色差透镜(chromatic lens)，并且通过第三透镜单元B3的小的移 动可以容易地实现色移的校正。
正透镜L6的材料具有1. 72825的折射率，并且负透镜L7的材料具有1. 696797的 折射率。正透镜L6和负透镜L7的折射率都有些高，而它们之间的差异较小。因此，第三透 镜单元B3具有总体产生小的球面像差的透镜配置。因此，如果出现第三透镜单元B3的平 行偏心，则由此产生的偏心彗差将较小。此外，由于在该透镜配置中在第三透镜单元B3和 第四透镜单元B4之间的间隙中光线基本上是无焦的(afocal)，因此由第三透镜单元B3的 平行偏心所引起的像平面的倾斜较小。假设，例如，在稍后描述的数值实施例2中，透镜单 元的平行偏心的最大偏心量是0. 05mm,并且透镜单元中的平行偏心的最大量是0. Olmm0根 据每个透镜和透镜单元的偏心量以及每个透镜和透镜单元的光轴附近的方向和随机数的 乘积，计算光轴上的色移的最大量，从而关于波长470nm(蓝色)和550nm(绿色)的色移 被计算为0. 0038mm。如果该透镜被应用于使用像素间距为0. 008mm的液晶面板的投影仪， 则将产生达近似像素间距的一半的色移，导致分辨率的很大的恶化。在该实施例中，通过 将第三透镜单元B3在垂直于光轴的方向上移动0. 15mm，可以将关于波长470nm(蓝色)和 550nm(绿色)的色移0. 0038mm减小到零。
描述在图5所示的根据第三实施例的图像投影装置中使用的光学系统PL的配置。 图5所示的光学系统是具有七个透镜单元的七单元变焦透镜。图5所示的光学系统PL从放 大共轭侧到缩小共轭侧依次包括由透镜Gl到G4组成的具有负折光力的用于聚焦的第一 透镜单元10、由透镜G5组成的具有正折光力的用于聚焦的第二透镜单元20、由透镜G6组成的具有正折光力的第三透镜单元30、由透镜G7组成的具有正折光力的第四透镜单元40、 由透镜G8组成的具有正折光力的第五透镜单元50、由透镜G9到G13组成的具有负折光力 的第六透镜单元60、以及由透镜G14和G15组成的具有正折光力的第七透镜单元70。
在从广角端到望远端(tel印hoto end)的变焦期间，第三透镜单元30、第四透镜 单元40、第五透镜单元50和第六透镜单元60如箭头所指示地沿着光轴移动。此外，与屏幕 S在放大共轭侧上从无限远移动到较近位置的位置变化对应，第一透镜单元10和第二透镜 单元20都分别移到缩小共轭侧以增大其之间的间隙，从而进行聚焦。由于在将透镜组装到 镜筒(未示出)中时发生透镜Gl到G15的平行偏心，因此出现光轴上的色移。通过在垂直 于光轴的方向上移动第七透镜单元(光学元件)70来校正色移。
第七透镜单元70由胶合透镜(色差透镜)组成，该胶合透镜由胶合在一起的正透 镜G14和负透镜G15制成。正透镜G14由阿贝数为22. 76和折射率为1. 808095的材料制 成，并且负透镜G15由阿贝数为37. 16和折射率为1. 834的材料制成。第七透镜单元70的 材料的组合阿贝数是14. 675，并且第七透镜单元70的组合焦距是115. 717。第七透镜单元 70的材料的组合阿贝数较小，而第七透镜单元70的色散较大。因此，通过第七透镜单元70 的少量的平行偏心可以容易地实现色移校正。另外，第七透镜单元70中的正透镜G14和负 透镜G15的材料的折射率较高，并且在正透镜G14的材料和负透镜G15的材料的折射率之 间的差异较小。因此，通过它们产生的球面像差和像场弯曲较小，并且即使出现平行偏心， 偏心彗差和像平面的倾斜上的变化也很难出现。此外，由于以轴外主光线基本上垂直于缩 小共轭面的方式布置第七透镜单元70，因此即使出现平行偏心，偏心彗差和像平面的倾斜 上的变化也很难出现。
假设，例如，在稍后描述的数值实施例3中，透镜单元的平行偏心的最大偏心量是 0. 05mm,并且透镜单元中的平行偏心的最大量是0. 01mm。根据每个透镜和透镜单元的偏心 量以及每个透镜和透镜单元的光轴周围的方向和随机数的乘积，计算光轴上的色移的最大 量，从而关于波长470nm (蓝色)和550nm(绿色)的色移被计算为0. 0030mm。如果该透镜 被应用于使用像素间距为0. 008mm的液晶面板的投影仪，则产生达近似像素间距的一半的 色移，导致分辨率的很大的恶化。在该实施例中，通过将第七透镜单元70在垂直于光轴的 方向上移动0. 16mm，可以将关于波长470nm (蓝色)和550nm (绿色)的色移0. 0030mm减小 到零。
图7A和图7B是根据本发明的平行偏心调整机构的结构的示意图。在图7A和图 7B中，镜筒1保持在垂直于光轴的方向上移动的透镜(或透镜单元)。镜筒1具有沿着镜 筒1的圆周以等角间隔布置的三个同轴辊(roller)4A、4B和4C以及沿着镜筒1的圆周以 等角间隔布置的三个偏心辊6A、6B和6C。保持镜筒1的固定筒2具有沿着固定筒2的圆 周以等角间隔布置的细长孔(elongated hole) 3A和5A、细长孔和5B、以及细长孔3C和 5C。细长孔3AJB和3C被定向为分别垂直于细长孔5A、5B和5C。通过转动偏心辊6A、6B 和6C，可以在垂直于透镜的光轴的方向上移动镜筒1。例如，通过转动偏心辊6A，可以实现 在图7B中的水平方向(纸上的左/右方向)上的平行偏心。通过转动偏心辊6B，可以实现 在从图7B中的左上方到右下方的方向上的平行偏心。通过转动偏心辊6C，可以实现从图 7B中的右上方到左下方的方向上的平行偏心。因此，通过转动三个偏心辊6A、6B和6C，可 以实现镜筒1的在水平和垂直方向上到期望位置的平行偏心。
将图1、图3和图5中分别示出的用于色移调整的正透镜L14、第三透镜单元B3和 第七透镜单元70保持在如图7A和图7B中示出的那样的镜筒中，以便使得能够进行色移调 整。图8是根据本发明的在垂直于光轴的方向上移动透镜之后可以固定透镜的镜筒结构的 主要部分的截面图。可移动筒8具有与固定筒7相对并且垂直于光轴15延伸的表面。由 调整装置(未示出)相对于垂直于光轴15的方向调整可移动筒8的位置，然后通过保持部 件或螺钉11、13将可移动筒8固定到固定筒7。可移动筒8的螺钉孔9、14的尺寸大于螺钉 11、13的直径，因此可以在垂直于光轴15的方向上移动可移动筒8。
利用上述结构，可以相对于由固定筒7保持的透镜16的光轴移动由可移动筒8保 持的透镜12的光轴。利用图8所示的筒的结构，保持要在垂直于光轴的方向上被移动的透 镜的可移动筒可以进行透镜的平行偏心的调整。通过用诸如CCD的固态图像拾取元件代替 液晶面板LCD，实施例的结构可以应用于诸如TV照相机或视频照相机的图像拾取装置。如 果是这种情况，上面提出的条件中与图像显示元件相关联的参数可以被认为是与固态图像 拾取元件相关联的参数，而没有改变。
根据上述每个实施例，可以提供一种包括非常高分辨率的投影仪系统，其中不管 投影仪的透镜是可互换类型的透镜，屏幕上的色移都非常小。本发明不仅对于将多个原始 图像投影到屏幕上以提供彩色图像的投影仪是有效的，而且对于投影单个原始图像的具有 可互换透镜的投影仪也是有效的。本发明还可以被应用于与具有小像素间距的图像拾取元 件(例如CCD传感器或CMOS传感器)一起使用的摄影透镜。
根据本发明，能够在不提供额外的用于色移校正的光学元件的情况下在具有用于 色移校正的光学元件的光学系统中进行色移校正。因此，可以实现与现有系统相比尺寸更 小并且结构更简单的具有小的色移的高性能光学系统。本发明不仅可以被应用于投影仪， 而且可以被应用于使用可以提供非常高分辨率的图像的CCD或CMOS传感器作为图像拾取 元件的数字照相机和视频照相机的可互换透镜。如果本发明被应用于这种可互换透镜，则 可以获得具有非常小的色移的图像。
图9是根据本发明实施例的图像投影装置的主要部分的示意图。在图9所示的装 置中，在三面板类型的液晶彩色投影仪中使用上述变焦透镜，并且通过颜色组合单元或棱 镜102组合表示由多个液晶面板产生的图像信息的多种颜色的光。图9示出了图像投影装 置，其通过变焦透镜103将图像投影并且放大到屏幕表面104上。图9所示的液晶彩色投 影仪101使用棱镜102将来自用于R、G和B的三个液晶面板105R、105G和105B的相应颜 色R(红色)、G (绿色)和B (蓝色)的光组合成单个光路。然后，通过作为上述变焦透镜之 一的投影透镜103将图像投影到屏幕104上。如上所述，根据各实施例的变焦透镜可以被 适当地应用于将图像投影和放大到位于有限距离的屏幕上的投影仪装置。
图10是根据本发明实施例的图像拾取装置的主要部分的示意图。在该实施例中， 上述变焦透镜被用作图像拾取装置106(例如，视频照相机、胶片照相机或数字照相机)中 的摄影透镜。在图10所示的装置中，通过摄影透镜108将物体109的图像形成在光敏部件 107上，并且获得图像信息。
在下文中，示出了数值实施例1和3，其分别对应于第一实施例和第三实施例。第 二实施例的数值实施例与数值实施例1相同。在每个数值实施例中，i表示从放大共轭侧 (前侧)数到缩小共轭侧的光学表面的顺序。在数值数据中，f表示焦距并且F表示数值孔12径比(或F数)F。此外，ri表示从物侧开始的第i个表面的曲率半径。di表示在第i个 表面和第(i+Ι)个表面(光学表面)之间的间隔。ni表示从物侧开始的第i个光学部件关 于d线的折射率，并且vi表示从放大侧开始的第i个光学部件关于d线的阿贝数。
通过对表面序号加*作为后缀来表示非球面，并且在数值数据的部分(B)中给出 它们的非球面系数。在数值实施例1和3中，最接近缩小共轭侧的三个表面是玻璃块PR的 平坦表面。通过以下方程式表示非球面，其中χ是在距光轴的高度为h处、在平行于光轴的 方向上距作为参考点的面顶点的位移(或距离)0115]χ = (h2/r)/[l+{l-(l+k) (h/r)2}1/2] +A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h120116]其中1^是圆锥常数，44、4638、六10和六12是非球面系数，1~是近轴曲率半径。表 达式“e-Z”表示“X10_z”。在表1中示出了在上述条件表达式和各数值实施例中的各种数 值之间的关系。0117]0118]0119]0120] 0121] 0122]0123]0124]0125]0126]0127]0128]0129]0130]0131]0132]0133]0134]0135]0136]0137]0138]0139]0140]0141]0142]0143]0144]数值实施例1 (也用作数值实施例2) 单位mm (A)透镜配置焦距=12.,7F数=2表面:数据irdndVd1*81. 6765. 951.7725049.598230. 46725.19353. 8402.501.7725049.,598425. 98212.235-28.9732.901.4970081.,5466123.75911.53708.501.7204734.,7088-25.9852.051.8081022.,7619-55.7823.7910205.6396.951.7282528.,46111-45.0472.501.7282555.,5312-132.76942.3413 (光阑)019.Bl14158.9613.,851.4874970.23615-79.5161.,9116-321.4432.,001.8348142.7141721. 1247.,451.4874970.23618-46.8202.,0019153.9487.,251.4874970.23620-19.9902.,001.8348142.71421-200ι. 5672.,000145]22222.965 9.151.4970081.5460146]23-26.492.000147]24-152455 3.651.8081022.7610148]25-63.113 3.100149]26044.021.5163364.1420150]27021.001.8051825.4320151]2800152]⑶非球面系数0153]iK A4A6A8AlO0154]10 2. 52e-6 -5.32e--104. 87e--13-5. 77E0155]数值实施例30156](A)透镜配置0157]irdndvd0158]144. 7335.301. 8061033.30159]222. 9598.140160]3*141. 2283.65L. 5831359.40161]4*30.63414.800162]5-28.9751.751. 4970081.50163]6-100.8430. 540164]7-242. 7473. 401.8051825.40165]8-71. 436可变0166]9-147. 7253. 701.8061033.30167]10-63. 523可变0168]11106.1212. 801.4874970.20169]12695. 425可变0170]1371. 1483. 601.8348142.70171]14437. 970可变0172]1582. 3793. 001.4970081.50173]16-326. 1021. 260174]170可变0175]18-92. 5081. 251.8051825.40176]1926. 2017. 351.4874970.20177]20-40.5872. 060178]21-26. 9711. 401.8348142.70179]2289. 8746. 601.5163364.10180]23-36.9040. 510181]24110.5258. 801.4970081.50182]25-35. 376可变0183]26155. 7016. 001.8081022.714
27—50．3791．801．8340037．2
28—212．697 3．10
29o44．021．5163364．1
30o21．oo1．8051825．4
3lo
单元间隔
广角中间望远
] 焦足巨 23．2629．7739．43
d83．333．333．33
ell037．8l6．562．7l
d1214．1329．555
d1434．3330．2l38．65
d173l 1．0812．2
d250．5l12．3731．2
(B)非球面系数
i KA4A6A8A10A12
3 0 8．19e一6 —3．00e一8 8．12e—l l —1．2le—13 6．36e—17
4 o —1．17e一6 —4．29e一8 9．4le—l l —1．62e—13 5．2le—17
表l
权利要求
1.一种图像投影装置，包括 图像显示元件；光学系统，将显示在图像显示元件上的图像投影到屏幕上；光学元件，在具有在垂直于光学系统的光轴的方向上的分量的方向上移动；调整机构，能够在具有在垂直于光轴的方向上的分量的方向上移动光学元件；以及保持部件，将光学元件固定到镜筒，其中满足以下条件，vdch < 35，并且0. 5 (mm2) < PXfdch < 1. 3 (mm2),其中vdch是光学元件的材料关于d线的组合阿贝数，fdch是光学元件关于d线的组 合焦距，并且P是图像显示元件的像素间距。
2.根据权利要求1所述的图像投影装置，其中满足以下条件 0. 10 < I IMG/fdch < 0. 30，其中IMG是由光学系统投影在屏幕上的被投影图像的有效投影范围。
3.根据权利要求1所述的图像投影装置，其中光学元件被放置为最接近光学系统中的 缩小共轭点，并且在图像显示元件的像素间距P以及对于光学元件在垂直于光轴的方向上 每1毫米移动的、在缩小共轭面上的关于F线和C线的色移的敏感度Δ Ch的方面，图像投 影装置满足以下条件0. 7 < Ach/P < 4. 9，其中敏感度Ach被定义为Ach = L/(fdchXVdch)，其中L是从光学元件到缩小共轭 点的等效空气长度，fdch是光学元件关于d线的组合焦距。
4.根据权利要求1所述的图像投影装置，其中满足以下条件 Nch > 1. 65，其中Nch为光学元件的材料的平均折射率。
5.根据权利要求1所述的图像投影装置，其中光学元件包括胶合透镜，该胶合透镜由 胶合在一起的正透镜和负透镜制成，并且满足以下条件Nchn-Nchp < 0. 1,其中Nchn为被包括在光学元件中的负透镜的材料关于d线的折射率，并且Nchp为被 包括在光学元件中的正透镜的材料关于d线的折射率。
6.根据权利要求1所述的图像投影装置，其中光学元件包括正透镜和负透镜并且整体 具有正的折光力，并且正透镜的材料的阿贝数小于负透镜的材料的阿贝数。
7.根据权利要求1所述的图像投影装置，其中光学系统具有倍率变化的透镜单元，并 且光学元件位于倍率变化的透镜单元的缩小共轭侧。
8.一种图像投影装置，包括 图像显示元件；光学系统，将显示在图像显示元件上的图像投影到屏幕上； 光学元件，在具有在垂直于光学系统的光轴的方向上的分量的方向上移动； 调整机构，能够在具有在垂直于光轴的方向上的分量的方向上移动光学元件；以及 保持部件，将光学元件固定到镜筒，其中满足以下条件vdch < 35，并且.0. 10 < I IMG/fdch < 0. 30，其中vdch是光学元件的材料关于d线的组合阿贝数，fdch是光学元件关于d线的组 合焦距，并且IMG是由光学系统投影在屏幕上的被投影图像的有效投影范围。
9.根据权利要求8所述的图像投影装置，其中光学元件被放置为最接近光学系统中的 缩小共轭点，并且在图像显示元件的像素间距P以及对于光学元件在垂直于光轴的方向上 每1毫米移动的、在缩小共轭面上的关于F线和C线的色移的敏感度Δ ch的方面，图像投 影装置满足以下条件 0. 7 < Ach/P < 4. 9，其中敏感度Ach被定义为Ach = L/(fdchXVdch)，其中L是从光学元件到缩小共轭 点的等效空气长度，fdch是光学元件关于d线的组合焦距。
全文摘要
本发明涉及一种图像投影装置，其包括图像显示元件；光学系统，将显示在图像显示元件上的图像投影到屏幕上；光学元件，在垂直于光学系统的光轴的方向上移动；调整机构，能够在垂直于光轴的方向上移动光学元件；以及将光学元件固定到镜筒的保持部件，其中，光学元件的材料关于d线的组合阿贝数vdch、光学元件关于d线的组合焦距fdch、以及图像显示元件的像素间距P满足适当的条件。
文档编号G03B21/10GK102033394SQ20101029601
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月29日 优先权日2009年10月2日
发明者猪子和宏, 菅原三郎, 高桥真 申请人:佳能株式会社