缩放投射光学系统以及图像投影装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及缩放投射光学系统以及图像投影装置，该缩放投射光学系统从放大共轭侧向缩小共轭侧依次具备整体按顺序具有负正正负正正的各光焦度的第1～第6透镜组，当从长焦端向广角端缩放时，上述第3透镜组以及上述第5透镜组从上述放大共轭侧向上述缩小共轭侧移动，上述缩小共轭侧是大致焦阑的，上述第4透镜组从上述放大共轭侧起依次具有2个以上的负透镜、正透镜和孔径光阑。而且，本发明的图像投影装置包括该缩放投射光学系统。
【专利说明】缩放投射光学系统以及图像投影装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及能够改变缩放比并将图像形成元件所形成的图像光放大投射到屏幕上的缩放投射光学系统以及使用了该缩放投射光学系统的图像投影装置。
【背景技术】
[0002]一般被称为投影仪的图像投影装置是将图像形成元件所形成的图像光放大投射到屏幕上的装置。尤其对电影用的图像投影装置来说，伴随着数字电影的普及而被要求图像形成元件的小型化以及高精细化，与之相伴而被搭载于电影用的图像投影装置的缩放投射光学系统也被要求小型化以及高分辨率。
[0003]作为该缩放投射光学系统，例如有日本国特开2001 - 108900号公报(专利文献I)、日本国特开2003 - 015038号公报(专利文献2)以及日本国特开2002 — 350727号公报(专利文献3)所公开的光学系统。
[0004]该专利文献I所公开的投射用变焦透镜是将平面图像放大而使之投射成像的投射用变焦透镜，通过从放大侧起依次配置具有负正正负正正的各光焦度的第I?第6组而成，在投射距离变化时，为了使平面图像与被投射面共轭，第I组进行沿光轴方向的移动，在缩放时，第I组、第4组、第6组固定，第2组、第3组、第5组进行沿光轴方向的移动，广角端的整个系统的焦距:fw，后焦点(空气中的值):bf，透镜全长(从第I组的最靠近放大侧的面到第6组的最靠近缩小侧的面的长度):0AL，第3组的焦距:f3，构成第6组的凸透镜的阿贝数的平均值:v6P，构成第4组的凹透镜的阿贝数的平均值:v4M，构成第5组的凹透镜的阿贝数的平均值:v5M 满足 OAL > 90 *bf/fw, 1.5 < f3/fw < 2.5, v6P > 50，( v 4M +V 5M) /2 < 40的各条件式。
[0005]上述专利文献2所公开的投射用变焦透镜通过从放大侧起依次配置具有负正正负正正的各光焦度的第I?第6组，并在上述第3、第4透镜组间具有孔径光阑而成，是在从广角端向长焦端进行连续缩放时，上述第1、第4、第6透镜组被固定，上述第2、第3、第5透镜组在光轴上移动的投射用变焦透镜，当将广角端的整个系统的焦距设为fw，将第I透镜组的焦距设为fl，将放大侧的共轭点为无限远时的后焦点设为Bf，将整个系统的长度设为L 时，它们满足条件:1.4 < Bf/fw、l.0 < I fl I /fw < 1.7,6.5 < L/fw < 9.00
[0006]另外，上述专利文献3所公开的投射用变焦透镜是在从放大侧起依次具有负正正负正正的各光焦度的第I?第6组的具备6个成分的缩小侧大致焦阑的投射用变焦透镜，在从长焦端向广角端缩放时上述第3组和上述第5组从放大侧向缩小侧移动，上述第4组具有光阑。
[0007]为了实现高分辨率，要求抑制球面象差、像面弯曲、轴上色象差以及倍率色象差等各象差。然而，由于越设为高缩放比，则在长焦端与广角端之间各象差越大幅变动，所以上述要求处于与高缩放比不相容的情况。因此，难以兼顾高分辨率和高缩放比。
[0008]若从该观点出发来研究上述专利文献I?专利文献3，则在上述专利文献I以及专利文献2所公开的投射用变焦透镜中，若实现高分辨率，则包含光阑的第4透镜组的构成不适当，可以认为无法有效地抑制球面象差。另外，在上述专利文献3所公开的投射用变焦透镜中，若实现高分辨率，则第4透镜组的色象差的抑制不充分，可以认为导致在广角端以及长焦端色象差放大。
【发明内容】
[0009]本发明是鉴于上述情况而做出的发明，其目的在于，提供能够充分抑制球面象差、像面弯曲、轴上色象差以及倍率色象差等各象差而实现更高分辨率的缩放投射光学系统以及使用了该缩放投射光学系统的图像投影装置。
[0010]本发明所涉及的缩放投射光学系统从放大共轭侧向缩小共轭侧依次具备整体依次具有负正正负正正的各光焦度的第I?第6透镜组，当从长焦端向广角端缩放时，上述第3透镜组以及上述第5透镜组从上述放大共轭侧向上述缩小共轭侧移动，上述缩小共轭侧是大致焦阑的，上述第4透镜组从上述放大共轭侧起依次具有2片以上的负透镜、正透镜、和孔径光阑。而且，本发明涉及的图像投影装置包括该缩放投射光学系统。因此，本发明涉及的缩放投射光学系统以及图像投影装置能够充分地抑制球面象差、像面弯曲、轴上色象差以及倍率色象差等各象差，能够实现更高的分辨率。
[0011]上述以及其他的本发明的目的、特征以及优点根据以下的详细记载和附图能够清楚明了。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是用于说明实施方式中的缩放投射光学系统的、示意性地表示其构成的透镜首1J视图。
[0013]图2是表示实施例1的缩放投射光学系统中的透镜的排列的剖视图。
[0014]图3是表示实施例2的缩放投射光学系统中的透镜的排列的剖视图。
[0015]图4是表示实施例3的缩放投射光学系统中的透镜的排列的剖视图。
[0016]图5是表示实施例4的缩放投射光学系统中的透镜的排列的剖视图。
[0017]图6是表示实施例5的缩放投射光学系统中的透镜的排列的剖视图。
[0018]图7是表示实施例6的缩放投射光学系统中的透镜的排列的剖视图。
[0019]图8是表示实施例7的缩放投射光学系统中的透镜的排列的剖视图。
[0020]图9是表示实施例8的缩放投射光学系统中的透镜的排列的剖视图。
[0021]图10是实施例1的缩放投射光学系统中的长焦端的纵象差图。
[0022]图11是实施例1的缩放投射光学系统中的广角端的纵象差图。
[0023]图12是实施例2的缩放投射光学系统中的长焦端的纵象差图。
[0024]图13是实施例2的缩放投射光学系统中的广角端的纵象差图。
[0025]图14是实施例3的缩放投射光学系统中的长焦端的纵象差图。
[0026]图15是实施例3的缩放投射光学系统中的广角端的纵象差图。
[0027]图16是实施例4的缩放投射光学系统中的长焦端的纵象差图。
[0028]图17是实施例4的缩放投射光学系统中的广角端的纵象差图。
[0029]图18是实施例5的缩放投射光学系统中的长焦端的纵象差图。
[0030]图19是实施例5的缩放投射光学系统中的广角端的纵象差图。[0031]图20是实施例6的缩放投射光学系统中的长焦端的纵象差图。
[0032]图21是实施例6的缩放投射光学系统中的广角端的纵象差图。
[0033]图22是实施例7的缩放投射光学系统中的长焦端的纵象差图。
[0034]图23是实施例7的缩放投射光学系统中的广角端的纵象差图。
[0035]图24是实施例8的缩放投射光学系统中的长焦端的纵象差图。
[0036]图25是实施例8的缩放投射光学系统中的广角端的纵象差图。
【具体实施方式】
[0037]以下，基于附图来说明本发明所涉及的一个实施方式。其中，在各图中标注了相同附图标记的构成表示是相同的构成，适当省略其说明。另外，接合透镜中的透镜片数在接合透镜整体中不是I片，利用构成接合透镜的单透镜的片数表示。
[0038]<主要用语的定义>
[0039]以下的说明中使用的用语本说明书中被定义如下。
[0040](a)折射率nd是针对d线的波长(587.56nm)的折射率。
[0041](b)阿贝数是指在将针对d线、F线(波长486.13nm)、C线(波长656.28nm)的折射率分别设为nd、nF、nC,并将阿贝数设为v d的情况下，&vd= (nd — I) / CnF — nC)的定义式求出的阿贝数vd。
[0042](c)将Θ g、F定义为表示反常色散性的指标。在将ng设为针对g线(波长435.84nm)的折射率时，Θ g、F = (ng — nF) / (nF — nC)。另外将Λ θ g、F定义为表不反常色散性与标准的玻璃材料相比偏离什么程度的指标。
[0043]Λ Θ g F = Θ g F — (0.6438 — 0.001682X v d)
[0044](d)对于透镜，在使用了“凹”、“凸”或者“凹凸”这一表示的情况下，它们表示光轴附近(透镜的中心附近)处的透镜形状。
[0045](e)构成接合透镜的各单透镜中的光焦度(光功率、焦距的倒数)的表述是单透镜的透镜面两侧为空气的情况下的功率。
[0046](f)复合型非球面透镜所使用的树脂材料由于只有基板玻璃材料的附加功能，所以不当作单独的光学构件使用，而作为与基板玻璃材料具有非球面的情况同等的使用，透镜片数也处理为I片。而且，透镜折射率也为成为基板的玻璃材料的折射率。复合型非球面透镜是在成为基板的玻璃材料之上涂敷薄的树脂材料并形成为非球面形状的透镜。
[0047]<一实施方式的缩放投射光学系统以及使用了该缩放投射光学系统的图像投影装置的说明>
[0048]图1是用于说明实施方式中的缩放投射光学系统的、示意性地表示其构成的透镜首1J视图。
[0049]本实施方式中的缩放投射光学系统是将图像形成元件所形成的图像光放大投射到被配置在离开规定距离的位置的屏幕上的光学系统。
[0050]使用了该缩放投射光学系统的图像投影装置具备形成图像光的图像形成元件、和放大投射由上述图像形成元件形成的上述图像光的投射光学系统，该投射光学系统可使用本实施方式的缩放投射光学系统。更具体而言，图像投影装置具备本实施方式的缩放投射光学系统、形成图像光的图像形成元件、发出照明光的光源、以及将从光源放射出的上述照明光导向上述图像形成元件的照明光学系统。图像形成元件是通过基于被从影像电路输入的图像信号对上述照明光进行调制，来形成图像光的空间光调制元件。这样的图像形成元件例如是DMD(Digital Micromirror Device,数字微镜器件)、反射型液晶面板以及透射式液晶面板等。
[0051]DMD具备通过将多个微小的反射镜元件沿线性独立的两个方向二维配置而形成的反射镜面，构成为各个反射镜元件的反射角度能够向相互独立的两个方向切换。上述各个反射镜元件与被投射到屏幕上的图像的像素对应。若对上述两个方向中的一方设定反射角度，则反射镜元件为“开启(ON)”的状态，由该开启状态的反射镜元件反射的图像光经由缩放投射光学系统被投射到屏幕上。另一方面，若对上述2个方向中的另一方设定反射角度，则反射镜为“闭合(OFF)”的状态，与该闭合状态的反射镜元件对应的屏幕上的像素被显示为黑像素。
[0052]这样的图像投影装置所使用的缩放投射光学系统I例如是如图1所示，从放大共轭侧向缩小共轭侧依次具有第I?第6透镜组11?16的光学系统。其中，图1中例示的缩放投射光学系统I是与后述的第I实施例的缩放投射光学系统IA (图2)相同的构成。而且，在该缩放投射光学系统I中，通过第I透镜组沿光轴方向移动来进行调焦。
[0053]另外，第I透镜组11整体具有负的光焦度，在缩放时固定。更具体而言，在图1所示的例子中，第I透镜组11由7片第I?第7透镜111?117构成。第I透镜111是向放大共轭侧凸的负弯月透镜(meniscus lens)，第2透镜112是双凸的正透镜，第3透镜113是向放大共轭侧凸的负弯月透镜，第4透镜114是向放大共轭侧凸的负弯月透镜，第5透镜115是双凹的负透镜，第6透镜116是双凸的正透镜，而且，第7透镜117是双凹的负透镜。
[0054]第2透镜组12整体具有正的光焦度，在缩放时可动。更具体而言，在图1所示的例子中，第2透镜组12由I片第8透镜121构成。第8透镜121为双凸的正透镜。
[0055]第3透镜组13整体具有正的光焦度，在缩放时可动。更具体而言，在图1所示的例子中，第3透镜组13由I片第9透镜131构成。第9透镜131为双凸的正透镜。
[0056]第4透镜组14整体具有负的光焦度，在缩放时固定。更具体而言，在图1所示的例子中，第4透镜组14由3片第10?第12透镜141?143构成。第10透镜141是双凹的负透镜，第11透镜142是向放大共轭侧凸的负弯月透镜，而且，第12透镜143是双凸的正透镜。
[0057]第5透镜组15整体具有正的光焦度，在缩放时可动。更具体而言，在图1所示的例子中，第5透镜组15由6片第13?第18透镜151?156构成。第13透镜151是向放大共轭侧凹的正弯月透镜，第14透镜152是双凹的负透镜，第15透镜153是双凸的正透镜，第16透镜154是双凸的正透镜，第17透镜155是双凹的负透镜，而且，第18透镜116是双凸的正透镜。
[0058]第6透镜组16整体具有正的光焦度，在缩放时固定。更具体而言，在图1所示的例子中，第6透镜组16由2片第19以及第20透镜161、162构成。第19透镜161是双凸的正透镜，而且，第20透镜162是向放大共轭侧凸(在缩小共轭侧为平)的平凸的正透镜。
[0059]这些第I?第6透镜组11?16的各透镜111?162例如可以是玻璃透镜，另外例如也可以是塑料等树脂材料制透镜。
[0060]在第4透镜组14与第5透镜组15之间、即在第4透镜组14的缩小共轭侧且第5透镜组15的放大共轭侧配置有在缩放时固定的光学光阑17。该光学光阑17是孔径光阑。
[0061]这样，第4透镜组14从放大共轭侧向缩小共轭侧依次具有2片以上的负透镜、正透镜、和孔径光阑。在本实施方式中，第4透镜组14具备第10透镜141以及第11透镜142这2片负透镜、第12透镜143的正透镜、和孔径光阑17。
[0062]另外，在从长焦端向广角端缩放时，第3透镜组13以及第5透镜组13从放大共轭侧向缩小共轭侧的方向单调移动，缩小共轭侧是大致焦阑的(telecentric)。在图1所示的例子中，第2透镜组12也在从长焦端向广角端缩放时，从放大共轭侧向缩小共轭侧方向单调移动。
[0063]而且，在图1所示的例子中，在该缩放投射光学系统I的缩小共轭侧配置有棱镜18、滤光器19以及图像形成元件20。滤光器19是平行平板状的光学元件，示意性地表示了各种光学滤光器、图像形成元件20的保护玻璃等。图像形成元件20是上述的DMD、液晶面板等。利用这些元件，图像形成元件20的图像光通过缩放投射光学系统I沿其光轴AX以适当的缩放比被引导到屏幕上，从而图像形成元件20的图像光被放大投射到屏幕上。
[0064]这样构成的缩放投射光学系统I从放大共轭侧向缩小共轭侧依次具有负正正负正正的6组，在从长焦端向广角端缩放时第3透镜组13以及第5透镜组15从放大共轭侧向缩小共轭侧移动。因此，对具有正光焦度的第3透镜组13来说，与长焦端相比在广角端接近于第4透镜组14，对具有正光焦度的第5透镜组15来说，与广角端相比在长焦端接近于第4透镜组14。因此，这种构成的缩放投射光学系统I配置有在长焦端在广角端都在光阑附近具有正的光焦度的透镜组。当在光阑附近配置的正光焦度变大时，光学系统处于具有欠焦(under )方向的球面象差的趋势，若对其的修正不充分，则导致轴上光的分辨率降低。然而，在本实施方式的缩放投射光学系统I中，第4透镜组14从放大共轭侧起依次具有2片以上的负透镜、正透镜、和光阑(在本实施方式中，分别为第10透镜141、第11透镜142、第12透镜143以及孔径光阑17)。因此，这种构成的缩放投射光学系统I由于在如此包含光阑17的第4透镜组14中连续使用负透镜，所以能够将球面象差向过焦(over)侧强力修正，可得到高的分辨率。
[0065]此外，在上述的实施方式中，第4透镜组14也可以在从长焦端向广角端缩放时可动。
[0066]另外，在上述的实施方式中，优选在将针对第4透镜组所包含的从放大共轭侧起第i个负透镜的Λ eg、F以及光焦度设为Λ θ giF4i以及，将广角端的光学系统整体的合成光焦度设为Φν的情况下，第4透镜组14的2片以上负透镜中的一个满足下述(I)的条件式，第4透镜组14的上述2片以上负透镜中的另一个满足下述(2)的条件式。
[0067]0.003 ≤ Λ 9gF≤ 0.05...(I)
[0068]- 0.035 Σ ≤Δ Θ g F4i X φ 4i)) / φ w ≤一0.001...(2)
[0069]在投射光学系统中，需要良好地修正色象差，但这里从因轴上色象差以及球面象差的波长引起的离散的观点来进行研究。由于成像光学系统整个系统具有正的光焦度，所以处于针对短波长的光的光焦度比针对长波长的光焦度大的趋势，因此会产生轴上色象差。另外，对因通过透镜周边的光线而产生的球面象差而言，由于透镜的折射率因波长不同而不同，所以产生因波长引起的离散。
[0070]为了抑制这些轴上色象差以及球面象差的因波长导致的离散，光阑附近所配置的第4透镜组14按照由条件式(I)以及条件式(2)规定的方式，具备具有反常色散性的负透镜。当使用如此在光阑附近具有反常色散性的负透镜时，忧郁短波长的光的焦点位置向过焦侧移动，所以能够修正轴上色象差。而且，由于通过该具有反常色散性的负透镜周边的光线越是短波长的光则越受到球面象差成为过焦的效果，所以还能够修正球面象差的因波长导致的离散。因此，这种构成的缩放投射光学系统I通过满足条件式(I)以及条件式(2)，能够抑制轴上色象差以及球面象差的色离散，可得到高的分辨率。
[0071]其中，上述条件式(I)规定了反常色散性的大小。当高于该条件式(I)的上限时，由于在整个系统中针对短波长的光线的球面象差成为过焦侧，所以球面象差的色离散为过度修正，不优选。另一方面，当低于条件式(I)的下限时，由于在整个系统中针对短波长的光线的球面象差成为欠焦侧，所以球面象差的色离散为修正不够，不优选。另外，当4组的全部负透镜高于该条件式(I)的上限值时，轴上色象差在长波长侧为欠焦，在短波长侧为过焦，不优选。由此，导致长波长侧和短波长侧的光的聚光位置偏向散焦方向偏移，在基准波长的聚光位置聚光直径大于图像生成元件的I个像素的大小，不优选。另一方面，若低于条件式(I)的下限值，则会引起与上述相反的现象，轴上色象差在长波长侧为过焦，在短波长侧为欠焦，不优选。同样，导致在基准波长的聚光位置聚光直径大于图像生成元件的I个像素的大小，不优选。
[0072]另外，上述条件式2是对第4透镜组14所含的各负透镜的反常色散性乘以各自的光焦度而得到的值的总和。若高于该条件式(2)的上限，则由于在整个系统中针对短波长的光线的球面象差成为过焦侧，所以球面象差的色离散为过度修正，不优选。另一方面，若低于条件式(2)的下限，则由于在整个系统中针对短波长的光线的球面象差成为欠焦侧，所以球面象差的色离散为修正不够，不优选。另外，若高于条件式(2)的上限，则相对于焦点位置聚光到深处的长波长的光与相对于焦点位置聚光到跟前的短波长的光的散焦方向的偏差量超过聚光直径比图像生成元件的I个像素的大小大的轴上色象差的大小，不优选。另一方面，在小于条件式(2)的下限值的情况下，相对于焦点位置聚光于跟前的长波长的光与相对于焦点位置聚光到深处的短波长的光的散焦方向的偏差量会超过聚光直径比图像生成元件的I个像素的大小大的轴上色象差的大小，不优选。
[0073]另外，在上述的实施方式中，优选第4透镜组14的2片以上负透镜中的一个满足下述(3)的条件式，第4透镜组14的上述2片以上负透镜中的另一个满足下述(4)的条件式。
[
【权利要求】
1.一种缩放投影光学系统，其特征在于， 从放大共轭侧到缩小共轭侧依次具备:整体具有负光焦度的第I透镜组、整体具有正光焦度的第2透镜组、整体具有正光焦度的第3透镜组、整体具有负光焦度的第4透镜组、整体具有正光焦度的第5透镜组、以及整体具有正光焦度的第6透镜组， 当从长焦端向广角端缩放时，所述第3透镜组以及所述第5透镜组从所述放大共轭侧向所述缩小共轭侧移动， 所述缩小共轭侧是大致焦阑的， 所述第4透镜组从所述放大共轭侧起依次具有2个以上的负透镜、正透镜和孔径光阑。
2.根据权利要求1所述的缩放投影光学系统，其特征在于， 所述第I透镜组、所述第4透镜组以及所述第六透镜组在缩放时固定， 所述第2透镜组、所述第3透镜组以及所述第5透镜组在缩放时可动。
3.根据权利要求1所述的缩放投影光学系统，其特征在于， 所述第I透镜组以及所述第6透镜组在缩放时固定， 所述第2透镜组、所述第3透镜组、所述第4透镜组以及所述第5透镜组在缩放时可动。
4.根据权利要求1~权利要求3中任意一项所述的缩放投影光学系统，其特征在于， 所述第4透镜组的所述2片以上负透镜中的一个满足下述(I)的条件式， 所述第4透镜组的所述2片以上负透镜中的另一个满足下述(2)的条件式，
5.根据权利要求1~权利要求4中任意一项所述的缩放投影光学系统，其特征在于， 所述第4透镜组的所述2片以上负透镜中的一个满足下述(3)的条件式， 所述第4透镜组的所述2片以上负透镜中的另一个满足下述(4)的条件式，
6.根据权利要求1~权利要求5中任意一项所述的缩放投影光学系统，其特征在于， 所述第5透镜组所含的透镜满足下述(5)以及(6)的各条件式，
7.根据权利要求1~权利要求6中任意一项所述的缩放投影光学系统，其特征在于， 广角端的所述第2透镜组以及所述第3透镜组的合成光焦度相对于长焦端的所述第2透镜组以及所述第3透镜组的合成光焦度之比满足下述(7)的条件式，
1.15 ≤ Φ2ι3ι/ Φ2,3τ ≤ I.35...(7) 其中， Φ2,3?:广角端的第2透镜组以及第3透镜组的合成光焦度 Φ2,3Τ:长焦端的第2透镜组以及第3透镜组的合成光焦度。
8.根据权利要求1~权利要求7中任意一项所述的缩放投影光学系统，其特征在于， 所述第I透镜组包含至少一片以上满足下述(8)的条件式的负透镜，
0.03 ≤Λ Θ g F ^ 0.05...(8), 其中， Δ Θ g、F:反常色散性与标准的玻璃材料相比偏离什么程度的指标。
9.根据权利要求1~权利要求8中任意一项所述的缩放投影光学系统，其特征在于， 所述第1透镜组至所述第4透镜组整体上大致为远焦系统。
10.根据权利要求1~权利要求9中任意一项所述的缩放投影光学系统，其特征在于， 缩放时的所述第2透镜组的移动轨迹是向放大共轭侧凸的U形转弯状。
11.一种图像投影装置，其特征在于，具有: 形成图像光的图像形成元件；以及 将由所述图像形成元件形成的所述图像光放大投射的投射光学系统， 所述投射光学系统是权利要求1~权利要求10中任意一项所述的缩放投影光学系统。
【文档编号】G03B21/00GK103592748SQ201310349233
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年8月12日 优先权日:2012年8月13日
【发明者】今村祯允, 高本胜裕, 增井淳雄 申请人:柯尼卡美能达株式会社