投影光学系统和图像显示装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及将图像放大投影到屏幕上显示的所谓投影机等图像显示装置，尤其涉 及将图像显示元件上显示的图像放大投影到屏幕上的投影光学系统。
【背景技术】
[0002] 近年来，被称为投影机等投射型图像显示装置获得广泛使用。在通常情况下，这类 投射型图像显示装置用投射光学系统，将数字微镜器件（Digital Micromirror Device，以 下简称为DVD)或液晶显示面板等被之称为光阀的图像显示元件上的显示图像的放大图像 投影到屏幕上，来显示图像。
[0003] 被用来作为图像显示元件的DMD具有多个微镜，这些微镜角的度能够在规定范围 内单独受到电子控制。通过设定照明光的入射角度以控制DMD的各微镜倾斜角度，例如，当 一个微镜角度为-12度时，受到微镜反射后照明光的反射光入射投射光学系统，而当微镜 角度为+12度时，受到微镜反射后照明光的反射光不会入射投射光学系统，这样在DMD显示 画面上便能够形成数字图像。
[0004] 在上述这类投射型图像显示装置中，目前对缩短投射距离，能够在近距离设置的 屏幕上显示大画面的超短投射距离前置投射型投影机的需求不断加大。
[0005] 类似上述超短投射距离的前置投射型投影机，用于超短投射距离的投射型图像显 示装置中的投射光学系统，在用曲面镜补偿图像弯曲变形的同时，还偏转投射光路，用以缩 短图像显示元件与屏幕之间距离。这样利用曲面镜的方式使得小型投影机能够以超近距离 进行投射。
[0006] 专利文献 1-4 (JP 特开 2007-79524、JP 特开 2011-242606、JP 特开 2012-108267、 JP特开2009-216883号公报）等公开了一种利用曲面镜实现小型且超短投射距离的投射型 图像显示装置的技术方案。
[0007] 上述专利文献均显示了组合折射光学系统和曲面镜的投射型图像显示装置的构 成，根据这些专利文献，能够实现超短投射距离。
[0008] 然而，对于这类投射型图像显示装置，即对于超短投射投影机，近年来出现小型化 和降低生产成本的要求。而使用反射光学系统的投影机为了避免光线与框体之间发生干 涉，必须采用图像显示元件相对于光轴偏心的构成。为此造成投影机厚度方向尺寸增加，该 增加量相当于图像显示元件相对于光轴偏心的量。此外，仅使用折射光学系统的投影机与 使用折射光学系统和反射光学系统双方的投影机之间无法通用同一图像显示元件的照明 系统。为此各自需要单独开发照明系统，这也是成本上升的原因之一。
[0009] 专利文献1和2没有涉及薄型化以及通用照明系统，因而无法应对上述的市场要 求。
[0010] 专利文献3公开了通过在折射光学系统中形成中间像用以抑制图像形成元件偏 心量的构成，但是，在这样的折射光学系统中，如果仅形成中间像，将造成光轴方向大小增 大，无法应对小型化要求。
[0011] 专利文献4公开了使用多个自由曲面的方法以及使多片透镜偏心的方法，但是单 纯使用自由曲面和透镜偏心，会引起制造误差感度上升，应该尽可能避免这种技术方案。
【发明内容】
[0012] 鉴于上述现有技术，本发明的目的在于提供一种能够充分缩短投射距离同时实现 高辉度的高性能小型投射光学系统。本发明的投射光学系统用于将图像显示元件上显示的 图像放大投影到屏幕上的投射光学系统，其特征在于，
[0013] 具备折射光学系统和反射光学系统，
[0014] 该折射光学系统包括光圈和多个包含多个透镜的光学元件，用来放大所述图像显 示元件上显示的图像，并使该图像成像，
[0015] 该反射光学系统具有位于所述折射光学系统和所述屏幕之间的至少一个反射光 学元件，
[0016] 所述投射光学系统在所述图像显示元件与所述反射光学系统之间形成一个中间 像，
[0017] 当设定光轴A为所述折射光学系统中多个轴对称的所述透镜共有的轴，并设定Y 轴在包含该光轴A并含有从所述图像显示元件中心射出后通过所述光圈中心的光线的平 面内，而且垂直于该光轴A时，作为所述折射光学系统中一部分的光学元件B在平行于所述 Y轴的方向上偏心，
[0018] 所述图像显示元件的图像形成部与所述光轴A交叉。
[0019] 根据以上所述，能够提供如下效果。
[0020] 即，本发明的投射光学系统用于将图像显示元件上显示的图像放大投影到屏幕上 的投射光学系统，其中，
[0021] 具备折射光学系统和反射光学系统，
[0022] 该折射光学系统包括光圈和多个包含多个透镜的光学元件，用来放大所述图像显 示元件上显示的图像，并使该图像成像，
[0023] 该反射光学系统具有位于所述折射光学系统和所述屏幕之间的至少一个反射光 学元件，
[0024] 所述投射光学系统在所述图像显示元件与所述反射光学系统之间形成一个中间 像，
[0025] 当设定光轴A为所述折射光学系统中多个轴对称的所述透镜共有的轴，并设定Y 轴在包含该光轴A并含有从所述图像显示元件中心射出后通过所述光圈中心的光线的平 面内，而且垂直于该光轴A时，作为所述折射光学系统中一部分的光学元件B在平行于所述 Y轴的方向上偏心，
[0026] 所述图像显示元件的图像形成部与所述光轴A交叉，
[0027] 为此，本发明能够提供充分缩短投射距离，同时实现高辉度的高性能小型投射光 学系统。
【附图说明】
[0028] 图1是用包含光轴且垂直于图像显示元件的显示画面的长边的面来显示使用本 发明实施例1涉及的投射光学系统的图像显示装置整体的主要结构的剖面图。
[0029] 图2是进一步详细显示图1的投射光学系统中的主要部分即折射光学系统的透镜 系统以及该透镜系统的聚焦动作的示意图。
[0030] 图3是图1的投射光学系统中的图像显示元件的图像形成部的显示画面的形态以 及相对于该光轴的位置关系的示意图。
[0031] 图4是图1的投射光学系统中的旁轴像面、中间像以及光轴等之间关系的示意图。
[0032] 图5是图1的投射光学系统的远距离（画面为100英寸）时旁轴像面与、主光线 在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。
[0033] 图6是图1的投射光学系统的中距离（画面为80英寸）时旁轴像面与、主光线在 该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。
[0034] 图7是图1的投射光学系统的近距离（画面为60英寸）时旁轴像面与、主光线在 该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。
[0035] 图8是图1的投射光学系统在远距离（画面为100英寸）时屏幕SC上各视角的 波长550nm的光点位置的示意图。
[0036] 图9是图1的投射光学系统在中距离（画面为80英寸）时屏幕SC上个视角的波 长550nm的光点位置。
[0037] 图10是图1的在投射光学系统在近距离（画面为60英寸）时屏幕SC上个视角 的波长550nm的光点位置。
[0038] 图11是表示图1的投射光学系统在远距离（画面为100英寸）时在屏幕上波长 625nm(红色）、 55〇nm(绿色）、425nm(蓝色）的成像特性的点列图。
[0039] 图12是表示图1的投射光学系统在中距离（画面为80英寸）时在屏幕上波长 625nm(红色）、 55〇nm(绿色）、425nm(蓝色）的成像特性的点列图。
[0040] 图13是表示图1的投射光学系统在远距离（画面为60英寸）时在屏幕上波长 625nm(红色）、 55〇nm(绿色）、425nm(蓝色）的成像特性的点列图。
[0041] 图14是图11至图13的点列图中F1至F3对应的视角的示意图。
[0042] 图15是用包含光轴且垂直于图像显示元件的显示画面的长边的截面图来显示使 用本发明实施例2涉及的投射光学系统的图像显示装置整体的主要结构的示意图。
[0043] 图16是进一步详细显示图15的投射光学系统中的主要部分即折射光学系统的透 镜系统以及该透镜系统的聚焦动作的示意图。
[0044] 图17是图15的投射光学系统的远距离（画面为100英寸）时旁轴像面与、主光 线在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。
[0045] 图18是图15的投射光学系统的中距离（画面为80英寸）时旁轴像面与、主光线 在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。
[0046] 图19是图15的投射光学系统的近距离（画面为60英寸）时旁轴像面与、主光线 在该旁轴像面上的交点之间关系的示意图。
[0047] 图20是图15的投射光学系统在远距离（画面为100英寸）时屏幕SC上各视角 的波长550nm的光点位置的不意图。
[0048] 图21是图15的投射光学系统在中距离（画面为80英寸）时屏幕SC上个视角的 波长550nm的光点位置。
[0049] 图22是图15的在投射光学系统在近距离（画面为60英寸）时屏幕SC上个视角 的波长550nm的光点位置。
[0050] 图23是表示图15的投射光学系统在远距离（画面为100英寸）时在屏幕上波长 625nm(红色）、 55〇nm(绿色）、425nm(蓝色）的成像特性的点列图。
[0051] 图24是表示图15的投射光学系统在中距离（画面为80英寸）时在屏幕上波长 625nm(红色）、 55〇nm(绿色）、425nm(蓝色）的成像特性的点列图。
[0052] 图25是表示图15的投射光学系统在远距离（画面为60英寸）时在屏幕上波长 625nm(红色）、 55〇nm(绿色）、425nm(蓝色）的成像特性的点列图。
【具体实施方式】
[0053] 以下，参考附用本发明实施方式详述投射光学系统。首先用本实施例具体描述本 发明的原理。
[0054] 本发明涉及的投射光学系统为一般称之为投影机等投射型图像显示装置所具备， 用于将图像显示元