專利名稱：投影透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及投影透鏡，并適用于例如在投影顯示裝置等裝置的投影裝置中設(shè)置的投影透鏡。
背景技術(shù)：
近年來，投影顯示裝置已得到廣泛應(yīng)用。
對于剛剛提到的一種這樣的投影顯示裝置，背投式投影顯示裝置是已知的，它把圖象光從透射型屏幕后側(cè)投影到透射型屏幕上。
在剛剛描述的此種背投式投影顯示裝置中，例如，白光源的光通過反射鏡等元件校準(zhǔn)為光通量，并且該光通量通過分色鏡而分離為紅、綠和藍(lán)三種顏色的光通量。
接著，三種顏色的光通量引入到根據(jù)紅、綠和藍(lán)(R，G，B)圖象電信號形成的二維圖象顯示元件(如LCD單元；液晶顯示單元)中。在二維圖象顯示元件上獲得的與紅、綠和藍(lán)對應(yīng)的圖象光通過彩色合成光學(xué)系統(tǒng)而彩色合成為白光，并且通過投影透鏡而以放大比例投影到透射型屏幕上。
應(yīng)該指出，對于具有相似配置的透鏡，考慮到快速復(fù)原反射鏡等的限制，已經(jīng)提出大量的透鏡，包括用于單透鏡反射照相機(jī)的廣角型照相物鏡以及用于投影電視的廣角投影透鏡，其中，單透鏡反射照相機(jī)具有較長后焦點(diǎn)，投影電視使用CRT(陰極射線管)。
進(jìn)一步地，在投影顯示裝置中，形成投影透鏡的透鏡系統(tǒng)有時(shí)具有用于變換光路的結(jié)構(gòu)。
此結(jié)構(gòu)使得有可能改變投影裝置中投影裝置殼體的布置方向或投影裝置內(nèi)從分色到彩色合成的各個(gè)光學(xué)元件的布置方向，或者，有可能使各個(gè)光學(xué)元件小型化，由此實(shí)現(xiàn)投影顯示裝置的小型化。
尤其是在近年來的投影顯示裝置中，由于對投影圖象達(dá)到更高清晰度和使整個(gè)裝置小型化的要求增加，因此，還對投影透鏡要求更大的廣角和更高的光學(xué)性能。
然而，對于上述投影顯示裝置的此種配置，由于必需把諸如二向棱鏡或二向色反射鏡的光學(xué)元件布置成彩色合成系統(tǒng)的限制，必須保證相當(dāng)長的后焦點(diǎn)，此后焦點(diǎn)與從二維圖象顯示元件到投影透鏡后端的距離相對應(yīng)。
在投影顯示裝置用單投影裝置在整個(gè)透射型屏幕上形成放大圖象的情況下，為了使投影顯示裝置本身緊湊，必需縮短投影距離(通常為中心光束從投影透鏡的輸出端通過反射鏡到透射型屏幕的長度)。為此，必需使投影透鏡形成為廣角投影透鏡，以增加投影透鏡的輸出光的發(fā)散角，從而獲得大的圖象平面。
進(jìn)一步地，為了使二維圖象顯示元件通過從光源輸入的光，以便把二維圖象顯示元件上的圖象以放大比例和高對比度投影到屏幕上，必需利用以大致與二維圖象顯示元件垂直的角度輸出的光通量。
相應(yīng)地，投影透鏡必須具有遠(yuǎn)心特性，以便投影透鏡的離軸主光線與二維圖象顯示元件正交。
進(jìn)而，雖然顯示器件如LCD單元一般用作二維圖象顯示元件，但是，由于用矩陣電極驅(qū)動(dòng)LCD單元，因此，難以糾正投影透鏡的畸變，這與使用CRT的替代情形不同。具體地，在使用CRT的情況下，通過利用諸如線軸形畸變糾正的光柵形狀糾正功能，可比較容易地糾正投影透鏡的畸變。然而，在使用以點(diǎn)陣形狀LCD單元顯示的顯示器件的情況下，通常不執(zhí)行上述此種光柵畸變糾正。
從上述的此種情況出發(fā)，優(yōu)選投影透鏡的畸變象差最小。然而，這妨礙形成作為廣角透鏡的投影透鏡和達(dá)到較長的后焦點(diǎn)。
簡而言之，已經(jīng)知道，如果在保證廣角和較長后焦點(diǎn)的同時(shí)為投影透鏡提供遠(yuǎn)心特性，那么，這就提供透鏡總長度增加或透鏡直徑增加的趨勢。
進(jìn)一步地，如果形成投影透鏡的透鏡系統(tǒng)采用上述變換光路的結(jié)構(gòu)，就有可能抑制投影顯示裝置的高度并降低其其深度方向尺寸。結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)投影顯示裝置的小型化。然而，在近年來，還對包括執(zhí)行上述此種光路變換的投影透鏡的投影顯示裝置要求進(jìn)一步的小型化。

發(fā)明內(nèi)容
從而，本發(fā)明的目的是使其系統(tǒng)中包括光路變換的投影透鏡有可能具有較寬的視角、較短的投影距離、較長的后焦點(diǎn)、大量的離軸光和遠(yuǎn)心特性，并且除此之外還具有小的畸變象差和較小的其它象差，以便解決上述問題。
為了達(dá)到上述目的，按以下方式配置一種接收合成光并把所接收合成光以放大比例投影到屏幕上的投影透鏡，所述合成光通過把光源的光分離成多個(gè)彩色光、借助圖象形成元件使每個(gè)獨(dú)立的彩色光形成為圖象彩色光、并合成圖象彩色光而形成。
本發(fā)明的投影透鏡形成為負(fù)焦距型投影透鏡，其中，按從屏幕側(cè)到板側(cè)的次序布置具有負(fù)屈光力的第一透鏡組、光圈以及具有正屈光力的第二透鏡組，在第一透鏡組中內(nèi)置光路變換器件。
第一透鏡組包括具有負(fù)屈光力的第一A透鏡組、光路變換器件以及具有正屈光力的第一B透鏡組，其中，第一A透鏡組至少包括一個(gè)或多個(gè)非球面透鏡。同時(shí)，第二透鏡組至少包括非球面透鏡。
第一A透鏡組中的透鏡具有以下外徑，它的一部分在外側(cè)截去光路變換方向上的有效光線，并且，光路變換器件的光路變換方向是矩形圖象形成元件的短邊方向。
進(jìn)而，在用FL表示整個(gè)系統(tǒng)的焦距，用FB表示后焦點(diǎn)，用FFP2表示第二透鏡組的前側(cè)焦點(diǎn)位置，用Dst表示光圈與第二透鏡組之間的距離，并且用D2表示光軸上第一透鏡組與第二透鏡組之間空間變換距離的情況下，滿足以下條件表達(dá)式FB/FL＞2.20.59＜|FFP2/Dst|＜0.963.75＜D2。
同時(shí)，按以下方式配置另一種接收合成光并把所接收合成光以放大比例投影到屏幕上的投影透鏡，所述合成光通過把光源的光分離成多個(gè)彩色光、借助圖象形成元件使每個(gè)獨(dú)立的彩色光形成為圖象彩色光、并合成圖象彩色光而形成。
所述投影透鏡形成為負(fù)焦距型投影透鏡，其中，按從屏幕側(cè)到板側(cè)的次序布置具有負(fù)屈光力的第一透鏡組、光圈以及具有正屈光力的第二透鏡組，在第一透鏡組中內(nèi)置光路變換器件。
第一透鏡組包括具有負(fù)屈光力的第一A透鏡組、光路變換器件以及具有正屈光力的第一B透鏡組，其中，第一A透鏡組至少包括一個(gè)或多個(gè)非球面透鏡。同時(shí)，第二透鏡組至少包括非球面透鏡。
第一A透鏡組中的透鏡具有以下外徑，它的一部分在外側(cè)截去與光路變換方向正交的方向上的有效光線，并且，光路變換器件的光路變換方向是矩形圖象形成元件的長邊方向。
進(jìn)而，在用FL表示整個(gè)系統(tǒng)的焦距，用FB表示后焦點(diǎn)，用FFP2表示第二透鏡組的前側(cè)焦點(diǎn)位置，用Dst表示光圈與第二透鏡組之間的距離，并且用D2表示光軸上第一透鏡組與第二透鏡組之間空間變換距離的情況下，滿足以下條件表達(dá)式FB/FL＞2.20.59＜|FFP2/Dst|＜0.963.75＜D2。
根據(jù)上述的每一個(gè)配置，本發(fā)明的投影透鏡在其內(nèi)部包括光路變換器件。在投影透鏡包括所述配置的透鏡排列并滿足條件表達(dá)式的情況下，滿足用于獲得以下投影透鏡的要求，在該投影透鏡中，保證較小的投影距離，維持遠(yuǎn)心特性，同時(shí)視角較大并且后焦點(diǎn)較長。


圖1為示出包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的投影透鏡的投影顯示裝置的一般配置(第一實(shí)例)的視圖；圖2為示出包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的投影透鏡的投影顯示裝置的一般配置(第二實(shí)例)的視圖；圖3為示出包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的投影透鏡的投影顯示裝置的內(nèi)部配置(第一實(shí)例)的視圖；圖4為示出包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的投影透鏡的投影顯示裝置的內(nèi)部配置(第二實(shí)例)的視圖；圖5為示出包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的投影透鏡的投影顯示裝置的內(nèi)部配置(第三實(shí)例)的視圖；圖6A-6D為示出負(fù)焦距透鏡原理的圖解視圖；圖7A和7B為示出光圈位置和主光線遠(yuǎn)心特性之間關(guān)系的圖解視圖；圖8為示出作為第一實(shí)施例的投影透鏡的結(jié)構(gòu)實(shí)例的剖面圖；圖9為示出作為第二實(shí)施例的投影透鏡的結(jié)構(gòu)實(shí)例的剖面圖；圖10為示出作為第三實(shí)施例的投影透鏡的結(jié)構(gòu)實(shí)例的剖面圖；圖11為示出作為第四實(shí)施例的投影透鏡的結(jié)構(gòu)實(shí)例的剖面圖；圖12為示出作為第五實(shí)施例的投影透鏡的結(jié)構(gòu)實(shí)例的剖面圖；圖13為三維地示出所述實(shí)施例(第一實(shí)施例)的投影透鏡的結(jié)構(gòu)實(shí)例的三維圖，其中，沿著光閥部件的短邊執(zhí)行光路變換；圖14為三維地示出所述實(shí)施例(第一實(shí)施例)的投影透鏡的結(jié)構(gòu)實(shí)例的三維圖，其中，沿著光閥部件的長邊執(zhí)行光路變換；圖15A-15C為示出作為第一實(shí)施例的投影透鏡的數(shù)值實(shí)施例的視圖；圖16A-16D為示出作為第二實(shí)施例的投影透鏡的數(shù)值實(shí)施例的視圖；圖17A-17D為示出作為第三實(shí)施例的投影透鏡的數(shù)值實(shí)施例的視圖；圖18A-18D為示出作為第四實(shí)施例的投影透鏡的數(shù)值實(shí)施例的視圖；圖19A-19D為示出作為第五實(shí)施例的投影透鏡的數(shù)值實(shí)施例的視圖；圖20為示出在第一至第五實(shí)施例中與條件表達(dá)式(1)-(4)有關(guān)的計(jì)算值實(shí)例的視圖；圖21為示出作為第一實(shí)施例的投影透鏡的球面象差、散光和畸變象差的視圖；圖22為示出作為第二實(shí)施例的投影透鏡的球面象差、散光和畸變象差的視圖；圖23為示出作為第三實(shí)施例的投影透鏡的球面象差、散光和畸變象差的視圖；圖24為示出作為第四實(shí)施例的投影透鏡的球面象差、散光和畸變象差的視圖；以及圖25為示出作為第五實(shí)施例的投影透鏡的球面象差、散光和畸變象差的視圖。
具體實(shí)施例方式
以下描述本發(fā)明實(shí)施例的投影透鏡。在以下描述中，在背投式投影顯示裝置的投影裝置中設(shè)置所述實(shí)施例的投影透鏡，在所述背投式投影顯示裝置中，LCD單元用作二維圖象顯示元件。
應(yīng)該指出，按下列順序進(jìn)行以下描述。
1.投影顯示裝置的配置1-1.一般配置(第一實(shí)例)1-2.一般配置(第二實(shí)例)1-3.投影裝置的內(nèi)部配置(第一實(shí)例)1-4.投影裝置的內(nèi)部配置(第二實(shí)例)1-5.投影裝置的內(nèi)部配置(第三實(shí)例)2.透鏡3.投影透鏡的配置3-1.透鏡的排列結(jié)構(gòu)3-2.條件表達(dá)式3-3.數(shù)值實(shí)施例等
1.投影顯示裝置的配置1-1.一般配置(實(shí)例1)首先描述可包括以下投影裝置的投影顯示裝置的一般配置，其中，所述投影裝置包括所述實(shí)施例的投影透鏡。
圖1的(a)和(b)分別為示出前述此種投影顯示裝置的一般配置的第一實(shí)例的側(cè)視圖和前視圖。
在附圖所示的投影顯示裝置500中，在投影顯示裝置500的機(jī)殼501的背面上設(shè)置彎曲鏡504，并在機(jī)殼501的前面上設(shè)置透射型屏幕21。彎曲鏡504安裝得具有可反射從后述投影裝置502投影的圖象光的角度，從而，圖象光可投影到屏幕21上。
投影裝置502以圖中實(shí)線所示方式布置在機(jī)殼501內(nèi)的下側(cè)上。這里，斜線表示常規(guī)投影裝置。
在投影裝置502的光學(xué)單元503中布置諸如光源、二向色反射鏡、液晶板部件和二向棱鏡(光合成元件)的光學(xué)部件，它們在后面描述，并且，通過光學(xué)部件的操作而獲得作為圖象光的光通量。在此得到的作為圖象光的光通量由投影透鏡20投影，并作為投影光600輸出。
進(jìn)一步地，在所述實(shí)施例中，在形成投影透鏡20的透鏡系統(tǒng)的光路中布置用于變換光路的彎曲鏡M。結(jié)果，在所述實(shí)施例中，作為圖象光的光通量在投影透鏡20內(nèi)彎曲。
在具有上述此種結(jié)構(gòu)的投影顯示裝置500中，投影光600從投影透鏡20向上輸出，從而，它照射到彎曲鏡504上。接著，從投影透鏡20發(fā)射的投影光600的光路由彎曲鏡504彎曲，從而它照射到屏幕21上。
在屏幕21上，顯示從投影透鏡20投射的投影光所獲得的放大圖象。例如，觀眾從與投影透鏡20布置位置相反的位置上觀看屏幕21，欣賞顯示圖象。
為了實(shí)現(xiàn)投影顯示裝置500的機(jī)殼501的小型化，主要采用在投影透鏡20中以圖1中實(shí)線所示方式變換光路的技術(shù)。
具體地，例如，在圖1的情況下，在投影裝置502的光學(xué)單元503中得到的作為圖象光的光通量的光路在投影透鏡20中變換90°到向上方向。因此，投影裝置502的光學(xué)單元503本身以在圖1中看基本水平的鋪設(shè)狀態(tài)布置(從圖1的(a)看到，實(shí)際上以傾斜狀態(tài)布置，從而，投影光600可適當(dāng)?shù)卣丈涞綇澢R504上)。進(jìn)一步地，光學(xué)單元503可布置為使其前面(其上安裝投影裝置502的側(cè)面)/背面對著投影顯示裝置500的機(jī)殼501的側(cè)面。
從而，當(dāng)比較例如其中光路不變換的替代情形與虛線所示常規(guī)投影裝置502時(shí)，可減小投影顯示裝置500的機(jī)殼501的下側(cè)部分相對于屏幕21的空間，從而，降低機(jī)殼501的高度H。進(jìn)而，如果為了降低常規(guī)投影裝置502中機(jī)殼的高度，通過向上移動(dòng)投影裝置502而縮短投影裝置502與彎曲鏡504之間的距離，那么，機(jī)殼501的深度D就增加，因?yàn)楸匦璞ＷC彎曲鏡504與屏幕21之間的距離。相反，對于其中變換光路的投影裝置502，可減小投影顯示裝置500的機(jī)殼501的深度D。
1-2.一般配置(第二實(shí)例)在圖2的(a)和(b)中示出可與所述實(shí)施例兼容的投影顯示裝置的一般配置的第二實(shí)例。應(yīng)該指出，在圖中，用相同的參考符號表示與圖1中相似的元件，并且省略它們的描述。
在圖中所示的投影顯示裝置500A中，提供投影裝置502A。從圖2中(a)所示的光路600a的路線可看到，投影裝置502A在投影透鏡20中把光路變換超過90°。
在圖1所示配置中，投影裝置502的光學(xué)單元503以傾斜一點(diǎn)的位置狀態(tài)布置(參見圖1中的(a))。然而，如果以圖2所示投影裝置502A的方式使光路變換超過90°，那么，投影裝置502A就以完全水平的鋪設(shè)狀態(tài)布置，這可從圖2中的(a)看到。
應(yīng)該指出，應(yīng)用本發(fā)明的投影顯示裝置不局限于以上結(jié)合圖1和2所述的配置，但是例如，可根據(jù)光路在投影裝置等的投影透鏡中的變換方向，而適當(dāng)?shù)馗淖兺队把b置在投影裝置機(jī)殼等內(nèi)的安裝形式。
1-3.投影裝置的內(nèi)部配置(第一實(shí)例)
隨后，結(jié)合圖3描述以上結(jié)合圖1和2所述的投影裝置502和502A的內(nèi)部配置。
圖3概念性地示出投影裝置502或502A的第一實(shí)例的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在投影裝置中包括所述實(shí)施例的投影透鏡。這里，除屏幕21之外的元件形成投影裝置502或502A。
應(yīng)該指出，根據(jù)本實(shí)施例的投影顯示裝置，在投影透鏡20與屏幕21之間插入彎曲鏡504，如圖1和2所示地變換光路。然而，在這，為了便于圖解，在圖3中未示出彎曲鏡504，因?yàn)橹饕枋鐾队把b置502和502A的內(nèi)部配置。
在圖3所示的投影裝置502或502A中，在反射鏡2(拋物面鏡)的焦點(diǎn)位置上布置燈1，如金屬鹵化物燈，作為由此形成的光源。從燈1發(fā)射的光被反射鏡2反射和校準(zhǔn)，從而，它可變得基本與光軸平行，并且從反射鏡2的開口輸出。
在從反射鏡2開口輸出的光的紅外線區(qū)域和紫外線區(qū)域中的不需要的光分量由IR-UV截取濾波器3攔截，并且只有對顯示有效的光分量(彩色光)被引入到在后續(xù)級中布置的各種光學(xué)元件。
在后續(xù)級中相對IR-UV截取濾波器3而布置多透鏡陣列4和另一多透鏡陣列5。
在此情況下，多透鏡陣列4具有平伸的配置，其中，以犬牙格子花紋圖案布置多個(gè)凸透鏡，并且相互之間相位例如位移1/2，所述凸透鏡具有與作為光學(xué)調(diào)制器件的液晶板部件相似的形狀并且具有與液晶板部件的有效孔徑相同的縱橫比，液晶板部件在后面描述。
多透鏡陣列5具有平凸形狀，并且在其相對多透鏡陣列4凸透鏡的表面上形成多個(gè)凸透鏡5a。
多透鏡陣列4和多透鏡陣列5布置得使通過IR-UV截取濾波器3的光通量有效地和均勻地照射到后述液晶板部件的有效孔徑內(nèi)。
在多透鏡陣列5與液晶板部件的有效孔徑之間布置二向色反射鏡6和10，二向色反射鏡6和10用于把燈1的光通量分離成紅、綠、藍(lán)色光分量。
在圖中所示實(shí)例中，紅色光通量R首先被二向色反射鏡6反射，同時(shí)綠色光通量G和藍(lán)色光通量B穿過二向色反射鏡6。被二向色反射鏡6反射的紅色光通量R的前進(jìn)方向被反射鏡7彎曲90°，從而，紅色光通量R被引入到位于紅色液晶顯示板9前面的聚光透鏡8上。
此時(shí)，穿過二向色反射鏡6的綠色和藍(lán)色光通量G和B被二向色反射鏡10分離。具體地，綠色光通量G被二向色反射鏡10反射，使其前進(jìn)方向彎曲90°，從而綠色光通量G被引入到位于綠色液晶顯示板12前面的聚光透鏡11上。此時(shí)，藍(lán)色光通量B穿過二向色反射鏡10并且筆直地前進(jìn)，接著通過中繼透鏡13、反射鏡14、倒象鏡15和另一反射鏡16而引入到位于藍(lán)色液晶顯示板18前面的聚光透鏡17上。
以此方式，紅色、綠色和藍(lán)色光通量R、G和B通過聚光透鏡8、11和17，并且分別進(jìn)入用于各種顏色的液晶顯示板9、12和18(與光閥相對應(yīng))中。
用于各種顏色的每個(gè)液晶顯示板9、12和18包括液晶板，并且除此之外還包括進(jìn)入側(cè)起偏振片，所述起偏振片用于把進(jìn)入到液晶板前一級的光的偏振方向安排到固定的方向。進(jìn)一步地，在每個(gè)液晶板的下一級中布置檢偏器，在液晶板的輸出光中只允許具有預(yù)定偏振面的光通過，從而，用驅(qū)動(dòng)液晶元件的電路的電壓來調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度。
通常，為了有效地利用二向色反射鏡6和10的特性，利用P偏振面的反射和透射特性。相應(yīng)地，每個(gè)液晶顯示板9、12和18中的進(jìn)入側(cè)起偏振片布置得使其偏振面與圖3平面平行的光通過。
例如TN(扭轉(zhuǎn)向列)型的液晶板用于形成液晶顯示板9、12和18的液晶板，并且其操作例如形成為正常白色型，并且檢偏器布置得使與圖3平面正交地偏振的光通過。
由液晶顯示板9、12和18光學(xué)調(diào)制的各種顏色的光通量引入到圖中所示光合成元件(交叉二向棱鏡)19的表面。光合成元件通過預(yù)定形狀的棱鏡組合反射膜19a和19b而形成。
進(jìn)入光合成元件19中的紅色光通量R被反射膜19a反射，并且藍(lán)色光通量B被反射膜19b反射，從而，它們被引入到投影透鏡20中。此時(shí)，綠色光通量G筆直前進(jìn)并穿過光合成元件19的內(nèi)部，從而它被引入到投影透鏡20中。因此，光通量R、G和B以它們被合成為單一光通量的狀態(tài)而引入到投影透鏡20中。
投影透鏡20把從光合成元件19引入到其中的光通量變換為投影光，并且把投影光投射到例如為透射型的屏幕21上。
1-4.投影裝置的內(nèi)部配置(第二實(shí)例)圖4概念性地示出作為投影裝置502、502A第二實(shí)例的內(nèi)部配置，其中，投影裝置502、502A包括所述實(shí)施例的投影透鏡20。應(yīng)該指出，在圖中，用相同的參考符號表示與圖3中相似的元件，并且省略它們的重復(fù)描述。
在此情況下，光通量B被多透鏡陣列5下一級中的二向色反射鏡6A反射，同時(shí)光通量R和G穿過二向色反射鏡6A。
二向色反射鏡6A反射的光通量B被反射鏡7A反射，并進(jìn)一步穿過聚光透鏡8A，接著被液晶板部件9A進(jìn)行光學(xué)調(diào)制，隨后沿圖中所示方向進(jìn)入到光合成元件19A中。
穿過二向色反射鏡6A的光通量R和光通量G引入到下一級中的另一二向色反射鏡10A中。在此情況下，二向色反射鏡10A反射光通量R，但通過光通量G。
二向色反射鏡10A反射的光通量R穿過聚光透鏡11A，并被紅色液晶板部件12A進(jìn)行光學(xué)調(diào)制，隨后沿圖中所示方向進(jìn)入到光合成元件19A中。
穿過二向色反射鏡10A的光通量G連續(xù)穿過中繼透鏡13A、反射鏡14A、倒象中繼透鏡15A和另一反射鏡16A，并且到達(dá)聚光透鏡17A。接著，光通量G穿過聚光透鏡17A，并被綠色液晶板部件18A進(jìn)行光學(xué)調(diào)制，隨后沿圖中所示方向進(jìn)入到光合成元件19A中。
光合成元件19A也通過預(yù)定形狀的棱鏡組合反射膜19A-a和19A-b而形成。
在進(jìn)入光合成元件19A內(nèi)的不同顏色光通量中的光通量B被反射膜19A-b反射，并且引入到投影透鏡20中，同時(shí)，光通量G被反射膜19A-a反射并且引入到投影透鏡20中。此時(shí)，光通量R筆直前進(jìn)并穿過光合成元件19A內(nèi)部，進(jìn)入到投影透鏡20中。結(jié)果，光通量R、G和B被合成為單一光通量，并且這樣引入到投影透鏡20中。
1-5.投影裝置的內(nèi)部配置(第三實(shí)例)圖5概念性地示出作為投影裝置第三實(shí)例的內(nèi)部配置，其中，在投影裝置中包括所述實(shí)施例的投影透鏡。應(yīng)該指出，在圖中，用相同的參考符號表示與圖3和4中相似的元件，并且省略它們的重復(fù)描述。
在此情況下，光通量G被二向色反射鏡6B反射，同時(shí)光通量R和光通量B穿過二向色反射鏡6B。
二向色反射鏡6B反射的光通量G連續(xù)穿過反射鏡7B、聚光透鏡8B和綠色液晶板部件9B，并且沿圖中所示方向進(jìn)入到光合成元件19B中。
穿過二向色反射鏡6B的光通量R和光通量B被引入到二向色反射鏡10B中，于是，光通量R被二向色反射鏡10B反射，同時(shí)光通量B穿過二向色反射鏡10B。
二向色反射鏡10B反射的光通量R連續(xù)穿過聚光透鏡11B和紅色液晶板部件12B，并且沿圖中所示方向進(jìn)入到光合成元件19B中。
穿過二向色反射鏡10B的光通量B連續(xù)穿過中繼透鏡13B、反射鏡14B、倒象中繼透鏡15B、另一反射鏡16B、聚光透鏡17B和藍(lán)色液晶板部件18B，并且沿圖中所示方向進(jìn)入到光合成元件19B中。
光合成元件19B也通過預(yù)定形狀的棱鏡組合反射膜19B-a和19B-b而形成。這里，引入到光合成元件19B內(nèi)的不同顏色光通量中的光通量G被反射膜19B-a反射，并且光通量B被反射膜19B-b反射，同時(shí)，光通量R筆直前進(jìn)并穿過光合成元件19B，從而它們形成單一光通量，并且進(jìn)入到投影透鏡20中。
對于在以上結(jié)合第一至第三實(shí)例描述的結(jié)構(gòu)中設(shè)置的透射型光閥單元(液晶板部件)中，例如可采用STN(超級扭轉(zhuǎn)向列)液晶顯示元件、鐵電液晶顯示元件或大分子分散型液晶顯示元件。進(jìn)一步地，對于驅(qū)動(dòng)方法，可使用單純矩陣驅(qū)動(dòng)或主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)。
雖然通過以上三個(gè)實(shí)例描述作為所述實(shí)施例的投影裝置，但它們僅僅只是實(shí)例，其它各種內(nèi)部配置可應(yīng)用到包括所述實(shí)施例投影透鏡的投影顯示裝置中。
2.透鏡對于下面描述的所述實(shí)施例的投影透鏡20，采用負(fù)焦距型透鏡系統(tǒng)。在這，結(jié)合圖6A-6D和7A-7B簡單描述負(fù)焦距透鏡的原理。
圖6A所示的透鏡L1具有正屈光力。圖6A示出在物體位于無窮遠(yuǎn)點(diǎn)的情況下，具有正屈光力的普通透鏡的焦點(diǎn)位置在小共軛側(cè)上從透鏡L1中心即主點(diǎn)開始的焦距位置上。
相反，在物點(diǎn)位于附近的情況下，到焦點(diǎn)位置的距離變長，如圖6B所示。
此時(shí)，圖6C所示透鏡L2具有負(fù)屈光力。圖6C示出在物體位于無窮遠(yuǎn)點(diǎn)的情況下，具有負(fù)屈光力的透鏡的焦點(diǎn)位置在大共軛側(cè)上從主點(diǎn)開始的焦距位置上。
從而，負(fù)焦距型透鏡系統(tǒng)以圖6D所示的方式，通過結(jié)合具有上述特性的具有正屈光力的透鏡與具有上述特性的具有負(fù)屈光力的另一透鏡而形成。
在前述的此種負(fù)焦距型透鏡系統(tǒng)中，通過具有負(fù)屈光力的前側(cè)透鏡L2(可認(rèn)為是透鏡組)而在大共軛側(cè)上以短距離形成一次圖象，并且，該圖象變?yōu)榫哂姓饬Φ暮髠?cè)透鏡L1(可認(rèn)為是透鏡組)的物點(diǎn)。從而，負(fù)焦距型透鏡系統(tǒng)在主點(diǎn)和物點(diǎn)之間具有較長的后焦點(diǎn)。
因而，在所述實(shí)施例中，與具有負(fù)屈光力的前側(cè)透鏡L2對應(yīng)的第一透鏡組0配置為保證較大距離，并且在具有負(fù)屈光力的第一A透鏡組100和具有正屈光力的第一B透鏡組200之間保證良好平衡的屈光力分布，以便獲得足夠大的空間，允許在投影透鏡20內(nèi)進(jìn)行光路變換，這在后面描述。
這里，結(jié)合圖7A-7B描述負(fù)焦距型透鏡系統(tǒng)的光圈位置與主光線遠(yuǎn)心性能之間的關(guān)系。
在物體位于無窮遠(yuǎn)點(diǎn)的情況下，平行光線進(jìn)入到透鏡中并借助透鏡而聚光在焦點(diǎn)上。相反，在物點(diǎn)位于焦點(diǎn)位置的情況下，從透鏡發(fā)射平行光線。
在這，假設(shè)主光線是經(jīng)過圖7B所示光圈中心的光線。如果在前述條件下光圈位置設(shè)定為位于光圈后側(cè)上的透鏡組的前側(cè)焦點(diǎn)位置，那么，輸出光線就變?yōu)槠叫泄饩€。這稱作主光線的遠(yuǎn)心特性。
3.投影透鏡的配置3-1.透鏡的排列結(jié)構(gòu)隨后，結(jié)合圖8-12和13描述在作為所述實(shí)施例的投影透鏡中的透鏡排列結(jié)構(gòu)。采用下述作為第一至第五實(shí)施例的投影透鏡，作為以上結(jié)合圖3-5描述的投影顯示裝置中的投影透鏡20。
應(yīng)該指出，在此的描述主要是針對于作為第一至第五實(shí)施例的透鏡的排列結(jié)構(gòu)，并且，在以下描述的數(shù)值實(shí)施例中介紹每個(gè)透鏡的形狀、透鏡之間的距離等等。
進(jìn)一步地，在下述圖8-12中出現(xiàn)的參考符號r1到r22(r20)代表透鏡表面號，并且參考符號d1到d21(d19)代表在主光線軸線上的透鏡表面距離和透鏡距離(透鏡厚度)。
進(jìn)一步地，雖然所述實(shí)施例采用光路在投影透鏡20內(nèi)由彎曲鏡M變換的配置，但是在圖8-12中，為了便于清楚地表示投影透鏡20內(nèi)透鏡的位置關(guān)系，光路表示為直線光路。從而，示出的彎曲鏡M只作為直線光路中的排列次序位置。
進(jìn)一步地，所述實(shí)施例的投影透鏡采用以下結(jié)構(gòu)在透鏡系統(tǒng)的前側(cè)透鏡組(前組第一透鏡組)和后側(cè)透鏡組(后組第二透鏡組)每一個(gè)中，布置具有所需非球面形狀的非球面透鏡。在這，簡單描述非球面透鏡用作透鏡的條件。
在非球面透鏡用作前組負(fù)透鏡的情況下，它形成得使負(fù)屈光力(負(fù)屈光力)隨著遠(yuǎn)離光軸而減小。
另一方面，在非球面透鏡用作后組正透鏡的情況下，它形成得使正屈光力(正屈光力)隨著遠(yuǎn)離光軸而減小。相反，在非球面透鏡用作后組負(fù)透鏡的情況下，它形成得使負(fù)屈光力(負(fù)屈光力)隨著遠(yuǎn)離光軸而減小。
在此情況下，非球面透鏡的非球面部分優(yōu)選離軸光通量到光軸的高度盡可能的大，例如，如圖8的透鏡102所示。這減小不同圖象高度的光通量的重疊量，并且在糾正離軸象差如散光和畸變象差時(shí)是有效的。進(jìn)一步地，如果非球面部分用于在軸和離軸重疊表面，如用于圖8的透鏡302，那么，就有糾正球面象差或彗形象差的效果。
首先，描述作為第一實(shí)施例的投影透鏡20的透鏡排列結(jié)構(gòu)。
圖8為概念性地示出作為第一實(shí)施例的投影透鏡20的透鏡排列結(jié)構(gòu)的剖面圖。在圖中，左側(cè)稱作“屏幕側(cè)”，其上存在屏幕21；同時(shí)，右側(cè)稱作為“板側(cè)”，其上存在光閥裝置和光合成元件。進(jìn)一步地，光合成元件60例如概念性地表示圖3-5中所示的光合成元件(19，19A，19B)，并且，光閥部件70概念性地表示圖3-5中所示的光閥裝置(用于R、G或B顏色的液晶顯示板部件)。
第一實(shí)施例的投影透鏡20包括按圖8所示從屏幕側(cè)到板側(cè)的次序排列的第一透鏡組0、光圈400和第二透鏡組300。
在此情況下，第一透鏡組0包括按從屏幕側(cè)到板側(cè)次序排列的第一A透鏡組100和第一B透鏡組200，并且總體上具有負(fù)屈光力。進(jìn)一步地，第一透鏡組0包括彎曲鏡M，作為插入在第一A透鏡組100和第一B透鏡組200之間的光路變換器件。因此，實(shí)際上，光路通過彎曲鏡M的反射而在第一透鏡組0內(nèi)進(jìn)行變換。
在此情況下，第一A透鏡組100包括按從屏幕側(cè)到板側(cè)次序布置的彎月形透鏡101和非球面透鏡102。
在這，彎月形透鏡101布置得最靠近屏幕側(cè)并且具有形成為非球面的相反表面，彎月形透鏡101具有負(fù)屈光力并且具有凸向屏幕側(cè)的凸面形狀。透鏡102也具有負(fù)屈光力和作為具有凸向屏幕側(cè)的凸面形狀的彎月形透鏡的一般配置。進(jìn)而，非球面透鏡102在板側(cè)上的透鏡表面(r4)是根據(jù)后述數(shù)值實(shí)施例中非球面系數(shù)而形成的非球面。就整體而言，第一A透鏡組100具有負(fù)屈光力。
此時(shí)，第一B透鏡組200包括布置在其中的單個(gè)正透鏡201，并且相應(yīng)地，總體上具有正屈光力。
第二透鏡組300包括按從屏幕側(cè)到板側(cè)次序布置的彎月形透鏡301、非球面透鏡302、層疊透鏡303、正透鏡306和另一正透鏡307。
層疊透鏡303包括按從屏幕側(cè)到板側(cè)次序布置并且相互層疊的兩面凹透鏡304和正透鏡305。進(jìn)一步地，非球面透鏡302在板側(cè)上的透鏡表面(r12)具有根據(jù)下述數(shù)值實(shí)施例中非球面系數(shù)而形成的非球面。進(jìn)而，從第二透鏡組中，按從光閥70側(cè)(板側(cè))開始布置的次序，至少正透鏡307、正透鏡306和層疊透鏡303是玻璃透鏡。
就整體而言，具有上述此種配置的第二透鏡組300具有正屈光力。
圖9的剖面圖示出作為第二實(shí)施例的投影透鏡20的透鏡排列結(jié)構(gòu)。并且用相同的參考符號表示與圖8中相似的元件，并且省略它們的重復(fù)描述。
在圖中所示的投影透鏡20中，對于第二透鏡組300的透鏡排列結(jié)構(gòu)，按從屏幕側(cè)到板側(cè)的次序布置非球面透鏡311、正透鏡312、層疊透鏡313和另一正透鏡316。
非球面透鏡311在其屏幕側(cè)的透鏡表面(r9)上和在其板側(cè)的透鏡表面(r10)上具有非球面。
在第二透鏡組的透鏡中，按從光閥部件70側(cè)(板側(cè))開始布置的次序，至少正透鏡316、層疊透鏡313和正透鏡312是玻璃透鏡。
進(jìn)一步地，層疊透鏡313在此情況下包括按從屏幕側(cè)到板側(cè)次序布置并相互層疊的兩面凹透鏡314和正透鏡315。
圖10和11所示的剖面圖分別示出作為第三和第四實(shí)施例的投影透鏡20的透鏡排列結(jié)構(gòu)，并且用相同的參考符號表示與圖8和9中相似的元件，并且省略它們的重復(fù)描述。
在圖中示出的投影透鏡20的第二透鏡組300包括按從屏幕側(cè)到板側(cè)的次序布置的層疊透鏡321、正透鏡324、另一正透鏡325和非球面透鏡326。簡而言之，在此情況下，將要布置在第二透鏡組300中的非球面透鏡定位得最靠近板側(cè)。進(jìn)而，在此情況下，非球面透鏡326在其相反表面(r16，r17)上具有非球面。
在第二透鏡組300中，正透鏡324和325之間的中央空間距離d13是最長的中央空間距離。
在第二透鏡組的透鏡中，按從屏幕側(cè)開始布置的次序，至少層疊透鏡321、正透鏡324和正透鏡325是玻璃透鏡。
正透鏡325在第二透鏡組中具有最高的屈光力。
層疊透鏡321包括按從屏幕側(cè)到板側(cè)次序布置并且相互層疊的兩面凹透鏡322和正透鏡323。
圖12的剖面圖示出作為第五實(shí)施例的投影透鏡20的透鏡排列結(jié)構(gòu)。在圖中，用相同的參考符號表示與圖8-11中相似的元件，并且省略它們的重復(fù)描述。
在圖12所示的第五實(shí)施例的投影透鏡20中，對于第二透鏡組300的透鏡排列結(jié)構(gòu)，按從屏幕側(cè)到板側(cè)的次序布置正透鏡331、層疊透鏡332、另一正透鏡335和非球面透鏡336。
在第二透鏡組的透鏡中，至少正透鏡331、層疊透鏡332和正透鏡335是玻璃透鏡。
層疊透鏡332在此情況下還包括按從屏幕側(cè)到板側(cè)次序布置并相互層疊的兩面凹透鏡333和正透鏡334。非球面透鏡336在其相反表面(r16，r17)上具有非球面。
進(jìn)而，盡管在圖8-12中沒有示出，但在所述實(shí)施例中，第一B透鏡組的正透鏡201可用由正透鏡和負(fù)透鏡形成的層疊透鏡取代，所述層疊透鏡用作消色差透鏡。
在使用前述此種結(jié)構(gòu)的情況下，抑制在第一透鏡組0中發(fā)生的各種象差，所述象差首先從色象差開始，并且，可減小后續(xù)級中第二透鏡組300的象差糾正程度。
在上述實(shí)施例的投影透鏡20中，可通過設(shè)置彎曲鏡M而使光路變換預(yù)定的角度，在圖13和14中示出投影透鏡20中透鏡組的三維位置關(guān)系的實(shí)例。應(yīng)該指出，在圖中，示出具有根據(jù)圖8所示第一實(shí)施例的透鏡結(jié)構(gòu)的投影透鏡。
在圖13和14中，首先示出光閥部件70和光合成元件60，光合成元件60把從光閥部件70輸入的不同顏色的光合成為白光，并向投影透鏡側(cè)發(fā)射白光。
例如，從光合成元件60輸入到第二透鏡組300中最靠近板側(cè)(板側(cè))的一側(cè)的光連續(xù)地通過組成第二透鏡組300的多個(gè)透鏡(307→306→303(305→304)→302→301)，并進(jìn)一步通過光圈400和第一B透鏡組(正透鏡201)，到達(dá)彎曲鏡M。接著，在此情況下，光路向上變換預(yù)定的角度，從而光被引入到第一A透鏡組100(102→101)中。
進(jìn)一步地，根據(jù)圖13和14所示投影透鏡20的配置，形成第一A透鏡組的透鏡具有以下外部形狀，其中，它們在其外側(cè)部分截去光路變換方向(圖象顯示元件的短邊方向)上的有效光線。
如上所述，在所述實(shí)施例中，光通量的光路在第一透鏡組0中變換預(yù)定的角度。在這，下面描述的以下兩種方法可用于光路的變換。
例如，液晶板部件(光閥部件70)的顯示區(qū)域具有矩形形狀，此矩形以與圖象縱橫比對應(yīng)的關(guān)系具有一對長邊和一對短邊。
從而，當(dāng)通過彎曲鏡M執(zhí)行光路變換時(shí)，如果以液晶板部件作為基準(zhǔn)，那么，就可使用沿液晶板部件長邊方向變換光路的技術(shù)和沿液晶板部件短邊方向變換光路的另一技術(shù)。
在所述實(shí)施例中，通過以上結(jié)合圖14所述投影透鏡20的結(jié)構(gòu)而執(zhí)行沿液晶板部件(光閥部件70)長邊方向變換光路的技術(shù)，而通過以上結(jié)合圖13所述投影透鏡20的結(jié)構(gòu)而執(zhí)行沿液晶板部件(光閥部件70)短邊方向變換光路的技術(shù)。
應(yīng)該指出，圖13和14所示彎曲鏡M的形狀也是矩形形狀，此矩形以與液晶板部件(光閥部件70)顯示區(qū)域形狀對應(yīng)的關(guān)系具有一對長邊和一對短邊。接著，對于彎曲鏡M的位置狀態(tài)，在圖13中，彎曲鏡M布置得使光路沿彎曲鏡M的短邊方向變換，并且，在圖14中，彎曲鏡M布置得使光路沿彎曲鏡M的長邊方向變換。
在所述實(shí)施例中，例如，無論在液晶板部件的長邊方向上還是在短邊方向上變換光路都可實(shí)現(xiàn)投影裝置機(jī)殼的小型化。然而，在使用圖1所示投影顯示裝置的配置的情況下，沿著液晶板部件長邊方向執(zhí)行光路變換是有利的。
理由如下所述。
在具有圖1所示配置的投影顯示裝置500中，從液晶板部件輸入到投影透鏡20的調(diào)制圖象光的光通量首先被投影透鏡20中的彎曲鏡M反射，以變換其光路。接著，光通量被設(shè)置在投影顯示裝置機(jī)殼501內(nèi)的彎曲鏡504反射，以變換其光路，從而，光投影在屏幕21上。
液晶板部件的調(diào)制圖象光以此方式通過具有圖1所示位置關(guān)系的兩個(gè)反射鏡而投影到屏幕上。于是，在從液晶板部件到屏幕21的途中，圖象旋轉(zhuǎn)90°。
相應(yīng)地，在投影裝置502的光學(xué)單元503中，液晶板部件布置得使其長邊方向(圖象的水平方向)為垂直方向。因此，圖象最終以適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)顯示，其中，其長邊方向與屏幕21上的水平方向吻合。與此同時(shí)，其它形成投影裝置502的各種光學(xué)元件布置得使其長邊與垂直方向吻合。
從而，在所述實(shí)施例中，光通量的光路沿著光學(xué)單元503的長邊方向變換，其中，如上所述，液晶板部件和其它光學(xué)元件的長邊方向與垂直方向吻合。
在此情況下，以圖1所示的方式執(zhí)行光路變換。具體地，變換光路，以使它相對于投影裝置502的光學(xué)單元503朝上。
在這，如果投影裝置502布置得使液晶板部件和其它光學(xué)元件的長邊方向與垂直方向吻合，那么，由于短邊方向是水平方向，因此，當(dāng)與投影裝置502布置得使組件短邊方向與垂直方向吻合的情況相比，投影裝置502的光學(xué)單元503的寬度W容易減小。進(jìn)而，根據(jù)內(nèi)部組件的布置，可使組件本身小型化。
由于可有利地實(shí)現(xiàn)投影裝置502的光學(xué)單元503的小型化，因此，可進(jìn)一步促進(jìn)投影顯示裝置500的小型化(尤其是深度方向減小)。
另一方面，在圖2所示配置的投影顯示裝置500A中，從液晶板部件輸入到投影透鏡20的調(diào)制圖象光的光通量首先被投影透鏡20中的彎曲鏡M反射，以變換其光路。接著，光通量的光路被設(shè)置在投影顯示裝置500的機(jī)殼501內(nèi)的彎曲鏡504反射。
相應(yīng)地，在此情況下，在減小投影裝置502的光學(xué)單元503的寬度W方面，在投影透鏡20中沿著液晶板部件和其它光學(xué)元件的短邊方向的光路變換是有利的。
具體地，所述實(shí)施例的投影透鏡20配置為對于圖1所示的投影顯示裝置，沿著液晶板部件(光閥部件)的長邊方向執(zhí)行光路變換，而對于圖2所示的投影顯示裝置，沿著液晶板部件(光閥部件)的短邊方向執(zhí)行光路變換。
簡而言之，對于圖1所示的投影顯示裝置，采用具有圖14所示光路變換結(jié)構(gòu)的投影透鏡20，而對于圖2所示的投影顯示裝置，采用具有圖13所示光路變換結(jié)構(gòu)的投影透鏡20。
在此方面，采取對策以使兩種類型的投影顯示裝置都盡可能大地小型化。
應(yīng)該指出，對于在投影透鏡20中變換光路的器件，例如，除了采用諸如彎曲鏡M的反射鏡的配置以外，還有可能采用棱鏡。在此情況下，由于棱鏡中光路長度作為通過把棱鏡中光路長度除以棱鏡折射率而獲得的值，并且第一A透鏡組100和第一B透鏡組200的物理長度同樣多地增加，因此，有可能在彎曲鏡和棱鏡之間進(jìn)行替換。
進(jìn)一步地，在液晶板部件用于所述實(shí)施例中的投影裝置的情況下，實(shí)際使用的光是不同偏振方向光中的一種，即本領(lǐng)域中已知的S偏振光分量或P偏振光分量中的一種。
從而，在考慮到在彎曲鏡M或棱鏡上設(shè)置涂層的情況下，其中，彎曲鏡M或棱鏡在投影透鏡20內(nèi)變換光路以便獲得光反射效果，涂層應(yīng)該設(shè)置為根據(jù)最后從圖3-5中光合成元件(19，19A，19B)發(fā)射的光通量的偏振面，該涂層只對相反偏振方向即S偏振光分量或P偏振光分量中的一種具有高反射率。相反，在所述實(shí)施例中的光路變換器件不必具有全部反射S偏振光分量和P偏振光分量的配置。因而，例如，可同樣地以更高效率反射圖象光，并且結(jié)果，可同樣預(yù)計(jì)到成本的降低。
3-2.條件表達(dá)式第一至第三實(shí)施例中具有上述配置的投影透鏡20滿足以下條件表達(dá)式(1)-(4)。
具體地，在用FL表示整個(gè)系統(tǒng)的焦距，用FB表示后焦點(diǎn)，用FFP2表示第二透鏡組300的前側(cè)焦點(diǎn)位置，用Dst表示光圈400與第二透鏡組300之間的距離，并且用D2表示光軸上第一透鏡組0與第二透鏡組300之間空間變換距離的情況下，滿足FB/FL＞2.2 ...(1)0.59＜|FFP2/Dst|＜0.96 ...(2)3.75＜D2...(3)并且進(jìn)一步地，在用Fa1表示第一A透鏡組100的焦距的情況下，滿足1.74＜|FA1/FL|＜2.54...(4)現(xiàn)在解釋以上給出的條件表達(dá)式。
例如，在所述實(shí)施例中，用作光路變換器件的彎曲鏡M在投影透鏡20中內(nèi)置，為此，需要較長的空間距離。進(jìn)一步地，還可從圖3-5所示配置中看到，在投影顯示裝置中必需使用用于顏色合成的光學(xué)元件如二向色反射鏡或二向棱鏡。從而，對投影透鏡20要求較長的后焦點(diǎn)，并且投影透鏡20必需有具備高遠(yuǎn)心特性的負(fù)焦距型透鏡配置。
在所述實(shí)施例滿足條件表達(dá)式(1)、(2)和(3)的情況下，可制作上述具備較長空間距離和較長后焦點(diǎn)的投影透鏡，并且除此之外，還可獲得具有高遠(yuǎn)心特性的負(fù)焦距型透鏡配置。
條件表達(dá)式(1)限制后焦點(diǎn)的長度。如果后焦點(diǎn)的長度小于條件表達(dá)式(1)所定義的長度，那么，用于顏色合成系統(tǒng)的空間就消失。換句話說，不能容納顏色合成棱鏡。
條件表達(dá)式(2)定義光圈400的位置和遠(yuǎn)心特性的范圍。如果光圈400的位置在條件表達(dá)式(2)的范圍之外，那么，遠(yuǎn)心特性就變?nèi)?。換句話說，對進(jìn)入板表面的主光線提供過大的角度，結(jié)果，不能獲得均勻的對比度。
條件表達(dá)式(3)定義光路變換器件應(yīng)該位于光軸上的空間。具體地，條件表達(dá)式(3)定義彎曲鏡M在第一A透鏡組100和第一B透鏡組200之間布置的空間。如果該空間小于條件表達(dá)式(3)給出的下限值，那么第一A透鏡組的直徑就變得過大。另一方面，如果該空間大于上限值，第一B透鏡組的正屈光力就變得過大，并且變得難以糾正散光或畸變象差。
進(jìn)一步地，在所述實(shí)施例中，形成第一A透鏡組100的透鏡包括凸向屏幕側(cè)的彎月形透鏡101以及非球面透鏡102，非球面透鏡102為相似地凸向屏幕側(cè)的彎月形透鏡形式并且在其位于板側(cè)上的透鏡表面(r4)上具有非球面。換句話說，所有透鏡具有凸向屏幕側(cè)的彎月形透鏡形狀并具有負(fù)屈光力，從而，整個(gè)第一A透鏡組100具有負(fù)屈光力。如果引入離軸光通量以便通過上述具有負(fù)屈光力的此種第一A透鏡組100的不同部分，那么，光線的折射狀態(tài)相互之間就漸漸有一點(diǎn)不同。從而，光通量可通過第二透鏡組300傳播，同時(shí)減少所述表面造成的象差。
條件表達(dá)式(4)定義上述此種第一A透鏡組100的負(fù)屈光力的范圍。
如果第一A透鏡組100的負(fù)屈光力超過條件表達(dá)式(4)所給出的上限值，那么，第一A透鏡組100的直徑就變得過大，從而，第二透鏡組300和后續(xù)元件的正屈光力必須增加。這使對由此造成的各種象差的糾正變困難。
另一方面，如果第一A透鏡組100的負(fù)屈光力變得低于下限值，那么透鏡的曲率就變得過大。這不是優(yōu)選的，因?yàn)樽兊秒y以使用第二透鏡組300來糾正第一A透鏡組100所造成的象差。
3-3.數(shù)值實(shí)施例等在圖15A-19D中給出上述第一至第五實(shí)施例的投影透鏡20的數(shù)值實(shí)施例。
在圖15A-19D的圖A中，“表面號”是從屏幕側(cè)算起的透鏡表面的表面號(透鏡表面號)，并且這對應(yīng)于圖8-12中每個(gè)參考符號r1-r21(r19)所示的透鏡表面。接著，與每個(gè)透鏡表面號對應(yīng)地表示透鏡表面的曲率半徑、透鏡表面距離、透鏡相對于波長587.56mm的折射率以及透鏡的Abbe號。進(jìn)一步地，在圖15A-19D中的圖A表格外面的參考符號FL表示投影透鏡的焦距，M表示投影放大倍數(shù)，F(xiàn)No表示F數(shù)并且2W表示視角。
此時(shí)，在直角坐標(biāo)系(X，Y，Z)中，圖15B-15C和圖16A-19D中的圖B、C和D所示的非球面的表面形狀(非球面系數(shù))由以下表示Z=(h2/r)1+1-(1+K)·(h2/r2)+Σj=25A2j·h2j]]>h=X2+Y2]]>在直角坐標(biāo)系(X，Y，Z)中，表面中心設(shè)定為原點(diǎn)，并且光軸方向設(shè)定為Z，r表示中心曲率半徑，K為圓錐常數(shù)，并且A4、A6、A8和A10分別表示第四、第六、第八和第十階非球面系數(shù)。
圖20示出在第一至第五實(shí)施例中基于上述條件表達(dá)式(1)-(4)的計(jì)算值的具體實(shí)例。
進(jìn)一步地，圖21-25表示與第一至第五實(shí)施例的投影透鏡20有關(guān)的球面象差、散光和畸變象差。
應(yīng)該指出，為了獲得在圖中所示各種象差圖形中例示的結(jié)果，盡管未在數(shù)值實(shí)施例中說明，但是，具有預(yù)定中心表面距離的平行扁平板分別布置成如圖3-5中所示的光合成元件19、19A和19B，它們是在執(zhí)行計(jì)算時(shí)用于執(zhí)行顏色合成的棱鏡。然而，與顏色合成棱鏡有關(guān)的這些數(shù)值對根據(jù)本發(fā)明的投影透鏡的配置沒有影響。
進(jìn)而，作為上述第一至第五實(shí)施例的投影透鏡的實(shí)際結(jié)構(gòu)不局限于圖8-12中所示的結(jié)構(gòu)，并且，只要滿足上述條件表達(dá)式，就可修改形成每個(gè)透鏡組等的透鏡數(shù)量。
進(jìn)一步地，雖然在上述實(shí)施例中，在利用液晶板或光閥作為二維圖象顯示元件的背投式投影顯示裝置的投影裝置中設(shè)置本發(fā)明的投影透鏡，但它不局限于此。例如，本發(fā)明的投影透鏡也可應(yīng)用到除了背投式投影裝置之外的投影裝置，如前投影式投影裝置，并進(jìn)一步地應(yīng)用于廣角型照相透鏡，如用于單透鏡反射照相機(jī)的照相物鏡、工業(yè)用照相機(jī)和用于電子照相的照相機(jī)，并且除此之外，應(yīng)用于利用CRT的投影電視的投影透鏡。
進(jìn)而，根據(jù)本發(fā)明，在第一B透鏡組形成為層疊透鏡的情況下，可抑制在第一透鏡組中出現(xiàn)各種象差如色象差，并且，可減小第二透鏡組的象差糾正程度。具體地，變得有可能執(zhí)行適當(dāng)?shù)念伾m正。
進(jìn)一步地，雖然在本發(fā)明中，例如光路變換器件配置為強(qiáng)烈地反射P偏振光分量和S偏振光分量中的一種，其中，包括投影透鏡的投影裝置光學(xué)系統(tǒng)利用所述方向之一的偏振面，即P偏振光分量或S偏振光分量，不必特意采用在P偏振光分量和S偏振光分量的偏振面之間以平均方式反射光的配置。相應(yīng)地，在此情況下，如果本發(fā)明可應(yīng)用于形成光路變換器件以便只反射光學(xué)系統(tǒng)將要利用的偏振光分量，那么，可高效地反射圖象光。
簡而言之，根據(jù)本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)用于在其內(nèi)部執(zhí)行光路變換的投影透鏡，所述投影透鏡具有較長的后焦點(diǎn)和較強(qiáng)的遠(yuǎn)心特性，并且，尤其在使用液晶板的投影裝置中，所述投影透鏡可投影具有高對比度的光，并且除此之外，所述投影透鏡表現(xiàn)出減小從畸變象差開始的象差。
權(quán)利要求
1.一種接收合成光并把接收到的合成光以放大比例投影到屏幕上的投影透鏡，所述合成光通過把光源的光分離成多個(gè)彩色光、借助圖象形成元件使每個(gè)獨(dú)立的彩色光形成為圖象彩色光、并合成圖象彩色光而形成，其中，所述投影透鏡形成為負(fù)焦距型投影透鏡，其中，按從屏幕側(cè)到圖象形成元件側(cè)的次序布置具有負(fù)屈光力的第一透鏡組、光圈以及具有正屈光力的第二透鏡組，在第一透鏡組中內(nèi)置光路變換器件，所述第一透鏡組包括具有負(fù)屈光力的第一A透鏡組、所述光路變換器件以及具有正屈光力的第一B透鏡組，其中，第一A透鏡組至少包括一個(gè)或多個(gè)非球面透鏡，同時(shí)，所述第二透鏡組至少包括非球面透鏡，所述第一A透鏡組中的透鏡具有以下外徑，它的一部分在外側(cè)截去光路變換方向上的有效光線，所述光路變換器件的光路變換方向是矩形圖象形成元件的短邊方向，以及在用FL表示整個(gè)系統(tǒng)的焦距，用FB表示后焦點(diǎn)，用FFP2表示所述第二透鏡組的前側(cè)焦點(diǎn)位置，用Dst表示所述光圈與所述第二透鏡組之間的距離，并且用D2表示光軸上所述第一透鏡組與所述第二透鏡組之間空間變換距離的情況下，滿足以下條件表達(dá)式FB/FL＞2.20.59＜|FFP2/Dst|＜0.963.75＜D2。
2.如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其中，所述第一A透鏡組至少包括兩個(gè)或多個(gè)透鏡，并且所述兩個(gè)或多個(gè)透鏡全部都是彎月形透鏡，每個(gè)透鏡都具有負(fù)屈光力并凸向屏幕側(cè)，以及在用Fal表示所述第一A透鏡組的焦距的情況下，滿足以下條件表達(dá)式1.74＜|Fal/FL|＜2.54。
3.如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其中，所述第一B透鏡組是層疊透鏡。
4.如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其中，所述第二透鏡組包括玻璃透鏡，所述玻璃透鏡至少包括按從最靠近圖象形成元件側(cè)的一側(cè)開始的次序布置的正透鏡、另一正透鏡和層疊透鏡。
5.如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其中，所述第二透鏡組包括玻璃透鏡，所述玻璃透鏡至少包括按從最靠近圖象形成元件側(cè)的一側(cè)開始的次序布置的正透鏡、層疊透鏡和另一正透鏡。
6.如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其中，所述第二透鏡組包括玻璃透鏡，所述玻璃透鏡至少包括按從屏幕側(cè)開始的次序布置的層疊透鏡、正透鏡和另一正透鏡，從而，在兩個(gè)正透鏡之間設(shè)置在所述第二透鏡組中最大的中央空間距離。
7.如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其中，所述第二透鏡組包括玻璃透鏡，所述玻璃透鏡至少包括按從屏幕側(cè)開始的次序布置的正透鏡、層疊透鏡和另一正透鏡，在所述第二透鏡組中，后一正透鏡具有最高的屈光力。
8.如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其中，所述第二透鏡組中的一個(gè)或多個(gè)所述非球面透鏡定位得最靠近屏幕側(cè)。
9.如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其中，所述第二透鏡組中的一個(gè)或多個(gè)所述非球面透鏡定位得最靠近圖象形成元件側(cè)。
10.如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其中，所述第二透鏡組中的一個(gè)或多個(gè)所述非球面透鏡每一個(gè)都是具有負(fù)屈光力的兩面凹透鏡。
11.如權(quán)利要求1所述的投影透鏡，其中，所述光路變換器件反射P偏振光分量的強(qiáng)度超過反射S偏振光分量，或者反射S偏振光分量強(qiáng)度超過反射P偏振光分量。
12.一種接收合成光并把所接收合成光以放大比例投影到屏幕上的投影透鏡，所述合成光通過把光源的光分離成多個(gè)彩色光、借助圖象形成元件使每個(gè)獨(dú)立的彩色光形成為圖象彩色光、并合成圖象彩色光而形成，其中，所述投影透鏡形成為負(fù)焦距型投影透鏡，其中，按從屏幕側(cè)到圖象形成元件側(cè)的次序布置具有負(fù)屈光力的第一透鏡組、光圈以及具有正屈光力的第二透鏡組，在第一透鏡組中內(nèi)置光路變換器件，所述第一透鏡組包括具有負(fù)屈光力的第一A透鏡組、所述光路變換器件以及具有正屈光力的第一B透鏡組，其中，第一A透鏡組至少包括一個(gè)或多個(gè)非球面透鏡，同時(shí)，所述第二透鏡組至少包括非球面透鏡，所述第一A透鏡組中的透鏡具有以下外徑，它的一部分在外側(cè)截去與光路變換方向正交的方向上的有效光線，所述光路變換器件的光路變換方向是矩形圖象形成元件的長邊方向，以及在用FL表示整個(gè)系統(tǒng)的焦距，用FB表示后焦點(diǎn)，用FFP2表示所述第二透鏡組的前側(cè)焦點(diǎn)位置，用Dst表示所述光圈與所述第二透鏡組之間的距離，并且用D2表示光軸上所述第一透鏡組與所述第二透鏡組之間空間變換距離的情況下，滿足以下條件表達(dá)式FB/FL＞2.20.59＜|FFP2/Dst|＜0.963.75＜D2。
13.如權(quán)利要求12所述的投影透鏡，其中，所述第一A透鏡組至少包括兩個(gè)或多個(gè)透鏡，并且所述兩個(gè)或多個(gè)透鏡全部都是彎月形透鏡，每個(gè)透鏡都具有負(fù)屈光力并凸向屏幕側(cè)，以及在用Fal表示所述第一A透鏡組的焦距的情況下，滿足以下條件表達(dá)式1.74＜|Fal/FL|＜2.54。
14.如權(quán)利要求12所述的投影透鏡，其中，所述第一B透鏡組是層疊透鏡。
15.如權(quán)利要求12所述的投影透鏡，其中，所述第二透鏡組包括玻璃透鏡，所述玻璃透鏡至少包括按從最靠近圖象形成元件側(cè)的一側(cè)開始的次序布置的正透鏡、另一正透鏡和層疊透鏡。
16.如權(quán)利要求12所述的投影透鏡，其中，所述第二透鏡組包括玻璃透鏡，所述玻璃透鏡至少包括按從最靠近圖象形成元件側(cè)的一側(cè)開始的次序布置的正透鏡、層疊透鏡和另一正透鏡。
17.如權(quán)利要求12所述的投影透鏡，其中，所述第二透鏡組包括玻璃透鏡，所述玻璃透鏡至少包括按從屏幕側(cè)開始的次序布置的層疊透鏡、正透鏡和另一正透鏡，從而，在兩個(gè)正透鏡之間設(shè)置在所述第二透鏡組中最大的中央空間距離。
18.如權(quán)利要求12所述的投影透鏡，其中，所述第二透鏡組包括玻璃透鏡，所述玻璃透鏡至少包括按從屏幕側(cè)開始的次序布置的正透鏡、層疊透鏡和另一正透鏡，在所述第二透鏡組中，后一正透鏡具有最高的屈光力。
19.如權(quán)利要求12所述的投影透鏡，其中，所述第二透鏡組中的一個(gè)或多個(gè)所述非球面透鏡定位得最靠近屏幕側(cè)。
20.如權(quán)利要求12所述的投影透鏡，其中，所述第二透鏡組中的一個(gè)或多個(gè)所述非球面透鏡定位得最靠近圖象形成元件側(cè)。
21.如權(quán)利要求12所述的投影透鏡，其中，所述第二透鏡組中的一個(gè)或多個(gè)所述非球面透鏡每一個(gè)都是具有負(fù)屈光力的兩面凹透鏡。
22.如權(quán)利要求12所述的投影透鏡，其中，所述光路變換器件反射P偏振光分量強(qiáng)度超過反射S偏振光分量，或者反射S偏振光分量強(qiáng)度超過反射P偏振光分量。
23.一種投影顯示裝置，包括光源；用于把所述光源的光分離成多個(gè)彩色光的光分離器件；矩形圖象形成元件，用于使所述光分離器件分離的每個(gè)彩色光形成為圖象彩色光；用于合成從圖象形成元件輸出的圖象彩色光的彩色合成元件；用于接收所述光合成元件合成的光并以放大比例投影所接收合成光的投影透鏡；以及用于顯示從所述投影透鏡投影的圖象的屏幕；所述投影透鏡形成為負(fù)焦距型投影透鏡，其中，按從屏幕側(cè)到圖象形成元件側(cè)的次序布置具有負(fù)屈光力的第一透鏡組、光圈以及具有正屈光力的第二透鏡組，在第一透鏡組中內(nèi)置光路變換器件，所述第一透鏡組包括具有負(fù)屈光力的第一A透鏡組、所述光路變換器件以及具有正屈光力的第一B透鏡組，其中，第一A透鏡組至少包括一個(gè)或多個(gè)非球面透鏡，同時(shí)，所述第二透鏡組至少包括非球面透鏡，所述第一A透鏡組中的透鏡具有以下外徑，它的一部分在外側(cè)截去光路變換方向上的有效光線，所述光路變換器件的光路變換方向是矩形圖象形成元件的短邊方向，以及在用FL表示整個(gè)系統(tǒng)的焦距，用FB表示后焦點(diǎn)，用FFP2表示所述第二透鏡組的前側(cè)焦點(diǎn)位置，用Dst表示所述光圈與所述第二透鏡組之間的距離，并且用D2表示光軸上所述第一透鏡組與所述第二透鏡組之間空間變換距離的情況下，滿足以下條件表達(dá)式FB/FL＞2.20.59＜|FFP2/Dst|＜0.963.75＜D2。
24.如權(quán)利要求23所述的投影顯示裝置，其中，所述第一A透鏡組至少包括兩個(gè)或多個(gè)透鏡，并且所述兩個(gè)或多個(gè)透鏡全部都是彎月形透鏡，每個(gè)透鏡都具有負(fù)屈光力并凸向屏幕側(cè)，以及在用Fal表示所述第一A透鏡組的焦距的情況下，滿足以下條件表達(dá)式1.74＜|Fal/FL|＜2.54。
25.一種投影顯示裝置，包括光源；用于把所述光源的光分離成多個(gè)彩色光的光分離器件；矩形圖象形成元件，用于使所述光分離器件分離的每個(gè)彩色光形成為圖象彩色光；用于合成從圖象形成元件輸出的圖象彩色光的彩色合成元件；用于接收所述光合成元件合成的光并以放大比例投影所接收合成光的投影透鏡；以及用于顯示從所述投影透鏡投影的圖象的屏幕；所述投影透鏡形成為負(fù)焦距型投影透鏡，其中，按從屏幕側(cè)到圖象形成元件側(cè)的次序布置具有負(fù)屈光力的第一透鏡組、光圈以及具有正屈光力的第二透鏡組，在第一透鏡組中內(nèi)置光路變換器件，所述第一透鏡組包括具有負(fù)屈光力的第一A透鏡組、所述光路變換器件以及具有正屈光力的第一B透鏡組，其中，第一A透鏡組至少包括一個(gè)或多個(gè)非球面透鏡，同時(shí)，所述第二透鏡組至少包括非球面透鏡，所述第一A透鏡組中的透鏡具有以下外徑，它的一部分在外側(cè)截去光路變換方向上的有效光線，所述光路變換器件的光路變換方向是矩形圖象形成元件的長邊方向，以及在用FL表示整個(gè)系統(tǒng)的焦距，用FB表示后焦點(diǎn)，用FFP2表示所述第二透鏡組的前側(cè)焦點(diǎn)位置，用Dst表示所述光圈與所述第二透鏡組之間的距離，并且用D2表示光軸上所述第一透鏡組與所述第二透鏡組之間空間變換距離的情況下，滿足以下條件表達(dá)式FB/FL＞2.20.59＜|FFP2/Dst|＜0.963.75＜D2。
26.如權(quán)利要求25所述的投影顯示裝置，其中，所述第一A透鏡組至少包括兩個(gè)或多個(gè)透鏡，并且所述兩個(gè)或多個(gè)透鏡全部都是彎月形透鏡，每個(gè)透鏡都具有負(fù)屈光力并凸向屏幕側(cè)，以及在用Fal表示所述第一A透鏡組的焦距的情況下，滿足以下條件表達(dá)式1.74＜|Fal/FL|＜2.54。
全文摘要
一種具有較長后焦點(diǎn)的負(fù)焦距型投影透鏡能以高對比度進(jìn)行投影，表現(xiàn)出較小的象差如畸變象差，并且在其內(nèi)部變換光路。按從屏幕側(cè)開始的次序布置第一透鏡組(0)、光圈(400)和第二透鏡組(300)，其中，第一透鏡組具有負(fù)屈光力并內(nèi)置光路變換器件，第二透鏡組(300)具有正屈光力并且包括非球面透鏡。第一透鏡組(0)包括具有負(fù)屈光力的第一A透鏡組(100)、用作光路變換器件的彎曲鏡(M)以及具有正屈光力的第一B透鏡組(200)，其中，第一A透鏡組(100)包括一個(gè)或多個(gè)非球面透鏡。第一A透鏡組中的透鏡具有以下外部形狀，它的一部分在外側(cè)截去光路變換方向上的有效光線，并且，光路變換方向是矩形圖象形成元件的短邊方向。在用FL表示整個(gè)系統(tǒng)的焦距，用FB表示后焦點(diǎn)，用FFP2表示所述第二透鏡組的前側(cè)焦點(diǎn)位置，用Dst表示所述光圈與所述第二透鏡組之間的距離，并且用D2表示光軸上所述第一透鏡組與所述第二透鏡組之間空間變換距離的情況下，滿足表達(dá)式[FB/FL＞2.2]、
和[3.75＜D2]。
文檔編號G02B13/04GK1549945SQ0281697
公開日2004年11月24日 申請日期2002年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月28日
發(fā)明者菅野靖之 申請人:索尼株式會(huì)社