[发明专利]图像投射光学系统和图像投射装置

说明书

技术领域

本发明涉及诸如投射仪的图像投射装置，用于图像投射装置的包括投射透镜的图像投射光学系统，所述投射透镜为变焦透镜。

背景技术

图像投射装置(投射仪)将光从诸如液晶板的图像形成元件投射到诸如屏幕的投射表面上，所述图像透射装置应当满足下列要求：

1.在使用用于R、G和B的三个图像形成元件的三面板投射仪中，在图像形成元件与投射透镜之间需要空间，在该空间中诸如颜色组合棱镜的光学元件将来自三个图像形成元件和偏光元件的三种颜色的光分量组合。因此，需要投射透镜的后焦点长到一定程度。

2.需要投射透镜为远心光学系统，该远心光学系统的图像形成元件侧光瞳位于无穷远，以便减小入射角度对于诸如偏光分离膜的光学膜的依赖性的影响，以及确保与利用光照射图像形成元件的照明光学系统的良好光瞳一致性。

3.需要很好地校正投射透镜的畸变(像差)以便防止投射图像在其轮廓部分处相对于原始图像的畸变。

4.当三种颜色的图像被组合投射到投射表面上时，相互对应的三种颜色的像素在投射表面上很好地重合在整个图像区域中。因此，需要在整个可见波长范围内很好地校正在投射透镜中产生的颜色偏移(放大率色差)。

5.应当小型化该装置。

6.能够在较短的投射距离处投射较大的图像。

7.投射透镜需要具有变焦功能，以便能够在一定投射距离处选择投射图像的尺寸。

8.光学系统的温度由于使用高亮度灯作为光源而增大，因此应当防止由温度变化引起的焦点移动(焦点变化或焦点移位)和性能劣化。

以下文件中已公开了满足以上要求的投射仪的投射透镜。

日本专利特开No.2001-235679(对应于美国专利6,633,436)公开了一种包括六个透镜单元的投射透镜，这六个透镜单元从放大侧起依次具有负、正、正、负、正和正折光力。该投射透镜使六个透镜单元中的至少两个移动来改变其放大率。

将具有负折光力的透镜单元设置为最接近放大侧的这种负前置(negative-lead)型变焦透镜用于许多投影仪，因为其有利于增大其场角并且具有可在短距离投射中确保良好性能等的优势。然而，在负前置型变焦透镜中，用于放大率改变的可移动透镜单元的移动量大，使得放大率难以增大并且放大率色差显著改变。

此外，通常将正透镜单元设置为最接近放大侧以校正畸变，这增加了变焦透镜的尺寸。在如日本专利特开No.2006-84971(对应于美国专利7,079,324)中公开的许多最近的变焦透镜中，使用由塑料制成的非球面透镜来校正畸变，这除去了最接近放大侧的正透镜单元，从而减小了变焦透镜的尺寸和重量。

然而，比玻璃透镜的折射率相比，塑料透镜的折射率随温度变化更为显著。因此，塑料透镜的折射率因透射光产生的热量显著改变，这引起焦点变化和性能劣化。

日本专利特开No.2005-266103(对应于美国专利7,215,477)公开了使用分别具有正和负光焦度的两个非球面透镜元件来校正焦点变化的方法。

然而，在最近的投射仪中，投射透镜的温度随它们辉度(亮度)的增大而显著地增大，从而由温度变化引起的玻璃折射率变化不能被忽略，塑料的同样如此。

问题是温度变化引起的玻璃材料折射率改变量随这些玻璃材料的成分而不同。具体地，包括在阿贝数νd＜68的区域(下文称作C区域)内的大多数玻璃材料的折射率随温度变化的变化是从2.5×10^-6到8.5×10^-6(/℃)的正量。与之相比，包括在68＜νd＜75的区域(下文称作B区域)内的低色散玻璃材料的折射率随温度变化的变化量是-0.7×10^-6(/℃)，这个量接近于零。此外，包括在75＜νd的区域(下文称作A区域)内的极低色散玻璃材料的折射率随温度变化的变化量是-0.6×10^-6(/℃)，这个量与C区域内材料的变化量的符号相反。

由于正和负透镜通常被设计为主要使用C区域的材料，因此通常无任何意图地校正焦点改变。然而，具有长的后焦点的投射透镜包括具有高光焦度的负透镜单元，该负透镜单元被设置为比孔径光阑更接近缩小侧，以便确保与缩小侧焦平面的足够距离。因此，产生比通常更大的负球面像差。这使得必须通过使用许多具有正光焦度的表面来校正球面像差。

然而，在这种情形中，比孔径光阑更接近缩小侧的正透镜单元通常由包括在A或B区域中的低色散材料形成，以便防止纵向色差过度增加。