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CN110095926A - 投影镜头和使用投影镜头的投影显示装置 - Google Patents

投影镜头和使用投影镜头的投影显示装置 Download PDF

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CN110095926A
CN110095926A CN201910084417.3A CN201910084417A CN110095926A CN 110095926 A CN110095926 A CN 110095926A CN 201910084417 A CN201910084417 A CN 201910084417A CN 110095926 A CN110095926 A CN 110095926A
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Abstract

本发明公开了投影镜头和使用投影镜头的投影显示装置。投影镜头包括多个透镜单元以及光圈，其中在聚焦期间在所述投影镜头的光轴方向上移动的透镜单元充当所述多个透镜单元当中的聚焦透镜单元的情况下，包括在所述多个透镜单元当中与所述聚焦透镜单元不同的透镜单元中、并且比所述光圈更靠缩小共轭侧设置的至少一个透镜被配置为在调整像场弯曲量以聚焦在曲面投影表面上时在所述光轴方向上移动，并且其中当调整所述像场弯曲量时，所述至少一个透镜和聚焦透镜单元这两者在所述光轴方向上移动。

Description

投影镜头和使用投影镜头的投影显示装置
技术领域
本发明涉及投影镜头系统和使用投影镜头系统的投影显示装置。
背景技术
近年来，已存在对能够不仅在平面屏幕上而且在曲面屏幕上投影没有模糊的图像的投影仪的需要。为了在平面屏幕和曲面屏幕上投影具有较少模糊的图像，投影镜头需要具有用于调整像场弯曲(field curvature)量的功能。
作为像场弯曲量可调整的投影镜头，已知日本专利申请特开No.2015-49340中讨论的投影镜头。为了校正由温度变化引起的投影镜头的像场弯曲，日本专利申请特开No.2015-49340中讨论的投影镜头被配置为在投影镜头的光轴方向上移动设置在液晶面板侧的透镜单元中的透镜的一部分(校正透镜)。虽然在日本专利申请特开No.2015-49340中讨论的投影镜头中像场弯曲量可调整，但是这样的配置不是用于在上述曲面屏幕上投影具有较少模糊的图像的目的。
上述校正透镜移动时发生的像场弯曲被作为透镜当中比校正透镜更靠前侧(放大共轭侧)设置的透镜并且具有扩大效果的透镜放大。因此，如果具有扩大效果的许多透镜比校正透镜更靠前侧设置，那么用于实现某一像场弯曲量的校正透镜的移动量减少。这允许整个投影镜头的小型化。
然而，在日本专利申请特开No.2015-49340中讨论的投影镜头中，校正透镜比光圈(diaphragm)更靠前侧(即，整个投影镜头的中心附近)定位。因此，与校正透镜比光圈更靠后侧(缩小共轭侧)定位的情况相比，存在具有扩散效果并且比校正透镜更靠前侧设置的少量透镜。这增大了校正透镜的移动量。
更具体地，当用户尝试使用日本专利申请特开No.2015-49340中讨论的投影镜头投影曲面屏幕上具有较少模糊的图像时，有必要增大校正透镜的移动量。这可能导致整个投影镜头的尺寸的增大。
发明内容
本发明针对的是提供像场弯曲量可调整并且具有比传统的投影镜头小的尺寸的投影镜头以及使用投影镜头的投影显示装置。
根据本发明的一方面，投影镜头包括多个透镜单元以及光圈，其中所述多个透镜单元以使得相邻透镜单元之间的间隔在变焦或聚焦期间改变的方式配置，其中在聚焦期间在所述投影镜头的光轴方向上移动的透镜单元充当所述多个透镜单元当中的聚焦透镜单元的情况下，包括在所述多个透镜单元当中与所述聚焦透镜单元不同的透镜单元中、并且比所述光圈更靠缩小共轭侧设置的至少一个透镜被配置为在调整像场弯曲量以聚焦在曲面投影表面上时在所述光轴方向上移动，并且其中当调整所述像场弯曲量时，所述至少一个透镜和聚焦透镜单元这两者在所述光轴方向上移动。
从以下参考附图的示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清楚。
附图说明
图1是示出根据第一示例性实施例的投影镜头的截面图。
图2是示出使用根据第一示例性实施例的投影镜头将图像投影在凹形曲面屏幕上的状态的图。
图3是示出使用根据第一示例性实施例的投影镜头将图像投影在凹形曲面屏幕上的状态的放大视图。
图4是示出在使用根据第一示例性实施例的投影镜头将图像投影在凹形曲面屏幕上的情况下的像散的图。
图5是示出使用根据第一示例性实施例的投影镜头将图像投影在凸形曲面屏幕上的状态的图。
图6是示出在使用根据第一示例性实施例的投影镜头将图像投影在凸形曲面屏幕上的情况下的像散的图。
图7是示出根据第二示例性实施例的投影镜头的截面图。
图8是示出使用根据第二示例性实施例的投影镜头将图像投影在凹形曲面屏幕上的状态的图。
图9是示出使用根据第二示例性实施例的投影镜头将图像投影在凹形曲面屏幕上的状态的放大视图。
图10是示出在使用根据第二示例性实施例的投影镜头将图像投影在凹形曲面屏幕上的情况下的像散的图。
图11是示出使用根据第二示例性实施例的投影镜头将图像投影在凸形曲面屏幕上的状态的图。
图12是示出在使用根据第二示例性实施例的投影镜头将图像投影在凸形曲面屏幕上的情况下的像散的图。
图13是示出根据每个示例性实施例的投影镜头被安装在其上的投影显示装置的配置的图。
图14A和14B是示出用于调整像场弯曲的图形用户界面(GUI)的图。
具体实施方式
下面将描述本发明的示例性实施例。
(投影显示装置的配置)
下面将参考图13描述其上安装根据第一或第二示例性实施例的作为图像形成光学系统的投影镜头300的投影仪100(投影显示装置)。如图13中所示，投影仪100包括光源单元(LSU)、照明光学系统(IOS)、颜色分离系统(CSS)和颜色组合系统200。投影仪100进一步包括红光调制元件R、绿光调制元件G、蓝光调制元件B和投影镜头300。投影镜头300提供有操作单元13，用于在投影镜头300的光轴方向上移动聚焦透镜单元和变焦透镜单元(下面描述)。
LSU(更具体地高压汞灯)可以发出白光。LSU可以包括用于发出红光、绿光和蓝光的激光二极管。LSU还可以包括用于发出蓝光的激光二极管和用于发出黄光的磷光体。
来自LSU的白光进入IOS。IOS包括积分器光学系统、偏振转换元件和聚光透镜单元。积分器光学系统是指棒积分器或两个蝇眼透镜阵列。偏振转换元件可以将来自LSU的白光的偏振方向调整到预定的偏振方向。聚光透镜单元是指一个正透镜或作为整体具有正焦度(power)的一组多个透镜。
来自LSU的光由IOS形成具有均匀照明分布的光，并且然后由CSS划分成红光、绿光和蓝光。由CSS划分的不同颜色的光线进入用于各个颜色光线的三个光调制元件。根据本示例性实施例，虽然红光调制元件R、绿光调制元件G和蓝光调制元件B全部是透射型液晶面板，但是这些元件可以是反射型液晶面板或微镜阵列。
来自用于各个颜色光线的光调制元件的不同颜色光线由颜色组合系统200组合，并且然后经由投影镜头300引导到屏幕600。
用于容纳上述部件的壳体提供有可以保持投影镜头300的保持单元400。投影镜头300可以或不可以从保持单元400可拆卸。
IOS、CSS和颜色组合系统200被统一地视为光导光学系统，用于将来自LSU的光引导到光调制元件并且将来自光调制元件的光引导到投影镜头300。
下面将参考图1至6描述根据第一示例性实施例的投影镜头300。
(投影镜头的总体配置)
图1示出了根据本示例性实施例的投影镜头的透镜配置。参考图1和图7(下面描述)，纸的左手侧是放大共轭侧，并且纸的右手侧是缩小共轭侧。
在根据本示例性实施例的、作为不执行变焦的固定焦点距离(focal length)投影镜头的投影镜头中，图1中所示的第二透镜单元L2和第三透镜单元L3在聚焦时在投影镜头的光轴方向上移动。更具体地，在从无限远到近距离聚焦时，投影镜头执行浮动(floating)聚焦，其中第二透镜单元L2和第三透镜单元L3沿着彼此不同的轨迹在投影镜头的光轴方向上分别朝着缩小和放大共轭侧移动。这种浮动聚焦使得能够更好地校正由投影距离的改变引起的像场弯曲。
第一透镜单元L1和第四透镜单元L4不为了聚焦而移动。如上所述，第二透镜单元L2和第三透镜单元L3是在聚焦时在光轴方向上移动的聚焦透镜单元。
如上所述，根据本示例性实施例的投影镜头包括第一透镜单元L1至第四透镜单元L4作为多个透镜单元，这些透镜单元以使得相邻透镜单元之间的间隔在聚焦时改变的方式配置。相邻透镜单元之间的间隔的改变不是仅意味着两个相邻透镜单元都在光轴方向上移动。由于仅需要改变相邻透镜单元之间的间隔，因此上述表达包括其中透镜单元中的任一个不移动而另一个可移动(像第一透镜单元L1和第二透镜单元L2一样)的配置。多个透镜单元之间的边界可以定义为在聚焦时改变的透镜之间的间隔。
透镜单元包括一个透镜、一对透镜和一组多个透镜。成对透镜是指接合透镜，即，一对彼此边缘接触的两个透镜。
(每个透镜单元的配置)
第一透镜单元L1包括八个透镜。在根据本示例性实施例的投影镜头中，设置在最放大共轭侧的透镜是球面透镜，并且从最放大共轭侧起的第二透镜是非球面透镜。设置在最放大共轭侧的透镜具有大的外直径。形成具有大的外直径的非球面透镜增大了制造难度和制造成本。
根据本示例性实施例，通过使用非球面透镜作为从最放大共轭侧起的第二透镜，减小了制造难度和制造成本，同时校正了像场弯曲和歪曲(distortion)。从放大共轭侧起的第三和第四透镜形成接合透镜。从放大共轭侧起的第五、第六和第七透镜形成接合透镜。这种配置更好地校正轴向色差。
第二透镜单元L2包括三个透镜。从放大共轭侧起的第二和第三透镜是非球面透镜。这种配置更好地校正像场弯曲。根据本示例性实施例的投影镜头以使得中间图像形成点位于第二透镜单元L2的第一透镜和第二透镜之间的方式配置。这种配置实现了广的视角和小的前透镜直径这两者。
第三透镜单元L3包括一个透镜。
第四透镜单元L4包括八个透镜。通过从放大共轭侧起形成具有第一和第二透镜的接合透镜、具有第三和第四透镜的接合透镜以及具有第五和第六透镜的接合透镜，轴向色差被更好地校正。第四透镜单元包括光圈SP和相对于光圈SP设置在缩小共轭侧的像场弯曲调整透镜单元FC。图1和图7(下面描述)中所示的构件GB包括例如设置在光调制元件和投影镜头之间的棱镜。
(用于调整像场弯曲量的配置)
将给出其中设置在最放大共轭侧的负透镜在光轴方向上移动的配置作为用于调整像场弯曲量的配置的描述。该配置与本示例性实施例不同。在具有广的视角的投影镜头(广角镜头)中，具有高折光力的负透镜被设置在最放大共轭侧或放大共轭侧附近的位置处。将负透镜设置在最放大共轭侧使得比正透镜被设置在最放大共轭侧的情况更容易实现广的视角和小的前透镜直径这两者。
当设置在最放大共轭侧的负透镜的位置在光轴方向上改变时，轴外光线通过的位置在负透镜的透镜表面上改变，因而像场弯曲量也改变。更具体地，通过在光轴方向上移动设置在最放大共轭侧的负透镜或者放大共轭侧附近的负透镜，可以调整像场弯曲量，由此可以在曲面屏幕上投影具有较少模糊的图像。
通过设置在最放大共轭侧的负透镜的轴外光线相对于光轴具有大的角度和大的光线高度，因此通过使用负透镜提供校正像场弯曲的大效果。换句话说，能够减小光轴方向上的用于将像场弯曲调整预定量的负透镜的移动量。
然而，视角的增大使最放大共轭侧的负透镜或放大共轭侧附近的负透镜的负焦度增大。随着负焦度的增大，像场弯曲的高阶像差的发生量增大，并且相对于图像高度的像场弯曲的发生量的非线性特点在负透镜在光轴方向上移动时变得更显著。作为结果，图像高度大的光的像场弯曲的发生量过度增大，使得难以通过在光轴方向上移动设置在最放大共轭侧的负透镜来调整像场弯曲量。更具体地，变得难以在曲面屏幕上投影具有较少模糊的图像。
另外，由于像场弯曲和像散的发生量都过度增大，因此难以在整个曲面屏幕上聚焦。此外，由于视角的增大使设置在最放大共轭侧的负透镜的直径增大，因此整个图像形成光学系统的尺寸增大。
利用根据本示例性实施例和第二示例性实施例(下面描述)的投影镜头，通过在光轴方向上移动与设置在最放大共轭侧的负透镜不同的透镜来调整像场弯曲量。更具体地，利用根据本示例性实施例和第二示例性实施例(下面描述)的投影镜头，通过在光轴方向上移动设置在最缩小共轭侧的正透镜以改变后焦距(back focus)来调整像场弯曲量。
采用根据本示例性实施例和第二示例性实施例(下面描述)的投影镜头的上述配置的原因之一是当后焦距改变时像场弯曲量改变。
作为广角镜头的特征，存在当后焦距由于制造误差的影响而偏离设计值时发生大的像场弯曲量的趋势。如果在后焦距偏离设计值的情况下将图像投影在平面屏幕上，那么在图像显示元件(光调制元件)的位置和透镜的图像形成位置之间发生偏移。换句话说，当后焦距改变时发生像场弯曲。作为结果，即使每个聚焦透镜单元将图像聚焦在屏幕的中心上，周边部分也变得离焦。根据本示例性实施例和第二示例性实施例(下面描述)，通过使用这个特征改变投影镜头的后焦距来执行像场弯曲调整。这使得当图像投影在曲面屏幕上时能够投影在整个屏幕上对焦的图像。
将给出当后焦距改变时像场弯曲量改变的原因的描述。当后焦距改变时，来自光调制元件的光进入设置在最缩小共轭侧的正透镜的透镜表面的位置改变。根据本示例性实施例，光轴方向上图像显示元件相对于投影镜头的位置固定。如果设置在最缩小共轭侧的正透镜的透镜表面上的入射位置改变，那么比正透镜更靠放大共轭侧的透镜的透镜表面上的入射位置也改变。因此，设置在最放大共轭侧的负透镜的透镜表面上的入射位置改变。
在后焦距改变之前，最外面的轴外光线已进入其中设置在最放大共轭侧的负透镜的透镜表面上产生量A的像场弯曲的位置X。在这种情况下，当后焦距改变时，最外面的轴外光线不进入位置X，而是进入其中产生量B的像场弯曲的位置Y。更具体地，如上所述，可以通过调整后焦距来调整像场弯曲量。
(可以实现比传统系统小的图像形成光学系统的原因)
还可以通过以使得除设置在最缩小共轭侧的正透镜之外的透镜在光轴方向上被移动的方式改变后焦距来调整像场弯曲量。
将给出其中可以通过以使得对后焦距具有高灵敏度的透镜在光轴方向上被移动的方式调整后焦距来调整像场弯曲量的配置的描述。利用这种配置，通过在光轴方向上将透镜移动小的量可以将后焦距改变期望的量，并且还可以将像场弯曲量调整期望的量。这种配置使得能够实现能够调整像场弯曲量并且比传统系统小的图像形成光学系统。
一般地，在相对于光圈设置在缩小共轭侧的透镜当中，设置在最缩小共轭侧的透镜倾于对后焦距显现最高的灵敏度。因此，为了实现小的投影镜头，期望通过在光轴方向上移动设置在最缩小共轭侧的透镜来调整像场弯曲量。替代地，可以通过在光轴方向上移动不同的透镜来调整像场弯曲量。
更具体地，来自多个透镜单元(第一透镜单元L1至第四透镜单元L4)当中设置在最缩小共轭侧的透镜单元被称为最终透镜单元，并且根据本示例性实施例，第四透镜单元L4对应于最终透镜单元。作为包括在最终透镜单元中并且相对于光圈设置在缩小共轭侧的至少一个透镜的像场弯曲调整透镜单元FC在像场弯曲量被调整时需要在光轴方向上移动。
根据本示例性实施例，虽然像场弯曲调整透镜单元FC是设置在最缩小共轭侧的正透镜，但是像场弯曲调整透镜单元FC的配置不限于此。替代地，例如，设置在缩小共轭侧的正透镜和与正透镜相邻的透镜可以在光轴方向上一体地移动以调整像场弯曲量。可以通过在光轴方向上仅移动与设置在最缩小共轭侧的正透镜相邻的透镜来调整像场弯曲量。更具体地，像场弯曲调整透镜单元FC可以包括设置在最缩小共轭侧的透镜和与该透镜相邻的透镜中的至少任一个。
像场弯曲调整透镜单元FC需要是下面描述的至少一个透镜。更具体地，像场弯曲调整透镜单元FC是包括在来自图像形成光学系统中所包括的多个透镜单元当中与聚焦透镜单元不同的透镜单元中、并且相对于光圈设置在缩小共轭侧的多个透镜中的至少一个。至少所述一个透镜在像场弯曲调整期间需要在图像形成光学系统的光轴方向上移动。更具体地，像场弯曲调整透镜单元FC可以是与包括在除最终透镜单元之外的透镜单元中的多个透镜中的所述至少一个等效的透镜。根据每个示例性实施例，像场弯曲调整透镜单元FC可以用所述至少一个透镜替换。像场弯曲调整透镜单元FC可以被称为像场弯曲调整单元FC。
像场弯曲调整透镜单元FC越接近缩小共轭侧，具有扩大当像场弯曲调整透镜单元FC在光轴方向上移动时发生的像场弯曲的效果的透镜的数量越大。具有这种扩大效果的透镜的数量越大，在像场弯曲调整透镜单元FC中发生的像场弯曲量越小，并且像场弯曲调整透镜单元FC在光轴方向上的移动量越小。作为结果，可以减小整个图像形成光学系统的尺寸。因此，如上所述，期望像场弯曲调整透镜单元FC包括设置在最缩小共轭侧的透镜和与该透镜相邻的透镜中的至少任一个。
(更期望的配置)
下面将描述根据本示例性实施例和第二示例性实施例的更期望的配置。
根据本示例性实施例，在光轴方向上移动像场弯曲调整透镜单元FC使焦点在光轴附近偏移。像场弯曲调整透镜单元FC和聚焦透镜单元因此在像场弯曲调整期间同时移动。如上所述，根据本示例性实施例，第二透镜单元L2和第三透镜单元L3是聚焦透镜单元。利用这种配置，可以在减小光轴附近的焦点变化的同时调整像场弯曲量。
在像场弯曲调整中，像场弯曲调整透镜单元FC和聚焦透镜单元可以在光轴方向上交替移动而不是同时移动。在这种情况下，期望使透镜单元交替移动微小的量。利用这样的配置，当像场弯曲调整透镜单元FC和聚焦透镜单元在光轴方向上移动时发生的光轴附近的焦点变化量相对于投影镜头的景深变得足够小。通过以这种方式移动这些透镜单元，可以在将光轴附近的焦点变化减小到焦点改变在视野范围内可忽略的这样的程度的同时调整像场弯曲量。
当像场弯曲调整透镜单元FC具有焦点距离fc并且整个投影镜头系统具有焦点距离f时，期望投影镜头满足以下条件公式(1)：
4.0≤fc/f≤10.0 (1)
尽管根据本示例性实施例的投影镜头是固定焦点距离透镜，但是根据第二示例性实施例(下面描述)的投影镜头是变焦透镜。在投影镜头是变焦透镜的情况下，条件公式(1)中的整个投影镜头系统的焦点距离f被用在广角端整个投影镜头系统的焦点距离fw替换。
条件公式(1)限定了像场弯曲调整透镜单元FC的焦点距离。如果像场弯曲调整透镜单元FC的焦点距离太短并且超过条件公式(1)的下限，即，如果像场弯曲调整透镜单元FC的焦度太高，那么光轴附近的焦点变化在像场弯曲调整期间过度增大。作为结果，用于聚焦校正的聚焦透镜单元的移动量过度增大。这引起投影镜头的总透镜长度延长，这是不期望的。另外，像场弯曲调整的灵敏度过度增大。这降低了调整精度，这是不期望的。
如果像场弯曲调整透镜单元FC的焦点距离过度增大并且超过条件公式(1)的上限，即，如果像场弯曲调整透镜单元FC的焦度太低，那么用于像场弯曲调整的移动量增大。这引起投影镜头的总透镜长度延长，这是不期望的。
更期望投影镜头满足以下条件公式(1a)：
4.5≤fc/f≤9.6. (1a)
当像场弯曲调整透镜单元FC具有焦点距离fc并且聚焦透镜单元具有焦点距离ff时，期望投影镜头满足以下条件公式(2)：
1.0≤|ff/fc|≤12.0. (2)
当如本示例性实施例中那样两个或更多个透镜单元是聚焦透镜单元时，由条件公式(2)表示的聚焦透镜单元的焦点距离ff被用作多个透镜单元的组合焦点距离。根据本示例性实施例和第二示例性实施例(下面描述)，聚焦透镜单元的焦点距离ff指示当在70英寸投影图像被投影在屏幕上的状态下执行聚焦时的焦点距离。更具体地，根据本示例性实施例，焦点距离ff指示当在以使得投影图像的尺寸为70英寸的方式布置屏幕和投影仪的状态下执行聚焦时聚焦透镜单元的焦点距离。根据第二示例性实施例(下面描述)，焦点距离ff指示当在设定广角端变焦并且以使得投影图像的尺寸为70英寸的方式设置屏幕和投影仪的状态下执行聚焦时聚焦透镜单元的焦点距离。
条件公式(2)限定了像场弯曲调整透镜单元FC的焦点距离与聚焦透镜单元的焦点距离之间的平衡。如果聚焦透镜单元的焦点距离ff太短并且超过条件公式(2)的下限，即，如果聚焦透镜单元的焦度太高，那么正常聚焦(regular focusing)的灵敏度过度增大。作为结果，正常聚焦的精度将降低，这是不期望的。另外，在像场弯曲调整期间光轴附近的离焦校正的灵敏度也过度增大。这降低了离焦校正的精度，这是不期望的。如果像场弯曲调整透镜单元FC的焦点距离太长并且超过条件公式(2)的下限，即，如果像场弯曲调整透镜单元FC的焦度太低，那么如上所述用于像场弯曲调整的移动量增大。
如果聚焦透镜单元的焦点距离ff太长并且超过条件公式(2)的上限，即，如果聚焦透镜单元的焦度太低，那么在正常聚焦期间聚焦透镜单元的移动量增大。作为结果，投影镜头的总透镜长度延长，这是不期望的。另外，在像场弯曲调整期间校正光轴附近的离焦状态时聚焦透镜单元的移动量也增大。作为结果，投影镜头的总透镜长度延长，这是不期望的。如果像场弯曲调整透镜单元FC的焦点距离太短并且超过条件公式(2)的上限，即，如果像场弯曲调整透镜单元FC的焦度太高，那么如上所述在像场弯曲调整期间光轴附近的焦点变化过度增大。
更期望投影镜头满足以下条件公式(2a)：
1.3≤|ff/fc|≤10.0. (2a)
期望像场弯曲调整透镜单元FC是一个透镜或一对透镜。以这种方式配置像场弯曲调整透镜单元FC使得能够简化用于在光轴方向上移动像场弯曲调整透镜单元FC的透镜镜筒的结构并且节省透镜镜筒的重量。作为结果，变得能够使用具有小的驱动力的小型马达作为用于在光轴方向上移动像场弯曲调整透镜单元FC的马达。这使得能够减小投影镜头周围的机械结构的尺寸，因此减小整个投影仪的尺寸。上述成对透镜是指由多个透镜组成的接合透镜和彼此边缘接触的多个透镜。期望像场弯曲调整透镜单元FC是来自投影镜头中包括的多个透镜当中设置在最缩小共轭侧的一个透镜或一对透镜。如上所述，这种配置使得能够减小投影镜头的尺寸。
根据本示例性实施例和第二示例性实施例(下面描述)，期望像场弯曲调整透镜单元FC具有正焦度。以这种方式配置像场弯曲调整透镜单元FC使得能够减小最终透镜单元的尺寸。
根据本示例性实施例的投影镜头是中间图像形成(再次图像形成)投影镜头。更具体地，根据本示例性实施例的投影镜头以使得放大共轭表面和设置在投影镜头内部的中间图像形成表面共轭并且中间图像形成表面和缩小共轭表面共轭的方式配置。
在使用反射型液晶面板或微镜阵列作为图像显示元件的投影仪的投影镜头中，需要长的后焦距以在投影镜头和图像显示元件之间设置棱镜。在非中间图像形成类型的投影镜头中，实现长的后焦距和广的视角这两者需要最放大共轭侧的透镜的大直径(大的前透镜直径)。然而，在包括到中间图像形成点具有短的后焦距的光学系统和从中间图像形成点到二次图像形成点具有长的后焦距的中继光学系统的中间图像形成类型的投影镜头中，可以实现小的前透镜直径和广的视角这两者。
在根据本示例性实施例的投影镜头中，如图3中所示，中间图像形成表面IM位于第二透镜单元L2中，并且像场弯曲调整透镜单元FC相对于中间图像形成表面IM设置在缩小共轭侧。尽管在图3中，为了方便，中间图像形成表面IM由直线绘制，但是中间图像形成表面IM实际上是歪曲的。图3是示出在通过使用根据本示例性实施例的投影镜头将图像投影在朝着投影镜头侧凹的曲面屏幕(曲率半径为3m)上并且执行聚焦和像场弯曲调整的情况下每个场角的光和图2中所示的投影镜头的放大视图。
参考图1和7，纸的左侧是放大共轭侧，并且纸的右侧是缩小共轭侧。参考图2和5，纸的右手侧是放大共轭侧，并且纸的左手侧是缩小共轭侧。参考图3和9，纸的右侧是放大共轭侧，并且纸的左侧是缩小共轭侧。
(第一数值实施例)
将呈现与上述根据本示例性实施例的投影镜头对应的根据第一数值实施例的透镜数据。
在每个数值实施例中，i表示从物侧起的光学表面的次序，ri表示第i光学表面(第i表面)的曲率半径，di表示第i表面和第(i+1)表面之间的间隔，ndi和νdi分别表示d线中第i光学构件的材料的折射率和阿贝数。后焦距(BF)指示从最终透镜表面到近轴像面的距离，并且由空气转换长度表示。星号(*)意味着非球面。
将描述根据本数值实施例和第二数值实施例(下面描述)的光学材料的阿贝数。当夫琅和费(Fraunhofer)线的F线(486.1nm)、d线(587.6nm)和C线(656.3nm)的折射率分别由nF、nd和nC表示时，阿贝数νd由以下公式(3)给出：
νd＝(nd-1)/(nF-nC) (3)
当k表示离心率，A4、A6、A8和A10表示非球面系数，并且x表示参考表面顶点在离光轴高度为h的位置处光轴方向上的位移，其中R表示近轴曲率半径时，非球面形状表示如下：
x＝(h2/R)/[1+{1-(1+k)(h/R)2}1/2]+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10
(表面数据单位mm)
表面编号 r d nd νd
1 56.355 4.00 1.67790 55.3
2 31.205 7.10
3* 78.564 3.50 1.58313 59.4
4* 13.443 24.20
5 -16.798 1.50 1.84666 23.8
6 71.641 5.00 1.59349 67.0
7 -13.736 0.50
8 66.110 6.50 1.59349 67.0
9 -18.666 1.40 1.84666 23.8
10 71.418 6.50 1.59349 67.0
11 -31.037 22.00
12 93.205 8.50 1.80810 22.8
13 -163.973 8.74
14* 36.283 10.00 1.90366 31.3
15 100.787 52.65
16* 77.693 3.00 1.58313 59.4
17* 14.178 16.60
18 -314.339 7.50 1.83481 42.7
19 -35.842 32.30
20 46.341 5.50 1.48749 70.2
21 -153.281 7.21
22 551.642 1.50 1.48749 70.2
23 27.360 4.80 1.80810 22.8
24 69.109 12.90
25(光圈) ∞ 8.00
26 -218.122 1.50 1.84666 23.8
27 29.287 6.00 1.48749 70.2
28 -27.368 3.50
29 -18.484 1.50 1.90366 31.3
30 86.677 6.50 1.51633 64.1
31 -28.781 0.50
32 369.801 9.50 1.43875 94.7
33 -25.255 3.80
34 62.226 5.80 1.77250 49.6
35 ∞ 5.00
36 ∞ 37.00 1.51633 64.1
37 ∞ 4.00
38 ∞ 19.50 1.80518 25.4
39 ∞ 5.80
像面 ∞
(非球面数据)
(各种数据)
焦点距离 8.51
F数 2.40
半场角 59.16
图像高度 14.25
总透镜长度 349.85
BF 44.85
(透镜单元数据)
单元 起始表面 焦点距离
1 1 25.59
2 14 104.61
3 20 73.44
4 22 60.29
图4是示出图2和3的情况下的像散的图，并且图6是示出图5的情况下的像散的图。图5是示出在通过使用根据本示例性实施例的投影镜头将图像投影在朝着投影镜头侧凸的曲面屏幕(曲率半径为8m)上并且执行聚焦和像场弯曲调整的情况下每个场角的光和投影镜头的图。参考图4和6，实线指示弧矢像面上波长为550nm的光的像散，并且点线指示子午像面上波长为550nm的光的像散。在图4和6中，半场角由ω表示，并且ω处于59度。如图4和6中所示，根据本示例性实施例的投影镜头在像场弯曲调整之前和之后之间的比较中可以改善像散。
下面将参考图7至12描述根据第二示例性实施例的投影镜头(图像形成光学系统)。
(投影镜头的总体配置)
图7示出了根据本示例性实施例的投影镜头的透镜配置。根据本示例性实施例的投影镜头是变焦透镜，其包括作为多个透镜单元的第一透镜单元L1至第七透镜单元L7以及光圈SP。光圈SP比第七透镜单元L7更靠放大共轭侧设置。更具体地，光圈SP被设置在第三透镜单元L3和第四透镜单元L4之间。
第一透镜单元L1至第七透镜单元L7以使得相邻透镜单元之间的间隔在变焦时改变的方式设置。更具体地，第一透镜单元L1和第七透镜单元L7在变焦时不移动。在从广角端到望远端变焦时，第二透镜单元L2至第六透镜单元L6以及光圈SP沿着彼此不同的轨迹在投影镜头的光轴方向上向放大共轭侧移动。多个透镜单元之间的边界也可以被定义为在变焦时改变的透镜之间的间隔。
第一透镜单元L1包括多个子透镜单元，这些子透镜单元以使得相邻子透镜单元之间的间隔在聚焦时改变的方式配置。根据本示例性实施例，多个子透镜单元包括第一子透镜单元SL1、第二子透镜单元SL2和第三子透镜单元SL3。在聚焦时，第二子透镜单元SL2和第三子透镜单元SL3在投影镜头的光轴方向上移动。更具体地，第一子透镜单元SL1在聚焦时不移动。在从无限远到近距离聚焦时，第二子透镜单元SL2和第三子透镜单元SL3沿着彼此不同的轨迹向缩小共轭侧移动。利用这种配置，可以减小聚焦时像场弯曲的变化。第二透镜单元L2至第七透镜单元L7在聚焦时不移动。
第七透镜单元L7包括像场弯曲调整透镜单元FC。
(每个透镜单元的配置)
第一透镜单元L1包括四个透镜和一个接合透镜。更具体地，第一子透镜单元SL1包括三个透镜，第二子透镜单元SL2包括一个负透镜，并且第三子透镜单元SL3包括一个接合透镜。来自第一透镜单元L1中包括的透镜当中从放大共轭侧起的第一和第二透镜是非球面透镜。这些非球面透镜提供有校正像场弯曲和歪曲的效果。
第二透镜单元L2和第三透镜单元L3中的每一个包括一个透镜。第四透镜单元L4和第五透镜单元L5中的每一个包括一个接合透镜。利用这种配置，可以有利地校正整个变焦范围中的轴向色差。
第六透镜单元L6包括一个接合透镜和一个透镜。第七透镜单元L7包括一个透镜。
根据本示例性实施例，光圈SP在变焦时沿着与透镜单元的轨迹不同的轨迹在投影镜头的光轴方向上移动。光圈SP的孔径在变焦时是恒定的。然而，光圈SP可以与第三透镜单元L3或第四透镜单元L4集成在一起。另外，通过使光圈SP的孔径可变，可以消除由不必要的光造成的重影和眩光，以改善投影图像的对比度。
(用于调整像场弯曲量的配置)
根据本示例性实施例，与上述第一示例性实施例类似，最终透镜单元包括像场弯曲调整透镜单元FC，以利用与第一示例性实施例类似的配置来调整像场弯曲量。根据本示例性实施例，最终透镜单元是第七透镜单元L7。因此，根据本示例性实施例，可以获得由第一示例性实施例获得的类似效果。更期望的配置(例如，与根据第一示例性实施例的投影镜头不同的配置)可以应用于本示例性实施例。
(第二数值实施例)
与根据本示例性实施例的上述投影镜头对应的根据第二数值实施例的透镜数据如下。
(表面数据单位mm)
(非球面数据)
(各种数据)
(透镜单元数据)
单元 起始表面 焦点距离
1 1 -41.93
2 12 246.33
3 14 114.33
4 17 152.49
5 20 -116.63
6 23 -1336.63
7 28 78.21
(子透镜单元数据)
单元 起始表面 焦点距离
1 1 -18.42
2 7 -120.03
3 9 64.95
图10是示出图8和9的情况下的像散的图，并且图12是示出图11的情况下的像散的图。图8示出了在通过使用根据本示例性实施例的投影镜头将图像投影在朝着投影镜头侧凹的曲面屏幕(曲率半径为3m)上并且执行聚焦和像场弯曲调整的情况下每个场角的光和投影镜头。图9是示出图8中所示的投影镜头的放大视图。图11是示出在通过使用根据本示例性实施例的投影镜头将图像投影在朝着投影镜头侧凸的曲面屏幕(曲率半径为8m)上并且执行聚焦和像场弯曲调整的情况下每个场角的光和投影镜头的图。参考图8和11，投影镜头的焦点距离是在广角端的焦点距离。
参考图10和12，实线指示弧矢像面上波长为550nm的光的像散，并且点线指示子午像面上波长为550nm的光的像散。在图10和12中，半场角由ω表示，并且ω处于45.3度。如图10和12中所示，根据本示例性实施例的投影镜头在像场弯曲调整之前和之后之间的比较中可以改善像散。
表1示出了根据第一和第二示例性实施例的条件公式(1)和(2)的计算结果。
[表1]
虽然已基于上述优选的示例性实施例具体地描述了本发明，但是本发明不限于此，而是可以在所附权利要求的范围内以各种方式进行修改。
例如，已以作为图像形成光学系统的投影镜头的配置为中心描述了示例性实施例，示例性实施例的配置可以应用于作为图像形成光学系统的照相机的成像光学系统。
当调整像场弯曲量时，像场弯曲调整透镜单元FC和聚焦透镜单元这两者在图像形成光学系统的光轴方向上移动。更具体地，如上所述，当调整像场弯曲量时，像场弯曲调整透镜单元FC和聚焦透镜单元可以在光轴方向上同时或交替移动。另外，当调整像场弯曲量时，在像场弯曲调整透镜单元FC在光轴方向上移动之后，聚焦透镜单元可以在光轴方向上移动。
在图像形成光学系统中，上述示例性实施例聚焦于比光圈更靠缩小共轭侧设置的像场弯曲调整透镜单元FC。然而，可以聚焦于根据第一示例性实施例的图像形成光学系统的配置中的以下配置。更具体地，在中间图像形成类型的图像形成光学系统中，通过在光轴方向上移动包括在与聚焦透镜单元不同的透镜单元中的多个透镜中的至少一个来调整像场弯曲量。
将参考图14A和14B给出显示在屏幕上以使得用户能够对图13中所示的投影仪执行像场弯曲调整的图形用户界面(GUI)的描述。图14A是示出当执行正常聚焦(用于聚焦屏幕中心的聚焦操作)时显示的GUI的图。
用户在垂直(或水平)方向上操作设置在遥控器或投影仪(未示出)上的操作单元，诸如十字键。然后，驱动投影仪中用于在光轴方向上移动聚焦透镜单元的致动器。作为结果，聚焦透镜单元与用户的十字键操作相关联地移动，并且执行聚焦。在这个过程中，图14A中所示的GUI中的纸上的滑动条500的上端与用户的十字键操作相关联地垂直移动。
下面将描述图14B中所示的GUI。当用户在垂直(或水平)方向上操作十字键时，驱动投影仪中用于在光轴方向上移动像场弯曲调整透镜单元FC的致动器。作为结果，像场弯曲调整透镜单元FC与用户的十字键操作相关联地移动，并且执行像场弯曲量的调整。在这种情况下，与图14A中所示的GUI类似，图14B中所示的GUI中的纸上的滑动条500的上端与用户的十字键操作相关联地垂直移动。
代替设置在遥控器或投影仪上的十字键，也可以使用在诸如智能电话的便携式终端的屏幕上显示的电子十字键。
虽然已参考示例性实施例描述了本发明，但是要理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围要被赋予最广泛的解释，以便涵盖所有这样的修改及等效的结构和功能。

Claims (26)

1.一种投影镜头，包括：
多个透镜单元；以及
光圈，
其特征在于，
所述多个透镜单元以使得相邻透镜单元之间的间隔在变焦或聚焦期间改变的方式配置，
在聚焦期间在所述投影镜头的光轴方向上移动的透镜单元充当所述多个透镜单元当中的聚焦透镜单元的情况下，包括在所述多个透镜单元当中与所述聚焦透镜单元不同的透镜单元中、并且比所述光圈更靠缩小共轭侧设置的至少一个透镜被配置为在调整像场弯曲量以聚焦在曲面投影表面上时在所述光轴方向上移动，并且
当调整所述像场弯曲量时，所述至少一个透镜和聚焦透镜单元这两者被配置为在所述光轴方向上移动。
2.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，当调整所述像场弯曲量时，所述至少一个透镜和聚焦透镜单元在所述光轴方向上同时移动。
3.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，当调整所述像场弯曲量时，在所述至少一个透镜在所述光轴方向上移动之后，所述聚焦透镜单元和至少一个透镜单元被配置为在所述光轴方向上移动。
4.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，当调整所述像场弯曲量时，所述至少一个透镜和聚焦透镜单元被配置为在所述光轴方向上交替移动。
5.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，当所述至少一个透镜具有焦点距离fc并且所述图像形成光学系统具有焦点距离f时，满足以下公式：
4.0≤fc/f≤10.0。
6.根据权利要求5所述的投影镜头，其特征在于，满足以下公式：
4.5≤fc/f≤9.6。
7.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，当所述至少一个透镜具有焦点距离fc并且所述聚焦透镜单元具有焦点距离ff时，满足以下公式：
1.0≤|ff/fc|≤12.0。
8.根据权利要求7所述的投影镜头，其特征在于，满足以下公式：
1.3≤|ff/fc|≤10.0。
9.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，
所述多个透镜单元包括：
第一透镜单元；
第二透镜单元；
第三透镜单元；以及
第四透镜单元，
从放大共轭侧到缩小共轭侧布置，
所述第一透镜单元、第二透镜单元、第三透镜单元以及第四透镜单元以使得相邻透镜单元之间的间隔在聚焦期间改变的方式配置，
所述第一透镜单元和第四透镜单元在聚焦期间不移动，
所述第二透镜单元和第三透镜单元是在聚焦期间在所述光轴方向上移动的所述聚焦透镜单元，并且
所述光圈和所述至少一个透镜包括在所述第四透镜单元中。
10.根据权利要求9所述的投影镜头，其特征在于，当从无限远到近距离执行聚焦时，所述第二透镜单元向缩小共轭侧移动，并且所述第三透镜单元向放大共轭侧移动。
11.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，
所述多个透镜单元包括：
第一透镜单元；
第二透镜单元；
第三透镜单元；
第四透镜单元；
第五透镜单元；
第六透镜单元；以及
第七透镜单元，
从放大共轭侧到缩小共轭侧布置，
所述第一透镜单元、第二透镜单元、第三透镜单元、第四透镜单元、第五透镜单元、第六透镜单元以及第七透镜单元以使得相邻透镜单元之间的间隔在变焦期间改变的方式配置，
所述第一透镜单元和第七透镜单元在变焦期间不移动，
所述第二透镜单元、第三透镜单元、第四透镜单元、第五透镜单元以及第六透镜单元在变焦时在所述光轴方向上移动，并且
所述至少一个透镜包括在所述第七透镜单元中。
12.根据权利要求11所述的投影镜头，其特征在于，所述光圈比所述第七透镜单元更靠放大共轭侧设置。
13.根据权利要求11所述的投影镜头，其特征在于，在从广角端到望远端变焦时，所述第二透镜单元、第三透镜单元、第四透镜单元、第五透镜单元以及第六透镜单元被配置为向放大共轭侧移动。
14.根据权利要求11所述的投影镜头，其特征在于，
所述第一透镜单元包括第一子透镜单元、第二子透镜单元以及第三子透镜单元，所述第一子透镜单元、第二子透镜单元以及第三子透镜单元以使得相邻子透镜单元之间的间隔在聚焦期间改变的方式配置，并且
所述第二子透镜单元和第三子透镜单元是在聚焦期间在所述光轴方向上移动的所述聚焦透镜单元。
15.根据权利要求14所述的投影镜头，其特征在于，
所述第一子透镜单元被配置为在聚焦期间不移动，并且
在从无限远到近距离聚焦期间，所述第二子透镜单元和第三子透镜单元被配置为向缩小共轭侧移动。
16.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述至少一个透镜是一个透镜或一对透镜。
17.根据权利要求16所述的投影镜头，其特征在于，所述至少一个透镜是所述图像形成光学系统中包括的所述多个透镜当中更靠缩小共轭侧设置的一个透镜或一对透镜。
18.根据权利要求16所述的投影镜头，其特征在于，所述至少一个透镜具有正焦度。
19.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头以使得放大共轭表面和设置在所述图像形成光学系统内部的中间图像形成表面共轭、并且所述中间图像形成表面和缩小共轭表面共轭的方式配置。
20.一种投影镜头，包括：
多个透镜单元，
其特征在于，
所述多个透镜单元以使得相邻透镜单元之间的间隔在变焦或聚焦期间改变的方式配置，
所述投影镜头以使得放大共轭表面和设置在所述投影镜头内部的中间图像形成表面共轭、并且所述中间图像形成表面和缩小共轭表面共轭的方式配置，并且
在聚焦期间在所述投影镜头的光轴方向上移动的透镜单元充当所述多个透镜单元当中的聚焦透镜单元的情况下，包括在所述多个透镜单元当中与所述聚焦透镜单元不同的透镜单元中的至少一个透镜被配置为在调整像场弯曲量以聚焦在曲面投影表面上时在所述光轴方向上移动。
21.一种投影镜头，包括：
多个透镜单元；以及
光圈，
其特征在于，
所述多个透镜单元以使得相邻透镜单元之间的间隔在变焦或聚焦期间改变的方式配置，
在聚焦期间在所述投影镜头的光轴方向上移动的透镜单元充当所述多个透镜单元当中的聚焦透镜单元的情况下，包括在所述多个透镜单元当中与所述聚焦透镜单元不同的透镜单元中、并且比所述光圈更靠缩小共轭侧设置的至少一个透镜被配置为在调整像场弯曲量以聚焦在曲面投影表面上时在所述光轴方向上移动,并且
当所述至少一个透镜具有焦点距离fc并且所述投影镜头具有焦点距离f时，满足以下公式：
4.0≤fc/f≤10.0。
22.一种投影镜头，包括：
多个透镜单元；以及
光圈，
其特征在于，
所述多个透镜单元以使得相邻透镜单元之间的间隔在变焦或聚焦期间改变的方式配置，
在聚焦期间在所述投影镜头的光轴方向上移动的透镜单元充当所述多个透镜单元当中的聚焦透镜单元的情况下，包括在所述多个透镜单元当中与所述聚焦透镜单元不同的透镜单元中、并且比所述光圈更靠缩小共轭侧设置的至少一个透镜被配置为在调整像场弯曲量以聚焦在曲面投影表面上时在所述光轴方向上移动,并且
当所述至少一个透镜具有焦点距离fc并且所述聚焦透镜单元具有焦点距离ff时，满足以下公式：
1.0≤|ff/fc|≤12.0。
23.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述至少一个透镜被配置为在聚焦期间不移动。
24.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述至少一个透镜被配置为在变焦期间不移动。
25.一种投影显示装置，包括：
光源；
光调制元件；
光导光学系统，所述光导光学系统被配置为将来自所述光源的光引导到所述光调制元件，并且将来自所述光调制元件的光引导到根据权利要求1至24中任一项所述的投影镜头；以及
保持单元，所述保持单元被配置为保持所述投影镜头。
26.一种投影显示装置，包括：
光源；
光调制元件；
根据权利要求1至24中任一项所述的投影镜头；以及
光导光学系统，所述光导光学系统被配置为将来自所述光源的光引导到所述光调制元件，并且将来自所述光调制元件的光引导到所述投影镜头。
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