專利名稱：圖像投影裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及圖像投影裝置。更具體地，本發明涉及使用投影透鏡(或投影光學系 統)將顯示在圖像顯示元件上的圖像以放大的比例投影到屏幕上的圖像投影裝置。
背景技術：
通過投影透鏡將圖像顯示元件(例如液晶面板)的圖像投影到屏幕上以提供圖像 的圖像投影裝置被廣泛地使用。將構成投影透鏡的若干透鏡和透鏡單元組裝到鏡筒中會具 有組裝誤差，這將產生平行偏心，其中每個透鏡單元由多個透鏡組成。結果，在投影圖像中 出現色移。
如果在投影透鏡中存在較大的色移，則投影在屏幕上的三種顏色(紅色、綠色和 藍色)的圖像將被分開。這導致分辨率(或圖像質量)的顯著惡化。這種由于色移所引起 的圖像質量的惡化類似地也出現在照像機中使用的獲取物體圖像的圖像拾取透鏡中。關于 色移，美國專利No. 6，038，068公開了被設計為減小由空氣色散(air dispersion)所引起 的色移的光學系統。此外，日本專利申請公開No. 公開了具有偏心調整功能以 減小組裝誤差對由多個透鏡或透鏡單元組成的光學系統中的像差的影響的變焦透鏡。
如果在將構成光學系統的多個透鏡或透鏡單元組裝到鏡筒中時存在組裝誤差，則 產生偏心像差，并且尤其產生大的偏心橫向色差。偏心橫向色差指的是由于由組裝誤差所 導致的平行偏心而引起的光軸上的在與光軸垂直的方向上的色移。偏心橫向色差在投影透 鏡的情況下導致投影圖像中的色移，而在圖像拾取透鏡的情況下導致圖像中的色移，這引 起圖像質量的顯著惡化。近年來隨著圖像顯示元件的分辨率的提高，這個問題變得更加嚴 重。很難在沒有組裝誤差的情況下組裝鏡筒中的多個透鏡和透鏡單元。因此，使組成光學 系統的透鏡(多個透鏡)或透鏡單元(多個透鏡單元)偏心從而減小由于組裝誤差引起的 光學性能的惡化是非常有效的方法。然而，通過光學元件(多個光學元件)的簡單偏心調 整仍然難以有效地減小色移。為了減小色移，重要的是恰當地選擇要進行偏心調整的光學 系統中的光學元件，并且恰當地設計光學元件。發明內容
一種圖像投影裝置，包括圖像顯示元件；光學系統，將顯示在圖像顯示元件上的 圖像投影到屏幕上；光學元件，在具有在垂直于光學系統的光軸的方向上的分量的方向上 移動；調整機構，能夠在具有在垂直于光軸的方向上的分量的方向上移動光學元件；以及 保持部件，將光學元件固定到鏡筒，其中滿足以下條件，
vdch <35，并且
0. 5 (mm2) < | P X fdch <1.3 (mm2)，
其中vdch是光學元件的材料關于d線的組合阿貝數，fdch是光學元件關于d線 的組合焦距，并且P是圖像顯示元件的像素間距。
根據以下參考附圖的示例性實施例的描述，本發明的其他特征將變得清楚。

圖1是具有根據本發明第一實施例的光學系統的圖像投影裝置的主要部分的示 意性截面圖。
圖2A是在根據本發明第一實施例的光學系統中的透鏡沒有偏心的情況下的像差 圖。
圖2B是在根據本發明第一實施例的光學系統中的透鏡L2有偏心的情況下的像差 圖。
圖2C是在根據本發明第一實施例的光學系統中通過透鏡L14校正色移的情況下 的像差圖。
圖3是具有根據本發明第二實施例的光學系統的圖像投影裝置的主要部分的示 意性截面圖。
圖4A是在根據本發明第二實施例的光學系統中的透鏡沒有偏心的情況下的像差 圖。
圖4B是在根據本發明第二實施例的光學系統中的透鏡Ll有偏心的情況下的像差 圖。
圖4C是在根據本發明第二實施例的光學系統中通過第三透鏡單元B3校正色移的 情況下的像差圖。
圖5是具有根據本發明第三實施例的光學系統的圖像投影裝置的主要部分的示 意性截面圖。
圖6A是在根據本發明第三實施例的光學系統中的透鏡沒有偏心的情況下的像差 圖。
圖6B是在根據本發明第三實施例的光學系統中的透鏡G5有偏心的情況下的像差 圖。
圖6C是在根據本發明第三實施例的光學系統中通過第七透鏡單元70校正色移的 情況下的像差圖。
圖7A示出了根據本發明的平行偏心調整機構的結構。
圖7B示出了根據本發明的平行偏心調整機構的結構。
圖8示出了允許根據本發明的平行偏心的鏡筒的結構。
圖9是彩色液晶投影儀的主要部分的示意圖。
圖10是圖像拾取裝置的主要部分的示意圖。
具體實施方式
現在將根據附圖詳細描述本發明的優選實施例。
根據本發明的圖像投影裝置包括由液晶面板等組成的圖像顯示元件以及光學系 統(諸如具有單一焦距的投影透鏡或包括倍率變化的透鏡單元的變焦透鏡)，該光學系統 將顯示在圖像顯示元件上的圖像投影到屏幕上。光學系統具有由單一透鏡組成的光學元件 或包括正透鏡和負透鏡的光學元件，并且在具有在垂直于光軸的方向上的分量(或具有垂 直于光軸的分量)的方向上移動該光學元件。光學系統還設有可以在具有垂直于光軸的分量的方向上移動光學元件的調整機構或者在已經在具有垂直于光軸的分量的方向上移動 光學元件之后將光學元件固定到固定的筒的保持部件。
因此，有可能利用簡單結構來有效地減小偏心橫向色差。偏心橫向色差由在將單 獨的光學元件組裝到鏡筒中期間出現的組裝誤差產生。
圖1是使用具有單一焦距的投影透鏡作為根據第一實施例的光學系統的圖像投 影裝置(具體地為，液晶視頻投影儀)的主要部分的示意圖。
圖2A、圖2B和圖2C是在根據第一實施例的光學系統中分別在沒有透鏡的偏心的 情況下、在存在透鏡L2的偏心的情況下、以及在通過透鏡(光學元件)L14校正色移的情況 下的橫向像差圖。在像差圖中，實線用于d線，雙點劃線用于g線，長短交替的虛線用于C 線，并且點線用于F線。
圖3是使用具有單一焦距的投影透鏡作為根據第二實施例的光學系統的圖像投 影裝置(具體地為，液晶視頻投影儀)的主要部分的示意圖。
圖4A、圖4B和圖4C是在根據第二實施例的光學系統中分別在沒有透鏡的偏心的 情況下、在存在透鏡Ll的偏心的情況下、以及在通過第三透鏡單元(光學元件)B3校正色 移的情況下的橫向像差圖。
圖5是在廣角端的狀態中使用變焦透鏡作為根據第三實施例的光學系統的圖像 投影裝置(具體地為，液晶視頻投影儀)的主要部分的示意圖。
圖6A、圖6B和圖6C是在根據第三實施例的光學系統中分別在沒有透鏡的偏心的 情況下、在存在透鏡G5(第二透鏡單元20)的偏心的情況下、以及在通過第七透鏡單元(光 學元件)70校正色移的情況下的橫向像差圖。
圖7A、圖7B和圖8是根據本發明的透鏡的平行偏心調整機構的主要部分的示意 圖。
在根據第一到第三實施例的圖像投影裝置中，將顯示在液晶面板IXD(圖像顯示 元件)上的圖像通過光學系統(或投影透鏡)PL以放大的比例投影到屏幕表面S上。
屏幕表面S (投影表面)和液晶面板LCD(圖像顯示元件)分別位于光學系統PL 的物平面和像平面處。屏幕表面S和液晶面板LCD彼此共軛。屏幕表面S典型地位于較長 距離側或放大側上的共軛點(即，前面或放大共軛點)處，并且液晶面板LCD位于較短距離 側或縮小側上的共軛點(即，后面或縮小共軛點)處。
光學系統PL還包括光學設計所需的諸如顏色組合棱鏡、偏振濾光片(polarizing filter)、和/或彩色濾光片的玻璃塊PR。通過連接部件(未示出)將光學系統PL安裝在 液晶視頻投影儀的主體(未示出)上。布置在玻璃塊I3R之后的液晶顯示面板IXD被包括 在投影儀的主體中。液晶面板LCD是用從布置在縮小側的照明光學系統(未示出)發出的 光來照明的。
在每個實施例中，光學系統PL具有如下的光學元件，該光學元件在具有垂直于光 軸的分量的方向上移動以便校正光軸上的在垂直于光軸的方向上的色移(或偏心橫向色 差)。這里，令Vdch為光學元件的材料(多種材料)關于d線的組合阿貝數，fdch為光學 元件關于d線的組合焦距，并且P為圖像顯示元件的像素間距。于是，滿足以下條件
vdch < 35... (1)
0. 5 (mm2) < PXfdch < 1.3 (mm2)... (2)
另外，令IMG為由光學系統PL投影在屏幕上的圖像的有效投影范圍。于是，還滿 足以下條件
0. 10 < I IMG/fdch| < 0. 30 ... (3)
在光學元件包括正透鏡和負透鏡的情況下，給出組合阿貝數vdch和組合焦距 fdch如下。令fp為被包括在光學元件中的正透鏡的焦距，VP為被包括在光學元件中的正 透鏡的材料的阿貝數，fn為被包括在光學元件中的負透鏡的焦距，vn為被包括在光學元件 中的負透鏡的材料的阿貝數。于是，給出光學元件的組合焦距fdch如下
1/fdch = l/fp+1/fn
給出組合阿貝數vdch如下
1/(fdch X vdch) = l/(fpXvp)+l/(fnXvn)
因此，
vdch = 1/[fdch X {1/(fp X vp)+1/(fnX vn)}]
接下來，描述上述條件的含義。條件表達式(1)指定用于校正色移的光學元件的 材料的組合阿貝數。在光學元件是單一透鏡的情況下，該條件指定單一透鏡的材料的阿貝 數。如果超過條件(1)的上限，則在校正色移時光學元件的平行偏心的量變大，導致大的偏 心彗差和大的像平面傾斜。這是不期望的。
條件表達式( 指定圖像顯示元件的像素間距和光學元件的焦距的乘積的范圍。 如果越過條件O)的下限，則光學元件的焦度(power)高至在光學元件被偏心時使得偏心 彗差和像平面的傾斜較大。這是不期望的。如果超過條件O)的上限，則光學元件的焦度 低至使得在校正色移時光學元件的平行偏心的量過大。這也是不期望的。如果光學元件的 平行偏心的量變得太大，則在光學元件的一側有效光束被漸暈(vignette)。為了避免這一 點，必須增大光學元件的尺寸，導致不期望的大的光學元件。
條件表達式(3)指定通過用可以通過光學系統PL來投影圖像的縮小共軛側上的 有效投影范圍的大小除以光學元件的組合焦距而獲得的值。在低于條件(3)的下限的范圍 內，光學元件的焦度變得低至使得在校正色移時光學元件的平行偏心的量過大。這是不期 望的。在超過條件(3)的上限的范圍內，光學元件的焦度變得高至在光學元件被偏心時使 得偏心彗差和像平面的傾斜較大。這是不期望的。更優選地，在條件表達式(1)到(3)中 的數值范圍被設置如下
vdch < 30 ... (la)
0. 7 (mm2) < PXfdch < 1. 1 (mm2) ... (2a)
0. 12 < I IMG/fdch| < 0. 28 ... (3a)
如上所述，在每個實施例中，光學系統由多個透鏡或透鏡單元組成，可以校正在將 單獨的透鏡組裝到鏡筒中時發生的、由透鏡(多個透鏡)的偏心所引起的光軸上的在垂直 于光軸的方向上的色移(或偏心橫向色差)。
在各實施例中，更優選的是滿足以下條件中的一個或多個。在光學元件被布置為 最接近光學系統PL中的縮小共軛點側的情況下，令L為從光學元件到縮小共軛點的等效空 氣長度。對于光學元件在垂直于光軸的方向上的每1毫米的移動的、在縮小共軛面上的關 于F線和C線的色移的敏感度Δ ch通過以下方程式表示
Δ ch = L/ (fdch X vdch)7
令Nch為光學元件的材料的平均折射率。光學元件由膠合透鏡組成，該膠合透鏡 由膠合在一起的正透鏡和負透鏡制成，Nchn為被包括在光學元件中的負透鏡的材料關于d 線的折射率，并且Nchp為被包括在光學元件中的正透鏡的材料關于d線的折射率。然后， 優選的是滿足以下條件中的一個或多個
0. 7 < Δ ch/P < 4. 9 ... (4)
Nch > 1. 65 ... (5)
Nchn-Nchp | < 0. 1 ...(6)
接下來，描述如何導出表示關于用于色移校正的光學元件的敏感度Ach的方程 式。這里，Δ ch代表對于用于色移校正的光學元件的每1毫米移動的、在縮小共軛面上的關 于F線和C線的色移的量(色移敏感度)。令L為從用于色移校正的光學元件的縮小共軛 側主點到縮小共軛點的距離，fFch為用于色移校正的光學元件關于F線的組合焦距，fCch 為用于色移校正的光學元件關于C線的組合焦距，fdch為用于色移校正的光學元件關于d 線的組合焦距，并且vdch為用于色移校正的光學元件的組合阿貝數。然后，敏感度Δ ch被 表示如下
Ach = L/fFch-L/fCch
=LX (1/fFch-l/fCch)
= LX {(fCch-fFch) / (fFchX fCch)}
= LX (fCch-fFch)/fdch2
= LX (fdch/vdch)/fdch2
= L/(fdchXvdch)
關于波長470nm (藍色)和550nm (綠色)的色移敏感度等于值Δ ch的大約70 %。 關于波長620nm(紅色)和550nm(綠色)的色移敏感度等于值Δ ch的大約30%。
這里，描述如何導出方程式“fCch-fFch = fdch/vdch"(左側和右側彼此近似相 等)。這里，令vd為阿貝數，nd為關于d線的折射率，nF為關于F線的折射率，nC為關于C 線的折射率。于是，阿貝數的定義為
vd= (nd-l)/(nF-nC)
該方程式可以被如下轉換(nd-1) = (nF-nC) Xvd
令fd為單透鏡關于d線的焦距，Rl為單透鏡的放大共軛側透鏡表面的曲率半徑， 并且R2為單透鏡的縮小共軛側表面的曲率半徑。于是，在單透鏡的焦距fd、折射率nd、曲 率半徑Rl和R2之間成立如下關系
1/fd = (nd-1) X (1/R1-1/R2)
根據上面的方程式，后面的方程式可以轉換如下
(nd-1) = 1/(fdX (1/R1-1/R2))
(nF-nC) Xvd = l/(fdX (1/R1-1/R2))
(nF-nC) = l/(fdX (1/R1-1/R2) Xvd)
(nF-nC) X (1/R1-1/R2) = l/(fdXvd)
(nF-1) X (1/R1-1/R2) - (nC_l) X (1/R1-1/R2) = l/(fdXvd)
1/fF-l/fC = l/(fdXvd)
(fC-fF)/(fFXfC) = l/(fdXvd)
fC-fF = (fF X fC) / (fd X vd)
這里，假設fFXfC fd2(近似相等，即差別為士 10%或更小)。于是，以下方程 式成立
fC-fF ^ fd2/ (fd X vd)
fC-fF ^ fd/vd (近似相等)
接下來，描述上述條件的技術含義。條件表達式(4)限制通過用色移的量(色移 敏感度)除以圖像顯示元件的像素間距而獲得的值，所述色移的量是對于用于色移校正的 光學元件的每1毫米移動的、在縮小共軛面上的關于F線和C線的色移的量。在低于條件 (4)的下限的范圍內，色移敏感度小至需要光學元件的不期望的大的平行偏心來校正色移。 在高于條件的上限的范圍內，色移敏感度大至光學元件的微小的平行偏心引起過大的 色移變化。這是不期望的，因為精細調整是困難的。
條件表達式(5)限制光學元件的材料的平均折射率。如果越過條件(5)的下限， 則被包括在光學元件中的透鏡的透鏡表面的曲率半徑將變小，導致在進行光學元件的平行 偏心以校正色移時偏心彗差較大且像平面的傾斜較大。這是不期望的。
在光學元件是通過將負透鏡和正透鏡膠合在一起而形成的膠合透鏡的情況下，條 件表達式(6)限制在光學元件中的負透鏡和正透鏡的折射率之間的差的絕對值。在高于條 件(6)的上限的范圍內，將由光學元件中的膠合透鏡表面產生大的球面像差，并且在進行 平行偏心時將產生大的偏心彗差。這是不期望的。更優選的是條件(4)到(6)的數值范圍 被修改如下
1. 5 < Δ ch/P < 4. 4 (4a)
Nch > 1. 70(5a)
I Nchn-Nchp | < 0. 06 (6a)
在每個實施例中，光學元件包括正透鏡和負透鏡并且整體上具有正的折光力 (refractive power)。正透鏡的材料的阿貝數小于負透鏡的材料的阿貝數。在光學系統是 具有倍率變化的透鏡單元的變焦透鏡的情況下，光學元件被布置在倍率變化的透鏡單元的 縮小共軛側。
現在，將描述在根據圖1和圖3所示的第一實施例和第二實施例的圖像投影裝置 中使用的光學系統PL的配置。圖1和圖3所示的實施例具有相同的透鏡配置。這里，i表 示從放大共軛側數到縮小共軛側的透鏡單元的順序，因此Bi表示第i個透鏡單元。圖1所 示的光學系統PL從放大共軛側開始依次包括由透鏡Ll組成的具有負的折光力的第一透 鏡單元Bi、由透鏡L2到L5組成的具有負的折光力的第二透鏡單元B2、由透鏡L6和L7組 成的具有正的折光力的第三透鏡單元B3、光闌(stop) S、以及由透鏡L8到L14組成的具有 正的折光力的第四透鏡單元B4。隨著屏幕S的位置從放大共軛側上的無限遠變為近距離 的距離變化，第二透鏡單元B2和第三透鏡單元B3以增大第二透鏡單元B2與第三透鏡單元 B3之間的距離的方式向縮小共軛側移動，從而進行聚焦。
在第一實施例和第二實施例中，以如下方式進行對由在將透鏡單元組裝到鏡筒 (未示出)中時發生的平行偏心導致的在垂直于光軸的方向上的色移的校正。在圖1所示 的第一實施例的情況下，在垂直于光軸的方向上移動在第四透鏡單元B4中的位于最接近 縮小共軛側的正透鏡(光學元件)L14以進行校正。正透鏡L14由阿貝數為22. 76的材料制成并且因此具有高的色散。因此，可以通過少量的平行偏心來實現色移校正。另外，材料 的折射率高達1. 808095。因此，由于針對其焦度(折光力是焦距的倒數)可以使透鏡表面 的曲率半徑較大，所以球面像差較小，并且容易減小由平行偏心所引起的偏心彗差和像平 面的傾斜的改變。
假設，例如，在稍后描述的數值實施例1中，透鏡單元的平行偏心的最大偏心量是 0. 05mm,并且透鏡單元中的平行偏心的最大量是0. 01mm。根據每個透鏡和透鏡單元的偏心 量以及每個透鏡和透鏡單元的光軸周圍的方向和隨機數的乘積，計算光軸上的色移的最大 量，從而關于波長470nm (藍色)和550nm(綠色)的色移被計算為0. 0038mm。
如果該透鏡被應用于使用像素間距為0. 008mm的液晶面板的投影儀，則產生達近 似像素間距的一半的色移，導致分辨率的很大的惡化。特別地，在屏幕的周邊區域中，與由 投影透鏡自身產生的橫向色差相關聯的色移也被添加到上述的色移，因此可以產生達近似 像素間距的色移。這導致分辨率的很大的惡化。在該實施例中，通過將正透鏡L14在垂直 于光軸的方向上移動0.觀讓，關于波長470nm (藍色)和550nm (綠色)的色移0.0038mm可 以被減小到零。
在圖3所示的第二實施例中的光學系統具有與第一實施例中的光學系統相同的 透鏡配置，但是在第二實施例中用于校正色移的透鏡不同于在第一實施例中用于校正色移 的透鏡。在圖3所示的第二實施例中，通過在垂直于光軸的方向上移動第三透鏡單元(光 學元件)B3來校正由在將透鏡單元組裝到鏡筒(未示出)中時出現的平行偏心引起的在垂 直于光軸的方向上的色移。在第三透鏡單元B3中，正透鏡L6由阿貝數為觀.46的材料制 成，并且負透鏡L7由阿貝數為55. 53的材料制成。因此，正透鏡L6的材料具有更高的色散。 因此，第三透鏡單元B3是色差透鏡(chromatic lens)，并且通過第三透鏡單元B3的小的移 動可以容易地實現色移的校正。
正透鏡L6的材料具有1. 72825的折射率，并且負透鏡L7的材料具有1. 696797的 折射率。正透鏡L6和負透鏡L7的折射率都有些高，而它們之間的差異較小。因此，第三透 鏡單元B3具有總體產生小的球面像差的透鏡配置。因此，如果出現第三透鏡單元B3的平 行偏心，則由此產生的偏心彗差將較小。此外，由于在該透鏡配置中在第三透鏡單元B3和 第四透鏡單元B4之間的間隙中光線基本上是無焦的(afocal)，因此由第三透鏡單元B3的 平行偏心所引起的像平面的傾斜較小。假設，例如，在稍后描述的數值實施例2中，透鏡單 元的平行偏心的最大偏心量是0. 05mm,并且透鏡單元中的平行偏心的最大量是0. Olmm0根 據每個透鏡和透鏡單元的偏心量以及每個透鏡和透鏡單元的光軸附近的方向和隨機數的 乘積，計算光軸上的色移的最大量，從而關于波長470nm(藍色)和550nm(綠色)的色移 被計算為0. 0038mm。如果該透鏡被應用于使用像素間距為0. 008mm的液晶面板的投影儀， 則將產生達近似像素間距的一半的色移，導致分辨率的很大的惡化。在該實施例中，通過 將第三透鏡單元B3在垂直于光軸的方向上移動0. 15mm，可以將關于波長470nm(藍色)和 550nm(綠色)的色移0. 0038mm減小到零。
描述在圖5所示的根據第三實施例的圖像投影裝置中使用的光學系統PL的配置。 圖5所示的光學系統是具有七個透鏡單元的七單元變焦透鏡。圖5所示的光學系統PL從放 大共軛側到縮小共軛側依次包括由透鏡Gl到G4組成的具有負折光力的用于聚焦的第一 透鏡單元10、由透鏡G5組成的具有正折光力的用于聚焦的第二透鏡單元20、由透鏡G6組成的具有正折光力的第三透鏡單元30、由透鏡G7組成的具有正折光力的第四透鏡單元40、 由透鏡G8組成的具有正折光力的第五透鏡單元50、由透鏡G9到G13組成的具有負折光力 的第六透鏡單元60、以及由透鏡G14和G15組成的具有正折光力的第七透鏡單元70。
在從廣角端到望遠端(tel印hoto end)的變焦期間，第三透鏡單元30、第四透鏡 單元40、第五透鏡單元50和第六透鏡單元60如箭頭所指示地沿著光軸移動。此外，與屏幕 S在放大共軛側上從無限遠移動到較近位置的位置變化對應，第一透鏡單元10和第二透鏡 單元20都分別移到縮小共軛側以增大其之間的間隙，從而進行聚焦。由于在將透鏡組裝到 鏡筒(未示出)中時發生透鏡Gl到G15的平行偏心，因此出現光軸上的色移。通過在垂直 于光軸的方向上移動第七透鏡單元(光學元件)70來校正色移。
第七透鏡單元70由膠合透鏡(色差透鏡)組成，該膠合透鏡由膠合在一起的正透 鏡G14和負透鏡G15制成。正透鏡G14由阿貝數為22. 76和折射率為1. 808095的材料制 成，并且負透鏡G15由阿貝數為37. 16和折射率為1. 834的材料制成。第七透鏡單元70的 材料的組合阿貝數是14. 675，并且第七透鏡單元70的組合焦距是115. 717。第七透鏡單元 70的材料的組合阿貝數較小，而第七透鏡單元70的色散較大。因此，通過第七透鏡單元70 的少量的平行偏心可以容易地實現色移校正。另外，第七透鏡單元70中的正透鏡G14和負 透鏡G15的材料的折射率較高，并且在正透鏡G14的材料和負透鏡G15的材料的折射率之 間的差異較小。因此，通過它們產生的球面像差和像場彎曲較小，并且即使出現平行偏心， 偏心彗差和像平面的傾斜上的變化也很難出現。此外，由于以軸外主光線基本上垂直于縮 小共軛面的方式布置第七透鏡單元70，因此即使出現平行偏心，偏心彗差和像平面的傾斜 上的變化也很難出現。
假設，例如，在稍后描述的數值實施例3中，透鏡單元的平行偏心的最大偏心量是 0. 05mm,并且透鏡單元中的平行偏心的最大量是0. 01mm。根據每個透鏡和透鏡單元的偏心 量以及每個透鏡和透鏡單元的光軸周圍的方向和隨機數的乘積，計算光軸上的色移的最大 量，從而關于波長470nm (藍色)和550nm(綠色)的色移被計算為0. 0030mm。如果該透鏡 被應用于使用像素間距為0. 008mm的液晶面板的投影儀，則產生達近似像素間距的一半的 色移，導致分辨率的很大的惡化。在該實施例中，通過將第七透鏡單元70在垂直于光軸的 方向上移動0. 16mm，可以將關于波長470nm (藍色)和550nm (綠色)的色移0. 0030mm減小 到零。
圖7A和圖7B是根據本發明的平行偏心調整機構的結構的示意圖。在圖7A和圖 7B中，鏡筒1保持在垂直于光軸的方向上移動的透鏡(或透鏡單元)。鏡筒1具有沿著鏡 筒1的圓周以等角間隔布置的三個同軸輥(roller)4A、4B和4C以及沿著鏡筒1的圓周以 等角間隔布置的三個偏心輥6A、6B和6C。保持鏡筒1的固定筒2具有沿著固定筒2的圓 周以等角間隔布置的細長孔(elongated hole) 3A和5A、細長孔和5B、以及細長孔3C和 5C。細長孔3AJB和3C被定向為分別垂直于細長孔5A、5B和5C。通過轉動偏心輥6A、6B 和6C，可以在垂直于透鏡的光軸的方向上移動鏡筒1。例如，通過轉動偏心輥6A，可以實現 在圖7B中的水平方向(紙上的左/右方向)上的平行偏心。通過轉動偏心輥6B，可以實現 在從圖7B中的左上方到右下方的方向上的平行偏心。通過轉動偏心輥6C，可以實現從圖 7B中的右上方到左下方的方向上的平行偏心。因此，通過轉動三個偏心輥6A、6B和6C，可 以實現鏡筒1的在水平和垂直方向上到期望位置的平行偏心。
將圖1、圖3和圖5中分別示出的用于色移調整的正透鏡L14、第三透鏡單元B3和 第七透鏡單元70保持在如圖7A和圖7B中示出的那樣的鏡筒中，以便使得能夠進行色移調 整。圖8是根據本發明的在垂直于光軸的方向上移動透鏡之后可以固定透鏡的鏡筒結構的 主要部分的截面圖。可移動筒8具有與固定筒7相對并且垂直于光軸15延伸的表面。由 調整裝置(未示出)相對于垂直于光軸15的方向調整可移動筒8的位置，然后通過保持部 件或螺釘11、13將可移動筒8固定到固定筒7。可移動筒8的螺釘孔9、14的尺寸大于螺釘 11、13的直徑，因此可以在垂直于光軸15的方向上移動可移動筒8。
利用上述結構，可以相對于由固定筒7保持的透鏡16的光軸移動由可移動筒8保 持的透鏡12的光軸。利用圖8所示的筒的結構，保持要在垂直于光軸的方向上被移動的透 鏡的可移動筒可以進行透鏡的平行偏心的調整。通過用諸如CCD的固態圖像拾取元件代替 液晶面板LCD，實施例的結構可以應用于諸如TV照相機或視頻照相機的圖像拾取裝置。如 果是這種情況，上面提出的條件中與圖像顯示元件相關聯的參數可以被認為是與固態圖像 拾取元件相關聯的參數，而沒有改變。
根據上述每個實施例，可以提供一種包括非常高分辨率的投影儀系統，其中不管 投影儀的透鏡是可互換類型的透鏡，屏幕上的色移都非常小。本發明不僅對于將多個原始 圖像投影到屏幕上以提供彩色圖像的投影儀是有效的，而且對于投影單個原始圖像的具有 可互換透鏡的投影儀也是有效的。本發明還可以被應用于與具有小像素間距的圖像拾取元 件(例如CCD傳感器或CMOS傳感器)一起使用的攝影透鏡。
根據本發明，能夠在不提供額外的用于色移校正的光學元件的情況下在具有用于 色移校正的光學元件的光學系統中進行色移校正。因此，可以實現與現有系統相比尺寸更 小并且結構更簡單的具有小的色移的高性能光學系統。本發明不僅可以被應用于投影儀， 而且可以被應用于使用可以提供非常高分辨率的圖像的CCD或CMOS傳感器作為圖像拾取 元件的數字照相機和視頻照相機的可互換透鏡。如果本發明被應用于這種可互換透鏡，則 可以獲得具有非常小的色移的圖像。
圖9是根據本發明實施例的圖像投影裝置的主要部分的示意圖。在圖9所示的裝 置中，在三面板類型的液晶彩色投影儀中使用上述變焦透鏡，并且通過顏色組合單元或棱 鏡102組合表示由多個液晶面板產生的圖像信息的多種顏色的光。圖9示出了圖像投影裝 置，其通過變焦透鏡103將圖像投影并且放大到屏幕表面104上。圖9所示的液晶彩色投 影儀101使用棱鏡102將來自用于R、G和B的三個液晶面板105R、105G和105B的相應顏 色R(紅色)、G (綠色)和B (藍色)的光組合成單個光路。然后，通過作為上述變焦透鏡之 一的投影透鏡103將圖像投影到屏幕104上。如上所述，根據各實施例的變焦透鏡可以被 適當地應用于將圖像投影和放大到位于有限距離的屏幕上的投影儀裝置。
圖10是根據本發明實施例的圖像拾取裝置的主要部分的示意圖。在該實施例中， 上述變焦透鏡被用作圖像拾取裝置106(例如，視頻照相機、膠片照相機或數字照相機)中 的攝影透鏡。在圖10所示的裝置中，通過攝影透鏡108將物體109的圖像形成在光敏部件 107上，并且獲得圖像信息。
在下文中，示出了數值實施例1和3，其分別對應于第一實施例和第三實施例。第 二實施例的數值實施例與數值實施例1相同。在每個數值實施例中，i表示從放大共軛側 (前側)數到縮小共軛側的光學表面的順序。在數值數據中，f表示焦距并且F表示數值孔12徑比(或F數)F。此外，ri表示從物側開始的第i個表面的曲率半徑。di表示在第i個 表面和第(i+Ι)個表面(光學表面)之間的間隔。ni表示從物側開始的第i個光學部件關 于d線的折射率，并且vi表示從放大側開始的第i個光學部件關于d線的阿貝數。
通過對表面序號加*作為后綴來表示非球面，并且在數值數據的部分(B)中給出 它們的非球面系數。在數值實施例1和3中，最接近縮小共軛側的三個表面是玻璃塊PR的 平坦表面。通過以下方程式表示非球面，其中χ是在距光軸的高度為h處、在平行于光軸的 方向上距作為參考點的面頂點的位移(或距離)0115]χ = (h2/r)/[l+{l-(l+k) (h/r)2}1/2] +A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h120116]其中1^是圓錐常數，44、4638、六10和六12是非球面系數，1~是近軸曲率半徑。表 達式“e-Z”表示“X10_z”。在表1中示出了在上述條件表達式和各數值實施例中的各種數 值之間的關系。0117]0118]0119]0120] 0121] 0122]0123]0124]0125]0126]0127]0128]0129]0130]0131]0132]0133]0134]0135]0136]0137]0138]0139]0140]0141]0142]0143]0144]數值實施例1 (也用作數值實施例2) 單位mm (A)透鏡配置焦距=12.,7F數=2表面:數據irdndVd1*81. 6765. 951.7725049.598230. 46725.19353. 8402.501.7725049.,598425. 98212.235-28.9732.901.4970081.,5466123.75911.53708.501.7204734.,7088-25.9852.051.8081022.,7619-55.7823.7910205.6396.951.7282528.,46111-45.0472.501.7282555.,5312-132.76942.3413 (光闌)019.Bl14158.9613.,851.4874970.23615-79.5161.,9116-321.4432.,001.8348142.7141721. 1247.,451.4874970.23618-46.8202.,0019153.9487.,251.4874970.23620-19.9902.,001.8348142.71421-200ι. 5672.,000145]22222.965 9.151.4970081.5460146]23-26.492.000147]24-152455 3.651.8081022.7610148]25-63.113 3.100149]26044.021.5163364.1420150]27021.001.8051825.4320151]2800152]⑶非球面系數0153]iK A4A6A8AlO0154]10 2. 52e-6 -5.32e--104. 87e--13-5. 77E0155]數值實施例30156](A)透鏡配置0157]irdndvd0158]144. 7335.301. 8061033.30159]222. 9598.140160]3*141. 2283.65L. 5831359.40161]4*30.63414.800162]5-28.9751.751. 4970081.50163]6-100.8430. 540164]7-242. 7473. 401.8051825.40165]8-71. 436可變0166]9-147. 7253. 701.8061033.30167]10-63. 523可變0168]11106.1212. 801.4874970.20169]12695. 425可變0170]1371. 1483. 601.8348142.70171]14437. 970可變0172]1582. 3793. 001.4970081.50173]16-326. 1021. 260174]170可變0175]18-92. 5081. 251.8051825.40176]1926. 2017. 351.4874970.20177]20-40.5872. 060178]21-26. 9711. 401.8348142.70179]2289. 8746. 601.5163364.10180]23-36.9040. 510181]24110.5258. 801.4970081.50182]25-35. 376可變0183]26155. 7016. 001.8081022.714
27—50．3791．801．8340037．2
28—212．697 3．10
29o44．021．5163364．1
30o21．oo1．8051825．4
3lo
單元間隔
廣角中間望遠
] 焦足巨 23．2629．7739．43
d83．333．333．33
ell037．8l6．562．7l
d1214．1329．555
d1434．3330．2l38．65
d173l 1．0812．2
d250．5l12．3731．2
(B)非球面系數
i KA4A6A8A10A12
3 0 8．19e一6 —3．00e一8 8．12e—l l —1．2le—13 6．36e—17
4 o —1．17e一6 —4．29e一8 9．4le—l l —1．62e—13 5．2le—17
表l
權利要求
1.一種圖像投影裝置，包括 圖像顯示元件；光學系統，將顯示在圖像顯示元件上的圖像投影到屏幕上；光學元件，在具有在垂直于光學系統的光軸的方向上的分量的方向上移動；調整機構，能夠在具有在垂直于光軸的方向上的分量的方向上移動光學元件；以及保持部件，將光學元件固定到鏡筒，其中滿足以下條件，vdch < 35，并且0. 5 (mm2) < PXfdch < 1. 3 (mm2),其中vdch是光學元件的材料關于d線的組合阿貝數，fdch是光學元件關于d線的組 合焦距，并且P是圖像顯示元件的像素間距。
2.根據權利要求1所述的圖像投影裝置，其中滿足以下條件 0. 10 < I IMG/fdch < 0. 30，其中IMG是由光學系統投影在屏幕上的被投影圖像的有效投影范圍。
3.根據權利要求1所述的圖像投影裝置，其中光學元件被放置為最接近光學系統中的 縮小共軛點，并且在圖像顯示元件的像素間距P以及對于光學元件在垂直于光軸的方向上 每1毫米移動的、在縮小共軛面上的關于F線和C線的色移的敏感度Δ Ch的方面，圖像投 影裝置滿足以下條件0. 7 < Ach/P < 4. 9，其中敏感度Ach被定義為Ach = L/(fdchXVdch)，其中L是從光學元件到縮小共軛 點的等效空氣長度，fdch是光學元件關于d線的組合焦距。
4.根據權利要求1所述的圖像投影裝置，其中滿足以下條件 Nch > 1. 65，其中Nch為光學元件的材料的平均折射率。
5.根據權利要求1所述的圖像投影裝置，其中光學元件包括膠合透鏡，該膠合透鏡由 膠合在一起的正透鏡和負透鏡制成，并且滿足以下條件Nchn-Nchp < 0. 1,其中Nchn為被包括在光學元件中的負透鏡的材料關于d線的折射率，并且Nchp為被 包括在光學元件中的正透鏡的材料關于d線的折射率。
6.根據權利要求1所述的圖像投影裝置，其中光學元件包括正透鏡和負透鏡并且整體 具有正的折光力，并且正透鏡的材料的阿貝數小于負透鏡的材料的阿貝數。
7.根據權利要求1所述的圖像投影裝置，其中光學系統具有倍率變化的透鏡單元，并 且光學元件位于倍率變化的透鏡單元的縮小共軛側。
8.一種圖像投影裝置，包括 圖像顯示元件；光學系統，將顯示在圖像顯示元件上的圖像投影到屏幕上； 光學元件，在具有在垂直于光學系統的光軸的方向上的分量的方向上移動； 調整機構，能夠在具有在垂直于光軸的方向上的分量的方向上移動光學元件；以及 保持部件，將光學元件固定到鏡筒，其中滿足以下條件vdch < 35，并且.0. 10 < I IMG/fdch < 0. 30，其中vdch是光學元件的材料關于d線的組合阿貝數，fdch是光學元件關于d線的組 合焦距，并且IMG是由光學系統投影在屏幕上的被投影圖像的有效投影范圍。
9.根據權利要求8所述的圖像投影裝置，其中光學元件被放置為最接近光學系統中的 縮小共軛點，并且在圖像顯示元件的像素間距P以及對于光學元件在垂直于光軸的方向上 每1毫米移動的、在縮小共軛面上的關于F線和C線的色移的敏感度Δ ch的方面，圖像投 影裝置滿足以下條件 0. 7 < Ach/P < 4. 9，其中敏感度Ach被定義為Ach = L/(fdchXVdch)，其中L是從光學元件到縮小共軛 點的等效空氣長度，fdch是光學元件關于d線的組合焦距。
全文摘要
本發明涉及一種圖像投影裝置，其包括圖像顯示元件；光學系統，將顯示在圖像顯示元件上的圖像投影到屏幕上；光學元件，在垂直于光學系統的光軸的方向上移動；調整機構，能夠在垂直于光軸的方向上移動光學元件；以及將光學元件固定到鏡筒的保持部件，其中，光學元件的材料關于d線的組合阿貝數vdch、光學元件關于d線的組合焦距fdch、以及圖像顯示元件的像素間距P滿足適當的條件。
文檔編號G03B21/10GK102033394SQ20101029601
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月29日 優先權日2009年10月2日
發明者豬子和宏, 菅原三郎, 高橋真 申請人:佳能株式會社