专利名称：投影图像显示装置及其使用的投影光学单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如将彩色放大图像投影在屏幕上来进行图像显示的投影图像显示装置，尤其涉及相对屏幕倾斜投影放大图像而可在屏幕上得到放大图像的投影图像显示装置及其使用的投影光学单元。
背景技术：
在通过投影光学单元将投影型布劳恩管和液晶显示装置(液晶面板)等的图像显示元件上的彩色图像放大投影在屏幕上的、所谓的投影型彩色图像显示装置中，要求在屏幕上得到充分大的放大图像，同时，缩短装置的进深尺寸。为了实现该要求，在现有技术中，已知例如如特开平5-134213号公报、特开2000-162544号公报、特开2002-357768号公报所记载的、相对屏幕从倾斜方向(相对屏幕法线以预定的角度)来放大·投影图像的技术。
但是，若从相对屏幕倾斜方向投影图像显示元件上的图像，则在屏幕上投影的图像上产生了所谓的梯形失真。为了消除该失真，在上述专利文献1所记载的投影光学单元中，是使在屏幕侧配置的无焦转换器(afocal conversion)偏转来抑制该梯形失真的结构。但是，由于该专利文献1所公开的无焦转换器其倍率低，所以投影图像的广角化困难，因此，有不能实现装置的薄型化的问题。
另外，通过上述专利文献2所记载的投影光学单元，从其结构来看，投影图像的广角化还是很困难。因此，有难以将专利文献2所记载的单元应用于背投型彩色图像显示装置从而实现装置的充分薄型化的问题。进一步，在该专利文献2所记载的投影光学单元中，由于需要分别偏转所使用的透镜，所以还有制造困难的问题。
进一步，上述专利文献3记载的投影光学单元具有有正的光焦度的第一折射透镜系统、有负的光焦度的第二折射透镜系统、和光路折返镜。在该结构中，在构成上述具有负的光焦度的第二折射透镜系统的透镜内，至少两个透镜为其旋转对称轴彼此不同的偏转系统。因此，在制造时，很难充分确保各透镜的位置精度，因此，存在制造还是很困难的问题。
如上所述，在构成图像显示装置的投影光学单元中，为了更缩短其进深，会需要从相对屏幕倾斜方向放大投影的所谓倾斜投影。并且，为了使进深进一步缩短，需要使该倾斜投影的角度更大。
但是，在使该倾斜投影的角度更大的情况下，上述梯形失真也进一步变大了。因此，需要进一步变大校正该梯形失真用的偏转量。由此，制造满足该要求的光学单元进一步变得困难。另外，与此相关，需要使所需的透镜直径也变大。即，在上述现有技术的光学系统中，使投影光学单元、进而图像显示装置的进深更小是困难的。
发明内容
本发明提供一种在相对屏幕倾斜投影图像的装置中，可降低屏幕上的图像的失真来发挥好的显示特性的技术。
另外，本发明尤其提供一种可在背投型显示装置中，可减小屏幕上的图像失真，同时减小装置的进深尺寸的技术。
本发明具有第一光学系统，包括放大在图像显示元件上显示的图像来进行投影用的多个透镜，且光轴与上述图像显示元件的中心轴大致相等；第二光学系统，将来自第一光学系统的放大图像相对上述屏幕的法线以预定的角度投影到该屏幕上，所述第二光学系统包含光学元件，该光学元件具有用于将来自所述第一光学系统的放大图像进行反射并导至所述屏幕的曲面。并且，本发明的特征在于，在通过所述光学元件来反射而入射到所述屏幕的光的光路长度为光学距离时，弯曲该光学元件的、以第一光学距离来反射光的部分，使得凹面向着其反射方向，弯曲以比所述第一光学距离短的第二光学距离来反射光的部分，使得凸面向着其反射方向。
本发明中，在所述光学元件是其反射面为自由曲面(free shapedsurface)形状的曲面反射镜，所述第二光学系统从所述屏幕的下方相对所述屏幕的法线以预定的角度进行投影的情况下，优选为所述曲面反射镜，弯曲对比所述图像显示元件的中心更靠上方的图像的光进行反射的部分，使得凹面向着其反射方向，具有正的光焦度，且弯曲对比所述图像显示元件的中心更靠下方的图像的光进行反射的部分，使得凸面向着其反射方向。另外，上述光学元件优选是为自由曲面形状的镜面。另外，优选进一步包含平板状的背面镜，用于反射来自所述光学元件的放大图像，并投影到所述屏幕的背面侧。进一步，本发明中，优选将所述光学元件配置在所述背面镜的下方，进一步，所述光学元件优选至少由两个自由曲面镜构成。
本发明具有第一光学系统，是包含多个用于放大所述图像显示元件上显示的图像并进行投影的透镜，且光轴通过所述图像显示元件的大致中心，由对于该光轴对称的形状的面构成的共轴光学系统；第二光学系统，将来自所述第一光学系统的放大图像相对所述屏幕倾斜投影。并且，本发明的进一步特征是所述第二光学系统包括光学元件，该光学元件具有用于校正通过所述放大图像的倾斜投影产生的梯形失真和/或像差的自由曲面。
上述光学元件包含为自由曲面形状的曲面反射镜。并且，弯曲该曲面反射镜的、对比所述图像显示元件的中心更靠上方的图像的光进行反射的部分，使得凹面向着其反射方向并具有正的光焦度(power)，且弯曲对比所述图像显示元件的中心更靠下方的图像的光进行反射的部分，使得凸面向着其反射方向并具有负的光焦度。
本发明也可在与所述屏幕的法线平行的该屏幕的垂直方向的面内，在设该放大图像的上端的光线通过所述反射面来反射而达到所述屏幕上的距离为L1、所述放大图像的下端的光线通过所述反射面来反射而到达所述屏幕上的距离为L2，所述屏幕上的画面的上端到下端的距离为Dv，入射到所述屏幕画面的中央的光线和该屏幕的法线所成的角度为θ时，构成为满足下面的式子|L1-L2|＜1.2·sinθ·Dv。
另外，优选上述L1和L2的差的绝对值|L1-L2|形成为比该自由曲面的形状为平面的情况小。另外，在与所述屏幕的法线平行的该屏幕的垂直方向的面内，在设该放大图像的上端的光线通过自由曲面的反射面来反射而达到所述屏幕上的距离为L1、放大图像的下端的光线通过自由曲面的反射面来反射而到达屏幕上的距离为L2，所述屏幕上的画面的上端到下端的距离为Dv时，形成这些，使其满足下面的式子|L1-L2|＞0.4·Dv。
根据本发明，可以减小由图像的倾斜投影产生的梯形失真，同时，可以减小装置的光学进深。
图1是表示在本发明的实施方式的投影型图像显示装置中，尤其是其投影光学单元的基本结构的截面图；图2是为了说明向上述投影光学单元的屏幕的倾斜投影，而放大显示上述图1的一部分的局部放大图；图3是表示上述投影光学单元中的相对倾斜入射角度的光学进深的变化的图；图4是表示上述投影光学单元中的相对倾斜入射角度的自由曲面镜的大小的变化的图；图5是表示本发明的实施例1的投影光学单元的结构和光路的图；图6是表示上述实施例1的投影光学单元的失真性能的图；图7是表示上述实施例1的投影光学单元的亮点性能的图；图8是表示本发明的实施例2的投影光学单元的结构和光路的图；图9是表示上述实施例2的投影光学单元的失真性能的图；图10是表示上述实施例2的投影光学单元的亮点性能的图；图11是示意表示使共轴光学系统的投影透镜相对屏幕倾斜而倾斜入射的情况下的图；图12是本实施方式的投影透镜的一具体例。
具体实施例方式
下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。首先，附图1是表示本发明的一实施方式的投影图像显示装置，尤其是背投型图像显示装置中使用的投影光学单元的基本结构的截面图。
在该图1所示的投影光学单元的基本结构中，从在图的下侧配置的图像显示元件1射出的光通过包含多个具有旋转对称面形状的折射透镜的第一光学系统2(具体为投影透镜)。之后，通过具有自由曲面形状的反射面的第一反射镜3(下面，称作“自由曲面镜”)的表面反射，并进一步，通过第二自由曲面镜4来反射。该反射光通过作为第三光学系统的具有平面反射面的背面镜5来反射后，入射到屏幕6的背面。另外，在本实施例中，将由上述第一自由曲面镜3和第二自由曲面镜4构成的光学系统称作第二光学系统。
这里，上述图像显示元件1例如可以是投影型布劳恩管等的自发光型的元件，或可以是液晶面板等的透过型元件。另外，在该图中，对于上述图像显示元件1由液晶面板形成的透过型的元件构成情况下所需的例如灯等的照射单元，省略其图示。另外，在例如采用了液晶面板来作为该图像显示元件1的情况下，也可以是使用三个液晶面板来合成多个颜色的图像的方式，但是，在该图中，对于该情况下所需的合成用棱镜等，省略其图示。另外，从图中可以看出，上述图像显示元件1将其显示画面的中央配置在上述第一光学系统(投影透镜)2的光轴上。这样，通过将图像显示元件1的显示画面的中央配置在上述第一光学系统的光轴上，可以实现由倾斜投影带来的进深小的光学系统，而不会变大透镜的大小。
并且，如图1所示，从上述图像显示元件1的画面的中央射出，通过上述第一光学系统(投影透镜)2的入射光瞳的中央，之后，入射到屏幕6的画面的中央的光线11倾斜入射到屏幕上。这里，在该光线11入射到屏幕的点P0中，设屏幕面的法线和该光线11所成的角度为θ，后面，将其称作“倾斜入射角度”。另外，该图1所示的截面显示了由入射到上述屏幕6的画面中央的光线11和该屏幕的法线形成的平面中的上述投影光学单元的截面。即，该截面是与屏幕6的法线平行的垂直方向的截面。
另一方面，在上述截面中，从上述图像显示元件1的画面下端射出的光线12沿着连接该画面的下端和上述第一光学系统(投影透镜)2的入射光瞳的中央的直线，入射到位于对应于此的屏幕上的位置，即，屏幕6上的画面上端的点P1上。将该光线12从通过(反射)第二自由曲面镜4的点P3经过上述背面镜5上的点P2到达屏幕上的点P1的光路长度称作L1。另外，从上述图像显示元件1的画面上端射出，沿着连接该画面的上端和上述第一光学系统(投影透镜)2的入射光瞳的中央的直线进入，并且，入射到位于作为对应于此的屏幕上的位置、即屏幕6的画面的下端的点P4。将该光线13从通过(反射)第二自由曲面镜4的点P6经过背面镜5上的点P5到达屏幕上的点P6的光路长度称作L2。
并且，在本实施方式的投影光学单元中，上述光路长度L1、L2(光路长度的差)构成为满足下面的式1。
|L1-L2|＜1.2·sinθ1·Dv其中，Dv是图1的截面内的屏幕上的画面的大小。换而言之，是从屏幕6上的画面上端的点P1到该画面下端的点P4的距离。另外，θ是上述倾斜入射角度。进一步，在本实施方式的投影光学单元中，上述光路长度L1和L2的差的绝对值|L1-L2|构成为比使第二自由曲面镜4的形状为平面的情况小。
以下详细说明使上述光路长度的差|L1-L2|满足上述式子的理由。
另外，由于使来自构成上述第一光学系统的投影透镜2的光相对屏幕6倾斜入射，所以通过上述背面镜5来折返(反射)、进而由此可以减小背投型的图像显示装置的进深尺寸这点可被很好理解。
这里，图2表示共轴光学系统的投影透镜21(对应于图1的符号2)相对屏幕27(对应于图1的符号6)倾斜，使光线22、23、24倾斜入射的情况下的示意图。在该图2中，在从在投影光学系统21的光轴上放置的图像显示元件20(对应于图1的符号1)的画面中央沿光轴射出的光线22到达上述屏幕27时，如下这样来表示与在该屏幕附近的光线22垂直的方向上的画面的大小。即，该画面的大小是与该光线22垂直的线与其上方的光线23的交点P11、和与上述光线22垂直的线和其下侧的光线24的交点间的距离。并且，其大小为本来(即，相对屏幕垂直方向入射的情况下)在屏幕27上投影的图像显示元件20的画面大小(纵方向的长度)的Dv。
但是，由于倾斜入射来自图像显示元件20的画面的光线，所以从该画面射出的上方的光线23实际上到达了上述屏幕27上的点P12。因此，屏幕上的画面变得比Dv大，这成为图形失真的原因。同时，在从该画面射出的上方的光线23和下方的光线24之间也同样在投影透镜21到屏幕27的光路长度产生了偏差。另外，该光路长度的差的大小近似地相当于与来自画面中央的光线22垂直的线和来自画面上方的光线23的交点P11、与该光线23和屏幕27的交点之间的距离。
因此，在上述图1中说明了其结构的本实施方式的投影光学单元中，在投影透镜21(对应于图1的符号2)的稍外侧，如上所述，配置了自由曲面镜(图1中，第一自由曲面镜3和第二自由曲面镜4)。因此，在认为通过该自由曲面镜校正了上述图形失真的情况下，在屏幕27上例如将来自画面上方的光线23到达的位置从上述的点P12移动到图2中由P14表示的点上。另外，来自画面下方的光线24在图中如符号26所示那样移动。即，由此，投影到屏幕27上的上述图像显示元件20的画面的大小(纵方向的长度)为作为本来的大小的Dv。
这里，图11示意表示通过自由曲面镜来反射来自作为旋转对称的光学系统的投影透镜的光，并相对屏幕倾斜入射的情况下的状态。在图11中，在投影光学系统21的光轴上放置图像显示元件20，从该图像显示元件20的画面中央沿投影光学系统20的光轴射出的光线22(下面，将其称作中央光线)通过镜子28来反射后，以角度θ来倾斜入射到屏幕27上。在镜子28为平面的情况下，由投影光学系统21投影的图像原样倾斜投影在屏幕27上。这时，在屏幕画面上向着图11的上侧端的光线23(由虚线表示)入射到屏幕上的点、和向着下侧端的光线24(由虚线表示)入射到屏幕上的点相对上述中央光线22入射的点P23为非对称。因此，在屏幕上的图像上产生了梯形失真。这时，沿着向着上述屏幕画面的上端的光线23的镜子28到屏幕27的光路长度、和沿着向着上述屏幕画面的下端的光线24的镜子28到屏幕27的光路长度之间产生了很大的偏差。
这里，若使镜子28的形状为自由曲面来校正失真，则在屏幕画面中向着图11的上侧端的光线如图11的光线25那样向下侧移动，进一步，向着下侧端的光线为图11的光线26那样。由此，上述光线25入射到屏幕的点、和光线26入射到屏幕的点相对上述中央光线22入射的点P23为对称。因此，可以确认光线25入射到屏幕的点、和光线26入射到屏幕的点的距离与正确的画面大小Dv大致相等，校正了失真。这时，从沿着上述光线25的镜子28到屏幕27的光路长度、与从沿着上述光线26的镜子28到屏幕27的光路长度的差与上述光线23和光线24的情况相比变小。
即，在本实施方式中，通过使镜子28的形状为自由曲面形状，减小了从沿着向着上述屏幕画面的上侧端的光线的镜子28到屏幕27的光路长度与从沿着向着上述屏幕画面的下侧端的光线的镜子28到屏幕27的光路长度的差。结果，适当地校正了由倾斜投影造成的失真。
参照图11来说明如上所述良好校正失真用的镜子28的自由曲面形状的一例。镜子28中，弯曲反射相对屏幕的画面中央从镜子28到屏幕的光路长度比中央光线22长的光(即，图11中，向着比屏幕上的点P23更靠上侧的部分的光线(例如光线25))的部分，使得凹面向着其反射方向。即，在比镜子28的、反射中央光线22的点P22还上侧的部分中，为凹面的反射面，使其具有正光焦度。另一方面，弯曲反射相对屏幕的画面中央从镜子28到屏幕的光路长度比中央光线22短的光(即，图11中，向着比屏幕上的点P23下侧的部分的光线(例如光线26))的部分，使得凸面向着其反射方向。即，在比镜子28的、反射中央光线22的点P22还下侧的部分中，为凸面的反射面，使其具有负光焦度。
主要地，弯曲本实施方式的自由曲面镜28的反射具有第一光学距离的光线25的部分，使得凹面向着其反射方向，弯曲反射具有比第一光学距离短的第二光学距离的光线26的部分，使得凸面向着其反射方向。由于在本实施方式中，从屏幕的下方来倾斜投影图像，所以弯曲本实施方式的自由曲面镜28的反射比图像显示元件的中心更靠上方的图像的光的部分即镜子28的上部，使得凹面向着其反射方向，而具有正的光焦度。另一方面，弯曲反射比图像显示元件的中心更靠下方的图像的光的部分即镜子28的下部，使得凸面向着其反射方向，而具有负的光焦度。
若回到图2，在校正失真时，来自画面的上方的光线25与来自画面的下方的光线26之间的光路长度的差近似为相当于上述点P13和点P14之间的距离的大小。即，在屏幕27上投影的上述图像显示元件20的画面大小(纵方向的长度)与图形失真校正前相比减小了。更详细的，调整自由曲面镜的表面，使得上述光路长度的差(从图像显示元件20的画面射出的上方的光线23和下方的光线24之间产生的投影透镜21到屏幕27的光路长度的差)为相当于点P13和点P14的距离的程度。由此，通过该自由曲面镜，可以校正上述图形失真。
另外，可以近似通过下面的式2来求出上述点P13和点P14之间的距离(下面，将其设为Lx)。
Lx＝Dv·(sinθ)/(cosθ’)这里，θ’是在上述图2的截面中，从自由曲面镜射出后的上述图像显示元件20的半画角。例如，若考虑一般可广泛在市场中得到的彩色图像显示装置的投影光学单元的结构等，将上述半画角的值设为例如约30度，则上式2成为下面的式3。
Lx＝1.2·(sinθ)·Dv另外，在上述的近似中，还包含了自由曲面镜配置在距屏幕充分远的位置上的条件。但是，在该自由曲面镜接近于屏幕的情况下，上述光路长度的差为更小的值。因此，可以看出上述光路长度的差比上式的值更小就成为条件。由此，在包含多个折射透镜的第一光学系统中，可以实现由投影光的倾斜入射带来的梯形失真的校正，而不会偏转透镜和增大透镜直径。即，根据本实施方式，可以实现减小了该光学系统的进深，且其制造容易的投影光学单元。
这里，进一步，为了实现制造更容易的投影光学单元，下面，详细说明用于使上述自由曲面镜的大小为充分小的条件。
附图3表示如上述图1所示，在使用自由曲面镜(第一自由曲面镜3和第二自由曲面镜4)来校正了梯形失真的光学系统中，在其倾斜入射角度θ变化了的情况下，伴随其变化的进深的值。该进深的值为可实现的装置的最小值。即，该图中的曲线的横轴是倾斜入射角度θ。另一方面，其纵轴表示进深的长度，这里，该进深的长度通过上述图1所示的截面内的屏幕上的画面的大小Dv来规格化，用相对值来表示。另外，这里所示的进深，是指在通过近轴计算，在通过背面镜5弯曲的光线彼此不干涉的条件下，从调整了背面镜5的位置的结果的光线路径算出的值。当然其中不包含镜筒和镜子厚度等。下面，将其称作“光学进深”。
即，如该图3所示，可以看出“倾斜入射角度”θ越大，构成投影光学单元的光学系统的进深(光学进深)可以越小。进一步，该光学系统的进深根据上述图1中，向着屏幕6上的画面上方的光线12和向着下方的光线13的扩展角而不同。并且，该扩展角如前所述，在使用了自由曲面形状的反射面的本发明的光学系统中，与向着画面上端的光线和向着画面下端的光线的光路长度的差|L1-L2|相等。因此，该图3表示了设将光路长度的差的参数为DL，上述光路长度的差|L1-L2|不同的情况下的上述进深的变化。即，表示了光路长度的差(即，DL的值)越大，该光学系统的进深越小。另外，该DL严格来说是通过画面的大小Dv来除上述光路长度的差|L1-L2|的值(DL＝|L1-L2|/Dv)。
这里，作为使装置的进深大幅度变小的光学系统，例如为了使光学进深变小到屏幕画面的大小的0.5倍以下，从上述图3可以看出，可以使“倾斜入射的角度”θ为35度以上(其中，光路长度的差为(DL＝0.4)的情况下)。
另一方面，上述自由曲面镜其尺寸越大，其制造越困难。由此，使该自由曲面镜为广东规定的大小以下是重要的。例如，在上述图1所示的构造中，还使背面镜5的大小为屏幕画面的约70％以上。在将其应用于50英寸以上的大画面的背投的情况下，该背面镜5的大小为超过了500mm的大小。因此，将该背面镜5的表面加工为满足上述条件的自由曲面形状是困难的。即，具有这种大小的自由曲面镜的制造实际上是困难的。换而言之，在上述图1所示的结构的背投中，使背面镜5为自由曲面是不恰当的。
因此，在本实施方式中，还如上述的图1所示，在通过该背面镜来弯曲其光路之前的光路上配置上述自由曲面镜。更具体地提出了在上述屏幕6的下部附近配置自由曲面镜。进而提出了由第一自由曲面镜3和第二自由曲面镜4来构成该自由曲面镜，配置在上述屏幕6的下部附近的情况。但是，即使这种自由曲面镜的配置结构，也存在根据条件的不同，该自由曲面镜的大小从其制造的观点来看过大的情况。
例如，图4表示在上述图1所示的配置结构中，随着作为大的自由曲面镜的第二自由曲面镜4的大小，来求出相对“倾斜入射角度”θ的变化的结果。另外，在该图4中，其横轴为“倾斜入射角度”θ，其纵轴表示对于该自由曲面镜来说所需的大小。这里，所谓上述自由曲面镜的大小是指如上述图1所示的截面内的大小(点P3到P6的距离)，且通过该截面内的屏幕上的画面的大小Dv来规格化并进行显示。
如该图4所示，可以看出“倾斜入射的角度”θ越大，自由曲面镜大小越大。另外，在上述光路长度的差|L1-L2|不同的情况下，可以看出该光路长度的差越大，自由曲面镜的大小可以越小。
但是，在为上述图1所示的结构的例如50英寸等的大画面的背投的情况下，从使自由曲面镜的制造变得容易这点来看，希望上述自由曲面镜4的大小(即，作为其短边的上述图1的截面内的尺寸)为屏幕上的画面大小的约0.3倍以下。
因此，若考虑该条件来看上述图4，可以看出在该光路长度的差为0.4的情况下，需要使倾斜入射的角度θ为35度以下。另一方面，在该光路长度的差为0.5的情况下，该倾斜入射的角度θ大至接近50度。
这里，若除了上述图3的曲线之外，进一步合并图4的曲线，则为了减小前述的“光学进深”，可以变大该倾斜入射的角度θ。另一方面，为了减小自由曲面镜的大小，需要减小该倾斜入射的角度θ。即，可以看出两者对于倾斜入射的角度θ为相反的倾向。因此，可以看出存在不能根据条件使进深和自由曲面镜的大小两者同时变小到希望的大小以下的情况。
因此，若着眼于作为上述参数的光路长度的差|L1-L2|(严格上，DL＝|L1-L2|/Dv)，可以看出光路长度的差越大，光学进深、自由曲面镜的大小也同时向越小的方向变化。因此，为了满足两者的条件，优选变大光路长度的差。
即，从上述图3和图4所示的曲线可以理解，存在同时满足(1)光学进深为目标值以下；(2)自由曲面镜的大小也为制造容易的尺寸以下这两个条件的倾斜入射的角度θ的范围。并且，为了设置这种倾斜入射的角度θ，应理解上述光路长度的差(严格上为DL＝|L1-L2|/Dv)为0.4以上。
另外，上面如上述图1所示的实施方式所示，以由自由曲面镜形成的光路的弯曲方向在包含画面的短边方向(纵方向)的平面内的结构为基础来进行说明。但是，可以明白与上述图1相反，在光路的弯曲方向为包含画面的长边方向(水平方向)的平面内的构造的情况下，也可与上述相同地构成。即，在这种结构中，可以减小进深，同时减小上述自由曲面镜的大小。因此，在这种构造中，当然可以得到制造容易的光学系统。即，如上所述，可以实现在减小背投型图像显示装置的进深的同时，减小自由曲面镜的大小，由此，使其制造容易的光学单元。
进一步，下面举该各部分的数值来详细说明上面说明的本发明的背投型图像显示装置的光学单元的具体实施例。
实施例1使用附图5～图7和图12，进而下面的表1所示的数值，来说明本发明的实施例1。图5表示了本实施例1的光线图。即，从在图的下侧配置的图像显示元件31射出的光通过由多个折射透镜构成的第一光学系统32。之后，通过构成第二光学系统的第一自由曲面镜33、进而第二自由曲面镜34来进行反射。并且，通过作为平面镜的背面镜35的表面来反射，而入射到屏幕36上。
这里，上述第一光学系统完全是由轴对称形状的折射面构成的共轴光学系统，且这些折射面内的4个由轴对称非球面构成，其他由球面构成。另外，这里所用的轴对称的非球面使用每个面的局部(local)圆筒坐标系，来由下面的公式1式表示。
公式1Z=cr21+1-(1+k)c2r2+A·r4+B·r6+C·r8+D·r10+E·r12+F·r14+G·r16+H·r18+J·r20]]>这里，r是距光轴的距离，Z表示下陷(sag)量。另外，c是顶点的曲率，k是圆锥常数，A～J是r的幂乘项的系数。
接着，构成上述第二光学系统的自由曲面使用以各面的面顶点为原点的局部正交坐标系(x、y、z)来由包含X、Y的多项式的下面的公式2来表示。
公式2Z=cr21+1-(1+k)c2r2+Σm·Σn(C(m,n)·xm·yn)]]>
这里，Z表示与X轴和Y轴垂直的方向上的自由曲面的形状的下陷量，c是顶点上的曲率，r是距X、Y轴的平面上的原点的距离，k是圆锥常数，C(m、n)是多项式的系数。
进一步，图12表示本实施例1的投影透镜的一构成例，下面的表1中表示了包含构成本实施例1的光学单元的透镜数据的数值。这里，若将物体面、即图像显示元件的显示面设为“S0”，则面编号(Surface)依次由符号S0～S28来表示。其中S0～S24对应于图12的S0～S24表示的各光学要素的面。S1和S2分别是包含合成例如三个图像显示元件的显示图像用的分色镜的光合成部的射入射出面。S25～S28对应于图5的S0～S24所示的各光学要素的面(反射面、屏幕面)。即，S25表示第一自由曲面镜33的反射面，S26表示第一自由曲面镜34的反射面，S27表示平面反射镜35的反射面，并且，S28表示像面，即屏幕面。另外，在该表1中，Rd表示各面的曲率半径，上述图5中，该面在左侧具有曲率中心的情况下，由正值表示，在与其相反的情况下用负值来表示。另外，在下述表1中，TH表示与下一面的面间距离，具体的，表示从该透镜面的顶点到下一透镜面的顶点的距离。另外，在表1中，nd表示图12中所示的各透镜元件的折射率、νd表示该透镜元件的阿贝数。
表1
另外，在上述图5和图12中，在相对该透镜面下一透镜面存在于左侧时该面间距离用正的值来表示，而在右侧时用负值来表示。
另外，在上述表1中，S7、S15、S23和S24四个面如上所述由旋转对称的非球面构成。这4个面的非球面的系数由下面的表2表示。
表2
另外，在上述的表1中，如上所述，S25和S26表示在上述图5中，作为第二光学系统的第一自由曲面镜33和第二自由曲面镜34的自由曲面形状的反射面。对于这些反射面的自由曲面的形状，在下面说明其细节。
首先，设该局部坐标的原点在上述第一光学系统的光轴上，将S25(第一自由曲面镜33)的自由曲面配置在离开S24表所示的面间距离(TH)的位置上。因此，从图像显示元件31的画面中央通过第一光学系统32的光轴的光线(下面，称作“中央光线”)入射到上述S25的局部坐标的原点上。
另一方面，S26的局部坐标的Y轴和Z轴位于上述图5的截面内，该Z轴相对上述中央光线大致倾斜40度地配置。并且，将上述S26的自由曲面配置在其局部坐标地原点位于由上述S25面反射的上述中央光线的路径上，且离开上述S25面所显示的面间距离(TH)的位置上。即，该S26的局部坐标的Y轴和Z轴位于上述图5的截面内，且该Z轴相对入射到第26面的上述中央光线大致倾斜40度地配置。
在下面的表3中表示了表示这两个自由曲面的形状的系数的值。
表3
如上所述，在本第一实施例中，两个自由曲面镜(第一自由曲面镜33和第二自由曲面镜34)间的距离为约180mm，但是为了较好地校正梯形失真，优选这两个自由曲面镜的间隔为150mm以上。这是因为若两个自由曲面镜过近，则作为两者的参数的系数功能产生了重复，制约了该失真校正的能力，而不能良好校正梯形失真。
作为上述第一光学系统32的画角，优选将从图像显示元件31上的画面的上端输出、通过了该第一光学系统的入射光瞳的中央的光线和光轴所成的角度设为15度以下。由此，可以维持上述两个自由曲面镜的间隔，同时保证自由曲面镜的大小为更小。
进一步，从上述表1、表3中可以看出，在本实施例1中，曲率c和圆锥系数k为0。其在由倾斜入射引起的梯形失真在倾斜入射的方向中极大产生，在与其不同的垂直方向中其失真量减小。因此，在倾斜入射的方向和与此垂直的方向中，需要有极大不同的功能，通过不利用旋转对称作用于所有方向上的上述曲率c和圆锥系数k(即，将其值设为0)，而可以良好校正图形失真。
另外，进一步，在上述实施例1的光学系统中，上述S25的镜子和S26面的镜子中，其局部坐标系的坐标轴大致平行地配置，由此，可以良好校正图形失真和亮点形状。
在附图6中表示由在上述中具体表示了其数值的本实施例1的光学单元得到的图形失真的状况。另外，该图6的纵方向(y轴)与上述图5的上下方向一致，另一方面，其横方向(x轴)表示与屏幕上的上述y轴垂直的方向，即上述图5的进深方向。该图所示的长方形的中央表示投影画面的中央。并且，在该图中，通过显示纵方向四分割、横方向8分割投影画面的直线的弯曲状态，来表示由上述自由曲面镜(S25的镜子33和S26的镜子34)造成的图形失真的校正状况。
进一步，在附图7中表示上述本实施例1的亮点图表。在该图7中，从上侧开始表示由(1)到(8)的数字表示的亮点图表的形状。即，从图上顺序表示该XY坐标的相对值为(1，1)、(0，1)、(0.6，0.6)、(1，0)、(0，0)、(0.6，-0.6)、(1，-1)、(0、-1)8点射出的光束的亮点图表图。另外，各亮点图表图的横方向表示屏幕上的x方向，纵方向表示屏幕上的y方向。
从上可以看出上述本实施例1的光学单元显示了良好的性能。
实施例2接着，使用附图8～10和12，进一步下面所示的表4～表6，在下面详细说明光学单元的第二实施例。
首先，图8表示本实施例2的光线图。即，从在图的下侧配置的图像显示元件41射出的光通过包含多个折射透镜的第一光学系统42。之后，通过第二光学系统的第一自由曲面镜43，进一步通过第二自由曲面镜44来反射。并且，通过作为平面镜的背面镜45来反射，并入射到屏幕46上。
这里，上述第一光学系统完全是由轴对称形状的折射面构成的共轴光学系统，且这些折射面内的4个由轴对称的非球面构成，其他由球面构成。另外，这里使用的轴对称非球面使用每个面的局部圆筒坐标系，由已经在上面表示的公式数1来表示。
接着，构成上述第二光学系统的自由曲面使用以各面的面顶点为原点的局部直角坐标系(x、y、z)，由包含X、Y的多项式的已经在上面表示的公式2来表示。
进一步，在下面的表4中表示了包含构成本实施例2的光学单元的透镜数据的数值。这里表4的S0～S24对应于图12的S0～S24表示的各光学单元的面。若设物面、即图像显示元件的显示面为“0”，则依次从S1到S27来表示面编号(Surface)，S28是像面，即屏幕面。另外，与上述实施例1相同，S25表示第一自由曲面镜43的反射面，S26表示第一自由曲面镜44的反射面，S27表示平面反射镜45的反射面。另外，在该表4中，Rd表示各面的曲率半径，在上述图8中，在该面在左侧具有曲率中心的情况下，用正的值来表示，在与其相反的情况下，用负值来表示。另外，在表4中，TH表示面间距离，表示从该透镜面的顶点到下一透镜面的顶点的距离。另外，在该图8中，在相对该透镜面，下一透镜面位于左侧的情况下，该面间距离用正值表示，另一方面，在位于右侧的情况下，用负值来表示。与表1相同，nd表示图12所示的各透镜的折射率，νd表示该透镜元件的阿贝数。
表4
另外，在该表4中，S7、S15、S23和S24是旋转对称的非球面，这4个面的非球面的系数表示在下面的表5中。
表5
另外，在上述的表5中，通过S25和S26构成上述第二光学系统，分别为自由曲面形状的反射面。
首先，设该局部坐标的原点在上述第一光学系统的光轴上，将S25(第一自由曲面镜43)的自由曲面配置在离开S24表所示的面间距离(TH)的位置上。因此，从图像显示元件41的画面中央输出并通过第一光学系统42的光轴上的光线入射到S25的局部坐标的原点上。另外，S25的局部坐标的Y轴和Z轴位于上述图8的截面内，Z轴相对上述中央光线倾斜了40度地配置。
接着，S26面(第二自由曲面镜44)的自由曲面在由上述S25反射的上述中央光线的路径上，在从S25离开了表所示的面间距离(TH)的位置上配置该局部坐标的原点。该S26的局部坐标的Y轴和Z轴也位于上述图8的截面内，另外，其Z轴相对入射到S28的上述中央光线大致倾斜40度地配置。
在下面的表6中表示了用于表示这两个自由曲面的形状用的系数的值。
表6
如上所述，在本第二实施例中，两个自由曲面镜(第一自由曲面镜43和第二自由曲面镜44)间的距离为约180mm，但是为了较好地校正梯形失真，优选这两个自由曲面镜的间隔为150mm以上。这是因为若两个自由曲面镜过近，则作为两者的参数的系数功能产生了重复，制约了该失真校正的能力，而不能良好校正梯形失真。
作为上述第一光学系统42的画角，优选将从图像显示元件41的画面的上端输出、通过了该第一光学系统的入射光瞳的中央的光线和光轴所成的角度设为15度以下。由此，可以维持上述两个自由曲面镜的间隔，同时保证自由曲面镜的大小为更小。
进一步，从上述表4、表6中可以看出，在本实施例2中，曲率c和圆锥系数k为0。其在由倾斜入射引起的梯形失真在倾斜入射的方向中极大产生，在与其不同的垂直方向中其失真量减小。因此，在倾斜入射的方向和与此垂直的方向中，需要有极大不同的功能，通过不利用在旋转对称中作用于所有方向的上述曲率c和圆锥系数k(即，将其值设为0)，而可以良好校正图形失真。
另外，进一步，在上述实施例2的光学单元中，上述S25面的自由曲面镜和S26面的自由曲面镜中，其局部坐标系的坐标轴大致平行地配置，由此，可以良好校正图形失真和亮点形状。
在附图9中表示由本实施例2的光学单元得到的图形失真的状况。另外，该图9的纵方向(y轴)与上述图8的上下方向一致，其横方向(x轴)表示与屏幕上的上述y轴垂直的方向，即上述图8的进深方向。另外，该图中所示的长方形的中央是投影画面的中央。并且，在该图中，通过显示纵方向四分割、横方向8分割投影画面的直线的弯曲状态，来表示由上述自由曲面镜(第25面的镜子43和第26面的镜子44)造成的图形失真的校正状况。
进一步，图10中表示由上述实施例2的光学单元得到的亮点图表。在该图10中，从上侧开始表示由(1)到(8)的数字表示的亮点图表的形状。即，从上面顺序表示该X、Y坐标的相对值为(1，1)、(0，1)、(0.6，0.6)、(1，0)、(0，0)、(0.6，-0.6)、(1，-1)、(0、-1)8点射出的光束的亮点图表图。另外，各亮点图表图的横方向表示屏幕上的X方向，纵方向表示屏幕上的Y方向。
从上可以看出上述本实施例2的光学单元显示了良好的性能。
如上所述，根据本实施方式，可以实现使装置的进深尺寸非常小，且其制造也容易的背投型彩色图形显示装置。另外，在上面的说明中，仅说明了背投型的图像显示装置。但是，本实施方式不仅限于该背投型的显示装置。例如，在上述的光学系统(单元)中，若为去除背面镜、且将图像显示元件到自由曲面镜容纳在一个装置内的结构，则可以得到前面投影型的图像显示装置。由此，可以实现装置到屏幕的距离非常短的紧凑型且由倾斜入射引起的梯形失真小的前面投影型的图像显示装置。
这里，总结用于上述中各种说明的投影型图像显示装置的投影光学单元。首先，在本实施方式中，在放大在图像显示装置上显示的图像来相对屏幕倾斜投影的投影光学单元的结构上存在特征。本投影光学单元具有包含有旋转对称面形状的多个折射透镜的第一光学系统、包含具有在将从该第一光学系统射出的光束投影到屏幕上的路径内配置的一个或多个的自由曲面形状的反射面的第二光学系统、和一个平面反射面。该图像显示元件中，将其显示画面的中央配置在该第一光学系统的光轴上。并且，本实施方式的特征在于在与屏幕法线平行的垂直截面中，在将入射到上述图1所示的屏幕上端的光线12的光路长度设为L1，将入射到屏幕下端的光线13的光路长度设为L2时，设该反射镜为自由曲面形状，使得L1和L2的差的绝对值|L1-L2|比该第二光学系统的反射面为平面的情况更小。
另外，上述自由曲面的反射面的形状例如如下那样。即，反射镜的、反射具有第一光学距离的光线(例如，图1的光线12)的部分弯曲为凹面面向着其反射方向而具有正的光焦度。另外，反射镜的、反射具有比第一光学距离短的第二光学距离的光线(例如，图1的光线13)的部分弯曲为凸面向着其反射方向而具有负的光焦度。
进一步，根据本实施方式，提供上述L1和L2、从屏幕上的画面的上端到下端的距离Dv、入射到该屏幕画面的中央的光线和该屏幕的法线所成的角度θ满足下面的式子的投影光学单元。
|L1-L2|＜1.2·sinθ·Dv另外，在上述的投影光学单元中，提供满足上述光路长度L1、上述光路长度L2、上述屏幕上的画面的上端到下端的距离Dv满足下面的条件式的投影光学单元。
|L1-L2|＞0.4·Dv由此，可以使具有上述自由曲面形状的反射面的有效大小充分小，可以实现更容易制造的投影装置。
进一步，在本实施方式的投影光学单元中，上述第二光学系统由两个自由曲面镜构成。并且，这些自由曲面镜的反射面之间的、沿着从图像显示元件的画面中央通过第一光学系统的入射光瞳的中央的光线的距离为150mm以上。由此，可以良好校正倾斜投影的梯形失真。
进一步，在本实施方式的投影光学单元中，在上述垂直截面中，从图像显示元件上的画面的上端输出并通过第一光学系统的入射光瞳的中央的光线和光轴所成的角度为15度以下。由此，可以减小上述自由面反射面的大小，可以实现制造容易的投影装置。进一步，本实施方式的投影光学单元中具有该自由曲面形状的反射面的形状仅由对X、Y坐标的多项式来表示，不用产生旋转对称形状的系数。另外，本实施方式的投影光学单元中，上述第二光学系统由两个自由曲面镜构成。并且，这两个面的局部坐标系的各坐标轴彼此大致平行地配置。
通过上面所述的结构，本实施方式可以得到减小了在倾斜投影中屏幕上的图像的失真的良好的画质，同时可以缩短装置的进深。
权利要求
1.一种投影型图像显示装置，其特征在于，包括图像显示元件；屏幕；第一光学系统，包含多个用于放大所述图像显示元件上的显示图像并进行投影的透镜；以及第二光学系统，将来自所述第一光学系统的放大图像相对所述屏幕的法线以预定的角度来进行投影，其中，所述第二光学系统包含光学元件，该光学元件具有用于将来自所述第一光学系统的放大图像进行反射并导至所述屏幕的曲面，在通过所述光学元件来反射而入射到所述屏幕的光的光路长度为光学距离时，弯曲该光学元件的、以第一光学距离来反射光的部分，使得凹面向着其反射方向，弯曲以比所述第一光学距离短的第二光学距离来反射光的部分，使得凸面向着其反射方向。
2.根据权利要求1所述的投影图像显示装置，其特征在于所述光学元件是其反射面为自由曲面形状的曲面反射镜，所述第二光学系统从所述屏幕的下方相对所述屏幕的法线以预定的角度进行投影，所述曲面反射镜，弯曲对比所述图像显示元件的中心更靠上方的图像的光进行反射的部分，使得凹面向着其反射方向，且弯曲对比所述图像显示元件的中心更靠下方的图像的光进行反射的部分，使得凸面向着其反射方向。
3.根据权利要求1所述的投影图像显示装置，其特征在于进一步包含平板状的背面镜，用于反射来自所述光学元件的放大图像，并投影到所述屏幕的背面侧。
4.根据权利要求3所述的投影图像显示装置，其特征在于将所述光学元件配置在所述背面镜的下方。
5.根据权利要求4所述的投影图像显示装置，其特征在于所述光学元件包括其反射面为自由曲面形状的至少两个镜。
6.一种投影型图像显示装置，其特征在于，包括图像显示元件；屏幕；第一光学系统，是包含多个用于放大所述图像显示元件上显示的图像并进行投影的透镜，且光轴通过所述图像显示元件的大致中心，由对于该光轴对称的形状的面构成的共轴光学系统；第二光学系统，将来自所述第一光学系统的放大图像相对所述屏幕倾斜投影；其中所述第二光学系统包括光学元件，该光学元件具有用于校正通过所述放大图像的倾斜投影产生的梯形失真和/或像差的自由曲面。
7.根据权利要求6所述的投影图像显示装置，其特征在于所述光学元件的自由曲面包含至少一个镜面。
8.根据权利要求6所述的投影图像显示装置，其特征在于所述光学元件包含为自由曲面形状的曲面反射镜，弯曲该曲面反射镜的、对比所述图像显示元件的中心更靠上方的图像的光进行反射的部分，使得凹面向着其反射方向并具有正的光焦度(power)，且弯曲对比所述图像显示元件的中心更靠下方的图像的光进行反射的部分，使得凸面向着其反射方向并具有负的光焦度。
9.一种用于投影图像显示装置的投影光学单元，其特征在于，包括第一光学系统，包括多个用于放大在所述图像显示元件上显示的图像并进行投影的透镜，且光轴与所述图像显示元件的中心轴大致相等；和第二光学系统，将来自所述第一光学系统的放大图像相对所述屏幕的法线以预定的角度投影到该屏幕上，其中所述第二光学系统包含光学元件，该光学元件具有用于对来自所述第一光学系统的放大图像进行反射并导至所述屏幕的、为自由曲面形状的反射面；弯曲所述光学元件的、对比所述图像显示元件的中心更靠上方的图像进行反射的部分，使得凹面向着其反射方向，且弯曲对比所述图像显示元件的中心更靠下方的图像进行反射的部分，使其凸面向着其反射方向。
10.根据权利要求9所述的投影图像显示装置，其特征在于所述光学元件是自由曲面形状的曲面反射镜。
11.根据权利要求10所述的投影图像显示装置，其特征在于所述光学元件包含两个所述曲面反射镜。
12.根据权利要求9所述的投影图像显示装置，其特征在于在与所述屏幕的法线平行的该屏幕的垂直方向的面内，在设该放大图像的上端的光线通过所述反射面来反射而达到所述屏幕上的距离为L1、所述放大图像的下端的光线通过所述反射面来反射而到达所述屏幕上的距离为L2，所述屏幕上的画面的上端到下端的距离为Dv，入射到所述屏幕画面的中央的光线和该屏幕的法线所成的角度为θ时，构成为满足下面的式子|L1-L2|＜1.2·sin θ·Dv
13.根据权利要求9所述的投影图像显示装置，其特征在于在与所述屏幕的法线平行的该屏幕的垂直方向的面内，在设该放大图像的上端的光线通过所述反射面来反射而达到所述屏幕上的距离为L1、所述放大图像的下端的光线通过所述反射面来反射而到达所述屏幕上的距离为L2，所述屏幕上的画面的上端到下端的距离为Dv时，形成这些，使其满足下面的式子|L1-L2|＞0.4·Dv
14.根据权利要求9所述的投影图像显示装置，其特征在于对比所述图像显示元件的中心更靠上方的图像进行反射的部分具有正的光焦度，对比所述图像显示元件的中心更靠下方的图像进行反射的部分具有负的光焦度。
15.一种用于投影型图像显示装置的投影光学单元，其特征在于，包括第一光学系统，是包括多个用于放大在所述图像显示元件上显示的图像并进行投影的透镜，且光轴通过所述图像显示元件的大致中心，由对于该光轴对称的形状的面构成的共轴光学系统；和第二光学系统，用于将来自所述第一光学系统的放大图像相对所述屏幕倾斜投影，其中所述第二光学系统包括光学元件，该光学元件具有用于校正通过所述放大图像的倾斜投影产生的梯形失真和/或像差的自由曲面。
16.根据权利要求15所述的投影图像显示装置，其特征在于所述光学元件包含至少一个镜面。
17.根据权利要求15所述的投影图像显示装置，其特征在于所述光学元件包含为自由曲面形状的曲面反射镜，弯曲该曲面反射镜的、对比所述图像显示元件的中心更靠上方的图像进行反射的部分，使得凹面向着其反射方向，并具有正的光焦度，且弯曲对比所述图像显示元件的中心更靠下方的图像的进行反射的部分，使得凸面向着其反射方向并具有负的光焦度。
全文摘要
本发明提供一种即使将图像倾斜地放大投影到屏幕上也可抑制梯形失真的投影图像显示装置及其使用的投影光学单元。在通过投影透镜(2)来放大在图像显示元件(1)上的图像、相对屏幕(6)倾斜投影来显示放大图像的投影型图像显示装置中，在投影透镜(2)和背面镜(5)之间配置具有用于校正由放大图像的倾斜投影产生的梯形失真的自由曲面的自由曲面镜(3、4)，且形成该表面形状，设在放大图像的上端的光线通过自由曲面来折射且到达屏幕上的距离为L1，放大图像的下端的光线通过自由曲面来折射且到达屏幕上的距离为L2，屏幕上的画面的上端到下端的距离为Dv时，至少满足|L1－L2|＞0.4·Dv。
文档编号G03B21/00GK1769953SQ200510087779
公开日2006年5月10日 申请日期2005年8月8日 优先权日2004年11月1日
发明者久田隆纪, 谷津雅彦, 平田浩二 申请人:株式会社日立制作所