专利名称：投影型图像显示装置、投影光学单元、透过型透镜、自由曲面透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及，例如投影彩色的放大图像而进行图像显示的投影型图像显示装置。
背景技术：
在放大显示用反射型、透射型液晶面板和微反射镜的显示元件的投影型图像显示装置中，在例如屏幕上得到足够大的放大图像是理所当然，也要求缩短装置的纵深尺寸。为了实现这种要求，如日本专利特开2001-264627号公报中所述那样，用于从对屏幕倾斜的方向放大投影图像的(以下称为“倾斜投影”)的投影光学单元和投影型图像显示装置是公知的。此外，关于在这种倾斜投影中使用的曲面反射镜的情况下中的光学调整，例如日本专利特开2002-350774号公报中所述是公知的。
如果倾斜投影，也就是对屏幕主平面的法线，以规定的角度(例如从屏幕下方)投影图像，则投影于屏幕上的图像中，产生梯形形变，和因屏幕上下的投影距离之差产生像差。为了消除该像差，在日本专利特开2001-264627号公报中，由配置于投影光学系统与屏幕之间的具有负的功效(Power)的自由曲面反射镜修正梯形形变。另一方面，就像差而言，通过使图像显示元件相对于共轴投影光学系统在与光轴垂直的方向上大大平移，或者使图像显示元件相对于非轴对称的投影光学系统倾斜并且平行移动来修正。
但是，在这种像差修正中存在着屏幕上的图像在纵方向上错位的可能性，用于其的修正机构成为必要的。此外，在使用共轴投影光学系统的装置中，因为要求非常宽的视角，故透镜个数增多，口径也加大。此外，不能应对起因于周围环境的变化引起的光学部件的变形的像差和形变量的增大。
虽然在日本专利特开2002-350774号公报中，公开了自由曲面反射镜的移动的调整方法，但是就像差修正而言未予考虑。此外，也不能对应起因于周围环境的变化引起的光学部件的变形的像差和形变量的增大。
这样一来，在现有技术中，因为分别由不同的方法修正梯形形变与像差，故有必要加大所需的透镜直径，此外还增加透镜的个数。也就是说上述现有技术，在倾斜投影中，既良好地降低梯形形变和像差又减小图像显示装置的纵深，和/或屏幕下部的高度(以下，将其称为“设置的紧凑化”)是困难的。此外，也不能对应起因于周围环境的变化的光学部件的变形的像差和形变量的增大。进而，上述现有技术的任何一项中，都没进行就制造容易的自由曲面反射镜的形状的考虑。
发明内容
本发明的一个方面，在于提供一种既显示梯形形变和像差降低的图像又适于进行设置的紧凑化的技术，进而与起因于周围环境的变化的光学部件的变形的像差和形变量的增大可容易地对应的技术。
此外，在于提供一种精度高的倾斜投影的投影光学单元和投影型图像显示装置。
此外，在于提供一种即使将图像倾斜地放大投影于屏幕也可以抑制梯形形变或像差或其两者，而且，透镜的制造、组装调整容易的投影型图像显示装置和用于其的投影光学单元。
在放大图像显示元件的图像，以规定角度投影的光学系统中配置的具有非旋转对称的自由曲面的透镜15中，其外周部分包括以透镜的光轴为中心的圆的一部分为形状的边缘17。
图1是表示图像显示装置的一个实施方式的截面图。
图2是表示投影光学单元的基本构成的截面图。
图3是表示投影光学单元的构成与光路的YZ截面图。
图4是表示投影光学单元的构成与光路的XZ截面图。
图5是表示形变性能的示意图。
图6是表示光点性能的示意图。
图7是说明投影光学单元的光学部件的面编号的示意图。
图8是表示投影光学单元的一例的示意图。
图9是表示使投影透镜温度变化时的焦点性能的劣化量的示意图。
图10(a)是自由曲面透镜15的俯视图。
图10(b)是自由曲面透镜15的主视图。
图11是自由曲面透镜15的透视图。
图12是从前面看将自由曲面透镜固定在镜筒上的状态的示意图。
图13(a)是自由曲面透镜16的俯视图。
图13(b)是自由曲面透镜16的主视图。
图14是自由曲面透镜16的透视图。
图15(a)是关于自由曲面透镜15的边缘形状的另一个例子的俯视图。
图15(b)是关于自由曲面透镜15的边缘形状的另一个例子的主视图。
图16是关于自由曲面透镜15的边缘形状的另一个例子的透视图。
具体实施例方式
下面，就本发明的实施方式参照附图进行说明。图1是针对本实施方式的图像显示装置的一部分的剖视透视图。图像发生源1显示小型的图像。图像发生源1包括反射型和透射型的液晶面板，或者具备多个微小的反射镜的显示元件等光调制元件。此外，图像发生源1也可以包括透射型阴极射线管。作为第一光学系统的构成要素的投影透镜2将图像发生源1的图像投影于屏幕3。在从投影透镜2到屏幕3的光路中，为了降低图像显示装置的纵深而设置有平面反射镜4。作为第二光学系统的构成要素的自由曲面反射镜5，设置在投影透镜2与平面反射镜4之间。来自投影透镜的光被自由曲面反射镜5反射而引导至平面反射镜4，进而被平面反射镜4反射而引导至屏幕3。这些要素收容在壳体6的内部，固定在规定的位置。此外，图像发生源1、投影透镜2、自由曲面反射镜5固定在光学系统基座7上而一体化。下面，就投影光学单元的构成部件参照图2进行说明。
图2是表示使用根据本实施方式的投影光学单元的背投型图像显示装置的基本的光学构成的剖视图。图2以XYZ直角坐标系中的YZ截面表示出光学系统的构成。这里，以XYZ直角坐标系的原点作为图像发生源1的图像显示元件11的显示画面的中央，Z轴与屏幕3的法线平行。Y轴与屏幕的画面的短边平行，与屏幕的垂直方向相等。X轴平行于屏幕的画面的长边，与屏幕的水平方向相等。
如图2所示，从图像显示元件11射出的光，首先通过由透射型的透镜组构成的投影透镜2中的、由具有旋转对称的面形状的多个折射透镜构成的前组12。然后，通过包括至少一个面具有旋转非对称的自由曲面的形状的透镜(以下称为“自由曲面透镜”)的投影透镜的后组13。然后被具有旋转非对称的自由曲面形状的反射面的至少一个反射镜(以下称为自由曲面反射镜)5所反射。然后，被平面反射镜4所反射后，入射到屏幕3。
这里，虽然在图像显示元件11为光调制元件的情况下，照射该光调制元件的灯等照明系统是必要的，但是这些的图示中省略。此外，图像显示元件11也可以是向所谓三板式那样合成多个画面的方式。在该情况下就成为必要的合成用棱镜等合成光学系统而言，也在其图示中省略。
在图2中，因为投影透镜2的长度长，所以也可能看到图像显示元件11的位置对屏幕的法线的方向(Z轴方向)变远而纵深加大。但是，在本实施方式中，在自由曲面反射镜5与投影透镜2的后组13之间，投影透镜2的前组12与后组13之间，或者前组12的中途，配置有反射镜(未图示)。通过该构成，使投影透镜2的光轴对图2所示的截面在几乎垂直的方向上折曲，可以防止纵深的增大。
在本实施方式中，如图2所示，图像显示元件11的显示画面的中央配置在投影透镜2的光轴上。因而，从图像显示元件11的显示画面的中央射出、通过投影透镜2的入射孔指向屏幕3上的画面中央的光线21大致沿着投影透镜的光轴行进(以下，将其称为画面中央光线)。该画面中央光线被自由曲面反射镜5的反射面上的点P2反射后，被平面反射镜4上的点P5反射，以对屏幕的法线8为规定的角度(也就是倾斜地)入射到屏幕3上的画面中央的点P8。以下，将该角度称为“倾斜入射角”，以θs表示。
这也就是说，沿着投影透镜2的光轴通过的光线对屏幕是倾斜地入射的，实质上投影透镜2的光轴对屏幕倾斜地设置。如果用这种方法倾斜地入射到屏幕，则投影的长方形的形状成为梯形的所谓梯形形变之外，还产生对光轴不旋转对称的各种像差。在本实施方式中，由投影透镜2的后组13与第二光学系统的反射面修正它们。
在图2所示的截面内，以从图像显示元件11的画面下端，通过画面下端与投影透镜2的入射孔的中央射出，入射到对应于孔的中央的屏幕上的画面上端的点P9的光线作为光线22。此外，以从图像显示元件11的画面上端，通过画面上端与投影透镜2的入射孔的中央射出，入射到对应于孔的中央的屏幕上的画面下端的点P7的光线作为光线23。如果看图2，则从点P3经由点P6到达点P9的光路长度，比从点P1经由点P4到达点P7的光路长度长。这意味着从投影透镜2看来，屏幕上的像点P9处于比像点P7更远。因此，如果对应于屏幕上的像点P9的物点(显示画面上的点)处于更接近投影透镜2的点，此外，对应于像点P7的物点处于离投影透镜2更远的点，则可以修正像面的倾斜。为此，使图像显示元件11的显示画面的中央处的法线向量对光轴倾斜于投影透镜2。具体地说，使法线向量在YZ平面内，朝屏幕的位置的方向倾斜即可。
要得到对光轴倾斜的像平面而使物平面倾斜的方法是公知的。但是，对应用的大的视角而言，物平面的倾斜引起的像面对光轴产生非对称的变形，对旋转对称的投影透镜而言修正是困难的。在本实施方式中，因为使用的不是旋转对称，也就是使用旋转非对称的曲面(自由曲面)，所以可以适应非对称的像面的变形。因此，通过使物平面倾斜可以大大降低低频的像面的形变，在辅助自由曲面进行的像差修正上是有效的。
接下来，就各光学要素的作用进行说明。作为第一光学系统的投影透镜2由包括对其光轴旋转对称的透镜的前组，与包括上述非旋转对称的透镜的后组构成。该前组12是用于将图像显示元件11的显示画面投影在屏幕3上的主透镜，修正旋转对称的光学系统中的基本的像差。投影透镜2的后组13包括旋转非对称的自由曲面透镜。
这里在本实施方式中，自由曲面透镜对其光出射方向向着凹处弯曲。而且第二光学系统具有旋转非对称的自由曲面形状的自由曲面反射镜。这里在本实施方式中，该自由曲面反射镜是其一部分对光的反射方向凸向地弯曲的、旋转非对称的凸面反射镜。具体地说，使自由曲面反射镜的、反射指向屏幕3的下方的光的部分的曲率大于反射指向屏幕的上方的光的部分的曲率。
此外，也可以是自由曲面反射镜的、反射指向屏幕的下方的光的部分在光的反射方向上成为凸的形状，反射指向屏幕的上方的光的部分在光的反射方向成为凹的形状。通过自由曲面透镜与自由曲面反射镜的作用，主要进行因倾斜入射而产生的像差的修正。也就是说，在本实施方式中，第二光学系统主要修正梯形形变，作为第一光学系统的投影透镜2的后组13主要进行像面的形变等非对称的像差的修正。
这样一来，本实施方式的第一光学系统至少包括一个旋转非对称的自由曲面透镜，第二光学系统至少包括一个旋转非对称的自由曲面反射镜。根据该构成，成为能够修正因倾斜投影而产生的梯形形变和像差的双方。
优选第二光学系统的反射面的坐标原点(这里，是指反射画面中央光线的位置的坐标)，与投影透镜2的前组12当中的最靠近屏幕侧的透镜面的光轴方向的距离设定成投影透镜2前组的焦距的5倍以上。根据该构成，依靠第二光学系统的反射面更有效地修正梯形形变、像差，可以得到良好的性能。
另一方面，因为自由曲面反射镜，其尺寸越大制造越变得非常困难，所以作成规定的大小以下是重要的。例如，因为图2所示的平面反射镜4的大小为屏幕画面的大约70％以上，故50型以上那种大画面的背投式投影机中的反射镜成为超过500mm的尺寸，如果将这些作成自由曲面形状则制造变得非常困难。因而，在背投式投影机中将该平面反射镜作成自由曲面并不适当。因此，在本实施方式中，将自由曲面反射镜5的尺寸作成小于平面反射镜3的尺寸，将该自由曲面反射镜5配置在平面反射镜3的下方。而且，按照自由曲面反射镜5、平面反射镜的顺序反射来自投影透镜2的图像光，投影在屏幕3上。
以上的说明是根据图2所示的实施方式。但是，即使在反射镜引起的光路的折曲的方向与图2相反，处于包括画面长边的平面内的情况下，也可以运用与本实施方式同样的考虑。根据该构成，在具有折射面的投影透镜2中，不会招致透镜的偏心和透镜直径的增大，或者，不会使透镜的个数增加，可以实现倾斜入射引起的梯形形变的修正。进而可以实现减小纵深，制造容易的投影光学单元。进而，根据本实施方式，可以提供使纵深与屏幕下部的高度降低的紧凑的设置，因小的自由曲面反射镜而可以提供制造容易的光学系统。
下面，对光学系统的实施方式，列举具体的数值进行说明。参照图3～图7与表1～表4就数值例之一进行说明。
图3与图4表示基于第一数值例的光学系统的光线图。在上述的XYZ直角坐标系中，图3表示YZ截面，图4表示XZ截面上的结构。在图1中，表示在投影透镜2的前组12的中途设置折曲反射镜而使光路在X轴方向上一次折曲的例子。在图3中，省略该折曲反射镜，在Z轴方向上展开表示光学系统。图4表示包括折曲反射镜而折曲光路的状态的光学系统。折曲反射镜在设置的位置和角度上存在着若干的任意性，此外不影响到各光学要素的功能。因而，在以下的说明中，省略折曲反射镜而进行说明。
在本实施方式中，从图3的下侧所示的图像显示元件11射出的光，首先通过包括多个透镜的投影透镜2中的、由仅具有旋转对称形状的面的透镜构成的前组12。然后，通过包括旋转非对称的自由曲面透镜的后组13，被作为第二光学系统的自由曲面反射镜5的反射面反射。该反射光被平面反射镜4反射后，入射到屏幕3上。
这里，投影透镜2的前组12由全都具有旋转对称形状的折射面的多个透镜构成，各折射面中四个为旋转对称非球面，其他为球面。这里所使用的旋转对称非球面，使用针对各面的局部圆柱坐标系，可以由下式表示。
Z=cr21+1-(1+k)c2r2+A·r4+B·r6+C·r8+D·r10+E·r12+F·r14+G·r16+H·r18+J·r20]]>(式1)这里，r是离开光轴的距离，Z表示倾斜量。此外，c是顶点处的曲率，k是圆锥常数，A至J是r的幂乘项的系数。
处于投影透镜2的后组13中的自由曲面透镜，使用以各面的面顶点为原点的局部直角坐标系(x，y，z)，可以通过包括X，Y的多项式的下式表示。
Z=cr21+1-(1+k)c2r2+Σm·Σn(C(m,n)·xm·yn)]]>(式2)这里，Z是在垂直于X、Y轴的方向上自由曲面的形状的倾斜量，c是顶点处的曲率，r是X、Y轴的平面内的离开原点的距离，k是圆锥常数，C(m，n)是多项式的系数。
表1
表1 表示本实施方式的光学系统的数值数据。使用表1和表2～表4的数值设计，是图3、图4的光路图中所示的数据。在表1中，S0～S23分别对应于图7所示的标号S0～S23的光学元件。例如S0表示图像显示元件11的显示面，也就是表示物面，S23表示自由曲面反射镜5的反射面。此外S24虽然在图7中未示出，但是表示屏幕3的入射面，也就是表示像面。而且在图7中，上图表示本实施方式的第一和第二光学系统的垂直方向截面图，下图表示该光学系统的水平方向截面图。
在表1中，Rd是各面的曲率半径，在图3中，在面的左侧有曲率的中心的情况下由正的值，在相反的情况下由负的值表示。此外在表1中TH是面间距离，表示从该透镜面的顶点到下一个透镜面的顶点的距离。对于某个透镜面，在下一个透镜面在图3中位于左侧时面间距离以正的值表示，在位于右侧的情况下以负的值表示。进而，在表1中S5、S6、S17、S18是旋转对称的非球面，在表1中编号的旁边带*而容易分辨地表示。这四个面的非球面的系数表示在表2中。
表2
在表1中，S19至S22是投影透镜2的后组13中所含有的自由曲面透镜的各折射面，S23如上所述是自由曲面反射镜5的反射面。就具有自由曲面的光学元件而言，在面的编号旁边的带#地示出。表示这五个自由曲面的形状的系数的值示于表3。
表3
在表3中，将系数的名称与值左右并列而在栏目的组中表示。右侧是系数的值，左侧名称中括弧内以逗号隔开的两组数值表示式(2)中所示的m与n的值。
在本实施方式中，使作为图像显示元件11的显示画面的物面对投影透镜2的光轴倾斜-1.163度。在图3的截面内以物面的法线顺时针旋转的方向为正的值表示倾斜的方向。因而，在本实施方式中使物面在图3的截面内，从垂直于投影透镜2的光轴的位置在顺时针方向倾斜1.163度。
S23的自由曲面反射镜5将其局部坐标的原点置于投影透镜2的光轴上。而且，使自由曲面反射镜5的局部坐标的原点处的法线，也就是Z轴从平行于投影透镜2的光轴的位置倾斜29度地配置。倾斜的方向与物面同样在图3中的截面内以逆时针旋转的方向为正，因而成为逆时针倾斜。由此，从图像显示元件11的画面中央射出而大致沿着投影透镜2的光轴行进的画面中央光线被S23反射后，相对于投影透镜2的光轴，在Z轴的倾斜角度的两倍的58度倾斜的方向上行进。这里，以通过S23的坐标原点，S23相对于投影透镜2的光轴的倾斜角度的两倍的方向作为反射后的新的光轴，以后的面配置在该光轴上。表1的S23所示的面间隔的值-400表示下一个S24处于S23的右侧而沿着反射后的光轴将局部坐标原点配置在400mm距离的点。以下的面也按照相同规则配置。
表4
本实施方式中，各面的局部坐标系的倾斜或偏心的情形示于表4。在表4中，在面编号的右侧示出倾斜角度、偏心的值，ADE是与图3的截面平行的面内的倾斜的大小，其表示规则如上所示。此外，YDE是偏心的大小，偏心在与图3的截面平行的面内且垂直于光轴的方向上设定，在图3的截面中以向下的偏心为正。再者，在本实施方式中，将YDE取为0(也就是不偏心)。这样一来在本实施方式中，所有的光学要素的倾斜和偏心按照平行于图示的截面的截面内的方向来设定。
根据表1、表3，看出在本例中，曲率c与圆锥系数k成为0。倾斜入射引起的梯形形变在倾斜入射的方向上极大地发生，在与之垂直的方向上形变量很小。因而，在与倾斜入射的方向垂直的方向上，大幅度地不同的功能是必要的，通过不利用以旋转对称在所有方向上发挥作用的曲率c和圆锥系数k，可以良好地修正非对称的像差。表1～表4的数值是将物面上16×9的范围的图像投影成像面上1452.8×817.2的大小的情况下的一例。此时的图形形变示于图5。图5的纵方向是图3的上下方向，是Y轴的方向。图5的横方向是在屏幕上与Y轴正交的方向，图中的长方形的中央是画面的中央。图中表示出将画面的纵方向分成四份，将横方向分成八份的直线的弯曲的状态而表示图形形变的情形。
表1～表4的数值例的光点图由图6表示。在图6中，图像显示元件11的显示画面上，在X、Y坐标的值中，依次表示从(8，4.5)，(0，4.5)，(4.8，2.7)，(8，0)，(0，0)，(4.8，-2.7)，(8，-4.5)，(0，-4.5)的八个点射出的光束的光点图。单位是mm。各光点图的横方向是屏幕上的X方向，纵方向是屏幕上的Y方向。这样一来，两者同时维持良好的性能。
在本实施方式中，投影透镜2的后组13由具有不是旋转对称的自由曲面形状的透镜构成，第二光学系统由具有不是旋转对称的自由曲面形状的反射面构成。进而，它们的作用分别是，第二光学系统主要修正梯形形变，作为第一光学系统的投影透镜2的后组13主要进行像面的形变等非对称的像差的修正。
图8是表示构成投影光学单元的投影透镜2的透镜组的示意图，保持透镜组的透镜保持部件未图示。投影透镜2的前组12是用于将图像显示元件11的显示画面投影在屏幕上(未图示)的主透镜，由具有旋转对称的面形状的多个折射透镜构成，修正旋转对称的光学系统中基本的像差。投影透镜2的后组13包括旋转非对称的自由曲面透镜，主要进行由倾斜入射产生的像差的修正。
如图8所示，在本实施方式中，自由曲面透镜的至少一枚是对于其光射出方向面向凹而地弯曲。即，自由曲面透镜的出射面成为凸面。而且，使自由曲面透镜的、指向屏幕3的下端的光线通过的部分曲率(这里，自由曲面透镜的下侧)大于指向屏幕3上端的光线通过的部分(这里，自由曲面透镜的上侧)的曲率。此外，使自由曲面透镜两个组合而构成投影透镜2的后组13。此外，折曲反射镜14设置在前组12的中途。
在现有技术中，因为将成像光学系统的透镜组固定在规定位置，故使用由同心圆构成的镜筒。这当然是因为成像光学系统的透镜组由具有旋转对称的面形状的多个折射透镜构成的缘故。在透镜组内，材质为塑料的透镜因温度湿度而重复膨胀·收缩。特别是，这种透镜中多用的丙烯酸树脂(PMMA)因为吸湿引起的延展很大，故一般来说，在镜筒上设置有用于吸收透镜的膨胀·收缩的机构。在塑料制的镜筒中构成为镜筒本身变形，此外在金属制的镜筒中在透镜的周围设置有弹性变形的空间，无论塑料的膨胀·收缩都将透镜保持在光轴中心。
进而如图8中所示，在本实施方式中，投影透镜2的后组13包括旋转非对称的自由曲面透镜，其材质如前所述是塑料。因为该自由曲面透镜不是旋转对称，所以不能使用现有技术的由同心圆构成的镜筒。此外，因为进行因倾斜入射而产生的像差的修正，所以主要也不是如旋转对称的光学系统中的修正基本的像差的投影透镜2的前组12那样将透镜保持于光轴中心。
图9是在横轴上以Y轴方向的偏心量而表示使投影透镜温度变化时的焦点性能(以MTF表示)的劣化量的示意图。在图中，实线是30℃的温度上升时，虚线是15℃时的温度上升时，点划线是-15℃的温度降低时的值。此外虽然在图中，表示有投影透镜2的后组13的最外侧的自由曲面透镜(图8的15)，但是其内侧的自由曲面透镜或者作为第二光学系统的自由曲面反射镜5中倾向也是相同的。在旋转对称的光学系统中的修正基本的像差的投影透镜中，偏心量为0时，MTF的劣化量变得最小。另一方面，在进行因倾斜入射而产生的像差的修正的旋转非对称的自由曲面透镜中，如图所示在偏心量为0以外的地方的MTF的劣化量变成最小。在30℃下为-0.04mm，在15℃下为-0.02mm，在-15℃下为0.02mm。图中所示的自由曲面透镜15在30℃的温度上升时高度(Y轴方向)膨胀0.088mm。因为在计算中以透镜中心作为膨胀的基准，故其1/2成为膨胀的大小。因而，在30℃下偏心0.04mm，可以说只要以透镜的上侧端面为基准面进行膨胀·收缩即可。
图10是包括边缘的形状，从上看投影透镜2的后组13的最外侧的自由曲面透镜(图8的15)的示意图(图10(a))与从正面看的示意图(图10(b))。在透镜中，为了形成屏幕上的图像而在有效光线通过的区域的外侧，以用于透镜的保持和测定而设置的部分作为边缘。此外，图11是相同的透镜的透视图。在图10和图11中，20是光的出射面。17是透镜的边缘，19是构成光的出射面的透镜主体与边缘的联系部分，其上端面18成为透镜的水平基准。透镜的边缘17，如主视图(图10(b))所示，成为以自由曲面透镜15的中央为中心的圆的一部分。以下，就该理由进行说明。
塑料透镜一般来说使用金属模具，使塑料材料成型而作成。塑料透镜的面形状因在成型过程中的膨胀、收缩和内部应力等的图像而变形，与透镜成型中使用的金属模具的面形状产生差异。因此，追加加工用于透镜成型的模具，直到其成型的透镜达到规定的面精度，此时的模具的修正量由成型透镜的面精度与设计值求得。也就是说，产生以高精度测定成型的透镜的面的形状的需要。本实施方式的投影透镜2的后组13由自由曲面构成，只要设置成为测定基准的面就可以高精度测定面形状。也就是说，在以投影透镜2的后组13的透镜的外侧的形状作为例如图8中所示的大致矩形的形状的情况下，成型的透镜的变形在上侧与下侧处发生很大的非对称性。因此，如果在自由曲面形状的测定时使用透镜的上侧面与下侧面规定透镜的中央，则其误差变得很大。
因此在本实施方式中，作为测定的基准面，在自由曲面的光学元件中，设置具有圆形的外周部分的边缘17和水平基准面18。边缘17如图10(b)所示，从正面看其外周为圆形。该圆没有必要在整个周边上设置，也可以例如像图中所示为一部分。在该情况下，只要至少两个边缘在相互夹着圆的中心相对的位置上包括圆弧而构成即可。进而，边缘的外周圆的中心处于透镜15的光轴上。此外，边缘17在光轴方向上具有平行的厚度，外周圆设置成与透镜15的光轴垂直。进而在本实施方式中，水平基准面18是在边缘17与透镜15的联系部分19上，分别在上下至少一方上具有的构成。水平基准面18是与透镜15的光轴平行的面。就水平基准面18而言，参照图12进行说明。此外，透镜15的入射侧和出射侧的自由曲面将其坐标原点置于透镜15的光轴上。进而入射侧、出射侧各自的X、Y、Z坐标轴在入射侧与出射侧处是相互平行的，进而关于Z轴与光轴平行地设置。因而，测定自由曲面的形状时，首先，通过测定边缘17的外周圆的形状，可以规定垂直于透镜15的光轴的面。此外，根据外周圆的中心位置可以规定自由曲面的坐标原点。再者，在入射面和出射面各自具有自由曲面的形状的情况下，各自的边缘的圆弧的半径最好相等。这是因为固定自由曲面透镜的镜筒作成圆筒形时，透镜的固定稳定的缘故。
图12是从前面看图10和图11所示的自由曲面透镜15固定在镜筒上的状态的的示意图。在图中，30是由镜筒固定自由曲面透镜15的部分的截面。镜筒30的截面不是自由曲面透镜15的边缘17的形状，与边缘17的上一半接触。虽然在现有技术的镜筒中通过支撑圆形的边缘整个周边而确定光轴中心，但是在本实施方式中，因为镜筒与边缘17接触的仅是边缘17的上一半，故仅靠该部分无法定位支撑透镜。因此，将透镜的水平基准面18设置在自由曲面透镜15上。另一方面，在镜筒30上，在与透镜的水平基准面18相对的位置上设置有水平基准面的保持面31。进而，与水平基准面的保持面31所设置的位置的相反侧，也就是在图12的例子中下侧边的中心上，设置有支撑保持透镜15用的弹簧32，由该三点定位并保持自由曲面透镜15的位置。虽然也可以以水平基准面设置在上侧两处或下侧两处的构成，但是也可以以设置在上侧一处、下侧一处的构成。在该情况下保持用弹簧32设置在左右任一方的边的中心。
对光轴在垂直方向的固定，与现有技术同样，通过将透镜压板33设置在镜筒30上来进行。通过水平基准面18规定平行于光轴的水平面成为可能。通过最终离开中心位置的自由曲面的坐标原点的规定与该水平面的规定，高精度地测定透镜的自由曲面的形状成为可能。此外，对镜筒高精度的固定成为可能。
通过采用以上说明的这种将自由曲面透镜15固定在镜筒30上的安装结构，在自由曲面透镜15因温度湿度膨胀·收缩时，成为以水平基准面18为基准伸缩，如前所述可以使焦点性能的劣化最小。
虽然在上述说明中，就投影透镜2的后组13的最外侧的自由曲面透镜15进行了描述，但是在其内侧的自由曲面透镜或者作为第二光学系统的自由曲面反射镜5也是同样的。接下来，就针对边缘的形状的另一个实施方式进行说明。
图13在投影透镜2的后组13中针对内侧的自由曲面透镜(图8的16)，与外侧的透镜15同样，包括边缘的形状，表示从上看其形状的图(图13(a))与从正面看的示意图(图13(b))。此外，图14是同一透镜的透视图。在图13和图14中，41成为光的出射面。42是透镜的边缘，44是光的出射面41与边缘42的联系部分，其上端面43或下端面的至少一方成为透镜的水平基准面。透镜的边缘42的外周，如从主视图(图13(b))所见，成为将中心置于透镜16的中央的圆的一部分。
如图13(b)的主视图所示，透镜16中的边缘42的外周部的圆弧作为垂直于透镜16的光轴而在透镜16的光轴上具有中心的圆的一部分而形成。另一方面，透镜16的前侧与后侧的自由曲面一起将坐标原点置于透镜16的光轴上，其Z轴与光轴平行。因而，根据边缘42的外周圆规定垂直于透镜16的光轴的面，根据外周圆的中心位置规定自由曲面的坐标原点。进而，如图13、14所示，由于由设置在透镜的上侧的水平基准面43规定水平面，所以由此规定所有的坐标轴，高精度地测定透镜的自由曲面的形状成为可能，进而，对镜筒高精度的固定成为可能。
边缘的外周圆不仅是如图10和图13所示透镜的左右的一部分，通过在更广的范围内形成，垂直于光轴的面和坐标原点的规定可以以更高的精度来规定。
图15、图16表示就投影透镜2的后组13的最外侧的自由曲面透镜15而言，具有将外周圆扩展到下侧的边缘的第二实施方式。虽然如图2所示，该透镜的上侧不能用于作成指向屏幕的光线通过近旁的大的边缘，但是下侧通过结构上的工艺形成边缘是可能的。图15是从上看该透镜的示意图(图15(a))与从正面看的示意图(图15(b))，图16是相同透镜的透视图。在图15和图16中，光的出射面20与图10、图11所示的第一实施方式是相同的。25是透镜的边缘，27是光的出射面20与边缘27的圆形的联系部分，此外，其上端面26成为透镜的水平基准面。透镜的边缘25的外周，如从主视图(图15(b))所见，成为将中心置于光的出射面20的大致中央的圆的一部分。
如图15(b)的主视图所示，边缘25的外周部的圆弧是垂直于透镜15的光轴且在透镜15的光轴上具有中心的圆的一部分，设置成成为接近全周的大约2/3。这样一来，通过具有半周以上的圆弧的边缘的构成，由一个边缘固定中心也成为可能。
另一方面，透镜15的前侧与后侧的自由曲面一起将坐标原点置于透镜15的光轴上而其Z轴与光轴平行。因而，根据边缘25的外周圆来规定垂直于透镜15的光轴的面，根据外周圆的中心位置来规定自由曲面的坐标原点。进而，如图15、16所示，由于由设置在透镜的上侧的水平基准面26来规定水平面，所以由此规定所有的坐标轴，高精度地测定透镜的自由曲面的形状成为可能。此外，对镜筒高精度的固定成为可能。
虽然在以上的关于边缘的形状的三个实施方式中，与规定原点的外周圆同时设置有水平基准面，但是该基准面也可以是垂直的。也就是说，在形成外周圆的一部分的边缘以外的外延形状中，只要有平行于透镜的光轴且规定透镜的自由曲面的坐标轴中的、与垂直于光轴的坐标轴的任何一方平行的平面部分就可以了。但是，因为本实施方式的自由曲面虽然是上下非对称但是左右是对称的，故基准面为水平时可以得到良好的精度。
虽然以上，以投影光学装置从屏幕3的下方向上方倾斜投影图像的情况下为例进行了说明，但是在投影光学装置从屏幕3的上方向下方倾斜投影图像的情况下，边缘的形状成为上下相反的形状。在投影光学装置从屏幕3的右方向倾斜投影图像的情况下，边缘的形状成为使下侧朝向右侧的形状。在投影光学装置从屏幕3的左方倾斜投影图像的情况下，边缘的形状成为使下侧朝向左侧的形状。也就是说，以上所述的透镜的边缘的水平基准面成为垂直于由入射于屏幕3的画面中央的主光线与透镜的光轴来决定的平面的面。
此外，虽然在上述实施方式中，以具备自由曲面透镜和自由曲面反射镜两方的光学系统进行了说明，但是关于自由曲面反射镜，也可以不完全是自由曲面，也可以是切出球面或非球面的一部分的反射镜。
进而，虽然在以上的实施方式中，投影光学装置为具有屏幕的构成，但是在没有屏幕的、前投式(Front type)的投影光学装置中运用也是可能的。
进而，在本实施方式中，因为作成使自由曲面透镜的光轴，与用于定义自由曲面的坐标原点一致的构成，故使得圆状的边缘的中心与透镜的光轴一致。但是，在将坐标原点设定于与光轴不同的位置的情况下，不是透镜的光轴，最好是使坐标原点与圆状的边缘的中心一致。
既降低因图像的倾斜投影而产生的梯形形变和/或像差而得到良好的图像，又使设置紧凑化成为可能。
权利要求
1.一种投影型图像显示装置，具备图像显示元件；第一光学系统，包括用于放大所述图像显示元件的图像的多个透射型透镜；和第二光学系统，反射来自所述第一光学系统的光，以规定的角度投影所述图像，其特征在于所述第一光学系统是非旋转对称光学透镜，该非旋转对称光学透镜包含截面在外周上包括以该非旋转对称光学透镜的光轴为中心的圆的一部分。
2.如权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于，还包括保持所述非旋转对称光学透镜的、其内面的至少一部分为与所述圆半径相同的圆筒状的镜筒。
3.如权利要求2所述的投影型图像显示装置，其特征在于所述非旋转对称光学透镜作为外周的一部分，具有平行于所述光轴的多个平面部分，所述镜筒在与所述平面部分相对的位置上具有平行于所述平面部分的多个保持面、和保持弹簧。
4.如权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于非旋转对称光学透镜具有至少夹着交点且相对的位置为圆弧形状的外周。
5.如权利要求2所述的投影型图像显示装置，其特征在于所述第一光学系统是具备多个透镜元件的投影透镜，其具有含有对各个光轴旋转对称的透镜的前组；和含有所述非旋转对称的透镜的后组。
6.如权利要求3所述的投影型图像显示装置，其特征在于在所述非旋转对称透镜的出射面上，向所述第二光学系统出射的光的出射角大的一侧的曲率小于向所述第二光学系统出射的光的出射角小的一侧的曲率。
7.一种投影型图像显示装置，包括光源；图像显示元件，使用所述光源的光形成基于图像信号的显示用图像；第一光学系统，具有放大所述显示用图像的多个透射型透镜；和第二光学系统，反射来自所述第一光学系统的光，使放大的显示用图像以规定的角度出射，所述多个透射型透镜的至少一个是自由曲面透镜，该自由曲面透镜的入射面和出射面的至少一方是自由曲面，其以该透射型透镜的光轴与所述自由曲面的交点为中心的圆周的至少一部分为形状，包括具有平行于所述光轴的厚度的边缘。
8.如权利要求7所述的投影型图像显示装置，其特征在于所述自由曲面透镜的边缘的形状为至少在夹着所述交点且相对的位置具有圆弧。
9.如权利要求7所述的投影型图像显示装置，其特征在于，还包括保持所述自由曲面透镜的、其内面的至少一部分为与所述圆半径相同的圆筒状的镜筒。
10.如权利要求9所述的投影型图像显示装置，其特征在于所述自由曲面透镜作为外周的一部分，具有平行于所述光轴的多个平面部分，所述镜筒在与所述平面部分相对的位置具有平行于所述平面部分的多个保持面、和所述保持弹簧。
11.如权利要求7所述的投影型图像显示装置，其特征在于所述自由曲面透镜具有至少夹着所述交点且相对的位置为圆弧形状的外周。
12.如权利要求9所述的投影型图像显示装置，其特征在于所述第一光学系统是具备多个透镜元件的投影透镜，其具有含有对各个光轴旋转对称的透镜的前组，和含有所述自由曲面透镜的后组。
13.如权利要求10所述的投影型图像显示装置，其特征在于在所述自由曲面透镜的出射面上，向所述第二光学系统出射的光的出射角大的一侧的曲率小于向所述第二光学系统出射的光的出射角小的一侧的曲率。
14.一种透射型透镜，具有入射光的入射面和出射光的出射面，其特征在于所述入射面或出射面的至少一方是非旋转对称的自由曲面，而且具有作为所述自由曲面的外缘，包括以所述自由曲面与所述透镜的光轴的交点为中心的圆周的至少一部分的形状的外缘。
15.如权利要求14所述的透射型透镜，其特征在于所述入射面和出射面均为自由曲面，所述入射面的外缘的圆周半径与所述出射面的外缘的圆周半径相等。
16.一种投影型图像显示装置中使用的光学单元，具备图像显示元件；第一光学系统，具备前组，包括具有对称于通过所述图像显示元件中心的轴的形状的面的共轴光学系统、和后组，包括单侧或两侧的面为自由曲面形状的至少一个自由曲面透镜，该第一光学系统包括将所述图像显示元件上显示的图像在屏幕上放大投影的投影透镜；和第二光学系统，包括至少具有一个自由曲面形状的自由曲面反射镜，将来自所述投影透镜的放大图像对所述屏幕倾斜投影，所述第一光学系统的非旋转对称的自由曲面透镜的外周包括垂直于所述自由曲面透镜的光轴且以所述光轴为中心的圆的一部分。
全文摘要
本发明提供一种即使将图像倾斜地放大投影在屏幕上也可以抑制梯形形变或像差，而且透镜的制造、组装调整容易的投影型图像显示装置和其中所用的投影光学单元。在配置在放大图像显示元件的图像，以规定角度投影的光学系统中的具有非旋转对称的自由曲面的透镜(15)中，其外周部分包括作成以透镜的光轴为中心的圆的一部分形状的边缘(17)。
文档编号H04N5/74GK1982935SQ20061010644
公开日2007年6月20日 申请日期2006年7月24日 优先权日2005年12月16日
发明者久田隆纪, 吉川博树, 大石哲, 平田浩二, 小仓直之 申请人:株式会社日立制作所