专利名称：投影型图像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及为了将图像显示元件的图像放大并投影到屏幕等投影面上，进行图像显示的投影光学单元，特别涉及适合于前投影型图像显示装置的投影光学单元，进而还涉及使用该投影光学单元的投影型图像显示装置。
背景技术：
在将图像显示元件的图像通过由多枚透镜构成的投影光学单元而放大投影到屏幕(投影面)的彩色图像显示装置中，要求在屏幕上得到充分大、没有变形的放大图像。为了实现这一目的，例如已知的有以下技术，如日本专利特开平5-134213号公报或日本专利特开2000-162544号公报中所述，使投影画面在对于投影系统的光轴垂直方向上移动，同时仍然使用对于投影系统的光轴倾斜规定的角度而配置的附加光学系统，对于屏幕以倾斜方向放大投影图像的投影装置或光学系统。此外，这里所谓附加光学系统(无焦转换器AfocalConverter)，是具有变换投影像大小作用的光学系统，能够对伴随着从倾斜方向对于屏幕投影的图像的畸变进行降低或修正，从而得到长方形的投射像的光学系统。
而且，已知的还有，如日本专利特开2004-157560号公报中所述，使用多枚反射镜，取代上述透镜(透过系统光学元件)，图像显示元件的图像放大投影到屏幕(投影面)的反射型成像光学系统。
发明内容
对于屏幕从倾斜方向投射图像时，在投射图像上产生所谓的梯形变形。为了消除该变形，在日本专利特开平5-134213号公报中记述的投影光学单元中，是使屏幕侧配置的附加光学系统(无焦转换器)偏心，从而抑制梯形变形的结构。但是，由于构成该偏心附加光学系统的透镜的放大倍数低，所以难以广角化，因此，为了得到必要放大倍数的投影像，必须增大从投影装置到屏幕的距离，而且，使投影画面与投影系统之间的距离也增大，存在有装置过大(特别是光学单元的光轴方向的长度)的问题。此外，作为构成上述偏心附加光学系统的透镜，必须是口径大的附加光学系统，与此相伴，也成为投影光学单元成本上升的原因。
而且，在日本专利特开2000-162544号公报所述的光学系统中，也与日本专利特开平5-134213号公报同样，由于放大倍数低而难以广角化，由于必须使个别使用的透镜偏心，所以其制造困难，此外，需要口径大的附加光学系统，成为投影光学单元成本上升的原因。
另一方面，在日本专利特开2004-157560号公报所述的反射型成像光学系统中，通过使用反射光学系统(反射镜)取代现有的透过型成像光学系统(透镜系统)，达到抑制成像光学系统的大型化且实现广角化的目的。但是由于在反射镜中光的偏心(偏向)量大，所以特别是在装置内，难以包含该倾斜角度并将多枚反射镜配置到正确的位置，而且，由于振动等会容易地引起反射镜的倾斜角度的变化，所以存在有制造极为困难的问题。
因此，本发明是鉴于上述问题而提出，其目的在于，提供不增大装置即能够广角化，同时其制造比较容易的投影光学单元、以及使该单元的投影型图像显示装置。就是说，提供不需要口径大的附加光学系统，且不产生梯形变形，使投影型显示装置自身不仅是进深，而且具有更紧凑外形尺寸的合适的技术。
为了达到上述目的，本发明的投影型图像显示装置具有图像显示元件；透镜组，配置在图像显示元件的后方，射出在图像显示元件上显示的图像，包括前方透镜组和后方透镜组，其中前方透镜组由包括至少是旋转对称的面形状、具有正的放大倍数的折射透镜的多个透镜形成，后方透镜组由包括非旋转对称的自由曲面形状的透镜的多个透镜形成；反射镜，反射来自透镜组的光，倾斜地投影到投影面上；和移动部件，使后方透镜组的多个透镜移动。
图1是本发明的投影光学单元的截面图。
图2是表示光学单元的透镜配置一例的立体图。
图3是说明光学单元的透镜面的垂直方向和水平方向的截面图。
图4是表示第一实施例的结构与光路的YZ截面图。
图5是表示第一实施例的结构与光路的XZ截面图。
图6是表示第一实施例中光学单元的透镜配置的立体图。
图7是表示第一实施例中光学单元的透镜配置的垂直方向截面图。
图8是表示第一实施例中光学单元的畸变性能的示意图。
图9是表示第一实施例中光学单元的光斑性能的示意图。
图10是表示第二实施例中光学单元的畸变性能的示意图。
图11是表示第二实施例中光学单元的光斑性能的示意图。
图12是表示第三实施例中光学单元的畸变性能的示意图。
图13是表示第三实施例中光学单元的光斑性能的示意图。
图14是表示第四实施例中光学单元的畸变性能的示意图。
图15是表示第四实施例中光学单元的光斑性能的示意图。
图16是将投影光学单元适用于投影型图像显示装置，在屏幕上放大投影图像的状态的示意图。
图17是表示在适用投影光学单元的投影型图像显示装置中，改变了投影距离的情况下的状态的示意图。
图18是表示在适用投影光学单元的投影型图像显示装置中，改变了投影距离的情况下的畸变性能与光斑性能的示意图。
图19是表示在适用投影光学单元的投影型图像显示装置中，改变了投影距离的情况下的畸变性能与光斑性能的示意图。
图20是表示在投影光学单元中移动后方透镜组的状态的示意图。
图21是表示在投影光学单元中用于移动后方透镜组的具体结构的一例的示意图。
图22是用于说明投影光学单元的透镜面的水平方向的截面图。
图23是表示在投影光学单元中移动了后方透镜组的情况下的畸变性能的示意图。
图24是表示在投影光学单元中移动了后方透镜组的情况下的光斑性能的示意图。
具体实施例方式
以下参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。
首先，图1是本发明中投影光学单元的基本光学结构的截面图，是以XYZ直角坐标系(图中箭头表示)中的YZ截面来表示光学系统的结构。
如该图1所示，本发明的投影光学单元是由以下元件构成入射来自光源8的光，射出所希望的图像的显示元件1与棱镜10；包含前方透镜组2与后方透镜组3的两个透镜组所构成的透过(透镜)光学系统；以及包含具有不是旋转对称(即非旋转对称)的自由曲面形状的反射面的反射镜(以下称为自由曲面镜)4的反射光学系统。
这里，作为上述图像显示元件1，例如例示了采用以液晶面板为代表的透过型显示元件，但在本发明中不限于此，例如也可以是CRT等自发光型的显示元件。而且，作为上述图像显示元件1，例如在采用上述液晶面板等透过型显示元件的情况下，必须有照射液晶面板的光源8的灯。而且，作为该液晶面板，可以是所谓的三板式，即合成R、G、B的多个图像的方式，在这种情况下，需要有图像合成用的棱镜等。但是，关于这些液晶面板的细节和照射液晶面板的光源8的灯等在后面说明，由于这里没有直接的关系，所以图中省略。另一方面，很明显，在CRT等自发光型的显示元件中不需要上述光源8。
在以上结构的本发明的投影光学单元中，从上述图像显示元件1通过棱镜10而射出的光，首先入射到构成透镜光学系统的前方透镜组2。此外，后面对其进行详细的说明，该前方透镜组2具有旋转对称面的形状，包含具有正放大倍数与负放大倍数的多枚折射棱镜而构成。其后，从该前方透镜组2射出的光，通过包含至少一个面具有非旋转对称的自由曲面形状的透镜的多枚透镜(该例中为2枚)构成的后方透镜组3。而且，从该后方透镜组3射出的光，进而由包含具有非旋转对称的自由曲面形状的反射面的反射镜4(以下称为自由曲面镜)的反射光学系统所放大反射，之后投影到规定的屏幕5(例如房间的墙壁和片状屏幕等)上。
此外，在本实施方式中，由图1可知，与现有技术(特别是日本专利特开平5-134213号公报和日本专利特开2000-162544号公报)所述的投影画面(显示元件)对于投影系统的光轴在垂直方向上移动，进而对于投影系统的光轴倾斜规定的角度而配置附加光学体系的光学系统不同，上述图像显示元件1，其显示画面的中央是配置成位于透镜光学系统的大致光轴上(即形成共轴光学系统)。所以，从上述图像显示元件1的显示画面的中央射出，通过透镜光学系统的入射孔的中央，射向屏幕5上的画面中央的光线11，大致沿着透镜光学系统(包含上述前方透镜组2与后方透镜组3)的光轴而行进(以下将其称为画面中央光线)。其后，该画面中央光线11由上述反射光学系统(包含自由曲面镜)的具有自由曲面形状的反射镜4上的点P2所反射，之后对于屏幕的法线7从下方倾斜地入射到屏幕5上的画面中央的点P5。该角度以下称为“倾斜入射角”，由θs表示。这意味着，沿着上述透镜光学系统的光轴而通过的光线，对于屏幕是倾斜地入射，由此，实质上是透镜光学系统的光轴对于屏幕倾斜地设置(成为倾斜入射系统)。
此外，如上所述，对于屏幕倾斜地入射光线时，从上述图像显示元件1投影的长方形的形状成为梯形，产生由包含梯形畸变和其它对于光轴非对称所引起的各种像差，但在本发明中，这些像差可以由构成上述光学系统的后方透镜组3以及上述反射光学系统的反射面所修正。
特别是，如果是从图像显示元件1投影的光线由构成上述反射光学系统的反射镜4的反射面所反射，倾斜地入射到屏幕5上，则与由构成透镜光学系统的透镜所得到的光的偏心量(偏向角)相比，能够得到更大的偏心量(偏向角)，而且，由于不容易产生像差，所以能够抑制装置的大型化，且能够达到宽画面视角的目的。就是说，包含上述前方透镜组2与后方透镜组3的透镜光学系统，与上述现有技术(特别是日本专利特开平5-134213号公报和日本专利特开2000-162544号公报)中使附加光学系统(无焦转换器)偏心而抑制梯形畸变的结构相比，能够构成更小口径的光学系统。
而且，如上所述，入射到构成上述反射光学系统的反射镜4的反射面的光，由上述透镜光学系统放大到规定的尺寸而投影，所以与现有的仅由反射透镜构成放大投影系统的结构(日本专利特开2004-157560号公报)相比，其制造容易。就是说，可以是透镜光学系统与反射光学系统分别制造，其后通过在装置框体内调整固定二者的位置而达到上述目的，这特别适用于批量生产。而且，如上所述，如果是用于进行梯形畸变等修正的后方透镜组3配置于上述前方透镜组2的前方的结构，则能够减小后方透镜组3与前方透镜组2之间的间隔而配置，能够使装载有该投影光学单元的装置整体更为紧凑，特别是能够取得可减小屏幕下部的高度的所希望的效果。
这样，如果将具有自由曲面形状的透过型透镜光学系统与具有自由曲面形状的反射光学系统进行组合，特别是在适用于前投影型的图像显示装置的情况下，能够确实且容易地实现前投影型中所强烈要求的宽画面视角，而且能够实现装置整体小的紧凑的光学系统。
接着，在图2和图3中，表示了包含反射光学系统的上述投影光学单元中光学元件的透镜面。就是说，图2是上述投影光学单元的立体图。图3分别表示其垂直方向的截面(图3(a))与水平方向的截面图(图3(b))。
从这些图可知，在透镜光学系统中，从图像显示元件1通过棱镜10而射出的图像，首先入射到包含具有旋转对称形状的多个透镜的前方透镜组2。如上所述，前方透镜组2包含旋转对称的球面与非球面透镜。而且，如后面的图5和图6所示，也可以在中途配置弯折镜，使光线呈直角弯折。
而且，后方透镜组3构成为至少具有2个自由曲面透镜。如这些图所示，距离反射镜4的反射面S22最近的自由曲面透镜31，向着其光线射出方向而凹进，且入射到上述屏幕下端的光线所通过的部分的曲率，设定得比入射到上述屏幕上端的光线所通过的部分的曲率大。就是说，所谓自由曲面透镜，是指向其光线射出方向而凹进弯曲，且具有入射到上述屏幕下端的光线所通过的部分的曲率比入射到上述屏幕上端的光线所通过的部分大的形状。
而且，在本实施方式中，是满足下面的条件的结构。就是说，在上述图1所示的截面内，从图像显示元件1的画面下端射出，通过前方透镜组2的入射孔的中央入射到屏幕5的画面上端的点P6的光线为光线12。从该光线12通过自由曲面镜4的点P3至屏幕上的点P6的光路长度为L1。而且，从图像显示元件1的画面上端射出，通过前方透镜组2的入射孔的中央，入射到屏幕5的画面下端的点P4的光线为光线13。从该光线13通过自由曲面镜4的点P1至屏幕上的点P4的光路长度为L2。而且，在上述投影光学单元中，是上述L1、L2满足下式而构成。
|LI-L2|＜1.2*sinθS*DV式中，DV是图1的截面内屏幕上的画面的大小，换言之，是从屏幕的画面上端的点P6至下端的点P4的距离。而且，θS是上述倾斜入射的角度。
另一方面，优选上述图像显示元件1使其显示画面的中央位于上述透镜光学系统的光轴上而配置，或者是，如图7所示，该显示画面的法线是对于上述透镜光学系统的光轴稍稍倾斜而配置。
此外，观察图1，如前所述，从点P3到P6的光路长度，比从点P1到P4的光路长度长。这意味着，从透镜光学系统看，屏幕上的像点P6比像点P4远。因此，如果与屏幕上的像点P6相对应的物点(显示画面上的点)更接近透镜光学系统，而且，与屏幕上的像点P4相对应的物点更离开透镜光学系统，则能够修正像面的倾斜。为此，如上述图7所示，在包含屏幕5的法线与画面中央光线的平面内，上述图像显示元件1的显示画面中央的法线矢量，对于透镜光学系统的光轴仅有少量倾斜。而且优选该倾斜的方向是与屏幕5的位置方向相反的方向。
此外，已知的还有用于得到对于光轴倾斜的像平面而使物平面倾斜的方法。在实用大小的可视角中由物平面的倾斜的像面，对于光轴产生非对称的变形，难以由旋转对称的投影透镜进行修正。在本实施方式中，在上述后方透镜组3中，由于使用了旋转非对称的自由曲面透镜31，进而，同样也使用了自由曲面透镜32，所以能够对应于非对称像面的变形。因此，通过使物平面倾斜，就是使图像显示元件的显示面倾斜，能够大幅度降低次像面的畸变，能够有效地辅助由自由曲面进行的像差修正。
接着，对上述各光学要素的作用加以说明，在上述透镜光学系统中，其前方透镜组2(透镜21～25)是用于将所述图像显示元件1的显示画面投影到屏幕5的主透镜，修正旋转对称光学系统中的基本像差。而且，上述透镜光学系统的后方透镜组3(透镜31～34)是由具有非旋转对称(旋转非对称)的自由曲面形状的透镜所构成。进而，由于上述反射镜4是由具有非旋转对称的自由曲面形状的反射镜所构成，所以主要是对由倾斜入射所产生的像差进行修正。就是说，构成为所述反射光学系统的反射镜4主要修正梯形畸变，而透镜光学系统的后方透镜组3则主要进行像面的畸变等非对称像差的修正。
以上，在本实施方式中，上述反射光学系统是由具有非旋转对称的自由曲面形状的一枚反射面(反射镜)4所构成，上述透镜光学系统的后方透镜组3构成为包含具有两面都是非旋转对称的自由曲面形状的2枚透过型透镜(反射镜4侧的透镜31和32)。这里，自由曲面镜4是向其反射方向凸出而弯曲。而且，自由曲面镜4反射入射到屏幕下端的光线部分的曲率，大于反射入射到屏幕上端的光线部分的曲率。而且，可以是反射入射到屏幕下端的光线部分为对于其反射方向凸形状，而反射入射到上述屏幕上端的光线部分为对于其反射方向凹形状。
反射光学系统的反射面(反射镜)4的坐标原点与前方透镜组2中最接近反射面(反射镜)4的透镜面的光轴方向的距离，优选能够设定为前方透镜组2的焦距的5倍或以上。这样，由反射光学系统的具有自由曲面形状的反射面，能够更有效地修正梯形畸变像差，得到良好的性能。
以下对本发明的具体数值实施例进行说明。
首先，利用图4和图5以及以下的表1～表4，将上述说明的本实施例的投影光学单元的详细，表示为包含其透镜光学系统和反射光学系统的光学元件的具体数值，进行说明。此外，图4和图5表示的是基于第一数值例的本发明的光学系统的光线图。就是说，在上述图1的XYZ正交坐标系中，图4表示的是YZ平面，就是将光学系统向Z轴方向展开。此外，图5表示XZ截面的结构。其中，在图5中，其详细的结构如图6所示，表示的是在构成透镜光学系统的透镜光学系统的前方透镜组2与后方透镜组3的中途设置弯折镜35，使光路在X方向一次弯曲的例。
在本例中，图4的下侧所表示的从图像显示元件1射出的光，在包含多枚透镜的透镜光学系统中，首先通过仅由具有旋转对称面的透镜所构成的前方透镜组2。而且，通过包含旋转非对称的自由曲面透镜的后方透镜组3，由作为反射光学系统的自由曲面镜4的反射面所反射。其反射光入射到屏幕5。
这里，透镜光学系统的前方透镜组2由具有所有旋转对称形状的折射面的多枚透镜所构成，这些透镜的折射面中4个是旋转对称的非球面，其它为球面。这里所使用的旋转对称非球面，是使用各面的局部柱坐标，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]]>式中r是距光轴的距离，Z是表示下降(Sag)量。而且，c是顶点处的曲率，k是圆锥常数，A～J是r的各次方的系数。
另一方面，构成上述透镜光学系统的后方透镜组3的自由曲面，是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的多项式的下式表示。
Z=cr21+1-(1+k)c2r2+Σm·Σn(C(m,n)·xm·yn)]]>式中Z表示与X、Y垂直方向上自由曲面形状的下降量，c是顶点处的曲率，r是X、Y轴的平面内距原点的距离，k是圆锥常数，C(m、n)是多项式的系数。
以下的表1表示本实施例中光学系统的数值数据。在表1中，S0～S23分别与上述图3所示的符号S0～S23相对应。这里，符号S0表示图像显示元件11的显示面，即物面，S23表示自由曲面镜5的反射面。而且，符号S24虽然在这些图中未出现，但表示上述图1的屏幕5的入射面，即像面。
表1
而且，在上述表1中，Rd是各面的曲率半径，在上述图3中面的左侧有曲率中心的情况下以正值表示，反之以负值表示。而且，在上述表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。对于其透镜面，下一个透镜面在图中左侧时面间距离为正，在右侧时为负值而表示。
进而，在上述表1中，S5、S6、S17、S18是旋转对称的非球面，在该表1中，面的编号侧添加“*”是为了容易分辨，这4个面的非球面系数示于以下的表2。
表2
而且，在上述表1中，从S19至S22是具有构成上述透镜光学系统的后方透镜组的自由曲面形状的折射面，S23是具有反射光学系统的自由曲面S23形状的反射面，面的编号侧添加“#”。表示这5个自由曲面形状的系数的值示于以下的表3。
表3
而且，在本发明中，如图7所示，图像显示元件1的显示画面的物面对于上述透镜光学系统的光轴倾斜-1.163度。此外，倾斜的方向以在该图7的截面内物面的法线沿顺时针方向旋转时为正值而表示。所以，在本实施例中，物面在图7的截面内从垂直于上述透镜光学系统的光轴的位置向逆时针方向旋转，倾斜1.163度。
而且，由上述图3或图7中的符号S23所表示的自由曲面镜4，其局部坐标的原点置于上述透镜光学系统的光轴上，局部坐标的原点的法线，即Z轴，从与上述透镜光学系统的光轴相平行的位置倾斜+29度而配置。此外，该倾斜的方向与上述物面同样，在上述图3或图7的截面内，逆时针方向旋转的方向为正，所以是逆时针旋转而配置。由此，从图像显示元件1的画面中央射出、大致沿着上述透镜光学系统的光轴而行进的画面中央光线，由S23反射后，向着对于上述透镜光学系统的光轴倾斜了上述倾斜角的2倍的58度的方向行进(参照图中的箭头)。
进而，本实施方式中的各面的局部坐标系的倾斜或偏心的样子示于以下的表4。在该表4中，表示面编号右侧的倾斜角度、偏心值，ADE是与图4的截面相平行的面内的斜率的大小，其表示规则如上所述。而且，YDE是偏心的大小，偏心是在与图4的截面相平行的面内且与光轴垂直的方向上设定，在上述图4的截面中向下侧的偏心为正。此外，在以后说明的实施例中，光学要素的斜率和偏心也是在与显示的截面相平行的截面内的方向上设定。
表4
此外，从上述表1、表3可知，在本实施例中，曲率c与康尼锡(Konig)系数k为0。就是说，倾斜入射所引起的梯形畸变，在倾斜入射的方向上极端大的发生，与其垂直的方向上的畸变量小。所以，在倾斜入射方向和与其垂直的方向上，需要很大不同的功能，不利用在旋转对称全方向上起作用的上述曲率c与康尼锡系数k，由此能够对非对称像差进行良好的修正。
而且，在上述表4中，面S23的ADE与上述图1所示的θm同样，如上述图1所示，屏幕5的面上的ADE是θs。从这二者的值，能够满足上述条件，所以，能够进一步减小屏幕下部的高度，实现紧凑的光学系统。
而且，上述式1所示的光路长的差|L1-L2|的值，是屏幕画面高度的0.42倍，由于θs是30度，所以能够满足式1的上述条件。上述表1～表4的数值，是将物面(比例为16∶9的液晶面板)上的范围(12.16×0.84mm)的图像放大投影到像面(60”+over-scan1452.8×817.2mm)的情况的一例。此时的图形畸变示于图8。该图8的纵向是上述图4的上下方向，是上述图1的Y轴的方向。而且，该图8的横向是屏幕上Y轴的垂直方向，图的长方形中央部是画面的中央。此外，该图8表示的是将画面的纵向分为4份，横向分为8份的情况下，各直线的弯曲状态，表示的是图形畸变的样子。
进而，点图示于图9。在该图9中，是从上方按照(1)～(8)的顺序，在图像显示元件5的显示画面上，即由X、Y坐标的值，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)等8点射出的光束的点图，单位是mm。各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。二者都能够维持良好的性能。
接着，利用图10、图11和表5～表8对第二实施例加以说明。这里，透镜光学系统的前方透镜组2，全部由旋转对称形状的折射面所构成，这些透镜折射面中4个是旋转对称的非球面，其它是球面。这里所使用的轴对称的非球面，是使用每个面的局部柱坐标系，由上述所示的式2表示。
而且，构成上述透镜光学系统的后方透镜组3的透镜的自由曲面，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的多项式的上述式3表示。
以下的表5表示本实施例的透镜数据，面编号是物面为S0，顺次从S1到S23。在该表5中，Rd是各面的曲率半径，TH是面间距离，表示自该透镜面的顶点到下一个透镜面的顶点的距离。
表5
在该表5中，面S5、S6、S17、S18是旋转对称的非球面，在表5中，面的编号侧添加“*”是为了容易分辨，这4个面的非球面系数示于以下的表6。
表6
而且，在上述表5中，从面S19至S22是具有构成上述透镜光学系统的组的自由曲面形状的折射面，S23是具有上述反射光学系统的自由曲面形状的反射面，面的编号侧添加“#”。表示这5个自由曲面形状的系数的值示于以下的表7。
表7
进而，本第二实施例中的各面的局部坐标系的倾斜和偏心的大小示于以下的表8。在该表8中，ADE与YDE的值的表示规则如上所述。本实施例中各面的倾斜，是与前面的第一实施例大致相同的量。
表8
而且，在上述表8中，由于S23的ADE(＝θm)和屏幕5的ADE(＝θs)，所以能够满足上述条件，能够实现减小屏幕下部的高度的紧凑光学系统。
而且，式1所示的光路长的差|L1-L2|的值，是屏幕画面高度的0.43倍，由于θs是30度，所以能够满足上述[式1]的条件。
另一方面，在该第二实施例中，如上述表8所示，使S15偏心-0.193mm，S17面反向偏心1.93mm。在某一面偏心的情况下，在以后的面中光轴移动该偏心量。所以，该S15与S17的偏心意味着S15与S16构成的一枚透镜从光轴偏心-0.193mm。该偏心量为微量不会对透镜的尺寸产生不良影响。由该偏心，能够实现非对称的色像差的微调整。
而且，从上述表4、表6可知，在本实施例中，曲率c与康尼锡系数k为0。倾斜入射所引起的梯形畸变，在倾斜入射的方向上极端大的发生，与其垂直的方向上的畸变量小。所以，在倾斜入射方向和与其垂直的方向上，需要很大不同的功能，不利用在旋转对称全方向上起作用的上述曲率c与康尼锡系数k，由此能够对图形畸变进行良好的修正。
上述数据的第二实施方式的有效范围，是将物面(16×9mm)上的范围放大投影到像面(1694.9×953.4mm)，其图形畸变示于图10。该图10的纵向是上述图1的上下方向，是Y轴的方向。图10的横向是屏幕上Y轴的垂直方向，图的长方形中央是画面的中央。图中表示的是将画面的纵向分为4份，横向分为8份的情况下各直线的弯曲状态，表示的是图形畸变的样子。
而且，第二实施方式的点图示于图11，在该图11中，是从上方按照(1)～(8)的顺序，在图像显示元件61的显示画面上，由X、Y坐标的值，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)等8点射出的光束的点图，单位是mm。各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。二者都能够维持良好的性能。
利用图12、图13和表9～表12对第三实施例加以说明。这里透镜光学系统的前方透镜组2也全部由旋转对称形状的折射面构成，这些透镜折射面中4个是旋转对称的非球面，其它是球面。这里所使用的轴对称的非球面，也是使用每个面的局部柱坐标系，由上述所示的[式2]表示。
而且，构成上述透镜光学系统的后方透镜组3的透镜的自由曲面，是使用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的多项式的上述式3表示。
以下的表9表示第三实施例的透镜数据，面编号是，物面为S0，顺次从S1到S23。在该表9中，Rd是各面的曲率半径，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。
表9
在该表9中，面S5、S6、S17、S18也是旋转对称的非球面，面的编号侧添加“*”是为了容易分辨，这4个面的非球面系数示于以下的表10。
表10
而且，在上述表9中，从S19至S22是具有构成上述透镜光学系统的后方透镜组的自由曲面形状的折射面，S23是具有上述反射光学系统的自由曲面形状的反射面，面的编号侧添加“#”。此外，表示这5个自由曲面形状的系数的值示于以下的表11。
表11
进而，在以下的表12中，表示第二实施例中的各面的斜率和偏心的大小。此外，该表12中ADE与YDE的值的表示规则如上所述。
表12
此外，从该表12可知，上述条件不能满足。但是，在该第三实施例中，其进深小，是进深优先的结构。
而且，如上述表12所示，与前面第二实施例同样，由面S15与S16构成的一枚透镜，从光轴偏心-0.304mm。该偏心量为微量，不会对透镜的尺寸产生不的不良影响。由该偏心，能够实现非对称的色像差的微调整。
进而，由于上述式1所示的光路长的差|L1-L2|的值，是屏幕画面高度的0.62倍，θs是45度，所以满足上述条件。
而且，从上述表9和表11可知，在该第三实施例中，曲率c与康尼锡系数k为0。就是说，倾斜入射所引起的梯形畸变，在倾斜入射的方向上极端大的发生，与其垂直的方向上的畸变量小。所以，在倾斜入射方向与其垂直的方向上，需要大幅不同的功能，不利用在旋转对称全方向上起作用的曲率c与康尼锡系数k，由此能够对图形畸变进行良好的修正。
而且，上述第三实施例的有效范围，是将物面(比例16∶9mm)上的范围放大投影到像面(50”+over-scan1210.7×681.0mm)，此时的图形畸变示于图12。该图12的纵向是上述图1的上下方向，即Y轴的方向。图11的横方向是屏幕上Y轴的垂直方向，图的长方形中央是画面的中央。图是将画面的纵向分为4份，横向分为8份的直线的弯曲状态，表示的是图形畸变的样子。
本数值实施例的点图示于图13。在该图13中，是从上方按照((1)～(8))的顺序，在图像显示元件61的显示画面上，即由X、Y坐标的值表示从(8，4.5)、(0，4.5)、(4.8，2.7)、(8，0)、(0，0)、(4.8，-2.7)、(8，-4.5)、(0，-4.5)等8点射出的光束的点图，单位是mm。各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。二者都能够维持良好的性能。
利用图14、图15和表13～表16对本发明的第四实施例加以说明。
这里从图像显示元件1射出的光在顺次通过由具有旋转对称面形状的透过型透镜所构成的透镜光学系统的前方透镜组2与具有自由曲面形状的透过型透镜构成的透镜光学系统的后方透镜组3之后，由反射光学系统的具有自由曲面形状的反射镜4所反射，入射到屏幕5。
就是说，这里透镜光学系统的前方透镜组2也由具有全部旋转对称形状的折射面构成，各折射面中4个是旋转对称的非球面，其它为球面。而且，这里所使用的轴对称非球面，使用各面的局部柱坐标，由上述式1表示。
构成上述透镜光学系统的后方透镜组3的自由曲面，也是使用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的多项式的上述式2表示。
以下的表13表示第四实施例的透镜数据，面编号是物面为S0，顺次从S1到S24，S25是像面。在该表13中，Rd是各面的曲率半径，当曲率的中心在上述图3中面的左侧时为正的值，相反情况下为负值。
表13
在该表13中，TH是面间距离，表示从其透镜面的顶点到下一个透镜面顶点的距离。而且，对于其透镜面，下一个透镜面在左侧(参照图3)时，面间距离为正值，在右侧的情况下为负值。
在该表13中，S5、S6、S17、S18是旋转对称的非球面，表13中面的编号侧添加“*”是为了容易分辨，这4个面的非球面系数示于以下的表14。
表14
而且，在该表13中，从S19至S22是具有构成上述透镜光学系统的后方透镜组3的自由曲面形状的折射面，S23是具有反射光学系统的自由曲面形状的反射面，面的编号侧添加“#”。此外，表示这5个自由曲面形状的系数的值示于以下的表15。
表15
进而，在以下的表16中，表示本实施例中的各面的倾斜和偏心的大小。该表16中ADE与YDE的值的表示规则如上所述，本实施例中各面的倾斜也与前面的第一实施例为大致相同的量。
表16
就是说，从该表16可知，上述条件不满足。但是，其进深小，是进深优先的实施例。
另一方面，在该第四实施例中，如上述表16所示，使面S15偏心-.023mm，S17的面反向偏心0.23mm。在某一偏心的情况下，在以后的面中光轴仅移动该偏心量。所以，该S15与S17的偏心意味着由S15与S16构成的一枚透镜从光轴偏心-0.193mm。该偏心量为微量，不会对透镜的尺寸产生大的不良影响。由该偏心实现非对称的色像差的微调整。
进而，由于光路长的差|L1-L2|的值，是屏幕画面高度的0.64倍，θs是45度，所以满足上述[式1]的条件。
而且，从上述表13和表15可知，在该第四实施例中，曲率c与康尼锡系数k为0。倾斜入射所引起的梯形畸变，在倾斜入射的方向上极端大的发生，与其垂直的方向上的畸变量小。所以，在倾斜入射方向和与其垂直的方向上，需要大幅不同的功能，不利用在旋转对称全方向上起作用的曲率c与康尼锡系数k，由此能够对图形畸变进行良好的修正。
此外，本实施例的有效范围是将物面(比例为16∶9)上的范围放大投影到像面(60”+over-scan1452.8×817.2mm)上，此时的图形畸变示于图14。该图15的纵向是上述图1的上下方向，即Y轴的方向。该图14的横向是屏幕上Y轴的垂直方向，图的长方形中央是画面的中央。而且，该图14是将画面的纵向分为4份，横向分为8份的直线的弯曲状态，由此表示图形畸变的样子。
进而，该第四实施例的点图示于图15。在该图15中，是从上方按照((1)～(8))的顺序，在图像显示元件61的显示画面上，由X、Y坐标的值表示从(8，4.5)、(0，4.5)、(4.8，2.7)、(8，0)、(0，0)、(4.8，-2.7)、(8，-4.5)、(0，-4.5)等8点射出的光束的点图。单位是mm。各点图的横向是屏幕上的X方向，纵向是屏幕上的Y方向。即二者都能够维持良好的性能。
接着，在图16中，表示将以上详细说明的投影光学单元应用于投影型图像显示装置，例如在房间的墙壁或片状屏幕上放大投影图像等的状态，进而，图17表示改变了从投影光学单元到屏幕的投影距离的情况下的问题。就是说，由图17可知，在使用自由曲面，对于屏幕倾斜光轴而投影的方式中，距设计的投影距离发生了大的变化时，图形畸变增大，点尺寸也增大，分辨率性能下降。
例如，如图17所示，将屏幕5的位置从设计位置65(设计的图像尺寸，例如相当于80英寸)放置到减小投影画面的方向的位置66(例如相当于画面尺寸60英寸)的情况下的点形状和畸变的状态示于图18，另一方面，将置于增大画面的方向的位置67(例如相当于画面尺寸100英寸)的情况下的点形状及其畸变的状态示于图19。由该图18和图19可知，畸变的大小增大到画面纵向尺寸的约2％以上，点形状为设计位置情况下增大到3倍以上，分辨率下降。
此外，点的增大使得，例如即使是在其前后移动面板的位置而进行焦点的对准，也不能够使画面整体的点形状良好。其理由在于，由于光学系统不是旋转对称，所以在面板和旋转对称的透镜的移动中，画面的一部分对焦时，另一部分的焦距产生大的偏差。而且，仅靠移动自由曲面透镜的后方透镜组的透镜31和32，不能修正该点的形状。这是由于在伴随着屏幕位置移动的畸变的修正中，旋转对称透镜的放大倍数是必要的。
因此，基于上述实施例，对应于屏幕位置的移动而移动透镜，这样，调查了点形状的畸变和分辨率性能的改善中有效的透镜的结果表明，特别是与构成上述后方透镜组的具有负放大倍数的一组(在该例中为2枚)透镜33与34(参照以下的图20)一起，使具有自由曲面的透镜31与透过透镜32分别独立，在其光轴方向上仅移动规定的距离是有效的。此外，移动上述具有自由曲面的反射镜4也有效。但是，由于倾斜设置且移动尺寸较大的自由曲面的镜4，在装置的结构上难点多，所以，特别是移动构成上述后方透镜组3的透镜31～34最有效。
在图20中，表示的是将构成上述后方透镜组3的透镜、即具有自由曲面的透过透镜31，另一具有自由曲面的透镜32，以及一组具有负的放大倍数的旋转对称透镜33、34移动到规定位置的状态。此外，图20(a)是在上述图17中将屏幕置于减小投影画面的方向的位置66(例如相当于画面尺寸60英寸)的情况，图20(b)是将屏幕置于设计位置65(例如相当于画面尺寸80英寸)的情况，而图20(c)是屏幕置于增大投影画面的方向的位置67(例如相当于画面尺寸100英寸)的情况。就是说，在该实施例中，对于屏幕位置的移动，是将构成上述后方透镜组3的具有负放大倍数透镜及其附近的旋转对称透镜合为一体而成的透镜组，而且，将具有自由曲面的2枚透过透镜作为各自的一个透镜组，通过这些透镜组在其光轴方向上的移动，对于屏幕位置进行调整，能够使屏幕在位置66与位置67之间，得到良好的性能。
此外，如上所述，作为用于移动构成上述后方透镜组3的透镜31～34的结构，例如，如附图21所示，在2个装载台210、220上分别组装上述前方透镜组2(旋转对称的透镜21～25)与后方透镜组3(透镜31～34)。此外，在一侧的装载台(例如装载台210)上，在预先确定的位置上固定上述前方透镜组2(旋转对称的透镜21～25)，将该装载台210固定于装置内。而且，在另一个装载台(例如装载台220)上，预先形成沟221、222、223的同时，使该装载台220对于上述装载台210(在该例中，如箭头所示，对于透镜组的光轴方向为直角方向)可移动地设置在装置内。
此外，如上述图20所示，构成上述后方透镜组3的透镜31～34，与透镜33和34结合为一体，就是说，分为透镜31、透镜32、以及由透镜33、34构成的3组，使各自的位置对应于投影到屏幕所得到画面的尺寸(60英寸、80英寸、100英寸)而移动。因此，上述槽221、222、223与这3组的透镜相对应而形成，而且，如图中所示，上述可移动的装载台220，与表示其上形成的基准的标志224的位置相对应(例如在装载有装载台220的装置侧的基台上涂以“60”英寸、“80”英寸、“100”英寸等印迹)，上述3组的透镜，透镜31、透镜32、透镜33以及34，分别配置于所希望的位置而形成(即对于各透镜组倾斜所希望的角度)。由此，仅通过移动一侧的装载台220，能够使后方透镜组3(透镜31～34)对于前方透镜组2，在光轴方向上自由地改变其相对位置。
或者是，也可以利用在其外周形成了上述沟的圆筒，取代上述装载台，也能够达到与上述同样的功能。此外，在这种情况下，特别是后方透镜组3中具有自由曲面的2枚透过透镜31、32，虽然变更了光轴方向的相对位置，但没有必要伴随旋转。由此，例如可以使上述筒状部件独立地旋转，就是说，优选前端侧与后端侧分离，其前端侧不旋转的结构。
接着，以下参照表17～21和图22～24表示上述所示的实施例的透镜数据。此外，这种情况下的投影光学单元的光学元件的透镜面示于图22。此外，该实施例与上述实施例的不同之处在于，在上述图3中由S9与S10所表示的透镜面，在该图21中成为一体，因此，由S0～S22的面所构成。
这里，自由曲面的式子与上述[式1]同样。
此外，以下的表17～20的数值是物面(比例为16∶9)上的范围(12.16×6.84mm)的图像放大投影到像面(80”+over-scan1841.9×1036.1mm)的情况的一例。
首先，表17中Rd是各面的曲率半径，在图中曲率的中心位于面的左侧时为正值，相反的情况下由负值表示。而且，该表17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。对于某一透镜面，下一个透镜面位于左侧时为正值，位于右侧时为负值。进而，在该表17中，S5、S6、S16、S17(参照上述图3)是旋转对称的非球面，表17中面的编号一侧附加有“*”而表示。此外，这4个面的非球面的系数示于以下的表18。
表17
表18
而且，在上述表17中，从S18至S21是自由曲面形状的各折射面，S22是自由曲面反射镜的反射面，面的编号侧添加“#”而表示。此外，表示这5个自由曲面形状的系数的值示于表7。
接着，在以下的表19中，系数的名称与值左右并排表示在框的组内，右侧是系数的值，左侧的名称中括号内由逗号分开的2组数值表示式2所示的m与n的值。
表19
进而，在该实施方式中，各面的局部坐标系的倾斜或偏心的样子示于以下的表20。此外，在该表20中，ADE表示与图的截面相平行的面内的倾斜的大小，倾斜的方向是图的截面内逆时针旋转的方向为正，单位是度。而且，YDE是偏心的大小，偏心在图的截面内且与光轴垂直的方向上设定，图的截面中向下侧的偏心为正，单位是mm。
表20
该表20所示的倾斜或偏心中，包含表示的面编号的以后的面，全部配置于表示面的倾斜的光轴上。但是，S22面的倾斜仅表示22面的光轴的倾斜，其后的23面配置于倾斜量是22面的2倍的光轴上。
表21是表示这些面间距离对于与屏幕位置的移动相对应而移动的透镜组的变化。
表21
此外，与该表9的Sc65、Sc67、Sc66相对应栏目的值，表示屏幕位置65、67、66的透镜间隔。
而且，图23表示上述屏幕分别在上述图16中66、65、67的位置的情况下的畸变的样子，而且，附图24表示这种情况下点形状的样子。
就是说，在图23(a)～(c)中，将物面(比例为16∶9的液晶面板)上的范围(12.16×6.64mm)分别放大投影到60英寸的像面、80英寸的像面、100英寸的像面的情况下的图形畸变。该图22的纵向是上述图1的上下方向，即Y轴的方向。而且，该图22的横向是屏幕上Y轴的垂直方向，图的长方形中央是画面的中央。而且，该图22通过表示将画面的纵向分为4份，横向分为8份的直线的弯曲状态，来表示图形畸变的样子。
另一方面，在图24中，表示将屏幕分别配置于位置66、65、67(参照上述图16)的情况下所得到的点图。此外，在该图中，是从上方按照((1)～(8))的顺序，在图像显示元件1的显示画面上，由X、Y坐标的值表示从(8，4.5)、(0，4.5)、(4.8，2.7)、(8，0)、(0，0)、(4.8，-2.7)、(8，-4.5)、(0，-4.5)等8点射出的光束的点图，而且，在其横方向上，表示各自的位置66、65、67的屏幕位置(Sc66、Sc65、Sc67)。其中单位是mm，各点图的横方向是屏幕上的X向，纵向是屏幕上的Y方向。就是说，从这些图可知，无论是在哪种情况下，二者都能够维持良好的性能。
如上所述，根据本发明，由于没有必要如现有技术那样使使用的透镜偏心，所以没有必要附加口径大的光学系统，而且能够实现广角化，同时，即使到屏幕的位置变更，也能够将畸变抑制到最小限度，并且能够提供制造比较容易的投影光学单元。而且，通过利用该投影光学单元，能够实现性能良好，且具有更紧凑外形尺寸的投影型图像显示装置。
根据以上的本发明，没有必要附加口径大的光学系统，能够实现广角化，同时，即使是变更到投影面(屏幕)的位置，也能够将畸变抑制到最小限度，并且能够提供制造比较容易的投影光学单元，同时，利用该单元，能够发挥实现性能良好，且具有更紧凑外形尺寸的投影型图像显示装置的优异效果。
权利要求
1.一种放大图像并将其投影到投影面上的投影型图像显示装置，其特征在于，具有图像显示元件；透镜组，配置在所述图像显示元件的后方，射出在所述图像显示元件上显示的图像，包括前方透镜组和后方透镜组，其中所述前方透镜组由包括至少是旋转对称的面形状、具有正的放大倍数的折射透镜的多个透镜形成，所述后方透镜组由包括非旋转对称的自由曲面形状的透镜的多个透镜形成；反射镜，反射来自所述透镜组的光，倾斜地投影到所述投影面上；和移动部件，使所述后方透镜组的多个透镜移动。
2.根据权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于所述移动部件使所述后方透镜组在所述透镜组的光轴方向移动。
3.根据权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于在所述后方透镜组的多个透镜的一部分中，入射到所述投影面的下端部的光所通过的部分的曲率与入射到所述投影面的上端部的光所通过的部分的曲率不同。
4.根据权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于所述后方透镜组具有至少一个旋转对称的球面透镜和至少一个旋转对称的非球面透镜。
5.根据权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于所述后方透镜组具有具有负的放大倍数、旋转对称的第一和第二透镜；和使来自所述第二透镜的光透过、自由曲面形状的第三和第四透镜。
6.根据权利要求5所述的投影型图像显示装置，其特征在于具有使所述第一和第二透镜旋转的机构。
7.根据权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于所述图像显示元件的显示面的法线相对于所述透镜组的光轴倾斜。
8.一种投影型图像显示装置，具有生成图像的图像显示元件，将在图像显示元件上显示的图像放大并投影到投影面上，其特征在于，具有透镜组，配置在所述图像显示元件的后方，由前方透镜组和后方透镜组形成，其中所述前方透镜组具备包括旋转对称的面形状、具有正的或负的放大倍数的折射透镜的多个透镜，所述后方透镜组具备包括非旋转对称的自由曲面形状的透镜的多个透镜；旋转非对称的反射镜，反射来自所述透镜组的光，倾斜地投影到所述投影面上，其一部分在反射方向为凸状；和移动部件，使所述后方透镜组的多个透镜分别在所述透镜组的光轴方向移动。
9.根据权利要求8所述的投影型图像显示装置，其特征在于所述后方透镜组具有入射到所述投影面的下端部的光所通过的部分的曲率与入射到所述投影面的上端部的光所通过的部分的曲率不同的透镜。
10.根据权利要求8所述的投影型图像显示装置，其特征在于所述后方透镜组具有至少一个旋转对称的球面透镜和至少一个旋转对称的非球面透镜。
11.根据权利要求8所述的投影型图像显示装置，其特征在于所述图像显示元件的显示面的法线相对于所述透镜组的光轴倾斜。
12.一种投影型图像显示装置，具有生成图像的图像显示元件，将在图像显示元件上显示的图像放大并投影到投影面上，其特征在于，具有透镜组，配置在所述图像显示元件的后方，由前方透镜组和后方透镜组形成，其中所述前方透镜组具备包括旋转对称的面形状、具有正的或负的放大倍数的折射透镜的多个透镜，所述后方透镜组具备具有负的放大倍数、旋转对称的第一和第二透镜；以及使来自所述第二透镜的光透过、自由曲面形状的第三和第四透镜；旋转非对称的反射镜，反射来自所述透镜组的光，倾斜地投影到所述投影面上，其一部分在反射方向为凸状；和移动部件，使所述后方透镜组的多个透镜分别在所述透镜组的光轴方向上移动。
13.根据权利要求12所述的投影型图像显示装置，其特征在于具有使所述第一和第二透镜旋转的机构。
14.根据权利要求12所述的投影型图像显示装置，其特征在于所述图像显示元件的显示面的法线相对于所述透镜组的光轴倾斜。
全文摘要
本发明的投影型图像显示装置，具有由前方透镜组与后方透镜组所形成、配置于图像显示元件与投影面之间的透镜光学系统，设置有移动后方透镜组的移动部件。
文档编号G02B15/16GK101082760SQ20071010852
公开日2007年12月5日 申请日期2007年5月31日 优先权日2006年6月1日
发明者久田隆纪, 平田浩二, 谷津雅彦 申请人:株式会社日立制作所