专利名称：图像投影装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种放大图像显示元件的图像并将其投影在屏幕等投影面上，进行图像显示的图像投影装置，特别涉及一种修正、减小伴随从倾斜方向的投影而产生的投影图像的变形，能够获得长方形的投影图像的图像投影装置。
背景技术：
已知各种图像投影装置(所谓投影机)，使来自光源的光例如通过显示在液晶图像显示元件上的图像之后，通过由多片透镜构成的投影光学单元在屏幕(投影面)上放大并投影该光，并且，这些图像投影装置已经实用化。根据其使用方式，极力要求上述装置能够搬运，特别在要求其小型化的同时，还要求在屏幕上不变形地获得充分大的放大图像。
根据现有技术，例如以下的专利文献1，可知一种投影机，以能够切换正面投影和背面投影地对图像进行投影为目的，与投影机本体一体地构成背面投影用反射镜，在该背面投影时也能够以大画面进行投影，小型且投影图像的画质优良。
此外，例如下述的专利文献2～3所述，已知一种投影装置或光学系统，可沿垂直于投影系统的光轴的方向移动投影画面，并且使用相对于投影系统的光轴倾斜规定的角度配置的附加光学系统，相对屏幕在倾斜方向对图像进行放大投影。而且，这里提及的附加光学系统(远焦转换器(afocal converter))为具有可改变投影图像大小的作用的光学系统，用于修正、减小伴随从相对屏幕倾斜的方向的投影而产生的投影图像的变形，获得长方形的投影图像。
另外，根据例如下述的专利文献4，可知一种反射型成像光学系统，使用多片反射镜(反射系统光学元件)代替上述透镜(透射系统光学元件)，在屏幕(投影面)上放大并投影图像显示元件的图像。
即，当使用上述专利文献1所述的图像投影装置(投影机)从相对屏幕倾斜的方向投影图像时，在投影图像上产生所谓台形变形。为解决该问题，在如上述专利文献2所述的投影光学单元中采用使配置于屏幕一侧的附加光学系统(远焦转换器)偏心以抑制台形变形的结构。但是，难以实现构成该偏心附加光学系统的透镜的广角化，因此，为了获得所需倍率的投影图像，需增大从投影装置到屏幕的距离，此外，还增大投影画面与投影系统之间的距离，因此，存在装置整体变大(特别是光学单元的光轴方向的长度)的问题。另外，作为构成上述偏心附加光学系统的透镜，需要口径大的附加光学系统，随之，这也成为投影光学单元的成本增加的原因。
此外，在上述专利文献3所述的投影光学单元中，与上述专利文献2一样，也难以实现广角化，并且，由于需要个别地使所使用的透镜偏心，所以使该制造变得困难，另外，还需要使用口径大的附加光学系统，这成为投影光学单元的成本增加的原因。
另一方面，在如专利文献4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)代替现有技术的透射型的成像光学系统(透镜系统)，能够达到抑制成像光学系统的大型化并且实现广角化的目的。但是，因为反射镜的光的偏心(偏转)量大，所以特别在装置内，难以在正确的位置和其倾斜角度上配置多片反射镜，此外，因为振动也容易使反射镜的倾斜角度等发生变化，所以还存在该系统的制造极其困难的问题。
专利文献1日本特开2006-259252号公报
专利文献2日本特开平5-134213号公报
专利文献3日本特开2000-162544号公报
专利文献4日本特开2004-157560号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像投影装置，不增大装置的外形即能够实现广角化，并且比较容易实现小型化，即不需要使用口径大的附加光学系统，且在投影图像上不产生台形变形，适于采用紧凑的外形尺寸。
根据本发明，为了达到上述目的，首先提供一种图像投影装置，其对图像显示元件上的图像进行放大、投影，该装置包括大致呈箱型的机箱；设置于上述机箱的内部并配有光源在内部的光源部；设置于上述机箱的内部并通过上述图像显示元件对来自上述光源部的光进行调制从而形成图像光的光调制部；和设置于上述机箱的内部并对来自上述光调制部的图像光进行放大、投影的投影光学部，其中，上述投影光学部具有，由从上述图像显示元件朝着光的投影方向依次配置为相对于光轴对称的多个透镜元件构成的透镜组；和相对于该光轴为非轴对称形状的透镜元件，还包括反射镜，该反射镜安装在上述机箱的一部分上并可沿上述投影光学部的光轴配置于该机箱外部的规定位置上，由此对从上述投影光学部射出的图像光进行反射，并且，该反射镜具有相对于上述投影光学部的光轴非轴对称的自由曲面形状。
此外，根据本发明，在如上所述的图像投影装置中，优选上述反射镜被构成为以机械的方式与上述机箱结合，并相对于上述机箱能够移动，进一步，优选在上述机箱的内部还具备电源部，并且该箱型机箱的平面尺寸设定在30cm×30cm以内。再者，优选上述光源部的光轴与上述光调制部的光轴仅倾斜规定的角度。
根据以上的本发明，发挥能够提供一种图像投影装置的优异效果，该图像投影装置能够容易地实现广角化，并且不需要使用口径大的附加光学系统而实现小型化，并且，能够在投影图像上不产生台形变形地放大并投影适宜的图像。
图1为表示本发明的一实施方式的图像投影装置(投影机)的整体结构的立体图。
图2为上述本发明的图像投影装置的侧视图。
图3为表示上述本发明的图像投影装置的，特别是包括光调制单元和投影光学单元的光学系统的结构的部分展开立体图。
图4为表示上述本发明的图像投影装置的投影光学单元的基本结构的截面图。
图5为表示上述本发明的图像投影装置的投影光学单元的透镜配置的一个例子的立体图。
图6为用于说明上述投影光学单元的透镜面的垂直方向和水平方向的截面图。
图7为用于说明上述投影光学单元的透镜面的变形例的垂直方向的截面图。
图8为表示上述投影光学单元的光路的YZ截面图。
图9为表示上述投影光学单元的光路的XZ截面图。
图10为表示在上述投影光学单元中使投影距离发生变化时的性能的图。
图11为表示在上述投影光学单元中使后方透镜组移动后的状态的示意图。
图12为表示在上述投影型图像显示装置中，用于使投影光学单元的后方透镜组移动的结构的一个例子，包括一部分截面的立体图。
符号说明 100图像投影装置(投影机)的机箱 200光源单元 300光调制单元 400投影光学单元 500电源单元 600自由曲面反射镜
具体实施例方式 以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。附图1为表示本发明的一实施方式的图像投影装置(所谓投影机)的结构的立体图，该图中显示了在该投影装置本体的一部分上设置有切口的大致呈箱型的机箱100(外形30cm×30cm)中容纳的构成元件。
首先，在该机箱100内具有包括水银灯或卤素灯等可产生高亮度的白色光的灯、集光镜等的光源单元200；包括例如显示从外部的个人计算机输入的画像或图像的图像显示元件，由该图像显示元件调制从上述光源单元200照射的光的光调制单元300；用于放大并照射从该光调制单元300射出的光的投影光学单元400；和用于例如从商用电源输入电力、向上述各单元供给必需的电压/电流的电源单元500，而且，在机箱100的一部分(图示的例中，左上侧面的部位)上，通过覆盖光的射出口的板状部件610，以可旋转的方式安装有后面将详细说明的自由曲面反射镜600。另外，图中参照符号611、612表示，为了在其两端加强自由曲面反射镜600，并在板状部件610的前端倾斜规定角度地固定自由曲面反射镜600的所谓加强部件。
即，如附图2所示，固定于上述自由曲面反射镜600的下端的板状部件610，通过形成在上述图像投影装置的机箱100的一部分(图示的例中，机箱的左侧面下端部)上的轴承部111，被机械连结，而且，如图中虚线所示，将该板状部件610以能够以该轴承部111为中心旋转的方式安装。另外，在该图中，用箭头表示从上述投影光学单元400射出，并由自由曲面反射镜600的表面反射的光。
接着，在附图3中说明在上述内容中已表示其概略结构的图像投影装置，特别以作为其光学元件的光源单元200、光调制单元300、投影光学单元400和上述自由曲面反射镜600为中心进行说明。
来自在其内部包括未图示的产生高亮度的白色光的灯、集光镜等的光源单元200的光的一部分，例如通过构成光调制单元300的半透明反射镜311和反射镜312，被导向作为液晶图像显示元件的例如透射型的红色用(R)液晶板313R，上述光的另一部分，通过半透明反射镜311和第2半透明反射镜314，被导向透射型的绿色用(G)液晶板313G，而上述光的剩余的一部分，通过半透明反射镜311和第2半透明反射镜314，再通过反射镜315、316，被导向透射型的蓝色用(B)液晶板313B，上述光根据显示的画像或图像分别被调制。其后，通过光合成棱镜320，将这些被调制的光合成为被投影的彩色图像光。其后，如以下详细说明的那样，上述由光合成棱镜320合成的彩色图像光通过包括前方透镜组410和后方透镜组420的投影光学单元400，再通过上述自由曲面反射镜600，如图中箭头所示，被投影在未图示的屏幕等上。
其次，参照附图4，说明上述图像投影装置的投影光学单元的基本光学结构。而且，该图所示的XYZ正交坐标系中，设定由上述光合成棱镜320合成的彩色图像光所投影的平面为XY平面，上述投影光学单元的光轴相当于YZ截面。
如图4所示，投影光学单元由透射(透镜)光学系统和反射光学系统构成，前者由入射来自光源8(对应于图1和图3的光源单元200)的光并射出期望的图像的图像显示元件1(对应于图3的3块液晶板313R、313G、313B。但此处仅图示了1块)、棱镜10(对应于图3的光合成棱镜320)、包括前方透镜组2(对应于图3的410)和后方透镜组3(对应于图3的420)的2个透镜组构成，后者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(以下称为自由曲面反射镜)4(对应于图3的600)。
在具有以上结构的投影光学单元中，从上述图像显示元件1通过棱镜10射出的光，首先，入射至构成透镜光学系统的前方透镜组2。而且，以下还将说明其细节，该前方透镜组2包括具有旋转对称的面形状、具有正光焦度(power)和负光焦度的多片折射透镜。之后，从该前方透镜组2射出的光通过后方透镜组3，该后方透镜组3由包括至少一方的面为不是旋转对称(旋转非对称)的自由曲面的形状的多片(本例为2片)透镜的多片透镜构成。然后，从后方透镜组3射出的光，又通过包括具有不是旋转对称的自由曲面形状的反射面的反射镜(以下称为自由曲面反射镜)4的反射光学系统被扩大并反射，之后，被投影至规定的屏幕5(例如，房间的墙壁和薄片状的屏幕等)。
在现有技术(特别是上述专利文献2和3)中，在相对投影系统的光轴的垂直方向上移动投影画面(显示元件)，而且相对投影系统的光轴倾斜规定的角度配置附加光学系统，与此不同，在本实施方式中，从上述图4可以明确，配置上述图像显示元件(即液晶板)1，使其显示画面的中央大致位于透镜光学系统的光轴上(即形成共轴光学系统)。因此，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光瞳的中央，朝向屏幕5上的画面中央的光线11，大致沿透镜光学系统(包括上述前方透镜组2和后方透镜组3)的光轴前进(以下，称其为“画面中央光线”)。之后，该画面中央光线11，在上述反射光学系统(包括自由曲面反射镜)的具有自由曲面形状的反射面4上的点P2被反射后，在屏幕5上的画面中央的点P5，从屏幕的法线7的下方倾斜入射。以下称该角度为“倾斜入射角度”，并用θs表示。即，沿着上述透镜光学系统的光轴通过的光线相对于屏幕倾斜入射，这实质上意味着相对于屏幕倾斜设置透镜光学系统的光轴(形成倾斜入射系统)。
通常，当如上所述相对于屏幕倾斜入射光线时，从上述图像显示元件1投影的长方形的形状变成台形，即包括所谓的台形变形，此外，也会由于相对光轴不旋转对称而产生各种像差，但是，在本发明中，使用构成上述透镜光学系统的后方透镜组3和上述反射光学系统的反射面以修正上述问题。
特别地，通过将从上述图像显示单元1投影的光线在构成上述反射光学系统的反射镜4的反射面上放大反射，并向屏幕5上倾斜入射，与由透镜获得的光的偏心量(偏转角)相比，能够获得更大的偏心量(偏转角)，此外，因为难以产生像差，所以能够抑制装置的大型化并实现广角化。即，与上述现有技术(特别是上述专利文献1和2)的使附加光学系统(远焦转换器)偏心以抑制台形变形的结构相比，包括上述前方透镜组2和后方透镜组3的透镜光学系统能够构成为口径更小的光学系统。
此外，如上所述，入射至构成上述反射光学系统的反射镜4的反射面的光是由上述透镜光学系统放大至规定的大小并进行投影的，因此，与现有的仅由反射镜构成放大投影系统的构造(例如上述专利文献4)相比，其制造变得容易。即，通过采用分别制造透镜光学系统与反射光学系统，之后在装置机箱内固定调整上述二者的位置的结构，特别适于大量生产。此外，通过采用如上所述的在上述前方透镜组2的前方配置用于修正台形变形等的后方透镜组3的结构，能够减小该后方透镜组3与前方透镜组2之间的间隔地配置二者，因此，能够获得使搭载有该投影光学单元的装置(即投影机)整体紧凑化的良好效果。
这样，通过组合具有自由曲面形状的透射型透镜光学系统和具有自由曲面形状的反射光学系统，特别在应用于作为图像投影装置的投影机的情况下，能够可靠且比较容易地实现对该装置极力要求的广角化，并且能够使装置整体减小，实现紧凑的装置。
接着，在附图5和图6中，表示包括构成上述投影型图像显示装置的投影光学单元的透镜光学系统和反射光学系统的光学元件的细节。即，图5为上述投影光学单元的立体图，图6分别表示其垂直方向的截面(图6(a))和其水平方向的截面(图6(b))。
如这些图中所示，在透镜光学系统中，从图像显示元件1通过棱镜10射出的图像，首先入射至包括具有旋转对称形状的多片透镜的前方透镜组2。如上所述，前方透镜组2包括旋转对称的球面透镜和非球面透镜。另外，这些图中的符号35表示配置于上述前方透镜组2和后方透镜组3之间的弯曲反射镜35。
此外，后方透镜组3由至少2个自由曲面透镜构成。如这些图中所示，距反射镜4的反射面S23最近的自由曲面透镜31，凹部朝向其光的射出方向，并且设定，在上述屏幕的下端入射的光线所通过的部分的曲率大于在上述屏幕的上端入射的光线所通过的部分的曲率。即，所谓自由曲面透镜，是具有凹部朝向其光的射出方向弯曲，并且在屏幕的下端入射的光线所通过的部分的曲率比在上述屏幕的上端入射的光线所通过的部分的曲率大的形状的透镜。
此外，本实施方式以满足下述条件的方式构成。即，在上述的图4所示的截面内，设定从上述图像显示元件1的画面下端射出、通过前方透镜组2的入射光瞳的中央、在屏幕5的画面上端的点P6入射的光线为光线1 2。令该光线12从其通过自由曲面反射镜4的点P3至屏幕上的点P6的光程为L1。此外，设从上述图像显示元件1的画面上端射出、通过前方透镜组2的入射光瞳的中央、在屏幕5的画面下端的点P4入射的光线为光线13。令该光线13从其通过自由曲面反射镜4的点P1至屏幕上的点P4的光程为L2。而且，构成上述投影光学单元，使上述L1、L2满足下式。
[数1] |L1-L2|＜1.2*sinθs*Dv 此处，Dv是图4的截面内的屏幕上的画面的尺寸，换言之，Dv是从屏幕上的画面上端的点P6至画面下端的点P4的距离。另外，θs为上述倾斜入射角度。
另一方面，配置上述图像显示元件1，使其显示画面的中央位于上述透镜光学系统的光轴上，或者，如附图7所示，优选配置该图像显示元件1，使该显示画面的法线相对上述透镜光学系统的光轴稍微倾斜。
另外，观察上述的图4可知，如上所述，从点P3至点P6的光程大于从点P1至点P4的光程。这意味着从透镜光学系统来看，屏幕上的像点P6位于比像点P4远的位置。因此，如果对应于屏幕上的像点P6的物点(显示画面上的点)是距透镜光学系统较近的点，或者对应于像点P4的物点是距透镜光学系统较远的点，则能够修正像面的倾斜。因此，又如上述图7所示，优选在包括屏幕5的法线和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相对于透镜光学系统的光轴稍微倾斜。而且，其倾斜方向优选为与屏幕5所在位置的方向相反的方向。
另外，虽然已知为获得相对于光轴倾斜的像平面而倾斜物平面的方法，可是在实用的大视场角的情况下，由于物平面的倾斜，像平面会产生相对于光轴的非对称的变形，使用旋转对称的投影透镜难以对其进行修正。在本实施方式中，由于在上述后方透镜组3中使用了旋转非对称的自由曲面透镜31和自由曲面透镜32，所以能够应对非对称的像面的变形。因此，因为通过倾斜物平面，即，倾斜图像显示元件的显示面，能够大大减小低次的像面的变形，所以有效地辅助了利用自由曲面进行的像差修正。
其次，说明上述各光学元件的作用，上述透镜光学系统中，其前方透镜组2(透镜21～25)构成用于在屏幕5上投影上述图像显示元件1的显示画面的主透镜，且修正旋转对称的光学系统基本的像差。此外，上述透镜光学系统的后方透镜组3(透镜31～34)由具有不旋转对称(旋转非对称)的自由曲面形状的透镜构成。而且，因为上述反射光学系统4是由具有不旋转对称的自由曲面形状的反射面构成的，所以主要进行由倾斜入射产生的像差的修正。这样，即构成以下的结构构成上述反射光学系统的反射镜4主要修正台形变形，另外，透镜光学系统的后方透镜组3主要进行像面的变形等的非对称的像差的修正。
如上所述，在本发明的实施方式中，上述反射光学系统由1片具有不旋转对称的自由曲面形状的反射面(反射镜)4构成，上述透镜光学系统的后方透镜组3由两面均具有旋转非对称的自由曲面形状的2片透射型透镜(反射镜4一侧的透镜31和32)构成。而且，这里，自由曲面反射镜4以使其凸部朝向其反射方向的方式弯曲。而且，设定自由曲面反射镜4的反射在屏幕下端入射的光线的部分的曲率大于其反射在上述屏幕上端入射的光线的部分的曲率。此外，可以使其反射在屏幕下端入射的光线的部分相对其反射方向为凸形状，另外，使其反射在上述屏幕上端入射的光线的部分相对其反射方向为凹形状。
优选设定反射光学系统的反射面(反射镜)4的坐标原点和前方透镜组2中距反射面(反射镜)4最近的透镜面之间的在光轴方向的距离为前方透镜组2的焦点距离的5倍或者5倍以上。通过这样设定，能够通过反射光学系统的具有自由曲面形状的反射面有效地修正台形变形像差，由此能够获得良好的性能。
以下，说明本发明的具体的数值实施例。
实施例1 首先，使用附图8和图9以及以下的表1～表4，特别在表示投影光学单元的包括透镜光学系统和反射光学系统的光学元件的具体数值的同时，说明上述已进行说明的本实施例的投影光学单元的细节。而且，这些图表示基于第一数值例的本发明的光学系统的光线图。即，图8表示上述图4的XYZ正交坐标系的YZ截面，即，在Z轴方向展开光学系统。另外，图9表示在XZ截面的结构，在该图中，如上述图5和图6所示的详细结构，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间设置弯曲反射镜35，由此在X轴方向使光路弯曲1次。
在本例中，从表示在图8的下侧的图像显示元件1射出的光，在包括多个透镜的透镜光学系统中，首先通过只由仅具有旋转对称形状的面的透镜构成的前方透镜组2。然后，通过包括旋转非对称的自由曲面透镜的后方透镜组3，在作为反射光学系统的自由曲面反射镜4的反射面被反射。该反射光之后入射至屏幕5。
这里，透镜光学系统的前方透镜组2全部由具有旋转对称形状的折射面的多片透镜构成，这些透镜的折射面中，4个为旋转对称的非球面，其它为球面。这里使用的轴对称的非球面，各面均采用局部圆柱坐标系，并由下式表示。
[数2] 这里，“r”为距光轴的距离，“Z”为垂度(sag)量。此外，“c”为顶点曲率，“k”为圆锥系数，“A”～“J”为上述“r”的幂乘项的系数。
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，采用以各面的面顶点为原点的局部正交坐标系(x，y，z)，由包含X、Y多项式的下式表示。
[数3] 这里，“Z”表示在垂直于X、Y轴的方向的自由曲面形状的垂度量，“c”为顶点曲率，“r”为在X、Y轴的平面内距原点的距离，“k”为圆锥系数，“C(m，n)”为多项式的系数。
其次，以下的表1表示本实施例的光学系统的数值数据。在该表1中，S0～S23分别对应于上述图6所示的符号S0～S23。这里，符号S0表示图像显示元件1的显示面，即物面，S23表示自由曲面反射镜4的反射面。另外，符号S24，虽未表示在这些图中，表示上述图4的屏幕5的入射面，即像面。
[表1] 此外，在上述表1中，“Rd”为各面的曲率半径，在上述图6中，当曲率的中心位于面的左侧时表示为正值，相反的情况下表示为负值。此外，在上述表1中，“TH”为面间距离，表示从该透镜面的顶点至下一个透镜面的顶点的距离。相对于该透镜面，当下一个透镜面在图中位于左侧时，面间距离表示为正值，而当下一个透镜面位于右侧时，面间距离表示为负值。
而且，在上述表1中，S5、S6、S17、S18为旋转对称的非球面，在该表1中，在面的编号的旁边添加符号“*”，以易于识别，在以下的表2中表示这4个面的非球面系数。
[表2] 此外，在上述表1中，S19～S22为构成上述透镜光学系统的后方透镜组的具有自由曲面形状的折射面，S23为反射光学系统的具有自由曲面S23形状的反射面，在面的编号的旁边添加符号“#”，以进行表示。在以下的表3中显示用于表示这5个自由曲面的形状的系数的值。
[表3] 另外，在本发明中，如上述图7所示，使图像显示元件1的显示画面，即物面，相对于上述透镜光学系统的光轴倾斜-1.163度。而且，倾斜方向是，使在该图7的截面内物面的法线顺时针旋转的方向表示为正值。因此，在本实施例中，在该图7的截面内，使物面从与上述透镜光学系统的光轴垂直的位置沿逆时针的方向倾斜1.163度。
另外，配置由上述图6或图7中的符号S23表示的自由曲面反射镜4，使其局部坐标的原点设置在上述透镜光学系统的光轴上，该局部坐标的原点的法线，即Z轴，相对与上述透镜光学系统的光轴平行的位置仅倾斜约+29度。而且，与上述物面同样，使该倾斜方向为在上述图6或图7的截面内逆时针旋转的方向为正，因此，使该法线沿逆时针的方向倾斜。由此，从图像显示元件1的画面中央射出、大致沿上述透镜光学系统的光轴前进的画面中央光线，由S23反射后，沿着相对于上述透镜光学系统的光轴仅倾斜上述倾斜角度的2倍即58度的方向前进(参照图中箭头)。
并且，在以下的表4中表示本实施例的各面的局部坐标系的倾斜或偏心的情况。在该表4中，在面编号的右侧表示倾斜角度和偏心值。“ADE”表示在平行于图6的截面的面内的倾斜的大小，其表示规则如上所述。另外，“YDE”表示偏心的大小，在平行于上述图6的截面的面内且垂直于光轴的方向设定偏心，使在上述图6的截面中向下侧的偏心为正。而且，在此后说明的实施例中，也在平行于显示的截面的截面内的方向设定光学元件的倾斜和偏心。
[表4] 观察上述表1、表3可知，在本实施例中，曲率“c”和圆锥系数“k”为零(0)。即，由倾斜入射引起的台形变形在倾斜入射的方向极大，在垂直于倾斜入射方向的方向则很小。因此，在倾斜入射的方向和与其垂直的方向需要相当不同的功能，通过不利用以旋转对称在全部方向发挥作用的上述曲率“c”、圆锥系数“k”，能够良好地修正非对称的像差。
此外，在上述表4中，面S23的“ADE”，与上述图4所示的θm相同，屏幕5的面上的“ADE”，如上述图4所示，为θs。使该二者的值满足上述条件，从而进一步减小屏幕的下部的高度，实现紧凑的光学系统。
此外，使上述式1表示的光程的差|L1-L2|的值为屏幕的画面的高度的0.42倍、θs为30度可满足上述数1的条件。上述表1～表4的数值为放大并投影物面时的一个例子。即，可知，即使在较近的距离(Lp)，也能够将物面放大并投影为充分大的画面，即，投影放大率优异。
实施例2 其次，利用表5～表8说明第二实施例。这里，透镜光学系统的前方透镜组2全部由具有旋转对称形状的折射面构成，这些透镜的折射面中，4个为旋转对称的非球面，其它为球面。这里使用的轴对称的非球面，各面均采用局部圆柱坐标系，并由如上所述的式[数2]表示。此外，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，采用以各面的面顶点为原点的局部正交坐标系(x，y，z)，用包含X、Y的多项式的上述的式[数3]表示。
以下的表5表示本数值实施例的透镜数据，物面的面编号为S0，其他依次为S1～S23。在该表5中，“Rd”为各面的曲率半径，“TH”为面间距离，表示从该透镜面的顶点至下一个透镜面的顶点的距离。
[表5] 在该表5中，面S5、S6、S17、S18为旋转对称的非球面，在表1中，在面的编号的旁边添加符号“*”，以易于识别，在以下的表6中表示这4个面的非球面的系数。
[表6] 另外，在上述表5中，面S19～面S22为构成上述透镜光学系统的后方透镜组的具有自由曲面形状的折射面，面S23为上述反射光学系统的具有自由曲面形状的反射面，在面的编号的旁边添加符号“#”，以进行表示。在以下的表7中表示用于表示这5个自由曲面的形状的系数的值。
[表7] 进一步，在以下的表8中表示该第二实施例的各面的倾斜和偏心的大小。该表8中的“ADE”、“YDE”的值的表示规则如上所述。此外，本实施例中各面的倾斜的量与上述实施例1大致相同。
[表8] 而且，使上述表8中的S23的“ADE”(＝θm)和屏幕面5的“ADE”(＝θs)满足上述条件，实现屏幕下部的高度小的紧凑型的光学系统。
此外，可知使上述式1表示的光程的差|L1-L2|的值为屏幕的画面的高度的0.43倍、θs为30度可满足上述[数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仅偏心-0.193mm，使S17面仅反方向偏心0.193mm。在使某个面偏心的情况下，在以后的面中，光轴仅移动该偏心量。因此，该S15和S17的偏心意味着，使由S15和S16构成的1片透镜从光轴偏心-0.193mm。而且，该偏心量是微量的，不会产生使透镜尺寸增大的不良影响，通过该偏心，能够实现非对称的色像差的微调整。
另外，观察上述表5和表7可知，在该实施例中，曲率“c”和圆锥系数“k”为零(0)。即，由倾斜入射引起的台形变形的变形量在倾斜入射的方向极大，在垂直于倾斜入射方向的方向则很小。因此，在倾斜入射的方向和与其垂直的方向需要相当不同的功能，通过不利用以旋转对称在全部方向发挥作用的上述曲率“c”、圆锥系数“k”，能够良好地修正图片变形。
使用如上所述的数值的第二实施例的有效范围是将物面上的范围放大并投影至像面上。即，可知，即使在较近的距离(Lp)，也能够将物面放大并投影为充分大的画面，即，投影放大率优异。
实施例3 接着，说明本发明的第三实施例。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构成，这些折射面内，4个为旋转对称的非球面，其它为球面。这里使用的旋转对称的非球面，各面均采用局部圆柱坐标系，并由上述式[数2]表示。此外，构成上述透镜光学系统的后方透镜组3的自由曲面，采用以各面的面顶点为原点的局部正交坐标系(x，y，z)，由包含X、Y的多项式的上述式[数3]表示。
以下的表9表示第三实施例的透镜数据，物面的面编号为S0，其他依次为S1～S23。在该表9中，“Rd”为各面的曲率半径。此外，“TH”表示面间距离，表示从该透镜面的顶点至下一个透镜面的顶点的距离。
[表9] 在此表9中，面S5、S6、S17、S18为旋转对称的非球面，在面的编号的旁边添加符号“*”，以易于识别，此外，在以下的表10中表示这4个面的非球面的系数。
[表10] 此外，在上述表9中，面S19～S22为构成上述透镜光学系统的后方透镜组的具有自由曲面形状的折射面，S23为上述反射光学系统的具有自由曲面形状的反射面，在面的编号的旁边添加符号“#”，以进行表示。而且，在以下的表11中表示用于表示这5个自由曲面的形状的系数的值。
[表11] 进一步，在以下的表12中表示第三实施例的各面的倾斜和偏心的大小。而且，该表12中的“ADE”、“YDE”的值的表示规则如上所述。
[表12] 从该表12可知上述条件未被满足。但是，在该第三实施例中，采用相应的减小纵深(奥行き)、优先纵深的结构。
此外，如上述表12所示，与上述实施例2同样，使由面S15和S16构成的1片透镜从光轴偏心-0.304mm。该偏心量是微量的，不会产生使透镜尺寸增加的不良影响，通过该偏心实现非对称的色像差的微调整。
进一步，使上述[数1]表示的光程的差|L1-L2|的值为屏幕的画面高度的0.62倍、θs为45度可满足上述条件。
此外，由上述的表9和表11可知，在该第三实施例中，曲率“c”和圆锥系数“k”为零(0)。由倾斜入射引起的台形变形的变形量在倾斜入射的方向极大，在垂直于倾斜入射方向的方向则很小。因此，在倾斜入射的方向和与其垂直的方向需要相当不同的功能，通过不利用以旋转对称在全部方向发挥作用的上述曲率“c”、圆锥系数“k”，能够良好地修正图片变形。
此外，上述第三实施例的有效范围是将物面上的范围放大并投影至像面上。在该例中，可知即使在较近的距离(Lp)，也能够将物面放大并投影为充分大的画面，即，投影放大率优异。
实施例4 利用表13～表16说明本发明的第四实施例。此处，从图像显示元件1射出的光，顺次通过由具有旋转对称的面形状的透射型透镜构成的透镜光学系统的前方透镜组2、由具有自由曲面形状的透射型透镜构成的透镜光学系统的后方透镜组3，之后，在反射光学系统的具有自由曲面形状的反射面4被反射，入射至屏幕5。
即，此处，透镜光学系统的前方透镜组2全部由具有旋转对称的形状的折射面构成，各折射面内的4个为旋转对称的非球面，其它为球面。此外，这里使用的轴对称的非球面，各面均采用局部圆柱坐标系，由上述的式[数2]表示。此外，构成上述透镜光学系统的后方透镜组3的自由曲面，采用以各面的面顶点为原点的局部正交坐标系(x，y，z)，由包含X、Y的多项式的上述式[数3]表示。
以下的表13表示第4实施例的透镜数据，物面的面编号为S0，其他依次为S1～S24，S25为像面。在表13中，“Rd”为各面的曲率半径，在上述图6或图7中，当曲率的中心位于面的左侧时表示为正值，相反的情况下表示为负值。
[表13] 在该表13中，“TH”为面间距离，表示从该透镜面的顶点至下一个透镜面的顶点的距离，此外，相对于该透镜面，当下一个透镜面位于左侧时，面间距离用正值表示，当下一个透镜面位于右侧时，面间距离用负值表示。
在该表13中，S5、S6、S17、S18为旋转对称的非球面，在表13中，在上述面的编号旁边添加符号“*”，以易于识别。在以下的表14中，表示这4个面的非球面的系数。
[表14] 此外，在该表13中，S19～S22为构成上述透镜光学系统的后方透镜组3的具有自由曲面形状的折射面，S23为上述反射光学系统的具有自由曲面形状的反射面，在面的编号旁边添加符号“#”，以进行表示。在以下的表15中表示用于表示这5个自由曲面的形状的系数的值。
[表15] 进一步，在以下的表16中表示本实施例的各面的倾斜和偏心的大小。该表16中“ADE”、“YDE”的值的表示规则如上所述，本实施例中各面的倾斜的量与上述实施例1大致相同。
[表16] 即，观察该表16可知上述条件未被满足。但是，形成相应的减小纵深、优先纵深的实施例。
另一方面，在该第四实施例中，如上述表16所示，使S15面偏心-0.23mm，使S17面反方向偏心0.23mm。在使某个面偏心的情况下，在以后的面中，光轴仅移动该偏心量。因此，该S15和S17的偏心意味着，使由S15和S16构成的1片透镜从光轴偏心-0.23mm。而且，该偏心量是微量的，不会产生使透镜尺寸增大的不良影响，通过该偏心，能够实现非对称的色像差的微调整。
进一步，使光程的差|L1-L2|的值为屏幕的画面高度的0.64倍、θs为45度可满足上述[数1]条件。
此外，观察上述的表13和表15可知，在该第四实施例中，曲率“c”和圆锥系数“k”为零(0)。由倾斜入射引起的台形变形的变形量在倾斜入射的方向极大，在垂直于倾斜入射方向的方向则很小。因此，在倾斜入射的方向和与其垂直的方向需要相当不同的功能，通过不利用以旋转对称在全部方向发挥作用的上述曲率“c”、圆锥系数“k”，能够良好地修正图片变形。
此外，本实施例的有效范围是将物面上的范围放大并投影至像面上。即，可知即使在较近的距离(Lp)，也能够将物面放大并投影为充分大的画面，即，投影放大率优异。
如上所述，根据本发明的图像投影装置，能够提供一种装置，不需要如上述现有技术那样使所使用的透镜偏心，从而不需要使用口径大的附加光学系统，且能够实现广角化，并且即使改变距离屏幕的位置也能抑制变形至最小限度，而且，该装置的制造也比较容易。而且，根据本发明，通过在屏幕上投影来自该图像投影装置的图像(画像)，能够在该屏幕上以大画面获得抑制图像全体中的变形和像差至最小限度的良好的投影画面，从而能够优异地实现投影。
然而，在应用以上详述的投影光学单元的图像投影装置中，在改变从该投影光学单元至屏幕的投影距离的情况下，存在下述问题当使投影距离相对已设计的距离发生很大变化时，图像变形变大，光斑尺寸也变大，析像(Definition)性能变差。
例如，如上述的图10所示，在将屏幕5的位置由设计位置65(设计的画面尺寸例如相当于80英寸)改变为使投影画面变小的方向的位置66(例如，画面尺寸相当于60英寸)的情况下，光斑形状和变形的状况变差。又例如，在将屏幕5的位置改变为使画面变大的方向的位置67(例如，画面尺寸相当于100英寸)的情况下，光斑形状和其变形变大至画面高度(縦幅)的2％以上，光斑形状变大为设计位置的情况的3倍以上，析像性能变差。
另外，在上述非旋转对称的投影光学单元中，通过旋转对称的透镜的移动不能修正该光斑形状。因此，在本发明的图像投影装置的投影光学单元中，与构成上述后方透镜组的具有负光焦度的透镜33、34一起，使具有自由曲面的透射型透镜31和32，沿着其光轴方向移动，从而进行修正。
如附图11所示，使构成上述后方透镜组3的透镜，即具有自由曲面的透射型透镜31与32，和具有负光焦度的旋转对称的2片透射型透镜33、34移动。即，图11(a)表示将屏幕放置于使上述图10中的投影画面变小的方向的位置66(画面尺寸相当于60英寸)的情况，图11(b)表示投影画面位于设计位置65(画面尺寸相当于80英寸)的情况，图11(c)表示使投影画面移动至使投影画面变大的方向的位置67的情况。即，在该实施例中，使构成上述后方透镜组3的具有负光焦度的透镜和其附近的旋转对称的透镜合为一体成为透镜组，并且使具有自由曲面的2片透射型透镜为1个透镜组，相对于屏幕位置的移动，通过使该透镜组沿着其光轴方向移动而相对于屏幕位置进行调整，使屏幕在位置66至位置67之间获得良好的性能。
而且，如上所述，作为用于使构成上述后方透镜组3的透镜31～34移动的结构，例如，如附图12(a)所示，在装置的机箱100的内部，将上述前方透镜组2(旋转对称的透镜21～25)和后方透镜组3(透镜31～34)分别放入各个搭载台210、220。然后，在装置的机箱100的底部111上固定一方的搭载台210，并且将另一方的搭载台220例如可滑动地安装在轨道上。此外，使例如杆状部件221从该另一方的搭载台220向上方延长，从形成于上述机箱100的上面的缝隙112向外部突出。而且，在该另一方的搭载台(例如，搭载台220)上，预先形成槽221、222、223。即，在装置内设置该搭载台220，使其能够相对于上述搭载台210(此例中，如图中箭头所示，在相对透镜组的光轴方向的直角方向)移动。
而且，如附图12(b)所示，将透镜33和34汇集为一体，即，使构成上述后方透镜组3的透镜31～34分为透镜31、透镜32，和，透镜33以及34这3组，对应在屏幕上投影获得的画面尺寸(60英寸、80英寸、100英寸)，分别移动其位置。即，对应这3组透镜，以相对各透镜组的期望的倾斜角度形成上述槽221、222、223。根据上述结构，则通过使从上述可移动的搭载台220突出于机箱外部的杆状部件221移动至预先设于机箱100的表面上的“60”英寸、“80”英寸、“100”英寸等位置，上述3组的透镜，即透镜31、透镜32，和，透镜33以及透镜34，分别通过沿槽221、222、223移动，配置于期望的位置。即，根据上述结构，则通过从投影型图像显示装置的外部，沿着图中箭头的方向移动上述杆状部件221的前端，能够不随之产生光斑形状的变形和析像性能的劣化而改变投影画面的尺寸。
另外，代替上述的构造，虽未图示，通过利用在外周形成有上述槽的圆筒，也能够获取与上述相同的功能。而且，在该情况下，尤其，尽管改变光轴方向的相对位置，也不需要随之旋转后方透镜组3中的具有自由曲面的2片透射型透镜31、32。因此，例如，优选采用能够相互独立地旋转上述筒状部件，即分离为前端侧和后端侧，不旋转其前端侧的结构。进一步，例如使用包括电动机等的驱动单元，能够采用分别移动后方透镜组3(透镜31～34)的结构。即，根据上述内容，对应于投影图像的屏幕的位置的改变(即，从装置至屏幕的距离)，能够获取改善光斑形状的变形和析像性能的效果。
另外，在上述实施方式中，如上述图2所示，说明了将上述自由曲面反射镜600与板状部件610一起，以形成在上述图像投影装置的机箱100的一部分上的轴承部111为中心，可旋转的进行安装的装置，但是，并不局限于此，例如，可以采用将上述板状部件610，或代替其的未图示的一对棒状部件，可滑动(slide)地安装在上述机箱100的下部，由此拉出该自由曲面反射镜600，从而能够设置于规定的位置的构造。
权利要求
1.一种图像投影装置，其对图像显示元件上的图像进行放大、投影，其特征在于，包括
大致呈箱型的机箱；
设置于所述机箱的内部并配有光源在内部的光源部；
设置于所述机箱的内部并通过所述图像显示元件对来自所述光源部的光进行调制从而形成图像光的光调制部；和
设置于所述机箱的内部并对来自所述光调制部的图像光进行放大、投影的投影光学部，其中，
所述投影光学部具有，由从所述图像显示元件朝着光的投影方向依次配置为相对于光轴对称的多个透镜元件构成的透镜组；和相对于该光轴为非轴对称形状的透镜元件，
还包括反射镜，该反射镜安装在所述机箱的一部分上并可沿所述投影光学部的光轴配置于该机箱外部的规定位置上，由此对从该投影光学部射出的图像光进行反射，并且，该反射镜具有相对于所述投影光学部的光轴非轴对称的自由曲面形状。
2.如权利要求1所述的图像投影装置，其特征在于
所述反射镜被构成为以机械的方式与所述机箱结合，并相对于所述机箱能够移动。
3.如权利要求1所述的图像投影装置，其特征在于
在所述机箱的内部还具备电源部，并且该箱型机箱的平面尺寸设定在30cm×30cm以内。
4.如权利要求1所述的图像投影装置，其特征在于所述光源部的光轴与所述光调制部的光轴仅倾斜规定的角度。
全文摘要
本发明提供一种能够在实现广角化的同时进行不变形的良好的大画面的显示，适于小型化的图像投影装置(投影机)的构造。一种图像投影装置(投影机)，在大致呈箱型的机箱(100)的内部具备光源单元(200)、光调制单元(300)和放大并投影来自光调制单元的图像光的投影光学单元(400)，其中，投影光学单元具有，由从上述图像显示元件朝着光的投影方向依次配置为相对于光轴对称的多个透镜元件构成的透镜组；和相对于该光轴为非轴对称形状的透镜元件，在机箱的外部还装备有具有相对于光轴非轴对称的自由曲面形状的反射镜，通过移动该反射镜能够将其设置在规定的位置上。
文档编号G03B21/28GK101191991SQ200710194608
公开日2008年6月4日 申请日期2007年11月27日 优先权日2006年11月27日
发明者小仓直之 申请人:株式会社日立制作所