投影型影像显示装置的制作方法

本发明涉及使用了通过塑料的注塑成形而形成的透镜和反射镜的投影型影像显示装置。

背景技术：

近年来，能够短距离且大画面地投影良好的投影图像的投影型影像显示装置正在广泛普及。在这样的投影型影像显示装置的投影光学系统中，为了实现大画面且良好的投影图像的投影，已知有采用所谓的倾斜投影光学系统的投影光学系统，即：使用了通过与偏心非球面形状的凹面镜相组合而具有复杂形状的透镜面的透镜的投影光学系统。

例如，专利文献1中公开了一种投影光学装置，其具有投影透镜，该投影透镜包括：包含透射型折射元件的第一光学系统；和包含反射型折射元件的第二光学系统，第一光学系统的一部分透镜被收纳在以第二光学系统的下端为下限的下方空间内。

另外，专利文献2中公开了一种投影型影像显示装置，其通过透镜系统与凹面镜的组合，能够实现短距离且大画面地投影良好的投影图像。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-86315号公报

专利文献2：日本特开2008-250296号公报

技术实现要素：

发明要解决的技术课题

上述的现有技术中，启示了通过投影型影像显示装置的投影光学系统的透镜系统与凹面镜的组合，能够大画面地投影良好的投影图像。但是，在该现有技术中，作为构成该透镜系统的透镜，预想的是使用具有相对于透镜的光轴对称的形状的塑料透镜，对于成形该塑料透镜时产生的课题及其解决手段没有记载。

本发明的目的在于提供一种投影型影像显示装置，其解决的课题是，与具有相对于透镜的光轴对称的形状的塑料透镜不同，而是在成形具有与凸面镜组合中使用的非对称且复杂形状的透镜和反射镜时产生的课题，本发明的投影型影像显示装置比较廉价且具有优秀的特性。

用于解决课题的方法

为了解决上述课题，例如使用权利要求书中记载的结构。本发明包括用于解决上述课题的多个手段，举出一例，为一种投影型影像显示装置，将通过光调制部调制来自光源的光后得到的影像光放大投影，上述投影型影像显示装置的特征在于：包括将上述调制得到的影像光放大投影的倾斜投影光学系统，上述倾斜投影光学系统包括多个透镜元件和相对于影像投影面呈凸状的反射镜，配置在最靠近上述反射镜的位置的一个或多个透镜元件的外形中心，位于比其他透镜元件所共有的光轴靠上部的位置，上述反射镜，在包含该反射镜的光轴的与上述影像投影面垂直的方向的反射面形状按以下方式形成：在上述影像投影面的中央部成像的光束通过的区域的平均曲率半径比在上述影像投影面的上端部成像的光束通过的区域的平均曲率半径小，配置在最靠近上述反射镜的位置的透镜元件形成为，其上端部的面向上述反射镜的透镜面的与上述影像投影面平行的方向的截面的平均曲率半径，比同一透镜面的在上述影像投影面的中央部成像的光束通过的区域的平均曲率半径大的形状。

发明的效果

根据本发明的一个实施方式，能够解决在形成具有非对称且复杂形状的反射镜或与其组合使用的具有非对称且复杂形状的透镜时产生的课题，能够比较廉价地提供具有优秀的投影性能的投影型影像显示装置。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的投影型影像显示装置的整体的外观的立体图。

图2是说明一个实施方式的倾斜投影光学系统的投影透镜的动作原理的透镜配置图。

图3是表示一个实施方式的自由曲面透镜(l11)的外形形状的图，(a)～(e)分别为正面侧的立体图、背面侧的立体图、主视图、侧视图和后视图。

图4是表示一个实施方式的自由曲面透镜(l12)的外形形状的图，(a)～(e)分别为正面侧的立体图、背面侧的立体图、主视图、侧视图和后视图。

图5是表示一个实施方式的自由曲面反射镜(m13)的外形形状的图，(a)～(c)分别为主视图、侧视图、后视图。

图6是用于说明一个实施方式的自由曲面透镜(l11)的结构和设计方法的说明图。

图7是用于说明一个实施方式的自由曲面透镜(l12)的结构和设计方法的说明图。

图8是表示用于与实施方式作比较的现有的第1自由曲面透镜的形状的图，(a)～(d)分别为立体图、俯视图、侧视图以及侧视截面图。

图9是表示用于与实施方式作比较的现有的第2自由曲面透镜的形状的图，(a)～(d)分别为立体图、俯视图、侧视图以及侧视截面图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。以下的说明中，作为具有非对称且复杂的形状的透镜和反射镜的例子，用自由曲面透镜和自由曲面反射镜进行说明。

首先，图1是表示将本发明的一个实施方式的自由曲面透镜与凹面镜组合使用的、一个实施方式的投影型影像显示装置的整体的外观的立体图。图1中，100表示投影型影像显示装置，101表示投影型影像显示装置100的上面盖，102表示下面盖。根据图1可知，在上面盖101的一部分可开闭地安装有窗部103，该窗部103在投影型影像显示装置100使用时打开。其中，图1中表示了窗部103打开的状态，以下所述的构成投影光学系统的自由曲面透镜用l12表示。

另外，虽然图1中未图示，在由上面盖101和下面盖102形成的内部空间中装载有用于构成投影型影像显示装置100的构成部件。构成部件为例如作为光源的灯、光调制部、包含自由曲面透镜和自由曲面反射镜的倾斜投影光学系统、包含电源电路和控制电路的各种电路部件、冷却风扇等。

光调制部是将来自光源的光调制成基于来自外部的影像信号等的影像光的光调制部，例如为dlp(digitallightprocessing：数字光处理)、液晶面板等的影像显示元件。倾斜投影光学系统包括所谓的自由曲面透镜和自由曲面反射镜，即，即使在该影像光相对于墙壁面为极其近距离(大的倾斜角度)也能够降低梯形形变等来进行投影，由此能够得到优秀的投影影像。各种电路部件包括对上述构成部件供给必要的电力和控制信号的电源电路和控制电路。冷却风扇将构成部件的发热引导至装置外部。

接下来，图2是表示说明上述倾斜投影光学系统的投影透镜的动作原理的透镜配置图。图2的倾斜投影光学系统由l1～l12所示的共计12个透镜和由m13所示的1个反射镜构成。此处，反射镜m13的反射面、以及l11和l12的透镜的透镜面分别形成自由曲面形状。l11和l12的透镜是所谓的自由曲面透镜。因此，即使是以极大的倾斜角度投影影像的倾斜投影光学系统，也能够得到降低了梯形形变的投影影像。即，由此，能够将设计自由度增大到非球面的约5倍程度，能够得到良好的像差修正。

另外，在图2中具有配置于p0所示的棱镜光学元件的相对面的光源。该光源在本例中为半导体光源。来自该光源的光在棱镜面全反射，入射到p1所示的影像显示元件，由该影像显示元件p1转换为影像光束，透射棱镜面入射到投影透镜。影像显示元件p1是反射型影像显示元件。

来自影像显示元件p1的影像光束(将影像光束的整体用φ0表示)相对于投影面的成像位置，在投影透镜内通过各个透镜的不同的部位。自由曲面反射镜m13和作为自由曲面透镜的l11和l12，位于比其他几乎全部的透镜共有的光轴靠上部的位置，且根据图2可知，这些作为自由曲面透镜的l11和l12，形成为在其上端部的面向反射镜m13的透镜面的与影像投影面平行的方向的截面的平均曲率半径，比在同一透镜面的在影像投影面的中央部成像的光束通过的区域的平均曲率半径大的形状。另外，反射镜m13，与包含其光轴的与影像投影面垂直的方向的反射面形状以如下方式构成：在影像投影面的中央部成像的光束通过的区域的平均曲率半径比在影像投影面的上端部成像的光束通过的区域的平均曲率半径小。因此能够消除不必要的透镜有效区域而能够实现小型化。因此，能够减少装置整体的成本。

另外，图2中l10所示的透镜，做成其透镜面为非球面的透镜，由此进行彗形像差和球面像差的修正。即，透镜l10为非球面透镜。而且，该透镜l10配置在光束偏倚通过的位置，所以通过将其透镜面做成非球面形状，进行光束相对于透镜倾斜地入射产生的高次的彗形像差的修正。

而且，接着作为该非球面透镜的透镜l10，作为形成上述倾斜投影光学系统的投影透镜的一部分，安装有作为自由曲面透镜的由l11和l12所示的自由曲面的塑料透镜和作为自由曲面反射镜的由m13所示的自由曲面的塑料反射镜。

在此为了便于说明，用图2表示在投影面的上端部分成像的光束φ2和在投影面的大致中央部分成像的光束φ1通过构成投影透镜的l1～l12所示的各个透镜的哪一部分。在投影面的上端部分成像的光束φ2的上限光和在投影面的大致中央部分成像的光束φ1的下限光，在作为非球面透镜的l10以及作为自由曲面透镜的l11和l12不重合，所以能够单独进行像差修正，大幅提高修正能力。

该趋势在自由曲面反射镜m13上更加显著。作为在比较靠近光轴的区域的对像差修正有贡献的透镜l1～l10被组装在镜筒b1内，作为在远离光轴的区域的对像差修正有贡献的透镜的l11、l12，为了聚焦调节而组装在上述镜筒b1以外的镜筒b2内。由此，能够调节透镜l10、透镜l11和透镜l12、自由曲面反射镜m13之间的间隔，同时也能够调节透镜l11与l12的间隔。

另一方面，自由曲面反射镜m13安装于反射镜底座mb1，成为例如能够通过未图示的电动电机进行开闭的结构。而且，它们全部高精度地被固定于投影透镜底座，由此能够得到规定的聚焦性能。

图3表示上述的自由曲面透镜l11的外形形状。图3的(a)是从自由曲面透镜l11的正面侧看的立体图，(b)是从背面侧看的立体图，(c)是主视图，(d)是侧视图，(e)是后视图。该自由曲面透镜l11是塑料制的透镜，根据图3可知，与透镜有效区域l11-a一起设置有所谓的透镜边缘部(也称为边缘部)l11-b。透镜边缘部l11-b设置于透镜有效区域l11-a的外周部，目的在于将该透镜组装到镜筒b2内时的定位和保持。l11-b特别是指边缘部的面。

特别是图3的(a)和(b)中，在自由曲面透镜l11的透镜有效区域l11-a中，用虚线表示了用于表示其表面形状的等高线。另外，图3的l11-c表示注入树脂时的浇口部。

图4与图3同样表示上述的自由曲面透镜l12的外形形状。图4的(a)是从自由曲面透镜l12的正面侧看的立体图，(b)是从背面侧看的立体图，(c)是主视图，(d)是侧视图，(e)是后视图。该自由曲面透镜l12也与上述l13同样，是塑料制的透镜，根据图4也可知，与透镜有效区域l12-a一起设置有所谓的透镜边缘部l12-b。透镜边缘部l12-b设置于透镜有效区域l12-a的外周部，目的在于将该透镜组装到镜筒b2内时的定位和保持。

特别是图4的(a)和(b)中，在自由曲面透镜l12的透镜有效区域l12-a中，用虚线表示了用于表示其表面形状的等高线。另外，图4的l12-c表示注入树脂时的浇口部。

而且，图5表示上述的自由曲面反射镜m13的外形形状。图5的(a)表示自由曲面反射镜m13的主视图，(b)表示侧视图，(c)表示后视图。该自由曲面反射镜m13与上述同样，是塑料制的。根据图5可知，该自由曲面反射镜m13，与透镜有效区域m13-a一起，在该透镜有效区域m13-a的外周部具有作为将自由曲面形状保持原样地延长而得的透镜区域的自由曲面区域。

该反射镜面相对于影像投影面为凸面，为了提高反射镜的成形性和量产稳定性只要设计成均匀的反射镜厚度即可。具体来说，本实施方式的设计方法中，该反射面即反射镜面的背面形状做成与反射面大致相同的形状，由此能够得到均匀壁厚的反射镜。另一方面，出于容易加工的考虑，也可以将背面形状做成相对于反射面与平均曲率相匹配的曲面或大致平面。

另一方面，背面的表面粗糙度可以做成比上述透镜有效区域的表面粗糙度的20倍小即可。其结果是，反射镜成形时的背面(模具面为凸面)紧贴，能够改善脱模时的反射面与背面的粘贴(换言之，成形品粘贴到模具面上)的平衡，其结果是，能够改善反射镜面的自由曲面形状精度。为了改善如上所述的粘贴的平衡，如果将背面的表面粗糙度做成比上述透镜有效区域的表面粗糙度的10倍小，则能够得到进一步的改善效果，能够提供自由曲面有效区域中的形状精度优秀的自由曲面反射镜。

而且，在自由曲面反射镜的自由曲面区域以外的部分，为了安装到上述反射镜底座mb1时的定位和保持而设置有所谓的固定部141、144。固定部141用141l和141r表示。

上述的自由曲面透镜l11和l12以及自由曲面反射镜m13，作为包含其成形方法的设计方法，通过以下方式制作。即，该设计方法为，制作注塑成形用的模具，考虑塑料的收缩和翘曲等，而且，为了使成形透镜面的形状成为相对于设计形状误差最小，经多次反复进行模具的形状的修正。使用通过这样的修正得到的形状的模具，通过注塑成形制作该透镜和反射镜。

一般来说，注塑成形中，将颗粒状或粉末状的透明树脂在螺旋体内热熔解，一边通过螺旋体的旋转进行加压，一边经由模具的注道(sprue)和流道(runner)从浇口部(l11-c、l12-c、m13-c)挤出在由可动和固定件形成的空间内热熔解了的树脂，由此将其填充到模具内。

其中，此处，用注塑成形用的模具制作上述自由曲面透镜l11和l12时的本发明人等的发现如下所述内容。

自由曲面透镜如上所述，在光学设计的时刻，在对成像有贡献的光束即有效光束入射的入射面和受到透镜作用后的光束出射的出射面上，对于有效光束通过的有效区域的透镜形状，在设计的自由度上进行像差修正。

另一方面，为了高精度地将自由曲面透镜保持、固定在镜筒内，与上述的透镜有效区域一起设定透镜边缘面、即用于将透镜固定到镜筒的面，并将它们接合，由此决定透镜的最终形状。

但是，如果是具有复杂形状的自由曲面透镜，则其透镜面相对于光轴成非对称的形状的情况较多，因此，难以在透镜面的整个区域设置上述边缘面。

另外，在难以在透镜面的整个区域设置上述边缘面的情况下，特别是在模具内成形透镜之后，将透镜从该模具脱模时，伴随脱模产生的脱模阻力在透镜面内不均匀，这一现象成为透镜变形的原因。

于是，为了解决上述课题，本发明人的解决手段如下所述。

首先，对现有技术的自由曲面透镜的设计方法参照图8、图9在下面进行说明。图8表示用于与本实施方式作比较的现有的第1自由曲面透镜的形状。图9表示用于与本实施方式作比较的现有的第2自由曲面透镜的形状。

首先，作为更具体的例子，图8的(a)～(d)所示的自由曲面透镜l15，是与图3所示的自由曲面透镜l12对应的透镜。图8的(a)是l15的立体图，(b)是俯视图，(c)是侧视图，(d)是侧视截面图。另外，图9的(a)～(d)所示的自由曲面透镜l16，是与图4所示的自由曲面透镜l11对应的透镜。图9的(a)是l16的立体图，(b)是俯视图，(c)是侧视图，(d)是侧视截面图。

根据图8可知，在透镜有效区域l15-a的外周部设置有用于组装时的定位和其保持的透镜边缘部l15-b。同样，在透镜有效区域l16-a的外周部设置有用于组装时的定位和其保持的透镜边缘部16-b。

但是，该自由曲面透镜因其复杂的透镜形状，其一部分、即图8的(a)～(d)和图9的(a)～(d)的透镜有效区域l15-a、l16-a的下端部分产生没有设置边缘部l15-b、16-b的部分。

在这样没有设置边缘部的部分，在模具内成形透镜之后，将透镜从该模具脱模时，伴随脱模产生的脱模阻力在透镜面内不均匀，这一现象成为透镜变形的原因。

本实施方式的设计方法如上所述，透镜面的形状是凹面形状，在不能在透镜面的全周设置边缘面的情况下，在透镜有效区域的面的倾斜方向(即微分值的符号)不变化的程度下将透镜有效区域和边缘面用平面或曲面(直线或曲线)连结，使边缘面l11-b连续地形成于透镜有效区域的外周部。

另外，已知在该一部分设置用于从模具脱模的锥形部是有效的。此时，已知特别是在这些平面或曲面(其端部的直线或曲线)的最长距离为透镜的长边的1/20以上的情况下，在该端面设置5度以上最大20度以下的锥形面是有效的。其中，当锥形角度超过20度时，透镜有效区域和边缘部分难以连续地形成。

例如，上述的自由曲面透镜l11中，如图3和图6所示，在透镜有效区域l11-a(图3的(c)和(e)中用网眼的区域表示)的外周部，形成有上述的曲面l11-w和平面l11-p，由此将与边缘面l11-b之间连结。另外，图3中的109表示形成于边缘部l11-b的用于透镜组装时的定位和保持的凹部，112、113表示同样用于定位和保持的突起部。

另外，根据图3(c)和图6可知，在透镜的下部，通过上述的曲面l11-w和平面l11-p的形成，将透镜有效区域l11-a的两侧的边缘面l11-b之间连结。其中，如上所述，该曲面l11-w以其附近的透镜有效区域11-a的倾斜方向(即微分值的符号)不变化的方式设定。在这种情况下，由于其附近的透镜有效区域11-a为凹面，所以该曲面l11-w设定成向下侧突出的曲线。并且，这些所形成的曲面l11-w的端部的平面l11-p成为上述的锥形面。

根据上述的本实施方式的自由曲面透镜的设计方法，透镜有效区域l11-a的端部在其两侧的边缘面l11-b之间连续地形成。其结果是，边缘面l11-b之间的连结被增强，伴随脱模而产生的脱模阻力也在透镜面内变得均匀，能够不伴随透镜的变形地将完成了的自由曲面透镜从模具不产生变形地稳定地取出。

图6是用于说明上述自由曲面透镜l11的设计方法的说明图，将图3的自由曲面透镜l11的透镜有效区域l11-a和边缘面l11-b的样子放大表示。

另外，例如上述自由曲面透镜l12中，如图4和图7所示，在其一部分(图示的下侧部分)的没有设置边缘部l12-b的部分，将透镜有效区域的两侧的边缘面l12-b、l12-b之间，通过在透镜有效区域l12-a的外周部形成曲面l12-w和平面l12-p，而与边缘面l11-b之间连结。

另外，在透镜的下部，通过上述的曲面l12-w和平面l12-p的形成，将透镜有效区域l12-a的两侧的边缘部l12-b之间连结。其中，如上所述，该曲面l12-w也以其附近的透镜有效区域12-a的倾斜方向(即微分值的符号)不变化的方式设定。而且，这些所形成的曲面l12-w的端部的平面l12-p成为上述的锥形面。

另外，在该情况下，在弯曲的边缘部l12-b之间还形成有堰堤状的凸部l12-d，其侧面与上述同样做成锥形面。另外，此处也同样，图4中的129l、129r表示形成于边缘部l12-b的用于透镜组装时的定位和保持的凹部，122、123表示同样用于定位和保持的突起部。

根据如上所述的本实施方式的自由曲面透镜的形状，也包括上述的堰堤状的凸部l12-d产生的作用效果，边缘面l12-b之间的连结被进一步增强，伴随脱模而产生的脱模阻力也在透镜面内变得均匀，能够不伴随透镜的变形地、更具体地说是截面的“u”字状的透镜l12不向两侧扩展地将完成了的自由曲面透镜从模具安全地取出。

图7是用于说明上述自由曲面透镜l12的设计方法的说明图，将图4的自由曲面透镜l12的透镜有效区域l12-a和边缘面l12-b的样子放大表示。

接着，作为课题，特别是在透镜面的形状的成形时，因形成透镜的树脂与模具的温差而产生透镜的收缩，由此，上述的自由曲面透镜l11和l12包括其透镜有效区域l11-a、l12-a、其边缘面l11-b、l12-b、以及上述锥形面，会粘贴在模具上。这也成为将完成后的自由曲面透镜从模具取出时透镜变形的原因之一。特别是，在透镜面上，因对其表面进行镜面加工，所以这种现象导致的坏影响很大。

于是，探讨了上述课题后的结果可知，在自由曲面透镜l11和l12中，特别是通过使其边缘面l11-b、l12-b的面粗糙度变粗，来减轻上述的与模具的粘贴作为对策是有效的。其中，作为优选的表面粗糙度，例如为20nm程度、或者其以上且100nm以下即可。

而且，如上所述的现象并不限定于自由曲面透镜l11和l12，在作为由合成树脂成形的塑料制的反射镜的自由曲面反射镜m13中也可以视作是同样的。

于是，本发明人提出可以将上述的透镜的设计方法应用于作为塑料制的反射镜的自由曲面反射镜m13中。更具体地说，本实施方式的自由曲面反射镜及其设计方法，在上述图5的(a)～(c)所示的自由曲面反射镜m13中，在作为其反射面的透镜有效区域m13-a的外周部具有将自由曲面形状保持原样地延长而得到的透镜区域即自由曲面区域。

该反射镜面相对于影像投影面为凸面，为了提高反射镜的成形性和量产稳定性设计成均匀的反射镜厚度。具体来说，作为反射面的反射镜面的背面的形状做成与反射面大致相同的形状，由此得到均匀壁厚的反射镜。而且，在反射镜的除了自由曲面有效面以外的背面的范围形成反射镜突出销，使脱模时产生的反射镜的自由曲面有效面内的成形精度变得稳定。

另外，背面的表面粗糙度做成相对于上述透镜有效区域的表面粗糙度粗约20倍并逐渐减小表面粗糙度，通过在反射镜成形时背面(模具面为凸面)与模具紧贴来取得在脱模时的反射面与背面的粘贴(换言之，成形品向模具面的粘贴)的平衡。其结果是，为了改善上述的粘贴的平衡，如果将背面的表面粗糙度做成小于上述透镜有效区域的表面粗糙度的10倍则能够得到进一步的改善效果，能够提供自由曲面有效区域的形状精度优秀的自由曲面反射镜。

包括上述的作为塑料反射镜的自由曲面反射镜m13的成形方法的设计方法，与上述自由曲面透镜l11和l12同样，能够将完成后的自由曲面反射镜从模具安全地取出。另外，此处，图5中的141l、141r表示形成于上述自由曲面有效区域外的两端缘的用于将该自由曲面反射镜m13安装到反射镜底座mb1时的定位和保持的突出部，142l、142r同样表示设置于该突出部的凹部。144表示形成于上述自由曲面有效区域的下端缘的突出部。

另外，本实施方式中，包括上述的作为塑料反射镜的自由曲面反射镜m13在内将上述自由曲面透镜l11和l12用作构成投影型影像显示装置的倾斜投影光学系统的自由曲面透镜和自由曲面反射镜。根据本实施方式，能够由树脂利用模具廉价地量产这些透镜和反射镜。由此，对该投影型影像显示装置的成本降低作出贡献，同时能够得到性能也优秀的自由曲面透镜和自由曲面反射镜。由此，发挥能够提供廉价且性能也优秀的投影型影像显示装置这一优秀的效果。

以上，对本发明的实施方式进行了详细的说明，但本发明并不受上述实施方式限定，能够有各种变形例。例如，上述实施方式是为了容易地说明本发明而详细地对装置整体进行了说明，并不限定于必须具备说明过的全部结构。对于实施方式的结构的一部分，能够删除，追加其他结构，替换成其他结构等。

附图标记的说明

100…投影型影像显示装置

l11、l12…自由曲面透镜

l11-a、l12-a…透镜有效区域

l11-b、l12-b…透镜边缘部

l11-c、l12-c…浇口部

l11-p、l12-p…平面

l11-w、l12-w…曲面

l12-d…堰堤状的凸部

m13…自由曲面反射镜

m13-a…反射镜有效区域

m13-b…边缘部。