專利名稱：投影型圖像顯示裝置、投影光學單元、透過型透鏡、自由曲面透鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及，例如投影彩色的放大圖像而進行圖像顯示的投影型圖像顯示裝置。
背景技術：
在放大顯示用反射型、透射型液晶面板和微反射鏡的顯示元件的投影型圖像顯示裝置中，在例如屏幕上得到足夠大的放大圖像是理所當然，也要求縮短裝置的縱深尺寸。為了實現這種要求，如日本專利特開2001-264627號公報中所述那樣，用于從對屏幕傾斜的方向放大投影圖像的(以下稱為“傾斜投影”)的投影光學單元和投影型圖像顯示裝置是公知的。此外，關于在這種傾斜投影中使用的曲面反射鏡的情況下中的光學調整，例如日本專利特開2002-350774號公報中所述是公知的。
如果傾斜投影，也就是對屏幕主平面的法線，以規定的角度(例如從屏幕下方)投影圖像，則投影于屏幕上的圖像中，產生梯形形變，和因屏幕上下的投影距離之差產生像差。為了消除該像差，在日本專利特開2001-264627號公報中，由配置于投影光學系統與屏幕之間的具有負的功效(Power)的自由曲面反射鏡修正梯形形變。另一方面，就像差而言，通過使圖像顯示元件相對于共軸投影光學系統在與光軸垂直的方向上大大平移，或者使圖像顯示元件相對于非軸對稱的投影光學系統傾斜并且平行移動來修正。
但是，在這種像差修正中存在著屏幕上的圖像在縱方向上錯位的可能性，用于其的修正機構成為必要的。此外，在使用共軸投影光學系統的裝置中，因為要求非常寬的視角，故透鏡個數增多，口徑也加大。此外，不能應對起因于周圍環境的變化引起的光學部件的變形的像差和形變量的增大。
雖然在日本專利特開2002-350774號公報中，公開了自由曲面反射鏡的移動的調整方法，但是就像差修正而言未予考慮。此外，也不能對應起因于周圍環境的變化引起的光學部件的變形的像差和形變量的增大。
這樣一來，在現有技術中，因為分別由不同的方法修正梯形形變與像差，故有必要加大所需的透鏡直徑，此外還增加透鏡的個數。也就是說上述現有技術，在傾斜投影中，既良好地降低梯形形變和像差又減小圖像顯示裝置的縱深，和/或屏幕下部的高度(以下，將其稱為“設置的緊湊化”)是困難的。此外，也不能對應起因于周圍環境的變化的光學部件的變形的像差和形變量的增大。進而，上述現有技術的任何一項中，都沒進行就制造容易的自由曲面反射鏡的形狀的考慮。
發明內容
本發明的一個方面，在于提供一種既顯示梯形形變和像差降低的圖像又適于進行設置的緊湊化的技術，進而與起因于周圍環境的變化的光學部件的變形的像差和形變量的增大可容易地對應的技術。
此外，在于提供一種精度高的傾斜投影的投影光學單元和投影型圖像顯示裝置。
此外，在于提供一種即使將圖像傾斜地放大投影于屏幕也可以抑制梯形形變或像差或其兩者，而且，透鏡的制造、組裝調整容易的投影型圖像顯示裝置和用于其的投影光學單元。
在放大圖像顯示元件的圖像，以規定角度投影的光學系統中配置的具有非旋轉對稱的自由曲面的透鏡15中，其外周部分包括以透鏡的光軸為中心的圓的一部分為形狀的邊緣17。
圖1是表示圖像顯示裝置的一個實施方式的截面圖。
圖2是表示投影光學單元的基本構成的截面圖。
圖3是表示投影光學單元的構成與光路的YZ截面圖。
圖4是表示投影光學單元的構成與光路的XZ截面圖。
圖5是表示形變性能的示意圖。
圖6是表示光點性能的示意圖。
圖7是說明投影光學單元的光學部件的面編號的示意圖。
圖8是表示投影光學單元的一例的示意圖。
圖9是表示使投影透鏡溫度變化時的焦點性能的劣化量的示意圖。
圖10(a)是自由曲面透鏡15的俯視圖。
圖10(b)是自由曲面透鏡15的主視圖。
圖11是自由曲面透鏡15的透視圖。
圖12是從前面看將自由曲面透鏡固定在鏡筒上的狀態的示意圖。
圖13(a)是自由曲面透鏡16的俯視圖。
圖13(b)是自由曲面透鏡16的主視圖。
圖14是自由曲面透鏡16的透視圖。
圖15(a)是關于自由曲面透鏡15的邊緣形狀的另一個例子的俯視圖。
圖15(b)是關于自由曲面透鏡15的邊緣形狀的另一個例子的主視圖。
圖16是關于自由曲面透鏡15的邊緣形狀的另一個例子的透視圖。
具體實施例方式
下面，就本發明的實施方式參照附圖進行說明。圖1是針對本實施方式的圖像顯示裝置的一部分的剖視透視圖。圖像發生源1顯示小型的圖像。圖像發生源1包括反射型和透射型的液晶面板，或者具備多個微小的反射鏡的顯示元件等光調制元件。此外，圖像發生源1也可以包括透射型陰極射線管。作為第一光學系統的構成要素的投影透鏡2將圖像發生源1的圖像投影于屏幕3。在從投影透鏡2到屏幕3的光路中，為了降低圖像顯示裝置的縱深而設置有平面反射鏡4。作為第二光學系統的構成要素的自由曲面反射鏡5，設置在投影透鏡2與平面反射鏡4之間。來自投影透鏡的光被自由曲面反射鏡5反射而引導至平面反射鏡4，進而被平面反射鏡4反射而引導至屏幕3。這些要素收容在殼體6的內部，固定在規定的位置。此外，圖像發生源1、投影透鏡2、自由曲面反射鏡5固定在光學系統基座7上而一體化。下面，就投影光學單元的構成部件參照圖2進行說明。
圖2是表示使用根據本實施方式的投影光學單元的背投型圖像顯示裝置的基本的光學構成的剖視圖。圖2以XYZ直角坐標系中的YZ截面表示出光學系統的構成。這里，以XYZ直角坐標系的原點作為圖像發生源1的圖像顯示元件11的顯示畫面的中央，Z軸與屏幕3的法線平行。Y軸與屏幕的畫面的短邊平行，與屏幕的垂直方向相等。X軸平行于屏幕的畫面的長邊，與屏幕的水平方向相等。
如圖2所示，從圖像顯示元件11射出的光，首先通過由透射型的透鏡組構成的投影透鏡2中的、由具有旋轉對稱的面形狀的多個折射透鏡構成的前組12。然后，通過包括至少一個面具有旋轉非對稱的自由曲面的形狀的透鏡(以下稱為“自由曲面透鏡”)的投影透鏡的后組13。然后被具有旋轉非對稱的自由曲面形狀的反射面的至少一個反射鏡(以下稱為自由曲面反射鏡)5所反射。然后，被平面反射鏡4所反射后，入射到屏幕3。
這里，雖然在圖像顯示元件11為光調制元件的情況下，照射該光調制元件的燈等照明系統是必要的，但是這些的圖示中省略。此外，圖像顯示元件11也可以是向所謂三板式那樣合成多個畫面的方式。在該情況下就成為必要的合成用棱鏡等合成光學系統而言，也在其圖示中省略。
在圖2中，因為投影透鏡2的長度長，所以也可能看到圖像顯示元件11的位置對屏幕的法線的方向(Z軸方向)變遠而縱深加大。但是，在本實施方式中，在自由曲面反射鏡5與投影透鏡2的后組13之間，投影透鏡2的前組12與后組13之間，或者前組12的中途，配置有反射鏡(未圖示)。通過該構成，使投影透鏡2的光軸對圖2所示的截面在幾乎垂直的方向上折曲，可以防止縱深的增大。
在本實施方式中，如圖2所示，圖像顯示元件11的顯示畫面的中央配置在投影透鏡2的光軸上。因而，從圖像顯示元件11的顯示畫面的中央射出、通過投影透鏡2的入射孔指向屏幕3上的畫面中央的光線21大致沿著投影透鏡的光軸行進(以下，將其稱為畫面中央光線)。該畫面中央光線被自由曲面反射鏡5的反射面上的點P2反射后，被平面反射鏡4上的點P5反射，以對屏幕的法線8為規定的角度(也就是傾斜地)入射到屏幕3上的畫面中央的點P8。以下，將該角度稱為“傾斜入射角”，以θs表示。
這也就是說，沿著投影透鏡2的光軸通過的光線對屏幕是傾斜地入射的，實質上投影透鏡2的光軸對屏幕傾斜地設置。如果用這種方法傾斜地入射到屏幕，則投影的長方形的形狀成為梯形的所謂梯形形變之外，還產生對光軸不旋轉對稱的各種像差。在本實施方式中，由投影透鏡2的后組13與第二光學系統的反射面修正它們。
在圖2所示的截面內，以從圖像顯示元件11的畫面下端，通過畫面下端與投影透鏡2的入射孔的中央射出，入射到對應于孔的中央的屏幕上的畫面上端的點P9的光線作為光線22。此外，以從圖像顯示元件11的畫面上端，通過畫面上端與投影透鏡2的入射孔的中央射出，入射到對應于孔的中央的屏幕上的畫面下端的點P7的光線作為光線23。如果看圖2，則從點P3經由點P6到達點P9的光路長度，比從點P1經由點P4到達點P7的光路長度長。這意味著從投影透鏡2看來，屏幕上的像點P9處于比像點P7更遠。因此，如果對應于屏幕上的像點P9的物點(顯示畫面上的點)處于更接近投影透鏡2的點，此外，對應于像點P7的物點處于離投影透鏡2更遠的點，則可以修正像面的傾斜。為此，使圖像顯示元件11的顯示畫面的中央處的法線向量對光軸傾斜于投影透鏡2。具體地說，使法線向量在YZ平面內，朝屏幕的位置的方向傾斜即可。
要得到對光軸傾斜的像平面而使物平面傾斜的方法是公知的。但是，對應用的大的視角而言，物平面的傾斜引起的像面對光軸產生非對稱的變形，對旋轉對稱的投影透鏡而言修正是困難的。在本實施方式中，因為使用的不是旋轉對稱，也就是使用旋轉非對稱的曲面(自由曲面)，所以可以適應非對稱的像面的變形。因此，通過使物平面傾斜可以大大降低低頻的像面的形變，在輔助自由曲面進行的像差修正上是有效的。
接下來，就各光學要素的作用進行說明。作為第一光學系統的投影透鏡2由包括對其光軸旋轉對稱的透鏡的前組，與包括上述非旋轉對稱的透鏡的后組構成。該前組12是用于將圖像顯示元件11的顯示畫面投影在屏幕3上的主透鏡，修正旋轉對稱的光學系統中的基本的像差。投影透鏡2的后組13包括旋轉非對稱的自由曲面透鏡。
這里在本實施方式中，自由曲面透鏡對其光出射方向向著凹處彎曲。而且第二光學系統具有旋轉非對稱的自由曲面形狀的自由曲面反射鏡。這里在本實施方式中，該自由曲面反射鏡是其一部分對光的反射方向凸向地彎曲的、旋轉非對稱的凸面反射鏡。具體地說，使自由曲面反射鏡的、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鏡的、反射指向屏幕的下方的光的部分在光的反射方向上成為凸的形狀，反射指向屏幕的上方的光的部分在光的反射方向成為凹的形狀。通過自由曲面透鏡與自由曲面反射鏡的作用，主要進行因傾斜入射而產生的像差的修正。也就是說，在本實施方式中，第二光學系統主要修正梯形形變，作為第一光學系統的投影透鏡2的后組13主要進行像面的形變等非對稱的像差的修正。
這樣一來，本實施方式的第一光學系統至少包括一個旋轉非對稱的自由曲面透鏡，第二光學系統至少包括一個旋轉非對稱的自由曲面反射鏡。根據該構成，成為能夠修正因傾斜投影而產生的梯形形變和像差的雙方。
優選第二光學系統的反射面的坐標原點(這里，是指反射畫面中央光線的位置的坐標)，與投影透鏡2的前組12當中的最靠近屏幕側的透鏡面的光軸方向的距離設定成投影透鏡2前組的焦距的5倍以上。根據該構成，依靠第二光學系統的反射面更有效地修正梯形形變、像差，可以得到良好的性能。
另一方面，因為自由曲面反射鏡，其尺寸越大制造越變得非常困難，所以作成規定的大小以下是重要的。例如，因為圖2所示的平面反射鏡4的大小為屏幕畫面的大約70％以上，故50型以上那種大畫面的背投式投影機中的反射鏡成為超過500mm的尺寸，如果將這些作成自由曲面形狀則制造變得非常困難。因而，在背投式投影機中將該平面反射鏡作成自由曲面并不適當。因此，在本實施方式中，將自由曲面反射鏡5的尺寸作成小于平面反射鏡3的尺寸，將該自由曲面反射鏡5配置在平面反射鏡3的下方。而且，按照自由曲面反射鏡5、平面反射鏡的順序反射來自投影透鏡2的圖像光，投影在屏幕3上。
以上的說明是根據圖2所示的實施方式。但是，即使在反射鏡引起的光路的折曲的方向與圖2相反，處于包括畫面長邊的平面內的情況下，也可以運用與本實施方式同樣的考慮。根據該構成，在具有折射面的投影透鏡2中，不會招致透鏡的偏心和透鏡直徑的增大，或者，不會使透鏡的個數增加，可以實現傾斜入射引起的梯形形變的修正。進而可以實現減小縱深，制造容易的投影光學單元。進而，根據本實施方式，可以提供使縱深與屏幕下部的高度降低的緊湊的設置，因小的自由曲面反射鏡而可以提供制造容易的光學系統。
下面，對光學系統的實施方式，列舉具體的數值進行說明。參照圖3～圖7與表1～表4就數值例之一進行說明。
圖3與圖4表示基于第一數值例的光學系統的光線圖。在上述的XYZ直角坐標系中，圖3表示YZ截面，圖4表示XZ截面上的結構。在圖1中，表示在投影透鏡2的前組12的中途設置折曲反射鏡而使光路在X軸方向上一次折曲的例子。在圖3中，省略該折曲反射鏡，在Z軸方向上展開表示光學系統。圖4表示包括折曲反射鏡而折曲光路的狀態的光學系統。折曲反射鏡在設置的位置和角度上存在著若干的任意性，此外不影響到各光學要素的功能。因而，在以下的說明中，省略折曲反射鏡而進行說明。
在本實施方式中，從圖3的下側所示的圖像顯示元件11射出的光，首先通過包括多個透鏡的投影透鏡2中的、由僅具有旋轉對稱形狀的面的透鏡構成的前組12。然后，通過包括旋轉非對稱的自由曲面透鏡的后組13，被作為第二光學系統的自由曲面反射鏡5的反射面反射。該反射光被平面反射鏡4反射后，入射到屏幕3上。
這里，投影透鏡2的前組12由全都具有旋轉對稱形狀的折射面的多個透鏡構成，各折射面中四個為旋轉對稱非球面，其他為球面。這里所使用的旋轉對稱非球面，使用針對各面的局部圓柱坐標系，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)這里，r是離開光軸的距離，Z表示傾斜量。此外，c是頂點處的曲率，k是圓錐常數，A至J是r的冪乘項的系數。
處于投影透鏡2的后組13中的自由曲面透鏡，使用以各面的面頂點為原點的局部直角坐標系(x，y，z)，可以通過包括X，Y的多項式的下式表示。
Z=cr21+1-(1+k)c2r2+Σm·Σn(C(m,n)·xm·yn)]]>(式2)這里，Z是在垂直于X、Y軸的方向上自由曲面的形狀的傾斜量，c是頂點處的曲率，r是X、Y軸的平面內的離開原點的距離，k是圓錐常數，C(m，n)是多項式的系數。
表1
表1 表示本實施方式的光學系統的數值數據。使用表1和表2～表4的數值設計，是圖3、圖4的光路圖中所示的數據。在表1中，S0～S23分別對應于圖7所示的標號S0～S23的光學元件。例如S0表示圖像顯示元件11的顯示面，也就是表示物面，S23表示自由曲面反射鏡5的反射面。此外S24雖然在圖7中未示出，但是表示屏幕3的入射面，也就是表示像面。而且在圖7中，上圖表示本實施方式的第一和第二光學系統的垂直方向截面圖，下圖表示該光學系統的水平方向截面圖。
在表1中，Rd是各面的曲率半徑，在圖3中，在面的左側有曲率的中心的情況下由正的值，在相反的情況下由負的值表示。此外在表1中TH是面間距離，表示從該透鏡面的頂點到下一個透鏡面的頂點的距離。對于某個透鏡面，在下一個透鏡面在圖3中位于左側時面間距離以正的值表示，在位于右側的情況下以負的值表示。進而，在表1中S5、S6、S17、S18是旋轉對稱的非球面，在表1中編號的旁邊帶*而容易分辨地表示。這四個面的非球面的系數表示在表2中。
表2
在表1中，S19至S22是投影透鏡2的后組13中所含有的自由曲面透鏡的各折射面，S23如上所述是自由曲面反射鏡5的反射面。就具有自由曲面的光學元件而言，在面的編號旁邊的帶#地示出。表示這五個自由曲面的形狀的系數的值示于表3。
表3
在表3中，將系數的名稱與值左右并列而在欄目的組中表示。右側是系數的值，左側名稱中括弧內以逗號隔開的兩組數值表示式(2)中所示的m與n的值。
在本實施方式中，使作為圖像顯示元件11的顯示畫面的物面對投影透鏡2的光軸傾斜-1.163度。在圖3的截面內以物面的法線順時針旋轉的方向為正的值表示傾斜的方向。因而，在本實施方式中使物面在圖3的截面內，從垂直于投影透鏡2的光軸的位置在順時針方向傾斜1.163度。
S23的自由曲面反射鏡5將其局部坐標的原點置于投影透鏡2的光軸上。而且，使自由曲面反射鏡5的局部坐標的原點處的法線，也就是Z軸從平行于投影透鏡2的光軸的位置傾斜29度地配置。傾斜的方向與物面同樣在圖3中的截面內以逆時針旋轉的方向為正，因而成為逆時針傾斜。由此，從圖像顯示元件11的畫面中央射出而大致沿著投影透鏡2的光軸行進的畫面中央光線被S23反射后，相對于投影透鏡2的光軸，在Z軸的傾斜角度的兩倍的58度傾斜的方向上行進。這里，以通過S23的坐標原點，S23相對于投影透鏡2的光軸的傾斜角度的兩倍的方向作為反射后的新的光軸，以后的面配置在該光軸上。表1的S23所示的面間隔的值-400表示下一個S24處于S23的右側而沿著反射后的光軸將局部坐標原點配置在400mm距離的點。以下的面也按照相同規則配置。
表4
本實施方式中，各面的局部坐標系的傾斜或偏心的情形示于表4。在表4中，在面編號的右側示出傾斜角度、偏心的值，ADE是與圖3的截面平行的面內的傾斜的大小，其表示規則如上所示。此外，YDE是偏心的大小，偏心在與圖3的截面平行的面內且垂直于光軸的方向上設定，在圖3的截面中以向下的偏心為正。再者，在本實施方式中，將YDE取為0(也就是不偏心)。這樣一來在本實施方式中，所有的光學要素的傾斜和偏心按照平行于圖示的截面的截面內的方向來設定。
根據表1、表3，看出在本例中，曲率c與圓錐系數k成為0。傾斜入射引起的梯形形變在傾斜入射的方向上極大地發生，在與之垂直的方向上形變量很小。因而，在與傾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，通過不利用以旋轉對稱在所有方向上發揮作用的曲率c和圓錐系數k，可以良好地修正非對稱的像差。表1～表4的數值是將物面上16×9的范圍的圖像投影成像面上1452.8×817.2的大小的情況下的一例。此時的圖形形變示于圖5。圖5的縱方向是圖3的上下方向，是Y軸的方向。圖5的橫方向是在屏幕上與Y軸正交的方向，圖中的長方形的中央是畫面的中央。圖中表示出將畫面的縱方向分成四份，將橫方向分成八份的直線的彎曲的狀態而表示圖形形變的情形。
表1～表4的數值例的光點圖由圖6表示。在圖6中，圖像顯示元件11的顯示畫面上，在X、Y坐標的值中，依次表示從(8，4.5)，(0，4.5)，(4.8，2.7)，(8，0)，(0，0)，(4.8，-2.7)，(8，-4.5)，(0，-4.5)的八個點射出的光束的光點圖。單位是mm。各光點圖的橫方向是屏幕上的X方向，縱方向是屏幕上的Y方向。這樣一來，兩者同時維持良好的性能。
在本實施方式中，投影透鏡2的后組13由具有不是旋轉對稱的自由曲面形狀的透鏡構成，第二光學系統由具有不是旋轉對稱的自由曲面形狀的反射面構成。進而，它們的作用分別是，第二光學系統主要修正梯形形變，作為第一光學系統的投影透鏡2的后組13主要進行像面的形變等非對稱的像差的修正。
圖8是表示構成投影光學單元的投影透鏡2的透鏡組的示意圖，保持透鏡組的透鏡保持部件未圖示。投影透鏡2的前組12是用于將圖像顯示元件11的顯示畫面投影在屏幕上(未圖示)的主透鏡，由具有旋轉對稱的面形狀的多個折射透鏡構成，修正旋轉對稱的光學系統中基本的像差。投影透鏡2的后組13包括旋轉非對稱的自由曲面透鏡，主要進行由傾斜入射產生的像差的修正。
如圖8所示，在本實施方式中，自由曲面透鏡的至少一枚是對于其光射出方向面向凹而地彎曲。即，自由曲面透鏡的出射面成為凸面。而且，使自由曲面透鏡的、指向屏幕3的下端的光線通過的部分曲率(這里，自由曲面透鏡的下側)大于指向屏幕3上端的光線通過的部分(這里，自由曲面透鏡的上側)的曲率。此外，使自由曲面透鏡兩個組合而構成投影透鏡2的后組13。此外，折曲反射鏡14設置在前組12的中途。
在現有技術中，因為將成像光學系統的透鏡組固定在規定位置，故使用由同心圓構成的鏡筒。這當然是因為成像光學系統的透鏡組由具有旋轉對稱的面形狀的多個折射透鏡構成的緣故。在透鏡組內，材質為塑料的透鏡因溫度濕度而重復膨脹·收縮。特別是，這種透鏡中多用的丙烯酸樹脂(PMMA)因為吸濕引起的延展很大，故一般來說，在鏡筒上設置有用于吸收透鏡的膨脹·收縮的機構。在塑料制的鏡筒中構成為鏡筒本身變形，此外在金屬制的鏡筒中在透鏡的周圍設置有彈性變形的空間，無論塑料的膨脹·收縮都將透鏡保持在光軸中心。
進而如圖8中所示，在本實施方式中，投影透鏡2的后組13包括旋轉非對稱的自由曲面透鏡，其材質如前所述是塑料。因為該自由曲面透鏡不是旋轉對稱，所以不能使用現有技術的由同心圓構成的鏡筒。此外，因為進行因傾斜入射而產生的像差的修正，所以主要也不是如旋轉對稱的光學系統中的修正基本的像差的投影透鏡2的前組12那樣將透鏡保持于光軸中心。
圖9是在橫軸上以Y軸方向的偏心量而表示使投影透鏡溫度變化時的焦點性能(以MTF表示)的劣化量的示意圖。在圖中，實線是30℃的溫度上升時，虛線是15℃時的溫度上升時，點劃線是-15℃的溫度降低時的值。此外雖然在圖中，表示有投影透鏡2的后組13的最外側的自由曲面透鏡(圖8的15)，但是其內側的自由曲面透鏡或者作為第二光學系統的自由曲面反射鏡5中傾向也是相同的。在旋轉對稱的光學系統中的修正基本的像差的投影透鏡中，偏心量為0時，MTF的劣化量變得最小。另一方面，在進行因傾斜入射而產生的像差的修正的旋轉非對稱的自由曲面透鏡中，如圖所示在偏心量為0以外的地方的MTF的劣化量變成最小。在30℃下為-0.04mm，在15℃下為-0.02mm，在-15℃下為0.02mm。圖中所示的自由曲面透鏡15在30℃的溫度上升時高度(Y軸方向)膨脹0.088mm。因為在計算中以透鏡中心作為膨脹的基準，故其1/2成為膨脹的大小。因而，在30℃下偏心0.04mm，可以說只要以透鏡的上側端面為基準面進行膨脹·收縮即可。
圖10是包括邊緣的形狀，從上看投影透鏡2的后組13的最外側的自由曲面透鏡(圖8的15)的示意圖(圖10(a))與從正面看的示意圖(圖10(b))。在透鏡中，為了形成屏幕上的圖像而在有效光線通過的區域的外側，以用于透鏡的保持和測定而設置的部分作為邊緣。此外，圖11是相同的透鏡的透視圖。在圖10和圖11中，20是光的出射面。17是透鏡的邊緣，19是構成光的出射面的透鏡主體與邊緣的聯系部分，其上端面18成為透鏡的水平基準。透鏡的邊緣17，如主視圖(圖10(b))所示，成為以自由曲面透鏡15的中央為中心的圓的一部分。以下，就該理由進行說明。
塑料透鏡一般來說使用金屬模具，使塑料材料成型而作成。塑料透鏡的面形狀因在成型過程中的膨脹、收縮和內部應力等的圖像而變形，與透鏡成型中使用的金屬模具的面形狀產生差異。因此，追加加工用于透鏡成型的模具，直到其成型的透鏡達到規定的面精度，此時的模具的修正量由成型透鏡的面精度與設計值求得。也就是說，產生以高精度測定成型的透鏡的面的形狀的需要。本實施方式的投影透鏡2的后組13由自由曲面構成，只要設置成為測定基準的面就可以高精度測定面形狀。也就是說，在以投影透鏡2的后組13的透鏡的外側的形狀作為例如圖8中所示的大致矩形的形狀的情況下，成型的透鏡的變形在上側與下側處發生很大的非對稱性。因此，如果在自由曲面形狀的測定時使用透鏡的上側面與下側面規定透鏡的中央，則其誤差變得很大。
因此在本實施方式中，作為測定的基準面，在自由曲面的光學元件中，設置具有圓形的外周部分的邊緣17和水平基準面18。邊緣17如圖10(b)所示，從正面看其外周為圓形。該圓沒有必要在整個周邊上設置，也可以例如像圖中所示為一部分。在該情況下，只要至少兩個邊緣在相互夾著圓的中心相對的位置上包括圓弧而構成即可。進而，邊緣的外周圓的中心處于透鏡15的光軸上。此外，邊緣17在光軸方向上具有平行的厚度，外周圓設置成與透鏡15的光軸垂直。進而在本實施方式中，水平基準面18是在邊緣17與透鏡15的聯系部分19上，分別在上下至少一方上具有的構成。水平基準面18是與透鏡15的光軸平行的面。就水平基準面18而言，參照圖12進行說明。此外，透鏡15的入射側和出射側的自由曲面將其坐標原點置于透鏡15的光軸上。進而入射側、出射側各自的X、Y、Z坐標軸在入射側與出射側處是相互平行的，進而關于Z軸與光軸平行地設置。因而，測定自由曲面的形狀時，首先，通過測定邊緣17的外周圓的形狀，可以規定垂直于透鏡15的光軸的面。此外，根據外周圓的中心位置可以規定自由曲面的坐標原點。再者，在入射面和出射面各自具有自由曲面的形狀的情況下，各自的邊緣的圓弧的半徑最好相等。這是因為固定自由曲面透鏡的鏡筒作成圓筒形時，透鏡的固定穩定的緣故。
圖12是從前面看圖10和圖11所示的自由曲面透鏡15固定在鏡筒上的狀態的的示意圖。在圖中，30是由鏡筒固定自由曲面透鏡15的部分的截面。鏡筒30的截面不是自由曲面透鏡15的邊緣17的形狀，與邊緣17的上一半接觸。雖然在現有技術的鏡筒中通過支撐圓形的邊緣整個周邊而確定光軸中心，但是在本實施方式中，因為鏡筒與邊緣17接觸的僅是邊緣17的上一半，故僅靠該部分無法定位支撐透鏡。因此，將透鏡的水平基準面18設置在自由曲面透鏡15上。另一方面，在鏡筒30上，在與透鏡的水平基準面18相對的位置上設置有水平基準面的保持面31。進而，與水平基準面的保持面31所設置的位置的相反側，也就是在圖12的例子中下側邊的中心上，設置有支撐保持透鏡15用的彈簧32，由該三點定位并保持自由曲面透鏡15的位置。雖然也可以以水平基準面設置在上側兩處或下側兩處的構成，但是也可以以設置在上側一處、下側一處的構成。在該情況下保持用彈簧32設置在左右任一方的邊的中心。
對光軸在垂直方向的固定，與現有技術同樣，通過將透鏡壓板33設置在鏡筒30上來進行。通過水平基準面18規定平行于光軸的水平面成為可能。通過最終離開中心位置的自由曲面的坐標原點的規定與該水平面的規定，高精度地測定透鏡的自由曲面的形狀成為可能。此外，對鏡筒高精度的固定成為可能。
通過采用以上說明的這種將自由曲面透鏡15固定在鏡筒30上的安裝結構，在自由曲面透鏡15因溫度濕度膨脹·收縮時，成為以水平基準面18為基準伸縮，如前所述可以使焦點性能的劣化最小。
雖然在上述說明中，就投影透鏡2的后組13的最外側的自由曲面透鏡15進行了描述，但是在其內側的自由曲面透鏡或者作為第二光學系統的自由曲面反射鏡5也是同樣的。接下來，就針對邊緣的形狀的另一個實施方式進行說明。
圖13在投影透鏡2的后組13中針對內側的自由曲面透鏡(圖8的16)，與外側的透鏡15同樣，包括邊緣的形狀，表示從上看其形狀的圖(圖13(a))與從正面看的示意圖(圖13(b))。此外，圖14是同一透鏡的透視圖。在圖13和圖14中，41成為光的出射面。42是透鏡的邊緣，44是光的出射面41與邊緣42的聯系部分，其上端面43或下端面的至少一方成為透鏡的水平基準面。透鏡的邊緣42的外周，如從主視圖(圖13(b))所見，成為將中心置于透鏡16的中央的圓的一部分。
如圖13(b)的主視圖所示，透鏡16中的邊緣42的外周部的圓弧作為垂直于透鏡16的光軸而在透鏡16的光軸上具有中心的圓的一部分而形成。另一方面，透鏡16的前側與后側的自由曲面一起將坐標原點置于透鏡16的光軸上，其Z軸與光軸平行。因而，根據邊緣42的外周圓規定垂直于透鏡16的光軸的面，根據外周圓的中心位置規定自由曲面的坐標原點。進而，如圖13、14所示，由于由設置在透鏡的上側的水平基準面43規定水平面，所以由此規定所有的坐標軸，高精度地測定透鏡的自由曲面的形狀成為可能，進而，對鏡筒高精度的固定成為可能。
邊緣的外周圓不僅是如圖10和圖13所示透鏡的左右的一部分，通過在更廣的范圍內形成，垂直于光軸的面和坐標原點的規定可以以更高的精度來規定。
圖15、圖16表示就投影透鏡2的后組13的最外側的自由曲面透鏡15而言，具有將外周圓擴展到下側的邊緣的第二實施方式。雖然如圖2所示，該透鏡的上側不能用于作成指向屏幕的光線通過近旁的大的邊緣，但是下側通過結構上的工藝形成邊緣是可能的。圖15是從上看該透鏡的示意圖(圖15(a))與從正面看的示意圖(圖15(b))，圖16是相同透鏡的透視圖。在圖15和圖16中，光的出射面20與圖10、圖11所示的第一實施方式是相同的。25是透鏡的邊緣，27是光的出射面20與邊緣27的圓形的聯系部分，此外，其上端面26成為透鏡的水平基準面。透鏡的邊緣25的外周，如從主視圖(圖15(b))所見，成為將中心置于光的出射面20的大致中央的圓的一部分。
如圖15(b)的主視圖所示，邊緣25的外周部的圓弧是垂直于透鏡15的光軸且在透鏡15的光軸上具有中心的圓的一部分，設置成成為接近全周的大約2/3。這樣一來，通過具有半周以上的圓弧的邊緣的構成，由一個邊緣固定中心也成為可能。
另一方面，透鏡15的前側與后側的自由曲面一起將坐標原點置于透鏡15的光軸上而其Z軸與光軸平行。因而，根據邊緣25的外周圓來規定垂直于透鏡15的光軸的面，根據外周圓的中心位置來規定自由曲面的坐標原點。進而，如圖15、16所示，由于由設置在透鏡的上側的水平基準面26來規定水平面，所以由此規定所有的坐標軸，高精度地測定透鏡的自由曲面的形狀成為可能。此外，對鏡筒高精度的固定成為可能。
雖然在以上的關于邊緣的形狀的三個實施方式中，與規定原點的外周圓同時設置有水平基準面，但是該基準面也可以是垂直的。也就是說，在形成外周圓的一部分的邊緣以外的外延形狀中，只要有平行于透鏡的光軸且規定透鏡的自由曲面的坐標軸中的、與垂直于光軸的坐標軸的任何一方平行的平面部分就可以了。但是，因為本實施方式的自由曲面雖然是上下非對稱但是左右是對稱的，故基準面為水平時可以得到良好的精度。
雖然以上，以投影光學裝置從屏幕3的下方向上方傾斜投影圖像的情況下為例進行了說明，但是在投影光學裝置從屏幕3的上方向下方傾斜投影圖像的情況下，邊緣的形狀成為上下相反的形狀。在投影光學裝置從屏幕3的右方向傾斜投影圖像的情況下，邊緣的形狀成為使下側朝向右側的形狀。在投影光學裝置從屏幕3的左方傾斜投影圖像的情況下，邊緣的形狀成為使下側朝向左側的形狀。也就是說，以上所述的透鏡的邊緣的水平基準面成為垂直于由入射于屏幕3的畫面中央的主光線與透鏡的光軸來決定的平面的面。
此外，雖然在上述實施方式中，以具備自由曲面透鏡和自由曲面反射鏡兩方的光學系統進行了說明，但是關于自由曲面反射鏡，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鏡。
進而，雖然在以上的實施方式中，投影光學裝置為具有屏幕的構成，但是在沒有屏幕的、前投式(Front type)的投影光學裝置中運用也是可能的。
進而，在本實施方式中，因為作成使自由曲面透鏡的光軸，與用于定義自由曲面的坐標原點一致的構成，故使得圓狀的邊緣的中心與透鏡的光軸一致。但是，在將坐標原點設定于與光軸不同的位置的情況下，不是透鏡的光軸，最好是使坐標原點與圓狀的邊緣的中心一致。
既降低因圖像的傾斜投影而產生的梯形形變和/或像差而得到良好的圖像，又使設置緊湊化成為可能。
權利要求
1.一種投影型圖像顯示裝置，具備圖像顯示元件；第一光學系統，包括用于放大所述圖像顯示元件的圖像的多個透射型透鏡；和第二光學系統，反射來自所述第一光學系統的光，以規定的角度投影所述圖像，其特征在于所述第一光學系統是非旋轉對稱光學透鏡，該非旋轉對稱光學透鏡包含截面在外周上包括以該非旋轉對稱光學透鏡的光軸為中心的圓的一部分。
2.如權利要求1所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，還包括保持所述非旋轉對稱光學透鏡的、其內面的至少一部分為與所述圓半徑相同的圓筒狀的鏡筒。
3.如權利要求2所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述非旋轉對稱光學透鏡作為外周的一部分，具有平行于所述光軸的多個平面部分，所述鏡筒在與所述平面部分相對的位置上具有平行于所述平面部分的多個保持面、和保持彈簧。
4.如權利要求1所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于非旋轉對稱光學透鏡具有至少夾著交點且相對的位置為圓弧形狀的外周。
5.如權利要求2所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述第一光學系統是具備多個透鏡元件的投影透鏡，其具有含有對各個光軸旋轉對稱的透鏡的前組；和含有所述非旋轉對稱的透鏡的后組。
6.如權利要求3所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于在所述非旋轉對稱透鏡的出射面上，向所述第二光學系統出射的光的出射角大的一側的曲率小于向所述第二光學系統出射的光的出射角小的一側的曲率。
7.一種投影型圖像顯示裝置，包括光源；圖像顯示元件，使用所述光源的光形成基于圖像信號的顯示用圖像；第一光學系統，具有放大所述顯示用圖像的多個透射型透鏡；和第二光學系統，反射來自所述第一光學系統的光，使放大的顯示用圖像以規定的角度出射，所述多個透射型透鏡的至少一個是自由曲面透鏡，該自由曲面透鏡的入射面和出射面的至少一方是自由曲面，其以該透射型透鏡的光軸與所述自由曲面的交點為中心的圓周的至少一部分為形狀，包括具有平行于所述光軸的厚度的邊緣。
8.如權利要求7所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述自由曲面透鏡的邊緣的形狀為至少在夾著所述交點且相對的位置具有圓弧。
9.如權利要求7所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，還包括保持所述自由曲面透鏡的、其內面的至少一部分為與所述圓半徑相同的圓筒狀的鏡筒。
10.如權利要求9所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述自由曲面透鏡作為外周的一部分，具有平行于所述光軸的多個平面部分，所述鏡筒在與所述平面部分相對的位置具有平行于所述平面部分的多個保持面、和所述保持彈簧。
11.如權利要求7所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述自由曲面透鏡具有至少夾著所述交點且相對的位置為圓弧形狀的外周。
12.如權利要求9所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述第一光學系統是具備多個透鏡元件的投影透鏡，其具有含有對各個光軸旋轉對稱的透鏡的前組，和含有所述自由曲面透鏡的后組。
13.如權利要求10所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于在所述自由曲面透鏡的出射面上，向所述第二光學系統出射的光的出射角大的一側的曲率小于向所述第二光學系統出射的光的出射角小的一側的曲率。
14.一種透射型透鏡，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轉對稱的自由曲面，而且具有作為所述自由曲面的外緣，包括以所述自由曲面與所述透鏡的光軸的交點為中心的圓周的至少一部分的形狀的外緣。
15.如權利要求14所述的透射型透鏡，其特征在于所述入射面和出射面均為自由曲面，所述入射面的外緣的圓周半徑與所述出射面的外緣的圓周半徑相等。
16.一種投影型圖像顯示裝置中使用的光學單元，具備圖像顯示元件；第一光學系統，具備前組，包括具有對稱于通過所述圖像顯示元件中心的軸的形狀的面的共軸光學系統、和后組，包括單側或兩側的面為自由曲面形狀的至少一個自由曲面透鏡，該第一光學系統包括將所述圖像顯示元件上顯示的圖像在屏幕上放大投影的投影透鏡；和第二光學系統，包括至少具有一個自由曲面形狀的自由曲面反射鏡，將來自所述投影透鏡的放大圖像對所述屏幕傾斜投影，所述第一光學系統的非旋轉對稱的自由曲面透鏡的外周包括垂直于所述自由曲面透鏡的光軸且以所述光軸為中心的圓的一部分。
全文摘要
本發明提供一種即使將圖像傾斜地放大投影在屏幕上也可以抑制梯形形變或像差，而且透鏡的制造、組裝調整容易的投影型圖像顯示裝置和其中所用的投影光學單元。在配置在放大圖像顯示元件的圖像，以規定角度投影的光學系統中的具有非旋轉對稱的自由曲面的透鏡(15)中，其外周部分包括作成以透鏡的光軸為中心的圓的一部分形狀的邊緣(17)。
文檔編號H04N5/74GK1982935SQ20061010644
公開日2007年6月20日 申請日期2006年7月24日 優先權日2005年12月16日
發明者久田隆紀, 吉川博樹, 大石哲, 平田浩二, 小倉直之 申請人:株式會社日立制作所