專利名稱：投影型圖像顯示裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及將圖像顯示元件的圖像放大，并投影到屏幕等的投影面上，進行圖像顯示的投影型圖像顯示裝置，特別是適用于前面透透射型的圖像顯示裝置的投影型圖像顯示裝置，以及用于其的透射光學單元。
背景技術：
在使圖像顯示元件的圖像通過由多個透鏡構成的投影光學單元，放大投影到屏幕(投影面)上的彩色圖像顯示裝置中，要求在屏幕上得到?jīng)]有畸變的足夠尺寸的放大圖像。為了實現(xiàn)此目的，公知有例如在日本特開平5-134213號公報或日本特開2000-162544號公報中所記載的投影器或光學系統(tǒng)，使投影畫面在與投影系統(tǒng)的光軸垂直的方向上移位，同時，仍然使用相對于投影系統(tǒng)的光軸傾斜規(guī)定角度而設置的附加光學系統(tǒng)，在傾斜方向將圖像向屏幕放大投影。此外，這里所說的附加光學系統(tǒng)(遠焦轉換器(afocal converter))是具有變換投影圖像尺寸作用的光學系統(tǒng)，用于修正和減少因從相對屏幕傾斜的方向投影造成的投影圖像的畸變，得到長方形的投影圖像。
此外，例如由日本特開2004-157560號公報所公開的內(nèi)容，使用多個反射鏡(反射系統(tǒng)光學元件)替代上述的透鏡(透射系統(tǒng)光學元件)，將圖像顯示元件的圖像在屏幕(投影面)上放大投影的反射型成像光學系統(tǒng)。
將圖像從相對屏幕傾斜的方向進行投影時，在投影圖像中產(chǎn)生所謂的臺形畸變。為了解決此問題，在日本特開平5-134213號公報中記載的投影光學單元中，使配置在屏幕側的附加光學系統(tǒng)(遠焦轉換器)偏心，而抑制臺形畸變?？墒牵瑯嫵蛇@樣的偏心附加光學系統(tǒng)的透鏡，由于放大倍數(shù)低，難以實現(xiàn)廣角，因此，為了得到必要的放大倍數(shù)的投影圖像，使從透射裝置至屏幕的距離變大，另外，投影畫面和投影系統(tǒng)之間的距離也變大，所以產(chǎn)生如下問題，即，裝置整體變大(尤其是，光學單元的光軸方向的長度)。而且，作為構成上述的偏心附加光學系統(tǒng)的透鏡，需要孔徑大的附加光學系統(tǒng)，隨之，也成為了透射光學單元的成本增加的原因。
此外，在日本特開2000-162544號公報記載的投影光學單元中，也與特開平5-134213號公報一樣，由于放大倍數(shù)低，難以變成廣角，而且由于需要使所使用的透鏡各別地偏心，成為使透射光學單元的成本增加的原因。
另一方面，在特開2004-157560號公報中記載的反射型成像光學系統(tǒng)中，通過利用反射光學系統(tǒng)(反射鏡)替代現(xiàn)有的透射型的成像光學系統(tǒng)(透鏡系統(tǒng))，抑制了現(xiàn)有成像系統(tǒng)的大型化，且實現(xiàn)廣角?？墒?，由于用反射鏡上的光的偏心(偏轉方向)大，特別是在裝置內(nèi)，包括其傾斜角度，難以將多個反射鏡配置在正確的位置上，此外，因振動等也容易使反射鏡的傾斜角度等改變，仍然存在有制造非常難的問題。
發(fā)明內(nèi)容
因此，鑒于在上述現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供不使裝置的外形變大，可以實現(xiàn)廣角，并且其制造也比較容易的投影型圖像顯示裝置，以及所用的投影光學單元。也就是提供一種適用于無須孔徑大的附加光學系統(tǒng)，而且不產(chǎn)生臺形畸變，使投影型顯示裝置本身成為更緊湊的外形尺寸的技術。
為了達到上述目的，具有圖像顯示元件；透鏡組，配置在上述圖像顯示元件的后方，射出來自上述圖像顯示元件的圖像光，并具有，前方透鏡組和后方透鏡組；上述前方透鏡組由至少包含為旋轉對稱面形狀，并具有正的放大倍數(shù)的折射透鏡的多個透鏡形成；上述后方透鏡組至少由包含為旋轉非對稱的自由曲面形狀的透鏡的多個透鏡形成；反射鏡，反射來自上述透鏡組的圖像光，并傾斜投影到上述投影面上；第1載置臺，載置有上述后方透鏡組；和桿狀部件，設置在上述載置臺上，并使上述載置臺移動。
圖1是表示本發(fā)明一個實施方式的投影型圖像顯示裝置的整體的立體圖。
圖2是上述投影型圖像顯示裝置的投影光學單元的剖面圖。
圖3是表示上述光學單元的透鏡配置的一個例子的立體圖。
圖4是用于說明上述光學單元的透鏡面的垂直方向和水平方向的剖面圖。
圖5是表示本發(fā)明其他實施方式的投影型圖像顯示裝置的整體的立體圖。
圖6是表示上述其他實施方式的投影型圖像顯示裝置中的光學單元的透鏡配置的一個例子的立體圖。
圖7是用于說明示上述光學單元的透鏡面的垂直方向的剖面圖。
圖8是表示上述本發(fā)明的投影型圖像顯示裝置中的光路的YZ剖面圖。
圖9是表示上述本發(fā)明的投影型圖像顯示裝置中的光路的XZ剖面圖。
圖10是表示本發(fā)明的實施例1的光學單元的畸變性能的圖。
圖11是表示本發(fā)明的實施例1的光學單元的光斑性能的圖。
圖12是表示本發(fā)明的實施例2的光學單元的畸變性能的圖。
圖13是表示本發(fā)明的實施例2的光學單元的光斑性能的圖。
圖14是表示本發(fā)明的實施例3的光學單元的畸變性能的圖。
圖15是表示本發(fā)明的實施例3的光學單元的光斑性能的圖。
圖16是表示本發(fā)明的實施例4的光學單元的畸變性能的圖。
圖17是表示本發(fā)明的實施例4的光學單元的光斑性能的圖。
圖18是表示將上述投影光學單元用于投影型圖像顯示裝置中，在屏幕上放大投影圖像的狀態(tài)的圖。
圖19是表示在使用上述投影光學單元的投影型圖像顯示裝置中，改變投影距離的情況下的狀態(tài)的圖。
圖20是表示在使用上述投影光學單元的投影型圖像顯示裝置中，改變投影距離的情況下的畸變性能和光斑性能的圖。
圖21是表示在使用上述投影光學單元的投影型圖像顯示裝置中，改變投影距離的情況下的畸變性能和光斑性能的圖。
圖22是表示在上述投影光學單元中，使后方透鏡組移動的狀態(tài)的圖。
圖23是表示在上述投影型圖像顯示裝置中，用于使投影光學單元的后方透鏡組移動的構造的一個例子，是包括一部分剖面的立體圖。
圖24是用于說明上述投影光學單元重點透鏡面的水平方向的剖面圖。
圖25是表示上述投影光學單元中，使后方透鏡組移動的情況下的畸變性能的圖。
圖26是表示上述投影光學單元中，使后方透鏡組移動的情況下的光斑性能的圖。
圖27是表示本發(fā)明另外的實施方式的投影型圖像顯示裝置的整體的立體圖。
圖28是表示上述另外的實施方式的投影型圖像顯示裝置中的投影光學單元的剖面圖。
圖29是用于說明安裝在本發(fā)明的投影型圖像顯示裝置的一部分上的定位機構的構造和使用方法的圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細地說明。
首先，圖1是表示本發(fā)明一個實施方式的投影型圖像顯示裝置的整體的立體圖。也就是，在該圖中，在構成投影型圖像顯示裝置100的大致為箱形的框體110的內(nèi)部，例如具有顯示從外部的個人計算機輸入的圖像或影像的圖像顯示元件1和產(chǎn)生高亮度的白色光的燈等的光源8，此外，關于其構造在下面進行詳細說明，但是裝有用于對從該光源8照射并在圖像顯示元件1中調(diào)制后的光進行放大照射的投影光學單元。在室內(nèi)使用該投影型圖像顯示裝置的情況下，從該投影光學單元射出的光如圖中箭頭所示，投影到位于與其框體110的一個方向(圖中為長度方向)相對的房間的墻壁或薄片形的屏幕等所說的屏幕5上。
下面參照圖2的剖面圖，對構成上述投影型圖像顯示裝置的投影光學單元的基本光學構成進行說明。此外，該圖2的剖面是表示從上述圖1的右下方向(參照圖的空白部分的箭頭)看的剖面，相當于該圖2所示的XYZ直角坐標系(圖中用箭頭表示)中的YZ剖面。
如該圖2所示，本發(fā)明的投影光學單元包括透射(透鏡)光學系統(tǒng)，由入射來自光源8的光并射出所希望的圖像的圖像顯示元件1、棱鏡10、和包括前方透鏡組2和后方透鏡組3的兩個透鏡組構成；反射光學系統(tǒng)，包括具有不是旋轉對稱(即非旋轉對稱)的自由曲面形狀的反射面的反射鏡4(以下稱為自由曲面反射鏡)。
在此，作為上述圖像顯示元件1，表示了采用以液晶面板為代表的透射型的圖像顯示元件的例，但在本發(fā)明中不限于此，例如也可以是類似CRT的自發(fā)光型的圖像顯示元件。此外，作為上述圖像顯示元件1，例如在采用上述的液晶面板等的透射型的圖像顯示元件的情況下，需要有照射液晶面板的光源8的燈。此外，作為該液晶面板，也可以所謂如3板式，對R、G、B的多個圖像進行合成的方式，在這種情況下，需要圖像合成用的棱鏡等。對于這些液晶面板的詳細情況和照射其光源8的燈等，在后面進行說明，由于在此沒有直接的關系，所以在圖中省略。另一方面，用類似CRT的自發(fā)光型的圖像顯示元件，很明顯不需要上述的光源8。
在如上構成的本發(fā)明的投影光學單元中，從上述圖像顯示元件1通過棱鏡10射出的光，首先入射到構成透鏡光學系統(tǒng)的前方透鏡組2。此外，在后面對此要進行詳細說明，但該前方透鏡組2具有旋轉對稱面的形狀，由包括多個有正的放大倍數(shù)和負的放大倍數(shù)折射透鏡構成。而且，從該前方透鏡組2射出光，通過后方透鏡組3，而后方透鏡組3由包括多個具有(本例中為2個)至少一個面不是旋轉對稱(旋轉非對稱的)自由曲面形成的透鏡構成。然后，從該后方透鏡組3射出的光，再由包括具有不是旋轉對稱的自由曲面形狀的反射面的反射鏡(以下稱為自由曲面反射鏡)4的反射光學系統(tǒng)反射放大后，投影到規(guī)定的屏幕5(例如房間的墻壁或薄片形的屏幕等)上。
此外，在本實施方式中，由上述圖2可以看出，如現(xiàn)有技術，將投影畫面(顯示元件)在與投影系統(tǒng)的光軸垂直的方向移位，而且，與相對于投影系統(tǒng)的光軸傾斜規(guī)定的角度而配置的附加光學系統(tǒng)的光學系統(tǒng)不同，上述圖像顯示元件1配置成其顯示畫面的中央大致位于透鏡光學系統(tǒng)的光軸上(也就是形成同軸光學系統(tǒng))。因此，光線11從上述圖像顯示元件1的顯示畫面中央出來，通過透鏡光學系統(tǒng)的入射光瞳的中央，射向屏幕5上的畫面中央，大致沿透鏡光學系統(tǒng)(包括上述前方透鏡組2和后方透鏡組3)的光軸前進(以下將之稱為“畫面中央的光線”)。此后，該畫面中央的光線11由上述反射光學系統(tǒng)(包括自由曲面反射鏡)的具有自由曲面形成的反射面4上的點P2反射，然后從相對于屏幕的法線7從下方傾斜，入射到屏幕5上的畫面中央的點P5上。下面，將該角度稱為“傾斜入射角度”，用θs表示。也就是，沿所述透鏡光學系統(tǒng)的光軸通過的光線，通過相對于屏幕傾斜入射，實際意味著相對于屏幕傾斜設置透鏡光學系統(tǒng)的光軸(成為傾斜入射系統(tǒng))。
而且，如上所述，在使光線相對于屏幕傾斜入射時，從上述圖像顯示元件1投影的長方形的形狀就變成了臺形，包括所謂的臺形畸變，并且，發(fā)生因相對于光軸不是旋轉對稱而產(chǎn)生的各種像差，可是在本發(fā)明中，用構成上述透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3和所述反射光學系統(tǒng)的反射面對其進行修正。
特別是如果從上述圖像顯示元件1投影的光線，利用構成上述反射光學系統(tǒng)的反射鏡4的反射面反射放大，并傾斜入射到屏幕5上，則與因透鏡得到的光的偏心量(偏向角)進行比較，會得到更大的偏心量(偏向角)，此外也難以產(chǎn)生像差，所以可以抑制裝置的大型化，而且可以實現(xiàn)廣角。也就是，與上述現(xiàn)有技術使附加光學系統(tǒng)(遠焦轉換器)偏心，抑制臺形畸變的構成相比較，可以使包括上述前方透鏡組2和后方透鏡組3的透鏡光學系統(tǒng)構成為孔徑更小的光學系統(tǒng)。
如上所述，將入射到構成上述反射光系統(tǒng)的反射鏡4的反射面的光，由上述透鏡光學系統(tǒng)放大投射至規(guī)定的尺寸，所以即使與現(xiàn)有的只用反射鏡構成投射放大系統(tǒng)的構造相比較，其制造也變得容易。也就是，透鏡光學系統(tǒng)和反射光學系統(tǒng)分開制造，此后在裝置的框體內(nèi)，通過對這兩者的位置進行固定調(diào)整，由此特別適合批量生產(chǎn)。此外如上所述，通過將用于修正臺形畸變等的后方透鏡組3，配置在所述前方透鏡組2的前方的構造，可以減小該后方透鏡組3和前方透鏡組2之間的間隔而進行配置，所以可以使裝有該投影光學單元的裝置整體緊湊，特別是可以得到減小屏幕下面的高度的適宜的效果。
如上所述，通過將具有自由曲面形狀的透射型的透鏡光學系統(tǒng)和具有自由曲面形狀的反射光學系統(tǒng)組合，特別是在用于前面透射型的圖像顯示裝置的情況下，可以可靠地而且比較容易地實現(xiàn)在前面透射型強烈要求的廣角，并且可以使裝置的整體變小，實現(xiàn)緊湊型的投影型圖像顯示裝置。
在圖3和4中詳細表示了構成上述投影型圖像顯示裝置的投影光學單元的包括透鏡光學系統(tǒng)和反射光學系統(tǒng)的光學元件。也就是，圖3是上述投影光學單元的立體圖，圖4是分別表示其垂直方向剖面(圖4(a))和其水平方向剖面(圖4(b))。
如這些圖所示，在透鏡光學系統(tǒng)中，從圖像顯示元件1通過棱鏡10射出的圖像，首先，入射到包括多個具有旋轉對稱形狀的透鏡的前方透鏡組2。如上所述，前方透鏡組2包括旋轉對稱的球面透鏡和非球面透鏡。此外也可以如圖5和6所示，在前方透鏡組2和后方透鏡組3的途中，配置彎折反射鏡35，使光線彎折成直角。
此外，后方透鏡組3至少由2個自由曲面透鏡構成。如這些圖所示，最靠近反射鏡4的反射面S22的自由曲面透鏡31，凹部朝向其光的出射方向，而且設定成入射到上述屏幕下端的光線所通過的部分的曲率比入射到所述屏幕上端的光線所通過的部分的曲率大。也就是，所謂自由曲面透鏡是指，使凹部朝向其光的出射方向而彎曲，而且使其具有入射到上述屏幕下端的光線所通過的部分的曲率比入射到上述屏幕上端的光線所通過的部分的曲率大。
此外在本實施方式中，構成滿足以下條件。也就是，設在上述圖2中所示的剖面內(nèi)，從上述圖像顯示元件1的畫面下端射出，通過前方透鏡組2的入射光瞳的中央，入射到屏幕5的畫面上端的點P6的光線為光線12。設該光線12從通過自由曲面反射鏡4的點P3到屏幕上的點P6的光路長度為L1。此外，設從上述圖像顯示元件1的畫面上端射出，通過前方透鏡組2的入射光瞳的中央，入射到屏幕5的畫面下端的點P4光線為光線13。設該光線13從通過自由曲面反射鏡4的點P1到屏幕上的點P4的光路長度為L2。而在上述的投影光學單元中，上述L1、L2要滿足以下式。
|L1-L2|＜1.2*sinθs*Dv其中，Dv為在圖2的剖面內(nèi)的屏幕上的畫面的尺寸，換句話說，是從屏幕上的畫面上端的點P6到畫面下端的點P4的距離。此外，θs為上述傾斜入射角度。
另一方面，上述圖像顯示元件1配置成使其畫面中央位于所述透鏡光學系統(tǒng)的光軸上，但是，也可以如圖7所示，優(yōu)選配置成該顯示畫面的法線相對于上述透鏡光學系統(tǒng)的光軸略微傾斜。
而且，看上述圖2，如上所述，從點P3到點P6的光路長度比從點P1到點P4的光路長度長。這意味著從透鏡光學系統(tǒng)看，屏幕上的像點P6比像點P4遠。所以，如屏幕上的像點P6對應的物點(顯示畫面上的點)更靠近透鏡光學系統(tǒng)，或屏幕上的像點P4對應的物點更遠離透鏡光學系統(tǒng)，由此可以修正像面的傾斜。因此如上述圖7所示，優(yōu)選在包括屏幕5的法線和畫面中央光線的平面內(nèi)，使所述圖像顯示元件1的顯示畫面中央的法線矢量相對于透鏡光學系統(tǒng)的光軸略微傾斜。而其傾斜的方向優(yōu)選與屏幕5所處方向相反的方向。
此外，公知在得到相對于光軸傾斜的像平面中使物平面傾斜的方法，在實際用的尺寸的視角中，因物平面傾斜形成的像面相對于光軸產(chǎn)生非對稱的變形，難以用旋轉對稱的投影透鏡進行修正。在本實施方式中，在上述的后方透鏡組3中，由于使用了旋轉非對稱的自由曲面透鏡31，還使用了自由曲面透鏡32，所以可以應對于非對稱的像面的變形。因此，通過使物平面傾斜，也就是使圖像顯示元件的顯示面傾斜，可以明顯減少此后的像面畸變，所以在輔助由自由曲面進行的像差修正方面是有效的。
然后，對于上述的各光學要素的作用，在所述透鏡光學系統(tǒng)中，其前方透鏡組2(透鏡21～25)構成用于將所述圖像顯示元件1的顯示畫面投影到屏幕5上的主透鏡，對旋轉對稱的光學系統(tǒng)中的基本的像差進行修正。此外，所述透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3(透鏡31～34)由具有不是旋轉對稱(旋轉非對稱)的自由曲面形狀的透鏡構成，主要對因傾斜入射而產(chǎn)生的相差進行修正。如上所述，成為所述反射光學系統(tǒng)4由具有不是旋轉對稱的自由曲面形狀的反射面構成，主要對臺形畸變進行修正，另一方面，透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3主要對像面的畸變等的非對稱像差進行修正的結構。
如上所述，在本發(fā)明的實施方式中構成為，上述反射光學系統(tǒng)由具有不是旋轉對稱的自由曲面形狀的1個反射面(反射鏡)4構成，上述透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3包括兩面都具有旋轉非對稱的自由曲面形狀的2個透射型透鏡(反射透鏡4側的透鏡31和32)。而且，其中自由曲面反射鏡4彎曲成使凸部朝向其反射方向。而自由曲面反射鏡4的、對入射到屏幕下端的光線進行反射的部分的曲率，設定成比對入射到屏幕上端的光線進行反射的部分的曲率大。此外，也可以將對入射到屏幕下端的光線進行反射的部分作成相對于其反射方向成為凸的形狀，另一方面，將對入射到屏幕上端的光線進行反射的部分作成向其反射方向成為凹形狀。
反射光學系統(tǒng)的反射面(反射鏡)4中的坐標原點和前方透鏡組2中最靠近反射面(反射鏡)4的透鏡面之間，在其光軸方向上的距離優(yōu)選設定成是前方透鏡組2的焦距的5倍，更優(yōu)選為5倍以上。這樣，利用反射光學系統(tǒng)的具有自由曲面形狀的反射面，可以更有效地修正臺形畸變像差，并可以得到良好的性能。
下面對本發(fā)明的具體數(shù)值的實施例進行說明。
首先用圖8和9、以及以下的表1～表4，對上述說明的本實施例的投影光學單元的詳細結構進行說明，特別是，在示出包括其透鏡光學系統(tǒng)和反射光學系統(tǒng)的光學元件的具體數(shù)值同時進行說明。此外，這些圖表示基于第1的數(shù)值例的本發(fā)明的光學系統(tǒng)的光線圖。也就是，圖8表示上述圖2的XYZ直角坐標系中的YZ剖面，也就是將光學系統(tǒng)在Z軸方向展開。此外，圖9表示在XZ剖面上的構成。此外，在圖9中，其詳細構造如圖5和6所示，表示在構成透鏡光學系統(tǒng)的透鏡光學系統(tǒng)的前方透鏡組2和后方透鏡組3的中途，設置彎折反射鏡35，以此使光路在X軸方向折彎一次的例子。
在本例子中，從圖4下側表示的圖像顯示元件1射出的光，在包括多個透鏡的透鏡光學系統(tǒng)中，首先通過前方透鏡組2，前方透鏡組2僅由只具有旋轉對稱形狀的面的透鏡構成。然后，通過包含旋轉非對稱的自由曲面透鏡的后方透鏡組3，由反射光學系統(tǒng)的自由曲面反射鏡4的反射面進行反射。其反射光入射大到其后的屏幕5上。
其中，透鏡光學系統(tǒng)的前方透鏡組2全部由具有旋轉對稱形狀的折射面的多個透鏡構成，這些透鏡的折射面中的4個是旋轉對稱的非球面，其他為球面。此外這里使用的旋轉對稱的非球面使用各面的局部的圓柱坐標系，用下面的式表示。
Z=cr21+1-(1+k)c2r2+A·r4+B·r6+C·r8+D·r10+E·r12+F·r14+G·r16+H·r18+J·r20]]>其中，“r”為距光軸的距離，“Z”表示垂度。此外，“c”為在頂點上的曲率，“k”為圓錐常數(shù)，“A”到“J”為“r”的冪的系數(shù)。
另一方面，構成上述透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3的自由曲面，使用將各面的面頂點作為原點的局部直角坐標系(x、y、z)，用下面包含X、Y的多項式表示。
Z=cr21+1-(1+k)c2r2+Σm·Σn(C(m,n)·xm·yn)]]>其中，“Z”表示在Y軸上在垂直方向上自由曲面形狀的垂度，“c”是頂點上的曲率，“r”是距X、Y軸的平面內(nèi)的原點的距離，“k”是圓錐常數(shù)，“C(m，n)”是多項式的系數(shù)。
下面，以下的表1表示本實施例中的光學系統(tǒng)的數(shù)值數(shù)據(jù)。在該表1中，S0～S23分別與上述圖3所示的符號S0～S23對應。其中，符號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4的反射面。此外，符號24在這些圖中沒有表示，是表示上述圖1的屏幕5的入射面，也就是表示像面。
表1
此外在上述表1中，“Rd”是各面的曲率半徑，在上述圖3中，曲率中心在面的左側的情況以正值表示，相反的情況以負值表示。此外在上述表1中，“TH”是面間距離，表示從其透鏡面的頂點到下一個透鏡面的頂點的距離。相對于此透鏡面，下一個透鏡面在圖中左側時，面間距離以正值表示，在右側的情況以負值表示。
此外在上述表1中，S5、S6、S17、S18是旋轉對稱的非球面，在該表1中面的編號的旁邊帶有“*”表示，容易分辯，這4個面的非球面的系數(shù)在以下的表2中表示。
表2
此外在上述表1中，從S19到S22是具有構成上述透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組的自由曲面形狀的折射面，S23是具有反射光學系統(tǒng)的自由曲面S23形狀的反射面，在面的編號旁邊帶有#表示。這5個自由曲面的形狀的系數(shù)的值在以下的表3中表示。
表3
此外，在本發(fā)明中，如上述圖7所示，使圖像顯示元件1的顯示畫面的物面相對于所述透鏡光學系統(tǒng)的光軸傾斜-1.163度。此外，傾斜方向在該圖7的剖面內(nèi)，以正值表示物面的法線繞順時針方向旋轉的方向。因此，在本實施例中，在圖7的剖面內(nèi)，將物面從垂直所述透鏡光學系統(tǒng)的光軸的位置向逆時針方向傾斜1.163度。
此外，用在上述圖3或圖7中的符號S23表示的自由曲面反射鏡4將其局部坐標的原點放置在所述透鏡光學系統(tǒng)的光軸上，將在局部坐標中的原點上的法線，即Z軸，從與上述透鏡光學系統(tǒng)的光軸平行的位置僅傾斜+29度而配置。此外，該傾斜的方向與上述物面相同，在上述圖3或圖7的剖面內(nèi)，設向逆時針旋轉的方向為正，因此向逆時針傾斜。這樣，從圖像顯示元件1的畫面中央出來，幾乎可以沿透鏡光學系統(tǒng)的光軸前進的畫面中央的光線，在S23反射后，向相對于上述透鏡光學系統(tǒng)的光軸僅傾斜上述傾斜角度的2倍的58度的方向前進(參照圖的箭頭)。
此外，在本實施例中的各面的局部坐標系的傾斜或偏心的情況，在以下的表4中表示。在該表4中，面編號的右側表示傾斜角度、偏心的值，“ADE”是在與圖4的剖面平行的面內(nèi)的傾斜的大小，其表示的規(guī)則如上所示。此外，“YDE”是偏心的大小，在與上述圖4的剖面平行的面內(nèi)而且在垂直于光軸的方向上設定偏心，在上述圖4的剖面中，設向下側的偏心為正。此外，在以后說明的實施例中，光學要素的傾斜或偏心被設定在與表示的剖面平行的剖面內(nèi)的方向上。
表4
此外，從上述的表1、表3可以看出，在本實施例中曲率“c”和圓錐系數(shù)“k”為零(0)。也就是，因傾斜入射造成的臺形畸變在傾斜入射的方向上非常大，在與其垂直的方向上的畸變量小。因此，在傾斜入射方向和與其垂直的方向上，必須有明顯不同的功能，可以不利用在全方向有旋轉對稱功能的上述曲率“c”和圓錐系數(shù)“k”，而很好地修正非對稱的像差。
此外在上述表4中，面S23的“ADE”與上述圖2所示的θm相同，如上述圖2所示，在屏幕5的面上的“ADE”是θs。利用這兩個值滿足所述條件，因此，使屏幕下部的高度進一步減小，可以實現(xiàn)緊湊的光學系統(tǒng)。
此外上述式1所示的光路長度差|L1-L2|的值為屏幕畫面高度的0.42倍，θs為30度，所以滿足上述式1的條件。上述表1～表4的數(shù)值是將物面(例如比例16∶9的液晶面板)上的范圍(12.16×6.84mm的圖像放大投影在像面(60”+over-scan1452.8×817.2mm)上的情況下的一個例子。圖10中表示此時圖像的畸變。該圖10的縱向是上述圖8的上下方向，是上述圖2中的Y軸方向。此外該圖10的橫向是在屏幕上Y軸的垂直方向(上述圖9的縱向)，圖的長方形中的中央部是畫面的中央。此外，該圖10是表示將畫面的縱向分成4份，將橫向分成8份的各直線的彎曲的狀態(tài)，因此表示圖像的畸變情況。
此外，圖11表示光斑圖。在該圖11中在圖像顯示元件5的顯示畫面上，也就是，從上開始順序(在圖中用圓圈包圍的(1)～(8)的順序)表示X、Y坐標值上，(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8個點射出的光束的光斑圖。單位為mm。各光斑圖的橫向是屏幕上的X方向，縱向是屏幕上的Y方向。兩者都保持良好的性能。
此外可以看出，設由上述得到的投影圖像(例如圖1的屏幕5)的對角尺寸為“Lo”，自由曲面反射鏡5的中心到投影圖像的距離為“Lp”的情況下(參照上述圖1)，Lo＝1524mm、Lp＝700×cos45°≈495mm，所以它們之間的比例為2以上(Lo/Lp＞2)，即使在比較近的距離(Lp)上，也可以將物面放大投影成足夠大的畫面，也就是投影放大率優(yōu)良。
下面，用圖12和圖13以及表5～表8，對第2實施例進行說明。在此，透鏡光學系統(tǒng)的前方透鏡組2全部由旋轉對稱形狀的折射面構成，這些透鏡的折射面中，4個是旋轉對稱的非球面，其他為球面。在此使用的軸對稱的非球面使用各面的局部圓柱坐標系，用前面所示的式2表示。
此外，構成上述透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3的透鏡的自由曲面，使用以各面的面頂點為原點的局部直角坐標系(x、y、z)，包括X、Y的多項式，用前面所示的式3表示。
下面的表5表示本數(shù)值的實施例，面編號S0表示物面，順序為S1到S23。在該表5中，“Rd”為各面的曲率半徑，此外，“TH”為面間距，表示從其透鏡面的頂點到下一個透鏡面的頂點的距離。
表5
在該表5中，S5、S6、S17、S18是旋轉對稱的非球面，在該表5中面的編號的旁邊帶有“*”表示，容易分辯，這4個面的非球面的系數(shù)在以下的表6中表示。
表6
此外在上述表5中，從S19到S22是具有構成上述透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組的自由曲面形狀的折射面，S23是具有反射光學系統(tǒng)的自由曲面形狀的反射面，在面的編號旁邊帶有“#”表示。這5個自由曲面的形狀的系數(shù)的值在以下的表7中表示。
表7
此外在以下的表8中，表示了該第2實施例中的各面的傾斜和偏心的大小。該表8中的“ADE”、“YDE”的值表示的規(guī)則與前面敘述的相同。此外，在本實施例中的各面的傾斜是與前面的實施例1大致相同的量。
表8
此外，在上述表8中，利用面S23的ADE(＝θm)和屏幕面5的ADE(＝θs)滿足所述條件，使屏幕下部的高度進一步減小，可以實現(xiàn)緊湊的光學系統(tǒng)。
此外，可以看出，式1所示的光路長度差|L1-L2|的值為屏幕畫面高度的0.43倍，θs為30度，所以滿足上述式1的條件。
另一方面如上述表8所示，在該第2實施例中，使S15偏心-0.193mm，使S17相反地偏心0.193mm。在使某個面偏心的情況下，在以后的面上光軸移動此偏心量。因此，此S15和S17的偏心意味著使由S15和S16構成的1個透鏡從光軸偏心-0.193mm。此外，此偏心量是微量，對透鏡的尺寸不產(chǎn)生大的惡劣影響，但是，利用該偏心可以實現(xiàn)非對稱的色像差的微調(diào)。
此外，從上述的表5和表7可以看出，在此實施例中曲率“c”和圓錐系數(shù)“k”為零(0)。也就是，因傾斜入射造成的臺形畸變在傾斜入射的方向上非常大，在與其垂直的方向上的畸變量小。因此，在傾斜入射方向和與其垂直的方向上，必須有明顯不同的功能，不利用在全方向有旋轉對稱功能的上述曲率“c”和圓錐系數(shù)“k”，可以很好地修正圖像的畸變。
按上述的數(shù)值的第2實施例的有效范圍將物面(比例16∶9)上的范圍放大投影在像面(70”+over-scan1694.9×953.4mm)上，圖12表示該圖像的畸變。該圖12的縱向是圖1的上下方向，是Y軸方向。此外該圖12的橫向是在屏幕上Y軸的垂直方向，圖的長方形中的中央部是畫面的中央。此外，該圖是表示將畫面的縱向分成4份，將橫向分成8份的各直線的彎曲的狀態(tài)，因此表示圖像的畸變情況。
此外，圖13表示第2實施例的光斑圖。在該圖13中在圖像顯示元件61的顯示畫面上，從上開始順序(在圖中用圓圈包圍的(1)～(8)的順序)表示X、Y坐標值上，(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8個點射出的光束的光斑圖。單位為mm。各光斑圖的橫向是屏幕上的X方向，縱向是屏幕上的Y方向。兩者都保持良好的性能。
此外可以看出，在本例子中設得到的投影圖像的對角尺寸為“Lo”，自由曲面反射鏡5的中心到投影圖像的距離為“Lp”，Lo＝1524mm、Lp＝700×cos45°≈495mm，所以它們之間的比例為2以上(Lo/Lp＞2)，即使在比較近的距離(Lp)上，也可以將物面放大投影成足夠大的畫面，也就是投影放大率優(yōu)良。
下面，用圖14和圖15以及表9～表12，對本發(fā)明的第3實施例進行說明。在此，透鏡光學系統(tǒng)的前方透鏡組2也全部由旋轉對稱的形狀的折射面構成，這些透鏡的折射面中，4個是旋轉對稱的非球面，其他為球面。在此使用的軸對稱的非球面也使用各面的局部圓柱坐標系，用前面所示的式2表示。
此外，構成上述透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3的透鏡的自由曲面，使用以各面的面頂點為原點的局部直角坐標系(x、y、z)，包括X、Y的多項式，用前面所示的式3表示。
以下的表9表示第3實施例中的透鏡數(shù)據(jù)，面編號S0表示物面，順序從S1到S23。在該表9中，“Rd”為各面的曲率半徑。此外“TH”表示面間距，表示從其透鏡面的頂點到下一個透鏡面的頂點的距離。
表9
在該表9中，S5、S6、S17、S18是旋轉對稱的非球面，面的編號的旁邊帶有“*”表示，容易分辯，這4個面的非球面的系數(shù)在以下的表10中表示。
表10
此外在上述表9中，從S19到S22是具有構成上述透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組的自由曲面形狀的折射面，S23是具有反射光學系統(tǒng)的自由曲面形狀的反射面，在面的編號旁邊帶有“#”表示。這5個自由曲面的形狀的系數(shù)的值在以下的表11中表示。
表11
此外在以下的表12中，表示了該第3實施例中的各面的傾斜和偏心的大小。而且，該表12中的“ADE”、“YDE”的值表示的規(guī)則與前面敘述的相同。
表12
此外，從該表12中可以看出不滿足前述的條件。可是，在該第3實施例中，其部分進深小，成為使進深優(yōu)先的構成。
此外如該表12所示，與前面的第2實施例相同，使由面S15和S16構成的1個透鏡從光軸偏心-0.304mm。該偏心量是微量，對透鏡的尺寸不產(chǎn)生大的惡劣影響，但是，利用該偏心可以實現(xiàn)非對稱的色像差的微調(diào)。
此外上述式1所示的光路長度差|L1-L2|的值為屏幕畫面高度的0.62倍，θs為45度，所以滿足上述條件。
此外，從上述的表9和表11可以看出，在該第3實施例中曲率“c”和圓錐系數(shù)“k”為零(0)。因傾斜入射造成的臺形畸變在傾斜入射的方向上非常大，在與其垂直的方向上的畸變量小。因此，在傾斜入射方向和與其垂直的方向上，必須有明顯不同的功能，不利用在全方向有旋轉對稱功能的上述曲率“c”和圓錐系數(shù)“k”，可以很好地修正圖像畸變。
上述第3實施例的有效范圍，將物面(比例16∶9)上的范圍放大投影在像面(50”+over-scan1210.7×681.0mm)上，圖14表示該圖像的畸變。該圖14的縱向是圖2的上下方向，是Y軸方向。此外該圖14的橫向是在屏幕上Y軸的垂直方向(橫向)，圖的長方形中的中央部是畫面的中央。此外，圖14是表示將畫面的縱向分成4份，將橫向分成8份的各直線的彎曲的狀態(tài)，因此表示圖像的畸變情況。
此外，圖15表示本數(shù)值的實施例的光斑圖。在該圖15中在圖像顯示元件61的顯示畫面上，從上開始順序(在圖中用圓圈包圍的(1)～(8)的順序)表示X、Y坐標值上，(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8個點射出的光束的光斑圖。單位為mm。各光斑圖的橫向是屏幕上的X方向，縱向是屏幕上的Y方向。也就是，兩者都保持良好的性能。
此外可以看出，在本例子中也設得到的投影圖像的對角尺寸為“Lo”，自由曲面反射鏡5的中心到投影圖像的距離為“Lp”，Lo＝1524mm、Lp＝700×cos45°≈495mm，所以它們之間的比例為2以上(Lo/Lp＞2)，即使在比較近的距離(Lp)上，也可以將物面放大投影成足夠大的畫面，也就是投影放大率優(yōu)良。
下面，用圖16和圖17以及表13～表16，對本發(fā)明的第4實施例進行說明。
在此，從圖像顯示元件1射出的光順序通過由具有旋轉對稱的面形狀的投射型透鏡構成的透鏡光學系統(tǒng)的前方透鏡組2、由具有自由曲面形狀的投射型透鏡構成的透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3后，由反射光學系統(tǒng)的具有自由曲面形狀的反射面4反射，入射到屏幕5。
也就是，在此透鏡光學系統(tǒng)的前方透鏡組2全部由旋轉對稱形狀的折射面構成，各折射面中，4個是旋轉對稱的非球面，其他為球面。在此使用的軸對稱的非球面使用各面的局部圓柱坐標系，用前面所示的式1表示。
構成上述透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3的透鏡的自由曲面，仍使用以各面的面頂點為原點的局部直角坐標系(x、y、z)，包括X、Y的多項式，用前面所示的式2表示。
下面的表13表示第4實施例中的透鏡數(shù)據(jù)，面編號S0表示物面，順序從S1到S24，S25為像面。在表1 3中，“Rd”為各面的曲率半徑，在上述圖3或圖7中，在曲率中心位于面的左側的情況以正的值表示，相反的情況以負的值表示。
表13
在該表13中“TH”是面間距離，表示從其透鏡面的頂點到下一個透鏡面的頂點的距離。相對于其透鏡面，下一個透鏡面在圖中左側時，面間距離表示是正值，在右側的情況表示是負值。
在該表13中，S5、S6、S17、S18也是旋轉對稱的非球面，在表13中面的編號的旁邊帶有“*”表示，容易分辯，這4個面的非球面的系數(shù)在以下的表14中表示。
表14
此外在上述表13中，從S19到S22是具有構成所述透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3的自由曲面形狀的折射面，S23是具有反射光學系統(tǒng)的自由曲面形狀的反射面，在面的編號旁邊帶有“#”表示。這5個自由曲面的形狀的系數(shù)的值在以下的表15中表示。
表15
此外在以下的表16中，表示了本實施例中的各面的傾斜和偏心的大小。該表16中的“ADE”、“YDE”的值表示的規(guī)則與前面敘述的相同，本實施例中的各面的傾斜量也與前面的實施例1大致相同。
表16
此外，從該表16中可以看出不滿足所述的條件?？墒?，在該第3實施例中，該部分進深小，成為使進深優(yōu)先的實施例。
另一方面，如上述表16所示在該第4實施例中，使S15面偏心-0.23mm，使S17面相反偏心0.23mm。在使某個面偏心的情況下，在以后的面上光軸移動此偏心量。因此，該S15和S17的偏心意味著使由S15和S16構成的1個透鏡從光軸偏心-0.193mm。該偏心量是微量，對透鏡的尺寸不產(chǎn)生大的惡劣影響，但利用該偏心可以實現(xiàn)非對稱的色像差的微調(diào)。
此外光路長度差|L1-L2|的值為屏幕畫面高度的0.64倍，θs為45度，所以滿足上述式1的條件。
此外，從上述的表13和表15以看出，在該第4實施例中曲率“c”和圓錐系數(shù)“k”為零(0)。因傾斜入射造成的臺形畸變在傾斜入射的方向上非常大，在與其垂直的方向上的畸變量小。因此，在傾斜入射方向和與其垂直的方向上，必須有明顯不同的功能，不利用在全方向有旋轉對稱功能的上述曲率“c”和圓錐系數(shù)“k”，可以很好地修正圖像的畸變。
另外，本實施例的有效范圍將物面(比例16∶9)上的范圍放大投影在像面(60”+over-scan1452.8×817.2mm)上，圖16表示該圖像的畸變。該圖16的縱向是上述圖2的上下方向，是Y軸方向。此外該圖16的橫向是在屏幕上Y軸的垂直方向(橫向)，圖的長方形中的中央部是畫面的中央。此外，該圖14是表示將畫面的縱向分成4份，將橫向分成8份的各直線的彎曲的狀態(tài)，因此表示圖像的畸變情況。
此外，圖17表示第4實施例的光斑圖。在該圖1 7中在圖像顯示元件61的顯示畫面上，從上開始順序(在圖中用圓圈包圍的(1)～(8)的順序)表示X、Y坐標值上，(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8個點射出的光束的光斑圖。單位為mm。各光斑圖的橫向是屏幕上的X方向，縱向是屏幕上的Y方向。也就是，兩者都保持良好的性能。
此外可以看出，設得到的投影圖像的對角尺寸為“Lo”，自由曲面反射鏡5的中心到投影圖像的距離為“Lp”的情況下(參照上述圖1)，Lo＝2032mm、Lp＝996×cos45°≈704mm，所以它們之間的比例為2以上(Lo/Lp＞2)，即使在比較近的距離(Lp)上，也可以將物面放大投影成足夠大的畫面，也就是投影放大率優(yōu)良。
下面，在圖18中表示將以上詳細敘述的投影光學單元用于投影型圖像顯示裝置中，例如將圖像放大投影在房間的墻壁或薄片形的屏幕等上的狀態(tài)，此外，圖19表示改變從投影光學單元到屏幕的投影距離的情況下的問題。也就是，從圖19可以看出，在使用自由曲面，使光軸相對于屏幕傾斜進行投影的方式中，如使投影的距離從設計的距離產(chǎn)生大的變化，則圖像畸變增加，光斑尺寸也變大，使分辨性能惡化。
例如上述的圖19所示，圖20表示將屏幕5的位置從設計位置65(例如設計的畫面尺寸相當于80英寸)放置在使投影畫面變小的方向的位置66(例如畫面尺寸相當于60英寸)的情況下，光斑形狀和畸變的狀態(tài)，另一方面圖21表示將它放置在使投影畫面變大的方向的位置67(例如畫面尺寸相當于100英寸)的情況下，光斑形狀和畸變的狀態(tài)。從這些圖20和圖21可以看出，畸變的大小變成大到畫面縱向寬度的2％以上，光斑形狀變成大到設計位置情況下的3倍以上，分辨性能惡化。
此外，光斑變大例如即使將面板的位置前后移動進行對焦，也不能使畫面全部光斑形狀變好。其原因是由于光學系統(tǒng)不是旋轉對稱的，所以通過移動面板或旋轉對稱的透鏡，一旦是畫面的一部分對焦，存在其他部分的聚焦的偏離就變大的情況。此外，通過僅移動自由曲面透鏡的后方透鏡組31和32，仍不能修正此光斑形狀。這是因為要伴隨屏幕位置的移動修正畸變，必須是旋轉對稱透鏡的放大倍數(shù)。
所以，以上述的實施例為基礎，研究了對應于屏幕位置的移動，使透鏡移動，而且有效地改善光斑形狀的畸變和分辨性能的透鏡，其結果發(fā)現(xiàn)，使構成上述后方透鏡組的具有負的放大倍數(shù)的透鏡33、34(參照上述的圖2或圖6)與具有自由曲面的投射透鏡31、32，一起在其光軸方向移動是有效的。此外，移動具有所述自由曲面的反射鏡4也是有效的?？墒鞘箖A斜設置，并尺寸比較大的自由曲面的反射鏡4移動，從裝置的構造上有很多難點，所以移動構成所述后方透鏡組3的透鏡31～34最有效。
在圖22中表示，使構成上述后方透鏡組3的透鏡，即具有自由曲面的透射透鏡31、仍具有自由曲面的透射透鏡32、具有負放大倍數(shù)的旋轉對稱的2個透射透鏡33、34，移動的狀態(tài)。此外，圖22(a)表示放置在上述圖19中使投影畫面變小方向的位置66(畫面尺寸相當于60英寸)的情況，圖22(b)表示將投影畫面放置在設計位置65(畫面尺寸相當于80英寸)的情況，圖22(c)表示移動到使投影畫面變大方向的位置67的情況。也就是，在本實施例中，對于移動屏幕位置，將具有構成上述后方透鏡組3的負放大倍數(shù)的透鏡和在其附近的旋轉對稱的透鏡合成一個整體的透鏡組，將具有自由曲面的2個透射透鏡作為一個透鏡組，通過使該透鏡組在其光軸方向移動，對屏幕位置進行調(diào)整，在使屏幕從位置66到67之間可以得到良好的性能。
此外如上所述，作為用于移動構成上述后方透鏡組3的透鏡31～34的構造，例如圖23(a)所示，在投影圖像顯示裝置100內(nèi)部，分別將上述前方透鏡組2(旋轉對稱透鏡21～25)和后方透鏡組3(透鏡31～34)組裝到單獨的載置臺210、220上，將一個載置臺210固定在裝置的框體110的底部111上，并且將另一個載置臺220例如安裝成在導軌上可以滑動。此外，例如將桿狀部件221向上方延伸，并從形成在上述框體110的上表面上的狹縫部112向外部突出。而且，在另一個載置臺(例如載置臺220)上，預先形成槽221、222、223，同時，使該載置臺220可相對于上述載置臺210(在本例子中，如圖中的箭頭所示，相對于透鏡組的光軸方向成直角的方向)移動而設置在裝置內(nèi)。
此外，構成上述后方透鏡組3的透鏡31～34如上述圖23(b)所示，將透鏡33和34匯總成一個整體，也就是，分成透鏡31、透鏡32、以及由透鏡33和34組成的3組，然后對應于投影到屏幕上得到的畫面尺寸(60英寸、80英寸、100英寸)，移動它們各自的位置。也就是上述的槽221、222、223對應于這3組的透鏡，即，相對于各透鏡組形成所希望的傾斜角度。根據(jù)這樣的構成，通過將從上述可以移動的載置臺220突出到框體外部的桿部件221，移動至預先在框體110表面上對“ 60”英寸、“80”英寸、“100”英寸等刻度進行標記的位置上，使上述3組的透鏡、即透鏡31、透鏡32以及透鏡33和34，分別沿槽221、222、223移動，由此使其配置在希望的位置上。也就是，按照這樣的構成，從投影型圖像顯示裝置的外部，通過將上述桿狀部件221的前端向圖的箭頭方向移動，可以變更投影畫面的尺寸，而不產(chǎn)生光斑的形狀的畸變和分辨性能的惡化。
此外，圖中沒有表示，但是利用將如上所述槽形成在其外周上的圓筒來替代上述的構造，也可以實現(xiàn)與上述相同的功能。此外在這種情況下，特別是在后方透鏡組3中具有自由曲面的2個透射透鏡31、32盡管變更相對于光軸方向的位置，也無須隨之轉動。因此，優(yōu)選例如使上述筒形部件相互獨立并可以轉動，也就是分離成前端側和后端側，成為使其前端側不轉動的構造。此外，例如也可以采用使用包括電動機等的驅動裝置，分別移動后方透鏡組3(透鏡31～34)的構造。也就是，根據(jù)這樣的構成，與投影圖像的屏幕的位置(也就是從裝置到屏幕的距離)的變更相對應，可以得到改善光斑形狀的畸變和分辨性能的效果。
接著，參照以下的表17～21和圖24～26，對上述所示的實施例的透鏡數(shù)據(jù)表示如下。
此外，在此，自由曲面的式與上述的式1相同。以下的表17～20的數(shù)值是表示將物面(比例16∶9)上的范圍的圖像放大投影到像面(60”+over-scan1841.9×1036.1)上的情況下的一個例子。此外，圖24表示這種情況下的投影光學單元中的光學單元的透鏡面。該實施例與上述的實施例不同之處在于，在上述圖4中用S9和S10表示的透鏡面，在該圖21中成為一體，因此由S0～S22構成。
首先，在表17中，“Rd”是各面的曲率半徑，在圖中曲率中心在面的左側的情況以正值表示，相反的情況以負值表示。此外在表17中，“TH”是面間距離，表示從其透鏡面的頂點到下一個透鏡面的頂點的距離。相對于該透鏡面，下一個透鏡面在圖中左側時，面間距離以正值表示，在右側的情況以負值表示。此外，在該表17中，S5、S6、S16、S17(參照上述圖4)是旋轉對稱的非球面，在表17中面的編號的旁邊帶有“*”表示。這4個面的非球面的系數(shù)在以下的表18中表示。
表17
此外在上述表17中，從S18到S21是自由曲面透鏡的折射面，S22是自由曲面反射鏡的反射面，在面的編號旁邊帶有“#”表示。這5個自由曲面的形狀的系數(shù)的值在以下的表18中表示。
表18
在以下的表19中，將系數(shù)的名稱和值左右并排，成組表示，右側是系數(shù)的值，左側是名稱，括號內(nèi)用逗號分開的2個數(shù)表示式2所示的“m”和“n”的值。
表19
而且，以下表20表示本實施例中的各面局部坐標系的傾斜和偏心的情況。此外在該表20中，“ADE”是與圖的剖面平行的面內(nèi)的傾斜的大小，傾斜的方向在圖的剖面內(nèi)設繞逆時針轉動的方向為正，單位為度。此外“YDE”是偏心的大小，偏心設定為在圖的剖面內(nèi)而且垂直光軸的方向，在圖的剖面中設向下側的偏心為正，單位為mm。
表20
在該表20所示的傾斜或偏心中，包括所表示的面編號的其后的面，全部配置在表示的面的傾斜的光軸上。但是，S22面的傾斜僅表示22面的光軸的傾斜，此后的23面配置在22面的傾斜量的2倍傾斜的光軸上。
表21表示對于與屏幕位置的移動相對應的透鏡組，它們的面間距的變化。
表21
而且，與該表9的Sc65、Sc67、Sc66相對應的欄的值表示在屏幕位置65、67、66上的透鏡間隔。
此外，圖25分別表示上述屏幕位于上述圖19中66、65、67的位置上的情況下的畸變的情況，此外，圖26分別表示在此情況下的光斑形狀的情況。
也就是，在圖25(a)～(c)中，分別表示將物面(比例16∶9)上的范圍放大投影到60英寸像面、80英寸像面、100英寸像面上的情況下，圖像的畸變。該圖24的縱向是上述圖1的上下方向，也就是Y軸的方向。此外，該圖22的橫向是在屏幕上Y軸的垂直的方向，圖的長方形的中央是畫面的中央。而該圖24表示將畫面的縱向分成4份，將橫向分成8份的各直線的彎曲狀態(tài)，表示圖像畸變的情況。
另一方面，在圖26中，分別表示在將屏幕配置在位置66、65、67(參照上述圖19)的情況下得到的光斑圖。此外，在該圖中，在圖像顯示元件1的顯示畫面上，從上開始順序(在圖中用圓圈包圍的(1)～(8)的順序)表示X、Y坐標值上，(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8個點射出的光束的光斑圖。此外，其光斑圖的橫向分別表示在位置66、65、67的屏幕位置(Sc66、Sc65、Sc67)。而且單位是mm，各光斑圖的橫向是屏幕上的X方向，縱向是屏幕上的Y方向。也就是從這些圖中可以看出，在任何情況下，兩者都保持良好的性能。
而且，可以看出設由上述得到的投影圖像的對角尺寸為“Lo”，自由曲面反射鏡5的中心到投影圖像的距離為“Lp”的情況下(參照上述圖1)，Lo＝2032mm、Lp＝996×cos45°≈704mm，所以它們之間的比例為2以上(Lo/Lp＞2)，即使在比較近的距離(Lp)上，也可以將物面放大投影成足夠大的畫面，也就是投影放大率優(yōu)良。
在圖27中表示本發(fā)明的其他實施方式的投影型圖像顯示裝置。也就是，從圖中可以看出，在其他的實施方式的投影型圖像顯示裝置100′中，除上述圖1或圖5所示的投影型圖像顯示裝置的構成，在其自由曲面的反射鏡4和屏幕5之間的光路上還配置平面的反射鏡21，而構成投影光學單元。此外，在該圖的例子中，該平面的反射鏡21對應于上述自由曲面的反射鏡4，還兼作蓋使用，用于覆蓋在裝置框體110的上表面形成的開口部，設置成在其上方可以自由開關。
如圖28所示，在上述投影光學單元的構成中，從圖像顯示元件1通過棱鏡10射出的光，首先入射到構成透鏡光學系統(tǒng)的前方透鏡組2。此外，此后，光從此前方透鏡組2射出，通過后方透鏡組3，而后方透鏡組3由包括多個(本例中為2個)至少一個面有不是旋轉對稱(旋轉非對稱的)自由曲面形成的透鏡構成。然后，光從此后方透鏡組3射出，再由包括具有不是旋轉對稱的自由曲面形狀的反射面的反射鏡(以下稱為自由曲面反射鏡)4的反射光學系統(tǒng)，反射放大后，再用上述平面的反射鏡21反射，投影到規(guī)定的屏幕5(例如房間的墻壁或薄片形的屏幕等)上。也就是，從該圖可以看出，投影到與上述的實施例(例如圖2和圖4)相反的方向上。因此，在該其他實施方式的投影型圖像顯示裝置100′的投影光學單元的構成中，由于使從自由曲面反射鏡4到屏幕5的光路用上述平面反射鏡21折返，所以可以使到屏幕5的距離更小，適合得到更寬視角。
如圖28中的虛線所示，在此投影光學單元的構成中，上述平面反射鏡27構成可以以微小的角度調(diào)整其傾斜角度。也就是如圖中的虛線和箭頭所示，改變此平面反射鏡27的傾斜角度，由此，可以上下變更在屏幕5上的投影圖像的位置，特別是在投影型圖像顯示裝置中，可以提供適合的功能。此外，該平面反射鏡27根據(jù)該投影型圖像顯示裝置的使用情況，用戶可以調(diào)整其傾斜角度，或例如用包括電動機等的驅動機構從覆蓋框體110上表面的開口部的位置移動(立起)，可以構成傾斜成由用戶設定的角度。
此外，在以上敘述的本發(fā)明實施例的投影型圖像顯示裝置中，從上述投影光學單元射出來自圖像顯示元件1的圖像(影像)，由自由曲面反射鏡4反射，或再由平面反射鏡27反射，而投影到屏幕5上。因此，必須將蓋裝置100、100′的位置相對于投影圖像(圖像)的屏幕5定位在正確的位置上。也就是，為使上述圖5所示的畫面中央的光線垂直于上述屏幕5的面而對其配置進行調(diào)整，尤其在其整體將畸變和像差抑制到最小的限度，得到良好的投影畫面上是非常重要的。
所以在本發(fā)明實施例的投影型圖像顯示裝置中，在其一部分上具有裝置的定位機構，下面對其具體例子進行說明。
圖29表示具有上述定位機構的投影型圖像顯示裝置100，特別是，圖29(a)表示從具有定位機構的投影型圖像顯示裝置100的上面看的立體圖，圖29(b)表示從該裝置的底面看的立體圖，圖29(c)表示上述圖29(b)中的c-c放大的剖面。
也就是如圖29(b)所示，在投影型圖像顯示裝置100的框體110的底面，與光的投射方向(圖的向右方向)的邊緣部相鄰，在其中央部安裝有將橡膠等的彈性體形成為大致圓錐形狀的中心限制器113，另一方面，在與上述邊緣部相反側的邊緣部相鄰，在其兩端附近設置例如由轉動球構成的一對的移動部件114、114。
如圖29(c)所示，上述一對移動部件114、114分別將球116支撐在框體110的底面上形成的承受孔115內(nèi)，并可以轉動，而且，在該框體110內(nèi)部具有約束部件(或按壓部件)117，通過按其箭頭方向的移動，使上述球116停止轉動。也就是，通過用戶向箭頭方向按壓圖中的約束部件(或按壓部件)117(但圖29(c)以上下相反表示)，使球116按壓在承受孔115的內(nèi)壁面上，而停止轉動。
圖29(a)表示上述定位機構的使用方法的一個例子。首先在使約束部件(或按壓部件)117移動到上方的狀態(tài)(也就是使球116可以轉動)下，使投影型圖像顯示裝置100使其框體110的底面向下，例如將投影型圖像顯示裝置100平行配置在桌子等上。然后如圖中箭頭所示，將圖像(圖像)投影到屏幕5上，并通過推動其側面等，以上述限制器113為中心，旋轉移動該裝置100(100′)。然后，在投影型圖像顯示裝置100成為與屏幕5為所希望的角度位置時，按下裝置框體110的兩個側面上設置的一對移動部件114、114。也就是，按照具有上述定位機構的投影型圖像顯示裝置100，通過以上說明的操作，可以簡單地相對于屏幕5進行正確的定位，再通過適當設定上述平面反射鏡21和后方透鏡組3的移動機構，在屏幕5上可以抑制整體的畸變和像差到最小的限度，得到良好的投影畫面。
如上所述，按照本發(fā)明，可以提供一種投影型圖像顯示裝置，由于沒有必要如現(xiàn)有技術那樣，使所用的透鏡偏心，所以沒有必要使用孔徑大的附加光學系統(tǒng)，而且可以得到廣角，并且其制造也比較容易。按照這樣的投影型圖像顯示裝置，可以實現(xiàn)抑制其整體的畸變和像差到最小的限度，得到良好的投影畫面，并且方便使用的投影型圖像顯示裝置。
權利要求
1.一種投影型圖像顯示裝置，將圖像放大并投影到投影面上，其特征在于，具有圖像顯示元件；透鏡組，配置在所述圖像顯示元件的后方，射出來自所述圖像顯示元件的圖像光，并具有，前方透鏡組和后方透鏡組；所述前方透鏡組由至少包含為旋轉對稱面形狀，并具有正的放大倍數(shù)的折射透鏡的多個透鏡形成；所述后方透鏡組至少由包含為旋轉非對稱的自由曲面形狀的透鏡的多個透鏡形成；反射鏡，反射來自所述透鏡組的圖像光，并傾斜投影到所述投影面上；第1載置臺，載置有所述后方透鏡組；和桿狀部件，設置在所述載置臺上，并使所述載置臺移動。
2.如權利要求1所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于在所述裝置框體的上表面形成有狹縫部，所述桿狀部件從所述狹縫部突出。
3.如權利要求2所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述桿狀部件相對于所述透鏡組的光軸在大致垂直方向上移動。
4.如權利要求2所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述桿狀部件使所述后方透鏡組在所述透鏡組的光軸方向上移動。
5.如權利要求1所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，所述后方透鏡組具有配置在所述前方透鏡組側，具有負的放大倍數(shù)，且為旋轉對稱的第1和第2透鏡；和配置在所述反射鏡側，使來自所述第2透鏡的光透過，且為自由曲面形狀的第3和第4透鏡。
6.如權利要求5所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于具有使所述第1和第2透鏡旋轉的機構。
7.如權利要求6所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于具有載置有所述前方透鏡組的第2載置臺，所述第2載置臺固定。
8.如權利要求1所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述反射鏡，其入射到所述投影面的下端部的光所通過的部分的曲率與入射到所述投影面的上端部的光所通過的部分的曲率不同。
9.如權利要求8所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述圖像顯示元件的顯示面的法線相對于所述透鏡組的光軸傾斜。
10.一種投影型圖像顯示裝置，具有生成圖像的圖像顯示元件，并將在圖像顯示元件上顯示的圖像放大并投影到投影面上，其特征在于，具有透鏡組，配置在所述圖像顯示元件的后方，由前方透鏡組和后方透鏡組形成；所述前方透鏡組具有，包含為旋轉對稱的面形狀，并具有正的放大倍數(shù)或負的放大倍數(shù)的折射透鏡的多個透鏡；所述后方透鏡組具有，包含為旋轉非對稱的自由曲面形狀的透鏡的多個透鏡；旋轉非對稱的反射鏡，反射來自所述透鏡組的光，并傾斜投影到所述投影面上，其一部分在反射方向上為凸形狀；載置臺，形成有用于載置置各個所述后方透鏡組的多個透鏡的槽，并載置有各個所述后方透鏡組的多個透鏡；和桿狀部件，設置在所述載置臺上，并使所述載置臺移動。
11.如權利要求10所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于在所述裝置框體的上表面形成有狹縫部，所述桿狀部件從所述狹縫部突出。
12.如權利要求11所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述桿狀部件相對于所述透鏡組的光軸在大致垂直方向上移動。
13.如權利要求11所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述桿狀部件使所述后方透鏡組在所述透鏡組的光軸方向上移動。
14.一種投影型圖像顯示裝置，具有生成圖像的圖像顯示元件，并將在圖像顯示元件上顯示的圖像放大并投影到投影面上，其特征在于，具有透鏡組，配置在所述圖像顯示元件的后方，由前方透鏡組和后方透鏡組形成；所述前方透鏡組具有，包括為旋轉對稱的面形狀，并具有正的放大倍數(shù)或負的放大倍數(shù)的折射透鏡的多個透鏡；所述后方透鏡組具有，具有負的放大倍數(shù)，并為旋轉對稱的第1和第2透鏡，以及透過來自所述第2透鏡的光，并為自由曲面形狀的第3和第4透鏡；旋轉非對稱的反射鏡，反射來自所述透鏡組的光，并傾斜投影到所述投影面上，其一部分在反射方向上為凸形狀；載置臺，載置有所述后方透鏡組的第1、第2、第3和第4透鏡；和桿狀部件，設置在所述載置臺上，使所述后方透鏡組在所述透鏡組的光軸方向上移動。
15.如權利要求14所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，在所述裝置框體的上表面形成有狹縫部，所述桿狀部件從所述狹縫部突出。
16.如權利要求15所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述桿狀部件相對于所述透鏡組的光軸在大致垂直方向上移動。
17.如權利要求15所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述桿狀部件使所述后方透鏡組在所述透鏡組的光軸方向上移動。
全文摘要
本發(fā)明是一種投影型圖像顯示裝置，包括配置在圖像顯示元件后方透鏡組，由包括具有正的放大倍數(shù)的折射透鏡的多個透鏡形成的前方透鏡組，和，至少由包含為旋轉非對稱的自由曲面形狀的透鏡的多個透鏡形成的后方透鏡組；并具有，出射來自圖像顯示元件的光的透鏡組，搭載后方透鏡組的第1載置臺，和是載置臺移動的桿狀部件。
文檔編號H04N5/74GK101089724SQ200710109058
公開日2007年12月19日 申請日期2007年6月15日 優(yōu)先權日2006年6月15日
發(fā)明者平田浩二, 久田隆紀, 谷津雅彥 申請人:株式會社日立制作所