投影型圖像顯示裝置的製作方法
2023-07-18 17:55:16 1
專利名稱：投影型圖像顯示裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及將圖像顯示元件的顯示畫面上的圖像放大顯示在屏幕上的投影型圖像顯示裝置及其投影光學單元，特別是涉及將該顯示畫面上所示出的圖像從傾斜方向投影到屏幕上的投影型圖像顯示裝置及其投影光學單元。
背景技術：
在將採用反射型或透射型液晶顯示面板和微鏡的圖像顯示元件的顯示畫面的圖像放大顯示在屏幕上的投影型圖像顯示裝置中，需要能夠在該屏幕上得到足夠大小的放大圖像，這是不言而喻的，但還需要將裝置的縱深尺寸縮短而實現小型化。為了滿足該要求，現已知有採用圖像光從傾斜方向入射在屏幕上的方式，即斜向投影的方式，進行圖像放大投影的投影光學單元(例如參照日本專利特開2001-264627號公報)。
另外，還已知有採用曲面反射鏡進行相關的斜向投影，並採用相關的光學系統進行光學調整的方法(例如參照日本專利特開2002-350774號公報)。
但是，在日本專利特開2001-264627號公報所記載的技術中，儘管是，對於隨著向屏幕斜向投影的進行而產生的投影圖像的梯形畸變，通過在投影光學系統與屏幕之間配置負焦度(Power)的自由曲面反射鏡進行修正，和對於由屏幕上下方向投影距離差而產生的像差，通過使圖像顯示裝置相對共軸投影光學系統一邊平行移動、一邊傾斜進行修正，然而，對於這樣的像差修正，投影到屏幕上的圖像在縱方向將存在偏差的可能性，從而還需要對此進行修正的機構。
另外，在日本專利特開2002-350774號公報中，儘管公開了利用自由曲面反射鏡的移動而進行調整的調整方法，但對於上述的像差修正方面並沒有被考慮。
另外，在上述兩篇專利文獻記載的發明中，均未披露對於隨著周圍環境的變化而產生的自由曲面反射鏡變形所導致的畸變量採取的何種措施。
發明內容
本發明基於上述技術問題而提出，其目的在於，提供一種投影型圖像顯示裝置及其投影光學單元，能夠以緊湊的結構對因向屏幕傾斜投影而產生的投影圖像的梯形畸變和像差進行有效的修正，能夠降低因環境變化而產生的影響。
根據本發明的一個方面的投影型圖像顯示裝置，包括含有多個用於對在顯示畫面上映出的圖像進行放大的透鏡的第一光學系統；和反射來自第一光學系統的圖像的圖像光，並使之相對於屏幕的法線以規定的角度入射到屏幕上的第二光學系統，其中第二光學系統的反射面的至少一部分至少包括一個在反射方向上呈凸狀的凸面反射鏡，凸面反射鏡，在上下方向的端部中，以來自第一光學系統的圖像光的入射角大的一側的端部作為基準端，以來自第一光學系統的圖像光的入射角小的一側的端部作為可動端，被安裝在光學系統支承單元上。
根據本發明的另一個方面的投影型圖像顯示裝置，包括含有多個用於對在顯示畫面上映出的圖像進行放大的透鏡的第一光學系統；和反射來自第一光學系統的圖像的圖像光，並使之相對於屏幕的法線以規定的角度入射到屏幕上的第二光學系統，其中第一光學系統至少包括一個在光出射方向上呈凹狀、且相對於光軸呈旋轉非對稱面形狀的非對稱透鏡，第二光學系統的反射面的至少一部分至少包括一個在反射方向上呈凸狀的凸面反射鏡，第一光學系統的非對稱透鏡，在其上下下中，在射向第二光學系統的圖像光的出射角大的一側的端部作為基準端，以射向第二光學系統的圖像光的出射角小的一側的端部為可動端，分別安裝在鏡筒上。
根據本發明的還另一個方面的投影型圖像顯示裝置，包括含有多個用於對在顯示畫面上映出的圖像進行放大的透鏡的第一光學系統；和用於反射來自第一光學系統的圖像的圖像光，並使之相對於屏幕的法線以規定的角度入射到屏幕上的第二光學系統，其中第一光學系統包括包含具有關於通過顯示畫面的大致中心的軸對稱的形狀的面的共軸光學系統的前級組、和包含至少1塊單面或雙面呈自由曲面形狀的自由曲面透鏡的後級組，含有將顯示畫面上所映出的圖像放大投影在屏幕上的投影透鏡，第二光學系統包括至少一塊具有自由曲面形狀的自由曲面反射鏡，從傾斜方向將來自投影透鏡的放大圖像投影在屏幕上，自由曲面透鏡，在上下方向的端部中，以射向第二光學系統的圖像光的出射角大的一側的端部作為基準端而安裝在鏡筒上，以射向第二光學系統的圖像光的出射角小的一側的端部作為可動端，採用彈簧或彈性體支承而安裝在鏡筒上。
根據本發明一個方面的投影光學單元，在基體上安裝有含有多個用於對在顯示畫面上映出的圖像進行放大的透鏡的第一光學系統；和用於反射來自第一光學系統的圖像的圖像光，並使之相對於屏幕的法線以規定的角度入射到屏幕上的第二光學系統，其中第一光學系統包括包含具有關於通過顯示畫面的大致中心的軸對稱的形狀的面的共軸光學系統的前級組、和包含至少1塊單面或雙面呈自由曲面形狀的自由曲面透鏡的後級組，含有將顯示畫面上所映出的圖像放大投影在屏幕上的投影透鏡，第二光學系統包括至少一塊具有自由曲面形狀的自由曲面反射鏡，從傾斜方向將來自投影透鏡的放大圖像投影在屏幕上，自由曲面透鏡，在上下方向的端部中，以射向第二光學系統的圖像光的出射角大的一側的端部作為基準端而安裝在鏡筒上，以射向第二光學系統的圖像光的出射角小的一側的端部作為可動端，採用彈簧或彈性體支承而安裝在鏡筒上。
圖1表示部分展開作為一個實施方式的圖像顯示裝置內部的斜視圖。
圖2表示在基準XYZ正交坐標系的YZ面中所看到的、作為背面反射型圖像顯示裝置的圖1所示的實施方式的基本光學系統的結構的截面圖。
圖3表示在XYZ正交坐標系的YZ面中所看到的、圖1所示的實施方式中的圖像顯示元件的從顯示畫面各點所射出的圖像光的路徑的光路圖。
圖4表示在XYZ正交坐標系的XZ面中所看到的、圖1所示的實施方式中的圖像顯示元件的從顯示畫面各點所射出的圖像光的路徑的光路圖。
圖5A、B表示圖2中的光學系統中的投影透鏡和自由曲面反射鏡的部分結構的一個具體例的示意圖。
圖6表示在圖1所示的實施方式中各光學要素數值取表1～4所示的數值時在屏幕上的投影圖像的圖形失真圖。
圖7表示圖1所示的實施方式中的屏幕上各點的點線圖。
圖8表示圖1所示的實施方式中構成投影光學單元的投影透鏡的透鏡組的斜視圖。
圖9表示圖1所示的實施方式中的投影透鏡在發生溫度變化時的焦點性能的惡化量的示意圖。
圖10A～C表示圖8中的投影透鏡的後級組的最外側的自由曲面透鏡的一個具體例的示意圖。
圖11表示將圖10所示的自由曲面透鏡固定在鏡筒上的狀態的正面圖。
圖12表示圖1中的透鏡光學單元的一個具體例的示意圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖對本發明的實施方式進行說明。圖1表示部分展開根據本發明的作為一個實施方式的圖像顯示裝置內部的斜視圖。1為圖像發生源、2為投影透鏡、3為屏幕、4為平面反射鏡、5為自由曲面反射鏡、6為框體、7為光學系統基體。
該圖中，圖像發生源1是將圖像放映示於其小型顯示畫面的器件，儘管採用的是具有多個反射型或透射型液晶顯示面板和微鏡的顯示元件等的光調製元件，但也可以採用投影型陰極射線管。放映示於圖像發生源1的顯示畫面上的圖像被放大顯示在屏幕3上，在圖像光從該顯示畫面到屏幕3的光路中設置有作為用於將放映示於圖像發生源1的顯示畫面上的圖像進行放大而投影在屏幕3上的第一光學系統的投影透鏡2；和作為第二光學系統的自由曲面反射鏡5與平面反射鏡4，放映示於圖像發生源1的顯示畫面上的圖像的光(圖像光)經投影透鏡2被自由曲面反射鏡5反射，進一步被平面反射鏡4反射而投影到屏幕3上。這些構成要素設置在框體7內，具體地，圖像發生源1和投影透鏡2、自由曲面反射鏡5被一體固定在光學系統基體7上而被單元化。在第一光學系統中，設置有用於將圖像光的光路折曲並將圖像光射向自由曲面反射鏡5的後述的折曲反射鏡，利用上述折曲反射鏡，可減小圖像顯示裝置的縱深。
下面，設定沿著屏幕3的水平方向(即屏幕3的長度(長邊)方向)為X軸，與沿著屏幕3的X軸垂直的方向(即屏幕3的高度(短邊)方向)為Y軸，屏幕3的法線方向(即與含XY軸的面垂直的方向)為Z軸的基準XYZ正交坐標系。
圖2表示在基準XYZ正交坐標系的YZ面中所看到的、作為背面反射型圖像顯示裝置的圖1所示的實施方式的基本光學系統的結構的截面圖。10為圖像光的光軸、11為構成圖像發生源1(圖1)的圖像顯示元件的顯示畫面(稱為物面)、12為投影透鏡2的前級組、13為投影透鏡2的後級組、14為上述的折曲反射鏡、15為屏幕3的法線、16為自由曲面反射鏡5的法線、17為平面反射鏡4的法線、L1、L2、L3為光線、P1、P2、P3分別為自由曲面反射鏡5的光線的反射區域的中心，下端、上端、Q1、Q2、Q3分別為平面反射鏡4的光線的反射區域的中心，下端、上端、R1、R2、R3分別為屏幕3的光線的照射區的中心、下端、上端，與圖1對應的部分採用相同的附圖標記。圖2表示沿著含光軸10的YZ平面的截面圖。
該圖中，從作為圖1中的圖像發生源1的圖像顯示元件的顯示畫面11所出射的圖像光，沿著光軸10被入射到投影透鏡2上。該光軸10通過顯示畫面11的中心，與投影透鏡2的光軸一致。投影透鏡2由通過多個具有旋轉對稱的面形狀的透鏡面的折射透鏡構成的前級組12、和包含具有至少旋轉非對稱的適當曲面(下面稱為自由曲面)形狀的透鏡面的透鏡(下面稱為自由曲面透鏡)的後級組13組成，該前級組12中包含具有平面狀反射面的折曲反射鏡14。對於被入射到投影透鏡2上的圖像光，首先，通過前級組12、然後通過後級組13。這樣，投影透鏡2對於圖像光起到了將圖像顯示元件的顯示畫面11的圖像進行放大的作用，同時，如後所述，還對屏幕3上的投影圖像的像差進行修正。另外，該圖像光在通過投影透鏡2的前級組12時，通過折曲反射鏡14，其光路10在如圖1所述的、在自由曲面上具有反射面的自由曲面反射鏡5上被折曲。
從投影透鏡2射出的圖像光，被照射在將自由曲面反射鏡5的中心記為P1、上端記為P3、下端記為P2的反射區域並被反射。被自由曲面反射鏡5反射的圖像光在將平面反射鏡4的中心記為Q1、上端記為Q3、下端記為Q2的反射區域被反射，並被照射在將屏幕3的中心記為R1、上端記為R3、下端記為R2的投影區域。此時，圖像光光軸10上的光線(下面稱為畫面中央光線)L1在自由曲面反射鏡5的反射區域的中心P1和平面反射鏡4的反射區域的中心Q1被反射，並被照射在屏幕3的投影區域的中心R1上。另外，從顯示畫面11中的圖像的顯示區的上端射出的圖像光線的下端的光線(下面稱為畫面下端光線)L2在自由曲面反射鏡5的下端P2和平面反射鏡4的下端Q2被反射，並照射到屏幕3的下端R2，同樣，圖像光線的上端的光線(下面稱為畫面上端光線)L3在自由曲面反射鏡5的上端P3和平面反射鏡4的上端Q3被反射，並被照射到屏幕3的上端R3。
在圖像顯示元件為光調製元件時，需要照射該光調製元件的燈等照明系統，但這裡照明系統被省略圖示。另外，作為圖像顯示元件，也可以採用所謂的3板式合成多個圖像而形成影像的方式。對於此時所必需的合成用稜鏡等合成光學系統其圖示也被省略。
投影透鏡2的長度很長，如果保持該長度而使用投影透鏡2，則圖像顯示元件在屏幕3的法線方向距離屏幕變遠，框體6(圖1)的縱深變大，損害圖像顯示裝置的薄型化。在該實施方式中，在投影透鏡2的前級組12內，如上所述，設置折曲反射鏡14，使圖像光的光軸10折曲成大致與自由曲面反射鏡5的方向垂直，這樣，直到該折曲反射鏡14的光學透鏡2的前級組12和圖像顯示元件的排列與屏幕3的面平行，從投影透鏡2出射的圖像光如上所述可照射在自由曲面反射鏡5上。據此，能夠將圖像顯示元件更靠近屏幕3，從而可以實現圖像顯示裝置的薄型化。
其中，儘管將折曲反射鏡14設置在投影透鏡2的前級組12內，但並非限於此，也可以設置在自由曲面反射鏡5與投影透鏡2之間或投影透鏡2的前級組12與後級組13之間等其他的位置。
圖像顯示元件的顯示畫面11以其中心通過光軸10的方式配置，該光軸10至少通過屏幕3的更下側。為此，來自該光軸10上的顯示畫面11的中心的光線、即畫面中央光線L1，通過位於該光軸10之上的投影透鏡2的光軸，在自由曲面反射鏡5的中心P1，以相對於其法線16向下成θm的角度(入射角)被入射，並以向上成θm的角度被反射，進一步，在平面反射鏡4的中心Q1，以相對於其法線17向下成θp的角度(入射角)被入射，並以向上成θp的角度被反射，並被照射在屏幕3的中心R1上。為此，在屏幕3的中心R1，相對於屏幕3的法線15，從該中心R1，以向下成θs的角度(入射角)照射畫面中央光線L1。即，畫面中央光線L1從下側向上傾斜照射(入射)至屏幕3的中心R1。下面，該角度θs稱為傾斜入射角度。
越靠屏幕3的下端R2側，其傾斜入射角θs越小，射向屏幕3的圖像光的入射光線越接近水平光線。重要的是，將投影透鏡2沿著其光軸而通過的圖像光的光線相對於屏幕3傾斜投影，而實際上投影透鏡2的光軸相對屏幕3變成傾斜設置。如果採用在這種方法使圖像投影在屏幕3上，則會產生投影在屏幕3上的例如長方形的圖像被顯示成梯形的所謂梯形畸變的失真。如圖所示，在圖像從屏幕3下側向上投影時，則會被投影成下邊為短邊的梯形圖像。另外，如果圖像被這樣投影，則相對於顯示畫面(物面)11的各位置，垂直於光軸的面向屏幕3的光學距離不同，這樣，對於來自物面11的各點的圖像，就會產生諸如不能在屏幕3上同等準確對焦而良好成像這樣的投影圖像相對於光軸不旋轉對稱等各種像差。
在該實施方式中，採用的是投影透鏡2的後級組13和第二光學系統中的自由曲面反射鏡5對這些畸變及像差進行修正。下面對此進行說明。
從自由曲面反射鏡5的上端P3經過平面反射鏡4的上端Q3到達屏幕3的上端R3的畫面上端光線L3的光路長度，比從自由曲面反射鏡5的下端P1經過平面反射鏡4的下端Q2到達屏幕3的下端R2的畫面下端光線L2的光路長度更長。這意味著，如果從投影透鏡2看去，位於屏幕3上的上端R3的像點比位於屏幕3的下端R3的像點更遠。這樣，由於屏幕3的投影區域在Y軸方向的各位置上光路長的不同，因此而在投影圖像中產生上述的梯形畸變及像差。
但是，分別地，如果使與屏幕3的上端R3的像點對應的物點(即顯示畫面11上的點)存在於更靠近投影透鏡2的位置上，而與屏幕3的下端R2的像點對應的物點存在於更遠離投影透鏡2的位置上，則可以對上述光路長度的不同進行修正。為了達到這個目的，使位於圖像顯示元件的顯示畫面11的中央的法線矢量相對於光軸(即光軸10)而傾斜於投影透鏡2。具體地，也可以將該法線矢量在YZ平面內向屏幕3的中心R1傾斜。現已知有為了得到相對於光軸傾斜的像平面而傾斜物平面的方法。
然而，如果這樣相對垂直於光軸10的平面而傾斜顯示畫面11，雖然能夠有效降低像面(屏幕3)的低次梯形畸變，但是，實用中對於廣度的可視角而言，由於該廣度的存在，故對於屏幕3上的像面，會餘留梯形畸變而相對於光軸產生非對稱的變形失真，另外，還產生各種像差。對於由旋轉對稱的曲面形狀的透鏡面構成的投影透鏡而言，進行該修正是很困難的。
在該實施方式中，通過在將顯示畫面11的物平面相對於光軸10傾斜而大幅降低屏幕3的像面的低次畸變的同時，採用具有旋轉非對稱的自由曲面形狀的透鏡面的透鏡和具有旋轉非對稱的自由曲面的反射面的反射鏡，能夠與相對像面的光軸非對稱的變形畸變和像差對應。
下面，對用於修正例如將物面11相對於光軸10傾斜而在像面上殘留的梯形畸變和除此之外的變形畸變及像差的各光學要素的作用進行說明。
圖2中，屬於第一光學系統的投影透鏡2的前級組12為用於將圖像顯示元件的顯示畫面(物面)11的圖像投影在屏幕3上的主透鏡，對旋轉對稱的光學系統中的基本的像差進行修正。投影透鏡2的後級組13含有具有旋轉非對稱自由曲面形狀的透鏡面的透鏡，即自由曲面透鏡。上述自由曲面透鏡在其光出射方向上(即自由曲面反射鏡5側)呈凹狀形成彎曲的形狀。
第二光學系統含有反射面呈旋轉非對稱自由曲面形狀的反射鏡，即自由曲面反射鏡5。該自由曲面反射鏡5為其反射面的至少一部分向光的入射、反射方向呈凸狀彎曲的旋轉非對稱的凸面反射鏡。具體地，自由曲面反射鏡5的反射面的、向屏幕3的下端R2側反射畫面下端光線L2的部分側的曲率比其向屏幕3的上端R3側反射畫面上端光線L2的部分側的曲率大。也就是說，從中心P1到下端P2的反射區域相比從中心P1到上端P3的反射區域曲率增大。另外，對於自由曲面反射鏡5的反射面，也可以形成為，向屏幕3的下端R2側反射畫面下端光線L2的部分側在光線的反射方向上呈凸起的形狀，其向屏幕3的上端R3側反射畫面上端光線L3的部分側在光線的反射方向上呈凹陷的形狀。
根據自由曲面反射鏡5的反射面形狀，被比其中心P1更靠上端P3側的區域反射的圖像光匯聚而向平面反射鏡4傳播，而被比其中心P1更靠下端P2側的區域反射的圖像光發散而向平面反射鏡4傳播。這樣，通過使物面11相對於光軸10傾斜，能夠對位於屏幕3之上的像面的上述變形畸變進行修正。
另外，在投影透鏡2的後級組13中，通過因此而使用的自由曲面透鏡，圖像光局部產生匯聚、發散，利用這種方式，能夠通過使物面11相對於光軸10傾斜，而對位於屏幕3之上的像面的上述像差進行修正。
這樣，在該實施方式中，第一光學系統至少含有一塊自由曲面透鏡，第二光學系統至少含有一塊自由曲面反射鏡，利用這種方式，能夠通過使物面11相對於光軸10傾斜，而對屏幕3的物面的旋轉非對稱變形畸變和像差兩者均進行修正。
沿著第二光學系統的自由曲面反射鏡5的反射面的坐標原點(這裡為畫面中央光線L1反射的位置的坐標)、和投影透鏡2的前級組12中的最靠近第二光學系統側的透鏡面之間的光軸10的距離，優選設定為投影透鏡2的前級組12的焦距的5倍以上，這樣，根據第二光學系統的反射面，屏幕3上的像面的上述變形失真和像差可被更有效地修正，可得到良好的性能。
但是，在該實施方式中，通過將自由曲面反射鏡5與直接將圖像投影在屏幕3上的平面反射鏡4分開使用，可以對屏幕3上的投影圖像的上述變形失真和像差進行修正，其原因如下。
即，對於自由曲面反射鏡這樣的物件，其尺寸越大製造起來越困難，故將其尺寸限定為規定大小以下是很重要的。由於需要將圖像光直接投影在屏幕上的反射鏡的大小設置成屏幕畫面大小的例如約70％以上，所以對於50型以上的大畫面的背面投影儀，尺寸需要形成為超過500mm，如果將該反射鏡的反射面形成為旋轉非對稱的自由曲面形狀，則製造非常困難。因此，在背面投影儀中，將在該屏幕上進行投影的反射鏡的反射面選擇為旋轉非對稱的自由曲面是不合適的。
因此，在該實施方式中，如圖2所示，將在屏幕3上投影圖像光的反射鏡取為平面反射鏡4，在該平面反射鏡4與投影透鏡2之間還設置有一個反射鏡，將該反射鏡的反射面形成為旋轉非對稱的自由曲面。具有該旋轉非對稱的自由曲面形狀的反射面的反射鏡為自由曲面反射鏡5。儘管設置成來自透鏡透鏡2的圖像光被自由曲面反射鏡5和平面反射鏡4依次反射並被投影在屏幕3上的結構，但由於該自由曲面反射鏡5配置在比平面反射鏡4更靠近投影透鏡2側，故可減小尺寸，將其反射面設置成旋轉非對稱自由曲面更容易些。
根據上述結構，在該實施方式中，對於具有折射面的投影透鏡2，不會導致透鏡產生偏心和透鏡直徑增大，而且，也沒有增加透鏡個數，而可對由於在屏幕3傾斜入射而產生的投影圖像的變形畸變和像差進行修正。進一步，可以實現縱深減小、且製造容易的投影光學單元，可提供使縱深和屏幕下部高度降低的緊湊型設備，可提供由於採用小型的自由曲面反射鏡而製造容易的光學系統。
根據上述結構，利用反射鏡10對光路在XZ平面上進行折曲，使從圖像源、即圖像顯示元件的顯示畫面11到該折曲的光路平行於屏幕3的長邊，但是如果使從圖像源即圖像顯示元件的顯示畫面11到該折曲的光路平行於屏幕3的短邊，使該光路在自由曲面反射鏡5於XY平面上發生折曲，則情況是一樣的。
圖3和圖4為具有上述結構的該實施方式中的光學系統的光路圖，圖3為從XYXZ正交坐標系的YZ平面看的圖像顯示元件的顯示畫面11的各點所射出的圖像光的路徑的示意圖、圖4為同樣地從XZ平面看到的示意圖，與圖2對應的部分採用同樣的附圖標記。另外，在圖3、圖4中，折曲反射鏡14雖然是作為設置在投影透鏡2的前級組12內的器件，但如前所述，也可以放置在前級組12與後級組13之間或後級組13與自由曲面反射鏡5之間等其他位置。
在圖3和圖4中，對於從圖像顯示元件的顯示畫面11射出的圖像光，在含有多個透鏡的投影透鏡2之中，首先，通過僅由具有旋轉對稱面形狀的透鏡面形成的透鏡所構成的前級組12。然後，通過包含具有旋轉非對稱自由曲面形狀的透鏡面的透鏡、即自由曲面透鏡的後級組13，並被第二光學系統、即自由曲面反射鏡5的反射面反射。該反射光被平面反射鏡4反射之後被投影在屏幕3上。
下面對該實施方式中的光學系統的具體數值例進行說明。
圖5表示圖2的光學系統中的投影透鏡2和自由曲面反射鏡5的部分的結構的一個具體例的示意圖，該圖(a)、圖(b)分別表示從YZ平面、XZ平面看到的結構，12a～12i、13a、13b為透鏡，與圖2對應的部分用同一附圖標記表示。
該圖中，S0為圖像顯示元件的顯示畫面11中的圖像的顯示面(物面)S1～S12，S14～S23為透鏡面S13為折曲反射鏡14的反射面S24為自由曲面反射鏡5的反射面即，投影透鏡2的前級組12構成為，從顯示畫面11側依次排列具有顯示畫面11側的透鏡面S1及其相反側透鏡面S2的透鏡12a(該實施方式中，透鏡12a為合成稜鏡，下同)、具有透鏡面S3和S4的透鏡12b、具有透鏡面S5和S6的透鏡12c、具有透鏡面S7和S8的透鏡12d、具有透鏡面S9和S10的透鏡12e、具有透鏡面S11和S12的透鏡12f、具有透鏡面S14和S15的透鏡12g、具有透鏡面S16和S17的透鏡12h、具有透鏡面S18和S19的透鏡12i，在透鏡12g、12h之間設置有具有反射面S13的折曲反射鏡14。另外，投影透鏡的後級組13構成為，從前級組12側依次排列具有同樣的透鏡面S20和S21的透鏡13a、具有透鏡面S22和S23的透鏡13b。進一步，自由曲面反射鏡5配置成使反射面S24與投影透鏡2的出射面(透鏡13b的透鏡面S23)相對。而且，由圖2可知，平面反射鏡4被配置成使反射面S25與該自由曲面反射鏡5的反射面S24相對，屏幕3配置成使投影面S26與該平面反射鏡4的反射面S25相對。
這裡，對將顯示畫面(物面)11中的橫16mm×縱9mm大小的圖像在屏幕3上放大投影為橫1452.8mm×縱817.2mm大小的圖像時的各光學要素相關數值的一個具體例進行說明。
首先，下表1示出圖5所示的各光學要素相關數值的例子。
表1的各光學部件的表面(surface)採用圖5所示的符號S0～S26表示，並分別示出各個面(以下在任意面時稱為面S)通過每個光軸的頂點(中心)的半徑Rd(mm)、面間距離TH(mm)、透鏡的折射率nd及阿貝(Abbe)數νd。
在圖5和表1中，對於旋轉對稱非球面給出「*」標記。其中，投影透鏡2的前級組12中的透鏡12c的透鏡面S5、S6和透鏡12i的透鏡面S18和S19這4個透鏡面呈旋轉對稱非球面。前級組12除此之外的透鏡面S為旋轉對稱球面。另外，對於旋轉非對稱自由曲面形狀的面S給出「#」標記。其中，投影透鏡2的後級組13中的透鏡13a的透鏡面S20、S21和透鏡13b的透鏡面S22、S23、自由曲面反射鏡5的反射面S24呈旋轉非對稱的自由曲面形狀。面S25為圖2中的平面反射鏡4的反射面，面S26為圖2中的屏幕3的投影面。
上述表1中的面S的半徑Rd為通過透鏡12a～12i的透鏡面的光軸的頂點(中心)的半徑。其中，顯示畫面11的面S0、透鏡12a的透鏡面S1、S2和折曲反射鏡14的反射面S13的曲率Rd為「無限大(infinity)」，呈平面狀。另外，各透鏡面S的半徑Rd在顯示面11側呈凸狀或凹狀時為正值，在其相反側呈凸狀或凹狀時為負值。例如，透鏡12b的透鏡面S3在物面S0側呈凸狀，透鏡12e的透鏡面S10在物面S0側呈凹狀，所以這些透鏡面S3、S10的曲率半徑Rd為正值。另外，例如透鏡12b的透鏡面S4在物面S0相反側呈凸狀，透鏡12e的透鏡面S9在物面S0相反側呈凹狀，所以這些透鏡面S4、S9的曲率半徑Rd為負值。
另外，沒有給出「*」、「#」標記的且半徑Rd不是「無窮大」的透鏡面S3、S4、S7～S14、S16～S17呈旋轉對稱球面形狀。
上述表1中的面間距離TH為從光線沿著光軸前行的方向看，到下一個排列的光學部件表面的光軸10上的頂點(中心)的距離。例如，相對於顯示畫面11的面S0示出為「10.00」的面間距離TH表示從該面S0到下一個透鏡12a的透鏡面S1的光軸10上的距離為10.00mm。其中，從該面S看，對於光線前行方向的下一個配置的其他的面S，在位於YZ平面上圖像像光的發生源即物面11側時，該所述面S的面間距離TH為負值，相反，在位於物面11相反側時，該所述面S的面間距離TH為正值。對於相對上述表1中的自由曲面反射鏡5的反射面S24的面間距離TH為負值「-400.00」，表示的是，沿著圖像光的光軸，該反射面S24的中心P1、和在光線前行方向上下一個配置的平面反射鏡4的反射面S25的被照射並反射畫面中心光線L1的中心Q1之間的距離為400mm，但是，相對於自由曲面反射鏡5的反射面S24的中心P1，因為平面反射鏡4的反射面S25的中心Q1位於物面11側，所以為負值。對於其他的面S1～S23、S25，因為下一個面S位於YZ平面上與物面11相反側，所以其面間距離TH為正值。
上述表1中的折射率nd表示投影透鏡2的各透鏡12a～12i、13a、13b的折射率，阿貝數νd表示這些透鏡的阿貝數。例如，透鏡面S1、S2的透鏡12a的折射率nd為1.51827，阿貝數νd為48.0。另外，在折射率nd欄中的「REFL」表示反射的意思，因此，折射率nd標記為「REFL」的面S24、S25表示反射面的意思。因而，面S24為自由曲面反射鏡5的反射面，面S25為平面反射鏡4的反射面。
對於表1中給出「*」標記而示出的透鏡12c的透鏡面S5、S6和透鏡12i的透鏡面S18、S19的旋轉對稱的非球面形狀，如果採用將通過它們各自的光軸的頂點(中心)作為原點的局部柱坐標系，則用下式1表示。
Z=cr21+1-(1+k)c2r2+Ar4+Br6+Cr8+Dr10+Er12+Fr14+Gr16+Hr18+Jr20]]>其中，r包含通過透鏡面的光軸的頂點的、在垂直於該光軸的平面上的、距離該光軸的距離(光線高度)Z從上述平面上的距離該光軸的距離為r的點、到該點在平行於與該光軸的方向的透鏡面上的點的距離(下垂量)c透鏡面的上述頂點處的曲率k圓錐常數A～Ir的冪指數項的係數對於該式1表示的面形狀，相對於距光軸的距離為r的同一圓周上的位置的下垂量Z為一定，並以光軸為中心旋轉對稱。另外，曲率c為上述表1中半徑Rd的倒數。
表2表示對於投影透鏡2的前級組12中的成為轉動對象的非球面形狀的透鏡12c的透鏡面S5、S6和透鏡12i的透鏡面S18、AS19的上述式1的圓錐常數k和係數A～I的具體值。
其中，雖然在表2中未示出，但是式1中的曲率c表示表1中的半徑Rd的倒數。
另外，數值例中的「…E-N」表示「…×10-N」。例如，透鏡面S5的係數A為「-2.7881E-06」，其表示「-2.7881×10-6＝-0.0000027781」的意思。
對於表1中給出「#」標記而示出的投影透鏡2的後級組13的透鏡13a的透鏡面S20、S21、透鏡13b的透鏡面S22、S23以及自由曲面反射鏡5的反射面S24的旋轉非對稱自由曲面形狀，如果採用將通過它們各自的光軸的頂點(中心)作為原點的局部柱坐標系，則用下式2表示。
Z=cr21+1-(1+k)c2r2+mn(C(m,n)xmyn)]]>
其中，r含通過透鏡面的光軸的頂點的、在垂直於該光軸的平面上的、距離該光軸的距離(光線高度)Z從上述平面上的距離該光軸的距離為r的點、到該點在平行於與該光軸的方向的透鏡面上的點的距離(下垂量)c透鏡面的上述頂點處的曲率k圓錐常數C(m，n)上述局部柱坐標系中的xy平面狀坐標位置(x，y)的xm·yn的係數。
由於將光軸作為中心的距離為r的同一圓周上的位置其坐標值x，y各不相同，所以式2表示的面形的∑·∑(C(m，n)·xm·yn)也不一樣，對應該位置的下垂量Z也不同。因此，是相對光軸呈旋轉非對稱的任意的曲面。在該實施方式中，這樣的旋轉非對稱曲面被稱為自由曲面。此式中，同樣曲率c為上述表1中的半徑Rd的倒數。
表3表示對於形成旋轉非對稱自由曲面的投影透鏡2的後級組13中的透鏡13a的透鏡面S20、S21和透鏡13b的透鏡面S22、S23以及自由曲面反射鏡5的反射面S24的上述式2的圓錐常數k及係數C(m，n)的具體值。
由於這些半徑Rd全部為「無窮大(Infinity)」(如表1所示)，所以，如表3所示，對於表3中的這些光學要素的表面S如表1所示，曲率c為0。另外，其中的圓錐常數k為0。而且，係數C(2，0)，C(0，2)，...表示對應於r＝一定時的同一圓周上的各點(x，Y)的係數。這裡示出34個點的係數。
在該表3的數值例中，對於後級組3的至少自由曲面透鏡13b，在向屏幕3下端R2(圖2)射出畫面下端光線L2(圖2)的部分側出射角變小，曲率變大，而在向屏幕3上端R3(圖2)射出畫面下端光線L3(圖2)的部分側出射角變大，曲率變小。
另外，在該表3中，對於自由曲面反射鏡5的反射面S24，在向屏幕3下端R2(圖2)入射畫面下端光線L2(圖2)的部分側入射角變小，曲率變大，而在向屏幕3上端R3(圖2)入射畫面下端光線L3(圖2)的部分側入射角變大，曲率變小。
另一方面，在圖2和圖5中，為了對如上所述因屏幕3上的各點和與這些點對應的物面11上的各點之間光學上光路長度不同而產生的屏幕3上的梯形畸變進行修正，圖像顯示元件的顯示畫面(物面)11如上所述相對垂直於投影透鏡2的光軸的面傾斜。具體地，在圖5(a)中，如果將物面11的中心的法線相對投影透鏡2的光軸在包含該光軸10的YZ平面內的逆時針的方向成的傾角記為正，將其順時針方向成的傾角記為負，則物面11以該法線在YZ平面內與投影透鏡2的光軸10成-1.163°即順時針方向傾斜1.163°的方式而向上傾斜。
另外，自由曲面反射鏡5的反射面S24相對於該光軸10傾斜，以至於在將自由曲面反射鏡5的反射面S24反射畫面中央光線L1的點(自由曲面反射鏡5的反射面S24的中心)作為坐標原點，與上述X、Y、Z坐標軸分別平行的X、Y、Z坐標軸作為坐標軸的局部坐標系中，如圖2所示，在局部坐標系的YZ平面內，該局部坐標系原點(該反射面S24的中心)的法線相對於從投影透鏡2向該原點延伸的光軸傾斜θm＝+29°。其中，逆時針方向的傾角為正，這樣，自由曲面反射鏡5的反射面S24的原點的法線相對光軸10向上傾斜29°。
這裡，從相對於光軸10如上傾斜的物面11沿著投影透鏡2的光軸射出的圖像光，通過投影透鏡2照射到自由畫面反射鏡5的反射面S24上。在該反射面S24中，在其中心(上述局部坐標系的坐標原點)，採用以相對於此處的法線順時針方向成29°的角度，畫面中央光線L1從投影透鏡2側入射，並以相對於該法線逆時針方向成29°的角度反射(即該畫面中央光線L1相對於其入射光路以29°×2＝58°的角度在逆時針方向(向上)被反射)的方式，圖像光被反射。因此，被自由曲面反射鏡5的反射面S24反射的圖像光的光軸，相對被照射到該反射面S24上的圖像光的光軸(即投影透鏡2的光軸10)，以在YZ平面內相對於該光軸與自由曲面反射鏡5的反射面S24的中心處法線成的傾斜角(＝29°)的2倍的角度，逆時針方向傾斜。所述光軸成為被自由曲面反射鏡5反射的圖像光的新的光軸。通過該光軸上的光線即為畫面中央光線L1。
如上所述，上述表1中的對於反射面S24的面間距離TH為「-400.00」表示沿著圖像光的光軸，該反射面S24的中心、與平面反射鏡4的反射面S25的被照射並反射畫面中心光線L1的中心Q1之間的距離為400mm，但是，相對於自由曲面反射鏡5的反射面S24，因為平面反射鏡4的反射面S25位於物面11側，所以為負值。對於其他的面S1～S24、S25，因為從圖像光的前行方向看，相對前面的一個面位於物面11相反側，所以其面間距離TH為正值。
其中，對於圖2中的自由曲面反射鏡5的反射面S24，平面反射鏡4的反射面S25和屏幕3的光投影面S26，各自局部正交坐標系的xz平面上的傾角ADE(度)及偏心的大小YDE(mm)在表4中示出。另外，這些局部正交坐標系分別將各自的面S的中心P1、Q1、R1作為原點，並且這些x、y、z軸與基準XYZ正交坐標系的X、Y、Z軸平行。
在表4中，對於傾角ADE，表示在局部正交坐標系中，面S的畫面中心光線L1相對該畫面中心光線L1的入射點法線的入射角，入射角相對法線在順時針方向傾斜時為正值，相反，在逆時針方向傾斜時為負值。
另外，偏心大小YDE表示面S中從畫面中心光線L1的入射點中心向上下方向(y軸方向)的偏離的大小，從中心向下側的偏心為正值，向上側的偏心為負值。這裡，各個面S的偏心大小YDE為0(無偏心)。
在該實施方式中，所有光學要素的傾角和偏心均被設定在yz面內的方向。
如上表3所示，上式2所表示的旋轉非對稱自由曲面曲率c和圓錐常數k為0。對於因對屏幕3的傾斜入射而產生的梯形畸變，在傾斜的入射方向產生得極其嚴重，而在與其垂直的方向的畸變量則很小。因此，對於傾斜的入射方向和與之垂直的方向而言，需要具有程度迥異的修正功能，而通過採用無需利用在旋轉對稱情況下全方向上起作用的上述曲率c和圓錐常數k的方式，能夠對非對稱像差進行良好地修正。
如上所述，上表1～4的數值為將物面11上的橫16mm×縱9mm大小的圖像以橫1452.8mm×縱817.2mm的大小投影在屏幕3上時的一具體例。
圖6表示在圖2～圖5所示結構的該實施方式中各光學要素的數值取表1～4示出的數值時投影在屏幕3上的投影圖像的圖形畸變的示意圖，縱方向為屏幕3的上下方向(沿Y軸的短邊方向)、橫方向為該屏幕3的左右方向(沿X軸的長邊方向)。
在縱橫比16∶9的長方形畫面中，用將其縱方向4等分的5條直線和橫方向8等分的9條直線表示的圖像，從顯示畫面11中映出並放大顯示在屏幕3上，從所顯示的直線的彎曲狀態觀察圖像的圖形畸變。圖6表示此時屏幕3上的投影圖像，縱橫中心的直線的交點為畫面中心。根據該投影圖像可知，基本上看不出圖形畸變，可得到無梯形畸變等變形畸變的良好的性能。
圖7表示同樣在該實施方式中的屏幕3上的各點的點線圖。
圖6表示此時的屏幕3的投影畫面的X、Y坐標位置，橫方向直線間隔採用X坐標值為2，縱方向直線間隔採用Y坐標值也為2。縱橫中心直線的交點為畫面中心，該位置在XY坐標系中為原點(0，0)。因此，X軸方向直線的交點的X坐標值為-8、-6、-4、-2、0、2、4、6、8，Y軸方向直線交點的Y坐標值為-4、-2、0、2、4。
如果在上述顯示畫面11中也推定與之相當的XY坐標系，則利用在該顯示畫面11的XY坐標系中的(8，4.5)、(0，4.5)、(4.8，2.7)、(8，0)、(0，0)、(4.8，-2.7)、(8，-4.5)、(0，-4.5)這8點分別射出的光束，在屏幕3上映出各個相當的點的光斑，圖7為將其點線圖按照其點的順序從上並列示出的圖。單位為mm。
根據該點線圖可看出，各點能夠得到良好的點斑，像面畸變等非對稱像差得到良好地修正。
如上所述，在該實施方式中，作為用於將顯示畫面11的圖像投影在屏幕3上的光學系統，分別採用具有作為第一光學系統的投影透鏡2的後級組13中旋轉非對稱的自由曲面的透鏡面的自由曲面透鏡，第二光學系統中具有旋轉非對稱自由曲面的反射面的自由曲面反射鏡5，並各自分配這些投影透鏡2的後級組13和自由曲面反射鏡5的任務，第二光學系統主要對屏幕3的梯形畸變進行修正，第一光學系統的投影透鏡2的後級組13主要對屏幕3中的像面畸變等進行非對稱像差修正。
圖8表示該實施方式中構成投影光學單元的投影透鏡2的透鏡組的斜視圖，對應上述附圖的部分採用同一附圖標記標註。
在該圖中，投影透鏡2的前級組12為用於將圖像顯示元件的顯示畫面11的圖像投影在上述屏幕3上的主透鏡，由具有旋轉對稱的面形狀的透鏡面的多個折射透鏡構成，主要對旋轉對稱光學系統中的基本像差進行修正。投影透鏡2的後級組13包含旋轉非對稱自由曲面透鏡，主要對屏幕3中因斜入射而產生的像差進行修正。
這裡，作為一個例子，後級組13由2塊自由曲面透鏡13a、13b組合構成，但也可以由3塊以上自由曲面透鏡構成。但是，無論哪種構成，後級組13中的自由曲面透鏡的至少一塊作為全體相對於其光出射方向呈凹狀的方式被彎曲。而且，對於上述自由曲面透鏡，向屏幕3下端R2(圖2)出射的畫面下端光線L2(圖2)以小出射角出射的部分的曲率(這裡為自由曲面透鏡下側)，比向屏幕3上端R3(圖2)出射的畫面上端光線L3(圖2)以大的出射角出射的部分的曲率(這裡為自由曲面透鏡上側)大些。另外，其中折曲反射鏡14設置在前級組12的途中。
然而，在現有技術中，為了將成像光學系統的透鏡組固定於規定位置，使用了同心圓的狀鏡筒。其由於成像光學系統的透鏡組採用具有旋轉對稱面形的多個折射透鏡構成，故這是理所應當的。在透鏡組內，由於材質為塑料，故在溫度溼度條件下重複膨脹、收縮。具體地，多用於這種透鏡的丙烯樹脂(PMMA)由於吸溼而伸展很大，通常在鏡筒內設置有用於吸收透鏡球的膨脹、收縮的裝置。對於塑料鏡筒，鏡筒自身可變形地構成，而對於金屬鏡筒，在透鏡周圍設置彈性形變空間，不管塑料透鏡的膨脹、收縮如何，均對透鏡球起到了將其光軸保持在中心的作用。
如圖8所示，在該實施方式中，投影透鏡2的後級組13包含旋轉非對稱自由曲面透鏡13a、13b，因此不能用同心圓狀鏡筒。另外，由於主要進行對因傾斜入射而產生的像差的修正，故不用像用於修正旋轉對稱光學系統中的基本像差的投影透鏡2的前級組12那樣，將透鏡球保持在光軸中心是不夠的。
圖9表示使投影透鏡2溫度變化時的焦點性能(下面用MTF(Modulation Transfer Function調製傳遞函數)表示)的惡化量的示意圖，橫軸表示Y軸方向偏心量。
該圖中，實線、虛線、點劃線分別表示30℃的溫度上升時、15℃的溫度上升時、以及15℃的溫度下降時的平均MTF惡化量。其中，儘管示出的是投影透鏡2的後級組13的最外側自由曲面透鏡13b(圖8)，但位於其內側的自由曲面透鏡13a(圖8)或第二光學系統的自由曲面反射鏡5(圖2)具有同樣的趨勢。
對於用於修正旋轉對稱光學系統中的基本像差的投影透鏡，偏心量為0時，MTF惡化量最小，而對於用於修正因傾斜入射而產生的像差的旋轉非對稱自由曲面透鏡，如圖9所示，在偏心量為0以外的地方MTF的惡化量最小。例如，對於30℃偏心量在-0.04mm處最小，對於15℃偏心量在-0.02mm處最小，對於-15℃偏心量在0.02mm處最小。
投影透鏡2的後級組13的自由曲面透鏡13b在30℃的溫度上升條件下高度(Y軸方向)為0.088mm。計算中，由於將透鏡中心作為膨脹的基準，故膨脹大小為0.088mm的1/2。因此，所說的在30℃的溫度上升條件下偏心為0.04mm指的是可將透鏡上側端面作為基準面而使之膨脹、收縮的情況。
圖10表示圖8中的投影透鏡2的後級組13的最外側的自由曲面透鏡13b的示意圖，該圖(a)為上面圖，該圖(b)為正面圖，該圖(c)為斜視圖。另外，圖10(a)～(c)中，18為透鏡的光出射面、19為透鏡的外殼，20為透鏡的水平基準面。
由10(b)可以看出，透鏡的外殼19為將自由曲面透鏡13b的中央作為中心軸的圓柱的一部分。下面對其原理進行說明。
塑料透鏡通常通過使用模具成形塑料原材而製成。成形透鏡的模具採用追加工的方式對成形透鏡進行修補直到達到規定的面精度，但該修正量是通過成形透鏡的面精度和設計值的差而求得。即，需要對成形透鏡的面精度進行高精度測量。
該實施方式中的投影透鏡2的後級組13的透鏡由自由曲面構成，如果不設置形成測定基準的面的話，就不能高精度地測定面形狀。所以，通過設置部分採用與圖10所示現有技術的透鏡相同的圓柱的側面形狀的形狀(下面稱為圓柱片形狀)的外殼19和水平基準面20，作為測定基準面。該圓柱片形狀的外殼19無需設置於自由曲面透鏡13b的全周，如圖所示，只要包含中心也可以設置於一部分，但設置成垂直於透鏡的光軸(光出射面18的中心軸)、且透鏡中心與含有外殼19的圓柱的中心一致。因為利用該呈圓柱片形狀的外殼19限定透鏡中心和光軸垂直的面，且利用水平基準面20限定水平面，所以，可進行透鏡的測定和向鏡筒的安裝姿勢的設定。
圖11為沿著光軸方向觀察將圖10所示自由曲面透鏡13b固定安裝在鏡筒上的狀態的正面圖，21為鏡筒，22為水平基準面支撐體，23為保持用彈簧，24為透鏡壓板，與圖10對應的部分採用同一符號並省略重複的說明。
在該圖中，自由曲面透鏡13b安裝固定在鏡筒21內。該鏡筒21的截面不但形成為自由曲面透鏡13b的外殼19的形狀，而且形成為只與該外殼19的上半部分呈接觸狀的形狀。在現有技術的鏡筒中，通過支撐整個圓柱形狀的外殼的全周，露出光軸中心，但在該實施方式中，只是該外殼19的上半部分接觸。但是，只是不能定位並支撐自由曲面透鏡13b。
而且，在該實施方式中，在自由曲面透鏡13b上設置透鏡的水平基準面20，在鏡筒21的與該水平基準面20相對的面上，設置水平基準面支撐體22、和用於支撐位於自由曲面透鏡13b的水平基準面20相反側的端部(此時為下端部)的中心的保持用彈簧23，將來自水平基準面20的端部(此時為上端部)作為基準端，將與之相反側的上述端部作為可動端，據此3點對鏡筒21內的自由曲面透鏡13b進行定位及保持。至於與光軸(即垂直於光出射面18的軸)垂直的方向的固定，則與現有技術一樣，通過在鏡筒21內設置透鏡壓板24來實現。
如上所述，通過採用將自由曲面透鏡13b固定於鏡筒21上的方法，在自由曲面透鏡13b在溫度溼度條件下發生膨脹、收縮時，水平基準面20形成基準伸縮，可動端隨之上下變位，採用這樣的方式，可以將上述焦點性能的惡化量減至最小。
另外也可以是，在自由曲面透鏡13b的下端部側設置水平基準面20作為基準端，而在上端部側設置保持用彈簧23作為可動端，據此也可得到同樣的效果。
然而，儘管以上說明是關於投影透鏡2的後級組13的最外側(出射側)的自由曲面透鏡13b的內容，但位於其內側的自由曲面透鏡13a和第二光學系統的自由曲面反射鏡5也一樣。下面，利用表示在圖1中說明的該實施方式的投影光學單元的一個具體例的圖12，對該自由曲面反射鏡5進行說明。在圖12中，25為調整機構，26為支撐件，27為轉動中心用銷，28為轉動用導槽，29為固定用蝶形螺母，30為透射型液晶顯示面板，31為交叉二向色稜鏡，與上述附圖對應的部分採用同一附圖標記並省略重複的說明。
該圖中雖然是作為一個例子而示出圖像發生源1採用3板式透射型液晶顯示面板的情況，但使用反射式液晶顯示面板也可以。另外，也可以使用包括多個微鏡的顯示元件。其中，作為圖像發生源1，採用對應紅、綠、藍色的3個透射型液晶顯示面板30。
來自於這些透射型液晶顯示面板30的紅、綠、藍色圖像被交叉二向色稜鏡31合成，作為彩色圖像而射出。至於投影透鏡2，如前所述，折曲反射鏡14設置在前級組12的途中。第二光學系統的自由曲面反射鏡5與圖像發生源1和投影透鏡2一起，被固定在光學系統支撐體即光學系統基體7上並被一體化。在光學系統基體7上所固定的光學要素中，投影透鏡2被牢固地固定並被一體化。另一方面，圖像發生源1採用下述方式被固定於光學系統基體7之上，即，通過調整機構25，能夠對至少上下方向(將與XY平面內的X軸平行的軸作為轉動中心)的傾斜角、以及前後方向(Z軸方向)即圖像發生源1的出射側和投影透鏡2的前級組12的距離進行調整。
另外，自由曲面反射鏡5通過設置在光學系統基體7上的支撐件26，以自由曲面反射鏡5的上端為中心軸可轉動的方式被固定。轉動中心軸用銷27將自由曲面反射鏡5的上部從其兩端部可轉動地夾持，將其作為軸，自由曲面反射鏡5被可轉動地支承。自由曲面反射鏡5的下端通過轉動用導槽28與固定鉸鏈用螺帽29結合。而且，通過操作該固定用蝶形螺母29並使之沿著轉動用導槽28滑動，自由曲面反射鏡5的下端移動，將銷27作為中心軸，可使自由曲面反射鏡5轉動。這樣，可調整自由曲面反射鏡5的傾角。利用所述調整，可對屏幕3上的因傾斜投影而產生的投影圖像的梯形畸變進行高精度修正。
固定用蝶形螺母29由於採用摩擦方式固定，故通過在自由曲面反射鏡5和轉動用導槽28之間夾持彈性體(未圖示)，從而吸收自由曲面反射鏡5在溫度溼度變化條件下膨脹、收縮的尺寸變化範圍。因此，通過採用該方法將自由曲面反射鏡5安裝在支撐件26上，自由曲面反射鏡5的上端成為固定端(基準端)，而下端成為自由端(可動端)。對於自由曲面反射鏡5在溫度溼度條件下發生膨脹、收縮的情形而言，以轉動中心軸用銷27為基準而伸縮，這樣，如上所述，可將焦點性能的惡化量降至最低。
以上，在該實施方式中，作為從屏幕3的下方向上方傾斜投影圖像的方案，儘管已說明將自由曲面透鏡13b和自由曲面反射鏡5在溫度溼度條件下發生膨脹、收縮時焦點性能惡化量減至最小的方法，但是，在本發明中，也可以是從屏幕3的上方向下方傾斜投影圖像的情況，此時，自由曲面透鏡13b和自由曲面反射鏡5的基準面與上述情形相反，變成下側。即，將具有自由曲面的光學要素固定時的基準端，在上下方向的端部中，變成通過相對屏幕3具有大的入射角的光線側的端部。該理由是，如果光線的入射角大，則即使折射面(反射面)發生很少的變位，光線也可相對基準位置發生大的偏離。因此，對於具有自由曲面的光學要素，需要減小基準端的變位，以儘量防止光線的入射角大的部分發生變位。
在以上說明的實施方式中，儘管說明的是包括兼有自由曲面透鏡和自由曲面反射鏡兩者的光學系統的方案，但本發明的光學系統也可以是包括自由曲面透鏡與自由曲面反射鏡的其中任一個的情況，並可得到和上述實施方式同樣的效果。另外，關於自由曲面反射鏡，也可以是並非完全的自由曲面，也可以是從球面或非球面的一部分中切出的反射鏡。
另外，根據以上說明的實施方式，可以實現設備的縱深尺寸降低，且組裝調整容易的背面投影型彩色圖像顯示裝置。另外，也可以是將平面反射鏡4(圖2)從光學系統中去掉，並將從圖像顯示元件的顯示畫面11到自由曲面反射鏡5的元件收納在一個裝置中，形成前方投影型圖像顯示裝置。此時，可以實現所述裝置到屏幕的距離相當短的緊湊型前方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，將圖像顯示元件的顯示畫面上映出的圖像放大投影在屏幕上，包括含有多個用於對該顯示畫面的映出圖像進行放大的透鏡的第一光學系統；和反射來自該第一光學系統的該圖像的圖像光，並使之相對於該屏幕的法線以規定的角度入射到屏幕上的第二光學系統，其中該第二光學系統的反射面的至少一部分至少包括一個在反射方向上呈凸狀的凸面反射鏡，該凸面反射鏡，在上下方向的端部中，以來自該第一光學系統的圖像光的入射角大的一側的端部作為基準端，以來自該第一光學系統的圖像光的入射角小的一側的端部作為可動端，被安裝在光學系統支承單元上。
2.如權利要求1所述的投影型圖像顯示裝置，其特徵在於所述第二光學系統具有用於將所述凸面反射鏡所反射的圖像光反射並導向所述屏幕的平面反射鏡。
3.一種投影型圖像顯示裝置，將圖像顯示元件的顯示畫面上映出的圖像放大投影在屏幕上，包括含有多個用於對該顯示畫面的映出圖像進行放大的透鏡的第一光學系統；和反射來自該第一光學系統的該圖像的圖像光，並使之相對於該屏幕的法線以規定的角度入射到該屏幕上的第二光學系統，其中該第一光學系統至少包括一個在光出射方向上呈凹狀、且相對於光軸呈旋轉非對稱面形狀的非對稱透鏡，所述非對稱透鏡，在上下方向的端部中，以射向該第二光學系統的圖像光的出射角大的一側的端部作為基準端，以射向該第二光學系統的圖像光的出射角小的一側的端部作為可動端，被安裝在鏡筒上，該第二光學系統的反射面的至少一部分至少包括一個在反射方向上呈凸狀的凸面反射鏡。
4.如權利要求3所述的投影型圖像顯示裝置，其特徵在於所述凸面反射鏡，在上下方向的端部中，以來自所述第一光學系統的圖像光的入射角大的一側的端部作為基準端，以來自所述第一光學系統的圖像光的入射角小的一側的端部作為可動端，被安裝在光學系統支承單元上。
5.如權利要求3所述的投影型圖像顯示裝置，其特徵在於所述第一光學系統包括由多個含有所述非對稱透鏡的透鏡構成的投影透鏡，該投影透鏡包括含有相對於光軸對稱的面形狀的透鏡的前級組、和含有所述非對稱透鏡的後級組。
6.如權利要求3所述的投影型圖像顯示裝置，其特徵在於所述非對稱透鏡，在上下側中，射向所述第二光學系統的圖像光的出射角大的一側的曲率，比射向所述第二光學系統的圖像光的出射角小的一側的曲率小。
7.如權利要求3所述的投影型圖像顯示裝置，其特徵在於所述第二光學系統具有用於將所述凸面反射鏡所反射的圖像光反射並導向所述屏幕的平面反射鏡。
8.如權利要求7所述的投影型圖像顯示裝置，其特徵在於所述凸面反射鏡，在上下側中，來自所述第一光學系統的圖像光的入射角大的部分的曲率，比來自所述第一光學系統的圖像光的入射角小的部分的曲率小。
9.一種投影型圖像顯示裝置，將圖像顯示元件的顯示畫面上映出的圖像放大投影在屏幕上，包括含有多個用於對該顯示畫面的映出圖像進行放大的透鏡的第一光學系統；和用於反射來自該第一光學系統的該圖像的圖像光，並使之相對於該屏幕的法線以規定的角度入射到該屏幕上的第二光學系統，其中該第一光學系統包括包含具有關於通過該顯示畫面的大致中心的軸對稱的形狀的面的共軸光學系統的前級組、和包含至少1塊單面或雙面呈自由曲面形狀的自由曲面透鏡的後級組，含有將該顯示畫面上所映出的圖像放大投影在該屏幕上的投影透鏡，該第二光學系統包括至少一塊具有自由曲面形狀的自由曲面反射鏡，從傾斜方向將來自該投影透鏡的放大圖像投影在該屏幕上，該自由曲面透鏡，在上下方向的端部中，以射向該第二光學系統的圖像光的出射角大的一側的端部作為基準端而安裝在鏡筒上，以射向該第二光學系統的圖像光的出射角小的一側的端部作為可動端，採用彈簧或彈性體支承而安裝在鏡筒上。
10.如權利要求9所述的投影型圖像顯示裝置，其特徵在於所述自由曲面反射鏡，在所述上下方向的端部中，以來自所述第一光學系統的圖像光的入射角大的一側的端部作為基準端，以來自所述第一光學系統的圖像光的入射角小的一側的端部作為可動端，分別安裝在光學系統支承單元上。
11.如權利要求10所述的投影型圖像顯示裝置，其特徵在於所述自由曲面反射鏡具有用於使其以來自所述第一光學系統的圖像光的入射角大的一側作為中心軸可轉動的機構。
12.如權利要求9所述的投影型圖像顯示裝置，其特徵在於所述自由曲面反射鏡，在上下側中，來自所述第一光學系統的圖像光的入射角大的部分的曲率，比來自所述第一光學系統的圖像光的入射角小的部分的曲率小。
全文摘要
在圖像發生源(1)的顯示畫面上映出的圖像，通過由前級組和後級組形成的投影透鏡(2)，在自由曲面反射鏡(5)的反射面被反射，進一步被平面反射鏡(4)反射，從而從下側被傾斜投影在屏幕(3)上。投影透鏡(2)的前級組用於放大該圖像，後級組為了對因傾斜投影在屏幕上而產生的像差進行修正，採用相對於出射側呈凹狀的自由曲面透鏡。自由曲面反射鏡(5)用於對因傾斜投影在屏幕上而產生的梯形畸變進行修正。投影透鏡(2)的後級組的自由曲面透鏡的其中一個端部作為基準端，另一個端部側可伸縮，可相對環境的變化而變化。自由曲面反射鏡也一樣，其中一個端部作為基準端，另一個端部側可伸縮，並且可將基準端轉動調整為中心。
文檔編號G03B21/28GK1959462SQ200610163918
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月3日 優先權日2005年11月4日
發明者吉川博樹, 久田隆紀, 大石哲, 平田浩二, 小倉直之 申請人:株式會社日立製作所