投影圖像顯示裝置及其使用的投影光學單元的製作方法

2023-06-07 06:40:56

專利名稱：投影圖像顯示裝置及其使用的投影光學單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及例如將彩色放大圖像投影在屏幕上來進行圖像顯示的投影圖像顯示裝置，尤其涉及相對屏幕傾斜投影放大圖像而可在屏幕上得到放大圖像的投影圖像顯示裝置及其使用的投影光學單元。
背景技術：
在通過投影光學單元將投影型布勞恩管和液晶顯示裝置(液晶面板)等的圖像顯示元件上的彩色圖像放大投影在屏幕上的、所謂的投影型彩色圖像顯示裝置中，要求在屏幕上得到充分大的放大圖像，同時，縮短裝置的進深尺寸。為了實現該要求，在現有技術中，已知例如如特開平5-134213號公報、特開2000-162544號公報、特開2002-357768號公報所記載的、相對屏幕從傾斜方向(相對屏幕法線以預定的角度)來放大·投影圖像的技術。
但是，若從相對屏幕傾斜方向投影圖像顯示元件上的圖像，則在屏幕上投影的圖像上產生了所謂的梯形失真。為了消除該失真，在上述專利文獻1所記載的投影光學單元中，是使在屏幕側配置的無焦轉換器(afocal conversion)偏轉來抑制該梯形失真的結構。但是，由於該專利文獻1所公開的無焦轉換器其倍率低，所以投影圖像的廣角化困難，因此，有不能實現裝置的薄型化的問題。
另外，通過上述專利文獻2所記載的投影光學單元，從其結構來看，投影圖像的廣角化還是很困難。因此，有難以將專利文獻2所記載的單元應用於背投型彩色圖像顯示裝置從而實現裝置的充分薄型化的問題。進一步，在該專利文獻2所記載的投影光學單元中，由於需要分別偏轉所使用的透鏡，所以還有製造困難的問題。
進一步，上述專利文獻3記載的投影光學單元具有有正的光焦度的第一折射透鏡系統、有負的光焦度的第二折射透鏡系統、和光路折返鏡。在該結構中，在構成上述具有負的光焦度的第二折射透鏡系統的透鏡內，至少兩個透鏡為其旋轉對稱軸彼此不同的偏轉系統。因此，在製造時，很難充分確保各透鏡的位置精度，因此，存在製造還是很困難的問題。
如上所述，在構成圖像顯示裝置的投影光學單元中，為了更縮短其進深，會需要從相對屏幕傾斜方向放大投影的所謂傾斜投影。並且，為了使進深進一步縮短，需要使該傾斜投影的角度更大。
但是，在使該傾斜投影的角度更大的情況下，上述梯形失真也進一步變大了。因此，需要進一步變大校正該梯形失真用的偏轉量。由此，製造滿足該要求的光學單元進一步變得困難。另外，與此相關，需要使所需的透鏡直徑也變大。即，在上述現有技術的光學系統中，使投影光學單元、進而圖像顯示裝置的進深更小是困難的。

發明內容
本發明提供一種在相對屏幕傾斜投影圖像的裝置中，可降低屏幕上的圖像的失真來發揮好的顯示特性的技術。
另外，本發明尤其提供一種可在背投型顯示裝置中，可減小屏幕上的圖像失真，同時減小裝置的進深尺寸的技術。
本發明具有第一光學系統，包括放大在圖像顯示元件上顯示的圖像來進行投影用的多個透鏡，且光軸與上述圖像顯示元件的中心軸大致相等；第二光學系統，將來自第一光學系統的放大圖像相對上述屏幕的法線以預定的角度投影到該屏幕上，所述第二光學系統包含光學元件，該光學元件具有用於將來自所述第一光學系統的放大圖像進行反射並導至所述屏幕的曲面。並且，本發明的特徵在於，在通過所述光學元件來反射而入射到所述屏幕的光的光路長度為光學距離時，彎曲該光學元件的、以第一光學距離來反射光的部分，使得凹面向著其反射方向，彎曲以比所述第一光學距離短的第二光學距離來反射光的部分，使得凸面向著其反射方向。
本發明中，在所述光學元件是其反射面為自由曲面(free shapedsurface)形狀的曲面反射鏡，所述第二光學系統從所述屏幕的下方相對所述屏幕的法線以預定的角度進行投影的情況下，優選為所述曲面反射鏡，彎曲對比所述圖像顯示元件的中心更靠上方的圖像的光進行反射的部分，使得凹面向著其反射方向，具有正的光焦度，且彎曲對比所述圖像顯示元件的中心更靠下方的圖像的光進行反射的部分，使得凸面向著其反射方向。另外，上述光學元件優選是為自由曲面形狀的鏡面。另外，優選進一步包含平板狀的背面鏡，用於反射來自所述光學元件的放大圖像，並投影到所述屏幕的背面側。進一步，本發明中，優選將所述光學元件配置在所述背面鏡的下方，進一步，所述光學元件優選至少由兩個自由曲面鏡構成。
本發明具有第一光學系統，是包含多個用於放大所述圖像顯示元件上顯示的圖像並進行投影的透鏡，且光軸通過所述圖像顯示元件的大致中心，由對於該光軸對稱的形狀的面構成的共軸光學系統；第二光學系統，將來自所述第一光學系統的放大圖像相對所述屏幕傾斜投影。並且，本發明的進一步特徵是所述第二光學系統包括光學元件，該光學元件具有用於校正通過所述放大圖像的傾斜投影產生的梯形失真和/或像差的自由曲面。
上述光學元件包含為自由曲面形狀的曲面反射鏡。並且，彎曲該曲面反射鏡的、對比所述圖像顯示元件的中心更靠上方的圖像的光進行反射的部分，使得凹面向著其反射方向並具有正的光焦度(power)，且彎曲對比所述圖像顯示元件的中心更靠下方的圖像的光進行反射的部分，使得凸面向著其反射方向並具有負的光焦度。
本發明也可在與所述屏幕的法線平行的該屏幕的垂直方向的面內，在設該放大圖像的上端的光線通過所述反射面來反射而達到所述屏幕上的距離為L1、所述放大圖像的下端的光線通過所述反射面來反射而到達所述屏幕上的距離為L2，所述屏幕上的畫面的上端到下端的距離為Dv，入射到所述屏幕畫面的中央的光線和該屏幕的法線所成的角度為θ時，構成為滿足下面的式子|L1-L2|＜1.2·sinθ·Dv。
另外，優選上述L1和L2的差的絕對值|L1-L2|形成為比該自由曲面的形狀為平面的情況小。另外，在與所述屏幕的法線平行的該屏幕的垂直方向的面內，在設該放大圖像的上端的光線通過自由曲面的反射面來反射而達到所述屏幕上的距離為L1、放大圖像的下端的光線通過自由曲面的反射面來反射而到達屏幕上的距離為L2，所述屏幕上的畫面的上端到下端的距離為Dv時，形成這些，使其滿足下面的式子|L1-L2|＞0.4·Dv。
根據本發明，可以減小由圖像的傾斜投影產生的梯形失真，同時，可以減小裝置的光學進深。


圖1是表示在本發明的實施方式的投影型圖像顯示裝置中，尤其是其投影光學單元的基本結構的截面圖；圖2是為了說明向上述投影光學單元的屏幕的傾斜投影，而放大顯示上述圖1的一部分的局部放大圖；圖3是表示上述投影光學單元中的相對傾斜入射角度的光學進深的變化的圖；圖4是表示上述投影光學單元中的相對傾斜入射角度的自由曲面鏡的大小的變化的圖；圖5是表示本發明的實施例1的投影光學單元的結構和光路的圖；圖6是表示上述實施例1的投影光學單元的失真性能的圖；圖7是表示上述實施例1的投影光學單元的亮點性能的圖；圖8是表示本發明的實施例2的投影光學單元的結構和光路的圖；圖9是表示上述實施例2的投影光學單元的失真性能的圖；圖10是表示上述實施例2的投影光學單元的亮點性能的圖；圖11是示意表示使共軸光學系統的投影透鏡相對屏幕傾斜而傾斜入射的情況下的圖；圖12是本實施方式的投影透鏡的一具體例。
具體實施例方式
下面，參照附圖詳細說明本發明的實施方式。首先，附圖1是表示本發明的一實施方式的投影圖像顯示裝置，尤其是背投型圖像顯示裝置中使用的投影光學單元的基本結構的截面圖。
在該圖1所示的投影光學單元的基本結構中，從在圖的下側配置的圖像顯示元件1射出的光通過包含多個具有旋轉對稱面形狀的折射透鏡的第一光學系統2(具體為投影透鏡)。之後，通過具有自由曲面形狀的反射面的第一反射鏡3(下面，稱作「自由曲面鏡」)的表面反射，並進一步，通過第二自由曲面鏡4來反射。該反射光通過作為第三光學系統的具有平面反射面的背面鏡5來反射後，入射到屏幕6的背面。另外，在本實施例中，將由上述第一自由曲面鏡3和第二自由曲面鏡4構成的光學系統稱作第二光學系統。
這裡，上述圖像顯示元件1例如可以是投影型布勞恩管等的自發光型的元件，或可以是液晶面板等的透過型元件。另外，在該圖中，對於上述圖像顯示元件1由液晶面板形成的透過型的元件構成情況下所需的例如燈等的照射單元，省略其圖示。另外，在例如採用了液晶面板來作為該圖像顯示元件1的情況下，也可以是使用三個液晶面板來合成多個顏色的圖像的方式，但是，在該圖中，對於該情況下所需的合成用稜鏡等，省略其圖示。另外，從圖中可以看出，上述圖像顯示元件1將其顯示畫面的中央配置在上述第一光學系統(投影透鏡)2的光軸上。這樣，通過將圖像顯示元件1的顯示畫面的中央配置在上述第一光學系統的光軸上，可以實現由傾斜投影帶來的進深小的光學系統，而不會變大透鏡的大小。
並且，如圖1所示，從上述圖像顯示元件1的畫面的中央射出，通過上述第一光學系統(投影透鏡)2的入射光瞳的中央，之後，入射到屏幕6的畫面的中央的光線11傾斜入射到屏幕上。這裡，在該光線11入射到屏幕的點P0中，設屏幕面的法線和該光線11所成的角度為θ，後面，將其稱作「傾斜入射角度」。另外，該圖1所示的截面顯示了由入射到上述屏幕6的畫面中央的光線11和該屏幕的法線形成的平面中的上述投影光學單元的截面。即，該截面是與屏幕6的法線平行的垂直方向的截面。
另一方面，在上述截面中，從上述圖像顯示元件1的畫面下端射出的光線12沿著連接該畫面的下端和上述第一光學系統(投影透鏡)2的入射光瞳的中央的直線，入射到位於對應於此的屏幕上的位置，即，屏幕6上的畫面上端的點P1上。將該光線12從通過(反射)第二自由曲面鏡4的點P3經過上述背面鏡5上的點P2到達屏幕上的點P1的光路長度稱作L1。另外，從上述圖像顯示元件1的畫面上端射出，沿著連接該畫面的上端和上述第一光學系統(投影透鏡)2的入射光瞳的中央的直線進入，並且，入射到位於作為對應於此的屏幕上的位置、即屏幕6的畫面的下端的點P4。將該光線13從通過(反射)第二自由曲面鏡4的點P6經過背面鏡5上的點P5到達屏幕上的點P6的光路長度稱作L2。
並且，在本實施方式的投影光學單元中，上述光路長度L1、L2(光路長度的差)構成為滿足下面的式1。
|L1-L2|＜1.2·sinθ1·Dv其中，Dv是圖1的截面內的屏幕上的畫面的大小。換而言之，是從屏幕6上的畫面上端的點P1到該畫面下端的點P4的距離。另外，θ是上述傾斜入射角度。進一步，在本實施方式的投影光學單元中，上述光路長度L1和L2的差的絕對值|L1-L2|構成為比使第二自由曲面鏡4的形狀為平面的情況小。
以下詳細說明使上述光路長度的差|L1-L2|滿足上述式子的理由。
另外，由於使來自構成上述第一光學系統的投影透鏡2的光相對屏幕6傾斜入射，所以通過上述背面鏡5來折返(反射)、進而由此可以減小背投型的圖像顯示裝置的進深尺寸這點可被很好理解。
這裡，圖2表示共軸光學系統的投影透鏡21(對應於圖1的符號2)相對屏幕27(對應於圖1的符號6)傾斜，使光線22、23、24傾斜入射的情況下的示意圖。在該圖2中，在從在投影光學系統21的光軸上放置的圖像顯示元件20(對應於圖1的符號1)的畫面中央沿光軸射出的光線22到達上述屏幕27時，如下這樣來表示與在該屏幕附近的光線22垂直的方向上的畫面的大小。即，該畫面的大小是與該光線22垂直的線與其上方的光線23的交點P11、和與上述光線22垂直的線和其下側的光線24的交點間的距離。並且，其大小為本來(即，相對屏幕垂直方向入射的情況下)在屏幕27上投影的圖像顯示元件20的畫面大小(縱方向的長度)的Dv。
但是，由於傾斜入射來自圖像顯示元件20的畫面的光線，所以從該畫面射出的上方的光線23實際上到達了上述屏幕27上的點P12。因此，屏幕上的畫面變得比Dv大，這成為圖形失真的原因。同時，在從該畫面射出的上方的光線23和下方的光線24之間也同樣在投影透鏡21到屏幕27的光路長度產生了偏差。另外，該光路長度的差的大小近似地相當於與來自畫面中央的光線22垂直的線和來自畫面上方的光線23的交點P11、與該光線23和屏幕27的交點之間的距離。
因此，在上述圖1中說明了其結構的本實施方式的投影光學單元中，在投影透鏡21(對應於圖1的符號2)的稍外側，如上所述，配置了自由曲面鏡(圖1中，第一自由曲面鏡3和第二自由曲面鏡4)。因此，在認為通過該自由曲面鏡校正了上述圖形失真的情況下，在屏幕27上例如將來自畫面上方的光線23到達的位置從上述的點P12移動到圖2中由P14表示的點上。另外，來自畫面下方的光線24在圖中如符號26所示那樣移動。即，由此，投影到屏幕27上的上述圖像顯示元件20的畫面的大小(縱方向的長度)為作為本來的大小的Dv。
這裡，圖11示意表示通過自由曲面鏡來反射來自作為旋轉對稱的光學系統的投影透鏡的光，並相對屏幕傾斜入射的情況下的狀態。在圖11中，在投影光學系統21的光軸上放置圖像顯示元件20，從該圖像顯示元件20的畫面中央沿投影光學系統20的光軸射出的光線22(下面，將其稱作中央光線)通過鏡子28來反射後，以角度θ來傾斜入射到屏幕27上。在鏡子28為平面的情況下，由投影光學系統21投影的圖像原樣傾斜投影在屏幕27上。這時，在屏幕畫面上向著圖11的上側端的光線23(由虛線表示)入射到屏幕上的點、和向著下側端的光線24(由虛線表示)入射到屏幕上的點相對上述中央光線22入射的點P23為非對稱。因此，在屏幕上的圖像上產生了梯形失真。這時，沿著向著上述屏幕畫面的上端的光線23的鏡子28到屏幕27的光路長度、和沿著向著上述屏幕畫面的下端的光線24的鏡子28到屏幕27的光路長度之間產生了很大的偏差。
這裡，若使鏡子28的形狀為自由曲面來校正失真，則在屏幕畫面中向著圖11的上側端的光線如圖11的光線25那樣向下側移動，進一步，向著下側端的光線為圖11的光線26那樣。由此，上述光線25入射到屏幕的點、和光線26入射到屏幕的點相對上述中央光線22入射的點P23為對稱。因此，可以確認光線25入射到屏幕的點、和光線26入射到屏幕的點的距離與正確的畫面大小Dv大致相等，校正了失真。這時，從沿著上述光線25的鏡子28到屏幕27的光路長度、與從沿著上述光線26的鏡子28到屏幕27的光路長度的差與上述光線23和光線24的情況相比變小。
即，在本實施方式中，通過使鏡子28的形狀為自由曲面形狀，減小了從沿著向著上述屏幕畫面的上側端的光線的鏡子28到屏幕27的光路長度與從沿著向著上述屏幕畫面的下側端的光線的鏡子28到屏幕27的光路長度的差。結果，適當地校正了由傾斜投影造成的失真。
參照圖11來說明如上所述良好校正失真用的鏡子28的自由曲面形狀的一例。鏡子28中，彎曲反射相對屏幕的畫面中央從鏡子28到屏幕的光路長度比中央光線22長的光(即，圖11中，向著比屏幕上的點P23更靠上側的部分的光線(例如光線25))的部分，使得凹面向著其反射方向。即，在比鏡子28的、反射中央光線22的點P22還上側的部分中，為凹面的反射面，使其具有正光焦度。另一方面，彎曲反射相對屏幕的畫面中央從鏡子28到屏幕的光路長度比中央光線22短的光(即，圖11中，向著比屏幕上的點P23下側的部分的光線(例如光線26))的部分，使得凸面向著其反射方向。即，在比鏡子28的、反射中央光線22的點P22還下側的部分中，為凸面的反射面，使其具有負光焦度。
主要地，彎曲本實施方式的自由曲面鏡28的反射具有第一光學距離的光線25的部分，使得凹面向著其反射方向，彎曲反射具有比第一光學距離短的第二光學距離的光線26的部分，使得凸面向著其反射方向。由於在本實施方式中，從屏幕的下方來傾斜投影圖像，所以彎曲本實施方式的自由曲面鏡28的反射比圖像顯示元件的中心更靠上方的圖像的光的部分即鏡子28的上部，使得凹面向著其反射方向，而具有正的光焦度。另一方面，彎曲反射比圖像顯示元件的中心更靠下方的圖像的光的部分即鏡子28的下部，使得凸面向著其反射方向，而具有負的光焦度。
若回到圖2，在校正失真時，來自畫面的上方的光線25與來自畫面的下方的光線26之間的光路長度的差近似為相當於上述點P13和點P14之間的距離的大小。即，在屏幕27上投影的上述圖像顯示元件20的畫面大小(縱方向的長度)與圖形失真校正前相比減小了。更詳細的，調整自由曲面鏡的表面，使得上述光路長度的差(從圖像顯示元件20的畫面射出的上方的光線23和下方的光線24之間產生的投影透鏡21到屏幕27的光路長度的差)為相當於點P13和點P14的距離的程度。由此，通過該自由曲面鏡，可以校正上述圖形失真。
另外，可以近似通過下面的式2來求出上述點P13和點P14之間的距離(下面，將其設為Lx)。
Lx＝Dv·(sinθ)/(cosθ』)這裡，θ』是在上述圖2的截面中，從自由曲面鏡射出後的上述圖像顯示元件20的半畫角。例如，若考慮一般可廣泛在市場中得到的彩色圖像顯示裝置的投影光學單元的結構等，將上述半畫角的值設為例如約30度，則上式2成為下面的式3。
Lx＝1.2·(sinθ)·Dv另外，在上述的近似中，還包含了自由曲面鏡配置在距屏幕充分遠的位置上的條件。但是，在該自由曲面鏡接近於屏幕的情況下，上述光路長度的差為更小的值。因此，可以看出上述光路長度的差比上式的值更小就成為條件。由此，在包含多個折射透鏡的第一光學系統中，可以實現由投影光的傾斜入射帶來的梯形失真的校正，而不會偏轉透鏡和增大透鏡直徑。即，根據本實施方式，可以實現減小了該光學系統的進深，且其製造容易的投影光學單元。
這裡，進一步，為了實現製造更容易的投影光學單元，下面，詳細說明用於使上述自由曲面鏡的大小為充分小的條件。
附圖3表示如上述圖1所示，在使用自由曲面鏡(第一自由曲面鏡3和第二自由曲面鏡4)來校正了梯形失真的光學系統中，在其傾斜入射角度θ變化了的情況下，伴隨其變化的進深的值。該進深的值為可實現的裝置的最小值。即，該圖中的曲線的橫軸是傾斜入射角度θ。另一方面，其縱軸表示進深的長度，這裡，該進深的長度通過上述圖1所示的截面內的屏幕上的畫面的大小Dv來規格化，用相對值來表示。另外，這裡所示的進深，是指在通過近軸計算，在通過背面鏡5彎曲的光線彼此不幹涉的條件下，從調整了背面鏡5的位置的結果的光線路徑算出的值。當然其中不包含鏡筒和鏡子厚度等。下面，將其稱作「光學進深」。
即，如該圖3所示，可以看出「傾斜入射角度」θ越大，構成投影光學單元的光學系統的進深(光學進深)可以越小。進一步，該光學系統的進深根據上述圖1中，向著屏幕6上的畫面上方的光線12和向著下方的光線13的擴展角而不同。並且，該擴展角如前所述，在使用了自由曲面形狀的反射面的本發明的光學系統中，與向著畫面上端的光線和向著畫面下端的光線的光路長度的差|L1-L2|相等。因此，該圖3表示了設將光路長度的差的參數為DL，上述光路長度的差|L1-L2|不同的情況下的上述進深的變化。即，表示了光路長度的差(即，DL的值)越大，該光學系統的進深越小。另外，該DL嚴格來說是通過畫面的大小Dv來除上述光路長度的差|L1-L2|的值(DL＝|L1-L2|/Dv)。
這裡，作為使裝置的進深大幅度變小的光學系統，例如為了使光學進深變小到屏幕畫面的大小的0.5倍以下，從上述圖3可以看出，可以使「傾斜入射的角度」θ為35度以上(其中，光路長度的差為(DL＝0.4)的情況下)。
另一方面，上述自由曲面鏡其尺寸越大，其製造越困難。由此，使該自由曲面鏡為廣東規定的大小以下是重要的。例如，在上述圖1所示的構造中，還使背面鏡5的大小為屏幕畫面的約70％以上。在將其應用於50英寸以上的大畫面的背投的情況下，該背面鏡5的大小為超過了500mm的大小。因此，將該背面鏡5的表面加工為滿足上述條件的自由曲面形狀是困難的。即，具有這種大小的自由曲面鏡的製造實際上是困難的。換而言之，在上述圖1所示的結構的背投中，使背面鏡5為自由曲面是不恰當的。
因此，在本實施方式中，還如上述的圖1所示，在通過該背面鏡來彎曲其光路之前的光路上配置上述自由曲面鏡。更具體地提出了在上述屏幕6的下部附近配置自由曲面鏡。進而提出了由第一自由曲面鏡3和第二自由曲面鏡4來構成該自由曲面鏡，配置在上述屏幕6的下部附近的情況。但是，即使這種自由曲面鏡的配置結構，也存在根據條件的不同，該自由曲面鏡的大小從其製造的觀點來看過大的情況。
例如，圖4表示在上述圖1所示的配置結構中，隨著作為大的自由曲面鏡的第二自由曲面鏡4的大小，來求出相對「傾斜入射角度」θ的變化的結果。另外，在該圖4中，其橫軸為「傾斜入射角度」θ，其縱軸表示對於該自由曲面鏡來說所需的大小。這裡，所謂上述自由曲面鏡的大小是指如上述圖1所示的截面內的大小(點P3到P6的距離)，且通過該截面內的屏幕上的畫面的大小Dv來規格化並進行顯示。
如該圖4所示，可以看出「傾斜入射的角度」θ越大，自由曲面鏡大小越大。另外，在上述光路長度的差|L1-L2|不同的情況下，可以看出該光路長度的差越大，自由曲面鏡的大小可以越小。
但是，在為上述圖1所示的結構的例如50英寸等的大畫面的背投的情況下，從使自由曲面鏡的製造變得容易這點來看，希望上述自由曲面鏡4的大小(即，作為其短邊的上述圖1的截面內的尺寸)為屏幕上的畫面大小的約0.3倍以下。
因此，若考慮該條件來看上述圖4，可以看出在該光路長度的差為0.4的情況下，需要使傾斜入射的角度θ為35度以下。另一方面，在該光路長度的差為0.5的情況下，該傾斜入射的角度θ大至接近50度。
這裡，若除了上述圖3的曲線之外，進一步合併圖4的曲線，則為了減小前述的「光學進深」，可以變大該傾斜入射的角度θ。另一方面，為了減小自由曲面鏡的大小，需要減小該傾斜入射的角度θ。即，可以看出兩者對於傾斜入射的角度θ為相反的傾向。因此，可以看出存在不能根據條件使進深和自由曲面鏡的大小兩者同時變小到希望的大小以下的情況。
因此，若著眼於作為上述參數的光路長度的差|L1-L2|(嚴格上，DL＝|L1-L2|/Dv)，可以看出光路長度的差越大，光學進深、自由曲面鏡的大小也同時向越小的方向變化。因此，為了滿足兩者的條件，優選變大光路長度的差。
即，從上述圖3和圖4所示的曲線可以理解，存在同時滿足(1)光學進深為目標值以下；(2)自由曲面鏡的大小也為製造容易的尺寸以下這兩個條件的傾斜入射的角度θ的範圍。並且，為了設置這種傾斜入射的角度θ，應理解上述光路長度的差(嚴格上為DL＝|L1-L2|/Dv)為0.4以上。
另外，上面如上述圖1所示的實施方式所示，以由自由曲面鏡形成的光路的彎曲方向在包含畫面的短邊方向(縱方向)的平面內的結構為基礎來進行說明。但是，可以明白與上述圖1相反，在光路的彎曲方向為包含畫面的長邊方向(水平方向)的平面內的構造的情況下，也可與上述相同地構成。即，在這種結構中，可以減小進深，同時減小上述自由曲面鏡的大小。因此，在這種構造中，當然可以得到製造容易的光學系統。即，如上所述，可以實現在減小背投型圖像顯示裝置的進深的同時，減小自由曲面鏡的大小，由此，使其製造容易的光學單元。
進一步，下面舉該各部分的數值來詳細說明上面說明的本發明的背投型圖像顯示裝置的光學單元的具體實施例。
實施例1使用附圖5～圖7和圖12，進而下面的表1所示的數值，來說明本發明的實施例1。圖5表示了本實施例1的光線圖。即，從在圖的下側配置的圖像顯示元件31射出的光通過由多個折射透鏡構成的第一光學系統32。之後，通過構成第二光學系統的第一自由曲面鏡33、進而第二自由曲面鏡34來進行反射。並且，通過作為平面鏡的背面鏡35的表面來反射，而入射到屏幕36上。
這裡，上述第一光學系統完全是由軸對稱形狀的折射面構成的共軸光學系統，且這些折射面內的4個由軸對稱非球面構成，其他由球面構成。另外，這裡所用的軸對稱的非球面使用每個面的局部(local)圓筒坐標系，來由下面的公式1式表示。
公式1Z=cr21+1-(1+k)c2r2+Ar4+Br6+Cr8+Dr10+Er12+Fr14+Gr16+Hr18+Jr20]]>這裡，r是距光軸的距離，Z表示下陷(sag)量。另外，c是頂點的曲率，k是圓錐常數，A～J是r的冪乘項的係數。
接著，構成上述第二光學系統的自由曲面使用以各面的面頂點為原點的局部正交坐標系(x、y、z)來由包含X、Y的多項式的下面的公式2來表示。
公式2Z=cr21+1-(1+k)c2r2+mn(C(m,n)xmyn)]]>
這裡，Z表示與X軸和Y軸垂直的方向上的自由曲面的形狀的下陷量，c是頂點上的曲率，r是距X、Y軸的平面上的原點的距離，k是圓錐常數，C(m、n)是多項式的係數。
進一步，圖12表示本實施例1的投影透鏡的一構成例，下面的表1中表示了包含構成本實施例1的光學單元的透鏡數據的數值。這裡，若將物體面、即圖像顯示元件的顯示面設為「S0」，則面編號(Surface)依次由符號S0～S28來表示。其中S0～S24對應於圖12的S0～S24表示的各光學要素的面。S1和S2分別是包含合成例如三個圖像顯示元件的顯示圖像用的分色鏡的光合成部的射入射出面。S25～S28對應於圖5的S0～S24所示的各光學要素的面(反射面、屏幕面)。即，S25表示第一自由曲面鏡33的反射面，S26表示第一自由曲面鏡34的反射面，S27表示平面反射鏡35的反射面，並且，S28表示像面，即屏幕面。另外，在該表1中，Rd表示各面的曲率半徑，上述圖5中，該面在左側具有曲率中心的情況下，由正值表示，在與其相反的情況下用負值來表示。另外，在下述表1中，TH表示與下一面的面間距離，具體的，表示從該透鏡面的頂點到下一透鏡面的頂點的距離。另外，在表1中，nd表示圖12中所示的各透鏡元件的折射率、νd表示該透鏡元件的阿貝數。
表1


另外，在上述圖5和圖12中，在相對該透鏡面下一透鏡面存在於左側時該面間距離用正的值來表示，而在右側時用負值來表示。
另外，在上述表1中，S7、S15、S23和S24四個面如上所述由旋轉對稱的非球面構成。這4個面的非球面的係數由下面的表2表示。
表2


另外，在上述的表1中，如上所述，S25和S26表示在上述圖5中，作為第二光學系統的第一自由曲面鏡33和第二自由曲面鏡34的自由曲面形狀的反射面。對於這些反射面的自由曲面的形狀，在下面說明其細節。
首先，設該局部坐標的原點在上述第一光學系統的光軸上，將S25(第一自由曲面鏡33)的自由曲面配置在離開S24表所示的面間距離(TH)的位置上。因此，從圖像顯示元件31的畫面中央通過第一光學系統32的光軸的光線(下面，稱作「中央光線」)入射到上述S25的局部坐標的原點上。
另一方面，S26的局部坐標的Y軸和Z軸位於上述圖5的截面內，該Z軸相對上述中央光線大致傾斜40度地配置。並且，將上述S26的自由曲面配置在其局部坐標地原點位於由上述S25面反射的上述中央光線的路徑上，且離開上述S25面所顯示的面間距離(TH)的位置上。即，該S26的局部坐標的Y軸和Z軸位於上述圖5的截面內，且該Z軸相對入射到第26面的上述中央光線大致傾斜40度地配置。
在下面的表3中表示了表示這兩個自由曲面的形狀的係數的值。
表3


如上所述，在本第一實施例中，兩個自由曲面鏡(第一自由曲面鏡33和第二自由曲面鏡34)間的距離為約180mm，但是為了較好地校正梯形失真，優選這兩個自由曲面鏡的間隔為150mm以上。這是因為若兩個自由曲面鏡過近，則作為兩者的參數的係數功能產生了重複，制約了該失真校正的能力，而不能良好校正梯形失真。
作為上述第一光學系統32的畫角，優選將從圖像顯示元件31上的畫面的上端輸出、通過了該第一光學系統的入射光瞳的中央的光線和光軸所成的角度設為15度以下。由此，可以維持上述兩個自由曲面鏡的間隔，同時保證自由曲面鏡的大小為更小。
進一步，從上述表1、表3中可以看出，在本實施例1中，曲率c和圓錐係數k為0。其在由傾斜入射引起的梯形失真在傾斜入射的方向中極大產生，在與其不同的垂直方向中其失真量減小。因此，在傾斜入射的方向和與此垂直的方向中，需要有極大不同的功能，通過不利用旋轉對稱作用於所有方向上的上述曲率c和圓錐係數k(即，將其值設為0)，而可以良好校正圖形失真。
另外，進一步，在上述實施例1的光學系統中，上述S25的鏡子和S26面的鏡子中，其局部坐標系的坐標軸大致平行地配置，由此，可以良好校正圖形失真和亮點形狀。
在附圖6中表示由在上述中具體表示了其數值的本實施例1的光學單元得到的圖形失真的狀況。另外，該圖6的縱方向(y軸)與上述圖5的上下方向一致，另一方面，其橫方向(x軸)表示與屏幕上的上述y軸垂直的方向，即上述圖5的進深方向。該圖所示的長方形的中央表示投影畫面的中央。並且，在該圖中，通過顯示縱方向四分割、橫方向8分割投影畫面的直線的彎曲狀態，來表示由上述自由曲面鏡(S25的鏡子33和S26的鏡子34)造成的圖形失真的校正狀況。
進一步，在附圖7中表示上述本實施例1的亮點圖表。在該圖7中，從上側開始表示由(1)到(8)的數字表示的亮點圖表的形狀。即，從圖上順序表示該XY坐標的相對值為(1，1)、(0，1)、(0.6，0.6)、(1，0)、(0，0)、(0.6，-0.6)、(1，-1)、(0、-1)8點射出的光束的亮點圖表圖。另外，各亮點圖表圖的橫方向表示屏幕上的x方向，縱方向表示屏幕上的y方向。
從上可以看出上述本實施例1的光學單元顯示了良好的性能。
實施例2接著，使用附圖8～10和12，進一步下面所示的表4～表6，在下面詳細說明光學單元的第二實施例。
首先，圖8表示本實施例2的光線圖。即，從在圖的下側配置的圖像顯示元件41射出的光通過包含多個折射透鏡的第一光學系統42。之後，通過第二光學系統的第一自由曲面鏡43，進一步通過第二自由曲面鏡44來反射。並且，通過作為平面鏡的背面鏡45來反射，併入射到屏幕46上。
這裡，上述第一光學系統完全是由軸對稱形狀的折射面構成的共軸光學系統，且這些折射面內的4個由軸對稱的非球面構成，其他由球面構成。另外，這裡使用的軸對稱非球面使用每個面的局部圓筒坐標系，由已經在上面表示的公式數1來表示。
接著，構成上述第二光學系統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)，由包含X、Y的多項式的已經在上面表示的公式2來表示。
進一步，在下面的表4中表示了包含構成本實施例2的光學單元的透鏡數據的數值。這裡表4的S0～S24對應於圖12的S0～S24表示的各光學單元的面。若設物面、即圖像顯示元件的顯示面為「0」，則依次從S1到S27來表示面編號(Surface)，S28是像面，即屏幕面。另外，與上述實施例1相同，S25表示第一自由曲面鏡43的反射面，S26表示第一自由曲面鏡44的反射面，S27表示平面反射鏡45的反射面。另外，在該表4中，Rd表示各面的曲率半徑，在上述圖8中，在該面在左側具有曲率中心的情況下，用正的值來表示，在與其相反的情況下，用負值來表示。另外，在表4中，TH表示面間距離，表示從該透鏡面的頂點到下一透鏡面的頂點的距離。另外，在該圖8中，在相對該透鏡面，下一透鏡面位於左側的情況下，該面間距離用正值表示，另一方面，在位於右側的情況下，用負值來表示。與表1相同，nd表示圖12所示的各透鏡的折射率，νd表示該透鏡元件的阿貝數。
表4


另外，在該表4中，S7、S15、S23和S24是旋轉對稱的非球面，這4個面的非球面的係數表示在下面的表5中。
表5


另外，在上述的表5中，通過S25和S26構成上述第二光學系統，分別為自由曲面形狀的反射面。
首先，設該局部坐標的原點在上述第一光學系統的光軸上，將S25(第一自由曲面鏡43)的自由曲面配置在離開S24表所示的面間距離(TH)的位置上。因此，從圖像顯示元件41的畫面中央輸出並通過第一光學系統42的光軸上的光線入射到S25的局部坐標的原點上。另外，S25的局部坐標的Y軸和Z軸位於上述圖8的截面內，Z軸相對上述中央光線傾斜了40度地配置。
接著，S26面(第二自由曲面鏡44)的自由曲面在由上述S25反射的上述中央光線的路徑上，在從S25離開了表所示的面間距離(TH)的位置上配置該局部坐標的原點。該S26的局部坐標的Y軸和Z軸也位於上述圖8的截面內，另外，其Z軸相對入射到S28的上述中央光線大致傾斜40度地配置。
在下面的表6中表示了用於表示這兩個自由曲面的形狀用的係數的值。
表6


如上所述，在本第二實施例中，兩個自由曲面鏡(第一自由曲面鏡43和第二自由曲面鏡44)間的距離為約180mm，但是為了較好地校正梯形失真，優選這兩個自由曲面鏡的間隔為150mm以上。這是因為若兩個自由曲面鏡過近，則作為兩者的參數的係數功能產生了重複，制約了該失真校正的能力，而不能良好校正梯形失真。
作為上述第一光學系統42的畫角，優選將從圖像顯示元件41的畫面的上端輸出、通過了該第一光學系統的入射光瞳的中央的光線和光軸所成的角度設為15度以下。由此，可以維持上述兩個自由曲面鏡的間隔，同時保證自由曲面鏡的大小為更小。
進一步，從上述表4、表6中可以看出，在本實施例2中，曲率c和圓錐係數k為0。其在由傾斜入射引起的梯形失真在傾斜入射的方向中極大產生，在與其不同的垂直方向中其失真量減小。因此，在傾斜入射的方向和與此垂直的方向中，需要有極大不同的功能，通過不利用在旋轉對稱中作用於所有方向的上述曲率c和圓錐係數k(即，將其值設為0)，而可以良好校正圖形失真。
另外，進一步，在上述實施例2的光學單元中，上述S25面的自由曲面鏡和S26面的自由曲面鏡中，其局部坐標系的坐標軸大致平行地配置，由此，可以良好校正圖形失真和亮點形狀。
在附圖9中表示由本實施例2的光學單元得到的圖形失真的狀況。另外，該圖9的縱方向(y軸)與上述圖8的上下方向一致，其橫方向(x軸)表示與屏幕上的上述y軸垂直的方向，即上述圖8的進深方向。另外，該圖中所示的長方形的中央是投影畫面的中央。並且，在該圖中，通過顯示縱方向四分割、橫方向8分割投影畫面的直線的彎曲狀態，來表示由上述自由曲面鏡(第25面的鏡子43和第26面的鏡子44)造成的圖形失真的校正狀況。
進一步，圖10中表示由上述實施例2的光學單元得到的亮點圖表。在該圖10中，從上側開始表示由(1)到(8)的數字表示的亮點圖表的形狀。即，從上面順序表示該X、Y坐標的相對值為(1，1)、(0，1)、(0.6，0.6)、(1，0)、(0，0)、(0.6，-0.6)、(1，-1)、(0、-1)8點射出的光束的亮點圖表圖。另外，各亮點圖表圖的橫方向表示屏幕上的X方向，縱方向表示屏幕上的Y方向。
從上可以看出上述本實施例2的光學單元顯示了良好的性能。
如上所述，根據本實施方式，可以實現使裝置的進深尺寸非常小，且其製造也容易的背投型彩色圖形顯示裝置。另外，在上面的說明中，僅說明了背投型的圖像顯示裝置。但是，本實施方式不僅限於該背投型的顯示裝置。例如，在上述的光學系統(單元)中，若為去除背面鏡、且將圖像顯示元件到自由曲面鏡容納在一個裝置內的結構，則可以得到前面投影型的圖像顯示裝置。由此，可以實現裝置到屏幕的距離非常短的緊湊型且由傾斜入射引起的梯形失真小的前面投影型的圖像顯示裝置。
這裡，總結用於上述中各種說明的投影型圖像顯示裝置的投影光學單元。首先，在本實施方式中，在放大在圖像顯示裝置上顯示的圖像來相對屏幕傾斜投影的投影光學單元的結構上存在特徵。本投影光學單元具有包含有旋轉對稱面形狀的多個折射透鏡的第一光學系統、包含具有在將從該第一光學系統射出的光束投影到屏幕上的路徑內配置的一個或多個的自由曲面形狀的反射面的第二光學系統、和一個平面反射面。該圖像顯示元件中，將其顯示畫面的中央配置在該第一光學系統的光軸上。並且，本實施方式的特徵在於在與屏幕法線平行的垂直截面中，在將入射到上述圖1所示的屏幕上端的光線12的光路長度設為L1，將入射到屏幕下端的光線13的光路長度設為L2時，設該反射鏡為自由曲面形狀，使得L1和L2的差的絕對值|L1-L2|比該第二光學系統的反射面為平面的情況更小。
另外，上述自由曲面的反射面的形狀例如如下那樣。即，反射鏡的、反射具有第一光學距離的光線(例如，圖1的光線12)的部分彎曲為凹面面向著其反射方向而具有正的光焦度。另外，反射鏡的、反射具有比第一光學距離短的第二光學距離的光線(例如，圖1的光線13)的部分彎曲為凸面向著其反射方向而具有負的光焦度。
進一步，根據本實施方式，提供上述L1和L2、從屏幕上的畫面的上端到下端的距離Dv、入射到該屏幕畫面的中央的光線和該屏幕的法線所成的角度θ滿足下面的式子的投影光學單元。
|L1-L2|＜1.2·sinθ·Dv另外，在上述的投影光學單元中，提供滿足上述光路長度L1、上述光路長度L2、上述屏幕上的畫面的上端到下端的距離Dv滿足下面的條件式的投影光學單元。
|L1-L2|＞0.4·Dv由此，可以使具有上述自由曲面形狀的反射面的有效大小充分小，可以實現更容易製造的投影裝置。
進一步，在本實施方式的投影光學單元中，上述第二光學系統由兩個自由曲面鏡構成。並且，這些自由曲面鏡的反射面之間的、沿著從圖像顯示元件的畫面中央通過第一光學系統的入射光瞳的中央的光線的距離為150mm以上。由此，可以良好校正傾斜投影的梯形失真。
進一步，在本實施方式的投影光學單元中，在上述垂直截面中，從圖像顯示元件上的畫面的上端輸出並通過第一光學系統的入射光瞳的中央的光線和光軸所成的角度為15度以下。由此，可以減小上述自由面反射面的大小，可以實現製造容易的投影裝置。進一步，本實施方式的投影光學單元中具有該自由曲面形狀的反射面的形狀僅由對X、Y坐標的多項式來表示，不用產生旋轉對稱形狀的係數。另外，本實施方式的投影光學單元中，上述第二光學系統由兩個自由曲面鏡構成。並且，這兩個面的局部坐標系的各坐標軸彼此大致平行地配置。
通過上面所述的結構，本實施方式可以得到減小了在傾斜投影中屏幕上的圖像的失真的良好的畫質，同時可以縮短裝置的進深。
權利要求
1.一種投影型圖像顯示裝置，其特徵在於，包括圖像顯示元件；屏幕；第一光學系統，包含多個用於放大所述圖像顯示元件上的顯示圖像並進行投影的透鏡；以及第二光學系統，將來自所述第一光學系統的放大圖像相對所述屏幕的法線以預定的角度來進行投影，其中，所述第二光學系統包含光學元件，該光學元件具有用於將來自所述第一光學系統的放大圖像進行反射並導至所述屏幕的曲面，在通過所述光學元件來反射而入射到所述屏幕的光的光路長度為光學距離時，彎曲該光學元件的、以第一光學距離來反射光的部分，使得凹面向著其反射方向，彎曲以比所述第一光學距離短的第二光學距離來反射光的部分，使得凸面向著其反射方向。
2.根據權利要求1所述的投影圖像顯示裝置，其特徵在於所述光學元件是其反射面為自由曲面形狀的曲面反射鏡，所述第二光學系統從所述屏幕的下方相對所述屏幕的法線以預定的角度進行投影，所述曲面反射鏡，彎曲對比所述圖像顯示元件的中心更靠上方的圖像的光進行反射的部分，使得凹面向著其反射方向，且彎曲對比所述圖像顯示元件的中心更靠下方的圖像的光進行反射的部分，使得凸面向著其反射方向。
3.根據權利要求1所述的投影圖像顯示裝置，其特徵在於進一步包含平板狀的背面鏡，用於反射來自所述光學元件的放大圖像，並投影到所述屏幕的背面側。
4.根據權利要求3所述的投影圖像顯示裝置，其特徵在於將所述光學元件配置在所述背面鏡的下方。
5.根據權利要求4所述的投影圖像顯示裝置，其特徵在於所述光學元件包括其反射面為自由曲面形狀的至少兩個鏡。
6.一種投影型圖像顯示裝置，其特徵在於，包括圖像顯示元件；屏幕；第一光學系統，是包含多個用於放大所述圖像顯示元件上顯示的圖像並進行投影的透鏡，且光軸通過所述圖像顯示元件的大致中心，由對於該光軸對稱的形狀的面構成的共軸光學系統；第二光學系統，將來自所述第一光學系統的放大圖像相對所述屏幕傾斜投影；其中所述第二光學系統包括光學元件，該光學元件具有用於校正通過所述放大圖像的傾斜投影產生的梯形失真和/或像差的自由曲面。
7.根據權利要求6所述的投影圖像顯示裝置，其特徵在於所述光學元件的自由曲面包含至少一個鏡面。
8.根據權利要求6所述的投影圖像顯示裝置，其特徵在於所述光學元件包含為自由曲面形狀的曲面反射鏡，彎曲該曲面反射鏡的、對比所述圖像顯示元件的中心更靠上方的圖像的光進行反射的部分，使得凹面向著其反射方向並具有正的光焦度(power)，且彎曲對比所述圖像顯示元件的中心更靠下方的圖像的光進行反射的部分，使得凸面向著其反射方向並具有負的光焦度。
9.一種用於投影圖像顯示裝置的投影光學單元，其特徵在於，包括第一光學系統，包括多個用於放大在所述圖像顯示元件上顯示的圖像並進行投影的透鏡，且光軸與所述圖像顯示元件的中心軸大致相等；和第二光學系統，將來自所述第一光學系統的放大圖像相對所述屏幕的法線以預定的角度投影到該屏幕上，其中所述第二光學系統包含光學元件，該光學元件具有用於對來自所述第一光學系統的放大圖像進行反射並導至所述屏幕的、為自由曲面形狀的反射面；彎曲所述光學元件的、對比所述圖像顯示元件的中心更靠上方的圖像進行反射的部分，使得凹面向著其反射方向，且彎曲對比所述圖像顯示元件的中心更靠下方的圖像進行反射的部分，使其凸面向著其反射方向。
10.根據權利要求9所述的投影圖像顯示裝置，其特徵在於所述光學元件是自由曲面形狀的曲面反射鏡。
11.根據權利要求10所述的投影圖像顯示裝置，其特徵在於所述光學元件包含兩個所述曲面反射鏡。
12.根據權利要求9所述的投影圖像顯示裝置，其特徵在於在與所述屏幕的法線平行的該屏幕的垂直方向的面內，在設該放大圖像的上端的光線通過所述反射面來反射而達到所述屏幕上的距離為L1、所述放大圖像的下端的光線通過所述反射面來反射而到達所述屏幕上的距離為L2，所述屏幕上的畫面的上端到下端的距離為Dv，入射到所述屏幕畫面的中央的光線和該屏幕的法線所成的角度為θ時，構成為滿足下面的式子|L1-L2|＜1.2·sin θ·Dv
13.根據權利要求9所述的投影圖像顯示裝置，其特徵在於在與所述屏幕的法線平行的該屏幕的垂直方向的面內，在設該放大圖像的上端的光線通過所述反射面來反射而達到所述屏幕上的距離為L1、所述放大圖像的下端的光線通過所述反射面來反射而到達所述屏幕上的距離為L2，所述屏幕上的畫面的上端到下端的距離為Dv時，形成這些，使其滿足下面的式子|L1-L2|＞0.4·Dv
14.根據權利要求9所述的投影圖像顯示裝置，其特徵在於對比所述圖像顯示元件的中心更靠上方的圖像進行反射的部分具有正的光焦度，對比所述圖像顯示元件的中心更靠下方的圖像進行反射的部分具有負的光焦度。
15.一種用於投影型圖像顯示裝置的投影光學單元，其特徵在於，包括第一光學系統，是包括多個用於放大在所述圖像顯示元件上顯示的圖像並進行投影的透鏡，且光軸通過所述圖像顯示元件的大致中心，由對於該光軸對稱的形狀的面構成的共軸光學系統；和第二光學系統，用於將來自所述第一光學系統的放大圖像相對所述屏幕傾斜投影，其中所述第二光學系統包括光學元件，該光學元件具有用於校正通過所述放大圖像的傾斜投影產生的梯形失真和/或像差的自由曲面。
16.根據權利要求15所述的投影圖像顯示裝置，其特徵在於所述光學元件包含至少一個鏡面。
17.根據權利要求15所述的投影圖像顯示裝置，其特徵在於所述光學元件包含為自由曲面形狀的曲面反射鏡，彎曲該曲面反射鏡的、對比所述圖像顯示元件的中心更靠上方的圖像進行反射的部分，使得凹面向著其反射方向，並具有正的光焦度，且彎曲對比所述圖像顯示元件的中心更靠下方的圖像的進行反射的部分，使得凸面向著其反射方向並具有負的光焦度。
全文摘要
本發明提供一種即使將圖像傾斜地放大投影到屏幕上也可抑制梯形失真的投影圖像顯示裝置及其使用的投影光學單元。在通過投影透鏡(2)來放大在圖像顯示元件(1)上的圖像、相對屏幕(6)傾斜投影來顯示放大圖像的投影型圖像顯示裝置中，在投影透鏡(2)和背面鏡(5)之間配置具有用於校正由放大圖像的傾斜投影產生的梯形失真的自由曲面的自由曲面鏡(3、4)，且形成該表面形狀，設在放大圖像的上端的光線通過自由曲面來折射且到達屏幕上的距離為L1，放大圖像的下端的光線通過自由曲面來折射且到達屏幕上的距離為L2，屏幕上的畫面的上端到下端的距離為Dv時，至少滿足|L1－L2|＞0.4·Dv。
文檔編號G03B21/00GK1769953SQ200510087779
公開日2006年5月10日 申請日期2005年8月8日 優先權日2004年11月1日
發明者久田隆紀, 谷津雅彥, 平田浩二 申請人:株式會社日立製作所