專利名稱：投影光學(xué)單元和使用它的投影型圖像顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種向屏幕上投影放大圖像來進(jìn)行圖像顯示的投影型圖像顯示裝置，以及它所使用的投影光學(xué)單元。
背景技術(shù)：
在利用投影光學(xué)單元向屏幕上放大投影圖像顯示元件的圖像的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，并且縮短裝置的深度(進(jìn)深厚度)。為了達(dá)到這個(gè)目的，已經(jīng)知道例如，如日本特開平5-134213號(hào)公報(bào)(文獻(xiàn)1)、日本特開2000-162544號(hào)公報(bào)(文獻(xiàn)2)和日本特開2002-357768號(hào)公報(bào)(文獻(xiàn)3)中所記載的那樣，從傾斜方向?qū)ζ聊贿M(jìn)行放大投影之構(gòu)成的投影光學(xué)單元。
如果從傾斜方向?qū)χ聊煌队皥D像，投影圖像就會(huì)產(chǎn)生所謂的梯形失真。為了消除該問題，在上述文獻(xiàn)1所記載的投影光學(xué)單元中，將配置在屏幕側(cè)的遠(yuǎn)焦轉(zhuǎn)換器形成為偏心、抑制梯形失真的構(gòu)成。文獻(xiàn)1中所公開的遠(yuǎn)焦轉(zhuǎn)換器由于倍率低所以廣角化困難，不能實(shí)現(xiàn)裝置的薄型化。
在上述文獻(xiàn)2所記載的投影光學(xué)單元中，作為背面投影型彩色圖像顯示裝置，越充分進(jìn)行薄型化，廣角化越困難。另外，由于需要使得使用的透鏡個(gè)別進(jìn)行偏心，所以具有制造困難的問題。
此外，上述文獻(xiàn)3所記載的投影光學(xué)單元，具有具有正的放大倍數(shù)(power)的第一折射透鏡系、具有負(fù)的放大倍數(shù)的第二折射透鏡系、光路往返的反射鏡，形成為具有負(fù)的放大倍數(shù)的第二折射透鏡系內(nèi)，至少2個(gè)其旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性不同的偏心系。為此，具有這樣的問題在制造時(shí)難于確保各個(gè)透鏡的位置精度，制造困難。
在投影光學(xué)單元中，為了進(jìn)一步縮短其深度，從傾斜方向?qū)ζ聊贿M(jìn)行放大投影，在這樣的所謂傾斜投影中，需要進(jìn)一步加大傾斜投影的角度。但是，如果進(jìn)一步加大傾斜投影的角度，梯形失真就更加大，就需要進(jìn)一步加大用于修正梯形失真的偏心量，所以制造更加困難，另外，與此關(guān)聯(lián)，透鏡直徑也進(jìn)一步變大，所以在上述現(xiàn)有的光學(xué)系統(tǒng)中，進(jìn)一步減少深度(厚度)是困難的。
另外，在背面投影型顯示裝置中，不僅要求深度，而且也要求變?yōu)榫o湊的外部形狀那樣的進(jìn)一步減小屏幕下部的高度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于這樣的問題作出的，本發(fā)明提供一種將背面投影型顯示裝置小型化的合適技術(shù)。
本發(fā)明的特征在于，在相對(duì)屏幕的主平面的法線以規(guī)定的角度放大投影圖像，即進(jìn)行斜投影的情況下，對(duì)于上述圖像的放大所使用的投影透鏡，使用具有旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱形狀的至少1個(gè)非對(duì)稱透鏡(例如，具有自由曲面的透鏡，在下面，將其稱為自由曲面透鏡)?？梢允?，該自由曲面透鏡的向著光的射出方向凹進(jìn)、且向所述屏幕的下端入射的光線所通過的部分的曲率，比向所述屏幕的上端入射的光線通過的部分的曲率大。
另外，本發(fā)明的特征在于，還組合使用包含所述自由曲面透鏡的投影透鏡；反射從該投影透鏡射出的光、其反射面具有向著反射方向凸出之形狀的旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱凸面反射鏡(例如，具有自由曲面的反射鏡，下面，將其稱為自由曲面鏡)。可以是，該自由曲面鏡形成為使得反射向屏幕下端入射的光線的部分的曲率，比反射向所述屏幕的上端入射的光線的部分的曲率大。另外，可以是，自由曲面鏡的反射向屏幕的下端入射的光線的部分，相對(duì)其反射方向?yàn)橥钩鲂螤?，反射向所述屏幕的上端入射的光線的部分，沿著其反射方向?yàn)榘歼M(jìn)的形狀。
象以上這樣，如果根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)在減少光學(xué)深度(進(jìn)深)的同時(shí)也減少屏幕下部的高度的小型裝置。


圖1是表示本發(fā)明的投影光學(xué)單元的基本構(gòu)成的截面圖。
圖2是表示透過型透鏡的效果的概念圖。
圖3是表示向屏幕斜投影的概念圖。
圖4是表示本發(fā)明的實(shí)施例1的構(gòu)成和光路的YZ截面圖。
圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施例1的構(gòu)成和光路的XZ截面圖。
圖6是本發(fā)明的實(shí)施例1的變形性能。
圖7是本發(fā)明的實(shí)施例1的斑點(diǎn)性能。
圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施例2的構(gòu)成和光路的截面圖。
圖9是本發(fā)明的實(shí)施例2的變形性能。
圖10是本發(fā)明的實(shí)施例2的斑點(diǎn)性能。
圖11是表示本發(fā)明的實(shí)施例3的構(gòu)成和光路的截面圖。
圖12是本發(fā)明的實(shí)施例3的變形性能。
圖13是本發(fā)明的實(shí)施例3的斑點(diǎn)性能。
圖14是表示本發(fā)明的實(shí)施例4的構(gòu)成和光路的截面圖。
圖15是本發(fā)明的實(shí)施例4的變形性能。
圖16是本發(fā)明的實(shí)施例4的斑點(diǎn)性能。
圖17是本發(fā)明的光學(xué)單元的截面圖。
圖18是表示本發(fā)明的光學(xué)單元的透鏡配置的圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖來說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
圖1是表示使用本發(fā)明的投影光學(xué)單元的背面投影型投影裝置的基本光學(xué)構(gòu)成的截面圖。圖1以XYZ直角坐標(biāo)系中的YZ截面來表示光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成。這里，XYZ直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)設(shè)為圖像顯示元件1的顯示畫面的中央，Z軸與屏幕6的法線平行，Y軸與屏幕畫面的短邊平行，即畫面垂直方向，X軸與屏幕畫面的長邊平行，即設(shè)為畫面水平方向。
如圖1所示那樣，從圖像顯示元件1射出的光，入射到由多個(gè)透鏡構(gòu)成的第一光學(xué)系統(tǒng)中。第一光學(xué)系統(tǒng)包括前組2和后組3。來自圖像顯示元件1的光，首先通過包括具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面形狀的多個(gè)折射透鏡的前組2。之后，通過包含具有至少一個(gè)面不是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱)的自由曲面形狀的兩個(gè)透鏡的后組3。然后，由至少包含一個(gè)具有非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的自由曲面形狀的反射面的反射鏡(下面稱為自由曲面鏡)4的第二光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行反射，之后，由具有平面反射面的背面反射鏡5反射，入射到屏幕6上。
這里，所述圖像顯示元件1可以是自發(fā)光型，也可以是液晶面板這樣的透過型。在透過型情況下必需的、照射液晶面板的燈等，與本實(shí)施方式的特征沒有直接關(guān)系，所以省略了其圖示。另外，圖像顯示元件1也可以是所謂的3板式那樣的合成多個(gè)圖的方式。這種情況下，圖像合成用的棱鏡等是必需的，但也同樣地省略了其圖示。
在本實(shí)施方式中，如圖1所示那樣，上述圖像顯示元件1的顯示畫面的中央配置在上述第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸上。因此，從上述圖像顯示元件1的顯示畫面的中央射出，通過上述第一光學(xué)系統(tǒng)的入射孔的中央，射向屏幕6上的畫面中央的光線11，基本上沿著上述第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸進(jìn)入(下面，將其稱為畫面中央光線)。該畫面中央光線，在上述第二光學(xué)系統(tǒng)的具有自由曲面形狀的反射面4上的點(diǎn)P2反射后，在背面反射鏡5上的點(diǎn)P5反射，相對(duì)屏幕的法線8從屏幕6的下方傾斜入射到屏幕6上畫面中央的點(diǎn)P8。在下面將該角度稱為“傾斜入射角度”，以θs表示。即，沿著所述第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸通過的光線，相對(duì)屏幕傾斜入射，實(shí)質(zhì)上，第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸相對(duì)屏幕傾斜設(shè)置。如果利用這樣的方法傾斜入射到屏幕上，除了投影的長方形形狀變?yōu)樘菪蔚乃^梯形失真之外，還對(duì)于光軸產(chǎn)生不是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的各種像差，利用所述第一光學(xué)系統(tǒng)的后組和所述第二光學(xué)系統(tǒng)的反射面來修正它。
作為實(shí)現(xiàn)這樣的傾斜投影的部件，能夠配置具有自由曲面形狀的反射面，代替所述第一光學(xué)系統(tǒng)的后組這樣的具有自由曲面形狀的透鏡，來修正像差。圖2表示了使用反射面代替這樣的自由曲面透鏡之情況下的例子，以及不使用反射面而使用自由曲面透鏡之情況下的例子。在圖2中，首先，以本實(shí)施方式的構(gòu)成為基礎(chǔ)，利用實(shí)線表示整體構(gòu)成。即，從圖像顯示元件21射出光線，通過第一光學(xué)系統(tǒng)的前組22，通過由具有自由曲面形狀的透過型透鏡構(gòu)成的第一光學(xué)系統(tǒng)的后組23，利用由具有自由曲面形狀的反射面構(gòu)成的第二光學(xué)系統(tǒng)24反射，經(jīng)過背面反射鏡25入射到屏幕26上。這里，利用圖2的虛線表示，使用不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的具有自由曲面形狀的第二反射面27來代替所述第一光學(xué)系統(tǒng)的后組透鏡23的情況下的構(gòu)成。如圖2的虛線所示的那樣，在使用第二反射面27的情況下，在入射到反射面的光線和反射的光線重合的區(qū)域28，不能配置透鏡等的光學(xué)元件，全部光線變大。特別是，從屏幕向下方伸長，實(shí)現(xiàn)減小屏幕的下部高度的小型光學(xué)系統(tǒng)是困難的。
與此相對(duì)，在使用具有旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱自由曲面形狀的自由曲面透鏡23來代替所述反射面27的情況下，能夠縮短該透鏡23和第一光學(xué)系統(tǒng)的前組22的間隔來配置。整體上變得緊湊，具有能夠減小屏幕的下部的高度的效果。這樣，通過組合具有自由曲面形狀的透過型透鏡和具有自由曲面形狀的反射面，能夠?qū)崿F(xiàn)減小深度(進(jìn)深)和屏幕下部的高度的小型光學(xué)系統(tǒng)?？梢允?，該自由曲面透鏡向著其光射出方向凹進(jìn)，且入射到所述屏幕的下端的光線通過的部分的曲率，比入射到所述屏幕的上端的光線通過的部分的曲率大。
這里，自由曲面透鏡23向著光射出方向凹進(jìn)彎曲，而且，具有入射到屏幕下端的光線通過部分的曲率，比入射到所述屏幕上端的光線通過的部分的曲率大的形狀。
此時(shí)，在使用自由曲面透鏡23的情況下，所述圖像顯示元件21的位置看起來相對(duì)屏幕的法線方向變遠(yuǎn)，深度變深。該深度能夠通過使用彎曲反射鏡來降低。即，在自由曲面鏡24和所述第一光學(xué)系統(tǒng)的后組23之間，或者所述第一光學(xué)系統(tǒng)的前組22和后組23之間，或者在前組22的途中，配置彎曲反射鏡。而且，將第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸相對(duì)圖2所示的截面基本上沿著垂直方向彎曲。通過這樣，能夠防止深度的增大。
另外，在本實(shí)施方式中，構(gòu)成為滿足下面的條件。在圖1所示的截面中，將從上述圖像顯示元件1的畫面下端射出并且通過第一光學(xué)系統(tǒng)2的入射孔的中央，入射到屏幕6的畫面上端的點(diǎn)P9的光線，設(shè)為光線12。將從該光線12通過自由曲面鏡4的點(diǎn)P3開始，經(jīng)過背面反射鏡上的點(diǎn)P6，到屏幕上的點(diǎn)P9的光路長，設(shè)為L1。另外，將從上述圖像顯示元件1的畫面上端射出并且通過第一光學(xué)系統(tǒng)2的入射孔的中央，入射到屏幕6的畫面下端的點(diǎn)P7的光線，設(shè)為光線13。將從該光線13通過自由曲面鏡4的點(diǎn)P1開始，經(jīng)過背面反射鏡上的點(diǎn)P4，到達(dá)屏幕上的點(diǎn)P7的光路長設(shè)為L2。在本投影光學(xué)單元中，構(gòu)成為上述L1、L2滿足下面的公式(公式1)|L1-L2|＜1.2*sin θs*Dv但是，Dv是圖1的截面中屏幕上畫面的大小，換言之，是屏幕上從畫面上端的點(diǎn)P9到畫面下端的點(diǎn)P7的距離。另外，θs是上述傾斜入射角度。
這里，說明上述條件的理由。圖3表示了將共軸光學(xué)系統(tǒng)的投影透鏡相對(duì)屏幕傾斜，傾斜入射的情況下的概念圖。在圖3中，考慮這種情況，從置于投影光學(xué)系統(tǒng)41的光軸上的圖像顯示元件40的畫面中央沿著光軸射出的光線42到達(dá)屏幕47的情況。此時(shí)，屏幕附近的與光線42垂直方向的畫面的大小，是與光線42垂直的線與上側(cè)的光線43的交點(diǎn)和與下側(cè)的光線44的交點(diǎn)的距離，這個(gè)是原來畫面的大小的Dv。但是，由于是傾斜入射，畫面上側(cè)的光線43在屏幕上到達(dá)點(diǎn)P12，在屏幕上的畫面成為比Dv大的圖形的變形。另外，此時(shí)，畫面上側(cè)的光線43和下側(cè)的光線44，在從投影透鏡到屏幕的光路長度上產(chǎn)生差。該光路長度的差的大小，近似地等于與畫面中央的光線42垂直的線與畫面上側(cè)的光線43的交點(diǎn)P11，和光線43與屏幕47的交點(diǎn)P12的距離。
這里，如果考慮在投影透鏡41的外側(cè)直接配置使用自由曲面的光學(xué)元件，來修正所述圖像失真，就在屏幕上，例如，畫面上側(cè)就從點(diǎn)P12移動(dòng)到P14，下側(cè)的點(diǎn)也同樣移動(dòng)，畫面的大小變?yōu)楸緛淼拇笮〉腄v。此時(shí)，畫面上側(cè)的光線45和畫面下側(cè)的光線46的光路長度差，近似地相當(dāng)于點(diǎn)P13和P14的距離，比圖形失真修正前小。即，上述光路長度的差減小為相當(dāng)于點(diǎn)P13和點(diǎn)P14的距離，由此能夠確認(rèn)可修正圖像失真。點(diǎn)P13和點(diǎn)P14的距離的大小(下面將其設(shè)為Lx)，近似地如下式(公式2)Lx＝Dv*(sinθs)/(cosθ’)這里，θ’是從自由曲面鏡射出后在圖2的截面內(nèi)的半視場(chǎng)角，如果將其設(shè)為大約30度，上式近似地變?yōu)橄旅娴墓?公式3)
Lx＝1.2*(sinθ)*Dv在上述近似中，包含自由曲面鏡充分遠(yuǎn)的條件，但考慮到，在自由曲面鏡接近屏幕的情況下，上述光路長度的差進(jìn)一步變小。因此，上述光路長度的差比上式的值還小變?yōu)闂l件，利用公式1表現(xiàn)。
以上的說明與自由曲面鏡和屏幕的間隔相關(guān)聯(lián)進(jìn)行。但是，既使在修正像差的自由曲面僅為折射面的情況下，關(guān)于路線上距屏幕最近的自由曲面和屏幕之間的光路長度，上述條件成立，這不用說。
通過這樣，將圖像顯示元件1的顯示畫面配置在第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸上附近，對(duì)于第一光學(xué)系統(tǒng)不會(huì)導(dǎo)致透鏡直徑的增大等，而且，能夠?qū)崿F(xiàn)由于傾斜入射導(dǎo)致的梯形失真的修正。此外，能夠?qū)崿F(xiàn)在減小組件的光學(xué)深度的同時(shí)容易制造的投影光學(xué)單元。
另一方面，可以是，所述圖像顯示元件1，將其顯示畫面的中央配置在所述第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸上，而該顯示畫面的法線相對(duì)所述第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸傾斜配置。如果看圖1，也象前述那樣，從點(diǎn)P3經(jīng)過點(diǎn)P6到達(dá)點(diǎn)P9的光路長度，比從點(diǎn)P1開始經(jīng)過點(diǎn)P4到達(dá)點(diǎn)P7的光路長度長。這意味著從第一光學(xué)系統(tǒng)看，屏幕上的像點(diǎn)P9比像點(diǎn)P7還遠(yuǎn)。這里，如果與屏幕上的像點(diǎn)P9對(duì)應(yīng)的物點(diǎn)(顯示畫面上的點(diǎn))成為更接近第一光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)，或者，與像點(diǎn)P7對(duì)應(yīng)的物點(diǎn)成為距離第一光學(xué)系統(tǒng)更遠(yuǎn)的點(diǎn)，就能夠修正像面的傾斜。為此，使得在包含屏幕6的法線和畫面中央光線的平面內(nèi)，所述圖像顯示元件1的顯示畫面中央的法線矢量相對(duì)第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸傾斜。而且，該傾斜方向也可以為屏幕6所位于的方向。
已經(jīng)知道為了得到相對(duì)光軸傾斜的像平面而傾斜物平面的方法，但是，在實(shí)用大小的視場(chǎng)角，由于物平面的傾斜導(dǎo)致的像面，會(huì)相對(duì)光軸產(chǎn)生非對(duì)稱變形，利用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的投影透鏡進(jìn)行修正是困難的。在本實(shí)施方式中，由于使用非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的自由曲面透鏡，所以能夠與非對(duì)稱的像面變形對(duì)應(yīng)。為此，如果傾斜物平面，即傾斜圖像顯示元件的顯示面，能夠大大降低低階像面失真，在有助于由自由曲面進(jìn)行的像差修正方面是有效的。
另外，優(yōu)選是，沿著畫面中央光源11，由所述第二光學(xué)系統(tǒng)的反射面上的點(diǎn)P2反射的、經(jīng)過平面反射鏡5上的點(diǎn)P5到達(dá)屏幕的畫面中央的點(diǎn)P8的光路長度，如下面這樣。即，該光路長度處于圖1的截面中從屏幕6的畫面的上端到下端的距離的0.8倍到1.2倍范圍內(nèi)，可較好地修正向屏幕傾斜入射的梯形失真。
在這樣的條件基礎(chǔ)上，可看出本實(shí)施方式除了所述方法之外，能夠進(jìn)一步降低屏幕下部的高度的、下面的條件。即，屏幕6上的畫面中央的點(diǎn)P8和所述第二光學(xué)系統(tǒng)的反射面上的點(diǎn)P2的距離，是大約圖1中的從屏幕上畫面的上端到下端的距離的1/2的1.3倍左右。從所述點(diǎn)P2開始經(jīng)過點(diǎn)P5到達(dá)點(diǎn)P8的光路長度如果處于所述條件的范圍內(nèi)，就成為該點(diǎn)P2和點(diǎn)P8的距離的大致1.5倍。這種情況下，從點(diǎn)P2入射到點(diǎn)P5的光線，與從點(diǎn)P5向著點(diǎn)P8反射的光線所成的角度，大致為90度。如果在點(diǎn)P5，從點(diǎn)P2入射的光線與向著點(diǎn)P8的光線所成的角度為大致90度，在所述第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸9相對(duì)屏幕的法線8順時(shí)針方向傾斜的情況下，與屏幕法線8所成的角度α如下面的公式(公式4)α＝θs+2*θm-90在所述第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸9相對(duì)屏幕的法線向下側(cè)大大傾斜的情況下，第一光學(xué)系統(tǒng)的下端比自由曲面鏡4的下端還向下，所以屏幕的下部變高。如果第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸與屏幕的法線大致平行地接近，第一光學(xué)系統(tǒng)的下端比第二光學(xué)系統(tǒng)的反射面的下端還向上，能夠進(jìn)一步減小屏幕的下部的高度，變得極小。這樣，為了使得所述第一光學(xué)系統(tǒng)的下端比自由曲面鏡的下端還向上，可使所述α值大約小于5度，所以可利用下面的公式設(shè)定(公式5)(θs+2*θm)＜95下面，描述關(guān)于各個(gè)光學(xué)象素的作用，所述第一光學(xué)系統(tǒng)的該前組2，是用于將所述圖像顯示元件1的顯示畫面投影到屏幕上的主透鏡，修正旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的光學(xué)系統(tǒng)的基本像差。所述第一光學(xué)系統(tǒng)的后組3，由具有非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的自由曲面形狀的透鏡構(gòu)成，所述第二光學(xué)系統(tǒng)由具有非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的自由曲面形狀的反射面構(gòu)成，所以主要地進(jìn)行由于傾斜入射而產(chǎn)生的像差的修正。即，所述第二光學(xué)系統(tǒng)主要修正梯形失真，第一光學(xué)系統(tǒng)的后組主要進(jìn)行像面失真等非對(duì)稱的像差修正。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所述第二光學(xué)系統(tǒng)由具有非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的自由曲面形狀的1個(gè)反射面構(gòu)成，所述第一光學(xué)系統(tǒng)的后組由兩面同時(shí)具有非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的自由曲面形狀的2個(gè)透過型透鏡構(gòu)成。這里，自由曲面鏡彎曲成向著反射方向凸出。而且，自由曲面鏡的反射向屏幕下端入射的光線的部分的曲率，比反射向所述屏幕上端入射的光線的部分的曲率大。另外，反射向屏幕下端入射的光線的部分形成為相對(duì)該反射方向凸出的形狀，反射向所述屏幕的上端入射的光線的部分形成為沿著反射方向凹進(jìn)的形狀。
可以是，第二光學(xué)系統(tǒng)的反射面的坐標(biāo)原點(diǎn)與前組中最接近第二光學(xué)系統(tǒng)的反射面的透鏡面的光軸方向的距離，設(shè)定為前組的焦點(diǎn)距離的5倍以上。通過這樣，利用第二光學(xué)系統(tǒng)的具有自由曲面形狀的反射面，可有效地修正梯形失真像差，能夠得到良好的性能。
另一方面，自由曲面鏡的尺寸越大制造越非常困難，所以，設(shè)為規(guī)定的大小以下是重要的。例如，圖1所示的背面反射鏡5的大小為屏幕畫面的大約70％以上，所以，利用50型以上這樣大畫面的背面投影機(jī)就變?yōu)槌^500mm的尺寸，如果將其制成自由曲面形狀，制造就非常困難。因此，利用背面投影機(jī)，將該背面反射鏡制成自由曲面是不合適的。這里，在本實(shí)施方式中，象圖1所示那樣，將自由曲面鏡5的尺寸設(shè)為小于平面反射鏡3的尺寸，將該自由反射鏡5配置在平面反射鏡3的下方。而且，來自投影透鏡2的圖像光以自由曲面鏡5、平面反射鏡的順序進(jìn)行反射，投影到屏幕3上。以上的說明基于圖1所示的實(shí)施方式來進(jìn)行。但是，由反射鏡導(dǎo)致的光路的彎曲方向，與圖1相反地處于包含畫面長邊的平面內(nèi)的情況下，與上述說明的實(shí)施方式同樣地能夠使用。
通過這樣，在具有折射面的投影透鏡2中，不會(huì)導(dǎo)致透鏡的偏心或者透鏡直徑的增大，另外，能夠不增加透鏡個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)由傾斜入射導(dǎo)致的梯形失真的修正。此外，能夠?qū)崿F(xiàn)減小深度且容易制造的投影光學(xué)單元。此外，如果根據(jù)本實(shí)施方式，能夠提供減小深度和屏幕下部的高度的小型裝置，能夠提供由小的自由曲面鏡容易制造的光學(xué)系統(tǒng)。
下面，說明本發(fā)明的具體數(shù)值實(shí)施例。
實(shí)施例1使用從圖4到圖7和從表1到表4，來說明使用具體數(shù)值的本實(shí)施例的一個(gè)具體例子。圖4和圖5表示了基于第一數(shù)值例的本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的光線圖。在所述XYZ直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，圖4表示了YZ截面，圖5表示了XZ截面的構(gòu)造。在圖1中，表示了在投影透鏡2的前組12的途中設(shè)置彎曲反射鏡，將光路沿著X軸方向彎曲一次的例子。在圖4中，省略了該彎曲反射鏡，將光學(xué)系統(tǒng)沿著Z軸方向展開表示。圖5表示了將包含彎曲反射鏡的光路彎曲之狀態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)。彎曲反射鏡的設(shè)置位置和角度具有一些隨意性，不會(huì)對(duì)各個(gè)光學(xué)元件的性能造成影響。因此，在下面的說明中，省略了彎曲反射鏡來進(jìn)行說明。
在本例子中，從圖4的下側(cè)顯示的圖像顯示元件51射出的光，首先通過包含多個(gè)透鏡的投影透鏡2中僅由僅具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形狀面的透鏡構(gòu)成的前組52。然后，通過包含非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的自由曲面透鏡的后組53，由作為第二光學(xué)系統(tǒng)的自由曲面鏡54的反射面反射，該反射光由平面反射鏡55反射后，入射到屏幕56。
這里，投影透鏡2的前組52由全部具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形狀的折射面的多個(gè)透鏡構(gòu)成，各個(gè)折射面中的4個(gè)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面，其它是球面。這里使用的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面，各個(gè)面使用局部圓筒坐標(biāo)系，利用下面的公式表示。
公式6Z=cr21+1-(1+k)c2r2+A·r4+B·r6+C·r8+D·r10+E·r12+F·r14+G·r16+H·r18+J·r20]]>這里，r是從光軸開始的距離，Z表示下垂(sag垂度)量。另外，c是頂點(diǎn)的曲率，k是圓錐常數(shù)，A到J是r的乘冪項(xiàng)的系數(shù)。
構(gòu)成所述第一光學(xué)系統(tǒng)的后組53的自由曲面，使用以各面的面頂點(diǎn)為原點(diǎn)的局部直角坐標(biāo)系(x，y，z)，利用包含X，Y的多項(xiàng)式的下面的公式來表示。
公式7

Z=cr21+1-(1+k)c2r2Σm·Σn(C(m,n)·xm·yn)]]>這里，Z表示與X、Y軸垂直的方向自由曲面的形狀的下垂(sag)量，c是頂點(diǎn)的曲率，r是X、Y軸平面內(nèi)距原點(diǎn)的距離，k是圓錐常數(shù)，C(m、n)是多項(xiàng)式的系數(shù)。
表1表示本實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值數(shù)據(jù)。在表1中，S0～S23分別與圖10所示的符號(hào)S0～S23對(duì)應(yīng)。這里，S0表示圖像顯示元件11的顯示面，即物面，S23表示自由曲面鏡5的反射面。另外，S24在圖10中沒有表示，但表示屏幕3的入射面，即像面。而且，在圖10中，上圖是本實(shí)施例的第一和第二光學(xué)系統(tǒng)的垂直方向截面圖，下圖表示該光學(xué)系統(tǒng)的水平方向截面圖。
在表1中，Rd是各個(gè)面的曲率半徑，在圖4中，在面的左側(cè)為曲率中心的情況下為正值，相反的情況下由負(fù)值表示。
在表1中TH是面間距離，表示從該透鏡面的頂點(diǎn)到下一個(gè)透鏡面的頂點(diǎn)的距離。相對(duì)該透鏡面，下一個(gè)透鏡面處于圖4中的左側(cè)時(shí)，面間距離為正值，處于右側(cè)的情況下由負(fù)值表示。
在表1中，S5、S6、S17、S18是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面，在表1中在面的號(hào)碼旁加上*，容易理解地顯示，在表2中表示了這些4個(gè)面的非球面系數(shù)。另外，在表1中，從S19到S22是構(gòu)成所述第一光學(xué)系統(tǒng)的后組的具有自由曲面形狀的折射面，S23是第二光學(xué)系統(tǒng)的具有自由曲面形狀的反射面，在面的號(hào)碼旁加上#來表示。表示這5個(gè)自由曲面形狀的系數(shù)的值，在表3中表示。
在本例子中，將作為圖像顯示元件51的顯示畫面的物面，相對(duì)所述第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸傾斜-1.163度。傾斜的方向?yàn)槔谜当硎緢D4的截面內(nèi)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)物面的法線的方向。因此，在本實(shí)施例中，將物面在圖4的截面內(nèi)從與所述第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸垂直的位置沿著順時(shí)針方向傾斜1.163度。
對(duì)于S23的自由曲面鏡54，該局部坐標(biāo)的原點(diǎn)置于所述第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸上，將局部坐標(biāo)的原點(diǎn)處的法線即Z軸，從與所述第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸平行的位置傾斜29度配置。傾斜的方向與所述物面同樣的，將圖4的截面內(nèi)沿著逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)檎?，所以沿著逆時(shí)針傾斜。通過這樣，從圖像顯示元件51的畫面中央射出的大致能沿著所述第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸前進(jìn)的畫面中央光線，由S23反射后，沿著相對(duì)所述第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸傾斜所述傾斜角度的2倍的58度的方向前進(jìn)。這里，將通過S23的坐標(biāo)原點(diǎn)、相對(duì)第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸該S23面的傾斜角度的2倍傾斜的方向，設(shè)為反射后的新的光軸，以后的面配置該光軸上。表1的S23所表示的面間隔值-400，表示下一個(gè)S24處于S23的右側(cè)，沿著所述反射后的光軸將局部坐標(biāo)的原點(diǎn)配置在400mm的距離的點(diǎn)處。下面的面也利用同樣的規(guī)則配置。
在本實(shí)施例中，表4表示了各個(gè)面的局部坐標(biāo)系的傾斜或者偏心的情形。在表4中，面號(hào)碼的右側(cè)表示傾斜角度、偏心值，ADE是與圖4的截面平行的面內(nèi)的傾斜大小，其顯示規(guī)則在上面顯示。另外，YDE是偏心大小，偏心在與圖4的截面平行的面內(nèi)而且由與光軸垂直的方向設(shè)定，在圖4的截面內(nèi)，向下側(cè)的偏心設(shè)為正。
在本實(shí)施例中，以及以后說明的第二實(shí)施例以后，光學(xué)元件的傾斜和偏心全部由在與顯示的截面平行的截面內(nèi)的方向設(shè)定。
如果看表1、表3，可理解，在本實(shí)施例中，曲率c和二次曲線系數(shù)k為0。傾斜入射的梯形失真，沿著傾斜入射的方向極大地產(chǎn)生，沿著與此垂直的方向失真量小。因此，對(duì)于傾斜入射的方向和與此垂直的方向，需要具有非常不同的性能，不利用在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的全部方向具有性能的上述曲率c和二次曲線系數(shù)k，能夠很好地修正非對(duì)稱的像差。
表1

表1


表2


表3


表4


另外，在表4中，S23的ADE是圖1所示的θm，S25的ADE是圖1所示的θs。根據(jù)該兩者的值，公式3的值為88，滿足所述條件。因此，可進(jìn)一步減小屏幕下部的高度，實(shí)現(xiàn)小型的光學(xué)系統(tǒng)。
另外，公式1所示的光路長度的差|L1-L2|的值是屏幕畫面高度的0.42倍，θs是30度，所以滿足公式1的條件。上述表1～4的數(shù)值是將物面上16×9范圍的圖像投影為像面上1452.8×817.2大小之情況的一個(gè)例子。此時(shí)的圖像失真如圖6所示。圖6的縱向是圖5的上下方向，是Y軸方向。圖6的橫向是屏幕上Y軸的垂直方向，圖的長方形中央是畫面中央。該圖表示了將畫面的縱向分成4份、將橫向分成8份的直線彎曲的狀態(tài)，表示了圖像失真的情形。
圖7表示了本實(shí)施例的點(diǎn)圖(光點(diǎn)曲線圖)，在圖7中，利用X、Y坐標(biāo)值從上面開始順序顯示圖像顯示元件51的顯示畫面上的從(8，4.5)、(0，4.5)、(4.8，2.7)、(8，0)、(0，0)、(4.8，-2.7)、(8，-4.5)、(0，-4.5)8點(diǎn)射出的光束的點(diǎn)圖。單位是mm，各個(gè)點(diǎn)圖的橫向是屏幕上的X方向，縱向是屏幕上的Y向。兩者同時(shí)維持良好的性能。
實(shí)施例2下面說明第2實(shí)施例。
使用圖8到圖10和表5到表8來說明本發(fā)明的投影光學(xué)單元的第二具體例子。
圖8表示了本發(fā)明的數(shù)值實(shí)施例2的光線圖。從在圖8的下側(cè)顯示的圖像顯示元件61射出的光，順序通過由具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的面形狀的透過型透鏡構(gòu)成的第一光學(xué)系統(tǒng)的前組62、由具有自由曲面形狀的透過型透鏡構(gòu)成的第一光學(xué)系統(tǒng)的后組63，之后，由第二光學(xué)系統(tǒng)的具有自由曲面形狀的反射面64反射，由平面的背面反射鏡65反射，入射到屏幕66。
這里，第一光學(xué)系統(tǒng)的前組62全部由旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形狀的折射面構(gòu)成，各個(gè)折射面中的4個(gè)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面，其它是球面。這里使用的軸對(duì)稱的非球面，各個(gè)面使用局部的圓筒坐標(biāo)系，利用前面所示的公式1表示。
所述第一光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成后組63的自由曲面，使用將各個(gè)面的面頂點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)的局部直角坐標(biāo)系(x，y，z)，利用包含X，Y多項(xiàng)式的前面所示的公式2表示。
表5表示本數(shù)值實(shí)施例的透鏡數(shù)據(jù)，面號(hào)碼是物面為S0，接下來順序是S1到S24，S25是像面，在表5中Rd是各個(gè)面的曲率半徑，在圖8中在面的左側(cè)為曲率中心的情況下是正值，相反的情況下由負(fù)值表示。在表5中，TH是面間距離，表示從該透鏡面的頂點(diǎn)到下一個(gè)透鏡面的頂點(diǎn)的距離。相對(duì)該透鏡面，下一個(gè)透鏡面處于圖8中的左側(cè)時(shí)，面間距離為正值，處于右側(cè)的情況下由負(fù)值表示。在表5中，S5、S6、S17、S18是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面，在表1中在面的號(hào)碼旁加上*容易理解地表示，在表6中表示這4個(gè)面的非球面系數(shù)。
在表5中，從S19到S22是構(gòu)成所述第一光學(xué)系統(tǒng)的后組的具有自由曲面形狀的折射面，S23是所述第二光學(xué)系統(tǒng)的具有自由曲面形狀的反射面，在面的號(hào)碼旁加上#表示。表示這5個(gè)自由曲面形狀的系數(shù)的值在表7中表示。
表5

表5


表6


表7


表8


在表8中，表示了本實(shí)施例中各個(gè)面的傾斜和偏心的大小。在表8中，ADE、YDE值的表示規(guī)則象前述那樣。在本實(shí)施例中各個(gè)面的傾斜是與先前的實(shí)施例1基本相同的量。
在表8中，根據(jù)S23的ADE(＝θm)和S25的ADE(＝θs)來計(jì)算公式3的值，為87.019。這滿足了所述條件，實(shí)現(xiàn)了減小屏幕的下部高度的小型光學(xué)系統(tǒng)。
另外，公式1所示的光路長度的差|L1-L2|的值是屏幕畫面高度的0.43倍，θs是30度，所以滿足公式1的條件。
另一方面，在本實(shí)施例中，如表8所示那樣，S15偏心-0.193mm，S17面相反地偏心0.193mm。在將某個(gè)面偏心的情況下，以后的面將光軸僅移動(dòng)該偏心量。因此，該S15和S17的偏心，意味著由S15和S16構(gòu)成的一個(gè)透鏡從光軸偏心-0.193mm。該偏心量是微小的量，不會(huì)產(chǎn)生加大透鏡的尺寸這樣的壞影響。利用該偏心，實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱的色像差的微調(diào)整。
另外，如果看表4、表6，可理解，在本實(shí)施例中，曲率c和二次曲線系數(shù)k為0。由傾斜入射導(dǎo)致的梯形失真，沿著傾斜入射方向很大地產(chǎn)生，沿著與此垂直的方向失真量小。因此，傾斜入射的方向和與此垂直的方向，需要具有很不同的性能，不利用在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的全部方向具有性能的上述曲率c和二次曲線系數(shù)k，能夠很好地修正圖形失真。
本數(shù)值實(shí)施例的有效范圍是將物面上16×9范圍投影為像面上1694.9×953.4大小，其圖形失真在圖9中顯示。圖9的縱向是圖9的上下方向，是Y軸方向，圖9的橫向是屏幕上Y軸的垂直方向，圖的長方形中央是畫面中央。圖表示了將畫面的縱向分割為4份、將橫向分成8份的直線彎曲狀態(tài)，表示了圖形失真的情形。
圖10表示了本數(shù)值實(shí)施例的點(diǎn)圖，在圖10中，利用X、Y坐標(biāo)值從上面開始順序顯示圖像顯示元件61的顯示畫面上的從(8，4.5)、(0，4.5)、(4.8，2.7)、(8，0)、(0，0)、(4.8，-2.7)、(8，-4.5)、(0，-4.5)8點(diǎn)射出的光束的點(diǎn)圖。單位是mm，各個(gè)點(diǎn)圖的橫向是屏幕上的X方向，縱向是屏幕上的Y向。兩者同時(shí)維持良好的性能。
實(shí)施例3

使用圖11到圖13和表9到表12來說明本發(fā)明的第三數(shù)值實(shí)施例。
圖11表示了本發(fā)明的數(shù)值實(shí)施例2的光線圖。從在圖11的下側(cè)顯示的圖像顯示元件71射出的光，順序通過由具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的面形狀的透過型透鏡構(gòu)成的第一光學(xué)系統(tǒng)的前組72、由具有自由曲面形狀的透過型透鏡構(gòu)成的第一光學(xué)系統(tǒng)的后組73，之后，由第二光學(xué)系統(tǒng)的具有自由曲面形狀的反射面74反射，由平面的背面反射鏡75反射，入射到屏幕76。這里，第一光學(xué)系統(tǒng)的前組72全部由旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形狀的折射面構(gòu)成，各個(gè)折射面中的4個(gè)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面，其它是球面。這里使用的軸對(duì)稱的非球面，各個(gè)面使用局部的圓筒坐標(biāo)系，利用前面所示的公式1表示。
所述第一光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成后組73的自由曲面，使用將各個(gè)面的面頂點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)的局部直角坐標(biāo)系(x，y，z)，利用包含X、Y多項(xiàng)式的前面所示的公式2表示。
表9

表9



表11


表12


表9表示本數(shù)值實(shí)施例的透鏡數(shù)據(jù)，面號(hào)碼是S0物面，接下來順序是S1到S24，S25是像面，在表9中Rd是各個(gè)面的曲率半徑，在圖8中在面的左側(cè)為曲率中心的情況下是正值，相反的情況下由負(fù)值表示。
在表9中，TH是面間距離，表示從該透鏡面的頂點(diǎn)到下一個(gè)透鏡面的頂點(diǎn)的距離。相對(duì)該透鏡面，下一個(gè)透鏡面處于圖8中的左側(cè)時(shí)，面間距離為正值，處于右側(cè)的情況下由負(fù)值表示。在表9中，S5、S6、S17、S18是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面，在表1中在面的號(hào)碼旁加上*容易理解地表示，在表10中表示這4個(gè)面的非球面系數(shù)。
在表9中，從S19到S22是構(gòu)成所述第一光學(xué)系統(tǒng)的后組的具有自由曲面形狀的折射面，S23是所述第二光學(xué)系統(tǒng)的具有自由曲面形狀的反射面，在面的號(hào)碼旁加上#來表示。表示這5個(gè)自由曲面形狀的系數(shù)的值在表11中表示。
在表12中，表示了本實(shí)施例中各個(gè)面的傾斜和偏心的大小。在表8中，ADE、YDE值的表示規(guī)則象前述那樣。
如果看表12，不滿足所述公式3的條件，但是，減小了該部分深度，為深度優(yōu)先的實(shí)施例。
另外，如表12所示那樣，與前面的實(shí)施例2同樣地，由S15和S16構(gòu)成的一個(gè)透鏡從光軸偏心-0.304mm。該偏心量是微小的量，不會(huì)產(chǎn)生加大透鏡的尺寸這樣的壞影響。利用該偏心，實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱的色像差的微調(diào)整。
此外，公式1所示的光路長度的差|L1-L2|的值是屏幕畫面高度的0.62倍，θs是45度，所以滿足公式1的條件。
另外，如果看表12、表14，可理解，在本實(shí)施例中，曲率c和二次曲線系數(shù)k為0。由傾斜入射導(dǎo)致的梯形失真，沿著傾斜入射方向很大地產(chǎn)生，沿著與此垂直的方向失真量小。因此，傾斜入射的方向和與此垂直的方向，需要具有很不同的性能，不利用在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的全部方向具有性能的上述曲率c和二次曲線系數(shù)k，能夠很好地修正圖形失真。
本數(shù)值實(shí)施例的有效范圍是將物面上16×9范圍投影為像面上1210.7×681.0大小，其圖形失真在圖12中顯示。圖12的縱向是圖12的上下方向，是Y軸方向，圖12的橫向是屏幕上Y軸的垂直方向，圖的長方形中央是畫面中央。圖表示了將畫面的縱向分割成4份、將橫向分成8份的直線彎曲狀態(tài)，表示了圖形失真的情形。
圖13表示了本數(shù)值實(shí)施例的點(diǎn)圖，在圖13中，利用X、Y坐標(biāo)值從上面開始順序顯示圖像顯示元件61的顯示畫面上的從(8，4.5)、(0，4.5)、(4.8，2.7)、(8，0)、(0，0)、(4.8，-2.7)、(8，-4.5)、(0，-4.5)8點(diǎn)射出的光束的點(diǎn)圖。單位是mm，各個(gè)點(diǎn)圖的橫向是屏幕上的X方向，縱向是屏幕上的Y向。兩者同時(shí)維持良好的性能。
實(shí)施例4使用圖14到圖16和表13到表16來說明本發(fā)明的第四數(shù)值實(shí)施例。
圖14表示了本發(fā)明的數(shù)值實(shí)施例4的光線圖。從在圖14的下側(cè)顯示的圖像顯示元件81射出的光，順序通過由具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的面形狀的透過型透鏡構(gòu)成的第一光學(xué)系統(tǒng)的前組82、由具有自由曲面形狀的透過型透鏡構(gòu)成的第一光學(xué)系統(tǒng)的后組83，之后，由第二光學(xué)系統(tǒng)的具有自由曲面形狀的反射面84反射，由平面的背面反射鏡85反射，入射到屏幕86。
這里，第一光學(xué)系統(tǒng)的前組82全部由旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形狀的折射面構(gòu)成，各個(gè)折射面中的4個(gè)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面，其它是球面。這里使用的軸對(duì)稱的非球面，各個(gè)面使用局部的圓筒坐標(biāo)系，利用前面所示的公式1表示。
所述第一光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成后組83的自由曲面，使用將各個(gè)面的面頂點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)的局部直角坐標(biāo)系(x，y，z)，利用包含X、Y多項(xiàng)式的前面所示的公式2表示。
表13表示本數(shù)值實(shí)施例的透鏡數(shù)據(jù)，面號(hào)碼是S0為物面，接下來順序是S1到S24，S25是像面，在表13中Rd是各個(gè)面的曲率半徑，在圖14中在面的左側(cè)為曲率中心的情況下是正值，相反的情況下由負(fù)值表示。
在表13中，TH是面間距離，表示從該透鏡面的頂點(diǎn)到下一個(gè)透鏡面的頂點(diǎn)的距離。相對(duì)該透鏡面，下一個(gè)透鏡面處于圖14中的左側(cè)時(shí)，面間距離為正值，處于右側(cè)的情況下由負(fù)值表示。
在表13中，S5、S6、S17、S18是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面，在表1中在面的號(hào)碼旁加上*容易理解地表示，在表14中表示這4個(gè)面的非球面系數(shù)。在表13中，從S19到S22是構(gòu)成所述第一光學(xué)系統(tǒng)的后組的具有自由曲面形狀的折射面，S23是所述第二光學(xué)系統(tǒng)的具有自由曲面形狀的反射面，在面的號(hào)碼旁加上#來表示。表示這5個(gè)自由曲面形狀的系數(shù)的值在表15中表示。
在表16中，表示了本實(shí)施例中各個(gè)面的傾斜和偏心的大小。在表8中，ADE、YDE值的表示規(guī)則象前述那樣。本實(shí)施例的各個(gè)面的傾斜是與先前的實(shí)施例1基本相同的量，如果看表16，不滿足所述公式3的條件，但是，減小了該部分深度，為深度優(yōu)先的實(shí)施例。
表13


表14


表15


表16


另一方面，在本實(shí)施例中，如表16所示那樣，S15面偏心-0.23mm，S17面相反地偏心0.23mm。在將某個(gè)面偏心的情況下，以后的面將光軸僅移動(dòng)該偏心量。因此，該S15和S17的偏心，意味著由S15和S16構(gòu)成的一個(gè)透鏡從光軸偏心-0.193mm。該偏心量是微小的量，不會(huì)產(chǎn)生加大透鏡的尺寸這樣的壞影響。利用該偏心，實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱的色像差的微調(diào)整。
另外，公式1所示的光路長度的差|L1-L2|的值是屏幕畫面高度的0.64倍，θs是45度，所以滿足公式1的條件。
如果看表13、表15，可理解，在本實(shí)施例中，曲率c和二次曲線系數(shù)k為0。由傾斜入射導(dǎo)致的梯形失真，沿著傾斜入射的方向極大地產(chǎn)生，沿著與此垂直的方向失真量小。因此，對(duì)于傾斜入射的方向和與此垂直的方向，需要具有非常不同的性能，不利用在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的全部方向具有性能的上述曲率c和二次曲線系數(shù)k，能夠很好地修正圖形失真。
本數(shù)值實(shí)施例的有效范圍是將物面上16×9范圍投影為像面上1452.8×817.2大小，其圖形失真在圖15中顯示。圖15的縱向是圖15的上下方向，是Y軸方向，圖15的橫向是屏幕上Y軸的垂直方向，圖的長方形中央是畫面中央。圖15表示了將畫面的縱向分成4份、將橫向分成8份的直線彎曲狀態(tài)，表示了圖形失真的情形。
圖16表示了本數(shù)值實(shí)施例的點(diǎn)圖，在圖16中，利用X、Y坐標(biāo)值從上面開始順序顯示圖像顯示元件61的顯示畫面上的從(8，4.5)、(0，4.5)、(4.8，2.7)、(8，0)、(0，0)、(4.8，-2.7)、(8，-4.5)、(0，-4.5)8點(diǎn)射出的光束的點(diǎn)圖。單位是mm，各個(gè)點(diǎn)圖的橫向是屏幕上的X方向，縱向是屏幕上的Y向。兩者同時(shí)維持良好的性能。
另外，圖18表示了本發(fā)明的第一光學(xué)系統(tǒng)的透鏡配置構(gòu)成的一個(gè)例子。象圖18所示那樣，第一光學(xué)系統(tǒng)中，來自圖像顯示元件11的圖像入射到包含具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形狀的多個(gè)透鏡的前組12。象上述那樣，前組12包含旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的球面透鏡和非球面透鏡。在該前組12的途中，配置彎曲反射鏡14，將入射到該彎曲反射鏡14上的光線直角彎曲。即，通過入射到彎曲反射鏡14上的光線的透鏡組的光軸，與通過從彎曲反射鏡14射出的光線的透鏡組的光軸，是互相正交的。后組13由2個(gè)自由曲面透鏡構(gòu)成?？梢允?，象從圖18所理解的那樣，其中至少一個(gè)向著光射出方向凹進(jìn)，而且向屏幕的下端入射的光線所通過的部分(這里是非球面透鏡的下側(cè)部分)的曲率，比向屏幕的上端入射的光線通過的部分(這里，是非球面透鏡的上側(cè)部分)的曲率大。
象上述那樣，如果根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)深度非常小而且制造容易的背面投影型彩色圖像顯示裝置。另外，在上述光學(xué)系統(tǒng)中，如果卸下背面反射鏡，將從圖像顯示元件到自由曲面鏡收納到一個(gè)裝置中，就變成前面投影型顯示裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)從裝置到屏幕的距離非常短的小型前面投影裝置。
權(quán)利要求
1.一種投影型圖像顯示裝置，其特征在于，包括圖像顯示元件；屏幕；和投影透鏡，放大所述圖像顯示元件所顯示的圖像，包括用于以相對(duì)所述屏幕的主平面的法線成規(guī)定的角度投影的多個(gè)透鏡，其中，所述投影透鏡包括具有帶有向光的射出方向凹進(jìn)的旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱形狀的面的至少一個(gè)非對(duì)稱透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，所述非對(duì)稱透鏡，其向所述屏幕的下端入射的光線所通過的部分之曲率，要大于向所述屏幕的上端入射的光線所通過的部分的曲率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，所述投影透鏡除了包括所述非對(duì)稱透鏡之外，還包括至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的球面透鏡、至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，還具有反射從所述投影透鏡射出的光的反射鏡，該反射鏡是其一部分具有向著反射方向凸出之形狀的旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的凸面反射鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，所述凸面反射鏡是，反射向所述屏幕的下端入射的光線的部分的曲率，比反射向所述屏幕的上端入射的光線的部分的曲率大。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，所述凸面反射鏡是，反射向所述屏幕的下端入射的光線的部分形成為相對(duì)其反射方向凸出的形狀，反射向所述屏幕的上端入射的光線的部分形成為相對(duì)其反射方向凹進(jìn)的形狀。
7.一種投影型圖像顯示裝置，其特征在于，包括圖像顯示元件；屏幕；投影透鏡，包括用于放大所述圖像顯示元件所顯示的圖像的多個(gè)透鏡；和反射鏡，反射來自所述投影透鏡的光，用于相對(duì)所述屏幕從傾斜方向投影光，其中，所述投影光學(xué)單元包括具有帶有旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱形狀的面的至少一個(gè)自由曲面透鏡，所述反射鏡包括具有旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的反射面的至少一個(gè)自由曲面鏡。
8.一種投影型圖像顯示裝置所使用的投影光學(xué)單元，其特征在于，包括第一光學(xué)系統(tǒng)，包括用于放大來自圖像顯示元件的光的、具有旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的自由曲面的至少一個(gè)自由曲面透鏡；和第二光學(xué)系統(tǒng)，用于反射來自第一光學(xué)系統(tǒng)的光，包括具有帶有旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的自由曲面形狀的反射面的至少一個(gè)自由曲面鏡，其中，在由平面反射鏡反射由所述第二光學(xué)系統(tǒng)的自由曲面鏡反射的光，投影到屏幕上的情況下，構(gòu)成為從所述圖像顯示元件的顯示畫面的中央射出的畫面中央光線，經(jīng)過所述第一光學(xué)系統(tǒng)、所述第二光學(xué)系統(tǒng)、平面反射鏡，相對(duì)所述屏幕的法線而傾斜入射。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，所述第一光學(xué)系統(tǒng)具有前組，包含具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形狀的面的透鏡；和后組，包含所述自由曲面透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，在包含所述畫面中央光線和該畫面中央光線入射的位置的所述屏幕的法線的平面內(nèi)，在將從所述第二光學(xué)系統(tǒng)的反射面入射到屏幕的上端的光線的路徑的距離設(shè)為L1，將從所述第二光學(xué)系統(tǒng)的反射面入射到屏幕下端的光線的路徑的距離設(shè)為L2，將所述屏幕的畫面的從上端到下端的距離設(shè)為Dv，所述畫面中央光線和所述屏幕的法線所成的角度設(shè)為θs時(shí)，滿足下面的公式|L1-L2|＜1.2*sinθ*Dv。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，使配置在所述第一光學(xué)系統(tǒng)的大致光軸上的所述圖像顯示元件的顯示面中央的法線，相對(duì)所述第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸而傾斜。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，所述畫面中央光線向著屏幕的路徑上的、從所述前組的最終面到所述第二光學(xué)系統(tǒng)的反射面的光路長度，是所述前組的焦點(diǎn)距離的5倍以上。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，所述第二光學(xué)系統(tǒng)的、到屏幕的光學(xué)距離最近的第一位置的反射面形狀是向著反射方向凸出的形狀，到屏幕的光學(xué)距離最遠(yuǎn)的第二位置的反射面形狀是向著反射方向凸出的形狀，所述第二位置的凸出形狀的曲率比所述第二位置的凸出形狀的曲率小(？)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，所述第二光學(xué)系統(tǒng)的、到屏幕的光學(xué)距離最近的第一位置的反射面形狀是向著反射方向凸出的形狀，到屏幕的光學(xué)距離最遠(yuǎn)的第二位置的反射面形狀是向著反射方向凹進(jìn)的形狀。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，在將所述畫面中央光線與所述屏幕的法線所成的角度設(shè)為θs，將所述自由曲面鏡的所述畫面中央光線入射的位置的、該自由曲面鏡的法線和所述畫面中央光線所成的角度設(shè)為θm時(shí)，滿足下面的公式θs+2*θm2＜95。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，在所述前組的途中配置鏡子，通過向該鏡子入射的光的透鏡的光軸，與通過從該鏡子射出的光的透鏡的光軸，大致互相正交。
17.根據(jù)權(quán)利要求8所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于，在所述投影光學(xué)單元中，按照所述圖像顯示元件的顯示畫面的中央位于所述第一光學(xué)系統(tǒng)的光軸上的方式，配置有所述圖像顯示元件。
18.一種投影型圖像顯示裝置，其特征在于，包括第一光學(xué)系統(tǒng)，包括用于放大來自圖像顯示元件的光的、具有旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的自由曲面的至少一個(gè)自由曲面透鏡；和第二光學(xué)系統(tǒng)，用于反射來自所述第一光學(xué)系統(tǒng)的光，包括具有帶有旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的自由曲面形狀的反射面的至少一個(gè)自由曲面鏡，其中，在由所述第二光學(xué)系統(tǒng)的自由曲面鏡反射的光由平面反射鏡反射，投影到屏幕上的情況下，構(gòu)成為從所述圖像顯示元件的顯示畫面的中央射出的畫面中央光線，經(jīng)過所述第一光學(xué)系統(tǒng)、所述第二光學(xué)系統(tǒng)、平面反射鏡，相對(duì)所述屏幕的法線而傾斜入射，在包含所述畫面中央光線和該畫面中央光線入射的位置的所述屏幕的法線的平面內(nèi)，在將從所述第二光學(xué)系統(tǒng)的反射面入射到屏幕的上端的光線的路徑的距離設(shè)為L1，將從所述第二光學(xué)系統(tǒng)的反射面入射到屏幕下端的光線的路徑的距離設(shè)為L2，將所述屏幕的畫面的從上端到下端的距離設(shè)為Dv，所述畫面中央光線和所述屏幕的法線所成的角度設(shè)為θs時(shí)，滿足下面的公式|L1-L2|＜1.2*sinθ*Dv。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在投影型彩色圖像顯示裝置和背面投影型彩色圖像顯示裝置中，大幅度縮短投影光學(xué)單元的光學(xué)進(jìn)深深度，且縮短屏幕下部的高度，容易制造的投影型光學(xué)裝置。在本發(fā)明的圖像顯示裝置中，用于放大來自圖像顯示元件(1)的圖像的包括多個(gè)透鏡的投影透鏡，由前組(2)和后組(3)構(gòu)成。后組(3)包括具有帶有旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱形狀的面的至少一個(gè)自由曲面透鏡，此外，本發(fā)明的裝置，具有帶有旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的反射面的至少一個(gè)自由曲面鏡(4)，通過這樣，進(jìn)行梯形失真和像差修正，而且能夠進(jìn)行裝置的小型化。
文檔編號(hào)G02B27/18GK1845001SQ200510123270
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2005年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月8日
發(fā)明者久田隆紀(jì), 吉川博樹, 大石哲, 谷津雅彥, 平田浩二 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所