CN101140353A - 投影光学单元和用它的投影型图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供即便将图像斜向地放大投影到屏幕上也能够抑制梯形畸变或像差两者，并且组装调整容易的投影图像显示装置和用于它的投影光学单元。因此，本发明，将图像发生源(1)固定在光学系统基座(7)上，用调整机构(15)，至少能够调整图像发生源(1)的上下方向的倾斜(将与X轴平行的轴作为旋转中心)、和前后方向(Z轴方向)的距离。进一步，也将作为第一光学系统的投影透镜(2)和作为第二光学系统的自由曲面镜(5)固定在光学系统基座(7)上。而且形成将自由曲面镜(5)的大致中心作为中心轴可以在上下方向(将与X轴平行的轴作为旋转中心)旋转的构成。

Description

投影光学单元和用它的投影型图像显示装置

本申请是申请日为2005年12月7日、申请号为200510127941.2、发明名称为“投影光学单元和用它的投影型图像显示装置”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及将彩色的放大图像投影到屏幕上进行图像显示的投影型图像显示装置，特别是涉及相对屏幕将图像倾斜地投影而在屏幕上形成放大图像的投影型图像显示装置和用于它的投影光学单元。

背景技术

在将用反射型、透过型液晶面板和微小镜子的显示元件放大显示在屏幕上的投影型图像显示装置中，当然要求能够在它的屏幕上得到充分大的放大图像，同时，要求缩短装置的纵深尺寸。为了实现这种要求，如日本特开2001-264627号专利公报中记载那样的，用于相对屏幕从倾斜方向放大/投影(以下，将它称为“倾斜投影”)的投影光学单元是众所周知的。又，关于在将曲面镜用于这种倾斜投影情形中的光学调整，例如，日本特开2002-350774号专利公报中记载的那样是众所周知的。

当倾斜投影，即对屏幕主平面的法线，以规定角度(例如从屏幕下方)投影图像时，在投影在屏幕上的图像中，产生梯形畸变和从屏幕上下的投影距离之差生成的像差。为了消除它们，在上述日本特开2001-264627号公报中，通过配置在投影光学系统和屏幕之间的具有负放大率的自由曲面镜对梯形畸变进行校正。另一方面，关于像差，通过对共轴投影光学系统平行移动图像显示元件，或者对非轴对称的投影光学系统倾斜并平行移动图像显示元件进行校正。

但是，在这种像差校正中，存在着屏幕上的图像在纵方向偏移的可能性，需要为此而设的校正机构。又，在使用共轴投影光学系统的情形中，因为要求非常大的画角，所以透镜的数量增多，口径也增大。

在上述日本特开2002-350774号专利公报中，揭示了通过自由曲面镜的移动进行调整的方法，但是没有考虑上述的像差校正。

这样，在已有技术中，因为用不同的部件分别校正梯形畸变和像差，所以必须既增大需要的透镜直径，又也增多透镜的数量。即，上述已有技术，在倾斜投影中，要一面很好地减少梯形畸变和像差一面减少图像显示装置的纵深尺寸和/屏幕下部的高度(以下将它称为“装置紧凑化”)是困难的。

发明内容

本发明就是鉴于上述课题提出的，本发明的目的是提供适合于能够一面显示减少了梯形畸变和像差的图像一面实现装置紧凑化的技术。

又，本发明提供在背面投影型的图像显示装置中，可以容易地制造具有上述那样的显示特性的紧凑化了的装置或者进行组装调整的技术。

本发明备有，在进行倾斜投影中，包含具有凹向光射出方向的面并且持有对光轴旋转非对称的形状的至少一个非对称透镜的投影透镜的第一光学系统、和包含至少一部分反射面凸向反射方向的至少一个的凸面镜的第二光学系统。而且本发明将上述第一光学系统和第二光学系统搭载并固定在共同的光学系统支撑单元上。

上述非对称透镜是向着它的屏幕下端的光线通过的部分的曲率比向着上述屏幕上端的光线通过的部分的曲率大的自由曲面镜。又，上述凸面镜是反射向着它的屏幕的下方的光的部分的曲率比反射向着上述屏幕的上方的光的部分的曲率大，或者反射向着屏幕的下方的光的部分形成在该光的反射方向凸出的形状，反射向着屏幕的上方的光的部分形成在光的反射方向凹入的形状的自由曲面镜。

又本发明备有如下机构中的至少某一个机构：用于可以进行来自包含图像显示元件的图像发生源的光的射出方向与上述投影透镜光轴的角度的调整、和上述图像发生源与上述投影透镜的光学距离的调整中的至少某一方的机构；用于使上述自由曲面镜，以将该自由曲面镜的大致中心作为中心轴而进行旋转的机构；或用于可以使上述投影透镜中最大正放大率的透镜组沿上述投影透镜的光轴方向移动的机构。

如果根据上述那样的本发明的构成，则可以一面减少由图像的倾斜投影产生的梯形畸变和/或像差得到良好的图像，一面使装置紧凑化。

附图说明

图1是表示本发明的图像显示装置的一个实施方式的截面图。

图2是表示本发明的投影光学单元的基本构成的截面图。

图3是表示本发明的一个实施例的构成和光路的YZ截面图。

图4是表示本发明的一个实施例的构成和光路的XZ截面图。

图5是表示本发明的一个实施例的畸变性能的图。

图6是表示本发明的一个实施例的光点性能的图。

图7是表示本发明的投影光学单元的一个例子的图。

图8是表示本发明的投影光学单元的调整机构的一个例子的图。

图9是表示本发明的投影光学单元的调整机构的一个例子的图。

图10是表示本发明的投影光学单元的截面图。

具体实施方式

下面，我们一面参照附图一面说明本发明的实施方式。

图1是表示根据本发明的图像显示装置的一部分截面立体图。图像发生源1表示小型的图像。图像发生源1包含多个反射型和透过型的液晶面板或备有微小镜子的显示元件等的光调制元件。又，图像发生源1也可以包含投影型布劳恩管。作为第一光学系统的构成要素的投影透镜2将图像发生源1的图像投影到屏幕3上。在从投影透镜2到屏幕3的光路中，为了减少图像显示装置的纵深设置平面反射镜4。将作为第二光学系统的构成要素的自由曲面镜5设置在上述投影透镜2和平面反射镜4之间。来自投影透镜的光，被自由曲面镜5反射导入到平面反射镜4，进一步被平面反射镜4反射导入到屏幕3。将这些要素收容在框体6的内部，固定在规定的位置上。又，将上述图像发生源1、投影透镜2和自由曲面镜5固定在光学系统基座7上形成一体化。下面，我们使用图2说明根据本发明的投影光学单元的构成部件的特征。

图2是表示用本实施方式的投影光学单元的背面投影型图像显示装置的基本光学构成的截面图。图2表示光学系统构成的在XYZ正交坐标系中的YZ截面。这里，令XYZ正交坐标系的原点处于构成图像发生源1的图像显示元件11的显示画面的中央，Z轴与屏幕3的法线平行。Y轴与屏幕的画面的短边平行，与屏幕的水平方向相等。X轴与屏幕的画面的长边平行，与屏幕的垂直方向相等。

如图2所示，从图像显示元件11射出的光，在由投透过型的透镜组构成的投影透镜2中，首先通过由具有旋转对称的面形状的多个折射透镜构成的前组12。此后，通过包含至少一方的面具有旋转非对称的自由曲面形状的透镜(以下，称为“自由曲面透镜”)的投影透镜的后组13。此后，被具有旋转非对称的自由曲面形状的反射面的至少一个的反射镜(以下，称为自由曲面镜)5反射，而且被平面反射镜4反射后，入射到屏幕3。

这里，当上述图像显示元件11为上述光调制元件时，需要照射该光调制元件的灯等的照明系统，但是省略了它们的图示。又，图像显示元件11也可以是所谓的3板式那样地合成多个画面的方式。关于这时需要的合成用棱镜等的合成光学系统，也省略了它们的图示。

在图2中，因为投影透镜2的长度长，所以上述图像显示元件11的位置只能以对于屏幕的法线的方向远的纵深大的方式看到。但是，在本实施方式中，在与上述自由曲面镜5和上述投影透镜2的后组13之间，上述投影透镜2的前组12和后组13之间，或者前组12的中途，配置镜子(图中未画出)。因此，使投影透镜2的光轴在与图2所示的截面大致垂直的方向中曲折，能够防止纵深的增大。

在本实施方式中，如图2所示，上述图像显示元件11，将它的显示画面的中央配置在上述投影透镜2的光轴上。从而，从上述图像显示元件11的显示画面的中央射出，通过上述投影透镜2的入射瞳孔的中央，向着屏幕3上的画面中央的光线21大致沿上述投影透镜的光轴行进(以下，将它称为画面中央光线)。该画面中央光线，在自由曲面镜5的反射面上的点P2被反射后，再在平面反射镜4的点P5反射，以与屏幕的法线8形成规定角度(即倾斜地)入射到屏幕3上的画面中央的点P8上。以下将该角度称为“倾斜入射角度”。用θs表示。

即，沿上述投影透镜2的光轴通过的光线对屏幕倾斜地入射，实质上对屏幕倾斜地设置投影透镜2的光轴。在这种方法中，当倾斜地入射到屏幕上时，除了产生投影的长方形的形状成为梯形的所谓的梯形畸变外，也产生对光轴旋转非对称的种种像差。在本实施方式中，用上述投影透镜2的后组13和上述第二光学系统的反射面对它们进行校正。

在图2所示截面中，令从上述图像显示元件11的画面下端通过该画面下端和上述投影透镜2的入射瞳孔的中央而射出，入射到与其对应的屏幕上的画面上端的点P9的光线为光线22。又，令从上述图像显示元件11的画面上端通过该画面上端和上述投影透镜2的入射瞳孔的中央射出，入射到与其对应的屏幕上的画面下端的点P7的光线为光线23。从图2可见，从点P3经过点P6到达点P9的光路长比从点P1经过点P4到达点P7的光路长长。这意味着从投影透镜2看，屏幕上的像点P9比像点P7远。因此，如果与屏幕上的像点P9对应的物点(显示画面上的点)是更接近投影透镜2的点，又，与像点P7对应的物点是离开投影透镜2更远的点，则能够校正像面的倾斜。因此，使在上述图像显示元件1的显示画面的中央的法线矢量在上述投影透镜2中对光轴倾斜。具体地说，可以使上述法线矢量，在YZ平面内，向着屏幕所处位置的方向地倾斜。为了得到对光轴倾斜的像平面而使物平面倾斜的方法是众所周知的。但是，在实用的大画角的情形中，由物平面的倾斜产生像面对光轴非对称的变形，用旋转对称的投影透镜进行校正是困难的。在本实施方式中，因为用不是旋转对称的，即旋转非对称的自由曲面，所以能够与非对称的像面变形对应。因此，通过使物平面倾斜，能够很大地减少低次的像面畸变，在辅助由自由曲面引起的像差校正方面是有效的。

下面，我们说明各光学要素的作用。作为第一光学系统的投影透镜2是用于它的前组12将上述图像显示元件11的显示画面投影在屏幕3上的主透镜，校正旋转对称的光学系统中的基本像差。投影透镜2的后组13包含旋转非对称的自由曲面透镜。这里在本实施方式中，自由曲面透镜以凹向它的光射出方向的方式进行弯曲。而且，使自由曲面透镜的，向着屏幕3下端的光线通过的部分的曲率比向着上述屏幕上端的光线通过的部分的曲率大。而且第二光学系统备有具有旋转非对称的自由曲面形状的自由曲面镜。这里在本实施方式中，该自由曲面镜作为以它的一部分凸向光反射方向的方式进行弯曲的、旋转非对称的凸面镜。具体地说，自由曲面镜的，反射向着屏幕3下方的光的部分的曲率比反射向着上述屏幕上方的光的部分的曲率大。又，也可以自由曲面镜的，反射向着屏幕下方的光的部分形成凸向该光的反射方向的形状，反射向着屏幕上方的光的部分形成凹向光的反射方向的形状。通过上述自由曲面透镜和自由曲面镜的作用，主要校正由倾斜入射产生的像差。即，在本实施方式中，第二光学系统主要校正梯形畸变，作为第一光学系统的投影透镜2的后组13主要校正像面畸变等的非对称像差。

这样，本实施方式，第一光学系统至少包含一个旋转非对称的自由曲面透镜，第二光学系统至少包含一个旋转非对称的自由曲面镜。因此，可以校正由倾斜投影产生的梯形畸变和像差两者。

我们优选将上述第二光学系统的反射面的坐标原点(这里，作为反射画面中央光线的位置的坐标)与在投影透镜2的前组12中最接近屏幕侧的透镜面的光轴方向的距离设定在投影透镜2前组的焦点距离的5倍以上。因此，能够由上述第二光学系统的反射面更有效地校正梯形畸变和像差，能够得到良好的性能。

另一方面，自由曲面镜，因为它的尺寸越大制造越加非常困难，所以在规定大小以下是重要的。例如图2所示的平面反射镜4的大小，因为也在屏幕画面的约70％以上，所以在50型以上那样的大画面的背面投影中大小超过500mm，当将它做成自由曲面形状时制造变得非常困难。从而，在背面投影中不适合将该平面反射镜做成自由曲面。因此，在本实施方式中，使该自由曲面镜5的尺寸比平面反射镜3的尺寸小，将该自由反射镜5配置在平面反射镜3的下方。而且，以自由曲面镜5、平面反射镜的顺序反射来自投影透镜2的图像光，将它投影到屏幕3上。

以上的说明是根据图2所示的实施方式进行的。但是，即便在由镜子引起的光路的曲折方向与图2相反处在包含画面长边的平面内的情形中，也能够应用与上述说明了的本实施方式同样的考虑。

因此，在具有折射面的投影透镜2中，不会导致透镜的偏心和透镜直径的增大，又不会增加透镜个数，能够实现对由倾斜入射引起的梯形畸变的校正。进一步，能够实现纵深小，并且容易制造的投影光学单元。进一步又，如果根据本实施方式，则能够提供减少了纵深和屏幕下部的高度的紧凑的装置，能够提供由于小的自由曲面镜而容易制造的光学系统。

下面，我们一面例举具体的数值，一面说明本发明的光学系统的实施例。我们用图3到图6和表1到表4说明本发明的1个数值实施例。

图3和图4表示根据第一数值例的本发明的光学系统的光线图。在上述的XYZ正交坐标系中，图3表示YZ截面中的构造，图4表示XZ截面中的构造。在图1中，表示了在投影透镜2的前组12的中途配置曲折镜使光路一次曲折到X轴方向的例子。在图3中，省略了该曲折镜，表示在Z轴方向展开光学系统。图4表示包含曲折镜使光路曲折的状态的光学系统。曲折镜在设置位置和角度方面具有若干任意性，又不影响各光学要素的功能。从而，在下面的说明中，我们省略对曲折镜的说明。

在本例中，从图3下侧显示的图像显示元件11射出的光，在包含多个透镜的投影透镜2中，首先通过只由只具有旋转对称形状的面的透镜构成的前组12。而且，通过包含旋转非对称的自由曲面透镜的后组13，被作为第二光学系统的自由曲面镜5的反射面反射。使该反射光，在被平面反射镜4反射后，入射到屏幕3上。

这里，投影透镜2的前组12由多个全部持有旋转对称形状的折射面的透镜构成，在各折射面中4个是旋转对称的非球面，其它是球面。这里用的旋转对称的非球面用每个面的局域圆柱坐标系，由下列公式表示。

[公式1]

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+A\·r^4+B\·r^6+C\·r^8+D\·r^{10}+E\·r^{12}+F\·r^{14}+G\·r^{16}+H\·r^{18}+J\·r^{20}$

这里，r是离开光轴的距离，Z表示下垂(sag垂度)量。又，c是在顶点的曲率，k是圆锥常数，A到J是r的乘方项的系数。

上述投影透镜2的后组13中的自由曲面透镜，用将各面的面顶点作为原点的局域坐标系(x，y，z)，由包含X、Y的多项式的下列公式表示。

[公式2]

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\·\mathrm{\Σ}}(C(m,n)\·x^m\·y^n)$

这里，Z表示在与X、Y轴垂直的方向中自由曲面的形状的下垂(sag垂度)量，c是在顶点的曲率，r是在X、Y轴的平面内的离开原点的距离，k是圆锥常数，C(m，n)是多项式的系数。

表1表示本实施例的光学系统的数值数据，在表1中，S0～S23分别与图10所示的标号S0～S23对应。这里，S0表示图像显示元件11的显示面，即表示物面，S23表示自由曲面镜5的反射面。又S24，在图10中没有画出，但是表示屏幕3的入射面，即表示像面。此外，在图10中，上图表示本实施例的第一和第二光学系统的垂直方向截面图，下图表示该光学系统的水平方向截面图。

在表1中Rd是各面的曲率半径，在图3中当曲率中心在面的左侧时用正值表示，当相反时用负值表示。又在表1中TH是面间距离，表示从该透镜面的顶点到下一个透镜面的顶点的距离。当对某个透镜面，下一个透镜面在图3中位于左侧时面间距离用正值表示，位于右侧时用负值表示。进一步，在表1中S5、S6、S17、S18是旋转对称的非球面，在表1中在面的号码的旁边附加*容易区分地表示出来。这4个面的非球面系数如表2所示。

在表1中S19到S22是在投影透镜2的后组13中包含的自由曲面透镜的各折射面，S23，如上所述，是自由曲面镜5的反射面，在面的号码的旁边附加#表示出来。表示这5个自由曲面的形状的系数如表3所示。

在本实施例中，使作为图像显示元件11的显示画面的物面对投影透镜2的光轴倾斜-1.163度。倾斜的方向，用正值表示在图3的截面内物面的法线逆时钟旋转的方向。从而，在本实施例中在图3的截面内使物面在从与投影透镜2的光轴垂直的位置顺时钟方向倾斜1.163度。

S23的自由曲面镜5将它的局域坐标的原点设置在上述投影透镜2的光轴上。而且，使在自由曲面镜5的局域坐标的原点上的法线，即Z轴从与投影透镜2的光轴平行的位置倾斜29度地进行配置。倾斜的方向，与上述物面同样令在图3的截面内逆时钟旋转的方向为正，从而，在逆时钟旋转地倾斜。因此，从图像显示元件11的画面中央射出大致沿投影透镜2的光轴行进的画面中央光线，在S23反射后，沿对投影透镜2的光轴只倾斜上述倾斜角度的2倍的58度的方向行进。这里，通过S23的坐标原点，将S23的对投影透镜2的光轴的倾斜角度的2倍的倾斜方向作为反射后的新光轴，将以后的面配置在该光轴上。表1的S23所示的面间隔的值-400表示下一个S24，位于S23右侧，沿上述反射后的光轴将局域坐标的原点配置在400mm距离的点上。也根据相同的规则配置以后的面。

表4表示本实施例中的，各面的局域坐标系的倾斜或偏心的样子。在表4中，在面号码的右侧表示倾斜角度、偏心的值，ADE是在与图3的截面平行的面内的倾斜的大小，它的显示规则如上面所示的那样。又，YDE是偏心的大小，将偏心设定在与图3的截面平行的面内并且在与光轴垂直的方向中，在图3的截面中令到下侧的偏心为正。又，在本实施例中，令YDE为0(即没有偏心)。

在本发明中将全部光学要素的倾斜和偏心设定在与图示的截面平行的截面内的方向中。

从表1、表3，我们看到在本实施例中，曲率c和圆锥系数k成为0。由倾斜入射引起的梯形畸变极大地发生在倾斜入射的方向上，在与其垂直的方向上畸变小。从而，在倾斜入射的方向和与其垂直的方向上，需要大幅度不同的功能，通过不利用在旋转对称的全部方向中起作用的上述曲率c和圆锥系数k，能够很好地校正非对称像差。

表1

表面	Rd	TH	nd	vd
					S0	无穷大	10.00
S1	无穷大	31.34	1.51827	48.0
					S2	无穷大	7.06
S3	246.358	4.65	1.85306	17.2
					S4	-84.858	18.00
S5*	-83.708	9.00	1.49245	42.9
					S6*	-75.314	0.10
S7	41.651	9.32	1.49811	60.9
					S8	-42.282	2.50	1.76014	20.0
S9	29.550	0.10
					S10	29.476	9.00	1.49811	60.9
S11	-79.153	25.90
					S12	无穷大	9.10
S13	-265.353	6.00	1.85306	17.2
					S14	-53.869	65.00
S15	-24.898	4.19	1.74702	33.2
					S16	-58.225	9.00
S17*	-27.332	10.00	1.49245	42.9
					S18*	-32.424	2.50
S19#	无穷大	8.00	1.49245	42.9
					S20#	无穷大	20.51
S21#	无穷大	8.00	1.49245	42.9
					S22#	无穷大	160.99
S23#	无穷大	-400.00	REFL
					S24	无穷大	305.00	REFL
S25	无穷大	---

表2

表面	非球面系数
									S5	K	-11.7678542	C	-1.159E-11	F	2.98642E-20	J	-1.255E-26
A	-2.7881E-06	D	-3.2834E-14	G	1.05201E-21
								B		9.67791E-09	E	1.09359E-16	H	1.96001E-24
S6	K	-5.4064901	C	2.0324E-12	F	3.0211E-19	J										-1.4982E-26
								A	6.14967E-07	D	-2.2078E-14	G	4.30049E-22
	B	4.60362E-09	E	-8.0538E-17	H	4.79618E-24
								S17	K	1.016429122	C	-9.0262E-11	F	-1.0521E-18	J		-6.0837E-26
A	-1.1068E-05	D	-1.3984E-13	G	-8.1239E-23
									B	7.21301E-08	E	3.1153E-16	H	3.86174E-23
S18	K	0.742867686	C	-2.2719E-11	F	1.09398E-19	J										9.02232E-29
								A	1.51788E-07	D	-4.6853E-14	G	1.62146E-22
	B	2.10472E-08	E	2.9666E-17	H	-3.0801E-25

表3

表面	自由曲面系数
									S19			C17	5.38933E-07	C34	-1.2381E-09	C51	-7.4126E-14
K	0	C19	8.33432E-07	C36	1.13944E-09	C53	2.05074E-12
								C4		0.013500584	C21	-4.6367E-08	C37	3.87771E-12	C55	-9.2166E-13
C6	0.003493312	C22	-6.2643E-09	C39	1.04779E-11	C56	-2.5867E-15
								C8		-0.00083921	C24	-2.2449E-08	C41	1.80038E-11	C58	-8.7122E-15
C10	-0.00032098	C26	-5.6706E-08	C43	5.23019E-11	C60	2.85321E-14
								C11		8.59459E-06	C28	9.69952E-10	C45	1.69253E-11	C62	-8.5084E-14
C13	2.14814E-06	C30	-1.1968E-10	C47	-2.7E-14	C64	1.25198E-13
								C15		7.54355E-06	C32	-1.3638E-09	C49	7.30978E-13	C66	-5.6277E-14
S20			C17	7.49262E-07	C34	-5.7462E-10	C51										-3.6141E-13
								K	0	C19	1.19039E-06	C36	1.27396E-09	C53	8.54188E-14
	C4	0.015488689	C21	-1.2953E-07	C37	-4.7746E-12	C55									-5.3469E-13
								C6	0.006553414	C22	5.115E-10	C39	7.32855E-12	C56	8.92545E-17
	C8	-0.00116756	C24	-2.1936E-08	C41	5.30157E-11	C58									-5.3434E-15
								C10	-0.00033579	C26	-5.9543E-08	C43	5.05014E-11	C60	1.96533E-14
	C11	7.5015E-06	C28	2.03972E-08	C45	-2.1894E-11	C62									-1.3923E-13
								C13	-2.5728E-06	C30	1.16701E-11	C47	-1.2515E-13	C64	1.06322E-13
	C15	-1.3543E-06	C32	-1.6198E-09	C49	7.64489E-13	C66									-4.6602E-15
								S21			C17	-1.0379E-07	C34	2.81743E-10	C51		-8.1775E-15
K	0	C19	3.0082E-08	C36	6.05663E-10	C53	3.06022E-14
									C4	0.015096874	C21	7.95521E-08	C37	8.39381E-13	C55	-9.1775E-13
C6	0.009982808	C22	-1.3911E-09	C39	1.98531E-12	C56	-7.8543E-17
									C8	0.000358347	C24	9.33292E-10	C41	1.37477E-11	C58	-8.9588E-16
C10	0.000209267	C26	3.54468E-09	C43	-1.0671E-11	C60	-6.0768E-15
									C11	-3.8593E-07	C28	4.1615E-09	C45	9.04109E-12	C62	-1.9528E-14
C13	-6.8336E-06	C30	-1.2331E-11	C47	2.48401E-14	C64	2.6781E-14
									C15	-2.2455E-05	C32	-2.3367E-10	C49	6.92603E-14	C66	-1.4324E-14
S22			C17	-3.6973E-07	C34	4.8045E-l0	C51										-2.9795E-13
								K	0	C19	-3.0682E-07	C36	1.43328E-10	C53	-2.5306E-14
	C4	0.022813527	C21	4.12093E-08	C37	-2.0707E-12	C55									-3.9401E-13
								C6	0.012060543	C22	4.07969E-09	C39	-4.9221E-12	C56	6.88651E-16
	C8	0.000638931	C24	8.5986E-09	C41	-2.3681E-12	C58									1.55006E-15
								C10	0.000196027	C26	2.1713E-08	C43	-2.1567E-11	C60	-1.4674E-15
	C11	-7.1204E-06	C28	1.63499E-08	C45	-2.3679E-12	C62									-9.9822E-15
								C13	-1.269E-05	C30	1.38704E-10	C47	-5.7167E-15	C64	2.72925E-14
	C15	-2.5184E-05	C32	2.02372E-10	C49	-9.0337E-14	C66									-1.1966E-14
								S23			C17	-1.1083E-09	C34	-4.9118E-14	C51		-5.4918E-19
K	0	C19	-5.7768E-10	C36	8.12546E-14	C53	-2.2569E-18
									C4	0.001597194	C21	1.60076E-10	C37	-7.486E-17	C55	-3.5657E-18
C6	0.001324181	C22	1.91534E-12	C39	6.80626E-16	C56	1.09883E-21
									C8	1.37885E-05	C24	-1.0665E-11	C41	-5.1295E-17	C58	-2.1535E-20
C10	1.34349E-05	C26	-8.6063E-12	C43	-3.6526E-16	C60	2.01763E-20
									C11	-4.8064E-08	C28	-1.1125E-12	C45	1.46399E-15	C62	-1.2016E-20
C13	5.24071E-08	C30	6.24714E-14	C47	-2.1563E-18	C64	3.21408E-21
									C15	9.53861E-08	C32	-3.4381E-14	C49	2.86073E-18	C66	-1.4922E-19

表4

表面	ADE(°)	YDE(mm)
			S0	-1.163	0.0
S23	29.000	0.0
			S24	-43.000	0.0
S25	30.000	0.0

上述表1～4的数值是当将物面上16×9范围的图像投影到1452.8×817.2的大小上时的一个例子。这时的图形如图5所示。图5的纵方向是图3的上下方向，即Y轴方向。图5的横方向是在屏幕上与Y轴正交的方向，图的长方形的中央为画面的中央。在图中表示将画面的纵方向分割成4份，将横方向分割成8份的直线的曲折状态，表示图形畸变的样子。

本数值实施例的点图如图6所示。在图6中，以从上到下的顺序表示在图像显示元件11的显示画面上，从X、Y坐标值为(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个点射出的光束的点图。单位为mm。各点图的横方向为屏幕上的X方向，纵方向为屏幕上的Y方向。这样，两者都能够维持良好的性能。

以上，我们说明了本发明的实施方式的光学单元。本实施方式与已有技术中说明的专利文献1不同之处是投影透镜2的后组13由具有旋转非对称的自由曲面形状的透镜构成，第二光学系统由具有旋转非对称的自由曲面形状的反射面构成。进一步，这些作用分别地，第二光学系统主要校正梯形畸变，作为第一光学系统的投影透镜2的后组13主要校正像面畸变等的非对称像差。

从而，在本实施方式中，不能够通过如已有技术那样沿它的轴方向移动成像光学系统的透镜组，进行组装调整时的调焦。

图7是表示构成本实施方式的投影光学单元的投影透镜2的透镜组的图，在图示中省略了保持该透镜组的透镜保持部件。投影透镜2的前组12是用于将图像显示元件11的显示画面投影到屏幕(图中未画出)的主透镜，由具有旋转对称的面形状的多个折射透镜构成，校正旋转对称光学系统中的基本像差。投影透镜2的后组13包含旋转非对称的自由曲面透镜，主要，校正由倾斜入射产生的像差。

如从图7看到的那样，在本实施方式中，至少1个自由曲面透镜以凹向它的光射出方向的方式进行弯曲。而且，使自由曲面透镜的、向着屏幕3下端的光线通过的部分(这里，自由曲面透镜的下侧)的曲率比向着屏幕3上端的光线通过的部分(这里，自由曲面透镜的上侧)的曲率大。又，在本实施方式中，将2个自由曲面透镜组合起来构成投影透镜2的后组13。

在本实施方式中，将曲折镜14设置在前组12的中途。在已有技术中，通过倾斜地进入透镜保持部件(镜筒)中的沟槽使内部的透镜组沿该沟槽旋转，沿轴方向移动成像光学系统的透镜组。在本实施方式中，因为用旋转非对称的自由曲面透镜，所以不能够使具有该旋转非对称的自由曲面透镜的后组13旋转。因此，在本实施方式中，如上所述用根据已有技术的方法，不能够沿光轴方向移动透镜组。另一方面，本实施方式的投影透镜2的前组12，因为由旋转对称的透镜组构成，所以即便使该前组12旋转也不会使光学像变形。因此，可以通过沿轴方向移动前组12的透镜组使调焦。可是，在这种调焦中，入射到进行像差校正的后组13的入射面的光线位置发生变化。当产生这种光线位置的变化时，存在着在后组13中不能够进行良好的像差校正的情形。从而在本实施方式中，通过固定投影透镜2的前组12和后组13的位置，改变设置在该投影透镜2前的图像显示元件11的位置和/或改变倾斜，进行组装调整时的调焦。

在图8中，表示了持有这种调整期机构的光学单元的一个例子。在图8中，表示了作为图像发生源1的一个例子使用3板式的透过型的液晶面板的情形，但是也可以使用反射式的液晶面板。又，也可以使用备有多个微小镜子的显示元件。投影透镜2，将图7所示的曲折镜14设置在前组12的中途。将自由曲面镜5，与图像发生源1和上述投影透镜2一起，固定在作为光学系统支撑体的光学系统基座7上形成一体化。在固定在光学系统基座7上的部件中，牢固地固定投影透镜2，形成一体化。另一方面，以能够用调整机构15调整至少上下方向(将与上述X轴平行的轴作为旋转中心)的倾斜、和前后方向(上述Z轴方向)，即图像发生源1的射出侧和投影透镜2的前组12之间的距离的方式，将图像发生源1固定在光学系统基座7上。又，用设置在光学系统基座7上的支撑工具16，以将该自由曲面镜5的大致中心作为中心轴可以旋转的方式，固定自由曲面镜5。在图8中，旋转中心用的销17从它的两端可以夹持自由曲面镜5的中心，将它作为轴可以使自由曲面镜5旋转。自由曲面镜5的下端经过旋转用引导槽18与固定用蝶形螺帽19结合。而且，通过用固定用蝶形螺帽19，沿旋转用引导槽18滑动自由曲面镜5的下端，可以将销17作为中心轴使自由曲面镜5旋转。因此，能够调整在自由曲面镜5的反射面中心的法线和投影透镜2的光轴所成的角度即自由曲面镜5的倾斜角。

在本例中，作为图像发生源1，使用与红、绿、蓝色对应的3种透过型液晶面板31。由交叉二色棱镜32合成来自这些液晶面板的图像。

也可以通过分别单独地移动各液晶面板31进行与红、绿、蓝色对应的图像的调焦。但是，这时，投影显示位置调整、像素的位置调整、像面像差校正等，要校正的物理量增多。因此，通过只移动各液晶面板31进行全部调整是困难的。因此在本实施方式中，将各液晶面板31的移动用作像素的位置调整，将保持图像发生源1的调整机构15用作用于投影显示的位置调整和像面像差校正，与各液晶面板31的调整分离开来。又，畸变像差的校正可以通过自由曲面镜5的旋转来进行。在本实施方式中，通过这样地与要校正的物理量一致地分离校正机构，能够容易地进行图像的调焦。

如以上说明了的那样，能够分离校正机构是根据下列理由。即，在本实施方式中，(1)将投影透镜2的前组12作为用于将液晶面板31的显示画面投影到屏幕3上的主透镜，并且以校正旋转对称光学系统中的基本像差的方式构成前组12；(2)将投影透镜2的后组13作为旋转非对称的自由曲面透镜，以主要校正像面像差的方式进行构成；(3)以主要校正畸变像差的方式构成自由曲面镜5；因此，可以构成上述那样的校正机构。

本发明的投影光学单元的其它实施例如图9所示。与图8不同之处是可以沿轴方向移动在投影透镜2的前组中、最大正放大率的透镜组(图中未画出。以下称为放大率透镜)。为了沿轴方向移动放大率透镜，通过使透镜移动用引导槽36倾斜地进入透镜保持部件(镜筒)中，使内部的透镜组沿该沟槽旋转而进行。在图9中，通过透镜固定用蝶形螺帽37与放大率透镜或保持它的要素结合，使它沿上述引导槽36滑动，使放大率透镜沿它的光轴轴移动。即，在本例中，由引导槽36和透镜固定用蝶形螺帽37构成用于调焦的调整机构。通过在投影透镜2中追加该功能，能够以可以调整图像发生源1的方式省略固定在光学系统基座7上的调整机构35。又，在图8的例子中当用放大率透镜的调整机构时，至少可以省去上述前后方向(Z轴方向)的距离调整。

如上述那样，如果根据本实施方式，则能够实现很好地减少装置的纵深尺寸且组装调整容易的背面投影型彩色图像显示装置。又，在上述光学系统中，如果除去平面反射镜将从图像显示元件到自由曲面镜收纳在1个装置中，则形成前面投影型的显示装置。从而，能够实现从装置到屏幕的距离非常短的紧凑的前面投影装置。

Claims (8)

1.一种投影型图像显示装置，其特征在于：它包括：

图像显示元件；

第一光学系统，具有：包含持有相对通过所述图像显示元件的大致中心的轴成对称形状的面的共轴光学系统的前组、和包含单侧或两侧的面形成自由曲面形状的至少1个自由曲面透镜的后组，包含将在所述图像显示元件上显示的图像放大并投影到屏幕上的投影透镜；和

第二光学系统，包含至少1个具有自由曲面形状的自由曲面镜，将来自所述投影透镜的放大图像相对于所述屏幕倾斜地投影，

将所述图像显示元件、所述投影透镜和所述第二光学系统分别固定在共同的光学系统基座上。

2.根据权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于：它进一步包括：

用于可以进行来自包含所述图像显示元件的图像发生源的光的射出方向与所述投影透镜光轴的角度的调整、和所述图像发生源与所述投影透镜的光学距离的调整的至少一方的机构。

3.根据权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于：它进一步包括：

用于可使所述自由曲面镜以该自由曲面镜的大致中心作为中心轴而旋转的机构。

4.根据权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于：它进一步包括：

用于可使所述投影透镜的前组中正放大率最大的透镜组沿所述投影透镜的光轴方向移动的机构。

5.一种用于投影型图像显示装置的光学单元，其特征在于：它包括：

图像显示元件；

第一光学系统，具有：包含持有相对通过所述图像显示元件的大致中心的轴成对称形状的面的共轴光学系统的前组、和包含单侧或两侧的面形成自由曲面形状的至少1个自由曲面透镜的后组，包含将在所述图像显示元件上显示的图像放大并投影到屏幕上的投影透镜；和

第二光学系统，包含至少1个具有自由曲面形状的自由曲面镜，将来自所述投影透镜的放大图像相对于所述屏幕倾斜地投影，

将所述图像显示元件、所述投影透镜和所述第二光学系统分别固定在共同的光学系统基座上。

6.根据权利要求5所述的投影型图像显示装置，其特征在于：它进一步包括：

用于可以进行来自包含所述图像显示元件的图像发生源的光的射出方向与所述投影透镜光轴的角度的调整、和所述图像发生源与所述投影透镜的光学距离的调整的至少一方的机构。

7.根据权利要求5所述的投影型图像显示装置，其特征在于：它进一步包括：

用于可使所述自由曲面镜以该自由曲面镜的大致中心作为中心轴而旋转的机构。

8.根据权利要求5所述的投影型图像显示装置，其特征在于：它进一步包括：

用于可使所述投影透镜的前组中正放大率最大的透镜组沿所述投影透镜的光轴方向移动的机构。

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