CN101794063B - 投射型显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于提供能不使装置大型化而实现广角化，并且装置自身的制造也容易的光学单元和使用该光学单元的投射型显示装置。其中，后方透镜组由使光发散的呈旋转对称面形状的折射透镜和多个具有旋转非对称的自由曲面形状的自由曲面透镜形成。

Description

投射型显示装置

本案是申请号为200710194439.2、发明名称为投射型显示装置的专利申请的分案申请

技术领域

本发明涉及用于将来自影像显示元件的图像放大并投射至屏幕等以进行图像显示的光学单元和使用光学单元的投射型显示装置。

背景技术

日本专利特开平5-134213号公报中公开有以下技术：使投影画面相对投影系统的光轴在垂直方向上移动，并且使用相对投影系统的光轴以规定的角度倾斜配置的附加光学系统(无焦转换器(afocalconverter))，将影像放大投影于相对屏幕倾斜的方向的技术。

在日本专利特开2004-157560号公报中公开有使用多个反射镜(反射系统光学元件)将影像显示元件的图像放大并投射到屏幕(投射面)上的反射型成像光学系统。

发明内容

如果将影像从相对屏幕倾斜的方向进行投射，则在投射影像中产生梯形失真。为了消除这种失真，在日本专利特开平5-134213号公报中记载的光学单元中，通过使配置在屏幕侧的附加光学系统(无焦转换器)偏心而抑制梯形失真。其中，这里所说的附加光学系统指的是具有变换投影像大小的作用的光学系统，是用于对来自相对屏幕倾斜的方向的投射相伴的投影像的失真进行校正、降低，并得到长方形的投影像的光学系统。但是，由于形成这种偏心附加光学系统的透镜倍率低、难以广角化，所以为了得到所需倍率的投影像，存在从投影装置到屏幕的距离变长，此外，投影画面和投影系统之间的距离也变长，甚至装置自身也变大(特别是光学单元光轴方向的长度)的问题。除此之外，作为构成上述偏心附加光学系统的透镜，需要口径大的附加光学系统，因而成为光学单元的成本上升的原因。

另一方面，在日本专利特开2004-157560号公报中记载的反射型成像光学系统，通过利用反射光学系统(反射镜)替代现有技术中的透过型成像光学系统(透镜系统)，抑制成像系统的大型化且实现广视角化。但是，由于反射镜对光的偏心(偏向)量大，特别是在装置内，也包括其倾斜角度难以将多个反射镜配置在正确的位置，此外，由于因振动容易使反射镜的倾斜角度等发生变化，所以其制造相当困难。

本发明鉴于上述问题研究而成，目的在于提供一种不使装置大型化且能够实现广角化，并且装置自身的制造也容易的光学单元和使用该光学单元的投射型显示装置。

本发明的一个方面是，用使光发散的呈旋转对称面形状的折射透镜和呈旋转非对称的自由曲面形状的多个自由曲面透镜形成后方透镜组。

附图说明

图1为表示实施例1的光学单元的截面图。

图2为表示实施例1的光学单元的透镜的配置的一个例子的立体图。

图3为实施例1的光学单元的透镜的垂直方向和水平方向的截面图。

图4为表示在采用实施例1的光学单元的投射型显示装置中，使投射距离发生变化时的构造以及图形失真的状态的图。

图5为表示在采用实施例1的光学单元的投射型显示装置中，使投射距离发生变化时的光斑(spot)状态的图。

图6为表示在实施例1光学单元中使后方透镜组移动的状态的图。

图7为表示用于在实施例1光学单元中使后方透镜组移动的构造的一个例子的图。

图8为倾斜实施例1的光学单元而使画面移动时的图。

图9为表示倾斜实施例1的光学单元而使画面移动时的光斑的变化的图。

图10为表示在实施例1光学单元中，由于对图面移动的调整而移动的透镜的位置关系的图。

图11为表示在实施例1光学单元中，实现能够对应投射距离的变化和图面移动的后方透镜组的移动的构造的一个例子的图。

图12为表示实施例2的结构和光路的YZ截面图。

图13为表示实施例2的结构和光路的XZ截面图。

图14为表示实施例2的光学单元的透镜配置的立体图。

图15为表示实施例2的光学单元的图形失真性能的图。

图16为表示实施例2的光学单元的光斑性能的图

具体实施方式

下面参照附图对实施例进行详细的说明。

[实施例1]

首先，图1为表示实施例1的光学单元的截面图，以XYZ正交坐标系(图中箭头所示)的YZ截面表示光学系统。

如图1所示，实施例1的光学单元由：将来自光源8的光调制成对应光学像的影像信号的影像显示元件1、由棱镜10和包括前方透镜组2和后方透镜组3的这二个透镜组形成的透过(透镜)光学系统、以及，包含具有不是旋转对称(即非旋转对称)自由曲面形状的反射面的反射镜(以下称为自由曲面镜)4的反射光学系统形成。

这里，作为影像显示元件1，表示的是例如采用以液晶面板为代表的透过型显示元件，但不限于此，例如也可以采用CRT这样的自发光型显示元件。此外，作为影像显示元件1，例如，在采用液晶面板等透过型显示元件的情况下，需要成为照射液晶面板的光源8的灯。此外，作为液晶面板，也可以采用所谓的三板式即对R、G、B的多个图像进行合成的方式，在这种情况下，需要影像合成用的棱镜等。但是，关于这些液晶面板的详细内容以及成为照射其的光源8的灯等，在后面进行说明，这里由于没有直接的关系，省略其图示。另一方面，在CRT这样的自发光型显示元件中无需光源8这一点是明确的。

如上所述，在实施例1的光学单元中，从影像显示元件1射出的光首先入射形成透镜光学系统的前方透镜组2。后面也会对其进行详细说明，该前方透镜组2为旋转对称面形状，包含具有正的屈光力(power)和负的屈光力的多个折射透镜。这里，使光会聚的功能称为正的屈光力，使光发散的功能称为负的屈光力。其后，从该前方透镜组2射出的光通过由多个透镜形成的后方透镜组3，所述多个透镜包含具有至少一个面不是旋转对称(非旋转对称)自由曲面形状的多个(本例中为2个)透镜。然后，从该后方透镜组3射出的光，进一步经包含具有不是旋转对称自由曲面形状的反射面的反射镜(以下称为自由曲面镜)4的反射光学系统放大反射之后，被投射到规定的屏幕5(例如房间的壁面或薄板状的屏幕等)上。

其中，由图1也可明确，与专利文献1这种使投影画面(显示元件)相对投影系统的光轴在垂直方向上移动，并且相对投影系统的光轴以规定的角度倾斜而配置有附加光学系统的光学系统不同，在实施例1中，影像显示元件1按照其显示画面的中央大致位于透镜光学系统的光轴上的方式配置(即大致形成共轴光学系统)。因此，从影像显示元件1的显示画面的中央出来，垂直于显示面射出，并向着屏幕5上的画面中央的光线11(下面将其称为画面中央光线)，大致在透镜光学系统(包括前方透镜组2和后方透镜组3)的光轴附近前进。其后，该画面中央光线11在反射光学系统(包含自由曲面镜)的具有自由曲面形状的反射面4上的点P2被反射之后，相对屏幕的法线7从下方倾斜地入射至屏幕5上的画面中央的点P5。以下将该角度称为“倾斜入射角度”，用θ_S表示。这就是说，通过使沿透镜光学系统的光轴通过的光线相对屏幕倾斜入射，从而实质上变成透镜光学系统的光轴相对屏幕倾斜地设置(成为倾斜入射系统)。

其中，如上所述，如果光线相对屏幕倾斜入射，则产生从影像显示元件1投射的长方形的形状变成梯形的所谓的梯形失真，除此之外，还产生因相对光轴旋转非对称而引起的各种像差，但是，在实施例1中，这些像差通过形成透镜光学系统的后方透镜组3以及反射光学系统的反射面进行校正。

特别是，通过使从影像显示元件1投射的光线经形成反射光学系统的反射镜4反射而倾斜投射到屏幕5上，则与从透过型透镜光学系统射出的视角相比，能够得到更大的视角，此外由于难以产生倍率色差，所以能够抑制装置的大型化并且实现广视角化。即，与专利文献1的使附加光学系统(无焦转换器)偏心以抑制梯形失真的光学系统相比较，包括前方透镜组2和后方透镜组3的透镜光学系统能够形成为口径更小的光学系统。

此外，如上所述，通过在后方透镜组中包含具有负的屈光力的透镜，负担一部分广角化，使入射至形成反射光学系统的反射镜4的反射面的光，广角化到规定的大小进行投射，与专利文献2中仅采用反射镜形成放大投影系统的方式相比，其制造变得容易。即，将透镜光学系统与反射光学系统分别制造，其后，在装置框体内，通过固定调整这两者的位置，特别适于量产。此外，如上所述，如果将用于校正梯形失真等的后方透镜组3配置在前方透镜组2的前方，能够缩小该后方透镜组3和前方透镜组2之间的间隔而配置，所以与采用多个反射面形成的方式相比，能够使搭载光学单元的装置整体上紧凑化，特别是能够得到能减小屏幕下方的高度的效果。

这样，如果将具有自由曲面形状的透过型的透镜光学系统和具有自由曲面形状的反射光学系统进行组合，特别是在适用于前置投射型的显示装置的情况下，能够确切且较容易地实现前置投射型所强烈要求的广视角化、以及使装置整体小型化的紧凑型光学系统。

接着，在图2和图3中，表示的是包含反射光学系统的光学单元中的光学元件的透镜面。即，图2为光学单元的立体图，图3分别表示其垂直方向截面(图3(a))，及其水平方向截面(图3(b))。

如这些图中所示，在透镜光学系统中，从影像显示元件1射出的影像首先入射至包含多个具有旋转对称形状的透镜的前方透镜组2。如上所述，前方透镜组2包含旋转对称的球面透镜和非球面透镜。或者，如后面图13和图14所示，也可以在途中配置偏折镜使光线呈直角偏折。

此外，后方透镜组3至少由二个自由曲面透镜形成。如这些图中所示，最靠近反射镜4的反射面S22的自由曲面透镜33从水平方向的截面来看，凹面向着该光的出射方向，并且，入射屏幕下端的光线所通过的部分的曲率被设定为大于入射屏幕上端的光线所通过的部分的曲率。即，自由曲面透镜具有以下形状：凹向该光的出射方向而弯曲，并且，入射屏幕下端的光线所通过的部分的曲率比入射屏幕上端的光线所通过的部分的曲率大。

此外，在实施例1中，以满足下面的条件的方式形成。即，在图1所示的截面内，将从影像显示元件1的画面下端射出并通过前方透镜组2的入射瞳的中央，入射屏幕5的画面上端的点P6的光线作为光线12。将该光线12从通过自由曲面镜4的点P3到屏幕上的点P6的光路长度作为L1。此外，将从影像显示元件1的画面上端射出并通过前方透镜组2的入射瞳的中央，入射屏幕5的画面下端的点P4的光线作为光线13。将该光线13从通过自由曲面镜4的点P1到屏幕上的点P4的光路长度作为L2。则在光学单元中，按照L1、L2满足下式(公式1)的方式而形成。

[公式1]

|L1-L2|＜1.2*sinθs*Dv。

但是，在这里，Dv为图1的截面内的屏幕上的画面的大小，换言之，是从屏幕上画面上端的点P6到画面下端的点P4的距离。此外，θs为倾斜入射角度。

另一方面，影像显示元件1按照其显示画面的中央位于透镜光学系统的光轴上的方式而配置，或者，如图3(a)所示，优选显示画面的法线相对透镜光学系统光轴稍稍倾斜配置。

其中，由图1可见，如前所述，从点P3到点P6的光路长度比从点P1到点P4的光路长度长。这意味着从透镜光学系统来看，屏幕上的像点P6比像点P4远。因此，如果对应屏幕上的像点P6的物点(显示画面上的点)位于更靠近透镜光学系统的点，而对应像点P4的物点位于更远离透镜光学系统的点，则能够校正像面的倾斜。因此，优选如图3(a)所示，使影像显示元件1的显示画面中央的法线矢量，在包含屏幕5的法线和画面中央光线的平面内，相对透镜光学系统的光轴稍稍倾斜。并且，该倾斜方向优选为与屏幕5倾斜的方向相反的方向。

为了得到相对光轴倾斜的像平面而倾斜物平面的方法是已知的，但在实用的大小的视角中，物平面的倾斜产生的像面相对光轴产生非对称的变形，用旋转对称的投射透镜难以校正。在实施例1中，由于在后方透镜组3中，采用旋转非对称的自由曲面透镜32，再同样采用自由曲面透镜33，所以能够对应非对称的像面的变形。因此，通过倾斜物平面，即倾斜影像显示元件的显示面，能够大大地降低下一像面的失真，对于辅助自由曲面的像差校正是有效的。

下面对上述各光学要素的作用进行说明，在透镜光学系统中，其前方透镜组2(透镜21～27)为用于将影像显示元件1的显示画面投射到屏幕5上的主透镜，对旋转对称光学系统中的基本的像差进行校正。此外，透镜光学系统的后方透镜组3(透镜31～33)由具有不是旋转对称(旋转非对称)自由曲面形状的透镜而形成。再者，由于反射光学系统4由具有不是旋转对称的自由曲面形状的反射面而形成，所以，主要进行因倾斜入射而产生的像差的校正。即，成为反射光学系统的反射镜4主要用于校正梯形失真，而透镜光学系统的后方透镜组3主要进行像面的失真等非对称的像差的校正。

如上所述，在实施例1中，反射光学系统由一个具有不是旋转对称自由曲面形状的反射面(镜)4而形成，透镜光学系统的后方透镜组3包含两面均具有旋转非对称的自由曲面形状的二个透过型透镜(反射镜4一侧的透镜32和33)。其中，自由曲面镜4以凸向其反射方向的方式弯曲。并且，在包含画面中央光线和投射面法线的截面内，自由曲面镜4对入射屏幕下端的光线进行反射的部分的曲率比对入射屏幕上端的光线进行反射的部分的曲率大。此外，对入射屏幕下端的光线进行反射的部分相对其反射方向呈凸的形状，另一方面，对入射屏幕上端的光线进行反射的部分在其反射方向呈凹的形状也可以。

接下来，在图4中表示在采用将光轴相对屏幕倾斜而倾斜投射的方式的光学系统中，改变从光学单元到屏幕的投射距离时所产生的问题。即，如图4所示，在使屏幕位置从设计位置大幅度移动而使投射距离大大变化时，对于未倾斜投射的旋转对称的光学系统，通过改变面板和透镜的距离等的调节能够进行对焦，图形失真也不怎么变化，而对于采用将光轴相对屏幕倾斜而倾斜投射的方式的光学系统，失真变大，此外，如图5所示，光斑尺寸也变大，像质大大劣化。

在图4中表示在将屏幕5的位置从设计位置51(设计画面尺寸例如相当于80英寸)，置于使投影画面缩小的方向的位置52(例如画面尺寸相当于60英寸)的情况下，以及置于使画面放大的方向的位置53(例如画面尺寸相当于100英寸)的情况下的图形失真的状态。图4(A)表示在屏幕位置52的图形失真，图4(B)表示在屏幕位置51的图形失真，图4(C)表示在屏幕位置53的图形失真。

在图5中表示在与图4相同的三个不同的屏幕位置处的画面上的8个点的光斑的形状。以画面的中央作为原点，若以画面横向方向作为标准化水平方向坐标X，以画面纵向方向作为标准化垂直方向坐标Y，则这8个点分别为(0.5，0.5)、(0，0.5)、(0.3，0.3)、(0.5，0)、(0，0)、(0.3，-0.3)、(0.5，-0.5)、(0，-0.5)的8个点，图5中从上向下依次以(1)～(8)表示。其中，Y坐标为画面的垂直方向，图5的上侧为正。此外，图5(A)表示屏幕位置52、图5(B)表示屏幕位置51、图5(C)表示屏幕位置53的光斑形状。从这些也可看出，失真的大小大至画面纵向宽度的约2％以上，光斑形状增大至设计位置时的5倍以上，解析性能劣化。

光斑尺寸的增大，即使通过使例如面板的位置前后移动而进行对焦，也不能使整个画面的光斑形状良好。其理由在于，如图5所示光斑尺寸的增大量根据画面所处位置的不同而不同，由于光学系统不是旋转对称，因此在面板、旋转对称的透镜的移动中，如果对画面的一部分对焦，则其他部分的焦点将大大偏移的缘故。此外，如果仅移动作为自由曲面透镜的后方透镜组的透镜32、33，仍然难以进行该光斑形状的校正。这是由于在屏幕位置的大幅移动相伴的焦点位置的移动中，旋转对称透镜的屈光力变得必要的缘故。

由此可知，通过在使几个透镜对应于投射距离的变化而移动的同时，也包括其他不移动的透镜，以使得在各种投射距离下的性能达到良好平衡的方式对形状进行优化，从而能够得到相对投射距离的变化不会产生性能劣化的投射光学系统。

在选择移动的透镜时，对应于屏幕位置的移动，使透镜移动，并对有效改善光斑形状的失真、解析性能的透镜进行调查，结果可看出，特别是使形成后方透镜组的具有负屈光力的透镜31、具有自由曲面的透过透镜32、以及透过透镜33各自分别独立地在其光轴方向上仅移动规定的距离是有效的。而且，使具有自由曲面的镜4移动也是有效的。但是，由于使倾斜设置、并且尺寸较大的自由曲面镜4移动，从装置的结构上来说也困难重重，所以，特别是对形成后方透镜组3的透镜31～33进行移动最为有效。

在图6中表示在使形成后方透镜组3的透镜即具有自由曲面的透过透镜33、另一个具有自由曲面的透过透镜32、以及具有负屈光力的旋转对称的透镜31与投射屏幕的位置即画面尺寸匹配而移动至规定位置时的样子。其中，分别图6(a)表示在图4中将屏幕置于使投影画面缩小的方向的位置52(例如画面尺寸相当于60英寸)时的情况、图6(b)表示使屏幕位于设计位置51(例如画面尺寸相当于80英寸)时的情况、图6(c)表示将屏幕移动至使投影画面放大的方向的位置53(例如画面尺寸相当于100英寸)时的情况。在图6中，为了使透镜移动的样子明了，而稍微强调透镜的移动量进行表示。

这样，根据至屏幕的距离即投射距离的变化，通过使三个透镜组在光轴方向上分别独立地移动而进行调节，从而在屏幕的位置52到53之间，对到屏幕的焦点和图形失真的两者进行校正，如现有旋转对称透镜的焦点调整，能够得到良好的性能。

其中，作为用于使形成后方透镜组3的透镜组31～33移动的构造，例如，如图7所示，在二个搭载台210、220上分别组装前方透镜组2(旋转对称的透镜21～27)和后方透镜组3(透镜31～33)。其中，在一个搭载台(例如搭载台210)上，将前方透镜组2(旋转对称的透镜21～27)固定在预先规定的位置上，将搭载台210固定于装置内。然后，在另外一个搭载台(例如搭载台220)中，预先形成曲线的槽221、222、223，并且将搭载台220以相对搭载台210(本例中如图中箭头所示，相对透镜组的光轴方向呈直角方向)能够移动的方式设置于装置内。

而且，形成后方透镜组3的透镜31～33，如图6所示，分成由透镜31、透镜32、以及透镜33组成的三个组，各自的位置对应于投射到屏幕而得到的画面尺寸(60英寸、80英寸、100英寸)而进行移动。因此，对应于这三组透镜的移动而形成槽221、222、223，并且，如图7所示，将可移动的搭载台220按照与其上形成的表示基准的标记224的位置(例如，在搭载有搭载台220的装置侧的基台上印有“60”英寸、“80”英寸、“100”英寸等标记)对应，三组透镜，透镜31、透镜32、以及透镜33分别配置在所希望的位置的方式(即对各透镜组以所希望的倾斜角度)而形成。通过这样，仅移动另一个搭载台220，即可将后方透镜组3的各透镜(透镜31～33)相对前方透镜组2，相对光轴方向自由地改变其相对位置，通过如现有旋转对称透镜的焦点调整的简易操作，对于从屏幕位置52到53之间的投射距离的变化，能够得到图形失真、对焦情况良好的性能。

下面对前置投影仪的画面位置调整进行说明。在前置投影仪中，能够微调所投射图像在屏幕上的位置在提高用户的使用方便性这一点上很重要，特别是强烈要求能够进行上下方向位置的微调。对于现有技术中投射距离长的前置投影仪而言，能够以稍微倾斜装置的方式进行图像位置的微调，由于倾角很微小所以焦点偏移等的画质劣化几乎感觉不到。但是，对于如实施例1的投射距离极短的投射装置，在以与现有的装置同样的量使画面位置移动时倾斜装置的角度变得比较大，因此，会产生较大的焦点偏移，还产生梯形失真，所以存在画质劣化的问题。

图8示意性地表示将装置倾斜而使屏幕上的图像向上侧移动时的焦点偏移的状态。在图8中，用虚线表示将装置向上侧倾斜时的状态，用实线表示倾斜前的状态。在将装置向上倾斜时，如图8所示，画面整体向上侧移动，并且光学系统本身的焦点良好的面移动至虚线51所示的位置。因此，屏幕5上的画面中将产生焦点偏移。例如，如果说到画面的上端，倾斜前的画面上端的点P6通过将装置倾斜而移动至屏幕5上的点P61即向上侧移动，由于光学系统的对焦的点向光学系统的聚焦面51上的点P62移动，因此仅在点P62到P61间的距离产生焦点偏移而使光斑变大。另一方面，在画面的下端，尽管倾斜前的焦点P4由于倾斜而向点P41移动，但是其差值与画面的上端相比要小。这样，如图8所示，焦点的偏移在画面的上侧大而在下侧小，即由于画面的位置的不同而焦点偏移的量不同，因此，光斑形状的劣化量也不同。在将装置倾斜之前和之后，画面的多个点中的光斑形状的变化的例子示于图9。在图9中表示与图5所示的画面上的点相同的点的光斑的形状以及将装置倾斜前后的光斑形状。装置倾斜前的光斑如图9(A)所示，倾斜后的光斑如图9(B)所示。图9所示的光斑的评价点的位置如上所述，这样，(1)～(3)为位于画面上侧的点，(4)为画面中央，(5)～(8)为画面下侧的点。如图9的光斑形状所示，可知在位于画面上侧的点，光斑增大情况较大，在画面的上端，光斑尺寸扩大为倾斜前的5倍以上。

在将装置倾斜而使屏幕上的画面移动时，如果想对焦于屏幕之上，由于画面的位置的不同而焦点偏移量不同，所以通过面板位置调节和旋转对称透镜的移动来进行调整是困难的。

因此，使透镜移动，并且对能够有效改善上述焦点偏移的透镜进行调查，结果可看出，特别是使形成后方透镜组的具有自由曲面的透过透镜32和透过透镜33这两块透镜各自分别独立地在其光轴方向上仅移动规定的距离是有效的。在将装置倾斜而光斑尺寸变大的状态下，使透过透镜32和透过透镜33移动而调节光斑，将得到的光斑形状的例子示于图9(C)。如图9(C)所示，通过将具有自由曲面的透过透镜32和透过透镜33在光轴方向上移动而进行调节，能够良好地对光斑形状进行校正。而且，使具有自由曲面的镜4移动也是有效的。但是，使倾斜设置且尺寸较大的自由曲面镜4移动，从装置的结构上来说困难重重，所以，对透过透镜32和透过透镜33进行移动最为有效。

如上所述，在将装置倾斜而使画面移动时，尽管通过透镜的移动能够良好校正焦点偏移，但是不能校正梯形失真。但是，这里发生的梯形失真大致呈梯形且大小约为10％，所以采用电路的图形失真校正处理能够进行对应。

如上可见，在对应于画面移动的焦点调整中使透过透镜32和透过透镜33在光轴方向上移动是有效的。另一方面，透过透镜32和透过透镜33也被利用于之前所述的使投射距离变化时的调整之中。在使二个透镜对应于上述二个的调整中，驱动透过透镜32和透过透镜33的装置需要能够进行对画面移动的调整和对投射距离变化的调整这两种的驱动装置，其驱动结构极其复杂，不易于实现。

因此，在对对应于屏幕位置变化时的透过透镜32和透过透镜33的移动时的位置关系和对应于画面位置调整时的透过透镜32和透过透镜33的移动时的位置关系进行过详细讨论后的结果是，发现在两种情况下的透过透镜32和透过透镜33的移动时的位置关系基本上相同。

下面就此进一步进行详细说明。关于为了上述调节而进行移动的透镜，图10表示透过透镜33和透过透镜32的位置关系。图10中，横轴表示透过透镜33的位置，纵轴表示透过透镜32的位置。此时，两透镜的位置并非指的是所谓的面间距离这种相互的透镜彼此之间的间隔，而是以不移动的透镜(例如透镜组2的透镜28)的面顶点作为原点，以透镜组的光轴作为Z轴，以从面板的某一侧向自由曲面镜4的方向作为正的Z坐标的值来表示。此外，纵轴、横轴均用以位于作为设计中心的画面尺寸(例如画面尺寸相当于80英寸)中的两透过透镜的位置作为基准的相对值来表示。

在图10中，在对应于投射距离的变化而移动透镜的情况下，透过透镜32的位置相对透过透镜33的位置的关系用从点A到点B之间的实线61表示。点A为投射距离近(例如画面尺寸相当于60英寸)时的位置，点B为投射距离远(例如画面尺寸相当于100英寸)时的位置，原点C为投射距离为设计中心(如画面尺寸相当于80英寸)时的位置。实线61表示：在投射距离从设计中心靠近的画面尺寸变小时，透过透镜33和透过透镜32均向正的方向即自由曲面镜4的方向移动，并且移动至投射距离为设计上最近时的点A所示的位置，此外，在投射距离变成设计上最远时，透过透镜33、透过透镜32均向负的方向移动，移动至点B所示的位置。此时，如图10中点画线62所示，作为凹透镜的透射透镜31从投射距离最远时的点E向投射距离最近时的点D移动。

另一方面，相对画面位置的移动进行调节时的情况如图10的虚线所示进行移动。例如，在投射距离短的状态(画面尺寸相当于60英寸)下透过透镜32和33位于点A的位置，在将装置倾斜而使屏幕上的画面向上侧移动的情况下，与之对应，使透过透镜33和透过透镜32从点A沿着图中虚线63向点F移动。由此可见，焦点的不平衡情况得到缓和而能够保持良好的画质。在画面的上端仅向上侧移动画面纵向宽度的约20％时，可以将透过透镜33和透过透镜32的位置移动至点F所示的位置。

其中，点F位于极其靠近从点A到点B的实线61的附近，即可知从点A到点F的虚线63位于与从点A到点B的实线61大致相同的线上。这表示，透过透镜33和透过透镜32的位置关系即使在对应于投射距离的变化而进行调节的情况下，抑或对画面移动进行调整的情况下，也基本上以相同的位置关系移动。即，无论哪一种调整，如果透过透镜33的位置被决定，则表示同时透过透镜32的位置也一并被决定。

接着，在投射距离位于设计中心(例如画面尺寸相当于80英寸)的情况下，在装置的倾斜为零时，透过透镜33和32的位置位于点C，在将装置倾斜而使画面向上侧移动时，使透过透镜32和33的位置从点C开始沿虚线64移动，当画面向上侧移动画面纵向宽度的约20％时可以移动到点G。在这种情况下也可看出，从点C到点G的虚线64基本上位于从点A到点B的实线61之上。

此外，例如在投射距离远(例如画面尺寸相当于100英寸)的情况下，在装置没有倾斜时位于点B的位置关系的透过透镜33和透过透镜32，随着画面向上侧移动而沿虚线65向点H的方向移动，移动画面纵向宽度的约20％时可以位于点H的位置。可看出，该虚线65也在实线61的延长线上。

而且，即使在投射距离位于上述值的中间的情况下，尽管这里未记载，但用于相对画面的移动的调节的透过透镜32和透过透镜33的移动的方向，与上述相同，大致位于实线61上。

如上所述，能够看出，无论投射距离如何，表示对应于装置倾斜引起的画面移动的透过透镜33和透过透镜32的移动的虚线，与表示对应于投射距离变化从而画面尺寸变化的透过透镜33和透过透镜32的移动的实线61，均位于大致相同的线上。即，透过透镜33和透过透镜32的位置关系，在与投射距离的变化对应时、以及与画面移动对应时，均以大致相同的位置关系进行移动。

因此，作为对应于投射距离的变化以及画面的移动这两者，用于移动透射透镜31～33的结构，例如也可以如图11所示，在三个搭载台310、320、330上分别组装前方透镜组2(旋转对称的透镜等21～28)和后方透镜组3(透镜31～33)。在第一个搭载台(例如搭载台310)上，将前方透镜组2固定在预先决定的位置上，将搭载台210固定在装置内。然后，在下一个搭载台(例如搭载台320)上，预先形成槽321，并且将搭载台320以相对搭载台310(本例中如图中箭头所示，相对透镜组的光轴方向呈直角方向)可移动的方式设置于装置内。进一步，在第三搭载台(例如搭载台330)上，预先形成槽331、332，并且将搭载台330以相对搭载台310和搭载台320(本例中如图中箭头所示，相对透镜组的光轴方向呈直角方向)可移动的方式设置于装置内。

其中，形成后方透镜组3的透镜31～33，分别以每一个分成三个组，各组的位置根据到屏幕的投射距离的变化而移动。因此，槽321、331、332对应于这三组透镜的移动而形成，并且，在搭载台320和330上，例如在设计中心的位置上，在配置上述三组透镜的位置处形成有作为基准的标记322、333。在投射距离发生变化时，将搭载台320和330这两个搭载台以各自的标记位置相一致的条件同时移动，从而使形成后方透镜组3的三个透镜组能够相对前方透镜组2在光轴方向上自由地改变其相对位置。

而且，透镜32的组和透镜33的组也对应于画面的上下移动而移动。在这种情况下，对于画面的移动，透镜32和透镜33移动的位置关系如上所述，由于与对应于投射距离的变化的移动的位置关系相同，所以仅通过将搭载台330沿例如图11的箭头所示的方向移动，即能够使透镜32和33相对前方透镜组2在对应于画面移动的调整位置上自由地改变其相对位置。

如上所述，根据实施例1，能够实现一种可对应于投射距离的变化引起的画面尺寸的变化和装置倾斜引起的画面的上下移动这两个方面，能够进行焦点调整的简易的方法。

在将装置倾斜而使画面移动之后，改变投射距离而使画面尺寸改变的情况下，首先在使搭载台320和搭载台330仅同时以相同量(即未改变各自形成的标记322、333的位置关系)移动之后，通过使搭载台320和搭载台330独立地微小移动即可进行调整。

其中，在对应投射距离的变化引起的画面尺寸的变化而移动的透镜组内，具有负屈光力的透射透镜组31可以是由多个旋转对称透镜形成的透镜组，但是优选在形成透镜组31的透镜中不含非球面透镜、自由曲面透镜。原因在于，进行移动的透镜组31中包含的非球面透镜的设计自由度高，在用于对应投射距离的变化而进行的调整的移动中，为了也校正较高级细部像差，与之同时移动的具有自由曲面的透过透镜32和透过透镜33的移动时的位置关系，与对应于不含透镜组31的移动的上述画面移动的调整用移动时的位置关系之差变大，用于驱动透镜的构造变复杂的缘故。

此外，作为用于驱动透镜的构造，例如通过利用在其外周形成有上述这种槽的圆筒来代替上述搭载台，也能达成与上述同样的功能。其中，在这种情况下，特别是后方透镜组3中具有自由曲面的两个透过透镜32、33，尽管光轴方向的相对位置变化，也没有伴随旋转的必要。因此，优选上述筒状部件采用可相互独立旋转的方式即前端侧和后端侧分离，其前端侧不旋转的结构。

[实施例2]

在实施例2中对具体的数值实施例进行说明。

首先，采用图12、图13以及表1～表4对实施例2的光学单元进行详细的说明，其中示出包含该透镜光学系统和反射光学系统的光学元件的具体的数值。图12和图13表示基于第一数值例的光学系统的光路图。即图12为图1的XYZ直角坐标系中的YZ截面，即，将光学系统沿Z轴方向展开表示。此外，图13表示XZ截面的构造。其中，在图13中，其详细情况如图14所示，表示的是在形成透镜光学系统的透镜光学系统的前方透镜组2和后方透镜组3的途中设置偏折镜35，使光路在X轴方向发生一次偏折的例子。

在本例中，从图12的下侧所表示的影像显示元件1射出的光在包含多个透镜的透镜光学系统中，首先通过仅由仅具有旋转对称形状的面的透镜所形成的前方透镜组2。然后，通过包含旋转非对称自由曲面透镜的后方透镜组3，经作为反射光学系统的自由曲面镜4的反射面反射。该反射光之后入射屏幕5。

其中，透镜光学系统的前方透镜组2全部由具有旋转对称形状的折射面的多个透镜形成，在这些透镜的折射面中，4个为旋转对称非球面，其他为球面。这里所用的旋转对称非球面采用各面的局部圆筒坐标系，用(公式2)的式子表示。

[公式2]

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

其中，r为从光轴开始的距离，Z表示下垂量。此外，c为顶点的曲率，k为圆锥常数，从A到J为r的乘方项的系数。顶点的曲率c为顶点的曲率半径Rd的倒数。

另一方面，形成透镜光学系统的后方透镜组3的自由曲面，采用以各面的面顶点为原点的局部正交坐标系(x、y、z)，用包含X、Y的多项式的(公式3)式子表示。

[公式3]

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

其中，Z表示垂直于X、Y轴的方向上的自由曲面形状的下垂量，c为顶点的曲率，r为X、Y轴平面内从原点开始的距离，k为圆锥常数，C(m，n)为多项式的系数。

表1表示本实施例的光学系统的数值数据。表1中，S0～S22分别与图3所示符号S0～S22对应。其中符号S0表示影像显示元件1的显示面即物面，S22表示自由曲面镜4的反射面。此外，符号S24表示也示于图12、图13中的屏幕5的入射面即像面。此外，符号S23为用于明确表示后面的光轴倾斜的假想面。

[表1]

表面	Rd	TH	nd	νd
					S0	无穷大	5.977
S1	无穷大	26.395	1.51680	64.2
					S2	无穷大	9.938
S3	36.40	6.700	1.84666	23.8
					S4	-172.286	8.870
S5*	4710.437	6.000	1.49091	58.0
					S6*	-1283.473	0.100
S7	35.918	8.000	1.48749	70.4
					S8	-19.759	2.500	1.84666	23.8
S9	20.619	5.800	1.48749	70.4
					S10	-48.583	9.000
S11	无穷大	17.160
					S12*	-38.217	6.000	1.49091	58.0
S13*	-40.281	2.360
					S14	1001.620	7.200	1.80610	33.3
S15	-42.940	44.228
					S16	-29.908	3.500	1.48749	70.4
S17	72.760	19.858
					S18#	无穷大	6.000	1.49091	58.0
S19#	无穷大	6.932
					S20#	无穷大	6.000	1.49091	58.0
S21#	无穷大	102.031
					S22#	无穷大	0.0	REFL
S23	无穷大	-888.477
					S24	无穷大	---

此外，在表1中，Rd为各面的曲率半径(曲率c的倒数)，在图3中曲率中心位于面的左侧时用正值，相反的情况用负值表示。此外，表1中，TH为面间距离，表示从该透镜面的顶点到下一个透镜面的顶点的距离。相对该透镜面，下一个透镜面位于图中左侧时面间距离用正值，位于右侧时用负值表示。

再者，在表1中，S5、S6、S12、S13为旋转对称的非球面，在该表1中面的序号的旁边标有*，容易区分地进行表示。这4个面的非球面系数示于以下的表2。

[表2]

此外，在表1中从S18到S21为形成透镜光学系统的后方透镜组3的具有自由曲面形状的折射面，S22为反射光学系统的具有自由曲面形状的反射面4，在面的序号旁边标有#来表示。表示这5个自由曲面形状的系数的值示于以下的表3。此外，表3中所示的自由曲面的系数的值在图3(a)中是以从右向左的方向为Z轴的正方向，以从上侧向下侧的方向为Y轴的正方向时的值。

[表3]

此外，如图3的垂直方向截面所示，将作为影像显示元件1的显示画面的物面相对透镜光学系统的光轴倾斜-2.602度。将各透镜面的倾斜以及偏心的样子示于表4。在表4中，ADE为与图3的垂直方向截面平行的面内的倾斜的大小，倾斜的方向以图的截面内逆时针旋转的方向为正，单位为度。此外，YDE为偏心的大小，偏心被设定为图3的垂直方向截面内且与光轴垂直的方向，图的截面内向下侧的偏心为正，单位为mm。影像显示元件1相对透镜光学系统的倾斜在表4中用S3面内的ADE和YDE表示。

[表4]

面	ADE(°)	YDE(mm)
			S3	2.602	-1.289
S22	26.495	-17.4
			S23	59.800	0.0
S24	-50.000	0.0

在表4所示的倾斜和偏心中，对于S3面的倾斜偏心度，包括S3面的其以后的所有面被配置在S3面的倾斜的光轴之上。即，相对从作为影像显示元件1的S0面的中央出来的光轴，S3面以后以逆时针旋转倾斜2.602度(结合在图3的垂直方向截面上向上方向偏心1.289mm)，因此，相对地变成影像显示元件1相对透镜光学系统倾斜。

图3中的符号S22表示的自由曲面镜4，仅作为镜面的S22面相对其前侧的面的光轴倾斜偏心。即，从表4中表示，仅S22面逆时针旋转倾斜26.495度，在图3的垂直方向截面上向上方向偏心17.365mm。因此，从影像显示元件1的画面中央出来并大致沿透镜光学系统的光轴前进的画面中央光线经S22反射后，相对该入射光线向50～60度倾斜的方向前进。

S23面为偏心前的原点位于与S22相同位置的假想面。如表4所示，S22面以后S23面为止，被配置成倾斜+59.8度。因此，作为屏幕面的S24面能够配置在经S22反射的光线朝向的方向上。而且，作为屏幕面的S24面，位于S23面以后倾斜+59.8度的光轴上，配置成相对光轴倾斜-50度。

其中，从表1、表3可知，在实施例2中，曲率c和圆锥系数k为0。即，因倾斜入射引起的梯形失真在倾斜入射的方向上产生的非常大，而在与之垂直的方向上的失真量小。因此，在倾斜入射的方向和与之垂直的方向上，必需的功能大不相同，在旋转对称的情况下，通过不利用旋转对称在全方向上起作用的曲率c和圆锥系数k，能够对非对称像差进行很好的校正。

此外，在实施例2中，使成为物面S0的影像显示元件1的显示画面上的画面尺寸为13.2×9.9mm(比率4∶3)，以将该影像以80英寸(采用+over-scan，1625.6×1219.2mm)放大投射至像面S23作为设计中心，以投射距离的变化能够对应从60英寸(1219.2×914.4mm)到100英寸(2032.0×1524.0mm)的尺寸进行投射。

在表5中，表示对应该投射距离的变化而移动的透镜其面间距离的变化。在表5中表示的是，对应投射距离的变化，S15、S17、S19、S21、S22的面间距离发生变化，其值在Sc1栏的下方表示在上述设计中心(80”)的情况下，在Sc2栏的下方表示在100”、在Sc3栏的下方表示在60”的情况下的值。

[表5]

此外，在实施例2中，作为倾斜投射的角度的、画面中央光线与投射面法线所成的角度θs(图1中所示)为55.6度(1.2*sinθs＝0.99)，此外，(公式1)所示的光路长度之差|L1-L2|的值为屏幕上画面高度的0.761倍(从上述60“时到100”时之间的最大值)，所以满足公式1的条件。

将实施例2的图形失真示于图15。该图15的纵方向为图12的上下方向，为图1的Y轴方向。此外，该图15的横方向为屏幕上Y轴的垂直方向，图中长方形的中央部为画面的中央。其中，该图15表示将画面的纵方向分成4份、将横方向分成8份而表示的情况下的各直线的弯曲状态，从而表示图形失真的样子。在图15中，投射距离为设计中心(画面尺寸80”)时的图形失真示于(B)，投射距离为60”画面尺寸时的图形失真示于(A)，此外，投射距离为100”画面尺寸时的图形失真示于(C)。如图15所示，图形失真得到良好的校正。

进一步，在图16表示光斑图。在图16中，将影像显示元件1的显示画面上，即显示画面的中央作为原点，采用X、Y坐标值，将从(6.6，4.95)、(0，4.95)、(3.96，2.97)、(6.6，0)、(0，0)、(3.96，-2.97)、(6.6，-4.95)、(0，-4.95)这8个点射出的光束的光斑图从上向下依次((1)～(8))进行表示。其中，单位为mm。各光斑图的横方向为屏幕上的X方向，纵方向为屏幕上的Y方向。此外，在图16中，投射距离为设计中心(画面尺寸80”)时的光斑示于(B)，投射距离为画面尺寸60”时的光斑示于(A)，此外，投射距离为画面尺寸100”时的光斑示于(C)。两者均维持着良好的性能。

如上所述，在实施例2中，因为没有必要像背景技术那样使所使用的透镜偏心，所以能够提供一种无需大口径的附加光学系统，而且能够实现广角化，即使到屏幕的位置发生变更也能将失真抑制在最小限度，并且其制造也比较容易的光学单元。而且，通过利用相关光学单元，能够实现性能良好且更紧凑的外形尺寸的投射型显示装置。

根据本发明，能够提供一种无需大口径的附加光学系统，以倾斜投射的方式可实现广角化，即使到投射面(屏幕)的距离发生变化也能够将光斑的劣化抑制在最小限度，即使对于由装置的倾斜而进行的画面位置调整也能够使焦点的偏移降至最小限度，并且其制造也比较容易的光学单元和采用该光学单元的投射型显示装置。

Claims (5)

1.一种从影像显示元件将光学像倾斜地投射到屏幕的投射型显示装置的光学单元，其特征在于，包括：

前方透镜组，该前方透镜组被设置在所述光学像的光路的所述影像显示元件一侧，包括多个具有旋转对称的面形状的透镜；

后方透镜组，该后方透镜组被配置在所述前方透镜组的光路的后方，包括配置在所述影像显示元件一侧的具有旋转对称的面形状的折射透镜、和配置在所述屏幕一侧具有旋转非对称的自由曲面形状的至少两个透过透镜；和

反射镜，该反射镜被配置在所述后方透镜组的光路的后方，具有旋转非对称的自由曲面形状，对所述屏幕使光轴倾斜地反射光学像，

所述后方透镜组的折射透镜和两个透过透镜，根据光学像的投射距离和该光学单元的倾斜所决定的上下方向的位置，改变相对于所述前方透镜组的光轴方向的相对位置。

2.如权利要求1所述的投射型显示装置的光学单元，其特征在于，包括：

搭载所述前方透镜组的第一搭载台；

在光轴方向能够移动地搭载所述后方透镜组的折射透镜的第二搭载台；和

分别在光轴方向能够移动地搭载所述后方透镜组的两个透过透镜的第三搭载台，

所述第三搭载台搭载的两个透过透镜，根据上下方向的画面位置，与所述第一搭载台和所述第二搭载台独立地动作。

3.如权利要求2所述的投射型显示装置的光学单元，其特征在于：

所述第三搭载台所搭载的两个透过透镜，根据光学像的投射距离和该光学单元的倾斜所决定的上下方向的位置，改变两个透过透镜的距离。

4.如权利要求1所述的投射型显示装置的光学单元，其特征在于：

所述前方透镜组和所述后方透镜组的透镜组大致为共轴光学系统，

该透镜组的光轴位于所述影像显示元件的显示画面的中央，

该透镜组的光轴相对于所述影像显示元件的显示画面的法线方向，向所述屏幕的下方倾斜。

5.如权利要求4所述的投射型显示装置的光学单元，其特征在于：

所述前方透镜组的透镜包含旋转对称的球面透镜和非球面透镜，

所述后方透镜组的折射透镜是具有负屈光力的旋转对称的透镜，

所述后方透镜组的两个透过透镜中距离所述反射镜较近的透镜，凹面向着其出射方向地被弯曲，并且具有入射到屏幕下端的光线通过的部分的曲率比入射到屏幕上端的光线通过的部分的曲率大的形状，

所述反射镜的曲率，对入射到所述屏幕下端部的光进行反射的部分的曲率比入射到所述屏幕上端部的光反射的部分的曲率大。

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