具体实施方式
下面,我们一面参照附图一面详细地说明实施例。
图1是表示实施例1的投射型显示装置的立体图。在该图中,投射型显示装置100持有大致箱型的框体,在其内部,例如,备有显示从外部输入的图像或影像的影像显示元件1和发出高亮度的白色光的灯等的光源8,从光源8射出的光,通过反射镜9(第1反射部)变化约90度方向,照射在影像显示元件1上。而且,搭载有用于放大并照射由影像显示元件1调制了的光学像的投射光学单元。投射光学单元包括,通过棱镜(未图示)和包含前方透镜组(第1透镜组)2和后方透镜组(第2透镜组)3的2个透镜组形成的透过(透镜)光学系统、以及包含具有不旋转对称(即旋转非对称)的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。由自由曲面镜4(第2反射部)反射的光,在台面14上成像,作为投影图像5显示出来。即,在与投射型显示装置100的载置面(台面14的上面)同一的面上显示出投影图像5。
图2是表示实施例1的投射型显示装置的投射光学单元的图。并且,图2表示从图1的X方向看的剖面(YZ剖面)。如上述的那样,投射光学单元具有射入来自光源8的光并射出所要的影像的影像显示元件1、棱镜10、由包含前方透镜组2和后方透镜组3的2个透镜组形成的透过(透镜)光学系统、和包含自由曲面镜4的反射光学系统。
作为影像显示元件1,例如,表示了采用以液晶面板为代表的透过型元件的例子,但是也可以用反射型的影像显示元件。另外,作为影像显示元件1,也可以是如3板式那样,合成R、G、B的多个图像的方式,这时,需要影像合成用的棱镜等。
以上,在说明了的投射光学单元中,从影像显示元件1经过棱镜10射出的光,首先,射入到作为透镜光学系统的前方透镜组2。此外,我们将在后面说明它的详细情况,该前方透镜组2包含着具有旋转对称的面形状的正焦度(power)和负焦度的多个折射透镜。此后,从该前方透镜组2射出的光,通过后方透镜组3,该后方透镜组由包含具有至少一方的面不是旋转对称的(旋转非对称的)自由曲面形状的多个(在实施例1中为2个)透镜的多个透镜所形成。而且,从该后方透镜组3射出的光,进一步,在由包含自由曲面镜4的反射光学系统放大反射后,作为规定的投影图像5,投射到台面14(未图示)上。
此外,在实施例1中,如图2所示的那样,如上述背景技术那样,使投影画面(显示元件)沿与投影系统的光轴垂直的方向移动,进一步,相对投影系统的光轴倾斜规定角度地配置附加光学系统,与这样的光学系统不同,以它的显示画面的中央位于透镜光学系统的大致光轴上的方式配置影像显示元件1(即,形成共轴光学系统)。从而,从影像显示元件1的显示画面的中央射出并通过透镜光学系统的入射瞳孔的中央向着投射图像5上的画面中央的光线11,大致沿透镜光学系统(包含前方透镜组2和后方透镜组3)的光轴行进(以下,将它称为“画面中央光线”)。此后,该画面中央光线11,在自由曲面镜4的反射面上的点P2反射后,相对投射面的法线7从-Y方向(左方向)倾斜地入射到投射图像5上的画面中央的点P5。以下将该角度称为“斜入射角度”,用θs表示。即,这意味着沿透镜光学系统的光轴通过的光线倾斜地入射到投射面上,实质上透镜光学系统的光轴相对投射面倾斜地设置着(形成斜入射系统)。
此外,如上述那样,当相对投射面倾斜地射入光线时,从影像显示元件1投射的长方形形状成为梯形,包含所谓的梯形畸变,除此之外,生成由相对光轴不旋转对称而引起的种种像差。但是,在实施例1中,通过透镜光学系统的后方透镜组3对它们进行校正。而且,具有在作为反射光学系统的自由曲面镜上,不发生由广角化引起的倍率色像差的优点。
特别是,如果使从影像显示元件1射出的光线,由自由曲面镜4的反射面反射,倾斜地入射到投射图像5上,则与由透镜得到的光的偏心量(偏向角)比较,得到更大的偏心量(偏向角),另外,因为也难以生成像差,所以能够抑制装置的大型化,并且可以实现广视场角化。即,将包含前方透镜组2和后方透镜组3的透镜光学系统与使上述背景技术的附加光学系统(アフオ一カルコンバ一タ,远焦转换器)偏心抑制梯形畸变的情形比较,可以使其为口径更小的光学系统。
另外,因为如上所述地用透镜光学系统将入射到形成反射光学系统的反射镜4的反射面上的光放大到规定大小进行投射,所以它的制造变得容易了。即,分别制造反射光学系统和透镜光学系统,此后,在装置框体内,调整并固定它们两者的位置,由此,特别适合于批量生产。
另外,如上述那样,如果将用于校正梯形畸变等的后方透镜组3配置在前方透镜组2的前方,则因为可以减小该后方透镜组3和前方透镜组2之间的间隔地进行配置,所以能够使搭载了投射光学单元的装置整体紧凑化。
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组合起来,则能够确实并且比较容易地实现强烈要求的广视场角化,并且能够实现使得整个装置较小的紧凑的投射型显示装置。
图3是大致水平地放置实施例1的投射型显示装置100,在壁面19等大致垂直的面上显示出投射图像5的状态。这样,只要变更投射型显示装置100的设置方法,就能够在台面等的大致水平的面和壁面等大致垂直的面两者上显示出投射图像。
如图1所示,当投射到大致水平的面上时,从图中左方向(+Y方向)视听的情形是很多的。从而,投射画面5的下面,按照显示出人物150的影像的方式,成为+Y方向。另一方面,如图3那样当投射到大致垂直的面上时,投射画面5的下面,按照显示出人物150的影像的方式,成为图中下方向(-Y方向)。这样,因为通过投射面投射的图像的上下方向不同,所以,保持不变的话,在一方的状态下形成了上下倒转的影像。这时,在影像显示元件1上,需要使上下左右反转地进行显示。也可以使用者与使用状况相应地通过反转部(未图示)切换这些影像(光学像)的反转,但是也可以在装置内配置重力传感器等,由检测装置的设置状态的检测部(未图示)检测出来,自动地进行切换。在上述中,使上下和左右双方反转,但是也可以只使上下反转。
这时,通过在光源8和影像显示元件1之间配置反射镜9,使光源8的光轴8c和后方透镜3的光轴3c大致垂直。作为光源8,一般,用高压水银灯、卤素灯、氙灯、LED、激光光源等的灯的情况是很多的。例如,当用高压水银灯时,通过以使光源8的光轴的方向相对重力成为水平方向或垂直方向中的某一方的方式进行使用,由此,以使灯具具有长寿命的方式进行设计。即,当按照与以长寿命的方式进行设计的方向不同的方向进行使用时,存在着寿命缩短的问题。在实施例1的投射型显示装置101中,通过使光源8的光轴8c和后方透镜组3的光轴3c大致垂直,即便按照大致垂直放置(图1)、大致水平放置(图3)中任一状态进行设置,光源8的光轴8c也成为大致水平的,达到长寿命化。
图4、图5是表示包含投射型显示装置的投射光学单元的透镜光学系统和反射光学系统的光学元件的图。这里,图4的坐标轴X与图1、图2的X相同,令前方透镜组2和后方透镜组3的光轴为Z′轴,与X、Z′轴垂直的轴为Y′轴。如后所述,Z′轴与图1、图2的Z轴不同。图5分别表示图4的Y′Z′剖面(图5(a))及其XZ′剖面(图5(b))。
也如这些图所示的那样,在透镜光学系统中,从影像显示元件1经过棱镜10射出的影像,首先,入射到包含具有旋转对称形状的多个透镜的前方透镜组2中。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。
另外,后方透镜组3由至少2个自由曲面透镜形成。如也在这些图中所示的那样,最接近反射镜4的反射面S23的自由曲面透镜31,将凹部向着它的光的射出方向,并且设定在投射面的-Y′侧端(图4中下侧)入射的光线通过的部分的曲率比在投射面的+Y′侧端(图4中上侧)入射的光线通过的部分的曲率大。即,自由曲面透镜具有将凹部向着它的光射出方向进行弯曲,并且在投射面的-Y′侧端入射的光线通过的部分的曲率比在投射面的+Y′侧端入射的光线通过的部分的曲率大的形状。
另外,在实施例1中,以满足下列条件的方式形成。即,在图2所示的剖面内,令从影像显示元件1的画面左端射出通过前方透镜组2的入射瞳孔中央,入射到投影图像5的画面右端的点P6的光线为光线12。令该光线12从通过自由曲面镜4的点P3到投射面上的点P6的光路长为L1。另外,令从影像显示元件1的画面右端射出通过前方透镜组2的入射瞳孔中央,入射到投射面的画面左端的点P4的光线为光线13。令该光线13从通过自由曲面镜4的点P1到投射面上的点P4的光路长为L2。而且,在上述投射光学单元中,以L1、L2满足下列公式的方式形成。
[公式1]
|L1-L2|<1.2*sinθs*Dv
其中,Dv是在图2的剖面内的投射面上的画面大小,换句话说,是从投射面上的画面右端的点P6到画面左端的点P4的距离。另外,θs是斜入射角度。
另一方面,优选影像显示元件1,以使它的显示画面中央位于上述透镜光学系统的光轴上的方式进行配置,但是或者,如图6所示,也优选显示画面的法线相对透镜光学系统的光轴稍微倾斜地进行配置。
此外,当观看图2时,如上所述,从点P3到点P6的光路长比从点P1到点P4的光路长要长。这意味着从透镜光学系统看,投射面上的像点P6比像点P4远。因此,如果与投射面上的像点P6对应的物点(显示画面左的点)在更接近透镜光学系统的点上,并且与像点P4对应的物点在离开透镜光学系统更远的点上,则能够校正像面的倾斜。因此,也如图6所示,使影像显示元件1的显示画面中央的法线矢量,在包含投射图像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微倾斜是优选的。而且,优选该倾斜方向为与投射图像5所在位置的方向相反的方向。
此外,为了得到相对光轴倾斜的像平面使物平面倾斜的方法是众所周知的,但是在实用大小的像角,基于物平面的倾斜的像面,产生相对光轴非对称的变形,用旋转对称的投射透镜进行校正是困难的。在实施例1中,因为在后方透镜组3中,用旋转非对称的自由曲面透镜31,进一步,用自由曲面透镜32,所以能够与非对称的像面的变形对应。因此,因为通过使物平面倾斜,即,使影像显示元件的显示面倾斜,能够很大地减少低次的像面畸变,所以对辅助基于自由曲面的像差校正是有效的。
下面,关于各光学要素的作用,在透镜光学系统中,该前方透镜组2(透镜21~25)形成有用于将影像显示元件1的显示画面投射在投射图像5上的主透镜,对旋转对称的光学系统中的基本像差进行校正。另外,透镜光学系统的后方透镜组3(透镜31~34)由具有不是旋转对称(旋转非对称)的自由曲面形状的透镜形成。进一步,因为反射光学系统4是具有不是旋转对称的自由曲面形状的反射面,所以主要对由倾斜入射生成的像差进行校正。这样,形成反射光学系统的镜子4主要校正梯形畸变,另一方面,透镜光学系统的后方透镜组3主要对于像面的畸变等的非对称像差进行校正。
如以上那样,在实施例1中,反射光学系统由具有不是旋转对称的自由曲面形状的1个反射面(镜子)4形成,透镜光学系统的后方透镜组3包含两面都具有旋转非对称的自由曲面形状的2个透过型透镜(反射镜4侧的透镜31和32)。此外,这里,自由曲面镜4以使凸部向着它的反射方向的方式进行弯曲。而且,设定对入射到自由曲面镜4的投射面的装置侧端的光线进行反射的部分的曲率比对入射到投射面的反装置侧端的光线进行反射的部分的曲率大。另外,对入射到投射面的装置侧端的光线进行反射的部分也可以形成为对于它的反射方向的凸形状,另一方面,对入射到投射面的反装置侧端的光线进行反射的部分也可以形成为向它的反射方向的凹形状。
优选将反射光学系统的反射面(镜子)4中的坐标原点与前方透镜组2中最接近反射面(镜子)4的透镜面之间的光轴方向上的距离设定在前方透镜组2的焦点距离的5倍或5倍以上。如果这样做,则能够用反射光学系统的具有自由曲面形状的反射面,更有效地校正梯形畸变像差,因而能够得到良好的性能。
图7、图8、图9是在前方透镜组2和后方透镜组3之间配置折返镜35时的投射型显示装置的说明图。
如图所示,由折返镜35(第1反射部)使前方透镜组2的光轴和后方透镜组3的光轴成为大致90°。这时,即便在影像显示元件1和光源8之间不配置反射镜,光源8的光轴8c和后方透镜组3的光轴3c也大致垂直。因为作用,效果等与上述没有变化,所以这里,省略对它们的说明。
下面,我们说明实施例1的具体数值例。
首先,用图10和图11,以及下面的表1~表4,一面特别表示包含该透镜光学系统和反射光学系统的光学元件的具体数值,一面说明作为上述说明了的实施例1的投射光学单元的详细情况。此外,这些图表示根据第1数值例的实施例1的光学系统的光线图。即,图10表示图1的XYZ正交坐标系中的YZ剖面,图11表示XZ剖面。此外,在图11中,如在图7和图8中表示的其详细构造那样,表示了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的中途设置弯折镜35,使光路一次弯折到X轴方向的例子。
从图10左侧所示的影像显示元件1射出的光,在包含多个透镜的透镜光学系统中,首先通过只由只具有旋转对称形状的面的透镜形成的前方透镜组2。而且,通过包含旋转非对称的自由曲面透镜的后方透镜组3,由作为反射光学系统的自由曲面镜4的反射面反射。将该反射了的光入射到它的后投射图像5上。
这里,透镜光学系统的前方透镜组2,全部由持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个是旋转对称的非球面,其它是球面。此外,这里使用的旋转对称的非球面用每个面的局域的圆筒坐标系,由下述公式表示。
[公式2]
这里,“r”是离开光轴的距离,“Z”表示垂度量(サグ量)。另外,“c”是顶点的曲率,“k”是圆锥常数,从“A”到“J”是“r”的幂乘项的系数。
另一方面,作为透镜光学系统的后方透镜组3的自由曲面,用将各面的面顶点作为原点的局域的正交坐标系(x,y,z),由包含X,Y的多项式的下列公式表示。
[公式3]
这里,“Z”表示在与X,Y轴垂直的方向自由曲面形状的垂度量,“c”是顶点的曲率,“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。
下面,表1表示与实施例1有关的光学系统的数值数据。在表1中,S0~S23分别与图5示的标号S0~S23对应。这里,标号S0表示影像显示元件1的显示面,即表示物面,S23表示自由曲面镜5的反射面。另外,标号S24,虽然在这些图中没有表示出来,但是表示图2的投射图像5的入射面,即,像面。
[表1]
面 |
Rd |
TH |
nd |
vd |
S0 |
无限大 |
10.00 |
|
|
S1 |
无限大 |
31.34 |
1.51827 |
48.0 |
S2 |
无限大 |
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 |
无限大 |
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# |
无限大 |
8.00 |
1.49245 |
42.9 |
S20# |
无限大 |
20.51 |
|
|
S21# |
无限大 |
8.00 |
1.49245 |
42.9 |
S22# |
无限大 |
160.99 |
|
|
S23# |
无限大 |
-705.00 |
REFL |
|
另外,在表1中,“Rd”是各面的曲率半径,在图5中曲率中心在面的左侧时为正值,相反时为负值。另外,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。当对该透镜面,下一个透镜面在图中的左侧时面间距离为正值,在右侧时面间距离为负值。
进一步,在表1中,S5、S6、S17、S18是旋转对称的非球面,在表1中为了容易理解,在面的号码后面附加“*”地进行显示,在下列的表2中表示这4个面的非球面系数。
[表2]
另外,在表1中从S19到S22是透镜光学系统的形成后方透镜组的具有自由曲面形状的折射面,S23是反射光学系统的具有自由曲面S23形状的反射面,在面的号码后面附加“#”地进行显示,在下列的表3中显示了表示这5个自由曲面的形状的系数的值。
[表3]
另外,在本数值例中,如图6所示,作为影像显示元件1的显示画面的物面对透镜光学系统的光轴倾斜-1.163度。此外,倾斜的方向,在图6的剖面内将物面的法线顺时钟的方向表示为正值。从而,在本数值例中,在图6的剖面内,从与透镜光学系统的光轴垂直的位置向反时钟的方向将物面倾斜1.163度。
另外,图5或图6中的用标号S23表示的自由曲面镜4,使它的局域坐标的原点位于透镜光学系统的光轴上,使在局域坐标的原点上的法线,即,Z轴从与透镜光学系统的光轴平行的位置只倾斜约+29度地进行配置。此外,该倾斜方向,与物面同样,令在图5或图6的剖面内反时钟的方向为正,从而,反时钟方向地倾斜。因此,从影像显示元件1的画面中央出来,大体上,沿上述透镜光学系统的光轴行进的画面中央光线,在被S23反射后,沿对上述透镜光学系统的光轴只倾斜上述倾斜角度的2倍的58度的方向行进(请参照图中的箭头)。
进一步,在本数值例中,在表4中表示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5的剖面平行的面内的倾斜的大小,它的显示规则如上所示。另外,“YDE”是偏心的大小,将偏心设定在与图5的剖面平行的面内并且与光轴垂直的方向上,在图5的剖面中令向下侧的偏心为正。此外,即便在以后说明的实施例中,也在与显示的剖面平行的剖面内的方向上设定光学要素的倾斜和偏心。
[表4]
面 |
ADE(°) |
YDE(mm) |
S0 |
-1.163 |
0.0 |
S23 |
29.000 |
0.0 |
此外,当看表1,表3时,我们看到在本数据例中,曲率“c”和圆锥(コ一ニツク)系数“k”成为零(0)。即,在倾斜入射的方向上发生极大的基于倾斜入射的梯形畸变,在与其垂直的方向上的畸变量很小。从而,在倾斜入射的方向和与它垂直的方向上,需要大幅度不同的功能,通过不利用在旋转对称中全方向起作用的曲率“c”和圆锥系数“k”,能够良好地校正非对称的像差。
另外,在表4中,面S23的“ADE”与图2所示的θm相同,在投射图像5的面上的“ADE”,如图2所示,为θs。