CN107710069B - 投影透镜的组装方法和投影影像显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供即使装载的影像显示元件的尺寸发生改变也能够高效地制造的斜投影光学系统投影透镜的组装方法和使用该方法的投影型影像显示装置。本发明为斜投影光学系统中的投影透镜的组装方法,其用于包括包含球面透镜的组和含有非球面透镜的组的倾斜型的投影影像显示装置,预先准备适合于组装在上述投影影像显示装置的不同尺寸的影像显示元件的尺寸的包含球面透镜的组和包含共同的非球面透镜的组,将根据组装后的影像显示元件的尺寸选择出的上述包含球面透镜的组和上述包含共同的非球面透镜的组进行组装,来组装上述投影透镜。
Description
技术领域
本发明涉及具有斜投影光学系统的投影影像显示装置,特别涉及该斜投影光学系统中的投影透镜的组装方法。
背景技术
关于增大了显示画面的大型的投影型影像显示装置,已知一种投影型影像显示装置,其利用投影透镜将显示于透射型的液晶面板或者反射型的液晶面板等的影像显示元件的影像投影到作为投影面的屏幕上。
近年来,使用了从屏幕到投影型影像显示装置的距离短、即所谓短投影距离的投影透镜的投影型影像显示装置逐渐普及。例如,专利文献1中公开了一种装置,其包括由含有透射型折射元件的第一光学系统和含有反射型折射元件的第二光学系统构成的投影透镜,第一光学系统的一部分透镜收纳于以第二光学系统的下端为下限的下方空间内。另外,专利文献2中公开了一种投影光学系统,其将透镜系统与凹面镜进行组合而具有较短的全长,同时能够在大画面上投影优质的投影图像。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2009-86315号公报
专利文献2:日本特开2008-250296号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是,在包含了上述专利文献1和专利文献2的现有技术中,一般而言,针对装置中使用的影像显示元件的尺寸,将分割为多个组的单透镜,按每个组进行包含其外形尺寸在内的各种设计、变更的处理。因此,难以高效地对装置进行组装。因此,存在如下问题:各透镜组的设计工序、设计费用增加,使得影像显示装置的制造成本上升。
特别地,含有自由曲面镜的投影透镜系统(第二光学系统)包含该自由曲面镜并且包含非轴对称形状的透镜,因此在根据多个影像显示元件的尺寸分别准备所需的透镜组时,在其制造过程中,难以保证其表面形状有期望的成型精度和表面粗糙度。
因此,本发明是鉴于上述的现有技术中的问题而完成的,其涉及一种将镜筒部件组合而构成的倾斜型的投影影像显示装置中的斜投影光学系统的投影透镜系统的组装方法和利用该方法的投影型影像显示装置,其中所述镜筒部件将投影于影像显示元件的影像倾斜扩大投影的投影透镜分为多个透镜组而构成,更详细而言,目的在于提供一种斜投影光学系统中的投影透镜的组装方法和使用该方法的投影型影像显示装置,所述斜投影光学系统根据影像显示元件的尺寸而变更每个组的单透镜的外形尺寸,对镜筒和单透镜进行设定以使得与透镜规格相匹配且透过必要的光束,然后根据透镜规格能够将上述的镜筒按每个组重新组合,以能够高效地进行制造。
用于解决课题的技术手段
为了达成上述目的,根据本发明,其优选的一个方式如下所述。倾斜型的投影影像显示装置中的投影透镜的组装方法用于包含球面透镜的组和非球面透镜的组的倾斜型的投影影像显示装置,该投影透镜系统的组装方法为:预先准备适合于组装在上述投影影像显示装置的不同尺寸的影像显示元件的尺寸的包含球面透镜的组和包含共同的非球面透镜的组,将根据组装后的影像显示元件的尺寸选择出的上述包含球面透镜的组和上述包含共同的非球面透镜的组进行组装,来组装上述投影透镜。
另外,同样地,根据本发明,仍为了达成上述的目的,提供一种投影影像显示装置,其为倾斜型的投影影像显示装置,其在壳体内具有:光源;根据影像信号对来自上述光源的光的强度进行调制的影像显示元件;和将来自上述影像显示元件的调制后的影像光从倾斜方向投影到投影面上的投影透镜,上述投影透镜为具有球面的透镜面的塑料透镜和具有非球面的透镜面的塑料透镜、以及在最靠近投影面的位置沿光轴组装的多个透镜组组装而成的结构,上述投影透镜是通过上述记载的投影透镜的组装方法来组装的。
发明效果
根据上述的本发明,提供即使装载于装置的影像显示元件的尺寸发生改变,也能够高效地进行制造的斜投影光学系统中的投影透镜的组装方法和使用该方法的投影型影像显示装置,在实际使用中也发挥优越的效果。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的投影型影像显示装置的外观的整体立体图。
图2是对用于图1的投影型影像显示装置中的斜投影光学系统的投影透镜的一个例子进行说明的透镜配置图。
图3是对用于图2的投影光学系统的投影透镜结构进行说明的透镜配置图。
图4是对用于图3的投影光学系统的投影透镜的工作原理进行说明的图。
图5是表示构成由图2所示非球面透镜、球面透镜构成的前透镜组的非球面透镜的入射面中的影像光束的通过区域的俯视图。
图6是表示构成图2所示的中透镜组的非球面透镜的入射面中影像光束的通过区域的俯视图。
图7是表示构成图2所示后透镜组的自由曲面透镜的入射面的影像光束的通过区域的一个例子的俯视图。
图8是表示构成图2所示后透镜组的自由曲面透镜的入射面的影像光束的通过区域的其他例子的俯视图。
图9是表示图2所示的自由曲面镜的反射面的影像光束的通过区域的俯视图。
图10是为了对用于图3所示的斜投影光学系统的投影透镜的组装工序进行说明的图。
图11是表示图3所示的斜投影光学系统的投影透镜的前透镜组和中透镜组的组装结构的一个例子的图。
具体实施方式
以下,参照添加的附图,对本发明的实施方式进行详细地说明。
图1是表示本发明的一个实施方式的投影型影像显示装置的外观的整体立体图。该图中,附图标记100表示该投影型影像显示装置,附图标记101和102分别表示该装置的上面盖(壳体)和下面盖(壳体)。从图中可以看出,在上述上面盖101的一部分,可开闭地安装有在该装置使用时打开的窗部103。此外,该图中,表示窗部103打开的状态,以下也以附图标记L12来标记构成所述的投影光学系统的一部分的自由曲面透镜。
另外,在此虽然没有图示,但是在由上述上面盖101和下面盖102而形成的内部空间中,装载有:作为用于构成该投影型影像显示装置的构成部件,例如作为光源的固体光源或者灯,将来自该光源的光调制为基于来自外部的影像信号等的影像光的光调制部(例如,DLP(Digital Light Processing,数字光处理),液晶面板等的影像显示元件),即使该影像光相对于墙壁面极近距离(大的倾斜角度)也能够降低梯形畸变等而进行投影、能够得到优越的投影影像的所谓包含自由曲面透镜或者自由曲面镜的倾斜投影光学系统;还装载有包含供给对于上述构成部件所必须的电能或者控制信号的电源电路或者控制电路的各种电路部件、用于将其散发的热量向装置外部导出的冷却风扇等。
接着,图2是对用于上述倾斜投影光学系统中的投影透镜的工作原理进行说明的透镜配置图,从图中可以看出,由以标记L1~L12标记的12个透镜和以附图标记M13标记的一个反射镜构成。在此,反射镜M13的反射面与以附图标记L11和L12标记的透镜的透镜面分别形成为自由曲面形状。因此,即使在极大的倾斜角度下对影像进行投影的倾斜投影光学系统中,也能够得到降低了梯形畸变的投影影像。上述的自由曲面透镜形状相比非球面透镜形状,设计自由度大约为5倍程度大,能够进行良好的像差修正。
另外,来自配置于图中以附图标记PL标记的棱镜光学元件的相对面的光源(本例中作为一个例子为半导体光源,但是未图示)的光在棱镜面全反射,入射到以附图标记P1标记的影像显示元件而利用影像显示元件转换为影像光束,透过棱镜面而入射到投影透镜。来自该影像显示元件P1(反射型影像显示元件)的影像光束(全部以φ0标记)相对于投影面的成像位置,在投影透镜内通过各个透镜的不同的部位。自由曲面镜M13和自由曲面透镜L11、L12位于比其他的大部分透镜所共有的光轴靠上部的位置,因此去掉不需要透镜有效区域而能够小型化。因此,能够降低装置整体的成本。
另外,关于图中以附图标记L10标记的透镜,通过使其透镜面为非球面透镜,以进行彗形像差和球面像差的修正。接着,由于将以该附图标记L10标记的透镜配置于光束集中通过的位置,通过使该透镜面为非球面形状,光束相对于透镜斜着入射,由此进行发生的高次彗形像差的修正。
然后,接着该非球面透镜L10,安装有以附图标记L11、L12标记的所谓自由曲面的塑料透镜和以附图标记M13标记的自由曲面的塑料透镜,作为形成上述倾斜投影光学系统的投影透镜的一部分。
在此,为方便说明,表示了以下情况:在投影面的上端部分成像的光束φ2和在投影面大致中央部分成像的光束φ1透过构成投影透镜的各个透镜(图中以附图标记L1~L12表示)的哪个部分。在投影面的上端部分成像的光束φ2的上限光和在投影面的大致中央部分成像的光束φ1的下限光在非球面透镜L10和自由曲面透镜L11、L12中不重合,因此能够单独地进行像差修正,修正能力大幅提高。
该趋势在自由曲面镜M13中更为显著。将有助于靠近光轴比较近的区域的像差修正的透镜(L1~L10)组装在镜筒B1内,所述透镜(L1~L10),为了进行聚焦调整,将有助于在离开光轴的区域的像差修正的透镜(L11、L12)组装在上述镜筒分体的镜筒B2内,而且成为如下结构:对透镜L10与L11和透镜L12与镜M13的间隔能够进行调整,并且对透镜L11与L12的间隔同时能够进行调整。
另一方面,将自由曲面镜M13安装于镜基座并成为例如利用电动机(未图示)能够开闭的结构。而且,通过将他们全部高精度地固定于投影透镜基座,以能够得到规定的聚焦性能。
<投影透镜系统的透镜结构和研究结果>
然后,在本发明中,也如图3所示的那样,将构成上述的投影透镜的12个透镜L1~L12分为以下3个组,即前组、中组、后组,分别安装在各个镜筒内并设为多个透镜组(前透镜组G1、中透镜组G2、后透镜组G3)。更具体而言,在上述的例子中,将非球面透镜L11和L12作为后透镜组G3,将配置于从最靠近影像显示元件P1的透镜到光阑S1跟前的球面透镜L1~L5作为前透镜组G1,然后,将配置于从该光阑S1到上述非球面透镜L11的跟前的球面透镜L6~L10作为中透镜组G2。此外,将构成投影透镜的这些透镜以各透镜组(区块)表示的透镜配置结构在图4进行表示。
准备多个尺寸不同的影像显示元件P1(包含半导体光源P0),与它们的尺寸对应地设计、制作上述的透镜组(前透镜组G1、中透镜组G2、后透镜组G3)还有自由曲面镜M13(其中,在图中,自由曲面镜M13表示为透镜),通过对它们进行适当的选择并进行组装,制造与影像显示元件P1的尺寸不同的投影型影像显示装置,确认其性能。其结果为,即使配合影像显示元件P1的尺寸来设计、制作上述的前透镜组G1、中透镜组G2、后透镜组G3还有自由曲面镜M13,也不一定能得到所期望的光学性能,因此发明人进行了各种研究。其结果为,确认了以下的内容。
首先,可知:关于由多个球面透镜组合成的前透镜组G1和中透镜组G2,即使通过选择与尺寸不同影像显示元件P1对应的透镜直径的透镜组(即,对于尺寸的小的影像显示元件P1为透镜直径小的透镜的组,对于尺寸大的影像显示元件P1为透镜直径大的透镜组),如果设计为使来自影像显示元件P1的光束φ1、φ2收敛在球面透镜和非球面透镜的有效直径内,也能够得到所期望的光学性能。
可知:关于由自由曲面透镜构成的后透镜组G3,由于其表面形状复杂,不易于在不同的制造工序中维持所期望的加工精度,因此,与由非球面透镜和球面透镜构成的前透镜组G1、中透镜组G2同样,仅通过变更其尺寸,不能得到所期望的光学性能。
可知:本发明是基于上述的研究结果而达成的,即,即使对于尺寸不同的影像显示元件P1,选择对应于其尺寸的前透镜组G1、中透镜组G2,另一方面,关于后透镜组G3,将不同尺寸的影像显示元件P1设为共同的组,由此能够维持所期望的形状精度和表面粗糙度,高效地对具有所期望的光学性能的投影透镜系统进行组装。此外,关于该后透镜组G3,由于为共同的组,设计为使来自最大的尺寸的影像显示元件P1的光束φ1、φ2收敛于其自由曲面透镜内。
而且,关于自由曲面镜M13,可知:与由球面透镜形成的前透镜组G1、中透镜组G2同样,仅通过变更其尺寸就能够得到所期望的光学性能。另一方面,反射镜M13的反射面,相比上述的自由曲面透镜的透镜面,要求的表面粗糙度为一半以下而较小,因此,要求与上述后透镜组G3同等的形状精度。而且,通过蒸镀使反射膜成膜时,根据反射镜M13的尺寸,蒸镀成本有较大的变化,对投影透镜的价格影响大。因此使用小型的影像显示元件时,也可以设为必要的最小限度的反射镜外形尺寸。
对于更具体的实施例,以下进行详细地说明。首先,关于对角线尺寸不同的影像显示元件,准备对角线尺寸为0.3英寸(宽高比16:9)的反射型影像显示元件、对角线尺寸为0.45英寸(宽高比16:9)的反射型影像显示元件,关于下述内容的研究结果在以下的图5~9和表1~5中,由XY坐标的值来表示:来自在上述对角线尺寸为0.3英寸(宽高比16:9)的反射型影像显示元件显示的影像的影像光束,和来自在对角线尺寸为0.45英寸(宽高比16:9)的反射型影像显示元件显示的影像的影像光束,在图2表示的构成投影透镜的非球面透镜和自由曲面透镜、自由曲面镜的哪个区域通过或者反射。
图5是表示构成前透镜组G1的非球面透镜L2的入射面(影像显示元件侧面)中的影像光束的通过区域的俯视图,所述前透镜组由图2所示非球面透镜或者球面透镜构成,图中以A1标记的区域(对应于影像显示元件的尺寸为0.45英寸,另一方面,以A2标记的区域(对应于影像显示元件的尺寸为0.3英寸。另外,以下的表1中,以光轴基准(X:Y轴均为0)的绝对值表示具体的通过区域的Y轴与半边即+X轴对应的点列。
[表1]
从以上的图和表中可以看出,关于构成前透镜组G1的透镜,能够配合影像显示元件的尺寸,采用合适的、透镜直径不同的(即,缩小了透镜直径)透镜(参照图的虚线的圆)。
同样地,图6是表示构成图2所示的中透镜组G2的非球面透镜L10的入射面(影像显示元件侧面)中影像光束的通过区域的俯视图,图中以A1标记的区域(对应于影像显示元件的尺寸为0.45英寸,另一方面,以A2标记的区域(对应于影像显示元件的尺寸为0.3尺寸。另外,以下的表2中,以光轴基准(X:Y轴均为0)的绝对值表示具体的通过区域的Y轴与半边即+X轴对应的点列。
[表2]
此时,与上述前透镜组G1同样,关于构成中透镜组G2的非球面透镜,能够配合影像显示元件的尺寸,采用合适的、透镜直径不同的(即,缩小透镜直径)透镜(参照图的虚线的圆)。
图7表示构成图2所示后透镜组G3的自由曲面透镜L11的入射面的影像光束的通过区域,图中以A1标记的区域(对应于影像显示元件的尺寸为0.45英寸,另一方面,以A2标记的区域(对应于影像显示元件的尺寸为0.3尺寸。另外,以下的表3中,以光轴基准(X:Y轴均为0)的绝对值表示具体的通过区域的Y轴与半边即+X轴对应的点列。
[表3]
图8也同样,表示构成图2所示后透镜组G3的自由曲面透镜L12的入射面的影像光束的通过区域的其他例子的俯视图,图中以A1标记的区域(对应于影像显示元件的尺寸为0.45英寸,另一方面,以A2标记的区域(对应于影像显示元件的尺寸为0.3尺寸。另外,以下的表4中,以光轴基准(X:Y轴均为0)的绝对值表示具体的通过区域的Y轴与半边即+X轴对应的点列。
[表4]
此外,从上述图7和图8可知:关于构成后透镜组G3的自由曲面透镜L11和L12,由于其表面形状复杂,即使减少影像显示元件的尺寸,也不一定能够导致与该透镜直径的缩小。关于上述自由曲面透镜L11和L12,由于其表面形状复杂,仅通过变更尺寸(透镜直径的缩小)也不易于获得所期望的特性,另外,在上述已经进行了说明,但是不易于在不同的制造工序中维持所期望的加工精度,因此仅通过缩小透镜直径,不能获得所期望的光学性能。
图9是表示图2所示的自由曲面镜M13的反射面的影像光束的通过区域的俯视图。由于以图中的A1、A2标记的区域也与上述相同,因此省略其说明。另外,在以下的表5中,以光轴基准(X:Y轴均为0)的绝对值表示具体的通过区域的Y轴与半边即+X轴对应的点列。
[表5]
此外,在此种情况下,也可知:能够配合影像显示元件的尺寸,而采用合适的、尺寸不同的(即,缩小整体的尺寸)反射镜(参照图中的虚线)。
根据上述内容,可知:关于尺寸不同的影像显示元件P1,不仅对于上述的前透镜组G1、中透镜组G2,还有该自由曲面镜M13,通过对它们进行适当地选择来组装投影透镜系统,对高效地并且经济地组装投影透镜系统是有效的。此外,该反射镜M13的制造中,使在其反射面蒸镀的反射膜的面积配合于尺寸小的影像显示元件P1的尺寸,能够适宜地缩小,因此对制造成本的降低有大影响,能够得到经济的效果。
<投影透镜系统的组装方法>
从上述可知,根据本发明的投影透镜系统的组装方法,对于组装于制造的投影型影像显示装置的尺寸(对角线的尺寸)不同的多个影像显示元件P1,预先准备配合其尺寸而设计、制造的多个种类的透镜组,即,前透镜组G1、中透镜组G2。另外,对于自由曲面镜M13,也同样地准备多个种类的透镜组。此外,对于上述的后透镜组G3,准备共同的部件。
其后,对投影透镜进行组装时,如图10所示的那样,选择适合于影像显示元件P1的前透镜组G1和中透镜组G2并对它们进行组装,而且,使之与共同的后透镜组G3进行组合以构成透镜组,其中所述影像显示元件P1选择性地组装于像显示装置。将如此构成的透镜组与构成投影型影像显示装置的各种的部件一起装载于由上面盖101和下面盖102形成的内部空间,而且,将与上述同样地选择了的自由曲面镜M13安装在镜基座,以完成投影透镜的组装。
此外,此时,在对前透镜组G1中透镜组G2进行组装时,如图11所示,使用在光阑S1(20)的前后将镜筒21、22一体地延长而形成的部件,由此在其前部21螺合或者插入有上述前透镜组G1的后方的镜筒,另一方面其后部22螺合或者插入有上述中透镜组G2的前方的镜筒。即,根据上述的组装结构,能够将前透镜组G1和中透镜组G2相对光阑S1容易地固定并组装在同一光轴上的规定位置。此外,包含该镜筒21、22的图10所示的光阑20也与上述前透镜组G1、中透镜组G2同样,准备多个尺寸,使得能够匹配选择性的组装的影像显示元件P1。
即,根据上述的投影透镜的组装方法,尤其是与影像显示元件P1的尺寸无关地将难以维持所期望的加工精度的后透镜组G3共用化,由此能够对得到所期望的光学性能的投影透镜系统进行组装。另一方面,关于前透镜组G1、中透镜组G2,根据影像显示元件P1的尺寸对它们进行选择以组装,由此,尤其是对于尺寸小的影像显示元件P1,能够缩小这些前透镜组G1、中透镜组G2和自由曲面镜M13的外形尺寸,因此能够降低其的制造成本。而且,作为缩小前透镜组G1、中透镜组G2的外形尺寸的第二效果,在投影型影像显示装置内也能够充分确保冷却通路,能够实现由外部空气的自然空冷,也有助于装置性能的提高。
以上,分别对光阑20、中透镜组G2、前透镜组G1各自不同的实施方式进行了说明,但是不言自明的是,由于其他方面在结构上的制约使得成为光阑20与中透镜组G2或者前透镜组G1一体化、能够取代其他透镜组的结构也能够获得相同的效果。
具体而言,对于组装于制造的投影型影像显示装置的不同的尺寸(对角线的尺寸等)的影像显示元件P1,根据其尺寸的改变,透镜组群的一部分,例如,可以仅使前透镜组G1可变,具体而言,准备尺寸不同的多个前透镜组,或者可以使其全部可变,即,准备尺寸不同的多个前透镜组G1、中透镜组G2乃至自由曲面镜M13。
此外,本发明不限于上述的实施例,而包含各种变形例。例如,上述的实施例是用于便于理解本发明而进行说明、对系统整体进行的详细地说明的内容,不是必须具有说明了的全部的构成的内容。此外,能够将一个实施例的结构的一部分替换到另一个实施例的结构,此外,还能够在一个实施例的结构中加入另一个实施例的结构。此外,能够对各实施例的结构的一部分进行其它结构的追加、删除、替换。
附图标记说明
100……投影型影像显示装置
101……上面盖
102……下面盖
L1~L12……透镜
P1……影像显示元件
PL……棱镜光学元件
G1……前透镜组
G2……中透镜组
G3……后透镜组
M13……自由曲面镜
S1(20)……光阑
21、22……镜筒。
Claims (4)
1.一种投影透镜的组装方法,其为用于倾斜型的投影影像显示装置的、斜投影光学系统中的投影透镜的组装方法,所述倾斜型的投影影像显示装置包括包含球面透镜的组和包含非球面透镜的组,所述投影透镜的组装方法的特征在于:
对于能够组装在所述投影影像显示装置中的不同尺寸的影像显示元件,预先准备与各影像显示元件的尺寸配合而设计、制造的多种尺寸的包含球面透镜的组和共同的包含非球面透镜的组,
根据所组装的影像显示元件的尺寸,从所述多种尺寸的包含球面透镜的组中选择出尺寸配合的所述包含球面透镜的组,与所述共同的包含非球面透镜的组进行组装,来组装所述投影透镜。
2.如权利要求1所述的投影透镜的组装方法,其特征在于:
对于能够组装在所述投影影像显示装置中的不同尺寸的影像显示元件,还预先准备与各影像显示元件的尺寸配合而设计、制造的多种尺寸的反射镜,
根据所组装的影像显示元件的尺寸,从所述多种尺寸的反射镜中选择出尺寸配合的反射镜,将所选择的所述包含球面透镜的组、所述共同的包含非球面透镜的组与所选择的所述反射镜进行组装,来组装所述投影透镜。
3.如权利要求1或2所述的投影透镜的组装方法,其特征在于:
所述包含球面透镜的组在内部具有孔径光阑,
所述包含球面透镜的组包括:沿光轴组装于所述孔径光阑之前的前透镜组和组装于所述孔径光阑之后的中透镜组,
所选择的所述包含球面透镜的组是所述前透镜组和所述中透镜组的任一者或两者。
4.一种投影影像显示装置,其为倾斜型的投影影像显示装置,其在壳体内具有:光源;根据影像信号对来自所述光源的光的强度进行调制的影像显示元件;和将来自所述影像显示元件的调制后的影像光从倾斜方向投影到投影面上的投影透镜,所述投影图像显示装置的特征在于:
所述投影透镜包括:
塑料透镜,其将球面透镜配置在最靠近影像显示元件的位置,并且在所述球面透镜的孔径光阑侧具有非球面;和
配置于最靠近投影面的位置的反射镜,
所述塑料透镜是作为在所述投影透镜的孔径光阑的前后沿光轴组装的多个透镜组被组装的,
所述投影透镜是通过权利要求1~3中任一项所述的投影透镜的组装方法来组装的。
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