CN1959462A - 投影型图像显示装置 - Google Patents

Abstract

在图像发生源(1)的显示画面上映出的图像，通过由前级组和后级组形成的投影透镜(2)，在自由曲面反射镜(5)的反射面被反射，进一步被平面反射镜(4)反射，从而从下侧被倾斜投影在屏幕(3)上。投影透镜(2)的前级组用于放大该图像，后级组为了对因倾斜投影在屏幕上而产生的像差进行修正，采用相对于出射侧呈凹状的自由曲面透镜。自由曲面反射镜(5)用于对因倾斜投影在屏幕上而产生的梯形畸变进行修正。投影透镜(2)的后级组的自由曲面透镜的其中一个端部作为基准端，另一个端部侧可伸缩，可相对环境的变化而变化。自由曲面反射镜也一样，其中一个端部作为基准端，另一个端部侧可伸缩，并且可将基准端转动调整为中心。

Description

投影型图像显示装置

技术领域

本发明涉及将图像显示元件的显示画面上的图像放大显示在屏幕上的投影型图像显示装置及其投影光学单元，特别是涉及将该显示画面上所示出的图像从倾斜方向投影到屏幕上的投影型图像显示装置及其投影光学单元。

背景技术

在将采用反射型或透射型液晶显示面板和微镜的图像显示元件的显示画面的图像放大显示在屏幕上的投影型图像显示装置中，需要能够在该屏幕上得到足够大小的放大图像，这是不言而喻的，但还需要将装置的纵深尺寸缩短而实现小型化。为了满足该要求，现已知有采用图像光从倾斜方向入射在屏幕上的方式，即斜向投影的方式，进行图像放大投影的投影光学单元(例如参照日本专利特开2001-264627号公报)。

另外，还已知有采用曲面反射镜进行相关的斜向投影，并采用相关的光学系统进行光学调整的方法(例如参照日本专利特开2002-350774号公报)。

但是，在日本专利特开2001-264627号公报所记载的技术中，尽管是，对于随着向屏幕斜向投影的进行而产生的投影图像的梯形畸变，通过在投影光学系统与屏幕之间配置负焦度(Power)的自由曲面反射镜进行修正，和对于由屏幕上下方向投影距离差而产生的像差，通过使图像显示装置相对共轴投影光学系统一边平行移动、一边倾斜进行修正，然而，对于这样的像差修正，投影到屏幕上的图像在纵方向将存在偏差的可能性，从而还需要对此进行修正的机构。

另外，在日本专利特开2002-350774号公报中，尽管公开了利用自由曲面反射镜的移动而进行调整的调整方法，但对于上述的像差修正方面并没有被考虑。

另外，在上述两篇专利文献记载的发明中，均未披露对于随着周围环境的变化而产生的自由曲面反射镜变形所导致的畸变量采取的何种措施。

发明内容

本发明基于上述技术问题而提出，其目的在于，提供一种投影型图像显示装置及其投影光学单元，能够以紧凑的结构对因向屏幕倾斜投影而产生的投影图像的梯形畸变和像差进行有效的修正，能够降低因环境变化而产生的影响。

根据本发明的一个方面的投影型图像显示装置，包括：含有多个用于对在显示画面上映出的图像进行放大的透镜的第一光学系统；和反射来自第一光学系统的图像的图像光，并使之相对于屏幕的法线以规定的角度入射到屏幕上的第二光学系统，其中第二光学系统的反射面的至少一部分至少包括一个在反射方向上呈凸状的凸面反射镜，凸面反射镜，在上下方向的端部中，以来自第一光学系统的图像光的入射角大的一侧的端部作为基准端，以来自第一光学系统的图像光的入射角小的一侧的端部作为可动端，被安装在光学系统支承单元上。

根据本发明的另一个方面的投影型图像显示装置，包括：含有多个用于对在显示画面上映出的图像进行放大的透镜的第一光学系统；和反射来自第一光学系统的图像的图像光，并使之相对于屏幕的法线以规定的角度入射到屏幕上的第二光学系统，其中第一光学系统至少包括一个在光出射方向上呈凹状、且相对于光轴呈旋转非对称面形状的非对称透镜，第二光学系统的反射面的至少一部分至少包括一个在反射方向上呈凸状的凸面反射镜，第一光学系统的非对称透镜，在其上下下中，在射向第二光学系统的图像光的出射角大的一侧的端部作为基准端，以射向第二光学系统的图像光的出射角小的一侧的端部为可动端，分别安装在镜筒上。

根据本发明的还另一个方面的投影型图像显示装置，包括：含有多个用于对在显示画面上映出的图像进行放大的透镜的第一光学系统；和用于反射来自第一光学系统的图像的图像光，并使之相对于屏幕的法线以规定的角度入射到屏幕上的第二光学系统，其中第一光学系统包括：包含具有关于通过显示画面的大致中心的轴对称的形状的面的共轴光学系统的前级组、和包含至少1块单面或双面呈自由曲面形状的自由曲面透镜的后级组，含有将显示画面上所映出的图像放大投影在屏幕上的投影透镜，第二光学系统包括至少一块具有自由曲面形状的自由曲面反射镜，从倾斜方向将来自投影透镜的放大图像投影在屏幕上，自由曲面透镜，在上下方向的端部中，以射向第二光学系统的图像光的出射角大的一侧的端部作为基准端而安装在镜筒上，以射向第二光学系统的图像光的出射角小的一侧的端部作为可动端，采用弹簧或弹性体支承而安装在镜筒上。

根据本发明一个方面的投影光学单元，在基体上安装有：含有多个用于对在显示画面上映出的图像进行放大的透镜的第一光学系统；和用于反射来自第一光学系统的图像的图像光，并使之相对于屏幕的法线以规定的角度入射到屏幕上的第二光学系统，其中第一光学系统包括：包含具有关于通过显示画面的大致中心的轴对称的形状的面的共轴光学系统的前级组、和包含至少1块单面或双面呈自由曲面形状的自由曲面透镜的后级组，含有将显示画面上所映出的图像放大投影在屏幕上的投影透镜，第二光学系统包括至少一块具有自由曲面形状的自由曲面反射镜，从倾斜方向将来自投影透镜的放大图像投影在屏幕上，自由曲面透镜，在上下方向的端部中，以射向第二光学系统的图像光的出射角大的一侧的端部作为基准端而安装在镜筒上，以射向第二光学系统的图像光的出射角小的一侧的端部作为可动端，采用弹簧或弹性体支承而安装在镜筒上。

附图说明

图1表示部分展开作为一个实施方式的图像显示装置内部的斜视图。

图2表示在基准XYZ正交坐标系的YZ面中所看到的、作为背面反射型图像显示装置的图1所示的实施方式的基本光学系统的结构的截面图。

图3表示在XYZ正交坐标系的YZ面中所看到的、图1所示的实施方式中的图像显示元件的从显示画面各点所射出的图像光的路径的光路图。

图4表示在XYZ正交坐标系的XZ面中所看到的、图1所示的实施方式中的图像显示元件的从显示画面各点所射出的图像光的路径的光路图。

图5A、B表示图2中的光学系统中的投影透镜和自由曲面反射镜的部分结构的一个具体例的示意图。

图6表示在图1所示的实施方式中各光学要素数值取表1～4所示的数值时在屏幕上的投影图像的图形失真图。

图7表示图1所示的实施方式中的屏幕上各点的点线图。

图8表示图1所示的实施方式中构成投影光学单元的投影透镜的透镜组的斜视图。

图9表示图1所示的实施方式中的投影透镜在发生温度变化时的焦点性能的恶化量的示意图。

图10A～C表示图8中的投影透镜的后级组的最外侧的自由曲面透镜的一个具体例的示意图。

图11表示将图10所示的自由曲面透镜固定在镜筒上的状态的正面图。

图12表示图1中的透镜光学单元的一个具体例的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1表示部分展开根据本发明的作为一个实施方式的图像显示装置内部的斜视图。1为图像发生源、2为投影透镜、3为屏幕、4为平面反射镜、5为自由曲面反射镜、6为框体、7为光学系统基体。

该图中，图像发生源1是将图像放映示于其小型显示画面的器件，尽管采用的是具有多个反射型或透射型液晶显示面板和微镜的显示元件等的光调制元件，但也可以采用投影型阴极射线管。放映示于图像发生源1的显示画面上的图像被放大显示在屏幕3上，在图像光从该显示画面到屏幕3的光路中设置有：作为用于将放映示于图像发生源1的显示画面上的图像进行放大而投影在屏幕3上的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反射镜5与平面反射镜4，放映示于图像发生源1的显示画面上的图像的光(图像光)经投影透镜2被自由曲面反射镜5反射，进一步被平面反射镜4反射而投影到屏幕3上。这些构成要素设置在框体7内，具体地，图像发生源1和投影透镜2、自由曲面反射镜5被一体固定在光学系统基体7上而被单元化。在第一光学系统中，设置有用于将图像光的光路折曲并将图像光射向自由曲面反射镜5的后述的折曲反射镜，利用上述折曲反射镜，可减小图像显示装置的纵深。

下面，设定沿着屏幕3的水平方向(即屏幕3的长度(长边)方向)为X轴，与沿着屏幕3的X轴垂直的方向(即屏幕3的高度(短边)方向)为Y轴，屏幕3的法线方向(即与含XY轴的面垂直的方向)为Z轴的基准XYZ正交坐标系。

图2表示在基准XYZ正交坐标系的YZ面中所看到的、作为背面反射型图像显示装置的图1所示的实施方式的基本光学系统的结构的截面图。10为图像光的光轴、11为构成图像发生源1(图1)的图像显示元件的显示画面(称为物面)、12为投影透镜2的前级组、13为投影透镜2的后级组、14为上述的折曲反射镜、15为屏幕3的法线、16为自由曲面反射镜5的法线、17为平面反射镜4的法线、L1、L2、L3为光线、P1、P2、P3分别为自由曲面反射镜5的光线的反射区域的中心，下端、上端、Q1、Q2、Q3分别为平面反射镜4的光线的反射区域的中心，下端、上端、R1、R2、R3分别为屏幕3的光线的照射区的中心、下端、上端，与图1对应的部分采用相同的附图标记。图2表示沿着含光轴10的YZ平面的截面图。

该图中，从作为图1中的图像发生源1的图像显示元件的显示画面11所出射的图像光，沿着光轴10被入射到投影透镜2上。该光轴10通过显示画面11的中心，与投影透镜2的光轴一致。投影透镜2由通过多个具有旋转对称的面形状的透镜面的折射透镜构成的前级组12、和包含具有至少旋转非对称的适当曲面(下面称为自由曲面)形状的透镜面的透镜(下面称为自由曲面透镜)的后级组13组成，该前级组12中包含具有平面状反射面的折曲反射镜14。对于被入射到投影透镜2上的图像光，首先，通过前级组12、然后通过后级组13。这样，投影透镜2对于图像光起到了将图像显示元件的显示画面11的图像进行放大的作用，同时，如后所述，还对屏幕3上的投影图像的像差进行修正。另外，该图像光在通过投影透镜2的前级组12时，通过折曲反射镜14，其光路10在如图1所述的、在自由曲面上具有反射面的自由曲面反射镜5上被折曲。

从投影透镜2射出的图像光，被照射在将自由曲面反射镜5的中心记为P1、上端记为P3、下端记为P2的反射区域并被反射。被自由曲面反射镜5反射的图像光在将平面反射镜4的中心记为Q1、上端记为Q3、下端记为Q2的反射区域被反射，并被照射在将屏幕3的中心记为R1、上端记为R3、下端记为R2的投影区域。此时，图像光光轴10上的光线(下面称为画面中央光线)L1在自由曲面反射镜5的反射区域的中心P1和平面反射镜4的反射区域的中心Q1被反射，并被照射在屏幕3的投影区域的中心R1上。另外，从显示画面11中的图像的显示区的上端射出的图像光线的下端的光线(下面称为画面下端光线)L2在自由曲面反射镜5的下端P2和平面反射镜4的下端Q2被反射，并照射到屏幕3的下端R2，同样，图像光线的上端的光线(下面称为画面上端光线)L3在自由曲面反射镜5的上端P3和平面反射镜4的上端Q3被反射，并被照射到屏幕3的上端R3。

在图像显示元件为光调制元件时，需要照射该光调制元件的灯等照明系统，但这里照明系统被省略图示。另外，作为图像显示元件，也可以采用所谓的3板式合成多个图像而形成影像的方式。对于此时所必需的合成用棱镜等合成光学系统其图示也被省略。

投影透镜2的长度很长，如果保持该长度而使用投影透镜2，则图像显示元件在屏幕3的法线方向距离屏幕变远，框体6(图1)的纵深变大，损害图像显示装置的薄型化。在该实施方式中，在投影透镜2的前级组12内，如上所述，设置折曲反射镜14，使图像光的光轴10折曲成大致与自由曲面反射镜5的方向垂直，这样，直到该折曲反射镜14的光学透镜2的前级组12和图像显示元件的排列与屏幕3的面平行，从投影透镜2出射的图像光如上所述可照射在自由曲面反射镜5上。据此，能够将图像显示元件更靠近屏幕3，从而可以实现图像显示装置的薄型化。

其中，尽管将折曲反射镜14设置在投影透镜2的前级组12内，但并非限于此，也可以设置在自由曲面反射镜5与投影透镜2之间或投影透镜2的前级组12与后级组13之间等其他的位置。

图像显示元件的显示画面11以其中心通过光轴10的方式配置，该光轴10至少通过屏幕3的更下侧。为此，来自该光轴10上的显示画面11的中心的光线、即画面中央光线L1，通过位于该光轴10之上的投影透镜2的光轴，在自由曲面反射镜5的中心P1，以相对于其法线16向下成θm的角度(入射角)被入射，并以向上成θm的角度被反射，进一步，在平面反射镜4的中心Q1，以相对于其法线17向下成θp的角度(入射角)被入射，并以向上成θp的角度被反射，并被照射在屏幕3的中心R1上。为此，在屏幕3的中心R1，相对于屏幕3的法线15，从该中心R1，以向下成θs的角度(入射角)照射画面中央光线L1。即，画面中央光线L1从下侧向上倾斜照射(入射)至屏幕3的中心R1。下面，该角度θs称为倾斜入射角度。

越靠屏幕3的下端R2侧，其倾斜入射角θs越小，射向屏幕3的图像光的入射光线越接近水平光线。重要的是，将投影透镜2沿着其光轴而通过的图像光的光线相对于屏幕3倾斜投影，而实际上投影透镜2的光轴相对屏幕3变成倾斜设置。如果采用在这种方法使图像投影在屏幕3上，则会产生投影在屏幕3上的例如长方形的图像被显示成梯形的所谓梯形畸变的失真。如图所示，在图像从屏幕3下侧向上投影时，则会被投影成下边为短边的梯形图像。另外，如果图像被这样投影，则相对于显示画面(物面)11的各位置，垂直于光轴的面向屏幕3的光学距离不同，这样，对于来自物面11的各点的图像，就会产生诸如不能在屏幕3上同等准确对焦而良好成像这样的投影图像相对于光轴不旋转对称等各种像差。

在该实施方式中，采用的是投影透镜2的后级组13和第二光学系统中的自由曲面反射镜5对这些畸变及像差进行修正。下面对此进行说明。

从自由曲面反射镜5的上端P3经过平面反射镜4的上端Q3到达屏幕3的上端R3的画面上端光线L3的光路长度，比从自由曲面反射镜5的下端P1经过平面反射镜4的下端Q2到达屏幕3的下端R2的画面下端光线L2的光路长度更长。这意味着，如果从投影透镜2看去，位于屏幕3上的上端R3的像点比位于屏幕3的下端R3的像点更远。这样，由于屏幕3的投影区域在Y轴方向的各位置上光路长的不同，因此而在投影图像中产生上述的梯形畸变及像差。

但是，分别地，如果使与屏幕3的上端R3的像点对应的物点(即显示画面11上的点)存在于更靠近投影透镜2的位置上，而与屏幕3的下端R2的像点对应的物点存在于更远离投影透镜2的位置上，则可以对上述光路长度的不同进行修正。为了达到这个目的，使位于图像显示元件的显示画面11的中央的法线矢量相对于光轴(即光轴10)而倾斜于投影透镜2。具体地，也可以将该法线矢量在YZ平面内向屏幕3的中心R1倾斜。现已知有为了得到相对于光轴倾斜的像平面而倾斜物平面的方法。

然而，如果这样相对垂直于光轴10的平面而倾斜显示画面11，虽然能够有效降低像面(屏幕3)的低次梯形畸变，但是，实用中对于广度的可视角而言，由于该广度的存在，故对于屏幕3上的像面，会余留梯形畸变而相对于光轴产生非对称的变形失真，另外，还产生各种像差。对于由旋转对称的曲面形状的透镜面构成的投影透镜而言，进行该修正是很困难的。

在该实施方式中，通过在将显示画面11的物平面相对于光轴10倾斜而大幅降低屏幕3的像面的低次畸变的同时，采用具有旋转非对称的自由曲面形状的透镜面的透镜和具有旋转非对称的自由曲面的反射面的反射镜，能够与相对像面的光轴非对称的变形畸变和像差对应。

下面，对用于修正例如将物面11相对于光轴10倾斜而在像面上残留的梯形畸变和除此之外的变形畸变及像差的各光学要素的作用进行说明。

图2中，属于第一光学系统的投影透镜2的前级组12为用于将图像显示元件的显示画面(物面)11的图像投影在屏幕3上的主透镜，对旋转对称的光学系统中的基本的像差进行修正。投影透镜2的后级组13含有具有旋转非对称自由曲面形状的透镜面的透镜，即自由曲面透镜。上述自由曲面透镜在其光出射方向上(即自由曲面反射镜5侧)呈凹状形成弯曲的形状。

第二光学系统含有反射面呈旋转非对称自由曲面形状的反射镜，即自由曲面反射镜5。该自由曲面反射镜5为其反射面的至少一部分向光的入射、反射方向呈凸状弯曲的旋转非对称的凸面反射镜。具体地，自由曲面反射镜5的反射面的、向屏幕3的下端R2侧反射画面下端光线L2的部分侧的曲率比其向屏幕3的上端R3侧反射画面上端光线L2的部分侧的曲率大。也就是说，从中心P1到下端P2的反射区域相比从中心P1到上端P3的反射区域曲率增大。另外，对于自由曲面反射镜5的反射面，也可以形成为，向屏幕3的下端R2侧反射画面下端光线L2的部分侧在光线的反射方向上呈凸起的形状，其向屏幕3的上端R3侧反射画面上端光线L3的部分侧在光线的反射方向上呈凹陷的形状。

根据自由曲面反射镜5的反射面形状，被比其中心P1更靠上端P3侧的区域反射的图像光汇聚而向平面反射镜4传播，而被比其中心P1更靠下端P2侧的区域反射的图像光发散而向平面反射镜4传播。这样，通过使物面11相对于光轴10倾斜，能够对位于屏幕3之上的像面的上述变形畸变进行修正。

另外，在投影透镜2的后级组13中，通过因此而使用的自由曲面透镜，图像光局部产生汇聚、发散，利用这种方式，能够通过使物面11相对于光轴10倾斜，而对位于屏幕3之上的像面的上述像差进行修正。

这样，在该实施方式中，第一光学系统至少含有一块自由曲面透镜，第二光学系统至少含有一块自由曲面反射镜，利用这种方式，能够通过使物面11相对于光轴10倾斜，而对屏幕3的物面的旋转非对称变形畸变和像差两者均进行修正。

沿着第二光学系统的自由曲面反射镜5的反射面的坐标原点(这里为画面中央光线L1反射的位置的坐标)、和投影透镜2的前级组12中的最靠近第二光学系统侧的透镜面之间的光轴10的距离，优选设定为投影透镜2的前级组12的焦距的5倍以上，这样，根据第二光学系统的反射面，屏幕3上的像面的上述变形失真和像差可被更有效地修正，可得到良好的性能。

但是，在该实施方式中，通过将自由曲面反射镜5与直接将图像投影在屏幕3上的平面反射镜4分开使用，可以对屏幕3上的投影图像的上述变形失真和像差进行修正，其原因如下。

即，对于自由曲面反射镜这样的物件，其尺寸越大制造起来越困难，故将其尺寸限定为规定大小以下是很重要的。由于需要将图像光直接投影在屏幕上的反射镜的大小设置成屏幕画面大小的例如约70％以上，所以对于50型以上的大画面的背面投影仪，尺寸需要形成为超过500mm，如果将该反射镜的反射面形成为旋转非对称的自由曲面形状，则制造非常困难。因此，在背面投影仪中，将在该屏幕上进行投影的反射镜的反射面选择为旋转非对称的自由曲面是不合适的。

因此，在该实施方式中，如图2所示，将在屏幕3上投影图像光的反射镜取为平面反射镜4，在该平面反射镜4与投影透镜2之间还设置有一个反射镜，将该反射镜的反射面形成为旋转非对称的自由曲面。具有该旋转非对称的自由曲面形状的反射面的反射镜为自由曲面反射镜5。尽管设置成来自透镜透镜2的图像光被自由曲面反射镜5和平面反射镜4依次反射并被投影在屏幕3上的结构，但由于该自由曲面反射镜5配置在比平面反射镜4更靠近投影透镜2侧，故可减小尺寸，将其反射面设置成旋转非对称自由曲面更容易些。

根据上述结构，在该实施方式中，对于具有折射面的投影透镜2，不会导致透镜产生偏心和透镜直径增大，而且，也没有增加透镜个数，而可对由于在屏幕3倾斜入射而产生的投影图像的变形畸变和像差进行修正。进一步，可以实现纵深减小、且制造容易的投影光学单元，可提供使纵深和屏幕下部高度降低的紧凑型设备，可提供由于采用小型的自由曲面反射镜而制造容易的光学系统。

根据上述结构，利用反射镜10对光路在XZ平面上进行折曲，使从图像源、即图像显示元件的显示画面11到该折曲的光路平行于屏幕3的长边，但是如果使从图像源即图像显示元件的显示画面11到该折曲的光路平行于屏幕3的短边，使该光路在自由曲面反射镜5于XY平面上发生折曲，则情况是一样的。

图3和图4为具有上述结构的该实施方式中的光学系统的光路图，图3为从XYXZ正交坐标系的YZ平面看的图像显示元件的显示画面11的各点所射出的图像光的路径的示意图、图4为同样地从XZ平面看到的示意图，与图2对应的部分采用同样的附图标记。另外，在图3、图4中，折曲反射镜14虽然是作为设置在投影透镜2的前级组12内的器件，但如前所述，也可以放置在前级组12与后级组13之间或后级组13与自由曲面反射镜5之间等其他位置。

在图3和图4中，对于从图像显示元件的显示画面11射出的图像光，在含有多个透镜的投影透镜2之中，首先，通过仅由具有旋转对称面形状的透镜面形成的透镜所构成的前级组12。然后，通过包含具有旋转非对称自由曲面形状的透镜面的透镜、即自由曲面透镜的后级组13，并被第二光学系统、即自由曲面反射镜5的反射面反射。该反射光被平面反射镜4反射之后被投影在屏幕3上。

下面对该实施方式中的光学系统的具体数值例进行说明。

图5表示图2的光学系统中的投影透镜2和自由曲面反射镜5的部分的结构的一个具体例的示意图，该图(a)、图(b)分别表示从YZ平面、XZ平面看到的结构，12a～12i、13a、13b为透镜，与图2对应的部分用同一附图标记表示。

该图中，

S0为图像显示元件的显示画面11中的图像的显示面(物面)

S1～S12，S14～S23为透镜面

S13为折曲反射镜14的反射面

S24为自由曲面反射镜5的反射面

即，投影透镜2的前级组12构成为，从显示画面11侧依次排列具有显示画面11侧的透镜面S1及其相反侧透镜面S2的透镜12a(该实施方式中，透镜12a为合成棱镜，下同)、具有透镜面S3和S4的透镜12b、具有透镜面S5和S6的透镜12c、具有透镜面S7和S8的透镜12d、具有透镜面S9和S10的透镜12e、具有透镜面S11和S12的透镜12f、具有透镜面S14和S15的透镜12g、具有透镜面S16和S17的透镜12h、具有透镜面S18和S19的透镜12i，在透镜12g、12h之间设置有具有反射面S13的折曲反射镜14。另外，投影透镜的后级组13构成为，从前级组12侧依次排列具有同样的透镜面S20和S21的透镜13a、具有透镜面S22和S23的透镜13b。进一步，自由曲面反射镜5配置成使反射面S24与投影透镜2的出射面(透镜13b的透镜面S23)相对。而且，由图2可知，平面反射镜4被配置成使反射面S25与该自由曲面反射镜5的反射面S24相对，屏幕3配置成使投影面S26与该平面反射镜4的反射面S25相对。

这里，对将显示画面(物面)11中的横16mm×纵9mm大小的图像在屏幕3上放大投影为横1452.8mm×纵817.2mm大小的图像时的各光学要素相关数值的一个具体例进行说明。

首先，下表1示出图5所示的各光学要素相关数值的例子。

[表1]

表面(Surface)	Rd	TH	nd	νd
					S0	无穷大(Infinity)	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	0.00
S9	-42.282	2.50				1.76014	20.0
			S10	29.550	0.10
S11	29.476	9.00						1.49811	60.9
			S12	-79.153	25.90
S13	无穷大	9.10
			S14	-265.353	6.00			1.85306	17.2
S15	-53.869	65.00
			S16	-24.898	4.19	1.74702	33.2
S17	-58.225	9.00
			S18*	-27.332	10.00			1.49245	42.9
S19*	-32.424	2.50
			S20#	无穷大	8.00	1.49245	42.9
S21#	无穷大	20.51
			S22#	无穷大	8.00			1.49245	42.9
S23#	无穷大	160.99
			S24#	无穷大	-400.00	REFL
S25	无穷大	305.00						REFL
			S26	无穷大	-----

表1的各光学部件的表面(surface)采用图5所示的符号S0～S26表示，并分别示出各个面(以下在任意面时称为面S)通过每个光轴的顶点(中心)的半径Rd(mm)、面间距离TH(mm)、透镜的折射率nd及阿贝(Abbe)数νd。

在图5和表1中，对于旋转对称非球面给出“*”标记。其中，投影透镜2的前级组12中的透镜12c的透镜面S5、S6和透镜12i的透镜面S18和S19这4个透镜面呈旋转对称非球面。前级组12除此之外的透镜面S为旋转对称球面。另外，对于旋转非对称自由曲面形状的面S给出“#”标记。其中，投影透镜2的后级组13中的透镜13a的透镜面S20、S21和透镜13b的透镜面S22、S23、自由曲面反射镜5的反射面S24呈旋转非对称的自由曲面形状。面S25为图2中的平面反射镜4的反射面，面S26为图2中的屏幕3的投影面。

上述表1中的面S的半径Rd为通过透镜12a～12i的透镜面的光轴的顶点(中心)的半径。其中，显示画面11的面S0、透镜12a的透镜面S1、S2和折曲反射镜14的反射面S13的曲率Rd为“无限大(infinity)”，呈平面状。另外，各透镜面S的半径Rd在显示面11侧呈凸状或凹状时为正值，在其相反侧呈凸状或凹状时为负值。例如，透镜12b的透镜面S3在物面S0侧呈凸状，透镜12e的透镜面S10在物面S0侧呈凹状，所以这些透镜面S3、S10的曲率半径Rd为正值。另外，例如透镜12b的透镜面S4在物面S0相反侧呈凸状，透镜12e的透镜面S9在物面S0相反侧呈凹状，所以这些透镜面S4、S9的曲率半径Rd为负值。

另外，没有给出“*”、“#”标记的且半径Rd不是“无穷大”的透镜面S3、S4、S7～S14、S16～S17呈旋转对称球面形状。

上述表1中的面间距离TH为从光线沿着光轴前行的方向看，到下一个排列的光学部件表面的光轴10上的顶点(中心)的距离。例如，相对于显示画面11的面S0示出为“10.00”的面间距离TH表示从该面S0到下一个透镜12a的透镜面S1的光轴10上的距离为10.00mm。其中，从该面S看，对于光线前行方向的下一个配置的其他的面S，在位于YZ平面上图像像光的发生源即物面11侧时，该所述面S的面间距离TH为负值，相反，在位于物面11相反侧时，该所述面S的面间距离TH为正值。对于相对上述表1中的自由曲面反射镜5的反射面S24的面间距离TH为负值“-400.00”，表示的是，沿着图像光的光轴，该反射面S24的中心P1、和在光线前行方向上下一个配置的平面反射镜4的反射面S25的被照射并反射画面中心光线L1的中心Q1之间的距离为400mm，但是，相对于自由曲面反射镜5的反射面S24的中心P1，因为平面反射镜4的反射面S25的中心Q1位于物面11侧，所以为负值。对于其他的面S1～S23、S25，因为下一个面S位于YZ平面上与物面11相反侧，所以其面间距离TH为正值。

上述表1中的折射率nd表示投影透镜2的各透镜12a～12i、13a、13b的折射率，阿贝数νd表示这些透镜的阿贝数。例如，透镜面S1、S2的透镜12a的折射率nd为1.51827，阿贝数νd为48.0。另外，在折射率nd栏中的“REFL”表示反射的意思，因此，折射率nd标记为“REFL”的面S24、S25表示反射面的意思。因而，面S24为自由曲面反射镜5的反射面，面S25为平面反射镜4的反射面。

对于表1中给出“*”标记而示出的透镜12c的透镜面S5、S6和透镜12i的透镜面S18、S19的旋转对称的非球面形状，如果采用将通过它们各自的光轴的顶点(中心)作为原点的局部柱坐标系，则用下式1表示。

[式1]

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

其中，r：包含通过透镜面的光轴的顶点的、在垂直于该光轴的平面上的、距离该光轴的距离(光线高度)

Z：从上述平面上的距离该光轴的距离为r的点、到该点在平行于与该光轴的方向的透镜面上的点的距离(下垂量)

c：透镜面的上述顶点处的曲率

k：圆锥常数

A～I：r的幂指数项的系数

对于该式1表示的面形状，相对于距光轴的距离为r的同一圆周上的位置的下垂量Z为一定，并以光轴为中心旋转对称。另外，曲率c为上述表1中半径Rd的倒数。

表2表示对于投影透镜2的前级组12中的成为转动对象的非球面形状的透镜12c的透镜面S5、S6和透镜12i的透镜面S18、AS19的上述式1的圆锥常数k和系数A～I的具体值。

[表2]

表面	非球面系数
									S5	K	-11.7679	C	-1.2E-11	F	2.99E-20	J	-1.3E-26
A	-2.8E-06	D	-3.3E-14	G	1.05E-21
								B		9.68E-09	E	1.09E-16	H	1.96E-24
S6	K	-5.40649	C	2.03E-12	F	3.02E-19	J										-1.5E-26
								A	6.15E-07	D	-2.2E-14	G	4.3E-22
	B	4.6E-09	E	-8.1E-17	H	4.8E-24
								S18	K	1.016429	C	-9E-11	F	-1.1E-18	J		-6.1E-26
A	-1.1E-05	D	-1.4E-13	G	-8.1E-23
									B	7.21E-08	E	3.12E-16	H	3.86E-23
S19	K	0.742868	C	-2.3E-11	F	1.09E-19	J										9.02E-29
								A	1.52E-07	D	-4.7E-14	G	1.62E-22
	B	2.1E-08	E	2.97E-17	H	-3.1E-25

其中，虽然在表2中未示出，但是式1中的曲率c表示表1中的半径Rd的倒数。

另外，数值例中的“…E-N”表示“…×10^-N”。例如，透镜面S5的系数A为“-2.7881E-06”，其表示“-2.7881×10^-6＝-0.0000027781”的意思。

对于表1中给出“#”标记而示出的投影透镜2的后级组13的透镜13a的透镜面S20、S21、透镜13b的透镜面S22、S23以及自由曲面反射镜5的反射面S24的旋转非对称自由曲面形状，如果采用将通过它们各自的光轴的顶点(中心)作为原点的局部柱坐标系，则用下式2表示。

[式2]

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

其中，r：含通过透镜面的光轴的顶点的、在垂直于该光轴的平面上的、距离该光轴的距离(光线高度)

Z：从上述平面上的距离该光轴的距离为r的点、到该点在平行于与该光轴的方向的透镜面上的点的距离(下垂量)

c：透镜面的上述顶点处的曲率

k：圆锥常数

C(m，n)：上述局部柱坐标系中的xy平面状坐标位置(x，y)的x^m·yⁿ的系数。

由于将光轴作为中心的距离为r的同一圆周上的位置其坐标值x，y各不相同，所以式2表示的面形的∑·∑(C(m，n)·x^m·yⁿ)也不一样，对应该位置的下垂量Z也不同。因此，是相对光轴呈旋转非对称的任意的曲面。在该实施方式中，这样的旋转非对称曲面被称为自由曲面。此式中，同样曲率c为上述表1中的半径Rd的倒数。

表3表示对于形成旋转非对称自由曲面的投影透镜2的后级组13中的透镜13a的透镜面S20、S21和透镜13b的透镜面S22、S23以及自由曲面反射镜5的反射面S24的上述式2的圆锥常数k及系数C(m，n)的具体值。

表面	自由曲面系数
									S20			C(4，1)	5.39E-07	C(2，5)	-1.2E-09	C(4，5)	-7.4E-14
K	0	C(2，3)	8.33E-07	C(0，7)	1.14E-09	C(2，7)	2.05E-12
								C(2，0)		0.013501	C(0，5)	-4.6E-08	C(8，0)	3.88E-12	C(0，9)	-9.2E-13
C(0，2)	0.003493	C(6，0)	-6.3E-09	C(6，2)	1.05E-11	C(10，0)	-2.6E-15
								C(2，1)		-0.00084	C(4，2)	-2.2E-08	C(4，4)	1.8E-11	C(8，2)	-8.7E-15
C(0，3)	-0.00032	C(2，4)	-5.7E-08	C(2，6)	5.23E-11	C(6，4)	2.85E-14
								C(4，0)		8.59E-06	C(0，6)	9.7E-10	C(0，8)	1.69E-11	C(4，6)	-8.5E-14
C(2，2)	2.15E-06	C(6，1)	-1.2E-10	C(8，1)	-2.7E-14	C(2，8)	1.25E-13
								C(0，4)		7.54E-06	C(4，3)	-1.4E-09	C(6，3)	7.31E-13	C(0，10)	-5.6E-14
S21			C(4，1)	7.49E-07	C(2，5)	-5.7E-10	C(4，5)										-3.6E-13
								K	0	C(2，3)	1.19E-06	C(0，7)	1.27E-09	C(2，7)	8.54E-14
	C(2，0)	0.015489	C(0，5)	-1.3E-07	C(8，0)	-4.8E-12	C(0，9)									-5.3E-13
								C(0，2)	0.006553	C(6，0)	5.12E-10	C(6，2)	7.33E-12	C(10，0)	8.93E-17
	C(2，1)	-0.00117	C(4，2)	-2.2E-08	C(4，4)	5.3E-11	C(8，2)									-5.3E-15
								C(0，3)	-0.00034	C(2，4)	-6E-08	C(2，6)	5.05E-11	C(6，4)	1.97E-14
	C(4，0)	7.5E-06	C(0，6)	2.04E-08	C(0，8)	-2.2E-11	C(4，6)									-1.4E-13
								C(2，2)	-2.6E-06	C(6，1)	1.17E-11	C(8，1)	-1.3E-13	C(2，8)	1.06E-13
	C(0，4)	-1.4E-06	C(4，3)	-1.6E-09	C(6，3)	7.64E-13	C(0，10)									-4.7E-15
								S22			C(4，1)	-1E-07	C(2，5)	2.82E-10	C(4，5)		-8.2E-15
K	0	C(2，3)	3.01E-08	C(0，7)	6.06E-10	C(2，7)	3.06E-14
									C(2，0)	0.015097	C(0，5)	7.96E-08	C(8，0)	8.39E-13	C(0，9)	-9.2E-13
C(0，2)	0.009983	C(6，0)	-1.4E-09	C(6，2)	1.99E-12	C(10，0)	-7.9E-17
									C(2，1)	0.000358	C(4，2)	9.33E-10	C(4，4)	1.37E-11	C(8，2)	-9E-16
C(0，3)	0.000209	C(2，4)	3.54E-09	C(2，6)	-1.1E-11	C(6，4)	-6.1E-15
									C(4，0)	-3.9E-07	C(0，6)	4.16E-09	C(0，8)	9.04E-12	C(4，6)	-2E-14
C(2，2)	-6.8E-06	C(6，1)	-1.2E-11	C(8，1)	2.48E-14	C(2，8)	2.68E-14
									C(0，4)	-2.2E-05	C(4，3)	-2.3E-10	C(6，3)	6.93E-14	C(0，10)	-1.4E-14
S23			C(4，1)	-3.7E-07	C(2，5)	4.8E-10	C(4，5)										-3E-13
								K	0	C(2，3)	-3.1E-07	C(0，7)	1.43E-10	C(2，7)	-2.5E-14
	C(2，0)	0.022814	C(0，5)	4.12E-08	C(8，0)	-2.1E-12	C(0，9)									-3.9E-13
								C(0，2)	0.012061	C(6，0)	4.08E-09	C(6，2)	-4.9E-12	C(10，0)	6.89E-16
	C(2，1)	0.000639	C(4，2)	8.6E-09	C(4，4)	-2.4E-12	C(8，2)									1.55E-15
								C(0，3)	0.000196	C(2，4)	2.17E-08	C(2，6)	-2.2E-11	C(6，4)	-1.5E-15
	C(4，0)	-7.1E-06	C(0，6)	1.63E-08	C(0，8)	-2.4E-12	C(4，6)									-1E-14
								C(2，2)	-1.3E-05	C(6，1)	1.39E-10	C(8，1)	-5.7E-15	C(2，8)	2.73E-14
	C(0，4)	-2.5E-05	C(4，3)	2.02E-10	C(6，3)	-9E-14	C(0，10)									-1.2E-14
								S24			C(4，1)	-1.1E-09	C(2，5)	-4.9E-14	C(4，5)		-5.5E-19
K	0	C(2，3)	-5.8E-10	C(0，7)	8.13E-14	C(2，7)	-2.3E-18
									C(2，0)	0.001597	C(0，5)	1.6E-10	C(8，0)	-7.5E-17	C(0，9)	-3.6E-18
C(0，2)	0.001324	C(6，0)	1.92E-12	C(6，2)	6.81E-16	C(10，0)	1.1E-21
									C(2，1)	1.38E-05	C(4，2)	-1.1E-11	C(4，4)	-5.1E-17	C(8，2)	-2.2E-20
C(0，3)	1.34E-05	C(2，4)	-8.6E-12	C(2，6)	-3.7E-16	C(6，4)	2.02E-20
									C(4，0)	-4.8E-08	C(0，6)	-1.1E-12	C(0，8)	1.46E-15	C(4，6)	-1.2E-20
C(2，2)	5.24E-08	C(6，1)	6.25E-14	C(8，1)	-2.2E-18	C(2，8)	3.21E-21
									C(0，4)	9.54E-08	C(4，3)	-3.4E-14	C(6，3)	2.86E-18	C(0，10)	-1.5E-19

[表3]

由于这些半径Rd全部为“无穷大(Infinity)”(如表1所示)，所以，如表3所示，对于表3中的这些光学要素的表面S如表1所示，曲率c为0。另外，其中的圆锥常数k为0。而且，系数C(2，0)，C(0，2)，...表示对应于r＝一定时的同一圆周上的各点(x，Y)的系数。这里示出34个点的系数。

在该表3的数值例中，对于后级组3的至少自由曲面透镜13b，在向屏幕3下端R2(图2)射出画面下端光线L2(图2)的部分侧出射角变小，曲率变大，而在向屏幕3上端R3(图2)射出画面下端光线L3(图2)的部分侧出射角变大，曲率变小。

另外，在该表3中，对于自由曲面反射镜5的反射面S24，在向屏幕3下端R2(图2)入射画面下端光线L2(图2)的部分侧入射角变小，曲率变大，而在向屏幕3上端R3(图2)入射画面下端光线L3(图2)的部分侧入射角变大，曲率变小。

另一方面，在图2和图5中，为了对如上所述因屏幕3上的各点和与这些点对应的物面11上的各点之间光学上光路长度不同而产生的屏幕3上的梯形畸变进行修正，图像显示元件的显示画面(物面)11如上所述相对垂直于投影透镜2的光轴的面倾斜。具体地，在图5(a)中，如果将物面11的中心的法线相对投影透镜2的光轴在包含该光轴10的YZ平面内的逆时针的方向成的倾角记为正，将其顺时针方向成的倾角记为负，则物面11以该法线在YZ平面内与投影透镜2的光轴10成-1.163°即顺时针方向倾斜1.163°的方式而向上倾斜。

另外，自由曲面反射镜5的反射面S24相对于该光轴10倾斜，以至于在将自由曲面反射镜5的反射面S24反射画面中央光线L1的点(自由曲面反射镜5的反射面S24的中心)作为坐标原点，与上述X、Y、Z坐标轴分别平行的X、Y、Z坐标轴作为坐标轴的局部坐标系中，如图2所示，在局部坐标系的YZ平面内，该局部坐标系原点(该反射面S24的中心)的法线相对于从投影透镜2向该原点延伸的光轴倾斜θm＝+29°。其中，逆时针方向的倾角为正，这样，自由曲面反射镜5的反射面S24的原点的法线相对光轴10向上倾斜29°。

这里，从相对于光轴10如上倾斜的物面11沿着投影透镜2的光轴射出的图像光，通过投影透镜2照射到自由画面反射镜5的反射面S24上。在该反射面S24中，在其中心(上述局部坐标系的坐标原点)，采用以相对于此处的法线顺时针方向成29°的角度，画面中央光线L1从投影透镜2侧入射，并以相对于该法线逆时针方向成29°的角度反射(即该画面中央光线L1相对于其入射光路以29°×2＝58°的角度在逆时针方向(向上)被反射)的方式，图像光被反射。因此，被自由曲面反射镜5的反射面S24反射的图像光的光轴，相对被照射到该反射面S24上的图像光的光轴(即投影透镜2的光轴10)，以在YZ平面内相对于该光轴与自由曲面反射镜5的反射面S24的中心处法线成的倾斜角(＝29°)的2倍的角度，逆时针方向倾斜。所述光轴成为被自由曲面反射镜5反射的图像光的新的光轴。通过该光轴上的光线即为画面中央光线L1。

如上所述，上述表1中的对于反射面S24的面间距离TH为“-400.00”表示沿着图像光的光轴，该反射面S24的中心、与平面反射镜4的反射面S25的被照射并反射画面中心光线L1的中心Q1之间的距离为400mm，但是，相对于自由曲面反射镜5的反射面S24，因为平面反射镜4的反射面S25位于物面11侧，所以为负值。对于其他的面S1～S24、S25，因为从图像光的前行方向看，相对前面的一个面位于物面11相反侧，所以其面间距离TH为正值。

其中，对于图2中的自由曲面反射镜5的反射面S24，平面反射镜4的反射面S25和屏幕3的光投影面S26，各自局部正交坐标系的xz平面上的倾角ADE(度)及偏心的大小YDE(mm)在表4中示出。另外，这些局部正交坐标系分别将各自的面S的中心P1、Q1、R1作为原点，并且这些x、y、z轴与基准XYZ正交坐标系的X、Y、Z轴平行。

[表4]

表面	ADE(°)	YDE(mm)
			S0	-1.163	0.0
S24	29.000	0.0
			S25	-43.000	0.0
S26	30.000	0.0

在表4中，对于倾角ADE，表示在局部正交坐标系中，面S的画面中心光线L1相对该画面中心光线L1的入射点法线的入射角，入射角相对法线在顺时针方向倾斜时为正值，相反，在逆时针方向倾斜时为负值。

另外，偏心大小YDE表示面S中从画面中心光线L1的入射点中心向上下方向(y轴方向)的偏离的大小，从中心向下侧的偏心为正值，向上侧的偏心为负值。这里，各个面S的偏心大小YDE为0(无偏心)。

在该实施方式中，所有光学要素的倾角和偏心均被设定在yz面内的方向。

如上表3所示，上式2所表示的旋转非对称自由曲面曲率c和圆锥常数k为0。对于因对屏幕3的倾斜入射而产生的梯形畸变，在倾斜的入射方向产生得极其严重，而在与其垂直的方向的畸变量则很小。因此，对于倾斜的入射方向和与之垂直的方向而言，需要具有程度迥异的修正功能，而通过采用无需利用在旋转对称情况下全方向上起作用的上述曲率c和圆锥常数k的方式，能够对非对称像差进行良好地修正。

如上所述，上表1～4的数值为将物面11上的横16mm×纵9mm大小的图像以横1452.8mm×纵817.2mm的大小投影在屏幕3上时的一具体例。

图6表示在图2～图5所示结构的该实施方式中各光学要素的数值取表1～4示出的数值时投影在屏幕3上的投影图像的图形畸变的示意图，纵方向为屏幕3的上下方向(沿Y轴的短边方向)、横方向为该屏幕3的左右方向(沿X轴的长边方向)。

在纵横比16∶9的长方形画面中，用将其纵方向4等分的5条直线和横方向8等分的9条直线表示的图像，从显示画面11中映出并放大显示在屏幕3上，从所显示的直线的弯曲状态观察图像的图形畸变。图6表示此时屏幕3上的投影图像，纵横中心的直线的交点为画面中心。根据该投影图像可知，基本上看不出图形畸变，可得到无梯形畸变等变形畸变的良好的性能。

图7表示同样在该实施方式中的屏幕3上的各点的点线图。

图6表示此时的屏幕3的投影画面的X、Y坐标位置，横方向直线间隔采用X坐标值为2，纵方向直线间隔采用Y坐标值也为2。纵横中心直线的交点为画面中心，该位置在XY坐标系中为原点(0，0)。因此，X轴方向直线的交点的X坐标值为-8、-6、-4、-2、0、2、4、6、8，Y轴方向直线交点的Y坐标值为-4、-2、0、2、4。

如果在上述显示画面11中也推定与之相当的XY坐标系，则利用在该显示画面11的XY坐标系中的(8，4.5)、(0，4.5)、(4.8，2.7)、(8，0)、(0，0)、(4.8，-2.7)、(8，-4.5)、(0，-4.5)这8点分别射出的光束，在屏幕3上映出各个相当的点的光斑，图7为将其点线图按照其点的顺序从上并列示出的图。单位为mm。

根据该点线图可看出，各点能够得到良好的点斑，像面畸变等非对称像差得到良好地修正。

如上所述，在该实施方式中，作为用于将显示画面11的图像投影在屏幕3上的光学系统，分别采用具有作为第一光学系统的投影透镜2的后级组13中旋转非对称的自由曲面的透镜面的自由曲面透镜，第二光学系统中具有旋转非对称自由曲面的反射面的自由曲面反射镜5，并各自分配这些投影透镜2的后级组13和自由曲面反射镜5的任务，第二光学系统主要对屏幕3的梯形畸变进行修正，第一光学系统的投影透镜2的后级组13主要对屏幕3中的像面畸变等进行非对称像差修正。

图8表示该实施方式中构成投影光学单元的投影透镜2的透镜组的斜视图，对应上述附图的部分采用同一附图标记标注。

在该图中，投影透镜2的前级组12为用于将图像显示元件的显示画面11的图像投影在上述屏幕3上的主透镜，由具有旋转对称的面形状的透镜面的多个折射透镜构成，主要对旋转对称光学系统中的基本像差进行修正。投影透镜2的后级组13包含旋转非对称自由曲面透镜，主要对屏幕3中因斜入射而产生的像差进行修正。

这里，作为一个例子，后级组13由2块自由曲面透镜13a、13b组合构成，但也可以由3块以上自由曲面透镜构成。但是，无论哪种构成，后级组13中的自由曲面透镜的至少一块作为全体相对于其光出射方向呈凹状的方式被弯曲。而且，对于上述自由曲面透镜，向屏幕3下端R2(图2)出射的画面下端光线L2(图2)以小出射角出射的部分的曲率(这里为自由曲面透镜下侧)，比向屏幕3上端R3(图2)出射的画面上端光线L3(图2)以大的出射角出射的部分的曲率(这里为自由曲面透镜上侧)大些。另外，其中折曲反射镜14设置在前级组12的途中。

然而，在现有技术中，为了将成像光学系统的透镜组固定于规定位置，使用了同心圆的状镜筒。其由于成像光学系统的透镜组采用具有旋转对称面形的多个折射透镜构成，故这是理所应当的。在透镜组内，由于材质为塑料，故在温度湿度条件下重复膨胀、收缩。具体地，多用于这种透镜的丙烯树脂(PMMA)由于吸湿而伸展很大，通常在镜筒内设置有用于吸收透镜球的膨胀、收缩的装置。对于塑料镜筒，镜筒自身可变形地构成，而对于金属镜筒，在透镜周围设置弹性形变空间，不管塑料透镜的膨胀、收缩如何，均对透镜球起到了将其光轴保持在中心的作用。

如图8所示，在该实施方式中，投影透镜2的后级组13包含旋转非对称自由曲面透镜13a、13b，因此不能用同心圆状镜筒。另外，由于主要进行对因倾斜入射而产生的像差的修正，故不用像用于修正旋转对称光学系统中的基本像差的投影透镜2的前级组12那样，将透镜球保持在光轴中心是不够的。

图9表示使投影透镜2温度变化时的焦点性能(下面用MTF(Modulation Transfer Function：调制传递函数)表示)的恶化量的示意图，横轴表示Y轴方向偏心量。

该图中，实线、虚线、点划线分别表示30℃的温度上升时、15℃的温度上升时、以及15℃的温度下降时的平均MTF恶化量。其中，尽管示出的是投影透镜2的后级组13的最外侧自由曲面透镜13b(图8)，但位于其内侧的自由曲面透镜13a(图8)或第二光学系统的自由曲面反射镜5(图2)具有同样的趋势。

对于用于修正旋转对称光学系统中的基本像差的投影透镜，偏心量为0时，MTF恶化量最小，而对于用于修正因倾斜入射而产生的像差的旋转非对称自由曲面透镜，如图9所示，在偏心量为0以外的地方MTF的恶化量最小。例如，对于30℃偏心量在-0.04mm处最小，对于15℃偏心量在-0.02mm处最小，对于-15℃偏心量在0.02mm处最小。

投影透镜2的后级组13的自由曲面透镜13b在30℃的温度上升条件下高度(Y轴方向)为0.088mm。计算中，由于将透镜中心作为膨胀的基准，故膨胀大小为0.088mm的1/2。因此，所说的在30℃的温度上升条件下偏心为0.04mm指的是可将透镜上侧端面作为基准面而使之膨胀、收缩的情况。

图10表示图8中的投影透镜2的后级组13的最外侧的自由曲面透镜13b的示意图，该图(a)为上面图，该图(b)为正面图，该图(c)为斜视图。另外，图10(a)～(c)中，18为透镜的光出射面、19为透镜的外壳，20为透镜的水平基准面。

由10(b)可以看出，透镜的外壳19为将自由曲面透镜13b的中央作为中心轴的圆柱的一部分。下面对其原理进行说明。

塑料透镜通常通过使用模具成形塑料原材而制成。成形透镜的模具采用追加工的方式对成形透镜进行修补直到达到规定的面精度，但该修正量是通过成形透镜的面精度和设计值的差而求得。即，需要对成形透镜的面精度进行高精度测量。

该实施方式中的投影透镜2的后级组13的透镜由自由曲面构成，如果不设置形成测定基准的面的话，就不能高精度地测定面形状。所以，通过设置部分采用与图10所示现有技术的透镜相同的圆柱的侧面形状的形状(下面称为圆柱片形状)的外壳19和水平基准面20，作为测定基准面。该圆柱片形状的外壳19无需设置于自由曲面透镜13b的全周，如图所示，只要包含中心也可以设置于一部分，但设置成垂直于透镜的光轴(光出射面18的中心轴)、且透镜中心与含有外壳19的圆柱的中心一致。因为利用该呈圆柱片形状的外壳19限定透镜中心和光轴垂直的面，且利用水平基准面20限定水平面，所以，可进行透镜的测定和向镜筒的安装姿势的设定。

图11为沿着光轴方向观察将图10所示自由曲面透镜13b固定安装在镜筒上的状态的正面图，21为镜筒，22为水平基准面支撑体，23为保持用弹簧，24为透镜压板，与图10对应的部分采用同一符号并省略重复的说明。

在该图中，自由曲面透镜13b安装固定在镜筒21内。该镜筒21的截面不但形成为自由曲面透镜13b的外壳19的形状，而且形成为只与该外壳19的上半部分呈接触状的形状。在现有技术的镜筒中，通过支撑整个圆柱形状的外壳的全周，露出光轴中心，但在该实施方式中，只是该外壳19的上半部分接触。但是，只是不能定位并支撑自由曲面透镜13b。

而且，在该实施方式中，在自由曲面透镜13b上设置透镜的水平基准面20，在镜筒21的与该水平基准面20相对的面上，设置水平基准面支撑体22、和用于支撑位于自由曲面透镜13b的水平基准面20相反侧的端部(此时为下端部)的中心的保持用弹簧23，将来自水平基准面20的端部(此时为上端部)作为基准端，将与之相反侧的上述端部作为可动端，据此3点对镜筒21内的自由曲面透镜13b进行定位及保持。至于与光轴(即垂直于光出射面18的轴)垂直的方向的固定，则与现有技术一样，通过在镜筒21内设置透镜压板24来实现。

如上所述，通过采用将自由曲面透镜13b固定于镜筒21上的方法，在自由曲面透镜13b在温度湿度条件下发生膨胀、收缩时，水平基准面20形成基准伸缩，可动端随之上下变位，采用这样的方式，可以将上述焦点性能的恶化量减至最小。

另外也可以是，在自由曲面透镜13b的下端部侧设置水平基准面20作为基准端，而在上端部侧设置保持用弹簧23作为可动端，据此也可得到同样的效果。

然而，尽管以上说明是关于投影透镜2的后级组13的最外侧(出射侧)的自由曲面透镜13b的内容，但位于其内侧的自由曲面透镜13a和第二光学系统的自由曲面反射镜5也一样。下面，利用表示在图1中说明的该实施方式的投影光学单元的一个具体例的图12，对该自由曲面反射镜5进行说明。在图12中，25为调整机构，26为支撑件，27为转动中心用销，28为转动用导槽，29为固定用蝶形螺母，30为透射型液晶显示面板，31为交叉二向色棱镜，与上述附图对应的部分采用同一附图标记并省略重复的说明。

该图中虽然是作为一个例子而示出图像发生源1采用3板式透射型液晶显示面板的情况，但使用反射式液晶显示面板也可以。另外，也可以使用包括多个微镜的显示元件。其中，作为图像发生源1，采用对应红、绿、蓝色的3个透射型液晶显示面板30。

来自于这些透射型液晶显示面板30的红、绿、蓝色图像被交叉二向色棱镜31合成，作为彩色图像而射出。至于投影透镜2，如前所述，折曲反射镜14设置在前级组12的途中。第二光学系统的自由曲面反射镜5与图像发生源1和投影透镜2一起，被固定在光学系统支撑体即光学系统基体7上并被一体化。在光学系统基体7上所固定的光学要素中，投影透镜2被牢固地固定并被一体化。另一方面，图像发生源1采用下述方式被固定于光学系统基体7之上，即，通过调整机构25，能够对至少上下方向(将与XY平面内的X轴平行的轴作为转动中心)的倾斜角、以及前后方向(Z轴方向)即图像发生源1的出射侧和投影透镜2的前级组12的距离进行调整。

另外，自由曲面反射镜5通过设置在光学系统基体7上的支撑件26，以自由曲面反射镜5的上端为中心轴可转动的方式被固定。转动中心轴用销27将自由曲面反射镜5的上部从其两端部可转动地夹持，将其作为轴，自由曲面反射镜5被可转动地支承。自由曲面反射镜5的下端通过转动用导槽28与固定铰链用螺帽29结合。而且，通过操作该固定用蝶形螺母29并使之沿着转动用导槽28滑动，自由曲面反射镜5的下端移动，将销27作为中心轴，可使自由曲面反射镜5转动。这样，可调整自由曲面反射镜5的倾角。利用所述调整，可对屏幕3上的因倾斜投影而产生的投影图像的梯形畸变进行高精度修正。

固定用蝶形螺母29由于采用摩擦方式固定，故通过在自由曲面反射镜5和转动用导槽28之间夹持弹性体(未图示)，从而吸收自由曲面反射镜5在温度湿度变化条件下膨胀、收缩的尺寸变化范围。因此，通过采用该方法将自由曲面反射镜5安装在支撑件26上，自由曲面反射镜5的上端成为固定端(基准端)，而下端成为自由端(可动端)。对于自由曲面反射镜5在温度湿度条件下发生膨胀、收缩的情形而言，以转动中心轴用销27为基准而伸缩，这样，如上所述，可将焦点性能的恶化量降至最低。

以上，在该实施方式中，作为从屏幕3的下方向上方倾斜投影图像的方案，尽管已说明将自由曲面透镜13b和自由曲面反射镜5在温度湿度条件下发生膨胀、收缩时焦点性能恶化量减至最小的方法，但是，在本发明中，也可以是从屏幕3的上方向下方倾斜投影图像的情况，此时，自由曲面透镜13b和自由曲面反射镜5的基准面与上述情形相反，变成下侧。即，将具有自由曲面的光学要素固定时的基准端，在上下方向的端部中，变成通过相对屏幕3具有大的入射角的光线侧的端部。该理由是，如果光线的入射角大，则即使折射面(反射面)发生很少的变位，光线也可相对基准位置发生大的偏离。因此，对于具有自由曲面的光学要素，需要减小基准端的变位，以尽量防止光线的入射角大的部分发生变位。

在以上说明的实施方式中，尽管说明的是包括兼有自由曲面透镜和自由曲面反射镜两者的光学系统的方案，但本发明的光学系统也可以是包括自由曲面透镜与自由曲面反射镜的其中任一个的情况，并可得到和上述实施方式同样的效果。另外，关于自由曲面反射镜，也可以是并非完全的自由曲面，也可以是从球面或非球面的一部分中切出的反射镜。

另外，根据以上说明的实施方式，可以实现设备的纵深尺寸降低，且组装调整容易的背面投影型彩色图像显示装置。另外，也可以是将平面反射镜4(图2)从光学系统中去掉，并将从图像显示元件的显示画面11到自由曲面反射镜5的元件收纳在一个装置中，形成前方投影型图像显示装置。此时，可以实现所述装置到屏幕的距离相当短的紧凑型前方投影型图像显示装置。

Claims (12)

1.一种投影型图像显示装置，将图像显示元件的显示画面上映出的图像放大投影在屏幕上，包括：

含有多个用于对该显示画面的映出图像进行放大的透镜的第一光学系统；和

反射来自该第一光学系统的该图像的图像光，并使之相对于该屏幕的法线以规定的角度入射到屏幕上的第二光学系统，其中

该第二光学系统的反射面的至少一部分至少包括一个在反射方向上呈凸状的凸面反射镜，该凸面反射镜，在上下方向的端部中，以来自该第一光学系统的图像光的入射角大的一侧的端部作为基准端，以来自该第一光学系统的图像光的入射角小的一侧的端部作为可动端，被安装在光学系统支承单元上。

2.如权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述第二光学系统具有用于将所述凸面反射镜所反射的图像光反射并导向所述屏幕的平面反射镜。

3.一种投影型图像显示装置，将图像显示元件的显示画面上映出的图像放大投影在屏幕上，包括：

含有多个用于对该显示画面的映出图像进行放大的透镜的第一光学系统；和

反射来自该第一光学系统的该图像的图像光，并使之相对于该屏幕的法线以规定的角度入射到该屏幕上的第二光学系统，其中

该第一光学系统至少包括一个在光出射方向上呈凹状、且相对于光轴呈旋转非对称面形状的非对称透镜，所述非对称透镜，在上下方向的端部中，以射向该第二光学系统的图像光的出射角大的一侧的端部作为基准端，以射向该第二光学系统的图像光的出射角小的一侧的端部作为可动端，被安装在镜筒上，

该第二光学系统的反射面的至少一部分至少包括一个在反射方向上呈凸状的凸面反射镜。

4.如权利要求3所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述凸面反射镜，在上下方向的端部中，以来自所述第一光学系统的图像光的入射角大的一侧的端部作为基准端，以来自所述第一光学系统的图像光的入射角小的一侧的端部作为可动端，被安装在光学系统支承单元上。

5.如权利要求3所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述第一光学系统包括由多个含有所述非对称透镜的透镜构成的投影透镜，

该投影透镜包括：含有相对于光轴对称的面形状的透镜的前级组、和含有所述非对称透镜的后级组。

6.如权利要求3所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述非对称透镜，在上下侧中，射向所述第二光学系统的图像光的出射角大的一侧的曲率，比射向所述第二光学系统的图像光的出射角小的一侧的曲率小。

7.如权利要求3所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述第二光学系统具有用于将所述凸面反射镜所反射的图像光反射并导向所述屏幕的平面反射镜。

8.如权利要求7所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述凸面反射镜，在上下侧中，来自所述第一光学系统的图像光的入射角大的部分的曲率，比来自所述第一光学系统的图像光的入射角小的部分的曲率小。

9.一种投影型图像显示装置，将图像显示元件的显示画面上映出的图像放大投影在屏幕上，包括：

含有多个用于对该显示画面的映出图像进行放大的透镜的第一光学系统；和

用于反射来自该第一光学系统的该图像的图像光，并使之相对于该屏幕的法线以规定的角度入射到该屏幕上的第二光学系统，其中

该第一光学系统包括：包含具有关于通过该显示画面的大致中心的轴对称的形状的面的共轴光学系统的前级组、和包含至少1块单面或双面呈自由曲面形状的自由曲面透镜的后级组，含有将该显示画面上所映出的图像放大投影在该屏幕上的投影透镜，

该第二光学系统包括至少一块具有自由曲面形状的自由曲面反射镜，从倾斜方向将来自该投影透镜的放大图像投影在该屏幕上，

该自由曲面透镜，在上下方向的端部中，以射向该第二光学系统的图像光的出射角大的一侧的端部作为基准端而安装在镜筒上，以射向该第二光学系统的图像光的出射角小的一侧的端部作为可动端，采用弹簧或弹性体支承而安装在镜筒上。

10.如权利要求9所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述自由曲面反射镜，在所述上下方向的端部中，以来自所述第一光学系统的图像光的入射角大的一侧的端部作为基准端，以来自所述第一光学系统的图像光的入射角小的一侧的端部作为可动端，分别安装在光学系统支承单元上。

11.如权利要求10所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述自由曲面反射镜具有：用于使其以来自所述第一光学系统的图像光的入射角大的一侧作为中心轴可转动的机构。

12.如权利要求9所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述自由曲面反射镜，在上下侧中，来自所述第一光学系统的图像光的入射角大的部分的曲率，比来自所述第一光学系统的图像光的入射角小的部分的曲率小。

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