JP4910384B2 - 自由曲面光学素子およびそれを含む投射光学ユニットまたは投射型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、カラーの拡大映像を投射して映像表示を行なう投射型映像表示装置に関する。

反射型、透過型液晶パネルや微小ミラーを用いた表示素子を拡大表示する投射型映像表示装置においては、たとえばスクリーン上で充分な大きさの拡大映像を得ることは勿論のこと、装置の奥行き寸法を短縮することが要求される。かかる要求を実現するために、特開２００１−２６４６２７号公報に記載されているような、スクリーンに対して斜め方向から映像を拡大して投射する(以下、これを「斜め投射」と称する)ための投射光学ユニットおよび投射型映像表示装置が知られている。また、かかる斜め投射に曲面ミラーを用いた場合における光学的な調整に関しては、例えば特開２００２−３５０７７４号公報に記載のものが知られている。

特開２００１−２６４６２７号公報 特開２００２−３５０７７４号公報

斜め投射、すなわちスクリーン主平面の法線に対し、所定の角度をもって(例えばスクリーン下方から)映像を投射すると、スクリーン上に投射された映像に、台形歪み、及びスクリーン上下の投射距離の差から生じる収差が生じる。この収差を解消するため、特開２００１−２６４６２７号公報では、投射光学系とスクリーンとの間に配置された負のパワーをもつ自由曲面ミラーにより台形歪を補正している。一方、収差については、映像表示素子を共軸投射光学系に対し光軸と垂直な方向に大きく平行移動、または映像表示素子を非軸対称の投射光学系に対し傾けるとともに平行移動させることにより補正している。

しかしながら、このような収差補正では、スクリーン上の映像が縦方向にずれる可能性があり、そのための補正機構が必要になる。また共軸投射光学系を使用するものにおいては、非常に広い画角が要求されるため、レンズ枚数が多くなり、口径も大きくなる。また、周囲環境の変化が原因の光学部品の変形に起因する収差及び歪量の増大に対する対応もなされていない。

特開２００２−３５０７７４号公報には、自由曲面ミラーの移動による調整方法が開示されているが、収差補正については考慮されていない。また、周囲環境の変化が原因の自由曲面ミラーの変形に起因する歪量の増大に対する対応もなされてはいない。

このように、従来技術では、台形歪と収差をそれぞれ別の手段で補正しているため、必要なレンズ径も大きく、またレンズの枚数も多くする必要がある。すなわち上記従来の技術は、斜め投射において、台形歪及び収差を良好に低減しつつ映像表示装置の奥行き、及び／またはスクリーン下部の高さを小さくすること（以下、これを「セットのコンパクト化」と称する）は困難であった。また、周囲環境の変化が原因の光学部品の変形に起因する収差及び歪量の増大に対する対応もなされていない。

さらに、上記従来の技術においては、いずれも、製造しやすい自由曲面ミラーの形状についての考慮はされていない。

本発明の目的は、台形歪及び収差が低減された映像を表示しつつセットをコンパクト化するのに好適な技術、更に周囲環境の変化が原因の光学部品の変形に起因する収差及び歪量の増大に対する対応が容易にできる技術を提供することにある。

または、精度のよい斜め投射の投射光学ユニットおよび投射型映像表示装置を提供することにある。

または、スクリーンに映像を斜めに拡大投射しても台形歪若しくは収差若しくはその両方を抑え、かつ、レンズの製造、組立調整が容易な投射型映像表示装置及びそれに用いる投射光学ユニットを提供することにある。

映像表示素子の映像を拡大し、所定角度で投射する光学系に配置される非回転対称な自由曲面を有するレンズ１５において、その外周部分が、レンズの光軸を中心とする円の一部分を形状とする縁１７を含む。

映像の斜め投射により生じる台形歪及び／または収差を低減して良好な映像を得つつ、セットをコンパクト化することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施の形態の映像表示装置の一部についての断面斜視図である。映像発生源１は、小型の映像を表示する。映像発生源１は、反射型や透過型の液晶パネル、または微小なミラーを複数備えた表示素子等の光変調素子を含む。また、映像発生源１は投射型ブラウン管を含むものであってもよい。第１の光学系の構成要素である投射レンズ２は、映像発生源１の映像をスクリーン３に投射する。投射レンズ２からスクリーン３に至る光路中には、映像表示装置の奥行きを低減するために平面反射ミラー４が設けられている。第２光学系の構成要素である自由曲面ミラー５は、投射レンズ２と平面反射ミラー４との間に設置されている。投射レンズからの光は、自由曲面ミラー５で反射されて平面反射ミラー４に導かれ、さらに平面反射ミラー４で反射されてスクリーン３に導かれる。これらの要素は、筐体６の内部に収納され、所定の位置に固定される。また、映像発生源１、投射レンズ２、自由曲面ミラー５は、光学系ベース７に固定され一体化されている。以下、投射光学ユニットの構成部品について、図２を使用して説明する。

図２は本実施の形態に係る投射光学ユニットを用いた背面投射型映像表示装置の基本的な光学構成を示す断面図である。図２は、光学系の構成をＸＹＺ直交座標系におけるＹＺ断面で示している。ここで、ＸＹＺ直交座標系の原点は、映像発生源１である映像表示素子１１の表示画面の中央とし、Ｚ軸はスクリーン３の法線と平行であるものとする。Ｙ軸はスクリーンの画面の短辺と平行であり、スクリーンの垂直方向と等しいものとする。Ｘ軸は、スクリーンの画面の長辺と平行であり、スクリーンの水平方向と等しいものとする。

図２に示すように、映像表示素子１１から射出した光は、透過型のレンズ群で構成される投射レンズ２のうち、まず回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズから構成される前群１２を通過する。その後、少なくとも一方の面が回転非対称の自由曲面の形状を有するレンズ（以下、「自由曲面レンズ」と称する）を含む投射レンズの後群１３を通過する。その後、回転非対称の自由曲面形状の反射面を有する少なくとも１枚の反射鏡(以下、自由曲面ミラーという)５で反射される。そして、平面反射ミラー４で反射された後、スクリーン３に入射する。

ここで、映像表示素子１１が光変調素子の場合は、この光変調素子を照射するランプ等の照明系が必要であるが、それらの図示は省略している。また、映像表示素子１１は、所謂３板式のように複数の画を合成する方式でもよい。その場合に必要になる合成用プリズム等の合成光学系についても、その図示は省略している。

図２において、投射レンズ２の長さが長いことから、映像表示素子１１の位置がスクリーンの法線の方向（Ｚ軸方向）に対して遠くなり奥行きが大きくなるように見受けられるかもしれない。しかしながら、本実施の形態では、自由曲面ミラー５と投射レンズ２の後群１３との間、投射レンズ２の前群１２と後群１３の間、または前群１２の途中において、ミラー（図示せず）を配置している。この構成により、投射レンズ２の光軸を図２に示す断面に対してほぼ垂直な方向に折り曲げ、奥行きの増大を防止できる。

本実施の形態では、図２に示すように、映像表示素子１１は、その表示画面の中央が投射レンズ２の光軸上に配置されている。従って、映像表示素子１１の表示画面の中央から出て投射レンズ２の入射瞳の中央を通ってスクリーン３上の画面中央に向かう光線２１は、ほぼ投射レンズの光軸に沿って進む（以下、これを画面中央光線という）。この画面中央光線は、自由曲面ミラー５の反射面上の点Ｐ２で反射された後、平面反射ミラー４上の点Ｐ５で反射されて、スクリーン３上の画面中央の点Ｐ８にスクリーンの法線８に対して所定の角度を以って（すなわち斜めに）入射される。この角度を以下、「斜め入射角度」と称し、θｓで表わすこととする。

このことはすなわち、投射レンズ２の光軸に沿って通過した光線がスクリーンに対して斜めに入射していることであり、実質的に投射レンズ２の光軸がスクリーンに対して斜めに設けられていることになる。このような方法でスクリーンに斜め入射させると、投射した長方形の形状が台形になる所謂台形歪の他にも光軸に対して回転対称でない種々の収差が生じる。本実施の形態では、これ等を記投射レンズ２の後群１３と第２の光学系の反射面とで補正している。

図２に示す断面内において、映像表示素子１１の画面下端から、画面下端と投射レンズ２の入射瞳の中央を通って射出され、瞳の中央に対応するスクリーン上の画面上端の点Ｐ９に入射する光線を光線２２とする。また、映像表示素子１１の画面上端から、画面上端と投射レンズ２の入射瞳の中央を通って射出され、瞳の中央に対応するスクリーン上の画面下端の点Ｐ７に入射する光線を光線２３とする。図２を見ると、点Ｐ３から点Ｐ６を経由して点Ｐ９に到る光路長は、点Ｐ１から点Ｐ４を経由して点Ｐ７に到る光路長よりも長くなっている。これは、投射レンズ２から見て、スクリーン上の像点Ｐ９が像点Ｐ７よりも遠くにあることを意味している。そこで、スクリーン上の像点Ｐ９に対応する物点（表示画面上の点）がより投射レンズ２に近い点に、また、像点Ｐ７に対応する物点がより投射レンズ２から遠い点にあれば、像面の傾きを補正できる。そのためには、映像表示素子１の表示画面の中央における法線ベクトルを、投射レンズ２に光軸に対し傾けるようにする。具体的には、法線ベクトルを、ＹＺ平面内において、スクリーンの位置する方へ向けるように傾ければよい。

光軸に対して傾いた像平面を得るのに物平面を傾ける方法は知られている。しかしながら、実用的な大きさの画角では、物平面の傾きによる像面は光軸に対して非対称な変形を生じ、回転対称な投射レンズでは補正が困難である。本実施の形態では、回転対称でない、すなわち回転非対称の曲面（自由曲面）を用いていることから、非対称な像面の変形に対応できる。このため、物平面を傾けることで低次の像面の歪を大きく低減でき、自由曲面による収差補正を補助する上で効果的である。

次に、各光学要素の作用について説明する。第１の光学系である投射レンズ２は、その光軸に対して回転対称なレンズを含む前群と、上記非回転対称なレンズを含む後群とで構成されている。その前群１２が映像表示素子１１の表示画面をスクリーン３に投射するための主レンズであり、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する。投射レンズ２の後群１３は、回転非対称の自由曲面レンズを含んでいる。

ここで本実施の形態においては、自由曲面レンズは、その光出射方向に対して凹を向けて湾曲している。そして第２の光学系は、回転非対称の自由曲面形状の自由曲面ミラーを有している。ここで本実施の形態においては、この自由曲面ミラーは、その一部が光の反射方向に対して凸を向けて湾曲された、回転非対称の凸面ミラーとしている。具体的には、自由曲面ミラーの、スクリーン３の下方に向かう光を反射する部分の曲率を、スクリーンの上方に向かう光を反射する部分の曲率よりも大きくしている。

また、自由曲面ミラーの、スクリーンの下方に向かう光を反射する部分が、光の反射方向に凸の形状を為し、スクリーンの上方に向かう光を反射する部分が光の反射方向に凹の形状を為すようにしてもよい。自由曲面レンズと自由曲面ミラーの作用により、主として、斜め入射によって生じる収差の補正が行われる。すなわち、本実施の形態では、第２の光学系が主として台形歪を補正し、第１の光学系である投射レンズ２の後群１３が、主として像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行なう。

このように、本実施の形態は、第１の光学系が回転非対称の自由曲面レンズを少なくとも一つ含み、第２の光学系が回転非対称の自由曲面ミラーを少なくとも一つ含んでいる。この構成によって、斜め投射によって生じる台形歪と収差の両方を補正可能としている。

第２光学系の反射面の座標原点（ここでは、画面中央光線を反射する位置の座標とする）と、投射レンズ２の前群１２のうち最もスクリーン側に近いレンズ面との光軸方向の距離が、投射レンズ２前群の焦点距離の５倍以上に設定することが望ましい。この構成によって、第２光学系の反射面により台形歪、収差をより効果的に補正し、良好な性能を得ることができる。

一方、自由曲面ミラーは、その寸法が大きくなるほど製造が非常に困難になることから、所定の大きさ以下にすることが重要である。例えば、図２に示す平面反射ミラー４の大きさはスクリーン画面の約７０％以上にもなるため、５０型以上のような大画面のリアプロジェクタにおける反射ミラーは５００ｍｍを越えるサイズとなり、これを自由曲面形状にすると製造が非常に困難となる。従って、リアプロジェクタでこの平面反射ミラーを自由曲面にすることは適当でない。そこで、本実施の形態では、自由曲面ミラー５の寸法を平面反射ミラー３の寸法よりも小さくし、その自由反射ミラー５を平面反射ミラー３の下方に配置している。そして、投射レンズ２からの映像光を自由曲面ミラー５、平面反射ミラーの順で反射させて、スクリーン３に投射している。

以上の説明は、図２に示す実施形態に基づくものである。しかしながら、ミラーによる光路の折り曲げの方向が、図２とは逆に画面長辺を含む平面内にある場合でも、本実施の形態と同様な考えを適用できる。この構成によって、屈折面を有する投射レンズ２において、レンズの偏心やレンズ径の増大を招くことなく、または、レンズ枚数を増加させることなく、斜め入射による台形歪の補正を実現できる。更に、奥行きを小さく、製造が容易な投射光学ユニットを実現できる。更にまた、本実施の形態によれば、奥行きとスクリーン下部の高さを低減させたコンパクトなセットが提供でき、小さな自由曲面ミラーで製造が容易な光学系を提供できる。

以下、光学系の実施の形態について、具体的な数値を例示しつつ説明する。図３から図７と表１から表４を用いて数値例の１つについて説明する。

図３と図４は、第１の数値例に基づく光学系の光線図を示している。前述したＸＹＺ直交座標系において、図３はＹＺ断面、図４はＸＺ断面での構造を示している。図１では、投射レンズ２の前群１２の途中に折り曲げミラーを設置して光路をＸ軸方向に一度折り曲げている例を示している。図３では、この折り曲げミラーを省略しており、光学系をＺ軸方向に展開して示している。図４は、折り曲げミラーを含め光路を折り曲げた状態の光学系を示している。折り曲げミラーは、設置の位置や角度に若干の任意性があり、また各光学要素の機能に影響を及ぼさない。従って、以下の説明では、折り曲げミラーを省略して説明することにする。

本実施の形態において、図３の下側に表示した映像表示素子１１から射出した光は、複数のレンズを含む投射レンズ２のうち、まず回転対称形状の面のみを有するレンズのみで構成される前群１２を通過する。そして、回転非対称の自由曲面レンズを含む後群１３を通り、第２の光学系である自由曲面ミラー５の反射面で反射される。その反射光は、平面反射ミラー４で反射された後、スクリーン３に入射される。

ここで、投射レンズ２の前群１２は、全て回転対称な形状の屈折面を持つ複数のレンズで構成されており、各屈折面のうち４つは回転対称な非球面であり、他は球面である。ここに用いられた回転対称な非球面は、各面ごとのローカルな円筒座標系を用いて、次の式で表される。

ここで、ｒは光軸からの距離であり、Ｚはサグ量を表している。また、ｃは頂点での曲率、ｋは円錐定数、ＡからＪはｒのべき乗の項の係数である。

投射レンズ２の後群１３にある自由曲面レンズは、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用い、Ｘ、Ｙの多項式を含む次の式で表わされる。

ここで、ＺはＸ、Ｙ軸に垂直な方向で自由曲面の形状のサグ量を表わしており、ｃは頂点での曲率、ｒはＸ、Y軸の平面内での原点からの距離、ｋは円錐定数、Ｃ（ｍ、ｎ）は多項式の係数である。

表１は、本実施の形態に係る光学系の数値データを示している。表１および表２から表４の数値を用いて設計したものが、図３、４の光路図で示したものである。表１において、Ｓ０〜Ｓ２３は、図７に示す符号Ｓ０〜Ｓ２３の光学素子にそれぞれ対応している。例えば、Ｓ０は映像表示素子１１の表示面、すなわち物面を示しており、Ｓ２３は自由曲面ミラー５の反射面を示している。またＳ２４は、図７では示されていないが、スクリーン３の入射面、すなわち像面を示している。なお、図７において、上図は本実施の形態に係る第１及び第２の光学系の垂直方向断面図、下の図は、その光学系の水平方向断面図を表している。

表１において、Ｒｄは各面の曲率半径であり、図３の中で面の左側に曲率の中心がある場合は正の値で、逆の場合は負の値で表わしている。また表１においてＴＨは面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。あるレンズ面に対して、次のレンズ面が図３の中で左側に位置するときには面間距離は正の値、右側に位置する場合は負の値で表している。更に、表１においてＳ５、Ｓ６、Ｓ１７、Ｓ１８は回転対称な非球面であり、表１では面の番号の横に＊を付けて分かり易く示している。これら４つ面の非球面の係数を表２に示している。

表１において、Ｓ１９からＳ２２は、投射レンズ２の後群１３に含まれる自由曲面レンズの各屈折面であり、Ｓ２３は、上述したように自由曲面ミラー５の反射面である。自由曲面を有する光学素子については、面の番号の横に＃を付けて示している。これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を表３に示す。

表３においては、係数の名称と値を左右に並べて枠の組で表示している。右側が係数の値であり、左側が名称で括弧内のカンマで区切った２組の数値は式２に示したｍとｎの値を示している。

本実施の形態では、映像表示素子１１の表示画面である物面を、投射レンズ２の光軸に対して−１．１６３度傾けている。傾きの方向は、図３の断面内で物面の法線が反時計回りに回転する方向を正の値で表わすことにする。従って、本実施の形態では物面を図３の断面内で、投射レンズ２の光軸に垂直な位置から時計回り方向に１．１６３度傾けていることになる。

Ｓ２３の自由曲面ミラー５は、そのローカル座標の原点を投射レンズ２の光軸上に置いている。そして、自由曲面ミラー５のローカル座標の原点での法線、すなわちＺ軸を、投射レンズ２の光軸と平行な位置から２９度傾けて配置している。傾きの方向は物面と同様に図３の断面内で反時計回りに回転する方向を正とし、従って反時計回りに傾けていることになる。これによって、映像表示素子１１の画面中央から出てほぼ投射レンズ２の光軸に沿って進んできた画面中央光線は、Ｓ２３で反射後、投射レンズ２の光軸に対して、ｚ軸の傾き角度の２倍の５８度傾いた方向に進む。ここで、Ｓ２３の座標原点を通り、投射レンズ２の光軸対するＳ２３の傾き角度の２倍傾いた方向を、反射後の新たな光軸とし、以後の面はこの光軸上に配置されるものとする。表１のＳ２３に示した面間隔の値−４００は、次のＳ２４が、Ｓ２３の右側にあり反射後の光軸に沿って４００ｍｍの距離の点にローカル座標の原点を配置されていることを示している。以下の面も同じ規則により配置されている。

本実施の形態における、各面のローカル座標系の傾き又は偏心の様子を表４に示す。表４において、面番号の右側に傾き角度、偏心の値を示しており、ＡＤＥは図３の断面と平行な面内での傾きの大きさであり、その表示規則は上に示した通りである。また、ＹＤＥは偏心の大きさであり、偏心は図３の断面と平行な面内でかつ光軸に垂直な方向で設定され、図３の断面において下側への偏心を正とする。尚、本実施の形態においては、ＹＤＥを０（すなわち偏心なし）としている。このように、本実施の形態では、全ての光学要素の傾きや偏心は、図示した断面に平行な断面内での方向で設定される。

表１、表３から、本例では、曲率ｃとコーニック係数ｋが０となっていることがわかる。斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向に歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する曲率ｃやコーニック係数ｋを利用しないことにより、非対称な収差を良好に補正することができる。表１〜４の数値は、物面上１６×９の範囲の映像を像面上１４５２．８×８１７．２の大きさに投射する場合の一例である。そのときの図形歪を図５に示す。図５の縦方向は図３の上下方向であり、Ｙ軸の方向である。図５の横方向はスクリーン上でＹ軸と直交する方向であり、図の長方形の中央が画面の中央である。図は画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示して図形歪の様子を示している。

表１から表４の数値例のスポットダイアグラムを図６に示す。図６では、映像表示素子１１の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順に示す。単位はｍｍである。各スポットダイアグラムの横方向はスクリーン上でのＸ方向、縦方向はスクリーン上でのＹ方向である。このように、両者ともに、良好な性能を維持している。

本実施の形態においては、投射レンズ２の後群１３が回転対称でない自由曲面形状を有するレンズで構成され、第２の光学系が回転対称でない自由曲面形状を有する反射面で構成されている。更に、これらの役割が別々で、第２の光学系が主として台形歪を補正し、第１の光学系である投射レンズ２の後群１３が、主として像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行なう。

図８は、投射光学ユニットを構成する投射レンズ２のレンズ群を示す図であり、レンズ群を保持するレンズ保持部材は図示から省略されている。投射レンズ２の前群１２は、映像表示素子１１の表示画面をスクリーン（図示せず）に投射するための主レンズであり、回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズから構成され、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する。投射レンズ２の後群１３は、回転非対称の自由曲面レンズを含んでおり、主として、斜め入射によって生じる収差の補正を行なう。

図８に示すように、本実施の形態において、自由曲面レンズの少なくとも１枚は、その光出射方向に対して凹面が向くように湾曲されている。すなわち、自由曲面レンズの出射面が凸面となっている。そして、自由曲面レンズの、スクリーン３の下端に向かう光線が通過する部分の曲率（ここでは、自由曲面レンズの下側）を、スクリーン３上端に向かう光線が通過する部分（ここでは、自由曲面レンズの上側）の曲率よりも大きくしている。また、自由曲面レンズを２枚組み合わせて投射レンズ２の後群１３を構成している。また、折り曲げミラー１４は、前群１２の途中に設けられている。

従来技術では結像光学系のレンズ群を所定位置に固定する為、同心円で構成された鏡筒を用いていた。これは、結像光学系のレンズ群が回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズから構成されていることから当然のことである。レンズ群の内、材質がプラスティックのものは、温湿度で膨張・収縮を繰り返す。特に、この種のレンズに多用されるアクリル樹脂（ＰＭＭＡ）は吸湿による伸びが大きい為、一般的に、鏡筒にレンズの膨張・収縮を吸収するための手段が設けられている。プラスティック製の鏡筒では鏡筒自体が変形するように構成され、また金属製の鏡筒では弾性変形するスペーサーがレンズの周囲に設けられ、プラスティックレンズの膨張・収縮に拘らずレンズを光軸中心に保持する働きをする。

さらに図８に示すように、本実施の形態では、投射レンズ２の後群１３は、回転非対称の自由曲面レンズを含んでおり、その材質は前述したようにプラスティックである。この自由曲面レンズは回転対称でないことから、従来技術による同心円で構成された鏡筒を用いることができない。また、主として、斜め入射によって生じる収差の補正を行なうことから、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する投射レンズ２の前群１２のようにレンズを光軸中心に保持すれば良いというものでもない。

図９は、投射レンズを温度変化させたときの焦点性能（ＭＴＦで表す）の劣化量を、横軸にＹ軸方向の偏心量を取って表した図である。図において、実線が３０℃の温度上昇時、破線が１５℃の温度上昇時、一点鎖線が−１５℃の温度降下時の値である。また図では、投射レンズ２の後群１３の一番外側の自由曲面レンズ（図８の１５）について表したが、その内側の自由曲面レンズ若しくは第２の光学系である自由曲面ミラー５でも傾向は同じである。回転対称な光学系における基本的な収差を補正する投射レンズでは、偏心量が０の時、ＭＴＦの劣化量が最小になる。一方、斜め入射によって生じる収差の補正を行なう回転非対称の自由曲面レンズでは、図に示すように偏心量が０以外のところでＭＴＦの劣化量が最小になる。３０℃では−０．０４ｍｍ、１５℃では−０．０２ｍｍ、−１５℃では０．０２ｍｍである。図に示した自由曲面レンズ１５は３０℃の温度上昇で高さ（Y軸方向）が０．０８８ｍｍ膨張する。計算ではレンズ中心を膨張の基準としているため、その１／２が膨張の大きさとなる。従って、３０℃で０．０４ｍｍ偏心させるということは、レンズの上側端面を基準面として膨張・収縮させればよいということになる。

図１０は、投射レンズ２の後群１３の一番外側の自由曲面レンズ（図８の１５）を、縁の形状も含めて、上から見た図（図１０（ａ））と正面から見た図（図１０（ｂ））である。レンズの中で、スクリーンでの画像を形成するために有効な光線が通過する領域の外側に、レンズの保持や測定のために設けられた部分を縁というものとする。また、図１１は同じレンズの斜視図である。図１０及び図１１において、２０が光の出射面である。１７はレンズの縁であり、１９は光の射出面を構成するレンズ本体と縁との繋ぎ部分であり、その上端面１８がレンズの水平基準面となっている。レンズの縁１７は、正面図（図１０（ｂ））に示されるように、自由曲面レンズ１５の中央を中心とする円の一部になっている。以下、この理由について説明する。

プラスティックレンズは、一般的に金型を使ってプラスティック素材を成型して作られる。プラスティックレンズの面形状は成型過程での膨張、収縮や内部応力などの影響によって変形し、レンズ成型に用いた金型の面形状とはズレを生じる。そのため、レンズを成形する金型は、成形レンズが所定の面精度になるまで追加工で補正されるが、この時の金型の補正量は成形レンズの面精度と設計値の差から求められる。即ち、成形したレンズの面の形状を精度良く測定する必要が生じる。本実施の形態による投射レンズ２の後群１３は自由曲面で構成されており、測定基準となる面を設けなければ精度良く面形状を測定することができない。すなわち、投射レンズ２の後群１３のレンズの外側の形状を、例えば図８に示すようなほぼ矩形の形状とした場合、成型したレンズの変形は上側と下側とで非対称性が大きく発生する。そのため、自由曲面形状の測定に際してレンズの上側面と下側面を用いてレンズの中央を規定しようとすれば、その誤差は大きなものとなってしまう。

そこで本実施の形態では、測定の基準面として、自由曲面の光学素子において、円形の外周部分を有する縁１７及び水平基準面１８を設けたものである。縁１７は図１０（ｂ）に示すように、正面から見てその外周が円形状である。この円は全周に設ける必要はなく、例えば図に示すように一部分でもよい。その場合は、少なくとも二つの縁が相互に円の中心を挟んで対向する位置に弧を含む構成となればよい。さらに、縁の外周円の中心はレンズ１５の光軸上にある。また、また、縁１７は、光軸方向に平行な厚みを有しており、外周円はレンズ１５の光軸と垂直に設けられている。さらに本実施の形態では、水平基準面１８は、縁１７とレンズ１５の繋ぎ部分１９に、それぞれ上下少なくとも一方に有する構成である。水平基準面１８は、レンズ１５の光軸と平行な面である。水平基準面１８については、図１２を用いて説明する。また、レンズ１５の入射側及び出射側の自由曲面は、その座標原点をレンズ１５の光軸上に置いている。さらに入射側、出射側各々のＸ、Ｙ、Ｚ座標軸は、入射側と出射側で互いに平行であって、さらにＺ軸に関しては光軸と平行に設けられている。従って、自由曲面の形状測定の際は、まず、縁１７の外周円の形状を測定することにより、レンズ１５の光軸に垂直な面を規定することができる。また、外周円の中心位置から自由曲面の座標原点を規定することができる。なお、入射面および出射面の各々が自由曲面の形状を有する場合、各々の縁の円弧の半径は等しいことが好適である。これは、自由曲面レンズを固定する鏡筒が円筒形状にしたほうが、レンズの固定が安定するからである。

図１２は、図１０及び図１１に示した自由曲面レンズ１５を鏡筒に固定した状態を前からみた図である。図において、３０は鏡筒で自由曲面レンズ１５を固定している部分の断面である。鏡筒３０の断面は自由曲面レンズ１５の縁１７の形ではなく、縁１７の上半分と接する。従来技術による鏡筒では円形の縁全周を支えることにより光軸中心を出しているが、本実施の形態では、鏡筒が縁１７と接しているのは、縁１７の上半分だけであるため、この部分だけではレンズを位置決めして支えることはできない。そこで、自由曲面レンズ１５にレンズの水平基準面１８を設ける。一方、鏡筒３０には、レンズの水平基準面１８と対向する位置に水平基準面の保持面３１を設ける。さらに、水平基準面の保持面３１が設けられる位置とは反対側、すなわち図１２の例では下側の辺中心に、レンズ１５を支える保持用バネ３２を設け、この３点で自由曲面レンズ１５の位置決めと保持している。水平基準面は上側２箇所または下側２箇所に設ける構成としてもよいが、上側１箇所、下側１箇所に設ける構成にしてもよい。その場合は保持用バネ３２は、左右いずれか一方の辺中心に設ける。

光軸に垂直方向の固定は、従来技術と同様にレンズ押さえ３３を鏡筒３０に設けることによって行う。水平基準面１８により、光軸に平行な水平面を規定することが可能となる。終焉の中心位置からの自由曲面の座標原点の規定と、この水平面の規定によって、レンズの自由曲面の形状を精度良く測定することが可能となる。また、鏡筒に対して精度の良い固定が可能となる。

以上説明したような自由曲面レンズ１５を鏡筒３０に固定する実装構造を採用することにより、自由曲面レンズ１５が温湿度で膨張・収縮したとき、水平基準面１８を基準に伸び縮みすることになり、前述の通り焦点性能の劣化量を最小にすることができる。

上記の説明では、投射レンズ２の後群１３の一番外側の自由曲面レンズ１５について記したが、その内側の自由曲面レンズ若しくは第２の光学系である自由曲面ミラー５でも同じである。次に、縁の形状についてのその他の実施の形態について説明する。

図１３は、投射レンズ２の後群１３の中で内側の自由曲面レンズ（図８の１６）について、外側のレンズ１５と同様に、縁の形状も含めその形状を上から見た図（図１３（ａ））と正面から見た図（図１３（ｂ））を示している。また、図１４は同じレンズの斜視図である。図１３及び図１４において、４１が光の出射面になる。４２はレンズの縁であり、４４は光の出射面４１と縁４２との繋ぎ部分であり、その上端面４３または下端面の少なくとも一方がレンズの水平基準面となる。レンズの縁４２の外周は、正面図（図１３（ｂ））からもわかるように、レンズ１６の中央に中心を置く円の一部になっている。

図１３（ｂ）の正面図に示すように、レンズ１６における縁４２の外周部の円弧は、レンズ１６の光軸に垂直でレンズ１６の光軸上に中心を有する円の一部分として形成されている。一方で、レンズ１６の前側と後ろ側の自由曲面は共にレンズ１６の光軸上に座標原点を置き、そのＺ軸が光軸と平行になっている。従って、縁４２の外周円からレンズ１６の光軸に垂直な面が規定され、外周円の中心位置から自由曲面の座標原点が規定される。更に、図１３、１４に示すように、レンズの上側に設けた水平基準面４３により水平面が規定されるので、これによって全ての座標軸が規定され、レンズの自由曲面の形状を精度良く測定することが可能になり、さらには、鏡筒に対して精度の良い固定が可能となる。

縁の外周円は、図１０や図１３に示したようにレンズの左右の一部分のみではなく、より広い範囲に形成することにより、光軸に垂直面や座標原点の規定がさらに高い精度で規定できる。

図１５、図１６は、投射レンズ２の後群１３の一番外側の自由曲面レンズ１５について、外周円を下側にまで広げた縁を有する第２の実施の形態を示している。図２に示すように、このレンズの上側はスクリーンに向かう光線が近傍を通過するため大きな縁を作ることはできないが、下側は構造上の工夫により縁を形成することが可能である。図１５は、このレンズを上から見た図（図１５（ａ））と正面から見た図（図１５（ｂ））であり、図１６は同じレンズの斜視図である。図１５及び図１６において、光の出射面２０は図１０、図１１に示した第１の実施の形態と同じである。２５はレンズの縁であり、２７は光の射出面２０と縁２７の円形の面との繋ぎ部分であり、また、その上端面２６がレンズの水平基準面となっている。レンズの縁２５の外周は、正面図（図１５（ｂ））からもわかるように、光の出射面２０のほぼ中央に中心を置く円の一部になっている。

図１５（ｂ）の正面図にも示すように、縁２５の外周部の円弧は、レンズ１５の光軸に垂直でレンズ１５の光軸上に中心を有する円の一部であり、全周の約２／３近くになるように設けられている。このように、半周以上の円弧の縁を有する構成によって、一つの縁によっても中心を固定することが可能となる。

一方で、レンズ１５の前側と後ろ側の自由曲面は共にレンズ１５の光軸上に座標原点を置きそのＺ軸が光軸と平行になっている。従って、縁２５の外周円からレンズ１５の光軸に垂直な面が規定され、外周円の中心位置から自由曲面の座標原点が規定される。更に、図１５、１６に示すように、レンズの上側に設けた水平基準面２６により水平面が規定されるので、これによって全ての座標軸が規定され、レンズの自由曲面の形状を精度良く測定することが可能になる。また、鏡筒に対して精度の良い固定が可能となる。

以上の縁の形状に関する３つの実施の形態では、原点を規定する外周円と同時に水平基準面を設けているが、この基準面は垂直でも良い。すなわち、外周円の一部を形成する縁以外の外延形状において、レンズの光軸に平行でかつレンズの自由曲面を規定する座標軸のうち、光軸に垂直な座標軸のどちらか一方と平行である平面部分を有していればよい。但し、本実施の形態の自由曲面は上下非対称であるが左右は対称であるため、基準面は水平である方が良好な精度を得ることができる。

以上、投射光学装置がスクリーン３の下方から上方に向かい画像を斜め投射する場合を例に説明したが、投射光学装置がスクリーン３の上方から下方に向かい画像を斜め投射する場合には、縁の形状は上下逆の形状となる。投射光学装置がスクリーン３の右方向から画像を斜め投射する場合には、縁の形状は下側を右側に向けた形状となる。投射光学装置がスクリーン３の左方向から画像を斜め投射する場合には、縁の形状は下側を左側に向けた形状となる。即ち、以上に述べたレンズの縁の水平基準面は、スクリーン３の画面中央に入射する主光線とレンズの光軸とで決まる平面に垂直な面となる。

また、上記実施の形態では、自由曲面レンズ及び自由曲面ミラーを両方備えた光学系で説明したが、自由曲面ミラーに関しては、完全に自由曲面でなくとも、球面乃至非球面の一部を切り出したミラーであってもよい。

さらに、以上の実施の形態においては、投射光学装置がスクリーンを有する構成としたが、スクリーンを有さない、フロントタイプの投射光学装置においても適用することが可能である。

さらに、本実施の形態においては、自由曲面レンズの光軸と、自由曲面を定義するための座標原点を一致させる構成としたため、円状の縁の中心をレンズの光軸と一致させることとしている。しかしながら、座標原点を光軸と異なる位置に設定した場合においては、レンズの光軸ではなく、座標原点と円状の縁の中心を一致させることが望ましい。

映像表示装置の一実施形態を示す断面図である。 投射光学ユニットの基本構成を示す断面図である。 投射光学ユニットの構成と光路を示すＹＺ断面図である。 投射光学ユニットの構成と光路を示すＸＺ断面図である。 歪性能を表す図である。 スポット性能を表す図である。 投射光学ユニットの光学部品の面番号を説明する図である。 投射光学ユニットの一例を示す図である。 投射レンズを温度変化させたときの焦点性能の劣化量を表した図である。 自由曲面レンズ１５の上面図である。 自由曲面レンズ１５の正面図である。 自由曲面レンズ１５の斜視図である。 自由曲面レンズ１５を鏡筒に固定した状態を前からみた図である。 自由曲面レンズ１６の上面図である。 自由曲面レンズ１６の正面図である。 自由曲面レンズ１６の斜視図である。 自由曲面レンズ１５の縁形状に関する他の例の上面図である。 自由曲面レンズ１５の縁形状に関する他の例の正面図である。 自由曲面レンズ１５の縁形状に関する他の例の斜視図である。

符号の説明

１…映像発生源、２…投射レンズ、３…スクリーン、４…平面反射ミラー、５…自由曲面ミラー、６…筐体、１１…映像表示素子、１２…投射レンズ前群、１３…投射レンズ後群、１４…折り曲げミラー、１５…外側の自由曲面レンズ、１６…内側の自由曲面レンズ、１７…レンズの縁、１８…レンズの水平基準面、１９…繋ぎ部分、３０…鏡筒、３１…水平基準面の保持面、３２…保持用バネ、３３…レンズ押さえ

Claims (11)

1. 投射型映像表示装置において、
   映像表示素子と、
   前記映像表示素子の映像を拡大するための複数の透過型レンズを含む第１の光学系と、
   前記第１の光学系からの光を反射し所定の角度で前記映像を投射する第２の光学系を備え、
   前記第１の光学系は、非回転対称光学レンズであって、断面が該非回転対称光学レンズの光軸を中心とする円の一部分を外周に含み、該非回転対称光学レンズの垂直方向において曲率が小さい側を水平基準面とする非回転対称光学レンズを有することを特徴とする投射型映像表示装置。
2. 請求項１に記載の投射型映像表示装置において、さらに
   前記非回転対称光学レンズを保持する鏡筒であって、内面の少なくとも一部が前記円と同じ半径の円筒状である鏡筒を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
3. 請求項２に記載の投射型映像表示装置において、
   前記非回転対称レンズの外周の一部として、前記光軸に平行な複数の前記水平基準面となる平面部分を有し、
   前記鏡筒は前記平面部分に対向する位置に前記平面部分に平行な複数の保持面と、前記非回転対称レンズを支える保持ばねを有することを特徴とする投射型映像表示装置。
4. 請求項１に記載の投射型映像表示装置において、
   非回転対称光学レンズは、少なくとも前記交点を挟んで対向する位置が円弧の形状である外周を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
5. 請求項２に記載の投射型映像表示装置において、
   前記第１の光学系は、複数のレンズ素子を備えた投射レンズであって、
   各々の光軸に対して回転対称なレンズを含む前群と、
   前記非回転対称なレンズを含む後群とを有することを特徴とする投射型映像表示装置。
6. 請求項３に記載の投射型映像表示装置において、
   前記非回転対称レンズの出射面において、
   前記第２の光学系への光の出射角が大きい側の曲率が、前記第２の光学系への光の出射角が小さい側の曲率よりも小さいことを特徴とする投射型映像表示装置。
7. 光源と、
   前記光源の光を用いて映像信号に基づいた表示用の映像を形成する映像表示素子と、
   前記表示用の映像を拡大する複数の透過型レンズを有する第１の光学系と、
   前記第１の光学系からの光を反射して、拡大された表示用の映像を所定の角度で出射させる第２の光学系を有し、
   前記複数の透過型レンズの少なくとも一つは、入射面と出射面の少なくとも一方が自由曲面であって、当該透過型レンズの光軸と前記自由曲面の交点を中心とする円周の少なくとも一部を形状とし前記光軸に平行な厚みを有する縁を有するとともに、当該透過レンズの垂直方向において前記自由曲面の曲率が小さい側に水平基準面を有する自由曲面レンズを含むことを特徴とする投射型映像表示装置。
8. 請求項７に記載の投射型映像表示装置において、
   前記透過型レンズの縁の形状は、少なくとも前記交点を挟んで対向する位置に円弧を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
9. 光を入射する入射面と光を出射する出射面とを有する透過型レンズにおいて、
   前記入射面または出射面の少なくともいずれか一方は非回転対象な自由曲面であって、さらに、
   前記自由曲面の外縁であって、前記自由曲面と前記レンズの光軸の交点を中心とする円周の少なくとも一部の形状を含む外縁を有するとともに、当該透過レンズの垂直方向において前記自由曲面の曲率が小さい側の水平基準面とすることを特徴とする透過型レンズ。
10. 請求項９記載の透過型レンズにおいて、
    前記入射面および出射面はいずれも自由曲面であって、
    前記入射面の外縁の円周半径と前記出射面の外縁の円周半径は等しいことを特徴とする透過型レンズ。
11. 投射型映像表示装置に用いられる光学ユニットにおいて、
    映像表示素子と、
    前記映像表示素子の中心を通る軸に対称な形状の面を持つ共軸光学系を含む前群と、片側若しくは両側の面が自由曲面形状を為す少なくとも１枚の自由曲面レンズを含む後群とを備え、前記映像表示素子上に表示された映像をスクリーン上に拡大して投射する投射レンズを含む第１光学系と、
    少なくとも１枚の自由曲面形状を有する自由曲面ミラーを含み、前記投射レンズからの拡大映像を前記スクリーンに対して斜めに投射する第２の光学系と、を備え、
    前記第１の光学系の非回転対称な自由曲面レンズの外周は、前記自由曲面レンズの光軸に垂直で且つ前記光軸を中心とする円の一部分を含み、前記第１の光学系の非回転対称な自由曲面レンズの垂直方向において自由曲面の曲率が小さい側を水平基準とする端面を有することを特徴とする光学ユニット。

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