JP5163794B2 - Projection type image display device - Google Patents

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Description

本発明は、投写型画像表示装置に関する。     The present invention relates to a projection type image display apparatus.

斜め投写、すなわちスクリーン主平面の法線に対し、所定の角度を以って(例えばスクリーン下方から)画像を投写する投写型画像表示装置においては、投射光学系の出射光学部品には、非球面乃至自由曲面のミラーが用いられる。一般に、これらのミラーは量産性を考慮して樹脂で成形し、アルミ若しくは銀を蒸着して製造されるが、帯電しやすいため空気中の塵や埃で汚染されやすい。ミラー表面に付着した塵や埃を拭き取ると、塵や埃の中にはミラー表面のコーティング材より固いものが含まれているミラー表面にヘヤーライン状の傷が生じてしまう。これらの傷は、画像のコントラストの低下に繋がるだけでなく、傷から水分が入りミラーの蒸着膜を錆びさせるといった不都合があった。   In a projection-type image display apparatus that projects an image at a predetermined angle (for example, from below the screen) with respect to the normal of the screen main plane, the output optical component of the projection optical system includes an aspherical surface. A free-form curved mirror is used. In general, these mirrors are made of resin in consideration of mass productivity and are manufactured by vapor deposition of aluminum or silver. However, since they are easily charged, they are easily contaminated with dust and dirt in the air. When dust or dirt adhering to the mirror surface is wiped off, hairline-like scratches are generated on the mirror surface, which contains dust and dirt harder than the coating material on the mirror surface. These scratches not only lead to a decrease in the contrast of the image, but also have the disadvantage that moisture enters from the scratches and rusts the deposited film of the mirror.

かかる問題に対処するため、投写光学系を窓の開いた筐体に収納し、投写光学系とスクリーンとの間にガラス板等からなる平板状の透明板を配置することにより塵や埃によりミラー表面の汚染を防止する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In order to deal with such problems, the projection optical system is housed in a casing with an open window, and a flat transparent plate made of a glass plate or the like is disposed between the projection optical system and the screen, thereby mirroring with dust or dust. Techniques for preventing surface contamination have been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特開2002−082387号公報JP 2002-082387 A

しかし、かかる投写光学系ではコンパクト性を重視し、出射光学部品に非球面若しくは自由曲面のミラーを使用することにより投射距離を大幅に短縮している。そのため、画角が極めて広いことから、上記技術によっては、画面の両端部の映像光が透明板へ入射する角度が大きくなり、透明板での反射損失により画面両端部が暗くなるという問題があった。   However, in such a projection optical system, importance is attached to compactness, and the projection distance is greatly shortened by using an aspherical or free-form mirror for the outgoing optical component. For this reason, since the angle of view is extremely wide, the angle at which the image light at both ends of the screen is incident on the transparent plate increases depending on the above technique, and both ends of the screen become dark due to reflection loss on the transparent plate. It was.

本発明の目的は、画質の低下を抑制しつつ、光学部品を空気中の塵や埃から保護可能な技術を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a technique capable of protecting an optical component from dust and dirt in the air while suppressing deterioration in image quality.

上記課題を解決するため、出射光学部品を覆う透明部材を備える。   In order to solve the above problems, a transparent member that covers the outgoing optical component is provided.

本発明によれば、画質の低下を抑制しつつ、光学部品を空気中の塵や埃から保護可能となる。   According to the present invention, it is possible to protect the optical component from dust and dirt in the air while suppressing deterioration in image quality.

本実施の形態に係る投射型画像表示装置の概略側断面図である。It is a schematic sectional side view of the projection type image display apparatus concerning this Embodiment. 本実施の形態に係る投射型画像表示装置の光学系の要部の構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the principal part of the optical system of the projection type image display apparatus which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る投射型画像表示装置の光学系の配置と光路を示すXZ断面図である。It is XZ sectional drawing which shows arrangement | positioning and an optical path of the optical system of the projection type image display apparatus concerning this Embodiment. 本実施の形態に係る投射型画像表示装置の光学系の構成と光路を示すYZ断面図である。It is YZ sectional drawing which shows the structure and optical path of the optical system of the projection type image display apparatus concerning this Embodiment. 本実施の形態に係る投射型画像表示装置の歪性能を表す図である。It is a figure showing the distortion performance of the projection type image display apparatus concerning this Embodiment. 本実施の形態に係る投射型画像表示装置の光学部品の面番号を説明する図である。It is a figure explaining the surface number of the optical component of the projection type image display apparatus which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る投射型画像表示装置のスポット性能を表す図である。It is a figure showing the spot performance of the projection type image display apparatus concerning this Embodiment. 本実施の形態に係る投射型画像表示装置の要部を表す斜視図である。It is a perspective view showing the principal part of the projection type image display apparatus which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る投射型画像表示装置の要部を表す斜視図である。It is a perspective view showing the principal part of the projection type image display apparatus which concerns on this Embodiment.

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。なお、本発明は、図示例に限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The present invention is not limited to the illustrated example.

図1は、本実施の形態に係る投射型画像表示装置1の概略側断面図であり、図2は、投射型画像表示装置の光学系の要部の構成を示す側面図である。   FIG. 1 is a schematic side sectional view of a projection type image display apparatus 1 according to the present embodiment, and FIG. 2 is a side view showing a configuration of a main part of an optical system of the projection type image display apparatus.

なお、図1及び図2は、光学系の要部の構成をXYZ直交座標系におけるYZ断面で示したものである。ここで、XYZ直交座標系の原点は、後述する画像発生源8を構成する画像表示素子10の表示画面の中央とし、Z軸は後述するスクリーン20の法線と平行であるものとする。Y軸はスクリーン20の画面の短辺方向、即ち、スクリーン20の垂直方向と平行であるものとし、X軸は、スクリーン20の画面の長辺方向、即ち、スクリーン20の水平方向と平行であるものとする。   1 and 2 show the configuration of the main part of the optical system in the YZ section in the XYZ orthogonal coordinate system. Here, it is assumed that the origin of the XYZ orthogonal coordinate system is the center of the display screen of the image display element 10 constituting the image generation source 8 described later, and the Z axis is parallel to the normal line of the screen 20 described later. The Y axis is assumed to be parallel to the short side direction of the screen 20, that is, the vertical direction of the screen 20, and the X axis is parallel to the long side direction of the screen 20, ie, the horizontal direction of the screen 20. Shall.

図1に示すように、投射型画像表示装置1には、キャスター2を備えたスタンド4に取り付けられた底板6には、画像を表示するための画像発生源8が備えられている。画像発生源8には、例えば、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画像表示素子10等の光変調素子、さらには、光変調素子を照射するためのランプが含まれている。また、画像表示素子10は、いわゆる3板式のように複数の画を合成する方式でもよく、その場合には合成用プリズム等の合成光学系が備えられることとなる。なお、画像発生源は投写型ブラウン管を含むものであってもよい。   As shown in FIG. 1, the projection type image display device 1 includes an image generation source 8 for displaying an image on a bottom plate 6 attached to a stand 4 having casters 2. The image generation source 8 includes, for example, a light modulation element such as a reflective or transmissive liquid crystal panel or an image display element 10 having a plurality of minute mirrors, and a lamp for irradiating the light modulation element. It is. Further, the image display element 10 may be a method of combining a plurality of images like a so-called three-plate type, and in this case, a combining optical system such as a combining prism is provided. The image generation source may include a projection type cathode ray tube.

画像表示素子10の光出射方向には、第1光学系を構成する投写レンズ12が配置されている。投写レンズ12には、回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズが含まれている前群12と、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」という)が含まれている複数のレンズからなる後群16が備えられている。前群12は画像表示素子10から出射された光の進行方向側に配置されており、後群16は前群12から出射された光の進行方向側に配置されている。   In the light emitting direction of the image display element 10, a projection lens 12 constituting the first optical system is disposed. The projection lens 12 includes a front group 12 that includes a plurality of refractive lenses having a rotationally symmetric surface shape, and a lens having a free-form surface having at least one surface that is rotationally asymmetric (hereinafter, “free-form surface lens”). A rear group 16 composed of a plurality of lenses. The front group 12 is disposed on the traveling direction side of the light emitted from the image display element 10, and the rear group 16 is disposed on the traveling direction side of the light emitted from the front group 12.

後群16から出射された光の進行方向側には、第2光学系を構成する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)が配置されている。そして、自由曲面ミラー18により反射された光の進行方向には、スクリーン20が配置されている。なお、本実施の形態においては、第2光学系として非球面ミラーを用いることとしてもよい。   On the traveling direction side of the light emitted from the rear group 16, there is at least one reflecting mirror (hereinafter referred to as a “free curved mirror”) having a rotationally asymmetric free curved surface forming the second optical system. Has been placed. A screen 20 is arranged in the traveling direction of the light reflected by the free-form curved mirror 18. In the present embodiment, an aspherical mirror may be used as the second optical system.

また、本実施の形態においては、投写レンズ12を構成するレンズが直線的に配列されているが、図3に示すように、自由曲面ミラー18と前記投写レンズ12の後群16との間に反射ミラー15を配置して投写レンズ12の光軸をX軸方向に折り曲げることとしてもよい。これによって、投射型画像表示装置の全長が長くなることを防止することができる。また、投射型画像表示装置の全長が長くなることを防止するために、投写レンズ12の前群12と後群16の間、または前群12の途中に反射ミラー15を配置することとしてもよい。   In the present embodiment, the lenses constituting the projection lens 12 are linearly arranged. However, as shown in FIG. 3, the free-form surface mirror 18 and the rear group 16 of the projection lens 12 are arranged. The reflection mirror 15 may be arranged so that the optical axis of the projection lens 12 is bent in the X-axis direction. As a result, it is possible to prevent the overall length of the projection type image display apparatus from becoming long. Further, in order to prevent the total length of the projection type image display apparatus from being increased, the reflection mirror 15 may be disposed between the front group 12 and the rear group 16 of the projection lens 12 or in the middle of the front group 12. .

本実施の形態においては、図2に示すように、投写レンズ12の下端部P1から出射した光線L1は、自由曲面ミラー18の下端部P3で反射されてスクリーン20の下端部P6に導かれるようになっている。また、投写レンズ12の上端部P2から出射した光線L2は、自由曲面ミラー18の上端部P5で反射されてスクリーン20の上端部P8に導かれるようになっている。   In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the light beam L1 emitted from the lower end portion P1 of the projection lens 12 is reflected by the lower end portion P3 of the free-form curved mirror 18 and guided to the lower end portion P6 of the screen 20. It has become. Further, the light beam L2 emitted from the upper end portion P2 of the projection lens 12 is reflected by the upper end portion P5 of the free-form curved mirror 18 and guided to the upper end portion P8 of the screen 20.

図2に示すように、画像表示素子10は、その表示画面の中央が投写レンズ12の光軸上に位置するように配置されている。従って、画像表示素子10の表示画面の中央を透過して投写レンズ12の入射瞳の中央を通ってスクリーン20上の画面中央に向かう光線(以下、「画面中央光線」という)L3は、ほぼ投写レンズの光軸に沿って進む。画面中央光線L3は、自由曲面ミラー18の反射面上の点P4で反射されて、スクリーン20上の画面中央の点P7にスクリーンの法線L4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(画面中央光線L3と法線L4の為す角度(以下、「斜め入射角度」という)をθsとする)。   As shown in FIG. 2, the image display element 10 is arranged so that the center of the display screen is located on the optical axis of the projection lens 12. Accordingly, a light beam L3 that passes through the center of the display screen of the image display element 10 and passes through the center of the entrance pupil of the projection lens 12 toward the screen center on the screen 20 (hereinafter referred to as “screen center light beam”) is substantially projected. Proceed along the optical axis of the lens. The screen center ray L3 is reflected at a point P4 on the reflection surface of the free-form surface mirror 18, and has a predetermined angle with respect to the normal line L4 of the screen at a point P7 at the screen center on the screen 20 (that is, obliquely). (An angle formed by the screen center ray L3 and the normal L4 (hereinafter referred to as “oblique incident angle”) is θs).

このように、投写レンズ12から出射した光線をスクリーン20に対して斜め入射させると、投写した長方形の形状が台形になる、いわゆる台形歪の他に、光軸に対して回転対称でない種々の収差が生じる。本実施形態では、これらを投写レンズ12の後群16と第2光学系(自由曲面ミラー18)の反射面とで補正している。   As described above, when the light beam emitted from the projection lens 12 is obliquely incident on the screen 20, various aberrations that are not rotationally symmetric with respect to the optical axis in addition to the so-called trapezoidal distortion in which the projected rectangular shape becomes trapezoidal. Occurs. In the present embodiment, these are corrected by the rear group 16 of the projection lens 12 and the reflecting surface of the second optical system (free-form curved mirror 18).

図2に示すように、点P5から点P8に到る光線22の光路長は、点P3から点P6に到る光線23の光路長よりも長くなっている。これは、投写レンズ12から見て、スクリーン上の像点P8が像点P6よりも遠くにあることを意味している。   As shown in FIG. 2, the optical path length of the light beam 22 from the point P5 to the point P8 is longer than the optical path length of the light beam 23 from the point P3 to the point P6. This means that the image point P8 on the screen is farther than the image point P6 when viewed from the projection lens 12.

そこで、スクリーン上の像点P8に対応する物点(表示画面上の点)がより投写レンズ12に近い点に、また、像点P6に対応する物点がより投写レンズ12から遠い点に位置させることで、像画面の傾きの補正を行う。具体的には、画像表示素子1の表示画面の中央における法線ベクトルをYZ平面内において、自由曲面ミラー18の位置する方向に傾けるものである。   Therefore, an object point (a point on the display screen) corresponding to the image point P8 on the screen is located closer to the projection lens 12, and an object point corresponding to the image point P6 is located farther from the projection lens 12. By doing so, the inclination of the image screen is corrected. Specifically, the normal vector at the center of the display screen of the image display element 1 is inclined in the direction in which the free-form surface mirror 18 is located in the YZ plane.

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周知であるが、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、回転対称な投写レンズでは補正が困難である。   In order to obtain an image plane tilted with respect to the optical axis, the method of tilting the object plane is well known, but at an angle of view of a practical size, the image plane due to the tilt of the object plane is asymmetrical with respect to the optical axis Is difficult to correct with a rotationally symmetric projection lens.

この点、本実施の形態では、投射光学系において、回転非対称の自由曲面レンズ22及び自由曲面ミラー18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、自由曲面レンズ又は自由曲面ミラーによる収差補正を補助する上で効果的である。   In this regard, in the present embodiment, since the rotationally asymmetric free-form surface lens 22 and the free-form surface mirror 18 are used in the projection optical system, it is possible to cope with asymmetric image plane deformation. For this reason, by tilting the object plane, distortion of a low-order image plane can be greatly reduced, which is effective in assisting aberration correction by a free-form surface lens or a free-form surface mirror.

以下において、さらに台形歪や収差の補正について詳述する。第1光学系である投写レンズ12は、その前群12が前記画像表示素子10の表示画面をスクリーン20に投写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。投写レンズ12の後群16は、回転非対称の自由曲面レンズ22を含んでいる。ここで本実施形態においては、自由曲面ミラー18に最も近い自由曲面レンズ22は、その光出射方向に対して凹を向くように湾曲して形成されている。そして第2光学系は、回転非対称の自由曲面形状を有する自由曲面ミラー18を有している。   Hereinafter, correction of trapezoidal distortion and aberration will be described in detail. The projection lens 12 that is the first optical system is a main lens whose front group 12 projects the display screen of the image display element 10 onto the screen 20, and corrects basic aberrations in the rotationally symmetric optical system. . The rear group 16 of the projection lens 12 includes a rotationally asymmetric free-form surface lens 22. Here, in the present embodiment, the free-form surface lens 22 closest to the free-form surface mirror 18 is formed to be curved so as to face a concave with respect to the light exit direction. The second optical system includes a free curved surface mirror 18 having a rotationally asymmetric free curved surface shape.

自由曲面ミラー18は、その一部が光の反射方向に対して凸を向くように湾曲された、回転非対称の凸面ミラーである。具体的には、自由曲面ミラー18は、スクリーン20の下方に向かう光を反射する部分の曲率を、スクリーン20の上方に向かう光を反射する部分の曲率よりも大きくなるように形成されている。また、自由曲面ミラー18のスクリーン20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20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に形成してもよい。   The free-form curved mirror 18 is a rotationally asymmetric convex mirror that is curved so that a part thereof is convex with respect to the light reflection direction. Specifically, the free-form surface mirror 18 is formed so that the curvature of the portion that reflects light traveling downward of the screen 20 is larger than the curvature of the portion that reflects light traveling upward of the screen 20. In addition, the portion of the free-form curved mirror 18 that reflects the light downward toward the screen 20 has a convex shape in the light reflection direction, and the portion that reflects the light upward toward the screen 20 is concave in the light reflection direction. You may form in a shape.

これらの第1光学系の自由曲面レンズと第2光学系の自由曲面ミラー18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、本実施形態では、第2光学系が主として台形歪を補正し、第1光学系である投写レンズ12の後群16が、主として像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行うようになっている。   By the action of the free-form surface lens of the first optical system and the free-form surface mirror 18 of the second optical system, correction of aberrations caused by oblique incidence is mainly performed. That is, in the present embodiment, the second optical system mainly corrects trapezoidal distortion, and the rear group 16 of the projection lens 12 that is the first optical system mainly corrects asymmetric aberrations such as distortion of the image plane. It has become.

また、このように投射光学系に自由曲面レンズ22や自由曲面ミラー18を用いることで、屈折面を有する投写レンズ12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。   Further, by using the free-form surface lens 22 and the free-form surface mirror 18 in the projection optical system in this way, in the projection lens 12 having a refracting surface, the number of lenses can be increased without causing decentration of the lens and an increase in the lens diameter. Without correction, it is possible to correct trapezoidal distortion due to oblique incidence.

このように、本実施形態は、第1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むことによって、斜め投写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。   As described above, in the present embodiment, the first optical system includes at least one rotationally asymmetric free-form surface lens, and the second optical system includes at least one rotationally asymmetric free-form surface mirror, thereby generating a trapezoid generated by oblique projection. Both distortion and aberration can be corrected.

以上の説明は、図2に示す実施形態に基づいて行った。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、上記説明した本実施形態と同様な考えを適用できる。   The above description is based on the embodiment shown in FIG. However, the same idea as in the above-described embodiment can be applied even when the direction of bending of the optical path by the mirror is in the plane including the long side of the screen, contrary to FIG.

次に、本実施の形態に係る光学系について、具体的な数値を例示しつつ説明する。図3から図6と表1から表4を用いて本発明の数値実施例の1つについて説明する。   Next, the optical system according to the present embodiment will be described with specific numerical values. One of the numerical examples of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 6 and Tables 1 to 4. FIG.

図3と図4は、数値例に基づく本発明に係る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XZ断面図、4はYZ断面、での構造を示している。図3では、投写レンズ12の前群12の途中に折り曲げミラー15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4では、この折り曲げミラー15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。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15を省略して説明することにする。   3 and 4 show ray diagrams of the optical system according to the present invention based on numerical examples. In the XYZ orthogonal coordinate system described above, FIG. 3 shows an XZ cross-sectional view, and 4 shows a YZ cross-sectional structure. FIG. 3 shows an example in which a bending mirror 15 is installed in the middle of the front group 12 of the projection lens 12 and the optical path is bent once in the X-axis direction. In FIG. 4, the bending mirror 15 is omitted, and the optical system is shown expanded in the Z-axis direction. The bending mirror has a certain degree of arbitrary installation position and angle, and does not affect the function of each optical element. Therefore, in the following description, the bending mirror 15 is omitted.

本例において、図4の下側に表示した画像表示素子10から射出した光は、複数のレンズを含む投写レンズのうち、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16を通り、第2光学系である自由曲面ミラー18の反射面で反射された後、スクリーン20に入射される。   In this example, the light emitted from the image display element 10 displayed on the lower side of FIG. 4 is, first, a front group 12 configured by only lenses having only a rotationally symmetric surface among projection lenses including a plurality of lenses. Pass through. Then, the light passes through the rear group 16 including a rotationally asymmetric free-form surface lens, is reflected by the reflection surface of the free-form surface mirror 18 that is the second optical system, and then enters the screen 20.

ここで、投写レンズ12の前群14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2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。   Here, the front group 14 of the projection lens 12 is composed of a plurality of lenses each having a rotationally symmetric refracting surface, two of the refracting surfaces being rotationally symmetric aspherical surfaces, and the other being spherical surfaces. It is. The rotationally symmetric aspherical surface used here is expressed by the following equation using a local cylindrical coordinate system for each surface.

Figure 0005163794
Figure 0005163794

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。
前記投写レンズ12の後群16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。
Here, r is the distance from the optical axis, and Z represents the sag amount. C is the curvature at the apex, k is the conic constant, and A to J are coefficients of the power of r.
The free-form surface lens in the rear group 16 of the projection lens 12 uses a local orthogonal coordinate system (x, y, z) with the surface vertex of each surface as the origin, and includes the following equations including X and Y polynomials. Represented.

Figure 0005163794
Figure 0005163794

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。   Here, Z represents the sag amount of the shape of the free-form surface in the direction perpendicular to the X and Y axes, c is the curvature at the vertex, r is the distance from the origin in the plane of the X and Y axes, k Is a conic constant and C (m, n) is a coefficient of a polynomial.

表1においてRdは各面の曲率半径であり、図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。表1においてS5、S6、S16、S17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、Mは投写レンズの前群12内に設けられた折り曲げ用のミラーの位置を示している。実際は、このミラーの位置で光軸が折り曲げられるが、図6では簡単のためミラーの位置を示すのみで、光軸は折り曲げずに書いてある。また、S23はスクリーン20であり、大きく、位置も離れているので図6には示していない。   In Table 1, Rd is the radius of curvature of each surface, and in the figure, when the center of curvature is on the left side of the surface, it is expressed as a positive value, and in the opposite case, it is expressed as a negative value. In Table 1, TH is the inter-surface distance, and indicates the distance from the apex of the lens surface to the apex of the next lens surface. When a next lens surface is located on the left side with respect to a certain lens surface, the inter-surface distance is represented by a positive value, and when located on the right side, it is represented by a negative value. In Table 1, S5, S6, S16, and S17 are rotationally symmetric aspherical surfaces. In Table 1, * is shown beside the surface number. Table 2 shows the coefficients of these four aspheric surfaces. In Table 1, M indicates the position of the bending mirror provided in the front group 12 of the projection lens. Actually, the optical axis is bent at the position of this mirror, but in FIG. 6, for the sake of simplicity, only the position of the mirror is shown, and the optical axis is not bent. Further, S23 is a screen 20, which is not shown in FIG.

表1においてS18からS21は自由曲面レンズの各屈折面であり、S22は自由曲面ミラー18の反射面であって、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。   In Table 1, S18 to S21 are refracting surfaces of the free-form surface lens, and S22 is a reflecting surface of the free-form surface mirror 18, which is indicated by # next to the surface number. Table 3 shows values of coefficients representing the shapes of these five free-form surfaces.

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おり、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。   In Table 3, the names and values of the coefficients are displayed side by side as a set of frames, the values on the right side are the values of the coefficients, the left side is the name and the two sets of numbers separated by commas in parentheses are given in Equation 2. The indicated values of m and n are shown.

本実施例における、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は図の断面と平行な面内での傾きの大きさである。傾きの方向は図の断面内で反時計回りに回転する方向を正としている。また、YDEは偏心の大きさであり、偏心は図の断面内でかつ光軸に垂直な方向で設定され、図の断面において下側への偏心を正とする。   Table 4 shows the inclination or eccentricity of the local coordinate system of each surface in this example. In Table 4, the angle of inclination and the value of eccentricity are shown on the right side of the surface number, and ADE is the magnitude of the inclination in a plane parallel to the cross section of the figure. The direction of inclination is positive in the direction rotating counterclockwise in the cross section of the figure. YDE is the magnitude of the eccentricity, and the eccentricity is set in a direction perpendicular to the optical axis in the cross section of the figure, and the downward eccentricity in the cross section of the figure is positive.

Figure 0005163794
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上記表1〜4の数値は、物面上12.16×6.84の範囲の映像を像面上1841.9×1036.1の大きさに投写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4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20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。   The numerical values in Tables 1 to 4 above are an example in the case where an image in the range of 12.16 × 6.84 on the object plane is projected to a size of 1841.9 × 1036.1 on the image plane. The graphic distortion at that time is shown in FIG. The vertical direction in FIG. 5 is the vertical direction in FIG. 4 and is the Y-axis direction. The horizontal direction in FIG. 5 is a direction perpendicular to the Y axis on the screen 20, and the center of the rectangle in the figure is the center of the screen. The figure shows the state of figure distortion by displaying the state of straight line bending in which the vertical direction of the screen is divided into four and the horizontal direction is divided into eight.

本数値実施例のスポットダイアグラムを図7に示す。図7では、映像表示素子11の表示画面上、X,Y座標の値で、(6.08,3.42)、(0,3.42)、(3.65,2.05)、(6.08,0)、(0,0)、(3.65、−2.05)、(6.08、−3.42)、(0、−3.42)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。   A spot diagram of this numerical example is shown in FIG. In FIG. 7, (6.08, 3.42), (0, 3.42), (3.65, 2.05), (X, Y coordinate values on the display screen of the video display element 11. 6.08,0), (0,0), (3.65, -2.05), (6.08, -3.42), and (0, -3.42) The spot diagrams are shown in order from the top. The unit is mm. The horizontal direction of each spot diagram is the X direction on the screen, and the vertical direction is the Y direction on the screen. Thus, both maintain good performance.

図6に示す、S0からS20までは、図示しないシャーシ乃至鏡筒等の容器に収められているため、塵や埃に対し十分対策することができるようになっている。   Since S0 to S20 shown in FIG. 6 are housed in a container such as a chassis or a lens barrel (not shown), it is possible to sufficiently take measures against dust and dirt.

これに対して、投写レンズ12を構成するレンズのうち、最も自由曲面ミラー18側に配置された自由曲面レンズ22及び自由曲面ミラー18は、光透過性を有する透明カバー24で覆われている。透明カバー24は、湾曲形成された部材であり、自由曲面レンズ22の自由曲面ミラー18側のレンズ面S21及び自由曲面ミラー18の反射面S22のZ軸と交わる点を略中心とした円弧を持つように形成されている。   On the other hand, among the lenses constituting the projection lens 12, the free-form surface lens 22 and the free-form surface mirror 18 arranged closest to the free-form surface mirror 18 are covered with a transparent cover 24 having light transmittance. The transparent cover 24 is a curved member, and has a circular arc whose center is the point of intersection with the Z-axis of the lens surface S21 of the free-form surface lens 22 on the free-form surface mirror 18 side and the reflection surface S22 of the free-form surface mirror 18. It is formed as follows.

透明カバー24の湾曲形成された両端のうちの一端は、自由曲面レンズ22に設けられたレンズ鍔26に取り付けられ、また、湾曲形成され両端のうちの他端を自由曲面ミラー18のミラー鍔28に取り付けられている。また、湾曲形成されていない端部は、底板6に密着して取り付けられている。よって、自由曲面レンズ22の自由曲面ミラー18に対向したレンズ面S21及び自由曲面ミラー18の反射面S22は、投射型画像表示装置1内に形成された密閉空間に収納され外気から遮断されている。   One end of both ends of the transparent cover 24 formed in a curved shape is attached to a lens rod 26 provided on the free-form surface lens 22, and the other end of both ends formed in the curved shape is a mirror rod 28 of the free-form surface mirror 18. Is attached. Further, the end portion that is not curved is attached in close contact with the bottom plate 6. Therefore, the lens surface S21 of the free-form surface lens 22 facing the free-form surface mirror 18 and the reflection surface S22 of the free-form surface mirror 18 are housed in a sealed space formed in the projection image display device 1 and are blocked from the outside air. .

透明カバー24は、湾曲形成されているため、自由曲面ミラー18から出射する光線が透明カバーに対し大きな入射角にならないようになっている。このため、透明カバー24で映像光が反射して画像周辺部が暗くなるという問題は生じない。本実施の形態においては、透明カバー24に入射する光線の入射角は画像周辺部で約20°であり、画像中心最下部で入射角は最大33°となっている。この場合の映像光の透過率は、実用性に十分な89%となり、さらに増透処理を行うことで透過率を向上させることとしてもよい。   Since the transparent cover 24 is curved, light rays emitted from the free-form surface mirror 18 do not have a large incident angle with respect to the transparent cover. For this reason, the problem that the image light is reflected by the transparent cover 24 and the peripheral portion of the image becomes dark does not occur. In the present embodiment, the incident angle of the light incident on the transparent cover 24 is about 20 ° at the peripheral portion of the image, and the maximum incident angle is 33 ° at the lowermost portion of the image center. In this case, the transmittance of the image light is 89%, which is sufficient for practical use, and the transmittance may be improved by further performing a transparency increasing process.

また、透明カバー24の形成する材料の材質に特に制限はないが、例えば、可撓性に優れたプラスチックを用いることが好ましい。かかる材質のプラスチックにより透過カバーを形成することで、レンズ鍔26、ミラー鍔28及び底板6に容易に固定することが可能となる。また、かかる材質のプラスチックにより透明カバーを形成することで、透明カバーが傷ついたり、汚れたりしたときにも交換が容易となる。   Moreover, there is no restriction | limiting in particular in the material of the material which the transparent cover 24 forms, For example, it is preferable to use the plastics excellent in flexibility. By forming the transmission cover with the plastic material, it is possible to easily fix the lens cover 26, the mirror cover 28, and the bottom plate 6. In addition, by forming a transparent cover with such a plastic material, the replacement becomes easy even when the transparent cover is damaged or dirty.

図9は、透明カバー24のその他の実施例を示す斜視図である。図9には、図2で示した光線22と光線23を書き加えてある。各々の光線は図2では左右が重なっていたため各1本しか表記していなかったが、図9は斜視図であるので、左右2本表示してある。これら4本の光線が映像の4コーナーの光線を示すものである。   FIG. 9 is a perspective view showing another embodiment of the transparent cover 24. In FIG. 9, the light beam 22 and the light beam 23 shown in FIG. 2 are added. In FIG. 2, only one light beam is shown because the light beams overlap each other in FIG. 2. However, since FIG. 9 is a perspective view, two light beams are displayed on the left and right. These four rays indicate the rays at the four corners of the image.

透明カバー24は、スクリーン20に投射される映像光の範囲のみ透明であればよく、光線22及び光線23で囲まれた範囲が通過する範囲以外の部分は、遮光することとしてもよい。透明カバーの遮光は、例えば、透明カバー24の表面に塗装又は印刷をすることにより行う。   The transparent cover 24 only needs to be transparent only in the range of the image light projected on the screen 20, and the portion other than the range through which the range surrounded by the light beam 22 and the light beam 23 passes may be shielded. The light shielding of the transparent cover is performed, for example, by painting or printing on the surface of the transparent cover 24.

遮光されている部分の明度は低ければ低いほどよく、特に好ましくは黒色の塗料等を用いることが好ましい。また、例えば、透明カバー24の遮光領域の内側を黒色の塗料等で塗装し、外側を投写型画像表示装置全体のデザインを考えた色に塗装しても良い。このようにできる限り投射型画像表示装置1内に外光が侵入することを防止することにより、映像のコントラストを向上させることができる。   The lightness of the light-shielded portion is preferably as low as possible, and it is particularly preferable to use a black paint or the like. Further, for example, the inside of the light shielding area of the transparent cover 24 may be painted with a black paint or the like, and the outside may be painted with a color considering the design of the entire projection type image display apparatus. In this way, the contrast of the video can be improved by preventing external light from entering the projection type image display device 1 as much as possible.

次に、本実施の形態に係る投射型画像表示装置1の作用について説明する。   Next, the operation of the projection type image display apparatus 1 according to the present embodiment will be described.

本実施の形態に係る投射型画像表示装置1に電源を投入すると、画像発生源8から画像光が出射され、投写レンズ12に投射される。投写レンズ12に投射された画像光は、投写レンズ12を構成するレンズを透過し、自由曲面レンズ22から出射された後に自由曲面ミラー18に投射され、自由曲面ミラー18に反射される。   When the projection-type image display device 1 according to this embodiment is turned on, image light is emitted from the image generation source 8 and projected onto the projection lens 12. The image light projected on the projection lens 12 is transmitted through the lenses constituting the projection lens 12, emitted from the free-form surface lens 22, projected onto the free-form surface mirror 18, and reflected on the free-form surface mirror 18.

自由曲面ミラー18により反射された画像光は、透明カバー24に照射される。この際、画像光は透明カバー24の透明な部分に照射されるので、透明な部分を透過した後にスクリーン20に照射され、映像が表示されることとなる。透明カバー24は湾曲形成されているので、自由曲面ミラー18から投射された画像光の損失はほとんど無く、透明カバー24を透過してスクリーン20に照射される。また、投射型画像表示装置1外の光は透明カバー24の遮光された部分によって遮光されるので、投射型画像表示装置1内への外部の光の入光は防止される。   The image light reflected by the free-form surface mirror 18 is applied to the transparent cover 24. At this time, since the image light is irradiated to the transparent portion of the transparent cover 24, the image is displayed after being transmitted to the screen 20 after passing through the transparent portion. Since the transparent cover 24 is curved, there is almost no loss of image light projected from the free-form surface mirror 18, and the screen 20 is irradiated through the transparent cover 24. Further, since the light outside the projection type image display device 1 is shielded by the shielded portion of the transparent cover 24, the entrance of external light into the projection type image display device 1 is prevented.

また、自由曲面ミラー18の光反射面と自由曲面レンズ22の光出射面は、透明カバー24により投射型画像表示装置1の外部から隔離された密閉空間に収納されているため、投射型画像表示装置1の駆動時に自由曲面ミラー18や自由曲面レンズ22が帯電したとしても、外気中の塵や埃が付着することはない。   Further, since the light reflecting surface of the free-form curved mirror 18 and the light exit surface of the free-form curved lens 22 are housed in a sealed space isolated from the outside of the projection-type image display device 1 by the transparent cover 24, the projection-type image display is performed. Even if the free-form surface mirror 18 and the free-form surface lens 22 are charged when the apparatus 1 is driven, dust or dirt in the outside air does not adhere.

以上述べたように、本実施形態によれば、透明カバー24により自由曲面ミラー18及び自由曲面レンズ22は覆われているので、空気中の塵や埃で汚染されることはない。また、透明カバー24が湾曲形成されていることから、透明カバー24に入射する光線の最大入射角が大きくならないため、透明カバーでの反射損失により画面両端部が暗くなるといった不都合がない。   As described above, according to the present embodiment, since the free-form curved mirror 18 and the free-form curved lens 22 are covered by the transparent cover 24, they are not contaminated by dust or dirt in the air. In addition, since the transparent cover 24 is formed in a curved shape, the maximum incident angle of light incident on the transparent cover 24 does not increase, and there is no inconvenience that both ends of the screen become dark due to reflection loss at the transparent cover.

1…投射型画像表示装置、2…キャスター、4…スタンド、6…底板、8…画像発生源、10…画像表示素子、12…投射レンズ、14…前群、15…反射ミラー、16…後群、18…自由曲面ミラー、20…スクリーン、22…自由曲面レンズ、24…透明カバー、26…レンズ鍔、28…ミラー鍔、L1…光線、L2…光線、L3…画面中央光線、L4…法線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Projection type image display apparatus, 2 ... Caster, 4 ... Stand, 6 ... Bottom plate, 8 ... Image generation source, 10 ... Image display element, 12 ... Projection lens, 14 ... Front group, 15 ... Reflection mirror, 16 ... Rear Group: 18 ... Free-form surface mirror, 20 ... Screen, 22 ... Free-form surface lens, 24 ... Transparent cover, 26 ... Lens cage, 28 ... Mirror cage, L1 ... Ray, L2 ... Ray, L3 ... Screen center ray, L4 ... Method line

Claims (8)

映像表示素子の映像をスクリーンに拡大投射する複数のレンズを含む投写レンズと、
前記投写レンズからの映像を反射する反射光学系と、
前記複数のレンズのうち前記反射光学系に最も近い位置に配置された第1のレンズの光出射面と前記反射光学系の光反射面との間の光路を覆う部材を備え、
前記第1のレンズは自由曲面レンズであり、
前記反射光学系は自由曲面ミラー又は非球面ミラーであり、
前記スクリーンの平面をXY平面、前記スクリーンの水平方向をX軸、前記X軸と垂直な方向をY軸、前記XY平面に垂直な方向をZ軸と定義すると、前記部材の前記映像光出射面上における当該部材両端の頂点を通る部分は直線であり、かつ、当該直線はYZ平面に略平行である、投射型表示装置。
A projection lens including a plurality of lenses for enlarging and projecting the image of the image display element on the screen;
A reflective optical system for reflecting an image from the projection lens ;
A member that covers an optical path between the light emitting surface of the first lens and the light reflecting surface of the reflective optical system disposed at a position closest to the reflective optical system among the plurality of lenses;
The first lens is a free-form surface lens;
The reflective optical system is a free-form surface mirror or an aspherical mirror,
When the plane of the screen is defined as the XY plane, the horizontal direction of the screen is defined as the X axis, the direction perpendicular to the X axis is defined as the Y axis, and the direction perpendicular to the XY plane is defined as the Z axis, The projection display device in which the portion passing through the apexes at both ends of the member is a straight line, and the straight line is substantially parallel to the YZ plane.
前記部材の前記反射光学系で反射した映像が通過する領域以外の領域は、遮光領域である、請求項1記載の投射型表示装置。   The projection display device according to claim 1, wherein an area other than an area through which an image reflected by the reflection optical system of the member passes is a light shielding area. 前記遮光領域は、塗装又は印刷により作られる、請求項2記載の投射型表示装置。   The projection display device according to claim 2, wherein the light shielding region is formed by painting or printing. 前記反射光学系は、前記映像を反射する方向に対して凸形状である、請求項1記載の投射型表示装置。   The projection display device according to claim 1, wherein the reflection optical system has a convex shape with respect to a direction in which the image is reflected. 前記投写レンズは容器に収納され、
前記容器の前記反射光学系側の端部に形成された第1鍔部と、
前記反射光学系の側縁部に形成された第2鍔部を備え、
前記部材の両端は、それぞれ、前記第1鍔部と前記第2鍔部に取り付けられる、請求項1記載の投射型表示装置。
The projection lens is housed in a container;
A first flange formed at an end of the container on the reflective optical system side;
A second collar formed on a side edge of the reflective optical system;
The projection display apparatus according to claim 1, wherein both ends of the member are attached to the first and second collar parts, respectively.
前記部材は、可撓性を有する、請求項1記載の投射型表示装置。   The projection display device according to claim 1, wherein the member has flexibility. 前記部材は、透明である、請求項1記載の投射型表示装置。   The projection display device according to claim 1, wherein the member is transparent. 前記部材に対する前記映像光の透過率は、89%以上である、請求項1記載の投射型表示装置。   The projection display device according to claim 1, wherein a transmittance of the image light with respect to the member is 89% or more.
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