TW201339629A - 投射光學系統及投射型影像顯示裝置 - Google Patents

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Abstract

投射型影像顯示裝置包括：顯示元件(3)與投射光學系統(100)。投射光學系統(100)係包括：整體上具有正之功率的第1透鏡群(1)、與整體上具有負之功率的第2透鏡群(2)。第2透鏡群(2)係從顯示元件側依序具有第1透鏡(21)及第2透鏡(22)，並都具有負之功率。以像面成為平面時之第1透鏡(21)及第2透鏡(22)之光軸方向的位置為基準，使第1透鏡(21)接近顯示元件(3)，並使第2透鏡(22)遠離顯示元件(3)，藉此，周緣光的焦點位置在光軸方向比軸上光的焦點位置更接近投射光學系統(100)，而像面成為在投射光學系統側凹。又，使第1透鏡(21)遠離顯示元件(3)，並使第2透鏡(22)接近顯示元件(3)，藉此，軸上光的焦點位置在光軸方向比周緣光的焦點位置更接近投射光學系統(100)，而像面成為在投射光學系統側凸。藉此，藉投射光學系統(100)所形成之像面的曲率變化。

Description

投射光學系統及投射型影像顯示裝置
本發明係有關於可將影像顯示於平面、曲面等之投射型影像顯示裝置及其投射光學系統。
在影像顯示裝置的領域，自以往，為了得到高臨場感，而研究將影像投影於曲面銀幕。又，近年來，車載用之影像顯示裝置，要求可實現與曲面主體之車內裝飾匹配之曲面顯示的影像顯示裝置。
另一方面，使用液晶或電致發光(Electro-Luminescence)元件的影像顯示裝置係由於製造上的限制，而難將影像顯示於圓筒面以外的曲面。相對地，投射型影像顯示裝置係因為亦可將影像顯示於圓筒面以外的曲面，所以在可更加提高車內裝潢之設計自由度。
例如，在專利文獻1，揭示將二維之物體像投影於半球面的投影裝置。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]特開2006-330353號公報(參照第1圖及第15圖)
可是，在專利文獻1所揭示之投影裝置，銀幕的曲面形狀被限制於對半球面焦點深度之範圍內。因此，若所要求的銀幕形狀變化，每次需要因應於該銀幕形狀之專用的投影裝置，而欠缺泛用性。
本發明係為了解決上述之課題而開發的，其目的在於提供一種可應付各種銀幕形狀的投射型影像顯示裝置。
本發明之投射型影像顯示裝置包括：產生影像光的顯示元件；及投射光學系統，係將藉顯示元件所產生之影像光放大投射於銀幕。投射光學系統包括：整體上具有正之功率的第1透鏡群、與整體上具有負之功率的第2透鏡群。該第2透鏡群係從顯示元件側依序具有第1透鏡及第2透鏡，第1透鏡及第2透鏡係都具有負之功率。在影像光中，若將從顯示元件與投射光學系統之光軸的交點所射出之光當作軸上光，將從顯示元件之周緣所射出的光當作周緣光，以像面成為平面時之第1透鏡及第2透鏡之光軸方向的位置為基準，使第1透鏡接近顯示元件，並使第2透鏡遠離顯示元件，藉此，周緣光的焦點位置在光軸方向比軸上光的焦點位置更接近投射光學系統，而像面成為在投射光學系統側凹。以像面成為平面時之第1透鏡及第2透鏡之光軸方向的位置為基準，使第1透鏡遠離顯示元件，並使第2透鏡接近該顯示元件，藉此，軸上光的焦點位置在光軸方向比周緣光的焦點位置更接近投射光學系統，而像面成為在投射光學系統側凸。藉此，藉投射光學系統 所形成之像面的曲率變化。
本發明之投射型影像顯示裝置係又包括：產生影像光的顯示元件；及投射光學系統，係將藉該顯示元件所產生之影像光放大投射於銀幕。投射光學系統係從顯示元件側往銀幕側依序包括：第1透鏡群，係包含至少一片透鏡，並整體上具有正之功率；與第2透鏡群，係包含至少一片透鏡，並整體上具有負之功率。藉由調整構成第1透鏡群及第2透鏡群之各透鏡中至少一片透鏡之光軸方向的位置，而藉投射光學系統所形成之像面的曲率變化。像面成為在投射光學系統側凹的情況之軸上光的聚光位置係相對像面是平面的情況之軸上光的聚光位置，存在於與第2透鏡相反側；像面成為在投射光學系統側凸的情況之軸上光的聚光位置係相對像面是平面的情況之軸上光的聚光位置，存在於與第2透鏡相同側。
本發明之投射光學系統係將藉顯示元件所產生之影像光放大投射於銀幕的投射光學系統。投射光學系統包括：整體上具有正之功率的第1透鏡群、與整體上具有負之功率的第2透鏡群。第2透鏡群係從顯示元件側依序具有第1透鏡及第2透鏡，第1透鏡及第2透鏡都具有負之功率。在影像光中，若將從顯示元件與投射光學系統之光軸的交點所射出之光當作軸上光，將從顯示元件之周緣所射出的光當作周緣光，以像面成為平面的情況之第1透鏡及第2透鏡之光軸方向的位置為基準，使第1透鏡接近顯示元件，並使第2透鏡遠離顯示元件，藉此，周緣光的焦點位置在光軸方向比軸上光的焦點位置更接近投射光學系統，而像面成為在投射光學系統側凹。以像面成 為平面的情況之第1透鏡及第2透鏡之光軸方向的位置為基準，使第1透鏡遠離顯示元件，並使第2透鏡接近顯示元件，藉此，軸上光的焦點位置在光軸方向比周緣光的焦點位置更接近投射光學系統，而像面成為在投射光學系統側凸。藉此，藉投射光學系統所形成之像面的曲率變化。
本發明之投射光學系統係又將藉顯示元件所產生之影像光放大投射於銀幕的投射光學系統，並從顯示元件側往銀幕側依序包括：第1透鏡群，係包含至少一片透鏡，並整體上具有正之功率；與第2透鏡群，係包含至少一片透鏡，並整體上具有負之功率。藉由調整構成第1透鏡群及第2透鏡群之各透鏡中至少一片透鏡之光軸方向的位置，而藉投射光學系統所形成之像面的曲率變化。像面成為在投射光學系統側凹的情況之軸上光的聚光位置係相對像面是平面的情況之軸上光的聚光位置，存在於與第2透鏡相反側。像面成為在投射光學系統側凸的情況之軸上光的聚光位置係相對像面是平面的情況之軸上光的聚光位置，存在於與第2透鏡相同側。
若依據本發明，可提供一種可應付各種銀幕形狀的投射光學系統及投射型影像顯示裝置。
1、1a、1b、1c‧‧‧第1透鏡群
2、2a、2b、2c‧‧‧第2透鏡群
11、12‧‧‧透鏡
110、111、112‧‧‧副透鏡群
21‧‧‧透鏡(第1透鏡)
22‧‧‧透鏡(第2透鏡)
3‧‧‧顯示元件
4‧‧‧光軸
5、51、52、53‧‧‧銀幕
6‧‧‧光源
7‧‧‧光均勻化元件
8‧‧‧照明光學元件
P‧‧‧瞳孔
10、20、30、40、50‧‧‧投射型影像顯示裝置
100、200、300、400、500‧‧‧投射光學系統
101‧‧‧照明光學系統
PS‧‧‧全反射稜鏡
第1圖係表示本發明之第1實施形態的投射型影像顯示裝置之構成的圖。
第2圖係表示第1實施形態之投射光學系統將影像光投影 於平面形狀(a)、凹面形狀(b)、凸面形狀(c)之銀幕的動作的圖。
第3圖係表示應用第1實施形態的投射光學系統之車載用的投射型影像顯示裝置之構成例的圖。
第4圖係表示本發明之第2實施形態的投射型影像顯示裝置之構成的圖。
第5圖係表示第2實施形態之投射光學系統將影像光投影於平面形狀(a)、凹面形狀(b)及凸面形狀(c)之銀幕的動作的圖。
第6圖係表示第2實施形態之軸上光之聚光狀態的圖。
第7圖係表示第2實施形態之周緣光之聚光狀態的圖。
第8圖係在模式上表示軸上光之聚光點、容許散光圓及焦點深度之關係的圖(a)、及在模式上表示周緣光之聚光點、容許散光圓及焦點深度之關係的圖(b)。
第9圖係說明焦點深度的圖。
第10圖係說明焦點深度與銀幕形狀的圖。
第11A圖係表示在第2實施形態，銀幕是平面形狀的情況之點線圖的圖。
第11B圖係表示在第2實施形態，銀幕是凹面形狀的情況之點線圖的圖。
第11C圖係表示在第2實施形態，銀幕是凸面形狀的情況之點線圖的圖。
第12圖係表示在對第1實施形態之參考例之點線圖的圖。
第13圖係表示本發明之第3實施形態的投射型影像顯示裝置之構成的圖。
第14圖係表示第3實施形態之投射光學系統將影像光投 影於平面形狀(a)、凹面形狀(b)及凸面形狀(c)之銀幕的動作的圖。
第15圖係表示第3實施形態之軸上光之聚光狀態的圖。
第16圖係表示第3實施形態之周緣光之聚光狀態的圖。
第17圖係重疊地表示第3實施形態之投射光學系統將影像光投影於平面形狀、凹面形狀及凸面形狀之銀幕的動作的圖。
第18A圖係表示在第3實施形態，銀幕是平面形狀的情況之點線圖的圖。
第18B圖係表示在第3實施形態，銀幕是凹面形狀的情況之點線圖的圖。
第18C圖係表示在第3實施形態，銀幕是凸面形狀的情況之點線圖的圖。
第19圖係表示本發明之第4實施形態的投射型影像顯示裝置之構成的圖。
第20圖係表示第4實施形態之投射光學系統將影像光投影於平面形狀(a)、凹面形狀(b)及凸面形狀(c)之銀幕的動作的圖。
第21圖係表示銀幕上之投射影像之失真的參考圖。
第22圖係表示第4實施形態之軸上光之聚光狀態的圖及參考圖(b)。
第23圖係表示第4實施形態之軸上光之聚光狀態的圖及參考圖(b)。
第24圖係表示第4實施形態之周緣光之聚光狀態的圖及 參考圖(b)。
第25圖係表示第4實施形態之周緣光之聚光狀態的圖及參考圖(b)。
第26圖係重疊地表示第4實施形態之投射光學系統將影像光投影於平面形狀、凹面形狀及凸面形狀之銀幕的動作的圖。
第27圖係表示第4實施形態之銀幕上的投射影像之失真的圖。
第28A圖係表示在第4實施形態，銀幕是平面形狀的情況之點線圖的圖。
第28B圖係表示在第4實施形態，銀幕是凹面形狀的情況之點線圖的圖。
第28C圖係表示在第4實施形態，銀幕是凸面形狀的情況之點線圖的圖。
第29圖係表示本發明之第5實施形態的投射型影像顯示裝置之構成的圖。
第30圖係表示第5實施形態之投射光學系統將影像光投影於平面形狀(a)、凹面形狀(b)及凸面形狀(c)之銀幕的動作的圖。
第31圖係表示第5實施形態之軸上光之聚光狀態的圖(a)、(b)。
第32圖係表示第5實施形態之周緣光之聚光狀態的圖(a)、(b)。
第33圖係表示第5實施形態之銀幕上的投射影像之失真 的圖。
第34圖係重疊地表示第5實施形態之投射光學系統將影像光投影於平面形狀、凹面形狀及凸面形狀之銀幕的動作的圖。
第35A圖係表示在第5實施形態，銀幕是平面形狀的情況之點線圖的圖。
第35B圖係表示在第5實施形態，銀幕是凹面形狀的情況之點線圖的圖。
第35C圖係表示在第5實施形態，銀幕是凸面形狀的情況之點線圖的圖。
第1實施形態
第1圖係表示本發明之第1實施形態的投射型影像顯示裝置10之構成的圖。第1圖所示之投射型影像顯示裝置10具有：射出光的照明光學系統101；顯示元件3，係接受從照明光學系統101所射出之光，並射出影像光；及投射光學系統100，係將從顯示元件3所射出之影像光放大並投射(投影)於銀幕5。
照明光學系統101具有：光源6；光均勻化元件7，係使從光源6所射出之光的強度分布在與光軸正交之截面內變成均勻；及照明光學元件(中繼光學元件)8，係將從光均勻化元件7所射出之光引導至顯示元件3。
光源6係例如由超高壓水銀燈、LED(發光二極體)或雷射等所構成。光均勻化元件7係例如是角柱狀的棒積分 器、中空的燈管或複眼積分器等所構成。照明光學元件8係將藉光均勻化元件7使強度分布均勻化的光以既定角度與面積照射於顯示元件3，例如由透鏡或反射鏡等所構成。
顯示元件3係例如由DLP(Digital Light Processing)晶片、透過式液晶或反射式液晶等所構成。
投射光學系統100包括：整體上具有正之功率的第1透鏡群1、與整體上具有負之功率的第2透鏡群2。符號4表示投射光學系統100的光軸。該光軸4規定投射型影像顯示裝置10之整體的光軸。在此，投射光學系統100係大致遠心地構成於顯示元件3側。
第1透鏡群1包括分別具有正之功率的透鏡11及透鏡12。第2透鏡群2包括分別具有負之功率的透鏡21(第1透鏡)及透鏡22(第2透鏡)。在透鏡11與透鏡12之間具有瞳孔P。
第2透鏡群2的透鏡21及透鏡22構成為分別可在光軸方向(即，光軸4的方向)移動。此外，「可移動」意指透鏡21及透鏡22可分別在光軸方向調整位置。透鏡21及透鏡22係如後述所示，各自的位置被調整、定位成形成所要之像面。
銀幕5係例如由使從投射光學系統100所投射之影像光偏向觀測者之方向的菲湼爾銀幕、與例如排列多片半圓柱透鏡之用以放大視野角的雙透鏡組合而成。此外，銀幕5的尺寸例如是10英吋(221mm×125mm)~20英吋(443mm×249mm)，但是未限定如此。
從光源6所射出之光係藉光均勻化元件7使光強 度分布變成均勻，而且成為光束形狀被整形成配合顯示元件3之形狀的照明光，並經由照明光學元件8照射於顯示元件3。照射於顯示元件3的光係藉由以顯示元件3進行空間調變，而成為影像光。藉顯示元件3所產生之影像光係藉投射光學系統100放大並投射，將影像顯示於銀幕5。
此外，作為顯示元件3，在使用DLP晶片的情況，亦可為了分離照明顯示元件3之照明光與以顯示元件3所產生之影像光的光路，將全反射稜鏡配置於顯示元件3與透鏡11之間。又，作為顯示元件3，在使用反射式液晶的情況，亦可為了分離照明光與影像光的光路，例如將偏光稜鏡或線網格偏光板配置於顯示元件3與透鏡11之間。又，亦可採用3板式，該3板式係使用3個顯示元件3，並以×稜鏡(分色稜鏡)將以各個顯示元件3所產生之影像光合成。
投射型影像顯示裝置所使用之投射光學系統係一般為了縮短投射距離，要求寬視角。因此，投射光學系統100係從顯示元件3側依序配置用以使來自顯示元件3的影像光收歛之具有正之功率的第1透鏡群1、與用以放大視角之具有負之功率的第2透鏡群2。
以顯示元件3所產生之影像光係藉具有正之功率的透鏡11折射、收歛，而形成瞳孔P。從瞳孔P所放大的光係藉具有正之功率的透鏡12折射、收歛。來自透鏡12的光係藉第2透鏡群2的透鏡21及透鏡22大為放大。為了修正廣角的失真像差，將自光軸4之光線高度大的透鏡22作成非球面形狀較佳。
第2圖係用以說明投射光學系統100之作用的圖。第2圖(a)表示將來自顯示元件3的影像光投影於平面形狀之銀幕51的情況。第2圖(b)表示將來自顯示元件3的影像光投影於在投射光學系統100側凹面形狀之銀幕52的情況。第2圖(c)表示將來自顯示元件3的影像光投影於在投射光學系統100側凸面形狀之銀幕53的情況。
在本實施形態，因應於銀幕5的形狀(平面、凹面及凸面)，調整第2透鏡群2的透鏡21及透鏡22之各自之光軸方向的位置。因此，在第2圖(a)、第2圖(b)及第2圖(c)，透鏡形狀係全部相同，但是透鏡12與透鏡21的距離(Aa、Ab、Ac)、及透鏡21與透鏡22的距離(Ba、Bb、Bc)變化。
在第2圖(a)，藉第1透鏡群1將從顯示元件3與光軸4之交點所射出的光(稱為軸上光)折射後，射入第2透鏡群2之透鏡21時的擴散角設為u1a，將從透鏡21射出時的擴散角(與射入透鏡22時的擴散角相等)設為u2a。進而，將從透鏡22射出時的擴散角設為u3a。
又，在第2圖(a)，藉第1透鏡群1將從顯示元件3之周緣所射出的光(稱為周緣光)折射後，射入透鏡21時的擴散角設為v1a，將從透鏡21射出時的擴散角(與射入透鏡22時的擴散角相等)設為v2a。進而，將從透鏡22射出時的擴散角設為v3a。
此外，從第2圖得知，軸上光及周緣光係在通過第1透鏡群1後，都成為收歛光。收歛光之「擴散角」意指從聚光點側所觀察的擴散角。又，收歛光之擴散角係亦有稱為「收 歛角」的情況。
一樣地，在第2圖(b)，將軸上光射入透鏡21時的擴散角設為u1b，將從透鏡21射出時的擴散角設為u2b，將從透鏡22射出時的擴散角設為u3b。又，將周緣光射入透鏡21時的擴散角設為v1b，將從透鏡21射出時的擴散角設為v2b，將從透鏡22射出時的擴散角設為v3b。
一樣地，在第2圖(c)，將軸上光射入透鏡21時的擴散角設為u1c，將從透鏡21射出時的擴散角設為u2c，將從透鏡22射出時的擴散角設為u3c。又，將周緣光射入透鏡21時的擴散角設為v1c，將從透鏡21射出時的擴散角設為v2c，將從透鏡22射出時的擴散角設為v3c。
因為第1透鏡群1(透鏡11、12)不移動，所以從透鏡12射入透鏡21之光的擴散角係在第2圖(a)、第2圖(b)及第2圖(c)都相同(即，u1a=u1b=u1c、v1a=v1b=v1c)。
在第2圖(a)~第2圖(c)，透鏡12與透鏡21的距離Aa、Ab、Ac、及透鏡21與透鏡22的距離Ba、Bb、Bc係滿足以下的第(1)式及第(2)式。
Ac>Aa>Ab...(1)
Bb>Ba>Bc...(2)
又，軸上光的擴散角u1a、u1b、u1c、u2a、u2b、u2c、u3a、u3b、u3c、及周緣光的擴散角v1a、v1b、v1c、v2a、v2b、v2c、v3a、v3b、v3c係滿足以下的第(3)式~第(14)式。
u1a=u1b=u1c...(3)
u2c>u2a>u2b...(4)
u3c>u3a>u3b...(5)
v1a=v1b=v1c...(6)
v2c>v2a>v2b...(7)
v3c>v3a>v3b...(8)
u1a-u2a>v1a-v2a...(9)
u1b-u2b>v1b-v2b...(10)
u1c-u2c>v1c-v2c...(11)
(u1c-u2c)-(v1c-v2c)>(u1a-u2a)-(v1a-v2a)>(u1b-u2b)-(v1b-v2b)...(12)
(v2c-v3c)-(u2c-u3c)>(v2a-v3a)-(u2a-u3a)>(v2b-v3b)-(u2b-u3b)...(13)
(v1c-v3c)-(u1c-u3c)>(v1a-v3a)-(u1a-u3a)>(v1b-v3b)-(u1b-u3b)...(14)
若以將影像光投射於平面形狀之銀幕51的情況(第2圖(a))為基準，在將影像光投射於凹面形狀之銀幕52的情況(第2圖(b))，透鏡21係配置於更接近透鏡12的位置。反之，在將影像光投射於凸面形狀之銀幕53的情況(第2圖(c))，透鏡21係配置於更遠離透鏡12的位置(第(1)式)。
即，透鏡21係在從第2圖(a)之狀態變化至第2圖(b)之狀態的過程，移至顯示元件3側，而在從第2圖(a)之狀態變化至第2圖(c)之狀態的過程，移至銀幕5側。
又，透鏡22係以第2圖(a)為基準，在第2圖(b)，配置於更遠離透鏡21的位置。反之，在第2圖(c)，透鏡22係配置於更接近透鏡21的位置(第(2)式)。
即，透鏡22係在從第2圖(a)之狀態變化至第2圖(b)之狀態的過程，移至銀幕5側，而在從第2圖(a)之狀態變化至第2圖(c)之狀態的過程，移至顯示元件3側。
在第2圖(a)~第2圖(c)，軸上光及周緣光都隨著依序透過具有負之功率的透鏡21及透鏡22，擴散角逐漸變小。藉此，可大為放大視角，而可使投射距離相對畫面尺寸的比變小。
在此，將射入透鏡之光的擴散角與射出之光的擴散角之差定義為該透鏡的發散功率。透鏡21的發散功率係愈接近軸上光愈大，愈接近周緣光愈小(第(9)式~第(11)式)。在以下，說明藉投射光學系統100所形成之像面的形狀。
首先，在第2圖(a)，透過透鏡21、22之軸上光及周緣光係成像於平面形狀的銀幕51上。
在第2圖(b)，與第2圖(a)相比，因為透鏡21位於更接近透鏡12的位置，所以周緣光係在更接近光軸4的位置射入透鏡21。因此，透鏡21的發散功率係與第2圖(a)相比，周緣光比軸上光相對地更大。結果，在第2圖(b)，透鏡21之發散功率之軸上光與周緣光的差係比第2圖(a)小(第(12)式)。進而，在第2圖(b)，與第2圖(a)相比，因為透鏡22位於更遠離透鏡21的位置，所以周緣光係在更遠離光軸4的位置射入透鏡22。
透鏡22係與第2圖(a)相比，第2圖(b)具有周緣光之發散功率比較小的形狀。又，透鏡22之發散功率係軸上光比周緣光更小，但是在第2圖(a)與第2圖(b)之間幾乎無差別。 因此，在第2圖(b)，與第2圖(a)相比，透鏡22之發散功率之軸上光與周緣光的差變小(第(13)式)。
自以上，將透鏡21及透鏡22合在一起的發散功率係2圖(b)之軸上光與周緣光的差比第2圖(a)更小(第(14)式)。即，在第2圖(b)，與第2圖(a)相比，周緣光之焦點位置係相對軸上光之焦點位置挪移至透鏡22側(圖中左側)。結果，顯示元件3之藉投射光學系統100的像面係整體上對投射光學系統100成為凹面形狀。
依此方式，藉由如第2(b)圖所示使透鏡21、22移動，而藉投射光學系統100所形成之像面從平面變成凹面。換言之，從投射光學系統100所射出之影像光係其周緣光之焦點位置比軸上光之焦點位置更(在光軸4上)接近投射光學系統100側。
此外，亦想到即使發散功率變小，亦若射入透鏡22之光點的尺寸(入射光之透鏡入射面的截面積)變大，像面形成於遠離透鏡22的位置(圖中右側)。可是，在第2圖(b)，與第2圖(a)相比，因為透鏡22更遠離透鏡21，所以從透鏡21射出後射入透鏡22之光點的尺寸係第2圖(b)比較小，因此，像面係形成於更接近透鏡22(圖中左側)。
又，在第2圖(c)，與第2圖(a)相比，因為透鏡21位於更遠離透鏡12的位置，所以周緣光係在更遠離光軸4的位置射入透鏡21。因此，透鏡21的發散功率係與第2圖(a)相比，周緣光比軸上光相對地更小。結果，透鏡21之發散功率之軸上光與周緣光的差係比第2圖(a)大(第(12)式)。進而，在 第2圖(c)，與第2圖(a)相比，因為透鏡22位於更接近透鏡21的位置，所以周緣光係在更接近光軸4的位置射入透鏡22。
透鏡22係與第2圖(a)相比，第2圖(c)具有周緣光之發散功率比較大的形狀。又，如上述所示，透鏡22之發散功率係軸上光比周緣光更小，但是在第2圖(a)與第2圖(c)之間幾乎無差別。因此，在第2圖(c)，與第2圖(a)相比，透鏡22之發散功率之軸上光與周緣光的差變大(第(13)式)。
自以上，將透鏡21及透鏡22合在一起的發散功率係2圖(c)之軸上光與周緣光的差比第2圖(a)更大(第(14)式)。即，在第2圖(c)，與第2圖(a)相比，周緣光之焦點位置係相對軸上光之焦點位置挪移至遠離透鏡22之側(圖中右側)。結果，顯示元件3之藉投射光學系統100的像面係整體上對投射光學系統100成為凸面形狀。
依此方式，藉由如第2(c)圖所示使透鏡21、22移動，而藉投射光學系統100所形成之像面從平面變成凸面。換言之，從投射光學系統100所射出之影像光係其軸上光之焦點位置比周緣光之焦點位置更(在光軸4上)接近投射光學系統100側。
因為如以上所示構成，所以藉由調整透鏡21、22之光軸方向的位置，如第2圖(a)~第2圖(c)所示，可得到所要之曲率的像面，而可應付各種銀幕形狀。
即，可考慮配置於投射型影像顯示裝置10之周圍的形狀，決定銀幕形狀，並將透鏡21、22的位置調整成形成形狀(曲率)對應於該銀幕之形狀的像面，將透鏡21、22定位(固 定)。藉此，對所要求的銀幕形狀的變化亦可隨機應變地應付，而泛用性提高。
此外，在此，說明透鏡21、22係構成為可沿著光軸4分別調整位置，但是亦可設置使透鏡21、22分別在光軸方向移動的驅動機構。
又，在此，透鏡21、22係分別以一片透鏡構成，但是未限定如此，亦可分別以複數片透鏡構成。在此情況，亦可在該複數片透鏡包含具有正之功率的透鏡。又，在以複數片透鏡構成透鏡21、22的情況，亦可在從射入透鏡21開始至從透鏡21射出之間，或者在從射入透鏡22開始至從透鏡22射出之間，藉該複數片透鏡的作用，軸上光或周緣光部分發散。
數值實施例
以下，說明本實施形態之投射光學系統100的數值實施例。在第1表，表示投射光學系統100的光學資料。
在第1表所示之光學資料中之面編號Si的欄，對應於第2圖(a)所示之符號Si，將位於最靠近物體側(顯示元件3側)之構成元件的面設為第1號，並表示以朝向像側依序增加的方式賦予符號之第i(i=1~9)個面的編號。在面編號Si之欄，將顯示元件3設為OBJ，將銀幕5設為IMA。又，面編碼S3表示瞳孔P。
又，在第1表之曲率半徑Ri的欄，表示從物體側開始第i號之面之曲率半徑的值。在面間隔Di的欄，表示從物體側開始第i號之面Si與第i+1號之面Si+1之光軸上的間隔。曲率半徑Ri及面間隔Di之值的單位係毫米(mm)。在Nd、vd的欄，分別表示對d線(587.6nm)的折射率及阿貝數的值。
在第1表之(a)、(b)及(c)分別相當於在第2圖(a)、第2圖(b)及第2圖(c)的光學資料。
又，在第1表，面編號之右上所附加的記號「*」係表示其透鏡面是非球面形狀。在此，第1透鏡群1之透鏡11的雙面(S1、S2)與透鏡12的雙面(S4、S5)、及第2透鏡群2之透鏡22的雙面(S8、S9)為非球面形狀。在第2表，表示非球面資料。
作為第2表所示的非球面資料，記載藉以下之第(15)式所表示之非球面形狀的數學式之各係數k、Ai的值。Z係在距離光軸半徑r(mm)之位置的非球面凹陷量(深度：mm)。
Z1(r)=C．r2/{1+(1-(1+k)．C2．r2)1/2}+ΣAi．ri(i=1~n)...(15)
其中，k：獨特的係數
C：在面頂點的曲率
Ai：i次的非球面係數
又，在第2表，記號E表示緊接著的數值係以10為底的指數。例如「1.0E-03」表示「1.0×10-3」。
此外，第1表及第2表所示的光學資料只不過是用以說明本實施形態之投射光學系統100的功能。例如，在此常用非球面透鏡，但是亦可將其替換成複數個球面透鏡。又，使用單一的玻璃材料係為了便於說明，而以單一波長為前提的緣故，為了修正色差等之各像差，亦可使用折射率或阿貝數相異的各種玻璃材料。
第3表係在第1表及第2表所示的投射光學系統100，對在第2圖(a)、第2圖(b)及第2圖(c)所示之狀態之透鏡21的入射光及射出光，表示軸上光及周緣光的擴散角及發散功率。一樣地，第4表係對透鏡22的入射光及射出光，表示軸上光及周緣光的擴散角及發散功率。
在第3表及第4表，在括弧內記載在第2圖(a)、第2圖(b)及第2圖(c)所使用之光束之擴散角的符號。
此外，雖在第3表及第4表未記載，從顯示元件3射出時之軸上光的擴散角係軸上光、周緣光都是8.6°。此值係在第2圖(a)~第2圖(c)都相同。但是，該擴散角係未限定為此值，可配合光源之發散角或所要之亮度來設定。又，第4表之「兩透鏡合在一起之發散功率」相當於將透鏡21及透鏡22合在一起之發散功率，
從第3表及第4表得知，滿足上述之第(3)式~第(14) 式。
如以上之說明所示，第1實施形態的投射光學系統100係藉由使透鏡21、22移動，可變更像面的曲率(即，將像面變更成平面、凹面或凸面)。因此，可得到與所要之銀幕形狀一致的像面。又，因為依此方式可得到與銀幕形狀一致的像面，所以可抑制影像光之焦點偏差所造成的性能惡化。
第3圖表示將第1實施形態的投射光學系統應用於車載用之投射型影像顯示裝置的例子。第3圖所示的例子，銀幕5配置於車輛90之儀表板91的上部。又，在設置於儀表板91的凹部92，收容投射型影像顯示裝置10(第1圖所示的光源6、光均勻化元件7、照明光學元件8、顯示元件3及投射光學系統100)。坐在駕駛座93的駕駛員(乘客)D可視認顯示於銀幕5的影像資訊。
如上述所示，因為投射光學系統100(第1圖~第2圖)係藉由調整透鏡21、22的位置，而可變更像面的曲率，所以可得到與儀表板91之形狀一致的銀幕形狀。在此，配合儀表板91的形狀，選擇在投射光學系統100側成為凹面的銀幕形狀(第2圖(b)所示之銀幕52的形狀)。
第3圖所示之例子徹底是一例，例如亦可為了後部座位的乘客可觀賞，而將銀幕5設置於車室94的車頂，亦可如仰視顯示器般將影像投射於前玻璃。
又，當然亦可將上述的投射型影像顯示裝置用作車載用以外的投射型影像顯示裝置。在任一種情況都調整投射光學系統100之透鏡21、22的位置，來變更像面的曲率，藉 此，可應付各種銀幕形狀。
此外，第1實施形態的投射光學系統100大致遠心地(入射瞳孔無限遠)構成於顯示元件3側，但是本發明係未限定為這種投射光學系統。例如，亦可採用瞳孔位於接近顯示元件之透鏡附近的非遠心式構成。若依此方式構成，可使接近顯示元件之透鏡的外徑變小，防止由顯示元件所引起的繞射光或其他不要的光射入投射光學系統，而可提高對比。
又，在第1實施形態，構成為藉由使屬於投射光學系統100之第2透鏡群2的2片透鏡，即透鏡21、22移動(調整位置)，使像面的曲率變化，但是亦可作成使3片以上的透鏡移動。
又，在第1實施形態，採用投射從顯示元件3與投射光學系統100之光軸的交點所射出的光，但是未限定為這種構成，亦可將顯示元件配置成大為偏置至未具有與投射光學系統之光軸的交點的程度。在此情況，在從顯示元件所射出的光中，將最接近投射光學系統之光軸的光設為軸上光，則可與上述之實施形態1一樣地思考。
第2實施形態
第4圖係表示本發明之第2實施形態的投射型影像顯示裝置20之構成的圖。因為照明光學系統(包含光源)等係與第1實施形態(第1圖)共同，所以省略圖示。對與第1圖所示之構成元件相同的構成元件附加相同的符號。關於光路，表示軸上光的光路與周緣光的光路(即，通過距離光軸4最遠之顯示元件3上的點，並到達投射影像之最周緣部的光路)。
投射型影像顯示裝置20係具有投射光學系統200。投射光學系統200係從顯示元件側(以下稱為縮小側)往銀幕5側(以下稱為放大側)依序包括：具有正之功率的第1透鏡群1、與具有負之功率的第2透鏡群2。第1透鏡群1係從縮小側依序包括：具有正之功率的副透鏡群11、與具有正之功率的副透鏡群12。副透鏡群11係從縮小側依序包括：雙凸透鏡201、雙凸透鏡202、雙凹透鏡203、雙凸透鏡204、凹面朝向放大側之負的凹凸透鏡205、雙凸透鏡206及雙凹透鏡207。副透鏡群12係從縮小側依序包括：凸面朝向放大側之正的凹凸透鏡208、及雙凸透鏡209。第2透鏡群2包括雙凹透鏡210、211及非球面透鏡212。此外，在第4圖，符號3表示顯示元件(在此為DLP晶片)之蓋玻璃的位置。PS表示配置於顯示元件3與副透鏡群11之間的全反射稜鏡。
第5圖係用以說明投射光學系統200之作用的圖。第5圖(a)表示將來自顯示元件3的影像光投影於平面形狀之銀幕51的情況。第5圖(b)表示將來自顯示元件3的影像光投影於在投射光學系統200側凹面形狀之銀幕52的情況。第5圖(c)表示將來自顯示元件3的影像光投影於在投射光學系統200側凸面形狀之銀幕53的情況。
在本實施形態，因應於銀幕5的形狀(平面、凹面及凸面)，調整第2透鏡群2之光軸方向的位置。因此，在第5圖(a)、第5圖(b)及第5圖(c)，透鏡形狀係全部相同，但是透鏡12與第2透鏡群2的距離(Ca、Cb、Cc)、及第2透鏡群2與銀幕51、52、53的距離(Da、Db、Dc)變化。
第6圖係說明光軸上之像面位置之變化的圖。在第6圖，第1透鏡群1的副透鏡群12係作為薄透鏡，在模式上表示。2a、2b、2c係將位於第5圖(a)、第5圖(b)及第5圖(c)所示之位置的第2透鏡群2作為薄透鏡，在模式上表示。u3a、u3b、u3c係軸上光從第2透鏡群2a、2b、2c射出時之各自的收歛角。Fa、Fb、Fc係從第2透鏡群2a、2b、2c所射出之軸上光之各自的聚光點(即，光軸上的像面位置)。
副透鏡群12與第2透鏡群2a、2b、2c的距離Ca、Cb、Cc、第2透鏡群2a、2b、2c與銀幕5的距離(即，第2透鏡群與軸上光之焦點的距離)Da、Db、Dc、及軸上光之收歛角u3a、u3b、u3c係滿足以下的第(16)式~第(18)式。
Cb<Ca<Cc...(16)
Dc<Da<Db...(17)
u3b<u3a<u3c...(18)
如第5圖(b)所示，像面成為在投射光學系統200側凹的情況，與第5圖(a)相比，第2透鏡群2b在接近副透鏡群12的方向移動(Cb<Ca)。在那時，因為射入第2透鏡群2b的軸上光係收歛狀態，所以軸上光射入第2透鏡群2b的區域係比軸上光射入第2透鏡群2a的區域更大。因為第2透鏡群2構成為軸上光的入射區域愈大，以愈強的負功率折射(軸上光的入射區域愈小，以愈弱的負功率折射)，所以軸上光係以比第5圖(a)更強之負的功率折射。結果，軸上光的收歛角變成更小(u3b<u3a)，在比位置Fa更遠離第2透鏡群2b的位置Fb聚光(Da<Db)。因此，與第5圖(a)相比，光軸上的像面位置在遠 離第2透鏡群2b的方向移動。
另一方面，如第5圖(c)所示，像面成為在投射光學系統200側凸的情況，與第5圖(a)相比，第2透鏡群2c在遠離副透鏡群12的方向移動(Ca<Cc)。在那時，因為射入第2透鏡群的軸上光係收歛狀態，所以軸上光射入第2透鏡群2c的區域係比軸上光射入第2透鏡群2a的區域更小。因為第2透鏡群2構成為軸上光的入射區域愈小，以愈弱的負功率折射(軸上光的入射區域愈大，以愈強的負功率折射)，所以軸上光係以比第5圖(a)更弱之負的功率折射。結果，軸上光的收歛角變成更大(u3a<u3c)，在比位置Fa更接近第2透鏡群2c的位置Fc聚光(Dc<Da)。因此，與第5圖(a)相比，光軸上的像面位置接近第2透鏡群2c。
第2透鏡群2的橫向倍率係從縮小側朝向放大側的放大倍率，若依據近軸理論，緃向倍率係與橫向倍率的平方成正比。即，像面位置的移動量比第2透鏡群2的移動量大。因此，光軸上之像面的位置係從縮小側朝向放大側成為Fc、Fa、Fb的順序(Dc<Da<Db)。
第7圖係說明畫面周緣部之像面位置之變化的圖。對與第6圖所示之構成元件相同的構成元件附加相同的符號。v3a、v3b、v3c係周緣光從第2透鏡群2a、2b、2c射出時之各自的收歛角。Ga、Gb、Gc係從第2透鏡群2a、2b、2c所射出之周緣光之各自的聚光點(即，畫面周邊部的像面位置)。
第2透鏡群與周緣光之焦點的距離Ea、Eb、Ec、及周緣光之收歛角v3a、v3b、v3c係滿足以下的第(19)式及第 (20)式。
Ec<Ea<Eb...(19)
v3b<v3a<v3c...(20)
如第5圖(b)所示，像面成為在投射光學系統200側凹的情況，與第5圖(a)相比，第2透鏡群2b在接近副透鏡群12的方向移動(Cb<Ca)。在那時，因為射入第2透鏡群2b的周緣光係收歛狀態，所以周緣光射入第2透鏡群2b的區域係比周緣光射入第2透鏡群2a的區域更大。因為第2透鏡群2構成為周緣光的入射區域愈大，以愈強的負功率折射(周緣光的入射區域愈小，以愈弱的負功率折射)，所以軸上光係以比第5圖(a)更強之負的功率折射。結果，周緣光的收歛角變成更小(v3b<v3a)，在比位置Ga更遠離第2透鏡群2b的位置Gb聚光(Ea<Eb)。因此，與第5圖(a)相比，畫面周邊部的像面位置更遠離第2透鏡群2b。
另一方面，如第5圖(c)所示，像面成為在投射光學系統200側凸的情況，與第5圖(a)相比，第2透鏡群2c在遠離副透鏡群12的方向移動(Ca<Cc)。在那時，因為射入第2透鏡群2c的光係收歛狀態，所以周緣光射入第2透鏡群2c的區域係比周緣光射入第2透鏡群2a的區域更小。因為第2透鏡群2構成為周緣光的入射區域愈小，以愈弱的負功率折射(周緣光的入射區域愈大，以愈強的負功率折射)，所以周緣光係以比第5圖(a)更弱之負的功率折射。結果，收歛角變成更大(v3a<v3c)，在比位置Ga更接近第2透鏡群2c的位置Gc與光軸相交(Ec<Ea)。因此，與第5圖(a)相比，畫面周邊部的像面 位置接近第2透鏡群2c。
由於與光軸上之像面位置的情況一樣的理由，畫面周邊部的像面位置係從縮小側朝向放大側成為Gc、Ga、Gb的順序(Ec<Ea<Eb)。
更詳細地說明上述事項。在第7圖，將從第2透鏡群2a、2b、2c所射出之光的光軸與周緣光之上側光線的夾角(上側光線的射出角)分別設為t3a、t3b、t3c。又，將該光軸與周緣光之下側光線的夾角(下側光線的射出角)分別設為s3a、s3b、s3c(v3a=t3a-s3a、v3b=t3b-s3b、v3c=t3c-s3c)。將射入第2透鏡群2a之周緣光的上側光線及下側光線的入射高度(從光軸至入射點的距離)設為h3a、g3a，將射入第2透鏡群2b之周緣光的上側光線及下側光線的入射高度設為h3b、g3b，將射入第2透鏡群2c之周緣光的上側光線及下側光線的入射高度設為h3c、g3c。此時，g3c<g3a<g3b及h3c<h3a<h3b的關係成立。
第2透鏡群2係構成為對周緣光線之上側光線及下側光線的各光線，以第5圖(a)為基準，入射高度愈高，以愈強之負的功率折射，入射高度愈低，以愈弱之負的功率折射。即，上側光線係在第2透鏡群2a以比第2透鏡群2c更強之負的功率折射，在第2透鏡群2b以比第2透鏡群2a更強之負的功率折射。下側光線係在第2透鏡群2a以比第2透鏡群2b更強之負的功率折射，在第2透鏡群2c以比第2透鏡群2a更強之負的功率折射。因此，對周緣光之上側光線的射出角，滿足t3c<t3a<t3b，對周緣光之下側光線的射出角，滿足 s3b<s3a<s3c。藉此，與第2透鏡群2a相比，第2透鏡群2b係將周緣光聚光於更遠離第2透鏡群的位置(Ea<Eb)，第2透鏡群2c係將周緣光聚光於更接近第2透鏡群的位置(Ec<Ea)。
進而，第2透鏡群2a、2b、2c與軸上光之焦點的距離Da、Db、Dc、第2透鏡群2a、2b、2c與周緣光之焦點的距離Ea、Eb、Ec、軸上光的收歛角u3a、u3b、u3c及周緣光的收歛角v3a、v3b、v3c係滿足以下的第(21)式~第(24)式。
Db-Da>Eb-Ea...(21)
Da-Dc>Ea-Ec...(22)
| u3b-u3a |>| v3b-v3a |...(23)
| u3c-u3a |>| v3c-v3a |...(24)
如上述所示，第2透鏡群2構成為軸上光的入射區域愈大，以愈強的負功率折射(軸上光的入射區域愈小，以愈弱的負功率折射)。又，第2透鏡群2構成為周緣光的入射區域愈大，以愈強的負功率折射(周緣光的入射區域愈小，以愈弱的負功率折射)。
因此，如第5圖(b)所示，像面成為在投射光學系統200側凹的情況，與第5圖(a)相比，軸上光與周緣光都收歛角變小。可是，第2透鏡群2構成為收歛角的變化量係在軸上光比周緣光的更大(| u3b-u3a |>| v3b-v3a |)。因此，第2透鏡群2與焦點之距離的變化量係在軸上光比周緣光的更大(Db-Da>Eb-Ea)。
又，如第5圖(c)所示，像面成為在投射光學系統200側凸的情況，與第5圖(a)相比，軸上光與周緣光都收歛角 變大。可是，第2透鏡群2構成為收歛角的變化量係在軸上光比周緣光的更大(| u3c-u3a |>| v3c-v3a |)。因此，第2透鏡群2與焦點之距離的變化量係在軸上光比周緣光的更大(Da-Dc>Ea-Ec)。
說明聚光位置與銀幕形狀。第8圖(a)係在模式上表示軸上光之聚光點、容許散光圓及焦點深度之關係的圖。焦點深度意指以聚光點為中心，形成良好之像的範圍，並意指隔著聚光點，從一方的容許散光圓至另一方的容許散光圓之光軸上的距離。又，偏離聚光點時，物體上之一點的像變成模糊，而以圓成像，將該圓稱為散光圓。容許散光圓意指可容許像的模糊之最大的散光圓。一般，若將銀幕面設置於聚光點，可得到清晰度最高的像。可是，即使銀幕面未必與聚光點一致，亦若將銀幕面設置於焦點深度內，則可得到良好的成像性能。容許散光圓係根據銀幕上之一個像素的尺寸、或可容許多大的模糊量所決定。
第8圖(b)係在模式上表示周緣光之聚光點、容許散光圓及焦點深度之關係的圖。在此，假設銀幕為平面(垂直於光軸的平面)，焦點深度係設為容許散光圓間之與光軸平行地測量的距離。因此，在第8圖(a)，銀幕係與光束垂直地相交，但是在第8圖(b)，因為銀幕係與光束傾斜地相交，所以即使與聚光點的距離相同，像之模糊亦變大。因此，第8圖(b)之焦點深度比第8圖(a)的淺。主光線(通過透鏡之開口光圈之中心的光)與光軸的夾角愈大，像的模糊係愈大，焦點深度愈淺。即，投射光學系統的視角愈大，焦點深度愈淺。
第9圖係與第8圖(b)一樣，在模式上表示周緣光之聚光點、容許散光圓及焦點深度之關係的圖。但是，在第9圖，銀幕是曲面，主光線與銀幕成直角地相交。以從聚光點沿著主光線的距離思考時，對與聚光點的距離之像的模糊係與第8圖(a)大致同等。可是，因為主光線對光軸具有傾斜，所以以沿著光軸的距離思考時，即使與聚光點的距離係相同，像的模糊亦比第8圖(a)大。因此，第9圖之焦點深度比第8圖(a)的淺。
依此方式，銀幕與光束相交之角度與直角的偏差愈大，即，銀幕與光束愈傾斜地相交，焦點深度愈淺。因此，愈接近畫面周邊部，需要配合銀幕面形狀，愈正確地控制聚光點的位置。
在上述的說明，將銀幕設為投射光學系統與光軸一致的球面(的一部分)，但是銀幕的形狀係未限定為球面。由於上述的理由，只要銀幕面在各像點的焦點深度內與光束相交，例如，可作成非球面或自由曲面。
第10圖係銀幕採用自由曲面形狀的例子。在第10圖，不僅軸上光與周緣光，還表示中間光(從在顯示元件3上之軸上光的射出位置與周緣光的射出位置之間所射出的光)的聚光狀態。像面(連接聚光點而成的面)係在第10圖以虛線表示。像面本身係如在第5圖(b)所示，對投射光學系統為凹面，但是銀幕形狀係採用在各像點的焦點深度內銀幕面與光束相交的自由曲面形狀。即使像面本身是平面，亦只要在焦點深度內，銀幕面可採用曲面形狀。但是，因為在畫面周邊部的焦點 深度淺，所以在畫面周邊部銀幕形狀的自由度小，無法作成大為偏離平面的曲面。另一方面，如本實施形態所示，只要將像面本身作成配合銀幕面的曲面，可將銀幕作成更自由的形狀。
數值實施例
以下，說明第4圖及第5圖所示之本實施形態之投射光學系統200的數值實施例。在第5表，表示投射光學系統200的光學資料。第5表的表記係依據第1表。面編碼S16表示瞳孔P。顯示元件3的尺寸係14.515mm×8.165mm。縮小側的F值是2.5，在像面是平面之情況的投射影像尺寸是對角線15英吋。投影倍率是22.88倍，將顯示元件之一個像素的尺寸設為7.56μm時，投影於銀幕5之一個像素的尺寸為約0.17mm。
[第5表]
在第6表，表示非球面資料。第6表的表記係依據第2表。
在第7表，表示在本實施形態的各參數。從第7 表，將可理解滿足上述之第(16)式~第(24)式。
在第11A圖、第11B圖及第11C圖，關於銀幕5係平面形狀的情況、對投射光學系統200是凹面形狀的情況、及對投射光學系統200是凸面形狀的情況的各情況，表示銀幕上之點線圖。在此，使用波長630nm的紅色光、波長530nm的綠色光及波長460nm的藍色光。紅色光、綠色光及藍色光之在銀幕面的入射光量比係採用3：6：1。
在第11A圖、第11B圖及第11C圖，在縱軸，表示顯示元件3的顯示面上之物點的座標。在此，在顯示元件3的顯示面，從光軸(X=0，Y=0)至最大高度(X=0，Y=-8.33mm)，在Y方向以大致等間隔表示12個物點。在縱軸， 在表示各物點之位置的4組數值(座標)中，下段表示絕對座標。例如，“0.000，-8.33MM”表示是X=0，Y=-8.33MM(最大高度)。相對地，上段表示相對座標。相對座標係將最大高度(-8.33MM)當作1來進行正常化者。顯示元件3之顯示面上的各物點各自對應於銀幕上的物點。
又，在第11A圖、第11B圖及第11C圖之右下所示的比例尺表示0.500mm之長度。此外，第11A圖、第11B圖及第11C圖係以黑白表示，各點係由紅色光、綠色光及藍色光的組合所形成。
從第11A圖、第11B圖及第11C圖得知，點的擴散係大致為一個像素的尺寸(0.17mm)以下，在銀幕5為平面、凹面及凸面之任一種情況，都可得到良好的性能。
第12圖係表示與本實施形態對比之參考例的圖，表示相對第5圖(a)的投射光學系統(像面是平面)，如第5圖(c)所示配置對投射光學系統凸面形狀之銀幕53的情況的點線圖。第12圖的表記係依據第11圖。自第12圖得知，愈遠離光軸附近，點愈大，無法得到所要之性能。即，如本實施形態般，藉由調整透鏡的位置，改變像面的曲率，藉此，雖然使用同一投射光學系統，可不僅對平面，而且對曲面形狀的銀幕5亦可顯示具有良好之性能的影像。
此外，在本實施形態，在凹面及凸面都將像面的曲率半徑設計為1000mm，但是如上述所示，只要在焦點深度內，可任意地設定銀幕5的曲率半徑。又，在此，表示藉由調整透鏡的位置，將銀幕5設成平面、凹面及凸面的情況，但是 在那些之範圍內調整透鏡位置的情況，在像面之曲率半徑的絕對值為1000mm~∞之範圍可得到良好的性能。
如以上之說明所示，本發明之第2實施形態的投射光學系統200係藉由使第2透鏡群2移動，變更像面的曲率(即，將像面變更成平面、凹面或凸面)。因此，可得到與所要之銀幕形狀一致的像面。又，因為依此方式可得到與銀幕形狀一致的像面，所以可抑制影像光之焦點偏差所造成的性能惡化。
此外，在本實施形態，使第2透鏡群2的整體移動，但是未限定如此，亦可使構成第2透鏡群2之一部分的透鏡或透鏡群移動。又，如在第6圖及第7圖在模式上的說明所示，只要整體上具有負之功率的第2透鏡群2移動即可，這意指第2透鏡群2不是排除包含不移動之透鏡或透鏡群的情況者。
第3實施形態
第13圖係表示本發明之第3實施形態的投射型影像顯示裝置30之構成的圖。因為照明光學系統(包含光源)等係與第1實施形態(第1圖)共同，所以省略圖示。對與第1圖所示之構成元件相同的構成元件附加相同的符號。關於光路，表示軸上光的光路與周緣光的光路(即，通過距離光軸4最遠之顯示元件3上的點，並到達投射影像之最周緣部的光路)的光路。
投射型影像顯示裝置30係具有投射光學系統300。投射光學系統300係從縮小側往放大側依序包括：具有 正之功率的第1透鏡群1、與具有負之功率的第2透鏡群2。第1透鏡群1係從縮小側依序包括：具有正之功率的副透鏡群11、與具有正之功率的副透鏡群12。副透鏡群11係從縮小側依序包括：雙凸透鏡201、雙凸透鏡202、雙凹透鏡203、雙凸透鏡204、凹面朝向放大側之負的凹凸透鏡205、雙凸透鏡206及凹面朝向縮小側之負的凹凸透鏡207。副透鏡群12係從縮小側依序包括：凸面朝向放大側之正的凹凸透鏡208、及凸面朝向縮小側之正的凹凸透鏡209。第2透鏡群2包括雙凹透鏡210、211及非球面透鏡212。
第14圖係用以說明投射光學系統300之作用的圖。第14圖(a)表示將來自顯示元件3的影像光投影於平面形狀之銀幕51的情況。第14圖(b)表示將來自顯示元件3的影像光投影於在投射光學系統300側凹面形狀之銀幕52的情況。第14圖(c)表示將來自顯示元件3的影像光投影於在投射光學系統300側凸面形狀之銀幕53的情況。
在本實施形態，因應於銀幕5的形狀(平面、凹面及凸面)，調整第1透鏡群1之光軸方向的位置。因此，在第14圖(a)、第14圖(b)及第14圖(c)，透鏡形狀係全部相同，但是稜鏡PS與第1透鏡群1的距離、第1透鏡群1與第2透鏡群2的距離(Ba、Bb、Bc)、及第2透鏡群2與銀幕51、52、53的距離(Aa、Ab、Ac)變化。
第15圖係說明光軸上之像面位置之變化的圖。在第15圖，1a、1b、1c係與將位於第14圖(a)、第14圖(b)及第14圖(c)所示之位置的第1透鏡群1分別作為薄透鏡，在模式 上表示。第2透鏡群2亦作為薄透鏡，在模式上表示。u3a、u3b、u3c係軸上光從第2透鏡群2a、2b、2c射出時之各自的收歛角。Fa、Fb、Fc係從第2透鏡群2所射出之軸上光之各自的聚光點(即，光軸上的像面位置)。
第1透鏡群1(1a、1b、1c)與第2透鏡群2的距離Ba、Bb、Bc、及第2透鏡群2與銀幕5的距離(即，第2透鏡群2與軸上光之焦點的距離)Aa、Ab、Ac係滿足以下的第(25)式及第(26)式。
Bc<Ba<Bb...(25)
Ac<Aa<Ab...(26)
又，軸上光之收歛角u3a、u3b、u3c係滿足上述的第(18)式。
如第14圖(b)所示，像面成為在投射光學系統300側凹的情況，與第14圖(a)相比，第1透鏡群1b在遠離第2透鏡群2的方向移動(Ba<Bb)。因為射入第1透鏡群1b的軸上光係發散狀態，所以軸上光射入第1透鏡群1b的區域係比軸上光射入第1透鏡群1a的區域更小。因為第1透鏡群構成為軸上光的入射區域愈小，以愈弱的正功率折射(軸上光的入射區域愈大，以愈強的功率折射)，所以軸上光係以比第14圖(a)更弱之正的功率藉第1透鏡群1b折射。藉此，軸上光射入第2透鏡群2的區域係比第14圖(a)更大。
因為第2透鏡群2構成為軸上光的入射區域愈大，以愈強的負功率折射(軸上光的入射區域愈小，以愈弱的負功率折射)，所以軸上光係以比第14圖(a)更強之負的功率藉 第2透鏡群2折射。結果，軸上光的收歛角變成更小(u3b<u3a)，在比位置Fa更遠離第2透鏡群2的位置Fb聚光(Da<Db)。結果，與第14圖(a)相比，光軸上的像面位置遠離第2透鏡群2。
另一方面，如第14圖(c)所示，像面成為在投射光學系統300側凸的情況，與第14圖(a)相比，第1透鏡群1c在接近第2透鏡群2的方向移動(Bc<Ba)。因為射入第1透鏡群1c的軸上光係發散狀態，所以軸上光射入第1透鏡群1c的區域係比軸上光射入第1透鏡群1a的區域更大。因為第1透鏡群構成為軸上光的入射區域愈大，以愈強的功率折射(軸上光的入射區域愈小，以愈弱的正功率折射)，所以軸上光係以比第14圖(a)更強之正的功率藉第1透鏡群1c折射。藉此，軸上光射入第2透鏡群2的區域比第14圖(a)更小。
因為第2透鏡群2構成為軸上光的入射區域愈小，以愈弱的負功率折射(軸上光的入射區域愈大，以愈強的負功率折射)，所以軸上光係以比第14圖(a)更弱之負功率藉第2透鏡群2折射。結果，軸上光的收歛角變成更大(u3a<u3c)，在比位置Fa更接近第2透鏡群2的位置Fc聚光(Dc<Da)。因此，與第14圖(a)相比，光軸上的像面位置接近第2透鏡群2。因此，光軸上的像面位置係從縮小側朝向放大側成為Fc、Fa、Fb的順序(Dc<Da<Db)。
第16圖係說明畫面周緣部之像面位置之變化的圖。對與第15圖所示之構成元件相同的構成元件附加相同的符號。v3a、v3b、v3c係周緣光從第2透鏡群2射出時之各自的收歛角。Ga、Gb、Gc係從第2透鏡群2所射出之周緣光之 各自的聚光點(即，畫面周邊部的像面位置)。
第2透鏡群2與周緣光之焦點的距離Ha、Hb、Hc係滿足以下的第(27)式。
Hc<Ha<Hb...(27)
又，周緣光之收歛角v3a、v3b、v3c係滿足上述的第(20)式。
如第14圖(b)所示，像面成為在投射光學系統300側凹的情況，與第14圖(a)相比，第1透鏡群1b在遠離第2透鏡群2的方向移動(Ba<Bb)。在那時，因為射入第1透鏡群1b的周緣光係發散狀態，所以周緣光射入第1透鏡群1b的區域係比周緣光射入第1透鏡群1a的區域更小。因為第1透鏡群構成為周緣光的入射區域愈小，以愈弱的正功率折射(周緣光的入射區域愈大，以愈強的功率折射)，所以周緣光係以比第14圖(a)更弱之正功率藉第1透鏡群1b折射。藉此，周緣光射入第2透鏡群2的區域係比第14圖(a)更大。因為第2透鏡群2構成為周緣光的入射區域愈大，以愈強的負功率折射(周緣光的入射區域愈小，以愈弱的負功率折射)，所以周緣光係以比第14圖(a)更強之負的功率藉第2透鏡群2折射。結果，周緣光的收歛角變成更小(v3b<v3a)，在比位置Ga更遠離第2透鏡群2的位置Gb聚光(Ha<Hb)。因此，與第14圖(a)相比，畫面周邊部的像面位置遠離第2透鏡群2。
另一方面，如第14圖(c)所示，像面成為在投射光學系統300側凸的情況，與第14圖(a)相比，第1透鏡群1c在接近第2透鏡群2的方向移動(Bc<Ba)。在那時，因為射入 第1透鏡群1c的周緣光係發散狀態，所以周緣光射入第1透鏡群1c的區域係比周緣光射入第1透鏡群1a的區域更大。因為第1透鏡群構成為周緣光的入射區域愈大，以愈強的功率折射(周緣光的入射區域愈小，以愈弱的正功率折射)，所以周緣光係以比第14圖(a)更強之正的功率藉第1透鏡群1c折射。藉此，周緣光射入第2透鏡群2的區域係比第14圖(a)更小。因為第2透鏡群2構成為周緣光的入射區域愈小，以愈弱的負功率折射(周緣光的入射區域愈大，以愈強的負功率折射)，所以周緣光係以比第14圖(a)更弱之負的功率藉第2透鏡群2折射。結果，周緣光的收歛角變成更大(v3a<v3c)，在比位置Ga更接近第2透鏡群2的位置Gc聚光(Hc<Ha)。因此，與第5圖(a)相比，畫面周邊部的像面位置接近第2透鏡群2。因此，畫面周邊部的像面位置係從縮小側朝向放大側成為Gc、Ga、Gb的順序(Hc<Ha<Hb)。
更詳細地說明上述事項。在第16圖，將在第2透鏡群2射出之光的光軸與周緣光之上側光線的夾角(上側光線的射出角)分別設為t3a、t3b、t3c，將該光軸與周緣光之下側光線的夾角(下側光線的射出角)分別設為s3a、s3b、s3c(v3a=t3a-s3a、v3b=t3b-s3b、v3c=t3c-s3c)。在第14圖(a)，將射入第2透鏡群2之周緣光的上側光線及下側光線的入射高度(從光軸至入射點的距離)設為h3a、g3a。在第14圖(b)，將射入第2透鏡群2之周緣光的上側光線及下側光線的入射高度設為h3b、g3b。在第14圖(c)，將射入第2透鏡群2之周緣光的上側光線及下側光線的入射高度設為h3c、g3c。此時， g3c<g3a<g3b及h3c<h3a<h3b的關係成立。
第2透鏡群2係構成為對周緣光線之上側光線及下側光線的各光線，以第14圖(a)為基準，入射高度愈高，以愈強之負的功率折射，入射高度愈低，以愈弱之負的功率折射。即，上側光線係在第14圖(a)以比第14圖(c)更強之負的功率折射，在第14圖(b)以比第14圖(a)更強之負的功率折射。又，下側光線係在第14圖(a)以比第14圖(b)更強之負的功率折射，在第14圖(c)以比第14圖(a)更強之負的功率折射。
因此，對周緣光之上側光線的射出角，滿足t3c<t3a<t3b，對周緣光之下側光線的射出角，滿足s3b<s3a<s3c。藉此，與第14圖(a)相比，在第14圖(b)，周緣光聚光於更遠離第2透鏡群的位置(Ha<Hb)，在第14圖(c)，周緣光聚光於更接近第2透鏡群的位置(Hc<Ha)。
進而，第2透鏡群2與軸上光及周緣光之焦點的距離Aa、Ab、Ac、Ha、Hb、Hc係滿足以下的第(28)式及第(29)式。
Ab-Aa>Hb-Ha...(28)
Aa-Ac>Ha-Hc...(29)
在第17圖，重疊地表示第14圖(a)、第14圖(b)及第14圖(c)的結果。如上述所示，第2透鏡群2構成為軸上光的入射區域愈大，以愈強的負功率折射(軸上光的入射區域愈小，以愈弱的負功率折射)。又，第2透鏡群2構成為周緣光的入射區域愈大，以愈強的負功率折射(周緣光的入射區域愈小，以愈弱的負功率折射)。
因此，如第14圖(b)所示，像面成為在投射光學系統300側凹的情況，與第14圖(a)相比，軸上光與周緣光都收歛角變小。可是，第2透鏡群2構成為收歛角的變化量係在軸上光比周緣光的更大(| u3b-u3a |>| v3b-v3a |)。因此，第2透鏡群2與焦點之距離的變化量係在軸上光比周緣光的更大(Ab-Aa>Hb-Ha)。
又，如第14圖(c)所示，像面成為在投射光學系統300側凸的情況，與第14圖(a)相比，軸上光與周緣光都收歛角變大。可是，第2透鏡群2構成為收歛角的變化量係在軸上光比周緣光的更大(| u3c-u3a |>| v3c-v3a |)。因此，第2透鏡群2與焦點之距離的變化量係在軸上光比周緣光的更大(Aa-Ac>Ha-Hc)。
數值實施例
以下，說明第13圖及第14圖所示之本實施形態之投射光學系統300的數值實施例。在第8表，表示投射光學系統300的光學資料。第6表的表記係依據第1表。面編碼S16表示瞳孔P。顯示元件3的尺寸係14.515mm×8.165mm。縮小側的F值是2.5，在像面是平面之情況的投射影像尺寸是對角線15英吋。投影倍率是22.88倍，將顯示元件之一個像素的尺寸設為7.56μm時，投影於銀幕5之一個像素的尺寸為約0.17mm。
[第8表]
在第9表，表示非球面資料。第9表的表記係依據第2表。
在第10表，表示在本實施形態的各參數。從第10 表，將可理解滿足上述之第(25)式~第(29)式。
在第18A圖、第18B圖及第18C圖，關於銀幕5係平面形狀的情況、對投射光學系統300是凹面形狀的情況、及對投射光學系統300是凸面形狀的情況的各情況，表示銀幕上之點線圖。在此，使用波長630nm的紅色光、波長530nm的綠色光及波長460nm的藍色光。紅色光、綠色光及藍色光之在銀幕面的入射光量比係採用3：6：1。
從第18A圖、第18B圖及第18C圖得知，點的擴散係大致為一個像素的尺寸(0.17mm)以下，在銀幕5為平面、凹面及凸面之任一種情況，都可得到良好的性能。
此外，在本實施形態，在凹面及凸面都將像面的 曲率半徑設計為1000mm，但是如上述所示，只要在焦點深度內，可任意地設定銀幕5的曲率半徑。又，在此，說明藉由調整透鏡的位置，將銀幕5設成平面、凹面及凸面的情況，但是在那些之範圍內調整透鏡位置的情況，在像面之曲率半徑的絕對值為1000mm~∞之範圍可得到良好的性能。
如以上之說明所示，本發明之第3實施形態的投射光學系統300係藉由使第1透鏡群1移動，變更像面的曲率(即，將像面變更成平面、凹面或凸面)。因此，可得到與所要之銀幕形狀一致的像面。又，因為依此方式可得到與銀幕形狀一致的像面，所以可抑制影像光之焦點偏差所造成的性能惡化。
此外，在本實施形態，使第1透鏡群1的整體移動，但是未限定如此，亦可使構成第1透鏡群1之一部分的透鏡或透鏡群移動。如在第15圖及第16圖在模式上的說明所示，只要整體上具有正之功率的第1透鏡群1移動即可，這意指第1透鏡群1不是排除包含不移動之透鏡或透鏡群的情況者。
第4實施形態
第19圖係表示本發明之第4實施形態的投射型影像顯示裝置40之構成的圖。因為照明光學系統(包含光源)等係與第1實施形態(第1圖)共同，所以省略圖示。對與第1圖所示之構成元件相同的構成元件附加相同的符號。關於光路，表示軸上光的光路與周緣光的光路(即，通過距離光軸4最遠之顯示元件3上的點，並到達投射影像之最周緣部的光路)。
投射型影像顯示裝置40係具有投射光學系統400。投射光學系統400係從縮小側往放大側依序包括：具有正之功率的第1透鏡群1、與具有負之功率的第2透鏡群2。第1透鏡群係從縮小側依序包括：具有正之功率的副透鏡群11、與具有正之功率的副透鏡群12。副透鏡群11係從縮小側依序包括：雙凸透鏡201、202、雙凹透鏡203、雙凸透鏡204、凹面朝向放大側之負的凹凸透鏡205、雙凸透鏡206及雙凹透鏡207。副透鏡群12係從縮小側依序包括：凸面朝向放大側之正的凹凸透鏡208、及雙凸透鏡209。第2透鏡群2包括雙凹透鏡210、凹面朝向縮小側之負的凹凸透鏡211及非球面透鏡212。
第20圖係用以說明投射光學系統400之作用的圖。第20圖(a)表示將來自顯示元件3的影像光投影於平面形狀之銀幕51的情況。第20圖(b)表示將來自顯示元件3的影像光投影於在投射光學系統400側凹面形狀之銀幕52的情況。第20圖(c)表示將來自顯示元件3的影像光投影於在投射光學系統400側凸面形狀之銀幕53的情況。
在本實施形態，其特徵在於：因應於銀幕5的形狀(平面、凹面及凸面)，調整第1透鏡群1及第2透鏡群2之光軸方向的位置。僅調整第1透鏡群1或第2透鏡群2之任一個的位置時，如第7圖或第16圖所示，因為第2透鏡群2與銀幕5的距離大為變動，所以投射影像的尺寸亦大為變動。
在第21圖，對將銀幕5設為平面形狀(平面銀幕)的情況、設為在投射光學系統400側凹面形狀(凹面銀幕)的情 況、及設為在投射光學系統400側凸面形狀(凸面銀幕)之情況的各情況，表示投影於銀幕5之投射影像的輪廓。在將銀幕5設為平面形狀的情況，投射影像成為與顯示元件3之形狀相似的矩形。可是，在將銀幕5設為凹面形狀的情況，因為第2透鏡群2與銀幕5的距離變大，所以發生銀幕5之凹面形狀所造成的酒桶型失真，而且影像的尺寸變大。又，在將銀幕5設為凸面形狀的情況，因為第2透鏡群2與銀幕5的距離變小，所以發生銀幕5之凸面形狀所造成的纏線型失真，而且影像的尺寸變小。
依此方式，在僅調整第1透鏡群1或第2透鏡群2之任一個之位置的情況，伴隨透鏡群的移動而影像的尺寸變動，不僅無法得到既定的影像尺寸，而且影像的亮度亦變化。進而，若以將銀幕5設為平面形狀時影像被投影之矩形的區域為基準，在將銀幕5設為凹面形狀時，因為影像被投影成變大，所以為了顯示全部的影像資訊，必須藉信號處理將顯示內容縮小成位於該矩形區域內，而影像顯示可使用之有效影像減少。又，在將銀幕5設為凸面形狀時，因為影像被投影成變小，所以無法將影像顯示於該矩形區域的整個面。因此，在本實施形態，藉由調整第1透鏡群1及第2透鏡群2之雙方的位置，以減少上述的現象(影像之亮度變化、有效像素的減少及顯示區域的減少)。
在第20圖(a)、第20圖(b)及第20圖(c)，透鏡形狀係全部相同，但是稜鏡PS與第1透鏡群1的距離、第1透鏡群1與第2透鏡群2的距離(Ia、Ib、Ic)、及第2透鏡群2 與銀幕51、52、53的距離(Ja、Jb、Jc)變化。
在本實施形態，在調整第2透鏡群2的位置上係與第2實施形態一樣，可認為藉第1透鏡群1的移動來防止那時之投射影像之尺寸的變動。
第22圖(a)係說明在第20圖(a)及第20圖(b)之光軸上的像面位置之變化的圖。1a、1b係將位於第20圖(a)及第20圖(b)所示之位置的第1透鏡群1分別作為薄透鏡來表示。2a、2b係將位於第20圖(a)及第20圖(b)所示之位置的第2透鏡群2分別作為薄透鏡，在模式上表示。u3a、u4b係在第20圖(a)及第20圖(b)的各圖，軸上光從第2透鏡群2射出時之收歛角。Fa、F2b係在第20圖(a)及第20圖(b)的各圖，從第2透鏡群2所射出之軸上光的聚光點(即，光軸上的像面位置)。又，為了比較，在第22圖(b)，表示如第5圖(a)及第5圖(b)所示在不使第1透鏡群1移動，而僅使第2透鏡群2移動的情況之光軸上之像面位置的變化。
如第20圖(b)所示，像面成為在投射光學系統400側凹的情況，第2透鏡群2b在從2a的位置接近第1透鏡群1的方向移動。在此狀態，如第22圖(b)所示，光軸上的像面位置從Fa移至Fb，而大為遠離第2透鏡群2b，因此，影像的尺寸變動。因此，如第22圖(a)所示，使第1透鏡群1b在從1a的位置接近第2透鏡群2的方向移動。即，使第1透鏡群1與第2透鏡群2的距離變小(Ib<Ia)。因為射入第1透鏡群1b的軸上光係發散狀態，所以軸上光射入第1透鏡群1b的區域係比軸上光射入第1透鏡群1a的區域更大。因為第1透鏡群1 構成為軸上光的入射區域愈大，以愈強的功率折射(軸上光的入射區域愈小，以愈弱的正功率折射)，所以軸上光係以比第20圖(a)(即比第22圖(b))更強之正的功率藉第1透鏡群1b折射。因此，因為射入第2透鏡群2b之軸上光的收歛角比第20圖(a)更大，所以可防止收歛角u4b相對收歛角u3a過小。
即，在如第22圖(b)所示僅使第2透鏡群2移動的情況，伴隨第2透鏡群2的移動，收歛角u3b必然地遠小於收歛角u3a，但是如上述所示，藉由不僅第2透鏡群2，而且使第1透鏡群1移動，可控制收歛角，並可減少收歛角的變動。又，藉該作用，軸上光的聚光點(即，軸上光的像面位置)係在遠離第2透鏡群2的方向移動(Ja<Jb)，但是藉由減少收歛角的變動，軸上光之像面位置的變動亦可減少。
一樣地，第23圖(a)係說明在第20圖(a)及第20圖(c)之光軸上的像面位置之變化的圖。1a、1c係將位於第20圖(a)及第20圖(c)所示之位置的第1透鏡群1分別作為薄透鏡，在模式上表示。2a、2c係將位於第20圖(a)及第20圖(c)所示之位置的第2透鏡群2分別作為薄透鏡，在模式上表示。u3a、u4c係在第20圖(a)及第20圖(c)的各圖，軸上光從第2透鏡群2射出時之收歛角。Fa、F2c係在第20圖(a)及第20圖(c)的各圖，從第2透鏡群2所射出之軸上光的聚光點(即，光軸上的像面位置)。又，為了比較，在第23圖(b)，表示如第5圖(a)及第5圖(c)所示在不使第1透鏡群1移動，而僅使第2透鏡群2移動的情況之光軸上之像面位置的變化。
如第20圖(c)所示，像面成為在投射光學系統400 側凸的情況，第2透鏡群2c在從2a的位置遠離第1透鏡群1的方向移動。在此狀態，如第23圖(b)所示，光軸上的像面位置從Fa移至Fc，而大為接近第2透鏡群2c，因此，影像的尺寸變動。因此，如第23圖(a)所示，使第1透鏡群1c以1a的位置為基準，在遠離第2透鏡群2的方向移動。即，使第1透鏡群1與第2透鏡群2的距離變大(Ia<Ic)。因為射入第1透鏡群1c的軸上光係發散狀態，所以軸上光射入第1透鏡群1c的區域係比軸上光射入第1透鏡群1a的區域更小。因為第1透鏡群1構成為軸上光的入射區域愈小，以愈弱的正功率折射(軸上光的入射區域愈大，以愈強的功率折射)，所以軸上光係以比第20圖(a)(即比第23圖(b))更弱之正的功率藉第1透鏡群1c折射。因此，因為射入第2透鏡群2c之軸上光的收歛角比第20圖(a)更小，所以可防止收歛角u4c相對收歛角u3a過大。
即，在如第23圖(b)所示僅使第2透鏡群2移動的情況，伴隨第2透鏡群2的移動，收歛角u3c必然地遠大於相對收歛角u3a，但是如上述所示，藉由不僅第2透鏡群2，而且使第1透鏡群1移動，可控制收歛角，並可減少收歛角的變動。又，藉該作用，軸上光的聚光點(即，軸上光的像面位置)係在接近第2透鏡群2的方向移動(Jc<Ja)，但是藉由減少收歛角的變動，軸上光之像面位置的變動亦可減少。
自上述，第1透鏡1與第2透鏡群2的距離Ia、Ib、Ic、及第2透鏡群2與銀幕5的距離(即，第2透鏡群2與軸上光之焦點的距離)Ja、Jb、Jc係滿足以下的第(30)式及第(31)式。
Ib<Ia<Ic...(30)
Jc<Ja<Jb...(31)
第24圖(a)係說明在第20圖(a)及第20圖(b)之周緣光，即畫面周邊部的像面位置之變化的圖。1a、1b係將位於第20圖(a)及第20圖(b)之位置的第1透鏡群1分別作為薄透鏡，在模式上表示。2a、2b係將在第20圖(a)及第20圖(b)的第2透鏡群2分別作為薄透鏡，在模式上表示。v3a、v4b係在第20圖(a)及第20圖(b)的各圖，軸上光從第2透鏡群2射出時之收歛角。Ga、G2b係在第20圖(a)及第20圖(b)的各圖，從第2透鏡群所射出之周緣光的聚光點(即，畫面周邊部的像面位置)。又，為了比較，在第24圖(b)，表示如第5圖(a)及第5圖(b)所示在不使第1透鏡群1移動，而僅使第2透鏡群2移動的情況之畫面周邊部之像面位置的變化。
如第20圖(b)所示，像面成為在投射光學系統400側凹的情況，第2透鏡群2b在從2a的位置接近第1透鏡群1的方向移動。在此狀態，如第24圖(b)所示，畫面周邊部的像面位置從Ga移至Gb，而大為遠離第2透鏡群2b，因此，影像的尺寸變大。因此，如第24圖(a)所示，使第1透鏡群1b在從1a的位置接近第2透鏡群2的方向移動。即，使第1透鏡群1與第2透鏡群2的距離變小(Ib<Ia)。因為射入第1透鏡群1b的周緣光係發散狀態，所以周緣光射入第1透鏡群1b的區域係比周緣光射入第1透鏡群1a的區域更大。因為第1透鏡群1構成為周緣光的入射區域愈大，以愈強的功率折射(周緣光的入射區域愈小，以愈弱的正功率折射)，所以周緣光係 以比第20圖(a)(即比第24圖(b))更強之正的功率藉第1透鏡群1b折射。因此，因為射入第2透鏡群2b之周緣光的收歛角比第20圖(a)更大，所以可防止收歛角v4b相對收歛角v3a過小。
在本例，光軸上的像面位置F2b係相對Fa，移至與第2透鏡群2相反側，但是畫面周邊部的像面位置G2b係相對Ga，移至與第2透鏡群2相同側。一般，因為畫面周邊部之像面位置的變動比第2透鏡群2之位置的變動量大(Kb<Ka)，若作成依此方式，亦可使收歛角v4b大於收歛角v3a。
一樣地，第25圖(a)係說明在第20圖(a)及第20圖(c)之畫面周邊部的像面位置之變化的圖。1a、1c係將位於第20圖(a)及第20圖(c)之位置的第1透鏡群1分別作為薄透鏡，在模式上表示。2a、2c係將位於第20圖(a)及第20圖(c)所示之位置的第2透鏡群2分別作為薄透鏡，在模式上表示。v3a、v4c係在第20圖(a)及第20圖(c)的各圖，周緣光從第2透鏡群2射出時之收歛角。Ga、G2c係在第20圖(a)及第20圖(c)的各圖，從第2透鏡群所射出之周緣光的聚光點(即，畫面周邊部的像面位置)。又，為了比較，在第25圖(b)，表示如第5圖(a)及第5圖(b)所示在不使第1透鏡群1移動，而僅使第2透鏡群2移動的情況之畫面周邊部之像面位置的變化。
如第20圖(c)所示，像面成為在投射光學系統400側凸的情況，第2透鏡群2b在從2a的位置遠離第1透鏡群1的方向移動。在此狀態，如第25圖(b)所示，畫面周邊部的像面位置從Ga移至Gc，而大為接近第2透鏡群2c，因此，影像的尺寸變大。因此，如第25圖(a)所示，使第1透鏡群1c以 1a的位置為基準，在遠離第2透鏡群2的方向移動。即，使第1透鏡群1與第2透鏡群2的距離變大(Ia<Ic)。因為射入第1透鏡群1c的周緣光係發散狀態，所以周緣光射入第1透鏡群1c的區域係比周緣光射入第1透鏡群1a的區域更小。因為第1透鏡群1構成為周緣光的入射區域愈小，以愈弱的正功率折射(周緣光的入射區域愈大，以愈強的功率折射)，所以周緣光係以比第20圖(a)(即比第25圖(b))更弱之正的功率藉第1透鏡群1c折射。因此，因為射入第2透鏡群2c之周緣光的收歛角比第20圖(a)更小，所以可防止收歛角v4c相對收歛角v3a過大。
在本例，光軸上的像面位置F2c係相對Fa，移至與第2透鏡群2相同側，但是畫面周邊部的像面位置G2c係相對Ga，移至與第2透鏡群2相反側。一般，因為畫面周邊部之像面位置的變動比第2透鏡群2之位置的變動量大(Ka<Kc)，若作成依此方式，亦可使收歛角v4c小於收歛角v3a。
自上述，第2透鏡群2與周緣光之焦點的距離Ka、Kb、Kc係滿足以下的第(32)式。
Kb<Ka<Kc...(32)
在第26圖，重疊地表示第20圖(a)、第20圖(b)及第20圖(c)的結果。如在第3實施形態的說明所示，在本實施形態，亦透鏡的移動所伴隨之焦點位置的變動量係軸上光比周緣光的更大。因此，第2透鏡群2與軸上光之焦點的距離Ja、Jb、Jc、及第2透鏡群2與周緣光之焦點的距離Ka、Kb、Kc係滿足以下的第(33)式及第(34)式。
| Jb-Ja |>| Kb-Ka |...(33)
| Jc-Ja |>| Kc-Ka |...(34)
在第27圖，在本實施形態，對將銀幕5設為平面形狀的情況、設為在投射光學系統400側凹面形狀的情況、及設為在投射光學系統400側凸面形狀的情況的各情況，表示投影於銀幕5之投射影像的輪廓。在將銀幕5設為平面形狀的情況，投射影像成為與顯示元件3之形狀相似的矩形。在將銀幕5設為凹面形狀的情況，發生酒桶型失真，在將銀幕5設為凸面形狀的情況，發生纏線型失真，但是如上述所示，藉由使第2透鏡群2及第1透鏡群1移動，因為可適當地控制光軸上及畫面周邊部的像面位置，所以投射影像的尺寸不會大為變動。因此，可降低影像的亮度變化、有效像素的減少及顯示區域的減少。
數值實施例
以下，說明第19圖及第20圖所示之本實施形態之投射光學系統400的數值實施例。在第11表，表示投射光學系統400的光學資料。第11表的表記係依據第1表。面編碼S17表示瞳孔P。顯示元件3的尺寸係14.515mm×8.165mm。縮小側的F值是2.5，在像面是平面之情況的投射影像尺寸是對角線15英吋。投影倍率是22.88倍，將顯示元件3之一個像素的尺寸設為7.56μm時，投影於銀幕5之一個像素的尺寸為約0.17mm。
[第11表]
在第12表，表示非球面資料。第12表的表記係依據第2表。
在第13表，表示在本實施形態的各參數。從第12 表，將可理解滿足上述之第(30)式~第(34)式。
在第28A圖、第28B圖及第28C圖，關於銀幕5係平面形狀的情況、對投射光學系統400是凹面形狀的情況、及對投射光學系統400是凸面形狀的情況的各情況，表示銀幕上之點線圖。在此，使用波長630nm的紅色光、波長530nm的綠色光及波長460nm的藍色光。紅色光、綠色光及藍色光之在銀幕面的入射光量比係採用3：6：1。
從第28A圖、第28B圖及第28C圖得知，點的擴散係大致為一個像素的尺寸(0.17mm)以下，在銀幕5為平面、凹面及凸面之任一種情況，都可得到良好的性能。
此外，在本實施形態，在凹面及凸面都將像面的 曲率半徑設計為1000mm，但是如上述所示，只要在焦點深度內，可任意地設定銀幕5的曲率半徑。又，在此，說明藉由調整透鏡的位置，將銀幕5設成平面、凹面及凸面的情況，但是在那些之範圍內調整透鏡位置的情況，在像面之曲率半徑的絕對值為1000mm~∞之範圍可得到良好的性能。
如以上之說明所示，本發明之第4實施形態的投射光學系統400係藉由使第2透鏡群2及第1透鏡群1移動，變更像面的曲率(即，將像面變更成平面、凹面或凸面)，而且可減少那時之影像尺寸的變動。因此，可得到與所要之銀幕形狀及尺寸一致的像面。又，因為依此方式可得到與銀幕形狀及尺寸一致的像面，所以可抑制影像光之焦點偏差所造成的性能惡化。
此外，在本實施形態，使第1透鏡群1的整體及第2透鏡群2的整體移動，但是未限定如此，亦可使構成各透鏡群1、2之一部分的透鏡或副透鏡群移動。如參照第22圖~第25圖的說明所示，只要整體上具有負之功率的第2透鏡群2及整體上具有正之功率的第1透鏡群1移動即可，這意指第1透鏡群1及第2透鏡群2不是排除包含不移動之透鏡或透鏡群的情況者。
第5實施形態
第29圖係表示本發明之第5實施形態的投射型影像顯示裝置50之構成的圖。因為照明光學系統(包含光源)等係與第1實施形態(第1圖)共同，所以省略圖示。對與第1圖所示之構成元件相同的構成元件附加相同的符號。關於光路，表 示軸上光的光路與周緣光的光路(即，通過距離光軸4最遠之顯示元件3上的點，並到達投射影像之最周緣部的光路)。
投射型影像顯示裝置50係具有投射光學系統500。投射光學系統500係從縮小側往放大側依序包括：具有正之功率的第1透鏡群1、與具有負之功率的第2透鏡群2。第1透鏡群1係從縮小側依序包括：具有正之功率的副透鏡群11、與具有正之功率的副透鏡群12。副透鏡群11係從縮小側依序更包括：具有正之功率的副透鏡群110、具有負之功率的副透鏡群111、及具有正之功率的副透鏡群112。
副透鏡群110係從縮小側依序包括雙凸透鏡201、202。副透鏡群111係從縮小側依序包括：雙凹透鏡203、雙凸透鏡204、凹面朝向放大側之負的凹凸透鏡205、雙凸透鏡206、凹面朝向縮小側之負的凹凸透鏡207及雙凹透鏡208。副透鏡群112具有凸面朝向縮小側之正的凹凸透鏡209。副透鏡群12係從縮小側依序包括：凸面朝向放大側之正的凹凸透鏡210、雙凸透鏡211及凸面朝向縮小側之正的凹凸透鏡212。第2透鏡群2係包括：雙凹透鏡213、凹面朝向縮小側之負的凹凸透鏡214及非球面透鏡215。
第30圖係用以說明投射光學系統500之作用的圖。第30圖(a)表示將來自顯示元件3的影像光投影於平面形狀之銀幕51的情況。第30圖(b)表示將來自顯示元件3的影像光投影於在投射光學系統500側凹面形狀之銀幕52的情況。第30圖(c)表示將來自顯示元件3的影像光投影於在投射光學系統500側凸面形狀之銀幕53的情況。
在本實施形態，其特徵在於：因應於銀幕5的形狀(平面、凹面及凸面)，調整副透鏡群111及副透鏡群112之光軸方向的位置。如上述所示，僅調整一個透鏡群之位置時，如第7圖或第16圖所示，因為第2透鏡群2與銀幕5的距離大為變動，所以投射影像的尺寸亦大為變動。因此，如在第4實施形態之說明所示，在本實施形態亦藉由調整2個副透鏡群111、112的位置，以降低投射影像尺寸的變動所伴隨之影像的亮度變化、有效像素的減少及顯示區域的減少。
在第30圖(a)、第30圖(b)及第30圖(c)，透鏡形狀係全部相同，但是副透鏡群110與副透鏡群111的距離(Ma、Mb、Mc)、副透鏡群111與副透鏡群112的距離(Na、Nb、Nc)、及第2透鏡群2與銀幕51、52、53的距離(La、Lb、Lc)變化。因為調整位於投影光學系統500的內部之尺寸小之副透鏡群111與副透鏡群112的位置，所以透鏡的移動係容易，因為透鏡總長不變，所以具有投影光學系統500之固持係容易等的優點。
第31圖(a)係說明在第30圖(a)及第30圖(b)之光軸上的像面位置之變化的圖。111a、111b係將位於第30圖(a)及第30圖(b)所示之位置的副透鏡群111分別作為薄透鏡，在模式上表示。112a、112b係將位於第30圖(a)及第30圖(b)所示之位置的副透鏡群112分別作為薄透鏡，在模式上表示。其他的透鏡群(副透鏡群110、副透鏡群12、第2透鏡群2)亦作為薄透鏡，在模式上表示。u3a、u5b係在第30圖(a)及第30圖(b)的各圖，軸上光從第2透鏡群2射出時之收歛角。Fa、 F3b係在第30圖(a)及第30圖(b)的各圖，從第2透鏡群2所射出之軸上光的聚光點(即，光軸上的像面位置)。
第31圖(b)係說明在第30圖(a)及第30圖(c)之光軸上的像面位置之變化的圖。111a、111c係將位於第30圖(a)及第30圖(c)所示之位置的副透鏡群111分別作為薄透鏡，在模式上表示。112a、112c係將位於第30圖(a)及第30圖(c)所示之位置的副透鏡群112分別作為薄透鏡，在模式上表示。其他的透鏡群(副透鏡群110、副透鏡群12、第2透鏡群2)亦作為薄透鏡，在模式上表示。u3a、u5c係在第30圖(a)及第30圖(c)的各圖，軸上光從第2透鏡群2射出時之收歛角。Fa、F3c係在第30圖(a)及第30圖(c)的各圖，從第2透鏡群2所射出之軸上光的聚光點(即，光軸上的像面位置)。
副透鏡群110與副透鏡群111a、111b、111c的距離Ma、Mb、Mc、副透鏡群111a、111b、111c與副透鏡群112a、112b、112c的距離Na、Nb、Nc、及第2透鏡群2與銀幕5的距離(即，第2透鏡群2與軸上光之焦點的距離)La、Lb、Lc係滿足以下的第(35)式~第(36)式。
Mc<Ma<Mb...(35)
Nc<Na<Nb...(36)
如第30圖(b)所示，像面成為在投射光學系統500側凹面形狀的情況，副透鏡群111b在從111a的位置遠離副透鏡群110的方向移動(Ma<Mb)。因為從副透鏡群110所射出之軸上光是收歛狀態，所以軸上光射入副透鏡群111b的區域係比軸上光射入副透鏡群111a的區域更小。因為副透鏡群111 構成為軸上光的入射區域愈小，以愈弱的正功率折射(軸上光的入射區域愈大，以愈強的功率折射)，所以軸上光係以比第30圖(a)更弱之負的功率藉副透鏡群111b折射。若在此狀態未使副透鏡群112移動，從第2透鏡群2所射出之軸上光的收歛角亦變成過小，光軸上的像面位置相對Fa，在遠離第2透鏡群2的方向大為移動。
可是，在本實施形態，如第31圖(a)所示，配合使副透鏡群111b在遠離副透鏡群110的方向移動，使副透鏡群112b在相同的方向移動更遠。即，使副透鏡群111b與副透鏡群112的距離變成更大(Na<Nb)。在此時，因為從副透鏡群111b所射出之軸上光係發散狀態，所以軸上光射入副透鏡群112b的區域係變成比不使副透鏡群112移動的情況更大。因為副透鏡群112構成為軸上光的入射區域愈大，以愈強的功率折射(軸上光的入射區域愈小，以愈弱的正功率折射)，所以軸上光係以比不使副透鏡群112移動的情況更強之正的功率藉副透鏡群112b折射。因此，和不使副透鏡群112移動的情況相比，更防止從第2透鏡群所射出之軸上光的收歛角u5b相對在第30圖(a)之軸上光的收歛角u3a過小，又，可防止軸上光的像面位置F3b相對在第30圖(a)之軸上光的像面位置Fa，在接近第2透鏡群2的方向大為移動。
如第30圖(c)所示，像面成為在投射光學系統500側凸面形狀的情況，副透鏡群111c在從111a的位置接近副透鏡群110的方向移動(Mc<Ma)。因為從副透鏡群110所射出之軸上光是收歛狀態，所以軸上光射入副透鏡群111c的區域係 比軸上光射入副透鏡群111a的區域更大。因為副透鏡群111構成為軸上光的入射區域愈大，以愈強的功率折射(軸上光的入射區域愈小，以愈弱的正功率折射)，所以軸上光係以比第30圖(a)更強之負的功率藉副透鏡群111c折射。若在此狀態未使副透鏡群112移動，從第2透鏡群2所射出之軸上光的收歛角變成過大，光軸上的像面位置相對Fa，在接近第2透鏡群的方向大為移動。
可是，在本實施形態，如第31圖(b)所示，配合使副透鏡群111c在接近副透鏡群110的方向移動，使副透鏡群112c在相同的方向移動更遠。即，使副透鏡群111與副透鏡群112的距離變成更小(Nc<Na)。在此時，因為從副透鏡群111c所射出之軸上光係發散狀態，所以軸上光射入副透鏡群112c的區域係變成比不使副透鏡群112移動的情況更小。因為副透鏡群112構成為軸上光的入射區域愈小，以愈弱的正功率折射(軸上光的入射區域愈大，以愈強的功率折射)，所以軸上光係以比不使副透鏡群112移動的情況更弱之正的功率藉副透鏡群112c折射。因此，和不使副透鏡群112移動的情況相比，更防止從第2透鏡群所射出之軸上光的收歛角u5c相對在第30圖(a)之軸上光的收歛角u3a過大，又，可防止軸上光的像面位置F3c相對在第30圖(a)之軸上光的像面位置Fa，在接近第2透鏡群的方向大為移動。
第32圖係說明在第30圖(a)、第30圖(b)及第30圖(c)之周緣光，即畫面周邊部的像面位置之變化的圖。第30圖(a)表示如第30圖(b)所示像面成為在投影光學系統500側凹 的情況，第30圖(b)表示如第30圖(c)所示像面成為在投影光學系統500側凸的情況。透鏡的符號係與第31圖一樣。v5b、v5c係在第30圖(b)及第30圖(c)之各圖，周緣光從第2透鏡群2射出時的收歛角。G3b、G3c係在第30圖(b)及第30圖(c)之各圖，從第2透鏡群2所射出之周緣光的聚光點(即，畫面周邊部的像面位置)。
副透鏡群110與副透鏡群111a、111b、111c的距離Ma、Mb、Mc、副透鏡群111a、111b、111c與副透鏡群112a、112b、112c的距離Na、Nb、Nc、第2透鏡群2與軸上光之焦點的距離La、Lb、Lc及第2透鏡群2與周緣光之焦點的距離Oa、Ob、Oc係滿足以下的第(37)式~第(42)式。
| Lb-La |>| Ob-Oa |...(37)
| Lc-La |<| Oc-Oa |...(38)
Mb-Ma<Ma-Mc...(39)
Nb-Na<Na-Nc...(40)
| Lc-La |<| Lb-La |...(41)
| Ob-Oa |<| Oc-Oa |...(42)
在本實施形態，對軸上光，以平面銀幕之情況的聚光位置為基準，使凹面銀幕之情況的聚光位置比凸面銀幕之情況的聚光位置更大為移動(第(37)式)。另一方面，對周緣光，以平面銀幕之情況的聚光位置為基準，使凸面銀幕之情況的聚光位置比凹面銀幕之情況的聚光位置更大為移動(第(38)式)。因此，關於以平面銀幕的情況為基準之聚光位置的變動量，在凹面銀幕的情況，軸上光比周緣光的更大(第(37)式)。反之， 在凸面銀幕的情況，周緣光比軸上光的更大(第(38)式)。
在第33圖，對將銀幕5設為平面形狀(平面銀幕)的情況、設為在投射光學系統500側凹面形狀(凹面銀幕)的情況、及設為在投射光學系統500側凸面形狀(凸面銀幕)的情況的各情況，表示投影於銀幕5之投射影像的輪廓。在將銀幕5設為平面形狀的情況，投射影像成為與顯示元件3之形狀相似的矩形。
另一方面，在將銀幕5設為在投影光學系統500側凹面形狀(凹面銀幕)的情況，發生酒桶型失真。在此時，使軸上光的聚光位置從平面銀幕時的聚光位置比較大地移動，以使周緣光(相當於投射畫面之4角落)的像面位置與平面銀幕的情況之投射畫面(矩形)的4角落大致一致。
另一方面，在將銀幕5設為在投影光學系統500側凸面形狀(凸面銀幕)的情況，發生纏線型失真。因為從投影光學系統500所射出之影像光(主光線)大為擴大，所以在銀幕面之曲率相同的情況，在凸面銀幕之主光線對銀幕面的入射角(銀幕面之法線與主光線的夾角)比在凹面銀幕的更大。因而，凸面銀幕之自平面銀幕的位置變動之情況的失真發生量比凹面銀幕更大。因此，在凸面銀幕的情況，作成不使軸上光的像面位置從平面銀幕的情況大為移動，並作成周緣光(相當於投射影像之4角落)的像面位置位於比平面銀幕的情況之投射影像(矩形)的4角落更外側，此外，而且作成投射影像之4邊的中央部與平面銀幕之情況的投射影像(矩形)接觸。
即，作成以平面銀幕的情況為基準之軸上光之聚 光位置的變動量在凹面銀幕的情況比在凸面銀幕的情況更大(第(41)式)，並作成以平面銀幕的情況為基準之周緣光之聚光位置的變動量在凸面銀幕的情況比在凹面銀幕的情況更大(第(42)式)。
又，因為在凸面銀幕的情況必須成像至像高比在凹面銀幕的情況更高(至更遠離光軸的位置)，因為以平面銀幕的情況為基準之像高的變動量大，所以在凸面銀幕的情況，使副透鏡群111、112的移動量變大(第(39)式及第(40)式)。依此方式，以凹面銀幕的情況及凸面銀幕的情況之投射影像的輪廓內接於平面銀幕的情況之投射影像(矩形)的方式決定第2透鏡群2與銀幕5之距離及像面之曲率。藉此，可將投射於矩形區域外的光抑制至最小限度。結果，將光損失抑制至最小限度，而可使影像的亮度變化變成最小。又，因為可有效地利用像素，所以可防止有效像素的減少。
如上述所示，在如第30圖(c)所示像面成為在投影光學系統500側凸的情況，與像面是平面的情況相比，在畫面周邊部之像面的背離比軸上的更大。因而，軸上光及周緣光的收歛角u3a、u3c、v3a、v3c係與第(24)式相反，滿足以下的第(43)式。
| u3c-u3a |<| v3c-v3a |...(43)
此外，在如第30圖(b)所示像面成為在投影光學系統500側凹的情況，軸上光及周緣光的收歛角u3a、u3b、v3a、v3b係滿足上述的第(23)式。
數值實施例
以下，說明第29圖及第30圖所示之本實施形態之投射光學系統500的數值實施例。在第14表，表示投射光學系統500的光學資料。第14表的表記係依據第1表。面編碼S16表示瞳孔P。顯示元件3的尺寸係14.515mm×6.509mm。縮小側的F值是2.5，在像面是平面之情況的投射影像尺寸是對角線12.5英吋。投影倍率是19.98倍，將顯示元件3之一個像素的尺寸設為7.56μm時，投影於銀幕5之一個像素的尺寸為約0.15mm。
[第14表]
在第15表，表示非球面資料。第15表的表記係依據第2表。
[第15表]
在第16表，表示在本實施形態的各參數。從第16表，將可理解滿足上述之第(35)式~第(43)式。
[第16表]
在第35A圖、第35B圖及第35C圖，關於銀幕5係平面形狀的情況、對投射光學系統500是凹面形狀的情況、及對投射光學系統500是凸面形狀的情況的各情況，表示銀幕上之點線圖。在此，使用波長630nm的紅色光、波長530nm的綠色光及波長460nm的藍色光。紅色光、綠色光及藍色光之在銀幕面的入射光量比係採用3：6：1。
從第35A圖、第35B圖及第35C圖得知，點的擴散係大致為一個像素的尺寸(0.15mm)以下，在銀幕5為平面、 凹面及凸面之任一種情況，都可得到良好的性能。
此外，在本實施形態，在凹面及凸面都將像面的曲率半徑設計為1000mm，但是如上述所示，只要在焦點深度內，可任意地設定銀幕5的曲率半徑。又，在此，說明藉由調整透鏡的位置，將銀幕5設成平面、凹面及凸面的情況，但是在那些之範圍內調整透鏡位置的情況，在像面之曲率半徑的絕對值為1000mm~∞之範圍可得到良好的性能。
又，在本實施形態，使第1透鏡群1內之分別具有負及正之功率的2個副透鏡群111、112移動，但是只要具有與此情況相同的作用，亦可使第1透鏡群1內之相異的透鏡移動。
如以上之說明所示，本發明之第5實施形態的投射光學系統500係藉由使副透鏡群111及副透鏡群112移動，變更像面的曲率(即，將像面變更成平面、凹面或凸面)。進而，在凹面或凸面的情況，藉由適當地設定銀幕5的位置，可減少影像尺寸的變動。因此，可得到與所要之銀幕形狀及尺寸一致的像面。又，因為依此方式可得到與銀幕形狀及尺寸一致的像面，所以可抑制影像光之焦點偏差所造成的性能惡化。
在以上的說明，根據切(tangential)面說明軸上光與周緣光，但是對中間光及矢狀(sagittal)面，亦可與上述一樣地思考。這從前面已說明之良好的點線圖係顯然的。即，構成投射光學系統之各透鏡及各透鏡群的作用係從軸上光至周緣光連續地變化，對第2透鏡群之中間光的聚光位置係位於軸上光與周緣光之間。因此，像面係可作成圓滑之凹面及凸面。
又，透鏡及透鏡群為了對軸上光、中間光及周緣光發揮上述的作用，只要適當地將關於距離及收歛角之上述的數學式作為邊界條件，使透鏡之厚度、或面形狀、面間隔等的光學參數最佳化即可。又，為了更微細地控制像面的形狀或位置，將透鏡面形狀作成非球面係有效。
又，在以上的說明，像面係包含光軸上，但是未限定如此，亦可使顯示元件從光軸偏置並傾斜地投射於銀幕等構成為不含光軸上。
又，在以上的說明，像面係採用球面，但是未限定如此，亦可藉由變更透鏡參數或應用自由曲面透鏡等，將像面作成非球面或自由曲面。
又，如上述所示，銀幕形狀係未限定為球面。只要銀幕面在各像點的焦點深度內與光束相交，亦可例如是非球面或自由曲面。
又，在上述之第2至第5實施形態的投射光學系統，作為一例，可應用於在第1實施形態所說明之車載用的投射型影像顯示裝置(第3圖)。又，亦可應用於車載用以外之用途的投射型影像顯示裝置。
10‧‧‧投射型影像顯示裝置
100‧‧‧投射光學系統
101‧‧‧照明光學系統
1‧‧‧第1透鏡群
2‧‧‧第2透鏡群
3‧‧‧顯示元件
4‧‧‧光軸
5‧‧‧銀幕
6‧‧‧光源
7‧‧‧光均勻化元件
8‧‧‧照明光學元件
11‧‧‧副透鏡群
12‧‧‧副透鏡群
21‧‧‧第1透鏡
22‧‧‧第2透鏡
P‧‧‧瞳孔

Claims (14)

  1. 一種投射型影像顯示裝置，包括：產生影像光的顯示元件；及投射光學系統，係將藉該顯示元件所產生之影像光放大投射於銀幕；其特徵在於：該投射光學系統係包括：整體上具有正之功率的第1透鏡群、與整體上具有負之功率的第2透鏡群；該第2透鏡群係從該顯示元件側依序具有第1透鏡及第2透鏡，該第1透鏡及該第2透鏡都具有負之功率；在影像光中，若將從該顯示元件與該投射光學系統之光軸的交點所射出之光當作軸上光，將從該顯示元件之周緣所射出的光當作周緣光，以該像面成為平面時之該第1透鏡及該第2透鏡之光軸方向的位置為基準，使該第1透鏡接近該顯示元件，並使該第2透鏡遠離該顯示元件，藉此，該周緣光的焦點位置在光軸方向比該軸上光的焦點位置更接近該投射光學系統，而該像面成為在該投射光學系統側凹；以該像面成為平面時之該第1透鏡及該第2透鏡之光軸方向的位置為基準，使該第1透鏡遠離該顯示元件，並使該第2透鏡接近該顯示元件，藉此，該軸上光的焦點位置在光軸方向比該周緣光的焦點位置更接近該投射光學系統，而該像面成為在該投射光學系統側凸；藉此，藉該投射光學系統所形成之像面的曲率變化。
  2. 如申請專利範圍第1項之投射型影像顯示裝置，其中在該像面成為在該投射光學系統側凹的情況，將射入該第1透鏡之該軸上光的收歛角設為u1b、將從該第1透鏡所射出之該軸上光的收歛角設為u2b、將從該第2透鏡所射出之該軸上光的收歛角設為u3b，進而將射入該第1透鏡之該周緣光的收歛角設為v1b、將從該第1透鏡所射出之該周緣光的收歛角設為v2b、將從該第2透鏡所射出之該周緣光的收歛角設為v3b，在該像面成為在該投射光學系統側凸的情況，將射入該第1透鏡之該軸上光的收歛角設為u1c、將從該第1透鏡所射出之該軸上光的收歛角設為u2c、將從該第2透鏡所射出之該軸上光的收歛角設為u3c，進而將射入該第1透鏡之該周緣光的收歛角設為v1c、將從該第1透鏡所射出之該周緣光的收歛角設為v2c、將從該第2透鏡所射出之該周緣光的收歛角設為v3c時，滿足u2c>u2b u3c>u3b v2c>v2b v3c>v3b u1b-u2b>v1b-v2b u1c-u2c>v1c-v2c (u1c-u2c)-(v1c-v2c)>(u1b-u2b)-(v1b-v2b) (v2c-v3c)-(u2c-u3c)>(v2b-v3b)-(u2b-u3b)。
  3. 一種投射型影像顯示裝置，包括： 產生影像光的顯示元件；及投射光學系統，係將藉該顯示元件所產生之影像光放大投射於銀幕；其特徵在於：該投射光學系統係從該顯示元件側往銀幕側依序包括：第1透鏡群，係包含至少一片透鏡，並整體上具有正之功率；與第2透鏡群，係包含至少一片透鏡，並整體上具有負之功率；藉由調整構成該第1透鏡群及該第2透鏡群之各透鏡中至少一片透鏡之光軸方向的位置，而藉該投射光學系統所形成之像面的曲率變化；該像面成為在該投射光學系統側凹的情況之軸上光的聚光位置係相對該像面是平面的情況之軸上光的聚光位置，存在於與該第2透鏡相反側；該像面成為在該投射光學系統側凸的情況之軸上光的聚光位置係相對該像面是平面的情況之軸上光的聚光位置，存在於與該第2透鏡相同側。
  4. 如申請專利範圍第3項之投射型影像顯示裝置，其中以該像面為平面的情況之該各透鏡之光軸方向的位置為基準，使構成該第1透鏡群的透鏡中至少一片透鏡接近該顯示元件，藉此，該像面成為在該投射光學系統側凹；以該像面為平面的情況之該各透鏡之光軸方向的位置為基準，使構成該第1透鏡群的透鏡中至少一片透鏡遠離該顯示元件，藉此，該像面成為在該投射光學系統側凸。
  5. 如申請專利範圍第3項之投射型影像顯示裝置，其中以該像面為平面的情況之該各透鏡之光軸方向的位置為基準，使構成該第2透鏡群的透鏡中至少一片透鏡接近該顯示元件，藉此，該像面成為在該投射光學系統側凹；以該像面為平面的情況之該各透鏡之光軸方向的位置為基準，使構成該第2透鏡群的透鏡中至少一片透鏡遠離該顯示元件，藉此，該像面成為在該投射光學系統側凸。
  6. 如申請專利範圍第3項之投射型影像顯示裝置，其中以該像面為平面的情況之該各透鏡之光軸方向的位置為基準，使構成該第1透鏡群的透鏡中至少一片透鏡遠離該顯示元件，而且使構成該第2透鏡群的透鏡中至少一片透鏡接近該顯示元件，藉此，該像面成為在該投射光學系統側凹；以該像面為平面的情況之該各透鏡之光軸方向的位置為基準，使構成該第1透鏡群的透鏡中至少一片透鏡接近該顯示元件，而且使構成該第2透鏡群的透鏡中至少一片透鏡遠離該顯示元件，藉此，該像面成為在該投射光學系統側凸。
  7. 如申請專利範圍第3項之投射型影像顯示裝置，其中藉由調整構成該第1透鏡群之透鏡中至少兩片透鏡之光軸方向的位置，而藉該投射光學系統所形成之像面的曲率配合銀幕的形狀變化。
  8. 如申請專利範圍第3至7項中任一項之投射型影像顯示裝置，其中在影像光中，若將從該顯示元件與該投射光學系統之光軸的交點所射出之光當作軸上光，將從該顯示元件 之周緣所射出的光當作周緣光，在該像面成為平面的情況，將從該第2透鏡群所射出之該軸上光的收歛角設為u3a、將從該第2透鏡群所射出之該周緣光的收歛角設為v3a，在該像面成為在該投射光學系統側凹的情況，將從該第2透鏡群所射出之該軸上光的收歛角設為u3b，將從該第2透鏡群所射出之該周緣光的收歛角設為v3b，在該像面成為在該投射光學系統側凸的情況，將從該第2透鏡群所射出之該軸上光的收歛角設為u3c，將從該第2透鏡群所射出之該周緣光的收歛角設為v3c時，滿足| u3b-u3a |>| v3b-v3a | | u3c-u3a |>| v3c-v3a |。
  9. 如申請專利範圍第3至7項中任一項之投射型影像顯示裝置，其中在影像光中，若將從該顯示元件與該投射光學系統之光軸的交點所射出之光當作軸上光，將從該顯示元件之周緣所射出的光當作周緣光，在該像面成為平面的情況，將從該第2透鏡群所射出之該軸上光的收歛角設為u3a、將從該第2透鏡群所射出之該周緣光的收歛角設為v3a，在該像面成為在該投射光學系統側凹的情況，將從該第2透鏡群所射出之該軸上光的收歛角設為u3b，將從該第2透鏡群所射出之該周緣光的收歛角設為v3b，在該像面成為在該投射光學系統側凸的情況，將從該第2透鏡群所射出之該軸上光的收歛角設為u3c，將從該第2透 鏡群所射出之該周緣光的收歛角設為v3c時，滿足| u3b-u3a |>| v3b-v3a | | u3c-u3a |<| v3c-v3a |。
  10. 如申請專利範圍第3至9項中任一項之投射型影像顯示裝置，其中在係藉該顯示元件產生矩形形狀之影像光的情況，且該像面成為在該投射光學系統側凹及凸的情況，投影於銀幕上影像的輪廓形狀都內接於在該像面是平面的情況投影於銀幕上之影像的輪廓形狀。
  11. 如申請專利範圍第1至10項中任一項之投射型影像顯示裝置，其中進而具有照明該顯示元件的照明光學系統。
  12. 如申請專利範圍第1至11項中任一項之投射型影像顯示裝置，其中該投射型影像顯示裝置配置於在車輛的車室內，乘客可視認該銀幕。
  13. 一種投射光學系統，將藉顯示元件所產生之影像光放大投射於銀幕，其特徵在於：包括：整體上具有正之功率的第1透鏡群、與整體上具有負之功率的第2透鏡群；該第2透鏡群係從該顯示元件側依序具有第1透鏡及第2透鏡，該第1透鏡及該第2透鏡都具有負之功率；在影像光中，若將從該顯示元件與該投射光學系統之光軸的交點所射出之光當作軸上光，將從該顯示元件之周緣所射出的光當作周緣光，以該像面成為平面的情況之該第1透鏡及該第2透鏡之光 軸方向的位置為基準，使該第1透鏡接近該顯示元件，並使該第2透鏡遠離該顯示元件，藉此，該周緣光的焦點位置在光軸方向比該軸上光的焦點位置更接近該投射光學系統，而該像面成為在該投射光學系統側凹；以該像面成為平面的情況之該第1透鏡及該第2透鏡之光軸方向的位置為基準，使該第1透鏡遠離該顯示元件，並使該第2透鏡接近該顯示元件，藉此，該軸上光的焦點位置在光軸方向比該周緣光的焦點位置更接近該投射光學系統，而該像面成為在該投射光學系統側凸；藉此，藉該投射光學系統所形成之像面的曲率變化。
  14. 一種投射光學系統，將藉該顯示元件所產生之影像光放大投射於銀幕，其特徵在於：從該顯示元件側往銀幕側依序包括：第1透鏡群，係包含至少一片透鏡，並整體上具有正之功率；與第2透鏡群，係包含至少一片透鏡，並整體上具有負之功率；藉由調整構成該第1透鏡群及該第2透鏡群之各透鏡中至少一片透鏡之光軸方向的位置，而藉該投射光學系統所形成之像面的曲率變化；該像面成為在該投射光學系統側凹的情況之軸上光的聚光位置係相對該像面是平面的情況之軸上光的聚光位置，存在於與該第2透鏡相反側；該像面成為在該投射光學系統側凸的情況之軸上光的聚光位置係相對該像面是平面的情況之軸上光的聚光位置，存 在於與該第2透鏡相同側。
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