WO2017126028A1 - 投写型映像表示装置 - Google Patents

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projection
image display
free
projection image
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平田　浩二
谷津　雅彦
有紀 松宮
政徳 高治
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日立マクセル株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a projection display apparatus that projects an enlarged image, and more particularly to a projection lens used for that purpose.
  • a projection-type image display apparatus that can obtain a good projection image on a large screen while the projection distance (distance between the screen and the projection lens tip) is short has been widely used.
  • the projection optical system of such a projection type video display device in order to achieve a good projection image projection on a large screen, the video display element is arranged obliquely with respect to the optical axis, and the eccentric aspherical concave mirror and An apparatus using a so-called oblique projection optical system using a combination of spherical lenses is already known.
  • Patent Document 1 even if an image is obliquely enlarged and projected on a screen, a trapezoidal distortion and / or aberrations can be suppressed, and lens-type manufacturing and assembly adjustment can be easily performed.
  • Devices and projection optical units used therefor are already known.
  • the inventors realized the above-mentioned requirement using a plurality of aspherical lenses as shown in FIG.
  • the lens data is shown in FIGS.
  • the projection ratio (projection distance / projection screen diagonal dimension) of the projection lens obtained at this time is 0.44.
  • the aspherical lenses are L3, L11, and L16, and L3 and L16 are aspherical lenses that are arranged at positions close to the image display element P and the projection surface in order to reduce coma aberration accompanying widening of the angle.
  • L11 is an aspherical lens that is arranged at the position where the luminous flux spreads most in order to reduce spherical aberration and low-order coma.
  • FIG. 11 and 12 show the lens data of this projection lens
  • FIG. 10 shows the spot shape of a projection image enlarged and projected to 80 inches.
  • the aberration in the meridional direction and the aberration in the sagittal direction could not be corrected in a well-balanced manner, and either one of the aberration corrections in the diagonal direction of the screen was insufficient.
  • the inventors developed a projection-type image display device having the appearance shown in FIG.
  • the projection lens shown in FIG. 14 in which a free-form surface lens and a mirror were used together was developed in order to achieve both a reduction in the size of the set and a further reduction in the projection distance of the projection lens.
  • the projection ratio (projection distance / projection screen diagonal dimension) of this projection lens is 0.24.
  • the aspherical lens includes L3, L8, and L13, free-form surface lenses L15A and L16A, and a free-form surface mirror M17.
  • the final optical element uses a mirror M17 and a free-form surface to correct screen distortion.
  • the aberration generated for this reason is corrected by using the free-form surface of the lenses L16A and L15A immediately before the mirror.
  • the effective lens areas of the free-form curved lenses L15A and L16A are arranged so as not to include the optical axis constituted by the majority of lenses constituting the projection lens, thereby realizing a super wide angle.
  • the free-form surface lenses L15A and L16A have been reduced in size by not forming unnecessary portions as an extension of the lens effective area through which the image light beam passes.
  • FIGS. 15 (A) and 15 (B) The appearance of the free-form surface lens L15A employed by the inventors is shown in FIGS. 15 (A) and 15 (B).
  • a plane portion L15A-b for incorporation into the lens barrel is provided, and U-grooves provided on the left and right of the upper portion and the flat portion are aligned with pins provided on the lens barrel Positioning was performed.
  • the gate into which the resin flows during molding adopted a mold structure in which the resin easily flows on the lens surface at the position of L15A-c.
  • FIGS. 16 (A) and 16 (B) the external shape of the free-form surface lens L16A adopted by the inventors is shown in FIGS. 16 (A) and 16 (B).
  • L15A in addition to the lens surface L16A-a including the lens effective area, a plane portion L16A-b for incorporation into the lens barrel is provided, and U-grooves provided in the upper portion and the flat portion are aligned with the pins provided in the lens barrel. Positioning was performed.
  • the gate adopts a mold structure that allows resin to easily flow on the lens surface as in L15 at the position of L16A-c.
  • a reference plane is provided in each of the flat portions L15A-b and L16A-b, and the required accuracy is ensured by matching with the corresponding lens barrel portion.
  • the outer shape of the lens is not axisymmetric, (3) the outer dimensions change under molding conditions where the plastic resin filling amount (molding conditions) is unstable, and the center of the lens does not coincide with the center of the lens barrel. Decreased.
  • the present invention has been accomplished in view of the above-described problems in the prior art. That is, the present invention can reduce the size and manufacture of the entire apparatus while sufficiently satisfying the demand for a shorter projection distance and a larger screen. It is an object of the present invention to provide a projection display apparatus including a projection optical system that can be easily realized.
  • a light source a video display element that modulates the intensity of light from the light source according to a video signal, and a modulation from the video display element are provided.
  • a projection image display apparatus having a projection lens system including a plurality of lenses for projecting projected image light on a projection surface from an oblique direction, the projection lens system being symmetrical with respect to an optical axis as shown in FIG.
  • an aspherical surface that is symmetric with respect to the optical axis is used, and the above-mentioned aspherical surface is used to correct the sagittal (spherical direction) aberration more precisely.
  • a lens having a new lens surface in which aberration correction ability is greatly improved by adding a free-form surface is provided.
  • the lens forms a new lens surface (hereinafter referred to as a synthetic lens surface) by adding a free-form surface to the base aspherical surface in an area where the image light flux passes through at least one surface (hereinafter referred to as an effective region). To do.
  • a synthetic lens surface a new lens surface
  • the synthetic lens surface in the above-mentioned synthetic lens is the base in order to improve the accuracy of mold processing and incorporation into the lens barrel.
  • a lens shape formed integrally with an aspheric shape is preferable.
  • the outer shape of the lens has an arcuate portion and is configured to match the inner diameter of the lens barrel.
  • the lens has a relatively negative refractive power to increase the lens outer diameter. A wider angle is achieved while maintaining
  • the image display element and the screen as the projection surface are not arranged perpendicular to the optical axis, but are tilted as shown in FIG. Be perpendicular to the axis.
  • a projection optical system that realizes downsizing of the entire projection display apparatus and ease of manufacture while sufficiently satisfying the demand for a large screen even if the projection distance is greatly shortened. An excellent effect is provided that it is possible to provide a projection-type image display apparatus provided.
  • FIG. 1 attached herewith is a cross-sectional view showing an example of a projection lens system in an inclined projection optical system of a projection display apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 in order to shorten the projection distance of the projection display apparatus as much as possible, among the plurality of lenses constituting the inclined projection optical system, in the vicinity of the lens surface on one side of the lens disposed at the position closest to the projection surface. Is an aperture that blocks the area other than the lens effective area through which the image light flux from the image display surface passes, and is arranged along the lens surface to shield unnecessary light and improve focusing performance and contrast of the projected image Reduces the decline.
  • the projected image plane can be made perpendicular to the optical axis by inclining the image display element P with respect to the optical axis 11 (angle ⁇ ).
  • the inclination angle ⁇ is about 1 degree when the projection ratio is 0.5 or less, and even when the projection distance is further reduced and the projection ratio is 0.3 or less, the inclination angle ⁇ is 3 degrees or less to balance the aberration correction and distortion correction of the entire projection image. good.
  • the inclination angle of the image display element P is preferably set larger than that without shift.
  • the lens outer diameter is not increased by decentering the lens (L15 in FIG. 1) having a negative refractive power, for example, in the lens group (third group (G3) in FIG. 1) arranged at the position closest to the projection surface.
  • a balance with aberration correction is good.
  • L16 closest to the projection surface can also be decentered d2 to effectively reduce the outer dimensions while obtaining a large negative refractive power.
  • the amount of decentering is suppressed to 1 ⁇ 4 or less of the lens outer diameter.
  • the lens indicated by L16 is disposed at a position where the light beam is deflected and passes above the optical axis, the light beam is obliquely incident on the lens by making the lens surface an aspherical surface. Correction of higher-order coma aberration generated in
  • the aberration in the meridional direction is corrected with an aspherical shape that improves the aberration correction capability by moving away from the optical axis
  • the aberration in the sagittal direction is a synthetic lens in which a free-form surface shape is superimposed on the aspherical shape.
  • the point of the lens surface Z may be obtained by adding the value of equation (2) described later to the value of equation (1) described later.
  • r is a distance from the lens center
  • a shape in which a free-form surface and an aspheric surface are superimposed can be defined as a user-defined surface (described as a synthetic lens surface in the present embodiment), and thus can be applied to optical design.
  • any lens in the lens group G3 having the negative refractive power closest to the screen as the projection surface is decentered with respect to the optical axis of the projection lens, thereby increasing the negative refractive power and increasing the lens outer diameter.
  • a wider angle is achieved while maintaining For example, a strong negative refracting power is maintained while maintaining a small size by decentering the center of each lens with respect to the optical axis like the eccentricity d2 of L16 and the eccentricity d1 of L15 shown in FIG. 1 of the present embodiment. Obtainable. Further, as shown in FIGS. 5 and 6, it is possible to reduce the size of the projection lens by notching a part away from the optical axis.
  • a synthetic lens in which an aspherical surface and a free-form surface are superimposed is arranged on the lens L16 closest to the image plane.
  • a lens close to the image display element is a lens that separates the image light flux and enters the lens surface. It goes without saying that even better aberration correction can be realized by similarly disposing a composite lens in the group G1, for example L1, L2, L3.
  • the projection display apparatus has an internal space formed by the upper casing 100a and the lower casing 100b in the same manner as the conventional projection display apparatus shown in FIG.
  • a lamp that is a light source, or an LED (Light Emission Diode) or a blue laser (Laser) that excites a phosphor to obtain light from the light source.
  • An optical modulation unit that modulates image light based on a signal (for example, an image display device such as a digital light processing (DLP) or a liquid crystal panel), even from an extremely short distance (large tilt angle) with respect to the wall surface It is possible to project with a reduction in trapezoidal distortion, etc., so that an excellent projected image can be obtained.
  • DLP digital light processing
  • the tilt projection optical system including a surface and a free-form surface lens further supplies various circuit components including a power supply circuit and a control circuit that supply necessary power and control signals to the above-described components, and leads the heat generation to the outside of the apparatus.
  • the cooling fan etc. are installed.
  • the light from the light source P0 (not shown) arranged substantially perpendicular to the optical axis and the image display element indicated by symbol P in the drawing is a prism (TIR prism) surface. Is totally reflected, is incident on the image display element indicated by P, is converted into an image light beam by the image display element, is transmitted through the prism surface, and is incident on the projection lens.
  • the image light flux from the image display element P (reflection-type image display element) passes through different locations of each lens in the projection lens with respect to the image formation position on the projection surface.
  • the lenses L15 and L16 are located above the optical axis shared by most other lenses, and therefore, by eliminating unnecessary lens effective areas (that is, cutting unnecessary portions and partially semicircularly). Can be miniaturized).
  • the image formation points shown in FIG. 3 are symmetrical with respect to the center of the screen, and the evaluation results at the image formation points on only one side are shown in FIGS. 4 (A) to 4 (D).
  • the light beams directed to the 25 image forming points on the image forming plane are separated from each other on the surface of the lens close to the image display element P, for example, the lens L1, but thereafter gradually mixed. That is, they are mixed on the surfaces of the lens L9 and the lens L10 (see FIG. 4A), and then begin to separate from each other on the surfaces of the lenses L11 to L14 (FIGS. 4B and 4 ( Further, it was found that the lenses L15 to L16 are separated from each other (see FIG. 4D).
  • the free-form surface is It has been found that placing the light beam at the above-described location allows the aberration to be corrected efficiently and greatly improves the sagittal aberration correction capability.
  • the above-mentioned aspherical lens has a function of bending the light beam in the meridinal direction, while the free-form surface lens has a function of correcting in the sagittal direction.
  • a part of the aspherical lens group (here, L11 to L16) having a function of curving the light beam extremely greatly upward, in particular, the light beam It is proposed to integrally form a free-form lens surface for correcting the aberration due to the aspheric lens at the separation location.
  • FIG. 5 shows, for example, the lens L16 closest to the image plane in the lens group G3 having the negative refractive power. That is, in this example, the lens surface of L16 is an aspheric lens L16-a, and in the region through which the image light beam passes (hereinafter referred to as an effective region), the sagittal aberration is corrected to the base aspheric surface.
  • a new curved surface including a free curved surface is added to form a new lens surface (hereinafter referred to as a synthetic lens surface) L16-S.
  • a synthetic lens surface a new lens surface
  • the synthetic lens surface is formed in a region other than the effective region, it will conflict with the present invention.
  • the lens L16 has a semicircular outer shape extending upward from the central optical axis as shown in FIG. In the cylinder 10, it is fixed at a predetermined position together with other lenses. Further, in this lens L16, the aspherical concave power at the circular central portion (optical axis) forming the outer shape of the lens is set to be smaller than the concave power at the peripheral portion.
  • FIG. 8A is a perspective view showing a state in which the lens L16 is taken out of the lens barrel 10.
  • FIG. 6 is a front view showing the outer shape of L15, which has an asymmetric outer shape whose outer center is decentered by d1 with respect to the optical axis.
  • a rotationally symmetric aspherical surface represented by the following formula 1 is formed on the lens surface outside the synthetic lens L16 using a local cylindrical coordinate system of the surface.
  • r is the distance from the optical axis
  • Z represents the sag amount
  • C is the curvature at the apex
  • k is the conic constant
  • a to J are coefficients of the power of r.
  • the lens surface uses a local orthogonal coordinate system (x, y, z) with the surface vertex of the surface as the origin, and is expressed by the following equation (2) including the X and Y polynomials.
  • equation (2) including the X and Y polynomials.
  • Z represents the sag amount 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
  • C (m, n) is a coefficient of a polynomial.
  • the above-described synthetic lens L16 is formed by mold molding in which a plastic resin is injected into a metal mold D.
  • the aspherical lens surface formed on the surface of the lens L16 having a substantially semicircular outer shape is the entire lens L14 as shown by the hatched portion NS of the broken line in the figure.
  • a free-form lens surface FS is included inside the aspheric lens surface as indicated by a solid shaded portion in the figure. Therefore, when creating the formation surface of the aspheric lens surface in the mold D, a part of the aspheric lens is formed as described above by simultaneously forming a processing surface for forming a free-form surface lens at a necessary place.
  • a lens L16 having a desired free-form surface lens is obtained. If a distance d of about 2 to 3 mm is provided from the outer periphery of the lens L16 to the aspheric lens surface NS, a so-called edge surface, which is a portion for fixing the lens, is formed on the outer peripheral edge. It becomes easy.
  • Reference numeral LG in the drawing indicates a protruding portion formed by a gate portion used when a resin is injected into the mold D in order to mold the lens L16.
  • the lens L16 formed as described above has an outer shape similar to that of a disk-shaped lens, and uses only a part (that is, the upper part of the central optical axis) as a lens.
  • the lens L16 can be used as a support for fixing the lens L16 in the lens barrel 10. Therefore, it is preferable that the gate portion indicated by the symbol LG is formed corresponding to the lower end portion of the lens L16.
  • a free-form surface lens that can correct aberrations is formed as part of the lens.
  • the synthetic lens L16 in which the aspherical lens and the free-form surface lens are integrally formed is arranged at a place where the light beam is separated as described above.
  • the projection image display apparatus The example of the last stage lens of the projection optical system that constitutes the lens is described.
  • the present invention is not limited only to the above-described embodiment, and in addition, a part of a normal spherical lens at a place where the light beam is relatively separated, such as the first stage of the lens optical system. It is possible to achieve the same effect by forming them integrally.
  • the lens L16 in which the aspherical lens and the free-form surface lens are integrally formed has been described as being fixedly disposed as the final lens of the projection optical system. Then, a mechanism (such as a screw groove formed on the outer periphery of the lens barrel) for moving a part of the lenses for focus adjustment is provided.
  • a mechanism such as a screw groove formed on the outer periphery of the lens barrel
  • the lens that integrally forms the lens surface of the free curved surface is a lens that does not move so that the optical position does not change due to the rotation of the lens.
  • the distance between the aspherical lens and the free-form surface lens can be shortened without increasing the number of lenses including the free-form surface lens by the function of the lens in which the aspherical lens and the free-form surface lens are integrally formed. It is possible to provide a projection display apparatus equipped with a projection optical system that can satisfy the demand for larger images and at the same time realizes downsizing of the entire apparatus and ease of manufacture.

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Abstract

　投写距離の大幅な短縮と大画像化の要求を十分に満足させ、装置全体の小型化と製造のし易さをも実現した投写光学系を備えた投写型映像表示装置を提供する。光源と、前記光源からの光の強度を映像信号に応じて変調する映像表示素子と、前記映像表示素子からの変調された映像光を投写面に対して斜め方向から投影する複数のレンズを含む投写レンズ系を筐体内に備えた傾斜型の投写映像表示装置であって、前記投写レンズ系は、非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズを備えており、当該非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズは、前記投写レンズ系において光束が互いに分離する位置に配置されている投写映像表示装置。

Description

投写型映像表示装置
　本発明は、映像を拡大して投写する投写型映像表示装置に関し、特に、そのために用いる投写レンズに関する。
　近年、投写距離（スクリーンと投写レンズ先端の距離）が短いながら大画面で良好な投写画像が得られる投写型映像表示装置が広く普及してきている。かかる投写型映像表示装置の投写光学系においては、大画面で良好な投写画像の投写を実現するため、映像表示素子を光軸に対して斜めに配置すると共に、偏心非球面形状の凹面鏡と非球面レンズを組み合わせて利用する、所謂、斜投写光学系を採用するものが既に知られている。
　例えば、以下の特許文献１によれば、スクリーンに映像を斜めに拡大投写しても台形歪若しくは収差若しくはその両方を抑えることができ、且つ、レンズの製造、組立調整が容易な投写型映像表示装置およびそれに用いる投写光学ユニットが既に知られている。
特開２００７－１６４００７号公報
　しかしながら、上述した従来技術では、近年益々高まった投写型映像表示装置に対する投写距離の短縮と大画像化の要求を、十分に満足することができるものではなかった。
　このため、発明者達は図９に示すように非球面レンズを複数枚用いて前述した要求を実現した。このレンズデータを図１１および図１２に示す。
　このとき得られた投写レンズの投写比（投写距離／投写画面対角寸法）は０．４４である。非球面レンズはＬ３、Ｌ１１、Ｌ１６であり、Ｌ３とＬ１６は広角化に伴うコマ収差の低減のため画像表示素子Ｐと投影面に近い位置に配置したレンズを非球面レンズとした。
　Ｌ１１は球面収差と低次のコマ収差を低減するため最も光束が広がる位置に配置したレンズを非球面レンズとした。
　この投写レンズのレンズデータを図１１、図１２に示すと共に８０インチに拡大投写した投写像のスポット形状を図１０に示す。
　図１０では、映像表示面である液晶パネルの表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（０，３．６７）、（－６．５３，３．６７）、（－３．９２，２．２０）、（０．０，０．０）、（０，０）、（－６．５３、０．０）、（－３．９２、－２．２０）、（０、－３．６７）（－５．５３,－３．６７）（－５．２２,－３．６７）（－５．２２,３．６７）の１０点から射出した光束のスポットダイアグラムを、その下から順に示しており、そのスケールの単位は５ｍｍである。また、各スポットダイアグラムの横方向は、映像表示面である液晶パネル上でのＸ方向であり、縦方向は映像表示面である液晶パネル上でのＹ方向である。
　このスポットダイアグラムに示すようにから、メリディオナル方向の収差はとサジタル方向の収差をバランス良く補正できず、画面対角方向ではどちらか一方の収差補正が不十分となった。
　その後、発明者らは図１３に示した外観形状を有した投射型映像表示装置を開発した。この時、セットの小型化と投写レンズの投写距離の更なる短縮を両立するため自由曲面レンズとミラーを併用した図１４に示した投写レンズを開発した。この投写レンズの投写比（投写距離／投写画面対角寸法）は０．２４である。非球面レンズはＬ３、Ｌ８、Ｌ１３と自由曲面レンズＬ１５Ａ、Ｌ１６Ａおよび自由曲面ミラーＭ１７から構成されている。
　超広角化しても発生する倍率色収差を軽減するために最終光学素子はミラーＭ１７を採用し画面歪みの補正を行うために自由曲面形状を採用した。このために発生する収差はミラー直前のレンズＬ１６Ａ、Ｌ１５Ａを自由曲面形状として補正している。自由曲面レンズＬ１５Ａ、Ｌ１６Ａの有効レンズ領域は投写レンズを構成する大多数のレンズにより構成される光軸を含まないように配置され超広角化を実現している。
　自由曲面レンズＬ１５Ａ、Ｌ１６Ａは映像光束が通過するレンズ有効領域を延長した形状として不要な部分を形成しないことで小型化を実現した。
　発明者等が採用した自由曲面レンズＬ１５Ａの外観形状を図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）に示す。レンズ有効領域を含むレンズ面Ｌ１５Ａ－ａの他に鏡筒に組み込みための平面部分Ｌ１５Ａ－ｂを設け、上部と平坦部の左右に設けたＵ溝を鏡筒に設けたピンに合わせ込むことで位置決めを行った。成形時に樹脂が流れ込むゲートはＬ１５Ａ－ｃの位置としてレンズ面に樹脂が流れ易い金型構造を採用した。
　同様に、発明者等が採用した自由曲面レンズＬ１６Ａの外観形状を図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）に示す。Ｌ１５Ａと同様にレンズ有効領域を含むレンズ面Ｌ１６Ａ－ａの他に鏡筒に組み込みための平面部分Ｌ１６Ａ－ｂを設け、上部と平坦部に設けたＵ溝を鏡筒に設けたピンに合わせ込むことで位置決めを行った。ゲートはＬ１６Ａ－ｃの位置としてＬ１５と同様にレンズ面に樹脂が流れ易い金型構造を採用した。
　更に鏡筒の中心と自由曲面レンズの中心を一致させるためにそれぞれの平坦部Ｌ１５Ａ－ｂ，Ｌ１６Ａ－ｂに基準平面を設け、対応する鏡筒部分との合わせで必要精度を確保する構成とした。
　しかしながら、上述した外形形状を有した自由曲面レンズＬ１５ＡおよびＬ１６Ａにおいては、(1)レンズ面と平面部が一体構成でないため成形条件が不安定な場合平坦部とレンズ面中央までの距離が変化し、結果としてレンズ面間距離が変化する。また、(2)平坦部がゲート部分と同一平面に無いため成形条件が不安定な場合平坦部分の平面度が１０μｍ以上となり組立精度が低下した。
　更に、レンズの外形が軸対称で無いため(3)プラスチック樹脂の充填量（成形条件）が不安定な成形条件では外形寸法が変化してレンズの中心と鏡筒の中心が一致せず組立精度が低下した。
　本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて達成されたものであり、即ち、投写距離の短距離化・大画面化の要求を十分に満足させながらも装置全体の小型化と製造を容易にすることを実現した投写光学系を備えた投写型映像表示装置を提供することをその目的とする。
　上記の目的を達成するために、本発明によれば、その一例として、光源と、前記光源からの光の強弱を映像信号に応じて変調する映像表示素子と、前記映像表示素子からの変調された映像光を投写面に斜め方向から投影する複数のレンズを含む投写レンズ系を筐体内に備えた投写映像表示装置であって、前記投写レンズ系は、図７に示すように光軸に対称なメリディオナル（子午的方向）の収差（基本収差）を低減するために光軸に対して対称な非球面を用いサジタル（球欠的方向）収差をより精細に補正するために前述の非球面に自由曲面を加えることで収差補正能力を大きく向上した新たなレンズ面を有するレンズを備える。
　当該レンズは、少なくともその一面に映像光束が通過する領域（以下、有効領域と記載）においては、ベースとなる非球面に自由曲面を加えて新たなレンズ面（以下合成レンズ面と記載）を形成する。
　合成レンズ面を有するレンズとしてプラスチックで成形する場合やガラスプレスで成形する場合、金型の加工とレンズ鏡筒への組込み精度を向上するために、前述の合成レンズにおける合成レンズ面はベースとなる非球面形状とを一体として形成したレンズ形状とすると良い。
　更に、レンズの外形は円弧状部分を有しておりレンズ鏡筒の内径と一致する構成とする。当該合成レンズは前記投写レンズ系において光束が互いに分離する位置に配置されるとより効果的に収差補正が可能となるため投写距離が短い斜投写投影に最適な投写映像表示装置が提供される。
　更に、投影面であるスクリーンに最も近い負の屈折力を持つレンズ群のいずれかのレンズを投写レンズの光軸に対して偏心させることで相対的に負の屈折力を強くしてレンズ外径を維持しながら更なる広角化を実現する。
　また、図２に示すような傾斜光学系では映像表示素子と投影面であるスクリーンを光軸に対して垂直に配置せず、図１に示すように傾けることで（角度θ）像面を光軸に対して垂直とする。
　本発明によれば、投写距離を大幅に短縮しても大画面化の要求を十分に満足させながらも投写型映像表示装置全体の小型化と製造のし易さをも実現した投写光学系を備えた投写型映像表示装置を提供することが可能となるという優れた効果を発揮する。
本発明の一実施の形態に係る投写型映像表示装置の傾斜投写光学系における投写レンズ系の一例を示す断面図である。 上記傾斜投写光学系における投写面を含む投写レンズ系の一例を示す断面図である。 本発明者による検討について説明するための、投写面での評価ポイントを示す図である。 本発明者による検討に伴って投写光学系のレンズにおける光束の状態を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る投写型映像表示装置の投写光学系のレンズＬ１６について説明するための図である。 本発明の一実施の形態に係る投写型映像表示装置の投写光学系のレンズＬ１５について説明するための図である。 メリディオナルとサジタル方向の収差補正についての説明図である。 本発明の一実施の形態に係る投写型映像表示装置の投写光学系のレンズＬ１５の製造方法の一例を説明する図である。 従来技術の傾斜投写光学系における投写レンズ系の一例を示す断面図である。 従来技術の傾斜投写光学系における投写レンズ系のスポットダイアグラムの一例を示す断面図である。 従来技術の傾斜投写光学系における投写レンズ系の一例を示すレンズデータである。 従来技術の傾斜投写光学系における投写レンズ系の一例を表すレンズデータである。 従来技術の一実施の形態になる投写型映像表示装置の全体の外観を示す斜視図である。 上記傾斜投写光学系における投写レンズ系の一例を示す断面図である。 上記従来技術の投写光学系のレンズＬ１５Ａについて説明するための図である。 上記従来技術の投写光学系のレンズＬ１６Ａについて説明するための図である。
　以下、本発明の一実施の形態に係る投写型映像表示装置およびその投写レンズについて、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
　まず、添付の図１は、本発明の一実施の形態に係る投写型映像表示装置の傾斜投写光学系における投写レンズ系の一例を示す断面図である。図１においては、投写型映像表示装置の投写距離を極力短縮するため、傾斜投写光学系を構成する複数枚のレンズのうち投写面に最も近い位置に配置されたレンズの片側のレンズ面近傍には、映像表示面からの映像光束が通過するレンズ有効領域以外の部分を遮光する絞りをレンズ面の形状に沿わした形状で配置して不要光を遮蔽してフォーカス性能の改善と投写像のコントラスト低下を軽減させている。
　広角化と投写レンズの小型化を両立させるために、映像表示素子Ｐを光軸１１に対して傾斜させる（角度θ）ことで投映像面を光軸に対して垂直にできる。この傾斜角度θは投写比０．５以下では１度程度、更に投写距離を縮めて投写比０．３以下を狙った場合でも、３度以下が投影画像全体の収差補正と歪み補正のバランスが良い。
　また、図２に示すように投影面が光軸の上部に存在する場合（図中ではシフト量Ｓ１）には、前述の映像表示素子Ｐの傾斜角度をシフト無しの場合より大きく取ると良い。
　投影面に最も近い位置に配置するレンズ群（図１においては第３群（Ｇ３））の例えば負の屈折力を有するレンズ（図１のＬ１５）を偏心ｄ１させることでレンズ外径を大きくしないで強い負の屈折力を持たせる。この偏心量としてはレンズ外径の１／５以下に押さえると収差補正とのバランスが良い。投影面に最も近いＬ１６についても偏心ｄ２させることで実効的には大きな負の屈折力を得ながら外形寸法を小型化できるがＬ１５と同様に偏心量はレンズ外径の１／４以下に押さえながらレンズ面を非球面とすることで広角化に伴う収差の低減が可能となる。
　Ｌ１６で示したレンズは、光束が光軸より上に偏って通過する位置に配置されていることから、そのレンズ面を非球面形状とすることで、レンズに対して光束が斜めに入射することで発生する高次のコマ収差の補正を行っている。
　更に、図７に示すように光軸から離れることで収差補正能力が向上する非球面形状でメリディオナル方向の収差を補正し、サジタル方向の収差は非球面形状に自由曲面形状を重畳して合成レンズ面を形成することで設計の自由度を向上させメリディオナル方向とサジタル方向の収差補正を両立させることができる。
　自由曲面形状と非球面形状を重畳させるには、後述する数１の式の値に、後述する数２の式の値を加えることでレンズ面Ｚの点を求めれば良い。数１の式の中でｒはレンズ中心からの距離、数２の式においてはｒ２＝ｘ２＋ｙ２として求めれば良い。例えば、光学設計プログラムＣｏｄｅＶでは自由曲面と非球面を重畳させた形状をユーザ定義面（本実施の形態では合成レンズ面と記載）として定義できるので光学設計に適用できる。
　投影面であるスクリーンに最も近い負の屈折力を持つレンズ群Ｇ３のいずれかのレンズを、投写レンズの光軸に対して偏心させることで相対的に負の屈折力を強くしてレンズ外径を維持しながら更なる広角化を実現する。例えば、本実施の形態の図１に示すＬ１６の偏心ｄ２およびＬ１５の偏心ｄ１のように光軸に対してそれぞれのレンズの中心を偏心させることで小型化を維持しながら強い負の屈折力を得ることができる。また、図５および図６に示すように光軸から離れた一部分を切り欠くことで投写レンズの小型化を実現できる。
　なお、図１３に示したような自由曲面ミラーを用いた投写型映像表示装置１００に使用する投写レンズ（図１４）の自由曲面ミラーを除くレンズ系に本実施の形態を適用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
　本実施の形態としては、最も映像面に近いレンズＬ１６に非球面と自由曲面を重畳した合成レンズを配置したが、映像光束が分離してレンズ面に入射するレンズとしては映像表示素子に近いレンズ群Ｇ１の例えばＬ１，Ｌ２，Ｌ３にも同様に合成レンズを配置することで更に良好な収差補正が実現できることは言うまでもない。
　本実施の形態の投写型映像表示装置においても、図１３に示す従来投写型映像表示装置と同様に上部筐体１００ａと下部筐体１００ｂにより形成される内部空間には、当該投写型映像表示装置を構成するための構成部品である、例えば、光源であるランプ、またはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｄｉｏｄｅ）または青色レーザ（Ｌａｓｅｒ）で蛍光体を励起して光を得る当該光源からの光を外部からの映像信号などに基づいた映像光に変調する光変調部（例えば、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｌｉｇｈｔ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、液晶パネル等の映像表示素子）、当該映像光を壁面に対して極めて近距離（大きな傾斜角度）からでも台形歪等を低減して投写することが可能であり、もって、優れた投写映像が得られる、所謂、非球面や自由曲面レンズを含む傾斜投写光学系が、更には、上記構成部品に対して必要な電力や制御信号を供給する電源回路や制御回路を含む各種回路部品、その発熱を装置外部に導くための冷却ファン等が搭載されている。
　なお、上記の光学系においては、図中に符号Ｐで示した映像表示素子と光軸に対して略垂直方向に配置された光源Ｐ０（図示せず）からの光はプリズム（ＴＩＲプリズム）面で全反射し、符号Ｐで示す映像表示素子に入射し映像表示素子により映像光束に変換され、プリズム面を透過して投写レンズに入射する。当該映像表示素子Ｐ（反射型映像表示素子）からの映像光束は、投影面の結像位置に対して、投写レンズ内ではそれぞれのレンズの異なった場所を通過する。特に、レンズＬ１５とＬ１６は、その他の殆どのレンズが共有する光軸よりも上部に位置しており、そのため不要なレンズ有効領域をなくすことで（即ち、不要な部分を切断し一部半円形状化して）小型化ができる。
　続いて、以下に、本発明者による検討の結果を示す。上述した傾斜投写光学系を形成する投写レンズにおける投写光の挙動を観察するため、発明者は、図３に示すように、例えば投影面上に、５×５＝２５個の点を設け、これらの点で結像した光束が図１に示す投写レンズを構成する単レンズのどの位置を通過するかをシミュレーションで求めた。
　図３に示した結像点はスクリーン中心に対して左右対称であり片側のみの結像点での評価結果を図４（Ａ）～（Ｄ）に示す。これら結像面での２５個の結像点へ向かう光束は、映像表示素子Ｐに近いレンズ、例えば、レンズＬ１の面上では互いに分離しているが、その後、徐々に混在するようになる。即ち、上記レンズＬ９およびレンズＬ１０の面上においては、互いに混在し（図４（Ａ）を参照）、その後、レンズＬ１１～Ｌ１４の面上では互いに分離し始め（図４（Ｂ）および４（Ｃ）を参照）、更に、レンズＬ１５～Ｌ１６においては、互いに分離する（図４（Ｄ）を参照）ことが分かった。
　一方、上述した非球面や自由曲面レンズを含む傾斜投写光学系では、非球面と自由曲面とを割合は、９８％～９０％：２％～１０％程度であることを考慮すると、自由曲面は、上述した光束が分離する場所に配置することが、効率的に、単独で収差補正が可能となり、サジタル方向の収差補正能力が大幅に向上されることが分かった。なお、上述した非球面レンズは、光束をメリディナル方向に湾曲する機能を有し、一方、自由曲面レンズは、サジタル方向において補正する機能を有する。
　そこで、本発明では、上述した発明者による検討の結果に基づき、光束を上方に極めて大きく湾曲させる機能を有する非球面のレンズ群（ここでは、Ｌ１１～Ｌ１６）の一部において、特に、光束が分離する場所において、上記非球面レンズによる収差を補正するための自由曲面のレンズ面を一体に形成することが提案される。
　図５には、例えば、上記の負の屈折力を有するレンズ群Ｇ３うちの映像面に最も近いレンズＬ１６について示す。即ち、本例では、Ｌ１６のレンズ面を非球面レンズＬ１６－ａとすると共に、映像光束が通過する領域（以下、有効領域と記載）においては、ベースとなる非球面にサジタル方向の収差の補正能力を向上するために自由曲面を含んだ自由曲面を加えて新たなレンズ面（以下合成レンズ面と記載）Ｌ１６‐Ｓを形成したものである。なお、合成レンズ面は有効領域以外に形成しても本願発明に抵触することは言うまでもない。
　このレンズＬ１６は、図５に示した実施の形態の他に、図８に示すように中心の光軸よりも上方に広がる半円状の外形を有しており、これにより、円筒状の鏡筒１０内において、他のレンズと共に、所定の位置に固定される。また、このレンズＬ１６は、当該レンズの外形を成す円形の中心部（光軸）での非球面の凹パワーが、周辺部における凹パワーよりも小さく設定されている。なお、図８（Ａ）は、レンズＬ１６を鏡筒１０の外部へ取り出して状態を示した斜視図である。
　更に、図６はＬ１５の外形形状を示す正面図で外形中心が光軸に対してｄ１だけ偏心している非対称な外形形状を有している。
　合成レンズＬ１６の外側のレンズ面には、当該面のローカルな円筒座標系を用いて、以下の数１の式で表される回転対称な非球面が形成される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　なお、ここでは、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～Ｊはｒのべき乗の項の係数である。
　また、当該レンズ面には、当該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の多項式を含む以下の数２の式で表される自由曲面が形成される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　なお、ここでは、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。
　なお、上述した合成レンズＬ１６は、プラスチック樹脂を金属製の金型Ｄに注入する金型成形により形成される。その際、図８（Ｂ）にも示すように、外形が略半円形のレンズＬ１６の表面に形成される非球面のレンズ面は、図に破線の斜線部ＮＳで示すように、レンズＬ１４全体の外周縁から２～３ｍｍ程度の距離ｄだけ内側に形成され、更に、自由曲面のレンズ面ＦＳは、図に実線の斜線部で示すように、当該非球面のレンズ面の内部に含まれる。そのため、金型Ｄにおける非球面レンズ面の形成面を作成する際、必要な個所に自由曲面レンズを形成するための加工面を同時に形成することにより、上述したように非球面レンズの一部を所望の自由曲面レンズとしたレンズＬ１６が得られる。なお、レンズＬ１６の外周から非球面のレンズ面ＮＳまでに２～３ｍｍ程度の距離ｄを設けることによれば、その外周縁にはレンズの固定用の部位である、所謂、コバ面が形成し易くなる。また、図中の符号ＬＧは、レンズＬ１６を成形するために金型Ｄの内部に樹脂を注入する際に使用されるゲート部により形成される突出部を示している。
　上述したようにして形成されたレンズＬ１６は、その外形を円盤状のレンズと同様にし、その一部（即ち、中心の光軸の上部）のみをレンズとして利用することから、その下部は、もっぱら、レンズＬ１６を鏡筒１０内に固定するための支持部として使用することができる。そのため、上記に符号ＬＧで示したゲート部は、レンズＬ１６の下端部に対応して形成されることが好ましい。
　以上に詳細に述べたように、短距離かつ大画像の映像投写のために光束を上方に極めて大きく湾曲させる非球面レンズと共に、その一部に、収差補正が可能な自由曲面レンズを一体に形成したレンズＬ１６を使用することによれば、短距離化・大画像化の要求を十分に満足させながらも、装置全体の小型化を可能とすると共に、その製造も比較的容易である。
　なお、上記の例では、非球面レンズと自由曲面レンズを一体に形成した合成レンズＬ１６は、上述したように、光束が分離する場所において配置するものとし、その一例として、当該投写型映像表示装置を構成する投写光学系の最終段のレンズとした例について述べた。しかしながら、本発明は、上記の実施の形態にのみ限定されるものではなく、その他、例えば、レンズ光学系の最初の段など、比較的に光束が分離する場所において、通常の球面レンズの一部に一体に形成することによっても、同様の効果を達成することが可能である。
　また、上記の実施の形態では、非球面レンズと自由曲面レンズを一体に形成したレンズＬ１６は、投写光学系の最終段のレンズとして固定して配置されているものとして説明したが、実際の装置では、フォーカス調整のために一部のレンズを移動する機構（鏡筒の外周に形成したネジ溝など）を設けることが行われる。しかしながら、その場合でも、当該自由曲面のレンズ面を一体に形成するレンズは、レンズの回転などによって光学的な位置が変化しないように、移動しないレンズとすることが好ましい。
　以上からも明らかなように、本発明によれば、上述した非球面レンズと自由曲面レンズを一体に形成したレンズの働きにより、自由曲面レンズを含めたレンズの枚数を増加させることなく短距離化・大画像化の要求を満足させることができ、同時に、装置全体の小型化と製造のし易さをも実現した投写光学系を備えた投写型映像表示装置を提供することが可能となる。
　以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かり易く説明するために装置全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１０…鏡筒、１１…光軸、１００…投写型映像表示装置、１００ａ…投写型映像表示装置の上部筐体、１００ｂ…投写型映像表示装置の下部筐体、ｄ１、ｄ２…レンズ外形中心と光軸の偏差、Ｌ１～Ｌ１６…レンズ、Ｌ１６…非球面＋自由曲面レンズ、Ｌ１６－ａ…非球面レンズ、Ｌ１６‐ｃ…ゲート、Ｌ１６－Ｓ自由曲面＋非球面領域（合成レンズ面）、Ｌ１５Ａ、Ｌ１６Ａ…自由曲面レンズ、ＬＧ…ゲート部、φ２、φ３…映像光束、Ｍ１７…自由曲面ミラー、Ｐ…映像表示素子、ＰＬ…映像表示素子、Ｐ１…クロスプリズム。

Claims (14)

  1. 　光源と、
    　前記光源からの光の強度を映像信号に応じて変調する映像表示素子と、
    　前記映像表示素子からの変調された映像光を投写面に斜め方向から投影する複数のレンズを含む投写レンズ系と、を筐体内に備えた傾斜型の投写映像表示装置であって、
    　前記投写レンズ系は、非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズを備えており、
    　前記非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズは、前記投写レンズ系において光束が互いに分離する位置に配置されている、投写映像表示装置。
  2. 　請求項１に記載の投写映像表示装置において、
    　前記非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズは、前記投写レンズ系の最も投影面に近いレンズ群に位置に配置されている、投写映像表示装置。
  3. 　請求項１に記載の投写映像表示装置において、
    　前記非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズは、前記投写レンズ系の最も映像表示素子に近いレンズ群に配置されている、投写映像表示装置。
  4. 　請求項２に記載の投写映像表示装置において、
    　前記非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズは、前記投写レンズ系の最も投影面に近い位置に配置されている、投写映像表示装置。
  5. 　請求項３に記載の投写映像表示装置において、
    　前記非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズは、前記投写レンズ系の最も映像表示素子に近い位置に配置されている、投写映像表示装置。
  6. 　請求項４に記載の投写映像表示装置において、
    　前記非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズは、金型により射出成型されたプラスチックレンズである、投写映像表示装置。
  7. 　請求項５に記載の投写映像表示装置において、
    　前記非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズは、金型により射出成型されたプラスチックレンズである、投写映像表示装置。
  8. 　請求項４に記載の投写映像表示装置において、
    　前記非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズは、外形略半円形状に形成さている、投写映像表示装置。
  9. 　請求項５に記載の投写映像表示装置において、
    　前記非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズは、外形略半円形状に形成さている、投写映像表示装置。
  10. 　請求項４に記載の投写映像表示装置において、
    　前記非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズは、前記レンズの中心部での非球面の凹パワーが、周辺部における凹パワーよりも小さく設定されている、投写映像表示装置。
  11. 　請求項５に記載の投写映像表示装置において、
    　前記非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズは、前記レンズの中心部での非球面の凹パワーが、周辺部における凹パワーよりも小さく設定されている、投写映像表示装置。
  12. 　請求項４に記載の投写映像表示装置において、
    　前記非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズは、前記レンズ表面の非球面部分の割合が自由曲面の割合よりも大きく設定されている、投写映像表示装置。
  13. 　請求項５に記載の投写映像表示装置において、
    　前記非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズは、前記レンズ表面の非球面部分の割合が自由曲面の割合よりも大きく設定されている、投写映像表示装置。
  14. 　請求項１に記載の投写映像表示装置において、
    　前記非球面のレンズ面と自由曲面のレンズ面を一体に有するレンズは、前記投写レンズ系の複数のレンズのうちの固定されたレンズである、投写映像表示装置。
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