專利名稱：：投射型顯示裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及用于將來自影像顯示元件的圖像放大并投射至屏幕等以進行圖像顯示的光學單元和使用光學單元的投射型顯示裝置。
背景技術：
：日本專利特開平5-134213號公報中公開有以下技術使投影畫面相對投影系統(tǒng)的光軸在垂直方向上移動，并且使用相對投影系統(tǒng)的光軸以規(guī)定的角度傾斜配置的附加光學系統(tǒng)(無焦轉換器(afocalcorwerter))，將影像放大投影于相對屏幕傾斜的方向的技術。在日本專利特開2004-157560號公報中公開有使用多個反射鏡(反射系統(tǒng)光學元件)將影像顯示元件的圖像放大并投射到屏幕(投射面)上的反射型成像光學系統(tǒng)。
發(fā)明內容如果將影像從相對屏幕傾斜的方向進行投射，則在投射影像中產生梯形失真。為了消除這種失真，在日本專利特開平5-134213號公報中記載的光學單元中，通過使配置在屏幕側的附加光學系統(tǒng)(無焦轉換器)偏心而抑制梯形失真。其中，這里所說的附加光學系統(tǒng)指的是具有變換投影像大小的作用的光學系統(tǒng)，是用于對來自相對屏幕傾斜的方向的投射相伴的投影像的失真進行校正、降低，并得到長方形的投影像的光學系統(tǒng)。但是，由于形成這種偏心附加光學系統(tǒng)的透鏡倍率低、難以廣角化，所以為了得到所需倍率的投影像，存在從投影裝置到屏幕的距離變長，此外，投影畫面和投影系統(tǒng)之間的距離也變長，甚至裝置自身也變大(特別是光學單元光軸方向的長度)的問題。除此之外，作為構成上述偏心附加光學系統(tǒng)的透鏡，需要口徑大的附加光學系統(tǒng)，因而成為光學單元的成本上升的原因。另一方面，在日本專利特開2004-157560號公報中記載的反射型成像光學系統(tǒng)，通過利用反射光學系統(tǒng)(反射鏡)替代現(xiàn)有技術中的透過型成像光學系統(tǒng)(透鏡系統(tǒng))，抑制成像系統(tǒng)的大型化且實現(xiàn)廣視角化。但是，由于反射鏡對光的偏心(偏向)量大，特別是在裝置內，也包括其傾斜角度難以將多個反射鏡配置在正確的位置，此外，由于因振動容易使反射鏡的傾斜角度等發(fā)生變化，所以其制造相當困難。本發(fā)明鑒于上述問題研究而成，目的在于提供一種不使裝置大型化且能夠實現(xiàn)廣角化，并且裝置自身的制造也容易的光學單元和使用該光學單元的投射型顯示裝置。本發(fā)明的一個方面是，用使光發(fā)散的呈旋轉對稱面形狀的折射透鏡和呈旋轉非對稱的自由曲面形狀的多個自由曲面透鏡形成后方透鏡組。圖1為表示實施例1的光學單元的截面圖。圖2為表示實施例1的光學單元的透鏡的配置的一個例子的立體圖。圖3為實施例1的光學單元的透鏡的垂直方向和水平方向的截面圖。圖4為表示在采用實施例1的光學單元的投射型顯示裝置中，使投射距離發(fā)生變化時的構造以及圖形失真的狀態(tài)的圖。圖5為表示在采用實施例1的光學單元的投射型顯示裝置中，使投射距離發(fā)生變化時的光斑(spot)狀態(tài)的圖。圖6為表示在實施例1光學單元中使后方透鏡組移動的狀態(tài)的圖。圖7為表示用于在實施例1光學單元中使后方透鏡組移動的構造的一個例子的圖。圖8為傾斜實施例1的光學單元而使畫面移動時的圖。圖9為表示傾斜實施例1的光學單元而使畫面移動時的光斑的變化的圖。圖IO為表示在實施例l光學單元中，由于對圖面移動的調整而移動的透鏡的位置關系的圖。圖11為表示在實施例1光學單元中，實現(xiàn)能夠對應投射距離的變化和圖面移動的后方透鏡組的移動的構造的一個例子的圖。圖12為表示實施例2的結構和光路的YZ截面圖。圖13為表示實施例2的結構和光路的XZ截面圖。圖14為表示實施例2的光學單元的透鏡配置的立體圖。圖15為表示實施例2的光學單元的圖形失真性能的圖。圖16為表示實施例2的光學單元的光斑性能的圖具體實施例方式下面參照附圖對實施例進行詳細的說明。[實施例1]首先，圖1為表示實施例1的光學單元的截面圖，以XYZ正交坐標系(圖中箭頭所示)的YZ截面表示光學系統(tǒng)。如圖l所示，實施例1的光學單元由將來自光源8的光調制成對應光學像的影像信號的影像顯示元件1、由棱鏡10和包括前方透鏡組2和后方透鏡組3的這二個透鏡組形成的透過(透鏡)光學系統(tǒng)、以及，包含具有不是旋轉對稱(即非旋轉對稱)自由曲面形狀的反射面的反射鏡(以下稱為自由曲面鏡)4的反射光學系統(tǒng)形成。這里，作為影像顯示元件1，表示的是例如采用以液晶面板為代表的透過型顯示元件，但不限于此，例如也可以采用CRT這樣的自發(fā)光型顯示元件。此外，作為影像顯示元件1，例如，在采用液晶面板等透過型顯示元件的情況下，需要成為照射液晶面板的光源8的燈。此外，作為液晶面板，也可以采用所謂的三板式即對R、G、B的多個圖像進行合成的方式，在這種情況下，需要影像合成用的棱鏡等。但是，關于這些液晶面板的詳細內容以及成為照射其的光源8的燈等，在后面進行說明，這里由于沒有直接的關系，省略其圖示。另一方面，在CRT這樣的自發(fā)光型顯示元件中無需光源8這一點是明確的。如上所述，在實施例1的光學單元中，從影像顯示元件1射出的光首先入射形成透鏡光學系統(tǒng)的前方透鏡組2。后面也會對其進行詳細說明，該前方透鏡組2為旋轉對稱面形狀，包含具有正的屈光力(power)和負的屈光力的多個折射透鏡。這里，使光會聚的功能稱為正的屈光力，使光發(fā)散的功能稱為負的屈光力。其后，從該前方透鏡組2射出的光通過由多個透鏡形成的后方透鏡組3，所述多個透鏡包含具有至少一個面不是旋轉對稱(非旋轉對稱)自由曲面形狀的多個(本例中為2個)透鏡。然后，從該后方透鏡組3射出的光，進一步經包含具有不是旋轉對稱自由曲面形狀的反射面的反射鏡(以下稱為自由曲面鏡)4的反射光學系統(tǒng)放大反射之后，被投射到規(guī)定的屏幕5(例如房間的壁面或薄板狀的屏幕等)上。其中，由圖1也可明確，與專利文獻1這種使投影畫面(顯示元件)相對投影系統(tǒng)的光軸在垂直方向上移動，并且相對投影系統(tǒng)的光軸以規(guī)定的角度傾斜而配置有附加光學系統(tǒng)的光學系統(tǒng)不同，在實施例l中，影像顯示元件l按照其顯示畫面的中央大致位于透鏡光學系統(tǒng)的光軸上的方式配置(即大致形成共軸光學系統(tǒng))。因此，從影像顯示元件l的顯示畫面的中央出來，垂直于顯示面射出，并向著屏幕5上的畫面中央的光線11(下面將其稱為畫面中央光線)，大致在透鏡光學系統(tǒng)(包括前方透鏡組2和后方透鏡組3)的光軸附近前進。其后，該畫面中央光線ll在反射光學系統(tǒng)(包含自由曲面鏡)的具有自由曲面形狀的反射面4上的點P2被反射之后，相對屏幕的法線7從下方傾斜地入射至屏幕5上的畫面中央的點P5。以下將該角度稱為"傾斜入射角度"，用95表示。這就是說，通過使沿透鏡光學系統(tǒng)的光軸通過的光線相對屏幕傾斜入射，從而實質上變成透鏡光學系統(tǒng)的光軸相對屏幕傾斜地設置(成為傾斜入射系統(tǒng))。其中，如上所述，如果光線相對屏幕傾斜入射，則產生從影像顯示元件1投射的長方形的形狀變成梯形的所謂的梯形失真，除此之外，還產生因相對光軸旋轉非對稱而引起的各種像差，但是，在實施例1中，這些像差通過形成透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3以及反射光學系統(tǒng)的反射面進行校正。特別是，通過使從影像顯示元件1投射的光線經形成反射光學系統(tǒng)的反射鏡4反射而傾斜投射到屏幕5上，則與從透過型透鏡光學系統(tǒng)射出的視角相比，能夠得到更大的視角，此外由于難以產生倍率色差，所以能夠抑制裝置的大型化并且實現(xiàn)廣視角化。即，與專利文獻1的使附加光學系統(tǒng)(無焦轉換器)偏心以抑制梯形失真的光學系統(tǒng)相比較，包括前方透鏡組2和后方透鏡組3的透鏡光學系統(tǒng)能夠形成為口徑更小的光學系統(tǒng)。此外，如上所述，通過在后方透鏡組中包含具有負的屈光力的透鏡，負擔一部分廣角化，使入射至形成反射光學系統(tǒng)的反射鏡4的反射面的光，廣角化到規(guī)定的大小進行投射，與專利文獻2中僅采用反射鏡形成放大投影系統(tǒng)的方式相比，其制造變得容易。S卩，將透鏡光學系統(tǒng)與反射光學系統(tǒng)分別制造，其后，在裝置框體內，通過固定調整這兩者的位置，特別適于量產。此外，如上所述，如果將用于校正梯形失真等的后方透鏡組3配置在前方透鏡組2的前方，能夠縮小該后方透鏡組3和前方透鏡組2之間的間隔而配置，所以與采用多個反射面形成的方式相比，能夠使搭載光學單元的裝置整體上緊湊化，特別是能夠得到能減小屏幕下方的高度的效果。這樣，如果將具有自由曲面形狀的透過型的透鏡光學系統(tǒng)和具有自由曲面形狀的反射光學系統(tǒng)進行組合，特別是在適用于前置投射型的顯示裝置的情況下，能夠確切且較容易地實現(xiàn)前置投射型所強烈要求的廣視角化、以及使裝置整體小型化的緊湊型光學系統(tǒng)。接著，在圖2和圖3中，表示的是包含反射光學系統(tǒng)的光學單元中的光學元件的透鏡面。S卩，圖2為光學單元的立體圖，圖3分別表示其垂直方向截面(圖3(a))，及其水平方向截面(圖3(b))。如這些圖中所示，在透鏡光學系統(tǒng)中，從影像顯示元件1射出的影像首先入射至包含多個具有旋轉對稱形狀的透鏡的前方透鏡組2。如上所述，前方透鏡組2包含旋轉對稱的球面透鏡和非球面透鏡。或者，如后面圖13和圖14所示，也可以在途中配置偏折鏡使光線呈直角偏折。此外，后方透鏡組3至少由二個自由曲面透鏡形成。如這些圖中所示，最靠近反射鏡4的反射面S22的自由曲面透鏡33從水平方向的截面來看，凹面向著該光的出射方向，并且，入射屏幕下端的光線所通過的部分的曲率被設定為大于入射屏幕上端的光線所通過的部分的曲率。即，自由曲面透鏡具有以下形狀凹向該光的出射方向而彎曲，并且，入射屏幕下端的光線所通過的部分的曲率比入射屏幕上端的光線所通過的部分的曲率大。此外，在實施例1中，以滿足下面的條件的方式形成。即，在圖1所示的截面內，將從影像顯示元件1的畫面下端射出并通過前方透鏡組2的入射瞳的中央，入射屏幕5的畫面上端的點P6的光線作為光線12。將該光線12從通過自由曲面鏡4的點P3到屏幕上的點P6的光路長度作為Ll。此外，將從影像顯示元件1的畫面上端射出并通過前方透鏡組2的入射瞳的中央，入射屏幕5的畫面下端的點P4的光線作為光線13。將該光線13從通過自由曲面鏡4的點Pl到屏幕上的點P4的光路長度作為L2。則在光學單元中，按照Ll、L2滿足下式(公式1)的方式而形成。[公式1]|L1_L2|<1.2*sin9s*Dv。但是，在這里，Dv為圖1的截面內的屏幕上的畫面的大小，換言之，是從屏幕上畫面上端的點P6到畫面下端的點P4的距離。此外，9s為傾斜入射角度。另一方面，影像顯示元件1按照其顯示畫面的中央位于透鏡光學系統(tǒng)的光軸上的方式而配置，或者，如圖3(a)所示，優(yōu)選顯示畫面的法線相對透鏡光學系統(tǒng)光軸稍稍傾斜配置。其中，由圖1可見，如前所述，從點P3到點P6的光路長度比從點Pl到點P4的光路長度長。這意味著從透鏡光學系統(tǒng)來看，屏幕上的像點P6比像點P4遠。因此，如果對應屏幕上的像點P6的物點(顯示畫面上的點)位于更靠近透鏡光學系統(tǒng)的點，而對應像點P4的物點位于更遠離透鏡光學系統(tǒng)的點，則能夠校正像面的傾斜。因此，優(yōu)選如圖3(a)所示，使影像顯示元件1的顯示畫面中央的法線矢量，在包含屏幕5的法線和畫面中央光線的平面內，相對透鏡光學系統(tǒng)的光軸稍稍傾斜。并且，該傾斜方向優(yōu)選為與屏幕5傾斜的方向相反的方向。為了得到相對光軸傾斜的像平面而傾斜物平面的方法是已知的，但在實用的大小的視角中，物平面的傾斜產生的像面相對光軸產生非對稱的變形，用旋轉對稱的投射透鏡難以校正。在實施例1中，由于在后方透鏡組3中，采用旋轉非對稱的自由曲面透鏡32，再同樣采用自由曲面透鏡33，所以能夠對應非對稱的像面的變形。因此，通過傾斜物平面，即傾斜影像顯示元件的顯示面，能夠大大地降低下一像面的失真，對于輔助自由曲面的像差校正是有效的。下面對上述各光學要素的作用進行說明，在透鏡光學系統(tǒng)中，其前方透鏡組2(透鏡2127)為用于將影像顯示元件1的顯示畫面投射到屏幕5上的主透鏡，對旋轉對稱光學系統(tǒng)中的基本的像差進行校正。此外，透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3(透鏡3133)由具有不是旋轉對稱(旋轉非對稱)自由曲面形狀的透鏡而形成。再者，由于反射光學系統(tǒng)4由具有不是旋轉對稱的自由曲面形狀的反射面而形成，所以，主要進行因傾斜入射而產生的像差的校正。即，成為反射光學系統(tǒng)的反射鏡4主要用于校正梯形失真，而透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3主要進行像面的失真等非對稱的像差的校正。如上所述，在實施例1中，反射光學系統(tǒng)由一個具有不是旋轉對稱自由曲面形狀的反射面(鏡)4而形成，透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3包含兩面均具有旋轉非對稱的自由曲面形狀的二個透過型透鏡(反射鏡4一側的透鏡32和33)。其中，自由曲面鏡4以凸向其反射方向的方式彎曲。并且，在包含畫面中央光線和投射面法線的截面內，自由曲面鏡4對入射屏幕下端的光線進行反射的部分的曲率比對入射屏幕上端的光線進行反射的部分的曲率大。此外，對入射屏幕下端的光線進行反射的部分相對其反射方向呈凸的形狀，另一方面，對入射屏幕上端的光線進行反射的部分在其反射方向呈凹的形狀也可以。接下來，在圖4中表示在采用將光軸相對屏幕傾斜而傾斜投射的方式的光學系統(tǒng)中，改變從光學單元到屏幕的投射距離時所產生的問題。即，如圖4所示，在使屏幕位置從設計位置大幅度移動而使投射距離大大變化時，對于未傾斜投射的旋轉對稱的光學系統(tǒng)，通過改變面板和透鏡的距離等的調節(jié)能夠進行對焦，圖形失真也不怎么變化，而對于采用將光軸相對屏幕傾斜而傾斜投射的方式的光學系統(tǒng)，失真變大，此外，如圖5所示，光斑尺寸也變大，像質大大劣化。在圖4中表示在將屏幕5的位置從設計位置51(設計畫面尺寸例如相當于80英寸)，置于使投影畫面縮小的方向的位置52(例如畫面尺寸相當于60英寸)的情況下，以及置于使畫面放大的方向的位置53(例如畫面尺寸相當于100英寸)的情況下的圖形失真的狀態(tài)。圖4(A)表示在屏幕位置52的圖形失真，圖4(B)表示在屏幕位置51的圖形失真，圖4(C)表示在屏幕位置53的圖形失真。在圖5中表示在與圖4相同的三個不同的屏幕位置處的畫面上的8個點的光斑的形狀。以畫面的中央作為原點，若以畫面橫向方向作為標準化水平方向坐標X，以畫面縱向方向作為標準化垂直方向坐標Y，則這8個點分別為(0.5，0.5)、(O，O.5)、(0.3，0.3)、(0.5，0)、(O，O)、(0.3，-0.3)、(0.5，-0.5)、(0，-0.5)的8個點，圖5中從上向下依次以(1)(8)表示。其中，Y坐標為畫面的垂直方向，圖5的上側為正。此外，圖5(A)表示屏幕位置52、圖5(B)表示屏幕位置51、圖5(C)表示屏幕位置53的光斑形狀。從這些也可看出，失真的大小大至畫面縱向寬度的約2%以上，光斑形狀增大至設計位置時的5倍以上，解析性能劣化。光斑尺寸的增大，即使通過使例如面板的位置前后移動而進行對焦，也不能使整個畫面的光斑形狀良好。其理由在于，如圖5所示光斑尺寸的增大量根據(jù)畫面所處位置的不同而不同，由于光學系統(tǒng)不是旋轉對稱，因此在面板、旋轉對稱的透鏡的移動中，如果對畫面的一部分對焦，則其他部分的焦點將大大偏移的緣故。此外，如果僅移動作為自由曲面透鏡的后方透鏡組的透鏡32、33，仍然難以進行該光斑形狀的校正。這是由于在屏幕位置的大幅移動相伴的焦點位置的移動中，旋轉對稱透鏡的屈光力變得必要的緣故。7由此可知，通過在使幾個透鏡對應于投射距離的變化而移動的同時，也包括其他不移動的透鏡，以使得在各種投射距離下的性能達到良好平衡的方式對形狀進行優(yōu)化，從而能夠得到相對投射距離的變化不會產生性能劣化的投射光學系統(tǒng)。在選擇移動的透鏡時，對應于屏幕位置的移動，使透鏡移動，并對有效改善光斑形狀的失真、解析性能的透鏡進行調查，結果可看出，特別是使形成后方透鏡組的具有負屈光力的透鏡31、具有自由曲面的透過透鏡32、以及透過透鏡33各自分別獨立地在其光軸方向上僅移動規(guī)定的距離是有效的。而且，使具有自由曲面的鏡4移動也是有效的。但是，由于使傾斜設置、并且尺寸較大的自由曲面鏡4移動，從裝置的結構上來說也困難重重，所以，特別是對形成后方透鏡組3的透鏡3133進行移動最為有效。在圖6中表示在使形成后方透鏡組3的透鏡即具有自由曲面的透過透鏡33、另一個具有自由曲面的透過透鏡32、以及具有負屈光力的旋轉對稱的透鏡31與投射屏幕的位置即畫面尺寸匹配而移動至規(guī)定位置時的樣子。其中，分別圖6(a)表示在圖4中將屏幕置于使投影畫面縮小的方向的位置52(例如畫面尺寸相當于60英寸)時的情況、圖6(b)表示使屏幕位于設計位置51(例如畫面尺寸相當于80英寸)時的情況、圖6(c)表示將屏幕移動至使投影畫面放大的方向的位置53(例如畫面尺寸相當于100英寸)時的情況。在圖6中，為了使透鏡移動的樣子明了，而稍微強調透鏡的移動量進行表示。這樣，根據(jù)至屏幕的距離即投射距離的變化，通過使三個透鏡組在光軸方向上分別獨立地移動而進行調節(jié)，從而在屏幕的位置52到53之間，對到屏幕的焦點和圖形失真的兩者進行校正，如現(xiàn)有旋轉對稱透鏡的焦點調整，能夠得到良好的性能。其中，作為用于使形成后方透鏡組3的透鏡組3133移動的構造，例如，如圖7所示，在二個搭載臺210、220上分別組裝前方透鏡組2(旋轉對稱的透鏡2127)和后方透鏡組3(透鏡3133)。其中，在一個搭載臺(例如搭載臺210)上，將前方透鏡組2(旋轉對稱的透鏡2127)固定在預先規(guī)定的位置上，將搭載臺210固定于裝置內。然后，在另外一個搭載臺(例如搭載臺220)中，預先形成曲線的槽221、222、223，并且將搭載臺220以相對搭載臺210(本例中如圖中箭頭所示，相對透鏡組的光軸方向呈直角方向)能夠移動的方式設置于裝置內。而且，形成后方透鏡組3的透鏡3133，如圖6所示，分成由透鏡31、透鏡32、以及透鏡33組成的三個組，各自的位置對應于投射到屏幕而得到的畫面尺寸(60英寸、80英寸、100英寸)而進行移動。因此，對應于這三組透鏡的移動而形成槽221、222、223，并且，如圖7所示，將可移動的搭載臺220按照與其上形成的表示基準的標記224的位置(例如，在搭載有搭載臺220的裝置側的基臺上印有"60"英寸、"80"英寸、"100"英寸等標記)對應，三組透鏡，透鏡31、透鏡32、以及透鏡33分別配置在所希望的位置的方式(即對各透鏡組以所希望的傾斜角度)而形成。通過這樣，僅移動另一個搭載臺220，即可將后方透鏡組3的各透鏡(透鏡3133)相對前方透鏡組2，相對光軸方向自由地改變其相對位置，通過如現(xiàn)有旋轉對稱透鏡的焦點調整的簡易操作，對于從屏幕位置52到53之間的投射距離的變化，能夠得到圖形失真、對焦情況良好的性能。下面對前置投影儀的畫面位置調整進行說明。在前置投影儀中，能夠微調所投射圖像在屏幕上的位置在提高用戶的使用方便性這一點上很重要，特別是強烈要求能夠進行上下方向位置的微調。對于現(xiàn)有技術中投射距離長的前置投影儀而言，能夠以稍微傾斜裝置的方式進行圖像位置的微調，由于傾角很微小所以焦點偏移等的畫質劣化幾乎感覺不到。但是，對于如實施例1的投射距離極短的投射裝置，在以與現(xiàn)有的裝置同樣的量使畫面位置移動時傾斜裝置的角度變得比較大，因此，會產生較大的焦點偏移，還產生梯形失真，所以存在畫質劣化的問題。圖8示意性地表示將裝置傾斜而使屏幕上的圖像向上側移動時的焦點偏移的狀態(tài)。在圖8中，用虛線表示將裝置向上側傾斜時的狀態(tài)，用實線表示傾斜前的狀態(tài)。在將裝置向上傾斜時，如圖8所示，畫面整體向上側移動，并且光學系統(tǒng)本身的焦點良好的面移動至虛線51所示的位置。因此，屏幕5上的畫面中將產生焦點偏移。例如，如果說到畫面的上端，傾斜前的畫面上端的點P6通過將裝置傾斜而移動至屏幕5上的點P61即向上側移動，由于光學系統(tǒng)的對焦的點向光學系統(tǒng)的聚焦面51上的點P62移動，因此僅在點P62到P61間的距離產生焦點偏移而使光斑變大。另一方面，在畫面的下端，盡管傾斜前的焦點P4由于傾斜而向點P41移動，但是其差值與畫面的上端相比要小。這樣，如圖8所示，焦點的偏移在畫面的上側大而在下側小，即由于畫面的位置的不同而焦點偏移的量不同，因此，光斑形狀的劣化量也不同。在將裝置傾斜之前和之后，畫面的多個點中的光斑形狀的變化的例子示于圖9。在圖9中表示與圖5所示的畫面上的點相同的點的光斑的形狀以及將裝置傾斜前后的光斑形狀。裝置傾斜前的光斑如圖9(A)所示，傾斜后的光斑如圖9(B)所示。圖9所示的光斑的評價點的位置如上所述，這樣，(1)(3)為位于畫面上側的點，(4)為畫面中央，(5)(8)為畫面下側的點。如圖9的光斑形狀所示，可知在位于畫面上側的點，光斑增大情況較大，在畫面的上端，光斑尺寸擴大為傾斜前的5倍以上。在將裝置傾斜而使屏幕上的畫面移動時，如果想對焦于屏幕之上，由于畫面的位置的不同而焦點偏移量不同，所以通過面板位置調節(jié)和旋轉對稱透鏡的移動來進行調整是困難的。因此，使透鏡移動，并且對能夠有效改善上述焦點偏移的透鏡進行調查，結果可看出，特別是使形成后方透鏡組的具有自由曲面的透過透鏡32和透過透鏡33這兩塊透鏡各自分別獨立地在其光軸方向上僅移動規(guī)定的距離是有效的。在將裝置傾斜而光斑尺寸變大的狀態(tài)下，使透過透鏡32和透過透鏡33移動而調節(jié)光斑，將得到的光斑形狀的例子示于圖9(C)。如圖9(C)所示，通過將具有自由曲面的透過透鏡32和透過透鏡33在光軸方向上移動而進行調節(jié)，能夠良好地對光斑形狀進行校正。而且，使具有自由曲面的鏡4移動也是有效的。但是，使傾斜設置且尺寸較大的自由曲面鏡4移動，從裝置的結構上來說困難重重，所以，對透過透鏡32和透過透鏡33進行移動最為有效。如上所述，在將裝置傾斜而使畫面移動時，盡管通過透鏡的移動能夠良好校正焦點偏移，但是不能校正梯形失真。但是，這里發(fā)生的梯形失真大致呈梯形且大小約為10%，所以采用電路的圖形失真校正處理能夠進行對應。如上可見，在對應于畫面移動的焦點調整中使透過透鏡32和透過透鏡33在光軸方向上移動是有效的。另一方面，透過透鏡32和透過透鏡33也被利用于之前所述的使投射距離變化時的調整之中。在使二個透鏡對應于上述二個的調整中，驅動透過透鏡32和透過透鏡33的裝置需要能夠進行對畫面移動的調整和對投射距離變化的調整這兩種的驅動裝置，其驅動結構極其復雜，不易于實現(xiàn)。因此，在對對應于屏幕位置變化時的透過透鏡32和透過透鏡33的移動時的位置關系和對應于畫面位置調整時的透過透鏡32和透過透鏡33的移動時的位置關系進行過詳細討論后的結果是，發(fā)現(xiàn)在兩種情況下的透過透鏡32和透過透鏡33的移動時的位置關系基本上相同。下面就此進一步進行詳細說明。關于為了上述調節(jié)而進行移動的透鏡，圖10表示透過透鏡33和透過透鏡32的位置關系。圖10中，橫軸表示透過透鏡33的位置，縱軸表示透過透鏡32的位置。此時，兩透鏡的位置并非指的是所謂的面間距離這種相互的透鏡彼此之間的間隔，而是以不移動的透鏡(例如透鏡組2的透鏡28)的面頂點作為原點，以透鏡組的光軸作為Z軸，以從面板的某一側向自由曲面鏡4的方向作為正的Z坐標的值來表示。此外，縱軸、橫軸均用以位于作為設計中心的畫面尺寸(例如畫面尺寸相當于80英寸)中的兩透過透鏡的位置作為基準的相對值來表示。在圖10中，在對應于投射距離的變化而移動透鏡的情況下，透過透鏡32的位置相對透過透鏡33的位置的關系用從點A到點B之間的實線61表示。點A為投射距離近(例如畫面尺寸相當于60英寸)時的位置，點B為投射距離遠(例如畫面尺寸相當于100英寸)時的位置，原點C為投射距離為設計中心(如畫面尺寸相當于80英寸)時的位置。實線61表示在投射距離從設計中心靠近的畫面尺寸變小時，透過透鏡33和透過透鏡32均向正的方向即自由曲面鏡4的方向移動，并且移動至投射距離為設計上最近時的點A所示的位置，此外，在投射距離變成設計上最遠時，透過透鏡33、透過透鏡32均向負的方向移動，移動至點B所示的位置。此時，如圖10中點畫線62所示，作為凹透鏡的透射透鏡31從投射距離最遠時的點E向投射距離最近時的點D移動。另一方面，相對畫面位置的移動進行調節(jié)時的情況如圖10的虛線所示進行移動。例如，在投射距離短的狀態(tài)(畫面尺寸相當于60英寸)下透過透鏡32和33位于點A的位置，在將裝置傾斜而使屏幕上的畫面向上側移動的情況下，與之對應，使透過透鏡33和透過透鏡32從點A沿著圖中虛線63向點F移動。由此可見，焦點的不平衡情況得到緩和而能夠保持良好的畫質。在畫面的上端僅向上側移動畫面縱向寬度的約20%時，可以將透過透鏡33和透過透鏡32的位置移動至點F所示的位置。其中，點F位于極其靠近從點A到點B的實線61的附近，即可知從點A到點F的虛線63位于與從點A到點B的實線61大致相同的線上。這表示，透過透鏡33和透過透鏡32的位置關系即使在對應于投射距離的變化而進行調節(jié)的情況下，抑或對畫面移動進行調整的情況下，也基本上以相同的位置關系移動。即，無論哪一種調整，如果透過透鏡33的位置被決定，則表示同時透過透鏡32的位置也一并被決定。接著，在投射距離位于設計中心(例如畫面尺寸相當于80英寸)的情況下，在裝置的傾斜為零時，透過透鏡33和32的位置位于點C，在將裝置傾斜而使畫面向上側移動時，使透過透鏡32和33的位置從點C開始沿虛線64移動，當畫面向上側移動畫面縱向寬度的約20%時可以移動到點G。在這種情況下也可看出，從點C到點G的虛線64基本上位于從點A到點B的實線61之上。此外，例如在投射距離遠(例如畫面尺寸相當于100英寸)的情況下，在裝置沒有傾斜時位于點B的位置關系的透過透鏡33和透過透鏡32，隨著畫面向上側移動而沿虛線65向點H的方向移動，移動畫面縱向寬度的約20X時可以位于點H的位置?？煽闯?，該虛線65也在實線61的延長線上。10而且，即使在投射距離位于上述值的中間的情況下，盡管這里未記載，但用于相對畫面的移動的調節(jié)的透過透鏡32和透過透鏡33的移動的方向，與上述相同，大致位于實線61上。如上所述，能夠看出，無論投射距離如何，表示對應于裝置傾斜引起的畫面移動的透過透鏡33和透過透鏡32的移動的虛線，與表示對應于投射距離變化從而畫面尺寸變化的透過透鏡33和透過透鏡32的移動的實線61，均位于大致相同的線上。S卩，透過透鏡33和透過透鏡32的位置關系，在與投射距離的變化對應時、以及與畫面移動對應時，均以大致相同的位置關系進行移動。因此，作為對應于投射距離的變化以及畫面的移動這兩者，用于移動透射透鏡3133的結構，例如也可以如圖11所示，在三個搭載臺310、320、330上分別組裝前方透鏡組2(旋轉對稱的透鏡等2128)和后方透鏡組3(透鏡3133)。在第一個搭載臺(例如搭載臺310)上，將前方透鏡組2固定在預先決定的位置上，將搭載臺210固定在裝置內。然后，在下一個搭載臺(例如搭載臺320)上，預先形成槽321，并且將搭載臺320以相對搭載臺310(本例中如圖中箭頭所示，相對透鏡組的光軸方向呈直角方向)可移動的方式設置于裝置內。進一步，在第三搭載臺(例如搭載臺330)上，預先形成槽331、332，并且將搭載臺330以相對搭載臺310和搭載臺320(本例中如圖中箭頭所示，相對透鏡組的光軸方向呈直角方向)可移動的方式設置于裝置內。其中，形成后方透鏡組3的透鏡3133，分別以每一個分成三個組，各組的位置根據(jù)到屏幕的投射距離的變化而移動。因此，槽321、331、332對應于這三組透鏡的移動而形成，并且，在搭載臺320和330上，例如在設計中心的位置上，在配置上述三組透鏡的位置處形成有作為基準的標記322、333。在投射距離發(fā)生變化時，將搭載臺320和330這兩個搭載臺以各自的標記位置相一致的條件同時移動，從而使形成后方透鏡組3的三個透鏡組能夠相對前方透鏡組2在光軸方向上自由地改變其相對位置。而且，透鏡32的組和透鏡33的組也對應于畫面的上下移動而移動。在這種情況下，對于畫面的移動，透鏡32和透鏡33移動的位置關系如上所述，由于與對應于投射距離的變化的移動的位置關系相同，所以僅通過將搭載臺330沿例如圖11的箭頭所示的方向移動，即能夠使透鏡32和33相對前方透鏡組2在對應于畫面移動的調整位置上自由地改變其相對位置。如上所述，根據(jù)實施例l，能夠實現(xiàn)一種可對應于投射距離的變化引起的畫面尺寸的變化和裝置傾斜引起的畫面的上下移動這兩個方面，能夠進行焦點調整的簡易的方法。在將裝置傾斜而使畫面移動之后，改變投射距離而使畫面尺寸改變的情況下，首先在使搭載臺320和搭載臺330僅同時以相同量(即未改變各自形成的標記322、333的位置關系)移動之后，通過使搭載臺320和搭載臺330獨立地微小移動即可進行調整。其中，在對應投射距離的變化引起的畫面尺寸的變化而移動的透鏡組內，具有負屈光力的透射透鏡組31可以是由多個旋轉對稱透鏡形成的透鏡組，但是優(yōu)選在形成透鏡組31的透鏡中不含非球面透鏡、自由曲面透鏡。原因在于，進行移動的透鏡組31中包含的非球面透鏡的設計自由度高，在用于對應投射距離的變化而進行的調整的移動中，為了也校正較高級細部像差，與之同時移動的具有自由曲面的透過透鏡32和透過透鏡33的移動時的位置關系，與對應于不含透鏡組31的移動的上述畫面移動的調整用移動時的位置關系之差變大，用于驅動透鏡的構造變復雜的緣故。此外，作為用于驅動透鏡的構造，例如通過利用在其外周形成有上述這種槽的圓筒來代替上述搭載臺，也能達成與上述同樣的功能。其中，在這種情況下，特別是后方透鏡組3中具有自由曲面的兩個透過透鏡32、33，盡管光軸方向的相對位置變化，也沒有伴隨旋轉的必要。因此，優(yōu)選上述筒狀部件采用可相互獨立旋轉的方式即前端側和后端側分離，其前端側不旋轉的結構。[實施例2]在實施例2中對具體的數(shù)值實施例進行說明。首先，采用圖12、圖13以及表1表4對實施例2的光學單元進行詳細的說明，其中示出包含該透鏡光學系統(tǒng)和反射光學系統(tǒng)的光學元件的具體的數(shù)值。圖12和圖13表示基于第一數(shù)值例的光學系統(tǒng)的光路圖。即圖12為圖1的XYZ直角坐標系中的YZ截面，即，將光學系統(tǒng)沿Z軸方向展開表示。此外，圖13表示XZ截面的構造。其中，在圖13中，其詳細情況如圖14所示，表示的是在形成透鏡光學系統(tǒng)的透鏡光學系統(tǒng)的前方透鏡組2和后方透鏡組3的途中設置偏折鏡35，使光路在X軸方向發(fā)生一次偏折的例子。在本例中，從圖12的下側所表示的影像顯示元件1射出的光在包含多個透鏡的透鏡光學系統(tǒng)中，首先通過僅由僅具有旋轉對稱形狀的面的透鏡所形成的前方透鏡組2。然后，通過包含旋轉非對稱自由曲面透鏡的后方透鏡組3，經作為反射光學系統(tǒng)的自由曲面鏡4的反射面反射。該反射光之后入射屏幕5。其中，透鏡光學系統(tǒng)的前方透鏡組2全部由具有旋轉對稱形狀的折射面的多個透鏡形成，在這些透鏡的折射面中，4個為旋轉對稱非球面，其他為球面。這里所用的旋轉對稱非球面采用各面的局部圓筒坐標系，用(公式2)的式子表示。[公式2]Z=~~,c,^+j《4+J8,,+C-/+JD-,0+￡-,2+F-,4+G,,6+//-rl8+J.,0l+Vl^(l+A:)cV其中，r為從光軸開始的距離，Z表示下垂量。此夕卜，c為頂點的曲率，k為圓錐常數(shù)，從A到J為r的乘方項的系數(shù)。頂點的曲率c為頂點的曲率半徑Rd的倒數(shù)。另一方面，形成透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3的自由曲面，采用以各面的面頂點為原點的局部正交坐標系(x、y、z)，用包含X、Y的多項式的(公式3)式子表示。[公式3]Z=,"+》》C(m,").xm")l+^l-(l+A:)cV2m"其中，Z表示垂直于X、Y軸的方向上的自由曲面形狀的下垂量，c為頂點的曲率，r為X、Y軸平面內從原點開始的距離，k為圓錐常數(shù)，C(m，n)為多項式的系數(shù)。表1表示本實施例的光學系統(tǒng)的數(shù)值數(shù)據(jù)。表1中，S0S22分別與圖3所示符號S0S22對應。其中符號S0表示影像顯示元件1的顯示面即物面，S22表示自由曲面鏡4的反射面。此外，符號S24表示也示于圖12、圖13中的屏幕5的入射面即像面。此外，符號S23為用于明確表示后面的光軸傾斜的假想面。[表1]<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>此夕卜，在表l中，Rd為各面的曲率半徑(曲率c的倒數(shù))，在圖3中曲率中心位于面的左側時用正值，相反的情況用負值表示。此外，表1中，TH為面間距離，表示從該透鏡面的頂點到下一個透鏡面的頂點的距離。相對該透鏡面，下一個透鏡面位于圖中左側時面間距離用正值，位于右側時用負值表示。再者，在表l中，S5、S6、S12、S13為旋轉對稱的非球面，在該表1中面的序號的旁邊標有*，容易區(qū)分地進行表示。這4個面的非球面系數(shù)示于以下的表2。[表2]<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>此外，在表1中從S18到S21為形成透鏡光學系統(tǒng)的后方透鏡組3的具有自由曲面形狀的折射面，S22為反射光學系統(tǒng)的具有自由曲面形狀的反射面4，在面的序號旁邊標有#來表示。表示這5個自由曲面形狀的系數(shù)的值示于以下的表3。此外，表3中所示的自由曲面的系數(shù)的值在圖3(a)中是以從右向左的方向為Z軸的正方向，以從上側向下側的方向為Y軸的正方向時的值。[表3]<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>此外，如圖3的垂直方向截面所示，將作為影像顯示元件1的顯示畫面的物面相對透鏡光學系統(tǒng)的光軸傾斜-2.602度。將各透鏡面的傾斜以及偏心的樣子示于表4。在表4中，ADE為與圖3的垂直方向截面平行的面內的傾斜的大小,傾斜的方向以圖的截面內逆時針旋轉的方向為正，單位為度。此外，YDE為偏心的大小，偏心被設定為圖3的垂直方向截面內且與光軸垂直的方向，圖的截面內向下側的偏心為正，單位為mm。影像顯示元件1相對透鏡光學系統(tǒng)的傾斜在表4中用S3面內的ADE和YDE表示。[表4]<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>在表4所示的傾斜和偏心中，對于S3面的傾斜偏心度，包括S3面的其以后的所有面被配置在S3面的傾斜的光軸之上。即，相對從作為影像顯示元件1的SO面的中央出來的光軸，S3面以后以逆時針旋轉傾斜2.602度(結合在圖3的垂直方向截面上向上方向偏心1.289mm)，因此，相對地變成影像顯示元件1相對透鏡光學系統(tǒng)傾斜。圖3中的符號S22表示的自由曲面鏡4，僅作為鏡面的S22面相對其前側的面的光軸傾斜偏心。即，從表4中表示，僅S22面逆時針旋轉傾斜26.495度，在圖3的垂直方向截面上向上方向偏心17.365mm。因此，從影像顯示元件1的畫面中央出來并大致沿透鏡光學系統(tǒng)的光軸前進的畫面中央光線經S22反射后，相對該入射光線向5060度傾斜的方向前進。S23面為偏心前的原點位于與S22相同位置的假想面。如表4所示，S22面以后S23面為止，被配置成傾斜+59.8度。因此，作為屏幕面的S24面能夠配置在經S22反射的光線朝向的方向上。而且，作為屏幕面的S24面，位于S23面以后傾斜+59.8度的光軸上，配置成相對光軸傾斜-50度。其中，從表1、表3可知，在實施例2中，曲率c和圓錐系數(shù)k為O。即，因傾斜入射引起的梯形失真在傾斜入射的方向上產生的非常大，而在與之垂直的方向上的失真量小。因此，在傾斜入射的方向和與之垂直的方向上，必需的功能大不相同，在旋轉對稱的情況下，通過不利用旋轉對稱在全方向上起作用的曲率c和圓錐系數(shù)k，能夠對非對稱像差進行很好的校正。此外，在實施例2中，使成為物面SO的影像顯示元件1的顯示畫面上的畫面尺寸為13.2X9.9mm(比率4:3)，以將該影像以80英寸(采用+over-scan，1625.6X1219.2mm)放大投射至像面S23作為設計中心，以投射距離的變化能夠對應從60英寸(1219.2X914.4mm)到100英寸(2032.0X1524.0mm)的尺寸進行投射。在表5中，表示對應該投射距離的變化而移動的透鏡其面間距離的變化。在表5中表示的是，對應投射距離的變化，S15、S17、S19、S21、S22的面間距離發(fā)生變化，其值在Scl欄的下方表示在上述設計中心(80")的情況下，在Sc2欄的下方表示在100"、在Sc3欄的下方表示在60"的情況下的值。[表5]<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>此外，在實施例2中，作為傾斜投射的角度的、畫面中央光線與投射面法線所成的角度9s(圖1中所示)為55.6度(1.2*sines=0.99)，此外，(公式1)所示的光路長度之差|L1-L2|的值為屏幕上畫面高度的O.761倍(從上述60"時到IOO"時之間的最大值)，所以滿足公式l的條件。將實施例2的圖形失真示于圖15。該圖15的縱方向為圖12的上下方向，為圖1的Y軸方向。此外，該圖15的橫方向為屏幕上Y軸的垂直方向，圖中長方形的中央部為畫面的中央。其中，該圖15表示將畫面的縱方向分成4份、將橫方向分成8份而表示的情況下的各直線的彎曲狀態(tài)，從而表示圖形失真的樣子。在圖15中，投射距離為設計中心(畫面尺寸80")時的圖形失真示于(B)，投射距離為60"畫面尺寸時的圖形失真示于(A)，此外，投射距離為IOO"畫面尺寸時的圖形失真示于(C)。如圖15所示，圖形失真得到良好的校正。進一步，在圖16表示光斑圖。在圖16中，將影像顯示元件1的顯示畫面上，即顯示畫面的中央作為原點，采用X、Y坐標值，將從(6.6，4.95)、(0，4.95)、(3.96，2.97)、(6.6，0)、(O，O)、(3.96，-2.97)、(6.6，-4.95)、(0，-4.95)這8個點射出的光束的光斑圖從上向下依次((l)(8))進行表示。其中，單位為mm。各光斑圖的橫方向為屏幕上的X方向，縱方向為屏幕上的Y方向。此外，在圖16中，投射距離為設計中心(畫面尺寸80")時的光斑示于(B)，投射距離為畫面尺寸60"時的光斑示于(A)，此外，投射距離為畫面尺寸100"時的光斑示于(C)。兩者均維持著良好的性能。如上所述，在實施例2中，因為沒有必要像
背景技術：
那樣使所使用的透鏡偏心，所以能夠提供一種無需大口徑的附加光學系統(tǒng)，而且能夠實現(xiàn)廣角化，即使到屏幕的位置發(fā)生變更也能將失真抑制在最小限度，并且其制造也比較容易的光學單元。而且，通過利用相關光學單元，能夠實現(xiàn)性能良好且更緊湊的外形尺寸的投射型顯示裝置。根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種無需大口徑的附加光學系統(tǒng)，以傾斜投射的方式可實現(xiàn)廣角化，即使到投射面(屏幕)的距離發(fā)生變化也能夠將光斑的劣化抑制在最小限度，即使對于由裝置的傾斜而進行的畫面位置調整也能夠使焦點的偏移降至最小限度，并且其制造也比較容易的光學單元和采用該光學單元的投射型顯示裝置。權利要求一種投射型顯示裝置，其特征在于，包括前方透鏡組，包括多個具有旋轉對稱面形狀的透鏡；后方透鏡組，配置于所述前方透鏡組的后方，包括使光發(fā)散的呈旋轉對稱面形狀的折射透鏡，和多個具有旋轉非對稱的自由曲面形狀的自由曲面透鏡；和反射鏡，配置于所述后方透鏡組的后方，相對反射方向至少一部分呈凸形并且具有旋轉非對稱的自由曲面形狀。2.如權利要求1所述的投射型顯示裝置，其特征在于，包括搭載所述前方透鏡組的第一搭載臺，和搭載所述后方透鏡組的第二搭載臺，其中，所述第二搭載臺可移動。3.如權利要求1所述的投射型顯示裝置，其特征在于，包括搭載所述折射透鏡的第三搭載臺，和搭載所述多個自由曲面透鏡的第四搭載臺，其中，所述第三搭載臺和所述第四搭載臺分別移動。4.如權利要求l所述的投射型顯示裝置，其特征在于所述多個自由曲面透鏡中配置在所述反射鏡側的自由曲面透鏡的曲率中，與從所述反射鏡投射的入射投射面上端部的光通過的部分的曲率相比，入射所述投射面下端部的光通過的部分的曲率大。5.如權利要求4所述的投射型顯示裝置，其特征在于所述反射鏡的曲率，對入射所述投射面下端部的光進行反射的部分的曲率大于對入射所述投射面上端部的光進行反射的部分的曲率。6.如權利要求l所述的投射型顯示裝置，其特征在于所述反射鏡，對入射所述投射面下端部的光進行反射的部分相對其反射方向呈凸形狀，并且，對入射所述投射面上端部的光進行反射的部分相對其反射方向呈凹形狀。7.如權利要求6所述的投射型顯示裝置，其特征在于在使從所述反射鏡對入射所述投射面上端部的光進行反射的部分入射所述投射面上端部的光的路徑的距離為Ll，從所述反射鏡對入射所述投射面下端部的光進行反射的部分入射所述投射面下端部的光的路徑的距離為L2，從所述投射面上端部到下端部的距離為Dv，所述反射鏡入射中央部的光與所述投射面的法線所成的角度為9s的情況下，滿足下式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>全文摘要本發(fā)明目的在于提供能不使裝置大型化而實現(xiàn)廣角化，并且裝置自身的制造也容易的光學單元和使用該光學單元的投射型顯示裝置。其中，后方透鏡組由使光發(fā)散的呈旋轉對稱面形狀的折射透鏡和多個具有旋轉非對稱的自由曲面形狀的自由曲面透鏡形成。文檔編號G03B21/00GK101794063SQ20101011351公開日2010年8月4日申請日期2007年10月12日優(yōu)先權日2006年10月13日發(fā)明者久田隆紀,平田浩二,谷津雅彥申請人:株式會社日立制作所