JP5706746B2 - Projection optical unit and projection display apparatus using the same - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、カラーの拡大映像をスクリーン上に投写して映像表示を行なう投写型映像表示装置に関し、特に、映像をスクリーンに対して斜めに投写して拡大映像をスクリーン上に形成する投写型映像表示装置、及びこれに用いられる投写光学ユニットに関する。 The present invention relates to, for example, a projection display apparatus that displays an image by projecting a color enlarged image on a screen, and more particularly, a projection that projects an image obliquely to the screen to form an enlarged image on the screen. The present invention relates to a type image display device and a projection optical unit used therefor.
反射型、透過型液晶パネルや微小ミラーを用いた表示素子をスクリーン上に拡大表示する投写型映像表示装置においては、そのスクリーン上で充分な大きさの拡大映像を得ることは勿論のこと、同時に、装置の奥行寸法を短縮することが要求される。かかる要求を実現するために、下記の特許文献1に記載されているような、スクリーンに対して斜め方向から拡大・投写する(以下、これを「斜め投写」と称する)ための投写光学ユニットが知られている。また、かかる斜め投写に曲面ミラーを用いた場合における光学的な調整に関しては、例えば下記特許文献2に記載のものが知られている。
In a projection-type image display device that enlarges and displays a display element using a reflective or transmissive liquid crystal panel or a micromirror on a screen, it is possible to obtain an enlarged image of a sufficiently large size on the screen. Therefore, it is required to shorten the depth dimension of the apparatus. In order to realize such a requirement, there is provided a projection optical unit for enlarging / projecting the screen from an oblique direction (hereinafter referred to as “oblique projection”) as described in
斜め投写、すなわちスクリーン主平面の法線に対し、所定の角度を以って(例えばスクリーン下方から)映像を投写すると、スクリーン上に投写された映像に、台形歪み、及びスクリーン上下の投写距離の差から生じる収差が生じる。これを解消するため、上記特許文献1では、投写光学系とスクリーンとの間に配置された負のパワーをもつ自由曲面ミラーにより台形歪を補正している。一方、収差については、映像表示素子を共軸投写光学系に対し平行移動、または映像表示素子を非軸対称の投写光学系に対し傾けるとともに平行移動させることにより補正している。
When oblique projection is performed, that is, when an image is projected at a predetermined angle (for example, from below the screen) with respect to the normal of the main plane of the screen, trapezoidal distortion and projection distances above and below the screen are added to the image projected on the screen. Aberration resulting from the difference occurs. In order to solve this problem, in
しかしながら、このような収差補正では、スクリーン上の映像が縦方向にずれる可能性があり、そのための補正機構が必要になる。また共軸投写光学系を使用するものにおいては、非常に広い画角が要求されるため、レンズ枚数が多くなり、口径も大きくなる。 However, in such aberration correction, the image on the screen may be shifted in the vertical direction, and a correction mechanism for that purpose is required. In addition, in the case of using a coaxial projection optical system, since a very wide angle of view is required, the number of lenses is increased and the aperture is also increased.
上記特許文献2には、自由曲面ミラーの移動による調整方法が開示されているが、上記の収差補正については考慮されていない。
このように、従来技術では、台形歪と収差をそれぞれ別の手段で補正しているため、必要なレンズ径も大きく、またレンズの枚数も多くする必要がある。すなわち上記従来技術は、斜め投写において、台形歪及び収差を良好に低減しつつ映像表示装置の奥行き、及び/またはスクリーン下部の高さを小さくすること(以下、これを「セットのコンパクト化」と称する)は困難であった。 As described above, in the prior art, the trapezoidal distortion and the aberration are corrected by different means, so that it is necessary to increase the necessary lens diameter and the number of lenses. That is, in the above-described prior art, the depth of the image display device and / or the height of the lower portion of the screen is reduced while satisfactorily reducing trapezoidal distortion and aberration in oblique projection (hereinafter referred to as “compact set reduction”). It was difficult.
本発明は、上述した課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、台形歪及び収差が低減された映像を表示しつつセットをコンパクト化するのに好適な技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a technique suitable for downsizing a set while displaying an image with reduced trapezoidal distortion and aberration. .
また、本発明は、背面投写型の映像標示装置において、上記のような表示特性をもつコンパクト化されたセットの製造、または組立調整を容易にすることが可能な技術を提供する。 In addition, the present invention provides a technique capable of facilitating manufacture or assembly adjustment of a compact set having the display characteristics as described above in a rear projection type image display apparatus.
本発明は、斜め投写を行うものにおいて、光出射方向に凹を向けた面を有するとともに光軸に対して回転非対称の形状を持つ少なくとも一つの非対称レンズを含む投写レンズを備えた第1の光学系と、反射面の少なくとも一部が反射方向に凸を向けた少なくとも一つの凸面ミラーを含む第2の光学系を備える。そして本発明は、上記第1の光学系及び第2の光学系が、共通の光学系支持ユニットに搭置され固定されていることを特徴とするものである。 The present invention relates to a first optical system that includes a projection lens that includes at least one asymmetric lens having a concave surface in the light emitting direction and having a rotationally asymmetric shape with respect to the optical axis in an oblique projection. And a second optical system including at least one convex mirror in which at least a part of the reflective surface is convex in the reflection direction. The present invention is characterized in that the first optical system and the second optical system are mounted and fixed on a common optical system support unit.
上記非対称レンズは、そのスクリーン下端に向かう光線が通過する部分の曲率が、前記スクリーン上端に向かう光線が通過する部分の曲率よりも大きい自由曲面レンズである。また、上記凸面ミラーは、そのスクリーンの下方に向かう光を反射する部分の曲率が、前記スクリーンの上方に向かう光を反射する部分の曲率よりも大きい、もしくはスクリーンの下方に向かう光を反射する部分が該光の反射方向に凸の形状を為し、スクリーンの上方に向かう光を反射する部分が光の反射方向に凹の形状を為す自由曲面ミラーである。 The asymmetric lens is a free-form surface lens in which the curvature of the portion through which the light beam toward the lower end of the screen passes is larger than the curvature of the portion through which the light beam toward the upper end of the screen passes. In addition, the convex mirror has a portion in which the curvature of the light reflecting downward toward the screen is larger than the curvature of the portion reflecting light upward in the screen or a portion reflecting the light downward in the screen Is a free-form curved mirror in which a convex shape is formed in the light reflection direction, and a portion that reflects light toward the upper side of the screen is a concave shape in the light reflection direction.
また本発明は、映像表示素子を含む映像発生源からの光の出射方向と前記投写レンズ光軸との角度の調整と、前記映像発生源と前記投射レンズとの光学的距離の調整との少なくともいずれか一方を可能にするための機構、上記自由曲面ミラーを該自由曲面ミラーの略中心を中心軸として回転可能にするための機構、または上記投写レンズの中で最も正のパワーの大きいレンズ群を前記投写レンズの光軸方向に移動可能にするための機構の、少なくともいずれか一つを備える。 Further, the present invention provides at least adjustment of an angle between an emission direction of light from an image generation source including an image display element and an optical axis of the projection lens, and adjustment of an optical distance between the image generation source and the projection lens. A mechanism for enabling one of the above, a mechanism for allowing the free-form curved mirror to rotate about the center of the free-form curved mirror, or a lens group having the largest positive power among the projection lenses Is provided with at least one of mechanisms for enabling movement in the optical axis direction of the projection lens.
本発明によれば、映像の斜め投写により生じる台形歪及び/または収差を低減して良好な映像を得つつ、セットをコンパクト化することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to reduce the trapezoidal distortion and / or aberration caused by oblique projection of an image to obtain a good image and to make the set compact.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明による映像表示装置の一部断面斜視図である。映像発生源1は、小型の映像を表示する。映像発生源1は、反射型や透過型の液晶パネル、または微小なミラーを複数備えた表示素子等の光変調素子を含む。また、映像発生源1は投写型ブラウン管を含むものであってもよい。第1の光学系の構成要素である投写レンズ2は、映像発生源1の映像をスクリーン3に投写する。投写レンズ2からスクリーン3に至る光路中には、映像表示装置の奥行を低減するために平面反射ミラー4が設けられている。第2光学系の構成要素である自由曲面ミラー5は、前記投写レンズ2と平面反射ミラー4との間に設置されている。投写レンズからの光は、自由曲面ミラー5で反射されて平面反射ミラー4に導かれ、さらに平面反射ミラー4で反射されてスクリーン3に導かれる。これらの要素は、筐体6の内部に収納され、所定の位置に固定される。また、前記映像発生源1、投写レンズ2、自由曲面ミラー5は、光学系ベース7に固定され一体化されている。以下、本発明による投写光学ユニットの構成部品の特徴について、図2を使用して説明する。
FIG. 1 is a partial sectional perspective view of a video display device according to the present invention. The
図2は本実施形態に係る投写光学ユニットを用いた背面投写型映像表示装置の基本的な光学構成を示す断面図である。図2は、光学系の構成をXYZ直交座標系におけるYZ断面で示している。ここで、XYZ直交座標系の原点は、映像発生源1を構成する映像表示素子11の表示画面の中央とし、Z軸はスクリーン3の法線と平行であるものとする。Y軸はスクリーンの画面の短辺と平行であり、スクリーンの水平方向と等しいものとする。X軸は、スクリーンの画面の長辺と平行であり、スクリーンの垂直方向と等しいものとする。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a basic optical configuration of a rear projection display apparatus using the projection optical unit according to the present embodiment. FIG. 2 shows the configuration of the optical system as a YZ section in an XYZ orthogonal coordinate system. Here, it is assumed that the origin of the XYZ orthogonal coordinate system is the center of the display screen of the
図2に示すように、映像表示素子11から射出した光は、透過型のレンズ群で構成される投写レンズ2のうち、まず回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズから構成される前群12を通過する。その後、少なくとも一方の面が回転非対称の自由曲面の形状を有するレンズ(以下、「自由曲面レンズ」と称する)を含む投写レンズの後群13を通過する。その後、回転非対称の自由曲面形状の反射面を有する少なくとも1枚の反射鏡(以下、自由曲面ミラーと言う)5で反射される。そして、平面反射ミラー4で反射された後、スクリーン3に入射する。
As shown in FIG. 2, the light emitted from the
ここで上記映像表示素子11が上記光変調素子の場合は、この光変調素子を照射するランプ等の照明系が必要であるが、それらの図示は省略している。また、映像表示素子11は、所謂3板式のように複数の画を合成する方式でもよい。その場合に必要になる合成用プリズム等の合成光学系についても、その図示は省略している。
Here, when the
図2において、投写レンズ2の長さが長いことから、前記映像表示素子11の位置がスクリーンの法線の方向に対して遠くなり奥行きが大きくなるように見受けられるかもしれない。しかしながら、本実施形態では、前記自由曲面ミラー5と前記投写レンズ2の後群13との間、前記投写レンズ2の前群12と後群13の間、または前群12の途中において、ミラー(図示せず)を配置している。これにより、投写レンズ2の光軸を図2に示す断面に対してほぼ垂直な方向に折り曲げ、奥行きの増大を防止できる。
In FIG. 2, since the length of the
本実施形態では、図2に示すように、上記映像表示素子11は、その表示画面の中央が上記投写レンズ2の光軸上に配置されている。従って、上記映像表示素子11の表示画面の中央から出て上記投写レンズ2の入射瞳の中央を通ってスクリーン3上の画面中央に向かう光線21は、ほぼ上記投写レンズの光軸に沿って進む(以下、これを画面中央光線という)。この画面中央光線は、自由曲面ミラー5の反射面上の点P2で反射された後、平面反射ミラー4上の点P5で反射されて、スクリーン3上の画面中央の点P8にスクリーンの法線8に対して所定の角度を以って(すなわち斜めに)入射される。この角度を以下、「斜め入射角度」と称し、θsで表わすこととする。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the center of the display screen of the
このことはすなわち、前記投写レンズ2の光軸に沿って通過した光線がスクリーンに対して斜めに入射していることであり、実質的に投写レンズ2の光軸がスクリーンに対して斜めに設けられていることになる。このような方法でスクリーンに斜め入射させると、投写した長方形の形状が台形になる所謂台形歪の他にも光軸に対して回転対称でない種々の収差が生じる。本実施形態では、これ等を前記投写レンズ2の後群13と前記第2の光学系の反射面とで補正している。
This means that the light beam that has passed along the optical axis of the
図2に示す断面内において、上記映像表示素子11の画面下端から該画面下端と上記投写レンズ2の入射瞳の中央を通って射出され、これに対応するスクリーン上の画面上端の点P9に入射する光線を光線22とする。また、上記映像表示素子11の画面上端から該画面上端と上記投写レンズ2の入射瞳の中央を通って射出され、これに対応するスクリーン上の画面下端の点P7に入射する光線を光線23とする。図2を見ると、点P3から点P6を経由して点P9に到る光路長は、点P1から点P4を経由して点P7に到る光路長よりも長くなっている。これは、投写レンズ2から見て、スクリーン上の像点P9が像点P7よりも遠くにあることを意味している。そこで、スクリーン上の像点P9に対応する物点(表示画面上の点)がより投写レンズ2に近い点に、また、像点P7に対応する物点がより投写レンズ2から遠い点にあれば、像面の傾きを補正できる。そのためには、前記映像表示素子1の表示画面の中央における法線ベクトルを、前記投写レンズ2に光軸に対し傾けるようにする。具体的には、上記法線ベクトルを、YZ平面内において、スクリーンの位置する方へ向けるように傾ければよい。光軸に対して傾いた像平面を得るのに物平面を傾ける方法は知られている。しかしながら、実用的な大きさの画角では、物平面の傾きによる像面は光軸に対して非対称な変形を生じ、回転対称な投写レンズでは補正が困難である。本実施形態では、回転対称でない、すなわち回転非対称の自由曲面を用いていることから、非対称な像面の変形に対応できる。このため、物平面を傾けることで低次の像面の歪を大きく低減でき、自由曲面による収差補正を補助する上で効果的である。
In the cross section shown in FIG. 2, the light is emitted from the lower end of the screen of the
次に、各光学要素の作用について説明する。第1光学系である投写レンズ2は、その前群12が前記映像表示素子11の表示画面をスクリーン3に投写するための主レンズであり、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する。投写レンズ2の後群13は、回転非対称の自由曲面レンズを含んでいる。ここで本実施形態においては、自由曲面レンズは、その光出射方向に対して凹を向くように湾曲されている。そして、自由曲面レンズの、スクリーン3の下端に向かう光線が通過する部分の曲率を、前記スクリーン上端に向かう光線が通過する部分の曲率よりも大きくしている。そして第2の光学系は、回転非対称の自由曲面形状を有する自由曲面ミラーを有している。ここで本実施形態においては、この自由曲面ミラーは、その一部が光の反射方向に対して凸を向くように湾曲された、回転非対称の凸面ミラーとしている。具体的には、自由曲面ミラーの、スクリーン3の下方に向かう光を反射する部分の曲率を、前記スクリーンの上方に向かう光を反射する部分の曲率よりも大きくしている。また、自由曲面ミラーの、スクリーンの下方に向かう光を反射する部分が該光の反射方向に凸の形状を為し、スクリーンの上方に向かう光を反射する部分が光の反射方向に凹の形状を為すようにしてもよい。上記自由曲面レンズと自由曲面ミラーの作用により、主として、斜め入射によって生じる収差の補正が行われる。すなわち、本実施形態では、第2の光学系が主として台形歪を補正し、第1の光学系である投写レンズ2の後群13が、主として像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行なう。
Next, the operation of each optical element will be described. The
このように、本実施形態は、第1の光学系が回転非対称の自由曲面レンズを少なくとも一つ含み、第2の光学系が回転非対称の自由曲面ミラーを少なくとも一つ含んでいる。これによって、斜め投写によって生じる台形歪と収差の両方を補正可能としている。 As described above, in this embodiment, the first optical system includes at least one rotationally asymmetric free-form surface lens, and the second optical system includes at least one rotationally asymmetric free-form surface mirror. This makes it possible to correct both trapezoidal distortion and aberration caused by oblique projection.
前記第2光学系の反射面の座標原点(ここでは、画面中央光線を反射する位置の座標とする)と、投写レンズ2の前群12のうち最もスクリーン側に近いレンズ面との光軸方向の距離が、投写レンズ2の前群12の焦点距離の5倍以上に設定することが望ましい。これによって、前記第2光学系の反射面により台形歪、収差をより効果的に補正し、良好な性能を得ることができる。
The optical axis direction between the coordinate origin of the reflecting surface of the second optical system (here, the coordinates of the position where the central ray of the screen is reflected) and the lens surface closest to the screen side of the
一方、自由曲面ミラーは、その寸法が大きくなるほど製造が非常に困難になることから、所定の大きさ以下にすることが重要である。例えば図2に示す平面反射ミラー4の大きさはスクリーン画面の約70%以上にもなるため、50型以上のような大画面のリアプロジェクタでは500mmを越えるサイズとなり、これを自由曲面形状にすると製造が非常に困難となる。従って、リアプロジェクタでこの平面反射ミラーを自由曲面にすることは適当でない。そこで、本実施形態では、自由曲面ミラー5の寸法を平面反射ミラー3の寸法よりも小さくし、その自由反射ミラー5を平面反射ミラー3の下方に配置している。そして、投写レンズ2からの映像光を自由曲面ミラー5、平面反射ミラーの順で反射させて、スクリーン3に投写している。
On the other hand, a free-form curved mirror becomes very difficult to manufacture as its size increases, so it is important to make it a predetermined size or less. For example, since the size of the flat reflecting
以上の説明は、図2に示す実施形態に基づいて行った。しかしながら、ミラーによる光路の折り曲げの方向が、図2とは逆に画面長辺を含む平面内にある場合でも、上記説明した本実施形態と同様な考えを適用できる。 The above description is based on the embodiment shown in FIG. However, the same idea as in the above-described embodiment can be applied even when the direction of bending of the optical path by the mirror is in the plane including the long side of the screen, contrary to FIG.
これによって、屈折面を有する投写レンズ2において、レンズの偏心やレンズ径の増大を招くことなく、またレンズ枚数を増加させることなく、斜め入射による台形歪の補正を実現できる。更に、奥行を小さく、かつ製造が容易な投写光学ユニットを実現できる。更にまた、本実施形態によれば、奥行とスクリーン下部の高さを低減させたコンパクトなセットが提供でき、小さな自由曲面ミラーで製造が容易な光学系を提供できる。
Thereby, in the
以下、本発明に係る光学系の実施例について、具体的な数値を例示しつつ説明する。図3から図6と表1から表4を用いて本発明の数値実施例の1つについて説明する。 Hereinafter, examples of the optical system according to the present invention will be described with reference to specific numerical values. One of the numerical examples of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 6 and Tables 1 to 4. FIG.
図3と図4は、第1の数値例に基づく本発明に係る光学系の光線図を示している。前述したXYZ直交座標系において、図3はYZ断面、図4はXZ断面での構造を示している。図1では、投写レンズ2の前群12の途中に折り曲げミラーを設置して光路をX軸方向に一度折り曲げている例を示している。図3では、この折り曲げミラーを省略しており、光学系をZ軸方向に展開して示している。図4は、折り曲げミラーを含め光路を折り曲げた状態の光学系を示している。折り曲げミラーは、設置の位置や角度に若干の任意性があり、また各光学要素の機能に影響を及ぼさない。従って、以下の説明では、折り曲げミラーを省略して説明することにする。
3 and 4 show ray diagrams of the optical system according to the present invention based on the first numerical example. In the XYZ orthogonal coordinate system described above, FIG. 3 shows the structure in the YZ section, and FIG. 4 shows the structure in the XZ section. FIG. 1 shows an example in which a bending mirror is installed in the middle of the
本例において、図3の下側に表示した映像表示素子11から射出した光は、複数のレンズを含む投写レンズ2のうち、まず回転対称形状の面のみを有するレンズのみで構成される前群12を通過する。そして、回転非対称の自由曲面レンズを含む後群13を通り、第2の光学系である自由曲面ミラー5の反射面で反射される。その反射光は、平面反射ミラー4で反射された後、スクリーン3に入射される。
In the present example, the light emitted from the
ここで、投写レンズ2の前群12は、全て回転対称な形状の屈折面を持つ複数のレンズで構成されており、各屈折面のうち4つは回転対称な非球面であり、他は球面である。ここに用いられた回転対称な非球面は、各面ごとのローカルな円筒座標系を用いて、次の式で表される。
Here, the
前記投写レンズ2の後群13にある自由曲面レンズは、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系(x、y、z)を用い、X、Yの多項式を含む次の式で表わされる。
The free-form surface lens in the
表1は、本実施例に係る光学系の数値データを示している。表1において、S0〜S23は、図10に示された符号S0〜S23にそれぞれ対応している。ここで、S0は映像表示素子11の表示面、すなわち物面を示しており、S23は自由曲面ミラー5の反射面を示している。またS24は、図10では示されていないが、スクリーン3の入射面、すなわち像面を示している。なお、図10において、上図は本実施例に係る第1及び第2の光学系の垂直方向断面図、下の図は、その光学系の水平方向断面図を表している。
Table 1 shows numerical data of the optical system according to the present example. In Table 1, S0 to S23 correspond to the codes S0 to S23 shown in FIG. Here, S0 indicates the display surface of the
表1においてRdは各面の曲率半径であり、図3の中で面の左側に曲率の中心がある場合は正の値で、逆の場合は負の値で表わしている。また表1においてTHは面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。あるレンズ面に対して、次のレンズ面が図3の中で左側に位置するときには面間距離は正の値、右側に位置する場合は負の値で表している。更に、表1においてS5、S6、S17、S18は回転対称な非球面であり、表1では面の番号の横に*を付けて分かり易く示している。これら4つ面の非球面の係数を表2に示している。 In Table 1, Rd is the radius of curvature of each surface. In FIG. 3, when the center of curvature is on the left side of the surface, it is expressed as a positive value, and in the opposite case, it is expressed as a negative value. In Table 1, TH is the inter-surface distance, and indicates the distance from the apex of the lens surface to the apex of the next lens surface. When a next lens surface is located on the left side in FIG. 3 with respect to a certain lens surface, the inter-surface distance is represented by a positive value, and when located on the right side, it is represented by a negative value. Furthermore, in Table 1, S5, S6, S17, and S18 are rotationally symmetric aspherical surfaces, and in Table 1, an asterisk (*) is added next to the surface number for easy understanding. Table 2 shows the coefficients of these four aspheric surfaces.
本実施例では、映像表示素子11の表示画面である物面を、投写レンズ2の光軸に対して−1.163度傾けている。傾けの方向は、図3の断面内で物面の法線が反時計回りに回転する方向を正の値で表わすことにする。従って、本実施例では物面を図3の断面内で、投写レンズ2の光軸に垂直な位置から時計回り方向に1.163度傾けていることになる。
In this embodiment, the object surface that is the display screen of the
S23の自由曲面ミラー5は、そのローカル座標の原点を前記投写レンズ2の光軸上に置いている。そして、自由曲面ミラー5のローカル座標の原点での法線、すなわちZ軸を、投写レンズ2の光軸と平行な位置から29度傾けて配置している。傾けの方向は前記物面と同様に図3の断面内で反時計回りに回転する方向を正とし、従って反時計回りに傾けていることになる。これによって、映像表示素子11の画面中央から出てほぼ投写レンズ2の光軸に沿って進んできた画面中央光線は、S23で反射後、投写レンズ2の光軸に対して前記傾き角度の2倍の58度だけ傾いた方向に進む。ここで、S23の座標原点を通り、投写レンズ2の光軸に対するS23の傾き角度の2倍傾いた方向を、反射後の新たな光軸とし、以後の面はこの光軸上に配置されるものとする。表1のS23に示した面間隔の値−400は、次のS24が、S23の右側にあり前記反射後の光軸に沿って400mmの距離の点にローカル座標の原点を配置されていることを示している。以下の面も同じ規則により配置されている。
The free-
本実施例における、各面のローカル座標系の傾け又は偏心の様子を表4に示す。表4において、面番号の右側に傾き角度、偏心の値を示しており、ADEは図3の断面と平行な面内での傾きの大きさであり、その表示規則は上に示した通りである。また、YDEは偏心の大きさであり、偏心は図3の断面と平行な面内でかつ光軸に垂直な方向で設定され、図3の断面において下側への偏心を正とする。尚、本実施例においては、YDEを0(すなわち偏心なし)としている。 Table 4 shows the state of inclination or decentering of the local coordinate system of each surface in this example. In Table 4, the inclination angle and the value of eccentricity are shown on the right side of the surface number, ADE is the magnitude of the inclination in the plane parallel to the cross section of FIG. 3, and the display rule is as shown above. is there. YDE is the magnitude of the eccentricity, and the eccentricity is set in a direction parallel to the cross section of FIG. 3 and perpendicular to the optical axis, and the downward eccentricity in the cross section of FIG. 3 is positive. In this embodiment, YDE is set to 0 (that is, no eccentricity).
本発明では、全ての光学要素の傾きや偏心は、図示した断面に平行な断面内での方向で設定される。 In the present invention, the inclination and decentering of all optical elements are set in a direction in a cross section parallel to the illustrated cross section.
表1、表3から、本実施例では、曲率cとコーニック係数kが0となっていることがわかる。斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向に歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する上記曲率cやコーニック係数kを利用しないことにより、非対称な収差を良好に補正することができる。 From Tables 1 and 3, it can be seen that the curvature c and the conic coefficient k are 0 in this embodiment. Trapezoidal distortion due to oblique incidence occurs extremely large in the direction of oblique incidence, and the amount of distortion is small in the direction perpendicular thereto. Therefore, a significantly different function is required between the direction of oblique incidence and the direction perpendicular thereto, and asymmetric aberrations are excellent by not using the curvature c and the conic coefficient k that function in all directions in rotational symmetry. Can be corrected.
2の大きさに投写する場合の一例である。そのときの図形歪を図5に示す。図5の縦方向は図3の上下方向であり、Y軸の方向である。図5の横方向はスクリーン上でY軸と直交する方向であり、図の長方形の中央が画面の中央である。図は画面の縦方向を4分割、横方向を8分割した直線の曲がりの状態を表示して図形歪の様子を示している。
This is an example of projecting to a size of 2. The graphic distortion at that time is shown in FIG. The vertical direction in FIG. 5 is the vertical direction in FIG. 3 and is the Y-axis direction. The horizontal direction in FIG. 5 is a direction perpendicular to the Y axis on the screen, and the center of the rectangle in the figure is the center of the screen. The figure shows the state of figure distortion by displaying the state of straight line bending in which the vertical direction of the screen is divided into four and the horizontal direction is divided into eight.
本数値実施例のスポットダイアグラムを図6に示す。図6では、映像表示素子11の表示画面上、X,Y座標の値で、(8,4.5)、(0,4.5)、(4.8,2.7)、(8,0)、(0,0)、(4.8、−2.7)、(8、−4.5)、(0、−4.5)の8点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順に示す。単位はmmである。各スポットダイアグラムの横方向はスクリーン上でのX方向、縦方向はスクリーン上でのY方向である。このように、両者ともに、良好な性能を維持している。
A spot diagram of this numerical example is shown in FIG. In FIG. 6, on the display screen of the
以上、本発明に係る実施形態の光学ユニットについて説明した。本実施形態が従来技術で説明した特許文献1と異なる点は、投写レンズ2の後群13が回転対称でない自由曲面形状を有するレンズで構成され、第2の光学系が回転対称でない自由曲面形状を有する反射面で構成されることにある。更に、これらの役割が別々で、第2の光学系が主として台形歪を補正し、第1の光学系である投写レンズ2の後群13が、主として像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行なう。
The optical unit according to the embodiment of the present invention has been described above. This embodiment is different from
従って、本実施形態においては、組立調整時の焦点合せを、従来技術のように結像光学系のレンズ群をその軸方向に沿って移動させる事によって行なうことはできない。 Therefore, in this embodiment, focusing at the time of assembly adjustment cannot be performed by moving the lens group of the imaging optical system along the axial direction as in the prior art.
図7は本実施形態に係る投写光学ユニットを構成する投写レンズ2のレンズ群を示す図であり、該レンズ群を保持するレンズ保持部材は図示から省略されている。投写レンズ2の前群12は、映像表示素子11の表示画面をスクリーン(図示せず)に投写するための主レンズであり、回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズから構成され、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する。投写レンズ2の後群13は、回転非対称の自由曲面レンズを含んでおり、主として、斜め入射によって生じる収差の補正を行なう。
FIG. 7 is a view showing a lens group of the
図7から明らかなように、本実施形態において、自由曲面レンズの少なくとも1枚は、その光出射方向に対して凹を向くように湾曲されている。そして、自由曲面レンズの、スクリーン3の下端に向かう光線が通過する部分の曲率(ここでは、自由曲面レンズの下側)を、スクリーン3上端に向かう光線が通過する部分(ここでは、自由曲面レンズの上側)の曲率よりも大きくしている。また、本実施形態においては、自由曲面レンズを2枚組み合わせて投写レンズ2の後群13を構成している。
As is apparent from FIG. 7, in the present embodiment, at least one free-form surface lens is curved so as to face a concave with respect to the light emitting direction. Then, the portion of the free-form surface lens where the light beam toward the lower end of the
本実施例では、折り曲げミラー14は、前群12の途中に設けられている。従来技術では、結像光学系のレンズ群を軸方向に沿って移動させるには、レンズ保持部材(鏡筒)に斜めに溝を入れ内部のレンズ群をその溝に沿って回転させることにより行なっていた。本実施形態では、回転非対称の自由曲面レンズを用いているため、この回転非対称の自由曲面レンズを有する後群13を回転させることができない。よって、本実施形態では、上述したように従来技術による方法でレンズ群を光軸方向に沿って移動させることができない。一方、本実施形態に係る投写レンズ2の前群12は、回転対称なレンズ群で構成されているため、この前群12を回転させても光学像が変形しない。よって、前群12のレンズ群を軸方向に沿って移動させて焦点合せをすることは可能である。ところが、このような焦点合せでは、収差補正を行なう後群13の入射面に入射する光線位置が変化する。このような光線位置の変化が生じると、後群13で良好に収差補正をすることができなくなる場合がある。従って本実施形態では、投写レンズ2の前群12及び後群13の位置を固定し、その投写レンズ2の前に設置される映像表示素子11の位置、及び/または傾きを変えて組立調整時の焦点合せを行なうようにしている。
In this embodiment, the bending
図8に、このような調整機構を持つ光学ユニットの一例を示す。図8において、映像発生源1は一例として3板式の透過型の液晶パネルを使用した場合を示しているが、反射式の液晶パネルを使用したものでもよい。また、微小なミラーを複数備えた表示素子を使用したものでもよい。投写レンズ2は、図7で示した折り曲げミラー14が、前群12の途中に設けられているものである。自由曲面ミラー5は、映像発生源1及び前記投写レンズ2とともに、光学系支持体である光学系ベース7に固定され一体化されている。光学系ベース7に固定されるもののうち、投写レンズ2はリジッドに固定、一体化される。一方、映像発生源1は、調整機構15で少なくとも上下方向(前記X軸に平行な軸を回転中心とする)の傾きと、前後方向(前記Z軸方向)、すなわち映像発生源1の出射側と投写レンズ2の前群12との距離を調整できるように光学系ベース7に固定される。また、自由曲面ミラー5は光学系ベース7に設けられた支持具16で、該自由曲面ミラー5の略中心を中心軸として回転可能なように固定される。図8において、回転中心用のピン17は、自由曲面ミラー5の中心をその両端から可能に挟持し、これを軸として自由曲面ミラー5が回転可能にされる。自由曲面ミラー5の下端は、回転用ガイド溝18を介して固定用蝶ナット19と結合される。そして、固定用蝶ナット19を用いて、回転用ガイド溝18に沿って自由曲面ミラー5の下端をスライドさせることにより、ピン17を中心軸として自由曲面ミラー5を回転させることが可能となる。これにより、自由曲面ミラー5の反射面中心における法線と投写レンズ2の光軸との為す角度、すなわち自由曲面ミラー5の傾き角が調整される。
FIG. 8 shows an example of an optical unit having such an adjustment mechanism . In FIG. 8, the
この例では、映像発生源1として、赤、緑、青色に対応する3つの透過型液晶パネル31を使用している。これらの液晶パネルからの映像は、クロスダイクロイック・プリズム32で合成される。
In this example, three transmission type
赤、緑、青色に対応する映像の焦点合せを、各液晶パネル31をそれぞれ単独に移動させて行なうことも可能である。しかしながら、この場合、投写表示位置合せ、画素の位置合せ、像面収差補正等、補正すべき物理量が多くなる。よって、各液晶パネル31の移動だけで全ての調整を行なうことは困難である。そこで本実施形態では、各液晶パネル31の移動を画素の位置合せ用とし、映像発生源1を保持する調整機構15を投写表示のための位置合せ、及び像面収差補正用として、各液晶パネル31の調整と分離した。また、歪曲収差の補正は自由曲面ミラー5の回転で行なえるようにした。本実施形態では、このように補正すべき物理量に合せて補正機構を分離することで、容易に映像の焦点合せを行なうことができるようにした。
It is also possible to focus the video corresponding to red, green and blue by moving each
以上説明したように補正機構を分離できたのは、次の理由による。すなわち、本実施形態では、(1)投写レンズ2の前群12を、液晶パネル31の表示画面をスクリーン3に投写するための主レンズとするとともに、前群12を回転対称な光学系における基本的な収差を補正するよう構成した;(2)投写レンズ2の後群13を、回転非対称の自由曲面レンズとし、主として、像面収差の補正するよう構成した;(3)自由曲面ミラー5を、主として、歪曲収差を補正するよう構成した;ことによって、上記のような補正機構を可能にしたものである。
The reason why the correction mechanism can be separated as described above is as follows. That is, in this embodiment, (1) the
本発明に係る投写光学ユニットのその他の実施例を図9に示す。図8との違いは、投写レンズ2の前群の中で、最も正のパワーの大きいレンズ群(図示せず。以下、これをパワーレンズと称する)を軸方向に移動可能としたことにある。パワーレンズを軸方向に沿って移動させるには、レンズ保持部材(鏡筒)に斜めにレンズ移動用ガイド溝36を入れ内部のレンズ群をその溝に沿って回転させることにより行なう。図9において、レンズ固定用蝶ナット37は、パワーレンズもしくはそれを保持する要素と結合されており、これを上記ガイド溝36に沿ってスライドさせることにより、パワーレンズをその光軸に沿って移動させる。すなわち、本例では、ガイド溝36とレンズ固定用蝶ナット37で焦点合せのための調整機構を構成している。投写レンズ2にこの機能を追加することにより、映像発生源1を調整可能なように光学系ベース7に固定される調整機構35を省くことができる。また、図8の例にパワーレンズの調整機構を用いると、少なくとも上記前後方向(Z軸方向)の距離の調整を省くことが可能となる。
Another embodiment of the projection optical unit according to the present invention is shown in FIG. The difference from FIG. 8 is that a lens group (not shown; hereinafter referred to as a power lens) having the largest positive power in the front group of the
以上述べたように、本実施形態によれば、セットの奥行サイズを低減しつつ、且つ組立調整が容易な背面投写型カラー映像表示装置を実現できる。また、上記光学系で、平面反射ミラーを取り除き映像表示素子から自由曲面ミラーまでを1つの装置に収納すれば、前面投写型の表示装置となる。従って、装置からスクリーンまでの距離が非常に短いコンパクトな前面投写装置を実現できる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize a rear projection color image display apparatus that can reduce the depth size of a set and can be easily assembled and adjusted. Further, if the above-described optical system is used to remove the plane reflecting mirror and house the image display element to the free-form surface mirror in one device, a front projection display device is obtained. Therefore, a compact front projection apparatus with a very short distance from the apparatus to the screen can be realized.
1…映像発生源、2…投写レンズ、3…スクリーン、4…平面反射ミラー、5…自由曲面ミラー、6…筐体、11…映像表示素子、12…投写レンズ前群、13…投写レンズ後群、14…折り曲げミラー、15、35…調整機構16…支持具、17…回転中心用のピン、18…自由曲面ミラー回転用ガイド溝、36…レンズ移動用ガイド溝。
DESCRIPTION OF
Claims (20)
光源からスクリーンに向かって、順に、
映像表示素子と、
前記映像表示素子に表示された映像を拡大投写する投写光学系と、
前記投写光学系からの光束を前記スクリーンに対して反射する反射ミラーと、を備え、
前記投写光学系は、
回転対称な形状を有する複数のレンズからなる共軸光学系の前群と、
回転非対称な自由曲面形状を有し、非対称な収差の補正をする自由曲面レンズを少なくとも1枚含む後群と、を備え、
前記反射ミラーは、回転非対称な自由曲面形状の反射面を有し、台形歪を補正し、
前記映像表示素子、前記投写光学系、及び、前記反射ミラーは、各々共通の光学系ベースに固定され、
前記自由曲面レンズは、光出射方向に凹を向けた面を有し、
前記反射ミラーは、光反射方向に凸を向けた面を有しており、
前記自由曲面レンズにおける、前記スクリーンの下方に向かう光が通過する部分の曲率が、前記スクリーンの上方に向かう光が通過する部分の曲率よりも大きく、
前記反射ミラーにおける、前記スクリーンの下方に向かう光を反射する部分の曲率が、前記スクリーンの上方に向かう光を反射する部分の曲率よりも大きいことを特徴とする投写型映像表示装置。 In a projection display device that projects obliquely on a screen,
From the light source to the screen,
An image display element;
A projection optical system for enlarging and projecting the image displayed on the image display element;
A reflection mirror that reflects the light beam from the projection optical system to the screen;
The projection optical system is
A front group of a coaxial optical system composed of a plurality of lenses having a rotationally symmetric shape;
A rear group having at least one free-form surface lens having a rotationally asymmetric free-form surface shape and correcting asymmetric aberrations,
The reflecting mirror has a rotationally asymmetric free-form reflecting surface, corrects trapezoidal distortion,
The image display element, the projection optical system, and the reflection mirror are each fixed to a common optical system base,
The free-form surface lens has a surface with a concave in the light emitting direction,
The reflection mirror has a surface with a convex in the light reflection direction,
In the free-form surface lens, the curvature of the part through which the light going downward of the screen passes is larger than the curvature of the part through which the light going upward of the screen passes,
The projection display apparatus according to claim 1, wherein a curvature of a portion of the reflection mirror that reflects light directed downward of the screen is larger than a curvature of a portion of the reflection mirror that reflects light directed upward of the screen.
光源からスクリーンに向かって、順に、
映像表示素子と、
前記映像表示素子に表示された映像を拡大投写する投写光学系と、
前記投写光学系からの光束を前記スクリーンに対して反射する反射ミラーと、を備え、
前記投写光学系は、
回転対称な形状を有する複数のレンズからなる共軸光学系の前群と、
回転非対称な自由曲面形状を有し、非対称な収差の補正をする自由曲面レンズを少なくとも1枚含む後群と、を備え、
前記反射ミラーは、回転非対称な自由曲面形状の反射面を有し、台形歪を補正し、
前記映像表示素子、前記投写光学系、及び、前記反射ミラーは、各々共通の光学系ベースに固定され、
前記自由曲面レンズは、光出射方向に凹を向けた面を有し、
前記自由曲面レンズにおける、前記スクリーンの下方に向かう光が通過する部分の曲率が、前記スクリーンの上方に向かう光が通過する部分の曲率よりも大きく、
前記反射ミラーは、前記スクリーンの下方に向かう光を反射する部分が光の反射方向に凸の形状を為し、前記スクリーンの上方に向かう光を反射する部分が光の反射方向に凹の形状を為していることを特徴とする投写型映像表示装置。 In a projection display device that projects obliquely on a screen,
From the light source to the screen,
An image display element;
A projection optical system for enlarging and projecting the image displayed on the image display element;
A reflection mirror that reflects the light beam from the projection optical system to the screen;
The projection optical system is
A front group of a coaxial optical system composed of a plurality of lenses having a rotationally symmetric shape;
A rear group having at least one free-form surface lens having a rotationally asymmetric free-form surface shape and correcting asymmetric aberrations,
The reflecting mirror has a rotationally asymmetric free-form reflecting surface, corrects trapezoidal distortion,
The image display element, the projection optical system, and the reflection mirror are each fixed to a common optical system base,
The free-form surface lens has a surface with a concave in the light emitting direction,
In the free-form surface lens, the curvature of the part through which the light going downward of the screen passes is larger than the curvature of the part through which the light going upward of the screen passes ,
The reflection mirror has a convex shape in the light reflection direction at a portion that reflects light below the screen, and a concave shape in the light reflection direction at a portion that reflects the light upward toward the screen. None have projection display device comprising a Turkey.
前記映像表示素子の光軸と前記前群の光軸との角度の調整と、前記映像表示素子と前記前群との光学的距離の調整との少なくとも何れか一方を行う機構と、
前記反射ミラーの角度を調整する機構と、を更に備え、
前記投写光学系は、前記光学系ベースにリジッドに固定される、請求項1又は2に記載の投写型映像表示装置。 A mechanism for moving each of the plurality of liquid crystal panels constituting the video display element;
A mechanism that performs at least one of adjustment of an angle between the optical axis of the video display element and the optical axis of the front group, and adjustment of an optical distance between the video display element and the front group;
A mechanism for adjusting the angle of the reflection mirror,
The projection image display apparatus according to claim 1, wherein the projection optical system is rigidly fixed to the optical system base.
を更に備える、請求項4記載の投写型映像表示装置。 The projection display apparatus according to claim 4, further comprising a mechanism for allowing the reflection mirror to rotate about a substantially center of the reflection mirror as a central axis.
光源からスクリーンに向かって、順に、
映像表示素子と、
前記映像表示素子に表示された映像を拡大投写する投写光学系と、
前記投写光学系からの光束を前記スクリーンに対して反射する反射ミラーと、を備え、前記投写光学系は、
回転対称な形状を有する複数のレンズからなる共軸光学系の前群と、
回転非対称な自由曲面形状を有し、非対称な収差の補正をする自由曲面レンズを少なくとも1枚含む後群と、を備え、
前記反射ミラーは、回転非対称な自由曲面形状の反射面を有し、台形歪を補正し、
前記映像表示素子、前記投写光学系、及び、前記反射ミラーは、各々共通の光学系ベースに固定され、
前記自由曲面レンズは、光出射方向に凹を向けた面を有し、
前記反射ミラーは、光反射方向に凸を向けた面を有し、
前記自由曲面レンズにおける、前記スクリーンの下方に向かう光が通過する部分の曲率が、前記スクリーンの上方に向かう光が通過する部分の曲率よりも大きく、
前記反射ミラーにおける、前記スクリーンの下方に向かう光を反射する部分の曲率が、前記スクリーンの上方に向かう光を反射する部分の曲率よりも大きいことを特徴とする光学ユニット。 In an optical unit used in a projection display apparatus that projects obliquely on a screen,
From the light source to the screen,
An image display element;
A projection optical system for enlarging and projecting the image displayed on the image display element;
A reflection mirror that reflects the light beam from the projection optical system to the screen, and the projection optical system includes:
A front group of a coaxial optical system composed of a plurality of lenses having a rotationally symmetric shape;
A rear group having at least one free-form surface lens having a rotationally asymmetric free-form surface shape and correcting asymmetric aberrations,
The reflecting mirror has a rotationally asymmetric free-form reflecting surface, corrects trapezoidal distortion,
The image display element, the projection optical system, and the reflection mirror are each fixed to a common optical system base,
The free-form surface lens has a surface with a concave in the light emitting direction,
The reflection mirror has a surface with a convex in the light reflection direction,
In the free-form surface lens, the curvature of the part through which the light going downward of the screen passes is larger than the curvature of the part through which the light going upward of the screen passes,
The optical unit according to claim 1, wherein a curvature of a portion of the reflection mirror that reflects light directed downward of the screen is larger than a curvature of a portion of the reflection mirror that reflects light directed upward of the screen.
光源からスクリーンに向かって、順に、
映像表示素子と、
前記映像表示素子に表示された映像を拡大投写する投写光学系と、
前記投写光学系からの光束を前記スクリーンに対して反射する反射ミラーと、を備え、前記投写光学系は、
回転対称な形状を有する複数のレンズからなる共軸光学系の前群と、
回転非対称な自由曲面形状を有し、非対称な収差の補正をする自由曲面レンズを少なくとも1枚含む後群と、を備え、
前記反射ミラーは、回転非対称な自由曲面形状の反射面を有し、台形歪を補正し、
前記映像表示素子、前記投写光学系、及び、前記反射ミラーは、各々共通の光学系ベースに固定され、
前記自由曲面レンズは、光出射方向に凹を向けた面を有し、
前記自由曲面レンズにおける、前記スクリーンの下方に向かう光が通過する部分の曲率が、前記スクリーンの上方に向かう光が通過する部分の曲率よりも大きく、
前記反射ミラーは、前記スクリーンの下方に向かう光を反射する部分が光の反射方向に凸の形状を為し、前記スクリーンの上方に向かう光を反射する部分が光の反射方向に凹の形状を為していることを特徴とする光学ユニット。 In an optical unit used in a projection display apparatus that projects obliquely on a screen,
From the light source to the screen,
An image display element;
A projection optical system for enlarging and projecting the image displayed on the image display element;
A reflection mirror that reflects the light beam from the projection optical system to the screen, and the projection optical system includes:
A front group of a coaxial optical system composed of a plurality of lenses having a rotationally symmetric shape;
A rear group having at least one free-form surface lens having a rotationally asymmetric free-form surface shape and correcting asymmetric aberrations,
The reflecting mirror has a rotationally asymmetric free-form reflecting surface, corrects trapezoidal distortion,
The image display element, the projection optical system, and the reflection mirror are each fixed to a common optical system base,
The free-form surface lens has a surface with a concave in the light emitting direction,
In the free-form surface lens, the curvature of the part through which the light going downward of the screen passes is larger than the curvature of the part through which the light going upward of the screen passes,
The reflection mirror has a convex shape in the light reflection direction at a portion that reflects light below the screen, and a concave shape in the light reflection direction at a portion that reflects the light upward toward the screen. An optical unit characterized by
前記映像表示素子の光軸と前記前群の光軸との角度の調整と、前記映像表示素子と前記前群との光学的距離の調整との少なくとも何れか一方を行う機構と、
前記反射ミラーの角度を調整する機構と、を更に備え、
前記投写光学系は、前記光学系ベースにリジッドに固定される、請求項11又は12に記載の光学ユニット。 A mechanism for moving each of the plurality of liquid crystal panels constituting the video display element;
A mechanism that performs at least one of adjustment of an angle between the optical axis of the video display element and the optical axis of the front group, and adjustment of an optical distance between the video display element and the front group;
A mechanism for adjusting the angle of the reflection mirror,
The optical unit according to claim 11 or 12, wherein the projection optical system is rigidly fixed to the optical system base.
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