在将排列有多个反射型或者透射型液晶面板及微小反射镜的结构的图像显示元件的显示面放大显示于投射面即屏幕及板等的投射型图像显示装置中，当然希望在投射面上得到足够大的放大图像，而为了不使发送器的影子映在投射面上及不使发送器的网格直接进入放大图像，市场上开始出现缩短了投射型图像显示装置和投射面的距离的所谓短投射型的投射光学系统。该投射光学系统以相对于投射面使放大图像光从斜方向入射的方式构成。(例如，专利文献1)
另外，也已知有通过这种斜投射使用了曲面镜的倾斜投射光学系统进行光学调节的装置。(例如，专利文献2)
另一方面，也已知有通过将光路反射镜设置于投射型图像显示装置和投射面之间而作为背面投射型而缩短了视觉上的投射距离的投射型图像显示装置。(例如，专利文献3)
专利文献1：日本特开2008-250296号公报
专利文献2：日本特开2002-350774号公报
专利文献3：日本特开2006-259252号公报
但是，现有技术，特别是上述专利文献1所公示的相对于投射面从斜方向射入放大图像光的倾斜投射光学系统是，通过在投射光学系统和投射面之间配置曲面镜而构成，且利用共轴投射光学系统使中间像在曲面镜和该共轴投射光学系统之间成像，并通过曲面镜的放大作用将中间像放大投射于投射面即屏幕上的构成。
因此，在上述专利文献1记载的技术中，为了改变屏幕上的放大图像的倍率而必须使曲面镜的位置沿着上述共轴投射光学系统的光轴平行移动，而为了不使曲面镜相对于上述光轴倾斜就必须有高精度移动调整机构，但上述专利文献1并未公示该移动调整机构。
另外，上述专利文献2只是公示了自由曲面镜的移动的调节方法，但没有考虑与向倾斜投射光学系统特有的投射面即屏幕的倾斜投射相伴的投射图像的梯形变形及因屏幕上下方向的投射距离的差异而产生的相差的具体的校正，并且，也没有关于配置于投射光学系统和屏幕之间的具有负的放大倍率的自由曲面镜的制造方法的记载。
另一方面，上述专利文献3的设计是，具有用于使对从投影仪主体即投射透镜投射的投射光进行反射的镜可转动的镜机构部，该镜机构部以相对于镜使来自投影仪主体的投射光的投射角度成为规定的角度的方式将投影仪主体固定于固定部，由此使设置于投影仪主体内部的投射透镜不能移动，并且不仅可以进行背面投射，而且在进行正面投射(直接投射于屏幕)的情况下，做成将投影仪主体收容于上述镜机构部的构成，在将投影仪主体收容于镜时，成为小型尺寸。
上述专利文献3所记载的投影仪中，背面投射时的镜和投影仪主体的位置关系被固定，没有考虑背面投射的屏幕上的放大图像的倍率的变倍方法及调节放大图像的位置的技术方法。

本发明是鉴于这样的课题而创立的，其目的在于，提供一种向投射面倾斜投射的倾斜投射光学系统及使用了该光学系统的投射型图像显示装置，即提供一种通过小型的结构校正与倾斜投射相伴的梯形变形及像差，同时利用平面镜对投射光进行反射，在投射于投射面时，大幅度提高投射型图像显示装置的可设置性的投射型图像显示装置。
此外，还在于提供一种投射型图像显示装置，本发明的倾斜投射光学系统由包含塑料透镜在内的多个透镜构成，通过将该塑料透镜做成非球面形状，与自由曲面形状相比较降低了成型模具的加工时间，且通过将光路反射镜也做成平面镜可大幅度降低开发成本。
为了实现上述目的，本发明的投射光学系统在将显示于图像显示装置的图像倾斜地放大投射于投射面即屏幕等的所谓倾斜投射光学系统中，由多个透镜构成，配置于距投射面最近的位置上的透镜，图像光束所透过的图像垂直方向的有效区域被配置在所述多个透镜的光轴中不含最多数的透镜所共有的光轴的位置，通过将其形状做成关于光轴非对称，可以校正因超广角化而产生的像差及因投射而产生的变形。
另外，本发明的倾斜投射光学系统，由于通过所述理由可使相对于光轴映出的方的图像的画面垂直方向的位置变高(移动量大)，因而可以在配置于距投射面最近的位置上的透镜和投射面之间配置有光路反射用小型平面镜。
此外，其特征在于，为了使具备该倾斜投射光学系统的投射型图像显示装置小型化，配置于距投射面最近的位置上的所述的透镜的画面垂直方向有效区域上端配置在平面镜的画面垂直放置有效区域下端的上部，该平面镜使倾斜投射光学系统相对于最多数的透镜所共有的光轴具有规定的仰角，并且，设置有使该仰角可变的转动调整机构。
另外，其特征在于，由于本发明的倾斜投射光学系统即使超广角化也可保持图像的品质，因此，在具备该倾斜投射光学系统的投射型图像显示装置中，即使缩短投射面和投射型视屏显示装置的距离，也可得到放大率高的图像，并且，设置有使所述平面镜沿着所述最多数的透镜所共有的光轴可移动的平面镜移动机构。
此外，本发明的特征在于，配置于距构成本发明的倾斜投射光学系统的投射面与的位置的透镜，光束所透过的图像垂直方向有效区域被配置在所述多个透镜的光轴中不含最多数的透镜所共有的轴的位置，其形状具有关于透镜有效面的中心轴非对称的形状，且为窃取了所述最多数的透镜所共有的光轴对称的非球面形状的一部分的形状。
另外，本发明的投射型图像显示装置的特正在于，具有将显示于图像显示面的图像倾斜地放大投射在投射面的倾斜投射光学系统，该倾斜投射光学系统由多个透镜构成，配置于距投射面最近的位置上的透镜，光束透过的图像垂直方向有效区域被配置在所述多个透镜中不含最多数的透镜所共有的光轴的位置，且被收容于与形成投射型图像显示装置的壳体的投射面相对置的面的画面垂直方向最大宽度的范围内。
为了实现上述目的，本发明的投射型图像显示装置的特征在于，具有将显示于图像显示面的图像倾斜地放大投射于投射面的倾斜投射光学系统，该倾斜投射光学系统由多个透镜构成，配置于距投射面最近的位置上的透镜，光束透过的图像垂直方向有效区域被配置在所述透镜的光轴中不含最多数的透镜所共有的光轴的位置，在配置于距投射面(屏幕等)最近的位置上的透镜和投射面之间配置有光路反射用的平面镜，该平面镜设置有相对于所述最多数的透镜所共有的光轴可改变角度的转动调整机构，由此，在将平面镜相对于所述最多数的透镜所共有的光轴保持规定的角度配置的第一状态下，能够在所述图像显示面方向上得到通过被该平面镜反射后的图像光束而得到的放大图像，在将另一所述平面镜收容于投射型图像显示装置的第二状态下，在将所述多个透镜的光轴中最多数的透镜所共有的光轴延长的方向上得到放大图像。
此外，本发明的投射型图像显示装置的特征在于，具有对所述的平面镜的转角进行检测的装置，并且，具有根据检测到的转角自动校正投影图像的画面变形的图像校正功能。
此外，所述的光路反射平面镜的特征在于，在所述的光路反射平面镜相对于同一所述最多数的透镜所共有的光轴保持规定的角度θ1配置的情况下，在所述图像显示面方向上得到通过被该平面镜反射的图像光束而得到的放大图像，所述投射型图像显示装置相对于与该放大图像大致垂直的基准平面倾斜θ2配置，且所述θ1和θ2满足下述关系。
1.5≤θ2/θ1≤2.0
另一方面，本发明模具加工方法的特征在于，在构成本发明的倾斜投射光学系统的多个透镜内，配置于距投射面最近的位置上的透镜为塑料制，光束透过的图像垂直方向有效区域被配置在所述多个透镜的光轴中不含最多数的透镜所共有的光轴的位置，且该塑料透镜为切下关于构成投射光学系统的最多数的透镜所共有的光轴对称的非球面形状的一部分的形状，由此，为了进行成型模具加工，以关于所述最多数的透镜所共有的光轴对称的方式配置多个成型模具并进行切削加工。
根据本发明，作为向投射面倾斜投射的倾斜投射光学系统及使用了该投射光学系统的投射型图像显示装置，通过小型化的结构对与倾斜投射相伴随的梯形变形及像差进行校正，同时，将小型的平面镜做成可收容于投射型图像显示装置的结构，在用平面镜对投射光进行反射并将其投射于投射面的情况下，通过调节平面镜的角度，使投射图像的位置可变，此外，通过使平面镜在光轴方向移动并改变投射图像的倍率，可以大幅度投射型图像显示装置的可设置性。
此外，本发明的倾斜投射光学系统由多个透镜构成，光束透过的图像垂直方向有效区域被配置在所述多个透镜的光轴中不含最多数的透镜所共有的光轴的位置，将配置于距投射面最近的位置上的透镜做成切去了关于光轴对称的非球面形状的一部分的形状，由此，大幅度降低了成型模具的加工时间，且通过将光路反射镜也做成平面镜可以大幅度降低开发成本。
附图说明
图1是表示具备本发明的倾斜投射光学系统和光路反射镜的投射型图像显示装置的一实施例的侧面图；
图2是表示具备本发明的倾斜投射光学系统和光路反射镜的投射型图像显示装置的一实施例的侧面图；
图3是表示具备本发明的倾斜投射光学系统和光路反射镜的投射型图像显示装置的一实施例的侧面图；
图4是表示具备本发明的倾斜投射光学系统和光路反射镜的投射型图像显示装置的一实施例的侧面图；
图5是表示具备本发明的倾斜投射光学系统和光路反射镜的投射型图像显示装置的一实施例的侧面图；
图6是表示具备本发明的倾斜投射光学系统和光路反射镜的投射型图像显示装置的一实施例的侧面图；
图7是表示具备本发明的倾斜投射光学系统和光路反射镜的投射型图像显示装置的一实施例的侧面图；
图8是表示具备本发明的倾斜投射光学系统和光路反射镜的投射型图像显示装置的一实施例的侧面图；
图9是本发明的倾斜投射光学系统的透镜构成的投射透镜的剖面图；
图10是表示本发明的倾斜投射光学系统的透镜构成和光线示踪结果的剖面图；
图11是表示本发明的倾斜投射光学系统的透镜构成和光线示踪结果的剖面图；
图12是表示本发明的倾斜投射光学系统的一实施例(示于图25(a)(b)的透镜数据)的透镜构成的投射透镜的剖面图；
图13是表示本发明的倾斜投射光学系统的一实施例(示于图26(a)(b)的透镜数据)的透镜构成的投射透镜的剖面图；
图14是表示本发明的倾斜投射光学系统的一实施例(示于图27(a)(b)的透镜数据)的透镜构成的投射透镜的剖面图；
图15是表示本发明的倾斜投射光学系统的一实施例(示于图25(a)(b)的透镜数据)的透镜构成和光线示踪结果的剖面图；
图16是表示本发明的倾斜投射光学系统的一实施例(示于图25(a)(b)的透镜数据)的投射图像的点形状形状的图；
图17是表示本发明的倾斜投射光学系统的一实施例(示于图26(a)(b)的透镜数据)的投射图像的点形状形状的图；
图18是表示本发明的倾斜投射光学系统的一实施例(示于图27(a)(b)的透镜数据)的投射图像的点形状形状的图；
图19是表示投射型图像显示装置的倾斜投射光学系统的一实施例(的图；
图20是示意性表示塑料透镜成型模具透镜面形状加工机的构成图；
图21是示意性表示塑料透镜成型模具透镜面形状加工机的加工法的构成图；
图22是示意性表示本发明的塑料透镜成型模具透镜面形状加工方法的一实施例的构成图；
图23是示意性表示本发明的塑料透镜成型模具透镜面形状加工方法的另一实施例的构成图；
图24是表示本发明一实施例的塑料透镜外形形状的图；
图25(a)是实现作为本发明第一实施例的倾斜投射光学系统所采用的投射透镜的透镜数据中与球面系统有关的数据；
图25(b)是实现作为本发明第一实施例的倾斜投射光学系统所采用的投射透镜的透镜数据中与球面系统有关的数据；
图26(a)是实现作为本发明第二实施例的倾斜投射光学系统所采用的投射透镜的透镜数据中与球面系统有关的数据；
图26(b)是实现作为本发明第二实施例的倾斜投射光学系统所采用的投射透镜的透镜数据中与球面系统有关的数据；
图27(a)是实现作为本发明第三实施例的倾斜投射光学系统所采用的投射透镜的透镜数据中与球面系统有关的数据；
图27(b)是实现作为本发明第三实施例的倾斜投射光学系统所采用的投射透镜的透镜数据中与球面系统有关的数据；
图28是表示本发明的倾斜投射光学系统一实施例的透镜构成的投射透镜的剖面图；
图29是表示本发明的投射型图像显示装置一实施例的局部构成的图。
符号说明
1a：投射型图像显示装置的上部壳体1    2：平面镜固定框
3：图像光束    4：固定部    5：平面镜转动机构
6：固定部1    7：固定部2    8：平面镜移动机构
9：投射型图像显示装置的下部壳体    11：光轴    12：空间
13：平面镜转动轴    14：平面镜    15：镜保持部
R1：上限光    R2：下限光    θ1：镜的仰角
θ2：投射型图像显示装置的仰角
1b：投射型图像显示装置的上部壳体2
L17：塑料透镜    L1：透镜    L2：透镜    L3：透镜
L4：透镜    L5：透镜    L6：透镜    L7：透镜    L8：透镜
L9：透镜    L10：透镜    L11：透镜    L12：透镜    L13：透镜
L14：透镜    L15：透镜    L16：透镜    98：灯泡
99：反射镜    101：光源    102：紫外线截止滤光器(Cut Filter)
103：多透镜方式积分电路    103a：第一多透镜元件
103b：第二多透镜元件    104：偏光变换元件
115：光轴    116a、116b、116c、116d：反射镜(mirror)
117a、117b：分色镜(dichroic mirror)
108a、108b、108c：重叠透镜    105、109、110：滤光透镜

下面，参照附图详细说明本发明的最佳实施方式。另外，在以下的各图中，对于具有共同的功能的要素标注同一符号表示，对于进行了一次说明的则省略其重复的说明。
图1～图3是示意性表示作为本发明一实施例的投射型图像显示装置的侧面图，特别是其具备将平面镜(未图示)固定于固定框2，使其对图像光束3进行反射并从倾斜方向投射于图像显示面(未图示)方向的投射面的倾斜投射光学系统(未图示)，上述的倾斜投射光学系统、照明光学系统、电路部件等主要零件(未图示)都被收容于下部壳体9和上部壳体1a内部。
同图中，4为平面镜转动·固定机构，5为可调节镜固定框的角度的转动机构，根据需要还具备能够检测平面镜的仰角的检测机构，6及7为固定平面镜移动部的固定部，8为平面镜移动机构，R1为放大图像光束的画面垂直方向上限光，R2为放大图像光束的画面垂直方向下限光。
另外，实现本发明的图像显示装置所具备的倾斜投射光学系统的透镜构成的具体例将在稍后详细叙述。
如图2所示，本发明的投射型图像显示装置，将平面镜(未图示)固定于固定框2并使其对图像光束3进行反射进而可以从倾斜方向将其投射于图像显示面(未图示)方向的投射面，因此，不仅可以大幅度减小从图像投射显示装置至投射面视觉上的投射距离，而且通过利用移动机构8使平面镜相对于投射型图像显示装置的壳体移动，利用固定部6、固定部7将其固定于规定的位置，不使壳体移动就可以变更至投射面的投射距离，其结果是，不仅可以很容易变更投射面上的图像的放大率，而且如图3及图4所示，利用平面镜转动·固定机构4或者镜固定框的转动机构5从规定的仰角起能够进行角度调整，并且可以任意改变图像在投射面上的显示位置。
此时，在平面镜转动·固定机构4、镜固定框的转动机构5任一方或者双方具备可检测与规定的仰角相对的平面镜转角的转角检测装置(例如旋转式编码器)，通过自动校正为与得到的图像电路的画面垂直方向的梯形校正的转角相一致，使用性能进一步提高。
另外，本发明的图像显示装置如图2所示，将平面镜(未图示)固定于固定框2并使其对图像光束3进行反射进而从倾斜方向将其投射于图像显示面(未图示)方向的投射面的情况下，减小平面镜的有效面积，因此，可缩短图像投射显示装置和平面镜的间隔，且可将倾斜投射光学系统的位移量(若投射透镜光轴和放大图像垂直方向下端重合，则位移量10:0，在将放大图像垂直方向的开度设为10的情况下，若放大图像垂直方向下端比光轴靠上，则作为负量定义)设计为负(即比光轴靠上)。
在本发明的图像显示装置中，为了使图像投射显示装置和平面镜的间隔更短，如图4所示，而通过转动·固定机构4或者镜固定框的转动机构5使平面镜从规定的仰角只倾斜θ1，据此，通过使图像投射显示装置相对于与投射面垂直的面只倾斜θ2，就可在投射面得到变形小的放大图像，实际上，通过本发明的图像投射显示装置的试制实验，研究了图像处理的垂直梯形变形校正和画质降低的关系。
其结果发现，在θ2和θ1的比率(θ2/θ1)为1.5以下时，投射面的画面垂直方向上部的图像与下部的图像相比放大率变得过大，即使通过图像电路进行垂直梯形校正也会使画质降低，相反，在θ2和θ1的比率(θ2/θ1)为2.5以上时，投射面的画面垂直方向下部的图像与上部的图像相比放大率变得过大，即使通过图像电路进行垂直梯形校正画质降低也大，而将θ2和θ1的比率(θ2/θ1)设为2.0左右时最能减轻画质降低。
图5及图6是示意性表示在本发明的图像投射显示装置内将光路反射用的平面镜(未图示)收容于固定壳体上部时的方式的图，其中，图5是侧面图，图6是正面图。
如图5所示，本发明的图像投射显示装置固定于对光路反射用的平面镜(未图示)进行固定的固定框2，通过平面镜转动·固定机构4及镜固定框的转动机构5及移动机构8、固定部6、固定部7可收容于固定壳体上部的规定的位置，收容镜时，不对光路进行反射，而是可以在沿着构成倾斜投射光学系统的最多数的透镜所共有的光轴的方向进行放大投射。
图6是示意性表示在本发明的图像投射显示装置中将光路反射用的平面镜(未图示)收容于固定壳体上部时的方式的固定正面图，配置于构成倾斜投射光学系统的多个透镜中距投射面最近的位置上的透镜(在图6中用L17表示)做成与图像显示面有效区域的纵横比(纵横尺寸比)大致相等的长方形或者梯形形状以遮蔽不需要的光，光束透过的图像垂直方向有效区域被配置在上述多个透镜的光轴中不含最多数的透镜所共有的光轴的位置，由此，通过以形成上述投射型图像显示装置的壳体的与投射面对置的面的画面垂直方向最大宽度收容，可以大幅度提高可设计性。
另外，如图5及图6所示，作为本发明的一实施例对不论收容光路反射用的平面镜或者将其做成开放状态都可得到放大图像的图像投射显示装置的结构进行了说明，但是，如果具备本发明的倾斜投射光学系统，则作为在将上述的光路反射用的平面镜收容于壳体的状态下不能使用的图像投射显示装置，也不能说与本发明相抵触。
作为本发明另一实施例的图像投射显示装置如图7所示，为不具备光路反射用的平面镜而是在沿着构成倾斜投射光学系统的最多数的透镜所共有的光轴的方向进行放大投射的结构。
图8是示意性表示图7所示的作为本发明另一实施例的图像投射显示装置的方式的固定正面图，配置于构成倾斜投射光学系统的多个透镜中距投射面最近的位置上的透镜(在图8上用L17表示)做成与图像显示面有效区域的纵横比(纵横尺寸比)大致相等的长方形或者梯形形状以遮蔽不需要的光，光束透过的图像垂直方向有效区域被配置在上述多个透镜的光轴中不含最多数透镜所共有的光轴的位置，并以形成上述投射型图像显示装置的壳体的与投射面相对置的面的画面垂直方向最大宽度收容，并且，使上述L17的外形中心线位于与壳体的投射面相对置的面的中心线靠之上，由此，可以使外观上的平衡性良好并可以大幅度提高可设计性。
下面，参照附图9～18，说明上述投射型图像显示装置中采用的特别是为了尽可能缩短投射型图像显示装置的投射距离，而将构成倾斜投射光学系统的多个透镜中配置于距投射面最近的位置上的透镜做成与图像显示面有效区域的纵横比(纵横尺寸比)大致相等的长方形或者梯形形状以遮蔽不需要的光，光束透过的图像垂直方向有效面积被配置在上述多个透镜中不含最多数的透镜所共有的光轴的位置，由此，在短距离内倾斜地进行放大投射的短距离投射的倾斜投射光学系统。
<短距离投射的倾斜投射光学系统>
首先，附图9是表示上述投射光学系统的基本结构的剖面图，用XYZ垂直坐标系中的YZ剖面表示该光学系统的结构。在此，为了投射光学系统的说明的方便而将图像显示面即液晶面板122和正交棱镜111设于右侧表示，将投射面设于左侧表示。本实施例与如图27(a)(b)所示的透镜数据相对应，配置于距投射面最近的位置上的透镜L17为塑料非球面透镜形状，光束透过的透镜的有效区域被配置在不含构成倾斜投射光学系统的多个透镜所共有的光轴11的位置，由此，可用L17的透镜形状单独控制在画面周边成像的光束，从而实现了与因倾斜投射而产生的梯形变形及超广角化相伴随的像差(特别是高阶的慧形象差及像散)的校正。另外，通过将L17的透镜形状做成与图像显示面有效区域的纵横比(纵横尺寸比)大致相等的长方形或者与图像光束透过的区域相一致的梯形形状，还具有遮蔽使成像性能下降的不需要的光。此外，由于不是将上述的L17的外形形状做成关于光轴11对称的圆形状，因而可实现小型化，其结果是，在将本实施例的倾斜投射光学系统收容于投射型图像显示装置的壳体内时，也可以以与投射面对置的面的画面垂直方向最大宽度收容L17，并且，使上述L17的外形中心位于与壳体的投射面对置的面的中心线之上，由此，可以使外观上的平衡性良好并可以大幅度提高可设计性。
另外，在图9中，L17只表示将透镜形状做成与图像显示面有效区域的纵横比(纵横尺寸比)大致相等的长方形或者与光束透过的区域相一致的梯形形状(在该图上以剖面形状图示)，但在实现本发明的倾斜投射光学系统的透镜构成中，如图15所示，L14、L15等透镜由于也存在图像光束不能透过的区域，因而除该区域之外，只要决定透镜外形形状，对于关于光轴对称的现有的透镜外形形状就可提实现小型化，从而有助于具备该光学系统的投射型图像显示装置的小型·轻量化。
另一方面，L3和L11也是塑料制的非球面透镜，但是由于图像光束透过的透镜的有效区域被配置在不含构成倾斜投射光学系统的多个透镜所共有的光轴11的位置，因而将各个透镜做成关于光轴11对称的非球面形状。用于实现本实施例的倾斜投射光学系统的投射透镜为14片玻璃、3片塑料共17片构成且通过四个零件(B1、B2、B3、B4)构成的透镜镜筒进行保持固定。另外，在变更投射距离而改变放大率的情况下，通过改变与上述的镜筒B3相对的B4的相对位置，可以进行焦距调节。
在如图10～15所示的实施例中，将XYZ垂直坐标系的原点，通过根据图像信号调制照明光束而设为显示图像的液晶面板122的显示面的中央，将Z轴设为与图像显示用液晶面板122(未图示)的法线平行。Y轴与图像显示用液晶面板122(未图示)的显示面的短边平行，并设为与图像显示用液晶面板122(未图示)的纵(上下)方向相等。X轴与图像显示用液晶面板122(未图示)的显示面的长边平行，并设为与图像显示用液晶面板122的横(左右)方向相等。另外，附图10是作为构成投射型图像显示装置的倾斜投射光学系统的实施例的投射透镜的剖面图，图10是在投射透镜上省略了光路折射用的平面镜而表示的剖面图。
图12是表示实现作为本发明的第一实施例的倾斜投射光学系统的投射透镜的剖面图，图25(a)表示此时取得的透镜数据中与球面系统有关的数据，图25(b)表示与非球面系统有关的数据。另外，图13是表示实现作为第二实施例的倾斜投射光学系统的投射透镜的剖面图，图26(a)表示此时取得的透镜数据中与球面系统有关的数据，图26(b)表示与非球面系统有关的数据。同样，图14表示实现作为第三实施例的倾斜投射光学系统的投射透镜的剖面图，图27(a)表示此时取得的透镜数据中与球面系统有关的数据，图27(b)表示与非球面系统有关的数据。
在各透镜数据中，将如图10及图11所示的投射距离L0、L1和来自图像显示位置的光轴的位移量S1及图像的垂直方向尺寸Dv汇总如下。
                           L0(mm)   Dv(mm)   S1(mm)
60“    投射时  实施例1    650.1    747.1    186.8
60“    投射时  实施例2    651.3    747.1    186.8
60“    投射时  实施例3    650.0    747.1    186.8
80“    投射时  实施例1    885.6    996.1    249.0
80“    投射时  实施例2    885.6    996.1    249.0
80“    投射时  实施例3    882.4    996.1    249.0
100“   投射时  实施例1    1011.7   1245.0   331.3
100“   投射时  实施例2    1011.9   1245.0   331.3
100“   投射时  实施例3    1011.8   1245.0   331.3
如上所述，实现在本发明得到的倾斜投射光学系统的投射透镜相对于图像的垂直方向尺寸Dv可以使位移量S1达到20％以上。另外，投射画面尺寸D(mm)和投射距离L0(mm)之比即D/L0在普通的投射型图像显示装置时，按60英寸投射画面尺寸为1524(mm)、投射距离为1800(mm)，其比率D/L0为0.85。此外，用更短的距离投射距离为1000(mm)左右，其比率D/L0达到1.52，但在本发明的倾斜投射光学系统中，如上所示可以实现D/L达到2.0以上，在本实施例中可达到2.34。
另一方面，如图11所示，根据本发明，可以实现具备光路反射用平面镜的投射型图像显示装置。试制的结果是，由于配置于距投射面最近的位置上的透镜和平面镜的间隔约为150mm，因而如图11所述的L1相对于上述L0被缩短1500mm左右。另外，只要设为固定进深350mm，在光被平面镜反射的情况下，可使本发明的自投射型图像显示装置至投射面的距离相对于L0缩短500mm，得到在小的设置空间得到大画面及不能从发射器直接看到投射型图像显示装置的图像光等很多的优点。
接着，使用图25(a)(b)所示的透镜数据，说明实现作为本发明的实施例的倾斜投射光学系统的投射透镜的相差校正的机理和透镜数据的具体读法、如图12所示的构成的实施例1的投射透镜。作为整体由3组构成的透镜从投射面(屏幕)侧起按顺序自L16～L12构成第三组，将L16～L13全部做成凹透镜并作为焦阑结构，同时，为了降低放大色差而配置有L12即使用了色散系数小的玻璃材料的凸透镜。此外，如图16所示，通过将L16配置于不含构成倾斜投射光学系统的多个透镜所共有的光轴11的位置，做成可用L16的透镜形状单独控制在画面周边成像的光束的强的非球面形状，实现与因倾斜投射而产生的梯形变形及超广角化相伴随的像差(特别是高阶的彗形像差及像散)的校正。此时，不必因上述的理由将L16的透镜外形形状做成关于光轴对称的圆形状，而是可以做成与图像显示面有效区域的纵横比(纵横尺寸比)大致相等的长方形或者与图像光束透过的区域相一致的梯形形状。因此，还具有遮蔽降低成像性能的不需要的光的效果。此外，由于不是将上述L16的外形形状做成关于光轴11对称的圆形状因而可以使其小型化，其结果是，即使将本实施例的倾斜投射光学系统收容于投射型图像显示装置的壳体内时，也可以将L16的外形收容于与投射面对置的面的画面垂直方向最大宽度内，并且，使上述的L16的外形中心位于与壳体的投射面对置的面的中心线之上，由此，可使其外观上的平衡性良好并大幅度提高可设计性。
另外，L11～L9构成第二组，通过具有弱的负折射率的具有强的非球面形状的透镜，使L11穿过远离光轴的位置，并校正因与光轴大致平行的光束而产生的球面像差及低阶的慧形像差，L10及L9由具有正折射率的玻璃透镜投射透镜的折射力的一部分承担，且将L9在投射面(屏幕)侧做成凸的弯月透镜以压制慧形像差和像散的发生。
最后，L8～L1构成第一组，通过使L8和L7的双合透镜和L6～L4的三合透镜保持负折射率而使其保持强的焦阑性。此外，通过将L3做成具有强的非球面形状的透镜并使其穿过远离光轴的位置在光轴上校正因倾斜的光束而产生的环状慧形像差，从而作为投射透镜整体即使倾斜投射也可抑制变形且实现了良好的聚焦性能。图13及图14所示的本发明的另一实施例的投射透镜是将图12的L15分别分割为L15和L16以提高相差校正能力，通过将图12的非球面透镜L16在图13及图14上只是置换为L17而得到的效果及投射光学系统的结构是相同的。
下面，使用图25(a)、(b)，图26(a)、(b)，图27(a)(b)并例示其具体的数值来说明上述的倾斜投射光学系统。
首先，图12表示如图25(a)(b)所示的基于数值例的本实施方式的投射光学系统的结构，在上述的XYZ垂直坐标系中，图12表示在YZ剖面的结构。如图1～图6所示，在本发明的图像投射装置内也能实现配置有光路反射镜(未图示)的结构，但为了说明上的方便，故意说明没有如图7及图8所示的光路反射镜的情况。将图12的投射光学系统的结构图在Z轴方向展开表示，这也和图13～图15一样。
从上述图12的光轴11的下侧所示的图像显示面(实施例设为液晶面板)P0射出的光在含有多个透镜的投射透镜中首先穿过只是由只具有旋转对称形状的面的透镜构成的第一组及第二组。然后，穿过含有相对于透镜外形中心非旋转对称的非球面透镜L16的第三组并放大投射于投射面。
在此，投射透镜的第一组和第二组全部由具有旋转对称形状的折射面的多个透镜构成，各折射面中四个面为旋转对称非球面，其它为球面。这里所使用的旋转对称的非球面使用各面的本身的圆柱坐标系，并可用图25(b)的式(1)表示。
在此，r表示距光轴的距离，Z表示透镜形状的下垂量。另外，c为在顶点的曲率，k为圆锥系数，A～J为r的幂方的项的系数。
另外，在图25(a)中记载有各面的曲率半径。在图25(a)中，面的左侧有曲率的中心时用正值表示，相反则用负值表示。另外，在图25(a)中，面间距表示从该透镜面的顶点至下一个透镜面的顶点的距离。对于任一透镜面，下一个透镜面在图25(a)上位于左侧时面间距用正值表示，位于右侧时则用负值表示。此外，在图25(a)中，面号码(9)、面号码(10)、面号码(23)、面号码(24)、面号码(33)、面号码(34)为关于光轴旋转对称的非球面，在图25(a)中，在表内面的号码的旁边记载为非球面以示区分。
以下的图25(b)表示这六个面的非球面的系数。
从上述的图25(b)的表可看出，在本实施方式中，圆锥系数k为0。因倾斜入射引起的梯形变形在倾斜入射的方向发生得极端大，在与此垂直的方向变形量小。因此，在倾斜入射的方向和与此垂直的方向，需要很大的差异的功能，由于不是通过旋转对称并利用在全方向起作用的上述圆锥系数k，从而可以良好地校正非对称的像差。
另外，示于上述图25(a)及图25(b)的表中的数值记载有在图像显示面即液晶面板的画面上按16×9的纵横尺寸比将进行了对角0.59英寸的范围的光调制的光学像(调光像)在投射面及屏幕上放大投射为60英寸、80英寸、100英寸时取得的值，为了利用与此不符的尺寸的放大像得到最佳聚焦性能，也可以以使透镜间隔(30)和(34)的值成为图25(b)的下表的面间隔的值的方式使L15及L16在光轴上平行移动。
如图26(a)(b)及图27(a)(b)所记载的透镜数据也用同样的格式记载。
图16表示利用如本数值实施例1的图25(a)(b)所记载的透镜数据放大投射为80英寸的投射像的点形状，图17表示利用如本实施例2的图26(a)(b)所记载的透镜数据放大投射为80英寸的投射像的点形状，图18表示利用如本实施例3的图27(a)(b)所记载的透镜数据放大投射为80英寸的投射像的点形状。
在图16中，在图像显示面即液晶面板显示面上，按X、Y坐标的值计，将从(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)这10点射出的光束的点图从其下面按顺序显示，该比例尺的单位为5mm。另外，各点图的横方向为在图像显示面即液晶面板上的X方向，纵方向为在图像显示面即液晶面板上的Y方向。如图17及图18所示的点图也可在图像显示面即液晶面板的显示面上按X、Y坐标从同样的值的点用光束得到，表明维持了良好的性能。
以上，详细说明了实现本发明的投射型图像显示装置的倾斜投射光学系统的实施例。另外，在上述实施例中，以从投射透镜射出的光线被光路反射用的平面镜反射而朝向图像显示面即液晶面板的方式构成，但是，不言而喻，本发明不限于此，也可以根据投射透镜的配置位置而省略上述的反射用的平面镜。
下面，使用图19说明本发明的投射型图像显示装置所使用的照明光学系统的实施例。在图19中，光源101由灯98和反射镜99构成。该灯98为高压水银灯即白色灯。另外，反射镜99已从背后覆盖灯98的方式配置，例如具有旋转抛物面形状的反射面，并具有圆形或者多角形的射出口。另外，从该灯98射出的光被具有旋转抛物面形状的反射面的反射镜99反射，与光轴115大致平行，而从光源101射出大致平行的光束。从光源101射出的光入射到多透镜方式的积分电路。
如上所述，多透镜方式积分电路103由第一多透镜元件103a和第二多透镜元件103b构成。另外，第二多透镜103b的透镜单元形状从光轴115方向看具有与液晶面板112a、112b、112c大致相似的矩形形状，多个透镜单元配设成矩阵状而形成，从光源入射的光被多个透镜单元分割分为多个光，以高效率透过第一多透镜元件103a和偏光变换元件104的方式传播。即，第一多透镜元件103a以使灯98和第二多透镜元件103b的各透镜单元在光学上成为共轭的关系的方式设计。
第二多透镜元件103b的透镜单元形状与第一多透镜元件103a一样，从光轴115方向看为矩形形状，且多个透镜单元具有配设成矩阵状的结构，构成该透镜元件的透镜单元分别与重叠透镜108a、108b、108c一起将所对应的第一多透镜元件121的透镜单元形状投影(映射)到液晶面板122a、122b、122c上。而且，在该过程，利用偏光变换元件104的作用，使来自第二多透镜元件103b的光与规定的偏光方向一致。同时，第一多透镜元件103a的各透镜单元的投影像分别利用重叠透镜108a、108b、108c的作用进行重叠，使与各自对应的液晶面板112a、112b、112c上的光量分布达到一致。
在构成本发明的倾斜投射光学系统的多个透镜内，配置于距投射面最近的位置上的透镜为塑料制，光束透过的图像垂直方向有效区域被配置在上述多个透镜的光轴中不包含最多数的透镜所共有的光轴的位置，将该塑料透镜做成切去了关于构成投射光学系统的最多数的透镜所共有的光轴对称的一部分的形状。
如图20所示，成型模具的加工使用多轴加工机械，如图21(a)所示，是一种使工件即模具旋转并用车刀进行切削得到与所期望的透镜形状相对应的模具形状的方式，和如图21(b)所示，将工件固定一边使车刀旋转一边加工所要的模具形状的方式，与(a)相比，在用(b)的方式得到镜面是切削时间需要约10～20倍。(b)方式在旋转非对称的自由曲面的加工方面有优势，而(a)方式适合在用短时间进行旋转对称的非球面形状的加工。
在构成本发明的倾斜投射光学系统的多个透镜内，配置于距投射面最近的位置上的透镜为塑料制，光束透过的图像垂直方向有效区域被配置在上述的多个透镜的光轴中不含最多数的透镜所共有的光轴的位置，该塑料透镜被做成切去了关于构成投射光学系统的最多数的透镜所共有的光轴对称的非球面形状的一部分的形状，由此，如上述的图21(a)所示，在进行成型模具加工时，可采用使用多轴加工机械使工件即模具旋转，用车刀进行切削而得到与所期望的透镜形状相对应的模具形状的方式，可用较短的加工时间进行模具加工，从而可抑制开发成本。
此时，例如在将如图21(a)所示的多轴加工机的C轴作为转轴而加工模具的情况下，根据本发明可以同时进行加工多个，例如在同时加工两个的情况下，如图22所示，在关于转轴对称地配置两个模具(工件)时，加工时的切削平衡性好，可以高精度地得到所期望的模具形状。此外，图23表示同时加工四个模具时的最佳配置，但即使在同时加工奇数个的情况下，通过按要同时进行加工的模具数量除以转角(360度)的角度错开配置，可以得到同样的效果。
在以上所述的本发明的倾斜投射光学系统中，配置于距投射面最近的位置上的透镜的外形形状例如为如图24所示的那样的长方形形状时，相对于透镜有效面的外形形状为基础的中心轴做成轴非对称的透镜面形状，做成相对于构成上述倾斜投射光学系统的最多面的透镜所共有的光轴对称的非球面形状。
另外，在图9中，只是将配置于距投射面最近的位置上的透镜L17做成去掉不能使光透过的区域的形状，并配置在不含倾斜投射光学系统的最多数的透镜所共有的光轴11的位置。但是，不仅配置于距投射面最近的位置上的透镜，而且从距投射面最近的位置起，通过将多个透镜做成去掉了图像光束不进行透射的区域的形状，可以实现倾斜投射光学系统的小型化、轻量化。
具体而言，例如在如图28所示的构成中，不仅是配置于距投射面最近的位置上的透镜L17，而且配置于下一靠近投射面的透镜L16也被配置在不含倾斜投射光学系统的最多数的透镜所共有的光轴11的位置。此外，配置于下一靠近投射面的位置的透镜L15也被做成去掉了图像光束不进行透射的区域的外形。在如图28所示的结构中，由此，与不去掉图像光束不进行透射的区域的形状相比，只能在用虚线表示的空间12部分实现倾斜投射光学系统的小型化、轻量化。
在图28所示的构成中，由于透镜L17为塑料制，并被配置在不含倾斜投射光学系统的最多数的透镜所共有的光轴的位置，且被做成切去了关于该光轴对称的非球面形状的一部分的形状，因而可以使图20中说明的成型模具的加工达到短时间化，可以降低原始成本，其结果可以廉价地制造透镜。此外，透镜L16为玻璃透镜，被配置在不含倾斜投射光学系统的最多数的透镜所共有的光轴11的位置，而且被做成切去了关于该光轴对称的球面形状的一部分的形状。在此，在制造时，通过切断一个球面透镜进行加工可以制造两个透镜L16，即使在玻璃透镜时也可廉价地制造透镜。即，被配置在不含倾斜投射光学系统的最多数的透镜所共有的光轴11的位置，并被做成切去了关于该光轴对称的非球面形状或者球面形状的一部分的形状的透镜越多，则可以越廉价地制造倾斜投射光学系统。在图28所示的构成中，只有透镜L17和L16属于上述透镜。但是，例如不仅是配置于距投射面的透镜最近，而且从距投射面最近的位置起多个透镜即使是两片以上，也优选下述的结构，根据图像光束不透射的区域，将尽可能多个个数的透镜配置在不含倾斜投射光学系统的最多数的透镜所共有的光轴11的位置，且做成切去了关于该光轴对称的非球面形状或者球面形状的一部分的形状。
因此，如图28所示的倾斜投射光学系统的结构，通过将不仅是配置于距投射面最近的位置上的透镜，而且将从距投射面最近的位置起连续配置的规定数量的多个透镜，做成去掉了图像光束不透射的区域的形状，除倾斜投射光学系统的小型化、轻量化之外，还可以实现低成本化。
因此，使用该倾斜投射光学系统可以更恰当地实现投射型图像显示装置的小型化、轻量化、低成本化。
如上述的图28所示的倾斜投射光学系统的构成，不论是用于具有如图1～图6所示的平面镜的投射型图像显示装置，还是用于不具有如图7、图8所示的平面镜的投射型图像显示装置，都可以实现投射型图像显示装置的小型化、轻量化、低成本化。
在此，使用图29表示在具有平面镜的投射型图像显示装置具备如图28所示的倾斜投射光学系统的结构的情况下，有效利用空间12并更好地进行投射型图像显示装置的小型化的例子。
图29表示具有平面镜的投射型图像显示装置的倾斜投射光学系统的一部分、和平面镜14、保持平面镜的镜保持部15、以及用于使镜保持部15转动的支轴即镜转动轴13。在此，图29的例中，做成了在相当于图28的空间12的空间设置有镜转动轴13的结构。图29表示对图像进行投射时的平面镜的位置，在将平面镜收容于固定壳体上部时，通过使镜保持部15以镜转动轴13为中心在图示的方向转动而将其收容。
在具有如图1～图6所示的平面镜的投射型图像显示装置中，通过平面镜转动·固定机构4及镜固定框的转动机构5以及移动机构8、固定部6、固定部7而将平面镜收容于固定壳体上部。即，通过两个转动动作和两个滑动动作来变更平面镜的位置。
与此相对，在如图29所示的结构中，只是通过以镜转动轴13为中心的转动动作变更平面镜构成倾斜投射光学系统的最多数的透镜所共有的光轴11的角度，可以进行镜位置的使用位置和收容位置的变更。即，在如图29所示的结构中，通过由镜转动轴13和镜保持部15构成的转动调整机构，可以用更简单的机构进镜位置的使用位置和收容位置的变更。
此外，在图29的例中，例如通过用一根金属轴构成镜转动轴13，实现了镜转动轴13的保持精度的提高。假设在不使用如图28所示的进行了小型化的倾斜投射光学系统的结构的图像显示装置内要配置单纯由一根金属轴构成的镜转动轴时，若不是将镜转动轴的位置配置于相当于图28的空间12的位置的投射方向前方，或者相当于空间12的位置的下方，则将造成倾斜投射光学系统的透镜和位置的干扰。与此相对，图29的例中，由于做成将镜转动轴13设置在相当于图28的空间12的空间，因而即使在用一根金属轴构成镜转动轴13的情况下，也不必将镜转动轴13配置在相当于空间12的位置的投射方向前方、相当于空间12的位置的下方的空间，因而可防止固定壳体的大型化。
即，根据如图29所示的结构，可以使具有平面镜的投射型图像显示装置更加适合小型化。
另外，在上述的图29的说明中，将镜转动轴13配置于相当于空间12的位置，但是如图28所示，空间12包含使从距投射面最近的位置起连续配置，且被配置在不含倾斜投射光学系统的最多数的透镜所共有的光轴11的位置，并做成切去了关于该光轴对称的非球面形状或者球面形状的一部分的形状的多个透镜所占的空间对于光轴11在对象位置翻转的空间。
因此，只要以下述的方式配置镜转动轴13，至少可得到与上述的图29的结构同样的效果，即从距投射面最近的位置起连续配置，且被配置在不含倾斜投射光学系统的最多数的透镜所共有的光轴11的位置，做成切去了关于该光轴对称的非球面形状或者球面形状的一部分的形状的多个透镜所占据的空间与使光轴11在对象位置进行翻转的空间至少一部分重叠。