JP6636421B2 - 自由曲面レンズ、自由曲面レンズの設計方法、及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、自由曲面をレンズ面及びミラー面に適用した光学素子及びその設計方法、並びに、それらを用いた投写型映像表示装置に関する。また本発明は、投写型映像表示装置に適用して有効な、プラスチックの射出成形で形成される自由曲面をレンズ面や反射ミラー面に適用した自由曲面レンズや自由曲面ミラーに関する。

近年、短距離ながら大画像で良好な投写画像を投射することを可能とする投写型映像表示装置が広く普及してきている。このような投写型映像表示装置の投写光学系においては、大画像で良好な投写画像の投射を実現するため、偏心非球面形状の凹面鏡との組み合わせで自由曲面レンズを利用する、所謂、傾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、特許文献１には、透過型屈折素子を含む第一光学系と、反射型屈折素子を含む第二光学系とからなる投写レンズを備え、第一光学系の一部のレンズが第二光学系の下端を下限とする下方スペース内に収納される投射光学装置が開示されている。

また、特許文献２には、レンズ系と凹面鏡との組み合わせにより、短距離ながら大画像で良好な投写画像を投射することを可能とする投写型映像表示装置が開示されている。

特開２００９−８６３１５号公報 特開２００８−２５０２９６号公報

上述した従来技術では、投写型映像表示装置の投写光学系におけるレンズ系と凹面鏡との組み合わせにより、大画像で良好な投写画像の投射を可能にすることを示唆している。しかしながら、当該従来技術では、当該レンズ系を構成するレンズとしては、レンズの光軸に対して対称な形状を備えたプラスチックレンズの利用を想定しており、当該プラスチックレンズを成形する際に生じる課題及びその解決手段についての記載は無い。

本発明の目的は、レンズの光軸に対して対称な形状を備えたプラスチックレンズとは異なり、凸面鏡との組み合わせで使用される自由曲面レンズを成形する際に生じる課題を解決し、優れた自由曲面レンズ、自由曲面ミラー、それらの設計方法、及びそれらを用いた投写型映像表示装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の代表的な形態は、自由曲面レンズ、自由曲面ミラー、自由曲面レンズの設計方法、自由曲面ミラーの設計方法、及び投写型映像表示装置であって、以下に示す構成を有することを特徴とする。

一実施の形態の自由曲面レンズは、投写型映像表示装置における自由曲面ミラーを含む傾斜投写光学系を構成する透明な樹脂から成形された自由曲面レンズであって、表面に所定の自由曲面が形成されたレンズ有効領域と、当該レンズ有効領域を取り囲むように形成されたコバ面と、を備え、当該コバ面が形成されていない前記レンズ有効領域を取り囲む周囲の一部において、前記レンズ有効領域と前記コバ面との間を、当該レンズ有効領域の近傍のレンズ有効領域の傾きの方向が変化しないように設定された曲面または平面の少なくとも一方で結び、かつ、当該曲面または平面の少なくとも一方を含む端面をテーパ面とする。

一実施の形態の自由曲面レンズの設計方法は、投写型映像表示装置における自由曲面ミラーを含む傾斜投写光学系を構成する透明な樹脂から成形された自由曲面レンズの設計方法であって、表面に所定の自由曲面が形成されるレンズ有効領域を設定し、当該レンズ有効領域を取り囲むように形成されるコバ面を設定し、当該コバ面が形成されていない前記レンズ有効領域を取り囲む周囲の一部において、前記レンズ有効領域と前記コバ面との間を、当該レンズ有効領域の近傍のレンズ有効領域の傾きの方向が変化しないように曲面または平面の少なくとも一方で結び、当該曲面または平面の少なくとも一方を含む端面をテーパ面として設定する。

一実施の形態の自由曲面レンズは、投写型映像表示装置における自由曲面ミラーを含む傾斜投写光学系を構成する透明な樹脂から成形された自由曲面レンズであって、表面に所定の自由曲面が形成されたレンズ有効領域と、当該レンズ有効領域を取り囲むように形成されたコバ面と、を備え、当該コバ面における表面の粗さを、前記レンズ有効領域の表面の粗さよりも粗くした。

一実施の形態の自由曲面ミラーは、投写型映像表示装置における自由曲面ミラーを含む傾斜投写光学系を構成する透明な樹脂から成形された自由曲面ミラーであって、表面に所定の自由曲面の反射面が形成されたレンズ有効領域と、当該レンズ有効領域を取り囲むように形成された自由曲面形状をそのまま延長したレンズ領域（以下、自由曲面領域と記載する場合がある）と、を備える。当該反射ミラー面は映像投写面に対して凸面でありミラーの成形性を向上するために均一な厚さとなるように反対面である裏面の形状は反射面とほぼ同一形状とするとよい。上記裏面の表面の粗さは、前記レンズ有効領域の表面の粗さに対して２０倍よりも小さくするとよい。この結果、ミラー成形時に裏面（金型面は凸面である）が密着し離型時の反射面と裏面の貼り付き（言い換えると金型面への成形品の貼り付き）のバランスが改善され、結果としてミラー面の自由曲面形状精度が改善される。上記貼り付きのバランスを改善するためには、裏面の表面粗さを前記レンズ有効領域の表面粗さに対して１０倍より小さくすれば更なる改善効果が得られ、自由曲面有効領域での形状精度が優れた自由曲面ミラーが提供される。

一実施の形態の自由曲面ミラーの設計方法は、投写型映像表示装置における自由曲面ミラーを含む傾斜投写光学系を構成する透明な樹脂から成形された自由曲面ミラーの設計方法であって、表面に所定の自由曲面の反射面が形成されたレンズ有効領域を設定し、当該レンズ有効領域を取り囲むように形成されるコバ面を設定し、当該コバ面における表面の粗さを、前記レンズ有効領域の表面の粗さよりも大きく設定する。

一実施の形態の投写型映像表示装置は、光源からの光を光変調部で変調した映像光を拡大して投写する投写型映像表示装置であって、前記変調した映像光を拡大して投写する傾斜投写光学系を備え、前記傾斜投写光学系は、一部に自由曲面レンズを含み、当該自由曲面レンズは、前述の自由曲面レンズまたは自由曲面ミラーを含む。

本発明の一実施の形態によれば、自由曲面ミラー或いはそれとの組み合わせで使用される自由曲面レンズを成形する際に生じる課題を解決し、成形性に優れた自由曲面レンズ、自由曲面ミラー、それらの設計方法、及びそれらを用いて構成される投写型映像表示装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態の投写型映像表示装置の全体の外観を示す斜視図である。 一実施の形態の傾斜投写光学系における投写レンズの動作原理を説明するレンズ配置図である。 一実施の形態の自由曲面レンズ（Ｌ１１）の外形形状を示す図であり、正面側の斜視図、背面側からの斜視図、正面図、側面図、及び背面図を含む。 一実施の形態の自由曲面レンズ（Ｌ１２）の外形形状を示す図であり、正面側の斜視図、背面側からの斜視図、正面図、側面図、及び背面図を含む。 一実施の形態の自由曲面ミラー（Ｍ１３）の外形形状を示す図であり、正面図、側面図、背面図を含む図である。 一実施の形態の自由曲面レンズ（Ｌ１１）の構成及び設計方法を説明するための説明図である。 一実施の形態の自由曲面レンズ（Ｌ１２）の構成及び設計方法を説明するための説明図である。 実施の形態との比較のための従来の第１の自由曲面レンズの形状を示す図であり、斜視図、平面図、側面図、及び側面断面図を含む。 実施の形態との比較のための従来の第２の自由曲面レンズの形状を示す図であり、斜視図、平面図、側面図、及び側面断面図を含む。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明の実施の形態は、自由曲面レンズ、自由曲面ミラー、それらの成形方法を含む設計方法、及びそれらを用いて構成される投写型映像表示装置を含む。

まず、図１は、本発明の一実施の形態の自由曲面レンズを凹面鏡との組み合わせで使用した、一実施の形態の投写型映像表示装置の全体の外観を示す斜視図である。図１で、１００は、投写型映像表示装置を示し、１０１は投写型映像表示装置１００の上面カバー、１０２は下面カバーを示す。図１から明らかなように、上面カバー１０１の一部には、投写型映像表示装置１００の使用時には開かれる窓部１０３が、開閉可能に取り付けられている。なお図１では、窓部１０３が開いた状態が示されており、以下に述べる投写光学系を構成する自由曲面レンズがＬ１２により示されている。

また図１では図示しないが、上面カバー１０１と下面カバー１０２により形成される内部空間には、投写型映像表示装置１００を構成するための構成部品が搭載されている。構成部品は、例えば、光源であるランプ、光変調部、自由曲面レンズや自由曲面ミラーを含む傾斜投写光学系、電源回路や制御回路を含む各種回路部品、冷却ファン等である。

光変調部は、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であり、例えばＤＬＰ（Digital Light Processing），液晶パネル等の映像表示素子である。傾斜投写光学系は、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、これにより優れた投写映像が得られる、所謂、自由曲面レンズや自由曲面ミラーを含む。各種回路部品は、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。冷却ファンは、構成部品の発熱を装置外部に導く。

次に、図２は、上記傾斜投写光学系における投写レンズの動作原理を説明するレンズ配置図を示す。図２の傾斜投写光学系は、Ｌ１〜Ｌ１２で示す計１２枚のレンズと、Ｍ１３で示す１枚のミラーとから構成されている。ここで、ミラーＭ１３の反射面、及び、Ｌ１１とＬ１２のレンズのレンズ面は、それぞれ、自由曲面形状を形成している。Ｌ１１とＬ１２のレンズは、所謂、自由曲面レンズである。このため、極めて大きな傾斜角度で映像を投写する傾斜投写光学系であっても、台形歪を低減した投写映像を得ることができる。即ち、このことによれば、設計自由度が非球面の約５倍程度と大きく、良好な収差補正が可能となる。

また図２中にＰ０で示したプリズム光学素子の対向面に配置された光源を有する。当該光源は、図示しないが、本例では半導体光源である。当該光源からの光はプリズム面で全反射し、Ｐ１で示す映像表示素子に入射して当該映像表示素子Ｐ１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。映像表示素子Ｐ１は反射型映像表示素子である。

映像表示素子Ｐ１からの映像光束（映像光束の全体をφ０で示す）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。自由曲面ミラーＭ１３と自由曲面レンズであるＬ１１とＬ１２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無くして小型化ができる。そのため、装置全体のコスト低減が可能となる。

また、図２中にＬ１０で示したレンズは、そのレンズ面を非球面レンズとすることにより、コマ収差と球面収差の補正を行っている。即ちレンズＬ１０は、非球面レンズである。更に、このレンズＬ１０は、光束が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により、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。

そして、この非球面レンズであるレンズＬ１０に続き、上記傾斜投写光学系を形成する投写レンズの一部として、自由曲面レンズであるＬ１１及びＬ１２で示される、自由曲面のプラスチックレンズと、自由曲面ミラーであるＭ１３で示される自由曲面のプラスチックミラーが取り付けられている。

ここでは説明の都合上、投影面の上端部分で結像する光束φ２と、投影面のほぼ中央部分で結像する光束φ１とが、投写レンズを構成するＬ１〜Ｌ１２で示す個々のレンズのどの部分を通過するかを図２に示している。投影面の上端部分で結像する光束φ２の上限光と、投影面のほぼ中央部分で結像する光束φ１の下限光とは、非球面レンズであるＬ１０及び自由曲面レンズであるＬ１１とＬ１２では重なり合わないので、単独で収差補正が可能となり、補正能力が大幅に向上される。

この傾向は、自由曲面ミラーＭ１３では更に顕著となる。比較的光軸に近い領域での収差補正に寄与するレンズであるＬ１〜Ｌ１０は、鏡筒Ｂ１内に組み込まれ、光軸から離れた領域での収差補正に寄与するレンズであるＬ１１，Ｌ１２は、フォーカス調整のため、上記鏡筒Ｂ１とは別体を成す鏡筒Ｂ２内に組み込まれる。これにより、レンズＬ１０とレンズＬ１１及びレンズＬ１２と自由曲面ミラーＭ１３の間隔を調整すると共に、レンズＬ１１とＬ１２の間隔も同時に調整可能な構成としている。

一方、自由曲面ミラーＭ１３はミラーベースＭＢ１に取り付けられ、例えば、図示しない電動モータにより開閉可能な構造となっている。更に、これら全てが投写レンズベースに高精度で固定されていることにより、所定のフォーカス性能が得られるようになっている。

図３は、上述した自由曲面レンズＬ１１の外形形状を示す。図３の（Ａ）は自由曲面レンズＬ１１の正面側から見た斜視図、（Ｂ）は背面側から見た斜視図、（Ｃ）は正面図、（Ｄ）は側面図、（Ｅ）は背面図をそれぞれ示している。この自由曲面レンズＬ１１は、プラスチック製のレンズであり、図３からも明らかなように、レンズ有効領域Ｌ１１−ａと共に、所謂、レンズコバ部（コバ部とも称する）Ｌ１１−ｂが設けられている。レンズコバ部Ｌ１１−ｂは、レンズ有効領域Ｌ１１−ａの外周部に、当該レンズを鏡筒Ｂ２内に組み込む際の位置決めと保持を目的として設けられている。Ｌ１１−ｂは、特にコバ部の面を指し示している。

特に図３の（Ａ）及び（Ｂ）では、自由曲面レンズＬ１１のレンズ有効領域Ｌ１１−ａには、その表面形状を示すための等高線が破線で示されている。また図３中のＬ１１−ｃは、樹脂を注入する際のゲート部を示す。

図４は、上述した自由曲面レンズＬ１２の外形形状を図３と同様に示す。図４の（Ａ）は自由曲面レンズＬ１２の正面側から見た斜視図、（Ｂ）は背面側から見た斜視図、（Ｃ）は正面図を、（Ｄ）は側面図、（Ｅ）は背面図をそれぞれ示している。自由曲面レンズＬ１２も、上記Ｌ１３と同様に、プラスチック製のレンズであり、図４からも明らかなように、レンズ有効領域Ｌ１２−ａと共に、所謂、レンズコバ部Ｌ１２−ｂが設けられている。レンズコバ部Ｌ１２−ｂは、レンズ有効領域Ｌ１２−ａの外周部に、当該レンズを鏡筒Ｂ２内に組み込む際の位置決めと保持を目的として設けられている。

特に図４の（Ａ）及び（Ｂ）では、自由曲面レンズＬ１２のレンズ有効領域Ｌ１２−ａには、その表面形状を示すための等高線が破線で示されている。また、図４中のＬ１２−ｃは、樹脂を注入する際のゲート部を示す。

更に、図５は、上述した自由曲面ミラーＭ１３の外形形状を示す。図５の（Ａ）は自由曲面ミラーＭ１３の正面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は背面図をそれぞれ示している。この自由曲面ミラーＭ１３は、上記と同様に、プラスチック製である。この自由曲面ミラーＭ１３は、図５からも明らかなように、レンズ有効領域Ｍ１３−ａと共に、当該レンズ有効領域Ｍ１３−ａの外周部には、自由曲面形状をそのまま延長したレンズ領域である自由曲面領域を備えている。

当該反射ミラー面は映像投写面に対して凸面でありミラーの成形性を向上し量産安定性を得るために均一なミラー厚さとなるように設計するとよい。具体的には、本実施の形態の設計方法では、当該反射面であるミラー面の裏面形状は、反射面とほぼ同一形状とすることにより均一な肉厚のミラーを得ることが可能となる。一方、加工のし易さから裏面形状を反射面に対して平均曲率を合わせた曲面もしくは略平面としてもよい。

一方、裏面の表面の粗さは、前記レンズ有効領域の表面の粗さに対して２０倍よりも小さくするとよい。この結果、ミラー成形時に裏面（金型面は凸面である）が密着し離型時の反射面と裏面の貼り付き（言い換えると金型面への成形品の貼り付き）のバランスが改善され結果としてミラー面の自由曲面形状精度が改善される。前述した貼り付きのバランスを改善するためには、裏面の表面粗さを前記レンズ有効領域の表面粗さに対して１０倍より小さくすれば更なる改善効果が得られ、自由曲面有効領域での形状精度が優れた自由曲面ミラーが提供される。

更に、自由曲面ミラーの自由曲面領域以外の部分には上記ミラーベースＭＢ１に取り付ける際の位置決めと保持を目的として、所謂、固定部１４１，１４４が設けられている。固定部１４１は、１４１Ｌと１４１Ｒで示す。

上述した自由曲面レンズＬ１１及びＬ１２、更に自由曲面ミラーＭ１３は、その成形方法を含む設計方法として、以下により作成される。即ち当該設計方法は、射出成形用の金型を製作し、プラスチックの収縮や反り等を考慮しながら、そして、成形レンズ面の形状は、設計形状に対して最小誤差となるよう、複数回にわたって、金型の形状の補正を繰り返す。このような補正により得られた形状の金型を使用し、射出成形により、当該レンズやミラーを作成する。

一般に、射出成形では、ペレット又はパウダー状の透明な樹脂をスクリュー内で熱溶解し、スクリューの回転により加圧しながら、金型のスプールとランナーを介して、ゲート部（Ｌ１１−ｃ，Ｌ１２−ｃ，Ｍ１３−ｃ）から可動及び固定駒により形成された空間内に熱溶解した樹脂を押し出し、これにより金型内に充填する。

なおここで、上記自由曲面レンズＬ１１及びＬ１２を射出成形用の金型を用いて製作した際における本発明者等が見出した知見について、以下に述べる。

自由曲面レンズは、上述したように、光学設計の時点では、結像に寄与する光束である有効光束が入射する入射面と、レンズ作用を受けた後の光束が出射する出射面とにおいて、有効光束が通過する有効領域のレンズ形状に対し、設計の自由度として、収差補正を行う。

一方、自由曲面レンズを鏡筒内に高精度に保持・固定するためには、上述したレンズ有効領域と共に、レンズコバ面、即ちレンズを鏡筒に固定する面を設定し、これらを繋ぎ合せることにより、レンズの最終形状を決定する。

しかしながら、複雑な形状を有する自由曲面レンズでは、そのレンズ面が光軸に対して非対称な形状となることが多く、そのため、レンズ面の全域にわたって上記のコバ面を設けることが困難になる。

なお上述したコバ面をレンズ面の全域にわたって設けることが困難である場合には、特に、レンズを金型内で成形した後、レンズを当該金型から離型する際、離型に伴って発生する離型抵抗がレンズ面内で均一とならず、このことが、レンズが変形する原因となっていた。

そこで、上述した課題を解決するため、本発明者等による解決手段について以下に述べる。

まず、従来技術による今までの自由曲面レンズの設計方法について、図８，図９を参照しながら以下に説明する。図８は、本実施の形態との比較のための従来の第１の自由曲面レンズの形状を示す。図９は、本実施の形態との比較のための従来の第２の自由曲面レンズの形状を示す。

まず、より具体的な例として、図８の（Ａ）〜（Ｄ）に示す自由曲面レンズＬ１５は、図３に示した自由曲面レンズＬ１２に対応するレンズである。図８の（Ａ）はＬ１５の斜視図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は側面図、（Ｄ）は側面断面図である。また図９の（Ａ）〜（Ｄ）に示す自由曲面レンズＬ１６は、図４に示した自由曲面レンズＬ１１に対応するレンズである。図９の（Ａ）はＬ１６の斜視図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は側面図、（Ｄ）は側面断面図である。

図８からも明らかなように、レンズ有効領域Ｌ１５−ａの外周部には、組込み時の位置決めとその保持のためのレンズコバ部Ｌ１５−ｂが設けられている。同様に、レンズ有効領域Ｌ１６−ａの外周部には、組込み時の位置決めとその保持のためのレンズコバ部１６−ｂが設けられている。

しかしながら、当該自由曲面レンズは、その複雑なレンズ形状から、その一部、即ち図８の（Ａ）〜（Ｄ）及び図９の（Ａ）〜（Ｄ）におけるレンズ有効領域Ｌ１５−ａ，Ｌ１６−ａの下端部分には、コバ部Ｌ１５−ｂ，１６−ｂが設けられていない部分が生じる。

このようなコバ部が設けられていない部分では、レンズを金型内で成形した後、レンズを当該金型から離型する際、離型に伴って発生する離型抵抗がレンズ面内で均一とならず、このことが、レンズが変形する原因となっている。

本実施の形態の設計方法は、上述したように、レンズ面の形状が凹面形状であり、コバ面をレンズ面の全周にわたって設けることが不可能な場合には、レンズ有効領域の面の傾きの方向（即ち微分値の符号）が変化しない程度に、レンズ有効領域とコバ面とを平面や曲面（直線や曲線）で結んで、コバ面Ｌ１１−ｂをレンズ有効領域の外周部に連続的に形成する。

また、その一部には、金型からの抜き用のテーパを設けることが有効であることが分かった。その際、特に、これら平面や曲面（その端部の直線や曲線）の最長距離が、レンズの長辺の１／２０以上となる場合には、その端面に５度以上で最大２０度以下のテーパ面を設けることが有効であることが分かった。尚、テーパ角度が２０度を超えると、レンズ有効領域とコバ部分を連続的に形成することが困難になる。

例えば、上述した自由曲面レンズＬ１１では、図３、更に図６にも示すように、レンズ有効領域Ｌ１１−ａ（図３の（Ｃ）や（Ｅ）において網目の領域で示す）の外周部では、上述した曲面Ｌ１１−ｗや平面Ｌ１１−ｐが形成されており、これにより、コバ面Ｌ１１−ｂとの間を結んでいる。また、図３中の１０９は、コバ部Ｌ１１−ｂに形成された、レンズ組込み時の位置決めと保持のための凹部を示し、１１２，１１３は、同じく位置決めと保持のための突起部を示している。

また、図３の（Ｃ）や図６からも明らかなように、レンズの下部においては、上述した曲面Ｌ１１−ｗや平面Ｌ１１−ｐの形成により、レンズ有効領域Ｌ１１−ａの両側のコバ面Ｌ１１−ｂの間を結んでいる。なお、当該曲面Ｌ１１−ｗは、その近傍のレンズ有効領域１１−ａの傾きの方向（即ち微分値の符号）が変化しないように設定されることは上述の通りである。この場合には、その近傍のレンズ有効領域１１−ａは凹面であることから、当該曲面Ｌ１１−ｗは、下側に突出する曲線として設定される。そして、これら形成された曲面Ｌ１１−ｗの端部の平面Ｌ１１−ｐは、上述したテーパ面となっている。

上記のような本実施の形態の自由曲面レンズの設計方法によれば、レンズ有効領域Ｌ１１−ａの端部が、その両側のコバ面Ｌ１１−ｂの間で連続的に形成されることとなる。その結果、コバ面Ｌ１１−ｂの間の連結が増強され、離型に伴って発生する離型抵抗もレンズ面内で均一なものとなり、レンズの変形を伴うことなく、完成した自由曲面レンズを金型から変形させずに安定的に取り出すことが可能となる。

図６は、上記自由曲面レンズＬ１１の設計方法を説明するための説明図であり、図３の自由曲面レンズＬ１１のレンズ有効領域Ｌ１１−ａやコバ面Ｌ１１−ｂの様子を拡大で示す。

また、例えば上記自由曲面レンズＬ１２では、図４、更に図７にも示すように、その一部（図示の下側部分）のコバ部Ｌ１２−ｂが設けられていない部分において、レンズ有効領域の両側のコバ面Ｌ１２−ｂ，Ｌ１２−ｂの間を、レンズ有効領域Ｌ１２−ａの外周部では、曲面Ｌ１２−ｗや平面Ｌ１２−ｐが形成されており、これにより、コバ面Ｌ１１−ｂとの間を結んでいる。

また、レンズの下部においては、上述した曲面Ｌ１２−ｗや平面Ｌ１２−ｐの形成により、レンズ有効領域Ｌ１２−ａの両側のコバ部Ｌ１２−ｂの間を結んでいる。なお、当該曲面Ｌ１２−ｗも、その近傍のレンズ有効領域１２−ａの傾きの方向（即ち微分値の符号）が変化しないように設定されることは上述の通りである。そして、これら形成された曲面Ｌ１２−ｗの端部の平面Ｌ１２−ｐは、上述したテーパ面となっている。

なお、この場合には、湾曲したコバ部Ｌ１２−ｂの間には、更に、ダム状の凸部Ｌ１２−ｄを形成しており、その側面は、上記と同様に、テーパ面としている。また、ここでも、図４中の１２９Ｌ，１２９Ｒは、それぞれ、コバ部Ｌ１２−ｂに形成された、レンズ組込み時の位置決めと保持のための凹部を示し、１２２，１２３は、同じく位置決めと保持のための突起部を示している。

上記のような本実施の形態の自由曲面レンズの形状によれば、上述したダム状の凸部Ｌ１２−ｄによる働きをも含め、コバ面Ｌ１２−ｂの間の連結が更に増強され、離型に伴って発生する離型抵抗もレンズ面内で均一なものとなり、レンズの変形を伴うことなく、より具体的には断面の「Ｕ」字状のレンズＬ１２が両側に広がってしまうことなく、完成した自由曲面レンズを金型から安全に取り出すことが可能となる。

図７は、上記自由曲面レンズＬ１２の設計方法を説明するための説明図であり、図４の自由曲面レンズＬ１２のレンズ有効領域Ｌ１２−ａやコバ面Ｌ１２−ｂの様子を拡大で示す。

次に、課題として、特にレンズ面の形状の成形の際、レンズを形成する樹脂と金型との温度差に起因して発生するレンズの収縮により、上述した自由曲面レンズＬ１１とＬ１２が、そのレンズ有効領域Ｌ１１−ａ，Ｌ１２−ａと、そのコバ面Ｌ１１−ｂ，Ｌ１２−ｂ、更には上記テーパ面をも含め、金型に貼り付いてしまう。このことが、やはり、完成した自由曲面レンズを金型から取り出す際にレンズが変形する原因の一つとなっている。特に、レンズ面では、その表面を鏡面仕上げとすることから、このような現象による悪影響は大きい。

そこで、上述した課題を検討した結果、自由曲面レンズＬ１１とＬ１２において、特にそのコバ面Ｌ１１−ｂ，Ｌ１２−ｂにおける面粗さを粗くすることにより、上述した金型との貼り付きを低減することが対策として有効であることが分かった。なお、好ましい面粗さとしては、例えば、２０ｎｍ程度、または、それ以上で１００ｎｍ以下とすることがよい。

加えて、上記のような現象は、上記自由曲面レンズＬ１１とＬ１２に限られることなく、やはり、合成樹脂により成形されるプラスチック製のミラーである自由曲面ミラーＭ１３においても同様にみられた。

そこで、上述したレンズの設計方法をプラスチック製のミラーである自由曲面ミラーＭ１３において適用することが提案された。より具体的には、本実施の形態の自由曲面ミラー及びその設計方法は、上記図５の（Ａ）〜（Ｃ）に示した自由曲面ミラーＭ１３において、その反射面であるレンズ有効領域Ｍ１３−ａの外周部には、自由曲面形状をそのまま延長したレンズ領域である自由曲面領域を備えている。

当該反射ミラー面は映像投写面に対して凸面でありミラーの成形性を向上し量産安定性を得るため均一なミラー厚さとなるように設計している。具体的には、反射面であるミラー面の裏面の形状は、反射面とほぼ同一形状とすることで均一な肉厚のミラーを得ている。更に、反射ミラーの自由曲面有効面を外した裏面の範囲には反射ミラー突き出しピンを形成し、離型時に発生する反射ミラーの自由曲面有効面内の成形精度を安定させた。

また裏面の表面の粗さを前記レンズ有効領域の表面の粗さに対して約２０倍粗くし徐々に面粗さを小さくして、ミラー成形時に裏面（金型面は凸面である）が金型に密着することで離型時の反射面と裏面の貼り付き（言い換えると金型面への成形品の貼り付き）のバランスとりを行った。この結果、前述した貼り付きのバランスを改善するためには裏面の表面粗さを前記レンズ有効領域の表面粗さに対して１０倍より小さくすれば更なる改善効果が得られ、自由曲面有効領域での形状精度が優れた自由曲面ミラーが提供された。

上述したプラスチックミラーである自由曲面ミラーＭ１３の成形方法を含む設計方法は、上記自由曲面レンズＬ１１及びＬ１２と同様に、完成した自由曲面ミラーを金型から安全に取り出すことが可能となった。また、ここで、図５中の１４１Ｌ，１４１Ｒは、上記自由曲面有効領域外の両端縁に形成された当該自由曲面ミラーＭ１３をミラーベースＭＢ１に取り付ける際の位置決めと保持のための突出部を示し、１４２Ｌ，１４２Ｒは、同じく当該突出部に設けられた凹部を示す。１４４は、上記自由曲面有効領域外の下端縁に形成された突出部を示している。

また本実施の形態では、上述したプラスチックミラーである自由曲面ミラーＭ１３を含めて上記自由曲面レンズＬ１１及びＬ１２を、投写型映像表示装置の傾斜投写光学系を構成する自由曲面レンズや自由曲面ミラーとして利用する。本実施の形態によれば、これらのレンズやミラーを樹脂から金型によって安価に量産することが可能となる。これにより、当該投写型映像表示装置のコストダウンに寄与すると共に、性能にも優れた自由曲面レンズと自由曲面ミラーが得られる。これにより、安価で性能にも優れた投写型映像表示装置を提供できるという優れた効果を発揮する。

以上、本発明の実施の形態を詳細に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、様々な変形例が可能である。例えば上記実施の形態は本発明を分かりやす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ない。実施の形態の構成の一部について、削除、他の構成の追加、他の構成への置換、等が可能である。

１００…投写型映像表示装置、Ｌ１１，Ｌ１２…自由曲面レンズ、Ｌ１１−ａ、Ｌ１２−ａ…レンズ有効領域、Ｌ１１−ｂ，Ｌ１２−ｂ…レンズコバ部、Ｌ１１−ｃ，Ｌ１２−ｃ…ゲート部、Ｌ１１−ｐ，Ｌ１２−ｐ…平面、Ｌ１１−ｗ，Ｌ１２−ｗ…曲面、Ｌ１２−ｄ…ダム状の凸部、Ｍ１３…自由曲面ミラー、Ｍ１３−ａ…ミラー有効領域、Ｍ１３−ｂ…コバ部。

Claims (7)

1. 投写型映像表示装置における映像投写面に対して凸面の反射ミラーを含む傾斜投写光学系を構成する透明な樹脂から成形された自由曲面レンズであって、
   入射面および出射面のそれぞれの表面に所定の自由曲面が形成され、前記自由曲面レンズの光軸の方向の平面視で概略的に上下左右の４辺を持つレンズ有効領域と、
   前記平面視で、当該レンズ有効領域の外周を、下辺部を除いて左右辺部および上辺部にわたって取り囲むように形成されたコバ面を含むコバ部と、前記コバ部から連続せずに前記下辺部に形成された第２コバ面を含む第２コバ部と、を備え、
   前記平面視で、前記レンズ有効領域の外周の前記下辺部に出るように、前記レンズ有効領域と前記コバ面および前記第２コバ面との間が、当該レンズ有効領域内の近傍の領域の傾きの方向が変化しないように設定された曲面または平面の少なくとも一方の第１面で結ばれ、かつ、当該第１面のうち前記下辺部に出て前記コバ部の左右辺部の間を結んでいる端部に、テーパ面を有する、
   自由曲面レンズ。
2. 請求項１に記載の自由曲面レンズにおいて、
   前記コバ面における表面の粗さが前記レンズ有効領域の表面の粗さよりも大きい、自由曲面レンズ。
3. 請求項１に記載の自由曲面レンズにおいて、
   前記コバ面における表面の粗さが２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、自由曲面レンズ。
4. 投写型映像表示装置における映像投写面に対して凸面の反射ミラーを含む傾斜投写光学系を構成する透明な樹脂から成形された自由曲面レンズの設計方法であって、
   入射面および出射面のそれぞれの表面に所定の自由曲面が形成され、前記自由曲面レンズの光軸の方向の平面視で概略的に上下左右の４辺を持つレンズ有効領域を設定し、
   前記平面視で、当該レンズ有効領域の外周を、下辺部を除いて左右辺部および上辺部にわたって取り囲むように形成されるコバ面を含むコバ部と、前記コバ部から連続せずに前記下辺部に形成される第２コバ面を含む第２コバ部と、を設定し、
   前記平面視で、前記レンズ有効領域の外周の前記下辺部に出る部分を持つように、前記レンズ有効領域と前記コバ面および前記第２コバ面との間を、当該レンズ有効領域内の近傍の領域の傾きの方向が変化しないように曲面または平面の少なくとも一方の第１面で結び、当該第１面のうち前記下辺部に出て前記コバ部の左右辺部の間を結んでいる端部に、テーパ面を設定する、
   自由曲面レンズの設計方法。
5. 請求項４に記載の自由曲面レンズの設計方法において、
   前記コバ面における表面の粗さを、前記レンズ有効領域の表面の粗さよりも大きく設定する、自由曲面レンズの設計方法。
6. 請求項４に記載の自由曲面レンズの設計方法において、
   前記コバ面における表面の粗さを２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下に設定する、自由曲面レンズの設計方法。
7. 光源からの光を光変調部で変調した映像光を拡大して投写する投写型映像表示装置であって、
   前記変調した映像光を拡大して投写する傾斜投写光学系を備え、
   前記傾斜投写光学系は、一部に自由曲面レンズを含み、
   当該自由曲面レンズは、請求項１に記載の自由曲面レンズである、投写型映像表示装置。