JP2006308830A

JP2006308830A - 投影光学系

Info

Publication number: JP2006308830A
Application number: JP2005130772A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Hayashi; 宏太郎林; Masayuki Imaoka; 雅之今岡; Yuichi Shin; 勇一新; Hiroyuki Kobayashi; 宏至木林
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-09
Also published as: US20060244930A1; WO2006118115A1; US7524068B2

Abstract

【課題】良好な光学性能を保持しながら高精度の画素ずらしを可能とする、低コストでコンパクトな投影光学系と画像投影装置を提供する。
【解決手段】複数の画素から成る表示素子面Ｓｏの画像をスクリーン面Ｓｉ上に拡大投影する投影光学系であって、スクリーン面Ｓｉ上において上下方向、左右方向、斜め方向、又は上下左右方向に画素ピッチ未満の画素シフトを行う。全画面範囲で条件式：｜ΔRG｜≦0.5ｄ，｜ΔBG｜≦0.5ｄ(ｄ：画素シフト量(＞0)、ΔRG：波長５４６ｎｍの色光Ｇに対する波長６４０ｎｍの色光Ｒの画素シフト方向の倍率色収差、ΔBG：波長５４６ｎｍの色光Ｇに対する波長４５０ｎｍの色光Ｂの画素シフト方向の倍率色収差)を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は投影光学系に関するものであり、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)やＬＣＤ(liquid crystal display)を表示素子とする画像投影装置と、それに搭載されて表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系に関するものである。

最近、家庭でのＢＳデジタル放送，ホームシアター等に用いられる画像表示装置として、デジタル・マイクロミラー・デバイスやＬＣＤを表示素子とした高性能かつ低価格な画像投影装置(すなわちプロジェクター)が普及しつつある。このため、狭い室内でもスペースを取らないような薄型のリアプロジェクターが強く求められており、より広角な投影光学系が必要となっている。また、表示情報量が以前に比べて非常に大容量となっていて、表示素子は従来よりも更に高解像度化されつつあり、なめらかできれいな高品質の画像が望まれている。

高解像度で安価なリアプロジェクターを達成するために、スクリーン面上での投影像を微少量(例えば画素の１／２だけ)シフトさせることにより見かけの画素数を増大させる、いわゆる画素ずらしが従来より行われている。画素ずらしを行うと画素同士が重なり合うため、スクリーン面上に投影する画素の輪郭が目立たなくなり、なめらかな画像を表示させることができる。しかも、表示素子の画素数はそのままでもスクリーン面上での表示情報量を増やすことができるため、解像度の向上による画像の高品位化を達成する上で画素ずらしは非常に有効である。画素ずらしを利用したプロジェクターとしては、ミラーを微小偏芯させることにより画素ずらしを行うものが特許文献１，３で提案されており、平板ガラスを微小偏芯させることにより画素ずらしを行うものが特許文献２で提案されている。
特開平４−３１９９３７号公報特開平５−２２１７号公報特開平７−４９４７７号公報

特許文献１〜３で提案されているプロジェクターは、屈折光学系のパワーで画像投影を行う構成になっている。屈折光学系は一般的に倍率色収差を有し、倍率色収差は画像の鮮鋭度(解像感)を低下させる。画素ずらしを行う場合に投影光学系が所定値以上の倍率色収差を持っていると、例えば白線を表示した場合、それが二重線として認識される。これを以下に詳しく説明する。

通常の表示素子面は、画面の縦・横に対して正方画素の辺が平行な正方配列のマトリックス構造になっているが、画素ずらしを行う場合には「斜め画素配置」の方が適している。斜め画素配置では、図８(Ａ)に示すように、画面の縦・横に対して正方画素の辺が斜め４５度に傾いたレイアウトになっている。各画素の対角線の長さは、横方向の画素配列(Ａ１，Ａ２，Ａ３，…；Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，…；Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，…；Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，…)の画素ピッチｐに相当する。したがって、横方向の画素配列に対して垂直上方向に半画素ピッチ(＝ｐ／２)の画素シフト(ｄ：画素シフト量)を行うと、図８(Ａ)に示すシフト前の画素配列(Ａ１，Ａ２，Ａ３，…；Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，…；Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，…)と、図８(Ｂ)に示すシフト後の画素配列(Ｂ１’，Ｂ２’，Ｂ３’，…；Ｃ１’，Ｃ２’，Ｃ３’，…；Ｄ１’，Ｄ２’，Ｄ３’，…)とが同一の直線上で、図８(Ｃ)に示すようにそれぞれ交互に位置することになる。

シフト前の画素配列(Ａ１，Ａ２，Ａ３，…；Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，…；Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，…；Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，…)で前フレームの表示を行い、シフト後の画素配列(Ａ１’，Ａ２’，Ａ３’，…；Ｂ１’，Ｂ２’，Ｂ３’，…；Ｃ１’，Ｃ２’，Ｃ３’，…；Ｄ１’，Ｄ２’，Ｄ３’，…)で後フレームの表示を行うように、画像表示の切り換えにリンクして画素シフトを行えば、視覚的な重ね合わせにより情報量は２倍になるため、高精細な投影像を得ることができる。例えば、前フレームの画素配列Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，…と、後フレームの画素配列Ｄ１’，Ｄ２’，Ｄ３’，…とで、画素配列Ｃ１，Ｄ１’，Ｃ２，Ｄ２’，Ｃ３，Ｄ３’，…から成る１ラインの画像を表示することができる。

上述したように斜め画素配置で画素シフトさせた場合(図８)でも、投影光学系に屈折面があると、倍率色収差がスクリーン面Ｓｉ上で発生する。図９(Ａ)に、シフト前後のＧとＲ・Ｂの各色光表示の一例を示す。図９(Ａ)において、縦線部分がＧ表示であり、横線部分がＲ表示とＢ表示である。ＧとＲ・Ｂの強度分布は図９(Ｂ)に示すようになり、そのズレは倍率色収差(画素シフト方向の成分)に相当する。斜め画素配置により強度分布は山形になり、その結果、ＧとＲ・Ｂとのピーク間に深い谷が生じて投影像が二重線様になり、画質(特に解像感)が低下してしまう。投影光学系の倍率色収差以外の結像性能(コマ収差，球面収差，非点収差等)が良好なほど、図９(Ｃ)に示すように、かえって二重線がよりくっきりと表れることになる。また、開口率の小さな正方配列の画素配置の場合にも同様の二重線の問題が発生する。二重線が発生しない場合でも、倍率色収差は画像の解像感を損ない、画素ずらしの効果を低減させてしまう。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、画素ずらしの高解像度、高品位の効果を充分に活かすことのできる投影光学系を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の投影光学系は、複数の画素から成る表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系であって、スクリーン面上において上下方向、左右方向、斜め方向、又は上下左右方向に画素ピッチ未満の画素シフトを行うとともに、全画面範囲において以下の条件式(1)及び(2)を満たすことを特徴とする。
｜ΔRG｜≦0.5ｄ …(1)
｜ΔBG｜≦0.5ｄ …(2)
ただし、
ｄ：画素シフト量(＞0)、
ΔRG：波長５４６ｎｍの色光Ｇに対する波長６４０ｎｍの色光Ｒの画素シフト方向の倍率色収差、
ΔBG：波長５４６ｎｍの色光Ｇに対する波長４５０ｎｍの色光Ｂの画素シフト方向の倍率色収差、
である。

第２の発明の投影光学系は、上記第１の発明において、パワーを有する光学素子として３枚以上の曲面ミラーを有することを特徴とする。

第３の発明の投影光学系は、上記第１又は第２の発明において、パワーを有する光学素子として曲面ミラーと屈折レンズをそれぞれ１枚以上有し、以下の条件式(3)を満足することを特徴とする。
0.01×Σ｜φM｜＞Σ｜φL｜ …(3)
ただし、
φM：各曲面ミラーのパワー、
φL：各屈折レンズのパワー、
Σ｜φM｜：各曲面ミラーのパワーの絶対値の和、
Σ｜φL｜：各屈折レンズのパワーの絶対値の和、
である。

第４の発明の投影光学系は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、パワーを有する光学素子として複数の曲面ミラーを有し、そのうちの１枚の曲面ミラーを振動させることにより前記画素シフトを行うことを特徴とする。

第５の発明の投影光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記表示素子面の画素が正方画素であって、各正方画素が前記表示素子面の長辺あるいは短辺に対し斜め４５度にレイアウトされた斜め画素配置を構成しており、前記画素シフトが各正方画素の対角線方向に行われることを特徴とする。

第６の発明の投影光学系は、上記第５の発明において、前記画素シフト量が各正方画素の対角線長の約半分であることを特徴とする。

第７の発明の画像投影装置は、上記第１〜第６のいずれか１つの発明に係る投影光学系と、複数の正方画素から成る表示素子面において各正方画素が前記表示素子面の長辺あるいは短辺に対し斜め４５度にレイアウトされた斜め画素配置を有する表示素子と、その表示素子による画像表示の切り換えにリンクして前記画素シフトを行う画素シフト機構と、を備えたことを特徴とする。

第８の発明の画像投影装置は、上記第７の発明において、さらに、前記表示素子面で表示する画像の明るさに応じて投影光量をダイナミックに変化させる可変絞り機構を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、所定の条件を満たした画素シフトを行う構成になっているため、低コストでコンパクトな投影光学系において、良好な光学性能を保持しながら高精度の画素ずらしを実現することができる。その結果、効果的な画素ずらしが可能となるため、スクリーン面上に投影する画素の輪郭を目立たなくして更になめらかな画像を表示することができ、解像度の向上による画像の高品位化をより安定的に達成することができる。したがって、本発明に係る投影光学系をリアプロジェクター，フロントプロジェクター等の画像投影装置に用いれば、その薄型・軽量・コンパクト化，低コスト化，高性能化，高機能化等に大きく寄与することができる。上記画素シフトは、例えばそれを画像表示の切り換えにリンクして行う画素シフト機構により実現可能である。さらに、表示素子面で表示する画像の明るさに応じて投影光量をダイナミックに変化させる可変絞り機構を備えることにより、表示される映像シーンの明暗を強調して高コントラスト化を達成することが可能であり、倍率色収差が所定の条件を満たすことで、高コントラストな画像においてもなめらかで高解像な画像が得られる。

以下、本発明に係る投影光学系及び画像投影装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。図１に、投影光学系ＰＯにおける表示素子面Ｓｏからスクリーン面Ｓｉまでの投影光路全体の光学構成(光学配置，投影光路等)を、表示素子面Ｓｏの画面長辺方向に沿って見たときの光学断面で示す。つまり、表示素子面Ｓｏの法線方向をx方向とし、表示素子面Ｓｏの画面短辺方向をy方向とし、表示素子面Ｓｏの画面長辺方向をz方向とする直交座標系(x,y,z)において、図１はこの実施の形態における投影光路全体の光学構成を直交座標系(x,y,z)におけるxy断面で示している。なお、図１中、＊印が付された光学面は回転対称な非球面、＄印が付された光学面は回転非対称な非球面(いわゆる自由曲面)であることを示している。

図１に示す投影光学系ＰＯは、複数の画素から成る表示素子面Ｓｏの画像をスクリーン面Ｓｉ上に斜め拡大投影する、画像投影装置用の斜め投影光学系である。したがって、表示素子面Ｓｏは光強度の変調等により２次元画像を形成する表示素子の画像形成面に相当し、スクリーン面Ｓｉはその投影像面に相当する。表示素子面Ｓｏの近傍には、表示素子のカバーガラスＣＧが位置している。そして、この実施の形態では表示素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)を想定しており、それは後述する画像投影装置(図７)の表示素子ＤＳとして用いられる。ただし、使用される表示素子はこれに限らず、この実施の形態に適した他の非発光・反射型(又は透過型)の表示素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わない。表示素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合、それに入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態(例えば±１２°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが投影光学系ＰＯに入射してスクリーン面Ｓｉに投射される。なお、上記表示素子の代わりに自発光型表示素子を用いてもよい。映像表示素子として自発光型表示素子を用いれば、照明用の光源等が不要となるため、光学構成をより軽量で小型にすることができる。

この実施の形態の光学構成の上下配置は、図１に示されているものに限らず、上下反対でもよい。つまり、実際の装置配置や光学系配置等の都合に合わせて、図１における上側を下側としてもなんら問題はない。また、この実施の形態では天井の平面ミラーＭＦで光路を折り曲げてスクリーン面Ｓｉに画像投影する構成になっているが、平面反射面での光路折り曲げはそのようなパターンに限るものではない。例えば、光路を前後に折り返すパターン、光路を左右に折り返すパターン等を適用することが可能である。

投影光学系ＰＯは、縮小側の表示素子面Ｓｏから拡大側のスクリーン面Ｓｉへの斜め方向の拡大投影を行う、背面投写型画像投影装置(リアプロジェクター)に適した光学構成を有しているが、スクリーン面Ｓｉ側から表示素子面Ｓｏ側への斜め方向の縮小投影を行う斜め投影光学系として、画像読み取り装置に用いることも可能である。その場合、表示素子面Ｓｏは画像読み取り用の受光素子(例えばＣＣＤ：Charge Coupled Device)の受光面に相当し、スクリーン面Ｓｉは読み取り画像面(例えば原稿面)に相当する。また、拡大側のスクリーン面Ｓｉに到達する直前の反射面が平面反射面であるので、それを構成している平面ミラーＭＦを取り除き、その結果得られるスクリーン面Ｓｉの位置(つまり、平面反射面に対するスクリーン面Ｓｉのミラーイメージ位置)にスクリーンを配置すれば、前面投写型画像投影装置(フロントプロジェクター)としての使用も可能である。そして、そのような形態における縮小光学系としても利用可能である。

投影光学系ＰＯには、反射型光学素子と透過型光学素子とが用いられている。反射型光学素子としては、曲面反射面を有する曲面ミラーと平面反射面を有する平面ミラーとが用いられているが、用いる反射型光学素子はミラー類に限らず、例えば曲面反射面や平面反射面を有するプリズム類を用いてもよい。また、複数の反射面を有する１つ又は複数の反射型光学素子を用いてもよく、反射面，屈折面，回折面，又はそれらを組み合わせて有する光学素子を用いてもよい。透過型光学素子としては、曲面屈折面を有する屈折レンズが用いられているが、用いる透過型光学素子は入射光線を屈折作用により偏向させる屈折型レンズ(つまり、異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレンズ)に限らない。例えば、回折作用により入射光線を偏向させる回折型レンズ，回折作用と屈折作用との組み合わせで入射光線を偏向させる屈折・回折ハイブリッド型レンズ，入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布型レンズ等を用いてもよい。

投影光学系ＰＯの光学構成を更に詳しく説明する。図１に示すように、表示素子面Ｓｏからスクリーン面Ｓｉへの投影光路に沿って順に、カバーガラスＣＧと、球面から成る曲面反射面Ｓ３を有する第１曲面ミラーＭ１と、縮小側面Ｓ４が回転対称非球面から成り拡大側面Ｓ５が平面から成る略ノンパワーの屈折レンズＬ１と、回転対称非球面から成る曲面反射面Ｓ６を有する第２曲面ミラーＭ２と、縮小側面Ｓ７が回転非対称自由曲面から成り拡大側面Ｓ８が平面から成る略ノンパワーの屈折レンズＬ２と、回転非対称自由曲面から成る曲面反射面Ｓ９を有する第３曲面ミラーＭ３と、回転非対称自由曲面から成る曲面反射面Ｓ１０を有する第４曲面ミラーＭ４と、光路折り返し用の平面反射面Ｓ１１を有する平面ミラーＭＦと、が配置されている。

前述したように、画素ずらしを行うと画素同士が重なり合うため、スクリーン面上に投影する画素の輪郭が目立たなくなり、なめらかな画像を表示させることができる。しかも、表示素子の画素数はそのままでもスクリーン面上での表示情報量を増やすことができるため、解像度の向上(つまり見かけの画素数の増大)による画像の高品位化を達成する上で画素ずらしは非常に有効である。画素ずらしを行うには、スクリーン面上での投影像を微少量(例えば画素ピッチの１／２だけ)シフトさせる必要がある。しかし、画像投影のためのパワーを持たない光学部品を投影光学系に追加すると、部品点数の増大やバックフォーカスの増大等によって装置全体の大型化やコストアップを招いてしまう。また、屈折面を偏芯させる構成では色収差等の発生が問題になる。そこで本実施の形態では、画素シフト機構ＳＵ(図１)で第３曲面ミラーＭ３を微小に偏芯させることにより、画素ずらしを行う構成を採用している。

図２に画素シフト機構ＳＵの一部外観を示し、図３に画素シフト機構ＳＵの組み立て構造を示す。第３曲面ミラーＭ３はミラーホルダー１１に保持されており、ミラーホルダー１１には薄い金属板１２が固定されている。金属板１２は、その両側にヒンジ部１２ａ(図２)を有しており、ヒンジ部１２ａでアッセンブリーホルダー１８(図３)にネジ(不図示)で固定されている。また図３に示すように、ミラーホルダー１１にはコイルホルダー１４がネジ１３で固定されており、コイルホルダー１４にはコイル１５が取り付けられている。一方、アッセンブリーホルダー１８にはマグネットユニット１６がネジ１９で固定されている。

コイルホルダー１４，コイル１５及びマグネットユニット１６は、第３曲面ミラーＭ３を駆動するアクチュエータを構成している。コイル１５に電流を流すとマグネットユニット１６との間に電磁力が発生し、その駆動力で矢印ｍ１方向(図２)にミラーホルダー１１の上部が押される。ミラーホルダー１１に固定されている金属板１２は、その両側のヒンジ部１２ａでアッセンブリーホルダー１８(図３)に固定されているため、ヒンジ部１２ａにはヒンジ回りの捻れが矢印ｍ２方向(図２)に発生する。その結果、ミラーホルダー１１と共に第３曲面ミラーＭ３がティルトする。コイル１５に電流を流すのを止めると、ヒンジ部１２ａの捻れの復元力が矢印ｍ３方向(図２)に発生して元の状態に戻る。この動作を繰り返すことにより第３曲面ミラーＭ３を振動させれば、第３曲面ミラーＭ３の微小な偏芯により画素シフトを行うことができる。第３曲面ミラーＭ３の位置は、ホール素子から成るセンサー(不図示)で検出される。そのセンサーはミラーホルダー１１の上部に固定されており、アッセンブリーホルダー１８に固定されているセンサー用マグネット１７の相対的な移動(つまり相対位置の変化)を磁界変化として検出する。その検出結果から、第３曲面ミラーＭ３の位置を知ることができる。

また図１に示すように、第１曲面ミラーＭ１と屈折レンズＬ１との間には可変絞り機構ＤＵが配置されている。この可変絞り機構ＤＵは、表示素子面Ｓｏで表示する画像の明るさに応じて、投影光量を高速でダイナミックに(例えば、人間による識別が不可能な高速で)変化させるためのものである。可変絞り機構ＤＵは(例えばフレーム毎に)高速で動作し、画像信号が持つ画像の明るさに関する情報に基づいた絞りの開閉により、投影画像の明暗を変化させる。結果として、投影画像の見かけ上のコントラストを向上させることができる。

図４に及び図５に、可変絞り機構ＤＵを組み込んだ絞りユニット３２を示す。絞りユニット３２のベース３３は、金属(ＳＵＳ)製の矩形の板から成り、一端側には固定絞り孔３４が形成されており、他端側には２つの取付座３５が延設されている。ベース３３のほぼ中央には磁石３６が取り付けられている。ベース３３には、ベアリング３７(図５)が固定され、そのベアリング３７に回転軸３８が挿通されている。回転軸３８の一端には、２つのアーム３９Ａ，３９Ｂがベース３３と平行に延設されている。一方のアーム３９Ａには金属(アルミニウム)製の遮光板４０が設置され、他方のアーム３９Ｂにはセンサ支持板４１が設置されている。遮光板４０とセンサ支持板４１はビス４２で回転軸３８に固定されている。遮光板４０の先端はベース３３の固定絞り孔３４まで延び、固定絞り孔３４と対向する部分にはＶ字形の切欠き４３(図４)が形成されている。

センサ支持板４１の先端にはホール素子４４がベース３３の磁石３６と対向するように取り付けられている。遮光板４０の回動によりホール素子４４が移動すると、ホール素子４４はその移動位置における磁石３６の磁束密度に応じた電圧を出力する。磁石３６は遮光板４０の回動面(つまりホール素子４４の移動方向)と平行になっているため、ホール素子４４の出力電圧は、ホール素子４４の位置(すなわち遮光板４０の回転角)の変化に対して線形的に変化する。あらかじめホール素子４４の出力電圧とホール素子４４の位置(すなわち遮光板４０の回転角)との関係を示すテーブルを記憶しておくことにより、ホール素子４４の出力電圧からホール素子４４の位置(すなわち遮光板４０の回転角)を知ることができる。

回転軸３８(図５)の他端には、Ｖ字形のコイル支持フレーム４５が設置され、ビス４６で固定されている。コイル支持フレーム４５には、扇形に巻回されたコイル４７が接着により支持されている。ベース３３には、コイル４７を挟むように一対の磁石４８Ａ，４８Ｂが取り付けられている。また、ベース３３には、コイル支持フレーム４５に当接して遮光板４０の回動範囲を規制するストッパ４９Ａ，４９Ｂが取り付けられている。ベアリング３７の回りには一端がベース３３に係止し、他端がコイル支持フレーム４５に係止する捻りバネ５０(図５)が装着されている。この捻りバネ５０は、遮光板４０が固定絞り孔３４から完全に待避して全面開口する方向に、回転軸３８を付勢している。また、上記コイル支持フレーム４５，コイル４７及び一対の磁石４８Ａ，４８Ｂは、遮光板４０を駆動するアクチュエータ５１を構成している。

遮光板４０の回動範囲(すなわち回転角)は３２．５°であり、遮光板４０が回動して光束中に入っていく量に応じて投影光量が変化する。図６(Ａ)〜(Ｈ)に、可変絞り機構ＤＵにおける遮光板４０の回転角と絞り率との関係を示す。図６(Ａ)〜(Ｈ)に示すように、遮光板４０が０°から３２．５°まで回動することにより、固定絞り孔３４が遮光される。このとき、固定絞り孔３４の面積に対する、遮光板４０によって遮光されている部分を除く開口面積の比(すなわち絞り率)は、１から０．１７３までほぼ線形的に変化する。

可変絞り機構ＤＵの遮光板４０は、固定絞り孔３４の近傍であって固定絞り孔３４のスクリーン面Ｓｉ(図１)側に配置されている。これにより、固定絞り孔３４の光源側の光束から受ける熱によって遮光板４０が発熱しその可動動作に影響するのを防止することができる。これに関しては、遮光板４０が表示素子面Ｓｏに対して傾斜しているので更に効果的である。また、第１曲面ミラーＭ１と第２曲面ミラーＭ２との間の投影光路は、表示素子面Ｓｏから射出した光束が最初に反射して進行する部分であるため、比較的光束径が小さく、光束の周囲に広いスペースが存在する。可変絞り機構ＤＵは、その広いスペースを利用した適切な位置に設置されている。したがって、第１，第２曲面ミラーＭ１，Ｍ２間で絞りを変化させる構成が好ましい。

絞りユニット３２のアクチュエータ５１は、図１に示すように、第１曲面ミラーＭ１から第２曲面ミラーＭ２に向かう光束と、第２曲面ミラーＭ２から第３曲面ミラーＭ３に向かう光束と、の間の空間に配置されている。一方、投影光路内に挿入された絞りユニット３２の遮光板４０の待避位置は、投影光路面の側方の空間に配置されている。表示素子面Ｓｏから射出して第１曲面ミラーＭ１で反射し第２曲面ミラーＭ２に向かう光束と、第２曲面ミラーＭ２で反射し第３曲面ミラーＭ３に向かう光束は、未だ光束径が小さいので、それらの光束間の空間及びそれらの光路が形成する光路面の側方の空間も広い。可変絞り機構ＤＵのアクチュエータ５１と遮光板４０の待避位置は、光路との干渉を避けて、その広いスペースを利用した適切な位置に設置されている。

なお、この実施の形態では、可変絞りと固定絞りが１つの絞りユニット３２に設けられた構成になっているが、別個に設けてもよい。その場合、固定絞りを瞳位置に配置することにより、瞳位置のマッチングのズレを最小限にすることができる。また、遮光板を固定絞りのある瞳位置からずれた位置に配置すれば、瞳位置のように制約の少ない位置に可変絞りを設けることができ、画像投影装置をコンパクトに構成することができる。

図７に、画像投影装置の全体構成をブロック図で示す。この画像投影装置は、表示素子(例えばデジタル・マイクロミラー・デバイス)ＤＳ，照明光学系ＬＯ，投影光学系ＰＯ，画素シフト機構ＳＵ，可変絞り機構ＤＵ，輝度レベル評価部指定手段５４，モード選択手段５５，レベル設定手段５６，制御ユニット５７等を備えている。また、画素シフト機構ＳＵと可変絞り機構ＤＵは、前述したように投影光学系ＰＯ(図１)との組み合わせにより、画素ずらし機能と高速可変絞り機能を画像投影装置に付加するために搭載されている。なお図７中、細い矢印は信号の流れを表しており、太い矢印は光の流れを表している。

輝度レベル評価部指定手段５４は、ユーザーにより指定された評価部信号(例えば、画像信号の輝度レベルの評価を画面の中央に重点をおくか、画面全体の平均をとるか等)を出力する。モード選択手段５５は、ユーザーにより選択された映像シーン(例えば、ムービーモード，スポーツモード等の映像シーン)のモード信号を出力する。レベル設定手段５６は、ユーザーにより設定された可変絞り効果(例えば、強・中・弱の３レベルの可変絞り効果)のレベル信号を出力する。制御ユニット５７は、照明光学系ＬＯや画素シフト機構ＳＵを駆動するとともに、ビデオ，テレビ等の画像信号に基づいて表示素子ＤＳを制御する。例えば画素シフト機構ＳＵ(図２，図３)の駆動制御では、ホール素子で構成されたセンサー(不図示)からの信号(つまり第３曲面ミラーＭ３の位置検出信号)が制御ユニット５７に送られ、その信号に基づいて制御ユニット５７が第３曲面ミラーＭ３を駆動するためにコイル１５(図３)に流す電流を制御する。また制御ユニット５７は、各種信号(例えば、画像信号，モード選択手段５５からのモード信号，レベル設定手段５６からのレベル信号，ホール素子４４からの遮光板４０の位置検出信号)に基づいて、可変絞り機構ＤＵのアクチュエータ５１を駆動する。

次に、図７に示す画像投影装置の動作、特に制御ユニット５７による可変絞り機構ＤＵの動作を中心に説明する。まず、輝度レベル評価部指定手段５４により指定された評価部に従って、あるフレームの画像信号の輝度分布を評価し、設定されたモードとレベルに適したゲイン値，絞り値を演算により決定する。アクチュエータ５１を駆動し、前記絞り値に対応した角度に遮光板４０を回転させる。アクチュエータ５１の駆動力は、コイル４７に電流を流すと発生する電磁力によるものである。駆動制御に関しては、電圧を一定にした矩形状の信号でデューティ比を変えることにより回転速度を可変とし、＋と−を逆にすることにより反転可能としている。

上記アクチュエータ５１の駆動制御により、投影光学系５の有効光束径が調節され、光量が増減される。輝度レベルが高い映像シーンは、有効光束を大きくして光量を増加し、明るい部分を強調する。また、輝度レベルが低い映像シーンは、有効光束を小さくして光量を減少し、暗い部分を強調する。特に、有効光束を小さくするほど、有効光束の周縁部が遮蔽されて光の散乱が減少し、画面のコントラストを高めることができる。ユーザーは、表示された画像を見て、輝度レベル評価部指定手段５４により評価部を変更したり、レベル設定手段５６により可変絞り効果のレベルを変更したりして、好みの画像に設定することができる。

前記投影光学系ＰＯ(図１)のように大部分のパワーを反射系が負担する多ミラー投影光学系では、非球面形状又は自由曲面形状の反射面を有する曲面ミラーが一般的に使用される。曲面ミラーは、通常、切削加工により作製した金型を成型に用いて、その面形状を転写することにより量産される。切削加工を行った場合、加工ピッチを細かくしたりあるいは切削後に精度を保つ程度に研磨加工等を行っても、ミラー表面には５ｎｍ〜２０ｎｍ程度の切削痕が残ってしまう。当然、切削加工以外に研削加工等でも切削痕と同様の加工痕は残る。そのため、一様な画面表示(単色の画面表示)を行った場合、切削痕により投影画面上に薄く縞々模様が形成されるという問題が生じる。特に可変絞り機構ＤＵを用いた場合には絞り込んだ状態で縞々模様が著しく目立ってしまい、絞りから遠いミラーほど切削痕の影響が大きくなる。本実施の形態では、画素シフト機構ＳＵで常に画像を微動させているので、切削痕による縞々模様が見えにくくなるという効果が得られる。つまり、多ミラー投影光学系で絞りを高速可変としたときに顕著な画質劣化を、画素ずらし効果により解決することができる。

先に説明した図９(Ａ)〜(Ｃ)において投影光学系の倍率色収差を小さくすると、シフト前後のＧとＲ・Ｂの各色光表示は図１０(Ａ)に示すようになり、ＧとＲ・Ｂの強度分布は図１０(Ｂ)に示すようになり、二重線に対する可変絞り効果は図１０(Ｃ)に示すようになる。具体的には、画素シフト量ｄに対する倍率色収差を０．５ｄ以下に抑えると、二重線が目立たなくなり、シャープな線像を得ることができる。この効果は、０．３ｄ以下に倍率色収差を抑えることによって更に増大する。

画像投影装置で認識できる倍率色収差を規定する波長としては、色光Ｒで６４０ｎｍ、色光Ｇで５４６ｎｍ、色光Ｂで４５０ｎｍを想定することができる。したがって上記観点から、投影光学系はスクリーン面上において上下方向、左右方向、斜め方向、又は上下左右方向に画素ピッチ未満の画素シフトを行うとともに、全画面範囲(結果的には最大像高位置)において以下の条件式(1)及び(2)を満たすことが望ましい。
｜ΔRG｜≦0.5ｄ …(1)
｜ΔBG｜≦0.5ｄ …(2)
ただし、
ｄ：画素シフト量(＞0)、
ΔRG：波長５４６ｎｍの色光Ｇに対する波長６４０ｎｍの色光Ｒの画素シフト方向の倍率色収差、
ΔBG：波長５４６ｎｍの色光Ｇに対する波長４５０ｎｍの色光Ｂの画素シフト方向の倍率色収差、
である。

以下の条件式(1a)及び(2a)を満たすことが更に望ましい。
｜ΔRG｜≦0.3ｄ …(1a)
｜ΔBG｜≦0.3ｄ …(2a)
この条件式(1a),(2a)は、上記条件式(1),(2)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。

条件式(1),(1a),(2),(2a)は、投影像が二重線様化するのを効果的に防止するための好ましい条件範囲を規定している。｜ΔRG｜又は｜ΔBG｜が０．５ｄを上回ると、図９(Ｃ)中のピークの重なり面積が６０％を下回ることになる。その結果、ピーク間の谷が大きくなり、投影像は十分に二重線様に見えてしまう。｜ΔRG｜及び｜ΔBG｜が０．３ｄを下回ると、図９(Ｃ)中のピークの重なり面積が７０％を上回ることになり、画素シフト方向の倍率色収差は目立たなくなる。したがって、二重線の見えないシャープな線像を表示することができる。

上記のように条件式(1)及び(2)を満たし、好ましくは条件式(1a)及び(2a)を満たすことにより、投影像の高画質化が可能となるが、通常の屈折光学系で倍率色収差を抑えるには、異常分散性を有する高価な硝子から成るレンズを多数用いなければならず、レンズ枚数も多くなり相当のコストアップは避けられない。さらに、高コントラスト化のために可変絞り効果を利用すると、二重線様化が顕著になって解像感が更に低下してしまう。投影光学系を構成する光学素子としてミラーを用いれば、倍率色収差を発生させることなく安価な構成にすることができ、また、高い解像感を保ったまま高コントラスト化を達成することができる。例えば、前記投影光学系ＰＯ(図１)は４枚の曲面ミラーＭ１〜Ｍ４と略ノンパワーの２枚の収差補正用屈折レンズＬ１，Ｌ２を有しているため、上記条件式(1),(1a),(2),(2a)を満たして上記効果を得ることは容易である。

上記観点から、条件式(1)及び(2)を満たすには投影光学系を屈折光学素子のみで構成するのではなく、前記投影光学系ＰＯ(図１)のように、パワーを有する光学素子として３枚以上の曲面ミラーを有することが好ましい。曲面ミラーが３枚以上あれば、屈折系へのパワー負担を効果的に減らすことができる。したがって、反射系のパワー負担が大きい多ミラー投影光学系が好ましい。多ミラー投影光学系では、屈折光学素子を全く用いないか、用いたとしても屈折光学素子は単に補助的なものすぎない。したがって、投影光学系が条件式(1)及び(2)を満たすには、パワーを有する光学素子として曲面ミラーと屈折レンズをそれぞれ１枚以上有し、以下の条件式(3)を満足することが望ましい。
0.01×Σ｜φM｜＞Σ｜φL｜ …(3)
ただし、
φM：各曲面ミラーのパワー、
φL：各屈折レンズのパワー、
Σ｜φM｜：各曲面ミラーのパワーの絶対値の和、
Σ｜φL｜：各屈折レンズのパワーの絶対値の和、
である。

上記のように、パワーを有する光学素子として曲面ミラーを(好ましくは３枚以上)投影光学系が有する画像投影装置においては、表示素子による画像表示の切り換えにリンクして画素シフトを行う画素シフト機構を備えることにより、ミラー加工時の切削痕による画質劣化を抑えながら、画素ずらし効果による高精細化等が可能となる。さらに、表示素子面で表示する画像の明るさに応じて投影光量をダイナミックに変化させる可変絞り機構を備えることにより、可変絞り効果による高コントラスト化等が可能となる。多ミラー投影光学系では倍率色収差の低減が容易であるため、斜め画素配置に特徴的な投影像の二重線様化を効果的に抑制することができる。可変絞り効果によって二重線がくっきりと表れても、条件式(1)及び(2)を満たすことにより二重線は目立たなくなり、シャープな線像を得ることができる。また、可変絞り効果によって切削痕による縞々模様がくっきりと表れても、画素ずらし効果によって縞々模様は見えにくくなる。

図１に示す投影光学系ＰＯのように、パワーを有する光学素子として複数の曲面ミラーを有し、そのうちの１枚の曲面ミラーを振動させることにより画素シフトを行う構成にすることが好ましい。１枚のミラーを微小偏芯させる構成にすれば、画像投影装置の軽量・小型化を容易に達成することができる。また、画素ずらし効果を得る上で、表示素子面の画素が正方画素であって、各正方画素が前記表示素子面の長辺あるいは短辺に対し斜め４５度にレイアウトされた斜め画素配置を構成することが好ましく、画素シフトが各正方画素の対角線方向に行われることが更に好ましい。複数の正方画素から成る表示素子面において各正方画素が前記表示素子面の長辺あるいは短辺に対し斜め４５度にレイアウトされた斜め画素配置では、各正方画素の対角線方向に画素シフトを行うことが、画素ずらし効果による高精細化を達成する上で効果的である。スクリーン面上において上下方向、左右方向、斜め方向、又は上下左右方向に行われる画素シフトの量は、画素ピッチ未満であれば良いが、上記斜め画素配置を採用した場合には、画素シフト量が各正方画素の対角線長の約半分であることが、画素形状，画素シフト方向等との関係から好ましい。

画素ずらしのために微小偏芯させるミラーが大きいと、メカニカルな画素シフト機構(ミラー保持部，ミラー偏芯部等)の大型化や複雑化を招いたり光学性能の低下を招いたりしてしまうので、微小偏芯させるミラーは小さいほど好ましく、少なくとも最大の曲面ミラー以外のミラーを微小偏芯させることが好ましい。したがって、投影光学系は複数のミラーを有し、そのうちの少なくとも１つがパワーを有する曲面ミラーであり、曲面ミラーのうち有効光学領域が最大の曲面ミラーを「最大曲面ミラー」とすると、その最大曲面ミラーを固定した状態で最大曲面ミラー以外のミラー(好ましくは曲面ミラー)を微小に偏芯させることにより、スクリーン面上において上下方向、左右方向、斜め方向(例えば画面対角線方向)、又は上下左右方向に画素ピッチの範囲内での画素シフトを行う構成とすることが望ましい。

最大曲面ミラーの固定状態でそれ以外のミラー(好ましくは曲面ミラー)を微小偏芯させる構成とすることにより、反射面サイズが大きく重量が重い反射型光学素子を偏芯させる必要が無くなる。これにより、反射型光学素子の保持機構・偏芯機構等のメカ機構の小型化が可能となる。さらに、ミラー感度を考慮した場合、最大曲面ミラー以外のミラーを微小偏芯させる構成とすることにより、微小偏芯による画素シフト量の精度を向上させることが可能となる。また、画素ずらしのために新たな光学部材を追加する必要が無いため、屈折光学系のパワーで画像投影を行う構成に比べて部品点数が少なくて済み、低コストな投影光学系とすることができる。したがって、低コストでコンパクトな投影光学系において、良好な光学性能を保持しながら高精度の画素ずらしを実現することができる。その結果、効果的な画素ずらしが可能となるため、スクリーン面上に投影する画素の輪郭を目立たなくして更になめらかな画像を表示することができ、解像度の向上による画像の高品位化をより安定的に達成することができる。そして、この投影光学系を画像投影装置(リアプロジェクター，フロントプロジェクター等)に用いれば、その薄型・軽量・コンパクト化，低コスト化，高性能化，高機能化等に大きく寄与することができる。

画素ずらしのために微小偏芯させる曲面ミラーを「微小偏芯曲面ミラー」とすると、その微小偏芯曲面ミラーが最大曲面ミラーの縮小側に続けて配置されていることが望ましい。もし、屈折光学系内に配置した反射面を微小偏芯させると、色収差が発生して性能が劣化してしまうが、最大曲面ミラーと微小偏芯曲面ミラーとの間に屈折光学系が無ければ、色収差はほとんど発生せず性能劣化はほとんど生じない。また、微小偏芯曲面ミラーとその上方・下方に配置されている曲面ミラー、あるいはスクリーンや背面ミラーとの干渉条件がゆるくなるので、メカ構成の配置の自由度を大きくすることができる。この観点から、図１に示す投影光学系ＰＯでは、第３曲面ミラーＭ３を微小偏芯ミラーとしている。

また、表示素子面の画面中心から射出して絞りの中心を通る光線を「基準光線」とすると、微小偏芯曲面ミラーに対して基準光線が成す入射光線及び反射光線を含む平面と、最大曲面ミラーに対して基準光線が成す入射光線及び反射光線を含む平面と、が同一平面内にあることが好ましい。このように微小偏芯曲面ミラーと最大曲面ミラーを配置することにより、共軸屈折光学系に比べて投影光学系の厚みを薄くすることができる。なお、図１に示す投影光学系ＰＯでは、微小偏芯曲面ミラーである第３曲面ミラーＭ３と最大曲面ミラーである第４曲面ミラーＭ４がこの配置になっている。

また、図１に示す投影光学系ＰＯのように、曲面ミラーを少なくとも４枚有することが好ましい。曲面ミラーが少なくとも４枚あれば、広画角な斜め投影光学系において十分良好な光学性能を確保することができる。曲面ミラーが３面以下であると、投影光学系として必要な光学性能を得ることが設計的・製造的に難しくなる。ただし、光学面は少ないほどコスト面で好ましく、光学面が多くなると筐体内における光学素子の配置も不利になる。したがって、曲面ミラーを合計４枚有することが更に好ましい。曲面ミラーの数が４枚であっても、広画角な斜め投影光学系として用いる場合に十分良好な光学性能を確保することは可能である。

図１に示す投影光学系ＰＯには、回転対称な非球面形状又は回転非対称な自由曲面形状を有する屈折面(屈折レンズＬ１，Ｌ２)が、収差補正のために用いられている。屈折面を有する透過型光学素子は、その相対的な屈折率の低さから、反射型光学素子よりも一般的に誤差感度が低いため、製造や調整が容易である。したがって、パワーを有する反射型光学素子の他に透過型光学素子に収差補正能力を持たせると、製造難易度が低くなりコスト低減が可能になる。この効果を得るために、収差補正機能を有する透過型光学素子を少なくとも１つ有することが好ましい。さらに、回転対称な非球面形状又は回転非対称な自由曲面形状を透過型光学素子に持たせることにより、誤差感度は低いままで収差補正効果をより高くすることができ、それを略ノンパワーにすることで更に誤差感度を低減することができる。また、投影光学系ＰＯのような広角の偏芯光学系においては、回転非対称な収差を補正することによって光学性能をより一層良好にすることができる。したがって、透過型光学素子は回転対称な非球面又は回転非対称な自由曲面から成る屈折面を収差補正屈折面として少なくとも１面有することが好ましい。

図１に示す投影光学系ＰＯでは、第１曲面ミラーＭ１が球面形状を有している。このように、投影光学系が有する複数の曲面ミラーのうち、最も縮小側の曲面ミラーを「第１曲面ミラー」とし、縮小側から数えて２つ目の曲面ミラーを「第２曲面ミラー」とすると、第１，第２曲面ミラーのうちの少なくとも１つが球面形状を有することが好ましい。複数の曲面ミラーを有する投影光学系では、第１，第２曲面ミラーの感度が高くなる。このため、高い面精度が要求される第１，第２曲面ミラーの一方又は両方を球面形状とすることにより、研磨による高い面精度での加工が可能になる。さらには、球面受けでの組み込みが可能となるので、組み込み誤差も最小限に抑えることができる。樹脂ではなく、線膨張係数の低いガラスを用いることができるため、温度変化によるフォーカスズレも抑えることができる。

図１に示す投影光学系ＰＯには、回転対称な非球面形状又は回転非対称な自由曲面形状の曲面反射面を有する曲面ミラーＭ２〜Ｍ４が、収差補正のために用いられている。収差補正のための光学面を効果的に配置することは、広画角化，コンパクト化等とのバランスをとりながら高性能化を達成する上で重要であり、また、高い面精度が要求される縮小側の光学面は球面形状を有するのが好ましい。したがって、表示素子面の画像をスクリーン面上に斜め拡大投影する投影光学系においては、複数の曲面ミラーと複数の収差補正用屈折レンズとを有し、第１，第２曲面ミラーのうちの少なくとも１つが球面形状を有し、それ以外の少なくとも１つの曲面ミラーが回転非対称な自由曲面形状を有することが好ましく、さらにそれ以外の少なくとも１つの曲面ミラーが回転対称な非球面形状を有することが好ましい。このように複数の曲面ミラーと複数の収差補正用屈折レンズを用いることにより、上述した効果をより一層大きく得ることが可能となる。

以下、本発明を実施した投影光学系，画像投影装置等を、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例は、前述した実施の形態に対応する数値実施例であり、図１に示す投影光学系の光学構成図は、実施例の光学配置，投影光路等を示している。実施例のコンストラクションデータは、縮小側の表示素子面Ｓｏ(拡大投影における物面に相当する。)から拡大側のスクリーン面Ｓｉ(拡大投影における像面に相当する。)までを含めた系の光学配置を示しており、縮小側から数えてｎ番目の面がＳｎ(ｎ＝１，２，３，．．．)である。なお、面Ｓ１，Ｓ２は表示素子面Ｓｏを保護するために覆うカバーバラスＣＧの両面であり、投影光学系の一部を成すものではない。

各光学面の配置は、その面頂点をローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点(O)として、グローバルな直交座標系(x,y,z)におけるローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点(O)とX軸，Y軸の座標軸ベクトル(VX,VY)の座標データ(x,y,z)とで表されている(単位：ｍｍ)。ただし、座標系はすべて右手系で定義されており、グローバルな直交座標系(x,y,z)は表示素子面Ｓｏのローカルな直交座標系(X,Y,Z)と一致した絶対座標系になっている。したがって、グローバルな直交座標系(x,y,z)の原点(o)は表示素子面Ｓｏの中心に位置する原点(O)と同一の点であり、表示素子面ＳｏでのベクトルVXは表示素子面Ｓｏの面法線と平行であり、ベクトルVYはベクトルVXに直交するとともに表示素子面Ｓｏの画面短辺に平行である。また、座標データ(x,y,z)で表された光学面を先頭面として共軸系の一部を成す光学面については、直前の光学面を基準としたX方向の軸上面間隔T'(ｍｍ)で光学面の配置が表されている。各光学面の入射側に位置する媒質のｄ線に対する屈折率N，各光学面の射出側に位置する媒質のｄ線に対する屈折率N'(その光学面が反射面の場合には負の値となる。)及び光学材料のアッベ数νdを他のデータとあわせて示す。

各光学要素の面形状は、その光学面の曲率C0(ｍｍ^-1)，曲率半径r(ｍｍ)等で表されている。例えば、＊印が付された面Ｓｎは回転対称な非球面であり、その面形状は面頂点を原点(O)とするローカルな直交座標系(X,Y,Z)を用いた以下の式(AS)で定義される。また、＄印が付された面Ｓｎは回転非対称な非球面(いわゆる自由曲面)であり、その面形状は面頂点を原点(O)とするローカルな直交座標系(X,Y,Z)を用いた以下の式(BS)で定義される。回転対称非球面データ，回転非対称非球面データを他のデータとあわせて示す。ただし、表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してE-n＝×10^-nである。
X＝(C0・H²)／{1+√(1-ε・C0²・H²)}＋Σ{A(i)・Hⁱ} …(AS)
X＝(C0・H²)／{1+√(1-ε・C0²・H²)}＋Σ{G(j,k)・Y^j・Z^k} …(BS)
ただし、式(AS),(BS)中、
X：高さHの位置でのX方向の基準面からの変位量(面頂点基準)、
H：X軸に対して垂直な方向の高さ{H=√(Y²+Z²)}、
C0：面頂点での曲率(＋／−はローカルな直交座標系のX軸に対するものであり、正の場合その曲率中心がベクトルVX上の正方向に存在する。C0=1/r)、
ε：２次曲面パラメータ、
A(i)：i次の回転対称非球面係数、
G(j,k)：Yのj次、Zのk次の回転非対称非球面係数、
である。

表示素子面Ｓｏの画面サイズ(ｍｍ)は、LY＝±2.754，LZ＝±4.892である。ただし、表示素子面Ｓｏの画面形状は長方形であり、LYは表示素子面Ｓｏの画面短辺方向(すなわちY方向)の長さ、LZは表示素子面Ｓｏの画面長辺方向(すなわちZ方向)の長さである。また、全系の倍率(β)とＦナンバー(FnoY,FnoZ)は、β=95.03，FnoY=2.83，FnoZ=2.81である。ただし、FnoYは縦方向(Y方向)のＦナンバー、FnoZは横方向(Z方向)のＦナンバーである。

表示素子面Ｓｏの画素は正方画素であって、各正方画素が表示素子面Ｓｏの長辺あるいは短辺に対し斜め４５度にレイアウトされた斜め画素配置を構成しており、画素シフトが各正方画素の対角線方向に行われる。表１と表２に、条件式(1),(1a),(2),(2a)の対応データ及び関連データを示す。ただし、画素シフト方向の倍率色収差(μｍ)：ΔRG，ΔBGの評価ポイントは、表示素子面Ｓｏの半画面における２５個の座標(Y,Z)であり、画素シフト量ｄ=7.637(μｍ)，画素ピッチ(対角線長)ｐ=２ｄ=15.274(μｍ)である。また表３に、条件式(3)の対応データ及び関連データを示す。ただし、自由曲面を含む実施例であるので、スクリーン面Ｓｉの画面中心に至る光線を主光線とし、主光線近傍のメリディオナル断面(XY断面)でのパワーで各面のパワーを規定する(E-n＝×10^-n)。

図１１に、実施例のスポットダイアグラムを示す。このスポットダイアグラムは、スクリーン面Ｓｉでの結像特性(目盛りは±１ｍｍで表記されている。)を３波長(４６０ｎｍ，５４６ｎｍ，６２０ｎｍ)，２５個の評価ポイントについて示している。図中の座標(Y,Z)は、各評価ポイントのスポット重心の投影位置を示すスクリーン面Ｓｉのローカル座標(Y,Z；ｍｍ；e-n＝×10^-n)である。この実施例はXY平面に対して面対称な光学系から成っているため、スポットダイアグラムはスクリーン面Ｓｉ上でのZ方向のプラス側の半分のみを示しており、残り半分は図示省略してある。また、これらの評価ポイントは表示素子面ＳｏのZ方向の半分を縦横それぞれ均等に５分割した点と共役であり、表示素子面Ｓｏ上の点が持つローカル座標のYとZの値に倍率βをかけた値がスポットダイアグラム上での理想結像点であり、その計算値からのズレの分が歪曲である。スポットダイアグラムの出発点は表示素子面Ｓｏの±Y，＋Z側にあるが、天井の平面ミラーＭＦで画像が上下反転するためYが＋／−逆転している。なお、この実施例の光学構成において、第３曲面ミラーＭ３を微小に偏芯させることにより画素シフトを行っても、得られる光学性能にほとんど影響はない。

《実施例のコンストラクションデータ》
Ｓｏ〈表示素子面〉
［座標］
O : 0.00000 , 0.00000 , 0.00000
VX : 1.00000000 , 0.00000000 , 0.00000000
VY : 0.00000000 , 1.00000000 , 0.00000000
N = 1.00000
C0= 0.00000000(r=∞)
N'= 1.00000
T'= 0.47

Ｓ１〈カバーガラスＣＧの入射側面〉
N = 1.00000
C0= 0.00000000(r=∞)
N'= 1.51872,νd=64.20
T'= 3

Ｓ２〈カバーガラスＣＧの射出側面〉
N = 1.51872,νd=64.20
C0= 0.00000000(r=∞)
N'= 1.00000

Ｓ３〈第１曲面ミラーＭ１〉
［座標］
O : 84.77600 , -8.80205 , 0.00000
VX : 0.99335574 , 0.11508424 , 0.00000000
VY :-0.11508424 , 0.99335574 , 0.00000000
N = 1.00000
C0=-0.01024430(r=-97.6153)
N'=-1.00000

Ｓ４＊〈屈折レンズＬ１の入射側面〉
［座標］
O : 33.18400 , -26.78580 , 0.00000
VX :-0.99802020 ,-0.06289414 , 0.00000000
VY :-0.06289414 , 0.99802020 , 0.00000000
N = 1.00000
C0= 0.00000000(r=∞)
［非球面データ］
ε=1.00000
A( 4)= 1.73282E-6
A( 6)=-2.51393E-8
A( 8)= 5.8343E-10
A(10)=-6.49544E-12
A(12)= 2.72743E-14
N'= 1.52729,νd=56.38

Ｓ５〈屈折レンズＬ１の射出側面〉
［座標］
O : 31.23500 , -27.67100 , 0.00000
VX :-0.99802020 ,-0.06289414 , 0.00000000
VY :-0.06289414 , 0.99802020 , 0.00000000
N = 1.52729,νd=56.38
C0= 0.00000000(r=∞)
N'= 1.00000

Ｓ６＊〈第２曲面ミラーＭ２〉
［座標］
O : 13.34700 , -24.19590 , 0.00000
VX :-0.99395174 , 0.10981775 , 0.00000000
VY : 0.10981775 , 0.99395174 , 0.00000000
N = 1.00000
C0= 0.00931427(r=107.3621)
［非球面データ］
ε=6.42234
A( 4)= 1.4105E-6
A( 6)= 8.58819E-10
A( 8)=-2.64074E-12
A(10)= 5.41875E-15
A(12)=-4.40215E-18
N'=-1.00000

Ｓ７＄〈屈折レンズＬ２の入射側面〉
［座標］
O : 34.67500 , -55.70520 , 0.00000
VX : 0.01157085 ,-0.99993306 , 0.00000000
VY : 0.99993306 , 0.01157085 , 0.00000000
N = 1.00000
C0= 0.00000000(r=∞)
［非球面データ］
ε=1.00000
G( 3, 0)= 8.61966E-6
G( 4, 0)=-1.32367E-6
G( 5, 0)= 1.81013E-9
G( 6, 0)=-2.38497E-9
G( 7, 0)= 3.31534E-10
G( 8, 0)=-3.36791E-12
G( 9, 0)=-7.71912E-13
G(10, 0)= 2.42779E-14
G( 1, 2)=-6.6744E-5
G( 2, 2)=-2.40316E-6
G( 3, 2)= 8.97504E-8
G( 4, 2)= 3.54681E-10
G( 5, 2)= 4.62364E-10
G( 6, 2)=-1.29461E-11
G( 7, 2)=-6.77249E-13
G( 8, 2)= 2.31117E-14
G( 0, 4)= 2.46946E-6
G( 1, 4)= 2.0643E-7
G( 2, 4)=-6.56518E-10
G( 3, 4)=-1.59192E-11
G( 4, 4)=-1.66117E-11
G( 5, 4)=-6.9256E-13
G( 6, 4)= 3.52199E-14
G( 0, 6)=-3.00301E-9
G( 1, 6)=-1.27708E-10
G( 2, 6)= 2.16243E-12
G( 3, 6)= 6.36425E-13
G( 4, 6)= 4.02125E-15
G( 0, 8)= 5.95575E-12
G( 1, 8)= 2.69834E-13
G( 2, 8)=-1.86336E-14
G( 0,10)=-1.57267E-14
N'= 1.52729,νd=56.38

Ｓ８〈屈折レンズＬ２の射出側面〉
［座標］
O : 39.23600 , -57.65510 , 0.00000
VX : 0.01157085 ,-0.99993306 , 0.00000000
VY : 0.99993306 , 0.01157085 , 0.00000000
N = 1.52729,νd=56.38
C0= 0.00000000(r=∞)
N'= 1.00000

Ｓ９＄〈第３曲面ミラーＭ３〉
［座標］
O : 69.48900 , -95.92290 , 0.00000
VX : 0.91941593 ,-0.39328660 , 0.00000000
VY : 0.39328660 , 0.91941593 , 0.00000000
N = 1.00000
C0=-0.00044085(r=-2268.3247)
［非球面データ］
ε=1.00000
G( 2, 0)= 0.000280832
G( 3, 0)=-1.18927E-5
G( 4, 0)=-8.7313E-7
G( 5, 0)=-8.41805E-9
G( 6, 0)= 7.25923E-12
G( 7, 0)= 9.49225E-12
G( 8, 0)= 1.04654E-13
G( 9, 0)=-2.19175E-14
G(10, 0)= 7.21665E-16
G( 0, 2)=-0.000513986
G( 1, 2)=-8.55552E-5
G( 2, 2)=-1.12351E-6
G( 3, 2)= 2.49379E-8
G( 4, 2)= 8.10459E-10
G( 5, 2)= 2.58668E-11
G( 6, 2)= 8.12093E-13
G( 7, 2)= 2.11287E-15
G( 8, 2)=-1.19879E-15
G( 0, 4)= 1.17194E-6
G( 1, 4)= 5.41384E-8
G( 2, 4)= 3.65203E-10
G( 3, 4)=-1.88985E-11
G( 4, 4)=-1.18863E-12
G( 5, 4)=-3.78949E-14
G( 6, 4)= 7.8927E-17
G( 0, 6)=-9.29742E-11
G( 1, 6)= 3.36094E-13
G( 2, 6)= 1.0404E-12
G( 3, 6)= 3.77869E-14
G( 4, 6)= 2.03532E-15
G( 0, 8)=-3.88723E-13
G( 1, 8)=-1.38874E-15
G( 2, 8)=-1.35813E-15
G( 0,10)= 5.45906E-16
N'=-1.00000

Ｓ１０＄〈第４曲面ミラーＭ４〉
［座標］
O : 23.67600 , -62.46640 , 0.00000
VX :-0.99802624 , 0.06279831 , 0.00000000
VY : 0.06279831 , 0.99802624 , 0.00000000
N = 1.00000
C0= 0.05625150(r=17.7773)
［非球面データ］
ε=-1.54968
G( 2, 0)=-0.0018995
G( 3, 0)=-1.99289E-5
G( 4, 0)=-4.72141E-7
G( 5, 0)=-5.6067E-9
G( 6, 0)=-2.08536E-11
G( 7, 0)= 1.58062E-13
G( 8, 0)= 2.17055E-15
G( 9, 0)= 6.89436E-18
G(10, 0)=-2.2838E-20
G( 0, 2)=-0.00418619
G( 1, 2)=-9.36187E-5
G( 2, 2)=-2.59756E-6
G( 3, 2)=-4.09752E-8
G( 4, 2)=-4.09984E-10
G( 5, 2)=-3.01393E-12
G( 6, 2)=-1.3615E-14
G( 7, 2)=-3.03519E-17
G( 8, 2)=-9.24981E-20
G( 0, 4)=-2.04797E-7
G( 1, 4)=-3.13937E-9
G( 2, 4)= 1.415E-10
G( 3, 4)= 2.53309E-12
G( 4, 4)= 1.03641E-14
G( 5, 4)= 6.70735E-17
G( 6, 4)= 5.8545E-19
G( 0, 6)= 1.66422E-10
G( 1, 6)= 4.93631E-12
G( 2, 6)= 2.84416E-14
G( 3, 6)=-1.4395E-16
G( 4, 6)=-2.85288E-18
G( 0, 8)=-6.936E-14
G( 1, 8)=-1.98833E-15
G( 2, 8)=-4.60481E-18
G( 0,10)=-9.75378E-18
N'=-1.00000

Ｓ１１〈平面ミラーＭＦ〉
［座標］
O : 400.00000 , -441.69700 , 0.00000
VX : 0.10902324 ,-0.99403920 , 0.00000000
VY : 0.99403920 , 0.10902324 , 0.00000000
N = 1.00000
C0= 0.00000000(r=∞)
N'=-1.00000

Ｓｉ〈スクリーン面〉
［座標］
O : 204.75705 , -187.50166 , 0.00000
VX : 0.93901635 , 0.34387248 , 0.00000000
VY :-0.34387248 , 0.93901635 , 0.00000000

投影光学系の実施の形態(実施例)の光学構成を示す光路図。画素シフト機構の一部外観を示す斜視図。画素シフト機構の組み立て構造を示す断面図。可変絞り機構を組み込んだ絞りユニットの平面図。可変絞り機構を組み込んだ絞りユニットの部分拡大断面図。可変絞り機構における遮光板の回転角と絞り率との関係を示す模式図。画像投影装置の実施の形態の全体構成を示すブロック図。斜め画素配置の画素シフトを示す模式図。斜め画素配置で画素シフトさせたときに大きな倍率色収差により生じる二重線を示す説明図。斜め画素配置で画素シフトさせたときに小さな倍率色収差により生じる二重線を示す説明図。投影光学系の実施例においてミラーが微小偏芯していない状態でのスクリーン面上でのスポットダイアグラム。

符号の説明

ＰＯ投影光学系
ＳＵ画素シフト機構
ＤＵ可変絞り機構
ＬＯ照明光学系
ＤＳ表示素子
Ｓｏ表示素子面
Ｓｉスクリーン面
ＣＧカバーガラス
Ｍ１第１曲面ミラー
Ｍ２第２曲面ミラー
Ｍ３第３曲面ミラー
Ｍ４第４曲面ミラー
ＭＦ平面ミラー
Ｌ１，Ｌ２屈折レンズ

Claims

複数の画素から成る表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系であって、スクリーン面上において上下方向、左右方向、斜め方向、又は上下左右方向に画素ピッチ未満の画素シフトを行うとともに、全画面範囲において以下の条件式(1)及び(2)を満たすことを特徴とする投影光学系；
｜ΔRG｜≦0.5ｄ …(1)
｜ΔBG｜≦0.5ｄ …(2)
ただし、
ｄ：画素シフト量(＞0)、
ΔRG：波長５４６ｎｍの色光Ｇに対する波長６４０ｎｍの色光Ｒの画素シフト方向の倍率色収差、
ΔBG：波長５４６ｎｍの色光Ｇに対する波長４５０ｎｍの色光Ｂの画素シフト方向の倍率色収差、
である。
パワーを有する光学素子として３枚以上の曲面ミラーを有することを特徴とする請求項１記載の投影光学系。
パワーを有する光学素子として曲面ミラーと屈折レンズをそれぞれ１枚以上有し、以下の条件式(3)を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の投影光学系；
0.01×Σ｜φM｜＞Σ｜φL｜ …(3)
ただし、
φM：各曲面ミラーのパワー、
φL：各屈折レンズのパワー、
Σ｜φM｜：各曲面ミラーのパワーの絶対値の和、
Σ｜φL｜：各屈折レンズのパワーの絶対値の和、
である。
パワーを有する光学素子として複数の曲面ミラーを有し、そのうちの１枚の曲面ミラーを振動させることにより前記画素シフトを行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の投影光学系。
前記表示素子面の画素が正方画素であって、各正方画素が前記表示素子面の長辺あるいは短辺に対し斜め４５度にレイアウトされた斜め画素配置を構成しており、前記画素シフトが各正方画素の対角線方向に行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の投影光学系。
前記画素シフト量が各正方画素の対角線長の約半分であることを特徴とする請求項５記載の投影光学系。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の投影光学系と、複数の正方画素から成る表示素子面において各正方画素が前記表示素子面の長辺あるいは短辺に対し斜め４５度にレイアウトされた斜め画素配置を有する表示素子と、その表示素子による画像表示の切り換えにリンクして前記画素シフトを行う画素シフト機構と、を備えたことを特徴とする画像投影装置。
さらに、前記表示素子面で表示する画像の明るさに応じて投影光量をダイナミックに変化させる可変絞り機構を備えたことを特徴とする請求項７記載の画像投影装置。