JP3755525B2 - 投影光学系および映像投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、映像を投影する投影光学系および映像投影装置に関し、特に、投影面上での映像の位置を変化させることにより解像度を高める投影光学系および映像投影装置に関する。

映像をスクリーンに投影する映像投影装置は、映像を表示するライトバルブと、ライトバルブからの映像を表す光をスクリーンに導いて結像させる投影光学系より成る。ライトバルブは一定のピッチで配列された多数の画素を有し、画素ごとに映像の一点を表示する。したがって、映像の解像度は画素数で定まり、ライトバルブの大きさが一定ならば、画素の配列ピッチで定まることになる。

ライトバルブには、ＣＲＴ（陰極線管）、ＬＣＤ（液晶表示器）等、表示原理が異なる様々な種類があるが、画素と画素の間に映像を表示しない部位が存在するものものある。例えば、ＬＣＤでは、駆動回路の配設および光の混合の防止のために、ブラックマトリクスと呼ばれる帯状の遮光部が設けられている。画素の配列ピッチは画素の大きさに依存し、画素を小さくするほど解像度は高くなるが、このように画素と画素の間に映像を表示しない部位が存在する構成のライトバルブでは、解像度の向上に限界がある。

提供する映像の解像度をライトバルブが表示する映像の解像度よりも高めるために、スクリーン上の投影を画素ピッチのオーダー（１／３画素〜１画素）で周期的にシフトさせるとともに、そのシフトに応じて表示する映像を変化させることが提案されている（例えば、特開平３−１９８０３７号参照）。このようにすると、例えば、ある時点でライトバルブの画素と画素の間の部位に対応していたスクリーン上の点を、次の時点で画素の中央部に対応させることができて、投影された映像の解像度が高まる。

投影する映像をシフトさせる方法として、特開平３−１９８０３７号では、ライトバルブに照明光を導くミラーを傾けること、照明光を発する光源を移動させること、ライトバルブを移動させること、および、投影光学系内のレンズを傾けるまたは移動させることが開示されている。
特開平３−１９８０３７号公報

投影光学系のレンズを移動させることにより投影する映像をシフトさせる場合、レンズの移動により投影する映像の質が変化することを考慮しなければならない。また、スクリーン上での映像のシフトが観察者に判らないように、レンズを高速で移動させなければならない。さらに、レンズの位置を精度よく制御する必要もある。ところが、上記公報では、これらの点については言及されていない。

通常、投影光学系を構成するレンズを偏芯（光軸に対して垂直な方向に移動）させたとき、その移動量をδとすると、スクリーンの同一点に対応するライトバルブ上の点は０．５δ〜１．５δ程度シフトする。すなわち、投影光学系に逆方向から光線を入射させた場合、レンズをδだけ偏芯させると、その光線のライトバルブ上での位置は０．５δ〜１．５δ程度変化する。以下、レンズの移動（偏芯）量に対する、スクリーン上の一点に対応するライトバルブ上の位置のシフト量の比を、偏芯感度という。

近年の標準的なライトバルブでは、画素の配列ピッチは１０μｍ〜２０μｍであるから、その配列ピッチ程度の画素シフトを投影する映像に生じさせるためには、レンズを６μｍ〜４０μｍ程度移動させることになる。投影光学系のレンズは、ライトバルブのサイズやレンズバックにもよるが、高性能なものは有効直径φが３０ｍｍ程度以上であり、このような大きいレンズを６〜４０μｍという高い精度でメカニカルに駆動するためには、非常に高精度な加工と調整が必要である。現状では、このような高い精度に適したアクチュエータは存在せず、レンズの位置に応じて映像を変化させるためにレンズの位置を検出する位置センサとしても、このような精度に適するものはない。

また、投影光学系を構成するレンズは非常に高い精度でレンズ枠に固定されており、傾き誤差等が発生すると性能が低下するが、いずれかのレンズを偏芯駆動可能な構成にすると、そのレンズに傾き誤差等が発生し易くなって、投影光学系の性能の低下を招く。特に、投影に必須のパワーの強いレンズを偏芯駆動するようにすると、性能低下が避けられなくなり、解像度が高くなっても映像の質は低下する。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、投影する映像の解像度を高めるためにレンズを偏芯させる投影光学系であって、実現が容易で高い性能を有するもの、および、そのような投影光学系を備えた高性能の映像投影装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、所定の表示面上に表示された映像を所定の投影面上に投影する投影光学系において、表示面側に位置する後レンズ群と、投影面側に位置する前レンズ群との間に、光軸に対して垂直かつ互いに略垂直な方向に移動可能な２つの偏芯レンズユニットを含むとともに、２つの偏芯レンズユニットをそれぞれ光軸に対して垂直な方向に往復駆動する駆動機構を備え、２つの偏芯レンズユニットの焦点距離をそれぞれＦＤ１、ＦＤ２で表し、後レンズ群の焦点距離をＦＲで表すとき、０．０１≦｜ＦＲ／ＦＤ１｜≦０．２、かつ、０．０１≦｜ＦＲ／ＦＤ２｜≦０．２の関係を満たすようにする。

この投影光学系は、後レンズ群と前レンズ群との間に、互いに略垂直な方向に偏芯可能な２つのレンズユニットを含んでおり、これらによって、投影する映像を投影面上でシフトさせることができる。２つの偏芯レンズユニットを相対的にどのようなタイミングで移動させるかによって、投影面上をシフトする映像の軌跡を設定することが可能であり、例えば、円や四角形にすることができる。

２つの偏芯レンズユニットはいずれも、焦点距離が後レンズ群の焦点距離の５〜１００倍であり、パワーが非常に小さい。このため、たとえこれらの偏芯レンズユニットに傾き誤差等が発生したとしても、投影光学系全体の性能にはほとんど影響せず、高い性能を確保することができる。また、既に設計されている投影光学系に２つの偏芯レンズユニットを追加することも可能であり、必ずしも投影光学系全体を新たに設計する必要がない。

偏芯レンズユニットのパワーが小さいということは、それらの偏芯感度も小さいということである。したがって、投影する映像に１画素程度の画素シフトを生じさせるためは、偏芯レンズユニットを表示面に表示された映像の画素の配列ピッチの数倍以上移動させることになり、偏芯レンズユニットの移動量は大きくなる。移動量が大きいと、偏芯レンズユニットを駆動するためのアクチュエータとして特に高精度のものを用いなくても、所定位置に偏芯レンズユニットを設定することが可能になり、現時点で入手可能なアクチュエータを採用することができる。

また、２つの偏芯レンズユニットを駆動するための駆動機構を備えているため、この投影光学系を利用する装置に駆動機構を備える必要がない。したがって、交換可能な投影光学系とすることができる。

前記目的を達成するために、本発明ではまた、所定の表示面上に表示された映像を所定の投影面上に投影する投影光学系において、表示面側の最も端部に、光軸に対して垂直かつ互いに略垂直な方向に移動可能な２つの偏芯レンズユニットを含むとともに、２つの偏芯レンズユニットをそれぞれ光軸に対して垂直な方向に往復駆動する駆動機構を備え、２つの偏芯レンズユニットの焦点距離をそれぞれＦＤ１、ＦＤ２で表し、２つの偏芯レンズユニットを除く部分のレンズバックの空気換算値をＬＢで表すとき、０．０１≦｜ＬＢ／ＦＤ１｜≦０．２、かつ、０．０１≦｜ＬＢ／ＦＤ２｜≦０．２の関係を満たすようにする。

この投影光学系は、２つの偏芯レンズユニットよりも表示面側にはレンズをもたない。２つの偏芯レンズユニットはいずれも、焦点距離がレンズバックの５〜１００倍であり、パワーが非常に小さい。したがって、上記の投影光学系と同様に、偏芯レンズユニットに傾き誤差等が発生したとしても高い性能を確保することができ、また、偏芯レンズユニットの駆動のために特に高精度のアクチュエータを必要としない。

２つの偏芯レンズユニットのうち、一方が正のパワーを有し、他方が負のパワーを有する構成とするとよい。このようにすると、偏芯レンズユニットのパワーが概ね相殺され、偏芯レンズユニットを大きく移動させても投影する映像の質にほとんど影響が生じない。

いずれの投影光学系も、光束径を規制する絞りを備えるのが好ましい。ここで、偏芯レンズユニットを後レンズ群と前レンズ群の間に備える構成では、２つの偏芯レンズユニットが絞りの近傍に位置するようにするとよい。絞りの近傍に配置することで、偏芯レンズユニットを小型軽量にすることができ、高速で移動させることが容易になる。

これらの投影光学系はまた、焦点距離が可変のズーム光学系とするのが好ましい。ここで、偏芯レンズユニットを後レンズ群と前レンズ群の間に備える構成では、ズーミングのために移動するレンズを前レンズ群のみに有するようにするとよい。ズーミングのために移動するレンズが後レンズ群に含まれると、偏芯レンズユニットがズーミングに影響することになるが、このようにすると、偏芯レンズユニットはズーミングには影響しなくなり、設計が容易である。

２つの偏芯レンズユニットがそれぞれレンズ枠に保持され、駆動機構が、レンズ枠を回動可能に支持する支持部と、偏芯レンズユニットの中心に関して支持部の略反対側に位置して、支持部を中心にレンズ枠を回動させるアクチュエータを有する構成とすることができる。

この構成では、アクチュエータは偏芯レンズユニットの中心を移動させるべき量の２倍程度の移動をレンズ枠の一端にもたらす必要があり、アクチュエータの駆動量は大きい。したがって、アクチュエータに要求される精度を一層低くすることができる。各偏芯レンズユニットの軌跡は厳密には円弧となるが、移動量をあまり大きくしない限り、軌跡は直線と見なすことができて、偏芯レンズユニットの駆動制御に支障はない。

２つの偏芯レンズユニットおよび駆動機構が一体化されて単一の光学ユニットとなっている構成とすることもできる。このようにすると、投影光学系への偏芯レンズユニットおよび駆動機構の組み込みが容易になり、製造効率が向上する。

前記目的を達成するために、本発明ではまた、映像を表示して所定の投影面に投影する映像投影装置において、上記のいずれかの投影光学系と、表示面上に位置し、映像を表示して表示した映像を表す光を投影光学系に入射させるライトバルブを備え、ライトバルブが、所定のピッチで配列されそれぞれ映像の１点を表示する複数の画素を有するとともに、各画素が表示する内容を投影光学系の２つの偏芯レンズユニットの位置に応じて変化させるようにする。

この映像投影装置では、投影する映像を投影面上でシフトさせながら、その位置に応じて投影する映像を変化させることができて、例えば、ある時点でライトバルブの画素と画素の間の部位に対応していた投影面上の点を、次の時点で画素の中央部に対応させることが可能になり、解像度の高い映像を提供することができる。しかも、偏芯レンズユニットを移動させても投影光学系の性能が低下しないから、高品位の映像を提供することが可能である。

ここで、ライトバルブの画素の配列ピッチをＰで表すとき、２つの偏芯レンズユニットの移動量が、投影面側から投影光学系に光線を入射させた場合における、ライトバルブ上での光線の位置の０．３Ｐから１．０Ｐまでの変化量に相当する設定とするとよい。このようにすると、解像度の向上のために無用なほど大きくもなければ役に立たないほど小さくもない、適切な画素シフトを投影面上の映像に生じさせることができる。

本発明の投影光学系では、偏芯レンズユニットのパワーが非常に小さいため、たとえ偏芯レンズユニットに傾き誤差等が発生したとしても、投影光学系全体の性能にはほとんど影響せず、高い性能を確保することができる。また、偏芯レンズユニットの偏芯感度が小さいため、偏芯レンズユニットの移動量を大きくすることになり、偏芯レンズユニットを駆動するために特に高精度のアクチュエータを用いる必要もない。したがって、投影する映像をシフトさせて映像の解像度を高める装置に好適である。

また、本発明の映像投影装置では、ライトバルブが表示する映像の解像度よりも高い解像度の映像を、質の低下を伴うことなく提供することが可能である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。第１の実施形態の映像投影装置１の光学構成を図１に模式的に示す。映像投影装置１は、映像を表示するライトバルブ２０、ライトバルブ２０からの映像を表す光を所定の投影面Ｓに導いて結像させ、ライトバルブ２０の表示面上の映像を投影面Ｓ上に投影する投影光学系１０を備えている。投影面Ｓ上にスクリーンを配置することで、観察者は投影された映像を観察することができる。

ライトバルブ２０は、一定のピッチで２次元に配列された多数の画素より成り、各画素が、映像の１点を表示する。ライトバルブ２０は３つ存在し（２つは不図示）、それぞれ映像の赤色（Ｒ）成分、緑色（Ｇ）成分、青色（Ｂ）成分を表す映像を表示する。映像投影装置１は、ライトバルブ２０と投影光学系１０の間に色合成プリズム３０を備えており、３つのライトバルブ２０からの光は色合成プリズム３０によって合成されて、投影光学系１０に導かれる。これにより、映像投影装置１はカラー映像を提供することができる。

投影光学系１０は、ライトバルブ２０に近い後レンズ群１１、投影面Ｓに近い前レンズ群１２、および、後レンズ群１１と前レンズ群１２との間に位置する２つのレンズ１３、１４を備えている。投影光学系１０は後レンズ群１１と前レンズ群１２の間に瞳を有し、この瞳近傍に絞り１５を備えている。２つのレンズ１３、１４は、絞り１５の近傍に配置されている。

投影光学系１０は、焦点距離が可変のズーム光学系である。ズーミングのために光軸Ａｘに沿って移動するレンズ群は前レンズ群１２のみに含まれている。図１に示した矢印Ａ、Ｂ、Ｃは、ズーミングの際に移動するレンズ群の位置を表している。

２つのレンズ１３、１４は偏芯可能、つまり、光軸Ａｘに対して垂直な方向に移動可能である。以下、これらのレンズ１３、１４を偏芯レンズともいう。偏芯レンズ１３の移動方向と偏芯レンズ１４の移動方向は互いに略垂直であり、例えば、偏芯レンズ１３は図１の紙面に対して垂直な方向に移動し、偏芯レンズ１４は紙面に沿う方向に移動する。偏芯レンズ１４の移動を矢印Ｄで示す。偏芯レンズ１３、１４は、絞り１５の近傍に配置されているため、小型かつ軽量である。

映像投影装置１は、偏芯レンズ１３、１４を移動させることにより、光の進行方向を変化させて、投影面上の映像をシフトさせるとともに、偏芯レンズ１３、１４の位置に応じて、ライトバルブ２０の各画素が表示する内容を変化させる。偏芯レンズ１４の移動による投影面上の映像のシフトを矢印Ｅで示す。偏芯レンズ１３、１４の移動は、投影面上の映像のうち、ある時点でライトバルブ２０の画素と画素の間に対応していた部位が、別の時点でライトバルブ２０の画素の中心に対応するように行われる。これにより、投影面上での映像の解像度がライトバルブ２０上の映像の解像度よりも高くなる。

ライトバルブ２０の各画素は、偏芯レンズ１３、１４の位置に応じて表示内容を変化させるから、投影面上の映像の位置に応じて表示内容を変化させることになる。各画素は、対応する投影面上の位置に対応する内容を表示する。したがって、投影面上で映像がシフトしても、そのシフトが観察者に視認されることはない。

偏芯レンズ１３、１４を移動させるために、投影光学系１は、駆動機構１６を備えている。光軸Ａｘ方向から見た偏芯レンズ１３、１４周辺を図２に模式的に示す。偏芯レンズ１３はレンズ枠１９に固定されている。レンズ枠１９の中心、したがって偏芯レンズ１３の中心は、光軸Ａｘ上に位置する。レンズ枠１９には、偏芯レンズ１３の中心に関して互いに反対側となる位置に、それぞれ突出部１９ａ、１９ｂが設けられている。

一方の突出部１９ａには、孔１９ｃが形成されており、この孔１９ｃに駆動機構１６に設けられたピン１６ａが挿入されている。レンズ枠１９は、ピン１６ａを中心として回動可能である。他方の突出部１９ｂの近傍には、駆動機構１６に備えられたアクチュエータ１７が位置しており、アクチュエータ１７は、ピン１６ａに対して垂直方向の力を突出部１９ｂに加えて、レンズ枠１９を偏芯レンズ１３と共に回動させる。駆動機構１６には、レンズ枠１９の位置を検出するための位置センサ１８が取り付けられており、位置センサ１８はアクチュエータ１７の近くに位置する。

偏芯レンズ１４を保持し、駆動するための構成、および偏芯レンズ１４の位置を検出するための構成も、偏芯レンズ１３のための上記構成と同様である。ただし、偏芯レンズ１４の回動中心は、光軸Ａｘに関して、偏芯レンズ１３の回動中心を９０゜回転させた位置に存在する。なお、図２においては、偏芯レンズ１３に関する構成と、偏芯レンズ１４に関する構成とを識別し易くするために、後者を点線で表している。

駆動機構１６のアクチュエータ１７は、偏芯レンズ１３、１４を往復駆動する。アクチュエータに１７による偏芯レンズ１３、１４の駆動は、ライトバルブ２０が映像の１フレームを表示している間に、偏芯レンズ１３、１４が１往復する程度の高速で行われる。

偏芯レンズ１３、１４の回動中心からアクチュエータ１７が偏芯レンズ１３、１４に駆動力を加える部位までの距離は、偏芯レンズ１３、１４の回動中心から偏芯レンズ１３、１４の中心までの距離の２倍程度であるから、アクチュエータ１７が偏芯レンズ１３、１４に加える駆動量は、偏芯レンズ１３、１４の中心を移動させるべき量の２倍程度となる。また、位置センサ１８がアクチュエータ１７の近くに位置するため、偏芯レンズ１３、１４の位置の変化は２倍程度拡大して検出されることになる。

偏芯レンズ１３、１４は回動するものであるため、それらの中心の軌跡は厳密には円弧であるが、偏芯レンズ１３、１４の移動量が１ｍｍ程度の範囲では、軌跡は直線とみなすことができる。したがって、アクチュエータ１７の制御は容易である。

投影面上をシフトする映像の軌跡（ライトバルブ２０の個々の画素からの光の軌跡）は、アクチュエータ１７が偏芯レンズ１３を駆動するタイミングと偏芯レンズ１４を駆動するタイミングによって定まる。光軸Ａｘからの距離が正弦波曲線をなし、かつ、偏芯レンズ１３と偏芯レンズ１４の位置に９０゜の位相差が生じるように駆動すると、投影面上をシフトする映像の軌跡は円になる。また、偏芯レンズ１３と偏芯レンズ１４が交互に移動するように駆動すると、投影面上の映像の軌跡は四角形となる。

なお、投影面上の映像の位置が僅かでも変わると、ライトバルブ２０の各画素が表示内容を変えるというのではなく、投影面上の映像の軌跡を複数の領域に分割しておき、ライトバルブ２０の各画素は、映像の位置が各領域内にある間は同一内容の表示を継続し、映像の位置が隣の領域に入った時点で表示内容を変化させる。

偏芯レンズ１３は平凹レンズであり、偏芯レンズ１４は平凸レンズである。これらは曲面が対向するように配置されている。また、偏芯レンズ１３、１４の焦点距離は、略等しく、かつ、後レンズ群１１の焦点距離に比べて数倍以上長く設定されている。偏芯レンズ１３および偏芯レンズ１４の焦点距離をそれぞれＦＤ１およびＦＤ２で表し、後レンズ群１１の焦点距離をＦＲで表すと、次の式１および式２の関係を満たす。
０．０１≦｜ＦＲ／ＦＤ１｜≦０．２ … 式１
０．０１≦｜ＦＲ／ＦＤ２｜≦０．２ … 式２

レンズの光学的パワーは焦点距離の逆数であるから、偏芯レンズ１３、１４のパワーは後レンズ群のパワーの１／１００〜１／５であり、非常に小さい。このように偏芯レンズ１３、１４のパワーが小さいと、それらの偏芯感度も小さくなり、投影面上の映像をシフトさせるために、偏芯レンズ１３、１４の移動量を大きくすることになる。

偏芯レンズ１３、１４の偏芯感度は、それぞれの部分倍率と、それらよりもライトバルブ２０側に位置する後レンズ群１１の部分倍率から求められる。具体的には、偏芯レンズ１３の部分倍率をβＤ１、後レンズ群１１の部分倍率をβＲとすると、偏芯レンズ１３の偏芯感度は（１−βＤ）・βＲである。

偏芯レンズ１３は絞り１５の近傍に位置しており、また、投影光学系１は、一般的な投影光学系と同様に、絞り１５の近傍を挟んで前レンズ１２群側でアフォーカルとなるように設定されているから、偏芯レンズ１３の偏芯感度はＦＲ／ＦＤ１と近似することもできる。偏芯レンズ１４の偏芯感度も同様に、ＦＲ／ＦＤ２と近似することができる。したがって、上記の式１、式２は、偏芯レンズ１３、１４の偏芯感度の範囲を表すことになる。

投影光学系１は、投影面上の映像に０．３〜１画素程度の画素シフトを生じさせる。つまり、投影面上の１点に対応するライトバルブ２０上の位置を、偏芯レンズ１３、１４の移動によって、ライトバルブ２０の画素の配列ピッチの０．３〜１倍程度変化させる。偏芯レンズ１３、１４の偏芯感度が上記のように小さいため、このような画素シフトを生じさせるためには、偏芯レンズ１３、１４の移動量をライトバルブ２０の画素の配列ピッチの数倍以上にすることになる。例えば、ライトバルブとして画素の配列ピッチが２０μｍのものを用い、投影面上の映像に０．５画素の画素シフトを生じさせるときは、偏芯レンズ１３、１４の移動量は５０μｍ〜１ｍｍとなる。

駆動機構１６のアクチュエータ１７は、上記値の２倍の０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度という大きな駆動量を生成することになり、μｍオーダーの精度を有する必要はない。アクチュエータ１７としては、ライトバルブ２０が表示する１フレームの間に、偏芯レンズ１３、１４を１往復させ得る程度の高速のものを用いればよい。

焦点距離の比の絶対値｜ＦＲ／ＦＤ１｜、｜ＦＲ／ＦＤ２｜が式１、式２の下限に達しないと、偏芯レンズ１３、１４を移動させる量が過大になって、駆動機構１６が大型化する。また、アクチュエータ１７として駆動力の大きなものが必要になって、騒音が発生し易い。式１、式２の関係を満たすことで、そのような問題が生じるのを回避しつつ、偏芯レンズ１３、１４の位置に応じて適切にライトバルブ２０の各画素の表示内容を変化させることが可能になる。

より好ましくは、式３および式４の関係を満たすようにするとよい。
０．０２≦｜ＦＲ／ＦＤ１｜≦０．１５ … 式３
０．０２≦｜ＦＲ／ＦＤ２｜≦０．１５ … 式４
このようにすると、アクチュエータ１７や位置センサ１８として利用し得る素子が多くなり、駆動機構１６の大型化をさらに抑えることもできる。

焦点距離の具体例を表１に示す。
＜表１＞
偏芯レンズ１３の焦点距離ＦＤ１：−２４０９．８ｍｍ
偏芯レンズ１４の焦点距離ＦＤ２： ２４０９．８ｍｍ
後レンズ群１１の焦点距離ＦＲ： ９７．７４ｍｍ
｜ＦＲ／ＦＤ１｜＝｜ＦＲ／ＦＤ２｜＝０．０４

偏芯レンズ１３、１４は前述のようにパワーが小さいため、大きく移動させても、投影光学系１０の性能にほとんど影響を及ぼさず、投影する映像の質を低下させることはない。たとえ、偏芯レンズ１３、１４を駆動することによってこれらに傾き誤差等が発生したとしても、映像の質の低下はごく僅かである。特に、偏芯レンズ１３が負のパワーを有し、偏芯レンズ１４が正のパワーを有して、両者のパワーが相殺されるため、傾き誤差等による性能低下が一層軽減される。

なお、本実施形態では、ライトバルブ２０に近い方の偏芯レンズ１３に負のパワーをもたせ、投影面に近い方の偏芯レンズ１４に正のパワーをもたせているが、偏芯レンズ１３に正、偏芯レンズ１４に負のパワーをもたせるようにしてもよい。また、偏芯レンズ１３、１４を平凹レンズや平凸レンズとすることに代えて、両凹レンズや、両凸レンズとすることも可能である。

ただし、本実施形態のように、偏芯レンズ１３、１４を平凹レンズと平凸レンズとして、両者の曲面を対向させると、偏芯レンズ１３、１４全体としては光学的に平行平板に近い特性を有することになり、傾き誤差が発生したときの投影光学系の性能低下を防止し易くなって、好ましい。偏芯レンズ１３、１４をそれぞれ複数のレンズで構成することも可能である。しかしながら、単レンズとする方が軽量になって、高速駆動が容易である。

駆動機構１６の具体的構成を図３に示す。駆動機構１６は、アクチュエータ１７としてＤＣモータ４１を備えている。ＤＣモータ４１の駆動軸にはギア４２が取り付けられており、ギア４２は減速用のギア４３と係合してしている。ギア４３は、その回転中心から外れた位置に、回転軸と平行なピン４３ａを有している。一方、レンズ枠１９の突出部１９ｂには、回動中心であるピン１６ａと偏芯レンズ１３、１４の中心を結ぶ直線に平行な溝１９ｄが形成されており、ピン４３ａが溝１９ｄに挿入されている。

ＤＣモータ４１が回転すると、ピン４３ａが偏芯回転し、レンズ枠１９が、ピン４３ａを溝１９ｄに摺動させる形態で従動する。これにより偏芯レンズ１３、１４が回動し、ピン４３ａが１回転する間に偏芯レンズ１３、１４が１往復する。ＤＣモータ４１を一定速度で回転させると、偏芯レンズ１３、１４の中心の光軸Ａｘからの距離は正弦波曲線を描くことになり、偏芯レンズ１３と偏芯レンズ１４の位置に９０゜の位相差を生じさせることで、投影面上での映像の軌跡を円にすることができる。

この構成では、偏芯レンズ１３、１４の移動幅が確実に一定になる。また、ギア４３の回転の慣性をある程度大きくすることで、安定した速度でピン４３ａを回転させることが可能であり、駆動周期も一定にすることができる。したがって、偏芯レンズ１３の位置と偏芯レンズ１４の位置の位相差を一定に保つだけで、投影面上での映像の軌跡を一定にすることが可能である。

このため、位置センサ１８としては、偏芯レンズ１３、１４の位相差を検出するだけの簡素なものを用いることができる。ここでは、レンズ枠１９の一部位が光を反射する構成とし、位置センサ１８として、光をレンズ枠１９に向けて発する発光ダイオード（ＬＥＤ）と、レンズ枠１９からの反射光を検出するフォトダイオード（ＰＤ）より成るフォトリフレクタを用いている。

偏芯レンズ１３、１４の駆動のためにＤＣモータ４１を個別に備えることに代えて、単一のＤＣモータ４１を偏芯レンズ１３、１４の駆動に共用するようにしてもよい。これは、偏芯レンズ１３、１４のうちＤＣモータ４１から遠い方とＤＣモータ４１との間にさらにギアを介装することで容易に実現可能である。このようにすると、偏芯レンズ１３、１４の位置の位相差が必然的に一定になるため、位相差を制御する必要がなくなる。

駆動機構１６は、上記のように偏芯レンズ１３、１４を回動させるものである必要はなく、偏芯レンズ１３、１４を直線移動させるものとすることもできる。偏芯レンズ１３、１４を直線駆動する駆動機構１６の例を図４に示す。

駆動機構１６は、直線状のガイド軸１６ｂを有しており、レンズ枠１９には、前述の突出部１９ａに代えて、ガイド軸１６ｂが貫通する孔を有する２つの突出部１９ｅが設けられている。また、レンズ枠１９の突出部１９ｂには、ガイド軸１６ｂに対して巻き軸が平行になるように、コイル５１が取り付けられており、駆動機構１６には、同じくガイド軸１６ｂに対して平行になるように、棒状のマグネット５２が設けられている。マグネット５２はコイル５１の内部に位置し、コイル５１に電流を流すことで、偏芯レンズ１３、１４が移動する。コイル５１およびマグネット５２がアクチュエータ１７を構成する。

この構成でも、光軸Ａｘからの距離が正弦波曲線を描くように偏芯レンズ１３、１４を駆動することが可能であり、偏芯レンズ１３、１４の位置に９０゜の位相差を生じさせることで、投影面上での映像の軌跡を円にすることができる。ただし、コイル５１とマグネット５３による駆動は、上述のＤＣモータ４１とピン４３ａによる駆動に比べて、やや安定性が劣る。このため、光の入射位置に応じて出力信号が変動するＰＳＤ（position sensitive detector）５３を位置センサ１８として用い、その出力信号に基づいてコイル５１に流す電流をフィードバック制御する。レンズ枠１９の突出部１９ｂには、ＰＳＤ５３に向けて光を発するＬＥＤ５４が設けられている
このように偏芯レンズ１３、１４を直線駆動する構成では、偏芯レンズ１３、１４の中心を移動させるべき量に等しい駆動量を生成する必要があり、偏芯レンズ１３、１４を回動させる前述の構成に比べて、駆動量は半分程度となる。それでも、偏芯レンズ１３、１４の偏芯感度が小さいため、駆動量は大きく、偏芯レンズ１３、１４の位置の制御が困難になることはない。

偏芯レンズ１３、１４は、アクチュエータ１７および位置センサ１８を含む駆動機構１６と一体化して単一の光学ユニットとしておくのが好ましい。偏芯レンズ１３、１４は、焦点距離が長く、結像のための光学系に影響しないため、規格の異なる投影光学系に組み込むことができる。偏芯レンズ１３、１４を駆動機構１６と一体化して光学ユニットとしておけば、投影光学系への組み込みが容易になって、投影面上の映像をシフトさせて解像度を高める機能を有する投影光学系の製造効率が向上する。

第２の実施形態の映像投影装置２の光学構成を図５に示す。この映像投影装置２は、投影光学系１０が異なるのみで、映像を表示するライトバルブ２０や、ライトバルブ２０からの光を合成して投影光学系１０に導く色合成プリズム３０は、第１の実施形態の映像投影装置１のものと同様である。

映像投影装置２の投影光学系１０においては、前述の偏芯レンズ１３、１４および駆動機構１６が、ライトバルブ２０側の端部に配置されている。偏芯レンズ１３、１４の焦点距離は、略等しく、かつ、偏芯レンズ群１３、１４を除く投影光学系１０全体のレンズバックの空気換算値に比べて数倍以上長く設定されている。

偏芯レンズ１３および偏芯レンズ１４の焦点距離をそれぞれＦＤ１およびＦＤ２で表し、偏芯光学系１３、１４の存在を考慮して空気換算値としたレンズバックをＬＢで表すと、次の式５および式６の関係を満たす。
０．０１≦｜ＬＢ／ＦＤ１｜≦０．２ … 式５
０．０１≦｜ＬＢ／ＦＤ２｜≦０．２ … 式６

本実施形態のように投影光学系１０の端部に偏芯レンズ１３、１４を配置する場合、このように、偏芯レンズ１３、１４の焦点距離ＦＤ１、ＦＤ２をレンズバックの空気換算値ＬＢの５〜１００倍とすることで、偏芯レンズ１３、１４の駆動やそれらの位置の検出のために特に高精度のアクチュエータや位置センサを用いる必要がない程度に、かつ、駆動機構１６があまり大型化しない程度に、偏芯レンズ１３、１４の偏芯感度を小さくすることができる。

より好ましくは、式７および式８の関係を満たすようにするとよい。
０．０２≦｜ＬＢ／ＦＤ１｜≦０．１５ … 式７
０．０２≦｜ＬＢ／ＦＤ２｜≦０．１５ … 式８

駆動機構１６の構成は、第１の実施形態で示したものと同様である。なお、偏芯レンズ１３、１４および駆動機構１６を投影光学系１０から分離して、ライトバルブ２０および色合成プリズム３０を含む本体ユニットに備えるようにすることもできる。このようにすると、既存の投影光学系を交換レンズとして使用することが可能になる。

第１の実施形態の映像投影装置の光学構成を模式的に示す図。 上記映像投影装置の投影光学系が備える偏芯レンズとその周辺を模式的に示す正面図。 上記偏芯レンズを駆動する駆動機構の具体的構成を示す図。 上記偏芯レンズを駆動する他の駆動機構の具体的構成を示す図。 第２の実施形態の映像投影装置の光学構成を模式的に示す図。

符号の説明

１、２ 映像投影装置
１０ 投影光学系
１１ 後レンズ群
１２ 前レンズ群
１３ 偏芯レンズ
１４ 偏芯レンズ
１５ 絞り
１６ 駆動機構
１６ａ ピン
１６ｂ ガイド軸
１７ アクチュエータ
１８ 位置センサ
１９ レンズ枠
１９ｃ 孔
１９ｄ 溝
２０ ライトバルブ
３０ 色合成プリズム
４１ ＤＣモータ
４２ ギア
４３ ギア
４３ａ ピン
５１ コイル
５２ マグネット
５３ ＰＳＤ
５４ ＬＥＤ

Claims (9)

1. 所定の表示面上に表示された映像を所定の投影面上に投影する投影光学系において、
   表示面側に位置する後レンズ群と、投影面側に位置する前レンズ群との間に、光軸に対して垂直かつ互いに略垂直な方向に移動可能な２つの偏芯レンズユニットを含むとともに、
   ２つの偏芯レンズユニットをそれぞれ光軸に対して垂直な方向に往復駆動する駆動機構を備え、
   ２つの偏芯レンズユニットの焦点距離をそれぞれＦＤ１、ＦＤ２で表し、後レンズ群の焦点距離をＦＲで表すとき、
   ０．０１≦｜ＦＲ／ＦＤ１｜≦０．２、かつ、
   ０．０１≦｜ＦＲ／ＦＤ２｜≦０．２
   の関係を満たすことを特徴とする投影光学系。
2. 所定の表示面上に表示された映像を所定の投影面上に投影する投影光学系において、
   表示面側の最も端部に、光軸に対して垂直かつ互いに略垂直な方向に移動可能な２つの偏芯レンズユニットを含むとともに、
   ２つの偏芯レンズユニットをそれぞれ光軸に対して垂直な方向に往復駆動する駆動機構を備え、
   ２つの偏芯レンズユニットの焦点距離をそれぞれＦＤ１、ＦＤ２で表し、２つの偏芯レンズユニットを除く部分のレンズバックの空気換算値をＬＢで表すとき、
   ０．０１≦｜ＬＢ／ＦＤ１｜≦０．２、かつ、
   ０．０１≦｜ＬＢ／ＦＤ２｜≦０．２
   の関係を満たすことを特徴とする投影光学系。
3. ２つの偏芯レンズユニットのうち、一方が正のパワーを有し、他方が負のパワーを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投影光学系。
4. 光束径を規制する絞りを備え、
   ２つの偏芯レンズユニットが絞りの近傍に位置することを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
5. 焦点距離が可変のズーム光学系であり、ズーミングのために移動するレンズを前レンズ群のみに有することを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
6. ２つの偏芯レンズユニットがそれぞれレンズ枠に保持され、
   駆動機構が、レンズ枠を回動可能に支持する支持部と、偏芯レンズユニットの中心に関して支持部の略反対側に位置して、支持部を中心にレンズ枠を回動させるアクチュエータを有することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の投影光学系。
7. ２つの偏芯レンズユニットおよび駆動機構が一体化されて単一の光学ユニットとなっていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の投影光学系。
8. 映像を表示して所定の投影面に投影する映像投影装置において、
   請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の投影光学系と、
   表示面上に位置し、映像を表示して表示した映像を表す光を投影光学系に入射させるライトバルブを備え、
   ライトバルブが、所定のピッチで配列されそれぞれ映像の１点を表示する複数の画素を有するとともに、各画素が表示する内容を投影光学系の２つの偏芯レンズユニットの位置に応じて変化させることを特徴とする映像投影装置。
   
9. ライトバルブの画素の配列ピッチをＰで表すとき、２つの偏芯レンズユニットの移動量が、投影面側から投影光学系に光線を入射させた場合における、ライトバルブ上での光線の位置の０．３Ｐから１．０Ｐまでの変化量に相当することを特徴とする請求項８に記載の映像投影装置。

Images