JP2016177128A - プロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ枚数を増やすことなく収差を抑制して、装置の小型化を可能とするプロジェクターを提供すること。【解決手段】光路可変部材ＶＰによって走査光学系４０からの光の光路を、走査光学系４０の走査に同期して調整することで、走査している位置に応じて収差の補正度合を調整することが可能になる。したがって、全ての像高位置において、高精度な収差補正が可能となり、高性能な画像形成が可能となる。この場合、光路可変部材ＶＰを投写光学系７０の瞳位置に設けるだけでレンズ枚数を増やすことなく収差を抑制できるので、投写光学系７０の大型化を抑え、レーザープロジェクター１００全体としても装置の小型化を図ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、被照射面上に光を走査させることにより画像を拡大投影するプロジェクターに関する。

プロジェクター等の光学装置において、小型化を維持しつつ温度ドリフトによる焦点位置ずれを補正するために、光学系内に複数の光学素子を配置し、当該複数の光学素子を変位させることで光学系全体としてのパワーを変更可能にするものが知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、例えば特許文献１等に開示された技術では、温度ドリフトによる焦点位置ずれの補正は可能であっても、画像形成において発生する収差を補正できるとは限らない。

ここで、一般に、プロジェクターにおける画像投射では、像高位置によって発生する収差量が異なることが考えられる。このような収差を抑制するために、例えば投写光学系においてレンズの枚数を増やした上で、像高全体すなわち画像全体として収差バランスが最も取れた状態に調整することが想定される。しかしながら、この場合、より収差を抑えるためにはレンズ枚数を増大させる必要がある。また、像高位置ごとの収差量が局所的に大きくならないように、全体としての収差量バランスを優先することになるので、全ての像高位置でベストな収差抑制された状態にすることはできず、ある程度の収差は妥協しなければならないことになる。

特開２０１２−２４２７２１号公報

本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、レンズ枚数を増やすことなく収差を抑制して、装置の小型化を可能とするプロジェクターを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るプロジェクターは、光を射出する光源と、光源から射出した光を被照射面上で走査させる走査光として射出する走査光学系と、走査光学系からの光を投影する投写光学系と、走査光学系の光路後段に配置され、走査光学系による走査に同期して走査光学系からの光の光路を変化させる光路可変部材とを備える。

上記プロジェクターでは、光路可変部材によって走査光学系からの光の光路を、走査光学系の走査に同期して調整することで、走査している位置すなわちこれに対応する像高位置に応じて収差の補正度合を調整することが可能になる。したがって、全ての像高位置において、高精度な収差補正が可能となり、高性能な画像形成が可能となる。この場合、光路可変部材を例えば投写光学系内に設けるだけでレンズ枚数を増やすことなく収差を抑制できるので、例えば投写光学系の大型化を抑え、延いてはプロジェクター全体として装置の小型化を図ることができる。

本発明の具体的な側面によれば、光路可変部材は、投写光学系の瞳位置に配置される。この場合、映像光の各成分が重畳するように通過する絞りの位置又はその付近の位置である瞳位置に光路可変部材を設けることで、どの像高位置からの映像光に対しても、映像光の成分である光線束全体に対して屈折や反射により光路を走査光学系の走査に同期させつつ変化させることができ、効率的な収差補正ができる。なお、ここで、各部材における光の通過については、透過による通過（光透過性の部材の通過）のほか、反射による通過（光反射性の部材の通過）も含むものとする。

本発明の別の側面によれば、像をリレーするリレー光学系をさらに備え、光路可変部材は、リレー光学系の瞳位置に配置される。この場合、リレー光学系において収差を抑制できる。

本発明のさらに別の側面によれば、光路可変部材は、走査光学系から射出された光の通過領域に応じて屈折率を画素単位で変化させることで走査光学系からの光に対する屈折率の分布を変化させる屈折率分布可変パネルである。この場合、屈折率分布可変パネルによって通過する光の屈折状態を変化させることで、レンズ枚数を増やすことなく高精度な収差抑制ができる。

本発明のさらに別の側面によれば、光路可変部材は、形状変化することにより走査光学系からの光の光路を変化させる。この場合、光路可変部材を走査光学系の動作に同期して形状変化させることで光路可変部材を通過する光の光路を時分割で変化させることができる。

本発明のさらに別の側面によれば、光路可変部材は、走査光学系による走査に同期して形状変化しつつ光を反射するデフォーマブルミラーを含む。この場合、デフォーマブルミラーでの反射状態が変化することで光路可変部材を通過する光の光路を時分割で変化させることができる。

本発明のさらに別の側面によれば、光路可変部材は、走査光学系からの光の像高位置に応じて変化する。この場合、像高位置ごとに応じて良好に収差補正することができる。

本発明のさらに別の側面によれば、光路可変部材は、像高位置に応じて増減する収差量に対応して変化する。この場合、像高位置ごとに応じて補正量を調整し、全ての像高位置において良好に収差補正された状態とすることができる。

本発明のさらに別の側面によれば、光路可変部材は、所定の照射領域単位ごとに光路の変化度合を調整する。この場合、照射領域単位で収差補正できる。

（Ａ）は、第１実施形態又は実施例１のプロジェクターの概略構成を示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のプロジェクターの投写光学系による画像投射の様子を示す光線図であり、（Ｃ）〜（Ｅ）は、像高位置ごとの光線図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１における像高０％の位置において収差が最小となるように光路可変部材を制御した状態での像高位置ごとの収差の様子を示す収差図であり、（Ｃ）は、像高位置ごとの集光の様子を示すスポットダイアグラム図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１における像高５０％の位置において収差が最小となるように光路可変部材を制御した状態での像高位置ごとの収差の様子を示す収差図であり、（Ｃ）は、像高位置ごとの集光の様子を示すスポットダイアグラム図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１における像高７０％の位置において収差が最小となるように光路可変部材を制御した状態での像高位置ごとの収差の様子を示す収差図であり、（Ｃ）は、像高位置ごとの集光の様子を示すスポットダイアグラム図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１における像高９０％の位置において収差が最小となるように光路可変部材を制御した状態での像高位置ごとの収差の様子を示す収差図であり、（Ｃ）は、像高位置ごとの集光の様子を示すスポットダイアグラム図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１における像高１００％の位置において収差が最小となるように光路可変部材を制御した状態での像高位置ごとの収差の様子を示す収差図であり、（Ｃ）は、像高位置ごとの集光の様子を示すスポットダイアグラム図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、比較例のプロジェクターにおける像高位置ごとの収差の様子を示す収差図であり、（Ｃ）は、像高位置ごとの集光の様子を示すスポットダイアグラム図である。 （Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、図７に示す比較例のプロジェクターにおける像高位置ごとの収差図及びスポットダイアグラム図であり、（Ｃ）、（Ｄ）及び（Ｅ）は、実施例１のプロジェクターにおける像高位置ごとの収差図及びスポットダイアグラム図である。 第２実施形態のプロジェクターによる画像投射の様子を示す光線図である。 （Ａ）は、屈折率分布可変パネルの一構成例を説明するための図であり、（Ｂ）は、液晶層を構成する液晶性化合物の様子を概念的に示す図である。 第３実施形態のプロジェクターによる画像投射の様子を示す光線図である。 第４実施形態のプロジェクターに適用される結像光学系を示す光線図である。 プロジェクターに適用される結像光学系の一変形例を示す光線図である。

〔第１実施形態〕
以下に図面を参照して、本発明の第１実施形態に係る画像表示装置を組み込んだプロジェクターについて詳細に説明する。

図１（Ａ）に示すように、本発明の第１実施形態に係るプロジェクターの一例として示すレーザープロジェクター１００は、光源装置（光源）１０と、コリメートレンズ２０と、走査光学系４０と、集光光学系５０と、光拡散素子６０と、投写光学系７０とを備えている。このうち、投写光学系７０は、通過する光の光路を変化させるための光路可変部材ＶＰを有している。

光源装置１０は、例えば赤、緑及び青色光のレーザー光を時分割または合成した状態で射出することが可能なレーザーダイオード（ＬＤ）で構成されており、レーザープロジェクター１００において必要に足る光量を発生させる光源である。コリメートレンズ２０は、光源装置１０から射出された光を平行化する。

走査光学系４０は、光透過型の光変調装置であり、光源装置１０から順次射出された赤色光、緑色光および青色光を二次元的に走査して赤色、緑色及び青色のカラー画像を生成するための装置である。すなわち、走査光学系４０は、各色光を被照射面であるスクリーンＳＣ上で走査する走査光として射出する。なお、本実施形態では、走査光学系４０に光透過型の走査光学系を一例として適用しているが、例えばＭＥＭＳミラーのような光反射型の素子を用いて走査光学系を構成することも可能である。

集光光学系５０は、走査光学系４０から入射した光を集光し、光路後段に位置する光拡散素子６０の領域内の所定範囲を占める結像面ＩＦに結像させる。光拡散素子６０は、上述のように、集光光学系５０によって集光された光が結像する位置に配置されている。したがって、光拡散素子６０の結像面ＩＦにおいて、中間像ＭＩが形成される。言い換えると、集光光学系５０は、光拡散素子６０上の所定領域を結像面ＩＦとし、結像面ＩＦに中間像ＭＩを形成する結像光学系である。なお、光拡散素子６０は、拡散板やマイクロレンズアレイ等によって構成され、また、駆動機構６１により集光光学系５０の光軸ＡＸに平行な軸であって映像光（画像光）ＧＬの光路から外れた位置にある中心軸ＸＸを中心として回転可能に設けられている。光拡散素子６０での光の拡散作用により、スクリーンＳＣに投射される光の配光分布が均一化され、スペックルノイズが低減される。なお、光拡散素子６０から射出される光の角度を集光光学系５０から入射する光の集光角度よりも大きくするものとしてもよい。

投写光学系７０は、集光光学系５０により光拡散素子６０に形成された中間像ＭＩをスクリーンＳＣ上に投影する。すなわち、投写光学系７０は、中間像ＭＩをスクリーンＳＣ上の被照射領域において再結像させる結像光学系であり、走査光学系４０からの光を投影する投射レンズ（投写レンズ）である。なお、投写光学系７０は、必要に応じてズーム機構やフォーカス機構を有するものとする。光拡散素子６０に形成された中間像ＭＩの各点から射出された光の像は、投写光学系７０によってスクリーンＳＣの投影領域ＰＡにおいて結像される。

ここで、図１（Ｂ）は、レーザープロジェクター１００のうち、投写光学系７０についての構成と、画像投射の様子について示す図である。図示のように、投写光学系７０は、通常の画像投射を行うための複数（図示の例では６個）のレンズ７１〜７６のほか、特に、走査光学系４０による走査に同期して走査光学系４０からの光の光路を変化させるための光路可変部材ＶＰを、光拡散素子６０からの映像光（画像光）ＧＬの各成分が重畳するように通過する絞りの位置又はその付近の位置である瞳位置に設けている。光路可変部材ＶＰは、光透過性で、かつ、形状可変な部材であり、例えばゲル状の形状可変な物質で構成したレンズを駆動機構（不図示）等により変形可能にすることで構成されている。投写光学系７０は、光路上に光路可変部材ＶＰを有することで、走査光学系４０からの光の光路を走査タイミングに同期して変化させることで、収差の発生を抑制する収差補正素子として機能するものとなっている。なお、以上の場合、光路可変部材ＶＰは、投写光学系７０内に配置されるため、走査光学系４０の光路後段に配置されるものとなっている。

投写光学系７０を構成するレンズ７１〜７６については、種々の態様の一例として示しているが、ここでは、物体側（光路下流側）から順に、絞りの位置より光路下流側にレンズ７１〜７３が配置され、絞りの位置より光路上流側にレンズ７４〜７６が配置されている。これらのうち、レンズ７２，７３が色消しレンズとして機能可能な貼合せレンズとなっており、同様に、レンズ７４，７５も色消しレンズとして機能可能な貼合せレンズとなっている。レンズ７１〜７６全体としては、いわゆるガウスレンズ型の構成となっている。

図１（Ａ）に戻って、制御部８０は、ＰＣ等の外部装置から画像情報を受信するとともに、上記各部の制御を行う。すなわち、制御部８０は、画像情報が示す二次元画像の各画素の階調値及び表示タイミングに基づいて、光源装置１０に供給する電気信号を生成し、また、光源装置１０から各タイミングで射出された各色光により表示される画素が画像情報に規定された二次元画像内の所定の位置と対応するように、走査光学系４０を制御する。さらに、本実施形態では、制御部８０は、上記のような走査光学系４０による走査に同期するように、投写光学系７０中の光路可変部材ＶＰの変形動作を制御している。

以下、本実施形態に係るレーザープロジェクター１００による画像投射の動作について詳細に説明する。まず、上記のように、レーザープロジェクター１００は、走査型のプロジェクターであり、図１（Ｃ）〜１（Ｅ）に示すように、表示タイミングに基づいて時分割で表示を行う箇所の像高位置が変化していく。すなわち、あるタイミングでは、図１（Ｃ）に示すように光軸ＡＸの位置である像高０％の位置から光が射出されるが、他のタイミングでは、図１（Ｄ）に示すように像高がやや高い位置（例えば像高７０％の位置）から光が射出され、また別のタイミングでは、図１（Ｅ）に示すように像高が最も高い位置（例えば像高１００％の位置）から光が射出される。

以上のような画像投射の場合、像高位置によって発生する収差の量も変化することになる。本実施形態のレーザープロジェクター１００では、上記のような走査による投射位置の移動とともに変化する映像光ＧＬの像高位置に対応してこれに同期するように投写光学系７０中の光路可変部材ＶＰを変形させている。すなわち、図１（Ｂ）や、図１（Ｃ）〜１（Ｅ）に示すような像高位置によって、光路可変部材ＶＰの形状を時分割に変化させることで、光路可変部材ＶＰを各映像光ＧＬの成分が通過する際に光路可変部材ＶＰによる屈折作用を変えることで、像高位置によって光の光路を変化させ、結果的に各映像光ＧＬの成分ごとに適した収差補正が行われる態様とすることができる。特に、光路可変部材ＶＰが投写光学系７０において瞳位置に配置されていることで、図１（Ｂ）や、図１（Ｃ）〜１（Ｅ）に示すように、どの像高位置からの光線束（映像光ＧＬ）に対しても、光線束全体に対して屈折作用を変えることができる。なお、このような光路可変部材ＶＰの変化における変化量は、収差補正を行うに足るものであれば十分であり、それほど大きくなくてよい。

また、図１（Ｂ）に示すように、投写光学系７０を構成するレンズ７１〜７６のうち、絞りＳＴより物体側に配置される第１レンズ７１〜第３レンズ７３は、レンズ面Ｌ１〜Ｌ５を有する。また、瞳位置すなわち絞りＳＴ又はその付近に配置される光路可変部材ＶＰは、第１面Ｌ６と、第２面Ｌ７とを有する。絞りＳＴより像側に配置される第４レンズ７４〜第６レンズ７６は、レンズ面Ｌ８〜Ｌ１２を有する。なお、絞りＳＴの位置を表す面は、光路可変部材ＶＰは、第１面Ｌ６と等しいものとする。

（実施例１）
以下、本実施形態に係るプロジェクターの投写光学系の一実施例について説明する。実施例で使用する記号を以下にまとめた。
Ｒ ：レンズ面の曲率半径
Ｄ ：レンズ面間の距離
ｎｄ ：光学材料のｄ線に対する屈折率
νｄ ：ｄ線のアッベ数
半径 ：アパチャー半径

実施例１の投写光学系を構成する光学面のデータを以下の表１に示す。なお、図１は、実施例１のレンズを示すものともなっている。また、表１の上欄において、「面番号」は、物体側から順に各レンズ面等に付した番号である。すなわち図１に示す各面Ｌ１〜Ｌ１２に対応する。なお、表中の物体、像はスクリーン、光拡散素子の位置をそれぞれ示す。また、中欄及び下欄は、瞳位置（上欄の絞り面の位置）に配置され像高位置に対応して変化する光路可変部材の曲面形状を定めるパラメータを示すデータである。
〔表１〕
R D nd νd 半径
物体 Infinity Infinity
1 61.61729283 8.75 1.622294 53.2737 30.23825513
2 151.6957732 0.5 28.92832761
3 35.13459544 12.5 1.607381 56.6501 25
4 Infinity 3.8 1.60342 38.0299 23.92741932
5 24.30063858 18 17.92625521
絞り面 Infinity 1 1.5168 64.1673 16.36248805
7 Infinity 18 16.41562742
8 -28.10817378 3.8 1.60342 38.0299 18.10524858
9 Infinity 11 1.62041 60.32360001 22.22848126
10 -36.25645449 0.5 23.23636076
11 134.0939552 7 1.62041 60.32360001 25
12 -108.8169261 60.00494152 25.16998223
像 Infinity -0.468660893 25.67723088

瞳位置板形状
像高0% 像高50% 像高70%
次数 係数 次数 係数 次数 係数
X＾2 1.124E-04 X＾2 7.539E-05 X＾2 4.326E-05
X*Y -1.826E-14 X*Y 4.770E-13 X*Y 6.338E-12
Y＾2 1.124E-04 Y＾2 8.828E-05 Y＾2 6.578E-05
X＾3 -3.335E-12 X＾3 1.445E-12 X＾3 -5.261E-13
X＾2*Y 2.235E-12 X＾2*Y 1.265E-06 X＾2*Y 1.241E-06
X*Y＾2 2.235E-12 X*Y＾2 -1.440E-12 X*Y＾2 -5.808E-13
Y＾3 -3.335E-12 Y＾3 1.805E-06 Y＾3 2.226E-06
X^4 -6.726E-07 X^4 -6.009E-07 X^4 -5.341E-07
X^3*Y -8.345E-15 X^3*Y -2.079E-14 X^3*Y -7.405E-14
X^2*Y^2 -1.304E-06 X^2*Y^2 -1.138E-06 X^2*Y^2 -9.946E-07
X*Y^3 -8.345E-15 X*Y^3 -8.038E-15 X*Y^3 -1.407E-13
Y^4 -6.726E-07 Y^4 -5.745E-07 Y^4 -4.902E-07
X^5 2.396E-14 X^5 -8.871E-15 X^5 9.931E-15
X^4*Y -2.525E-14 X^4*Y -1.075E-08 X^4*Y -1.383E-08
X^3*Y^2 1.865E-14 X^3*Y^2 2.091E-14 X^3*Y^2 6.681E-15
X^2*Y^3 1.864E-14 X^2*Y^3 -2.567E-08 X^2*Y^3 -3.336E-08
X*Y^4 -2.525E-14 X*Y^4 9.881E-15 X*Y^4 1.032E-14
Y^5 2.396E-14 Y^5 -1.470E-08 Y^5 -1.897E-08
X^6 1.096E-09 X^6 1.187E-09 X^6 1.273E-09
X^5*Y -1.189E-16 X^5*Y -5.150E-17 X^5*Y 1.106E-16
X^4*Y^2 3.078E-09 X^4*Y^2 3.278E-09 X^4*Y^2 3.428E-09
X^3*Y^3 6.327E-16 X^3*Y^3 7.650E-16 X^3*Y^3 9.142E-16
X^2*Y^4 3.078E-09 X^2*Y^4 3.191E-09 X^2*Y^4 3.200E-09
X*Y^5 -1.189E-16 X*Y^5 -1.874E-16 X*Y^5 4.538E-16
Y^6 1.096E-09 Y^6 1.096E-09 Y^6 1.026E-09
X^7 -4.421E-17 X^7 1.320E-17 X^7 -2.697E-17
X^6*Y 7.106E-17 X^6*Y 1.774E-11 X^6*Y 2.574E-11
X^5*Y^2 -7.133E-17 X^5*Y^2 -3.017E-17 X^5*Y^2 -4.391E-17
X^4*Y^3 -5.012E-17 X^4*Y^3 6.878E-11 X^4*Y^3 1.021E-10
X^3*Y^4 -5.013E-17 X^3*Y^4 -1.521E-16 X^3*Y^4 -4.057E-17
X^2*Y^5 -7.132E-17 X^2*Y^5 8.236E-11 X^2*Y^5 1.225E-10
X*Y^6 7.106E-17 X*Y^6 -1.294E-18 X*Y^6 -3.560E-17
Y^7 -4.420E-17 Y^7 3.131E-11 Y^7 4.678E-11

像高90% 像高100%
次数 係数 次数 係数
X＾2 4.775E-06 X＾2 -1.570E-05
X*Y -1.511E-12 X*Y -4.291E-12
Y＾2 3.615E-05 Y＾2 1.870E-05
X＾3 -1.359E-11 X＾3 1.818E-12
X＾2*Y 5.060E-07 X＾2*Y -2.192E-07
X*Y＾2 2.740E-12 X*Y＾2 -2.907E-12
Y＾3 2.001E-06 Y＾3 1.700E-06
X^4 -4.368E-07 X^4 -3.758E-07
X^3*Y 9.498E-14 X^3*Y 4.291E-14
X^2*Y^2 -8.061E-07 X^2*Y^2 -7.099E-07
X*Y^3 -7.281E-14 X*Y^3 1.221E-13
Y^4 -3.997E-07 Y^4 -3.656E-07
X^5 1.279E-13 X^5 -1.861E-14
X^4*Y -1.397E-08 X^4*Y -1.279E-08
X^3*Y^2 9.781E-14 X^3*Y^2 2.021E-14
X^2*Y^3 -3.293E-08 X^2*Y^3 -3.026E-08
X*Y^4 -3.640E-14 X*Y^4 4.976E-14
Y^5 -1.786E-08 Y^5 -1.724E-08
X^6 1.352E-09 X^6 1.378E-09
X^5*Y -4.737E-16 X^5*Y -6.330E-17
X^4*Y^2 3.424E-09 X^4*Y^2 3.371E-09
X^3*Y^3 5.250E-16 X^3*Y^3 -6.829E-16
X^2*Y^4 3.008E-09 X^2*Y^4 2.863E-09
X*Y^5 3.703E-16 X*Y^5 -5.480E-16
Y^6 8.830E-10 Y^6 8.106E-10
X^7 -2.791E-16 X^7 4.319E-17
X^6*Y 2.950E-11 X^6*Y 2.944E-11
X^5*Y^2 -6.415E-16 X^5*Y^2 -4.962E-18
X^4*Y^3 1.108E-10 X^4*Y^3 1.070E-10
X^3*Y^4 -1.302E-16 X^3*Y^4 -2.177E-16
X^2*Y^5 1.370E-10 X^2*Y^5 1.398E-10
X*Y^6 9.686E-17 X*Y^6 -2.212E-16
Y^7 4.964E-11 Y^7 5.330E-11

以下、図２等を参照して、本実施例における収差補正の様子について詳細に説明する。まず、図２は、像高０％の位置（図１（Ｂ）又は１（Ｃ）参照）における収差補正の様子を説明する図であり、投写光学系の横収差図を示している。具体的には、図２（Ａ）は、Ｙ方向（垂直方向）に関する横収差図を示し、図２（Ｂ）は、Ｘ方向（水平方向）に関する横収差図を示している。特に、図２（Ａ）及び２（Ｂ）は、像高０％の位置から映像光ＧＬ（図１（Ｂ）のうち実線で示される光線）が射出される場合において、収差が最小となるように光路可変部材ＶＰを制御した（変形した）状態での像高位置ごとの収差の様子を示す収差図である。また、図２（Ｃ）は、像高位置ごとの集光の様子を示すスポットダイアグラム図であり、デフォーカス位置、像高位置によるスポット形状を示している。横軸がデフォーカス位置、縦軸が像高となっている。この場合、破線の枠ＦＬ１で囲って示されるように、像高０％の位置に関しては、収差が抑えられている。一方、像高０％以外の位置に関しては大きな収差が発生している。しかし、このタイミング（すなわち光路可変部材ＶＰが像高０％の位置に最適化されている形状となっているタイミング）では、像高０％以外の位置からは映像光ＧＬは射出されないため、収差が発生する状態となっていても問題がない。

同様に、図３は、像高５０％の位置（図１（Ｂ）参照）における収差補正の様子を説明する図である。具体的には、図３（Ａ）及び３（Ｂ）は、像高５０％の位置から映像光ＧＬ（図１（Ｂ）のうち破線で示される光線）が射出される場合において、収差が最小となるように光路可変部材ＶＰを制御した（変形した）状態での像高位置ごとの収差の様子を示す収差図である。また、図３（Ｃ）は、像高位置ごとの集光の様子を示すスポットダイアグラム図である。この場合、破線の枠ＦＬ２で囲って示されるように、像高５０％の位置に関しては、収差が抑えられている。一方、像高５０％以外の位置に関しては大きな収差が発生している。しかし、このタイミング（すなわち光路可変部材ＶＰが像高５０％の位置に最適化されている形状となっているタイミング）では、像高５０％以外の位置からは映像光ＧＬは射出されないため、収差が発生する状態となっていても問題がない。

図４は、像高７０％の位置（図１（Ｂ）又は１（Ｄ）参照）における収差補正の様子を説明する図である。具体的には、図４（Ａ）及び４（Ｂ）は、像高７０％の位置から映像光ＧＬ（図１（Ｂ）のうち二点鎖線で示される光線）が射出される場合において、収差が最小となるように光路可変部材ＶＰを制御した（変形した）状態での像高位置ごとの収差の様子を示す収差図である。また、図４（Ｃ）は、像高位置ごとの集光の様子を示すスポットダイアグラム図である。この場合、破線の枠ＦＬ３で囲って示されるように、像高７０％の位置に関しては、収差が抑えられている。一方、像高７０％以外の位置に関しては大きな収差が発生している。しかし、このタイミング（すなわち光路可変部材ＶＰが像高７０％の位置に最適化されている形状となっているタイミング）では、像高７０％以外の位置からは映像光ＧＬは射出されないため、収差が発生する状態となっていても問題がない。

図５は、像高９０％の位置（図１（Ｂ）参照）における収差補正の様子を説明する図である。具体的には、図５（Ａ）及び５（Ｂ）は、像高９０％の位置から映像光ＧＬ（図１（Ｂ）のうち点線で示される光線）が射出される場合において、収差が最小となるように光路可変部材ＶＰを制御した（変形した）状態での像高位置ごとの収差の様子を示す収差図である。また、図５（Ｃ）は、像高位置ごとの集光の様子を示すスポットダイアグラム図である。この場合、破線の枠ＦＬ４で囲って示されるように、像高９０％の位置に関しては、収差が抑えられている。一方、像高９０％以外の位置に関しては大きな収差が発生している。しかし、このタイミング（すなわち光路可変部材ＶＰが像高９０％の位置に最適化されている形状となっているタイミング）では、像高９０％以外の位置からは映像光ＧＬは射出されないため、収差が発生する状態となっていても問題がない。

図６は、像高１００％の位置（図１（Ｂ）又は１（Ｅ）参照）における収差補正の様子を説明する図である。具体的には、図５（Ａ）及び５（Ｂ）は、像高９０％の位置から映像光ＧＬ（図１（Ｂ）のうち一点鎖線で示される光線）が射出される場合において、収差が最小となるように光路可変部材ＶＰを制御した（変形した）状態での像高位置ごとの収差の様子を示す収差図である。また、図６（Ｃ）は、像高位置ごとの集光の様子を示すスポットダイアグラム図である。この場合、破線の枠ＦＬ５で囲って示されるように、像高１００％の位置に関しては、収差が抑えられている。一方、像高１００％以外の位置に関しては大きな収差が発生している。しかし、このタイミング（すなわち光路可変部材ＶＰが像高１００％の位置に最適化されている形状となっているタイミング）では、像高１００％以外の位置からは映像光ＧＬは射出されないため、収差が発生する状態となっていても問題がない。

図７は、比較例のプロジェクターとして、本実施形態のレーザープロジェクター１００において光路可変部材ＶＰによる収差補正を施さなかった場合での収差発生の様子について示している。具体的には、図７（Ａ）及び７（Ｂ）は、各像高位置から映像光が射出される場合における像高位置ごとの収差の様子を示す収差図である。また、図７（Ｃ）は、像高位置ごとの集光の様子を示すスポットダイアグラム図である。ここでは、光路可変部材ＶＰによる補正がない状態において、例えば像高位置ごとの収差について、大きな差が出ないようにバランスしている。このため、全ての像高においてあまり性能が高くないものとなっていることが分かる。

図８は、図７の比較例のデータと、本実施例のデータとを比較したものである。すなわち、図８（Ａ）〜８（Ｃ）は、図７（Ａ）〜７（Ｃ）に等しく、図８（Ｄ）〜８（Ｆ）は、上述した図２〜図６に示される枠ＦＬ１〜ＦＬ５の部分を繋ぎ合わせたものであり、本変形例での全体としての収差の様子を示すものである。図８（Ａ）〜８（Ｃ）と図８（Ｄ）〜８（Ｆ）とを比較することで、本実施例において、収差が大幅に改善していることが分かる。

なお、以上の図２〜図６等に示すように、本実施例において、光路可変部材ＶＰは、映像光ＧＬの像高位置に応じて変化し、特に、像高位置に応じて増減する収差量に対応して変化している。すなわち、像高が０％〜１００％に代わる間に、光路可変部材ＶＰの形状変化の度合いを変えることで補正量を増減させ、各像高においてベストな収差補正とすることができる。この補正量については、例えば光学設計時（シミュレーション時）において像高位置ごとに定まるものであるから、制御部８０において光路可変部材ＶＰの形状変化量と像高位置との関係についてのテーブルデータが予めインプットされていることで、適切な収差補正が可能となる。なお、上記のようなテーブルデータの作成については、光学設計時（シミュレーション時）に限らず、製造されたプロジェクターについて収差を計測した上で行うものとしてもよい。

以上において、本実施形態の光路可変部材ＶＰは、走査光学系４０からの光の像高位置に応じて変化し、特に、像高位置に応じて増減する収差量に対応して変化している。これにより、像高位置ごとに応じて補正量を調整し、全ての像高位置においてベストに収差補正された状態とすることができる。なお、光路可変部材ＶＰを、走査光学系４０によるスクリーンＳＣ上での照射領域単位ごとに光路の変化度合を調整するものとすることもできる。すなわち、制御部８０において、走査光学系４０の走査タイミングに対する光路可変部材ＶＰの形状変化の変化タイミングを調整することで、照射領域に対する映像光ＧＬの光路の変化度合を定めることができる。

以上のように、本実施形態のプロジェクターでは、光路可変部材ＶＰによって走査光学系４０からの光の光路を、走査光学系４０の走査に同期して調整することで、走査している位置に応じて収差の補正度合を調整することが可能になる。したがって、全ての像高位置において、高精度な収差補正が可能となり、高性能な画像形成が可能となる。この場合、光路可変部材ＶＰを投写光学系７０の瞳位置に設けるだけでレンズ枚数を増やすことなく収差を抑制できるので、投写光学系７０の大型化を抑え、レーザープロジェクター１００全体としても装置の小型化を図ることができる。

〔第２実施形態〕
以下、図９等を参照して、本発明の第２実施形態に係るプロジェクターについて詳細に説明する。なお、本実施形態において、光路可変部材以外の構造については、第１実施形態の図１に示す場合と同様であるので、光学系全体の図示及び説明は省略する。図９は、本実施形態のプロジェクターによる画像投射の様子を示す光線図であり、第１実施形態の図１（Ｂ）に対応する図である。

図９に示す投写光学系２７０を含むレーザープロジェクター１００では、投写光学系２７０の瞳位置に配置される光路可変部材ＶＰが、走査光学系４０（図１（Ａ）参照）からの光に対する屈折率の分布を変化させる屈折率分布可変パネル３０で構成されている点において、第１実施形態のレーザープロジェクターと異なっている。また、ここでは、後述するように屈折率分布可変パネル３０が液晶パネルで構成されており、各映像光ＧＬは、屈折率分布可変パネル３０に入射するに際して、特定の偏光方向に偏光した状態の光である（あるいは偏光板を屈折率分布可変パネル３０の前段に配置すること等により偏光させている）ものとする。

光路可変部材ＶＰである屈折率分布可変パネル３０は、非発光型で光透過型の液晶パネルであり、透過型液晶マトリクスで構成されている。屈折率分布可変パネル３０は、液晶マトリクスを構成する領域単位で液晶分子の状態が変化することで通過する光（偏光した光）に対する屈折率を変えることができる。すなわち、屈折率分布可変パネル３０は、走査光学系４０から射出された光の通過領域に応じて屈折率を領域単位で変化させることで走査光学系４０からの光に対する屈折率の二次元的な分布を変化させることができる。なお、屈折率分布可変パネル３０を構成する領域の解像度は、必要とされる光路変化の精度に応じて適宜定めることができる。

以下、図１０を参照して、屈折率分布可変パネル３０の具体的一例についてより詳しく説明する。図１０は、屈折率分布可変パネル３０を構成する液晶デバイスについて説明するための図である。

図１０（Ａ）に示すように、屈折率分布可変パネル３０の本体である液晶デバイス８２ａは、液晶層７１ａを挟んで、入射側に第１基板７２ａと、出射側に第２基板７３ａとを備え、垂直配向型である。

液晶デバイス８２ａを構成する基板７２ａ，７３ａは、ともに平板状であり、入出射面の法線が光軸ＡＸすなわちＺ軸に平行になるように配置されている。例えば、垂直配向型の液晶デバイス８２ａにおいて、屈折率異方性が正であり、誘電率異方性が負の液晶で液晶層７１ａが構成されている場合、配向膜７６ａ，７８ａは、電界の存在しない状態で、液晶層７１ａを構成する液晶性化合物を光軸ＡＸすなわちＺ軸に略平行な状態に配列させる役割を有する（図１０（Ｂ）参照）。そして、図１０（Ｂ）に示すように、Ｚ軸に沿った方向に電界が印加されると、液晶層７１ａを構成する液晶性化合物は、光軸ＡＸすなわちＺ軸に略平行な状態から例えばＸＹ面内の所定方位に向けて傾けられる。これにより、液晶デバイス８２ａへの入射光すなわち屈折率分布可変パネル３０への入射光に対して、特定の偏光の方向（ＸＹ面内の所定方位）における屈折率が最小の屈折率となる電界非印加の状態から印加電界の大きさに応じて屈折率が高くなる。

以上のように、本実施形態のプロジェクターでは、映像光のスキャンされる画素位置に応じて、屈折率分布可変パネルの屈折率の分布を領域単位で変化させることができる。従って、屈折率分布可変パネルを光路可変部材として投写光学系に挿入することで、収差補正を適切に行うことが可能になる。

〔第３実施形態〕
以下、図１１を参照して、本発明の第３実施形態に係るプロジェクターについて詳細に説明する。なお、本実施形態において、光路可変部材を含む投写光学系以外の構造については、第１実施形態の図１に示す場合と同様であるので、光学系全体の図示及び説明は省略する。図１１は、本実施形態のプロジェクターによる画像投射の様子を示す光線図であり、第１実施形態の図１（Ｂ）等に対応する図である。

図１１に示す投写光学系３７０を含むレーザープロジェクター１００では、投写光学系３７０の瞳位置に配置される光路可変部材ＶＰが、反射により走査光学系４０（図１（Ａ）参照）からの光の光路を変化させるデフォーマブルミラーＤＭを含んで構成されている点において、第１実施形態等のレーザープロジェクターと異なっている。図１１の例示において、光路可変部材ＶＰの本体部分であるデフォーマブルミラーＤＭは、例えばミラー面（映像光ＧＬの反射面）ＭＭの裏面側にピエゾ素子等が設けられていることにより面形状が変形可能な部材である。すなわち、デフォーマブルミラーＤＭが走査光学系４０による走査に同期して形状変化しつつ光をミラー面ＭＭにおいて反射することで、投写光学系３７０を通過する映像光ＧＬの光路を像高位置に応じて変化させることができる。

なお、本実施形態のレーザープロジェクター１００では、図示のように、投写光学系３７０において、光路可変部材ＶＰを構成するデフォーマブルミラーＤＭが、ミラー面ＭＭを光軸ＡＸに対して４５°傾斜させた配置となっており、光軸ＡＸを瞳位置において９０°折り曲げているが、その他の構成（レンズ７１〜７６の構成等）については、図１等の投写光学系７０の場合と同様である、すなわち図１１に示す投写光学系３７０について光路を展開すると、図１（Ｂ）と同等の構成となっているものである。したがって、レンズ構成等の説明については省略する。

本実施形態においても、光路可変部材を構成するデフォーマブルミラーを投写光学系に挿入することで、走査光学系からの光の光路を変化させて収差補正を適切に行うことが可能になる。

（実施例２）
以下、本実施形態に係るプロジェクターの投写光学系の一実施例について説明する。実施例２の投写光学系を構成する光学面のデータを以下の表２に示す。なお、図１１は、実施例２のレンズを示すものともなっている。また、表２において、「面番号」は、物体側から順に各レンズ面等に付した番号に相当する。なお、表中の物体、像はスクリーン、光拡散素子の位置をそれぞれ示す。また、表２では、光学系の反射・屈折についての作用を示す「屈折モード」の項目を加えている。
〔表２〕
R D nd νd 屈折モード 半径
物体 Infinity Infinity 屈折
1 97.77025838 8.75 1.743972 44.8504 屈折 25.20278693
2 191.6074514 0.5 屈折 23.43514875
3 47.03271646 12.5 1.743972 44.8504 屈折 26
4 8.89E+01 3.8 1.754583 28.1687 屈折 17.97363641
5 36.98935721 35 屈折 15.64622506
絞り面 Infinity 0 反射 11.22824288
7 Infinity -35 屈折 6.816360526
8 38.35902691 -3.8 1.755201 27.5795 屈折 19.39209782
9 1.97E+03 -11 1.737124 34.5325 屈折 25.31879743
10 46.85174642 -0.5 屈折 27.05142146
11 -4070.974899 -7 1.743972 44.8504 屈折 26
12 140.173352 -113.2528129 屈折 33.95761657
像 Infinity 0.278540735 屈折 27.79556423

〔第４実施形態〕
以下、図１２等を参照して、本発明の第４実施形態に係るプロジェクターについて詳細に説明する。本実施形態では、像をリレーするリレー光学系において光路可変部材を設ける場合について説明する。ここで、上述のように、投写光学系は、プロジェクター内で結像した像をスクリーン上に再結像させる結像光学系であり、いわばリレー光学系と同種のものとみることもできるので、下記の内容については、投写光学系の一態様とみることができる。また、一方で、プロジェクターにおいては、各種収差の補正の観点から、例えばダブルガウスレンズのような光学系を用いて装置内部でリレーを行う態様も想定される。本実施形態では、種々の観点からプロジェクターにおいて利用され得るリレー光学系において、光路可変部材を設けた場合について考察するものである。

図１２は、本実施形態のレーザープロジェクター１００に適用される結像光学系としてのリレー光学系ＲＭを示す光線図であり、第１実施形態の図１（Ｂ）等に対応する図である。

リレー光学系ＲＭは、ダブルガウスレンズＤＧと１対のメニスカスレンズＭＳａ，ＭＳｂと、光路可変部材ＶＰとを有する。このリレー光学系ＲＭは、ダブルガウスレンズＤＧを基準として光路の上流側と下流側とで対称な形状を有している。また、このリレー光学系ＲＭは、両側テレセントリック光学系となっている。すなわち、結像光学系であるリレー光学系ＲＭを構成するレンズは、テレセントリック光学系を構成する。

ダブルガウスレンズＤＧは、物体側（図中左側）から順に、第１レンズ（凸レンズ）ＬＬ１と、第１色消しレンズＡＬ１と、第２色消しレンズＡＬ２と、第２レンズ（凸レンズ）ＬＬ２とを有して構成されている。なお、第１色消しレンズＡＬ１及び第２色消しレンズＡＬ２は、２枚のレンズをそれぞれ組み合わせた構成となっている。すなわち、第１色消しレンズＡＬ１は、レンズＡＬ１ａとレンズＡＬ１ｂとを貼り合せて構成され、第２色消しレンズＡＬ２は、レンズＡＬ２ａとレンズＡＬ２ｂとを貼り合せて構成されている。従って、第１色消しレンズＡＬ１及び第２色消しレンズＡＬ２は、表面及び裏面と貼り合せ面との合計３つのレンズ面をそれぞれ有していることになる。ダブルガウスレンズを配置することで、リレー光学系ＲＭにおける収差の補正を高めることができる。

ここで、光路可変部材ＶＰは、光路に沿って対称な形状を有するリレー光学系ＲＭにおいて中心位置となる瞳位置に配置されている。ここで、光路可変部材ＶＰについては、上記各実施形態において示した光透過型の光路可変部材のいずれについても適用できる。すなわち、リレー光学系ＲＭの瞳位置に設置した光路可変部材ＶＰによって透過によって光路可変部材ＶＰを通過する光の光路を変化させて収差補正を適切に行うことが可能になる。

図１３は、本実施形態のプロジェクターに適用される結像光学系としてのリレー光学系の一変形例について説明するための図である。図示の場合、リレー光学系ＲＭにおいて光反射型の光路可変部材を用いている点が図１２の場合と異なっている。具体的に構成を説明すると、まず、図１３に示すリレー光学系ＲＭは、２つの凸レンズＭＳ１，ＭＳ２と、１つの凸レンズＬＬ１と、２枚のレンズＡＬ１ａ，ＡＬ１ｂを組み合わせた色消しレンズＡＬ１とを有する。さらに、リレー光学系ＲＭは、反射型の光路可変部材ＶＰとしてデフォーマブルミラーＤＭを含んでいる。さらに、リレー光学系ＲＭと結像面ＩＦとの間には、偏光分離膜ＰＭを光軸ＡＸに対して４５°傾斜させるように挟み込んだ偏光分離プリズムＰＰが設けられており、この偏光分離プリズムＰＰの面のうちリレー光学系ＲＭと対向する面には、１／４波長板ＱＲが設けられている。以下、リレー光学系ＲＭを通過する光の光路について簡単に説明すると、まず、結像面ＩＦから射出された映像光ＧＬは、偏光分離プリズムＰＰを通過してリレー光学系ＭＲを通過し、リレー光学系ＭＲのデフォーマブルミラーＤＭにおいて反射されることで再び偏光分離プリズムＰＰに向けて射出され、この間に１／４波長板ＱＲを２度通過することで今度は偏光分離プリズムＰＰの偏光分離膜ＰＭで反射され再結像する。ここで、反射型のミラー素子であるデフォーマブルミラーＤＭについて光路を展開すると、リレー光学系ＲＭは、メニスカスレンズの枚数や偏光分離プリズムＰＰを除いて、図１２に示すリレー光学系ＲＭの場合と同様の構成になっていることが分かる。図１３に示す場合も、光路可変部材を構成するデフォーマブルミラーを投写光学系に挿入することで、走査光学系からの光の光路を変化させて収差補正を適切に行うことが可能になる。

この発明は、上記の実施形態又は実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

まず、上記各実施形態において、光路可変部材の形状変化や屈折率分布の変化については、種々の態様があり、例えば発生する収差の性質に応じたものとすることができる。より具体的には、例えば発生する収差の横収差図が、２次関数的なものや１次関数的ものである場合には、その積分したような形状や屈折率差の分布を生じさせるように変化させる（すなわち、１次次数の高い３次関数的なものや２次関数的ものにする）ことで収差を効率に抑制できる。

また、形状変化させる光路可変部材について、図１（Ｂ）等に示すようなものに代えて例えば、図１（Ａ）の光拡散素子６０のような構成のように円盤形状のものであって走査に同期して軸回転するようなものを配置し、円盤の形状が場所によって異なるようにすることで形状変化をさせるものとしてもよい。

また、プロジェクターの構成については、結像光学系において、テレセントリックでないものであってもよい。

また、光路可変部材の配置位置は、収差補正として十分な光路の変更が可能であれば、瞳位置以外であってもよく、例えば瞳位置からある程度離れた位置であってもよい。

また、光路可変部材による光路の変更によって収差補正に加えてフォーカス位置の調整を行うものとしてもよい。

また、上記では、光路可変部材をプロジェクターに適用するものとしているが、撮像装置（カメラ）の撮像レンズ中に光路可変部材を適用することで、撮像装置における収差補正を行うものとしてもよい

また、例えば、上記第２実施形態において、光路可変部材としての屈折率分布可変パネルに適用する液晶パネルについては、種々のものが適用でき、例えば必要となる屈折率差に応じて、光軸方向について複数の液晶パネルを積層させたり、厚みを適宜もたせたりしてもよい。また、必要に足る反応速度を有するパネルを適用させることが可能である。

また、上記第２実施形態では、屈折率分布可変パネルの一例として垂直配向型のものについて説明したが、これ以外の方式の液晶パネルを採用するものとしてもよい。

また、上記では、照明光学系としてＬＤを用いているがこれに限らず、例えば有機ＥＬのような自発光型の素子を適用したり、ＬＥＤ光源を利用したりする態様も可能である。

ＡＬ１，ＡＬ２…レンズ、 ＡＬ１ａ，ＡＬ１ｂ…レンズ、 ＡＸ…光軸、 ＤＧ…ダブルガウスレンズ、 ＤＭ…デフォーマブルミラー、 ＦＬ１-ＦＬ５…枠、 ＧＬ…映像光、 ＩＦ…結像面、 Ｌ１-Ｌ１２…面、 ＬＬ１…凸レンズ、 ＭＩ…中間像、 ＭＭ…ミラー面、 ＭＲ…リレー光学系、 ＭＳ１，ＭＳ２…凸レンズ、 ＭＳａ，ＭＳｂ…メニスカスレンズ、 ＰＡ…投影領域、 ＰＭ…偏光分離膜、 ＰＰ…偏光分離プリズム、 ＱＲ…波長板、 ＲＭ…リレー光学系、 ＳＣ…スクリーン、 ＶＰ…光路可変部材、 ＸＸ…中心軸、 ７１-７６…レンズ、 １０…光源装置、 ２０…コリメートレンズ、 ３０…屈折率分布可変パネル、 ４０…走査光学系、 ５０…集光光学系、 ６０…光拡散素子、 ６１…駆動機構、 ７０…投写光学系、 ７１ａ…液晶層、 ７２ａ，７３ａ…基板、 ７６ａ，７８ａ…配向膜、 ８０…制御部、 ８２ａ…液晶デバイス、 １００…レーザープロジェクター、 ２７０…投写光学系、 ３７０…投写光学系

Claims (9)

1. 光を射出する光源と、
   前記光源から射出した光を被照射面上で走査させる走査光として射出する走査光学系と、
   前記走査光学系からの光を投影する投写光学系と、
   前記走査光学系の光路後段に配置され、前記走査光学系による走査に同期して前記走査光学系からの光の光路を変化させる光路可変部材と
   を備えるプロジェクター。
2. 前記光路可変部材は、前記投写光学系の瞳位置に配置される、請求項１に記載のプロジェクター。
3. 像をリレーするリレー光学系をさらに備え、
   前記光路可変部材は、前記リレー光学系の瞳位置に配置される、請求項１に記載のプロジェクター。
4. 前記光路可変部材は、前記走査光学系から射出された光の通過領域に応じて屈折率を画素単位で変化させることで前記走査光学系からの光に対する屈折率の分布を変化させる屈折率分布可変パネルである、請求項１から３までのいずれか一項に記載のプロジェクター。
5. 前記光路可変部材は、形状変化することにより前記走査光学系からの光の光路を変化させる、請求項１から３までのいずれか一項に記載のプロジェクター。
6. 前記光路可変部材は、前記走査光学系による走査に同期して形状変化しつつ光を反射するデフォーマブルミラーを含む、請求項５に記載のプロジェクター。
7. 前記光路可変部材は、前記走査光学系からの光の像高位置に応じて変化する、請求項１から６までのいずれか一項に記載のプロジェクター。
8. 前記光路可変部材は、像高位置に応じて増減する収差量に対応して変化する、請求項７に記載のプロジェクター。
9. 前記光路可変部材は、所定の照射領域単位ごとに光路の変化度合を調整する、請求項１から８までのいずれか一項に記載のプロジェクター。

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