JP4538598B2 - 軸外れ投影システムおよび方法 - Google Patents

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本出願は、２００３年１月８日に出願された米国仮特許出願通番第６０／４３８，６７５号（米国特許出願公開番号第２００４／１４１１５７号）からの優先権を請求する。

本発明は、投影システムと方法とに関し、特に、最適な画像品質を維持しながら光路長を削減するために光学系と画像処理とを組み合わせた短投射距離投影システムと方法とに関する。

前面投影システム（フロントプロジェクションシステム）では投影機（プロジェクタ）と観察者は、表示面から観察者に反射する投影機からの画像と共に、表示面の同じ側に存在し、投影機からの画像は表示面で観察者に反射される。図１Ａは、入力光学画像２を取り入れて、拡大された出力光学画像３を投影できる標準的な従来技術の８要素投影レンズ５を示す。図１Ｂは、表示面２０の上に直接画像を投影するためにこの８要素投影レンズ５を使用する投影光エンジン６を示す。これは、画像が表示面２０に垂直である直線軸１０ａに沿って生成されて投影される軸上（オンアクシス）投影システムの一例を示す。

背面投影システム（リアプロジェクションシステム）のためには、このデザインは、背面投影スクリーンキャビネット寸法に関する商業的要件に従うように、よりコンパクトにされなくてはならない。この「コンパクトさ」は、「投射比」に換算して定量化される。投影システムの投射比は、表示面２０の対角線長Ｄ（図示せず）で除算された投影距離ｄ（図１Ｂ参照）によって与えられる。対角線Ｄは、表示面２０の相対する隅から測定される。投射比は、
投射比＝ｄ／Ｄ （１）
によって与えられる。

図１Ｃ、１Ｄに示すように、前面投影構成における一般的投影レンズ５は、典型的なスポットサイズ（すなわち隅における焦点ぼけ点画像）を有する低い歪みを持った画像を生成する。特に１４８０ｍｍ×８３４ｍｍの寸法を有する表示面２０と２５．４ｍｍ、ｆ／２．８の投影レンズ５とによって、中心で１ｍｍスポット、隅で３ｍｍスポットを有する投影画像が生成される。前面投影システムに関する妥当な設計目標は、中心で１ピクセルスパン（画素直径）以下、隅で２〜３ピクセルスパン未満の最小解像可能な焦点合せされたスポットサイズを持つことである。この特定の例では、マイクロディスプレイ画像形成装置におけるピクセルサイズと、離れた表示面への投影に起因する拡大とを考慮すると、表示面２０におけるピクセルスパンは約１ｍｍである。全レンズ歪みは、表示面２０のスクリーンサイズ全面に亘って１％未満である。損失ピクセルと損失輝度（表示スクリーンをオーバーレイしないピクセルを消してその結果全体的輝度へのそれらのピクセルの寄与を失うことからくる）とを減らすために、歪みマップ（すなわち図１Ｃ）は矩形であって、利用可能表示領域を正確にオーバーレイすることが望ましい。更に図１Ｄのスポット図はまた、最小のスポットサイズ増を示し（表示の中心からより遠いピクセルにおいて）、また対称であることが望ましい。スポットサイズの増加を最小にすることは、点画像の焦点ぼけを最小にすることを意味する。

コンパクトな投影システムを構築するに際してのもう一つの重要な設計目標は、投射比を最小にしながら良好な画像品質を達成することである（一部の設計者は投射比を計算する際に画像の対角線の代わりに幅を使用するので、投射比のどちらの定義が使用されているかを指定することが重要である）。投射比を最小にすることは、投影機とスクリーンとが背面投影型テレビジョンといった単一の機能ユニットに物理的に結合されている背面投影システムにとって特に重要である。このようなユニットでは、投射比を最小にすることは、表示面と投影光エンジンとを収容したキャビネットに関してより小さな奥行きを可能にする、より短い投影経路長を意味する。前面投影システムにおいて投射比を最小にすることは、スクリーンに極めて近く配置された投影機によって大きな画像が投影されることを可能にする。

背面投影表示システムにおけるキャビネット奥行きと奥行き削減は、表示対角線対キャビネット奥行きの比率、すなわちＤ対Ｄ比を測定することによって客観的に評価される。軸上投影と平面ミラーと光学だけの歪み修正手段とを使用する従来の構成は、約２．５〜３．５のＤ対Ｄ比を与える（例えば６１”対角線対１９．５”奥行き、あるいは５５”対角線対１８”奥行き、など）。

キャビネット奥行きを減らすために従来技術の方法は、低い歪みを有する（光路を折り畳むための）平面ミラーと、投影経路長を減らすために、したがって投射比を減少させるために役立つ広視野（ＦＯＶ）レンズとを組み合わせている。光学的幾何学構成（レンズタイプ、焦点距離、ミラー角度）を微調整することによって画像歪みは最小化され得る。従来技術の構成は、投影ビームに対して折返しミラー（単数または複数）を軸上に配置する。これは、キーストーン歪み（ｋｅｙｓｔｏｎｅ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を生成しないという利点を有する。しかし、大きなキャビネット奥行き削減を与えないこと、あるいはＤ対Ｄ比が増加しないという欠点がある。

例えば図２Ａは、投影光エンジン１４と平面ミラー８と表示面２０とを有する従来技術の投影システム６’を示す。これは、平面ミラーが折畳み光路を生成し、表示面２０に対して角度αに在る軸上投影システムの一例である。この結果、Ｔというキャビネット奥行きが得られている。この投影システム６’は、表示面２０上に投影される画像Ｉを示す図２Ｂに見られるように、キーストーン歪みを生じない。

従来技術の構成においてキャビネット奥行きを減らすための主要な方法は、軸上光路で短投射距離広角レンズを使用することである。これは、奥行き短縮を制限するという欠点を有し、キーストーン歪みが存在しなくても、この手法はなお、設計・製造の困難な光学要素を必要とする。光学的幾何学的な制約は、増大した糸巻き型歪曲または樽型歪曲およびキーストーン歪みとして現れる。従来技術のシステムの設計は、コストパフォーマンスとのトレードオフを満足させながら、必要とされる変調伝達関数（ＭＴＦ）を達成すること、横の色に関して修正すること、レンズＦナンバー仕様を満たすことと共に、これらの歪みを最小にするという要件によって大きく束縛されてきた。

従来技術の背面投影システムは、高いコントラスト比を与えるために前面からスクリーンアセンブリに当たる光に対して（光吸収材料の使用によって）低い反射率を有するスクリーンアセンブリを使用する。これらのスクリーンアセンブリはまた、高い輝度を与えるために背面からスクリーンアセンブリに当たる光に関して（レンチキュラー・アレイの使用と光のコリメーションとによって）高い透過率を有する。光は、典型的には、スクリーンアセンブリの一部としてフレネルレンズを使用することによってコリメートされる。フレネルレンズは、軸上投影システムのための対称円形構造である（その光学的中心は、物理的中心に、あるいは投影光経路の軸上に位置する。所定の焦点距離のフレネルレンズは、同じ焦点距離の大きな円形の両凸レンズの代わりとなる。このようなフレネルレンズの直径は、大きくとも表示対角線の長さである。これらのフレネルレンズは、典型的には薄くて極めて柔軟であり、内部温度上昇によって膨張する。軸上投影システムに関する画像品質は、フレネルレンズの表面プロファイルの中心部分（光軸の周りの）における変化にあまり敏感ではない。不幸なことにこれらの対称フレネルレンズは、軸外れ（オフアクシス）ＲＰシステムには使用できない。更にフレネルレンズは、光がスクリーンの底部に近い最小２０±５度からスクリーンの最上部に近い最大６０±５度まで変化する入射角でスクリーンに当たるので、高いＤ対Ｄ比を有する投影システムおいては慎重に設計されなくてはならない。したがってレンズ表面は、突き当たる光の入射角に対するコリメーション機能の感度のゆえに、極めて正確に維持されなくてはならない。
米国特許第５，５９４，６７６号

本発明は、統合フレネルコリメーションレンズを有する背面投影透過スクリーンを使用するコンパクトな背面投影システムである。本発明のもう一つの実施形態は、反射性スクリーンに極めて近く配置されたコンパクトな前面投影システムであり得る。特に本発明は、好都合にも光路長と投射比とを減らしながら、視覚的に正しい幾何学形状と最適な画像品質とを有する表示面に画像を光学的に投影するための軸外れ画像投影システムと方法とに関する。

本投影システムは、画像処理ユニットと投影光エンジンと光反射アセンブリとを含む。画像処理ユニットは、解像度とアスペクト比とにおいて異なり得るディジタル入力画像データを受け取り、この入力画像データを投影光エンジンの正しいアスペクト比と解像度とに合わせて拡大縮小する。画像処理ユニットはまた、画像変調された光線が全光路を通るときに、光線がこの光路で光学的幾何学的歪みを受けて、知覚可能な歪みまたは不鮮明さを持たずに観察者に現れるように、後述する逆変換を使用する光変調器に送られるディジタル画像に歪み補正を適用する。言い換えれば歪み補正は、光変調器とスクリーンとの間の光路における歪みが、各ピクセルをスクリーン上のその所望位置に戻すように、画像変調器におけるすべての個別ピクセルが反対方向に十分遠くに動かされるようにする。投影光エンジンは、光変調マイクロディスプレイ装置（単数または複数）に光を生成させる信号に変換されるディジタルフォーマットで画像処理ユニットから歪み補正された画像データを受け取る。この光は、歪み補正された画像データに対応する光学画像を形成する。投影光エンジンは、投影幾何学形状と光反射アセンブリとの結果から生じるビーム拡大によるスポット焦点ぼけを補正する補正レンズを含むことができる。代替としてこの機能を与えるあつらえの投影レンズが使用可能である。

光反射アセンブリは、歪み補正された光学画像を表示面の所定の領域に反射させるためにこの画像の光路に配置される。この光反射アセンブリは、表示面への反射を制御するための少なくとも一つの非球面ミラーを含む。この非球面ミラーは、表示面上で実質的に視覚的に正しい画像を形成することを助けるために、水平垂直両方向に滑らかに変化する曲率半径を持っている。これら投影光エンジンと光反射アセンブリは、光学的異常を最小にするように設計されており、また空間的精度の点では妥協し得る。画像処理ユニットは、投影光エンジンと光反射アセンブリとによって生成された組合せ空間歪みと、投影幾何学形状の変化と、アセンブリ位置合わせにおける回転的自由の３軸と平行移動的自由の２次元（上／下と左／右）とにおける誤差と、に関する最終的修正を実施できる。前後の平行移動的誤差は、焦点変化という結果になり、画像処理ユニットによっては修正できない。表示面は、高くそして変化する入射角で光を受けるように、また表示面に垂直な光を反射または透過するように設計される。

したがって第１の態様において、本発明は入力画像データに基づいて表示面に光学画像を表示するための軸外れ投影システムを提供する。この投影システムは、投影前に２次元の電子的に歪んだ画像データを生成するために、画素の２次元配置を示す前記入力画像データを受け取って前記入力画像データを電子的に歪ませるための画像処理ユニットと、画素の２次元配置を調整するための手段を有する表示装置を備え、前記画像処理ユニットに連結されると共に前記電子的に歪んだ画像データを受け取るように適応され、前記表示装置に前記電子的に歪んだ画像データに相当する２次元の歪んだ画像を調整し、前記２次元の歪んだ画像を投影して投影画像を生成する投影光エンジンと、前記投影画像を前記表示面上に導くように適応された前記投影光エンジンに連結され、少なくとも一つの湾曲ミラーを備えた光反射アセンブリと、を含み、前記電子的な歪みが、前記表示面上の前記投影画像において前記投影光エンジン及び前記光反射アセンブリで引き起こされる歪みを有する光学的幾何学的歪みが実質的に除去されるように作用する。

本発明は、もう一つの態様において、入力画像データに基づいて軸外れ投影システムの表示面に光学画像を表示するための軸外れ投影方法を提供する。本方法は、投影前に２次元の電子的に歪んだ画像データを生成するために、画素の２次元配置を示す入力画像データを受け取って前記入力画像データを電子的に歪ませるステップと、画素の２次元配置を調整するための手段を有する表示装置を備えた投影光エンジンが、前記画像処理ユニットに連結されると共に前記電子的に歪んだ画像データを受け取るように適応され、前記表示装置に前記電子的に歪んだ画像データに相当する２次元の歪んだ画像を調整し、前記２次元の歪んだ画像を投影して投影画像を生成するステップと、前記投影光エンジンに連結されると共に前記投影画像を前記表示面上に導くように適応され、少なくとも一つの湾曲ミラーを備えた光反射アセンブリで前記投影画像を反射するステップと、を含み、前記電子的な歪みが、前記表示面上の前記投影画像において前記投影光エンジン及び前記光反射アセンブリで引き起こされる歪みを有する光学的幾何学的歪みが実質的に除去されるように作用する。

本発明のより良い理解のため、また本発明がどのように実施され得るかをより明確に示すために、本発明の例示的実施形態を示す下記の付属図面への参照が単に例として行われる。

さて図３Ａを参照すると、キャビネット厚さＴ（図２Ａを参照）を減らす第１の試みは、角度αを減らすことを含み得る。したがって軸上投影システム６’と同じコンポーネントを有する投影システム６”（すなわち軸外れ投影システム）が示されているが、平面ミラー８は表示面２０に関して、より浅い角度で配置されている。これは、キャビネット厚さをＴという厚さからＴ’という厚さに減らすという望ましい効果を持っている。しかしながら、今度は結果として得られる画像は、軸外れ投影システム６”によって生成された画像Ｉ’が元の画像Ｉ（図２Ｂ参照）に関して歪められているキーストーン歪みを持っている（図３Ｂ参照）。このキーストーン歪みは、画像Ｉ’の最上部付近では画像Ｉ’を水平方向に引き伸ばしながら、画像Ｉ’の底部付近では画像Ｉ’を水平方向に縮めることを含んでいる。また画像Ｉ’は、垂直方向にも引き伸ばされる。

図４Ａを参照すると、キャビネット厚さを減らすために、より小さなキャビネット内にシステムを嵌め込むように折り畳んだ光路と軸外れミラー配置とを使用する背面投影システム２１が示されている。二つの平面ミラー３３、３５を使用する多重折畳みは、全投影経路長を収容しながら、より薄いキャビネットサイズを可能にしている。図示したように、投影される画像は、第２次平面ミラー３５から第１次平面ミラー３３に反射する。１次平面ミラー３３は、表示面２０の反対側の観察者４による観察のために、投影画像を表示面２０の背面に反射する。しかしながら、この２平面ミラー背面投影構成はなお、実質的なキーストーン歪みを含む。図４Ｂは、どのようにして投影画像がスクリーンの底部でより小さくなり、スクリーンの最上部でより大きくなり（すなわち投影画像Ｉ１がスクリーン周辺長Ｓ１内に収まらない）、また大きく歪むかを示している。特に図４Ｂに示すようにこの背面投影構成は、６５％のキーストーン歪みに関連している。また図４Ｃは、どのようにしてスポットサイズ（すなわち焦点ぼけ（デフォーカス））が表示面２０の上部エッジに沿って約５０ｍｍ（２〜３ｍｍという所望レベルを遥かに超えている）になるかを示している。キーストーン歪みは、投影光エンジン１４の投影レンズ５に対してマイクロディスプレイを下方にシフトすることによって幾分減らすことができ、また焦点ぼけは、投影レンズ５に対してマイクロディスプレイを傾けることによって減らすことができる。これは、図１９〜２０で更に詳細に示される。

図５、６は、本発明にしたがって構築された投影システム１０を示す。投影システム１０は、画像処理ユニット１２と、投影光エンジン１４と、画像源１８によって与えられる入力画像を表す画像データを表示光学画像が無歪曲画像であるように表示面２０への投影のための歪み補正された光学画像に変換する光反射アセンブリ１６とを含む。

画像源１８は、ビデオカメラ、パソコン、または必要とされるビデオ／グラフィックフォーマット（例えばＹＰｒＰｂ、ＲＧＢ、ＤＶＩなど）で画像を生成することのできる他の如何なる装置でもあり得る。

画像処理ユニット１２は、画像源１８から入力画像データを受け取り、表示面２０に表示される画像が歪みなしであるように、投影システム１０における光学的歪みを補正するためにこのデータをディジタル処理でワーピング、または歪み補正する。画像処理ユニット１２はまた、表示光学画像における如何なる明るさ／輝度の不均一性も修正する。画像処理ユニット１２は、投影光エンジン１４に与えられるディジタル画像データに電子的修正を加え、それによってデータのディジタル微調整を可能にしている。画像処理ユニット１２の固有の機能は、更に詳細に論じられるであろう。

投影光エンジン１４は、画像処理ユニット１２から歪み補正されたディジタル画像データを受け取って、対応する歪み補正された光学画像を生成する。投影光エンジン１４は、光発生ユニット２２とマイクロディスプレイ２４と投影光学系２６とを備えている。光発生ユニット２２（照明サブシステムとしても知られる）は、光源（例えば超高圧アーク灯、ＲＧＢ発光ダイオードまたはＲＧＢレーザー）、色分解プリズム、放物面リフレクタ、インテグレータ（ミラーボックス）ロッドおよび／またはインテグレータ／コリメータといったコンポーネント（図示せず）を含む。マイクロディスプレイ２４は、適当なカラーマネージメント（色管理）システム（すなわちカラーホイール、偏光プリズム、カラー選択フィルタなど）を有する商業的に入手可能な任意のマイクロディスプレイに基づく光変調サブシステム（例えばマイクロディスプレイ固有インタフェースＡＳＩＣを含む１パネル型または３パネル型ＬＣＤ、１または２または３パネル型ＤＬＰ（登録商標）、または１パネルまたは３パネル型ＬＣＯＳなど）であり得る。マイクロディスプレイ装置２４は、画像処理ユニット１２によって生成された歪み補正されたディジタル画像データにしたがって反射／透過光を変調することによって光学画像を生成するために使用される。実際に照明サブシステムは、適切なカラーマネージメントおよび／または偏光再生コンポーネントによって光変調マイクロディスプレイ装置（単数または複数）を均一に照明するように形作られた光ビームを生成する。光変調マイクロディスプレイ装置（単数またな複数）は、ディジタル画像データを光学画像に変換するために照明サブシステムの前に配置される。投影光学系２６は、歪み補正された画像を投影して焦点合わせするレンズからなる。

投影光学系２６は、固定焦点距離の長投射距離もしくは短投射距離レンズ、または可変焦点距離のズームレンズからなり得る。また投影光学系２６の投影角は、通常のまたは広い視野（ＦＯＶ）であり得る。投影光学系２６と湾曲ミラーとにおける如何なる歪みもディジタル画像処理によって修正されるので、本発明は投影光学系２６が歪みなしであることを必要としない。投影光学系２６はまた、投影レンズ２５に搭載され、したがって投影レンズ２５と光反射アセンブリ１６との間の歪み補正された光学画像の光路に配置される補正レンズ４９を含むことができる。補正レンズ４９の機能は、更に論じられるであろう。投影光エンジン１４の前面エッジの部分は、参照数字１４ａによって表される。補正レンズ４９は、もし投影光学系２６が以下更に論じられるように注文により構築されれば、除去され得る。

光反射アセンブリ１６は、歪み補正された光学画像からなる投影光エンジン１４からの光ビームを受け取って、それを表示面２０に反射する。図６は、更に詳細に光反射アセンブリ１６の所定の要素を示す。図示したように光反射アセンブリ１６は、非球面ミラー３９と一次平面ミラー３３とからなる。非球面ミラー３９は、光路を折り畳むために一次平面ミラー３３と共同して使用される非球面非対称（または回転非対称）湾曲ミラーである。このようなミラーは、キーストーン歪みそれ自身が非対称であるので、ひどい（高いＤ対Ｄ比で現れる種類の）キーストーン歪みを補正するために最も効果的で直接的な方法である。キーストーン歪みにおいては、画像の底部に対して画像の最上部における画像の異なる拡大率が存在する。従来技術の方法は、すべての歪みが光学的手段によって修正されなくてはならないという要件のために、キーストーン歪みを修正するようにオフセットされたマイクロディスプレイと対称なミラー／レンズとを使用するだけであるので、キーストーン歪みの量（及び、したがってＤ対Ｄ比の改善）において制約される。非球面ミラー３９の主要目的は、軸外れ投影による歪みを減らすことと、すべての利用可能なマイクロディスプレイピクセルと照明源からの光との使用を可能にすることである。非球面ミラー３９はまた、マイクロディスプレイ・シフトによって修正されない如何なる残りの歪みをも修正するために、マイクロディスプレイ・シフトを適用する投影システムにおいても使用可能である。投影光学系２６の補正レンズ４９は、上述のようにビーム幅発散を修正するため、およびこれから論じられるように関連する焦点ぼけ歪みを制御するために、投影レンズ２５と非球面ミラー３９との間の歪み補正された光学画像の光路に配置される。補正レンズ４９はまた、非球面的に湾曲した回転非対称レンズである。

表示面２０は、高い、そして変化する入射角で光を受け取って、表示面２０に垂直な光を反射または透過させるように設計されている。表示面２０は、前面投影システムでは反射性であり、背面投影システムでは透過性である。従来の背面投影システムでは、垂直でない角度で表示面２０に当たる光を受けて、その方向を観察者に向けて表示面２０の平面を通して垂直に出て行くように、言い換えれば光をコリメートするように変化させるために、フレネルレンズが使用される。従来の背面投影システムでは、フレネルレンズの中心は、表示面の中心にあり、表示面上に放射状に対称な入射角分布が存在する。

本発明にしたがって設計されたＲＰ（背面投影）軸外れシステムでは、フレネルレンズは同様に必要とされるであろうが、それは軸外れ投影幾何学構造のゆえに表示面に当たる光の入射角の非対称分布を取り扱わなくてはならない。このことは、フレネルレンズの中心が表示面の中心からかなり下方にオフセットされざるを得なくし、このオフセットの程度はシステムのＤ対Ｄ比（使用される軸外れ幾何学形状の量）に依存している。したがって軸外れ投影システムで使用されるフレネルレンズは対称ではない。これらの非対称フレネルレンズは、特にそのために設計された軸外れ光路を含む投影光の遥かに大きな円錐形から光をコリメートするように設計されなくてはならない。実際に、より高いＤ対Ｄ比を有するシステムでは投影軸は、より大きく傾けられており、より大きなキーストーン歪みを修正する必要がある。これは、より幅広い円錐状の光が表示面の底部と最上部との間で光の入射角のより大きな広がりを持って、マイクロディスプレイから発散することを意味する。この光円錐の光軸は、フレネルレンズの中心を通り抜けなければならず、この光学的要件を満足させるために、フレネルレンズの中心はより大きく下方にオフセットされる。極端な軸外れ構成を有する投影システムでは、フレネルレンズの光学的中心は完全にスクリーンから離れる可能性がある。その結果、フレネルレンズの直径は、スクリーンの対角線より遥かに大きくなり、スクリーンと貼り合わされるように矩形片がそこから切り取られる。明らかに、もし単に１個の使用可能なフレネルレンズ・セグメントがより大きな直径の構造体から抽出され得るならば、レンズのコストはより高くなる。ある幾つかの非対称フレネルレンズの設計では、２個以上の使用可能なレンズセグメントが基本的な大直径の完全なフレネルレンズから切り取られることができ、フレネルレンズを作製するために使用される型を加工するコストを償却する助けとなる。

図７Ａ〜７Ｃは、図６の非球面ミラー３９の表面曲率を示す。非球面ミラー３９は、投影システム１０の軸外れの性質から結果的に生じるキーストーン歪みを修正するために導入されている。非球面ミラー３９は、凹面からの画像の反射は画像を縮小し、凸面からの画像の反射は画像を拡大するであろうという知識に基づいて設計される。例えば図３Ｂで画像は、表示面の最上部では表示面の幅を超えて水平方向に拡大している。更に画像は、表示面の底部で表示面の幅より狭く水平方向に縮小している。凹面の上部を有するミラーは表示面に合うように画像を縮小させ得るであろうが、もしそれが凸面の下部を持つならば、同じミラーは表示面の底部に合うように画像を拡大できるであろう。実際に軸外れ投影方式によれば、画像の最上部が水平方向の表示面幅以下になるように投影システムを表示面に少し近づけることが、またしたがってミラー形状を調整することが好ましい。これは、投影距離を短縮する（折り畳まれた幾何学構成においてより薄いキャビネット厚さに導くことができる）ということと、ミラーが凹面から凸面への遷移を持つ代わりに凸面だけであるのでミラープロファイルがより製造し易い、という二重の利益を有する。投影距離を短縮する際、投影光エンジンのレンズは、より広角のレンズになり、これは設計がより難しく、修正される必要のあるより大きな球面収差を有する。その結果、最適な構成を決定するために、投影距離と投影レンズと非球面ミラー３９の曲率との幾つかの異なる組合せを繰り返し試すことが有益となる。

したがって本発明の非球面ミラー３９は、表示面２０の最上部で極めて僅かに水平方向に拡大する効果（すなわち投影経路が短縮されている）を与えるための水平方向に軽く凸面の上部と、表示面２０の底部を水平方向により大きな度合いに拡大するための水平方向により強く凸面の下部と、を持つように設計される。非球面ミラー３９はまた、キーストーン歪みの垂直方向の拡張を補正するために垂直方向に凹面になっている。したがって、非球面ミラー３９は、垂直方向の凹面と、より強い凸面から平面またはより弱い凸面に変化する水平方向の表面とを有する。明確さのために、図７Ａは、非球面ミラー３９が作られる型の水平方向の曲率を示し、図７Ｂは非球面ミラー３９の型の垂直方向の曲率を示す。図７Ｃは、このページ内に延びる水平方向（すなわちＹ軸に沿った）と、左から右へ延びる垂直方向と、ｚ軸によって表される曲率の高さ（あるいは厚さ）とを有する非球面ミラー３９の曲率の斜視図を示す。ミラーの実際の活性領域は、図７Ｃに示されたものより小さいが、この図は非球面ミラー３９の表面プロファイルを記述する係数を変える効果を見るためには有用である。非球面ミラー３９の水平方向の曲率半径は、最上部における大きな正の値（すなわち小さな曲率）から底部におけるより小さな正の値（すなわち大きな曲率）へ遷移する。垂直方向の曲率半径は、キーストーン歪みに起因する垂直方向の拡大縮小誤差を修正するように選択される。

非球面ミラー３９の全体的形状は、最初と最後の半径と遷移の割合とによって決定され、また前述の説明からそれは横方向には垂直軸の周りに対称であるが、明らかに回転非対称である。非球面ミラー３９の固有の表面プロファイルは、対応する投影レンズの設計と、電子的手段によって修正されるべき所望の歪みと、所望の有効表示解像度と、キャビネット奥行きと、をトレードオフする（相殺取引する）ことによって選択される。したがって、垂直方向に凹面であって、ミラーの上部での凹面からミラーの下部に沿って平面、凸面へと変化する水平方向の曲率を有する非球面ミラーが設計され得る。例えば従来のように構成されたシステムで使用される同じ投影レンズを使用したいと思っている背面投影テレビジョン（ＲＰＴＶ）製造業者は、補正レンズを必要とするであろうし、また既存の投影レンズの物理的寸法によって課せられる制約によって、この用途のために新しい投影レンズを喜んで設計しようとしている他のＲＰＴＶ製造業者とは異なる対角線対奥行き比率（およびキャビネット奥行き）を選択するかも知れない。もう一つの例は、キャビネットの寸法を制約するかも知れない、したがって間接的に非球面ミラー３９の規定を制約するかもしれない平面ミラーの在庫品を有するＲＰＴＶ製造業者である。

もしキャビネット奥行きが縮小されれば、非球面ミラー３９と投影レンズ５との間の角度はより浅くなり、修正される必要のあるキーストーン歪みの増大につながる。その結果、非球面ミラー３９の曲率は、より激しい上部の水平方向の拡大と、より激しい下部の水平方向の縮小と、より激しい垂直方向の拡大とを修正する必要があるので、より極端になる必要がある。非球面ミラー３９は、より大きな曲率に適応するために、より大きく、より厚くなる。この場合、補正レンズ４９はまた、非球面ミラー３９の増大した曲率のために生じた更なる焦点ぼけ効果を修正するために、より大きな曲率を組み入れるように修正される。

非球面ミラー３９は、軸外れ投影システムにおけるキーストーン歪みをある程度または完全に修正できる。このようなシステムでは、平面ミラーは修正を提供しない。減少したキーストーン歪みは、画像を拡大する（より大きな、またはより小さな度合いで水平方向に）ために非球面ミラー３９の凸面部分を使用し、画像を垂直方向に縮小するためにミラーの凹面部分使用することによって達成される。曲率の符号（凸面または凹面）と大きさとを滑らかに変化させることによって、キーストーン形状の歪み・プロットは、多かれ少なかれ矩形の歪み・プロットに変換される。もし非球面ミラー３９と補正レンズ４９が共に適切に設計されれば、画像処理ユニット１２が表示面２０のエッジに近いピクセルの品質（すなわち輝度と焦点）を維持することは遥かに容易になる。しかしながら非球面ミラー３９はまた、像面湾曲の複合問題、すなわち画像の中心は妥当なＭＴＦと焦点を持つがエッジの画像は焦点ぼけと低下したＭＴＦを経験するというスポットサイズ／焦点問題に導く。

図８Ａ〜８Ｃは、投影レンズ５によって非球面ミラー３９に投影される光ビームの焦点ぼけ（すなわちビームの拡大）を減らすために（投影レンズ２５に対してマイクロディスプレイ装置２４をまたはその逆をシフトして傾けることと一緒に）使用される図６の補正レンズ４９の表面曲率を示す。補正レンズ４９はまた、非球面ミラー３９の曲率に対応し、また投影システム１０で使用されている投影レンズ５と共に使用されるために設計された非球面的に湾曲した回転非対称なレンズである。特に補正レンズ４９は、図６に示すように投影レンズ５の前に配置されるように設計される。図８Ａは水平方向の補正レンズ４９の曲率を示し、図８Ｂは垂直方向の補正レンズ４９の曲率を示す。図８Ｃは、左から右へ示された水平方向と、そのページ内に延びる（すなわちＹ軸に沿った）垂直方向と、ｚ軸によって表される曲率の高さ（あるいは厚さ）とを有する補正レンズ４９の曲率の斜視図を示す。補正レンズ４９の形状は、非球面ミラー３９の形状に類似しており、また垂直軸の周りに回転非対称で、横方向に対称であるであろう。特に補正レンズ４９は、小さな曲率半径から大きな曲率半径に遷移し、また垂直方向に凹面形状を持つ水平方向に凸面の円筒形レンズである。しかしながら補正レンズ４９は、より平坦である（すなわち、水平垂直両方向に、より大きな曲率半径を持つ）。

補正レンズ４９は、非球面ミラー３９より大きな曲率半径で形成されており、ビーム幅拡大を修正し、投影レンズ５の特性を補正する。補正レンズ４９の使用はまた、現在利用可能な投影レンズ５が本発明の投影システム１０内での使用に適応させられること（すなわち更新されること）を可能にし、現在利用可能な投影レンズ５に最小性能・寸法基準（すなわちレンズスピード（開放径）、ＭＴＦ、より小さな囲い内に収まる能力など）を与える。補正レンズ機能を含み、したがって別個の補正レンズ・コンポーネントを必要とせず、適当な嵌め込みを保証するシステムのための注文製の投影レンズが開発されることは可能であり、これはより詳細に後述される。また投影レンズ５と補正レンズ４９と非球面ミラー３９と軸外れ投影幾何学構造と設置の位置合わせ不良とに起因する残りの未修正歪みの組合せを修正する電子的修正を与えるために、画像処理ユニット１２が使用されることは理解されるべきである。したがって画像処理ユニット１２は、投影システム１０における如何なる物理的不正確さまたは位置合わせ不良も補正できる更なる自由度を与える。

図６〜８に関して、種々コンポーネントに関する例示的寸法が与えられるであろう。補正レンズ４９に関しては、第１の表面サグは４．５８ｍｍであり、第２の表面は平面であり、投影レンズにおける最後のレンズ面からの距離は１１ｍｍである（中心光線）。湾曲ミラー３９に関しては、ミラーサグは３３．５ｍｍであり、傾き角は４６．４度であり、投影レンズにおける最後の補正レンズ表面からの距離は２０１．７２３９ｍｍ（中心光線）であり、隅のＸ、Ｙ座標はｍｍ単位で、（２９５．５２８１９８、２７６．９４１６７１）、（１４１．５５７８１２、−８７．４３５９８０）、（−１４１．５５７８１２、−８７．４３５９８０）、（−２９５．５２８１９８、２７６．９４１６７１）である。ミラー３３に関しては、傾き角は＋５１．２度であり、湾曲ミラー３９からの距離は２９８．７７５ｍｍ（中心光線）であり、隅のＸ、Ｙ座標はｍｍ単位で、（７１３．０５８８８６、５７９．５０９１０３）、（６１１．０１８３８２、−２３５．６８２７２１）、（−６１１．０１８３８２、−２３５．６８２７２１）、（−７１３．０５８８８６、５７９．５０９１０３）である。表示面２０に関しては、傾き角は０度であり、ミラー３３からの距離は３８４．２２７８ｍｍ（中心光線）であり、サイズは幅１４８０ｍｍ×高さ８３４ｍｍ、対角線１７０２ｍｍである。

さて図９Ｂを参照すると、平面ミラー３３の上の画像の焦点スポット図が示されている。画像は、マイクロディスプレイ装置２４によって生成され、補正レンズ４９と非球面ミラー３９とを介して投影光エンジン１４によって投影された点の矩形５×７マトリックスであった。非球面ミラー３９の底部付近で凸面曲率の度合いを増加させることは、図９Ｂの底部付近で点が広がるようにするが、非球面ミラー３９の最上部付近で凹面曲率の度合いを増加させると、図９Ｂの最上部付近で点が圧縮される。図９Ｂが如何なる電子的修正からの効果も持たない焦点スポットの振舞いを示すことは留意されるべきである。

非球面ミラー３９の曲率は、キーストーン歪みを修正しようと試み、平面ミラー３３の表面に見られるように歪み低減の改善が見られる。焦点スポット図は、画像のエッジ付近の点に関してはまだ僅かなキーストーン効果ならびに焦点ぼけ効果が存在することを示している。この僅かなキーストーン効果は、平面ミラー３３からある一定の距離に表示面２０を配置することによって修正され得る。しかしながら、もし表示面２０が平面ミラー３３から遠く離れた距離に配置されれば、逆のキーストーン歪みと増加した焦点ぼけとが発生する。しかし、この僅かなキーストーン効果を修正するもう一つの手法は、以下に説明されるように電子的手段によって行われ得る。

さて図５、６、９Ａを参照すると、画像処理ユニット１２は、表示光学画像が歪みなしになるような仕方で、入力ディジタル画像に歪み補正を幾何学的に加えるために使用される。

特に図９Ａは、非球面ミラー３９といった湾曲ミラーでの理想的画像４４の反射の結果生じる歪んだ画像４０の例を与える。非球面ミラー３９はキーストーン歪みを修正するが、修正されるべきいくらかの残留歪みがなお存在する。また湾曲ミラーで反射するときにその湾曲ミラーに起因する歪みを修正または補正し、その結果、表示面２０に投影される理想的画像４４を与える歪み補正された画像４２が示されている。すなわち歪み補正された画像４２が湾曲ミラーで反射されるとき、理想画像４４が表示面２０に投影されるであろう。特に如何なる修正も存在しない場合、理想画像ＡＢＣＤは図示したように写像される隅／境界を有する湾曲した「台形」ＥＦＧＨとして表示面２０上に表示されるであろう。「台形」ＩＪＫＬによって示されるように逆の仕方で画像を補正することによって、表示される最終的画像は、スクリーン／理想画像ＡＢＣＤと正確に一致し、したがって歪みなしになるであろう。

したがって、投影システム１０は、投影光エンジン１４と関連反射（ミラー）光学系（図示せず）とによって導入された幾何学的歪み（図示せず）の逆である幾何学的変換にしたがって入力画像を歪み補正するために画像処理ユニット１２を使用する。もし投影システム１０内で得られた全歪み（レンズ／ミラーに起因する）が変換Ｆによって表されるならば、画像はＦ^-1にしたがって歪み補正され、また下記の関係が存在する：
表示画像＝Ｆ（Ｆ^-1（入力画像））＝入力画像 （２）
したがって画像処理ユニット１２は、歪みなしの表示画像のための要件に関連する制約からシステムを本質的に「解放する」。歪みをディジタルに修正する能力は、光学的幾何学形状と光学要素（湾曲ミラーが回転非対称であるか否かにかかわらず、ミラーとレンズの角度、タイプなどといった）が特定の設計目標の必要にしたがって変化しうることを意味する。画像処理ユニット１２によって与えられる幾何学的修正なしでは、種々の光学的処理ステップによって、表示画像内の歪みが生じる結果になるであろう。画像処理ユニット１２によって加えられる歪み補正は、本質的に、入力画像データの再サンプリング／フィルタリングである。ピクセルは、ピクセル位置が受ける幾何学変換を与えるＦ^-1にしたがって再サンプリングされる。変換Ｆ^-1は種々の光学要素の空間的変換特性から決定され得る。画像処理ユニット１２の仕様は、Ｆ^-1が指定されることを必要とするフォーマット（例えば２次元表面、１次元多項式など）を決定するであろう。

画像処理ユニット１２はまた、明るさあるいは輝度の不均一性を修正するためにも使用される。表示面２０上の表示画像は、投影光エンジンコンポーネント（例えば光発生ユニット、レンズ口径食（けられ）など）の限界に起因する、または光路の特性に起因する明るさのばらつきを持つ可能性がある。特に、表示面２０上で照明される点またはセクションは、反射と補正レンズの屈折とを含む全経路を考えると、投影レンズから異なる距離を進む光によって照明される。表示画像の点またはセクションに当たる光の強度は、光によって走行される距離の二乗に逆比例して変化するので、これは表示画像内における明るさのばらつきにつながる。軸外れ投影システムでは、スクリーンの最上部に当たる光線の進む光路長と、スクリーンの底部に当たる光線の進む光路長とにはより著しい差異が存在する。その結果、明るさのばらつきは、軸上投影システムよりむしろ軸外れ投影システムに関して、より大きくなる。

画像処理ユニット１２は、最終画像が均一な明るさで表示され得るように、投影に先立ってピクセル輝度を予め調整するために使用される。ピクセル輝度は、予め決められたマップ、Ｆ^-1に類似の例えばＧ^-1にしたがって色空間で予め調整され、表示面２０におけるピクセルの位置を与える。このマップは、色空間で動作するだけであって、更なるフィルタリングは必要とされない（すなわちピクセルの位置ではなく、ピクセルの色値だけが調整される）。Ｆ^-1に関してＧ^-1は、種々の光学要素と光路との明るさ／輝度変換特性から決定され得る。画像処理ユニット１２は、各ピクセルの色値にＧ^-1を適用するであろう。単純なケースは、線形関数：Ｇ^-1（Ｏ）＝αＯ＋βによって与えられる。ここでＯはＲＧＢ色値であり、関数パラメータαとβはすべてのピクセルに関して一定である。投影システム１０の電子的修正は、如何なる関連歪みもレンズの光学特性を整合させることによるよりもむしろ、予めワーピングすることによって除去されるので、光学レンズのより柔軟な選択を可能にする。特に同じサイズの画像を投影できる広角レンズが使用され得るが、より短い投影距離では投射比の減少に際して別の変数を与える。焦点問題（幾何学的問題とは反対の）は幾何学的歪み補正によっては修正されることができず、なお適当なレンズの選択によって光学的に取り組まれることを必要としていることに留意されたい。

画像処理ユニット１２によって達成される一般的電子的幾何学修正なしでは、投影システム１０は、全体的画像歪みが許容可能であることを保証するように設計されなければならない。このような設計の制約は、湾曲ミラーと軸外れ投影（キーストーン効果）と広角レンズとの歪曲効果によって問題となり得る。本発明の電子的修正の使用は、投影システムに関する設計の制約から除去されるべき幾何学的歪み（ならびに輝度の不均一性）を見込んでおり、またその代わりにこれらの以前の制約は、設計「自由度」であると考えることができる。したがって光路の画像歪みは、他の収差を改善するために自由に修正され得る。更に入力信号の（歪み補正を介した）ディジタル修正は、これを補正するために使用でき、したがって歪曲のない画像が観察スクリーン上に生成され得る。

各々が固有の光のパスバンド、例えばＲ、Ｇ、Ｂ上で機能する３個の独立した画像処理ユニットを備えることによって、これらのパスバンドの各々に関する歪み補正特性が個別に調整され得ることは、留意されるべきである。これは、光の異なる波長に関して異なる値を持つ光学効果に、例えば屈折率に起因する横の色シフト、あるいは色収差といった問題の修正を見込んでいる。この手法を利用するために、光変調器がこれらによって変調された光の別々のパスバンドに同期する固有の補正処理を受けるように、光源において関心のあるパスバンドを分離する手段（例えばカラーバンドパスフィルタ）が備えられなくてはならない。フィールド順次（フィールドシーケンス）または３パネル並行光変調方式の両者ともこの手法に従う。これらの色空間で３色以上を使用する方式は同様に取り扱われ得る。この手法は、処理コストは絶えず低下しつつあるが光学系と労働コスト（位置合わせに含まれる）は増加しつつあるので、エレクトロニクスのコストと光学系および位置合わせコストをトレードオフして、ますます費用効率的になる見込みがある。もし輝度補正も各パスバンドに適用されれば、照明源（例えば超高圧ガスと小さなアークとを使用する高強度放電光）のスペクトル特性は、より望ましい特性（例えばピークを表す代わりにより均一な）を持つように調整され得る。

反射のために湾曲ミラーを使用することは、減少したキーストーン効果と糸巻き型／樽型効果との組合せにしたがって、なお歪められているスクリーン画像という結果をもたらす。したがって単に光学要素の選択的配置によってこれらのタイプの歪みを補正することは、極めて困難である。投影システム１０の電子的幾何学的修正によって、これらの歪みは除去され得る。再び図９Ａを参照すると、湾曲ミラーの反射によって発生する可能性のある歪んだスクリーン画像４０と、幾何学的歪みを修正するために役立つ対応する歪み補正された画像４２との一例が示されている。しかし、反射光学系アセンブリ１６内で湾曲ミラーを使用する利点は、マイクロディスプレイ内の利用可能なピクセルの大部分またはすべての使用を維持しながら、キーストーン歪みが低減され得ることである。

さて再び図５、６を参照すると、画像源１８は画像処理ユニット１２にディジタル入力画像データを供給し、そして、この画像データは適当な歪み補正された画像が生成されるまで画像処理ユニット１２によって処理される。それから、歪み補正されたディジタル画像データは、光変調と、それに続く点Ｐにおける投影レンズ５による光反射アセンブリ１６への投影のために投影光エンジン１４に供給される。歪み補正された光学画像は、レンズにおいて（後述のようにレンズのシフトおよび／または傾きばかりでなく球面収差などから）歪められ、それから非球面ミラー３９によって最初に反射されるが、画像が観察者４による観察のために光反射アセンブリ１６の一次平面ミラー３３を通って表示面２０に達した後に画像が歪みなく見えるように、軸外れ角からのキーストーン歪みは画像を適当に満たし、湾曲面から反射することからの歪みは画像の最終的修正を行う。

投影光エンジン１４は、画像処理ユニット１２から歪み補正されたディジタル画像データを受け入れて、非球面ミラー３９によって導入される焦点ぼけを減少させるために使用される補正レンズ４９を通り抜ける変調された光ビームを生成する。補正レンズ４９は、投影レンズ５と非球面ミラー３９の特性に起因するビーム幅拡大を修正する。投影される画像が補正レンズ４９をいったん通り抜けると、画像は非球面レンズ３９に当たり、それによって反射される。反射された画像は、それから、歪み補正された画像を表示面２０（ＥからＦに延びる）上に反射する一次平面ミラー３３（ＡからＢに延びる）に当たる。非球面ミラー３９は、よりきつい凸面状の円筒面からよりゆるい凸面状の円筒面に徐々に変化するので、一次平面ミラー３３に与えられる投影画像はキーストーン歪みの効果に関して、すなわち表示面の最上部から表示面の底部への水平方向の拡大縮小の変化に関して、ある程度修正される。更に非球面ミラー３９の凹面状の垂直方向の曲率は、キーストーン歪みによる画像の垂直方向の拡大をある程度まで修正する。非球面ミラー３９のある程度の歪み修正は、画像処理ユニット１２が位置合わせ不良ばかりでなく残留歪みも補正するために電子的修正を行うので、問題でない。これは、位置合わせ不良の修正のための電子的手段が使用されない従来技術と対照的である。むしろ従来技術は、初期組立て時の正しい位置合わせと、機械的振動と温度変化との下における連続した位置合わせとを保証するために、精巧な光学的機械的熱的手法を使用している。

４個の点と、これらの点が一次平面スクリーン３３上で定義する台形は、スクリーンの平面内の「台形」（湾曲面からの反射によって今は湾曲している）によって囲まれた領域が表示面２０上でこのスクリーンを完全に取り囲むような仕方で反射されなくてはならない（台形ＥＦＧＨがスクリーンＡＢＣＤを完全に取り囲む図９Ａに示すように）。これは、画像処理ユニット１２による電子的修正の後に表示画像が表示面２０上で矩形スクリーンを正確にカバーすることを保証する。

もう一つの手法は、光が全光路を通過した後にスクリーンにおいて十分な解像度を維持する予め定義された歪み依存の形状に合うように形作られた複数ピクセルを有する投影光エンジン１４の光変調表示装置を設計することである。この形状は、マイクロディスプレイ装置に突き当たる光ビームが変調された後に光ビームが投影レンズを通り抜けて、湾曲ミラーから反射し、表示面の全矩形範囲をオーバーレイする適当なアスペクト比を持って表示面に当たるとような形状である。利用可能な光の最適な使用のために、マイクロディスプレイに突き当たる光ビームは、マイクロディスプレイの形状に従うように形作られ得る。これは、例えばマイクロディスプレイ表面に似せて形作られた全内面反射インテグレータロッドを使用することによって達成され得る。

説明のために、本発明の投影システム１０内の補正レンズ４９の重要性は、投影システム１０と、唯一の違いが補正レンズ４９を持たないことである類似の投影システム１００（両システムとも従来の投影レンズを使用する）との間の性能比較から見ることができる。投影システム１００は図１０Ａに示されており、種々の動作結果が図１０Ｂ、１０Ｃに示されている。特に補正レンズ４９の使用なしでは、歪み・プロット（図１０Ｂ参照）はキーストーン歪みの比較的妥当なレベル（非球面ミラー３９の使用により）を示すが、図１０Ｃは焦点ぼけがひどいことを示すということが分かる。特に図１０Ｃは、焦点スポットが表示面２０の中心では約５ｍｍ（５ピクセルスパン（画素直径））であって、表示面２０の周辺のエッジでは約３０ｍｍ（３０ピクセルスパン）であることを示している。焦点スポットサイズは表示面２０の周辺エッジで２０ｍｍを超えており、これは典型的な投影システムの焦点スポットサイズ要件を満たしていない。この場合、投影レンズは補正レンズ４９の特性を含むように設計され得る。図１０Ｂ、１０Ｃに関しては、電子的修正は使用されなかった。

これに反して図１１Ａ、１１Ｂに示すように、投影システム１０の性能は、補正レンズ４９が導入されて投影レンズ５の前に配置されるときに、著しく優れたものになる。特に、焦点スポットはすべて、許容可能な性能のために必要とされるように、スクリーン投影領域全面に亘って４ｍｍ（４ピクセルスパン）未満になることが、図１１Ｂから分かる。実際に、焦点スポットサイズは２〜５ｍｍの範囲にある。しかしながら、図１１Ａに示すように、補正レンズ４９によって少量の更なるキーストーン歪みが再導入されることは留意されるべきである。この少量の歪みは、もう一つの設計の繰り返しによって減らすことができる。特に非球面ミラー３９の表面は補正レンズ４９の存在のために再最適化されることができ、補正レンズ４９はまた非球面ミラー３９の新しく繰り返される規定を使用して再最適化され得る。図１１Ａ、１１Ｂに関しては、電子的修正は使用されなかった。

代替として、もし投影光エンジンの投影レンズが前述のように非球面ミラー３９を補正するように設計されれば、補正レンズ４９は必要とされない。これは、投影光エンジンの既存のレンズ要素の一つに補正レンズ４９の表面プロファイルを適用することによって遂行される。好適な候補は、既存のプラスチック成形された非球面レンズ要素である。これは、それだけでは完全な解を与えないであろうが、所望の表面プロファイルのための良好な一次近似を与えるであろう。更なる最適化は、補正レンズと組み合わされた既存のレンズの組合せより良好であるしつらえの投影レンズを与えることができる。

図１２を参照すると、システム１０の一次平面ミラー３３と非球面ミラー３９とに加えて、更に二次平面ミラー２０２という３個のミラーを組み込んだ代替の投影システム２００が示されている。非球面ミラー３９と二次ミラー２０２は両者とも小さいミラーである。投影システム２００は、減少したキャビネット奥行きを与えるために投影システムを収容するキャビネットに、投影光エンジン１４または投影レンズ５の取付けを選択する際のより多くの柔軟性を与えるための僅かに余分な高さを交換して、投影光エンジン１４のより垂直な方向の配置を可能にしている。ある幾つかの設計では、投影光エンジン１４は、配置におけるある程度の柔軟性を得るために、画像を９０度だけ回転させるために使用されるミラーによって、水平に配置されるかもしれない。このような設計では、画像もまたディジタルに９０度予め回転されることが必要である。これは、光変調器（例えばディジタルマイクロミラー装置またはＬＣＯＳパネルまたはＬＣＤパネル）が、典型的には４：３または１６：９のアスペクト比、すなわち矩形アスペクト比で製造されるからである。ミラーが光ビームを９０度だけ回転させるために使用されると、マイクロディスプレイの全領域を完全に使用するために、光変調器に送られる画像もまた回転させられるべきである。

代替実施形態では、本発明による投影システムは、単一の大きな平面ミラーと二つの湾曲ミラーとを含むことができ、湾曲ミラーの一方は、例えばプラスチックで作られた円筒のセクションを取り、それをマンドレルの上で曲げて、それに適当な反射特性を与えるためにスパッタリングされたアルミニウムを被覆することによって作ることのできる単純な曲げセクションである。他方の湾曲ミラーは、キーストーン修正の残り分を実行する、より小形の非球面ミラーである。さて図１３を参照すると、補正レンズ４９を有する投影光エンジン１４と湾曲ミラー３０２、３０４と大形の一次平面ミラー３３と表示面２０と画像処理ユニット１２（図示せず）とを含む投影システム３００が示されている。画像処理ユニット１２の使用は、湾曲ミラー３０２、３０４のために潜在的に極めて低価格のミラーが使用されることを可能にする。投影システム３００はまた、光反射アセンブリが今や湾曲した２個を含めて３個のミラーを含むことを除いて、投影システム１０（図５に示す）のその他のシステムコンポーネントを持っている。

湾曲ミラー３０２は、そのサイズが小さいことを除いて図１２の非球面ミラー３９に類似した非球面ミラーである。湾曲ミラー３０２と非球面ミラー３９とに関する曲率は、垂直方向には類似している。したがって湾曲ミラー３０２もまた非球面である。しかしながら、ミラー３０２の最上部とミラー３０２の底部との両方に、より弱い水平方向の凸面曲率か存在する。これは、単純な湾曲ミラーである湾曲ミラー３０４の曲率によって引き起こされる更なるビーム拡大によるものである。湾曲ミラー３０４の曲率は、ミラー３０４の底部付近に発生するより大きな曲率とミラー３０４の最上部付近のより小さな曲率とを有する円錐のセクションによって画定され得る。代替として湾曲ミラー３０４もまた、垂直方向に或る曲率を持ち得る。

二つの湾曲ミラーの使用は、非球面ミラー３９によるキーストーン修正のために必要な全曲率が今や二つの小さな湾曲ミラーによって分割されて与えられ得るので、有益である。ミラー自身とこのミラーがプラスチックの射出プロセスを介して量産される型とのいずれにとってもより少ない加工時間しか必要としないので、より小さな非球面ミラーは、より経済的に製造され得る。したがってこれら二つの湾曲ミラーの製造はおそらく、製造に要するコストを比較して単一のより複雑な非球面ミラーよりも経済的に達成され得る。最新の光学設計ツールは、二つの湾曲ミラー３０２、３０４の種々の構成をシミュレートすることを可能にしている。したがって曲率の最終的選択は、製造上のトレードオフに依存し得る。

本発明の前述の実施形態は、小さな湾曲ミラーの使用を示している。本発明による軸外れ投影システムのもう一つの代替実施形態は、単一の大きな湾曲ミラーを使用する。大きな湾曲ミラーとより小さな湾曲ミラーの大体の形状は似ている。しかしながら、より小さい湾曲ミラーの曲率半径は、大きな湾曲ミラーの曲率半径より小さい。大きな湾曲ミラーは、典型的には表示面と同じ垂直方向寸法を持っているが、大きな湾曲ミラーの水平方向寸法は、大きな湾曲ミラーの最上部付近の表示面の水平方向寸法と同じであって、大きな湾曲ミラーの底部付近の表示面の水平寸法より僅かに小さいであろう。大きな湾曲ミラーは表示面に最も近いミラーであって、もし構成上もう一つのミラーが存在すれば、それは投影光エンジンの近くに位置する折畳みミラーであり得る。折畳みミラーは、投影光エンジンの近くにあるほど小さいであろう。大きな湾曲ミラーを有する実施形態の利点は、湾曲ミラーが表示面により近くにあって、湾曲面から反射する光が表示面に当たる前に進む距離が遥かに短いので、焦点ぼけがよりよく制御され得ることである。

ここで図１４を参照すると、投影光エンジン１４と単一の湾曲ミラー４０２と表示面２０とを有する投影システム３００が示されている。単一の湾曲ミラー４０２は、表示面２０とほぼ同じサイズである。投影システム４０２は、投影システム１０（図５参照）と同じコンポーネントを含む。しかしながら、光反射アセンブリは単一の湾曲ミラー４０２だけを含む。前述のように、単一の湾曲ミラー４０２のビーム拡大焦点ぼけを修正する用途のために、あつらえの投影レンズが設計され得る。前述のように、軸外れ投影システムと、レンズ・ミラーのプロファイル設計及び画像処理の組合せによって行われる歪み修正とは、キャビネット厚さが短縮されることを可能にする。焦点ぼけは、大きな湾曲ミラーによってよりよく制御され得るので、より厳密な軸外れ幾何学構造が使用でき、結果としてＤ対Ｄ比とキャビネット厚さとにより大きな改善が得られる。

単一の大形湾曲ミラー４０２の表面プロファイルは、小形湾曲ミラー手法に使用されたものと似ており、すなわち単一の大形湾曲ミラー４０２のプロファイルは非球面、回転非対称、横方向に対称である。単一の大形湾曲ミラー４０２は、垂直方向に向いた凹面を有している。したがって湾曲ミラー４０２は、垂直方向の軸外れ拡大を補正するために垂直方向に画像を僅かに縮小する。単一の湾曲ミラー４０２は、投影レンズ／補正レンズと画像処理ユニット１２（図示せず）との組合せによって処理される歪みを導入する。もし補正レンズが使用されなければ、注文設計の投影レンズ（図示せず）が使用されなくてはならない。注文設計の投影レンズは、補正レンズの機能も備える多数要素のレンズ系であろう。注文設計の投影レンズは、歪みと必要とされる焦点制御との一部を緩和するためにシフト（ずらし）と傾斜の手法を含むことができる。

図１４Ｂ〜１４Ｄを参照すると、図１４Ａの投影システム４００に関する歪み・プロットと焦点スポット図とが示されている。図１４Ｂは、すべての利用可能なピクセルをほぼ完全に利用する、明らかに極めて良好である大形湾曲ミラーによって行われる歪み修正を示す。図１４Ｃは補正レンズ要素なしの焦点スポット図を示し、図１４Ｄは補正レンズ要素ありの焦点スポット図を示す。これらの結果において、投影システム４００は、６０インチ対角線の表示スクリーンと１１インチのキャビネット奥行きとを有する。ミラー４０２のサグは、４０ｍｍあるいは約１．５インチであった。もし図１４Ｂ、１４Ｄと図１Ｃ、１Ｄに示す従来の軸上性能と比較すれば、大形湾曲ミラーの手法が修正を有する既製のレンズを使用して残りの修正を修正するために如何なる画像処理もほとんど必要としない画像品質を与え得ることが分かる。これはまた、より進歩した注文レンズ設計を使用することと、傾斜、オフセット、画像処理といった他の手法を使用することとによって、Ｄ対Ｄ比の増加とキャビネット奥行き削減とが実現され得ることを意味している。図１４Ｂ〜１４Ｄに関して、電子的修正は使用されなかった。

以下の段落は、より良好なＤ対Ｄ比がますます精巧な手法を適用することによってどのように達成され得るかのステップごとの説明を、引き続き詳論する。ここで図１５Ａを参照すると、投影光エンジン１４と単一の平面ミラー５０２と表示面２０とを含む従来技術の軸上背面投影システム５００が示されている。このシステムは、９０度スクリーン投影角を有する。図１５Ｂ、１５Ｃはそれぞれ、歪み図と焦点プロット図を示す。投影システム５００は、大きな歪みまたは焦点ぼけを付加しない。キャビネット厚さＴ１は、３．５２のＤ対Ｄ比で、６７インチのスクリーン対角線に対して約１９インチ厚さである。焦点スポットはすべて、０．５ｍｍと１．５ｍｍとの間にある。図１５Ａ、１５Ｂに関して、電子的修正は使用されなかった。

次に図１６Ａを参照すると、投影光エンジン１４と表示面２０と単一の湾曲ミラー６０２とを含む、本発明による軸外れ投影システム６００の一部分が示されている。単一の湾曲ミラー６０２は、図７Ａ〜７Ｃに示すものと類似の非球面ミラーである。湾曲ミラー６０２は、約３０ｍｍのサグ（ミラーの６０２中心点に垂直である平面とミラー６０２のエッジに垂直である平面との間の距離である）を有する。図１６Ｂ、１６Ｃは、それぞれ、歪み図と焦点プロット図を示す。投影システム６００は表示面の最上部を満たすが底部を満たさない。キャビネット厚さＴ２は、４．２のＤ対Ｄ比のために前述と同じ６７”対角線で約１６インチ厚さである。キーストーン歪みは、単一の湾曲ミラー６０２によって低減されているが、なお図１６Ｂに示すように個々のラインのある程度の残余「ワーピング（ゆがみ）」が存在する。単一の湾曲ミラー６０２による歪みは、約７％に削減されている。５％という歪み値（利用可能ピクセルの約５％の喪失に対応する）は、許容可能であると考えられる。７％歪みは、画像処理ユニット１２によって容易に処理されることができ、１％未満にまで修正され得るであろうが、なお利用可能ピクセルの約７％の喪失という結果になるであろう。この歪みはまた、更なる最適化によって改善され得る。更に補正レンズは使用されておらず、僅かな焦点ぼけは投影光エンジン１４の投影レンズを約０．２度傾けることによって除去されている。図１６Ｃの結果的に得られたスポットは、図１５Ｃに示したものと同じく、０．５ｍｍと１．５ｍｍとの間にある。図１６Ｂ〜１６Ｃに関して、電子的修正は使用されなかった。

図１７Ａを参照すると、投影光エンジン１４と表示面２０と単一の湾曲ミラー７０２とを含む、本発明による軸外れ投影システム７００の一部分が示されている。単一の湾曲ミラー７０２は、約７０ｍｍのサグ（上述のように定義される）を有する非球面ミラーである。図１７Ｂ、１７Ｃは、それぞれ、歪み図と焦点プロット図を示す。投影システム７００は、キーストーン歪みを有し、表示面の最上部を満たさない。キャビネット厚さＴ３は、結果として得られる５．１５のＤ対Ｄ比のために同じ６７”対角線表示を持ち、約１３インチ厚さである。投影システム７００では、湾曲ミラー７０２は、キーストーン歪みを修正し、画像に表示面２０を満たさせるために十分な拡大率を付加する。結果として得られる歪みは約３％である。これは、更なる最適化と画像処理ユニット１２の使用とによって改善され得る。更に補正レンズは使用されておらず、僅かな焦点ぼけは投影光エンジン１４の投影レンズを約０．８度傾けることによって除去されている。図１７Ｂ〜１７Ｃに関して、電子的修正は使用されなかった。

図１６Ａ、１７Ａの投影システムでは、湾曲ミラー６０２、７０２はキーストーン歪みに起因する垂直方向の拡大を修正するために垂直方向の凹面をなお必要としている。しかしながら、この場合、湾曲ミラー６０２、７０２は表示面の最上部よりも底部により多く存在する水平方向の圧縮を修正するために、単に水平方向の凸面を必要とする。この場合、投影レンズは表示面の最上部に、所望のものに等しいかそれより僅かに小さい水平方向の画像サイズを生成するように設計されているので、湾曲ミラー６０２、７０２の最上部における水平方向のミラー曲率は、単に僅かに凸面であることを必要とする。これに対応して、表示面の底部では、キーストーン歪みは所望のもよりも遥かに小さい水平方向の画像サイズという結果になるので、水平方向のミラー曲率は、より大きな拡大率を与えるためにより強い凸面であることが必要であろう。それにもかかわらず湾曲ミラー６０２、７０２はなお、非球面ミラー３９と同じ機能を実行し、同じ基本形を持ち、したがって回転非対称である。

補正レンズ４９は、個別レンズであるか複合レンズの一部であるかにかかわらず、小形または大形の非球面の回転非対称なミラーと共に使用されるかどうかにかかわらず、同じ機能を実行する。したがって補正レンズ４９は、いずれの場合にも同じ基本形状を有する。一般に、補正レンズ４９の形状は、補正レンズ４９が非球面ミラーに行く光ビームを適当に形作ろうと（すなわちビーム拡大を減らし、それによってスポットサイズを縮小しようと）試みているので、湾曲非球面ミラーの形状をたどる。一般に軸外れ幾何学形状によって、非球面ミラーの最上部と底部との間には、したがって補正レンズには著しい非対称性が存在する。

図１５〜１７のシステムは、ｆ：５で１２．３ｍｍ焦点距離のレンズと１８ｍｍ対角線のマイクロディスプレイとを有する８要素投影レンズを備えた投影光エンジンを使用して設計された。このマイクロディスプレイは、１２８０×７２０ピクセルのサイズに関して１２．２７ミクロンの、あるいは１９２０×１０８０ピクセルのサイズに関して８．１７ミクロンのピクセルピッチを有する。この投影光エンジンは、３２．８度の投影射出円錐角を有する。ここに示すその他のシステムは、ｆ：２．８で１８．７ｍｍ焦点距離のレンズと０・９インチのマイクロディスプレイとを有する８要素投影レンズを備えた投影光エンジンを使用して設計された。この投影光エンジンは、３１．７度の投影射出円錐角を有する。しかしながら本発明では他のタイプの投影光エンジンも使用可能であろう。更にここに示された投影システムの側面図は、一定の縮小率で描かれている。これらの投影システムは、例示目的のために図示されており、本発明を限定することは意図されていない。

背面投影システムもまた常に、表示面（すなわちスクリーン）からその前にいる観客に向かって水平に現れるビームに投影画像からの光を方向付けする手段を含む。フレネルレンズは点光源から（すなわち投影機２５内から）投射される大束の光をコリメートする軽量で比較的低価格の手段であるので、典型的にはフレネルレンズを含んだスクリーンアセンブリが使用される。更に、光の空間分布は、フレネルレンズの中心部分に有利に働く傾向がある。フレネルレンズが投影システム１０内で有利に使用されるために、フレネルレンズの焦点距離は、点光源（特に光変調マイクロディスプレイ装置の表面）からの距離と一致するべきである。フレネルレンズは、表示面２０の背面に、ある角度で到達するほぼ完全な光学画像を搬送する光線を回転させコリメートするために使用される。光学画像を形成する光線は、表示面上の光線の位置によって異なる角度でフレネルレンズに当たり、またフレネルレンズは、スクリーンに垂直な射出角で光線を送出するために適当な角度（水平方向と同様垂直方向にも）を介して光線を回転させなくてはならない。前述のように、フレネルレンズの中心は、表示面の中心から下方にかなりオフセットされるであろうが、このオフセットの度合いは投影システムのＤ対Ｄ比（すなわち使用される軸外れ幾何学構成の量）に依存する。

代替の構成では、種々の実施形態における非球面湾曲ミラーは、反射性フレネルミラーであり得る。フレネルミラーは、通常のミラーの湾曲表面を薄い軽量のプラスチックシートに成形された一連の同心円の溝で置き換える。これらの溝は、元の厚い湾曲ミラー表面に極めて近い近似で平行光線を反射する、断面で見たとき小さなプリズムのような個々の反射面として機能する。フレネルミラーは、非球面湾曲ミラーの曲率を複製するために型に等ピッチ円形溝を切り、この型からフレネル構造を製造し、それからそれに前面ミラー（ＦＳＭ）仕上げを与えるためにこの構造体の表面を金属被覆することによって作ることができる。このフレネル非球面ミラーは、湾曲ミラーのサグを除去することによって更に１〜２インチだけ投影システムのキャビネット奥行きを減らすことができる。一例では６０”対角線×８”厚さのシステムにおいて湾曲ミラーの代わりにフレネルミラーを使用することによって１．５”の厚さの節約が実現でき、おそらく９：１のＤ対Ｄ比（すなわち６．５”奥行きで６０”対角線）が達成可能であり得る。これは、フレネルミラーが対称ミラー設計から作られなくてはならず、また厚さの僅かな減少が投射比の僅かな変化を意味するので些細な代用ではない。しかしながら、キャビネット厚さの削減は、フレネルミラー解決策を発展させるための動機付けである。フレネル非球面ミラーは、それが置き換える湾曲ミラーと同じサイズであるが、それは遥かに薄い。フレネルミラーの小さな反射溝が非球面非対称湾曲ミラーの表面曲率と同様な効果を与えるので、フレネルミラーはまた、非球面非対称湾曲ミラーが行うのと丁度と同様にキーストーン歪みを減少させる。しかしながら、キーストーン歪みを減らす際のフレネルミラーの性能は、対称フレネルミラーに関する非球面非対称湾曲ミラーの性能ほどは良好でない可能性がある（この場合、画像処理ユニットが更なる歪み修正を与える必要がある）。

一例として、フレネルミラーは、各半径で連続した最大５カットを取ることで溝を切る天然ダイアモンド工具によって、０．１ｍｍ溝ピッチを持つことができる。本技術に精通する人々に知られているように、冷却目的と機械加工された材料を除去するために、切削領域を溢れ流れるように使用される専用の液体を用いて、これらの工具は固有の先端含有角度で特別にカットされ、型は黄銅で作られる。フレネル非球面ミラーは、好ましくはそれが代わりに使われる湾曲した回転非対称のミラーの性能を複製するために非対称である。しかし、フレネル型構造体は旋盤で機械加工されるので、現在の製造上の制約は、フレネル型構造体に回転的対称性を課している。対称フレネルミラーの使用は、投影レンズ設計と画像処理ユニット１２とが歪み修正と焦点スポット縮小とにより多くの責任を負わなくてはならないことを意味する。

さて図１８Ａを参照すると、非球面湾曲ミラーの代わりにフレネルミラー７５２が使用される本発明による投影システム７５０のもう一つの実施形態が示されている。投影システム７５０は、平坦なまたは湾曲されたものであり得るミラー７５４と、投影光エンジン７５６と、表示面２０と、画像処理ユニット（図示せず）とを更に含む。フレネルミラー７５２のための型は、旋盤で機械加工されるように設計されるので、すなわちフレネルミラーは回転的に対称な非球面ミラーを置き換えるように設計されるので、現在の技術によって製作され得る。型からプラスチックフィルムを製造するために従来の紫外線硬化ポリマー技術が使用でき、またこのプラスチックフィルムは非球面ミラーの光学特性を表す溝を持っている。このフィルムは、剛性の基板上に取り付けられる必要があるであろう（これは良く知られた手法で、例えばガラスに接着され得るであろう）。ミラー表面を得るために、本技術に精通する人々に一般に知られた、フィルムの溝側に反射性の表面を堆積する方法が必要とされる。いったん完全なフレネルミラーが製造されると、フレネルミラー７５２を与えるために完全なフレネルミラーの中心から四辺形のセグメントが切り出される。この四辺形セグメントは、ミラー７５２として使用される。図１８Ｂは、完全なフレネルミラーから切り出された同等の四辺形フレネルミラーセグメント７５２の下に在る、元の湾曲ミラーセグメントの形状の３次元表現を示す。

さて図１８Ｃを参照すると、補正レンズが使用されず、投影光エンジン７５６が補正レンズ機能を持つように設計されていないときの投影システム７５０の性能を示す歪み・プロットが示されている。フレネルミラー７５２は、本発明の非球面で回転非対称な湾曲ミラーの非対称性を持たないので、キーストーン歪みを効果的に修正できないことは留意されるべきである。しかしながら補正レンズ（そのプロファイルは図１８Ｄに示されている）の追加は、図１８Ｅに示すように歪み・プロットに大きな違いを生じさせる。この場合、補正レンズは（旋盤で機械加工されるよりもむしろ成形され得るので）対称であることに限定されず、またスポット焦点ぼけを減らす際に、より大きな役割を演じなくてはならない。図１８Ｅに示す歪み・プロットは、ディジタル画像処理を使用して１％未満の許容可能なレベルにまで改善され得る。この特定の例では、対応する非球面、対称ミラーセグメントのサグは、４５ｍｍであり、３ｍｍ厚さのフレネルミラー７５２を代用することによってキャビネット奥行きは４２ｍｍだけ削減される。

図１８Ｆは、フレネルミラー７５２と共に使用され得る注文製の投影レンズの上面図を示す。投影レンズ７６０は、レンズ要素７６２の非球面非対称表面が図１８Ｄに示すレンズプロファイルを持つように第２のレンズ要素７６２が変えられていることを除いて、図２１Ａ〜Ｂに示す投影レンズと同じである。同様に図１８Ｇは、投影レンズ７６０の側立面図を示す。図２１の投影レンズと同様に投影レンズ７６０もまた、その設計においてシフト・傾斜手法を使用している。レンズ要素７６２は、非球面で回転的に対称なフレネルミラーを取り扱わなくてはならない補正レンズの機能を組み込んでいる。補正レンズ表面は、非球面で非対称であり、レンズ要素７６２の右側の表面である。補正レンズ表面の主要な目的は、レンズ表面がキーストーン歪みをある程度修正するであろうが、焦点ぼけを修正することである。

前述のように投影光エンジンにおける投影レンズの傾斜とシフトは、非球面ミラーによって導入される歪みを修正するために使用され得る。特に投影レンズに関するマイクロディスプレイ装置のレンズシフトまたはシフトは、キーストーン歪みを減らすために本発明の軸外れ投影システムのどれにでも付加され得る。レンズシフトは、まさに、軸外れ投影から結果的に生じるキーストーン歪みを修正する際のもう一つの手法であり、したがって改善されたＤ対Ｄ比を得ることができるもう一つの方法であることは理解されるべきである。

図１８に関して種々のコンポーネントのための例示的寸法が今、与えられるであろう。ミラー７５４に関しては、傾き角は−１９度であり、投影レンズにおける最後のレンズ面からの距離は６５．０８７７３６ｍｍ（中心光線）であり、ｍｍ単位での隅のＸ、Ｙ座標は（６８．７６６５９２、９２．７０４３１６）、（５１．２９２７６５、１０．９４７６９５）、（−５１．２９７１３３、１０．９４９８４１）、（−６８．７６５１４９、９２．７０９８９３）である。フレネルミラー７５２に関しては、ミラーサグは４６．３４ｍｍであり、傾き角は＋１９度であり、ミラー７５４からの距離は３５３．０１１３ｍｍ（中心光線）であり、ｍｍ単位での隅のＸ、Ｙ座標は（３３３．９６５５４３、４６４．９４１４９９）、（２５２．９３１４０１、７４．６２３２８１）、（−２５２．９６３９７０、７４．６４００２２）、（−３３３．９５７１３１、４６４．９７４７８７）である。表示面２０に関しては、傾き角は−１９度であり、ミラー７５２からの距離は５３９．７３５７ｍｍ（中心光線）であり、サイズは、１５２４ｍｍ対角線で１３２６ｍｍ幅×７４７ｍｍ高さである。

図１９Ａを参照すると、図１９Ｂに示すような２７％キーストーン歪みを生成する従来技術の３０度軸外れ投影システム７８０が示されている。投影システム７８０は、レンズシフトを使用しない。図１９Ｃを参照すると、マイクロディスプレイ／ＴＩＲプリズムアセンブリ８０２を通る光軸の中心線と投影レンズ８０４自身の光軸の中心線と間にオフセット／シフトが存在することを意味するオフセットまたはシフトを使用する、投影光エンジン８００のための従来技術の投影レンズ配置が示されている。この例では、もし軸上投影システムで投影光エンジン８００が使用されれば、このシフトは図１９Ｂの２７％キーストーン歪みを生成するために十分な大きさである。図１９Ｄを参照すると、投影光エンジン８００を利用する３０度軸外れの従来技術の投影システム８２０が示されている。この配置では投影光エンジン８００のシフトは、キーストーン歪みを除去するために十分な大きさである（図１９Ｅ参照）。図１９Ａ〜Ｅのいずれも本発明のコンポーネントを示していないが、図１９Ｃ〜Ｄに示す従来技術の手法は、減少したキャビネット奥行きに十分な画像品質を与えるのを助けるために、本発明の実施形態のいずれにも付加することができる。

投影レンズのシフトは、投影レンズ８０４の下半分の大部分が使用され、光線が上半分の一部分を通らないので投影レンズ８０４の上半分の一部が使用されないようにする。しかしながら、球面の投影レンズの外周部は中心部より多くの収差を持つので、投影レンズは、より多くの近軸光線を使用できることの代わりに投影レンズのコストを僅かに増加させるシフト／オフセットが使用されない投影レンズより大きな直径を持つように設計されなくてはならない。もし投影システムの軸外れ角が２７％より大きな歪みが存在するほど大きければ、シフトによって修正されない数パーセントのある過剰な歪みが存在するであろう。この過剰な歪みは、画像処理ユニット１２または湾曲ミラーまたは両者の組合せによって処理され得る。代替として、もし投影システムの軸外れ幾何学構成が２７％未満の歪みが存在するほど低い角度を持つならば、投影レンズ８００は過剰修正し、反対符号のある程度の歪みが存在するであろう（すなわち表示面上で画像の底部は画像の最上部より大きい）し、またそれは画像処理ユニットによって、またはミラープロファイルの変更によって修正され得る。

２７％という値が例として与えられており、また投影レンズ８００におけるシフトの他の量は、他の量の歪みを修正するために使用され得る。しかしながら適用され得るシフトは、より大きなシフトが適用されると投影レンズの入射瞳におけるカバーレッジ（包括域）はシフトされたマイクロディスプレイを包含する円をカバーするように十分に大きくなければならず、またレンズはこの画像を表示面に投射するために十分に広角設計でなくてはならないので、高価な設計という結果を招く可能性がある。投影画像が歪みなしに、また卓上の表面からの干渉なしに僅かに軸外れ上向きに投影されるように、卓上設置型前面投影機では一般に少量のシフトが使用されることが留意されるべきである。

レンズシフトは、投影エンジン設計を複雑にするが、それが使用されるときそれは効果的であり得る。レンズシフトに密接に関係しているのはレンズ傾斜である。最新の投影光エンジンがこれらの手法の両者を使用することによって利益を得られることは、本技術に精通する人々によって知られている。しかしながら、どちらも単独で適用され得る。レンズ傾斜は、典型的には傾いた焦点面に起因する焦点問題を修正するために使用される。今までに示した例では、傾いた焦点面は存在していない（すなわちマイクロディスプレイと表示面は平行である）。しかしながらレンズシフトが使用されるとき、レンズシフトに起因する画像のオフセットが存在する（すなわちもし５０％オフセットが使用されれば、画像の底部は投影レンズの中心に近くなるであろう）。如何なるレンズによって生成された画像でも湾曲像面を持つので、表示面に投影される画像の最上部は表示面に投影される画像の底部よりも近くに焦点を結ぶ。マイクロディスプレイの面とレンズの面と表示面とがすべて同じラインに沿って交差する構成は、キーストーン歪みを減少させるであろう。これは、前面投影システム９００に関する図２０Ｂに模式的に示されたシャインプフルーク（Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ）の原理として知られている。スポット焦点ぼけと戦うために、投影レンズは「像面湾曲」の効果を減らすように傾けられ得る。代替として、表示面は内側に傾けられ得るであろうが、投影エンジンを僅か外側に傾けることはより容易である。

図２０Ａを参照すると、投影レンズ９０２の軸に傾きが存在する従来技術の投影光エンジン９００が示されている。この傾きは、キャビネット奥行きを減らしながら像面湾曲スポット焦点ぼけの効果を減らしてシステム性能を改善するために、本発明の投影システムのどれにでも付け加えることができる。この傾きは、マイクロディスプレイ９０４の画像表面の平面と投影レンズ９０２の開口入口面の平面との間のものである。この例では傾きは、２、３度に達し、典型的には投影光エンジンにシフトが存在するかどうかとそのシフトの大きさとに依存して、ほぼ１〜２度程度である。如何なる物理的レンズからも現れる球面の波面は、焦点距離の半径の球面に沿って存在する最もよく焦点の合った像点という結果を生じる。Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの原理は、もし画像平面とレンズ平面と表示面のすべてが同じラインに沿って交差すれば焦点スポットは最小にされるであろうと述べている。

図２０Ｂを参照すると、内蔵マイクロディスプレイ傾斜を有する投影光エンジン９００が、Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ条件を満たす構成で示されている。この図に示された「ベストフォーカス（最良焦点、最適焦点）の平面」は、最もよく焦点の合った点が球面に沿って存在するので、実際にベストフォーカスの平面である。この平面は、投影画像の湾曲像面を横切るように示されている。表示面は、表示面の平面と投影レンズの主軸に垂直な平面との間の角度を機械的に減らすことによってこの平面と一致するように動かされなくてはならない。非球面ミラーなどといった投影システムのその他のコンポーネントは、明確さのために図示されていないが、それらが存在していることは明らかである。最良の焦点は常に弧に沿っているので、平面スクリーンでは焦点問題が常に存在するであろう。本発明の軸外れ投影システムでは、焦点問題を軽減するために内蔵の傾きを有する投影光エンジン９００が使用され得る。もしベストフォーカスの平面（ベストフォーカスの球形波面に最もよく合うように重ね合わされる）と一致するように表示面が数度傾けられたとすれば、スポットサイズは改善されるであろう。概念的には、マイクロディスプレイ９０４に対して投影レンズ９０２を後方に傾け、それからＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの原理に合うように投影光エンジンを数度前方に傾けることは、より容易である。機械的には、これはレンズマウントの慎重な設計と、正確に傾けられた鏡胴および／または軸外れ機械加工および／または特殊なシム（楔）／座金などの使用とによって実現されなくてはならない。傾けられた投影レンズ９００は、本発明の投影システムのどれにでも使用できる。この考えはまた、前面および背面投影システムの両者に適用可能である。

既製の投影レンズを使用して、投影レンズがそのために設計された、より小さなマイクロディスプレイを有する光エンジンで使用されるレンズを傾けるか、またはシフトする（すなわちオフセットする）ことは可能である。上述のように、何らかの機械的変更は実施されることが必要であろうことは無論である。投影光エンジンがレンズシフトもレンズ傾斜も使用しない、またはレンズシフトだけを使用する、またはレンズ傾斜だけを使用する、またはレンズシフトとレンズ傾斜両方の組合せを使用する本発明の実施形態のどれにでも投影光エンジンが使用され得ることは理解されるべきである。例えば特定の光変調器のために設計された既製の投影レンズは、シフトと傾斜とを適用することによって異なる、より小形の光変調器での使用のために修正され得る。例えば本発明者らは、１．２”対角線の光変調器用に設計された商用レンズを、０．８”対角線の光変調器での使用のために、５０％だけシフトし、１度の何分の一だけこのレンズを傾けた。５０％のシフトは、マイクロレンズの最上部エッジが投影レンズの中心にまでシフトされて投影画像の大部分がレンズの上半分から投射されるようにすることを意味する。この場合、画像品質は補正レンズが必要でないほど十分に良好であり、したがって注文の投影レンズ設計の費用が節約された。しかしながらこの設計は、０．８”マイクロディスプレイが第一に軸外れ構成のために必要なシフトと傾斜とに適応するために、第二に異なる光エンジン用に設計された投影レンズの取り付けのために、投影光エンジンの変更を必要としたであろう。その結果は、０．８”光変調マイクロディスプレイを使用する６０インチ対角線と８インチキャビネット奥行きとを有する背面投影軸外れシステムである。これは、より大きな（おそらく、より高価な）１．２”光変調マイクロディスプレイを使用する６０インチ対角線と２０インチキャビネット奥行きとを有する通常の投影システム用に設計された投影レンズを使用することによって達成された。

前述のように、光エンジンに搭載される注文設計の投影レンズは、補正レンズ４９をなくすために、本発明の種々の実施形態において使用可能である。注文製の投影光エンジンは、その投影レンズハウジング内に補正レンズ４９を含むことができる。この場合、投影光エンジンのハウジングはより長くなり、投影光エンジン全体はより高価になる。代替として注文製の投影光エンジンは、湾曲非球面ミラーによって導入された歪みをある程度または完全に修正するために非球面で回転非対称の曲率を有する注文製のレンズ要素を含むことができる。この場合、注文製の投影光エンジンはよりコンパクトになる。

非球面的に湾曲した回転非対称のミラーと共に使用できる注文製のレンズの一例が図２１Ａ〜２１Ｃに示されている。この設計はまた非球面的に湾曲した回転的に対称なミラー（このミラーの代わりにフレネルミラーを使用するために）とも同様に（図１８Ｆ〜Ｇ参照）機能するように使用されたが、これらのレンズ要素のうちの一つレンズ要素の表面プロファイルは変更されなくてはならなかった。さて図２１Ａ、２１Ｂを参照すると、注文製の８要素投影レンズ９５０の上面および側面の断面図が示されている。投影レンズ９５０の要素は、右から始めて凸凹面を有する第１の要素９５２と、非対称非球形凹面を有する第２の要素９５４と、ダブレットである第３の要素９５６と、両凸レンズである第４の要素９５８と、ダブレットである第５の要素９６０と、ダブレットである第６の要素９６２と、両凸レンズである第７の要素９６４と、平凸レンズである第８の要素９６６とである。レンズシフトとレンズ傾斜の両方が使用されており、図２１Ｂはシフト（オフセット）を極めて明瞭に示しているが、傾斜は少し見えにくい。この傾斜は、レンズ要素９６６から始まっている。

図２１Ｃは、注文製の投影レンズ９５０の第２のレンズ要素９５４に組み込まれた非球面で回転非対称の面のプロファイルを示す。図２１Ｂの側面図ではこの表面とレンズ要素９５２の第２の表面との間に何らかの干渉が存在するように見えるが、これは、レンズの底部が使用されず（シフトのために）また削り落とされ得るので、実際には発生しないであろう。投影レンズ９５０は、焦点の修正を持っており、また補正レンズを使用する湾曲ミラーシステムのどれにおいても使用され得る。図１８の投影レンズは、対称な表面を使用しなくてはならないという制約のためにフレネルミラーによって完全には処理できないキーストーン歪みに関する修正を行う。

図２２を参照すると、本発明の画像処理ユニット１０００の例示的実施形態のブロック図が示されている。画像処理ユニット１０００は、如何なる残留キーストーン歪みおよびその他の空間歪みも修正するために、本発明の如何なる実施形態の光学系にも統合され得る。画像処理ユニット１０００は、図示のように接続された画像捕捉（撮像）モジュール１００２と、画像プロセッサモジュール１００４と、表示コントローラモジュール１００６と、コントローラ１００８と、メモリインタフェースモジュール１０１０とを含む。画像捕捉モジュール１００２と画像プロセッサモジュール１００４と表示コントローラモジュール１００６はすべて、データとパラメータの記憶と検索のためにメモリインタフェースモジュール１０１０に接続される。

未処理の画像データは、画像捕捉モジュール１００２によって検索され、そこでディジタル化される。ディジタル化された画像データはそれから、輝度修正ステージ１０１２と画像ワーピングステージ１０１４とを経由してディジタル画像処理とキーストーン修正とのために画像プロセッサモジュール１００４に送られる。画像プロセッサモジュール１００４は、コントローラモジュール１００８から歪みパラメータを取得し、ディジタル画像データを歪み補正するために、画像ワーピングステージ１０１４を経由して画像変換を生成する。この歪み補正されたディジタル画像データはそれから、表示コントローラモジュール１００６に渡され、このモジュール１００６は、歪み補正された画像データに基づいて光を変調し、光エンジンからこの光を投影する。この光が全光学系を通って投影システムの表示面に伝播するとき、全光学系に起因する歪みは画像内に存在する補正的歪みを打ち消し、結果として得られる表示は、実質的に歪みなしになる。

輝度修正ステージ１０１２は、明るさまたは輝度の不均一性を修正するために使用される。したがって輝度修正ステージ１０１２は、入力画像データを受け取って、輝度調整された画像データを生成する。輝度修正ステージ１０１２は、表示画像の点またはセクションの強度が走行距離の二乗に逆比例して変化し、これが表示画像内の明るさのバラツキにつながるので、所定のピクセル位置における色空間のピクセル輝度を修正するために予め決められたマップを適用する。画像マップのための種々の方程式が使用され得る（線形の例は、前に与えられた）。

画像ワーピングステージ１０１４は、投影レンズ５と補正レンズ４９と非球面ミラー３９と軸外れ投影幾何学構成と設置の位置合わせ不良とに起因する残留未修正歪み組合せを修正するために使用される。画像ワーピングステージ１０１４は、投影光エンジン１４とその関連する反射（ミラー）光学系（図示せず）とによって導入された幾何学的歪み（図示せず）の逆である幾何学変換にしたがって入力画像を歪み補正するために、入力画像に変換を適用する（その一例は図９ａに示されている）。したがって画像ワーピングステージ１０１４は、輝度調整された画像データを受け取って歪み補正された画像データを生成する。画像ワーピングステージ１０１４は、如何なる関連歪みも投影光エンジンのレンズの光学特性を整合させることよりも、むしろ事前ワーピングによって除去されるので、光学レンズのより柔軟な選択を可能にする。画像ワーピングステージ１０１４の特定の実施形態は、引例によってここ組み込まれているＧｒｅｇｇａｉｎらの米国特許第５，５９４，６７６号によって与えられている。

輝度修正ステージ１０１２と画像ワーピングステージ１０１４は、白色光のすべての成分波長に等しく作用できる。しかし、このステージはまた、Ｒ、Ｇ、Ｂの波長にしたがって異なって作用し得る。これは結果として、更なる利益、すなわち横の色シフトの修正と、ある一定の色収差の修正とをもたらす。もし色収差と横の色シフトとが画像処理ユニット１０００によって修正されることができれば、投影レンズ設計は、対応する製造コストの節約と共に大いに単純化され得る。しかしながら、画像処理ユニットの各ステージに１個の代わりに３個の同じ画像処理エンジンを必要とすることにより、エレクトロニクス（電子的手段）のコストは上昇するであろう。

輝度修正ステージ１０１２と画像ワーピングステージ１０１４は、ソフトウエアモジュールによって、またはディジタル信号プロセッサといった専用の処理回路によって、または特定用途向け集積回路によって実現可能である。データ経路におけるこれらのステージの順序はまた、交換可能である。

使用時に歪みパラメータの全空間をカバーする歪みパラメータの値の包括的範囲は、最初に画像処理ユニット１０００に関して取得される。歪みパラメータに関する値は、ユーザインタフェースを介して取得でき、投影システムの種々の幾何学的光学的構成にしたがってオフラインで決定され得る。歪みパラメータに関する各１セットの値のために、画像ワーピングステージ１０１４によって適用される歪み補正変換をパラメータ化する変換が取得される。それから、歪みパラメータに関する可能な値の全空間をカバーする歪みマップデータベースが用意される。このデータベースへのアクセスは、製造時、出荷後などに発生し得る較正が投影システムのために必要とされるたびごとに必要となる。それから、投影システムの最終的歪みパラメータに対応する歪みマップデータベースから、単一の歪み変換が抽出される（すなわち、いったん投影システムが設置されると、光学的位置合わせは手付かずであるので、あまり大きくは変わらないであろう）。最終歪みマップは、ディジタル化された入力画像データを幾何学的に調整する（すなわち歪み補正する）ために画像ワーピングステージ１０１４によって使用される。

一般に本発明による投影システムの実施形態に関してここに示された種々の性能図は、画像処理ユニット１２によって実行される修正を示していない。しかしながら、電子的修正が画像処理ユニット１２によって行われるとき、歪みが１％以下の値にまで大幅に削減されることは理解されるべきである。

本発明者らは、レンズ傾斜と、レンズシフトと、おそらくは投影レンズ光学系における一つ以上の非球面要素と、少なくとも一つの湾曲非球面ミラーと、電子的歪み修正との種々の組合せを使用する投影システムにおいて許容可能な画像品質を保持しながらＤ対Ｄ比が改善され得ることを見出している。画像処理ユニットによって与えられる電子的歪み修正は、設計の結果、または個別のコンポーネントの偏差に起因する、および／または上記の要素の種々の組合せに関する機械的組立て公差に起因する残留歪みを「チューンアウト（調整）」するために、特別な自由度として使用され得る。

消費者用ＲＰＴＶにおけるＤ対Ｄ比に関する技術の現状は、約３．２：１である。業務用背面投影システム（消費者用製品よりも３〜５倍高価である）におけるＤ対Ｄ比に関する技術の現状は、約６：１である。本発明の種々の実施形態は、消費者用ＲＰＴＶが５：１以上のＤ対Ｄ比を達成することを可能にするであろう。例えば単純な非球面投影レンズと画像処理ユニットとを有する大形の湾曲ミラーを使用して５．５：１のＤ対Ｄ比を達成することが可能である。もう一つの例は、マイクロディスプレイのシフトと傾斜とを前のケースに加えて、注文設計のレンズプロファイルを再度最適化することによる７．５：１のＤ対Ｄ比である。消費者用ＲＰＴＶ製品に関する他の例は、ａ）外付け補正レンズを有する投影レンズに傾斜もシフトも使用しない小形湾曲ミラー軸外れ投影システム（図６に示すシステムに類似の）に関する６というＤ対Ｄ比と、ｂ）外付け補正レンズを有する投影レンズに傾斜もシフトも使用しない大形湾曲ミラー軸外れ投影システム（図１６Ａに示すシステムに類似の）に関する７．５というＤ対Ｄ比と、ｃ）注文の投影レンズ設計にシフトばかりでなく傾斜も使用する大形湾曲ミラー軸外れ投影システムに関する７．５というＤ対Ｄ比（これは図１８Ａに示す構成において図１８Ｆ〜Ｇに示すレンズを使用することによって達成され得るであろう）と、ｄ）注文の投影レンズ設計においてシフトばかりでなく傾斜も使用する大形フレネルミラー軸外れ投影システムに関する８．５というＤ対Ｄ比（これは図１６Ａに示す構成において図２１Ａ〜Ｂに示すレンズを使用することによって達成され得るであろう）である。投影光エンジンがキャビネットの厚さ内に納まるためのある一定の最小機械寸法が満たされる限り、すべてのものは直線的に比例するので、スクリーン対角線とキャビネット厚さとに関する詳細が、比率を除いてあまり重要でないことは理解されるべきである。

しかしながら、これらの手法の使用においては、コストと性能とのトレードオフ関係が存在する。例えばレンズまたはマイクロディスプレイのオフセットの使用は、コストを増加させる大きなレンズ開口を使用することを含む。このトレードオフは、大きなレンズ／マイクロディスプレイ・オフセットはより多くのキーストーン歪み修正を可能にするが、大きなレンズ要素が必要となるので投影レンズのコストは増加する、ということである。更に非球面で回転非対称のレンズ要素が使用されると、射出成形のレンズ要素を作製するために工具コストが増加するのでコストは増加する。更に非球面で回転非対称のミラーを作製するとき、正確に輪郭形成された光学表面を有する前面ミラーを製造するためのコスト上昇が存在する（型加工コストもまた負わなくてはならない可能性がある）。

ここで論じられた種々の実施形態で示されたように、本発明は、ミラーの少なくとも一つが湾曲面を有するか、ミラーの一つが光ビームに対して軸外れ角で配置されるか、あるいはその両者である１個、２個および３個ミラー軸外れ投影システムに適用可能である。すべての場合に、画像が湾曲ミラーによって反射された後に歪みを修正するために、補正レンズまたは注文設計の投影レンズが使用される。更に如何なる残留歪みをも修正するために、画像処理ユニットが必要とされる。更にこの構成への一つ以上の平面ミラーの追加は、垂直高さ対キャビネット奥行きにおける更なるトレードオフが行われることを可能にする。より多数のミラーの使用はまた、投影システムのコンポーネントを配置する際に特別の柔軟性と、キャビネット厚さを削減する能力とを与えるが、不利益は位置合わせにおけるより大きな困難さである。二つの湾曲ミラーを使用することはまた、ミラー製造におけるある単純化の可能性を見込んでいるが、再び位置合わせにおける余分な複雑さが存在する。フレネルミラーの使用は、大きな湾曲ミラーを置き換え、コスト削減ならびにキャビネット厚さとＤ対Ｄ比に更なる改善をもたらす可能性を持っている。

本発明によれば、少なくとも一つの湾曲ミラーと画像処理ユニットとを有する投影システムを設計するための典型的な設計プロセスは、下記のステップを含む。

ｉ）投影システムに関する設計制約を定義するステップ
１）焦点距離、ｆナンバー（すなわちレンズ直径対焦点距離の比率）などを含む投影レンズ設計といった投影光エンジンのパラメータを定義するステップ、
２）キャビネット奥行きと、ミラーの数（１個、２個、または３個）と、どのミラーが湾曲ミラーであるかと、キャビネット構成（自由直立型、壁掛けユニットなど）と、表示面のサイズなどとを定義するステップ、
ｉｉ）ミラーに関する初期構成を定義するステップ
３）投影機光エンジンとミラーとの間の角度と距離とを設定するために少なくとも一つのミラーを使用するステップ（もし一つのミラーが使用されるのであればそれは湾曲ミラーである。もし二つ以上のミラーが使用されるのであればそれらのミラーのうちの一つは平坦でよい）。もしフレネルミラーが大形湾曲ミラーの代わりに使用されるのであれば、
ａ）光学画像の投影経路をクリアーに保持しながらキーストーン歪みを最小にするために投影光エンジンとミラー（単数または複数）との間の角度と距離とを最適化するステップ（すなわち光学画像に影を投射することを避けるために、投影経路は湾曲ミラー表面と共に変化することに留意すること）、
ｂ）もし投影光エンジンによって許されるならば、歪みとスポットスメア／焦点ぼけと、を最小にするために表示装置に関する投影レンズのシフトと傾斜とを調整する（またはその逆を行う）ステップ（このステップはまたステップ３ａで述べた角度と距離とを再最適化することを含む）、
４）適当な光学シミュレータ（Ｏｓｌｏ（登録商標）、Ｚｅｍａｘ（登録商標）などといった）において湾曲ミラーのためにある一定の初期構成と材料と初期寸法とを選択するステップ、
ｉｉｉ）湾曲ミラーの表面形状を最適化し、補正レンズを設計するステップ
５）湾曲ミラーによる歪みを最小にするために最適化誤差関数（平均二乗誤差などといったシミュレータによって与えられる）を設定し、誤差関数を最小化するために湾曲ミラーの表面形状を最適化するステップ、
ａ）湾曲ミラーの厚さと曲率と傾斜とに関して必要に応じて制約を調整するステップ、
ｂ）必要に応じて制約を再シミュレートして再調整するステップ、
ｃ）光路を衝突に関してチェックするステップ、
ｄ）投影システムに関して許容可能な歪みと焦点ぼけが得られるまでステップ５ａ〜５ｃを繰り返すステップ、
６）機械的要件内に補正レンズを抑制しながら最小の焦点スポットサイズを与えて過剰な歪みを防止するために、補正レンズを最適化しながら補正レンズの設計（または注文の投影光エンジン設計内のレンズ表面）のためにステップ４、５を適用するステップ（すなわち補正レンズは、補正レンズの表面プロファイルを画定する数学関数の振動によって引き起こされる人為構造が所望の表面プロファイルに収束するので、その人為構造のゆえにその公称サイズより大きくなるように設計される。公称寸法以外の補正レンズの部分は単純には製造されない）、
７）補正レンズまたは注文製の投影レンズによって導入される如何なる歪みも最小化するように湾曲ミラーを再最適化するステップ（これは、正および／または負の曲率を付加することによって湾曲ミラーのプロファイルを僅かに調整することと、凹面曲率と凸面曲率との間の遷移比率を調整することなどを含む可能性がある）、
８）湾曲ミラーの曲率の変化によって導入される焦点スポットサイズ如何なる劣化も最小にするように補正レンズを再最適化するステップ。

このプロセスは、極めて迅速に収穫逓減を与え、もし補正レンズと湾曲ミラーとに関して適当な初期プロファイルが選択されれば、解は最適値に迅速に収束するであろう。これらのプロファイルは、３次または５次多項式によって近似され得る。ミラーの表面曲率を設計する際に、バイキュービック・スプライン関数、コサイン関数または類似の数学関数を使用する内挿法が使用できる。これらの近似値を計算するために、Ｅｘｃｅｌスプレッドシートまたはその他任意の適当なコンピュータプログラムが使用可能である。

投影システム１０は、特別に構成された投影要素の使用によって光学画像のほぼ歪みなしの投影を与える。投影システム１０は、幾何学的およびその他の光学的歪みを修正する画像処理ユニットによって短い投射距離を達成しながら、固有の歪みを有する一般的短投射距離光学系を組み込んでいる。投影システム１０は、許容可能な歪みレベルを有する所望の短い投射比を達成するために、非球面ミラー３９と補正レンズ４９と電子的修正とを使用する。画像処理ユニット１２は、投影光エンジンと光反射アセンブリと投影幾何学構成と組立て位置合わせの３本の回転軸すべてとの組合せ空間歪みに関する修正を実行する。画像処理ユニット１２は、キーストーン歪みと樽型／糸巻き型歪みと色の非収束（ｘ、ｙまたはθ軸におけるマイクロディスプレイの位置合わせ不良による可能性がある）とに取り組むことができる。特に画像処理ユニット１２は、任意の拡大縮小（画像の水平垂直両方向の寸法と、異なる領域とにおける）と、すべての可視光の波長に関する直線的な拡大縮小と、幾つかの所望の光のパスバンドの各々に関して等しくまたは特にプログラムされた任意の拡大縮小とを与える。クロミナンスと輝度の不均一性もまた、画像処理ユニット１２によって修正され得る。レンズ設計は、通常の球面収差と横の色シフトといったレンズ収差と歪みが電子的修正に従うので、単純化され得る。画像処理ユニット１２が如何なる残留歪みをも除去するために役立つので、システム設計はもはや歪みを光学的に最小化するという制約によって限定されない。これはまた、より複雑な光学的手段よりもむしろディジタルに微調整する任意の手段を適用できるという更なる利益を有する。数個のミラー（平面および／または非平面の）および／または投影光エンジンを組み合わせることによって変形版を得ることができる。このシステム設計方法論は、前面投影、背面投影の両構成に適用可能である。

もう一つの代替手段では、キーストーン歪みおよびその他の空間歪みに適応するように形作られた光変調マイクロディスプレイ装置を使用することが可能である。マイクロディスプレイ装置は、投影レンズと一つ以上のミラーとからなる軸外れ光路を変調された光が通るときに、結果的に生じる歪みの一部または全部が修正され、表示面に正しい画像が投影されるという結果が得られるように、適切に形作られた複数のピクセルからなる。もしマイクロディスプレイ装置が伝統的な軸外れシステムのために作られるのであれば、それは伝統的なＤ対Ｄシステムにおける平面ミラーと共に使用でき、また、より積極的に指定されたシステムのためには湾曲ミラーと共に使用され得る。利点は、光学系と画像処理とが単純化され得ることである。しかしながらこれは、注文製のマイクロディスプレイ装置の製造コストに関して比較検討する必要がある。このようなマイクロディスプレイ装置を作る際の困難の一つは、ライン構造に極めて小さな形状で「階段（段々）」または「ジャギー（ぎざぎざ）」が現れる可能性があるので、互いに直角に走らないラインを有するフォトリソグラフィー・マスクをエッチングすることである。幸いなことに、これらのマイクロディスプレイを製造するために使用される幾何学構造は、メモリおよび処理装置のために必要とされる幾何学構造ほど小さくなければならないことはほとんどない。

ここに示された種々の実施形態がコンパクトな前面投影システムにも適用可能であることは留意されるべきである。しかしながら、前面投影システムに関しては表示面にフレネルレンズの必要はない。

本技術に精通する人々にとって明らかであるように、前述の構造の種々の修正版と適応版は、その範囲が付属の請求項に記載されている本発明から逸脱することなく可能である。

一般の８要素投影レンズの模式図である。 スクリーンに軸上で画像を投影するために使用される図１Ａの投影レンズの模式図である。 図１Ｂの直接投影システムに固有の歪みを示す歪み図と焦点プロット図である。 従来技術の軸上投影システムの模式図である。 図２Ａの従来技術の投影システムに対応する歪み・プロットである。 代替の（軸外れ）投影システムの模式図である。 図３Ａの代替投影システムに対応する歪み・プロットである。 ２平面ミラー折畳み背面投影システムの模式図である。 図４Ａの２平面ミラー折畳み背面投影システムに関連する画像歪みと焦点スポットサイズとを示す歪み・プロットと焦点スポット図である。 図４Ａの２平面ミラー折畳み背面投影システムに関連する画像歪みと焦点スポットサイズとを示す歪み・プロットと焦点スポット図である。 本発明の投影システムの模式図である。 小形非球面ミラーと補正レンズとを順次に使用する二折畳み背面投影システムとしての図５の投影システムの例示的構成の模式図である。 図６の小形非球面ミラーが作られる型プロファイルを示す図である。 図６の小形非球面ミラーが切り出されるミラー表面を示す図である。 図６の補正レンズの表面曲率を示す図である。 本発明の投影システムによって生成される歪み補正された画像の図である（下のパネルは表示装置によって生成された画像を示し、上のパネルは表示面で結果として得られる理想的な画像を示す）。 表示装置によって生成され、平面ミラーにおいて見られる矩形マトリックスの画像の焦点スポット図である。 小形非球面湾曲ミラーを単独で使用する図６の二折畳み背面投影システムの模式図である。 図１０Ａの折畳み背面投影システムに関連する画像歪みと焦点スポット性能とを示すプロット図である。 図６の折畳み背面投影システムに関連する画像歪みと焦点スポット性能とを示すプロット図である。 垂直投影取付けに適応した、３枚ミラーを使用する本発明のもう一つの例示的実施形態を示す模式図である。 ３枚ミラーのうちの２枚が湾曲している３枚ミラーを使用する本発明による投影システムのもう一つの例示的実施形態を示す模式図である。 単一の大形湾曲ミラーを使用する本発明による投影システムのもう一つの例示的実施形態を示す模式図である。 図１４Ａの軸外れ折畳み背面投影システムに関連する画像歪みと焦点スポット性能とを示すプロット図である。 単一平面ミラーの従来技術の軸上投影システムの模式図である。 図１５Ａの投影システムに固有の歪みを示す歪みと焦点プロットの図である。 単一の大形湾曲非球面ミラーを使用する本発明による投影システムのもう一つの例示的実施形態を示す模式図である。 図１６Ａの軸外れ投影システムに固有の歪みを示す歪みと焦点プロットの図である。 単一の大形湾曲非球面ミラーを使用する本発明による投影システムのもう一つの例示的実施形態を示す模式図である。 図１７Ａの軸外れ投影システムに固有の歪みを示す歪みと焦点プロットの図である。 大形湾曲非球面ミラーの代わりに使用されるフレネルミラーを含む２枚ミラー構成を使用する本発明による投影システムのもう一つの例示的実施形態を示す模式図である。 図１８Ａの実施形態で使用されるフレネルミラーに変換される大形湾曲ミラーセグメントの３次元表現図である。 補正レンズが使用されないときの図１８Ａの投影システムに関する歪み・プロット図である。 図１８Ａの投影システムにおけるフレネルミラーの歪みとビーム拡大とを修正するために使用される非球面で回転非対称な補正レンズの３次元プロファイル図である。 如何なる電子的修正もなしに図１８Ｄの補正レンズが使用されるときの図１８Ａの投影システムに関する歪み・プロット図である。 図１８Ａのフレネルミラーと共に使用され得る注文製の投影レンズの上面図である。 図１８Ｆの注文製の投影レンズの側面図である。 ３０度上向きに軸外れ投影して結果的に約２７％のキーストーン歪みを生じる従来技術の投影システムの模式図である。 図１９Ａの投影システムに関する２７％のキーストーン歪みを示す歪み・プロット図である。 投影レンズとマイクロディスプレイとの間にシフトを有する従来技術の軸外れ投影光エンジンを示す模式図である。 ３０度軸外れ投影システムで使用される図１９Ｂの従来技術の投影光エンジンを示す図である（鏡胴は水平であるが、レンズはなお画像を３０度上向きに投影していることに留意のこと）。 キーストーン歪みを修正するために図１９Ｃの「シフトされたレンズ」の投影光エンジンを使用する図１９Ｄの従来技術の軸外れ投影システムに関する歪み・プロット図である。 焦点ぼけを最小化するように像面湾曲を利用するために投影レンズに傾斜を有する従来技術の投影光エンジンを示す模式図である。 スポット焦点ぼけと戦うために従来技術の投影システムで使用されるＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの原理（マイクロディスプレイとレンズとスクリーンとの平面がすべて、同じ交差線に沿って交差する）の模式図である。 補正レンズの機能を組み込んだ注文製の投影レンズの上面図である。 補正レンズの機能を組み込んだ注文製の投影レンズの側面図である。 図２１Ａ〜Ｂの注文製の投影レンズからの３次元表面（非球面、非対称）のプロット図である。 電子的歪み修正を与えるために本発明の如何なる実施形態とも一緒に使用され得る画像処理ユニットのブロック図である。

Claims (56)

1. 入力画像データに基づいて表示面上に画像を表示するための軸外れ投影システムであって、
   投影前に２次元の電子的に歪んだ画像データを生成するために、画素の２次元配置を示す前記入力画像データを受け取って前記入力画像データを電子的に歪ませるための画像処理ユニットと、
   画素の２次元配置を調整するための手段を有する表示装置を備え、前記画像処理ユニットに連結されると共に前記電子的に歪んだ画像データを受け取るように適応され、前記表示装置に前記電子的に歪んだ画像データに相当する２次元の歪んだ画像を調整し、前記２次元の歪んだ画像を投影して投影画像を生成する投影光エンジンと、
   前記投影画像を前記表示面上に導くように適応された前記投影光エンジンに連結され、少なくとも一つの湾曲ミラーを備えた光反射アセンブリと、を含み、
   前記電子的な歪みが、前記表示面上の前記投影画像において前記投影光エンジン及び前記光反射アセンブリで引き起こされる歪みを有する光学的幾何学的歪みが実質的に除去されるように作用する
   軸外れ投影システム。
2. 前記投影光エンジンと前記少なくとも一つの湾曲ミラーとの間の前記投影画像の光路に配置され、前記少なくとも一つの湾曲ミラーに起因する焦点ぼけを補正するように形作られた補正レンズを更に含む、請求項１記載の軸外れ投影システム。
3. 前記画像処理ユニットは前記入力画像データを前記投影光エンジンのアスペクト比と解像度とに合せて拡大縮小するように適応される、請求項１に記載の軸外れ投影システム。
4. 前記投影光エンジンが、
   光ビームを発生させるための光発生器と、
   前記光発生器の前に配置された前記表示装置と、
   前記表示装置の前に配置され、前記投影画像を投影しながら焦点合わせするための投影光学系と、を含む、
   請求項１に記載の軸外れ投影システム。
5. 前記投影光学系は投影レンズを含み、前記投影レンズの光軸は前記表示面上の前記投影画像におけるキーストーン歪みとスポットサイズとを更に補正するように、前記投影画像の光路の軸上方向に関して前記光発生器からの光ビームの位置を調整するために前記表示装置の光軸からオフセットされている、請求項４に記載の軸外れ投影システム。
6. 前記投影光学系は投影レンズを含み、前記投影レンズの光軸は前記表示面上の前記投影画像におけるスポットサイズを更に縮小してＭＴＦを改善するように、前記投影画像の光路の軸上方向に関して前記光発生器からの光ビームの位置を調整するために前記表示装置の光軸から傾けられている、請求項４に記載の軸外れ投影システム。
7. 前記投影光学系は投影レンズを含み、前記投影レンズの光軸は前記表示面上の前記投影画像におけるスポットサイズを更に縮小してＭＴＦを改善するように、前記投影画像の光路の軸上方向に関して前記光発生器からの光ビームの位置を調整するために前記表示装置の光軸からオフセットされて、傾けられている、請求項４に記載の軸外れ投影システム。
8. 前記光発生器は照明サブシステムであり、前記表示装置はマイクロディスプレイに基づく光変調サブシステムであり、前記光反射アセンブリはレンズ要素のアセンブリである、請求項４に記載の軸外れ投影システム。
9. 前記マイクロディスプレイ装置はキーストーンおよびその他の空間歪みを補正するように形作られる、請求項８に記載の軸外れ投影システム。
10. 前記光反射アセンブリは平面状反射面を有する第１の平面ミラーを更に含む、請求項１に記載の軸外れ投影システム。
11. 第２の平面ミラーを更に含む、請求項１０に記載の軸外れ投影システム。
12. 第２の湾曲ミラーを更に含む、請求項１１に記載の軸外れ投影システム。
13. 前記画像処理ユニット、前記投影光エンジン及び前記光反射アセンブリは背面投影構成において動作するように適応される、請求項１に記載の軸外れ投影システム。
14. 前記少なくとも一つの湾曲ミラーがフレネルミラーによって置き換えられた、請求項１に記載の軸外れ投影システム。
15. 前記画像処理ユニットは、
    前記入力画像データにおけるピクセル輝度を調整して輝度調整された前記入力画像データを生成するための輝度修正ステージと、
    輝度調整された入力画像データを受け取って前記２次元の電子的に歪んだ画像データを生成するための、前記輝度修正ステージに接続された画像ワーピングステージと、を含む、
    請求項１に記載の軸外れ投影システム。
16. 前記輝度修正ステージは前記入力画像データに関連する異なるスペクトル・パスバンドを個別に処理する、請求項１５に記載の軸外れ投影システム。
17. 前記画像ワーピングステージは輝度調整された前記入力画像データに関連する異なるスペクトル・パスバンドを個別に処理する、請求項１５に記載の軸外れ投影システム。
18. 前記少なくとも一つの湾曲ミラーは、前記表示面上の前記投影画像上の空間歪みを減らすために、垂直方向に向けられた凹面と、下面上の変化する凸面曲率に滑らかに遷移する上面上の変化する度合いの凹面曲率または凸面曲率を持つ水平方向に向けられた面と、を有する非球面で回転非対称のミラーであり、前記表示面上での歪みが減らされた前記投影画像を作り出すための投影レンズから現れる前記投影画像の光路に配置されている、請求項１に記載の軸外れ投影システム。
19. 前記非球面で回転非対称のミラーは、前記表示面上の前記投影画像上の空間歪みを減らすために、上部に小さな水平方向の凸面曲率と、下部に大きな度合いの水平方向の凸面曲率とを持つ、請求項１８に記載の軸外れ投影システム。
20. 前記投影光エンジンは前記少なくとも一つの湾曲ミラーに起因する焦点ぼけを補正するように形作られた非球面で回転非対称のレンズを含む、請求項１８に記載の軸外れ投影システム。
21. 画像を示す電子的な画像データに応じた光を投影する投影光エンジンと、
    前記画像データに応じた光を反射することによりキーストーン歪みが低減されるように形成された湾曲ミラーを少なくとも一つ有し、前記投影光エンジンと表示面との間に配置され、前記投影光エンジンから入射された光を前記表示面に投影するように構成された光反射アセンブリと、を含む軸外れ投影システムであって、
    前記画像データに応じた光が表示面に入射された際に前記投影光エンジン及び前記光反射アセンブリに起因して生じる前記キーストーン歪みを有さない前記画像が前記表示面に表示される予め定められた入射角未満の入射角で前記光が前記表示面に入射されることにより前記表示面に表示される前記画像に含まれる前記キーストーン歪みを打ち消すために予め定められた歪みを示す歪みデータを予め記憶した記憶手段と、
    前記画像データとして、前記記憶手段から取得した歪みデータにより示される前記予め定められた歪みを含む前記画像を示す歪み対応画像データを生成する画像データ生成手段と、
    を含む軸外れ投影システム。
22. 前記歪みデータは、前記湾曲ミラーで除去し切れなかった前記キーストーン歪みを打ち消すために予め定められた歪みを示す請求項２１記載の軸外れ投影システム。
23. 前記湾曲ミラーは、前記投影光エンジンによって投影された光を反射し、
    前記光反射アセンブリは、前記湾曲ミラーで反射された光を前記表示面に投影するように反射する平面状反射面を有する第１の平面ミラーを更に含んで構成された請求項２１または請求項２２に記載の軸外れ投影システム。
24. 前記光反射アセンブリは、前記投影光エンジンによって投影された光を前記湾曲ミラーに向けて反射する平面状反射面を有する第２の平面ミラー、及び前記湾曲ミラーで反射された光を前記表示面に投影するように反射する平面状反射面を有する第１の平面ミラーを更に含んで構成された請求項２１または請求項２２に記載の軸外れ投影システム。
25. 前記第２の平面ミラーに代えて、前記投影光エンジンによって投影された光を前記湾曲ミラーに向けて反射する第２の湾曲ミラーを採用した請求項２４記載の軸外れ投影システム。
26. 前記湾曲ミラーを、回転非対称の非球面ミラーとした請求項２１〜請求項２５の何れか１項に記載の軸外れ投影システム。
27. 前記非球面ミラーは、前記表示面に表示される画像の前記キーストーン歪みに起因する垂直方向の歪みを補正するように垂直方向に向けられた凹面、及び前記表示面に表示される画像の前記キーストーン歪みに起因する水平方向の歪みを補正するように水平方向に向けられた凸面を有する請求項２６記載の軸外れ投影システム。
28. 前記湾曲ミラーをフレネルミラーとした請求項２１〜請求項２７の何れか１項に記載の軸外れ投影システム。
29. 前記投影光エンジンと前記光反射アセンブリとの間に前記光反射アセンブリに起因する焦点ぼけを補正するように形成された補正レンズを配置した請求項２１〜請求項２８の何れか１項に記載の軸外れ投影システム。
30. 前記補正レンズを、回転非対称な非球面レンズとした請求項２９記載の軸外れ投影システム。
31. 前記画像データ生成手段は、前記投影光エンジンのアスペクト比と解像度とに合せて前記画像を伸縮させるように前記歪み対応画像データを生成する請求項２１〜請求項３０の何れか１項に記載の軸外れ投影システム。
32. 前記投影光エンジンは、
    光ビームを発生させるための光発生器と、
    前記画像データ生成手段によって生成された前記歪み対応画像データに従って前記光発生器によって発生された光ビームを変調する変調手段と、
    前記変調手段によって変調された前記光ビームの焦点を合わせるための投影光学系と、を含んで構成された請求項２１〜請求項３１の何れか１項に記載の軸外れ投影システム。
33. 前記投影光学系は投影レンズを有し、
    前記投影レンズの光軸を、前記キーストーン歪みとスポットサイズとを補正するように、前記表示面の中心からオフセットした請求項３２記載の軸外れ投影システム。
34. 前記変調手段を、前記キーストーン歪みを補正するように構成されたマイクロディスプレイとした請求項３２または請求項３３記載の軸外れ投影システム。
35. 前記投影光エンジン及び前記光反射アセンブリを背面投影構成において動作するように構成した請求項２１〜請求項３４の何れか１項に記載の軸外れ投影システム。
36. 前記画像データにおけるピクセル輝度を調整する輝度修正手段を更に含み、
    前記画像データ生成手段は、前記輝度修正手段によって前記ピクセル輝度が調整された前記画像データに対して、前記記憶手段から取得した歪みデータにより示される歪みを付与することにより、前記歪み対応画像データを生成する請求項２１〜請求項３５の何れか１項に記載の軸外れ投影システム。
37. 前記輝度修正手段は、前記画像データに関連する異なるスペクトル・パスバンドを個別に処理する請求項１６記載の軸外れ投影システム。
38. 前記画像データ生成手段は、前記輝度修正手段によって前記ピクセル輝度が調整された前記画像データに関連する異なるスペクトル・パスバンドを個別に処理する請求項３６または請求項３７記載の軸外れ投影システム。
39. 入力画像データに基づいて軸外れ投影システムの表示面上に画像を表示するための軸外れ投影方法であって、
    投影前に２次元の電子的に歪んだ画像データを生成するために、画素の２次元配置を示す入力画像データを受け取って前記入力画像データを電子的に歪ませるステップと、
    画素の２次元配置を調整するための手段を有する表示装置を備えた投影光エンジンが、前記画像処理ユニットに連結されると共に前記電子的に歪んだ画像データを受け取るように適応され、前記表示装置に前記電子的に歪んだ画像データに相当する２次元の歪んだ画像を調整し、前記２次元の歪んだ画像を投影して投影画像を生成するステップと、
    前記投影光エンジンに連結されると共に前記投影画像を前記表示面上に導くように適応され、少なくとも一つの湾曲ミラーを備えた光反射アセンブリで前記投影画像を反射するステップと、を含み、
    前記電子的な歪みが、前記表示面上の前記投影画像において前記投影光エンジン及び前記光反射アセンブリで引き起こされる歪みを有する光学的幾何学的歪みが実質的に除去されるように作用する
    軸外れ投影方法。
40. 前記光反射アセンブリの前に前記歪み補正された光学画像の光路に配置され、前記少なくとも一つの湾曲ミラーに起因する焦点ぼけを補正するように形作られた補正レンズを通るように前記投影画像を方向付けするステップを更に含む、請求項３９に記載の軸外れ投影方法。
41. 前記少なくとも一つの湾曲ミラーに起因する焦点ぼけを補正するように形作られた非球面で回転非対称のレンズを通るように前記投影画像を方向付けするステップを更に含む、請求項３９に記載の軸外れ投影方法。
42. 光ビームを生成するステップと、
    前記歪み補正された光学画像を生成するために表示装置を位置決めするステップと、
    前記投影画像を投影しながら焦点合わせするステップと、を更に含む、請求項３９に記載の軸外れ投影方法。
43. 前記表示光学画像におけるキーストーン歪みを更に補正するために、投影レンズの光軸に関して前記表示装置の光軸をシフトするステップを更に含む、請求項４２に記載の軸外れ投影方法。
44. 表示された画像の焦点ぼけを軽減しながらＭＴＦを改善するために投影レンズの光軸に関して前記表示装置の光軸を傾けるステップを更に含む、請求項４２に記載の軸外れ投影方法。
45. キーストーン歪みを更に補正し、表示された画像における焦点ぼけを軽減しながらＭＴＦを改善するために投影レンズの光軸に関して前記表示装置の光軸をシフトして傾けるステップを更に含む、請求項４２に記載の軸外れ投影方法。
46. 前記表示装置の前に前記光発生器を配置すると共に、前記表示装置の後に光反射アセンブリを配置するステップを更に含み、前記光発生器は照明サブシスムテであり、前記表示装置はマイクロディスプレイに基づく画像形成サブシステムであり、前記光反射アセンブリはレンズ要素のアセンブリである、請求項４２に記載の軸外れ投影方法。
47. 前記方法は前記光反射アセンブリに第１の平面ミラーを追加するステップを更に含み、前記第１の平面ミラーは平面状反射面を有する、請求項３９に記載の軸外れ投影方法。
48. 前記方法は第２の平面ミラーを前記光反射アセンブリに追加するステップを更に含む、請求項４７に記載の軸外れ投影方法。
49. 前記方法は第２の湾曲ミラーを前記光反射アセンブリに追加するステップを更に含む、請求項４７に記載の軸外れ投影方法。
50. 前記方法は前記軸外れ投影システムを背面投影構成で動作させるステップを更に含む、請求項３９に記載の軸外れ投影方法。
51. 前記方法は前記少なくとも一つの湾曲ミラーの代わりにフレネルミラーを使用するステップを更に含む、請求項３９に記載の軸外れ投影方法。
52. 前記入力画像データにおけるピクセル輝度を調整して、輝度調整された前記入力画像データを生成するステップと、
    前記輝度調整された入力画像データをワーピングして、前記２次元の電子的に歪んだ画像データを生成するステップと、を更に含む、請求項３９に記載の軸外れ投影方法。
53. 前記入力画像データに関連する異なるスペクトル・パスバンドを個別に処理するステップを更に含む、請求項５２に記載の軸外れ投影方法。
54. 前記輝度調整された入力画像データに関連する異なるスペクトル・パスバンドを個別に処理するステップを更に含む、請求項５２に記載の軸外れ投影方法。
55. 前記少なくとも一つの湾曲ミラーは、前記表示面上の前記投影画像上の空間歪みを減らすために、垂直方向に向けられた凹面と、下面上の変化する凸面曲率に滑らかに遷移する上面上の変化する度合いの凹面曲率または凸面曲率を持つ水平方向に向けられた面と、を有する非球面で回転非対称のミラーであり、前記表示面上での歪みが減らされた前記投影画像を作り出すための投影レンズから現れる前記投影画像の光路に配置されている、請求項３９に記載の軸外れ投影方法。
56. 前記非球面で回転非対称のミラーは、前記表示面上の前記投影画像上の空間歪みを減らすために、上部に小さな水平方向の凸面曲率と、下部に大きな度合いの水平方向の凸面曲率とを持つ、請求項５５に記載の軸外れ投影方法。

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