JP4539650B2 - 光学系の光学特性評価方法、プロジェクタの光学特性評価方法、光学特性評価装置、およびスクリーン - Google Patents

Description

本発明は、光学系の光学特性評価方法、プロジェクタの光学特性評価方法、光学特性評価装置、およびスクリーンに関するものである。

従来、プロジェクタ等の光学機器の光学系において、例えば投射レンズ等の光学部品の光学特性は、汎用のＭＴＦ（Modulation Transfer Function）測定器を用いて測定、評価していた。ところが、ＭＴＦ測定器が高価な上、測定自体が大掛かりになり、簡単に評価を行えるものではなかった。例えば量産ラインで投射レンズを全数検査するには多大な時間を費やしていた。また、レンズ単体だけでなく、光学部品が最終的に組み上がった状態、具体的には投射レンズをエンジンに組み込んだ状態で光学特性を正確に測定するのは困難であった。

ところで、最近、投射エンジンを壁（スクリーン）に極力近づけ、投射距離を極端に短くした「超短焦点光学系」を備えたプロジェクタが開発されている。従来一般のプロジェクタでは、レンズのみを用いた直線光学系が一般的であったが、この超短焦点光学系を備えたプロジェクタでは、レンズのみならず、非球面ミラー、自由曲面ミラー等を用いた反射光学系や、平面ミラーやプリズム等で光路を折り曲げる光学系を採用することが多い。この種の光学系を採用した投射光学系では、従来の直線的な光学系と比較して、光路が折れ曲がったカスタムに近い光学配置となる。そのため、ＭＴＦ測定器等の一般的な測定器で光学特性を測定しようとしても、測定器や測定対象に特殊な改造を施さなければならないか、あるいは測定できなかった。このような事情から、比較的簡便な測定、評価方法の開発が急務となっている。

ところで、従来一般の測定、評価方法とは異なる簡便なレンズの性能測定方法として、下記の特許文献１に、「モアレ縞によるレンズの焦点距離測定方法」が開示されている。この方法では、レンズの直後にピッチが等しい２枚の格子板を配置し、平行光を入射させることでモアレ縞を発生させ、このモアレ縞の傾きからレンズの焦点距離を測定するというものである。
特開昭６０−２４７１３３号公報

上記特許文献１に記載の方法によれば、非常に簡単に焦点距離を測定することができるものの、単にレンズの焦点距離を測定するだけの方法であって、例えばフォーカス、歪曲等、それ以外の光学系の基本的な性能を測定できるものではなかった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、フォーカス、歪曲等を含む光学系の基本性能を簡便に測定、評価できる光学系の光学特性評価方法、プロジェクタの光学特性評価方法、これらの評価方法に用いる光学特性評価装置およびスクリーンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の光学系の光学特性評価方法は、評価対象としての光学系の光入射側に所定のピッチを有する第１のパターンを配置するとともに、前記光学系の光射出側に所定のピッチを有する第２のパターンを備えた被投射面を配置し、前記第１のパターンの像を前記光学系を通して前記被投射面上に投射し、前記第１のパターンの像と前記第２のパターンとの干渉により前記被投射面上に生じるモアレ縞の発生状態を観察することによって、前記光学系の光学特性を評価することを特徴とする。

例えば第１のパターンの像を被投射面上の第２のパターンに重ね合わせるように投射したとすると、評価対象である光学系が完全な光学特性を有していれば、第１のパターンの像と第２のパターンとが完全に重なり合い、あたかも第２のパターンを有していない被投射面上に第１のパターンの像を投射したのと同じ画像が得られるはずである。これに対して、光学系が歪曲やフォーカスむらなどを持っていたとすると、重ね合わせようとしても第１のパターンの像は第２のパターンからわずかにずれる。すると、第１のパターンの像と第２のパターンとが干渉し、被投射面上にモアレ縞が発生する。このモアレ縞の発生状態（ピッチ、曲がり具合、フォーカス状態等）を観察することによって、光学系の光学特性を評価することができる。

この方法によれば、光学系の光入射側に配置する第１のパターンと、光学系の光射出側に配置する第２のパターンを備えた被投射面とを準備するだけで、歪曲、フォーカス等の光学特性を評価することができる。そのため、測定器や測定対象物を改造する必要がないどころか、測定器を準備する必要もなく、従来の方法に比べて簡単、安価、迅速に評価を行うことができる。また、従来の測定器のように被投射面上の複数の測定点でスポットの測定を行うのではなく、被投射面の全面に現れるモアレ縞を観察するので、光学系の光透過領域の全域にわたって連続的な評価が可能である。

また、前記第１のパターンが、光透過性を有する板体の一面に設けられたパターンで構成されていてもよい。
この構成によれば、一面にパターンが設けられた光透過性を有する板体、例えばパターンを描いた透明板を準備しておくだけで良く、高価な測定器を準備することなく光学特性を簡便に測定、評価することができる。

あるいは、前記第１のパターンが、光透過性を有する板体上に投射もしくは表示されたパターンの像で構成されていてもよい。
この構成によれば、第１のパターンが固定されたものでなく、第１のパターンの形状やピッチを自由に変化させることができるため、モアレ縞の発生状態を適宜変化させて評価しやすくすることができる。

また、前記第２のパターンが、前記被投射面上に描かれたパターンで構成されていてもよい。
この構成によれば、例えば被投射面をなすスクリーンに予めパターンを描いておくだけで良く、高価な測定器を準備することなく光学特性を簡便に測定、評価することができる。

あるいは、前記第２のパターンが、前記被投射面上に投射もしくは表示されたパターンの像で構成されていてもよい。
この構成によれば、パターンを被投射面上に投射もしくは表示するための投射装置もしくは表示装置が必要となるものの、何もパターンが描かれていない一般のスクリーンを用いて測定、評価が可能である。さらに、第２のパターンの形状やピッチを自由に変化させることができるため、モアレ縞の発生状態を適宜変化させて評価しやすくすることができる。

また、前記評価対象としての光学系が非球面ミラーもしくは自由曲面ミラーを含む反射光学系である場合、前記非球面ミラーもしくは前記自由曲面ミラーの光学特性を評価することができる。
従来の測定方法では被投射面上の複数の測定点でスポットの測定を行っていたが、非球面ミラーや自由曲面ミラーは光学特性が直線的に変わるのではなく、不規則に変化したり、変曲点を持ったりするため、複数点のスポット測定からその間を直線的に補間して光学特性を予測するのでは測定精度が悪くなってしまう。その点、本発明の方法であれば、光学系の全域にわたって連続的かつ直接的な評価が可能であるため、特に非球面ミラーや自由曲面ミラー等の評価に好適である。

また、前記モアレ縞の発生状態の観察結果に基づいて前記非球面ミラーもしくは前記自由曲面ミラーを変形させ、光学特性を再度評価するようにしてもよい。
この構成によれば、モアレ縞の観察結果をフィードバックして非球面ミラーや自由曲面ミラーを変形させ、光学特性を再度評価するため、所望の光学特性が得られるように非球面ミラーや自由曲面ミラーの形状を最適化することが容易になる。

本発明のプロジェクタの光学特性評価方法は、光変調素子を備えたプロジェクタにおける光学系の光学特性を評価する方法であって、所定のピッチを有する第１のパターンを備えた光変調素子と所定のピッチを有する第２のパターンを備えた被投射面とを用い、前記光変調素子の前記第１のパターンの像を前記光学系を通して前記被投射面上に投射し、前記第１のパターンの像と前記第２のパターンとの干渉により前記被投射面上に生じるモアレ縞の発生状態を観察することによって、前記プロジェクタにおける光学系の光学特性を評価することを特徴とする。

この方法によれば、第１のパターンを備えた光変調素子と第２のパターンを備えた被投射面とを準備するだけで、歪曲、フォーカス等の光学特性を評価することができる。例えば、液晶ライトバルブ等の光変調素子には一般的にブラックマトリクスが備えられているため、このブラックマトリクスを第１のパターンとして利用すればよい。この場合、光変調素子の全面で白表示を行いさえすれば、第２のパターンを備えた被投射面上に格子状の第１のパターンの像を投射することができる。従来の方法に比べて簡単、安価、迅速に評価が行える、光学系の全域にわたって連続的な評価が可能である等の効果は上述した通りである。

あるいは、前記第１のパターンが、光変調素子によって表示されたパターンの像で構成されていてもよい。
この構成によれば、第１のパターンが固定されたものでなく、光変調素子によって第１のパターンの形状やピッチを自由に変化させることができるため、モアレ縞の発生状態を適宜変化させて評価しやすくすることができる。

また、前記第２のパターンは、前記被投射面上に描かれたパターンで構成されていてもよく、前記被投射面上に投射もしくは表示されたパターンの像で構成されていてもよい。
また、前記プロジェクタが非球面ミラーもしくは自由曲面ミラーを含む反射光学系を備え、前記評価対象である光学系が前記反射光学系である場合、前記非球面ミラーもしくは前記自由曲面ミラーの光学特性を評価することができる。
また、前記モアレ縞の発生状態の観察結果に基づいて前記非球面ミラーもしくは前記自由曲面ミラーを変形させ、光学特性を再度評価してもよい。
これらの構成による作用、効果は上述した通りである。

本発明の光学特性評価装置は、評価対象としての光学系の光入射側に配置され、所定のピッチを有する第１のパターンを有する板体と、前記板体に光を照射する光源と、前記光学系の光射出側に配置され、所定のピッチを有する第２のパターンを備えた被投射面と、を備え、前記光学系によって前記第１のパターンの像が前記被投射面上に投射可能に構成されていることを特徴とする。
この光学特性評価装置を用いることによって、従来の方法に比べて簡単、安価、迅速に精度良く光学特性の測定、評価を行うことができる。

本発明のスクリーンは、評価対象としての光学系の光入射側に配置された格子板もしくは光変調素子が有する所定のピッチの第１のパターンが投射されるとともに、所定のピッチを有する第２のパターンを有する被投射面を備えたことを特徴とする。
このスクリーンを用いることによって、従来の方法に比べて簡単、安価、迅速に精度良く光学特性の測定、評価を行うことができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を図１、図２を参照して説明する。
本実施形態は、液晶プロジェクタの光学特性、中でも投射光学系である投射レンズの光学特性を、レンズ単体ではなく装置ごと測定、評価する方法の例である。
図１は本実施形態の光学特性の評価方法を説明するための概略構成図、図２は同評価方法に用いる画像処理のアルゴリズムを示す図である。なお、図１においては、プロジェクタの各種光学部品のうち、本方法に光学的に関係する液晶ライトバルブと投射レンズのみを図示し、残りの光学部品の図示は省略する。

まず、プロジェクタとスクリーンを、液晶ライトバルブ（光変調素子）が作り出す画像がスクリーン上に投射できるように配置する。図１に示すように、液晶ライトバルブ１は、表示領域に隣接画素間を区画する格子状のブラックマトリクス２（第１のパターン）を有している。一方、スクリーン３上には、水平方向および垂直方向に延び、互いに直交する複数の直線からなる格子線４（第２のパターン）を予め描いてある。この格子線４は液晶ライトバルブ１のブラックマトリクス２の像に対応している。すなわち、液晶ライトバルブ１の画像を所定の拡大率でスクリーン３上に拡大投射するとして、スクリーン３上の格子線４はブラックマトリクス２を前記拡大率で拡大表示したときの位置および寸法に合わせて描いてある。格子線４は、インクジェットプリンタやその他の印刷機器で描いた黒線でよい。したがって、液晶ライトバルブ１の全面で白表示を作り、これを投射レンズ５によってスクリーン３に投射したとき、プロジェクタの投射レンズ５が完全な光学特性であったと仮定すると、ブラックマトリクス２の像がスクリーン３上の格子線４と完全に重なり、あたかも格子線を描いていない白いスクリーンに投射したのと同じ画像が投射されるはずである。

ところが実際には、投射レンズ５は僅かな歪曲やフォーカスむらなどを持っているため、ブラックマトリクス２の像と格子線４とは完全には重ならず、僅かにずれる。すると、スクリーン３上のブラックマトリクス２の像と格子線４との間で干渉が生じ、モアレ縞が発生する。このとき、このモアレ縞の傾き、ピッチ、幅、フォーカス度合いなどを目視で観察したり、モアレ縞に適切な画像処理を施したりすることで、歪曲、フォーカスむらなどを含む投射レンズ５の光学特性を知ることができる。

図２は具体的な画像処理のアルゴリズムの一例を示しており、この例に基づいて以下、画像処理について説明する。なお、これ以外のアルゴリズムを用いても本実施形態の評価方法を実現することができる。
図１の装置構成を用いてブラックマトリクス像７（２点鎖線で示す）を投射したスクリーン３をＣＣＤ等の撮像素子（画像入力装置）で撮像した様子を示したのが図２の上の図（Ａ）である。上述したように、ブラックマトリクス像７と格子線４（実線で示す）がずれているとモアレ縞８が発生する。なお、この図は説明のためにモアレ縞をわかりやすく描いたものであり、実際に発生するモアレ縞のイメージとは異なることを注記しておく。なお、以上の説明では、スクリーン３上の格子線４はブラックマトリクス像７の位置および寸法に合わせて描いてあること、すなわち、スクリーン３上でブラックマトリクス像７と格子線４を一致（互いのピッチを一致）させることを前提としている。しかしながら、実際はブラックマトリクス像７と格子線４をずらした方がモアレ縞８が拡大し、測定が容易になるため、ブラックマトリクス像７と格子線４とを意図的にずらしてもよい。

次に、画像処理部１０において、撮像素子（画像入力装置）に入力された画像に画像処理を施し、ブラックマトリクス像７および格子線４の画像成分を除去する。具体的には、画像処理部１０において、入力された画像全体にフーリエ変換を施し、格子画像の成分にあたる周波数成分をフィルタによってカットし、それに逆フーリエ変換を施すことによって格子画像を除去する。このように、格子画像の成分を除去し、モアレ縞８の成分のみを残した画像が図２の中央の図（Ｂ）である。

この格子除去後の画像（Ｂ）を利用して、以下の２つの光学特性を知ることができる。
まず一つとして、投射レンズ５の歪曲を測定することができる。従来の測定方法の場合、スクリーン上に投射された画像のうち、例えば画面内９点の測定ポイントにおいて、理論的な基準位置に対して画素がどれだけずれているかを数えていた。したがって、測定ポイントでの歪曲は測定できるものの、光学系全体がどのような傾向で歪曲収差を持っているかは、測定ポイントでの測定値から全体を推測するしかなかった。ところが、近年の光学系では非球面や自由曲面の形状を持つレンズやミラーを多用する傾向があり、数点の測定ポイントのみの測定値で全体を推測するのは危険である。具体的には、球面の場合は、両端の測定値があればその間は直線で補間しても大きな問題とはならないが、非球面や自由曲面の場合、画面の中に測定値の変曲点があるため、大雑把な測定ポイントではこれらの変曲点を捉えることは難しい。

これに対して、本実施形態の評価方法を用いた場合、歪曲の度合い、すなわちブラックマトリクス像７と格子線４とのずれ量によってモアレ縞８の傾きが変化する。図２（Ｃ）のモアレ縞８の画像から、基準線１１に対するモアレ縞８の傾きを測定することで画面全体の歪曲の変化量を連続的に知ることができる。ここで、上述したように、互いの格子のピッチを変えることでモアレ縞８を拡大でき、画素のずれを数える従来の方法よりも簡単に測定することができる。また、モアレ縞８の拡大率を大きくすることで、特別な観察機器を準備したり、画像処理を行わなくても、目視でその歪曲量を判断することも可能になる。これにより、量産ライン等でプロジェクタの光学特性の全数検査を行うことも可能であり、格子線４が入ったスクリーン３を準備するだけで、簡単かつ安価、さらに迅速かつ高精度で歪曲を測定することができる。

ここで、本発明者らが格子ピッチを変えてモアレ縞の変化の様子を実際に調べた結果を図８〜図１０に示す。なお、この図面は実際のスクリーン上の画像写真を図面化したものである。図８はモアレ縞が消えた状態を示しており、ブラックマトリクス像７と格子線４が一致した格子パターンのみが確認できる。図９はモアレ縞のピッチが大きい状態、図１０はモアレ縞のピッチが小さい状態をそれぞれ示している。ブラックマトリクス像７と格子線４とのピッチの関係を僅かに変えるだけで、このようにモアレ縞のピッチを大きく変えることができ、モアレ縞の傾き等の測定がしやすくなる。

次に他の一つとして、投射レンズのフォーカスの測定が可能である。格子除去後の図２（Ｂ）の画像から、基準枠（図２の例では２４個に等分割している）毎に平均化した図２（Ｄ）の画像を作成することによって、基準枠毎の濃淡でフォーカスの分布を知ることができる。これは、フォーカスがぼけることでモアレ縞の幅が広がることを利用したものである。例えば図２（Ｄ）の例で言えば、濃く表されている右上側の領域はモアレ縞８の幅が広がっていることを意味しており、この領域では左下側の領域に比べてフォーカスがぼけていることがわかる。

これ以外にも、本実施形態の評価方法を用いてモアレ縞８の様子を観察することにより、様々な光学特性を測定、評価できる可能性がある。また、投射レンズ５にズーム機構が備えられていれば、格子のピッチ変更によるモアレ縞の強度を変更するのが容易に可能であり、より高精度な測定が期待できる。

本実施形態の方法によれば、既存のプロジェクタと格子線４が描かれたスクリーン３とを準備し、モアレ縞８を観察するだけで歪曲、フォーカス等のプロジェクタの光学特性、特に投射レンズ５の光学特性を評価することができる。そのため、特別な測定器を用いる必要がなく、プロジェクタの画像をスクリーンに投射できる環境がありさえすればよい。したがって、従来の方法に比べて簡単、安価、迅速にプロジェクタの光学特性の評価を実施することができる。また、従来の測定器のように被投射面上の複数の測定点でスポットの測定を行うのではなく、被投射面の全面に現れるモアレ縞８を観察するので、光学系の全域にわたって連続的な評価が可能である。さらに、ブラックマトリクス像７のピッチと格子線４のピッチとの関係を調整することでモアレ縞８を拡大することもでき、高精度な測定を行うこともできる。

なお、本実施形態では、液晶ライトバルブ１の全面で白表示を行い、これをスクリーン３に投射したときにできるブラックマトリクス２の像とスクリーン３上の格子線４とでモアレ縞を発生させた。すなわち、液晶ライトバルブが元来有しているブラックマトリクスを利用している。この構成に代えて、例えば液晶ライトバルブ１で格子パターンの像を形成し、これをスクリーンに投射したときにできる像とスクリーン３上の格子線４とでモアレ縞を発生させてもよい。ブラックマトリクスを利用する構成ではブラックマトリクスの像のピッチを変えることはできない。これに対して、この構成によれば、液晶ライトバルブによって格子パターン像の形状やピッチを自由に変化させることができるため、モアレ縞の発生状態を適宜変化させて評価しやすくすることができる。

［第２の実施の形態］
以下、本発明の第２の実施の形態を図３を参照して説明する。
本実施形態は、プロジェクタの投射レンズの光学特性を、装置全体ではなくレンズ単体で測定、評価する方法の例である。勿論、プロジェクタ以外の光学機器の光学系（レンズ）の測定、評価にも適用できる。
図３は本実施形態の光学特性の評価方法を説明するための概略構成図である。なお、図３において図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態の場合、プロジェクタとは別個に投射レンズ５を単体で測定するということは、第１実施形態のように第１のパターンとして機能するブラックマトリクス（液晶ライトバルブ）がないことになる。そこで、本実施形態では、第１実施形態の液晶ライトバルブに代えて、投射レンズ５の光入射側に透明格子板１５を配置している。透明格子板１５は、第１実施形態の液晶ライトバルブのブラックマトリクスに対応する部分を格子状の光吸収体１６（第１のパターン）にしたものである。具体的には、ガラス板等の光透過性を有する板体に黒線等を描いて光吸収体としてもよいし、銅薄板等をエッチング加工して窓部を抜き、格子板としてもよい。その他、測定時に透明格子板に光を照射するための光源（図示略）が備えられている。

本実施形態の方法によれば、透明格子板１５と格子線４が描かれたスクリーン３を準備するだけで、モアレ縞を観察することによって投射レンズ５の光学特性を評価することができる。したがって、特別な測定器を使用することなく従来の方法に比べて簡単、安価、迅速に光学特性の評価を実施できる、光学系の全域にわたって連続的な評価が可能である、モアレ縞を拡大することで高精度な測定が可能になる、といった第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施形態では、第１のパターンを予め形成した透明格子板を用いる例で説明したが、この構成に代えて、光透過性を有する板体上に何らかのパターン（例えば格子状のパターン）を投射または表示することで第１のパターンとしてもよい。すなわち、ここで言う板体が、単なる板体ではなくて、スクリーンであってもよいし、光変調素子であってもよい。この構成によれば、第１のパターンの形状やピッチを自由に変化させることができるため、モアレ縞の発生状態を適宜変化させて評価しやすくすることができる。

［第３の実施の形態］
以下、本発明の第３の実施の形態を図４を参照して説明する。
本実施形態は、投射レンズの光学特性をレンズ単体で測定、評価する方法の例であるが、格子線を描いたスクリーンを用いない点で第２実施形態と異なっている。
図４は本実施形態の光学特性の評価方法を説明するための概略構成図である。なお、図４において図３と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態の方法は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、透明格子板１５を用いる点では第２実施形態と同様である。しかしながら、格子線を描いたスクリーンに代えて、図４（ａ）では、プラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ等の直視型表示装置１８で第２の格子パターンとして機能する格子線を表示している。また、図４（ｂ）では、格子線が描かれていないスクリーン１９上に別のプロジェクタ２０で格子線の画像を投影している。

本実施形態の方法によれば、モアレ縞を観察することによって投射レンズの光学特性を評価することができ、特別な測定器を使用することなく従来の方法に比べて簡単、安価、迅速に光学特性の評価を実施できる、光学系の全域にわたって連続的な評価が可能である等の第１、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本実施形態の場合、スクリーン側の格子が表示された画像であり、格子のピッチを自由に変更することができるので、発生するモアレ縞の強度や倍率を容易に変化させることができ、固定焦点のレンズでも測定することが可能である。また、図４（ｂ）の構成では、格子パターンを投射するためのプロジェクタ２０が必要となるものの、何も格子パターンが描かれていない一般のスクリーンを用いて測定、評価が可能である。なお、本実施形態の方法はレンズ単体ではなくプロジェクタごと評価する第１実施形態とも組み合わせることができる。

［第４の実施の形態］
以下、本発明の第４の実施の形態を図５、図７を参照して説明する。
本実施形態は、評価方法自体は第１、第２実施形態と同様であるが、評価対象が非球面ミラーや自由曲面ミラーを用いた反射光学系である点が特徴的である。
図５は本実施形態の光学特性の評価方法を説明するための概略構成図である。なお、図５において図１，図３と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図７は上記の反射光学系を含む超短焦点光学系を備えたプロジェクタの概略構成図である。

最初に、図７を用いて超短焦点光学系を備えたプロジェクタについて簡単に説明する。
このプロジェクタ２２００は、プロジェクタ外部の壁Ｗに設置したスクリーン２２６０に画像信号に応じた光を投射し、スクリーン２２６０で反射する光を観察することで画像を鑑賞する、いわゆるフロント投射型のプロジェクタである。筐体２２７０の内部の底面８０には、光学エンジン部１０が投射レンズ２０を上向きにして設置されている。光学エンジン部１０は、画像信号に応じて変調された光を投射レンズ２０を通して上方に射出する。

筐体２２７０の内部には、第１ミラー３０が投射レンズ２０および後述する第２ミラー４０に対向する位置に設置されている。第１ミラー３０は、投射レンズ２０からの光を反射により第２ミラー４０の方向に折り返すためのものである。第１ミラー３０は略平坦な反射面を有しており、例えば光反射率の高いアルミニウム等の金属や誘電体多層膜からなる反射膜を平板上に形成することで作製することができる。一方、第２ミラー４０は、筐体２２７０の背面側の第１ミラー３０に対向する位置に設置されている。第２ミラー４０は、第１ミラー３０からの光を反射により略９０°折り曲げるとともに、スクリーン２２６０に向けて広角化させるためのものである。第２ミラー４０を曲面形状とすることで光の折り曲げと広角化を同時に実現することができる。特に光学特性の最適化のためには、第２ミラー４０を非球面形状、あるいは自由曲面形状とすることが望ましい。

［背景技術］の項でも述べたように、最近、プロジェクタの光学系で非球面ミラー等の反射光学素子を採用することが多くなってきた。ここで用いられる非球面ミラーの多くは、ベース材に樹脂を用いることが多く、その成形条件を見つけるために実際にミラーを用いて映像を投射しながら成形条件の最適化を行うことが多い。なお、ミラーの形状が理想形状となるように、ミラーの形状を測定しながら成形条件を追い込む方法もあるが、ミラーの表面は波長レベルの加工を要求されるので、映像を見ながら条件を追い込む方法が一般的である。ところが、上述したように、この種の反射光学素子を含む光学系を評価する場合、光路が複雑になるので、従来の測定器を用いるには大きな改造が必要になり、光学構成を変えるたびにカスタムの測定器が必要になることが多かった。

本実施形態の方法では、図５に示すように、投射レンズ５の光入射側に液晶ライトバルブ１もしくは透明格子板１５を配置し、投射レンズ５の光射出側に非球面ミラー２２を配置している。そして、液晶ライトバルブ１もしくは透明格子板１５の格子像が投射レンズ５、非球面ミラー２２を経てスクリーン３上に投射されるようになっている。スクリーン３には第１、第２実施形態と同様の格子線４が描かれており、格子像と格子線との干渉によってモアレ縞が発生する。このモアレ縞を観察したり、画像処理することで投射レンズ５、非球面ミラー２２を含む光学系の光学特性を測定、評価することができる。特に非球面ミラー２２のみを交換可能な構造とし、スクリーン上のモアレ縞を観察すれば、非球面ミラー２２の成形精度を知ることができる。

本実施形態の方法によれば、モアレ縞の観察によって光学特性を評価できるため、特別な測定器を使用することなく簡単、安価、迅速に光学特性の評価を実施できる、光学系の全域にわたって連続的な評価が可能である、といった第１〜第３実施形態と同様の効果を得ることができる。特に本実施形態においては、ミラーの成形条件を追い込む場合、モアレ縞により波長レベルまでの測定が可能になるため、高精度の非球面ミラーや自由曲面ミラーを成形することができる。また、ミラー全面にわたってミラーの形状誤差を連続的に測定できるので、ミラーの成形条件を見出しやすくなり、製造コストの低減を図ることができる。

［第５の実施の形態］
以下、本発明の第５の実施の形態を図６を参照して説明する。
本実施形態は、評価対象および評価方法は第４実施形態と同様であるが、評価結果を非球面ミラーや自由曲面ミラーの形状にフィードバックする点で第４実施形態と異なる。
図６は本実施形態の光学特性の評価方法を説明するための概略構成図である。なお、図６において図５と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態においては、図６に示すように、非球面ミラー２２の裏面に複数の圧電素子２３が設置されている。そして、図２で説明したスクリーン３上の画像を撮像するＣＣＤ等の撮像素子２４、撮像素子２４が撮像した画像を処理する画像処理部１０、画像処理部１０による画像処理結果を基に圧電素子２４に所定の信号を与えてこれを駆動するドライバ２５、が備えられている。また、投射レンズ５の光入射側に液晶ライトバルブ１もしくは透明格子板１５を配置し、投射レンズ５の光射出側に非球面ミラー２２、格子線４を描いたスクリーン３を配置した点は上記実施形態と同様である。

具体的には、図２に示した画像処理のアルゴリズムによって歪曲、フォーカスを検出し、非球面ミラー２２のどの部分がこの収差に影響しているかを画像処理部１０が計算する。さらに、画像処理部１０は、計算結果に基づいてドライバ２５に非球面ミラー２２の変形量を送り、ドライバ２５が圧電素子２３に駆動信号を送信する。ここで、所定の圧電素子２３が所定量だけ変形すると、それに追従して非球面ミラー２２が変形する。変形後、同光学系の光学特性を再度評価し、最適な歪曲あるいはフォーカス状態になるまで測定、評価を繰り返す。

本実施形態の方法によれば、モアレ縞の観察によって光学特性を評価できるため、特別な測定器を使用することなく簡単、安価、迅速に光学特性の評価を実施できる、光学系の全域にわたって連続的な評価が可能である、といった第１〜第４実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、特に本実施形態においては、以下のような効果を奏することができる。
非球面ミラーを用いる光学系は、一般的に超広角光学系であることが多い。よって、非球面ミラーは映像光を高倍率で拡大することから、非球面ミラーの形状誤差や形状変化が画像の歪曲、フォーカスに大きく影響する。また、一般的に非球面ミラーは樹脂で成形されることが多いため、周囲の温度変化で形状が変化しやすく、画像に影響を及ぼすこともある。ところが、本実施形態の方法によれば、光学特性の評価結果をミラー形状にフィードバックするので、非球面ミラー２２に形状誤差（加工誤差）があっても個体ごとに形状を再調整することができる。また、温度変化によって非球面ミラー２２が変形しても、適宜対応することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施形態で例示した各格子パターンの構成、ピッチ等については適宜設定することができる。また、上記実施形態では、第１のパターン、第２のパターンがともに格子状のパターンである場合について例示した。格子状パターンを用いた場合には、画面の水平方向、垂直方向の双方にわたってフォーカスや歪曲の状態を把握することができ、最適である。しかしながら、本発明は必ずしも格子状パターンに限るものではなく、例えばストライプ状等、モアレ縞が発生するパターンでありさえすれば、他の形状のパターンを用いることもできる。

本発明の第１実施形態の光学特性の評価方法を説明するための概略構成図。 同評価方法に用いる画像処理のアルゴリズムを示す図。 本発明の第２実施形態の光学特性の評価方法を説明するための概略構成図。 本発明の第３実施形態の光学特性の評価方法を説明するための概略構成図。 本発明の第４実施形態の光学特性の評価方法を説明するための概略構成図。 本発明の第５実施形態の光学特性の評価方法を説明するための概略構成図。 超短焦点光学系を備えたプロジェクタの概略構成図。 本発明の方法により得られたモアレ縞の発生状況を示す図（発生無し）。 本発明の方法により得られたモアレ縞の発生状況を示す図（ピッチ大）。 本発明の方法により得られたモアレ縞の発生状況を示す図（ピッチ小）。

符号の説明

１…液晶ライトバルブ（光変調素子）、２…ブラックマトリクス（第１の格子パターン）、３…スクリーン（被投射面）、４…格子線（第２の格子パターン）、５…投射レンズ（光学系）、７…ブラックマトリクス像、８…モアレ縞、１５…透明格子板、１６…光吸収体（第１の格子パターン）、２２…非球面ミラー。

Claims (7)

1. 評価対象としての光学系が非球面ミラーもしくは自由曲面ミラーと投射レンズとを含む反射光学系であり、前記光学系の光入射側に所定のピッチを有する第１のパターンとして液晶ライトバルブのブラックマトリクスを配置するとともに、前記光学系の光射出側に所定のピッチを有する第２のパターンを備えた被投射面を配置し、前記第１のパターンの前記所定のピッチと前記第２のパターンの前記所定のピッチとの関係を、前記第１のパターンの像を前記光学系の持つ拡大率で前記被投射面上に拡大投射した際に前記第１のパターンの像と前記第２のパターンとが重なるように設定しておき、前記第１のパターンの像を前記光学系を通して前記被投射面上に投射し、前記第１のパターンの像と前記第２のパターンとの干渉により前記被投射面上に生じるモアレ縞の発生状態を撮像し、撮像結果を画像処理することによって、前記光学系の光学特性を評価した後、前記画像処理の結果に基づいて前記非球面ミラーもしくは前記自由曲面ミラーの各部の変形量を算出し、前記変形量に基づいて前記非球面ミラーもしくは前記自由曲面ミラーの各部を変形させ、前記光学特性を再度評価し、前記光学特性の評価と前記非球面ミラーもしくは前記自由曲面ミラーの変形とを前記光学特性が最適になるまで繰り返すことを特徴とする光学系の光学特性評価方法。
2. 前記第２のパターンが、前記被投射面上に描かれたパターンで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学系の光学特性評価方法。
3. 前記第２のパターンが、前記被投射面上に投射もしくは表示されたパターンの像で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学系の光学特性評価方法。
4. 液晶ライトバルブを備えたプロジェクタにおける非球面ミラーもしくは自由曲面ミラーと投射レンズとを含む反射光学系からなる光学系の光学特性を評価する方法であって、
   所定のピッチを有する第１のパターンとしてのブラックマトリクスを備えた前記液晶ライトバルブと所定のピッチを有する第２のパターンを備えた被投射面とを用い、前記第１のパターンの前記所定のピッチと前記第２のパターンの前記所定のピッチとの関係を、前記第１のパターンの像を前記光学系の持つ拡大率で前記被投射面上に拡大投射した際に前記第１のパターンの像と前記第２のパターンとが重なるように設定しておき、前記液晶ライトバルブの前記第１のパターンの像を前記光学系を通して前記被投射面上に投射し、前記第１のパターンの像と前記第２のパターンとの干渉により前記被投射面上に生じるモアレ縞の発生状態を撮像し、撮像結果を画像処理することによって、前記プロジェクタにおける光学系の光学特性を評価した後、前記画像処理の結果に基づいて前記非球面ミラーもしくは前記自由曲面ミラーの各部の変形量を算出し、前記変形量に基づいて前記非球面ミラーもしくは前記自由曲面ミラーの各部を変形させ、前記光学特性を再度評価し、前記光学特性の評価と前記非球面ミラーもしくは前記自由曲面ミラーの変形とを前記光学特性が最適になるまで繰り返すことを特徴とするプロジェクタの光学特性評価方法。
5. 前記第２のパターンが、前記被投射面上に描かれたパターンで構成されていることを特徴とする請求項４に記載のプロジェクタの光学特性評価方法。
6. 前記第２のパターンが、前記被投射面上に投射もしくは表示されたパターンの像で構成されていることを特徴とする請求項４に記載のプロジェクタの光学特性評価方法。
7. 非球面ミラーもしくは自由曲面ミラーと投射レンズとを含む反射光学系からなる光学系の光学特性を評価する装置であって、
   評価対象としての光学系の光入射側に配置され、所定のピッチを有する第１のパターンとしてのブラックマトリクスを有する液晶ライトバルブと、
   前記液晶ライトバルブに光を照射する光源と、
   前記光学系の光射出側に配置され、所定のピッチを有する第２のパターンを備えた被投射面と、
   前記被投射面上のモアレ縞を含む画像を撮像する撮像素子と、
   前記撮像素子が撮像した画像を処理する画像処理部と、
   前記画像処理部による画像処理結果を基に、前記非球面ミラーもしくは前記自由曲面ミラーを変形させるための圧電素子に駆動信号を供給して前記圧電素子を駆動する駆動部と、を備え、
   前記第１のパターンの前記所定のピッチと前記第２のパターンの前記所定のピッチとの関係が、前記第１のパターンの像を前記光学系の持つ拡大率で前記被投射面上に拡大投射した際に前記第１のパターンの像と前記第２のパターンとが重なるように設定され、
   前記光学系によって前記第１のパターンの像が前記被投射面上に投射可能に構成され、
   前記撮像素子が、前記第１のパターンの像と前記第２のパターンとの干渉により前記被投射面上に生じるモアレ縞の発生状態を撮像し、前記画像処理部が、前記撮像素子が撮像した画像を処理することによって、前記光学系の光学特性を評価した後、前記モアレ縞の発生状態の画像処理結果に基づいて前記非球面ミラーもしくは前記自由曲面ミラーの各部の変形量を算出し、前記変形量に応じた駆動信号を前記駆動部を通じて前記圧電素子に供給し、前記圧電素子を駆動して前記非球面ミラーもしくは前記自由曲面ミラーの各部を変形させ、前記光学特性を再度評価し、前記光学特性の評価と前記非球面ミラーもしくは前記自由曲面ミラーの変形とを前記光学特性が最適になるまで繰り返すことを特徴とする光学特性評価装置。

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