JP5907404B2 - 画像投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像投影装置に関するものである。

従来から、光像を生成する光像生成部と、複数のレンズからなる第１光学系と、凹面鏡からなる第２光学系とを備えた投影光学系とを備えた画像投影装置が知られている。この画像投影装置は、第１光学系で、第１光学系と第２光学系との間に光像生成部で形成された光像に共役な中間光像を形成し、第２光学系で中間光像に共役な像を、スクリーンなどの投影面に形成する。投影面に形成された投影画像の上下方向の位置を調整するときは、第２光学系を回転させ、第２光学系の姿勢を変更することで投影画像が上下方向へ移動し、位置が調整される。しかし、第２光学系の姿勢を変更して、投影画像を上下方向へ移動させると、投影画像が、台形状に歪む所謂台形歪みが発生してしまう。

特許文献１には、第２光学系と投影面との間に偏向素子を配置し、第２光学系から偏向素子を介して投影面に投影画像を形成するように構成し、この偏向素子の偏向角度を調整することにより、台形歪みを補正する画像投影装置が記載されている。

しかしながら、特許文献１においては、台形歪みを補正するための偏向素子などの光学系部品や、この光学系部品を動かすための機構などが必要となり、部品点数が増加して装置のコストアップに繋がるという課題があった。また、部品点数の増加に伴って装置サイズが大型化するという課題もある。

本発明は以上の課題に鑑みなされたものであり、装置コストアップおよび装置サイズの大型化を抑えつつ台形歪みを補正することができる画像投影装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、画像データに基づいて、光像を生成する光像生成手段と、複数の光学系部品で構成され、上記光像生成手段により生成された光像に共役な光像を投影画像として投影面に形成する投影光学系と、上記投影光学系を構成する上記光学系部品の少なくともひとつの姿勢を変化させて、上記投影画像を移動させる投影画像移動手段とを備えた画像投影装置において、上記投影画像移動手段は、上記投影画像を移動させる方向と直交する方向に延びる回転軸および該回転軸を回動させる回動手段を有し、上記回転軸の周面に上記凹面鏡の裏面が固定されており、上記凹面鏡の姿勢を検出する姿勢検出手段と、上記姿勢検出手段の検知結果に基づいて、上記投影画像の台形歪みが生じないように上記光像生成手段で生成する光像を補正する台形歪み補正手段とを備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、上記凹面鏡の姿勢に基づいて、光像生成手段で生成する光像を補正して、投影画像の台形歪みを補正している。凹面鏡の姿勢の変化量と投影画像の移動量とには、相関関係があり、投影画像の移動量と投影画像の台形歪み量とにも相関関係がある。よって、光学系部品の姿勢を検出することにより、投影画像の台形歪み量を把握することができ、凹面鏡の姿勢に基づき、光像を補正することにより、投影画像の台形歪みを補正することができる。

本発明によれば、光像生成手段で生成する光像を補正することにより、投影画像の歪みを補正するので、特許文献１に記載の構成とは異なり、台形歪みを補正するための光学系部品と、この光学系部品を動かすための機構とを用いることなく投影画像の台形歪み補正することができる。これにより、特許文献１に記載の画像投影装置に比べて、部品点数の増加を抑えることができ、装置コストアップおよび装置サイズの大型化を抑えて、台形歪みを補正することができる。

本実施形態に係るプロジェクタから投影面までの光路図。 同プロジェクタの構成を示す概略図。 同プロジェクタの利用シーンの一例を示す図。 （ａ）は、第２光学系が基準姿勢のときの光路図であり（ｂ）は、第２光学系を回動させたときの光路図。 第１光学系の概略図。 画像生成部で生成される生成画像と、投影面に投影される投影画像との関係を示す図。 （ａ）は、画像処理部で補正した画像を画像生成部に表示した図であり、（ｂ）は、台形歪み補正後の投影画像を示す図。 投影画像移動方向下流側端部に対応する箇所を基準に入力画像を補正した場合の生成画像と、投影画像とを示す図。 解像度を評価するための画像生成部における光線の位置ｆ１〜ｆ９を示す図。 上記ｆ１〜ｆ９の投影面に投影されたスポットダイアグラムを示す図。 投射画像でのｆ１、ｆ３、ｆ７、ｆ９の座標をプロットしたグラフ。 第２光学系の傾斜角度を、−３９．４７°にしたときの上記ｆ１〜ｆ９の投影面に投影されたスポットダイアグラムを示す図。 第２光学系の傾斜角度が、−３９．４７°ときの投射画像でのｆ１、ｆ３、ｆ７、ｆ９の座標をプロットしたグラフ。 ＣＡＳＥ１の補正を実施したときの投射画像でのｆ１’、ｆ３’、ｆ７’、ｆ９’の座標をプロットしたグラフ。 ＣＡＳＥ２の補正を実施したときの投射画像でのｆ１’、ｆ３’、ｆ７’、ｆ９’の座標をプロットしたグラフ。 第２光学系の傾斜角度を、−３９．８７°にしたときの上記ｆ１〜ｆ９の投影面に投影されたスポットダイアグラムを示す図。 第２光学系の傾斜角度が、−３９．８７°ときの投射画像でのｆ１、ｆ３、ｆ７、ｆ９の座標をプロットしたグラフ。 第２光学系の傾斜角度が、−３９．８７°ときのＣＡＳＥ１の補正を実施した場合の投射画像でのｆ１’、ｆ３’、ｆ７’、ｆ９’の座標をプロットしたグラフ。 第２光学系の傾斜角度が、−３９．８７°ときのＣＡＳＥ２の補正を実施した場合の投射画像でのｆ１’、ｆ３’、ｆ７’、ｆ９’の座標をプロットしたグラフ。

以下、本発明が適用される画像投影装置としてのプロジェクタの実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係るプロジェクタ１から投影面１０１までの光路図であり、図２はプロジェクタ１の構成を示す概略図である。なお、以下の説明では、投影面１０１の長軸方向をＸ、短軸方向をＹ、投影面１０１の法線方向をＺとする。

図１、２に示すように、プロジェクタ１は、画像生成手段たる画像生成部１０と、画像生成部１０で形成された画像を投影面１０１に投影するための投影光学系３とを有している。投影光学系３は、屈折光学系を少なくとも一つ含み、正のパワーを有する共軸系の第１光学系２０、正のパワーを有する反射面を少なくとも一つ含んだ第２光学系３０で構成されている。

画像生成部１０は、複数の画像形成素子（例えば、液晶素子）を備え、変調信号に応じて画像を形成する画像形成部（例えば、液晶パネル）、この画像形成部に対して光を照射する光源などからなる透過型、反射型ドットマトリクス液晶、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ ＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）を用いることができる。一例を示すと、光源から出射された光を、複数の光学系部品によりＲ，Ｇ，Ｂの各色成分光に分離し、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色に対応して設けられた複数の画像形成素子に入射する。画像処理部５３の駆動部５３ａで、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）などから入力された画像データに基づいて、変調信号を生成し、各画像形成素子に入力し、各画像素子で画像データに応じた光変調が行われる。その後、ダイクロイックプリズムなどの公知の合成手段により合成して、第１光学系２０に向けて、画像光を出射する。

投影光学系３は、第１光学系２０と第２光学系３０とを有し、第１光学系２０は、複数の光学系部品からなり、画像生成部１０で生成された画像光に共役な中間像を第１光学系２０と第２光学系３０との間に形成する。この中間像は、第１光学系２０と第２光学系３０との間に曲面像として結像される。

第２光学系３０は、１枚の凹面鏡により構成され、投影面１０１に中間像を「さらに拡大した画像」が投影結像される。投影光学系３を上述のように構成することで、投影距離を短くでき、狭い会議室などでも使用することができる。更に、従来のプロジェクタのように発表者がプロジェクタ１の投影画像の間に入ることで投影画像に影が生じるという問題が軽減される。

図３に示すように、本実施形態に係るプロジェクタ１は、例えば会議室などで使用する場合、プロジェクタ１をテーブル１００に置いてホワイトボードなどの投影面１０１に画像を投影して使用される。この場合、投影面１０１の高さ、プロジェクタ１の設置される高さが固定である。この状態で全画面が投影面１０１に映らない場合、設置する台を別途用意するなどして投影の高さを調節する必要が生じ、大変煩わしい。そこで、投影面１０１の高さを調整する機能をプロジェクタ１が備えていればこのような煩わしさがなくなり、ユーザーにとって使いやすいものとなる。

本実施形態においては、第２光学系３０が、ｘ方向回りに回動可能になっており、第２光学系３０をｘ方向回りに回動させることにより、投影画像の高さ（ｙ方向）の位置が調整可能となっている。具体的には、図２に示すように、第２光学系３０は、端部にギヤ４１が固定されたｘ方向に延びる回転軸３１に固定されている。ギヤ４１には、モータ４２のモータギヤ４２ａが噛み合っている。モータ４２を駆動することにより、第２光学系３０が、図中時計回りまたは図中反時計回りに回動し、投影画像が、ｙ方向へ移動して、投影画像の位置を調整することができる。図２に示すように、プロジェクタ１には赤外線入力部５２を有しており、不図示のリモコンをユーザーが操作すると、不図示のリモコンから赤外線信号が発信され、プロジェクタ１の赤外線入力部５２に入力される。赤外線入力部５２で、赤外線信号を受信したら、制御部５１は、その信号に基づいて、モータ４２を駆動して、第２光学系３０を図中時計回りまたは図中反時計回りに回動させ、投影画像のｙ方向の位置が調整される。なお、本実施形態においては、ギヤ４１とモータ４２とを用いて第２光学系３０を回動させているが、これに限られず、公知の手法を用いることができる。また、ユーザーが手動でギヤ４１を回すことで第２光学系３０を回転させてもよい。

図４（ａ）は、第２光学系３０が基準姿勢のときの光路図であり、（ｂ）は、第２光学系３０を図中時計回りに回動させたときの光路図である。
図４（ａ）に示すように、第２光学系３０が基準姿勢のときは、投影画像は、投影面１０１の基準位置に投影される。図４（ｂ）に示すように、基準姿勢から第２光学系３０を図中時計回りに回動させると、投影画像が、＋ｙ方向にシフトする。これにより、投影画像のテーブル１００からの高さが、ＡからＢへと変更することができる。逆に、基準姿勢から第２光学系３０を図中反時計回りに回動させると、投影画像が、−ｙ方向にシフトする。

第２の光学系３０を回転させて、投影画像をｙ方向へシフトさせると、投影面１０１に到達する光線の投影面１０１への入射角度や投射距離がシフト前後で変化するため、シフト後のピントがずれてしまう。投影距離の短いプロジェクタ１ほど投影面１０１への光線入射角が大きくなるため、このピントずれは顕著にあらわれる。しかし、本実施形態においては、第２の光学系３０を凹面鏡として正のパワーを持たせているので、設計の最適化をすることでこの問題を解消し、解像度（ピント）を保ちつつ画面シフトすることが可能となっている。第２光学系３０の光を反射する面は、球面、回転対称非球面、自由曲面形状などにすることができる。ここで、自由曲面形状の一例として多項式自由曲面の式を以下に示しておく。

「Ｚ＝Ｘ２・ｘ２＋Ｙ２・ｙ２＋Ｘ２Ｙ・ｘ２ｙ＋Ｙ３・ｙ３＋Ｘ４・ｘ４＋Ｘ２Ｙ２・ｘ２ｙ２＋Ｙ４・ｙ４＋Ｘ４Ｙ・ｘ４ｙ＋Ｘ２Ｙ３・ｘ２ｙ３＋Ｙ５・ｙ５＋Ｘ６・ｘ６＋Ｘ４Ｙ２・ｘ４ｙ２＋Ｘ２Ｙ４・ｘ２ｙ４＋Ｙ６・ｙ６＋・・」
ここで、投影画像を基準として上下方向をＹ方向、左右方向をＸ方向、曲面のデプスをＺ方向、とし、「Ｘ２、Ｙ２、Ｘ２Ｙ、Ｙ３、Ｘ２Ｙ２など」は係数である。第２光学系３０の形状に自由度を持たせる程設計の自由度が上がるため、自由曲面形状にすることで解像度（ピント）を維持できる画面のシフトの量を大きくできる。

さらに、第２光学系３０をｘ方向回りに回動させるときに、第２光学系３０をｙ方向に移動させてもよい。第２光学系３０をｙ方向に移動させることにより、ピントずれを抑制して、投影画像をｙ方向に移動させることが可能となる。また、第２光学系３０の曲面形状と、第２光学系３０のｙ方向の移動とを組み合わせることにより、ピントを維持するための第２光学系３０の曲面形状の設計の自由度が上がるため、ピントを維持しながら投影画像をシフトできる量を大きくできる。第２光学系３０のｙ方向の移動は、第２光学系３０を回転させながら移動するのが好ましい。このため、第２光学系３０とギヤ４１が固定された回転軸３１、モータ４２、後述する傾き検知センサ５５を一体的に支持した枠体を設け、枠体ごとｙ方向へ移動させる構成が好ましい。

また、投影画像をｙ方向へ移動させるときに、第１光学系２０の光学系部品の少なくとも一つを移動させることで、ピントを維持するようにしてもよい。
図５に示すように、第１光学系２０を１〜４群に分けると、投影画像を＋ｙ方向にシフトする場合は、第２光学系３０の回転に合わせて、第１光学系２０の第１群を−ｚ方向、第２群を＋ｚ方向、第３群を−ｚ方向へ移動させる。これにより、ピントを維持しながら、投影画像を＋ｙ方向へシフトさせることができる。

次に、本実施形態の特徴点について説明する。
本実施形態においては、上述したように、ピントを維持しつつ投影画像をシフトすることができる。しかし、投影画像をシフトすべく第２光学系３０を、基準の姿勢から回転させると第２光学系３０から投影面１０１までの距離が変化するため台形歪みが発生する。画面シフト量が小さければ、第２光学系３０の曲面形状を最適化することで台形歪みが生じるのを抑えることができるが、画面シフト量が大きい場合は、第２光学系３０の曲面形状の最適化では対処できず、台形歪みが発生してしまう。

図６は、画像生成部１０で生成される生成画像と、投影面１０１に投影される投影画像との関係を示す図である。（ａ）が、画像生成部１０で生成される生成画像を示しており、（ｂ）は、投影面１０１に投影された投影画像を示している。
図に示すように、第２光学系３０が基準姿勢のときは、図４（ｂ）の破線で示すように、生成画像のアスペクト比と同じアスペクト比の拡大投影画像が、投影面１０１に投影される。一方、第２光学系３０を回転させて、投影画像を＋ｙ方向へシフトさせると、図６（ｂ）に示すように、台形歪みが発生してしまう。

そこで、本実施形態では、入力画像を補正することにより投影画像の台形歪みを補正している。以下に、具体的に説明する。
先の図２に示すように、本実施形態のプロジェクタ１には、入力画像を補正する台形歪み補正手段としての画像処理部５３を有している。画像処理部５３には、第２光学系３０の傾きを検知するための傾き検知センサ５５と、記憶手段５４とが接続されている。記憶手段５４には、第２光学系３０の傾きと、画像補正係数とが関連づけられたテーブルが記憶されている。画像処理部５３は、傾き検知センサ５５の検知結果と、記憶手段５４に記憶されているテーブルとから、画像補正係数を把握し、把握した画像補正係数に基づいて、入力画像を補正する。そして、補正した入力画像を、画像生成部１０に送信する。

姿勢検出手段としての傾き検知センサ５５としては、ポテンショメータを用いることができる。ポテンショメータを、回転軸３１に取り付け、第２光学系３０の傾きに比例して変化する抵抗値を読み取ることで傾きを検知することができる。また、傾き検知センサ５５として加速度センサを用いてもよい。加速度センサを用いた場合は、重力加速度Ｇを検出し、このＧ正弦関数により傾きを求めることができる。なお、これらの方法に限定するものではなく、公知の方法を適宜用いることができる。

図７（ａ）は、画像処理部５３の補正部５３ｂで補正した画像を画像生成部１０に表示した図であり、（ｂ）は、台形歪み補正後の投影画像を示す図である。図７（ａ）の一点鎖線は、画像処理部５３の補正部５３ｂで補正していない画像を画像生成部１０に表示した場合を示しており、図７（ｂ）の一点鎖線は、台形歪み補正前の投影画像を示しており、図７（ｂ）の破線は、第２光学系３０が基準姿勢のときの投影画像を示している。
画像処理部５３の補正部５３ｂで入力された画像データは、図７（ｂ）の一点鎖線で示す台形歪み補正前の投影画像の台形形状とは、逆台形形状に補正される。画像処理部５３の補正部は、傾き検知センサ５５の検知結果に基づいて、画像データの画素を間引き、間引き後補完処理を行って補正画像データを生成する。駆動部５３ａは、この補正画像データに基づいて、画像形成部の各画像形成素子に変調信号を入力し、画像形成部に補正画像が生成される。図７（ｂ）の破線と、図７（ｂ）の一点鎖線を比べるとわかるように、台形歪みの投影画像は、図中上側（＋ｙ方向）にいくにつれて、ｘ方向、ｙ方向に引き延ばされている。このため、画像処理部５３の補正部５３ｂでは、画像データのｘ方向ラインの画素を所定のアルゴリズムにより間引いて、入力画像のｙ方向の高さを補正する。これにより、投影画像のｙ方向の歪みが補正され、図７（ｂ）に示すように、補正後の投影画像のｙ方向の長さを、図中破線で示す基準位置の投影画像の長さと同じにすることができる。次に、間引かれずに残ったｘ方向ラインに並ぶ複数の画素のうちいくつかを、補正後のｙ方向の位置に基づいて、所定のアルゴリズムにより間引く。これにより、画像データが、投影画像の台形形状とは逆の台形形状に補正される。これにより、図７（ｂ）に示すように、補正後の投影画像のアスペクト比を、図中破線で示す基準位置の投影画像のアスペクト比と同じにすることができる。

本実施形態のｙ方向の長さを補正するためのｘ方向ラインの間引きは、画像データの投影画像移動方向上流側端部（図中下端）に対応する箇所を基準にして行われる。すなわち、補正後の生成画像の下端と、補正前の生成画像の下端とを一致させるのである。このように、下端基準とすることで、入力画像を台形形状にする際のｙ方向の位置に基づいて、間引かれる画素の量を、上端基準にした場合に比べて、少なくすることができ、結果として補正によるｘ方向の解像劣化を抑えることができる。

上述では、画面シフト方向を＋ｙ方向とした場合について説明したが、画面を−ｙ方向にシフトした場合、投影画像移動方向上流側端部に対応する箇所は、画像の上端側となり、この場合は、画像の上端を基準にして入力画像の補正が行われる。

このようにして、画像処理部５３の補正部５３ｂで所定のアルゴリズムに基づき、入力画像の画素を間引いて、画像データを、図７（ａ）に示すような台形形状に補正することにより、図７（ｂ）に示すように、投影画像の台形歪みを補正することができる。

また、上記では、投影画像のｙ方向の歪み補正を、画像データの投影画像移動方向上流側端部に対応する箇所を基準に行っているが、これとは逆に画像データの投影画像移動方向下流側端部に対応する箇所を基準に行ってもよい。
図８は、画像データの投影画像移動方向下流側端部に対応する箇所を基準に画像データを補正した場合の生成画像と、投影画像とを示す図である。
この図８においても、投影画像を＋ｙ方向にシフトする場合について説明する。
図８（ａ）に示すように、投影画像を＋ｙ方向にシフトする場合は、投影画像移動方向下流側端部は、図中上側となる。この場合は、図８（ａ）に示すように、補正後の生成画像の図中下端の位置が、図中一点鎖線の補正前の生成画像の下端位置に比べて、＋ｙ方向側となる。その結果、補正後の投影画像が、入力画像の投影画像移動方向上流側端部に対応する箇所を基準にした補正後の投影画像に比べて、＋ｙ方向へシフトさせることができる（図７（ｂ）、図８（ｂ）参照）。すなわち、画像データの投影画像移動方向下流側端部に対応する箇所を基準にすると、第２光学系の回転量に対する投影画像のシフト量を大きくすることができるのである。これにより、投影画像のシフト量が同じ場合、投影画像移動方向上流側端部に対応する箇所を基準にした場合に比べて、第２光学系の回転量（姿勢の変化量）を少なくすることができる。よって、投影画像移動方向上流側端部に対応する箇所を基準にした場合に比べて、ｘ方向ラインの画素の間引き量を低減することができ、ｙ方向の解像度の低下を抑制することができる。また、第２光学系の回転量（姿勢の変化量）を少なくできるので、結果的に、ｘ方向の解像度の劣化の抑制も見込める。

投影画像移動方向上流側端部に対応する箇所を基準にするか、下流側端部に対応する箇所を基準にするかは、装置の構成により適宜決めればよい。投影画像をｙ方向へ移動させたとき、ｘ方向の歪みが、ｙ方向の歪みよりも大きい場合は、投影画像移動方向上流側端部に対応する箇所を基準にすることで、解像度の低下を効果的に抑制することができる。これとは逆に、ｙ方向の歪みが大きい場合は、投影画像移動方向下流側端部に対応する箇所を基準にすることで、解像度の低下を効果的に抑制することができる。

また、上述では、投影画像をｙ方向にシフトさせる場合について説明したが、第２光学系３０をｙ方向回りに回転する構成にすることで画面を±ｘ方向にシフトさせることができる。また、上記では、テーブルに基づいて、第２光学系３０の傾きに対する画像補正係数を特定しているが、演算式を用いて、第２光学系３０の傾きに対する画像補正係数を特定してもよい。

以下に、実施例に基づいて、本発明を、具体的に説明する。

［実施例］
実施例のプロジェクタの画像生成部１０は０．６４インチ、縦横比１６：１０であり、実施例のプロジェクタの拡大倍率は、９４倍である。なお、拡大倍率とは、画像生成部１０で生成された画像サイズと、投影面１０１に投影された投影画像サイズのおおよその比である。また、実施例のプロジェクタのＦナンバーは、Ｆ２．５である。また、表２は、実施例１のプロジェクタ１の諸元を示す。

表１に示す面番号は、光像が通過する面を、画像生成部１０の画像生成面を０にして、光像が通過する順に番号を振ったもので、面番号２６は、投影面１０１である。例えば、面番号１は、画像形成部１０の画像生成面に対向配置された透過ガラスの光像の入射面であり、面番号２は、透過ガラスの光像出射面である。また、面番号５、２４は、ダミーである。また、面形状が球で、曲率半径が無限大のものは、平面であることを示している。面番号３〜２３が、第１光学系２０の各レンズの入射面および出射面であり、面番号１４、１５が、先の図５に示す第３群のレンズであり、面番号１６〜２１が、先の図５に示す第２群のレンズであり、面番号２２、２３が、先の図５に示す第１群のレンズである。また、面番号２５は、第２光学系３０である。

また、表のシフトとは、Ｙ方向のシフト偏心量であり、チルトとは、Ｘ軸を回転軸としたチルト偏心量である。また、表１の曲率半径、面間隔、シフト偏心量の単位は、ミリである。また、シフトの符号は、図２における上方向のシフトを、＋の符号とし、下方向のシフトを−の符号とした。また、チルトの符号は、Ｘ軸まわりにおける左回転のチルトを、＋の符号とし、Ｘ軸まわりにおける右回転のチルトを、−の符号とした。また、第２光学系３０の反射面のＹ軸に対する傾斜角度は、−３９．０７°である。

また、表１の面番号３、４、２０〜２３の面の非球面は、回転対称非球面であるが、非対称の非球面でも良い。 回転対称非球面は周知のとおり、Ｚを光軸方向のデプス、ｃを近軸曲率半径、ｒを光軸からの光軸直交方向の距離、ｋを円錐係数、Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・等を高次の非球面係数とすると、 Ｚ＝ｃ・ｒ^２／［１＋√｛１−（１＋ｋ）ｃ^２・ｒ^２｝］＋Ａ・ｒ^４＋Ｂ・ｒ^６＋Ｃ・ｒ^８・・・ という非球面式となり、ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ・・・の値を与えて形状を特定する。このように、第１光学系２０に非球面レンズを用いることにより設計の自由度が高くなり、スクリーン上での結像性能が上がる。表２に、本実施例における上記式の各係数の値を示す。

本実施例の第２光学系３０の反射面（面番号２５）は、アナモフィックな多項式自由曲面形状である。第２光学系３０の正のパワーを持つ反射ミラーがアナモフィックな多項式自由曲面形状であれば、「それぞれの像高に対する反射領域」ごとに、反射面の曲面形状を調整することができ、収差補正性能がよくなる。本実施例の多項式自由曲面の式（Ｚ＝Ｘ２・ｘ２＋Ｙ２・ｙ２＋Ｘ２Ｙ・ｘ２ｙ＋Ｙ３・ｙ３＋Ｘ４・ｘ４＋Ｘ２Ｙ２・ｘ２ｙ２＋Ｙ４・ｙ４＋Ｘ４Ｙ・ｘ４ｙ＋Ｘ２Ｙ３・ｘ２ｙ３＋Ｙ５・ｙ５＋Ｘ６・ｘ６＋Ｘ４Ｙ２・ｘ４ｙ２＋Ｘ２Ｙ４・ｘ２ｙ４＋Ｙ６・ｙ６＋・・）の各係数の値を、表３に示す。

次に、本実施例の解像度について、説明する。
図９は、解像度を評価するための画像生成部１０における光線の位置の定義を説明する図である。
図９に示すように、ＸＹ平面の画像形成部１０のＸ方向中央部の位置をＸ軸方向の基準位置とし、この基準位置より図中左側を−、図中右側を＋とした。また、画像形成面の図中下端の位置をＹ軸方向の基準位置とし、この基準位置より図中下側を−、図中上側を＋とした。そして、画像生成部１０のＸ≦０のエリアについて、Ｘ方向に３等分割、Ｙ方向に３等分割して得られる９個の格子点ｆ１〜ｆ９を、解像度を評価するための評価点とした。なお、図１に示すように、投影画像面（投影面１０１）はＸＹ面上にあり、投影画像面上のスポット特性は、Ｙ軸に対して±Ｘ方向には対称なスポット特性を示すため、Ｘ≦０のエリアについてのみ解像度を評価すればよい。

図１０は、上記ｆ１〜ｆ９の投影面１０１に投影されたスポットダイアグラムを示す図である。図１０に示すように、各評価点ｆ１〜ｆ９のスポットは良く集光していることがわかる。本実施例ではＷＸＧＡクラスの解像度が得られている。ＷＸＧＡの解像周波数において、白色のＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ（ＭＴＦ）として、画面全域で５０％以上の性能が得られる。

下記表４は、画像生成部１０と投射画像におけるｆ１、ｆ３、ｆ７、ｆ９の座標を示したものであり、図１１は、投射画像でのｆ１、ｆ３、ｆ７、ｆ９の座標をプロットしたものである。図より、歪みのない画像の得られていることがわかる。

下記表５は、第２光学系３０を回転させて、第２光学系３０の反射面のＹ軸に対する傾斜角度を、−３９．４７°とした諸元を示すものである。

上記のように、第２光学系をさらに傾けることで、投影画像は、＋ｙ方向へシフトする。よって、このときは、先の図５を用いて説明したように、第１光学系２０の第１群を−ｚ方向、第２群を＋ｚ方向、第３群を−ｚ方向へ移動させて、ピントを維持する。よって、表５の○で標記したところに示すように、第１光学系の第３群が、−ｚ方向へ移動するので、面番号１３（第１光学系の第４群の光進行方向最下流に配置されたレンズの出射面）と、面番号１４（第１光学系の第３群の光進行最上流に配置されたレンズの入射面）との間の距離（面間隔）が、０．１３ｍｍとなり、０．０３ｍｍ距離が縮まる。

同様に、第１光学系の第２群が、＋ｚ方向に移動するので、面番号１５（第１光学系の第３群の光進行最下流に配置されたレンズの出射面）と、面番号１６（第１光学系の第２群の光進行最上流に配置されたレンズの入射面）との距離（面間隔）が、０．１７ｍｍとなり、０．０７ｍｍ距離が広がる。また、第１光学系２０の第１群が、−ｚ方向へ移動するので、面番号２１（第１光学系の第２群の光進行最下流に配置されたレンズの出射面）と、面番号２２（第１光学系の第１群の光進行最上流に配置されたレンズの入射面）との距離（面間隔）が、８．６８ｍｍとなり、０．１５ｍｍ距離が縮まる。また、面番号２３（第１光学系の第１群の光進行最下流に配置されたレンズの出射面）とダミーの面である面番号２４との距離が、０．３０ｍｍとなり、０．１ｍｍ距離が広がる。

図１２は、第２光学系３０を回転させて、第２光学系３０の反射面のＹ軸に対する傾斜角度を、−３９．４７°にしたときの上記ｆ１〜ｆ９の投影面１０１に投影されたスポットダイアグラムを示す図である。
図に示すように、第１光学系の第１群〜第３群をそれぞれ移動させることにより、良好に集光できることがわかる。これにより、ＷＸＧＡの解像周波数において、白色のＭＴＦとして画面全域で５０％以上の性能が得られる。

下記表６は、第２光学系３０を回転させて、第２光学系３０の反射面のＹ軸に対する傾斜角度を−３９．４７°にしたときの画像生成部１０と投射画像におけるｆ１、ｆ３、ｆ７、ｆ９の座標を示したものであり、図１３は、投射画像でのｆ１、ｆ３、ｆ７、ｆ９の座標をプロットしたものである。
先の図１１と、図１３とを比較するとわかるように、投影画像の上側が、＋ｙ方向にシフトしていることがわかる。しかし、図１３に示すように、台形歪みが増大していることがわかる。また、図１１と図１３に示すように、画像がＹ方向に延びていることもわかる。

よって、上述したように、画像データの画素を間引いて、図１３に示すような投影画像の歪みを補正する。以下に、上述したように投影画像のｙ方向の長さを補正するためのｘ方向ラインの間引きを、画像データの投影画像移動方向上流側端部（本実施例では、下端）に対応する箇所を基準にした場合を、ＣＡＳＥ１とし、画像データの投影画像移動方向下流側端部（本実施例では、上端）に対応する箇所を基準にした場合を、ＣＡＳＥ２として説明する。なお、本実施例では、ＣＡＳＥ１、ＣＡＳＥ２共に拡大倍率９４倍を維持するよう補正する。

下記表７は、ＣＡＳＥ１の補正を実施したときの画像生成部と投射画像におけるｆ１’、ｆ３’、ｆ７’、ｆ９’の座標をしたものであり、図１４は、ＣＡＳＥ１の補正を実施したときの投射画像でのｆ１’、ｆ３’、ｆ７’、ｆ９’の座標をプロットしたものである。

上記表６と上記表７を比べてわかるように、ＣＡＳＥ１の場合は、画像データの投影画像移動方向上流側端部（本実施例では、下端）に対応する箇所を基準にしてｘ方向ラインの間引きを行うため、画像生成部１０のｆ１’、ｆ７’のＹ方向の位置は、表６に示す補正前のｆ１、ｆ７のＹ方向位置と同じである。一方、Ｙ方向上端側にあるｆ３’、ｆ９’は、画像処理部５３で画像データのＸ方向ラインが複数間引かれている関係で、表６の示すｆ３、ｆ９の位置よりも下方へ移動している。

また、間引かれずに残ったｘ方向ラインに並ぶ複数の画素のうちいくつかを、補正後のｙ方向の位置に基づいて、所定のアルゴリズムにより間引くため、ｆ９’が、ｆ９よりｘ方向内側へ移動する。

このようにして、画像データの画素を間引くことで、図１４に示すように、投影画像を＋ｙ方向へシフトしながら歪みのない画像を得ることができる。

下記表８は、ＣＡＳＥ２の補正を実施したときの画像生成部と投射画像におけるｆ１’、ｆ３’、ｆ７’、ｆ９’の座標をしたものであり、図１５は、ＣＡＳＥ２の補正を実施したときの投射画像でのｆ１’、ｆ３’、ｆ７’、ｆ９’の座標をプロットしたものである。

上記表６、表８を比べてわかるように、ＣＡＳＥ２の場合は、画像データの投影画像移動方向下流側端部（本実施例では、上端）に対応する箇所を基準にしてｘ方向ラインの間引きを行うため、画像生成部１０のｆ１’、ｆ７’のＹ方向の位置が、画像処理部５３で画像データのＸ方向ラインが複数間引かれている関係で、表６の示すｆ３、ｆ９の位置よりも上方へ移動している。また、ＣＡＳＥ１と同様に、間引かれずに残ったｘ方向ラインに並ぶ複数の画素のうちいくつかを、補正後のｙ方向の位置に基づいて、所定のアルゴリズムにより間引くため、ｆ９’が、ｆ９よりｘ方向内側へ移動する。

このようにして、画像データの画素を間引くことでも、図１５に示すように、投影画像を＋ｙ方向へシフトしながら歪みのない画像を得ることができる。

ＣＡＳＥ１およびＣＡＳＥ２においては、画像データの画素を間引くことで、投影画像の歪みを補正しているため、解像度が劣化する。

下記表９は、ＣＡＳＥ１、ＣＡＳＥ２の補正をした場合の画像処理後解像度と画面シフト量とを示したものである。ここで画像処理後解像度とは、画像処理前後での画像生成部１０の使用領域の面積比である。画像処理をしない場合、画像生成部１０の有効面積は６．９２×８．６４×２≒１２０ｍｍ^２である。例えば、ＣＡＳＥ１の場合の画像処理後解像度は（１１５／１２０）×１００＝９６％となる。

ＣＡＳＥ１では、画像データの画素を間引いて、画像生成部１０で生成する画像を、先の図７（ａ）に示すような台形形状として、先の図６（ａ）に示すように、画像データを間引かず、画像生成部１０の全体を使用するときよりも画像生成部１０の使用する面積の小さくする。また、ＣＡＳＥ２では、画像生成部１０で生成する画像を、先の図８（ａ）に示すような台形形状として、先の図６（ａ）に示すように、画像データを間引かず、画像生成部１０の全体を使用するときよりも画像生成部１０の使用する面積の小さくする。よって、この面積比の分、解像度が劣化する。従って、画像処理前後での画像生成部１０の使用領域の面積比を調べることで、解像度の劣化を調べることができる。

表９から分かるように、ＣＡＳＥ１の補正を行った場合ＣＡＳＥ２に比べ解像度劣化を抑制することができ、ＣＡＳＥ２の補正を行った場合ＣＡＳＥ１に比べ画面シフト量を大きくすることができる。

次に、第２光学系３０をさらに回転させて、第２光学系３０の反射面のＹ軸に対する傾斜角度を、−３９．８７°とした場合について説明する。

下記表１０は、第２光学系３０を回転させて、第２光学系３０の反射面のＹ軸に対する傾斜角度を、−３９．８７°としたときの諸元を示すものである。

上記表１０の面番号１３、１５、２１、２３の面間隔に○で表示したように、表５の○で表示した面番号１３、１５、２１、２３の面間隔の数値に対して、数値が変化している。これは、第２光学系３０を、傾斜角度をさらに大きくして、投影画像をさらに＋ｙ方向へシフトせることで、第１光学系２０の第１群をさらに−ｚ方向へ移動させ、第２群をさらに＋ｚ方向、第３群をさらに−ｚ方向へ移動させて、ピントを維持するためである。

図１６は、第２光学系３０を回転させて、第２光学系３０の反射面のＹ軸に対する傾斜角度を、−３９．８７°にしたときの上記ｆ１〜ｆ９の投影面１０１に投影されたスポットダイアグラムを示す図である。
図に示すように、第１光学系２０の第１群〜第３群をそれぞれ移動させることにより、良好に集光できることがわかる。これにより、ＷＸＧＡの解像周波数において、白色のＭＴＦとして画面全域で５０％以上の性能が得られる。

下記表１１は、第２光学系３０を回転させて、第２光学系３０の反射面のＹ軸に対する傾斜角度を−３９．４７°にしたときの画像生成部１０と投射画像におけるｆ１、ｆ３、ｆ７、ｆ９の座標を示したものであり、図１７は、投射画像でのｆ１、ｆ３、ｆ７、ｆ９の座標をプロットしたものである。

先の図１３と、図１７とを比較するとわかるように、投影画像が、＋ｙ方向にさらにシフトしていることがわかる。しかし、図１７に示すように、台形歪みがさらに増大していることがわかる。また、図１７に示すように、画像がＹ方向にさらに延びていることもわかる。

下記表１２は、ＣＡＳＥ１の補正を実施したときの画像生成部と投射画像におけるｆ１’、ｆ３’、ｆ７’、ｆ９’の座標をしたものであり、図１８は、ＣＡＳＥ１の補正を実施したときの投射画像でのｆ１’、ｆ３’、ｆ７’、ｆ９’の座標をプロットしたものである。

上記表１２に示すように画像生成部１０の座標を補正することで、図１８に示すように、歪みのない画像の得られることが分かる。上記表１１と上記表１２を比べてわかるように、Ｙ方向上端側にあるｆ３’、ｆ９’は、画像処理部５３で画像データのＸ方向ラインが複数間引かれている関係で、表１１の示すｆ３、ｆ９の位置よりも下方へ移動している。また、表７と表１１とを比べてわかるように、第２光学系３０の傾斜角度が−３９．４７°の場合に比べて、投影画像の歪みが大きく、画像データのＸ方向ラインの間引き量が多いため、第２光学系３０の傾斜角度が−３９．４７°の場合に比べて、ｆ３’、ｆ９’の位置がより下方へ移動している。また、同様に、第２光学系３０の傾斜角度が−３９．４７°の場合に比べて、ｆ’９のｘ方向の移動量が大きくなる。

下記表１３は、ＣＡＳＥ２の補正を実施したときの画像生成部と投射画像におけるｆ１’、ｆ３’、ｆ７’、ｆ９’の座標をしたものであり、図１９は、ＣＡＳＥ２の補正を実施したときの投射画像でのｆ１’、ｆ３’、ｆ７’、ｆ９’の座標をプロットしたものである。

上記表１３に示すように画像生成部１０の座標を補正することで、図１８に示すように、歪みのない画像の得られることが分かる。また、上記表８、上記表１３を比べてわかるように、第２光学系３０の傾斜角度が−３９．４７°の場合に比べて、ｆ’３、ｆ’９の位置が上方へ移動する。また、第２光学系３０の傾斜角度が−３９．４７°の場合に比べて、ｆ’９のｘ方向の移動量が大きくなる。また、Ｙ方向下端のＸ方向ライン画素も複数間引いているため、ｆ７’の位置が、表１１の画像データ補正前のｆ７の位置よりもｘ方向内側へ移動する。

下記表１４は、第２光学系３０の傾斜角度が−３９．８７°にしたときにおけるＣＡＳＥ１、ＣＡＳＥ２の補正をした場合の画像処理後解像度と画面シフト量とを示したものである。

この場合も、ＣＡＳＥ１の補正を行った場合ＣＡＳＥ２に比べ解像度劣化を抑制することができ、ＣＡＳＥ２の補正を行った場合ＣＡＳＥ１に比べ画面シフト量を大きくすることができる。また、表９と表１４とを比べるとわかるように、第２光学系３０の傾斜角度が−３９．４７°の場合に比べて、投影画像の歪みが大きく、間引く画素が多いため、解像度が低下していることがわかる。

以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の（１）〜（９）態様毎に特有の効果を奏する。
（１）
画像データに基づいて、光像を生成する画像生成部１０などの光像生成手段と、複数の光学系部材で構成され、上記光像生成手段により生成された光像に共役な光像を投影画像として投影面に形成する投影光学系（本実施形態においては、第１光学系２０と第２光学系３０とで構成）と、上記投影光学系を構成する上記光学系部品（本実施形態においては、第２光学系３０）の少なくともひとつの姿勢を変化させて、上記投影画像を移動させる投影画像移動手段（本実施形態においては、ギヤ４１とモータ４２とで構成）とを備えたプロジェクタ１などの画像投影装置において、上記投影画像移動手段により姿勢を変化させる光学系部品の姿勢を検出する傾き検知センサ５５などの姿勢検出手段と、上記姿勢検出手段の検知結果に基づいて、上記投影画像の台形歪みが生じないように上記光像生成手段で生成する光像を補正する画像処理部５３などの台形歪み補正手段とを備えている。かかる構成を有することにより、光学系部品や光学系部品を移動させる移動機構などからなる台形歪み補正機構を設けずとも、台形歪みを補正することができ、部品点数を削減することができる。その結果、装置の省スペース化を図ることができ、また、装置のコストダウンを図ることができる。

（２）
また、上記（１）に記載の態様の画像投影装置において、上記台形歪み補正手段は、上記画像データを上記投影画像の台形歪みが生じないように補正することを特徴とするものである。
かかる構成を備えることで、投影画像の台形歪みを抑制することができる。

（３）
また、上記（２）に記載の態様の画像投影装置において、上記台形歪み補正手段は、上記画像データの上記投影画像の移動方向下流端に対応する箇所を基準にして、上記投影画像の上記投影画像移動方向の歪みを補正する。これにより、上述したように、投影画像移動方向に対して直交する方向（ｘ方向）の歪みを補正するときの画素の間引き量を、上記投影画像の移動方向上流端に対応する箇所を基準にした場合に比べて、少なくすることができ、ｘ方向の解像度の低下を抑制することができる。

（４）
また、上記（２）に記載の態様の画像投影装置において、上記台形歪み補正手段は、上記画像データの上記投影画像の移動方向上流端に対応する箇所を基準にして、上記投影画像の上記投影画像移動方向の歪みを補正する。これにより、第２光学系３０の回転量に対する投影画像のシフト量を多くすることができる。

（５）
また、上記（１）乃至（４）いずれかに記載の態様の画像投影装置において、上記投影光学系は、上記光像生成手段により生成された光像に共役な中間光像を形成する第１光学系と、上記中間光像に共役な光像を投影画像として上記投影面に形成する第２光学系とを有し、上記姿勢検出手段は、第２光学系の姿勢を変化させる。かかる構成を備えることで、投影画像を移動させることができる。

（６）
また、上記（５）に記載の態様の画像投影装置において、上記第２光学系の姿勢を維持した状態で、上記第２光学系移動させてピントを調整するピント調整手段を備えた。これにより、第２光学系３０の姿勢を変化させたときのピントずれを抑制することができる。

（７）
また、上記（５）または（６）に記載の態様の画像投影装置において、上記第１光学系は、複数の光学系部品により構成されており、上記第１光学系を構成する複数の光学系部品のうちの少なくともひとつを移動させることでピントを調整するピント調整手段を備えた。かかる構成を備えることで、第２光学系３０の姿勢を変化させたときのピントずれを抑制することができる。

（８）
また、上記（５）乃至（７）いずれかに記載の態様の画像投影装置において、上記第２光学系は、凹面鏡であり、上記凹面鏡の鏡面を、自由曲面形状にした。これにより、設計の自由度を高めることができ、また、第２光学系３０を回転させたときのピントずれを抑制することができる。

（９）
また、上記（１）乃至（８）いずれかに記載の態様の画像投影装置において、上記光像生成手段は、変調信号に応じて画像を形成する画像形成部と、上記画像形成部に光を照射する光源とを備えた。かかる構成を備えることで、光像を生成することができる。

１：プロジェクタ
３：投影光学系
１０：画像生成部
２０：第１光学系
３０：第２光学系
３１：回転軸
４１：ギヤ
４２：モータ
５３：画像処理部
５４：記憶手段
５５：傾き検知センサ
１００：テーブル
１０１：投影面

特開２０１０−１９７８３７号公報

Claims (8)

1. 画像データに基づいて、光像を生成する光像生成手段と、
   複数の光学系部品で構成され、上記光像生成手段により生成された光像に共役な光像を投影画像として投影面に形成する投影光学系と、
   上記投影光学系を構成する上記光学系部品の少なくともひとつの姿勢を変化させて、上記投影画像を移動させる投影画像移動手段とを備えた画像投影装置において、
   上記投影光学系は凹面鏡を備え、
   上記投影画像移動手段は、上記投影画像を移動させる方向と直交する方向に延びる回転軸および該回転軸を回動させる回動手段を有し、上記回転軸の周面に上記凹面鏡の裏面が固定されており、
   上記凹面鏡の姿勢を検出する姿勢検出手段と、
   上記姿勢検出手段の検知結果に基づいて、上記投影画像の台形歪みが生じないように上記光像生成手段で生成する光像を補正する台形歪み補正手段とを備えたことを特徴とする画像投影装置。
2. 請求項１の画像投影装置において、
   上記台形歪み補正手段は、上記画像データを上記投影画像の台形歪みが生じないように補正することを特徴とする画像投影装置。
3. 請求項２の画像投影装置において、
   上記台形歪み補正手段は、上記画像データの上記投影画像の移動方向下流端に対応する箇所を基準にして、上記投影画像の上記投影画像移動方向の歪みを補正することを特徴とする画像投影装置。
4. 請求項２の画像投影装置において、
   上記台形歪み補正手段は、上記画像データの上記投影画像の移動方向上流端に対応する箇所を基準にして、上記投影画像の上記投影画像移動方向の歪みを補正することを特徴とする画像投影装置。
5. 請求項１乃至４いずれかの画像投影装置において、
   上記凹面鏡を上記投影画像の移動方向と平行に移動させてピントを調整するピント調整手段を備えたことを特徴とする画像投影装置。
6. 請求項１乃至４いずれかの画像投影装置において、
   上記投影光学系は、上記光像生成手段により生成された光像に共役な中間光像を形成する第１光学系を有し、
   上記第１光学系は、複数の光学系部品により構成されており、
   上記第１光学系を構成する複数の光学系部品のうちの少なくともひとつを移動させることでピントを調整するピント調整手段を備えたことを特徴とする画像投影装置。
7. 請求項１乃至６いずれかの画像投影装置において、
   上記凹面鏡の鏡面を、自由曲面形状にしたことを特徴とする画像投影装置。
8. 請求項１乃至７いずれかの画像投影装置において、
   上記光像生成手段は、変調信号に応じて画像を形成する画像形成部と、上記画像形成部に光を照射する光源とを備えたことを特徴と画像投影装置。