WO2006118115A1

WO2006118115A1 - 光学素子駆動機構及び投射型画像表示装置

Info

Publication number: WO2006118115A1
Application number: PCT/JP2006/308658
Authority: WO
Inventors: Satoshi Onishi; Minoru Fujita; Atsushi Matsuura; Masayuki Imaoka
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2007-10-28
Also published as: US7524068B2; JP2006308830A; US20060244930A1

Description

明細書

光学素子駆動機構及び投射型画像表示装置

技術分野

[0001] 本発明は光学素子駆動機構及び投射型画像表示装置に関するものであり、例えば、ミラー，レンズ等の光学素子を駆動する光学素子駆動機構と、それを搭載した投射型画像表示装置に関するものである。

背景技術

[0002] 最近、家庭での BSデジタル放送，ホームシアター等に用いられる画像表示装置として、デンタノレ'マイクロミラー'テノイス (digital micromirror device)や LCD(liquid crystal display)を表示素子とした高性能かつ低価格な投射型画像表示装置 (すなわちプロジェクター)が普及しつつある。このため、狭い室内でもスペースを取らないような薄型のリアプロジェクターが強く求められており、より広角な投影光学系が必要となつている。また、表示情報量が以前に比べて非常に大容量となっていて、表示素子は従来よりも更に高解像度化されつつあり、なめらかできれいな高品質の画像が望まれている。

[0003] 高解像度で安価なリアプロジェクターを達成するために、スクリーン面上での投影像を微少量 (例えば画素の 1Z2だけ)シフトさせることにより見かけの画素数を増大させる、いわゆる画素ずらしが従来より行われている。画素ずらしを行うと画素同士が重なり合うため、スクリーン面上に投影する画素の輪郭が目立たなくなり、なめらかな画像を表示させることができる。し力も、表示素子の画素数はそのままでもスクリーン面上での表示情報量を増やすことができるため、解像度の向上による画像の高品位ィ匕を達成する上で画素ずらしは非常に有効である。画素ずらしを利用したプロジェクタ一としては、反射ミラーを微小偏芯させることにより画素ずらしを行うものが特許文献 1 , 2で提案されている。

特許文献 1 :特開平 2—191987号公報

特許文献 2：特開平 4— 319937号公報

発明の開示発明が解決しょうとする課題

[0004] 特許文献 1には、投射レンズから射出した画像光を折り曲げる反射ミラーの角度を微少量変化させることにより、投射画像の垂直解像度を高める構成が示されている。しかし、反射ミラーの角度を微少量変化させる具体的な構成は示されていない。また特許文献 2には、液晶パネル力射出した画像光を投影光学系に導く反射ミラーの位置をァクチユエータで移動させることにより、投射画像の垂直解像度を高める構成が示されている。しかし、反射ミラーの位置を微少量変化させる具体的な構成は示されていない。

[0005] 本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡単な構成で高精度の画素ずらしを可能にする光学素子駆動機構と、それを用いた投射型画像表示装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0006] 上記目的を達成するために、第 1の発明の光学素子駆動機構は、表示素子により形成される画像を拡大投影する投影光学系に対し、その一部を構成する光学素子を振動させるために用いられる光学素子駆動機構であって、前記光学素子を保持した状態で振動させるための振動部材と、前記光学素子を振動させるために前記振動部材を駆動するァクチユエータと、を備えており、前記振動部材が、一対の固定部と、前記光学素子を保持した状態で前記固定部に対する相対的な振動が可能な可動部と、前記固定部と可動部とを連結する一対のヒンジ部と、を有し、前記一対のヒンジ部の中心を結ぶ直線を中心軸として、前記ァクチユエ一タカの力を受けて前記可動部が回転振動するように構成されてヽることを特徴とする。

[0007] 第 2の発明の光学素子駆動機構は、上記第 1の発明において、以下の条件式 (F9) を満足することを特徴とする。

0.25 < (Iz* X Lh*)/(Iph* X L*)•••(F9)

ただし、

Iz*:可動部の断面二次モーメント (計算中心は可動部の曲げ中心である。 ),

Iph*:ヒンジ部の断面二次極モーメント (計算中心はヒンジ部のねじれ中心点である。） L*:可動部がァクチユエータからの力を受ける位置の中心から可動部の振動の中心となる中心軸までの距離、

Lh*:ヒンジ部の長さ、

である。

[0008] 第 3の発明の光学素子駆動機構は、上記第 1又は第 2の発明において、前記振動部材が、少なくとも前記可動部の一部を構成するパネ性部品と、前記光学素子を保持する光学素子保持部品と、を有し、前記可動部が、前記パネ性部品の一部から成る可動板と、その可動板に固定される前記光学素子保持部品と、を含み、前記可動板が前記ァクチユエータからの力を受ける位置と前記ヒンジ部との間に連続した凸部から成るリブを有することを特徴とする。

[0009] 第 4の発明の光学素子駆動機構は、上記第 1又は第 2の発明において、前記振動部材が、少なくとも前記可動部の一部を構成するパネ性部品と、前記光学素子を保持する光学素子保持部品と、を有し、前記可動部が、前記パネ性部品の一部から成る可動板と、その可動板に固定される前記光学素子保持部品と、を含み、前記可動板が、前記中心軸に対して垂直方向に延びる連続した凸部から成る縦リブと、前記中心軸に対して平行方向に延びる連続した凸部力成る横リブと、を有することを特徴とする。

[0010] 第 5の発明の光学素子駆動機構は、上記第 1又は第 2の発明において、前記振動部材が、前記固定部及びヒンジ部を構成するとともに前記可動部の一部を構成するパネ性部品と、前記光学素子を保持する光学素子保持部品と、を有し、前記可動部力前記パネ性部品の一部から成る可動板と、その可動板に固定される前記光学素子保持部品と、を含み、前記パネ性部品においてヒンジ部のみが薄肉となっていることを特徴とする。

[0011] 第 6の発明の光学素子駆動機構は、上記第 1又は第 2の発明において、前記ァクチユエータがボイスコイルモータ力成ることを特徴とする。

[0012] 第 7の発明の投射型画像表示装置は、表示素子と、その表示素子により形成される画像を拡大投影する投影光学系と、上記第 1又は第 2の発明に係る光学素子駆動機構と、を備え、前記光学素子駆動機構が前記表示素子による画像表示の切り換えにリンクして前記光学素子の位置を変化させ、その振動により画素シフトを行うことを特徴とする。

[0013] 第 8の発明の投射型画像表示装置は、上記第 7の発明において、前記投影光学系の一部を構成する光学素子が曲面ミラーであり、その曲面ミラーが前記振動部材により保持された状態で振動することを特徴とする。

発明の効果

[0014] 本発明に係る光学素子駆動機構によれば、簡単な構成でありながら高精度の画素ずらしを実現することができる。高精度の画素ずらしにより、スクリーン面上に投影する画素の輪郭を目立たなくしてなめらかな画像を表示することができ、解像度の向上による画像の高品位ィ匕をより安定的に達成することができる。したがって、本発明に係る光学素子駆動機構をリアプロジェクター，フロントプロジェクタ一等の投射型画像表示装置に用いることにより、その薄型 '軽量'コンパ外化，低コスト化，高性能化，高機能化等に大きく寄与することができる。また上記画素ずらしは、例えばそれを画像表示の切り換えにリンクして行うことにより実現可能である。

図面の簡単な説明

[0015] [図 1]投射型画像表示装置の第 1の実施の形態における光学構成 (実施例)を示す光路図。

[図 2]図 1中の画素シフト機構の一部外観を示す斜視図。

[図 3]図 1中の画素シフト機構の組み立て構造を示す断面図。

[図 4]図 1中の可変絞り機構を組み込んだ絞りユニットの平面図。

[図 5]図 1中の可変絞り機構を組み込んだ絞りユニットの部分拡大断面図。

[図 6]図 1中の可変絞り機構における遮光板の回転角と絞り率との関係を示す模式図

[図 7]図 1の投射型画像表示装置の全体構成を示すブロック図。

[図 8]斜め画素配置の画素シフトを示す模式図。

[図 9]斜め画素配置で画素シフトさせたときに大きな倍率色収差により生じる二重線を示す説明図。

[図 10]斜め画素配置で画素シフトさせたときに小さな倍率色収差により生じる二重線を示す説明図。

[図 11]図 1中の投影光学系 (実施例)にお、てミラーが微小偏芯して、な、状態でのスクリーン面上でのスポットダイアグラム。

圆 12]投射型画像表示装置の第 2の実施の形態における光学構成を示す光路図。

[図 13]図 12中の画素シフト機構の振動部材の外観を示す斜視図。

[図 14]図 12中の画素シフト機構の組み立て構造を示す断面図。

[図 15]図 12中の画素シフト機構の組み立て構造を示す分解斜視図。

圆 16]ァクチユエータとして圧電素子を用いた場合の画素シフト機構の組み立て構造を示す分解斜視図。

[図 17]図 12中の画素シフト機構におけるァクチユエータの制御波形を示すグラフ。圆 18]第 2曲面ミラーの理想的な変位波形を示すグラフ。

圆 19]第 2曲面ミラーの理想的でない変位波形を示すグラフ。

[図 20]たわみ量 δと εの振幅がほぼ等しい場合のたわみ量 dfの時間的変化を示すグラフ。

[図 21]たわみ量 δの振幅に比べてたわみ量 εの振幅が小さい場合のたわみ量 dfの時間的変化を示すグラフ。

圆 22]パネ性部品が平板力も成る場合の可動板，ヒンジ部等の寸法，力関係等を示す模式図。

[図 23]ヒンジ部のないパネ性部品のたわみのシミュレーション結果を示す模式図。

[図 24]ヒンジ部のあるパネ性部品のたわみのシミュレーション結果を示す模式図。

[図 25]ヒンジ部の肉厚が薄いパネ性部品の一例を示す斜視図。

圆 26]縦リブが別部品から成るパネ性部品の一例を示す斜視図。

符号の説明

11 ミラーホルダー (光学素子保持部品，振動部材 '可動部の一部）

12 金属板 (振動部材 '可動部の一部）

12a ヒンジ部分 (ヒンジ部，固定部）

14 コイノレホノレダー 16 マグネットユニット

18 アッセンブリーホノレダー

20 パネ性部品 (振動部材 '可動部の一部）

21 可動板 (可動部の一部）

22 ヒンジ咅

23 固定部

F 平板部

24 A 縦リブ

24B 横リブ

25 可動部

26 ミラーホルダー (光学素子保持部品，振動部材 '可動部の一部） 29 振動部材

30 ァクチユエータ (ボイスコイルモータ）

PO 投影光学系

SU 画素シフト機構 (光学素子駆動機構）

DU 可変絞り機構

LO 照明光学系

DS 表示素子

So 表示素子面

Si スクリーン面

M2 第 2曲面ミラー

M3 第 3曲面ミラー

発明を実施するための最良の形態

[0017] 以下、本発明に係る光学素子駆動機構及び投射型画像表示装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

[0018] 図 1に、投射型画像表示装置の第 1の実施の形態における投影光学系 POの光学構成を示す。図 1では、投影光学系 POにおける表示素子面 Soからスクリーン面 Sほでの投影光路全体の光学構成 (光学配置，投影光路等)を、表示素子面 Soの画面長辺方向に沿って見たときの光学断面で示している。つまり、表示素子面 Soの法線方向を X方向とし、表示素子面 Soの画面短辺方向を y方向とし、表示素子面 Soの画面長辺方向を z方向とする直交座標系 (x,y,z)において、図 1は第 1の実施の形態における投影光路全体の光学構成を直交座標系 (x,y,z)における xy断面で示してヽる。なお、図 1中、 *印が付された光学面は回転対称な非球面、 $印が付された光学面は回転非対称な非球面 (いわゆる自由曲面)であることを示している。

[0019] 図 1に示す投影光学系 POは、複数の画素から成る表示素子面 Soの画像をスクリーン面 Si上に斜め拡大投影する、投射型画像表示装置用の斜め投影光学系である。したがって、表示素子面 Soは光強度の変調等により 2次元画像を形成する表示素子の画像形成面に相当し、スクリーン面 Siはその投影像面に相当する。表示素子面 Soの近傍には、表示素子のカバーガラス CGが位置している。そして、この実施の形態では表示素子としてデジタル ·マイクロミラー ·デバイス (digital micromirror device )を想定しており、それは後述する投射型画像表示装置 (図 7)の表示素子 DSとして用いられる。ただし、使用される表示素子はこれに限らず、この実施の形態に適した他の非発光'反射型 (又は透過型)の表示素子 (例えば液晶表示素子)を用いても構わない。表示素子としてデジタル 'マイクロミラー'デバイスを用いた場合、それに入射した光は、 ONZOFF状態 (例えば ± 12° の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、 ON状態のマイクロミラーで反射した光のみが投影光学系 POに入射してスクリーン面 Siに投射される。なお、上記表示素子の代わりに自発光型表示素子を用いてもよ!、。映像表示素子として自発光型表示素子を用いれば、照明用の光源等が不要となるため、光学構成をより軽量で小型にすることができる。

[0020] この実施の形態の光学構成の上下配置は、図 1に示されているものに限らず、上下反対でもよい。つまり、実際の装置配置や光学系配置等の都合に合わせて、図 1における上側を下側としてもなんら問題はない。また、この実施の形態では天井の平面ミラー MFで光路を折り曲げてスクリーン面 Siに画像投影する構成になっているが、平面反射面での光路折り曲げはそのようなパターンに限るものではない。例えば、光路を前後に折り返すパターン、光路を左右に折り返すパターン等を適用することが可能である。

[0021] 投影光学系 POは、縮小側の表示素子面 Soから拡大側のスクリーン面 Siへの斜め方向の拡大投影を行う、背面投射型画像表示装置 (リアプロジェクター)に適した光学構成を有して、るが、スクリーン面 Si側力表示素子面 So側への斜め方向の縮小投影を行う斜め投影光学系として、画像読み取り装置に用いることも可能である。その場合、表示素子面 Soは画像読み取り用の受光素子 (例えば CCD : Charge Coupled Device)の受光面に相当し、スクリーン面 Siは読み取り画像面 (例えば原稿面)に相当する。また、拡大側のスクリーン面 Siに到達する直前の反射面が平面反射面であるので、それを構成している平面ミラー MFを取り除き、その結果得られるスクリーン面 Siの位置 (つまり、平面反射面に対するスクリーン面 Siのミラーイメージ位置)にスクリーンを配置すれば、前面投射型画像表示装置 (フロントプロジェクター)としての使用も可能である。そして、そのような形態における縮小光学系としても利用可能である

[0022] 投影光学系 POには、反射型光学素子と透過型光学素子とが用いられて!/、る。反射型光学素子としては、曲面反射面を有する曲面ミラーと平面反射面を有する平面ミラーとが用いられているが、用いる反射型光学素子はミラー類に限らず、例えば曲面反射面や平面反射面を有するプリズム類を用いてもよい。また、複数の反射面を有する 1つ又は複数の反射型光学素子を用いてもよぐ反射面，屈折面，回折面，又はそれらを組み合わせて有する光学素子を用いてもょ、。透過型光学素子としては、曲面屈折面を有する屈折レンズが用いられているが、用いる透過型光学素子は入射光線を屈折作用により偏向させる屈折型レンズ (つまり、異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレン )に限らない。例えば、回折作用により入射光線を偏向させる回折型レンズ，回折作用と屈折作用との組み合わせで入射光線を偏向させる屈折，回折ハイブリッド型レンズ，入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布型レンズ等を用いてもよい。

[0023] 投影光学系 POの光学構成を更に詳しく説明する。図 1に示すように、表示素子面 Soからスクリーン面 Siへの投影光路に沿って順に、カバーガラス CGと、球面から成る曲面反射面 S3を有する第 1曲面ミラー Mlと、縮小側面 S4が回転対称非球面から成り拡大側面 S5が平面力成る略ノンパワーの屈折レンズ L1と、回転対称非球面から成る曲面反射面 S6を有する第 2曲面ミラー M2と、縮小側面 S7が回転非対称自由曲面力も成り拡大側面 S8が平面力も成る略ノンパワーの屈折レンズ L2と、回転非対称自由曲面力成る曲面反射面 S9を有する第 3曲面ミラー M3と、回転非対称自由曲面力も成る曲面反射面 S10を有する第 4曲面ミラー M4と、光路折り返し用の平面反射面 S 11を有する平面ミラー MFと、が配置されている。

[0024] 前述したように、画素ずらしを行うと画素同士が重なり合うため、スクリーン面上に投影する画素の輪郭が目立たなくなり、なめらかな画像を表示させることができる。しかも、表示素子の画素数はそのままでもスクリーン面上での表示情報量を増やすことができるため、解像度の向上 (つまり見かけの画素数の増大)による画像の高品位ィ匕を達成する上で画素ずらしは非常に有効である。画素ずらしを行うには、スクリーン面上での投影像を微少量 (例えば画素ピッチの 1Z2だけ)シフトさせる必要がある。しかし、画像投影のためのパワーを持たない光学部品を投影光学系に追加すると、部品点数の増大やバックフォーカスの増大等によって装置全体の大型化やコストアップを招いてしまう。また、屈折面を偏芯させる構成では色収差等の発生が問題になる。そこで本実施の形態では、画素シフト機構 SU (図 1)で第 3曲面ミラー M3を微小に偏芯させること〖こより、画素ずらしを行う構成を採用している。

[0025] 図 2に画素シフト機構 SUの一部外観を示し、図 3に画素シフト機構 SUの組み立て構造を示す。第 3曲面ミラー M3はミラーホルダー 11に保持されており、ミラーホルダ一 11には薄い金属板 12が固定されている。金属板 12は、その両側にヒンジ部分 12 a (図 2)を有しており、ヒンジ部分 12aでアッセンブリーホルダー 18(図 3)にネジ (不図示)で固定されている。また図 3に示すように、ミラーホルダー 11にはコイルホルダー 1 4がネジ 13で固定されており、コイルホルダー 14にはコイル 15が取り付けられている。一方、アッセンブリーホルダー 18にはマグネットユニット 16がネジ 19で固定されている。

[0026] コイルホルダー 14,コイル 15及びマグネットユニット 16は、第 3曲面ミラー M3を駆動するァクチユエータ (ボイスコイルモータ)を構成している。コイル 15に電流を流すとマグネットユニット 16との間に電磁力が発生し、その駆動力で矢印 ml方向 (図 2)にミラーホルダー 11の上部が押される。ミラーホルダー 11に固定されている金属板 12は、その両側のヒンジ部分 12aでアッセンブリーホルダー 18(図 3)に固定されているため、ヒンジ部分 12aにはヒンジ回りのねじれが矢印 m2方向 (図 2)に発生する。その結果、ミラーホルダー 11と共に第 3曲面ミラー M3がティルトする。コイル 15に電流を流すのを止めると、ヒンジ部分 12aのねじれの復元力が矢印 m3方向 (図 2)に発生して元の状態に戻る。この動作を繰り返すことにより第 3曲面ミラー M3を振動させれば、第 3曲面ミラー M3の微小な偏芯により画素シフトを行うことができる。第 3曲面ミラー M3の位置は、ホール素子力も成るセンサー (不図示)で検出される。そのセンサーはミラーホルダー 11の上部に固定されており、アッセンブリ一ホルダー 18に固定されているセンサー用マグネット 17の相対的な移動 (つまり相対位置の変化)を磁界変化として検出する。その検出結果から、第 3曲面ミラー M3の位置を知ることができる。

[0027] また図 1に示すように、第 1曲面ミラー Mlと屈折レンズ L1との間には可変絞り機構 DUが配置されている。この可変絞り機構 DUは、表示素子面 Soで表示する画像の明るさに応じて、投影光量を高速でダイナミックに (例えば、人間による識別が不可能な高速で)変化させるためのものである。可変絞り機構 DUは (例えばフレーム毎に)高速で動作し、画像信号が持つ画像の明るさに関する情報に基づいた絞りの開閉により、投影画像の明暗を変化させる。結果として、投影画像の見かけ上のコントラストを向上させることができる。

[0028] 図 4に及び図 5に、可変絞り機構 DUを組み込んだ絞りユニット 32を示す。絞りュニット 32のベース 33は、金属 (SUS)製の矩形の板から成り、一端側には固定絞り孔 34 が形成されており、他端側には 2つの取付座 35が延設されている。ベース 33のほぼ中央には磁石 36が取り付けられている。ベース 33には、ベアリング 37(図 5)が固定され、そのベアリング 37に回転軸 38が揷通されている。回転軸 38の一端には、 2つのアーム 39A, 39Bがベース 33と平行に延設されている。一方のアーム 39Aには金属 (アルミニウム)製の遮光板 40が設置され、他方のアーム 39Bにはセンサ支持板 41が設置されている。遮光板 40とセンサ支持板 41はビス 42で回転軸 38に固定されている。遮光板 40の先端はベース 33の固定絞り孔 34まで延び、固定絞り孔 34と対向する部分には V字形の切欠き 43(図 4)が形成されている。

[0029] センサ支持板 41の先端にはホール素子 44がベース 33の磁石 36と対向するように取り付けられている。遮光板 40の回動によりホール素子 44が移動すると、ホール素子 44はその移動位置における磁石 36の磁束密度に応じた電圧を出力する。磁石 3 6は遮光板 40の回動面 (つまりホール素子 44の移動方向)と平行になっているため、ホール素子 44の出力電圧は、ホール素子 44の位置 (すなわち遮光板 40の回転角）の変化に対して線形的に変化する。あら力じめホール素子 44の出力電圧とホール素子 44の位置 (すなわち遮光板 40の回転角)との関係を示すテーブルを記憶しておくことにより、ホール素子 44の出力電圧力ホール素子 44の位置 (すなわち遮光板 40 の回転角)を知ることができる。

[0030] 回転軸 38(図 5)の他端には、 V字形のコイル支持フレーム 45が設置され、ビス 46で固定されている。コイル支持フレーム 45には、扇形に卷回されたコイル 47が接着により支持されている。ベース 33には、コイル 47を挟むように一対の磁石 48A, 48B力 S 取り付けられている。また、ベース 33には、コイル支持フレーム 45に当接して遮光板 40の回動範囲を規制するストッパ 49A, 49Bが取り付けられている。ベアリング 37の回りには一端がベース 33に係止し、他端がコイル支持フレーム 45に係止する捻りバネ 50(図 5)が装着されている。この捻りパネ 50は、遮光板 40が固定絞り孔 34から完全に待避して全面開口する方向に、回転軸 38を付勢している。また、上記コイル支持フレーム 45,コイル 47及び一対の磁石 48A, 48Bは、遮光板 40を駆動するァクチユエータ 51を構成している。

[0031] 遮光板 40の回動範囲 (すなわち回転角)は 32. 5° であり、遮光板 40が回動して光束中に入っていく量に応じて投影光量が変化する。図 6(A)〜(H)に、可変絞り機構 D Uにおける遮光板 40の回転角と絞り率との関係を示す。図 6(A)〜(H)に示すように、遮光板 40が 0° 力も 32. 5° まで回動することにより、固定絞り孔 34が遮光される。このとき、固定絞り孔 34の面積に対する、遮光板 40によって遮光されている部分を除く開口面積の比 (すなわち絞り率)は、 1から 0. 173までほぼ線形的に変化する。

[0032] 可変絞り機構 DUの遮光板 40は、固定絞り孔 34の近傍であって固定絞り孔 34のスクリーン面 Si (図 1)側に配置されている。これにより、固定絞り孔 34の光源側の光束から受ける熱によって遮光板 40が発熱しその可動動作に影響するのを防止することができる。これに関しては、遮光板 40が表示素子面 Soに対して傾斜しているので更に効果的である。また、第 1曲面ミラー Mlと第 2曲面ミラー M2との間の投影光路は、表示素子面 Soから射出した光束が最初に反射して進行する部分であるため、比較的光束径が小さぐ光束の周囲に広いスペースが存在する。可変絞り機構 DUは、その広いスペースを利用した適切な位置に設置されている。したがって、第 1,第 2曲面ミラー Ml, M2間で絞りを変化させる構成が好ましい。

[0033] 絞りユニット 32のァクチユエータ 51は、図 1に示すように、第 1曲面ミラー Mlから第 2曲面ミラー M2に向力光束と、第 2曲面ミラー M2から第 3曲面ミラー M3に向力光束と、の間の空間に配置されている。一方、投影光路内に挿入された絞りユニット 32 の遮光板 40の待避位置は、投影光路面の側方の空間に配置されている。表示素子面 Soから射出して第 1曲面ミラー Mlで反射し第 2曲面ミラー M2に向力光束と、第 2曲面ミラー M2で反射し第 3曲面ミラー M3に向力う光束は、未だ光束径が小さいので、それらの光束間の空間及びそれらの光路が形成する光路面の側方の空間も広い。可変絞り機構 DUのァクチユエータ 51と遮光板 40の待避位置は、光路との干渉を避けて、その広、、スペースを利用した適切な位置に設置されて！、る。

[0034] なお、この実施の形態では、可変絞りと固定絞りが 1つの絞りユニット 32に設けられた構成になっているが、別個に設けてもよい。その場合、固定絞りを瞳位置に配置することにより、瞳位置のマッチングのズレを最小限にすることができる。また、遮光板を固定絞りのある瞳位置力ずれた位置に配置すれば、瞳位置のように制約の少な、位置に可変絞りを設けることができ、投射型画像表示装置をコンパクトに構成することがでさる。

[0035] 図 7に、投射型画像表示装置の全体構成をブロック図で示す。この投射型画像表示装置は、表示素子 (例えばデジタル 'マイクロミラー'デバイス) DS,照明光学系 LO ,投影光学系 PO,画素シフト機構 SU,可変絞り機構 DU,輝度レベル評価部指定手段 54,モード選択手段 55,レベル設定手段 56,制御ユニット 57等を備えている。また、画素シフト機構 SUと可変絞り機構 DUは、前述したように投影光学系 PO (図 1) との組み合わせにより、画素ずらし機能と高速可変絞り機能を投射型画像表示装置に付加するために搭載されている。なお図 7中、細い矢印は信号の流れを表しており、太い矢印は光の流れを表している。

[0036] 輝度レベル評価部指定手段 54は、ユーザーにより指定された評価部信号 (例えば、画像信号の輝度レベルの評価を画面の中央に重点をおくか、画面全体の平均をとるか等)を出力する。モード選択手段 55は、ユーザーにより選択された映像シーン (例えば、ムービーモード，スポーツモード等の映像シーン)のモード信号を出力する。レベル設定手段 56は、ユーザーにより設定された可変絞り効果 (例えば、強，中 ·弱の 3 レベルの可変絞り効果)のレベル信号を出力する。制御ユニット 57は、照明光学系 L Oや画素シフト機構 SUを駆動するとともに、ビデオ，テレビ等の画像信号に基づいて表示素子 DSを制御する。例えば画素シフト機構 SU (図 2,図 3)の駆動制御では、ホール素子で構成されたセンサー (不図示)力の信号 (つまり第 3曲面ミラー M3の位置検出信号)が制御ユニット 57に送られ、その信号に基づいて制御ユニット 57が第 3曲面ミラー M3を駆動するためにコイル 15(図 3)に流す電流を制御する。また制御ュニット 57は、各種信号 (例えば、画像信号，モード選択手段 55からのモード信号，レべル設定手段 56からのレベル信号，ホール素子 44からの遮光板 40の位置検出信号）に基づいて、可変絞り機構 DUのァクチユエータ 51を駆動する。

[0037] 次に、図 7に示す投射型画像表示装置の動作、特に制御ユニット 57による可変絞り機構 DUの動作を中心に説明する。まず、輝度レベル評価部指定手段 54により指定された評価部に従って、あるフレームの画像信号の輝度分布を評価し、設定されたモードとレベルに適したゲイン値，絞り値を演算により決定する。ァクチユエータ 51 を駆動し、前記絞り値に対応した角度に遮光板 40を回転させる。ァクチユエータ 51 の駆動力は、コイル 47に電流を流すと発生する電磁力によるものである。駆動制御に関しては、電圧を一定にした矩形状の信号でデューティ比を変えることにより回転速度を可変とし、 +と一を逆にすることにより反転可能としている。

[0038] 上記ァクチユエータ 51の駆動制御により、投影光学系 POの有効光束径が調節され、光量が増減される。輝度レベルが高い映像シーンは、有効光束を大きくして光量を増加し、明るい部分を強調する。また、輝度レベルが低い映像シーンは、有効光束を小さくして光量を減少し、暗い部分を強調する。特に、有効光束を小さくするほど、有効光束の周縁部が遮蔽されて光の散乱が減少し、画面のコントラストを高めることができる。ユーザーは、表示された画像を見て、輝度レベル評価部指定手段 54により評価部を変更したり、レベル設定手段 56により可変絞り効果のレベルを変更したりして、好みの画像に設定することができる。

[0039] 前記投影光学系 PO (図 1)のように大部分のパワーを反射系が負担する多ミラー投影光学系では、非球面形状又は自由曲面形状の反射面を有する曲面ミラーが一般的に使用される。曲面ミラーは、通常、切削加工により作製した金型を成型に用いて、その面形状を転写することにより量産される。切削加工を行った場合、加工ピッチを細力べしたりあるいは切削後に精度を保つ程度に研磨加工等を行っても、ミラー表面には 5ηπ！〜 20nm程度の切削痕が残ってしまう。当然、切削加工以外に研削加工等でも切削痕と同様の加工痕は残る。そのため、一様な画面表示 (単色の画面表示)を行った場合、切削痕により投影画面上に薄く縞々模様が形成されるという問題が生じる。特に可変絞り機構 DUを用いた場合には絞り込んだ状態で縞々模様が著しく目立ってしまい、絞りから遠いミラーほど切削痕の影響が大きくなる。本実施の形態では、画素シフト機構 SUで常に画像を微動させているので、切削痕による縞々模様が見えに《なるという効果が得られる。つまり、多ミラー投影光学系で絞りを高速可変としたときに顕著な画質劣化を、画素ずらし効果により解決することができる。

[0040] 屈折光学系は一般的に倍率色収差を有し、倍率色収差は画像の鮮鋭度 (解像感）を低下させる。画素ずらしを行う場合に投影光学系が所定値以上の倍率色収差を持つていると、例えば白線を表示した場合、それが二重線として認識される。これを以下に詳しく説明する。

[0041] 通常の表示素子面は、画面の縦 ·横に対して正方画素の辺が平行な正方配列のマトリックス構造になっている力 S、画素ずらしを行う場合には「斜め画素配置」の方が適している。斜め画素配置では、図 8(A)に示すように、画面の縦'横に対して正方画素の辺が斜め 45度に傾いたレイアウトになっている。各画素の対角線の長さは、横方向の画素配列 (Al, A2, A3, …； Bl, B2, B3, …； CI, C2, C3, …； Dl, D2, D3, ···)の画素ピッチ pに相当する。したがって、横方向の画素配列に対して垂直上方向に半画素ピッチ (=pZ2)の画素シフト (d:画素シフト量)を行うと、図 8(A)に示すシフト前の画素配列 (Al, A2, A3,…； Bl, B2, B3,…； CI, C2, C3, · ··)と、図 8( B)に示すシフト後の画素配列 (ΒΙ ' , Β2' , Β3，,…； Cl，, C2，, C3，,…； Dl，， D2 ' , D3'，…；)とが同一の直線上で、図 8(C)に示すようにそれぞれ交互に位置することになる。

[0042] シフト前の画素配列 (Al, A2, A3,…； Bl, B2, B3,…； CI, C2, C3,…； D1, D2, D3, · ··)で前フレームの表示を行い、シフト後の画素配列 (Α1，， Α2' , A3' ,… ； ΒΙ ' , Β2' , Β3，,…； Cl，， C2，, C3，,…； Dl，， D2，, D3，, …)で後フレームの表示を行うように、画像表示の切り換えにリンクして画素シフトを行えば、視覚的な重ね合わせにより情報量は 2倍になるため、高精細な投影像を得ることができる。例えば、前フレームの画素配列 CI, C2, C3,…と、後フレームの画素配列 Dl，， D2，， D3，,…とで、画素配列 CI, Dl，, C2, D2，, C3, D3，,…から成る 1ラインの画像を表示することができる。

[0043] 上述したように斜め画素配置で画素シフトさせた場合 (図 8)でも、投影光学系に屈折面があると、倍率色収差がスクリーン面 Si上で発生する。図 9(A)に、シフト前後の Gと R'Bの各色光表示の一例を示す (矢印 mSでシフト方向を示す。 )₀図 9(A)において、縦線部分力表示であり、横線部分が R表示と B表示である。 Gと R'Bの強度分布は図 9(B)に示すようになり、そのズレは倍率色収差 (画素シフト方向の成分)に相当する。斜め画素配置により強度分布は山形になり、その結果、 Gと R'Bとのピーク間に深い谷が生じて投影像が二重線様になり、画質 (特に解像感)が低下してしまう。投影光学系の倍率色収差以外の結像性能 (コマ収差，球面収差，非点収差等)が良好なほど、図 9(C)に示すように、力えって二重線がよりくっきりと表れることになる。また、開口率の小さな正方配列の画素配置の場合にも同様の二重線の問題が発生する。二重線が発生しない場合でも、倍率色収差は画像の解像感を損ない、画素ずらしの効果を低減させてしまう。

[0044] 先に説明した図 9(A)〜(C)において投影光学系の倍率色収差を小さくすると、シフト前後の Gと R'Bの各色光表示は図 10(A)に示すようになり、 Gと R'Bの強度分布は図 10(B)に示すようになり、二重線に対する可変絞り効果は図 10(C)に示すようになる。具体的には、画素シフト量 dに対する倍率色収差を 0. 5d以下に抑えると、二重線が目立たなくなり、シャープな線像を得ることができる。この効果は、 0. 3d以下に倍率色収差を抑えることによって更に増大する。

[0045] 投射型画像表示装置で認識できる倍率色収差を規定する波長としては、色光尺で 640nm、色光 Gで 546nm、色光 Bで 450nmを想定することができる。したがって上記観点から、投影光学系はスクリーン面上において上下方向、左右方向、斜め方向、又は上下左右方向に画素ピッチ未満の画素シフトを行うとともに、全画面範囲 (結果的には最大像高位置)において以下の条件式 (1)及び (2)を満たすことが望ましい。

I A RG I ≤0.5d - --(1)

I A BG I ≤0.5d - --(2)

ただし、

d:画素シフト量 (>0)、

Δ RG：波長 546nmの色光 Gに対する波長 640nmの色光 Rの画素シフト方向の倍率色収差、

Δ BG：波長 546nmの色光 Gに対する波長 450nmの色光 Bの画素シフト方向の倍率色収差、

である。

[0046] 以下の条件式 (la)及び (2a)を満たすことが更に望ま、。

I A RG I ≤0.3d "-(la)

I A BG I ≤0.3d "-(2a)

この条件式 (la),(2a)は、上記条件式 (1)ズ2)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づ、た更に好ま U、条件範囲を規定して、る。

[0047] 条件式 (l),(la),(2),(2_a)は、投影像が二重線様ィ匕するのを効果的に防止するための好ましい条件範囲を規定している。 I A RG I又は I A BG Iが 0. 5dを上回ると、図 9(C)中のピークの重なり面積が 60%を下回ることになる。その結果、ピーク間の谷が大きくなり、投影像は十分に二重線様に見えてしまう。 I A RG I及び I A BG Iが 0 . 3dを下回ると、図 9(C)中のピークの重なり面積が 70%を上回ることになり、画素シフト方向の倍率色収差は目立たなくなる。したがって、二重線の見えないシャープな線像を表示することができる。 [0048] 上記のように条件式 (1)及び (2)を満たし、好ましくは条件式 (la)及び (2a)を満たすことにより、投影像の高画質ィ匕が可能となるが、通常の屈折光学系で倍率色収差を抑えるには、異常分散性を有する高価な硝子力成るレンズを多数用いなければならず、レンズ枚数も多くなり相当のコストアップは避けられない。さらに、高コントラストイ匕のために可変絞り効果を利用すると、二重線様ィ匕が顕著になって解像感が更に低下してしまう。投影光学系を構成する光学素子としてミラーを用いれば、倍率色収差を発生させることなく安価な構成にすることができ、また、高い解像感を保ったまま高コントラストィ匕を達成することができる。例えば、前記投影光学系 PO (図 1)は 4枚の曲面ミラー M1〜M4と略ノンパワーの 2枚の収差補正用屈折レンズ LI, L2を有しているため、上記条件式 (l),(la),(2),(2a)を満たして上記効果を得ることは容易である。

[0049] 上記観点から、条件式 (1)及び (2)を満たすには投影光学系を屈折光学素子のみで構成するのではなぐ前記投影光学系 PO (図 1)のように、パワーを有する光学素子として 3枚以上の曲面ミラーを有することが好ましい。曲面ミラーが 3枚以上あれば、屈折系へのパワー負担を効果的に減らすことができる。したがって、反射系のパワー負担が大きい多ミラー投影光学系が好ましい。多ミラー投影光学系では、屈折光学素子を全く用いないか、用いたとしても屈折光学素子は単に補助的なものすぎない。したがって、投影光学系が条件式 (1)及び (2)を満たすには、パワーを有する光学素子として曲面ミラーと屈折レンズをそれぞれ 1枚以上有し、以下の条件式 (3)を満足することが望ましい。

0.01 X∑ I Μ I >∑ I L I - --(3)

ただし、

φ Μ :各曲面ミラーのパワー、

φ L：各屈折レンズのパワー、

∑ I Μ I ：各曲面ミラーのパワーの絶対値の和、

∑ I I ：各屈折レンズのパワーの絶対値の和、

である。

[0050] 上記のように、パワーを有する光学素子として曲面ミラーを (好ましくは 3枚以上)投影光学系が有する投射型画像表示装置においては、表示素子による画像表示の切り換えにリンクして画素シフトを行う画素シフト機構を備えることにより、ミラー加工時の切削痕による画質劣化を抑えながら、画素ずらし効果による高精細化等が可能となる。さらに、表示素子面で表示する画像の明るさに応じて投影光量をダイナミックに変化させる可変絞り機構を備えることにより、可変絞り効果による高コントラストイ匕等が可能となる。多ミラー投影光学系では倍率色収差の低減が容易であるため、斜め画素配置に特徴的な投影像の二重線様ィ匕を効果的に抑制することができる。可変絞り効果によって二重線がくっきりと表れても、条件式 (1)及び (2)を満たすことにより二重線は目立たなくなり、シャープな線像を得ることができる。また、可変絞り効果によって切削痕による縞々模様がくっきりと表れても、画素ずらし効果によって縞々模様は見えに《なる。

[0051] 図 1に示す投影光学系 POのように、パワーを有する光学素子として複数の曲面ミラ一を有し、そのうちの 1枚の曲面ミラーを振動させることにより画素シフトを行う構成にすることが好ましい。 1枚のミラーを微小偏芯させる構成にすれば、投射型画像表示装置の軽量'小型化を容易に達成することができる。また、画素ずらし効果を得る上で、表示素子面の画素が正方画素であって、各正方画素が前記表示素子面の長辺あるいは短辺に対し斜め 45度にレイアウトされた斜め画素配置を構成することが好ましぐ画素シフトが各正方画素の対角線方向に行われることが更に好ましい。複数の正方画素から成る表示素子面にお、て各正方画素が前記表示素子面の長辺ある!/、は短辺に対し斜め 45度にレイアウトされた斜め画素配置では、各正方画素の対角線方向に画素シフトを行うことが、画素ずらし効果による高精細化を達成する上で効果的である。スクリーン面上において上下方向、左右方向、斜め方向、又は上下左右方向に行われる画素シフトの量は、画素ピッチ未満であれば良いが、上記斜め画素配置を採用した場合には、画素シフト量が各正方画素の対角線長の約半分であることが、画素形状，画素シフト方向等との関係力も好ましい。

[0052] 画素ずらしのために微小偏芯させるミラーが大きいと、メカ-カルな画素シフト機構 ( ミラー保持部，ミラー偏芯部等)の大型化や複雑化を招いたり光学性能の低下を招いたりしてしまうので、微小偏芯させるミラーは小さいほど好ましぐ少なくとも最大の曲面ミラー以外のミラーを微小偏芯させることが好ましい。したがって、投影光学系は複数のミラーを有し、そのうちの少なくとも 1つがパワーを有する曲面ミラーであり、曲面ミラーのうち有効光学領域が最大の曲面ミラーを「最大曲面ミラー」とすると、その最大曲面ミラーを固定した状態で最大曲面ミラー以外のミラー (好ましくは曲面ミラー)を微小に偏芯させることにより、スクリーン面上において上下方向、左右方向、斜め方向 (例えば画面対角線方向)、又は上下左右方向に画素ピッチの範囲内での画素シフトを行う構成とすることが望ましい。

[0053] 最大曲面ミラーの固定状態でそれ以外のミラー (好ましくは曲面ミラー)を微小偏芯させる構成とすることにより、反射面サイズが大きく重量が重い反射型光学素子を偏芯させる必要が無くなる。これにより、反射型光学素子の保持機構'偏芯機構等のメカ機構の小型化が可能となる。さらに、ミラー感度を考慮した場合、最大曲面ミラー以外のミラーを微小偏芯させる構成とすることにより、微小偏芯による画素シフト量の精度を向上させることが可能となる。また、画素ずらしのために新たな光学部材を追カロする必要が無いため、屈折光学系のパワーで画像投影を行う構成に比べて部品点数が少なくて済み、低コストな投影光学系とすることができる。したがって、低コストでコンパクトな投影光学系において、良好な光学性能を保持しながら高精度の画素ずらしを実現することができる。その結果、効果的な画素ずらしが可能となるため、スクリーン面上に投影する画素の輪郭を目立たなくして更になめらかな画像を表示することができ、解像度の向上による画像の高品位ィ匕をより安定的に達成することができる。そして、この投影光学系を投射型画像表示装置 (リアプロジェクター，フロントプロジクタ一等)に用いれば、その薄型，軽量'コンパクト化，低コスト化，高性能化，高機能化等に大きく寄与することができる。

[0054] 画素ずらしのために微小偏芯させる曲面ミラーを「微小偏芯曲面ミラー」とすると、その微小偏芯曲面ミラーが最大曲面ミラーの縮小側に続けて配置されていることが望ましい。もし、屈折光学系内に配置した反射面を微小偏芯させると、色収差が発生して性能が劣化してしまうが、最大曲面ミラーと微小偏芯曲面ミラーとの間に屈折光学系が無ければ、色収差はほとんど発生せず性能劣化はほとんど生じない。また、微小偏芯曲面ミラーとその上方 ·下方に配置されて、る曲面ミラー、あるいはスクリーンや背面ミラーとの干渉条件がゆるくなるので、メカ構成の配置の自由度を大きくすることができる。この観点から、図 1に示す投影光学系 POでは、第 3曲面ミラー M3を微小偏芯ミラーとしている。

[0055] また、表示素子面の画面中心から射出して絞りの中心を通る光線を「基準光線」とすると、微小偏芯曲面ミラーに対して基準光線が成す入射光線及び反射光線を含む平面と、最大曲面ミラーに対して基準光線が成す入射光線及び反射光線を含む平面と、が同一平面内にあることが好ましい。このように微小偏芯曲面ミラーと最大曲面ミラーを配置することにより、共軸屈折光学系に比べて投影光学系の厚みを薄くすることができる。なお、図 1に示す投影光学系 POでは、微小偏芯曲面ミラーである第 3曲面ミラー M3と最大曲面ミラーである第 4曲面ミラー M4がこの配置になっている。

[0056] また、図 1に示す投影光学系 POのように、曲面ミラーを少なくとも 4枚有することが好ましい。曲面ミラーが少なくとも 4枚あれば、広画角な斜め投影光学系において十分良好な光学性能を確保することができる。曲面ミラーが 3面以下であると、投影光学系として必要な光学性能を得ることが設計的 ·製造的に難しくなる。ただし、光学面は少ないほどコスト面で好ましぐ光学面が多くなると筐体内における光学素子の配置も不利になる。したがって、曲面ミラーを合計 4枚有することが更に好ましい。曲面ミラーの数力枚であっても、広画角な斜め投影光学系として用いる場合に十分良好な光学性能を確保することは可能である。

[0057] 図 1に示す投影光学系 POには、回転対称な非球面形状又は回転非対称な自由曲面形状を有する屈折面 (屈折レンズ LI, L2)が、収差補正のために用いられている。屈折面を有する透過型光学素子は、その相対的な屈折率の低さから、反射型光学素子よりも一般的に誤差感度が低いため、製造や調整が容易である。したがって、パヮーを有する反射型光学素子の他に透過型光学素子に収差補正能力を持たせると、製造難易度が低くなりコスト低減が可能になる。この効果を得るために、収差補正機能を有する透過型光学素子を少なくとも 1つ有することが好ましい。さらに、回転対称な非球面形状又は回転非対称な自由曲面形状を透過型光学素子に持たせることにより、誤差感度は低いままで収差補正効果をより高くすることができ、それを略ノンノ^ーにすることで更に誤差感度を低減することができる。また、投影光学系 POのような広角の偏芯光学系においては、回転非対称な収差を補正することによって光学性能をより一層良好にすることができる。したがって、透過型光学素子は回転対称な非球面又は回転非対称な自由曲面力成る屈折面を収差補正屈折面として少なくとも 1面有することが好ましい。

[0058] 図 1に示す投影光学系 POでは、第 1曲面ミラー Mlが球面形状を有している。このように、投影光学系が有する複数の曲面ミラーのうち、最も縮小側の曲面ミラーを「第 1曲面ミラー」とし、縮小側から数えて 2つ目の曲面ミラーを「第 2曲面ミラー」とすると、第 1,第 2曲面ミラーのうちの少なくとも 1つが球面形状を有することが好ましい。複数の曲面ミラーを有する投影光学系では、第 1,第 2曲面ミラーの感度が高くなる。このため、高い面精度が要求される第 1,第 2曲面ミラーの一方又は両方を球面形状とすることにより、研磨による高い面精度での加工が可能になる。さらには、球面受けでの組み込みが可能となるので、組み込み誤差も最小限に抑えることができる。榭脂ではなぐ線膨張係数の低いガラスを用いることができるため、温度変化によるフォーカスズレも抑えることができる。

[0059] 図 1に示す投影光学系 POには、回転対称な非球面形状又は回転非対称な自由曲面形状の曲面反射面を有する曲面ミラー M2〜M4が、収差補正のために用いられている。収差補正のための光学面を効果的に配置することは、広画角化，コンパクト化等とのバランスをとりながら高性能化を達成する上で重要であり、また、高い面精度が要求される縮小側の光学面は球面形状を有するのが好ましい。したがって、表示素子面の画像をスクリーン面上に斜め拡大投影する投影光学系においては、複数の曲面ミラーと複数の収差補正用屈折レンズとを有し、第 1,第 2曲面ミラーのうちの少なくとも 1つが球面形状を有し、それ以外の少なくとも 1つの曲面ミラーが回転非対称な自由曲面形状を有することが好ましぐさらにそれ以外の少なくとも 1つの曲面ミラーが回転対称な非球面形状を有することが好ましい。このように複数の曲面ミラーと複数の収差補正用屈折レンズを用いることにより、上述した効果をより一層大きく得ることが可能となる。

[0060] 次に、投射型画像表示装置，光学素子駆動機構等の第 2の実施の形態を説明する。第 2の実施の形態は、光学素子駆動機構である画素シフト機構 SUに特徴があり、前記第 1の実施の形態とは異なったタイプの画素シフト機構 SUを備えている。その画素シフト機構 SUが振動させる光学素子は第 2曲面ミラー M2であり、図 12に示す投影光学系 POの一部を構成している。なお、第 2の実施の形態では可変絞り機構 D Uが省略されているが、第 1の実施の形態と同様に配置してもよい。

[0061] 図 12では、第 2の実施の形態の光学構成 (光学配置，投影光路等)を、表示素子面 Soの画面長辺方向に沿って見たときの光学断面で示している。つまり、図 1と同様、表示素子面 Soの法線方向を X方向とし、表示素子面 Soの画面短辺方向を y方向とし、表示素子面 Soの画面長辺方向を z方向とする直交座標系 (x,y,z)において、図 12 は第 2の実施の形態における光学構成を直交座標系 (x,y,z)における xy断面で示している。この投影光学系 POは、複数の画素力も成る表示素子面 Soの画像をスクリーン面 Si (図 1)上に斜め拡大投影する、投射型画像表示装置用の斜め投影光学系であり、その基本構成は図 1に示すものと同様である。したがって、第 1の実施の形態についての光学的特徴は、第 2の実施の形態ついても同様に適用され、制御に関する全体構成 (図 7)等についても同様の適用が可能である。

[0062] 第 2の実施の形態 (図 12)において、照明光学系 LOからの光は表示素子 DSで空間的に変調され、その結果、形成された画像は投影光学系 POで拡大投影される (図 7参照。；)。投影光学系 POでは、表示素子面 Soからスクリーン面 Siへの投影光路に沿って順に、カバーガラス CGと、防塵用の透過ガラス WGと、第 1曲面ミラー Mlと、屈折レンズ L1と、第 2曲面ミラー M2と、屈折レンズ L2と、第 3曲面ミラー M3と、第 4 曲面ミラー M4と、が配置されている。

[0063] 投射型画像表示装置の第 2の実施の形態では、画素シフト機構 SUで第 2曲面ミラ一 M2を微小に偏芯させることにより画素ずらしを行う構成を採用している。画素ずらしを行う際、画素シフト機構 SUは表示素子 DSによる画像表示の切り換えにリンクして第 2曲面ミラー M2の傾きを変化させ、その振動により画素シフトを行う。図 13に画素シフト機構 SUの一部外観を斜視図で示す。また、図 14に画素シフト機構 SUの組み立て構造を断面図で示し、図 15に画素シフト機構 SUの組み立て構造を分解斜視図で示す。画素シフト機構 SUは、第 2曲面ミラー M2を保持した状態で振動させるための振動部材 29(図 13)と、第 2曲面ミラー M2を振動させるために振動部材 29を駆動するァクチユエータ 30(図 14,図 15)と、を備えている。 [0064] 振動部材 29は、パネ性部品 20,ミラーホルダー 26等力も成っており、図 13に示すように、一対の固定部 23と、第 2曲面ミラー M2(図 14,図 15)を保持した状態で固定部 23に対する相対的な振動が可能な可動部 25と、固定部 23と可動部 25とを連結する一対のヒンジ部 22と、を有している。固定部 23及びヒンジ部 22、並びに可動部 2 5の一部は、パネ性部品 20で構成されている。可動部 25は、パネ性部品 20の一部力も成る可動板 21、その可動板 21に固定されるミラーホルダー 26等で構成されており、可動板 21には一対の縦リブ 24Aと 1つの横リブ 24Bが板金の部分的な折り曲げにより一体的に形成されている。ァクチユエータ 30は、図 14,図 15に示すように、コイルホルダー 14,コイル 15及びマグネットユニット 16から成るボイスコイルモータで構成されている。ただし、ボイスコイルモータの代わりに他の駆動素子 (圧電素子等）を用いてもよい。その一例として、図 16に圧電素子力も成るァクチユエータ 31を用いた場合の画素シフト機構 SUの組み立て構造を示す。

[0065] 図 14,図 15に示すように、第 2曲面ミラー M2はミラー固定用のパネ 27でミラーホルダー 26に保持されている。ミラーホルダー 26は、図 15に示すように、パネ性部品 2 0に対しネジ 28で固定されている。ただし、いずれの保持方法 ·固定方法もそれらに限るものではなぐパネ止め，ネジ止め，接着固定等のいずれを採用しても構わない。パネ性部品 20は、その両側に有する固定部 23(図 13)でアッセンブリーホルダー 1 8(図 15)にネジ (不図示)で固定されている。また、パネ性部品 20にはコイルホルダー 14がネジ 13で固定されており、コイルホルダー 14にはコイル 15が取り付けられている。一方、アッセンブリーホルダー 18にはマグネットユニット 16がネジ (不図示)で固定されている。なお、アッセンブリーホルダー 18は光学ベース部品 (不図示)に固定されている。

[0066] 前述したように、コイルホルダー 14,コイル 15及びマグネットユニット 16は、第 2曲面ミラー M2を駆動するァクチユエータ (ボイスコイルモータ) 30を構成して!/、る。ァクチユエータ 30の一端はアッセンブリーホルダー 18に固定されて!、るため、ァクチユエ一タ 30を動作させると、パネ性部品 20の可動板 21にはァクチユエータ 30からの力が加わる。その結果、パネ性部品 30にはヒンジ部 22を中心に回転するような変形が発生する。この変形により、ミラーホルダー 26及び第 2曲面ミラー M2の角度が変化する。ァクチユエータ 30から受ける力の方向を切り換えれば、一対のヒンジ部 22の中心を結ぶ直線を中心軸 0(図 13)として可動部 25を回転振動させることができる。これを以下に詳しく説明する。

[0067] 図 17に、ァクチユエータ 30に加える駆動信号の制御波形を示す。駆動信号は一定周期 (32ms)で +と一の 2状態 (ここでは 16ms毎の + 0. 3Vと一 0. 3Vとの 2状態)を繰り返す矩形の信号である。コイル 15に電流を流すとマグネットユニット 16との間に電磁力が発生し、その駆動力がパネ性部品 20の可動板 21の上部に加わる。パネ性部品 20は、その両側の固定部 23でアッセンブリーホルダー 18に固定されているため、ヒンジ部 22にはヒンジ回りのねじれが発生する。その結果、パネ性部品 20の可動板 21と共にミラーホルダー 26及び第 2曲面ミラー M2がティルトする。例えば、駆動信号が +の状態のとき、パネ性部品 20は矢印 mP方向 (図 13)の力を受けて、その力と同じ方向に回転変形する。このとき、ァクチユエータ 30の発生力とパネ性部品 20 のねじれによる力は釣り合!/、状態にある。駆動信号をゼロにする (つまりコイル 15に電流を流すのを止める)と、ァクチユエータ 30の発生力はゼロになる。その結果、パネ性部品 2はねじれの復元力により初期位置に戻ろうとする。駆動信号が一の状態のとき、パネ性部品 20は駆動信号が +のときと逆方向 (矢印 mP方向の逆方向)に回転変形する。

[0068] したがって、図 17に示すような駆動信号をァクチユエータ 30に加えれば、パネ性部品 20の可動板 21、それに固定されたミラーホルダー 26及び第 2曲面ミラー M2は、 2 つの角度状態の切替動作を繰り返す回転振動を行うことになる。投影光を反射させる第 2曲面ミラー M2が回転振動を行うことにより、投影光も 2状態の結像位置のズレ状態を持つことになる。このズレ状態を適切に制御することにより画素シフトを行えば、投影像の擬似的な解像度を向上させることが可能となる。なお、第 2曲面ミラー M2 の位置 (角度)は、ホール素子カゝら成るセンサー (不図示)で検出される。そのセンサーはパネ性部品 20の可動板 21の上部に固定されており、アッセンブリーホルダー 18 に固定されているセンサー用マグネット (不図示)の相対的な移動 (つまり相対位置の変化)を磁界変化として検出する。その検出結果から、第 2曲面ミラー M2の位置 (角度)を知ることができる。 [0069] ここで、第 2曲面ミラー M2の変位 (位置又は角度)の理想的な時間変化は、図 18に示すような矩形波形状で表される。このような矩形波形状に第 2曲面ミラー M2を変位させれば、 2状態の投影像は明確に分離されるため、擬似的に解像度を上げた画質は向上することになる。一方、図 19に示すように第 2曲面ミラー M2の変位波形に矩形成分以外の波形が混じると、 2状態の投影像は明確に分離されず、ぼやけたような投影像が得られることになる。そこで、パネ性部品 20を金属製平板のプレス加工により製造することを想定し、ヒンジ部 22と可動板 21とが同じ厚さの平板力も成るもの (縦リブ 24A,横リブ 24Bが無いもの)として、第 2曲面ミラー M2の変位がどのようになるカゝ、を以下に検討する。

[0070] 図 22に、パネ性部品 20(図 13等)が平板力も成る場合の可動板 21,ヒンジ部 22等の寸法及び力関係を模式的に示す。可動板 21上の荷重点 (ァクチユエータ 30の取り付け部分)でのたわみ量を dfとすると、そのたわみ量 dfは、ヒンジ部 22がねじれることによるたわみ量 δと、ヒンジ部 22から荷重点までの平板部 F (図 13,図 22)が曲がることによるたわみ量 εと、の和になっている (df= δ + ε )₀したがって、パネ性部品 20が振動するとき、荷重点でのたわみ量 dfの振幅は、ヒンジ部 22でのたわみ量 δの振幅と、平板部 Fでのたわみ量 εの振幅と、の和になる。ここで、たわみ量 δの振幅とたわみ量 εの振幅とがほぼ等しい大きさであるとき（ ε ^ Ι.Ο Χ δ )のたわみ量 dfの時間変化の一例を図 20に示し、たわみ量 δの振幅に比べてたわみ量 εの振幅が小さいとき（ε =0.5 Χ δ )のたわみ量 dfの時間変化の一例を図 21に示す。なお、図 20,図 21 において、破線はたわみ量 δ、細い実線はたわみ量 ε、太い実線はたわみ量 dfCある。

[0071] 図 20から分力るように、たわみ量 δの振幅とたわみ量 εの振幅とがほぼ等し、大きさである場合には、たわみ量 dfの波形は複雑な形状となる。したがって、第 2曲面ミラ一 M2の変位を理想的な波形 (図 18に示すような矩形波形状)に制御するのが難しくなる。それに対し、図 21に示すようにたわみ量 δの振幅に比べてたわみ量 εの振幅力 S小さい場合には、たわみ量 εの振幅がたわみ量 dfの振幅に及ぼす影響が小さくなるため、図 20に比べてたわみ量 dfの波形は単純な形状となる。したがって、第 2曲面ミラー M2の変位を理想的な波形 (図 18に示すような矩形波形状)に制御するのが容易になる。このような単純な波形を得るための条件は、以下に説明するように定式ィ匕することが可能である。

[0072] 図 22では、以下の釣り合いの式 (1Ό)が成り立つている。ここで、平板部 Fの縦弾性係数を Eとし、平板部 Fの横弾性係数を Gとし、ヒンジ部 22のねじれ角を Φ (図 22)とする。また図 13に示すように、ヒンジ部 22の V断面での断面二次極モーメント (計算中心はヒンジ部 22のねじれ中心点である。）を Iphとし、ヒンジ部 22の長さを Lhとし、平板部 Fがァクチユエータ 30からの力を受ける位置の中心 PAから中心軸 Oまでの距離を L とし、平板部 Fの W断面での断面二次モーメント (計算中心は平板部 Fの曲げ中心 (Z 軸中心)である。）を Izとする。式 (1Ό)は以下の式 (fl)で表され、式 (fl)を整理すると以下の式 (β)が得られる。

(ヒンジ部 22のねじれによるモーメント) = (平板部 Fの曲がりによるモーメント） · --(10) G-Iph-( /Lh)= ε -{(3-E-Iz)/L³}-L ···(!!)

ε = G · Iph · ( Φ /Lh) - {L V(3 · E · Iz)} ---(12)

[0073] 平板部 Fの曲がりによるたわみ量 εをヒンジ部 22のねじれによるたわみ量 δよりも小さくすることは、以下の条件式 (f3)を満たすことと同じである (ただし、 ηは係数である。；)。この条件式 (f3)に上記式 (12)と以下の式 (f4)を代入すると、以下の条件式 (f5)が得られる。そして、条件式 (f5)を整理すると以下の条件式 ( )が得られる。

ε <η· δ "-( )

δ =L'tanO>=い Φ(Φ<<1より） ···(!¾)

G-Iph-( /Lh)-{L²/(3-E-Iz)}<n-L- Φ ---(15)

Ιζ>{1/(3 · n)}-(G/E)-{(Iph · L)/Lh} …( ）

[0074] さらに、縦弾性係数 Eと横弾性係数 Gとの間には、以下の式 (17)で表される関係がある。ここで、ポアソン比 Vは一般的な材料においては約 0.33であることから、以下の式 (18)が得られる。たわみ量 δに対するたわみ量 εの比率 ηを (設計上好ましい値として) 0.5とすると、条件式 (IB)及び式 (お)から以下の条件式 (19)が得られる。

G = E/{2(1+ ν)} …(！ 7)

G/E=l/{2(1+ ν)}=0.38 …(お）

Ιζ> 0.25· {(Iph -L)/Lh} ---(19) [0075] 図 13に示すパネ性部品 20は、平板のプレス力卩ェで製作された部品であり、全面が同一厚みの板金力も成っている。平板部 Fには、板金の一部を折り曲げて成る縦リブ 24Aが形成されている。このように平板部 Fに縦リブ 24Aを設ければ、平板部 Fの断面二次モーメント Izを大きくすることができる。したがって、上記条件式 (19)を満たすことができる。パネ性部品 20の条件式 (19)に関するシミュレーション及びその結果を以下に説明する。

[0076] 図 23にヒンジ部のないパネ性部品のたわみをシミュレーションした結果を示す。図 2 3はパネ性部品 20の一部分である可動板 21であり、変形後の形状を誇張して表示している。計算条件を以下に説明する。可動板 21は左右対称 (図 13の ΧΥ平面を中心に左右対称)形状であるため、その一方のみを用いてシミュレーションを行う。そのため面 SAが対称面となるように面 SAの境界条件を設定して、る。面 SBは完全拘束の条件を設定している。以上の条件の下で面 SCに矢印 mF方向の力をカ卩えるシミュレーシヨンを行う。なお、図 23において面 SA, SB, SCは側面であり、面 SBは下側の側面 (図 23に示す方向からは隠れて見えない側面)である。

[0077] また図 24にヒンジ部のあるパネ性部品のたわみをシミュレーションした結果を示す。

図 24はパネ性部品 20の一部分である可動板 21とヒンジ部 22であり、変形後の形状を誇張して表示している。計算条件を以下に説明する。可動板 21とヒンジ部 22は左右対称 (図 13の XY平面を中心に左右対称)形状であるため、その一方のみを用いてシミュレーションを行う。そのため面 SAが対称面となるように面 SAの境界条件を設定している。面 SBは完全拘束の条件を設定している。以上の条件の下で面 SCに矢印 mF方向の力をカ卩えるシミュレーションを行う。なお、図 24において面 SA, SB, SCは側面であり、面 SBはヒンジ部 22の側面 (図 24に示す方向からは隠れて見えない向こう側の側面)である。

[0078] 平板部 Fのみの変形を考えるために、パネ性部品 20からヒンジ部 22を取り払った部品に大きさ FXの力をカ卩えると、図 23に示すようにたわみが生じ、そのたわみ量 ε は 2.9 mとなった。平板部 Fの断面二次モーメント Izは以下の式 (flO)で表されるので、式 (flO)に FX = 1N, L=32mm, E=200GPaを代入すると、 Iz= 18.8mm⁴となる。一方、ヒンジ部 22のあるパネ性部品 20に大きさ FX(= 1N)の力をカ卩えると、図 24に示すようにたわみが生じ、そのたわみ量 dfは 9 mとなった。図 23に示すシミュレーション結果では ε =2.9 mとなったので、ヒンジ部 22のたわみ量 δは δ =df— ε =6.1 mと考えられる。ヒンジ部 22の断面二次極モーメント Iphは以下の式 (fl 1)で表されるので、式 (fll)に FX = 1N, L=32mm, Lh=2mm, G = 80GPaを代入すると、 Iph=4.2m m⁴となる。

Iz = FX X L³/3/E/ ε …(！ 10)

Iph = FX X L X h/G/ = FX X L X Lh/G/( δ /L) …(！ 11)

図 23,図 24中のポジション V1〜V11(太い実線部分)上でのたわみ量 ε (図 23), df (図 24)を以下に示す。表記はポジション V1〜V11での（ ε , dl)で行い、単位は mm、 D- n= X 10— ⁿである。なお、図 13,図 23,図 24中、点 PA, PBは平板部 Fがァクチュエータ 30からの力を受ける位置を示しており、点 PAは平板部 Fにおける駆動部分中央に相当し、点 PBは平板部 Fにおける駆動部分端部に相当する。

ポシ zヨン：（ε , άΰ

VI I： ( 0.00D+00, 3.75D-04)

V10 : (-2.88D- -04, -5.64D- -04)

V9 ： (-5.77D- -04, -1.50D- -03)

V8 ： (-8.65D- -04, -2.44D- -03)

V7 ： (-1.15D- -03, -3.38D- -03)

V6 ： (-1.44D- -03, -4.32D- -03)

V5 ： (-1.73D- -03, -5.26D- -03)

V4 ： (-2.02D- -03, -6.20D- -03)

V3 ： (-2.31D- -03, -7.14D- -03)

V2 ： (-2.60D- -03, -8.08D- -03)

VI ： (-2.88D- -03, -9.02D- -03)

シミュレーション結果をまとめると、以下のようになる。条件式 (19)に各データを代入すると、 0.25 '{(Iph'L)ZLh}=0.25 X{(4.2 X 32)Z2}= 16.8と Ιζ = 18.8とから、条件式 (19 )を満たして、ることが分力る。

断面二次極モーメント： Iph =4.2mm⁴ 断面二次モーメント： Iz = 18.8mm

ヒンジ部 22で発生するたわみ量： δ =6.1 /z m

平板部 Fで発生するたわみ量： ε = 2.9 μ ΐη

[0081] 上記のように ε (=2.9 μ m)は δ =6.1 μ mの半分以下であることから、パネ性部品 2 0を振動させたときのたわみ量 dfの変化波形は、図 21に示すような単純な形状となる。したがって、第 2曲面ミラー M2の変位を理想的な波形 (図 18に示すような矩形波形状)に制御し易くなり、光学素子駆動機構の動作の安定化も可能になる。その結果、画素シフトによる 2状態の投影像が明確に分離されるため、擬似的に解像度を上げた画質の向上が可能となる。

[0082] 前述した第 1,第 2の実施の形態の画素シフト機構 SUでは、投影光学系 PO中の第 2曲面ミラー M2又は第 3曲面ミラー M3を振動させているが、振動の対象はミラーに限らず、レンズ等の他の光学素子でもよい。したがって、表示素子により形成される画像を拡大投影する投影光学系に対し、その一部を構成する光学素子を振動させるために用いられる光学素子駆動機構にあっては、光学素子を保持した状態で振動させるための振動部材と、光学素子を振動させるために振動部材を駆動するァクチュエータと、を備え、振動部材が、一対の固定部と、光学素子を保持した状態で固定部に対する相対的な振動が可能な可動部と、固定部と可動部とを連結する一対のヒンジ部と、を有し、一対のヒンジ部の中心を結ぶ直線を中心軸として、ァクチユエータからのカを受けて可動部が回転振動するように構成することが好ましい。なお、この機構は光学素子以外の素子 (表示素子，受光素子等)を振動させるために用いることも可能であり、画素シフト機構以外の光学素子駆動機構に応用することも可能である。

[0083] 上記のように光学素子駆動機構を構成すれば、簡単な構成でありながら高精度の画素ずらしを実現することができる。そして、高精度の画素ずらしにより、スクリーン面上に投影する画素の輪郭を目立たなくしてなめらかな画像を表示することができ、解像度の向上による画像の高品位ィ匕をより安定的に達成することができる。したがって、この光学素子駆動機構をリアプロジェクター，フロントプロジェクタ一等の投射型画像表示装置に用いることにより、その薄型 '軽量'コンパ外化，低コスト化，高性能化 ,高機能化等に大きく寄与することができる。 [0084] 前述したパネ性部品 20の条件式 (19)に関するシミュレーションでは、平板部 Fに縦リブ 24Aを設けることにより、平板部 Fの断面二次モーメント Izを大きくしている。しかし、平板部 Fの断面二次モーメント Izを大きくするように作用する部材は縦リブ 24Aに限らない。例えば、可動板 21に固定されているミラーホルダー 26も、縦リブ 24Aと同様に平板部 Fの断面二次モーメント Izを大きくするように作用する。つまり、ミラーホルダ一 26が固定されることは、リブ 24Aと同様に、条件式 (19)を満たす方向に作用することになる。したがって条件式 (19)の適用範囲は、可動板 21の平板部 Fに限るものではなぐ可動部にまで一般ィ匕することができる。その可動部には、パネ性部品の一部から成る可動板、その可動板に固定される光学素子保持部品等が含まれる。例えば、第 1の実施の形態での可動部は、金属板 12の一部と、それに固定されるミラーホルダー 11と、を含む部分であり、第 2の実施の形態での可動部は、パネ性部品 20の一部から成る可動板 21と、その可動板 21に固定されるミラーホルダー 26と、を含む可動部 25である。

[0085] 上記観点から、振動部材が、一対の固定部と、光学素子を保持した状態で固定部に対する相対的な振動が可能な可動部と、固定部と可動部とを連結する一対のヒンジ部と、を有し、一対のヒンジ部の中心を結ぶ直線を中心軸として、ァクチユエータからのカを受けて可動部が回転振動する構成において、以下の条件式 (F9)を満足することが好ましい。

0.25 < (Iz* X Lh*)/(Iph* X L*) •••(F9)

ただし、

Iz* :可動部の断面二次モーメント (計算中心は可動部の曲げ中心である。 ),

Iph* :ヒンジ部の断面二次極モーメント (計算中心はヒンジ部のねじれ中心点である。）

、 L* :可動部がァクチユエータからの力を受ける位置の中心から可動部の振動の中心となる中心軸までの距離、

Lh* :ヒンジ部の長さ、

である。

[0086] 上記条件式 (F9)を満たすことにより、たわみ量 δの振幅に比べてたわみ量 εの振幅を小さくすることができる。その結果、たわみ量 εの振幅がたわみ量 dfの振幅に及ぼす影響が小さくなるため、たわみ量 dfの波形は単純な形状 (例えば図 21に示す波形)となる。したがって、振動させる光学素子の変位を理想的な波形 (例えば図 18に示す矩形波形状)に制御することが容易になり、光学素子駆動機構の動作の安定ィ匕も可能になる。その結果、画素シフトによる 2状態の投影像が明確に分離されるため、擬似的に解像度を上げた画質の向上が可能となる。なお、前述したシミュレーション結果では、（Iz X Lh)/(Iph X L) = (18.8 X 2)/(4.2 X 32) = 0.28(>0.25)であることから条件式 (19)を満たしており、ミラーホルダー 26も、縦リブ 24Αと同様に平板部 Fの断面二次モーメント Izを大きくするように作用するので、 0.28< (Iz* X Lh*)/(Iph* X L*) が成立する。したがって、条件式 (F9)を満たすことは明らかである。

[0087] 平板部 Fの断面二次モーメント Izを大きくするために、縦リブ 24Aを平板部 Fに設けることは、第 2の実施の形態のような画素シフト機構 SUに限らず、他の光学素子駆動機構にも適用可能である。例えば、振動部材が、少なくとも可動部の一部を構成するパネ性部品と、光学素子を保持する光学素子保持部品と、を有し、可動部が、パネ性部品の一部から成る可動板と、その可動板に固定される光学素子保持部品と、を含む光学素子駆動機構であって、可動板がァクチユエータからの力を受ける位置とヒンジ部との間に連続した凸部力成るリブを有することが好ましい。

[0088] 図 23から分力るように、点 PBに比べて点 PAではたわみが大きくなつて!/、る。このようなたわみもヒンジ部 22でのたわみの変化波形に影響を与えるため、これを小さくするように抑えることが望ましい。その具体的な手段としては、図 13に示す横リブ 24Bのように、縦リブ 24Aに対し垂直な方向のリブが挙げられる。これに関しても、第 2の実施の形態のような画素シフト機構 SUに限らず、他の光学素子駆動機構にも適用可能である。例えば、振動部材が、少なくとも可動部の一部を構成するパネ性部品と、光学素子を保持する光学素子保持部品と、を有し、可動部が、パネ性部品の一部から成る可動板と、その可動板に固定される光学素子保持部品と、を含む光学素子駆動機構であって、一対のヒンジ部の中心を結ぶ直線を中心軸とすると、可動板が、その中心軸に対して垂直方向に延びる連続した凸部力成る縦リブと、中心軸に対して平行方向に延びる連続した凸部力成る横リブと、を有することが好まし、。

[0089] 第 2の実施の形態のように断面二次モーメント Izを大きくすることと同様、断面二次極モーメント Iphを小さくすることも、条件式 (19)や条件式 (F9)を満たす方向に作用する。図 25(A)に断面二次極モーメント Iphの小さいパネ性部品 20aの一例を斜視図で示し、その要部 P(21a :可動板， 22a :ヒンジ部， 23a :固定部)を拡大して図 25(B)に示す。このパネ性部品 20aは、第 2の実施の形態に用いられているパネ性部品 20と同様、板金をプレスカ卩ェしたものである。ただし、プレスカ卩ェによりヒンジ部 22aの肉厚のみが薄く加工されている。このような構造にすることにより、ヒンジ部 22aの断面二次極モーメント Iphの値が小さくなり、相対的に平板部 Fの断面二次モーメント Izの値が大きくなる。その結果、たわみ量 εの振幅がたわみ量 dfの振幅に及ぼす影響が小さくなるため、たわみ量 dfの波形は単純な形状 (例えば図 21に示す波形)となる。したがって、振動させる光学素子の変位を理想的な波形 (例えば図 18に示す矩形波形状)に制御することが容易になり、光学素子駆動機構の動作の安定化も可能になる。その結果、画素シフトによる 2状態の投影像が明確に分離されるため、擬似的に解像度を上げた画質の向上が可能となる。

[0090] 上記のように断面二次極モーメント Iphを小さくすることは、第 2の実施の形態のような画素シフト機構 SUに限らず、他の光学素子駆動機構にも適用可能である。例えば、振動部材が、固定部及びヒンジ部を構成するとともに可動部の一部を構成するパネ性部品と、光学素子を保持する光学素子保持部品と、を有し、可動部が、パネ性部品の一部から成る可動板と、その可動板に固定される光学素子保持部品と、を含む光学素子駆動機構であって、パネ性部品においてヒンジ部のみが薄肉となっていることが好ましい。そして、リブと薄肉のヒンジ部との併用が更に好ましい。

[0091] 第 2の実施の形態 (図 13等)では、可動板 21に一対の縦リブ 24Aが板金の部分的な折り曲げにより一体的に形成されている力これは別部品であっても構わない。その一例を図 26に示す。パネ性部品 20bと一対の縦リブ 24aとは別部品力も成っている。縦リブ 24aをパネ性部品 20bにネジ等で固定すると、平板部 Fの断面二次モーメント Izの値は大きくなる。その結果、たわみ量 εの振幅がたわみ量 dfの振幅に及ぼす影響が小さくなるため、たわみ量 dfの波形は単純な形状 (例えば図 21に示す波形)となる。したがって、振動させる光学素子の変位を理想的な波形 (例えば図 18に示す矩形波形状)に制御することが容易になり、光学素子駆動機構の動作の安定化も可能になる。その結果、画素シフトによる 2状態の投影像が明確に分離されるため、擬似的に解像度を上げた画質の向上が可能となる。

実施例

[0092] 以下、本発明を実施した投射型画像表示装置の光学構成を、コンストラタシヨンデ一タ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例は、前述した第 1の実施の形態に対応する数値実施例であり、図 1に示す投影光学系の光学構成図は、実施例の光学配置，投影光路等を示している。実施例のコンストラタシヨンデータは、縮小側の表示素子面 So (拡大投影における物面に相当する。）から拡大側のスクリーン面 Si (拡大投影における像面に相当する。）までを含めた系の光学配置を示しており、縮/ J f則力ら数えて n番目の面力 SSn(n= l, 2, 3, . . . )である。なお、面 SI, S2は表示素子面 Soを保護するために覆うカバーバラス CGの両面であり、投影光学系の一部を成すものではない。

[0093] 各光学面の配置は、その面頂点をローカルな直交座標系 (Χ,Υ,Ζ)の原点 (0)として、グローバルな直交座標系 (_x,_y,_z)におけるローカルな直交座標系 (χ,γ,Ζ)の原点 (0)と X軸， Υ軸の座標軸ベクトル (VX,VY)の座標データ (x,y,z)とで表されて!/、る (単位： mm )。ただし、座標系はすべて右手系で定義されており、グローバルな直交座標系 (x,y,z )は表示素子面 Soのローカルな直交座標系 (Χ,Υ,Ζ)と一致した絶対座標系になっている。したがって、グローバルな直交座標系 (x,y,z)の原点 (0)は表示素子面 Soの中心に位置する原点 (0)と同一の点であり、表示素子面 Soでのベクトル VXは表示素子面 Soの面法線と平行であり、ベクトル VYはベクトル VXに直交するとともに表示素子面 S oの画面短辺に平行である。また、座標データ (x,y,z)で表された光学面を先頭面として共軸系の一部を成す光学面につ!、ては、直前の光学面を基準とした X方向の軸上面間隔 T'(mm)で光学面の配置が表されている。各光学面の入射側に位置する媒質の d線に対する屈折率 N,各光学面の射出側に位置する媒質の d線に対する屈折率 N' (その光学面が反射面の場合には負の値となる。）及び光学材料のアッベ数 V dを他のデータとあわせて示す。

[0094] 各光学要素の面形状は、その光学面の曲率 COdnm ¹),曲率半径 r(mm)等で表されている。例えば、 *印が付された面 Snは回転対称な非球面であり、その面形状は面頂点を原点 (O)とするローカルな直交座標系 (Χ,Υ,Ζ)を用いた以下の式 (AS)で定義される。また、 $印が付された面 Snは回転非対称な非球面 (いわゆる自由曲面)であり、その面形状は面頂点を原点 (0)とするローカルな直交座標系 (Χ,Υ,Ζ)を用いた以下の式 (BS)で定義される。回転対称非球面データ，回転非対称非球面データを他のデータとあわせて示す。ただし、表記の無い項の係数は 0であり、すべてのデータに関して Ε- η= Χ 10— ^ηである。

X = (C0-H²)/ +^(l- e -CO'-H^I+ EiACO-H¹} 〜(AS)

ただし、式 (AS),(BS)中、

X：高さ Hの位置での X方向の基準面からの変位量 (面頂点基準)、

H： X軸に対して垂直な方向の高さ {H= (Y²+Z¾、

CO:面頂点での曲率 (+ Z—はローカルな直交座標系の X軸に対するものであり、正の場合その曲率中心がベクトル VX上の正方向に存在する。 C0=l/r)、

ε : 2次曲面パラメータ、

A(i)： i次の回転対称非球面係数、

G(j,k)： Yの j次、 Zの k次の回転非対称非球面係数、

である。

[0095] 表示素子面 Soの画面サイズ (mm)は、 LY= ±2.754, LZ= ±4.892である。ただし、表示素子面 Soの画面形状は長方形であり、 LYは表示素子面 Soの画面短辺方向（すなわち Y方向)の長さ、 LZは表示素子面 Soの画面長辺方向 (すなわち Z方向)の長さである。また、全系の倍率（j8 )と Fナンバー (FnoY,FnoZ)は、 j8 =95.03, FnoY=2.83, FnoZ=2.81である。ただし、 FnoYは縦方向 (Y方向)の Fナンバー、 FnoZは横方向 (Z方向)の Fナンバーである。

[0096] 表示素子面 Soの画素は正方画素であって、各正方画素が表示素子面 Soの長辺あるいは短辺に対し斜め 45度にレイアウトされた斜め画素配置を構成しており、画素シフトが各正方画素の対角線方向に行われる。表 1と表 2に、条件式 (l),(l_a),(2),(2a) の対応データ及び関連データを示す。ただし、画素シフト方向の倍率色収差 ( / m) : A RG, A BGの評価ポイントは、表示素子面 Soの半画面における 25個の座標 (Υ,Ζ) であり、

πι),画素ピッチ (対角線長) p=2d=15.274( m)である。また表 3に、条件式 (3)の対応データ及び関連データを示す。ただし、自由曲面を含む実施例であるので、スクリーン面 Siの画面中心に至る光線を主光線とし、主光線近傍のメリディォナル断面 (XY断面)でのパワーで各面のパワーを規定する (E-n= X 10" n)。

[0097] 図 11に、実施例のスポットダイアグラムを示す。このスポットダイアグラムは、スクリーン面 Siでの結像特性（目盛りは ± lmmで表記されている。）を 3波長 (460nm, 546η m, 620nm), 25個の評価ポイントについて示している。図中の座標 (Υ,Ζ)は、各評価ポイントのスポット重心の投影位置を示すスクリーン面 Siのローカル座標 (Υ,Ζ； mm； e -n= X 10— ⁿ)である。この実施例は XY平面に対して面対称な光学系から成っているため、スポットダイアグラムはスクリーン面 Si上での Z方向のプラス側の半分のみを示しており、残り半分は図示省略してある。また、これらの評価ポイントは表示素子面 So の Z方向の半分を縦横それぞれ均等に 5分割した点と共役であり、表示素子面 So上の点が持つローカル座標の Yと Zの値に倍率 13をかけた値がスポットダイアグラム上での理想結像点であり、その計算値力ものズレの分が歪曲である。スポットダイアグラムの出発点は表示素子面 Soの士 Υ, +Z側にあるが、天井の平面ミラー MFで画像が上下反転するため Yが + Z—逆転している。なお、この実施例の光学構成において、第 3曲面ミラー M3を微小に偏芯させることにより画素シフトを行っても、得られる光学'性能にほとんど影響はな!/ヽ。

[0098] 実施例のコンストラタシヨンデータ：

So (表示素子面）

座標：

0： 0.00000 , 0.00000 , 0.00000

N = 1.00000 N'= 1.00000 T'= 0.47

[0099] S I (カバーガラス CGの入射側面）

N = 1.00000

N'= 1.51872, v d=64.20

T'= 3

[0100] S2(カバーガラス CGの射出側面）

N = 1.51872, v d=64.20

N'= 1.00000

[0101] S3(第 1曲面ミラー Ml)

座標：

0： 84.77600 , -8.80205 , 0.00000

VX： 0.99335574 , 0.11508424 , 0.00000000 VY :-0.11508424 , 0.99335574 , 0.00000000 N = 1.00000

C0=-0.01024430(r=-97.6153)

N'=- 1.00000

[0102] S4 * (屈折レンズ L1の入射側面）

座標：

0： 33.18400 , -26.78580 , 0.00000

VX :-0.99802020 ,-0.06289414 , 0.00000000 VY :-0.06289414 , 0.99802020 , 0.00000000 N = 1.00000 非球面データ：

ε =1.00000

A( 4)= 1.73282E-6 A( 6)=— 2.51393E— 8

A( 8)= 5.8343E- 10

A(10)=-6.49544E-12

A(12)= 2.72743E-14

N'= 1.52729, v d=56.38

[0103] S5(屈折レンズ LIの射出側面）座標：

0： 31.23500 , -27.67100 , 0.00000 VX :-0.99802020 ,-0.06289414 , 0. VY :-0.06289414 , 0.99802020 , 0. N = 1.52729, v d=56.38

N'= 1.00000

[0104] S6 * (第 2曲面ミラー M2)

座標：

0： 13.34700 , -24.19590 , 0.00000 VX :-0.99395174 , 0.10981775 , 0. VY： 0.10981775 , 0.99395174 , 0. N = 1.00000

C0= 0.00931427(r=107.3621) 非球面データ：

ε =6.42234

A( 4)= 1.4105E-6

Α( 6)= 8.58819E- 10

Α( 8)=-2.64074Ε-12

Α(10)= 5.41875E-15

Α(12)=- 4.40215E- 18

Ν'=- 1.00000 S7$ (屈折レンズ L2の入射側面）座標：

0： 34.67500 , -55.70520 , 0.00000

VX： 0.01157085 ,-0.99993306 , 0.00000000 VY： 0.99993306 , 0.01157085 , 0.00000000 N = 1.00000 非球面データ：

ε =1.00000

G(3, 0)= 8.61966E- 6

G( 4, 0)= -1.32367E- -6

G(5, 0)= 1.81013E- 9

G(6, 0)= -2.38497E- -9

G( 7, 0)= 3.31534E- 10

G(8, 0)= -3.36791E- -12

G(9, 0)= -7.71912E- -13

G(10, 0)= 2.42779E- -14

G(l, 2)= -6.6744E-5

G(2, 2)= -2.40316E- -6

G(3, 2)= 8.97504E- 8

G( 4, 2)= 3.5468 IE- 10

G(5, 2)= 4.62364E- 10

G(6, 2)= -1.29461E- -11

G( 7, 2)= -6.77249E- -13

G(8, 2)= 2.31117E- 14

G(0, 4)= 2.46946E- 6

G(l, 4)= 2.0643E-7

G(2, 4)= - 6.56518E- -10 00000· ΐ = Ν

00000000 ' ε63ΐ½ΐ6 ' 09982S6S ：入 Λ ΟΟΟΟΟΟΟΟ ' 09982S6S -' S6SI 6I6'0： ΧΛ

00000 ' 06226"S6- ' 006W69： O

■mm

00000" ΐ ='N

8S"9S=P^ '62 2S"T = N 00000000 ' 380Ζ3Π0 ' 90SS6666 ：入 Λ 00000000 ' 90SS6666 -' 380Ζ3Π0 ： ΧΛ

00000 ' 0TSS9"Ze- ' 009S2"6S： Ο

■mm

fl- 3Z92ZS"T- =(0ΐ'0)Ο fl- -39εε98·ΐ- =(8 'Z)D ετ - 3 S869 =(8 'ΐ)。

z\ -3ezes6"e =(8 Ό)0

SI =(9 'f )0

-3S2^9S"9 =(9 'ε)。

z\ =(9 'Z)D

Οΐ- -380ΖΖ2"ΐ- =(9 'ΐ)。

6- -3ΐοεοο'ε- =(9 Ό)0 fl -366 ΐ sex =(f '9)0 ει -39S26"9- f '3)0 n- -3ΖΠ99·ΐ- f 'f )0 n- -326Ϊ63-Ϊ- f 'ε)ο

8S980C/900Zdf/X3d Sll8ll/900Z OAV C0=-0.00044085(r=-2268.3247) 非球面データ：

ε =1.00000

G(2, 0)= 0.000280832

G(3, 0)= -1.18927E-5

G( 4, 0)= -8.7313E-7

G(5, 0)= -8.41805E-9

G(6, 0)= 7.25923E-12

G( 7, 0)= 9.49225E-12

G(8, 0)= 1.04654E-13

G(9, 0)= -2.19175E-14

G(10 0)= 7.21665E-16

G(0, 2)= -0.000513986

G(l, 2)= -8.55552E-5

G(2, 2)= -1.12351E-6

G(3, 2)= 2.49379E-8

G( 4, 2)= 8.10459E-10

G(5, 2)= 2.58668E-11

G(6, 2)= 8.12093E-13

G( 7, 2)= 2.11287E-15

G(8, 2)= -1.19879E-15

G(0, 4)= 1.17194E-6

G(l, 4)= 5.41384E-8

G(2, 4)= 3.65203E-10

G(3, 4)= -1.88985E-11

G( 4, 4)= -1.18863E-12

G(5, 4)= -3.78949E-14

G(6, 4)= 7.8927E-17 G(0, 6)=- -9.29742E- -11

G(l, 6)= 3.36094E- 13

G(2, 6)= 1.0404E-12

G(3, 6)= 3.77869E- 14

G( 4, 6)= 2.03532E- 15

G(0, 8)=- -3.88723E- -13

G(l, 8)=- -1.38874E- -15

G(2, 8)=- -1.35813E- -15

G(0,10)= 5.45906E- -16

N'=- 1.00000

S10$ (第 4曲面ミラー M4)

座標：

0： 23.67600 , -62.46640 , 0.00000

VX :-0.99802624 , 0.06279831 , 0.00000000 VY： 0.06279831 , 0.99802624 , 0.00000000 Ν = 1.00000

C0= 0.05625150(r=17.7773)

非球面データ：

ε =-1.54968

G(2, 0)= -0.0018995

G(3, 0)= -1.99289E-5

G( 4, 0)= -4.72141E-7

G(5, 0)= -5.6067E-9

G(6, 0)= - 2.08536E- 11

G( 7, 0)= 1.58062E-13

G(8, 0)= 2.17055E-15

G(9, 0)= 6.89436E-18

G(10, 0)=- 2.2838E- 20 G(0 2)= -0.00418619

G(l 2)= -9.36187E-5

G(2, 2)= -2.59756E-6

G(3, 2)= -4.09752E-8

G(4, 2)= -4.09984E-10

G( 5， 2)= -3.01393E-12

G(6, 2)= - 1.3615E- 14

G( 7, 2)= - 3.03519E- 17

G( 8, 2)= -9.24981E-20

G(0, 4)= -2.04797E-7

G(l, 4)= -3.13937E-9

G(2, 4)= 1.415E-10

G( 3， 4)= 2.53309E-12

G( 4, 4)= 1.03641E-14

G(5, 4)= 6.70735E-17

G( 6, 4)= 5.8545E-19

G(0, 6)= 1.66422E-10

G(l, 6)= 4.93631E-12

G( 2, 6)= 2.84416E-14

G( 3， 6)=- -1.4395E-16

G( 4, 6)=- -2.85288E-18

G(0, 8)=- -6.936E-14

G(l， 8)=- -1.98833E-15

G(2, 8)=- -4.60481E-18

G(0, 10)= -9.75378E-18

N'=-1.00000

S 11 (平面ミラ座標： O： 400.00000 , -441.69700 , 0.00000

VX： 0.10902324 ,-0.99403920 , 0.00000000

VY： 0.99403920 , 0.10902324 , 0.00000000

Ν = 1.0000

Ν'=- 1.00000

[0110] Si (スクリーン面）

座標：

0： 204.75705 , -187.50166 , 0.00000

VX： 0.93901635 , 0.34387248 , 0.00000000

VY :-0.34387248 , 0.93901635 , 0.00000000

[0111] [表 1]

[0112] [表 2] 条件式（2)：倍率色収差 A BG (波長 450— 546nm )

[0113] [表 3] 条件式 (3)の対応データ，関連データ

光学素子 φΜ 0し

M1 0.0204886 ― し 1 ― -1.05262E-12 2 -0.0235847 ― し 2 ― -4.48092E-9

M3 0.000999749 ―

M4 -0.00367232 ―

∑ I Φ | 0.048745

∑ \ ΦL \ 4.48197Ε-9

∑ \ ΦL \ ∑ \ ΦΜ \ D C

m

00

Claims

請求の範囲

[1] 表示素子により形成される画像を拡大投影する投影光学系に対し、その一部を構成する光学素子を振動させるために用いられる光学素子駆動機構であって、前記光学素子を保持した状態で振動させるための振動部材と、前記光学素子を振動させるために前記振動部材を駆動するァクチユエータと、を備えており、

前記振動部材が、一対の固定部と、前記光学素子を保持した状態で前記固定部に対する相対的な振動が可能な可動部と、前記固定部と可動部とを連結する一対のヒンジ部と、を有し、前記一対のヒンジ部の中心を結ぶ直線を中心軸として、前記ァクチュエータカもの力を受けて前記可動部が回転振動するように構成されていることを特徴とする光学素子駆動機構。

[2] 以下の条件式 (F9)を満足することを特徴とする請求項 1記載の光学素子駆動機構;

0.25 < (Iz* X Lh*)/(Iph* X L*) •••(F9)

ただし、

Iph*:ヒンジ部の断面二次極モーメント (計算中心はヒンジ部のねじれ中心点である。）

、 L*:可動部がァクチユエータからの力を受ける位置の中心から可動部の振動の中心となる中心軸までの距離、

Lh*:ヒンジ部の長さ、

である。

[3] 前記振動部材が、少なくとも前記可動部の一部を構成するパネ性部品と、前記光学素子を保持する光学素子保持部品と、を有し、前記可動部が、前記パネ性部品の一部から成る可動板と、その可動板に固定される前記光学素子保持部品と、を含み、前記可動板が前記ァクチユエータからの力を受ける位置と前記ヒンジ部との間に連続した凸部力成るリブを有することを特徴とする請求項 1又は 2記載の光学素子駆動機構。

[4] 前記振動部材が、少なくとも前記可動部の一部を構成するパネ性部品と、前記光学素子を保持する光学素子保持部品と、を有し、前記可動部が、前記パネ性部品の一部から成る可動板と、その可動板に固定される前記光学素子保持部品と、を含み、前記可動板が、前記中心軸に対して垂直方向に延びる連続した凸部から成る縦リブと、前記中心軸に対して平行方向に延びる連続した凸部から成る横リブと、を有することを特徴とする請求項 1又は 2記載の光学素子駆動機構。

[5] 前記振動部材が、前記固定部及びヒンジ部を構成するとともに前記可動部の一部を構成するパネ性部品と、前記光学素子を保持する光学素子保持部品と、を有し、前記可動部が、前記パネ性部品の一部から成る可動板と、その可動板に固定される前記光学素子保持部品と、を含み、前記パネ性部品においてヒンジ部のみが薄肉となっていることを特徴とする請求項 1又は 2記載の光学素子駆動機構。

[6] 前記ァクチユエータがボイスコイルモータ力成ることを特徴とする請求項 1又は 2 記載の光学素子駆動機構。

[7] 表示素子と、その表示素子により形成される画像を拡大投影する投影光学系と、請求項 1又は 2記載の光学素子駆動機構と、を備え、前記光学素子駆動機構が前記表示素子による画像表示の切り換えにリンクして前記光学素子の位置を変化させ、その振動により画素シフトを行うことを特徴とする投射型画像表示装置。

[8] 前記投影光学系の一部を構成する光学素子が曲面ミラーであり、その曲面ミラーが前記振動部材により保持された状態で振動することを特徴とする請求項 7記載の投射型画像表示装置。