JP2005062371A - プロジェクタ及びプロジェクタの焦点調節方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 焦点調節を精度良く行えるプロジェクタを提供する。
【解決手段】 スクリーン１上に画像を投影するための投影レンズ８と、前記投影レンズ８を光軸方向に移動するレンズ移動手段２３と、前記スクリーン上の画像から受光する、複数の画素を有しているパッシブセンサ３１ｃと、前記パッシブセンサから出力された画像信号毎に隣接する画素の出力差の絶対値の総和が最大となる前記投影レンズの位置を検出する第１の検出手段（３２、５）と、前記パッシブセンサから出力された画像信号毎に最小ピークと最大ピークとの差が最大となる前記投影レンズの位置を検出する第２の検出手段（３３、５）と、前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段の検出値に基づいて、前記投影レンズの合焦位置を決定する焦点位置決定手段５を含むプロジェクタ２である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、スクリーンに所望の画像を投影するプロジェクタに関する。より詳細には、焦点自動調節機能（オートフォーカス（ＡＦ）機能）を備えたプロジェクタに関する。

プロジェクタはユーザの利便性を高めるため、スクリーン上に投影する画像を自動で焦点調節できるＡＦ機能を備えた装置であることが望ましい。焦点調節に利用するセンサには、自ら発した光を計測して検出に利用するアクティブ型のセンサ（Ａｃｔｉｖｅ Ｓｅｎｓｏｒ）と、自ら光を発せず被測定対象物（プロジェクタの場合はスクリーン）から受ける光を計測して検出を行なうパッシブ型のセンサ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｓｅｎｓｏｒ）との２種類がある。この中でパッシブセンサは光源が不要であるので小型化を図ることができ、スクリーン上の複数点について計測が行なえる等のメリットがある。

従来から、焦点検出を行なう技術として、山登り式と称される技術が広く知られている。この山登り式を用いた焦点自動調節については、例えば特許文献１に記載がある。この特許文献１は、ビデオカメラ等の撮像装置の焦点自動調節について開示している。この特許文献１では、フォーカスレンズをステッピングモータにより光軸方向前後に動かして、撮像回路からの輝度信号の高周波成分を測定して焦点位置を検出し、焦点調節をする自動焦点撮像装置を開示している。この特許文献１に記載された従来の焦点自動検出装置では、撮像素子上に結像される像を合焦させるために、フォーカスレンズを無限遠焦点位置から最近焦点位置に向けて移動させる。そして撮像回路からの出力輝度信号の焦点評価値（高周波成分）を測定し、焦点評価値が最大となる位置を合焦位置として検出する。

この種の山登り式の焦点検出では、撮影対象とした画像に焦点が合った時にはその解像度が最高（コントラストが最高）になるので、細かい画素の明暗も表示され画像の高周波成分が最高となる点に着目している。

特開平８−１８６７５２号 公報

上記特許文献１で開示する技術は、ステッピングモータを駆動してフォーカスレンズを光軸方向に連続的に移動させ、焦点評価値が最大となる点を探すという操作が行われている。この操作は下から山を登り始めて山頂を探すような操作である。具体的には、フォーカスモータを駆動したパルス毎に焦点評価値を確認し、ある焦点評価値から所定パルス継続して焦点評価値が下がった場合には、先の焦点評価値を最大値とし、これを合焦位置として検出する。

しかしながら、上記焦点評価値とフォーカスモータの駆動パルスとを示す山形波形は、図５に例示的に示すように、単調な曲線ではなく多くの小さなピークが存在する。よって、特許文献１で説明したような手法で焦点位置の検出を行なうと、小さなピークを最大値として検出する場合がある。このように誤って検出したピーク位置に基づいて焦点合わせが行なわれると、正確なピント合わせができないという問題を生じる。

そこで、本発明は、上記した従来の課題を解決して、正確に焦点自動調節を行う機能を備えたプロジェクタを提供することを目的とする。

上記目的は、スクリーン上に画像を投影するための投影レンズと、前記投影レンズを光軸方向に移動するレンズ移動手段と、前記スクリーン上の画像から受光する、複数の画素を有しているパッシブセンサと、前記パッシブセンサから出力された画像信号毎に隣接する画素の出力差の絶対値の総和を求めて、該総和が最大となる前記投影レンズの位置を検出する第１の検出手段と、前記パッシブセンサから出力された画像信号毎に最小ピークと最大ピークとの差を確認し、該差が最大となる前記投影レンズの位置を検出する第２の検出手段と、前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段の検出値に基づいて、前記投影レンズの合焦位置を決定する焦点位置決定手段とを含むプロジェクタにより達成される。

本発明によると、第１の検出手段により検出されるコントラスト値及び第２の検出手段により検出される最小ピークと最大ピークとの差を参照して、投影レンズの合焦位置が決定されるので、高精度な焦点調整を行なえる。なお、本明細書では当該差をピークツーピーク（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）と称し、このピークツーピークの値が最大となる場合、即ち最大の差を特に（Ｍａｘ＿ｐｅａｋ）と称する。前記第２の検出手段は、この（Ｍａｘ＿ｐｅａｋ）となる投影レンズの位置を検出する。

また、前記焦点位置決定手段は、前記第１の検出手段が検出した位置と前記第２の検出手段が検出した位置とが一致するときに、該位置を前記投影レンズの焦点位置と判断するようにすることが好ましい。このような条件を付すことで、真の合焦位置を確実に検出できるようになる。なお、前記パッシブセンサはラインセンサとすることができる。ラインセンサを採用することで構成の簡素化及び低コスト化を図ることができる。

また、本発明には、スクリーン上に画像を投影するための投影レンズを光軸方向に移動させ該投影レンズの焦点位置を検出する方法であって、前記スクリーン上の画像から受光する、複数の画素を有しているパッシブセンサから出力された画像信号毎に隣接する画素の出力差の絶対値の総和を求めて、該総和が最大となる前記投影レンズの位置を検出する第１の検出ステップと、前記パッシブセンサから出力された画像信号毎に最小ピークと最大ピークとの差が最大となる前記投影レンズの位置を検出する第２の検出ステップとを含み、前記第１の検出ステップ及び前記第２の検出ステップで検出した位置が一致することを確認し、焦点合わせの動作を行なう合焦ステップとを含むことを特徴とするプロジェクタの焦点調節方法が含まれる。そして、この方法では、前記投影レンズを、無限遠焦点位置から最近焦点位置までの全範囲を移動させることが望ましい。このように投影レンズを全範囲で移動してから、第１の検出手段により検出するコントラスト値及び第２の検出手段により検出する差を参照して、投影レンズの合焦位置を決定すれば、誤りのない高精度な焦点調整を行なえる。

以上説明したように、本発明によれば、精度良く焦点調節が行なえるプロジェクタを提供できる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態について詳細に説明する。図１は、実施形態に係るプロジェクタ２の概略を示したブロック図である。プロジェクタ２はスクリーン１に画像を投影する。本プロジェクタ２は、後述するように受光センサとして複数の画素を含むパッシブセンサを採用する。このパッシブセンサで検出する画像信号に基づいて最大のコントラスト値（Ｍａｘ＿ｃｏｎｔ）を示した位置と、最大の差（Ｍａｘ＿ｐｅａｋ）を示した位置とにより投影レンズの合焦位置を決定する。すなわち、本プロジェクタ２はＭａｘ＿ｃｏｎｔ位置とＭａｘ＿ｐｅａｋ位置とが、一致する位置を合焦位置とし、この合焦位置に投影レンズを移動して焦点を調整する。

本プロジェクタ２では、投影レンズを光軸方向に移動させて各画像毎にコントラスト値を検出し、このコントラスト値が最大となるＭａｘ＿ｃｏｎｔ位置を検出する。本明細書におけるコントラスト（ｃｏｎｔ）値は、下式で示すようにパッシブセンサの隣接する画素の出力差の絶対値の総和として求められる。なお、この式はｍ番目の画素からｎ番目の画素までの範囲での総和を求める式を示している。

上記のように本プロジェクタ２では、コントラスト値が最大となる位置を合焦位置と想定する。但し、従来の問題で指摘した焦点評価値の場合と同様に、外乱等の影響でこの最大コントラスト値の位置（Ｍａｘ＿ｃｏｎｔ位置）が真の合焦位置からずれる可能性も否定できない。そこで、本プロジェクタ２ではパッシブセンサからの画像信号毎に、最小のピークと最大のピークとの差（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）が最大となる位置（Ｍａｘ＿ｐｅａｋ位置）を確認してこれを利用する。すなわち、このＭａｘ＿ｐｅａｋ位置と上記Ｍａｘ＿ｃｏｎｔ位置とが一致するときに、この位置を焦点位置として検出するという手法を取る。これにより正確に焦点位置を検出する。なお、パッシブセンサから出力される画像信号の波形にも最大値（最も大きなｐｅａｋ）以外に複数の小さなｐｅａｋが存在する。本プロジェクタ２で検出するのは最小ピークと最大ピークとの差であり、この差の最大値Ｍａｘ＿ｐｅａｋを検出することにより、確実に焦点位置を決定する。以下、本プロジェクタ２に含む構成を順に説明する。

図１を参照すると、本プロジェクタ２はスクリーン１に投影された画像からの光を検出するライン型パッシブ測光装置３を備えている。このライン型パッシブ測光装置３は、後述するように本プロジェクタ２が備える投影レンズ８からスクリーン１に投影された所定のパターン画像から受ける光の光量を計測する。プロジェクタ２の正面側（スクリーン側）には、投影レンズ８を含んだ投影レンズ光学系が設けられている。この投影レンズ光学系にはコンデンサレンズ等を含んでもよい。この投影レンズ光学系を介してスクリーン１へ画像が投影される。

ライン型パッシブ測光装置３はプロジェクタ２の正面側に撮像部３１を有している。この撮像部３１は、スクリーン１上に投影された画像からの光を受ける受光レンズ及びこれに対応したパッシブセンサを含んでいる。このパッシブセンサはライン型であり直線状に配列された複数、例えば１６４個の光検出素子（画素）を有するラインＣＣＤ又はその他のライン型撮像素子である。なお、本プロジェクタ２では、パッシブセンサとしてライン型のパッシブセンサを使用して構造の簡素化を図っている。

また、ライン型パッシブ測光装置３は、第１演算部３２及び第２演算部３３を備え、それぞれが上記撮像部３１から画像信号を受ける。そして、この２つの演算部３２、３３から出力される信号はさらに制御部５に入力される。制御部５は、ライン型パッシブ測光装置３を制御すると共に、図示しないパーソナル・コンピュータ等の機器から入力画像を受け、画像情報を出力する投影画像生成部６及び投影レンズ８に向けて画像光を出力する表示駆動部７の制御を実行する。さらに、制御部５は光学系駆動部２３を介して投影レンズ８を移動する。光学系駆動部２３には投影レンズ８を光軸方向に移動させるステッピングモータ等が含まれる。上記制御部５はマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）により構成することができる。

さらにプロジェクタ２はメモリ部１０を備えている。メモリ部１０は所定のデータや命令を記憶して、制御部５及び第１演算部３２、第２演算部３３等に随時にデータや命令を供給し又は受け取る。このメモリ部１０は、不揮発性のフラッシュメモリ等及び揮発性のＲＡＭ等の２つのタイプのメモリ装置を含むことができる。プロジェクタ２の動作に必要な命令や長期的に使用されるデータは不揮発性のメモリ装置に記憶され、一時的にのみ使用されるデータは揮発性のメモリ装置に記憶される。

上記第１演算部３２は撮像部３１から受けた画像信号毎にコントラスト値を算出する。具体的には、第１演算部３２は所定周期或いは連続的に供給される各画像信号について隣接する画素間での出力差の絶対値を積算する。また、第２演算部３３は、画像信号毎に最大ピークと最小ピークとの差（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）を出力する。上記演算部３２、３３からの出力信号は、制御部５に供給される。制御部５は演算部３２、３３から受ける信号に基づいて、投影レンズの焦点位置を判断する。さらに図２を参照して、本プロジェクタ２で実行される投影レンズの合焦位置検出の概要を説明する。

図２は、本プロジェクタ２でスクリーン１に投影したパターン画像を用いて焦点検出する様子を説明するため模式的に示した図である。図２は、プロジェクタ２から焦点調整に用いる所定のパターン画像ＰＡがスクリーン１上に投影されている。パターン画像ＰＡは白（Ｗ）と黒（Ｂ）とを含みコントラストを確認し易いように配色されている。このパターン画像ＰＡは投影レンズ８を介して投影される。ここで、図１に示した制御部５が光学系駆動部２３を制御して投影レンズ８の位置を光軸方向に移動することで、スクリーン１上に投影されるパターン画像ＰＡの状態を変更する。

撮像部３１は、投影レンズ８が移動されて変化したパターン画像ＰＡを撮像する。撮像部３１内では受光レンズ３１ａを介してパッシブラインセンサ３１ｃの画素ライン上に上記パターン画像ＰＡが結像される。ラインセンサ３１ｃは結像した画像の光量に対応した電気信号を直列的に出力する。図２で示す例では、パッシブラインセンサ３１ｃのｍ番目の画素からｎ番目の画素の範囲でパターン画像ＰＡが検出されるように設定されている。よって、ｍ番目からｎ番面の画素間でパターン画像ＰＡに対応した画像信号ＳＧが出力される。

図２で例示する画像信号ＳＧの状態は、投影レンズ８が光軸方向に移動すると変化する。すなわちピントが合った状態でパターン画像ＰＡが投影されると、画像信号ＳＧの波形は矩形に近い状態となる。このときには白黒の境が波形から確認でき、大きな出力が現われる。その逆に、ピントがずれているときには潰れた波形となり、白黒の境が不明瞭で大きな出力が現われない。よって、ピントの一致、不一致の状態はラインセンサ３１ｃの画素毎の出力値に基づいて画像信号ＳＧの状態を確認できる。

ピントが合ったパターン画像ＰＡは白黒の境目が明瞭となる。このときには、輝度比が大きくなりコントラスト値が最大となる。この状態では隣接する画素間の出力差の絶対値の総和が最大となる。よって、図２に示すように、本プロジェクタ２の第１演算部３２は、ラインセンサ３１ｃから出力された画像信号毎にｍ番目の画素からｎ番目の画素までの範囲で隣接する画素間の出力差の絶対値の総和を算定する。その一方で、ピントが合った時の画像信号では、ここに含まれる最大ピークと最初ピークとの差（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）が最大の値（Ｍａｘ＿ｐｅａｋ）となることにも着目してこれを検出する。そのために、第２演算部３３では、ラインセンサ３１ｃから出力された画像信号毎にｍ番目からｎ番目の画素の範囲内で最大となっている出力値（ここでの最大値）と最小となっている出力値（ここでの最小値）とを逐次確認する。そして、最大値と最小値との差（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）を検出する。そして、この差が最大であるＭａｘ＿ｐｅａｋを求めて、これを焦点位置の検出に利用する。

上記のように本プロジェクタ２は、この２個の演算部３２、３３からの出力信号を参照して最終的な投影レンズの合焦位置を決定する。よって、本プロジェクタ２は、従来と比較して高精度のピント調節が可能なプロジェクタとなる。以下、本プロジェクタ２における焦点調節についてフローチャートを用いてさらに説明する。なお、本実施形態では第１演算部３２及び制御部５で第１の検出手段、第２演算部３３及び制御部５で第２の検出手段が構成され、さらに制御部５が焦点位置決定手段を構成する。

図３及び図４は、本プロジェクタ２で投影レンズの焦点検出をする際に、制御部５の制御下で実行されるフローチャートである。例えばプロジェクタ２の電源スイッチが投入された時に、制御部５は予め記憶されているパターン画像ＰＡを投影画像生成部６から取り出して表示駆動部７に送り、投影レンズ８を介してスクリーン１上に投影する。さらに、制御部５は光学系駆動部２３のステップモータを移動して投影レンズ８を初期位置（例えば無限遠焦点位置）に移動する（Ｓ１１）。

続いて、制御部５は初期位置にある投影レンズ８の繰り出しを開始する（Ｓ１２）。これと共に制御部５は、撮像部３１内のパッシブラインセンサ３１ｃを駆動制御する（Ｓ１３）。そして、パッシブラインセンサ３１ｃが検出した画像信号（センサデータ）は、それぞれ第１演算部３２、第２演算部３３に供給される（Ｓ１４）。各演算部３２、３３ではＡ／Ｄ変換処理等が施されてから所定の処理が実行される（Ｓ１５）。第２演算部３３は、前述したように各画像信号での最大ピークと最小ピークとの差（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）が検出される（Ｓ１６）。第１演算部３２では前述したようにコントラスト値（ｃｏｎｔ）が算出される（Ｓ１７）。各演算部３２、３３の検出信号は制御部５に供給される。

制御部５は、第２演算部３３から供給された差（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）を先に保持している最大値（仮のＭａｘ＿ｐｅａｋ）と比較する（Ｓ１８）。そして、更に大きな差が検出された場合にはｍ＝１として、Ｍａｘ＿ｐｅａｋを順次更新する（Ｓ１９）。同様に制御部５は、第１演算部３２から供給されるコントラスト値を先に保持しているこのトラスト値と比較し（Ｓ２０）、より大きいコントラスト値が検出された場合にはｎ＝１として、Ｍａｘ＿ｃｏｎｔを更新する（Ｓ２１）。

通常、最大値（Ｍａｘ＿ｐｅａｋ）が更新されるような画像信号はコントラスト値も高いのでｍ×ｎ＝１となる。よって、Ｍａｘ＿ｐｅａｋ及びＭａｘ＿ｃｏｎｔは同時に更新される（Ｓ２２，Ｓ２３）。ノイズ等の影響がある場合には、（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）又はコントラスト値の一方の最大値が更新されるという場合も想定される。しかし、この場合には、ステップ２２でデータが更新されることなく、ｍ、ｎ＝０とされる（Ｓ２４）。すなわち、このフローチャートではステップ２２で、ある画像信号について同時にＭａｘ＿ｐｅａｋ及びＭａｘ＿ｃｏｎｔが検出されるという条件がｍ×ｎ＝１で規定されている。よって、最大の出力値及び最大コントラスト値を呈する合焦位置を確実に検出することができる。

上記ステップ２４までの処理は、投影レンズ８を移動してスクリーン１上に投影するパターン画像ＰＡが変更される毎に繰返される。よって、投影レンズ８のレンズ繰り出しが終端位置（例えば最近焦点位置）に至るまで前述した処理が繰返される（Ｓ２５）。このように投影レンズ８は初期位置から最終位置までの全範囲を移動される。よって、投影レンズ８が移動する全範囲を確認して、最大の（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）及び最大コントラスト値を呈する位置を検出するので、精度よく合焦位置を決定することができる。

図３、４に示したフローチャートでの処理をまとめると以下の様に要約できる。本プロジェクタ２では、制御部５の制御に基づいて投影レンズ８が光軸方向に移動されスクリーン上に投影されるパターン画像ＰＡの焦点が順次変更される。投影レンズ８の移動で状態が変化したパターン画像ＰＡは、逐次に撮像部３１のパッシブラインセンサ３１ｃで検出される。ここでパッシブラインセンサ３１ｃ検出された画像信号は、逐次に２個の演算部３２、３３に供給される。第１演算部３２は画像信号毎でのコントラスト値を算出し、第２演算部３３は画像信号毎に最大ピークと最初ピークとの差（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）を算出して制御部５に供給する。制御部５は投影レンズ８を始端から終端まで移動させながら、ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋの最大値（Ｍａｘ＿ｐｅａｋ）及びコントラスト値の最大値（Ｍａｘ ｃｏｎｔ）を検出する。そして、制御部５は２つの最大値（Ｍａｘ）を検出した投影レンズ８の位置を参照して最終的に合焦位置と判断する。そして最後に投影レンズ８を合焦位置に移動させることで、焦点調節を完了する（Ｓ２６）。

図３、４で示した処理では、最大コントラスト値（Ｍａｘ＿ｃｏｎｔ）のみでなく、最大の差（Ｍａｘ＿ｐｅａｋ）を示した画像信号を検出した投影レンズ８の位置が合焦位置と判断されることになる。よって、コントラスト値のみを用いて焦点位置を探す場合より、精度良く本来の合焦位置を検出できる。なお、図３で示したフローチャートでは、最大の差（Ｍａｘ＿ｐｅａｋ）検出の処理をコントラスト値算出の処理よりも前で実行するように例示しているがこの順序を逆、或いは平行処理するようにしてもよい。この後段のＭａｘ＿ｐｅａｋの検出及びＭａｘ＿ｃｏｎｔの更新処理についても同様に、順序を逆、或いは平行処理するようにしてもよい。

以上説明したように、本プロジェクタ２ではコントラスト値と共に画像信号のｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋも参照するので、正確な合焦位置を検出して、投影レンズの焦点調節を行なうことができる。

以上、本発明の好ましい一実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施形態に係るプロジェクタの概略を示したブロック図である。 プロジェクタでスクリーンに投影したパターン画像を用いて焦点検出する様子を説明するための模式図である。 プロジェクタの投影レンズの焦点検出をする際に、制御部の制御下で実行されるフローチャートである。 プロジェクタの投影レンズの焦点検出をする際に、制御部の制御下で実行されるフローチャートである。 従来技術に関して焦点評価値とフォーカスモータの駆動パルスとの関係を示した図である。

符号の説明

１ スクリーン
２ プロジェクタ
３ ライン型パッシブ測光装置
５ 制御部
８ 投影レンズ
２３ 光学系駆動部
３１ 撮像部
３１ａ 受光レンズ
３１ｃ パッシブラインセンサ
３２ 第１演算部
３３ 第２演算部
ＰＡ パターン画像

Claims (5)

1. スクリーン上に画像を投影するための投影レンズと、
   前記投影レンズを光軸方向に移動するレンズ移動手段と、
   前記スクリーン上の画像から受光する、複数の画素を有しているパッシブセンサと、
   前記パッシブセンサから出力された画像信号毎に隣接する画素の出力差の絶対値の総和を求めて、該総和が最大となる前記投影レンズの位置を検出する第１の検出手段と、
   前記パッシブセンサから出力された画像信号毎に最小ピークと最大ピークとの差が最大となる前記投影レンズの位置を検出する第２の検出手段と、
   前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段の検出値に基づいて、前記投影レンズの合焦位置を決定する焦点位置決定手段とを含むことを特徴とするプロジェクタ。
2. 前記焦点位置決定手段は、前記第１の検出手段が検出した位置と前記第２の検出手段が検出した位置とが一致するときに、該位置を前記投影レンズの焦点位置と判断することを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
3. 前記パッシブセンサはラインセンサであることを特徴とする請求項１又は２に記載のプロジェクタ。
4. スクリーン上に画像を投影するための投影レンズを光軸方向に移動させ該投影レンズの焦点位置を検出する方法であって、
   前記スクリーン上の画像から受光する、複数の画素を有しているパッシブセンサから出力された画像信号毎に隣接する画素の出力差の絶対値の総和を求めて、該総和が最大となる前記投影レンズの位置を検出する第１の検出ステップと、
   前記パッシブセンサから出力された画像信号毎に最小ピークと最大ピークとの差が最大となる前記投影レンズの位置を検出する第２の検出ステップとを含み、
   前記第１の検出ステップ及び前記第２の検出ステップで検出した位置が一致することを確認し、焦点合わせの動作を行なう合焦ステップとを含むことを特徴とするプロジェクタの焦点調節方法。
5. 前記投影レンズを、無限遠焦点位置から最近焦点位置までの全範囲を移動させることを特徴とする請求項４に記載のプロジェクタの焦点調節方法。
   

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