JP2005070687A - オートフォーカス機能をもつプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 スクリーンが傾斜している場合、あるいはスクリーンが非平面の状態の場合においても投写画像の全体の焦点合わせの品質を改善することを可能にしたオートフォーカス機能をもつプロジェクタを提供する。
【解決手段】 スクリーンにテストパターンを投写する画像投写手段２と、投写された画像を撮像し、撮像した画像に基づいて合焦を行う合焦手段３とを備える。合焦手段３は、撮像手段３１，３２で撮像したテストパターンに基づいてスクリーンまでの距離を測距する測距手段３３と、測距データに基づいて画像投写手段２の合焦調整を行う合焦手段３４，３５とを備え、スクリーンの複数箇所について測距を行い、得られた複数の測距データに基づいて合焦調整を行う。スクリーンの複数箇所の測距データの中間値あるいは平均値に基づいて投写画像の合焦を行い、スクリーンでの合焦ずれを最小限に抑える。
【選択図】 図２

Description

本発明はスクリーンに画像を投写するプロジェクタに関し、特に投写画像を最善のピント状態に投写することが可能なオートフォーカス機能を有するプロジェクタに関するものである。

従来のオートフォーカス機能を持つプロジェクタは、フォーカス調整用のテストパターンをスクリーンに投写して表示し、表示されたテストパターンをプロジェクタに附属の撮像素子で撮影し、撮影された画像がどれくらいぼけているかを判断し、光学フォーカス調整を最もぼけが少ない位置にあわせる手法をとっていた。しかしこの手法では最もぼけが少ない状態を判断するためのアルゴリズムが複雑になり、低コストのプロジェクタへの採用は難しいという問題がある。このような技術としては、例えば特許文献１では、撮像したテストパターンの周波数成分を分析し、高域周波数成分の多いフォーカス状態を最もぼけが少ない状態として判断している。

このようなオートフォーカス機能を備えるプロジェクタにおいて、スクリーンまでの距離を測距し、測距した距離に基づいて投写レンズの焦点調整を行う技術が提案されている。例えば、特許文献２や特許文献３では、テストパターンをスクリーンに投写する一方で投写されたテストパターンを撮像素子で撮影し、得られた撮影像の撮像素子上の位置から三角法等を用いてプロジェクタとスクリーンとの距離を測距し、測距により得られた距離に基づいて投写レンズの焦点位置を調整している。
特開２０００−２８９０１号公報 特開平９−１９７２４９号公報 特開平１０−３１９５０６号公報

これら特許文献１，２，３の技術は、いずれもスクリーンが平面であることを前提にしてオートフォーカスの調整を行っている。しかしながら、プロジェクタの投写画像の結像面に対してスクリーンの投写面が傾斜している場合（プロジェクタの光軸と垂直な平面に対して傾斜している場合：以下この場合をスクリーンが傾斜していると称する）や、スクリーンの投写面がシリンドリカル状に湾曲し、あるいは波打っているような非平面の場合には、スクリーンの投写面の全面において焦点を合わせることは困難になる。このような場合、特許文献１の技術を用いてスクリーンの投写画像のいずれか一部について焦点合わせを行うと、他の部分がぼけることになり、特に焦点合わせを行った部分がスクリーンの湾曲している部分の場合には他の大部分の画像がぼけてしまうことになり、投写画像の品質が極めて悪いものになってしまう。同様に、特許文献２，３の技術を用いると、スクリーンの湾曲している部分を測距して焦点合わせを行った場合に、他の大部分の画像がぼけてしまうことになる。

本発明の目的は、スクリーンが傾斜している場合、あるいはスクリーンが非平面の状態の場合においても投写画像の全体の焦点合わせの品質を改善することを可能にしたプロジェクタを提供するものである。

本発明は、スクリーンにテストパターンを含む画像を投写する画像投写手段と、スクリーンに投写された画像を撮像して画像投写手段の合焦を行う合焦手段とを備え、合焦手段はスクリーンに投写された画像を撮像する撮像手段と、撮像手段で撮像した画像に基づいてスクリーンまでの距離を測距する測距手段と、測距手段で測距された測距データに基づいて画像投写手段の合焦調整を行う合焦調整手段とを備えており、測距手段はスクリーンの複数箇所について測距を行い、合焦調整手段は得られた複数の測距データに基づいて合焦調整を行うことを特徴とする。この場合、プロジェクタの画像投写手段の投写レンズと、撮像手段の撮像レンズの両光軸は所定の方向に沿って所定寸法だけオフセットされており、画像投写手段は予め設定されたテストパターンをスクリーンに投写し、測距手段は撮像手段で撮像したテストパターンの撮像素子上の位置とオフセット寸法に基づいて測距を行う構成とする。

本発明によれば、スクリーンの複数箇所について測距を行い、得られた複数の測距データに基づいて最大と最小の中間値を得るようにし、あるいは複数の測距データの平均値を得るようにし、得られた中間値或いは平均値の距離に対応して投写画像の合焦を行うことにより、光軸に対して投写面が傾斜され、湾曲され、あるいは波状をしたスクリーンに画像を投写する場合でも、スクリーンの一部に対して合焦した画像の投写を行うとともに、スクリーンの他の部分における合焦ずれを最小限に抑え、投写画像の全体としてのぼけを最小にして高い品質の投写画像を確保することが可能になる。

本発明において、第１の形態では、測距手段はスクリーンの複数箇所のうち、最もプロジェクタに近い部分と、最もプロジェクタから遠い部分との２箇所の測距を行い、合焦調整手段は最も近い部分と最も遠い部分の測距データの中間距離を合焦距離として合焦調整を行うようにする。これはスクリーンがプロジェクタの光軸と垂直な面に対して傾斜され、あるいは湾曲されている場合に有効である。

また、本発明において、第２の形態では、測距手段はスクリーンの３箇所以上の複数箇所の測距を行い、合焦調整手段は複数箇所の各測距データの平均距離を合焦距離として合焦調整を行うようにする。これはスクリーンがプロジェクタの光軸と垂直な面に対して波状をしている場合に有効である。

次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は実施例１のプロジェクタを前面側から見た斜視図、図２はその内部構成を示す概略斜視図であり、プロジェクタ１の本体１１内に画像投写手段としての画像投写部２と、合焦手段としてのオートフォーカス部３とを備えている。画像投写部２は光源２１と、光源２１から出射した光で液晶パネル等の画像表示素子２３を照明するための照明光学系２２と、照明された液晶パネル２３上の表示画像を図外のスクリーンに投写するための焦点距離が可変なズーム構成の投写レンズ２４とを備えている。ここで、前記画像表示素子２３は画像制御回路２５によって投写する画像を生成して表示するように構成され、また前記投写レンズ２４はモータ等を駆動源として焦点位置を調整するためのフォーカス機構２６を備えている。一方、オートフォーカス部３はスクリーンに投写された画像を撮像するための撮像レンズ３１と、撮像レンズ３１によって結像された像を光電変換するＣＣＤ素子のような撮像素子３２と、撮像素子３２で撮像された画像を分析してスクリーンまでの距離を測距する測距回路３３と、測距回路３３で測距された距離データに基づいて合焦距離を演算する演算回路３４と、演算された合焦距離に基づいて前記画像投写部２のフォーカス機構２６を制御する駆動回路３５とを備えている。ここで前記演算回路３４と駆動回路３５は本発明における合焦調整手段となる。

ここで、前記投写レンズ２４と撮像レンズ３１はプロジェクタ本体１１の同じ正面に配置され、両レンズの光軸は平行に向けられているが、各光軸は水平または垂直方向の少なくとも一方にオフセットして配置されている。この実施例では垂直方向にオフセットされており、撮像レンズ３１は投写レンズ２４の直下のオフセット寸法Ｏｆｓだけ下側の位置に配置されている。

以上の構成のプロジェクタによるオートフォーカス動作を説明する。まず、オートフォーカス動作に際してはプロジェクタからスクリーンまでの距離を測距する。この測距に際しては、画像制御回路２５は予め設定しておいたテストパターンを液晶パネル２３に表示させ、このテストパターンを投写レンズ２４によってスクリーンに投写する。このテストパターンとしては、プロジェクタの仕様によって水平ライン、垂直ライン、クロスハッチ等のパターンがあるが、ここでは投写レンズと撮像レンズとが垂直方向にオフセットされているので、投写レンズの光軸上に配置された水平ラインを採用する。

図３に示すように、投写レンズ２４によってテストパターンとして水平ラインＴＰをスクリーンＳに投写すると、水平ラインＴＰは投写レンズ２４の光軸上に投写される。このとき、投写レンズ２４は焦点距離をズーム変化させることなく固定焦点の状態にしておくと、スクリーンＳに投写される画像はプロジェクタ１とスクリーンＳとの距離に応じてサイズが相違されることになる。そして、このようにしてスクリーンＳに投写された水平ラインＴＰを撮像レンズ３１及び撮像素子３２により撮像すると、撮像レンズ３１は投写レンズ２４に対して垂直にオフセットされているため、例えばスクリーンＳまでの距離がＸＡ，ＸＢ，ＸＣ，ＸＤと変化すると、撮像素子３２で撮像された水平ラインＴＰの画像は同図の撮像画面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのように撮像素子３２上の水平ラインＴＰの位置、特に撮像画面の上縁部から水平ラインまでの距離ｄがｄＡ，ｄＢ，ｄＣ，ｄＤのように変化する。

そこで、測距回路３３では撮像素子３２上における距離ｄを測定し、この距離ｄに基づいてこれを利用してスクリーンＳまでの距離Ｘを測定する。すなわち、図４において、
Ｏｆｓ：投写レンズ２４と撮像レンズ３１の光軸のオフセット（既知数：単位〔ｍ〕）
θ：撮像レンズ３１の垂直画角の１／２（既知数：単位〔°〕）
ｄ：撮像素子３２に撮像された水平パターンの撮像画面の上縁部からの距離（ここでは、撮像素子上の前記距離ｄに相当する画素数（ライン数）（測定値：単位〔line〕とする）
Ｈ：撮像素子３２の垂直方向の全画素数（全ライン数）（既知数：単位〔line〕）
Ｘ：プロジェクタ１からスクリーンＳまでの距離（単位〔ｍ〕）
とする。

三角法を用いると、プロジェクタ１からスクリーンＳまでの距離Ｘ〔ｍ）は、
Ｘ〔ｍ〕＝Ｏｆｓ×（Ｈ／２）÷（（Ｈ／２）−ｄ）÷ tanθ
となる。ここで、今、Ｏｆｓ＝0.25〔ｍ〕のプロジェクタを用い、撮像素子３２にＶＧＡ 480〔line〕のものを使用したとし、ｄ＝ 160〔line〕，θ＝14〔°〕であるとすると、
Ｘ＝0.25×(480/2) ÷((480/2)−160)÷tan(14°）＝３〔ｍ〕
となる。すなわち、スクリーンＳとプロジェクタ１との距離は３〔ｍ〕であると測距できる。

なお、この実施例では、簡単のために投写レンズ２４の光軸上に水平ラインＴＰを投写することで投写レンズ２４の画角を考えずに測距を行う例を説明したが、投写レンズ２４の画角をパラメータに加え更にテストパターンを投写レンズ２４の光軸をはずれた位置に投写しても、プロジェクタ１からスクリーンＳまでの距離の相違に基づいて発生する撮像素子３２上の水平ラインＴＰの位置変化を利用するのであればこの実施例と同様にして測距を行うことができる。

そして、このようにして測距回路３３においてプロジェクタ１とスクリーンＳの間の距離Ｘを測距した後は、演算回路３４は測距された測距データ（距離Ｘ）に基づいて合焦距離を演算し、駆動回路３５は演算された合焦距離に基づいて前記画像投写部２のフォーカス機構２６を制御することで、投写レンズ２４の合焦を自動的に行い、オートフォーカスが実現できることになる。

以上はスクリーンが平坦でかつプロジェクタの光軸に対して垂直な平面に配置されていることを前提としているが、実際にはスクリーンは当該垂直な平面に対して傾いていたり、湾曲したり波状をしていることが多く、スクリーンに投写された画像の焦点合わせを好適に行うことが難しいものとなっている。そのため、本発明では測距回路３３はスクリーンＳ上の複数の箇所において測距を行ない、演算回路３４はこれら複数の測距データに基づいて最適な合焦距離を演算し、駆動回路３５においてオートフォーカスの制御を行っている。

図５（ａ）はスクリーンＳの水平方向の中央領域がプロジェクタ１側に突出するようにシリンドリカル状に湾曲している場合の例である。このようなスクリーンＳに画像を投写し、画像の中央領域を合焦させると両端領域の焦点が大きくずれてぼけてしまい、逆に画像の両端領域を合焦させると中央領域がぼけてしまう。この場合に、前述のようにテストパターンとして水平ラインＴＰをスクリーンＳに投写し、スクリーンＳに投写された水平ラインＴＰを撮像レンズ３１で撮像すると、中央領域はスクリーンまでの距離が短く、両側領域は距離が長くなるため、撮像素子３２に撮像された水平ラインＴＰは図５（ｂ）に示すように、中央が高い曲線状になる。

そこで、測距回路３３では、水平ラインＴＰの中央及び両端の各部分Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３においてそれぞれ寸法ｄ１１，ｄ１２，ｄ１３を測定しこれらの測定値により、最も上に位置する部分Ｐ１１と最も下に位置する部分Ｐ１２を検出しその両部分についてそれぞれｄ１１，ｄ１２を求め、これらの値に基づいて前述と同様にしてスクリーンＳまでの測距を行う。これにより、シリンドリカル状のスクリーンＳの最も近い部分（中央領域）までの距離Ｘｎと、最も遠い部分（両端領域）までの距離Ｘｆが求められる。なお、この場合、水平ラインの多くの部分についてそれぞれ測距を行い、得られた多くの測距データのうち最大と最小を選択してこれらをＸｎ，Ｘｆとしてもよい。そして、演算回路３４では、これらの最小と最大の距離ＸｎとＸｆとの距離の中間値（Ｘｆ−Ｘｎ）÷２＋Ｘｎを演算し、これを合焦距離とする。駆動回路３５はスクリーンＳの最も近い部分と最も遠い部分の中間に焦点が合うようにフォーカス機構２６を制御して投写レンズ２４の合焦を制御する。これにより、スクリーンＳに投写された画像は、プロジェクタ１までの距離が中間となる領域において合焦され、その他の最も近い部分（中央領域）や最も遠い部分（両端領域）では多少焦点が外れてぼけることになるが、そのぼけ量を最小限にすることができ、投写画像全体としてはぼけの少ない画像となる。

なお、図６（ａ）に示すように、スクリーンＳが光軸と垂直な面に対して水平方向に傾斜している場合には、撮像素子３２に撮像される水平ラインＴＰは図６（ｂ）に示すように傾斜したラインとなる。この場合にも前述と同様に水平ラインＴＰが最も低い部分Ｐ２１と高い部分Ｐ２２の各ｄ寸法ｄ２１，ｄ２２を測定することで、最も遠い距離Ｘｆと最も近い距離Ｘｎを測距し、これらの距離Ｘｆ，Ｘｎの中間の測距に基づいて合焦距離を求め、この合焦距離によりフォーカス制御を行うことで、中間の距離の部分に合焦させ、その他の部分のぼけ量を少なくして、投写画像全体としてぼけの少ない画像とすることが可能である。

また、図７（ａ）はスクリーンＳが波状をしている場合の例である。このようなスクリーンＳに画像を投写し、波状の頂部に画像を合焦させると波状の底部の焦点が大きくずれてぼけてしまい、逆に底部を合焦させると頂部の画像がぼけてしまう。この場合に、前述のようにテストパターンとして水平ラインＴＰをスクリーンＳに投写し、投写された水平ラインＴＰを撮像レンズ３１で撮像すると、撮像素子３２には図７（ｂ）に示すように、水平ラインは波状に撮像される。

そこで、測距回路３３では、水平ラインＴＰの複数の部分、特に波の頂部と底部を含む可及的に多くのｎ（ｎは３以上の自然数，ここではｎ＝５）の部分Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，Ｐ３４，Ｐ３５を検出しこれらの部分についてそれぞれｄ寸法ｄ３１，ｄ３２，ｄ３３，ｄ３４，ｄ３５を測定し、これらの測定値により前述と同様にして測距を行う。これにより、波状のスクリーンの頂部や底部を含む５つの部分Ｐ３１〜Ｐ３５の部位におけるスクリーンＳまでの距離Ｘ１〜Ｘ５が求められる。そして、演算回路３４では、これらの距離Ｘ１〜Ｘ５の平均値（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３＋Ｘ４＋Ｘ５）÷５を演算し、これを合焦距離とする。駆動回路３５は合焦距離とされた平均値の距離に焦点が合うようにフォーカス機構を制御して投写レンズの合焦を制御する。これにより、スクリーンＳに投写された画像は、プロジェクタ１までの距離が平均となる領域において合焦され、その他の部分では多少焦点が外れてぼけることになるが、そのぼけ量は少なく、投写画像全体としてぼけの少ない画像となる。なお、この例ではｎとして５の場合を説明したが、可及的に多くの数を採用することでよりぼけの少ない画像を投写することが可能になる。

以上の各実施例ではテストパターンとして水平ラインを用いた例を示しており、投写レンズと撮像レンズとが垂直方向にオフセットしているプロジェクタに適用しているからである。投写レンズと撮像レンズが水平方向にオフセットしている場合にはテストパターンとして垂直ラインを使用すればよく、両レンズが水平、垂直の両方向にオフセットしている場合にはテストパターンとして格子パターンを用いることが可能である。また、スクリーンが垂直方向に傾斜したり湾曲した場合にはテストパターンとして垂直ラインや格子パターンを使用することでスクリーンまでの測距が可能であることは言うまでもない。

また、前記実施例では画像投写部において水平ラインをテストパターンとしてスクリーンに投写しているが、スクリーンの各部に対する測距が可能なパターンであればラインに限られるものではなく、ＬＥＤやレーザーポインタなどの表示デバイスを用いて点状のテストパタンをスクリーンに投写し、このテストパターンを撮像レンズで撮像し撮像素子上でのｄ寸法に基づいてスクリーンまでの距離を測距するようにしてもよい。

本発明のプロジェクタの正面方向の斜視図である。 図１プロジェクタの内部構成を示す概略構成図である。 スクリーンまでの距離を測距する原理を示す概念斜視図である。 スクリーンまでの距離を演算するための原理図である。 湾曲したスクリーンの合焦動作を説明するための図である。 傾斜したスクリーンの合焦動作を説明するための図である。 波状をしたスクリーンの合焦動作を説明するための図である。

符号の説明

１ プロジェクタ
２ 画像投写部（画像投写手段）
３ オートフォーカス部（合焦手段）
２１ 光源
２２ 照明光学系
２３ 画像表示素子
２４ 投写レンズ
２５ 画像制御回路
２６ フォーカス機構
３１ 撮像レンズ
３２ 撮像素子
３３ 測距回路
３４ 演算回路
３５ 駆動回路
Ｓ スクリーン
ＴＰ テストパターン（水平ライン）

Claims (6)

1. スクリーンにテストパターンを含む画像を投写する画像投写手段と、前記スクリーンに投写された画像を撮像して前記画像投写手段の合焦を行う合焦手段とを備え、前記合焦手段は前記スクリーンに投写された画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段で撮像した画像に基づいて前記スクリーンまでの距離を測距する測距手段と、前記測距手段で測距された測距データに基づいて前記画像投写手段の合焦調整を行う合焦調整手段とを備え、前記測距手段は前記スクリーンの複数箇所について測距を行い、前記合焦調整手段は得られた複数の測距データに基づいて合焦距離を求めて合焦調整を行うことを特徴とするオートフォーカス機能をもつプロジェクタ。
2. 前記画像投写手段の投写レンズと、前記撮像手段の撮像レンズの両光軸は所定の方向に沿って所定寸法だけオフセットされており、前記画像投写手段は予め設定されたテストパターンをスクリーンに投写し、前記測距手段は前記撮像手段で撮像した前記テストパターンの撮像素子上の位置と前記オフセット寸法に基づいて測距を行うことを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス機能をもつプロジェクタ。
3. 前記測距手段は前記スクリーンの複数箇所のうち、最もプロジェクタに近い部分と、最もプロジェクタから遠い部分との２箇所の測距を行い、前記合焦調整手段は前記最も近い部分と最も遠い部分の測距データの中間距離を合焦距離として合焦調整を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のオートフォーカス機能をもつプロジェクタ。
4. 前記スクリーンはプロジェクタの光軸と垂直な面に対して傾斜され、あるいは湾曲されており、前記合焦調整手段は前記スクリーンの複数箇所のうち測距値が最大と最小の測距データに基づいて合焦調整を行うことを特徴とする請求項３に記載のオートフォーカス機能をもつプロジェクタ。
5. 前記測距手段は前記スクリーンの３箇所以上の複数箇所の測距を行い、前記合焦調整手段は前記複数箇所の各測距データの平均距離を合焦距離として合焦調整を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のオートフォーカス機能をもつプロジェクタ。
6. 前記スクリーンはプロジェクタの光軸と垂直な面に対して波状をしており、前記合焦調整手段は前記スクリーンの複数箇所のうち波状の頂部と底部を含む複数の箇所の測距データに基づいて合焦調整を行うことを特徴とする請求項５に記載のオートフォーカス機能をもつプロジェクタ。

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