JP2005167948A - プロジェクタのズーム状態検出方法およびプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 専用の検出機構を不要としコスト低減を図ることのできるズーム状態検出方法およびプロジェクタを提供する。
【解決手段】 プロジェクタの投写レンズのズーム状態検出方法は、投写レンズから所定の基準パターンを投射し、基準パターンの投射映像を被投射面に表示するステップ５２と、被投射面に表示された投射映像を撮像して投射映像画像を得るステップ５３と、基準パターンが投射映像画像において占める大きさを得るステップ５４と、大きさに基づいて投写レンズのズーム状態を算出するステップ５６とを有している。
【選択図】 図４

Description

本発明はプロジェクタに関し、プロジェクタのズーム状態検出方法に関する。

近年、液晶技術やＤＭＤ(Digital Micromirror Device。ＤＭＤは登録商標)の発達によって、プロジェクタの小型化、高性能化が進み、オフィスだけでなく、学校や家庭での用途も拡大している。

しかし、プロジェクタはディスプレイ型テレビと異なり、映像をプロジェクタ前方のスクリーンや壁に投射するため、スクリーンや壁の状態、およびプロジェクタの設置姿勢等によっては映像に歪が生じるという問題がある。

このような映像の歪が発生する仕組みを図６を用いて説明する。図６（ａ）はプロジェクタ１０１の投写レンズ１０２の光軸がスクリーン４に対して垂直方向にセットされている場合の投射状況を示している。光軸（図中鎖線で示す）の上下方向の映像の高さａ１とｂ１は等しく、上下方向に等しく投射されている。この状態では所定の映像が歪なく正確に投射されている（なお、以下の説明では投写レンズでスクリーン上に投射された映像を投射映像という。）。しかし、プロジェクタは、スクリーンに対して常にこのような位置関係でセットされるとは限らず、投射場所やスクリーンの位置の制約により、例えば図６（ｂ）に示すように、プロジェクタを上向きにセットせざるを得ない場合も生じる。このとき光軸より上方向の投射映像の高さａ２は下方向の高さｂ２よりも大きくなり、上下方向に歪んだ投射映像が生じてしまう。同様の問題はプロジェクタ１０１がスクリーン４に対して右側または左側から斜めに投射される場合にも生じる。この場合は、図６をプロジェクタの平面図、すなわちプロジェクタを上から見た図と考えれば、図６（ｂ）において、プロジェクタから見て光軸の左側がより拡大されて投射されることが理解できよう。

このような投射映像の歪は、実際には、本来長方形として投射されるべき映像が台形状に歪んで投射されることから台形歪といわれ、台形歪を補正する技術は台形補正といわれる。台形補正の技術はこれまでにも多数開示されている。例えば、液晶プロジェクタの据付角度の検出手段と、プロジェクタとスクリーンとの間の距離を検出する距離検出手段とを有し、両検出手段による検出結果に基づいて液晶表示ユニットの角度を調整する方法を挙げることができる（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、プロジェクタには通常ズーム機能が付いており、映像を大きく投射するワイドモード、映像を小さく投射するテレモード、およびそれらの間の任意の状態で映像を投射することができる。しかしながら、このようなズーム状態の違いによっても投射映像の歪み方が変わってしまう。図７を用いて、ズーム状態の違いが投射映像に与える影響を説明する。図中ワイドモードでは投射角θｗで投射され、テレモードでは投射角θＴで投射されている。ワイドモードでは、スクリーン４には光軸の上方に高さａ３の映像が、下方には高さｂ３の映像が投射される。また、テレモードでは、スクリーン４には光軸の上方に高さｃ３の映像が、下方には高さｄ３の映像が投射される。しかしながら、ａ３：ｂ３の比率とｃ３：ｄ３の比率は異なり、ズーム状態では、投射映像の歪がより拡大してしまう。したがって、ズーム機能のついたプロジェクタではズーム状態によっても映像の補正を調整しなければならない。

そのためには、まずプロジェクタのズーム状態を検出する手段が必要なことが明らかである。さらに、ズーム状態の検出は、台形補正のときだけでなく、ズーム状態を記憶しておくときや、一定のズーム状態に復帰させるようなときにも不可欠である。

ズーム手段の検出手段としては、ズームリングにギアを設け、ギアを介して可変抵抗器を動かしズームリングがどの位置にあるかを検出する方法や、投写レンズを構成しているレンズ群を光軸方向に移動させるためのカム機構の回転量をポテンショメータやロータリースイッチ、ロータリーエンコーダ、光学式位置検出機構等で検出する手段、さらには位置検出電極を鏡筒方向に多数配置する方法等が多数開示されている（例えば、特許文献２〜４参照。）。
特開平９−２８１５９７号公報 特開２００２−９０８８０号公報 特開２００３−１４３６２０号公報 特開２００３−１３１３２３号公報

しかしながら、これらのズーム状態検出機構はどのような方式を採用するにせよ、専用の部品や装置を設ける必要があった。近年では、プロジェクタは家庭用等に用途が広がり、一層の低価格化が強く要請されており、このような専用の検出機構を必要とする従来の技術ではコスト低減に限界があった。

そこで、本発明は以上の状況に鑑みて、専用の検出機構を不要としコスト低減を図ることのできるズーム状態検出方法およびプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明のプロジェクタの投写レンズのズーム状態検出方法は、投写レンズから所定の基準パターンを投射し、基準パターンの投射映像を被投射面に表示するステップと、被投射面に表示された投射映像を撮像して投射映像画像を得るステップと、基準パターンが投射映像画像において占める大きさを得るステップと、大きさに基づいて投写レンズのズーム状態を算出するステップとを有する。

近年のプロジェクタにおいては、オートフォーカス機能等のために撮像素子が通常装着されており、投射映像の撮像はこの撮像素子によっておこなうことができるため、新たな部品は不要であり、従来用いられてきたズーム状態検出のための機構も不要である。したがって、新たなソフトウェアを追加するだけで従来のプロジェクタと同等のズーム検出機能を得ることができ、部品点数削減によるコスト低減を図ることができる。

ここで、基準パターンは所定距離離れた２つの点とすることができる。

また、投射映像画像は多数の光電素子が配列された撮像素子によって撮像され、大きさは基準パターンが撮像された光電素子が配列されている位置に基づき得られるようにしてもよい。

さらに、大きさは基準パターンの所定の２箇所の部位が各々記録された光電素子の間隔と、多数の撮像素子の所定の光電素子同士の間隔の比として得るようにしてもよい。

基準パターンは、多数の光変調素子が配列されている光変調デバイスの所定の前記光変調素子だけを駆動し、または駆動しないで得ることができる。

本発明のプロジェクタの投写レンズのズーム状態検出方法は、大きさと、投写レンズの光軸と被投射面の法線との角度と、ズーム状態との対応関係を示すテーブルをあらかじめ作成するステップと、角度を検出するステップと、大きさおよび角度をテーブルと照合することによってズーム状態を算出するステップとをさらに有するものであってもよい。

本発明のプロジェクタは、所定の基準パターンを投射する投写レンズと、被投射面に表示された基準パターンの投射映像を撮像して投射映像画像を得る撮像素子と、基準パターンが投射映像画像において占める大きさを算出し、大きさに基づいて投写レンズのズーム状態を算出する画像制御部とを有している。

撮像素子は配列された多数の光電素子を有し、画像制御部は、基準パターンが記録された光電素子の配列されている位置に基づき大きさを得るように構成してもよい。

さらに、本発明のプロジェクタは、投写レンズの光軸と被投射面の法線との角度を検出する傾斜角度出力装置と、大きさと、角度と、ズーム状態との対応関係を示すテーブルをあらかじめ記憶する記憶部とをさらに有し、画像制御部は、大きさおよび傾斜角度出力装置によって検出された角度をテーブルと照合することによってズーム状態を算出するように構成することもできる。

以上説明したように、本発明のプロジェクタのズーム状態検出方法およびプロジェクタは既に一般的に装着されている撮像素子を用いて基準パターンを撮像して、そのデータを分析することによって投写レンズのズーム状態を検出することができる。このため、従来用いられてきたズーム状態検出のための機構が不要となり、新たなソフトウェアを追加するだけで同等の機能を得ることができる。したがって部品点数が減りコスト低減に寄与するとともに、削除された部品の機能がソフトウェアに置き換えられたことにより、電気・機械的な不具合が発生する可能性も小さくなり、プロジェクタの信頼性向上を図ることもできる。

以下、図面を用いて本発明のプロジェクタの詳細について説明する。図１は、本発明のプロジェクタの概略構成図を示す。プロジェクタ１は、ズーム調整機構を有する投写レンズ２と、光変調デバイスや光合成プリズムを有する画像表示部１１と、画像表示部１１の光変調機能を制御する画像制御部１２と、プロジェクタ全体の動作を制御する中央処理装置１３と、投写レンズ２の光軸と前方にあるスクリーン４法線との水平・垂直方向の角度を検出し出力する傾斜角度出力装置１４とを有している。また、プロジェクタ１は、投写レンズ２のズーム調整を手動でおこなうズーム手動調整器２１と、投射映像を撮像する撮像素子３とを有している。

画像表示部１１は、光源と、光源から出射された光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ），青（Ｂ）の各色に分光する色分離光学系と、液晶パネル（図示せず）やＤＭＤで構成され、分光された光を入力信号に応じて変調する光変調部と、変調された光を合成する色合成プリズム（図示せず）とを有している。

また、投写レンズ２が備えられた面には被投射面を構成する前方のスクリーン４に投射された投射画像を撮像し、投射映像画像を得る撮像素子３が設けられている。撮像素子３は、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)デバイスによって構成されている。ＣＣＤデバイスは、一般的には数１０万〜数１００万のホトダイオードが格子状に配列されており、光を受けて光電変換によってホドダイオードに蓄積された信号電荷が、ホドダイオードに隣接する垂直転送ＣＣＤや水平転送ＣＣＤを経由して順次出力回路に転送され、格子状の各ホトダイオードの受光量が１次元の信号として得られる。なお、ＣＣＤデバイスは例示であって、投射画像を撮像可能であれば他のデバイスを使用してもよい。

傾斜角度出力装置１４は、スクリーン４の法線とプロジェクタ１の光軸の垂直方向および／または水平方向の傾斜角度に対応する出力値を画像制御部１２に出力する。手動出力、自動出力、それらの組み合わせのいずれでもよい。傾斜角度の自動検出方法は従来技術を用いることができる。例えば、重力センサを用いる方法が特開２００３−５２７８号公報に開示されている。また、水平方向の傾斜については、レーザポインタと撮像素子を有するデジタルカメラとを用いて正確に測定する方法や、１個の投光用レンズを通して複数の発光素子からの光をスクリーンに投射し、反射光を１個の受光用レンズを通して複数の受光素子で受光してその受光位置や光強度を用いて傾斜角度を取得する方法や、投影装置の投写レンズから均一輝度光をスクリーンに投射し、スクリーンからの反射光を１個の導光部を経由して受光素子で受光してその受光位置や光強度を用いて傾斜角度を取得する方法が利用可能である。

図２は、基準パターンと撮像素子による投射映像画像との関係を示す模式図である。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各左側に示す図は、プロジェクタ１を上方から見た平面図であり、各右側に示す図は、左側の図中Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃで示す断面矢視図である。

図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各図において、プロジェクタ１が画像を投射するスクリーン４に対向して設置されている。プロジェクタ１のスクリーン４と対向する面には投写レンズ２および撮像素子３が設けられている。

図２（ａ）において、プロジェクタ１はワイドモードにセットされており、投写レンズ２は投射角θｗで投射している。投写レンズ２とスクリーン４との間は距離Ｌ１だけ離れている。ズーム状態はズーム手動調整器２１で手動で調整することができ、また、プロジェクタ１の本体に設けられたインタフェース部（図示せず）から適宜調整するようにしてもよい。

投写レンズ２は、画像制御部１２からの制御によって所定の基準パターンＭａ、Ｎａを投射している（詳細は後述）。また、撮像素子３は撮像角θｓの範囲を撮像している。

ここで、図３を用いて基準パターンについて説明する。図３は、３０×２０のマトリックス状に配列された液晶素子１７で構成されている液晶パネル１６の平面図を示している。実際の液晶素子１７の数がこれに限定されないことは勿論である。図３において、液晶素子１７のうち、（１０行、１０列）に位置する液晶素子Ｍと、（１０行、２０列）に位置する液晶素子Ｎだけが駆動され、それ以外は駆動されていない。このような所定距離離れた２つの点から構成される基準パターンで液晶パネル１６が駆動されると、図２（ａ）右図に示すように、スクリーン４には相互に離れた２つの輝点Ｍａ、Ｎａが表示される。

図２（ａ）右図は、図２（ａ）左図のＡ−Ａ断面図であり、スクリーン４上の輝点Ｍａ、Ｎａの表示状態を平面図で示している。破線で示した枠は投射映像の範囲であり、スクリーン４上で幅Ｂ１を有している。そして投射映像中に、図３に示した液晶素子Ｍ、Ｎに対応する位置に２つの輝点Ｍａ、Ｎａが現れ、スクリーン４上では相互に間隔Ａ１だけ離れて表示されている。また、撮像素子３は投射映像を含むスクリーン４の一定の範囲を投射映像画像として撮像しており、スクリーン４のうち幅Ｃ１の範囲が撮像範囲となっている。

次に、ズーム状態をワイドモードに保ったまま、投写レンズ２とスクリーン４との間を距離Ｌ２に変えた（離した）場合の状況を説明する。図２（ｂ）において、破線で示した枠は投射映像の範囲であり、スクリーン４上で幅Ｂ２を有している。そして投射映像中の液晶素子Ｍ、Ｎに対応する位置に２つの輝点Ｍｂ、Ｎｂが現れ、スクリーン４上では相互に間隔Ａ２だけ離れて表示されている。また、スクリーン４のうち幅Ｃ２の範囲が撮像素子３の撮像範囲となっている。

ここで、図２（ａ）と（ｂ）を比べると、投写レンズ２とスクリーン４との距離が開いた分、間隔Ａ２、幅Ｂ２、幅Ｃ２は各々間隔Ａ１、幅Ｂ１、幅Ｃ１より大きくなっている。しかし、図２（ａ）と（ｂ）はともにワイドモードであるため投射角θｗは同一であり、かつ撮像素子３の撮像角θｓも同一であるため、Ａ１：Ｂ１：Ｃ１の比率とＡ２：Ｂ２：Ｃ２の比率は、比率Ｌ２／Ｌ１で一定となる。

次に、図２（ｃ）を用いて、投写レンズ２とスクリーン４との距離Ｌ２を保ったまま、ズーム状態をテレモードに変えた場合の状況を説明する。図中の説明は（ａ）、（ｂ）と同様である。破線で示した枠は投射映像の範囲であり、スクリーン４上で幅Ｂ３を有している。そして投射映像中の液晶素子Ｍ、Ｎに対応する位置に２つの輝点Ｍｃ、Ｎｃが現れ、スクリーン４上では相互に間隔Ａ３だけ離れて表示されている。また、スクリーン４のうち幅Ｃ３の範囲が撮像素子３の撮像範囲となっている。

ここで、図２（ｂ）と（ｃ）とを比べると、投写レンズ２とスクリーン４との距離は同じであるが、ズーム状態が異なっており、投射角θｗが投射角θＴに縮小されている。したがって、スクリーン４上での表示は、間隔Ａ３は間隔Ａ２より小さくなり、幅Ｂ３も幅Ｂ２より小さくなる。しかし、Ａ２：Ｂ２とＡ３：Ｂ３の比率は、液晶素子Ｍ、Ｎの位置関係のみに依存するので一定である。一方、撮像素子３の撮像角θｓは一定であり、かつ投写レンズ２（すなわち撮像素子３）とスクリーン４との距離も一定であるため、幅Ｃ３は幅Ｃ２と同じである。以上より、Ａ２：Ｃ２（またはＢ２：Ｃ２）の比率とＡ３：Ｃ３（またはＢ３：Ｃ３）の比率が異なることになる。

以上より、ズーム状態が同じであれば、投写レンズ２とスクリーン４との距離に拘らず、間隔Ａと幅Ｃの比率は一定となり、ズーム状態が異なれば、間隔Ａと幅Ｃの比率は異なる。そこで、これらの比率を分析することでズーム状態を検出することが可能となる。以上が、撮像素子と基準パターンを用いたズーム状態検知の基本的な原理である。なお、ここでは輝点を投射するとものとして説明したが、撮像素子３で投射映像画像を撮像したときに周囲と区別できる基準点を提供できれば輝点である必要はない。例えば輝点の代わりに黒点を投射してもよい。通常スクリーン４や壁は白色ないし淡色であるので、黒点を投射すればそこだけ輝度が下がるので、同様に基準点として利用することができる。また、点の代わりに縦横の線が交差した十字形の基準パターンを用いてもよく、縦横の線を各々認識することで交点の位置をより正確に求めることができる。

図４にはズーム状態検出の処理フローを示す。以下に図４に従って、具体的なズーム状態検知方法を詳述していく。

まず、プロジェクタ１の電源を入れ（ステップ５１）、または、台形補正開始命令をインタフェース部から入力する（ステップ５１’）。プロジェクタ１やスクリーン４が固定されていて台形補正の必要がないときは、プロジェクタ１の電源を入れても以下の処理を開始しないようにあらかじめセットしておいてもよい。

次に、プロジェクタ１は基準パターンをスクリーン４上に投射する。これによってスクリーン４上に相互に離れた２つの輝点Ｍｄ、Ｎｄが表示される（ステップ５２）。

次に、撮像素子３で輝点Ｍｄ、Ｎｄが表示されているスクリーン４を撮像する（ステップ５３）。

次に、撮像素子３は、輝点Ｍｄ、Ｎｄの間隔Ａを取得する。以下、図５を用いて説明する。図５はＣＣＤデバイスのホトダイオードの配列を示したものである。ＣＣＤデバイスには画素数に対応するホトダイオート３１が配置されており、例えば水平画素４００、垂直画素４８０のＣＣＤデバイスであれば、（１、１）のアドレスから（４００、４８０）のアドレスまで計１９２０００個のホトダイオート３１が配列されている。これらのホトダイオート３１は受光量に応じた信号を出力する。そしてこれらのホトダイオート３１は通常、輝点Ｍｄ、Ｎｄ付近を撮像するホトダイオード３１を中心とした略同心円状の輝度分布を有しているので、同心円の中心を求めることで、最大輝度に対応するホトダイオード３１のアドレスを取得できる。このようなアドレスは輝点Ｍｄ、Ｎｄに対応して２つあるので（図５中、輝点Ｎｄは省略）、間隔Ａは最大輝度に対応するホトダイオード３１のアドレス（またはビット）の離隔距離（２つの輝点の間にある素子の数）として求めることができる。また、Ｃ値は水平画素数に等しいので、上記の場合Ｃ＝４００となる。以上よりＡ／Ｃ値を求めることができる。なお、Ａ／Ｃ値は、基準パターンの所定の２箇所の部位が各々記録された画素の間隔と、多数の画素のうちの所定の画素同士の間隔との比であればよく、Ｃ値として水平画素数以外の任意の２つの画素の離隔距離を用いてもよい。

このように、Ａ／Ｃ値は、基準パターンが投射映像画像において占める大きさを示す指標である。Ａ／Ｃ値は、工場出荷時に、例えばワイドモードで基準パターンを投射した投射映像画像において、基準パターン相互の離隔が何ビットにあたるかを記憶しておけば、ワイドモードを基準としてズーム状態を得ることもできる。

これと平行して、プロジェクタ１は上述の方法に従って傾斜角度を取得する（ステップ５５）。

次に、求められたＡ／Ｃ値と傾斜角度とからズーム状態を求める。具体的には、Ａ／Ｃ値と傾斜角度に対応したズーム量のテーブルをあらかじめ用意しておき、この表を参照することによって容易にズーム量を求めることができる。

そして、算出したズーム量に基づき台形補正をおこない（ステップ５７）、台形補正を終了したら所定の画像データを投射することが可能になる。

以上説明したとおり、本発明のプロジェクタによれば投写レンズのズーム状態を撮像素子とソフトウエア処理で行うことが可能となり、しかも撮像素子はオートフォーカス等の目的で従来のプロジェクタにすでに装備されているのが一般的であるため、実質的に新たな機構は不要である。しかも従来必要としていたギアや可変抵抗器等の機構が不要となる。これによって、プロジェクタの部品点数が削減し、従来と同等の機能を維持しながらコスト低減を図ることができる。また、電気・機械的な不具合が発生する可能性も小さくなり、プロジェクタの信頼性向上を図ることもできる。

本発明の第１の実施形態によるプロジェクタの、スクリーンに投射された画像と撮像画面との関係を示す模式図である。 投射画像と撮像素子による撮像範囲との関係を示す模式図である。 基準パターンの説明図である。 ズーム状態検出の処理フロー図である。 ＣＣＤデバイスのホトダイオードの配列を示したものである。 従来技術のプロジェクタの側面図である。 従来技術におけるズーム状態の違いが投射映像に与える影響を説明する図である。

符号の説明

１ プロジェクタ
１１ 画像表示部
１２ 画像制御部
１３ 中央処理装置
１４ 傾斜角度出力装置
１６ 液晶パネル
１７ 液晶素子
２ 投写レンズ
２１ ズーム手動調整器
３ 撮像素子
３１ ホトダイオート
４ スクリーン

Claims (9)

1. 投写レンズから所定の基準パターンを投射し、該基準パターンの投射映像を被投射面に表示するステップと、
   該被投射面に表示された該投射映像を撮像して投射映像画像を得るステップと、
   前記基準パターンが該投射映像画像において占める大きさを得るステップと、
   該大きさに基づいて投写レンズのズーム状態を算出するステップとを有する、プロジェクタの投写レンズのズーム状態検出方法。
2. 前記基準パターンは所定距離離れた２つの点である、請求項１に記載のズーム状態検出方法。
3. 前記投射映像画像は多数の光電素子が配列された撮像素子によって撮像され、
   前記大きさは前記基準パターンが撮像された前記光電素子が配列されている位置に基づき得られる、請求項１または２に記載のズーム状態検出方法。
4. 前記大きさは前記基準パターンの所定の２箇所の部位が各々記録された該光電素子の間隔と、前記多数の撮像素子の所定の光電素子同士の間隔との比として得られる、請求項３に記載のズーム状態検出方法。
5. 多数の光変調素子が配列されている光変調デバイスの所定の前記光変調素子だけを駆動し、または駆動しないで前記基準パターンを得るステップをさらに有する、請求項１から４のいずれか１項に記載のズーム状態検出方法。
6. 前記大きさと、前記投写レンズの光軸と前記被投射面の法線との角度と、ズーム状態との対応関係を示すテーブルをあらかじめ作成するステップと、
   該角度を検出するステップと、
   前記大きさおよび前記角度を前記テーブルと照合することによって前記ズーム状態を算出するステップとをさらに有する、請求項１から５のいずれか１項に記載のズーム状態検出方法。
7. 所定の基準パターンを投射する投写レンズと、
   被投射面に表示された該基準パターンの投射映像を撮像して投射映像画像を得る撮像素子と、
   前記基準パターンが該投射映像画像において占める大きさを算出し、該大きさに基づいて投写レンズのズーム状態を算出する画像制御部とを有するプロジェクタ。
8. 前記撮像素子は配列された多数の光電素子を有し、
   前記画像制御部は、前記基準パターンが記録された前記光電素子の配列されている位置に基づき前記大きさを得る、請求項７に記載のプロジェクタ。
9. 前記投写レンズの光軸と前記被投射面の法線との角度を検出する傾斜角度出力装置と、
   前記大きさと、前記角度と、ズーム状態との対応関係を示すテーブルをあらかじめ記憶する記憶部とをさらに有し、
   前記画像制御部は、前記大きさおよび前記傾斜角度出力装置によって検出された前記角度を前記テーブルと照合することによって前記ズーム状態を算出する、請求項８に記載のプロジェクタ。
   
   

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