JP2005249905A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な処理回路でシステム構成することができ、低コスト化を図ることが可能となる投射型表示装置を提供する。
【解決手段】投射手段１０３を用いて映像を被投射面に投射する投射型表示手段１００において、前記投射手段から所定の基線長Ｄだけ離間して配置され、前記被投射面に投射された参照映像を検出する受光手段１０２と、前記参照映像を前記被投射面上で前記基線長方向に走査させる走査手段と、を有し、前記受光手段が所定の検出をした際の前記参照映像の走査位置情報に基づいて、前記投射手段の焦点合わせを行うように構成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、投射型表示装置に関するものであって、特にフロントプロジェクタの自動焦点調節装置に関するものである。

従来、投射型表示装置（以下、プロジェクタと記す）において、投射光学系の焦点合わせの方法に関して、幾つかの提案がなされている。
このようなプロジェクタにおいて、例えば、特許文献１のものによれば、投射光学手段によって参照映像をスクリーン面投射領域の中央付近に照射し、この反射光をスリットを通過させてラインセンサで受光し、ラインセンサ上での検出位置を求めることによって、合焦動作を行うように構成されている。
特開平９−１９７２４９号公報

しかしながら、上記特許文献１におけるプロジェクタでは、ラインセンサを用いて、そのラインセンサ上で捉えた参照映像の位置を信号処理によって算出するという複雑な信号処理を必要とする上に、ラインセンサそのものが高価であることからコスト高となる。また、ラインセンサに代えてシリコンフォトダイオードなどの安価なセンサを用いた場合においても、上記特許文献１におけるプロジェクタの構成によれば、メカ的な機構が必要となるため、結局はコスト高となる。

また、プロジェクタの使用環境として、通常の室内照明下で用いられる場合が多いが、このような場合、上記特許文献１の構成では、十分な合焦精度を得る上で、つぎのような問題を有している。
すなわち、上記特許文献１ではラインセンサ等の感度の高いセンサが用いられているため、通常の室内照明等でスクリーンが照射されている場合には、センサが検出する光として投射手段によって投射される光以外の外乱光成分が相当量加算され、その大小によって検出すべき参照映像の重心位置が変動してしまうこととなることから、理想的な焦点合わせをするためには室内照明を消した状態にして使用しなければならないという問題点を有している。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、単純な処理回路でシステム構成することができ、低コスト化を図ることが可能となる投射型表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、以下のように構成した投射型表示装置を提供するものである。
すなわち、本発明の投射型表示装置は、投射手段を用いて、映像を被投射面に投射する投射型表示手段において、前記投射手段から所定の基線長だけ離間して配置され、前記被投射面に投射された参照映像を検出する受光手段と、前記参照映像を前記被投射面上で前記基線長方向に走査させる走査手段と、を有し、前記受光手段が所定の検出をした際の前記参照映像の走査位置情報に基づいて、前記投射手段の焦点合わせを行うように構成されている。
また、本発明の投射型表示装置は、投射手段を用いて、画像形成素子に形成された映像を被投射面に投射する投射型表示手段において、前記投射手段から所定の基線長だけ離間して配置され、前記被投射面に投射された参照映像を検出する受光手段と、前記参照映像が前記被投射面上で前記基線長方向に走査するように、前記画像形成素子へ映像信号を送る送信手段と、を有し、前記受光手段が所定の検出をした際の前記参照映像の走査位置情報に基づいて、前記投射手段の焦点合わせを行うように構成されている。

本発明によれば、単純な処理回路でシステム構成することができ、低コスト化を図ることが可能となる投射型表示装置を実現することができる。

本発明の実施の形態について、その詳細を説明する前に、まず、本発明の基本的概念について説明する。
図１は、本発明の基本的概念を示す原理図である。
本発明は、撮影装置等で用いられている所謂アクティブ方式の三角測量の原理を基本にするものであり、図１はこれらを説明するために表したものである。
撮影装置等では通常、赤外ＬＥＤなどを用いて参照スポット像を被写体に照射し、これをフォトダイオードやＣＣＤセンサ等で受光し、その視差によって生じる検出位置のズレ量から被写体までの距離を計算している。

ここで、アクティブ測距方式には、分け方として２種類ある。
一つは、投光側を走査し、固定された受光センサでピーク位置を求めるやり方である。
もう一つは、投光側が固定されており、単一セルの受光センサを機械的に走査し、あるいはラインセンサ等を用いて、投光像の位置を検出するやり方である。本発明のシステムでは、この前者の方式に着目し、投光スポットを走査する具体的方法として、例えばプロジェクタが備えている映像投射機能を兼用することで実現するようにしたものである。すなわち、投射映像として投光スポットを形成し、時系列的にこの像を動かすことで、赤外ＬＥＤの参照スポットのメカ的な走査の不要化を図るようにされている。

図１（ｂ）は、プロジェクタとスクリーンの関係を真上から見た図で、投射レンズから基線長だけ離間した位置（この図では左側）に受光レンズを配置し、尚且つ両方のレンズの光軸を平行になるように配置している。
また、図１（ａ）は、スクリーンをプロジェクタ側から眺めたもので、黒バックに参照映像である縦長のライン映像を形成し、時系列的に横方向に走査（スキャン）している様子を示している。
これらの図を用いて、スクリーンが遠くにある場合と近くにある場合の違いを説明すると、つぎのとおりである。
スクリーンがより遠くにある場合は、参照映像がスクリーンの中央、即ち投射レンズの光軸に近い位置にある時に、受光レンズに真っ直ぐに入射する。
逆にスクリーンがより近くにある場合は、参照映像がスクリーンの左側、即ち投射レンズの光軸から遠い位置にある時に、受光レンズに真っ直ぐに入射する。
この関係は、三角測量の原理に基づいて、参照映像の座標位置とスクリーンまでの距離と基線長の関係が簡単な関係式で表され、この関係式からスクリーンまでの距離を求めることが出来る。具体的な求め方については図３を用いて後述する。

つぎに、上記したアクティブ方式の三角測量の原理を適用した本発明の実施の形態におけるプロジェクタについて説明する。
本発明の実施の形態のプロジェクタには、例えば、図２に示されるような一般的に用いられている通常のプロジェクタの回路構成を適用することができる。
図２において、１０１は表示手段であり、これはプロジェクタの一般的な構成であるために、ここでは詳細な説明は省略する。一般的な構成としては、画像形成手段として液晶パネル、その駆動回路、超高圧水銀ランプ等の光源、投射光学系などで構成されている。
この部分に映像信号を入力すると、スクリーンにその映像信号に対応する映像を投射することが可能となるものである。
１２１はマイクロプロセッサ等で構成されているコントローラで、後述する処理シーケンスを司る。
１２３は受光センサで、単一セルのシリコンフォトダイオードである。この図面では表現を簡略化しているが、出力信号は微弱であるために、必要なレベルにするための電圧増幅手段を含んでおり、１２１のコントローラのＡ／Ｄ変換入力に供給されて、デジタル信号としてコントローラに読み込まれる。

１３１は映像入力手段であり、外部からの入力信号１３１ｉを受け入れて、１０１の表示手段が受け取れるデジタル情報に変換される。
１４１は参照映像信号生成手段であり、１２１のコントローラからの制御により、測距に必要な参照映像を作成する機能を有する。
ここで作成される参照映像の例を、図４（ａ）を用いて後で説明する。
１７２は映像信号の切替え手段で、ビデオスイッチである。
このスイッチは１２１のコントローラの制御により、１３１の映像入力手段からの通常映像と、１４１の参照映像生成手段からの測距用映像とを切り替えて、１０１の表示手段に伝達するものである。
１６１はフォーカスモータ駆動手段であり、１６２のフォーカスモータを正回転、又は逆回転させて、投射レンズの焦点調節駆動を行う。この動作は１２１のコントローラの制御によって成される。

以上は所謂アナログ的な処理手段を用いての方法であったが、次にデジタル的な処理手段を用いて、一般的に用いられている通常のプロジェクタにおける回路構成により、１４１の参照映像信号生成手段と同等の機能を実現する方法を、図５、及び図６を用いて説明する。
５００はスケーラチップと呼ばれる大規模集積回路であり、昨今、これに該当する集積回路が数多く開発されている。
このチップは表示装置に必要な諸々の機能を持ち、図で示す５０１の解像度変換回路と５０２のＯＳＤ（Ｏｎ Ｓｃｒｅｅｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）が、本発明においては重要、且つ必須の機能となっている。
更に、スケーラチップの外部には５０３の高速メモリが接続されており、主にフレームメモリとしての機能を果たしている。

本発明では、５０３のメモリと１２１のコントローラがスケーラチップ（５００）の外部に配置されているが、これらが内蔵された形態のスケーラチップも存在しており、セットの小型化等に寄与している。
それ以外のブロックは、図２で示しているものと機能的に同一であり、詳細説明は割愛する。

さて次に、信号の流れに沿って各部の機能の説明をしていくことにする。
１３１の映像入力手段が出力するデジタル映像信号は、スケーラチップ（５００）内の解像度変換回路（５０１）に加えられ、所定の第１のタイミングで５０３の高速メモリに一旦書き込まれる。書き込まれた映像データは所定の第２のタイミングで読出され、次段のＯＳＤ（５０２）に送られる。解像度変換機能は第１の書き込みタイミングと第２の読み出しタイミングの関係によって実現され、第２の読み出しタイミングは１０１の表示手段の解像度（本実施例では１０２４×７６８、６０Ｈｚ）に適合している。

５０３の高速メモリは、以上の説明においてはフレームメモリとして機能しているが、メモリの全エリアを使用している訳ではない。図６（ａ）の高速メモリの使用エリアの関係を説明する図に示されているように、エリアＡとは別に、一部のエリアがエリアＢとして空けられている。
５０２のＯＳＤは、通常は５０１の解像度変換回路から送られるデジタル映像信号をそのまま出力しているが、１２１のコントローラからの制御により、所定映像を表示画面の任意の所定位置に重ねて表示する機能を有している。
重ねて表示する所定映像は１２１のコントローラが生成し、５０３の高速メモリ内の一部エリア（前述の図６（ａ）エリアＢ）に書き込まれる。
ここで、ＯＳＤ（５０２）はコントローラ（１２１）の指示に基づいて、高速メモリ（５０３）のエリアＡから読み出される入力映像信号の代わりに、エリアＢから読み出される所定映像が出力されることになる。

上記した所定映像とは、通常は表示装置の諸設定や諸調整のための、所謂メニュー画面であり、図６（ｂ）にその表示例を示すが、本実施の形態ではこれを焦点調節のための参照映像を作成する機能として用いている。これにより、本実施の形態ではアクティブ方式の三角測量方式を用い、投光側を走査し、固定された受光センサでピーク位置を求めるに際して、投光側にメカ的な走査手段を用いることなく、投光側の基線長方向への走査が可能となる。すなわち、これはメニュー画面を表示画面の任意の位置に表示するのと同様の手法により、焦点調節のための参照映像も任意の位置に表示可能とするものである。
以上の方法で参照映像を表示する場合には、スケーラチップ内で同一のタイミングで全てのデジタル信号処理が処理されるので、参照映像の表示位置が表示画面の画素構成（本件の場合は１０２４×７６８）に完全に一致して正確に制御することができ、この処理の部分での誤差を生じさせないことが可能となる。

次に、図３を用いてスクリーンまでの距離を求める計算手順を具体的に説明する。
１００はプロジェクタ本体、１０２は受光光学系、１０３は投射光学系である。この説明の前提条件をまず説明する。
映像の画素構成は所謂ＸＧＡフォーマットであり、横１０２４ドット、縦７６８ドットの構成である。
１０３の投射光学系の光軸と１０２の受光光学系の光軸は平行であり、その間隔、即ち基線長はＤ＝２００［ｍｍ］である。
投射光学系の投射角度設定は、４．０［ｍ］の距離に設置したスクリーン上に１００インチの３：４画像を投射する設計になっている。つまり、４．０［ｍ］のスクリーン上での横方向サイズは８０インチ＝２０３２［ｍｍ］に相当する。

横方向の画角±Ｈは、ｔａｎＨ＝（２０３２／２）／４０００＝０．２５４となる。
因みに、この時の画素ピッチは２０３２／１０２４＝１．９８［ｍｍ］となる。スクリーンまでの距離が１．０［ｍ］の場合を考えてみる。
この時の投射画像の横方向サイズは１０００×ｔａｎＨ×２＝５０８［ｍｍ］であり、画素ピッチは５０８／１０２４＝０．４９６［ｍｍ］となる。
図３での３０１ｆは遠距離に設置したスクリーンであり、３０１ｎは近距離に設置したスクリーンである。
１０２の受光レンズ光軸上に参照映像の縦ラインが来た場合に、受光センサはピーク信号を検出する訳である。この位置は１０３の投射レンズの光軸から常にＤ＝２００［ｍｍ］だけ離れた所であるが、これは３０１ｆではＡ点であり、３０１ｎではＢ点である。

ここで、このＡ点なりＢ点なりが、各々のスクリーン距離Ｌに対して何画素だけ中心（投射光学系の光軸）から離れた画素の位置に相当するかを求めると、次の式で表現される。
画面中心（投射光学系の光軸）からの画素数をｘとすると、
ｘ／１０２４＝Ｄ／（２Ｌ・ｔａｎＨ）
となる。
この関係式から、スクリーンまでの距離Ｌは、
Ｌ＝５１２Ｄ／（ｘ・ｔａｎＨ）＝４０３１５０／ｘ
として求めることができる。
ここで、例を２つほど示すと、
例１： ｘ＝５０［ｄｏｔｓ］
Ｌ_１＝８０６３［ｍｍ］ 約８［ｍ］
例２： ｘ＝３００［ｄｏｔｓ］
Ｌ２＝１３４４［ｍｍ］ 約１．３［ｍ］
のように算出される。

つぎに、図４を用いて参照映像と受光センサでの映り方を説明する。
図４（ａ）の２つの図は参照映像である縦長ラインを黒バックの上に表示したもので、左端（左の図）から時系列的に１ラインづつ移動させて、ほぼ画面の中央（右の図）まで移動させて移動を完了する。
図４（ｂ）はその様子を受光センサがどの様にみているかを示している。
左の図は単一セルのフォトダイオードを用いた場合で、参照映像３１１がａ→ｂ→ｃ→ｄ→ｅと移動して、ｃの位置になった時に、センサ１２３に光が当たる。右の図は２分割セルのフォトダイオードを用いた場合で、参照映像３１１が同じく移動して、ｃの位置になった時に、２つのセンサ１２３ａ、１２３ｂの境界位置に光が当たる。
図４（ｂ）の２分割セルのフォトセンサを用いた場合、両センサの検出信号が等しくなる条件で一致の検出を行うため、図４（ａ）の場合の純粋なピーク検出方法より、若干位置検出の精度を向上させることが出来る。

つぎに、図７と図８のフローチャートを用いて、本発明の実施の形態におけるソフト的な処理手順を説明する。
まず、図７に示す一つの形態について説明する。
［ｓｔｅｐ１］自動焦点調節（ＡＦ）のモードに入ると、まず表示手段への入力を映像入力からの通常映像から参照映像に切り替える。
参照映像は左端の初期位置にまず設定する。
［ｓｔｅｐ２］ここで受光センサに信号があるかどうかを検出し、無かった場合はｓｔｅｐ５に進み、有った場合は次に進む。
［ｓｔｅｐ３］信号強度が最大かどうかをチェックし、最大であれば、次にｓｔｅｐ４でその時の参照映像位置（画素座標）を更新して記憶する。
［ｓｔｅｐ５］参照映像が最後の位置まで来たかどうかをチェックし、最後であればｓｔｅｐ７に進み、最後でなければｓｔｅｐ６に移って参照映像位置を次ぎに移動させ、ｓｔｅｐ２に戻る。
［ｓｔｅｐ７］信号が最大となった参照映像位置に基づいて、画面中心からの画素数を算出し、上で説明した計算式でスクリーンまでの距離を計算する。
［ｓｔｅｐ８］求まった距離情報から、投射レンズを移動させて、合焦状態にする。
［ｓｔｅｐ９］最後に、ｓｔｅｐ１で切り替えた映像を、元の通常の映像に戻して一連の処理を完了する。
以上で示した処理方法では、プログラムが簡単である利点があるが、最初に焦点がかなり外れている場合には、精確なピーク位置が検出することができない可能性がある。

つぎに、このような点を改善した図８の構成例について説明する
［ｓｔｅｐ１］自動焦点調節（ＡＦ）のモードに入ると、まず表示手段への入力を映像入力からの通常映像から参照映像に切り替える。
参照映像は左端の初期位置にまず設定する。
［ｓｔｅｐ２］参照映像位置に対応する投射レンズ位置を算出し、その位置にレンズを移動する。
［ｓｔｅｐ３］ここで受光センサに信号があるかどうかを検出し、無かった場合はｓｔｅｐ６に進み、有った場合は次に進む。
［ｓｔｅｐ４］信号強度が最大かどうかをチェックし、最大であれば、次にｓｔｅｐ５でその時の投射レンズ位置を更新して記憶する。
［ｓｔｅｐ６］参照映像が最後の位置まで来たかどうかをチェックし、最後であればｓｔｅｐ８に進み、最後でなければｓｔｅｐ７に移って参照映像位置を次ぎに移動させ、ｓｔｅｐ２に戻る。
［ｓｔｅｐ８］ｓｔｅｐ５で記憶していた投射レンズの位置情報に基づいて、投射レンズを合焦位置に移動させる。
［ｓｔｅｐ９］最後に、ｓｔｅｐ１で切り替えた映像を、元の通常の映像に戻して一連の処理を完了する。
この処理方法では、参照映像を移動させると同時に、投射レンズの焦点位置もそれに対応する位置に移動させるため、ピークを検出する位置において必ず焦点が合致しているので、常に最良の精度でピーク位置を検出することが可能である。

以上のとおり、本実施の形態によれば、プロジェクタの機能的特徴を十分に生かし、優れた性能の自動焦点調節装置を提供することが可能となる。
すなわち、「プロジェクタ」という、卓上に設置して使用する機器の形状的特徴であるところの「平べったい形」を生かし、三角測量方式での基線長を十分取ることによって高い焦点調節精度を確保することが可能となる。
また、本実施の形態においては「プロジェクタ」が基本機能として有している映像投射手段を、三角測量方式の参照映像走査手段として活用することにより、複雑なメカ的走査手段が不要となる。
例えば、前記参照映像走査手段を、前記投射型表示手段における前記投射手段によって兼ねるようにすることで、投光手段としての新たなハードウエアの追加を全く必要とせずに、自動焦点システムを構成することが可能となる。
また、投光手段に含まれる投射光学系を、投射型表示手段における前記投射手段に含まれる投射光学系によって兼ねるようにすることで、投光のための光学系を別途準備する必要がなく、更にコストを抑えることができる。
また、受光手段を単一セルのフォトセンサで構成し、該フォトセンサの最大出力レベルが得られる位置を検出位置とすることができ、また受光手段を２分割セルのフォトセンサで構成し、該２分割セルの各々の出力レベルが略等しくなる位置を検出位置とすることができ、このように受光センサにフォトダイオード等の安価な受光センサを用いることができ、コストを最小限に抑えることが可能となる。

本発明の基本的原理を説明する図であり、（ａ）はスクリーンをプロジェクタ側から眺めた図、（ｂ）はプロジェクタとスクリーンの関係を真上から見た図。 本発明の実施の形態のプロジェクタを、アナログ的な処理手段を用いて説明するための電気回路の構成を示すブロック図。 本発明の実施の形態におけるスクリーンまでの距離を求める計算手順を説明するための図。 本発明の実施の形態における投射参照映像と受光センサの構成を示す図。 本発明の実施の形態のプロジェクタを、デジタル的な処理手段を用いて説明するための電気回路の構成を示すブロック図。 本発明の実施の形態を説明する図であり、（ａ）は高速メモリの使用エリアの関係を説明するための図、（ｂ）はメニュー画面での表示例を示す図である。 本発明の実施の形態を説明するためのフローチャート。 本発明の図７とは別の実施例の形態を説明するためのフローチャート。

符号の説明

１０１：表示手段
１０２：受光光学系
１０３：投射光学系
１２１：コントローラ
１２３：受光センサ
１３１：映像入力手段
１４１：参照映像信号生成手段
１６１：フォーカスモータ駆動手段
１７２：ビデオスイッチ

Claims (7)

1. 投射手段を用いて、映像を被投射面に投射する投射型表示手段において、
   前記投射手段から所定の基線長だけ離間して配置され、前記被投射面に投射された参照映像を検出する受光手段と、
   前記参照映像を前記被投射面上で前記基線長方向に走査させる走査手段と、を有し、
   前記受光手段が所定の検出をした際の前記参照映像の走査位置情報に基づいて、前記投射手段の焦点合わせを行うことを特徴とする投射型表示装置。
2. 投射手段を用いて、画像形成素子に形成された映像を被投射面に投射する投射型表示手段において、
   前記投射手段から所定の基線長だけ離間して配置され、前記被投射面に投射された参照映像を検出する受光手段と、
   前記参照映像が前記被投射面上で前記基線長方向に走査するように、前記画像形成素子へ映像信号を送る送信手段と、を有し、
   前記受光手段が所定の検出をした際の前記参照映像の走査位置情報に基づいて、前記投射手段の焦点合わせを行うことを特徴とする投射型表示装置。
3. 前記受光手段は、単一セルのフォトセンサで構成され、
   前記受光手段での検出信号強度が最大になった際の前記参照映像の走査位置情報に基づいて、前記投射手段の焦点合わせを行うことを特徴とする請求項１または２に記載の投射型表示装置。
4. 前記受光手段は、２分割セルのフォトセンサで構成され、
   前記受光手段での各フォトセンサの検出信号強度が略等しくなった際の前記参照映像の走査位置情報に基づいて、前記投射手段の焦点合わせを行うことを特徴とする請求項１または２に記載の投射型表示装置。
5. 前記参照映像を所定量ずつ走査させる毎に、前記投射手段の焦点駆動を行うとともに、前記受光手段による検出を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
6. 前記参照映像の走査位置情報は、前記被投射面上における前記参照映像と前記投射手段の光軸間の距離であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
7. 前記受光手段での検出信号を増幅する増幅手段をさらに有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の投射型表示装置。

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