JP2006178155A - 画像投影装置およびこれを用いるマルチプロジェクションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単かつ小型・安価な構成で、スクリーンに投影される画像を幾何補正でき、観察画像の品質を向上できる画像投影装置を提供する。
【解決手段】画像表示素子２と、画像表示素子２に表示された画像をスクリーン７に投影する投影光学系３，４，５，６とを有する画像投影装置１において、投影光学系に、少なくともスクリーン７に投影される画像を光学的に幾何補正する光学特性可変光学手段１１，１２を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、スクリーン上に画像を投影する画像投影装置、およびこの画像投影装置を複数台用いてスクリーン上に画像を合成して投影するマルチプロジェクションシステム、特にスクリーンに投影される画像の幾何補正に関するものである。

従来の画像投影装置における幾何補正方法として、例えば、投影光学系に回転駆動可能に角度可変ミラーを設け、この角度可変ミラーの角度情報を検出して、検出した角度情報に基づいて原画像データを処理して表示画像データを生成することにより、スクリーンに投影される画像の中心とスクリーン法線との不一致による表示画像の台形歪を補正するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、複数台の画像投影装置を用いるマルチプロジェクションシステムにおける幾何補正方法として、機械的方法と電気的方法とがある。

その機械的方法としては、画像投影装置自体を移動または回転調整して、隣接する画像投影装置によってスクリーンに投影される画像の重なり部分を合致するように幾何補正するものが知られている。

また、電気的方法としては、複数台の画像投影装置によりスクリーン上にテストパターン（基準画像）を投影して、その投影画像を観察位置近傍からデジタルカメラで撮影し、その撮影データに基づいて隣接する画像投影装置による投影画像の重なり部分を合致させるパラメータを算出して、そのパラメータにより実際の画像を処理して幾何補正を行うようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−２６２１９８号公報 特開平９−３２６９８１号公報

しかしながら、特許文献１に開示の幾何補正方法にあっては、角度可変ミラーの回転駆動手段や角度情報検出手段を要するため、構成が煩雑になるという問題がある。

また、マルチプロジェクションシステムにおける複数台の画像投影装置を機械的に移動または回転調整して幾何補正する方法にあっては、そのための調整機構を要することになるため、コストアップになると共に、装置が大掛かりにという問題がある。

また、特許文献２に開示の幾何補正方法にあっては、スクリーンに投影されたテストパターンを撮影するデジタルカメラや、その撮影データに基づいて幾何補正用のパラメータを算出する演算手段および算出されたパラメータにより実際の画像を処理する画像処理手段を要するため、コストアップになることが懸念される。

したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、簡単かつ小型・安価な構成で、スクリーンに投影される画像を幾何補正でき、観察画像の品質を向上できる画像投影装置およびこれを用いるマルチプロジェクションシステムを提供することにある。

上記目的を達成する請求項１に係る発明は、画像表示素子と、該画像表示素子に表示された画像をスクリーンに投影する投影光学系とを有する画像投影装置において、
上記投影光学系に、少なくとも上記スクリーンに投影される画像を光学的に幾何補正する光学特性可変光学手段を設けたことを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の画像投影装置において、上記光学特性可変光学手段は、上記スクリーンに投影される画像の幾何補正と、上記スクリーンの形状に対応する投影画像のピント補正とを行うように構成されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の画像投影装置において、上記光学特性可変光学手段は、形状可変ミラーを有することを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１または２に記載の画像投影装置において、上記光学特性可変光学手段は、可変自由曲面レンズを有することを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項２に記載の画像投影装置において、上記光学特性可変光学手段は、上記スクリーンに投影される画像の主に幾何補正を行う静電駆動方式の第１形状可変ミラーと、上記スクリーンの形状に対応する投影画像の主にピント補正を行う静電駆動方式の第２形状可変ミラーとを有することを特徴とするものである。

さらに、上記目的を達成する請求項６に係る発明は、複数台の画像投影装置によりスクリーン上に画像を合成して投影するマルチプロジェクションシステムにおいて、
上記複数台の画像投影装置の各々が、請求項１〜５のいずれか一項に記載の画像投影装置からなり、各画像投影装置の上記光学特性可変光学手段により、少なくとも隣接する画像投影装置により上記スクリーンに投影される画像の重なり部分を合致させるように幾何補正するよう構成したことを特徴とするものである。

請求項７に係る発明は、請求項６に記載のマルチプロジェクションシステムにおいて、上記スクリーンが、半球型ドーム、全天周型ドーム等のドーム状、アーチ状、円筒状等の湾曲した形状からなることを特徴とするものである。

請求項１に係る発明によると、投影光学系に光学特性可変光学手段を設けて光学的に幾何補正するので、簡単かつ小型・安価にでき、観察画像の品質を向上することができる。

請求項２に係る発明によると、光学特性可変光学手段により、スクリーンに投影される画像の幾何補正と、スクリーンの形状に対応する投影画像のピント補正とを行うので、スクリーンが半球型ドーム、全天周型ドーム等のドーム状、アーチ状、円筒状等の湾曲した形状からなる場合でも、スクリーン全体にピントを合わせて幾何補正でき、観察画像の品質をより向上することができる。

請求項３に係る発明によると、光学特性可変光学手段が形状可変ミラーを有してなるので、構成をより簡単にできると共に、小型かつ安価にできる。

請求項４に係る発明によると、光学特性可変光学手段が可変自由曲面レンズを有してなるので、スクリーンが球面状あるいはドーム状に湾曲している場合でも、スクリーン全体にピントを合わせて幾何補正でき、構成をより簡単にできると共に、小型かつ安価にできる。

請求項５に係る発明によると、光学特性可変光学手段が主に幾何補正を行う静電駆動方式の第１形状可変ミラーと、主にピント補正を行う静電駆動方式の第２形状可変ミラーとを有してなるので、幾何補正とピント補正とを独立して行うことができ、使い勝手を向上することができる。

請求項６に係る発明によると、マルチプロジェクションシステムにおける複数台の画像投影装置の各々が、請求項１〜５のいずれか一項に記載の画像投影装置で構成されているので、各画像投影装置の光学特性可変光学手段により、少なくとも隣接する画像投影装置によってスクリーンに投影される画像の重なり部分を合致させるように光学的に幾何補正することができる。したがって、システム全体を簡単かつ小型・安価にでき、観察画像の品質を向上することができる。

請求項７に係る発明によると、半球型ドーム、全天周型ドーム等のドーム状、アーチ状、円筒状等に湾曲したスクリーンに、幾何補正された高品質の画像を投影表示することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１実施の形態）
図１〜図５は本発明の第１実施の形態を説明するためのもので、図１は画像投影装置の概略構成を示す図、図２は図１に示す第１形状可変ミラーの一例の構成を示す断面図、図３（ａ），（ｂ）は図２に示す可変ミラー膜の二つの例を示す平面図、図４（ａ），（ｂ）は図２に示す上側電極の二つの例を示す平面図、図５（ａ），（ｂ）は図２に示す下側電極の二つの例を示す背面図である。

図１に示す画像投影装置１は、例えば液晶パネルからなる画像表示素子２に画像を表示し、その画像を光源３からの投影光により表示素子側レンズ４、絞り５および投影レンズ６を経てスクリーン７に投影するものである。ここで、光源３、表示素子側レンズ４、絞り５および投影レンズ６は、画像表示素子２に表示された画像をスクリーン７上に投影する投影光学系を構成している。

本実施の形態では、表示素子側レンズ４と絞り５との間に、光学特性可変光学手段を構成する静電駆動方式の第１形状可変ミラー１１および第２形状可変ミラー１２を設け、表示素子側レンズ４を透過した投影光を第１形状可変ミラー１１および第２形状可変ミラー１２で順次反射させてから、絞り５および投影レンズ６を経てスクリーン７に投影するようにして、第１形状可変ミラー１１で投影画像の幾何補正を光学的に行い、第２形状可変ミラー１２で投影画像のピント補正を行うことにより、スクリーン７が、平面形状に限らず、半球型ドーム、全天周型ドーム等のドーム状、アーチ状、円筒状等の湾曲した形状であっても、画像表示素子２に表示された画像を、スクリーン７の全面に亘ってピントが合い、かつ正確に幾何補正された状態で投影表示するように構成する。

すなわち、スクリーン７が、図１に示すように半径Ｒの曲面（円筒）形状あるいは球面形状の場合には、第１形状可変ミラー１１にスクリーン形状の湾曲による画像歪を補正する形状を創生させることで表示画像の主に幾何補正を行い、第２形状可変ミラー１２に画像表示装置１の理想ピント面１５をスクリーン形状に合わせる形状を創生させることで表示画像の主にピント補正を行う。

このため、主に幾何補正を行う第１形状可変ミラー１１は、好ましくは、絞り５が配置された瞳位置より離れた主光線の高い位置に配置し、主にピント補正を行う第２形状可変ミラー１２は、好ましくは、絞り５から多少離れたマージナル光線の高さが高い位置に配置する。

なお、図１に示すように、スクリーン７が半径Ｒの曲面（円筒）形状あるいは球面形状の場合には、表示素子側レンズ４は、スクリーン７上での画像歪を小さくするために、好ましくはシリンドリカル面、アナモルフィック面、自由曲面等の回転非対称な光学面として形成する。

第１形状可変ミラー１１は、例えば図２に断面図を示すように、上側基板２１と下側基板２２とによって挟持された可変ミラー膜２３を有している。上側基板２１には、可変ミラー膜２３と対向する面に上側電極２４が設けられている。可変ミラー膜２３は、ポリイミド等からなる基材上にアルミニウム等の反射膜をコーティングして形成され、その上側基板２１側の面には、上側電極２４と対向するように可変ミラー電極２５が設けられている。また、下側基板２２には、可変ミラー膜２３に対する光束入出射用の円形の開口２６が形成されており、その周縁部の有効光線外で可変ミラー膜２３側の面には、下側電極２７が設けられている。

この可変ミラー膜２３は、例えば図３（ａ）および（ｂ）に破線で示すように、円形状または四角形状に形成されており、上側電極２４と可変ミラー電極２５との間の所要の部位に所要の電圧を印加することにより、静電気力によって面形状を変化させて自由曲面を創生できるようになっており、また、下側電極２７の所望の部位に所要の電圧を印加することにより、全体を傾斜または前後にシフトさせた平面を創生できるようになっている。

このため、可変ミラー膜２３が例えば図３（ａ）に示すように円形状の場合には、上側電極２４は、図４（ａ）に示すように放射状に多数分割されたり、図４（ｂ）に示すようにマトリックス状に多数分割されたりして設けられている。また、下側電極２７も、開口２６の周縁部に、上側電極２４と同様に、図５（ａ）に示すように放射状に多数分割されたり、図５（ｂ）に示すようにマトリックス状に多数分割されたりして設けられている。そして、所望の部位における上側電極２４と可変ミラー電極２５との間、または下側電極２７に所要の電圧を印加することで、スクリーン７上に投影される画像の歪を補正する形状を創生するようになっている。

第２形状可変ミラー１２も、上述した第１形状可変ミラー１１と同様に構成されて、所要の部位における上側電極と可変ミラー電極との間、または下側電極に所要の電圧を印加することにより、スクリーン７上に投影される画像のピントを補正する形状を創生できるようになっている。

このように、本実施の形態では、投影光学系に静電駆動方式の第１形状可変ミラー１１と第２形状可変ミラー１２とを設けて、スクリーン７に投影される画像を光学的に幾何補正すると共に、ピント補正するようにしたので、スクリーンが半球型ドーム、全天周型ドーム等のドーム状、アーチ状、円筒状等の湾曲した形状からなる場合でも、簡単かつ安価な構成で、スクリーン全体にピントを合わせて幾何補正でき、観察画像の品質を向上することができる。しかも、幾何補正とピント補正とを、第１形状可変ミラー１１と第２形状可変ミラー１２とによってほぼ独立して行うようにしたので、調整等も容易にでき、使い勝手を向上することができる。

なお、上記の第１実施の形態では、第１形状可変ミラー１１で投影画像の幾何補正を行い、第２形状可変ミラー１２で投影画像のピント補正を行うようにしたが、これら第１形状可変ミラー１１および／または第２形状可変ミラー１２によって、表示素子側レンズ４および投影レンズ６の各種収差を同時に補正することもできる。また、一つの形状可変ミラーで、幾何補正およびピント補正を行うように構成することもできる。

（第２実施の形態）
図６は、本発明の第２実施の形態に係る画像投影装置の概略構成を示す図である。

本実施の形態の画像投影装置３１は、第１実施の形態における画像投影装置１において第１形状可変ミラー１１および第２形状可変ミラー１２に代えて、光学特性可変光学手段である一つの可変自由曲面レンズ３２を設け、この可変自由曲面レンズ３２により、スクリーン７に投影される画像を光学的に幾何補正すると同時に、ピント補正する形状を創生して、幾何補正およびピント補正を行うようにしたものである。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、同一作用をなす構成要素には、同一参照符号を付してその説明を省略する。

なお、このような可変自由曲面レンズ３２は、例えば特開２００２−１９０９７１号公報や特開２００４−２４７９４７号公報に開示されているような光学特性可変光学素子を、幾何補正およびピント補正できる形状を創生できるように改良して構成することができる。

本実施の形態によれば、一つの可変自由曲面レンズ３２により、スクリーン７に投影される画像を光学的に幾何補正すると同時に、ピント補正するようにしたので、第１実施の形態におけるよりも、より簡単かつ安価な構成で、スクリーン全体にピントを合わせて幾何補正でき、観察画像の品質を向上することができる。

なお、第２実施の形態では、一つの可変自由曲面レンズ３２により幾何補正とピント補正とを行うようにしたが、幾何補正のみを行うように構成することもできる。また、可変自由曲面レンズ３２により、表示素子側レンズ４および投影レンズ６の各種収差を同時に補正するようにすることもできる。

（第３実施の形態）
図７〜図１０は本発明の第３実施の形態を示すもので、図７はマルチプロジェクションシステムの概略構成を示す図、図８は図７に示す２台の画像投影装置によるスクリーン上での投影範囲を示す図、図９は投影光軸の傾きを補正する幾何補正動作を説明するための図、図１０は投影光軸の偏りを補正する幾何補正動作を説明するための図である。

本実施の形態は、図１に示した構成からなる２台の画像投影装置１Ａ，１Ｂを用いて、一つのスクリーン７に画像を合成して投影するマルチプロジェクションシステムを示すものである。したがって、ここでは図１に示した画像投影装置１の構成要素と同一作用をなす一方の画像投影装置１Ａの構成要素には同一符号にサフィックスＡを付して示し、他方の画像投影装置１Ｂの構成要素には同一符号にサフィックスＢを付して示して、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態では、画像投影装置１Ａ，１Ｂにおいて、第１形状可変ミラー１１Ａ，１１Ｂに、スクリーン形状の湾曲による画像歪を補正すると共に、隣接する画像投影装置１Ｂ，１Ａによってスクリーン７に投影される画像の重なり部分を合致させるように画像歪を補正する形状を創生させることで表示画像の幾何補正を行い、第２形状可変ミラー１２Ａ，１２Ｂに、対応する理想ピント面１５Ａ，１５Ｂをスクリーン形状に合わせる形状を創生させることで表示画像のピント補正を行う。

例えば、本実施の形態のように２台の画像投影装置１Ａ，１Ｂを有する場合には、一方の画像投影装置１Ａについては、第１実施の形態と同様にして幾何補正およびピント補正を行い、他方の画像投影装置１Ｂについては、一方の画像投影装置１Ａによってスクリーン７に投影される画像の重なり部分が合致するように、第１実施の形態と同様にして幾何補正およびピント補正を行う。

ここで、例えば、スクリーン７に対する一方の画像投影装置１Ａの幾何補正およびピント補正後に、他方の画像投影装置１Ｂの投影光軸ＯＢがスクリーン７に対して、図７の紙面内で傾きθおよび偏りδを有しており、そのために、図８に示すようにスクリーン７上での画像投影装置１Ａによる投影範囲４０Ａ内の投影指標４１Ａと、画像投影装置１Ｂによる投影範囲４０Ｂ内の投影指標４１Ｂとがずれている場合には、それらが合致するように、画像投影装置１Ｂ側の第１形状可変ミラー１１Ｂにより傾きθおよび偏りδを補正して幾何補正する。

すなわち、傾きθを補正する場合には、図９に示すように、第１形状可変ミラー１１Ｂの所要の部位における下側電極２７Ｂに所要の電圧を印加して、可変ミラー膜２３Ｂの全体を傾き補正方向にθ／２傾けることにより、可変ミラー膜２３Ｂで反射される投影光を傾き補正方向にθ傾ける。また、偏りδを補正する場合には、図１０に示すように、第１形状可変ミラー１１Ｂの所要の部位における下側電極２７Ｂに所要の電圧を印加して、可変ミラー膜２３Ｂの全体を偏り補正方向にδcosαだけシフトさせることにより、可変ミラー膜２３Ｂで反射される投影光を偏り補正方向にδだけシフトさせる。なお、αは可変ミラー膜２３Ｂへの投影光の入射角を表す。

このようにして傾きθおよび偏りδを補正すれば、図８においてスクリーン７上での画像投影装置１Ａによる投影指標４１Ａと、画像投影装置１Ｂによる投影指標４１Ｂとを光学的に幾何補正して合致させることができる。なお、図７において、紙面垂直方向における傾きおよび偏りについても、同様にして幾何補正することができる。

本実施の形態によれば、２台の画像投影装置１Ａ，１Ｂによってステーション７上に投影される画像のピント補正を行うことができると共に、投影される画像の重なり部分を合致させるように光学的に幾何補正することができるので、マルチプロジェクションシステム全体を簡単かつ小型・安価にでき、観察画像の品質を向上することができる。

なお、本実施の形態では２台の画像投影装置を用いてマルチプロジェクションシステムを構成したが、３台以上の画像投影装置を用いてマルチプロジェクションシステムを構成することもできる。また、各画像投影装置は、光学特性可変光学手段として、第１実施の形態の変形例で説明したように、一つの形状可変ミラーを用いて少なくとも幾何補正を行うように構成することもできるし、第２実施の形態で示したように、一つの可変自由曲面レンズを用いて少なくとも幾何補正を行うように構成することもできる。

本発明の第１実施の形態に係る画像投影装置の概略構成を示す図である。 図１に示す第１形状可変ミラーの一例の構成を示す断面図である。 図２に示す可変ミラー膜の二つの例を示す平面図である。 図２に示す上側電極の二つの例を示す平面図である。 図２に示す下側電極の二つの例を示す背面図である。 本発明の第２実施の形態に係る画像投影装置の概略構成を示す図である。 本発明の第３実施の形態に係るマルチプロジェクションシステムの概略構成を示す図である。 図７に示した２台の画像投影装置によるスクリーン上での投影範囲を示す図である。 投影光軸の傾きを補正する幾何補正動作を説明するための図である。 投影光軸の偏りを補正する幾何補正動作を説明するための図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ 画像投影装置
２，２Ａ，２Ｂ 画像表示素子
３，３Ａ，３Ｂ 光源
４，４Ａ，４Ｂ 表示素子側レンズ
５，５Ａ，５Ｂ 絞り
６，６Ａ，６Ｂ 投影レンズ
７ スクリーン
１１，１１Ａ，１１Ｂ 第１形状可変ミラー
１２，１２Ａ，１２Ｂ 第２形状可変ミラー
１５，１５Ａ，１５Ｂ 理想ピント面
２１，２１Ｂ 上側基板
２２，２２Ｂ 下側基板
２３，２３Ｂ 可変ミラー膜
２４，２４Ｂ 上側電極
２５，２５Ｂ 可変ミラー電極
２６，２６Ｂ 開口
２７，２７Ｂ 下側電極
３１ 画像投影装置
３２ 可変自由曲面レンズ
４０Ａ，４０Ｂ 投影範囲
４１Ａ，４１Ｂ 投影指標

Claims (7)

1. 画像表示素子と、該画像表示素子に表示された画像をスクリーンに投影する投影光学系とを有する画像投影装置において、
   上記投影光学系に、少なくとも上記スクリーンに投影される画像を光学的に幾何補正する光学特性可変光学手段を設けたことを特徴とする画像投影装置。
2. 上記光学特性可変光学手段は、上記スクリーンに投影される画像の幾何補正と、上記スクリーンの形状に対応する投影画像のピント補正とを行うように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
3. 上記光学特性可変光学手段は、形状可変ミラーを有することを特徴とする請求項１または２に記載の画像投影装置。
4. 上記光学特性可変光学手段は、可変自由曲面レンズを有することを特徴とする請求項１または２に記載の画像投影装置。
5. 上記光学特性可変光学手段は、上記スクリーンに投影される画像の主に幾何補正を行う静電駆動方式の第１形状可変ミラーと、上記スクリーンの形状に対応する投影画像の主にピント補正を行う静電駆動方式の第２形状可変ミラーとを有することを特徴とする請求項２に記載の画像投影装置。
6. 複数台の画像投影装置によりスクリーン上に画像を合成して投影するマルチプロジェクションシステムにおいて、
   上記複数台の画像投影装置の各々が、請求項１〜５のいずれか一項に記載の画像投影装置からなり、各画像投影装置の上記光学特性可変光学手段により、少なくとも隣接する画像投影装置により上記スクリーンに投影される画像の重なり部分を合致させるように幾何補正するよう構成したことを特徴とするマルチプロジェクションシステム。
7. 上記スクリーンが、半球型ドーム、全天周型ドーム等のドーム状、アーチ状、円筒状等の湾曲した形状からなることを特徴とする請求項６に記載のマルチプロジェクションシステム。

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