JP2007011198A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 投射型画像表示装置においてオートフォーカスを行うには、専用のパターンを投射したり、画像の投射中にフォーカス制御を行うので、観察者に違和感を与える。
【解決手段】 入力映像信号において、あらかじめパッシブ型測距センサが撮像する投射画像の領域にあたる領域の画像を分析し、測距に適した先鋭度の高い画像の時に測距を行い、測距に適さない先鋭度の低い画像の時に測距しておいた測距値に基づいてフォーカス制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は投射型表示装置に関し、投射型表示装置におけるオートフォーカスの制御に関する。

一般に液晶パネル等の光変調素子を用いて光を変調し、映像をスクリーンに投射する投射型画像表示装置において、投射画像のフォーカス調整を自動で行うオートフォーカス手段を用いた技術がある。

このようなオートフォーカス手段としては、ある間隔を持つ二つのラインセンサでスクリーンに投射した画像の一部を撮像し、撮像した画像の視差量からスクリーンまでの距離を測距し、その測距値に基づいて投射レンズのフォーカス調整を自動で行うものがある。

図３は測距センサの構造を表した図である。ここで３０１と３０２は撮像光学系、３０３と３０４はラインセンサである。撮像光学系３０１と３０２の光軸は平行となるように構成されている。ラインセンサ３０３と３０４は同一水平線上に並び、撮像光学系３０１と３０２の光軸の中心がセンサの中心になるような位置に構成されている。それぞれの光軸はある距離をおいて配置されることから二つのラインセンサの撮像する画像は視差を持つことになる。

図４は図３の測距センサを構成する視差を持つ二つのラインセンサによる測距について説明した図である。３０１と３０２は光学像を結像する撮像光学系であり、ラインセンサ３０３と３０４には同一被写体が結像される。１０５は投射画像が表示されるスクリーンである。

ここでスクリーン１０５が無限遠にある場合、被写体を撮像する光軸は平行となりラインセンサ３０３、３０４の中心に来る。しかし撮像光学系３０１と３０２とスクリーン１０５までの距離が有限遠の場合には光軸に視差によるずれが発生する。

撮像光学系３０１・３０２とスクリーン１０５の距離をｄ、撮像光学系３０１・３０２とラインセンサ３０３・３０４の距離をｆ、ラインセンサ３０３と３０４の中心の距離をｓ、ラインセンサ３０３と３０４とスクリーン１０５のなす角である輻輳角をθ、輻輳角θをなす光軸とラインセンサ３０３の中心とのずれ量をｅとする。

撮影光学系３０１と３０２とスクリーン１０５で構成する３角形と、撮影光学系３０１とラインセンサ３０３の中心とラインセンサ３０３のズレ位置で構成する３角形は相似であるので、
ｄ／ｓ＝ｆ／ｅ、すなわちｄ＝（ｆ・ｓ）／ｅ………（式１）となる。

撮像光学系３０１・３０２とラインセンサ３０３・３０４の距離であるｆと、ラインセンサ３０３と３０４の中心の距離であるｓは分かっているので、輻輳角θとなす光軸とラインセンサ中心とのずれ量であるｅを測定することにより、一義的にスクリーン１０５までの距離であるｄを算出することができる。

図５は二つのラインセンサで有限遠にあるスクリーン１０５を撮像したときのセンサ出力を表した図である。ここでラインセンサ３０３とラインセンサ３０４にはお互いに視差のある光学像が結像する。そしてラインセンサであるために、この光学像の１ライン分だけを切り出して出力する。するとお互い視差によりズレ量ｅだけずれた信号が出力される。そして検出した画像のエッジを比較してズレ量ｅを検出し、このズレ量ｅから前記式１よりスクリーン１０５までの距離ｄを測定することができる。
特開２００４−００４３３８号公報

スクリーン１０５に投射した画像を視差を持つ二つのラインセンサ３０３・３０４で撮像しスクリーン１０５までの測距を行うとき、ラインセンサが検出した二つの画像のズレ量ｅから視差量を検出する。

ここでスクリーン１０５に対してラインセンサ３０３・３０４が撮像する領域に先鋭度の高い画像が投射されている場合には、二つのラインセンサ３０３・３０４により画像のエッジの検出が容易になるため、それぞれのラインセンサ３０３・３０４が撮像した二つの画像のエッジのズレ量ｅを検出してスクリーン１０５までの距離を算出することができる。

しかしラインセンサ３０３・３０４が撮像する領域に先鋭度の低い画像が投射されている場合には、ズレ量ｅを検出するためのエッジを検出することが難しくなる。また、スクリーン１０５の置かれた環境が外光や電灯などにより明るい場合のときも同様に先鋭度が低くなってしまい、ズレ量ｅを検出するためのエッジを検出することが難しくなる。

ここで図６と図７において投射画像の先鋭度の要因の一つであるコントラスト比について説明する。図６と図７は図５のラインセンサ３０３・３０４出力信号の一部を拡大した図である。各ラインセンサ３０３・３０４は投射された画像の同じ領域を撮像しており、ラインセンサからスクリーン１０５までの距離に応じた視差によるズレを持つ光学像による信号を出力する。

ここで実線と破線は各ラインセンサ３０３・３０４の出力を表している。そしてお互いのラインセンサ３０３・３０４からの出力信号には、スクリーン１０５に投射された画像だけではなくラインセンサ３０３・３０４自体の感度や温度特性のばらつき等からオフセットを持つ。またスクリーン１０５の右もしくは左から電灯の明かりや外光がスクリーン１０５に照射されている場合にはシェーディングも発生する。

図６は投射画像のスクリーン１０５上でのコントラスト比が高い場合の図である。投射画像のコントラスト比が十分に高く、エッジの立ち上がりや立ち下がりが十分に早い場合には、オフセットやシェーディングが与える影響が相対的に小さくなるため、二つのラインセンサ３０３・３０４間の視差によるズレ量ｅを比較的容易に検出することができる。

図７は投射画像のスクリーン１０５上でのコントラスト比が低い場合の図である。ここではもともと投射される画像のコントラスト比が低かったり、スクリーン１０５にあたる照明や外光等による影響によってコントラスト比が低くなってしまった場合の出力を表している。

二つのラインセンサ３０３・３０４間のオフセットやシェーディングの量が図６と同じでも、投射画像のエッジがオフセットやシェーディングに埋もれてしまい、二つの画像のエッジ間隔すなわち視差による画像のズレ量ｅを検出することが難しくなってしまう。

この場合エッジの誤検出によりズレ量ｅを誤検出し、その誤検出したズレ量ｅにより算出したスクリーン１０５までの測距値に基づいて投射レンズのフォーカス制御を行うと、スクリーン１０５に表示されている画像がピンぼけとなってしまい、大変見苦しいものとなってしまう。

そのため例えばオートフォーカスボタンを設け、操作者が望んだタイミングでオートフォーカス制御を行うものがある。この場合は操作者がスクリーン１０５に投射されている画像を見ながらオートフォーカスボタンを制御するので、操作者がフォーカス制御に都合の良い画像が表示されるタイミングを見つけて操作すれば良い。

しかしスクリーン１０５や投射型表示装置の配置位置を変えたり、ズーム率を操作したり、電源を入れてからの温度変化による光学系の温度特性によるフォーカスずれのたびに、操作者が表示されている画像を観察しながら最適なタイミングでフォーカス調整ボタンを操作しなくてはならず煩雑で面倒な操作であり、できれば全て自動的に行なわれることが望まれる。

特許文献１のプロジェクタにおいては、入力映像信号による投射画像が測距に適しているときには測距を行いその測距値に基づいてフォーカス制御を行う。また入力映像信号による投射画像が測距に適していないときには測距専用のパターンを持つ画像をＲＯＭから読み出して投射して測距を行う。また入力映像信号による投射画像が測距に適していないときには予備的なフォーカス駆動を行う。

しかしプロジェクタの電源投入時や初期設定時などならば測距専用のパターンを投射して測距するのは問題無いが、画像を投射しているときに投射レンズを含む光学系の温度特性によるフォーカスのずれや、プロジェクタの位置を動かした時など、そのたびごとにいままで投射していた画像が測距専用のパターンに切り替わると観察者は違和感を感じてしまう恐れがある。

また測距専用のパターンは投射せずに測距に適さない画像が投射されている場合には予備的なフォーカス制御を行い、測距に適した画像が投射されたときに測距を行いフォーカス制御を行う制御も記述されている。

しかし、測距に適した画像が投射されているときには、投射画像を観察・鑑賞している者にとってもフォーカスのずれが判別しやすい。そのため、投射画像のフォーカスのずれが判別しやすい先鋭な画像を観察・鑑賞している時にフォーカス制御を行うと、やはり観察者は違和感を感じてしまう恐れがある。

そのため本発明の投射型表示装置は、光源と、該光源からの光を変調する光変調手段と、該光変調手段で変調された光を被投射面に投射する投射光学系と、撮像した画像に応じた信号を出力する二つのラインセンサからなる測距センサと、該光変調手段に与える映像信号の先鋭度を判断する画像解析回路と、投射光学系のフォーカス調整を行うフォーカスレンズ駆動手段を持ち、該画像解析回路が入力映像信号による画像が測距に適していると判断したときには測距を行い、該画像解析回路が入力映像信号による画像が測距に適していないと判断したときには該フォーカス制御回路があらかじめ記憶していた測距値に基づきフォーカス駆動回路を制御することを特徴とする。

また本発明の投射型表示装置は、該画像解析回路は該測距センサが撮像する領域の画像の先鋭度を判断することを特徴とする。

本発明によれば、投射型表示装置において温度特性や配置位置の移動によるフォーカスのずれも、投射画像の先鋭度の高いときに測距を行うだけであり、投射画像の先鋭度の低いとき、すなわち観察・鑑賞者にとってもフォーカスのずれを判別しにくいときにフォーカス制御を行うことにより、操作者はフォーカス制御において操作は不要であり、しかも観察・鑑賞者にとっても自然なフォーカス制御を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に示す一実施例に基づき説明する。

図１は本発明の一実施例を表した図であり、１０１は投射型表示装置の光源、１０２は光変調素子である透過型液晶パネル、１０３は入力された映像信号に基づいて透過型液晶パネル１０２を駆動する液晶パネル駆動回路、１０４は透過型液晶パネル１０２で変調した光を投射・結像させる投射光学系、１０５は投射光学系１０４から投射された投射画像を表示するスクリーン、１０６は測距センサ、１０７は入力された画像の先鋭度を判断する画像解析回路、１０８は測距センサ１０６から入力された測距情報と画像解析回路１０７から入力された画像の先鋭度情報によりフォーカス駆動を制御するフォーカス制御回路、１０９はフォーカス制御回路１０８からのフォーカス制御信号に基づいて投射光学系１０４の図示しないフォーカスレンズを駆動するフォーカスモータである。

ここで光変調素子１０２として透過型液晶パネルを用いたが、透過型液晶パネルに限定するものではなく反射型のデバイスでも良い。

液晶パネル駆動回路１０３に映像信号が入力されると透過型液晶パネル１０２を駆動する。透過型液晶パネル１０２は光源１０１から入力された光を変調して透過させる。変調された光は投射光学系１０４によりスクリーン１０５に表示画像として投射され結像される。スクリーン１０５に投射された画像を測距センサ１０６が撮像して測距を行う。

ここで測距センサ１０６の構造は図３で述べた通りであり、同一水平線上にラインセンサが二つ並んでおり、同一方向を撮像している。そしてあらかじめスクリーン１０５に投射された投射画像の中心を横切る線に沿って測距センサ１０６の二つのラインセンサが撮像するように配置されている。測距センサ１０６の二つのラインセンサから出力された信号はフォーカス制御回路１０８に入力される。

また入力された映像信号は液晶パネル駆動回路１０３だけではなく、画像解析回路１０７にも入力される。ここで画像解析回路１０７は入力された映像信号を解析する。すなわち、入力された映像信号による画像における測距センサ１０６の二つのラインセンサが撮像する投射画像の中心を横切る領域の画像を解析し、その領域に表示する画像に測距に適した画像が含まれているかどうか判断する。

図２はスクリーン１０５に投射される表示画像と、測距センサ１０６が撮像する領域と、画像解析回路１０７が画像を解析する領域を表した図である。

ここで１０５はスクリーン、２０１はスクリーン１０５に投射された投射画像、２０２は画像解析回路１０７が入力映像信号による画像を解析する画像解析領域、２０３は測距センサ１０６が撮像する測距センサ撮像領域である。

ここから分かるように、画像解析回路１０７は測距センサ１０６が撮像する領域を含む領域の入力映像信号による画像を解析している。

図６と図７は測距センサ１０６が撮像している領域のコントラスト比が高いときと低いときの出力について説明した図であり前述の通りである。

ここで図６のようにスクリーン１０５に投射された表示画像のコントラスト比が高く画像の先鋭度が高い場合には、測距センサ１０６の二つのラインセンサから出力される二つの信号の出力のレベルがノイズやシェーディングよりも十分に大きくエッジの検出が容易なため、視差によって生じる二つの出力信号のエッジのズレから測距を良好に行うことができる。

しかし図７のように表示画像のコントラスト比が低い画像の先鋭度が低い場合には、測距センサ１０６の二つのラインセンサから出力される二つの信号の出力のレベルがノイズやシェーディングに埋もれて、視差によって生じる二つの出力信号のエッジのズレを精度良く検出できず誤検出してしまう。

そこで本発明では、画像解析回路１０７において測距センサ１０６が撮像する投射画像の中心を横切る領域の画像を解析し、入力映像信号によるその領域の画像が測距に適しているかどうかを判断する。

ここで画像解析回路１０７は入力された映像信号の画像としての先鋭度を判断する。簡単には映像信号の微分出力を測定して、微分出力の成分が多い場合には先鋭度が高いと判断する。

また、より詳しくは数種類の通過帯域を持つフィルタを組み合わせ、入力映像信号の周波数成分を測定する。高い周波数成分が多いときには画像の先鋭度が高いと判断する。

同時に画像解析回路１０７は入力映像信号のレベルを測定して入力された画像が明るいか暗いかを判断し、先の微分出力もしくはフィルタ出力による画像先鋭度とあわせて総合的に画像の先鋭度を判断する。

入力された映像信号による画像が暗い場合には、実際には被写体がはっきり結像されておらず測距センサ１０６が測距を行えないような状況でもノイズによる高周波成分が発生している可能性があるからであり、微分出力もしくはフィルタ出力により入力映像信号の高周波成分が多い場合でも、入力映像信号の画像解析領域２０２の明るさを測定することにより画像暗部のノイズによるものかどうかを判断することができる。

入力映像信号による画像が明るく先鋭度が高い場合には、スクリーン１０５に投射された投射画像には測距に適したエッジ成分が多いと考えられる。

測距センサ１０６よる投射画像の画像解析領域２０２の解析結果は、画像解析回路１０７からフォーカス制御回路１０８に入力される。フォーカス制御回路１０８において画像解析回路１０７からの解析結果より、画像解析領域２０２の画像が明るく先鋭度が高い場合には測距に適した映像信号が投射されていると判断して、測距センサ１０６が測距した測距値を記憶する。

そして、フォーカス制御回路１０８において画像解析回路１０７からの解析結果より、画像解析領域２０２の画像が測距をするには暗いか、もしくは先鋭度が低い場合には測距に適した映像信号が投射されていないと判断して、測距センサ１０６が測距した測距値は記憶しない。

しかし測距に適さない映像信号が投射されている場合には、観察者にとっても少しくらいのフォーカスの動きやずれは気にならない。そのため、フォーカス制御回路１０８は測距に適さない映像信号が投射されているときに、あらかじめ記憶しておいた測距値に基づきフォーカスモータ１０９を制御して投射光学系１０４のフォーカスレンズを駆動してフォーカスをあわせるよう制御する。

図８は本発明の処理のフローチャートである。まず８０１で映像信号を入力する。８０２において入力映像信号による画像の先鋭度を解析する。８０３において解析した画像の先鋭度が高く測距に適しているか判断する。画像の先鋭度が高く測距に適している場合には８０４において測距を行いフォーカス制御回路において測距値を記憶し、また８０２に戻る。８０３において解析した画像の先鋭度が低く測距に適さない場合には８０５においてフォーカス制御回路にあらかじめ測定した測距値が記憶されているかどうか判断する。測距値が記憶されている場合には８０６において記憶されていた測距値に基づいてフォーカス制御を行う。また過去に測距が行われておらずフォーカス制御回路に測距値が記憶されていない場合には８０２に戻る。

本発明の一実施例を表した図 スクリーンに投射される表示画像と、測距センサが撮像する領域と、画像解析回路が画像を解析する領域を表した図 測距センサの構造を表した図 測距センサを構成する視差を持つ二つのラインセンサによる測距について説明した図 二つのラインセンサで有限遠にあるスクリーン１０５を撮像したときのセンサ出力を表した図 投射画像のスクリーン上でのコントラスト比が高い場合の図 投射画像のスクリーン上でのコントラスト比が低い場合の図 本発明の処理のフローチャートを表した図

符号の説明

１０１ 光源
１０２ 透過型液晶パネル
１０３ 液晶パネル駆動回路
１０４ 投射光学系
１０５ スクリーン
１０６ 測距センサ
１０７ 画像解析回路
１０８ フォーカス制御回路
１０９ フォーカスモータ
２０１ 投射画像
２０２ 画像解析領域
２０３ 測距センサ撮像領域
３０１ 撮像光学系
３０２ 撮像光学系
３０３ ラインセンサ
３０４ ラインセンサ

Claims (3)

1. 光源と、該光源からの光を変調する光変調手段と、該光変調手段で変調された光を被投射面に投射する投射光学系と、撮像した画像に応じた信号を出力する二つのラインセンサからなる測距センサと、該光変調手段に与える映像信号による画像の先鋭度を解析する画像解析回路と、フォーカス制御を行うフォーカス制御回路と、該投射光学系のフォーカスレンズを駆動するフォーカスレンズ駆動回路を持ち、該画像判別回路による映像信号の先鋭度によりフォーカス制御を行うことを特徴とする投射型表示装置。
2. 請求項１記載の投射型表示装置において、該画像解析回路による入力映像信号による画像の先鋭度の解析結果により測距、もしくはあらかじめ記憶してあった測距値に基づき該フォーカスレンズを駆動することを特徴とする投射型表示装置。
3. 請求項１記載の投射型表示装置において、該測距センサの二つのラインセンサが投射画像の中心を水平方向もしくは垂直方向に横切るように撮像するよう配置することを特徴とする投射型表示装置。

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