JP2009237474A - 画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の複雑化や高価格化を招くことなく、高い画質の画像を投影することが可能な画像投影装置を提供する。
【解決手段】入力信号に応じて画像を表示する画像表示部と、画像表示部に表示された画像を投影する複数の投影光学系を有し、複数の投影光学系からの画像を繋ぎ合わせてドーム状のスクリーンに投影する画像投影装置であって、それぞれの投影光学系の射出瞳位置は、ドームの中心から該ドームの半径の２％以内の位置に配される。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像投影装置に関し、特に、ドーム状のスクリーンに画像を投影する画像投影装置に関する。

液晶等の画像表示部に生成された画像を光学系を介して投影する画像投影装置をプラネタリウムに導入するというアイデアが知られている。この種の画像投影装置は、動画による映像が容易に得られ、天体のみならず様々な画像を投影できる為、多彩な映像表現を行う上で極めて有用である。

しかしながら、１台の画像投影装置によりプラネタリウム等の巨大なドーム状のスクリーン（以下、ドームと称する）の投影面全面に画像を投影することを想定した場合、充分な照度を有する映像を得るには超高輝度の光源を有することになり、発熱による周辺部材への影響を考慮した場合に実用上支障を来たし、現在の技術では、実用上支障を来たさない画像投影装置を得ることは困難である。また、１台の画像投影装置によりドームの投影面全面に画像を投影する為、解像度も十分とは言えず、さらに、超広画角のレンズを用いなければならずコストの高騰を招くといった問題がある。

そこで、このような問題に対応する為、複数の画像投影装置を組み合わせて画像を投影する方法が種々検討されている。

例えば、ドームの中心周辺に複数の画像投影装置を配し、各々の画像投影装置からドームの投影面に同一の画像を重ねて投影することにより、投影された映像の照度を高める方法が知られている（特許文献１参照）。

また、ドームの中心部に複数の画像投影装置を放射状に配し、各々の画像投影装置による画像を、該画像投影装置に近接、または一体化した球面ミラーによる反射を介して繋ぎ合わせてドームの投影面に投影することにより、投影された映像の照度、及び解像度を高める方法が知られている（特許文献２参照）。
特開２００２−３４１４７５号公報 特開２００５−３１２７０号公報

特許文献１に開示されている画像投影装置においては、投影された映像の照度は高められる。しかしながら、１台の画像投影装置が受け持つドームの投影面の大きさはドーム全面であることには変わらない。この為、解像度は高まらない。また、各々の画像投影装置は、ドームの中心からずれた位置に配されているので、ドームの投影面に投影された映像には、歪曲が発生するという問題がある。

特許文献２に開示されている画像投影装置においては、投影された映像の照度、及び解像度は高められる。しかしながら、球面ミラーの位置がドームの中心より大幅に低い位置に配されていることから、画像投影装置の射出瞳がドームの中心から大きく隔たった位置に配されることになる。その結果、ドームの投影面に投影された映像には、歪曲が発生するという問題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、装置の複雑化や高価格化を招くことなく、高い画質の画像を投影することが可能な画像投影装置を提供することを目的とする。

上記目的は、下記の１乃至１０の何れか１項に記載の発明によって達成される。

１．入力信号に応じて画像を表示する画像表示部と、
前記画像表示部に表示された画像を投影する複数の投影光学系を有し、
前記複数の投影光学系からの画像を繋ぎ合わせてドーム状のスクリーンに投影する画像投影装置であって、
それぞれの前記投影光学系の射出瞳位置は、ドームの中心から該ドームの半径の２％以内の位置に配されることを特徴とする画像投影装置。

２．前記射出瞳位置は、ドームの中心に配されることを特徴とする前記１に記載の画像投影装置。

３．前記投影光学系は、ｆθ特性を有することを特徴とする前記１または２に記載の画像投影装置。

４．前記射出瞳位置は、前記投影光学系の内に配され、
それぞれの前記投影光学系の光軸は、前記射出瞳位置の近傍で交差することを特徴とする前記１乃至３の何れか１項に記載の画像投影装置。

５．前記射出瞳位置は、前記投影光学系の内に配され、
それぞれの前記投影光学系の光軸は、互いにねじれの関係にあり、前記射出瞳位置の近傍で近接することを特徴とする前記１乃至３の何れか１項に記載の画像投影装置。

６．前記投影光学系は、前記画像表示部に表示された画像の中間像を結像する第１の光学系と、
前記中間像を再結像する第２の光学系と、を有する再結像系であり、
前記射出瞳位置は、前記投影光学系の外に配され、
それぞれの前記投影光学系の光軸は、前記射出瞳位置の近傍で交差することを特徴とする前記１乃至３の何れか１項に記載の画像投影装置。

７．前記投影光学系は、投影光を反射して前記ドーム状のスクリーンに投影するドームの中心近傍に配された曲面ミラーを有することを特徴とする前記１または２に記載の画像投影装置。

８．前記投影光学系は、該投影光学系の光軸を折り曲げるミラーを有することを特徴とする前記１乃至７の何れか１項に記載の画像投影装置。

９．前記複数の投影光学系を一体として保持する筐体を有することを特徴とする前記１乃至８の何れか１項に記載の画像投影装置。

１０．前記第１の光学系は屈折光学系であり、前記第２の光学系は凹面ミラーであることを特徴とする前記６に記載の画像投影装置。

本発明によれば、投影光学系の射出瞳位置をドームの中心近傍に配したので、全ての投影光学系の射出瞳からドームの投影面までの距離が等しくなり、投影される画像のドームの投影面における歪曲を抑えることができる。また、複数の投影光学系を備えることにより、各々の投影光学系に必要な画角が小さくなり、コストを抑えることができる。

以下図面に基づいて、本発明に係る画像投影装置の実施の形態を説明する。尚、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。

最初に、画像投影装置１Ａに設けられた投影光学系１１の射出瞳位置Ｅ１とドームＤの投影面に投影される映像の歪曲との関係について図１を用いて説明する。図１に示すように、半径ＲのドームＤにおいて天頂Ｐ０より４５度の点Ｐ１に向けて投影する時、投影光学系１１の射出瞳位置Ｅ１をドームＤの中心Ｃよりｔ・Ｒだけ下の位置に配する。このとき天頂Ｐ０から４５度の点Ｐ１までの投影に必要な画角をθ、４５度の点Ｐ１から水平線Ｈまでの投影に必要な画角をφとすると、θ、φは、それぞれ下記式（１）、（２）で表される。

式（１）、式（２）において、例えば、ｔ＝０．０５の場合、θとφの大きさが約２．４％異なる。またｔ＝０．１ではその差は約４．５％となり、ドームＤの投影面に投影される映像に歪曲が発生する。かかる歪曲は１％以下抑えるのが望ましく、その為にはｔ＜０．０１９５としなくてはならない。そこで、本発明に係る画像投影装置１Ａの投影光学系１１の射出瞳位置Ｅ１は、ドームＤの中心Ｃから、該ドームＤの半径Ｒの２％以内の位置に配する構成とする。

次に、複数の投影光学系からの画像を繋ぎ合わせてドームＤのスクリーン（投影面）に投影する場合、用いる投影光学系の数について説明する。投影光学系を複数用いた場合でも各々の投影光学系が天頂Ｐ０から水平線Ｈまでを投影する必要があるので、半画角は最小でも４５度必要である。その為、水平方向の半画角も同様に４５度になるので、３６０度全体を投影する為には投影光学系を４つ用いた場合が最も効率的となる。同じ投影光学系を４つ用いてドームＤの投影面全体に画像を投影する為には、隣接する投影光学系からの投影光の光軸同士がなす角度が約７０度、それぞれの投影光学系に必要な半画角が約５５度になるような配置にすればよい。投影光学系に必要な画角は、単眼式で半画角が９０度必要であることに比べて後述の本実施形態による画像投影装置１Ａでは約５５度と小さく抑えることができるので、投影光学系の設計が容易になるとともにコストを抑えることができる。
〔実施形態１〕
図２に実施形態１による画像投影装置１Ａの構成を示す。図２（ａ）は、画像投影装置１Ａの概略構成を示す側断面図、図２（ｂ）は、平面図、図２（ｃ）は、画像投影装置１Ａを用いてドームＤの投影面に映像を投影した状態を示す側面図である。

図２（ｂ）に示すように、画像投影装置１Ａは、互いの投影方向を放射方向に向けてドームＤの中心Ｃ近傍に放射状に配された投影ユニット１〜４を有する。

投影ユニット１（以下、投影ユニット２、３、４も同様）は、図２（ａ）に示すように、光源１５、照明光学系１６、画像表示部１７、投影光学系１１等を有する。

光源１５は、画像表示部１７を照明する光源である。

照明光学系１６は、光源１５の光を画像表示部１７に導くケーラー照明系であり、図示しないインテグレータ光学系により画像表示部１７を均一な光量で照明している。

画像表示部１７は、画像を表示する透過型あるいは反射型の液晶表示素子やＤＭＤ（マイクロミラーデバイス）等を用いることができる。図２では、画像表示部１７が透過型の例を示している。

投影光学系１１は、投影レンズ１０１〜１０３及び絞り１０５等から構成され、画像表示部１７に表示された画像をドームＤの投影面に投影する。尚、投影レンズ１０１〜１０３はｆθレンズが好適である。これにより、ドームＤの投影面に投影される映像の中心部に対する周辺部の歪曲を抑えることができる。

このような構成の画像投影装置１Ａにおいて、図２（ａ）に示すように、投影光学系の内部に射出瞳位置Ｅ（図２（ａ）では、Ｅ１、Ｅ２）が配された４つの投影ユニット１〜４を用いて、ドームＤの投影面全面に画像を投影する。投影光学系の内部に配された射出瞳位置Ｅ近傍にレンズ等の光学素子を配しない設計にすることにより、射出瞳位置Ｅ近傍で投影光学系の光軸Ｌ同士を交差させることができる。このようにして組み合わせた投影光学系を、それぞれの光軸Ｌが射出瞳位置Ｅ近傍で交差するように組み合わせ、更に図２（ｃ）に示すように、光軸Ｌ（図２（ｃ）ではＬ１、Ｌ２）同士の交点ＸがドームＤの中心Ｃの近傍に位置するように配する。これにより、全ての投影光学系の射出瞳位置ＥがドームＤの中心Ｃ近傍に配される為、射出瞳位置ＥからドームＤの投影面上の全ての点までの距離が略等しくなり、歪曲の少ない画像をドームＤの投影面に投影することができる。また、投影光学系同士を交差させることにより、装置全体をコンパクトに纏めることができる。また、投影ユニット１〜４を、一体として保持する図示しない筐体に配することにより、筐体に画像分割手段等も内包できるので装置の取り扱いを容易にすることができる。
〔実施形態２〕
図３に実施形態２による画像投影装置１Ａの構成を示す。図３（ａ）は、投影ユニット１の概略構成を示す側断面図、図３（ｂ）は、画像投影装置１Ａの構成を示す斜視模式図である。実施形態２による画像投影装置１Ａにおける投影ユニット１（以下、投影ユニット２、３、４も同様）の構成は、図３（ａ）に示すように、実施形態１の場合と同様でありその説明は省略する。実施形態２による画像投影装置１Ａは、図３（ｂ）に示すように、４つの投影ユニット１〜４のそれぞれの投影光学系の光軸Ｌが互いにねじれの関係にあり、射出瞳位置Ｅ近傍で近接するように構成されている。光軸Ｌが互いに射出瞳位置Ｅ近傍で近接する構成にすることにより投影光学系の設計が容易になる。図３（ａ）に示すように、射出瞳位置Ｅが投影光学系の内部に配された４つの投影ユニット１〜４用い、図３（ｂ）に示すように組み合わせることにより、ドームＤの投影面全体に画像を投影することができる。このような構成により、全ての投影光学系の射出瞳位置ＥをドームＤの中心Ｃ近傍に配することができ、容易な設計で歪曲の少ない画像をドームＤの投影面に投影することができる。
〔実施形態３〕
図４に実施形態３による画像投影装置１Ａの構成を示す。図４（ａ）は、投影ユニット１の概略構成を示す側断面図、図４（ｂ）は、画像投影装置１Ａの構成を示す斜視模式図である。実施形態３による画像投影装置１Ａにおける投影ユニット１（以下、投影ユニット２、３、４も同様）の構成は、実施形態２の変形例であり、図４（ａ）に示すように、投影光学系１１に、光軸Ｌを折り曲げる平面ミラー１０７が設けられている。投影光学系１１の光軸Ｌを折り曲げることにより、装置全体をコンパクトに纏めることができる。図４（ａ）に示すように、投影光学系１１の内部に平面ミラー１０７を配することにより光軸Ｌを折り曲げた４つの投影ユニット１〜４用い、図４（ｂ）に示すように組み合わせることにより、ドームＤの投影面全体に画像を投影することができる。このような構成により、実施形態２の場合と同様に、容易な設計で歪曲の少ない画像をドームＤの投影面に投影することができる。また、装置全体をコンパクトに纏めることができる。
〔実施形態４〕
図５に実施形態４による画像投影装置１Ａの構成を示す。図５（ａ）は、画像投影装置１Ａを用いてドームＤの投影面に映像を投影した状態を示す側面図、図５（ｂ）は、画像投影装置１Ａの概略構成を示す側断面図である。

実施形態４による画像投影装置１Ａにおける投影光学ユニット１（以下、投影ユニット２、３、４も同様）の投影光学系１１の射出瞳位置Ｅは、後述の再結像系により投影光学系１１の外部に配されている。

ここで再結像系とは、画像表示部１７に表示された画像を第１の光学系（投影レンズ１０１〜１０３、絞り１０５）を介して一旦中間像として結像させ、該中間像を第２の光学系（凹面ミラー１０８）を介してドームＤの投影面に結像させるものである。再結像系を用いると、元の画像を第１の光学系を用いて結像させる過程で画像の大きさや画角、レンズバック等を調整することにより、第２の光学系の設計をより容易に行うことができる。

図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、ドームＤの水平線Ｈより下側にドームＤの中心Ｃ方向に向けて配した屈折光学系（投影レンズ１０１〜１０３、絞り１０５）で一旦結像された中間像の像光を、ドームＤの中心Ｃより少し下側に配した凹面ミラー１０８で反射させ、ドームＤの中心Ｃ近傍に配した絞り１０６を介して、ドームＤの投影面に再結像させる。

このとき射出瞳位置Ｅ（図５（ｂ）では、Ｅ１、Ｅ２）は、それぞれ絞り１０６、２０６の位置にあるので、４つの投影光学系の射出瞳位置Ｅを揃える為には絞りをできるだけドームＤの中心Ｃの近傍に配する構成とする。

このような構成により、射出瞳位置Ｅをレンズ等の光学素子がない空間に配することができる為、光軸Ｌを射出瞳位置Ｃで交差させることが容易になる。また４つの投影光学系はドームＤの中心Ｃ方向に向けて配置されるので、それぞれが干渉しないようにすることが容易である。

また、屈折光学系と凹面ミラーをドームＤの水平線Ｈより下側に配した場合、投影光全てが遮られずにドーム面に投影される。

また、凹面ミラーの反射を介して投影する為、凹面ミラーの形状で投影画角の調整が可能であり、屈折光学系で画角を大きく広げる必要はない。この為、歪曲の補正等が有利になり、投影光学系を少ないレンズ枚数で構成することができる。また、径の大きなレンズを用いる必要がない。この為、投影光学系のサイズを小さく纏めることができ、コストを抑えることができる。
〔実施形態５〕
図６に実施形態５による画像投影装置１Ａの構成を示す。図６（ａ）は、画像投影装置１Ａを用いてドームＤの投影面に映像を投影した状態を示す側面図、図６（ｂ）は、画像投影装置１Ａの概略構成を示す側断面図である。

実施形態５による画像投影装置１Ａにおける投影光学ユニット１（以下、投影ユニット２、３、４も同様）の投影光学系１１には、図６（ｂ）に示すように、屈折光学系（投影レンズ１０１〜１０３、絞り１０５）からの投影光を反射する凸面ミラー１０９が配されている。凸面ミラー１０９は、ドームＤの中心Ｃ近傍に配置され、ドームＤの水平線Ｈより下側に配された屈折光学系からの投影光を反射し、ドームＤの投影面に投影する。このとき投影光学系１１の射出瞳位置Ｅ１は、屈折光学系の射出瞳位置を凸面ミラー１０９に対して反転した（対称な）位置にある。この為、射出瞳位置Ｅ（図６（ｂ）では、Ｅ１、Ｅ２）周辺には鏡やレンズなどの光学素子が存在せず、４つの投影光学系を組み合わせた場合でも投影光学系同士の干渉がなく、全ての投影光学系の射出瞳位置Ｅを同じ位置に揃えることができる。

このように、射出瞳位置ＥがドームＤの中心Ｃ近傍に配されることにより、ドームＤの投影面全面に歪曲の少ない画像を投影することができる。

また、投影光学系と凸面ミラーをドームＤの水平線Ｈより下側に配した場合、投影光全てが遮られずにドーム面に投影される。

また、反射により投影画角の調整が可能な為、屈折光学系での画角を大きくする必要はなく歪曲の補正等が有利になり設計が容易になるとともに、光学系を少ないレンズ枚数で構成することが可能になりコストを抑えることができる。

また、径の大きなレンズを用いる必要がない。この為、投影光学系のサイズを小さく纏めることができ、コストを抑えることができる。

また、４つの投影光学系はドームＤの中心Ｃ方向に向けて配されるので、それぞれが干渉しないようにすることが容易である。

さらに、非球面の凸面ミラーを用いると、投影光の画角を広げるとともに、種々の収差を抑えることもでき、特に反射系では色収差が発生しないという利点もある。

尚、以上説明した実施形態において、共軸系の投影光学系を用いた場合、それぞれの投影光学系からはドームの投影面に円形の画像が投影される為、隣接する投影光学系による映像同士が境界付近で重なり合ってしまうことが予想される。そこで、これを防ぐ為、投影光学系に遮光板を付加する方法が挙げられ、投影光学系を４つ用いた場合、この遮光板は非円形である必要がある。

このように、本発明の実施形態に係る画像投影装置１Ａにおいては、投影光学系の射出瞳位置ＥをドームＤの中心Ｃ近傍に配したので、全ての投影光学系の射出瞳位置ＥからドームＤの投影面までの距離が等しくなり、投影される画像のドームＤの投影面における歪曲を抑えることができる。また、複数の投影光学系を備えることにより、各々の投影光学系に必要な画角が小さくなり、コストを抑えることができる。

本発明の実施形態に係わる画像投影装置の射出瞳位置とドームの投影面に投影される映像の歪曲との関係を説明する模式図である。 本発明の実施形態１に係わる画像投影装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態２に係わる画像投影装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態３に係わる画像投影装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態４に係わる画像投影装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態５に係わる画像投影装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１Ａ 画像投影装置
１，２，３，４ 投影ユニット
１１ 投影光学系
１０１，１０２，１０３ 投影レンズ
１０５，１０６，２０６ 絞り
１０７ 平面ミラー
１０８，２０８ 凹面ミラー
１０９，２０９ 凸面ミラー
１５ 光源
１６ 照明光学系
１７ 画像表示部
Ｄ ドーム
Ｅ 射出瞳
Ｌ 光軸

Claims (10)

1. 入力信号に応じて画像を表示する画像表示部と、
   前記画像表示部に表示された画像を投影する複数の投影光学系を有し、
   前記複数の投影光学系からの画像を繋ぎ合わせてドーム状のスクリーンに投影する画像投影装置であって、
   それぞれの前記投影光学系の射出瞳位置は、ドームの中心から該ドームの半径の２％以内の位置に配されることを特徴とする画像投影装置。
2. 前記射出瞳位置は、ドームの中心に配されることを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
3. 前記投影光学系は、ｆθ特性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. 前記射出瞳位置は、前記投影光学系の内に配され、
   それぞれの前記投影光学系の光軸は、前記射出瞳位置の近傍で交差することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の画像投影装置。
5. 前記射出瞳位置は、前記投影光学系の内に配され、
   それぞれの前記投影光学系の光軸は、互いにねじれの関係にあり、前記射出瞳位置の近傍で近接することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の画像投影装置。
6. 前記投影光学系は、前記画像表示部に表示された画像の中間像を結像する第１の光学系と、
   前記中間像を再結像する第２の光学系と、を有する再結像系であり、
   前記射出瞳位置は、前記投影光学系の外に配され、
   それぞれの前記投影光学系の光軸は、前記射出瞳位置の近傍で交差することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の画像投影装置。
7. 前記投影光学系は、投影光を反射して前記ドーム状のスクリーンに投影するドームの中心近傍に配された曲面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。
8. 前記投影光学系は、該投影光学系の光軸を折り曲げるミラーを有することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の画像投影装置。
9. 前記複数の投影光学系を一体として保持する筐体を有することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の画像投影装置。
10. 前記第１の光学系は屈折光学系であり、前記第２の光学系は凹面ミラーであることを特徴とする請求項６に記載の画像投影装置。

Images