JP2012098551A

JP2012098551A - プロジェクタ

Info

Publication number: JP2012098551A
Application number: JP2010246588A
Authority: JP
Inventors: Toru Iwane; 透岩根
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2030-11-02
Also published as: JP5549545B2

Abstract

【課題】プロジェクタを小型化する。
【解決手段】本発明によるプロジェクタは、複数の第１マイクロレンズが配列された第１マイクロレンズアレイと、投影用画素信号を出力する複数の表示画素が複数の第１マイクロレンズの各々に対応して配列される表示素子と、表示素子を照明して複数の表示画素から複数の投影光束を射出させる照明装置と、第１マイクロレンズアレイを透過した複数の表示画素からの複数の投影光束を投影面に投射して投影画像を投影する光学系と、光学系から投影面までの投影距離に対応して投影画像が合焦した状態で投影されるように投影用画素信号を生成する生成手段とを備え、表示素子と光学系とは第１マイクロレンズアレイに関して光学的共役関係にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、投影板に画像を投影するプロジェクタに関する。

外部スクリーンまでの距離を測定し、投影光学系のレンズを移動して合焦の状態で投影画像を外部スクリーンに投影するプロジェクタが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１３０２２５号公報

特許文献１に記載のプロジェクタによると、投影光学系を合焦の状態にするために、投影光学系のレンズを移動させる空間を確保する必要があり、プロジェクタを小型化することができないという問題があった。

本発明によるプロジェクタは、複数の第１マイクロレンズが配列された第１マイクロレンズアレイと、投影用画素信号を出力する複数の表示画素が複数の第１マイクロレンズの各々に対応して配列される表示素子と、表示素子を照明して複数の表示画素から複数の投影光束を射出させる照明装置と、第１マイクロレンズアレイを透過した複数の表示画素からの複数の投影光束を投影面に投射して投影画像を投影する光学系と、光学系から投影面までの投影距離に対応して投影画像が合焦した状態で投影されるように投影用画素信号を生成する生成手段とを備え、表示素子と光学系とは第１マイクロレンズアレイに関して光学的共役関係にある。

本発明によれば、プロジェクタを小型化することができる。

本発明の第１の実施の形態におけるプロジェクタの全体構成を示した断面図である。撮像素子およびマイクロレンズアレイの正面図である。投影装置の予定結像面から見たマイクロレンズと、そのマイクロレンズに対応する複数の表示画素を示した図である。プロジェクタ１００による投影画像の投影を説明するための図である。瞳分割型位相差検出方式を用いての焦点位置算出に用いられる撮像素子上の一対の受光素子領域の例を示す図である。焦点位置算出用投影画像の一例を示す図である。焦点位置算出用の表示画像が表示される複数の表示画素を含む領域の一例を示す図である。一対の受光信号の位相差の例を示す図である。極小値近傍における一対の受光信号の相関量を示す図である。本発明の第２の実施の形態におけるプロジェクタの全体構成を示した断面図である。

−−−第１の実施の形態−−−
本発明の第１の実施の形態におけるプロジェクタを説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態におけるプロジェクタ１００の全体構成を示した断面図である。図１において、プロジェクタ１００は、レンズおよび絞りを含む光学系１１０、光学素子１２０、マイクロレンズアレイ１３０、撮像素子１４０、焦点位置算出装置１５０、投影用画素信号生成装置１６０、照明装置１７０、表示素子１８０、マイクロレンズアレイ１９０を含む。

光学系１１０は、撮影レンズおよび絞りを含む。光学素子１２０は、投影スクリーン２００から光学系１１０を介して入射した入射光束を撮像素子１４０に向けて反射する。光学素子１２０によって反射された入射光束は、マイクロレンズアレイ１３０を介して、撮像素子１４０に入射する。マイクロレンズアレイ１３０には、複数のマイクロレンズが２次元状に配列されている。図２は、撮像素子１４０およびマイクロレンズアレイ１３０の正面図である。撮像素子１４０には、図２に示すように、複数の受光素子１４が配列されている。撮像素子１４０に配列された複数の受光素子１４は、撮像素子１４０に入射した入射光束を受光し、受光信号に光電変換する。撮像素子１４０は、その受光信号を焦点位置算出装置１５０へ出力する。各マイクロレンズ１３が覆う受光素子１４は、該マイクロレンズ１３を通過した入射光束を受光し、受光信号に光電変換する。

焦点位置算出装置１５０は、撮像素子１４０から出力された受光信号に基づいて、投影スクリーン２００の投影面の像の焦点位置を算出する。焦点位置算出装置１５０は、算出した焦点位置のデータを投影用画素信号生成装置１６０へ引き渡す。

投影面の像の焦点位置は、光学系１１０から投影スクリーン２００までの投影距離に依存する。投影スクリーン２００の投影面は、必ずしも光学系１１０の光軸１１００に垂直な平面とは限らない。図１には、投影スクリーン２００の投影面が曲面を形成している例を示している。このほか、投影スクリーン２００の投影面が光軸１１００に垂直でない場合や、投影面に凹凸または段差が生じている場合も考えられる。すなわち、投影画像を構成する複数の領域毎に投影距離が異なる場合がある。そこで、焦点位置算出装置１５０は、投影画像を構成する複数の領域毎に上述した焦点位置を算出する。これは、例えば、図２に示すマイクロレンズ１３が覆う一対の受光素子１４の一対の受光信号に基づく焦点位置算出を、マイクロレンズ１３毎に行うことによって実現できる。

投影用画素信号生成装置１６０は、焦点位置算出装置１５０によって算出された焦点位置と、予め被写体を撮影して撮像素子１４０から出力された受光信号とに基づいて、表示素子１８０上の複数の表示画素１８が出力する投影用画素信号を生成する。予め被写体を撮影して撮像素子１４０から出力された受光信号および投影用画素信号は、特開２００７−４４７１号公報に開示された画像合成に用いられる画像データに相当し、投影距離に応じて指定像面の位置が決定される。すなわち、この指定像面の位置が上述した焦点位置である。焦点位置における指定像面上の仮想画素に対応する表示素子１８０上の表示画素１８が出力する投影用画素信号が生成される。

図２は、表示素子１８０およびマイクロレンズアレイ１９０の正面図である。表示素子１８０には複数の表示画素１８が配列され、それらの複数の表示画素１８が、投影用画素信号生成装置１６０によって生成された投影用画素信号を出力する。表示素子１８０の背面に配置された照明装置１７０が、投影用画素信号を出力する複数の表示画素１８を照明することによって、それらの複数の表示画素１８の各々から投影光束が射出される。各マイクロレンズ１９が覆う表示画素１８からの投影光束は、該マイクロレンズ１９を通過する。こうして射出された投影光束は、マイクロレンズアレイ１９０および光学素子１２０を通過し、光学系１１０によって、投影スクリーン２００に投射される。その投影光束が投影スクリーン２００に投射されることによって、投影画像が投影される。

投影スクリーン２００、光学系１１０、光学素子１２０の各々に対して、撮像素子１４０と表示素子１８０とは等価な位置に配置されている。投影スクリーン２００、光学系１１０、光学素子１２０の各々に対して、マイクロレンズアレイ１３０とマイクロレンズアレイ１９０とは等価な位置に配置されている。光学系１１０と撮像素子１４０とは、マイクロレンズアレイ１３０に関して略共役である。光学系１１０と表示素子１８０とは、マイクロレンズアレイ１９０に関して略共役である。

図３は、本実施の形態のプロジェクタ１００による投影画像の投影を説明するための図である。プロジェクタ１００による投影画像の投影においては、上述したように、特開２００７−４４７１号公報に開示された画像合成に用いられる画像データに相当する投影用画素信号を出力する複数の表示画素１８が照明されることによって、投影光束が射出される。射出された投影光束のうち、上述した指定像面２１０で投影画像を結像する。マイクロレンズアレイ１９０の頂面を原点として光学系１１０の光軸方向に焦点位置ｈの位置に規定される指定像面２１０上の仮想画素２を通過した部分光束の外縁を、光線５１および５２によって、および該部分光束の光束重心線５０を図３（ａ）に示す。仮想画素２を通過した該部分光束は、投影スクリーン２００の投影面上に投影される投影画像に含まれる構成画素１に対応する。同様に、仮想画素２ａを通過した部分光束は、投影スクリーン２００の投影面上に投影される投影画像に含まれる構成画素１ａに対応し、仮想画素２ｂを通過した部分光束は、投影スクリーン２００の投影面上に投影される投影画像に含まれる構成画素１ｂに対応する。

焦点位置ｈに規定される指定像面２１０上の仮想画素２を通過する部分光束は、図３（ｂ）に示すように、例えば、表示素子１８０上の表示画素１８ａから射出されてマイクロレンズ１９ａを通過する光線７０と、表示素子１８０上の表示画素１８ｂから射出されてマイクロレンズ１９ｂを通過する光線７１と、表示素子１８０上の表示画素１８ｃから射出されてマイクロレンズ１９ｃを通過する光線７２とを含む。すなわち、仮想画素２における画像は、表示画素１８ａ、１８ｂおよび１８ｃを含む、仮想画素２を通過する部分光束を射出する複数の表示画素１８が出力する投影用画素信号を合成して得られる。マイクロレンズアレイ１９０の配列において、ｋ，ｌ番目のマイクロレンズ１９の光軸方向に焦点位置ｈにおける仮想画素の出力Ｉ_ｋ，ｌ（ｈ）は、参照する近傍を示す水平方向の関数ｆ（ｉ，ｊ）および垂直方向の関数ｇ（ｉ，ｊ）を用い、式（１）で表される。

図４は、仮想画素２における画像が得られる投影用画素信号を出力する、表示画素１８ａ、１８ｂおよび１８ｃを含む、仮想画素２を通過する部分光束を射出する複数の表示画素１８を、ハッチングを付して示した図である。指定像面２１０が規定される焦点位置ｈが小さいほど、仮想画素２を通過する部分光束を射出する複数の表示画素１８はマイクロレンズ１９ａの覆われるものが多くなる。したがって、図４（ａ）に示した複数の表示画素１８に対応する指定像面２１０の焦点位置ｈは、図４（ｂ）に示した複数の表示画素１８に対応する指定像面２１０の焦点位置ｈよりも小さい。複数の表示画素１８の表示画素出力Ｐ_ｉ，ｊは、複数の仮想画素の出力に用いられることから、式（２）で表される。

次に、本実施の形態のプロジェクタ１００における焦点位置算出について説明する。上述したように、焦点位置は、公知の瞳分割型位相差検出方式で光学系１１０の焦点検出演算を行うことにより、算出することができる。図５（ａ）および（ｂ）は、瞳分割型位相差検出方式を用いての焦点位置算出に用いられる撮像素子１４０上の一対の受光素子領域Ｐ１およびＰ２の例を示す図である。一対の受光素子領域Ｐ１およびＰ２は、マイクロレンズ１３毎に規定され、図５においては、互いに異なる種類のハッチングを付して示されている。一対の受光素子領域Ｐ１およびＰ２はそれぞれ複数の受光素子１４を含んでいるが、１つずつの受光素子１４を含むこととしても良い。一対の受光素子領域Ｐ１およびＰ２の重心間距離ｇは、一対の受光素子領域Ｐ１およびＰ２のそれぞれの重心Ｇ１およびＧ２の間の距離で規定される。

表示装置１８０の複数の受光素子１８に焦点位置算出用の表示画像を表示することにより、投影スクリーン２００に図６に示すような、例えば黒い縞５１５と白い縞５１６とが不均等な間隔で配列された焦点位置算出用投影画像５１０を投影する。焦点位置算出用の表示画像は、図７に示すように、マイクロレンズ１９毎に、マイクロレンズ１９中央のハッチングを付した領域６１０に含まれる複数の表示画素１８に表示されることが好ましい。この場合、ハッチングを付した領域６１０に含まれる複数の表示画素１８は、マイクロレンズ１９の光軸付近にのみ位置するため、焦点位置算出用の表示画像に対して、マイクロレンズ１９のＦ値に応じた被写界深度が与えられる。

図６に示す焦点位置算出用投影画像５１０からの入射光束を受光した撮像素子１４０上の一対の受光素子領域Ｐ１およびＰ２の位相差と、一対の受光素子領域Ｐ１およびＰ２の重心間距離ｇとに基づいて焦点位置ｈが算出される。具体的には、焦点位置ｈは、一対の受光素子領域Ｐ１およびＰ２の位相差ｋ_０、重心間距離ｇ、マイクロレンズ１３の焦点距離ｆ_ｍを用いて、式（３）で表される。

マイクロレンズ１３毎に規定される一対の受光素子領域Ｐ１およびＰ２によって構成される一対の受光信号列であるＡ列およびＢ列各々の検出列ｎの場合、Ａ列は受光信号ａ_ｉ＝ａ_ｊ，ａ_ｊ＋１，・・・，ａ_ｊ＋ｎを含み、Ｂ列は受光信号ｂ_ｉ＝ｂ_ｊ，ｂ_ｊ＋１，・・・，ｂ_ｊ＋ｎを含む。図８にｉ＝ｊ〜ｊ＋ｎとした場合の一対の受光信号ａ_ｉおよびｂ_ｉの受光信号強度の変化を示す。図８では、一対の受光信号ａ_ｉおよびｂ_ｉの位相差ｋ_０の例を示している。Ａ列をずらし量ｋだけずらしたときの相関量Ｃ（ｋ）を式（４）で規定する。

式（４）における極小値Ｃ（ｘ）近傍の相関量Ｃ（ｋ）を用いて位相差ｋ_０を求めることができる。図９に式（４）における極小値Ｃ（ｘ）、ならびにその近傍の相関量Ｃ（ｘ−１）およびＣ（ｋ＋１）を示す。内挿計算により、位相差ｋ_０は式（５）で表される。

式（５）で得られた位相差ｋ_０を式（３）に代入することによって、焦点位置ｈが算出される。こうした算出を変数ｊの値を変えながらマイクロレンズアレイ１３０の全域にわたって繰り返すことにより、マイクロレンズ１３毎の焦点位置ｈを含むデプスマップを得ることができる。光学系１１０の球面収差や色収差については、このデプスマップ、および公知の補正技術を用いることにより、補正することが可能である。投影用画素信号生成装置１６０は、こうして得られた焦点位置ｈのデータと、予め被写体を撮影して撮像素子１４０から出力された受光信号とを用いて、上述したように、表示素子１８０に配列された複数の表示画素１８が表示する投影用画素信号を生成する。

第１の実施の形態のプロジェクタ１００は、以下の作用効果を奏する。
（１）投影スクリーン２００に投影画像を投影する際に、光学系１１０を合焦の状態にするために、光学系１１０のレンズを移動させる必要がない。レンズを移動させる空間およびレンズ駆動部を設ける空間を確保する必要が無いので、プロジェクタ１００を小型化できる。

（２）マイクロレンズ１３が覆う一対の受光素子１４の一対の受光信号に基づく焦点位置算出を、マイクロレンズ１３毎に行い、算出された焦点位置に基づいて投影用画素信号が生成される。投影スクリーン２００の投影面が曲面を形成している場合、投影スクリーン２００の投影面が光軸１１００に垂直でない場合、投影面に凹凸または段差が生じている場合であっても、ピントの合った投影画像を投影できる。

−−−第２の実施の形態−−−
本発明の第２の実施の形態におけるプロジェクタを説明する。図１０は、本発明の第２の実施の形態におけるプロジェクタ１０００の全体構成を示した断面図である。図１において、プロジェクタ１０００は、レンズおよび絞りを含む光学系１１０、焦点位置算出装置１５０、投影用画素信号生成装置１６０、照明装置１７０、表示素子１８０、マイクロレンズアレイ１９０を含む。

焦点位置算出装置１５０は、光学系１１０から投影スクリーン２０００の投影面までの投影距離ｄを、外部の投影距離算出装置９１０から取得する。投影距離算出装置９１０は、公知の測距装置で良い。例えば、赤外線発光装置を使ったいわゆる赤外アクティブ方式による測距装置や、二眼の小型位相差測距装置などの、デプスマップを生成しないような測距装置であっても良い。その場合は、光学系１１０から投影スクリーン２００の投影面上の１点までの投影距離ｄだけを取得することになる。したがって、投影スクリーン２０００の投影面は光学系１１０の光軸１１００に垂直な平面であることが好ましい。このとき、焦点位置ｈは、光学系１１０のレンズの焦点距離ｆ０と投影距離ｄとを用いて、式（６）により表される。なお、予め光学系１１０のレンズの収差情報が既知であれば、公知の補正技術を用いることにより、焦点位置ｈを補正することが可能である。

投影用画素信号生成装置１６０は、特開２００７−４４７１号公報に開示された撮像装置において、予め被写体を撮影して画像合成に用いられる画像データとして取得された受光信号を、記憶装置９２０から取得する。投影用画素信号生成装置１６０は、投影距離算出装置９１０から取得した投影距離ｄと、記憶装置９２０から取得した受光信号とに基づいて投影用画素信号を生成する。

投影用画素信号に基づいて投影スクリーン２０００に投影画像を投影する機序については、第１の実施の形態と同様である。

第２の実施の形態のプロジェクタ１０００は、以下の作用効果を奏する。投影スクリーン２０００に投影画像を投影する際に、光学系１１０を合焦の状態にするために、光学系１１０のレンズを移動させる必要がない。レンズを移動させる空間およびレンズ駆動部を設ける空間を確保する必要が無いので、プロジェクタ１０００を小型化できる。

上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。また、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、本発明は、上述した実施の形態における構成に何ら限定されない。

１構成画素、２仮想画素、
１３、１９マイクロレンズ、１４受光素子、１８表示画素、
５０光束重心線、５１、５２、７０、７１、７２光線、
１００、１０００プロジェクタ、
１１０光学系、１２０光学素子、
１３０、１９０マイクロレンズアレイ、１４０撮像素子、
１５０焦点位置算出装置、１６０投影用画素信号生成装置、
１７０照明装置、１８０表示素子、２００投影スクリーン、
２１０指定像面、
５１０焦点位置算出用投影画像、５１５黒い縞、５１６白い縞、
６１０領域

Claims

複数の第１マイクロレンズが配列された第１マイクロレンズアレイと、
投影用画素信号を出力する複数の表示画素が前記複数の第１マイクロレンズの各々に対応して配列される表示素子と、
前記表示素子を照明して前記複数の表示画素から複数の投影光束を射出させる照明装置と、
前記第１マイクロレンズアレイを透過した前記複数の表示画素からの前記複数の投影光束を投影面に投射して投影画像を投影する光学系と、
前記光学系から前記投影面までの投影距離に対応して前記投影画像が合焦した状態で投影されるように前記投影用画素信号を生成する生成手段とを備え、
前記表示素子と前記光学系とは前記第１マイクロレンズアレイに関して光学的共役関係にあることを特徴とするプロジェクタ。
請求項１に記載のプロジェクタにおいて、
前記投影距離を算出する算出手段をさらに備えることを特徴とするプロジェクタ。
請求項２に記載のプロジェクタにおいて、
複数の第２マイクロレンズが配列された第２マイクロレンズアレイと、
前記投影面からの入射光束を受光して受光信号を出力する複数の受光素子が前記複数の第２マイクロレンズの各々に対応して配列される撮像素子と、
前記投影光束を透過するとともに、前記入射光束を前記撮像素子に向けて反射する光学素子とをさらに備え、
前記光学系は、前記光学素子に向けて前記入射光束を通過させ、
前記撮像素子と前記光学系とは前記第２マイクロレンズアレイに関して光学的共役関係にあり、
前記算出手段は、前記受光信号を用いて瞳分割型位相差検出方式により前記投影距離を算出し、
前記生成手段は、前記受光信号を用いて前記投影用画素信号を生成することを特徴とするプロジェクタ。
請求項３に記載のプロジェクタにおいて、
前記算出手段は、前記投影距離を、前記投影画像に含まれる部分領域毎に算出することを特徴とするプロジェクタ。
請求項３または４に記載のプロジェクタにおいて、
前記表示素子と前記撮像素子とは前記光学系に対して互いに等価な位置に配置され、
前記第１マイクロレンズアレイと前記第２マイクロレンズアレイとは前記光学系に対して互いに等価な位置に配置されることを特徴とするプロジェクタ。