JP2016126250A6 - 画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像生成素子とライトトンネルとの相対位置が変化しても、照明領域に画像生成素子の全面が入って支障なく使用できる画像投影装置を提供する。
【解決手段】画像データに基づいて画像を生成し投影する画像投影装置であって、光源から照射された光を用いて画像を生成する画像生成素子と、前記画像生成素子を回転可能に保持する保持部と、１以上の光学系と、前記光源から前記画像生成素子までの光の経路の一部を囲む筒状の部材であって内面で光を反射させるライトトンネルと、を有し、前記画像生成素子の回転可能域の全域に、前記ライトトンネルを経た光を投射する照明光学部と、を備える。
【選択図】図１９

Description

本発明は、画像投影装置に関する。

従来、スクリーン等に画像を投影する画像投影装置（例えばプロジェクタ）が知られている。画像投影装置には、パソコンやデジタルカメラ等から送信される画像データに基づいて、画像を生成し投影するものがある。そして、このような画像投影装置には、光変調素子（画像生成素子）によって画像生成するものがある。

光変調素子は、光源から照射される光を、画像信号に基づいて変調することにより、画像を生成する。照度ムラ等の防止のため、光変調素子に投射される光の照度分布は、均一であることが望ましい。このため、光変調素子を用いた画像投影装置には、画像形成素子と光源との間に、ライトトンネルを備えるものがある。ライトトンネルは、投射する光の強さを均一化する。

ライトトンネルは、一般に、投影画像の縦横比に合わせて設計される。すなわち、投影画像の縦横比が４：３の場合には、ライトトンネルも、断面形状が縦横比４：３の矩形となるよう設計される。

しかしながら、上述のようなライトトンネルの設計は、ライトトンネルと光変調素子との相対位置が不変であることを前提としており、相対位置が変わる場合に適さない。つまり、ライトトンネルと光変調素子との相対位置が変わると、ライトトンネルを通った光で照明される領域から光変調素子の一部が外れてしまう。この場合、光変調素子の照明領域から外れた部分は、画像生成に参与できなくなるため、例えば、いわゆるケラレのような問題が発生する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、例えば光変調素子を所定角度回転させたことにより光変調素子とライトトンネルとの相対位置が変化しても、照明領域に光変調素子の全面が入って支障なく使用できる画像投影装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の画像投影装置は、画像データに基づいて画像を生成し投影する画像投影装置であって、光源から照射された光を用いて画像を生成する画像生成素子と、前記画像生成素子を回転可能に保持する保持部と、１以上の光学系と、前記光源から前記画像生成素子までの光の経路の一部を囲む筒状の部材であって内面で光を反射させるライトトンネルと、を有し、前記画像生成素子の回転可能域の全域に、前記ライトトンネルを経た光を投射する照明光学部と、を備える。

本発明によれば、画像生成素子を回転させても、画像生成素子の全面が照明光学部の照明領域に入って、外れることがない。よって、画像生成素子の回転角度によらず、支障なく使用可能であり、良好な画像投影を行うことができる。
画像生成素子が回転可能であることにより、画像投影装置の置き方を変更せずに投影画像の向きを変更することができる。
例えば、画像投影装置を設置した面がスクリーンに対してローリング方向に傾斜している場合の補正対応を、設置状態の補正でなく画像生成素子の回転により対応可能となる。
また、横長画面を縦長画面に変更する場合に、画像投影装置の置き方を変える（例えば平置きを縦置きにする）のではなく、画像生成素子を９０°回転させることで対応できる。

図１は、実施形態の画像投影装置の使用状態を示す斜視図である。 図２は、実施形態の画像投影装置の外観を示す斜視図である。 図３は、実施形態の画像投影装置の筐体を除いた内部の構成を示す斜視図であって、図２におけるａ視に対応する。 図４は、実施形態の画像投影装置の筐体を除いた内部の構成を示す斜視図であって、図２におけるｂ視に対応する。 図５は、実施形態の光学エンジンおよびその周辺部の外観を示す斜視図である。 図６は、実施形態の光学エンジンの構成を示す斜視図である。 図７は、実施形態の投射光学部がスクリーンに画像を投射する様子を示す図である。 図８は、実施形態の照明光学部の構成を示す斜視図である。 図９は、実施形態の画像生成部の構成を示す斜視図である。 図１０は、実施形態の固定ユニットの構成を示す斜視図である。 図１１は、実施形態の可動ユニットの構成を示す斜視図である。 図１２は、実施形態の固定ユニットと可動ユニットの重ね合わせ方を示す斜視図である。 図１３は、実施形態のＤＭＤを横移動させる場合に発生させるべきローレンツ力の向きを示す平面図である。 図１４は、実施形態のＤＭＤを縦移動させる場合に発生させるべきローレンツ力の向きを示す平面図である。 図１５は、実施形態のＤＭＤを回転させる場合に発生させるべきローレンツ力の向きを示す平面図である。 図１６は、実施形態の断面形状が正方形の内面を有するライトトンネルの使用状態を示す照明光学系ユニットの斜視図である。 図１７は、図１６に示す照明光学系ユニットをカラーホイール側から見た図である。 図１８は、図１６に示す照明光学系ユニットにより投射された光がＤＭＤおよびその周辺を照明する領域を示す図である。 図１９は、実施形態の変形例における断面形状が円形の内面を有するライトトンネルの使用状態を示す照明光学系ユニットの斜視図である。 図２０は、図１９に示す照明光学系ユニットをカラーホイール側から見た図である。 図２１は、図１９に示す照明光学系ユニットにより投射された光がＤＭＤおよびその周辺を照明する領域を示す図である。

図１は、実施形態のプロジェクタ（画像投影装置）１の使用状態を示す斜視図である。プロジェクタ１は、スクリーン２に、画像を投影する。スクリーン２は、概ね白色で矩形の幕であって、投影された画像を映し出す。

図２は、プロジェクタ１の外観を示す斜視図である。プロジェクタ１は、筐体１０の上面１０ａに、投影窓１０ｂを有している。プロジェクタ１は、投影窓１０ｂから光を投射することにより、スクリーン２に画像を投影する。

図３および図４はプロジェクタ１の筐体１０を除いた内部の構成を示す斜視図であって、図３は図２におけるａ視に対応し、図４は図２におけるｂ視に対応する。

プロジェクタ１は、光学エンジン１１を備えている。光学エンジン１１は、筐体１０内の投影窓１０ｂの下に相当する位置に収納されている。光学エンジン１１の最上部には、投影窓１０ｂから露出する部分である投射ガラス１２が設けられている。

図５は、光学エンジン１１およびその周辺部の外観を示す斜視図である。プロジェクタ１は、筐体１０内に、光源部１３を備えている。また、光学エンジン１１は、照明光学系ユニット（照明光学部）２０、画像表示ユニット（画像生成部）３０、投射光学系ユニット（投射光学部）４０などを備えている。これらは、画像表示ユニット３０、照明光学系ユニット２０、投射光学系ユニット４０の順に下から上へ重ねて配されている。光源部１３は、照明光学系ユニット２０の横に隣接配置されている。

光源部１３は、光を発する光源として機能し、照明光学系ユニット２０を介して、画像表示ユニット３０へ光を供給する。照明光学系ユニット２０は、光源部１３が照射した光を、適切な状態にして画像表示ユニット３０へ導く。画像表示ユニット３０は、光源が照射した光を用い、画像データに基づいて、画像を生成する。投射光学系ユニット４０は、画像表示ユニット３０が生成した画像を、適切に拡大して、スクリーン２に投射する。

図６は、光学エンジン１１および投射光学系ユニット４０の構成を示す斜視図である。投射光学系ユニット４０は、投射レンズ４１、折返しミラー４２、自由曲面ミラー４３などを備えている。

投射レンズ４１は、画像表示ユニット３０の上方に位置する。折返しミラー４２は、投射レンズ４１の上方に位置し、鏡面を後ろ下方へ向けている。ここで、「後ろ」とは、プロジェクタ１のスクリーン２に面する側を前とした場合の反対側とする。自由曲面ミラー４３は、折返しミラー４２の後方に位置し、自由曲面をなす鏡面を前方に向けている。

図７は、投射光学系ユニット４０がスクリーン２に画像を投射する様子を示す図である。投射レンズ４１は、画像表示ユニット３０からの光（画像）を受けて、折返しミラー４２へ導く。折返しミラー４２は、投射レンズ４１からの光（画像）を反射して、自由曲面ミラー４３へ導く。自由曲面ミラー４３は、折返しミラー４２からの光（画像)を拡大して、スクリーン２に投射する。

図８は、照明光学系ユニット２０の構成を示す斜視図である。図９は、画像表示ユニット３０の構成を示す斜視図である。照明光学系ユニット２０は、カラーホイール２１、ライトトンネル２２、リレーレンズ２３、シリンダミラー２４、凹面ミラー２５などを備えている。画像表示ユニット３０は、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）３１、固定ユニット３２、可動ユニット３３、ヒートシンク３４などを備えている。

カラーホイール２１は、例えば周方向の異なる部分にＲ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の各色のフィルタを有する円盤である。カラーホイール２１は、高速回転することで、光源部１３が照射する光を、ＲＧＢ各色に時分割する。

ライトトンネル２２は、光源部１３が照射した光の強さの分布を均一化するための光学部品である。より具体的には、ライトトンネル２２は、光源部１３からＤＭＤ３１までの光の経路の一部を囲む筒状をなし、内面が光を反射させるガラスである。ライトトンネル２２は、カラーホイール２１を透過したＲＧＢ各色の光を、内面で多重反射することで光の強さの分布を均一化してリレーレンズ２３に導く。

リレーレンズ２３は、ライトトンネル２２から射出された光の軸上色収差を補正しつつ集光する。シリンダミラー２４および凹面ミラー２５は、リレーレンズ２３から射出された光を反射して、ＤＭＤ３１へ導く。

ＤＭＤ３１は、画像生成素子（画像表示素子、光変調素子ともいう）の一例である。ＤＭＤ３１は、凹面ミラー２５からの反射光を変調して投影画像を生成する。より詳しくは、ＤＭＤ３１は、可動式の複数のマイクロミラーが格子状に配列された矩形状の画像生成面を有する。ＤＭＤ３１の各マイクロミラーは、鏡面が傾動可能に設けられており、画像制御手段（不図示）から送信される画像信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ駆動される。

ここで、プロジェクタ１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）など（いずれも不図示）を備えている。ＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムをＲＡＭに展開して実行することにより、上述の画像制御手段などの各種モジュールが実現される。画像制御手段は、画像データに基づく画像信号を生成し、ＤＭＤ３１へ送信する。画像データは、外部装置（例えばパソコンやデジタルカメラ）から受信する。

マイクロミラーは、例えば「ＯＮ」の場合には、光源部１３からの光を投射光学系ユニット４０へ向けて反射するように、傾斜角度が制御される。また、マイクロミラーは、例えば「ＯＦＦ」の場合には、光源部１３からの光を不図示のＯＦＦ光板に向けて反射するように、傾斜角度が制御される。

このように、ＤＭＤ３１は、画像制御手段から送信される画像信号によって各マイクロミラーの傾斜角度が制御され、光源部１３から照射されて照明光学系ユニット２０を通った光を変調して投影画像を生成する。

可動ユニット３３は、固定ユニット３２に対して、所定範囲で移動可能である。固定ユニット３２は、可動ユニット３３を支持するとともに、可動ユニット３３の移動を補助する。可動ユニット３３は、保持部の一例である。可動ユニット３３は、ＤＭＤ３１を所定の移動可能域で移動可能に保持する。また、可動ユニット３３は、ＤＭＤ３１を所定の回転可能域（あるいは角度範囲）で回転可能に保持する。

ヒートシンク３４は、放熱手段の一例であり、少なくとも一部分がＤＭＤ３１に触れている。ヒートシンク３４は、ＤＭＤ３１の温度上昇を抑制し、ＤＭＤ３１の温度上昇による動作不良や故障等といった不具合の発生を低減する。

図１０は、固定ユニット３２の構成を示す斜視図である。固定ユニット３２は、トッププレート５１、ベースプレート５２、支柱５３、球体５４，５５、調節ねじ５６、磁石５７などを備えている。

図１１は、可動ユニット３３の構成を示す斜視図である。可動ユニット３３は、可動プレート６１、結合プレート６２、ＤＭＤブラケット６３、コイル６４などを備えている。ここで、ＤＭＤ３１は、ＤＭＤ基板３１１に設けられている。

図１２は、固定ユニット３２と可動ユニット３３の重ね合わせ方を示す斜視図である。固定ユニット３２および可動ユニット３３が備える各種板状部材（トッププレート５１、ベースプレート５２、可動プレート６１、結合プレート６２）は、結合プレート６２、ベースプレート５２、可動プレート６１、トッププレート５１の順に下から上へ重ねられている。

支柱５３は、トッププレート５１とベースプレート５２との間の３か所に位置して、トッププレート５１とベースプレート５２との間に一定の間隔を形成し、トッププレート５１とベースプレート５２とを平行に支持する。

トッププレート５１は、中央孔５１ｃを囲む３か所に支持孔５１ａ（図１２参照）を有している。支持孔５１ａには、保持部材５１ｂが挿入されている（図１０参照）。保持部材５１ｂは、内周面に雌ねじ溝を有する円筒状部材である。

保持部材５１ｂは、調節ねじ５６を、ねじ溝間の摩擦力により任意のねじ込み深さで静止可能に、保持する。

また、ベースプレート５２は、支持孔５１ａに対応する３か所に支持孔５２ａ（図１０、図１２参照）を有している。

球体５４は、調節ねじ５６の先端と、可動プレート６１との間に位置する。球体５５は、可動プレート６１と、支持孔５２ａとの間に位置する。また、球体５４および球体５５は、それぞれ、支持孔５１ａおよび支持孔５２ａから、少なくとも一部が可動プレート６１側へ突出し、可動プレート６１に当接する。これにより、球体５４，５５は、可動プレート６１を、トッププレート５１およびベースプレート５２に対して移動自在に支持する。

調節ねじ５６は、ねじ込み深さを変えられることにより、球体５４の突出量を変化させ、これにより、トッププレート５１と可動プレート６１との間隔を変化させる。

結合プレート６２は、ベースプレート５２を間に挟んで可動プレート６１に固定される。結合プレート６２の上面側には、ＤＭＤ基板３１１が固定され、下面側には、ヒートシンク３４が固定される。

ＤＭＤブラケット６３は、ＤＭＤ３１の周りを囲むように位置し、ＤＭＤ基板３１１を結合プレート６２との間に挟む。これにより、ＤＭＤ３１は、結合プレート６２に固定される。

磁石５７は、トッププレート５１の中央孔５１ｃを囲むように４箇所に設けられている。磁石５７は、それぞれ、可動プレート６１におよぶ磁界を形成する。

コイル６４は、磁石５７に対向する可動プレート６１の上面の各位置に、設けられている。磁石５７は、それぞれ、対向するコイル６４と、可動プレート６１を移動させる移動手段を構成する。

コイル６４に電流が流されると、磁石５７が形成する磁界により、可動プレート６１を移動させる駆動力となるローレンツ力が発生する。

可動プレート６１は、磁石５７とコイル６４との間で発生するローレンツ力を受けて、トッププレート５１に対して、ＸＹ平面において直線的または回転するように変位する。

図１３は、ＤＭＤ３１を横移動させる場合に発生させるべきローレンツ力の向きを示す平面図である。図１４は、ＤＭＤ３１を縦移動させる場合に発生させるべきローレンツ力の向きを示す平面図である。そして、図１５は、ＤＭＤ３１を回転させる場合に発生させるべきローレンツ力の向きを示す平面図である。

これらの図に示すように、網点模様の矢印Ａで示すローレンツ力を発生させることにより、ＤＭＤ３１を、格子模様の矢印Ｂで示す方向に移動させることができる。ＤＭＤ３１を回転させる場合には、図１５に示すように、ＤＭＤ３１の中央を挟む位置に逆向きで平行な力が及ぶよう、コイル６４を駆動してローレンツ力を発生させる。

ここで、ＤＭＤ３１を移動ないし回転させるローレンツ力の制御は、ＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムをＲＡＭに展開して実行することにより、実現するモジュールの一つである移動制御手段（不図示）が行う。移動制御手段は、各コイル６４への通電を制御することにより、各コイル６４と磁石５７との間で発生するローレンツ力を制御する。そしてこれにより、移動制御手段は、ＤＭＤ３１の移動量（移動距離）や回転量（回転角度）を制御する。

このような構成において、ＤＭＤ３１が回転可能に構成されているので、ＤＭＤ３１の回転可能域の全域に、ライトトンネル２２を経た光を投射する必要がある。この必要に対応させるため、ライトトンネル２２を、例えば、内面の長手方向に直交する断面の形状が正方形であるもの（ライトトンネル２２１：図１６，図１７参照、後述）にする。

図１６は、断面形状が正方形の内面を有するライトトンネル２２１の使用状態を示す照明光学系ユニット２０の斜視図である。図１７は、図１６に示す照明光学系ユニット２０をカラーホイール２１側から見た図である。図１８は、図１６に示す照明光学系ユニット２０により投射された光がＤＭＤ３１およびその周辺を照明する領域（照明領域）３１ａを示す図である。

光源部１３が照射し、ライトトンネル２２１やその前後の光学系（リレーレンズ２３、シリンダミラー２４、凹面ミラー２５）を経た光は、ＤＭＤ３１およびその周辺の所定の照明領域３１ａを照明する。ライトトンネル２２１を経た光による照明領域３１ａの輪郭線は、正方形である。本実施形態では、この正方形の一辺の長さを、ＤＭＤ３１の対角線の長さ以上とする。

ここで、「ＤＭＤ３１の対角線の長さ以上」とは、対角線の長さに対して所定の余裕度を掛けた値とする。余裕度が例えば１であれば、照明領域３１ａは、一辺の長さがＤＭＤ３１の対角線の長さに等しい正方形となる。また、余裕度が例えば１．１であれば、照明領域３１ａの一辺の長さは、対角線の長さよりも１割長くなる。

これにより、ＤＭＤ３１が例えば９０°回転して、横長画面から縦長画面に変更したとしても、照明領域３１ａからＤＭＤ３１が外れることがなく、良好な画像生成を行うことができる。

（実施形態の変形例）
上記実施形態において、ライトトンネル２２１に替え、断面円形のライトトンネル２２２を用いてもよい。図１９は、断面形状が円形の内面を有するライトトンネル２２２の使用状態を示す照明光学系ユニット２０の斜視図である。図２０は、図１９に示す照明光学系ユニット２０をカラーホイール２１側から見た図である。図２１は、図１９に示す照明光学系ユニット２０により投射された光がＤＭＤ３１およびその周辺を照明する領域（照明領域）３１ｂを示す図である。

光源部１３が照射し、ライトトンネル２２２やその前後の光学系（リレーレンズ２３、シリンダミラー２４、凹面ミラー２５）を経た光は、ＤＭＤ３１およびその周辺の所定の照明領域３１ｂを照明する。ライトトンネル２２２を経た光による照明領域３１ｂの輪郭線は、円形である。本実施形態では、この円形の直径の長さを、ＤＭＤ３１の対角線の長さ以上とする。

ここで、「ＤＭＤ３１の対角線の長さ以上」とは、対角線の長さに対して所定の余裕度を掛けた値とする。余裕度が例えば１であれば、照明領域３１ｂは、直径の長さがＤＭＤ３１の対角線の長さに等しい円形となる。また、余裕度が例えば１．１であれば、照明領域３１ｂの直径は、対角線の長さよりも１割長くなる。

これにより、ＤＭＤ３１が例えば９０°回転して、横長画面から縦長画面に変更したとしても、照明領域３１ｂからＤＭＤ３１が外れることがなく、良好な画像生成を行うことができる。

なお、上述の実施形態および変形例では、ライトトンネル２２の形状の具体例（断面が正方形および円形の筒状）を述べたが、実施にあたっては、これに限らない。例えば、ＤＭＤ３１の回転可能域が９０°未満であれば、ＤＭＤ３１を回転可能域の全域に渡って回転移動させた場合の移動軌跡の輪郭を断面とする筒状であってもよいし、当該移動軌跡の輪郭に近い長円形を断面とする筒状であってもよい。

また、上述の実施形態および変形例では、余裕度について述べたが、図１３および図１４に示すようにＤＭＤ３１を左右および前後に移動させることが可能であるため、例え余裕度を１としても、照明領域３１ａおよび照明領域３１ｂ内にＤＭＤ３１を適切に配することができる。余裕度を小さく抑えることにより、光の利用効率を向上させることができる。つまり、ＤＭＤ３１上の照度を上げることができる。

なお、ライトトンネル２２１は、ライトトンネル２２２よりも、製造しやすいなどの利点がある。また、ライトトンネル２２２は、ライトトンネル２２１よりも、光の利用効率が高いなどの利点がある。

１…プロジェクタ、
２…スクリーン、
１０…筐体、１０ａ…上面、１０ｂ…投影窓、
１１…光学エンジン、１２…投射ガラス、１３…光源部、
２０…照明光学系ユニット、
２１…カラーホイール、２２…ライトトンネル、２３…リレーレンズ、
２４…シリンダミラー、２５…凹面ミラー、
３０…画像表示ユニット、
３１…ＤＭＤ、３１１…ＤＭＤ基板、
３２…固定ユニット、３３…可動ユニット、３４…ヒートシンク、
４０…投射光学系ユニット、
４１…投射レンズ、４２…折返しミラー、４３…自由曲面ミラー、
５１…トッププレート、５１ａ…支持孔、５１ｂ…保持部材、５１ｃ…中央孔、
５２…ベースプレート、５２ａ…支持孔、
５３…支柱、５４，５５…球体、５６…調節ねじ、５７…磁石、
６１…可動プレート、６２…結合プレート、６３…ＤＭＤブラケット、６４…コイル、
２２１…ライトトンネル、３１ａ…照明領域、
２２２…ライトトンネル、３１ｂ…照明領域。

特開２０１２−１６３７３２号公報

Claims (3)

1. 画像データに基づいて画像を生成し投影する画像投影装置であって、
   光源から照射された光を用いて画像を生成する画像生成素子と、
   前記画像生成素子を回転可能に保持する保持部と、
   １以上の光学系と、前記光源から前記画像生成素子までの光の経路の一部を囲む筒状の部材であって内面で光を反射させるライトトンネルと、を有し、前記画像生成素子の回転可能域の全域に、前記ライトトンネルを経た光を投射する照明光学部と、
   を備える画像投影装置。
2. 前記画像生成素子は、矩形状であって、
   前記ライトトンネルは、断面形状が正方形の内面を有し、
   前記照明光学部は、前記矩形状の対角の長さ以上を一辺の長さとする正方形の領域を照明する
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
3. 前記画像生成素子は、矩形状であって、
   前記ライトトンネルは、断面形状が円形の内面を有し、
   前記照明光学部は、前記矩形状の対角の長さ以上の直径を有する円形の領域を照明する
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。