JP2017026681A - 画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を抑制しつつ横型投影と縦型投影を切り替え可能な画像投射装置を提供する。【解決手段】本発明は、光変調素子と、光源から照射された光を光変調素子へ導くための照明光学手段と、光変調素子により生成された画像を投射する投射手段と、照明光学手段に対して、光変調素子を相対的に移動させるための移動手段と、を備えた画像投射装置である。移動手段は、複数のコイルと、２つの第１磁石と、２つの第２磁石とを含む。複数のコイルは、光変調素子と共に動く可動板上に設けられ、かつ、光変調素子を中心に円環状に連続する。２つの第１磁石は、光変調素子の中心を通り、かつ、第１方向に延びる第１仮想線のうち、複数のコイルを繋いだ仮想円と交差する２つの交差点と１対１に対応する。２つの第２磁石は、光変調素子の中心を通り、かつ、第２方向に延びる第２仮想線のうち、仮想円と交差する２つの交差点と１対１に対応する。【選択図】図１５

Description

本発明は、画像投射装置に関する。

従来、プロジェクタなどの画像投射装置においては、横長の画像を投影する横型投影と、縦長の画像を投影する縦型投影とを切り替える技術が知られている。

例えば特許文献１には、光学ユニットから射出された光を反射する反射部が支持機構によって移動可能に構成され、反射部が移動することによって光学ユニットから射出された光の方向を変え、横長画像と縦長画像とを切り替える構成が開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示された構成では、装置が大型化するので、十分な設置スペースを確保できない場合は使用することができないという問題がある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、画像投射装置であって、光源から照射された光を用いて画像を生成する光変調素子と、前記光源から照射された光を前記光変調素子へ導くための照明光学手段と、前記光変調素子により生成された画像を投射する投射手段と、前記照明光学手段に対して、前記光変調素子を相対的に移動させるための移動手段と、を備え、前記移動手段は、前記光変調素子と共に動く可動板上に設けられ、かつ、前記光変調素子を中心に円環状に連続する複数のコイルと、前記光変調素子の中心を通り、かつ、第１方向に延びる第１仮想線のうち、前記複数のコイルを繋いだ仮想円と交差する２つの交差点と１対１に対応する２つの第１磁石と、前記光変調素子の中心を通り、かつ、前記第１方向と交差する第２方向に延びる第２仮想線のうち、前記仮想円と交差する２つの交差点と１対１に対応する２つの第２磁石と、を含む画像投射装置である。

本発明によれば、装置の大型化を抑制しつつ横型投影と縦型投影を切り替え可能な画像投射装置を提供することができる。

図１は、実施形態の画像投射装置の外観斜視図である。 図２は、投射光学系ユニットの斜視図である。 図３は、画像投射装置の外観斜視図である。 図４は、画像投射装置の筐体を除いた内部の構成を示す斜視図である。 図５は、画像投射装置の筐体を除いた内部の構成を示す斜視図である。 図６は、光学エンジンと光源手段の配置を示す図である。 図７は、照明光学系ユニットから画像表示素子ユニットおよび投射光学系ユニットに至るまでの光路を説明するための図である。 図８は、画像形成に用いる光がスクリーン上に拡大投射される様子を示す図である。 図９は、画像表示素子ユニットの構成例を示す図である。 図１０は、ボイスコイルとマグネットとの間で発生するローレンツ力を説明するための図である。 図１１は、ボイスコイルとマグネットとの間で発生するローレンツ力を説明するための図である。 図１２は、固定ユニットの分解斜視図である。 図１３は、可動ユニットの分解斜視図である。 図１４は、各プレートの位置関係を示す図である。 図１５は、ボイスコイルおよびマグネットの配置例を示す図である。 図１６は、可動プレートの上方向または下方向の並進動作を説明するための図である。 図１７は、可動プレートの回転動作を説明するための図である。 図１８は、変形例におけるボイスコイルおよびマグネットの配置例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本実施形態の画像投射装置１の外観斜視図である。画像投射装置１は、パソコンやビデオカメラ等から入力される映像データを基に映像を生成し、その映像をスクリーン２等に投影表示する装置である。画像投射装置１として広く知られた液晶プロジェクタは、近来、液晶パネルの高解像化、光源ランプの高効率化に伴う明るさの改善、低価格化などが進んでいる。また、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）を利用した小型軽量なプロジェクタが普及し、オフィスや学校のみならず家庭においても広くこれらプロジェクタが利用されるようになってきている。特に、フロントタイプのプロジェクタは携帯性が向上し、数人規模の小会議にも使われるようになってきている。

画像投射装置１であるプロジェクタには、大画面の画像を投射できること（投射画面の大画面化）と共に「プロジェクタ外に必要とされる投影空間」をできるだけ小さくできることが求められている。その要求を満たす手法として、図２に示すように、投射レンズ２１等を含む投射光学系ユニット１０をスクリーン２と平行に設定し、折り返しミラー２３で光束を折り返した後、自由曲面ミラー２４で光束をスクリーン２に対して拡大投影する構成が挙げられる。本構成により、図３乃至図５に示すように光学エンジン６を縦型で３次元的にコンパクトに設計することができるのである。図３は、画像投射装置１の外観を示す斜視図であり、図４および図５は画像投射装置１の筐体３を除いた内部の構成を示す斜視図であって、図４は図３におけるａ視に対応し、図５は図３におけるｂ視に対応している。図４および図５に示すように、画像投射装置１は光学エンジン６を備えている。

図６は、光学エンジン６と、白色光を生成する光源手段７の配置を示す図である。本実施形態では、光源手段７として高圧水銀ランプを採用している。光源手段７である高圧水銀ランプから出射した光は、光学エンジン６の照明光学系ユニット９によってＲＧＢの各色に分光された後に画像表示素子ユニット８に照射され、投射光学系ユニット１０を介してスクリーン２上に投影される。

以下、図７を用いて、照明光学系ユニット９から画像表示素子ユニット８および投射光学系ユニット１０に至るまでの光路に関して説明する。照明光学系ユニット９は、照明光学手段の一例であり、光源手段７から照射された光を画像表示素子ユニット８に設けられているＤＭＤ１６に導く。また、投射光学系ユニット１０は、投射手段の一例であり、ＤＭＤ１６により生成された画像を拡大してスクリーン２に投射する。

図７に示すように、光源手段７から出射された白色光は、ＲＧＢの各色のセグメントを有するカラーホイール１１により分光される。分光された後の各色の光は、照度分布を均一化する役割を持つライトトンネル１２および光軸上の色収差を補正しつつ集光する役割を持つリレーレンズ１３を通過後、シリンダミラー１５、凹面ミラー１４によって反射されてＤＭＤ１６に至るのである。ＤＭＤ１６の役割としては、各色の光を所定の画像を形成するように反射させることであり、映像データに基づいて各マイクロミラーを時分割駆動することで実現しているのである。より具体的には、ＤＭＤ１６は複数のマイクロミラーからなる略矩形のミラー面を有しており、映像データに基づいて各マイクロミラーを時分割駆動することにより、所定の映像へと投射光を加工して反射する構造となっている。ここでは、光変調素子の一例であるＤＭＤ１６は、光源手段７から照射された光を用いて画像を生成していると考えることもできる。

なお、画像形成に用いる光に関しては、ＤＭＤ１６の働きにより図２に示す投射光学系ユニット１０へ導かれ、以下の図８に示すように投射レンズ２１、折り返しミラー２３を介して自由曲面ミラー２４に至り、自由曲面ミラー２４によってスクリーン２上に拡大投射される。一方、画像形成に用いない光に関しては、ＤＭＤ１６の時分割駆動によりＯＦＦ光板に照射され、スクリーン２へは投射されない構造となっている。

また、本実施形態の画像投射装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。ＣＰＵは、ＲＯＭ等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、画像投射装置１の動作を制御する。

次に、ＤＭＤ１６を任意の方向にシフト・回転させる機構を有する画像表示素子ユニット８の具体的な構成を説明する。図９に示すように、画像表示素子ユニット８は、固定ユニット３１と可動ユニット４１の２つのユニットから構成されている。可動ユニット４１側には後述のボイスコイル４３（コイルの一例）が配置されており、固定ユニット３１側に配置された後述のマグネット３７との間で発生するローレンツ力を受けることにより、固定ユニット３１に対して相対的に移動する構成となっている。

例えばマグネット３７による磁界の方向と、該磁界が作用する範囲に存在するボイスコイル４３を流れる電流との関係が図１０のような場合は、図１０に示す矢印の方向にローレンツ力が作用することになる。ボイスコイル４３に流れる電流の向きを反対にすると、図１１に示すように、図１０とは反対側の方向にローレンツ力が作用することになる。ボイスコイル４３およびマグネット３７の具体的な配置については後述する。

図１２は、固定ユニット３１の分解斜視図である。図１３は、可動ユニット４１の分解斜視図である。固定ユニット３１の役割としては、可動ユニット４１を支持すること、および、可動ユニット４１の移動をサポートすることの２点が大きな役割であるといえる。具体的には、固定ユニット３１内に設けられている複数の球体３４で可動ユニット４１内の可動プレート４２を挟み込むことによって可動ユニット４１を支持しているのである。なお、球体３４は、トッププレート３２と可動プレート４２の間、および、ベースプレート３３と可動プレート４２との間の各々に配置されており、トッププレート３２側に配置されている球体３４はトッププレート３２に設けられた球体保持部３５に、ベースプレート３３側に配置されている球体３４はベースプレート３３側に設けられた球体受け部３６に収納される構成となっている。なお、各プレートと球体３４とのクリアランスによって摩擦とガタつきの関係が変わってくるといえるが、そのクリアランスの調整はトッププレート３２側に設けられた球体位置調整ネジ３９によって行っている。

また、固定ユニット３１のもう１つの役割である可動ユニット４１の移動のサポートに関しては、固定ユニット３１側にはマグネット３７が配置され、可動ユニット４１側にはボイスコイル４３が配置されている。制御回路（上述のＣＰＵでもよいし、ＣＰＵとは別の回路でもよい）が、ボイスコイル４３に電流を流す制御を行うことによってローレンツ力が生成され、可動ユニット４１が動くという構成になっているのである。なお、上述したように、電流を流す向きによってローレンツ力の向きが、電流の大きさによってローレンツ力の大きさが変化することから、ＤＭＤ１６を有する可動ユニット４１を所望の方向に所望の量だけ動かすことができるのである。

一方、可動ユニット４１の役割としては、ＤＭＤ１６を保持することが挙げられる。一般にＤＭＤ１６は、図２に示す照明ハウジング２２とヒートシンク１８で挟持される構成となっているが、図１３の分解斜視図で示しているように、本構成では可動ユニット４１の構成部品の１つであるＤＭＤ保持ブラケット４７でＤＭＤ１６を覆う構成とすることで照明ハウジング２２に押し当てることなくＤＭＤ１６を保持しているのである。なお、可動ユニット４１は、大きく分けて可動プレートユニット４４とＤＭＤ保持ユニット４５の２つのユニットから構成されている。可動プレートユニット４４は、主に可動プレート４２、ボイスコイル４３を含んで構成されており、固定ユニット３１に対して相対的に動くユニットとなっている。一方、ＤＭＤ保持ユニット４５は、主にＤＭＤ１６、ヒートシンク１８、ＤＭＤ保持ブラケット４７を含んで構成されており、ＤＭＤ１６を保持するユニットとなっている。さらに、ＤＭＤ保持ユニット４５内には結合プレート４６が配置されており、結合プレート４６を可動プレート４２にねじ締結することによって可動プレートユニット４４の移動量をＤＭＤ保持ユニット４５に伝達し、ＤＭＤ１６の移動を実現しているのである。なお、上述したように可動プレート４２は固定ユニット３１内の球体３４に挟み込まれることによって支持されているため、可動プレート４２自体は固定ユニット３１のトッププレート３２とベースプレート３３の間に配置される。図１４は、各プレートの位置関係を示す図である。

次に、ボイスコイル４３およびマグネット３７の具体的な配置を説明する。図１５に示すように、複数のボイスコイル４３は、ＤＭＤ１６と共に動く可動プレート４２上に設けられ、かつ、ＤＭＤ１６を中心に円環状に連続する。また、この例では、ＤＭＤ１６の中心を通り、かつ、第１方向（この例では垂直方向（縦方向））に延びる第１仮想線のうち、複数のボイスコイル４３を繋いだ仮想円と交差する２つの交差点と１対１に対応する２つのマグネット３７を、それぞれ「第１マグネット３７ａ」と称する。また、この例では、ＤＭＤ１６の中心を通り、かつ、第１方向と交差（この例では直交）する第２方向（この例では水平方向（横方向））に延びる第２仮想線のうち、仮想円と交差する２つの交差点と１対１に対応する２つのマグネット３７を、それぞれ「第２マグネット３７ｂ」と称する。なお、この例では、仮想円の中心はＤＭＤ１６の中心と一致している。

例えば図１６に示すように、第２マグネット３７ｂの磁力が作用する範囲内にボイスコイル４３が存在する状態で、２つの第２マグネット３７ｂと１対１に対応し、かつ、第２マグネット３７ｂの磁力が作用する範囲内に存在する２つのボイスコイル４３の各々に同じ向きの電流を流すことで、可動プレート４２には上方向または下方向の２つの力が作用し、上方向または下方向の並進動作を実現することができる。同様に、第１マグネット３７ａの磁力が作用する範囲内にボイスコイル４３が存在する状態で、２つの第１マグネット３７ａと１対１に対応し、かつ、第１マグネット３７ａの磁力が作用する範囲内に存在する２つのボイスコイル４３の各々に同じ向きの電流を流すことで、可動プレート４２には右方向または左方向の２つの力が作用し、右方向または左方向の並進動作を実現することができる。この例では、マグネット３７と、電流が流れているボイスコイル４３（該マグネット３７の磁力が作用する範囲に存在するボイスコイル４３）との間で発生するローレンツ力は、上記仮想円のうち該マグネット３７に対応する位置における接線方向と平行な方向に作用するよう、マグネット３７とボイスコイル４３が配置されている。

また、上述の制御回路は、ＤＭＤ１６（可動プレート４２）が回転するよう、複数のボイスコイル４３の各々を流れる電流を制御する。例えば縦型投影と横型投影とを切り替える場合、上述の制御回路は、ＤＭＤ１６が９０度（目標となる角度の一例）だけ回転するよう、複数のボイスコイル４３の各々を流れる電流を制御する。なお、目標となる角度は９０度に限らず、任意に変更可能である。制御回路は、ＤＭＤ１６が目標となる角度だけ回転するよう、複数のボイスコイル４３の各々を流れる電流を制御することができる。なお、回転方向は任意の方向に制御可能であり、時計回りの方向でもよいし、反時計回りの方向でもよい。

本実施形態では、複数のボイスコイル４３は、第１マグネット３７ａの磁力が作用する範囲に何れかのボイスコイル４３が存在する場合は、第２マグネット３７ｂの磁力が作用する範囲には何れのボイスコイル４３も存在せず、第２マグネット３７ｂの磁力が作用する範囲に何れかのボイスコイル４３が存在する場合は、第１マグネット３７ａの磁力が作用する範囲には何れのボイスコイル４３も存在しないように配置される。そして、上述の制御回路は、第１マグネット３７ａまたは第２マグネット３７ｂの磁力が作用する範囲に存在するボイスコイル４３に対して電流を流す一方、第１マグネット３７ａまたは第２マグネット３７ｂの磁力が作用する範囲に存在しないボイスコイル４３に対しては電流を流さない制御を行う。

例えば図１７に示すように、第２マグネット３７ｂの磁力が作用する範囲内にボイスコイル４３ａが存在する状態を想定する。この状態で、制御回路は、２つの第２マグネット３７ｂと１対１に対応する２つのボイスコイル４３ａ（ＤＭＤ１６の中心を挟んで互いに対向する２つのボイスコイル４３ａ）の各々に対して、互いに逆向きの電流を流す制御を行うことで、時計回りの回転動作を実現することができる。ある程度回転した後、図１７の例では、ＤＭＤ１６の中心を挟んで互いに対向する２つのボイスコイル４３ｂが、第１マグネット３７ａの磁力が作用する範囲に入る一方、電流が流れている２つのボイスコイル４３ａは、第２マグネット３７ｂの磁力が作用する範囲から外れるので、制御回路は、２つのボイスコイル４３ｂの各々に対して、互いに逆向きの電流を流す一方、２つのボイスコイル４３ａの各々に対して電流を流さない制御を行うことで、時計回りの回転動作を継続することができる。この制御を繰り返すことで、９０度以上の回転を実現することができる。また、例えば可動プレート４２の回転角度と、電流を流す一対のボイスコイル４３（ＤＭＤ１６の中心を挟んで互いに対向する２つのボイスコイル４３）と、一対のボイスコイル４３の各々に流す電流の向きとの対応関係を示す制御情報を予め設定しておき、制御回路は、この制御情報と、現在の回転角度とに基づいて、各ボイスコイル４３に流れる電流を制御することもできる。

以上に説明したように、本実施形態の画像投射装置１は、照明光学系ユニット９に対してＤＭＤ１６を相対的に移動させるための移動手段として、ＤＭＤ１６と共に動く可動プレート４２上に設けられ、かつ、ＤＭＤ１６を中心に円環状に連続する複数のボイスコイル４３と、上述の２つの第１マグネット３７ａと、上述の２つの第２マグネット３７ｂと、を有している。これにより、特許文献１に開示された構成に比べて装置の大型化を抑制することができるとともに、横型投影と縦型投影を切り替え可能な画像投射装置１を提供することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。本発明は、上述の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

例えば図１８に示すように、２つの第１マグネット３７ａの各々は、第１マグネット３７ａの磁力が作用する範囲に存在するボイスコイル４３に電流を流すと、ＤＭＤ１６の中心を通り、かつ、垂直方向に延在する基準線に対して第１角度だけ傾斜した方向に駆動力を発生するように配置されてもよい。この例では、第１角度は４５度である。また、図１８の例では、２つの２マグネット３７ｂの各々は、第２マグネット３７ｂの磁力が作用する範囲に存在するボイスコイル４３に電流を流すと、上記基準線に対して第１角度とは反対側に９０度未満の第２角度だけ傾斜した方向に駆動力を発生するように配置される。この例では、第２角度は４５度である。

この例では、第１マグネット３７ａまたは第２マグネット３７ｂの磁力が作用する範囲に存在する一対のボイスコイル４３に対して同じ向きの電流を流すことにより、可動プレート４２には斜め４５度方向（正方向または負方向）の２つの力が作用し、斜め４５度方向の並進動作を実現することができる。これにより、高解像度動作を実現することができる。高解像度動作とは、斜め４５度の方向に半画素分だけＤＭＤ１６をシフトさせる動作であり、本動作によって投影画像内に中間画像を形成することが可能となるので、画素密度を高め、高解像の画像を擬似的に生成することが可能となる。

１ 画像投射装置
２ スクリーン
３ 筐体
６ 光学エンジン
７ 光源手段
８ 画像表示素子ユニット
９ 照明光学系ユニット
１０ 投射光学系ユニット
１１ カラーホイール
１２ ライトトンネル
１３ リレーレンズ
１４ 凹面ミラー
１５ シリンダミラー
１６ ＤＭＤ
２１ 投射レンズ
２３ 折り返しミラー
２４ 自由曲面ミラー
３１ 固定ユニット
３７ マグネット
４１ 可動ユニット
４３ ボイスコイル

特開２０１４−１７００９７号公報

Claims (6)

1. 画像投射装置であって、
   光源から照射された光を用いて画像を生成する光変調素子と、
   前記光源から照射された光を前記光変調素子へ導くための照明光学手段と、
   前記光変調素子により生成された画像を投射する投射手段と、
   前記照明光学手段に対して、前記光変調素子を相対的に移動させるための移動手段と、を備え、
   前記移動手段は、
   前記光変調素子と共に動く可動板上に設けられ、かつ、前記光変調素子を中心に円環状に連続する複数のコイルと、
   前記光変調素子の中心を通り、かつ、第１方向に延びる第１仮想線のうち、前記複数のコイルを繋いだ仮想円と交差する２つの交差点と１対１に対応する２つの第１磁石と、
   前記光変調素子の中心を通り、かつ、前記第１方向と交差する第２方向に延びる第２仮想線のうち、前記仮想円と交差する２つの交差点と１対１に対応する２つの第２磁石と、を含む、
   画像投射装置。
2. 前記光変調素子が回転するよう、前記複数のコイルの各々を流れる電流を制御する制御回路を備える、
   請求項１の画像投射装置。
3. 前記複数のコイルは、前記第１磁石の磁力が作用する範囲に何れかのコイルが存在する場合は、前記第２磁石の磁力が作用する範囲には何れのコイルも存在せず、前記第２磁石の磁力が作用する範囲に何れかのコイルが存在する場合は、前記第１磁石の磁力が作用する範囲には何れのコイルも存在しないように配置される、
   請求項２の画像投射装置。
4. 前記制御回路は、前記第１磁石または前記第２磁石の磁力が作用する範囲に存在するコイルに対して電流を流す一方、前記第１磁石または前記第２磁石の磁力が作用する範囲に存在しないコイルに対しては電流を流さない制御を行う、
   請求項３の画像投射装置。
5. 前記第１磁石は、
   前記第１磁石の磁力が作用する範囲に存在するコイルに電流を流すと、前記光変調素子の中心を通り、かつ、垂直方向に延在する基準線に対して９０度未満の第１角度だけ傾斜した方向に駆動力を発生するように配置され、
   前記第２磁石は、
   前記第２磁石の磁力が作用する範囲に存在するコイルに電流を流すと、前記基準線に対して前記第１角度とは反対側に９０度未満の第２角度だけ傾斜した方向に駆動力を発生するように配置される、
   請求項１乃至４のうちの何れか１項の画像投射装置。
6. 前記第１角度および前記第２角度は４５度である、
   請求項５の画像投射装置。