JP2017026690A - 画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で投影画像の高解像度化および投影画像のシフト・回転を実現するとともに、可動部の可動可能な重量を大きくでき、レイアウトの制約を少なくする。
【解決手段】光源ユニット４と、光源ユニット４から照射された光を用いて画像を生成するＤＭＤ１０と、光源ユニット４から照射された光をＤＭＤ１０へ導く照明ユニット３ａと、ＤＭＤ１０により生成された画像を投影する投影ユニット３ｂと、照明ユニット３ａに対してＤＭＤ１０を相対的に移動可能なアクチュエータと、を備え、アクチュエータは、水平方向に対して０度を超え９０度未満の角度をなす第１方向に作用する第１駆動力と、水平方向に対して９０度を超え１８０度未満の角度をなす第２方向に作用する第２駆動力とを生成する。
【選択図】図４

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、投影画像を高解像化する手法としては、画像表示素子（ＤＭＤ：Digital Micro-mirror Device）の画像数を増加させる手法以外に、短い周期で実投影像と中間画像（周囲画素から形成）を斜め４５度方向に半画素ずらしてスクリーン上に生成する手法が知られている。

この投影画像を半画素ずらす手法としては、投射レンズ内の一部のレンズをシフトさせる手法と、ＤＭＤをシフトさせる手法の二通りが知られている。そして、ＤＭＤの冷却方法としては、当該ＤＭＤにヒートシンクを押し当て、熱伝導を利用して冷却する手法が知られている。

投射レンズ内の一部のレンズをシフトさせる手法では、半画素ずらしの動き（高解像度化の動き）は実現できるが、投影画像を大きく上下左右に動かす動きの実現は難しく、また投影画像を回転させる動きは実現できない。一方、画像表示素子（ＤＭＤ）をシフトさせる手法では、半画素ずらしの動き（高解像度化の動き）だけでなく、投影画像を上下左右に動かす動き、さらには投影画像を回転させる動きも１つの駆動ユニットで実現できる。

しかし、駆動ユニットの駆動方向がスクリーン上において水平軸と垂直軸の二軸で構成されている場合、投影画像の上下左右のシフトは各単軸方向への駆動で実現できるが、水平方向に対して斜め４５度方向に半画素ずらしでシフトさせる際には、両軸の合力で高速に駆動させる必要があるため、制御が複雑になってしまう。

そこで、光学系のレイアウトを損なうことなく、簡単な構成で画素数よりも高い解像度の画像を表示する画像表示装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この画像表示装置では、アクチュエータにより光学変調素子を変位させて、画素をずらすことで中間画像を作り出し、高解像な画像を形成する方法が開示されている。

従来技術では、上述したようにＤＭＤにヒートシンクを押し当ててＤＭＤを冷却する構造の場合、投影画像を動かす際には、ＤＭＤだけでなく、ＤＭＤに押し当てられているヒートシンクも同時にシフトする必要がある。ヒートシンクとは、熱伝導性の高いアルミの塊であることが多く、ＤＭＤと比較すると十分に重い。そのため、ＤＭＤのみをシフトさせる場合と比べて、重力の影響を受けやすくなってしまう。

特に、ＤＭＤおよびヒートシンクの駆動平面が水平面に対して垂直になるような構成の場合、重力に反してＤＭＤおよびヒートシンクをシフトさせることになるため、より大きな駆動力を要することになる。しかしながら、駆動ユニットの駆動方向がスクリーン上において水平軸と垂直軸の二軸で構成されている場合、重力方向のシフトを垂直軸の駆動力のみで持ち上げなければならないという問題があった。また、特許文献１の画像表示装置では、光学変調素子と投射光学系との相対的な位置関係が固定されているため、投影画像を回転させることができなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成により、ＤＭＤおよびヒートシンクを含む可動部をシフトさせて投影画像の高解像度化および投影画像のシフト・回転を実現できるとともに、ＤＭＤおよびヒートシンクを含む可動部の可動可能な重量を大きくでき、レイアウトの制約が少ない画像投射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、本発明の画像投射装置は、光を照射する光源と、前記光源から照射された光を用いて画像を生成する変調素子と、前記光源から照射された光を前記変調素子へ導く照明光学部と、前記変調素子により生成された画像を投影する投影部と、前記照明光学部に対して前記変調素子を相対的に移動可能な駆動部と、を備え、前記駆動部は、水平方向に対して０度を超え９０度未満の角度をなす第１方向に作用する第１駆動力と、前記水平方向に対して９０度を超え１８０度未満の角度をなす第２方向に作用する第２駆動力とを生成する。

本発明によれば、簡易な構成により、ＤＭＤおよびヒートシンクを含む可動部をシフトさせて投影画像の高解像度化および投影画像のシフト・回転を実現できるとともに、ＤＭＤおよびヒートシンクを含む可動部の可動可能な重量を大きくでき、レイアウトの制約が少なくすることができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかるプロジェクタの斜視図である。 図２は、実施の形態にかかるプロジェクタの側面図である。 図３は、実施の形態にかかるプロジェクタの外装カバーを外した状態を示す図である。 図４は、実施の形態にかかるプロジェクタ内部の光学エンジンの構成を示す図である。 図５は、実施の形態にかかるプロジェクタの画像生成ユニットの構成を示す図である。 図６は、画像生成ユニット内の固定ユニットの分解斜視図である。 図７は、画像生成ユニット内の可動ユニットの分解斜視図である。 図８は、固定ユニットと可動ユニットにおける各プレートの位置関係を示す図である。 図９は、実施の形態１のプロジェクタにおけるＤＭＤの駆動方向の説明図である。 図１０は、実施の形態１のプロジェクタにおけるＤＭＤの駆動方向の説明図である。 図１１は、実施の形態１のプロジェクタにおけるＤＭＤの駆動方向の説明図である。

以下に添付図面を参照して、画像投射装置の実施の形態を詳細に説明する。以下では、画像投射装置をプロジェクタに適用した例を示す。

図１は、実施の形態にかかるプロジェクタの斜視図である。図２は、実施の形態にかかるプロジェクタの側面図である。プロジェクタ１は、ＰＣ（Personal Computer）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、生成した映像を被投射物であるスクリーン２に投影して表示する装置である。図２では、プロジェクタ１の投射レンズ１５から発した投射光がスクリーン２に照射されている状態が示されている。

プロジェクタ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、画像表示素子であるＤＭＤを利用した小型軽量のプロジェクタが普及したことにより、オフィスや学校のみならず家庭においても広く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利用されるようになってきている。

プロジェクタ１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することが要望されている。近年では、光学エンジン３（図３参照）の性能が向上し、投射距離が１〜２ｍで投射サイズが６０inch〜８０inchを達成できるプロジェクタ１が主流となってきている。

投射距離が長いプロジェクタの場合、プロジェクタとスクリーンとの間には会議机があり、会議机の後ろ側にプロジェクタを配置していた。しかし、近年では、投射距離の短縮に伴い、会議机の前側にプロジェクタを配置することが可能となり、プロジェクタの背後の空間を自由に活用できるようになってきた。

また、プロジェクタは、内部に光源ランプや多数の電子基板を収納しているため、起動後は時間の経過と共に内部温度が上昇してしまう。これはプロジェクタの筐体サイズの小型化が進む昨今では顕著である。従って、対策としてプロジェクタ内部の構成部品の耐熱温度を超えることのないよう、図１に示すように、吸気口１１と排気口１２を設け、強制気流による空冷方式が用いられている。

図３は、実施の形態にかかるプロジェクタの外装カバーを外した状態を示す図である。プロジェクタ１には、光学エンジン３および光源ユニット４が備えられており、図３（Ａ）では、それらが配置された状態が示されている。また、図３（Ｂ）では、プロジェクタ１から光学エンジン３および光源ユニット４が取り出された状態を示している。光源ユニット４は、光を照射するものであり、本実施の形態では高圧水銀ランプを採用している。

光源ユニット４から照射された光がスクリーン２上に像を結ぶまでの経路について説明する。まず、光源ユニット４から照射された光が光学エンジン３の照明ユニット３ａに照射される。照明ユニット３ａ内では光学素子により照射された白色光をＲＧＢに分光し、分光した光をＤＭＤ１０（図４参照）)へ導く。そして、ＤＭＤ１０に導かれた光は変調信号に応じて画像形成され、投射ユニット３ｂで拡大投射されるスクリーン２に至る、という構成になっている。なお、照明ユニット３ａが照明光学部に相当する。

また、図１で示したプロジェクタ１の内部の空冷方式は、吸気口１１近辺に配置された吸気ファン１３と、排気口１２近辺に配置された排気ファン１４とにより強制気流にて実施されている。

図４は、実施の形態にかかるプロジェクタの内部構成を示す図である。図４では、プロジェクタ１における光学エンジン３の照明ユニット３ａと投射ユニット３ｂ、および光源ユニット４の断面図を示している。

光学エンジン３では、まず光源ユニット４から照射された白色光を円盤状のカラーホイール５によりＲＧＢの各色に変換する。その後、板ガラスを張り合わせて筒状に構成されたライトトンネル６により、カラーホイール５から出射された光を照明ユニット３ａ内に導く。そして、ライトトンネル６の直後に配置されている２枚のリレーレンズ７により色収差を補正し、平面ミラー８および凹面ミラー９によってＤＭＤ１０を有する画像生成ユニット２０に集光させる構成となっている。

ＤＭＤ１０は、光源ユニット４から照射された光を用いて画像を生成するものである。具体的には、ＤＭＤ１０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。ＤＭＤ１０が光を反射する方向は２方向存在している。映像データの生成に使用される光は投射レンズ１５へ、使用されることなく破棄される光はＯＦＦ光板へ反射する構成となっている。

映像データの生成に使用される光は、投射ユニット３ｂ側へ反射し、複数の投射レンズ１５を通る際に拡大され、拡大された映像光としてスクリーン２上へ投影される。なお、投射ユニット３ｂが投影部に相当し、画像生成ユニット２０により生成された画像をスクリーン２に投影している。照明ユニット３ａの内部のリレーレンズ７、平面ミラー８、凹面ミラー９、ＤＭＤ１０、および投射ユニット３ｂの入射側は、各部品を覆うようにハウジングで保持され、ハウジングの合せ面は、シール材にて密閉された防塵構造となっている。

次に、画像生成ユニット２０について説明する。図５は、実施の形態にかかるプロジェクタの画像生成ユニットの構成を示す図である。図５に示すように、画像生成ユニット２０は、主に固定ユニット３１と可動ユニット４１の二つのユニットから構成されている。図６は、画像生成ユニット内の固定ユニットの分解斜視図である。図７は、画像生成ユニット内の可動ユニットの分解斜視図である。

図６に示すように、固定ユニット３１は、トッププレート３２およびベースプレート３３を備えている。また、図７に示すように、可動ユニット４１は、可動プレート４２および結合プレート４６を備えている。図８は、固定ユニットと可動ユニットにおける各プレートの位置関係を示す図である。以下では、図５〜８を参照して、固定ユニット３１および可動ユニット４１の詳細を説明する。

可動ユニット４１には、駆動部であるアクチュエータによる駆動力を用いて、固定ユニット３１に対して力を作用する際の反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可能な構成となっている。すなわち、可動ユニット４１は、固定ユニット３１が固定されている照明ユニット３ａに対して相対的に移動可能な構成となっている。

さらに、可動ユニット４１が固定ユニット３１から受ける抵抗を小さくするため、図６に示すように、固定ユニット３１と可動ユニット４１の間には複数の球体３４が設けられている。この球体３４が二つのユニット間の摺動摩擦を低減している。球体３４の位置については図６に示している。

まず、固定ユニット３１について説明する。図６に示す固定ユニット３１は、可動ユニット４１（図７参照）を支持することと、可動ユニット４１の移動をサポートすることの２点の役割を有している。

具体的には、まず、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、固定ユニット３１が可動ユニット４１を支持している。

球体３４は、トッププレート３２と可動プレート４２との間、およびベースプレート３３と可動プレート４２との間にそれぞれ配置されている。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。

ここで、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によって行うことができる。また、トッププレート３２とベースプレート３３の間には、両プレートの距離を保つ支柱３８が設けられている。

次に、固定ユニット３１による可動ユニット４１の移動のサポートについて説明する。プロジェクタ１の固定ユニット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。このマグネット３７とボイスコイル４３がアクチュエータであり、駆動部に相当する。

本実施の形態のプロジェクタ１では、ボイスコイル４３に電流を流す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。つまり、マグネット３７とボイスコイル４３が電磁力を用いたアクチュエータであり、駆動部に相当する。ここで、ボイスコイル４３に流す電流の向きによってローレンツ力の向きが変化し、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。従って、ボイスコイル４３に流す電流の向きや大きさを調整することにより、ＤＭＤ１０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。

次に、可動ユニット４１について説明する。可動ユニット４１は、ＤＭＤ１０を保持する役割を有している。ＤＭＤ１０は、照明ハウジングとヒートシンクで挟持される構成が一般的となっている。しかし、本実施の形態のプロジェクタ１では、図７に示すように、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によりＤＭＤ１０を覆う構成としている。これにより、照明ハウジングに押し当てることなくＤＭＤ１０を保持できる。

また、図７に示すように、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との二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とボイスコイル４３から構成されており、固定ユニット３１からの力を受け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ＤＭＤ１０、ヒートシンク１８、結合プレート４６、およびＤＭＤ保持ブラケット４７から構成されており、ＤＭＤ１０を保持するユニットとなっている。結合プレート４６が可動プレート４２に結合されることによって、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、ＤＭＤ１０の移動を実現している。

また、ヒートシンク１８は、光源ユニット４から照射された光によって生成される熱を拡散して放熱させるものであって、放熱部に相当する。ヒートシンク１８は、ＤＭＤ１０に押し当てられることで、熱伝導を利用してＤＭＤ１０を冷却する。また、ヒートシンク１８は、ＤＭＤ１０に押圧されているため、ＤＭＤ１０が移動する際にＤＭＤ１０と一体となって移動する。

また、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、図８に示すように、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の間に配置されることになる。また、ＤＮＤ保持ブラケット４７、結合プレート４６、およびヒートシンク１８は、スプリング４９が設けられた段ネジ４８によってヒートシンク１８側から固定されている。

すなわち、図８に示すように、画像生成ユニット２０では、固定ユニット３１を形成するトッププレート３２およびベースプレート３３と、可動ユニット４１を形成する可動プレート４２と結合プレート４６が互い違いに配置されている。この配置によって、可動プレート４２にローレンツ力を作用させ、そのローレンツ力による駆動をＤＭＤ保持ユニット４５に伝達している。つまり、ＤＭＤ１０にローレンツ力による駆動を伝達してＤＭＤ１０をシフトさせている。

次に、アクチュエータによるＤＭＤ１０の駆動について説明する。図９〜１１は、実施の形態１のプロジェクタにおける駆動部によるＤＭＤの駆動方向の説明図である。

図９では、水平方向をｘ軸方向、重力（鉛直）方向をｙ軸方向とすると、水平方向に対して０度を超え９０度未満の角度Ｒ１をなす第１方向のＸ軸方向と、水平方向に対して９０度を超え１８０度未満の角度Ｒ２をなす第２方向のＹ軸方向とによる座標軸がある。アクチュエータは、Ｘ軸方向に作用する第１駆動力と、Ｙ方向に作用する第２駆動力とにより、ＤＭＤ１０を移動させる。

本実施の形態では、水平方向をｘ軸方向、重力（鉛直）方向をｙ軸方向とすると、水平方向に対して４５度（角度Ｒ１）をなす方向（第１方向）をＸ軸方向とし、Ｘ軸方向に対して９０度回転させた方向、すなわち水平方向に対して１３５度（角度Ｒ２）をなす方向（第２方向）をＹ軸方向とする。

そして、本実施の形態のプロジェクタ１では、図９に示すように、水平方向に対して斜め４５度、すなわちＸ軸方向とＹ軸方向に沿って２組のボイスコイル４３ａを配置している。これにより、矢印Ａに示すように、Ｙ軸方向に作用するローレンツ力である駆動力（第２駆動力）が生成される。この駆動力によって、ＤＭＤ１０が矢印Ｆ１方向に移動が可能となり、高解像度化の動きである、投影画像を斜め４５度方向の半画素ずらしの動きを実現している。このように、投影画像を斜め４５度方向の半画素ずらしの動きを単軸であるＹ軸のみで実現することで、簡易な構成により制御を行って投影画像を高解像度化することができる。また、方向の異なる駆動力をさらに追加することで、投影画像のシフト、回転を実現できる。

具体的には、本実施の形態のプロジェクタ１では、図１０に示すように、ボイスコイル４３ａと垂直の方向になるように、２組のボイスコイル４３ｂを配置している。これにより、矢印Ｂに示すように、Ｘ軸方向に作用するローレンツ力である駆動力（第１駆動力）が生成される。このように、ボイスコイル４３ａによる駆動力と、ボイスコイル４３ｂによる駆動力との合力によって、ＤＭＤ１０を水平方向（ｘ軸方向）または重力方向（ｙ軸方向）に移動させることができる。そして、ＤＭＤ１０を上下左右に並進運動させることによって、投影画像のシフトを実現することができる。

また、本実施の形態のプロジェクタでは、２組のボイスコイル４３ｂそれぞれに、反対向きの電流を流すことで、図１１の矢印Ｂ、Ｃに示すように、Ｘ軸方向に反対方向で作用するローレンツ力である駆動力が生成される。このように、反対方向の駆動力によって、ＤＭＤ１０を矢印Ｆ２方向に回転させることができる。そして、ＤＭＤ１０を回転運動させることによって、投影画像の回転を実現することができる。

また、図１０に示すように、重力方向（ｙ軸方向）の投影画像のシフト、すなわち、ＤＭＤ１０の移動をＸ軸方向およびＹ軸方向の駆動力の合力によって行うため、ＤＭＤ１０およびヒートシンク１８を含む可動部（可動ユニット４１）の可動可能な重量を大きくすることができる。従って、アクチュエータを増やさなくても必要な駆動力を得ることができるため、他の構成部品のレイアウト等の制約を少なくすることができる。

このように、実施の形態にかかるプロジェクタ１では、駆動部であるアクチュエータにより、水平方向に対して４５度方向に作用する駆動力と、水平方向に対して１３５度方向に作用する駆動力とを対になって生成し、可動ユニット４１に備えられたＤＭＤ１０を移動させる。従って、簡易な構成より、ＤＭＤ１０およびヒートシンク１８を含む可動ユニット４１（可動部）をシフトさせて投影画像の高解像度化および投影画像のシフト・回転を実現できるとともに、可動ユニット４１（可動部）の可動可能な重量を大きくでき、レイアウトの制約が少なくすることができる。

１ プロジェクタ
２ スクリーン
３ 光学エンジン
３ａ 照明ユニット
３ｂ 投射ユニット
４ 光源ユニット
５ カラーホイール
６ ライトトンネル
７ リレーレンズ
８ 平面ミラー
９ 凹面ミラー
１０ ＤＭＤ
１１ 吸気口
１２ 排気口
１３ 吸気ファン
１４ 排気ファン
１５ 投射レンズ
１８ ヒートシンク
２０ 画像生成ユニット
３１ 固定ユニット
３２ トッププレート
３３ ベースプレート
３４ 球体
３５ 球体保持部
３６ 球体受け部
３７ マグネット
３８ 支柱
３９ 球体位置調整ネジ
４１ 可動ユニット
４２ 可動プレート
４３（４３ａ、４３ｂ） ボイスコイル
４４ 可動プレートユニット
４５ ＤＭＤ保持ユニット
４６ 結合プレート
４７ ＤＭＤ保持ブラケット
４８ 段ネジ
４９ スプリング

特開２００７−２４８７２１号公報

Claims (6)

1. 光を照射する光源と、
   前記光源から照射された光を用いて画像を生成する変調素子と、
   前記光源から照射された光を前記変調素子へ導く照明光学部と、
   前記変調素子により生成された画像を投影する投影部と、
   前記照明光学部に対して前記変調素子を相対的に移動可能な駆動部と、を備え、
   前記駆動部は、水平方向に対して０度を超え９０度未満の角度をなす第１方向に作用する第１駆動力と、前記水平方向に対して９０度を超え１８０度未満の角度をなす第２方向に作用する第２駆動力とを生成する、画像投射装置。
2. 前記第１方向は、前記水平方向に対して４５度の角度をなす方向であって、
   前記第２方向は、前記水平方向に対して１３５度の角度をなす方向である、請求項１に記載の画像投射装置。
3. 前記駆動部は、生成された前記第１駆動力と前記第２駆動力の合力によって、前記変調素子を前記水平方向または重力方向に移動させる、請求項１または２に記載の画像投射装置。
4. 前記駆動部は、電磁力を用いたアクチュエータである、請求項３に記載の画像投射装置。
5. 前記駆動部は、複数配置され、反対向きの電流が流されることによって、前記変調素子の回転させる、請求項４に記載の画像投射装置。
6. 前記光源から照射された光によって生成される熱を拡散させ、前記変調素子に押圧されることで前記変調素子と一体となって移動する放熱部をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一つに記載の画像投射装置。