JP7204505B2 - 投写表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、投写表示装置に関する。

近年、設置自由度の高い超広角、かつ、レンズシフト範囲の大きな投写表示装置を実現するために、再結像投写光学系を備える投写表示装置が提案されている（特許文献１および特許文献２参照）。

特開２０１７－２１５４１９号公報 特開２０１７－２１１４７８号公報

再結像投写光学系に代表される、超広角、かつ、レンズシフト範囲が大きな投写光学系では、光軸中心部より周辺部の方が、デフォーカス時のスクリーンに平行な光束径が大きい。結果として、光軸中心部での被写界深度と、周辺部での被写界深度の差が、一般的な投写光学系と比較して大きくなる。すなわち、再結像投写光学系を備える投写表示装置では、レンズシフト量が最大値である場合の投写画像の周辺部の被写界深度は、レンズの光軸に直交する平面内におけるレンズシフト量がゼロである場合の投写画像の中心部の被写界深度に比べて浅くなる。

一般的な投写表示装置の投写光学系は、フォーカス調整機能を有する。例えば、被投写面を見ながら、フォーカス調整ボタンを必要回押して投写画像のピントを調整することができる。しかしながら、レンズシフト実行時や、投写画像の周辺部を重視して調整する際、フォーカスレンズの移動量を光軸中心で調整する場合と同量の移動量に設定していると、被写界深度の違いにより調整が困難になる。具体的には、被写界深度が浅くなっているにもかかわらず、移動量が変化しないため、調整が困難になる。しかしながら、特許文献１および特許文献２では、このような問題に対して何ら言及されていない。

本発明は、像高によって被写界深度が異なる投写光学系を用いて適切にピントを調整可能な投写表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての投写表示装置は、被投写面に画像を投写する投写光学系の内部に設けられ、被投写面における投写画像のピントを調整する合焦部を駆動する駆動部と、投写光学系を、投写光学系の光軸に直交する平面内で移動させるシフト部と、シフト部の位置情報を取得する取得部と、を有し、駆動部は、取得部により取得されたシフト部の位置情報に基づき投写光学系の像高を取得し、投写光学系の像高と被写界深度との関係を用いて合焦部の駆動条件を設定することを特徴とする。

本発明によれば、像高によって被写界深度が異なる投写光学系を用いて適切にピントを調整可能な投写表示装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る投写表示装置の構成を示す模式図である。 シフトユニットをスクリーン側から見た図である。 レンズユニットの斜視図である。 レンズユニットの断面図である。 レンズ絞りの開閉度合を示す図である。 デフォーカス時のスクリーンに平行な光束を示す図である。 レンズユニットの像高と被写界深度との関係の一例を示す図である。 レンズシフトを含めた有効像円内での投写領域の移動と像高を示す模式図である。 被写界深度ごとの調整量を示す図である。 合焦部の駆動条件の設定処理を示すフローチャートである。 被投写面上の位置を指定する方法を示す図である。 被投写面上で最も光学性能を求める領域が被投写面の中央の領域とは異なる領域である場合の一例を示す図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る投写表示装置１の構成を示す模式図である。投写表示装置１には、レンズユニット（投写光学系）２が交換可能に取り付けられている。なお、レンズユニット２は、投写表示装置１に固定されていてもよい。

照明光学系６は、光源６１からの光を均一に所定の領域に導く。ＵＶカットフィルタ６２は、光源６１からの光のうち、所定の短波長領域の光をカットする。フライアイレンズ６３Ａ，６３Ｂは、ＵＶカットフィルタ６２からの光を均一化する。ＰＳ変換素子６４は、フライアイレンズ６３Ｂからの光の偏光方向を揃える。コンデンサレンズ６５は、ＰＳ変換素子６４からの光を所定の領域に集光する。

色分離合成光学系５は、照明光学系６からの光を、赤色、緑色、青色の３色に分離し、任意の画像を色ごとに生成した後、再度合成してレンズユニット２に導く。ダイクロイックミラー５１は、コンデンサレンズ６５からの光のうち、緑光を透過させ、赤光および青光を反射する。カラーセレクト５２は、ダイクロイックミラー５１からの光のうち、赤光の偏光方向を変える。赤青用偏光ビームスプリッタ５３は、カラーセレクト５２からの光のうち、青光を反射し、赤光を透過させる。緑用偏光ビームスプリッタ５５は、ダイクロイックミラー５１からの緑光を反射する。青用液晶表示素子５４Ｂ、赤用液晶表示素子５４Ｒおよび緑用液晶表示素子５４Ｇはそれぞれ、任意の画像を生成する。色選択光学素子５６は、緑光を反射し、赤光または青光を透過させる。色選択光学素子５６からの光は、レンズユニット２に導かれる。

図２は、シフトユニット（シフト部）３をスクリーン（被投写面）側から見た図である。レンズユニット２の光軸をＺ軸とすると、シフトユニット３は、レンズユニット２をＺ軸に直交する平面（ＸＹ面）内を移動可能に保持する。Ｘ方向操作レバー３１は、レンズユニット２をＸ方向へ移動させる。Ｙ方向操作レバー３２は、レンズユニット２をＹ方向へ移動させる。Ｘ方向移動板３６は、レンズユニット２をレンズ締結部３５にビス締結し、Ｘ方向へ移動可能に保持する。Ｙ方向移動板３７は、レンズユニット２を保持したＸ方向移動板３６をＹ方向へ移動可能に保持する。Ｘ方向シフトセンサ３３は、Ｘ方向移動板３６に駆動力を伝達するとともに、Ｘ方向移動板３６の位置を検出する。Ｙ方向シフトセンサ３４は、Ｙ方向移動板３７に駆動力を伝達するとともに、Ｙ方向移動板３７の位置を検出する。Ｘ方向シフトセンサ３３およびＹ方向シフトセンサ３４は、制御基板４に電気的に接続されている。

図３は、レンズユニット２の斜視図である。図４は、レンズユニット２の断面図である。レンズユニット２は、スクリーンにおける投写画像のピントを調整する合焦部を有する。本実施形態では、合焦部は、像面湾曲調整群（像面湾曲調整部）２０１およびフォーカス調整群２０２を備える。

像面湾曲調整群２０１は、少なくとも１つ以上のレンズから構成され、ヘリコイドネジにより保持される。前玉レンズ２０１１は、像面湾曲調整群２０１において、最もスクリーン側に配置される。像面湾曲調整群２０１は、像面湾曲ギア２１を介してモータ２４の駆動力を伝達されることで光軸に沿って移動する。モータ２４には、像面湾曲調整群２０１の光軸方向における位置を検出するセンサが内蔵されている。像面湾曲調整群２０１は、光軸に沿って移動することで、図４に示されるようにスクリーンにおける投写画像のピントを湾曲させるように（非平面状に）調整する。湾曲の度合いは、像面湾曲調整群２０１の移動量によって変更可能である。

フォーカス調整群２０２は、少なくとも１つ以上のレンズから構成される。フォーカス調整群２０２は、モータ２５の駆動力によりフォーカスギア２２を介してフォーカスカム２０８を回転させることで、光軸に沿って移動する。端検出スイッチ２７１およびフォトインタラプタ２７２は、フォーカス調整群２０２の光軸方向における位置を検出する。

ズーム調整群２０３～２０６は、ズーム群調整モータ２６の駆動力によりズームギア２３を介してズームカム２０９を回転させることで、光軸に沿って移動する。変倍群センサ２８は、スライド式ポジションセンサであり、ズーム調整群２０３～２０６の光軸方向における位置を検出する。

レンズ絞り（光量調節部）２１０は、レンズユニット２内を透過する光の量（透過光量）を、図５に示されるように、絞り羽根を移動させ、開閉度合を変化させることで調節する。固定群２０７は、レンズユニット２内で移動しないように保持されている。

レンズ基板４１は、レンズユニット２内のセンサからの情報を取得するとともに、レンズユニット２内のモータに駆動信号を伝達する。レンズ基板４１は、制御基板４と電気的に接続される。

制御基板４は、レンズユニット２およびシフトユニット３に設けられた検出手段からの情報を取得する取得部４ａを備える。制御基板４は、取得部４ａにより取得された情報を用いて所定の演算を行い、レンズユニット２に対する駆動信号を生成する。すなわち、制御基板４は、レンズユニット２を駆動する駆動部として機能する。具体的には、制御基板４は、レンズユニット２の内部のレンズを駆動したり、レンズユニット２を、レンズユニット２の光軸に直交する平面内でシフトユニット３を介して移動させたりする。

また、制御基板４は、情報を記憶する記憶部４ｂを備える。本実施例では、記憶部４ｂは、レンズユニット２ごとの、レンズユニット２の像高と被写界深度との関係を記憶する。なお、制御基板４は、記憶部４ｂを備える代わりに、レンズユニット２ごとの、レンズユニット２の像高と被写界深度との関係を算出してもよいし、上記関係を記憶している外部（例えば、レンズユニット２やサーバ）から取得してもよい。また、記憶部４ｂは、レンズ絞り２１０の開閉度合と被写界深度との関係を記憶していてもよい。

図６は、デフォーカス時のスクリーンに平行な光束を示す図である。超広角、かつ、レンズシフト範囲が大きな投写光学系では、黒矢印で示される周辺部のスクリーンに平行な光束は、白抜き矢印で示される光軸中心部のスクリーンに平行な光束径より大きい。結果として、光軸中心部での被写界深度と、周辺部での被写界深度の差が、一般的な投写光学系と比較して大きくなる。

ここで、本発明が適用される広角なレンズユニット２では、スクリーンからレンズユニット２までの距離ｘのスクリーンの横の長さｙに対する比率（投写比）が以下の条件式（１）を満足する。

ｘ／ｙ＜１．０ （１）
投写比が条件式（１）を満足しないレンズユニット２では、像高に応じて被写界深度が変化しないため、後述するように像高に応じて合焦部の駆動条件を変更する必要はない。合焦部の駆動条件を変更してもよいが、通常より調整に時間がかかってしまう。

また、投写比は、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。

ｘ／ｙ＜０．８ （２）
本実施例では、フォーカス調整群２０２を駆動することでフォーカス調整を行うことができ、像面湾曲調整群２０１を駆動することで像面湾曲調整を行うことができる。例えば、フォーカス調整を行う場合、フォーカス調整ボタン（不図示）を１押しすると、ピント面が単位量だけ移動する。単位量が小さすぎると、調整時間がかかり、単位量が大きすぎると、ピント面を最も適する位置に移動させることができない。像面湾曲調整を行う場合も同様に、像面湾曲調整ボタン（不図示）を１押しした場合のピント面の変化量が小さすぎると、調整時間がかかり、変化量が大きすぎると、ピント面を最も適する位置に移動させることができない。

前述したように、本実施例のレンズユニット２では、像高に応じて被写界深度が変化する。図７Ａは、レンズユニット２の像高と被写界深度との関係の一例を示す図である。横軸は像高、縦軸は被写界深度を示している。像高が０ｍｍである場合の被写界深度が最も深く、像高が高くになるにつれて被写界深度が浅くなっていく。

図７Ｂは、レンズシフトを含めた有効像円９内での投写領域の移動と像高を示す模式図である。投写領域９１は、レンズシフトしていない場合の領域であり、画面中心での像高はゼロとなる。投写領域９２は、レンズシフトした場合の領域であり、画面中心の像高は矢印で示される像高１０である。画面中心で比較すると、投写領域９２は投写領域９１に比べて像高が高く、投写領域９２における被写界深度は投写領域９１における被写界深度に比べて浅くなる。

本実施例では、像高によって被写界深度が変化するため、被写界深度に応じてピント面の調整量を設定する。具体的には、制御基板４は、レンズユニット２のシフト位置、およびレンズユニット２の像高に対する被写界深度の関係を用いて調整量に対応する合焦部の駆動条件を設定する。

図７Ｃは、被写界深度ごとの調整量の一例を示す図である。被写界深度が投写領域９１における被写界深度７１である場合、制御基板４は、被写界深度７１を投写画像のベストピント面７を中心に６分割した調整量８１に対応するフォーカス調整群２０２の駆動条件を設定する。また、被写界深度が投写領域９２における被写界深度７２である場合、制御基板４は、被写界深度７２を、ベストピント面７を中心に６分割した調整量８２に対応するフォーカス調整群２０２の駆動条件を設定する。

なお、本実施例では、合焦部の駆動条件としてフォーカス調整群２０２の駆動条件を変更する場合について説明したが、像面湾曲調整群２０１の駆動条件を設定してもよい。

以下、図８を参照して、制御基板４により実行される本発明の合焦部の駆動条件の設定処理について説明する。図８は、本発明の合焦部の駆動条件の設定処理を示すフローチャートである。

ステップＳ１では、制御基板４は、レンズユニット２が投写表示装置１に装着されたかどうかを判定する。レンズユニット２が投写表示装置１に装着された場合、ステップＳ２に進み、レンズユニット２が投写表示装置１に装着されていない場合、本ステップを繰り返す。なお、レンズユニット２が投写表示装置１に固定されている場合、本ステップを実行する必要はない。

ステップＳ２では、制御基板４は、レンズユニット２の投写比が１．０未満であるかどうかを判定する。投写比が１．０未満である場合、ステップＳ３に進み、投写比が１．０以上である場合、本フローを終了する。なお、本ステップでは、投写比を用いてレンズユニット２が広角であるかどうかを判定しているが、レンズユニット２が広角であるかどうかを判定できれば、本発明はこれに限定されない。例えば、制御基板４は、レンズユニット２を特定する識別情報を取得し、取得した識別情報を用いてレンズユニット２が広角であるかどうかを判定してもよい。

ステップＳ３では、制御基板４は、まず、投写領域の位置（シフトユニット３の位置）を用いて投写領域における像高を取得する。シフトユニット３の位置は、Ｘ方向シフトセンサ３３およびＹ方向シフトセンサ３４からの情報から取得可能である。制御基板４は、次に、レンズユニット２のシフト位置、およびレンズユニット２の像高と被写界深度との関係を用いて合焦部の駆動条件を設定する。

本実施例の構成によれば、像高によって被写界深度が異なるレンズユニット２を用いて適切にピントを調整可能な投写表示装置１を提供することができる。

被投写面上で最も光学性能を求める領域、言い換えると、優先的に合焦させたい領域は、通常、被投写面の中央の領域であることが多い。そのため、初期設定では、合焦部の駆動条件は、被投写面の中央の領域に合わせて設定されていることが多い。しかしながら、被投写面上の中央でない領域が最も光学性能を求める領域となる状況も存在する。本実施例では、そのような場合でも像高によって被写界深度が異なるレンズユニット２を用いて適切にピントを調整可能な例について説明する。

まず、図９を参照して、被投写面上の最も光学性能を求める領域を指定する方法について説明する。図９は、被投写面７３上の所定の位置を指定する方法を示す図である。本実施例では、被投写面７３には、位置を指定するための指定部１１が表示される。コントローラ１２は、操作することで指定部１１を被投写面７３内で移動させることができるとともに、指定部１１を用いて被投写面７３上の所定の位置を指定することができる。なお、本実施例では、コントローラ１２を使用して所定の位置を指定する方法について説明したが、本発明はこれに限定されない。投写表示装置１が撮像素子や赤外線検知機能を有する場合、撮像素子や、赤外線を用いて所定の位置を指定してもよい。

図１０は、被投写面上で最も光学性能を求める領域が被投写面の中央の領域とは異なる領域である場合の一例を示す図である。図１０（Ａ）は、６台の投写表示装置１を並べて１つの画像を投写している状態、いわゆる、マルチスタック投写が行われている状態を示している。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の６台の投写表示装置１を図９（Ａ）の矢印方向から見た図である。図１０（Ｃ）は、レンズシフトを含めた有効像円９内での投写領域９４～９９と各投写領域の指示領域の像高１０２～１０７を示す模式図である。

指定領域１１１は、斜線で示す投写表示装置１からの画像が投写される被投写面７３１上の最も光学性能を求める領域である。１つの画像を投写する場合、被投写面の中央の領域を最も光学性能を得たい領域に指定することが多い。しかしながら、マルチタスク投写が行われている場合、６つの画像が合成された１つの画像の中心に近い領域が重視される。そのため、図１０（Ｃ）に示されるように、６つの画像が合成された１つの画像の中心に近い領域を指定することが好ましい。ただし、投写する画像ソースや投写対象などに応じて、最も光学性能を求める領域は異なる。

指定領域の像高は、シフトユニット３の位置情報、および被投写面上の指定領域の情報を合わせることで得ることができる。制御基板４は、像高を取得すると、実施例１と同様に、合焦部の駆動条件を設定する。

本実施例の構成によれば、被投写面上で最も光学性能が指定された場合であっても、像高によって被写界深度が異なるレンズユニット２を用いて適切にピントを調整可能な投写表示装置１を提供することができる。

実施例１や実施例２では、制御基板４は、被写界深度を所定の分割数で分割した値に対応する合焦部の駆動条件を設定したが、本実施例では、使用者により投写表示装置１に設けられた設定部を介して設定された合焦部の駆動条件を使用する。ただし、合焦部を駆動するために最低限必要なトルクと印加可能な最低限のトルクとの関係により、合焦部の最小駆動量が存在するため、調整量にも設定可能な最小値が存在する。

ここで、図８（Ｃ）を参照して、制御基板４が設定部を介して設定された合焦部の駆動条件を設定できない場合について説明する。例えば、調整量の設定可能な最小値が調整量８１であり、投写領域の像高に対応する被写界深度が被写界深度７２である場合に、使用者が設定部を介して合焦部の駆動条件を、被写界深度７２を６分割した調整量８２に対応する条件に設定したとする。しかしながら、設定可能な調整量の最小値が調整量８１であるため、制御基板４が合焦部の駆動条件を調整量８２に対応する条件に設定することは不可能である。

このような場合、本実施例では、制御基板４は、透過光量が減るようにレンズ絞り２１０の開閉度合いを変化させることで、被写界深度を大きくする。例えば、被写界深度７２が被写界深度７１に拡大される。これにより、制御基板４は、合焦部の駆動条件を、被写界深度７２を６分割した調整量８２に対応した駆動条件に設定可能になる。なお、本実施例では、記憶部４ｂは、レンズ絞り２１０の開閉位置（光量調節位置）と被写界深度との関係を記憶している。また、制御基板４は、記憶部４ｂを備える代わりに、レンズ基板４１やサーバからレンズ絞り２１０の開閉位置と被写界深度との関係を取得してもよい。

本実施例の構成によれば、合焦部の駆動条件を使用者が設定可能であり、使用者が設定不可能な駆動条件を設定した場合でも被写界深度を拡大する。これにより、像高によって被写界深度が異なるレンズユニット２を用いて適切にピントを調整可能な投写表示装置１を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ 投写表示装置
３ シフトユニット（シフト部）
４ 制御基板（駆動部）
４ａ 検出手段（取得部）
２０１ 像面湾曲調整群（合焦部）
２０２ フォーカス調整群（合焦部）

Claims (9)

1. 被投写面に画像を投写する投写光学系の内部に設けられ、前記被投写面における投写画像のピントを調整する合焦部を駆動する駆動部と、
   前記投写光学系を、前記投写光学系の光軸に直交する平面内で移動させるシフト部と、
   前記シフト部の位置情報を取得する取得部と、を有し、
   前記駆動部は、前記取得部により取得された前記シフト部の位置情報に基づき前記投写光学系の像高を取得し、前記投写光学系の像高と被写界深度との関係を用いて前記合焦部の駆動条件を設定することを特徴とする投写表示装置。
2. 前記投写光学系の像高と被写界深度との関係を記憶する記憶部を有することを特徴とする請求項１に記載の投写表示装置。
3. 前記取得部は、前記合焦部の位置情報を取得することを特徴とする請求項１または２に記載の投写表示装置。
4. 前記合焦部は、前記被投写面における投写画像のピントを非平面状に調整する像面湾曲調整部を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の投写表示装置。
5. 前記駆動部は、前記被投写面のうち優先的に合焦させたい領域を用いて前記合焦部の駆動条件を設定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の投写表示装置。
6. 前記合焦部の駆動条件を設定可能な設定部を有し、
   前記駆動部は、前記設定部により設定された前記合焦部の駆動条件が設定不可能である場合、前記シフト部の位置情報、前記投写光学系の像高と被写界深度との関係、および前記投写光学系の内部に設けられ、透過光量を調節する光量調節部の光量調節位置と被写界深度との関係を用いて前記合焦部の駆動条件を設定することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の投写表示装置。
7. 前記駆動部は、前記投写光学系からの情報に基づいて前記合焦部の駆動条件を設定するかどうかを判定することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の投写表示装置。
8. 前記投写光学系からの情報は、前記投写光学系の識別情報であることを特徴とする請求項７に記載の投写表示装置。
9. 前記投写光学系からの情報は、前記投写光学系の投写比であることを特徴とする請求項７に記載の投写表示装置。

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