JP7408829B2 - 投写装置 - Google Patents

Description

本開示の技術は、投写装置に関する。

従来、投写装置の投写像のオートフォーカスに関する技術が種々提案されている。例えば、特開２０１７－１８７５７２号公報には、曲面状の被投写面に画像を投写可能な画像投写装置であって、投写光学系の光軸位置を含む第１の領域に対しフォーカス調整する第１のフォーカス調整部と、第１の領域よりも周辺側の第２の領域に対しフォーカス調整する第２のフォーカス調整部と、フォーカス調整用のチャートを生成可能な画像生成部と、第１および第２のフォーカス調整部の駆動を制御する制御部とを有する画像投写装置が記載されている。

本開示の技術に係る１つの実施形態は、装置を大型化することなく、低コストで、広範囲に投写される投写像についてオートフォーカスが可能な投写装置を提供する。

本開示の投写装置は、画像を表示する表示素子と、画像を投写して投写像を形成する投写光学系と、投写像における投写光学系の光軸を含む第１の領域を撮影する撮影光学系、および撮影光学系によって結像される像を撮像する撮像素子を含む撮影ユニットと、撮影ユニットから取得した情報に基づき、投写像における光軸を含まない第２の領域についてフォーカス調整を制御するプロセッサとを備え、投写光学系の少なくとも一部と表示素子との相対位置を変化させることによって投写像の位置を変化させることが可能であり、表示素子における表示領域の最長の径をＨ１、投写光学系の焦点距離をｆ１、撮像素子における撮像領域の最長の径をＨ２、投写光学系の最大半画角をθ１、撮影光学系の焦点距離をｆ２とした場合、下記条件式（１）および（２）を満足する。
２．２＜Ｈ１／｜ｆ１｜ （１）
０＜｜Ｈ２／（ｆ２×ｔａｎθ１）｜＜１．２ （２）

本開示の投写装置は、下記条件式（１－１）および（２－１）の少なくとも一方を満足することが好ましい。
３＜Ｈ１／｜ｆ１｜＜８ （１－１）
０＜｜Ｈ２／（ｆ２×ｔａｎθ１）｜＜０．８ （２－１）

投写像および第１の領域がともに矩形状の場合は、投写像の長辺方向と第１の領域の短辺方向とが平行であることが好ましい。

投写像は、投写像の投写距離の測定用の画像であってもよい。

投写光学系は投写像全体となる第３の領域についてフォーカス調整が可能であるように構成してもよく、その場合は、第２の領域のフォーカス調整の際の可動部と、第３の領域のフォーカス調整の際の可動部とは異なることが好ましい。

投写光学系は光路を偏向する少なくとも１つの光路偏向部材を有し、投写光学系の一部は投写光学系の光軸の周りに回転可能であり、最も拡大側の光路偏向部材より拡大側に撮影ユニットが配設されているように構成してもよい。

投写装置の使用状態を模式的に示す図である。 一実施形態に係る投写装置の概略構成図である。 撮影ユニットが光軸付近の領域を撮影する様子を模式的に示す図である。 投写像の中心が光軸上にある場合の、投写像、合焦領域、撮影領域を示す図である。 投写像が光軸から上方へ離隔した場合の、投写像、合焦領域、撮影領域を示す図である。 Ｈ１を説明するための図である。 Ｈ２を説明するための図である。 投写像が光軸から右方へ離隔した場合の、投写像、合焦領域、撮影領域を示す図である。 投写像の長辺方向と撮影領域の短辺方向とが垂直の状態を示す図である。 測距用の投写像の一例を示す図である。 オートフォーカス処理を説明するためのフローチャートである。 変形例の投写装置の概略構成図である。 投写光学系の回転を説明するための図である。 一実施例の投写光学系の断面構成を示す図である。 一実施例の撮影光学系の断面構成を示す図である。

以下、本開示の技術の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。

本明細書の説明において、「平行」又は「垂直」はそれぞれ、完全な平行又は完全な垂直の他に、本開示の技術が属する技術分野で一般的に許容される誤差が含まれる略平行又は略垂直を指す。

図１に本開示の技術の一実施形態に係る投写装置１０の使用状態を示す。投写装置１０は、投写ユニット１１と、撮影ユニット１２と、本体部１３とを備える。本体部１３は、表示素子１４と、光源ユニット１５とを内部に備える。図１では、表示素子１４と、光源ユニット１５とを概念的に示している。表示素子１４は、画像を表示する。投写ユニット１１は、表示素子１４が表示した画像の拡大像を投写像１８としてスクリーン１６に投写する。撮影ユニット１２は、投写像１８における投写光学系１の光軸付近の領域を撮影する。

スクリーン１６は、投写像１８が投写される対象物を意味する。スクリーン１６としては、専用のスクリーンの他、部屋の壁面の他、床面および天井などでもよい。また、投写装置１０を室外で使用する場合は、建物の外壁などもスクリーン１６に含まれる。

図２に、投写装置１０の概略構成図を模式的に示す。投写装置１０は、上述した構成に加え、投写フォーカス機構２１と、撮影フォーカス機構２２と、レンズシフト機構２４と、プロセッサ２６と、操作部２８とを備える。

光源ユニット１５は一例として以下のように構成することができる。光源ユニット１５は、ランプと、回転カラーフィルタと、照明光学系とを含む。ランプは白色光を発光する。回転カラーフィルタは、円周上に青色、緑色、および赤色の３色のフィルタが設けられている。回転カラーフィルタが回転すると、ランプが発した白色光の光路内に各色のフィルタが選択的に挿入される。これによって、白色光が青色光、緑色光、および赤色光の各色光に時分割で選択的に変換される。照明光学系は、回転カラーフィルタから出射された光に対し、光軸と垂直な断面における光量分布の均一性を高める作用を施し、表示素子１４へ導光する。

表示素子１４としては例えば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device：登録商標）を用いることができる。ＤＭＤは、光源ユニット１５から照射される光の反射方向を変化させることが可能な複数のマイクロミラーを有しており、各マイクロミラーを画素単位で二次元に配列した画像表示素子である。ＤＭＤは、画像に応じて各マイクロミラーの向きを変化させて、光源ユニット１５からの光の反射光のオンオフを切り替えることにより、画像に応じた光変調を行う。

投写ユニット１１は、投写光学系１と、投写フォーカス機構２１とを含む。投写光学系１は、複数の光学素子からなる。本例の投写光学系１は、投写光学系１の光軸ＡＸ１に沿って配列された複数のレンズを含む。図２では、投写光学系１が含む複数のレンズを概念的に示している。投写光学系１は、表示素子１４が表示する画像をスクリーン１６に投写して投写像１８を形成する。

投写光学系１が含む複数のレンズの一部は、フォーカス群１Ａとして機能する。フォーカス群１Ａは、投写像１８における光軸ＡＸ１を含まない領域についてフォーカス調整を行う際の可動部である。投写フォーカス機構２１は、プロセッサ２６と電気的に接続されており、プロセッサ２６からの駆動信号に基づきフォーカス群１Ａを光軸ＡＸ１に沿って移動させる。これによって、上記領域についてフォーカス調整が行われる。投写フォーカス機構２１は、例えば、モータ等のアクチュエータ（不図示）を含んで構成される。

撮影ユニット１２は、投写像１８の投写距離の測定に用いられる。「投写距離」とは、投写光学系１の光路上で最もスクリーン１６側の光学素子からスクリーン１６までの距離である。撮影ユニット１２は、撮影光学系２と、撮像素子３と、撮影フォーカス機構２２とを含む。撮影光学系２は、投写像１８における投写光学系１の光軸ＡＸ１を含む領域を撮影し、その像を結像する。

撮像素子３は、撮影光学系２によって結像される像を撮像する。撮像素子３は、プロセッサ２６と電気的に接続されている。撮像素子３は、撮像した像の画像である撮像画像をプロセッサ２６に送る。撮像素子３としては、例えば、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)又はＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)を用いることができる。

撮影光学系２は、撮影光学系２の光軸ＡＸ２に沿って配列された複数のレンズを含む。図２では、撮影光学系２が含む複数のレンズを概念的に示している。撮影光学系２が含む複数のレンズの一部は、フォーカス調整の際に移動するフォーカス群２Ａとして機能する。撮影フォーカス機構２２は、プロセッサ２６と電気的に接続されており、プロセッサ２６からの駆動信号に基づき、フォーカス群２Ａを光軸ＡＸ２に沿って移動させる。これによって、撮影光学系２のフォーカス調整が行われる。撮影フォーカス機構２２は、例えば、モータ等のアクチュエータ（不図示）を含んで構成される。

レンズシフト機構２４は、プロセッサ２６と電気的に接続されている。レンズシフト機構２４は、プロセッサ２６からの駆動信号に基づき、投写ユニット１１を光軸ＡＸ１に垂直な面内で表示素子１４に対し相対的に平行移動させる（以下、この動作をレンズシフトという）。これによって、投写光学系１は、表示素子１４に対し光軸ＡＸ１に垂直な方向に相対移動する。投写光学系１と表示素子１４との相対位置を変化させることによって、スクリーン１６上での投写像１８の位置を変化させることが可能である。図１では、投写像１８の位置の変化を上下方向および左右方向の矢印で模式的に示している。レンズシフト機構２４は、例えば、ソレノイド又はモータ等のアクチュエータ（不図示）を含んで構成される。

撮影ユニット１２は、例えば、投写ユニット１１の上面に固定配設されている。従って、レンズシフトが行われると、撮影ユニット１２も投写ユニット１１と一体的に移動する。「一体的に移動」とは、同時に同量同方向に移動することを意味する。

プロセッサ２６は、撮影光学系２が撮影する際に撮影光学系２のフォーカス調整を行う。また、プロセッサ２６は、上記撮影の際に撮影ユニット１２から取得した情報に基づき、投写像１８における光軸ＡＸ１を含まない領域についてフォーカス調整を行う。本例のプロセッサ２６は、コントラスト検出方式を用いて撮影光学系２のフォーカス調整を行う。具体的には、プロセッサ２６は、撮影フォーカス機構２２へ駆動信号を送り、フォーカス群２Ａを移動させながら、撮像素子３から入力された撮像画像を随時解析して撮像画像のコントラスト特性を取得する。プロセッサ２６は、コントラストが最大になる状態を撮影光学系２の合焦状態とし、合焦状態で撮影光学系２に撮影させ、合焦状態でのフォーカス群２Ａの位置情報を取得する。プロセッサ２６は、フォーカス群２Ａの位置情報から、投写距離を導出し、導出した投写距離に応じたフォーカス調整を行わせるための駆動信号を投写フォーカス機構２１へ送る。そして、プロセッサ２６は、駆動信号に応じた移動量だけフォーカス群１Ａを移動させることにより、投写像１８の光軸ＡＸ１を含まない領域についてフォーカス調整を制御する。プロセッサ２６は例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）であり、メモリ（不図示）と協働して、制御プログラムを実行することにより、投写フォーカス機構２１と、撮影フォーカス機構２２と、レンズシフト機構２４とを含む各部を制御する。

操作部２８は、ユーザーの操作入力を受け付ける。操作部２８は、例えば、操作スイッチおよび方向指示キーを含んで構成される。操作スイッチは、例えば、電源スイッチおよび調整用スイッチ等である。方向指示キーは、例えば、レンズシフトにおける投写ユニット１１の移動方向および移動量を指定するために用いられる。操作部２８は、本体部１３に設けられていてもよく、本体部１３とは別のリモートコントロール装置として設けられていてもよい。ユーザーが操作部２８を操作すると、操作信号がプロセッサ２６に入力される。プロセッサ２６は操作信号に基づいて、各部を制御する。

次に、投写装置１０におけるオートフォーカスの概要について説明する。近年では短い投写距離で大きな投写像１８を得たいという要望が多いことから、投写装置１０が備える投写光学系１は非常に画角の広い光学系となっている。それに加えて、レンズシフト機能を有する投写装置１０は、スクリーン１６上での投写像１８の位置が可変であるため、投写像１８を投写可能な領域（以下、投写可能領域という）は非常に広い。さらに、近年では投写像１８の高精細化が進んでいる。

オートフォーカスの方法として、スクリーン１６上の投写像１８を撮影してオートフォーカスを行うことが考えられる。しかし、仮に、投写像１８全体を撮影してオートフォーカスを行おうとすると、上記事情から、非常に広範囲の投写可能領域全てにおいて高解像に投写像１８を撮影しなくてはならない。そうすると、装置が大型化してしまい、また、コストも高くなってしまう。

別のオートフォーカスの方法として、レーザー光を用いた測距に基づきオートフォーカスを行うことが考えられる。しかし、この方法では、レーザー光の照射位置が限定されているため投写像１８の位置の変化に対応できない、および、手前に障害物がある場合等はフォーカス調整したい投写像１８の位置とレーザー光の照射位置とが一致しない等の理由から、広範囲のオートフォーカスには不向きである。

そこで、本実施形態では、投写光学系１が非常に画角の広い光学系であるという特性を生かして、投写像１８の光軸ＡＸ１付近の領域のみを撮影ユニット１２で撮影してオートフォーカスを行う。一般に、本例の投写光学系１のような非常に画角の広い光学系は、焦点距離が短く、従って、被写界深度が深い。その結果、投写像１８の光軸ＡＸ１付近の領域は、ディープフォーカス状態に近い状態となっており、投写距離が変化しても、合焦状態、いわゆる、ピントが合った状態を保持したままである。一方、投写像１８の光軸ＡＸ１から遠隔した領域は、像面湾曲等の影響を無視できないため、投写距離が変化すると、合焦状態から外れた状態、いわゆる、ピントずれの状態が生じる。よって、投写像１８のうち、合焦状態の光軸ＡＸ１付近の領域のみ撮影ユニット１２で撮影し、その撮影の情報に基づき投写距離を導出し、この投写距離を用いて投写像１８の光軸ＡＸ１から遠隔した領域についてフォーカス調整を行えば、投写像１８全体がほぼ合焦状態となった投写像１８を得ることができる。

図３に、撮影ユニット１２が光軸ＡＸ１付近の領域を撮影する様子を模式的に示す。図３に示すように、投写光学系１は、大きな最大半画角θ１を有し、スクリーン１６上の投写可能領域３０も広範囲となる。撮影ユニット１２が撮影する領域である撮影領域３４は、その広範囲の投写可能領域３０の一部のみである。図３では、投写光学系１の一例として、複数のレンズと光路を偏向する２つのミラーＲ１およびミラーＲ２とを含み、屈曲形状の光路を形成する光学系を示す。ミラーＲ１およびミラーＲ２は、本開示の技術の光路偏向部材の一例である。なお、図３は概略的な図であり、投写可能領域３０、撮影領域３４、および最大半画角θ１は、正確な大きさで描かれているわけではない。

以下の説明において、投写光学系１の光軸ＡＸ１の方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直であり図３の上下方向となる方向をＹ方向とし、Ｚ方向およびＹ方向の両方に垂直な方向をＸ方向とする。図３の例のように投写光学系１の光路が屈曲形状の場合は、光軸ＡＸ１の方向は、投写光学系１の光路上で最もスクリーン１６側の光学素子の光軸の方向とする。スクリーン１６の面内はＸＹ面内となる。また、以下の説明では、投写光学系１の光路上におけるスクリーン側、表示素子側をそれぞれ拡大側、縮小側ということがある。

図４に、スクリーン１６上での、投写可能領域３０、投写像１８、合焦領域３２、および撮影領域３４の例を示す。図４には、投写像１８の中心が光軸ＡＸ１上にある場合の例を示す。光軸ＡＸ１は、図４におけるＸ軸とＹ軸との交点に対応する。合焦領域３２は、投写距離が変化しても、合焦状態が保持されているとみなすことができる領域である。合焦領域３２は、光軸ＡＸ１を中心とする円形の領域である。本例では、撮影領域３４は、合焦領域３２に内接する矩形である。図４の例では、投写像１８の大部分の領域が合焦領域３２と重畳しており、合焦領域３２と重畳していない投写像１８の領域（ドットハッチングを付した領域）は少ない。

図４の状態からレンズシフトが行われて投写像１８が上方に移動した場合の、スクリーン１６上での、投写可能領域３０、投写像１８、合焦領域３２、および撮影領域３４の例を図５に示す。図５の例では、合焦領域３２と重畳していない投写像１８の領域（ドットハッチングを付した領域）が多い。よって、図５の例では、図４の例と比較して、投写像１８の多くの領域についてフォーカス調整を行うことになる。

図４の例と図５の例では、合焦領域３２と重畳していない投写像１８の領域の面積も位置も異なるが、撮影領域３４は同一であり、どちらの撮影領域３４も光軸ＡＸ１付近の領域を含んでいる。投写装置１０においては、投写可能領域３０の任意の位置に投写像１８が位置していても、投写可能領域３０全てを撮影する必要はなく、光軸ＡＸ１付近の合焦領域３２の内部のみを撮影すればよいため、装置の小型化を図ることができる。

より詳細には、投写装置１０は、表示素子１４における表示領域１４Ａの最長の径をＨ１、投写光学系１の焦点距離をｆ１とした場合、下記条件式（１）を満足するように構成されている。投写光学系１は条件式（１）を満足することによって、焦点距離が非常に短い光学系となり、従って、被写界深度が非常に深くなり、また、非常に広い画角を有することが容易となる。条件式（１）を満足することによって、投写可能領域３０の周辺部についてフォーカス調整を行っても、光軸ＡＸ１付近の領域は合焦状態を保ったままにすることができる。
２．２＜Ｈ１／｜ｆ１｜ （１）

仮に、本例の投写光学系１とは異なり、相対的に画角が狭く、相対的に焦点距離が長い投写光学系１を用いる場合は、相対的に被写界深度が浅くなるため、投写可能領域３０の周辺部についてフォーカス調整を行うと、光軸ＡＸ１付近の領域においてピントずれが発生してしまう。

投写装置１０は、さらに下記条件式（１－１）を満足することが好ましい。条件式（１－１）の上限以上とならないようにすることによって、投写光学系１の大型化を抑制することに有利となる。
３＜Ｈ１／｜ｆ１｜＜８ （１－１）

さらに、投写装置１０は、撮影ユニット１２の撮像素子３における撮像領域３Ａの最長の径をＨ２、投写光学系１の最大半画角をθ１、撮影光学系２の焦点距離をｆ２とした場合、下記条件式（２）を満足するように構成されている。θ１は投写可能な最大半画角である。｜Ｈ２／（ｆ２×ｔａｎθ１）｜は絶対値のため、０＜｜Ｈ２／（ｆ２×ｔａｎθ１）｜となる。条件式（２）は、好適な大きさの撮影領域３４に関する式である。条件式（２）の上限以上とならないようにすることによって、撮影光学系２の大型化を抑制することに有利となる。
０＜｜Ｈ２／（ｆ２×ｔａｎθ１）｜＜１．２ （２）

撮影光学系２の大型化をより抑制するためには、投写装置１０は、さらに下記条件式（２－１）を満足することがより好ましい。
０＜｜Ｈ２／（ｆ２×ｔａｎθ１）｜＜０．８ （２－１）

なお、上記のＨ１に関する「表示素子１４における表示領域１４Ａの最長の径」とは、重心が光軸ＡＸ１と一致する表示領域１４Ａにおいて、径方向における最も光軸ＡＸ１から離れた点と光軸ＡＸ１との距離の２倍の値を意味する。一例として図６に示すように、表示領域１４Ａが矩形の場合は、表示領域１４Ａの対角線の長さをＨ１とする。また、例えば、表示領域１４Ａが正円の場合は、表示領域１４Ａの直径をＨ１とし、表示領域１４Ａが楕円の場合は、長径をＨ１とする。

また、「表示素子１４における表示領域１４Ａ」とは、実際に画像が表示される領域を意味する。例えば、表示素子１４が、複数の画素が配置されたアスペクト比が４：３の表示部を備え、表示部のうち一部にアスペクト比が３：２の画像を表示する場合、表示領域１４Ａは、アスペクト比が３：２の画像が表示される領域を指す。したがって、表示素子１４の径と表示領域１４Ａの最長の径とは、必ずしも一致しない。

なお、上記のＨ２に関する「撮像素子３における撮像領域３Ａの最長の径」とは、重心が光軸ＡＸ２と一致する撮像領域３Ａにおいて、径方向における最も光軸ＡＸ２から離れた点と光軸ＡＸ２との距離の２倍の値を意味する。一例として図７に示すように、撮像領域３Ａが矩形の場合は、撮像領域３Ａの対角線の長さをＨ２とする。また、例えば、撮像領域３Ａが正円の場合は、撮像領域３Ａの直径をＨ２とし、撮像領域３Ａが楕円の場合は、長径をＨ２とする。

図８に、図４の状態からレンズシフトが行われて投写像１８が右方向に移動した場合の、投写像１８および撮影領域３４の例を示す。図４、図５、および図８に示す例では、表示領域１４Ａおよび撮像領域３Ａが矩形状のため、投写像１８および撮影領域３４はともに矩形状である。このような形状の場合、図４、図５、および図８に示すように、投写像１８の長辺方向と撮影領域３４の短辺方向とが平行になるように構成することが好ましい。

比較例として、図９に、投写像１８および撮影領域３４が矩形状であり、投写像１８の長辺方向と撮影領域３４の短辺方向とが垂直になる例を示す。図９の例と比べると、図５および図８の例は、投写像１８と撮影領域３４との重畳部分の面積を大きくすることが容易である。このことから、投写像１８の長辺方向と撮影領域３４の短辺方向とを平行にした場合は、これらを垂直にした場合に比べ、より小さな撮影領域３４で撮影することが容易となる。その結果、撮像素子３の小型化、および撮影光学系２の小型化に有利となる。

撮影の際に投写される投写像１８としては、投写像１８の投写距離の測定用の画像を用いてもよい。例えば、フォーカス調整の際には、黒と白の幾何学的図形からなるチャート等を表示素子１４に表示させるようにしてもよい。測距用の画像を用いることによって、風景又は人物等の画像を用いる場合と比べて、撮影光学系２のフォーカス調整を、より容易に、より高精度に行うことができる。その理由は次に示すとおりである。図１０に、測距用の画像の一例として、黒と白のラインパターンからなる投写像１８を示す。このように測距用の画像は、モノクロームの２値化画像である場合が多いため、中間調が相対的に多くなる風景又は人物等の画像と比較して、コントラストの検出に有利だからである。

次に、図１１に示すフローチャートを参照しながら、オートフォーカスの処理について説明する。まず、プロセッサ２６は、投写像１８が投写されているか否かを監視する（ステップＳ１０）。プロセッサ２６は、投写像１８が投写されていない間は（ステップＳ１０：ＮＯ）、監視を継続する。

プロセッサ２６は、投写像１８が投写されていると判定した場合は（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、撮影フォーカス機構２２へ駆動信号を送り、フォーカス群２Ａを移動させながら、撮像素子３から入力された撮像画像を随時解析して撮像画像のコントラスト特性を取得する。プロセッサ２６は、コントラストが最大になる状態を撮影光学系２の合焦状態とし、合焦状態で撮影光学系２に投写像１８の光軸ＡＸ１付近の領域を撮影させる（ステップＳ１１）。

プロセッサ２６は、合焦状態での撮影光学系２のフォーカスの位置情報を取得する（ステップＳ１２）。例えば、プロセッサ２６は、撮影フォーカス機構２２のアクチュエータに入力する駆動パルスをカウントし、カウントした駆動パルス数に基づいてフォーカス群２Ａの移動量を検出する。フォーカス群２Ａの基準位置からの移動量を検出できれば、フォーカス群２Ａの位置を検出することができる。あるいは、撮影フォーカス機構２２がフォーカス群２Ａの移動量を検出するためのセンサ（不図示）を含んで構成されている場合は、プロセッサ２６はセンサが出力する信号に基づいて、移動量を検出してもよい。センサとしては、例えば、投写光学系１の基準位置からの移動量を検出するためのポテンショメーターおよびリニアエンコーダなどを用いることができる。センサからの出力値がアナログ値の場合は、出力値はＡ／Ｄ変換（Analog to Digital Conversion）された後、プロセッサ２６に入力される。

プロセッサ２６は、取得した位置情報から投写距離を導出する（ステップＳ１３）。例えば、プロセッサ２６が備えるメモリに、フォーカス群２Ａの位置と、投写距離とを対応させたルックアップテーブルを記憶しておく。プロセッサ２６は、このルックアップテーブルを参照することにより投写距離を導出する。

また、プロセッサ２６は、スクリーン１６上での投写像１８の位置情報を取得する（ステップＳ１４）。例えば、プロセッサ２６は、レンズシフト機構２４のアクチュエータに入力する駆動パルスをカウントし、カウントした駆動パルス数に基づいて投写ユニット１１の移動量を検出する。投写ユニット１１の基準位置からの移動量を検出できれば、表示素子１４と投写ユニット１１の相対位置を検出することができ、投写像１８の位置情報を取得できる。あるいは、レンズシフト機構２４が投写ユニット１１の移動量を検出するためのセンサ（不図示）を含んで構成されている場合は、プロセッサ２６はセンサが出力する信号に基づいて、移動量を検出してもよい。センサとしては、例えば、投写ユニット１１の基準位置からの移動量を検出するためのポテンショメーターおよびリニアエンコーダなどを用いることができる。センサからの出力値がアナログ値の場合は、出力値はＡ／Ｄ変換（Analog to Digital Conversion）された後、プロセッサ２６に入力される。投写像１８の位置情報としては、例えば、ＸＹ面内における、投写像１８の中心点の座標、および投写像１８の光軸ＡＸ１から最も遠隔した点（以下、最遠隔点という）の座標等である。

プロセッサ２６は、ステップＳ１３で導出した投写距離と、ステップＳ１４で取得した投写像１８の位置情報に基づき、投写像１８の光軸ＡＸ１から遠隔した領域についてフォーカスを調整し（ステップＳ１５）、処理を終了する。例えば、プロセッサ２６が備えるメモリに、投写距離と、ＸＹ面内における投写像１８の各点の座標と、フォーカス群１Ａの位置とを対応させたルックアップテーブルを記憶しておく。ルックアップテーブルには、投写像１８の各点が合焦状態となるフォーカス群１Ａの位置が、投写距離と各点の座標との組合せごとに記録されている。プロセッサ２６は、このルックアップテーブルを参照することにより、フォーカス群１Ａの位置を導出する。なお、投写像１８のいずれの点についてフォーカス群１Ａの位置を導出するかは、予め設定されていてもよい。例えば、最遠隔点でもよく、あるいは、光軸ＡＸ１からの径方向において光軸ＡＸ１から最遠隔点までの距離の８割の点としてもよい。プロセッサ２６は、導出した位置にフォーカス群１Ａを移動させるように投写フォーカス機構２１に駆動信号を送る。投写フォーカス機構２１は、この駆動信号に基づきフォーカス群１Ａを移動させる。

上述した本実施形態によれば、光軸ＡＸ１付近のみを撮影すればよいため、投写可能領域全てを撮影してオートフォーカスを行う方法に比べて、低コストで、小型に装置を構成することができる。また、本実施形態によれば、レーザー光を用いた測距に基づきオートフォーカスを行う方法に比べて、広範囲で、正確な投写像１８の位置についてオートフォーカスを行うことができる。

なお、上記処理においては、種々の処理を追加することが可能である。以下に、追加可能な処理の例を列挙する。

［投写像の平面性を判定する処理］
ステップＳ１０とステップＳ１１の間に投写像１８の平面性を判定する処理を追加してもよい。例えば、投写光学系１は、格子チャート等の平面性判定用の特定のチャートを投写し、撮影光学系２がこのチャートの投写像１８を撮影して得られた撮像画像から、プロセッサ２６が線の歪みを検出する。例えば、プロセッサ２６は、歪んでいる箇所数および／又は歪み量を検出し、予め定められたこれらの閾値と検出値とを比較する。検出値が閾値を超えていない場合は、プロセッサ２６はステップＳ１１の処理へ進む。検出値が閾値を超えている場合は、プロセッサ２６は、撮影領域３４を複数のエリアに分割し、エリアごとに歪んでいる箇所数および／又は歪み量を検出し、予め定められたこれらの閾値と検出値とを比較する。プロセッサ２６は、検出値が閾値を超えていないエリアのみを抽出し、これらのエリアのみを用いてステップＳ１１の処理を行う。検出値が閾値を超えていないエリアが無い場合は、プロセッサ２６は、投写像１８の平面性が低いと判定して、自動オートフォーカスが不可であることを示すエラーメッセージを表示部（図示せず）に表示する。

［チャートを切替える処理１］
解像度の異なる複数の特定のチャートを準備しておき、ステップＳ１１において、コントラストの値に応じてチャートを切替える処理を追加してもよい。例えば、プロセッサ２６は、予め定められたコントラストの閾値と取得したコントラストの値とを比較する。取得したコントラストの値が閾値を超えている場合は、プロセッサ２６はステップＳ１１の処理を行う。取得したコントラストの値が閾値以下の場合は、プロセッサ２６は、準備しておいた複数のチャートの中から、投写されたチャートより解像度の低いチャートを選択し、投写ユニット１１を通じて投写させて、ステップＳ１１の処理を行う。準備しておいた複数のチャートのいずれについてもコントラストの値が閾値以下の場合は、プロセッサ２６は、投写像１８とスクリーン１６との境界を検出し、この境界をチャート代わりに用いてもよい。

［チャートを切替える処理２］
色の異なる複数種類のチャートを準備しておき、プロセッサ２６は、ステップＳ１０において、スクリーン１６の色に応じて好適な色のチャートを投写光学系１に投写させるようにしてもよい。

［フォーカス調整を高精度化する処理］
ステップＳ１１において、コントラスト特性を取得する際、撮影光学系２のフォーカス群２Ａの移動の振幅を大きくし、コントラストが最大になる状態を得た後に、フォーカス群２Ａの移動の振幅を小さくして再度コントラストが最大になる状態を高精度に検出して取得してもよい。オートフォーカス動作の間の投写像１８は動画ではなく静止画のため、高精度化のために上記方法を採ることができる。オートフォーカスの高速化よりも高精度化が優先される場合に有効である。

［撮影領域をエリア分割してフォーカス調整を行う処理１］
ステップＳ１１において、撮影領域３４を複数のエリアに分割し、各エリアのコントラスト等の計算結果から平均値を求めて用いるようにしもよい。

［撮影領域をエリア分割してフォーカス調整を行う処理２］
ステップＳ１１において、撮影領域３４を複数のエリアに分割し、エリアごとにコントラストの値を計算し、この値が予め定められた閾値を超えるエリアのもののみ採用してもよい。すなわち、閾値以下となる異常値のエリアのデータは排除してもよい。

［撮影領域をエリア分割してフォーカス調整を行う処理３］
ステップＳ１１において、撮影領域３４を複数のエリアに分割し、投写像１８と撮影領域３４の相対位置に応じて、一部のエリアのみ用いるようにしてもよい。この方法は、撮影領域３４全域を用いる方法に比べてオートフォーカスに要する時間を短縮できる。例えば、図４の例のように投写像１８の中心が光軸ＡＸ１上にある場合は、撮影領域３４の中央のエリアのもののみ用いてもよい。また、図５の例のように、撮影領域３４の周辺のエリアのみ投写像１８と重畳している場合は、撮影領域３４の周辺のエリアのもののみ用いてもよい。投写像１８と重畳していない撮影領域３４のエリアは用いないことによって、フォーカス調整の高精度化に寄与することができる。

［レンズシフト量に応じて異なるオートフォーカスモードを実行する処理］
光軸ＡＸ１に対する投写像１８の中心の変位量をレンズシフト量とした場合、レンズシフト量に応じて異なるモードでオートフォーカスを行ってもよい。例えば、ステップＳ１１において、レンズシフト量が予め定められた閾値以下の場合は、投写像１８と撮影領域３４との重畳部分が多いとみなし、撮影光学系２のフォーカス調整を１回のみとする。レンズシフト量が予め定められた閾値を超える場合は、投写像１８と撮影領域３４との重畳部分が少ないため、信号のノイズ比率が高くなるので、撮影光学系２のフォーカス調整を複数回行う。また、レンズシフト量が予め定められた限界的な閾値を超える場合は、プロセッサ２６は、レンズシフト量が予め定められた限界的な閾値以下となるようにレンズシフト機構２４を駆動して、撮影光学系２のフォーカス調整を行った後、レンズシフト機構２４を駆動して当初のレンズシフト量に戻す。この場合、ステップＳ１４での投写像１８の位置情報は、当初のレンズシフト量に対応する情報を用いる。あるいは、レンズシフト量が予め定められた限界的な閾値を超える場合は、プロセッサ２６は、表示部（図示せず）に、レンズシフト量を低減するよう指示メッセージを表示するか、自動オートフォーカスが不可であることを示すエラーメッセージを表示してもよい。

［撮影条件に応じて撮影光学系の光学的状態を設定する処理］
ステップＳ１１において、撮影条件に応じて撮影光学系２の光学的状態を適宜設定してもよい。例えば、投写像１８の照度および／又は外光の強度に応じて、撮影光学系２の絞り値および／又はシャッタースピードを適宜設定して適正露出にして撮影してもよい。また、撮影光学系２としてズーム光学系を用い、投写像１８に応じて、ズーム状態を変化させて、適正な撮影解像度および撮影範囲を得るようにしてもよい。具体的には例えば、解像度が高い投写像１８の場合は、撮影光学系２を望遠状態にし、レンズシフト量が多い場合は、撮影光学系２を広角状態にするようにしてもよい。

また、投写装置の構成についても種々の変形が可能である。例えば、投写光学系１は投写像１８全体の領域についてフォーカス調整が可能であるように構成してもよい。この場合、投写像１８全体の領域のフォーカス調整の際の可動部は、光軸ＡＸ１を含まない領域のフォーカス調整の際の可動部（上記例のフォーカス群１Ａ）とは異なるように構成される。この構成によれば、投写像１８全体のフォーカス調整をより良好に行うことができる。

この構成の一例を変形例として図１２に示す。図１２に示す投写装置１１０は、図２の投写装置１０と比べて、投写ユニット１１が投写ユニット１１１に置換されている点が異なる。図１２の投写ユニット１１１は、図２の投写ユニット１１と比べて、投写フォーカス機構２３を備え、投写光学系１のレンズの一部がフォーカス群１Ｂとして機能している点が異なる。

フォーカス群１Ｂは、フォーカス群１Ａとは異なるレンズ群であり、フォーカス群１Ａより縮小側に配置されている。投写フォーカス機構２３は、プロセッサ２６と電気的に接続されている。投写フォーカス機構２３は、プロセッサ２６からの駆動信号に基づき、フォーカス群１Ｂを投写光学系１の光軸ＡＸ１に沿って移動させる。これによって、投写像１８全体の領域についてフォーカス調整が行われる。投写フォーカス機構２３は、例えば、モータ等のアクチュエータ（不図示）を含んで構成される。

また、投写像１８全体の領域のフォーカス調整を行う別の例としては、投写光学系１全体を可動部として、この可動部を表示素子１４に対して移動させてもよい。投写光学系１が交換可能な構成の場合は、投写光学系１全体を可動部とすることによって、投写光学系１のマウントと表示素子１４との間隔のバラツキを調整することができる。

また、図１３に示すように、投写光学系１は光路を偏向する少なくとも１つの光路偏向部材を有し、投写光学系１の一部は投写光学系１の光軸の周りに回転可能であるように構成してもよい。図１３は、図３の投写光学系１のミラーＲ２およびミラーＲ２より縮小側の光学素子をＹ軸の周りに９０度回転させた状態を示す図である。図１３では、ミラーＲ２およびミラーＲ２より縮小側の光学素子を概略的に矩形で示している。投写光学系１は、光路偏向部材を有することによってその光路が屈曲形状となり、部分的に回転することが容易な構成となる。投写光学系１の一部を回転可能とすることによって、本体部１３の向きを変えずに投写方向を変化させることができるため、有用性を高めることができる。

なお、上記のように、投写光学系１が光路偏向部材を有し、投写光学系１の一部が投写光学系１の光軸の周りに回転可能な構成にする場合は、最も拡大側の光路偏向部材より拡大側に撮影ユニット１２が配設されていることが好ましい。このように構成すれば、投写光学系１の一部を回転させても撮影ユニット１２は常に投写光学系１の拡大側の部分に位置することが容易となり、常にスクリーン１６上の光軸ＡＸ１付近を撮影することが容易となる。

次に、本開示の技術に係る投写光学系と撮影光学系の実施例について説明する。図１４に、本開示の技術に係る投写光学系の一実施例の構成断面図を示す。図１４には、画角０、中間画角、および最大画角の光束を合わせて示している。図１４の投写光学系１０１は、図３の投写光学系１からミラーＲ１およびミラーＲ２を除いて光路を直線状にしたものである。投写光学系１０１は、拡大側から縮小側へ光軸ＡＸ１に沿って順に、レンズＬ１～Ｌ１６、開口絞りＳｔ、レンズＬ１７～Ｌ２０、および光学部材ＰＰ１を備える。図１４に示す開口絞りＳｔは大きさおよび形状ではなく光軸ＡＸ１方向の位置を示す。光学部材ＰＰ１は、プリズム等を想定した屈折力を有しない部材である。光学部材ＰＰ１は必須の構成要素ではない。本例では、光軸ＡＸ１の方向において、光学部材ＰＰ１の縮小側の面の位置は、表示素子１４の画像表示面の位置と一致している。投写光学系１０１の内部には中間像ＭＩが形成されている。

投写光学系１０１の数値データとして、基本レンズデータを表１に、諸元を表２に、非球面係数を表３に示す。以下に示す各表では、予め定められた桁でまるめた数値を記載している。以下に示す投写光学系１０１の数値データは、投写光学系１０１の焦点距離の絶対値が１．００となるように規格化されたものである。なお、光学系は、比例拡大又は比例縮小しても同様の性能を発揮することができる。

表１ではスクリーン１６に相当する面の面番号の欄にscreenと記入している。表１において、面番号の欄には最も拡大側のレンズの拡大側の面を第１面とし縮小側に向かうに従い１つずつ番号を増加させた場合の面番号を示し、曲率半径の欄には各面の曲率半径を示し、面間隔の欄には各面とその縮小側に隣接する面との光軸ＡＸ１上の面間隔を示す。Ｎｄの欄には各構成要素のｄ線に対する屈折率を示し、νｄの欄には各構成要素のｄ線基準のアッベ数を示す。

表１では、拡大側に凸面を向けた形状の面の曲率半径の符号を正、縮小側に凸面を向けた形状の面の曲率半径の符号を負としている。表１には光学部材ＰＰ１も合わせて示している。表１では、中間像ＭＩの近軸結像位置、および開口絞りＳｔに相当する面の面番号の欄にはそれぞれ、（中間像）、および（絞り）という語句を面番号とともに記載している。

表２には、焦点距離の絶対値｜ｆ１｜、空気換算距離でのバックフォーカスＢｆ、ＦナンバーＦＮｏ．、全画角２ω、およびＨ１を示す。本例では、表示素子１４の表示領域１４Ａの最長の径Ｈ１の値が、投写光学系１の縮小側の最大像高の２倍の値である。全画角の欄の［°］は単位が度であることを意味する。表２に示す値は、ｄ線を基準とした場合の値である。

表１では、非球面の面番号には＊印を付しており、非球面の曲率半径の欄には近軸の曲率半径の数値を記載している。表３において、面番号の欄には非球面の面番号を示し、ＫＡおよびＡｍ（ｍ＝３、４、５、・・・２０）の欄には各非球面についての非球面係数の数値を示す。表３の非球面係数の数値の「Ｅ±ｎ」（ｎ：整数）は「×１０^±ｎ」を意味する。ＫＡおよびＡｍは下式で表される非球面式における非球面係数である。
Ｚｄ＝Ｃ×ｈ^２／｛１＋（１－ＫＡ×Ｃ^２×ｈ^２）^１/２｝＋ΣＡｍ×ｈ^ｍ
ただし、
Ｚｄ：非球面深さ（高さｈの非球面上の点から、非球面頂点が接する光軸に垂直な平面に
下ろした垂線の長さ）
ｈ：高さ（光軸からレンズ面までの距離）
Ｃ：近軸曲率半径の逆数
ＫＡ、Ａｍ：非球面係数
であり、非球面式のΣはｍに関する総和を意味する。

図１５に、本開示の技術に係る撮影光学系の一実施例の構成断面図を示す。図１５には、画角０、および最大画角の光束を合わせて示し、また、撮像素子３も示している。図１５の撮影光学系２は、拡大側から縮小側へ光軸ＡＸ２に沿って順に、レンズＬ２１～Ｌ２６、開口絞りＳｔ、レンズＬ２７～Ｌ３１、および光学部材ＰＰ２を備える。図１５に示す開口絞りＳｔは大きさおよび形状ではなく光軸ＡＸ２方向の位置を示す。光学部材ＰＰ２は、フィルタ又はカバーガラス等を想定した屈折力を有しない部材である。光学部材ＰＰ２は必須の構成要素ではない。

図１５の撮影光学系２の数値データとして、基本レンズデータを表４に、諸元を表５に、非球面係数を表６に示す。表４～表６の表示方法は基本的に表１～表３と同様であるので重複説明を一部省略する。

表４では、開口絞りＳｔに相当する面の面番号の欄には（絞り）という語句を面番号とともに記載している。表５には、焦点距離ｆ２、空気換算距離でのバックフォーカスＢｆ、ＦナンバーＦＮｏ．、全画角２ω、およびＨ２を示す。本例では、撮像素子３の撮像領域３Ａの最長の径Ｈ２の値が、撮影光学系２の最大像高の２倍の値である。表５に示す値は、ｄ線を基準とした場合の値である。

表７に、上記実施例の条件式（１）および（２）の対応値を示す。上記実施例は、条件式（１）および（２）を満足している。

なお、投写光学系および撮影光学系は上記例に限定されず、種々の変形が可能である。これらの光学系に含まれるレンズ等の各光学素子の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、および非球面係数等は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得る。また、屈曲光路を有する光学系についても、光路を偏向する回数、および偏向方向は、可能な範囲で任意に選択可能である。フォーカス群は、複数の光学素子からなる構成に限定されず、１枚の光学素子からなる構成としてもよい。

上記実施形態のレンズシフトの説明では投写光学系全体と表示素子１４との相対位置を可変にする例を挙げて説明したが、投写光学系の一部と表示素子１４との相対位置を可変にしてもよい。すなわち、投写光学系の少なくとも一部と表示素子１４との相対位置を変化させることによって投写像１８の位置を変化させることが可能であればよい。また、上記実施形態のレンズシフトの説明では、表示素子１４に対して投写光学系を移動させることにより、表示素子１４と投写光学系との相対位置を可変にする例を説明したが、投写光学系に対して表示素子１４を移動させることにより表示素子１４と投写光学系との相対位置を可変にしてもよい。

上記例では、撮影光学系２のフォーカス調整を行うプロセッサ２６は、撮影ユニット１２の外に設けられているが、撮影ユニット１２の内部に撮影光学系２のフォーカス調整を行うプロセッサ２６を設けてもよい。また、上記例では、撮影光学系２のフォーカス調整は、コントラスト検出方式を用いているが、像面位相差方式、又は位相差検出方式を用いてもよい。

表示素子１４としては、ＤＭＤの代わりに液晶表示素子（ＬＣＤ；Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）を使用した透過型表示素子を用いてもよい。また、ＤＭＤの代わりに、ＬＥＤ(Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ)、又はＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）のような自発光型素子を用いてもよい。

上記実施形態では、光源としてランプを用いる例を説明したが、これに限らず、ＬＥＤ、又はレーザ光源を用いてもよい。

上記実施形態において、プロセッサ２６としては、次に示す各種のプロセッサ２６を用いることができる。各種のプロセッサ２６には、ソフトウェア（プログラム）を実行して機能する汎用的なプロセッサ２６であるＣＰＵに加えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable gate Array）などの製造後に回路構成を変更可能なプロセッサ２６が含まれる。ＦＰＧＡには、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）、又はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサ２６である専用電気回路などが含まれる。プロセッサ２６は、これらの各種のプロセッサ２６のうちの１つで構成されてもよいし、同種又は異種の２つ以上のプロセッサ２６の組み合わせ（例えば、複数のＦＰＧＡの組み合わせや、ＣＰＵとＦＰＧＡとの組み合わせ）で構成されてもよい。これらの各種のプロセッサ２６のハードウェア的な構造としては、より具体的には、半導体素子などの回路素子を組み合わせた電気回路を用いることができる。

本開示の技術は、上述の実施形態と種々の変形例は、矛盾が生じない限り、互いに組み合わせることが可能である。また、上記実施形態に限らず、要旨を逸脱しない限り種々の構成を採用することが可能である。

以上に示した記載内容および図示内容は、本開示の技術に係る部分についての詳細な説明であり、本開示の技術の一例に過ぎない。例えば、上記の構成、機能、作用、および効果に関する説明は、本開示の技術に係る部分の構成、機能、作用、および効果の一例に関する説明である。よって、本開示の技術の主旨を逸脱しない範囲内において、以上に示した記載内容および図示内容に対して、不要な部分を削除したり、新たな要素を追加したり、置き換えたりしてもよいことは言うまでもない。また、錯綜を回避し、本開示の技術に係る部分の理解を容易にするために、以上に示した記載内容および図示内容では、本開示の技術の実施を可能にする上で特に説明を要しない技術常識等に関する説明は省略されている。

本明細書に記載された全ての文献、特許出願および技術規格は、個々の文献、特許出願および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (7)

1. 画像を表示する表示素子と、
   前記画像を投写して投写像を形成する投写光学系と、
   前記投写像における前記投写光学系の光軸を含む第１の領域を撮影する撮影光学系、および前記撮影光学系によって結像される像を撮像する撮像素子を含む撮影ユニットと、
   前記撮影ユニットから取得した情報に基づき、前記投写像における前記光軸を含まない第２の領域についてフォーカス調整を制御するプロセッサとを備え、
   前記投写光学系の少なくとも一部と前記表示素子との相対位置を変化させることによって前記投写像の位置を変化させることが可能であり、
   前記表示素子における表示領域の最長の径をＨ１、
   前記投写光学系の焦点距離をｆ１、
   前記撮像素子における撮像領域の最長の径をＨ２、
   前記投写光学系の最大半画角をθ１、
   前記撮影光学系の焦点距離をｆ２とした場合、
   ２．２＜Ｈ１／｜ｆ１｜ （１）
   ０＜｜Ｈ２／（ｆ２×ｔａｎθ１）｜＜１．２ （２）
   で表される条件式（１）および（２）を満足する投写装置。
2. 前記投写像および前記第１の領域はともに矩形状であり、
   前記投写像の長辺方向と前記第１の領域の短辺方向とは平行である請求項１に記載の投写装置。
3. 前記投写像は、前記投写像の投写距離の測定用の画像である請求項１又は２に記載の投写装置。
4. 前記投写光学系は前記投写像全体となる第３の領域についてフォーカス調整が可能であり、
   前記第２の領域のフォーカス調整の際の可動部と、前記第３の領域のフォーカス調整の際の可動部とは異なる請求項１から３のいずれか１項に記載の投写装置。
5. 前記投写光学系は光路を偏向する少なくとも１つの光路偏向部材を有し、
   前記投写光学系の一部は前記投写光学系の光軸の周りに回転可能であり、
   最も拡大側の前記光路偏向部材より拡大側に前記撮影ユニットが配設されている請求項１から４のいずれか１項に記載の投写装置。
6. ３＜Ｈ１／｜ｆ１｜＜８ （１－１）
   で表される条件式（１－１）を満足する請求項１から５のいずれか１項に記載の投写装置。
7. ０＜｜Ｈ２／（ｆ２×ｔａｎθ１）｜＜０．８ （２－１）
   で表される条件式（２－１）を満足する請求項１から６のいずれか１項に記載の投写装置。