JPWO2019064968A1 - 投影装置および投影方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、投影レンズの焦点深度を超えた凹凸を有する投影対象に対して、残像効果を利用して、均一にボケが抑制された、投影用画像の投影を行うことができる投影装置および投影方法を提供することを目的とする。投影装置（２０）は、光源（４４）と、投影用画像生成部（５０）と、投影用画像生成部（５０）により生成された投影用画像を凹凸を有する投影対象に投影する投影レンズであって、特定周波数のデフォーカス光学伝達関数が２つ以上の極大値を有し、２番目に大きい極大値が１番目に大きい極大値Ａの０．５倍以上である投影レンズ（４６）と、投影レンズ（４６）を光軸Ｔ方向に振動させる振動機構（５２）と、振動機構（５２）の振幅および周期を制御する制御部（４１）と、を備える。

Description

本発明は、投影装置および投影方法に関し、特に凹凸を有する投影対象に投影する投影装置および投影方法に関する。

近年、映像を用いた表現方法の一つとしてプロジェクションマッピングを使用した表現が普及してきている。プロジェクションマッピングにおける画像を投影する対象（投影対象）は、凹凸のある物体である場合が多く、従来の平面で構成されたプロジェクタ用スクリーンとは異なる場合がある。

投影対象が有する凹凸が焦点面から大きく外れている場合には、凹凸に投影された投影像は、被写界深度を超えた凹凸に投影されるのでボケた状態で視認される。ここで投影像とは、投影対象に投影された像のことをいう。

投影像のボケを抑制するために、投影装置と投影対象との距離を長くすることで被写界深度を深くするという手法が取られてきた。

しかしながら、この手法は、許容錯乱円、焦点距離、Ｆ値（絞り値）、投影距離によって決まる焦点深度以内における投影像のボケの抑制であって、焦点深度を超えた凹凸への投影においては投影像のボケを抑制することは難しい。

そこで従来より、焦点深度を超えた凹凸への投影においてもボケを抑制することを目的とした技術が提案されてきた。

例えば特許文献１には、プロジェクタの焦点深度では補えない奥行きを有する投影対象に投影を行う場合に、投影レンズ等によって構成されている投写光学系を、フォーカス機構で焦点位置を周期的に変化させながら、投影する技術が記載されている。具体的に特許文献１に記載された技術（先行技術１という）では先ず、投影対象である立体物の撮像データが取得され、その撮像データに基づいて、立体物の形状および載置状態（載置された位置や向き）等を表す投写対象物情報が生成される。また先行技術１では、外部の画像供給装置から立体物と略同一形状を有する３次元モデルの３次元画像データが取得される。そして先行技術１では、投写対象物情報および３次元画像データに基づいて、投影レンズの焦点深度で補うことができる小領域に立体物が分けられ、その小領域に対応する部分画像が生成され、その部分画像が順次周期的に立体物に投影される。これにより、先行技術１では、残像効果によって、部分画像で構成される全体画像がボケを抑制された状態で投影されることを目的としている。

特開２００７−３１６４６１号公報

しかしながら、単に通常の投影レンズの焦点位置を周期的に変化させて投影するだけでは、残像効果により得られる投写された画像は均一な解像を有しない場合がある。すなわち、投影レンズが有するレンズの解像に関する情報と、投影レンズの焦点位置が周期的に動く場合の周期に関する情報との組み合わせにより、残像効果により視認される像が決定されるので、単に通常の投影レンズの焦点位置を周期的に変化させても、必ずしも均一にボケが抑制された投影像が投影されるわけではない。

特許文献１では、投影レンズの解像の特性に関しては言及されていなく、残像効果により視認される像において均一なボケの抑制に関しては言及されていない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、投影レンズの焦点深度を超えた凹凸を有する投影対象に対して、残像効果を利用して、均一にボケが抑制された、投影用画像の投影を行うことができる投影装置および投影方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の一の態様である投影装置は、光源と、光源の光を変調して投影用画像を生成する投影用画像生成部と、投影用画像生成部により生成された投影用画像を凹凸を有する投影対象に投影する投影レンズであって、特定周波数のデフォーカス光学伝達関数が２つ以上の極大値を有し、２番目に大きい極大値が１番目に大きい極大値の０．５倍以上である投影レンズと、投影レンズを光軸方向に振動させる振動機構と、振動機構の振幅および周期を制御する制御部と、を備え、投影レンズは、投影レンズの有する特定周波数の光学伝達関数と、振幅における座標での投影レンズが滞在する時間とにより得られる合成デフォーカス変調伝達関数に基づき、投影用画像を投影し、合成デフォーカス変調伝達関数の焦点深度は、投影対象の凹凸の深さに合わせられている。

本態様によれば、投影レンズは、特定周波数のデフォーカス光学伝達関数が２つ以上の極大値を有し、２番目に大きい極大値が１番目に大きい極大値の０．５倍以上である。そして、本態様によれば、この投影レンズを所定の周期および振幅によって振動させることにより得られる合成デフォーカス変調伝達関数に基づき、投影用画像が投影対象に投影される。これにより、本態様は、ボケが均一に抑制された、投影用画像の投影を凹凸を有する投影対象にすることができる。

好ましくは、合成デフォーカス変調伝達関数の０．３５値以上の幅は、振幅の２倍以上である。

本態様によれば、合成デフォーカス変調伝達関数の０．３５値以上の幅は、振幅の２倍以上となるので、ボケが均一に抑制された投影用画像を投影対象に投影することができる。

好ましくは、合成デフォーカス変調伝達関数の０．５値以上の幅は、振幅の２倍以上である。

本態様によれば、合成デフォーカス変調伝達関数の０．５値以上の幅は、振幅の２倍以上であるので、ボケが均一に抑制された投影用画像を投影対象に投影することができる。

好ましくは、１番目に大きい極大値と２番目に大きい極大値との間にある極小値は、以下の式で表される値を有する。
（式） 極大値Ａ×０．５＞極小値Ｃ＞極大値Ａ×（−０．５）
ただし、前記１番目に大きい極大値を極大値Ａとし、前記１番目に大きい極大値と前記２番目に大きい極大値との間にある極小値を極小値Ｃとする。
本態様によれば、１番目に大きい極大値と２番目に大きい極大値との間にある極小値は上記の式の関係を満たすので、ボケが均一に抑制された投影用画像の投影をすることができる。

好ましくは、特定周波数は、１／２ナイキスト周波数から１／４ナイキスト周波数の範囲である。

本態様によれば、特定周波数は、１／２ナイキスト周波数から１／４ナイキスト周波数の範囲であるので、ボケが均一に抑制された投影用画像の投影をすることができ、かつ、投影された投影用画像が高解像となる。

好ましくは、制御部は、１周期を０．０５秒から０．１秒に制御する。

本態様によれば、投影レンズが１周期を０．０５秒から０．１秒で振動させられるので、適切な残像効果により、ボケが均一に抑制された投影用画像の投影をすることができる。

好ましくは、投影レンズは、第１の焦点位置で投影した投影用画像の投影像の大きさと第２の焦点位置で投影した投影用画像の投影像の大きさが等しい。

本態様によれば、投影レンズは、第１の焦点位置で投影した投影用画像の投影像の大きさと第２の焦点位置で投影した投影用画像の投影像の大きさが等しい。すなわち、本態様の投影レンズは焦点位置を移動させても投影像の大きさは変化しない。これにより本態様は、残像効果により、ボケが抑制された撮影用画像の投影をすることができる。

好ましくは、投影装置は、投影レンズと投影対象との距離を計測する距離計測部を備え、制御部は、距離計測部により計測された距離に基づいて、振動機構を制御する。

本態様によれば、距離計測部により、投影レンズと投影対象との距離が計測され、制御部により、距離計測部で計測された距離に基づいて振動機構が制御されるので、ボケが抑制された投影用画像の投影を行うことができる。

好ましくは、制御部は、距離計測部により計測された距離に基づいて、振動機構の振幅を決定する。

本態様によれば、振動機構の振幅は距離計測部で計測された距離に基づいて決定されるので、ボケが抑制された投影用画像の投影を行うことができる。

距離計測部は、投影レンズと投影対象の凹部との距離、および投影レンズと凸部との距離を計測し、制御部は、投影レンズと投影対象の凹部との距離、および投影レンズと凸部との距離に基づいて、振動機構の振幅を決定する。

本態様によれば、投影レンズから投影対象の凹部および凸部までの距離が計測され、計測された距離に基づき、振動機構の振幅が決定されるので、ボケが抑制された投影用画像の投影を行うことができる。

好ましくは、距離計測部は、距離計測機能を有するカメラで構成される。

好ましくは、距離計測機能を有するカメラの撮影レンズは、投影レンズ、または投影レンズと同軸である。

本態様によれば、距離計測機能を有するカメラの撮影レンズは、投影レンズ、または投影レンズと同軸であるので、より正確に投影レンズと投影対象との距離を計測することができ、より正確に焦点が合った投影用画像の投影を行うことができる。

本発明の他の態様である投影方法は、光源と、光源の光を変調して投影用画像を生成する投影用画像生成部と、投影用画像生成部で生成された投影用画像を凹凸を有する投影対象に投影する投影レンズであって、特定周波数のデフォーカス光学伝達関数が２つ以上の極大値を有し、２番目に大きい極大値が１番目に大きい極大値の０．５倍以上である投影レンズと、投影レンズを光軸方向に振動させる振動機構と、を備える投影装置の投影方法であって、振動機構の振幅および周期を制御するステップ、を含み、投影レンズは、投影レンズの有する特定周波数のデフォーカス光学伝達関数と、振幅における座標での投影レンズが滞在する時間とで得られる合成デフォーカス変調伝達関数により投影用画像を投影し、合成デフォーカス変調伝達関数の焦点深度は、投影対象の凹凸の深さに合わせられる。

本発明によれば、投影レンズは、特定周波数のデフォーカス光学伝達関数が２つ以上の極大値を有し、２番目に大きい極大値が１番目に大きい極大値の０．５倍以上であり、この投影レンズを所定の周期および振幅で振動させることにより得られる合成デフォーカス変調伝達関数により、投影用画像が投影対象に投影されるので、ボケが均一に抑制された、投影用画像の投影を凹凸を有する投影対象にすることができる。

図１は、投影装置の構成を示すブロック図である。 図２は、投影装置と凹凸を有する投影対象を示す図である。 図３は、投影装置と凹凸を有する投影対象を示す図である。 図４は、投影像に関して説明する図である。 図５は、投影像に関して説明する図である。 図６は、投影像に関して説明する図である。 図７は、投影像に関して説明する図である。 図８は、投影レンズが有するデフォーカス光学伝達関数の特性を概念的に示す図である。 図９は、合成デフォーカス変調伝達関数に関して説明する図である。 図１０は、投影レンズの特性を示す図である。 図１１は、投影装置の動作フローを示す図である。 図１２は、投影レンズの特性を示す図である。 図１３は、投影レンズの特性を示す図である。 図１４は、比較例の投影レンズの特性を示す図である。 図１５は、比較例の投影レンズの特性を示す図である。 図１６は、投影装置の動作フローを示す図である。

以下、添付図面にしたがって本発明にかかる投影装置および投影方法の好ましい実施の形態について説明する。

図１は、投影装置２０の構成を示すブロック図である。投影装置２０は、単板式の液晶プロジェクタであり、投影レンズ４６、レンズドライバ４８、振動機構５２、焦点調節機構５４、表示用光学素子（光変調素子ともいう）４２、素子ドライバ４３と、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)光源４４、光源ドライバ４５、投影用画像生成部５０、制御部４１、およびメモリ４０で構成されている。

表示用光学素子４２は、複数色のカラーフィルタを備えた透過型の液晶パネル、或いはダイクロイックミラーとマイクロレンズアレイとモノクロの透過型の液晶パネルとを組み合わせたカラーフィルタレス構造の素子等が用いられる。カラーフィルタレス構造の素子は、例えば、Ｒ（Ｒｅｄ）光、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）光、Ｂ（Ｂｌｕｅ）光をそれぞれ反射する３種類のダイクロイックミラーにより白色光をＲＧＢの３色の光に分光し、３色の光を互いに異なった角度で液晶パネル上のマイクロレンズアレイに入射させる。そして、３色の光をマイクロレンズアレイにより液晶パネルのＲ用画素、Ｇ用画素、Ｂ用画素にそれぞれ入射させることによりカラー画像の表示が可能となる。

なお、投影装置２０は、単板式の液晶プロジェクタに限定されるものでなく、色分離光学系および複数の液晶パネルを備える公知の３板式の液晶プロジェクタであってもよい。また、投影装置２０は、透過型液晶方式に限定されるものではなく、反射型液晶表示方式やＤＭＤ（Digital Mirror Device）等を用いた反射型表示方式等の他の各種方式を採用してもよい。

素子ドライバ４３は、制御部４１の制御の下、表示用光学素子４２を制御して、投影用画像生成部５０が生成した投影用画像を表示させる。

ＬＥＤ光源４４は、本発明の投影光源に相当するものであり、表示用光学素子４２の背面側（投影レンズ４６に対向する面とは反対面側）から表示用光学素子４２に対して白色光を入射させる。これにより、表示用光学素子４２から投影用画像に基づく投影用画像の像光が出射される。光源ドライバ４５は、制御部４１の制御の下、ＬＥＤ光源４４の駆動を制御する。なお、本発明の投影光源としてＬＥＤ以外の光源を使用可能である。また、ＤＭＤ等、Ｒ光、Ｂ光、Ｇ光を時分割で順次投影する表示用光学素子４２を用いる場合は、投影光源として、Ｒ光、Ｂ光、Ｇ光を時分割で表示用光学素子４２に順次照射させる光源を使用する。すなわち、本発明の投影光としては、Ｒ光、Ｂ光、Ｇ光などの白色光以外の光を用いることができる。

投影レンズ４６は、表示用光学素子４２から出射される投影用画像の像光を投影対象１０に投影する。投影レンズ４６は、複数のレンズが組み合わされて構成されているが、投影像のフォーカスに寄与するフォーカスレンズ４７のみ図示されており、他のレンズの図示は省略している。なお、投影レンズ４６は、複数のレンズの組み合わせで構成されていてもよいし、単数のレンズに構成されていてもよい。

投影レンズ４６は、フォーカスレンズ４７を移動させた場合であっても、投影像が変わらないように設計されていることが好ましい。すなわち、投影レンズ４６は、第１の焦点位置で投影した投影用画像の投影像の大きさと第２の焦点位置で投影した投影用画像の投影像の大きさとを等しく投影することができることが好ましい。なお、本発明の特性を示すような投影レンズ４６の具体的な設計は、公知の技術により設計されるものとする。

制御部４１の制御の下でレンズドライバ４８は、焦点調節機構５４を介して、投影レンズ４６のフォーカス制御等を行う。すなわち、オートフォーカス機能を投影装置２０が有している場合には、公知のオートフォーカス技術により、制御部４１はレンズドライバ４８に焦点調節機構５４を介してフォーカスレンズ４７を移動させる。また、手動でフォーカスレンズ４７を移動させる場合には、ユーザにより操作部（不図示）を介して焦点調節機構５４を作動させてフォーカスレンズ４７が移動させられる。

また、制御部４１の制御の下でレンズドライバ４８は、振動機構５２を介して、投影レンズ４６を振動させる。振動機構５２は、公知の技術により、投影レンズ４６を光軸Ｔ方向と平行に振動させる。なお、投影レンズ４６を振動させるとは、フォーカスレンズ４７のみを振動させることが好ましいが、投影レンズ４６が単数で構成されている場合等では投影レンズ４６の全体を振動させてもよい。また振動機構５２は、焦点調節機構５４と一体に設けられていてもよい。

制御部４１は、データバス５１を介して、光源ドライバ４５、素子ドライバ４３、レンズドライバ４８、投影用画像生成部５０、メモリ４０に接続されている。制御部４１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む各種の演算部および処理部および記憶部により構成されたものであり、メモリ４０から読み出した制御用のプログラムまたはデータを実行することで、投影装置２０の全体の動作や処理を統括制御する。

また、制御部４１は、振動機構５２の振幅および周期を制御する。例えば制御部４１は、投影レンズ４６の振動の周期を、振動機構５２を介して、１周期を０．０５秒から０．１秒、好ましくは０．０７秒から０．０９秒に制御する。

メモリ４０は、制御部４１が処理を実行するための制御用のプログラムを格納している。

投影用画像生成部５０は、光源の光を変調して投影用画像を生成する。すなわち、投影用画像生成部５０は、制御部４１の制御において、制御部４１から入力されたデータ及び情報に基づいて投影用画像の生成を行う。

図２および図３は、投影装置２０と凹凸を有する投影対象１０を示す図である。

図２は投影対象１０と投影装置２０との平面図である。投影装置２０により投影用画像が投影される面である平面１１、平面１２、および平面１３を有するが、平面１１、平面１２、および平面１３は投影装置２０から同じ距離にはない。このように、投影対象１０の投影される面が一つの平面で構成されていない場合には、投影対象１０は凹凸を有する。なお、投影対象１０の投影面は平面に限定されず、曲面等で構成されていてもよい。なお、図に示した場合では、投影レンズ４６の光軸Ｔは平面１２にある。

図３は、投影対象１０と投影装置２０との斜視図である。平面１１、平面１２、および平面１３で構成される凹凸を有する投影対象１０には、投影装置２０により投影用画像が投影されており、平面１１、平面１２、および平面１３にそれぞれ投影された投影像１０１、投影像１０２、および投影像１０３が示されている。図３に示した場合では、平面１２に焦点面が設定されているため、平面１１および平面１３は焦点深度から外れている。そして、平面１１に投影された投影像１０１および平面１３に投影された投影像１０３は、焦点深度から外れているので、ボケた像となっている。

図４は、図２および図３で示した平面１２に焦点面がある場合の投影像に関して、説明する図である。図４（Ａ）は、投影レンズ４６と焦点面に関して説明する図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）で示した焦点面の場合に平面１１、平面１２、および平面１３の投影像を示している。平面１２の投影像１０２は、焦点面が平面１２にあるので、ボケていない鮮明な像である。一方、平面１１および平面１３の投影像１０１および投影像１０３は、平面１１および平面１３が投影レンズ４６の焦点深度から外れているためにボケた像となっている。なお投影レンズ４６は、図１で説明したように複数枚で構成されているが、単枚のレンズとして簡略化して記載している。また、図４、図５、図６ではボケている投影像を点線で表し、焦点が合っている投影像を実線で表している。

図５は、焦点面が平面１１にある場合の投影像に関して説明する図である。なお、図４で既に説明を行った箇所は説明を省略する。平面１１に投影される投影像１０１は、焦点面が平面１１にあるので、ボケていない像である。一方、平面１２および平面１３に投影される投影像１０１および投影像１０３は、平面１２および平面１３が投影レンズ４６の焦点深度から外れているためにボケた像となっている。

図６は、焦点面が平面１３にある場合の投影像に関して説明する図である。なお、図４で既に説明を行った箇所は説明を省略する。平面１３に投影される投影像１０３は、焦点面が平面１３にあるので、ボケていない像である。一方、平面１１および平面１２に投影される投影像１０１および投影像１０２は、平面１１および平面１２が投影レンズ４６の焦点深度から外れているためにボケた像となっている。

図７は、投影レンズ４６が振動している場合の投影像に関して説明する図である。投影レンズ４６は、制御部４１により、振動機構５２を介して振動させられる。具体的には、投影レンズ４６は、焦点面の位置を平面１１、平面１２、平面１３、と振動して往復移動する。これにより、平面１１、平面１２、および平面１３に投影される像である、投影像１０１、投影像１０２、および投影像１０３は残像効果により、ボケが抑制された画像となる。なお、さらにボケを抑制したい場合には、エッジを過強調した像を投影してもよい。

投影レンズ４６の振動は、残像効果が誘起される程度の速さが必要であるが、特に限定されるものではない。例えば制御部４１は、投影レンズ４６を１周期０．０５秒から０．１秒で振動するように振動機構５２に投影レンズ４６を振動させる。

投影レンズ４６の振動の振幅は、投影対象１０の凹凸に合わせて決定されればよい。例えば振幅の最大値は、投影レンズ４６に最も近い焦点面に合わせるように投影レンズ４６を振った場合であり、振幅の最小値は、投影レンズ４６に最も遠い焦点面に合わせるように投影レンズ４６を振った場合である。なお、図７では、残像効果によりボケが抑制されたように視認される像を点線で表している。

＜投影レンズのデフォーカス光学伝達関数＞
次に、投影装置２０が備える投影レンズ４６の特性を示すデフォーカス光学伝達関数（ＯＴＦ：Optical Transfer Function）に関して説明する。

投影レンズ４６は、特定のデフォーカスＯＴＦ特性を有する。これにより、投影レンズ４６を振動させて残像効果により視認される投影像は、ボケが均一に抑制された像を投影することができる。

具体的には、投影レンズ４６の特定周波数におけるデフォーカスＯＴＦは、少なくとも２つ以上の極大値を有する。また、投影レンズ４６の特定周波数におけるデフォーカスＯＴＦの２番目に大きい極大値Ｂが１番目に大きい極大値Ａの０．５倍以上である。特定周波数におけるデフォーカスＯＴＦがこのような特性を有することにより、投影レンズ４６を振動させた場合に、ボケが均一に抑制された像の投影を実現することができる。

なお、特定周波数は例えば、１／２ナイキスト周波数から１／４ナイキスト周波数の範囲であることが好ましい。投影レンズ４６のデフォーカスＯＴＦが、１／２ナイキスト周波数から１／４ナイキスト周波数の範囲において上述した特性を有することにより、高解像でボケが均一に抑制された像の投影を行うことができる。

また投影レンズ４６のデフォーカスＯＴＦは、１番目に大きい極大値Ａと２番目に大きい極大値Ｂとの間にある極小値Ｃの値が以下の式を満たすことが好ましい。投影レンズ４６のデフォーカスＯＴＦが以下の（式）の関係式を満たす特性を有することにより、ボケが均一に抑制された像の投影を行うことができる。

（式）極大値Ａ×０．５＞極小値Ｃ＞極大値Ａ×（−０．５）
図８は、投影レンズ４６のデフォーカスＯＴＦの特性が上述の（式）の関係式を満たす場合を概念的に示す図である。図８（Ａ）は、１番目に大きい極大値Ａ×０．５＝極小値Ｃの場合の投影レンズ４６のデフォーカスＯＴＦの一例を示している。図８（Ｂ）は、１番目に大きい極大値Ａ×(−０．５)＝極小値Ｃの場合の投影レンズ４６のデフォーカスＯＴＦの一例を示している。投影レンズ４６のデフォーカスＯＴＦの特性が上述の（式）の関係式を満たす場合には、投影レンズ４６を振動させると均一にボケが抑制された撮影像を得ることができる。

＜合成デフォーカス変調伝達関数＞
次に合成デフォーカスＭＴＦ(Modulation Transfer Function)に関して説明する。投影レンズ４６は、合成デフォーカスＭＴＦに基づいて投影用画像を投影対象１０に投影する。合成デフォーカスＭＴＦは、投影レンズ４６の有する特定周波数のデフォーカスＯＴＦと、振幅における座標での投影レンズ４６が滞在する時間とで得られる。合成デフォーカスＭＴＦの焦点深度は、投影対象１０の凹凸の深さに合わせられる。

ここで、合成デフォーカスＭＴＦを制御する場合には、（１）投影レンズ４６のデフォーカスＭＴＦまたはＯＴＦの最適化、（２）投影レンズ４６の振動の速さ（周期）の最適化、（３）投影レンズ４６の位置毎のエッジ処理の最適化の手法がある。

しかしながら、（２）の手法では、投影レンズ４６を正確に往復させるために速度検出の機能追加等の複雑な機構を投影装置２０に追加する必要があり、投影装置２０の大型化、高コスト化を招いてしまう。また、（３）の手法では、１フレームごとにエッジ処理の強弱を変化させながら高速に行う必要があるため、信号処理コストがかかってしまう。そこで、上述した（１）の手法で、合成デフォーカスＭＴＦの制御を行う。以下に合成デフォーカスＭＴＦの算出に関して説明する。

先ず、投影レンズ４６のデフォーカスＯＴＦを算出する。次に、投影レンズ４６が振動させられる場合に各座標において滞在する時間を算出する。その後、投影レンズ４６のデフォーカスＯＴＦとレンズが各座標に滞在する時間を畳み込みする。そして、畳み込みで得られた合成デフォーカスＯＴＦの絶対値を求めて合成デフォーカスＭＴＦを得る。

図９は、合成デフォーカスＭＴＦに関して説明する図である。

図９（Ａ）は、投影レンズ４６のデフォーカスＭＴＦを示す図である。図示されたデフォーカスＭＴＦ１５１は、二つの極大値はなく極大値（点Ｊ（８０））が一つである。デフォーカスＭＴＦ１５１において、点Ｈ（１０）、点Ｉ（４０）、点Ｊ（８０）、点Ｋ（４０）、および点Ｌ（１０）を有する。

図９（Ｂ）は、デフォーカスＭＴＦ１５１を有する通常の投影レンズＢを振動させた場合に、３つの状態でのＭＴＦの合成を説明する図である。合成デフォーカスを有する投影レンズＢを振幅Ｄにより振動させて、＋Ｄ、±０、−Ｄの三つの状態でのデフォーカスＭＴＦを合成する場合の計算は以下のようになる。

状態（Ｉ）（＋Ｄ）では、各デフォーカスＭＴＦは８０、４０、および１０であり、合成デフォーカスＭＴＦは１３０／３で≒４３となる。状態（ＩＩ）（±０）では、各デフォーカスＭＴＦは４０、８０、および４０であり、合成デフォーカスＭＴＦは１６０／３で≒５３となる。状態（ＩＩＩ）（−Ｄ）では、各デフォーカスＭＴＦは１０、４０、および８０であり、合成デフォーカスＭＴＦは１３０／３で≒４３となる。

図９（Ｃ）は、合成デフォーカスＭＴＦのグラフを説明する図である。図９（Ｂ）では３つの状態に関して合成デフォーカスＭＴＦを算出したが、図９（Ｃ）は振幅Ｄで投影レンズＢを振動させた場合の合成デフォーカスＭＴＦを連続的に算出した結果が示されている。なお、投影レンズＢは本発明の投影レンズ４６の特性を有さない通常の投影レンズであるので、図９（Ｃ）で示された合成デフォーカスＭＴＦは均一にボケが抑制されていない。

＜投影レンズ＞
次に、投影レンズ４６の具体例である投影レンズＡ１の特性を説明する。

図１０は、投影レンズ４６の具体例である投影レンズＡ１の特性を示す図である。投影レンズＡ１を振動させて得られる合成デフォーカスＭＴＦに基づき、撮影用画像を撮影対象に投影すると、ボケが均一に抑制された投影用画像を投影することができる。

図１０（Ａ）は、投影レンズＡ１の縦の球面収差に関して示している。図１０（Ｂ）は投影レンズＡ１のデフォーカスＯＴＦを示す。投影レンズＡ１のデフォーカスＯＴＦは、二つ以上の極大値を有する。また、２番目に大きい極大値は、１番目に大きい極大値の０．５倍以上である（図中の矢印参照）。

図１０（Ｃ）は投影レンズＡ１が振動される場合の滞在時間を示し、図１０（Ｄ）は投影レンズＡ１が図１０（Ｃ）の滞在時間で振動させられた場合の合成デフォーカスＯＴＦを示している。合成デフォーカスＯＴＦは、図１０（Ｂ）に示されたデフォーカスＯＴＦを図１０（Ｃ）で示された滞在時間で畳み込みして算出される。図１０（Ｅ）は、投影レンズＡ１の合成デフォーカスＭＴＦが示されている。合成デフォーカスＭＴＦの０．３５値以上の幅は、振幅（０．４ｍｍ）の２倍以上であり、さらには、合成デフォーカスＭＴＦの０．５値以上の幅は、振幅（０．４ｍｍ）の２倍以上である。

＜第１の距離計測の例＞
次に、本発明の投影方法に関して、手動で投影レンズ４６の振動の振幅を取得する場合について説明する。

図１１は、投影装置２０を使用して手動で投影対象１０までの距離を取得し投影する場合の動作フローを示す図である。

先ず、ユーザは焦点調節機構５４を使用して、投影レンズ４６のフォーカスレンズ４７を移動させ、投影対象１０において投影レンズ４６に最も近い面（凸部）に、投影レンズ４６の焦点面を合わせる（ステップＳ１０）。その後、メモリ４０にフォーカスレンズ４７の位置を第１の位置として記憶する（ステップＳ１１）。次に、ユーザは焦点調節機構５４を使用して、投影レンズ４６のフォーカスレンズ４７を移動させて、投影対象１０において投影レンズ４６に最も遠い面（凹部）に、投影レンズ４６の焦点面を合わせる（ステップＳ１２）。そして、メモリ４０にフォーカスレンズ４７の位置を第２の位置として記憶する（ステップＳ１３）。その後制御部４１は、メモリ４０に記憶された第１の位置および第２の位置に基づいて、振動機構５２の振幅をおよび周期を制御する（ステップＳ１４）。例えば制御部４１は、振動機構５２に投影レンズ４６を第１の位置から第２の位置までの間を振動させる。

上記実施形態において、各種の処理を実行する処理部（processing unit）のハードウェア的な構造は、次に示すような各種のプロセッサ（processor）である。各種のプロセッサには、ソフトウェア（プログラム）を実行して各種の処理部として機能する汎用的なプロセッサであるＣＰＵ（Central Processing Unit）、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であるプログラマブルロジックデバイス（Programmable Logic Device：ＰＬＤ）、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である専用電気回路などが含まれる。

１つの処理部は、これら各種のプロセッサのうちの１つで構成されていてもよいし、同種または異種の２つ以上のプロセッサ（例えば、複数のＦＰＧＡ、あるいはＣＰＵとＦＰＧＡの組み合わせ）で構成されてもよい。また、複数の処理部を１つのプロセッサで構成してもよい。複数の処理部を１つのプロセッサで構成する例としては、第１に、クライアントやサーバなどのコンピュータに代表されるように、１つ以上のＣＰＵとソフトウェアの組合せで１つのプロセッサを構成し、このプロセッサが複数の処理部として機能する形態がある。第２に、システムオンチップ（System On Chip：ＳｏＣ）などに代表されるように、複数の処理部を含むシステム全体の機能を１つのＩＣ（Integrated Circuit）チップで実現するプロセッサを使用する形態がある。このように、各種の処理部は、ハードウェア的な構造として、上記各種のプロセッサを１つ以上用いて構成される。

さらに、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造は、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（circuitry）である。

上述の各構成および機能は、任意のハードウェア、ソフトウェア、或いは両者の組み合わせによって適宜実現可能である。例えば、上述の処理ステップ（処理手順）をコンピュータに実行させるプログラム、そのようなプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体（非一時的記録媒体）、或いはそのようなプログラムをインストール可能なコンピュータに対しても本発明を適用することが可能である。

＜他の投影レンズの例＞
次に本発明の投影レンズ４６の他の例について説明する。

図１２は、投影レンズ４６の具体例の投影レンズＡ２の特性を示す図である。

図１２（Ａ）は、投影レンズＡ２の縦の球面収差に関して示している。図１２（Ｂ）は投影レンズＡ２のデフォーカスＯＴＦを示す。投影レンズＡ２のデフォーカスＯＴＦは、二つ以上の極大値を有する。また、２番目に大きい極大値は、１番目に大きい極大値の０．５倍以上である（図中の矢印を参照）。

図１２（Ｃ）は投影レンズＡ２が振動される場合の滞在時間を示し、図１２（Ｄ）は合成デフォーカスＯＴＦを示している。図１０（Ｅ）は、投影レンズＡ１の合成デフォーカスＭＴＦが示されている。合成デフォーカスＭＴＦの０．３５値以上の幅は、振幅（０．４ｍｍ）の２倍以上であり、さらには、合成デフォーカスＭＴＦの０．５値以上の幅は、振幅（０．４ｍｍ）の２倍以上である。

図１３は、投影レンズ４６の具体例の投影レンズＡ３の特性を示す図である。

図１３（Ａ）は、投影レンズＡ３の縦の球面収差に関して示している。図１３（Ｂ）は投影レンズＡ３のデフォーカスＯＴＦを示す。投影レンズＡ３のデフォーカスＯＴＦは、二つ以上の極大値を有する。また、２番目に大きい極大値は、１番目に大きい極大値の０．５倍以上である（図中の矢印を参照）。

図１３（Ｃ）は投影レンズＡ３が振動される場合の滞在時間を示し、図１３（Ｄ）は合成デフォーカスＯＴＦを示している。図１３（Ｅ）は、投影レンズＡ３の合成デフォーカスＭＴＦが示されている。合成デフォーカスＭＴＦの０．３５値以上の幅は、振幅（０．４ｍｍ）の２倍以上であり、さらには、合成デフォーカスＭＴＦの０．５値以上の幅は、振幅（０．４ｍｍ）の２倍以上である。

＜比較例＞
次に、本発明の投影レンズ４６には適さない投影レンズに関して説明する。

図１４は、比較例の投影レンズＢ１の特性を示す図である。投影レンズＢ１を振動させて得られる合成デフォーカスＭＴＦで、撮影用画像を撮影対象に投影しても、ボケが均一に抑制された投影用画像を投影することはできない。

図１４（Ａ）は、投影レンズＢ１の縦の球面収差に関して示している。球面収差の値は、上述した投影レンズＡ１から投影レンズＡ３と比較して良好である。しかしながら、投影レンズＢ１を振動させて、残像効果によりボケを抑制する場合には、均一にボケが抑制されたものとはならない。

図１４（Ｂ）は投影レンズＢ１のデフォーカスＯＴＦを示す。投影レンズＢ１のデフォーカスＯＴＦは、二つ以上の極大値を有する。しかし、２番目に大きい極大値は、１番目に大きい極大値の０．５倍未満である。

図１４（Ｃ）は投影レンズＢ１が振動される場合の滞在時間を示し、図１４（Ｄ）は投影レンズＢ１が図１４（Ｃ）の滞在時間で振動させられた場合の合成デフォーカスＯＴＦを示している。合成デフォーカスＯＴＦは、図１４（Ｂ）に示されたデフォーカスＯＴＦを図１４（Ｃ）で示された滞在時間で畳み込みして算出される。図１４（Ｅ）は、投影レンズＢ１の合成デフォーカスＭＴＦが示されている。合成デフォーカスＭＴＦは、デフォーカスの０．４および−０．４付近では急激に良くなっている。したがって、上述の合成デフォーカスＭＴＦに基づいて、投影用画像を投影してもボケが均一に抑制された投影像は得られない。

図１５は、比較例の投影レンズＢ２の特性を示す図である。投影レンズＢ２を振動させて得られる合成デフォーカスＭＴＦで、撮影用画像を撮影対象に投影することにより、ボケが均一に抑制された投影用画像を投影することができる。

図１５（Ａ）は、投影レンズＢ２の縦の球面収差に関して示している。球面収差の値は、上述した投影レンズＢ２から投影レンズＡ３と比較して良好である。しかしながら、投影レンズＢ２を振動させて、残像効果によりボケを抑制する場合には、均一にボケが抑制されたものとはならない。

図１５（Ｂ）は投影レンズＢ２のデフォーカスＯＴＦを示す。投影レンズＢ２のデフォーカスＯＴＦは、二つ以上の極大値を有する。しかし、２番目に大きい極大値は、１番目に大きい極大値の０．５倍未満である。

図１５（Ｃ）は投影レンズＢ２が振動される場合の滞在時間を示し、図１５（Ｄ）は投影レンズＢ２が図１５（Ｃ）の滞在時間で振動させられた場合の合成デフォーカスＯＴＦを示している。合成デフォーカスＯＴＦは、図１５（Ｂ）に示されたデフォーカスＯＴＦを図１５（Ｃ）で示された滞在時間で畳み込みして算出される。図１５（Ｅ）は、投影レンズＢ２の合成デフォーカスＭＴＦが示されている。合成デフォーカスＭＴＦは、デフォーカスの０．４および−０．４付近では急激に良くなっている。したがって、上述の合成デフォーカスＭＴＦに基づいて、投影用画像を投影してもボケが均一に抑制された投影像は得られない。

＜第２の距離計測の例＞
次に、本発明の投影方法に関して、自動で投影レンズ４６の振動の振幅を取得する場合について説明する。自動で振動の振幅を取得する場合には、投影装置２０は距離計測部を備える。例えば距離計測部は、距離計測機能を有するカメラで構成される。また、カメラの撮影レンズは、投影レンズ４６で構成されるか、または投影レンズ４６と同軸で構成されることが好ましい。

図１６は、投影装置２０を使用して自動で投影対象１０までの距離を取得し投影する場合の動作フローを示す図である。

先ず、投影装置２０により、投影対象１０にピント認識用のチャートを投影する（ステップＳ２０）。すなわち、投影装置２０は、投影用画像生成部５０によりピント認識用のチャート（例えば白黒の縞模様の画像）を生成し、表示用光学素子４２を介して、投影対象１０にピント認識用のチャートを投影する。その後、投影レンズ４６のフォーカスレンズ４７を全可動範囲で作動させ（フォーカスレンズ４７を全可動範囲で走査させる）、そして、全ての焦点位置における画像を撮影し取得する（ステップＳ２１）。例えば、凹凸を有する投影対象１０において、凹部、凸部で焦点が合った場合に画像が取得される。そして画像が取得されると、取得された画像にフォーカスレンズ４７の位置が記憶される。

そして、取得した複数の画像から、最も投影レンズ４６と投影対象１０との距離が短い場合の画像、および、最も投影レンズ４６と投影対象１０との距離が長い場合の画像を抽出する（ステップＳ２２）。そして、投影レンズ４６と投影対象１０との距離が最も短い場合の画像、および、投影レンズ４６と投影対象１０との距離が最も長い場合の画像でのフォーカスレンズ４７の位置をメモリ４０に記憶する（ステップＳ２３）。その後、制御部４１は、メモリ４０に記憶されたフォーカスレンズ４７の位置に基づいて、振動機構５２の振幅および周期を制御する（ステップＳ２４）。例えば制御部は、投影レンズ４６と投影対象１０の凹部との距離、および投影レンズ４６と凸部との距離に基づいて、振動機構５２の振幅を決定する。

以上で本発明の例に関して説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

１０ 投影対象
１１、１２、１３ 平面
２０ 投影装置
４０ メモリ
４１ 制御部
４２ 表示用光学素子
４３ 素子ドライバ
４４ ＬＥＤ光源
４５ 光源ドライバ
４６ 投影レンズ
４７ フォーカスレンズ
４８ レンズドライバ
５０ 投影用画像生成部
５１ データバス
５２ 振動機構
５４ 焦点調節機構
１０１、１０２、１０３ 投影像

Claims (13)

1. 光源と、
   前記光源の光を変調して投影用画像を生成する投影用画像生成部と、
   前記投影用画像生成部により生成された前記投影用画像を凹凸を有する投影対象に投影する投影レンズであって、特定周波数のデフォーカス光学伝達関数が２つ以上の極大値を有し、２番目に大きい極大値が１番目に大きい極大値の０．５倍以上である投影レンズと、
   前記投影レンズを光軸方向に振動させる振動機構と、
   前記振動機構の振幅および周期を制御する制御部と、
   を備え、
   前記投影レンズは、前記投影レンズの有する前記特定周波数のデフォーカス光学伝達関数と、前記振幅における座標での前記投影レンズが滞在する時間とにより得られる合成デフォーカス変調伝達関数に基づき、前記投影用画像を投影し、
   前記合成デフォーカス変調伝達関数の焦点深度は、前記投影対象の凹凸の深さに合わせられた投影装置。
2. 前記合成デフォーカス変調伝達関数の０．３５値以上の幅は、前記振幅の２倍以上である請求項１に記載の投影装置。
3. 前記合成デフォーカス変調伝達関数の０．５値以上の幅は、前記振幅の２倍以上である請求項１に記載の投影装置。
4. 前記１番目に大きい極大値と前記２番目に大きい極大値との間にある極小値は、以下の式で表される値を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の投影装置。
   （式）極大値Ａ×０．５＞極小値Ｃ＞極大値Ａ×（−０．５）
   ただし、前記１番目に大きい極大値を極大値Ａとし、前記１番目に大きい極大値と前記２番目に大きい極大値との間にある極小値を極小値Ｃとする
5. 前記特定周波数は、１／２ナイキスト周波数から１／４ナイキスト周波数の範囲である請求項１から４のいずれか１項に記載の投影装置。
6. 前記制御部は、１周期を０．０５秒から０．１秒に制御する請求項１から５のいずれか１項に記載の投影装置。
7. 前記投影レンズは、第１の焦点位置で投影した前記投影用画像の投影像の大きさと第２の焦点位置で投影した前記投影用画像の投影像の大きさが等しい請求項１から６のいずれか１項に記載の投影装置。
8. 前記投影レンズと前記投影対象との距離を計測する距離計測部を備え、
   前記制御部は、前記距離計測部により計測された前記距離に基づいて、前記振動機構を制御する請求項１から７のいずれか１項に記載の投影装置。
9. 前記制御部は、前記距離計測部により計測された前記距離に基づいて、前記振動機構の前記振幅を決定する請求項８に記載の投影装置。
10. 前記距離計測部は、前記投影レンズと前記投影対象の前記凹部との距離、および投影レンズと前記凸部との距離を計測し、
    前記制御部は、前記投影レンズと前記投影対象の前記凹部との距離、および投影レンズと前記凸部との距離に基づいて、前記振動機構の前記振幅を決定する請求項９に記載の投影装置。
11. 前記距離計測部は、距離計測機能を有するカメラで構成される請求項８から１０のいずれか１項に記載の投影装置。
12. 前記距離計測機能を有するカメラの撮影レンズは、前記投影レンズ、または前記投影レンズと同軸である請求項１１に記載の投影装置。
13. 光源と、前記光源の光を変調して投影用画像を生成する投影用画像生成部と、前記投影用画像生成部で生成された前記投影用画像を凹凸を有する投影対象に投影する投影レンズであって、特定周波数のデフォーカス光学伝達関数が２つ以上の極大値を有し、２番目に大きい極大値が１番目に大きい極大値の０．５倍以上である投影レンズと、前記投影レンズを光軸方向に振動させる振動機構と、を備える投影装置の投影方法であって、
    前記振動機構の振幅および周期を制御するステップ、
    を含み、
    前記投影レンズは、前記投影レンズの有する前記特定周波数のデフォーカス光学伝達関数と、前記振幅における座標での前記投影レンズが滞在する時間とで得られる合成デフォーカス変調伝達関数に基づき、前記投影用画像を投影し、
    前記合成デフォーカス変調伝達関数の焦点深度は、前記投影対象の凹凸の深さに合わせられた投影方法。