特許 7151398 光学装置及び画像投影装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-03

(45)【発行日】2022-10-12

(54)【発明の名称】光学装置及び画像投影装置

(51)【国際特許分類】

   G03B 21/14 20060101AFI20221004BHJP

   G03B 21/00 20060101ALI20221004BHJP

   H04N 5/74 20060101ALI20221004BHJP

【ＦＩ】

G03B21/14 Z

G03B21/00 D

H04N5/74 A

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018212560

(22)【出願日】2018-11-12

(65)【公開番号】P2020079848

(43)【公開日】2020-05-28

【審査請求日】2021-08-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(72)【発明者】

【氏名】松山 敏伸

【審査官】小野 博之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０６０１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１４９５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２７６５７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０９９４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２９２７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／００２６８５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０３Ｂ ２１／００－２１／１０

２１／１２－２１／３０

２１／５６－２１／６４

３３／００－３３／１６

Ｈ０４Ｎ ５／６６－５／７４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光を出力する光源と、
横長の矩形状の画像生成面を有し、前記画像生成面に照射された光を変調して画像を生成する光変調素子と、
台形状の断面を有し、前記光源から出力された光を、輝度分布を均一化して前記画像生成面に照射するライトトンネルと、
を有し、
前記ライトトンネルによる前記画像生成面上における照明領域は、台形状であって、台形状の高さが前記画像生成面の短辺の長さと等しく、底辺及び上辺の長さがそれぞれ前記画像生成面の長辺の長さより小さい光学装置。

【請求項2】

前記照明領域は、前記画像生成面の長辺方向に関して、前記画像生成面の中央に位置する請求項１に記載の光学装置。

【請求項3】

前記ライトトンネルと前記光変調素子との間に配置されたリレーレンズを有する請求項１または２いずれか１項に記載の光学装置。

【請求項4】

前記光変調素子により生成された画像を投影する投影部を有する請求項１ないし３いずれか１項に記載の光学装置。

【請求項5】

請求項１ないし４いずれか１項に記載の光学装置と、
画像データに基づいて前記光変調素子を制御する画像制御部と、
を有する画像投影装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学装置及び画像投影装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ランプ等の光源から出力された光を、ライトトンネルを介して光変調素子に照射し、光変調素子により生成された画像を、投影光学系によりスクリーン等に投影するＤＬＰ（Digital Light Processor）プロジェクタが知られている。

【0003】

光変調素子としては、例えば、ＤＭＤ（Digital Micro mirror Device）が用いられる。ＤＭＤは、パソコン等の外部機器から入力される画像データに基づいて、ライトトンネルから照射される光を変調することにより画像を生成する。ライトトンネルは、光源から入射した光の輝度分布を均一化して出力するほぼ直方体形状の光学部材であり、矩形状の照明光を光変調素子に照射する。

【0004】

このような画像投影装置において、断面の縦横比が異なる複数のライトトンネルを設け、画像データのアスペクト比に基づいて使用するライトトンネルを切り替えることが提案されている（特許文献１）。

【0005】

外部機器から画像投影装置に入射される画像データは、例えば、アスペクト比（縦横比）が１０：１６のように、横方向が縦方向よりも長い横長であることが一般的である。このため、特許文献１に記載の複数のライトトンネルは、いずれも断面形状が横長である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、近年、画像投影装置は、スマートフォンのような携帯型表示装置から出力された画像データも受け付けるため、ポートレート画像等の縦長の画像データを処理することが多い。

【0007】

このため、従来の画像投影装置では、横長の光変調素子上に設定される横長の照明領域にライトトンネルが光を照射するので、画像データが縦長である場合には、光変調素子は、照明領域中の両側部の光を投影光学系に導かないように破棄する必要がある。

【0008】

したがって、従来の画像投影装置では、縦長の画像を投影する場合には、照明光の一部を破棄することから、光の利用効率が低い。

【0009】

開示の技術は、上記事情に鑑みてこれを解決すべくなされたものであり、縦長の画像を投影する場合における光の利用効率の低下を抑制することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

開示の技術は、光を出力する光源と、横長の矩形状の画像生成面を有し、前記画像生成面に照射された光を変調して画像を生成する光変調素子と、台形状の断面を有し、前記光源から出力された光を、輝度分布を均一化して前記画像生成面に照射するライトトンネルと、を有し、前記ライトトンネルによる前記画像生成面上における照明領域は、台形状であって、台形状の高さが前記画像生成面の短辺の長さと等しく、底辺及び上辺の長さがそれぞれ前記画像生成面の長辺の長さより小さい光学装置である。

【発明の効果】

【0011】

縦長の画像を投影する場合における光の利用効率の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１実施形態における画像投影装置を例示する斜視図である。

【図2】第１実施形態における画像投影装置の機能構成を例示するブロック図である。

【図3】照明光学系ユニットを例示する斜視図である。

【図4】ライトトンネルの概略構成を示す斜視図である。

【図5】ＤＭＤの画像生成面とライトトンネルによる照明領域との関係を示す図である。

【図6】従来のプロジェクタにおける画像生成面と照明領域との関係を示す図である。

【図7】プロジェクタを斜め上方に向けた姿勢で設置した状態を示す図である。

【図8】台形歪み補正について説明する図である。

【図9】第１実施形態における画像投影装置に用いられるライトトンネルの概略構成を示す斜視図である。

【図10】第２実施形態におけるＤＭＤの画像生成面とライトトンネルによる照明領域との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

【0014】

＜第１実施形態＞
以下に、本発明の第１実施形態に係る画像投影装置ついて説明する。

【0015】

［画像投影装置の構成］
図１は、第１実施形態におけるプロジェクタ１を例示する斜視図である。プロジェクタ１は、画像投影装置の一例であり、出射窓３、外部Ｉ／Ｆ９を有し、投影画像を生成する光学エンジン１５（図２参照）が内部に設けられている。プロジェクタ１は、例えば外部Ｉ／Ｆ９に接続される外部機器から映像信号（画像データ）が入力されると、光学エンジン１５が、入力された画像データに基づいて画像Ｐを生成し、図１に示されるように出射窓３からスクリーンＳに投影する。

【0016】

なお、図１において、Ｘ方向はプロジェクタ１の幅方向、Ｙ方向はプロジェクタ１の奥行き方向、Ｚ方向はプロジェクタ１の高さ方向である。また、以下では、プロジェクタ１の出射窓３側を上、出射窓３とは反対側を下として説明する場合がある。また、Ｙ方向を横方向、Ｚ方向を縦方向と呼ぶ。

【0017】

本実施形態では、プロジェクタ１に映像信号を入力する外部機器は、例えば、スマートフォンである。また、本実施形態では、スマートフォンは、縦方向の長さが横方向の長さよりも大きい縦長の画像データをプロジェクタ１に入力するとする。映像信号は、静止画データに限られず、動画データであってもよい。

【0018】

図２は、実施形態におけるプロジェクタ１の機能構成を例示するブロック図である。

【0019】

図２に示されるように、プロジェクタ１は、電源４、メインスイッチＳＷ５、操作部７、外部Ｉ／Ｆ９、システムコントロール部１０、ファン２０、光学エンジン１５を有する。

【0020】

電源４は、商用電源に接続され、システムコントロール部１０、ファン２０、光学エンジン１５等に給電する。

【0021】

メインスイッチＳＷ５は、ユーザによるプロジェクタ１のＯＮ／ＯＦＦ操作に用いられる。メインスイッチＳＷ５がＯＮに操作されると、電源４がプロジェクタ１の各部への給電を開始し、メインスイッチＳＷ５がＯＦＦに操作されると、電源４がプロジェクタ１の各部への給電を停止する。

【0022】

操作部７は、ユーザによる各種操作を受け付けるボタン等であり、例えばプロジェクタ１の上面に設けられている。操作部７は、例えば投影画像Ｐの大きさ、色調、ピント調整等のユーザによる操作を受け付ける。操作部７が受け付けたユーザ操作は、システムコントロール部１０に送られる。

【0023】

外部Ｉ／Ｆ９は、映像信号を入力するインタフェースであって、Ｄ－Ｓｕｂコネクタ等のＶＧＡ（Video Graphics Array）入力端子や、ＨＤＭＩ（登録商標）（High-Definition Multimedia Interface）端子、Ｓ－ＶＩＤＥＯ端子、ＲＣＡ端子等のビデオ入力端子である。また、外部Ｉ／Ｆ９は、有線ＬＡＮ（Local-Area Network）、無線ＬＡＮ等の通信部を含む。外部Ｉ／Ｆ９は、接続された外部機器から映像信号を受信する。

【0024】

システムコントロール部１０は、画像制御部１１を有する。システムコントロール部１０は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を含み、ＣＰＵがＲＡＭと協働してＲＯＭに記憶されているプログラムを実行することで、各部の機能が実現される。

【0025】

画像制御部１１は、外部Ｉ／Ｆ９から入力される映像信号（画像データ）に基づいて光学エンジン１５の画像表示ユニット５０に設けられた光変調素子としてのＤＭＤ５１を制御する。

【0026】

ファン２０は、システムコントロール部１０に制御されて回転し、光学エンジン１５の光源３０を冷却する。

【0027】

光学エンジン１５は、光源３０、照明光学系ユニット４０、画像表示ユニット５０、投影光学系ユニット６０を有する光学装置である。光学エンジン１５は、システムコントロール部１０に制御されてスクリーンＳに画像Ｐを投影する。

【0028】

光源３０は、例えば水銀高圧ランプ、キセノンランプ、ＬＥＤ等であり、システムコントロール部１０により制御され、照明光学系ユニット４０に光を照射する。

【0029】

照明光学系ユニット４０は、カラーホイール４０１、ライトトンネル４０２等（図３参照）を有し、光源３０から出射された光を、画像表示ユニット５０内のＤＭＤ５１に導く。

【0030】

ＤＭＤ５１は、可動式の複数のマイクロミラーが格子状に配列された画像生成面を有する。各マイクロミラーが１画素に対応する。ＤＭＤ５１の各マイクロミラーは、鏡面がねじれ軸周りに傾動可能に設けられており、画像制御部１１から送信される制御信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ駆動される。

【0031】

マイクロミラーは、例えば「ＯＮ状態」の場合には、光源３０からの光を投影光学系ユニット６０に反射するように傾斜角度が制御される。また、マイクロミラーは、例えば「ＯＦＦ状態」の場合には、光源３０からの光をＯＦＦ光板に向けて反射する方向に傾斜角度が制御される。

【0032】

このように、ＤＭＤ５１は、画像制御部１１から送信される制御信号によって各マイクロミラーの傾斜角度が制御され、照明光学系ユニット４０によって導かれた光を変調して画像Ｐを生成する。

【0033】

投影光学系ユニット６０は、複数の投射レンズ、ミラー等を有し、ＤＭＤ５１によって生成される画像Ｐを拡大してスクリーンＳに投影する投影部である。

【0034】

［照明光学系ユニット］
図３は、照明光学系ユニット４０を例示する斜視図である。図３に示されるように、照明光学系ユニット４０は、カラーホイール４０１、ライトトンネル４０２、リレーレンズ４０３，４０４、シリンダミラー４０５、凹面ミラー４０６を有する。

【0035】

カラーホイール４０１は、例えば周方向の異なる部分にＲ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の各色のフィルタが設けられている円盤である。カラーホイール４０１は、高速回転することで、光源３０から照射される光を、ＲＧＢ各色に時分割する。

【0036】

ライトトンネル４０２は、入射した光の輝度分布を均一化して出力する照明均一化素子であって、照明光学系ユニット４０内に固設されている。ライトトンネル４０２は、例えば、板ガラス等の貼り合わせによって形成された矩形状の中空を有するほぼ直方体形状の光伝送媒体である。ライトトンネル４０２は、カラーホイール４０１を透過したＲＧＢ各色の光を、内面で多重反射することで輝度分布を均一化して、リレーレンズ４０３，４０４に導く。

【0037】

ライトトンネル４０２は、照明均一化素子として機能し得るものであればよく、例えば、光インテグレーター、グラスロッド等を用いることも可能である。

【0038】

リレーレンズ４０３，４０４は、ライトトンネル４０２とＤＭＤ５１との間の光路上に配置されている。リレーレンズ４０３，４０４は、ライトトンネル４０２から出射された光の軸上色収差を補正しつつ集光する。

【0039】

シリンダミラー４０５及び凹面ミラー４０６は、リレーレンズ４０３，４０４から出射された光を、ＤＭＤ５１に向けて反射する。ＤＭＤ５１は、凹面ミラー４０６からの反射光を変調して画像Ｐを生成する。

【0040】

［ライトトンネル］
図４は、ライトトンネル４０２の概略構成を示す斜視図である。上述のようにライトトンネル４０２は、ほぼ直方体形状であるので、矩形状の断面４０２ｃを有する。ここで、断面４０２ｃとは、ライトトンネル４０２を、その長手方向に直交する方向に切断した面である。

【0041】

断面４０２ｃの短辺の長さをａ、長辺の長さをｂとする。断面４０２ｃのアスペクト比（縦横比）は、ポートレート画像のアスペクト比に一致するように設定されており、例えば、「ａ：ｂ＝３：４」である。光入射面４０２ａ及び光出射面４０２ｂの形状は、断面４０２ｃの形状と同一である。

【0042】

光入射面４０２ａには、光源３０から出力されてカラーホイール４０１を透過した光が入射する。光出射面４０２ｂから出射した光は、ポートレート画像と同一のアスペクト比ａ：ｂを有する矩形状の光であり、リレーレンズ４０３，４０４を介して、ＤＭＤ５１の画像生成面上を照射する。

【0043】

図５は、ＤＭＤ５１の画像生成面５１ａとライトトンネル４０２による照明領域４１０との関係を示す図である。図５において、Ｈ方向は、横方向（Ｙ方向）に対応する方向である。Ｖ方向は、縦方向（Ｚ方向）に対応する方向である。

【0044】

照明領域４１０は、ライトトンネル４０２から出射した光が照明される領域であり、ライトトンネル４０２の断面形状と同一のアスペクト比を有する。すなわち、照明領域４１０のＨ方向への長さＬＨとＶ方向への長さＬＶとは、「ＬＨ：ＬＶ＝ａ：ｂ」の関係を有する。これに対して、画像生成面５１ａは、矩形状であって、Ｈ方向への長さＤＨがＶ方向への長さＤＶよりも大きい。

【0045】

照明領域４１０は、画像生成面５１ａ内に含まれ、長辺の長さＬＶが、画像生成面５１ａの短辺の長さＤＶに一致するように設定されている。すなわち、照明領域４１０は、短辺が画像生成面５１ａの長辺に一致し、かつ、「ＬＶ＝ＤＶ」及び「ＬＨ＜ＤＨ」の関係を満たすように設定されている。また、照明領域４１０は、画像生成面５１ａの長辺方向であるＨ方向に関して、画像生成面５１ａの中央に位置する。

【0046】

ＤＭＤ５１は、画像生成面５１ａのうち照明領域４１０内のマイクロミラーを駆動することにより画像Ｐを生成する。画像生成面５１ａの照明領域４１０以外の領域５１ｂには、光が照明されない。この非照明領域５１ｂについては、マイクロミラーは駆動されなくてもよいが、不用意に入射した光が投影光学系ユニット６０に導かれることがないように、ＯＦＦ状態とすることが好ましい。非照明領域５１ｂは、画像生成使用されない不使用領域である。

【0047】

すなわち、ポートレート画像の投影を行う場合には、照明領域４１０に照射されるすべての照明光が画像生成に使用されるので、ＤＭＤ５１が照明光の一部を破棄することなく、光の損失が生じないので、輝度の低下が抑制される。

【0048】

［効果］
図６は、従来のプロジェクタにおける画像生成面と照明領域との関係を示す図である。従来のプロジェクタは、断面形状が横長のライトトンネルを有する。ＤＭＤは、上記実施形態と同様の形状の画像生成面５００を有し、ライトトンネルによる照明領域５１０は、画像生成面５００を覆うように設定される。

【0049】

従来のプロジェクタでは、縦長の画像を投影する場合には、画像生成面５００の中央に位置する縦長の領域５０１内のマイクロミラーを駆動することにより画像を生成する。画像生成面５００の領域５０１以外の領域５０２は、画像生成使用されない不使用領域であるので、マイクロミラーをＯＦＦ状態として照明光を破棄する必要がある。

【0050】

これに対して、本実施形態のプロジェクタ１では、ライトトンネル４０２の断面４０２ｃが、縦長の画像に対応したアスペクト比を有する縦長形状であるので、照明領域４１０に照射されるすべての照明光が画像生成に使用され、照明光を破棄する必要がないので、光の利用効率の低下を抑制を抑制することができる。

【0051】

従来のプロジェクタでは、投影領域が横長であるので、縦長の画像を投影する場合には、例えば、プロジェクタの向き変えることにより投影領域を縦長にする必要があり、設置場所に制限があった。また、従来のプロジェクタでは、プロジェクタの向き変えない場合には、横長の投影領域の一部に縦長の画像が投影されることになるので、投射レンズを移動させる、いわゆるレンズシフト機能を用いた画像の位置調整が必要となる場合があった。

【0052】

これに対して、本実施形態のプロジェクタ１は、縦長の投影領域に縦長の画像を投影するので、プロジェクタ１の向きを変える等の調整が不要である。

【0053】

＜第２実施形態＞
以下に、本発明の第２実施形態に係る画像投影装置ついて説明する。

【0054】

プロジェクタ１の設置場所が、例えばスクリーンＳの近くに限られるなどといった状況によっては、図７に示すように、プロジェクタ１を斜め上方に向けた姿勢で設置せざるを得ない場合がある。このような場合には、図８に示すように、スクリーンＳに投影される画像の形状が、符号Ｐ１で示すように台形になってしまう。

【0055】

プロジェクタ１は、形状が台形に歪んだ画像を、符号Ｐ２で示す矩形に近づけるように画像データを補正する台形歪み補正（キーストン補正）を実行することが可能である。しかし、台形歪み補正は、台形の短辺を基準として、画素を間引くなどの処理によって行われるので、投影画像は、画質及び輝度が低下してしまう。

【0056】

このような台形歪みは、プロジェクタ１の設置状況に限られず、スクリーンＳが傾斜している場合にも生じる。

【0057】

図９は、第２実施形態のプロジェクタ１が有するライトトンネル４０２の概略構成を示す斜視図である。第２実施形態では、ライトトンネル４０２の断面４０２ｃを、プロジェクタ１又はスクリーンＳの傾斜に合わせた形状（台形状）とする。具体的には、ライトトンネル４０２の断面４０２ｃにおいて縦方向に対向する２辺（底辺及び上辺）のうち、台形状に歪んだ投影画像の短辺側に対応する辺を長くする。例えば、図７に示すように、プロジェクタ１を斜め上方に向けた姿勢で設置することにより、投影画像Ｐの下側が狭くなる場合（図８参照）には、ライトトンネル４０２の断面形状のうち、投影画像Ｐの下側の辺に対応する辺を長くする。

【0058】

図１０は、第２実施形態におけるＤＭＤ５１の画像生成面５１ａとライトトンネル４０２による照明領域４１０との関係を示す図である。本実施形態では、照明領域４１０は、ライトトンネル４０２の断面形状に対応した台形状となる。この台形状の高さＬＶは、画像生成面５１ａの短辺の長さＤＶと等しい。台形の底辺及び上辺の長さは、画像生成面５１ａの長辺の長さＤＨより小さい。

【0059】

第１実施形態と同様に、ＤＭＤ５１は、画像生成面５１ａのうち照明領域４１０内のマイクロミラーを駆動することにより画像Ｐを生成する。画像生成面５１ａの照明領域４１０以外の領域５１ｂには、光が照明されない。この非照明領域５１ｂについては、マイクロミラーは駆動されなくてもよいが、不用意に入射した光が投影光学系ユニット６０に導かれることがないように、ＯＦＦ状態とすることが好ましい。非照明領域５１ｂは、画像生成使用されない不使用領域である。

【0060】

すなわち、ポートレート画像の投影を行う場合には、照明領域４１０に照射されるすべての照明光が画像生成に使用されるので、ＤＭＤ５１が照明光の一部を破棄することなく、光の損失が生じないので、輝度の低下が抑制される。

【0061】

また、ライトトンネル４０２の断面４０２ｃを、プロジェクタ１又はスクリーンＳの傾斜に合わせた形状とすることにより、投影画像Ｐが矩形状となる。

【0062】

したがって、第２実施形態では、投影画像Ｐに台形歪みが生じる設置状況において、画質及び輝度を伴う台形歪み補正（画像処理）を行うことなく、投影画像Ｐを矩形状に補正することができる。

【0063】

以上の第１及び第２実施形態に係る画像投影装置は、例えば、美術館において絵画を投影するような設置場所が限定され状況下において特に有用である。

【0064】

なお、断面形状の異なるライトトンネル４０２を、照明光学系ユニット４０から交換可能とすることも好ましい。設置状況に応じた断面形状のライトトンネル４０２を照明光学系ユニット４０に装着すればよい。

【0065】

以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

【符号の説明】

【0066】

１ プロジェクタ（画像投影装置）
１１ 画像制御部
１５ 光学エンジン（光学装置）
３０ 光源
４０ 照明光学系ユニット
５０ 画像表示ユニット
５１ ＤＭＤ（光変調素子）
５１ａ 画像生成面
５１ｂ 非照明領域
６０ 投影光学系ユニット（投影部）
４０１ カラーホイール
４０２ ライトトンネル
４０２ａ 光入射面
４０２ｂ 光出射面
４０２ｃ 断面
４０３，４０４ リレーレンズ
４０５ シリンダミラー
４０６ 凹面ミラー
４１０ 照明領域
５００ 画像生成面
５１０ 照明領域

【先行技術文献】

【特許文献】

【0067】

【文献】特開２００３－３４８４９６号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】