以下、本発明に係る構成を図1から図28に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
<画像投影装置の構成>
図1は、実施形態におけるプロジェクタ1を例示する図である。
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に接続されるパソコンやデジタルカメラから画像データが送信されると、光学エンジンが送信された画像データに基づいて投影画像を生成し、図1に示されるように出射窓3からスクリーンSに画像Pを投影する。
なお、以下に示す図面において、X1X2方向はプロジェクタ1の幅方向、Y1Y2方向はプロジェクタ1の奥行き方向、Z1Z2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。
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。
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。
電源4は、商用電源に接続され、プロジェクタ1の内部回路用に電圧及び周波数を変換して、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。
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。電源4が電源コード等を介して商用電源に接続された状態で、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。
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。また、画素ずらし制御に関し、画素ずらし制御のオンオフ設定や、画素ずらし制御の動作モード変換要求などを実行することができる。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。
外部I/F9は、例えばパソコン、デジタルカメラ等に接続される接続端子を有し、接続された機器から送信される画像データ(映像信号)をシステムコントロール部10に出力する。
システムコントロール部10は、画像制御部11、移動制御部12、同期制御部13、光源制御部14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。
システムコントロール部10は、プロジェクタ1の全体の制御を行う。また、入力された映像信号に対して、コントラスト調整、明るさ調整、シャープネス調整、スケーリング処理、フレームレート[fps](リフレッシュレート[Hz])変換、画素ずらし制御の際のフレーム生成などの画像処理や、メニュー情報などの重畳画面(OSD:On Screen Display)の表示制御、その他各種制御をおこなう。
画像制御部11は、外部I/F9から入力される映像信号に基づいて光学エンジン15の画像表示ユニット50に設けられているデジタルマイクロミラーデバイス(Digital Micromirror Device(以下、単に「DMD」という))551を制御し、スクリーンSに投影する画像を生成する。また、画像制御部11は、後述する移動期間用画像を作成する。
移動制御部12は、画像表示ユニット50において移動可能に設けられている可動ユニット55を移動させ、可動ユニット55に設けられているDMD551の位置を制御する。
同期制御部13は、カラーホイール401、光源制御部14、画像制御部11、移動制御部12に同期信号を送り、同期させて駆動させることにより、時分割で各色の映像を生成する。例えば、移動制御部12がDMD551を変位させる周期と、照明光学系ユニット40のカラーホイール401を回転させる周期とを同期制御する。
光源制御部14は、光源30への供給電力を制御して、光源30の出力を制御する。
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。
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を有し、システムコントロール部10に制御されてスクリーンSに画像を投影する。
光源30は、例えば、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、LED等であり、照明光学系ユニット40に光を照射する。本実施形態では、光源30として高圧水銀ランプ(以下、単にランプともいう)を用い、ランプは交流矩形波で駆動しており、その出力は光源制御部14により制御されている。
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、リレーレンズ等を有し、光源30から照射された光を画像表示ユニット50に設けられているDMD551に導く。
画像表示ユニット50は、固定支持されている固定ユニット51、固定ユニット51に対して移動可能に設けられている可動ユニット55を有する。可動ユニット55は、DMD551を有し、システムコントロール部10の移動制御部12によって固定ユニット51に対する位置が制御される。DMD551は、光学変調素子の一例であり、システムコントロール部10の画像制御部11により制御され、照明光学系ユニット40によって導かれた光を変調して投影画像を生成する。
投影光学系ユニット60は、例えば複数の投射レンズ、ミラー等を有し、画像表示ユニット50のDMD551によって生成される画像を拡大してスクリーンSに投影する。
<光学エンジンの構成>
次に、プロジェクタ1の光学エンジン15の各部の構成について説明する。
図3は、実施形態における光学エンジン15を例示する斜視図である。光学エンジン15は、図3に示されるように、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を有し、プロジェクタ1の内部に設けられている。
光源30は、照明光学系ユニット40の側面に設けられ、X2方向に光を照射する。照明光学系ユニット40は、光源30から照射された光を、下部に設けられている画像表示ユニット50に導く。画像表示ユニット50は、照明光学系ユニット40によって導かれた光を用いて投影画像を生成する。投影光学系ユニット60は、照明光学系ユニット40の上部に設けられ、画像表示ユニット50によって生成された投影画像をプロジェクタ1の外部に投影する。
なお、本実施形態に係る光学エンジン15は、光源30から照射される光を用いて上方に画像を投影するように構成されているが、水平方向に画像を投影するような構成であってもよい。
[照明光学系ユニット]
図4は、実施形態における照明光学系ユニット40を例示する図である。
図4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。
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)等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から照射される光が回転中の各セグメントに設けられたフィルタを順次に通過する。カラーホイール401を透過した光は、順次に各色のセグメントが切り替わるため、肉眼では全てのセグメントの色が積算された映像として目視できる。
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四角筒状に形成されている。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。
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。
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、画像表示ユニット50に設けられているDMD551に反射する。DMD551は、凹面ミラー406からの反射光を変調して投影画像を生成する。
[投影光学系ユニット]
図5は、実施形態における投影光学系ユニット60の内部構成を例示する図である。
図5に示されるように、投影光学系ユニット60は、投影レンズ601、折り返しミラー602、曲面ミラー603がケースの内部に設けられている。
投影レンズ601は、複数のレンズを有し、画像表示ユニット50のDMD551によって生成された投影画像を、折り返しミラー602に結像させる。折り返しミラー602及び曲面ミラー603は、結像された投影画像を拡大するように反射して、プロジェクタ1の外部のスクリーンS等に投影する。
[画像表示ユニット]
図6は、実施形態における画像表示ユニット50を例示する斜視図である。また、図7は、実施形態における画像表示ユニット50を例示する側面図である。
図6及び図7に示されるように、画像表示ユニット50は、固定支持されている固定ユニット51、固定ユニット51に対して移動可能に設けられている可動ユニット55を有する。
固定ユニット51は、第1固定板としてのトッププレート511、第2固定板としてのベースプレート512を有する。固定ユニット51は、トッププレート511とベースプレート512とが所定の間隙を介して平行に設けられており、照明光学系ユニット40の下部に固定される。
可動ユニット55は、DMD551、第1可動板としての可動プレート552、第2可動板としての結合プレート553、ヒートシンク554を有し、固定ユニット51に移動可能に支持されている。
可動プレート552は、固定ユニット51のトッププレート511とベースプレート512との間に設けられ、固定ユニット51によってトッププレート511及びベースプレート512と平行且つ表面に平行な方向に移動可能に支持されている。
結合プレート553は、固定ユニット51のベースプレート512を間に挟んで可動プレート552に固定されている。結合プレート553は、上面側にDMD551が固定して設けられ、下面側にヒートシンク554が固定されている。結合プレート553は、可動プレート552に固定されることで、可動プレート552、DMD551、及びヒートシンク554と共に固定ユニット51に移動可能に支持されている。
DMD551は、結合プレート553の可動プレート552側の面に設けられ、可動プレート552及び結合プレート553と共に移動可能に設けられている。DMD551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。DMD551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、システムコントロール部10の画像制御部11から送信される画像信号に基づいてON/OFF駆動される。
マイクロミラーは、例えば「ON」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」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。
このように、DMD551は、画像制御部11から送信される画像信号によって各マイクロミラーの傾斜角度が制御され、光源30から照射されて照明光学系ユニット40を通った光を変調して投影画像を生成する。すなわち、各色の信号データに基づいて光変調を行い、時分割された各色の映像を重畳させることで、1つのカラー画像を生成している。
ヒートシンク554は、放熱手段の一例であり、少なくとも一部分がDMD551に当接するように設けられている。ヒートシンク554は、移動可能に支持される結合プレート553にDMD551と共に設けられることで、DMD551に当接して効率的に冷却することが可能になっている。このような構成により、本実施形態に係るプロジェクタ1では、ヒートシンク554がDMD551の温度上昇を抑制し、DMD551の温度上昇による動作不良や故障等といった不具合の発生が低減されている。
(固定ユニット)
図8は、実施形態における固定ユニット51を例示する斜視図である。また、図9は、実施形態における固定ユニット51を例示する分解斜視図である。
図8及び図9に示されるように、固定ユニット51は、トッププレート511、ベースプレート512を有する。
トッププレート511及びベースプレート512は、平板状部材から形成され、それぞれ可動ユニット55のDMD551に対応する位置に中央孔513,514が設けられている。また、トッププレート511及びベースプレート512は、複数の支柱515によって、所定の間隙を介して平行に設けられている。
支柱515は、図9に示されるように、上端部がトッププレート511に形成されている支柱孔516に圧入され、雄ねじ溝が形成されている下端部がベースプレート512に形成されている支柱孔517に挿入される。支柱515は、トッププレート511とベースプレート512との間に一定の間隔を形成し、トッププレート511とベースプレート512とを平行に支持する。
また、トッププレート511及びベースプレート512には、支持球体521を回転可能に保持する支持孔522,526がそれぞれ複数形成されている。
トッププレート511の支持孔522には、内周面に雌ねじ溝を有する円筒状の保持部材523が挿入される。保持部材523は、支持球体521を回転可能に保持し、位置調整ねじ524が上から挿入される。ベースプレート512の支持孔526は、下端側が蓋部材527によって塞がれ、支持球体521を回転可能に保持する。
トッププレート511及びベースプレート512の支持孔522,526に回転可能に保持される支持球体521は、それぞれトッププレート511とベースプレート512との間に設けられる可動プレート552に当接し、可動プレート552を移動可能に支持する。
図10は、実施形態における固定ユニット51による可動プレート552の支持構造を説明するための図である。また、図11は、図10に示されるA部分の概略構成を例示する部分拡大図である。
図10及び図11に示されるように、トッププレート511では、支持孔522に挿入される保持部材523によって支持球体521が回転可能に保持されている。また、ベースプレート512では、下端側が蓋部材527によって塞がれている支持孔526によって支持球体521が回転可能に保持されている。
各支持球体521は、支持孔522,526から少なくとも一部分が突出するように保持され、トッププレート511とベースプレート512との間に設けられる可動プレート552に当接して支持する。可動プレート552は、回転可能に設けられている複数の支持球体521により、トッププレート511及びベースプレート512と平行且つ表面に平行な方向に移動可能に両面から支持される。
また、トッププレート511側に設けられている支持球体521は、可動プレート552とは反対側で当接する位置調整ねじ524の位置に応じて、保持部材523の下端からの突出量が変化する。例えば、位置調整ねじ524がZ1方向に変位すると、支持球体521の突出量が減り、トッププレート511と可動プレート552との間隔が小さくなる。また、例えば、位置調整ねじ524がZ2方向に変位すると、支持球体521の突出量が増え、トッププレート511と可動プレート552との間隔が大きくなる。
このように、位置調整ねじ524を用いて支持球体521の突出量を変化させることで、トッププレート511と可動プレート552との間隔を適宜調整できる。
また、図8及び図9に示されるように、トッププレート511のベースプレート512側の面には、磁石531,532,533,534が設けられている。
図12は、実施形態におけるトッププレート511を例示する底面図である。図12に示されるように、トッププレート511のベースプレート512側の面には、磁石531,532,533,534が設けられている。
磁石531,532,533,534は、トッププレート511の中央孔513を囲むように4箇所に設けられている。磁石531,532,533,534は、それぞれ長手方向が平行になるように配置された直方体状の2つの磁石で構成され、それぞれ可動プレート552に及ぶ磁界を形成する。
磁石531,532,533,534は、それぞれ可動プレート552の上面に各磁石531,532,533,534に対向して設けられているコイルとで、可動プレート552を移動させる移動手段を構成する。
なお、上記した固定ユニット51に設けられる支柱515、支持球体521の数や位置等は、可動プレート552を移動可能に支持できればよく、本実施形態に例示される構成に限られるものではない。
(可動ユニット)
図13は、実施形態における可動ユニット55を例示する斜視図である。また、図14は、実施形態における可動ユニット55を例示する分解斜視図である。
図13及び図14に示されるように、可動ユニット55は、DMD551、可動プレート552、結合プレート553、ヒートシンク554、保持部材555、DMD基板557を有し、固定ユニット51に対して移動可能に支持されている。
可動プレート552は、上記したように、固定ユニット51のトッププレート511とベースプレート512との間に設けられ、複数の支持球体521により表面に平行な方向に移動可能に支持される。
図15は、実施形態における可動プレート552を例示する斜視図である。
図15に示されるように、可動プレート552は、平板状の部材から形成され、DMD基板557に設けられるDMD551に対応する位置に中央孔570を有し、中央孔570の周囲にコイル581,582,583,584が設けられている。
コイル581,582,583,584は、それぞれZ1Z2方向に平行な軸を中心として電線が巻き回されることで形成され、可動プレート552のトッププレート511側の面に形成されている凹部に設けられてカバーで覆われている。コイル581,582,583,584は、それぞれトッププレート511の磁石531,532,533,534とで、可動プレート552を移動させる移動手段を構成する。
トッププレート511の磁石531,532,533,534と、可動プレート552のコイル581,582,583,584とは、可動ユニット55が固定ユニット51に支持された状態で、それぞれ対向する位置に設けられている。コイル581,582,583,584に電流が流されると、磁石531,532,533,534によって形成される磁界により、可動プレート552を移動させる駆動力となるローレンツ力が発生する。
可動プレート552は、磁石531,532,533,534とコイル581,582,583,584との間で発生する駆動力としてのローレンツ力を受けて、固定ユニット51に対して、XY平面において直線的又は回転するように変位する。
各コイル581,582,583,584に流される電流の大きさ及び向きは、システムコントロール部10の移動制御部12によって制御される。移動制御部12は、各コイル581,582,583,584に流す電流の大きさ及び向きによって、可動プレート552の移動(回転)方向、移動量や回転角度等を制御する。
本実施形態では、第1駆動手段として、コイル581及び磁石531と、コイル584及び磁石534とが、X1X2方向に対向して設けられている。コイル581及びコイル584に電流が流されると、図15に示されるようにX1方向又はX2のローレンツ力が発生する。可動プレート552は、コイル581及び磁石531と、コイル584及び磁石534とにおいて発生するローレンツ力により、X1方向又はX2方向に移動する。
また、本実施形態では、第2駆動手段として、コイル582及び磁石532と、コイル583及び磁石533とが、X1X2方向に並んで設けられ、磁石532及び磁石533は、磁石531及び磁石534とは長手方向が直交するように配置されている。このような構成において、コイル582及びコイル583に電流が流されると、図15に示されるようにY1方向又はY2方向のローレンツ力が発生する。
可動プレート552は、コイル582及び磁石532と、コイル583及び磁石533とにおいて発生するローレンツ力により、Y1方向又はY2方向に移動する。また、可動プレート552は、コイル582及び磁石532と、コイル583及び磁石533とで反対方向に発生するローレンツ力により、XY平面において回転するように変位する。
例えば、コイル582及び磁石532においてY1方向のローレンツ力が発生し、コイル583及び磁石533においてY2方向のローレンツ力が発生するように電流が流されると、可動プレート552は、上面視で時計回り方向に回転するように変位する。また、コイル582及び磁石532においてY2方向のローレンツ力が発生し、コイル583及び磁石533においてY1方向のローレンツ力が発生するように電流が流されると、可動プレート552は、上面視で反時計回り方向に回転するように変位する。
また、可動プレート552には、固定ユニット51の支柱515に対応する位置に、可動範囲制限孔571が設けられている。可動範囲制限孔571は、固定ユニット51の支柱515が挿入され、例えば振動や何らかの異常等により可動プレート552が大きく移動した時に支柱515に接触することで、可動プレート552の可動範囲を制限する。
以上で説明したように、本実施形態では、システムコントロール部10の移動制御部12が、コイル581,582,583,584に流す電流の大きさや向きを制御することで、可動範囲内で可動プレート552を任意の位置に移動させることで、電磁アクチュエータとして機能させることができる。
なお、移動手段としての磁石531,532,533,534及びコイル581,582,583,584の数、位置等は、可動プレート552を任意の位置に移動させることが可能であれば、本実施形態とは異なる構成であってもよい。例えば、移動手段としての磁石は、トッププレート511の上面に設けられてもよく、ベースプレート512の何れかの面に設けられてもよい。また、例えば、磁石が可動プレート552に設けられ、コイルがトッププレート511又はベースプレート512に設けられてもよい。
また、可動範囲制限孔571の数、位置及び形状等は、本実施形態に例示される構成に限られない。例えば、可動範囲制限孔571は一つであってもよく、複数であってもよい。また、可動範囲制限孔571の形状は、例えば長方形や円形等、本実施形態とは異なる形状であってもよい。
固定ユニット51によって移動可能に支持される可動プレート552の下面側(ベースプレート512側)には、図13に示されるように、結合プレート553が固定されている。結合プレート553は、平板状部材から形成され、DMD551に対応する位置に中央孔を有し、周囲に設けられている折り曲げ部分が3本のねじ591によって可動プレート552の下面に固定されている。
図16は、可動プレート552が外された可動ユニット55を例示する斜視図である。
図16に示されるように、結合プレート553には、上面側にDMD551、下面側にヒートシンク554が設けられている。結合プレート553は、可動プレート552に固定されることで、DMD551、ヒートシンク554と共に、可動プレート552に伴って固定ユニット51に対して移動可能に設けられている。
DMD551は、DMD基板557に設けられており、DMD基板557が保持部材555と結合プレート553との間で挟み込まれることで、結合プレート553に固定されている。保持部材555、DMD基板557、結合プレート553、ヒートシンク554は、図14及び図16に示されるように、固定部材としての段付ねじ560及び押圧手段としてのばね561によって重ねて固定されている。
図17は、実施形態における可動ユニット55のDMD保持構造について説明する図である。図17は、可動ユニット55の側面図であり、可動プレート552及び結合プレート553は図示が省略されている。
図17に示されるように、ヒートシンク554は、結合プレート553に固定された状態で、DMD基板557に設けられている貫通孔からDMD551の下面に当接する突出部554aを有する。なお、ヒートシンク554の突出部554aは、DMD基板557の下面であって、DMD551に対応する位置に当接するように設けられてもよい。
また、DMD551の冷却効果を高めるために、ヒートシンク554の突出部554aとDMD551との間に弾性変形可能な伝熱シートが設けられてもよい。伝熱シートによりヒートシンク554の突出部554aとDMD551との間の熱伝導性が向上し、ヒートシンク554によるDMD551の冷却効果が向上する。
上記したように、保持部材555、DMD基板557、ヒートシンク554は、段付きねじ560及びばね561によって重ねて固定されている。段付きねじ560が締められると、ばね561がZ1Z2方向に圧縮され、図17に示されるZ1方向の力F1がばね561から生じる。ばね561から生じる力F1により、ヒートシンク554はZ1方向に力F2でDMD551に押圧されることとなる。
本実施形態では、段付きねじ560及びばね561は4箇所に設けられており、ヒートシンク554にかかる力F2は、4つのばね561に生じる力F1を合成したものに等しい。また、ヒートシンク554からの力F2は、DMD551が設けられているDMD基板557を保持する保持部材555に作用する。この結果、保持部材555には、ヒートシンク554からの力F2に相当するZ2方向の反力F3が生じ、保持部材555と結合プレート553との間でDMD基板557を保持できるようになる。
段付きねじ560及びばね561には、保持部材555に生じる力F3からZ2方向の力F4が作用する。ばね561は、4箇所に設けられているため、それぞれに作用する力F4は、保持部材555に生じる力F3の4分の1に相当し、力F1と釣り合うこととなる。
また、保持部材555は、図17において矢印Bで示されるように撓むことが可能な部材で板ばね状に形成されている。保持部材555は、ヒートシンク554の突出部554aに押圧されて撓み、ヒートシンク554をZ2方向に押し返す力が生じることで、DMD551とヒートシンク554との接触をより強固に保つことができる。
可動ユニット55は、以上で説明したように、可動プレート552と、DMD551及びヒートシンク554を有する結合プレート553とが、固定ユニット51によって移動可能に支持されている。可動ユニット55の位置は、システムコントロール部10の移動制御部12によって制御される。また、可動ユニット55には、DMD551に当接するヒートシンク554が設けられており、DMD551の温度上昇に起因する動作不良や故障といった不具合の発生が防止されている。
<画像投影制御>
上記したように、本実施形態に係るプロジェクタ1において、投影画像を生成するDMD551は、可動ユニット55に設けられており、システムコントロール部10の移動制御部12によって可動ユニット55と共に位置が制御される。
移動制御部12は、例えば、画像投影時にフレームレートに対応する所定の周期で、DMD551の複数のマイクロミラーの配列間隔未満の距離だけ離れた複数の位置の間を高速移動するように可動ユニット55の位置を制御する。このとき、画像制御部11は、それぞれの位置に応じてシフトした投影画像を生成するようにDMD551に画像信号を送信する。
例えば、移動制御部12は、X1X2方向及びY1Y2方向にDMD551のマイクロミラーの配列間隔未満の距離だけ離れた位置P1と位置P2との間で、DMD551を所定の周期で往復移動させる。このとき、画像制御部11が、それぞれの位置に応じてシフトした投影画像を生成するようにDMD551を制御することで、投影画像の解像度を、DMD551の解像度の約2倍にすることが可能になる。また、DMD551の移動位置を増やすことで、投影画像の解像度をDMD551の2倍以上にすることもできる。
このように、移動制御部12が可動ユニット55と共にDMD551を所定の周期で移動させ、画像制御部11がDMD551に位置に応じた投影画像を生成させることで、DMD551の解像度以上の画像を投影することが可能になる。
また、本実施形態に係るプロジェクタ1では、移動制御部12がDMD551を可動ユニット55と共に回転するように制御することで、投影画像を縮小させることなく回転させることができる。例えばDMD551等の光学変調素子が固定されているプロジェクタでは、投影画像を縮小させなければ、投影画像の縦横比を維持しながら回転させることはできない。これに対して、本実施形態に係るプロジェクタ1では、DMD551を回転させることができるため、投影画像を縮小させることなく回転させて傾き等の調整を行うことが可能になっている。
以上で説明したように、本実施形態に係るプロジェクタ1では、DMD551が移動可能に構成されることで、投影画像の高解像度化が可能になっている。また、DMD551を冷却するヒートシンク554が、DMD551と共に可動ユニット55に搭載されていることで、DMD551に当接してより効率的に冷却することが可能になり、DMD551の温度上昇が抑制されている。したがって、プロジェクタ1では、DMD551の温度上昇に起因して発生する動作不良や故障といった不具合が低減される。
ここまで説明したプロジェクタ1では、光学変調素子であるDMD551の各マイクロミラーの角度によってスクリーンSに投影される画像は生成される。このため、マイクロミラー1枚1枚の角度を維持したままDMD551を、並進、回転などの変位をさせるということは、スクリーンSに投影されている画像情報を維持した状態で投影位置を変位させることになる。
このため、例えば、DMD551を半画素分だけ所定の周期で変位させた場合には、スクリーンSに投影される画像自体が半画素分所定の周期でシフトすることとなり、結果としてスクリーンS上に中間画像が形成され、見かけ上の画素数、画素密度を高めることが可能となる(画素ずらし制御)。すなわち、DMD551が本来有している画素数以上の画素数をスクリーンS上に形成することが可能となり、疑似的にDMD551の画素数以上の高解像な画像をスクリーンS上に投影することが可能となる。
なお、ここまで説明したプロジェクタ1が備える画素ずらし制御のための機構は、図6〜図17を参照して説明した上述の例に限られるものではなく、DMD551を変位させることで投影されている画像情報を維持した状態で投影位置を変位させるものであればよい。また、本実施形態では、半画素分シフトする例について説明するが、シフト量はこれに限られるものではない。
<移動期間用画像の投影制御>
本実施形態に係る画像投影装置(プロジェクタ1)は、光源(光源30)からの光を用いて画像を形成する光学変調素子(DMD551)と、光源からの光を光学変調素子に導くとともに、光学変調素子によって形成された画像を拡大投影する光学部(照明光学系ユニット40および投影光学系ユニット60)と、光学変調素子を周期的に変位させる駆動部(可動ユニット55)と、光学変調素子の周期的な変位において、該光学変調素子の移動速度が最も早くなる時点を少なくとも含む所定期間に、色情報を有しない移動期間用画像を作成するとともに、該移動期間用画像を投影制御する画像制御部(画像制御部11)と、を備えるものである。なお、括弧内は実施形態での符号、適用例を示す。以下に詳細を説明する。
図18は、明所視標準比視感度を示すグラフである。比視感度とは、光のエネルギーが同じ場合において、各波長の人の目が明るさを感じる強度を表す指標である。
図18に示すように、明所では555nm付近の光がピークとなっており、比視感度はその最大感度からの比率となっている。例えば、ピークからずれた色である赤色や青色の波長では暗く、ピークを含む緑色の波長では明るく感じることとなる。例えば、カラーホイール401a(図23)の例では、Rセグメント401R、Bセグメント401Bを通過した光は暗くなるのに対し、Wセグメント401W、Gセグメント401G、シアンセグメント401Cy、Yセグメント401Yを通過した光は明るくなる。
そして、人間の視感度特徴により、動きのある映像において、よく階調の段差、色のずれ、ゴースト状のノイズ、画像のボケ、擬似輪郭などを感じてしまう。この現象はアーティファクトと呼ばれる。アーティファクトは、特に肌のような色合いがなだらかに変化している部分や、明るい色と暗い色の切り替わりが速い時などに発生しやすい。
図19は、画素ずらし制御にて半画素分シフトした画素の表示状態のイメージを示した説明図である。
図19における実線部は、表示位置をシフトしない状態(シフト前の状態)である第1状態の各画素S1を示しており、各画素のサイズはXL×YLとなっている。また、点線部は、半画素分(XL/2,YL/2)シフトされた状態である第2状態の各画素S2を示している。
そして、2つの画像を合成、すなわち、交互に各画素での映像を投影することにより、擬似的に高解像度することが可能となる。この画素ずらし制御において、システムコントロール部10では、入力された映像信号に基づいた投影画像を生成するとともに、移動制御部12にて可動ユニット55のDMD551を斜め方向にシフトさせて、高解像度化を実現する。
しかしながら、この第1状態の各画素S1と第2状態の各画素S2は、2値間で瞬時に変動するものではないため、移動期間が存在することとなる。
図20(A)〜(C)は、図19における1画素の表示状態のイメージを示した説明図である。図20中のグレーで表示される部分が投影状態にあることを示しており、図20(A)は第1状態の画素S1が投影されている状態(非移動期間)、図20(B)は第2状態の画素S2が投影されている状態(非移動期間)、図20(C)は、第1状態から第2状態および第2状態から第1状態へ変位中の状態を示している(移動期間)。
すなわち、DMD551を半画素分だけ所定の周期で動かす場合、第1状態(図20(A))→移動期間(図20(C))→第2状態(図20(B))→移動期間(図20(C))→第1状態(図20(A))・・・となる。
画素ずらし制御では、図20に示したように、半画素分ずらした位置に画素を移動させ、交互に各画素での映像を投影することで擬似的に高解像度にしている。ここで、図20(A),(B)に示す画素ずらし制御の非移動期間では、それぞれ所望の位置に画素を設けることができるが、図20(C)に示す移動期間では、所望の画素間を移動する分、画素が大きくなってしまい、解像力が低下するため解像感が低下してしまい、アーティファクトが発生しやすくなる。
次いで、図21は、ピクセルシフトでの画素の挙動の一例を示すグラフである。図21のグラフの横軸は時間(t)、縦軸はDMD551の移動量(画素位置)を示している。
画像表示ユニット50を電磁アクチュエータとして機能させてDMD551を変位させた場合、図21に示すように、画素が正弦波状に移動する。すなわち、第1状態(ピクセルシフト前)、第2状態(ピクセルシフト後)の状態の前後の期間では、単位時間当たりの画素の移動が少なく(移動速度が遅く、滑らかな動きとなる)、その他の移動途中の状態では、単位時間当たりの画素の移動が大きく(移動速度が速く、動きが速くなる)なっている。単位時間当たりの画素の移動が大きいということは、画素サイズが大きくなるということであり、このとき、解像感が低下しやすく、投影画像にアーティファクトが発生しやすいと考えられる。
また、図22は、図21に示したグラフにDMD551の1変位期間を示す枠Cと、1変位期間内の変位期間A〜Cを付加した説明図である。
枠Cに示す1変位期間は、第1状態から移動が多くなるまでの所定期間である変位期間Aと、移動が多い期間である変位期間Bと、第2状態に近づいて移動が再び少なくなる変位期間Cと、に区分することができる。
換言すれば、1変位期間は、第1状態と、該第1状態から第1所定位置と、の間で変位する期間を変位期間A、第2状態と、該第2状態から第2所定位置と、の間で変位する期間を変位期間C、変位期間AおよびCを除く期間を変位期間Bと、に区分することができる。また、変位期間Bは、画素の移動速度が最も速い期間を含む所定期間といえる。
ここで、変位期間AとB,BとCとを区分するタイミングや位置は、任意に設定することが可能なものであり、特に限られるものではない。例えば、1変位期間の時間を変位期間A,B,Cで3等分してもよいし、変位期間AとCの時間を任意の同じ時間として、残りの時間を変位期間Bとしてもよい。
なお、第2状態から第1状態へ戻る際は、同様に、第2状態から移動が多くなるまでの所定期間である変位期間Cと、移動が多い期間である変位期間Bと、第1状態に近づいて移動が再び少なくなる変位期間Aと、に区分することができる。
ここで、画素の移動が少ない期間(変位期間A,C)のみに画像を投影することでもピクセルシフトによる高解像化が期待できるが、画素の移動が大きい期間(変位期間B)に画像が投影されないようにすると、投影画像の明るさが必要以上に低下しまう。一方、変位期間Bも画像を投影する場合、上述のように、画素サイズが大きくなり、解像感が低下しやすく、投影画像にアーティファクトが発生しやすい。
次に、図23にカラーホイール401の一例(カラーホイール401a)を示す。カラーホイール401aは、回転モータ410の回転軸に複数のカラーフィルタを固定した部材である。図23に示す例では、R(レッド)、M(マゼンタ)、Y(イエロー)、G(グリーン)、B(ブルー)、Cy(シアン)、W(ホワイト)の透過特性を持ったカラーフィルタ(セグメント401R,401M,401Y,401G,401B,401Cy,401W)を有している。なお、図23では、7つのセグメントを有するカラーホイールを例として示したが、セグメント数や、セグメントの構成は一例であって、これに限られるものではない。
カラーホイール401aには、セグメントの回転を検出するためのマーカ411が所定の位置(図23の例では、Rに対応する位置)に設けられるとともに、回転中のマーカ411が同期信号センサ412の前方位置にある場合に、同期信号センサ412が検出信号を発生し、この検出信号を同期信号として生成することで、同期制御を可能としている。
また、図24にカラーホイール401の他の例(カラーホイール401b)を示す。カラーホイール401bは、R(レッド)、G(グリーン)、B(ブルー)、R(レッド)、G(グリーン)、B(ブルー)の透過特性を持ったカラーフィルタ(セグメント401R,401G,401B,401R,401G,401B)を有している。
また、図25は、カラーホイール401bの回転の色順位とDMD551の変位期間とのタイミングを示す説明図である。図25は、カラーホイール401bの回転周期を120Hz、DMD551の周期は60Hzとし、カラーホイール401bが2回転する期間でピクセルシフトを1回行う例を示している。
そして、本実施形態に係るプロジェクタ1は、画素の移動の多い期間(変位期間B)において、移動期間用画像を投影するものである。ここで、移動期間用画像は、色情報を有しない(すなわち、白、黒、グレー以外の色を有しない)ものであって、輝度情報は有する画像である。例えば、投影する元画像から色差信号を0とした画像(投影画像のモノクローム画像)を作成し、これを移動期間用画像とすることができる。また、投影する元画像とは別途、白、黒、またはグレーのモノクローム画像(例えば、モノクロームの単色画像など)を作成し、これを移動期間用画像としてもよい。
図26は、移動期間用画像として、モノクロームの投影画像(グレー単色の画像)を投影する場合のイメージ図である。また、投影する元画像から色差信号を0とした画像の場合は、前後の画像の色情報を有しない画像となる。
ここで、色情報を有しない画像を作成するためには、その作成期間(すなわち、変位期間B)において、少なくともカラーホイール401の所定の複数のセグメント、または所定の1つのセグメントから光を透過させる必要がある。
すなわち、色情報を有しない移動期間用画像を作成するためには、移動期間用画像を投影する期間において、下記(1)または(2)、
(1)R(赤)セグメント+G(緑)セグメント+B(青)セグメント
(2)W(白)セグメント
の全てのセグメント((2)の場合は1つのセグメント)に光を透過させることが必要となる。
また、補色(Y,Cy,M)のセグメントを設けたカラーホイール401を用いることも好ましい。この場合、色情報を有しない移動期間用画像を作成するためには、移動期間用画像を投影する期間において、下記(3)〜(5)のいずれか、
(3)Y(黄)セグメント+B(青)セグメント
(4)Cy(シアン)セグメント+R(赤)セグメント
(5)M(マゼンタ)セグメント+G(緑)セグメント
の全てのセグメントに光を透過させることが必要となる。補色のセグメントを用いることで、R,G,Bすべてのセグメントから光を透過させることなく、移動期間用画像を作成することができる。
また、カラーホイール401に(6)グレーのセグメントを設けることでも、色情報を有しない移動期間用画像を作成することが可能となる。
このため、カラーホイール401は、上記いずれかの条件を満たすセグメントを少なくとも備えていることが必要である。図25に示した例では、画素の移動の多い期間(変位期間B)において、R,G,Bセグメントから光を透過させることで、移動期間用画像の作成を可能としている。
以下、移動期間用画像の作成例について説明する。移動期間用画像は、画素の移動の多い期間において、画像制御部11にて、投影する元の画像の映像信号の入力信号レベル(例えば、輝度信号の信号レベル)または輝度ヒストグラムを検出し、検出した入力信号レベルまたは輝度ヒストグラムに応じて、出力信号レベルを変化させて、作成することが好ましい。
具体的には、入力信号レベルまたは輝度ヒストグラムに基づいて、元の画像が明るい場合は、移動期間用画像の信号レベルを移動期間用画像が明るくなる(白に近い画像)ように設定し、元の画像が暗い場合は、暗くなる(黒に近い画像)ように設定することが好ましい。これにより、画素移動中におけるアーティファクトの発生を防止するとともに、画素移動後の投影画像のコントラストを向上させることができる。
図27に、移動期間用画像の信号レベル設定の一例を示す。元の画像の入力輝度信号レベルが0〜10%の場合は、移動期間用画像の信号レベル(出力輝度信号レベル)を0%(黒)に設定する。また、元の画像の入力輝度信号レベルが10〜50%の場合は、出力輝度信号レベルを40%に、50〜90%の場合は、出力輝度信号レベルを80%に設定し、グレーの画像を投影する。また、元の画像の入力輝度信号レベルが90〜100%の場合は、投影像が明るいため、出力輝度信号レベルを100%(白)に設定する。
また、入力信号レベルまたは輝度ヒストグラムに基づいて、移動期間用画像の信号レベルを変更するのではなく、プロジェクタ1が照度センサ(照度検出手段)を内蔵し、移動期間用画像の信号レベル(出力輝度信号レベル)を、照度センサの検出結果に応じて設定してもよい。例えば、照度レベルが高い場合(プロジェクタ1の周囲が明るい場合)は、移動期間用画像の信号レベルを移動期間用画像が明るくなる(白に近い画像)ように設定し、照度レベルが低い場合(プロジェクタ1の周囲が暗い場合)は、暗くなる(黒に近い画像)ように設定するものである。これにより、周囲の環境が明るい場合は移動期間用画像を明るくし、周囲の環境が暗い場合は移動期間用画像を暗くすることができる。
画像制御部11による移動期間用画像の作成および投影制御の一例を、図28に示すフローチャートを参照して説明する。
先ず、外部I/F9からシステムコントロール部10の画像制御部11に映像信号が入力される(S101)。
次いで、入力信号のRGBから以下の変換式(1)〜(3)を用いて、輝度信号Yと色信号B−Y(色差信号Cb),R−Y(色差信号Cr)を算出する(S102)。
Y=0.300R+0.590G+0.110B
B−Y=−0.300R−0.590G+0.890B
R−Y=0.700R−0.590G−0.110B
次いで、移動期間用画像の色を表示させないように、算出された色差信号Cb,Crを0に変換する(S103)。
次いで、入力信号の輝度信号レベルを参照し(S104)、算出された輝度信号Yに応じた出力輝度信号レベル(オフセット値Y’という)に変換する(S105、図27参照)。
次いで、変換後の輝度信号(オフセット値Y’)と色信号を合成して、移動期間用画像を作成する(S106)。そして、DMD551を制御して、移動期間用画像を投影させる(S107)。
以上説明した本実施形態に係る画像投影装置によれば、画素ずらし制御において画素の移動の多い期間に、例えば、投映画像の入力輝度信号レベルまたは輝度ヒストグラムを検出し、検出された入力輝度信号レベルや輝度ヒストグラムに基づいて、出力信号レベルを変化させた移動期間用の画像を作成し、該画像を投影することにより、投影像の明るさ低下を防止しつつ、アーティファクトの発生と解像感の低下を防ぐことができる。また、投影画像のコントラストを高めることができる。
尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
また、上記実施形態では、画像投影装置は、DMDを用いたDLP方式のプロジェクタを例に説明したが、これに限られるものではなく、画素ずらし制御を行うとともに、画素の移動期間中にモノクローム画像を形成し、これを投影することが可能な画像投影装置であれば、例えば、LCD(Liquid Crystal Display)方式、LCOS(Liquid crystal on silicon)方式等の他の方式であっても、本発明を適用することができる。
例えば、上記実施形態では、光源が単色光源であって、カラーホイールにより分光する画像投影装置を例に説明したが、光源として複数のレーザ光源を有し、該レーザ光源からのレーザ光を光学変調素子に導く画像投影装置であってもよい。
また、上記実施形態では、光学の反射を利用した縦置きの超短焦点型プロジェクタを例に説明したが、水平置きのプロジェクタにおいても、本発明を適用することができる。
また、上記実施形態では、光学変調素子の駆動手段として、電磁アクチュエータ(電磁駆動手段)を用いた例を説明しているが、光学変調素子の駆動手段は、これにかぎられるものではない。