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JP2019039995A - 画像投射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来よりも高解像度で、高画質かつ明るい投射画像を表示する。【解決手段】画像投射装置1は、光変調素子136により変調された光を、投射光学系15を介して被投射面に投射する。該装置は、光変調素子の画素からの光の光路をシフトさせて該光が被投射面上に形成する投射画素をシフトさせる画素シフトデバイス2とを有する。画素シフトデバイスは、光路を光変調素子から投射光学系に至る光軸に直交する方向のうち1方向にシフトさせる光学素子21と、該光学素子を、光軸回りで回転させて上記1方向を変化させる回転機構71,73とを有する。【選択図】図1

Description

本発明は、画像投射装置(以下、プロジェクタという)に関し、特に投射画像の解像度を向上させる技術に関する。
液晶パネル等の光変調素子の解像度よりも投射画像の解像度を高くするために、光変調素子により変調された画像光の光路をシフトさせることで投射画像の画素をシフトさせることが可能なプロジェクタが特許文献1に開示されている。このプロジェクタは、R、GおよびBの画像光を合成するダイクロイックプリズムと該ダイクロイックプリズムからの画像光をスクリーンに投射する投射光学系との間に、該画像光の光路をシフトさせる画素シフト(ウォブリング)デバイスを有する。
特開2011−203460号公報
しかしながら、特許文献1のプロジェクタに設けられている画素シフトデバイスは光路を1つの往復方向にしかシフトさせることができないため、投射画像の解像度を光変調素子の解像度の2倍にしか高めることができない。また、このような光路シフト方法では、光路のシフト中での画像光のクロストークによる投射画像の画質(解像感)の低下が問題となる。クロストークによる画質の低下を回避するために、光路シフト中に画像投射を行わない(ブランキング期間とする)ことも可能であるが、この結果、投射画像の明るさが低下する。
本発明は、従来よりも高解像度で、高画質かつ明るい投射画像を表示できるように光路シフト(画素シフト)が可能なプロジェクタを提供する。
本発明の一側面としての画像投射装置は、光変調素子により変調された光を、投射光学系を介して被投射面に投射する。該画像投射装置は、光変調素子の画素からの光の光路をシフトさせて該光が被投射面上に形成する投射画素をシフトさせる画素シフトデバイスを有する。画素シフトデバイスは、光路を光変調素子から投射光学系に至る光軸に直交する方向のうち1方向にシフトさせる光学素子と、該光学素子を、光軸回りで回転させて上記1方向を変化させる回転機構とを有することを特徴とする。
本発明によれば、光路シフト(画素シフト)によって従来よりも高解像度で、高画質かつ明るい投射画像を表示することが可能な画像投射装置を実現することができる。
本発明の実施例1のプロジェクタの構成と画素シフトデバイスの構成を示す図。 実施例1における画素シフトデバイスに用いられるガラス板の姿勢の変化を示す図。 実施例1における画素シフトを示す図。 本発明の実施例2における画素シフトを示す図。 比較例における画素シフトを示す図。 本発明の実施例4における画素シフトデバイスを示す図。 本発明の実施例5における画素シフトデバイスを示す図。 従来の画素シフトデバイスを示す図。 従来の画素シフトデバイスによる画素シフトを示す図。
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図1(a)は、本発明の実施例1である画像投射装置(以下、プロジェクタという)1の構成を示している。プロジェクタ1は、光源ユニット11、第1レンズアレイ113、第2レンズアレイ114、偏光変換素子115、コンデンサレンズ116、色分離合成光学ユニット13および投射レンズ15を有する。
光源ユニット11は、光源111とリフレクタ112とにより構成されている。光源111から発せられた発散光束はリフレクタ112により平行光束に変換されて第1レンズアレイ113に向かう。本実施例では、光源111として超高圧水銀ランプを用いている。ただし、光源111として、ハロゲンランプ、発光ダイオード(LED)およびレーザダイオード(LD)等を用いてもよい。また、光源から入射した光の波長を他の波長に変換する蛍光体等の波長変換素子を光源ユニット11の一部として用いてもよい。
第1レンズアレイ113に入射した光束は該第1レンズアレイ113によって複数の光束に分割され、該複数の光束は第2レンズアレイ114の近傍に複数の光源像を形成する。第2レンズアレイ114を通過した複数の光束はそれぞれ、偏光変換素子115により所定の偏光方向を有する偏光光に変換され、コンデンサレンズ116の集光作用により後述する各液晶パネル上にて互いに重ね合わせられる。これにより、各液晶パネルに均一な強度分布を有する光束(照明光)が入射する。
色分離合成光学ユニット13は、G反射ダイクロイックミラー131、R反射ダイクロイックミラー132、ミラー133、液晶パネル136(R,G,B)およびダイクロイックプリズム137により構成されている。
G反射ダイクロイックミラー131は、コンデンサレンズ116を通過した光源ユニット11からの白色光のうちG(緑)光を反射して、残りの光、すなわちR(赤)光とB(青)光を透過させる。G光は、ミラー133で反射されてG用の光変調素子である液晶パネル136Gに入射する。G反射ダイクロイックミラー131を透過したR光とB光のうちR光は、R反射ダイクロイックミラー132により反射されてR用の液晶パネル136Rに入射する。さらに、R反射ダイクロイックミラー132を透過したB光は、B用の液晶パネル136Bに入射する。
各液晶パネル136は、外部からの映像信号が入力されたコントローラ5が該入力映像信号に応じて生成した駆動信号により駆動される。駆動信号に応じて駆動された各液晶パネル136は、入射した光を画像変調して入力映像信号に対応する画像光を生成する。液晶パネル136R,136G,136BからのR画像光、G画像光およびB画像光は、ダイクロイック(色合成)プリズム137により透過または反射されて合成され、合成画像光として後述する画素シフトデバイス2を介して投射レンズ15に導かれる。投射レンズ(投射光学系)15は、合成画像光を不図示のスクリーン等の被投射面に拡大投射する。これにより、入力映像信号に対応するフルカラー投射画像が表示される。
なお、液晶パネルとしては、図に示した透過型液晶パネルに限らず、反射型液晶パネルを用いてもよい。また、液晶パネルに代わる光変調素子として、デジタルマイクロミラーデバイスを用いてもよい。
図1(b)には、画素シフトデバイス2を示している。画素シフトデバイス2は、図1(a)に示すように色合成プリズム137と投射レンズ15との間の光軸AX上に配置されている。この光軸AXは、各液晶パネル136の光変調面の法線から色合成プリズム137内での透過または反射を経て投射レンズ15に至る光軸であり、液晶パネル136(光変調面)の法線または投射レンズ15の光軸ということもできる。
画素シフトデバイス2は、色合成プリズムから出射して投射レンズ15に向かう合成画像光(以下、単に画像光という)の光路を光軸AXに直交する面内でシフトさせることで、被投射面上での投射画像の各画素をシフトさせる。これにより、各液晶パネル136の解像度よりも高い解像度の投射画像を表示することができる。例えば、画素シフトデバイスとして、2倍の解像度が実現できる画素シフトデバイスでは、各液晶パネル136の解像度がフルハイビジョン相当であれば、約4倍の4K相当の解像度の投射画像を表示することができる。
本実施例における画素シフトデバイス2の具体的な構成について説明する。画素シフトデバイス2は、平行平板形状を有する透過部材としての光学素子であるガラス板(平行平板ガラス)21と、これを保持する保持リング(保持部材)71と、該保持リング71(つまりはガラス板21)を光軸AX回りで回転させるモータ73とを有する。
画像光は、ガラス板21を光軸AXが延びる光軸方向(−Z方向から+Z方向)に透過する。保持リング71は、不図示のベアリングにより光軸AX回りで回転に保持されている。保持リング71の外周面にはギアが形成されており、このギアがモータ73の出力軸に設けられたギアと噛み合うことで、モータ73による保持リング71の回転駆動が可能となっている。モータ73と保持リングにより回転機構が構成される。図1(a)に示したコントローラ5は、入力映像信号のフレーム周期に同期してモータ73を回転させ、これにより保持リング71を介してガラス板21を光軸AX回りで回転させる。
ガラス板21は、その透過面である入射面および出射面の法線(以下、単にガラス板21の法線という)25が光軸AX(Z軸)に対して傾いた状態(姿勢)で固定されて保持リング71により保持されている。この状態では、入射した画像光の光路を、光軸AXに直交する方向のうち、光軸AXに対して法線25が傾く1方向にシフトさせる(変更する)ことができる。そして、保持リング71とともにガラス板21が光軸AX回り(XY面内)で回転させると、ガラス板21の法線25の向き、つまりは光路をシフトさせる1方向を光軸AX回りにおいて変化させることができる。この結果、ガラス板21の入射面で法線25の向きに屈折し、さらに出射面で光軸方向に進むように屈折して出射する画像光の光路を、光軸AX回りでシフトさせることができる。本実施例では、ガラス板21の1回転周期内において、2以上の整数個の位置(例えば、4箇所)に投射画素をシフトさせるようにモータ73を介してガラス板21の回転位置を制御する。
図2には、本実施例における画素シフトデバイス2の動作を示している。図2(a),(b)はそれぞれ、ガラス板21が光軸AX回りにおける第1の回転位置にあるときの側面図(X方向視図)および上面図(Z方向視図)である。この第1の回転位置では、ガラス板21の法線25は、光軸AXに対して、図2(b)に示すように光軸AXを中心とする第1〜第4象限I〜IVのうち第1象限Iに向かって傾いている。なお、第1象限Iは、法線25の向きを示す矢印の先端の座標を(X,Y)とするとき、該座標が(+,+)となる領域を意味する。同様に、第2象限IIは座標(X,Y)が(−,+)となる領域を、第3象限IIIは座標(X,Y)が(−,−)となる領域を、第4象限IVは座標(X,Y)が(+,−)となる領域をそれぞれ意味する。
図2(c),(d)はそれぞれ、ガラス板21が光軸AX回りにおいて第1の回転位置から90°だけ反時計回り方向に回転した第2の回転位置にあるときの側面図および上面図である。この第2の回転位置では、ガラス板21の法線25は、光軸AXに対して、図2(d)に示すように第2象限IIに向かって傾いている。
図2(e),(f)はそれぞれ、ガラス板21が光軸AX回りにおいて第2の回転位置からさらに90°だけ反時計回り方向に回転した第3の回転位置にあるときの側面図および上面図である。この第3の回転位置では、ガラス板21の法線25は、光軸AXに対して、図2(f)に示すように第3象限IIIに向かって傾いている。
図2(g),(h)はそれぞれ、ガラス板21が光軸AX回りにおいて第3の回転位置からさらに90°だけ反時計回り方向に回転した第4の回転位置にあるときの側面図および上面図である。この第4の回転位置では、ガラス板21の法線25は、光軸AXに対して、図2(h)に示すように第4象限IVに向かって傾いている。
図3は、本実施例の画素シフトデバイス2を用いた場合の被投射面上での投射画像の画素シフトを示す。図3において、破線枠31は、画素シフトデバイスを設けていない場合に1つの液晶パネルの1つの画素からの画像光が被投射面上に形成する投射画像の画素、言い換えれば、スクリーン上に形成される液晶パネルの画素の像(以下、投射画素という)の位置を示す。白抜き四角33,35,37,39はそれぞれ、本実施例の画素シフトデバイス2を設け、そのガラス板21が第1の回転位置、第2の回転位置、第3の回転位置および第4の回転位置にあるときの投射画素の位置を示す。
このようにガラス板21を第1〜第4の回転位置に回転させて、それぞれの回転位置で所定時間ずつ、入力映像信号の異なるフレーム画像に対応する画像光を被投射面に投射することで、1つの投射画素を4つの位置にシフトさせることができる。つまり、画素シフトデバイスを設けていない場合に比べて、4倍の解像度を有する投射画像を表示することができる。
ここで、特許文献1等に開示された従来の画素シフトデバイスとこれを用いた画素シフトについて説明する。図8は従来の画素シフトデバイスを示している。図8(a)および図8(b)はそれぞれ、該デバイスに用いられているガラス板(平行平板ガラス)81の非傾斜位置での側面図(−X方向視図)および上面図(−Z方向視図)である。図8(c)および図8(d)はそれぞれ、ガラス板81の傾斜位置での側面図および上面図である。画像光は、ガラス板81を−Z方向から+Z方向に透過する。
ガラス板81は、光軸AX(Z軸)に直交するXY面内に設定された1つの揺動軸83回りで揺動して非傾斜状態と傾斜状態とに切り替わる。これにより、ガラス板81の法線85の向きが1つの往復方向、すなわち図8(c),(d)に示すように光軸AXを通って揺動軸83に直交する平面Pに沿った方向において変化する。具体的には、法線85は、非傾斜位置では光軸AXに一致し、傾斜状態では光軸AXに対して平面Pに沿った方向に(図2(b)に示した第1象限Iに向かって)開くように傾く。
図9は、図8に示した従来の画素シフトデバイスの動作(ガラス板81の揺動)による被投射面上での投射画素シフトを示している。図中の白抜きの四角は、ガラス板81が図8(a),(b)に示す非傾斜状態にあるときの投射画素の位置を示す。また、黒の四角は、ガラス板81が図8(c),(d)に示す傾斜状態にあるときの投射画素の位置を示す。図9に示すように、ガラス板81が非傾斜姿勢と傾斜姿勢とに切り替わることにより、投射画素がX方向およびY方向に対して45°の方向(対角方向)にシフトする。
このときの画素シフト量は、ガラス板81の厚み(ガラス厚)と法線85の光軸AXに対する開き角(法線開き角)とにより決まる。図8および図9では、対角方向に画素ピッチの半分だけ画素がシフトするように、揺動軸83の方向、ガラス厚および法線開き角を設定している。
ガラス板81を非傾斜状態と傾斜状態とに繰り返し切り替わるように揺動させ、各状態において所定時間ずつ画像光を投射することにより、投射画像の見かけ上の画素数が2倍に増加する。すなわち、画素シフトデバイスを用いない場合に比べて、投射画像の2倍の高解像度化が可能である。
このように従来の画素シフトデバイスは、ガラス板81の法線85の向きを光軸を通る平面Pに沿った1方向(往復方向)においてのみ変化させる。これに対して、本実施例の画素シフトデバイス2は、ガラス板21の法線25の向きを光軸AX回りの複数の方向(光軸AXを中心とする複数の放射方向)に変化させることができる。これにより、従来の画素シフトデバイスを用いる場合に比べて、投射画像のさらに2倍(画素シフトデバイスを用いない場合に比べて4倍)の高解像度化が可能である。
なお、2つの従来のガラス板を画像光が順次透過するように光軸方向に並べて、それらのガラス板の揺動軸が延びる方向を互いに異ならせる(直交させる)ことでも、投射画像のより高解像度化は可能である。しかし、2つのガラス板を用いることで画素シフトデバイスとしての構成や2つのガラス板の揺動の制御が複雑になる。また、画素シフトデバイスを、図1に示した色合成プリズム137と投射レンズ15との間のスペースに配置することが困難になる。
(数値例1)
本実施例の具体的な数値例(シミュレーション結果)としての数値例1について説明する。液晶パネルとして、画素ピッチが3.8μm(対角方向の半画素ピッチが2.69μm)である4K用液晶パネルを用いた。ガラス板を、光学ガラス材BK7(屈折率1.5)によりガラス厚1mmで形成した。このガラス板を、その法線が光軸に対して0.23°だけ傾いた状態で固定して光軸回りで回転させた。
この場合、互いに光軸を挟んだ対角位置である第1の回転位置と第3の回転位置でのガラス板の法線が光軸に対してなす角度は+0.23°と−0.23°で、それらの差は0.46°となる。ガラス板をこれらの回転位置に回転させることで、投射画素の半画素ピッチのシフトを実現することができる。互いに光軸を挟んだ第2の回転位置と第4の回転位置でのガラス板の法線が光軸に対してなす角度についても同様であり、ガラス板をこれらの回転位置に回転させることで投射画素の半画素ピッチのシフトを実現することができる。
ガラス板を30Hzの回転数で回転させ、1/(30×4)=8.3msごとに液晶パネルの駆動に用いる映像信号を変化させながら第1〜第4の回転位置のそれぞれで所定時間7.0msずつ画像光を投射した。これにより、画素シフトデバイスを用いない場合に比べて、4倍の解像度の投射画像を表示することができた。
(数値例2)
次に、本実施例の数値例2について説明する。本数値例では、液晶パネルおよびガラス板としては数値例1と同じものを用いた。また、ガラス板の回転数も、数値例1と同じ、30Hzとした。これに対して、液晶パネルを、60Hzの周波数で(16.6msごとに)異なる入力フレーム画像に応じて駆動した。
これにより、図4に示すように、被投射面上の1つの投射画素が円を描くように回転する。この際に解像度を低下させる原因となるのが、図中に黒四角で示すように2つの映像信号に対応する投射画素同士が重なる領域(以下、異画像重畳領域という)である。
ガラス板を光軸回りで回転させることで、解像度を図4中の右上と左下を結ぶ方向において向上させる一方、異画像重畳領域を左上と右下に作るため、解像度の低下が以下に説明する比較例に対して少なくて済む。
(比較例)
図5は、ガラス板が、光軸回りで回転せず、その法線が光軸に一致する非傾斜状態(0°)と光軸に対して所定角度(+A°と−A°)をなす2つの傾斜状態との間で往復するように揺動する場合の被投射面上での投射画素シフトを示す。
この場合、各非傾斜状態と傾斜状態との間での揺動に要する時間があり、その時間内での異画像重畳領域を黒四角で示す。この異画像重畳領域は、白抜き四角で示した解像度向上のための領域と重なるため、解像度の低下を招く。この結果、数値例2と比較して解像度の低下が確認された。
次に、本発明の実施例2について説明する。実施例1では、画素シフトデバイス2におけるガラス板21の法線25が光軸AXに対して傾く方向、つまりはガラス板21の光軸AX回りでの回転位置を、投射画素をその対角方向の4箇所にシフトさせる第1〜第4の回転位置に固定した。しかし、図1(a)に示したコントローラ5が、ガラス板21の光軸AX回りでの回転位置を、ユーザ入力に応じて又は入力映像信号に応じて設定(制御)できるようにしてもよい。
これにより、投射画像の解像度を向上させるための投射画素のシフト方向をユーザ入力又は入力映像信号に応じて限定するように設定することができる。例えば、被投射面に縦横のライン状のパターンがある場合にこの被投射面と投射画像との間でのモアレの発生を低減させるように投射画素のシフト方向を設定することが可能となり、該モアレによる画質の低下を防止することができる。
次に、本発明の実施例3について説明する。投射画像が動画である場合において該動画内の物体が縦(垂直)方向に動くときは、縦方向の解像感を向上させてもあまりその効果を鑑賞者が認識することはできず、横(水平)方向の解像度を向上させるとその効果を認識し易い。
このため本実施例では、図1(a)に示したコントローラ5が、入力映像信号に応じて、投射画像内の物体の移動方向に対して直交する方向の解像度を向上させるようにガラス板21の回転位置、つまりは光軸AXに対してガラス板21の法線が傾く方向を制御する。すなわち、投射画素のシフト方向を移動方向に対して直交する方向に限定する。これにより、動画を投射する際に投射画素シフトによる解像度向上の効果を得ることができる。
図6(a)は、本発明の実施例4における画素シフトデバイス30を示している。本実施例の画素シフトデバイス30では、ガラス板31が1つの揺動軸33回りで従来の画素シフトデバイスと同様に非傾斜状態と傾斜状態との間で揺動可能となるように保持リング71により保持している。ただし、本実施例では、保持リング71は、図6(b)に示すように、モータ73によってガラス板31とともに光軸AX回りで回転される。保持リング71が回転することで、揺動軸33が延びる方向も回転する。
図6(a)に示す回転位置でガラス板31を揺動させることで、図2(a),(b)および(e),(f)で示したようにガラス板31の法線(25)が光軸AXに対して第1象限Iおよび第3象限IIIに向かって傾く2つの傾斜状態が得られる。また、図6(b)に示す回転位置でガラス板31を揺動させることで、図2(c),(d)および図2(g),(h)で示したようにガラス板31の法線(25)が光軸AXに対して第2象限IIおよび第4象限IVに向かって傾く2つの傾斜状態が得られる。したがって、本実施例の画素シフトデバイス30を用いれば、実施例1の画素シフトデバイス2を用いた場合と同様に、画素シフトデバイスを用いない場合に比べて4倍の投射画像の高解像度化が可能である。
なお、本実施例の画素シフトデバイスは、実施例2で説明したように被投射面に縦横のライン状のパターンがある場合にモアレの発生を低減したり、実施例3で説明したように動画内で物体が移動する場合の解像度を向上たせたりするためにも用いることができる。
図7は、本発明の実施例6における画素シフトデバイス40を示している。実施例1では、画像光を透過させるガラス板21を保持リング71に保持した場合について説明した。これに対して、本実施例では、反射部材としての光学素子であるミラー41が、そのミラー面(反射面)の法線45が光軸AXに対して傾いた状態で保持リング71により保持されている。保持リング71は、実施例1と同様に、モータ73により回転される。
本実施例では、ミラー41に入射した画像光Lは、ミラー41のミラー面で反射して投射レンズに向かう。保持リング71とともにミラー41が光軸AX回りで回転して法線45の向きが光軸AX回りで変化することで、画像光Lの反射方向、つまりは光路がシフトする。これにより、実施例1の画素シフトデバイス2を用いる場合と同様に、画素シフトデバイスを用いない場合に比べて少なくとも4倍の投射画像の高解像度化が可能である。
なお、本実施例では、ミラー41をその法線が光軸AXに対して傾いた状態で保持されている場合について説明したが、実施例4と同様に、ミラー41を1つの揺動軸回りで揺動可能に保持して光軸回りで回転させるようにしてもよい。
また、上記各実施例では光学素子としてガラス板やミラーを用いる場合について説明したが、画像光の光路をシフトさせることが可能であれば、ガラス板やミラー以外の光学素子を用いてもよい。
さらに、プロジェクタにおいて光学素子を配置する位置は、色合成プリズムと投射レンズとの間に限らず、他の位置に配置してもよい。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
1 プロジェクタ
136(R,G,B) 液晶パネル
15 投射レンズ
2,30,40 画素シフトデバイス
21,31 ガラス板(平行平板ガラス)
25 (ガラス板の)法線
41 ミラー
45 (ミラー)の法線
71 保持リング
73 モータ

Claims (7)

  1. 光変調素子により変調された光を、投射光学系を介して被投射面に投射する画像投射装置であって、
    前記光変調素子の画素からの光の光路をシフトさせて該光が前記被投射面上に形成する投射画素をシフトさせる画素シフトデバイスを有し、
    前記画素シフトデバイスは、
    前記光路を前記光変調素子から前記投射光学系に至る光軸に直交する方向のうち1方向にシフトさせる光学素子と、
    該光学素子を、前記光軸回りで回転させて前記1方向を変化させる回転機構とを有することを特徴とする画像投射装置。
  2. 前記光学素子は、前記光を透過させる透過部材または前記光を反射する反射部材であり、その透過面または反射面の法線が前記光軸に対して前記1方向に傾いた状態で保持されていることを特徴とする請求項1に記載の画像投射装置。
  3. 前記光学素子は、前記光を透過させる透過部材または前記光を反射する反射部材であり、その透過面または反射面の法線の前記光軸に対する前記1方向での傾きが変化するように揺動可能に保持されていることを特徴とする請求項1に記載の画像投射装置。
  4. 前記回転機構による前記光学素子の1回転周期内において、2以上の整数個の位置に前記投射画素をシフトさせるように前記回転機構による前記光学素子の回転位置を制御することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の画像投射装置。
  5. 前記整数が4であることを特徴とする請求項4に記載の画像投射装置。
  6. ユーザ入力に応じて、前記回転機構による前記光学素子の回転位置を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の画像投射装置。
  7. 入力映像信号に応じて、前記回転機構による前記光学素子の回転位置を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の画像投射装置。
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