JP2007248939A - ２次元の位置情報を投影する機能を備えたプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 投影面に位置情報を投影しつつより鮮明な画像を投影することができるプロジェクタを提供する。
【解決手段】 プロジェクタは、カラーホイールによって選択的に光を透過させ、この光を用いて投影するものであり、第１のカラーフィルタの配列を有する第１のカラーホイール３００および第２のカラーフィルタの配列を有する第２のカラーホイール３１０を含む。第１および第２のカラーホイールが第１の組合せにあるとき、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｗの可視光の波長が選択的に透過され、第１および第２のカラーホイールが第２の組合せにあるとき、Ｒ、Ｇ、Ｂ、非可視光が透過される。非可視光を利用して、投影面の座標位置を表す位置情報を投影面に投影する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、テレビやＤＶＤなどの映像を投影することができる前面投射型または背面投射型のプロジェクタに関し、特に、プロジェクタによる投影面に２次元の位置情報を投影するプロジェクタおよび投影面上で操作された入力装置の位置を投影面に投影することができる入力機能を備えたプロジェクタに関する。

プロジェクタによる投影画像に、筆記情報を合成して表示する電子黒板機能とプロジェクタ機能をもつ投影表示システムが知られている。これは、電子黒板の所定の位置に超音波を発生させる装置を配置して、ペンの位置を三角測量の原理により検出し、検出された位置情報を基にして、筆記情報を作成し、投影画像に合成させるものである。

特許文献１は、プロジェクタを使用した電子黒板システムに関するもので、ホワイトボードの信号処理器に、赤外光受光部、超音波発振部、超音波受信部が設けられている。電子ペンからは、同時に赤外光パルスと超音波パルスが出力される。信号処理器は、赤外光受光部に赤外光パルスが入力してから、超音波受信部に超音波が入力するまでの時間を測ることで、電子ペンから超音波受信部までの距離を知る。超音波受光部は信号処理器に固定されていることから、超音波受信部からみた電子ペンの位置は三角測量の原理から求めることができる。プロジェクタでホワイトボードに映像を投射し、投射映像のどの位置に電子ペンがあるかを算出し、その結果、パソコンに電子ペンの座標を出力したり、またマウスカーソルを動かしたり、画面上のアイコンを指定することを可能にしている。

特開２００５−１２８６１１号

しかしながら、上記特許文献１に示すような電子黒板システムでは、超音波発生装置のようなものをプロジェクタの投影画面に設けなければならず、利用できる場所や範囲が限定されてしまう。さらには、装置が大型化し、コストも高くなってしまうという課題を有している。

一方、本出願人は、このような課題を解決する技術として、特願２００５−１９６３７２号（平成１７年７月５日に出願、以下、先願という）を提案している。この技術では、プロジェクタが投影画像の面内の位置を示す位置情報を非可視光で投影し、その位置情報を用いて投影面に筆記画像を作成するものである。

先願で用いられるカラーホイールは、図１１に示すように、Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタ１０、１２、１４と、赤外光透過フィルタ１６とを有し、赤外光透過フィルタ１６により光源の光から赤外光を抽出している。しかしながら、この方法では、カラーフィルタの一定領域を赤外光に割り当てるため、通常の投影動作において、画像の明るさや色合いが低下してしまうという課題を依然として抱えていた。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決し、投影面に位置情報を投影しつつ、より鮮明で高輝度な画像を投影することができるプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明に係るプロジェクタは、カラーホイールによって選択的に光を透過させ、この光を用いて投影するものであり、第１のカラーフィルタの配列を有する第１のカラーホイールおよび第２のカラーフィルタの配列を有する第２のカラーホイールを含み、第１のカラーホイールと第２のカラーホイールの第１の組合せまたは第２の組合せを選択可能なカラーホイール装置を有している。そして、第１および第２のカラーホイールが第１の組合せにあるとき、異なる波長の可視光が選択的に透過され、第１および第２のカラーホイールが第２の組合せにあるとき、少なくとも非可視光が透過され、非可視光が透過されたとき、投影面の位置を表す位置情報を投影面に投影可能である。

好ましくはプロジェクタはさらに、カラーホイール装置からの光を変調する変調手段を有し、前記変調手段は、前記第１の組合せにあるとき、画像データに基づき光を変調し、前記第２の組合せにあるとき、位置情報に基づき非可視光を変調する。

第１のカラーホイールの所定のカラーフィルタと第２のカラーホイールの前記所定のカラーフィルタと異なるカラーフィルタとが重複し、可視光の遮断領域が形成される。例えば、第１のカラーホイールは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタを含み、第２のカラーホイールは、赤（Ｒ）のカラーフィルタを含む。第１の組合せでは、第１のカラーホイールのＲと第２のカラーホイールのＲとが重複され、第２の組合せでは、第１のカラーホールのＧまたはＢが、第２のカラーホイールのＲと重複され、可視光の遮断領域が形成される。可視光の遮断領域は、勿論、上記の組合せ以外であってよい。また、第１および第２のカラーホイールは、同一の回転軸上に配置され、回転方向に応じて第１の組合せまたは第２の組合せが選択される。

本発明に係る、プロジェクタにより投影される投影面に位置情報を投影する投影方法は、第１のカラーフィルタ配列を有する第１のカラーホイールと第２のカラーフィルタ配列を有する第２のカラーホイールを第１の位置に組合せ、第１および第２のカラーホイールを回転させたとき、非可視光の光を選択的に透過させるステップと、透過された非可視光を変調し、投影面の位置を表す位置情報を投影面に表示させるステップとを有する。

本発明によれば、第１および第２のカラーホイールを用い、両者が第２の組合せと成るとき、可視光以外の光（非可視光）を投影し、第１の組合せのとき選択された可視光を投影するようにしたので、組合せを適宜選択することで、投影される画像の精度を低下させることなく、非可視光による位置情報の投影を行うことができる。

以下、本発明に係るプロジェクタの好ましくは構成を図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係るプロジェクタの一般的な光学系を示す図である。プロジェクタ１００は、好ましくは、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）を用いたＤＬＰ方式により画像の投影を行う。光源１１０から発せられた光は、集光ミラーである楕円ミラー１１２で反射され、光学部品であるライトトンネルまたは光インテグレータ１１４に入射される。ライトトンネル１１４において均一な光線束とされた光は、カラーホイール装置１１６に入射される。

カラーホイール装置１１６は、後述するように、２つのカラーホイールを組合せたものであり、その組合せ位置に応じて、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の可視光、または赤外光を含む可視光を透過する。透過された光は、順次、コンデンサレンズ１２０、折り返し用の平面ミラー１２２および折り返し用の球面ミラー１２４を介してＤＭＤ１２６を照明する。ＤＭＤ１２６の反射光は、投影レンズ１２８に入射され、そこで拡大されスクリーン状に映像が投影される。

図２は、プロジェクタの電気的構成を示すブロック図である。プロジェクタ１００は、アナログ画像入力信号またはデジタル画像入力信号Ｄｉｎを入力し、ＤＭＤの画素数に対応するフォーマットプレーンを有するＲＧＢデジタル画像データを生成する前処理部２００と、前処理部２００からのデジタル画像データに基づきＤＭＤ１２６の駆動等を制御する制御部２１０と、光源１１０の駆動を制御する光源駆動回路２２０と、カラーホイール装置１１６の動作を制御するカラーホイール駆動部２３０と、カラーホイール装置１１６からの光をＤＭＤ１２６に照射する光学系２４０（図１のコンデンサレンズ１２０、折り返し用の平面ミラー１２２、球面ミラー１２４）と、ＤＭＤ１２６からの反射光を拡大しスクリーン上に表示させる投影光学系２５０（図１の投影レンズ１２８）と、ユーザからの入力を受け取る入力部２６０とを有している。

図３は、カラーホイール装置の斜視図である。カラーホイール装置１１６は、第１のカラーホイール３００と、これと同軸上に取付けられる第２のカラーホイール３１０と、第１、第２のカラーホイールを収容する本体ケース３２０と、第１、第２のカラーホイールの軸受けと結合されるモータ３３０（図１を参照）と、モータ３３０を駆動する駆動回路３４０とを含んで構成される。本体ケース３２０には、切欠部３２２が形成され、切欠部３２２を介して、光源からの光が第１のカラーホイール３００に入射され、かつ、第２のカラーホイール３１０側から出射されるようになっている。

図４は、第１および第２のカラーホイールの詳細を説明する図である。第１のカラーホイール３００は、円形状の薄板のガラス材から構成され、その中央部には円形状の貫通孔３０２が形成される。貫通孔３０２は、モータ３３０の回転軸と結合される軸受け部となる。軸受け部の外周において、その円周方向に、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）および白色（Ｗ）の透過領域が形成されている。Ｒ、Ｇ、Ｂの透過領域は、例えば、ガラス材の表面に、Ｒ、Ｇ、Ｂの光を透過するフィルタをコーティングして形成される。白色の透過領域は、特に、フィルタをコーティングする必要はない。Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｗのカラーフィルタの面積は、その回転中心に関して内角が９０度となるような扇形の面積を有し、それぞれ均等である。また、第１のカラーホイール３００の軸受け部とカラーフィルタ領域との間であって、第２のカラーホイール３１０と対向する面には、円柱状の突出したピン３０４が形成されている、

第２のカラーホイール３１０は、第１のカラーホイールと同サイズの円形状の薄板ガラスから構成され、その中央部には、モータ３３０の回転軸に結合される貫通孔（軸受け部）３１２が形成され、その外周に、位置決め開口３１４が形成されている。位置決め開口３１４は、軸受け部とカラーフィルタ領域との間にあって、回転中心と同心円を描くような円弧状のスロットであり、回転中心に関してその内角が９０度である。第２のカラーホイール３１０の円周方向には、Ｒ、Ｇ、Ｗの光を透過する透過領域が形成されている。ＲとＧの内角は、それぞれ９０度であり、Ｗの内角は１８０度である。ＲとＧの透過領域には、第１のカラーホイールと同様にフィルタがコーティングされる。

第１、第２のカラーホイールを同軸上に取付けたとき、位置決め開口３１４内に、第１のカラーホイール３００の突起３０４が挿入される。モータ３３０を正転させたとき、突起３０４が位置決め開口３１４の一方の端部に当接した状態で第１、第２のカラーホイールが回転され、モータ３３０を逆転させたとき、突起３０４が位置決め開口３１４の他方の端部に当接した状態で第１、第２のカラーホイールが回転する。このように、モータの回転方向に応じて、第１のカラーホイール３００と第２のカラーホイール３１０の相対的な位置または角度を９０度ずらしている。

図５は、第１、第２のカラーホイールが組み合わされたときの色配列の変化を説明する図である。図５（ａ）は、モータ３３０を第１の方向、例えば正転させたとき、第１のカラーホイール３００のＲ、Ｇ、Ｂの透過領域と第２のカラーホイール３１０のＲ、Ｇの透過領域とが完全に重複する。これにより、第１、第２のカラーホイールを合成したときの色の配列は、第１のカラーホイールのカラーフィルタの配列と等しくなり、すなわち、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｗとなり、これらの光がカラーホイール装置から順次出力される。

一方、モータ３３０を第２の方向、例えば逆転させたとき、図５（ｂ）に示すように、第１のカラーホイールの位置が相対的に９０度ずれるため、第１のカラーホイールのＲの透過領域と第２のカラーホイールのＧの透過領域とが完全に重複する。これにより、第１、第２のカラーホイールの合成したときの色の配列は、Ｒ、Ｇ、Ｂ、非可視光となり、カラーホイール装置からＲ、Ｇ、Ｂ、非可視光が順次出力される。非可視光は、第１のカラーホイールのＲと第２のカラーホイールのＧの組合せによる可視光の遮断領域である。非可視光の組合せは、勿論、上記のＲとＧの組合せ以外にも、ＲとＢや、ＢとＧなどであってもよい。

次に、本実施例のプロジェクタの動作について図６の動作フローを参照して説明する。始めに、プロジェクタの投影モードが選択される（ステップＳ１０１）。本実施例の投影モードは、映画やその他の画像を明るく表示する通常モードと、投影面にユーザのペン入力の書込みを可能とするインタラクティブモードとを含む。通常モードは、好ましくはホームシアターのような高輝度な画像を投影するときに選択され、インタラクティブモードは、プレゼンテーションのような主として静止画を多用するデータプロジェクタとして利用される。通常モードのとき、上記した図５（ａ）に示すカラーホイールの組合せが選択され、インタラクティブモードのとき、図５（ｂ）に示すカラーホイールの組合せが選択される。投影モードの選択は、入力部２６０（図２を参照）からのユーザの指示によって行われる。

制御部２１０は、選択された投影モードを判定し（ステップＳ１０２）、通常モードであれば（ステップＳ１０３）、モータ３３０を正転させ（ステップＳ１０４）、図５（ａ）に示す組合せを選択する。そして、制御部２１０は、投影すべき画像データに基づきＤＭＤ１２６を駆動し、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｗの光を順次変調させ、投影面にカラー画像を表示させる（ステップＳ１０５）。

一方、インタラクティブモードと判定されると（ステップＳ１０６）、制御部２１０は、モータ３３０を逆転させ（ステップＳ１０７）、図５（ｂ）の組合せを選択する。そして、制御部２１０は、画像データに加えて、投影面の座標位置を表す位置情報に基づきＤＭＤ１２６を駆動し、Ｒ、Ｇ、Ｂの変調により画像を表示し、非可視光により位置情報を投影面に表示させる（ステップＳ１０８）。

インタラクティブモードは、カラーホイールが１回転する毎に非可視光が透過される。本実施例の非可視光は、好ましくは、光源からの発せられる光に含まれる赤外光である。カラーホイール装置から透過された赤外光がＤＭＤ１２６を照射するタイミングと同期して、制御部２１０は、ＤＭＤ１２６を位置情報によって駆動する。赤外光を利用し、位置情報に基づきＤＭＤを駆動する技術は、上記した先願に詳細に開示されている。

例えば、図７に示すように、ＤＭＤ１２６がＭ×Ｎの画素を有するとき、投影面３５０には、Ｍ×Ｎの画素が投影される。投影面３５０には、例えば６×６画素からなる識別パターンＰ（１，１）、Ｐ（１，２）、Ｐ（１，３）・・・Ｐ（１、Ｎ）、・・・Ｐ（Ｍ，Ｎ）が投影される。それぞれの識別パターンは、座標位置を識別すための固有の画素パターンを含んでいる。このような識別パターンＰを含む位置情報がメモリに格納されており、制御部２１０は、メモリから読み出された位置情報をＤＭＤのフォーマット情報に変換し、赤外光によりＤＭＤ１２６が照明されるタイミングでＤＭＤ１２６を駆動する。

投影面に投影された位置情報は赤外光で投影されるため、他の画像が可視光（Ｒ、Ｇ、Ｂ）で投影表示されている最中に表示されたとしても、その画像に干渉することはない。一定の割合で赤外光の投影が行われるため、投影される画像の明るさや色合いが低下するが、プレゼンテーションなどのさほど色合いを重視しない静止画や白黒画像であれば支障はない。

さらにインタラクティブモードであるとき、投影面３５０の位置情報を入力ペンにより光学的に読取ることで、投影面に入力ペンの移動軌跡を併せて描画することができる。この技術の詳細は、上記した先願に開示されている。

例えば、入力ペンとして、図８に示すようなポインティング装置を用いることができる。ポインティング装置４００は、ペン状のハウジング４１０内に、赤外光検知用のＣＣＤを含む撮像装置４２０と、撮像装置４２０より撮像された撮像信号をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル変換器４３０と、変換されたディジタル信号を識別パターンとパターンマッチングする画像処理回路４４０と、プロジェクタ１００にデータを送信する送信回路４５０とを含んでいる。

ハウジング４１０の先端４６０には対物レンズが取り付けられ、ポインティング装置を投射面３００に当接または近接させることで、対物レンズを介して撮像装置４２０によって識別パターンＰが読取られる。読取られた信号は、アナログ・ディジタル変換器４３０により２値化され、画像処理回路４４０へ供給され、そこで、読取られた識別パターンの座標位置が検出される。画像処理回路４４０は、検出した座標位置を送信回路４５０を介してプロジェクタ１００へ送信する。

制御部２１０は、ポインティング装置４００から座標位置を受信すると、受信した座標位置に基づき、ポインティング装置４００の移動軌跡に対応する画像データを生成し、投影面に投影している画像データとの合成を行う。合成された画像データは、ＤＭＤ１２６によって投影面に表示される。こうして、投影面３００においてポインティング装置４００により描画された文字、図形等が、投影されている画像に上書きされるかの如く合成して表示される。

以上説明したように本実施例によれば、複数のカラーホイールの組合せを変更させることで、色合いや明るさを重視した通常モードと、位置情報を表示し投影面におけるユーザ入力を描画可能なインタラクティブモードの選択を可能にしたので、投影画像の品位を保持しつつ、位置情報を投影してユーザとのインタラクティブを行うことができる。

上記実施例では、カラーホイール装置の第１、第２のカラーホイールを単一のモータにより駆動し、回転方向によりカラーホイールの組合せを変更するようにしたが、これ以外にも、第１、第２のカラーホイールをそれぞれ個別のモータで駆動するようにし、モータによって第１、第２のカラーホイールの組合せ位置を変更するようにしてもよい。

さらに、第１、第２のカラーホイールは、図５に示すフィルタの配列以外にも、種々の配列を選択することができる。図９は、第１、第２のカラーホイールの他のフィルタの配列を示す図である。第１のカラーホイール３００ａは、内角が７０度のＲ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタを有し、その残りをＷとしている。第２のカラーホイール３１０ａは、内角が７０度のＲ、Ｇのカラーフィルタを有し、その残りをＷとしている。ここで、第２のカラーホイール３１０ａに形成される円弧状スロットの位置決め開口３１４（図４を参照）の内角を２０度とし、第２のカラーホイール３１０ａが第１のカラーホイール３００ａに対して相対的に変化することができる角度を２０度とする。

第１および第２のカラーホイール３００ａ、３１０ａが第１の方向に回転（例えば、正転）されるとき、図９（ａ）に示すように、第１、第２のカラーホイールのＲとＧのカラーフィルタが一致し、その合成されたカラーフィルタは、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｗとなる。

一方、第１および第２のカラーホイール３００ａ、３００ｂを第２の方向に回転（例えば、逆転）させると、図９（ｂ）に示すように、第１のカラーホイール３００ａと第２のカラーホイール３１０ａの相対的角度が２０度ずれるため、第１のカラーホイール３００ａのＲのカラーフィルタと第２のカラーホイールのＧのカラーフィルタの一部が重複し、非可視光領域が形成される。すなわち、合成されたとき、Ｒ、非可視光、Ｇ、Ｂ、Ｗの光が透過される。カラーフィルタＲとＧの重複範囲は、位置決め開口３１４の角度によって調整することができる。

また、上記実施例では、非可視光として光源からの赤外光を用いる例を示したが、赤外光を発するための専用の光源を別途用意しても良い。

次に、本発明のプロジェクタを電子黒板に適用した例を図１０に示す。電子黒板５００は、文字、図形等を描画する描画面５１０を有し、その下部にプロジェクタ１００を配置している。プロジェクタ１００による投影画像は、いわゆる背面投射として描画面５１０に映し出される。インタラクティブモードのとき、描画面５１０には、赤外光により位置情報が表示される。ポインティング装置４００を描画面５１０上で移動させると、その移動軌跡に対応する画像データがプロジェクタにおいて生成され、描画面５１０に移動軌跡５２０が投影される。

本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。上記実施例では、ＤＬＰ方式のプロジェクタを例示したが、これ以外の変調方式を用いるプロジェクタであってもよい。

本発明に係るプロジェクタおよびプロジェクタシステムは、画像は映像などを表示するための入力機能付き表示装置として利用することができる。

本発明の実施例に係るプロジェクタの光学系を示す図である。 本発明の実施例に係るプロジェクタの電気的構成を示すブロック図である。 カラーホイール装置の構成を示す斜視図である。 カラーホイールの詳細を示す図である。 カラーホイールの組合せによる色配列の変化を説明する図である。 プロジェクタの動作を説明するフローチャートである。 プロジェクタによる投射面と識別パターン（位置情報）の関係を示す図である。 ポインティング装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施例に係るカラーホイール装置を説明する図である。 本発明の実施例に係るプロジェクタを電子黒板に適用した例を示す図である 先願のカラーホイールを示す図である。

符号の説明

１００：プロジェクタ １１０：光源
１１６：カラーホイール装置 １２６：ＤＭＤ
３００：第１のカラーホイール ３０２：貫通孔（軸受け部）
３０４：ピン ３１０：第２のカラーホイール
３１２：貫通孔（軸受け部） ３１４：位置決め用開口
３２０：本体ケース ３３０：モータ
３４０：駆動回路 ３５０：投影面
４００：ポインティング装置 ４１０：ハウジング
４２０：撮像装置 ４５０：送信回路
５００：電子黒板 ５１０：描画面

Claims (7)

1. カラーホイールによって選択的に光を透過させ、この光を用いて投影するプロジェクタであって、
   第１のカラーフィルタの配列を有する第１のカラーホイールおよび第２のカラーフィルタの配列を有する第２のカラーホイールを含み、第１のカラーホイールと第２のカラーホイールの第１の組合せまたは第２の組合せを選択可能なカラーホイール装置を有し、
   第１および第２のカラーホイールが第１の組合せにあるとき、異なる波長の可視光が選択的に透過され、
   第１および第２のカラーホイールが第２の組合せにあるとき、少なくとも非可視光が透過され、
   非可視光が透過されたとき、投影面の位置を表す位置情報を投影面に投影可能なプロジェクタ。
2. プロジェクタはさらに、カラーホイール装置からの光を変調する変調手段を有し、前記変調手段は、前記第１の組合せにあるとき、画像データに基づき光を変調し、前記第２の組合せにあるとき、位置情報に基づき非可視光を変調する、請求項１に記載のプロジェクタ。
3. 前記第２の組合せにあるとき、第１のカラーホイールの所定のカラーフィルタと第２のカラーホイールの前記所定のカラーフィルタと異なるカラーフィルタとが重複し、可視光の遮断領域が形成される、請求項１または２に記載のプロジェクタ。
4. 第１および第２のカラーホイールは、同一の回転軸上に配置され、回転方向に応じて第１の組合せまたは第２の組合せが選択される、請求項１に記載のプロジェクタ。
5. 第１のカラーホイールは、少なくとも赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタを含み、第２のカラーホイールは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の少なくとも１つのカラーフィルタを含む、請求項１ないし４いずれか１つに記載のプロジェクタ。
6. プロジェクタにより投影される投影面に位置情報を投影する投影方法であって、
   第１のカラーフィルタ配列を有する第１のカラーホイールと第２のカラーフィルタ配列を有する第２のカラーホイールを第１の位置に組合せ、第１および第２のカラーホイールを回転させたとき、非可視光の光を選択的に透過させるステップと、
   透過された非可視光を変調し、投影面の位置を表す位置情報を投影面に表示させるステップと、
   を有する投影方法。
7. 前記投影方法はさらに、第１のカラーフィルタ配列を有する第１のカラーホイールと第２のカラーフィルタ配列を有する第２のカラーホイールを第２の位置に組合せ、第１および第２のカラーホイールを回転させたとき、可視光の光を選択的に透過させるステップと、
   透過された可視光を変調し、投影面に画像を表示させるステップとを含む、請求項６に記載の投影方法。

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