JP2021184009A - 画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スクリーンに近接して設置でき、プロジェクタの投影性能に優れた画像投影装置を提供する。【解決手段】レーザ光Ｌ１を収束光として出射する光源部１０と、レーザ光Ｌ１を所定の方向に走査させる走査制御部２０と、走査制御部２０で走査されたレーザ光Ｌ２をコリメート光Ｌ３に変換する組み合わせ光学部３０と、コリメート光Ｌ３の光軸方向ｚと光軸方向と直交する半径方向ｒの関係において所定の反射条件を満たして、組み合わせ光学部３０から出射するコリメート光Ｌ３を反射させてスクリーン１００に投影する曲面反射部４０と、を有して画像投影装置１を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、画像投影装置に関する。

従来の画像投影装置として、照明光を発する光源部と、照明光に基づいて生成された投影画像を投影面に投影する投影光学系と、照明光が入射する複数のミラーを有し、画像信号に基づいて各ミラーのチルト角度を変化させることによって照明光を投影光学系に向けて偏向し、照明光から投影画像を生成するミラーアレイデバイスと、入射した光を投影光学系に向けて偏向させる場合の各ミラーのチルト角度を、画像信号に基づいて所定の期間内で、基準チルト角度と、基準チルト角度とは異なる１または複数の非基準チルト角度とに切り替え制御するチルト角度制御部とを備えた画像投影装置がある（例えば、特許文献１参照）。

この画像投影装置は、ミラーのチルト角度を複数の角度に変化させてミラーアレイデバイスを駆動することで投影光学系の入射瞳内での光量分布を時間的に変化させることができる。これにより、スペックルを低減させた状態で、レーザ光源による画像をスクリーン上に投影することができるとされている。

特開２０１９−８６６３２号公報

しかし、特許文献１の画像投影装置では、投影像の大きさ、位置が投影系とスクリーンとの位置関係により決定されることから、十分な空間が必要でプロジェクタ移動の手間が発生する。また、スクリーンからプロジェクタが遠いほど、目にレーザ光が入るリスクが高いという問題もあった。

従って、本発明の目的は、スクリーンに近接して設置でき、プロジェクタの投影性能に優れた画像投影装置を提供することにある。

本発明は、レーザ光を収束光として出射する光源部と、前記レーザ光を所定の方向に走査させる走査制御部と、前記走査制御部で走査された前記レーザ光をコリメート光に変換する組み合わせ光学部と、前記コリメート光の光軸方向ｚと前記光軸方向と直交する半径方向ｒの関係において所定の反射条件を満たして、前記組み合わせ光学部から出射する前記コリメート光を反射させてスクリーンに投影する曲面反射部と、を有する画像投影装置を提供する。

本発明によれば、スクリーンに近接して設置でき、プロジェクタの投影性能に優れた画像投影装置を提供することが可能となる。

図１は、本実施の形態に係る画像投影装置の全体を示す概略図である。 図２は、本実施の形態に係る画像投影装置の構成ブロック図である。 図３は、図１に示すＡ方向から走査制御部のＭＥＭＳミラー部を見たＡ矢視図である。 図４は、図１に示すＢ方向から曲面反射部、スクリーンを見たＢ矢視図である。 図５は、ミラー断面が満たす式を説明するための角度関係を示す図であり、ｚ軸とｘ軸を含むｚｘ平面における反射条件を示す図である。

（本発明の実施の形態）
本発明の実施の形態に係る画像投影装置１は、図１に示すように、レーザ光Ｌ_１を収束光として出射する光源部１０と、レーザ光Ｌ_１を所定の方向に走査させる走査制御部２０と、走査制御部２０で走査されたレーザ光Ｌ_２をコリメート光Ｌ_３に変換する組み合わせ光学部３０と、コリメート光Ｌ_３の光軸方向ｚと光軸方向と直交する半径方向ｒの関係において所定の反射条件を満たして、組み合わせ光学部３０から出射するコリメート光Ｌ_３を反射させてスクリーン１００に投影する曲面反射部４０と、を有して構成される。

ここで、図１に示すように、コリメート光Ｌ_３の光軸方向ｚをｚ軸、この光軸方向ｚと直交する半径方向の距離をｒとする。また、図３、図４に示すように、ｚ軸及びｘ軸に直交する方向をｙ軸とする。

（光源部１０）
光源部１０は、図１、図２に示すように、レーザ発光部１１と集光レンズ１２を有して構成され、レーザ光Ｌ_１を収束光として出射する。レーザ発光部１１は、所定波長のレーザ光を発光制御信号に基づいて発光させるレーザ素子を備えている。レーザ発光部１１から出射したレーザ光は、集光レンズ１２により、走査制御部２０のミラー部２２の反射面２２ａ上に焦点を結ぶように、調整されている。すなわち、図１に示すレーザ光Ｌ_１の焦点位置は、ミラー部２２の反射面２２ａ上にある。

光源部１０は、例えば、ＲＧＢ各色のレーザ素子を備えた構成で、レーザ駆動信号Ｓ_Ｌによるレーザ素子のＲＧＢ制御により必要な色のレーザ光を出射可能とすることができる。あるいは、指定の色を反射し、残りの可視スペクトルを透過させるダイクロイックミラーで合波させて必要な色のレーザ光を出射可能とすることもできる。

また、光源部１０は、例えば、レーザ駆動信号Ｓ_Ｌによる駆動パルス幅、駆動電流量等の制御により、発光強度を制御することができる。これらにより、光源部１０は、必要な色で必要な光強度のレーザ光Ｌ_１を走査制御部２０に向けて出射させることができる。

（走査制御部２０）
走査制御部２０は、図１、図２に示すように、レーザ光Ｌ_１を所定の方向に走査させる。走査制御部２０は、図１、図２に示すように、レーザ光Ｌ_１を反射させるＭＥＭＳ方式のミラー部２２を備えている。

走査制御部２０のミラー部２２は、半径方向ｒを含む２次元方向に走査可能である、例えば、ＭＥＭＳ方式のミラー、ガルバノミラー等が使用できる。本実施の形態では、ＭＥＭＳ方式のミラーを使用する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）は、機械要素部品、センサ、アクチュエータ、電子回路を一つのシリコン基板、ガラス基板、有機材料などの上に微細加工技術によって集積化したデバイスである。本実施の形態における走査制御部２０は、例えば、機械構造による２次元方向に揺動可能なミラー部２２と、ミラー部２２の２次元方向への駆動を行なう電子回路をチップ上に備えたハイブリッド構造である。

走査制御部２０の走査面は、光源部１０から出射されるレーザ光Ｌ_１の焦点位置に配置されている反射面２２aである。ここで、図３は、図１に示すＡ方向から走査制御部のＭＥＭＳミラー部を見たＡ矢視図である。図３は、図１で示したｘ、ｙ、ｚ軸で規定するｘｙｚ座標を、原点をＭＥＭＳミラー部の中心に平行移動させた、ｘ’ｙ’ｚ’座標とする。走査制御部２０は、反射面２２aに集光されたレーザ光Ｌ_１を、図３に示すように、半径方向のｘ’軸周りの角度α、スクリーン上方向のｙ’軸周りの角度βで、２次元方向に走査することができる。これにより、図１に示すように、走査角度α、βで２次元走査される走査光Ｌ_２が組み合わせ光学部３０に入射される。

光源部１０から出射されるレーザ光Ｌ_１は、ＭＥＭＳ駆動信号Ｓ_Ｍに基づく走査制御部２０により２次元方向に走査された走査光Ｌ_２とされる。この走査光Ｌ_２は、組み合わせ光学部３０でコリメート光Ｌ_３とされ、曲面反射部４０により反射されて、スクリーン１００に投影される。

図４は、図１に示すＢ方向から曲面反射部、スクリーンを見たＢ矢視図である。図４に示すように、スクリーン１００上の投影範囲１０１の内部に、光源部１０からの映像が表示される。走査制御部２０による２次元方向の走査角度の範囲は、上記の投影範囲１０１となるように、走査角度α、βが設定される。

（組み合わせ光学部３０）
組み合わせ光学部３０は、図１、図２に示すように、光軸方向ｚに移動可能とされている。組み合わせ光学部３０は、走査制御部２０で走査されたレーザ光Ｌ_２を平行光線であるコリメート光Ｌ_３に変換する。

組み合わせ光学部３０は、図１に示すように、例えば一対のレンズ３１、レンズ３２と、レンズ３１、レンズ３２を一体的にｚ軸方向に移動調整するフォーカス調整部３３、一方のレンズ３１を移動させてコリメート調整するコリメート調整部３４を有して構成されている。

組み合わせ光学部３０は、図１に示すように、組み合わせ光学部３０の入射側の焦点位置は、ミラー部２２の反射面２２ａ上とされている。後述する制御部５０からのフォーカス調整信号Ｓｆに基づいて、フォーカス調整部３３は、レンズ３１、レンズ３２を一体的にｚ軸方向に移動させることにより、組み合わせ光学部３０の入射側の焦点距離ｆがミラー部２２の反射面２２ａ上になるように調整、制御する。

組み合わせ光学部３０は、図１に示すように、組み合わせ光学部３０の出射側の光は、光軸に平行なコリメート光Ｌ_３である。制御部５０からのコリメート調整信号Ｓ_Ｃに基づいて、コリメート調整部３４は、組み合わせ光学部３０の出射側の光が光軸に平行なコリメート光Ｌ_３となるように、レンズ３１をｚ方向に移動させてレンズ３１とレンズ３２の間隔ｄを調整することによりコリメート調整する。

なお、組み合わせ光学部３０は、図１に示すように、像側テレセントリック光学系とされている。すなわち、組み合わせ光学部３０を出射したコリメート光Ｌ_３の主光線が、組み合わせ光学部３０のレンズ光軸に平行である。これにより、スクリーン１００上に投影された画像のディストーション等の収差が低減して、高画質の投影画像が表示できる。

（曲面反射部４０）
曲面反射部４０は、図１、図５に示すように、コリメート光Ｌ_３の光軸方向ｚと光軸方向ｚと直交する半径方向ｒの関係において所定の反射条件を満たして、組み合わせ光学部３０から出射するコリメート光Ｌ_３を反射させてスクリーン１００に投影する。

図５は、ミラー断面が満たす式を説明するための角度関係を示す図であり、ｚ軸とｘ軸を含むｚｘ平面における反射条件を示す図である。ここで、曲面反射部４０は、凹面形状の自由曲面ミラーであるとする。図５に示すように、コリメート光Ｌ_３は、曲面反射部４０の点Ｐ_１で反射し、スクリーン１００上の点Ｐ_２に投影される。

図５において、コリメート光Ｌ_３のｘ座標をｘ、曲面反射部４０（ミラー断面）の角度をθ、スクリーン１００上の点Ｐ_２のｘ座標を、−ｐｒとする。なお、ｐは、投影像の拡大率、スクリーン１００から曲面反射部４０（ミラー断面）までの距離をＬとする。

図５における計算では、以下のように、半径方向の距離ｒをｘ及びｙで、ｒ＝（ｘ^２＋ｙ^２）^１／２と規定して、ｚとｒの関係で計算を行なう。コリメート光Ｌ_３が曲面反射部４０の点Ｐ_１で反射し、反射光Ｌ_４がスクリーン１００上の点Ｐ_２に投影される場合の、反射の条件から、

となる。
（１）式において、

また、

であるから、
（１）式を順に変形して、

となることから、
ミラー断面（ｒ，z）が満たす式は、（２）式のようになる。

凹面形状の自由曲面ミラーである曲面反射部４０は、（２）式で表される曲線をｚ軸周りに１８０°回転させることで得られる曲面を反射面として有する。この反射面は、図４に示すような形状となる。

曲面反射部４０の形状は、図１に示すように、円錐の先端を丸めた形状の凹面形状である。これにより、省スペースの光学系である画像投影装置１が可能となる。

曲面反射部４０は、半径方向ｒを含む２次元方向に移動可能とされている。すなわち、曲面反射部４０は、図４に示すｘ軸方向またはｙ軸方向に移動可能とされている。このように、曲面反射部４０をスクリーン１００に平行な平面内（ｘｙ面内）を平行移動できる構造にする(もしくは平行光の向きを変える屈曲ミラーを設置し、屈曲ミラーを移動する)と、自由曲面ミラーである曲面反射部４０に入射する平行光が平行移動され、投影像が形を保ったまま平行移動することができる。なお、スクリーン１００の位置でのみ投影形状が保たれるのでスクリーン１００と曲面反射部４０との距離の変更はできない。

また、スクリーン１００と画像投影装置１が密着したときに正確に投影されるように投影距離Ｌを指定する。また、組み合わせ光学部３０の移動により焦点距離ｆを変更すれば、平行化される投影光の大きさが変更される。ただし、焦点がＭＥＭＳミラー部２２の反射面２２ａ上にあることが保たれる必要がある。

（制御部５０）
図２に示すように、画像投影装置１は、制御部５０を有し、レーザ発光部１１、ＭＥＭＳ制御部２１、フォーカス調整部３３、コリメート調整部３４と接続されている。制御部５０は、入力されるプロジェクタ信号Ｓ_Ｐに基づいて、レーザ発光部１１、ＭＥＭＳ制御部２１、フォーカス調整部３３、コリメート調整部３４を制御することにより、スクリーン１００上に画像を投影することができる。

制御部５０は、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工等を行うＣＰＵ、記憶部として半導体メモリであるＲＡＭ及びＲＯＭ等を備えるマイコンである。ＲＯＭには、例えば、制御部３０が動作するためのプログラムが格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果等を格納する記憶領域として用いられる。また、制御部５０は、レーザ発光部１１、ＭＥＭＳ制御部２１、フォーカス調整部３３、コリメート調整部３４を駆動するためのドライバ回路を備えていてもよい。

（画像投影装置１の動作）
制御部５０は、入力されるプロジェクタ信号Ｓ_Ｐに基づいて、レーザ発光部１１をレーザ駆動信号Ｓ_Ｌによりレーザ駆動して、レーザ光Ｌ_１を出射する。制御部５０は、レーザ光Ｌ_１の出射のタイミングに合わせて、ＭＥＭＳ制御部２１をＭＥＭＳ駆動信号Ｓ_Ｍにより駆動して、ミラー部２２を走査角度α、βで２次元走査する。ミラー部２２で反射して２次元走査されたレーザ光Ｌ_２は組み合わせ光学部３０でコリメート光Ｌ_３に変換される。このコリメート光Ｌ_３は、曲面反射部４０で反射されて、スクリーン１００上に画像として投影される。

なお、組み合わせ光学部３０における入射側の焦点位置調整は、制御部５０からのフォーカス調整信号Ｓｆに基づいて、予め調整しておく。また、同様に、組み合わせ光学部３０におけるコリメート光Ｌ_３の調整も、制御部５０からのコリメート調整信号Ｓ_Ｃに基づいて、予め調整しておく。また、組み合わせ光学部３０における入射側の焦点位置調整、コリメート光Ｌ_３の調整は、制御部５０からの信号によらずに、組み付け時に調整しておくことも可能である。

（本発明の実施の形態の効果）
本実施の形態に係る画像投影装置１は以下のような効果を有する。
（１）本実施の形態に係る画像投影装置１は、レーザ光Ｌ_１を収束光として出射する光源部１０と、レーザ光Ｌ_１を所定の方向に走査させる走査制御部２０と、走査制御部２０で走査されたレーザ光Ｌ_２をコリメート光Ｌ_３に変換する組み合わせ光学部３０と、コリメート光Ｌ_３の光軸方向ｚと光軸方向と直交する半径方向ｒの関係において所定の反射条件を満たして、組み合わせ光学部３０から出射するコリメート光Ｌ_３を反射させてスクリーン１００に投影する曲面反射部４０と、を有して構成されている。曲面反射部４０は、図４に示すｘ軸方向またはｙ軸方向に移動可能とされている。このように、曲面反射部４０をスクリーン１００に平行な平面内（ｘｙ面内）を平行移動できる構造にする(もしくは平行光の向きを変える屈曲ミラーを設置し、屈曲ミラーを移動する)ことにより、自由曲面ミラーである曲面反射部４０に入射する平行光が平行移動され、投影像が形を保ったまま平行移動することができる。したがって、プロジェクタ（画像投影装置１の全体）の位置を細かく移動させる必要がないという効果を有する。
（２）また、画像投影装置１は、曲面反射部４０を用いた折り返しの光学系として構成されており、画像投影装置１をスクリーン１００に密着させることができるので、投影のために確保するスペースが最小限で済むという効果を有する。
（３）曲面反射部４０の形状を、図１に示すように、円錐の先端を丸めた形状の凹面形状とすることにより、省スペースの光学系とすることができ、投影のために確保するスペースが最小限で済むという効果を有する。
（４）また、上記のように、画像投影装置１をスクリーン１００に密着させることができるので、レーザ光が目に入るリスクが低減するという効果も有する。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…画像投影装置、１０…光源部、１１…レーザ発光部、１２…集光レンズ、２０…走査制御部、２１…ＭＥＭＳ制御部、２２…ミラー部、２２ａ…反射面、３０…組み合わせ光学部、３１、３２…レンズ、３３…フォーカス調整部、３４…コリメート調整部、４０…曲面反射部、５０…制御部、１００…スクリーン、１０１…投影範囲、Ｌ_１…レーザ光、Ｌ_２…走査光、Ｌ_３…コリメート光、Ｌ_４…反射光 _、Ｓ_Ｐ…プロジェクタ信号、Ｓ_Ｌ…レーザ駆動信号、Ｓ_Ｍ…ＭＥＭＳ駆動信号、Ｓｆ…フォーカス調整信号、Ｓ_Ｃ…コリメート調整信号

Claims (7)

1. レーザ光を収束光として出射する光源部と、
   前記レーザ光を所定の方向に走査させる走査制御部と、
   前記走査制御部で走査された前記レーザ光をコリメート光に変換する組み合わせ光学部と、
   前記コリメート光の光軸方向ｚと前記光軸方向と直交する半径方向ｒの関係において所定の反射条件を満たして、前記組み合わせ光学部から出射する前記コリメート光を反射させてスクリーンに投影する曲面反射部と、
   を有する、画像投影装置。
2. 前記走査制御部の走査面は、前記光源部から出射される前記レーザ光の焦点位置に配置されている反射面である、請求項１に記載の画像投影装置。
3. 前記走査制御部は、前記半径方向ｒを含む２次元方向に走査可能である、請求項１又は２に記載の画像投影装置。
4. 前記走査制御部は、ＭＥＭＳ方式のミラーを備えて構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の画像投影装置。
5. 前記組み合わせ光学部は、前記光軸方向ｚに移動可能とされている、請求項１から４のいずれか１項に記載の画像投影装置。
6. 前記曲面反射部は、前記半径方向ｒを含む２次元方向に移動可能とされている、請求項１から５のいずれか１項に記載の画像投影装置。
7. 前記曲面反射部は、凹面形状の自由曲面ミラーである、請求項１から６のいずれか１項に記載の画像投影装置。

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