JP4155890B2

JP4155890B2 - プロジェクタ、プロジェクタの傾斜角度取得方法及び投影像補正方法

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Application number: JP2003275004A
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Inventors: 秀昭井上
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Description

本発明は、プロジェクタ、プロジェクタの傾斜角度取得方法及び投影像補正方法に関する。

プロジェクタ（投写装置）は、スクリーン５２上に映像を表示させるための装置である。図１６（１）に示すように、プロジェクタ５１は、スクリーン５２に向けて光を投射して、スクリーン５２上に像を結像させる。

図１６（１）に示すように、プロジェクタ５１が地平面に対して傾かず、また、スクリーン５２も地平面に対して垂直であれば、映像は歪まずにスクリーン５２に表示される。

しかし、図１６（２）に示すように、プロジェクタ５１が地平面に対して傾斜角度θ_V0だけ傾いた場合、スクリーン５２に結像した像は歪む。このため、従来のプロジェクタ５１として、内部に加速度センサが設置され、加速度センサが、地平面に対するプロジェクタ５１の傾斜角度θ_V0を検出し、この傾斜角度θ_V0に基づいて台形補正を行うようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

図１６（２）に示すように、光軸に対して垂直である理想的なスクリーン５２に像を投影すれば、台形補正は不要である。
しかし、実際にスクリーン５２を設置する場合、スクリーン５２は、地平面に対してほぼ垂直になることが多い。

台形補正の補正量を決定するために必要な角度は、プロジェクタ５１の地平面との傾斜角度θ_V0ではなく、スクリーン５２の垂直軸との傾斜角度θ_S0である。傾斜角度θ_V0とθ_S0とが等しければ、プロジェクタ５１内の加速度センサが検出した傾斜角度θ_V0を、スクリーン５２と垂直軸とのなす傾斜角度θ_S0とみなして台形補正を行うことができる。

従来のプロジェクタ５１は、このようにして、図１７（１）に示すような歪んだ映像の輪郭形状が、図１７（２）に示すような輪郭形状になるように補正している。
特開２００１−３３９６７１号公報（第３頁、図１）

しかし、このような従来のプロジェクタ５１では、以下のような問題点がある。
まず、第１に、前述の通り、映像の台形補正に必要な傾斜角度は、スクリーン５２の傾斜角度θ_S0である。従って、傾斜角度θ_V0を検出しても、図１８に示すように、実際のスクリーン５２が理想的なスクリーン５２よりも更に傾斜角度−θ_S0だけ傾斜している場合、この傾斜角度θ_S0を正確に検出できなければ、正確に台形補正を行うことはできない。さらに、この図１８に示すように、傾斜角度θ_S0の正負が逆になると、傾斜角度θ_V0を傾斜角度θ_S0とみなして台形補正を行うような従来のプロジェクタ５１では、効果が逆になってしまう。

第２に、従来のプロジェクタ５１は、地平面に対して水平方向のプロジェクタ５１の傾斜角度θ_H0を無視している。しかし、実際には、図１９に示すように、傾斜角度θ_H0は存在しうる。加速度センサは、投影光の光軸に対するスクリーン５２の傾斜角度θ_H0を検出することはできないため、加速度センサを用いた従来のプロジェクタ５１では、傾斜角度θ_H0に対する映像の台形補正を正確に行うことができない。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、スクリーン上に結像した投影像の補正を正確に行うことが可能なプロジェクタ、プロジェクタの傾斜角度取得方法及び投影像補正方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るプロジェクタは、
スクリーン面に投影光を投射して投影像を結像させるプロジェクタにおいて、
ｘ、ｙ、ｚ軸の３次元座標系のｚ軸を、前記スクリーンを傾斜させる前の理想スクリーンに垂直な軸、互いに交差する方向を、それぞれ、ｘ軸方向、ｙ軸方向として、前記ｘ軸方向の前記スクリーン面上における測定線上の複数の測距点、前記ｙ軸方向の前記スクリーン面上における測定線上の複数の測距点までの距離を、それぞれ、前記投影光の投射側から計測し、計測した結果の各測距データを出力する複数の測距部と、
前記理想スクリーンに対して前記投影光の光源を傾斜させた場合のｘ、ｙ軸方向の傾斜角度を、前記光源をｘ軸を回転軸として傾斜させてからｙ軸を回転軸として傾斜させた場合の傾斜角度としたときに、前記理想スクリーンに対する実際のスクリーンのｘ、ｙ軸方向の傾斜角度を、前記実際のスクリーンをｙ軸を回転軸として傾斜させてからｘ軸を回転軸として傾斜させた場合の傾斜角度として、前記理想スクリーンに対する前記投影光の光源のｘ、ｙ軸方向の傾斜角度と前記実際のスクリーンのｘ、ｙ軸方向の傾斜角度とを一致させ、前記複数の測距部がそれぞれ出力した複数の測距データに基づいて、前記投影光の光軸に対して前記理想スクリーン面と前記各測定線とのそれぞれの角度を求め、求めた各角度に基づいて、前記投影光の光軸の前記スクリーン面に対する傾斜角度を取得する角度取得部と、
ズーム制御を行うとともに、ズーム倍率の情報を取得する光学機構部と、
前記角度取得部が取得した前記光軸の前記スクリーン面に対する傾斜角度と前記光学機構部が取得したズーム倍率とに基づいて、前記スクリーン面に結像した投影像の歪みを補正する補正部と、
前記補正部が補正した投影像を投影光に変換して前記スクリーン面に投射する投影部と、を備えたものである。

また、本発明の第２の観点に係るプロジェクタの傾斜角度取得方法は、
スクリーンに投影光を投射するプロジェクタの光軸の前記スクリーン面に対する傾斜角度を取得するプロジェクタの傾斜角度取得方法であって、
ｘ、ｙ、ｚ軸の３次元座標系のｚ軸を、前記スクリーンを傾斜させる前の理想スクリーンに垂直な軸、互いに交差する方向を、それぞれ、ｘ軸方向、ｙ軸方向として、前記ｘ軸方向の前記スクリーン面上における測定線上の複数の測距点、前記ｙ軸方向の前記スクリーン面上における測定線上の複数の測距点までの距離を、それぞれ、前記投影光の投射側から計測する測距ステップと、
前記理想スクリーンに対して前記投影光の光源を傾斜させた場合のｘ、ｙ軸方向の傾斜角度を、前記光源をｘ軸を回転軸として傾斜させてからｙ軸を回転軸として傾斜させた場合の傾斜角度としたときに、前記理想スクリーンに対する実際のスクリーンのｘ、ｙ軸方向の傾斜角度を、前記実際のスクリーンをｙ軸を回転軸として傾斜させてからｘ軸を回転軸として傾斜させた場合の傾斜角度として、前記理想スクリーンに対する前記投影光の光源のｘ、ｙ軸方向の傾斜角度と前記実際のスクリーンのｘ、ｙ軸方向の傾斜角度とを一致させ、前記計測した結果の複数の測距データに基づいて、前記光軸と前記投影光が投射されたスクリーン面との位置関係を示すスクリーン式を求めるスクリーン式取得ステップと、
求めた前記スクリーン式に基づいて、前記光軸に対するスクリーン面の傾斜角度を取得する傾斜角度取得ステップと、を備えたものである。

前記スクリーン式取得ステップは、前記プロジェクタと前記スクリーンとが存在する空間に、前記スクリーンに垂直に交差する垂直軸をz軸としてｘ，ｙ，ｚ軸が互いに直交する３次元直交座標系を設定し、各係数をａ，ｂ，ｃとして前記スクリーン式を数８で表し、前記計測ステップにおいて距離を計測して得られた複数の測距点の座標（ｘi，ｙi，ｚi）を数８のｘ，ｙ，ｚに代入し、その結果得られた数９の連立方程式から、数１０に従って値ｓ_０乃至ｓ_８を求め、数１１に従って前記数８に示す係数ａ，ｂ，ｃを求め、求めた前記係数ａ，ｂ，ｃを数８に代入することにより、数８に示す前記スクリーン式を求めるステップであり、
前記傾斜角度取得ステップは、前記スクリーン式取得ステップにおいて求めた数８に示すスクリーン式と、ｙ軸を回転軸として前記スクリーンを傾斜角度θＨだけ回転させ、ｘ軸を回転軸として前記スクリーンを傾斜角度θＶだけ回転させたときの前記スクリーン上の点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）の関係を示す数１２の関係式と、に基づいて前記傾斜角度θＨ、θＶを取得するステップであってもよい。

前記角度取得ステップにおいて求めた各角度を前記プロジェクタの光軸の前記スクリーン面に対する傾斜角度に読み替える角度読替ステップを備えてもよい。

前記計測ステップは、前記測定線を水平方向、垂直方向の２つの測定線とし、各測定線の測定点をそれぞれ２つとして、前記スクリーン上の２つの測定線上のそれぞれ２つの測距点までの距離を計測するステップであり、
前記角度取得ステップは、前記計測ステップにおいて距離を計測した各測定線上の２つの測距点と前記プロジェクタとの間の距離を、それぞれ、ＤＬ、ＤＨとして、前記プロジェクタと前記各測距点とを結ぶ線と、前記プロジェクタの光軸と、の間の角度をθwとし、前記プロジェクタの光軸に対して垂直の理想スクリーン面と前記距離を計測した結果得られた前記スクリーン面上の前記２つの測定線とのそれぞれの角度θsを、数１３に従って求めるステップであり、
前記角度読替ステップは、一方の測定線上の２つの測距点までの距離を計測することによって得られた角度θsをθAとし、他方の測定線上の２つの測距点までの距離を計測することによって得られた角度θsをθBとして、前記角度θA，θBを、数１４に従って、前記プロジェクタの光軸の前記スクリーン面に対する水平方向の傾斜角度θH、垂直方向の傾斜角度θVに読み替えるステップであってもよい。

プロジェクタからスクリーンに光を投射して前記スクリーン上に結像した投影像の歪みを補正するプロジェクタの投影像補正方法であって、
ｘ、ｙ、ｚ軸の３次元座標系のｚ軸を、前記スクリーンを傾斜させる前の理想スクリーンに垂直な軸、互いに交差する方向を、それぞれ、ｘ軸方向、ｙ軸方向として、前記ｘ軸方向の前記スクリーン面上における測定線上の複数の測距点、前記ｙ軸方向の前記スクリーン面上における測定線上の複数の測距点までの距離を、それぞれ、前記投影光の投射側から計測する測距ステップと、
前記理想スクリーンに対して前記投影光の光源を傾斜させた場合のｘ、ｙ軸方向の傾斜角度を、前記光源をｘ軸を回転軸として傾斜させてからｙ軸を回転軸として傾斜させた場合の傾斜角度としたときに、前記理想スクリーンに対する実際のスクリーンのｘ、ｙ軸方向の傾斜角度を、前記実際のスクリーンをｙ軸を回転軸として傾斜させてからｘ軸を回転軸として傾斜させた場合の傾斜角度として、前記理想スクリーンに対する前記投影光の光源のｘ、ｙ軸方向の傾斜角度と前記実際のスクリーンのｘ、ｙ軸方向の傾斜角度とを一致させ、前記計測した結果の複数の測距データに基づいて、前記プロジェクタの光軸に対して垂直の理想スクリーン面と前記各測定線とのそれぞれの角度を取得する角度取得ステップと、
前記角度取得ステップにおいて求めた各角度を前記プロジェクタの光軸の前記スクリーン面に対する傾斜角度に読み替える角度読替ステップと、
ズーム制御を行うとともに、ズーム倍率の情報を取得するズーム制御ステップと、
前記角度取得部が取得した前記光軸の前記スクリーン面に対する傾斜角度と前記取得したズーム倍率とに基づいて、前記スクリーン面に結像した投影像の歪みを補正する補正ステップと、を備えたものである。

本発明によれば、スクリーン上に結像した投影像の補正を正確に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態に係るプロジェクタを図面を参照して説明する。
（実施形態１）

本発明の実施形態１に係るプロジェクタの構成を図１に示す。
実施形態１に係るプロジェクタ１は、スケーラ１１と、台形補正部１２と、光変調部１３と、投影レンズ１４と、光学メカ部１５と、スクリーン角度センサ部１６と、を備えて構成される。

スケーラ１１は、映像信号の解像度を調整するものである。
台形補正部１２は、スケーラ１１が解像度を補正した映像信号に対して、台形補正を行うものである。

台形補正部１２は、スクリーン角度センサ部１６から供給されたスクリーン３１の面の傾斜角度θ_V，θ_Hに基づいて、スクリーン３１に投影された補正前の投影像の内側に、補正後の投影像の位置及び形状を設定し、時間連続的に映像信号を射影変換することにより、台形補正を行う。傾斜角度θ_Vは、投影光の光軸に対し、スクリーン３１の垂直方向の角度であり、傾斜角度θ_Hは、スクリーン３１の水平方向の角度である。

台形補正部１２は、傾斜角度θ_V，θ_Hと投影像の補正量との変換テーブルに従って、投影像の補正量を求め、補正後映像信号を出力する。変換テーブルを用いる場合、台形補正部１２は、メモリを備え、予め作成された変換テーブルをメモリに記憶する。但し、台形補正部１２は、傾斜角度θ_V，θ_Hが供給される毎に、スクリーン平面の式を用いて台形補正を行うように構成されることもできる。なお、変換テーブルを作成する際には、（１）傾斜角度θ_V，θ_H，ズーム倍率から補正前四角形の形状を計算する。（２）補正前四角形の内側に補正後四角形を決定しその座標を計算する。（３）補正後四角形の座標から元の座標を求める座標逆変換の計算をする。これで変換の形状が決定する。（４）逆変換された座標から回路パラメータを計算する。（予めこのパラメータを計算して記憶したものが変換テーブルである。）また、変換テーブルを用いない場合は、適宜（１）〜（４）を行うことでも同様な動作が可能となる。

光変調部１３は、台形補正部１２の出力である補正後映像信号を投影光に変換するものである。尚、光変調部１３には、例えば、透過型または反射型の液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子が用いられる。

投影レンズ１４は、光変調部１３が補正後映像信号を光に変換した像を、スクリーン３１の面に結像させるためのものである。

光学メカ部１５は、スクリーン角度センサ部１６が検出した傾斜角度θ_V，θ_Hに基づいて、投影レンズ１４のフォーカス制御等を行うものである。尚、プロジェクタ１がズーム機構付きのものである場合、光学メカ部１５は、ズーム制御も行い、ズーム倍率の情報を台形補正部１２に供給する。プロジェクタ１におけるズーム倍率とは、投影距離と投影像の大きさとの比に定数を掛けたものをいう（ズーム倍率 ∝ 投影像横幅 ÷ 投影距離＝ 2 × tan半画角）。

ズーム可変範囲が広い場合は、ズーム倍率による台形補正の補正量の変化も大きく、その変化も無視できなくなるため、台形補正部１２は、光学メカ部１５から供給されたズーム倍率も含めて台形補正を行う。

但し、プロジェクタ１がズーム機構を備えていない場合、あるいは、ズーム機構を備えていてもズーム可変範囲が狭ければ、台形補正部１２は、ズーム倍率を一定とみなして、台形補正を行う。

スクリーン角度センサ部１６は、プロジェクタ１が投射する光の光軸に対するスクリーン３１の面の傾斜角度θ_V，θ_Hを検出するものであり、測距センサ２１と、制御部２２と、角度演算部２３と、を備える。

測距センサ２１は、スクリーン３１上の複数の測距点との距離を計測し、計測した結果の測距データを出力するものである。尚、測距センサ２１は、スクリーン３１上の複数の測距点として、少なくとも３つの測距点を測れるものであればよい。また、測距センサ２１は、アクティブ式のものであってもよいし、パッシブ式のものであってもよい。

制御部２２は、プロジェクタ１とスクリーン３１上の複数の点との距離を計測するように、測距センサ２１を制御するものである。尚、制御部２２は、測距するとき、スクリーン３１上に赤外光のスポット（アクティブ式の場合）または、所定の画像パタン（パッシブ式の場合）を投影する。

角度演算部２３は、測距センサ２１が計測したスクリーン３１上の複数の測距点までの測距データに基づいて、スクリーン３１の傾斜角度θ_H、傾斜角度θ_Vを求めるものである。この角度演算部２３は、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）又はコンピュータによって構成される。角度演算部２３は、図２に示すように、スクリーン式算出部２４と、傾斜角度算出部２５と、を備える。

スクリーン式算出部２４は、複数の測距データに基づいて、スクリーン３１のスクリーン平面の式を求めるものであり、傾斜角度算出部２５は、スクリーン式算出部２４が求めたスクリーン平面の式に基づいて、スクリーン３１の傾斜角度θ_V，θ_Hを求めるものである。

ここで、座標系の原点をプロジェクタ１の中心に設定した場合とスクリーン３１の平面に設定した場合との傾斜角度θ_V，θ_Hについて説明する。尚、座標系は、ｘ，ｙ，ｚ軸からなる３次元直交座標系とする。

まず、座標系の原点を、図３に示すように、プロジェクタ１の中心に設定する。スクリーン３１は、ｚ軸に垂直で、且つ、ｘ軸とｙ軸とに平行であれば、ｚ＝ｄ（ｄ＞０）に存在する。尚、図３〜図７では、投影レンズ１４の入射瞳位置が座標系の原点に一致するように描いてある。

次に、スクリーン３１を傾斜させずに、ｚ＝ｄの面に存在するものとして、プロジェクタ１を傾斜させた場合について考える。
この際、注意すべきことは、プロジェクタ１を傾斜させる順序である。プロジェクタ１を傾斜させる場合、まず、図４に示すように、ｘ軸を回転軸として、プロジェクタ１を傾斜角度θ_V1だけ傾ける。次に、図５に示すように、ｙ軸を回転軸として、プロジェクタ１を傾斜角度θ_H1だけ傾ける。ただし図５のｚ'軸は、ｙ軸を回転軸としてｚ軸を傾斜角度θ_H1だけ傾けたものであり、プロジェクタ１の投影光の光軸は、範囲ｚ＞０でｚ'軸の真上にある。

尚、図４と図５とに示す傾斜角度θ_V1は、ｘ軸を回転軸としてプロジェクタ１を回転させた場合のプロジェクタ１の投影光の光軸とｚ軸との角度、図５に示す傾斜角度θ_H1は、さらにｙ軸を回転軸としてプロジェクタ１を回転させた場合のプロジェクタ１の投影光の光軸の、真上からｚ−ｘ面への写像であるｚ'軸とｚ軸との角度を示す。

図６と図７とに示すように、回転の順番を逆にして、ｙ軸を回転軸として、プロジェクタ１を傾斜角度θ_H2だけ傾けた後に、ｘ'軸を回転軸として、プロジェクタ１を傾斜角度θ_V2だけ傾けた場合、傾斜角度θ_H1とθ_H2、傾斜角度θ_V1とθ_V2との値は同じになる。
但し、ｙ軸を回転軸として最初に回転させると、図６に示すように、その次に、プロジェクタ１を回転させる回転軸は、ｙ軸を回転軸としてｘ軸を傾斜角度θ_H2だけ傾けたｘ’軸となる。

この図６と図７とを参照すると、回転の順序を逆にしてもその回転軸に注意さえすれば、同じ状態を表すことは可能である。

尚、図７において、ｄは、プロジェクタ１の中心点からスクリーン３１までの距離を示す。プロジェクタ１を回転させた後に投影光がスクリーン３１に投影されるとき、補正前四角形ａ'ｂ'ｃ'ｄ'は台形補正部１２で台形補正を行わなかった場合の投影像を示し、補正後四角形ｐ'ｑ'ｒ'ｓ'は台形補正部１２で台形補正を行った場合の投影像を示す。

図７に示すように、台形補正部１２が台形補正を行うことにより、補正前四角形ａ'ｂ'ｃ'ｄ'は、補正後四角形ｐ’ｑ’ｒ’ｓ’に変換される。

また、点ｔは、最初にｙ軸を回転軸としてプロジェクタ１を傾斜角度θ_H2だけ回転させた場合のプロジェクタ１の光軸とスクリーン３１との仮の交点を示す。点ｕは、最初にｘ軸を回転軸としてプロジェクタ１をθ_V1だけ回転させた後、ｙ軸を回転軸としてプロジェクタ１を傾斜角度θ_H1だけ回転させた場合のプロジェクタ１の光軸とスクリーン３１との実際の交点を示す。点ｖは、四角形ｐ'ｑ'ｒ'ｓ'の２つの対角線の交点を示す。

この図７に示すように、点ｕは、図中、仮の交点である点ｔの真上に位置し、点ｖは、図中、点ｕのさらに上に存在するため、傾斜角度をθ_H2,θ_V2とした方が分かり易くなる。

次に、プロジェクタ１を傾斜させずに、スクリーン３１を傾斜させた場合について考える。

図８は、スクリーン３１を傾斜させる前の状態を示す。尚、ここでは、分かり易いように、座標系の原点をスクリーン３１上の点Ｏとして、座標系を図８に示すように設定する。またさらに分かり易いように、点Ｏはプロジェクタ１の投影光の光軸とスクリーン３１との交点として描かれている。

この場合、スクリーン平面の式は、ｚ＝０となる。
図９に示すように、スクリーン３１を、ｙ軸を回転軸として傾斜角度θ_Hだけ回転させると、スクリーン３１の面は、次の数１５によって表される。

さらに、図１０に示すように、スクリーン３１を、ｘ軸を回転軸として傾斜角度θ_Vだけ回転させると、数１５の式は、次の数１６になる。

ここで重要なのは、回転の順序である。回転の順序を、プロジェクタ１を回転する図３〜図５に示す順序とは逆にする必要がある。即ち、図９及び図１０に示すように、最初にｙ軸を回転軸としてスクリーン３１を、傾斜角度θ_Hだけ回転させ、次にｘ軸を回転軸として、スクリーン３１を、傾斜角度θ_Vだけ回転させる。

このようにすることにより、数１６の傾斜角度θ_V，θ_Hは、図６と図７とに示す傾斜角度θ_H1，θ_V1と一致する。即ち、座標系の原点をプロジェクタ１の中心に設定してプロジェクタ１を傾斜させた場合であっても、また、座標系の原点をスクリーン３１の平面に設定してスクリーン３１を傾斜させた場合であっても、プロジェクタ１の傾斜角度θ_H1，θ_V1と、スクリーン３１の傾斜角度θ_V，θ_Hとは一致する。

次に、スクリーン３１上の測距点までの測距データに基づいて、傾斜角度θ_V，θ_Hを求める方法について説明する。
スクリーン３１のスクリーン平面の式は、次の数１７によって表される。尚、座標系を、プロジェクタ１の中心点を原点とするｘ，ｙ，ｚ軸からなる３次元直交座標とする。

予め設定された方向情報と複数の測距データとがあれば、スクリーン３１上の測距点の３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）が得られる。方向情報と測距データとの組が３であれば３つの３次元座標（ｘ１，ｙ１，ｚ１），（ｘ２，ｙ２，ｚ２），（ｘ３，ｙ３，ｚ３）が得られる。

この場合、数１７に基づいて、３次元連立方程式が成立する。この連立方程式を解くことにより、数１７の係数ａ，ｂ，ｃを得ることができる。尚、係数ｃは、ｚ軸方向の平行移動を意味するため、係数ｃの計算は不要である。

数１６と数１７とを比較すると、係数ａ，ｂは、次の数１８によって表される。

この数１８によれば、傾斜角度θ_V，θ_Hは、次の数１９によって表されることになる。

この数１９に従って、傾斜角度θ_V，θ_Hを求めることができる。

次に、複数の測距データに基づいて、傾斜角θ_V，θ_Hを求める具体的な方法について説明する。
複数の測距データに基づいて傾斜角度θ_V，θ_Hを求めるには、
（１）距離情報から測距点の座標を求め、（２）測距点の座標からスクリーン平面の式を求め、（３）スクリーン平面の式に基づいて傾斜角度θ_V，θ_Hを求める。この内容を順に説明する。

（１）距離情報から測距点の座標を求める。
図１１（１）に示すように、予め設定された測距センサ２１の投光点の座標を（ｘ０，ｙ０，ｚ０）、測距センサ２１の投光方向の方向余弦を、図１１（２）に示すように、ｌ，ｍ，ｎとすると、測距点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、次の数２０によって表される。尚、図中、Ｌは、測距データから換算された距離を示す。また投光点とはアクティブ型測距センサの発光点のことである。

（２）測距点の座標から、光を投射したスクリーン３１のスクリーン平面の式を求める。
測距点が３つの場合、３つの３次元座標を（ｘ１，ｙ１，ｚ１），（ｘ２，ｙ２，ｚ２），（ｘ３，ｙ３，ｚ３）とすると、数１７に示すスクリーン平面の式から、次の数２１によって表される連立方程式が成立する。

この数２１の連立方程式を解くと、係数ａ，ｂ，ｃは、次の数２２によって表される。

尚、測距点が３つを越える場合、最小二乗法を用いてスクリーン平面の近似解を求める。
この場合、測距点の座標を（ｘi，ｙi，ｚi）とすると、まず、次の数２３に従って、Ｓ0，・・・，Ｓ8を求める。

測距点が３つを越える場合のスクリーン平面の式は、数２３で求めたＳ0，・・・，Ｓ8により、次の数２４によって表される。

この数２４を、係数ａ，ｂ，ｃについて解くと、係数ａ，ｂ，ｃは、次の数２５によって表される。

但し、測距点が３つの場合、数２４の式を解くことは、数２１の連立方程式を解くことに等しい。

（３）傾斜角度θ_V，θ_Hを求める。
傾斜角度θ_V，θ_Hは、前述の数１９を用いて求められる。

このようにして、数１９乃至２５を用いて、複数の測距データに基づいて、傾斜角度θ_V，θ_Hを求めることができる。

スクリーン式算出部２４は、数２０乃至２５に従って、係数ａ，ｂを求め、求めた係数ａ，ｂを傾斜角度算出部２５に供給する。
傾斜角度算出部２５は、供給された係数ａ，ｂを用い、数１９に従って、スクリーン３１の傾斜角度θ_V，θ_Hを求める。角度演算部２３は、傾斜角度算出部２５が求めた傾斜角度θ_V，θ_Hを台形補正部１２に供給する。

尚、角度演算部２３は、数１９乃至２５に従って、予め、傾斜角度θ_V，θ_Hを求めておくように構成されることもできる。この場合、傾斜角度算出部２５は、メモリを備え、数１９乃至２５に従って、予め作成された複数の測距データと傾斜角度θ_V，θ_Hとの変換テーブルをメモリに記憶する。

次に、実施形態１に係るプロジェクタ１の動作を説明する。
スクリーン角度センサ部１６の測距センサ２１は、制御部２２によって制御されて、スクリーン３１の複数の測距点までの距離を計測する。測距センサ２１は、距離を計測した結果の測距データを角度演算部２３に供給する。

角度演算部２３のスクリーン式算出部２４は、前述のように、数２０乃至２５に従って、係数ａ，ｂを求め、傾斜角度算出部２５は、この係数ａ，ｂを用い、数１９に従ってスクリーン３１の傾斜角度θ_V，θ_Hを求める。

角度演算部２３は、傾斜角度算出部２５が求めた傾斜角度θ_V，θ_Hを台形補正部１２に供給する。

このようにして、傾斜角度θ_V，θ_Hが台形補正部１２に供給されると、スケーラ１１は、映像信号の解像度を調整し、この映像信号を台形補正部１２に供給する。

この映像を図１２（１）に示すような四角形ａｂｃｄとすると、台形補正部１２は、スクリーン角度センサ部１６から供給された傾斜角度θ_V，θ_Hに基づいて、この四角形ａｂｃｄに対して台形補正を行う。

台形補正部１２は、スクリーン平面の式を用いて求められた傾斜角度θ_V，θ_Hと投影像の補正量との変換テーブルを用いて、供給された傾斜角度θ_V，θ_Hから投影像の補正量を求める。

但し、前述のように、台形補正部１２は、変換テーブルを用いずに、傾斜角度θ_V，θ_Hが供給される毎に、台形補正を行うこともできる。

そして、台形補正部１２は、スクリーン３１に投影された投影像から、求めた補正量に基づいて補正後の投影像の位置及び形状を決定し、時間連続的に映像信号を射影変換することにより、台形補正を行う。

台形補正部１２が台形補正を行った結果、図１２（１）及び（３）に示す四角形ａｂｃｄは、図１２（３）に示す四角形ｐｑｒｓに補正される。

光変調部１３は、台形補正部１２で補正された図１２（３）に示す四角形ｐｑｒｓの補正後映像信号を投影光に変換する。光変調部１３で変換された投影光は傾斜角度θ_V，θ_H傾いたスクリーン３１に投射されることにより台形補正後の投影像、即ち、図１２（２）に示す補正後四角形ｐ'ｑ'ｒ'ｓ'になる。尚、図１２（２）に示す補正前四角形ａ'ｂ'ｃ'ｄ'は、台形補正部１２で台形補正を行わない場合の投影像である。

プロジェクタ１がズーム機構を有するものであれば、光学メカ部１５は、ズーム制御を行い、台形補正部１２にズーム倍率の情報を供給する。この場合、台形補正部１２は、傾斜角度θ_V，θ_Hとズーム倍率とに基づいて台形補正を行う。

プロジェクタ１は、図１２（３）に示す四角形ｐｑｒｓを、投影レンズ１４を介してスクリーン３１上に投射すると、図１２（２）に示すような四角形ｐ’ｑ’ｒ’ｓ’がスクリーン３１上に結像する。

以上説明したように、実施形態１によれば、測距センサ２１を利用して、スクリーン３１上の複数の測距点までの距離を計測し、その測距データに基づいて、スクリーン平面の式を求め、傾斜角度θ_V，θ_Hを求めるようにした。

従って、加速度センサを用いずに、傾斜角度θ_H、θ_Vを取得することができ、地平面に対するスクリーン３１の傾斜角度を求めなくても台形補正を行うことができる。また、スクリーン３１が光軸に対して水平方向に傾斜している場合、水平方向と垂直方向とに傾斜しているスクリーン３１に光を投射した場合であっても、台形補正を正確に行うことができる。
（実施形態２）

実施形態２に係るプロジェクタは、それぞれ、スクリーンの水平方向、垂直方向の複数の測距点までの距離を計測する２つの測距センサを備えて、傾斜角度を求めるように構成されたものである。

実施形態２に係るプロジェクタ１の構成を図１に示す。
実施形態２に係るプロジェクタ１は、測距センサとして、図１３（ａ），（ｂ）に示すような測距センサ２１Ａと測距センサ２１Ｂとを備える。

測距センサ２１Ａ，２１Ｂは、ともに、複数の方向の距離の計測が可能なマルチ測距機能を有する位相差方式のセンサであり、例えば、ＡＦモジュールによって構成される。

測距センサ２１Ａ，２１Ｂは、図１３（ａ）に示すように、投影レンズ１４の近傍に、それぞれの中心線Ｃa，Ｃbが直交するように配置される。そして、測距センサ２１Ａ，２１Ｂは、それぞれ、中心線Ｃa，Ｃbの複数の測距点までの複数の距離を計測する。

尚、図１３（ｂ）に示すように、測距センサ２１Ａ，２１Ｂのプロジェクタ１の投影光の光軸に対する仰角をθpとする。但し、仰角θpは、正の値だけでなく、負の値であってもよいし、また、０であってもよい。

実施形態２に係る角度演算部２３は、図１４に示すように、傾斜角度算出部２５と、角度読替部２６と、を備える。
実施形態２に係る傾斜角度算出部２５は、測距センサ２１Ａ，２１Ｂがそれぞれ計測した結果の測距データに基づいて、傾斜角度θ_A、θ_Bを算出するものである。傾斜角度θ_A、θ_Bは、それぞれ、中心線Ｃa，Ｃbに対するスクリーン３１の面の傾斜角度である。

中心線Ｃa，Ｃb上の複数の測距点までの距離を計測できれば、この方向のスクリーン３１の傾斜角度を求めることができる。
この傾斜角度を求める原理を図１５に基づいて説明する。
プロジェクタ１の投影光の光軸に対するスクリーン３１の傾斜角度θsは、次の数２６によって表される。

但し、ＤＲ：プロジェクタ１と測定線上の測距点ｐ１との間の距離
ＤＬ：プロジェクタ１と測定線上の測距点ｐ２との間の距離
θw：プロジェクタ１の投影光の光軸と測距点ｐ１との間の角度及び光軸と点ｐ２との間の角度

測距センサ２１Ａの計測結果から得られた傾斜角度θsをθ_A、測距センサ２１Ｂの計測結果から得られた傾斜角度θsをθ_Bとする。測距センサ２１Ａ，２１Ｂは、それぞれの中心線Ｃa，Ｃbが直交するように配置されるため、測距センサ２１Ａ，２１Ｂの測定線も直交する。従って、傾斜角度θ_A，θ_Bに基づいて、次の数２７から、傾斜角度θ_V，θ_Hを求めることができる。

傾斜角度算出部２５は、数２６に従って角度θ_A，θ_Bを求め、角度読替部２６は、数２７に従って傾斜角度θ_V，θ_Hを求める。

角度読替部２６は、数２７に従って、傾斜角度算出部２５が算出した傾斜角度θ_A，θ_Bを、それぞれ、傾斜角度θ_H、θ_Vに読み替えることにより、傾斜角度θ_V，θ_Hを求める。
角度演算部２３は、角度読替部２６が読み替えた傾斜角度θ_V，θ_Hを台形補正部１２に供給する。

次に、実施形態２に係るプロジェクタ１の動作を説明する。
制御部２２は、測距センサ２１Ａを制御して、水平方向の複数の測距点までの距離を計測させる。

また、制御部２２は、測距センサ２１Ｂを制御して、垂直方向の複数の測距点までの距離を計測させる。

測距センサ２１Ａ，２１Ｂは、計測した測距点までの距離を計測した結果の測距データを角度演算部２３に供給する。

角度演算部２３の傾斜角度算出部２５は、測距センサ２１Ａ，２１Ｂがそれぞれ計測した結果の測距データに基づいて、数２６から、傾斜角度θ_A、θ_Bを算出する。
角度読替部２６は、傾斜角度θ_A、θ_Bから、数２７に従って読み替えを行い、傾斜角度θ_V，θ_Hを求める。

そして、角度演算部２３は、角度読替部２６が読み替えた傾斜角度θ_V，θ_Hを台形補正部１２に供給する。
台形補正部１２は、角度演算部２３から供給された傾斜角度θ_V，θ_Hに基づいて、投影像の歪みを補正する。

以上説明したように、実施形態２によれば、２つの測距センサ２１Ａ，２１Ｂは、それぞれ、スクリーン３１上の直交する測定線上の複数の測距点までの距離を計測し、角度演算部２３は、複数の測距データに基づいて、傾斜角度θ_V，θ_Hを求めるようにした。

従って、１つのセンサで複数の方向の距離の計測可能な２つの測距センサ２１Ａ，２１Ｂを備えれば、水平方向、垂直方向の傾斜角度θ_V，θ_Hを求めることができ、センサの数を少なくすることができ、小型化を図ることができる。また、プロジェクタ１を安価に構成することができる。また、このような測距センサ２１Ａ、２１Ｂを用いれば、測距パターンを投影レンズ１４から投影することもできるので、測定精度を高めることができる。

尚、本発明を実施するにあたっては、種々の形態が考えられ、上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記第１、実施形態２において、プロジェクタ１は、測距センサ２１，２１Ａ，２１Ｂだけでなく、加速度センサを備えることもできる。そして、プロジェクタ１は、測距センサ２１，２１Ａ，２１Ｂでは、正確な測距を行えない場合に、加速度センサを用いて、垂直方向の傾斜角度θ_Vに基づいて台形補正を行うように構成されることもできる。

また、座標系を、プロジェクタ１の中心点又はスクリーン３１の面上の点を原点とする３次元直交座標として説明した。しかし、プロジェクタ１、スクリーン３１が存在する空間であれば、原点をいずれに設定しても、同様に傾斜角度θ_V，θ_Hを求めることができる。また、３次元直交座標を用いなくても、例えば、極座標を用いても、同様に、傾斜角度θ_V，θ_Hを求めることができる。

本発明の実施形態１に係るプロジェクタの構成を示すブロック図である。図１の角度演算部の構成を示すブロック図である。プロジェクタの座標系を示す説明図である。図３の座標系において、ｘ軸を回転軸として回転させたプロジェクタを示す説明図である。図３の座標系において、ｘ軸を回転軸として回転させた後にｙ軸を回転軸として回転させたプロジェクタを示す説明図である。光軸に対するスクリーンの傾斜角度を求める方法を説明するための説明図である。図６に示す傾斜角度とスクリーン上の像の位置関係を説明するための説明図である。スクリーンに設定した座標系を示す説明図である。図８の座標系において、ｙ軸を回転軸として回転させたスクリーンを示す説明図である。図８の座標系において、ｙ軸を回転軸として回転させた後にｘ軸を回転軸として回転させたスクリーンを示す説明図である。測距情報に基づいて測距点の座標を求める方法を説明するための説明図である。図１の台形補正部、光変調部の動作を示す説明図である。本発明の実施形態２に係るプロジェクタの測距センサの配置を示す説明図であり、（１）は、プロジェクタの前面図であり、（２）は、プロジェクタの側面図である。実施形態２に係るプロジェクタの角度演算部の構成を示すブロック図である。１つの測距センサが計測した２つの測距データに基づいて、図１４の角度演算部が角度を求める演算方法を説明するための説明図である。従来の加速度センサを用いたプロジェクタとスクリーンとの位置関係を説明するための図であり、（１）は、プロジェクタが地平面に対して水平である場合、（２）は、プロジェクタが地平面に対して傾斜している場合を示す説明図である。図１６（２）の位置関係において、台形補正の方法を説明するための説明図である。従来の加速度センサを用いたプロジェクタとスクリーンとの垂直方向の位置関係に関しての問題点を説明するための説明図である。従来の加速度センサを用いたプロジェクタとスクリーンとの水平方向の位置関係に関しての問題点を説明するための説明図である。

符号の説明

１・・・プロジェクタ、１２・・・台形補正部、１３・・・光変調部、１４・・・投影レンズ、１５・・・光学メカ部、１６・・・スクリーン角度センサ部、２１，２１Ａ，２１Ｂ・・・測距センサ、２２・・・制御部、２３・・・角度演算部

Claims

スクリーン面に投影光を投射して投影像を結像させるプロジェクタにおいて、
ｘ、ｙ、ｚ軸の３次元座標系のｚ軸を、前記スクリーンを傾斜させる前の理想スクリーンに垂直な軸、互いに交差する方向を、それぞれ、ｘ軸方向、ｙ軸方向として、前記ｘ軸方向の前記スクリーン面上における測定線上の複数の測距点、前記ｙ軸方向の前記スクリーン面上における測定線上の複数の測距点までの距離を、それぞれ、前記投影光の投射側から計測し、計測した結果の各測距データを出力する複数の測距部と、
前記理想スクリーンに対して前記投影光の光源を傾斜させた場合のｘ、ｙ軸方向の傾斜角度を、前記光源をｘ軸を回転軸として傾斜させてからｙ軸を回転軸として傾斜させた場合の傾斜角度としたときに、前記理想スクリーンに対する実際のスクリーンのｘ、ｙ軸方向の傾斜角度を、前記実際のスクリーンをｙ軸を回転軸として傾斜させてからｘ軸を回転軸として傾斜させた場合の傾斜角度として、前記理想スクリーンに対する前記投影光の光源のｘ、ｙ軸方向の傾斜角度と前記実際のスクリーンのｘ、ｙ軸方向の傾斜角度とを一致させ、前記複数の測距部がそれぞれ出力した複数の測距データに基づいて、前記投影光の光軸に対して前記理想スクリーン面と前記各測定線とのそれぞれの角度を求め、求めた各角度に基づいて、前記投影光の光軸の前記スクリーン面に対する傾斜角度を取得する角度取得部と、
ズーム制御を行うとともに、ズーム倍率の情報を取得する光学機構部と、
前記角度取得部が取得した前記光軸の前記スクリーン面に対する傾斜角度と前記光学機構部が取得したズーム倍率とに基づいて、前記スクリーン面に結像した投影像の歪みを補正する補正部と、
前記補正部が補正した投影像を投影光に変換して前記スクリーン面に投射する投影部と、を備えた、
ことを特徴とするプロジェクタ。
スクリーンに投影光を投射するプロジェクタの光軸の前記スクリーン面に対する傾斜角度を取得するプロジェクタの傾斜角度取得方法であって、
ｘ、ｙ、ｚ軸の３次元座標系のｚ軸を、前記スクリーンを傾斜させる前の理想スクリーンに垂直な軸、互いに交差する方向を、それぞれ、ｘ軸方向、ｙ軸方向として、前記ｘ軸方向の前記スクリーン面上における測定線上の複数の測距点、前記ｙ軸方向の前記スクリーン面上における測定線上の複数の測距点までの距離を、それぞれ、前記投影光の投射側から計測する測距ステップと、
前記理想スクリーンに対して前記投影光の光源を傾斜させた場合のｘ、ｙ軸方向の傾斜角度を、前記光源をｘ軸を回転軸として傾斜させてからｙ軸を回転軸として傾斜させた場合の傾斜角度としたときに、前記理想スクリーンに対する実際のスクリーンのｘ、ｙ軸方向の傾斜角度を、前記実際のスクリーンをｙ軸を回転軸として傾斜させてからｘ軸を回転軸として傾斜させた場合の傾斜角度として、前記理想スクリーンに対する前記投影光の光源のｘ、ｙ軸方向の傾斜角度と前記実際のスクリーンのｘ、ｙ軸方向の傾斜角度とを一致させ、前記計測した結果の複数の測距データに基づいて、前記光軸と前記投影光が投射されたスクリーン面との位置関係を示すスクリーン式を求めるスクリーン式取得ステップと、
求めた前記スクリーン式に基づいて、前記光軸に対するスクリーン面の傾斜角度を取得する傾斜角度取得ステップと、を備えた、
ことを特徴とするプロジェクタの傾斜角度取得方法。
前記スクリーン式取得ステップは、前記プロジェクタと前記スクリーンとが存在する空間に、前記スクリーンに垂直に交差する垂直軸をz軸としてｘ，ｙ，ｚ軸が互いに直交する３次元直交座標系を設定し、各係数をａ，ｂ，ｃとして前記スクリーン式を数１で表し、前記計測ステップにおいて距離を計測して得られた複数の測距点の座標（ｘi，ｙi，ｚi）を数１のｘ，ｙ，ｚに代入し、その結果得られた数２の連立方程式から、数３に従って値ｓ_０乃至ｓ_８を求め、数４に従って前記数１に示す係数ａ，ｂ，ｃを求め、求めた前記係数ａ，ｂ，ｃを数１に代入することにより、数１に示す前記スクリーン式を求めるステップであり、
前記傾斜角度取得ステップは、前記スクリーン式取得ステップにおいて求めた数１に示すスクリーン式と、ｙ軸を回転軸として前記スクリーンを傾斜角度θＨだけ回転させ、ｘ軸を回転軸として前記スクリーンを傾斜角度θＶだけ回転させたときの前記スクリーン上の点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）の関係を示す数５の関係式と、に基づいて前記傾斜角度θＨ、θＶを取得するステップである、
ことを特徴とする請求項２に記載のプロジェクタの傾斜角度取得方法。
前記角度取得ステップにおいて求めた各角度を前記プロジェクタの光軸の前記スクリーン面に対する傾斜角度に読み替える角度読替ステップを備えた、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載のプロジェクタの傾斜角度取得方法。
前記計測ステップは、前記測定線を水平方向、垂直方向の２つの測定線とし、各測定線の測定点をそれぞれ２つとして、前記スクリーン上の２つの測定線上のそれぞれ２つの測距点までの距離を計測するステップであり、
前記角度取得ステップは、前記計測ステップにおいて距離を計測した各測定線上の２つの測距点と前記プロジェクタとの間の距離を、それぞれ、ＤＬ、ＤＨとして、前記プロジェクタと前記各測距点とを結ぶ線と、前記プロジェクタの光軸と、の間の角度をθwとし、前記プロジェクタの光軸に対して垂直の理想スクリーン面と前記距離を計測した結果得られた前記スクリーン面上の前記２つの測定線とのそれぞれの角度θsを、数６に従って求めるステップであり、
前記角度読替ステップは、一方の測定線上の２つの測距点までの距離を計測することによって得られた角度θsをθ_Aとし、他方の測定線上の２つの測距点までの距離を計測することによって得られた角度θsをθ_Bとして、前記角度θ_A，θ_Bを、数７に従って、前記プロジェクタの光軸の前記スクリーン面に対する水平方向の傾斜角度θ_H、垂直方向の傾斜角度θ_Vに読み替えるステップである、
ことを特徴とする請求項４に記載のプロジェクタの傾斜角度取得方法。
プロジェクタからスクリーンに光を投射して前記スクリーン上に結像した投影像の歪みを補正するプロジェクタの投影像補正方法であって、
ｘ、ｙ、ｚ軸の３次元座標系のｚ軸を、前記スクリーンを傾斜させる前の理想スクリーンに垂直な軸、互いに交差する方向を、それぞれ、ｘ軸方向、ｙ軸方向として、前記ｘ軸方向の前記スクリーン面上における測定線上の複数の測距点、前記ｙ軸方向の前記スクリーン面上における測定線上の複数の測距点までの距離を、それぞれ、前記投影光の投射側から計測する測距ステップと、
前記理想スクリーンに対して前記投影光の光源を傾斜させた場合のｘ、ｙ軸方向の傾斜角度を、前記光源をｘ軸を回転軸として傾斜させてからｙ軸を回転軸として傾斜させた場合の傾斜角度としたときに、前記理想スクリーンに対する実際のスクリーンのｘ、ｙ軸方向の傾斜角度を、前記実際のスクリーンをｙ軸を回転軸として傾斜させてからｘ軸を回転軸として傾斜させた場合の傾斜角度として、前記理想スクリーンに対する前記投影光の光源のｘ、ｙ軸方向の傾斜角度と前記実際のスクリーンのｘ、ｙ軸方向の傾斜角度とを一致させ、前記計測した結果の複数の測距データに基づいて、前記プロジェクタの光軸に対して垂直の理想スクリーン面と前記各測定線とのそれぞれの角度を取得する角度取得ステップと、
前記角度取得ステップにおいて求めた各角度を前記プロジェクタの光軸の前記スクリーン面に対する傾斜角度に読み替える角度読替ステップと、
ズーム制御を行うとともに、ズーム倍率の情報を取得するズーム制御ステップと、
前記角度取得部が取得した前記光軸の前記スクリーン面に対する傾斜角度と前記取得したズーム倍率とに基づいて、前記スクリーン面に結像した投影像の歪みを補正する補正ステップと、を備えた、
ことを特徴とするプロジェクタの投影像補正方法。