JP6277816B2 - プロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、奥行き方向の異なる位置に投射を行うことができるプロジェクターに関する。

従来のプロジェクターでは、平面的な表示素子上の画像を拡大投影する投射光学系を用いていることから、フォーカスが合う面は略平面であり、その面を前後に移動させる調整しかできない。つまり、同時並行的に異なる奥行き空間に投射を行うことはできず、例えばフォーカスが合った状態で曲面スクリーンへ投射することや、かかる曲面スクリーンの形状変更に対応することができるプロジェクターは存在しなかった。

なお、撮像装置として、２次元センサーに入射する光の入射方向に関する情報を取得し、奥行き方向に関して異なる距離にある被写体を同時に撮影可能にする技術は存在する（特許文献１）。

米国特許第７９３６３９２号

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、奥行き方向の異なる位置に同時並行的に投射を行うことができるプロジェクターを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るプロジェクターは、コリメートされた像光線を形成する複数の表示部と、複数の表示部から射出された像光線を集光させない状態で互いに重畳させる重畳光学系と、重畳光学系によって重畳された像光線に対応する像を投射する投射光学系と、複数の表示部ごとに設定された局所的な像源領域から像光線を射出させることによって、像光線を重畳させる位置を光軸方向に関して異なる複数の重畳位置に設定する表示制御部とを備える。

上記プロジェクターでは、投射光学系が重畳光学系によって重畳された像を投射し、表示制御部が像光線を重畳させる位置を光軸方向に関して異なる複数の重畳位置に設定するので、投射光学系を介して同時並行的に異なる奥行き空間に投射を行うことができる。なお、投射光学系において、像光線の重畳位置と被投写位置とは共役な関係にあり、重畳位置を調整することで被投写位置の光軸方向に関する位置を調整することができる。

本発明の具体的な側面では、上記プロジェクターにおいて、重畳光学系は、複数の表示部にそれぞれ対向する複数のレンズ要素と、複数のレンズ要素を経た像光線が互いに集まるように像光線を重畳させる重畳レンズとを備える。この場合、各レンズ要素によって各表示部からの像光線の収束性を調整することができ、重畳レンズによって複数の表示部からの像光線を集めるように重畳させることができる。

本発明の別の具体的な側面では、像源領域の中心は、各表示部において、当該各表示部の相対的配置と重畳位置の設定とに応じて、基準となる標準位置からシフトさせた位置に設定される。この場合、像源領域の中心をシフトさせることによって比較的簡単に重畳位置の設定が可能になる。

本発明のさらに別の側面では、各表示部において、像源領域の中心の標準位置からのシフト量は、重畳光学系の光軸が通る中央からの各表示部の中心までの距離に略比例する。この場合、各表示部からの像光線を正確に一箇所に集めることができる。

本発明のさらに別の側面では、複数の表示部に表示させる複数の画像は、中央からのズレに応じて基本画像に変形を施したものである。これにより、重畳位置に形成される像をボケの少ないシャープなものとできる。

本発明のさらに別の側面では、各表示部において像源領域の中心が標準位置にあるとき、重畳位置は、重畳光学系に関して各表示部の共役位置になっている。

本発明のさらに別の側面では、複数の表示部は、単一の表示素子に形成された複数の部分、又は、複数の表示素子に対応する。

本発明のさらに別の側面では、複数の表示部は、透過型の表示素子と、表示素子を照明する照明部とを有する。この場合、小型の表示部によって明るい画像を形成でき、明るい画像を投射できる。

本発明のさらに別の側面では、照明部は、面発光レーザーを備える。この場合、小型の照明部からコリメートされた照明光を射出させることができ、透過型の表示素子からコリメートされた像光線を射出させることが容易となる。

本発明のさらに別の側面では、複数の表示部は、一対のレンズアレイの間にピンホールアレイを挟んだ光線選択部を有し、当該光線選択部によって平行にされた像光線を選択的に通過させる。この場合、像光線をより精密にコリメートされたものとできる。

本発明のさらに別の側面では、表示制御部は、重畳位置を時分割で変化させて投射光学系による投射位置を３次元的な範囲とする。この場合、立体的な形状の表面に画像を投射することができる。

本発明のさらに別の側面では、表示制御部は、複数の表示部の像源領域において動画を表示させる。

第１実施形態のプロジェクターの構造を説明する図である。 各表示部に形成される像源領域を説明する図である。 標準位置よりも近距離に投射する状態を説明する図である。 標準位置よりも遠距離に投射する状態を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、投射の応用例を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、投射状態を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、投射状態を説明する図である。 プロジェクターの動作の概要を説明するフローチャートである。 第２実施形態のプロジェクターを説明する図である。 第３実施形態のプロジェクターを説明する図である。 変形例のプロジェクター（パネル）を説明する図である。

〔第１実施形態〕
図１に示すように、本発明に係る第１実施形態のプロジェクター２は、画像光を投射する光学系部分５０と、光学系部分５０の動作を制御する回路装置８０とを備える。

光学系部分５０は、照明部１０と、表示装置２０と、重畳光学系３０と、投射光学系４０とを備える。

光学系部分５０において、照明部１０は、光軸ＯＡに垂直なＸＹ面に平行な射出面１０ａから精密にコリメートされた照明光ＬＩを射出する。この場合、照明光ＬＩは、全体としても要素としても光軸ＯＡに平行なＺ方向に射出される。照明部１０は、面発光レーザーを光源として含む。面発光レーザーは、例えば数μｍピッチで２次元的に配列されたＲＧＢを含む３色以上のレーザー素子からなり、射出面１０ａから射出される照明光ＬＩは、ＸＹ面内で一様な分布を有するものとなっている。

図２（Ａ）にも示すように、表示装置２０は、複数の表示部２１をＸＹ面に平行に２次元的に配列したものである。図示の例では、表示装置２０は、５×５のマトリックス状に隙間無く配置された多数の表示部２１を有する。各表示部２１は、液晶パネル２１ａと遮光枠部２１ｂとを有する。液晶パネル２１ａは、一対の光透過性基板の間に液晶を挟んだ透過型の光変調装置であり、入出射面に不図示の偏光フィルターを付随させたものとなっている。液晶パネル２１ａは、多数の画素によって２次元的な画像表示を可能にするものであり、画素ごとにカラーフィルターを備える。液晶パネル２１ａは、全表示領域Ａ０に表示を行うのではなく、全表示領域Ａ０のうち局所的な像源領域ＡＳにのみに表示を行う。各像源領域ＡＳは、図示の例では便宜上円形としているが、矩形等多角形を含む任意の形状とすることができる。

像源領域ＡＳは、２次元配列された各表示部２１ごとに設定される。像源領域ＡＳの基本的な表示モードでの配置は、図２（Ａ）に示すように全表示領域Ａ０の中心にあって、分割光軸ＯＡ１上の標準位置となっている。つまり、各表示部２１の中心は、分割光軸ＯＡ１と一致し、像源領域ＡＳの中心も、分割光軸ＯＡ１と一致している。なお、後に詳述するが、別の表示モード（より近距離に投射するケース）では、像源領域ＡＳは、図３（Ｂ）に示すように、分割光軸ＯＡ１の光軸ＯＡからの距離に応じて光軸ＯＡから遠ざかるように分割光軸ＯＡ１から位置ズレした位置に配置されている。さらに別の表示モード（より遠距離に投射するケース）では、像源領域ＡＳは、図４（Ｂ）に示すように、分割光軸ＯＡ１の光軸ＯＡからの距離に応じて光軸ＯＡに近づくように分割光軸ＯＡ１から位置ズレした位置に配置される。

図１に戻って、重畳光学系３０は、複数の表示部２１にそれぞれ対向する複数のレンズ要素３１ａを有するレンズアレイ３１と、複数のレンズ要素３１ａを経た像光線ＩＭを光軸ＯＡ上に集めて重畳させる重畳レンズ３３とを備える。

図２（Ｂ）にも示すように、レンズアレイ３１を構成するレンズ要素３１ａは、表示装置２０の表示部２１の輪郭に対応して略同一の輪郭形状を有する凸レンズである。各レンズ要素３１ａは、略同一のパワーを有し、各表示部２１に対して、分割光軸ＯＡ１を共通させるようにアライメントして配置されている。重畳レンズ３３は、複数のレンズ要素３１ａを経た像光線ＩＭが光軸ＯＡ上の同一箇所に互いに集まるように像光線ＩＭを重畳させる。重畳レンズ３３は、光軸ＯＡから離れたレンズ要素３１ａからの像光線ＩＭ（例えば像光線ＩＭ２）をより多く偏向させる。像光線ＩＭが光軸ＯＡと交わる位置は、重畳光学系３０に関して各表示部２１の共役位置ＰＣとなっている。図示の例では、共役位置ＰＣに各表示部２１からの像光線ＩＭ０，ＩＭ１，ＩＭ２が重畳して入射し、ここが投射光学系４０の前側又は前段側に設定される投射前焦点面ＦＣとなって比較的明るい小像Ｇ１を形成する。小像Ｇ１は、ＸＹ面において広がりを有し２次元的な光強度分布を有する。像光線ＩＭ０，ＩＭ１，ＩＭ２は、共役位置ＰＣ又は投射前焦点面ＦＣにおいて光軸ＯＡ上に集まっているが、一点に集光又は収束するものとはなっていない。

図１に示す投射光学系４０は、固定焦点距離の拡大投射レンズであり、重畳光学系３０によって重畳された像光線ＩＭによって形成された小像Ｇ１をスクリーンＳＣ上に拡大投射する。

図３（Ａ）は、プロジェクター２に対して比較的近い位置に配置されたスクリーンＳＣ１又は被投射体に画像を投射する場合を示しており、図３（Ｂ）は、各表示部２１又は各液晶パネル２１ａに設定する像源領域ＡＳを示している。図３（Ｂ）に示すように、近距離投射の場合、マトリックス状に配列された液晶パネル２１ａの像源領域ＡＳは、外側の領域にある液晶パネル２１ａのものほど外側に配置されている。より具体的には、像源領域ＡＳは、図２（Ａ）に示す分割光軸ＯＡ１に対応する標準位置を基準として光軸ＯＡから離れる方にシフトさせたものとなっている。さらに、この際のシフト量は、液晶パネル２１ａの相対的配置に依存し、液晶パネル２１ａが光軸ＯＡから離れるほど比例的に大きくなる。この結果、図３（Ａ）に示すように、像光線ＩＭ０，ＩＭ１，ＩＭ２は、共役位置ＰＣより前方で光軸ＯＡと交差するため、投射光学系４０を通過した後も手前で光軸ＯＡと交差し、ここが投射光学系４０の後側又は後段側に設定される投射後焦点面ＦＣ'又はスクリーンＳＣ１となる。
図４（Ａ）は、プロジェクター２に対して比較的遠い位置に配置されたスクリーンＳＣ２又は被投射体に画像を投射する場合を示しており、図４（Ｂ）は、各表示部２１又は各液晶パネル２１ａに設定する像源領域ＡＳを示している。図４（Ｂ）に示すように、遠距離投射の場合、マトリックス状に配列された液晶パネル２１ａの像源領域ＡＳは、外側の領域にある液晶パネル２１ａのものほど内側に配置されている。より具体的には、像源領域ＡＳは、図２（Ａ）に示す分割光軸ＯＡ１に対応する標準位置を基準として光軸ＯＡに近づく方にシフトさせたものとなっている。さらに、この際のシフト量は、液晶パネル２１ａが光軸ＯＡから離れるほど比例的に大きくなる。この結果、図４（Ａ）に示すように、像光線ＩＭ０，ＩＭ１，ＩＭ２は、共役位置ＰＣより後方で光軸ＯＡと交差するため、投射光学系４０を通過した後も後方で光軸ＯＡと交差し、ここが投射後焦点面ＦＣ'又はスクリーンＳＣ２となる。
以上のように、各液晶パネル２１ａに設定される像源領域ＡＳの配置を調整することで、光の強度分布を有する像光線ＩＭを形成できるだけでなく、像光線ＩＭの射出角度を制御できる。これにより、共役位置ＰＣを中心として光軸ＯＡ方向の前後の所望位置に所望の輝度及び色彩分布を有する小像Ｇ１を形成できる。この小像Ｇ１の形成位置は、像光線ＩＭ０，ＩＭ１，ＩＭ２の重畳位置に相当し、投射前焦点面ＦＣとなっている。投射前焦点面（重畳位置）ＦＣの位置を共役位置ＰＣの前後に変化させる際に、マトリックス状に配列された複数の液晶パネル２１ａにおいて設定される像源領域ＡＳの２次元的配置パターンは、図２（Ｂ）に示す標準位置に対応する格子点状の配列を基準として、光軸ＯＡが通る中心を一致させたままで相似的に拡大又は縮小された格子点状のものとなる。

図５（Ａ）及び５（Ｂ）は、被投射体の一例を示す正面図及び側面図であり、図５（Ｃ）は、液晶パネル２１ａに設定される像源領域ＡＳの具体例を説明する図である。

図５（Ａ）及び５（Ｂ）に示す被投射体ＰＯは、半球状であり、中央がプロジェクター２側に突出している。被投射体ＰＯの表面をプロジェクター２からの距離に基づく等高線によって領域ＡＲ１１，ＡＲ１２，ＡＲ１３，ＡＲ１４に分割する場合について説明する。各領域ＡＲ１１〜ＡＲ１４に対しては、等距離として一括して画像が投射される。

図５（Ｃ）に示す表示部１２１は、図２（Ａ）の表示装置２０を構成する表示部２１のうち右上隅のものに対応している。この表示部１２１に着目した場合、図５（Ａ）において最も近距離の領域ＡＲ１１に投影される画像は、分割光軸ＯＡ１に比較的近い像源領域ＡＳ１１において領域ＡＲ１１の輪郭に対応する円形の画像範囲Ｇ１１に形成される。図５（Ａ）において比較的近距離の領域ＡＲ１２に投影される画像は、分割光軸ＯＡ１に次に近い像源領域ＡＳ１２において領域ＡＲ１２の輪郭に対応する輪帯状の画像範囲Ｇ１２に形成される。図５（Ａ）において比較的遠距離の領域ＡＲ１３に投影される画像は、分割光軸ＯＡ１から遠い像源領域ＡＳ１３において領域ＡＲ１３の輪郭に対応する輪帯状の画像範囲Ｇ１３に形成される。図５（Ａ）において最も遠距離の領域ＡＲ１４に投影される画像は、分割光軸ＯＡ１から比較的遠い像源領域ＡＳ１４において領域ＡＲ１４の輪郭に対応する輪帯状の画像範囲Ｇ１４に形成される。なお、像源領域ＡＳ１１〜ＡＳ１４に表示させる画像は、各領域ＡＲ１１〜ＡＲ１４の傾斜や湾曲を考慮して修正を施したものとできる。
以上は、右上隅の表示部１２１における表示動作について説明したが、他の表示部２１でも、像源領域ＡＳ１１〜ＡＳ１４の液晶パネル２１ａ内での位置が異なるが表示部１２１と類似する表示が行われる。ただし、画像範囲Ｇ１１〜Ｇ１４の輪郭や表示画像は、表示部２１ごとに若干異なるものとなる。

以下、図６（Ａ）〜６（Ｃ）等を参照して、プロジェクター２における焦点位置又はフォーカス位置の移動、並びに、焦点位置の移動を実現するために表示部２１に設定される像源領域ＡＳの配置及び表示について説明する。

図６（Ａ）に示すように、基本位置にある仮想的なスクリーンＳＣを考えてスクリーンＳＣ上の特定点ＩＰ０に焦点を結ぶ場合（ケース１）と、基本位置のスクリーンＳＣより距離Ａだけ手前に焦点を結ぶ場合（ケース２）とを考える。手前に焦点を結ぶケース２の場合、表示箇所として、光軸ＯＡ上の第１点ＩＰ１と光軸ＯＡから垂直方向にずれた第２点ＩＰ２との２つを考える。

図６（Ｂ）に概念的に示すように、投射光学系４０から共役位置ＰＣまでの距離をＣとし、投射光学系４０の焦点距離をＦ＿ｐｊとすると、レンズの一般式から
１／Ｃ＋１／Ｂ＝１／Ｆ＿ｐｊ
の関係が成り立つ。
図６（Ｃ）に概念的に示すように、表示装置２０自体によってフォーカスをスクリーンＳＣより距離Ａだけ手前に移動させる場合、投射光学系４０と第１点ＩＰ１との距離をＢ'とし、投射光学系４０と第１点ＩＰ１に対応する交差点ＩＰ３との距離をＣ'とすると、レンズの一般式から
１／Ｃ'＋１／Ｂ'＝１／Ｆ＿ｐｊ
の関係が成り立つ。つまり、スクリーン位置から距離Ａだけ手前にフォーカスを移動させたい場合、
１／（Ｃ＋Ｄ）＋１／（Ｂ−Ａ）＝１／Ｆ＿ｐｊ
となり、投射光学系４０の焦点距離Ｆ＿ｐｊ、距離Ａ等から、共役位置ＰＣから目的とする投射前焦点面ＦＣ又は交差点ＩＰ３までの距離Ｄを求めることができる。距離Ｄは、投射光学系４０の手前に形成される中間像（図１に示す小像Ｇ１に相当）のフォーカス移動量に対応する。つまり、この中間像のフォーカス移動量を共役位置ＰＣの前後で変化させる調整を行うことで、投射光学系４０による投射像のフォーカス位置を基本位置の前後で調整することができる。具体的には、結像位置をスクリーンＳＣ上の特定点（被投写位置）ＩＰ０から第１点（被投写位置）ＩＰ１に移動させることができる。

図７（Ａ）を参照して、重畳レンズ３３側において、中間像又は図１に示す小像Ｇ１の位置（重畳位置又はフォーカス位置）を変更する条件、具体的には上述した光軸ＯＡ上の交差点ＩＰ３に像（中心像）を形成する条件について考える。この交差点ＩＰ３は、投射光学系４０に関して、図６（Ａ）に示す第１点ＩＰ１の共役点になっている。まず、重畳レンズ３３と共役位置ＰＣとの距離をＥとし、表示装置２０の特定の液晶パネル２１ａから交差点ＩＰ３に向けて射出される像光線ＩＭを考える。像光線ＩＭを共役位置ＰＣではなく手前の交差点ＩＰ３に入射させるため、像光線ＩＭの射出位置は分割光軸ＯＡ１上の標準位置から外れ、光軸ＯＡから遠ざかる。このときの像光線ＩＭの射出位置が全体の基準となる光軸ＯＡからから外れているズレ量をＧとする。フォーカス位置又は重畳位置の変更に伴って液晶パネル２１ａにおいて像光線ＩＭの射出位置をどの程度ずらすかは、その像光線ＩＭが共役位置ＰＣで光軸ＯＡからどの程度ずれているかと対応する。液晶パネル２１ａにおいて像光線ＩＭの射出位置を分割光軸ＯＡ１からシフトさせるズレ量Ｈ０に相当する共役位置ＰＣでのズレ量Ｈは、
Ｈ：Ｄ＝Ｇ：（Ｅ−Ｄ）
Ｈ＝Ｄ×Ｇ／（Ｅ−Ｄ） … （１）
と求まる。つまり、交差点ＩＰ３の像（中心像）については、像光線ＩＭの射出位置の光軸ＯＡから距離Ｇに比例してズレ量Ｈ又はズレ量Ｈ０が大きくなる。
次に、図７（Ｂ）を参照して、交差点ＩＰ３から光軸ＯＡに垂直な方向にずれた軸外点ＩＰ４に像（周辺像）を形成する条件について説明する。この軸外点ＩＰ４は、図６（Ａ）の第２点ＩＰ２に対応する。この際、共役位置ＰＣで像光線ＩＭが光軸ＯＡからずれる量は、軸外点ＩＰ４の光軸ＯＡからの距離Ｉと、像光線ＩＭの角度に起因するズレ量Ｈ'とを加算したものとなっている。ただし、軸外点ＩＰ４に着目した場合、液晶パネル２１ａにおいて像光線ＩＭの射出位置をフォーカス位置又は重畳位置の変更前の元の位置からどの程度ずらすかは、ズレ量Ｈ'だけを考えればよい。したがって、液晶パネル２１ａにおいて像光線ＩＭの射出位置を元の位置からシフトさせるズレ量Ｈ０'に相当する共役位置ＰＣでのズレ量Ｈ'は、像光線ＩＭの射出位置の光軸ＯＡからのズレ量をＧ'とし、周辺像であることに起因する追加分をＪとして、
Ｅ−Ｄ：Ｇ'＋Ｉ＝Ｄ：Ｈ'
Ｈ'＝Ｄ×（Ｇ'＋Ｉ）／（Ｅ−Ｄ） … （２）
＝Ｄ×（Ｇ＋Ｉ＋Ｊ）／（Ｅ−Ｄ） … （３）
となる。つまり、共役位置ＰＣにおいて光軸ＯＡからずれた軸外点ＩＰ４に対応するズレ量Ｈ'は、光軸ＯＡ上の交差点ＩＰ３に対応するズレ量Ｈと比較して僅かに異なるものとなっており、ズレ量Ｈ０及びズレ量Ｈ０'も、僅かに異なるものとなる。

以上のことから、光軸ＯＡ上の交差点ＩＰ３で像を形成するために液晶パネル２１ａに設定される画像位置のズレ量Ｈ０と、光軸ＯＡからずれた軸外点ＩＰ４で像を形成するために液晶パネル２１ａに設定される画像位置のズレ量Ｈ０'とを、中間像又は図１に示す小像Ｇ１の位置に応じて異なるものとする必要があることが分かる。つまり、フォーカス位置（重畳位置）の変更前後で液晶パネル２１ａの像源領域ＡＳに表示させる画像は、僅かに変形したものとなる。結果的に、各液晶パネル２１ａの像源領域ＡＳに表示させる画像は、フォーカス位置（重畳位置）に応じ予め変形を見込んで基本画像に変形又は歪みを施したものとなる。さらに、各液晶パネル２１ａの像源領域ＡＳに表示させる画像は、液晶パネル２１ａが光軸ＯＡから外れた程度によって変形、シフト等の変更を施すことにもなる。
なお、実際の装置では、シミュレーションによって像光線ＩＭの振る舞いを予め確認するので、上記のような計算を必ずしも必要とせず、フォーカス位置の変更前後で液晶パネル２１ａの像源領域ＡＳに表示させる画像の変形量やシフト量を変換データテーブルとして保管しておけば、簡単な画像変換処理によってフォーカス位置に応じた歪みのないシャープな画像を対象又は被投射体に投射することができる。

図１に戻って、回路装置８０は、外部から画像データが入力される画像処理部８１と、画像処理部８１の出力に基づいて光学系部分５０に設けた表示装置２０を駆動する表示駆動部８２と、画像処理部８１及び表示駆動部８２の動作を統括的に制御する主制御部８８とを備える。画像処理部８１や主制御部８８は、表示装置２０の動作を制御する表示制御部８０ａとして機能する。

画像処理部８１は、外部からの画像データに基づいて表示装置２０を構成する各液晶パネル２１ａを動作させる画像信号を形成する。外部からの画像データは、例えばプロジェクター２からの投射距離ごとの画像内容を含むものとできる。この場合、被投射体の表面形状に応じた投射を行うため、プロジェクター２からの複数の段階的な投射距離にある領域（距離ゾーン）に投射すべき画像情報を読み出して、各液晶パネル２１ａに形成すべき画像信号を生成する。具体的には、画像処理部８１によって、各液晶パネル２１ａに設定する像源領域ＡＳを算出することで、プロジェクター２から目的の投射距離の領域（距離ゾーン）においてフォーカスが合った状態とできる。また、画像処理部８１によって、各液晶パネル２１ａの像源領域ＡＳごとに表示させる画像を算出することで、プロジェクター２から、目的の投射距離の領域に対して、各液晶パネル２１ａの像源領域ＡＳに形成された画像をズレなく重畳させ、明るくシャープな画像を投射させることができる。なお、各像源領域ＡＳには、上述したように合同画像が形成されず、例えば光軸ＯＡが通る表示装置２０の中央からの液晶パネル２１ａの位置ズレやフォーカス位置の変更程度に応じて基本画像に変形を施したものとする。画像処理部８１は、液晶パネル２１ａの位置やフォーカス位置の変更に応じた画像の変形又は修正処理を行う。

表示駆動部８２は、画像処理部８１から出力された画像信号に基づいて表示装置２０を構成する液晶パネル２１ａを動作させることができ、対応する画像を液晶パネル２１ａに形成させることができる。

以下に、図８を参照して本実施形態のプロジェクター２の一動作例について説明する。まず、回路装置８０において、主制御部８８の制御下で外部からの距離画像データの取り込みを行う（ステップＳ１１）。この距離画像データは、立体情報を含む画像データであり、距離ゾーン情報と画像情報とを含む。距離ゾーン情報は、プロジェクター２からの投射距離を段階的に複数区分の範囲に分割したものに相当する複数の距離ゾーンのうち、いずれの距離ゾーンに属するかの情報であり、画像情報は、距離ゾーンごとに表示されるべき画像データを含むものとなっている。具体的には、距離ゾーンは、隣接する一対の等高線間の領域に類似するものであり、画像データは、隣接する一対の等高線間の領域に表示されるべき画像を、距離ゾーンごとに設定したものとなっている（具体例は、図５（Ｃ）の像源領域ＡＳ１１〜ＡＳ１４、画像範囲Ｇ１１〜Ｇ１４等参照）。つまり、距離ゾーンによって代表される複数のフォーカス位置について、これに投射すべき画像データが予め準備されている。
次に、主制御部８８は、距離画像データから投射距離ゾーンを設定する（ステップＳ１２）。つまり、上記複数の距離ゾーンのうち今回の投射の対象となる距離ゾーンを選択し、これを投射距離ゾーンとする。
次に、主制御部８８は、ステップＳ１２で得た投射距離ゾーンに対応する画像情報又は画像データを表示対象として選択する（ステップＳ１３）。
次に、各液晶パネル２１ａにおいて画像を表示すべき像源領域ＡＳ（図２（Ａ）、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）等参照）を設定する（ステップＳ１４）。像源領域ＡＳは、画像処理部８１等により、ステップＳ１２で得た投射距離ゾーンから計算される。
次に、ステップＳ１４で算出した像源領域ＡＳごとに、画像処理部８１により、ステップＳ１３で選択した画像データに対する補正処理を行う（ステップＳ１５）。これは、図７（Ａ）及び７（Ｂ）で説明したように、液晶パネル２１ａが光軸ＯＡから離れている程度によって像源領域ＡＳに形成すべき画像を修正することで、像光線ＩＭの重畳が正確となって小像Ｇ１をシャープにすることができるからである。
次に、画像処理部８１は、補正処理後の画像信号を表示駆動部８２に出力する（ステップＳ１６）。表示駆動部８２は、表示装置２０を構成する各液晶パネル２１ａを駆動して、画像処理部８１から入力された画像信号に対応する表示を各液晶パネル２１ａに行わせる。
その後、主制御部８８は、ステップＳ１１で得た複数の距離ゾーンのうち次の投射の対象となる距離ゾーンが残っているか否かを判断する（ステップＳ１７）。次の投射の対象となる距離ゾーンが残っている場合、ステップＳ１２に戻って更新後の今回の投射の対象となる距離ゾーンを選択する。
ステップＳ１７で距離ゾーンが残っていない場合、次のフレームが存在するか否かを判断する（ステップＳ１８）。距離ゾーンが残っていないということは、一つの画像の投射が完了したことを意味する。つまり、ステップＳ１２〜Ｓ１７を繰り返すことで、３次元的な範囲である全ての投射距離ゾーンに対して時分割で画像を投射することになる。一方、ステップＳ１８で次のフレームが存在すると判断された場合、ステップＳ１１に戻って次のフレームに対応する距離画像データの取り込みを行う。
なお、フレームが時系列的に変化する場合、その変化速度が速ければ、像源領域ＡＳに動画を表示させることになり、立体的な被投射体の表面上に立体的な動画が投影されることになる。

以上の処理では、プロジェクター２から被投射体までの距離や方位が既知で、被投射体の形状も既知であることが前提となっているが、被投射体までの距離及び方位が未知であっても、同様の投射が可能である。この場合、プロジェクター２に測距装置や画像認識装置を設けて、プロジェクター２から被投射体までの距離や方位を計測することで、図８と同様の投射動作が可能である。さらに、被投射体の形状が未知又は変化する場合も、被投射体の形状を計測等することで、同様の投射が可能である。この場合、距離画像データをプロジェクター２内で一部準備又は加工するになる。

以上で説明した本実施形態のプロジェクター２によれば、投射光学系４０が重畳光学系３０によって重畳された像を投射し、表示制御部８０ａが像光線ＩＭを重畳させる位置を光軸ＯＡ方向に関して異なる複数の重畳位置に設定するので、同時並行的に異なる奥行き空間に投射を行うことができる。

〔第２実施形態〕
以下に、第２実施形態のプロジェクターについて説明する。第２実施形態のプロジェクターは、第１実施形態のプロジェクターを変形したものであり、特に説明しない部分は、第１実施形態のプロジェクターと同様の構造を有する。

図９に示すように、第２実施形態のプロジェクター２の場合、表示装置１２０に平行光選択部（光線選択部）２５を設けている。平行光選択部２５は、重畳光学系３０のレンズアレイ３１と同様の構造を有し同芯となるように配置された一対のレンズアレイ２６，２７と、これらレンズアレイ２６，２７間にアライメントして配置されたピンホールアレイ２８とを有する。各表示部２１から射出された像光線は、レンズアレイ２６のレンズ要素２６ａを経て収束され、ピンホールアレイ２８の分割光軸上のピンホール２８ａを通過し、レンズアレイ２７のレンズ要素２７ａを経て平行光化すなわちコリメートされた状態でレンズアレイ３１のレンズ要素３１ａに入射する。平行光選択部２５を設けることにより、液晶パネル２１ａで発生した回折光等に起因する不要光を除去することができる。
なお、照明部１０として用いる光源は、面発光レーザーに限らず、ランプ、ミラー、コリメーターレンズ等で構成することができる。

〔第３実施形態〕
以下に、第３実施形態のプロジェクターについて説明する。第３実施形態のプロジェクターは、第１実施形態のプロジェクターを変形したものであり、特に説明しない部分は、第１実施形態のプロジェクターと同様の構造を有する。

図１０に示すように、第３実施形態のプロジェクター２は、光学系部分５０として、赤・緑・青色用の像形成部５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５５と、投射光学系４０とを備える。

各色用の像形成部５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂは、図１に示す照明部１０と表示装置２０と重畳光学系３０と同様の機能を有するが、表示色を異ならせた照明部１０と表示装置２０と重畳光学系３０とをそれぞれ備える。

クロスダイクロイックプリズム５５は、光合成用のプリズムであり、各像形成部５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂで形成された像光線を合成して画像光とし、投射光学系４０に入射させる。

投射光学系４０は、各像形成部５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂによって変調されクロスダイクロイックプリズム５５で合成された画像光を不図示の立体的な対象物上に拡大投射することができる。

この発明は、上記の実施形態又は実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

例えば、表示装置２０は、図１１に示すように、単一の液晶パネル４２１ａで構成することができる。この場合、液晶パネル４２１ａ内に２次元配列された多数の表示部２１を設けることになる。

表示装置２０における表示部２１の輪郭や配列方法は、矩形又は正方形の領域をマトリックス状に配列するものに限らず、様々なものとできる。表示部２１の配列は、例えば３角格子、６方格子等各種格子点上に配列とするパターンとでき、表示部２１の輪郭も多角形、円形等にすることができる。この場合、遮光枠部２１ｂの配列は、表示部２１の配列に対応させる。
さらに、表示部２１の配列は、稠密的である必要はなく、２次元的な任意の点に配置することもできる。この場合も、遮光枠部２１ｂの配列は、表示部２１の配列に対応させる。
表示装置２０を構成する表示部２１は、２つ以上であればその重畳によって投射が可能になると言えるが、明るい画像を投射する観点では、５×５或いはそれ以上のマトリックス配列等とすることが望ましい。

また、表示装置２０に設ける表示素子は、透過型の液晶パネル２１ａに限らず、反射型の液晶パネルとすることもできる。この場合、一列の反射型の液晶パネルを一括照明し、列ごとに照明された複数列の反射型の液晶パネルを並べることで、反射型の液晶パネルの２次元配列も可能である。
さらに、表示装置２０に設ける表示素子として、マイクロミラーを画素とするデジタル・マイクロミラー・デバイス等の各種光変調素子を用いることもできる。

また、投射光学系４０は、ズームレンズであってよく、縮小投影も可能であり、被写界深度も可変にすることができる。投射光学系４０の被写界深度を調整することで、深さ方向の表示範囲を広げることができる。さらに、投射光学系４０のフォーカス状態を可変とすることで、プロジェクター２による３次元的な投射空間を光軸ＯＡ方向に沿って移動させることもできる。

２…プロジェクター、 １０…照明部、 １０ａ…射出面、 ２０…表示装置、 ２１…表示部、 ２１ａ…液晶パネル、 ２１ｂ…遮光枠部、 ２５…平行光選択部、 ２６，２７…レンズアレイ、 ２８…ピンホールアレイ、 ３０…重畳光学系、 ３１…レンズアレイ、 ３１ａ…レンズ要素、 ３３…重畳レンズ、 ４０…投射光学系、 ５０…光学系部分、 ５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂ…像形成部、 ５５…クロスダイクロイックプリズム、 ８０…回路装置、 ８０ａ…表示制御部、 ８１…画像処理部、 ８２…表示駆動部、 ８８…主制御部、 ＡＲ１１−ＡＲ１４…領域、 ＡＳ…像源領域、 ＡＳ１１−ＡＳ１４…像源領域、 ＦＣ'…投射後焦点面、 ＦＣ…投射前焦点面、 Ｇ１…小像、 Ｇ１１−Ｇ１４…画像範囲、 ＩＭ…像光線、 ＩＭ０，ＩＭ１，ＩＭ２…像光線、 ＩＰ０…特定点、 ＩＰ３…交差点、 ＩＰ４…軸外点、 ＬＩ…照明光、 ＯＡ…光軸、 ＯＡ１…分割光軸、 ＰＣ…共役位置、 ＰＯ…被投射体

Claims (12)

1. コリメートされた像光線を形成する複数の表示部と、
   前記複数の表示部から射出された像光線を一点に集光させない状態で互いに重畳させる重畳光学系と、
   前記重畳光学系によって重畳された像光線に対応する像を投射する投射光学系と、
   前記複数の表示部ごとに設定された局所的な像源領域から像光線を射出させることによって、像光線を重畳させる位置を光軸方向に関して異なる複数の重畳位置に設定する表示制御部と
   を備えるプロジェクター。
2. 前記重畳光学系は、前記複数の表示部にそれぞれ対向する複数のレンズ要素と、前記複数のレンズ要素を経た像光線が互いに集まるように像光線を重畳させる重畳レンズとを備える、請求項１に記載のプロジェクター。
3. 前記像源領域の中心は、各表示部において、当該各表示部の相対的配置と前記重畳位置の設定とに応じて、基準となる標準位置からシフトさせた位置に設定される、請求項１及び２のいずれか一項に記載のプロジェクター。
4. 前記各表示部において、前記像源領域の中心の前記標準位置からのシフト量は、前記重畳光学系の光軸が通る中央からの前記各表示部の中心までの距離に略比例する、請求項３に記載のプロジェクター。
5. 前記複数の表示部に表示させる複数の画像は、前記中央からのズレに応じて基本画像に変形を施したものである、請求項４に記載のプロジェクター。
6. 前記各表示部において前記像源領域の中心が前記標準位置にあるとき、前記重畳位置は、前記重畳光学系に関して前記各表示部の共役位置になっている、請求項３〜５のいずれか一項に記載のプロジェクター。
7. 前記複数の表示部は、単一の表示素子に形成された複数の部分、又は、複数の表示素子に対応する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプロジェクター。
8. 前記複数の表示部は、透過型の表示素子と、前記表示素子を照明する照明部とを有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のプロジェクター。
9. 前記照明部は、面発光レーザーを備える、請求項８に記載のプロジェクター。
10. 前記複数の表示部は、一対のレンズアレイの間にピンホールアレイを挟んだ光線選択部を有し、当該光線選択部によって平行にされた像光線を選択的に通過させる、請求項１〜８のいずれか一項に記載のプロジェクター。
11. 前記表示制御部は、前記重畳位置を時分割で変化させて前記投射光学系による投射位置を３次元的な範囲とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプロジェクター。
12. 前記表示制御部は、前記複数の表示部の前記像源領域において動画を表示させる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のプロジェクター。

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