JP6597615B2 - 投射型表示装置 - Google Patents

Description

本開示は、検出機能を有する投射型表示装置に関する。

近年、スマートフォンやタブレット端末等では、タッチパネルを用いることにより、画面に表示される映像のページ送りや拡大縮小を、人の直感に応じたポインティング操作で可能にしている。一方で、映像をスクリーン上に投影することにより表示を行う表示装置として、プロジェクタ（投射型表示装置）が古くから知られている。このプロジェクタに、タッチパネルのような検出機能を付加する技術が提案されている（例えば、特許文献１，２）。

特開２００７−５２２１８号公報 特開２００３−４４８３９号公報

特許文献１に記載のプロジェクタでは、投影光学系による映像投射と検出光学系による検出光の取り込みとが、１つの投射レンズを用いてなされ、映像を作り出すライトバルブと検出光を受光する撮像素子とが光学的に共役な位置に配置される。このような装置構成により、キャリブレーション等の煩雑な処理を行うことなく、物体の検出を精度良く行うことができる。シンプルな構成で、インタラクティブなデバイスを実現可能となる。

しかしながら、上記特許文献１の構成では、投影面上において検出エリア（検出可能エリア，検出範囲）を十分に確保できず、改善の余地がある。投影エリアのほぼ全域において物体検出が可能な装置の実現が望まれている。

したがって、簡易な構成で物体検出を実現すると共に、投影エリアの全域において物体を検出可能な投射型表示装置を提供することが望ましい。

本開示の一実施の形態の投射型表示装置は、照明部と、投射レンズと、照明部から供給された照明光を映像信号に基づいて変調して投射レンズへ向けて出射するライトバルブとを有する投影光学系と、ライトバルブと投射レンズとの間に配置され、入射光を第１および第２の偏光成分に分離すると共に、それぞれを互いに異なる方向に出射する偏光分離素子と、ライトバルブと光学的に共役な位置に配置された撮像素子を有する検出光学系とを備えたものである。また、撮像素子には、投影面の近傍の面に沿って照射された非可視光に基づく光が、投射レンズと偏光分離素子とを介して入射され、かつ、以下の条件式を満たすように構成されている。
ｄ１＜β×ｄ２ ………（１）
但し、
ｄ１：ライトバルブの対角サイズ
ｄ２：撮像素子の対角サイズ
β：検出光学系の光学倍率（縮小光学系の場合はβ＞１、拡大光学系の場合はβ＜１、等倍光学系の場合はβ＝１）
とする。
なお、本明細書において「対角サイズ」は、ライトバルブの有効エリア（描画エリア，有効表示領域）あるいは撮像素子の有効エリア（有効撮像領域）のそれぞれの対角線の長さを示すものとする。

本開示の一実施の形態の投射型表示装置では、撮像素子がライトバルブと光学的に共役な位置に配置され、この撮像素子に、投影面の近傍の面に沿って照射された非可視光に基づく光（物体によって反射された非可視光の一部）が、投射レンズと偏光分離素子とを介して入射される。これにより、キャリブレーション等の煩雑な信号処理を行うことなく、投影エリア内の位置と、検出エリア内の位置とを対応づけて物体を検出することができる。また、条件式（１）を満たすように構成されていることにより、投影エリアのほぼ全域において物体検出が可能となる。

本開示の一実施の形態の投射型表示装置によれば、撮像素子がライトバルブと光学的に共役な位置に配置され、この撮像素子に、投影面の近傍の面に沿って照射された非可視光に基づく光が、投射レンズと偏光分離素子とを介して入射されることで、煩雑な信号処理を行うことなく、物体検出が可能となる。また、条件式（１）を満たすように構成されていることにより、投影エリアのほぼ全域において物体検出が可能となる。よって、簡易な構成で物体検出を実現すると共に、投影エリアの全域において物体を検出可能となる。

なお、上記内容は本開示の一例である。本開示の効果は、上述したものに限らず、他の異なる効果であってもよいし、更に他の効果を含んでいてもよい。

本開示の一実施の形態に係る投射型表示装置の外観とその使用状態とを示す模式図である。 図１に示した投射型表示装置の機能構成を示すブロック図である。 図１の状態を側面からみた模式図である。 図１に示した近赤外光源部の構成例を示す図である。 シリンダアレイレンズの第１の構成例を示す斜視図である。 シリンダアレイレンズの第２の構成例を示す斜視図である。 図１に示した投射型表示装置の要部構成を示す図である。 偏光分離素子の一構成例を、入射光および出射光の状態と共に示す模式図である。 検出光取り込みのイメージを表す模式図である。 検出位置による取り込み角度の違いを説明するための模式図である。 検出位置座標の一例を示す模式図である。 検出光の反射点と仮想発光点との差分について説明するための模式図である。 撮像素子の対角サイズを説明するための図である。 投射レンズのイメージサークルを、ライトバルブサイズおよび撮像素子サイズと共に示した模式図である。 図１１の一部の拡大図である。 イメージサークルの詳細条件について説明するための模式図である。 図１に示した投射型表示装置の映像表示および物体検出の概念を模式的に示した図である。 比較例に係る投射レンズのイメージサークルを示す模式図である。 比較例に係る投射レンズのイメージサークルを撮像素子サイズと共に示す模式図である。

以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
実施の形態（撮像素子の対角サイズが所定の条件式を満たして設定され、投射レンズによるイメージサークル径が最適化された、投射型表示装置の例）
１．構成
２．作用，効果

＜実施の形態＞
［構成］
図１は、本開示の一実施の形態に係る投射型表示装置（投射型表示装置１）の外観とその使用状態とを表したものである。図２は投射型表示装置１の機能構成を表したものである。投射型表示装置１は、例えば卓上などのフラットな面の上に置かれた状態（あるいは壁面などに取り付けられた状態）で、装置の近傍に映像を投影するタイプ（いわゆる超短焦点型）のプロジェクタである。この投射型表示装置１は、また、映像表示と共に、物体検出をアクティブに行う機能を有している。詳細は後述するが、図１に示したように、映像が投射される投影エリア（投影エリアＳ１１）において、表示された映像を指（指示物７１）でタッチする等、何らかの動作を行うことで、所定の入力操作を行うことができるようになっている。

投射型表示装置１は、図２に示したように、照明部１１と、ライトバルブ１２と、撮像素子１３と、縮小光学系１４と、偏光分離素子１５と、投射レンズ１６と、信号処理部１７とを備えている。これらのうち、例えば照明部１１、ライトバルブ１２および投射レンズ１６により投影光学系１０Ａが構成され、例えば撮像素子１３および縮小光学系１４により検出光学系１０Ｂが構成されている。なお、例えば照明部１１、ライトバルブ１２、撮像素子１３および信号処理部１７は、システム制御部（図示せず）により所定のタイミングで駆動制御される。

この投射型表示装置１の外筐には、近赤外光源部４０が設けられている。近赤外光源部４０は、検出用の非可視光として近赤外光（ＮＩＲ：Near infrared）を出射する光源部であり、投影面１１０の近傍の面に沿って近赤外光を照射するものである。換言すると、近赤外光源部４０は、投影面１１０の近傍において、投影エリアＳ１１を覆うように、近赤外光のバリア膜（検出用ライトプレーン１１０Ａ）を張っている。検出用ライトプレーン１１０Ａは、投射レンズ１６を通る光軸の高さとは異なる、投影面１１０から所定の高さｈにある面に形成されている（図３）。

一例としては、検出用ライトプレーン１１０Ａは、例えば高さｈが数ｍｍ〜数１０ｍｍ程度の位置に、厚み（高さ方向における幅）が２〜３ｍｍで，かつ面内方向において投影エリアＳ１１をカバーするように形成される。通常、投影面１１０は平坦であるため、遮蔽物、あるいは指や指示棒などの指示物７１が無ければ、検出用ライトプレーン１１０Ａは遮られることがない。つまり、投影面１１０をモニタしている撮像素子１３には何も写らない。この状態で、指示物７１が、投影面１１０に近接するか、または、投影面１１０をタッチするなどの動作をすると、検出用ライトプレーン１１０Ａの近赤外光が指示物７１によって遮られ、そのポイントで拡散反射する。指示物７１にあたり反射した光は四方八方に向かうが、その一部が投射レンズ１６の開口に取り込まれる。その反射光の一部は投射レンズ１６と偏光分離素子１５とを介して、撮像素子１３上に到達する。この時、映像をつくるライトバルブ１２と撮像素子１３が光学的に共役の位置に配置されているため、投影面１１０上で点状に発生した輝点拡散ポイントは撮像素子１３上で結像し、投影された映像における位置と対応する位置で結像する。これにより、物体の位置検出が可能となる。また超短焦点タイプの場合は投射光が投影面１１０の近傍を通り、操作する人の体の一部が投射光を遮りにくいため、操作する際に画面が見やすいというメリットがある。

なお、近赤外光源部４０は、図示したように、例えば投射型表示装置１の外筐の下方に設けられるが、投射型表示装置１に隣接していてもよいし、していなくともよい。投影エリアＳ１１を覆うように検出用ライトプレーン１１０Ａを張ることができれば、投射型表示装置１から離れた位置に設置されていてもよい。あるいは、近赤外光源部４０は、投射型表示装置１の外筐（筐体）の内部に設けられていてもよい。本実施の形態では、近赤外光源部４０は、後述する光学設計により、投影面１１０から比較的離れた高さに設けることが可能となり、投射型表示装置１と一体的にバンドルし易くなる。

この検出用ライトプレーン１１０Ａにより、物体（指示物７１）が投影面１１０に接触あるいは近接すると、近赤外光が指示物７１によって反射（拡散反射）され、この反射光の一部が投射型表示装置１に検出光として取り込まれる仕組みである。

近赤外光源部４０は、図４に示したように、例えば近赤外レーザ４２と、コリメータレンズ４３と、シリンダアレイレンズ４４とを有している。シリンダアレイレンズ４４を出射した近赤外光４１により検出用ライトプレーン１１０Ａが形成される。シリンダアレイレンズ４４は、図５Ａに示したように凸状のシリンダレンズが複数配列されたものである。シリンダアレイレンズ４４は、投影面１１０に対して垂直な面にシリンダレンズの母線４４Ａを向けるように配置する。なお、凸状のシリンダアレイレンズ４４に代えて、図５Ｂに示したように凹状のシリンダレンズが複数配列されたシリンダアレイレンズ４５を用いてもよい。

照明部１１は、照明光Ｌ１を、偏光分離素子１５を介してライトバルブ１２に向けて出射するものである。この照明部１１は、照明光Ｌ１として可視光を出射するものであれば特に限定されないが、例えば青色レーザと、緑色レーザと、赤色レーザ（いずれも図示せず）とを含んで構成されている。

図２，図６〜図１３を参照して、投射型表示装置１の要部構成について説明する。

（投影光学系１０Ａ）
ライトバルブ１２は、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の反射型の液晶素子である。ライトバルブ１２は、例えば照明光Ｌ１に含まれる第１の偏光成分（例えば、後述のｓ偏光成分Ｌｓ１）を映像データに基づいて変調するものである。ライトバルブ１２によって変調された光は、偏光状態が回転し、第２の偏光成分（例えば、後述のｐ偏光成分Ｌｐ１）となる。この変調光が、偏光分離素子１５を介して投射レンズ１６に向けて出射されるようになっている。なお、ライトバルブ１２では、入射光（ｓ偏光成分Ｌｓ１）をそのままの偏光状態で偏光分離素子１５に戻すことで黒表示を行うことが可能である。このライトバルブ１２の有効エリアの面形状は、例えば矩形状である。

投射レンズ１６は、ライトバルブ１２から偏光分離素子１５を介して入射された光（映像光Ｌ２）を、投影面１１０上に投射するものである。投射レンズ１６は、スローレシオ（Throw Ratio）が例えば０．３８以下の超短焦点レンズである。ここで、スローレシオとは、投射レンズ１６から投影面１１０までの距離をＬ、投影エリアＳ１１の幅をＨとすると、Ｌ／Ｈで表される。この投射レンズ１６には、図２および図６に示したように、変調光の進行方向とは逆方向から検出光（近赤外光Ｌａ１）が入射されるようになっている。このように、本実施の形態では、検出光が、投影光学系１０Ａの投射レンズ１６を介して取り込まれ、検出光学系１０Ｂへ導かれる。また、詳細は後述するが、この投射レンズ１６によるイメージサークルの径は、ライトバルブ１２ではなく、撮像素子１３のサイズを基準に設定されている。

（偏光分離素子１５）
偏光分離素子１５は、入射した光を第１の偏光成分（例えばｓ偏光成分）と第２の偏光成分（例えばｐ偏光成分）とに分離し、それぞれを互いに異なる方向に出射するものである。この偏光分離素子１５は、例えば偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）からなり、第１の偏光成分を選択的に反射させる（偏光分離面１５０において反射させる）と共に、第２の偏光成分を選択的に透過させる（偏光分離面１５０を透過させる）ように構成されている。本実施の形態では、偏光分離素子１５として偏光ビームスプリッタを用いる場合を例に挙げて説明するが、偏光分離素子１５はこれに限らず、ワイヤーグリッドから構成されていてもよい。その場合には、偏光ビームスプリッタと特性が異なり、入射した光のうちの第１の偏光成分としてｐ偏光成分を選択的に反射し、第２の偏光成分としてｓ偏光成分を選択的に透過させることができる。

この偏光分離素子１５は、図６に示したように、例えば４つの光学面（第１面１５Ａ，第２面１５Ｂ，第３面１５Ｃ，第４面１５Ｄ）と、偏光分離面１５０とを有している。第１面１５Ａと第３面１５Ｃとが一軸方向（図の左右方向）において向かい合って配置され、第２面１５Ｂと第４面１５Ｄとが一軸方向（図の上下方向）において向かい合って配置されている。このような構成において、第１面１５Ａに照明光Ｌ１が入射されるように構成され、第２面１５Ｂに対向して、ライトバルブ１２が配置されている。第３面１５Ｃに対向して、検出光学系１０Ｂが配置され、第４面１５Ｄに対向して、投射レンズ１６が配置されている。

図７に、偏光分離素子１５の一構成例について示す。このように、偏光分離素子１５は、第１面１５Ａから入射した照明光Ｌ１のうちの第１の偏光成分（ｓ偏光成分Ｌｓ１）を反射して第２面１５Ｂから出射する。一方、照明光Ｌ１のうちの第２の偏光成分（ｐ偏光成分Ｌｐ１）を第３面１５Ｃから出射する。また、第２面１５Ｂから入射した光（ライトバルブ１２による変調光）のうちの第２の偏光成分（ｐ偏光成分Ｌｐ２）を第４面１５Ｄから出射する。これにより、投影光学系１０Ａによる映像投射がなされるようになっている。この一方で、第４面１５Ｄから入射した光（近赤外光Ｌａ１）のうちの第１の偏光成分（ｓ偏光成分Ｌｓ３）を反射して第３面１５Ｃから出射する。このｓ偏光成分Ｌｓ３に基づく光が撮像素子１３において受光される。これにより、撮像素子１３において撮像信号Ｄ０が得られる。

（検出光学系１０Ｂ）
撮像素子１３は、ライトバルブ１２と光学的に共役な位置に配置されている。より具体的には、ライトバルブ１２が反射型の液晶素子である場合、映像を創り出す表示面（液晶面）と撮像素子１３の撮像面とが光学的に共役な関係となるように配置されている。撮像素子１３は、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）やＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの固体撮像素子により構成され、有効エリアの面形状は、例えば矩形状である。本実施の形態では、詳細は後述するが、この撮像素子１３の対角サイズが、所定の条件式を満たすように設計されている。

この撮像素子１３を含む検出光学系１０Ｂの一例としては、図６に示したように、例えば、共役面５０の側から順に、可視光カットフィルタ１７Ａと、バンドパスフィルタ１７Ｂと、縮小光学系１４（リレーレンズ群１４Ａ，１４Ｂ）と、偏光子１８と、撮像素子１３とが配置されたものが挙げられる。

可視光カットフィルタ１７Ａは、入射した光のうちの可視光成分を低減するものである。この可視光カットフィルタ１７Ａを備えることで、偏光分離素子１５として偏光ビームスプリッタを用いたとしても、照明部１１の光源をオフすることなく、撮像素子１３に入射する照明光Ｌ１の多くをカットすることができる。これにより、ほぼ検出光のみを撮像素子１３側に入射させることができ、Ｓ／Ｎ比を大きくして検出精度を上げることができる。なお、ここでは、１枚の可視光カットフィルタ１７Ａを配置したが、可視光カットフィルタの枚数はこれに限定されるものではなく、２枚以上であってもよい。また、共役面５０と縮小光学系１４との間の位置に配置したが、他の位置、例えば縮小光学系１４と撮像素子１３との間に配置してもよい。

バンドパスフィルタ１７Ｂは、特定の波長（近赤外光）を選択的に透過し、他の波長を低減するものである。

偏光子１８は、照明光Ｌ１に含まれる第２の偏光成分を低減させる光学部材である。ここで、上記のような偏光分離素子１５では、照射光Ｌ１のうちの第２の偏光成分（例えばｐ偏光成分）を透過させることから、このｐ偏光成分が検出光学系１０Ｂに入射し、撮像素子１３で得られる撮像信号のＳ／Ｎ比に影響することがある。本実施の形態のように、偏光子１８が配置されることにより、照明光Ｌ１に含まれる第２の偏光成分（例えばｐ偏光成分）がカットされ、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができる。なお、偏光子１８の位置は、図示したような縮小光学系１４と撮像素子１３との間の位置に限定されるものではなく、他の位置、例えば共役面５０と縮小光学系１４との間に配置してもよい。

縮小光学系１４は、１または複数のリレーレンズ群（ここでは２つのリレーレンズ群１４Ａ，１４Ｂ）から構成されている。リレーレンズ群１４Ａ，１４Ｂはそれぞれ、正のパワーを有し、少なくとも１枚のレンズを含んで構成されている。リレーレンズ群１４Ｂの焦点距離ｆｉは、リレーレンズ群１４Ａの焦点距離ｆｂよりも小さくなるように設定されている。例えば、２ｆｉ＝ｆｂとなる条件とし、リレーレンズ群１４Ａが、ライトバルブ１２の共役面５０から焦点距離ｆｂの分だけ離れた位置に配置され、このリレーレンズ群１４Ａの位置から（ｆｂ＋ｆｉ）の分だけ離れた位置にリレーレンズ群１４Ｂが配置され、かつリレーレンズ群１４Ｂから焦点距離ｆｉの分だけ離れた位置に、撮像素子１３が配置される。このようなリレーレンズ群１４Ａ，１４Ｂの配置により、縮小光学系を実現しつつ、撮像素子１３を共役面５０に配置した場合と等価となる。つまり、ライトバルブ１２との共役の位置関係を保ちつつ、撮像素子１３のサイズをより小さくすることが可能となる。なお、本実施の形態では、検出光学系１０Ｂが縮小光学系１４を有する場合を例に挙げて説明するが、この縮小光学系１４は設けられていなくともよい。即ち、検出光学系１０Ｂは、拡大光学系あるいは等倍光学系を有していてもよい。

このような縮小光学系１４を用いた物体検出は、低コスト化に有利である。撮像素子１３のコストは撮像素子１３のサイズに大きく影響を受ける。プロジェクタを構成する上で、半導体部品である、ライトバルブ１２および撮像素子１３はコストウエイトが大きいことから、そのような部品の小型化によるコストメリットは大きい。また、リレー光学系により共役点を延長することで配置の自由度が増す、というメリットもある。例えば、部品間距離が生まれることで、間に反射ミラー等で折り曲げ光学系を実現することが可能となる。

本実施の形態では、上記のような検出光学系１０Ｂにおいて、撮像素子１３の対角サイズが以下の条件式（１）を満たすように構成されている。但し、ｄ１をライトバルブ１２の対角サイズ、ｄ２を撮像素子１３の対角サイズ、βを検出光学系１０Ｂの光学倍率（縮小光学系の場合はβ＞１、拡大光学系の場合はβ＜１、等倍光学系の場合はβ＝１）とする。但し、本実施の形態では、検出光学系１０Ｂが縮小光学系を有することから、このβは、縮小光学系１４の縮小倍率であり、β＞１とする。なお、対角サイズｄ１はライトバルブ１２の有効エリアの対角サイズであり、対角サイズｄ２は、撮像素子１３の有効エリアの対角サイズである。
ｄ１＜β×ｄ２ ………（１）

以下に、上記条件式（１）の導出の根拠について、図８Ａ〜図１１を用いて説明する。

まず、検出光の取り込みの概要について説明する。図８Ａに模式的に示したように、投影面１１０に指などの指示物７１が接触あるいは近接すると、投影面１１０の近傍に張られた検出用ライトプレーン１１０Ａにおける近赤外光Ｌａが、指示物７１にあたり、四方八方に拡散反射する。これらの拡散反射された光（散乱光）の一部（近赤外光Ｌａ１）が、投射レンズ１６により集光された後、検出光学系１０Ｂにおける射出瞳Ｅ１によって切り出される。

ここで、上記のように投射レンズ１６を介して検出光学系１０Ｂに取り込まれる近赤外光Ｌａ１について、詳細に説明する。図８Ｂに示したように、投影面１１０上における物体の位置を検出する場合、その検出位置に応じて、近赤外光Ｌａ１の取り込み角（検出光学系１０Ｂの射出瞳Ｅ１へ入射する近赤外光Ｌａ１と、投射面１１０とのなす角θ）が異なる。具体的には、最も射出瞳Ｅ１に近い位置Ｐ１では、射出瞳Ｅ１を下から見上げるようなかたちとなり、取り込み角θが最大となる。次いで、位置Ｐ２，Ｐ３とこの順に、射出瞳Ｅ１から離れ、取り込み角θが徐々に小さくなる。位置Ｐ４では射出瞳Ｅ１から最も遠くなり、取り込み角θも最小となる。

図８Ｃおよび下記の表１〜３に、一例を挙げる。表１に投影条件を示す。但し、射出瞳Ｅ１の高さは、投影面１１０（スクリーン，床）から１００ｍｍとする。この投影条件により形成された投影エリアＳ１１における位置Ｐ１〜Ｐ４の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を図８Ｃに示す。また、表２には、位置Ｐ１〜Ｐ４の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と共に、射出瞳Ｅ１までの距離を示す。また、表３には、位置Ｐ１〜Ｐ４のそれぞれにおける、射出瞳Ｅ１と投影面１１０とのなす角（取り込み角θ）について示す。このように、射出瞳Ｅ１からの距離に応じて取り込み角θが変化し、位置Ｐ１では、最も取り込み角θが大きく（θ＝３３．７°）、位置Ｐ４では、最も取り込み角θが小さい（θ＝１０．５°）ことがわかる。また、位置Ｐ２，Ｐ３では、それぞれ取り込み角θが１７．６°，１２．２°となった。

上記のように、検出位置の違いにより、射出瞳Ｅ１までの距離ないし取り込み角θが変化することがわかる。これらのパラメータの値自体は、投影エリアＳ１１のサイズ、あるいは超短焦点型のレンズ設計等に応じて異なるものであるが、上述した検出位置の違いによる取り込み角θの相対的な大小関係は変わらないことから、この関係性を利用して、指示物７１の位置を特定することが可能である。

次に、射出瞳Ｅ１に入射する近赤外光Ｌａ１について、より詳細に検討する。図９に、指示物７１付近の反射の様子を模式的に示す。なお、上図は位置Ｐ１における反射を、下図は位置Ｐ４における反射をそれぞれ示している。図９に示したように、検出用ライトプレーン１１０Ａにおける近赤外光Ｌａは、指示物７１にあたり反射されるが、この際、次のような現象が生じる。即ち、本実施の形態では、射出瞳Ｅ１（投射レンズ１６）からみた近赤外光Ｌａ１は、実際に指示物７１にあたった反射点（実照射点）Ｐａ１，Ｐａ２ではなく、あたかも、高さｈの斜め成分だけ遠くにある投影面１１０上の点（仮想発光点Ｐｂ１，Ｐｂ２）から発光したように見える。つまり、実際の指示物７１の位置に対応する反射点Ｐａ１と、仮想発光点Ｐｂ１との間には差分ｔ１が生じる。同様に、反射点Ｐａ２と仮想発光点Ｐｂ２との間には、差分ｔ２が生じる。また、この差分（検出位置の伸び分）は、検出位置、即ち取り込み角θの影響を受け、取り込み角θが小さいほど、より顕著なものとなる。ここでは、位置Ｐ４の取り込み角θが最小であるから、位置Ｐ４における差分ｔ２が最大値をとる。なお、位置Ｐ１の取り込み角θは最大であるから、位置Ｐ１における差分ｔ１は最小値をとる。

ここで、図１０に、投影光学系１０Ａによる投影エリアＳ１１および拡大倍率αと、検出光学系１０Ｂによる受光対象エリアＳ１２および縮小倍率βとの関係を説明するための構成を示す。このように、投影面１１０における投影エリアＳ１１は、ライトバルブ１２の対角サイズｄ１を投射レンズ１６によりα倍拡大した（α×ｄ１）の大きさとなる。

一方で、撮像素子１３による受光対象エリアＳ１２は、上述した反射点（実照射点）と仮想発光点との差分の影響を受ける。このため、（α×ｄ１）の大きさの投影エリアＳ１１の全域において検出を可能にするためには、上記差分を考慮して、受光対象エリアＳ１２のサイズを投影エリアＳ１１のサイズ（α×ｄ１）よりも大きくなるように設定することが理想的である。即ち、上記条件式（１）を満たすように構成されるのがよい。なお、拡大倍率αは縮小倍率βと同様、１よりも大きなものとする。

（イメージサークルの最適化）
一般に、「イメージサークル」とは、レンズを通過した光が結像する円形の範囲のことを示す。プロジェクタなどの投影系においては、ライトバルブの配置された位置で、ライトバルブの有効エリアが確保されるように設計される。即ち、投射レンズにおいて、ライトバルブの有効エリアから出射された光線の通過領域が確保されるように、設計がなされる。一方、カメラ等の撮像系の場合は、撮像レンズにおいて、撮像素子の有効エリアに入射する光線の通過領域が確保されるように、設計がなされる。本実施の形態では、１つの投射レンズ１６により、映像投射と、検出光（近赤外光）の取り込みとを行うことから、イメージサークル（イメージサークルＣ１）は、最も像高の高い部分を通過する光線が確保されるように設定されることが望ましい。

図１１に、イメージサークルＣ１と、ライトバルブ１２の有効エリアに対応する面形状（矩形状Ａ１）、および撮像素子１３の有効エリアに対応する面形状（矩形状Ａ２）との関係について示す。なお、図１２は、図１１の一部を拡大したものである。また、これらの矩形状Ａ１，Ａ２は、詳細には、投射レンズの略焦点距離の位置における面形状に対応する。本実施の形態のように、超短焦点型の場合、イメージサークルＣ１は、像高が一方向（ここでは、図１１のＹ方向）に沿って大きくシフトした（オフセットした）光線の通過領域が確保されるように設計される。ここで、映像を投影するのみのプロジェクタの場合、ライトバルブ１２の矩形状Ａ１の一部の頂点に外接するようにイメージサークル（イメージサークルＣ１００）が設計される。具体的には、イメージサークルＣ１００は、矩形状Ａ１において１つの長辺を共有する一対の頂点Ａ１１，Ａ１２に接するように設計される。矩形状Ａ１に外接するようにイメージサークルＣ１００を設計するのは、イメージサークルの径自体が非常に大きく、投射レンズのサイズが巨大なものであることから、特性維持の面においてもコストの面においても、径を最小限に抑えたいためである。

ところが、本実施の形態のように、投影光学系１０Ａと検出光学系１０Ｂとにおいて投射レンズ１６を共有する場合、反射点と仮想発光点との間に差分（伸び分）があることから、これを考慮して、すなわち撮像素子１３の矩形状Ａ２を考慮してイメージサークルＣ１が設計されることが望ましい。

具体的には、イメージサークルＣ１は、矩形状Ａ１に非接触で、かつ矩形状Ａ１を包含する、ように設計される。換言すると、矩形状Ａ１の頂点Ａ１１，Ａ１２に接する円（イメージサークルＣ１００）の径よりも大きく、撮像素子１３の矩形状Ａ２における矩形状の１つの長辺を共有する一対の頂点Ａ２１，Ａ２２に接する円の径以下の径を有するように設計されている。撮像素子１３の矩形状Ａ２は、矩形状Ａ１と中心位置が略同一で、かつ矩形状Ａ１よりも大きなものである。具体的には、矩形状Ａ２は、矩形状Ａ１と、上記差分を考慮したカバーエリアＡ２ａを含む。また、より望ましくは、図１１に示したように、イメージサークルＣ１の径が、矩形状Ａ２における頂点Ａ２１，Ａ２２に接する円の径と同等となっている。但し、イメージサークルＣ１の径は、頂点Ａ２１，Ａ２２に接する円の径と完全一致する場合に限定されるものではない。即ち、レンズのプロセス上の誤差や、取り付け時等におけるレンズシフトによる誤差などは許容される。また、そのような誤差を予め見込んでイメージサークルＣ１を若干大きめに設計しても構わない。

更に、イメージサークルＣ１の詳細条件について述べる。上記差分を考慮したカバーエリアＡ２ａの幅ｔは、図１３に示したように、検出用ライトプレーン１１０Ａの高さｈと取り込み角θとを用いて表すことができる（ｔ＝ｈ／ｔａｎθ）。よって、矩形状Ａ１（投影エリアＳ１１）の端部位置に対応する反射点Ｐａ（仮想発光点Ｐｂ）から取り込まれる近赤外光Ｌａ１を、撮像素子１３において受光させるためには、イメージサークルＣ１の半径Ｒ１が、以下の条件式（２）を満たすことが望ましい。但し、Ｒ０をライトバルブ１２の矩形状Ａ１の頂点Ａ１１，Ａ１２に接する円の半径（イメージサークルＣ１００の半径）とし、図１０に示したように、αを投影倍率（投影像サイズとライトバルブの有効エリアサイズとの比）、ｈを検出用ライトプレーン１１０Ａの投影面１１０からの高さとする。また、θ_minを検出光学系１０Ｂへ入射する近赤外光Ｌａ１と投影面１１０とのなす角（取り込み角）θの最小値とする。
Ｒ１≧Ｒ０＋ｈ／α×ｔａｎθ_min ………（２）

また、望ましくは、更に以下の条件式（３）を満たすように構成されていることが望ましい。条件式（２），（３）の両方を満足することで、イメージサークルＣ１が、ライトバルブ１２の有効エリアに必要な光路を含み、かつライトバルブ１２と同軸配置された撮像素子１３に必要十分な光路を含むように、設計することが可能である。
β×ｄ２≧ｄ１＋２ｈ／α×ｔａｎθ_min ………（３）

信号処理部１７は、撮像素子１３による撮像信号に基づいて、例えば人の指やポインタ等の指示物（物体）７１の特徴点の位置を、例えば投影面１１０上の投影エリアＳ１１における座標に対応付けて検出するものである。特徴点の例としては、人の指の先端の形状、指の重心、手の重心などを用いることができる。

［作用，効果］
投射型表示装置１では、図１４に示したように、ライトバルブ１２に形成された映像情報Ｖ１を投射レンズ１６によって、卓上などの投影面１１０上に投影し、投影画像Ｖ２として拡大表示する。この一方で、投射型表示装置１は、投影面１１０上における物体の位置、例えば人の指やポインタ等の指示物（物体）７１の特徴点の位置Ｐｔ１を、撮像素子１３から得られた撮像信号Ｄ０を用いて検出する。

ここで、本実施の形態では、投射レンズ１６が、投影光学系１０Ａと検出光学系１０Ｂとにおいて共有され、撮像素子１３がライトバルブ１２と光学的に共役の位置に配置されている。このため、投影エリアＳ１１とほぼ同じエリアを検出エリア（検出可能エリア）とする物体検出が可能となる。また、この光学的に共役な位置関係により、投影面１１０上における指示物７１の特徴点の位置Ｐｔ１を投射レンズ１６を介して投影画像Ｖ２に重ねてモニタすることが可能となる。また例えば、信号処理部１７において、指示物７１の形状を画像処理し、指示物７１の特徴点の位置Ｐｔ１の座標を検出することで、投影画像Ｖ２のポインティング操作が可能となる。この際、投影エリアＳ１１内の任意の座標位置が検出エリア内の座標位置に１対１で対応するので、撮像素子１３側の検出位置Ｐｔ２の座標が指示物７１の特徴点の位置Ｐｔ１の座標に対応する。即ち、キャリブレーション等の煩雑な信号処理を行うことなく、投影エリアＳ１１内の位置と、検出エリア内の位置とを対応づけて物体を検出することができる。なお、指示物７１は２以上であってもよく、例えば両手の指の先端の座標を検出することなども可能である。このようにして検出された指示物７１の特徴点の位置を用いることで、プロジェクタの投影画像Ｖ２にあたかもタッチパネルが組み込まれているような直観的な操作が可能となる。

また、上記の条件式（１）を満たすように構成されていることにより、検出用ライトプレーン１１０Ａを用いた近赤外光の検出の際に、反射点と仮想発光点との差分の影響を軽減して、投影エリアＳ１１のほぼ全域をカバーする検出エリアを形成することができる。

更に、図１１に示したように、イメージサークルＣ１が、ライトバルブ１２の矩形状Ａ１を基準に設計された円の径（イメージサークルＣ１００の径）よりも大きい（矩形状Ａ１に非接触で、かつ矩形状Ａ１を包含する）ことが望ましい。また、イメージサークルＣ１は、撮像素子１３の矩形状Ａ２を包含することがより望ましい。仮に図１５Ａに示したように、ライトバルブ１２の矩形状Ａ１を基準に設計されたイメージサークルＣ１００では、図１５Ｂに示したように、受光対象となる撮像素子１３の矩形状Ａ２への入射光線を一部カバーできない領域（図中の斜線部分１２０）が生じる。即ち、投影エリアＳ１１の一部において物体検出ができないことがある。これに対し、本実施の形態のようなイメージサークルＣ１の設計により、投影エリアＳ１１の角部などの局所的な領域においても物体検出が可能となる。

以上のように、本実施の形態によれば、撮像素子１３がライトバルブ１２と光学的に共役な位置に配置され、この撮像素子１３に、投影面１１０の近傍の面に沿って照射された近赤外光に基づく光が、投射レンズ１６と偏光分離素子１５とを介して入射されることで、煩雑な信号処理を行うことなく、物体検出が可能となる。また、条件式（１）を満たすように構成されていることにより、投影エリアＳ１１のほぼ全域において物体検出が可能となる。よって、簡易な構成で物体検出を実現すると共に、投影エリアの全域において物体を検出可能となる。

本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、ライトバルブ１２と撮像素子１３として、略同じアスペクト比を有するものを例に挙げたが、これらのライトバルブ１２と撮像素子１３とは、必ずしもアスペクト比が同じでなくともよい。即ち、ライトバルブ１２と撮像素子１３との各対角サイズが、上述した所定の条件式を満たすように構成されていればよく、有効エリアの面形状が異なるものであっても構わない。

また、上記実施の形態では、本開示のライトバルブとして、反射型液晶素子を用いたが、これに限らず、他のライトバルブが用いられて構わない。例えば、ライトバルブとして、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）が用いられてもよい。この場合、ライトバルブが光の偏光特性を利用しないミラータイプとなるため、通常は偏光光学系を用いないが、上記実施の形態のように光路中に偏光ビームスプリッタなどの偏光分離素子が配された光学系に配置しても差し支えなく、ＤＭＤを用いた映像表示を実現することが可能となる。

更に、上記実施の形態では、本開示の投射型表示装置の一例として、いわゆる超短焦点型のものを例示したが、必ずしもこれに限定される訳ではない。投影光学系と検出光学系とが投射レンズを共有し、撮像素子がライトバルブと光学的に共役の位置に配置された構成を有するものであればよい。このような構成を有するものであれば、検出光の物体表面での反射光において、反射点と仮想発光点との間に差分が生じることから、この差分を考慮した上記光学設計は有効である。但し、この効果は、超短焦点型のものに対して特に効果的である。なお、上記実施の形態等において説明した効果は一例であり、他の効果であってもよいし、更に他の効果を含んでいてもよい。

例えば、本開示は以下のような構成を取ることができる。
（１）
照明部と、投射レンズと、前記照明部から供給された照明光を映像信号に基づいて変調して前記投射レンズへ向けて出射するライトバルブとを有する投影光学系と、
前記ライトバルブと前記投射レンズとの間に配置され、入射光を第１および第２の偏光成分に分離すると共に、それぞれを互いに異なる方向に出射する偏光分離素子と、
前記ライトバルブと光学的に共役な位置に配置された撮像素子を有する検出光学系と
を備え、
前記撮像素子には、前記投影面の近傍の面に沿って照射された非可視光に基づく光が、前記投射レンズと前記偏光分離素子とを介して入射され、かつ
以下の条件式を満たすように構成されている
投射型表示装置。
ｄ１＜β×ｄ２ ………（１）
但し、
ｄ１：ライトバルブの対角サイズ
ｄ２：撮像素子の対角サイズ
β：検出光学系の光学倍率（縮小光学系の場合はβ＞１、拡大光学系の場合はβ＜１、等倍光学系の場合はβ＝１） とする。
（２）
前記投射レンズの略焦点距離の位置において、
前記ライトバルブの有効エリアに対応する面形状は、第１の矩形状であり、
前記投射レンズのイメージサークルは、前記第１の矩形状に非接触で、かつ前記第１の矩形状を包含する
上記（１）に記載の投射型表示装置。
（３）
前記投射レンズの略焦点距離の位置またはこれと光学的に共役の関係となる位置において、
前記撮像素子の有効エリアに対応する面形状は、前記第１の矩形状と中心位置が略同一で、かつ前記第１の矩形状よりも大きな第２の矩形状であり、
前記投射レンズのイメージサークルは、前記第２の矩形状を包含する
上記（２）に記載の投射型表示装置。
（４）
前記撮像素子は、前記非可視光のうち物体によって反射された光の一部を受光し、
前記イメージサークルの径が以下の条件式を満たすように構成されている
上記（３）に記載の投射型表示装置。
Ｒ１≧Ｒ０＋ｈ／α×ｔａｎθ_min ………（２）
但し、
Ｒ１：投射レンズのイメージサークルの半径
Ｒ０：ライトバルブの有効エリアの一対の頂点に接する円の半径
ｈ：非可視光が照射される面の投影面からの高さ
α：投影倍率
θ_min：検出光学系へ入射する反射光の一部と投影面とのなす角の最小値
とする。
（５）
更に以下の条件式を満たすように構成されている
上記（４）に記載の投射型表示装置。
β×ｄ２≧ｄ１＋２ｈ／α×ｔａｎθ_min ………（３）
（６）
前記検出光学系は、前記偏光分離素子と前記撮像素子との間に縮小光学系を有し、
前記縮小光学系は、１または２以上のリレーレンズ群を含む
上記（１）〜（５）のいずれかに記載の投射型表示装置。
（７）
前記検出光学系は、前記偏光分離素子と前記撮像素子との間に、可視光成分を低減させる可視光カットフィルタを含む
上記（１）〜（６）のいずれかに記載の投射型表示装置。
（８）
前記検出光学系は、前記偏光分離素子と前記撮像素子との間に、前記第１および第２の偏光成分のうちの一方を選択的に除去する偏光子を含む
上記（１）〜（７）のいずれかに記載の投射型表示装置。
（９）
前記撮像素子から得られた撮像信号に基づいて、前記投影面上における物体の位置を検出する信号処理部を更に備えた
上記（１）〜（８）のいずれかに記載の投射型表示装置。
（１０）
前記投射レンズは短焦点レンズである
上記（１）〜（９）のいずれかに記載の投射型表示装置。
（１１）
前記非可視光を出射する光源部が外筐に設けられている
上記（１０）に記載の投射型表示装置。
（１２）
前記非可視光は、近赤外光である
上記（１）〜（１１）のいずれかに記載の投射型表示装置。
（１３）
前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタである
上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の投射型表示装置。
（１４）
前記ライトバルブは、反射型液晶表示素子である
上記（１３）に記載の投射型表示装置。
（１５）
前記偏光分離素子は、それぞれが光入射面または光出射面となる第１ないし第４の面を有すると共に、前記第１の面から入射した光のうちの前記第１の偏光成分を前記第２の面から出射し、前記第１の面から入射した光のうちの前記第２の偏光成分を前記第３の面から出射し、前記第２の面から入射した光のうちの前記第２の偏光成分を前記第４の面から出射し、かつ、前記第４の面から入射した光のうちの前記第１の偏光成分を前記第３の面から出射する、ように構成されている
上記（１４）に記載の投射型表示装置。
（１６）
前記投影光学系は、
前記照明部が、前記照明光を前記偏光分離素子の前記第１の面に向けて出射し、
前記ライトバルブが、前記照明光のうち、前記偏光分離素子の前記第２の面から出射した前記第１の偏光成分を変調し、その変調光を、前記偏光分離素子の前記第２の面に向けて出射し、
前記投射レンズが、前記変調光のうち、前記偏光分離素子の前記第４の面から出射した光を、前記投影面に向けて投射する、ように構成されている
上記（１５）に記載の投射型表示装置。
（１７）
前記検出光学系は、前記偏光分離素子の前記第３面と前記撮像素子との間に配置される前記縮小光学系をさらに有し、
前記縮小光学系に、前記投射レンズと前記偏光分離素子の前記第４の面および前記第３の面とを介して物体検出用の光が入射され、
前記撮像素子に、前記縮小光学系から出射された光が入射する、ように構成されている
上記（１６）に記載の投射型表示装置。

本出願は、日本国特許庁において２０１４年７月２９日に出願された日本特許出願番号第２０１４−１５３６５９号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。

当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (17)

1. 照明部と、投射レンズと、前記照明部から供給された照明光を映像信号に基づいて変調して前記投射レンズへ向けて出射するライトバルブとを有する投影光学系と、
   前記ライトバルブと前記投射レンズとの間に配置され、入射光を第１および第２の偏光成分に分離すると共に、それぞれを互いに異なる方向に出射する偏光分離素子と、
   前記ライトバルブと光学的に共役な位置に配置された撮像素子を有する検出光学系と
   を備え、
   前記撮像素子には、投影面の近傍の面に沿って照射された非可視光に基づく光が、前記投射レンズと前記偏光分離素子とを介して入射され、かつ
   以下の条件式を満たすように構成されている
   投射型表示装置。
   ｄ１＜β×ｄ２………（１）
   但し、
   ｄ１：ライトバルブの対角サイズ
   ｄ２：撮像素子の対角サイズ
   β：検出光学系の光学倍率（縮小光学系の場合はβ＞１、拡大光学系の場合はβ＜１、等倍光学系の場合はβ＝１）
   とする。
2. 前記投射レンズの略焦点距離の位置において、
   前記ライトバルブの有効エリアに対応する面形状は、第１の矩形状であり、
   前記投射レンズのイメージサークルは、前記第１の矩形状に非接触で、かつ前記第１の矩形状を包含する
   請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記投射レンズの略焦点距離の位置またはこれと光学的に共役の関係となる位置において、
   前記撮像素子の有効エリアに対応する面形状は、前記第１の矩形状と中心位置が略同一で、かつ前記第１の矩形状よりも大きな第２の矩形状であり、
   前記投射レンズのイメージサークルは、前記第２の矩形状を包含する
   請求項２に記載の投射型表示装置。
4. 前記撮像素子は、前記非可視光のうち物体によって反射された光の一部を受光し、
   前記イメージサークルの径が以下の条件式を満たすように構成されている
   請求項３に記載の投射型表示装置。
   Ｒ１≧Ｒ０＋ｈ／α×ｔａｎθ_min………（２）
   但し、
   Ｒ１：投射レンズのイメージサークルの半径
   Ｒ０：ライトバルブの有効エリアの一対の頂点に接する円の半径
   ｈ：非可視光が照射される面の投影面からの高さ
   α：投影倍率
   θ_min：検出光学系へ入射する反射光の一部と投影面とのなす角の最小値
   とする。
5. 更に以下の条件式を満たすように構成されている
   請求項４に記載の投射型表示装置。
   β×ｄ２≧ｄ１＋２ｈ／α×ｔａｎθ_min………（３）
6. 前記検出光学系は、前記偏光分離素子と前記撮像素子との間に縮小光学系を有し、 前記縮小光学系は、１または２以上のリレーレンズ群を含む
   請求項１に記載の投射型表示装置。
7. 前記検出光学系は、前記偏光分離素子と前記撮像素子との間に、可視光成分を低減させる可視光カットフィルタを含む
   請求項１に記載の投射型表示装置。
8. 前記検出光学系は、前記偏光分離素子と前記撮像素子との間に、前記第１および第２の偏光成分のうちの一方を選択的に除去する偏光子を含む
   請求項１に記載の投射型表示装置。
9. 前記撮像素子から得られた撮像信号に基づいて、前記投影面上における物体の位置を検出する信号処理部を更に備えた
   請求項１に記載の投射型表示装置。
10. 前記投射レンズは短焦点レンズである
    請求項１に記載の投射型表示装置。
11. 前記非可視光を出射する光源部が外筐に設けられている
    請求項１０に記載の投射型表示装置。
12. 前記非可視光は、近赤外光である
    請求項１に記載の投射型表示装置。
13. 前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタである
    請求項１に記載の投射型表示装置。
14. 前記ライトバルブは、反射型液晶表示素子である
    請求項１３に記載の投射型表示装置。
15. 前記偏光分離素子は、それぞれが光入射面または光出射面となる第１ないし第４の面を有すると共に、前記第１の面から入射した光のうちの前記第１の偏光成分を前記第２の面から出射し、前記第１の面から入射した光のうちの前記第２の偏光成分を前記第３の面から出射し、前記第２の面から入射した光のうちの前記第２の偏光成分を前記第４の面から出射し、かつ、前記第４の面から入射した光のうちの前記第１の偏光成分を前記第３の面から出射する、ように構成されている
    請求項１４に記載の投射型表示装置。
16. 前記投影光学系は、
    前記照明部が、前記照明光を前記偏光分離素子の前記第１の面に向けて出射し、
    前記ライトバルブが、前記照明光のうち、前記偏光分離素子の前記第２の面から出射した前記第１の偏光成分を変調し、その変調光を、前記偏光分離素子の前記第２の面に向けて出射し、
    前記投射レンズが、前記変調光のうち、前記偏光分離素子の前記第４の面から出射した光を、前記投影面に向けて投射する、ように構成されている
    請求項１５に記載の投射型表示装置。
17. 前記検出光学系は、前記偏光分離素子の前記第３面と前記撮像素子との間に配置される前記縮小光学系をさらに有し、
    前記縮小光学系に、前記投射レンズと前記偏光分離素子の前記第４の面および前記第３の面とを介して物体検出用の光が入射され、
    前記撮像素子に、前記縮小光学系から出射された光が入射する、ように構成されている
    請求項１６に記載の投射型表示装置。

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