(57)【要約】【課題】外部より光ポインターで指定されたスクリーン面内位置情報を取り込むことができ、しかも輝度の低い光源にも対応可能なリアプロジェクション式モニタの光学エンジンを提供する。【解決手段】本発明に係るリアプロジェクション式モニタＭの光学エンジン１において、投射手段４は、光源２側に配置される第一の投射レンズ構成要素４１とスクリーンＳ側に配置される第二の投射レンズ構成要素４２とで二分割されている。そして、これら両投射レンズ構成要素４１、４２及び撮像素子５２の間に、光源２を経て第一の投射レンズ構成要素４１から出射した光を第二の投射レンズ構成要素４２に入射させてスクリーンＳに投射し、スクリーンＳに投射された光を再び第二の投射レンズ構成要素４２を介して撮像素子５２に入射させる特性を有するダイクロイックミラー６が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、該光源が出射した光を光学的に処理して画像情報に対応した画像を形成する映像表示手段と、該映像表示手段が形成した画像をスクリーンへ投射する投射手段と、スクリーン入力用のポインティングデバイスからスクリーンに向けて投射された光線のスクリーン上の散乱点を、スクリーン上の位置情報として取り込んで撮像する撮像手段とを備え、
前記投射手段は二分割されて前記光源側に配置される第一の投射手段構成要素と、前記スクリーン側に配置される第二の投射手段構成要素とを有し、
これら両投射手段構成要素及び前記撮像手段の間に、前記光源を経て前記第一の投射手段構成要素から出射した光を前記第二の投射手段構成要素に入射させて前記スクリーンに投射し、該スクリーンに視聴者側から投射された光の一部を再び前記第二の投射手段構成要素を介して前記撮像手段に入射させる特性を有する光学素子が設けられていることを特徴とする光学エンジン。
【請求項２】
前記撮像手段の光入射側には、前記ポインティングデバイスから出射される光線の波長域のみを透過させるバンドパスフィルターが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リアプロジェクション式モニタの光学エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
スクリーンに画像を投映し、その画像を参照しながらプレゼンテーションを行う際にプロジェクタ装置を使用しており、従来、視聴者の注意を喚起させるために、レーザ光を発するレーザポインタ等を使ってスクリーン上の任意の一点を指示したり、レーザ光でスクリーン画面の一部を照射して入力することによってポインティング箇所にマーカーを発生させたり、そのマーカーを移動させることによって、そのマーカーの軌跡を線で表示させる技術が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−９９１９４号公報
【特許文献２】特開２００３−４４８３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１及び２に記載の技術におけるプロジェクタ装置の構成では、投射レンズと液晶表示素子の間にダイクロイックプリズムや偏光分離プリズム等の光学素子を配置する必要上の制限から、投射レンズのいわゆるバックフォーカスを長めに確保しなければならず、その結果、投射光学系としてはＦ値の大きな暗いものとなってしまうという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高効率で明るい画像を取り込むことができ、しかも輝度の低い光源にも対応可能なリアプロジェクション式モニタの光学エンジンを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、例えば、図１及び図２に示すように、リアプロジェクション式モニタＭの光学エンジン１において、
光源２と、該光源が出射した光を光学的に処理して画像情報に対応した画像を形成する映像表示手段３と、該映像表示手段が形成した画像をスクリーンＳへ投射する投射手段４と、スクリーン入力用のポインティングデバイスＰからスクリーンに向けて投射された光線のスクリーン上の散乱点を、スクリーン上の位置情報として取り込んで撮像する撮像手段５とを備え、
前記投射手段は二分割されて前記光源側に配置される第一の投射手段構成要素（例えば、第一の投射レンズ構成要素４１）と、前記スクリーン側に配置される第二の投射手段構成要素（例えば、第二の投射レンズ構成要素４２）とを有し、
これら両投射手段構成要素及び前記撮像手段の間に、前記光源を経て前記第一の投射手段構成要素から出射した光を前記第二の投射手段構成要素に入射させて前記スクリーンに投射し、該スクリーンに視聴者側から投射された光の一部を再び前記第二の投射手段構成要素を介して前記撮像手段に入射させる特性を有する光学素子（例えば、ダイクロイックミラー６）が設けられていることを特徴とする。
【０００５】
請求項１の発明によれば、投射手段は第１の投射手段構成要素と第２の投射手段構成要素に分割された構成を有し、これら両投射手段構成要素及び撮像手段の間には、第一の投射手段構成要素から出射した光を第二の投射手段構成要素に入射させてスクリーンへ投映する機能とともに、ポインティングデバイスによるスクリーンへの投射光の一部を再び第二の投射手段構成要素を介して撮像手段に入射させる特性を有する光学素子が設けられているので、撮像手段を付加した場合でも従来のように投射手段と映像表示素子との間にかさばる光学素子を挿入する必要がないので、投射手段としてバックフォーカスの短い明るいレンズ系を採用することが可能となった。
【０００６】
請求項２の発明は、例えば、図２に示すように、請求項１に記載の光学エンジンにおいて、
前記撮像手段の光入射側には、前記ポインティングデバイスから出射される光線の波長域のみを透過させるバンドバスフィルター５３が配置されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明によれば、撮像手段の光入射側にはバンドパスフィルターが配置されているので、バンドパスフィルターによってポインティングデバイスから出射される光線の波長域のみが透過されることから、スクリーンに明るい外光が入るような環境下でも、撮像手段へのノイズ光の影響を避けることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る光学エンジンによれば、投射手段を二分割して、その両投射手段構成要素及び撮像手段の間に、第一の投射手段構成要素から出射した光を第二の投射手段構成要素に入射させてスクリーンに投射し、逆にスクリーン側からの光線を第二の投射手段構成要素中を逆行させ撮像手段に入射させる光学素子が設けられているので、撮像手段を付加した場合でも、従来のようにバックフォーカスの長い投射レンズを採用する必要がなく、明るい高効率の投射光学系を実現できる。この特性のため輝度の低いＬＥＤのような光源にも対応することができる。また、奥行きが深く、撮像機能付きの投射光学エンジンとして小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の第１及び第２の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態における光学エンジンを備えたリアプロジェクション式モニタの使用状態を示した図、図２は、光学エンジンを備えたリアプロジェクション式モニタの一例を示す概略側断面図、図３は、図２における光学エンジンの光源、映像表示手段等の一例を示す概略構成図である。
本発明の光学エンジンは、パーソナルコンピュータ等に形成された投射すべき画像情報を、その画像情報に基づいてスクリーンに画像を投射するとともに、ポインティングデバイスＰによってスクリーンＳに光（例えばレーザ光等）を投射することによってスクリーンＳ内座標を指定できるリアプロジェクション式モニタＭに好適に用いられる（図１参照）。
すなわち、パーソナルコンピュータ等からの画像情報を単にスクリーンＳに投射するだ
けでなく、ポインティングデバイスＰからの入力によってスクリーンＳ内の画像にマーキング等を行うことが可能となる。
【００１０】
図２に示すように、本発明の光学エンジン１は、光源２と、該光源２が出射した光を光学的に処理して画像情報に対応した画像を形成する映像表示手段３と、該映像表示手段３が形成した画像をスクリーンＳへ投射する投射手段４と、スクリーン入力用のポインティングデバイスＰからスクリーンＳに向けて光線のスクリーン面における散乱像を取り込んで撮像する撮像手段５とを備えている。特に本発明では、これらの各構成部材が構造的に一体形成されている。
以下、各構成部材について説明する。
【００１１】
光源２としては、例えば超高圧水銀ランプやＬＥＤが挙げられ、図３中は超高圧水銀ランプの場合を示している。また、図３に示すように、光学エンジン１は、光源２から出射された光を均一な光束に変換するインテグレータ２１、変換された光束を直線偏光に揃える偏光変換素子２２、直線偏光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三原色に分離する例えばダイクロイックミラー等の色分離フィルター２３を有する投射照明手段２０を備えている。
また、光を映像表示手段３に重畳集光するフィールドレンズ２４や、光を反射するミラー２５も備えている。
【００１２】
映像表示手段３は、ダイクロイックミラーで分離された各原色の光束の断面空間分布を、パーソナルコンピュータ等（図示略）からのＲＧＢ別画像情報に従って透過型映像表示素子３１により変調するとともに、この映像表示素子３１から出射された三原色の光束を合成し、投射手段４に出射する色画像合成プリズム（三原色合成用ダイクロイックプリズム）３２とを備えている。
【００１３】
投射手段４は、図２に示すように、二分割され、光源２側に配置される第一の投射レンズ構成要素４１とスクリーンＳ側に配置される第二の投射レンズ構成要素４２とから構成される。さらに、これら両投射レンズ構成要素４１、４２及び、後述する撮像手段５の第二の撮像レンズ構成要素５１の間にダイクロイックミラー６が挿入されている。
このダイクロイックミラー６は、光源２から出射し映像表示手段３及び第一の投射レンズ構成要素４１を経た光を、第二の投射レンズ構成要素４２に導いてスクリーンＳに投射し、その一方で、第二の投射レンズ構成要素４２を撮像手段５の第一の構成要素とみなし、これと第二の撮像レンズ構成要素５１とからなる撮像光学系で、スクリーンＳの裏面画像を撮像素子に取り込むための撮像手段５を構成する光学素子として機能している。したがって、第一の投射レンズ構成要素４１のダイクロイックミラー６による反射光軸上に第二の投射レンズ構成要素４２が配置されており、第二の投射レンズ構成要素４２の透過光軸の反スクリーン方向延長上に第二の撮像レンズ構成要素５１が配置されている。
さらに、本発明ではポインティングデバイスＰから出射されるレーザ光の波長を６５０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲とした場合に、ダイクロイックミラー６は図４に示すような特性のフィルター、すなわち波長６５０ｎｍ以上の範囲において反射率が０％に近く、逆に波長６５０ｎｍ以下の可視域の範囲において透過率が１００％に近い特性を有する光フィルターを使用することが好ましい。図４はダイクロイックミラー６の分光透過率を示した図である。
また、第一及び第二の投射レンズ構成要素４１、４２、さらに第二の撮像レンズ構成要素５１は、一般にそれぞれ凸レンズや凹レンズ等の複数のレンズからなるレンズ系とする。
【００１４】
撮像手段５は、第二の投射レンズ構成要素４２と第二の撮像レンズ構成要素５１からなる撮像光学系を持ち、ポインティングデバイスＰからスクリーンＳに投射された光線のスクリーン面での散乱点を含むスクリーン裏面画像を撮像素子５２に転写する。
第二の撮像レンズ構成要素５１は、前記第一の投射レンズ構成要素４１と同様の構成をなした複数のレンズ系であり、撮像素子５２としては、例えばＣＭＯＳやＣＣＤ等の二次元画像センサが挙げられる。
本実施の形態では、映像表示素子３１と撮像素子５２のサイズを同じとし、かつ第一の投射レンズ構成要素４１と第二の撮像レンズ構成要素５１を全く同一の光学系としているため、撮像素子５１と映像表示素子３１は、スクリーンＳに対して光学的に等距離に配置されているが、該両素子５２、３１のサイズが異なる場合にはこの限りでない。
なお、図示しないが撮像素子５２で得られた画像情報は表示画像を制御するパーソナルコンピュータに送られ、ポインティングデバイスＰにより指定されたスクリーンＳ上の座標位置が判定される。この機能により、パーソナルコンピュータは投映画像上の指定位置に任意の点や線を表示することができる。
また、第二の撮像レンズ光学要素５１と撮像素子５２との間には、ポインティングデバイスＰから出射される出射波長域の光のみを透過させる狭帯域バンドパスフィルター５３が挿入されており、このバンドパスフィルター５３によって、ノイズ光が撮像素子５２へ到達するのを防止している。
【００１５】
次に、上述のような構成の光学エンジン１における光の進み方について説明する。
図３に示すように、光源２からの光は、インテグレータ２１によって均一な光束に変換されて、偏光変換素子２２により直線偏光に揃えられる。偏光変換素子２２から出射した光は、コンデンサレンズ２６及びミラー２５を介して、ダイクロイックミラー２３により三色にそれぞれ分離される。そして、各色の光はそれぞれフィールドレンズ２４を介して、各色の液晶表示素子３１へ入射する。液晶表示素子３１では各色の画像情報を与え、画像情報を与えられた各色光は三色合成用ダイクロイックプリズム３２へ入射する。三色合成用ダイクロイックプリズム３２に入射したＲＧＢ三色の光は合成されてフルカラーの画像となり第一の投射レンズ構成要素４１に入射する。
第一の投射レンズ構成要素４１に入射した光は、図２に示すようにダイクロイックミラー６に投射され、該ダイクロイックミラー６で反射されて第二の投射レンズ構成要素４２に出射する。その後、反射ミラー７で反射されて画像情報を与えられた光がスクリーンＳに投射される。
【００１６】
一方、ポインティングデバイスＰからレーザ光がスクリーンＳに投射されてスクリーンＳ上の位置が指定されると、該スクリーンＳを透過したレーザ散乱光を含むスクリーンＳ裏面全体の画像が、撮像光学系を構成している第二の投射レンズ構成要素４２と第二の撮像レンズ構成要素５１により撮像素子５２に転写される。その際、ダイクロイックミラー６でレーザ散乱光より短波長の光を反射して撮像光学系から取り除き、さらに撮像素子５２の直前にバンドパスフィルター５３を挿入し、ノイズ光が撮像素子５２に到達しないようにしている。
【００１７】
［第２の実施の形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態における光学エンジンの一例を示す概略図、図６は、図５における光学エンジンの光源、映像表示手段等の一例を示す概略図である。
第２の実施の形態では、第１の実施の形態と異なり映像表示手段３Ａとして、高速スイッチングが可能なＤＭＤ（Digital Micromirror Device）３１Ａの反射型映像表示素子を１つ使用した、いわゆる単板式のプロジェクタに適用された場合であり、基本的な構成は第１の実施の形態と同様で、光源２、映像表示手段３Ａ、第一、第二の投射レンズ構成要素４１、４２、第二の撮像レンズ構成要素５１、撮像素子５２、ダイクロイックミラー６等を備えている。なお、第１の実施の形態と同様の構成部分については同様の符号を付している。
すなわち、図５及び図６に示す光学エンジン１Ａでは、光源２からの光を、楕円反射鏡２１Ａによって赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の透過型三色フィルターを有し高速回転するカラーホイール２２Ａに集光すると、該カラーホイール２２Ａによって、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のいずれか一つの単色光のみが透過することができる。透過した単色光は、インテグレータロッド２３Ａに入射し、インテグレータロッド２３Ａ内部で反射を繰り返し、インテグレータロッド２３Ａの出射口では均一な強度分布断面を有する光束に変換される。均一な光束に変換された光は、リレーレンズ系２４Ａにより、映像表示手段３ＡであるＤＭＤ３１Ａの面上に入射される。
ＤＭＤ３１Ａに入射した光は、ＤＭＤ３１Ａの面上で反射して画像情報を与えられ、第一の投射レンズ構成要素４１に入射した後、ダイクロイックミラー６に投射される。ダイクロイックミラー６に投射された光は、該ダイクロイックミラー６で反射して第二の投射レンズ構成要素４２に入射し、第二の投射レンズ構成要素４２から出射した後は、反射ミラー７で反射してスクリーンＳへ投映される。
【００１８】
一方、ポインティングデバイスＰからレーザ光がスクリーンＳに投射されてスクリーン面内の位置が指定されると、この指定された位置におけるレーザ散乱点画像を含むスクリーンＳの裏面全体の画像を、第二の投射レンズ構成要素４２及び第二の撮像レンズ構成要素５１からなる撮像光学系により、撮像素子５２に結像させてその画像情報をＣＰＵ（不図示）に取り込む。その際、バンドパスフィルター５３を撮像素子５２の直前に挿入してノイズ光の影響を除去している。
【００１９】
以上、本発明の実施の形態の光学エンジン１、１Ａによれば、投射手段４は二分割されて第一の投射レンズ構成要素４１及び第二の投射レンズ構成要素４２を有し、これら両投射レンズ構成要素４１、４２の間にはダイクロイックミラー６が設けられているので、光源２から出射して第一の投射レンズ構成要素４１を経た光をダイクロイックミラー６で反射して第二の投射レンズ構成要素４２に入射させた後スクリーンＳに投映し、一方で、ポインティングデバイスＰからスクリーンＳへの投射光による散乱点像を含むスクリーンＳの裏面画像を、第二の投射レンズ構成要素４２と第二の撮像レンズ構成要素５１からなる撮像手段５により撮像素子５２へ結像する。その際、ダイクロイックミラー６とバンドパスフィルター５３により信号光のみを透過してノイズ成分を除去している。
このように、撮像手段５を付加した場合でも従来と異なり、第一の投射レンズ構成要素４１と映像表示素子３１、３１Ａまでの距離、すなわち投射手段４のバックフォーカスを長くしなくとも良く、明るい投射光学系を実現できるので、たとえ光源２の輝度が低い場合でも有効に使用することができる。また、投射手段４を第一の投射レンズ構成要素４１と第二の投射レンズ構成要素４２とに分割し折り曲げ構成にすることによって、奥行きを短くすることができ、光学エンジン１、１Ａを小型化することができる。
【００２０】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なものとする。
上記実施の形態では、第一の投射レンズ構成要素４１から出射する光を反射して第二の投射レンズ構成要素４２に入射させ、また、第二の投射レンズ構成要素４２から出射する光を透過して撮像素子５２へと入射させる光学素子としてダイクロイックミラー６を挙げたが、このような特性を有するものであれば、偏光ビームスプリッタ、ビームサンプラー、反射型偏光フィルター等であっても構わない。
また、映像表示手段３、３Ａとして上述の透過型液晶表示素子３１やＤＭＤ３１Ａ以外にも、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の反射型液晶表示素子を使用しても良い。
さらに、光源２から出射する光を映像表示手段３、３Ａに入射させる投射照明手段２０、２０Ａの構成も上述したものに限られない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すためのもので、光学エンジンを備えたリアプロジェクション式モニタの使用状態を示した図である。
【図２】同、光学エンジンを備えたリアプロジェクション式モニタの一例を示す概略側断面図である。
【図３】同、図２における光学エンジンの光源、映像表示手段等の一例を示す概略構成図である。
【図４】同、ダイクロイックミラーの反射特性を表した図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態を示すためのもので、光学エンジンの一例を示す概略図である。
【図６】同、図５における光学エンジンの光源、映像表示手段等の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  光学エンジン
２  光源
３  映像表示手段
４  投射手段
５  撮像手段
６  ダイクロイックミラー（光学素子）
４１  第一の投射レンズ構成要素（第一の投射手段構成要素）
４２  第二の投射レンズ構成要素（第二の投射手段構成要素）
５３  バンドパスフィルター
Ｍ  リアプロジェクション式モニタ
Ｓ  スクリーン
Ｐ  ポインティングデバイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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