(57)【要約】【課題】高精細画像を投射可能な小型の画像投射装置を提供する。【解決手段】被投射面に画像を投射する画像投射装置であって、単色光源からの光束を用いて互いに異なる３色の画像を投射する少なくとも４つの画像投射サブユニットを有し、少なくとも４つの画像投射サブユニットのそれぞれは、３色の画像を前記被投射面において互いに合成するように投射し、被投射面の互いに異なる位置に複数の投射画像を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被投射面に画像を投射する画像投射装置であって、
単色光源からの光束を用いて互いに異なる３色の画像を投射する少なくとも４つの画像投射サブユニットを有し、
前記少なくとも４つの画像投射サブユニットのそれぞれは、前記３色の画像を前記被投射面において互いに合成するように投射し、該被投射面の互いに異なる位置に複数の投射画像を形成する、ことを特徴とする画像投射装置。
【請求項２】
前記少なくとも４つの画像投射サブユニットのそれぞれは、前記３色の画像を前記被投射面において互いに重なるように投射することを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
【請求項３】
前記少なくとも４つの画像投射サブユニットは、前記被投射面における前記複数の投射画像を互いに補間するように、該被投射面に該複数の画像を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の画像投射装置。
【請求項４】
前記少なくとも４つの画像投射サブユニットのそれぞれは、前記３色の画像を投射する３つの単色サブユニットを有し、
前記３つの単色サブユニットのそれぞれは、
前記単色光源からの前記光束を導く照明光学系と、
前記照明光学系からの光束を用いて画像を表示する画像表示素子と、
前記画像表示素子からの光束を用いて前記被投射面に前記画像を投射する投射光学系と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像投射装置。
【請求項５】
前記少なくとも４つの画像投射サブユニットのうち２つの画像投射サブユニットのそれぞれの単色サブユニットは、前記単色光源として一つの光源を共有していることを特徴とする請求項４に記載の画像投射装置。
【請求項６】
前記画像表示素子には、前記画像を表示する画素に対応するように集光レンズが設けられており、
前記照明光学系および前記集光レンズは、前記単色光源の像を前記画素の上に形成するように構成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の画像投射装置。
【請求項７】
前記画像表示素子は、
画素と、
前記光束を変調する光変調開口部と、を有し、
前記光変調開口部の一辺の長さは、前記画素の一辺の長さの半分以下であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の画像投射装置。
【請求項８】
第１のモードと第２のモードとを含むモードを切り替える切替制御手段を更に有し、
前記第１のモードは、前記少なくとも４つの画像投射サブユニットの全てを用いて前記被投射面に前記画像を投射するモードであり、
前記第２のモードは、前記少なくとも４つの画像投射サブユニットの一部を用いて前記被投射面に前記画像を投射するモードであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の画像投射装置。
【請求項９】
前記切替制御手段は、入力映像信号の情報量に応じて前記モードを切り替えることを特徴とする請求項８に記載の画像投射装置。
【請求項１０】
前記第２のモードで前記画像を投射する場合、前記少なくとも４つの画像投射サブユニットの前記一部は、前記被投射面に対するピントがボケた状態で前記画像を投射することを特徴とする請求項８または９に記載の画像投射装置。
【請求項１１】
前記少なくとも４つの画像投射サブユニットのそれぞれに含まれる投射光学系のシフト量は可変であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像を拡大投射表示する画像投射装置に係り、特に単色光光源を用いて高精細画像を投射する画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の投射装置を組み合わせて高精細な画像を投射する方法としては、複数の投射装置の画像を画素レベルで補間合成して高精細化するものであった。
【０００３】
特許文献１には、色分解合成系を有する画像投射装置を複数用意し、画素をライン補間または画素補間する方法が開示されている。特許文献２には、同じように画素補間する構成で、複数の色分解合成系からの光を偏光ビームスプリッターで合成し、一つの投射レンズで投射する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６４−３５４７９号公報
【特許文献２】特開２００５−２８３６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２に開示された構成では、光源として白色光源を用いているため投射装置に色分解合成系が必要となり、それらを複数組み合わせる構成であるために組み合わせた投射装置が大型化してしまう。
【０００６】
そこで本発明は、高精細画像を投射可能な小型の画像投射装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての画像投射装置は、被投射面に画像を投射する画像投射装置であって、単色光源からの光束を用いて互いに異なる３色の画像を投射する少なくとも４つの画像投射サブユニットを有し、前記少なくとも４つの画像投射サブユニットのそれぞれは、前記３色の画像を前記被投射面において互いに重なるように投射し、該被投射面の互いに異なる位置に複数の投射画像を形成する。
【０００８】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高精細画像を投射可能な小型の画像投射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１における画像投射装置の構成図である。
【図２】実施例１において、画像投射装置のサブユニットが画像をスクリーン上に投影する状態を示す模式図である
【図３】実施例１におけるスクリーン上の画素配置図である。
【図４】実施例１における画像投射サブユニットの構成図である。
【図５】実施例１における一画素の構成および光源像の大きさの説明図である。
【図６】実施例２における画像投射装置の構成図である。
【図７】実施例２における画像投射サブユニットの構成図である
【図８】実施例１において、他の投射モードでのボケ像の説明図である。
【図９】実施例１において、他の投射モードでのボケ像の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
まず、本発明の実施例１における画像投射装置について説明する。図１は、画像投射装置１の構成図である。画像投射装置１は、被投射面（スクリーン）に８０００×４０００画素の画像を投射するように構成されている。
【００１３】
画像投射装置１は、複数の画像投射サブユニット５０（単色サブユニット）を有する。画像投射装置１において、複数の画像投射サブユニット５０は、１２行４列の格子状に配列されている。図１において、ｒ１〜ｒ１２は行方向（横方向）のサブユニット番号、ｃ１〜ｃ４は列方向（縦方向）のサブユニット番号をそれぞれ示している。行方向において、ｒ２、ｒ５、ｒ８、ｒ１１は、緑色（Ｇ）の２０００×１０００画素の画像を投射するＧ画像投射サブユニット（単色サブユニット）を示すサブユニット番号である。ｒ１、ｒ４、ｒ７、ｒ１０は、赤色（Ｒ）の２０００×１０００画素の画像を投射するＲ画像投射サブユニット（単色サブユニット）を示すサブユニット番号である。ｒ３、ｒ６、ｒ９、ｒ１２は、青色（Ｂ）の２０００×１０００画素の画像を投射するＢ画像投射サブユニット（単色サブユニット）を示すサブユニット番号である。
【００１４】
一組のＲＧＢの画像投射サブユニット（Ｒ画像投射サブユニット、Ｇ画像投射サブユニット、Ｂ画像投射サブユニット）により、白色画像を投射する画像投射サブユニット１５０（白色サブユニット）が構成される。本実施例の画像投射装置１には、行方向（横方向）にｒａ、ｒｂ、ｒｃ、ｒｄの４行、列方向（縦方向）にｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４の４列の合計１６個の白色サブユニットが設けられている。図１において、７は切替制御手段である。切替制御手段７は、画像投射装置１が複数の投射モードを有する場合、複数の投射モードのうち一つの投射モードを設定する（投射モードを切り替える）。
【００１５】
図２は、１６個の各白色サブユニットが２０００×１０００画素の画像をスクリーン２（被投射面）上に投射する状態を示す模式図である。白色サブユニットを構成するＲＧＢの単色サブユニットは、ＲＧＢのそれぞれの単色サブユニットの投射画素が互いに一致するように構成されている。すなわち、１つの白色サブユニットを構成する３つのそれぞれの単色サブユニットは、３つの色画像（互いに異なる３色の画像：ＲＧＢ画像）をスクリーン２において互いに合成するように（重なるように）投射する。
【００１６】
図３は、スクリーン２上の画素配置図であり、図２のスクリーン２上における画素部３の拡大図を示している。図３に示されるように、本実施例では、合成された１６個の白色画素ｃ１ｒａ〜ｃ４ｒｄが互いに隣接するように（１６個の白色画素の間に隙間がない状態で配置されるように）投射される。図３において、画素部３は、サブユニットの行列の組合せの記号で表されている。ｃ１ｒａ、ｃ２ｒａ、ｃ３ｒａ、ｃ４ｒａは第一の白色画素、ｃ１ｒｂ、ｃ２ｒｂ、ｃ３ｒｂ、ｃ４ｒｂは第二の白色画素である。ｃ１ｒｃ、ｃ２ｒｃ、ｃ３ｒｃ、ｃ４ｒｃは第三の白色画素、ｃ１ｒｄ、ｃ２ｒｄ、ｃ３ｒｄ、ｃ４ｒｄは第四の白色画素である。本実施例において、スクリーン２上には、それぞれの白色画素を補間するように全体として８０００×４０００画素の画像が表示される。
【００１７】
続いて、図４を参照して、本実施例における画像投射サブユニットについて説明する。図４は、画像投射サブユニット５０（単色サブユニット）の構成図である。図４において、５１は単色のレーザ光源（単色光源）、５２はレーザ光源５１からの光束を平行光束にするコリメータレンズ、５３は透過型の液晶表示素子からなる画像表示素子である。５４は照明光を偏光光にする偏光素子、５５は画像表示素子５３からの光束を検光する検光素子である。５６は画像表示素子５３の各画素に設けられた複数の集光レンズからなる集光レンズアレイ、５７は投射レンズである。単色のレーザ光源５１からの光束は、直接、コリメータレンズ５２に入射し、画像表示素子５３に照明光として導かれる。照明光は、集光レンズアレイ５６により、画像表示素子５３の各画素上に集光される。
【００１８】
図５は、画像表示素子５３の一画素の拡大図であり、一画素の構成および光源像の大きさの説明図を示している。図５において、６１は画素である。６２は、画素６１に設けられた、光を変調する光変調開口部である。本実施例において、画像表示素子５３として透過型の液晶表示素子が用いられているため、光変調開口部６２は偏光変調部となる。光変調開口部６２には、レーザ光源５１（光源）の像が形成される。
【００１９】
このとき、像の大きさが大きすぎると、照明光の利用効率が低下する。一方、像の大きさが小さすぎると、スクリーン２上の画素がとびとびの（離散的な）点像となり、画像の滑らかさが失われる。多くの液晶プロジェクタにて用いられているフライアイレンズアレイやロッドパイプなど、光を効率よく画像表示素子５３の上に集光する構成では、レーザ光源５１（光源）からの照明光束が空間的に分割される。このため、画素６１の開口上に形成されるレーザ光源５１の像が大きくなり、好ましくない。
【００２０】
このため、レーザ光源５１から出射した光束は、空間的な光束の分割などを行うことなく、集光レンズ（集光レンズアレイ５６）で集光される。また、光源像（点線６３）の大きさが光変調開口部６２の大きさと一致するように、コリメータレンズ５２および集光レンズ（集光レンズアレイ５６）の倍率が調整される。また、図３に示されるように、画素間で画像を補間するため、スクリーン２上での画素のオーバーラップなどが生じないように、光変調開口部６２の大きさ（長さａ）は、画素６１のピッチｐよりも十分に小さい。本実施例において、光変調開口部６２の大きさ（長さａ）は、画素６１のピッチｐの１／４に等しい。このように本実施例において、画像表示素子５３は、画素６１、および、光束を変調する光変調開口部６２を有する。光変調開口部６２の一辺の長さａは、画素６１の一辺の長さ（画素６１のピッチｐ）の半分以下である。
【００２１】
図４において、画像表示素子５３を透過した光束は、検光素子５５で検光される。検光素子５５にて検光された光束は、投射レンズ５７により投射され、スクリーン２上に画素の像を結像する。本実施例において、４８個の画像投射サブユニット（単色の画像投射サブユニット）は、それぞれ、図４に示されるように構成されている。各画像投射サブユニットは、光源の色に応じて、Ｇ画像投射サブユニット、Ｒ画像投射サブユニット、または、Ｂ画像投射サブユニットとなる。
【００２２】
ここで、画像投射サブユニットの投射レンズ５７の光軸ＯＡは、それぞれの画像表示素子５３の中心に対して所定の量（ずれ量Δ）だけずれている。また、図２および図３を参照して説明したように、一組の白色画像を作るためにＲＧＢそれぞれのサブユニットの画像を合成し、かつ１６組の白色画像の画素を補間して一つの画像を生成している。このため、それぞれの画像投射サブユニットの投射レンズ５７の画像表示素子５３の中心に対するずらし量は、全て、互いに異なるように設定される。
【００２３】
このように本実施例において、画像処理装置１は、単色光源（レーザ光源５１）からの光束を用いて３つの色画像（Ｒ画像、Ｇ画像、Ｂ画像）を投射する少なくとも４つの画像投射サブユニット（白色サブユニット）を有する。また、少なくとも４つの画像投射サブユニット（白色サブユニット）のそれぞれは、３つの色画像を被投射面（スクリーン２上）において互いに合成する（または、重なる）ように投射し、被投射面の互いに異なる位置に複数の投射画像を形成する。好ましくは、少なくとも４つの画像投射サブユニット（白色サブユニット）は、被投射面における複数の投射画像を互いに補間するように、被投射面に複数の画像を形成する。
【００２４】
好ましくは、少なくとも４つの画像投射サブユニット（白色サブユニット）のそれぞれは、３つの色画像を投射する３つの単色サブユニットを有する。３つの単色サブユニットのそれぞれは、単色光源からの光束を導く照明光学系（コリメータレンズ５２）、および、照明光学系からの光束を用いて画像を表示する画像表示素子５３を有する。更に、３つの単色サブユニットのそれぞれは、画像表示素子５３からの光束を用いて被投射面に画像を投射する投射光学系（投射レンズ５７）を有する。
【００２５】
また好ましくは、画像表示素子５３には、画像を表示する画素に対応するように集光レンズ（集光レンズアレイ５６）が設けられている。照明光学系（コリメータレンズ５２）および集光レンズ（集光レンズアレイ５６）は、単色光源（レーザ光源５１）の像を画素の上に形成するように構成されている。
【００２６】
本実施例において、画像投射装置１は、１６の画像投射サブユニット（白色サブユニット）を用いて一つの多画素映像を投射するように構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、画像投射装置１は、１つの画像投射サブユニット（白色サブユニット）のみを用いて、画素数が１／１６の映像（画像）を投射することが可能である。このとき、図８に示されるように、１つの画像投射サブユニットの投射レンズのピント位置をずらし、ピンボケ状態（ボケ像として）で画像を投射することにより、画素６１が密になるように投射することが可能となる。また、投射レンズの開口絞りを矩形にすると、図９に示されるように、ボケ像も矩形となる。このような構成によれば、よりスムーズに画素を密にすることができるため、好ましい。なお、画像投射装置１は、１６の画像投射サブユニットのうち一部の複数の画像投射サブユニットを用いて一つの多画素映像を投射するように構成することも可能である。
【００２７】
好ましくは、画像投射装置１は、第１のモードと第２のモードとを含むモード（投射モード）を切り替える切替制御手段７を更に有する。第１のモードは、少なくとも４つの画像投射サブユニット（白色サブユニット）の全てを用いて被投射面に画像を投射するモードである。第２のモードは、少なくとも４つの画像投射サブユニットの一部を用いて被投射面に画像を投射するモードである。
【００２８】
このような構成により、本実施例の画像投射装置１は、入力信号（映像信号）のフォーマット（画素数）に応じて投影状態を変化させて投影することができる。例えば、切替制御手段７は、入力映像信号の情報量（映像信号の画素数など）に応じてモードを切り替える。好ましくは、第２のモードで画像を投射する場合、少なくとも４つの画像投射サブユニットの一部は、被投射面に対するピントがボケた状態で画像を投射する。このため、複数の映像信号（例えば、８Ｋ４Ｋ映像、４Ｋ２Ｋ映像、フルＨＤ映像）に応じて、適切な投射が可能となる。また、サブユニットごとにレンズのシフト量を可変する、すなわち、少なくとも４つの画像投射サブユニットのそれぞれに含まれる投射レンズのシフト量を可変にしてもよい。これにより、映像信号に応じて投影する画像を複数のサブユニットごとに重ね合わせることもできる。このため、明るさを変えずに複数の映像信号に対応することも可能である。
【実施例２】
【００２９】
次に、本発明の実施例２における画像投射装置について説明する。図６は、本実施例における画像投射装置１０の構成図である。
【００３０】
図６において、画像投射装置１０は、複数の画像投射サブユニット（単色サブユニット）が６行２列の格子状に配列されて構成されている。ｒ２１〜ｒ２６は行方向（横方向）、ｃ２１、ｃ２２は列方向（縦方向）をそれぞれ示すサブユニット番号である。行方向（横方向）において、ｒ２２、ｒ２５は緑色（Ｇ）の１０００×５００画素の画像を投射するＧ画像投射サブユニットである。ｒ２１、ｒ２４は、赤色（Ｒ）の１０００×５００画素の画像を投射するＲ画像投射サブユニットである。ｒ２３、ｒ２６は、青色（Ｂ）の１０００×５００画素の画像を投射するＢ画像投射サブユニットである。これにより、行方向(横方向)にｒ２ａ、ｒ２ｂの２つの白色サブユニットが構成される。
【００３１】
本実施例において、各画像投射サブユニットを用いて一つの画像を生成する方法は、実施例１と同様である。ＲＧＢの一組の単色サブユニットにより形成される画像をスクリーン２上で合成する。そして、合成したカラー画像の画素を補間して、４０００×２０００画素の画像を表示する。
【００３２】
続いて、図７を参照して、本実施例における画像投射サブユニットについて説明する。図７は、画像投射サブユニット２５０（単色サブユニット）の構成図である。
【００３３】
図７において、２５１は単色のＬＥＤ光源、２５２はＬＥＤ光源２５１からの光束を平行光にするコリメータレンズである。２５３は、入射光のうちＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光分離ミラーである。２５４は、偏光分離ミラー２５３により反射された光束を反射する反射ミラーである。２５５、２５６は、透過型の液晶表示素子を備えた画像表示素子である。２５７、２５８は、照明光を偏光光にする偏光素子である。２５９、２６０は、画像表示素子２５５、２５６のそれぞれからの光束を検光する検光素子である。２６１、２６２は、画像表示素子２５５、２５６の各画素に設けられた、複数の集光レンズを備えた集光レンズアレイである。２６３、２６４は投射レンズである。
【００３４】
単色のＬＥＤ光源２５１からの光束は、直接、コリメータレンズ２５２に入射する。そしてコリメータレンズ２５２からの光束は、偏光分離ミラー２５３によりＰ偏光とＳ偏光に分離される。Ｐ偏光は、一つの画像表示素子２５５を照明する照明光として導かれる。Ｓ偏光は、反射ミラー２５４を介して、他の画像表示素子２５６を照明する照明光として導かれる。それぞれの照明光は、集光レンズアレイ２６１、２６２により、画像表示素子２５５、２５６の各画素上に集光される。
【００３５】
本実施例において、照明光光束は、偏光方向に応じた波面の分割が行われるものの、空間的には分割されることなく集光レンズアレイ２６１、２６２で集光される。また、実施例１と同様に、変調開口部には光源（ＬＥＤ光源２５１）の像が形成される。このとき、像の大きさは、変調開口部の大きさと一致するように、コリメータレンズ２５２と集光レンズ（集光レンズアレイ２６１、２６２）の倍率が調整されている。また、変調開口部の大きさ（長さ）は、画素のピッチｐよりも小さい。本実施例において、変調開口部の大きさ（長さ）は、画素のピッチｐの１／２に設定される。
【００３６】
画像表示素子２５５、２５６を透過した光束は、それぞれ、検光素子２５９、２６０で検光される。検光素子２５９、２６０で検光された光は、それぞれ、投射レンズ２６３、２６４により投射され、スクリーン上に画素の像を結像する。
【００３７】
本実施例において、図６に示される１２個の画像投射サブユニット（単色サブユニット）は、縦方向に配置された２つの画像投射サブユニット（単色サブユニット）ごとに、図７に示されるように構成されている。すなわち、一つの光源（ＬＥＤ光源２５１）を共有する２つの画像投射サブユニット２１１、２１３が構成される。すなわち、少なくとも４つの画像投射サブユニット（白色サブユニット）のうち２つの画像投射サブユニットのそれぞれの単色サブユニットは、単色光源として一つの光源（ＬＥＤ光源２５１）を共有している。
【００３８】
このような２つの画像投射サブユニットを、図６中の横方向に６つ配置することにより、光源の色に応じて、Ｇ画像投射サブユニット、Ｒ画像投射サブユニット、および、Ｂ画像投射サブユニットが形成される。なお本実施例において、２つの画像投射サブユニット２１１、２１３は、一つの光源（ＬＥＤ光源２５１）を共用しているが、照射レンズはそれぞれ独立して設けられている。このため、それぞれの画像投射サブユニットの投射レンズ２６３、２６４の画像表示素子２５５、２５６の中心に対するずれ量Δは、全て、互いに異なっている。
【実施例３】
【００３９】
次に、本発明の実施例３における画像投射装置について説明する。本実施例の画像投射装置は、実施例２と同様に、１２個の画像投射サブユニットを用いて４０００×２０００画素の画像を表示する。
【００４０】
本実施例において、一つのサブユニット（単色サブユニット）の構成は、図７と同様である。ただし、図７における偏光分離ミラー２５３と反射ミラー２５４が、図６中の行方向（横方向）の６つの画像投射サブユニット（単色サブユニット）で共通化されている点で、前述の実施例とは異なる。すなわち本実施例において、偏光分離ミラー２５３は、画像投射サブユニットｃ２１ｒ２１、ｃ２１ｒ２２、ｃ２１ｒ２３、ｃ２１ｒ２４、ｃ２１ｒ２５、ｃ２１ｒ２６に共通化して（共有されて）配置されている。また反射ミラー２５４は、画像投射サブユニットｃ２２ｒ２１、ｃ２２ｒ２２、ｃ２２ｒ２３、ｃ２２ｒ２４、ｃ２２ｒ２５、ｃ２２ｒ２６に共通化して（共有されて）配置されている。本実施例の構成によれば、部品を削減することができ、更なるコストダウンを図ることができる。
【００４１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【００４２】
例えば、偏光素子は、光源の偏光度が十分である場合、または、偏光分離素子の分離特性が十分である場合には、不要である。また投射レンズも、それぞれの投射レンズを共通とせず、ＲＧＢごとに別の構成としてそれぞれの色光専用投射レンズとして構成を簡素化し、コストダウンすることも可能である。
【００４３】
各実施例の構成によれば、大画面かつ高精細な画像を提供することにより、臨場感の高い画像を楽しむことが可能な画像表示環境を実現することができる。
【００４４】
また各実施例において、画像投射装置は少なくとも２×２の二次元状に少なくとも４つの画像投射サブユニットを備えているものとして説明したが、これに限定されるものではない。各実施例は、１×３等の一次元状に少なくとも３つの画像サブユニットを備えた画像投射装置にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１、１０  画像投射装置
５０、２５０  画像投射サブユニット
【図５】
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【図８】
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【図９】
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【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６】
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【図７】
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