(57)【要約】入力画像を事前に歪ませそれによってスクリーン画像において予測される歪みを補償する成形イメージャコンポーネントを利用する、前面画像投影装置と対応する方法を開示する。前面投影装置は、投影コンポーネントと、画像生成コンポーネントと、照明コンポーネントと、を有する。成形画像コンポーネントは、投影システムのコンポーネントによってもたらされる歪みを少なくとも部分的に補償することができる。成形イメージャの物理的構成を、投影システムを介してモデル化されたまたは実際の光線追跡を経て決定してもよく、結果としての物理的構成は、湾曲した上部と湾曲した下部と湾曲した側部とを有する幾何学的形状であってもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面画像投影装置であって、
投影スクリーン上に入力画像を投影することによりスクリーン画像を生成するように動作可能な投影コンポーネントと、
該投影コンポーネントに連結された照明コンポーネントと、
該入力画像を生成するように動作可能であり、該表示されたスクリーン画像における歪みを少なくとも部分的に補償するように該入力画像を事前に歪ませるように物理的に構成された成形イメージャコンポーネントを備え、該物理的構成が少なくとも部分的に光線追跡から決定されるものである、画像生成コンポーネントと、
を具備する前面画像投影装置。
【請求項２】
前記光線追跡が、前記投影装置を介して実際の光線追跡を含む、請求項１に記載の前面画像投影装置。
【請求項３】
前記光線追跡が、前記投影装置を介してモデル化された光線追跡を含む、請求項１に記載の前面画像投影装置。
【請求項４】
前記投影スクリーンが、前記投影装置に連結され一体化される、請求項１に記載の前面画像投影装置。
【請求項５】
前記投影コンポーネントが軸外光学系を備え、投影対スクリーン対角線率が多くとも１である、請求項１に記載の前面画像投影装置。
【請求項６】
前記投影コンポーネントが、前記入力画像に関して前記スクリーン画像において光学的および幾何学的歪みを生成する、請求項１に記載の前面画像投影装置。
【請求項７】
前記成形イメージャコンポーネントが、前記投影コンポーネントの前記光学的および幾何学的歪みを補償するように構成される幾何学的形状を有する、請求項６に記載の前面画像投影装置。
【請求項８】
前記幾何学的形状が、湾曲した上部と、湾曲した下部と、湾曲した側部と、を有する、請求項７に記載の前面画像投影装置。
【請求項９】
前記成形イメージャコンポーネントが、複数の画素の行を有する、請求項８に記載の前面画像投影装置。
【請求項１０】
行毎の画素の数が同じであり、所与の行内における各画素間の間隔が、画素の異なる行に対して異なる、請求項９に記載の前面画像投影装置。
【請求項１１】
一体型前面画像投影システムであって、
前面投影スクリーンと、
該前面投影スクリーンに連結され、収納位置と投影位置とを有する可動アームと、
該アームの該前面投影スクリーンから遠位に連結された前面投影ヘッドと、
該前面投影ヘッド内に収容され、入力画像を投影スクリーン上に投影することによりスクリーン画像を表示するように動作可能な投影コンポーネントと、
該投影コンポーネントに連結された照明コンポーネントと、
該入力画像を生成するように動作可能であり、該表示されたスクリーン画像における歪みを少なくとも部分的に補償するように該入力画像を事前に歪ませるように物理的に構成された成形イメージャコンポーネントを備え、該物理的構成が、湾曲した上部と、湾曲した下部と、湾曲した側部と、を有するものである画像生成コンポーネントと、
を具備する一体型前面画像投影システム。
【請求項１２】
前記幾何学的形状が、少なくとも部分的に光線追跡から決定される、請求項１１に記載の一体型前面画像投影システム。
【請求項１３】
前記投影コンポーネントが軸外光学系を備え、投影対スクリーン対角線率が多くとも１である、請求項１１に記載の一体型前面画像投影システム。
【請求項１４】
前記投影コンポーネントが、前記入力画像に関して前記スクリーン画像において光学的および幾何学的歪みを生成する、請求項１１に記載の一体型前面画像投影システム。
【請求項１５】
前面投影装置により補正されたスクリーン画像を投影する方法であって、
入力画像を投影スクリーン上に投影することによりスクリーン画像を表示するように構成された前面投影装置を提供する工程と、
該前面投影装置のコンポーネントによってもたらされる前記スクリーン画像における歪みを、少なくとも部分的に、入力画像を事前に歪ませるように物理的に構成された成形イメージャコンポーネントを利用することによって補償する工程であり、該物理的構成が、湾曲した上部と、湾曲した下部と、湾曲した側部と、を有する幾何学的形状を含むものである工程と、
を含む方法。
【請求項１６】
前記幾何学的形状を、少なくとも部分的に光線追跡から決定する工程をさらに含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記前面投影装置により前記入力画像を投影することにより、前記成形イメージャによって補正される歪みを有するスクリーン画像を形成する工程をさらに含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記投影が、軸外光学系を備えた投影コンポーネントを使用して達成され、投影対スクリーン対角線率が多くとも１である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記歪みが、前記入力画像に関する前記スクリーン画像における光学的および幾何学的歪みである、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記成形イメージャコンポーネントが、複数の画素の行を備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
各行における画素の数が一定であり、所与の行における各画素間の間隔が、画素の異なる行に対して異なる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
投影システムのためのイメージャであって、
投影画像における予測された歪みを少なくとも部分的に補償するように入力画像を事前に歪ませるように、湾曲した上部と、湾曲した下部と、湾曲した側部と、を備えるように物理的に構成される成形イメージャコンポーネントを具備するイメージャ。
【請求項２３】
前記成形イメージャコンポーネントが、複数の画素の行を有する、請求項２２に記載のイメージャ。
【請求項２４】
行毎の画素の数が同じであり、所与の行内の各画素間の間隔が、画素の異なる行に対して異なる、請求項２３に記載のイメージャ。
【請求項２５】
前記物理的構成が、前記投影システムを介してモデル化されたまたは実際の光線追跡から決定される特徴を備える、請求項２２に記載のイメージャ。
【請求項２６】
投影画像における歪み補正を提供するように成形イメージャに対して物理的構成を決定する方法であって、
投影角および投影率を含む投影システムのための光学的投影パラメータを決定する工程と、
投影画像における歪みを決定するために該投影システムの光線追跡を行う工程と、
成形イメージャを物理的に構成するために該光線追跡を利用することにより、該投影画像の該歪みを少なくとも部分的に補正する工程と、
を含む方法。
【請求項２７】
前記光線追跡を行う工程が、光線追跡を行うように前記投影システムをモデル化する工程を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記光線追跡を行う工程が、前記投影システムを介して実際の光線追跡を行うことを含む、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一体型前面投影表示システムに関する。特に、本発明は、専用投影光学系と、光学系と協働して最良の表示性能を生成し必要なキーストン補正をもたらすように最適化された一体型スクリーンと、を調整する、薄型一体型前面投影システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子またはビデオディスプレイシステムは、ビデオまたは電子的に生成された画像を提示することができる装置である。ホームエンターテイメント、広告、ビデオ会議、計算、データ会議またはグループプレゼンテーションのいずれに対しても、適当なビデオ表示装置が要求される。
【０００３】
ビデオ表示装置を選択する際に、画質は相変わらず非常に重要な要素である。しかしながら、より大型の画像を提供する表示装置が必要とされるにしたがい、コストと装置サイズおよび重量等の要素が、きわめて重要な考慮事項となってきている。グループまたはインタラクティブプレゼンテーションには、より大型の表示システムが好ましい。表示システムキャビネットのサイズは、特に、大型のハウジングまたはキャビネットを配置する空間が利用可能でない可能性がある家庭またはオフィスで使用する場合、重要な要素であることが分かった。表示システムの重量もまた、特に携帯式または壁掛け式プレゼンテーションの場合、重要な考慮事項である。
【０００４】
目下、最も一般的なビデオ表示装置は、通常テレビ受像機として認識される典型的なＣＲＴモニタである。ＣＲＴ装置は、小型から中位のサイズの画像（画像サイズは、従来、矩形スクリーンの対角線寸法に沿って測定される）を必要とする適用の場合は比較的安価である。しかしながら、画像サイズが増大するにしたがい、大型ＣＲＴモニタの大きさと重量とが厄介な問題となり、モニタの使用および配置を厳しく制限することになる。また、スクリーンサイズが増大するにしたがい、スクリーン曲率問題が発生する。最後に、大型ＣＲＴモニタは、相当量の電力を消費し電磁放射をもたらす。
【０００５】
従来のＣＲＴモニタに代る１つの選択肢は、背面投影テレビである。背面投影テレビは、概して、スクリーンの背面に投影するための大型ハウジング内に含まれる投影機構またはエンジンを備える。背面投影スクリーンは、投影機構と観察者とがスクリーンの反対側にあるように設計される。スクリーンは、透過画像を観察者に対して向ける光透過特性を有する。
【０００６】
背面投影システムは、まさにその性質により、画像ビームの広がりのために必要とされる投影容積を提供するためにスクリーンの後方に空間を必要とする。背景および周囲の反射光は、背面投影画像を深刻に劣化させる可能性があるため、ハウジングまたはキャビネットは、概して、投影容積を包囲する。ハウジングは、光路を折り曲げハウジングの深さを低減するように、１つまたは複数のミラーを含んでもよい。「スクリーン後方」空間が必要であることにより、背面投影ディスプレイを壁に配置することができない。
【０００７】
ビデオプレゼンテーションシステムの新たなカテゴリは、いわゆる薄型プラズマディスプレイを含む。一体型のコンパクトパッケージでの画像ディスプレイとして壁に配置することができる、比較的薄い（約７５〜１００ｍｍ）のキャビネットを提供するプラズマディスプレイの能力が、大いに注目されてきた。しかしながら、現在、プラズマディスプレイ３は、費用がかかり、低輝度（およそ２００〜４００ｃｄ／ｍ２の範囲）であり修理が困難であるという不都合がある。プラズマディスプレイは重く（約８０〜１００ｌｂｓ、約３６〜４５ｋｇ）、それらが配置される壁には、構造的な強化が必要となる場合がある。
【０００８】
より新しい適用に対してそれほどには注目されてこなかった在来型のビデオプレゼンテーション装置は、前面投影システムである。前面投影システムは、投影機構と観察者とがスクリーンの同じ側にあるものである。前面投影システムは、画像が透過されるのではなく聴衆に対して反射されるため、背面投影システムには無い多くの異なる光学的および配置の問題を提示する。前面投影システムの例は、会議室設定かまたは飛行機の機室等の場所で使用するための、携帯型フロントプロジェクタと前面投影スクリーンの使用である。
【０００９】
フロントプロジェクタの利点の１つは、投影エンジンのサイズである。電子フロントプロジェクタは、従来、プロジェクタによる「フットプリント」（テーブルまたはベンチにおいて占有する面積を説明するために使用する用語）を可能な限り最小にするように設計されてきた。約５〜２０ｌｂの重量を有する携帯型フロントプロジェクタが考案された。
【００１０】
それにも係らず、前面投影システムは、プロジェクタかまたはプレゼンターが画像を遮ること、画像の明るさの不足、画像歪みおよび設定が困難である等の要因により、新たなインタラクティブアプリケーションには魅力的であるとは考えられなかった。
【００１１】
従来の電子フロントプロジェクタは、一般に、いかなる物理的障害も無い画像拡張のために必要な投影容積を提供することができる空間を必要とする。画像を、壁等の大型の妨げのない平面上に投影することができるが、別個のスクリーンを使用することにより、より優れた画質が達成される。図１および図２は、従来の前面投影システムを示す。プロジェクタ１０は、スクリーンまたは投影面２０の上に画像を投影するためにテーブルかまたは他の高くなった面の上に配置される。電子プロジェクタの使用に熟知した人は、プロジェクタをスクリーンの垂直軸より下に傾けることにより、キーストン効果として知られる画像の台形形状の歪みをもたらす、ということを認めるであろう。ほとんどの新しい電子プロジェクタでは、程度が制限されたキーストン補正を提供する。しかしながら、図２において認めることができるように、プロジェクタの配置はまだ、聴衆の視線を妨げる可能性がある。
【００１２】
より重要なのは、適当な画像サイズを達成するために、また焦点限界のため、プロジェクタ１０は、スクリーン２０の前方に一定の「投影ゾーン」を必要とする、ということである。表Ａは、目下市場にあるいくつかの一般的な電子プロジェクタに対する公表仕様を列挙する。
【００１３】
【表１】
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＊公表仕様に示されていない。
【００１４】
投影距離は、投影レンズから投影スクリーンまでの距離として定義される。投影率は、通常、投影距離のスクリーン対角線長に対する割合として定義される。列挙されたプロジェクタに対して可能な最短投影距離は、１ｍである。４０〜６０インチ（約１〜１．５ｍ）の間の、より大型の画像を達成するために、ほとんどのプロジェクタは、壁またはスクリーンからさらに遠く、少なくとも８〜１２フィート（およそ２．５〜３．７ｍ）に配置しなければならない。
【００１５】
このスクリーンの前方の「投影ゾーン」があることにより、観察者は、投影画像と近接して対話することができない。たとえばプレゼンターは、画像に近づきたい場合、投影を遮り、スクリーン上に影を落すことになる。
【００１６】
従来型の一体型プロジェクタは、プロジェクタの位置を変える度の焦点合わせ等の光学的調整と、正面支持脚の上昇等の機械的調整と、を必要とする。ラップトップコンピュータに対するもの等の電子接続は、概して、プロジェクタに対して直接行われるため、プロジェクタをプレゼンターが容易にアクセス可能であること、もしくはプレゼンターが予め必要な配線を行うことが必要となる。
【００１７】
フロントプロジェクタの別の問題は、周囲光による干渉である。従来のフロントプロジェクタでは、投影光の大部分が散乱され、聴衆に対して反射されない。光の喪失により、画像の明るさが低減する結果となる。したがって、高反射スクリーンが望ましい。しかしながら、スクリーンが反射性であるほど、周囲光源による投影画像のあり得る劣化が大きくなる。３５ｍｍ写真カラースライドプレゼンテーションシステム等の高品質投影システムを見ると、現ソリューションは、周囲光を無くすよう試みる。非常に重大な表示状況によっては、プロジェクタ自体から発生する光の再反射を制御する試みさえなされてきた。
【００１８】
スクリーン設計者によっては、周囲光問題を「単方向反射」スクリーンで対処するよう試みた。すなわち、投影スクリーンは、プロジェクタの方向から発生している入射光の反射を最大化する一方で、プロジェクタから発生していないファイト（ｆｉｇｈｔ）を吸収しようと試みる。それにも係らず、携帯型プロジェクタは、実際には携帯型でありあらゆる投影距離および投影角度で使用されるため、すべてのあり得るプロジェクタ位置および光学特性に対してスクリーンを最適化することは非常に困難であることが分かった。
【００１９】
代替態様は、専用投影機能を設計することである。かかる設計では専用会議室が必要であり、そこでは、プロジェクタおよびスクリーン位置がプロジェクタの光学特性とともに厳密に制御され較正される。選択されたプロジェクタを天井から懸吊するために、構造的要素が必要とされる場合がある。かかるシステムは、較正されると、永久的に配置される。かかる機能は、コストが高く携帯性が無い可能性がある。
【００２０】
フロントプロジェクタにより光学性能を妨げる別の問題は、キーストン効果である。プロジェクタがスクリーンから中心がずれて配置される場合、キーストンが発生する。キーストンは、矩形または正方形の投影が、キーストン、すなわち平行の上辺と下辺とを有するがそれら辺の長さが異なる台形に似たスクリーン画像をもたらす、特定の画像歪みである。
【００２１】
目下、出願人の知る限りでは、市販の携帯型電子フロントプロジェクタで利用可能な光学キーストン補正は、１０°と２０°との間である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
効率的な空間利用、軽量化および魅力ある価格を提供する大型スクリーンビデオプレゼンテーションシステムは依然必要とされている。かかるシステムは、好ましくは、室内光状態で明るく高品質な画像をもたらさなければならない。さらに、かかるシステムは、好ましくは、表示画像内においてあらゆる歪み成分も補正する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、成形イメージャコンポーネントを使用することによって投影画像内の歪み成分を改良する、投影システムおよび関連方法である。成形イメージャコンポーネントは、投影画像における予測された歪み、たとえば投影システムのコンポーネントによる歪みと軸外投影による歪みとを、少なくとも部分的に補償するように、入力画像を事前に歪ませるように物理的に構成される。成形イメージャに対する物理的構成を、投影システムを介してモデル化されたかまたは実際の光線追跡を経て決定してもよく、結果としての物理的構成は、湾曲した上部、湾曲した下部および湾曲した側部を有する幾何学形状であってもよい。このように、投影システムの光学系および／または電子装置によって提供される歪み補正を、低減または恐らくは除去することができる。
【００２４】
一実施形態では、本発明は、前面画像投影装置であって、投影スクリーン上に入力画像を投影することによりスクリーン画像を生成する投影コンポーネントと、投影コンポーネントに連結された照明コンポーネントと、入力画像を生成するように動作可能であり、表示されたスクリーン画像における歪みを少なくとも部分的に補償するように入力画像を事前に歪ませるように物理的に構成された成形イメージャコンポーネントを備え、物理的構成が少なくとも部分的に光線追跡から決定されるものである、画像生成コンポーネントと、を有する。光線追跡は、たとえば、投影装置を介する実際の光線追跡であっても、モデル化された光線追跡であってもよい。より詳細な態様では、投影スクリーンを、投影装置に連結し一体化してもよく、投影コンポーネントは、投影対スクリーン対角線率が多くとも１である、軸外光学系を有してもよい。さらに、投影コンポーネントは、入力画像に関してスクリーン画像における光学的および幾何学的歪みを生成する可能性があり、成形イメージャコンポーネントは、投影コンポーネントの光学的および幾何学的歪みを補償するように計算された幾何学的形状を有してもよい。さらに、成形イメージャコンポーネントは、複数の画素の行であってもよく、行毎の画素の数が同じであって、所与の行内の各画素間の間隔が、画素の異なる行に対して異なってもよい。
【００２５】
別の実施形態では、本発明は、一体型前面画像投影システムであって、前面投影スクリーンと、前面投影スクリーンに連結され、収納位置と投影位置とを有する可動アームと、アームの前面投影スクリーンから遠位に連結された前面投影ヘッドと、前面投影ヘッド内に収容され、入力画像を投影スクリーン上に投影することによりスクリーン画像を表示するように動作可能な投影コンポーネントと、投影コンポーネントに連結された照明コンポーネントと、入力画像を生成するように動作可能であり、表示されたスクリーン画像における歪みを少なくとも部分的に補償するように入力画像を事前に歪ませるように物理的に構成された成形イメージャコンポーネントを備え、物理的構成が、湾曲した上部と、湾曲した下部と、湾曲した側部と、を有するものである、画像生成コンポーネントと、を有する。より詳細な態様では、投影コンポーネントは、軸外光学系を備え、投影対スクリーン対角線率が多くとも１であってもよい。さらに、投影コンポーネントは、入力画像に関してスクリーン画像において光学的および幾何学的歪みを生成する可能性がある。
【００２６】
さらなる実施形態では、本発明は、前面投影装置により補正されたスクリーン画像を投影する方法であって、入力画像を投影スクリーン上に投影することによりスクリーン画像を表示するように構成された前面投影装置を提供する工程と、前面投影装置のコンポーネントによってもたらされるスクリーン画像における歪みを、少なくとも部分的に、入力画像を事前に歪ませるように物理的に構成された成形イメージャコンポーネントを利用することによって補償する工程であり、物理的構成が、湾曲した上部と、湾曲した下部と、湾曲した側部と、を有する幾何学的形状を含むものである工程と、を含む。より詳細な点では、本方法はまた、前面投影装置により入力画像を投影することにより、成形イメージャによって補正される歪みを有するスクリーン画像を形成する工程を含む。さらに、この投影を、投影対スクリーン対角線率が多くとも１である、軸外光学系を有する投影コンポーネントを使用して達成してもよい。さらに、歪みは、入力画像に関するスクリーン画像における光学的および幾何学的歪みであってもよく、成形イメージャコンポーネントは、投影コンポーネントの光学的および幾何学的歪みを補償するように計算された幾何学的形状を有してもよい。さらに、成形イメージャコンポーネントは、複数の画素の行を備えてもよく、各行における画素の数は一定であって、所与の行における各画素間の間隔が、画素の異なる行に対して異なってもよい。
【００２７】
さらに別の実施形態では、本発明は、投影システムのためのイメージャであって、投影画像における予測された歪みを少なくとも部分的に補償するように入力画像を事前に歪ませるように、湾曲した上部と、湾曲した下部と、湾曲した側部と、を備えるように物理的に構成される成形イメージャコンポーネントを有する。より詳細な態様では、成形イメージャコンポーネントは、複数の画素の行を有してもよく、行毎の画素の数が同じであって、所与の行内の各画素間の間隔が、画素の異なる行に対して異なってもよい。
【００２８】
別の実施形態では、本発明は、投影画像における歪み補正を提供するように成形イメージャに対する物理的構成を決定する方法であって、投影角および投影率を含む投影システムのための光学的投影パラメータを決定する工程と、投影画像における歪みを決定するために投影システムの光線追跡を行う工程と、成形イメージャを物理的に構成するために光線追跡を利用することにより、投影画像の歪みを少なくとも部分的に補正する工程と、を含む。より詳細な態様では、光線追跡を行う工程は、光線追跡を行うように投影システムをモデル化することか、または投影システムを介して実際の光線追跡を行うことを含んでもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図３〜図６は、本発明による一体型前面投影システム１００の第１の例示的な実施形態を示す。この前面投影システムは、モジュール式コントロールと電源エレクトロニクスとを有する光学エンジンを一体化し、フレーム１０４に取付けられた専用投影スクリーン１０２を含む。フレーム１０４の中心上部のヒンジユニット１１０に、アーム１０８によって投影ヘッド１０６を枢着してもよい。投影ヘッド１０６が閉位置すなわち収納位置から開位置すなわち投影位置まで枢動することができるように、アーム１０８を０°から約９０°まで回転させることができる。
【００３０】
スクリーン１０２は、投影ヘッドに光学的に連結されている。スクリーン１０２は、フレーム１０４に亙って延在する可撓性材料であってもよく、もしくは剛性部品であってもよい。代替実施形態では、スクリーンとフレームとはともに、材料の一体シートで作製される。スクリーン１０２は、イリノイ州、バリントンのウォールトーカーズ（Ｗａｌｌｔａｌｋｅｒｓ（Ｂａｒｒｉｎｇｔｏｎ、ｉｌｌｉｎｏｉｓ））に譲渡された米国特許第５，３６１，１６４号に述べられているような消去可能ホワイトボードとしての使用を可能にするため等、多層または特殊コーティングを含んでもよい。
【００３１】
フレーム１０４は、システムの他のコンポーネントを含み支持する。フレーム１０４は、内蔵スピーカ１１２、入出力ジャック１１３および制御パネル１１４等の追加のコンポーネントを収容してもよい。本例示的な実施形態では、投影システム１００、アーム１０８およびフレーム１０４の機械的基礎構造は、アルミニウム、マグネシウムまたはプラスチック合成物等の軽量材料を含む。したがって、投影システム全体は比較的軽い（２０〜２５ポンド、９〜１１ｋｇ）。
【００３２】
本例示的な実施形態では、アーム１０８は剛性かつ中空であってもよい。アーム１０８は、硬いプラスチックシェルによって包囲された、ダイキャストアルミニウムまたはマグネシウムもしくは他の適当な材料からなる。フレーム１０４の上部および中心において、ヒンジユニット１０は、投影アーム１０８およびヘッド１０６が閉（収納）位置と開（使用）位置との間で枢動することができるようにする。図４は、閉位置すなわち収納位置の投影システム１００を示す。使用時でない場合、アーム１０８を、フレーム１０４に実質的に平行になるように閉位置に維持してもよく、それによりフレーム１０４の前方の空間において移動している可能性のある物体に対していかなる障害も提示しない。アームを聴衆左位置に折畳むように示すが、本システムは、アームおよび投影ヘッドの聴衆右位置への収納を可能にするように適応可能であってもよい。システムの設置前に投影領域に存在する障害物を回避するために、収納位置を選択することができることは価値がある場合がある。アーム１０８が回転することができることにより、収納位置における投影システムの最小厚さ、およそ２〜３インチ（５〜７．５ｃｍ）が可能になる。
【００３３】
システム１００は、投影ヘッド１０６が、動作すなわち投影モードにおいて光学スクリーン１０２に関して正確な枢支位置合せで配置されるのを可能する。システム１００では、使用位置は、スクリーンに関して垂直アーム角にあり概してスクリーンの上である。しかしながら、他の実施形態を、側部、中心またはスクリーンの下部等、他の所定位置の周囲に設計してもよい。２つの位置の間の移動を、手動で支援してもモータ駆動してもよい。
【００３４】
本実施形態では、ヒンジユニット１１０内に存在する電気モータ１１６が、アーム１０８の移動を制御する。モータ１１６を、ディテント、オーバーセンターカム（バネ式）または信頼性の高い繰返し可能な位置決めを提供する他の任意の適当なタイプの機構によって、手動で駆動しても、ＡＣ駆動しても、ＤＣ駆動してもよい。モータ１１６を、アーム１０８を、したがって投影ヘッド１０６を、正確な繰返し可能な閉位置および開位置に正確に配置するために、２つのリミットセンサスイッチを有する、精密誘導ギアドライブモータであってもよい。
【００３５】
アーム１０８の移動とプロジェクタシステム１００の機能とを、制御パネル１１４、リモートコントロール（図示せず）または他の制御機構を介して制御してもよい。投影システム１００のアーム１０８は単一点において枢着されているが、当業者は、本発明の精神の範囲内で種々の異なる連結および／または枢支機構を実現してもよい、ということを容易に認めるであろう。代替実施形態では、ヘッドおよびアームは、追加のヒンジまたは伸縮移動を含んでもよく、アームをフレームの他の部分かもしくは壁または柱に連結してもよい。
【００３６】
図１４〜図１７に関してより詳細に説明するように、システム１００は、ヘッド１０６をスクリーン１０２に関して正確に位置合せして投影エンジンの連結を最適化することにより、高コントラスト、明るさの向上、画像の均一性、最適画像位置および鮮鋭な焦点合わせをもたらす。投影エンジンの光学パラメータは既知であり、互換性を考慮して選択され、使用位置におけるプロジェクタヘッド１０６の正確な位置は既知であって事前に決定されているため、例示的なスクリーン１０２を、周囲光による干渉を低減しながら聴衆に対し最大照明を提供するように設計し最適化することができる。
【００３７】
稼動中、投影システム１００は、複数の光線１６２を有する光のビームを生成する。スクリーンがｚ平面を定義する座標系に関して、各光線１６２は、水平ｘ平面と垂直ｙ平面との両方に沿った成分を含む。各光線１６２のスクリーン１０２に対する入射の角度は、Ｆナンバー等のプロジェクタの光学特性と、スクリーン１０２に関する投影ヘッド１０６の位置と、によって決まる。
【００３８】
図１４は、垂直軸光線図の側断面であり、投影システム１００によって放射される光線１６２の反射を示す。点６０は、投影ヘッド１０６が「使用」位置にある場合の投影レンズ１４０（図６に示す）に対する理想的な点光源の既知の正確な位置である。スクリーンに対する光線１６２の入射の角度は、正のｘ方向（図１４の方向軸参照）に沿って増大する。
【００３９】
従来のスクリーンでは、光線１６２は、各々入射の角度にしたがって反射される。特に、システム１００の鋭い投射角度では、結果としての光パターンは散乱され、光線の一部のみが聴衆に到達する。入射角度の漸進的な増大を補償するために、スクリーン１０２は、スクリーン１０２の各点に対し予測された入射角で投影光線１６２を受取り垂直平面に沿っておよそ垂直角度で光線を反射するように向けられた、垂直に漸増する反射パターンを含む。光線１６２は、法線に垂直に近い方向で反射される。それが、聴衆の予測された位置に対応するためである。聴衆が異なる位置にいると予測される代替実施形態では、異なる反射パターンを実現してもよい。
【００４０】
図１５は、点６０から発出される光の水平分散の平面図を示す。聴衆が水平に分散しているように予期されるため、スクリーンの水平反射パターンは、水平方向のより広い照明の広がりを提供するように配置される。
【００４１】
図１６は、投影スクリーン１０４の垂直断面の拡大図を示す。図１７は、スクリーンの水平断面の拡大平面図を示す。投影スクリーンは多層材料からなる。スクリーン１０４は、第１線形フレネルレンズ要素１７０と、第２線形フレネル要素１７２と、反射コンポーネント１７４と、を有する。フレネル要素１７０と１７２との間と第２フレネル要素１７２と反射要素１７４との間に、夫々第１および第２スペーサ要素１７１および１７３を配置してもよい。線形フレネルレンズ要素１７０および１７２は、夫々平面側１７６および１７８と、夫々プリズム側１８０および１８２と、を有する。第１フレネル要素１７０は、その平面側１７６に薄い等方性拡散層１８４を有する。拡散層１８４は、受像面として機能する。プラズマ側１８０は、段階的なパターンで水平に走る複数の線形溝１８６を有する。溝１８６は、垂直光の広がりを制御するように設計される。レンズ中心は、投影スクリーンの上部近くに配置される。
【００４２】
第２線形フレネルレンズ要素１７２のプリズム側１８２は、第１フレネルレンズ要素１７０の複数の溝１８６に面する複数の垂直溝１８８（図１７）を有する。第２線形フレネルレンズ要素１７２は、スクリーンの中心を経て延在する垂直線上に配置されたレンズ中心を有する。第２フレネル要素１７２の平面側１７８は、後部リフレクタ１７４に面し、聴衆の方向に光を反射する垂直線形構造を有する。構造化後部リフレクタ１７４の溝は、好ましくは、レンズ状構造等の円筒形状を有し、あるいは、円柱形状に近似する微小面の繰返し溝パターンであってもよい。後部リフレクタ１７４の入射面１７５は、望ましいスクリーンゲインの量とスクリーン外観のタイプと次第で、鏡面または拡散反射であっても、金属性であっても、白色コーティングされていてもよい。第２線形フレネル要素１７２は、構造化後部リフレクタ１７４とともに、水平方向に広がる制御された配光を提供することにより、スクリーンの正面に水平方向に配置される観察者に適応する。代替的に、リフレクタ構造１７４を、平面１７８にエンボス加工して、スクリーン要素の数を低減してもよい。
【００４３】
スクリーンの代替実施形態は、たとえば米国特許第６，０１８，４１９号（３Ｍに譲渡された）に述べられているように、多層フィルムテクノロジを含んでもよい。
【００４４】
図５において認めることができるように、投影システム１００は、投影ヘッド１０６をスクリーン１０２に向って極端な角度で近接した距離に配置することにより、プレゼンターの干渉の可能性を最小限にする。光学ヘッド１０６を極端に角度をなしている投影アーム１０８の終端部に配置することにより、一意の機械的および光学的難題が提示された。約７ｌｂ（３．２ｋｇ）の最軽量で最もコンパクトな従来の携帯型プロジェクタであっても、構造コンポーネントに対し不均衡なひずみを与える可能性があった。光学的に、一様に画像を焦点合わせするために必要な投影距離は、長いアームを必要とし、さらに、構造に対し、てこ増幅された応力をもたらす。構造的に正常であっても、システムは、厳しくキーストン歪みのある比較的小さい画像を投影する。
【００４５】
電子光学エンジンは、画像形成および電子部品を含む。図６においてより適切に例示するように、投影システム１００において、アーム１０８は剛性中空構造である。アーム１０８の構造は、アームチャンバ１２２を画定し、ランプ制御電子装置モジュール１１８と画像形成モジュール１２０とのモジュール式の別個の配置を可能にする。ランプ制御電子装置モジュール１１８は、制御盤と、バラストと、他の電子部品と、を含む。電子要素は、内部電源のアレイとデータ接続とを介して内部的に接続される。画像形成モジュール１２０は、光源と、投影光学系と、カラーホイールと、イメージャと、を含む。投影システムのコンポーネントをアームおよびフレームに沿って分散することにより、ヒンジおよびアームに対する負荷が小さくなる。また、より小さいプロジェクタヘッドサイズが可能になる。当業者は、本発明の代替実施形態内で種々の異なるモジュール式構成が可能であってもよい、ということを認めるであろう。たとえば、代替的に、電子装置モジュールのコンポーネントを、フレーム１０４の内側に配置してもよい。
【００４６】
従来のプロジェクタ設計では、ランプと電子部品の間のＥＭクロストークを低減し無線周波数閉じ込めを有するために、かなりの量のＥＭＩ／ＲＦＩ遮蔽が必要である。アーム１０８内の電子部品２０の別個の配置により、ＥＭＩ／ＲＦＩ干渉が自然に低減する。さらに、例示的なシステム１００では、電源と制御電子装置モジュール１１８とは、複数の六角セル１２５を含むハニカム構造１２４によって封入される。ハニカム構造は、画像形成モジュール１２０を包囲し、ＥＭＩ／ＲＦＩ遮蔽と熱管理特性とをともに提供する。図１８および図１９は、ハニカム構造１２４の詳細を示す。３Ｍに譲渡され引用をもってその開示内容がすべて本明細書内に包含されたものとする、「プロジェクタ用ハニカム光および熱トラップ」と題された米国特許第６，１０９，７６７号に述べられているように、六角セルの形状、向き、厚さおよびサイズを、特定の電磁周波数を減衰させるように調整してもよい。本例示的な実施形態では、六角セル１２５は、アーム１０８に沿って略長手方向に位置合せされ、高電磁周波数を減衰させるように所定の特定角度φで方向付けられる。ハニカム構造１２４は、０．２５〜０．０６２５インチ（０．６３５〜０．１５９ｃｍ）セルサイズＳと、０．００２インチ（およそ０．００５ｃｍ）ホイル厚さＴと、防腐コーティングと、を有するアルミニウム六角コアである。電子部品とハニカム構造１２４との物理的分離により、他の従来のコーティングまたは遮蔽に対する必要を低減するために十分な減衰が提供される。
【００４７】
本構成はまた、効率的な熱管理システムも提供する。ヒンジユニット１１０のハウジング内に、空気取入口１２６が配置されている。投影ヘッド１０６に配置されたファン１３０は、空気取入口１２６を介して中空投影アーム１０８の内部に空気を引込み、そこに配置された画像形成モジュール１２０を冷却する。空気は、空気出口１２９を介して投影ヘッドを出る。また、空気を投影ヘッド１０６内に介してもよい。また、冷却空気の流れを使用して、プロジェクタヘッド１０６に配置されたコンポーネントを冷却してもよく、あるいは、別個の冷却空気流または熱管理要素を採用してもよい。
【００４８】
また、ハニカム構造１２４の向きは、画像形成モジュール１２０によって生成される熱エネルギーを吸収する対流ヒートシンクとして作用するように設計され、対流により熱をファン１３０によって引込まれる冷却空気の流れに伝達する。ハニカム構造は、精密なコンポーネントに亙って空気流を向けるように方向付けられる。ハニカム構造１２４の異なる部分は、空気流を異なるコンポーネントに向けるために異なる傾き角を有してもよい。チャンバ１２２はまた、ランプと電子装置との両方の冷却のための高効率熱交換器として作用する、夫々外部または内部フィン１２７および１２８を有してもよい。ハニカム構造１２４により冷却空気の流れを内部フィン１２８に向けることができることにより、より優れた対流冷却が可能となり、それにより低ＣＦＭファン１３０の使用かまたは自然に生成された対流の使用さえもが可能になる。また、アームおよびハニカム構造によって提供される冷却構造により、全体の電力消費が非常に低くなり可聴雑音が低くなる。
【００４９】
市販の電子フロントプロジェクタは、指定された投影距離（ＴＤ）で指定されたスクリーン対角線長（Ｄ）を投影するように設計される。プロジェクタの投影率（ＴＲ）は、投影距離のスクリーン対角線長に対する割合として定義される。スクリーン対角線長／イメージャ対角線長として倍率が測定される。光学的に、投影システム１００の投影ヘッド１０６の邪魔にならない構成には、画像が３つの非常に厳しい要件に同時に適応することが必要である。すなわち、（１）短い投影距離と、（２）高倍率と、（３）大規模なキーストン補正と、である。画像の遮りを最小化するために、本例示的な実施形態では、プロジェクタヘッド１０６を約１５°の投影角度で配置し、アームの寸法を約３０インチ（およそ７６．２ｃｍ）にする。スクリーン１０２は、４２から６０インチ（およそ１０７〜１５２ｃｍ）の間のスクリーン対角線長を有する。したがって、例示的なディスプレイシステム１００の設計目標は、（１）投影距離≦８００ｍｍ、（２）倍率＞６０Ｘおよび（３）約１５°の投影角度に対する画像歪み補正を含んでいた。
【００５０】
図６を参照すると、投影ヘッド１０６は、ランプユニット１３２と、イメージャまたはライトバルブ１３４と、集光光学系１３６と、カラーホイール１３８と、集光ミラー１３９と、投影レンズ１４０と、を有する。投影ヘッドはまた、偏光変換器（偏光回転イメージャ用）と、赤外線および紫外線吸収または反射フィルタと、ランプ変更機構と恐らくは連結された代替光源と、リフレクタミラーと、他の光学部品（図示せず）と、を有してもよい。ランプユニット１３２は、リフレクタ１３１と、ランプ１３３と、を有する。リフレクタ１３１は、ランプ１３３によって生成される光をカラーホイール１３８を介して集束させる。そして、光のビームは、集光光学系１３６と集光ミラー１３９とによって集光される。ここで集光される光のビームは、集光ミラーから反射され、反射イメージャ１３４に向けられ、反射イメージャ１３４はそれによって光を投影レンズ１４０上に反射する。
【００５１】
ランプユニット１３２は、長円形リフレクタ１３１と、オランダ、アイントホーヴェンのフィリップス（Ｐｈｉｌｉｐｓ（Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ、Ｔｈｅ  Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ））のＰｈｉｌｉｐｓ  ＵＨＰタイプかまたはドイツ、ベルリンのオスラム（Ｏｓｒａｍ（Ｂｅｒｌｉｎ、Ｇｅｒｍａｎｙ））のＯＳＲＡＭ  ＶＩＰ−２７０等の高輝度アーク放電ランプ１３３と、を有する。メタルハライドまたはタングステンハロゲンランプ等の他の適当な電球およびランプ構成を使用してもよい。
【００５２】
本例示的な実施形態では、イメージャ１３４は、テキサス州、ダラスのテキサス・インスツルメンツ・インコーポレイテッド（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．（Ｄａｌｌａｓ、Ｔｅｘａｓ））によって製造されるもの等、約１８ｍｍ（およそ０．７インチ）対角線長を有する単一ＸＧＡデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を含む。カラーホイール１３８は、投影画像に１６７０万色をもたらすスピニング赤／緑／青（ＲＧＢ）カラーシーケンシャルディスクである。代替実施形態では、カラーホイールおよびイメージャ１３４を、液晶ＲＧＢカラーシーケンシャルシャッタおよび反射または透過型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）イメージャ等、異なる適当な構成によって置換えてもよい。当業者は、本発明の精神により他の光学部品および構成も可能である、ということを容易に認めるであろう。
【００５３】
イメージャ１３４およびランプ１３２を、ファン１３０によって生成される空気流によって冷却してもよい。本実施形態の配置のさらなる熱的利点は、ランプ等のより高温のコンポーネントが、冷却空気流経路の終端部に配置されることにより、ランプからの強度な熱が繊細な電子部品に影響を与えないようにする、ということである。
【００５４】
１５°のキーストン補正を提供するために、ライトバルブ中心を投影レンズ中心から、投影角度に等しい量だけシフトさせてもよい。この光学手段による完全なキーストン補正には、より複雑な投影レンズ設計を必要とする。たとえば、大きいフルフィールド包括角が必要な場合がある。キーストン補正特徴は、光学系にのみ限定される必要はない。部分的キーストン補正光学系と、電子キーストン補正手段と、スクリーン傾斜と、を組合せることにより、歪みの無い画像を達成することができる。代替実施形態では、スクリーンは、アームが開位置に配置された時に傾いた投影位置に達するように、モータ駆動式であってもよい。
【００５５】
歪みの補正に関して、図２０Ａ、図２０Ｂおよび図２０Ｃは、軸上である、軸外である、および補正を伴う軸外である、という特徴を有する光学系例の断面図である。図２０Ａに示すように、概して８００で示す軸上光学系は、ランプ／リフレクタ８０２と、画像源８０３と、イメージャ８０４と、投影レンズ８０６と、を有してもよい。光学系８００のこれらのコンポーネントは、あわせて、投影軸８０５に沿ってスクリーン８０８上に画像８０７を投影するように動作する。８０５Ａは、スクリーン中心に対して垂直なスクリーン軸である。投影光軸８０５（ランプ／リフレクタ８０２、イメージャ８０４および投影レンズを含む）とスクリーン軸８０５Ａとが位置合せされるという意味で、光学系８００は「軸上」である。軸上システムとして、光学系８００は、スクリーン８０８上に比較的歪みの無い画像を生成する。
【００５６】
対照的に、図２０Ｂは、概して８１０に示す光学系を示し、そこでは、コンポーネントは、本明細書で説明する一体型前面投影システムのような軸外構成である。図示するように、ランプ／リフレクタ８０２に対する光軸８０５は、ここではスクリーン軸８０５Ａと位置合せされていない。言換えれば、画像は、鋭角で下方に投影されている。このため、投影光学系と投影スクリーン法線とが共通軸上に無く、投影レンズ８０６が比較的軸から遠くに位置することから、光学系８１０を「軸外」と呼ぶ。この光学系８１０の軸外の場合では、極度の軸外位置合せと、レンズ糸巻き形歪み等の他の光学収差と、により、図示するように、スクリーン８０８上に投影される未補正画像８１２が歪むことになる。図２１と下の関連する本文とは、かかる軸外系において生成される可能性のある歪み成分をより詳細に説明する。
【００５７】
図２０Ｃは、概して８１４で示す、歪み補正した軸外光学系を示す。図示するように、本発明による歪みが補正されると、スクリーン８０８に投影される補正画像８１６は、軸上光学系８００によって投影される画像と同様に比較的歪みが無いように見えることが可能である。
【００５８】
図２１は、本一体型前面投影システムのような未補正で短投影の、極度に軸外の投影システムにおいて生成される可能性のある歪み成分を示す平面図である。この歪みは、プロジェクタからスクリーンまでの距離が短く光学系が軸外である結果として比較的一意である。図２１に示すように、短投影の軸外光学系は、合せて結合された歪み８２６をもたらす、糸巻き形歪み成分８２０と、キーストン歪み成分８２２と、アナモルフィック歪み成分８２４と、をもたらす可能性がある。したがって、直線歪みの無い投影画像の生成には、本発明によるこれら３タイプの歪み成分の電子および光学手段による補正が必要となる。
【００５９】
糸巻き形歪み成分８２０は、投影レンズによって生成される３次歪みである。これは、高倍率と、短投影距離要件と、レンズサイズおよびコストを低減したい要望と、の結果である。成分８２０に関し、ボックス８５１は、たとえば理想的な軸上投影システムにより投影される可能性のある望ましい歪みの無い画像を表す。線分Ａは、画像の中心から画像ボックス８５１までの歪みの無い距離を表す。歪んだボックス８２１は、この理想的な画像の糸巻き形歪みを表す。線分Ｂは、画像の中心から歪んだ画像ボックス８２１の歪んだ中心までの距離を表す。糸巻き形歪み成分８２０を、図２１に示す変数を使用して、次のように定義される歪み率として表すことができる。
【数１】
2004526205.tif 000004
本一体型前面投影システムの一実施形態では、使用されたレンズは、レンズの設計において１０．４％またはおよそ１０％の糸巻き形歪みを許す、ドイツ、イェーナのツァイス社（Ｚｅｉｓｓ  ＧｍｂＨ（Ｊｅｎａ、Ｇｅｒｍａｎｙ））によって製造される９．４４ｍｍ焦点距離の５３．２ｍｍ開口投影レンズである。
【００６０】
キーストン歪み成分８２２（垂直歪み）は、光学系がたとえば水平方向から軸外１５°で投影しているために発生する。したがって、歪んだ投影画像は、上部より下部において広くなる。成分８２２に関し、ボックス８５３は、たとえば理想的な軸上投影システムによって投影される可能性のある所望の歪みの無い画像を表す。歪んだボックス８２３は、この理想的な画像のキーストン歪みを表す。線分Ａは画像の上部の幅を表し、線分Ｂは画像の下部の幅を表す。図２１から、この歪みを次のように定義される率で表すことができる。
【数２】
2004526205.tif 000005
たとえば、本前面投影システムの一実施形態に対して計算されたキーストン歪みは、７３．９％またはおよそ７４％である。
【００６１】
投影は軸外で行われているため、アナモルフィック歪み成分８２４が、キーストン歪み成分８２２と同時に発生する。図示するように、アナモルフィック歪み８２４により、未補正画像が水平方向に対して垂直方向に伸張される。成分８２４に関して、ボックス８５５は、たとえば理想的な軸上投影システムによって投影される可能性のある望ましい歪みの無い画像を表す。歪んだボックス８２５は、この理想的な画像のアナモルフィック歪みを表す。点ＡおよびＡ’は、画像の中心における画像８５５の上部および下部縁を表す。点ＢおよびＢ’は、画像の中心に沿って歪んだ画像８２５の上部および下部縁を表し、点Ｂ”は、歪んだ画像の中間点を表す。図２１から、この歪みを次の式で定義される率として表すことができる。
【数３】
2004526205.tif 000006
たとえば、本前面投影システムの一実施形態の場合の計算されたアナモルフィック歪みは、３３．５％またはおよそ３４％である。
【００６２】
アナモルフィック歪みの上記式に関して、図２２は、その式において使用される変数を定義する垂直スクリーン上の傾いた投影８２８の平面図である。図２２の実例は、参照文献、ルドルフ・キングスレーク（Ｒｕｄｏｌｐｈ  Ｋｉｎｓｌａｋｅ）による「光学系設計（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｄｅｓｉｇｎ）」、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、１９８３、第２６９〜２７２頁から取られている。
【００６３】
図２２をより詳細に参照すると、線分Ｚ−Ｂ”は、投影軸を表し、ここではＢ”は、画像軸がスクリーンと交差する点である。スクリーンは、点ＶおよびＫを通る線分によって表され、その線分の上に点Ｂ”、ＢおよびＢ’もある。距離「ｘ」は、スクリーンの点Ｋから点Ｚまでの垂直距離を表し、点Ｚは、投影軸上の投影点を表す。線分Ａ−Ａ’は、点Ｂ”を通過する画像面を表す。角度「θ」は、画像面とスクリーンとの間の角度を表す。距離「ｘｓｅｃ（θ）」は、点Ｚから点Ｂ”までの距離を表す。角度「α」は、線分Ｚ−Ｂ”と線分Ｚ−Ａと線分Ｚ−Ａ’との間の角度を表す。点Ｂは、線分Ｚ−Ａがスクリーンを通過する点を表す。点Ｂ’は、線分Ｚ−Ａ’がスクリーンを通過する点を表す。図２１に示すように、線分Ｂ−Ｂ”と線分Ｂ’−Ｂ”とは、下の式に従う。
【数４】
2004526205.tif 000007
要約すると、上述したように、図２２は、図２１のアナモルフィック歪み８２４に関して論考した式の幾何学的変数を提供する。
【００６４】
図２１に戻ると、図示するように、歪み成分８２０、８２２および８２４の結果は、結合された画像歪み８２６である。この全歪み８２６に対し、ボックス８５７は、たとえば理想的な軸上投影システムによって投影される可能性のある所望の歪みの無い画像を表す。歪んだボックス８２７は、糸巻き形歪み成分８２０と、キーストン歪み成分８２２と、アナモルフィック歪み成分８２４と、の組合せを表す。
【００６５】
これらの歪み成分を補正するために、好ましくは光学およびイメージャ成形歪み補正の組合せを使用してもよく、この組合せソリューションは、図２１に示す歪み成分を補償する。
【００６６】
図２３は、本発明による歪みのイメージャ成形および光学補正を結合することにより直線歪みの無い画像を達成する一実施形態のブロック図である。図２３に示すように、未修正画像８３０は、投影システムによって通常もたらされる歪みに対し画像８３０を適当に事前に歪ませるように作用する、成形イメージャ補正コンポーネント８３２によって補正される。そして、事前に歪まされた画像は、固有の歪み特性を有する光学系８３４を介して投影されることにより、補正されたスクリーン画像８３６がもたらされる。光学系８３６の固有の歪み特性は、理論的には歪み無しから非常に大きい歪みまでの範囲となる可能性があり、それにより光学系８３６は、完全な補正から制限された補正までの範囲に及ぶ補正コンポーネントを有するものとみなすことができる。
【００６７】
本発明の歪み補正イメージャとは異なり、従来の電子イメージャは、典型的には、投影される画像の解像度に一致するようにサイズが決められる。例えば、上述したＸＧＡデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等のＸＧＡイメージャは、１０２４水平画素と７６８垂直画素との特定矩形形状に対してサイズが決められる場合がある。
【００６８】
対照的に、本発明による歪み補正イメージャは、従来の幾何学的形状から形状を変更することにより、図２４に示すように、投影システムに固有の歪みを補償する事前に歪まされた画像８７６を生成する。たとえば、かかる固有の歪みは、投影システム内の投影光学系によってもたらされる可能性がある。この実施形態では、成形イメージャ補正コンポーネント８３２は、画像８３０を事前に歪ませるように成形することにより、光学系８３４等の投影光学系によって導入される歪みが、実際には、画像を所望の歪みの無い形状に戻すようにする。したがって、事前に歪まされた画像８３０が投影光学系８３４によって投影される場合、その結果は補正されたスクリーン画像８３６である。
【００６９】
図２４は、本発明による成形イメージャ補正コンポーネント８３２の一実施形態に関連する幾何学的形状の平面図である。図２４において、ＸおよびＹ軸の単位はｍｍである。直線領域８７０は、参照として、上述したＸＧＡデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等の従来の未成形イメージャの幾何学的形状を表す。アクティブ領域８７０のこの幾何学的形状は、たとえば、図示する実施形態では、１４．１２ｍｍ×１０．５９ｍｍ（上部および下部縁は７．０６ｍｍ＋７．０６ｍｍ、左および右縁は５．２９５ｍｍ＋５．２９５ｍｍ）である。
【００７０】
図２４において、外形８７２は、たとえばキーストンおよび他の光学歪みを補償するために画像境界をいかに成形するかを表す。このため、画像８３６は、投影されると、歪みの無い直線画像として投影される。この事前歪みを、電子デジタルワーピング手段によって、たとえば規則的に間隔が空けられた画素により矩形イメージャ８７０に対する完全な画素範囲を事前に歪まされた外形８７２にマッピングすることにより、達成してもよい。かかるデジタル画像ワーピング技術は、ジェネシス・マイクロチップ・インク（Ｇｅｎｅｓｉｓ  Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ  Ｉｎｃ．）に譲渡された米国特許第５，５９４，６７６号に述べられている。しかしながら、画像情報は、マッピングおよび外挿プロセスを介して喪失する。これは、たとえば上部行において、名目上１４．１２ｍｍ幅である画像が、１０．２４８ｍｍ幅の画像にまで圧縮されるためである。イメージャの画素密度が調整されない場合、外形８７２内の部分８７６は、イメージャサイズ８７０全体より少ない画素を含み、それにも係らず同じ画像情報を伝達しようと試みている。このため、画像情報が喪失する。部分８７２への再マッピング後に使用されない部分８７４内の画素は、単純に、暗く、画像投影を提供するために使用されない。したがって、この部分８７４は、無駄なイメージャ空間を表す。
【００７１】
本発明によって企図されるように、イメージャ自体を、事前に歪まされた画像の所望の形状と一致するように変更してもよい。このため、外形８７２は、一定量のキーストンおよび光学歪みを補償するように成形される成形イメージャ補正コンポーネント８３２のための形状も表す。したがって、イメージャ８３２のこの実施形態の名目画像形状８７２は、たとえば矩形ではなく、およそ１３．７９８ｍｍ（６．８９９ｍｍ＋６．８９９ｍｍ）の幅を有する湾曲下縁と、およそ１０．４２８ｍｍ（５．１２４ｍｍ＋５．１２４ｍｍ）の幅を有する湾曲上縁と、上部から下部に延在する湾曲側部と、を有する。また、図示するように、画像中心は、イメージャ８７２の下部からおよそ５．１６３ｍｍの位置に相関し、イメージャ８７２の全高は、およそ８．０６５ｍｍ（２．９０２ｍｍ＋５．１６３ｍｍ）である。特に、成形イメージャ補正コンポーネント８３２の図２４の実施形態は、本明細書で説明するもの等、短投影、高傾斜角を有する光学アプリケーションにおける使用に適している。
【００７２】
投影スクリーンに直線画像を生成するために必要なイメージャの正確な形状を、レンズ射出瞳における点として光学系をモデル化する３次元光線追跡を使用して、または代替的に、システムを介して実際の光線追跡により、計算してもよい。これは、レンズ糸巻き形歪み、キーストン歪みおよびアナモルフィック歪みの効果の計算記述を含む。このモデル化されまたは実際の光線追跡と関連する計算記述とを利用することにより、成形イメージャの物理的構成を、投影システムに対する入力画像が糸巻き形、キーストンおよびアナモルフィック歪み等の歪み効果を補償するような方法で事前に歪まされるように、選択し決定することができる。たとえば、キーストン歪み効果のみを考慮するために、単純な台形形状を利用することができる。しかしながら、より複雑な歪み効果を考慮するためには、図２４に関して論考した物理的構成等の、湾曲した上部、下部および側部を含む物理的構成を利用する。
【００７３】
図２５Ａおよび図２５Ｂは、イメージャ形状の計算に使用してもよいプロジェクタシステムパラメータを示す。プロジェクタスクリーンは、たとえば、垂直であって９２２．４ｍｍ高×１２２７．２ｍｍ幅の寸法を有してもよい。投影レンズ射出瞳は、スクリーン面から７８２ｍｍでありスクリーンの上部より７４．５ｍｍ上であってもよい。また、投影レンズ軸は、水平方向から１５°下方を指す。投影光軸を、総キーストン歪みのおよそ５２％の光学補正のためにイメージャの光学中心から３．７ｍｍ変位させてもよい。図２５Ａおよび図２５Ｂに、瞳点（ＰＰ）と光軸のスクリーン面との交差点（ＯＸ）との位置をマークする。この例示的なシステムでは、ＰＰを座標ｘ＝０、ｙ＝−７８２、ｚ＝９９７．２によって定義してもよく、ＯＸを座標ｘ＝０、ｙ＝０、ｚ＝７８７．６によって定義してもよい。
【００７４】
イメージャの計算された形状は、１５°下向きの投影軸によって生成される残余のキーストンおよびアナモルフィック歪みとおよそ１０．４％の投影レンズ糸巻き形歪みとを考慮する。成形イメージャ縁点の位置を計算するために、図２５Ａに示すスクリーン面における所望の投影画像サイズに対し、投影画像縁点のアレイを定義する。定義された３次元座標空間における点のいくつかの例は、ｘ＝−６１３．６、ｙ＝０、ｚ＝９２２．４と、ｘ＝６１３．６、ｙ＝０、ｚ＝９２２．４と、ｘ＝６１３．６、ｙ＝０、ｚ＝０と、ｘ＝−６１３．６、ｙ＝０、ｚ＝０と、である。これら４つの点は、スクリーン面上に投影画像の４つの角を定義し、追加の縁点は、「ｘ」を−６１３．６から６１３．６まで「ｚ」を０から９２２．４まで変化させることにより縁点のアレイを形成することによって定義される。
【００７５】
そして、瞳点ＰＰを通過する投影画像縁における各点からの一続きの線単位ベクトルをＥＰ０として定義する。さらに、点ＯＸを含み図２５Ｂにおけるような成形イメージャの平面に対して平行な平面を定義する。同じ光学系がこの平面上に画像を投影するとすれば、画像は、投影角が０°であるようにキーストンおよびアナモルフィック歪みを有さない。この平面において、投影縁点線単位ベクトルＥＰ０の交差点を、各縁点に対して計算する。これらの点を、次の式によって記述することができる。
【数５】
2004526205.tif 000008
ここで、ＰＰは瞳点の位置であり、Ｌ２は点ＰＰから点ＯＸまでの距離であり、ＥＰ０はスクリーン面における実際の投影画像縁点の位置を画定するベクトルのアレイであり、ＯＡは光軸単位ベクトルである。
【００７６】
成形イメージャ平面に平行であり点ＯＸを通る平面にあることにより、光学歪みの効果を、この平面において光学歪みが０％である画像を表す点のセットを画定しそれらをＥＰ１によって画定される点と比較することにより、考慮することができる。これらの点を、次の式によって説明することができる。
ｅｐ２＝ｅｐ１＊ｄ
ここで、ｅｐ２は、ＯＸからこの平面における歪みの無い各点までの距離であり、ｅｐ１は、ＯＸからＥＰ１によって定義されるこの平面における歪んだ各点までの距離であり、ｄは、システム歪みの測度、このシステムでは０．１０４すなわち１０．４％である。各点ｅｐ２の位置を画定するベクトルのアレイを、ＥＰ２として定義することができ、点ＥＰ２から瞳点ＰＰを通る線単位ベクトルのアレイをＶ２として定義することができる。
【００７７】
複雑な光学系を、射出瞳のピンホールとしてモデル化してもよい。かかるモデルでは、オブジェクトと画像点とは、瞳点を通る直線にそって配置される。キーストン、アナモルフィック歪みと光学歪みとの効果を、Ｖ２を計算する際に考慮したため、最終成形イメージャ縁点位置を、点ＥＰ２から瞳点ＰＰを通る線が成形イメージャ平面と交差する各点を計算することによって画定することができる。これらの点を、次のような変換の３次元座標空間において定義することができる。
【数６】
2004526205.tif 000009
ここで、ＰＰは瞳点であり、Ｌ１は光軸に沿ったＰＰから成形イメージャ平面までの距離であり、Ｖ２は、点ＥＰ２からＰＰを通る線単位ベクトルのアレイであり、ＯＡは、光軸単位ベクトルである。Ｖ１は、この変換の３次元座標空間における成形イメージャの縁点のｘ、ｙおよびｚ座標を与える。
【００７８】
成形イメージャの２次元平面において成形イメージャの外形をプロットするために、Ｖ１によって画定される点は、３次元変換空間の原点に変換され、ｘ軸を中心に１５°回転されることにより、
【数７】
2004526205.tif 000010
を与える。ここで、Ｖ０は、Ｖ１によって画定される点から光軸が成形イメージャ平面と交差する点までの距離である。そして、ＸＺは、すべてがｙ＝０を有する３次元空間における点のアレイであり、ｘおよびｚ座標は、イメージャの平面における成形イメージャ縁点座標の位置を表し、点ｘ＝０、ｚ＝０は、光軸が平面と交差する点として定義される。
【００７９】
投影スクリーン上に直線画像を生成するための結果としての計算されたイメージャの形状は、軸外投影によって生成される予測されたレンズ歪みとキーストンおよびアナモルフィック歪みとが与えられると、図２４に示すような８７２に対応する。８８．３Ｘのシステム倍率の場合、成形イメージャは、およそ１３．８ｍｍの下部幅とおよそ１０．４ｍｍの上部幅とを有する。また、イメージャ中心は、下部境界の中心からおよそ５．２ｍｍの位置に対応し、イメージャ８７２の全高はおよそ８．１ｍｍである。イメージャ境界の外部曲率は、糸巻き形歪みのある投影画像の内部湾曲境界とは反対である。
【００８０】
イメージャを成形する際、たとえば画像軸を生成するかまたは表す複数の要素の行から作製してもよい、ということが理解される。この複数の画素の行を、各行において等しい数の画素で配置してもよい。このため、行毎の画像情報は同じである。成形イメージャの幾何学的形状を構成する際、各行における画素間の間隔を、所望のイメージャ形状が達成されるように変更してもよい。たとえば、図２４を見ると、部分８７６の上部行における画素は、部分８７６の下部行における画素より互いに近接してもよい。このように、いかなる所与の行の画素間の間隔も、異なる行の画素間の間隔と異なってもよい。結果としての成形イメージャは、入力解像度を保存して、行毎に等しい画素情報を有する成形画像を生成することができる。要求通りに、本発明の成形イメージャを達成するために他の要素または画素密度および／または構成を利用してもよい、ということが留意される。また、当業者には、この可変画素間隔成形イメージャの幾何学的形状を、あらゆるタイプのイメージャ、たとえば透過型または反射型ＬＣＤイメージャかまたはＤＭＤ反射型イメージャに適用することができる、ということも理解される。
【００８１】
投影画像を事前に歪ませるために成形イメージャ８３２を使用することにより、照明系を、イメージャ８３２の幾何学的形状に一致する一意のビームに光のすべてを集中させるように設計してもよい。そして、画像は、投影レンズ上に集束され、スクリーンに投影される。このため、イメージャ８３２は、その形状のために、電子スケーリングを必要とすることなく直線状の補正されたスクリーン画像８３６を提供することができる。
【００８２】
さらに、画像解像度に関して、イメージャ８３２を、フル画像解像度に達するように構成してもよい。たとえば、ＤＭＤデバイスの場合、個々のミラー要素を、歪み補正イメージャ８３２の各行に同じ数の要素があるようにサイズを決めてもよい。これにより、事前に歪まされた画像が、劣化無しにその完全な画像情報を有することができる。言換えれば、歪み補正イメージャ８３２の成形により、光学系は、投影システムの真の解像度要件（すなわち、ＸＧＡ、ＳＸＧＡ、ＨＤＴＶ等）を達成するのを支援するように成形されたイメージャに連結することができる。過度な電子再スケーリングを必要とすることなく前面投影システムにより完全に処理された画像を投影することができることは、有利であり一意である。
【００８３】
図７は、本発明の別の例示的な実施形態２００を示す。この実施形態２００は、いくつかの点で、図６に示す実施形態１００に類似する。図６および図７に関し、参照数字の同じ最後の２つの数字は、すべての例示的な実施形態において同様の要素を示す。光エンジンのサイズをさらに縮小しプロジェクタヘッド２０６およびアーム２０８のサイズおよび重量を低減するために、ランプ２３２およびファン２３０をヒンジユニット２１０内またはフレーム２０４内に配置してもよい。電源および電子コンポーネント２１８をフレーム２０４内部でスクリーン２０２の後方に配置してもよい。連続カラーホイール２３８と、投影レンズ２４０と、集光ミラー２３９を含む集光光学系２３６と、はまだ、プロジェクタヘッド２０６内にあってもよい。投影アーム２０８内に可撓性照明導波路２４２を介してもよく、それは、ランプまたは光源２３２からの照明を集光光学系２３６に連結する。ランプ２３２は、光を照明導波路２４２の入口開口２４６に集束させる。光を、照明導波路２４２により出口開口２４５まで透過させてもよく、そこでその後、カラーホイール１３８を介して集光光学系２３６および２３９に向けてもよい。本実施形態では、照明導波路２４２は、日本の住友３Ｍ株式会社からのスポットライト（Ｓｐｏｔｌｉｇｈｔ）タイプＬＦ９０ＦＢかまたはカリフォルニア州、アーヴィンのルメナイト・インターナショナル・コーポレイション（Ｌｕｍｅｎｙｔｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｒｐ．，（Ｉｒｖｉｎｅ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）からのステイ・フレックス（Ｓｔａｙ−Ｆｌｅｘ）タイプＳＥＬ４００等の中実大コア径プラスチック光ファイバであってもよい。
【００８４】
システム２００における冷却を、システム１００とは逆の方向に行ってもよい。冷却機構またはファン２３０は、投影ヘッド２０６に位置する空気取入口２２６から空気を引込み、ヒンジユニット２１０に位置する空気排出口２２７を介して空気を排出する。
【００８５】
図８は、本発明による投影システム３００の例示的な第３実施形態を示す。投影システム３００は、枢動アーム３０８の中間スパンに沿って取付けられた投影ヘッド３０６を有する。投影ヘッド３０６は、システム１００の投影ヘッド１０６に実質的に類似する。投影ヘッド３０６の投影レンズ３４０によって投影される画像を、ミラーまたは反射面３４６からスクリーン３０２に反射してもよい。光学系３００の構成により、同じアーム長を維持しながら投影距離と倍率との増大が可能となり、またはより短い枢動アームによる同じ投影距離および倍率が可能となる。
【００８６】
図９は、スクリーン４０２と、フレーム４０４と、投影ヘッド４０６と、アーム４０８と、を有する、本発明による投影システム４００の例示的な第４実施形態を示す。投影システム４００の投影ヘッド４０６は、透過型カラーホイール４３８および集光光学系４３６と光学的に位置合せされたランプ４３２を有する。光ビームは、カラーホイール４３８および集光光学系４３６を通過した後、反射イメージャ４３４上に集束し、それにより反射イメージャ４３４は、光ビームを逆焦点投影レンズ４４０に向ける。プロジェクタシステム４００は、モジュール式電源およびシステム電子装置４１８とイメージャ４３４用の別個のモジュール式ドライバボード４４８と、を有する。
【００８７】
図１０は、本発明による投影システム５００の例示的な第５実施形態を示す。投影システム５００では、電源電子装置５１９を、フレーム５０４の内側に配置してもよい。ヒンジ５１０が、プロジェクタヘッド５０６をフレーム５０４に保持するアーム５０８に連結する。電子制御盤５５０を、アーム５０８内に配置してもよい。投影ヘッド５０６は、すべて直線光学経路に位置合せされた、ランプユニット５３２と、偏光子５３５と、光学系５３６と、透過型ＬＣＤイメージャ５３４と、投影レンズ５４０と、を有する。ファン５３０は換気を提供する。図１１に示すように、アーム５０８を、右側かまたは左側に収納するために約±９０°回転させてもよい。
【００８８】
図１２および図１３は、本発明の投影システムの汎用性を示す。図１２は、本発明による投影システム６００とスタイラス６５３等の入力装置とを有するデジタルホワイトボードシステム６０１を示す。投影システム６００は、ＬＴＶ、Ｋレーザまたは他のタイプのセンサ６５４とともに注釈システム６５２のための一体型電子装置を有する。センサ６５４を、スクリーンの表面におけるスタイラス６５３の移動を追跡するように較正してもよい。スタイラス６５３は同様に、追跡を支援するためおよび電子装置６５２によるタイミングまたは制御信号を調整するために送信機および／またはセンサを有してもよい。スクリーン６０２を、消去可能ホワイトボードの使用を可能にするようにコーティングしてもよい。一体型電子装置６５２はＣＰＵを含んでもよい。
【００８９】
図１３は、本発明による投影システム７００を含むビデオ会議および／またはデータ会議システム７０１を示す。ＣＭＯＳまたはＣＣＤカメラ等のカメラ７５６を、投影ヘッド７０６またはフレーム７０４に取付けてもよい。カメラ７５６は、プレゼンターを取込むかまたはスクリーン７０２上に配置された文書を取込むように枢動してもよい。代替的に、追加のカメラをプレゼンターとスクリーンとに向けてもよい。ここでもまた、スクリーンを消去可能ホワイトボードとして作用するようにコーティングしてもよい。カメラ７５６を、フレーム７０４内に一体的に配置されたＣＰＵ７５８に直接連結してもよい。また、フレーム７０４内にマイクロフォン７６０を配置してもよい。チューナ、ネットワークカード、サウンドカード、ビデオカード、通信機器等の追加の電子モジュールをフレーム７０４内に配置してもよい。
【００９０】
当業者は、本発明の要素を、別々にまたは１つのシステムで結合することにより、ビデオ会議、データ会議および電子ホワイトボード機能を、軽量かつ小型の表示システムが有用となり得る他の任意の機能とともに提供してもよい、ということを容易に認めるであろう。
【００９１】
本発明のシステムは、所定の投影位置において投影画像を最適化するように設計されるため、光学系、機械的構造または電子装置に対していかなるセットアップ調整も不要であり、最適なオンスクリーン性能が一貫して提供される。システム１００の一体構造により、より容易な収納および携帯性が可能となり、従来のプロジェクタの使用に関連する配線および位置決めが回避される。
【００９２】
当業者は、本発明を種々の異なる光学部品とともに使用してもよい、ということを認めるであろう。本発明を例示的な好ましい実施形態に関して説明したが、本発明を、発明の精神から逸脱することなく他の特定の形態において具体化してもよい。したがって、本明細書において説明し例示した実施形態は単に例示的なものであり、本発明の範囲を限定するものとみなされてはならない、ということは理解すべきである。本発明の精神および範囲にしたがって他の変形および変更を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】従来の投影装置およびスクリーン構成の斜視図である。
【図２】図１に示す構成の側立面図である。
【図３】使用位置すなわち投影位置における本発明による一体型前面投影システムの斜視図である。
【図４】閉位置すなわち収納位置における図３に示す一体型前面投影システムの斜視図である。
【図５】使用位置すなわち投影位置における図３に示す一体型前面投影システムの側立面図である。
【図６】図３に示す一体型前面投影システムのアームおよび投影ヘッドの第１実施形態の略側立断面図である。
【図７】図３に示す一体型前面投影システムのアームおよび投影ヘッドの第２実施形態の略側立断面図である。
【図８】使用位置すなわち投影位置における本発明による一体型前面投影システムの第３実施形態の側立面図である。
【図９】本発明による一体型前面投影システムのアームおよび投影ヘッドの第４実施形態の略側立断面図である。
【図１０】本発明による一体型前面投影システムのアームおよび投影ヘッドの第５実施形態の略側立断面図である。
【図１１】図１０に示す一体型前面投影システムの平面図である。
【図１２】本発明による一体型前面投影システムの第６実施形態の斜視図である。
【図１３】本発明による一体型前面投影システムの第７実施形態の斜視図である。
【図１４】本発明による配光制御された前面投影スクリーンの垂直反射パターンの側立面図である。
【図１５】図１４に示す前面投影システムの水平反射パターンの平面図である。
【図１６】本発明による配光制御された前面投影スクリーンの垂直断面図である。
【図１７】図１６に示す前面投影スクリーンの水平断面図である。
【図１８】図３に示す一体型前面投影システムのハニカム構造の一部の斜視図である。
【図１９】図１８に示すハニカム構造の部分の詳細平面図である。
【図２０Ａ】軸上にあることを特徴とする光学系例の断面図である。
【図２０Ｂ】極度に軸外にあることを特徴とする光学系例の断面図である。
【図２０Ｃ】補正を伴う、極度に軸外にあることを特徴とする光学系例の断面図である。
【図２１】本一体型前面投影システムのような未補正で短投影の、極度の軸外投影システムにおいて発生する可能性のある歪みを示す平面図である。
【図２２】垂直スクリーンにおける傾いた投影の平面図である。
【図２３】本発明による歪み補正成形イメージャを有する前面投影システムの一実施形態のブロック図である。
【図２４】本発明による歪み補正イメージャの一実施形態の幾何学的形状の平面図である。
【図２５Ａ】イメージャ形状の計算において使用されるシステムパラメータの図である。
【図２５Ｂ】イメージャ形状の計算において使用されるシステムパラメータの図である。
【図６】
2004526205.tif 000011
【図１３】
2004526205.tif 000012
【図２０Ａ】
2004526205.tif 000013
【図２０Ｂ】
2004526205.tif 000014
【図２０Ｃ】
2004526205.tif 000015
【図２１】
2004526205.tif 000016
【図２３】
2004526205.tif 000017
【図２４】
2004526205.tif 000018
【図２５Ａ】
2004526205.tif 000019
【図２５Ｂ】
2004526205.tif 000020
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004526205.tif 000079
2004526205.tif 000080
2004526205.tif 000081