CN104204942A

CN104204942A - 投影仪

Info

Publication number: CN104204942A
Application number: CN201280071434.XA
Authority: CN
Inventors: 椎名浩; 岛崎贞彦
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2014-12-10
Also published as: US20150042564A1; JP2013218262A; JP5174273B1; WO2013136563A1

Abstract

本发明提供一种能减少具备拍摄功能的投影仪的构成构件数量的技术。来自灯(1)的照明光经由照明光学系统从TIR透镜(5)的第1面射入，在内部的反射面反射，从TIR棱镜(5)的第2面射出，经过DMD(6)进行了光调制后作为投射光射入TIR棱镜(5)的第2面。来自DMD(6)的投射光透过TIR透镜(5)的反射面，从TIR透镜(5)的第3面射出，经过投射透镜(7)放大投射，在屏幕(8)上成像。发光元件(9)的光在屏幕(8)上反射，经由投射透镜(7)射入TIR透镜(5)的第3面，在内部的反射面反射，从TIR透镜(5)的第4面射出，在拍摄元件(11)上成像。

Description

投影仪

技术领域

本发明涉及具备拍摄功能的投影仪。

背景技术

以往，有些投影仪具备将来自屏幕侧的光成像于拍摄元件上的拍摄功能，以用于指向设备功能、拍摄功能等附加功能。在上述投影仪中，存在将投射透镜兼用作用于将来自屏幕侧的光导入拍摄元件的成像单元的技术，该投射镜片将由DMD(Digital Micromirror Device：数字微反射镜)等图像显示元件所显示的图像放大投射到屏幕上。

例如，在专利文献1的技术中，经过DMD进行了光调制的图像经由TIR棱镜由第1透镜组进行聚焦，由分离镜反射，并由第3透镜组投射至屏幕。此外，在专利文献1的技术中，利用第3透镜组将来自红外线发光二极管的光导入分离镜，该红外线发光二极管在屏幕上进行指示，利用设置于分离镜入射面的波长选择膜使来自红外线发光二极管的光透过，经由第2透镜组在拍摄元件上成像。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2009-205442号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，在专利文献1所记载的技术中，为了分离DMD所产生的透射光与来自屏幕的光，将分离镜设为追加构件。为此，在专利文献1的技术中，也包含追加构件其本身以及用于保持的辅助性构件，从而成本增加，产生尺寸变大。另外，在专利文献1的技术中，由于用于插入该追加构件的空间而使得在透镜组之间需要一定空间，从而成为光学设计上的限制，造成光学性能变差，透镜片数增加。此外，在专利文献1的技术中，由于该追加构件使得反射、透过损失增加，投射光的光输出下降，并且，因斜向插入的分离镜的平行平板而产生散光，导致成像性能变差。

另外，在专利文献1的技术中，由于设置追加构件来实现拍摄功能，因此即使在共通平台下制造无拍摄功能的产品，也会因追加构件、以及随之造成的光学设计上的透镜片数增加等，从而产生多余的成本。因此，在专利文献1的技术中，难以利用共通的平台来制造有和没有拍摄功能的产品，投资效率变差。

本发明鉴于上述问题而得以完成，其目的在于提供一种能减少具备拍摄功能的投影仪的构成构件数量的技术。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的投影仪具备TIR棱镜，该TIR棱镜使来自光源的光反射，来将来自光源的光导入光调制元件，并且使由所述光调制元件反射的光透过，该投影仪的特征在于，在从所述投射光学系统射入所述TIR棱镜的反射面的光的反射方向上配置有拍摄元件。

另外，也可以在所述反射面设置使红外线光反射的膜。

另外，也可以在所述反射面设置在投射光的光谱上成为波谷的部分的反射率变高的膜。

另外，也可以在所述反射面上，利用角度特性而使由所述光调制元件反射的光透过，并输出至所述投射光学系统，并且使从所述投射光学系统射入的光反射，导入所述拍摄元件。

另外，照射至屏幕的发光元件的光也可以经由所述透射光学系统在所述TIR棱镜的所述反射面反射，从而从所述TIR棱镜的配置有所述拍摄元件一侧的面射出，在所述拍摄元件上成像。

另外，所述TIR棱镜的配置有所述拍摄元件一侧的面也可以垂直于拍摄图像中心的光。

另外，设置于所述反射面的膜的反射特性中反射率较高的波长频带与照射屏幕的发光元件的波长频带也可以重叠。

另外，也可以还具备：照射位置检测部，该照射位置检测部从所述拍摄元件拍摄的拍摄图像获取照射位置信息，该照射位置信息表示发光元件的屏幕上的照射位置；OSD绘制部，该OSD绘制部根据所述照射位置信息生成描绘了规定指向图像的OSD图像；图像合成部，该图像合成部将所述OSD图像与经由所述投射光学系统投影到屏幕的投影图像合成，以生成合成图像；以及进行光调制来投影所述合成图像，并射出至所述TIR棱镜的所述光调制元件。

发明效果

根据本发明，能够减少具备拍摄功能的投影仪的构成构件数量。

附图说明

图1是本发明所涉及的实施方式的投影仪的简要结构图。

图2是图1所示的TIR棱镜的放大图。

图3是表示图2所示O面上设置的反射膜特性的图。

图4是表示图2所示的O面上设置的反射膜特性的图。

图5是使用图1所示的TIR棱镜的角度特性时的说明图。

图6是本发明所涉及的实施方式的投影仪的其他简要结构图。

图7是表示图1所示的屏幕上的光导入拍摄元件的情况的图。

图8是结合图4所示的O面的反射特性与发光元件的波长特性来表示的图。

图9是表示图1所示投影仪的结构的功能框图。

图10是表示将发光元件照射至投影在屏幕上的投影图像的情况的图。

图11是表示拍摄到图10所示的发光元件的光点的拍摄图像的图。

图12是表示图9所示的OSD绘制部所生成的OSD图像的图。

图13是表示图9所示的图像合成部所生成的合成图像的图。

图14是表示将指向图像重叠显示于图10所示的发光元件的照射位置的投影图像的图。

具体实施方式

本实施方式的投影仪通过将分离照明光与投射光的TIR棱镜兼用于分离投射光与拍摄用的成像光，从而能减少实现拍摄功能时的构成构件数量。以下参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。

如图1所示，投影仪100具备：灯1、色轮2、柱型光学积分器3、聚光镜4、TIR(Total Internal Reflection：全内反射)棱镜5、DMD6、投射透镜7、倍率修正光学系统10、以及拍摄元件11。

从光源即灯1射出的照明光射入色轮2。

色轮2具有红、蓝、绿的滤镜，由未图示的电动机驱动并高速旋转。通过色轮2旋转，从而在短时间内切换3色的滤镜。由此，照明光以时分方式被分离成R(红色)光、B(蓝色)光、G(绿色)光这三色。分离出的各色光依次射入柱型光学积分器3。

柱型光学积分器3是四棱柱状的玻璃制等的透镜，使入射光在内部全反射，射出照度分布均匀的光。从柱型光学积分器3射出的光被聚光镜4引导，从而以适当的尺寸照射至DMD6上，并射入TIR棱镜5，其中，所述聚光镜4由多个透镜构成。

TIR棱镜5由第1棱镜5a以及第2棱镜5b构成，在2个棱镜的边界形成有反射面。来自聚光镜4的入射光对于该TIR棱镜5的内部所设置的反射面的入射角在临界角以上，因此发生全反射并导入DMD6。

DMD6是在平面上排列了多个微镜的光调制元件(光导管)的一种。DMD6基于来自外部的图像信号，将以时分方式照射出的红光、绿光、蓝光以空间方式进行光调制，生成投射光。DMD6所生成的投射光以小于临界角的入射角射入TIR棱镜5的反射面。因此，DMD6所生成的投射光透过反射面，射入投射透镜7。投射光经过投射透镜7放大投射，成像于屏幕8上。

用户能利用发出红外线等的发光元件9，来指示屏幕8上的任意位置。在屏幕8上反射的光经由投射透镜7射入TIR棱镜5。

射入TIR棱镜5的来自屏幕8的光在TIR棱镜5的反射面反射，并在TIR棱镜5的内部反射从而从TIR棱镜5射出。从TIR棱镜5射出的光通过倍率修正光学系统10即多个透镜，导入由CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合元件)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体)等构成的拍摄元件11，在拍摄元件11上成像。

由此，利用后述的图像处理部来进行如下等处理：检测出屏幕8上的红外线光的照射位置，通过DMD6将表示用户正在指示这一意思的指向图像等投影到屏幕8上，从而进行反馈处理。

此外，在DMD6的尺寸与拍摄元件11的尺寸不一致的情况下，或投射系统与成像系统需要设置成不同的倍率的情况下，只要在TIR棱镜5与拍摄元件11之间插入倍率修正光学系统10即多个透镜即可。也就是说，在DMD6的尺寸与拍摄元件11的尺寸一致的情况下，或投射系统与成像系统无需设置成不同的倍率的情况下，可以省略倍率修正光学系统10，从而降低成本。

由此，在本实施方式中，在前表面投射型投影仪100中，利用TIR棱镜5分离照明光与投射光，并分离投射光与拍摄用的成像光。利用TIR棱镜5的通常不使用的面，来将拍摄用的成像光(来自屏幕8一侧的光)导入拍摄元件11。因此，无需为了拍摄功能而设置追加构件，因此产品的成本下降，尺寸变小，能够防止光学性能的劣化等。

对TIR棱镜5进行详细说明。

图2是TIR棱镜5的放大图。如图2(a)所示，TIR棱镜5由第1棱镜5a及第2棱镜5b构成。图2(b)是图2(a)所示的α的放大图。如图2(b)所示，TIR棱镜5上，第1棱镜5a的I面与第2棱镜5b的O面之间设有数μm的间隙，且平行配置。

来自灯1的照明光经由聚光镜4等照明光学系统而入射至第1棱镜5a的A面，在第1棱镜5a的I面反射，从第1棱镜5a的B面向DMD6射出。利用DMD6对照明光进行光调制，并作为投射光从第1棱镜5a的B面射入。从B面射入的投射光从第1棱镜5a的I面射出，射入第2棱镜5b的O面，再从第2棱镜5b的C面射出，并经由投射透镜7在屏幕8上成像。

由屏幕8反射的光经由投射透镜7从第2棱镜5b的C面射入，在第2棱镜5b的O面反射，经过第2棱镜5b的内部反射而从第2棱镜5b的D面向拍摄元件11射出。此外，若在上述光路上配置有拍摄元件11，则第2棱镜5b的O面上反射的光当然也可以不在第2棱镜5b的内部反射。

也就是说，在第1棱镜5a的I面，使从光源侧射入的照明光反射，射入DMD6，并使经过DMD6进行了光调制的投影图像透过，导入O面。另外，在第2棱镜5b的O面，使从I面侧射入的DMD6的投影图像透过，并使从屏幕8一侧射入的光反射，在第2棱镜5b内反射，导入拍摄元件11。此外，图示中，示出了TIR棱镜5由具有三角面的第1棱镜5a以及具有四角面的第2棱镜5b构成的示例，但并不限于此，也可以是其它形状。换言之，TIR棱镜5具有如下那样形成的反射面：即、使照明光反射并导入DMD6，并使在DMD6反射的光透过，输出至投射透镜7，从而能使通过该反射面从投射透镜7射入的光反射，并导入拍摄元件11即可。

具体而言，参照图7，对屏幕8上的光导入拍摄元件11的情况进行说明。在屏幕8反射的光经由投射透镜7，从第1棱镜5b的C面射入并在O面反射。此时，在O面，图示的L范围内的光反射。该L范围对应于DMD6的画面区域。此外，在O面反射的光在C面的内部反射而到达D面。到达D面的光透过D面，经由倍率修正光学系统10而导入拍摄元件11，被拍摄元件11获取。

该D面被设置成垂直于导入拍摄元件11的拍摄用的成像光(拍摄光)的光轴(拍摄影像的中心的光)。另外，图示中，倍率修正光学系统10的TIR棱镜5一侧成为作为远心的光学系统。也就是说，到拍摄元件11一侧的修正透镜即倍率修正光学系统10为止成为维持远心的形状。该情况下，投射透镜7的DMD6一侧在通常设计的情况下，同样为远心。因此，能在画面内的整个区域高效地将拍摄光导入拍摄元件11上。

另外，如上所述，由于D面设置成垂直于拍摄光的光轴，因此能保持相对于光轴的对称性，并不会发生因光轴倾斜而产生的像差。也就是说，原理上，不会因非远心的光线通过TIR棱镜的D面而产生非点像差。因此，拍摄图像变得锐利，整个拍摄图像的均匀性得以保持。

此外，在拍摄元件11一侧的NA(开口)足够小的情况下，并不一定要是远心，但为了增大拍摄元件11侧的NA而提高感度，如图示那样维持远心的情况下更为高效。

另外，此时，第2棱镜5b的O面能高效地使发光元件9的波长即红外线反射，并导入拍摄元件11即可。图3是O面的分光反射率特性图。a是将通常的可视光用的AR涂层(防反射膜)设置于O面时的反射率特性。由于AR涂层将大约40％的红外线(900nm附近)反射，因此能使光学系统成立。另外，如b所示，也可以与本实施方式相结合将特别设计的膜设于O面，从而提高对红外线的反射率。在该情况下，在b所示的膜上，大于80％的红外线反射，成为a所示的AR涂层的约2倍的红外线反射率。

此外，投射透镜7需要使来自屏幕8的红外线透过，并导入O面。投射透镜7大多以多片透镜构成，透过各透镜内的红外线的透过率将会降低。因此，投射透镜7无需设置AR涂层，设置为了使红外线透过而特别设计的膜即可。

另外，不仅是红外线，也可以使可见光导入拍摄元件11。该情况下，图3所示的a或b的膜可以利用对于存在于O面的一定百分比的可见光(400nm～700nm附近)的反射率，来使可见光反射，导入拍摄元件11。

另外，也可以使R、G、B各投射光的光谱间成为波谷的部分的可见光反射，导入拍摄元件11。图4中，为了使可见光反射而设置于O面的膜的反射特性用实线来表示，作为参考以虚线示出了R、G、B的各投射光的输出特性。

图4(a)中，设置于O面的膜被设计成使得成为G投射光与R投射光的光谱中的波谷的600nm附近的反射率变高。由此，能够使来自DMD6一侧的投射光在O面透过，使来自屏幕8一侧的光中的、G投射光与R投射光的光谱中的波谷间附近的可视光在O面反射。由此，能够有效地分离投射光与成像光(来自屏幕8的光)，并能引导来自屏幕8的光，在拍摄元件11上成像。

此外，如图4(b)所示，设置于O面的膜被设计成使得成为B投射光与G投射光的光谱中的波谷的500nm附近、以及成为G投射光与R投射光的光谱中的波谷的600nm附近的反射率均变高，或者也可以设计成其中一方的反射率变高。

也就是说，设置于O面的膜被设计成使G、B、R投射光的光谱中的波谷附近的波长带宽反射。因此，如图8所示，通过将指示设备即发光元件9的波长带宽(图示中为斜线区域)与提高了O面的膜的反射率的波长带宽相重叠，从而能将在屏幕8上反射的发光元件9的光导入拍摄元件11，而不会受投射图像影响。因此，后述的图像处理部能获取发光元件9的照射位置信息。此外，图8(a)对应图4(a)，图8(b)对应图4(b)。

另外，如图8(b)所示，在设计成使得O面的膜在500nm附近及600附近的反射率均变高的情况下，500nm附近的波长的发光元件9与600nm附近的波长的发光元件9这两种发光元件9均能使用。该情况下，在拍摄元件11一侧设置例如以时分方式使2个发光元件9的波长带宽(500nm附近及600nm附近)相一致的波长透过的彩色滤光片即可。由此，通过将拍摄元件11设置为适合彩色滤光片的彩色型的元件，从而能在屏幕8上同时使用波长带宽不同的2个发光元件9，而不会产生干扰。

接着，参照图9，来说明利用图像处理部检测发光元件9的照射位置、并将指示图像投影于屏幕8的处理。

图9是表示投影仪100的结构的功能框图。图示中，投影仪100具备拍摄部22、图像处理部20、DMD6以及光学单元21。此处，拍摄部22是照相机等，包含拍摄元件11。另外，光学单元21包含：灯1、色轮2、柱型光学积分器3、聚光器4、TIR棱镜5、投射透镜7以及倍率修正光学系统10。

拍摄部22每隔规定的时间或连续地将拍摄元件11所拍摄到的拍摄图像输出至图像处理部20。拍摄图像中拍摄到表示用户利用发光元件9照射屏幕8的位置的发光元件9的光点。

图像处理部20具备照射位置检测部201、OSD描绘部202、信号处理部203、影像输入部、以及图像合成部204。

照射位置检测部201每次从拍摄部22获取拍摄图像时，例如基于拍摄图像内的亮度变化来检测拍摄图像中的光点的位置。照射位置检测部201将所检测出的光点的位置、即照射位置信息输出至OSD描绘部202。

OSD描绘部202基于照射位置信息来生成以在发光元件9照射屏幕8的照射位置重叠了例如箭头标记等指示图像的方式描绘的OSD图像。

信号处理部203例如从未图示的外部存储器、计算机等获取影像信号(图像信号)。然后，信号处理部203对于所获取的影像信号进行图像调整，以成为适于投影的图像，并输出至图像合成部204。

图像合成部204将从OSD绘制部202获取到的OSD图像、与通过信号处理部203获取到的影像信号进行合成。由此，在影像信号中合成了指示图像的合成图像得以生成。图像合成部204将生成的合成图像输出至DMD6。

DMD6利用光学单元21将从图像合成部204获取到的合成图像投影到屏幕8上。其结果是，屏幕8上显示有发光元件9的照射位置与指示图像相重叠的投影图像。

具体而言，参照图10～14，对屏幕8上的发光元件9的照射位置上重叠指示图像来进行投影的情况进行说明。

如图10所示，用户利用发光元件9对屏幕8上的投影图像照射红外线光等，来指示投影图像上的任意位置。由此，如图11所示，在拍摄部22，仅能接受发光元件9的波长的光，因此仅拍摄到表示拍摄元件9的照射位置的光点S。照射位置检测部201例如基于拍摄图像内的亮度变化来检测光点S。然后，照射位置检测部201例如在拍摄图像的尺寸为横宽Lx、纵长Ly时，将光点S的位置获取为横x、纵y。

OSD描绘部202基于从照射位置检测部201获取到的光点S的位置信息(照射位置信息)，来生成描绘了指示图像的OSD图像。例如图12所示，在DMD6的分辨率为XGA的情况下，OSD描绘部202的OSD图像区域变为横1024×纵768。该情况下，OSD描绘部202在OSD图像区域上的横1024×(x/Lx)、纵768×(y/Ly)的位置上生成描绘了指示图像P的OSD图像。OSD描绘部202将生成的OSD图像输出至图像合成部204。

如图13所示，图像合成部204生成将OSD图像与影像信号合成后的合成图像。该合成图像经由DMD6、光学单元21而投影到屏幕8上。也就是说，如图14所示，屏幕8上显示有在发光元件9的照射位置重叠了指示图像P的投影图像。

此外，指示图像P能由用户任意改变。另外，指示图像P中不仅包含插图、图形，也包含以线段来表示发光元件9的照射位置的轨迹的图像。另外，图像处理部20也可以将照射位置检测部201所检测出的照射位置信息反馈至输入影像信号的外部计算机等，从而能利用发光元件9对画面进行鼠标操作。也就是说，投影仪100也可以起到具备电子黑板功能的互动型投影仪的作用。另外，图像处理部20也可以将由图像合成部204生成的合成图像存储于未图示的存储器中，从而能再次进行投影。

此外，如上所述，通过在O面设置恰当设计的反射膜，从而能分离投射光与成像光，但也可以通过调整O面的角度特性来实现。

图5是使用TIR棱镜5的角度特性时的说明图。具体而言，图5是表示从DMD6一侧观察投射透镜7时的投射透镜入瞳上、投射光与拍摄元件11用的有效光范围与表示临界角的边界的配置关系的图。在使用可见光的情况下，通过配置成使得投射光、成像光、临界角成为图示那样，从而也能分离投射光与成像光。此时的反射面的角度也取决于拍摄元件11一侧所需的开口(NA)，但在有足够的感度的情况下，错开的角度越小，投射光的损失越小，就越有利。此外，为了改善对比度，有时错开2～3度，该范围最佳。另外，也可以根据射入反射面即I面的照明光一侧的光轴的角度，在二次光源像附近配置具有相对于照明光一侧的光轴倾斜的开口的光圈。根据该方法，能在整个可视光区域内将光导入拍摄元件11，能实现全彩色。此外，为了实现全彩色，也可以在反射面设置使来自DMD6一侧的投射光透过、使来自屏幕8一侧的拍摄元件11用的光全反射的膜。

另外，以上对具有一个DMD6的单板方式的投影仪100进行了说明，但投影仪也可以是多面板方式。例如，如图6所示的3板方式的投影仪101的情况下，不使用图1所示的色轮2及DMD6，取而代之利用菲利普棱镜12来对分别由R用DMD13、G用DMD14、B用DMD15生成的红、绿、蓝的图像进行合成，投影到屏幕8上。此外，图6中，省略图示了导入R用DMD13、G用DMD14、B用DMD15的照明光的光路，但也可以适当设计并配置。

本发明并不由上述实施方式来限定，当然可以在不脱离本发明思想的范围内进行各种变化。此外，上述实施方式中，表示相同功能的结构付上相同的标号。

标号说明

1：灯

2：色轮

3：柱型光学积分器

4：聚光器

5： TIR棱镜

5a：第1棱镜

5b：第2棱镜

6： DMD

7：投射透镜

8：屏幕

9：发光元件

10：倍率修正光学系统

11：拍摄元件

12：菲利普棱镜

13： R用DMD

14： G用DMD

15： B用DMD

20：图像处理部

21：光学单元

22：拍摄部

201：照射位置检测部

202： OSD描绘部

203：信号处理部

204：图像合成部

S：光点

P：指示图像

100、101：投影仪

Claims

1.一种投影仪，具备TIR棱镜，该TIR棱镜使来自光源的光反射并导入光调制元件，并且使由所述光调制元件反射的光透过，输出至投射光学系统，其特征在于，

在从所述投射光学系统射入所述TIR棱镜的反射面的光的反射方向上配置有拍摄元件。

2.如权利要求1所述的投影仪，其特征在于，

在所述反射面设置使红外线光反射的膜。

3.如权利要求1或2所述的投影仪，其特征在于，

在所述反射面上设置有在投射光的光谱上成为波谷的部分的反射率变高的膜。

4.如权利要求1至3任一项所述的投影仪，其特征在于，

在所述反射面上，利用角度特性而使由所述光调制元件反射的光透过，并输出至所述投射光学系统，并且使从所述投射光学系统射入的光反射，导入所述拍摄元件。

5.如权利要求1至4任一项所述的投影仪，其特征在于，

照射至屏幕的发光元件的光经由所述透射光学系统在所述TIR棱镜的所述反射面反射，从而从所述TIR棱镜的配置有所述拍摄元件一侧的面射出，在所述拍摄元件上成像。

6.如权利要求1至5任一项所述的投影仪，其特征在于，

所述TIR棱镜的配置有所述拍摄元件一侧的面垂直于拍摄图像中心的光。

7.如权利要求1至6任一项所述的投影仪，其特征在于，

设置于所述反射面的膜的反射特性中反射率较高的波长带宽与照射屏幕的发光元件的波长带宽重叠。

8.如权利要求1至7任一项所述的投影仪，其特征在于，包括：

照射位置检测部，该照射位置检测部从所述拍摄元件拍摄的拍摄图像获取照射位置信息，该照射位置信息表示发光元件在屏幕上的照射位置；

OSD绘制部，该OSD绘制部根据所述照射位置信息生成描绘了规定指向图像的OSD图像；

图像合成部，该图像合成部将所述OSD图像与经由所述投射光学系统投影到屏幕的投影图像合成，以生成合成图像；以及

为投影所述合成图像而进行光调制，并射出至所述TIR棱镜的所述光调制元件。