JP2013501247A - 光学マイクロプロジェクションシステムおよび投影方法 - Google Patents

Abstract

光学マイクロプロジェクションシステムであり、少なくとも１つのレーザ光源２００、４００、４０２、６００と、前記光源からの光を偏向して投影面１０４、３０１、３０３、３０６、６０３上での画像の生成を可能にするための少なくとも１つの可動ミラー１０２、１０３、２０３と、投影光源と投影面との間の距離６０４を測定するためのセルフミキシングモジュールと、を備え、前記セルフミキシングモジュールは、レーザ光源の発光パワーを監視するための少なくとも１つのフォトダイオード４０１、６０１と、光パワー変動６０５をカウントするための光パワー変動カウンタと、を備え、前記ミラーの連続的な変位により、セルフミキシングモジュールが前記投影面の複数点の連続的な投影距離測定を行うことが可能になる。光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法および距離測定方法もまた提供される。
【選択図】図５Ｂ

Description

本発明は、少なくとも１つのレーザ光源と、少なくとも１つの、好ましくはＭＥＭＳタイプの可動ミラーとを備える光学マイクロプロジェクションシステムに関する。本発明はまた、投影方法および投影距離測定方法にも関する。

電磁放射線の人間への生物学的影響は、２つのカテゴリー、すなわち電離放射線によるものと非電離放射線によるものとに分類することができる。最初の電離放射線は、宇宙Ｘ線波長および核放射線に関係する。２つ目の非電離放射線は、紫外波長、可視波長、赤外波長、マイクロ波波長、および電波波長に関係する。画像投影装置や映像投影装置は光の可視スペクトル内で作動し、したがって、この装置の動作中に非電離放射線障害を調べ回避しなければならない。

非電離放射線の生物学的影響は、放射線（波長）のスペクトル領域と放射線にさらされる時間とに依存する。さらに、目や皮膚への損傷は、放射線への１回の曝露（急性）であったのか日常的な曝露（慢性）であったのかで決まる。

目は、一般に、放射線による損傷の影響を最も受けやすい身体の臓器であると考えられている。放射線によって影響を受ける可能性のある目の部分は、角膜、レンズ、眼液、および網膜である。様々な光放射が目の個々の部分に影響を与える。それらの部分のいずれへの損傷も、光がそれらの部分によって吸収されたときに起こる。生じる損傷は、曝露レベルおよび曝露時間の範囲に依存する。

放射周波数範囲３９０ｎｍ〜７５０ｎｍの可視波長域は一般に、角膜によって屈折させられ、網膜によって吸収される。

波長が４００〜７００ｎｍ以内の可視光線に対する目の最大許容露光量（ＭＰＥ）は、露光時間１０秒で約０．００１Ｗ／ｃｍ^２である。したがって、損傷を防ぐための方法が、認可されたＭＰＥより低い露光量を維持するために必要とされている。

さらに、目は深刻な損傷を引き起こしうる他の波長にも敏感であり、紫外線および赤外線の中では、したがってそのような波長を用いる装置には、損傷を防止するための方法がやはり必要とされている。

ここ何年かの間、１つまたは複数の技術的機能を実行するためにレーザユニットを用いた様々なタイプの電子装置が開発されている。これらの装置の中にマイクロプロジェクションシステムがある。電気通信やレーザポインタ装置などの種々の適用例に関してレーザダイオードの需要が高まるにつれて、人に関する目の安全性の問題が課題になり、大概は色々な方法で対処されてきた。最も簡単な方法は、レーザポインタ装置の先端に置かれた、ユーザにレーザによる目の直接照射を回避するよう警告するステッカを使用することである。もう１つの方法は、電気的故障が起きた場合にレーザダイオード内でのピーク電流を回避するために、あるいは一定電流レベルを上回るレーザダイオード内の電流を完全に切るために、特定の駆動電子機器を開発することであった。

目のレーザ安全性についてこれまでに説明されているより進歩した技術は、レーザ光源に接続されたＣＣＤ検出器を使用するというものである。ＣＣＤ検出器は、ＣＣＤ検出器の視野の中の物体または人の動きを検出し、動いた場合に信号を発してレーザを停止する。

他の技術は、プロジェクションシステムに接続された加速度計または／およびジャイロスコープなどの運動センサを使用し、プロジェクタ自体の動きを検知し、次いで電源を切るために、または強度を下げるために、レーザ光源に信号を送るというものである。また、さらに他のいくつかの技術が、一方の電極が計測ツール内に配置され、人体が第２の電極として働くようにした容量センサを用いてこれまで試験されてきた。その場合、人の存在は、これらの２つの電極の間に電圧変化が起こることによって検知される。

特定のレーザプロジェクション使用例に関する、これらのレーザ安全技術の問題は、既存の解決法では、ユーザが光源の方を直接見ておりかつ動いていない間にユーザがプロジェクタの電源のスイッチを入れた場合に目の損傷を防止できないので、これらの既存の技術はどれも十分に効果的ではないということである。目を損傷させるこの特定の態様および起こりうるリスクは、この種のレーザプロジェクタを多くの人々、特に子供が用いるためのキーストッパのうちの１つになる可能性がある。さらに、これらの技術のほとんどは複雑かつ高価である。

目の損傷を防止するための既存の技術の別の問題は、ＣＣＤ検出器または容量検出器を使用すると方向センシングができず、通常は移動物体の投影フィールドよりはるかに大きくなることである。その結果、投影フィールドの外側に位置し、その場合、目の安全に関して十分安全である移動物体がＣＣＤ検出器によって感知されてしまい、レーザの投影強度を停止又は低下させることにもなる。したがって、レーザプロジェクタのハンドヘルド適用例の場合、この動作挙動は、目の安全装置を可能にするにしても、通常の動作および使用には適合しない。実際、ユーザは、混雑した場所でレーザプロジェクタを使用できるべきであり、プロジェクタをユーザの手で保持しながら動作中に投影できるべきである。

レーザ光源を使用している間の目の安全技術の別の問題は、ＣＣＤ検出器または外部運動センサを使用すると、最初に投影目的で用いられた技術に別の技術を加えることにより、レーザベースのプロジェクションシステム全体の複雑さがさらに増大することである。

図１Ａは、マイクロ電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）（ＭＥＭＳ）をベースとする既知のタイプのマイクロプロジェクションシステムを示しており、ここでは、目標スクリーン１０４上に２次元画像を投影するために、２つのＭＥＭＳ走査ミラー１０２および１０３がレーザ光源１０１からの光を反射している。図１Ｂに示される、多数の個々独立のアドレッシング可能画素１０５のマトリックスをベースとし、ＭＥＭＳ技術又は液晶オンシリコン（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）をもベースとする他のプロジェクションシステムもまた、画像を投影するためにレーザ光源を使用することができる。

２つの１自由度（Ｏｎｅ−Ｄｅｇｒｅｅ−Ｏｆ−Ｆｒｅｅｄｏｍ）（１ＤＯＦ）ＭＥＭＳ走査ミラーを用いたレーザベースのカラー投影用の完全なアーキテクチャが図２に示されている。レーザビーム２００はビーム結合器２０１の光学装置を用いて結合され、得られるビームはビームスプリッタ２０２に入り、２つのＭＥＭＳ走査ミラー２０３によって偏向されて２次元画像を投影する。しかしながら、既存のプロジェクションシステムには、図３に示されているように、目がＭＰＥ限度を超える投影フィールド内にあるときに目の損傷を防止することができる完全な安全システムがない。

セルフミキシング技術を用いた他の電子装置も知られている。例えば、国際公開第２００５／１０６６３４号パンフレットは、レーザダイオードのいわゆる「セルフミキシング」効果を利用した相対運動センサを使用する、シート材料を処理する装置または光学入力装置を開示している。低周波搬送波信号とこの信号の中に存在する高周波ノイズの両方の効果を低減するかまたは実質的に除去するために、電気信号の測定から得られる電気信号にフィルタをかけるバンドパスフィルタが設けられる。その結果、レーザセルフミキシング変換測定結果（ｌａｓｅｒ ｓｅｌｆ−ｍｉｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）の精度が大幅に改善される。

米国特許第６２３３０４５号明細書は、正確さを維持しながら経済的実行に実用的な装置を製作する方法で与えられる速度、振動、範囲、および長さを遠隔で測定するのに使用できるセルフミキシングセンサに関する。その一実施形態では、この装置は、例えば所望のモード以外のすべてのモードでの損失を比較的高くすることにより、モードホッピングを回避するように構成される。これは、ＤＦＢレーザなどの高度のサイドモード抑圧を有するレーザタイプを利用することにより、またはレーザに再び入ることが許される光の量を能動制御もしくは受動制御することにより達成されることが好ましい。

しかしながら、これらの装置は、マイクロプロジェクションシステムまたは方法を提供するのに役に立たない。

国際公開第２００７／０６２１５４号パンフレットは、フロントプロジェクションディスプレイの投影面の不均一性に補償する方法に関する。この面に関する測定済み特性は、スクリーン補償ビットマップ（ｓｃｒｅｅｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｂｉｔｍａｐ）またはスクリーン補償畳み込み表（ｓｃｒｅｅｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ ｔａｂｌｅ）を提供するために用いられる。スクリーン補償マップを得るために、この方法は、各画素の明るさを測定し、関連する値をマップに保存する必要がある。補償画像は、ビデオ画像内の画素のグレースケール値をスクリーン補償マップ内の対応する値に従って修正して補償ビデオ画像信号を作ることで得られる。

この方法によれば、適用される補正は投影画像に直接的に依存する。したがって、クッションやノーアイロンの衣類もしくはシーツなどの不規則な表面を示す画像が表示されると、プロジェクションシステムはその方法を用いて、その画像に、その不規則なものが投影面によって引き起こされているかのように補償する。さらに、この補正は、プロジェクションシステムと完全には整合していない追加のカメラまたは装置によって撮影された画像に依存し、このことはコストおよび複雑さを増大させ、視差誤差を引き起こす。この装置は目の安全には役立たない。

米国特許出願公開第２００９／０１４７２７２号明細書は、撮像装置を制御する近接検出方法を記述している。近接検出器は物体からプロジェクタまでの距離を推定することができる。物体が最小距離内で検出されると、プロジェクタの動作は、例えば、プロジェクタのスイッチを切ったり、放射光の強度を選択された範囲未満に低減したりするように変更することができる。第１の実施形態では、検出モジュールは、プロジェクタの前の物体の存在を検出するために周辺検出を用いる。近接検出器は、プロジェクタによって投影されるディスプレイ領域の周囲に配置されたスポットを作り出すために、赤外光のほぼコリメートされたビームを投影する。次いで、反射ビームは、検出コーン内でビームの反射を検出する直線センサ配列によって検出される。第２の実施形態では、検出モジュールが、プロジェクタの前の物体の存在を検出するために三角測量法に基づいた距離推定を用いる。この種のシステムは、標準的な投影材料に加えて特定の赤外線エミッタおよび検出器を必要とする。距離データは数点しか必要とせず、したがってデータの正確さや他の潜在的用途は限定される。この場合もやはり、距離測定システムはプロジェクションシステムと整合していないので、視差誤差を引き起こす。

したがって、本発明の目的の１つは、人体および動物体を保護する方法および装置を提供することであり、より詳細には、レーザプロジェクションシステムの使用中に人の目を保護する方法および装置を提供することである。

本発明の別の目的は、レーザ光に直接さらされない物体のために周囲環境を阻害しないまたは誤検出をもたらさない、レーザプロジェクションシステム用の保護手段を提供することである。

本発明の他の目的は、簡単で信頼性があり費用効率の高い、レーザプロジェクションシステム用の保護方法を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、マイクロプロジェクションシステムでの使用に適合する距離測定方法を提供することである。

本発明によれば、これらの目的は、
少なくとも１つの光源と、
前記光源からの光を偏向して投影面上での画像の生成を可能にするための少なくとも１つの可動ミラーと、
前記投影面によって反射された光を受けるための少なくとも１つのフォトダイオードと、
投影光源と投影面との間の距離を前記ミラーによって偏向され前記フォトダイオードによって受けられた光に基づいて評価するための距離評価回路と、
を備える光学マイクロプロジェクションシステムを用いて達成される。

照度および距離測定用の共通偏差配置を共有することが特に好適である。例えば、各点または各画素に対する距離測定は、照明ステップで追従される同じ経路に正確に基づいており、したがって視差不正確を回避する。

距離評価システムは、光源を含めて、プロジェクションシステムに用いられるものと同様の技術ブロックを用いており、したがって、新しい別の技術を加えることによりシステム全体の複雑さを増大させることはない。

距離測定は、例えば伝播時間評価やセルフミキシングなどの様々な技術をベースとすることができる。

光源はレーザ光源であると好適である。一変形形態では、デジタルライトプロセッシング（ＤＬＰ）技術がこの種のシステムで使用されうる。

好ましい一実施形態では、距離評価回路は、距離を評価するためにミラーによって偏向されフォトダイオードによって受けられた光の明るさを評価するために配置される。

本発明の一態様では、距離評価回路は、セルフミキシングモジュールと光パワーの変動（スイング）をカウントするための光パワー変動カウンタとを備える。

本発明の別の態様では、前記光源および前記フォトダイオードと同じ構成要素が使用される。

本発明の別の態様では、フォトダイオードはアバランシェフォトダイオードであり、前記距離評価回路は、前記光源による発光と前記アバランシェフォトダイオードによる検出との間の光の伝播時間を評価するために配置される。

別の実施形態では、光源は変調光を可視波長で発し、前記ミラーは前記投影面上に可視画像を走査するように前記可視光を偏向し、前記フォトダイオードは前記投影面によって反射された前記可視光を受ける。

別の実施形態では、本システムは、さらに変調光を可視波長で発する少なくとも１つの光源と赤外光を赤外波長で発する少なくとも１つの追加光源とを備え、前記ミラーは、前記投影面上に可視画像を走査するように前記可視光および前記赤外光を偏向し、前記フォトダイオードは前記投影面によって反射された前記赤外光を受ける。

好ましい一変形形態では、前記ミラーの連続的変位により前記投影面の複数点の距離測定が可能になる。次いで、複数の測定済み距離を集めることにより生成点の投影距離マップを生成することが可能になる。

得られる距離マップは、後で詳述するように、一端では、安全性向上のためにどの位置でも物体を検出できるようにするために、他端では、明るさ補正、画像歪み検出、体積計算、輪郭検出などのさらなる技術的特徴を可能にするために、特に有用である。

別の変形形態では、レーザ光源は、投影点が画像画素に対応していない間に画像投影モードおよび測定モードで二者択一的に使用可能な画像投影光源である。

ミラーはＭＥＭＳ走査マイクロミラーであることが好ましい。

別の態様では、セルフミキシングモジュールは、前記投影面上で反射光の振幅を測定するための光振幅測定ユニットをさらに備える。これにより、システムは、特定領域内に明るい画像部分を投影し他の領域内に暗い画像部分を投影することにより、明るさの不均一性を補償することが可能になる。

光学マイクロプロジェクションシステムは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）または液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）マトリックスのデジタルライトプレセッシング（ＤＬＰ）に好適に基づいている。光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）または高輝度発光ダイオード（ＳＬＥＤ）とすることもできる。

別の態様では、本発明は、光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法も提供し、この投影方法は、
ａ）少なくとも１つの可動マイクロミラーに接続された少なくとも１つの光源を設けて、前記光源からの光を偏向し、それによって投影面上に画像を生成できるようにするステップと、
ｂ）前記投影面によって反射された光を少なくとも１つのフォトダイオードで受けるステップと、
ｃ）距離評価回路を用いて、投影光源と投影面との間の距離を、前記マイクロミラーによって偏向され前記フォトダイオードによって受けられた光をベースとする前記フォトダイオードの出力に基づいて評価するステップと、
を含む。

好ましい一実施形態では、前記ミラーの連続的変位により前記投影面の複数点の距離測定が可能になる。

別の実施形態では、この方法はまた、
ａ）投影領域内の第１の点（例えば画像画素）について、前記マイクロミラー上で反射して投影面上に投影するためのレーザ光信号を生成するステップと、
ｂ）投影面からのこの点までの投影距離を測定するステップと、
ｃ）マイクロミラーの位置を新しい位置へ変位させて別の点を投影することを可能にするステップと、
ｄ）前記レーザ光源で前記別の点を投影するステップと、
ｅ）プロジェクションシステムからこの別の点までの投影距離を測定するステップと、
ｆ）すべての点に対する投影距離が測定されるまでステップ「ｃ」〜ステップ「ｅ」を繰り返すステップと、
ｇ）複数の測定済み距離を集めて生成点の投影距離マップを生成するステップと、
を含む。

セルフミキシング技術が距離測定に用いられることが好ましい。この技術は、光パワー変動が光パワー変動カウンタでカウントされることにより好適に完成する。距離を測定する他の方法、例えば伝播時間評価なども考えられる。

光源の配置はいくつかの変形形態によって異なる。第１の変形形態では、光源は画像投影にも使用される。第２の変形形態では、光源は、投影点が画像画素に対応していない間に画像投影モードおよび測定モードで二者択一的に使用される。第３の変形形態では、光源は、特に距離測定に使用される赤外線レーザダイオードである。

好ましい一実施形態では、測定済み距離が、少なくとも１点に対して距離の値が所与の閾値未満であることを示す場合に、レーザ光源からの出力パワーが低減される。

かかる方法は、例えば、安全動作モードを可能にするために、マイクロプロジェクタの発光コーンの前に配置された物体を検出し、それに続いて放射光パワーを低減することを可能にする。このことは、目の保護や他の人体および動物体の各部の安全装置などの予防に関係する用途で特に注目される。そのような場合、低減されるパワーは、目の最大許容露光量（ＭＰＥ）に達しないような値に設定されることが好ましい。

投影距離マップは、様々な目的で、複数の適用例に、特に、限定するものではないが、マイクロプロジェクションシステムに使用することもできる。

第１の変形形態では、投影距離マップは、予想される投影面の前に配置された物体または人の輪郭を画定することを可能にする。かかる検出の後、マップは前記輪郭の周囲に投影するように使用することができる。

第２の変形形態では、投影距離マップは体積寸法を決定するために使用される。この方法で得られる高解像度マップを考慮すると、体積は非常に正確で簡単な信頼性のある方法で測定することができる。大量の構成要素が正確かつ迅速に測定される必要がある品質管理などの適用例では、本発明の方法は特に注目される。体積の測定は、複雑な形状または輪郭を有する構成要素または物体で正確に行うことができる。

第３の変形形態では、投影距離マップは画像歪みを検出するために使用される。この種の検出の場合、画像歪みに補償するためにミラー走査角の調節が計算される。

さらに、別の変形形態では、投影距離マップは画像のサイズおよびパワー輝度を調節するために使用される。これは、ユーザの好みに応じて投影機能を最適化するために行うことができる。

別の態様では、本発明はまた、特に光学マイクロプロジェクションシステム用の距離測定方法も提供し、この方法は、
ａ）可動ミラーおよび走査制御モジュールに連結された少なくとも１つのレーザ光源を設けて、前記光源からの光を偏向し、それによって投影面上に投影するステップと、
ｂ）前記投影面によって反射された光を少なくとも１つのフォトダイオードで受けるステップと、
ｃ）同じ走査制御モジュールを用いた測定回路で、投影光源と投影面との間の距離を前記フォトダイオードの出力に基づいて評価するステップと、
を含む。

好ましい一実施形態では、前記ミラーの連続的な変位により前記投影面の複数点の距離測定が可能になり、複数の測定済み距離を集めることにより生成点の投影距離マップを生成することが可能になる。

このような距離測定方法では、投影距離マップは、体積寸法を決定するか画像歪みを検出するために、あるいは画像のサイズおよびパワー輝度を調節するために好適に使用される。

セルフミキシング技術または伝播時間距離測定法は距離測定に用いることができる。

本発明の前述およびその他の目的、特徴、態様、および利点は、添付図面を参照して例示としてかつ非限定的なものとして与えられる実施形態の以下の詳細な説明から明らかになろう。

ＭＥＭＳ走査マイクロミラーをベースとする既知のタイプのレーザプロジェクションシステムを説明する図である。 デジタルマイクロミラーまたは液晶オンシリコンのマトリックスをベースとする既知のタイプのレーザプロジェクションシステムを説明する図である。 ＭＥＭＳ走査マイクロミラーおよび多重レーザ光源をベースとするカラー・プロジェクション・システムを説明する図である。 プロジェクタの投影フィールド内にある物体を説明する図である。 レーザダイオードの電気的等価回路を説明する図である。 距離測定法の動作原理を例示する図である。 本発明によるマイクロプロジェクションシステムの主要構成要素の概略図である。 本発明によるマイクロプロジェクションシステムの一変形形態の主要構成要素の概略図である。 ＭＥＭＳ走査マイクロミラーおよびレーザ光源を用いたプロジェクタのシステムアーキテクチャを説明する図である。 レーザプロジェクタのシステムブロック図である。 非平坦面上での投影による画像歪みを説明する図である。 画像歪み補償のブロック図である。 様々な深さを有する表面上での投影を説明する図である。 人体の周囲に画像を投影することを可能にする投影方法を説明する図である。 指や手などの人体の動きと相互に作用するプロジェクションシステムを説明する図である。

明瞭化の目的で、一般にマイクロシステムを表す場合のように、図は原寸に比例して描いていない。

レーザダイオードは、図４に示されているように、２つの別個の構成要素、すなわちレーザダイオード「ＬＤ」４００とフォトダイオード「ＰＤ」４０１とで作られており、第１の構成要素はレーザ光を生成するために使用され、第２の構成要素はレーザダイオードの発光パワーを監視するために使用される。多くの適用例では、レーザダイオードおよびフォトダイオードは、レーザダイオードの光出力パワーを使用温度とは無関係に一定に保つためにフィードバックループになっている。

Ｔｈｉｅｒｒｙ Ｂｏｓｃｈの「Ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｓｅｌｆ−ｍｉｘｉｎｇ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」に記述されているレーザダイオードのリモートセンシング技術が、レーザダイオード６００の能動共振器内部の光フィードバック干渉法（ＯＦＩ）の特性を用いることにより、変位、振動、速度および距離を測定するために使用されうる（図５参照）。

図５Ａは、レーザダイオード６００に三角波変調電流６０２を注入して静止目標物６０３の絶対距離６０４の測定を行うものであるセルフミキシング「ＳＭ」技術を示す。実際、注入電流を変調することにより、等価レーザダイオード共振器の長さは、能動共振器の複素屈折率が変化している間に修正される。さらに、光周波数も光パワーも変調される。発光波長λは三角シフトΔλを示し、したがって、波数（２π／λ）は量（−２πΔλ／λ２）だけシフトされる。電流を三角波変調で注入している間、光パワーに揺れが生じる。静止目標の絶対距離６０４の測定は、一体化されたフォトダイオード６０１で検出された、各変調周期の間の光パワーの揺れ６０５の数Ｎをカウントすることにより行うことができる。

代替実施形態では、絶対距離測定は、例えば、単一光子によってトリガーされるアバランシェフォトダイオードと時間−デジタル変換器「ＴＤＣ」とをベースにして伝播時間を評価することにより行うことができる。

レーザダイオード技術をベースとするマイクロプロジェクションシステムは、光ビームを偏向させ画素ごとに画像を生成するために、１つまたは２つのマイクロミラーを従来から使用している。本発明は、図３に示されているように、マイクロプロジェクタの発光コーン３００の前に配置された物体３０２の距離を決定するために、１つまたは２つのステアリングミラーと相まって「ＳＭ」距離測定法を使用する。「ＳＭ」距離測定を行うために使用されるレーザダイオードは、プロジェクションシステム内で使用されている光源と同じものとすることができる。必要に応じて、プロジェクション・レーザ・ダイオード（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅｓ）を妨害せずに距離測定を行うために、追加のレーザダイオードがプロジェクションシステムに追加されうる。

図５Ｂおよび図５Ｃは、本発明のマイクロプロジェクションシステムに含まれる主要構成要素の概略図である。図５Ｂに示されているように、レーザダイオード６００は、走査ミラー６１３を経由して投影面６０３上にレーザ光を投影する。この光の少なくとも一部が投影面上で反射され、反射された光を監視するのに適応したフォトダイオード６０１に戻る。プロジェクションシステムと投影面との間の距離を評価ないしは算出するための回路が設けられる。図示した例では、この回路はセルフミキシングモジュール６１０および光パワー変動カウンタ６１１を備え、レーザダイオード６００およびフォトダイオード６０１と協働し、セルフミキシング技術を用いて距離測定を可能にする。セルフミキシングモジュール６１０および光パワー変動カウンタ６１１は、測定ステップから得られる多数の距離を用いて、後で説明する様々な適用例の他のステップで使用されうる投影距離マップ６１２を与える。

図５Ｃは、少なくとも１つの赤外ＩＲレーザ６１４が使用されている一変形形態を示す。図６はかかる変形形態の一例を示し、距離測定を行うために追加の赤外「ＩＲ」レーザダイオード４０２が設けられている。図５Ｃに示されているように、複数のレーザダイオード６００が、１つまたは複数のＩＲダイオード６１４に接続されていてもいなくても好適に使用される。

プロジェクタの光源として使用されるレーザダイオードの代わりに追加のＩＲレーザダイオードを使用することの利点は、システムが距離測定を行う間に投影画像を妨害しないことである。

本発明による装置および方法は、投影面３０１全体にわたって距離測定を行うことを可能にする。距離測定は、システムが作動している間に画素ごとに行うことができる。「ＳＭ」距離測定の結果、投影画像と同じ解像度の（またはより低い解像度の）物体距離マップ（または投影距離マップ）が生成され、複数の適用例に使用することができる。第１の適用例では、投影距離マップは、マイクロプロジェクタの発光コーン３００の前に配置された最終の物体を検出するために使用される。検出物体がプロジェクタの発光ウィンドウ３００の近過ぎるところに置かれると、光の強度は、たとえどの種類の物体が検出されても、ＭＰＥ領域未満のままでいるために自動的に減じられる。

本発明の方法および装置は、投影光の強度を可視波長で目の損傷レベルより低く保つことにより、人の目に対する危険を完全に回避することを可能にする。本発明の一利点は、レーザプロジェクションシステムが出力パワーを瞬時に低減することにより人の目にとって常に安全であるということにある。

本発明の別の態様は、走査レーザベースのプロジェクションシステムに「ＳＭ」技術を組み入れる革新的な方法である。実際、本発明による方法および装置は、システムの複雑さを最小限に抑えることを可能にするとともに、アラインメントの問題を回避し、測定システムが確実に、投影を妨害せずかつ画質を低下させないようにする。

図２に示されているように、本発明の装置は、以下の特定の方法で、ＳＭ技術に関連して投影装置の光源として既に使用されているレーザダイオード２００のものを使用する。すなわち、距離測定時間枠の間、画像の画素は、距離測定に使用されるレーザダイオードでは投影されない。言い換えると、１つのレーザダイオード「ラムダ」が距離測定を行うために使用される場合、この時間枠の間、他のすべてのレーザダイオードはスイッチオフされるか、画像画素を投影するために通常通りパルスを出されるが、最初のレーザダイオード「ラムダ」は距離測定を行うために別に作動される。３色レーザ（ＲＧＢ）の場合、例えば緑色および青色を有する投影が通常通り画像画素にパルスを出し続けると、画像の劣化を抑えることができる。実際、通常の画素投影方法は、短パルスを用いてレーザにパルスを出すことである。しかしながら、ＳＭ技術を用いるためには、レーザに三角波を適用する必要がある。したがって、投影画像の品質を低下させずに距離測定および画像投影を同時に行うのは不可能である。距離測定を行うための所要の時間枠、したがって投影されることのない画像画素の数は、通常使用される画素パルセーション速度（ｐｉｘｅｌ ｐｕｌｓａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ）に依存する。

同様の組立技術は、パッシブアライメント技術を用いてＩＲレーザ光源を他の光学構成要素に組み付けるために使用することができる。この技術は、画像投影の品質を阻害しないようにしながら、他のレーザが画像を投影するために使用されるのと同時に距離測定を行うのにさらに好適である。さらに、ＩＲレーザダイオードは、プロジェクションシステムの光源として使用されるものに比べて低いパワーでよい。低いパワーについては、フォトダイオードのＩＲ波長での感度が上がることで説明することができる。ＩＲレーザダイオードのパワーは対応する波長に対するＭＰＥ値より常に低いので、起こりうる目の損傷を回避する。

このことは、常にＭＰＥ領域未満のままにしてＩＲ光源からの目の安全を確保するとともに、投影距離プロジェクションシステム全体の消費電力の低減を確保する。

さらに、この種の光学的構成により、装置の投影コーン３００の中にしかない（目にとって危険となりうる範囲内にしかないことを意味する）物体を検出することができる。本発明は、ＩＲ光が可視光の光路に正確に追従するため、必要とされるスコープ範囲内でしか距離測定の方向性を提供しない。その場合、本発明は、物体が投影コーンの外側に、すなわち考慮されるべきでない領域に配置された場合、パワー強度を偶発的に低下させないようにする。したがって、装置の期待される機能は完全に維持される。

図７は本発明の別の態様を示す。このブロック図は、プロジェクタの光源から任意の距離のところにある物体についてＭＰＥ領域未満のままでいるための、距離測定と安定化出力レーザパワーとの関係を説明している。カラー投影の開始時の損傷を回避するために、例えば人がプロジェクタを目と直接接触した状態においた場合、最初の距離測定は、低パワーのＩＲレーザを用いてＭＰＥ領域未満で行われる。次いで、投影距離がより低いＭＰＥ限度を維持するのに十分であると、可視レーザ光源が始動される。距離測定は、画像画素パルセーション速度と同じまたはそれより速い速度で行うことができるので、投影コーンに入る人または物体があれば、ＭＰＥ露光限度未満のままでいるのに十分な速さで検出することができる。このシステムはまた、距離測定システムが故障した場合かつ／または１つもしくは２つのＭＥＭＳマイクロミラーが故障した場合にすべてのレーザ光源を停止するように設計されている。

図８は、プロジェクタが投影面３０３に対して非垂直に投影したときに生じる光学投影の歪みを補償するためにプロジェクタ内にかかる一体化測定システムを使用することに関係している本発明の別の態様を示す。実際、ＳＭ測定技術を用いると、プロジェクタから投影面までの距離だけでなく、投影面上の有効な画像サイズおよび形状も測定することができる。この測定は、投影面上に画像の平行度に関する情報も与える。したがって、各走査線の幅は上述した測定システムで測定することができるので、プロジェクションシステムでは、図９のブロック図に示されているように、光学的歪みを補償するために走査角を調節するかまたは走査パターンを変化させるためのループ制御が行われる。その場合、最初の歪んだ画像３０４は、提案されたアルゴリズムに従って歪めることができる３０５。

本発明の別の態様では、投影距離マップは、投影コーン内に配置された物体の距離を測定するために使用される。測定点の数は非常に多いので、高解像度を達成することができる。レーザ光源を使用するので、過酷な環境、特に屋外での測定と遠距離測定とを達成することができる。

本発明の別の態様は、かかるプロジェクションシステムの使用の最適化に関する。実際、ユーザの視点では、主要な関心事の１つとして、特に明るい環境におけるプロジェクタの輝度ないしは明るさを、ＭＰＥ領域未満のままで最大にするということがある。これを行うために、距離測定によって提供された情報は、投影の明るさを最大にするために、走査ミラーの角度、そして投影サイズを指示するために用いられる。実際、図１０に示されているように、ユーザが様々な深さおよび空洞を有することもある非平坦面３０６上に画像を投影する場合、プロジェクタの明るさは、プロジェクタと投影支持体との間の最短距離に基づいてＭＰＥ領域未満のままでいるように自動的になされる。しかしながら、この特別な場合、プロジェクタの能力および明るさ機能は、ユーザが投影したくない可能性のある小領域が存在するために、大幅に減じられる。

本発明の別の態様によれば、プロジェクタと投影支持体との間の測定距離が、図１０で分かるように、曲面上の投影のために線形もしくはほぼ線形となりうる変動、または急激となりうる変動を示したときに、プロジェクタは、所与の表面上の最適投影特性を評価するために、ユーザに提案するか投影走査角度の変調を自動的に行う。図１０に示されているケースでは、最適条件は、投影サイズを開口３０９に収まるように縮小し、次いでプロジェクタからの出力パワーを増大して、面３０６の存在により以前は限定されていたより明るい画像を達成することとすることができる。この最適条件は、適用例に応じて異なることができ、明るさか画像サイズとすることができる。

本発明の別の態様では、マイクロプロジェクションシステムは、図１１に示されているように、投影フィールド内にある物体または人体の存在を検出し、その物体の全周囲に画像を投影する。この技術的特徴は相互作用性を可能にし、例えば、人４０６をその人４０６の周囲に投影された「仮想」場面４０５の中に置くことができる。

別の適用例では、マイクロプロジェクションシステムは、プロジェクタと物体との間の距離を多数の点で測定するようになされていて、物体の体積を計算することを可能にする。その場合、このシステムは３次元測定に適している。

本発明の別の適用例では、このシステムは、図１２に示すように、例えば人の手、指または杖、あるいはレーザポインタから来るスポットライトとすることもできる静止物体または移動物体の位置を２次元でまたは３次元でも測定することができる。位置に関するこうした情報は、例えばこの物体の位置に応じて投影画像を適合させるために、マイクロプロジェクションシステムに命令する処理システムによって検索され、追加の入力チャネルとして使用することができる。かかる物体の動きを感知することもでき、それに応じて投影画像を変えることができる。このシステムを用いると、物体の位置および速度の実時間評価に近づくことが可能であるが、例えば、物体の投影コーン内での２次元位置または３次元位置を表す信号を与えるとともに、それに応じて処理システムに命令するために、複数の物体の位置および速度を同時に感知することも可能である。

かかるシステムの典型的な適用例が、相互作用性を提供するヒューマン−マシンインタフェースである。投影画像４０７は、物体の感知および運動のために確保されうる、例えばある特定の部分４０８または４０９を有することができ、この特定の部分では、画像のこの部分で動いている人の傷害を防止するために、画像の明るさがクラス１やクラス２などのＭＰＥ領域未満にまたはそれより低く保たれる。投影画像の残り部分はより明るくすることができる。投影画像は、コマンドを入力するためにユーザによって操作されうる、ボタン、スクロール要素、かなり大きなウィンドウなどのウェッジを含むこともできる。他の身ぶりや手ぶりは、コマンドを入力するために投影面の前（または後）で実行されてもよい。例えば、腕や指の移動が、スクローリングやパニングに、または物体を３次元で動かすために用いられてもよい。腕を別々にまたは一緒に動かすのは、物体のサイズを変更するために使用することができる。

投影画像は、この物体の上にかつ／またはこの物体の周囲に投影するために、物体の位置、サイズおよび動きに合わせることもできる。

一実施形態では、画像は半透明スクリーン４１１上に投影され、この場合は、投影面の背後の物体、例えば人体４１０などを感知することができる。

いずれにせよ、位置が感知される物体が投影画像のスクリーンと必ずしも接触している必要はない。すなわち、物体がスクリーンから離れて置かれていてもその物体を感知することができる。

本発明のシステムおよび方法は可視レーザ光源か赤外レーザ光源を使用することができるが、高輝度発光ダイオード（ＳＬＥＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）光源など、一体化フォトダイオードを有するすべての光源を使用することができる。

本発明の別の態様では、システムは、プロジェクタから支持体までの距離測定と反射光の振幅の両方についてフィードバックするようになされている。これにより、システムは投影支持体の明るさに関する情報を決定することが可能になる。実際、支持体の色または粗さに依存する光吸収により、システムは、レーザのパワー強度を支持体の明るさに合わせるために、レーザのパワー強度を制御することができる。一例として、明るいゾーンと灰色ゾーンと暗いゾーンとを有する面上に投影すると、プロジェクタは、異なるゾーンを補償することができ、次いで、ユーザに、均一なまたは適合した投影の明るさでより良好な視覚的快適性を与える。

当業者なら、ここで上述した材料が修正されうることも理解するであろう。そのような改変、変更および改良は、本発明の精神および範囲内にあることを意図している。例えば、プロジェクションシステムは、ＬＣＯＳ、ＤＬＰ、ＬＣＤなどのマトリックスベースのプロジェクションシステムとすることができる。

したがって、前述の説明は、単なる例示のためであり、限定するものではない。

Claims (32)

1. 少なくとも１つの光源（２００、４００、４０２、６００）と、
   前記光源からの光を偏向して投影面（１０４、３０１、３０３、３０６、６０３）上での画像の生成を可能にするための少なくとも１つの可動ミラー（１０２、１０３、２０３）と、
   前記投影面によって反射された光を受けるための少なくとも１つのフォトダイオード（４０１、６０１）と、
   を備える、光学マイクロプロジェクションシステムにおいて、
   前記投影光源と投影面との間の距離（６０４）を前記ミラーによって偏向され前記フォトダイオードによって受けられた光に基づいて評価するための距離評価回路
   をさらに備えることを特徴とする、光学マイクロプロジェクションシステム。
2. 前記光源がレーザ光源である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記距離評価回路が、前記距離を評価するために前記ミラーによって偏向され前記フォトダイオードによって受けられた光の明るさを評価するために配置される、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記回路が、セルフミキシングモジュールと光パワー変動（６０５）をカウントするための光パワー変動カウンタとを備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム。
5. 前記光源および前記フォトダイオードと同じ構成要素が使用される、請求項３または４に記載のシステム。
6. 前記フォトダイオードがアバランシェフォトダイオードであり、前記距離評価回路が、前記光源による発光と前記アバランシェフォトダイオードによる検出との間の光の伝播時間を評価するために配置される、請求項１または２に記載のシステム。
7. 前記光源が変調光を可視波長で発し、前記ミラーが前記投影面上に可視画像を走査するように前記可視光を偏向し、前記フォトダイオードが前記投影面によって反射された前記可視光を受ける、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 変調光を可視波長で発する少なくとも１つの光源と、
   赤外光を赤外波長で発する少なくとも１つの追加光源と、
   を備え、
   前記ミラーが、前記投影面上に可視画像を走査するように前記可視光および前記赤外光を偏向し、前記フォトダイオードが前記投影面によって反射された前記赤外光を受ける、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記ミラーの連続的な変位により前記投影面の複数点の距離測定が可能になり、前記複数の測定済み距離を集めることにより生成点の投影距離マップを生成することが可能になる、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記レーザ光源が、前記投影点が画像画素に対応していない間に画像投影モードおよび測定モードで二者択一的に使用可能な画像投影光源である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記ミラーがＭＥＭＳ走査マイクロミラーである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. ａ）少なくとも１つの可動マイクロミラー（１０２、１０３、２０３）に接続された少なくとも１つの光源（２００、４００、４０２、６００）を設けて、前記光源からの光を偏向し、それによって投影面（１０４、３０１、３０３、３０６、６０３）上に画像を生成できるようにするステップと、
    ｂ）前記マイクロミラーによって偏向され前記投影面によって反射された光を少なくとも１つのフォトダイオード（６０１）で受けるステップと、
    ｃ）距離評価回路を用いて、前記投影光源と投影面との間の距離（６０４）を前記フォトダイオードの出力に基づいて評価するステップと、
    を含む、光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法。
13. 前記ミラーの連続的変位により前記投影面の複数点の距離測定が可能になる、請求項１２に記載の光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法。
14. ａ）投影領域内の第１の点について、前記マイクロミラー上で反射して投影面（１０４、３０１、３０３、３０６、６０３）上に投影するための光信号を生成するステップと、
    ｂ）前記投影光源から前記点までの前記投影距離（６０４）を測定するステップと、
    ｃ）前記マイクロミラーの位置を新しい位置へ変位させて別の点を投影することを可能にするステップと、
    ｄ）前記レーザ光源で前記別の点を投影するステップと、
    ｅ）前記プロジェクションシステムから前記別の点までの前記投影距離（６０４）を測定するステップと、
    ｆ）すべての点に対する前記投影距離が測定されるまでステップ「ｃ」〜ステップ「ｅ」を繰り返すステップと、
    ｇ）前記複数の測定済み距離を集めて前記生成点の投影距離マップを生成するステップと、
    を含む、請求項１２または１３に記載の光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法。
15. セルフミキシング技術が距離測定に用いられる、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法。
16. 伝播時間距離測定法が距離測定に用いられる、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法。
17. 前記光源が画像投影にも使用される、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法。
18. 前記光源が、前記投影点が画像画素に対応していない間に画像投影モードおよび測定モードで二者択一的に使用される、請求項１２〜１７のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法。
19. 光源として、特に距離測定に使用される赤外線レーザダイオード（４０２）を備える、請求項１２〜１８のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法。
20. 前記測定済み距離が、少なくとも１点について前記距離の値が所与の閾値未満であることを示す場合に、前記レーザ光源からの前記出力パワーが低減される、請求項１２〜１９のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法。
21. 投影コーン内に配置された物体（４０６、４０８）の位置が決定される、請求項１２〜２０のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法。
22. 前記物体の輪郭が決定され、前記物体上に投影される画像の明るさが低減される、請求項２１に記載の投影方法。
23. 前記物体の前記位置を表す信号が、グラフィカル・ユーザ・インタフェース用のデータコマンドとして使用される、請求項２１に記載の投影方法。
24. 前記画像が半透明投影面上に投影され、
    前記投影面の背後の物体の位置が決定される、請求項１２〜２３のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法。
25. 前記投影コーン内に同時に存在する複数の物体の位置が決定される、請求項１２〜２４のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法。
26. 前記投影距離マップが体積寸法を決定するために使用される、請求項１４〜２５のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法。
27. 前記投影距離マップが画像歪みを検出するために使用される、請求項１４〜２６のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法。
28. 前記投影距離マップが前記画像のサイズおよびパワー輝度を調節するために使用される、請求項１４〜２７のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム用の投影方法。
29. 特に光学マイクロプロジェクションシステム用の距離測定方法であって、
    ａ）可動マイクロミラー（１０２、１０３、２０３）および走査制御モジュールに接続された少なくとも１つのレーザ光源（２００、４００、４０２、６００）を設けて、前記光源からの光を偏向し、それによって投影面（１０４、３０１、３０３、３０６、６０３）上に投影するステップと、
    ｂ）前記投影面によって反射された光を少なくとも１つのフォトダイオード（４０１、６０１）で受けるステップと、
    ｃ）同じ走査制御モジュールを用いた測定回路で、前記投影光源と投影面との間の距離（６０４）を前記フォトダイオードの出力に基づいて評価するステップと、
    を含む、距離測定方法。
30. 前記ミラーの連続的な変位により前記投影面の複数点の距離測定が可能になり、前記複数の測定済み距離を集めることにより前記生成点の投影距離マップを生成することが可能になる、請求項２９に記載の距離測定方法。
31. セルフミキシング技術が距離測定の用いられる、請求項２９または３０に記載の距離測定方法。
32. 伝播時間距離測定法が距離測定の用いられる、請求項２９または３０に記載の距離測定方法。

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