JP2014021236A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像表示範囲全体について光路長測定、あるいは、物体の位置検出が可能で、かつ、コンパクトな光学装置を提供する。
【解決手段】画像投射用発光装置の発光と光路長測定用発光装置の発光が光投射装置で合成され、可動ミラーに供給される。可動ミラーの動きに応じて、画像投射用光が投射面上を走査し、画像が表示される。物体に照射されて、散乱光となった光路長測定用光が、光検出器に達する。光検出器で検出された参照光と散乱光の時間差を計算し、本装置と光路長測定用光の反射地点までの距離が算出される。算出された光路長のデータと可動ミラーの角度データを統合することにより、光路長測定用光の反射位置が特定される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、可動する光路変更装置を用いた画像投射と光路長計算機能を備えた光学装置に関する。

画像投射と位置検出の機能を備えた光学装置の提案がなされている。提案されている光学装置は、画像投射機構と、投射された画像上に存在する物体を検出する機構を有しており、例えば、投影された仮想の入力端末装置を通してデータを入力することができる技術を開示している。

しかしながら、従来技術では、画像投射機構と位置検出機構が夫々独立した光学的機構を用いている為、その幾何学的制約から、小型化が難しく、また、位置検出の範囲も幾何学的に制限される問題がある。

米国特許第６７１０７７０号明細書

本発明の一つの実施形態は、画像表示範囲全体について光路長計算、あるいは、物体の位置検出が可能で、かつ、コンパクトな光学装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、光路長測定用光源と、画像投射用光源と、前記光路長測定用光源と、画像投射用光源からの光を同一光路上に投射する光投射装置と、前記光投射装置からの光の光路を所定の角度で変更して所定の対象物に投射する光路方向変更装置と、前記所定の対象物からの反射光を検知する光検出手段と、前記光検出手段の検出結果に基づき光路長を算出する光路長算出手段と、前記光路長算出手段の算出結果と、前記光路方向変更手段の光路の変更角度のデータから前記所定の対象物の位置を算出する位置算出手段とを具備することを特徴とする光学装置が提供される。

図１は、第１の実施形態を示す図である。 図２は、第２の実施形態を示す図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる光学装置を詳細に説明する。なお、実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の光学装置（以下本装置という）の構成を示す図である。画像メモリー（１０１）に保存されている画像データは、画像投射用光源（図示せず）と、その画像投射用光源の光強度を制御する光制御装置（図示せず）が設けられた画像投射用発光装置（１０２）に供給される。画像投射用光源は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の夫々の可視光を発光するレーザーダイオード（図示せず）を備える。画像データに従って、光制御装置により夫々のレーザーダイオードの発光強度が制御され、その発光が光投射装置（１０４）に供給される。

光路長測定用発光装置（１０３）は、光路長測定用光源（図示せず）と、その光路長測定用光源の光強度を制御する光制御装置（図示せず）を備えており、その発光は、光投射装置（１０４）に供給される。光路長測定用光源は、例えば、非可視光である赤外光を発光するレーザーダイオードである。

光投射装置（１０４）は、光反射ミラー（図示せず）とプリズム（図示せず）を備えており、入射した画像投射用光と、光路長測定用光を合成し、画像投射用光（２００）と光路長測定用光（２０１）として同一光路上に投射する。尚、図では、模式的に、画像投射用光と光路長測定用光を、別々のラインで示している。光投射装置（１０４）からの合成された光がスプリッタ（１０５）に供給される。スプリッタ（１０５）では、光路長測定用光の一部が取り出され、参照光（２０２）として、光検出器（２０４）に供給される。

スプリッタ（１０５）を通過した画像投射用光と光路長測定用光は、可動ミラー（１０６）により、光路が変更され、投射面（２１０）上に投射される。可動ミラー（１０６）は、光を反射するミラーで、外部からの制御で光の反射方向、すなわち、光の反射角度を変えることが出来る。可動ミラー（１０６）は、ミラー駆動装置（２０８）により駆動され、可動ミラー(１０６)の動きに応じて、画像投射用光が投射面（２１０）上を走査し、画像が表示される。投射面（２１０）上に模式的に示した実線が、画像表示用の走査線で、この表示用の走査線の期間、画像投射用光(２００)が投射される。この表示用の走査線の期間は、光路長測定用光（２０１）も、投射されており、可動ミラー（１０６）で反射されて、画像表示用光（２００）と同じ走査線上に投射されている。投射面（２１０）上に模式的に示した点線は、画像非表示の帰線期間で、非可視光である光路長測定用光（２０１）のみが投射されている。投射面（２１０）上に、起点となる左上の位置から、終点となる右下の位置まで画像投射用光を走査することにより、一画面の画像表示、すなわち、１フレームの画像表示が行われる。

投射面（２１０）、あるいは、光路長測定用光（２１０）の光路上に存在する物体の表面で反射し、散乱光となった光路長測定用光が、レンズ（２０５）とスプリッタ（１０５）を介して、光検出器（２０４）に達する。光検出器（２０４）は、例えば、フォトダイオードを備えており、光路長測定用光に応答する。

光検出器（２０４）で検出された参照光（２０２）と散乱光（２０３）の到達時間差を用いて、本装置と光路長測定用光の反射地点までの距離が光路長計算手段（２０６）で算出される。算出された光路長のデータは、位置計算手段（２０７）に供給される。

位置計算手段（２０７）には、可動ミラー（１０６）の角度データ（３００）が、ミラー駆動装置（２０８）を介して供給される。可動ミラー（１０６）の角度データ（３００）は、可動ミラー（１０６）が、光路長測定用光、及び画像投射用光を投射している方向を示すデータであり、この角度データと光路長の算出結果を統合することにより、光路長測定用光を反射した地点の位置が特定される。

位置計算手段（２０７）の算出結果である位置データは、物体位置保存メモリー（２０９）に供給される。光路長計算手段（２０６）と物体位置保存メモリー（２０９）のデータは、中央演算処理装置（ＣＰＵ）（１００）に供給される。投射面（２１０）上での光路長測定光の走査毎に得られたデータを連続データとして、物体位置保存メモリー（２０９）に保存し、その位置データの変化を、ＣＰＵ（１００）で分析することで、光路長測定光を反射した物体の動きを特定することができる。

例えば、光路長測定光の反射位置が、変化せず静止した状態である場合、光路長測定用光を反射した対象物は、静止物体であると認識される。光路長測定光の反射位置が、フレーム毎に変化する場合には、光路長測定用光を反射した対象物は、動きを伴う一連の動作と判断される。一例として、投射画像をキーボード端末の画像とした場合、光路長測定用光の反射対象物の反射位置の一連の動きを認識することにより、キーボード端末の特定のキーを押す手の動作（ジェスチャー）として、認識することができる。すなわち、物体位置保存メモリー（２０９）に保存された投射画像のフレーム毎の反射位置の位置データの一連の変化を、ＣＰＵ（１００）で分析することで、この認識動作が実行される。

本装置の実施形態によれば、光路長測定用光として非可視光を用いる為、画像投射用光と同一の光路上で走査させても、画像表示と光路長測定の２つの機能を達成する上での制約はない。

本装置の実施形態によれば、画像投射と光路長測定を同一ユニットで実現するため、部品点数の削減、並びに装置の小型化を図ることが出来る。

本装置の実施形態によれば、画像投射位置、すなわち、可動ミラー（１０６）の位置と光路長検出位置、すなわち光検出器（２０４）の位置が必ず同一箇所となるため、本装置と反射対象物との位置関係がずれることがなく、反射対象物の特定の精度が高い。

本装置の実施形態によれば、光路長測定用光の散乱光は、レンズ（２０５）を介して光検出器（２０４）に到達する為、レンズ（２０４）のサイズを大きくすることにより、受け入れる散乱光の量が増え、Ｓ／Ｎ比を改善することが出来る。

本装置の実施形態では、参照光をスプリッタ（１０５）を用いて抽出した。一般的に、光検出器（２０４）は、入射する散乱光と参照光の光量の大きさが近いほど検出精度がよい。スプリッタを用いることなく、光投射装置（１０４）から出射される光路長測定用光の散乱光を参照光として使用する構成とすることも可能である。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態の光学装置の構成を示す図である。図１に示した第１の実施形態と共通の構成については、同一番号を付している。

図２の実施形態においては、画像メモリー（１０１）の画像データは、画像光量設定手段（２１１）を介して、画像投射用発光装置（１０２）に供給される。光路長測定用発光装置（１０３）にも光路長用光量設定手段（２１２）の制御信号が供給される。

光投射装置（１０４）からの画像投射用光（２００）と光路長測定用光（２０１）は、スプリッタを介することなく、直接、可動ミラー（１０６）に導かれ、可動ミラーで光路が変更され、投射面（２１０）上に投射される。投射面（２１０）、あるいは、何らかの物体表面で反射した光路長測定用光の散乱光（２０３）がレンズ（２０５）を介して、光検出器（２０４）に入射する。

受光量測定装置（２１３）は、光検出器（２０４）の受光量の大小を測定する。測定結果は、受光量・光路長保存用メモリー（２１４）に供給される。

光路長計算手段（２０６）は、光検出器（２０４）で検出される、光路長測定用光の散乱光（２０３）を検出することにより、本装置から投射面、あるいは、所定の物体までの光路長を算出する。例えば、光路長測定用光を所定のタイミングで発光し、その発光のタイミングと、光検出器（２０４）で散乱光（２０３）が検出されるまでの時間差を、計算することにより、本装置と光路長測定用光の反射位置までの光路長を算出することができる。算出された光路長の算出結果は、受光量・光路長保存用メモリー（２１４）に供給される。

本実施形態は、ＣＰＵ（１００）の制御の下、可動ミラー（２０８）を駆動するミラー駆動装置（２０８）の駆動角度の変更量を設定する角度変更量設定手段（２１５）を備える。

受光量測定装置（２１３）と、画像投射用発光装置（１０２）と光路長測定用発光装置(１０３)の光量を設定する画像光量設定手段（２１１）と光路長用光量設定手段（２１２）を備えることで、以下の機能が達成される。

受光量測定装置（２１３）の受光量が、所定の規定値を超えた場合、異常な状況での投射が行われているとして、ＣＰＵ（１００）の制御により、画像投射用発光装置（１０２）と光路長測定用発光装置（１０３）の発光量が調整される。

受光量が、所定の規定値を超える場合としては、例えば、本装置と光路長測定用光の反射対象物までの距離が極端に短い場合が有り、人が本装置を覗き込んでいる場合等も有りうる為、画像投射用発光装置（１０２）と光路長測定用発光装置（１０３）の発光量を減らし、安全性を確保する。逆に、受光量が小さい場合には、画像投射用発光装置（１０２）の発光量を増やし、表示画像の輝度を一定に維持することが可能である。

受光量が、所定の規定値を超えて、異常に小さい場合には、画像投射用発光装置（１０２）、あるいは、光路長測定用発光装置（１０３）の発光量を減らす制御を行う。所定の投射面上に投射されていない場合等が有り、発光量を制御して、安全性を確保する。

光検出装置（２０４）の受光量で、本装置の周辺の明るさを検知し、その結果に応じて画像投射用発光装置（１０２）の発光量を制御して、画質の改善を図ることが出来る。

本装置から反射対象物までの光路長が長い場合には、本装置から画像投射面までの距離が離れているため、画像投射用発光装置（１０２）の発光量を増やすことで、表示画像の輝度を一定に保つことが出来る。

光路長測定には、光検出器の特性等を考慮すると、一般的に最適な受光量が存在する。物体の反射率や物体までの距離に応じて光路長測定用光の発光量を変えることで、測定精度の向上と消費電力の削減を実現することが可能になる。

また、本装置から反射対象物までの光路長が長い場合には、本装置と投射面までの距離が離れている為、表示される画像サイズが大きくなる。このため、ＣＰＵ（１００）の制御の下、角度変更量設定手段（２１５）を制御して、可動ミラー（１０６）の角度変更量を調整し、表示画像のサイズを小さくして、表示画像の画質、あるいは輝度を一定にする制御を行うことも出来る。

本装置から反射対象物までの光路長が所定の規定値を超えて長い場合、ＣＰＵ（１００）の制御の下、画像投射用発光装置（１０２）、あるいは、光路長測定用発光装置（１０３）の発光量を減らす制御を行う。所定の投射面上に投射されていない場合等が有り、発光量を制御して、安全性を確保する。

可動ミラーの駆動角度を変更して、画像の投影範囲が調整できるため、例えば、本装置に対し、傾斜した投射面に対しても適切な形状の画像表示が可能である。例えば、正方形の画像を投影する場合、本装置から離れた位置に対しては、可動ミラーを振らす角度を狭くし、逆に、本装置に近い位置については、可動ミラーを振らす角度を大きくする。かかる調整により、表示画像を台形にすることなく、所望の四角形の画像として表示することができ、表示画像の歪を抑えることが出来る。

本実施形態においては、画像投射用光と光路長測定用光が、可動ミラーにより、同一の光路を辿る為、光路長測定用光の走査範囲は、実質的に画像投射範囲に等しい。光路長測定用光を所定の範囲で走査させ、突起物や段差の無いことを確認した上で、投射面として選定することが出来る。投射範囲を選定することにより、本装置に要求される幾何学的制約を狭めることも出来る。

本装置の実施形態を、カメラ付の携帯電話に搭載し、物体位置の認識機能を更に強化することも可能である。本装置の実施形態による物体位置の検出に加え、携帯電話のカメラ機能を利用した物体認識を行い、両方のデータをＣＰＵにより統合することで、物体により影になる部分を減らすことができる。

表示画像が黒の場合には、非可視光の光路長測定用光のみを走査させて物体位置情報等を取得し、表示画像がある場合には、画像投射用発光装置から出射されるＲ，Ｇ，Ｂ光の一つとその反射光により、物体位置情報を取得することも可能である。この場合には、画像が黒の期間とそれ以外の期間に応じて、光路長測定用光と画像投射用光の一方のみを発光するので、消費電力の削減ができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００ 中央演算処理装置、１０１ 画像メモリー、１０２ 画像投射用発光装置、１０３ 光路長測定用発光装置、１０４ 光投射装置、１０５ スプリッタ、１０６ 可動ミラー、２００ 画像投射用光、２０１ 光路長測定用光、２０３ 散乱光、２０４ 光検出器、２０５ レンズ、２０６ 光路長計算手段、２０７ 位置計算手段、２０８ ミラー駆動装置、２０９ 物体位置保存メモリー、２１０ 投射面、２１１ 画像光量設定手段、２１２ 光路長用光量設定手段、２１３ 受光量測定装置、２１４ 受光量・光路長保存用メモリー。

Claims (8)

1. 光路長測定用光源と、
   画像投射用光源と、
   前記光路長測定用光源と、画像投射用光源からの光を同一光路上に投射する光投射装置と、
   前記光投射装置からの光の光路を所定の角度で変更して所定の対象物に投射する光路方向変更装置と、
   前記所定の対象物からの反射光を検知する光検出手段と、
   前記光検出手段の検出結果に基づき光路長を算出する光路長算出手段と、
   前記光路長算出手段の算出結果と、前記光路方向変更手段の光路の変更角度のデータから前記所定の対象物の位置を算出する位置算出手段と、
   を具備することを特徴とする光学装置。
2. 前記光路方向変更装置は、可動ミラーを含むことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記光投射装置と前記光路方向変更装置との間にスプリッタを備え、前記光投射装置から投射される光路長測定光源からの光の一部を前記光検出手段に供給することを特徴とする請求項１、または２に記載の光学装置。
4. 前記光路長測定用光源と画像投射用光源の光の波長が異なることを特徴とする請求項１乃至３に記載の光学装置。
5. 前記光検出手段の検出結果から受光量を測定する受光量算出手段を具備することを特徴とする請求項１乃至４に記載の光学装置。
6. 前記光路長算出手段の検出値に応じて、光路長測定用光源、または、画像投射用光源の、あるいはその両方の光量を調整する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至５に記載の光学装置。
7. 前記受光量検出手段の検出結果に応じ前記光路長測定用光源、または、前記画像投射用光源の、あるいはその両方の光量を調整する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至６に記載の光学装置。
8. 光路長算出手段の算出結果に応じ、前記光路方向変更装置の変更角度を調整する手段を具備することを特徴とする請求項１乃至７に記載の光学装置。

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