JP2022508697A - レーザ投影装置および３ｄ画像作成方法 - Google Patents

Abstract

本明細書に開示されるのは、光学効果ホイールを使用して、レーザ光効果を作成するための消費者のレーザ光デバイスである。いくつかの点で、本開示は、光路に位置決めされた光学効果ホイールを含む、レーザビームを操作する複数の光学効果のうちの１つを選択的に提供するためのデバイスを対象とするものであり、光学効果ホイールは、光学効果ホイールの第１の部分に刻印された第１の光学効果、および光学効果ホイールの第２の部分に刻印された第２の光学効果を有し、第１の部分と第２の部分は部分的に重なり合っている。光学効果ホイールは、確実にデバイスがレーザ光デバイスの消費者の安全要求事項に準拠するように、さらに変更することができる。【選択図】図２

Description

本技術分野は、レーザ光投影表示である。より具体的には、開示される装置および方法は、レーザ光ショーにおいて作成されるものなど、３次元（３Ｄ）レーザ光表示の作成に関する。

レーザ光ショーで一般的な３Ｄ光表示を作り出すためには、通常、検流計に取り付けられた可動ミラーによって、レーザ光ビームを誘導する。検流計に取り付けられたミラーは、一次元または二次元で回転可能であり、トラックに取り付けられ得る。レーザ光ショーでは、通常、ＸＹスキャナとしても知られる２次元検流計が使用される。レーザ光は、熱または空気圧縮噴霧機によって大気中に放出されたグリコール、油、または水などの粒子を通して表示される。

ただし、レーザ光ショーおよび投影で使用する検流計は、通常、非常に高価であり、個々の消費者の資力を超えている。また、観客のスキャンに使用する場合は、レーザエネルギーを政府が義務付けている特定のエネルギー密度レベル以下に維持する必要がある。したがって、検流計は、非常に明るいレーザ光によって引き起こされる潜在的な眼の損傷も軽減しながら、強力で正確なレーザ効果を作成する必要がある。

したがって、必要なのは、Ｘ－Ｙガルバノメトリックスキャナ装置とそれに関連するレーザ安全性遵守システムのコストおよび複雑さを伴わずに、３Ｄレーザ光表示を作成することができるレーザ光投影システムである。

いくつかの点において、本開示は、光路に沿って光ビームを導くことができるレーザ光源と、光路内の静止ホログラフィック光学素子と、回転シャフトを含むモータと、回転シャフトにピン留めされた光学効果ホイールであって、光学効果ホイールが光路内に位置決めされるように配置され、光学効果ホイールが、光学効果ホイールの第１の部分に刻印された第１の光学効果、および光学効果ホイールの第２の部分に刻印された第２の光学効果を有し、第１の部分と第２の部分とが部分的に重なり合っている光学効果ホイールと、レーザ光源とモータとを動作させるための電力を供給する電源と、を有する、レーザビームを操作する複数の光学効果のうちの１つを選択的に提供するデバイスを対象としている。

本開示の一実施形態による、装置の外観図である。 本開示の一実施形態による、レーザ、モータ、ホイール、および回路基板の図である。 本開示の一実施形態による、異なる領域を示すホイールの図である。

図１は、本発明の一実施形態によるレーザ投影システム２の構成要素を示している。投影システム２は、筐体４を含む。いくつかの実施形態では、筐体４は、ベース（図示せず）に取り付けられ得る。ベースは、一貫した照明表示を維持するために筐体に安定性を提供し得る。筐体４は、完全にまたは部分的に囲まれ得る。図１に示されているように、筐体４は、上壁、下壁、および２つの側壁を有する。筐体４は、レーザ光が表示のために開口部を通過することを可能にする開口部を備えた前壁を含み得る。透過光学素子６は、開口部にわたって配置されてもよい。光学素子は、レンズ、干渉フィルタ、回折格子、またはビームスプリッタなどの光を操作する材料である。他の光学素子も、同様に使用することができる。筐体はまた、バックプレートまたはカバーを有していてもよい。フロントカバー、バックプレート、および筐体のいずれかの他の取り外し可能な部分は、ネジ、ボルト、接着剤、または他の取り付けメカニズムで取り付けることができる。これらの取り外し可能な部品には、湿気が筐体に入るのを防ぐためのガスケットが含まれている場合もある。

電源８も設けられている。電源は、外部または内部に提供され得る。例えば、外部電源は、標準の電気ソケットに差し込むか、または他の外部バッテリ、発電機、もしくは電源に接続することを可能にするコードであり得る。あるいは、電源は、バッテリなど、内部で供給され得る。電源が外部にあり、ハウジングが完全に囲まれている場合、電源は筐体の電気接続またはソケットに差し込むことができる。図１に示すように、電源はコードであり、バックプレートには電気ソケットと内部接続が含まれる。

図２は、一実施形態によるシステム２の内部構成要素の概略図を示している。背面筐体の外側には、電源コードを受容するための電源ジャックがあり、これは、図２にＡＣ電源８として示されている。バックプレートの内面には、装置の様々な部分を接続する配線がある。他の配線は、バックプレートの外面上のユーザコントロール上のユーザコントロールに接続する。図２に示す配線については、以下で詳しく説明する。

いくつかの実施形態では、筐体内にボード１０が置かれている。ボード１０は、装置の様々な他の構成要素を取り付けるための場所を提供する。回路基板１２は、ボードに取り付けることができる。レーザモジュール１４は、ボードに取り付けることができる。モータ１６は、ボードに取り付けることができる。図２に示される実施形態では、これらの構成要素の全てがボードに取り付けられて示されている。回路基板１２は、レーザモジュール１４と、モータ１６とに電力を提供するための駆動回路を含む。

レーザモジュール１４は、レーザおよびコリメート光学系を含む。レーザは、電力が提供されると、レーザモジュール１４の一端から、光路１８に沿って光ビームを放出するように導かれる。レーザモジュール１４はまた、レーザビームの光路１８内に１つ以上の光学素子２０を保持することができる。レーザモジュール１４は、ハウジング４内に設置されたときに、レーザモジュール１４が放出するビームの光路１８が、そのようなハウジングおよび／または光学素子が提供されている場合、ハウジング４および光学素子６内の開口部を通過するように、ボード１０に取り付けられる。

モータ１６は、回転シャフト２２に取り付けられ、それを駆動する。回転シャフト２２の端部に接続されているのは、透過型反射干渉ホイール２４または他の回折光学素子などの光学効果素子である。図２に示されるように、ホイール２４は、ホイール２４の一部分が、レーザモジュール１４から放出された光ビームの光路１８を横切って通るように位置決めされる。ホイール２４およびホイールのデザインおよび製作については、以下でさらに説明する。

図２に示されるホイール２４などの回折光学素子は、回折の原理に基づいて光を操作する一種の光学素子である。従来の光学素子は、その幾何学的形状を使用して光を屈折させる。対照的に、回折光学系は強め合うおよび弱め合う干渉を使用して、光波の電磁的側面をより多くの波に再結合させ、それがさらに再結合して全く新しい波の集合を形成する。回折光学素子は、回折格子またはあらかじめ定義されたレンズ機能を含み得る。回折光学素子は、アルミニウム、シリコン、溶融シリカ、またはプラスチックを含むがこれらに限定されない幅広い材料で製作することができる。

ホログラフィとは、物体からの散乱光を記録し、それを後で再構成し、あたかも物体が記録媒体に対して記録されたときと同じ位置にあるように見せることを可能にする技術である。目視システムの位置および向きが変わると、物体がまだ存在しているかのように、同じように画像が変化するため、ホログラムと呼ばれる記録された画像は３次元的に見える。ホログラムは、物体から後方散乱され、かつ周波数安定化された参照ビームによって干渉されるレーザ光ビームから作成することができる。感光板またはホログラフィックフィルムなどの２次元記録媒体は、フリンジまたは反復フーリエ変換アルゴリズム（ＩＦＴＡ）パターンと呼ばれる物体の３次元体積位相情報を記録する。この手順は、撮影した物体から散乱した白色光をハロゲン化銀フィルムに記録する写真撮影のようなものである。光は、横方向の位相（体積）と光子の総数密度（強度）の特質を具体化するが、従来の写真撮影では強度のみが記録される。ただし、ホログラムは、参照ビームの干渉により、振幅と位相の両方を保存する。この参照ビームは、レーザの作用のため散乱光と同じ特性を持っている。位相情報は、目に奥行き手がかりを提供し、画像を三次元で見せることを可能にするため、ホログラフィにおいて最も重要な要素である。

ホログラフィック画像を作り出す別の方法は、光の回折および干渉の物理的現象を数値的にシミュレートするコンピュータで実行することができる。コンピュータソフトウェアは、物体から、またはそれを通して反射または透過した光の位相を計算することができる。点、線、およびワイヤフレームなど、異なる物体の光の位相を計算すると、干渉シミュレーションが作成され、これは、写真感光媒体に転送したり、またはＥビーム法を用いてフォトレジスト膜付きシリコンウェハーに書き込んだりすることができる。

ホログラフィック光学素子は、回折光学素子の一種である。ホログラフィック光学素子とは、点光源のホログラムであり、光強度、すなわち光を集束させる能力を有するレンズまたはミラーとして機能する。ホログラムは、表面レリーフとして表現された回折パターンからなり、これは、例えば、フィルムの厚さ全体にわたってインデックス変調を含む（フォトレジストおよび／またはニクロム酸塩ゼラチンを使用して作り出された）薄いフィルムであり得る。「インデックス変調」とは、ホログラフィック光学素子を作るプロセス中に作り出された新規の光学効果を作成するための線形分布パターンを持つ周期的な特徴集合を指す。いずれかのプロセス（ニクロム酸塩ゼラチンまたはフォトレジスト）を使用して、数学的な分布を作り出し、位相マスクに実装された周期的な特徴集合を作成する線形導関数を作り出すことができる。本発明の一実施形態では、ＩＦＴＡの非線形実装は、対数またはそうでなければ双曲線のＩＦＴＡ波動関数を作成し、これを使用して、回折面上に非線形位相導関数を作成することができる。いくつかの実施形態では、ホログラムは２つのカテゴリ、（Ｉ）入射光と回折光がホログラフィック光学素子の同じ側にある「反射型」ホログラムと、（ｉｉ）入射光と回折光が反対側にある「透過型」に分類することができる。

図２に示されている概略図に戻ると、いくつかのユーザコントロールが提供され得る。これらは、バックプレートの外面上またはハウジング４の他の外面上に提供され得る。例えば、１つのコントロールは、レーザを制御するためのオン／オフスイッチ２６であり得る。別のコントロールは、ホイール２４を回転させるモータ１６の速度を増加または減少させるための変調器２８であり得る。装置の他の機械的または光学的特性を制御または操作する他のコントロールも提供され得る。

光学効果ホイール２４は、ホイールの面上の領域に配置された１つ以上の光学素子を含み得る。ホイール上の１つ以上の領域の各々で提供される光学効果は、複数の光学効果素子、すなわち、回折光学素子、屈折、反射、透過、回折、または他の方法でレーザなどのコヒーレント光源との直接相互作用を通じて視覚効果を作り出す干渉作成特徴を具体化することができる。一実施形態では、光学効果は、ガルバノメトリックスキャナを使用するレーザの光学効果と同様であり得、それにより、レーザビームが大気粒子を通して示されるときに３Ｄ効果が提供され得る。

光学効果ホイール２４は、所望の効果を作成するための技術の組み合わせを使用して製作される。より具体的には、領域は、ホイールの一部分に適用される２つ以上の光パターンの干渉生成物である。第１の干渉パターンは、ホログラフィック画像である。ホログラフィック画像は、いずれかの所望の画像またはデザインであり得る。ホログラフィック画像とは、参照レーザビーム、および記録されている物体からの反射によって作成された物体ビームによって作り出された干渉パターンを保存することによって作り出された光の場の写真記録である。干渉パターンは、記録媒体（例えば、感光板またはフィルム）に記録される。

ホイール上の第２または追加の光のパターンは、ダイヤモンド旋盤ツールを使用して刻印された金属表面から作成され得、そこから「マスター」刻印が作成され得る。いくつかの実施形態では、刻印は約１ミクロンの深さであり得る。他の実施形態では、刻印は、約０．５～１０ミクロンの深さであり得る。選択された刻印パターンは、いずれかの所望の刻印パターンであり得る。いくつかの実施形態では、刻印パターンは、逆フーリエ変換アルゴリズムを所望の曲線または形状に適用した結果である線またはパターンであり得る。そのような実施形態では、それにより、所望の曲線または形状がデザインおいて符号化され、その結果、本明細書に記載の干渉照明技術を適用することで、刻印上のコード化パターンにより、所望の曲線または形状が表示される。マスター刻印は、クロム金属などの刻印に適した適切な金属で電気めっきされた、選択された基板から形成することができる。マスターが作り出されると、ＤｕＰｏｎｔ（登録商標）または３Ｍ（登録商標）が作成したフォトポリマーなどのホログラフィックモノマーを、刻印されたマスターに適用して、刻印されたマスターの表面上のパターンを受容することができる。このモノマーは、刻印されたマスター上の刻印と一致する「複製」を作り出すために硬化することができ、刻印に基づいて所望の照明効果の複製を作り出すために使用することができる。

ホイール上に領域を作成するために、周波数安定化レーザビームがホログラフィック素子の各々と金属刻印から作成された複製を通して導かれる。レーザビームは、別の写真乾板またはフィルムに導かれ、２つ以上の効果の生成物として干渉パターンを作り出し、それを乾板またはフィルムに記録することができる。この干渉パターンは、ニクロム酸塩ゼラチンなどの感光性媒体フィルムに記録され、別の「マスター」パターンを生成するが、この第２のマスターから複製を作成することができる。この画像は、ホイールの所望の場所に直接適用されるか、またはエンボス加工され得る、ＵＶ光源を使用することで硬化され得る、ホログラフィックモノメーターを使用して複製されるフィルムまたは感光性材料を含む様々な媒体に現像することができる。

ホイール上に複数の領域が存在する場合、２つの領域間のスムーズな視覚的移行を可能にするために、領域を重ね合わせて相互変調することができる。例えば、第１の領域の振幅は、レーザ光がその部分を通過し、領域の主要エリアから離れるにつれて画像がフェードアウトするように、特定の空間にわたって減少し得る。対照的に、第２の領域は振幅が増加する場合があり、そのため、フェードインして主要画像になる。

図３は、本発明の実施形態による、ホイールの一部分にレイアウトされた領域を備えた光学効果ホイールを示している。ホイールは領域３０、３２、３４、および３６を有しており、各々がホイールの表面積の約４分の１にレイアウトされている。各領域は、弧状に隣接する領域との小さな重複エリア３８を有している。これらの重複エリア３８において、１つの領域の光学効果の振幅は、隣接する領域の光学効果の振幅が増加するにつれて減少する。したがって、レーザ光が１つの領域から次の領域に通過するようにホイールが回転すると、第１の効果は視界からフェードアウトし、一方、第２の効果は一層見えるようになる。

効果ホイールを使用する際の問題の１つとして、表面パターンが不規則であるため、家電製品の許容レーザ出力レベルを超える強度またはエネルギーレベルのレーザ光が分割され、再結合される可能性がある。例えば、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅは、ほとんどの目的で安全であると考えられているクラス２レーザを、１ｍＷ以下の出力の連続可視光レーザビームとして定義している。クラス３Ｒレーザビームは、視界を制限して注意深く取り扱うことができ、１．０～４．９９ｍＷの出力を有する連続可視光レーザビームとして定義されている。消費者が使用する場合、レーザ光の効果は、そのような要件に準拠してレーザエネルギーを維持する方法で作り出す必要がある。

これを行うための１つのメカニズムは、ホイールの片側または両側に、準ランダムで非周期的なレリーフトポロジ特徴を提供することである。レリーフ構造は、密度、高さ、深さ、形状、様々な空間分布の分布、ホイール表面の平坦度の変化、光透過率、反射率、拡散、二色性波長選択コーティングなどに関する材料の光学特質に関して、不規則な性質を持つ表面の特徴として実装される。このようなホイールの表面トポロジの変化により、レーザ光が散乱し、またはより多くの回折次数で光が回折し、したがって、光の強度が低下する。

レーザのエネルギーを消費者の使用に許容できるレベルに減少または維持するための別のメカニズムとしては、光の経路に回折格子を使用することが挙げられる。回折格子により、一次レーザビームエネルギーは、より低い出力の回折次数に分配される。回折エネルギーの次数は、元の非回折レーザビームのエネルギーから、回折格子と光学効果ホイールに起因するいずれかのエネルギー吸収を差し引いたものにほぼ等しくなる。回折格子は、干渉ホイールのように、静止していても移動していてもよい。次に、回折光は、光をさらに回折または散乱させるために、これも静止または移動し得る光学効果ホイールに導くことができる。

消費者の使用に許容できるレベルにレーザエネルギーを減少または維持するための別のメカニズムとしては、光学効果ホイールの表面に入射するコリメートレーザビームの発散角を大きくすることが挙げられる。これにより、ホイール上のレーザビームの断面積が増加し、光ビームエネルギーの分布が広がり、それに対応していずれかの所与のポイントでエネルギーが減少する。光学効果ホイールから散乱したその後の屈折光または回折光もまた、それに応じて減少する。例えば、特定の構成では、光学効果ホイールは光路レーザ光ビームに対して垂直に配置され、発散角である。その構成では、様々な光学効果を通過するレーザ光ビームの最大出力は２ｍＷであるが、デバイスがクラス２レーザとして分類されるように、最大出力を１ｍＷ未満に下げることが望まれる。これを達成するために、レーザの発散角を２の平方根の係数（つまり、約１．４１４）で大きくすることができ、これは、レーザビームが光学効果ホイールに当たる際に、レーザビームの表面積を２倍にする効果があり、それに応じてレーザの出力が低下する。

本明細書の実施形態および説明は単なる例示であり、当業者は、本明細書の教示および説明を使用して、同じまたは同様の効果を達成することができることを理解されたい。したがって、本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲によって定義されるものとする。

Claims (9)

1. レーザビームを操作する複数の光学効果のうちの１つを選択的に提供するためのデバイスであって、
   光路に沿って光ビームを導くことができるレーザ光源と、
   前記光路内の静止ホログラフィック光学素子と、
   回転シャフトを含むモータと、
   前記回転シャフトにピン留めされた光学効果ホイールであって、前記光学効果ホイールが前記光路内に位置決めされるように配置され、前記光学効果ホイールが、前記光学効果ホイールの第１の部分に適用された第１の光学効果、および前記光学効果ホイールの第２の部分に適用された第２の光学効果を有し、前記第１の部分と前記第２の部分とが部分的に重なり合っているエリアを含む、光学効果ホイールと、
   前記レーザ光源と前記モータを操作するための電力を供給するための電源と、
   を含む、デバイス。
2. 前記第１の光学効果が、０．５～１０ミクロンの深さで前記ホイールに刻印されている、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第１の光学効果が、１ミクロンの深さで前記ホイールに刻印されている、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記第１の部分および前記第２の部分が、前記第１の部分および前記第２の部分が部分的に重なり合うエリアにおいて、様々な刻印深さを有する、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記第１の光学効果がホログラムである、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記第１の光学効果が、ホログラムと、前記ホイールの第１の部分への刻印との組み合わせである、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記光学効果ホイールが、準ランダムで非周期的なレリーフトポロジ特徴を含む、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記レーザ光源と前記光学効果ホイールとの間の光路に、回折格子をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
9. 光学効果ホイールである、請求項１に記載のデバイス。
   
   

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