JP5147043B2 - カラーレーザープロジェクションディスプレイを用いて画像をキャプチャするための装置 - Google Patents

Description

（発明の背景）
（１．発明の分野）
本発明は、概して電子表示に関し、より詳しくは、レーザープロジェクションディスプレイや画像キャプチャ装置としての使用に関する。

（２．関連技術の説明）
電子カメラは、これまでコストの高さ、耐久性の欠如、重量、柔軟性の制限などいくつかの欠点があった。さらに、従来のカメラは、適切な照明を提供するために一般にフラッシュ装置に依存してきた。これらのフラッシュ装置は、一般に電池を著しく消耗し、カメラの電池の寿命を短縮させ、有用性を損なう傾向がある。その上、写真家にとっては、各写真を撮影する前にフラッシュ装置が充電されるのを待つ必要がよくある。また、フラッシュ装置の使用は、写真を歪曲して台なしにする反射光などいくつもの望ましくない副作用を生み出す。

さらに、電子カメラは一般に、画像を表示するため、またはファインダーとして１つまたは複数のディスプレイ画面を採用している。これらのディスプレイは、カメラの全体的なコストに加わる一方で、直射日光で見ることが困難なことが多く、また、破損や故障になりやすい。

本発明は、上記の問題の１つ以上の影響を克服、または少なくとも削減することを目的とする。

（発明の概要）
本発明の一側面では、画像をキャプチャするための方法が提供される。前記方法は、物体にレーザー光線を走査するステップと、前記物体から反射されたレーザー光線を周期的に受けるステップと、前記反射されたレーザー光線を画像に配置するステップとを備える。

本発明は、添付の図面とともに以下の説明を参照することにより理解できるが、図面中、同様の参照番号は同様の要素を示す。

本発明はさまざまな変形や代替形式が可能であるが、特定の実施例が図面の例により示されており、本明細書でその詳細を説明する。しかしながら、本明細書の特定の実施例の説明は、本発明を開示された特定の形式に限定することを意図するものではなく、添付の請求項により定義されるように、本発明の精神と範囲内のすべての変形、、同等物、代替物すべてに及ぶことを意図する。

（特定の実施形態の詳細な説明）
本発明の具体的な実施形態を以下に説明する。明確化のため、本明細書では実際に実装されるすべての機能を説明しない。このような実際の実施形態の開発において、ある実装ともう一つの実装では異なるであろう、システム関連やビジネス関連の制限事項に順守することなど、開発者の特定の目的を実現するために、多数の実装固有の決定が行われる必要があることは言うまでもない。さらに、このような開発努力は複雑で時間のかかるものであるが、それにもかかわらず本開示により利点を受ける当業者にとっては、日常であることが理解される。

以下の同時係属出願は、参照することによりそのすべてがここに組み入れられる。Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ａｌｉｇｎｉｎｇ ａ Ｐｌｕｒａｌｉｔｙ ｏｆ Ｌａｓｅｒｓ ｉｎ ａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ，Ｍｉｋ Ｓｔｅｒｎ等；Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｙ Ｒｅｄｕｃｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｅｄ ｂｙ ａ Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ，Ｍｉｋ Ｓｔｅｒｎ等； Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ，Ｎａｒａｙａｎ Ｎａｍｂｕｄｉｒｉ等；Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ａｎ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｂｅｔｗｅｅｎ ａ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ａ Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ，Ｎａｒａｙａｎ Ｎａｍｂｕｄｉｒｉ等； Ａ Ｃｏｌｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ，Ｐａｕｌ Ｄｖｏｒｋｉｓ等； Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｓｅｒｖｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ ｉｎ ａ Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ，Ｆｒｅｄ Ｗｏｏｄ等；Ａ Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ，Ｒｏｎ Ｇｏｌｄｍａｎ等；Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｆｏｒ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｓ ｉｎ ａ Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ，Ｃａｒｌ Ｗｉｔｔｅｎｂｅｒｇ等；およびＭｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ ａ Ｌａｓｅｒ ｉｎ ａ Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ，Ｄｍｉｔｒｉｙ Ｙａｖｉｄ 等。

図面に戻り、具体的には図１を参照すると、本発明の一つの実施例に従うレーザープロジェクションディスプレイ（ＬＰＤ）１００の様式的概略図が表示されている。図示された実施例では、ＬＰＤ１００は、赤、緑、青のような固有な色から構成される光線ビーム１０８、１１０、１１２を放射する能力をそれぞれ有する３つのレーザー光線１０２、１０４、１０６を含む。そこから放射されるレーザーの数と光の色は、本発明の精神および要旨を逸脱しない範囲で変更されてもよいことは、当業者には理解されるであろう。

レーザー１０２、１０４、１０６は共通の面１１４に配置されており、光線ビーム１０８、１１０、１１２は、第一の走査鏡１１４のように、光線ビーム１２０、１２２、１２４として反射されるところから、第一の走査装置上の事実上共通な場所１１６に落ちるように相互が相対的に角度を持つ方向にある。図に示された実施例では、第一の走査鏡１１８は、比較的高速（例えば約２０〜３０ＫＨｚ）で軸１２０上で振動する。第一の走査鏡１１８の回転または振動は光線ビーム１０８、１１０、１１２を移動させる。つまり、第一の走査鏡１１８の位置角度が変わると、第一の走査鏡からの光線ビーム１２０、１２２、１２４の反射角度も変わる。このように、鏡が振動すると、反射光線ビーム１２０、１２２、１２４は２次元画面の一つの構成要素に沿って走査され、光線ビーム１２０、１２２、１２４の移動を作り出す。

２次元画面の第二の構成要素は、鏡１２６のような第二の走査装置により作り出される。図に示された実施例では、第二の鏡１２６は、第一の鏡１１８の回転軸に対して実質的に直角である軸の周囲で回転または振動移動を作り出すように、回転の中心１３０でモーター１２８に連結される。光線ビーム１２０、１２２、１２５は、光線ビーム１３２、１３４、１３６が表示面１３８に向けられると、第二の鏡１２６で反射される。表示面１３８は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、任意のさまざまな形式を取る場合がある。例えば、表示面１３８は、レーザー１０２、１０４、１０６により前方または後方照明の場合があり、ＬＰＤ１００と共通の筐体（非表示）に覆われている場合、あるいは、代わりに表示面１３８は、壁や画面など、ＬＰＤ１００から離れた一般的に平坦な表面のような任意の便利な形を取る場合がある。

第二の鏡１２６は、第一の鏡１１８の速度に比較すると、相対的に遅い速度で振動または回転する（例えば約６０Ｈｚ）。このように、光線ビーム１３２、１３４、１３６は、図２に示されているように、一般的に表示面１３８上の経路１４０をたどることが認識される。当業者は、経路１４０はブラウン管テレビやコンピュータモニターに一般的に採用されているラスター走査の形や概念に類似することを認識する。

本発明は、第一と第二の別の走査鏡１１８、１２６を採用する実施例において説明されるが、当業者は、同様な経路１４０は単独の鏡を使用することにより作り出される場合があることを認識する。単独の鏡は、２つの直交軸の周囲に高速と低速の振動移動を提供するために、２つの回転軸の周囲で移動することができる。

同様に、２つの走査鏡１１８と１２６のコントローラと機械的配置は、経路１４０から９０度回転したラスター走査を作り出すために設計される場合がある。つまり、パターンは、表示画面１３２の上から下への水平なラスター線の代わりに、表示画面の左から右への縦方向のラスター線から構成される。

図１から明らかなように、レーザー１０２、１０４、１０６の角度の位置により、レーザー１０２、１０４、１０６が同一面１１４内でしかも鏡１１８上の同じ点で（回転軸１２０上）光線ビーム１０８、１１０、１１２を放つように機械的かつ光学的に配置されていても、それぞれが異なる反射角を持つため、光線ビーム１２０、１２２、１２４が分岐するようになる。コントローラ１４２は、光線ビーム１２０、１２２、１２４が第二の鏡１２６から反射されて、第二の鏡１２６からの表示面１３８の距離とは比較的無関係に表示面１３８の同じ点に送られる場合のように、事実上同一直線上になるようにレーザー１０２、１０４、１０６を制御可能なように活性化するために提供される。

ここで図３Ａと３Ｂを参照して、光線ビーム１２０、１２２、１２４を同一直線上にするためのコントローラ１４２の操作を説明する。説明を簡単にするために、２つのレーザー１０２、１０４だけが図３に示されているが、ここで説明される概念は本発明の精神と要旨を逸脱しない範囲で３つ以上のレーザーに拡張される場合があることが当業者には理解される。図３Ａに示されているように、レーザー１０２、１０４が同時に活性化されると、反射された光線ビーム１２０、１２２は分岐する。しかしながら、図３Ｂに示されるように、レーザー１０２、１０４が僅かに異なる時間に活性化されると、光線ビーム１２０、１２２は、単独の共通の経路（つまり、光線ビーム１２０、１２２は同一直線上にある）をたどるようにできる。例えば、レーザー１０２が、第一の時間ｔ１で活性化されると、鏡１１８は直線で示されている第一の位置にあり、光線ビーム１０８は光線ビーム１２０のように鏡１１８から反射する。次に、レーザー１０４が第二の時間ｔ２で活性化されると、鏡１１８は破線で示されている第二の位置にあり、光線ビーム１１０は光線ビーム１２２のように鏡１１８から反射する。時間ｔ２を正確に制御することにより、鏡１１８は、光線ビーム１２０と実質的に同じ経路で光線ビーム１２２を正確に反射する位置になる。

このように、コントローラ１４２の操作により、光線ビーム１２０、１２２は実質上同一直線上にあるが、時間的にはわずかに変わる。つまり、光線ビーム１２０、１２２は、どちらも表示面１３８の実質上同じ点へ投影されるが時間はわずかに異なる。しかしながら、人間の目の残光により、時間差は分からない。つまり、図１で説明した３層のレーザーシステムの場合には、各レーザー１０２、１０４、１０６は、固有の色と強度のレーザー光線を比較的短時間の枠内に表示面１３２の実質的に同じ点に供給するように制御可能である。人間の目には３つの個別の色は認識されず、表示面のその点で表示される、ある好ましい色調として３つの光線ビーム線の混合として知覚される。この過程は、表示面１３２で画像を再現するために、経路１４０に沿って何度も繰り返されてもよいことが、当業者には認識される。ＬＰＤ１００はディスプレイモードまたはカメラモードのいずれかで使用されてもよいことを認識すべきである。これらのモードは以下で詳細に説明される。

図１に戻ると、光検出器１４４は、表示面１３８から反射されたレーザー光線を受けるように配置される。光検出器１４４は、グリッドに配置された単独の感光性要素や複数の感光性要素など、任意のさまざまな形式を取る場合がある。一部の実施例では、反射されたレーザー光線を光検出器１４４に焦点をあわせるために機械的／光学的システム１４６を含めると有用となり得る。

光検出器１４４は、ライン１４８を経由してコントローラ１４２に連結する。光検出器１４４により検出された反射レーザー光線の測光の信号表示は、ライン１４８によりコントローラ１４２へ通信される場合がある。一部の場合では、光検出器１４４が光センサーまたは感光性要素のグリッドまたは配列から構成される場合など、反射されたレーザー光線の場所に関する情報を伝達することも有用となり得る。以下で詳細を説明するように、コントローラ１４２は、人または物体により遮断されている場合など、一般的にレーザーの送信経路内の状況を決定するために、反射されたレーザー光線の測光に関する情報を使用することができる。コントローラ１４２は、写真を構成するため、または、表示面が接触しているかどうかを決定するためのイベントなどに関する情報を使用することができる。つまり、表示面は「タッチセンシティブ」で描画される場合があり、従って、操作者からのフィードバックの形を提供することができる。また、情報は、画像が集束したままであるように、２つの走査鏡のすべての周波数ずれを測定して微調整するために、コントローラにより使用されてもよい。

コントローラ１４２は、表示面にプッシュボタンまたはその他のアクセス可能なアイコンを表示することができ、コントローラ１４２がプッシュボタンを表示している表示面の一部がタッチされたことを検出すると、コントローラ１４２は反応動作を行ってもよい。例えば、コントローラ１４２はアイコンを表示してもよく、コントローラ１４２がユーザーがアイコンをタッチしたことを検出すると、コントローラ１４２はそのアイコンに関連付けられた機能を実行してもよい。同様に、その他の多数の機能が、表示面に表示されたアイコンを適切に構成またはラベルづけする方法によって実装され得る。

図Ｃ−１は、上記の実施例または物体にレーザー光線を走査するように構成されたＬＰＤのようなレーザープロジェクションディスプレイをベースとするレーザーカメラの基本操作を示す。集束レーザーモジュールＣ−１０７からのある距離で最低スポット（ウエスト）を持つために、光学的手段によりレーザーの焦点を合わせる。集束レーザーモジュールＣ−１０７から放射されたレーザービームＣ−１００は、物体Ｃ−１０３上にラスターパターンを作るように、２つの直交方向でスキャナＣ−１０１とＣ−１０２により走査される。１）ディスプレイモードと２）カメラモードの２つの基本的な操作モードがある。装置がディスプレイモードにあると、レーザーはディスプレイ画像を投影するために走査されている間調整される。カメラモードでは、レーザービームは物体に走査される。物体により遮断されたレーザー光線は散乱するが、物体により遮断されずに走査されたレーザー光線は伝播を続ける。レンズＣ‐１０４は、物体Ｃ−１０３により散乱された光を回収して、回収した光を感光性の光ダイオードＣ−１０５へ供給する。光ダイオードＣ−１０５により生成された電子信号は、その後、信号調整および処理エレクトロニクスＣ−１０６により増幅、抽出、処理される。従って、従来のカメラのように、単独の時間に並行モードでオブジェクトをキャプチャする代わりに、レーザーカメラは一度に一つのピクセルというシリアルモードで物体をキャプチャする。もう一つの重要な違いは、従来のカメラでは、カメラレンズにより画像を「見る」ということである。レーザーカメラでは、走査するレーザーパターンにより画像を「見る」。上記の構成要素は、より大規模のシステムに組み込むことができるレーザーカメラモジュールになるように、一つのプラットフォームにすべてをパッケージ化することができる。それぞれが一方向を走査する２つのスキャナの代わりに、上記の説明のように２方向を走査する２軸のスキャナを使用することができる。単独の回収レンズＣ−１０４の代わりに、単独の回収鏡を使用することができる。

（焦点と解像度）
レーザービームは、ビームの分岐角度が距離に対して一次比例するように集束する。走査ラスターのサイズも指定の走査角度に対して距離に一次比例するので、任意の距離で走査線内で保証された数のレーザースポットＣ−１１５に合わせることが可能である。これは、任意の「線」内でのカメラの分解能である。Ｃ−２を参照。特に、分解能は、以下の式で表される。式１。ここで、Ｎは分解能、ｚはレーザーカメラからの距離、ｚは走査角、ｗ_０はレーザービームのウエスト直径、λはレーザー波長、４λ／πｗ_０はレーザービームの分岐である。一般的に、走査鏡領域は、およそｗ_０以上であるので、ビームは、ビーム回折角度を増加（解像度を削減）するためや、レーザー強度を削減するために切断されない。上記の式より、走査角度が大きくなるにつれて、あるいは、走査表面のサイズが大きくなるにつれて、波長が小さくなり、より高い分解能が実現可能であることがわかる。

上記の点において、十分なエネルギーが信号回収システムにより回収される限り、レーザーカメラは「無限の」焦点距離を持つことができる。このように、この焦点距離は、通常のフィルムまたはＣＣＤ／ＣＭＯＳカメラの焦点の深度よりはるかに長くできる。装置に焦点調整メカニズムを追加することにより、レーザービームは、焦点範囲をさらに拡張、または、レーザーカメラからの任意の距離で異なる解像度を実現するために、再フォーカス、またはオートフォーカスが可能である。

好ましい実施例では、一つのスキャナは高速で振動し、もう一つは低速で振動する。低速のスキャナの振動周波は、表示された画像のちらつきを削減または予防するために少なくとも５０Ｈｚ（２０ミリ秒以内）とする。装置がカメラだけでディスプレイとして使用されていない場合は低速で振動できる。カメラの線数（線解像度）は、２つの直交するスキャナの振動周波率により決定される。例えば、一つのスキャナが２０ｋＨｚでもう一つが５０Ｈｚで振動していれば、ラスターに８００の往復走査線を生成することが可能である。レーザーダイオードは反応が速いので、ＶＧＡ（６４０ｘ４８０）以上の解像度で画像を生成またはキャプチャするために、何百かのメガヘルツ速度でレーザーダイオードを振動することが可能である。

一般的に、高速のスキャナは、共振スキャナで振動周波は固定される。低速のスキャナは通常非共振またはオフ共振駆動型であるので、その振動周波は異なる線解像度を実現するために操作中に変更可能である。例えば、スキャナの一つは２０ｋＨｚで振動し、その他のスキャナの振動周波が５０Ｈｚではなく２０Ｈｚに変更されると、２０００線が生成される。使用するアプリケーションに応じて、一つ以上のスキャナの周波数をカメラの解像度またはフォーマットに変更することが可能であることに注意する。その反対に、低速のスキャナは、物体が動いている場合、必要であれば速度を上げることができるのでキャプチャ時間を短縮できる。例えば、低速の鏡が１００Ｈｚで振動していれば、レーザーカメラは１０ミリ秒で１フレームをキャプチャでき、２０ｋＨｚの高速鏡を使用すると仮定すると線解像度は４００になる。

分解能、レーザーの変調速度、２つのスキャナの振動周波、光ダイオードが抽出される速度が、レーザーカメラの全体的な解像度を決定する。

（信号強度）
光ダイオードによりキャプチャされる信号の強度は物体から散乱する光の量に依存する。物体が反射すればするほど、受ける信号強度が高くなる。また、物体がレーザーカメラに近ければ近いほど、回収される光は距離の二乗に反比例するので、信号強度が高くなる。すなわち、

となり、ここで、Ｐ＿ｒｅｃｅｉｖｅｄは受けた出力、Ｒ＿ｏｂｊｅｃｔは物体の反射率、Ｐ＿ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄはレーザーカメラから放出されたレーザー出力、Ａ＿ｒｅｃｅｉｖｅｄは光の回収領域のサイズ、ｚはオブジェクトからレーザーカメラまでの距離である。

光ダイオードは、レンズなしでも使用できるとともに、物体から散乱した光を回収できることに注意する。光ダイオードより大きいレンズはより多くの光を回収できるので、より多くの信号を提供する。さらに、レンズは光ダイオードの表示フィールド（ＦＯＶ）を制限するため、環境光による光ダイオードの散弾雑音を削減する。環境光を削減できるように、高周波でレーザーを振動することが可能である。一般的に、光ダイオードは飽和状態を回避するために、走査されたレーザービームの直接反射経路の外側に配置する。

（拡大縮小／トリミング）
レーザーカメラに近い物体は、より多くの信号を提供する以外に、より大きい部分のラスターパターンを占有し、生成される画像の空間周波はさらに低くなる。図Ｃ−５を参照する。物体Ｃ−１１０がレーザーカメラのモジュールＣ−１０８から離れると、物体と交差している単独のレーザー線は、図Ｃ−５の上図の短い振動持続時間ｂ−ｃを生成する。物体Ｃ−１１０がレーザーモジュールに近くなると、より長い持続時間（低速周波）を生成するために、同じレーザー線が物体と交差するためには時間がかかる。画像を分析することにより、物体がレーザーカメラに近いか遠いかを推測することが可能である。そして、この情報は、レーザーカメラの設定を制御するために使用できるので、二重または複数の側距の機能を持つ。例えば、エレクトロニクスのゲインは、遠距離の物体から受信した信号を増幅するために増加することができるので、必要な最低の信号対雑音比が常に保証される。あるいは、光ダイオードが表面から散乱した強い信号により飽和状態にならないように、ゲインは削減される。

信号の振幅や空間周波などのキャプチャされた画像からの情報、および、画像により占有される走査線の量は、レーザーカメラの拡大縮小や広角機能を提供するために使用できる。例えば、物体が遠くにあれば、制御メカニズムは走査角度を自動的に削減して、物体が走査パターンのより大きい部分を占有するようにする。これは、通常のカメラのズームに相当する。反対に、物体が近くにあれば、走査角は広角モードに増加できる。式１に示された解像式から、分解能は走査角度、鏡サイズだけに依存し、レーザー波長に反比例することを指摘することは無駄ではない。走査角度を削減することにより、また、集束レーザースポットを再調整しても、分解能が削減される。走査角度および／またはレーザースポットのサイズを変更することに加えて、スキャナ、できれば低速スキャナの振動周波も変更する必要がある。

走査角度を削減して再フォーカスする代わりに、図Ｃ−８に示されているように、分解能を削減することなく、レーザースポットのサイズを変更しながら投影角度を削減するために、光経路に適切な屈折率のレンズ一対から構成されるビーム削減装置を取り付けることが可能である。図Ｃ−８ａに示されているようにｆ−θレンズを使用することもできる。さらに、レンズ一対は、適切な屈折と表面の形状を持つ一つのレンズまたは一つの鏡になるように折りたたみ、分解能を維持しながら投影角度とレーザースポットのサイズを同時に変更するために、走査鏡に対して特定の場所に取り付けることができる。Ｃ−８ｂを参照。

ある場合には、物体の背景から物体をトリミングまたは強調することが望ましい。これは、レーザーカメラを使用すると簡単に実現できる。というのは、図Ｃ−６に示されているように、背景の信号は異なる振幅を持っているため、木は物体よりも遠くにあるので木に関連付けられた受信信号はさらに低い振幅に関連付けられている。従って、木を識別し、トリミングまたは強調できる。

（色）
上記のように、レーザーカメラの操作は物体にレーザービームを走査し、レンズ／光ダイオードが物体により散乱されたレーザー光線を回収することによる。物体の暗い領域により遮断されたレーザー光線はほとんどが吸収されるが、明るい領域はレーザー光線を散乱する。物体の色に応じて、散乱するレーザー光線の量が多くなったり少なくなったりする。白い領域とレーザービームの同じ色の領域から散乱されたレーザー光線の量は非常に似ていることを指摘しておく。白い領域に隣接するレーザービームと同じ色が画像の一領域にあれば、２つの領域は識別不可能になる場合がある。これは、カラー画像をキャプチャして表示するために利用できる。異なる色、例えば、赤、緑、青の複数のレーザーを使用してレーザーを順番に使用することにより、３つのキャプチャした画像から推測して、カラー写真を再構成することが可能である。具体的には、照射に赤いレーザーを使用している場合、赤と白の領域からキャプチャされた画像は高い信号振幅を持つ。緑のレーザーが同じ物体を照射すると、緑と白の領域は高い信号振幅を持つ。青いレーザーなどの場合もある。図Ｃ−７に示されているように、さまざまな色の領域から構成されている物体が赤いレーザーによりキャプチャされると、物体の赤い円と白い三角形は赤色の光の量がかなり散乱し、再構成された中間画像は赤い円と緑の三角形を示す。次に、物体は緑のレーザーにより走査される。このとき、再構成された中間画像は緑の正方形と三角形を持つ。青いレーザーが物体を走査すると、青い長方形と青い三角形の中間画像が再構成される。図Ｃ−７の上の３つの画像は、それぞれ、赤、緑、青のレーザーによりキャプチャされた画像である。これらの３つの中間画像を分析することにより、図Ｃ−７の下の画像に示されているように、最初のカラー物体の再構成を行うことができる。

複数のカラーのレーザーカメラの別の使用形態は、バーコード読み取りの速度が重要で周囲がうるさい倉庫で荷物の受け取りや仕分けなど、商業用バーコード読み取りアプリケーションである。従来のバーコード読み取り装置は、３０線スキャナ／秒で操作する。ビープ音および／またはＬＥＤが読み取りが成功したことのフィードバックを提供する。しかしながら、ビープ音は、通常、うるさい倉庫の環境では聞こえない。視覚的にフィードバックを提供するＬＥＤは、物理的にバーコード読取装置上にあるので、操作者は、手元にあるＬＥＤを見るために、離れた場所にあるバーコードの読み取り先から目をそらす必要がある。平均的な人で、バーコードからＬＥＤに、また、バーコードにと焦点をもう一度あわせるには数秒かかり、荷物の受け取り操作の処理能力を減少させる。これとは対照的に、２０ｋＨｚスキャナを使用するレーザーカメラは、４０，０００線スキャナ／秒で操作する。バーコードを走査するために赤いレーザーを使用して、走査の成功を示すためにバーコード読み取り先に緑のレーザーを投影すると、バーコードの読み取り操作は飛躍的に速度が上昇する。別の使用例では、緑のレーザーは、仕分け目的で荷物に識別マークを投影できる。

（自己照射とファインダーなし）
レーザーカメラの一つの機能は、自己照射を提供するように生成されたレーザービームであり、環境光が弱い状況または夜でも写真を撮影できる。レーザーカメラモジュールＣ―１０８は画像を投影できるので、照準パターンも投影できる。図Ｃ−３を参照。レーザーカメラは、物体の写真を撮影する前に物体Ｃ−１１０上に照準パターンＣ−１０９を投影して、別のファインダーを排除する。さらに、写真をキャプチャする一方で、装置はキャプチャしているものをレーザーカメラ筐体Ｃ−１１２の一部分である画面Ｃ−１１１に投影することもできる。これは、レーザービームを組み合わせて代わりのフレーム上の画面Ｃ−１１１に画像を投影する鏡一対Ｃ−１１３またはプリズムを挿入することにより実現する。鏡を挿入して、キャプチャ用フレームや表示用フレームを挿入する代わりに、キャプチャと投影のフレームが同時に発生するように、走査されたレーザー経路にビームスプリッタを挿入することができる。もちろん、キャプチャした画像を投影するために、物体にある部分のラスターパターンを投影して、画面にラスターの別の部分を投影することが可能である。表示された画像は、引き出し式画面Ｃ−１１４の両面で見ることができるので、写真を撮影されている人も写真を見ることができる（自画像）。自画像は、電子的または光学的に反転できる（例えば鏡の手段により）ため、写真を撮影されている人、および写真を撮影している人は同じ表示と向きを持つ。図Ｃ−４を参照。図Ｃ‐４では、引き出し式画面Ｃ−１１４に対して非常に鋭角で投影するために、折りたたみ式鏡が表示されている。幾何学的に投影の方向に対して正常ではない画面に投影された画像は、プロジェクションディスプレイ業界では一般的に「キーストーン」と呼ばれる幾何学的歪曲を呈することになる。例えば、長方形は台形になる。画面に対する投影角度はわかっているので、カメラのピクセル画像メモリで投影画像を予め歪曲することにより、または、余分に表示されるピクセル／線をトリミングすることにより、「キーストーン」を修正することが可能である。

レーザーが可視ビームを照射する代わりに、写真撮影がより個別になるために写真の撮影に赤外線または紫外線レーザーを使用できる。もちろん、赤外線レーザーで画像をキャプチャして、可視波長を照射するレーザーで画像を投影することが可能である。自己照射や長距離のレーザーカメラのおかげで、暗視装置を装着して、カメラ／プロジェクタで人間には見えない光源として赤外線レーザーを使用することが可能である。

（運動とスキュー補正）
前述のように、レーザープロジェクタ／カメラの各フレームは、１６ミリ秒（６０Ｈｚフレームレート）以下にできる。つまり、ピクセルレートは、ＶＧＡ解像度のカメラ／ディスプレイでおよそ３０ナノ秒であり、線レートはおよそ３０マイクロ秒である。各ピクセルは連続的に一度に１つずつ活性化する。これは、同じ露光時間内にすべてのピクセルが同時に露光するフィルムまたはＣＣＤベースのカメラにはあてはまらない。物体が運動しているとき、従来のカメラによりキャプチャされた物体の写真は、物体に高い照射を必要とし、露光時間が非常に短い場合を除いては、不鮮明である。これとは対照的に、レーザーカメラの各ピクセルは、３０ナノ秒のピクセル露光時間で一度に一つずつ露光するので、画像にピンボケがない。代わりに、各走査線がその前の線から遅れるので、運動している物体の写真は歪曲するが、周囲の静止物体は歪曲しない。例えば、物体が１ｍ／秒で高速走査方向に動いている場合、物体のキャプチャされた画像の各線は隣接の線から遅れるので、その結果、画像はスキューする。各隣接線のオフセットは以下の式で表される。

ここで、ｖは物体の運動速度、ｆｘは高速走査周波である。

一方で、物体が低速の走査方向に動いている場合、キャプチャされた画像は、線あたり同じ量により圧縮または引き伸ばされる。そして、物体がレーザーカメラの視線上にカメラに向かってまたは遠くへ動いている場合、キャプチャされた画像は投影角度を持ち、つまり、レーザーカメラに向かって動いている正方形の物体はひし形となって見える。Ｃ−１２を参照する。一般的な物体認識の場合、歪曲量は許容可能である。バーコードが四角や二重円など、本質的に認識可能な特徴を持つバーコードアプリケーションでは、キャプチャされた歪曲画像を幾何学的に簡単に元の形に復元することが可能である。これは、画像データをメモリバッファで再配置することにより（ビットスタッフィングまたは削除）実現できる。

さらに、物体の速度がわかっていれば、いかなる運動物体の画像も復元することが可能である。物体の運動速度は、キャプチャ下画像の複数のフレームを分析することにより取得できる。以下の例を検討する。物体が１０ｍ／秒（およそ１００メートル競走の競技者の速度）で運動しており、レーザーカメラは１メートルの視野を持つように設定されている（３０度の走査角度で物体から２メートル）。物体は、レーザーカメラの視野を通過するのに１００ミリ秒かかる。この時間間隔の間、６０Ｈｚのフレームレートを持つレーザーカメラは、物体の６フレームをキャプチャできる。それぞれのフレームは視野内の異なる位置での物体と、カメラに向かって／向こうへ運動している物体により、任意の投影歪曲を表示している。フレーム間の差を分析して、フレームキャプチャ時間を知ることにより、運動速度と向きがわかる。図Ｃ−１３は説明として使用でき、物体はカメラの視野を横切って運動しているが、キャプチャした画像の物体の移動（メモリマップのｘ、ｙのピクセル番号）と、画像がキャプチャされた時間がわかっていることから、ｘ−ｙの運動速度と方向を取得できる。

ここで、（ｘ_ｉ＿ｌｙ_ｉ＿ｔ）および（ｘ_{ｉ＿ｔ＋ｌ}、ｙ_{ｉ＿ｔ＋ｌ}）は、物体のポイントＩに関連付けられた、時間ｔと時間ｔ＋ｌでキャプチャされた画像のメモリマップ内のピクセルの座標位置で、Δｔはキャプチャされた連続フレーム間の時間間隔で、ｆ_ｙは低速鏡の走査周波、θは運動速度の方向を示す。

同様に、カメラの視線上を運動している物体の速度は、２つのフレームのオブジェクトのＩとＪの２つのポイントを参照することにより計算できる。図Ｃ−１３を参照する。

ここで、Ｌ_ｔ＋１とＬ_ｔは、それぞれ時間ｔ＋１と時間ｔでのポイントＩからＪへの長さである。

キャプチャした画像を評価するために１つまたは２つの物体ポイントを使用している上記の例は、説明例としての役割だけであることに注意する。一般的に、キャプチャした画像のポイント／特徴の集合体の評価に関与する全体的な評価を実施すべきである。

（プリンタ）
同じスキャナ、または代わりに異なるセットのレーザー／スキャナを備えた同じ赤外線レーザーは画像を紙に印刷するために使用される場合がある。

図Ｃ−９は、約４０ミクロン（６００ｄｐｉ解像度）のスポットに集束する別個のレーザーと、プリンタの低速回転の感光ドラム全体に走査線を作成する一次元の高速振動鏡を備えたレーザープロジェクタ／カメラの例を示す。レーザー光線はトナーをチャージして、ドラムがトナーを紙に移転する。例えば、６００ｄｐｉで１分間に６０ページを生成するプリンタには６．７ｋＨｚ走査鏡が必要で、レーザーは３２ＭＨｚで変調する必要がある（８インチ×１１インチのページ）。別個のレーザー／スキャナを使用する代わりに、図Ｃ−１０に示されているように、レーザービームを感光ドラムに変更するために偏光鏡を使用する場合がある。レーザーはトナーで４０ミクロンのスポットを生成するために再フォーカスされ、９６ＭＨｚで変調される。同じ２０ｋＨｚ高速鏡を再使用することにより、１分間にレター用紙１８０ページを印刷することが可能である。現実には、レーザーは、正弦高速共鳴振動鏡の一定でない速度を線形化するために約３倍から４倍速く変調する必要がある。ピクセル線形化はドットバンチング技法（以下に詳細を説明）を使用して実現できる。多くの場合、レター用紙のページ全体を印刷する必要はない。例えば、ＶＧＡ解像度のレーザープロジェクタは、１００ｄｐｉ６インチ×４インチの画像を印刷できるので、印刷にはプロジェクション／カメラに使用されたのと同じレーザーとスキャナが使用できる。この場合、レーザープロジェクタは、トナーにより紙の表面を走査するように変更するだけである。図Ｃ−１１を参照する。

（距離測定）
装置に少なくとも２つのレーザーがあると、製造整合要件を緩和するためにレーザーを完全に整合する必要はない。不整合は電子機器（上記で詳細を説明したように）で修正できる。２つのレーザーを完全に整合しない別の利点は、レーザーを規定する必要な規制に合致しながらも、全体的なレーザーの出力を増加する潜在性を持つことである。まだ別の利点は、視差を持つ２つのレーザーによりキャプチャされる画像の三角測量と画像分析を使用する距離情報を提供するために、レーザーの角度の不整合を利用することである。

距離測定を実現する方法はいくつかある。レンズの焦点プレーンに配置された光ダイオード配列または直線ＣＣＤを追加することにより、走査前にレーザービームを活性化しながら、図Ｃ−１４の配置を基本にして測定物までの距離を計算できる。これは、従来のカメラの距離測定配置と同様である。自動距離測定も、光ダイオード配列上の走査されたパターンの端で参照することにより、走査レーザーラスターにより実現できる。図Ｃ−１５を参照する。ラスターが一定のピクセル境界線と交差すると、距離は変更される。配列の中の光ダイオードの数は２つの距離を持つように２つまで小さくできることに注意する。

あるいは、レーザーカメラに少なくとも２つのレーザーがあると、距離測定光／光ダイオードを追加する必要はない。距離は、図Ｃ−１６に示されているように、２つのレーザーの一つによりキャプチャされたそれぞれ２つの画像の物体の相対位置と遠近を分析することにより決定できる。物体が近距離にあると、レーザー２によりキャプチャされたその画像はレーザー１によりキャプチャされた画像からオフセットされる。オブジェクトが遠距離にあると、画像はここでもオフセットされるが、この場合は反対方向にオフセットされる。２つのレーザーによりキャプチャされた画像の幾何学的歪曲／遠近も距離を決定するために利用できる。

レーザーカメラの焦点の深度はかなり長いので、通常はエレクトロニクスのゲインが距離に影響を与える。レーザーカメラのフレーム時間は非常に速くできるので、カメラをトリガーするたびに２つのフレームを自動的にキャプチャし、各フレームに異なるエレクトロニクスのゲインを使用することが可能である。この総当りモードでは、光学的距離測定は必要ない。

（スペックル−自動フォーカス、動き検出、ＣＤＲＨ）
レーザーの一つの特性は、空間的に干渉性であることである。空間干渉の一つの特性は、レーザー光線が何らかの表面から散乱すると、干渉パターンが光検出装置のプレーン（人間の目または光ダイオード）に表れることである。この干渉パターンは一般的にスペックルパターンとして知られる。平均的なスペックルのサイズ（明暗のスポットのサイズ）は、物体がレーザーから離れるにつれて大きくなる。平均的なスペックルのサイズからは、レーザーから対象物のおよその距離を干渉できる。また、複数のレーザーが使用されていると、スペックルの振幅は、対象物の同じ場所にあたっているレーザーの数の幾何平均だけ小さくなる。レーザーカメラの３つのレーザーを故意に不整合にすると、スペックルの振幅を分析することにより自動フォーカスを実現することが可能である。３つのレーザーが焦点のあったプレーンの同じスポットに到達すると、そこが、その距離でレーザースペックルの振幅が最も小さい点である。

スペックルパターンは物体に応じて変化するので、レーザーカメラは動きを検出するために使用できる。例えば、バーコードの走査アプリケーションでは、通常は画面に画像を表示しているレーザープロジェクションディスプレイを持つことが可能である。バーコードがスペックルパターンに変化を発生させるために走査レーザービームを中断すると、ディスプレイはバーコードをキャプチャするためにカメラモードに自動的に切り替わる。別の例では、レーザーディスプレイは、リアプロジェクションモードで画面に投影しているが、画面が破損するとスペックルパターンが変化してレーザーはオフになる。従って、レーザービームは、人間の目に誤ってフラッシュしない。同様なことは、レーザーがフリープロジェクションモードで画面に画像を投影しているときにもあてはまり、物体がレーザービームを中断すると、スペックルパターンが変化してレーザーがオフになる。

（３Ｄ）
スペックルパターンは物体から散乱したレーザー光線の干渉の結果であるので、ホログラフィと同様に物体の３次元画像を格納および再構成することが可能である。Ｃ−１７を参照する。

物体に対してそれぞれが異なる角度になっている３つの層と、単独または複数の光ダイオードを使用すると、各レーザーは異なる角度／遠近で物体をキャプチャする。その後、物体の３次元画像を構成することが可能である。

（ＣＣＤ／レーザーカム）
３次元機能は、レーザーとコプラナーではないＣＣＤまたはＣＭＯＳベースのカメラと一緒にレーザーカメラを使用することにより実現できる。

レーザーカメラは、薄暗い環境で最適に機能し、ＣＣＤカメラは明るい環境で最適に機能するので、レーザーカメラとＣＣＤカメラから構成される混合カメラはそれぞれのカメラの最も優れた点をもたらす。また、２つのカメラの解像度を混合することもできる。例えば、このような混合モードのカメラの一つの実施例は、大きい解像度と低解像度の小さいフォーマットＣＣＤを持つためにレーザーカメラを使用する場合がある。

（その他）
ディスプレイは必要なときだけ電源が入る。スイッチを押したときだけ有効になり、スイッチを離すと無効になるので、携帯型端末の電池の寿命を節約する。光ダイオードはディスプレイの上下の線をマスクする製品部分に含まれる。この光ダイオードはフレームの間レーザー光線を受ける。受信した信号はピクセルクロックとスキャナの位相を同期化するために使用できる。

音声は装置の入力メカニズムとして使用できる。トラックボールまたは小型のボタンが入力メカニズムとして使用できる。

「タッチスクリーン」入力が実装できる。レーザープロジェクションディスプレイは画面に「アイコン」を投影する。製品はフレームの間に散乱したレーザー光線をキャプチャする光ダイオードを持ち、プロセッサはフレーム内のアイコンの位置を記憶する。ユーザーは指で画面の特定のアイコンに触れることができる。端末の光ダイオードとエレクトロニクスは、領域の反射光の変化を感知して、特定の「アイコン」が選択されたことを知る。従って、レーザーディスプレイは本質的に「タッチスクリーン」である。

加速度計はペン端末に統合できる。加速度計はユーザーが書くペンの動きを感知する。また、加速度計は、手ぶれを感知して手ぶれを修正する。手の動きを感知することにより加速度計からの信号は、ディスプレイのサイズを大幅に変更したり、ディスプレイの特定の領域を拡大するために使用できる。例えば、ペン端末をプロジェクション画面に近づけるとディスプレイの拡大が有効になる。

加速度計は、手の動きを感知して、ディスプレイを回転できるので、スクロールバーとして使用できる。例えば、ペン端末を横に動かすと、ディスプレイが左右に回転し、ペンを上下に動かすと、ディスプレイが上下にスクロールする。もちろん、ディスプレイは音声、トラックボール、「タッチスクリーン」入力によりスクロールまたは回転できる。

水平走査の間のレーザー光線は、キャプチャされる画像を抽出するために振動できる（雑音を減少、大きいｄｃ信号を回避するため）。

レーザープロジェクションディスプレイは装着可能な装置に使用できる。レーザースキャナはユーザーの頭の横に取り付けでき、ユーザーの目の近くに取り付けられた画面に画像を投影する。

その他具体的に記述されなければ、あるいは説明から明らかであるように、「処理」、「演算」、「計算」、「決定」、「表示」などの用語は、コンピュータシステムのレジスタやメモリ内で物理的、電子的数量として表されたデータを操作して、コンピュータシステムのメモリやレジスタ、その他のこのような情報ストレージ、転送、表示装置内で物理的数量として同様に表されるその他のデータに変換するコンピュータシステム、あるいは同様な電子演算装置の動作や処理を言う。

本明細書のさまざまな実施例で説明されたさまざまなシステム層、ルーチン、モジュールは実行可能な制御部であってもよいことが、当業者には理解される。制御部は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、プロセッサカード（一つ以上のマイクロプロセッサまたはコントローラを含む）、またはその他の制御または演算装置を含む場合がある。この説明で言及したストレージ装置は、データや命令を格納するための一つ以上の機械読み込み可能な格納媒体を含む場合がある。格納媒体は、動的または静的ランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭまたはＳＲＡＭ）、消去可能でプログラム可能な読み込み専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電子的に消去可能でプログラム可能な読み込み専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）やフラッシュメモリなどの半導体メモリ装置、固定、フロッピ、取り外し可能ディスクなどの磁気ディスク、テープなどのその他の磁気媒体、コンパクトディスク（ＣＤ）やデジタルビデオディスク（ＤＶＤ）などの光学媒体を含むさまざまな形態のメモリを含む。さまざまなシステムでさまざまなソフトウェア層、ルーチン、モジュールを構成する命令は、それぞれのストレージ装置に格納される場合がある。命令は、制御部により実行されると、対応するシステムにプログラムされた動作を実行させる。

上記で開示された特定の実施例は説明のためだけであり、本発明は変更され、異なるが同様な方法で実施される場合があることは、本明細書の教示により利点を受ける当業者には明らかである。さらに、以下の請求項で説明される以外には、ここに示した作成や設計の詳細に限定されない。その結果、説明したシステムの実装や使用に必要な処理回路は、アプリケーション特定の集積回路、ソフトウェア駆動の処理回路、ファームウェア、プログラム可能な論理装置、ハードウェア、個別の構成要素、上記構成要素の配列に実装されてもよいことが、本開示の利点がある当業者には理解されるであろう。従って、上記で開示した特定の実施例は修正または変更される場合があり、すべてのこのような変形は本発明の範囲と精神内であると見なされることは明らかである。これに伴い、本明細書で求める保護を以下の請求項に記載する。

本発明の一つの実施例の上面図の様式的な概略図である。 図１に表示された表示面の様式的な図である。 図３Ａと３Ｂは、操作中、さまざまな場面での走査装置の上面図を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。 ＬＰＤを採用する画像キャプチャ装置の側面を表す。

Claims (3)

1. 画像をキャプチャおよび投影するための装置であって、
   レーザービームを生成するレーザー供給源と、
   該レーザービームを掃引することにより、第１の方向に沿って配置された複数のピクセルを有する走査線を形成するスキャナであって、該第１の方向と略直交する第２の方向に沿って該走査線を掃引することにより、走査線のラスターパターンを形成するスキャナと、
   標的から散乱された該走査線からの光を受けとる検出器と、
   ディスプレイモードの動作の間では、該レーザー供給源を制御して、該走査線上の選択されたピクセルを照らすことにより、投影表面に画像を投影し、カメラモードの動作の間では、該検出器を制御して、該標的から散乱された該走査線からの光を受け取らせることにより、該標的の画像をキャプチャするコントローラであって、該走査線の各ピクセルは順々に連続的に受け取られ、該コントローラは、該カメラモードにおいて該標的によって占有されている該走査線のうちの少なくとも１つの走査線内のピクセルの数を検出し、該検出に応答して該標的の画像を拡大縮小するように作用する、コントローラと
   を備え、
   該レーザー供給源は、複数のレーザーを含んでおり、
   該コントローラは、
   該カメラモードの間に該複数のレーザーのうちの１つのレーザーを活性化することにより、画像全体の内部で該標的をキャプチャし、該ディスプレイモードの間で該標的の読み出しが成功した後に、該複数のレーザーのうちの別のレーザーを活性化することにより、該標的に識別マークを表示するように作用し、該標的は、バーコードである、装置。
2. 前記コントローラは、
   前記カメラモードにおいて前記標的の連続的な画像をキャプチャし、前記スキャナに対する該標的の範囲を決定するように作用する、請求項１に記載の装置。
3. 前記コントローラは、
   前記カメラモードにおいて前記標的の連続的な画像をキャプチャし、前記スキャナに対する該標的の速度を決定するように作用する、請求項１に記載の装置。

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