JP6051551B2

JP6051551B2 - 測距装置及び入力装置

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Publication number: JP6051551B2
Application number: JP2012062890A
Authority: JP
Inventors: 花田　雄一; 雄一花田; 信一郎森
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2032-03-19
Also published as: JP2013195246A

Description

本発明は、測距装置、及び測距装置を備えたプロジェクション方式の入力装置に関する。

近年、小型のプロジェクタが実用化され、プロジェクタを備えたデジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話なども提案されている。プロジェクタを備えたデジタルカメラ及びビデオカメラは、撮影した写真や動画をプロジェクタでスクリーンなどに投影することができる。一方、プロジェクタを備えた携帯電話は、電子メール、インターネット、携帯電話・移動体端末向けの１セグメント部分受信サービス（以下、「ワンセグ」と言う）、その他アプリなどに関連した画面、動画などをスクリーンなどに投影することができる。

一般的なプロジェクタは、光源にＬＥＤ（Light Emitting Diode）を利用するものが多いが、近年ではレーザダイオードを利用するものが提案されている。ＬＥＤと比べると、レーザダイオードは発熱に対する耐性に優れ、電力消費の多い冷却装置を設ける必要がない分消費電力を抑えることができ、さらに、レーザ光は焦点を合わせる必要がないなどの特徴を有する。

一方、プロジェクタが投影している画面にユーザが直接触れて、画面制御を行う非接触インターフェース技術の研究及び開発が行われている。例えば、プロジェクタの投影画面を含むエリアを１または複数台の赤外線カメラなどで撮影し、ユーザの手の位置や投影画面への接触（以下、「タッチ」とも言う）を検知して制御を行う。プロジェクタの投影画面を含むエリアを１台のカメラで撮影する場合、物体を立体で検知することができないため、投影画面へのタッチを認識することが困難であったり、プロジェクタの投影光が手に遮られて手の位置の認識自体が困難な場合がある。従って、複数台のカメラをプロジェクタの光源から離して設置することにより、手の位置や投影画面へのタッチを認識するシステムが提案されているが、このようなシステムの小型化及び可搬化は難しい。また、赤外線カメラは、一般に普及している携帯電話などの可搬型装置には搭載されていないので、赤外線カメラを用いるシステムでは、当該システム専用に赤外線カメラを備えた可搬型装置を開発する必要が生じてしまう。

そこで、レーザレンジファインダ（ＬＲＦ：Laser Range Finder）などのレーザ測距装置を使って測距を行うことによって、プロジェクタの投影画面上の指などの凸形状を認識して画面制御を行うことが提案されている。ＴＯＦ（Time of Flight）法は、レーザ測距手法の一例である。図１は、ＴＯＦ法を説明する図である。ＴＯＦ法は、レーザ測距装置がレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）１からレーザ光を出射してから光検出器（ＰＤ：Photo-Detector）２が対象物３で反射されたレーザ光を検知するまでの時間（即ち、時間差）に基づいて、レーザ測距装置と対象物３との間の距離を計測する。しかし、ＴＯＦ法では、図１（ａ）に示すように、レーザ測距装置から対象物３までの距離や対象物３の質に依存して反射光のパルスがなまってしまうため、測定誤差が例えば±１５ｃｍ程度となり測距精度が悪い。また、図１（ｂ）に●印で示すように、反射光のパルスのどの波形部分を用いて測距するかに応じて測定誤差は大きく異なる。図１（ｂ）中、縦軸は反射光のパルスの振幅を任意単位で示し、横軸は時間を任意単位で示し、破線は反射光のパルスの理想的な矩形形状を示す。

一方、ＬＤ１から出射されるレーザ光と対象物３で反射されてＰＤ２で検知されるレーザ光との位相差に基づいて、レーザ測距装置と対象物３との間の距離を計測する位相比較法もある。しかし、位相比較法は、例えば数ＭＨｚの周波数のような高速で測距を行う場合には、測定誤差が比較的大きくなる。そこで、この数ＭＨｚの周波数をうなりによりビートダウン（Beat Down）させることで、測定誤差を例えば±０．４ｍｍ程度まで減少させて位相測定精度を向上するヘテロダイン位相比較法が提案されている。

図２に示すように、リファレンス波Ｗｏとなる波長と反射波Ｗｒの波長の位相差を測定する場合、例えば数ＭＨｚの周波数のような高速で位相差を計測するのは困難である。そこで、ヘテロダイン位相比較法では、図３に示すように、リファレンス波Ｗｏとなる波長と反射波Ｗｒの波長の夫々について、互いに近い周波数の波長を重ね合わせることで波長をダウンコンバートしてから位相差を測定する。図３中、（ａ）はリファレンス波Ｗｏとなる波長と変調されたリファレンス波Ｗｏｍの波長を示し、（ｂ）は反射波Ｗｒの波長と変調された反射波Ｗｒｍを示す。ヘテロダイン位相比較法では、図４に示すように、各波長がダウンコンバートされるので、振幅がゼロとなる地点で位相差に基づく測距を行うことにより、測距精度を向上することができる。つまり、リファレンス波Ｗｏ，Ｗｏｍの合成波Ｗｏｃの振幅がゼロとなり、次に反射波Ｗｒ，Ｗｒｍの合成波Ｗｒｃの振幅がゼロとなった際の位相差に基づいて測距を行う。しかし、ビートダウンを行うため、変調される周波数分だけ測距に時間がかかる。図２乃至図４において、縦軸は振幅を任意単位で示し、横軸は時間を任意単位で示す。

非接触インターフェースを実現する上では、投影画面がタッチされたか否かの判断は必須であり、ヘテロダイン位相比較法のような高い測定精度が求められる。ヘテロダイン位相比較法は、通常は１点のみでの測距に利用されるため、建築、道路整備などの現場での測距で用いられている。

これに対し、プロジェクタでは、レーザ光をガルバノミラー（Galvano Mirror）を用いて高速に、例えば縦方向及び横方向に振動させることで描画を行うため、投影画面上の凸形状を認識するためには投影画面内の全レーザ光について測距する必要がある。しかし、プロジェクタで画像を投影する際、投影画面として黒い部分などは投影する必要がないので、黒い部分ではＲＧＢ（Red, Green, Blue）のレーザ光を出射しておらず、また、ＲＧＢのレーザ光は連続的に出射していない。そこで、描画用レーザダイオード（ＲＧＢレーザダイオード）とは別に、測距用のレーザダイオードを用いることが提案されている（例えば、特許文献１）。

また、ヘテロダイン位相比較法は、リファレンスＷｏとなる波長と反射波Ｗｒの波長が変調される周波数により、１秒間に測距できる地点の数が限られてしまう。例えば、１００Ｈｚで変調される場合、１秒間に１００回しか測距できない。画面サイズが例えば６４０点×４８０点の場合、描画点数は３０７２００点となり、１秒間に６０画面（フレーム）描画するものとすると、当然のことながら投影画面上の凸形状を認識することはできない。

１回の描画で全ての点を測距することができない場合、複数の画面（フレーム）の夫々で測距を行い、複数の画面での測距結果を重ねることで全体として各点を測距する方法が提案されている（例えば、特許文献２）。しかし、測距する位置が複数の画面（フレーム）間で１か所に偏っていると、全体として各点を正確に測距することは難しい。また、連続して測距を行うと、測距位置がリサジュー（Lissajous）図形となってしまい、測距位置が密になる箇所と疎になる箇所が発生してしまう。ＴＯＦ法による測距であれば、測距位置が等間隔となるように測距タイミングを調整できるが、ヘテロダイン位相比較法による測距の場合は測距タイミングの調整はできない。

さらに、ヘテロダイン位相比較法は、実際に測距したいタイミングでは測距することができず、測距できるタイミングではガルバノミラーによってレーザ光の投射位置が移動しているため、実際に測距しているタイミングがわからず、高速で連続的に測距を行うような条件下では高精度の測距を行えない。つまり、ヘテロダイン位相比較法は、１点のみでの測距の場合は比較的高精度の測距を行うことができるものの、例えばプロジェクタに適用した場合のように高速で連続的に測距を行う場合には高精度の測距を行うことは困難である。

図５は、ヘテロダイン位相比較法における測距タイミングとガルバノミラーがレーザ光を投射している角度（即ち、基準面に対するガルバノミラーの角度）との関係を説明する図である。図５において、縦軸はリファレンス波Ｗｏ，Ｗｏｍの合成波Ｗｏｃと反射波Ｗｒ、Ｗｒｍの合成波Ｗｒｃについては振幅、ガルバノミラーのレーザ光投射角度については当該角度を得るためにガルバノミラーの駆動部に供給される駆動信号Ｇａの振幅を夫々任意単位で示し、横軸は時間を任意単位で示す。例えば、タイミングt0で測距をしたい場合であっても、リファレンス波Ｗｏ，Ｗｏｍの合成波Ｗｏｃの振幅がゼロになるタイミングt1では、ガルバノミラーは大きく移動しており駆動信号Ｇａに応じてレーザ光投射角度は大きく変化している。同様に、反射波Ｗｒ，Ｗｒｍの合成波Ｗｒｃの振幅がゼロになるタイミングt2では、ガルバノミラーはさらに移動しており駆動信号Ｇａに応じてレーザ光投射角度はさらに変化している。このため、実際に測距できるタイミングは、タイミングt0ではなくタイミングt2となるが、このタイミングt2を認識する手法は確立されていない。

特開２００９−２２２９７３号公報特許第４２４３０９０号公報

従来のレーザ測距技術では、高速で連続的な測距を高精度に行うことは難しい。

そこで、本発明は、高速で連続的な測距を高精度に行うことのできる測距装置及び入力装置を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、被測定対象に対してレーザ光をガルバノミラーで振動周波数で振動させて出射して前記レーザ光の走査を所定フレーム数毎に行うと共に、リファレンス光を出射する光源系と、前記被測定対象からの反射光を検出して反射光信号を出力すると共に、前記リファレンス光を検出してリファレンス光信号を出力する受光系と、前記反射光信号に前記反射光信号の周波数に近い周波数を合成した第１合成波及び前記リファレンス光信号に前記リファレンス光信号の周波数に近い周波数を合成した第２合成波の夫々のゼロクロス点の位相差に基づいて前記被測定対象までの距離を算出する距離算出部と、フレーム毎に前記ガルバノミラーの基準位置でゼロとなる基準信号及び前記距離算出部による前記距離の算出タイミングに基づいて前記レーザ光を投射している測距位置を算出する測距位置演算部と、を備え、前記振動周波数であるフレームレートと前記第１及び第２合成波のうなりの周期が前記所定フレーム数以内で同期せず、１フレーム目の測距位置が前記所定フレーム数に１を加算したフレーム数目で戻るように前記第１及び第２合成波のうなりの周波数が設定されている測距装置が提供される。

本発明の一観点によれば、レーザ光をガルバノミラーで振動周波数で振動させて出射して前記レーザ光の走査を所定フレーム数毎に行い任意の表面に投影画面を投影すると共に、リファレンス光を出射する光源系と、被測定対象からの反射光を検出して反射光信号を出力すると共に、前記リファレンス光を検出してリファレンス光信号を出力する受光系と、前記反射光信号に前記反射光信号の周波数に近い周波数を合成した第１合成波及び前記リファレンス光信号に前記リファレンス光信号の周波数に近い周波数を合成した第２合成波の夫々のゼロクロス点の位相差に基づいて前記被測定対象までの距離を算出する距離算出部と、フレーム毎に前記ガルバノミラーの基準位置でゼロとなる基準信号及び前記距離算出部による前記距離の算出タイミングに基づいて前記レーザ光を投射している測距位置を算出する測距位置演算部と、前記測距位置と対象物の寸法に基づいて、前記投影画面上に位置する前記対象物のタッチ位置及び前記表面へのタッチの有無を算出する画面形状算出部と、を備え、前記振動周波数であるフレームレートと前記第１及び第２合成波のうなりの周期が前記所定フレーム数以内で同期せず、１フレーム目の測距位置が前記所定フレーム数に１を加算したフレーム数目で戻るように前記第１及び第２合成波のうなりの周波数が設定されている入力装置が提供される。

開示の測距装置及び入力装置によれば、高速で連続的な測距を高精度に行うことができる。

ＴＯＦ法を説明する図である。リファレンスとなる波長と反射波の波長の位相差に基づく測距を説明する図である。ヘテロダイン位相比較法における互いに近い周波数の波長を重ね合わせを説明する図である。ヘテロダイン位相比較法における各波長のダウンコンバートを説明する図である。ヘテロダイン位相比較法における測距タイミングとガルバノミラーがレーザ光を投射している角度との関係を説明する図である。本発明の一実施例におけるプロジェクタの一例を示す図である。測距処理の一例を説明するフローチャートである。距離算出処理の一例を説明するフローチャートである。測距位置算出処理の一例を説明するフローチャートである。測距タイミングとガルバノミラーがレーザ光を投射している角度との関係を説明する図である。画面形状算出処理の一例を説明するフローチャートである。測距位置情報の重ね合わせを説明する図である。投影画面上の凹凸形状の等高線の一例を示す図である。一実施例における可搬型装置の一例を説明する図である。

開示の測距装置及び入力装置では、被測定対象に対してレーザ光をガルバノミラーで振動周波数で振動させて出射すると共に、リファレンス光を出射する光源系と、被測定対象からの反射光を検出して反射光信号を出力すると共に、リファレンス光を検出してリファレンス光信号を出力する受光系を備える。制御部は、反射光信号に反射光信号の周波数に近い周波数を合成した合成波及びリファレンス光信号にリファレンス光信号の周波数に近い周波数を合成した合成波の夫々のゼロクロス点の位相差に基づいて被測定対象までの距離を算出する距離算出部と、フレーム毎にガルバノミラーの基準位置でゼロとなる基準信号及び前記距離に基づいてレーザ光を投射している測距位置を算出する測距位置演算部を備える。

以下に、開示の測距装置及び入力装置の各実施例を図面と共に説明する。

図６は、本発明の一実施例におけるプロジェクタの一例を示す図である。プロジェクタ１０は、測距装置を備えたプロジェクション方式の入力装置の一例である。図６に示すプロジェクタ１０は、光源系の一例であるＬＤ（Laser Diode）部１００、受光系の一例であるＰＤ（Photo-Detector）部２００、及び制御部３００を有する。

ＬＤ部１００は、レーザ光を後述するガルバノミラー１０１−１，１０１−２を用いて高速に所定方向に振動させることで画面描画を行うＬＤ走査部１０１、測距用のリファレンスレーザ光をＰＤ部２００側に反射させるリファレンス光反射部１０２、及びレーザ光出射部１０３を有する。レーザ光出射部１０３は、ＬＤ１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂ，１０３Ｌと、ＬＤ１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂ，１０３Ｌが出射するＲ用レーザ光、Ｇ用レーザ光、Ｂ用レーザ光、及び測距用リファレンスレーザ光（以下、「リファレンス光」と言う）を重ね合わせてリファレンス光反射部１０２に供給する光学系１０３１を有する。リファレンス光反射部１０２は、重ね合わされたＲ用レーザ光、Ｇ用レーザ光、及びＢ用レーザ光（以下、「描画用レーザ光」とも言う）をＬＤ走査部１０１に供給すると共に、リファレンス光をＰＤ部２００に供給する光学系１０２１を有する。ＬＤ走査部１０１は、２つのガルバノミラー１０１−１，１０１−２を含む光学系１０１１を有する。ガルバノミラー１０１−１，１０１−２は、周知の方法で駆動されることで、重ね合わされたＲ用レーザ光、Ｇ用レーザ光、及びＢ用レーザ光を高速に所定方向（例えば、縦方向または横方向）に振動させることで描画を行う周知の構成を有する。なお、ガルバノミラー１０１−１，１０１−２の駆動部などの図示及び説明は省略する。また、ガルバノミラー１０１−１とガルバノミラー１０１−２の位置関係は、図６とは逆の位置関係であっても良い。ガルバノミラー１０１−１の振動方向は縦方向とし、ガルバノミラー１０１−２の振動方向は横方向とすることで、２次元の面に対する走査を行うことができる。なお、ガルバノミラー１０１−１，１０１−２の駆動方向は、上記と逆であっても良い。

ＬＤ１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂ，１０３Ｌの制御信号、及びＬＤ走査部１０１の駆動信号については後述する。

ＰＤ部２００は、リファレンス光反射部１０２からのリファレンス光を受光するＰＤを含むリファレンス光検出部２０１、及びＬＤ部１００から出射され対象物（図示せず）で反射された描画用レーザ光（以下、「反射光」とも言う）を受光するＰＤを含む反射光検出部２０２を有する。対象物は、プロジェクタ１０の投影画面を表示できる表面を有するものであれば、特に限定されない。また、ユーザが指などで投影画面上で画面操作を行う場合には、描画用レーザ光は投射位置によっては投影画面に到達する前にユーザの指などに到達するので、対象物はユーザの指などを含む。つまり、この例における対象物は、測距の対象となる被測定対象である。リファレンス光検出部２０１は、リファレンス光を検出してリファレンス光信号を制御部３００に供給する。反射光検出部２０２は、反射光を検出して反射光信号を制御部３００に供給する。

制御部３００は、変調周波数演算部３０１、距離演算部３０２、測距位置演算部３０３、画面形状算出部３０４、画面制御部３０５、走査制御部３０６、及びＬＤ制御部３０７を有する。この例では、制御部３００内の各部の機能はハードウェアで実現される。しかし、制御部３００内の少なくとも一部の機能をＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサで実現しても良く、この場合、少なくとも一部の機能を１または複数のプロセッサで実現しても良い。

図７は、測距処理の一例を説明するフローチャートである。図７において、ステップＳ１では変調周波数演算部３０１がダウンコンバートする変調周波数を算出し、算出された変調周波数を距離演算部３０２に供給する。変調周波数は、基本的にプロジェクタ１０内で設定されている各パラメータ値に基づいて決定可能である。例えば、下記の如き条件が設定されているものとする。

描画解像度：６４０点×４８０点（または、６４０ドット×４８０ドット）
フレームレート：６０ｆｐｓ（frames per second）
画面制御レート：０．２秒（または、１２フレーム）
投影画面サイズ：２７０ｍｍ×２００ｍｍ
指の押し幅：縦１５ｍｍ×横１５ｍｍ
この場合、画面制御に必要な測距点数は、（投影画面サイズ）÷（指の長さ×指の幅）から求めることができる。ユーザの指の押し幅にマージンを持たせるため、上記の１５ｍｍ×１５ｍｍより少し小さめに設定した１０ｍｍ×１０ｍｍなる指の押し幅を用いることで、画面制御に必要な測距点数は、（２７０ｍｍ×２００ｍｍ）÷（１０ｍｍ×１０ｍｍ）＝５４０点となる。つまり、１２フレームで５４０点の測距を行うので、１フレーム内の測距点数は４５点となる。従って、１秒間で測距したい回数が変調周波数となるので、５４０×５＝２７００Ｈｚとなる。ただし、このままでは測距位置に偏りが発生してしまう可能性があるので、フレーム毎に測距位置がばらつくように、このように求めた変調周波数に（描画解像度）÷（画面制御に必要な測位点数）から求めた周波数を加算した値を変調周波数とする。この例では、（６４０点×４８０点）÷５４０点≒５６９点であるため、変調周波数は２７００Ｈｚ＋５６９Ｈｚ＝３２６９Ｈｚとなる。

このように投影画面全体に測距位置を分散させる方法では、ガルバノミラー１０１−２の振動周波数であるフレームレートと反射光信号に反射光信号の周波数に近い周波数を合成した合成波及びリファレンス光信号にリファレンス光信号の周波数に近い周波数を合成した合成波のうなりの周期が、画面制御レート（この例では１２フレーム）以内で同期しないようにする。また、１フレーム目の測距位置が１３フレーム目で戻ってくるようにこれらの合成波のうなりの周波数を設定する。

ステップＳ２で画面描画が開始されると、ステップＳ３ではガルバノミラー１０１−２のｘ軸とｙ軸がゼロの地点を基準位置とし、走査制御部３０６がフレーム毎に基準位置でゼロとなる基準信号を生成すると共に、後述する同期信号及び駆動信号を生成し、ステップＳ４では測距位置演算部３０３が走査制御部３０６からの基準信号を取得する。

ＰＤ部２００のリファレンス光検出部２０１及び反射光検出部２０２は常に光を受光しているので、ステップＳ５では、距離演算部３０２がＰＤ部２００のリファレンス光検出部２０１及び反射光検出部２０２からのリファレンス光信号及び反射光信号の夫々の周波数に近い周波数を合成してビートダウンを発生させ、これらの合成波のゼロクロス点の位相差に基づいてプロジェクタ１０から対象物までの距離を演算して距離情報を出力する。

ステップＳ６では、走査制御部３０６からの基準信号及び距離演算部３０２からの距離情報に基づいて、測距位置演算部３０３が各タイミングでＬＤ走査部１０１（ガルバノミラー１０１−２）が描画用レーザ光を投射している位置、即ち、投影画面上の測距した位置を算出する。ステップＳ７では、測距位置演算部３０３が基準信号のカウント値に基づいて、投影画面上の凹凸形状（即ち、投影画面が投影されている面に対する凹凸形状）を算出する所定のフレーム数（この例では１２フレーム）、即ち、画面制御レートに到達したか否かを判定し、判定結果がＮＯであると、ステップＳ１１では測距位置演算部３０３が距離演算部３０２で演算した距離を示す距離情報及び測距位置演算部３０３で演算した測距位置を示す測距位置情報を測距位置演算部３０３内のメモリ（図示せず）に記憶し、処理はステップＳ３へ戻る。距離情報及び測距位置情報は、制御部３００内に設けられた内部メモリ、あるいは、制御部３００外部に設けられた外部メモリに記憶しても良いことは言うまでもない。

ステップＳ７の判定結果がＹＥＳであると、ステップＳ８では、画面形状算出部３０４が測距位置情報に基づいてタッチ位置とタッチの有無を判定し、タッチ位置を示すタッチ位置情報及びタッチの有無を示すタッチ有無信号を画面制御部３０５に供給する。ステップＳ９では、画面制御部３０５がタッチ位置情報及びタッチ有無信号に基づいて画像情報信号を生成し、ＬＤ制御部３０７に供給する。ＬＤ制御部３０７は、走査制御部３０６からの同期信号に同期して、画面制御部３０５からの画像情報信号に基づいて制御信号を生成し、制御信号でＬＤ部１００のレーザ光出射部１０３内のＬＤ１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂ，１０３Ｌを制御することで、Ｒ用レーザ光、Ｇ用レーザ光、Ｂ用レーザ光、及びリファレンス光の出射を制御する。一方、走査制御部３０５からの駆動信号は、ＬＤ部１００のＬＤ走査部１０１内のガルバノミラー１０１−２の駆動部を駆動することで、ガルバノミラー１０１−２を高速に所定方向に振動させることで描画を行う。ステップＳ１０では、画像制御部３０５が測距処理を終了する終了処理が行われたか否かを判定し、判定結果がＮＯであると処理はステップＳ２へ戻り、判定結果がＹＥＳであると測距処理は終了する。終了処理は、例えばプロジェクタ１０の操作部などの入力部（図示せず）からユーザにより入力された指示に基づいて実行されても良い。また、終了処理の指示は、投影画面上の入力操作（即ち、非接触インターフェース）により入力されても良い。

図８は、距離演算部３０２がステップＳ５で実行する距離算出処理の一例を説明するフローチャートである。図８において、ステップＳ５１では、距離演算部３０２がＰＤ部２００のリファレンス光検出部２０１からのリファレンス光信号にリファレンス光信号の周波数に近い周波数を合成してビートダウン（うなり）を発生させる。ステップＳ５１と並行して、ステップＳ５２では、距離演算部３０２がＰＤ部２００の反射光検出部２０２からの反射光信号に反射光信号の周波数に近い周波数を合成してビートダウンを発生させる。ステップＳ５３では、距離演算部３０２がステップＳ５１で発生させた合成波のゼロクロス点を検出する。同様に、ステップＳ５４では、距離演算部３０２がステップＳ５２で発生させた合成波のゼロクロス点を検出する。ステップＳ５５では、距離演算部３０２がステップＳ５３，Ｓ５４で検出したゼロクロス点の位相差に基づいて、プロジェクタ１０から対象物までの距離を演算して距離情報を出力し、処理は終了する。

図９は、測距位置演算部３０３がステップＳ６で実行する測距位置算出処理の一例を説明するフローチャートであり、図１０は、測距タイミングとガルバノミラー１０１−２がレーザ光を投射している角度（即ち、基準面に対するガルバノミラー１０１−２の角度）との関係を説明する図である。図１０において、縦軸はリファレンス波Ｗｏ，Ｗｏｍの合成波Ｗｏｃと反射波Ｗｒ、Ｗｒｍの合成波Ｗｒｃについては振幅、ガルバノミラー１０１−２のレーザ光投射角度については当該角度を得るためにガルバノミラー１０１−２の駆動部に供給される駆動信号Ｇａの振幅を夫々任意単位で示し、横軸は時間を任意単位で示す。

図９において、ステップＳ６１では、測距位置演算部３０３が基準信号の時刻（タイミング）t0を測距位置演算部３０３内のメモリに記憶する。基準信号の時刻t0は、制御部３００内に設けられた内部メモリ、あるいは、制御部３００外部に設けられた外部メモリに記憶しても良いことは言うまでもない。ステップＳ６２では、測距位置演算部３０３が１点目の測距であるか否かを判定し、判定結果がＹＥＳであれば処理はステップＳ６３へ進み、判定結果がＮＯであれば処理はステップＳ６７へ進む。１点目の測距の場合、ステップＳ６３では、測距位置演算部３０３がリファレンス光のゼロクロス時刻t1を取得する。ステップＳ６４では、測距位置演算部３０３が基準信号の時刻t0からゼロクロス時刻t1までの時間Δtを算出してメモリに記憶する。ステップＳ６５では、測距位置演算部３０３が反射光のゼロクロス時刻t2を取得する。ステップＳ６６では、測距位置演算部３０３が (t2-t1)＋Δtを算出することで、測距位置（ガルバノミラー１０１−２の角度）を算出し、処理は終了する。

一方、２点目以降の測距であると、ステップＳ６７では、測距位置演算部３０３が反射光のゼロクロス時刻t2を取得する。ステップＳ６８では、１点目で算出した時間Δtと合成波のうなりの周期の半分の時間を利用して、(t2-t1)＋Δt＋[(合成波のうなりの周期)/2]を算出することで、測距位置（ガルバノミラー１０１−２の角度）を算出し、処理は終了する。

図１１は、画面形状算出部３０４がステップＳ８で実行する画面形状算出処理の一例を説明するフローチャートであり、図１２は、測距位置情報の重ね合わせを説明する図である。図１２中、□印は測距位置情報に含まれる測距点を示し、上申書と共に提出するカラー図面では□印の色がフレーム毎に異なる。図１２に示す外枠の矩形形状が、プロジェクタ１０の投影画面の外枠形状に相当する。

図１１において、ステップＳ８１では、画面形状算出部３０４がメモリに記憶されている距離情報及び測距位置情報を統合する。図１２中、（ａ）は１フレーム目の測距位置情報を示し、（ｂ）は１フレーム目と２フレーム目の測距位置情報を重ね合わせて統合した結果を示し、（ｃ）は１フレーム目乃至３フレーム目までの３フレーム分の測距位置情報を重ね合わせて統合した結果を示し、（ｄ）は１フレーム目乃至１２フレーム目までの１２フレーム分の測距位置情報を重ね合わせて統合した結果を示す。なお、距離情報は、各□印で示される測距点の距離の数値を含み、測距位置情報と同様に１２フレーム分の距離情報が重ね合わされて統合される。

ステップＳ８２では、画面形状算出部３０４が投影画面への物の侵入を検知する。ユーザが投影画面上を指差す際は、必ず投影画面の端から指が侵入するので、画面形状算出部３０４は投影画面の外枠から内側への指（または、手）の侵入を検知する。投影画面へペン、スタイラス（Stylus）などが侵入した場合も、侵入を同様に検知できる。また、投影画面への侵入物の形状、材質、特性などは特に限定されず、導電性材料である必要はない。ステップＳ８３では、画面形状算出部３０４が投影画面への侵入があるか否かを判定し、判定結果がＹＥＳであると処理はステップＳ８４へ進み、判定結果がＮＯであると処理はステップＳ８７へ進む。

ステップＳ８４では、画面形状算出部３０４が投影画面への侵入物の侵入箇所から侵入物の先端の位置（即ち、タッチ位置）を検知する。この例では、投影画面へのユーザの手の先端（指）の位置を検知する。投影画面へペンなどが侵入した場合も、指の寸法の代わりにペンなどの寸法を考慮してタッチ位置を検知することができる。

図１３は、投影画面上の凹凸形状の等高線の一例を示す図である。図１３中、等高線は投影画面上の高さ位置を示し、上申書と共に提出するカラー図面では、同図の右側に数値で示すように、等高線の色が１０ｍｍ（１．０ｃｍ）間隔で異なる。図１３に示す等高線は、１２フレーム分の測距位置情報を重ね合わせて統合した結果と、１２フレーム分の距離情報を重ね合わせて統合した結果とを統合した結果に相当する。

ステップ８３は、投影画面内で、プロジェクタ１０から投影画面までの距離より短い距離が測距されると、図１３に示す如き等高線に基づいて投影画面への侵入を認識できる。例えば、指の厚さが約１０ｍｍ（１．０ｃｍ）であり、投影画面までの距離が３００ｍｍ（３０ｃｍ）の場合、ステップＳ８３は投影画面までの距離３００ｍｍ（３０ｃｍ）から約−５ｍｍ（−０．５ｃｍ）の距離が測距されると、投影画面への侵入を認識できる。また、ステップ８４は、図１３に示す如き等高線に基づいて投影画面内のタッチ位置を検知できる。例えば、ステップＳ８４は、投影画面内で、投影画面までの距離から−５ｍｍ（−０．５ｃｍ）から−１５ｍｍ（−１．５ｃｍ）の距離が測距されると、投影画面内のタッチ位置を検知できる。

ステップＳ８５では、画面形状算出部３０４が投影画面内のタッチ位置でのタッチが有るか否かを判定する。ステップＳ８５は、図１３に示す如き等高線に基づいて、投影画面内のタッチ位置でのタッチの有無を判定できる。例えば、指の厚さを約１０ｍｍ（１．０ｃｍ）とすると、ステップＳ８５は、例えばプロジェクタ１０から投影画面までの距離が３００ｍｍ（３０ｃｍ）で、指の先端までの距離が２００ｍｍ（２０ｃｍ）である場合、指の先端までの距離は投影画面までの距離から−１００ｍｍ（−１０ｃｍ）なので、タッチが無いと判定できる。一方、ステップＳ８５は、例えばプロジェクタ１０から指の先端までの距離が２９５ｍｍ（２９．０ｃｍ）から２８５ｍｍ（２８．５ｃｍ）であると、タッチが有ると判定できる。

なお、例えば図１３の投影画面内の左中部分に凸形状があり、この部分で等高線の色が変わっているなど、投影画面が投影される面が平坦面ではない場合もあり得るが、投影画面の端からの侵入が検知ができない固定位置の凸形状などは無視すれば良い。

ステップＳ８５の判定結果がＹＥＳであると、ステップＳ８６では、画面形状算出部３０４がステップＳ８４で検知されたタッチ位置を示すタッチ位置情報と、ステップＳ８５でタッチが有ると判定されたことを示すタッチ有無信号とを出力するタッチ判定を行い、処理は終了する。一方、ステップＳ８３またはステップＳ８５の判定結果がＮＯであると、ステップＳ８７では、画面形状算出部３０４がステップＳ８４でタッチ位置が検知されなかったことを示すタッチ位置情報、あるいは、ステップＳ８５でタッチが無いと判定されたことを示すタッチ有無信号を出力するタッチ未判定を行い、処理は終了する。

図１４は、一実施例における可搬型装置の一例を説明する図である。この例では、ユーザＵ１が可搬型装置５０を持ってＬＤ部１００からの投影画面３１を机５１上に形成する。可搬型装置５０は、プロジェクタ１０を備えたデジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話などで形成されている。ユーザＵ２が投影画面３１上の位置を指差すと、プロジェクタ１０はＰＤ部２００で受光した反射光に基づいてユーザＵ２が指差した投影画面３１上のタッチ位置とタッチの有無を検出する。従って、画面制御部３０５は、画面形状算出部３０４で算出されたタッチ位置情報及びタッチ有無信号に基づいて投影画面３１上でのユーザＵ２の手の動きを捉えて、必要に応じた画面操作を行うことができる。なお、投影画面３１は、机５１上に限定されず、例えば壁などにも形成可能である。また、投影画面３１は、机５１上の水平面以外の面に形成しても良い。さらに、可搬型装置５０は、ユーザＵ１が把持する必要はなく、例えば台（図示せず）などの上に置かれていても良い。要は、プロジェクタ１０は、画面操作を行うユーザの手、指、手に持たれたペンなどが、プロジェクタ１０と投影画面３１が投影される面との間の位置を取り得る配置にすれば良い。

投影画面３１が例えば画像の場合、ユーザＵ２の手、指、またはユーザＵ２が持つペンなどの動きに応じた各種操作を画像に対して行うことが可能となる。投影画面３１は、メニュー画面、キーボード、テンキーなどであっても良く、この場合、ユーザＵ２の手、指、またはユーザＵ２が持つペンなどの動きに応じたボタン操作やキー入力を行うことが可能となる。例えば、投影画面３１がキーボードであり、ユーザＵ２がキーボード上の「Ａ」のキーの位置をタッチすれば、画面制御部３０５はキーボードの投影画面３１とタッチ位置を重ねることで、「Ａ」のキーが操作されたことを認識することができ、例えば「Ａ」のキーが操作されたことを示すキーボードの投影画面３１を出力するようにＬＤ制御部３０７を制御することも可能となる。このようにして、プロジェクタ１０が投影している投影画面３１にユーザが直接触れるなどして画面制御を行う非接触インターフェースを実現することができる。

開示の測距装置によれば、高速で連続的な測距を高精度に行うことができる。また、ガルバノミラーを使用したヘテロダイン位相比較法における測距位置のずれをなくすことができ、投影画面全体に渡って測距を高精度に行うことができる。さらに、測距装置の構成が比較的小型で簡単であることから、携帯型装置に適した非接触インターフェースを形成可能となる。

以上の実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
被測定対象に対してレーザ光をガルバノミラーで振動周波数で振動させて出射すると共に、リファレンス光を出射する光源系と、
前記被測定対象からの反射光を検出して反射光信号を出力すると共に、前記リファレンス光を検出してリファレンス光信号を出力する受光系と、
前記反射光信号に前記反射光信号の周波数に近い周波数を合成した合成波及び前記リファレンス光信号に前記リファレンス光信号の周波数に近い周波数を合成した合成波の夫々のゼロクロス点の位相差に基づいて前記被測定対象までの距離を算出する距離算出部と、
フレーム毎に前記ガルバノミラーの基準位置でゼロとなる基準信号及び前記距離に基づいて前記レーザ光を投射している測距位置を算出する測距位置演算部
を備えたことを特徴とする、測距装置。
（付記２）
前記測距位置演算部は、前記基準信号から前記リファレンス光信号のゼロクロスまでの時間をΔt、前記リファレンス光信号のゼロクロスの時刻をt1、前記反射光信号のゼロクロスの時刻をt2とすると、１点目の測距については (t2-t1)＋Δtから前記測距位置を算出し、２点目以降の測距については(t2-t1)＋Δt＋[(前記合成波のうなりの周期)/2]から前記測距位置を算出することを特徴とする、付記１記載の測距装置。
（付記３）
前記光源系は、前記レーザ光の走査を所定フレーム数毎に行い、
前記振動周波数であるフレームレートと前記合成波のうなりの周期が前記所定フレーム数以内で同期せず、１フレーム目の測距位置が[(所定フレーム数)＋１]目で戻るように前記合成波のうなりの周波数が設定されていることを特徴とする、付記１または２記載の測距装置。
（付記４）
前記光源系は、前記レーザ光による投影画面を任意の表面に投影し、前記被測定対象は、前記表面と前記測距装置との間の位置を取ることを特徴とする、付記１乃至３のいずれか１項記載の測距装置。
（付記５）
レーザ光をガルバノミラーで振動周波数で振動させて出射して任意の表面に投影画面を投影すると共に、リファレンス光を出射する光源系と、
被測定対象からの反射光を検出して反射光信号を出力すると共に、前記リファレンス光を検出してリファレンス光信号を出力する受光系と、
前記反射光信号に前記反射光信号の周波数に近い周波数を合成した合成波及び前記リファレンス光信号に前記リファレンス光信号の周波数に近い周波数を合成した合成波の夫々のゼロクロス点の位相差に基づいて前記被測定対象までの距離を算出する距離算出部と、
フレーム毎に前記ガルバノミラーの基準位置でゼロとなる基準信号及び前記距離に基づいて前記レーザ光を投射している測距位置を算出する測距位置演算部と、
前記測距位置と対象物の寸法に基づいて、前記投影画面上に位置する前記対象物のタッチ位置及び前記表面へのタッチの有無を算出する画面形状算出部
を備えたことを特徴とする、入力装置。
（付記６）
前記測距位置演算部は、前記基準信号から前記リファレンス光信号のゼロクロスまでの時間をΔt、前記リファレンス光信号のゼロクロスの時刻をt1、前記反射光信号のゼロクロスの時刻をt2とすると、１点目の測距については (t2-t1)＋Δtから前記測距位置を算出し、２点目以降の測距については(t2-t1)＋Δt＋[(前記合成波のうなりの周期)/2]から前記測距位置を算出することを特徴とする、付記５記載の入力装置。
（付記７）
前記光源系は、前記レーザ光の走査を所定フレーム数毎に行い、
前記振動周波数であるフレームレートと前記合成波のうなりの周期が前記所定フレーム数以内で同期せず、１フレーム目の測距位置が[(所定フレーム数)＋１]目で戻るように前記合成波のうなりの周波数が設定されていることを特徴とする、付記５または６記載の入力装置。
（付記８）
前記光源系は、前記レーザ光による投影画面を任意の表面に投影し、前記被測定対象は、前記表面と前記測距装置との間の位置を取ることを特徴とする、付記５乃至７のいずれか１項記載の入力装置。
（付記９）
前記タッチ位置及び前記タッチの有無に基づいて画像情報信号を生成する画面制御部と、
前記画像情報信号に基づいて前記光源系の前記レーザ光及び前記リファレンス光の出射を制御する制御信号を生成する光制御部
を更に備えたことを特徴とする、付記５乃至８のいずれか１項記載の入力装置。
（付記１０）
前記画面形状算出部は、前記所定フレーム数分の前記測距位置を重ね合わせて統合した結果と、前記所定フレーム数分の距離情報を重ね合わせて統合した結果とを統合した結果に相当する等高線に基づいて、前記投影画面上に位置する前記対象物のタッチ位置及び前記表面へのタッチの有無を算出することを特徴とする、付記７記載の入力装置。

以上、開示の測距装置及び入力装置を実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能であることは言うまでもない。

１０プロジェクタ
３１投影画面
５０携帯型装置
１００ＬＤ部
１０１ＬＤ走査部
１０２リファレンス光反射部
１０３レーザ光出射部
２００ＰＤ部
２０１リファレンス光検出部
２０２反射光検出部
３００制御部
３０１変調周波数演算部
３０２距離演算部
３０３測距位置演算部
３０４画面形状算出部
３０５画面制御部
３０６走査制御部
３−７ＬＤ制御部

Claims

被測定対象に対してレーザ光をガルバノミラーで振動周波数で振動させて出射して前記レーザ光の走査を所定フレーム数毎に行うと共に、リファレンス光を出射する光源系と、
前記被測定対象からの反射光を検出して反射光信号を出力すると共に、前記リファレンス光を検出してリファレンス光信号を出力する受光系と、
前記反射光信号に前記反射光信号の周波数に近い周波数を合成した第１合成波及び前記リファレンス光信号に前記リファレンス光信号の周波数に近い周波数を合成した第２合成波の夫々のゼロクロス点の位相差に基づいて前記被測定対象までの距離を算出する距離算出部と、
フレーム毎に前記ガルバノミラーの基準位置でゼロとなる基準信号及び前記距離算出部による前記距離の算出タイミングに基づいて前記レーザ光を投射している測距位置を算出する測距位置演算部と、
を備え、
前記振動周波数であるフレームレートと前記第１及び第２合成波のうなりの周期が前記所定フレーム数以内で同期せず、１フレーム目の測距位置が前記所定フレーム数に１を加算したフレーム数目で戻るように前記第１及び第２合成波のうなりの周波数が設定されていることを特徴とする、測距装置。
前記測距位置演算部は、前記基準信号から前記リファレンス光信号のゼロクロスまでの時間をΔt、前記リファレンス光信号のゼロクロスの時刻をt1、前記反射光信号のゼロクロスの時刻をt2とすると、１点目の測距については (t2-t1)＋Δtから前記測距位置を算出し、２点目以降の測距については(t2-t1)＋Δt＋[(前記第１及び第２合成波のうなりの周期)/2]から前記測距位置を算出することを特徴とする、請求項１記載の測距装置。
レーザ光をガルバノミラーで振動周波数で振動させて出射して前記レーザ光の走査を所定フレーム数毎に行い任意の表面に投影画面を投影すると共に、リファレンス光を出射する光源系と、
被測定対象からの反射光を検出して反射光信号を出力すると共に、前記リファレンス光を検出してリファレンス光信号を出力する受光系と、
前記反射光信号に前記反射光信号の周波数に近い周波数を合成した第１合成波及び前記リファレンス光信号に前記リファレンス光信号の周波数に近い周波数を合成した第２合成波の夫々のゼロクロス点の位相差に基づいて前記被測定対象までの距離を算出する距離算出部と、
フレーム毎に前記ガルバノミラーの基準位置でゼロとなる基準信号及び前記距離算出部による前記距離の算出タイミングに基づいて前記レーザ光を投射している測距位置を算出する測距位置演算部と、
前記測距位置と対象物の寸法に基づいて、前記投影画面上に位置する前記対象物のタッチ位置及び前記表面へのタッチの有無を算出する画面形状算出部と、
を備え、
前記振動周波数であるフレームレートと前記第１及び第２合成波のうなりの周期が前記所定フレーム数以内で同期せず、１フレーム目の測距位置が前記所定フレーム数に１を加算したフレーム数目で戻るように前記第１及び第２合成波のうなりの周波数が設定されていることを特徴とする、入力装置。
前記測距位置演算部は、前記基準信号から前記リファレンス光信号のゼロクロスまでの時間をΔt、前記リファレンス光信号のゼロクロスの時刻をt1、前記反射光信号のゼロクロスの時刻をt2とすると、１点目の測距については (t2-t1)＋Δtから前記測距位置を算出し、２点目以降の測距については(t2-t1)＋Δt＋[(前記第１及び第２合成波のうなりの周期)/2]から前記測距位置を算出することを特徴とする、請求項３記載の入力装置。
前記タッチ位置及び前記タッチの有無に基づいて画像情報信号を生成する画面制御部と、
前記画像情報信号に基づいて前記光源系の前記レーザ光及び前記リファレンス光の出射を制御する制御信号を生成する光制御部
を更に備えたことを特徴とする、請求項３または４記載の入力装置。
被測定対象に対してレーザ光をガルバノミラーで振動周波数で振動させて出射すると共に、リファレンス光を出射する光源系と、
前記被測定対象からの反射光を検出して反射光信号を出力すると共に、前記リファレンス光を検出してリファレンス光信号を出力する受光系と、
前記反射光信号に前記反射光信号の周波数に近い周波数を合成した第１合成波及び前記リファレンス光信号に前記リファレンス光信号の周波数に近い周波数を合成した第２合成波の夫々のゼロクロス点の位相差に基づいて前記被測定対象までの距離を算出する距離算出部と、
フレーム毎に前記ガルバノミラーの基準位置でゼロとなる基準信号及び前記距離算出部による前記距離の算出タイミングに基づいて前記レーザ光を投射している測距位置を算出する測距位置演算部と、
を備え、
前記測距位置演算部は、前記基準信号から前記リファレンス光信号のゼロクロスまでの時間をΔt、前記リファレンス光信号のゼロクロスの時刻をt1、前記反射光信号のゼロクロスの時刻をt2とすると、１点目の測距については (t2-t1)＋Δtから前記測距位置を算出し、２点目以降の測距については(t2-t1)＋Δt＋[(前記第１及び第２合成波のうなりの周期)/2]から前記測距位置を算出することを特徴とする、測距装置。
レーザ光をガルバノミラーで振動周波数で振動させて出射して任意の表面に投影画面を投影すると共に、リファレンス光を出射する光源系と、
被測定対象からの反射光を検出して反射光信号を出力すると共に、前記リファレンス光を検出してリファレンス光信号を出力する受光系と、
前記反射光信号に前記反射光信号の周波数に近い周波数を合成した第１合成波及び前記リファレンス光信号に前記リファレンス光信号の周波数に近い周波数を合成した第２合成波の夫々のゼロクロス点の位相差に基づいて前記被測定対象までの距離を算出する距離算出部と、
フレーム毎に前記ガルバノミラーの基準位置でゼロとなる基準信号及び前記距離算出部による前記距離の算出タイミングに基づいて前記レーザ光を投射している測距位置を算出する測距位置演算部と、
前記測距位置と対象物の寸法に基づいて、前記投影画面上に位置する前記対象物のタッチ位置及び前記表面へのタッチの有無を算出する画面形状算出部と、
を備え、
前記測距位置演算部は、前記基準信号から前記リファレンス光信号のゼロクロスまでの時間をΔt、前記リファレンス光信号のゼロクロスの時刻をt1、前記反射光信号のゼロクロスの時刻をt2とすると、１点目の測距については (t2-t1)＋Δtから前記測距位置を算出し、２点目以降の測距については(t2-t1)＋Δt＋[(前記第１及び第２合成波のうなりの周期)/2]から前記測距位置を算出することを特徴とする、入力装置。