JPWO2014104203A1 - 投影装置 - Google Patents

Abstract

ＲＧＢの各色レーザ光の利用効率を高め、各色レーザ光を出射するファイバのコアが離れていることに起因する投射点の位置ずれを解消するとともに、各色レーザ光により画像を投影しながら画像歪みまたは深度情報などの付加的な情報を検知可能な投影装置を提供する。投影装置は、赤色、緑色および青色の各色レーザ光ならびに赤外レーザ光を出射するレーザ光源と、各色レーザ光をそれぞれ伝送する各色用ファイバおよび赤外レーザ光を伝送する赤外線照射用ファイバの出射端部を固定する固定具と、各色用ファイバの出射端部から出射された各色レーザ光を走査して、投影面上に画像を投影する走査部と、赤外線照射用ファイバの出射端部から出射された赤外レーザ光の反射光を検知する検知部と、検知部が検知した情報に基づいて、レーザ光源による各色レーザ光の発光タイミングを制御する制御部とを有する。

Description

本発明は、レーザ光を走査して投影面上に画像を投影する投影装置に関する。

赤、緑および青の三原色（ＲＧＢ）のレーザ光をそれぞれ伝送するファイバのピグテイルを融着型ファイバコンバイナで合波することにより全ての色を作り出すレーザプロジェクタが知られている。また、融着型ファイバコンバイナを用いずに、フェルールにより束ねられて固定されたファイババンドルを有する光源装置も知られている。

特許文献１には、一方の端面においてコア径はそのままとしクラッドの外径が縮小され近接されて並列に束ねられた複数のコア・クラッド型光ファイバ、およびその光ファイバの各他方の端面とＲＧＢからなるレーザ光源とをそれぞれ光学的に連結する光学系ユニットとを有する光源装置が記載されている。

特許文献２には、複数の発光素子から射出される光が入射される複数の第１光ファイバ、およびその光を合波する合波部に一方の端部が接続される複数の第２光ファイバを固定するフェルール固定機構を備える光源装置と、光源装置からの光を二次元的に走査して画像を形成する光スキャナと、光スキャナによって走査された光を所定の投影面に結像させる結像光学系とを備えるプロジェクタが記載されている。

特許文献３には、ＲＧＢの半導体レーザから出射した各レーザビームを集光レンズにより集光させ、可動ミラーにより偏向させて、スクリーン上に２次元画像として描画させる光走査型カラープロジェクタ装置が記載されている。この装置は、各レーザビームが同一画素地点に到達したときにその画素の画像情報で点灯するように各レーザビームの点灯タイミングに時間差を与えることにより、高解像度のカラー画像を表示する。

特許文献４には、走査手段の共振周波数を安定化させるとともに、高品質な画像を得ることが可能な画像表示装置が記載されている。この画像表示装置は、光を射出する光源装置と、光源装置から射出された光を被投射面に向けて走査する走査手段と、走査手段に光を照射する他の光源装置と、走査手段に吸収される熱量が一定になるように他の光源装置から射出される光の光量を制御する制御手段とを備える。

特許文献５には、画像信号に応じて変調された光を出射する複数の光源と、複数の光源からの光を互いに平行なビーム光線に変換するコリメートレンズと、変換された複数のビーム光線のビーム間隔を絞ってほぼ同一光軸上に集光する集光レンズ系と、ほぼ同一光軸上に集光された光を角度可変ミラーにより反射して被投射面上に二次元走査する光走査手段とを備える投射型表示装置が記載されている。

特開２００８−２１６５０６号公報 特開２０１１−２４２４７６号公報 特開２００６−１８６２４３号公報 特開２００８−０１５００１号公報 特開２０１０−０８５８１９号公報

レーザプロジェクタに融着型ファイバコンバイナを用いると、融着されたファイバでは隣接するコア間の距離が近くなる。このコア間が近づいた領域では、光ファイバ同士の光結合が生じる。隣接するコアが結合する結合長を所定の値とすることで、目的とする波長で合波し、所定の出力側ファイバにほとんどの光を結合させることが原理的には可能である。しかし、結合長を高精度に制御することは融着法では一般に困難である。このため、隣接コア間で意図しないクロストークなどが発生し、出力側に合波される光に漏れが生じて、光の利用効率が低くなる。融着型ファイバコンバイナを用いずにファイバを束ねる構成をとったとしても、フェルールによりファイバを単に束ねるだけでは、投影された画像がにじんで見える。これは、ＲＧＢレーザ光用の各ファイバのコアが離れているため、ＲＧＢ間で投射点に位置ずれが発生することに起因する。

また、例えば、ＲＧＢレーザ光を２次元状に走査する走査部が共振型のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スキャナにより構成されていると、ＭＥＭＳスキャナの温度変化に起因してその共振周波数が変化することにより、投影画像に歪みが生じ得る。こうした画像歪みを除くためには、例えば、碁盤目のようなパタンを可視光で投影し、投影面上に生じたその碁盤目の歪みを打ち消すように投影画像を補正することが考えられる。しかし、ＲＧＢの可視光を使って補正を行うと、本来表示させたい画像の投影と画像歪みの計測を同時に行うことができず、投影画像の歪みをリアルタイムに補正することが難しい。

また、例えば、投影装置から投影面までの距離によらずに同じ大きさの画像を投影したいときなどには、その距離を示す深度情報を用いてＲＧＢレーザ光の走査角を制御することなどが必要になる。この深度情報は可視光を使って検知することもできるが、可視光を使うと、画像を投影している状態でなければ深度情報を検知できないという不具合がある。また、赤外線を使って深度情報を検知する場合には、通常、投影装置と深度センサをそれぞれ別個に設けることになるため、装置を小型化しかつ低価格化することが難しい。

そこで、本発明は、ＲＧＢの各色レーザ光の利用効率を高め、各色レーザ光を出射するファイバのコアが離れていることに起因する投射点の位置ずれを解消するとともに、各色レーザ光により画像を投影しながら画像歪みまたは深度情報などの付加的な情報を検知可能な投影装置を提供することを目的とする。

投影装置は、赤色、緑色および青色の各色レーザ光を出力するレーザ光源と、各色レーザ光をそれぞれ伝送する赤色用ファイバ、緑色用ファイバおよび青色用ファイバの各色ファイバを固定する固定具と、各色レーザ光を走査して、投影面上に画像を投影する走査部と、走査部により走査された光を投影面に結像させる光学系とを有し、走査部による走査方向に沿って各色レーザ光の各投射点が順に並ぶように、固定具が赤色用ファイバ、緑色用ファイバおよび青色用ファイバを固定することを特徴とする。

上記の投影装置では、レーザ光の発光点から投影面までの距離を示す深度情報を検知する検知部と、各色ファイバの位置関係に起因して投影面上に生じる各色の投射点の位置ずれを打ち消すように、深度情報に応じてレーザ光源による各色レーザ光の出射タイミングを制御する制御部とをさらに有することが好ましい。

また、投影装置は、互いに色が異なり発光点が同一面上にある複数のレーザ光を出射するレーザ光源と、複数のレーザ光を走査して、投影面上に画像を投影する走査部と、走査部により走査された光を投影面に結像させる光学系と、投影面上に生じる複数のレーザ光の各投射点の位置ずれを打ち消すように、各投射点間の距離および走査部による走査方向に対する各投射点間の位置ずれの方向に基づいて、レーザ光源による複数のレーザ光の発光タイミングを制御する制御部とを有することを特徴とする。

上記の投影装置では、複数のレーザ光の発光点から投影面までの距離を示す深度情報を検知する検知部をさらに有し、制御部が、さらに深度情報に基づいて発光タイミングを制御することが好ましい。

上記の投影装置では、レーザ光源は、複数のレーザ光として少なくとも赤色、緑色および青色のレーザ光を、赤色、緑色および青色のレーザ光の各投射点が投影面上で走査方向に沿って一列に並ぶように出射することが好ましい。

上記の投影装置では、レーザ光源は、赤色、緑色および青色のレーザ光を、赤色用ファイバ、緑色用ファイバおよび青色用ファイバの各色ファイバからそれぞれ出射し、赤色、緑色および青色のレーザ光の各投射点が走査方向に沿って一列に並ぶように各色ファイバを固定する固定具をさらに有することが好ましい。

上記の投影装置では、固定具が、各色ファイバとともに、深度情報を検知するための赤外線を出力する赤外線照射用ファイバを固定することが好ましい。

また、投影装置は、赤色、緑色および青色の各色レーザ光ならびに赤外レーザ光を出射するレーザ光源と、各色レーザ光をそれぞれ伝送する各色用ファイバおよび赤外レーザ光を伝送する赤外線照射用ファイバの出射端部を固定する固定具と、各色用ファイバの出射端部から出射された各色レーザ光を走査して、投影面上に画像を投影する走査部と、赤外線照射用ファイバの出射端部から出射された赤外レーザ光の反射光を検知する検知部と、検知部が検知した情報に基づいて、レーザ光源による各色レーザ光の発光を制御する制御部とを有することを特徴とする。

上記の投影装置では、検知部は、各色用ファイバの出射端部から投影面までの距離を示す深度情報を検知し、制御部は、深度情報に基づいて発光を制御することが好ましい。

上記の投影装置では、制御部は、固定具により固定される各色用ファイバの位置関係に起因して投影面上に生じる各色レーザ光の投射点間の位置ずれ量に基づいて、発光のタイミングを制御することが好ましい。

上記の投影装置では、固定具は、各色レーザ光の投射点が走査部による走査方向に沿って一列に並ぶように各色用ファイバの出射端部を固定することが好ましい。

上記の投影装置では、固定具は、各色用ファイバおよび赤外線照射用ファイバとともに、反射光を受光して伝送する赤外線受光用ファイバの端部を固定し、検知部は、赤外線受光用ファイバにより伝送される光から深度情報を検知することが好ましい。

上記の投影装置では、固定具は、長さ方向に垂直な平面に対して傾斜した出射端面を有する各色用ファイバを固定し、走査部は、各色用ファイバから長さ方向に対して傾斜した方向に出射されるレーザ光を走査することが好ましい。

上記の投影装置では、走査部は、各色レーザ光を投影面上に２次元状に走査するＭＥＭＳスキャナであり、各色用ファイバの出射端部から出射された各色レーザ光がＭＥＭＳスキャナに照射されるように整形する投影レンズをさらに有し、ＭＥＭＳスキャナは、投影レンズの焦点距離だけ投影レンズから離れて配置されることが好ましい。

上記の投影装置では、走査部は、各色レーザ光による画像と赤外レーザ光による画像を投影面上に重ねて投影し、検知部は、投影面上に投影された画像を撮像する赤外線カメラであり、制御部は、赤外線カメラにより撮像された画像に基づいて、投影面上に投影された画像の歪みを検出し、歪みを打ち消すように補正した画像データにより発光を制御することが好ましい。

上記の投影装置では、検知部は、撮像部の前方に配置された各色レーザ光および赤外レーザ光の波長帯の光を透過するバンドパスフィルタをさらに有することが好ましい。

上記の投影装置によれば、ＲＧＢの各色レーザ光の利用効率を高め、各色レーザ光を出射するファイバのコアが離れていることに起因する投射点の位置ずれを解消するとともに、各色レーザ光により画像を投影しながら画像歪みまたは深度情報などの付加的な情報を検知可能な投影装置を提供することが可能になる。

レーザプロジェクタ１の全体構成を説明するための図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、フェルール２３とファイババンドルを説明するための図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、ＭＥＭＳスキャナ２５によるレーザ光２８の走査方向を説明するための図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、複数のファイバからの画像出力を重ねる場合の条件について説明するための図である。 レーザプロジェクタ１の投射光学系を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、図５の投射光学系による実験結果を示したグラフである。 （Ａ）および（Ｂ）は、各投射点の位置ずれを補正する方法の例を説明するための図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、各投射点の位置ずれを補正する方法の別の例を説明するための図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、各投射点の位置ずれを補正する方法のさらに別の例を説明するための図である。 制御部４０が各色の投射点の位置ずれを補正する処理の例を示したフローチャートである。 ＲＧＢファイバに加えて赤外線を出射するＩＲファイバを束ねたファイババンドルを示す図である。 図１１のファイババンドルを用いたレーザプロジェクタ２の概略構成図である。 ファイババンドルの別の例を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、各ファイバ２１の出射端面を斜めにカットする変形例を説明するための図である。 好ましい出射端面のカット方向を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、投影装置について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

図１は、レーザプロジェクタ１の全体構成を説明するための図である。レーザプロジェクタ１は投影装置の一例であり、レーザ光源１０と、出射部２０と、検知部３０と、制御部４０とを主要な構成要素として有する。レーザプロジェクタ１は、レーザ光源１０から出射された各色のレーザ光を、フェルールにより束ねられた３本のファイバからそれぞれ出力し、揺動するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スキャナを介して２次元状に走査して、投影面５０上に画像を投影する。

レーザ光源１０は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の各色レーザ光を出射するレーザダイオード（ＬＤ）１１、１２および１３を有する。レーザ光源１０は、各レーザダイオード（ＬＤ）１１、１２および１３の発光タイミングや発光強度などが、投影される画像の画像データに応じて制御部４０により制御される。

出射部２０は、レーザ光源１０からの各色レーザ光を投影面５０に向けて出射する。出射部２０は、複数のファイバ２１と、フェルール２３と、投影レンズ２４と、ＭＥＭＳスキャナ２５と、ＭＥＭＳドライバ２６と、遮蔽部２９とを有する。

複数のファイバ２１には、レーザ光源１０からの各色レーザ光をそれぞれ伝送するファイバと、図示しないダミーのファイバが含まれる。それぞれのファイバは、例えばシングルモードの光ファイバである。以下では、レーザダイオード１１、１２および１３からのＲ、ＧおよびＢのレーザ光を伝送するファイバのことを、それぞれＲファイバ、Ｇファイバ、Ｂファイバという。これらのファイバをまとめて、ＲＧＢファイバともいう。また、ダミーファイバのことをＤファイバという。レーザプロジェクタ１は、Ｒファイバ、ＧファイバおよびＢファイバを１本ずつ有し、Ｄファイバを複数本有する。

フェルール２３は、固定具の一例であり、Ｒファイバ、Ｇファイバ、ＢファイバおよびＤファイバを、レーザ光源１０とは反対側の端部で束ねて固定する。フェルール２３は、ファイババンドルを形成するファイババンドルコンバイナとして機能する。ＲＧＢの各色レーザ光は、フェルール２３の端部にある各ファイバ２１の出射端面から出射される。

投影レンズ２４は、各ファイバ２１の出射端面から出射された各色レーザ光がＭＥＭＳスキャナ２５に照射されるように整形する。

ＭＥＭＳスキャナ２５は、走査部の一例であり、投影レンズ２４からの各色レーザ光を投影面５０上に２次元状に走査する。ＭＥＭＳスキャナ２５は、ＭＥＭＳドライバ２６により、例えば水平方向および垂直方向に高速に揺動される。水平方向には、ＭＥＭＳスキャナ２５は例えば約２０ＫＨｚで共振駆動され、その走査角は正弦波状に時間変化する。垂直方向には、ＭＥＭＳスキャナ２５は鋸波状の強制駆動により例えば６０Ｈｚで駆動され、その走査角は鋸波状に時間変化する。

ＭＥＭＳドライバ２６は、制御部４０による制御データに応じてＭＥＭＳスキャナ２５を駆動し、ＭＥＭＳスキャナ２５を水平方向および垂直方向に高速に揺動させる。この駆動方式は、静電方式や、電磁方式、ピエゾ方式などのどれを用いてもよい。また、水平走査と垂直走査で異なる駆動方式を組み合わせてもよい。

遮蔽部２９は、矩形の開口（図３（Ａ）を参照）を有する枠体であり、ＭＥＭＳスキャナ２５により走査されるレーザ光２８の走査領域の周囲を遮光する。遮蔽部２９の開口内を通過するレーザ光２８が投影面５０上に画像を表示する。

検知部３０は、出射部２０でのレーザ光の発光点から投影面５０までの距離（深度情報）を検知する。検知部３０は、赤外線照射部３１と、赤外線検知部３２とを有する。赤外線照射部３１は、レーザプロジェクタ１が設置されている空間内に赤外線を照射する。赤外線検知部３２は、例えば赤外線カメラであり、赤外線照射部３１から照射された赤外線がその空間内の物体や、床、壁等により反射された反射光を受光する。検知部３０は、例えばタイムオブフライト（ＴＯＦ）方式を利用し、赤外線照射部３１が赤外線を照射してから赤外線検知部３２が反射光を受光するまでの光の飛行時間を計測することにより深度情報を検知する。または、検知部３０は、Ｍ−Ａｒｒａｙなどの疑似ランダムドット照射法による３角測量方式を用いることもできる。検知部３０は、その深度情報を制御部４０に通知する。

制御部４０は、レーザプロジェクタ１全体の動作を制御する。制御部４０は、ＣＰＵ４１と、ＲＡＭ４２と、ＲＯＭ４３と、Ｉ／Ｏ４４とを有する。Ｉ／Ｏ４４は、レーザ光源１０、出射部２０および検知部３０の間でデータの受け渡しを行うためのインタフェースである。制御部４０は、画像データおよび検知部３０から取得した深度情報に応じて、後述するようにレーザ光源１０の発光タイミングを制御する。また、制御部４０は、出射部２０を制御してレーザ光を投影面５０上に投影させる。

なお、レーザプロジェクタ１は、理想的なガウスビームとみなせるレーザ光を利用して画像を投影するため、ＭＥＭＳスキャナ２５の投射角とガウスビームの拡散角とを最適に調整することで、出射部２０と投影面５０の間の距離に拘わらず良好な画像を投影面５０上に結像することができるという特性（フォーカスフリー特性）を有している。このため、壁等に設置された投影面上に単に画像を投影する限りは、深度情報を用いなくても、良好な画像の投影が可能である。

しかし、出射部２０から投影面５０までの距離によらずに一定の大きさの画像を投影する場合には、深度情報が必要になる。例えば、画像を投影可能な所定の空間内で手のひらを検出し、検出された手のひらに画像を表示する場合には、レーザプロジェクタ１からの距離に関係なく常に一定の大きさの画像を表示する。このためには、投影面となる手のひらまでの距離を検知して、出射部２０からのレーザ光の出射角度を変えるなどして、投影すべき画像サイズを距離に応じて変化させることで、手のひら上での画像サイズが一定になるようにする。このような例では、検知部３０による深度情報が必要になる。

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、フェルール２３とファイババンドルを説明するための図である。図２（Ａ）は、フェルール２３の破断斜視図である。図２（Ｂ）は、フェルール２３により固定されるファイババンドルの断面図である。図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）に示した各ファイバ２１がどのファイバであるかを説明するための図である。

フェルール２３は、例えばジルコニアにより円筒形に構成される。フェルール２３は、Ｒファイバ２１ｒ、Ｇファイバ２１ｇ、Ｂファイバ２１ｂをそれぞれ１本ずつと、Ｄファイバ２１ｄを４本のファイバを固定する。これらの計７本のファイバは、円筒形の貫通孔２３ａの中で最密充填配置される。

各ファイバ２１は、コア２１１と、コアの周囲を覆うクラッド２１２とを有する。コア２１１は、ファイバ２１の芯の中心に形成され、レーザ光を伝送する。各ファイバ２１には、所定の波長に適したシングルモードファイバまたは偏波保持ファイバを用いることができる。クラッド２１２は、コア２１１の外周に形成され、コア２１１よりも屈折率が低い。ＲＧＢファイバのそれぞれには、図２（Ａ）に示した端部と反対側の端部（図示せず）に、レーザダイオード１１、１２および１３が接続される。そして、図２（Ａ）に示したＲＧＢファイバのそれぞれの端部から、各色レーザ光が出射される。

これらの複数のファイバ２１は、中心となるＧファイバ２１ｇを取り囲むように、他の６本のファイバが同心円状に配置される。さらに、Ｒファイバ２１ｒ、Ｇファイバ２１ｇおよびＢファイバ２１ｂが、その同心円の直径上で図２（Ｃ）のＡ方向に並ぶように配置される。各ファイバ２１の直径は略等しく、隣接する２つのコア２１１間の距離も略等しくなる。フェルール２３は、こうした配置で束ねられたファイババンドルを固定する。なお、フェルール２３はレーザプロジェクタ１に対して固定されている。すなわち、レーザプロジェクタごと（装置ごと）に、各ファイバ２１の配置は固定されている。

このように、レーザプロジェクタ１では、ＲＧＢの各ファイバからの光を１本のファイバに結合するのではなく、ＲＧＢファイバを含む複数のファイバ２１を単に束ねてファイババンドルとし、フェルール２３で固定する。これにより、レーザプロジェクタ１では、融着されたファイバで起こり得るファイバ相互間での影響を抑えて、レーザ光の利用効率を向上させる。

なお、フェルール２３は、ステンレス鋼など他の材質で構成してもよい。また、フェルール２３とは別の固定具を用いて上記のファイババンドルを固定してもよい。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、ＭＥＭＳスキャナ２５によるレーザ光２８の走査方向を説明するための図である。まず、図３（Ａ）は、レーザ光２８の走査方向を説明する図である。ＭＥＭＳスキャナ２５の揺動により、レーザ光２８の投射点５１は矢印方向に移動し、破線および実線で示した正弦波状の軌跡Ｌを描く。軌跡は、投影面５０（図１を参照）に対してほぼ水平方向に繰返し往復しながら、投影面上を２次元状に覆う。ただし、図３（Ａ）では、説明のため走査本数を少なく表示している。

図３（Ａ）では、水平方向をＸ方向とし、垂直方向をＹ方向とする。レーザ光２８は、Ｘ方向表示幅Ａ１とＹ方向表示幅Ｂ１を有する矩形内で走査される。ただし、レーザ光２８は、遮蔽部２９上を走査しているとき（破線で示す軌跡）は遮光される。このため、レーザ光２８は、Ｘ方向表示幅Ａ２とＹ方向表示幅Ｂ２を有する遮蔽部２９の開口２９ａを走査しているとき（実線で示す軌跡）だけ投影面に到達する。

投射点５１の軌跡Ｌは、点Ｐ１を始点として破線および実線で示す正弦波状の曲線に沿って矢印方向に移動する。軌跡Ｌは、開口２９ａ内では、例えば軌跡Ｌａ１，Ｌａ２のようにほぼＸ方向の軌跡を形成し、遮蔽部２９上では、例えば軌跡Ｌｂ１，Ｌｂ２のように曲線を描き、これらを周期的に繰り返す。軌跡Ｌは、最下端の点Ｐ２に到達すると、細かい点線で示す正弦波状の曲線Ｌｃ１，Ｌｃ２に沿って上方へ向かい、始点Ｐ１に戻る。これにより、１画面分の描画が終了する。レーザプロジェクタ１は、以上の走査を繰り返すことにより、連続的に画像を投影する。

図３（Ｂ）は、ＭＥＭＳスキャナ２５の概略図である。ＭＥＭＳスキャナ２５は、反射面となる微小ミラー２５１がトーションバー２５２，２５３で支持された構造を有する。微小ミラー２５１は、トーションバー２５２が捻れることにより、軸２５４を中心軸として水平方向（Ｘ方向）に揺動する。これにより、微小ミラー２５１の反射面の法線がＸ方向に変化するため、微小ミラー２５１に入射するレーザ光の反射角がＸ方向に変化する。また、微小ミラー２５１は、トーションバー２５３が捻れることにより、軸２５４に直交する軸２５５を中心軸として垂直方向（Ｙ方向）に揺動する。これにより、微小ミラー２５１の反射面の法線がＹ方向に変化するため、微小ミラー２５１に入射するレーザ光の反射角がＹ方向に変化する。このようにして、ＭＥＭＳスキャナ２５によりレーザ光は２次元状に走査される。

上記のような走査に対応して、レーザプロジェクタ１では、レーザ光２８の水平走査方向（図３（Ａ）のＸ方向）に沿って各色の投射点が順に並ぶように、フェルール２３がＲＧＢファイバを固定する。すなわち、レーザプロジェクタ１では、フェルール２３が、図２（Ｃ）に示すようにファイババンドルの同心円の直径上にＲＧＢファイバを並べて固定して、ＲＧＢの各投射点が投影面上で１直線上に並ぶようにする。その上で、ＲＧＢファイバが並ぶ方向（図２（Ｃ）のＡ方向）と、レーザ光の反射角が水平方向に変化するＭＥＭＳスキャナ２５の揺動方向（図３（Ｂ）のＸ方向）とが一致するように、フェルール２３を配置する。これにより、ＲＧＢの各投射点が投影面上でＸ方向に並ぶようになる。このようにレーザ光２８の走査方向とＲＧＢファイバの並び方向を揃えておくと、以下で説明するように、各ファイバのコアが離れていることに起因する投射点５１の位置ずれを補正し易くなる。

なお、ＲＧＢファイバの並び方向とＭＥＭＳスキャナ２５の揺動方向とは必ずしも一致しなくてよい。すなわち、ＭＥＭＳスキャナ２５の揺動方向に対するＲＧＢファイバの並び方向は任意でよい。また、ファイババンドル内の各ファイバ２１の配置は必ずしもＲＧＢファイバが１直線上に並ぶものでなくてもよい。ファイバ２１の本数は、７本でなくてもよい。ＭＥＭＳスキャナ２５の揺動方向に対するファイババンドル内の各ファイバ２１の配置は、レーザプロジェクタ１ごと（装置ごと）に定まる既知の情報である。この情報から、投影面５０上での各投射点５１の配置がわかる。

ここで、ファイババンドル方式のレーザプロジェクタでＲＧＢ各色の画像を重ねることができる条件について説明する。簡単のため、各色用ファイバからの出射光が平行な直線（コリメート光）であり、互いに水平走査方向だけにずれていると近似・仮定する。また、光学系を幾何光学で近似し、投影レンズの焦点距離にＭＥＭＳスキャナが配置されているとする。ファイバのコア間距離をｄとし、ＭＥＭＳスキャナが振動していない原点位置にあるときの、中央のファイバからの光線と隣接するファイバからの光線がなす角をシフト角βとする。このとき、コア間距離ｄとシフト角βの関係は、
ｄ／ｆ＝ｔａｎβ （１）
となる。ここで、ｆは投影レンズの焦点距離である。式（１）は位置・角度変換を表す。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、複数のファイバからの画像出力を重ねる場合の条件について説明するための図である。

図４（Ａ）は、２本のファイバからの画像出力を重ねる場合についての図である。中央のファイバから光（実線）による画像Ｉを、シフト角βより大きい走査角θ（θ＞β）で投影面５０に投影することを考える。このとき、隣接するファイバから光（破線）による画像Ｊは、同じ走査角θをもち、光軸Ｕで画像Ｉと交差する。画像Ｉと画像Ｊが投影面５０上で重なってできる正の値をもつ重なり角γは、図４（Ａ）の各角度の関係から、
γ＝２θ−β （２）
となる。

図４（Ｂ）は、３本のファイバからの画像出力を重ねる場合についての図である。中央のファイバと外側のファイバの距離は、ともに等しくｄであるとする。光軸Ｕで３本のファイバからの画像が交差するため、β＜θである。重なり角γは、図４（Ｂ）から、
γ＝２（θ−β） （３）
と求められる。すなわち、２本のファイバからの画像出力を重ねる場合の式（２）よりβだけ重なり角が狭くなる。

レーザプロジェクタ１が天井などに設置されており、ＲＧＢの３本のファイバを含むファイババンドルを利用して、例えば所定の空間内で検出された手のひらの上に画像を投影する場合には、式（３）を考慮した設計が必要である。手のひらなどの小さなターゲットに画像を表示するときは、投射距離が長くなるため、走査角θを小さくする。そのため、シフト角βが大きいと、画像を表示できる有効な重なり角γが非常に小さくなる。すると、ＭＥＭＳスキャナ２５による走査倍角２θのうち画像表示に使える時間は重なり角γに比例するため、画像表示できる時間が短くなってレーザ光の利用効率が下がる。例えば、投影面までの距離が数十ｃｍと短ければ、ファイバ間距離ｄが８０μｍでも実用システムの開発が可能と思われる。しかし、それ以上に投射距離を伸ばす場合は、ファイバ間距離ｄをさらに短くする必要がある。

例えば、図４（Ｂ）において、ｄ＝８０μｍ、ｈ＝５０ｃｍ、ｆ＝２ｍｍとし、投影レンズ２４の焦点距離ｆにＭＥＭＳスキャナ２５を配置したと仮定する。このとき、シフト角βは、
β＝ｔａｎ^−１（ｄ／ｆ）＝２．２９° （４）
である。高さｈ＝５０ｃｍの位置に直径ｌ＝８ｃｍの円を表示させるのに必要な走査角θ_０は、ｄ＝０のとき、
θ_０＝ｔａｎ^−１（ｌ／２ｈ）＝４．５７° （５）
となる。一方、ｄ＝８０μｍのとき、重なり角γ＝２θ_０を２×４．５７＝９．１４°にするために必要な走査角θは、式（３）〜（５）より、
θ＝γ／２＋β＝６．８６° （６）
となる。したがって、垂直方向のずれがないとすると、走査範囲中で有効な面積比は、
θ_０／θ＝４．５７／６．８６°＝０．６７
となる。融着型コンバイナのロスは０．５に達することがあり、コンバイナに起因するロスを比較すると、０．６７／０．５＝１．３４となる。すなわち、この例では３４％ほどファイババンドルが有利な可能性がある。したがって、画像の大きさが直径８ｃｍ程度までは、ファイババンドルコンバイナを用いた方が、同じ光源でも明るい表示が得られる可能性がある。

次に、走査角θ_０＝１２°で対角２０インチの画像を投影するときを考える。この場合、ｈ＝９５．６ｃｍとなる。重なり角γ＝２θ_０は２×１２．０＝２４．０°とおけるから、ｄ＝８０μｍ、ｆ＝２ｍｍのときは、γ／２＝１２．０，β＝２．２９°より、
θ＝γ／２＋β＝１４．３°
となる。したがって、
θ_０／θ＝１２．０／１４．３＝０．８４
である。走査角θを大きくできる用途では、走査倍角２θのうち画像表示に使える時間が長くなるため、低出力でも融着型コンバイナより大幅に明るい表示が得られる可能性がある。

なお、上記の説明では、投影レンズ２４の焦点距離にＭＥＭＳスキャナ２５が配置され、ＲＧＢ各色がＭＥＭＳスキャナ２５の同じ位置に集光され、その点から投影面に投影されることを前提としている。ただし、実際には、投影レンズは理想的でなく、また設計上の理由からＭＥＭＳスキャナを投影レンズの近くに配置しなければならないなどの制約があるため、ＲＧＢ各色の投射点はＭＥＭＳスキャナの同じ位置にはならない。したがって、実際にレーザプロジェクタを設計する際は、そうした制約の下で、上記した画像の重なりの条件を考慮する必要がある。しかし、その場合でも、走査角θを大きくできる用途では、レーザプロジェクタ１のようにファイババンドルコンバイナを用いる方が、融着型コンバイナを用いるよりも明るい表示が得られると考えられる。

次に、出射部２０でのレーザ光の発光点から投影面５０までの距離と、投影面５０上における各色の投射点の位置ずれ量との関係について説明する。図５は、レーザプロジェクタ１の投射光学系を示す図である。図５では、図１に示した全体構成のうち、フェルール２３、投影レンズ２４、ＭＥＭＳスキャナ２５、および投影面５０の部分を拡大して示している。

ここでは、図示するようにｘ，ｙ，ｚ軸を定め、ＭＥＭＳスキャナ２５による投影面５０上での水平走査方向をｘ方向、垂直走査方向をｙ方向とする。ｘ，ｙ方向は、図３（Ａ）および図３（Ｂ）のＸ，Ｙ方向とそれぞれ一致している。また、レーザ光がＭＥＭＳスキャナ２５で反射するときにレーザ光線がなす角（レーザ光の入射角）を３０°とする。ＭＥＭＳスキャナ２５上の反射点から投影面５０上に下ろした垂線と投影面５０に向かうレーザ光線とがなす角を走査角θとする。θは水平方向の走査角である。ＭＥＭＳスキャナ２５上の反射点から投影面５０までの距離（以下、「高さ」という）をｈとする。さらに、投影面５０上での、緑色レーザ光の投射点５１ｇと青色レーザ光の投射点５１ｂの中心間距離をｄ_ＧＢ、赤色レーザ光の投射点５１ｒと緑色レーザ光の投射点５１ｇの中心間距離をｄ_ＲＧとする。これらの中心間距離が位置ずれ量である。

図５に示した投射光学系で、高さｈを１ｍ，２ｍ，３ｍと変化させ、高さｈによらずに投影面５０上に８ｃｍ角の画像を投影することを考える。高さｈとＭＥＭＳスキャナ２５による水平走査角θが変化する範囲との関係は、以下のようになる。
ｈ＝１ｍのとき、θ＝−１．６６〜２．０８°（θ_max−θ_min＝３．７５２°）
ｈ＝２ｍのとき、θ＝−１．２１〜１．４２°（θ_max−θ_min＝２．６４４°）
ｈ＝３ｍのとき、θ＝−１．０６〜１．２０°（θ_max−θ_min＝２．２７３°）
このように、高さｈに応じてＭＥＭＳスキャナ２５による水平走査角θの範囲を変化させる必要があるため、高さｈによらずに同じ大きさの画像を投影面５０上に投影するには、高さｈの情報（深度情報）が必要になる。

図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は、図５の投射光学系による実験結果を示したグラフである。図６（Ａ）は、ｈ＝１ｍとしたときの、水平走査角θと、ＲＧＢの各投射点のｘ方向の位置との関係を示したグラフである。なお、図５の点Ｏを原点とする。それぞれの水平走査角θについて、ＲＧＢの３色で投射点のｘ方向の位置が異なっており、位置ずれが発生していることがわかる。

図６（Ｂ）は、ＭＥＭＳスキャナ２５による水平走査角θが０°のときの高さｈと位置ずれ量ｄ_ＧＢとの関係を示したグラフである。なお、図示しないが、高さｈと位置ずれ量ｄ_ＲＧの関係もこれと同様である。図６（Ｂ）から、高さｈによって位置ずれ量ｄ_ＧＢ（およびｄ_ＲＧ）が線形に変化していることがわかる。

図６（Ｃ）は、ＭＥＭＳスキャナ２５による水平走査角θと、位置ずれ量ｄ_ＧＢとの関係を示したグラフである。なお、図示しないが、水平走査角θと位置ずれ量ｄ_ＲＧの関係もこれと同様である。図６（Ｃ）から、水平走査角θが大きくなるにつれて位置ずれ量ｄ_ＧＢ（およびｄ_ＲＧ）は若干大きくなっていくことがわかる。さらに、その広がり方が高さｈによって若干違い、高さｈが大きいほど広がりの変化も大きいことがわかる。

ただし、図６（Ｃ）によると、上記のθ_max〜θ_minの範囲では、位置ずれ量の広がり方は、高さｈ＝１ｍ，２ｍ，３ｍのいずれでもほとんど変わらない。この範囲では、位置ずれ量ｄ_ＧＢ（およびｄ_ＲＧ）は高さｈに比例していることがわかる。また、投影面５０上での投射点５１の移動速度は高さｈに比例する。したがって、１ｍ〜３ｍ先の投影面に８ｃｍ角の大きさで投影するとき（最大水平走査角は図６（Ｃ）に破線で示したθ_max＝２．０８°程度）のように水平走査角θが十分小さい場合は、ある高さｈについてＲＧＢの各投射点が１点に重なるように各色の発光タイミングを決めておけば、高さｈが変化しても、その同じ発光タイミングで各色のレーザ光を出射することにより、投射点間の位置ずれがない画像を投影することができる。

図５からもわかる通り、投影レンズ２４の入射側で平行に位置シフトした各レーザ光の出射点が投影レンズ２４によって位置・角度変換をされ、結果的に位置ずれが角度ずれに変換される。したがって、高さｈが変化しても、その角度ずれ分をＭＥＭＳスキャナ２５で角度補正することができれば、投影面での画像のずれを補正できることが容易に理解できる。しかし、各色のレーザ光がＭＥＭＳスキャナ２５のミラーにおいて支点から離れた点に照射されて反射される場合には、並進運動も伴う。また、走査角が大きい場合に、ＭＥＭＳスキャナ２５のミラーの時間に対する角度変化は正弦波状であるため、非線形な特性をもつ。これらのことにより、水平走査角θが大きい範囲も含む一般の場合には、図６（Ｃ）に示すような高さｈに応じた位置ずれ量の広がり方を考慮して、各色の発光タイミングを制御する必要がある。

以下では、図１に示した制御部４０によるＲＧＢ各色の投射点の位置ずれを補正する方法について説明する。既に述べた通り、ＲＧＢの各ファイバを単に束ねるだけでは、各ファイバのコア間の距離が離れているため、投影面上でのＲＧＢの各投射点間で位置ずれが発生し、画像がにじんで見える。このため、レーザプロジェクタ１では、投射点の位置ずれを打ち消すように、レーザ光源１０の発光タイミングを制御部４０が色ごとに補正する。これにより、レーザプロジェクタ１では、投射点の位置ずれを見かけ上回避する。

図７（Ａ）〜図９（Ｂ）は、各投射点の位置ずれを補正する方法の３つの例を説明するための図である。これらの例では、ファイババンドルのＡ方向とＭＥＭＳスキャナ２５による走査のＸ方向とが一致するように、フェルール２３が固定されているものとする。また、これらの例では、Ｒファイバ２１ｒ、Ｇファイバ２１ｇおよびＢファイバ２１ｂの３本のうち、Ｇファイバ２１ｇが中央に位置している。そこで、Ｇの投射点を基準として位置ずれを補正する場合について説明する。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、上記のように、ＲＧＢファイバが並ぶ方向（Ａ方向）とＭＥＭＳスキャナ２５による水平走査方向（Ｘ方向）とが一致する場合の図である。投影面５０上では、ＲＧＢの各投射点５１ｒ，５１ｇおよび５１ｂが、Ｘ方向に１列に並ぶ。高さｈ（ＭＥＭＳスキャナ２５上の反射点から投影面５０までの距離）がわかれば、図６（Ｂ）および図６（Ｃ）に示した関係から、各投射点間の位置ずれ量ｄ_ＧＢおよびｄ_ＲＧがわかる。そして、この高さｈでの各投射点の移動速度から、この位置ずれを打ち消すための発光タイミングの時間差Δｔがわかる。

ただし、＋Ｘ方向に走査されるときと−Ｘ方向に走査されるときで、ＲＧＢの各投射点のうち、走査方向の前方にある点と後方にある点が互いに逆転する。このため、時間差Δｔの符号は、走査が左右どちら向きかにより異なる。例えば、図７（Ｂ）の場合、＋Ｘ方向に走査されるときは、Ｇの投射点５１ｇに対してＲの投射点５１ｒが走査方向の前方にあり、Ｂの投射点５１ｂが走査方向の後方にある。しかし、−Ｘ方向に走査されるときは、Ｇの投射点５１ｇ’に対してＢの投射点５１ｂ’が走査方向の前方になり、Ｒの投射点５１ｒ’が走査方向の後方になる。

そこで、Ｒの投射点５１ｒ，５１ｒ’については、＋Ｘ方向に走査されるときはΔｔ＞０であり（発光タイミングを遅くする）、−Ｘ方向に走査されるときはΔｔ＜０である（発光タイミングを早くする）。Ｂの投射点５１ｂ，５１ｂ’については、＋Ｘ方向に走査されるときはΔｔ＜０であり（発光タイミングを早くする）、−Ｘ方向に走査されるときはΔｔ＞０である（発光タイミングを遅くする）。このように、各投射点に対し、走査方向に応じて時間差Δｔが定まる。

図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、変形例として、ＲＧＢファイバがＡ方向に垂直に並び、ＲＧＢファイバの並び方向とＭＥＭＳスキャナ２５による垂直走査方向（Ｙ方向）とが一致する場合の図である。投影面５０上では、ＲＧＢの各投射点５１ｒ，５１ｇおよび５１ｂが、Ｙ方向に１列に並ぶ。図６（Ｂ）および図６（Ｃ）に示した関係は、各投射点が垂直走査方向に並ぶ場合も成り立つ。よって、図７（Ｂ）の場合と同様に、高さｈから位置ずれ量ｄ_ＧＢおよびｄ_ＲＧがわかる。

垂直走査方向に位置ずれがある場合は、ずれている２点間を走査により移動するときのＸ方向の走査本数を算出する。具体的には、投影される画像のＸ方向の全走査本数をＮ本、投影画像のＹ方向の長さをｌ_ｖとすると、走査により投射点がｄ_ＲＧだけＹ方向に移動するときに通るＸ方向の走査本数は、（ｄ_ＲＧ／ｌ_ｖ）×Ｎである。よって、投影される画像をＸ方向に１回横切るときの走査時間をＴ_ｈとすると、発光タイミングの時間差Δｔは、（ｄ_ＲＧ／ｌ_ｖ）×Ｎ×Ｔ_ｈである。位置ずれ量ｄ_ＧＢについても同様である。

そして、走査方向の前方にあるＢの投射点５１ｂについては、＋Ｘ方向と−Ｘ方向のどちらに走査されるときも、Δｔだけ発光タイミングを遅くする（Δｔ＞０）。一方、走査方向の後方にあるＲの投射点５１ｒについては、＋Ｘ方向と−Ｘ方向のどちらに走査されるときも、｜Δｔ｜だけ発光タイミングを早くする（Δｔ＜０）。

図９（Ａ）および図９（Ｂ）は、別の変形例として、ＲＧＢファイバが並ぶ方向とＭＥＭＳスキャナ２５による走査方向とが一致しない場合の図である。この場合も、高さｈから位置ずれ量ｄ_ＧＢおよびｄ_ＲＧがわかる。説明のため、Ｇの投射点５１ｇを基準として、Ｒの投射点５１ｒがＸ方向に対し角度αの向きに、距離ｄ_ＲＧだけ離れているとする。この角度αは、ＭＥＭＳスキャナ２５の揺動方向（Ｘ方向）に対するファイババンドル内の各ファイバ２１の配置により決まる既知の量である。この変形例では、Ｇに対するＲおよびＢの点の垂直走査方向の間隔を、ファイババンドルの軸方向を基準とした回転操作で調整することができるという特徴がある。

投影画像のＸ方向の全走査本数をＮ本、投影画像のＹ方向の長さをｌ_ｖ、投影画像をＸ方向に１回横切るときの走査時間をＴ_ｈとすると、位置ずれ量ｄ_ＲＧのＹ成分ｄ_ＲＧｓｉｎαに対応する発光タイミングの時間差は、（ｄ_ＲＧｓｉｎα／ｌ_ｖ）×Ｎ×Ｔ_ｈである。これに、位置ずれ量ｄ_ＲＧのＸ成分ｄ_ＲＧｃｏｓαを加味した時間差を求める。具体的には、投影画像のＸ方向の長さをｌ_ｈとすると、Ｘ方向の時間差は、（ｄ_ＲＧｃｏｓα／ｌ_ｈ）×Ｔ_ｈであるから、最終的な発光タイミングの時間差Δｔは、
（ｄ_ＲＧｓｉｎα／ｌ_ｖ）×Ｎ×Ｔ_ｈ−（ｄ_ＲＧｃｏｓα／ｌ_ｈ）×Ｔ_ｈ
となる。位置ずれ量ｄ_ＧＢについても同様である。

そして、走査方向の前方にあるＢの投射点５１ｂについては、＋Ｘ方向と−Ｘ方向のどちらに走査されるときも、Δｔだけ発光タイミングを遅くする（Δｔ＞０）。一方、走査方向の後方にあるＲの投射点５１ｒについては、＋Ｘ方向と−Ｘ方向のどちらに走査されるときも、｜Δｔ｜だけ発光タイミングを早くする（Δｔ＜０）。

特に走査角θが小さい場合には、高さと位置ずれ量と投射点の移動速度との間の比例関係から、高さｈが変化しても上記の時間差Δｔで各投射点間の位置ずれを打ち消すことができる。

以上のことから、レーザプロジェクタ１では、投射点の様々な配置について、各投射点の相対位置と発光タイミングの時間差Δｔとの関係を予め求めて、その関係をテーブルとして保持しておく。すなわち、ＲＧＢの投射点のうちの１点を基準点とした相対位置と、その相対位置にある投射点が基準点に来るようにするための時間差Δｔとの関係をテーブルとして保持しておく。制御部４０は、そのテーブルを参照することにより、各色レーザ光の発光タイミングを補正する。このテーブルには、相対位置ごとに、＋Ｘ方向の走査についての時間差Δｔ_＋と−Ｘ方向の走査についての時間差Δｔ₋がそれぞれ記憶されるとする。

図１０は、制御部４０が各色の投射点の位置ずれを補正する処理の例を示したフローチャートである。図１０のフローは、図１に示した制御部４０内のＲＯＭ４３に予め記憶されたプログラムに従って、制御部４０内のＣＰＵ４１により実行される。

制御部４０は、まず、赤外線照射部３１が赤外線を照射しその反射光を赤外線検知部３２が受光することにより検知部３０が検知した深度情報（高さｈ）を取得する（Ｓ１）。そして制御部４０は、図６（Ｂ）および図６（Ｃ）に示した関係に基づき、ステップＳ１で取得した深度情報から、現在の高さｈで投影面５０上に画像を投影したときに生じる投射点の位置ずれ量ｄ_ＧＢおよびｄ_ＲＧを算出する（Ｓ２）。また制御部４０は、ＭＥＭＳスキャナ２５の揺動方向に対するファイババンドル内の各ファイバ２１の配置を示す既知の情報から、各投射点の配置方向を取得する（Ｓ３）。そして制御部４０は、予め作成した上記のテーブルを参照することにより、各投射点の配置方向と、位置ずれ量ｄ_ＧＢおよびｄ_ＲＧとから、ＲＧＢの各投射点が１点に揃うようなＲＧＢの発光タイミングの時間差Δｔを取得する（Ｓ４）。

次に、制御部４０は、投影すべき画像データに応じてレーザ光源１０にレーザ光を発光させ、ＭＥＭＳスキャナ２５による走査を開始させる（Ｓ５）。そして制御部４０は、ステップＳ４で取得された時間差ΔｔだけＲＧＢの発光タイミングをずらすようにレーザ光源１０を制御する。その際、投影面上で水平方向右向きに（図５で＋Ｘ方向に）走査されるとき（Ｓ６でＹｅｓ）は、各投射点の発光タイミングを＋Ｘ方向の走査についての時間差Δｔ_＋だけ変化させる（Ｓ７）。一方、投影面上で水平方向左向きに（図５で−Ｘ方向に）走査されるとき（Ｓ６でＮｏ）は、各投射点の発光タイミングを−Ｘ方向の走査についての時間差Δｔ₋だけ変化させる（Ｓ８）。ただし、実際には走査は真横ではなく斜め下方向に動くため、色（位置）によっては、次の走査タイミングまで待つなどの制御も必要になる。

また走査が終了していなければステップＳ６に戻り（Ｓ９）、画像の投影を終えるまでステップＳ６〜Ｓ９のステップを繰り返す。以上で、制御部４０が位置ずれを補正する処理は終了する。

なお、上記の説明では、ＲＧＢの３点のうちＧを基準として、ＲおよびＢの投射点をＧの投射点に合わせているが、ＲまたはＢの投射点を基準としてもよい。また、ＲＧＢのうちの２色だけについて、投射点の位置ずれを補正してもよい。また、各色の投射点が１列に並ばない場合でも、上記と同様にして、色ごとに独立に位置ずれを補正することができる。

また、レーザ光源１０は、色域を広げるために、Ｒ，Ｇ，Ｂに加えて、例えばＹ（黄色）といった他の波長のレーザ光源を含んでもよい。この場合、ＲＧＢＹなど、４色以上の投射点について、上記のように位置ずれを補正してもよい。

さらに、図３（Ａ）で説明したものとは異なる走査方法により画像が投影される場合であっても、上記で説明したものと同様の方法により、各投射点間の位置ずれを補正することができる。走査方法に応じて、投射点の様々な配置について、各投射点の相対位置と、走査方向と、発光タイミングの時間差Δｔとの関係を求め、その関係をテーブルとして保持しておけばよい。そして、制御部４０は、そのテーブルを参照することにより、各色レーザ光の発光タイミングを補正すればよい。

図１１は、ＲＧＢファイバに加えて赤外線を出射するファイバを束ねたファイババンドルを示す図である。図１１のファイババンドルは、図２（Ｃ）のファイババンドルにおける４本のＤファイバのうちの１本を、赤外線を出力するファイバに置き換えたものである。このファイバとしては、所定の赤外線波長に対してシングルモードとなるシングルモードファイバや偏波保持ファイバを用いることができる。以下では、このファイバのことをＩＲファイバという。ＩＲファイバは赤外線照射用ファイバの一例である。ＩＲファイバの位置は、図２（Ｃ）においてＤファイバがあった（ＲＧＢファイバ以外の）４箇所のうちどこでもよい。なお、Ｄファイバのうちの１本に限らず、Ｄファイバの２〜４本をＩＲファイバに置き換えてもよい。

図１２は、図１１のファイババンドルを用いたレーザプロジェクタ２の概略構成図である。レーザプロジェクタ２のレーザ光源１０’は、ＲＧＢの各色レーザ光を出射するレーザダイオード１１〜１３に加えて、赤外線（赤外レーザ光）を出射するレーザダイオード１４を有する。レーザダイオード１４は、例えば、赤外線として近赤外（Near Infra-Red：ＮＩＲ）光を出射する。また、レーザプロジェクタ２の検知部３０’は、赤外線照射部を含まず、赤外線検知部としての赤外線カメラ３２’を含む。赤外線カメラ３２’は、例えばＵＳＢカメラであり、ＩＲファイバから照射された赤外線の反射光を受光する。レーザプロジェクタ２では、画像を投影するときにＲＧＢのレーザ光と一緒に、または画像を投影する前に、ＩＲファイバを介してフェルール２３の端部から、レーザダイオード１４で生成された赤外線が照射される。赤外線カメラ３２’は、その赤外線の反射光を受光して検知する。レーザ光源１０’と検知部３０’以外については、レーザプロジェクタ２は図１のレーザプロジェクタ１と同じ構成を有するため、重複する説明は省略する。

以下では、レーザプロジェクタ２のＩＲファイバから出射する赤外線の用途について、２つの例を説明する。

１つ目の例は、ＩＲファイバから赤外レーザ光を出射して投影面５０に赤外線画像を投影し、その赤外線画像を赤外線カメラ３２’で撮像して、投影面５０の深度情報を得るというものである。

この場合、レーザプロジェクタ２は、ＲＧＢレーザ光をＭＥＭＳスキャナ２５で走査して投影面５０上に可視光画像を投影するとともに、同じＭＥＭＳスキャナ２５により、その可視光画像に重ねるように、ＩＲファイバからの赤外レーザ光で深度検知用の赤外線画像を投影する。図１２は、投影面５０上に重ねて投影された可視光画像６１と赤外線画像６２を示している。そして、検知部３０’では、赤外線カメラ３２’により深度検知用の赤外線画像を撮像して、たとえばＭ−Ａｒｒａｙなどの疑似ランダムドット投影法に基づく３角測量方式にて投影面５０の深度情報を取得する。

これにより、投影面５０までの距離によらずに同じ大きさの画像を投影したいときなどには、取得された深度情報を用いて、制御部４０によりＲＧＢレーザ光の走査角を動的に制御することが可能になる。このようにすれば、深度情報を取得するための深度センサを別途設ける必要がなく、可視光画像と赤外線画像を同じＭＥＭＳスキャナで同時に投影して深度情報が得られるので、装置の構成が簡略化される。

なお、検知部３０’には、赤外線カメラ３２’に加えて、可視光画像から色情報を取得するためのＲＧＢカメラを含めてもよい。また、このようなレーザプロジェクタ２をステレオ配置（２個配置）または多数配置して、プロジェクションマッピングシステムを構成することも考えられる。

２つ目の例は、ＩＲファイバから投影面５０に投影され、赤外線カメラ３２’により撮像された赤外線画像を用いて、可視光画像に生じる画像歪みを補正するというものである。

この場合、レーザプロジェクタ２は、ＲＧＢレーザ光をＭＥＭＳスキャナ２５で走査して投影面５０上に可視光画像を投影するとともに、同じＭＥＭＳスキャナ２５により、その可視光画像に重ねるように、ＩＲファイバからの赤外レーザ光で歪み補正用の赤外線画像を投影する。歪み補正用の赤外線画像は、例えば碁盤目のパタンである。赤外線カメラ３２’は、歪み補正用の赤外線画像をリアルタイムに撮像する。検知部３０’は、投影面５０が平面であれば、撮像された歪み補正用のパタンと投影された既知のパタンを比較することにより、ＭＥＭＳスキャナ２５の幾何的な変化に起因する画像歪みまたはＭＥＭＳスキャナ２５が温度変化して共振周波数が変化することに起因する画像歪みを検出する。そして、制御部４０は、検出された画像歪みのデータに基づき、その画像歪みを打ち消すようにＲＧＢの画像データを補正（フィードバック補正）する。

このように、レーザプロジェクタ２では、赤外線画像を常時モニタすることで、例えばＭＥＭＳの温度変化に起因する画像歪みを低減させることができる。なお、投影面５０が平面でない場合でも、その表面形状がわかっていれば、計算により画像歪みを検出して、それを打ち消す補正を行うことが可能である。

また、碁盤目などの歪み補正用のパタンに代えて、例えばランダムドットを、ＩＲファイバからの赤外レーザ光で可視光画像に重ねるように投影してもよい。この場合、赤外線カメラ３２’を用いて３角測量により深度情報を得ることができるが、投影面５０が平面であれば、見かけ上の深度情報の平面からの偏差は、ＭＥＭＳスキャナ２５に起因する画像歪みと相関がある。この見かけ上の深度情報の平面からの偏差を０に近付けるように赤外レーザ光の走査タイミングを補正すれば画像歪みのデータが求まるので、それを用いてＲＧＢの画像データを補正してもよい。

また、制御部４０は、ＲＧＢレーザ光と赤外レーザ光の光量を調整することにより、ＭＥＭＳスキャナ２５の温度変化を補償する制御を行ってもよい。この場合、制御部４０は、レーザダイオード１４の点灯積分時間とレーザダイオード１１〜１３の点灯積分時間とを合計した値が概ね一定値となるように、レーザ光源１０’を制御する。この点灯積分時間は、ＭＥＭＳスキャナ２５上で発生する熱量に対応する長さの時間である。この制御により、ＭＥＭＳスキャナ２５上で発生する熱量が平均化されるため、ＭＥＭＳスキャナ２５の温度変化により生じる共振周波数の変化が一定範囲内に抑えられ、画像歪みの補正が容易になる。

ところで、例えば赤外線カメラ３２’の代わりにＵＳＢカメラを用いて投影面の色情報または形状情報を取得し投影画像を補正する場合には、室内照明などの外光（環境光または周囲光）があると、投影画像のコントラストが低くなってしまうので、カメラで投影画像を認識できなくなるおそれがある。例えば対象物の色を正確に計測することができないと、計測結果から投影画像の色補正を行うことが困難になる。そこで、このような場合には、外光の影響を抑えるために、ＲＧＢレーザ光および赤外レーザ光の波長帯の光だけを透過するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を、カラーフィルタ付きのＵＳＢカメラの前に配置するとよい。

通常、物体は、周囲光の影響により色などの見え方が変化する。特に、白熱電球、太陽光などの黒体輻射型光源の下で赤外線画像を取得する場合には、対象の赤外線波長以外のノイズが大きいため、表面形状の計測が困難になることがある。しかし、単色光源であるレーザ光源の波長に合った分光・波長選択特性をもつＢＰＦを用いれば、撮像された画像における対象波長についてのＳＮ比を向上させることができる。これにより、外光の影響を最小限にして、ＲＧＢ光と赤外光の波長について分光特性を正確に計測することが可能になる。物体がブラッグ反射面などの波長選択性表面または鏡面反射面でなければ、取得されたＲＧＢ光と赤外光の分光特性に基づいて、例えば投影画像の色バランスが最適になるように色補正を行うことが可能である。

ＢＰＦを用いれば、蛍光灯などの強い外光の影響を低減させることができ、カメラで見たときのコントラスト比（ＳＮ比）が向上するため、輝度が小さい投影画像であってもカメラで取得できるようになる。これにより、例えばＰＣ上でパタンまたは投射点のずれを認識できるようになるため、画素ずらしまたはパタンの検出を自動で行えば、深度情報の精度を向上させることができる。ＢＰＦはＲＧＢのピークごとに透過率が若干異なる場合があるが、その場合には、予め取得されたＢＰＦの分光特性データに基づき、透過率の比に応じて各色の輝度値を補正した画像を投影することで、投影画像の色合いを補正することも可能になる。

なお、ＵＳＢカメラの前にＢＰＦを設ける代わりに、ＢＰＦを眼鏡型にして、それを利用者が着用すれば、外光の強い環境でも輝度の低い投影映像を見ることが可能である。

レーザ光源は、ＲＧＢおよびＮＩＲ（例えば、Ｂ：４６０ｎｍ、Ｇ：５２０ｎｍ、Ｒ：６３７ｎｍおよびＮＩＲ：８３０ｎｍ）のレーザダイオードを有する狭帯域な光源であるのに対し、外乱となる周囲光は、多くの場合広いスペクトルをもった光である。ＲＧＢカラーフィルタを有するカメラの前にＢＰＦを配置すると、カメラの各ＲＧＢ画素は、カメラの分光特性とＢＰＦの分光特性とを掛けた感度を有することになる。ＢＰＦフィルタの透過域だけを考えた場合、外乱光はホワイトノイズとみなせるような広いスペクトルをもつため、各ＲＧＢ画素で検出される外乱光の光量は低減される。一方、レーザ光は、ほとんどデルタ関数とみなせるような狭いスペクトルにエネルギーが集中しているため、ほとんど減衰することなくＢＰＦを透過する。このため、レーザ光については、各ＲＧＢ画素のＲＧＢの応答曲線に従う出力が得られる。

レーザ光源とカメラは３角測量ができるように配置されているため、近赤外光の投射パタンを例えばＭ配列とすることで、深度センサとしてレーザプロジェクタ２を用いることができる。また、カメラの前にＢＰＦが配置されていると、カメラは周囲光の影響をほとんど受けないため、カメラで得られた光の光強度と投射されたＲＧＢ光の光強度とを比較することにより、ＲＧＢ光の波長における分光反射率を得ることができる。したがって、周囲の明るさによらず、レーザ光が投射された部分の対象物表面の分光反射率を計測することができる。

このように、レーザプロジェクタ２では、深度情報と色情報とをほぼリアルタイムで得ることができるため、例えば、投影面の表面形状および反射率に合わせて投射ＲＧＢ光をアダプティブに調整することが可能になる。これにより、対象物が自発光でないにもかかわらず、姿勢を変えても同じパタンまたは同じ配色の照明のように見える効果を得ることができ、プロジェクションマッピングの自動化が容易なシステムを構築することが可能になる。

なお、レーザプロジェクタ１，２では、画像が投影された物体表面でのＲＧＢ光と近赤外光の応答（反射率やパタン）を、一台のＲＧＢカメラで同時に取得することができる。以下では、このＲＧＢ光と近赤外光との分離方法について説明する。

ＲＧＢ光は、カメラにて、それぞれのカラーフィルタを有する画素により分離することが可能である。近赤外光に対しては、カメラの各ＲＧＢ画素がほぼ同じ感度を有するため、近赤外光をＯＮ／ＯＦＦすると、同じ割合の変化がＲＧＢ画素で検出されることになる。実際には、使用するカメラによっては近赤外光に対する感度が各ＲＧＢ画素で少し異なるため感度補正を事前に行う必要があるが、ここでは、簡単のため、近赤外光に対する各ＲＧＢ画素の感度が同じであると仮定する。また、周囲光による背景ノイズは十分小さく無視できると仮定する。

ここで、カメラにより検出される各ＲＧＢ画素の光強度は、近赤外光をＯＦＦにすると（Ｒ，Ｇ，Ｂ）であり、近赤外光をＯＮにするとそれぞれΔＲ、ΔＧ、ΔＢだけ大きくなると仮定する。ただし、各ＲＧＢ画素の出力は飽和していないとする。仮定より、近赤外光に対する各ＲＧＢ画素の感度は同じであるから、近赤外光による光強度の増分をΔＮＩＲとすると、ΔＲ＝ΔＧ＝ΔＢ＝ΔＮＩＲとなる。したがって、近赤外光をＯＮ／ＯＦＦしたときの差分画像（強度）が赤外線画像となる。近赤外光は人の目には見えないため、例えば数フレームごとに繰り返し近赤外光をＯＮ／ＯＦＦすることで、投影画像の見た目に影響を与えずに、ＲＧＢ画像からＲＧＢ光と近赤外光とを分離することができる。

なお、深度情報を検知する場合には、近赤外光として構造化光（Structured light）を用いることが多い。その一つの例が、Ｍ配列光の投射である。この場合、近赤外光はＯＮ／ＯＦＦのどちらかの値をとるため、例えば、数フレームごとにネガポジ反転パタンを投射することが可能である。その同じパタンの近赤外光のネガポジ反転とＲＧＢ光とが重畳されたカメラ画像を足し算することで、近赤外光のパタンを消去することができる。また、同じパタンの近赤外光のネガポジ反転とＲＧＢ光とが重畳されたカメラ画像を引き算することで、ＲＧＢ光のパタンを消去することもできる。

図１３は、ファイババンドルの別の例を示す図である。図１３のファイババンドルは、図２（Ｃ）のファイババンドルにおける４本のＤファイバのうちの１本をＩＲファイバとし、他の３本を、ＩＲファイバから照射された赤外線の投影面での反射光が入力されるファイバに置き換えたものである。以下では、このファイバのことをＰＤファイバという。ＰＤファイバは赤外線受光用ファイバの一例である。ＰＤファイバには、投射する赤外線の所定の波長でシングルモードとなるシングルモードファイバを用いることができるが、光量だけが重要な用途も多く、この場合は、コア径の大きいマルチモードファイバを使用してもよい。この変形例では、ＰＤファイバのフェルール２３とは反対側の端部に、フォトダイオード（ＰＤ）（図示せず）が設けられる。赤外線は、投影面で反射される反射光のうち、ＭＥＭＳスキャナ２５の大きさに相当する立体角の分だけが各ＰＤファイバに入り、そのフォトダイオードで受光される。

図１３の場合、深度情報は、ＩＲファイバから照射された赤外線の反射光を３本のＰＤファイバで受光することにより検知される。即ち、外付けの検知部３０’ではなく、ＲＧＢファイバとともにフェルール２３で固定されたＩＲファイバとＰＤファイバにより、深度情報が検知される。このように、ＲＧＢファイバとともに、深度情報を検知するためのＩＲファイバとＰＤファイバもフェルール２３で束ねた構成とすると、外付けの検知部３０’を設ける必要がなくなるため、レーザプロジェクタをさらに小型化することが可能になる。

さらに、上記のファイバに加えて色検出用の可視ＰＤが設けられたファイバも束ねた構成としてもよい。また、ＲＧＢ以外も含むレーザ光のファイババンドルをマルチコアファイバに置き換えてもよい。マルチコアファイバを用いる場合でも、図７（Ａ）〜図１０で説明した発光タイミングの補正はファイババンドルのときと同様に行うことができる。

また、出射部２０から出射される光には、可視光と赤外光だけでなく、紫外光を含めてもよい。例えば、ＲＧＢファイバおよびＩＲファイバとともに、紫外光を出射するファイバをフェルール２３で束ねると、レーザプロジェクタを投影型の露光器として使用可能である。この場合、例えばＵＶ硬化樹脂などの対象物に対して、赤外光により表面形状を計測しながら紫外光で露光を行うことができる。

図１４（Ａ）〜図１４（Ｃ）は、各ファイバ２１の出射端面を斜めにカットする変形例を説明するための図である。図１４（Ａ）に示すように、複数のファイバ２１のうち、Ｒファイバ２１ｒ、Ｇファイバ２１ｇおよびＢファイバ２１ｂの各出射端面２１ｃを斜めにカットしてもよい。そうすると、図１４（Ｂ）に示すように、レーザ光は、出射端面に入射角θ_１で入射することになり、コアより屈折率が小さい空気中に出射されるときにθ_１より大きい屈折角θ_２で屈折する。なお、屈折角θ_２は、９０°より小さい値に決めることが必要である。これは、出射端面で全反射が起きない条件と同じである。これにより、図１４（Ｃ）に示すように、ＲＧＢの各レーザ光は、カット前のビーム間隔ｄ_１よりカット後のビーム間隔ｄ_２が小さくなる。したがって、出射端面２１ｃを斜めにカットすることにより、レーザ光の光束径が狭くなり光束が絞られるため、投影される画像がより高精細になる。

図１５は、好ましい出射端面のカット方向を説明するための図である。図１５に示すように、一列に並んだＲＧＢファイバを含む面に垂直な平面で、Ｒファイバの先端がＢファイバの先端より投影レンズ２４に近くなるように斜めにカットする場合を「カット１」とし、Ｂファイバの先端がＲファイバの先端より投影レンズ２４に近くなるように斜めにカットする場合を「カット２」とする。各ファイバ２１をカットする角度は図１４（Ｂ）の入射角θ_１と同じであり、カット１とカット２で同じ角度とする。

カット角（入射角）θ_１、屈折角θ_２、ならびにカット前後のビーム間隔ｄ_１およびｄ_２の間には、ｄ_２＝（ｄ_１／ｃｏｓθ_１）×ｃｏｓθ_２の関係がある。これにより、θ_１＝８°のときｄ_２≒７９．０８μｍ、θ_１＝２０°のときｄ_２≒７３．６４μｍとなる。カット角が８°と小さい場合、ｄ_１とｄ_２の差は１μｍ程度と小さいため、カット角を比較的大きい２０°として、図５に示した投射光学系で、カット１とカット２について、投影面上におけるＲＧＢの投射点を比較する。高さはｈ＝３ｍとする。

また、図示するようにｘ，ｙ，ｚ軸を定め、カット後のＲおよびＢの出射位置は、Ｇの出射位置を原点として、
カット１：Ｒがｙ＝ｄ_２，ｚ＝ｄ_２ｔａｎθ_１、Ｂがｙ＝−ｄ_２，ｚ＝−ｄ_２ｔａｎθ_１
カット２：Ｒがｙ＝ｄ_２，ｚ＝−ｄ_２ｔａｎθ_１、Ｂがｙ＝−ｄ_２，ｚ＝ｄ_２ｔａｎθ_１
だけＧに対してずれているとする。また、投射点のパタンは、カット前は真円であるが、カット後はｙ方向を長軸とする楕円になる。そこで、レーザ光として、モードフィールド径（ＭＦＤ）がｘ＝３．５μｍ，ｙ＝３．５μｍ×１．５である分布がｚ方向に進むとする。カットなしの場合のＭＦＤは３．５μｍとする。

このような条件で得られる投射点の大きさは、以下の通りである。
・カットなしの場合，
Ｒ→ｙ＝６．６ｍｍ、ｚ＝４．０ｍｍの楕円パタン
Ｇ→直径３．８ｍｍの真円パタン
Ｂ→ｚ＝３．６ｍｍ，ｙ＝３．７ｍｍの楕円パタン
・カット１の場合、ＭＥＭＳスキャナ２５の水平走査方向、垂直走査方向の順で、
Ｒ→１４．２ｍｍ，１６．３９ｍｍ
Ｇ→５．３４ｍｍ，３．６５ｍｍ
Ｂ→７．８ｍｍ，７．９ｍｍ
・カット２の場合、ＭＥＭＳスキャナ２５の水平走査方向、垂直走査方向の順で、
Ｒ→６．６ｍｍ，７．８ｍｍ
Ｇ→５．３４ｍｍ，３．６５ｍｍ
Ｂ→７．４ｍｍ，１１．２ｍｍ

この結果から、カット１よりカット２の方がＲＧＢの投射点の大きさが小さくなることがわかる。ＲＧＢの３点のうちでは、特にＲの投射点の大きさが小さくなっている。したがって、出射端面をカットするときの方向は、カット１よりカット２の方が好ましい。

以上説明してきたように、レーザプロジェクタ１，２では、ＲＧＢの各ファイバを束ねてファイババンドルとすることにより、ファイバ相互間でのクロストーク等が起こり難くして、光の利用効率を向上させる。また、レーザプロジェクタ１，２では、制御部４０がＲＧＢの色ごとにレーザ光の投射位置や発光タイミングを変化させる。これにより、各ファイバのコアが離れていることに起因する投射点の位置ずれを補正することができる。さらに、レーザプロジェクタ１，２では、フェルール２３で固定されるＲＧＢファイバの並び方向を、ＭＥＭＳスキャナ２５による走査方向に揃えている。これにより、ＲＧＢの発光タイミングをずらすだけで、各色の投射点間の位置ずれを解消することができる。また、ＲＧＢのファイバとともにＩＲファイバをフェルール２３で束ねて、可視光画像と赤外線画像を重ねて投影し、それを赤外線カメラなどで撮像することにより、可視光画像を投影しながら画像歪みまたは深度情報などの付加的な情報を検知することが可能になる。

１，２ レーザプロジェクタ
１０，１０’ レーザ光源
２０ 出射部
２１ ファイバ
２３ フェルール
２４ 投影レンズ
２５ ＭＥＭＳスキャナ
２６ ＭＥＭＳドライバ
３０，３０’ 検知部
３１ 赤外線照射部
３２ 赤外線検知部
３２’ 赤外線カメラ
４０ 制御部
５０ 投影面

Claims (6)

1. 赤色、緑色および青色の各色レーザ光ならびに赤外レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記各色レーザ光をそれぞれ伝送する各色用ファイバおよび前記赤外レーザ光を伝送する赤外線照射用ファイバの出射端部を固定する固定具と、
   前記各色用ファイバの出射端部から出射された前記各色レーザ光を走査して、投影面上に画像を投影する走査部と、
   前記赤外線照射用ファイバの出射端部から出射された赤外レーザ光の反射光を検知する検知部と、
   前記検知部が検知した情報に基づいて、前記レーザ光源による前記各色レーザ光の発光を制御する制御部と、
   を有することを特徴とする投影装置。
2. 前記検知部は、前記各色用ファイバの出射端部から投影面までの距離を示す深度情報を検知し、
   前記制御部は、前記深度情報に基づいて前記発光を制御する、請求項１に記載の投影装置。
3. 前記制御部は、前記固定具により固定される前記各色用ファイバの位置関係に起因して投影面上に生じる前記各色レーザ光の投射点間の位置ずれ量に基づいて、前記発光のタイミングを制御する、請求項１または２に記載の投影装置。
4. 前記固定具は、前記各色レーザ光の投射点が前記走査部による走査方向に沿って一列に並ぶように前記各色用ファイバの出射端部を固定する、請求項１〜３の何れか一項に記載の投影装置。
5. 前記固定具は、前記各色用ファイバおよび前記赤外線照射用ファイバとともに、前記反射光を受光して伝送する赤外線受光用ファイバの端部を固定し、
   前記検知部は、前記赤外線受光用ファイバにより伝送される光から前記深度情報を検知する、請求項１〜４の何れか一項に記載の投影装置。
6. 前記固定具は、長さ方向に垂直な平面に対して傾斜した出射端面を有する前記各色用ファイバを固定し、
   前記走査部は、前記各色用ファイバから前記長さ方向に対して傾斜した方向に出射されるレーザ光を走査する、請求項１〜５の何れか一項に記載の投影装置。

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