(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光源からのレーザービームをＸ−Ｙスキャナにてスキャニングしてベクターグラフィックを投射するレーザープロジェクタにおいて、スキャンレート、遅延時間、およびブランキング時間を調整してベクターグラフィックを投射する方法であって、投射するベクターグラフィックのベクターデータを一個づつＸ−Ｙスキャナに対して順次シームレスに転送すること、ベクターデータ毎に前記スキャンレートを調整すること、ベクターデータ毎に前記スキャンレートに応じた前記遅延時間と前記ブランキング時間とを算出すること、前記ベクターデータ転送のコマンドが発行された時に前記遅延時間を補償した適正なコマンド発行タイミングを決定すること、およびブランクライン要素のためにレーザー光源の投入／遮断コマンド発行時に前記ブランキング時間を補償した適正なコマンド発行タイミングを決定することを特徴とするベクターグラフィック投射方法。
【請求項２】
請求項１に記載のベクターグラフィック投射方法において、スキャンレート、スキャン角度、遅延時間、およびブランキング時間のパラメータ項目を備え、各パラメータの数値を自在に設定にすることで、
前記遅延時間を補償したコマンド発行タイミングによりＸ−Ｙスキャナの調整を可能にしたことを特徴とする請求項１に記載のベクターグラフィック投射方法。
【請求項３】
前記遅延時間のパラメータは、スキャナコントローラからＸ−Ｙスキャナへコマンドが発行された時とＸ−Ｙスキャナのミラーが前記コマンドにより指定された位置へ実際に動いた時との間に発生する遅延時間を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載のベクターグラフィック投射方法。
【請求項４】
前記遅延時間Ｔは、（ａ）式により算出されることを特徴とする請求項３に記載のベクターグラフィック投射方法。
Ｔ＝Ｄ／ｖ    ・・・・・ （ａ）式
Ｔ：レーザービームがベクターのstart-pointからend-pointまで移動する時間
Ｄ：ベクターデータの長さ
ｖ：レーザービームが動く速度(Velocity)
【請求項５】
前記ベクタグラフィックス投射方法において、投射するグラフィックスのフレーム更新レートＦＰＳは、（ｂ）式により算出されることを特徴とする請求項４に記載のベクターグラフィック投射方法。
ＦＰＳ＝１／Ｔtotal    ・・・・・（ｂ）式
ＦＰＳ：1秒当りのフレーム更新レート
Ｔtotal：１フレーム分のベクターデータについて（ａ）式で算出されたベクターデータ毎の遅延時間を合算した時間
【請求項６】
前記ブランキング時間のパラメータが、スキャナコントローラからブランクライン要素のためにレーザー光源の投入／遮断するコマンドが発行された時と前記コマンドにより実際にレーザー光源の投入／遮断が行われた時との間に発生する遅延時間を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載のベクターグラフィック投射方法。
【請求項７】
前記スキャン角度Ａは、（ｃ）式により算出されることを特徴とする請求項２に記載のベクターグラフィック投射方法。
ｔａｎ（Ａ／２）＝Ｗ／Ｄ＊２    ・・・・・（ｃ）式
Ａ：スキャン角度（投影画像のサイズを決定する角度）
Ｄ：スキャナからスクリーンまでの投影距離
Ｗ：投影画像のサイズ
【請求項８】
レーザー光源からのレーザービームをＸ−Ｙスキャナにてスキャニングしてベクターグラフィックを投射するレーザープロジェクタにおいて、スキャンレート、遅延時間、およびブランキング時間を調整してベクターグラフィックを投射するレーザープロジェクタ制御用ソフトウエアであって、請求項１乃至請求項７に記載のベクターグラフィック投射方法を実行する手段を備えたことを特徴とするベクターグラフィック投射ソフトウエア。
【請求項９】
請求項８に記載のベクターグラフィック投射ソフトウエアの入力インタフェースに、スキャンレート、スキャン角度、遅延時間、およびブランキング時間のパラメータ項目を備え、各パラメータの数値を自在に設定可能にすることで、前記遅延時間を補償したコマンド発行タイミングによりリアルタイムにＸ−Ｙスキャナの調整を可能にしたことを特徴とする請求項８に記載のベクターグラフィック投射ソフトウエア。
【請求項１０】
レーザー光源からのレーザービームをＸ−Ｙスキャナにてスキャニングしてベクターグラフィックを投射するレーザー投影システムであって、レーザービームを発するレーザー光源と、レーザービームの投射方向を自在に制御するＸ−Ｙミラーにてレーザービームをスキャンするガルバノメータスキャナと、レーザービームの投射出力を制御するスキャナアンプと、前記ガルバノメータスキャナおよび前記スキャナアンプを制御するスキャナコントローラと、前記スキャナコントローラに接続されたコンピュータとを備え、前記コンピータに請求項８または請求項９に記載のソフトウエアがインストールされ実行されるとともに、前記ソフトウエアの入力インタフェースとして含まれるスキャンレート、スキャ
ン角度、遅延時間、およびブランキング時間のパラメータの数値を自在に設定にすることでリアルタイムにＸ−Ｙスキャナの調整を可能にしたことを特徴とするレーザー投影システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザープロジェクタに対してベクターグラフィックを投射する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
１９７０代初頭に、グラフィック画像の投影を形成するためにレーザービームおよび２組のスキャナが使用されていた。スキャナはどれも単一または複数のレーザービームを偏向する高速小型精密モーターで駆動するミラーで、１秒間に画像を何回も読み取る構造であった。ミラーは画像の各点を、実線の錯覚を生み出すほどの速い速度で偏向する（非特許文献１）。これらの微細なミラーを使うと、煙や霧といった個体ではない面も、スクリーンとして使用することができる。
１９８０年代初頭に、この技術は、ミュージックコンサートで用途が見いだされた。とりわけ、作曲者が音楽を決めるように、自身の裁量で光を形態として定めるという試みの中で、幾人かのアーティストが様々な刺激的なパターンを試みるようになった。そうして、レーザーは、幾分かのレーザー媒体の技術による貢献により、芸術という形態を呈するようになった（非特許文献２）。
【０００３】
従来の投影方法（ラスターディスプレイ）は、大きさと距離の制約があった。最も強力な動画像プロジェクタの光でさえ、投射面からの距離に直接比例して減衰した。対照的に、レーザーディスプレイはベクターディスプレイであり、コヒーレント光という性質により、遥かに遠くに画像を投影することが可能となる。レーザー画像は、比較的なめらかに、そして相対的に明るい面でも映し出される。従来の投影スクリーン、拡張スクリーン、ビルディング、さらには山でさえ、投射面として利用できる。この性質によりレーザー投影が独特で強力な投影媒体となっている。
【０００４】
レーザーグラフィクスは、クライアントのロゴ、製品のアニメ、ストーリー、娯楽画像を表示することができる。技術的な要件により、これらの画像は細部にわたる内部の塗りつぶしのない漫画的な輪郭を持つものだった。このことは、技術的な制約ではあったが、レーザーグラフィクスは、身近なビデオ画像と比較して、非常に異なる魅力を生み出した。一方で、ますます複雑になる画像を映しだすコンピュータの能力を用いて、分かりやすく且つ効果的な方法によりこの複雑な情報の送受信を行うことが新たな問題として浮き彫りになった。本当に複雑な情報を送受信するためには、何らかの形態の可視抽出が必要となる（非特許文献３）。NPR (Non-Photorealistic Rendering）投影においては、いかに効果的な送受信を行うかにより映しだされる画像が決められる。NPRにおいては、通常人間の認識により左右される図案化と送受信方法とが必要となる。コンピュータグラフィクスにおいて長い間アーティストが用いてきた知識や技術は、画面の中での特定の特徴を際だたせ、新しいフィールドを作るための不要な情報を省くものであり、今も利用されている。このような特徴により、レーザーグラフィクスは、異なる投影手段により情報を効果的に処理する独特かつ強力な手法であるといえる（非特許文献４）。
【０００５】
市場には多種のレーザーディスプレイが発売されているが、これはおおまかに２種類に分類することができる。一つ目は、レーザーショーや娯楽向けのレーザーディスプレイで、多くのメーカーがレーザー投影システムを製造している。ホームページを検索すると、容易に数十のシステムを見つけることができる。この分野のディスプレイの重要な要素は、速度とフルカラー表示できるかとう点である。二つ目は、精度が重要な要素とされる産業用のレーザー投影システムである。この分野のレーザー投影の用途は、様々な製造現場における部品実装、組み立て、エッジトリミング、および下層構造や隠れた部品の可視化である（非特許文献５）。
【０００６】
特にビーム投射または画像投影（グラフィック投射）に使用するレーザー投影システムを製造する会社は、自社のレーザープロジェクタを調整するために、ILDAテストパターンというものに対して準拠している（非特許文献６）。このパターンを使用した調整は、レーザー関係者やレーザーを趣味とする人によく知られており、インターネット上に紹介されている（非特許文献７）。この調整とは、製造会社により一度行われるハードウェアの調整であり、レーザープロジェクタの製造完了時に実施するもので、日常的に必要とするものではない。この調整には多くの手間を要し、回路の可変抵抗やジャンパーの変更が必要となる。他方、産業用市場をターゲットにするスキャナやガルバノメータを製造する会社は、より精密で正確なスキャナを使用している。このような会社は、別のテストパターンを調整に使用しており、各社は独自の社外秘のテストパターンを使用している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】J.D. Foleyand A.V. Dam, Fundamentals of Interactive Computer Graphics, Addison-Wesley,1984.
【非特許文献２】J. Collinc and D.Tucker, “Laser Graphics and Animation”, BYTE,9(10), 1984, pp. 177-184.
【非特許文献３】G. Winkenbach and D. Salesin, “Computer-Generated Pen-and-InkIllustration”, Proceedings SIGGRAPH 94, ACM Press / ACM SIGGRAPH, 1994, pp.91-100.
【非特許文献４】B. Gooch and A. Gooch, Non-Photorealistic Rendering, A K Peters,Ltd., 2001.
【非特許文献５】Laser projection technologies, Inc. http://www.lptcorp.com/index.htm. Retrievedin April 2007.
【非特許文献６】Pangolin, “ILDA Test Pattern”,http://www.pangolin.com/ILDAtest.html,Retrieved in April 2007.
【非特許文献７】B. Benner and P. Murphy, “How to tune to the ILDA test pattern”. http://www.laserfx.com/Backstage.LaserFX.com/Systems/Scanning1.html,Retrieved in April 2007.
【非特許文献８】GSI Lumonics, “Optical Scanners and Controllers”,http://www.gsig.com/, Retrieved in April2007.
【非特許文献９】Coherent, “Coherent Lasers”,http://www.coherent.com/, retrieved inApril 2007.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の主要課題は、異なるテストパターンで調整された、異なるレーザープロジェクタにて、いかに画像を正しく投影するかである。もしも未知のテストパターンで調整したスキャナを使用した場合、画像を正しく投影するためにデータを調整する必要がある。その結果、レーザープロジェクタ上の画像を投射するプログラムを作成し、そして異なるプロジェクタ上でそのデータを実行させようとすると、例え異なる２つのプロジェクタが同じテストパターンで調整されていても、常に同じ結果が得られるという可能性は保証できない。この理由は、スキャン速度（スキャンレート）およびブランキングがプロジェクタによって異なるからである。この問題については、本明細書にて全般的に取り上げている。レーザープロジェクタが異なるテストパターンを使い調整されている場合、問題は難しくなる。
【０００９】
ここでは、どのレーザープロジェクタにおいてもベクターデータを投影することができる具体的なアプローチを説明する。このアプローチは、プロジェクタのハードウェアの中にある遅延と完全に一致する各ベクターパラメータの微調整を行うことで実施される。これは、正しく投影するための各ベクターデータに適用されるべき描画時間遅延とブランキングを厳密に決めることができる単純なテストを設定することで可能となる。さらに、実際にレーザープロジェクタの実際の速度を測定する方法も定める必要がある。その理由は、その速度が、メーカーが通常カタログ上に掲載する理想的速度と異なるからである。このことは、レーザープロジェクタの動作速度を具体的に測定する具体的な方法がないために、重要な問題である。さらに、実際の時間計算に適用可能な速度概念に基づくベクターデータの強度を標準化する（異なるベクター長で同一の輝度を得る）手法を紹介する。現在使われている方法は、各ベクターデータの描画時間遅延が設定される前に、データの１フレームを準備してフレームレート（FPS: Frames Per Second）から各ベクターデータの遅延を計算する方法を用いている。この速度概念を用いて、各ベクターデータの時間遅延を動作中に設定できるため、次のベクターデータが到着するのを待つ必要はない。図１に、同一画像に対する４種類の異なる投影を示すことで、調整のアプローチ結果に関する見解を示す。この４種類の異なる投影は、異なる調整設定がされているものを示したものであり、未知のテストパターンで調整されたプロジェクタにおいて画像を正しく投影するためにどのようなデータの調整を行うかを示すものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１に記載のレーザープロジェクタ向けベクターグラフィック投射方法は、レーザー光源からのレーザービームをＸ−Ｙスキャナにてスキャニングしてベクターグラフィックを投射するレーザープロジェクタにおいて、スキャンレート、遅延時間、およびブランキング時間を調整してベクターグラフィックを投射する方法であって、投射するベクターグラフィックのベクターデータを一個づつＸ−Ｙスキャナに対して順次シームレスに転送すること、ベクターデータ毎に前記スキャンレートを調整すること、ベクターデータ毎に前記スキャンレートに応じた前記遅延時間と前記ブランキング時間とを算出すること、前記ベクターデータ転送のコマンドが発行された時に前記遅延時間を補償した適正なコマンド発行タイミングを決定すること、およびブランクライン要素のためにレーザー光源の投入／遮断コマンド発行時に前記ブランキング時間を補償した適正なコマンド発行タイミングを決定することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載のベクタグラフィックス投射方法は、請求項１に記載のベクターグラフィック投射方法において、スキャンレート、スキャン角度、遅延時間、およびブランキング時間のパラメータ項目を備え、各パラメータの数値を自在に設定にすることで、前記遅延時間を補償したコマンド発行タイミングによりＸ−Ｙスキャナの調整を可能にしたことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載のベクターグラフィック投射方法は、請求項１または請求項２に記載のベクターグラフィック投射方法において、前記遅延時間のパラメータは、スキャナコントローラからＸ−Ｙスキャナへコマンドが発行された時とＸ−Ｙスキャナのミラーが前記コマンドにより指定された位置へ実際に動いた時との間に発生する遅延時間を含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載のベクターグラフィック投射方法は、請求項３に記載のベクターグラフィック投射方法において、前記遅延時間Ｔは、（ａ）式により算出されることを特徴とする。
Ｔ＝Ｄ／ｖ    ・・・・・ （ａ）式
Ｔ：レーザービームがベクターのstart-pointからend-pointまで移動する時間
Ｄ：ベクターデータの長さ
ｖ：レーザービームが動く速度(Velocity)
【００１４】
請求項５に記載のベクターグラフィック投射方法は、請求項４に記載のベクターグラフィック投射方法において、投射するグラフィックスのフレーム更新レートＦＰＳは、（ｂ）式により算出されることを特徴とする。
ＦＰＳ＝１／Ｔtotal    ・・・・・（ｂ）式
ＦＰＳ：1秒当りのフレーム更新レート
Ｔtotal：１フレーム分のベクターデータについて（ａ）式で算出されたベクターデータ毎の遅延時間を合算した時間
【００１５】
請求項６に記載のベクターグラフィック投射方法は、請求項１または請求項２に記載のベクターグラフィック投射方法において、前記ブランキング時間のパラメータが、スキャナコントローラからブランクライン要素のためにレーザー光源の投入／遮断するコマンドが発行された時と前記コマンドにより実際にレーザー光源の投入／遮断が行われた時との間に発生する遅延時間を含むことを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載のベクターグラフィック投射方法は、請求項２に記載のベクターグラフィック投射方法において、前記スキャン角度Ａは、（ｃ）式により算出されることを特徴とする。
ｔａｎ（Ａ／２）＝Ｗ／Ｄ＊２    ・・・・・（ｃ）式
Ａ：スキャン角度（投影画像のサイズを決定する角度）
Ｄ：スキャナからスクリーンまでの投影距離
Ｗ：投影画像のサイズ
【００１７】
請求項８に記載のレーザープロジェクタ向けベクターグラフィック投射ソフトウエアは、レーザー光源からのレーザービームをＸ−Ｙスキャナにてスキャニングしてベクターグラフィックを投射するレーザープロジェクタにおいて、スキャンレート、遅延時間、およびブランキング時間を調整してベクターグラフィックを投射するレーザープロジェクタ制御用ソフトウエアであって、請求項１乃至請求項７に記載のベクターグラフィック投射方法を実行する手段を備えたことを特徴とする。
【００１８】
請求項９に記載のベクターグラフィック投射ソフトウエアは、請求項８に記載のベクターグラフィック投射ソフトウエアの入力インタフェースに、スキャンレート、スキャン角度、遅延時間、およびブランキング時間のパラメータ項目を備え、各パラメータの数値を自在に設定可能にすることで、前記遅延時間を補償したコマンド発行タイミングによりリアルタイムにＸ−Ｙスキャナの調整を可能にしたことを特徴とする。
【００１９】
請求項１０に記載のレーザー投影システムは、レーザー光源からのレーザービームをＸ−Ｙスキャナにてスキャニングしてベクターグラフィックを投射するレーザー投影システムであって、レーザービームを発するレーザー光源と、レーザービームの投射方向を自在に制御するＸ−Ｙミラーにてレーザービームをスキャンするガルバノメータスキャナと、レーザービームの投射出力を制御するスキャナアンプと、前記ガルバノメータスキャナおよび前記スキャナアンプを制御するスキャナコントローラと、前記スキャナコントローラに接続されたコンピュータとを備え、前記コンピュータに請求項８または請求項９に記載のソフトウエアがインストールされ実行されるとともに、前記ソフトウエアの入力インタフェースとして含まれるスキャンレート、スキャン角度、遅延時間、およびブランキング時間のパラメータの数値を自在に設定にすることでリアルタイムにＸ−Ｙスキャナの調整を可能にしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、異なるハードウェア特性（例えば、スキャンレート、ブランキング時間）を有するどのレーザープロジェクタにおいても、多くの手間を要する回路の可変抵抗やジャンパーの変更が必要となるハードウェア調整を行わずに、正しくベクターグラフィックを投影することができるようになる。すなわち、本発明によれば、どのレーザープロジェクタにおいても正しくベクターグラフィックを投影するために、スキャンレート、遅延時間、およびブランキング時間を容易に調整できる方法が提供される。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、異なるハードウェア特性を有するどのレーザープロジェクタにおいても、ハードウェア調整を行わずに、正しくベクターグラフィックを投影することができるようになり、リアルタイムにスキャナチューニングができるようになる。すなわち、本発明によれば、どのレーザープロジェクタにおいても正しくベクターグラフィックを投影するために、各パラメータ（例えば、スキャンレート、スキャン角度、遅延時間、およびブランキング時間）の数値を自在に設定できる方法が提供される。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、異なるハードウェア特性を有するどのレーザープロジェクタにおいても、ハードウェア調整を行わずに、正しくベクターグラフィックを投影することができるようになる。すなわち、本発明によれば、どのレーザープロジェクタにおいても正しくベクターグラフィックを投影するために、スキャナコントローラからＸ−Ｙスキャナへコマンドが発行された時とＸ−Ｙスキャナのミラーが前記コマンドにより指定された位置へ実際に動いた時との間に発生する遅延時間を含む前記パラメータ（遅延時間）を容易に調整できる方法が提供される。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、異なるハードウェア特性を有するどのレーザープロジェクタにおいても、ハードウェア調整を行わずに、正しくベクターグラフィックを投影することができるようになる。すなわち、本発明によれば、どのレーザープロジェクタにおいても正しくベクターグラフィックを投影するために、（ａ）式により算出される遅延時間Ｔを容易に調整できる方法が提供される。また本発明によれば、パラメータｖ（レーザービームが動く速度）を変更することで異なる速度で同じ明るさを持つベクターグラフィックを投影することができるようになる。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、異なるハードウェア特性を有するどのレーザープロジェクタにおいても、ハードウェア調整を行わずに、正しくベクターグラフィックを投影することができるようになる。すなわち、本発明によれば、どのレーザープロジェクタにおいても正しくベクターグラフィックを投影するために、（ｂ）式により算出されるフレーム更新レートＦＰＳを容易に調整できる方法が提供される。ＦＰＳは、投射するグラフィックスの1秒当りのフレーム更新レートであり、パラメータｖ（レーザービームが動く速度）を変更することで制御することができる。
【００２５】
請求項６に記載の発明によれば、異なるハードウェア特性を有するどのレーザープロジェクタにおいても、ハードウェア調整を行わずに、正しくベクターグラフィックを投影することができるようになる。すなわち、本発明によれば、どのレーザープロジェクタにおいても正しくベクターグラフィックを投影するために、スキャナコントローラからブランクライン要素のためにレーザー光源の投入／遮断するコマンドが発行された時と前記コマンドにより実際にレーザー光源の投入／遮断が行われた時との間に発生する遅延時間を含むブランキング時間を容易に調整できる方法が提供される。
【００２６】
請求項７に記載の発明によれば、異なるハードウェア特性を有するどのレーザープロジェクタにおいても、ハードウェア調整を行わずに、正しくベクターグラフィックを投影することができるようになる。すなわち、本発明によれば、どのレーザープロジェクタにおいても正しくベクターグラフィックを投影するために、投影画像のサイズを決定する角度であるスキャン角度は（ｃ）式により算出され、このスキャン角度を容易に調整できる方法が提供される。スキャン角度Ａを変更することで、投影画像のサイズを制御することができる。
【００２７】
請求項８に記載の発明によれば、異なるハードウェア特性（例えば、スキャンレート、ブランキング時間）を有するどのレーザープロジェクタにおいても、多くの手間を要する回路の可変抵抗やジャンパーの変更が必要となるハードウェア調整を行わずに、正しくベクターグラフィックを投影することができるようになる。すなわち、本発明によれば、どのレーザープロジェクタにおいても正しくベクターグラフィックを投影するために、スキャンレート、遅延時間、およびブランキング時間を容易に調整できるソフトウエアが提供される。
【００２８】
請求項９に記載の発明によれば、異なるハードウェア特性を有するどのレーザープロジェクタにおいても、ハードウェア調整を行わずに、正しくベクターグラフィックを投影することができるようになり、リアルタイムにスキャナチューニングができるようになる。すなわち、本発明によれば、どのレーザープロジェクタにおいても正しくベクターグラフィックを投影するために、各パラメータ（例えば、スキャンレート、スキャン角度、遅延時間、およびブランキング時間）の数値を自在に設定できるソフトウエアが提供される。
【００２９】
請求項１０に記載の発明によれば、異なるハードウェア特性（例えば、スキャンレート、ブランキング時間）を有するどのレーザープロジェクタにおいても、多くの手順を要し回路の可変抵抗やジャンパーの変更が必要となるハードウェア調整を行わずに、正しくベクターグラフィックを投影することができるようになる。すなわち、本発明によれば、どのレーザープロジェクタにおいても正しくベクターグラフィックを投影するために、スキャンレート、遅延時間、およびブランキング時間を容易に調整できるシステムが提供される。また本発明によれば、各パラメータ（例えば、スキャンレート、スキャン角度、遅延時間、およびブランキング時間）の数値を自在に設定できるシステムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実験により同一画像に対する４種類の異なる投影を示した図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るレーザー投影システムの構成を示したブロック図である。
【図３】スキャン角度およびスクリーンまでの距離により投影画像のサイズが決まることを示した模式図である。
【図４】輝度標準化を適用する前後の投影画像を示した図である。
【図５】”SetSync”コマンドと”PositionXY−320−320”コマンドとの間の遅延の一例を示した図である。
【図６】”PositionXY”コマンドに対して”SetSync”を遅延させる”wait12”コマンドを挿入することで、これらの２つが同期する一例を示した図である。
【図７】ブランクラインが設定されているテストパターン（１）を示した図である。
【図８】ブランクラインが設定されているテストパターン（２）を示した図である。
【図９】ＩＬＤＡ試験パターンを示した図である。
【図１０】ブランキング速度およびブランキング減衰を示した図である。
【図１１】システムレーテンシーを補償することで調整した投影結果を示した図である。
【図１２】速度(Velocity)を制御することで調整した投影結果を示した図である。
【図１３】スキャン角度と速度(Velocity)との関係を示した図である。
【図１４】速度(Velocity)とILDA試験パターンの正しい投射画像に必要なスキャンレートとの関係を示した図である。
【図１５】速度(Velocity)と8度のスキャン角度に対するスキャンレートとの関係を示した図である。
【符号の説明】
【００３１】
２０１  レーザー光源
２０２  ガルバノメータスキャナ
２０３  Ｘ−Ｙミラー
２０４  スキャナコントローラ
２０５  スキャナアンプ
２０６  電源
２０７  コンピュータ
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
次に、本発明の実施の形態に係るレーザー投影システムについて図面に基づいて説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００３３】
図２は、本発明の実施の形態に係るレーザー投影システムの構成を示したブロック図である。図２に示すように、レーザー投影システムは、レーザー光源からのレーザービームをＸ−Ｙスキャナにてスキャニングしてベクターグラフィックを対象物に投射するシステムであって、レーザービームを発するレーザー光源２０１と、レーザービームの投射方向を自在に制御するＸ−Ｙミラー２０３にてレーザービームをスキャンするガルバノメータスキャナ２０２と、レーザービームの投射出力を制御するスキャナアンプ２０５と、ガルバノメータスキャナ２０２およびスキャナアンプ２０５を制御するスキャナコントローラ２０４と、スキャナコントローラ２０４に接続されたコンピュータ２０７とを有する。ここで、スキャンレート、スキャン角度、遅延時間、およびブランキング時間の各パラメータを入力インタフェースとするシフトウエアがコンピュータ２０７にインストールされ実行される。各パラメータの数値を自在に設定にすることでリアルタイムにスキャナチューニングが可能になる。
【００３４】
レーザープロジェクタは、グラフィクスシステムの心臓部といえる。レーザープロジェクタは、ガルバノメータスキャナ２０２とスキャナアンプ２０５を備え、それらが共に動作して画像を描画できる速さでレーザービームを動かす。レーザービームは、最初にX（横）スキャナに当たる。Xスキャナは、レーザービームを照射方向に直角に偏光させて、上方向のＹミラーに導く。Yミラーは、Xミラーにより導かれた線を受け入れ、それを直角に動かす。アナログオシレータ回路から入力されるX-Yスキャニングシステムを用いて、複雑な部分が投影されるようにビーム位置が制御される。コンピュータで画像をデジタル化して保存することで、複雑な画像やアニメーションの投影が可能となる。またレーザープロジェクタは輝度装置(intensity device)を備えており、この輝度装置はレーザービームのブランキングや色づけを行う。レーザープロジェクタは、他にも、ビームテーブルや輝度特殊効果装置(lamina special effect device)といったものも備えている。
【００３５】
レーザー投影システムの基本構成は次の通りである。
・スキャンコントローラ(Scan controller)：ＰＣやアクシスサーボとの送受信の役割を担い、スキャナアンプにデータを送信する前にプログラムを保存するためのメモリーを有する。
・スキャナアンプ(Scanner amp)：メインコントローラからのデジタル信号をガルバノメータに供給するアナログ電流に変換すること、またスキャンコントローラにフィードバックする部分と通信することを担っている。各閉ループガルボスキャナはいずれも閉ループスキャナアンプを必要とし、コンピュータのレーザーコントロール信号を調整し増幅する。X−Yスキャナを動作させるためにこれらの２つが必要となる。
・ガルバノメータスキャナ(Galvanometer scanners)：ガルボスキャナとも呼ぶ。レーザービームを偏向させるための小型ミラーを動作させるスキャナである。２つのミラーを持ち、１つは水平動作（Ｘ）のためのミラーで、もう１つは垂直動作（Ｙ）のためのミラーである。さらに、ディスプレイスクリーン上の任意の位置にレーザービームを動かすことができる。
・レーザービーム(Laser beam)：指定された色と輝度を持っている。
・電源(Power)：レーザープロジェクタに電源を供給する。
また後述する実験で使用するレーザープロジェクタは、次に記載のコンポーネント（非特許文献８，９参照）を用いて構成されている。
・スキャンコントローラ(Scan Controller)：GSI LumonicsSC2000
・サーボコントローラ(Servo Controllers)（Scan amps）：GSI Lumonics MiniSAX（２個）
・ガルバノメータスキャナ(Galvanometer scanners)：GSI Limonics VM−500
・レーザー(Laser)：コヒーレントMVPコントロールダイオードレーザーモジュール、波長
670nm（赤）、電源0．95mW
【００３６】
（１）レーザースキャナの特性 (Laser scanner characterization)
(1.1)スキャンレート(Scan Rate)
スキャナの性能に関して最も議論される言葉の１つに「30K」があり、１秒間［PPS］に30,000点（30Kpps）の略である。レーザーコンピュータシステムは、ＸＹデータの点を連続的に出力することでレーザーグラフィックを描画する。このデータは、レーザーグラフィックを描画するために、スキャナを水平と垂直（X＆Y）の軸で動かすために使われる。レーザースポットはこれらの点の経路を高速でたどっていく。これらの点は人間の目には線として見える。これらデータの点が出力される速度は、’points per second’または’pps’として定義される。よって、30Kとは、コンピュータ（または他の信号源）から１秒間に30,000点が出力される速度である。出力する点の速度についての他の言葉として、’scanning speed’, ‘scan rate’, ‘point rate’ がある。
システムによっては、１秒あたりの点数という形でスキャンレートを示していない。これは、どの程度の速度で動作しているか知りたい場合には不適切である。このパラメータは特にレーザー投影システムと関係し、フリッカーを防ぐようなグラフィックスを描画する際に注意を要する。フリッカーを防止し、スキャナが性能範囲内で動作するように、グラフィックスをデジタル化する際のスキャナの最大速度を知る必要がある。PPSは（１）式で算出される。
PPS＝NOP×FPS  ・・・・・（１）式
“PPS”とは、１秒あたりの点数で示すスキャンレートである。”NOP”とは、１フレームを描画するポイント数である。”FPS”とは、1つのフレームが人間の目に対して連続の錯覚をもたらすために繰り返すべき、１秒あたりのフレーム数である。
【００３７】
(1.2) スキャン角度(Scan Angle)
スキャン角度は、投影画像のサイズを決定するための角度である。光学的スキャン角度は、図３に示すように投影画像のサイズ、および画像とスキャナ間の距離により決まる。
これとは対象的に、機械的スキャン角度は、1つのスキャナの偏位角度、あるいは光学的スキャン角度の２分の１である。（２）式がスキャン角度を決定するために使用される。
tan（A／2）＝(W／2)／D  ・・・・・（２）式
ここで、”A”は度で示されるピークからピークまでのスキャン角度である。”D”はスキャナからスクリーンまでの投影距離である。”Ｗ”は投影画像のサイズである。
【００３８】
(2) 輝度標準化法(Intensity normalization)
レーザー投影の潜在的な問題は、各線の描画速度と描画輝度との間に強く関わっている。同じ間隔で長さの異なる２本の線が描かれた場合、長い線よりも短い線の方が明るく見える。その理由は、同一時間で線を描写するために、ミラーは短い方を描く場合よりも長い方を描く場合の方が、移動が速いからである。ミラーの動きが遅いほど、レーザービーム線はより明るく（より強く）見える。この問題は、ベクターの長さに従ってビーム輝度を調整することですべてのベクターに対してレーザービームを一定速度で動かすようにするか、またはレーザー投射の距離に従い、一定のレーザービーム輝度と動作速度を適用するかによって解決できる。長さが異なるベクターに対して同一の輝度を得るための一般的な手法は、ベクター（ライン）の長さに応じて動くときの遅延時間を計算するという方法である。この方法を輝度標準化法 (Intensity normalization technique)と呼ぶことにする。
本発明では、すべてのフレームデータを処理する必要なしに、安定した輝度を得るための新しい速度(Velocity)の概念を採用した。最初に従来の輝度標準化の手法を説明し、その後に本発明の方法を説明する。
【００３９】
(2.1) 描画時間遅延
従来の手法では、（３）式を適用する前に描写するフレームのすべてのデータが必要となる。
VectorTimeDelay = VectorLength ／( TotalFrameLength × FPS)  ・・・・・（３）式
ここで “VectorTimeDelay”は、あるベクターに対する描画時間遅延を時間単位で表したものである。”VectorLength”は、そのベクターの長さを距離の単位で表したものである。
”TotalFrameLength”は、対象フレームの全てのベクターの長さを合計したものである。
”FPS”は、１秒あたりのフレーム更新速度を表したものである。
この手法の欠点は、各線に適した時間を割り当てる前に描画するための全てのデータを処理する必要があるため、リアルタイムの処理と分析には適していないことである。
【００４０】
(2.2) 速度の概念 (Velocity Concept)
本発明の手法では、レーザービームの動作速度を表す速度(Velocity)が、レーザー描画プログラムを制御し、各ビームの動きに適合した時間を割り当てるために使用される。本発明の手法では、すべてのデータを処理し終えるまで待つ必要がなく、各線について（４）式を使用して動作中に適した時間を計算することができる。
ｔ＝Ｄ／ｖ    ・・・・・（４）式
ここで、”ｔ”はレーザービームが各ベクターの始点から終点まで移動する時間である。”Ｄ”はベクターの長さである。”ｖ”はレーザービームが動く速度 (Velocity) である。”D”は、各ベクターが生成された後、動作中に計算され、”v”を変えることで、異なる速度、同一輝度でグラフィックスを描画することができる。図４に２種類の投影画像を示す。図４(a)は輝度標準化を行う前の投影画像であり、図４(b)は輝度標準化を行った後の投影画像である。
速度”ｖ”は、次の（５）式を考慮して各描画のFPSを制御できる。
ＦＰＳ＝１／Ｔ    ・・・・・（５）式
ここで、”FPS”は各フレームの更新速度であり、１秒あたりのフレーム数で表される。”T”は１フレーム分のベクターデータについて（４）式で算出されたベクターデータ毎の遅延時間を合算した時間である。FPSを制御する速度(Velocity)と、スキャンレートは（４）式のtによる。
【００４１】
(3) ブランキングと同期遅延の概念(Blanking and synchronization delay concept)
ブランキングは、レーザービームの電源投入／遮断を微妙な調整により行う手法である。スキャンした画像では、ブランキングによりビームが隠された部分が遮断される。ブランクはデジタル（オン／オフ）方式またはアナログ（連続強度調整）方式のどちらでもよい。ブランキングは３つ目のスキャナである音響光学モジュレータ（AOM）を使用するか、半導体レーザーを使用したレーザー出力を電気的にコントロールすることで行う。本発明に係る実験用レーザープロジェクタでは後者の手法を採用している。ブランキングを適用するということは、画像の投影に予期しない結果をもたらすという深刻な問題を引き起こす場合がある。その理由は、ミラーを動作させるコマンドが発行された時と実際にミラーが実際に動作したり停止したりする時との間で遅延が発生するからである。ブランキングを伴う正しい投影を得るためには、この時間遅延に対して十分に検討しなければならない。これについては次の項目で説明する。
【００４２】
(3.1) システムレーテンシーの問題 (System latency issue)
スキャンコントローラは、低ジッター出力波形を予測可能なタイミングで供給することが想定されている。ガルボスキャナによる遅延と同じ程度の遅延と遭遇するはずでありこのことを考慮しなければならない。
最も顕著な遅延とは、命令が確認される時と実際の電圧値がＤＡＣ(Digital Analog Converter)の出力から発生する時との間に発生する。この遅延は多くの要因から発生するが、ＤＡＣのアンチイメージングフィルタにより左右される。この遅延と比較すると、これ以外の遅延については、例えば、命令が確認された時と同期ピンが状態を変えた時との間の遅延があるが、ほとんど無視することができる。この遅延を具体的に示すため、簡単なプログラム”a”（図５の下に示すプログラム）を用いて測定した結果を図５に示す。この図から、レーザーを遮断する”SetSync”コマンドと”PositionXY−320−320”コマンド（レーザービームをX、Y位置に移動させるコマンド）との間の遅延が、約315μsであることがわかる。両方のコマンドが同期しないために、レーザービームが動き出す前にレーザーが遮断されてしまうことがわかる。図６に、プログラム”ｃ”（図６の下に示すプログラム）を用いて測定した結果を示す。”PositionXY”コマンドに対して”SetSync”を遅延させる”wait12”コマンドを挿入することで、これらの２つは同期することがわかる。
レーザーコントローラには、スキャナと位置設定ガルボに特有のレーテンシーを処理するように調整されたコマンドが含まれている。副作用コマンドという分類に分けられたこれらのコマンドは、”DelayedSetSync”とDelayedUnsetSynsと命名されている。これらのコマンドの動作は、同期出力チャンネルの状態をコントロールするという点で”Setsync”および”Unsetsync”コマンドと同じであるが、コマンドの電気的出力動作が、動作制御プログラムにおける実行時聞からいくつかの数の目盛り数が遅延するということが異なる。これらの調整可能遅延により、動作時間中の位置決めシステムの現実的なレーテンシーを解決することができる。また、コマンドがX-Yスキャナに確認される時と実際にミラーが指定位置に動く時との間の遅延がさらに存在することに注意しなければならない。各投影システムの評価を行い、正しいコマンドタイミングを得るために、システムレーテンシーと呼ぶこのような遅延を補償できる総遅延を推定する必要がある。次の項では、システムレーテンシーを正確に推定し補償するために行った実験について説明する。
【００４３】
(3.2) ブランキング実験  (Blanking experiment)
前項で記述したとおり、コマンドタイミング（同期）は、ハードウェアの中での様々な遅延を考慮しなければならないため、正しいレーザー投影を得るために、非常に重要である。最も重要なケースは、レーザービームのスイッチをオン・オフする時とミラーが実際に止まった時の間のタイミングである。本実験の主な目的は、手順調整と呼ばれる、システムレーテンシーを測定し補償することを可能にする試験を構築することである。前述したとおり、補償するべき時間遅延値を具体的に知っているわけではないため、このことは非常に難しい取り組みである。そのため、適切な遅延を推定するために単純な試験パターンを設定した。
平行線の投影は、ブランキングのコマンドタイミングが正確な表示を得るために必須の要素であるため、レーザープロジェクタにおいては基本的な試験といえる。結果の汎用性を高めるために、ブランクラインが垂直または対角線状に設定されている図７（a）と図８（a）に示すように、平行線の２種類のパターンについて試験を実施した。
今回の実験における試験パラメータは、移動コマンド（PositionX）と、ブランクライン要素のためにレーザーを投入または遮断するコマンド（Setsync、Unsetsyncコマンド）との間で補償が必要となる遅延である。この遅延は、完全なコマンド同期を得るためのシステムレーテンシーと同等である。それ故に、この遅延は、完全な２本の平行線を得る前に調整しなければならない。この遅延の長さは20目盛り（時間単位）であった（図7（e）参照）。この時間単位は、システムクロックに依存するため、システムによって異なり、この調整は重要である。本実験のシステムでは、目盛り１つ（１つの時間単位）が23msである。もしこの遅延がシステムレーテンシーと同じでない場合、期待する結果とは異なる結果を得ることになる。もし、スキャナが正しい電圧をガルボに供給する前と、ミラーが以前の動作を終了する前に、素早くレーザーの遮断を実施すると（この遅延がシステムレーテンシーよりも小さい場合）、図７（c）に示すような結果が得られる。この図では、遅延が１時間単位（23ms）に設定されている。遅延がシステムレーテンシーよりも長い場合、図7（d）に示すような結果が得られる。この図では、100時間単位（2,300ms）に設定されている。
同じ論議は図８にも適用される。この図では、ブランクラインが対角線に設定されている。時間遅延補償が異なると結果も異なってくる。最も顕著な結果として、同じ遅延（20時間単位）で正確な投影を２つの試験パターンにて実現できた。つまり、我々のレーザー投影システムにおいて、システムレーテンシーは、確実にコマンドの同期が可能となるように補償できる時間として460msであることを意味している。この手法は単純であるが、そのレーザー投影においてもシステムレーテンシーを効果的に評価することができる。このことについては、実験結果を記載した次項でさらに説明する。
【００４４】
(4) ILDA試験パターン(ILDA Test Pattern)
前述のテスト結果および遅延を検証するために、ILDA試験パターンを使用した。このテストパターンの主要な用途は、レーザー投影システムのベースとなるガルバノメータの調整とキャリブレーションにある。しかし、ここでは前述の単純なテストパターンにより得られた結果を検証するためにだけILDA試験パターンを使用した。さらに本発明に係るレーザープロジェクタのスキャンレート、スキャン角度、速度(Velocity)という重要な３つの要素の関係を調査することでレーザープロジェクタの特徴を明らかにする。
図９にオリジナルのILDA標準テストパターンを示す。本実験システムにおいて、このテストの重要な項目のみ説明する。異なるスキャンレートでどのように見えるかについてレーザー委員会が合意したデータとしてしかこのパターンを使用しないためにILDA調整手順を重要視することはない。
Ａ１はスキャナ速度である。円は、正方形としたとき同一サイズ（幅と高さ）とし、正方形の各辺の中心部分と接している。スキャニングシステムが完全なものだとしたら、円はデジタル化される過程で正方形よりも大きくなる。だたしスキャナが完璧な応答をしないことから、標準的に円は正方形と同じサイズになる。Ｂ１はブランキング速度である。上下の水平線は、短い縦の線と交わる。図１０（a）を参照。Ｂ２は ブランキング減衰である。２本の水平線は、短い縦線から等距離となっている。図１０（b）を参照。
【００４５】
(4.1) チューニング結果 (Tuning Results)
実験を通して、どのレーザープロジェクタでも使える一般的な試験手順を定め、これらの試験から速度を決めることができるように、プログラム中のパラメータの調整だけを行い、ハードウェアの調整は行わなかった。
最初の結果では、スキャナが未知のテストパターンで調整されていても、ILDA協会が推奨する通り、ILDA30Kテストパターンの全てを表示することができた。これは、レーザープロジェクタの速度(Velocity)と総遅延（システムレーテンシー）とを調整することで達成された。スキャナとコントローラを調整することなく、プログラム中でこれらの２つの要素を調整するだけで、ILDA試験パターンを正しく表示することができた。図１１に、異なる遅延（システムレーテンシー）に対するILDA試験パターンの３種類の投影結果を示す。図１２に、スキャンレートを遅くした場合から速くした場合の速度(Velocity)を制御することで調整した投影結果を示す。
本試験における別の重要な側面は、前述のレーテンシー遅延に対して多くの調整を行うまで、Ｂ１（ブランキング速度）とＢ２（ブランキング減衰）を正しく得ることはできなかった。最も興味深い結果は、試験で正しく投影するために必要な補正レーテンシーは、20時間単位であり、前述した平行試験パターンで得た図と全く同じであった。このことは、試験の効果についての我々の主張を支持するものであり、前述の単純なテストパターンを使用することで、どのレーザー投影システムにおいても、コマンドが完全に同期するように補償されるようにして、総遅延を短時間に決定することができる。
【００４６】
(5) レーザースキャナの性能(Laser Scanner Performance)
速度(Velocity)という概念を用いて、数々の実験を行い、スキャンレート、スキャン角度、速度(Velocity)の関係を調べ、スキャナの性能を定めた。前述したように、スキャン角度は投影画像のサイズを決める尺度となる。サイズが大きいほど、レーザービームの距離が長くなる。そして投影画像の画質を考える際に重要な要素である。最終的な画像の質は（１）式で決まり、各フレームにおけるFPSと点の数がスキャンレートに直接関係する。
図１３に示すように、速度(Velocity)とスキャン角度の関係は直線的である。そのため、大きな画像を投影する場合には、速度(Velocity)を上げる必要があり、その結果スキャンレートを高める必要がある。速度(Velocity)と投影の大きさの変更には限度があるが、これはスキャンレートに依存する。スキャン角度を大きくしながら、内側の円が楕円になり、画像が少しずつ変形し始める20度（Velocity1300）まで、ILDAを正しく投影することができた。このことは、このレーザープロジェクタを限界の速度まで機能させることができるが、その速度より速く投影することはできないことを意味する。図１４に示すように、ILDA試験パターンの正しい投射画像に必要なスキャンレートを計算した。最高の結果は、550の速度(Velocity)で得られ、この数値は37,227PPSのスキャンレートと一致する。図１４に示すように、本レーザーシステムは37,000PPSであることを示している。この速度を実用の速度を呼ぶ。製造会社は、常に理想の速度、例えば43,000PPSを提示している。よって、不具合を防ぐために、実用の速度を超えて使用しないことを推奨する。
理想速度を確認するために、8度のスキャン角度で、異なる速度(Velocity)を用いた場合のスキャンレートを計算した結果を図１５に示す。この結果から、理想速度は43,478PPSである。この速度はカタログ明示の43000を裏付けるものである。
【００４７】
(6) 結論(Conclusion)
レーザーは地球上で最も強力な光源である。レーザーアニメの画像は、従来のスライドやビデオに比べてより人目をひく媒体であると言える。
レーザー画像についての研究は多くはなく幅広く調査されてきてはいない。多くの場合、製造会社が画像を投影する独自の技術とアルゴリズムを開発してきている。ハードウェアの側面とコンピュータグラフィクスの側面でのこの分野に対して貢献できる異分野からの研究を進める余地がある。そして、その成果として複雑が画像をより効果的かつ効率的に投影し、新しい分野に適用することができる。本発明では、レーザー投影システムを処理するための基本知識を確立し、レーザープロジェクタの個別のパラメータを定める式を創りだした。特に、最初にどのテストパターンでスキャナを調整したかにかかわらず、画像を正確に投影する一般的な手法を紹介した。この手法は、ベクターデータを準備したときに何を検討するべきか、各ベクターに対してどのように遅延を設定したか、使用中にスキャナのためのブランキングタイミングをどのように決定したかを明確にすることで可能となる。また、レーザープロジェクタの性能を測る簡易的なテストを説明した。さらに、プロジェクタの描画速度を制御する新しい速度(Velocity)の概念を説明した。最後に、レーザープロジェクタの性能についての実験で結論づけられたスキャン角度、スキャンレート、速度(Velocity)の関係を示した。
結論として、レーザーベクターディスプレイの用途は幅広い。ただし、最大の制約要因はスキャナ速度であるが、速度の速いスキャナを使用することで、画像はさらに複雑になり、この技術を生かした新しい用途が考えられていくだろう。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
レーザー投影は娯楽向けコミュニティに幅広く利用されるようになってきており、特にライブミュージックコンサートでは重要な部分を呈している。近年、十分な速度を持つ高速スキャナを用いることで、複雑なグラフィック画像を投影することが可能になってきている。本発明は、異なるハードウェア特性（例えば、スキャンレート、ブランキング時間）を有するどのレーザープロジェクタにおいても、多くの手間を要する回路の可変抵抗やジャンパーの変更が必要となるハードウェア調整を行わずに、正しくベクターグラフィックを投影する技術を提供する。すなわち、本発明によれば、どのレーザープロジェクタにおいても正しくベクターグラフィックを投影するために、スキャンレート、遅延時間、およびブランキング時間を容易に調整できる方法が提供される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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