(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレゼンテーションや、コンピュータ支援型作業や、コンピュータとの対話式の用途の為の視認システムであって、前記視認システムは、
視覚情報を表示でき、且つ１人以上のユーザに見えるようになっている基準面と；
前記基準面に対して用いる為のペン又はポインタなどの光投射装置（３〜６）を備える誘導物（１６）と；
前記基準面に呈示されている物体と画像とについての情報を検出し記録し転送するカメラ及び認識用の装置（１８）と；
前記カメラ及び認識用の装置（１８）と協働する為に前記カメラ及び認識用の装置（１８）に接続され、且つ前記カメラ及び認識用の装置（１８）が出力信号群を検出し記録した際に前記出力信号群を受信するコンピュータ（１９）と
を備え、
前記光投射装置（３〜６）は、回折性光学素子と、光学系とを備え、
前記光投射装置（３〜６）は、人間の目には本質的に見えない符号化パターン画像（１０，１１）を形成する光を、前記基準面に放出し、
前記カメラ及び認識用の装置（１８）は、前記符号化パターン画像を検出し記録し、
前記符号化パターン画像（１０，１１）は、前記誘導物（１６）が前記基準面に接近させて操作される場合には、第１パターン画像（１０）であり、前記誘導物（１６）が前記基準面から離して操作される場合には、第２パターン画像（１１）であることを特徴とする、視認システム。
【請求項２】
前記光投射装置（３〜６）は、強度の低い可視光を放出する、
請求項１に記載の視認システム。
【請求項３】
前記光投射装置（３〜６）は、赤外光又は近赤外光を放出する、
請求項１に記載の視認システム。
【請求項４】
前記回折性光学素子（５）は、少なくとも２つの位相レベルを有する回折格子を備え、
前記位相レベルはそれぞれ、互いに別である、
請求項１〜３のうちいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記誘導物（１６）と前記カメラ及び認識用の装置（１８）との間に直接の赤外線通信リンクが確立されている、
請求項１〜４のうちいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記誘導物（１６）は、赤外線遠隔型制御装置を備え、
前記赤外線遠隔型制御装置は、前記カメラ及び認識用の装置（１８）に信号を送信することと、前記カメラ及び認識用の装置（１８）から信号を受信することとのうちの少なくとも１つを有する、
請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記光投射装置（３〜６）によって放射される前記光は、投射された画像に亘って広がる、
請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の視認システム。
【請求項８】
前記光学系は、反射型コリメートレンズ（４）を備える、
請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の視認システム。
【請求項９】
前記光学系は、反射型回折環状曲面鏡（１４）と、環状曲面鏡（１３）とを備える、
請求項１〜８のうちいずれか１項に記載の視認システム。
【請求項１０】
前記光学系は、反射型コリメートレンズ（４）と、環状曲面鏡（１３）とを備え、
前記光学系はさらに、ニュートラルなウィンドウ及びもう１つの透過型回折性光学素子（１５）のうちの少なくとも一方を備える、
請求項１〜９のうちいずれか１項に記載の視認システム。
【請求項１１】
前記コンピュータ（１９）はさらに、前記第１画像の受信信号に基づき、遠くの位置での操作を検出し、第２画像の受信信号に基づき、近くの位置での操作を検出する、
請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の視認システム。
【請求項１２】
前記誘導物は、前記誘導物（１６）が前記カメラ及び認識用の装置（１８）の視野内に存在する場合に、検出可能な符号化パターンを備える、
請求項１〜１１のうちいずれか１項に記載の視認システム。
【請求項１３】
プレゼンテーションや、コンピュータ支援型作業や、コンピュータとの対話式の用途の為の視認システムにおいて、基準面に表示されたオブジェクトや画像に関する情報を、検出し、記録し、転送する装置であって、前記装置は、
視覚情報を表示でき、且つ１人以上のユーザに見えるようになっている前記基準面と；
前記基準面に対して用いる為のペン又はポインタなどの誘導物（１６）であって、前記誘導物（１６）は、光を投射する光投射装置（３〜６）を有することと；
前記基準面に呈示されている物体と画像とについての情報を検出し記録し転送するカメラ及び認識用の装置（１８）と；
前記カメラ及び認識用の装置（１８）と協働する為に前記カメラ及び認識用の装置（１８）に接続され、且つ前記カメラ及び認識用の装置（１８）が出力信号群を検出し記録した際に前記出力信号群を受信する前記コンピュータ（１９）と
を備え、
前記光投射装置（３〜６）は、回折性光学素子（５）と、光学系とを備え、
前記光投射装置（３〜６）は、人間の目には本質的に見えない符号化パターン画像（１０，１１）を形成する光を、前記基準面に放出し、
前記カメラ及び認識用の装置（１８）は、前記符号化パターン画像（１０，１１）を検出し記録し、
前記符号化パターン画像（１０，１１）は、前記誘導物（１６）が前記基準面に接近させて操作される場合には、第１パターン画像（１０）であり、前記誘導物（１６）が前記基準面から離して操作される場合には、第２パターン画像（１１）であることを特徴とする、装置。
【請求項１４】
前記コンピュータ（１９）は、表示画面を有し、
前記コンピュータ（１９）は、前記表示画面上で、前記符号化パターン画像の位置および動きを示すように構成される、
請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記光投射装置（３〜６）によって放射される前記光は、投射された画像に亘って広がる、
請求項１３または１４記載の装置。
【請求項１６】
前記視覚情報は、前記基準面に表示され、
前記基準面は、フロント投射スクリーンまたは背面投射スクリーンであり、
前記基準面が前記フロント投射スクリーンの場合には、データプロジェクタは、前記基準面の前に位置し、
前記基準面が前記背面投射スクリーンの場合には、前記データプロジェクタは、前記基準面の背面に位置する、
請求項１３〜１５のうちいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
基準面について使用される光投射装置（３〜６）であって、前記光投射装置（３〜６）は、
光を投射する光源と；
符号化パターン画像が形成されるように、前記光を回折する回折素子（５）と；
回折された前記光を前記基準面に投射する光学系と
を備え、
前記符号化パターン画像（１０，１１）は、前記光投射装置（３〜６）が前記基準面に接近させて操作される場合には、第１パターン画像（１０）であり、前記光投射装置（３〜６）が前記基準面から離して操作される場合には、第２パターン画像（１１）である、光投射装置。
【請求項１８】
前記光投射装置は、誘導物（１６）において使用され、
前記誘導物（１６）は、符号化パターンを有する、
請求項１７記載の光投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像位置に加え、ペン又はポインタなどの誘導物の基準面に対する方向性を見出し継続的に追随するように、ペン又はポインタなどの誘導物に配置された投射装置から基準面へ赤外画像又は近赤外画像を投射することに関する。本発明は更に、画像位置及びペン又はポインタなどの誘導物の方向性を見出して追随する為の、装置、システム、方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
発行された国際特許出願（特許文献１）は、データのプレゼンテーション、コンピュータ支援型オフィス作業、及び／又は、コンピュータとの対話などの為の、ドローイングとライティング（ｗｒｉｔｉｎｇ）とポインティングのデバイスに関する。この発明は、データのプレゼンテーション、コンピュータ支援型オフィス作業、及び／又は、コンピュータとの対話などの為の、ドローイングとライティングとポインティングのデバイスとの対話の為のカメラ及び認識のシステムにも関する。この先行発明は更に、ドローイングとライティングとポインティングの為のシステムに関し、このシステムは、データのプレゼンテーション、コンピュータ支援型オフィス作業、及び／又は、コンピュータとの対話に適しており、ドローイングとライティングとポインティングのデバイスや、投射スクリーンを備えたコンピュータシステムに加えられたカメラ及び認識のシステムや、コンピュータスクリーンや、フラットスクリーンや、仮想スクリーンなどを含む。この発明は、データのプレゼンテーションや、コンピュータ支援型オフィス作業や、コンピュータとの対話などでの、ドローイングやライティングやポインティングなどの方法にも関し、単数又は複数の目標物の位置及び向きの継続的な検出方法にも関する。目標物ごとに１つ以上のコードパターンがある。どのコードパターンも、カメラ及び認識のシステムにより検出されるように適応している。コードパターン群は、各自の自己相関特性及び相互相関特性が良好であるように選択される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第０２／２７４６１号パンフレット
【特許文献２】米国特許第５９３８３０８号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｊａｋｏｂ  Ｂｌａｄ；”Ｎｅｗ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃｓ”、チャルマース工科大学、イェーテボリ（２００３）、ｐｐ．１５‐２３。
【非特許文献２】Ｇｅｒｓｃｈｂｅｒｇ‐Ｓａｘｔｏｎアルゴリズム」［Ｊｏｒｇｅｎ  Ｂｅｎｇｔｓｓｏｎ、”Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｄｅｓｉｇｎ”、チャルマース工科大学、イェーテボリ（１９９７）、ｐｐ．２５‐２７。
【非特許文献３】Ｅ．Ｈａ（ウムラウト）ｌｌｓｔｉｇ、Ｌ．Ｓｊｏ（ウムラウト）ｇｖｉｓｔ、Ｍ．Ｌｉｎｄｇｒｅｎ；Ｏｐｔ．  Ｅｎｇ．  Ｖｏｌｕｍｅ４２（３）（２００３）ｐｐ．６１３‐６１９。
【０００５】
（特許文献２）は、一方の画像をもう一方の画像に投影でき、これによって、２番目の画像を説明する人を補佐するハンドヘルドのポインタを記載している。このポインタには、複雑なパターン画像、即ち矢印又は企業ロゴのような所望の画像を作る為に、レーザ光源又は別のコヒーレント光源と、回折性光学素子とを使う必要がある。このような回折性光学素子を用い、生成された光の実質上すべてをリダイレクトすることにより、画像作成
プロセスにおいて光の一部を遮断するマスク又はスライドを使用した場合に比べ、エネルギーが節約される。（特許文献１）並びに（特許文献２）の教示は、ここでは、この２つの特許明細書に既に記載された原理及び方法を説明する必要はないと思われるので、これによって参照により本願に組み込まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
（特許文献２）の目的は、視聴者が容易に見ることのできる視認性の高い矢印などの複雑なパターン画像を作ることである。（特許文献２）の目的はパターン画像をカメラ認識システムで追跡することではない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、１つの態様においては、赤外画像又は近赤外画像、場合によっては強度の低い可視光の画像の、投射装置から基準面への投射に関し、この投射装置には、画像位置に加え、基準面に対するペン又はポインタなどの誘導物の方向性を見出して継続的に追随する為のペン又はポインタなどの誘導物がある。これに関して、重要なことは、赤外光又は近赤外光を用いることにより、又は強度の低い可視光を用いることにより、パターン画像を人間には不可視の画像又はほとんど見えない画像にすることである。基準面は、この文脈においては、任意の３次元表面や、平面や、背面投射スクリーン（裏面にプロジェクタを備えている）や、前面投射や、ある程度垂直に向けられたＬＣＤ又はＣＲＴスクリーン並びにテーブルトップ面などの表示画面を含む、任意の形態の表示面などと考えられる。
【０００８】
本発明のもう１つの態様は、パターン画像を、（特許文献１）に見られるようなカメラ認識システムにより追跡し、画像位置及び向きを捜し出して入力デバイスとしてコンピュータシステムに継続的に報告することである。予想されるのは、投影される画像が（特許文献１）で説明されているように自己相関特性及び相互相関特性が良好な１つ以上のコードパターンを備えていることである。本発明に従って、パターン画像を、強さのレベルをほんのわずか変更することにより、又は、波長帯の比較的狭い赤外光又は近赤外光を用いることにより、人間にはほとんど見えない画像又は本質的に不可視な画像にする。これは、とりわけ、回折性光学素子群を備えた投射装置を設けることで得られ、このこと自体は当該分野で既知である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の好適な実施形態に係る透過型回折性光学素子を用いて位置決めを行う投射装置の軸方向断面概略図。
【図２】光学素子の光配向が図１と同一だがチップが細いもう１つの好適な実施形態の軸方向断面概略図。
【図３】本発明の好適な実施形態に係る反射型回折性光学素子を用いて位置決めを行う投射装置の軸方向断面概略図。
【図４】本発明の好適な実施形態に係る透過型回折性光学素子を用いて位置決めを行う投射装置の軸方向断面概略図。
【図５】装置を表示画面に接近させて操作している図。
【図６】装置を表示画面から離して操作している図。
【図７】装置の向きを傾けながら装置を表示画面に接近させて操作している図。
【図８】装置の向きを傾けながら装置を表示画面から離して操作している図。
【図９】フロント投射スクリーン又は考えうる他の表示画面よりも前にカメラ及び認識の装置が配置され、投射装置をスクリーンに接近させて操作している、本発明に係るシステムの図。
【図１０】投射装置をスクリーンから離して操作している図９のシステムの図。
【図１１】バック投射スクリーン又は考えうる他の表示画面の背後にカメラ及び認識の装置が配置され、投射装置をスクリーンに接近させて操作している、システムの図。
【図１２】投射装置をスクリーンから離して操作している図１１のシステムの図。
【図１３】データプロジェクタから１メートルのフロント投射スクリーンに表示され、較正スペクトルアナライザを用いて記録された、任意のＲＧＢ設定の一般的なデータプロジェクタのスペクトルの例の図。
【図１４】本発明に係る投射装置によって投影されるパターン画像の望ましいタイプの図。
【図１５】図１４に表示された所望の強度パターンをもたらす回折性光学素子として用いられる位相パターンを繰り返し得る為に、いわゆる「Ｇｅｒｓｃｈｂｅｒｇ‐Ｓａｘｔｏｎアルゴリズム」により生成された位相パターンの図。
【図１６】遠視野で得られた、又は代案として、レンズ群及び／又は曲面鏡群を備えたシステムを用いることにより回折性光学素子の付近で得られた、結果の強度パターンのシミュレーション。
【図１７】図１４の所望の強度パターンの非対称の部分を形成する生成された位相パターンの図。
【図１８】遠視野で得られた結果の強度パターンの図。
【図１９】図１４に示されているような所望の対称な強度パターンの位相のレベルが２つ別々である位相格子。
【図２０】遠視野で得られた結果の強度パターンの図。
【図２１】図１４の所望の強度パターンの非対称の部分の位相のレベルが２つ別々である位相格子の図。
【図２２】位相のみ２つ別々の位相のレベルである回折格子が非対称のパターンを作れない為に深刻なエラーが起きた結果の回折パターンの図。
【図２３】位相のみ２つ別々の位相のレベルである回折性格子によって作成可能な単純な対称な強度パターンの例の図。
【図２４】位相のみ２つ別々の位相のレベルである回折性格子によって作成可能な単純な対称な強度パターンのもう１つの例の図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
投影される画像位置の検出は、画像位置及び向きを捜し出して入力デバイスとしてコンピュータシステムに継続的に報告する為に、（特許文献１）に見られるようなカメラ及び認識のシステムにより行われる場合がある。
【００１１】
請求項では、本発明によるシステムの新規かつ特殊な特質、並びにシステムで用いる装置及び誘導物を説明する。
本発明の更なる態様は、遠隔操作の為かつスクリーンに接近した操作の為のフロント投射システム及び背面投射システムを含む異なるディスプレイに用いられることである。遠隔操作は一般的に、ポインティングと選択とドラッグアンドドロップの各操作であるが、これらに限定されない。スクリーン付近の操作は一般的に、ポインティングと、選択と、ドラッグアンドドロップと、ライティングと、ドローイングと、消去であるが、これらに限定されない。
【００１２】
本発明によって得られる重要な利点は、ペン又はポインタなどの誘導物から投影されたパターン画像が、人間には直接みえない又はただほとんど見えないということである。ほとんど見えない又は本質的に不可視というのは、この文脈においては、実際上、表示された画像全体の中ではパターン画像を視聴者又はユーザ（単数又は複数）が無視できることを意味する。従って、このパターンの位置及び向きを受信するコンピュータシステムが、発表者と視聴者とに、矢印や、ドローイング又はライティングの一連のストロークや、例えば、コンピュータにより生成されたスクリーン上のオブジェクトの選択などの、所望の視覚フィードバックを行っている間、画像は発表者の注意をそらすこともなければ視聴者
の注意をそらすこともない。
【００１３】
なおまた、本発明に従って、用いられる波長は、データプロジェクタシステムで用いられる人間の視覚の波長帯域の範囲を適切に外れた、赤外放射又は近赤外放射でよい。従って、カメラ認識システムにより検出可能な画像パターンを作るのに必要なエネルギーは、データプロジェクタからの非常に強い光強度の存在下で発表者と視聴者とにはっきり見える可視光の矢印又はロゴを作る為に必要なエネルギーより、かなり少ない。
【００１４】
本発明の更なる特質は、カメラ認識システムが、プロジェクタの光をブロックするが赤外光又は近赤外光は通す光学フィルタを装備しており、これによって、検出プロセスが、可視光のデータプロジェクタの画像の他のパターンに反応を示さなくなることである。
【００１５】
本発明のもう１つの態様では、赤外光又は近赤外光もペン又はポインタなどの誘導物の中で符号化され、カメラと共に配置された赤外線のリモートコントロールデコーダにより復号されて、ペン又はポインタなどの誘導物の実際の状態及び実際のイベントの情報をもたらす。この情報にはユーザ識別に関する情報も含まれている場合がある。
【００１６】
代替の実施形態では、カメラ及び認識のシステムと共に赤外放射源も配置され、同時にペン又はポインタなどの誘導物の内部に赤外線の受信機及びデコーダが配置されている。このような双方向の赤外線通信リンクを用いると、ロバストな通信を保ちながら送信エネルギーを最低限のレベルに調整できるので、エネルギー消費を最小に抑えることができる。
【００１７】
本発明の更なる利点は、通常は近赤外線の帯域幅には他に重大な光源がないので、カメラ及び認識のシステムにより検出可能である為に必要なのは、赤外レーザ又はＬＥＤ光源の強度の低い操作のみだということである。更に、光は、小さな点に集中する代わりに、投影される画像に広がるので、レーザの安全要件はより満足されやすい。
定義
１）近赤外光又は近赤外放射が意味するのは、波長７５０ｎｍ〜１３００ｎｍの電磁放射である。
２）赤外光又は赤外線放射が意味するのは、波長＞１３００ｎｍの電磁放射である。
３）可視光又は可視放射が意味するのは、波長４００ｎｍ〜７５０ｎｍの電磁放射、即ち、人間により通常検出される光である。
４）対称なパターン又は画像が意味するのは、「反転（ｉｎｖｅｒｔ）」可能な画像である。厳密には、画像の中心付近に原点（ｘ、ｙ＝０、０）があり、これにより、画素点ｘ、ｙが対称操作により−ｘ、−ｙに置き換えられた結果、パターン又は画像が、同一又は本質的に同一のパターン又は画像になる。
５）非対称のパターン又は画像が意味するのは、上記の定義（４）の対称操作に従って反転できず、同一のもの又は非常によく似たパターン又は画像を得ることができないパターン又は画像である。「非対称（ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）」（対称でない）とは、上記の定義（４）で定義される対称操作に対応するものである。
【００１８】
本発明の実施形態を添付の図面を参照して以下に記載し、本発明に係る新規かつ特殊な更なる特質も明白にする。
第一に、回折性光学素子を用いて赤外画像を生成する原理を記載する。その後で、幾つかの好適な実施形態の詳細な記述を、詳細なシステムの動作原理と共に記載する。
【００１９】
先に触れた１つの態様の本発明は、近赤外か赤外の画像又は強度の低い可視光の画像の、基準面への投射に関する。この文脈において、基準面は、任意の３次元表面や、平面や、背面投射スクリーンや、場合によってはフロント投射スクリーンなどの、あらゆる形態
のディスプレイを包含するものと考えられる。ある程度垂直の表面の代わりに、テーブルトップ面があってもよい。
【００２０】
画像の強度分布は、自己相関特性及び相互相関特性が良好になるよう選択される。近赤外光又は赤外光から形成された画像は、パターンの位置を突き止めて追跡する為に用いたカメラシステムの感度範囲内にある。代表的なデータプロジェクタのスペクトル出力を図１３に示す。見ての通り、光はほぼ４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長帯域に限られている。よって、用いられる波長はデータプロジェクタに用いられる波長とは異なるので、データプロジェクタを用いてもう１つの画像を同時に投影する為に用いられた光は、近赤外画像又は赤外画像にも、これに関連するカメラ検出システムにも干渉しない。
【００２１】
自己相関特性と相互相関特性のみならず円対称性も良好なパターン画像の例を、図１４に示す。白色と黒色とを用いてそれぞれ光強度の高低を呈示するよう、各グレースケールカラーを、図１４でも、この後のどの強度のグラフでも、文書印刷品質の為に反転する。（特許文献１）に記載の方法及びシステムに基づきパターン全体の中心の位置を突き止めて追跡するのに必要なのは、図１４に描写されているように画像の一部分のみである。本発明の好適な実施形態から投影されたパターンは、幾何学的に円錐曲線の一部といえるので、更に分析して実際のアジマス及びエレベーションの配向角と基準面に対するペンの距離とを捜し出せる。カメラ及び認識のシステムを用いてパターンの正確な位置決めを行うには、画像の端部は鋭くくっきりしている必要がある、又は代案として、コントラスト及び鮮明度の要求が低い状態で画像を広い区域に分配する必要がある。
【００２２】
画像を投影する好適な実施形態は、コンピュータにより生成された回折性光学素子と、赤外ダイオードレーザとを用いることによりなされる。図１４に見られるようなパターンの生成に必要な回折性光学素子の位相パターンは、コンピュータ計算により容易に作られる。回折性光学素子のパターンを算出する計算法は、科学技術文献［Ｊａｋｏｂ  Ｂｌａｄ；”Ｎｅｗ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃｓ”、チャルマース工科大学、イェーテボリ（２００３）、ｐｐ．１５‐２３参照］に報告されているように、数多くある。
【００２３】
図１５は、いわゆる「Ｇｅｒｓｃｈｂｅｒｇ‐Ｓａｘｔｏｎアルゴリズム」［Ｊｏｒｇｅｎ  Ｂｅｎｇｔｓｓｏｎ、”Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｄｅｓｉｇｎ”、チャルマース工科大学、イェーテボリ（１９９７）、ｐｐ．２５‐２７参照］を用いて、図１４に表示されている強度パターンのような概算の強度パターンを得る回折性光学素子として使用することができる位相パターンを繰り返し得ることにより生成された位相パターンを示す。
【００２４】
図１５のグレースケールのグラフは、ここでは文書印刷品質の為に反転されており、回折性光学素子に分布されている範囲［０〜２π］の位相レベルを表す。そのフーリエ変換に関して対応する「回折された画像」を図１６に描写する。ここでは、位相のレベルが１６段階の場合に２５６ピクセルを回折性光学素子に用い、回折損失による光のレベルの強度の低下は別として、図１４とほぼ同一の強度分布が再現されていることが分かる。図１６のグレーの部分の光強度のレベルが十分高いとすれば、検出カメラシステムのしきい値を用いてグレーの部分を「明るい／白い」（図１４〜図２４が反転されていることを思い出していただきたい）として符号化することができる。図１７が示すのは、非対称のパターン（図１４のパターンの一部と類似点のある）に対応する強度分布の位相パターンを、回折性光学素子に同数のピクセルの解像度と同数の位相のレベルとを用いる同一のアルゴリズムを用いて生成できることである（「非対称」の意味については、定義（５）参照）。
【００２５】
位相の２つのレベルがそれぞれ別である格子を用いることが関心をひくのは、製造も設計も簡単だからである。位相のみ２つ別々の格子を用いれば、干渉することも正負を混同することもなく、どのような対称な回折パターンを生成することもできる（「対称」の意味については、定義（４）参照）。図１４の画像の回折性光学素子及び対応する回折パターンを、図１９と図２０にそれぞれ表示する。見て分かるとおり、同数のピクセルについては、本質的に、所望のパターンの主要な特質が再現されるが、解像度は、回折性光学素子の２つのそれぞれ別々の位相のレベルの柔軟性が制限されているせいで低い。図２２に、位相の２つのレベルがそれぞれ別である図２１の格子を用いて非対称のパターンを生成しようと試みた結果を示す。見て分かるとおり、結果として生じた図２２の回折パターンは、元のパターンと元のパターンを反転した画像との重ね合わせである。これは、位相のみ２つ別々である位相のレベルの回折格子で非対称のパターンを作ることが難しいためである。
【００２６】
従って、検出器カメラシステムで用いる非対称のパターンを作るには、位相レベルが２つより多い位相格子が前もって必要になる。なおまた、この格子は一般に、ピクセル解像度を同一にして用いた場合、位相の２つのレベルがそれぞれ別である格子と比較して画質が良い。位相のレベルが２つ別々である回折格子からなる単純な対称なパターンの他の例を、図２３及び図２４に表示する。図２４に見られるような画像パターンを用いて、格子の解像度による回折されたパターンの角度広がりを推定することができる。原点を通り円を横切っている任意の一本の線を考える。これにより、２次元の円の「線形モデル」が構成され、原点にたいし対抗する半円ごとに回折された点が２つずつある。当初のビームの方向からの１次元の回折性格子によるレーザービームの角度偏差は、以下の公式のように推定される。
【００２７】
【数１】
0005490199.tif 000002
【００２８】
αは、１次元のブレーズド格子によってレーザービームを操作する１次回折の適用可能な角度の広がりである［Ｅ．Ｈａ（ウムラウト）ｌｌｓｔｉｇ、Ｌ．Ｓｊｏ（ウムラウト）ｇｖｉｓｔ、Ｍ．Ｌｉｎｄｇｒｅｎ；Ｏｐｔ．  Ｅｎｇ．  Ｖｏｌｕｍｅ４２（３）（２００３）ｐｐ．６１３‐６１９参照］。ここでは、λは光の波長（単位は長さ）であり、Δはピクセルピッチ（単位は長さ）であり、Δは格子の周期でピクセル単位である。ピクセルピッチは格子を作成する解像度から推定でき、高分子材料又はマイクロマシン加工シリコン上に生産される一般的な回折性光学素子については、解像度は一般的に０．５ｐｍかこれより良い。よって、ピクセルのピッチを１ｐｍにできる。波長を近赤外の範囲内の８５０ｎｍとする。０〜３π／４ラジアンの間に等間隔の位相のレベルを４つ用いることにより、最大に回折された１次回折ビームの角度が、ｓｉｎα≒０．２１２５で与えられ、ほぼ１２°である角度になる。それ故に、同様な解像度と位相レベルの精度とによる２次元格子への反射（又はその中を透過）後の５ｃｍの自由空間伝搬を用いて、直径ほぼ２ｃｍの円又は同様なパターンを作ることができる。注目されるのは、解像度が高いほど、又はピクセルのピッチが短いほど、角度広がりが大きくなることである。回折されたパターンを、回折性光学素子と接近（およそ１０ｃｍ未満）している画像として提供する実施形態の提案を、以下で論じる。
【００２９】
回折現象によって、回折性光学素子のあらゆる振幅及び位相分布のフーリエ変換が「遠視野（ｆａｒ‐ｆｉｅｌｄ）」で行われる。代案として、フーリエ変換を遠視野から動かし回折性光学素子の出力に接近させることが可能であり、この場合、レンズとして作動し
回折性光学素子の付近に配置されたレンズ又は球面鏡を用いる。レンズ又は曲面鏡の位相分布には、フーリエ変換を平面波の波面から焦点面へ移動させる特性がある。レンズか、曲面鏡か、これらの組み合わせのうち、２つ以上を用いれば、回折性光学素子及びレーザダイオードに対するフーリエ変換のパターンの位置及びサイズを制御できる。
【００３０】
図１５に見られるような位相分布のパターンの回折性光学素子は、回折性光学素子の製造者により提供される。これらは透過型又は反射型の構成要素の形態である。この構成要素群を、図１〜図４に図示のように、レンズ、鏡、光源などの光学素子群を備えた光学的配向の本発明の代替の実施形態に使用することができる。
【００３１】
図１及び図２を参照すると、ケーシング１２を備えた誘導デバイス１６（ペン、ポインタ）には、バッテリ１と、プリント回路基板２と、レーザダイオード３と、反射型コリメートレンズ４と、透過型回折性光学素子５と、レンズ６と、チップ７と、２つのボタン即ち８及び９とがある。接近させて操作している際には誘導デバイスからスクリーンへと得られたパターン１０が投影され、離して操作している際には誘導デバイスからスクリーンへとパターン１１が投影される。
【００３２】
図３を参照すると、ケーシング１２を備えた誘導デバイス１６（ペン、ポインタ）には、バッテリ１と、プリント回路基板２と、レーザダイオード３と、チップ７付近に取り付けられたレンズ４を場合によっては用いる透過型回折性光学素子５と、反射型回折環状曲面鏡１４と、環状曲面鏡１３と、２つのボタン即ち８及び９とがある。接近させて操作している際には誘導デバイスからスクリーンへと得られたパターン１０が投影され、離して操作している際には誘導デバイスからスクリーンへとパターン１１が投影される。
【００３３】
図４を参照すると、ケーシング１２を備えた誘導デバイス１６（ペン、ポインタ）には、バッテリ１と、プリント回路基板２と、レーザダイオード３と、反射型コリメートレンズ４と、後端部７付近に取り付けられた透過型回折性光学素子５と、環状曲面鏡１３と、遠隔操作のパターンを形成する光のニュートラルなウィンドウ及び／又はもう１つの透過型回折性光学素子１５とがある。接近させて操作している際には誘導デバイスからスクリーンへと得られたパターン１０が投影され、離して操作している際には誘導デバイスからスクリーンへとパターン１１が投影される。
【００３４】
これらの実施形態の各ケーシング１２には、ライティングとドローイングとポインティング用の自然で直観的に分り人間工学的な道具をユーザに提供する為に、従来のホワイトボードマーカ又はペンを模倣するという目的がある。１つの光源又は多数の光源から光を放出するのに必要なエネルギーを１つ以上の電池が供給している。プリント回路基板は、１つ又は２つ以上のボタンスイッチと、レーザダイオード駆動回路と、レーザを変調する回路と、遠隔の赤外線リンク及び／又は無線周波数リンクの、インタフェースの電力の管理を行う場合がある。レーザダイオードは赤外ダイオード又は近赤外ダイオードの場合がある。
【００３５】
コリメートレンズ４の目的は、レーザービームのアパーチャを大きくして回折性光学素子５の表面を覆うことである。凹レンズ６と凸面鏡１３に加え、場合によっては１４も、誘導デバイスがスクリーンに接近させて操作している際にパターンを広い領域に拡大させる為のものである。環状の鏡１３と鏡１４、場合によっては反射型回折性光学素子である環状の１３及び１４は、レーザービームの中心部に自由な領域の経路をもたらし、誘導デバイスをスクリーンから離して操作している際に、その光強度の画像を形成する。
【００３６】
誘導物は、図５、図６、図７、図８に図示のように、スクリーンに対し異なる向き及び距離に保持されている。投影されたパターン画像の位置と形状とサイズとの変更を利用し
て、横方向の位置と向き（エレベーション及びアジマス）とを捜し出し誘導物からスクリーン面までの距離を推定できる。
【００３７】
図９及び図１０は、誘導デバイスとカメラ及び認識のシステムとが、フロント投射スクリーンやリア投射スクリーンや他のディスプレイのシステムなどより前に設置されていても、誘導デバイスをスクリーンに接近させてもスクリーンから離しても使用できる状況を図示する。スクリーンに接近した場合（図９）、誘導デバイスはカメラ１８の視野の範囲内にある場合がある。従って、誘導デバイスにコードパターンがある場合は、（特許文献１）に記載された方法を含む組み合わせた機能がある。
【００３８】
図１１及び図１２は、リア投射スクリーンよりも前で誘導デバイスを操作しており、誘導デバイスからの投影パターン画像をリア投射スクリーン面に投影しながら誘導デバイスをスクリーンに接近して及び／又はスクリーンから離して使用することができ、スクリーンの背後にプロジェクタに接近して設置されたカメラ及び認識のシステムにより誘導デバイスを検出できる構成を示す。
【００３９】
本発明を本発明の好適な実施形態について記載したが、以下の請求項により規定されている本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、構成及び実装の詳細の種々の変更をなされうることを、光学系の設計の当業者は認めるであろう。
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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