(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置パッケージと、
前記パッケージに内蔵され、またコヒーレントな放射ビームを放出するように構成された放射源と、  
前記放射源からの放射を受け取り、そして多重の回折次元を有する既定のパターンに回折するため、前記パッケージ内に載置された回折光学素子（ＤＯＥ）と、
前記ＤＯＥの少なくとも２次またはそれ以上からなる高次の回折次元を受け取り、前記選択された回折次元の強度を検知するため、前記パッケージ内に置かれた光学検知器と、
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記光学検知器は、前記強度に対応した信号を出力するように構成され、前記光学装置の性能を監視するため前記信号を受信し処理するように接続された制御装置を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記信号が既定の範囲を外れた場合、前記光学装置の使用を抑制するように構成される、ことを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記放射源はレーザダイオードからなることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項５】
前記光学装置は前記パターンを既定の角度範囲内に投影するように構成され、前記光学検知器は、前記ＤＯＥから送られた前記放射を、前記角度範囲の外側の角度で受け取るように位置決めされる、ことを特徴とする請求項１−４のいずれかに記載の光学装置。
【請求項６】
放射を多重の回折次元を有する既定のパターンに回折するため、コヒーレントな放射ビームをパッケージ内に載置された回折光学素子（ＤＯE）を介して送るステップと、    
前記パッケージ内に置かれた光学検知器を使用して、前記ＤＯＥの少なくとも２次またはそれ以上からなる高次の回折次元の強度を検知することにより、前記ＤＯＥの性能を監視するステップと、
を有することを特徴とする光学的方法。
【請求項７】
前記性能を監視するステップは、
前記強度に対応した信号を生成するステップと、
前記性能を監視するため前記信号を処理するステップと、
を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記信号が既定の範囲を外れた場合、前記ビームの放射を抑制するステップをさらに有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記コヒーレントな放射ビームはレーザダイオードから放射されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記ＤＯＥは前記パターンを既定の角度範囲内に投影するように構成され、
前記性能を監視するステップは、前記ＤＯＥから送られた前記放射を、前記角度範囲の外側の角度で受け取り計測するステップを有する、ことを特徴とする請求項６−９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
投影サブ組立体であって、
装置パッケージと；
前記パッケージに内蔵され、コヒーレントな放射ビームを放出するように構成された放射源と； 
前記放射源からの放射を受け取り、そして多重の回折次元を有する既定のパターンに回折するため、前記パッケージ内に載置された回折光学素子（ＤＯＥ）と；そして
前記ＤＯＥの少なくとも２次またはそれ以上からなる高次の回折次元を受け取り、前記高次の回折次元の強度に対応した信号を出力するように前記パッケージ内に配置された光学検知器と；
を有する投影サブ組立体と、
物体上に投影された前記パターンの画像を獲得するように構成された、画像化サブ組立体と、そして
前記物体の３次元（３Ｄ）マップを生成するため前記画像を処理し、また前記ＤＯＥの性能を監視するため前記信号を処理するように構成された、処理回路と、
を有することを特徴とするマッピング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に光学パターン投影に関し、特にプロジェクタの性能の監視に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学パターン投影は光学３次元（３Ｄ）マッピング、領域照明、ＬＣＤバックライトのように様々な用途に使用されてきた。ある用途では、回折光学素子（ＤＯＥｓ）が所望の投影パターンを生成するのに使用される。ＤＯＥに基づくプロジェクタ設計は、例えば特許文献１に記載され、その記述はここに参照され採り入れられる。    
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開２００９／０１８５２７４
【特許文献２】ＷＯ  ２００７／０４３０３６
【特許文献３】ＷＯ  ２００７／１０５２０５
【特許文献４】ＷＯ  ２００８／１２０２１７
【特許文献５】ＷＯ  ２０１０／００４５４２
【特許文献６】米国特許出願  １２／８４０，３１２
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
ある所定のタイプの光学プロジェクタの性能は、第１に製作寸法公差、第２に現場の条件により変化する。ある用途では、このような変化が一定の限度を超えないことを確実にすることが重要である。
従って本発明の１実施形態によれば、装置パッケージと、
前記パッケージに内蔵され、またコヒーレントな放射ビームを放出するように構成された放射源と、  
前記放射源からの放射を受け取り、そして多重の回折次元を有する既定のパターンに回折するため、前記パッケージ内に載置された回折光学素子（ＤＯＥ）と、
前記ＤＯＥの選択された回折次元を受け取り、前記選択された回折次元の強度を検知するため、前記パッケージ内に置かれた光学検知器と、
を有することを特徴とする光学装置、が提供される。
【０００５】
ある実施形態では、光学検知器は、前記強度に対応した信号を出力するように構成され、前記装置の性能を監視するため前記信号を受信し処理するように接続された制御装置を有する。典型的に、制御装置は、前記信号が既定の範囲を外れた場合、光学装置の使用を抑制するように構成される。
ある開示された実施形態では、放射源はレーザダイオードからなる。  
【０００６】
選択された回折次元は前記ＤＯＥのゼロ次元である。そして、光学検知器は前記ＤＯＥで反射されて戻された前記ゼロ次元を受信するように配置される。ある実施形態では、ＤＯＥは、前記ＤＯＥで反射されて戻された前記ゼロ次元を前記光学検知器の方向へ向けるため、前記放射源から放出された前記ビームの軸に対し傾いている。
【０００７】
他の実施形態では、選択された回折次元は前記ＤＯＦの高次元である。典型的には、光学装置は前記パターンを既定の角度範囲内に投影するように構成され、前記光学検知器は、前記ＤＯＥから送られた前記放射を、前記角度範囲の外側の角度で受け取るように位置決めされる。
【０００８】
本発明の１実施形態によれば、コヒーレントな放射ビームを多重の回折次元を有する既定のパターンに回折するため、パッケージ内に載置された回折光学素子（ＤＯE）を介して送るステップと、    
前記パッケージ内に置かれた光学検知器を使用して、前記ＤＯＥの選択された回折次元の強度を検知することにより、前記ＤＯＥの性能を監視するステップと、
を有することを特徴とする光学的方法、が提供される。
【０００９】
本発明の１実施形態によれば更に、投影サブ組立体と、投影サブ組立体は、装置パッケージと、パッケージに内蔵され、コヒーレントな放射ビームを放出するように構成された放射源と、放射源からの放射を受け取り、そして多重の回折次元を有する既定のパターンに回折するため、パッケージ内に載置された回折光学素子（ＤＯＥ）と、ＤＯＥの選択された回折次元を受け取り、選択された回折次元の強度に対応した信号を出力するように、パッケージ内に配置された光学検知器と、を有し、物体上に投影されたパターンの画像を獲得するように構成された、画像化サブ組立体と、物体の３次元（３Ｄ）マップを生成するため画像を処理し、またＤＯＥの性能を監視するため信号を処理するように構成された、処理回路と、を有することを特徴とするマッピング装置、が提供される。
本発明は以下の実施形態の詳細な記述と図により、より十分に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の１実施形態による、光学３Ｄマッピングシステムの鳥瞰図である。
【図２】本発明の１実施形態による、光学パターンプロジェクタの断面図である。
【図３Ａ】本発明の１実施形態による、光学パターンプロジェクタに使用される放射源組立体の概略断面図である。
【図３Ｂ】本発明の１実施形態による、光学パターンプロジェクタに使用される照射源組立体の概略平面図である。
【図４】本発明の他の実施形態による、光学パターンプロジェクタの断面図である。
【図５】本発明の１実施形態による、プロジェクタのビームモニタの性能を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（実施形態の詳細説明）
光学回折素子（ＤＯＥｓ）による光学プロジェクタは「ゼロ次元問題」を抱えることがある。それは、上記特許文献１に記載されている。プロジェクタの入力ビームの一部（ゼロ回折次元）が投影光学系により回折されず、従って投影光学系を通りぬけ投影ボリュームに至る。
ＤＯＥの「効率」は、入力するビームのエネルギーに対する、ＤＯＥが回折する入力エネルギーの量の測定値である。この効率は製造寸法公差のため生産毎に異なる。
【００１２】
また効率はプロジェクタの製品寿命内で、また操作中に、例えば以下の要因により変化する。
・プロジェクタに侵入する湿度はＤＯＥの表面に結露し、その効率を低下させる。
・接着剤（生産工程で使用された）の蒸気がＤＯＥに付着し、効率を低下させる。
・故障または誤操作に起因する過剰な熱はＤＯＥを変形させ、その効率を低下させる。
このような効率の変化は、同時に発生するゼロ次元強度の増大と共に、システムの性能を損ない、他の種々の不望の結果をもたらす恐れがある。
【００１３】
以下に記述される本発明の実施形態ではこの問題を、組み込み型ビームモニタを一体型光学検知器の形で、ＤＯＥによるプロジェクタに組み込むことにより取り扱う。検知器信号は、ＤＯＥ効率を評価し、また信号がある安全領域から外れた場合にプロジェクタの操作を抑制するため、連続して又は間欠的に制御装置により監視される。従ってこのような実施形態は、プロジェクタの寿命に亘ってＤＯＥ効率の劣化により起こり得る、目の安全に対する障害を防止する。
【００１４】
開示された実施形態では、光学装置は、装置パッケージ内に内蔵され、コヒーレントな放射ビームを放出するように構成された放射源を有する。放射源は、例えばレーザダイオードからなり、可視、赤外又は紫外の領域（一般的に「光」と呼ばれるスペクトル領域）の放射を放出してもよい。パッケージに搭載されたＤＯＥは、放射源からの放射を、多重の回折次元からなる既定のパターンに回折する。光ダイオードのような光学検出子がパッケージ内に配置され、ＤＯＥの選択された回折次元を受け取り、強度を検知する。「選択された回折次元」は個別に検知されるか、或いは１つ以上の隣接する次元と一緒に検知されてもよい。
【００１５】
種々の検知構成が異なる実施形態で使用されてもよい。例えば、検知器はＤＯＥのゼロ次元（典型的には、投影されたパターンを妨害することのないように、反射されたゼロ次元）を直接検知してもよい。或いは検知器は、典型的には投影されたパターンの範囲の外側のある角度で、ＤＯＥから送られた高次元を検知してもよい。ここでは、「高次元」とは少なくとも２次の回折次元を意味し、場合により３次、４次またはそれ以上の次元を意味する。
以下に記述される実施形態は、特に３次元（３Ｄ）マッピング用の、光学パターンの投影を含む用途に関するが、これらの実施形態の原理は、ＤＯＥの回折性能を監視する必要性がある他の用途にも同様に適用可能である。
【００１６】
図１は本発明の１実施形態による、光学３Ｄマッピングのためのシステム１０の鳥瞰図である。この種のシステムにおける投影されたパターンに基づく３Ｄマッピングの方法とシステムは特許文献２，３，４および５に記載され、それらはここに参照され、採り入れられる。
システム１０は、画像化装置１２を有し、それは１つのパターンを生成し、ある領域に投影する投影サブ組立体１４を有する。（図示の例では、この領域はシステムのヒト使用者を含んでいる。）この種の投影サブ組立体１４の詳細な設計及び操作は図面を参照して以下に記述される。画像化装置１２内の画像獲得サブ組立体１６は使用者の上に現れるパターンの画像を獲得する。
【００１７】
画像処理装置１８は、上記の特許文献２−５で記載されるように、画像化装置１２で生成された画像データを処理し、使用者の３Ｄマップを再構築する。図１の画像処理装置１８は視覚的明確化のために画像化装置１２とは別個の装置として示されるが、幾つかの又は全ての処理装置１８の処理機能は、画像化装置１２のケースの中の、或いは画像化装置に付随する、埋め込み式処理装置、及び／又は他の適切な独自の回路により処理されてもよい。
【００１８】
処理装置１８により生成された３Ｄマップは広範な異なる目的に使用可能である。例えばマップはしぐさベースのユーザインタフェースを提供するのに使用可能であり、そこでは画像化装置１２により検知された使用者の動きが、相互作用するコンピュータアプリケーション、例えばゲームを制御する。あるいはシステム１０は、３Ｄ座標プロファイルが必要な実質的に任意のアプリケーション用に３Ｄマップを生成するように使用されてもよい。
【００１９】
図１から判るように、投影サブ組立体１４は使用者に向かって放射を投影し、その一部は使用者の目に衝突する。コヒーレントな放射が投影に使用される場合（それは特にＤＯＥとの組み合わせで高輝度および効率性という優位性を持つが）、ゼロ次元成分が目の安全基準を超えないことを確実にすることが重要である。上記特許文献１及び２０１０年７月２１日申請の特許文献６はゼロ次強度を低減するのに有用な光学設計について記載しており、それはここに参照され採り入れられる。しかしそれでも、ゼロ次元強度が許容範囲内にあることを確実にするため、プロジェクタの性能を監視することが望ましい。
【００２０】
（実施形態Ｉ）
図２は本発明の１実施形態による、光学パターンプロジェクタ２０の断面図である。このプロジェクタは画像化装置１２の中の投影サブ組立体１４（図１）の代わりに組み込まれ、使用されてもよい。プロジェクタ２０は、１つのレーザダイオード、監視用光ダイオードを有する放射源組立体２２からなり、それらは以下で図３Ａ、３Ｂを参照して詳述される。放射源組立体２２は基盤２４の上に載置され、プロジェクタ２０の他の要素と共に装置パッケージ２６に包含される。他の要素にはコリメーティングレンズ２８とＤＯＥ３０を含む。
【００２１】
図３Ａ、図３Ｂは光学パターンプロジェクタに使用される放射源組立体２２のそれぞれ概略断面図および概略平面図である。典型的に赤外放射を放出するレーザダイオード４０が、標準缶ＴＯ−５６のような「缶」４６内部のパッケージステム４４に固定されるサブマウント４２上に載置される。レーザダイオードは缶の上方側面にある窓４８を通って放射を放出する。監視用光ダイオード（ＭＰＤ）５０の形状の光学検知器が、レーザダイオードの下方の缶内に搭載される。
【００２２】
図２に戻って、レーザダイオード４０は出力放射ビーム３２を放出し、出力ビームはコリメーティングレンズ２８により視線調節される。ＤＯＥ３０は視線調節されたビームを回折し多重回折次元を有するパターンを形成し、それは装置パッケージ２６の出口窓３４を通過して外部に投影される。投影されたビームは一定のゼロ次元成分（ＤＯＥはそれを最小化するように設計されるが）を含む。このゼロ次元成分の一部がＤＯＥで反射され装置パッケージ２６内に戻される。この部分は図２において反射ビーム３６として示されている。
【００２３】
ＭＰＤ５０がこの反射ゼロ次元成分を検出出来るようにするため、ＤＯＥ３０は、ビーム３２の軸に対し僅かに傾いていてもよい。典型的には、本実施形態の目的のためには２−３度の傾きで十分である（図２は明確化のため誇張されている）。この傾きは投影されたパターンには有意の影響は及ぼさないが、反射ビーム３６を出力ビーム３２からズレさせ、それによりＭＰＤ５０に衝突させる。ＭＰＤはコネクタ３８経由で反射ビームの強度に対応した信号を出力する。（そのコネクタの他のピンはレーザダイオードの駆動電流を提供するのに使用されてもよい。）ＭＰＤで検知された強度は１つ以上の隣接する高次の回折次元の成分を含んでもよい。
或いは以下の実施形態ＩＩのように、ＭＰＤがゼロ次元に替わって１つ以上の高次回折次元の反射を検知するように位置決めされ、そして高次元強度が回折効率の指標を提供してもよい。
【００２４】
図１の画像処理装置１８のような制御装置がＭＰＤ信号を監視する。信号レベルが一定の閾値レベルを超えて増大すると、制御装置はプロジェクタのゼロ次強度が増大したと結論付けてもよい。そうすると制御装置は、強度が許容安全限界を超えないことを確実にするため、典型的には、レーザダイオード４０への駆動電流を減少又は遮断して、プロジェクタ２０の操作を抑制する。さらに或いは、制御装置はプロジェクタの使用者に警報を発し、又は他の適切な措置をとる。
【００２５】
図３Ａ，３Ｂで示されるＭＰＤ５０の位置において、ＭＰＤは反射ビーム３６だけでなく、レーザダイオード４０からのバックローブ放射も受け取る。この構成では、ＭＰＤはゼロ次の強度の増大と、レーザダイオードの時間劣化による全体的強度の減少と、の両方を監視するように使用可能である。ＭＰＤ信号が増大すると、制御装置は上述のようにプロジェクタの使用を抑制する。一方ＭＰＤ信号が減少すると、制御装置はプロジェクタの所望強度を保つためレーザダイオードへの駆動電流を増大させてもよい。
或いは、レーザダイオードのバックローブの監視が必要無ければ、ＭＰＤ５０はレーザダイオードから離れて配置され、例えば図３Ａの位置よりさらに右側に移動されてもよい。
【００２６】
（実施形態ＩＩ）      
図４は本発明の他の実施形態による、光学パターンプロジェクタ６０の断面図である。プロジェクタ６０とその要素は動作においてプロジェクタ２０に類似する。異なるのは、プロジェクタ６０においては、光学検知器は、ＤＯＥから送られた１つ以上の高次回折次元の強度を検知することにより、ゼロ次強度を間接的に監視することである。
【００２７】
プロジェクタ６０は放射源組立体６２からなり、放射源組立体６２は典型的には１つのレーザダイオードを有するが、監視用光ダイオードはあっても無くてもよい。放射源組立体６２は基盤６４の上に載置され、コリメーティングレンズ６８とＤＯＥ７０を含むプロジェクタ６０の他の要素と共に装置パッケージ６６に包含される。ＤＯＥ７０に生成されたパターンは、投影されるパターンの角度範囲を画定する、出口窓７２を通って投影される。
【００２８】
監視用光ダイオード（ＭＰＤ）７４は、典型的に投影パターンの角度範囲の外側の角度で、ＤＯＥ７０に生成された１つ以上の高次回折次元を検知する。これらの高次元は、典型的にプロジェクタの視野の外側にあり、それらは典型的にＤＯＥ効率が低下すると最初に減少する。言い換えれば、ＤＯＥの回折効率が減少すると、ＭＰＤ７４に検知される高次元回折放射の強度も減少する。このような減少には典型的にゼロ次元強度の増大を伴う。従って、もしＭＰＤ７４から制御装置（処理装置１８のような）に受信された信号が許容レベルを下回ると、制御装置は上述のようにレーザダイオードへの駆動電流を抑制する。
【００２９】
図５は本発明の１実施形態による、プロジェクタ６０の監視光ダイオード（ＭＰＤ）７４の監視機能の性能を示すグラフである。グラフは実験結果を示し、横軸はプロジェクタ６０から放出されたゼロ次光学パワーの測定値であり、縦軸はＭＰＤ７４からの電流信号出力の基準値に対する減少を示す。曲線はＭＰＤ信号の減少がゼロ次強度の増大の信頼性の高い指標であることを示している。ＭＰＤ信号が一定の許容範囲以下に減少した場合、制御装置はゼロ次強度が危険な程度に増大したと結論を下し、プロジェクタの使用を抑制してもよい。
【００３０】
上記の実施形態はある特定のプロジェクタの構成とそのようなプロジェクタの一定の用途に関しているが、一定の回折次元の監視のための一体式光学検出装置の使用は、他の構成や用途にも同様に使用可能である。このように、上記の実施形態は例示のために引用されたものであり、本発明は、上記で特に示されまた記載されたものに限定されない。むしろ本発明の権利範囲は、上記に記載されたものの組合せや準組合せを含み、本明細書を読んだ当業者が想起する従来技術に無い変化形や変更形を含む。
【符号の説明】
【００３１】
１０：システム                  １２：画像化装置      
１４：投影サブ組立体            １６：画像獲得サブ組立体
１８：画像処理装置        ２０，６０：プロジェクタ      
２２，６２：放射源組立体        ２４，６４：基盤
２６，６６：装置パッケージ      ２８，６８：コリメーティングレンズ    
３０，７０：ＤＯＥ                    ３２：出力ビーム
３４、７２：出口窓                    ３６：反射ビーム
３８：コネクタ                  ４０：レーザダイオード  
４２：サブマウント              ４４：パッケージステム  
４６：「缶」                    ４８：窓
５０，７４：監視用光ダイオード（ＭＰＤ）
【図１】
0005588310.tif 000002
【図２】
0005588310.tif 000003
【図３Ａ】
0005588310.tif 000004
【図３Ｂ】
0005588310.tif 000005
【図４】
0005588310.tif 000006
【図５】
0005588310.tif 000007