(57)【要約】  部品点数の削減と、小型化をするために、表示画像に対応するパターンが表示される表示部を有する空間光変調器と、前記空間光変調器の表示部に出射光が照射されるように配置される光源と、前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光の反射光の光路上に配置され、前記反射光に含まれる高次成分を除去した投射光を投射する投射光学系と、前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光を第１の集光位置に集光させる仮想レンズ画像と、前記表示画像に対応する前記パターンとを合成した合成画像を前記空間光変調器の表示部に表示させ、前記空間光変調器の表示部に前記出射光が照射されるように前記光源を制御する投射制御部とを備える投射装置とする。
2019116526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示画像に対応するパターンが表示される表示部を有する空間光変調器と、
前記空間光変調器の表示部に出射光が照射されるように配置される光源と、
前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光の反射光の光路上に配置され、前記反射光に含まれる高次成分を除去した投射光を投射する投射光学系と、
前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光を第１の集光位置に集光させる仮想レンズ画像と、前記表示画像に対応する前記パターンとを合成した合成画像を前記空間光変調器の表示部に表示させ、前記空間光変調器の表示部に前記出射光が照射されるように前記光源を制御する投射制御手段とを備える投射装置。
【請求項２】
前記空間光変調器は、位相変調型の変調素子を有する請求項１に記載の投射装置。
【請求項３】
投射光学系は、
前記反射光の高次成分を除去するアパーチャと、
前記アパーチャによって高次成分が除去された前記反射光を拡大投射する投射レンズとを有し、
前記アパーチャは、
前記第１の集光位置に配置される請求項１または２に記載の投射装置。
【請求項４】
前記光源は、
特定波長の光を前記出射光として出射する出射部と、
前記出射部から出射される前記出射光の波面をそろえて平行光に変換するコリメータとを含む請求項１乃至３のいずれか一項に記載の投射装置。
【請求項５】
前記反射光に含まれる０次光が集光される第２の集光位置に配置され、前記０次光を除去する０次光除去手段を備える請求項４に記載の投射装置。
【請求項６】
前記０次光除去手段は、
前記０次光の光路上に配置され、前記０次光を吸収する光吸収部材と、
前記０次光の光路上に位置するように前記光吸収部材を保持する保持部材とを有する請求項５に記載の投射装置。
【請求項７】
前記０次光除去手段は、
前記０次光の光路上に配置され、前記０次光を反射する反射部材と、
前記０次光の光路上に位置するように前記反射部材を保持する保持部材と、
前記反射部材によって反射された光に含まれる前記０次光の光路上に配置され、前記０次光を吸収する光吸収部材とを有する請求項５に記載の投射装置。
【請求項８】
前記光源は、
前記光源から出射された前記出射光が前記空間光変調器の表示部の面内に収まる位置に配置され、
前記投射制御手段は、
前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光を第１の集光位置に対応する負方向に集光させる前記仮想レンズ画像と、前記出射光の波面を補償する波面補償パターンとを合成した合成仮想レンズ画像を、前記表示画像に対応する前記パターンと合成した合成画像を前記空間光変調器の表示部に表示させる請求項１乃至３のいずれか一項に記載の投射装置。
【請求項９】
前記投射制御手段は、
前記投射光の投射条件を設定する投射条件設定部と、
前記表示画像に対応する位相分布が記憶される位相画像記憶部と、
前記仮想レンズ画像が記憶される仮想レンズ画像記憶部と、
前記投射条件に基づいて、前記位相画像記憶部に記憶された前記位相分布と、前記仮想レンズ画像記憶部に記憶された前記仮想レンズ画像とを合成することによって前記合成画像を生成する画像合成部と、
前記投射条件に基づいて、前記空間光変調器の表示部に前記合成画像を表示させる変調素子制御部と、
前記投射条件に基づいて、前記合成画像が表示された状態の前記空間光変調器の表示部に前記出射光を照射するように前記光源を駆動制御する光源制御部とを有する請求項２乃至８のいずれか一項に記載の投射装置。
【請求項１０】
前記仮想レンズ画像記憶部には、同心円状のパターンが前記仮想レンズ画像として格納される請求項９に記載の投射装置。
【請求項１１】
前記仮想レンズ画像記憶部には、焦点距離が正であり、凸レンズとして機能する前記仮想レンズ画像が格納される請求項１０に記載の投射装置。
【請求項１２】
前記仮想レンズ画像記憶部には、焦点距離が負であり、凹レンズとして機能する前記仮想レンズ画像が格納される請求項１０に記載の投射装置。
【請求項１３】
前記仮想レンズ画像記憶部には、焦点距離に応じた複数の前記仮想レンズ画像が格納される請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の投射装置。
【請求項１４】
表示画像に対応するパターンが表示される表示部を有する空間光変調器と、前記空間光変調器の表示部に出射光が照射されるように配置される光源と、前記空間光変調器に入射した前記出射光の反射光の光路上に配置され、前記反射光に含まれる高次成分を除去した投射光を投射する投射光学系とを備える投射手段と、
前記表示画像の表示領域を撮像し、前記表示領域の画像データを生成する撮像手段と、
前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光を第１の集光位置に集光させる仮想レンズ画像と、前記表示画像に対応する前記パターンとを合成した合成画像を前記空間光変調器の表示部に表示させ、前記空間光変調器の表示部に前記出射光が照射されるように前記光源を制御するするとともに、前記表示画像の表示領域を前記撮像手段に撮像させる制御をし、前記撮像手段によって撮像された前記表示領域の画像データを解析する制御手段とを備えるインターフェース装置。
【請求項１５】
前記制御手段は、
前記表示領域を撮像することで得られた前記画像データを解析し、前記表示画像における位置に関連付けられた操作内容と、前記画像データに含まれる指示体の位置とに基づいて、前記表示画像に対する前記操作内容を認識する請求項１４に記載のインターフェース装置。
【請求項１６】
表示画像に対応するパターンを表示させる表示部を有する空間光変調器と、前記空間光変調器の表示部に出射光が入射するように配置される光源と、前記空間光変調器に入射した前記出射光の反射光の光路上に配置され、前記反射光に含まれる高次成分を除去して投射光として投射する投射光学系とを備える投射装置において、
前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光を第１の集光位置に集光させる仮想レンズ画像と、前記表示画像に対応する前記パターンとを合成した合成画像を生成し、
生成した前記合成画像を前記空間光変調器の表示部に表示させ、
前記空間光変調器の表示部に前記出射光が照射されるように前記光源を制御する投射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射装置、インターフェース装置および投射方法に関する。特に、位相変調型の空間光変調器を用いた投射装置、インターフェース装置および投射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、プロジェクタとカメラとを組み合わせたインターフェース装置の開発が進んでいる。インターフェース装置は、プロジェクタから投射された画像に対してユーザによって行われた操作内容をカメラで撮像し、ユーザの操作内容を認識することによってインタラクティブな動作を実現する。【０００３】
特許文献１には、プロジェクタとカメラとを組み合わせたインターフェース装置が開示されている。特許文献１の装置は、位相変調型の空間光変調素子を用いた投射部を有する。特許文献１の装置は、画像を形成するための位相分布を変調素子の表示領域に表示させ、その表示領域に入射されたレーザ光の反射光を投射することによって所望の画像を被投射面に表示させる。【０００４】
特許文献２には、微小粒子を操作するための複数の光トラップを形成するように光勾配力を印加する装置について開示されている。特許文献２には、仮想レンズがエンコードされた回折光学素子を用いて、複数のビームレットをエンコードされた回折光学レンズとトランスファーレンズとの間の位置に収束する技術が開示されている。特許文献２の装置によれば、トランスファーレンズを通して、仮想レンズによって収束されたビームレットをフォーカスレンズの後ろの開口部で重ねるように導くことによって、動作焦点領域内に複数の光トラップを形成できる。【０００５】
特許文献３には、パルス光発生源から射出する光の広がり角を調整して水中に送出する送光光学系を備える水深測定装置について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０９８２８１号
【特許文献２】特表２００４−５３４６６１号公報
【特許文献３】特開平２−２３８３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の装置によれば、ウエアラブルなインターフェース装置を実現できる。ところで、ウエアラブルなインターフェース装置を実現するためには、投射装置や撮像装置をできる限り小型化することが望ましい。撮像装置は、携帯機器などに搭載するための技術開発によって、ウエアラブルなインターフェース装置に搭載できる程度まで小型化が実現されている。しかしながら、投射装置には、搭載部品を光の経路から避けて配置するための内部空間が必要であるために小型化に制約があるとともに、レンズなどのような必要不可欠な部品を削減することが難しいために軽量化にも制約があった。【０００８】
特許文献２の装置によれば、仮想レンズがエンコードされた回折光学素子を用いて、仮想レンズによって収束された複数のビームレットを動作焦点領域内に導くことができる。仮想レンズによって投射装置のレンズを削減できれば、装置の小型化や、部品点数の削減が実現される可能性がある。しかしながら、特許文献２の装置には、フォーカスレンズの開口部にビームレットを導くためのトランスファーレンズやビームスプリッタなどの部材が必須となる。そのため、特許文献２の技術を用いても、ウエアラブルなインターフェース装置を実現する程度まで投射装置を小型化することは難しいという問題点があった。【０００９】
本発明の目的は、上述した課題を解決するために、部品点数が削減されるとともに、小型化が実現された投射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様の投射装置は、表示画像に対応するパターンが表示される表示部を有する空間光変調器と、空間光変調器の表示部に出射光が照射されるように配置される光源と、空間光変調器の表示部に入射した出射光の反射光の光路上に配置され、反射光に含まれる高次成分を除去した投射光を投射する投射光学系と、空間光変調器の表示部に入射した出射光を第１の集光位置に集光させる仮想レンズ画像と、表示画像に対応するパターンとを合成した合成画像を空間光変調器の表示部に表示させ、空間光変調器の表示部に出射光が照射されるように光源を制御する投射制御部とを備える。【００１１】
本発明の一態様のインターフェース装置は、表示画像に対応するパターンが表示される表示部を有する空間光変調器と、空間光変調器の表示部に出射光が照射されるように配置される光源と、空間光変調器に入射した出射光の反射光の光路上に配置され、反射光に含まれる高次成分を除去した投射光を投射する投射光学系とを備える投射部と、表示画像の表示領域を撮像し、表示領域の画像データを生成する撮像部と、空間光変調器の表示部に入射した出射光を第１の集光位置に集光させる仮想レンズ画像と、表示画像に対応するパターンとを合成した合成画像を空間光変調器の表示部に表示させ、空間光変調器の表示部に出射光が照射されるように光源を制御するするとともに、表示画像の表示領域を撮像部に撮像させる制御をし、撮像部によって撮像された表示領域の画像データを解析する制御部とを備える。【００１２】
本発明の一態様の投射方法は、表示画像に対応するパターンを表示させる表示部を有する空間光変調器と、空間光変調器の表示部に出射光が入射するように配置される光源と、空間光変調器に入射した出射光の反射光の光路上に配置され、反射光に含まれる高次成分を除去して投射光として投射する投射光学系とを備える投射装置において、空間光変調器の表示部に入射した出射光を第１の集光位置に集光させる仮想レンズ画像と、表示画像に対応するパターンとを合成した合成画像を生成し、生成した合成画像を空間光変調器の表示部に表示させ、空間光変調器の表示部に出射光が照射されるように光源を制御する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、部品点数を削減するとともに、部品点数が削減されるとともに、小型化が実現された投射装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る投射装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る投射装置の構成を示す概念図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る投射装置の空間光変調器の表示部に表示させるパターンについて説明するための模式図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る投射装置が備える投射制御部の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る投射装置が用いる仮想レンズ画像の焦点距離ごとの違いについて説明するための模式図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る投射装置の空間光変調器の表示部に表示させる合成画像（焦点距離＋１０ｍｍ）の一例を示す概念図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る投射装置の空間光変調器の表示部に表示させる合成画像（焦点距離＋５０ｍｍ）の一例を示す概念図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る投射装置の空間光変調器の表示部に表示させる合成画像（焦点距離＋１００ｍｍ）の一例を示す概念図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る投射装置の空間光変調器の表示部に表示させる合成画像（焦点距離＋５００ｍｍ）の一例を示す概念図である。
【図１０】関連技術の投射装置の構成を示す外概念図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る投射装置と、関連技術の投射装置とを比較するための概念図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る投射装置の構成を示す概念図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る投射装置の構成を示す概念図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係る投射装置の構成を示す概念図である。
【図１５】本発明の第１の実施形態に係る投射装置が用いる仮想レンズ画像について説明するための模式図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係る投射装置の空間光変調器の表示部に表示させるパターンについて説明するための模式図である。
【図１７】本発明の第５の実施形態に係るインターフェース装置の構成を示すブロック図である。
【図１８】本発明の第５の実施形態に係るインターフェース装置が備える投射装置の構成を示すブロック図である。
【図１９】本発明の第５の実施形態に係るインターフェース装置が備える撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２０】本発明の第５の実施形態に係るインターフェース装置が備える制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２１】本発明の各実施形態に係る投射装置の制御系統を実現するハードウェア構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。以下の実施形態の説明に用いる全図においては、特に理由がない限り、同様箇所には同一符号を付す。以下の実施形態において、同様の構成・動作に関しては繰り返しの説明を省略する場合がある。以下の実施形態において、各構成要素に接続される接続線の形状や配置、数などは正確に図示されたものではなく、概念的に示すものである。以下の実施形態において、構成要素間の接続関係は、直接的な接続のみならず、間接的な接続を含みうる。以下の実施形態において、図面中の矢印の向きは、一例を示すものであり、ブロック間の信号や光の向きを限定するものではない。
【００１６】
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る投射装置について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の投射装置１の構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態の投射装置１に含まれる構成要素間の関係を示す概念図である。なお、図１および図２は概念的な図であり、各構成要素間の位置関係や、光の照射方向などを正確に表したものではない。また、図２においては、投射装置１の筐体は省略し、内部構成のみを図示している。実際には、投射装置１の構成を筐体の内部に収容し、筐体の一部に設けた開口部や窓部を通して投射光を外部に投射できるように構成する。
【００１７】
図１のように、投射装置１は、光源１０、投射制御部２０、空間光変調器３０、投射光学系５０を備える。
【００１８】
光源１０は、空間光変調器３０の表示部に向けて平行光１１０を出射する。図２のように、光源１０は、特定波長のレーザ光１００を出射する出射部１１と、出射部１１から出射されたレーザ光１００を平行光１１０に変換するコリメータ１５を有する。出射部１１から出射されたレーザ光１００は、コリメータ１５によって平行光１１０に変換されて、空間光変調器３０の表示部の面内に入射される。図２には、レーザ光１００および平行光１１０の光軸を一点鎖線で示す。
【００１９】
例えば、出射部１１は、可視領域のレーザ光１００を出射するように構成する。なお、出射部１１は、赤外領域や紫外領域などの可視領域以外の光を出射するように構成してもよい。また、出射部１１は、発光ダイオードや白熱電球、放電管などの光源で構成してもよい。例えば、複数の波長の光を出射するように出射部１１を構成すれば、出射部１１からの出射光の波長を制御することによって、投射する光の色を変更することができる。また、異なる波長の光を同時に出射するように出射部１１を構成すれば、複数の色からなる光を投射することもできる。
【００２０】
投射制御部２０は、投射装置１の制御系統である。投射制御部２０は、光源１０および空間光変調器３０を制御する。投射制御部２０は、出射部１１の駆動部（図示しない）を制御して、レーザ光１００の出射タイミングや強度などを調整する。また、投射制御部２０は、空間光変調器３０を制御して、空間光変調器３０の表示部に表示されるパターンの表示タイミングや種類を調整する。
【００２１】
投射制御部２０は、投射装置１が被表示面に表示させる画像に対応する位相分布（以下、位相画像と呼ぶ）と、仮想レンズパターン（以下、仮想レンズ画像と呼ぶ）とを合成したパターン（以下、合成画像と呼ぶ）を空間光変調器３０の表示部に表示させる。
【００２２】
位相画像は、被投射面に表示させる画像に対応する位相分布をタイル状に配置したパターンである。仮想レンズ画像とは、被投射面に表示させる画像を所望の焦点距離に集光するためのレンズパターンである。合成画像は、位相画像と仮想レンズ画像とを合成したパターンである。
【００２３】
図３は、位相画像２３０、仮想レンズ画像２４０、位相画像２３０と仮想レンズ画像２４０とを合成して生成される合成画像２５０の一例である。なお、図３は、一例であって、本実施形態の位相画像や仮想レンズ画像、合成画像を限定するものではない。
【００２４】
光の波面は、回折と同様に、位相制御によって制御できる。位相が球状に変化すると、波面に球状の差ができてレンズ効果が発生する。すなわち、仮想レンズ画像は、空間光変調器３０の表示部への入射光（平行光１１０）の位相を球状に変化させ、所定の焦点距離に集光するレンズ効果を発生させるパターンである。仮想レンズ画像は、位相分布画像とは独立に制御できる。例えば、第１の集光位置３３１に変調光１３０を集光させるために、空間光変調器３０の表示部に１つのレンズ形状パターンを仮想レンズ画像として表示させる。
【００２５】
空間光変調器３０は、投射制御部２０によって制御され、被表示面に表示させる画像を生成するためのパターンを自身の表示部に表示する。本実施形態においては、空間光変調器３０の表示部に合成画像が表示された状態で、その表示部に平行光１１０を照射する。空間光変調器３０の表示部に合成画像２５０を表示させた状態で、その表示部に照射された平行光１１０の反射光（変調光１３０）は、投射光学系５０に向けて進行する。図２には、変調光１３０の光軸を一点鎖線で示す。
【００２６】
空間光変調器３０は、屈折率などの光学的特性を変更可能な複数の反射部（画素に対応）がアレイ状に配列された表示部を有する。空間光変調器３０は、表示部の各画素の光学的特性を制御することによって、所望のパターンを表示できる。空間光変調器３０の表示部にパターンを表示させた状態で光を入射させると、反射部の光学的特性に応じて空間分布が変調された変調光が出射される。特に、本実施形態では、光の位相や振幅、強度、偏波面、伝搬方向などといった空間分布の中で、位相を変調する空間光変調器を用いる例について説明する。なお、本実施形態の空間光変調器３０には、光の振幅や強度、偏波面、伝搬方向などといった空間分布を変調する変調器を用いてもよい。
【００２７】
変調光１３０は、合成画像に含まれる仮想レンズ画像のレンズ効果によって第１の集光位置３３１に集光される。本実施形態においては、第１の集光位置３３１にアパーチャ５１が配置される。また、変調光１３０に含まれる０次光は、第２の集光位置３３２に集光される。第２の集光位置３３２は、コリメータ１５の集光位置に相当する。
【００２８】
また、図２のように、本実施形態においては、空間光変調器３０の表示部の面に対して平行光１１０の入射角を非垂直にする。すなわち、本実施形態においては、光源１０から出射される平行光１１０の光軸（一点鎖線）を空間光変調器３０の表示部の面に対して斜めにする。空間光変調器３０の表示部に対して平行光１１０の光軸（一点鎖線）を斜めに設定することによって、平行光１１０の進行方向を変更するためのビームスプリッタを省略できるため、効率を向上させることができる。
【００２９】
本実施形態においては、空間光変調器３０の変調素子として位相変調型の素子を用いる例について説明する。位相変調型の空間光変調器３０は、平行光１１０の入射を受け、入射された平行光１１０の位相を変調する。位相変調型の変調素子を用いれば、フォーカスフリーの投射光を投射できるため、複数の投射距離に設定される表示領域に投射光を投射することになっても投射距離ごとに焦点を変える必要がない。なお、空間光変調器３０は、投射装置１からの投射光によって、所望の表示領域に所望の画像を表示できるのであれば位相変調型とは異なる方式の素子が用いられてもよい。
【００３０】
位相変調型の空間光変調器３０の表示部には、投射制御部２０の制御に応じて、被投射面に表示させる画像の位相分布が表示される。空間光変調器３０は、投射制御部２０によって、照射される平行光１１０の位相と、表示部で反射された変調光１３０の位相との差分を決定づけるパラメータが変化するように制御される。この場合、空間光変調器３０の表示部によって反射された変調光１３０は、一種の回折格子が集合体を形成したような画像になり、回折格子で回折された光が集まるよう結像される。本実施形態においては、仮想レンズ画像のレンズ効果によって、変調光１３０は第１の集光位置３３１に集光される。
【００３１】
位相変調型の空間光変調器３０の表示部に照射される平行光１１０の位相と、その表示部で反射される変調光１３０の位相との差分を決定づけるパラメータは、例えば、屈折率や光路長などの光学的特性に関するパラメータである。例えば、投射制御部２０は、空間光変調器３０の表示部に印加する電圧を変化させることによって、自身の表示部の屈折率を変化させる。その結果、空間光変調器３０の表示部に照射された平行光１１０は、表示部の屈折率に基づいて適宜回折される。すなわち、位相変調型の空間光変調器３０の表示部に照射された平行光１１０の位相分布は、その表示部の光学的特性に応じて変調される。
【００３２】
空間光変調器３０は、例えば、強誘電性液晶やホモジーニアス液晶、垂直配向液晶などを用いた空間光変調素子によって実現される。具体的には、空間光変調器３０は、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）や、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）によって実現できる。
【００３３】
位相変調型の空間光変調器３０では、投射光を投射する部分を順次切り替えるように動作させることによってエネルギーを表示情報の部分に集中することができる。そのため、位相変調型の空間光変調器３０を用いれば、光源１０の出力が同じであれば、その他の方式の素子よりも画像を明るく表示させることができる。
【００３４】
投射光学系５０は、空間光変調器３０の表示部の反射光である変調光１３０を投射光１５０として投射する。なお、被投射面に所望の画像を表示させることができれば、投射光学系５０の構成要素のうちいずれかを省略することも可能である。
【００３５】
図２のように、投射光学系５０は、アパーチャ５１および投射レンズ５３によって構成される。仮想レンズ画像を用いない一般的な構成の場合、変調光１３０をアパーチャ５１の開口部に導くためのフーリエ変換レンズが必要になるが、本実施形態の投射装置１ではフーリエ変換レンズは必要である。
【００３６】
アパーチャ５１は、変調光１３０が集光される第１の集光位置３３１に配置される。アパーチャ５１は、変調光１３０に含まれる高次光を遮蔽し、画像の周縁を特定する機能を有する。例えば、アパーチャ５１の開口部は、第１の集光位置３３１において結像される画像よりも小さく開口され、第１の集光位置３３１における画像の周縁を遮るように設置される。例えば、アパーチャ５１の開口部は、矩形状や円形状に形成される。なお、アパーチャ５１は、第１の集光位置３３１に配置されることが好ましいが、高次光を消去する機能を発揮できれば第１の集光位置３３１からずれていても構わない。
【００３７】
投射レンズ５３は、空間光変調器３０の表示部に表示された合成画像に含まれる仮想レンズの機能によって集束された変調光１３０を投射光１５０として拡大投射する光学レンズである。投射レンズ５３は、空間光変調器３０の表示部に表示された合成画像に含まれる位相分布に対応する画像が被投射面において形成されるように投射光１５０を投射する。
【００３８】
単純な記号などの線画を投射する用途に投射装置１を用いる場合、投射光学系５０から投射される投射光１５０は、投射面内に均一に照射されるのではなく、画像を構成する文字や記号、枠などの部分に集中的に照射される。そのため、本実施形態の投射装置１によれば、一般的な投射装置と比べて、同等の画像を表示させるのに必要な光量を実質的に減らし、全体的な光出力を抑えることができる。その結果、投射装置１は、小型かつ低電力な光源１０で構成できるため、光源１０の駆動電源を低出力にでき、全体的な消費電力を低減できる。また、本実施形態の投射装置１においては、フーリエ変換レンズを省略できるため、さらなる装置の小型化が可能となる。
【００３９】
以上が、投射装置１の概略的な構成についての説明である。続いて、投射装置１が備える投射制御部２０の構成について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４０】
〔投射制御部〕
図４は、投射制御部２０の構成を示すブロック図である。図４のように、投射制御部２０は、投射条件設定部２１、画像合成部２２、位相画像記憶部２３、仮想レンズ画像記憶部２４、光源制御部２５、変調器制御部２６を有する。
【００４１】
投射条件設定部２１は、投射条件に基づいて画像合成部２２を制御し、被投射面に表示させる画像に対応する位相画像と、仮想レンズ画像とを合成させる。投射条件は、予めプログラムされた条件であってもよいし、外部の上位システム（図示しない）からの指示に基づいて設定される条件であってもよい。外部の上位システムからの指示に基づいて投射条件を設定する場合は、外部の上位システムと投射条件設定部２１との間でデータを入出力するためのインターフェースを設ければよい。
【００４２】
また、投射条件設定部２１は、光源制御部２５を制御することによって光源１０から出射される光の照射タイミングや強度を設定するとともに、変調器制御部２６を制御することによって空間光変調器３０の表示部に表示されるパターンを設定する。
【００４３】
画像合成部２２は、投射条件設定部２１の制御に応じて、被投射面に表示させる画像に対応する位相画像を位相画像記憶部２３から取得するとともに、仮想レンズ画像を仮想レンズ画像記憶部２４から取得する。画像合成部２２は、取得した位相画像と仮想レンズ画像とを合成して合成画像を生成する。画像合成部２２は、生成した合成画像を投射条件設定部２１に出力する。なお、画像合成部２２は、生成した合成画像を変調器制御部２６に出力するように構成してもよい。
【００４４】
位相画像記憶部２３には、被投射面に表示させる画像に対応する位相画像が格納される。位相画像記憶部２３に格納される位相画像は、被投射面に表示される表示画像に対応する位相分布である。
【００４５】
仮想レンズ画像記憶部２４には、仮想レンズ画像が格納される。仮想レンズ画像記憶部２４に格納される仮想レンズ画像は、第１の集光位置３３１に変調光１３０を集光するためのレンズ効果を有する。なお、仮想レンズ画像記憶部２４には、焦点距離に応じた複数の仮想レンズ画像が格納されてもよい。
【００４６】
光源制御部２５は、投射条件設定部２１の設定に応じて、出射部１１の駆動部（図示しない）を駆動させ、出射部１１からレーザ光１００を出射させる。
【００４７】
変調器制御部２６は、投射条件設定部２１の設定に応じて、空間光変調器３０の表示部に表示されるパターンを変更するドライバを駆動させ、空間光変調器３０の表示部に表示されるパターンを変更する。
【００４８】
以上が、投射制御部２０の構成についての説明である。
【００４９】
〔仮想レンズ〕
ここで、仮想レンズについて具体例を挙げて説明する。図５〜図９は、仮想レンズ画像について説明するための概念図である。なお、図５〜図９に示す仮想レンズ画像、位相画像および合成画像は、一例であって、本実施形態の範囲を限定するものではない。
【００５０】
図５は、焦点距離ごとの仮想レンズ画像を示す概念図である。図５には、焦点距離が＋１０ミリメートル（以下、ｍｍと記載）の仮想レンズ画像２４０−１、＋５０ｍｍの仮想レンズ画像２４０−２、＋１００ｍｍの仮想レンズ画像２４０−３、＋５００ｍｍの仮想レンズ画像２４０−４を示す。
【００５１】
仮想レンズ画像２４０−１を用いれば、空間光変調器３０の表示部から焦点距離＋１０ｍｍの位置に集光できる。仮想レンズ画像２４０−２を用いれば、空間光変調器３０の表示部から焦点距離＋５０ｍｍの位置に集光できる。仮想レンズ画像２４０−３を用いれば、空間光変調器３０の表示部から焦点距離＋１００ｍｍの位置に集光できる。仮想レンズ画像２４０−４を用いれば、空間光変調器３０の表示部から焦点距離＋５００ｍｍの位置に集光できる。
【００５２】
仮想レンズ画像２４０−１〜４は、２πごとに飛びができるために同心円状になっているが、計算上は連続した位相変化になる。仮想レンズ画像２４０−１〜４の同心円の密度は、仮想レンズの曲率に応じて変わる。仮想レンズ画像２４０−１〜４の焦点距離は、レンズの曲率を変えることによって任意に変更できる。
【００５３】
図６〜図９は、位相画像２３０と仮想レンズ画像２４０−１〜４とを用いて合成画像２５０−１〜４を合成する例を示す。
【００５４】
図６は、焦点距離が＋１０ｍｍの仮想レンズ画像２４０−１を用いて合成画像２５０−１を生成する例である。図７は、焦点距離が＋５０ｍｍの仮想レンズ画像２４０−２を用いて合成画像２５０−２を生成する例である。図８は、焦点距離が＋１００ｍｍの仮想レンズ画像２４０−３を用いて合成画像２５０−３を生成する例である。図９は、焦点距離が＋５００ｍｍの仮想レンズ画像２４０−４を用いて合成画像２５０−４を生成する例である。
【００５５】
合成画像２５０−１〜４は、位相画像２３０と仮想レンズ画像２４０−１〜４とを合成した画像である。仮想レンズ画像２４０−１〜４は、空間光変調器３０の表示部に位相分布がタイル状に配置される位相画像２３０とは異なって、空間光変調器３０の表示部に１つのレンズ形状として配置される。
【００５６】
以上が、仮想レンズについての説明である。なお、仮想レンズは、図５〜図９に示すパターンに限定されず、焦点距離に応じて適宜設定できる。
【００５７】
以上のように、本実施形態の投射装置は、位相変調型の空間光変調器の表示部に、被投射面に表示させる画像の位相画像と、所望の焦点距離に集光させるための仮想レンズ画像とを合成した合成画像を表示させる。本実施形態の投射装置は、空間光変調器の表示部に合成画像が表示された状態で、その表示部にコヒーレントな光を照射し、その反射光に含まれる高次成分をアパーチャで除去してから投射光として投射する。そのため、本実施形態によれば、仮想レンズの機能を用いることによって、位相変調型の空間光変調器を用いる投射装置からフーリエ変換レンズを削減することができる。
【００５８】
本実施形態によれば、フーリエ変換レンズを排除することによって、構成要素が減るため、装置の大きさを低減できる。また、本実施形態によれば、光源側の配置の自由度が向上し、さらなる小型化を実現できる。
【００５９】
〔関連技術〕
ここで、本実施形態の投射装置との比較のため、フーリエ変換レンズを用いる関連技術の投射装置について図面を参照しながら説明する。図１０は、関連技術の投射装置１０００の構成を示す概念図である。なお、図１０は概念的な図であり、各構成要素間の位置関係や、光の照射方向などを正確に表したものではない。図１０においては、投射装置１０００の筐体は省略し、内部構成のみを図示している。なお、説明を簡略化するため、図１０においては、代表的な構成のみを図示する。また、図１０においては、図２と同様の構成については同じ符号を付して説明する。
【００６０】
投射装置１０００は、被投射面に表示させる画像の位相分布を空間光変調器３０の表示部に表示させる。図３の例で言うと、空間光変調器３０の表示部には、合成画像２５０ではなく、位相画像２３０を表示させる。
【００６１】
投射装置１０００の構成では、空間光変調器３０の表示部によって反射される変調光１３５は仮想レンズの機能によって集光されないので、空間光変調器３０とアパーチャ５１との間にフーリエ変換レンズ４００を配置する必要がある。フーリエ変換レンズ４００は、空間光変調器３０の表示部で反射された変調光１３５を無限遠に投射した際に形成される像を、近傍の集光位置に結像させるための光学レンズである。図１０の例では、フーリエ変換レンズ４００を通過した光１３６は、アパーチャ５１の開口位置（第１の集光位置３３１）に集光される。アパーチャ５１によって高次成分を除去された光は、投射レンズ５３によって投射光１５１として投射される。
【００６２】
関連技術の構成では、図１０のように、フーリエ変換レンズ４００が必須の構成となる。投射装置１０００の構成のように、筐体の内部にフーリエ変換レンズ４００を配置する際には、フーリエ変換レンズ４００の位置を固定するための保持部が必要となる。投射装置１０００の筐体内部には、フーリエ変換レンズ４００の保持部によってコリメート光学系の角度に制限が生じる。
【００６３】
また、関連技術の構成では、空間光変調器３０とフーリエ変換レンズ４００との距離と、フーリエ変換レンズ４００とアパーチャ５１との距離とは、フーリエ変換レンズ４００の焦点距離に相当する。そのため、関連技術の構成では、フーリエ変換レンズ４００の焦点距離の分だけ、空間光変調器３０からアパーチャ５１までの距離が長くなる。
【００６４】
図１１は、本実施形態の投射装置１と、関連技術の投射装置１０００とを比較するための概念図である。なお、図１１は概念的な図であり、各構成要素間の位置関係や、光の照射方向などを正確に表したものではない。上述のように、本実施形態の投射装置１では、フーリエ変換レンズ４００を省略することによって、関連技術の投射装置１０００よりも、光源１０および投射光学系５０を空間光変調器３０に近づけて配置できる。また、本実施形態の投射装置１では、フーリエ変換レンズ４００を省略するため、光源１０から空間光変調器３０に向けて照射されるレーザ光１００と、空間光変調器３０から出射される変調光１３０との角度を小さくすることができる。さらに、本実施形態の投射装置１では、仮想レンズの集光位置にアパーチャ５１を配置するので、関連技術の投射装置１０００よりも、空間光変調器３０からアパーチャ５１までの距離を短くできる。そのため、本実施形態の投射装置１は、関連技術の投射装置１０００よりも小型化が可能である。
【００６５】
本実施形態の構成においては、被投射面に表示させる画像の位相画像と仮想レンズ画像との合成画像を空間光変調器の表示部に表示させることによって、フーリエ変換レンズが不要となる。そのため、本実施形態の構成によれば、部品点数を削減するとともに、装置の小型化を実現する投射装置を提供できる。
【００６６】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の投射装置について図面を参照しながら説明する。図１２は、本実施形態の投射装置２の構成を示す概念図である。なお、図１２は概念的な図であり、各構成要素間の位置関係や、光の照射方向などを正確に表したものではない。本実施形態の投射装置２は、０次光除去部４２を有する点で、第１の実施形態の投射装置１とは異なる。０次光除去部４２以外の構成は、第１の実施形態の投射装置１と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００６７】
０次光除去部４２は、保持部材４２１と光吸収部材４２３とを含む。
【００６８】
保持部材４２１は、光吸収部材４２３を保持する部材である。
【００６９】
例えば、保持部材４２１は、ガラスやプラスチックなどのように変調光１３０を透過しやすい材質で構成される。保持部材４２１をプラスチックで構成する場合は、リタデーションが発生しにくいように、全面が均一であり、位相むらの小さい材料を用いることが好ましい。例えば、複屈折が抑制されたプラスチック材料が好適である。
【００７０】
また、例えば、保持部材４２１は、光吸収部材４２３を固定する線材を含む構成としてもよい。例えば、保持部材４２１の周縁を枠状に形成し、その枠の開口部の内側に線材を張り巡らせて、張り巡らせた線材によって光吸収部材４２３を固定できる。保持部材４２１を線材で構成する場合は、変調光１３０の照射によって劣化が起こりにくいように、光による劣化の起こりにくい素材としたり、変調光１３０が当たらない程度に細い線材を用いたりすればよい。
【００７１】
光吸収部材４２３は、保持部材４２１によって保持され、第２の集光位置３３２に位置するように配置される。例えば、光吸収部材４２３は、カーボンなどの黒体で構成する。また、使用するレーザ光の波長が固定されている場合には、特定波長の光を選択的に吸収する材料を光吸収部材４２３として用いてもよい。
【００７２】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、被投射面に表示させる画像の位相画像と仮想レンズ画像とを合成した合成画像を空間光変調器３０の表示部に表示させる。０次光除去部４２に変調光１３０が到達すると、変調光１３０に含まれる０次光は、０次光除去部４２の光吸収部材４２３によって吸収される。一方、０次光除去部４２で０次光が除去された光１４２は、アパーチャ５１の開口位置（第１の集光位置３３１）に集光される。アパーチャに到達した光１４２は、アパーチャ５１の枠部分で高次光が除去されてから投射レンズ５３に到達し、投射レンズ５３によって投射光１５２として投射される。投射光１５２には、０次光が含まれないため、被投射面には０次光が含まれない画像が表示される。
【００７３】
以上のように、本実施形態によれば、０次光除去部において０次光が除去されるため、０次光が除去された画像が被投射面に表示される。第１の実施形態では、投射光から０次光を除去しないので、画像の表示位置と、０次光が表示されてしまう位置とをずらす必要がある。それに対し、本実施形態では、投射光から０次光を除去できるため、０次光が表示されるはずであった位置に所望の画像を表示させることができる。すなわち、本実施形態によれば、被投射面に表示させる画像の表示位置の制約を減らすことができる。
【００７４】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態の投射装置について図面を参照しながら説明する。図１３は、本実施形態の投射装置３の構成を示す概念図である。なお、図１３は概念的な図であり、各構成要素間の位置関係や、光の照射方向などを正確に表したものではない。本実施形態の投射装置３は、０次光除去部４３を有する点で、第１の実施形態の投射装置１とは異なる。また、本実施形態の投射装置３は、変調光の光路上に配置した光吸収部材に０次光を吸収させるのではなく、変調光の光路から外れる方向に反射させてから光吸収部材に０次光を吸収させる点で、第２の実施形態の投射装置２とは異なる。０次光除去部４３以外の構成は、第１の実施形態の投射装置１と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００７５】
０次光除去部４３は、保持部材４３１、反射部材４３２、光吸収部材４３３を含む。
【００７６】
保持部材４３１は、反射部材４３２を保持する部材である。例えば、保持部材４３１は、ガラスやプラスチックなどのように変調光１３０を透過しやすい材質で構成される。また、例えば、保持部材４３１は、反射部材４３２を固定する線材を含む構成としてもよい。例えば、保持部材４３１の周縁を枠状に形成し、その枠の開口部の内側に線材を張り巡らせ、張り巡らせた線材によって反射部材４３２を固定できる。保持部材４３１の構造や材料は、第２の実施形態の保持部材４２１と同様のものを用いればよい。
【００７７】
反射部材４３２は、保持部材４３１によって保持され、第２の集光位置３３２に位置するように配置される。例えば、反射部材４３２は、アルミニウムや銀などの金属や、誘電体などのように光を反射する素材で構成する。また、反射部材４３２は、アルミニウムや銀などの金属薄膜や、誘電体薄膜などのような薄膜を保持部材４３１の面上に形成することで構成してもよい。反射部材４３２を薄膜で形成する場合、反射部材４３２は、変調光を反射しさえすれば、単層膜であってもよいし、多層膜であってもよい。
【００７８】
光吸収部材４３３は、反射部材４３２による反射光の進行位置に配置される。光吸収部材４３３は、カーボンなどの黒体で構成する。また、使用するレーザ光の波長が固定されている場合には、特定波長の光を選択的に吸収する材料を光吸収部材４３３として用いてもよい。例えば、光吸収部材４３３は、投射装置３を収容する筐体の内部に設置される。例えば、光吸収部材４３３が光を吸収することによって発生した熱を筐体に逃がすように構成することが好ましい。
【００７９】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、被投射面に表示させる画像の位相画像と仮想レンズ画像とを合成した合成画像を空間光変調器３０の表示部に表示させる。０次光除去部４３に変調光１３０が到達すると、変調光１３０に含まれる０次光は、反射部材４３２によって反射され、変調光１３０の光路から外れた方向に進行する。反射部材４３２によって反射された光は、その光の進行方向に配置された光吸収部材４３３に吸収される。一方、０次光除去部４３で０次光が除去された光１４３は、アパーチャ５１の開口位置（第１の集光位置３３１）に集光される。アパーチャに到達した光１４３は、アパーチャ５１の枠部分で高次光が除去されてから投射レンズ５３に到達し、投射レンズ５３によって投射光１５３として投射される。投射光１５３には、０次光が含まれないため、被投射面には０次光が含まれない画像が表示される。
【００８０】
以上のように、本実施形態によれば、第２の実施形態と同様に、０次光除去部において０次光が除去されるため、０次光が除去された画像が被投射面に表示される。本実施形態では、第２の実施形態と同様に、投射光から０次光を除去できるため、０次光が表示されるはずであった位置に所望の画像を表示させることができる。すなわち、本実施形態によれば、被投射面に表示させる画像の表示位置の制約を減らすことができる。
【００８１】
また、本実施形態においては、変調光の光路からずらしてから光吸収部材で０次光を吸収させる。光吸収部材を筐体の内部に接触させて配置すれば、筐体を伝わって熱が外部に放出されやすくなるため、光吸収部材に熱が蓄積されて穴が開く可能性が減少する。
【００８２】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態の投射装置について図面を参照しながら説明する。図１４は、本実施形態の投射装置４の構成を示す概念図である。なお、図１４は概念的な図であり、各構成要素間の位置関係や、光の照射方向などを正確に表したものではない。本実施形態は、コリメータを省略する点で、第１〜第３の実施形態とは異なる。また、本実施形態は、集光された０次光を光吸収部材に吸収させるのではなく、発散させて目立たなくする点で、第２および第３の実施形態とは異なる。なお、コリメータ以外の構成は、第１の実施形態の投射装置１と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００８３】
投射装置４は、出射部１１から出射されるレーザ光１００をコリメータによって平行光にせずに、空間光変調器３０の表示部に照射する。そのため、出射部１１から出射されるレーザ光１００は、平行光ではなく、広がって進行する。そのため、本実施形態においては、空間光変調器３０の表示部の面内にレーザ光１００の照射領域を収めるために、第１の実施形態の投射装置１と比較して、出射部１１と空間光変調器３０との距離を近づけて配置する。
【００８４】
本実施形態においては、被投射面に表示させる画像の位相画像と、０次光を発散させるための仮想レンズ画像とを合成した合成画像を空間光変調器３０の表示部に表示させる。第１〜第３の実施形態においては、０次光を集光するために、焦点距離が正方向（＋）の仮想レンズ（凸レンズ）を用いた。一方、本実施形態においては、０次光を発散させるために、焦点距離が負方向（−）の仮想レンズ（凹レンズ）を用いる。すなわち、本実施形態においては、空間光変調器３０の表示部に入射したレーザ光１００をアパーチャ５１の位置に対応する負方向に集光させる仮想レンズ画像を用いる。
【００８５】
図１５は、凸レンズの機能を発揮する仮想レンズ画像４４０−１（焦点距離＋５００ｍｍ）と、凹レンズとして機能する仮想レンズ画像４４０−２（焦点距離−５００ｍｍ）とを示す。凸レンズとして機能する仮想レンズ画像４４０−１は、中心部が暗くなっている。それに対し、凹レンズとして機能する仮想レンズ画像４４０−２は、中心部が明るくなっている。仮想レンズ画像４４０−２は、仮想レンズ画像４４０−１の明暗を反転させた画像に相当する。本実施形態においては、仮想レンズ画像４４０−２のように、焦点距離が負方向の仮想レンズ画像を用いる。
【００８６】
ところで、出射部１１と空間光変調器３０との距離を十分に取れれば、レーザ光１００を平行光とみなせるが、出射部１１と空間光変調器３０との距離が十分に離れていないと、レーザ光１００が平行光ではないことによる影響が出る。そのため、本実施形態においては、平行光を集光させるための仮想レンズ画像と、波面の広がりを計算に入れたパターン（波面補正用位相分布）とを合成した合成仮想レンズ画像を用いる。
【００８７】
図１６は、本実施形態において空間光変調器３０の表示部に表示させる合成画像４４５の合成方法について説明するための概念図である。本実施形態においては、仮想レンズ画像４４１と波面補償位相画像４４２を合成した合成仮想レンズ画像４４３と、被投射面に表示させる画像の位相画像４４４とを合成した合成画像４４５を空間光変調器３０の表示部に表示させる。
【００８８】
仮想レンズ画像４４１は、第１〜第３の実施形態と同様に、平行光をアパーチャ５１の位置に集光させるためのパターンである。また、波面補償位相画像４４２は、波面が球面状に広がる光をアパーチャ５１の位置に集光させるためのパターンである。波面補償位相画像４４２は、レーザ光１００の光軸の当たる位置や、空間光変調器３０の表示面に対するレーザ光１００の進入角度などを計算に入れた波面補償パターンである。仮想レンズ画像４４１と波面補償位相画像４４２とが合成された合成仮想レンズ画像４４３は、変調光１３０をアパーチャ５１の面に集光するように設定される。
【００８９】
空間光変調器３０の表示部によって反射された変調光１３５には、集光されずに発散する０次光が含まれる。すなわち、第１〜第３の実施形態とは異なり、本実施形態においては、変調光１３５に含まれる０次光は、空間光変調器３０とアパーチャ５１との間に集光されずに拡散する。
【００９０】
変調光１３５は、アパーチャ５１によって高次成分を除去されてから投射レンズ５３に到達する。変調光１３５に含まれる０次光は、アパーチャ５１の開口部を通過する成分以外は、アパーチャ５１によって遮蔽される。変調光１３５に含まれる０次光のうち、アパーチャ５１の開口部内を通過した成分は、拡散しながら投射レンズ５３に到達する。そのため、投射レンズ５３から投射される投射光１５４は、拡散した０次光を含むものの、被投射面には所望の画像が表示される。投射装置４によって投射された投射光１５４は、被投射面において、拡散された０次光によって全体的に明るくなった投射領域に所望の画像が表示させる。
【００９１】
以上のように、本実施形態においては、空間光変調器の表示部に入射した出射光を第１の集光位置に対応する負方向に集光させる仮想レンズ画像と、出射光の波面を補償する波面補償パターンとを合成した合成仮想レンズ画像を用いる。本実施形態によれば、０次光を拡散させることによって、投射領域全体に０次光が広がって明るくなった投射領域に、所望の画像が表示される。本実施形態の投射装置によって投射された投射光によって被投射面に形成される画像は、拡散された０次光によって全体的に明るくなった投射領域を背景として画像が表示される。そのため、本実施形態は、投射画像のＳ／Ｎ比の観点では第１〜第３の実施形態と比べて劣る。
【００９２】
ところで、本実施形態においては、コリメータを省略しているため、光源から出射されたレーザ光が拡散してしまう。そのため、本実施形態では、拡散するレーザ光の照射領域が空間光変調器の表示部の面内に収まるように、空間光変調素子と光源との距離を近づけて配置する。そのため、本実施形態によれば、第１〜第３の実施形態と比較して装置を小型化できる。また、本実施形態では、０次光を拡散させるので、０次光遮蔽部も不要である。すなわち、本実施形態によれば、コリメータを削減するため、レーザ光の光軸と変調光の光軸とがなす角が小さくなるように光源を配置することによって、光学系全体をさらに小型化できる。
【００９３】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係るインターフェース装置について図面を参照しながら説明する。図１７は、本実施形態のインターフェース装置５の構成を示すブロック図である。図１７のように、インターフェース装置５は、投射装置５１０、撮像装置５２０、制御装置５３０を備える。
【００９４】
投射装置５１０は、本発明の第１〜第４の実施形態に係る投射装置から投射制御部の機能を除いた構成を有する。投射制御部の機能は、制御装置５３０に含まれる。投射装置５１０は、制御装置５３０に接続され、制御装置５３０の制御に応じて動作し、被投射面５６０の投射領域５７０の内部に所望の画像を表示させる。例えば、投射装置５１０は、ユーザに操作を促すようなユーザインターフェースを被投射面５６０の投射領域５７０の内部に表示させる。
【００９５】
撮像装置５２０は、被投射面５６０を撮像するためのカメラである。撮像装置５２０は、制御装置５３０に接続される。撮像装置５２０は、制御装置５３０の制御に応じて動作し、被投射面５６０の投射領域５７０を含む範囲を撮像する。例えば、投射装置５１０は、被投射面５６０の投射領域５７０の内部に表示されたユーザインターフェースと、投射領域５７０内における指示体とを含む画像を撮像する。なお、指示体とは、ユーザの指や指示棒などのように、ユーザインターフェースに操作を加えるものである。
【００９６】
制御装置５３０は、投射装置５１０に投射指示を出すとともに、撮像装置５２０に撮像指示を出す制御系統である。制御装置５３０は、投射装置５１０および撮像装置５２０に接続される。制御装置５３０は、投射装置５１０からの投射光によって被投射面に表示された表示画像と、その表示画像に対するユーザの体の一部や道具（指示体とも呼ぶ）との位置関係を対応付けて、表示画像に対する操作内容を認識する。制御装置５３０は、認識した操作内容に対応する応答画像を被投射面に表示させるように投射装置５１０を制御する。例えば、制御装置５３０は、撮像装置５２０によって撮像された画像を用いて指示体の位置を特定し、ユーザインターフェースと指示体との位置関係に基づいて指示体の操作内容を認識する。また、制御装置５３０は、投射装置５１０を制御し、認識した操作内容に応じた応答画像を投射させるように構成してもよい。
【００９７】
〔投射装置〕
次に、インターフェース装置５の投射装置５１０について図面を参照しながら説明する。図１８は、投射装置５１０の構成を示すブロック図である。投射装置５１０は、光源１０、空間光変調器３０、投射光学系５０を備える。光源１０、空間光変調器３０、投射光学系５０は、第１の実施形態の投射装置１に含まれる構成と同様である。光源１０と空間光変調器３０とは、制御装置５３０に接続される。
【００９８】
光源１０は、制御装置５３０の制御に応じて、平行光１１０を出射する。光源１０から出射された平行光１１０は、制御装置５３０の制御に応じたパターンが表示された空間光変調器３０の表示部の面内に照射される。空間光変調器３０の表示部には、制御装置５３０の制御によって、被投射面に表示させる画像の位相画像と仮想レンズ画像とを合成した合成画像が表示される。空間光変調器３０の表示部によって反射された変調光１３０は、投射光学系５０に向けて進行する。投射光学系は、変調光１３０に含まれる高次成分を除去した光を投射光１５０として拡大投射する。
【００９９】
〔撮像装置〕
次に、インターフェース装置５の撮像装置５２０について図面を参照しながら説明する。図１９は、撮像装置５２０の構成を示すブロック図である。撮像装置５２０は、撮像素子５２１、画像処理プロセッサ５２３、内部メモリ５２５およびデータ出力回路５２７を有する。例えば、撮像装置は、一般的なデジタルカメラの撮像機能を有する。
【０１００】
撮像素子５２１は、投射装置５１０の投射領域を含む撮像領域を撮像し、その撮像領域の撮像データを取得するための素子である。
【０１０１】
撮像素子５２１は、半導体集積回路を含む光電変換素子である。撮像素子５２１は、例えば、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）などの固体撮像素子によって実現できる。通常、撮像素子５２１は、可視領域の光を撮像する素子によって構成するが、赤外線や紫外線、Ｘ線、ガンマ線、電波、マイクロ波などの電磁波を撮像・検波できる素子によって構成してもよい。
【０１０２】
画像処理プロセッサ５２３は、撮像素子５２１によって撮像された撮像データに対して、暗電流補正や補間演算、色空間変換、ガンマ補正、収差の補正、ノイズリダクション、画像圧縮などの画像処理を実行した画像データを生成する集積回路である。
【０１０３】
内部メモリ５２５は、画像処理プロセッサ５２３によって画像処理を行う際に処理しきれない画像情報や、処理済みの画像情報を一時的に保持する記憶素子である。なお、撮像素子５２１によって撮像された画像情報を内部メモリ５２５に一時的に記憶するように構成してもよい。内部メモリ５２５は、一般的なメモリによって構成すればよい。
【０１０４】
データ出力回路５２７は、画像処理プロセッサ５２３によって処理された画像データを制御装置５３０に出力する。
【０１０５】
〔制御装置〕
次に、インターフェース装置５の制御装置５３０について図面を参照しながら説明する。図２０は、制御装置５３０の構成を示すブロック図である。制御装置５３０は、統合制御部５３１、画像合成部５３２、位相画像記憶部５３３、仮想レンズ画像記憶部５３４、光源制御部５３５、変調器制御部５３６、撮像制御部５３７を有する。画像合成部５３２、位相画像記憶部５３３、仮想レンズ画像記憶部５３４、光源制御部５３５および変調器制御部５３６のそれぞれは、第１の実施形態の投射制御部２０の同一名称の構成要素と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【０１０６】
統合制御部５３１は、画像合成部５３２を制御して、被投射面５６０に表示させる画像の位相画像と仮想レンズ画像とを合成した合成画像を生成させる。統合制御部５３１は、画像合成部５３２によって生成された合成画像を被投射面５６０に表示させるための制御条件を光源制御部５３５および変調器制御部５３６に出力する。
【０１０７】
また、統合制御部５３１は、被投射面５６０の投射領域５７０を含む範囲を撮像させるための制御条件を撮像制御部５３７に出力する。統合制御部５３１は、被投射面５６０の投射領域５７０を含む範囲を撮像した画像データと、投射領域５７０の内部に表示させている画像データとを比較して指示体の位置を特定する。
【０１０８】
例えば、統合制御部５３１は、投射領域５７０の内部にユーザインターフェースを表示画像として表示させる。例えば、統合制御部５３１は、ユーザインターフェースにおける位置と、その位置に対応する操作内容と、その操作内容に対応する表示画像の位相分布とを関連付けるテーブルを保持する。統合制御部５３１は、そのテーブルを参照し、指示体の位置に関連付けられた操作内容を識別する。統合制御部５３１は、操作内容を識別すると、その操作内容に対応させて、空間光変調器３０の表示部に表示させるパターンを切り替える。
【０１０９】
撮像制御部５３７は、統合制御部５３１の制御に応じて、被投射面５６０の投射領域５７０を含む範囲を撮像装置５２０に撮像させ、撮像装置５２０が撮像した画像データを取得する。撮像装置５２０は、取得した画像データを統合制御部５３１に出力する。
【０１１０】
以上のように、本実施形態のユーザインターフェースによれば、投射装置から投射したユーザインターフェースに対する指示体の指示内容を、撮像装置によって撮像された画像データを解析することができる。本実施形態のユーザインターフェースによれば、指示内容の解析結果に応じた画像を被投射面に表示させることによって、インタラクティブな操作を実現する。
【０１１１】
（ハードウェア）
ここで、各実施形態に係る投射装置およびインターフェース装置の制御系統を実現するハードウェア構成について、図２１のコンピュータ９０を一例として挙げて説明する。なお、図２１のコンピュータ９０は、各実施形態の制御系統を実現するための構成例であって、本発明の範囲を限定するものではない。
【０１１２】
図２１のように、コンピュータ９０は、プロセッサ９１、主記憶装置９２、補助記憶装置９３、入出力インターフェース９５および通信インターフェース９６を備える。図２１においては、インターフェースをＩ／Ｆ（Interface）と略して表記する。プロセッサ９１、主記憶装置９２、補助記憶装置９３、入出力インターフェース９５および通信インターフェース９６は、バス９９を介して互いにデータ通信可能に接続される。また、プロセッサ９１、主記憶装置９２、補助記憶装置９３および入出力インターフェース９５は、通信インターフェース９６を介して、インターネットやイントラネットなどのネットワークに接続される。
【０１１３】
プロセッサ９１は、補助記憶装置９３等に格納されたプログラムを主記憶装置９２に展開し、展開されたプログラムを実行する。本実施形態においては、コンピュータ９０にインストールされたソフトウェアプログラムを用いる構成とすればよい。プロセッサ９１は、本実施形態における制御処理を実行する。
【０１１４】
主記憶装置９２は、プログラムが展開される領域を有する。主記憶装置９２は、例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの揮発性メモリとすればよい。また、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）などの不揮発性メモリを主記憶装置９２として構成・追加してもよい。
【０１１５】
補助記憶装置９３は、種々のデータを記憶する。補助記憶装置９３は、ハードディスクやフラッシュメモリなどのローカルディスクによって構成される。なお、種々のデータを主記憶装置９２に記憶させる構成とし、補助記憶装置９３を省略することも可能である。
【０１１６】
入出力インターフェース９５は、コンピュータ９０と周辺機器とを接続するためのインターフェースである。通信インターフェース９６は、規格や仕様に基づいて、インターネットやイントラネットなどのネットワークを通じて、外部のシステムや装置に接続するためのインターフェースである。入出力インターフェース９５および通信インターフェース９６は、外部機器と接続するインターフェースとして共通化してもよい。
【０１１７】
コンピュータ９０には、必要に応じて、キーボードやマウス、タッチパネルなどの入力機器を接続するように構成してもよい。それらの入力機器は、情報や設定の入力に使用される。なお、タッチパネルを入力機器として用いる場合は、表示機器の表示画面が入力機器のインターフェースを兼ねる構成とすればよい。プロセッサ９１と入力機器との間のデータ通信は、入出力インターフェース９５に仲介させればよい。
【０１１８】
また、コンピュータ９０には、情報を表示するための表示機器を備え付けてもよい。表示機器を備え付ける場合、コンピュータ９０には、表示機器の表示を制御するための表示制御装置（図示しない）が備えられていることが好ましい。表示機器は、入出力インターフェース９５を介してコンピュータ９０に接続すればよい。
【０１１９】
また、コンピュータ９０には、必要に応じて、ディスクドライブを備え付けてもよい。ディスクドライブは、バス９９に接続される。ディスクドライブは、プロセッサ９１と図示しない記録媒体（プログラム記録媒体）との間で、記録媒体からのデータ・プログラムの読み出し、コンピュータ９０の処理結果の記録媒体への書き込みなどを仲介する。記録媒体は、例えば、ＣＤ（Compact Disc）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの光学記録媒体で実現できる。また、記録媒体は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリやＳＤ（Secure Digital）カードなどの半導体記録媒体や、フレキシブルディスクなどの磁気記録媒体、その他の記録媒体によって実現してもよい。
【０１２０】
以上が、本発明の各実施形態の制御系統を実現するためのハードウェア構成の一例である。なお、図２１のハードウェア構成は、各実施形態に係る制御処理を実行するためのハードウェア構成の一例であって、本発明の範囲を限定するものではない。また、各実施形態に係る制御処理をコンピュータに実行させるプログラムも本発明の範囲に含まれる。さらに、各実施形態に係るプログラムを記録したプログラム記録媒体も本発明の範囲に含まれる。
【０１２１】
各実施形態の制御系統の構成要素は、任意に組み合わせることができる。また、各実施形態の制御系統の構成要素は、ソフトウェアによって実現してもよいし、回路によって実現してもよい。
【０１２２】
以上、実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
〔付記〕
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
表示画像に対応するパターンが表示される表示部を有する空間光変調器と、
前記空間光変調器の表示部に出射光が照射されるように配置される光源と、
前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光の反射光の光路上に配置され、前記反射光に含まれる高次成分を除去した投射光を投射する投射光学系と、
前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光を第１の集光位置に集光させる仮想レンズ画像と、前記表示画像に対応する前記パターンとを合成した合成画像を前記空間光変調器の表示部に表示させ、前記空間光変調器の表示部に前記出射光が照射されるように前記光源を制御する投射制御手段とを備える投射装置。
（付記２）
前記空間光変調器は、位相変調型の変調素子を有する付記１に記載の投射装置。
（付記３）
投射光学系は、
前記反射光の高次成分を除去するアパーチャと、
前記アパーチャによって高次成分が除去された前記反射光を拡大投射する投射レンズとを有し、
前記アパーチャは、
前記第１の集光位置に配置される付記１または２に記載の投射装置。
（付記４）
前記光源は、
特定波長の光を前記出射光として出射する出射部と、
前記出射部から出射される前記出射光の波面をそろえて平行光に変換するコリメータとを含む付記１乃至３のいずれか一項に記載の投射装置。
（付記５）
前記反射光に含まれる０次光が集光される第２の集光位置に配置され、前記０次光を除去する０次光除去手段を備える付記４に記載の投射装置。
（付記６）
前記０次光除去手段は、
前記０次光の光路上に配置され、前記０次光を吸収する光吸収部材と、
前記０次光の光路上に位置するように前記光吸収部材を保持する保持部材とを有する付記５に記載の投射装置。
（付記７）
前記０次光除去手段は、
前記０次光の光路上に配置され、前記０次光を反射する反射部材と、
前記０次光の光路上に位置するように前記反射部材を保持する保持部材と、
前記反射部材によって反射された光に含まれる前記０次光の光路上に配置され、前記０次光を吸収する光吸収部材とを有する付記５に記載の投射装置。
（付記８）
前記光源は、
前記光源から出射された前記出射光が前記空間光変調器の表示部の面内に収まる位置に配置され、
前記投射制御手段は、
前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光を第１の集光位置に対応する負方向に集光させる前記仮想レンズ画像と、前記出射光の波面を補償する波面補償パターンとを合成した合成仮想レンズ画像を、前記表示画像に対応する前記パターンと合成した合成画像を前記空間光変調器の表示部に表示させる付記１乃至３のいずれか一項に記載の投射装置。
（付記９）
前記投射制御手段は、
前記投射光の投射条件を設定する投射条件設定部と、
前記表示画像に対応する位相分布が記憶される位相画像記憶部と、
前記仮想レンズ画像が記憶される仮想レンズ画像記憶部と、
前記投射条件に基づいて、前記位相画像記憶部に記憶された前記位相分布と、前記仮想レンズ画像記憶部に記憶された前記仮想レンズ画像とを合成することによって前記合成画像を生成する画像合成部と、
前記投射条件に基づいて、前記空間光変調器の表示部に前記合成画像を表示させる変調素子制御部と、
前記投射条件に基づいて、前記合成画像が表示された状態の前記空間光変調器の表示部に前記出射光を照射するように前記光源を駆動制御する光源制御部とを有する付記２乃至８のいずれか一項に記載の投射装置。
（付記１０）
前記仮想レンズ画像記憶部には、同心円状のパターンが前記仮想レンズ画像として格納される付記９に記載の投射装置。
（付記１１）
前記仮想レンズ画像記憶部には、焦点距離が正であり、凸レンズとして機能する前記仮想レンズ画像が格納される付記１０に記載の投射装置。
（付記１２）
前記仮想レンズ画像記憶部には、焦点距離が負であり、凹レンズとして機能する前記仮想レンズ画像が格納される付記１０に記載の投射装置。
（付記１３）
前記仮想レンズ画像記憶部には、焦点距離に応じた複数の前記仮想レンズ画像が格納される付記１０乃至１２のいずれか一項に記載の投射装置。
（付記１４）
表示画像に対応するパターンが表示される表示部を有する空間光変調器と、前記空間光変調器の表示部に出射光が照射されるように配置される光源と、前記空間光変調器に入射した前記出射光の反射光の光路上に配置され、前記反射光に含まれる高次成分を除去した投射光を投射する投射光学系とを備える投射手段と、
前記表示画像の表示領域を撮像し、前記表示領域の画像データを生成する撮像手段と、
前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光を第１の集光位置に集光させる仮想レンズ画像と、前記表示画像に対応する前記パターンとを合成した合成画像を前記空間光変調器の表示部に表示させ、前記空間光変調器の表示部に前記出射光が照射されるように前記光源を制御するするとともに、前記表示画像の表示領域を前記撮像手段に撮像させる制御をし、前記撮像手段によって撮像された前記表示領域の画像データを解析する制御手段とを備えるインターフェース装置。
（付記１５）
前記制御手段は、
前記表示領域を撮像することで得られた前記画像データを解析し、前記表示画像における位置に関連付けられた操作内容と、前記画像データに含まれる指示体の位置とに基づいて、前記表示画像に対する前記操作内容を認識する付記１４に記載のインターフェース装置。
（付記１６）
表示画像に対応するパターンを表示させる表示部を有する空間光変調器と、前記空間光変調器の表示部に出射光が入射するように配置される光源と、前記空間光変調器に入射した前記出射光の反射光の光路上に配置され、前記反射光に含まれる高次成分を除去して投射光として投射する投射光学系とを備える投射装置において、
前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光を第１の集光位置に集光させる仮想レンズ画像と、前記表示画像に対応する前記パターンとを合成した合成画像を生成し、
生成した前記合成画像を前記空間光変調器の表示部に表示させ、
前記空間光変調器の表示部に前記出射光が照射されるように前記光源を制御する投射方法。
【符号の説明】
【０１２３】
１、２、３、４    投射装置
５    インターフェース装置
１０    光源
１１    出射部
１５    コリメータ
２０    投射制御部
２１    投射条件設定部
２２    画像合成部
２３    位相画像記憶部
２４    仮想レンズ画像記憶部
２５    光源制御部
２６    変調器制御部
３０    空間光変調器
４２、４３    ０次光除去部
５０    投射光学系
５１    アパーチャ
５３    投射レンズ
４００    フーリエ変換レンズ
４２１    保持部材
４２３    光吸収部材
４３１    保持部材
４３２    反射部材
４３３    光吸収部材
５１０    投射装置
５２０    撮像装置
５２１    撮像素子
５２３    画像処理プロセッサ
５２５    内部メモリ
５２７    データ出力回路
５３０    制御装置
５３１    統合制御部
５３２    画像合成部
５３３    位相画像記憶部
５３４    仮想レンズ画像記憶部
５３５    光源制御部
５３６    変調器制御部
５３７    撮像制御部
【図１】
2019116526.tif 000003
【図２】
2019116526.tif 000004
【図３】
2019116526.tif 000005
【図４】
2019116526.tif 000006
【図５】
2019116526.tif 000007
【図６】
2019116526.tif 000008
【図７】
2019116526.tif 000009
【図８】
2019116526.tif 000010
【図９】
2019116526.tif 000011
【図１０】
2019116526.tif 000012
【図１１】
2019116526.tif 000013
【図１２】
2019116526.tif 000014
【図１３】
2019116526.tif 000015
【図１４】
2019116526.tif 000016
【図１５】
2019116526.tif 000017
【図１６】
2019116526.tif 000018
【図１７】
2019116526.tif 000019
【図１８】
2019116526.tif 000020
【図１９】
2019116526.tif 000021
【図２０】
2019116526.tif 000022
【図２１】
2019116526.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】令和2年6月5日(2020.6.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示画像に対応するパターンが表示される表示部を有する空間光変調器と、
前記空間光変調器の表示部に出射光が照射されるように配置される光源と、
前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光の反射光の光路上に配置され、前記反射光に含まれる高次成分を除去した投射光を投射する投射光学系と、
前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光を第１の集光位置に集光させる仮想レンズ画像と、前記表示画像に対応する前記パターンとを合成した合成画像を前記空間光変調器の表示部に表示させ、前記空間光変調器の表示部に前記出射光が照射されるように前記光源を制御する投射制御手段とを備える投射装置。
【請求項２】
前記空間光変調器は、位相変調型の変調素子を有する請求項１に記載の投射装置。
【請求項３】
前記投射光学系は、
前記反射光の高次成分を除去するアパーチャと、
前記アパーチャによって高次成分が除去された前記反射光を拡大投射する投射レンズとを有し、
前記アパーチャは、前記第１の集光位置に配置される請求項１または２に記載の投射装置。
【請求項４】
前記光源は、
特定波長の光を前記出射光として出射する出射部と、
前記出射部から出射される前記出射光の波面をそろえて平行光に変換するコリメータとを含む請求項１乃至３のいずれか一項に記載の投射装置。
【請求項５】
前記反射光に含まれる０次光が集光される第２の集光位置に配置され、前記０次光を除去する０次光除去手段を備える請求項４に記載の投射装置。
【請求項６】
前記０次光除去手段は、
前記０次光の光路上に配置され、前記０次光を吸収する光吸収部材と、
前記０次光の光路上に位置するように前記光吸収部材を保持する保持部材とを有する請求項５に記載の投射装置。
【請求項７】
前記０次光除去手段は、
前記０次光の光路上に配置され、前記０次光を反射する反射部材と、
前記０次光の光路上に位置するように前記反射部材を保持する保持部材と、
前記反射部材によって反射された光に含まれる前記０次光の光路上に配置され、前記０次光を吸収する光吸収部材とを有する請求項５に記載の投射装置。
【請求項８】
表示画像に対応するパターンが表示される表示部を有する空間光変調器と、前記空間光変調器の表示部に出射光が照射されるように配置される光源と、前記空間光変調器に入射した前記出射光の反射光の光路上に配置され、前記反射光に含まれる高次成分を除去した投射光を投射する投射光学系とを備える投射手段と、
前記表示画像の表示領域を撮像し、前記表示領域の画像データを生成する撮像手段と、
前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光を第１の集光位置に集光させる仮想レンズ画像と、前記表示画像に対応する前記パターンとを合成した合成画像を前記空間光変調器の表示部に表示させ、前記空間光変調器の表示部に前記出射光が照射されるように前記光源を制御するするとともに、前記表示画像の表示領域を前記撮像手段に撮像させる制御をし、前記撮像手段によって撮像された前記表示領域の画像データを解析する制御手段とを備えるインターフェース装置。
【請求項９】
表示画像に対応するパターンを表示させる表示部を有する空間光変調器と、前記空間光変調器の表示部に出射光が入射するように配置される光源と、前記空間光変調器に入射した前記出射光の反射光の光路上に配置され、前記反射光に含まれる高次成分を除去して投射光として投射する投射光学系とを備える投射装置において、
前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光を第１の集光位置に集光させる仮想レンズ画像と、前記表示画像に対応する前記パターンとを合成した合成画像を生成し、
生成した前記合成画像を前記空間光変調器の表示部に表示させ、
前記空間光変調器の表示部に前記出射光が照射されるように前記光源を制御する投射方法。
【請求項１０】
表示画像に対応するパターンを表示させる表示部を有する空間光変調器と、前記空間光変調器の表示部に出射光が入射するように配置される光源と、前記空間光変調器に入射した前記出射光の反射光の光路上に配置され、前記反射光に含まれる高次成分を除去して投射光として投射する投射光学系とを備える投射装置において、
前記空間光変調器の表示部に入射した前記出射光を第１の集光位置に集光させる仮想レンズ画像と、前記表示画像に対応する前記パターンとを合成した合成画像を生成する手順、
生成した前記合成画像を前記空間光変調器の表示部に表示させる手順、
前記空間光変調器の表示部に前記出射光が照射されるように前記光源を制御する手順を、
コンピュータに実行させるための投射プログラム。
【国際調査報告】
2019116526.tif 000024
2019116526.tif 000025
2019116526.tif 000026
2019116526.tif 000027