(57)【要約】  本開示のビーム照射装置は、光源と、光源からの光の光路上に配置された複数の光学素子を含み、光源からの光を１次元方向に拡大した照射ビームを出射する照射光学系とを備え、複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子は、照射ビームの１次元方向における可干渉性を低減する構造を有する。
2018173584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光の光路上に配置された複数の光学素子を含み、前記光源からの光を１次元方向に拡大した照射ビームを出射する照射光学系と
を備え、
前記複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子は、前記照射ビームの前記１次元方向における可干渉性を低減する構造を有する
ビーム照射装置。
【請求項２】
前記複数の光学素子のうち少なくとも１つの前記光学素子は、前記１次元方向において入射光束を複数の分割光束に分割すると共に、前記１次元方向において前記複数の分割光束を部分的に重なり合わさるようにして出射させるパターン構造を有する
請求項１に記載のビーム照射装置。
【請求項３】
前記複数の光学素子は、
前記光源からの光を略平行光にするコリメータレンズと、
複数のシリンドリカルレンズを含み、前記１次元方向にのみレンズ作用を有するシリンドリカルレンズアレイと
を含み、
前記シリンドリカルレンズは、
前記パターン構造が重畳された凸形状の第１のシリンドリカル面と、
凸形状の第２のシリンドリカル面と
を有する
請求項２に記載のビーム照射装置。
【請求項４】
前記第１のシリンドリカル面は、前記パターン構造によって２つ以上の領域に分割されている
請求項３に記載のビーム照射装置。
【請求項５】
前記パターン構造は、グレーティングである
請求項２に記載のビーム照射装置。
【請求項６】
前記複数の光学素子は、
前記光源からの光を略平行光にするコリメータレンズと、
前記光源と前記コリメータレンズとの間に配置され、前記パターン構造を有するグレーティングと
を含む
請求項２に記載のビーム照射装置。
【請求項７】
前記複数の光学素子は、
偏光分離素子と、
前記偏光分離素子に対して第１の方向に配置され、前記光源からの光を略平行光にするコリメータレンズと、
前記偏光分離素子に対して第２の方向に配置され、前記パターン構造を有する反射グレーティングと、
前記反射グレーティングと前記偏光分離素子との間に配置され、前記１次元方向にのみレンズ作用を有するシリンドリカルレンズアレイと、
前記偏光分離素子に対して第３の方向に配置され、前記１次元方向にのみ光の拡大作用を有する照射レンズと
を含む
請求項２に記載のビーム照射装置。
【請求項８】
前記複数の光学素子のうち少なくとも１つの前記光学素子は、
表面に前記パターン構造が形成され、前記１次元方向にのみ光の拡大作用を有する照射レンズ
を含む
請求項２に記載のビーム照射装置。
【請求項９】
前記複数の光学素子のうち少なくとも１つの前記光学素子は、
１次元方向にのみ光の拡散作用を有する拡散板
を含む
請求項１に記載のビーム照射装置。
【請求項１０】
前記複数の光学素子のうち少なくとも１つの前記光学素子は、
前記１次元方向にのみレンズ作用を有し、振動機構によって前記１次元方向に振動する振動素子
を含む
請求項１に記載のビーム照射装置。
【請求項１１】
映像光を投影面に投影する投影光学系と、
光源からの光の光路上に配置された複数の光学素子を含み、前記光源からの光を１次元方向に拡大し、前記投影面上における被検出物の検出に用いられる照射ビームを生成して出射する照射光学系と、
前記被検出物による前記照射ビームの散乱光が入射する撮像素子と
を備え、
前記複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子は、前記照射ビームの前記１次元方向における可干渉性を低減する構造を有する
検出機能付きプロジェクタ。
【請求項１２】
前記照射光学系は、前記投影面に対して略平行となる光を前記照射ビームとして出射する
請求項１１に記載の検出機能付きプロジェクタ。
【請求項１３】
前記撮像素子による撮像結果に基づいて、前記被検出物の位置検出を行う画像処理部
をさらに備える
請求項１１に記載の検出機能付きプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ビーム照射装置、および映像を投影する機能と物体の検出機能とを有する検出機能付きプロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スマートフォンやタブレット端末等では、タッチパネルを用いることにより、人の直感に応じたタッチ操作を可能にしている。一方、映像をスクリーン上に投影するプロジェクタにおいて、ＬＬＰ（Laser Light Plane）方式によってタッチ操作を可能にする技術が開発されている。ＬＬＰ方式では、レーザ光源を含むビーム照射装置によって、プロジェクタの投影面をわずかな隙間を空けて覆うように膜状の照射ビームを検出用照明光を照射する。その膜状の照射ビームに対して指等の被検出物が通過すると、通過した部位に散乱光が生ずる。その散乱光を検出光としてカメラで検出する。これにより、物体の位置を判断してタッチ操作を行うことができる。ＬＬＰ方式では通常、検出用照明光を視覚的に分からないようにするために赤外光線が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−６４５５０号公報
【特許文献２】国際公開第２０１６／１２５３８４号
【発明の概要】
【０００４】
ＬＬＰ方式によってタッチ操作機能を実現する場合、タッチ検出の精度や検出信号の安定性の面で検出用照明光として用いる照射ビームの強度分布が安定していることが非常に重要である。
【０００５】
照射ビームの強度分布を安定化することが可能なビーム照射装置、および検出機能付きプロジェクタを提供することが望ましい。
【０００６】
本開示の一実施の形態に係るビーム照射装置は、光源と、光源からの光の光路上に配置された複数の光学素子を含み、光源からの光を１次元方向に拡大した照射ビームを出射する照射光学系とを備え、複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子は、照射ビームの１次元方向における可干渉性を低減する構造を有するものである。
【０００７】
本開示の一実施の形態に係る検出機能付きプロジェクタは、映像光を投影面に投影する投影光学系と、光源からの光の光路上に配置された複数の光学素子を含み、光源からの光を１次元方向に拡大し、光源からの光に基づいて投影面上における被検出物の検出に用いられる照射ビームを生成して出射する照射光学系と、被検出物による照射ビームの散乱光が入射する撮像素子とを備え、複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子は、照射ビームの１次元方向における可干渉性を低減する構造を有するものである。
【０００８】
本開示の一実施の形態に係るビーム照射装置または検出機能付きプロジェクタでは、照射光学系における複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子によって、照射ビームの１次元方向における可干渉性が低減する。
【０００９】
本開示の一実施の形態に係るビーム照射装置または検出機能付きプロジェクタによれば、照射光学系における複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子によって、照射ビームの１次元方向における可干渉性を低減するようにしたので、照射ビームの強度分布を安定化することが可能となる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の第１の実施の形態に係るビーム照射装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係る検出機能付きプロジェクタの一例を概略的に示す構成図である。
【図３】第１の実施の形態に係る検出機能付きプロジェクタの機能的な構成例を概略的に示すブロック図である。
【図４】第１の実施の形態に係るビーム照射装置による照射ビームの強度分布の観測位置の一例を示す説明図である。
【図５】比較例に係るビーム照射装置において、図４に示したＡ−Ａ’の範囲で観測される照射ビームの強度分布の一例を示す説明図である。
【図６】比較例に係るビーム照射装置において、図４に示したＢ−Ｂ’の範囲で観測される照射ビームの強度分布の一例を示す説明図である。
【図７】一実施例に係るビーム照射装置において、図４に示したＢ−Ｂ’の範囲で観測される照射ビームの強度分布の一例を示す説明図である。
【図８】比較例に係るビーム照射装置におけるシリンドリカルレンズアレイの一例を概略的に示す構成図である。
【図９】第１の実施の形態に係るビーム照射装置におけるシリンドリカルレンズアレイの一実施例の構造を概略的に示す構成図である。
【図１０】図９に示したシリンドリカルレンズアレイの数値実施例（実施例１）を示す説明図である。
【図１１】図９に示したシリンドリカルレンズアレイの重畳パターンの数値実施例を示す説明図である。
【図１２】第１の実施の形態に係るビーム照射装置におけるグレーティングの数値実施例（実施例２）を示す説明図である。
【図１３】グレーティングの溝の深さと回折効率（強度）との関係の一例を示す説明図である。
【図１４】グレーティングの回折次数ごとの（強度）の値の一例を示す説明図である。
【図１５】ビーム照射装置の構成の違いによる照射ビームの干渉状態を定量化して示した説明図である。
【図１６】第２の実施の形態に係るビーム照射装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図１７】第３の実施の形態に係るビーム照射装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図１８】第４の実施の形態に係るビーム照射装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図１９】第５の実施の形態に係るビーム照射装置の一例を概略的に示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（図１〜図１５）
１．１  ビーム照射装置の概要
１．２  検出機能付きプロジェクタの概要
１．３  照射ビームの可干渉性を低減する技術の説明
１．４  効果
２．第２の実施の形態（図１６）
３．第３の実施の形態（図１７）
４．第４の実施の形態（図１８）
５．第５の実施の形態（図１９）
６．その他の実施の形態
【００１２】
＜１．第１の実施の形態＞
［１．１  ビーム照射装置の概要］
図１は、本開示の第１の実施の形態に係るビーム照射装置の一例を概略的に示している。
【００１３】
ビーム照射装置は、赤外光源２００と、赤外光源２００からの光を１次元方向に拡大した照射ビームを出射する照射光学系とを備えている。
【００１４】
赤外光源２００は、赤外光を発するレーザ光源である。
【００１５】
照射光学系は、赤外光源２００からの光の光路上に配置された複数の光学素子を含んでいる。図１の構成例では、複数の光学素子として、コリメータレンズＬ１１と、偏光分離素子１１と、リレーレンズＬ１２と、シリンドリカルレンズアレイＬ１３と、リレーレンズＬ１４と、λ／４板１２と、ミラー１３と、リレーレンズＬ１８と、第１の照射レンズＬ２１と、第２の照射レンズＬ２２とを有している。また、光学素子として、赤外光源２００とコリメータレンズＬ１１との間に配置されたグレーティング８１を有していてもよい。また、光学素子として、照射光学系を封止するガラス部材を有していてもよい。グレーティング８１は、そのガラス部材の表面に形成されていてもよい。
【００１６】
これらの複数の光学素子のうち、コリメータレンズＬ１１を除くレンズ素子は、シリンダ形状であり、ビームを拡げる１次元方向に直交する方向にはレンズ作用を持たない。ビームを拡げる１次元方向は、図１の紙面内の方向であり、コリメータレンズＬ１１を除くレンズ素子は、図１の紙面内でレンズ作用を有する。コリメータレンズＬ１１は、赤外光源２００からの光を略平行光にする作用を有する。
【００１７】
図１に示した照射光学系では、偏光分離素子１１に対して、赤外光源２００とコリメータレンズＬ１１とが、第１の方向に配置されている。リレーレンズＬ１２と、シリンドリカルレンズアレイＬ１３と、リレーレンズＬ１４と、λ／４板１２と、ミラー１３とが、第２の方向（偏光分離素子１１によって折り曲げられた赤外光源２００からの光の光路上）に配置されている。リレーレンズＬ１８と、第１の照射レンズＬ２１と、第２の照射レンズＬ２２は、第３の方向（偏光分離素子１１に対して第２の方向とは反対側）に配置されている。
【００１８】
偏光分離素子１１は、赤外光源２００からの光のうち第１の偏光成分（例えばＳ偏光成分）をシリンドリカルレンズアレイＬ１３およびミラー１３等が配置された方向に向けて反射する。偏光分離素子１１はまた、ミラー１３で反射され、再度、シリンドリカルレンズＬ１３等に入射した光のうち第２の偏光成分（例えばＰ偏光成分）を、リレーレンズＬ１８を介して第１の照射レンズＬ２１と第２の照射レンズＬ２２とに向けて出射する。λ／４板１２は、第１の偏光成分と第２の偏光成分との変換用に設けられている。
【００１９】
第１の照射レンズＬ２１と第２の照射レンズＬ２２は、１次元方向に負の屈折力を有し、１次元方向にのみ光の拡大作用を有する広角レンズである。第１の照射レンズＬ２１と第２の照射レンズＬ２２は、偏光分離素子１１から出射された光をリレーレンズＬ１８を介して１次元方向に拡大し照射ビームとして出射する。
【００２０】
なお、上記した照射光学系における複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子は、後述するように、照射ビームの１次元方向における可干渉性を低減する構造を有している。後述するように、可干渉性を低減する構造を有する光学素子は、例えばシリンドリカルレンズアレイＬ１３およびグレーティング８１であってもよい。
【００２１】
［１．２  検出機能付きプロジェクタの概要］
図２および図３は、図１に示したビーム照射装置からの照射ビームを物体の検出用の照明光として用いた検出機能付きプロジェクタの一例を示している。
【００２２】
本実施の形態に係る検出機能付きプロジェクタは、映像を投影面３０に投影するプロジェクタとしての機能と、投影面３０上における例えば人の指等の被位置検出物７１の位置や動作を検出するタッチ検出（位置検出）機能とを有している。
【００２３】
なお、投影面３０は投影用のスクリーンであってもよい。また、投影面３０は机の表面や床面等であってもよい。また、投影面３０は、壁面などであってもよい。
【００２４】
図２および図３に示したように、本実施の形態に係る検出機能付きプロジェクタは、映像投影用照明部１と、位置検出用照明部２と、投影光学系４と、撮像部５と、検出画像処理部６と、照明制御部７と、表示制御部８とを備えている。本実施の形態に係る検出機能付きプロジェクタは、さらに、ライトバルブ２１と、偏光分離素子２３とを備えている。
【００２５】
映像投影用照明部１は、第１の照明光としての映像投影用照明光４１を出射する第１の照明部となっている。ライトバルブ２１は、偏光分離素子２３を介して、映像投影用照明部１から出射された映像投影用照明光４１によって照明される。
【００２６】
映像投影用照明部１は、図示しない照明光学系と、光源部とを有している。光源部は、例えば、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、およびＢ（青色）のスペクトルを持つ光を発するレーザ光源を有している。光源部は、例えば、Ｂ光を発する青色レーザと、Ｇ光を発する緑色レーザと、Ｒ光を発する赤色レーザとを有している。赤色レーザ、緑色レーザ、および青色レーザはそれぞれ、例えば図示しない発光制御部によってフィールドシーケンシャル方式で発光制御されてもよい。
【００２７】
映像投影用照明部１の照明光学系は、光源部からの光に基づいてＲＧＢのスペクトルを持つ映像投影用照明光４１を生成する。
【００２８】
ライトバルブ２１は、表示制御部８から供給された映像データに基づいて映像投影用照明光４１を変調して映像光４４を生成する。ライトバルブ２１は、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の反射型の液晶素子である。ライトバルブ２１で生成された映像光４４は、偏光分離素子２３、および投影光学系４を介して投影面３０に投影される。
【００２９】
位置検出用照明部２は、投影面３０上における被位置検出物７１の位置検出に用いられる第２の照明光としての位置検出用照明光４２を出射する第２の照明部となっている。位置検出用照明部２は、例えば本体１００の下部に設けられている。位置検出用照明部２は、少なくとも投影面３０における映像光４４の投影エリア３１を所定の高さから覆うように、投影面３０に対して略平行となる位置検出用照明光４２を出射する。位置検出用照明部２は、図１に示したビーム照射装置における赤外光源２００と照射光学系とを含んだ構成であってもよい。
【００３０】
位置検出用照明光４２の波長帯域は、映像投影用照明光４１の波長帯域とは異なっている。映像投影用照明光４１の波長帯域は可視域であり、位置検出用照明光４２の波長帯域は近赤外域となっている。
【００３１】
検出画像処理部６は、撮像部５の撮像結果に基づいて、被位置検出物７１の位置検出を行う画像処理部となっている。検出画像処理部６は、例えば、撮像部５からの検出信号を解析して、検出された物体の位置データ（座標データ）を取得する。検出画像処理部６は、被位置検出物７１の位置だけでなく、被位置検出物７１によるジェスチャー動作等の動きを解析する機能を有していてもよい。
【００３２】
照明制御部７は、位置検出用照明部２による位置検出用照明光４２のオン（出射）、オフ（非出射）の切り替え制御を行うようになっている。また、照明制御部７は、位置検出用照明部２の光源（図１の赤外光源２００）からの光を時間的に光量変調する制御を行うようになっている。
【００３３】
投影光学系４は、投射レンズ２４を有している。投射レンズ２４は、超短焦点レンズであってもよい。投影光学系４は、映像を投影するための機能の他、位置検出のための結像光学系としての機能を有している。投影光学系４には、ライトバルブ２１で生成された映像光４４が入射すると共に、被位置検出物７１による位置検出用照明光４２の散乱光Ｌａとが投影面３０側から取り込まれる。
【００３４】
撮像部５は、撮像素子２２と、撮像光学系２５と、露光制御部２６とを有している。
【００３５】
撮像素子２２は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）やＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの固体撮像素子で構成されている。撮像素子２２は、投影面３０と光学的に共役な位置に配置されている。また、撮像素子２２は、ライトバルブ２１と光学的に共役な位置に配置されている。より具体的には、ライトバルブ２１が反射型の液晶素子である場合、映像を作り出す表示面（液晶面）と撮像素子２２の撮像面とが光学的に共役な位置となるように配置されている。撮像素子２２には、投影光学系４および偏光分離素子２３を介して、位置検出用照明光４２の散乱光Ｌａが入射する。撮像素子２２は、少なくとも投影面３０上の投影エリア３１と略同一のエリアを撮像エリアとした撮像を行うことが可能となっている。
【００３６】
撮像光学系２５は、ライトバルブ２１の光学的な共役面と撮像素子２２との間に配置されている。撮像光学系２５は、例えば複数枚のリレーレンズを含む縮小光学系と、バンドパスフィルタとを有している。撮像光学系２５として、リレーレンズを含む縮小光学系を配置することで、ライトバルブ２１と光学的に共役な位置を共役面よりも遠方に設けることができる。また、縮小光学系を配置することで、ライトバルブ２１と光学的に共役な位置に配置しつつ、撮像素子２２のサイズをライトバルブ２１よりも小さくすることができる。
【００３７】
露光制御部２６は、撮像素子２２の露光期間および露光タイミング（シャッタタイミング）を制御する。露光制御部２６は、例えば撮像素子２２がＣＣＤなどの場合には、グローバルシャッタ方式によって撮像素子２２の露光制御を行う。また、露光制御部２６は、例えば撮像素子２２がＣＭＯＳなどの場合には、ローリングシャッタ方式によって撮像素子２２の露光制御を行う。
【００３８】
偏光分離素子２３は、例えば４つの光学面を有する偏光ビームスプリッタとなっている。偏光分離素子２３の第１の光学面には、映像投影用照明部１からの映像投影用照明光４１が入射する。ライトバルブ２１は、偏光分離素子２３の第２の光学面側に配置されている。偏光分離素子２３の第３の光学面側には、撮像部５が配置されている。偏光分離素子２３の第４の光学面側には、投影光学系４が配置されている。
【００３９】
偏光分離素子２３は、入射した光を第１の偏光成分（例えばＳ偏光成分）と第２の偏光成分（例えばＰ偏光成分）とに分離し、それぞれを互いに異なる方向に出射する。偏光分離素子２３は、特定の第１の偏光成分を選択的に反射させると共に、特定の第２の偏光成分を選択的に透過させる。偏光分離素子２３は、第１の光学面に入射した映像投影用照明光４１に含まれる第１の偏光成分をライトバルブ２１に向けて反射する。ライトバルブ２１で変調され、第２の偏光成分とされた光が、偏光分離素子２３の第４の光学面から出射し、映像光４４として投影光学系４に入射する。
【００４０】
また、偏光分離素子２３の第４の光学面には、投影光学系４を介して位置検出用照明光４２の散乱光Ｌａが入射する。偏光分離素子２３は、位置検出用照明光４２の散乱光Ｌａに含まれる第１の偏光成分を第３の光学面を介して撮像部５に向けて反射する。
【００４１】
（位置検出の動作）
位置検出用照明部２は、図２に示すように、少なくとも投影面３０における映像光４４の投影エリア３１を所定の高さから覆うように広角で広げられた位置検出用照明光４２を、本体１００の下部から出射する。これにより、少なくとも投影面３０における投影エリア３１が、所定の高さから位置検出用照明光４２による近赤外光バリアで覆われる。このような近赤外光バリアで覆うことにより、指等の被位置検出物７１による指示が無い場合は位置検出用照明光４２は拡散しない。一方、指等で投影エリア３１を指し示した場合には、近赤外光バリアを遮る形となり、指等に当たった位置検出用照明光４２の散乱光Ｌａが生じる。この位置検出用照明光４２の散乱光Ｌａが、投影光学系４および偏光分離素子２３を介して、撮像素子２２に入射する。ここで、撮像素子２２と投影面３０は光学的に共役の関係にある位置に配置してあるため、映像投影位置と指等による指し示した位置とが１：１の関係にある。従って、検出画像処理部６によって撮像素子２２の撮像結果に基づく検出信号を解析することで、投影面３０上で指等で指し示した位置（座標）を特定することができる。検出画像処理部６は、特定した位置情報を表示制御部８にフィードバックすることで、投影する映像データに反映させる。これにより、ユーザは指等をマウスのポインタのような役割として、映像を操作することが可能となる。
【００４２】
［１．３  照射ビームの可干渉性を低減する技術の説明］
以上で説明したＬＬＰ方式の検出機能付きプロジェクタでは、位置検出用照明光４２となる照射ビームを投影面３０に対してわずかな隙間を空けて照射し、そこを遮った被位置検出物７１のみを検出する方式であり、赤外光源２００としてレーザ光源を用いる。また、ビーム照射装置の照射光学系にシリンドリカルレンズアレイＬ１３を配置し、赤外光源２００からの光の光束を重ね合わせて光の均一化を図っている。この場合、赤外光源２００がレーザ光源であるがために、光束を重ね合わせる過程で、光束間の干渉により微細な強弱パターンが発生する。この強度不均一な分布となっている状態で、光を拡大して照射ビームとして被位置検出物７１の検出エリア全域に照射することとなる。このため、被位置検出物７１の検出位置においては、無視できないオーダで物体検出の位置依存性が発生し得る。
【００４３】
そこで、照射ビームの強度分布の不均一を低減し、物体検出の位置依存性を抑制することが望ましい。
【００４４】
図２に示したように、位置検出用照明部２は例えば本体１００の下部に配置されている。位置検出用照明光４２の照射ビームは、映像光４４の投影エリア３１をカバーする範囲に分布している。投影エリア３１は、例えば卓上で資料や絵を共有するのに用いる一般的なサイズを考えて、例えば２０インチ〜３０インチ程度である。指等の被位置検出物７１を投影エリア３１全体で検出するためには、本体１００の近傍のエリアのみならず、本体１００から遠方のエリアでも良好に検出する必要がある。この品質に影響を与えるのが、照射ビームの状態である。
【００４５】
図４は、照射ビームの強度分布の観測位置の一例を示している。図５は、比較例に係るビーム照射装置において、図４に示したＡ−Ａ’の範囲で観測される照射ビームの強度分布の一例を示している。ここで、比較例に係るビーム照射装置とは、照射ビームの可干渉性を低減する構造を有する光学素子が含まれていない構成である場合を示す。可干渉性を低減する構造とは、例えば後述するシリンドリカルレンズアレイＬ１３における重畳パターン８０（図９）のような構造である。比較例に係るビーム照射装置におけるシリンドリカルレンズアレイＬ１３の構造は、図８に示した構造であり、両凸のシリンドリカルレンズＬ１３ａを複数、配列した構造となっている。
【００４６】
ここで、投影エリア３１の遠方に到達する照射ビームの状態を考察する。図２に示したように、投影エリア３１の遠方に位置する壁３３におけるビーム断面３４の状態を考察する。ここでは、投影エリア３１のサイズを２３インチとした場合のデータであり、図４に示したように、壁３３の位置は本体１００から約３９０ｍｍ離れた位置にあり、投影エリア３１の横幅は５１０ｍｍである。
【００４７】
図５では、照射ビームの強度が位置に依存し山なりになっているが、これは設計的に傾向を持つ分布である。それ以外にギザギザの周期の短い強度揺らぎが存在する。検出機能付きプロジェクタでのタッチ検出は指等の被位置検出物７１に位置検出用照明光４２が当たり、その散乱光Ｌａの一部を投射レンズ２４で取り込み、撮像素子２２で受光する方式のため、照射ビームの強度分布がそのまま、タッチ位置検出の信号強度に直結する。従って、このような分布変動が存在することで、ほんのわずかな位置の違いで検出信号の大小が大きく変化することを表している。
【００４８】
図６は、比較例に係るビーム照射装置において、図４に示したＢ−Ｂ’の範囲で観測される照射ビームの強度分布の一例を示している。図７は、一実施例に係るビーム照射装置において、図４に示したＢ−Ｂ’の範囲で観測される照射ビームの強度分布の一例を示している。ここで、図７の特性は、後述する図９に示すように、シリンドリカルレンズアレイＬ１３の第１の面Ｓ１に重畳パターン８０が形成されている場合の特性である。図６の特性は、シリンドリカルレンズアレイＬ１３が図８に示した構造である場合の特性である。
【００４９】
図６、および図７には、図４のＡ−Ａ’の範囲中での幅２５ｍｍを切り出したＢ−Ｂ’の位置における断面強度を示す。
【００５０】
図６の比較例では、５〜１０ｍｍ程度の間隔で強いピークを示し、そのピークとピークの間は強度が低い状態であり、鮮明に強弱が見て取れる。ビーム照射装置の赤外光源２００がレーザ光源であるが故に、照射光学系を進む間にビーム間干渉を起こし、部分的に強めあいピークが現れているためである。光量としての総和は変わらないので、ピークとピークとの間は光強度が極端に弱い。光強度に応じて、検出信号の強度が変わるために、位置に依存して信号強度が変わることは、タッチセンシングの安定性や、位置指示の精度を落とすことにつながる。また、それ以上にもっと致命的な問題がある。ピーク間の間隔が１０ｍｍもある場合、大人の指は幅として１０ｍｍ程度であるが、子供の指や指よりも細いものを指示物として物体検出しようとした場合は、ピークとピークとの間に被位置検出物７１が配置され得る。この場合は、照射ビームの強度が低すぎるため、照射ビームの散乱光Ｌａが弱まり、検出信号が弱すぎて検出できないという大きな問題につながる。
【００５１】
図６の比較例では、シリンドリカルレンズアレイＬ１３において各シリンドリカルレンズＬ１３ａ（図８）に入射する光束９０について、等位相の波面が集光し干渉しやすい条件となっている。図７の実施例では、各シリンドリカルレンズＬ１３ａの第１の面Ｓ１に、第１の面Ｓ１とは別の曲率を持つ重畳パターン８０を重畳してあるため、入射する光束９１について、等位相でない波面の重ね合わせとなり、干渉条件が図６の比較例と比べ、崩れている。ピーク自体は残っているがピーク値は下がっており、逆にその分のピークとピークとの間の強度が持ち上がり、位置に依存せず強度が安定する方向に緩和されていることが分かる。このような検出ビームが存在することで、検出するものの位置、およびサイズに依存せず安定したタッチ検出動作を実現することができる。
【００５２】
（可干渉性を低減する構造の具体例）
本実施の形態に係るビーム照射装置における照射光学系は、複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子が、照射ビーム可干渉性を低減する構造を有している。複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子は、１次元方向において入射光束を複数の分割光束に分割すると共に、１次元方向において複数の分割光束を部分的に重なり合わさるようにして出射させるパターン構造を有している。
【００５３】
図８は、比較例に係るビーム照射装置におけるシリンドリカルレンズアレイＬ１３の一例を概略的に示している。
【００５４】
比較例に係るビーム照射装置におけるシリンドリカルレンズアレイＬ１３は、両凸のシリンドリカルレンズＬ１３ａを複数、配列した構造となっている。シリンドリカルレンズＬ１３ａにおける第１の面Ｓ１は、凸形状の第１のシリンドリカル面となっている。シリンドリカルレンズＬ１３ａにおける第２の面Ｓ２は、凸形状の第２のシリンドリカル面となっている。第１の面Ｓ１の曲率半径はＲ１、第２の面Ｓ２の曲率半径はＲ２となっている。
【００５５】
図９は、第１の実施の形態に係るビーム照射装置におけるシリンドリカルレンズアレイＬ１３の一実施例の構造を概略的に示している。
【００５６】
図９では、比較例におけるシリンドリカルレンズアレイＬ１３に対して、シリンドリカルレンズＬ１３ａにおける第１の面Ｓ１（第１のシリンドリカル面）が、可干渉性を低減するパターン構造（重畳パターン８０）が重畳された構造とされている。
【００５７】
図１０および図１１は、図９に示したシリンドリカルレンズアレイＬ１３の構造の数値実施例（実施例１）を示している。
【００５８】
図１０には、シリンドリカルレンズアレイＬ１３の構造のパラメータとして、軸上厚（ｄ１）と、アレイピッチ（第１の面Ｓ１，第２の面Ｓ２共通）ｐ１と、面Ｓ１，Ｓ２のベース曲率半径（｜Ｒ１｜，｜Ｒ２｜）と、重畳パターンピッチ（第１の面Ｓ１のみ）ｐ２と、重畳パターン８０の曲率半径（第１の面Ｓ１のみ）（｜Ｒ１ａ｜）とを示す。
【００５９】
図１１において、シリンドリカルレンズＬ１３ａの第１の面Ｓ１のベースの曲率中心のＸ，Ｙ座標を（０，０）とする。重畳パターン８０として３つのシリンドリカル凸形状のパターンが形成されている。３つのシリンドリカル凸形状のパターンの曲率中心のＸ，Ｙ座標は（０，０．１３２５）、（０．０４０８，０．１２６４）、（−０．０４０８，０．１２６４）となる。
【００６０】
なお、ここでは一実施例として、シリンドリカルレンズＬ１３ａの第１のシリンドリカル面を、可干渉性を低減するパターン構造によって３つの領域に分割した例を示したが、可干渉性を低減する効果を得るためには、少なくとも２つ以上の領域に分割した構造であればよい。上記実施例では、照射光学系における光伝達の倍率関係を崩さない範囲かつ、異位相の重ね合わせ効果が得られるよう、必要な重畳パターン８０をシリンドリカルレンズＬ１３ａの表面に加えてある。
【００６１】
可干渉性を低減するパターン構造はグレーティングであってもよい。図１に示したように、赤外光源２００とコリメータレンズＬ１１との間に配置された可干渉性を低減するパターン構造のグレーティング８１を配置してもよい。グレーティング８１は、図１の紙面内で凹凸のパターン構造を有する。
【００６２】
図１２は、可干渉性を低減するグレーティング８１の数値実施例（実施例２）を示している。
【００６３】
図１２には、グレーティング８１の構造のパラメータとして、回折角θ、回折ピッチｄ、回折次数ｍ、波長λの値を示す。グレーティング８１は、バイナリグレーティングであり、波長を考慮し溝深さを調整し、０次と±１次光の光量を支配的としている。各パラメータには、ｄｓｉｎθ＝ｍλの関係がある。
【００６４】
図１３は、グレーティング８１の溝の深さと回折効率（強度）との関係の一例を示している。図１４は、グレーティング８１の回折次数ごとの（強度）の値の一例を示している。
【００６５】
グレーティング８１の溝の深さを４８０ｎｍとすることで、０次、±１次光がほぼ２９％となり効率が揃う。このグレーティング８１を光路に挿入することで、異なる波面の重ね合わせで光束の重畳効果を生み、干渉状態を低減させることが可能となる。
【００６６】
図１５は、ビーム照射装置の構成の違いによる照射ビームの干渉状態を定量化して示している。図１５には、比較例と、実施例１，２，３との値を示す。比較例とは、照射光学系が可干渉性を低減する構造を有していない場合を示す。実施例１は、可干渉性を低減する構造が、シリンドリカルレンズアレイＬ１３に設けられた重畳パターン８０である場合（図９〜図１１）を示す。実施例２は、可干渉性を低減する構造が、グレーティング８１である場合を示す。実施例３は、可干渉性を低減する構造が、シリンドリカルレンズアレイＬ１３に設けられた重畳パターン８０と、グレーティング８１との双方である場合を示す。
【００６７】
図１５に示した数値は、ビームの干渉状態を以下の式で定量化した値である、平均的な強度分布に対する、干渉成分の強弱の変動を数値として表している。分散σの値が小さいほど、可干渉性を低減されていることになる。
分散σ＝Ｉ／Ｘ
Ｉ：実強度分布
Ｘ：全幅５１０ｍｍにおける部分幅５０ｍｍの移動平均値
【００６８】
［１．４  効果］
以上のように、本実施の形態によれば、照射光学系における複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子によって、照射ビームの１次元方向における可干渉性を低減するようにしたので、照射ビームの強度分布の不均一性が低減し、照射ビームの強度分布を安定化することが可能となる。これにより、物体検出の位置依存性が抑制され得る。
【００６９】
なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。以降の他の実施の形態の効果についても同様である。
【００７０】
＜２．第２の実施の形態＞
次に、本開示の第２の実施の形態に係るビーム照射装置について説明する。なお、以下では、上記第１の実施の形態に係るビーム照射装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
【００７１】
図１６は、本開示の第２の実施の形態に係るビーム照射装置の一例を概略的に示している。
【００７２】
図１６に示したビーム照射装置は、図１の構成例に対して、照射光学系がミラー１３に代えて反射型グレーティング１３Ａを有している。反射型グレーティング１３Ａは、上記第１の実施の形態における赤外光源２００とコリメータレンズＬ１１との間に配置されたグレーティング８１と同様に、照射ビームの可干渉性を低減するパターン構造を有している。すなわち、反射型グレーティング１３Ａが、照射ビームの可干渉性を低減するパターン構造を有する光学素子とされている。
【００７３】
その他の構成、動作、ならびに効果は、上記第１の実施の形態に係るビーム照射装置と略同様であってもよい。
【００７４】
＜３．第３の実施の形態＞
次に、本開示の第３の実施の形態に係るビーム照射装置について説明する。なお、以下では、上記第１または第２の実施の形態に係るビーム照射装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
【００７５】
図１７は、本開示の第３の実施の形態に係るビーム照射装置の一例を概略的に示している。
【００７６】
図１７に示したビーム照射装置は、図１の構成例に対して、第２の照射レンズＬ２２のビーム出射側の面に、可干渉性を低減するパターン構造（重畳パターンＬ２２Ａ）が重畳された構成とされている。すなわち、第２の照射レンズＬ２２が、照射ビームの可干渉性を低減するパターン構造を有する光学素子とされている。
【００７７】
なお、図１７の例に限らず、第１の照射レンズＬ２１および第２の照射レンズＬ２２における他の面に、照射ビームの可干渉性を低減するパターン構造（重畳パターンＬ２２Ａ）が重畳された構成であってもよい。
【００７８】
第１の照射レンズＬ２１および第２の照射レンズＬ２２のような光分布を拡げるレンズの表面に、重畳パターンＬ２２Ａとして光を拡げる方向に光が散るような微細パターンを形成することで、照射ビームの可干渉性を低減することが可能となる。なお、重畳パターンＬ２２Ａは、図１７の紙面内において１次元的に光学作用を有する。
【００７９】
その他の構成、動作、ならびに効果は、上記第１または第２の実施の形態に係るビーム照射装置と略同様であってもよい。
【００８０】
＜４．第４の実施の形態＞
次に、本開示の第４の実施の形態に係るビーム照射装置について説明する。なお、以下では、上記第１ないし第３のいずれかの実施の形態に係るビーム照射装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
【００８１】
図１８は、本開示の第４の実施の形態に係るビーム照射装置の一例を概略的に示している。
【００８２】
図１８に示したビーム照射装置は、図１の構成例に対して、照射光学系の光路中に、照射ビームの可干渉性を低減するパターン構造を有する拡散板８２を追加した構成とされている。すなわち、拡散板８２が、照射ビームの可干渉性を低減するパターン構造を有する光学素子とされている。拡散板８２は、図１８の紙面内において１次元的に光を拡散する光学作用を有する。
【００８３】
なお、図１８では、拡散板８２を偏光分離素子１１とリレーレンズＬ１８との間に配置した例を示しているが、他の位置に配置されてもよい。
【００８４】
その他の構成、動作、ならびに効果は、上記第１ないし第３のいずれかの実施の形態に係るビーム照射装置と略同様であってもよい。
【００８５】
＜５．第５の実施の形態＞
次に、本開示の第５の実施の形態に係るビーム照射装置について説明する。なお、以下では、上記第１ないし第４のいずれかの実施の形態に係るビーム照射装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
【００８６】
図１９は、本開示の第４の実施の形態に係るビーム照射装置の一例を概略的に示している。
【００８７】
図１９に示したビーム照射装置は、図１の構成例に対して、振動機構８３と、振動制御部８４とを追加した構成となっている。上記第１の実施の形態では、シリンドリカルレンズアレイＬ１３に重畳パターン８０（図９）を重畳することによって、照射ビームの可干渉性を低減する構造の例を示した。これに対し、図１９に示した構成例では、シリンドリカルレンズアレイＬ１３が、振動機構８３によって１次元方向に振動することによって照射ビームの可干渉性を低減する振動素子とされている。振動機構８３は振動制御部８４によって制御される。シリンドリカルレンズアレイＬ１３の形状は、例えば図８の構成例と略同様であってもよい。
【００８８】
その他の構成、動作、ならびに効果は、上記第１ないし第４のいずれかの実施の形態に係るビーム照射装置と略同様であってもよい。
【００８９】
＜６．その他の実施の形態＞
本開示による技術は、上記各実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
【００９０】
例えば、上記各実施の形態では、本開示のビーム照射装置を検出機能付きプロジェクタに適用した例を説明したが、本開示のビーム照射装置は、検出機能付きプロジェクタ以外にも適用することが可能である。
【００９１】
また、例えば、本技術は以下のような構成を取ることもできる。
（１）
光源と、
前記光源からの光の光路上に配置された複数の光学素子を含み、前記光源からの光を１次元方向に拡大した照射ビームを出射する照射光学系と
を備え、
前記複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子は、前記照射ビームの前記１次元方向における可干渉性を低減する構造を有する
ビーム照射装置。
（２）
前記複数の光学素子のうち少なくとも１つの前記光学素子は、前記１次元方向において入射光束を複数の分割光束に分割すると共に、前記１次元方向において前記複数の分割光束を部分的に重なり合わさるようにして出射させるパターン構造を有する
上記（１）に記載のビーム照射装置。
（３）
前記複数の光学素子は、
前記光源からの光を略平行光にするコリメータレンズと、
複数のシリンドリカルレンズを含み、前記１次元方向にのみレンズ作用を有するシリンドリカルレンズアレイと
を含み、
前記シリンドリカルレンズは、
前記パターン構造が重畳された凸形状の第１のシリンドリカル面と、
凸形状の第２のシリンドリカル面と
を有する
上記（２）に記載のビーム照射装置。
（４）
前記第１のシリンドリカル面は、前記パターン構造によって２つ以上の領域に分割されている
上記（３）に記載のビーム照射装置。
（５）
前記パターン構造は、グレーティングである
上記（２）に記載のビーム照射装置。
（６）
前記複数の光学素子は、
前記光源からの光を略平行光にするコリメータレンズと、
前記光源と前記コリメータレンズとの間に配置され、前記パターン構造を有するグレーティングと
を含む
上記（２）ないし（４）のいずれか１つに記載のビーム照射装置。
（７）
前記複数の光学素子は、
偏光分離素子と、
前記偏光分離素子に対して第１の方向に配置され、前記光源からの光を略平行光にするコリメータレンズと、
前記偏光分離素子に対して第２の方向に配置され、前記パターン構造を有する反射グレーティングと、
前記反射グレーティングと前記偏光分離素子との間に配置され、前記１次元方向にのみレンズ作用を有するシリンドリカルレンズアレイと、
前記偏光分離素子に対して第３の方向に配置され、前記１次元方向にのみ光の拡大作用を有する照射レンズと
を含む
上記（２）に記載のビーム照射装置。
（８）
前記複数の光学素子のうち少なくとも１つの前記光学素子は、
表面に前記パターン構造が形成され、前記１次元方向にのみ光の拡大作用を有する照射レンズ
を含む
上記（２）に記載のビーム照射装置。
（９）
前記複数の光学素子のうち少なくとも１つの前記光学素子は、
１次元方向にのみ光の拡散作用を有する拡散板
を含む
上記（１）に記載のビーム照射装置。
（１０）
前記複数の光学素子のうち少なくとも１つの前記光学素子は、
前記１次元方向にのみレンズ作用を有し、振動機構によって前記１次元方向に振動する振動素子
を含む
上記（１）に記載のビーム照射装置。
（１１）
映像光を投影面に投影する投影光学系と、
光源からの光の光路上に配置された複数の光学素子を含み、前記光源からの光を１次元方向に拡大し、前記投影面上における被検出物の検出に用いられる照射ビームを生成して出射する照射光学系と、
前記被検出物による前記照射ビームの散乱光が入射する撮像素子と
を備え、
前記複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子は、前記照射ビームの前記１次元方向における可干渉性を低減する構造を有する
検出機能付きプロジェクタ。
（１２）
前記照射光学系は、前記投影面に対して略平行となる光を前記照射ビームとして出射する
上記（１１）に記載の検出機能付きプロジェクタ。
（１３）
前記撮像素子による撮像結果に基づいて、前記被検出物の位置検出を行う画像処理部
をさらに備える
上記（１１）または（１２）に記載の検出機能付きプロジェクタ。
【００９２】
本出願は、日本国特許庁において２０１７年３月２３日に出願された日本特許出願番号第２０１７−０５７２１８号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。
【００９３】
当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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