(57)【要約】  余分な変調素子や画素を追加せず、歪を加えたり輝度を低下させたりすることなしに、０次光を除去した画像を投射するために、入射したレーザ光の位相を変調する位相変調器と、位相変調器によって位相が変調されたレーザ光をフーリエ変換するフーリエ変換レンズと、フーリエ変換レンズによる画像形成面に設置され、フーリエ変換レンズによってフーリエ変換されたレーザ光を反射するミラーと、ミラーによって反射された光を投射光として拡大投射する投射レンズとを備え、ミラーは、フーリエ変換されたレーザ光に含まれる０次光を投射レンズとは異なる方向に導き、０次光を含まない光を投射レンズに向けて反射する投射装置とする。
2016129279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射したレーザ光の位相を変調する位相変調器と、
前記位相変調器によって位相が変調されたレーザ光をフーリエ変換するフーリエ変換レンズと、
前記フーリエ変換レンズによる画像形成面に設置され、前記フーリエ変換レンズによってフーリエ変換されたレーザ光を反射するミラーと、
前記ミラーによって反射された光を投射光として拡大投射する投射レンズとを備え、
前記ミラーは、
前記フーリエ変換されたレーザ光に含まれる０次光を前記投射レンズとは異なる方向に導き、前記０次光を含まない光を前記投射レンズに向けて反射することを特徴とする投射装置。
【請求項２】
前記ミラーには、前記フーリエ変換されたレーザ光に含まれる前記０次光が通過する貫通穴が開けられている請求項１に記載の投射装置。
【請求項３】
前記ミラーは、矩形状の主面を有し、前記主面を貫通するように前記貫通穴が開けられている請求項２に記載の投射装置。
【請求項４】
前記貫通穴の断面積は、前記フーリエ変換されたレーザ光に含まれる前記０次光の進行方向に向けて大きくなっていく請求項２または３に記載の投射装置。
【請求項５】
前記貫通穴の内壁に光吸収体を配置する請求項２乃至４のいずれか一項に記載の投射装置。
【請求項６】
前記貫通穴の内部に光吸収体を配置する請求項２乃至４のいずれか一項に記載の投射装置。
【請求項７】
前記ミラーは、
基板上に形成された薄膜ミラーであり、前記薄膜ミラーには前記フーリエ変換されたレーザ光に含まれる前記０次光が通過する穴が開けられている請求項１に記載の投射装置。
【請求項８】
前記ミラーの後段に、前記フーリエ変換されたレーザ光に含まれる前記０次光が入射され、入射された前記０次光の出力を計測する出力測定手段を備える請求項１乃至７のいずれか一項に記載の投射装置。
【請求項９】
前記出力測定手段は、フォトダイオードを含む請求項８に記載の投射装置。
【請求項１０】
前記レーザ光を出射する光源と、
前記光源を駆動する駆動手段と、
前記出力測定手段によって測定された前記０次光の出力に基づいて前記駆動手段を制御する駆動制御手段とを備える請求項８または９に記載の投射装置。
【請求項１１】
前記フーリエ変換レンズの焦点位置が前記ミラーの反射面からずれるように前記フーリエ変換レンズと前記ミラーとを配置する請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の投射装置。
【請求項１２】
前記ミラーは、
前記フーリエ変換されたレーザ光に含まれる前記０次光の当たる領域に光吸収体を有する請求項１に記載の投射装置。
【請求項１３】
前記ミラーは、
前記光吸収体に熱的に接続され、前記光吸収体が前記レーザ光を吸収することによって発生した熱を前記ミラーの外部に伝導する熱伝導体を含む請求項１２に記載の投射装置。
【請求項１４】
前記ミラーは、
前記フーリエ変換されたレーザ光に含まれる前記０次光の当たる領域が粗面化されている請求項１に記載の投射装置。
【請求項１５】
インターフェース操作を行う操作領域を含む領域を撮像する撮像手段と、
入射したレーザ光の位相を変調する位相変調器と、前記位相変調器によって位相が変調されたレーザ光をフーリエ変換するフーリエ変換レンズと、前記フーリエ変換レンズによる画像形成面に設置され、前記フーリエ変換レンズによってフーリエ変換されたレーザ光を反射するミラーと、前記ミラーによって反射された光を投射光として拡大投射する投射レンズとを備え、前記操作領域に前記投射光を投射する投射手段と、
前記撮像手段によって撮像された画像を取得し、取得した画像に含まれる操作者の操作を認識し、認識した結果に基づいた画像信号を前記投射手段に提供し、前記投射手段によって前記画像信号を画像として投射させる制御をする制御手段とを備え、
前記ミラーは、前記フーリエ変換されたレーザ光に含まれる０次光を前記投射レンズとは異なる方向に導き、前記０次光を含まない光を前記投射レンズに向けて反射することを特徴とするインターフェース装置。
【請求項１６】
前記ミラーには、前記フーリエ変換されたレーザ光に含まれる前記０次光が通過する貫通穴が開けられていることを特徴とする請求項１５に記載のインターフェース装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射装置およびインターフェース装置に関する。特に、位相変調型の空間変調器を用いる投射装置およびインターフェース装置に関する。
【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。そのようなインターフェース装置では、プロジェクタから被投射面に画像を投射し、投射された画像に対する操作者の手や指の位置や動きをカメラで検出することによって、インタラクティブな動作を実現する。非特許文献１には、プロジェクタとカメラとを用いたEverywhere Displays Projector（以下、ＥＤプロジェクタ）というインターフェース装置が開示されている。【０００３】
プロジェクタの変調方式には強度変調型と位相変調型がある。位相変調型は、強度変調型と比較して電力効率が良く、プロジェクタとスクリーンとの距離が離れても暗くならないように設計でき、変調素子の欠陥画素がスクリーン上の欠陥にならないというような長所をもつ。しかしながら、位相変調型は、コヒーレント光を発する光源が必要であったり、自然画を出す場合には電力効率の優位性が消えてしまったりするため、実用化に関しては強度変調型に遅れを取っている。【０００４】
位相変調型プロジェクタでは、図２５のように、投射画像１００の中央の主領域１０１に投射された０次光１０２の周辺に、０次画像と同じパターンの高次画像が投射される。そのため、位相変調型プロジェクタでは、高次画像を除去するために、主領域１０１以外に投射される高次画像を遮光する遮光体を設ける。また、位相変調型プロジェクタでは、図２５のように、通常画像の各領域の中央付近には０次光１０２が表示される。０次光１０２は、画像以外のＤＣ（Direct Current）成分が含まれない理想的な系では理論上消すことはできるが、現実的な系では完全に消すことはできない。【０００５】
投射画像１００から０次光１０２を除去する方法として、非対称なレンズ系によって０次光１０２をずらし、ずらした画像の輝度が均一になる処理を行った上で、０次光１０２を避けた領域１０３（破線内）の画像を用いる方法がある。【０００６】
投射画像１００から０次光１０２を除去する他の方法として、画像処理によって０次光を分散させる方法がある。図２６は、位相変調型の空間変調器を用いる投射装置の一例である。図２６の投射装置では、光源２０１から出射したレーザ光をコリメートレンズ２０２で平行光として位相変調型の空間変調器２０３に照射する。空間変調器２０３で変調されたレーザ光は、フーリエ変換レンズ２０４でフーリエ変換され、０次光を含む画像２１５が再生面２０６に投射される。なお、０次光を含む画像２１５は、ＣＧＨ２１１をフーリエ変換した画像である（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）。図２６の例では、計算機２１０によって、フーリエ変換レンズ２０４のレンズパターン２１２をＣＧＨ２１１に重畳する。そうすると、焦点面２０５においては０次光を含む画像２１５が結像されるが、０次光の焦点位置が再生面２０６からずれることによって０次光が分散され、再生面２０６には０次光が目立たない画像２１６が表示される。【０００７】
また、以下の特許文献１および２にも、投射画像から０次光を除去する方法が開示されている。【０００８】
特許文献１は、０次光を除去した変調光を生成することができる光変調装置について開示している。特許文献１の光変調装置は、入射光の位相を変調する第１の空間光変調器、第１の空間光変調器によって生成された変調光から０次光を除去する遮蔽部材、０次光を除去した変調光の偏光状態を複数の領域毎に変調する第２の変調器を備える。【０００９】
特許文献２は、空間位相変調素子に回折パターンを表示し、この回折パターンに照射される光の回折によって画像表示を行う投影装置について開示している。特許文献２の投影装置は、表示映像の画素列数に対して２倍以上の区画列数をもつ空間変調素子を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０７７０９２号
【特許文献２】国際公開第２００８／０８７６９１号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｃ．Ｐｉｎｈａｎｅｚ、「Ｅｖｅｒｙｗｈｅｒｅ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ  Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ」、［ｏｎｌｉｎｅ］、ＩＢＭ、［２０１４年５月７日検索］、インターネット（ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｅｓｅａｒｃｈ．ｉｂｍ．ｃｏｍ／ｐｅｏｐｌｅ／ｐ／ｐｉｎｈａｎｅｚ／ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ／ｕｂｉｃｏｍｐ０１．ｐｄｆ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図２５の方法によると、０次光１０２を含まない投射画像１００が得られるものの、非対称な光学系を用いるために画像歪みが大きくなったり、主領域１０１以外の部分も使うために輝度が低下したりするという問題点があった。【００１３】
図２６の方法によると、再生面２０６では０次光が目立たない画像２１６が表示されるが、スクリーンの位置に依存して０次光が見えやすくなったり、途中に何らかのレンズが入ると０次光が集光されて復元されたりするという問題点があった。【００１４】
特許文献１の光変調装置によれば、第１の空間光変調器によって生成された変調光に含まれる０次光を遮蔽部材で除去し、０次光を除去した変調光を第２の空間光変調器で変調することによって０次光を含まない変調光を生成することができる。しかしながら、空間光変調器が余分に必要となったり、第１の空間光変調器によって変調された変調光から０次光を除去するための光学系が必要となったりする。そのため、装置の小型化や低コスト化に制約が生じてしまうという問題点があった。【００１５】
特許文献２の投影装置によれば、表示映像の画素列数に対して２倍以上の区画列数をもつ空間変調素子を用いることによって、映像表示を行う回折光と不要な０次光とを分離し、０次光を含まない画像を被投影体に投影することができる。しかしながら、特許文献２の投影装置では、空間変調素子の各画素が変調した変調光のうち少なくとも半分は投影に使わないため、無駄な消費電力が発生するという問題点があった。【００１６】
本発明の目的は、余分な変調素子や画素を追加せず、歪を加えたり輝度を低下させたりすることなしに、０次光を除去した画像を投射することができる投射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の投射装置は、入射したレーザ光の位相を変調する位相変調器と、位相変調器によって位相が変調されたレーザ光をフーリエ変換するフーリエ変換レンズと、フーリエ変換レンズによる画像形成面に設置され、フーリエ変換レンズによってフーリエ変換されたレーザ光を反射するミラーと、ミラーによって反射された光を投射光として拡大投射する投射レンズとを備え、ミラーは、フーリエ変換されたレーザ光に含まれる０次光を投射レンズとは異なる方向に導き、０次光を含まない光を投射レンズに向けて反射する。【００１８】
本発明のインターフェース装置は、インターフェース操作を行う操作領域を含む領域を撮像する撮像手段と、入射したレーザ光の位相を変調する位相変調器と、位相変調器によって位相が変調されたレーザ光をフーリエ変換するフーリエ変換レンズと、フーリエ変換レンズによる画像形成面に設置され、フーリエ変換レンズによってフーリエ変換されたレーザ光を反射するミラーと、ミラーによって反射された光を投射光として拡大投射する投射レンズとを備え、操作領域に投射光を投射する投射手段と、撮像手段によって撮像された画像を取得し、取得した画像に含まれる操作者の操作を認識し、認識した結果に基づいた適切な画像信号を投射手段に提供し、投射手段によって適切な画像を投射させる制御をする制御手段とを備える。投射手段のミラーは、フーリエ変換されたレーザ光に含まれる０次光を投射レンズとは異なる方向に導き、０次光を含まない光を投射レンズに向けて反射する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、余分な変調素子や画素を追加せず、歪を加えたり輝度を低下させたりすることなしに、０次光を除去した画像を投射することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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概念図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る投射装置のミラーの斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る投射装置のミラーの断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る投射装置のミラーに入射する光の軌跡を示す概念図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る投射装置のミラーの変形例１の構造を示す斜視図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る投射装置のミラーの変形例１の断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る投射装置のミラーの変形例２の構造を示す斜視図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る投射装置のミラーの変形例２の断面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る投射装置のミラーの変形例３の断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係る投射装置のミラーの変形例４の断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る投射装置のミラーの斜視図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る投射装置のミラーの断面図である。
【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３の実施形態に係る投射装置の光源の制御系の構成例を示す概念図である。
【図１５】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１６】本発明の第４の実施形態に係る投射装置の別の構成を示す概念図である。
【図１７】本発明の第５の実施形態に係る投射装置のミラーの斜視図である。
【図１８】本発明の第５の実施形態に係る投射装置のミラーの断面図である。
【図１９】本発明の第５の実施形態に係る投射装置のミラーの変形例の断面図である。
【図２０】本発明の第６の実施形態に係る投射装置のミラーの斜視図である。
【図２１】本発明の第６の実施形態に係る投射装置のミラーに入射する光の軌跡を示す概念図である。
【図２２】本発明の第７の実施形態に係るインターフェース装置の構成を示す概念図である。
【図２３】本発明の第７の実施形態に係るインターフェース装置の応用例を示す概念図である。
【図２４】本発明の第７の実施形態に係るインターフェース装置の応用例の利用シーンを示す概念図である。
【図２５】一般的な位相変調型の空間変調器を用いたプロジェクタで投射した画像に０次光が含まれることを示す概念図である。
【図２６】一般的な位相変調型の空間変調器を用いたプロジェクタで投射した画像から０次光を消去する一例を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。また、以下の実施形態の説明に用いる全図においては、特に理由が無い限り、同様箇所には同一符号を付し、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。
【００２２】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第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。
【００２３】
図１は、本実施形態に係る投射装置の構成を示す図である。本実施形態に係る投射装置は、位相変調器１、フーリエ変換レンズ２、ミラー３、投射レンズ５を備える。
【００２４】
位相変調器１は、図示しない光源が出射したレーザ光を入射し、入射したレーザ光の位相を変調する位相変調型の変調素子である。位相変調器１は、変調したレーザ光をフーリエ変換レンズ２に向けて出射する。
【００２５】
位相変調器１は、格子状に並んだ複数の受光領域を有する。制御手段（図示しない）は、各受光領域に入射されたレーザ光の位相と、各受光領域が出射するレーザ光の位相との差分を決定づけるパラメータ、例えば屈折率や光路長などの光学的特性が変化するように制御する。例えば、制御手段は、各受光領域に印加する電圧を制御することによって各受光領域の屈折率を変化させ、受光領域間に屈折率の差を発生させる。各受光領域に入射されたレーザ光は、受光領域間の屈折率の差に基づいて適宜回折される。その結果、位相変調器１に入射した入射光の位相分布は、各受光領域の光学的特性に応じて変調される。
【００２６】
位相変調器１は、例えば、強誘電性液晶やホモジーニアス液晶、垂直配向液晶などによって実現される。例えば、位相変調器１は、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）を用いて実現される。
【００２７】
本実施形態においては、変調素子の表示面に対して、レーザ光の入射角を非垂直にする。すなわち、光源から出射されるレーザ光の出射軸を位相変調器１に対して斜めにする。以下に、レーザ光の出射軸を位相変調器１に対して斜めにする理由について説明する。
【００２８】
一般的な強度変調型プロジェクタでは、偏光ビームスプリッタを用いて強度変調型の変調素子（ＬＣＯＳ）に対して垂直に光を入射させる。ねじれネマティック液晶（ＴＮ液晶とも呼ぶ）を用いた強度変調型の変調素子による変調では、入射光の偏光方向を曲げることになる（ＴＮ：Twisted Nematic）。強度変調型の変調素子では、その変調の度合いによって偏光ビームスプリッタを通過する光を形成することができ、光強度の変調を行うことができる。
【００２９】
ところで、位相変調型の変調素子（ＬＣＯＳ）は、屈折率変化によって波面の位相を変調するだけであって、偏光を変調するわけではない。そのため、偏光ビームスプリッタを用いて位相変調型の変調素子に垂直入射させた光は、変調素子で変調された後に入射方向に逆行して戻ってしまう。そのため、偏光ビームスプリッタを用いて位相変調型の変調素子に光を垂直入射することはできない。ところで、偏光を伴わないビームスプリッタを用いれば、位相変調型の変調素子に垂直入射した光を変調して取り出すことはできるが、効率は１／４になってしまう。なぜならば、ビームスプリッタに入射した光はビームスプリッタを通過する際に二つの方向に分かれて半分の強度で変調素子に入射し、変調素子で変調された光は再度ビームスプリッタを通過する際に二つの方向に分かれてさらに半分の強度になるためである。
【００３０】
以上のような理由により、本実施形態に係る投射装置においては、位相変調器１に対してレーザ光の出射軸を斜めに設定し、ビームスプリッタを用いなくても位相変調器１に光を入射できる構成にすることによって効率を向上させる。
【００３１】
フーリエ変換レンズ２は、位相変調器１で変調されたレーザ光をフーリエ変換する光学レンズである。フーリエ変換レンズ２によってフーリエ変換された画像は、一種の回折格子が集合体を形成したような画像になり、これらの回折格子で回折された光が集まることによって画像が形成される。
【００３２】
フーリエ変換レンズ２によって変換された光をそのまま投射すると、図２５のように、画像の中央付近に０次光１０２が表示されてしまう。本実施形態では、フーリエ変換画像の形成面付近に光の方向を変えるミラー３を設けることによって、画像に含まれる０次光を排除する。
【００３３】
ミラー３は、図１のように、フーリエ変換レンズ２によって生成されたフーリエ変換画像の形成面付近に設けられる。すなわち、ミラー３は、フーリエ変換レンズ２の画像形成面が反射面３１上に位置するように配置される。なお、フーリエ変換レンズ２の画像形成面は、正確に反射面３１上に位置しなくてもよい。
【００３４】
図２は、ミラー３の斜視図である。ミラー３は、図２のように、光を反射する反射面３１を有する。図３は、０次光の進行軸を切断線として、反射面３１に垂直にミラー３を切断した際の断面図である。
【００３５】
図３のように、反射面３１上の０次光が当たる部位には、ミラー３内部の貫通穴３３に通じる入口３２が開けられている。ミラー３において、反射面３１と対向する面には出口３４が開けられている。すなわち、ミラー３には、０次光の進行軸に沿った貫通穴３３が設けられている。貫通穴３３の開口径は、例えば０．１ｍｍとすればよい。ただし、貫通穴３３の開口径は高精度で０．１ｍｍに設定する必要はなく、例えば０．１０±０．０１ｍｍ程度の精度としてもよいし、０．１０±０．０５ｍｍ程度の精度としてもよい。また、貫通穴３３の開口径の中心値は０．１ｍｍに限らず、０．０１〜３ｍｍ程度の範囲であればよい。なお、ここで示した貫通穴３３の開口径は一例であって、実際には使用するレーザ光の照射径に合わせて設定すればよく、開口径の下限値や上限値に限定を加えることはない。
【００３６】
なお、実際には、入口３２の開放の程度によって、０次光の近傍の光が入口３２からミラー３内部に進入してしまうが、以下においては、０次光に混ざって入口３２に進入する光は無視して説明する。また、図２以下の図においては、プリズム形状のミラー３を示すが、光を反射することさえできればミラー３の形状は特に限定しない。
【００３７】
また、図２以下の図においては、貫通穴３３の断面が円形であるように図示しているが、貫通穴３３の断面は円形に限らない。例えば、貫通穴３３の断面は、楕円形や矩形、正方形、多角形、星形などの任意の形状にすることができる。また、貫通穴３３の断面形状は、ミラー３内部で一定ではなくてもよく、例えば、入口３２は円形であるが、出口３４は楕円形であってもよい。
【００３８】
図４は、ミラー３に入射する入射光の軌跡を示す図である。０次光は、反射面３１上の入口３２から進入してミラー３内部の貫通穴３３中を進行し、出口３４に向けて抜けていく。一方、０次光ではない光は、入射光の進行方向とは異なる方向に向けて反射される。そのため、ミラー３の反射面３１で反射される光には０次光が含まれない。
【００３９】
投射レンズ５は、ミラー３で反射された光を拡大して投射する光学レンズである。投射レンズ５によって投射された画像には、ミラー３で除去された０次光が含まれない。
【００４０】
本実施形態に係る投射装置は、以下のような理由によって、線画や文字などを投射するインターフェース装置などに好適である。
【００４１】
例えば、本実施形態に係る投射装置によって自然画のような画像を投射する場合、画面の中央に投射されるはずであった０次光が除去されるため、画面の中心に暗い領域が表示されてしまう。そのため、本実施形態に係る投射装置を通常のプロジェクタとして使用する際には、画面中心の暗い領域が目立たなくなるようにする必要がある。
【００４２】
ところで、例えば、線画や文字などを投射するインターフェース装置や、常に動く場面で使用する装置に本実施形態に係る投射装置を適用する場合、使い方次第で画面中心部の暗い領域を目立たなくすることができる。また、表示する画像が線画や文字などであるとともに、あらかじめ決められたものであれば、０次光の領域を避けて画像形成することも可能である。
【００４３】
以上のように、本実施形態に係る投射装置では、フーリエ変換レンズによってフーリエ変換された画像が結像する位置に、０次光が当たる部分に貫通穴を開けたミラーを配置する。本実施形態に係る投射装置のミラーは、貫通穴を通じて０次光を逃がすとともに、０次光以外の光の進行方向を投射レンズの方向に変えて投射光とする。その結果、投射光から０次光を排除することができ、歪みがなく、明るい表示画像を得ることができる。
【００４４】
（変形例）
ここで、本実施形態に係る投射装置に使用するミラーの変形例について説明する。
【００４５】
まず、変形例１について説明する。
【００４６】
図５には、変形例１のミラー３１０の斜視図を示す。また、図６には、０次光の進行軸を切断線として、反射面３１１に垂直にミラー３１０を切断した際の断面図を示す。
【００４７】
図５および図６のように、変形例１のミラー３１０は板状である。ミラー３１０の主面の少なくとも一方は反射面３１１である。反射面３１１には、０次光が進入する貫通穴３１３が開けられている。貫通穴３１３は、反射面３１１と対向する面まで貫通している。そのため、貫通穴に入射した０次光は、ミラー３１０の反射面３１１で反射されない。一方、０次光以外の入射光は、反射面３１１で反射され、投射レンズ５に向かって進行する。
【００４８】
図５や図６のようにミラーを板状にすると、投射装置を小型化しやすくなるため、投射装置を携帯型機器に搭載する際に好適である。また、プリズム形状よりも、板状のミラーの方が加工しやすいという長所がある。
【００４９】
なお、図５および図６には、本実施形態に係る投射装置のミラーの変形例として板状のミラーを示したが、ミラーの形状は板状やプリズム状に限定されない。本実施形態に係る投射装置のミラーは、反射面を有しさえすれば任意の形状とすることができる。
【００５０】
次に、変形例２について説明する。
【００５１】
図７には、変形例２のミラー３２０の斜視図を示す。また、図８には、０次光の進行軸を切断線として、反射面３２１に垂直にミラー３２０を切断した際の断面図を示す。
【００５２】
図７および図８のように、変形例２のミラー３２０において、ミラー３２０内部の貫通穴３２３の断面積は、０次光の進行方向に進むにつれて大きくなっていく。
【００５３】
図３のように、進行軸に対して平行に開けられた貫通穴３３を進行するレーザ光は、その大部分が貫通穴３３の内壁に当たらずに出口３４から出ていくが、条件によっては貫通穴３３の内壁に当たりうる。
【００５４】
一方、図８のように、ミラー３２０においては、貫通穴３２３の断面積が０次光の進行方向に進むにつれて大きくなるので、図３のミラー３と比較すると、貫通穴３２３の内壁に当たりにくくなる。すなわち、変形例２によれば、０次光の進行方向に向けて貫通穴の内径が大きくなっていくため、０次光が貫通穴の内壁で反射される可能性を減らすことができる。
【００５５】
次に、変形例３について説明する。
【００５６】
図９には、０次光の進行軸を切断線として、反射面３３１に垂直に変形例３のミラー３３０を切断した際の断面図を示す。
【００５７】
図９のように、変形例３のミラー３３０は、貫通穴３３３の内壁に光吸収体３３５を配置する。光吸収体３３５としては、例えば、カーボンなどの黒体を用いることができる。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体３３５として用いてもよい。
【００５８】
変形例３によれば、貫通穴３３３に進入した光のうち内壁に到達した光は光吸収体３３５に吸収されるので、ミラー３３０の内壁で乱反射される光の割合を減らすことができる。
【００５９】
次に、変形例４について説明する。
【００６０】
図１０には、０次光の進行軸を切断線として、反射面３４１に垂直に変形例４のミラー３４０を切断した際の断面図を示す。
【００６１】
図１０のように、変形例４のミラー３４０は、ミラー３４０内部の貫通穴３４３に光吸収体３４５を有する。光吸収体３４５としては、例えば、カーボンなどの黒体を用いることができる。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体３４５として用いてもよい。なお、光吸収体３４５を均一な材質で構成する必要はなく、反射面３４１側と出口側とで異なる材質や組成で構成してもよい。また、貫通穴３４３を通過する全ての０次光を光吸収体３４５で吸収させてもよいが、０次光の一部が貫通穴３４３の出口から出てくるように構成してもよい。
【００６２】
変形例４によれば、貫通穴３４３に進入する０次光の少なくとも一部は、光吸収体３４５に吸収されることになる。
【００６３】
以上の変形例は、それぞれ独立して用いてもよいし、互いに組み合わせて用いてもよい。
【００６４】
以上のように、本実施形態に係る投射装置によれば、余分な変調素子や画素を追加せず、歪を加えたり輝度を低下させたりすることなしに、０次光を除去した画像を投射することが可能になる。また、本実施形態によれば、被投射物との位置に無関係に０次光を消すことができるため、投射装置と被投射物との距離関係が変化するような環境に適応した投射装置を提供することができる。
【００６５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る投射装置に用いるミラー３５０について、図１１および図１２を用いて説明する。なお、本実施形態に係る投射装置のミラー３５０以外の構成は、第１の実施形態と同様であるために説明は省略する。
【００６６】
図１１および図１２のように、本実施形態に係るミラー３５０は、ガラス製の基板３５２の主面上に薄膜ミラー３５１が形成されている。薄膜ミラー３５１の０次光が当たる部位には、穴３５３が開けられている。
【００６７】
薄膜ミラー３５１は、例えば、入射する全ての波長の光を反射するようにしてもよいし、一部の波長の光を反射するようにしてもよい。薄膜ミラー３５１は、例えば、アルミニウムや銀などの金属薄膜や、誘電体膜などによって実現する。薄膜ミラー３５１は、例えば、特定の波長領域の光のみを反射するダイクロイックミラーなどとしても実現してもよい。また、薄膜ミラー３５１は、単層膜であってもよいし、多層膜であってもよく、少なくとも入射したレーザ光を反射しさえすればよい。
【００６８】
薄膜ミラー３５１に光が入射すると、０次光は穴３５３を通過した後に基板３５２を通過する。一方、０次光以外の光は、薄膜ミラー３５１で反射されて投射レンズ５によって投射される。そのため、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
また、薄膜ミラー３５１は、ガラス以外の材質からなる基板３５２の表面に設けることも可能である。例えば、プラスチックなどのガラスよりも軽い材質の基板３５２の表面に薄膜ミラー３５１を設ければ、ミラー３５０自体を軽量化することができる。また、薄膜ミラー３５１を設ける基板３５２を透明にすれば、薄膜ミラー３５１の穴３５３を通過した光が基板３５２を透過するように構成することができる。一方、薄膜ミラー３５１を設ける基板３５２が透明ではない場合、基板３５２の反射率が小さければそのまま加工しなくてもよいが、基板３５２による反射が無視できないならば、０次光が通過するための穴３５３を基板３５２に開けることが好ましい。
【００７０】
以上のように、本発明の第２の実施形態に係る投射装置によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態によれば、第１の実施形態と比較してミラーを軽量化することも可能となる。
【００７１】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第の実施形態に係る投射装置について図１３および図１４を用いて説明する。本実施形態に係る投射装置は、図１の構成に出力測定手段７を追加した構成をもつ。なお、図１３には、レーザ光を出射する光源６も図示している。
【００７２】
出力測定手段７は、ミラー３内部の貫通穴３３を通過した０次光の進行軸上に配置される。ミラー３を通過した０次光は、出力測定手段７に入射する。
【００７３】
出力測定手段７は、レーザ光の出力を計測する。出力測定手段７は、例えば、光を受けて電気信号を出力するセンサと、出力読み出しのための電子回路系とを含む構成とする。出力測定手段７に用いるセンサには、光電検出器を用いて入射光子数に比例した電気信号を測定する光電変換方式や、レーザ光を光吸収体に吸収させて熱に変換して温度変化を測定する熱変換方式のものを用いればよい。光電変換方式を用いるセンサとしては、光電検出器を用いて入射光子数に比例した電気信号を測定するフォトダイオードが一例として挙げられる。また、熱変換方式を用いるセンサとしては、サーモパイルや焦電型センサが一例として挙げられる。特に、携帯型のインターフェース装置では、波長域は狭くてもよいが、高速応答性が求められるため、フォトダイオードを用いた光電変換方式が好適である。
【００７４】
図１４は、出力測定手段７が計測したレーザ光の強度に基づいて、光源６を制御する制御系８０の一例である。例えば、出力測定手段７は、計測した０次光の出力を制御手段８（駆動制御手段ともよぶ）に送信する。制御手段８は、０次光の出力に基づいて、光源６から出射されるレーザ光の強度を一定に保つように光源６を駆動する駆動手段９を制御する。
【００７５】
光源６から出力されるレーザ光の出力が一定となるように設定されていれば、出力測定手段７に計測される０次光の強度は一定となるはずである。しかしながら、光源６を起動する際には、レーザ光の出力が一定に達するまでに時間が掛かる。実際のレーザ光の出力をモニターすることができれば、より早く目的の出力に安定させることができる。また、光源６の出力が継時変化していくことを考慮すると、０次光を出力測定手段７で計測することによって、光源６から出射されるレーザ光の出力を制御することは有用である。
【００７６】
一般的な投射装置では、レーザ光の強度を実測するための装置を導入する際には、使用するレーザ光のうち何割かをレーザ光の出力を測定する装置に割り当てる必要がある。すなわち、一般的な投射装置でレーザ光の出力を実測するためには、使用目的以上の出力のレーザ光を出射する必要が生じる。それに対し、本実施形態に係る投射装置では、投射光として使用しない０次光の出力を測定するため、使用目的以上の出力のレーザ光を出射する必要がない。そのため、本実施形態によれば、一般的な装置と比較して低消費電力でレーザ光を実測するシステムを構築することができる。
【００７７】
なお、本実施形態においては、レーザ光の出力を計測する例を挙げたが、レーザ光の出力の替わりにエネルギーを計測するようにしてもよい。また、レーザ光の計測方法については、波長や波面、ビームプロファイル、偏光、パルス波形などを計測する様々な方法を用いることができる。
【００７８】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る投射装置について図１５を用いて説明する。なお、本実施形態に係る投射装置の構成要素は第１の実施形態と同じであり、フーリエ変換レンズ２とミラー３との配置関係が第１の実施形態とは異なる。
【００７９】
図１５は、本実施形態に係る投射装置の構成を示す一例である。図１５のように、本実施形態に係る投射装置では、第１の実施形態とは異なり、フーリエ変換レンズ２の焦点位置４よりも遠くにミラー３を配置する。換言すると、本実施形態に係る投射装置では、フーリエ変換レンズ２とミラー３との間の距離が、フーリエ変換レンズ２の焦点距離よりも大きくなる位置にミラー３を配置する。本実施形態においては、ミラー３をわずかにフーリエ変換レンズ２から離すことにより、フーリエ変換画像が形成される領域において、貫通穴３３による画像の消去部をデフォーカスさせ、貫通穴３３の部分でも画像形成を可能にする。
【００８０】
本実施形態によれば、貫通穴３３の部分の画像を投射することが可能となる。しかしながら、フーリエ変換レンズ２とミラー３との間の距離を離しすぎると投射光全体がデフォーカスされてしまう。そのため、フーリエ変換レンズ２とミラー３との間に開ける距離には限界がある。
【００８１】
図１６には、本実施形態に係る投射装置の別の構成例を示す。図１６の構成では、フーリエ変換レンズ２の焦点位置４よりも近くにミラー３を配置する。換言すると、本実施形態に係る投射装置では、フーリエ変換レンズ２とミラー３との間の距離が、フーリエ変換レンズ２の焦点距離よりも小さくなる位置にミラー３を配置する。なお、フーリエ変換レンズ２の焦点位置４は、ミラー３の内部に位置してもよい。図１６の構成例においても、図１５の構成例と同様の効果が得られる。
【００８２】
以上のように、本実施形態においては、フーリエ変換レンズ２とミラー３との間隔を、フーリエ変換レンズの焦点位置がミラー３の反射面３１からずらして配置する。その結果、貫通穴３３の部分の画像を投射することが可能となる。
【００８３】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係る投射装置に用いるミラー３６０について図１７および図１８を用いて説明する。本実施形態のミラー３６０は、第１の実施形態のミラー３とは異なり、ミラー３６０に貫通穴３３が開けられておらず、反射面３６１の一部に光吸収体３６２が配置されている。
【００８４】
図１７には、本実施形態のミラー３６０の斜視図を示す。また、図１８には、０次光の進行軸を切断線とし、反射面３６１に垂直にミラー３６０を切断した際の断面図を示す。
【００８５】
図１７および図１８のように、本実施形態に係るミラー３６０の反射面３６１には、０次光が当たる部位に光吸収体３６２を配置する。０次光は、光吸収体３６２によって吸収されるため、反射面３６１において反射されない。そのため、反射面３６１に入射した光のうち、０次光以外の光が投射レンズ５によって投射される。
【００８６】
光吸収体３６２としては、例えば、黒体を用いる。光吸収体３６２に用いる黒体としては、例えば、カーボン系の材料が好適である。特に、スーパーグロース法で作成したカーボンナノチューブ材料が好適である。スーパーグロース法によれば、反射面３６１に配向性の高いカーボンナノチューブ層を直接形成することができる。
【００８７】
本実施形態によれば、ミラーに穴を開けなくても済むため、ミラーを加工せずに用いることができる。また、本実施形態によれば、ミラー内部の貫通穴を０次光の進行軸に合わせる必要が無いので、光学系を配置する際の自由度が大きくなる。
【００８８】
（変形例）
図１９は、本実施形態に係るミラー３６０の変形例のミラー３６５である。ミラー３６５は、反射面３６６に光吸収体３６７を配置するとともに、ミラー３６０の内部に熱伝導体３６８を含ませる。熱伝導体３６８は、光吸収体３６７と熱的に接続される。
【００８９】
図１９の変形例によれば、光吸収体３６７が光を吸収することによって生じた熱を熱伝導体３６８経由でミラー３６５の系外に排出することができる。そのため、光吸収体３６７が光を吸収することによって、ミラー３６５の温度が上昇することを防止することができる。その結果、ミラー３６５や光吸収体３６７の寿命を長くすることができる。
【００９０】
図１９では、本変形例の熱伝導体３６８を貫通穴に入れる構成としているが、ミラー３６５内部に任意の形状で配置することができる。また、熱伝導体３６８は、冷却ファンや冷却フィン、冷却パイプなどの冷却機構によって冷却する構造としてもよい。
【００９１】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態に係る投射装置に用いるミラー３７０について、図２０および図２１を用いて説明する。本実施形態のミラー３７０は、第１の実施形態のミラー３とは異なり、ミラー３７０に貫通穴３３が開けられておらず、反射面３７１の一部が粗面化されている。
【００９２】
図２０には、本実施形態のミラー３７０の斜視図を示す。図２１は、ミラー３に入射する入射光の軌跡を示す図である。
【００９３】
ミラー３７０の反射面３７１の０次光が当たる領域３７２は粗面化されている。粗面化された領域３７２に当たった０次光は、その他の光が反射される方向を含めた複数の方向に分散されて反射される。そのため、投射レンズ５に到達する０次光が低減されることになる。
【００９４】
本実施形態によれば、投射光に含まれる０次光を多方向に散乱させることによって弱めて投射レンズに投射する。その結果、投射光に０次光が残存してしまうが、その他の実施形態と比較して０次光の暗点が不明瞭となる。そのため、被投射領域の中央付近に画像を表示する必要がある場合には、他の実施形態と比較して自然な画像を表示できる。
【００９５】
以上の第１〜第６の実施形態に係る投射装置の共通の特徴は、フーリエ変換されたレーザ光に含まれる０次光を投射レンズとは異なる方向に導き、０次光を含まない光を投射レンズに反射するミラーを備える点である。第１〜第６の実施形態によれば、余分な変調素子や画素を追加せず、歪を加えたり輝度を低下させたりすることなしに、０次光を除去した画像を投射することができる。
【００９６】
（第７の実施形態）
位相変調型の投射装置を用いて、線画や文字などのような投射面積が小さい画像を表示するインターフェースシステムを構築できれば、低電力、小型および低コストのシステムを実現できる。特に、業務用の作業支援システムなどにおいて、作業者に指示を出したり、目的物を識別するためのマーカを出したりするような場合、線画や文字を投射すれば十分であり、インターフェースシステムとしての有用性が大きい。また、位相変調型の投射装置は、体に装着して用いるように小型化できるため、いわゆるウエアラブルなインターフェースシステムを実現することも可能となる。
【００９７】
本発明の第７の実施形態は、上述のようなウエアラブルなインターフェース装置に関する。
【００９８】
図２２のように、本実施形態に係るインターフェース装置１０は、撮像部１１と、制御部１２と、投射部１３とを備える。本実施形態に係るインターフェース装置１０の投射部１３は、第１〜第６の実施形態に係る投射装置の機能を含む。
【００９９】
撮像部１１（撮像手段ともよぶ）は、インターフェース操作を行う操作領域１５を含む領域を撮像する。撮像部１１は、例えば一般的なカメラの機能によって実現できる。また、撮像部１１は、例えば赤外光や紫外光などといった可視光以外の波長の光を撮像できる機能を有してもよい。また、撮像部１１は、例えば深度センサやＴＯＦ（Time of Flight）カメラなどの機能を含んでいてもよい。
【０１００】
制御部１２（制御手段ともよぶ）は、インターフェース装置１０全体を制御する。制御部１２は、撮像部１１によって撮像された画像を取得し、取得した画像に含まれる操作者の指や手などの位置や動作を操作として認識する。制御部１２は、認識した結果に基づいた適切な画像信号を投射部１３に提供し、投射部１３によって画像信号を画像として投射させる。また、制御部１２は、表示される各画像の位置を撮像部１１で撮像し、投射画像と撮像画像との位置関係を示す座標を明らかにし、各画像が相互に整合するように制御する。
【０１０１】
すなわち、制御部１２は、撮像部１１が撮像した領域のユーザインターフェースなどの画像に対して行われた操作に応じた画像情報を投射部１３に提供するとともに、その画像情報を画像として投射するように投射部１３を制御する。
【０１０２】
制御部１２は、例えば演算装置や制御装置などを含むコンピュータの機能によって実現できる。なお、インターフェース装置１０の制御部１２は、マイクロコンピュータによって実現することが好ましい。また、制御部１２は、一般的なコンピュータの機能を有するデバイスによって構成してもよい。
【０１０３】
投射部１３（投射手段ともよぶ）は、制御部１２の制御に従って、操作者の操作を受け付ける操作領域１５にユーザインターフェース（以下、ＵＩ）を含む画像を投射する（ＵＩ：User Interface）。投射部１３は、第１〜第６の実施形態に係る投射装置の機能を含む。
【０１０４】
図２３に、図２２を用いて説明した本実施形態に係るインターフェース装置１０をウエアラブルインターフェース（インターフェース装置２０）として用いる応用例を示す。図２３はネームプレート型のインターフェース装置２０を示す。
【０１０５】
インターフェース装置２０は、インターフェース装置１０の機能を有し、図２３のように、撮像部１１のカメラレンズ２１、投射部１３の投射レンズ２３が表面に露出している。インターフェース装置２０は、胸部前面に装着することによって、撮像や投射のぶれを抑制することができる。
【０１０６】
なお、図２３に示すインターフェース装置２０は、図２２のインターフェース装置１０の応用例である。インターフェース装置２０は、ペンダント型やリストバンド型、腕時計型、腕章型、バッジ型などの形態を有するウエアラブルインターフェース装置としてもよい。また、帽子や衣服、手袋、靴、靴下、眼鏡、マスク、ヘッドライトなどに、本実施形態に係るウエアラブルインターフェース装置を組み合わせてもよい。
【０１０７】
図２４に、本実施形態に係るインターフェース装置２０の利用シーンを示す。なお、図２４の例において、作業者は、インターフェース装置２０を胸元に装着している。
【０１０８】
図２４は、スーパーやコンビニなどで扱う食料品などの賞味期限に応じて、商品を陳列・撤去する利用シーンを示す。
【０１０９】
図２４において、画像２５は、賞味期限切れ商品上に投射された画像（×印）を示す。また、画像２６は、賞味期限切れまでの時間を示す投射画像（文字）を示す。図２４の例では、インターフェース装置２０の撮像部１１が商品の期限切れの時間を示すラベルを撮像し、撮像されたラベルに記録された賞味期限に関する情報を制御部１２で判断する。制御部１２は、判断結果に基づいた画像情報の信号を投射部１３に提供する。制御部２２は、賞味期限が切れた商品には×印を投射するように、賞味期限が近い商品には賞味期限切れまでの時間を投射するように投射部１３を制御する。投射部１３は、制御部１２の制御に基づいて、賞味期限が切れた商品には×印を、賞味期限が近い商品には賞味期限切れまでの時間を投射する。なお、図２４のように、賞味期限に注意する必要のない商品には何も投射されなくてよい。インターフェース装置２０を装着した操作者は、各商品に投射された情報によって、各商品の賞味期限に関する情報を知ることができる。
【０１１０】
図２４のように、インターフェース装置２０を胸に装着することができれば、操作者は両手を使うことができる。また、図２４の例では、操作者が商品を手にとってラベルを確かめなくてもよいため、ラベルを目視で確認するのに比べて短時間で作業を行うことができる。なお、図２４では、操作者による操作を受け付けるように構成していないが、例えば画像情報が投射された商品に操作者が触れると、所定の文字や画像が投射されるような構成としてもよい。
【０１１１】
本実施形態の利用シーンのように文字などの線画が投射される場合、室内の照明状態によっては、明るい０次光が投射されてしまうと投射された線画が目立たなくなってしまう場合がある。本実施形態によれば、０次光を排除した投射光を投射することができるため、文字などの線画が０次光によって見にくくならない。また、文字などの線画を用いる利用シーンでは、光を投射しない領域が操作領域のほとんどを占めるため、０次光の暗点が目立つこともない。
【０１１２】
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。
【０１１３】
この出願は、２０１５年２月１３日に出願された日本出願特願２０１５−０２６４６０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【０１１４】
１    位相変調器
２    フーリエ変換レンズ
３    ミラー
５    投射レンズ
６    光源
７    出力測定手段
８    制御手段
９    駆動手段
１０    インターフェース装置
１１    撮像部
１２    制御部
１３    投射部
２０    インターフェース装置
２１    カメラレンズ
２３    投射レンズ
３１    反射面
３２    入口
３３    貫通穴
３４    出口
【図１】
2016129279.tif 000003
【図２】
2016129279.tif 000004
【図３】
2016129279.tif 000005
【図４】
2016129279.tif 000006
【図５】
2016129279.tif 000007
【図６】
2016129279.tif 000008
【図７】
2016129279.tif 000009
【図８】
2016129279.tif 000010
【図９】
2016129279.tif 000011
【図１０】
2016129279.tif 000012
【図１１】
2016129279.tif 000013
【図１２】
2016129279.tif 000014
【図１３】
2016129279.tif 000015
【図１４】
2016129279.tif 000016
【図１５】
2016129279.tif 000017
【図１６】
2016129279.tif 000018
【図１７】
2016129279.tif 000019
【図１８】
2016129279.tif 000020
【図１９】
2016129279.tif 000021
【図２０】
2016129279.tif 000022
【図２１】
2016129279.tif 000023
【図２２】
2016129279.tif 000024
【図２３】
2016129279.tif 000025
【図２４】
2016129279.tif 000026
【図２５】
2016129279.tif 000027
【図２６】
2016129279.tif 000028
【国際調査報告】
2016129279.tif 000029
2016129279.tif 000030
2016129279.tif 000031
2016129279.tif 000032