(57)【要約】画像投影システムが提案される。このシステムは光学ユニットおよびそれに対して接続可能な制御ユニットを有する。光学ユニットは、物体を照明するための照明チャネル、自己から収集された光から物体の画像を生成し、そしてそれを表現する画像データを生成するための画像チャネル、および投影ターゲットの上に物体の画像を投影するための投影チャネルを規定するよう設定される。制御ユニットは、画像データを受け取って解析するよう、また画像生成および投影を制御するよう、設定され、および動作可能とされる。
2010538685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を投影するためのシステムであって、
物体を照明するための照明チャネル、自己から収集された光から物体の画像を生成し、そしてそれを表現する画像データを生成するための画像チャネル、および投影ターゲットの上に物体の画像を投影するための投影チャネルを規定するよう設定された光学ユニットと、
画像データを受け取って解析するよう、また画像生成および投影を制御するよう、設定され、および動作可能とされた制御ユニットと、
を有することを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記照明および画像チャネルは、少なくとも１つの第１の波長範囲の光を生成する光源ユニットを有する画像ユニット、画像検出器、および光収集および光方向付け装置によって規定されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記投影チャネルは、第１の波長範囲と異なる少なくとも１つの第２の波長範囲の光を生成する１つ以上の光源ユニット、空間光変調器（ＳＬＭ）、および光収集および光方向付け装置を有する投影ユニットによって規定されることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記画像チャネルは、投影ターゲットに位置する問題となる物体を画像化するよう設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記制御ユニットは、画像データを分析し、そして前記画像データに対応する画像を投影ターゲット上に生成するように、前記投影チャネルを通して光伝播を動作させるよう適合されることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記制御ユニットは、前記第２の波長範囲の光を使って対応する像の投影を動作させるように、前記第１の波長範囲の光によって生成された物体の画像データを分析するよう適合されることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
前記照明、画像および投影チャネルは、空間的に離されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記画像および投影チャネルは、少なくとも部分的に重なっていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記照明チャネルは、前記画像および投影チャネルから空間的に離されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記照明チャネルは、少なくとも部分的に前記画像および投影チャネルと重なっていることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記照明チャネルは、物体を画像化するために使われる光の偏光符号化を提供するよう設定されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記光学ユニットは、
・前記照明チャネルを通って伝播する第１の波長範囲の光を生成する第１の光源ユニット、および第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲の光を生成する第２の光源ユニットを含む光源アセンブリと、
・前記投影ターゲットに位置する物体を照明するように、前記照明チャネル中の第１の経路に沿って第１の波長の光を方向付けるよう、また、前記投影チャネル中の第２の経路に沿って第２の波長の光を空間光変調器（ＳＬＭ）の方に方向付けるよう、また、画像チャネル中の第３の経路に沿って照明された物体から伝播する第１の波長の光を収集するよう、配置された光方向付け装置と、
・収集された第１の波長の光を受け、そしてそれの表示画像データを生成するよう設定された画像検出器と、
を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記光方向付け装置は、前記照明チャネルに位置する偏光子と、前記画像チャネルに位置する偏光フィルタとを有することを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記光方向付け装置は、前記画像および投影チャネルに収容され、照明された物体から伝播する第１の波長の光を収集し、投影ターゲット上にＳＬＭによって変調された第２の波長の光を合焦させるよう動作させる共通投影および画像レンズユニットを有し、また、前記画像および投影チャネルに収容され、第１および第２の波長の光部分を空間的に離し、前記画像検出器および前記投影および画像レンズユニットそれぞれの方にそれらを方向付ける共通の波長感応ビームスプリッタ／コンバイナを有することを特徴とする請求項１２または１３に記載のシステム
【請求項１５】
前記照明チャネルは、前記画像および投影チャネルから空間的に離されることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記照明チャネルは、少なくとも部分的に前記画像チャネルと結合されることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記光方向付け装置は、結合された照明および画像チャネルに位置し、物体に伝播する第１の波長の光と物体から戻った第１の波長の光の光路にある偏光ビームスプリッタを有することを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記照明チャネルは、第１の波長範囲のビームの断面においてリング状の空間的構成を提供するよう設定されることを特徴とする請求項１６または１７に記載のシステム。
【請求項１９】
第１の波長範囲はＩＲ（赤外）範囲を含み、第２の波長範囲は可視スペクトルを含むことを特徴とする請求項２から１８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２０】
物体を照明するための照明チャネル、自己から収集された光から物体の画像を生成し、そしてそれを表現する画像データを生成するための画像チャネルを規定するよう設定され、および動作可能とされた画像ユニットと、投影ターゲットの上に物体の画像を投影するための投影チャネルを規定するよう設定され、および動作可能とされた投影ユニットと、を有し、少なくとも２つの照明、画像、および投影チャネルが共通の１つ以上の光学素子によって少なくとも部分的に結合されていることを特徴とする光学ユニット。
【請求項２１】
第１の波長範囲の光を生成する光源ユニットと、第２の異なる波長範囲の光を生成するための１つ以上の光源ユニットと、を有する光源アセンブリを有することを特徴とする請求項２０に記載の光学ユニット。
【請求項２２】
投影ターゲットに位置する物体を、第１の波長範囲を使って画像検出器上に画像化する段階と、それを表現する画像データを生成する段階と、前記画像データに従って変調された第２の異なる波長範囲の光によって形成された画像を投影ターゲット上に投影するために前記画像データを使う段階と、を有することを特徴とする画像を投影するための方法。
【請求項２３】
投影ターゲットに位置する物体を、第２の波長範囲を使って画像化する追加の段階と、第２の波長範囲の光によって形成された投影画像と投影ターゲットに位置する物体との相互整列のためにそれを表現する追加の画像データを使う段階と、を有することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光投影およびイメージング（画像化）方法並びにシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
画像投影技術は種々の用途で広く使われている。通常、投影装置は、レーザおよび／またはＬＥＤと１つ以上の空間光変調器（ＳＬＭ）、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、または、デジタル画像データの真の光学画像の生成のためのデジタル極小ミラーデバイス（ＤＭＤ）を利用する。投影装置は、着色された画像を投影するために配置されうる。
【０００３】
マイクロプロジェクターに使うのに適した種々の投影技術が、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、および本願の譲受人にすべて譲渡された特許文献６に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ０４／０６４４１０号パンフレット
【特許文献２】国際公開ＷＯ０４／０８４５３４号パンフレット
【特許文献３】米国特許第７,１２８,４２０号明細書
【特許文献４】国際公開ＷＯ０７／０６０６６６号パンフレット
【特許文献５】国際公開ＷＯ０５／０３６２１１号パンフレット
【特許文献６】国際公開ＷＯ０８／０１０２１９号パンフレット
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、撮像機および投影機として設定され、および動作可能とされ、それによって画像および投影モードにおいて独立して動作可能な光学システムを提供する。これのために、このシステムは、いくつかの実施の態様において部分的に重なっている（すなわち、共通の光学素子を持つ）ような画像チャネルおよび投影チャネルを有する。
【０００６】
好ましくは、このような画像および投影システムは、投影チャネルによって、画像チャネルで生成された画像を投影するよう設定される。この生成された画像は、投影されている画像を表現することができ、物体と投影された画像との正確な空間的整列のために追加的に使われうる。換言すれば、このシステムは、先に生成された画像に対応する電子データを表現する画像を投影するよう動作させることができ、ここで、後者（先の画像）は、投影表面に投影された画像でありうる。いくつかの実施の態様において、投影された画像は、物体と投影された画像との間の正確な整列の目的のためのフィードバックとして、画像チャネルにおいてさらに得られる。
【０００７】
投影システムがスクリーン上にどんな像を作っても、本発明は、そのいくつかの実施の態様において、問題となる物体の画像を、物体特徴を強調するために問題となる同じ物体の表面に投影することを提供する。画像および投影モードは、異なるスペクトル、例えば近赤外画像と可視スペクトル投影で実行されうる。これは例えば、近赤外スペクトルによりある物体（身体）における問題となる領域を画像化することによって、そして表面上または身体中の問題となる前記領域と整列される皮膚領域上に、可視光でこのデジタル的に処理された画像投影することによって、医学の用途に使われうる。あるいは、またはそれに加えて、画像および投影モードは、時間的に離されて、または同様のまたは異なるスペクトル範囲の光を使って組み合わされた方法で、行なうことができる。
【０００８】
このように本発明は、照明、画像、および投影チャネルをシステムの一部として見なす。本発明のいくつかの実施の態様において、照明と画像化は第１の波長帯（例えば近赤外）で行なわれ、一方投影は第１のものとは異なる第２のまたはさらに多くの波長帯（例えば可視域）の光で行なわれる。人間の目に入るが、第１の波長帯に見出される画像データは、第２の波長帯における投影チャネルにより、問題となる物体の特徴を視覚化するために使われる。（そしてそれは、投影表面に同じシステムによって投影される画像でありうる。）第１の波長範囲の照明は、好ましくは、問題となる物体の表面上における明瞭な形状により、また明瞭な偏光状態により、均一な放射パターンの投影として扱われるべきである。従って、赤外（ＩＲ）光源は、空間的に成形され、比較的均一な放射分布で問題となる物体に供給される。投影システムが既に専用の投影レンズを持っているならば、第１の波長帯の照明は、その投影レンズを通して方向付けられうる。さらに、画像検出器上に物体を画像化するために、反転された光線方向において、照明のものとは異なる偏光状態で同じ投影レンズが使われうる。それにより、偏光状態の変更が物体によって導入される。
【０００９】
照明、投影および画像チャネルを統合されたシステムに結合することは、照明放射の効率的な使用と実質的な電力節約をもたらす。さらにこのシステムは、照明光源の数と電力の縮小に起因してコンパクトになる。電力節約とコンパクト化は、携帯用バッテリを対話型の投影システムを動作させるために特に重要である。
【００１０】
本発明のいくつかの実施の態様において、レーザまたはＬＥＤは照明および投影光源として使用される。人間の静脈構造の視覚化の用途において、無害な近赤外光源が組織を照らす。照明光は、静脈を取り巻いている組織中の数ミリメートルの深さに通り抜け、そして表面に反射されて戻り、一方、実質的に少ない光が血管中の血液から反射される。照明光の偏光状態は、物体（身体）との、例えば人間の静脈構造相互作用の後に変えられうる。デジタルビデオカメラは、組織から戻った近赤外反射光の所定の偏光成分を捕捉する。画像処理ユニットはコントラストを改善し、そして好ましくは実際の位置における横方向位置の登録において皮膚上に戻ったこの画像を投影する。画像投影機は、ＤＭＤ技術、ＬＣＤマイクロディスプレイ、または、皮膚表面上に合焦された血管系の画像を表示するためのＬＣＯＳ技術を利用することができる。
【００１１】
本発明は、投影された画像の横方向位置と問題となる物体の表面の横方向位置との間の、動的および固有の登録をも提供する。これは、同じ画像検出器によって、第１および第２の波長帯の両方で捕捉された問題となる物体の画像を監視することによって実行される。この技術が、先の段落で開示されたような照明、投影および画像チャネルを結合（統合）するシステムとしないシステムの両方にとって有益である、ということは注目すべきである。
【００１２】
これは、照明および投影波長帯を時間的または空間的に離すことによって達成されうる。時間的に離すことに関しては、照明および投影光源は時間的に連続的なモードで動作され、また画像検出器は広範なスペクトル感度を持っていて、照明および投影の波長帯の両方を検出するのに十分である。画像検出器は光源動作の時間シーケンスに同期させられる。空間的に離すことに関しては、画像検出器は一般化された波長感応性モザイク（組み合わせ）を持つ。ここに、検出器は、第１の波長帯に感応するピクセル（画素）、および、それらと組み合わされた第２の波長帯に感応するピクセルで構成される。照明および投影光源は任意に動作し得る。
【００１３】
このように本発明の広範な局面によれば、画像を投影するためのシステムが提供される。このシステムは光学ユニットと、それに対して接続可能な制御ユニットを有する。光学ユニットは、物体を照明するための照明チャネル、自己から収集された光から物体の画像を生成し、そしてそれを表現する画像データを生成するための画像チャネル、および投影ターゲットの上に物体の画像を投影するための投影チャネルを規定するよう設定される。制御ユニットは、画像データを受け取って解析するよう、また画像生成および投影を制御するよう、設定され、および動作可能とされる。
【００１４】
本発明のいくつかの実施の態様において、照明および画像チャネルは、少なくとも１つの第１の波長範囲の光を生成する光源ユニットを有する画像ユニット、画像検出器、および光収集および光方向付け装置によって規定される。後者（光方向付け装置）は、照明の偏光状態と第１の波長範囲の画像の偏光状態とを分離するための偏光ビームスプリッタ（分離器）を有することができる。投影チャネルは、第１の波長範囲と異なる少なくとも１つの第２の波長範囲の光を生成する１つ以上の光源ユニット、空間光変調器（ＳＬＭ）、および光収集および光方向付け装置を有する投影ユニットによって規定される。
【００１５】
本発明のいくつかの実施の態様において、システムは、投影ターゲットに位置する問題となる物体を画像化するよう設定される。前記制御ユニットは、画像データを分析し、そして前記画像データに対応する画像を投影ターゲット上に生成するように、前記投影チャネルを通して光伝播を動作させるよう適合される。いくつかの実施の態様において、前記制御ユニットは、前記第２の波長範囲の光を使って対応する像の投影を動作させるように、前記第１の波長範囲の光によって生成された物体の画像データを分析するよう適合される。それに加えて、いくつかの実施の態様においては、前記制御ユニットは、物体と第２の波長範囲における対応する投影画像との相互整列を確実にするために、第２の波長範囲の光によって生成された物体の画像データを分析するよう適合される。
【００１６】
前記照明、画像および投影チャネルは、空間的に離される。および／または、前記画像および投影チャネルは、少なくとも部分的に重なっている。および／または、前記照明チャネルは、前記画像および投影チャネルから空間的に離されるか、あるいは、少なくとも部分的に前記投影チャネルと重なっている。前記照明チャネルは、物体を画像化するために使われる光の偏光符号化を提供するよう設定される。
【００１７】
前記光学ユニットは、光源アセンブリと光方向付け装置と画像検出器とを有する。光源アセンブリは、前記照明チャネルを通って伝播する第１の波長範囲の光を生成する第１の光源ユニット、および第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲の光を生成する第２の光源ユニットを含みうる。光方向付け装置は、前記投影ターゲットに位置する物体を照明するように、前記照明チャネル中の第１の経路に沿って第１の波長の光を方向付けるよう、また、前記投影チャネル中の第２の経路に沿って第２の波長の光を空間光変調器（ＳＬＭ）の方に方向付けるよう、また、画像チャネル中の第３の経路に沿って照明された物体から伝播する第１の波長の光を収集するよう、配置されうる。
【００１８】
いくつかの実施の態様において、前記光方向付け装置は、前記照明チャネルに位置する偏光子と、前記画像チャネルに位置する偏光フィルタとを有する。前記光方向付け装置は、前記画像および投影チャネルに収容され、照明された物体から伝播する第１の波長の光を収集し、投影ターゲット上にＳＬＭによって変調された第２の波長の光を画像化するよう動作させる共通投影および画像レンズユニットを有し、また、前記画像および投影チャネルに収容され、第１および第２の波長の光部分を空間的に離し、前記画像検出器および前記投影および画像レンズユニットそれぞれの方にそれらを方向付ける共通のビームスプリッタ（分離器）／コンバイナ（結合器）を有する。
【００１９】
上記形態において、前記照明チャネルは、前記画像および投影チャネルから空間的に離されうるか、あるいは少なくとも部分的に前記画像チャネルと結合されうる。後者のケースでは、前記光方向付け装置は、好ましくは、結合された照明および画像チャネルに位置し、物体に伝播する第１の波長の光と物体から戻った第１の波長の光の光路にある偏光ビームスプリッタを有する。前記照明チャネルは、リング状の第１の波長範囲のビームを提供するよう設定され、それによって、照明および画像チャネルの間の強化された分離のために、第１の波長の照明と戻り光との間の空間的分離を可能にしうる。
【００２０】
本発明の他の局面によれば、画像を投影するための方法が提供される。この方法は、投影ターゲットに位置する物体を、第１の波長範囲を使って画像検出器上に画像化する段階と、それを表現する画像データを生成する段階と、前記画像データに従って変調された第２の異なる波長範囲の光によって形成された画像を投影ターゲット上に投影するために前記画像データを使う段階と、を有する。
【００２１】
このように、本発明のいくつかの実施の態様においては、対話型の光投影の方法が提供される。この方法によれば、第１の波長範囲における波長によって照明放射を空間形成することと、詳細特徴と表面を有する問題となる物体に前記放射を供給することと、が提供される。前記第１の波長範囲で問題となる物体から戻った放射は、捕捉され、そして物体のデジタル画像が形成される。このデジタルの捕捉された画像は、詳細特徴の引き出しおよび対比により処理される。前記捕捉された画像に従う投影光の空間的変調が実行され、そして空間的に変調された光は、問題となる物体の表面上に、第２の波長帯および任意選択的に他のいくつかの波長範囲（その全てが第１の波長範囲とは異なる）を含んだ投影波長範囲における波長を該投影光が持つという状態で、投影画像として投影される。画像の位置は、問題となる物体の細部特徴にマッチ（適合）する前記位置を有するまで、問題となる物体の表面に沿って調整される。ここで、照明放射は、重ね合わせ段階から始まり、照明放射と問題となる物体への投影光を供給する段階で終わる段階の過程にある投影光と重ねられる。重ね合わせ段階は、投影光の空間的変調の後に続き、問題となる物体上への空間的に変調された光の投影に先行する。
【００２２】
上記に示されたように、いくつかの実施の態様において、照明放射は本質的に、投影光から空間的に離される。
【００２３】
本発明の対話型の光投影の方法は、第１の波長範囲の波長を備えた照明放射の空間的形態を有し、詳細特徴と表面を有する問題となる物体に前記放射を供給する照明と、第１の波長範囲で問題となる物体から戻った放射および物体のデジタル画像の形状を捕捉する段階と、詳細特徴の引き出しおよび対比によるデジタルの捕捉された画像を処理する段階と、前記捕捉された画像に従う投影光の空間的変調と、第１の波長帯と異なる第２の波長範囲における波長を投影光が持つという状態で、問題となる物体の表面上に投影画像として空間的に変調された光を投影することと、問題となる物体の細部特徴にマッチ（適合）する前記位置を有するまで問題となる物体の表面に沿った投影画像の位置を調整することと、を含むことができる。問題となる物体の表面からの投影画像の第２の画像は、第２の波長範囲と任意選択的にいくつかの他の波長範囲を含んだ、サンプリングされた波長範囲においてさらに提供されうる。問題となる物体に対する投影画像の位置のフィードバックタイプの修正を、第１の波長範囲とサンプリングされた波長範囲との実際の横方向の画像位置間の不一致に応じて行なうことができる。ここで、照明および投影段階は、一時的に分離されうる。つまり、連続的なフレーム（コマ）を、照明と投影の間の時間的重複なしで時間的にサブフレームに分離することを実行することができ、そして第１の波長範囲の放射を捕捉することが照明のサブフレームにおいて時間的に同期させられ、またサンプリングされた波長範囲の光を捕捉することが時間的に投影のサブフレームと同期させられうる。あるいは、第１の波長範囲のデジタル画像を捕捉するプロセスは、サンプリングされた波長範囲のデジタル画像を捕捉するプロセスから空間的に分割されうる。つまり、いくつかのサブピクセルに空間的に分離されたピクセルを用いて画像検出器によって実行されうる。
【００２４】
本発明を理解し、それがどのように実際に実行されうるかを知る見るために、添付の図面を参照しつつ、単に限定的でない例を通じて実施形態をここで説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】別個の照明チャネルと部分的に重なっている画像および投影チャネルを利用する、本発明の投影および画像システムの例の概略図である。
【図２】図１のシステムで使うのに適した画像および投影チャネルを部分的に結合するための、光学スキームの特定の例を示す。
【図３Ａ】システム性能データを実証する図であって、画像および投影チャネルにおける多色の回折ＭＴＦを示す。
【図３Ｂ】システム性能データを実証する図であって、画像および投影チャネルにおける多色の回折ＭＴＦを示す。
【図４Ａ】システム性能データを実証する図であって、画像および投影チャネルにおいて囲まれたエネルギーを示す。
【図４Ｂ】システム性能データを実証する図であって、画像および投影チャネルにおいて包括（囲まれた）エネルギーを示す。
【図５】本発明の投影／画像システムのさらなる例を示し、部分的に重なっている照明、画像および投影チャネルを有するシステムの例を示す。
【図６】本発明の投影／画像システムのさらなる例を示し、部分的に重なっている照明、画像および投影チャネルを有するシステムの例を示す。
【図７】本発明の投影／画像システムのさらなる例を示し、そのようなチャネルが重なり合わないシステムを示す。
【図８Ａ】本発明のシステムで使うのに適した、共有の画像検出器上の照明、投影および画像光源の時間的に連続的な動作の原理を示す。
【図８Ｂ】本発明のシステムで使うのに適した、共有の画像検出器上の照明、投影および画像光源の時間的に連続的な動作の原理を示す。
【図９Ａ】本発明のシステムで使うのに適した、第１の波長範囲（典型的にＩＲ（赤外））および第２の波長範囲（典型的に可視画像）の両方の並列した画像化のための、画像検出器アレイの横方向モザイク構造の原理を示す。
【図９Ｂ】本発明のシステムで使うのに適した、第１の波長範囲（典型的にＩＲ（赤外））および第２の波長範囲（典型的に可視画像）の両方の並列した画像化のための、画像検出器アレイの横方向モザイク構造の原理を示す。
【図９Ｃ】本発明のシステムで使うのに適した、第１の波長範囲（典型的にＩＲ（赤外））および第２の波長範囲（典型的に可視画像）の両方の並列した画像化のための、画像検出器アレイの横方向モザイク構造の原理を示す。
【図９Ｄ】本発明のシステムで使うのに適した、第１の波長範囲（典型的にＩＲ（赤外））および第２の波長範囲（典型的に可視画像）の両方の並列した画像化のための、画像検出器アレイの横方向モザイク構造の原理を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
システムの例を概略的に示す図１を参照すると、全般的に示された１０は、本発明による画像装置（イメージャ）および撮像装置（プロジェクタ）として、すなわち投影および画像化の結合された光路を有する相互作用光投影ディスプレイを利用するよう設定され、および動作可能とされる。システム１０は、光学ユニット１２および制御ユニット１４のような、主たる構造上の部分を含む。
【００２７】
光学ユニット１２は、照明チャネル１６、画像チャネル１８、および投影チャネル２０を規定するよう設定され、さらに以下で記載されるように、少なくとも部分的に重ね合わせられ（結合され）うるか、または重ね合わせられないようにされうる。画像チャネル１８は、投影平面２６に位置した問題となる物体の画像を作るよう設定され、照明チャネルによって照明され、そして対応する画像データを生成する。投影チャネル２０は、投影平面２６における問題となる領域（または投影ターゲット）上に物体の画像を投影するよう設定され、投影画像は照明チャネルから来る光の適切な空間的変調によって形成される。図１で実証されるように、投影チャネルによって作られた前記投影ターゲットは、画像チャネルに対して問題となる物体を構成することができる。
【００２８】
光学ユニット１２は照明チャネル１６および投影チャネル２０に関連する光源アセンブリ２２を含む。現在の例では、光源アセンプリ２２は異なる波長の光、現在の例では３つのそのような波長、つまり２つの異なるスペクトル−ＩＲ（赤外）スペクトルにおける１つと、２つの可視スペクトル（緑色Ｇと赤色Ｒ）の光、を生成するよう設定される。これらの２つの異なるスペクトル範囲の光部分は、それぞれ、画像および投影チャネルに方向付けられる。異なるスペクトル範囲の光部分は照明および投影チャネル１６および２０それぞれに沿って方向付けられる。このようにこの例では、光源アセンプリ２２は、ＩＲ照明光源２２Ａ（ＬＥＤまたはレーザダイオードでありうる）、および緑色および赤色光源２２Ｂおよび２２Ｃを有し、それらのそれぞれのビーム収集および成形光学部品２４Ａ、２４Ｂ、および２４Ｃに関連付けられる。また現在の例では、画像および投影チャネルは部分的に重なっている。すなわち、共通の光学素子（レンズユニットおよびビームスプリッタ／コンバイナ）によって規定された、結合された光路を有する。
【００２９】
このように、光学ユニット１２は投影ユニットと画像ユニットとを含む。投影ユニットは投影チャネル２０を規定し、そして（１つ以上の光源２２Ｂ、２２Ｃを含む）それ自身の光源ユニット、空間光変調器（ＳＬＭ）３５、および光方向付け光学部品を含む。画像ユニットは照明および画像チャネル１６および１８を規定し、そして光源ユニット２２Ａ、画像検出器４０、および光方向付け光学部品を含む。
【００３０】
光学ユニット１２は、光源２２から物体２６の方に伝播する入射（照明）光のＩＲ光成分、および物体から戻り（反射され／散乱され）、そして画像検出器４０（ＣＣＤまたはＣＭＯＳ）の方に伝播するＩＲ光成分、を分離するよう設定される。現在の例では、これはＩＲ照明の偏光符号化、つまり、ＩＲ光源２２Ａによって発せられ、物体の方に伝播する光３０の光路にある、照明チャネルにおける偏光子２８を使うことによって達成される。
【００３１】
投影チャネル２０は、投影光源２２Ｂ、２２Ｃ、収集および成形光学機器２４Ｂ、２４Ｃ、空間光変調器（ＳＬＭ）３５、および投影レンズユニット３６を有する。ビーム収集および成形光学部品は、本質的に均一な強度と投影光の高度なコリメーション（平行化）を提供し、そして直列のマイクロレンズを有するビームホモジナイザーとして実装されうるか、あるいは最上層回折光学素子として実装されうる。着色された画像の投影のために、一般的に、投影チャネルが異なる色のための別個のＳＬＭを利用し、また結合された光路に沿って伝播させるように、異なる色の変調された光を混合するようよう設定されうる、ということに注目すべきである。しかしながら現在の例では、共通のＳＬＭユニット３５が使われ、そして異なる色の光成分３２と３４が波長選択ビームスプリッタコンバイナ（例えばダイクロイックミラー）３８によって結合される。同じく、投影チャネルにおいて、任意選択的に光方向付け／偏向素子（例えばミラー）３９、４１、および投影強化レンズユニット４２が提供される。
【００３２】
画像チャネル１８は（投影チャネルと共通な）収集レンズユニット３６と画像検出器４０とを有する。同じく、画像チャネルにおいて、収集された光から特定の波長範囲（現在の例ではＩＲ）を分離し（フィルタをかけ）、それを画像検出器に方向付け、それにより前記波長範囲の外の光を検出器によって検出することを回避する、スペクトルフィルタアセンブリ４４が提供される。現在の例では、このようなスペクトルフィルタアセンプリは、投影チャネルと共通であって、また画像チャネルと投影チャネルとの光部分を空間的に分離するよう動作させる波長選択ビームスプリッタコンバイナ４６（ホットミラー）を含む。さらなるフィルタユニット４８が、好ましくはホットミラーの出力側において使われる。そしてこのフィルタは、ＩＲ放射を透過し、そして偏光特性を持っている（上記で示したように、物体上に入射するＩＲ光の偏光状態が、照明チャネルにおいて偏光子２８によって適切に変調される）。任意選択的に、画像チャネルにおいて、画像強化レンズ４９が提供される。このように、画像チャネル１８は、逆の光線方向でＩＲカメラレンズとして投影レンズ３６を利用し、ホットミラー４６によって投影レンズに光学的に接続される。
【００３３】
制御ユニット１４は、典型的に、とりわけ、画像検出器４０（ＣＣＤまたはＣＭＯＳ）からの画像データを受け取って処理し、また少なくともいくつかの光源への制御データ（例えば変調データ）を生成する電子処理および同期ブロックを備えたコンピュータシステムである。システム１０は、従って以下のように動作させうる。
【００３４】
投影平面（例えば投影ターゲット領域）に位置する物体は、ＣＣＤ４０の上に画像化される。つまり、物体は「画像化」光３０、例えばＩＲ光によって照らされる。照明された物体から戻った光３０は、レンドユニット３６によって収集され、ホットミラー４６によってフィルタ４８の方に反射され、それは画像強化レンズ４９によってＣＣＤ４０にこの光を透過する。ＣＣＤは対応する画像データを制御ユニット１４に出力する。後者は、対応する投影ターゲットを投影平面に投影するために投影チャネルを動作させる。つまり、緑および赤の光成分３２、３４を生成するために光源２２Ｂ、２２Ｃを動作させ、そして画像データに従ってＳＬＭユニット３５を動作させる。光成分３２、３４は、ダイクロイックミラー３８の方に伝播し（光成分３４は−直接に、そして光成分３２は−ミラー３９によって）、そのダイクロイックミラー３８はそれらを混合し、（ミラー４１によって）ＳＬＭ３５に方向付ける。結果としての変調され光は、投影強化レンズ４２、ホットミラー４６、および投影レンズ３６を介して連続的に通過し、そして観測者５０によって見られるように投影ターゲットに方向付けられる。
【００３５】
例えば医学用途では、カメラ４０（ＣＣＤまたはＣＭＯＳ）は、人体組織の埋められた特徴の一部から、赤外線の写真を撮り、一方で、投影チャネルが同じ領域上に、血管および静脈のような肉眼では見られない細部を示す可視の写真を作る。ＩＲ照明チャネルからの光は、問題となる物体、例えば人間の組織に到達し、数ミリの深さに侵入し、そして反射または後方散乱される。反射光は、順番に存在する投影レンズであるカメラレンズ３６によって取得され、ホットミラー４６から反射され、ＩＲ照明放射に垂直な偏光状態のＩＲ照明範囲で光を伝えるフィルタ４８を通過する。共通の投影および画像レンズ３６の使用に起因して起こりうる画像の収差は、本質的に画像強化レンズ４９によって修正されうる。最終的に、問題となる物体の合焦された画像が、ＩＲ照明放射において画像検出器上に得られ、電子ブロックによって対比するためにデジタル形式に変換され、デジタル的に処理される。次に、対比された画像は、ビーム収集と投影チャネルの成形光学部品によって供給された光を空間的に変調するＳＬＭに転送される。空間的に変調された光はホットミラーを通過し、次に問題となる物体の表面上に投影レンズによって画像化される。任意選択的な投影強化レンズは、画像チャネルのカメラレンズの役割をも果たすよう意図された投影レンズの残余の光学収差を修正する。問題となる物体の表面上に空間的に変調された光の画像の位置は、画像と問題となる物体における詳細特徴の大きさと位置の監視によって問題となる前記物体に適合される。１つの選択肢においては目視によって適合が実行される。他の選択肢においては、物体の前面に接触する可視光−対−ＩＲ変換プレートの適用によって適合が実行される。
【００３６】
このように上記の実施形態は、投影および画像の結合された経路（光路）によって設計されたデータを含む。結合された（部分的に重なり合う）画像および投影チャネルのための、特定ではあるが限定的ではない形態を例示した図２を参照する。ここでは、投影カラーサブチャネルのただ１つが示される。示されたように、緑色光３２は緑色光源２２Ｂから伝播し、コリメーションレンズユニット、ＤＭＬＡ、フィールドレンズ、および収集レンズ（収集、ビーム成形、およびスペックル除去光学部品を構成する）によってＳＬＭ３５上に方向付けられる。ＳＬＭからの光出力は、例えばテレセントリックレンズによって、ダイクロイックビームスプリッタキューブ（ホットミラー）４６上に方向付けられる。該ダイクロイックビームスプリッタキューブ４６は、共通の投影および画像化光学部品３６によって投影ターゲット２６上にこの光を反射または透過する。同時に、または投影過程の前か後に、ＩＲ光が投影ターゲット（ここでは示されない）を照らし、また照明領域から戻った光が共通の投影および画像化光学部品３６によって（画像強化レンズによって）ＩＲ検出器４０にそれを反射するホットミラー４６の方に収集される、という場合があってもよい。
【００３７】
投影光源２２（図１の２２）が、コリメートされたレーザ、または成形され、拡大され、スペックル除去され、およびフィールドレンズとコリメータを含んだビーム成形光学部品（図１の２４Ｂ、２４Ｃ）によって均一化された、ＬＥＤビームでありうる、ということに注目すべきである。ＤＭＬＡのＦ＃（Ｆナンバー）倍のコリメータレンズの焦点距離は、ＳＬＭへの長方形の照明スポットの大きさを決定する。ＳＬＭへの入射角は、好ましくはＳＬＭに対する典型的な受け入れ角度範囲の下にあるべきであって、ＬＣＤまたはＬＣＯＳ  ＳＭＬの場合に対して７〜９度で、ＤＭＤ  ＳＬＭに対して１２〜１５度である。このようにして効率とコントラストが改善される。Ｘキューブを使うことによって、図１に示すように、ダイクロイックミラー３８、４１の代案としてＲＧＢ（または他の色）を混合することができる。
【００３８】
本発明者は実験的な光学システムを設計し、そしてシステム性能を調べるために動作させた。性能データ（画像および投影チャネルにおける多色の回折ＭＴＦ、画像および投影チャネルにおける包括（囲まれた）エネルギー、画像および投影チャネルにおける光路差、画像および投影チャネルにおいてプロットされた横方向光学収差、画像および投影チャネルにおいてプロットされた像面湾曲と分散）は発明提案の実現可能性を示した。実験の設備は図１のシステムに類似するよう設定された。設計選考は、以下の通りであった。カメラ検出器と投影機ＳＬＭが同じ大きさを持つ必要がなく、両方のチャネルの視野が等しい必要がないので、ビームスプリッタ／コンバイナキューブの後で２つのレンズを変えることによって、それぞれのチャネルに対して異なる焦点距離を使うことができる。投影レンズは、ＳＬＭから集まる光に対し最も良好な効率を持つようにテレセントリックである。カメラチャネルにこのような必要性はない。ＳＬＭとビームスプリッタ／コンバイナキューブとの間の２つのレンズはテレセントリックフィールドレンズとしてはたらく。キューブビームスプリッタはレンズアセンブリ内に挿入される。単純な平面のホットミラーをダイクロイックビームスプリッタ／コンバイナとして使用することにより、投影チャネルに対してコマ収差を発生させることになる一方で、キューブは対称であって、設計の際のことを考慮に入れる場合さらに良好な光学性能を可能にする。キューブの後部および上部の側面は、球形の光学表面であって、部品の数を減らすために光学系の部分として使用される。
【００３９】
上記で示されたように、ＤＭＬＡのＦ＃倍のコリメータレンズの焦点距離は、ＳＬＭへの長方形の照明スポットの大きさを決定する。このように、実験設備は、最大の効率と均一性を獲得するために、ＳＬＭの動作領域（ピクセル配列／マトリクスによって規定された表面）の大きさに一致するこのスポットを持つように設計される。そして、設計はＳＬＭにおける照明の低い角度を維持し、それによって効率とコントラストを改善する。
【００４０】
全般的に１００と表された、本発明による投影および画像システム他の例を概略的に示した図５を参照する。すべての例において共通な部材を識別するために同一の参照符号が使われる。示されたように、システム１００は、上記のシステム１０に全般的に類似するが、照明、画像、および投影チャネル１６、１８、および２０の部分的な重複（結合された経路）を持つという点で、それとは区別される。これは、システムの光学的効率を向上させ、また照明チャネルを実質的に一層コンパクトにする。
【００４１】
上述されたシステム１０において、入射し収集された光のＩＲ光成分の分離は、照明および画像チャネルの間の空間的分離と、入射ＩＲ光部分の偏光符号化（照明チャネルにおける偏光子２８と画像チャネルにおける適切なフィルタ４８）とをを使って実行される。システム１００には、任意選択的に、照明強化レンズ５４が提供される。システム１００において、照明チャネルと画像および投影チャネルとの結合（部分的）は、第１の波長範囲の波長のための偏光ビームスプリッタ５２を使うことによって可能である。該偏光ビームスプリッタ５２は、照明放射の偏光に適合するビームコンバイナ（ホットミラー）４６と光学的に接続され、同じく画像検出器４０と（任意選択的な画像強化レンズ４９と共に）光学的に接続される。
【００４２】
偏光ビームスプリッタ５２は、当然、照明によって提供されうる画像における光点および眩光を避ける照明および画像のための直交偏光の使用を確実にする。偏光ビームスプリッタ５２は、偏光しているビームスプリッティングキューブとして、あるいは、４５度ワイヤー−グリッド偏光子として、さらに多数の波長回折ビームスプリッタ／コンバイナとしても、実装されうる。システム１００は、上述されたシステム１０に類似した動作をする。
【００４３】
図６は、本発明の投影／画像化システム２００のさらに他の例を示す。ここで、照明と画像ＩＲ放射成分の分離は、環状の周囲照明チャネル光学スキームによってさらに改善される。システム２００は、光エミッタ２２Ａから伝播する光（ＩＲ光）の光学経路における照明チャネルに位置するそのビーム収集および成形器２４Ａが、リング状のＩＲ照明を提供するよう設定される、という点で上述されたシステム１００とは区別される。現在の例では、これは、レンズ５８と、そのレンズ下流にレンズの中央領域から発せられる光を遮断するように収容された光遮断絞り５６（照明チャネルを介した光伝播の方向における）を使うことによって達成され、それによりレンズの周囲領域から来る光によって形成されるリング光照明を作る。ゆえに、照明放射３０は、本質的に偏光ビームスプリッタ／コンバイナ５２の周囲の（リング状の）区域を通過し、そしてホットミラー４６の対応する部分によってさらに反射され、投影レンズ３６の周囲のリング状の部分を通り、一方問題となる物体から戻った放射は投影レンズ３６の中央の部分とビームコンバイナ５２のそこを本質的に通過し、そして光遮断絞り５６によって遮断される。この形態は照明および画像チャネルの間のクロストーク（混線）の低減を提供する。
【００４４】
図７を参照すると、本発明の投影／画像システム３００のさらに他の例が示されており、全般的に上述のシステム１０（図１）に類似しているが、ここでは、ＩＲ放射に対して使われるのと同じ画像チャネルに対して、問題となる物体２６の表面からの投影された可視光（Ｇ，Ｒ）の追加の画像化が、分離された（重なり合わない）照明、画像および投影チャネル１６、１８、および２０を使って提供される、という点でそれとは異なる。この形態は、投影画像と問題となる物体の特徴との間の大きさおよび配列のさらなる適合を可能にする。従って、ＩＲ照明チャネル１６、画像チャネル１８、および投影チャネル２０において共通の光学素子がない。照明および反射されたＩＲ成分は偏光符号化、つまり照明チャネル１６の偏光子２８と画像チャネルのフィルタ偏光子４８を使って分離される。システム１０における共通の投影および画像レンズ３６は、ここでは、それぞれ投影および画像チャネルに置かれた別個のレンズ３３６Ａと３３６Ｂで置き換えられる。画像検出器は、追加的に、投影波長範囲における光を捕捉し、投影画像は問題となる物体の細部特徴に適合される。これらのためにはいくつかのオプションがある。例えば、ＩＲ照明の時間的に連続的なパルス化された動作、ＩＲ画像、およびＩＲ画像とは異なるタイムフレームで画像検出器によって読み込まれた可視画像を捕捉することが、使われうる。あるいは、モザイクＩＲと可視画像検出器がＩＲおよび可視画像間の分離のために使われうる。
【００４５】
図８Ａおよび図８Ｂは、共有された画像検出器上で、照明、投影および画像光源の時間的に連続的な動作の原理を例示する。照明光源は、投影光が動作しない時に離散的な時間サブフレームにおいて動作する。
【００４６】
図９Ａ〜図９Ｄは、ＩＲ画像と可視画像の両方の並列的画像化のための画像検出器アレイの横方向モザイク構造の原理を例示する。モザイク構造は画像検出器のそれぞれのピクセル内に異なるフィルタを備えたサブピクセルを有し、一のフィルタタイプが第１の波長範囲の光を、そして他のフィルタが第２の波長範囲のものを、捕捉することを可能にする。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
このように、本発明は、スタンドアロンシステム（単独システム）として、または他の何らかの電子システムに統合されたとして構成されうる新規な混合された投影および画像システムを提供する。本発明は、医学用を含む種々の用途で好都合に使われうる。
【００４８】
当業者は、添付の特許請求の範囲内において、およびそれによって規定されたその範囲を逸脱することなく、本発明の上述されたような実施形態に種々の変更と変化が適用されうる、ということを容易に理解するであろう。
【符号の説明】
【００４９】
１０  システム
１２  光学ユニット
１４  制御ユニット
１６  照明チャネル
１８  画像チャネル
２０  投影チャネル
２２  光源アセンプリ
２２Ａ  ＩＲ照明光源
２２Ｂ  緑色光源
２２Ｃ  赤色光源
２４Ａ  成形器
２６  投影ターゲット
２８  偏光子
３０  光
３２  光成分
３３６Ａ  レンズ
３３６Ｂ  レンズ
３４  光成分
３５  空間光変調器（ＳＬＭ）
３６  投影レンズ
３８  ダイクロイックミラー
３９  ミラー
４０  画像検出器
４１  ミラー
４２  投影強化レンズ
４４  スペクトルフィルタアセンブリ
４６  ダイクロイックビームスプリッタキューブ（ホットミラー）
４８  フィルタ
４９  画像強化レンズ
５０  観測者
５２  偏光ビームスプリッタ／コンバイナ
５４  照明強化レンズ
５８  レンズ
１００  システム
２００  投影／画像化システム
３００  投影／画像システム
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ−９Ｄ】
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【国際調査報告】
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