JP2005173097A - 画像表示装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高強度光源を用いた画像表示装置において、複雑な構成や制御を必要とせずに、安全性を高める。
【解決手段】 スクリーンＳＣＮへの光照射によって描画範囲に画像表示を行う場合に、該描画範囲に向かう照射光の通過領域への侵入に対する安全機構を設ける。描画領域に向けて非可視光を照射して侵入検出用パターンをスクリーンＳＣＮ上に結像させるための光学系と、侵入検出用パターンの戻り光を検出する受光系を設けて共焦点光学系を形成する。そして、検出手段１２による検出光量の変化に基いて上記通過領域への侵入検出を行って、照射光の遮断又は減光制御により人体等への悪影響を未然に防止する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、レーザ光等の高強度の照射光を用いた画像表示装置について安全性を保証することを目的とし、例えば、レーザディスプレイ等への適用において、スクリーンからの反射（散乱）光を本来観賞すべきところを、プロジェクションレンズを直接覗き込む等の行為時に、描画光であるレーザ光等が直接眼底に結像し、眼底に対する障害が発生するといった事故を未然に防止するための技術に関する。

大画面表示が可能な画像表示装置として、投射型構成（プロジェクタ装置）が知られており、観察者は、光源からの光をスクリーン上に投射することによって映し出される映像を見ることができる。例えば、３原色の各色レーザ光源を用いたプロジェクタに関して、明るさや色再現性等の改善等を目的として各種システムが提案されている。

ところで、レーザ光を用いる場合には、その安全性の確保が重要課題とされ、例えば、視聴者が不用意にレーザ光の投射領域に侵入した場合の対策を充分に講じる必要があり（例えば、特許文献１参照。）、これまでに下記に示す形態が知られている。

（１）画像認識による検出
スクリーンを赤外領域にてＣＣＤ型カメラ等で撮像し、侵入物を画像認識により検出する形態。

（２）スクリーン境界への侵入物の検出
スクリーンの輪郭（境界）を赤外光等で照明するとともに、受光器をスクリーン境界に置くか、あるいはスクリーン境界の反射光をモニタリングする装置をもって、該境界への物体通過等の有無を検出する形態。

特表平１１−５０１４１９号公報

しかしながら、従来の装置にあっては、レーザ光の照射範囲への人体や物体の侵入検出を充分な精度をもって行うことができないか、あるいはそのための高価な装置、複雑な機構や制御を必要とする等の問題がある。

例えば、上記形態（１）では、画像認識に必要な処理装置が高価であったり、装置の設置や調整等、煩雑な作業を必要とする。また、画像投射領域への侵入物の反射率がスクリーンと同等である場合や、画像が不明瞭になった場合に誤動作を引き起こす確率が高くなったり、あるいは、室内照明や外部光の変化等の影響による誤動作又は不要動作を低減するための対処法を見い出すことが困難である。

そして、基本的には撮影画像（２次元画像）に基く検出であるため、照明装置が必要であり、スクリーンへの全面照射を行う場合に、その照射光出力についても安全上問題となる場合がある。また、検出感度を上げるため照明光に変調をかける方法も考えられるが、２次元画像全面に亘って検波を行うことは事実上困難であるため、検出感度を向上させるには、照明光の強度を上げる必要性が生じる。

上記形態（２）の場合には、スクリーンの輪郭を照明するための光学系が必要である。例えば、スクリーン境界を通過する人体や侵入物を検出するために専用の光学系や装置が必要とされるが、人体等がスクリーン境界から内部の描画範囲に侵入したのか、あるいは描画範囲から外部に退去したのかを正確に判定することが困難である。また、安全性を充分に保証するためには、スクリーン及び描画装置の位置関係についての高い精度が求められるとともに、それらの配置についても制限される。この他、例えば、スクリーンに穴が開いて裏面に光が漏れたり、スクリーンの損傷や汚損等の検出が困難であり、また、侵入物の近傍領域を限定して画像投射を遮断したり、安全確保上問題のない範囲で全体の画像又は部分的な画像を極力描画するように構成にすることが困難である（例えば、侵入が検出された場合に映写の進行が誤検出等で頻繁に中断される等。）。そして、高反射率の侵入物に対する誤動作の可能性が残る。

そこで、本発明は、高強度の光を用いた画像表示装置において、複雑な構成や制御を必要とせずに、安全性を高めることを課題とする。

本発明に係る画像表示装置は、上記した課題を解決するために、スクリーンへの光照射によって描画範囲に画像表示を行う場合に、該描画範囲に向かう照射光の通過領域への侵入に対する安全機構を備えたものであり、該描画範囲又は該描画範囲を含む領域に向けて非可視光の検出波を照射して侵入検出用パターンをスクリーン上に結像させるための光学系及びスクリーン上に結像される侵入検出用パターンからの戻り光を検出する受光系を設けて共焦点光学系を形成し、検出波の光量変化に基いて上記通過領域への侵入検出を行うように構成している。

また、本発明に係る画像表示装置の制御方法は、上記描画範囲又は該描画範囲を含む領域に向けて非可視光の検出波を光学系により照射して侵入検出用パターンをスクリーン上に結像させるとともに、該スクリーン上に結像された侵入検出用パターンの反射光として上記光学系を経て受光系に到達する戻り光を検出することにより、その光量変化に基いて上記通過領域への侵入の有無又は侵入状態を検出するものである。

従って、本発明では、共焦点光学系の性質、つまり、スクリーン上に侵入検出用パターン（線状又は点状パターン）が結像しているときにのみ受光系への戻り光が発生することを利用して、画像表示装置とスクリーンとの間に形成される空間（描画光の通過領域）への侵入検出を精度良く行うことができる。即ち、当該空間への侵入があった場合において受光系への戻り光量が減少することから、これを直ちに検出して安全上必要な措置（描画光の遮断や強度の低減等）を講じることができる。

本発明によれば、画像認識処理等を必要とせず、また、侵入物の高反射率や、画像の不明瞭、室内照明や外光の変化等の影響による誤動作や不要動作を低減することができる。そして、人体や物体の侵入を正確に判定することが可能であり、複雑な構成や制御を必要とせずに、安全性を高めることができる。

レーザ光源を用いて投影される１次元画像に対して、非可視光の侵入検出用パターンを該１次元画像の直上やその近傍又は１次元画像から一定の距離をもって離間した位置に結像させる構成を採用すると、描画像の生成に係る走査位置に即した侵入検出を行えるので、高い安全性を保証することができる。しかも、スクリーン及び描画装置に関する位置関係の精度や配置上の制約が少ない。

１次元画像の形成方向（ライン方向）に対して平行な直線状の侵入検出用パターンを該１次元画像とともに走査する構成形態を採用する場合に、１次元画像の走査方向において共焦点構成が得られ、また、複数の検出スポットから構成される侵入検出用パターンを形成して該１次元画像とともに走査する構成形態を採用する場合には、その走査方向及び該方向に直交する方向において共焦点構成が得られるので、検出感度の高い光学系を用いて精度良く検出を行える。例えば、スクリーン上での結像を妨げる原因（穴や傷等）に対して検出が可能である。

また、描画像の走査系と侵入検出用光の走査系として同一の光走査手段を用いると、それぞれが別個で同期した光走査手段を用いる形態よりも構成が簡素化されるので、部品点数やコスト低減に有利である。

描画光の通過領域に対する侵入が検出された場合に、画像表示用光源の出力を低減し又は遮断することにより、人体等への描画光の直射を防止して安全性を保証することができ、その光源出力を直接制御できるの迅速な対応が可能である。また、侵入検出時に、光変調素子を制御して描画光の強度を低減し又はゼロに規定する形態では、光源出力を制御する必要がなく、遮断や減光後の再開等が容易となる。

そして、人体等の侵入が検出された場合に、描画範囲全体又はその一部領域への照射光の強度を低減し又はゼロに規定することが可能である。つまり、描画範囲全体の遮断や減光を行う場合には、回路構成が簡単で安全性が高く、また、描画範囲の一部について遮断や減光を行う場合には、描画像の遮断又は減光範囲を必要最小限に抑えることができる。また、人体や侵入物の近傍領域（侵入検出位置を包囲する範囲等を含む。）を限定して画像投射を遮断したり、安全確保上問題のない範囲で部分的な画像の描画を行うことができる。

さらには、侵入検出用光に対して変調を加えるとともに、スクリーンからの戻り光の検出信号について検波を行うことによって、検出感度を向上させることができ、光量低下等に対して有効である。

本発明は、画像投射装置（例えば、レーザ光源を用いて投影される１次元画像をスクリーン上に結像させるとともに該１次元画像の走査により２次元画像を生成する装置等）のように、高強度の光源を用いた画像表示装置への適用において、光照射が人体等に及ぼす悪影響を未然に防止して安全性を保証することを目的とし、例えば、以下に示す事項を提供するものである。

・共焦点光学系を利用した描画範囲（描画光の照射範囲）への侵入検出装置及び方法
・人体等の侵入検出時における描画光の遮断や減光に関する構成及び方法
・侵入検出用の検出波（非可視光とされる検出用光）と画像の描画光との位置関係について工夫を凝らすことで、装置の応答速度、装置価格、描画走査方法等に対して柔軟に対応できるようにするための構成形態及び方法
・侵入検出感度を向上させるための構成形態（検出用光の変調及び受光信号の検波）。

本発明に係る画像表示装置は、その基本的構成において、スクリーンへの光照射によって描画範囲に画像表示を行うための光学系を備えている。例えば、スクリーンへのレーザ光照射によって画像表示を行うための光源や投射手段等を備えた装置（レーザディスプレイ装置等）では、光源から描画範囲に向かう照射光の通過領域への人体や物体の侵入に対して充分な安全対策を講じる必要がある。

人体等の侵入検出に関して、各種の検出波（音波等）を用いる方法が挙げられるが、検出用光を用いた光学系（以下、「侵入検出用光学系」という。）の場合、該光学系を描画表示用の光学系（以下、「描画光学系」という。）と独立させて別個に設けた形態では、装置構成が複雑化したり、調整や設定の作業が面倒であったり、また、侵入検出の正確性を高めることが難しくなるといった不都合を伴う。

そこで、本発明では、侵入検出に関して共焦点構成を採用し、スクリーンからの戻り光に基いて、描画光の照射範囲への侵入検出を行うことを基本とする。

尚、本発明の適用において、２次元画像の描画方式の如何は問わないので、例えば、下記に示す構成形態が挙げられる。

・画像変調素子（液晶表示素子等）による２次元画像（あるいは立体視用画像等）を投射光学系でスクリーン上に投影する描画光学系
・１次元像の投射及び走査（スキャニング）によりスクリーン上に２次元画像を生成する描画光学系。

図１は、本発明に係る画像表示装置の構成例を示したものであり、レーザ光源と１次元光変調素子を用いた画像投射装置（所謂プロジェクタ）への適用例について要部を示している。

画像表示装置１は、描画光学系や侵入検出用光学系を構成する各種光学要素と、それらの制御手段を備えている。

先ず、描画光学系について説明すると、当該光学系は、光源２及び駆動手段３、光変調素子４及びその駆動手段５、ミラー６、光走査手段７、投影系８を有する。

光源２は可視光の線状光源とされ、図には単色光源として簡略化して示しているが、実際のカラー画像表示では３原色の各々に対応した光源が設けられることは勿論である。

本例では、半導体レーザや固体レーザ等を用いたレーザ光源２ａや、光学部品２ｂ、２ｃ、２ｄが光軸上に配置されており、レーザビームがラインジェネレータ２ｂ、シリンドリカルレンズ２ｃ、２ｄの順に透過して１次元の線状ビームとなって光変調素子４に照射される。尚、レーザ光源２ａの出力は駆動手段３（光源ドライバ）によって制御される。

光変調素子４として１次元光変調素子が使用され、駆動手段５（変調器ドライバ）からの信号を受けて制御される（つまり、画像信号に基いて光源からの照射光を変調する。）。

本発明の適用において１次元光変調素子の如何は問わないが、例えば、米国シリコン・ライト・マシン（ＳＬＭ）社が開発したグレーティング・ライト・バルブ（Grating Light Valve）素子を用いることができる。この素子は反射型回折格子を用いて構成され、メンブレンと称する複数の可動リボンが所定間隔をもって配置され、該可動リボンの間に固定リボンが配置されている。そして、共通電極と可動リボンとの間に適切な電圧を印加することによって可動リボンが移動し、入射光に対する回折格子が構成される。つまり、この状態（所謂ピクセルオン時）では１次回折光が発生し、また、可動リボンを動かさない状態（所謂ピクセルオフ時）では１次回折光が発生しない（入射光に対する正反射のみである。）。特定の回折光を利用する構成により、高い回折効率をもって画像を表示することができる（尚、高階調の画像表示にはブレーズ型素子が好ましい。）。

このような１次元光変調素子を用いて変調された光を、シュリーレンフィルター（図示せず）等の空間フィルターに通して１次回折光を選別し、ミラー６を経て光走査手段７に照射する。尚、本例に示すミラー６は可視光を透過し、赤外線を反射させる性質をもっているので、描画光（可視光）だけがミラー６を透過して光走査手段７に到達する。

光走査手段７には回転反射鏡が用いられ、その反射光は投影系８（簡略化のため、図にはプロジェクションレンズだけを単レンズで示す。）を通して前方のスクリーン「ＳＣＮ」に向けて照射される。走査方法については、ガルバノミラーやポリゴンミラー等を用いる形態が挙げられ、本例では、ガルバノミラー７ａとその駆動手段７ｂを用いている。

レーザ光による１次元像は、光走査及び投影によってスクリーン上で２次元像に展開されて映し出される。つまり、図１のスクリーンＳＣＮ上に縦線「ＶＬ」で示す描画ラインがこれに直交する走査方向（矢印「ＳＳ」参照）に移動することで２次元の表示画像が生成されることになる。

尚、本例では、光走査手段７とスクリーンＳＣＮとの間に投影系８を配置した形態を示すが、これに限らず光走査手段と投影系の位置関係を逆転させる等、光学要素の変更に関して各種形態での実施が可能である。

次に、侵入検出用光学系について説明する。

侵入検出用光学系は、検出用光源９による検出用光をスクリーンＳＣＮ上に結像させるとともに、スクリーンＳＣＮからの戻り光を検出するための構成を有する。

検出用光源９による検出用光の波長については、描画光への影響を考慮した場合に非可視光（赤外光や紫外光等）とし、例えば、近赤外線や赤外光の使用が好ましい。そして、光源の種類ついては、空間コヒーレンスの必要性を考慮した場合に、例えば、線状光源として、半導体レーザ及びライン生成（ジェネレーティング）レンズを用いる形態や、複数のエミッタ（放射源）をもつマルチエミッタ半導体レーザあるいはワイドストライプ半導体レーザ等を用いる形態が好ましいが、必要に応じて各種の光源（線状フィラメント、放電ランプ等）を用いることも可能である。尚、検出用光については非可視光であってそのパワーも検出に必要な充分に低いレベルとされ、人体への影響がないことは勿論である。

図示の例では検出用光源９が赤外線の線状光源であり、半導体レーザ等を用いた赤外光源９ａが配置され、光学部品９ｂ乃至９ｄ、スリット９ｅが同一の光軸上に位置されている。尚、赤外光源９ａに近い方から順にラインジェネレータ（レンズ）９ｂ、シリンドリカルレンズ９ｃ、シリンドリカルレンズ９ｄ、スリット９ｅが配置されている。

検出用光源９とミラー６との間には、分離手段１０と１／４波長板（λ／４板）１１が配置されており、本例では、スクリーンＳＣＮからの戻り光を分離するための分離手段１０として偏光分離ミラー（ＰＢＳ：偏光ビームスプリッタ）が用いられている。

検出用光源９から分離手段１０と１／４波長板１１を透過した光（往路赤外光）は、ミラー６で反射された後、光走査手段７を経て投影系８からスクリーンＳＣＮに向けて照射される。

このように、検出用光（非可視光検出波）をスクリーンＳＣＮの描画範囲又は該描画範囲を含む領域に向けて照射し、侵入検出用パターンをスクリーンＳＣＮ上に結像させるために、本例では、検出用光源９、光学部品（１０、１１、６）、光走査手段７、投影系８を含む光学系（投射系）を用いている。この光学系によってスクリーン上の１次元画像の直上やその近傍又は一定距離をおいた位置に侵入検出用パターン（例えば、線状パターン、又は点像の走査により形成される検出スポット列等）を結像させることができ、該パターンは１次元画像とともに走査される。

例えば、図１のスクリーンＳＣＮ上に示す縦線ＶＬに沿って線状の侵入検出用パターンが１次元画像とともに投射され、走査方向ＳＳに沿って移動する（尚、１次元画像に対する侵入検出用パターンの位置関係については後で詳述する。）。１次元画像に係る走査系と侵入検出用パターンに係る走査系について同一の光走査手段７を用いると、それぞれが別個で同期した光走査手段を用いる形態よりも構成が簡素化されるので、部品点数やコストの低減に有利である。

スクリーンＳＣＮ上で反射された検出用光は、往路とは逆の経路を辿って分離手段１０に到達してから検出手段１２により検出される。つまり、検出用光（復路赤外光）は、投影系８、光走査手段７を経てミラー６で反射されてから、１／４波長板１１を透過した後、分離手段１０で反射されて検出手段１２に到達する。

検出手段１２には、例えば、ラインディテクタや点状検出素子を１次元的（線状）に配列させて構成した検出手段が用いられる。スリットとディテクタを組み合せた形態や、ライン状撮像素子（ＣＣＤ型、ＣＭＯＳ型等）、ラインセンサ（ライン状受光素子）を用いる形態等が挙げられる。また、本例では、検出用光源９と検出手段１２とを各別に構成しているが、両者や上記光学素子を集積化してパッケージ化した光集積型デバイスを用いると、小型化や高精度化等の面で有利となる。

図２は光学系の概要を示した平面図である。尚、検出用光の検出手段１２に関して共焦点構成であることを明らかにするために（ライン状照明の場合、図１のような斜め側方からみた図だけでは必ずしも共焦点構成であることを把握できない。）、スクリーン面の法線方向及び走査方向を含む面に対して直交する方向（あるいは光軸を含む平面に直交する方向）からみた場合の構成例を示す。

描画光学系において、レーザ光源２ａを図に丸印で簡略的に示しており、光学部品（２ｂ乃至２ｄ）については単レンズで簡略化して図示している。これらは光変調素子４に対する線状照明光源を構成する。

また、侵入検出用光学系において、検出用光源９を構成するスリット９ｅ（スリットの形成方向が紙面に垂直な方向に延びている。）以外の要素（上記９ａ乃至９ｄ）を、図に四角形で簡略化して示しており、これらにより侵入検出用の線状赤外光源が構成される。そして、検出手段１２は、スリット１２ａ（スリットの形成方向が紙面に垂直な方向に延びている。）及び図に丸印で簡略化して示す光検出器１２ｂを用いて構成されている。

そして、スクリーンＳＣＮ上に結像される侵入検出用パターンからの戻り光を検出する受光系については、スクリーンで反射された戻り光が検出手段１２で検出される。つまり、スクリーンからの反射光は、投影系８、光走査手段７、ミラー６を経て、１／４波長板１１を透過するが、往復で生じる半波長分の位相差に応じて偏光状態が変るため、分離手段１０で分離される戻り光が反射後にスリット１２ａを通過して光検出器１２ｂに到達する。

このように、１次元型光変調素子を用いて１次元画像を形成し、これを光走査して２次元画像を形成する投射型の装置形態において、時々刻々とスクリーン上に結像する１次元画像の直上又は近傍等に、非可視光の検出用パターンを結像させる。該パターンに関して共焦点構成を実現する位置に検出手段１２を配置した受光系を用いることにより、共焦点光学系の性質、即ち、スクリーン上に検出用パターンが結像しているときのみ受光系への光の戻りが発生することを利用して、描画光の通過領域への侵入検出を精度良く行うことができる。尚、共焦点構成では光検出器１２ｂに入ることの出来る光がこれと共焦点関係となる位置（スクリーンの位置）にある光だけとなる。このため、人体や侵入物が高反射率の場合であっても、それらは常にスクリーンより手前（装置側）に位置するため、受光系で検出される戻り光は大幅に減少する。よって、人体や侵入物の反射率等に左右されることなく正確な侵入検出が可能となる。

検出用光と描画光との分離方法に関して本例ではミラー６において、赤外線を反射しかつ可視光を透過する特性を有するものとしたが、これに限らず、赤外線を透過しかつ可視光を反射するミラーを用いる構成形態も勿論可能である（但し、この場合には、描画用可視光源による線状ビームが１次元光変調素子に照射された後に、ミラーで反射された光が光走査手段に照射され、他方、侵入検出用赤外光源による線状ビームが分離手段や１／４波長板を透過した後、該ミラーを透過した光が、光走査手段に照射されるように光学系を設計する必要がある。）。

次に、侵入検出用光学系による人体や侵入物の検出について、図３を用いて説明する。

図３では、投影系８及び光走査手段７、スクリーンＳＣＮに対する異物（図には円形物体「Ａ」で示す。）の位置関係を概略的に示すとともに、その下方には、異物の侵入が検出される場合において、光走査方向における検出手段１２の検出信号「ＤＳ１」についてレベル変化を示したグラフ図を配置している（横軸に示すスキャン方向は、表示画面の横方向あるいは時間経過方向に対応する。）。

光走査手段７によって図の太矢印「ＳＳ」で示す方向に沿って描画光及び検出用光が走査され、スクリーンＳＣＮ上に結像した状態では、ＤＳ１のレベルが一定しているが、異物によって検出用光が遮られると、ＤＳ１のレベルが急激に低下する。つまり、スクリーンへの描画光の通過領域内に異物が存在し、スクリーン上に検出用光が結像しなくなると、受光系への戻り光がなくなり、図中に「Ｔ１」で示す範囲において、ＤＳ１のレベルがほぼゼロに低下する。

従って、検出手段１２の検出信号ＤＳ１のレベルが予め決められた閾値以下となったこと、あるいは該検出信号のレベルが許容範囲を逸脱していることから異物等の侵入について判定することができる。

本例では、ＤＳ１に対して、破線で示す閾値「Ｓｈ１」が事前に規定されていて、例えば、「ＤＳ１≦Ｓｈ１」と判断された場合に、人体や侵入物等の存在及びその位置が検出される。

図４は光走査方向に直交する方向における侵入検出について例示したものであり、画像投射方向に沿う方向からみたスクリーンＳＣＮと異物（図には円形物体「Ａ」で示す。）の位置関係を概略的に示すとともに、その右方には、異物の侵入が検出される場合において、縦線ＶＬに平行な方向における検出手段１２の検出信号「ＤＳ２」についてレベル変化を示したグラフ図を配置している（縦方向に延びる軸は、画面の縦方向における検出用光の検出位置（線状ビームの受光位置）を表し、該軸の方向は表示画面の縦方向に対応する。）。

光走査手段７によって図の太矢印「ＳＳ」で示す方向に沿って描画光及び検出用光が走査され、スクリーンＳＣＮ上に結像した状態では、ＤＳ２のレベルが一定しているが、異物によって検出用光が遮られる位置ではＤＳ２のレベルが急激に低下する。つまり、スクリーンへの描画光の通過領域内に異物が存在し、スクリーン上に検出用光が結像しなくなる場所では、受光系への戻り光がなくなり、図中に「Ｔ２」で示す範囲において、ＤＳ２のレベルがほぼゼロに低下する。

従って、検出手段１２の検出信号ＤＳ２のレベルが予め決められた閾値以下となったこと、あるいは該検出信号のレベルが許容範囲を逸脱していることから異物等の侵入について判定することができる。

本例では、ＤＳ２に対して、破線で示す閾値「Ｓｈ２」（例えば、「Ｓｈ２＝Ｓｈ１」）が事前に規定されていて、「ＤＳ２≦Ｓｈ２」と判断された場合に、人体や侵入物等の存在及びその位置が検出される。

以上のように、投影系とスクリーンとの間に形成される空間（描画光の通過領域）への人体等の侵入があった場合には、受光系への戻り光の検出量が低下することから、これを検出して描画光の照射を遮断し又は光強度を低減する。即ち、描画光の遮断又は照射強度の低減により、事故（眼底への照射等）を未然に防止することができる。

尚、光量低下時の侵入検出において誤検出等の発生が問題となる場合があるので、そのような場合には、戻り光の検出信号に含まれる特定の周波数成分を分離してそのレベル検出を行うことが好ましい。つまり、信号分離方法としては、特定周波数の信号重畳によって検出用光を変調するとともに、戻り光の検波により特定周波数成分を抽出すれば良い。

図１に示す例では、侵入検出用パターンに関して変調を加えるとともに、検出手段１２による戻り光の検出信号を検波する構成形態を採用することで検出感度の向上を図っている。

制御部１３は、図中に交流源の記号で示す変調駆動部１４と、検波部１５、判断部１６を備えており、判断部１６の処理は、例えば、コンピュータ等の計算手段を用いて行われる。

変調駆動部１４から発生される所定周波数の駆動信号が検出用光源９の赤外光源９ａ又は該光源の駆動回路に供給され、これにより検出用光が変調される。また、変調駆動部１４から検波部１５に対して上記と同じ周波数の信号が送出される。

検出手段１２によって得られる受光信号は電気信号に変換された後に検波部１５に送られて検波が行われ、変調周波数成分の検出信号（上記ＤＳ１、ＤＳ２に相当する。）が判断部１６に送られる。そして、例えば、上記のように閾値との比較判断が行われ、比較結果に応じた制御信号が判断部１６から光源２の駆動手段３や光変調素子４の駆動手段５に対して送出される。

スクリーンへの画像投射中に人体等の侵入が検出された場合に、描画光の遮断や照射強度の低減を行うための構成には、例えば、下記の形態が挙げられる。

（１）光源出力の制御
（２）光変調素子の駆動制御
（３）（１）及び（２）の併用。

先ず、上記形態（１）では、描画範囲への画像表示用光源（図１の例ではレーザ光源２ａ）の出力を低減するか又は遮断することにより、人体や侵入物に対して描画光が悪影響を及ぼさないようにする。例えば、図１において、判断部１６から駆動手段３（本例では光源ドライバ）に対して制御信号を送出することにより、人体等の侵入時にレーザ光源２ａの出力を安全なレベルまで低下させるか又は出力をゼロにする。

また、上記形態（２）では、人体等の侵入時に、光変調素子を制御することで描画光の強度を低減するか又はゼロにする。例えば、図１において判断部１６から駆動手段５（本例では変調器ドライバ）に対して制御信号を送出することにより、人体等の侵入時に光変調素子４の出力光の強度を安全なレベルまで低下させるか又はゼロにする（ＧＬＶ素子ではピクセルオフ状態にする等）。

上記形態（３）は、（１）と（２）を併用することで、さらに安全性を高めることが可能であり、いずれか一方が機能しなくなった場合等の事態に対応できる。

次に、人体等の侵入検出時に描画光を遮断する場合の形態について説明する。

図５は投影系８及び光走査手段７、スクリーンＳＣＮに対する異物（干渉物）の位置関係を示したものであり、「Ａ」で示す異物については円柱状に簡略化して示している。

スクリーン上の描画範囲に向かう照射光の通過領域に対して、人体や物体が侵入した場合の安全機構については、描画光の遮断や強度低減を一律に行う形態と、侵入の状態に応じて制御状態を変更する形態がある。また、描画範囲全体について描画光の強度を低減し又はゼロに規定する形態と、描画範囲の一部領域について描画光の強度を低減し又はゼロに規定する形態が挙げられる。

図６乃至図１０は、各種遮光モード（光の遮断や減光を含む。）について説明するための図であり、梨地部分がスクリーン上での遮断（又は減光）領域を示し、破線円「ＡＣ」が異物（干渉物）の検出範囲（外形）を表している。

・全画面遮光モード（図６参照）
・ライン状領域遮光モード（図７参照）
・陰影遮光モード（図８、図９参照）
・範囲拡大遮光モード（図１０参照）
・各種モードの組み合せ。

先ず、全画面遮光モードでは、図６に示すように、スクリーンＳＣＮへの照射光を完全に遮断するか、あるいは画面全体（フルフレーム）の表示を暗くすることによって充分な安全対策を講じることができる。検出用光の検出手段として、ラインセンサ等を必要としないので（１次元像の識別は不要である。）、例えば、スリットと単一のフォトディテクタを用いた構成等、簡易な回路構成の採用が可能である。また、検出手段を構成するセンサの応答時間が速くなくても１フレーム時間未満であれば安全性向上の効果が充分確保され、予備安全性が高い等の特徴を有する。

また、ライン状領域遮光モードは、描画範囲の一部分に向かう照射光を遮断し又はその強度を低下させるモードであり、人体等の侵入が検出された瞬間だけ描画光源の出力を遮断又は減光したり、あるいは光変調素子に対して全画素への照射光を遮断又は減光させるための指令を所定時間に亘って駆動手段５に出せば良い。

例えば、図７に示すように、破線円「ＡＣ」の幅を含んでスクリーンの縦方向に延びる縦ライン状領域だけが遮断又は減光の対象領域とされ、それ以外の領域については描画光の照射が継続される。検出用光の検出手段として、ラインセンサ等を必要としないので、簡易な回路構成の採用が可能である。また画像の部分的な遮断や減光により、画像表示の全面停止状態を免れることができる。

陰影遮光モードは、異物の検出範囲だけを対象として当該範囲への照射光を遮断し又はその強度を低下させるモードである。つまり、検出用光を用いて検出される異物が存在する領域はスクリーン上の影となって現出するので、例えば、図８に示すように、破線円「ＡＣ」を含む限定された領域だけが遮断又は減光の対象領域とされる。検出用光の検出手段としてラインセンサ等が必要になるが、人体や物体に対して光照射を回避したい空間領域（立体角）のみについて光強度を制限することができ、描画像の遮断や減光の範囲を必要最小限に抑えることができる。

また、当該領域を光走査（スキャン）の方向に残存させる形態（残像型、つまり、異物等の検出範囲の陰影を、光走査方向において残像として一定時間を維持する形態）では、図９に示すように、破線円「ＡＣ」を含む限定領域が、矢印「ＳＳ」で示す方向（スキャン方向）にシフトする。つまり、破線円「ＡＣ」を含む領域と、該領域に対して予め指定された遅延時間分に相当する領域が遮断や減光の対象領域とされ、時間経過に伴いスキャン方向に該領域が拡がることになる。これにより、さらに範囲を広げて照射制限を行えるので、安全性を高めることが可能である。

範囲拡大遮光モードは、異物の検出範囲に対応する遮光範囲を次第に拡大させて、当該範囲への照射光を遮断し又はその強度を低下させるモードである。例えば、図１０に示すように、異物が最初に検出された時点の画像（フレーム）では、破線円「ＡＣ」を含む限定された領域だけが遮断又は減光の対象領域とされる（最初のフレームでは陰影遮光モードと同じである。）が、画像フレームが進むにつれて当該領域が外方に拡大されていくので、対象範囲が時間経過につれて拡がっていく。このように、画像フレーム（や検出フレーム）の進行に応じて、検出対象の範囲に応じた遮光範囲を拡大させることで照射制限をかけられるので、例えば、検出対象である人体や物体の境界が不明瞭な場合等において検出精度に頼らずに空間的に余裕をもって描画光の遮断や遮光を行える。尚、上記残像型については、広義の範囲拡大遮光モードに含まれると解釈することも可能である（つまり、遮光範囲を放射方向に拡大させるのではなく、一定方向（スキャン方向）に拡大させるモードと考えれば良い。）。

範囲拡大遮光モードからの復帰時には、安全性の確認を条件として元の描画モードに戻すか、あるいは、異物の検出範囲に対応する遮光範囲を次第に縮小させる範囲縮小モード等を経た上で元の描画モードに戻すことができる。

そして、上記各モードについては、それぞれ単独に採用する形態が勿論可能であるが、このような各種モードの組み合せを用いる形態では、人体等の侵入の有無だけでなく、侵入状況に応じた詳細な安全対策を講じることができる。例えば、人体や物体の検出数が多い場合には安全性を優先して全画面遮光モードを現出させ、また、検出数や検出面積等を考慮して安全性に支障を来さない範囲で、ライン状領域遮光モード、陰影遮光モード、範囲拡大遮光モード等を使い分けることができる。

次に、検出用光（非可視光）による侵入検出用パターンと描画ライン（可視光）との位置関係について、図１１乃至図１４を用いて説明する。

１次元型光変調素子を用いて１次元画像を形成し、これを光走査によってスクリーン上に２次元画像として展開して表示する投射型構成においては、スクリーンに結像する１次元画像に対して、下記のように、検出用光を線状像又はスポット状に結像させて光走査を行う形態が挙げられる。

・ライン隣接型（図１１参照）
・検出ライン先行型（図１２参照）
・双方向検出ライン型（図１３参照）
・検出スポット型（図１４参照）。

尚、図１１乃至図１３において、「Ｒ」（赤）、「Ｇ」（緑）、「Ｂ」（青）で示す各縦ラインは原色の描画ライン（可視光ライン）をそれぞれ示している。各描画ラインを重ねて合わせて表示する形態と、安全性の確保を考慮して各描画ラインをややずらして表示する形態が挙げられるが、いずれの形態でも侵入検出用パターンが描画ラインに対して走査方向に先行していることが必要である。

先ず、ライン隣接型の形態では、図１１に示すように、検出用光（非可視光）の検出ラインが「ＤＬ」で示す縦ラインとされ、該ラインが描画ラインに隣接した配置とされて走査が行われる。そして、矢印「ＳＳ１」で示す方向（スキャン方向）に沿って、検出ラインを含む縦ラインが走査されてスクリーン上に２次元像が形成される（検出ラインは不可視である。）。尚、検出ラインＤＬはスキャン方向の端（右端部）において描画ラインと隣接している。

本例では、一方向性スキャン方式とされ、表示画面の左端縁が走査開始位置とされ、右端縁が走査終了位置とされる。つまり、左端縁から光走査が開始されて図の右方に縦ラインが走査された後、右端縁に達すると再び左端縁に戻って光走査が繰り返される（フライバック有り）。

検出手段１２を構成するラインセンサ等の検出結果を、即時に描画像の遮断や減光の制御に反映させることが可能であり、上記陰影遮光モード等への適用に有効である。

検出ライン先行型の形態では、図１２に示すように、描画ラインからスキャン方向（矢印ＳＳ１参照。）に一定の距離「ｄ」をもって離れた位置に検出ラインＤＬが配置される。つまり、可視光ラインよりも先行して検出ラインＤＬが走査されるので、該ラインを用いて人体等の侵入が検出された時点から距離「ｄ」に相当する遅延時間が経過するまでの間に描画ラインの遮断や減光等の安全対策を講じることができる。

尚、本例でも一方向性スキャン方式が採用されている。

検出ライン先行型では、走査方向において検出用光を描画光よりも先行させることで侵入検出の処理に必要な時間を充分に確保することができる。

双方向検出ライン型の形態では、双方向性スキャン方式が採用され、表示画面の左端縁及び右端縁が走査開始位置及び走査終了位置とされる。例えば、左端縁から光走査が開始されて、図１３の矢印ＳＳ１に示す方向に縦ラインが走査された後、右端縁に達すると、図１３の矢印ＳＳ２に示す反対方向に沿って光走査が行われる。そして、元の左端縁に達すると、左端縁から再び矢印ＳＳ１方向に光走査を開始するという動作が繰り返される（フライバック無し）。

本形態では、画面左右端への到達によってスキャン方向が反転するので、各方向に応じた検出ラインＤＬ１、ＤＬ２が用いられる。つまり、検出ラインＤＬ１がＳＳ１方向における侵入検出用とされ、検出ラインＤＬ２がＳＳ２方向における侵入検出用とされる。

この場合、描画ラインに対してＤＬ１、ＤＬ２を隣接させた配置とする形態と、ＤＬ１、ＤＬ２を描画ラインから離間させることで各スキャン方向において検出ラインをそれぞれ先行させて走査する形態が挙げられる。図１３は後者を例示しており、双方向に描画光を走査する場合において上記検出ライン先行型と同等の機能を実現できる。

尚、図１１乃至図１３の例では、線状の検出用パターン（検出ライン）を用いており、走査方向において共焦点構成が得られるが、走査方向に直交する方向（図の縦方向）においても共焦点構成が得られるようにするには、複数の検出スポットを縦方向に配列させた検出用パターンを用いることによって、より被写界深度の浅い、即ち、検出感度の高い光学系を構成することが可能となる。

検出スポット型の形態では、検出ラインの代わりにライン状に配列される複数の検出スポット（図１４の「ＳＰ」参照）を用いて侵入検出が行われる。

例えば、図１４に示すように、検出用光（非可視光）による検出スポットＳＰ、ＳＰ、…が縦ライン上に所定の間隔をもって配列されており、これらの検出スポットが描画ラインの近傍に配置されている。そして、矢印「ＳＳ１」で示す方向（スキャン方向）に沿って、検出スポット列及び描画ラインが走査されてスクリーン上に２次元像が形成される（検出スポットは不可視である。）。

一方向性スキャン方式の場合において、上記と同様、検出スポット列を描画ラインに近接させる形態と、検出スポット列を描画ラインから離間させる先行型の形態が挙げられる。また、双方向性スキャン方式への適用においては、スキャン方向毎の検出スポット列を用いることができ、描画ラインを挟んで各検出スポット列を反対側に配置させれば良い（描画ラインに対して検出スポット列を近接させる形態と、描画ラインに対して検出スポット列を離間させる先行型の形態が挙げられる。）。

検出スポット列を、非可視光の点像の走査によって形成する構成形態では、点像の走査位置と、検出手段における検出位置又は複数の検出器を用いる場合において該当する検出器の選択とを１対１に対応させるための同期制御が必要である。

図１５は検出スポット型を例示した説明図であり、スクリーン上で縦横に亘って検出スポットが配置される様子を示している。光走査を行わずに２次元光変調素子を用いた適用形態等において、侵入検出範囲に格子状配置で検出スポットを網羅したい場合に有効である。また、光走査光学系との組み合わせの必要がなく、侵入検出用光学系を独立に構成することができる。

以上のように、侵入検出用として直線状のパターン又は検出スポット群を用いるとともに、共焦点光学系では、スクリーン上に上記検出ラインや検出スポットが結像している場合にのみ受光系への戻り光が得られることを利用して、該検出ラインや検出スポットを遮る人体や物体の存在及び位置を迅速かつ高精度に検出することが可能となる。

上記に説明した構成によれば、下記に示す各種の利点が得られる。

・スクリーンと画像表示装置本体との位置関係を柔軟に設定することが可能であること
・侵入物の反射率等による侵入検出への影響が少ないこと
・侵入検出に関して室内照明や、外部光の変化等の影響を受けないこと
・高反射率の干渉物体や反射体の検出、スクリーン移動等の検出が可能であること
・スクリーン上での遮断又は減光領域の極小化が可能であり、干渉物等を含む限定領域に対して画像を遮断し又は減光を行えること
・描画光学系（可視光学系）との併用により、簡素な光学系を用いて安価な安全装置を実現できること
・侵入検出のための画像処理等、高度な演算処理が不要であること
・検出用光に変調をかけてスクリーンからの戻り光を検波することにより、微弱光でも検出でき、感度向上に寄与すること。

本発明に係る画像表示装置の構成例を示す図である。 図１の光学系に係る説明図である。 光走査方向における侵入検出について説明するための図である。 光走査方向に直交する方向における侵入検出について説明するための図である。 投影系及び光走査手段、スクリーンに対する異物（干渉物）の位置関係を示す概略図である。 図７乃至図１０とともに、各種遮光モードについて説明するための図であり、本図は全画面遮光モードの説明図である。 ライン状領域遮光モードの説明図である。 陰影遮光モードの説明図である。 残像型（陰影遮光モード）の説明図である。 範囲拡大遮光モードの説明図である。 図１２乃至図１４とともに、侵入検出用パターンと描画ラインとの位置関係について説明するための図であり、本図はライン隣接型の説明図である。 検出ライン先行型の説明図である。 双方向検出ライン型の説明図である。 検出スポット型の説明図である。 検出スポット型の別例を示す説明図である。

符号の説明

１…画像表示装置、２ａ…レーザ光源、４…光変調素子、７…光走査手段、１２…検出手段

Claims (13)

1. スクリーンへの光照射によって描画範囲に画像表示を行うとともに、該描画範囲に向かう照射光の通過領域への侵入に対する安全機構を備えた画像表示装置において、
   上記描画範囲又は該描画範囲を含む領域に向けて非可視光の検出波を照射して侵入検出用パターンを上記スクリーン上に結像させるための光学系及び上記スクリーン上に結像される侵入検出用パターンからの戻り光を検出する受光系を設けて共焦点光学系を構成し、上記検出波の光量変化に基いて上記通過領域への侵入検出を行う
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１に記載した画像表示装置において、
   レーザ光源を用いて投影される１次元画像をスクリーン上に結像させるとともに該１次元画像の走査により２次元画像を生成すること、
   そして、非可視光の検出波に係る上記光学系によって上記１次元画像の直上若しくは近傍又は一定の距離をもって離間した位置に上記侵入検出用パターンを結像させる
   ことを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項２に記載した画像表示装置において、
   非可視光の検出波に係る上記光学系によって、直線状の侵入検出用パターン又は直線上に配置される複数の検出スポットから構成される侵入検出用パターンを形成して、上記１次元画像とともに走査する
   ことを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項３に記載した画像表示装置において、
   上記１次元画像に係る走査系と上記侵入検出用パターンに係る走査系に、同一の光走査手段を用いた
   ことを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１に記載した画像表示装置において、
   上記受光系を構成する検出手段によって上記通過領域への侵入が検出された場合に、上記描画範囲への画像表示用光源の出力を低減し又は遮断する
   ことを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項１に記載した画像表示装置において、
   上記描画範囲への描画光を出力する画像表示用光源及び該光源からの光を画像信号に基いて変調する光変調素子を備え、
   上記受光系を構成する検出手段によって上記通過領域への侵入が検出された場合に、上記光変調素子を制御して上記描画光の強度を低減し又はゼロにする
   ことを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項５に記載した画像表示装置において、
   上記描画範囲への侵入が検出された場合に、上記描画範囲全体又はその一部領域への照射光の強度を低減し又はゼロに規定する
   ことを特徴とする画像表示装置。
8. 請求項６に記載した画像表示装置において、
   上記描画範囲への侵入が検出された場合に、上記描画範囲全体又はその一部領域への照射光の強度を低減し又はゼロに規定する
   ことを特徴とする画像表示装置。
9. 請求項１に記載した画像表示装置において、
   上記検出波に対して変調を加えるとともに、上記受光系を構成する検出手段による検出波信号を検波する
   ことを特徴とする画像表示装置。
10. スクリーンへの光照射によって描画範囲に画像表示を行うとともに、該描画範囲に向かう照射光の通過領域への侵入を検出して照射光の強度を制御する、画像表示装置の制御方法において、
    上記描画範囲又は該描画範囲を含む領域に向けて非可視光の検出波を光学系により照射して侵入検出用パターンを上記スクリーン上に結像させるとともに、上記スクリーン上に結像された侵入検出用パターンの反射光として上記光学系を経て受光系に到達する戻り光を検出することにより、その光量変化に基いて上記通過領域への侵入の有無又は侵入状態を検出する
    ことを特徴とする画像表示装置の制御方法。
11. 請求項１０に記載した画像表示装置の制御方法において、
    レーザ光源を用いて投影される１次元画像を上記スクリーン上に結像させて所定方向に走査することにより２次元画像を生成するとともに、
    上記１次元画像の直上若しくは近傍又は一定の距離をもって離間した位置に上記侵入検出用パターンを結像させる
    ことを特徴とする画像表示装置の制御方法。
12. 請求項１０に記載した画像表示装置の制御方法において、
    上記検出波に係る検出信号レベルが予め決められた閾値以下であるか否か又は許容範囲外であるか否かを判定することで、上記通過領域に対する侵入及び位置を検出し、その検出結果に応じて上記描画範囲への描画光の強度を低減し又はゼロとすべき描画光の遮光範囲を規定する
    ことを特徴とする画像表示装置の制御方法。
13. 請求項１２に記載した画像表示装置の制御方法において、
    上記通過領域への侵入が検出された場合に、上記遮光範囲を上記描画範囲全体とするか又は侵入検出位置を包囲する範囲とする
    ことを特徴とする画像表示装置の制御方法。

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