JP2016218181A - レーザ光を用いた投射装置及び該投射装置を用いたヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】スペックルノイズを低減し、且つ、高品質な画像を表示することができるレーザ光を用いた投射装置を提供する。
【解決手段】レーザ光を用いた投射装置１０は、波長の異なる複数のレーザ光を所定の偏光方向で発生する光源部１００と、複数のレーザ光を合成する合成光学部２００と、複数のレーザ光から投射画像を形成する画像形成部３００と、合成光学部２００から出射した複数のレーザ光の偏光状態を変化させる液晶素子４００と、を備える。該投射装置１０においては、液晶素子４００は一対の基板の間に液晶層を有し、液晶素子４００は複数のレーザ光の透過領域において単一の偏光状態を生成し、偏光状態は１つの投射画像の形成中に変化し、液晶層の液晶分子は一対の基板の間で螺旋構造を有しており、液晶分子の螺旋ピッチと液晶層の屈折率異方性との積が２５００ｎｍ以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を用いた投射装置及び該投射装置を用いたヘッドアップディスプレイに関する。

近年、小型で高効率なレーザ光を光源として用いた投射装置が開発されている。レーザ光は輝度が高く色再現性に優れており、広画角化、低消費電力化、高コントラスト化が可能なことから、投射装置としてヘッドマウントディスプレイやヘッドアップディスプレイ等への適用も進んでいる。

レーザ光はコヒーレンス性が高いので、投射装置で投射した面（投射面）の凹凸によりレーザ光が散乱されると、散乱光同士が干渉し、投射面に表示させた画像（表示画像）に明暗の斑点模様であるスペックルノイズが現れることがある。スペックルノイズにより表示画像の品質は著しく損なわれる。スペックルノイズは、レーザ光源を用いた投射装置特有の問題であり、従来より種々の解決の試みが行われてきた。

特許文献１には、レーザ光源から出射されたレーザ光の空間的な偏光分布を変換する偏光分布変換手段を備えた画像表示装置が開示されている。この偏光分布手段は、空間光変調器の隣接する画素に入射されるレーザ光の偏光方向が互いに直交するように偏光分布を変換する。偏光分布が変換された後のレーザ光は空間光変調器に入射され、空間光変調器で変調されたレーザ光がスクリーンに照射されて画像を表示する。スクリーンに表示された画像の中で、空間光変調器の隣接する画素に対応した領域に照射されたレーザ光は、その偏光方向が互いに直交しているため干渉が生じず、その結果スペックルノイズも生じない。よって、スペックルノイズの発生が大幅に抑制された高品質な画像を表示することができる。

特許文献２においては、レーザ光源から出射されたレーザ光の偏光状態を時間的に変化させる偏光制御ユニットを備え、画像を投射する表示光学系が開示されている。偏光制御ユニットは、１／２波長板をモータで回転させて偏光状態を時間的に変化させるよう構成されている。該表示光学系においては、レーザ光の偏光状態が時間的に変化するので、スクリーン上には異なるスペックルノイズが発生した複数の画像が順次表示される。例えばフレームレート６０Ｈｚで各画像が表示される場合には、スペックルノイズの発生する画像も１／６０秒毎に切り替わる。これは人間の眼の残像時間よりも速いので、眼の残像効果により各フレームで発生したスペックルノイズが平滑化されて認識される。これにより表示画像におけるスペックルノイズを低減する。

特許文献３においては、レーザ光源から出射されたレーザ光の偏光状態を切り替える偏光状態変調部を備えた投射型画像表示装置が開示されている。偏光状態変調部は複数の特定偏光状態を所定の順番に従って映像信号のフレーム単位で順次切り替える。偏光状態変調部には液晶セル（液晶素子）を用いており、液晶セルに印加する交流電圧の大きさをフレーム単位で変えることで特定偏光状態を切り替えている。スペックルノイズの発生個所はレーザ光の偏光状態によって変化するので、該画像表示装置においては、異なる箇所にスペックルノイズが発生した画像がフレーム単位で順次スクリーン上に表示される。これにより、表示画像におけるスペックルノイズを低減する。

特許文献４においては、レーザ光源から出射されたレーザ光を２次元的に走査して１フレームの画像を形成し各フレームの描画の間にブランキング期間を有してスクリーン上に投射画像を表示するレーザ投射装置が開示されている。該レーザ投射装置は、レーザ光源から出射される光の偏光状態をブランキング期間中に変更する偏光変換部を備えている。偏光変換部は駆動制御装置と液晶素子を備えており、液晶素子に印加する交流電圧のオンとオフの切り替えをブランキング期間中に行うことでフレーム単位での偏光状態を切り替えている。このような駆動制御装置を備えることにより、フレーム単位では偏光状態が変化するものの各フレームの描画中には偏光状態が変化しないので、スペックルノイズを低減できると共に１フレーム内での輝度の変化がない良好な画像を投射することができる。

特開２００２−０６２５８２号公報 特開２００６−０４７４２２号公報 国際公開第２０１０／１１６８３８号 国際公開第２０１１／０３７０３９号

特許文献１においては、空間光変調器の隣接する画素に入射されるレーザ光の偏光方向が互いに直交するように偏光分布を変換しているものの、各画素の偏光方向は時間の経過によっては変化せず、また、1つおきの画素又は斜め方向の画素とは偏光方向が同じであるため、そのような画素間でスペックルノイズが発生するおそれがある。特許文献２においては、偏光状態を時間的に変化させるよう構成されているが、偏光状態を変化させるために１／２波長板をモータで回転させるため、駆動源が必要となり、表示光学系が大型化するおそれがある。

特許文献３、４においては、液晶素子を用いてフレーム単位で偏光状態を変化させており、各フレームの描画中は偏光状態を変化させずにフレームの切り替えタイミングで偏光状態を変化させている。液晶素子を用いると装置の小型化が可能になるが、液晶素子の液晶分子の印加電圧に対する応答速度は遅く、現実にフレームの切り替えタイミングで偏光状態を変化させるのは困難である。フレーム単位での変更状態の切り替えができないと同じ偏光状態で複数のフレームが描画されるので、スペックルノイズの低減効果を十分に得ることができないおそれがある。

また、例えば赤色、緑色、青色のように異なる色の光を発生する複数の光源がある場合、光の波長は色によって異なるので、液晶素子を透過する光は色により異なる旋光分散が発生し、印加電圧に対する偏光方向の特性も異なる。印加電圧に対する偏光方向の特性が異なると、投射画像中で同じ色を表示すべき複数の画素（パネル画素）で、光の色による偏光方向の特性の違いによって色の変化が生じてしまい、画像を見ている人間に違和感を与えてしまうおそれがある。

このように、スペックルノイズを低減し、且つ、高品質な画像を表示することができるレーザ光を用いた投射装置が求められている。

本発明に係るレーザ光を用いた投射装置の１つの実施形態は、波長の異なる複数のレーザ光を所定の偏光方向で発生する光源部と、前記複数のレーザ光を合成する合成光学部と、前記複数のレーザ光から投射画像を形成する画像形成部と、前記合成光学部から出射した前記複数のレーザ光の偏光状態を変化させる液晶素子と、を備え、前記液晶素子は一対の基板の間に液晶層を有し、前記液晶素子は前記複数のレーザ光の透過領域において単一の偏光状態を生成し、前記偏光状態は１つの前記投射画像の形成中に変化し、前記液晶層の液晶分子は前記一対の基板の間で螺旋構造を有しており、前記液晶分子の螺旋ピッチと前記液晶層の屈折率異方性との積が２５００ｎｍ以上である。

このように、液晶分子の螺旋ピッチと液晶層の屈折率異方性の積が２５００ｎｍ以上の関係を充足する液晶素子を備えた投射装置においては、フレーム単位で合成光の偏光方向が変化するので、スクリーン上に投射した表示画像におけるスペックルノイズが減少し、ノイズの少ない高品質の画像を表示することができる。また、液晶素子が波長の異なる複数のレーザ光の旋光分散が低減し偏光特性が同じになるように構成されているので、１つの投射画像の形成中に偏光方向が変化しても、印加電圧に対して波長の異なる複数のレーザ光の全ての偏光方向が同じように変化して、色の変化はほとんど生じない。従って、投射装置は、スペックルノイズが少なく高品質の画像を表示させることができる。

該投射装置の１つの実施形態においては、前記屈折率異方性が０．２５よりも大きい。

屈折率異方性が０．２５よりも大きいと、螺旋ピッチと液晶層の屈折率異方性の積が２５００ｎｍ以上となる螺旋ピッチ、すなわち液晶層の厚さを小さくすることができるので、液晶層の液晶分子の応答速度を速めることができ、液晶素子として偏光方向の変化を短時間で完了させることができる。

該投射装置の１つの実施形態においては、前記液晶層における前記液晶分子のねじれ角が９０度である。

このような構成とすれば、液晶層への電圧印加のオンとオフとで、液晶層を透過する光の偏光方向が９０度変化する。これにより、偏光方向の変化によるスペックルノイズの低減効果を最大にすることができる。

該投射装置の１つの実施形態においては、前記液晶層は、複数の層を積層して構成される。前記液晶層は第１層と第２層とを積層して構成され、前記第１層における前記ねじれ角及び前記第２層における前記ねじれ角はいずれも４５度であると好適である。

一般に、液晶素子の液晶層が複数であるＮ層の液晶層を積層して構成されている場合、液晶素子を通過する光の偏光方向をφ度変化させるためには、各液晶層への電圧印加を同電圧で同じタイミングで行うことで、印加電圧のオンとオフによる各液晶層での偏光方向の変化はφ／Ｎ度で済む。このとき、各液晶層における液晶分子のねじれ角はθ（＝φ／Ｎ）度であればよく、各液晶層の液晶分子の螺旋ピッチｐは各液晶層の厚さをｄｘとしたときに、ｐ＝ｄｘ×３６０／θとなる。

複数ある各液晶層において、各液晶層の液晶分子の螺旋ピッチと各液晶層の屈折率異方性との積はいずれも２５００ｎｍ以上であるとする。

例えば、透過する光の偏光方向を９０度変化させる場合、単層の液晶層を備えた液晶素子（単層素子）の螺旋ピッチと、単層の液晶層と同じ厚さの液晶層を積層して複数備えた液晶素子（複層素子）の螺旋ピッチとでは、複層素子の方が各液晶層の液晶分子のねじれ角が小さくて済む分、螺旋ピッチは大きくなる。単層素子の液晶素子の液晶分子の螺旋ピッチと液晶層の屈折率異方性との積が２５００ｎｍである場合において単層素子と複層素子とで屈折率異方性が同値であれば、複層素子の各液晶素子の液晶分子の螺旋ピッチと各液晶層の屈折率異方性との積は、単層素子より螺旋ピッチが大きくなる分だけ２５００ｎｍより大きくなる。これにより、波長の異なる複数のレーザ光の旋光分散が更に低減し偏光特性を同じにすることができる。

また、各液晶層の液晶分子の螺旋ピッチと各液晶層の屈折率異方性との積が２５００ｎｍになるように複層素子を構成するのであれば、各液晶層の液晶分子の螺旋ピッチが単層素子の螺旋ピッチよりも大きくなる分だけ各液晶層の屈折率異方性の値を小さくすることができる。これにより、各液晶層に屈折率異方性の値が小さい液晶を使用することが可能になり、液晶材料選択の幅を広げることができる。

さらに、各液晶層の液晶分子の螺旋ピッチと各液晶層の屈折率異方性との積が２５００ｎｍになるように複層素子を構成する場合において単層素子と複層素子とで屈折率異方性が同値であれば、複層素子において各液晶層の液晶分子のねじれ角を維持したまま螺旋ピッチが単層素子の螺旋ピッチと同値になるまで各液晶層の厚さを薄くすることができる。各液晶層の厚さが薄くなれば、各液晶層の液晶分子の応答速度を速めることができるので（連続体理論）、液晶素子として０度と９０度の偏光方向の変化を短時間で完了させることができ、投射画像の形成中において偏光方向が０度と９０度の時間を長くすることができる。その結果、投射装置は、スペックルノイズが少なく更に高品質の画像を表示させることができる。

この１つの実施形態のように、液晶素子が液晶層としてねじれ角がいずれも４５度である第１層と第２層を備えると、交流電源による第１層、第２層への電圧印加を同電圧で同じタイミングで行うことで、印加電圧のオンとオフによる第１層、第２層を透過する光の偏光方向の変化はそれぞれ４５度で済む。そのため、液晶素子として０度と９０度の偏光方向の変化を短時間で完了させることができる。これにより、投射画像の形成中において偏光方向が０度と９０度の時間を長くすることができるので、投射装置は、スペックルノイズが少なく更に高品質の画像を表示させることができる。

該投射装置の１つの実施形態においては、前記一対の基板の少なくとも前記光源部に近い側の基板の表面に反射防止膜が形成されている。前記反射防止膜は、無機材料からなる積層膜であると好適である。

このような構成とすれば、光源部から出射された光を有効に液晶素子に入射させることができるので、投射装置は、高輝度の画像を表示させることができる。

該投射装置の１つの実施形態においては、前記一対の基板の少なくとも前記光源部から遠い側の基板の表面に拡散膜が形成されている。拡散膜の代わりに前記複数のレーザ光を拡散させるための凹凸部が形成されていてもよい。

このような構成とすれば、液晶素子を透過した光のコヒーレンス性が低下するので、スクリーン上に投射される画像に現れるスペックルノイズを更に低減させることができる。また、スクリーン上に輝度むらの少ない均一輝度の画像を表示させることができる。

該投射装置の１つの実施形態においては、前記光源部は、赤色光を発生する赤色レーザ光源と、緑色光を発生する緑色レーザ光源と、青色光を発生する青色レーザ光源とを含む。

このような構成とすれば、投射装置はカラー画像を投射することができる。

該投射装置の１つの実施形態においては、前記画像形成部は、前記複数のレーザ光を走査する走査機構を含む。このとき、前記液晶素子は、前記合成光学部と前記画像形成部との間に配置される。

このような構成とすれば、走査機構を用いて、画像を投射することができる。

該投射装置の１つの実施形態においては、前記画像形成部は、前記複数のレーザ光を画素ごとに変調する空間光変調素子を含む。このとき、前記画像形成部は、前記光源部と前記液晶素子との間に配置される。

このような構成とすれば、空間光変調素子を用いた投射装置を構成することができる。

本発明に係る車載用ヘッドアップディスプレイの１つの実施形態は、上記のレーザ光を用いた投射装置を備える。

このような特徴構成とすれば、スペックルノイズが少なく高品質の画像を表示させることができるヘッドマウントディスプレイを得ることができる。

第１実施形態に係る投射装置の構成を表すブロック図である。 第１実施形態に係る液晶素子の構成を表す断面図である。 第１実施形態に係る液晶素子を光が透過したときの偏光状態の変化を表す概略図である。 画像投射時における偏光状態の変化を表すグラフである。 液晶分子の螺旋ピッチと液晶層の屈折率異方性との積が２５００ｎｍ以上である液晶素子を赤色光、緑色光、青色光が透過したときの偏光特性を表すグラフである。 液晶分子の螺旋ピッチと液晶層の屈折率異方性との積が２５００ｎｍ未満である液晶素子を赤色光、緑色光、青色光が透過したときの偏光特性を表すグラフである。 Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系における彩度差を表すグラフである。 液晶分子の螺旋ピッチと液晶層の屈折率異方性との積と、２つの色の彩度の差異と、の関係を表すグラフである。 第１実施形態の変形例に係る液晶素子の構成を表す断面図である。 第１実施形態の変形例に係る液晶素子を光が透過したときの偏光状態の変化を表す概略図である。 第１実施形態の変形例に係る液晶素子の構成を表す断面図である。 第１実施形態の変形例に係る液晶素子の構成を表す断面図である。 第１実施形態の変形例に係る液晶素子の構成を表す断面図である。 第２実施形態に係る投射装置の構成を表すブロック図である。 第１実施形態に係る投射装置を用いたヘッドアップディスプレイの構成を表すブロック図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１に第１実施形態に係る投射装置１０の構成を表すブロック図を示す。投射装置１０は、光源部１００と、合成光学部２００と画像形成部３００と液晶素子４００とを備えている。投射装置１０は、光源部１００で発生した光を合成光学部２００で合成して合成光を生成し、液晶素子４００で合成光の偏光状態（以下では、「偏光方向」とも称する）を変化させ、画像形成部３００で合成光から投射画像を形成して、スクリーン５００上に投射して画像（表示画像）を表示する。

スペックルノイズはスクリーン５００の表面の凹凸により、合成光の散乱光が互いに干渉して発生する。スペックルノイズはスクリーン５００上の表示画像に明暗の斑点模様となって現れ、これにより表示画像の品質が低下する。本実施形態に係る投射装置１０においては、液晶素子４００を透過する合成光の偏光状態をフレーム単位で変化させ、スペックルノイズを低減している。詳細は後述する。

光源部１００は、緑色光を発生するレーザダイオード（ＬＤ）１１０、青色光を発生するＬＤ１２０と、赤色光を発生するＬＤ１３０とを備える。各色の光は所定の直線偏光状態で、且つ、スクリーン５００上に表示される画像の画素（パネル画素）に対応して変調されて出射される。ＬＤ１１０〜１３０を備えることにより、投射装置１０はカラー画像を投射することができる。なお、ＬＤ１１０は緑色レーザ光源の一例、ＬＤ１２０は青色レーザ光源の一例、ＬＤ１３０は赤色レーザ光源の一例である。

本実施形態においては、３色の光源にそれぞれ専用のＬＤを用いたが、白色光を発生するＬＤからダイクロイックミラー等で分離して２色又は３色の光源を構成してもよい。本実施形態では、ＬＤ１１０〜１３０を用いたが、他の色を発生するＬＤを用いて光源部１００を構成してもよい。また、光源部１００から出射する光の数は３つに限らず２つでも、４つ以上であってもよい。

合成光学部２００は、ＬＤ１１０から発生した緑色光を反射するミラー２１０と、緑色光を透過しＬＤ１２０から発生した青色光を反射するダイクロイックミラー２２０と、緑色光と青色光を透過しＬＤ１３０から発生した赤色光を反射するダイクロイックミラー２３０とを備える。合成光学部２００は緑色光と青色光と赤色光を合成して合成光を生成する。合成光の状態で緑色光、青色光、赤色光はいずれも同じ偏光方向を有している。

画像形成部３００は、走査機構の一例である水平走査ミラー３１０と垂直走査ミラー３２０とを備えており、入射した合成光を２次元方向に走査する。本実施形態においては、水平走査ミラー３１０として、半導体製造技術等を用いて製作されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーであって、電磁力等を用いて往復揺動（共振振動）させることができるものを用いている。また、垂直走査ミラー３２０として、ガルバノミラーを用いている。水平走査ミラー３１０と垂直走査ミラー３２０は不図示の駆動源により駆動される。これにより、合成光は、スクリーン５００上で上左端から、水平方向への走査及び垂直方向への走査を順次繰り返して下右端まで走査され、画像形成部３００で形成された１フレームの画像が投射されて表示される。その後、再び走査位置は上記上左端へ戻り、次フレームの画像を投射、表示するための走査が始まる。なお、１フレームの投射画像は合成光が上右端から下左端まで走査されて表示される構成であってもよい。また、画像形成部３００は、走査機構の他の一例として単一のミラーで水平方向と垂直方向を走査するように揺動させる構成であってもよい。

液晶素子４００は、図２に示すように、透光性の基板４１１、４１２の間に透光性の液晶層４４１を設けると共に、液晶層４４１と基板４１１、４１２の間に液晶層４４１の液晶分子を配向させる透光性の配向層４３１、４３２と、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透光性材料からなり電圧を印加して液晶層４４１に作用させる電界を発生させる電極層４２１、４２２を備えている。液晶素子４００は合成光学部２００と画像形成部３００との間に配置され、合成光学部２００が出射した合成光を透過させて画像形成部３００に入射させる。交流電源４５０により電極層４２１、４２２に電圧が印加されると、発生した電界により液晶素子４００の液晶層４４１の液晶分子の配向状態が変化し、これにより、透過する合成光の偏光状態が変化する。なお、図２中のΔｎは液晶層４４１の屈折率異方性を表し、ｄは液晶層４４１の厚さを表す。図中、左方から右方へ向かう矢印は合成光の進行方向を表す。

図３に、電圧が印加されていないときの液晶素子４００を透過する光の偏光状態の変化を示す。液晶素子４００の配向層４３１、４３２は液晶分子を一定方向に配列させる機能を有しており、本実施形態においては直交する方向に液晶分子を配列させるように対向して配置されている。そのため、液晶層４４１の液晶分子は配向層４３１から配向層４３２に向かうにつれて９０度ねじれて配列される螺旋構造を有している。液晶層４４１を透過する光の偏光方向は液晶分子の配列に沿って回転する。

図３に示すように、矢印Ａで示す光Ｘの偏光方向が矢印Ｂで示す配向層４３１近傍の液晶分子の配列方向と同じ場合、光Ｘは配向層４３１を透過して液晶層４４１に入射する。光Ｘは、液晶層４４１を透過中に液晶分子の配列に沿って矢印Ｄのように偏光方向が９０度回転し、矢印Ｄの偏光状態のまま矢印Ｃで示す配向層４３２を透過して出射する。

一方、交流電源４５０により電極層４２１、４２２に電圧が印加されると、発生した電界の作用を受けて液晶分子は光Ｘの進行方向に沿って配列するため、液晶素子４００の透過前後で光Ｘの偏光方向は矢印Ａの方向のままで変化しない。このように、交流電源４５０による印加電圧のオンとオフとにより、液晶素子４００を透過する光Ｘの偏光方向は９０度変化する。この偏光方向の変化は合成光においても同様に発生する。

本実施形態においては、合成光全体の偏光状態を同時且つ同様に変化させるため、液晶素子４００の液晶層４４１は、単一の画素を形成する構造を有する。このような構成を有する液晶素子４００によれば、透過する合成光の偏光状態は透過する場所によらずに同じであり、偏光状態の変化も同時且つ同様に発生する。換言すれば、液晶素子４００は、合成光において一つの偏光状態のみを生成する。

本実施形態においては、図４に示すように、１フレームの投射画像の描画時間（以下、「フレーム期間Ｔ」と称し、個々のフレーム期間Ｔを表すときには、フレーム期間Ｔ１、フレーム期間Ｔ２等と称する）中、すなわち、画像形成部３００における投射画像の形成時間中に合成光の偏光方向が変化する。図４に示すように、フレーム期間Ｔ１中の第１変化時間τｒで偏光方向が０度から９０度に変化し、次のフレーム期間Ｔ２中の第２変化時間τｄで偏光方向が９０度から０度に変化する。フレーム期間Ｔ１とフレーム期間Ｔ２の時間は同じで、第１変化時間τｒと第２変化時間τｄの和はフレーム期間Ｔよりも短い。フレーム期間Ｔ１の間は交流電源４５０により電圧が印加され、フレーム期間Ｔ２の間は電圧の印加が停止される。上述したように、印加電圧に対する液晶分子の応答速度は遅いため、交流電源４５０により電圧を印加しても第１変化時間τｒが経過しないと液晶分子は合成光の進行方向に揃う配列とならず、電圧の印加を停止しても第２変化時間τｄが経過しないと液晶分子は螺旋構造の配列に戻らない。すなわち、偏光方向が９０度変化するのに第１変化時間τｒ、第２変化時間τｄを要する。

このような構成にすることにより、スクリーン５００上にはフレーム単位で偏光方向が０度の投射画像と９０度の投射画像とが交互に表示されるので、フレーム単位でスペックルノイズの発生箇所も変化する。これにより、各フレームで発生したスペックルノイズが平滑化され、スクリーン５００上に表示される画像に現れるスペックルノイズが減少する。本実施形態においては、偏光方向が９０度変化するので、他の角度の変化と比較してスペックルノイズの低減効果が最大となる。フレーム期間Ｔの途中で偏光方向が変化したとしても、水平走査ミラー３１０と垂直走査ミラー３２０の走査方向は一方向（上左端から下右端）なので、同じパネル画素に同じ偏光方向の合成光が２フレーム連続して投射されることはない。

上述したように、本実施形態の投射装置１０においてはフレーム期間Ｔの途中で偏光方向が９０度変化する。一般的に、光の色（波長）が異なると、液晶層４４１中では異なる旋光分散が発生し、印加電圧に対する偏光方向の特性（以下、「偏光特性」と称する）が異なる。図６に示すように、合成光の成分である緑色光、青色光、赤色光はそれぞれ波長が異なるため、旋光分散が異なり偏光特性も異なっている。偏光特性が異なっていると、本実施形態のようにフレーム期間Ｔ中に偏光方向を変化させたときに、印加電圧の値によっては投射画像中で同じ色を表示すべき複数のパネル画素で、緑色光、青色光、赤色光の偏光特性の違いによって色の変化が生じてしまい、画像を見ている人間に違和感を与えてしまうことがある。色の変化を生じさせないためには、緑色光、青色光、赤色光の偏光特性を同じにした上で投射画像を形成して投射する必要がある。

そのため本実施形態においては、液晶素子４００の液晶層４４１の液晶分子の螺旋構造の螺旋ピッチをｐとしたとき、ｐ×Δｎ≧２５００ｎｍ（Δｎは上述の液晶層４４１の屈折率異方性）を充足するように構成されている。螺旋ピッチｐは、液晶分子のねじれ角をθとしたときに、ｐ＝ｄ×３６０／θの関係を有する（ｄは上述の液晶層４４１の厚さ）。本実施形態においては、図３に示す矢印Ｂと矢印Ｃの関係より、ねじれ角θは９０度である。

液晶素子４００がｐ×Δｎ≧２５００ｎｍの関係を充足すると、図５に示すように、緑色光、青色光、赤色光の旋光分散が低減し偏光特性が同じになる。これにより、本実施形態のようにフレーム期間Ｔ中に偏光方向が変化する構成であったとしても、印加電圧に対して緑色光、青色光、赤色光の全ての偏光方向が同じように変化するので、フレーム期間Ｔ中の投射画像において同じ色を複数のパネル画素に表示させても色の変化は生じない。

厳密に言うと、液晶素子４００がｐ×Δｎ≧２５００ｎｍの関係を充足した状態であっても、図５に示すように、緑色光、青色光、赤色光の偏光特性はわずかに異なる。そのため、フレーム期間Ｔ中の投射画像において同じ色を複数のパネル画素に表示させたときには、当該複数のパネル画素の間では色がわずかに変化している可能性がある。しかし、投射された表示画像を見る人間がその色の違いを認識できなければ、その人間には同じ色に見え、色の変化は生じていないものとして認識される。

以下、国際照明委員会（ＣＩＥ）で１９７６年に規格化され、日本工業規格ＪＩＳ Ｚ８７８１−４で採用されているＬ＊ａ＊ｂ＊表色系に基づいて、投射装置１０においては、複数のパネル画素の間での色の変化が表示画像を見る人間には認識されないことを説明する。Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系において、Ｌ＊は明度、ａ＊とｂ＊は色相と彩度を示す色度を表す。ａ＊とｂ＊は色により一義的に定まる値で、彩度（ｃ＊）はｃ＊＝（（ａ＊）²＋（ｂ＊）²）^1/2により求められる。また、２つの色の彩度の差異（Δｃ＊）はΔｃ＊＝（（Δａ＊）²＋（Δｂ＊）²）^1/2（Δａ＊は２つの色のａ＊の差異、Δｂ＊は２つの色のｂ＊の差異）により求められる。

図７はＬ＊ａ＊ｂ＊表色系における彩度差を表すグラフである。Δａ＊、Δｂ＊は２つの色の差異の方向を示しており、＋Δａ＊は赤方向、−Δａ＊は緑方向、＋Δｂ＊は黄方向、−Δｂ＊は青方向を示している。２つの色に差異がないときは２つの色のａ＊とｂ＊は同値なので、Δａ＊＝０、Δｂ＊＝０となり、Δｃ＊＝０となる。これはΔａ＊軸とΔｂ＊軸との交点である。本実施形態に係る投射装置１０やプロジェクタ等の表示装置における信頼性評価や商取引においては、Δｃ＊≦１．２であれば、すなわち、Δｃ＊が図７において破線で示す円の内側にあれば人間はその２つの色の差異を判別することができず、同じ色に見えるとされている。

図７、図８に示すように、液晶素子４００においてｐ×Δｎ＝２５００ｎｍのときには、投射画像において同じ色を表示する２つのパネル画素間の色の差異はΔａ＊＝−０．８、Δｂ＊＝０．９となり、Δｃ＊＝１．２となる。また、ｐ×Δｎ＝２５５０ｎｍのときには、投射画像において同じ色を表示する２つのパネル画素間の色の差異はΔａ＊＝−０．６、Δｂ＊＝０．６となり、Δｃ＊＝０．８となる。これらはいずれもΔｃ＊≦１．２であり、投射装置１０を用いてフレーム期間Ｔ中の投射画像において同じ色を複数のパネル画素に表示させたときには、スクリーン５００に投射された表示画像を見る人間がその色の違いを認識できず、色の変化は生じていないものとして認識される。

一方、ｐ×Δｎ＝２０００ｎｍのときには、投射画像において同じ色を表示する２つのパネル画素間の色の差異はΔａ＊＝１．３、Δｂ＊＝１．５となり、Δｃ＊＝２．０となるので、フレーム期間Ｔ中の投射画像において同じ色を複数のパネル画素に表示させたときには、投射された表示画像を見る人間がその色の違いを認識して、表示画像に色むらが存在する等の違和感を覚えることとなる。

このように、ｐ×Δｎ≧２５００ｎｍの関係を充足する液晶素子４００を備えた投射装置１０においては、フレーム単位で合成光の偏光方向が変化するので、スクリーン５００上に投射した表示画像におけるスペックルノイズが減少し、ノイズの少ない高品質の画像を表示することができる。また、液晶素子４００が緑色光、青色光、赤色光の旋光分散が低減し偏光特性が同じになるように構成されているので、フレーム期間Ｔ中に偏光方向が変化しても、印加電圧に対して緑色光、青色光、赤色光の全ての偏光方向が同じように変化して、色の変化はほとんど生じない。このときΔｃ＊≦１．２となるので、色の変化が生じたとしても、スクリーン５００に投射された表示画像を見る人間はその違いを認識することができず、色の変化は生じていないものとして認識される。従って、投射装置１０は、スペックルノイズが少なく高品質の画像を表示させることができる。

通常、投射装置１０に用いられている液晶層の屈折率異方性Δｎは０．１１〜０．２２程度であるが、Δｎが０．２５よりも大きいことが好ましい。Δｎが０．２５よりも大きいと、ｐ×Δｎ≧２５００ｎｍを充足するｐ、すなわちｄを小さくすることができるので、液晶層４４１の液晶分子の応答速度を速めることができ（連続体理論）、液晶素子４００として０度と９０度の偏光方向の変化を短時間で完了させることができる。従って、図４に示す、フレーム期間Ｔにおける第１変化時間τｒと第２変化時間τｄとを短くして偏光方向が０度と９０度の時間を長くすることができるので、投射装置１０は、スペックルノイズが少なく更に高品質の画像を表示させることができる。

〔第１実施形態の変形例〕
以下、本発明の第１実施形態の変形例に係る投射装置１０について図面に基づいて詳細に説明する。本変形例の説明においては、第１実施形態と同じ構成の箇所には同じ符号を付し、同様の構成に関する説明は省略する。

本変形例に係る投射装置１０は、液晶素子４００の構成が第１実施形態とは異なっている。具体的には、図９に示すように、液晶素子４００が透光性の液晶層４４１と透光性の液晶層４４２とを備えている。液晶層４４１は透光性の基板４１１、４１３の間に設けられ、液晶層４４２は基板４１３、４１２の間に設けられている。液晶層４４１と液晶層４４２の屈折率異方性はいずれも同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。また、液晶層４４１の厚さはｄ１、液晶層４４２の厚さはｄ２である。図中、左方から右方へ向かう矢印は合成光の進行方向を表す。なお、本変形例において、液晶層４４１は第１層の一例であり、液晶層４４２は第２層の一例である。液晶層４４１の厚さｄ１と液晶層４４２の厚さｄ２とは同じ厚さである必要はないが、液晶層４４１と液晶層４４２の特性を同等にする場合には、液晶層４４１の厚さｄ１と液晶層４４２の厚さｄ２を同じ厚さにするのが望ましい。

液晶層４４１の両側には液晶層４４１の液晶分子を配向させる透光性の配向層４３１と配向層４３３が備えられ、液晶層４４２の両側には液晶層４４２の液晶分子を配向させる透光性の配向層４３３と配向層４３２が備えられる。また、配向層４３１と配向層４３３の外側、及び、配向層４３３と配向層４３２の外側には、ＩＴＯ等の透光性材料からなり液晶層４４１、４４２に電圧を印加する電極層４２１、４２２がそれぞれ備えられる。

図１０に、電圧が印加されていないときの液晶素子４００を透過する光の偏光状態の変化を示す。配向層４３３は液晶分子を配向層４３１、４３２に対して４５度に液晶分子を配列させるように配置されている。図１０に示すように、矢印Ａで示す光Ｘの偏光方向が矢印Ｂで示す配向層４３１近傍の液晶分子の配列方向と同じ場合、光Ｘは配向層４３１を透過して液晶層４４１に入射する。光Ｘは、液晶層４４１を透過中に液晶分子の配列に沿って矢印Ｅのように偏光方向が４５度回転し、その偏光状態のまま矢印Ｅで示す２つの配向層４３３を透過して液晶層４４２に入射する。そして液晶層４４２を透過中に液晶分子の配列に沿って偏光方向が更に４５度回転し、矢印Ｄの偏光状態で矢印Ｃで示す配向層４３２を透過して出射する。すなわち、光Ｘが液晶素子４００を透過すると、第１実施形態と同様に、光Ｘの偏光方向は９０度回転している。

本変形例のように、液晶素子４００が液晶層４４１、４４２を備えると、交流電源４５０による液晶層４４１、４４２への電圧印加を同電圧で同じタイミングで行うことで、印加電圧のオンとオフによる液晶層４４１、４４２を透過する光の偏光方向の変化はそれぞれ４５度で済む。そのため、液晶素子４００として０度と９０度の偏光方向の変化を短時間で完了させることができる。従って、図４に示す、フレーム期間Ｔにおける第１変化時間τｒと第２変化時間τｄとを短くして偏光方向が０度と９０度の時間を長くすることができるので、投射装置１０は、スペックルノイズが少なく更に高品質の画像を表示させることができる。

一般に、液晶素子の液晶層が複数であるＮ層の液晶層を積層して構成されている場合、液晶素子を通過する光の偏光方向をφ度変化させるためには、各液晶層への電圧印加を同電圧で同じタイミングで行うことで、印加電圧のオンとオフによる各液晶層での偏光方向の変化はφ／Ｎ度で済む。このとき、各液晶層における液晶分子のねじれ角はθ（＝φ／Ｎ）度であればよく、各液晶層の液晶分子の螺旋ピッチｐは各液晶層の厚さをｄｘとしたときに、ｐ＝ｄｘ×３６０／θとなる。

複数ある各液晶層において、各液晶層はｐ×Δｎ≧２５００ｎｍの関係を充足するものとする。

例えば、透過する光の偏光方向を９０度変化させる場合、厚さｄｘの単層の液晶層を備えた液晶素子（単層素子）の螺旋ピッチｐ１と、単層の液晶層と同じ厚さｄｘの液晶層を積層してＮ層備えた液晶素子（複層素子）の螺旋ピッチｐ２とでは、複層素子の方が各液晶層の液晶分子のねじれ角θが小さくて済む分、螺旋ピッチｐ２は螺旋ピッチｐ１よりも大きくなる。単層素子の液晶層がｐ１×Δｎ＝２５００ｎｍの関係を充足する場合において単層素子と複層素子とで屈折率異方性Δｎが同値であれば、複層素子の各液晶素子のｐ２×Δｎは、単層素子より螺旋ピッチｐ２が大きくなる分だけ２５００ｎｍより大きくなる。これにより、波長の異なる複数のレーザ光の旋光分散が更に低減し偏光特性を同じにすることができる。

また、複層素子の各液晶層がｐ２×Δｎ＝２５００ｎｍの関係となるように構成するのであれば、各液晶層の液晶分子の螺旋ピッチｐ２が螺旋ピッチｐ１よりも大きくなる分だけ各液晶層の屈折率異方性Δｎの値を小さくすることができる。これにより、各液晶層に屈折率異方性Δｎの値が小さい液晶を使用することが可能になり、液晶材料選択の幅を広げることができる。

さらに、複層素子の各液晶層がｐ×Δｎ＝２５００ｎｍの関係を充足する場合において単層素子と複層素子とで屈折率異方性Δｎが同値であれば、複層素子において各液晶層の液晶分子のねじれ角θを維持したまま螺旋ピッチｐ２が螺旋ピッチｐ１になるまで各液晶層の厚さｄｘを薄くすることができる。各液晶層の厚さｄｘが薄くなれば、各液晶層の液晶分子の応答速度を速めることができるので（連続体理論）、液晶素子として０度と９０度の偏光方向の変化を短時間で完了させることができ、投射画像の形成中において偏光方向が０度と９０度の時間を長くすることができる。その結果、投射装置は、スペックルノイズが少なく更に高品質の画像を表示させることができる。

〔第１実施形態の他の変形例〕
図１１に示すように、本変形例においては、液晶素子４００の基板４１１の外側の表面に屈折率の異なる２種類の無機材料を交互に積層した反射防止膜４６０が形成されている。図中、左方から右方へ向かう矢印は合成光の進行方向を表す。このように基板４１１の表面に反射防止膜４６０を設けることにより、光源部１００から出射された光を有効に液晶素子４００に入射させることができるので、投射装置１０は、高輝度の画像を表示させることができる。なお、反射防止膜４６０は基板４１１の内側の表面に設けてもよいし、基板４１１の両側の表面に設けてもよい。

〔第１実施形態の他の変形例〕
図１２に示すように、本変形例においては、液晶素子４００の基板４１２の外側の表面に拡散膜４７０が形成されている。若しくは、図１３に示すように、基板４１２の外側の表面に凹凸部４８０が形成されている。図中、左方から右方へ向かう矢印は合成光の進行方向を表す。このように拡散膜４７０又は凹凸部４８０を設けることにより、液晶素子４００を透過した光は拡散し、そのコヒーレンス性が低下するので、スクリーン５００上に投射される画像に現れるスペックルノイズを更に低減させることができる。また、液晶素子４００を透過した光を均一に画像形成部３００に入射させて画像を形成することができるので、スクリーン５００上に輝度むらの少ない均一輝度の画像を表示させることができる。なお、拡散膜４７０又は凹凸部４８０は基板４１２の内側の表面に設けてもよい。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係る投射装置２０について図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態の説明においては、第１実施形態及びその変形例と同じ構成の箇所には同じ符号を付し、同様の構成に関する説明は省略する。図１４に本実施形態の投射装置２０の構成を表すブロック図を示す。

投射装置２０は、光源部１００と合成光学部２００との間に画像形成部３００を備え、合成光学部２００の後段に液晶素子４００と投射レンズ６００を備えている。

本実施形態において、合成光学部２００はダイクロイックプリズム２４０を備えている。また、画像形成部３００は空間光変調素子３３０を備えている。光源部１００のＬＤ１１０、ＬＤ１２０、ＬＤ１３０はダイクロイックプリズム２４０の３方向に対向して配置され、空間光変調素子３３０は、ＬＤ１１０、ＬＤ１２０、ＬＤ１３０のそれぞれに対してダイクロイックプリズム２４０との間に配置されている。

本実施形態の投射装置２０においては、ＬＤ１１０、ＬＤ１２０、ＬＤ１３０で発生した光は不図示のレンズ等で広げられ、各空間光変調素子３３０の全画素に均等に入射する。各空間光変調素子３３０では、画素ごとに変調して各色の画像を形成して出射する。空間光変調素子３３０から出射された光（各色の画像）は合成光学部２００に入射し、そこで合成されて合成光（投射画像）が生成される。合成光学部２００から出射された合成光は液晶素子４００に入射する。合成光は液晶素子４００を透過中にフレーム単位で偏光状態が変化する。液晶素子４００から出射された合成光は投射レンズ６００により拡大されて投射され、スクリーン５００上に画像が表示される。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、投射装置２０は、ｐ×Δｎ≧２５００ｎｍの関係を充足する液晶素子４００を備えており、フレーム単位で合成光の偏光方向が変化するので、スクリーン５００上に投射した表示画像におけるスペックルノイズが減少し、ノイズの少ない高品質の画像を表示することができる。また、液晶素子４００が緑色光、青色光、赤色光の旋光分散が低減し偏光特性が同じになるように構成されているので、フレーム期間Ｔ中に偏光方向が変化しても、印加電圧に対して緑色光、青色光、赤色光の全ての偏光方向が同じように変化して、色の変化はほとんど生じない。このときΔｃ＊≦１．２となるので、色の変化が生じたとしても、スクリーン５００に投射された表示画像を見る人間はその違いを認識することができず、色の変化は生じていないものとして認識される。このように、投射装置２０においても、スペックルノイズが少なく高品質の画像を表示させることができる。

〔ヘッドアップディスプレイへの適用〕
図１５は、第１実施形態に係る投射装置１０をヘッドアップディスプレイ５０に適用した状態を表す概略図である。ヘッドアップディスプレイとは、人間の視野内に重ねて情報を表示させる装置である。これにより、例えば、車両の運転者の視野内にあるフロントガラスに情報を表示して、運転者が運転しながら当該情報を認識することを可能にする。

ヘッドアップディスプレイ５０は、投射装置１０に反射ミラー３４０を備えて構成される。本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ５０は車両のダッシュボードに埋め込まれており、投射装置１０の画像形成部３００から投射された合成光が反射ミラー３４０で反射されて車両のフロントガラス７００に投射される。

投射された画像（情報）は無限遠の点に結像しており、運転者には遠方にある仮想スクリーン５１０に該情報が表示されているように見える。従って、運転者は、車両の運転中に進行方向の遠方を注視した状態で、該情報に焦点を合わせて該情報を認識することができる。

なお、本実施形態においては、投射装置１０のヘッドアップディスプレイ５０への適用について説明したが、第１実施形態の変形例に係る投射装置１０や第２実施形態に係る投射装置２０をヘッドアップディスプレイ５０に適用できることは言うまでもない。

投射装置１０、２０は、ヘッドアップディスプレイ５０だけでなく、光源にレーザ光を用いるあらゆる投射装置や表示装置に適用することができる。例えば、プロジェクタ、プロジェクタテレビ、プロジェクションマッピング装置、デジタルサイネージ、ヘッドマウントディスプレイ、超小型プロジェクタ及びそれを内蔵した携帯情報端末等に適用することができる。

本発明は、レーザ光を用いた投射装置及び該投射装置を用いたヘッドアップディスプレイに利用することが可能である。

１０、２０ 投射装置
５０ ヘッドアップディスプレイ
１００ 光源部
１１０ レーザダイオード（緑色レーザ光源）
１２０ レーザダイオード（青色レーザ光源）
１３０ レーザダイオード（赤色レーザ光源）
２００ 合成光学部
３００ 画像形成部
３１０ 水平走査ミラー（走査機構）
３２０ 垂直走査ミラー（走査機構）
３３０ 空間光変調素子
４００ 液晶素子
４１１ 基板
４１２ 基板
４４１ 液晶層（第１層）
４４２ 液晶層（第２層）
４６０ 反射防止膜
４７０ 拡散膜
４８０ 凹凸部
Δｎ 屈折率異方性
ｐ 螺旋ピッチ

Claims (15)

1. 波長の異なる複数のレーザ光を所定の偏光方向で発生する光源部と、
   前記複数のレーザ光を合成する合成光学部と、
   前記複数のレーザ光から投射画像を形成する画像形成部と、
   前記合成光学部から出射した前記複数のレーザ光の偏光状態を変化させる液晶素子と、を備え、
   前記液晶素子は一対の基板の間に液晶層を有し、
   前記液晶素子は前記複数のレーザ光の透過領域において単一の偏光状態を生成し、
   前記偏光状態は１つの前記投射画像の形成中に変化し、
   前記液晶層の液晶分子は前記一対の基板の間で螺旋構造を有しており、
   前記液晶分子の螺旋ピッチと前記液晶層の屈折率異方性との積が２５００ｎｍ以上である、レーザ光を用いた投射装置。
2. 前記屈折率異方性が０．２５よりも大きい、請求項１に記載のレーザ光を用いた投射装置。
3. 前記液晶層における前記液晶分子のねじれ角が９０度である、請求項１又は２に記載のレーザ光を用いた投射装置。
4. 前記液晶層は、複数の層を積層して構成される、請求項１又は２に記載のレーザ光を用いた投射装置。
5. 前記液晶層は第１層と第２層とを積層して構成され、前記第１層における前記ねじれ角及び前記第２層における前記ねじれ角はいずれも４５度である、請求項４に記載のレーザ光を用いた投射装置。
6. 前記一対の基板の少なくとも前記光源部に近い側の基板の表面に反射防止膜が形成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザ光を用いた投射装置。
7. 前記反射防止膜は、無機材料からなる積層膜である、請求項６に記載のレーザ光を用いた投射装置。
8. 前記一対の基板の少なくとも前記光源部から遠い側の基板の表面に拡散膜が形成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のレーザ光を用いた投射装置。
9. 前記一対の基板の少なくとも前記光源部から遠い側の基板の表面に前記複数のレーザ光を拡散させるための凹凸部が形成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のレーザ光を用いた投射装置。
10. 前記光源部は、赤色光を発生する赤色レーザ光源と、緑色光を発生する緑色レーザ光源と、青色光を発生する青色レーザ光源とを含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザ光を用いた投射装置。
11. 前記画像形成部は、前記複数のレーザ光を走査する走査機構を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載のレーザ光を用いた投射装置。
12. 前記液晶素子は、前記合成光学部と前記画像形成部との間に配置される、請求項１１に記載のレーザ光を用いた投射装置。
13. 前記画像形成部は、前記複数のレーザ光を画素ごとに変調する空間光変調素子を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載のレーザ光を用いた投射装置。
14. 前記画像形成部は、前記光源部と前記液晶素子との間に配置される、請求項１３に記載のレーザ光を用いた投射装置。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載のレーザ光を用いた投射装置を備えた、車載用ヘッドアップディスプレイ。

Images