JP5467441B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光源からの光を投影面に走査して画像を表示させる光走査装置に関する。

レーザ光源からの光を投影面に走査して画像を表示させる光走査装置において、スペックルノイズによる画質の劣化が一つの問題となっている。
コヒーレントの高いレーザ光をスクリーンに照射すると、スクリーン表面の微細な凹凸等の形状の影響により反射したレーザ光が干渉しあうことによってスペックルノイズと呼ばれる干渉パターンが発生し、画質を劣化させてしまう。
従来、レーザ光を回転する拡散素子を透過させてからスクリーンに照射することで、スクリーン上に形成される干渉パターンを人の目によって検出されない速度で変化させて、スペックルノイズが消失したように見せ、鮮明な画像が観察されるようにする技術がある（特許文献１）。かかる従来技術によれば、拡散素子を機械的に運動させるため、拡散素子の運動のための空間を要し、装置の小型化が困難である。
これに比較して装置の小型化が可能になる技術としては、拡散素子として液晶素子を適用し、液晶素子に電圧を印加して液晶素子による拡散度を時間的に変化させることにより、同様のスペックルノイズ低減効果を得ようとする技術がある。この場合、液晶素子としては、時間的に液晶分子の配向がランダムに変化し、散乱状態が逐次変化する動的散乱モード液晶（ＤＳＭ（Dynamic Scattering Mode）液晶）が利用される。

しかし、ＤＳＭ液晶は散乱状態の変化速度が遅いためスペックルノイズの低減効果が不十分となることがある。
このため特許文献２では、レーザ光が複数のＤＳＭ液晶を通過する構成とし、一のＤＳＭ液晶で散乱させた光をさらに他のＤＳＭ液晶で散乱させたり、透過させたりすることにより、スペックルパターンをランダムに高速変動させて人感のスペックルノイズを低減する。

特開平６−２０８０８９号公報 国際公開ＷＯ２００７／１１６９３５号公報

しかし、複数のＤＳＭ液晶を通過させて複数回散乱させる場合には次のような問題がある。
レーザ光が通過するＤＳＭ液晶の数を増やすと、スペックルパターンの変動を高速化することができるが、その高速化はＤＳＭ液晶の配向変化速度に依存する。
また、散乱状態に駆動されたＤＳＭ液晶は不透明であり光の透過率が低くなるので、レーザ光を散乱させるＤＳＭ液晶の数を増加させるほど、スペックルパターンの変動を高速化することができる反面、光量損失が増加し投影された画像の輝度を低下させる。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、光量損失を抑えつつ、拡散素子としてのＤＳＭ液晶の配向変化速度に依存することなく高速でスペックルパターンを変動させて人感のスペックルノイズを低減できる光走査装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、画像信号に基づき順次変調されるレーザ光を走査投影装置により投影面上に走査して前記画像信号に基づく画像を表示する光走査装置において、
前記走査投影装置に入射される前の前記レーザ光が透過する第１液晶素子と、
前記走査投影装置に入射される前の前記レーザ光が、前記第１液晶素子を透過する前後のうちいずれか一方又は双方において透過する第２液晶素子とを備え、
前記第１液晶素子は、前記第２液晶素子の配向変化速度より速い速度で、出射レーザ光を異なる２つの偏光方向に切換え、
前記第２液晶素子は、駆動電圧の印加により液晶分子が乱流を起こして時間的に液晶分子の配向がランダムに変化する動的散乱モード液晶とされた光走査装置である。

請求項２記載の発明は、前記第１液晶素子は、前記第２液晶素子の配向変化速度より２倍以上速い速度で、出射レーザ光を異なる２つの偏光方向に切換える請求項１に記載の光走査装置である。

請求項３記載の発明は、前記第１液晶素子は、強誘電性液晶とされる請求項１又は請求項２に記載の光走査装置である。

請求項４記載の発明は、前記異なる２つの偏光方向が互いに９０度異なる方向である請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の光走査装置である。

本発明によれば、第２液晶素子により多様なスペックルパターンを生成するとともに、第１液晶素子によって第２液晶素子単独よりもスペックルパターンを高速に変動させる。そのため第２液晶素子（拡散素子としてのＤＳＭ液晶）の応答速度に依存することなく高速でスペックルパターンを変動させて人感のスペックルノイズを低減でき、複数のＤＳＭ液晶により散乱させる場合よりも総合的に光量損失を小さく抑えることができ、レーザ光を高効率に利用することができるという効果がある。

本発明の一実施形態に係る光走査装置の構成図である。 本発明の一実施形態に係る第１液晶素子の動作を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る第２液晶素子の動作を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る光走査装置のスペックルノイズ低減作用を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態に係る光走査装置のスペックルノイズ低減作用を説明するための模式図である。 本発明例及び比較例によるスペックルノイズ低減効果を比較するグラフである。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

図１に示すように本実施形態の光走査装置は、いわゆるレーザ走査型プロジェクタで、コントローラ１と、レーザ装置２，３，４と、ダイクロックミラー５，６と、第１液晶素子７と、レンズ８と、第２液晶素子９と、レンズ１０と、走査投影装置１１とを備える。
レーザ装置２は赤色、レーザ装置３は緑色、レーザ装置４は青色のレーザ光線をそれぞれ出射する。
各色のレーザ装置２，３，４から出射したレーザ光線は、ダイクロックミラー５，６を介して１本のレーザ光線Ｌとなる。この１本の光線Ｌは、その後、第１液晶素子７、レンズ８、第２液晶素子９、レンズ１０の順で透過し、走査投影装置１１に入射する。走査投影装置１１は、入射したレーザ光線を反射するミラーを備え、レーザ光線を投影面に照射するとともに、ミラーを２軸方向に回動することにより、主走査方向及び副走査方向に走査して、画像を投影する。

コントローラ１はこれら各部を制御して画像信号に基づいた投影面上での画像の表示を実現する。コントローラ１は画像信号に基づき、各色のレーザ装置２，３，４を制御して画素ごとの各色の階調に応じて出射量を順次変調制御するとともに、このレーザ光制御にタイミングを合わせて走査投影装置１１を制御し、投影面に画像を表示する。

さらにコントローラ１は、スペックルノイズの低減のために、第１液晶素子７及び第２液晶素子９を制御する。
第１液晶素子７は、図２に示すように透過するレーザ光線に最大位相差πを与える。第１液晶素子７としては、高速応答が可能な液晶、例えば、強誘電性液晶（ＦＬＣ）が適用される。
本実施形態においては第１液晶素子７として強誘電性液晶を用いる。この場合、図２に示すように液晶分子７１の移動量（コーン角）θ１が４５[deg]となる液晶を用い、液晶素子７１のラビング方向７２と、入射レーザ光の偏光比の高い偏光方向７３とのなす角θ２が２２．５[deg]となるように配置する。
さらに、リタデーションＲ（＝Δｎｄ Δｎ：屈折率異方性，ｄ：液晶層厚）がλ／２にできる限り近くなる液晶材料と液晶層厚ｄを選択することが好ましい。
コントローラ１の制御に従って第１液晶素子７に駆動電圧が印加される。第１液晶素子７に印加される駆動電圧の−Ｖから＋Ｖの変化により、図２(b)に示すように。液晶分子７１の配向がθ１だけ変化し、入射レーザ光の偏光方向７３に対して出射レーザ光の偏光方向７４が９０度変化する。第１液晶素子７は、コントローラ１の制御によって駆動されて、図２(a)に示す状態と、図２(b)に示す状態とを交互に繰り返す。これにより第１液晶素子７は、第２液晶素子９の配向変化速度より速い速度で、出射レーザ光を９０度異なる２つの偏光方向に切換える。
第１液晶素子７の駆動電圧は、液晶層厚ｄ、自発分極Ｐｓによって決定され、閾値電圧以上の電圧とされる。また第１液晶素子７の駆動電圧の周波数は、第２液晶素子９の配向変化速度より２倍以上速い速度で、出射レーザ光を異なる２つの偏光方向に切換えることができる周波数とする。

本実施形態において第２液晶素子９は、図３に示すように駆動電圧の印加により液晶分子が乱流を起こして時間的に液晶分子の配向がランダムに変化する動的散乱モード液晶である。
図３に示すように第２液晶素子９は、ガラス基板９１と、ＩＴＯ膜９２と、配向膜９３とを備える一対の基板９０，９０の間に液晶層を封止した構成をとる。図３(b)に示すように液晶分子９４は、電圧無負荷時には、基板９０に対して水平に配向して静止しているが、図３(a)に示すように駆動電圧の印加により乱流を起こし、時間的に液晶分子９４の配向はランダムに変化する。図３(a)に示す乱流状態とされた第２液晶素子９を透過するレーザ光は液晶分子９４の作用により散乱し、透過する時間によってレーザ光の偏光方向はランダムに変化することとなる。
（導電率）＞１０^−１０[Ｓ／ｃｍ]となる負の誘電異方性を持つ液晶（Δε＜０）を基板に対して第２液晶素子９の基板９０に対して水平に配向させる。
第２液晶素子９は、入射するレーザ光の偏光方向に対してラビング方向を平行又は垂直に配置される。駆動電圧は、基板９０に対して垂直方向に印加される。また、リタデーションＲがｎλ/2 (但し、ｎ=1,2,3・・・)にできる限り近くなる液晶材料と液晶層厚ｄを選択することが好ましい。駆動電圧の周波数等は液晶層内に液晶分子９４の乱流が発生する値とする。

図４(a)及び図５(a)(b)においては、第１液晶素子７は図２(a)に示す配向状態にあり、図４(b)においては第１液晶素子７は図２(b)に示す配向状態にある。図４(a)(b)及び図５(a)(b)において第２液晶素子９は液晶素子が乱流を起こして散乱状態に駆動されている。 したがって、図４(a)及び図５(a)(b)の場合、レーザ光線Ｌは偏光方向を変えずに第１液晶素子７を透過し、レンズ８により集光されて第２液晶素子９に入射する。
図４(b) の場合、レーザ光線Ｌは第１液晶素子７により偏光方向を９０度変えられて第１液晶素子７から出射し、レンズ８に集光されて第２液晶素子９に入射する。
いずれの場合も、第２液晶素子９に入射したレーザ光線Ｌは、第２液晶素子９でその乱流状態に応じてそれぞれ散乱されて散乱光Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして出射し、レンズ１０に集光されて走査投影装置１１に入射する。

第１液晶素子７は、図４(a)に示す状態と、図４(b)に示す状態とを相互に上述した速度で高速に切替える。
例えば図５に示すように、時間が経過しても第１液晶素子７の配向が切換らない場合について考える。この場合においても、時間の経過により第２液晶素子９での散乱状態が変化するので、異なる時間においては異なる散乱光Ｃ，Ｄが第２液晶素子９から出射する。そのため、スペックルパターンが変動して、スペックルノイズが軽減される。しかし、スペックルパターンの変動速度は第２液晶素子９の配向変化速度に依存する。
図４に示すように第１液晶素子７の配向を高速に反復して切替えることにより、散乱光Ａから散乱光Ｂへの変化は、第１液晶素子７の切替速度に応じて高速に変化する。第１液晶素子７の配向の切替えを繰り返すことに加え、第２液晶素子９による散乱状態が時間の経過とともにランダムに変化していくので、スペックルパターンを高速でランダムに変化させることができる。
これにより、第２液晶素子９単独よりもスペックルパターンを高速に変動させることができるのは勿論のこと、ＤＳＭ液晶の応答速度に依存することなく第１液晶素子（ＦＬＣ）７の切替速度に応じて高速でスペックルパターンを変動させて人感のスペックルノイズを低減でき、複数のＤＳＭ液晶により散乱させる場合よりも総合的に光量損失を小さく抑えることができ、レーザ光を高効率に利用することができる。

図６は、以上の本発明の実施形態に従って第１液晶素子７にＦＬＣ素子、第２液晶素子９にＤＳＭ液晶素子を適用した本発明例１と、３つの比較例１，２，３とについて、スペックルノイズ低減効果を比較するグラフである。レーザ光線Ｌが透過する液晶素子として、比較例１は本発明例１と同じ条件のＤＳＭ液晶素子を１つのみを適用した場合、比較例２は本発明例１と同じ条件のＦＬＣ素子を１つのみを適用した場合、比較例３は本発明例１と同じ条件のＤＳＭ液晶素子をレーザ光線Ｌに対して直列に２つ適用した場合である。
図６のグラフにおいて横軸のシャッタースピードは、スペックルパターンの積分時間あるいは合成時間に相当している。人の目が感知できる時間は３０（ｍｓ）以上といわれる。比較例１のシャッタースピード１（ｍｓ）におけるスペックルノイズの理論値を１００％としている。
この結果を比較すると、ＤＳＭ液晶素子単体の比較例１ではシャッタースピードの増加に伴ってスペックルノイズは低減し、ＦＬＣ素子単体の比較例２ではシャッタースピードに拘わらずスペックルノイズは７４％程度に低減する。ＤＳＭ液晶素子を２つ適用した比較例３では比較例１に対しグラフの傾斜が大きくなり、視認領域において大きなスペックルノイズ低減効果が得られる。本発明例１では、比較例２のレベルからシャッタースピードの増加に伴ってスペックルノイズは低減し視認領域において大きなスペックルノイズ低減効果が得られる。３３（ｍｓ）以上になると比較例３が最も効果があるが、ＦＬＣ素子に対してＤＳＭ液晶素子の光透過率が低いため、比較例３では２つのＤＳＭ液晶素子を合わせた光量損失が約６０％、本発明例では、１つのＦＬＣ素子と１つのＤＳＭ液晶素子を合わせた光量損失が約４０％と計算できた。しがって、本発明によれば、光量損失を小さく抑えてレーザ光を高効率に利用しつつ、ＤＳＭ液晶の応答速度に依存することなくスペックルパターン変化の高速化を追求できるとわかった。

なお、以上の実施形態においては、レーザ光線Ｌの進行方向に沿って第２液晶素子９を第１液晶素子７の後に配置したが、第２液晶素子９を第１液晶素子７の前に配置しても、同様の効果が得られる。また、第２液晶素子９を第１液晶素子７の前後双方に配置してもよい。

１ コントローラ
２，３，４ レーザ装置
５，６ ダイクロックミラー
７ 第１液晶素子
８ レンズ
９ 第２液晶素子
１０ レンズ
１１ 走査投影装置
Ｌ レーザ光線

Claims (4)

1. 画像信号に基づき順次変調されるレーザ光を走査投影装置により投影面上に走査して前記画像信号に基づく画像を表示する光走査装置において、
   前記走査投影装置に入射される前の前記レーザ光が透過する第１液晶素子と、
   前記走査投影装置に入射される前の前記レーザ光が、前記第１液晶素子を透過する前後のうちいずれか一方又は双方において透過する第２液晶素子とを備え、
   前記第１液晶素子は、前記第２液晶素子の配向変化速度より速い速度で、出射レーザ光を異なる２つの偏光方向に切換え、
   前記第２液晶素子は、駆動電圧の印加により液晶分子が乱流を起こして時間的に液晶分子の配向がランダムに変化する動的散乱モード液晶とされた光走査装置。
2. 前記第１液晶素子は、前記第２液晶素子の配向変化速度より２倍以上速い速度で、出射レーザ光を異なる２つの偏光方向に切換える請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記第１液晶素子は、強誘電性液晶とされる請求項１又は請求項２に記載の光走査装置。
4. 前記異なる２つの偏光方向が互いに９０度異なる方向である請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の光走査装置。

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