JP2011158543A - プロジェクタ装置およびヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
レーザー光を光源に用いるプロジェクタ装置およびヘッドアップディスプレイ装置において、スペックルノイズを抑えることで画像品質の向上を図る。
【解決手段】
本発明のプロジェクタ装置１０は、レーザー光を光源１１として照射光を出力する照明部と、照明部から出力される照射光の空間周波数を低下させる光学ローパスフィルタ１５と、入力される画像情報に基づいて画像を形成するとともに、光学ローパスフィルタを通過した照射光にて投影像を生成する画像形成部１３と、を備えることを特徴としている。
【選択図】図４

Description

本発明は、画像を光学的に投影するプロジェクタ装置に関するものであり、さらには、プロジェクタ装置による投影像を利用し、自動車などの操縦者に対して計器情報などの各種情報を視覚的に提供するヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。

従来、自動車などの移動体において、液晶ディスプレイなどにより形成された計器情報、ナビゲーション装置における地図情報などの各種情報映像を、フロントウィンドウに投影し、操縦者に情報を伝達するヘッドアップディスプレイ装置が知られている。特許文献１には、車両にこのようなヘッドアップディスプレイ装置を用いることについての開示がみられる。

特許文献１には、ヘッドアップディスプレイ装置におけるコンバイナとして、反射回折により拡散光を再生する透明なホログラムを用いることが開示されている。このようなホログラムを用いたコンバイナを用いることで、非常に高い平面性が要求されることなく、ボケが少なく、しかも明るい再生像を観察できるコンバイナ、そして、ヘッドアップディプレイ装置を提供することが可能となる。

ここで、図８、図９を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置の一実施形態を簡単に紹介する。図８はヘッドアップディスプレイ装置の各種構成をインストルメントパネル内に組み込んだ場合の実施形態である。液晶表示パネル上には、車両の計器情報や、ナビゲーション装置からの地図情報などの映像情報が出力表示される。液晶表示パネル背面には光源としてのバックライトが設置され、液晶表示パネルを背面から照射することで、光学系拡大素子としての凹面ミラーに液晶表示パネルに形成される映像を照射する。凹面ミラーで反射、拡大された映像はフロントウィンドウ又はフロントウィンドウ上に設けた透過性反射板の内側に投影される。

操縦者は、フロントウィンドウ前方に位置する表示像（虚像）を車外の景色と同時に視認することができる。また、表示像までの距離（距離Ｌ）をできるだけ遠方にすることで、操縦者は少ない焦点位置の移動量で計器情報や地図情報などの映像情報を確認することができる。

図９は、車両運転席背後からの様子を示した図であり、フロントウィンドウの破線で囲んだ表示範囲内に各種の映像情報が映し出され、運転者はインストルメントパネル内に配置されている各種計器類などに視線を落とさなくても、車両の運転に注意を払いながら映像による各種情報を取得することができる。

ところで、このようなヘッドアップディスプレイ装置における光源としてレーザー光を用いることが知られている。レーザー光源を用いることで、ランプなどを用いた場合と比較して装置全体の小型化を図ることが可能となる。

しかしながら、レーザー光を光源に用いた場合には、レーザー光のコヒーレント性のためにスペックルノイズにより画像品質が劣化する問題がある。図１は、レーザー光源によるスペックルノイズ（スペックル模様）形成の様子を示したものである。レーザー光のようなコヒーレント光が物体面で反射すると、表面の微視的な点から多くのコヒーレント光の小波が生じ、それらが空間を伝達する。このとき、光の波長に対して物体表面から散乱した小波は各々進む距離が異なるため位相差が生じる。観測側では、これらの干渉の結果
、光強度のランダムな粒状パターンとなる。凹凸のない完全な鏡面であれば、反射光配送の乱れが生じないためスペックルノイズが生じることはないが、光の波長は可視光で３８０nm〜７５０nmと微細であり、ほとんどの物体表面はこれより粗いため多くの場合においてスペックルが発生する。プロジェクタ装置においてスペックルが発生した場合、スペックルによる濃淡により像は粒状感が強くなり画像品質は劣化する。

特許文献２には、主光源（超高圧水銀ランプ）では不足してしまう赤色光を補う補助照明装置としてレーザー光源を利用した液晶プロジェクタにおいて、レーザー光源により生じるスペックルノイズを視認されにくくするため、補助照明装置が出力するレーザー光を振動させる振動発生部を設けることが記載されている。このように補助照明装置が出力するレーザー光を振動させることで、スペックルノイズを時間的に移動させスペックルノイズの影響を擬似的になくして、表示される画像の品位を向上させることができる。また、表示させる画像を振動させずに照明光を振動させるようにしているため、表示画像の品位が低下してしまうこともない。

特許文献３には、レーザー光源を振動させることでスペックルノイズを時間的に変化させ、画像に対する影響を抑制する照明光学装置において、光軸と略直交する方向に沿って移動自在に支持された第１及び第２の光学部材を、それぞれ互いに異なる第１および第２の方向に沿って振動させることが開示されている。このような照明光学装置によれば、振動の上死点、下死点で移動方向を変える際のごく短い停止時間中に生じるスペックルノイズの影響を抑制することが可能となる。

特開平９−１７９０５８号公報 特開２００５−１０７７２号公報 特開２００９−３０９１号公報

このように特許文献２、特許文献３には、スペックルノイズによる画像劣化を抑制するため、照明光学装置内の各種光学素子を振動させることの開示がみられる。具体的には、特許文献２では、レーザー光源５３、リレーレンズ５９、レーザー光源５３やリレーレンズを支持するホルダ８１を振動させており、また特許文献３では集光レンズ５２、リレーレンズ５９を振動させている。

しかしながら、光源にレーザー光を利用する照明光学装置において振動を加えることは、照明光学装置が有する厳しい光学的制限、そして、耐久性の観点において必ずしも好ましいものではない。例えば、数百〜数千Ｈｚといった比較的機械的なダメージを受けやすい周波数で加振した場合、光学的調整に狂いを生じる可能性があるとともに、レーザー半導体自身の故障や配線の断線などの可能性がある。

また、このような照明光学装置内の各種構成は、比較的重量を有するものであるため、十分な加振力を有する振動発生手段が必要とされるとともに、当該振動発生手段に十分な電力を供給する必要がある。

上記課題を解決するため、本発明のプロジェクタ装置は、レーザー光を光源として照射光を出力する照明部と、前記照明部から出力される照射光の空間周波数を低下させる光学ローパスフィルタと、入力される画像情報に基づいて画像を形成するとともに、前記光学
ローパスフィルタを通過した照射光にて投影像を生成する画像形成部と、を備えることを特徴としている。

さらに、本発明のプロジェクタ装置において、前記光学ローパスフィルタは、複屈折板であることを特徴とするものである。

さらに、本発明のプロジェクタ装置において、前記光学ローパスフィルタは、複数の複屈折板が光のシフト方向がずらして重ね合わせられて形成されていることを特徴とするものである。

さらに、本発明のプロジェクタ装置において、前記画像形成部は、前記照明部から出力される照射光を拡散する光拡散板と、前記光拡散板を加振する加振部と、を備えることを特徴とするものである。

また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、レーザー光を光源として照射光を出力する照明部と、前記照明部から出力される照射光の空間周波数を低くする光学ローパスフィルタと、入力される画像情報に基づいて画像を形成するとともに、前記光学ローパスフィルタを通過した照射光にて投影像を生成する画像形成部と、前記画像形成部で生成された投影像を回折し、観察位置に観察像を形成するホログラフィック光学系と、を備えることを特徴としている。

本発明では、レーザー光を光源として照射光を出力する照明部と、入力される画像情報に基づいて画像を形成する画像形成部との間に、照射光の空間周波数を低下させる光学ローパスフィルタを配設したことで、振動を加えることなくスペックルノイズを効果的に排除することが可能となる。

レーザー光源によるスペックル模様形成の様子を示す図。 本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を示す図。 ホログラフィック光学素子によるレンズ機能を説明するための図。 本発明の実施形態に係るプロジェクタ装置を示す図。 水晶複屈折板を用いた光学ローパスフィルタの動作原理を示す図。 光学ローパスフィルタを通過したレーザー光の様子を示す図。 本発明の他の実施形態に係るプロジェクタ装置を示す図。 本発明の他の実施形態に係るプロジェクタ装置を示す図。 本発明の実施形態に係る拡散板加振の様子を示す図。 本発明の実施形態に係る拡散板加振のための制御構成を示す図。 従来のヘッドアップディスプレイ装置を示す図。 ヘッドアップディスプレイ装置による車室内での画像表示の様子を示す図。

図２は、本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を示す図であって、自動車に採用された場合が示されている。なお、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、自動車に限らず、各種乗り物の操縦者に対する表示装置、あるいは、ゲーム機、シミュレーション装置などに採用することが可能である。また、本発明ではヘッドアップディスプレイ装置に適用されるプロジェクタ装置を説明するが、プロジェクタ装置としてはヘッドアップディプレイ装置に適用されるものに限らず、スクリーンに映像を投影する各種のものに適用することが可能である。

観察者の観察方向には、自動車のフロントウィンドウ２１が配置されており、内側にはホログラフィック光学系２０が貼付されている。ホログラフィック光学系２０は、外界光を損なわないシースルー（透明）性を有するとともに、回折機能を有する光学部材であって、物体光と参照光の干渉パターンを記録することで作成される。本実施形態では、観察位置において、車室外の景色とプロジェクタ装置１０の映像情報を重畳して提供するコンバイナとして機能する。

プロジェクタ装置１０は、入力される各種映像情報に基づいて映像を投影する装置であって、本実施形態では、液晶プロジェクタが用いることとしている。プロジェクタ装置１０から投影された映像は、ホログラフィック光学系２０で回折し、観察者の観察位置にて遠方に結像する虚像として観察される。観察者、すなわち、操縦者は視線を変動することなく、車室外の景色とプロジェクタ装置１０による映像情報を視認可能となる。また、本実施形態では、プロジェクタ装置１０の焦点距離を可変することにより、結像距離を変化させることが可能となる。これにより、前方車両が近くにある場合などでは結像距離を短く、前方車両が無い、あるいは遠い場合は結像距離を長く伸ばすなど、状況により操縦者の焦点距離を大きく変動させずに映像情報を視認可能にさせる。

図３は、このようなレンズ機能を持たせたホログラフィック光学系を説明するための図である。ホログラフィック光学系２０は、高いシースルー性を有しているため、外来光はほとんど損失のないままこのホログラフィック光学系２０を透過する。一方、プロジェクション装置１０から発せられた入射光（再生光）は、ホログラフィック光学系２０にて所定方向に回折する。回折光が集光点に向けて回折するようホログラフィック光学系２０を製作することでレンズ機能（光学拡大機能）を持たせることが可能となる。

図４は、本発明の実施形態に係るプロジェクタ装置を示す図である。本実施形態では、光源にレーザー光を用いるとともに、画像を形成する画像形成部に液晶表示素子を用いた構成としている。レーザー光源１１は、レーザー半導体１１２、発散光学系１１１などを含んで構成される光源装置であって、レーザー半導体１１２から放射された出力光を、発散光学系１１１にて所定の照射断面形状に揃えて外部に出力する。

レーザー光源１１から出力された出力光は、ビームエキスパンダ１２にて、バックライトとして必要な面積に調整される。なお、本実施形態では、このレーザー光源１１とビームエキスパンダ１２にて照明部が形成されている。ビームエキスパンダ１２による照射光は、光学ローパスフィルタ１５を通過することで空間周波数が低下される。光学ローパスフィルタ１５には各種形態のものを利用することができるが、その詳細については後ほど説明を行う。

光学ローパスフィルタ１５を通過した光は、画像形成部１３の背面に照射される。画像形成部１３には、透過型表示素子として知られる液晶表示素子１３１が用いられ、入力される画像情報に基づいて画像が形成される。なお、画像形成部１３には、この液晶表示素子１３１に限られるものではなく、反射型表示素子を含む各種表示素子を用いることが可能である。

光学ローパスフィルタ１５を通過することで空間周波数が引き下げられた照射光は、光拡散板１３２にて拡散され、その強度分布が均一となるように調整される。この光拡散板１３２は、入射する光を散乱、拡散させるための半透明なシート状の部材であって、フィルムあるいは板などで構成される。なお、光拡散板１３２は、１枚のみならず光軸方向に向かって複数枚重ねて配置するようにしてもよい。複数枚の光拡散板１３２を通過させることで、強度分布をより均一にすることが可能となる。光拡散板１３２で拡散された拡散
光は、液晶表示素子１３１の背後から照射され、プロジェクション光学系１４を介して投影像が形成される。

観察者は、ホログラフィック光学系２０を介してこの投影像を観察することとなる。これは、ホログラフィック光学系２０が有する偏光機能により可能となるものであるが、ホログラフィック光学系２０にレンズ機能（光学拡大機能）を持たせることで、観察者に大きな映像を提供することができるとともに、プロジェクタ装置１０内のプロジェクション光学系１４の小型化を図り、プロジェクタ装置１０自体の小型化を図ることも可能となる。

図５は、光学ローパスフィルタの一例として複屈折板（水晶複屈折板）を用いたものが示されている。複屈折板は、入射する光を常光線と異常光線の２つに分ける働きを持つ。複屈折板の厚さを調整することで分離幅を調整し、入射する光の空間周波数を引き下げることが可能となる。スペックルノイズの濃淡は空間周波数が高い状態とみることができるため、この複屈折板を用いて空間周波数を引き下げることで、いわばスペックルノイズの濃淡を塗り潰し、スペックルノイズを目立たなくすることが可能となる。

複屈折板は１枚設けることでもスペックルノイズを抑制する効果を奏するが、複数枚、光のシフト方向をずらして重ね合わせることで、さらに効果的となる。図６（ａ）は、複屈折板を２枚重ねた場合の点光源の様子を示した模式図であって、Ａの位置で１枚目の複屈折板に入射した点光源は、常光線としての点光源Ａと異常光線としての点光源Ｂに分けられる。そして２枚目の複屈折板では、点光源Ａ、点光源Ｂは常光線としてそのまま通過するとともに、それぞれが異常光線として点光源Ｃ、点光源Ｄに分けられる。

このように２枚の複屈折板を光のシフト方向をずらして重ね合わせることにより、元の点光源は４つの点光源Ａ〜Ｄに分けられ、光学ローパスフィルタの機能を２次元的なものとし、スペックルノイズ抑制の効果を高めることが可能となる。図６（ｂ）は、２枚の複屈折板を通過したレーザー光の様子を示したものであって、図に示すように円形で示される４つのレーザー光が重ね合わせて出力される。

以上、本実施形態では、光学ローパスフィルタによって、各種構成を振動させずともスペックルノイズを抑制することが可能となる。光学ローパスフィルタとしては、本実施形態のような複屈折板を用いたものの他、光学面に凹凸を形成することで光路長を変化させて光学ローパスフィルタとして機能するものなど各種形態を採用することが可能となる。

図４では、透過型表示素子（液晶表示素子）を用いたプロジェクタ装置について本発明を適用した場合を説明したが、本発明は他のタイプのプロジェクタ装置に対しても適用可能である。図７は、ＤＬＰやＬＣＯＳなど反射型表示素子を用いた場合のプロジェクタ装置が示されている。

レーザー光源１１から出力された出力光は、ビームエキスパンダ１２にてバックライトとして必要な面積に調整される。このレーザー光源１１、ビームエキスパンダ１２にて構成される照明部は、図４で説明した場合と略同様の構成である。

ビームエキスパンダ１２による照射光は、光学ローパスフィルタ１５を通過して、その空間周波数の低下が図られ、この作用に基づいてスペックルノイズの低減を図ることが可能となっている。光学ローパスフィルタ１５を通過した光は偏光ビームスプリッター１８（ＰＢＳ）にて図中左方向に変更され、１／４波長板１７を通過して、画像形成部１３に照射される。この画像形成部１３は、入力される画像情報に基づいて画像を形成する反射型表示素子を備えた部材であって、反射型表示素子としては、ＤＬＰやＬＣＯＳなどの利
用が考えられる。

画像表示部１３にて反射された反射光は、形成された画像を情報として含む光学像となり、１／４波長板１７、偏光ビームスプリッター１８を通過し、プロジェクション光学系１４を介して投影像を形成することとなる。

このように、反射型表示素子を用いた場合においても、光学ローパスフィルタ１５を設けたことでスペックルノイズの抑制を図ることが可能となる。本実施形態では、光学ローパスフィルタ１５を照明手段と偏光ビームスプリッター１８の間に配置しているため、画像形成部１３で形成される光学像に対する影響もない。

以上、本発明では光学ローパスフィルタによってスペックルノイズの抑制を図ることができるものであるが、次に説明する実施形態では、光拡散板を加振することでさらに効果的にスペックルノイズを抑制することが可能となる。図８は、プロジェクタ装置の実施形態を示す図であって、光拡散板１３３に加振部１３３が取り付けられている点以外は、図４にて説明したプロジェクタ装置と同様の構成を有する。

本実施形態では、この光拡散板１３２を加振部１３３にて加振させることでスペックルノイズを防止することを可能としている。図９は、光拡散板１３２に取り付けられた加振部１３３の各種形態を示す図である。両図とも紙面を光束が貫くようにみた際の光拡散板１３２の正面図を示したものである。また、図１０は、本発明の実施形態に係る光拡散板加振のための制御構成を示す図である。

図９（ａ）の実施形態は、加振部１３３として、光拡散板１３２の下辺に取り付けられた第１の加振モジュール１３３ａと、左辺に取り付けられた第２の加振モジュール１３３ｂにて構成されるものが示されている。各加振モジュール１３３ａ、１３３ｂには、圧電素子などによるアクチュエータが利用される。

図１０に示される制御構成により加振モジュール１３３ａ、１３３ｂの同期、非同期が制御される。図１０に示されるように制御部３０は、それぞれの加振モジュール１３３ａ、１３３ｂの周期を制御する周期制御部３２と、各加振モジュール１３３ａ、１３３ｂを駆動する振動子制御部３１にて構成されている。図９（ａ）の実施形態の場合、各振動モジュール１３３ａ、１３３ｂの周期を等しくするとともに、位相を半波長分ずらして振動させることで、光拡散板１３２に歪みを生じさせることなく、また、光拡散板１３２自体が静止する期間を有することなく運動させることが可能となる。すなわち、一方の振動モジュール１３３の振動角速度が最小となるときに、他方の振動モジュール１３３の角速度が最大となるように制御される。

光拡散板１３２の加振周波数は、人間の視覚特性を考慮して５０Ｈｚ以上に設定される。このように光拡散板１３２を加振することでスペックルノイズを時間的に移動させ、画像面においてスペックルノイズ自体を時間平均することで、スペックルノイズを効果的に取り除くことができる。また、光拡散板１３２は非常に軽量であるため、レーザー光源１１、ビームエキスパンダ１２などで構成された照明部の各種構成を加振する場合と比較して、簡易な構成の加振部１１３を採用することが可能となるとともに、耐久性の面においても問題が少ない。また、光拡散板１３２は、光を拡散させるという比較的光学的制限の緩い機能であるため、加振することで生じる光学的調整上の問題を抑制できる。

図９（ｂ）は、他の実施形態における加振部１３３の構成を示した図である。各加振モジュール１３３ａ〜１３３ｄは、光学的に影響のない箇所を選んで四隅に配置される。図９に示される制御構成にて、各加振モジュール１３３ａ〜１３３ｄを、周期、振幅をとも
に同期させて円運動させ、光拡散板１３２に歪みを発生させることなく円周運動させることが可能となる。なお、本実施形態では、特に光拡散板１３２に歪みを生じさせない観点から、光拡散板１３２の四隅に加振モジュール１３３ａ〜１３３ｄを配置する構成としたが、光拡散板１３２自体が剛性を有する場合には、その数を減らして設ける（１個以上）とすることも可能である。

以上、加振モジュール１３３ａ〜１３３ｄにて構成された加振部１３３の各種実施形態について説明したが、光拡散板１３２を加振する構成としては、この実施形態に限られるものではなく、各種形態を採用することができる。また、光拡散板１３２が複数枚設けられた画像形成部１３の場合には、複数枚の光拡散板１３２に加振モジュール１３３を設けることとしてもよい。この場合、各光拡散板１３２を一方向に加振した場合であっても、光拡散板１３２毎に加振方向を変えることで、効果的にスペックルノイズを抑制することが可能となる。

以上、本実施形態によれば、光路内に光学ローパスフィルタ１５を設ける構成に加えて、液晶表示素子１３１のような透過型表示素子の背面に位置する光拡散板１３２を加振することで、さらに効果的にスペックルノイズを抑制することが可能となる。これは、光拡散板１３２が軽量である、また、光学的制限が緩いことを利用したものであって、照明部における各種構成を加振する場合と比較して有利な効果を得ることが可能となっている。

なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１０…プロジェクタ装置、１１…レーザー光源、１１１…発散光学系、１１２…レーザー半導体、１１３…加振部、１２…ビームエキスパンダ、１３…画像形成部、１３１…ＬＣＤ、１３２…拡散板、１３３…加振部、１３３ａ〜１３３ｄ…加振モジュール、１４…プロジェクション光学系、１５…光学ローパスフィルタ、１７…１／４波長板、１８…偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）、２０…ホログラフィック光学系、２１…フロントウィンドウ、３０…制御部、３１…振動子駆動部、３２…周期制御部

Claims (5)

1. レーザー光を光源として照射光を出力する照明部と、
   前記照明部から出力される照射光の空間周波数を低下させる光学ローパスフィルタと、
   入力される画像情報に基づいて画像を形成するとともに、前記光学ローパスフィルタを通過した照射光にて投影像を生成する画像形成部と、を備えることを特徴とする
   プロジェクタ装置。
2. 前記光学ローパスフィルタは、複屈折板であることを特徴とする
   請求項１に記載のプロジェクタ装置。
3. 前記光学ローパスフィルタは、複数の複屈折板が光のシフト方向がずらして重ね合わせられて形成されていることを特徴とする
   請求項２に記載のプロジェクタ装置。
4. 前記画像形成部は、前記照明部から出力される照射光を拡散する光拡散板と、
   前記光拡散板を加振する加振部と、を備えることを特徴とする
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載のプロジェクタ装置。
5. レーザー光を光源として照射光を出力する照明部と、
   前記照明部から出力される照射光の空間周波数を低くする光学ローパスフィルタと、
   入力される画像情報に基づいて画像を形成するとともに、前記光学ローパスフィルタを通過した照射光にて投影像を生成する画像形成部と、
   前記画像形成部で生成された投影像を回折し、観察位置に観察像を形成するホログラフィック光学系と、を備えることを特徴とする
   ヘッドアップディスプレイ装置。

Images