JP2013156466A - レーザ走査型プロジェクタおよび立体表示システム - Google Patents

Abstract

【課題】偏光変調効率を高くできる立体表示用のレーザ走査型プロジェクタおよびそれを用いた立体表示システムを提供する。
【解決手段】レーザ走査型プロジェクタ（１０１）は、画像信号に基づき、左右目用画像に関するレーザ光を交互に出射するＲＧＢ３色のレーザ光源（１、２、３）と、入射偏光方向が同一の方向となっている左右目用画像に関するレーザ光が入射され、レーザ光の入射偏光方向を左目用画像と右目用画像に応じてそれぞれ逆の方向に４５度回転される偏光切替手段（６）と、偏光切替手段により偏光方向が切替えられた光の偏光方向をそれぞれ逆方向の円偏光に変換する第１の１／４波長位相差素子（７）と、円偏光にされたレーザ光を投影面上に走査する走査手段（８）と、を備え、第１の１／４波長位相差素子の遅延軸の方向は、偏光切替手段に入射した前記レーザ光の偏光方向と９０度の角をなす。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ走査型プロジェクタおよびレーザ走査型プロジェクタを用いた立体表示システムに関する。

近年、立体映像（３Ｄ映像）を投影できる立体表示装置が種々開発されている。特許文献１では、画像表示装置は液晶表示素子とその前面に配置された光学部材とで構成され、画像表示装置に表示された画像は、画素１列毎に交互に極性の異なる直交した円偏光とされており、かかる画像を観察者が偏光眼鏡を装着して観察する形式の直視型の画像表示装置が開示されている。特許文献２では、画像表示装置に表示された画像は、画素１列毎に交互に極性の異なる直交した円偏光とされた左右両目用の画像であり、表示装置の前面に設置したレンチキュラーレンズ板やスリット板を介して偏光眼鏡を装着して観察することにより立体視可能ゾーン拡大を図った直視型の画像表示装置が開示されている。

ところで、赤光（Ｒ）、緑光（Ｇ）及び青光（Ｂ）を発する３つのレーザを光源とし、共振ミラーによる反射によって、レーザ光源からのレーザ光を２軸方向に走査してスクリーンに照射し、画像を表示させるレーザ走査型プロジェクタは、３原色に対応する３つのレーザ光自体が偏光度が高い光であるとともに、３原色の光強度を独立に制御できることから、レーザ走査型プロジェクタによる高精細な立体映像を表示させる要望が存在していた。

特許第３４６３８４６号公報 特許第３３８０１３２号公報

しかしながら、上記した直視型の立体表示装置においては、偏光眼鏡により右目用、左目用画像を交互に観察するために画像の明るさが通常の画像に比べて、原理的に半分以下に低下してしまうという課題があった。
レーザ走査型プロジェクタにおいても同様の課題は存在し、特に立体映像の明るさを確保するための偏光変調効率の高さは、重要な課題であった。

本発明の目的は、偏光変調効率を高くできる立体表示用のレーザ走査型プロジェクタおよびそれを用いた立体表示システムを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
画像信号に基づき、左目用画像に関するレーザ光と右目用画像に関するレーザ光を交互に出射するＲＧＢの３色のレーザ光源と、
入射偏光方向が同一の方向となっている前記左目用画像に関するレーザ光と前記右目用画像に関するレーザ光とを入射させ、入射された二つの前記レーザ光の入射偏光方向を左目用画像と右目用画像に応じて、前記入射偏光方向からそれぞれ逆方向に４５度回転させて異なる２つの偏光方向に切替える偏光切替手段と、
前記偏光切替手段により偏光方向が切替えられた二つの前記レーザ光を入射させ、入射された二つの前記レーザ光の偏光方向をそれぞれ逆方向の円偏光に変換する第１の１／４波長位相差素子と、
前記第１の１／４波長位相差素子により円偏光にされた前記レーザ光を投影面上に走査する走査手段と、
を備え、
前記第１の１／４波長位相差素子の遅延軸の方向は、前記偏光切替手段に入射された前記レーザ光の偏光方向と９０度の角をなすことを特徴とするレーザ走査型プロジェクタである。

請求項２に記載の発明は、
請求項１記載のレーザ走査型プロジェクタと、
前記レーザ走査型プロジェクタの投影画面が投影されるスクリーンと、
前記スクリーンの投影光を入射させる偏光眼鏡と、を備える立体表示システムであって、
前記偏光眼鏡は、
前記スクリーンの投影光が入射する左右の目用の第２の１／４波長位相差素子と、
前記第２の１／４波長位相差素子から出射された光を検光するそれぞれ９０度透過軸が異なる偏光子と、
を備えることを特徴とする立体表示システムである。

本発明によれば、偏光変調効率を高くできる立体表示用のレーザ走査型プロジェクタおよびそれを用いた立体表示システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ走査型プロジェクタ１０１および立体表示システム１０２の構成を示す図である。 図１のレーザ走査型プロジェクタ１０１の一部を構成する円偏光変換デバイスユニット５および、立体表示システム１０２の一部構成する偏光眼鏡１０の光学的配置の概要を示す図である。 図１のレーザ走査型プロジェクタ１０１の一部を構成する円偏光変換デバイスユニット５および、立体表示システム１０２の一部を構成する偏光眼鏡１０の具体的光学配置とパラメータ構成を示す図である。 １／２波長液晶素子６の構造を示す図である。 ポアンカレ球を説明するための図である。 ポアンカレ球を用い、左目の系統について、円偏光変換デバイスユニット５の１／２波長液晶素子６、１／４波長位相差素子７、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１の動作を説明するための図である。 ポアンカレ球を用い、右目の系統について、円偏光変換デバイスユニット５の１／２波長液晶素子６、１／４波長位相差素子７、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１の動作を説明するための図である。 本実施形態に係る、円偏光変換デバイスユニット５、５０と偏光眼鏡１０の実施例１を示す図である。 本実施形態に係る、円偏光変換デバイスユニット５、５０と偏光眼鏡１０の実施例２を示す図である。 本実施形態に係る、円偏光変換デバイスユニット５、５０と偏光眼鏡１０の実施例３を示す図である。 本実施形態に係る、円偏光変換デバイスユニット５、５０と偏光眼鏡１０の実施例４を示す図である。 本実施形態に係る、円偏光変換デバイスユニット５、５０と偏光眼鏡１０の実施例１〜実施例４の偏光変調効率を示す図である。 比較例に係るレーザ走査型プロジェクタの円偏光変換デバイスユニット５０および、立体表示システムの偏光眼鏡１０の具体的光学配置とパラメータ構成を示す図である。 比較例の左目の系統について、ポアンカレ球を用いてその動作を説明するための図である。 比較例の右目の系統について、ポアンカレ球を用いてその動作を説明するための図である。 比較例に係る円偏光変換デバイスユニット５０と偏光眼鏡１０についての位相差（度）の測定値と偏光変調効率の計算値を５ｎｍ毎に示した図である。 実施例２、３と比較例に係る、円偏光変換デバイスユニット５、５０と偏光眼鏡１０についての偏光変調効率を比較した図である。

以下、本発明の実施形態に係るレーザ走査型プロジェクタ１０１および立体表示システム１０２について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ走査型プロジェクタ１０１および立体表示システム１０２の構成を示す図である。
立体表示システム１０２は、レーザ走査型プロジェクタ１０１と、偏光眼鏡１０とを備えて構成される。
レーザ走査型プロジェクタ１００は、レーザ光源１、２、３と、レーザ光源１、２、３から出射された各レーザ光を反射して１つの光線に合波するミラー部４と、ミラー部４にて合波されたレーザ光の偏光状態を左目用画像または右目用画像に対応した円偏光に変換する円偏光変換デバイスユニット５と円偏光変換デバイスユニット５から出射されたレーザ光を投影面であるスクリーンＳ上に走査する走査手段としての走査型投影ミラー８と、各部を制御するコントローラ９等を備えて構成されている。

レーザ光源１、２、３は、画像信号に基づくコントローラ９の制御によって、左目用画像に関するレーザ光と右目用画像に関するレーザ光を交互に出射する。レーザ光源１、２、３は、例えば半導体レーザ（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）であり、レーザ光源１は赤色レーザ光、レーザ光源２は緑色レーザ光、レーザ光源３は青色レーザ光を出射する。それぞれのレーザ光の偏光方向はお互いに揃っており、たとえば、図１に示すように、紙面に平行に設定されている。

ミラー部４は、レーザ光源１から出射されたレーザ光（赤色レーザ光）を反射するダイクロイックミラー４ｒと、レーザ光源２から出射されたレーザ光（緑色レーザ光）を反射するダイクロイックミラー４ｇと、レーザ光源３から出射されたレーザ光（青色レーザ光）を反射する全反射ミラー４ｂとを備えている。このミラー部４は、レーザ光源１、２、３からの３色のレーザ光をそれぞれの反射面で反射させてそれぞれの光線の光軸を一致させるように合波する。合波されたレーザ光の偏光方向は図１に示すように例えば紙面の平行に設定されている。ミラー部４は、合波されたレーザ光を円偏光変換デバイスユニット５の１／２波長液晶素子６に向けて反射する。

図２は、図１のレーザ走査型プロジェクタ１０１の一部を構成する円偏光変換デバイスユニット５および、立体表示システム１０２の一部を構成する偏光眼鏡１０の光学的配置の概要を示す図である。図３は、図１のレーザ走査型プロジェクタ１０１の一部を構成する円偏光変換デバイスユニット５および、立体表示システム１０２の一部を構成する偏光眼鏡１０の具体的光学配置とパラメータ構成を示す図である。図４は、１／２波長液晶素子６の構造を示す図である。

円偏光変換デバイスユニット５は、１／２波長液晶素子６と第１の１／４波長位相差素子である１／４波長位相差素子７とを備えて構成されている。円偏光変換デバイスユニット５は、入力されたレーザ光の偏光状態を左目用画像または右目用画像に対応した円偏光に変換する。

１／２波長液晶素子６は、例えば、図４に示すように、対向配置された透明基板対６１、６１に強誘電性液晶６４が封入されて構成されている。透明基板対６１、６１にはＩＴＯ等の透明電極６２が成膜されており、さらにその内側に強誘電性液晶の分子配向を制御するために配向膜６３が設けられている。１／２波長液晶素子６は、両極性の電圧が印加されることにより配向膜の配向方向から±２２．５度の方向に分子長軸が揃うように構成されている。その分子長軸が揃う方向がｅ軸、ｅ軸と直交する軸がｏ軸である。ここで、ｅ軸は遅延軸（ｓｌｏｗ ａｘｉｓ）に相当し、ｏ軸は進相軸（ｆａｓｔ ａｘｉｓ）に相当する。図２では、１／２波長液晶素子のｅ軸はｘ軸からαの角をなす。円偏光変換デバイスユニット５の１／４波長位相差素子７、および、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１の遅延軸は、それぞれ、ｘ軸からβ、γの角をなす。

ここで、このような、円偏光変換デバイスユニット５および偏光眼鏡１０の光学的な軸の配置には自由度が存在しうるが、本実施形態では、図３に示すような配置およびパラメータ構成となっている。１／２波長液晶素子６の配向膜の配向方向はｙ軸方向に設定されており、ｅ軸（遅延軸）の角度αは、α＝６７．５度および１１２．５度である。

そして、１／２波長液晶素子６は印加電圧の極性に応じて、それぞれ±４５度方向に入射レーザ光の偏光方向を変換する。

１／４波長位相差素子７は、その遅延軸がβ＝０度に設定されている。すなわち、その遅延軸は入射するレーザ光の偏光方向に直交に配置されている。１／４波長位相差素子７には、例えば、ポリカーボネート、オレフィン系材料を用いることができる。それらの材料は、可視光域において波長依存性を有する位相差フィルムである。

走査型投影ミラー８は、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ：微小電気機械システム）技術を利用した電磁駆動型のＭＥＭＳミラーである。例えば、走査型投影ミラー８は、その走査型投影ミラー８固有の共振周波数に応じて駆動されてレーザ光を走査するようになっている。走査型投影ミラー８は後述するコントローラ９の制御により、電磁的に駆動され、円偏光変換デバイスユニット５の１／４波長位相差素子７を出射したレーザ光を二次元方向に反射させ、スクリーンＳにレーザ光を走査して画像信号に基づく左目用画像と右目用画像を表示する。

コントローラ９は、例えば、画像信号に基づき、レーザ光源１、２、３から左目用画像に対応するレーザ光と右目用画像に対応するレーザ光を交互に出射させる制御を実行する。また、コントローラ９は、例えば、画像信号に基づき、１／２波長液晶素子６の電極対５２，５２（透明電極５２）間に駆動電圧を印加して、１／２波長液晶素子６を通過するレーザ光の偏光方向を左目用画像と右目用画像に応じて切り替える制御を実行する。このようにコントローラ９は１／２波長液晶素子６を制御する機能を有する。また、コントローラ９は、例えば、画像信号に基づき、レーザ光源１、２、３からのレーザ光を二次元方向に反射させ、スクリーンＳにレーザ光を走査して画像を投影させる制御を実行する。

偏光眼鏡１０は、図２、３に示すように、第２の１／４波長位相差素子である１／４波長位相差素子１１と偏光子１２とを備えて構成される。具体的には、偏光眼鏡１０は、１／４左目用の１／４波長位相差素子１１と偏光子１２および、右目用の１／４波長位相差素子１１と偏光子１２とを備えて構成される。

第２の１／４波長位相差素子である１／４波長位相差素子１１は、その遅延軸が、γ＝０度に設定されている。すなわち、その遅延軸は入射されるレーザ光の偏光方向に直交に配置されている。
１／４波長位相差素子１１は、広帯域用の位相子であり、円偏光変換デバイスユニット５における１／４波長位相差素子７と比べて、可視光域において波長依存性が極めて少ない。
偏光子１２はその透過軸の方向が、例えば左目用に対してはδ＝４５度、左目用に対してはδ＝１３５度に設定されている。

次に、本発明の実施形態に係るレーザ走査型プロジェクタ１０１および立体表示システム１０２について、円偏光変換デバイスユニット５と偏光眼鏡１０の偏光に関する動作を説明する。

円偏光変換デバイスユニット５には、図１に示すように、レーザ走査型プロジェクタにおいて、立体映像によって変調された３色のレーザ光が入射される。入射されたレーザ光の偏光方向は図３に示すように、図３のｙ軸方向である。
１／２波長液晶素子６は、画像信号に基づくコントローラ９の制御によって、透明電極６２、６２間に駆動電圧が印加されることにより液晶層６４の液晶の配列が切替えられる。そして、１／２波長液晶素子６を通過するレーザ光を左目用画像と右目用画像に応じて異なる２つの偏光方向に切り替える。

具体的には、１／２波長液晶素子６は、例えば、左目用画像に関するレーザ光に対しては＋Ｖの駆動電圧が印加され、レーザ光の偏光方向をｙ軸から＋４５度変換し、右目用画像に関するレーザ光に対しては−Ｖの駆動電圧を印加した状態でレーザ光の偏光方向をｙ軸から−４５度変換する。すなわち、レーザ光の偏光方向は、１／２波長液晶素子６の配向方向に平行であり、１／２波長液晶素子６の遅延軸（ｅ軸）が±Ｖの駆動電圧印加により、±２２．５度の角度に配列切替えされることにより、それぞれｙ軸に対して±４５度方向にその偏光方向が変換されて１／２波長液晶素子６を透過する。このようにして、左目用画像に対応するレーザ光と右目用画像に対応するレーザ光の偏光方向は、互いに直交するように切り替えられる。

なお、１／２波長液晶素子６には強誘電性液晶が用いられているので、左目用画像と右目用画像の切り替えは、画像信号のブランキングタイム（例えば、その間隔は１［ｍｓ］。）中に完全に実施することができる。ここで、１／２波長液晶素子６は偏光切替手段の役割を果たす。

１／４波長位相差素子７は、入射されるレーザ光の直線偏光を円偏光に変換させる機能を有している。１／４波長位相差素子７は、例えば、左目用画像に対応して偏光方向が＋４５度の直線偏光とされたレーザ光を左円偏光に変換させ、右目用画像に対応して偏光方向がｙ軸から−４５度の直線偏光とされたレーザ光を右円偏光に変換させる。このようにして、可視域（４５０ｎｍ〜６５０ｎｍ）の直線偏光が円偏光変換デバイスユニット５によって円偏光に変換される。

偏光眼鏡１０の動作については、図３に示すように、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１は、その遅延軸が円偏光変換デバイスユニット５の１／４波長位相差素子７の遅延軸と光学的に平行になるように配置されている。そして、１／４波長位相差素子１１の機能により、左円偏光をｙ軸から−４５度の直線偏光に、右円偏光をｙ軸から＋４５度の直線偏光に変換する。したがって、たとえば１／４波長位相差素子１１の光出射側に設けられている偏光子１２の偏光方向を図３のように配置することで、立体映像をチャンネル分離して観察することができる。すなわち、たとえば、左目側の偏光子１２はその透過軸をｙ軸から−４５度に、右目用の偏光子１２はその透過軸をｙ軸から＋４５度に設定する。

次に、ポアンカレ球により、円偏光変換デバイスユニット５と偏光眼鏡１０の動作を説明する。
任意の偏光状態は、地球儀のような球上の表面の点で表現することができ、この球はポアンカレ球と呼ばれる。図５は、ポアンカレ球を説明するための図である。赤道上の点は直線偏光（楕円率０）を、北極および南極上の点は円偏光（楕円率１）を、赤道および両極以外の点はすべて楕円偏光を表している。同じ経線上の偏光状態は主軸方位が同じで楕円率だけが異なる。北半球の点は右回りの偏光を表し、南半休の点は左回りの偏光を表している。ポアンカレ球を用いた動作説明については、最初に各光学素子の特性が理想的な位相差を有しているものと仮定して行う。

図３における左目の系統について、ポアンカレ球を用いた説明を行う。図６は、ポアンカレ球を用い、左目の系統について、円偏光変換デバイスユニット５の１／２波長液晶素子６、１／４波長位相差素子７、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１の動作を説明するための図である。図６（Ａ）において、入射するレーザ光をＰＬ（ｉｎ）と表し、そのポアンカレ球上の点を点Ａとする。

１／２波長液晶素子６の遅延軸（ｅ軸）は入射レーザ光の偏光方向に対して方位角Ψ１＝２２．５度である。そして、１／２波長液晶素子６の位相差Ｒは１／２λである。そこで、ポアンカレ球の赤道面内で、中心Ｏを通り方位ＯＡから経度２Ψ１の方向の直線を引いて回転軸とする。その回転軸に垂直で入射偏光の点Ａを通る断面を回転断面とし、その回転断面によって作られる球上の円弧に沿って、点Ａを、
δ＝３６０度×Ｒ／λ＝１８０度 式（１）
の角度だけ右回転にて回転移動させる。その結果、点Ａは、図６（Ａ）のポアンカレ球上で点Ｄに移動する。点Ｄは、左４５度回転した直線偏光を示す。

次に、１／４波長位相差素子７の遅延軸の方位角は１／４波長位相差素子７の入射偏光に対しΨ２＝４５度である。そこで、図６（Ｂ）において、点Ｄから２Ψ２＝９０度の点Ｃと点Ｏを結ぶ直線を回転軸とし、点Ｄを９０度右回転にて、回転移動させる。その結果、１／４波長位相差素子７の出射光はポアンカレ球上で点Ｆに移動する。点Ｆは、楕円率１の左円偏光を示す。

次に、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１の遅延軸の方向は円偏光変換デバイスユニット５における１／４波長位相差素子７の遅延軸と平行に配置されている。よって、１／４波長位相差素子１１に対するポアンカレ球での偏光操作は、円偏光変換デバイスユニット５における１／４波長位相差素子７と同じである。そこで、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１に対するポアンカレ球での偏光操作も、直線ＯＣを回転軸として９０度右回転にて、回転移動させる操作である。その結果、図６（Ｃ）に示すように、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１の出射光はポアンカレ球上で点Ｆから点Ｂに移動する。点Ｂは、右４５度の直線偏光を示す。

次に、図３における右目の系統についてポアンカレ球を用いた説明を行う。図７は、ポアンカレ球を用い、右目の系統について、円偏光変換デバイスユニット５の１／２波長液晶素子６、１／４波長位相差素子７、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１の動作を説明するための図である。図７（Ａ）において、入射するレーザ光をＰＬ（ｉｎ）と表し、そのポアンカレ球上の点を点Ａとする。
右目の系統における１／２波長液晶素子６の遅延軸の方位角は入射レーザ光の偏光方向に対してΨ１＝−２２．５度であり、左目の系統での方位角と絶対値が同じで極性が逆である。そこで、図７（Ａ）においては、直線ＯＡに対して左目の系統の場合の回転軸と対称な直線を引いて回転軸とし、同じ方向の回転量を与えればよい。そうすると、１／２波長液晶素子６の透過光はポアンカレ球上で点Ｂに相当し、右４５度の直線偏光となる。次に、円偏光変換デバイスユニット５および偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子７、１１の遅延軸の方位角は円偏光変換デバイスユニット５の１／４波長位相差素子７の入射偏光に対しΨ２＝−４５度である。そこで、図７（Ｂ）において、点Ｂから２Ψ２＝−９０度の点Ｃと点Ｏを結ぶ直線を回転軸とし、点Ｂを９０度右回転にて、回転移動させる。その結果１／４波長位相差素子７の出射光はポアンカレ球上で点Ｅに相当し、右円偏光となる。また、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１に対して、ポアンカレ球での操作は、円偏光変換デバイスユニット５における１／４波長位相差素子７と同じであったので、直線ＯＣを回転軸とし、点Ｅを９０度右回転にて、回転移動させる。その結果、図７（Ｃ）に示すように、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１の出射光はポアンカレ球上で点Ｄに移動し、左４５度の直線偏光となる。

次に、本願発明の特徴である、１／２波長液晶素子６で直線偏光の角度を変え、その後、１／４波長位相差素子７に入射させて円偏光（楕円率１）にする際に、１／２波長液晶素子６の波長依存性と１／４波長位相差素子７の波長依存性がお互いに相殺されるように、両素子が配置されていること、について以下説明する。説明は、図６に示す左目の系統について行う。

なお、ポアンカレ球を用いたこれまでの動作説明は、各光学素子の特性が理想的な位相差を有しているものと仮定して行った。これ以降の説明では、各光学素子は緑光に相当する５５０ｎｍの光で理想的な位相差になっており、波長が５５０ｎｍからずれるにつれてその波長依存性のため、位相差が理想値からずれているとして説明する。例えば、１／２波長液晶素子６は、緑光に相当する５５０ｎｍの光で位相差が１／２λになるように設計されていると仮定する。
また、１／４波長位相差素子７の回転軸については、以下の通り表現する。すなわち、前段の１／２波長液晶素子６の理想位相差からのずれ、および、１／４波長位相差素子７自体の理想位相差からのずれに起因して、赤光・青光では１／４波長位相差素子７への入射光の偏光状態および、１／４波長位相差素子の位相差が緑光と異なり、結果として、回転軸を設定する基点および回転角の値（２Ψ２）が３色毎に異なることとなる。しかしながら、そのように厳密な説明を行おうとすると説明が非常に判りにくくなるため、便宜的に、回転軸は理想的な緑光で表現する。

１／２波長液晶素子６は、緑光に相当する５５０ｎｍの光で位相差が１／２λになるように設計されていると仮定しているので、緑光に相当する５５０ｎｍの光では、入射レーザ光は１／２波長液晶素子６により正確な位相差が付与され、その透過光は、偏光方向が４５度回転され、楕円率０の直線偏光となる（ポアンカレ球では点Ｄ）。しかし１／２波長液晶素子６は波長依存性を有しており、青光や赤光では正確に１／２λの位相差が付与されないため、その透過光は、楕円偏光になってしまう。例えば、赤光の場合、付与される位相差が少ないので、ポアンカレ球表示では、点Ｄに到らず途中の点ｄで止まってしまう。

一方、１／４波長位相差素子７のポアンカレ球上における軌跡は、点Ｄ（緑光）あるいは点ｄ（赤光）を基点として、１／２波長液晶素子６のポアンカレ球上の軌跡後半のほぼ逆方向をたどり、９０度回転移動し、南極の点Ｆに向かっている。したがって、点ｄから出発する赤光が南極の点Ｆ付近に到達するためには、１／４波長よりも少ない位相差が付与されれば十分である。そして、１／２波長液晶素子６と同様に通常、赤光に付与する位相差は緑光に付与する位相差よりも少ない。よって、点ｄから出発する赤光は、１／４波長位相差素子７により１／４波長よりも少ない位相差を付与される。その結果、赤光は緑光と同じ南極の点Ｆ付近に到達することができる。すなわち、１／４波長位相差素子７を透過した赤光はより楕円率１の円偏光に近づくことになる。

また青光について考察すると、１／２波長液晶素子６も１／４波長位相差素子７も、青光では緑光より大きな位相差を有する。よって、図６（Ａ）において、１／２波長液晶素子６を透過した赤光は緑光の位置である点Ｄのより南極に遠い点を起点として、より長い軌跡をたどることになる。その結果、青光は南極の点Ｆ付近に到達することができる。

そして、１／４波長位相差素子１１は広帯域の位相子であり、可視光域における位相差の波長依存性が極めて少ないので、ポアンカレ球上で点Ｆの光を波長を問わず点Ｂのより近くに移動させることができる。以上の説明は、右目の系統についても、同様に説明することができる。

図８〜図１１は、本実施形態に係る、円偏光変換デバイスユニット５、５０と偏光眼鏡１０の実施例１〜実施例４を示す図である。図８〜図１１の実施例１〜実施例４では、各光学素子の位相差の測定値と偏光変調効率の計算値を５ｎｍ毎に示している。
円偏光変換デバイスユニット５の１／４波長位相差素子７の特性は、実施例１〜実施例４でそれぞれ異なっている。それ以外の光学素子の特性は同一としている。

ここで偏光変調効率は以下の様にして計算している。
式（２）は、偏光眼鏡の偏光子１２を出射する光のジョーンズベクトルを求める式である。式２の中で、Ｐは偏光子を示し、Ｗは位相差板を示し、右端の列ベクトルは入射光のジョーンズベクトルを示す。式（２）に基づき、円偏光変換デバイスユニット５への入射光を示すジョーンズベクトルに対し、１／２波長液晶素子６、１／４波長位相差素子７、１１、偏光子１２の各ジョーンズ行列（Ｗ・ＦＬＣ、Ｗ・λ／４、Ｗ・Ｗλ／４、Ｐ・４５）を順次掛け合わせる。

計算に際しては、式（３）〜式（６）を用いる。式（３）は位相差Γを有する位相差板を示すジョーンズ行列である。また、式（４）は座標を角度ψだけ回転させる演算子を示すジョーンズ行列である。式（５）は角度ψだけ回転された位相差板を示すジョーンズ行列である。式（６）は透過軸がＸ軸から角度ψだけ回転された偏光子を示すジョーンズ行列である。式（６）右辺中央の行列式は、透過軸がＸ軸方向の偏光子を示すジョーンズ行列である。

次に、実測された各光学素子の波長毎の位相差データを式（２）に代入し、得られたジョーンズベクトルＩと入射ジョーンズベクトルから透過率を計算し偏光変調効率とした。なお、今回の計算においては、偏光眼鏡１０の偏光子１２を理想的な偏光子行列で計算しているので、この偏光変調効率は、実際の偏光眼鏡の偏光子１２における吸収率を除外して計算している。

図１２は、本実施形態に係る、円偏光変換デバイスユニット５、５０と偏光眼鏡１０の実施例１〜実施例４の偏光変調効率を示す図である。
図８〜図１１および図１２によれば、本実施形態に係る円偏光変換デバイスユニット５と偏光眼鏡１０についての実施例では、その偏光変調効率は、可視域（４５０ｎｍ〜６５０ｎｍ）において、良好な偏光変調効率を示すことが明らかである。レーザ光源１、２、３の発光中心波長は、それぞれ約４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍであるのでそれぞれのレーザ光に対し、同等に高い効率が得られている。
また、図８〜図１１によれば、円偏光変換デバイスユニット５の１／２波長液晶素子６と１／４波長位相差素子７は、その位相差の波長依存性を特に平坦なものに限定しなくても図７のような良好な偏光変調効率が得られることが判る。

比較例

次に、比較例に係るレーザ走査型プロジェクタおよび立体表示システムの円偏光変換デバイスユニット５０および、偏光眼鏡１０の構成について説明する。なお、下記の説明において、本発明の実施形態に係る構成と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図１３は、比較例に係るレーザ走査型プロジェクタの円偏光変換デバイスユニット５０および、立体表示システムの偏光眼鏡１０の具体的光学配置とパラメータ構成を示す図である。

図１３に示すように、比較例における円偏光変換デバイスユニット５０は１／２波長液晶素子６と第３の１／４波長位相差素子である１／４波長位相差素子１３とを備えて構成されている。
比較例における円偏光変換デバイスユニット５０と実施形態に係る円偏光変換デバイスユニット５との相違点は、１／４波長位相差素子１３の遅延軸がβ＝９０度に設定されている点である。すなわち、その遅延軸は入射するレーザ光の偏光方向と平行に配置されている。
また、１／２波長液晶素子６の配向膜の配向方向は実施形態の場合と同じｙ軸方向に設定されているが、ｅ軸（遅延軸）の角度αは、実施例１〜実施例４の場合と逆である。すなわち、実施例１〜実施例４では、左目の系統に対してα＝１１２．５度、右目の系統に対してα＝６７．５度に設定されているのに対し、比較例では左目の系統に対してα＝６７．５度、右目の系統に対してα＝１１２．５度に設定されている。その理由は、偏光眼鏡１０に入射するレーザ光の偏光方向を実施形態の場合と同じにして、実施例１〜実施例４と同じ偏光眼鏡１０を使えるようにするためである。

図１４は、比較例の左目の系統について、ポアンカレ球を用いてその動作を説明するための図である。比較例の説明では、各光学素子は緑光に相当する５５０ｎｍの光で理想的な位相差になっており、波長が５５０ｎｍからずれるにつれてその波長依存性のため、位相差が理想値からずれているとして説明する。例えば、１／２波長液晶素子６は、緑光に相当する５５０ｎｍの光で位相差が１／２λになるように設計されていると仮定する。
また、１／４波長位相差素子７の回転軸についても、以下の通り表現する。すなわち、前段の１／２波長液晶素子６の理想位相差からのずれ、および、１／４波長位相差素子７自体の理想位相差からのずれに起因して、赤光・青光では１／４波長位相差素子７への入射光の偏光状態および、１／４波長位相差素子の位相差が緑光と異なり、結果として、回転軸を設定する基点および回転角の値（２Ψ２）が３色毎に異なることとなる。しかしながら、そのように厳密な説明を行おうとすると説明が非常に判りにくくなるため、便宜的に、回転軸は理想的な緑光で表現する。

比較例における左目の系統の１／２波長液晶素子６の構成は図３の右目の系統と同じであるから、１／２波長液晶素子６を透過したレーザ光は図７（Ａ）と同様ポアンカレ球上で点Ｂに存在し、右４５度の直線偏光となっている。

次に、図１３において、１／４波長位相差素子７の遅延軸の方位角は１／４波長位相差素子７の入射偏光に対しΨ２＝４５度である。そこで、図１４（Ｂ）において、点Ｂから２Ψ２＝９０度の点Ａと点Ｏを結ぶ直線を回転軸とし、点Ｂを９０度右回転にて、回転移動させる。その結果、１／４波長位相差素子７の透過光はポアンカレ球上では点Ｆに移動して左円偏光となる。

次に、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１の遅延軸の方向は円偏光変換デバイスユニット５０における１／４波長位相差素子７の入射光の偏光に対してΨ３＝−４５度である。したがって、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１に対して、ポアンカレ球での操作は、点Ｂから２Ψ３＝−９０度の点Ｃと点Ｏを結ぶ直線を回転軸とし、点Ｆを９０度右回転にて、回転移動させる。その結果、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１の透過光はポアンカレ球上では点Ｂに移動して、右４５度の直線偏光となる。

図１５は、比較例の右目の系統について、ポアンカレ球を用いてその動作を説明するための図である。
比較例における右目の系統の１／２波長液晶素子６の構成は図３の左目の系統と同じであるから、１／２波長液晶素子６を透過したレーザ光は図６（Ａ）と同様ポアンカレ球上で点Ｄに存在し、左４５度の直線偏光となっている。

次に、図１５において、１／４波長位相差素子１３の遅延軸の方位角は１／４波長位相差素子７の入射偏光に対しΨ２＝−４５度である。そこで、図１５（Ｂ）において、点Ｄから２Ψ２＝−９０度の点Ａと点Ｏを結ぶ直線を回転軸とし、点Ｄを９０度右回転にて、回転移動させる。その結果、１／４波長位相差素子１３の透過光はポアンカレ球上では点Ｅに移動して右円偏光となる。

次に、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１の遅延軸の方向は円偏光変換デバイスユニット５０における１／４波長位相差素子７の入射光の偏光に対してΨ３＝４５度である。したがって、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１に対して、ポアンカレ球での操作は、直線ＯＣを回転軸とし、点Ｅを９０度右回転にて、回転移動させる。その結果、偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１の透過光はポアンカレ球上では点Ｄに移動して、は左４５度の直線偏光となる。

図１６は、比較例に係る円偏光変換デバイスユニット５０と偏光眼鏡１０についての位相差（度）の測定値と偏光変調効率の計算値を５ｎｍ毎に示した図である。図１７は、実施例１、３と比較例に係る、円偏光変換デバイスユニット５、５０と偏光眼鏡１０についての偏光変調効率を比較した図である。

比較例に係る円偏光変換デバイスユニット５０と偏光眼鏡１０についての偏光変調効率は、緑光では効率が高いが、青光、赤光では効率が非常に低下している。この青光、赤光の帯域での効率の低下は次のように説明される。

すなわち、比較例の左目の系統では、レーザ光が緑光の場合、図１４のポアンカレ球上で、点Ａ→点Ｂ→点Ｆ→点Ｂと移動する。また右目の系統では、緑光は、点Ａ→点Ｄ→点Ｅ→点Ｄに移動する。一方赤光の場合、左目の系統では、点Ａ→点ｂ→点ｆ→点ｂ２、右目の系統では点Ａ→点ｄ→点ｅ→点ｄ２と移動する。このように、左右いずれの目の系統においても、１／４波長位相差素子１３のポアンカレ球上での軌跡は１／２波長液晶素子６での軌跡後半のほぼ逆方向をたどらず順方向の軌跡をたどることから、赤光では１／２波長液晶素子６の波長依存性と１／４波長位相差素子７の波長依存性が重畳されてしまう。したがって、赤光では実施例のような、１／２波長液晶素子と１／４波長位相差素子の波長依存性を相殺する効果は生じない。

このような、本実施形態に係るレーザ走査型プロジェクタ１０１における偏光変調効率の高さは、円偏光変換デバイスユニット５と偏光眼鏡１０についての１／４波長位相差素子７、１１の遅延軸の方向をβ＝０度に設定していることにより、得られる。すなわち、入射レーザ光の偏光方向を１／２波長液晶素子６にて、ｙ軸に対して±４５度変換するとともに、後段の円偏光変換デバイスユニット５の１／４波長位相差素子７の遅延軸をｘ軸方向に設定することにより得られる。

なお、本実施形態の立体表示システムにおいて、偏光眼鏡１０は観察者が装着して用いるものであるが、観察者が頭を傾けたりした場合には、γ＝０度からずれる場合もありうるが、γ＝０度とは、観察者の推奨使用状態においてγ＝０度であることを意味する。

以上のように、本実施形態に係るレーザ走査型プロジェクタ１０１および立体表示システム１０２では、左右の目の系統に対する特性を同じにするため、円偏光変換デバイスユニット５への入射レーザ光を基準として、光学部品の配置、動作がすべて、対称に設計されている。すなわち、円偏光変換デバイスユニット５の入射光の偏光方向を基準にすると、１／２波長液晶素子６のｅ軸（遅延軸に相当）の方向は、±２２．５度であり、円偏光変換デバイスユニット５の１／４波長位相差素子７および偏光眼鏡１０の１／４波長位相差素子１１の遅延軸の方向はともに９０度である。
そして、偏光変調効率を高くできる立体表示用のレーザ走査型プロジェクタおよびそれを用いた立体表示システムを提供することができる。

また、このようなレーザ走査型ロジェクタ１０１であれば、レーザ光源１、２、３から出射したレーザ光の偏光方向を１／２波長液晶素子６によって変換し、左目用画像に対応するレーザ光と右目用画像に対応するレーザ光の偏光方向が直交になすように切り替えることができ、さらに左目用画像に対応するレーザ光を例えば左回り円偏光、右目用画像に対応するレーザ光を例えば右回り円偏光に変化させて、そのレーザ光をスクリーンＳに走査して画像を投影することができる。

また、レーザ走査型プロジェクタ１０１は、左円偏光のレーザ光をスクリーンＳに走査して投影した左目用画像と、右円偏光のレーザ光をスクリーンＳに走査して投影した右目用画像とを、交互に表示することができるので、ユーザは、左右の眼鏡枠に１／４波長位相差素子１１と偏光子１２を取り付けた偏光眼鏡１０を掛けて、その画像を見ることによって、スクリーンＳ上の画像を立体映像として認識でき、良好な立体映像を楽しむことができる。

なお、本発明の適用は上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。偏光切替手段の具体例として、強誘電性液晶を用いた１／２波長液晶素子６で説明しているが、強誘電性液晶に必ずしも限定するものではない。また、液晶素子に限定するものでもない。

１ レーザ光源
２ レーザ光源
３ レーザ光源
４ ミラー部
５、５０ 円偏光変換デバイスユニット
６ １／２波長液晶素子（偏光切替手段）
６１ 透明基板、基板対
６２ 透明電極、電極対
６３ 配向膜
６４ 液晶層
７ 第１の１／４波長位相差素子
８ 走査型投影ミラー（走査手段）
９ コントローラ
１０ 偏光眼鏡
１１ 第２の１／４波長位相差素子
１２ 偏光子
１３ 第３の１／４波長位相差素子
１０１ レーザ走査型プロジェクタ
１０２ 立体表示システム
Ｓ スクリーン（投影面）

Claims (2)

1. 画像信号に基づき、左目用画像に関するレーザ光と右目用画像に関するレーザ光を交互に出射するＲＧＢの３色のレーザ光源と、
   入射偏光方向が同一の方向となっている前記左目用画像に関するレーザ光と前記右目用画像に関するレーザ光とを入射させ、入射された二つの前記レーザ光の入射偏光方向を左目用画像と右目用画像に応じて、前記入射偏光方向からそれぞれ逆方向に４５度回転させて異なる２つの偏光方向に切替える偏光切替手段と、
   前記偏光切替手段により偏光方向が切替えられた二つの前記レーザ光を入射させ、入射された二つの前記レーザ光の偏光方向をそれぞれ逆方向の円偏光に変換する第１の１／４波長位相差素子と、
   前記第１の１／４波長位相差素子により円偏光にされた前記レーザ光を投影面上に走査する走査手段と、
   を備え、
   前記第１の１／４波長位相差素子の遅延軸の方向は、前記偏光切替手段に入射された前記レーザ光の偏光方向と９０度の角をなすことを特徴とするレーザ走査型プロジェクタ。
2. 請求項１記載のレーザ走査型プロジェクタと、
   前記レーザ走査型プロジェクタの投影画面が投影されるスクリーンと、
   前記スクリーンの投影光を入射させる偏光眼鏡と、を備える立体表示システムであって、
   前記偏光眼鏡は、
   前記スクリーンの投影光が入射する左右の目用の第２の１／４波長位相差素子と、
   前記第２の１／４波長位相差素子から出射された光を検光するそれぞれ９０度透過軸が異なる偏光子と、
   を備えることを特徴とする立体表示システム。

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