JP2015087590A - 画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 偏光制御部材を使用することなく、レーザ光源から照射されたレーザ光でスクリーンにホログラム画像を鮮明に表示させることができる画像投影装置を提供する。【解決手段】 レーザユニット２７Ａ，２７Ｂから発せられたレーザ光は、光学出力が高い第１の偏光成分（Ｐ偏光成分）と、光学出力が低い第２の偏光成分（Ｓ偏光成分）を含んでいる。レーザユニット２７Ａ，２７Ｂの向きが調整されて、コリメート光束Ｂ１ｒ，Ｂ１ｇのＰ偏光成分が、位相変調アレイ３１に対して斜めに入射し、Ｐ偏光成分が位相変調アレイ３１で位相変調され、Ｓ偏光成分が位相変調アレイ３１で位相変調されないようにする。そのため、偏光制御部材を用いなくても、光学出力の高いＰ偏光成分を使用して、スクリーンにホログラム画像を投影できるようになる。【選択図】図５

Description

本発明は、レーザ光を位相変調してホログラム画像を生成する画像投影装置に関する。

特許文献１に、ホログラムを生成する空間光変調装置が開示されている。
この空間光変調装置では、書き込み用の光源からの光が透過型液晶テレビを透過することで画像信号を含む書き込み光が生成される。書き込み光は結像レンズによって空間光変調器に集光され、空間光変調器の光導電層に映像信号が結像し、光導電層に画像信号が書き込まれる。この画像信号に応じて、光導電層は画素位置によって電気的インピーダンスが変化し、光変調層は画素位置によって印加される電圧の分布が異なってくる。

Ｈｅ−Ｎｅレーザから発せられる読み出し光は、レンズとスペイシャルフィルタとコリメートレンズにより、Ｐ偏光として空間光変調器の光変調層に与えられる。光変調層は画素位置によって印加される電圧の分圧が異なるので、画素位置によって光偏光層の屈折率が変化する。前記読み出し光は、光偏光層の屈折率変化に基づいて位相変調され、光変調器のミラー層で反射さる。この反射光がフーリエ変換レンズでフーリエ変換されて、ホログラム画像が生成される。

特開２０００−１７１８２４号公報

特許文献１に記載された発明は、読み出し用の光源から発せられたコヒーレント光である読み出し光を空間光変調器に対して斜めに入射させる場合に、光偏光層による光の回折効率がコヒーレント光の偏光方向に依存するために、読み出し光をＰ偏光に統一させて空間光変調器に入射させている。これにより、高い回折効率が得られるようにし、画像情報を有する読み出し光を高い効率で出力させようとしている。

しかし、コヒーレント光の偏光方向をＰ偏光に統一するためには、特許文献１に例示されているＨｅ−Ｎｅレーザなどのようなサイズが大きく高価なガスレーザを使用することが必要となる。また、半導体レーザを使用する場合には、プリズムなどの偏光制御部材を設けなくてはならなくなり、装置の小型化や低コスト化が困難となる。特に、プリズムや偏光フィルターなどの偏光制御部材を介在させると、これら偏光制御部材への挿入損失により、抽出したい偏光成分に対しても損失が発生してしまう。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、レーザ光の偏光方向を偏光制御部材で制御しなくても、レーザ光の光学出力を高い状態に維持しながらホログラム画像を生成することができる画像投影装置を提供する事を目的としている。

さらに、本発明は、自動車のウインドシールドのような半反射面に画像などを投影する場合に、半反射面から高い反射率を得ることが可能な画像投影装置を提供することを目的としている。

本発明は、レーザ光源から発せられたレーザ光を位相変調する位相変調アレイと、前記位相変調アレイとスクリーンとの間に位置して前記スクリーンにホログラム画像を形成する集光レンズと、前記ホログラム画像を含む投影光を半反射面に投影する投影部とが設けられた画像投影装置において、
前記レーザ光の異なる偏光成分のうちの光学出力が高い第１の偏光成分が前記位相変調アレイで位相変調されるように前記レーザ光源の向きが決められ、前記第１の偏光成分が前記位相変調アレイで位相変調されて前記スクリーンにホログラム画像が結像されており、
前記半反射面は前記投影部から投影される投影光に対して傾斜して配置され、前記投影光は、前記半反射面での反射率が高い入射方向と第１の偏光成分の偏光方向とが一致する向きで、前記半反射面に投影されることを特徴とするものである。

本発明は、前記レーザ光の光学出力が低い第２の偏光成分は、前記集光レンズによって、ホログラム画像の結像位置から外れた位置に集光させられる。

本発明は、前記位相変換アレイは、レーザ光の入射方向に対して傾斜して配置された反射型パネルであり、この反射型パネルへの入射光軸と反射光軸を含む平面と、前記第１の偏光成分の偏光方向とが一致している。

また、前記半反射面への投影光の入射光軸と反射光軸を含む平面と、前記第１の偏光成分の偏光方向とが直交している。

本発明は、前記半反射面は、自動車のウインドシールドの一部であり、前記半反射面に投影される投影光の前記第１の偏光成分の偏光方向がウインドシールドに対して反射率が高い方向の偏光方向に一致しているものとして構成される。

本発明は、前記レーザ光源から前記位相変調アレイまでの光路に偏光制御部材が配置されていないものであってもよい。

本発明は、前記レーザ光源から発せられたレーザ光束が、コリメートレンズで平行光束に変換されて、前記位相変調アレイに与えられることが好ましい。

また、波長が相違する複数のレーザ光が前記位相変調アレイに与えられて、複数のレーザ光によってホログラム画像が生成されるものとして構成できる。

本発明の画像投影装置は、レーザ光源の向きを調整して、光学出力が高い第１の偏光成分を、位相変調アレイに対して位相変調効率の良い向きで入射させている。レーザ光源に半導体レーザを用いた場合に、第１の偏光成分（一般的にＰ偏光成分と呼ばれる偏光成分）と第２の偏光成分（一般にＳ偏光成分と呼ばれる偏光成分）とが混在した光が位相変調アレイで変調された変調光束となる。位相変調アレイで位相変調される第１の偏光成分以外の偏光成分は、その全てが位相変調されない光成分となって位相変調アレイを通過するが、この光成分を、スクリーンでのホログラム画像の生成領域以外の領域に集光させることで、異なる偏光方向が混在したコヒーレント光を使用して、偏光制御部材を設けず偏光成分を統一させなくても、スクリーンに投影されるホログラム画像の品質が損なわれることがない。

本発明は、レーザ光源と位相変調アレイとの間に、プリズムや偏光フィルターなどの偏光制御部材を配置する必要がないため、位相変調アレイで効率的に活用されるべき第１の偏光成分に偏光制御部材による挿入ロスが生じることがなく、画質の劣化が生じない明るく画質に優れたホログラム画像を生成することができる。

さらに、本発明では、投影光は、半反射面での反射率が高い入射方向と第１の偏光成分の偏光方向とが一致する向きで、半反射面に投影される。そのため、位相変調アレイで位相変調を受けた偏光成分が、半反射面で高い反射率で反射されることになる。レーザ光の高い光学出力となる第１の偏光成分を、位相変調アレイで位相変調し、これにより生成されたホログラム画像が、ウインドシールドなどの半反射面で効率よく反射されるため、総合的にみてレーザ光の出力を効率良く利用することができ、鮮明なホログラム画像を半反射面を通じて目視できるようになる。

本発明の実施の形態の画像投影装置が車両に搭載された状態を示す説明図、 画像投影装置による表示画像の一例を示す説明図、 本発明の実施の形態の画像投影装置の分解斜視図、 本発明の実施の形態の画像投影装置の主要部品の配置を示す平面図、 位相変調部の構成を示すものであり、図４に示すＶ矢視方向から見た部分斜視図、 位相変調部の構成を示す部分拡大平面図、 図６のＶＩＩ矢視図、 ホログラム結像部の構成を示すものであり、図４に示すＶＩＩＩ矢視方向から見た部分斜視図、 ホログラム画像の投影動作を示す説明図、 スクリーンへのホログラム画像の投影動作を説明するものであり、図８のＸ−Ｘ線の断面図、 １次回折光でホログラムを生成する機能を説明する説明図、

（車載構造）
図１に示すように、本発明の実施の形態の画像投影装置１０は、自動車１の車室内前方のダッシュボード２の内部に埋設されて、いわゆるヘッドアップディスプレイとして使用される。

画像投影装置１０からウインドシールド３の表示領域３ａに、図２に示す表示画像７０が投影される。表示領域３ａは半反射面（半反射スクリーン）として機能するため、表示領域３ａに投影された表示画像７０は、表示領域３ａにおいて運転者５に向けて反射されるとともに、ウインドシールド３の前方に虚像６が結像する。ウインドシールド３の前方の虚像６を目視することで、運転者５には、ステアリングホイール４の上方の前方に各種の情報が表示されているように見える。

（画像投影装置１０の全体構造）
図３に示すように、画像投影装置１０のケースは、合成樹脂製の下部ケース１１と上部ケース１２とに分離されており、ケースの内部に光学ユニット２０が収納されている。光学ユニット２０は光学ベース２１を有している。光学ベース２１はアルミダイキャストで形成されている。光学ベース２１は、下部ケース１１の内部で、エラストマーや金属ばねなどの弾性部材を介して支持されている。下部ケース１１は、車室内のダッシュボード２の内部に固定されるが、光学ベース２１が弾性部材を介して支持されているため、車体振動が光学ユニット２０に直接に影響を与えるのを防止できる。また、光学ベース２１が弾性部材で支持されていることにより、合成樹脂製のケースと金属製の光学ベース２１との熱膨張係数の違いによる光学ベース２１への熱応力の影響を低減できる。

光学ユニット２０が内部に収納された状態で、下部ケース１１と上部ケース１２は、下部ケース１１に一体に形成された位置決めピン１５による凹凸嵌合で互いに位置決めされる。下部ケース１１の複数か所に雌ねじ穴１６が形成されており、上部ケース１２に挿通された固定ねじが雌ねじ穴１６に螺着されて、下部ケース１１と上部ケース１２とが互いに固定される。

上部ケース１２に、投影窓１３が開口している。この投影窓１３がダッシュボード２の上面に露出して配置され、投影窓１３からウインドシールド３の表示領域３ａに表示画像７０が投影される。投影窓１３には透光性のカバー板１４が装着されている。カバー板１４によってケース内部に塵埃が侵入するのが防止されている。投影窓１３からケース内部に外光が直接入り込まないように、カバー板１４は、表示領域３ａに投影されるホログラム画像の表示光以外の波長の光の透過を抑制する光学フィルターで構成されることが好ましい。

図３と図４に示すように、光学ユニット２０では光学ベース２１上に各種光学部品が実装されている。図４に示すように、光学部品の構成により、光学ユニット２０は、位相変調部２０Ａとホログラム結像部２０Ｂならびに投影部２０Ｃとで構成されている。

（位相変調部２０Ａ）
図５に示すように、位相変調部２０Ａには、基準ベース２２が設けられており、この基準ベース２２が、光学ベース２１の上にねじ止めにより固定されている。

基準ベース２２上に、第１の発光部２３Ａと第２の発光部２３Ｂとが重ねて配置されている。第１の発光部２３Ａは第１の位置決めブロック２４Ａを有し、第２の発光部２３Ｂは第２の位置決めブロック２４Ｂを有している。第１の位置決めブロック２４Ａは、基準ベース２２に形成された位置決め基準面２２Ａの上に設置され、複数の固定ねじ２５Ａで基準ベース２２に固定されている。第２の位置決めブロック２４Ｂは、第１の位置決めブロック２４Ａの上に設置され、複数の固定ねじ２５Ｂで第１の位置決めブロック２４Ａに固定されている。

図６に、第２の位置決めブロック２４Ｂの内部構造が示されている。位置決めブロック２４Ｂには、内部に光通路２６Ｂが形成されている。光通路２６Ｂの閉鎖側端部（図６の図示右側の端部）に、レーザ光源である第２のレーザユニット２７Ｂが取り付けられている。第２のレーザユニット２７Ｂは、ケース内に半導体レーザチップが収納されて構成されている。光通路２６Ｂの内部にはコリメートレンズ２８Ｂが固定されている。

第２のレーザユニット２７Ｂから発せられるレーザ光束Ｂ０は発散光であり、図７に示すように、レーザ光束Ｂ０の断面形状は楕円形または長円形である。レーザ光束Ｂ０の長軸は基準ベース２２の上面と平行な水平方向（ｉ）に向けられ、短軸が基準ベース２２の上面に垂直な垂直方向（ｉｉ）に向けられている。

半導体レーザチップから発せられるレーザ光源はコヒーレント光であり、偏光方向が相違する異なる偏光成分を有している。レーザ光の異なる偏光成分のうちの光学出力が最も高い第１の偏光成分は一般にＰ偏光成分と称され、光学出力が最も低い第２の偏光成分はＳ偏光成分と称されている。Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の偏光方向は互いに直交している。（Ｓ偏光成分の強度／Ｐ偏光成分の強度）×１００（％）は、偏光消光比と称され、通常は１〜１０％程度である。

図７に示すように、第２のレーザユニット２７Ｂは、発せられるレーザ光束Ｂ０のＰ偏光成分が水平方向（ｉ）を向き、Ｓ偏光成分が垂直方向（ｉｉ）を向くように、取付け方向が調整されている。

図７に示すように、コリメートレンズ２８Ｂの有効径（有効領域）の形状は長方形であり、長方形の長辺が、レーザ光束Ｂ０の断面の長軸方向と同じ水平方向（ｉ）に向けられている。したがって、レーザ光束Ｂ０がコリメートレンズ２８Ｂを通過すると、断面が長方形のコリメート光束Ｂ１に変換される。

図６に示すように、位置決めブロック２４Ｂの光通路２６Ｂの開口端（図６の図示左側の開口端）が透光カバー２９Ｂで塞がれている。

図５に示す第１の発光部２３Ａに設けられた第１の位置決めブロック２４Ａの内部構造は、図示されていないが、図６に示される第２の位置決めブロック２４Ｂと実質的に同じである。第１の位置決めブロック２４Ａにおいても、内部の光通路２６Ａ（図に現れていない）の閉鎖端部に第１のレーザユニット２７Ａが装備されている。光通路２６Ａの内部にコリメートレンズ２８Ａ（図示せず）が収納されており、第１のレーザユニット２７Ａから発せられるレーザ光束が、水平方向（ｉ）に長辺が向く長方形の断面を有するコリメート光束Ｂ１に変換される。また、光通路２６Ａの開口端部に透光カバー２９Ａ（図に現れていない）が設けられている。

第１のレーザユニット２７Ａから発せられるレーザ光も、Ｐ偏光成分が水平方向（ｉ）に向けられ、Ｓ偏光成分が垂直方向（ｉｉ）に向けられている。

図３と図４に示すように、位相変調部２０Ａには、第１のレーザユニット２７Ａと第２のレーザユニット２７Ｂから発せられる熱を放熱する放熱冷却部３７が設けられている。

第１の発光部２３Ａのレーザユニット２７Ａと第２の発光部２３Ｂのレーザユニット２７Ｂとでは、発せられるレーザ光の波長が相違している。実施の形態の画像投影装置１０では、第１の発光部２３Ａから発せられるコリメート光束Ｂ１の波長が略６３８ｎｍで赤色系であり、第２の発光部２３Ｂから発せられるコリメート光束Ｂ１の波長が略５１５ｎｍであり緑色系である。

そこで、以下においては、第１の発光部２３Ａから得られるコリメート光束を符号Ｂ１ｒで説明し、第２の発光部２３Ｂから得られるコリメート光束を符号Ｂ１ｇで説明する。

図５に示すように、基準ベース２２には、位置決め保持部２２Ｂが一体に形成されており、位置決め保持部２２Ｂに形成された保持枠部２２Ｃの内部に位相変調アレイ３１が保持されている。同じ基準ベース２２に、第１の発光部２３Ａと第２の発光部２３Ｂとを位置決めする位置決め基準面２２Ａと、保持枠部２２Ｃとが一体に形成されているため、第１の発光部２３Ａと第２の発光部２３Ｂのそれぞれから発せられるコリメート光束Ｂ１ｒ，Ｂ１ｇを位相変調アレイ３１の光学面３１ａに対して最適な入射角度で入射させることができる。

位相変調アレイ３１は、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）である。ＬＣＯＳは、液晶層とアルミニウムなどの電極層とを有する反射型パネルである。ＬＣＯＳは、液晶層に電界を与える電極が規則的に並んで複数のピクセルが構成されている。それぞれの電極に与えられる電界強度の変化により、液晶層内の結晶の層の厚さ方向への倒れ角度が変化し、反射されるレーザ光はピクセル毎に位相が変化させられる。

図３と図４に示すように、位相変調部２０Ａには、位相変調アレイ３１で発生する熱を放熱する放熱冷却部３８が設けられている。

図５に示すように、第１の発光部２３Ａ内のコリメートレンズ２８Ａで変換されたコリメート光束Ｂ１ｒは、位相変調アレイ３１の下部の領域に与えられ、第２の発光部２３Ｂ内のコリメートレンズ２８Ｂで変換されたコリメート光束Ｂ１ｒは、位相変調アレイ３１の上部の領域に与えられる。位相変調アレイ３１では、コリメート光束Ｂ１ｒが与えられる領域が第１の変換領域Ｍ１となり、コリメート光束Ｂ１ｇが与えられる領域が第２の変換領域Ｍ２となる。

コリメート光束Ｂ１ｒとコリメート光束Ｂ１ｇは断面が長方形であるため、第１の変換領域Ｍ１と第２の変換領域Ｍ２も長方形となる。基準ベース２２で、第１の発光部２３Ａと第２の発光部２３Ｂとの垂直方向（ｉｉ）での相対位置が調整されることで、第１の変換領域Ｍ１と第２の変換領域Ｍ２とが互いに重複しないように設定される。

第１の変換領域Ｍ１に与えられたコリメート光束Ｂ１ｒは、位相変調アレイ３１の複数のピクセルのそれぞれを通過することで位相が変換され、第２の変換領域Ｍ２に与えられたコリメート光束Ｂ１ｇも、複数のピクセルのそれぞれを通過することで位相が変換される。図６に示すように、位相変調アレイ３１から反射される変調光束Ｂ２は、それぞれのピクセルを通過した光が互いに干渉した干渉光となる。この干渉光には、赤色系のコリメート光束Ｂ１ｒの光成分どうしの干渉と、緑色系であるコリメート光束Ｂ１ｇの光成分どうしの干渉、さらには、コリメート光束Ｂ１ｒの光成分とコリメート光束Ｂ１ｇの光成分との干渉も含まれる。

図３に示すように、位相変調部２０Ａには、レンズホルダ３２が設けられている。レンズホルダ３２は基準ベース２２上に位置決めされて固定されている。レンズホルダ３２に集光レンズ（フーリエ変換レンズ：ＦＴレンズ）３３が保持されている。位相変調アレイ３１で反射された変調光束Ｂ２は、集光レンズ３３を透過して集光されるとともに、集光レンズ３３でフーリエ変換されて変調光束Ｂ３となる。

図３に示すように、位相変調部２０Ａには、ミラー保持部３４ａに保持された送光ミラー３４が設けられている。送光ミラー３４は平面ミラーであり、その反射面に集光レンズ３３の光軸が所定の角度で入射している。集光レンズ３３でフーリエ変換された変調光束Ｂ３は、送光ミラー３４で反射され、反射された変調光束Ｂ４が、光学ユニット２０内を通過して、ホログラム結像部２０Ｂへ送られる。

（ホログラム結像部２０Ｂ）
図３に示すように、ホログラム結像部２０Ｂには、ミラー保持部３５ａに保持された第１の中間ミラー３５と、ミラー保持部３６ａに保持された第２の中間ミラー３６とが設けられている。第１の中間ミラー３５と第２の中間ミラー３６は平面ミラーである。図４に示すように、第１の中間ミラー３５の反射面は、位相変調部２０Ａに設けられた前記送光ミラー３４の反射面に対向している。また、第１の中間ミラー３５と第２の中間ミラー３６の反射面は所定の角度で対向している。ホログラム結像部２０Ｂでは、第２の中間ミラー３６の反射面による反射方向にスクリーン５１が配置されている。

図４に示すように、送光ミラー３４で反射された変調光束Ｂ４は、ケース内を図示右方向へ進行してから第１の中間ミラー３５で反射され、反射された変調光束Ｂ５が第２の中間ミラー３６で反射される。そして、第２の中間ミラー３６で反射された変調光束Ｂ６がスクリーン５１に与えられる。

位相変調アレイ３１では、第１の変換領域Ｍ１において赤色系のレーザ光の位相が個々のピクセル毎に変換され、第２の変換領域Ｍ２において緑色系のレーザ光の位相が個々のピクセル毎に変換される。赤色系と緑色系のレーザ光の干渉光が混在した光は、集光レンズ３３で集光されるとともにフーリエ変換され、その変調光束Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６がケース内の光路を経てスクリーン５１に与えられ、スクリーン５１にホログラム画像が結像する。

（ホログラム画像の投影動作）
図７に示すように、レーザユニット２７Ａ，２７Ｂは、半導体レーザから発せられるレーザ光束Ｂ０の偏光成分のうちの光学出力が高い方の第１の偏光成分（Ｐ偏光成分）の偏光方向が水平方向（ｉ）へ向けられように、位置調整されている。

レーザ光束Ｂ０はコリメートレンズ２８Ａ，２８Ｂでコリメート光Ｂ１ｒ，Ｂ１ｇに変換される。

図５と図６ならびに図９に示すように、反射型パネルである位相変調アレイ３１の光学面３１ａは、コリメート光Ｂ１ｒ，Ｂ１ｇの入射光軸に対して垂直ではなく、水平面内で回転するように傾斜している。

その結果、位相変調アレイ３１の各ピクセルでは、Ｐ偏光成分の位相が変調されて１次回折光、２次回折光、などの多次回折光となり、Ｓ偏光成分は位相が変調されず０次回折光となって反射される。

図９（Ａ）は、ケース内の光路を単純化して示している。
位相変調アレイ３１で位相変調を受けた変調光束は集光レンズ３３でフーリエ変換されるとともにスクリーン５１に向けて集光される。集光レンズ３３は、位相変調アレイ３１で回折効果を受けていない０次回折光の焦点位置Ｆｐがスクリーン５１の投影面５１ａに一致するように、位置ならびに焦点距離が設定されている。

集光レンズ３３からスクリーン５１までの間に、光を遮るものが存在していないと仮定し、且つスクリーン５１が実施の形態よりもさらに広い面積を有していると仮定すると、スクリーン５１には、図１１において模式的に示すような多次の回折光の像が投影される。

図１１に示すように、広い面積を有するものと仮定したスクリーン５１には、位相変調アレイ３１で位相変調されずに回折を受けていない０次回折光Ｄ０が焦点位置Ｆｐに集光されるが、焦点位置Ｆｐと重複する領域に、位相変調アレイ３１で位相変調されて回折効果を受けた１次回折光Ｄ１による１次像Ｈ１が現れる。

位相変調アレイ３１の複数のピクセルの位相変調（空間位相変調）の制御によって、１次回折光Ｄ１が投影面５１ａに結像し、投影面５１ａに、図２に示す表示領域３ａに投稿される表示画像７０とほぼ同じ内容のホログラム画像７０ｈが生成される。ホログラム画像７０ｈは、１次像Ｈ１内に現れるが、ホログラム画像７０ｈは、０次回折光Ｄ０が集光する焦点位置Ｆｐを含むことなく、焦点位置Ｆｐから離れた場所に投影される。

図１１に示すように、スクリーン５１の面積が限りなく広いと仮定すると、スクリーン５１の投影面５１ａでは、１次像Ｈ１の周囲に２次回折光Ｄ２による２次像Ｈ２が投影され、さらに外側の領域に３次回折光Ｄ３，４次回折光Ｄ４，・・・・と多次回折光Ｄｎによる像が現れる。これら多次回折光Ｄｎは、コリメート光束Ｂ１ｒ，Ｂ１ｇが位相変調アレイ３１で位相変調されることによって生成される。

集光レンズ３３からスクリーン５１までの光路上に、複数段のアパーチャーが形成されている。図３と図４に示すように、位相変調部２０Ａからの光の出射部に遮光壁４１ａが設けられ、遮光壁４１ａに矩形状の第１のアパーチャー４１が開口している。ホログラム結像部２０Ｂへの光の入射部には、遮光壁４２ａが設けられ、遮光壁４２ａに矩形状の第２のアパーチャー４２が開口している。第２の中間ミラー３６とスクリーン５１の間に遮光壁４３ａが設けられており、この遮光壁４３ａに矩形状の第３のアパーチャー４３が開口している。第３のアパーチャー４３は、図８にも示されている。

これらアパーチャー４１，４２，４３によって、集光レンズ３３からスクリーン５１に進む光が制限され、スクリーン５１の投影面５１ａに、ホログラム画像７０ｈを含む投影区画像Ｈｈのみが投影される。投影区画像Ｈｈは長方形であり、この投影区画像Ｈｈはホログラム画像７０ｈを含み、０次回折光Ｄ０の焦点位置Ｆｐを含まず、焦点位置Ｆｐから面方向へ離れた位置に設定される。

変調光束Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６の光成分のうち、投影区画像Ｈｈの表示に寄与しない１次回折光Ｄ１と、０次回折光Ｄ０、さらには２次、３次・・・の多次回折光は、アパーチャー４１，４２，４３で制限されて、スクリーン５１に到達しない。すなわち、ホログラム画像７０ｈを含む投影区画像Ｈｈの位置と形状は、複段のアパーチャー４１，４２，４３の開口位置と開口形状とで決定される。

コリメートレンズ２８Ａ，２８Ｂを経たコリメート光束Ｂ１ｒ，Ｂ１ｇはＰ偏光成分とＳ偏光成分を含んでいるが、光学出力がより高いＰ偏光成分が位相変調アレイ３１で位相変調され、１次回折光Ｄ１となって、スクリーン５１にホログラム画像７０ｈが生成される。光学出力が低いＳ偏光成分は、位相変調アレイ３１で位相変調されず０次回折光となるが、この０次回折光Ｄ０は、アパーチャー４１，４２，４３で制限されて、スクリーン５１に到達しない。レーザユニット２７Ａ，２７Ｂに含まれるレーザ光源である半導体レーザから発せられるＰ偏光成分とＳ偏光成分を含むコヒーレント光をそのまま使用し、Ｐ偏光成分のみをホログラム画像７０ｈの生成のために活用できるようにしているため、プリズムや偏光フィルターなどの偏光制御部材を設けなくても、Ｓ偏光成分がホログラム画像７０ｈにノイズとして重畳するのを防止できるようになる。

集光レンズ３３でフーリエ変換された変調光束Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６に含まれる１次回折光の焦点位置は、０次回折光Ｄ０の焦点位置Ｆｐと同様にスクリーン５１の投影面５１ａに設定されるのが好ましい。

しかし、この種の光学装置では、ホログラム画像７０ｈを生成しているときの集光レンズ３３の収差（特に、色収差）や、温度変動による半導体レーザから発せられるレーザ光束Ｂ０の波長シフトなどにより、１次回折光Ｄ１の焦点位置が投影面５１ａから位置ずれし、ホログラム画像７０ｈの画像品質が変動することがある。そこで、この実施の形態では、１次回折光Ｄ１の焦点位置を、投影面５１ａに一致させず、前記収差や波長シフトなどの変動要素を加味して焦点ずれが生じるであろう誤差の最大値を目途にして、あえて１次回折光Ｄ１の焦点位置と投影面５１ａとを光軸方向へ位置ずれさせている。

図８に示すように、また後に詳しく説明するように、ホログラム結像部２０Ｂでは、遮光壁４３ａにモニタ検知部５３が設けられている。このモニタ検知部５３のモニタ検知出力の変動などをフィードバックして位相変調アレイ３１を制御し、レーザ光の位相変調を制御して、常に１次回折光Ｄ１の焦点位置が投影面５１ａに一致するように補正制御が行われている。そのため、１次回折光Ｄ１で生成されるホログラム画像７０ｈはピントが合った鮮明な画像となる。

図９（Ａ）は、スクリーン５１にホログラム画像７０ｈを生成する原理を説明するものであるため、集光レンズ３３で収束される０次回折光Ｄ０がスクリーン５１の投影面５１ａ上の焦点位置Ｆｐに集光しているように図示されている。しかし、焦点位置Ｆｐには大きな光エネルギーが集中するため、実際にスクリーン５１に集光させると、スクリーン５１が劣化してしまう。この実施の形態では、２つのレーザユニット２７Ａ，２７Ｂの半導体レーザから照射されるレーザ光束による０次回折光Ｄ０が同じ焦点位置Ｆｐに集光するため、焦点位置Ｆｐでの光エネルギーがさらに大きくなる。

そこで、実施の形態の画像投影装置１０では、図８と図９（Ｂ）ならびに図１０に示すように、第３のアパーチャー４３が形成された遮光壁４３ａの一部によって、遮蔽板（遮蔽部材）４５が形成されている。この遮蔽板４５は、集光レンズ３３による光軸上であって、スクリーン５１の投影面５１ａよりも集光レンズ３３も近い側に位置している。集光レンズ３３で集光される０次回折光は、焦点位置Ｆｐに至る前に遮蔽板４５に当たり、０次回折光がスクリーン５１に直接に到達できないようにしている。

図９（Ｂ）と図１０に示すように、遮蔽板４５が焦点位置Ｆｐよりも手前にあるため、集光レンズ３３で集光される０次回折光が遮蔽板４５に焦点を結ぶことがなく、遮蔽板４５の単位面積あたりのレーザ光の照射エネルギーを緩和することが可能である。遮蔽板４５はステンレス鋼などの金属板で形成されるが、常に強いエネルギーの光が長期間当てられていると徐々に劣化していく。また、遮蔽板４５は光を吸収しやすいように黒色などに塗装することが好ましいが、この場合には、レーザ光の照射エネルギーにより、塗装に与えられるダメージが大きい。しかし、遮蔽板４５を焦点位置Ｆｐよりも手前に配置することにより、遮蔽板４５に与えられるエネルギーを緩和でき劣化の進行を鈍化させることができる。

なお、図１０に示すように、焦点位置Ｆｐが位置するスクリーン５１の投影面５１ａと遮蔽板４５との距離Δは例えば５ｍｍ以上とすることが好ましい。これにより、単位面積当たりの光の照射エネルギーを、焦点位置での照射エネルギーに対して１／１０以下にすることができる。

また、０次回折光が、焦点位置Ｆｐから位置ずれした位置で遮蔽板４５に照射されるために、遮蔽板４５から強い散乱反射光が発生するのを抑制することができる。そのため、強い散乱反射光がスクリーン５１に与えられたり、後に説明するモニタ検知部５３に入り込むのを防止しやすくなり、ホログラム画像７０ｈの画質の低下などを抑制できるようになる。

なお、遮蔽板４５は、遮光壁４３ａのアパーチャー４３から外れる領域に設定することも可能である。または、遮光壁４３ａとスクリーン５１との間に遮蔽板４５を配置することが可能である。

図８に示すように、スクリーン５１は第３のアパーチャー４３の先側（出光側）に配置されている。スクリーン５１は、表面に細かな凹凸が形成された透過型のディフューザ（Diffuser）であり、スクリーン５１に結像したホログラム画像７０ｈを含む投影区画像Ｈｈの光は、スクリーン５１を透過して発散光の投影光Ｂ７となる。図４に示すように、投影光Ｂ７は、遮光壁４２ａに形成された第４のアパーチャー４４を通過して投影部２０Ｃに与えられる。

図８と図１０に示すように、ホログラム結像部２０Ｂでは、第３のアパーチャー４３が開口している遮光壁４３ａにモータ５２が固定されており、円板形状のスクリーン５１がモータ５２の動力で常に回転させられている。スクリーン５１を回転させることで、表示画像７０のチラツキの原因となるスペックルノイズ（speckle noise）を低減させることができる。

図８に示すように、ホログラム結像部２０Ｂでは、遮光壁４３ａにモニタ検知部５３が設けられている。モニタ検知部５３は第３のアパーチャー４３の下側に設けられている。モニタ検知部５３は、赤色波長検知部５３ａと緑色波長検知部５３ｂならびに位置検知部５３ｃの３つの検知部で構成されている。検知部５３ａ，５３ｂ，５３ｃのそれぞれは閉鎖空間の内部にピンフォトダイオードなどの受光素子が収納され、第２の中間ミラー３６に対向する側に開口部が形成されている。赤色波長検知部５３ａでは、前記開口部が赤色光を透過させる波長フィルターで覆われ、緑色波長検知部５３ｂでは、前記開口部が緑色光を透過させる波長フィルターで覆われている。

各検知部５３ａ，５３ｂ，５３ｃには、１次回折光または１次回折光以外の多次回折光のいずれかが照射される。位置検知部５３ｃの検知出力に基づいて、第１の発光部２３Ａと第２の発光部２３Ｂおよびその他の各光学部品の位置調整が行われる。また、赤色波長検知部５３ａと緑色波長検知部５３ｂからの検知出力に基づいて、第１のレーザユニット２７Ａと第２のレーザユニット２７Ｂの発光強度が自動調整される。

また、１次回折光がスクリーン５１の投影面５１ａに結像できるように、位相変調アレイ３１が制御される。

（投影部２０Ｃ）
図３と図４に示すように、投影部２０Ｃには、第１の投影ミラー５５と第２の投影ミラー５６とが対向して設けられている。第１の投影ミラー５５の反射面５５ａと第２の投影ミラー５６の反射面５６ａは凹面鏡（拡大鏡）である。スクリーン５１で結像したホログラム画像７０ｈを含む投影光Ｂ７はスクリーン５１で発散されて第１の投影ミラー５５に与えられる。第１の投影ミラー５５でホログラム画像７０ｈを拡大した投影光Ｂ８は、第２の投影ミラー５６に与えられてホログラム画像７０ｈがさらに拡大される。図３に示すように、第２の投影ミラー５６の反射面５６ａで反射された投影光Ｂ９は上向きの光束となり、カバー板１４を透過し、図１に示すように、半反射面であるウインドシールド３の表示領域３ａに投影される。

図２に示すように、表示画像７０では、自動車の速度表示７１、シフトレバーのポジション情報７２、ナビゲーション情報７３など、自動車の走行に付随する各種情報が表示される。この表示画像７０は、赤色光または緑色光で表示され、あるいは、赤色光と緑色光との混合色で表示される。

ウインドシールド３が半反射面として機能するため、表示画像７０は運転者５に向けて反射させられ、運転者５には、表示画像７０がウインドシールド３よりも前方の虚像６の結像位置に存在しているように見える。

この画像投影装置１０は、１次回折光によるホログラム画像が拡大されて表示領域３ａに投影され、０次回折光は遮断されているため、ウインドシールド３の外部からカバー板１４の内部を覗き見ることがあっても、人の目に、集光レンズ３３で集光されるレーザ光の０次回折光が直接に与えられることがなく、安全性を確保できる。

ウインドシールド３は、図１の紙面に沿って車両の前方から運転者５の頭上に向けて急な角度で傾斜しているが、運転者５から見た左右方向（図１の紙面に直交する方向、図２の左右方向）では、傾斜が緩くなっており、半反射面である表示領域３ａを局部的に見たときはほとんど傾斜していない。投影光Ｂ９は、表示領域３ａに上向きに照射され、表示領域３ａで反射されて運転者５に向けられるが、ウインドシールド３は、その傾き方向に依存して光の偏光成分に対する反射率が相違する。偏光方向が図１の紙面と平行に向く偏光成分に対しては、反射率が低くなり、偏光方向が図１の紙面と直交する偏光成分（図２の左右方向の偏光成分）に対しては反射率が高くなる。

前述のように、半導体レーザから発せられたコヒーレント光の偏光成分のうちのホログラム画像７０ｈの生成に寄与するＰ偏光成分の偏光方向は、水平方向（ｉ）に向けられ、スクリーン５１に結像するホログラム画像７０ｈは偏光方向が水平方向（ｉ）に向けられる。そのため、ホログラム画像が第１の投影ミラー５５と第２の投影ミラー５６とで反射されてウインドシールド３に照射されると、ホログラム画像７０ｈを含む投影光Ｂ９の偏光方向が、図１、図２、図３に示すＰ方向となる。この偏光方向は、ウインドシールド３での反射率が高い入射方向に一致しているため、運転者５へ向けての反射光の強度を高くでき、運転者５がウインドシールド３の前方の虚像６によって鮮明な表示画像７０を目視できるようになる。

すなわち、レーザユニット２７Ａ，２７Ｂの向きの設定により、位相変調アレイ３１に対しては、第１の偏光成分であるＰ偏光成分を位相変調させ、Ｓ偏光成分は回折を起こさないようにして遮蔽板４５で遮蔽し、さらにＰ偏光成分で形成されたホログラム画像をウインドシールド３に照射させる際に、Ｐ偏光成分を反射率の高い入射方向に一致させている。これにより、偏光制御部材を設けなくても、Ｓ偏光成分の影響をほとんどなくして、運転者５に鮮明な表示画像を目視させることが可能になる。

（光束の通過経路）
この画像投影装置１０は、自動車に設置された状態で、光学ユニット２０の光学ベース２１がほぼ水平に向けられる。図４に示すように、第１の発光部２３Ａと第２の発光部２３Ｂから発せられるコリメート光束Ｂ１ｒ，Ｂ１ｇと、位相変調アレイ３１で変換された変調光束Ｂ２、ならびに集光レンズ３３を経た変調光束Ｂ３の光軸は、全て光学ベース２１と平行となるように水平に延びている。また、送光ミラー３４で反射された変調光束Ｂ４と、第１の中間ミラー３５で反射された変調光束Ｂ５、ならびに第２の中間ミラー３６で反射された変調光束Ｂ６の光軸も、光学ベース２１と平行で水平に延びている。スクリーン５１を通過した投影光Ｂ７の光軸も水平であり、第１の投影ミラー５５で反射された投影光Ｂ８がやや上向きとなって第２の投影ミラー５６に与えられ、第２の投影ミラー５６で反射された投影光Ｂ９がウインドシールド３に向けて上向きに照射される。

投影光Ｂ８，Ｂ９以外の光成分の光束が、投影光Ｂ９の上向きの投影方向と交差してほぼ水平に向けられているため、画像投影装置１０を薄型に構成することが可能になり、ダッシュボード２の内部に埋設しやすくなる。

図３と図４に示すように、送光ミラー３４から第１の中間ミラー３５に至る変調光束Ｂ４は、第１の投影ミラー５５と第２の投影ミラー５６との間を通過し、第１の投影ミラー５５から第２の投影ミラー５６に向かう投影光Ｂ８が、前記変調光束Ｂ４と交差している。投影部２０Ｃで光を交差させることで、集光レンズ３３からスクリーン５１までの光路を長く確保でき、スクリーン５１に適度な倍率でホログラム画像を結像させることができる。また光束を交差させることにより、光路が長くても、画像投影装置１０を小型に構成することが可能になる。

図４に示すように、送光ミラー３４から第１の中間ミラー３５に向かう変調光束Ｂ４と、第２の中間ミラー３６からスクリーン５１に向かう変調光束Ｂ６とで、光の向きが逆である。また、スクリーン５１から第１の投影ミラー５５に向かう投影光Ｂ７の向きも前記変調光束Ｂ４の向きと逆である。このように、ケース内で光束の向きを逆にすることによっても、装置全体を小型に構成することができる。

１ 自動車
２ ダッシュボード
３ ウインドシールド
５ 運転者
１０ 車載用投影装置
１１ 下部ケース
１２ 上部ケース
１４ カバー板
２０ 光学ユニット
２０Ａ 位相変調部
２０Ｂ ホログラム結像部
２０Ｃ 投影部
２１ 光学ベース
２３Ａ，２３Ｂ 発光部
２７Ａ，２７Ｂ レーザユニット
２８Ａ，２８Ｂ コリメートレンズ
３１ 位相変調アレイ
３３ 集光レンズ
３４ 送光ミラー
３５ 第１の中間ミラー
３６ 第２の中間ミラー
４１，４２，４３，４４ アパーチャー
４５ 遮蔽板
５１ スクリーン
５５ 第１の投影ミラー
５６ 第２の投影ミラー
７０ 表示画像
７０ｈ ホログラム画像
Ｂ０ レーザ光束
Ｂ１ｒ，Ｂ１ｇ コリメート光束
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６ 変調光束
Ｂ７，Ｂ８ 投影光
Ｄ０ ０次回折光
Ｄ１ １次回折光
Ｄ２ ２次回折光
Ｈ１ １次像
Ｈ２ ２次像
Ｈｈ 投影区画像
Ｍ１ 第１の変換領域
Ｍ２ 第２の変換領域

Claims (8)

1. レーザ光源から発せられたレーザ光を位相変調する位相変調アレイと、前記位相変調アレイとスクリーンとの間に位置して前記スクリーンにホログラム画像を形成する集光レンズと、前記ホログラム画像を含む投影光を半反射面に投影する投影部とが設けられた画像投影装置において、
   前記レーザ光の異なる偏光成分のうちの光学出力が高い第１の偏光成分が前記位相変調アレイで位相変調されるように前記レーザ光源の向きが決められ、前記第１の偏光成分が前記位相変調アレイで位相変調されて前記スクリーンにホログラム画像が結像されており、
   前記半反射面は前記投影部から投影される投影光に対して傾斜して配置され、前記投影光は、前記半反射面での反射率が高い入射方向と第１の偏光成分の偏光方向とが一致する向きで、前記半反射面に投影されることを特徴とする画像投影装置。
2. 前記レーザ光の光学出力が低い第２の偏光成分は、前記集光レンズによって、ホログラム画像の結像位置から外れた位置に集光させられる請求項１記載の画像投影装置。
3. 前記位相変換アレイは、レーザ光の入射方向に対して傾斜して配置された反射型パネルであり、この反射型パネルへの入射光軸と反射光軸を含む平面と、前記第１の偏光成分の偏光方向とが一致している請求項１または２記載の画像投影装置。
4. 前記半反射面への投影光の入射光軸と反射光軸を含む平面と、前記第１の偏光成分の偏光方向とが直交している請求項１ないし３のいずれかに記載の画像投影装置。
5. 前記半反射面は、自動車のウインドシールドの一部であり、前記半反射面に投影される投影光の前記第１の偏光成分の偏光方向が運転者から見た左右方向に一致している請求項４記載の画像投影装置。
6. 前記レーザ光源から前記位相変調アレイまでの光路に偏光制御部材が配置されていない請求項１ないし５のいずれかに記載の画像投影装置。
7. 前記レーザ光源から発せられたレーザ光束が、コリメートレンズで平行光束に変換されて、前記位相変調アレイに与えられる請求項１ないし６のいずれかに記載の画像投影装置。
8. 波長が相違する複数のレーザ光が前記位相変調アレイに与えられて、複数のレーザ光によってホログラム画像が生成される請求項１ないし７のいずれかに記載の画像投影装置。

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