JP2016176996A - 画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１次回折光以外の次数の回折光による像及び０次光による像がゴーストとして現れにくい画像投影装置を提供する。【解決手段】レーザ光を出射する光源と、光源から入射したレーザ光を、ホログラムデータに基づいて変調して出射する光変調器と、光変調器からの出射光に対してフーリエ変換を行うフーリエ変換レンズと、光変調器による１次回折光による像の結像位置に配置されたスクリーンと、スクリーンに結像した画像に基づいて投影画像を生成する投影光学系とを備え、光変調器から出射される０次光は、フーリエ変換レンズの後側焦点位置に集光し、１次回折光による像の結像位置は、ホログラムデータに基づいて変調により、フーリエ変換レンズの光軸上において、フーリエ変換レンズの後側焦点位置より後側の位置に設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を変調した光を用いた画像投影装置に関する。

特許文献１は、レーザ光源から出射されたレーザ光の位相を変調するホログラムを有し、このホログラムによって位相変調されたレーザ光を出力する、位相変調型の空間光変調器と、この空間光変調器からの出射光を集光する集光光学系とを備えた光制御装置を開示している。この光制御装置においては、空間光変調器から出力される所定次数の回折光が集光光学系により集光される位置を位置Ａとし、空間光変調器から出力される他の次数の回折光が集光光学系により集光される位置を位置Ｂとし、空間光変調器から出力される０次光が集光光学系により集光される位置を位置Ｃとしたときに、位置Ａと位置Ｃとの間の距離より位置Ａと位置Ｂとの間の距離を長くし、０次光の強度より上記他の次数の回折光の強度を大きくし、所定次数の回折光の強度を調整している。さらに、この光制御装置においては、上記他の次数の回折光の集光位置が加工対象物の加工領域に配置されないように遮蔽部材によって遮蔽している。

特開２０１０−０２００９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光制御装置においては、所定次数の回折光、他の次数の回折光、及び０次光で集光位置を異ならせてはいるものの、いずれも同一の加工対象物上に集光させているため、それぞれの光による結像画像が、加工対象物の観察者によって同時に視認可能な状態となっている。このため、上記他の次数の回折光及び０次光がゴーストとして認識されるという問題がある。これに対して、遮蔽部材によって上記他の次数の回折光と０次光のみを完全に視認不可能とするには、加工対象物上で互いに近接している光に合わせて遮蔽部材の形状を極めて正確に設計する必要がある。

そこで本発明は、１次回折光による像が結像される面において、１次回折光以外の次数の回折光による像及び０次光による像がゴーストとして現れにくい画像投影装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の画像投影装置は、レーザ光を出射する光源と、光源から入射したレーザ光を、ホログラムデータに基づいて変調して出射する光変調器と、光変調器からの出射光に対してフーリエ変換を行うフーリエ変換レンズと、光変調器による１次回折光による像の結像位置に配置されたスクリーンと、スクリーンに結像した画像に基づいて投影画像を生成する投影光学系とを備え、光変調器から出射される０次光は、フーリエ変換レンズの後側焦点位置に集光し、上記１次回折光による像の結像位置は、上記ホログラムデータに基づいた変調により、フーリエ変換レンズの光軸上において、フーリエ変換レンズの後側焦点位置より後側の位置に設定されていることを特徴としている。

１次回折光による像の結像位置をフーリエ変換レンズの焦点位置からずらしているため、光変調器で変調されない０次光は、１次回折光による像の結像位置に配置されたスクリーン上で結像しない。これにより、０次光による像がスクリーン上にゴーストとして現れにくい画像投影装置を実現することができる。

本発明の画像投影装置において、ホログラムデータは、光変調器において、１次回折光を生じさせるための第１ホログラムデータと、空間光変調器から出射される１次回折光を、フーリエ変換レンズを介してスクリーン上に集光させるための第２ホログラムデータとを重畳させたものであることが好ましい。

これにより、１次回折光を、フーリエ変換レンズの焦点位置とは異なる位置に配置したスクリーン上に集光させることができるため、フーリエ変換レンズの焦点位置に集光する０次光との間で集光位置をずらすことができ、これによりスクリーン上に０次光によるゴーストを現れにくくすることができる。

本発明の画像投影装置において、フーリエ変換レンズは、空間光変調器から出射される０次光を後側焦点位置に集光させ、後側焦点位置に、光変調器から出射される０次光を遮光する遮光部材が配置されていることが好ましい。

これにより、スクリーンよりも手前に配置した遮光部材によって０次光を遮ることができるため、スクリーン上に０次光によるゴーストが現れることを防ぐことができる。

本発明の画像投影装置において、第２ホログラムデータはフレネルレンズ状パターンに対応し、フレネルレンズ状パターンは、同心円状の複数の領域に分割され、かつ、複数の領域の径方向の幅が、同心円の中心から遠ざかるほど狭くなるパターンであることが好ましい。

本発明の画像投影装置において、スクリーンの投射面は１次回折光による像に対応する面積を有することが好ましい。
ここで、投射面は、１次回折光による像が結ばれる面である。

これにより、光変調器によって生成される、１次回折光以外の多次の回折光がスクリーン上で結像することを防ぐことができ、これにより、スクリーン上に１次回折光による鮮明な中間像を生成させることが可能となる。

本発明の画像投影装置において、光変調器はＬＣＯＳであることが好ましい。
本発明の画像投影装置において、スクリーンは、入射光を拡散光として出射する光拡散素子であることが好ましい。

本発明によると、１次回折光による像が結像される面において、１次回折光以外の次数の回折光による像及び０次光による像がゴーストとして現れにくい画像投影装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る画像投影装置の主要部材の構成を示す図である。 図１に示す画像投影装置の機能ブロック図である 第２ホログラムデータ用のパターンの例を示す図である。 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である。 図４に示す構成において、ＦＴレンズの焦点位置で結像したテストパターン画像を示す図である。 図１に示す画像投影装置において、スクリーンに結像したテストパターン画像を示す図である。 図１に示す画像投影装置において、ＦＴレンズの焦点位置で結像したテストパターン画像を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る画像投影装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。

図１は、本実施形態に係る画像投影装置１０の主要部材の構成を示す図である。図２は、図１に示す画像投影装置１０の機能ブロック図である。

図１に示すように、画像投影装置１０は、レーザ光源２０と、コリメートレンズ２２と、光変調器としてのＬＣＯＳ３０と、ＦＴレンズ３２と、遮光部材４０と、スクリーン４１と、投影光学系としての投影ミラー５０とを備える。画像投影装置１０は、図２に示すように、さらに、レーザドライバ２１と、ＬＣＯＳドライバ３１と、制御部６０と、メモリ６１と、画像データ処理部６２とを備える。

レーザ光源２０は、可視領域の波長のレーザ光を出射する光源であって、レーザドライバ２１から供給される電流量に応じた強度の光Ｉ１を出射する。レーザドライバ２１から供給される電流量は制御部６０によって制御される。レーザ光源２０から射出されたレーザ光Ｉ１はコリメートレンズ２２によって平行光束Ｉ２に変換されて、この平行光束Ｉ２がＬＣＯＳ３０に入射する。

ＬＣＯＳ３０は、透過型ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）であって、液晶層とアルミニウムなどの電極層とを有するパネルである。ＬＣＯＳ３０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。ＬＣＯＳ３０においては、位相変調素子として、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、透過するレーザ光はピクセル毎に位相が変調させられる。このようなピクセル毎の位相の変化は、ＬＣＯＳドライバ３１によって制御され、ＬＣＯＳドライバ３１は、制御部６０からの指示信号にしたがって、ＬＣＯＳ３０のピクセル毎に位相を制御し、これにより所定の位相変調光Ｉ３が生成される。この位相変調光Ｉ３には、１次回折光のほか、２次回折光、３次回折光、その他の多次回折光が含まれる。制御部６０は、画像データ処理部６２から出力されるホログラムデータ（後述）に基づいて上記指示信号を生成する。なお、透過型ＬＣＯＳに代えて反射型ＬＣＯＳを用いることもできる。

ＬＣＯＳ３０で生成された位相変調光Ｉ３は、ＦＴレンズ３２に入射する。このＦＴレンズ３２は、例えば両凸正レンズであって、フーリエ変換レンズとして入射光をフーリエ変換するとともに、入射光を集光する。

ここで、ＬＣＯＳ３０からは、回折効果を受けていない０次光も出射されており、この０次光もＦＴレンズ３２によって集光される。ＦＴレンズ３２は、その後側焦点位置Ｆｐ（投影ミラー５０側の焦点位置）に０次光が集光するように、位置、形状、及び焦点位置Ｆｐが設定されている。

ＦＴレンズ３２の後側焦点位置Ｆｐには、遮光部材４０が配置され、その入射面４０ａに０次光が集光する。遮光部材４０は、ＦＴレンズ３２から出射した０次光がスクリーン４１側へ進行することを遮り、かつ、ＦＴレンズ３２からスクリーン４１へ集光される１次回折光をできるだけ遮らないような大きさ及び材料で構成する。

ＬＣＯＳ３０から出射された回折光は、イメージ光Ｉ４として、スクリーン４１上に集光される。スクリーン４１は、投射面４１ａへ入射した光を所定の角度で拡散させて出射させる光拡散素子としてのディフューザである。スクリーン４１の投射面４１ａは、１次回折光による１次像（中間像）に対応する入射面積を有し、この入射面積は、１次回折光以外の多次回折光、すなわち２次回折光、３次回折光、・・・その他の多次回折光が投射面４１ａの外側を進行して、投射面４１ａに入射しないような大きさに設定されている。ここで、投射面４１ａの平面方向外側に遮蔽壁を設け、１次回折光以外の多次回折光の進行を遮るようにすると、スクリーン４１に入射しなかった多次回折光が投影光学系に入射するなどして１次回折光による投影画像に影響を与えることがなくなるため好ましい。また、スクリーン４１はディフューザに代えて微小な凸レンズを並べたマイクロレンズアレイを用いることもできる。

スクリーン４１から出射された発散光Ｉ５は投影ミラー５０に入射する。投影ミラー５０の反射面は凹面鏡（拡大鏡）であって、入射した発散光Ｉ５は投影ミラー５０で拡大・反射される。投影ミラー５０からの反射光Ｉ６は、車両のウインドシールドＷの表示領域に投影される。この表示領域は半反射面として機能するため、入射したイメージ光Ｉ６は、運転者に向けて反射されるとともに、ウインドシールドＷの前方位置Ｐにイメージ光Ｉ６に対応する虚像が形成される。ウインドシールドＷの前方の虚像を目視することで、運転者の目Ｅには、ステアリングホイールの上方且つ前方の所定位置に各種の情報が表示されているように見える。なお、投影光学系は、装置のサイズや構成、収差等を考慮した上で、複数枚の投影ミラーで構成しても良い。

＜ホログラムデータ＞
制御部６０からＬＣＯＳドライバ３１へ供給される指示信号は、第１ホログラムデータと第２ホログラムデータとを重畳したホログラムデータに対応する信号である。第１ホログラムデータと第２ホログラムデータの重畳は、メモリ６１に記憶された画像データに基づいて、画像データ処理部６２によって行われ、制御部６０へ出力される。

第１ホログラムデータは、ＬＣＯＳ３０による１次回折光によって中間像を結像させるために、ＬＣＯＳ３０の各ピクセルにおいて液晶層内の結晶の層の倒れ角度を変化させるパターンデータである。第１ホログラムデータにしたがって駆動されたＬＣＯＳ３０にレーザ光源２０からレーザ光を入射させると、１次回折光、及び、その他の次数の回折光が生じ、集光された１次回折光によって所定の集光位置に所定の中間像が形成される。

一方、第２ホログラムデータは、レーザ光源２０からＬＣＯＳ３０を通して出射され、かつ、ＦＴレンズ３２によって集光される回折光を、ＦＴレンズ３２の光軸３２ｃ上において、ＦＴレンズ３２の後側焦点位置Ｆｐよりも後側の結像位置Ｉｐに集光させるためのパターンデータである。第２ホログラムデータに基づいてＬＣＯＳ３０を駆動することによって、実質的には負の焦点距離を有する仮想レンズを、回折光の光路上に配置したのと同様の効果を実現できる。第２ホログラムデータに対応する仮想レンズのパターンは、例えば、フレネルレンズ状パターンであり、このパターンは、同心円状の複数の領域に分割され、かつ、前記複数の領域の径方向の幅が、前記同心円の中心から遠ざかるほど狭くなるパターンである。図３は、第２ホログラムデータ用のパターンの例を示す図であって、上側のパターンＨｐｇは、カラーの中間像を生成するためのＲＧＢ３色のパターンのうちの緑色用のパターンであり、下側のパターンＨｐｒは赤色用のパターンである。図３に示すように、緑色と赤色という波長の違いによって、パターンにおける径方向の幅が異なっている。すなわち、波長の長い方が径方法の幅が短くなっている。

以上の特性を有する第１ホログラムデータと第２ホログラムデータを重畳したホログラムデータに基づいて制御部６０を生成した指示信号にしたがって駆動されたＬＣＯＳ３０に対して、コリメートレンズ２２から平行光のレーザ光を入射させると、ＦＴレンズ３２の後側焦点位置Ｆｐとは異なる結像位置Ｉｐに配置したスクリーン４１上に、第１ホログラムデータに対応した位相変調を施された１次回折光が入射し、中間像が形成される。一方、ＬＣＯＳ３０の回折光を受けずに出射した０次光は、ＦＴレンズ３２の後側焦点位置Ｆｐ上に配置された遮光部材４０上に集光する。

＜スクリーン＞
図４は、第２ホログラムデータを用いずにＬＣＯＳ３０を駆動し、遮光部材４０を配置せずに、ＬＣＯＳ３０から出射した０次光及び回折光を、かぎりなく広い面積を有すると仮定したスクリーンに集光させた場合の像を模式的に示す図である。図４に示す例では、ＦＴレンズ３２の後側焦点位置Ｆｐにスクリーンの投射面が配置されており、この投射面上に０次光及び回折光が集光する。

図４に示すスクリーンには、１次回折光、多次回折光、及び０次光の像がそれぞれ投影される。より具体的には、ＬＣＯＳ３０で位相変調されずに回折を受けていない０次光Ｄ０が焦点位置Ｆｐに集光されるとともに、焦点位置Ｆｐと重複する領域に、ＬＣＯＳ３０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。１次像Ｈ１内においては、ＬＣＯＳ３０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が結像しており、ホログラム画像７０が生成される。図４に示すように、ホログラム画像７０は、１次像Ｈ１内に現れるが、ホログラム画像７０は、０次光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。また、１次像Ｈ１の周囲には、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。

これに対して、本実施形態においては、第２ホログラムデータを第１ホログラムデータに重畳することにより、回折光による像の結像位置ＩｐをＦＴレンズ３２の後側焦点位置Ｆｐよりも後側に配置し、結像位置Ｉｐと焦点位置ＦｐをＦＴレンズ３２の光軸３２ｃ上において前後にずらしている。さらに、焦点位置Ｆｐに０次光の進行を遮る遮光部材４０を配置している。これらにより、ＬＣＯＳ３０から出射した０次光は遮光部材４０に遮られてスクリーン４１には至らず、図４に示すような０次光Ｄ０による像はスクリーン４１には結像されない。

また、上述のように、スクリーン４１の投射面４１ａの面積を、１次回折光による１次像（中間像）に対応する面積とすることにより、図４に示す１次像Ｈ１のみがスクリーン４１に結像するため、多次回折光による多次回折光Ｄｎによる像はスクリーン４１上には結像されない。

したがって、スクリーン４１上には、１次回折光による中間像（ホログラム画像）のみが現れ、ゴースト像としての、０次光や多次回折光による像が現れることを防ぐことができる。

＜テストパターンによる効果確認＞
次に、図５〜図７を参照しつつ、テストパターンを用いて行った、本実施形態の構成による効果確認について説明する。図５〜図７は、テストパターンを異なる条件で撮影した写真である。テストパターンは、黒枠内に白十字を描いた画像である。図５は、図４に示す例のように、第２ホログラムデータを用いずにＬＣＯＳ３０を駆動し、遮光部材４０を配置しない場合において、ＦＴレンズ３２の焦点位置Ｆｐで撮影した画像を示している。図６は、本実施形態において、スクリーン４１において結ばれた画像であり、図７は、本実施形態において、ＦＴレンズ３２の焦点位置Ｆｐにおける画像である。

図５に示す画像では、左下の１次回折光による像と、右上のゴースト光による像がともにはっきりと見えている。これに対して、図６では、左下の１次回折光による像ははっきりとしているが、右上にはゴースト光による白十字の像は現れておらず、焦点位置Ｆｐと結像位置Ｉｐをずらし、かつ、焦点位置Ｆｐの位置に遮光部材４０を設けた効果が確認できる。また、図７では、左下の１次回折光による白十字の像がぼけているのに対して、右上の０次光による白十字の像はシャープに現れており、０次光が焦点位置Ｆｐにおいて結像されていることが分かる。

以上述べたように、本実施形態の画像投影装置１０によれば、以下の効果を奏する。
（１）１次回折光による像の結像位置ＩｐをＦＴレンズ３２の焦点位置Ｆｐの後方へずらしているため、ＬＣＯＳ３０で変調されない０次光は、１次回折光による像の結像位置Ｉｐまでは至りにくくなり、結像位置Ｉｐに配置されたスクリーン４１上で結像しない。これにより、０次光による像がスクリーン４１上にゴーストとして現れにくくなる。

（２）スクリーン４１よりも手前に配置した遮光部材４０によって０次光を遮ることができるため、スクリーン４１上に０次光が到達することを妨げることができ、これにより、スクリーン４１上にゴーストが現れることを防ぐことができる。

（３）スクリーン４１の投射面４１ａの面積を１次回折光による像に対応する面積にしているため、ＬＣＯＳ３０によって生成される、１次回折光以外の多次の回折光がスクリーン４１上で結像することを防ぐことができる。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る画像投影装置は、光変調器によって入射光を変調させてホログラム画像を生成させる装置において、光変調器において回折することなく出射した０次光や、多次回折光によるゴーストの発生を抑えることができる点で有用であり、特に、高精細の投影画像が求められる車両用ヘッドアップディスプレイ装置に適している。

１０ 画像投影装置
２０ レーザ光源
２１ レーザドライバ
２２ コリメートレンズ
３０ ＬＣＯＳ（光変調器）
３１ ＬＣＯＳドライバ
３２ ＦＴレンズ（フーリエ変換レンズ）
４０ 遮光部材
４１ スクリーン
５０ 投影ミラー（投影光学系）
６０ 制御部
６１ メモリ
６２ 画像データ処理部
Ｆｐ 後側焦点位置
Ｉｐ 結像位置
Ｈｐｇ、Ｈｐｒ フレネルレンズ状パターン
Ｗ ウインドシールド

Claims (7)

1. レーザ光を出射する光源と、
   前記光源から入射したレーザ光を、ホログラムデータに基づいて変調して出射する光変調器と、
   前記光変調器からの出射光に対してフーリエ変換を行うフーリエ変換レンズと、
   前記光変調器による１次回折光による像の結像位置に配置されたスクリーンと、
   前記スクリーンに結像した画像に基づいて投影画像を生成する投影光学系とを備え、
   前記光変調器から出射される０次光は、前記フーリエ変換レンズの後側焦点位置に集光し、
   前記１次回折光による像の結像位置は、前記ホログラムデータに基づいた変調により、前記フーリエ変換レンズの光軸上において、前記フーリエ変換レンズの後側焦点位置より後側の位置に設定されている
   ことを特徴とする画像投影装置。
2. 前記ホログラムデータは、
   前記光変調器において、前記１次回折光を生じさせるための第１ホログラムデータと、
   前記空間光変調器から出射される前記１次回折光を、前記フーリエ変換レンズを介して前記スクリーン上に集光させるための第２ホログラムデータとを重畳させたものである
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
3. 前記フーリエ変換レンズは、前記空間光変調器から出射される０次光を前記後側焦点位置に集光させ、
   前記後側焦点位置に、前記光変調器から出射される０次光を遮光する遮光部材が配置されている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像投影装置。
4. 前記第２ホログラムデータはフレネルレンズ状パターンに対応し、
   前記フレネルレンズ状パターンは、同心円状の複数の領域に分割され、かつ、前記複数の領域の径方向の幅が、前記同心円の中心から遠ざかるほど狭くなるパターンである
   ことを特徴とする請求項２に記載の画像投影装置。
5. 前記スクリーンの投射面は前記１次回折光による像に対応する面積を有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の画像投影装置。
6. 前記光変調器はＬＣＯＳであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の画像投影装置。
7. 前記スクリーンは、入射光を拡散光として出射する光拡散素子であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の画像投影装置。