JP2016218181A - Projection device using laser beam and head-up display using projection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光を用いた投射装置及び該投射装置を用いたヘッドアップディスプレイに関する。 The present invention relates to a projection device using laser light and a head-up display using the projection device.
近年、小型で高効率なレーザ光を光源として用いた投射装置が開発されている。レーザ光は輝度が高く色再現性に優れており、広画角化、低消費電力化、高コントラスト化が可能なことから、投射装置としてヘッドマウントディスプレイやヘッドアップディスプレイ等への適用も進んでいる。 In recent years, a projection apparatus using a small and highly efficient laser beam as a light source has been developed. Laser light has high brightness and excellent color reproducibility, and can be applied to head-mounted displays and head-up displays as a projection device because of its wide angle of view, low power consumption, and high contrast. Yes.
レーザ光はコヒーレンス性が高いので、投射装置で投射した面(投射面)の凹凸によりレーザ光が散乱されると、散乱光同士が干渉し、投射面に表示させた画像(表示画像)に明暗の斑点模様であるスペックルノイズが現れることがある。スペックルノイズにより表示画像の品質は著しく損なわれる。スペックルノイズは、レーザ光源を用いた投射装置特有の問題であり、従来より種々の解決の試みが行われてきた。 Since the laser light has high coherence, when the laser light is scattered by the unevenness of the surface (projection surface) projected by the projection device, the scattered light interferes with the image (display image) displayed on the projection surface. Speckle noise that is a speckled pattern may appear. The quality of the displayed image is significantly impaired by speckle noise. Speckle noise is a problem peculiar to a projection apparatus using a laser light source, and various attempts have been made so far.
特許文献1には、レーザ光源から出射されたレーザ光の空間的な偏光分布を変換する偏光分布変換手段を備えた画像表示装置が開示されている。この偏光分布手段は、空間光変調器の隣接する画素に入射されるレーザ光の偏光方向が互いに直交するように偏光分布を変換する。偏光分布が変換された後のレーザ光は空間光変調器に入射され、空間光変調器で変調されたレーザ光がスクリーンに照射されて画像を表示する。スクリーンに表示された画像の中で、空間光変調器の隣接する画素に対応した領域に照射されたレーザ光は、その偏光方向が互いに直交しているため干渉が生じず、その結果スペックルノイズも生じない。よって、スペックルノイズの発生が大幅に抑制された高品質な画像を表示することができる。 Patent Document 1 discloses an image display device including a polarization distribution conversion unit that converts a spatial polarization distribution of laser light emitted from a laser light source. This polarization distribution means converts the polarization distribution so that the polarization directions of the laser light incident on adjacent pixels of the spatial light modulator are orthogonal to each other. The laser light after the polarization distribution is converted is incident on the spatial light modulator, and the screen is irradiated with the laser light modulated by the spatial light modulator to display an image. In the image displayed on the screen, the laser light irradiated to the area corresponding to the adjacent pixel of the spatial light modulator does not cause interference because the polarization directions are orthogonal to each other. As a result, speckle noise Does not occur. Therefore, it is possible to display a high-quality image in which generation of speckle noise is significantly suppressed.
特許文献2においては、レーザ光源から出射されたレーザ光の偏光状態を時間的に変化させる偏光制御ユニットを備え、画像を投射する表示光学系が開示されている。偏光制御ユニットは、1/2波長板をモータで回転させて偏光状態を時間的に変化させるよう構成されている。該表示光学系においては、レーザ光の偏光状態が時間的に変化するので、スクリーン上には異なるスペックルノイズが発生した複数の画像が順次表示される。例えばフレームレート60Hzで各画像が表示される場合には、スペックルノイズの発生する画像も1/60秒毎に切り替わる。これは人間の眼の残像時間よりも速いので、眼の残像効果により各フレームで発生したスペックルノイズが平滑化されて認識される。これにより表示画像におけるスペックルノイズを低減する。 Patent Document 2 discloses a display optical system that includes a polarization control unit that temporally changes the polarization state of laser light emitted from a laser light source and projects an image. The polarization control unit is configured to change the polarization state with time by rotating the half-wave plate with a motor. In the display optical system, since the polarization state of the laser light changes with time, a plurality of images with different speckle noises are sequentially displayed on the screen. For example, when each image is displayed at a frame rate of 60 Hz, the image in which speckle noise occurs is also switched every 1/60 seconds. Since this is faster than the afterimage time of the human eye, speckle noise generated in each frame due to the afterimage effect of the eye is smoothed and recognized. This reduces speckle noise in the display image.
特許文献3においては、レーザ光源から出射されたレーザ光の偏光状態を切り替える偏光状態変調部を備えた投射型画像表示装置が開示されている。偏光状態変調部は複数の特定偏光状態を所定の順番に従って映像信号のフレーム単位で順次切り替える。偏光状態変調部には液晶セル(液晶素子)を用いており、液晶セルに印加する交流電圧の大きさをフレーム単位で変えることで特定偏光状態を切り替えている。スペックルノイズの発生個所はレーザ光の偏光状態によって変化するので、該画像表示装置においては、異なる箇所にスペックルノイズが発生した画像がフレーム単位で順次スクリーン上に表示される。これにより、表示画像におけるスペックルノイズを低減する。 Patent Document 3 discloses a projection-type image display device including a polarization state modulation unit that switches the polarization state of laser light emitted from a laser light source. The polarization state modulation unit sequentially switches a plurality of specific polarization states in units of frames of the video signal according to a predetermined order. A liquid crystal cell (liquid crystal element) is used for the polarization state modulation unit, and the specific polarization state is switched by changing the magnitude of the AC voltage applied to the liquid crystal cell in units of frames. Since the location where speckle noise occurs varies depending on the polarization state of the laser light, in the image display device, images with speckle noise occurring at different locations are sequentially displayed on the screen in units of frames. Thereby, speckle noise in the display image is reduced.
特許文献4においては、レーザ光源から出射されたレーザ光を2次元的に走査して1フレームの画像を形成し各フレームの描画の間にブランキング期間を有してスクリーン上に投射画像を表示するレーザ投射装置が開示されている。該レーザ投射装置は、レーザ光源から出射される光の偏光状態をブランキング期間中に変更する偏光変換部を備えている。偏光変換部は駆動制御装置と液晶素子を備えており、液晶素子に印加する交流電圧のオンとオフの切り替えをブランキング期間中に行うことでフレーム単位での偏光状態を切り替えている。このような駆動制御装置を備えることにより、フレーム単位では偏光状態が変化するものの各フレームの描画中には偏光状態が変化しないので、スペックルノイズを低減できると共に1フレーム内での輝度の変化がない良好な画像を投射することができる。 In Patent Document 4, a laser beam emitted from a laser light source is two-dimensionally scanned to form an image of one frame, and a projected image is displayed on a screen with a blanking period between each frame drawing. A laser projection apparatus is disclosed. The laser projection device includes a polarization converter that changes the polarization state of light emitted from the laser light source during the blanking period. The polarization conversion unit includes a drive control device and a liquid crystal element, and switches the polarization state in units of frames by switching on and off of the alternating voltage applied to the liquid crystal element during the blanking period. By providing such a drive control device, although the polarization state changes in units of frames, the polarization state does not change during drawing of each frame, so that speckle noise can be reduced and the luminance changes within one frame. No good image can be projected.
特許文献1においては、空間光変調器の隣接する画素に入射されるレーザ光の偏光方向が互いに直交するように偏光分布を変換しているものの、各画素の偏光方向は時間の経過によっては変化せず、また、1つおきの画素又は斜め方向の画素とは偏光方向が同じであるため、そのような画素間でスペックルノイズが発生するおそれがある。特許文献2においては、偏光状態を時間的に変化させるよう構成されているが、偏光状態を変化させるために1/2波長板をモータで回転させるため、駆動源が必要となり、表示光学系が大型化するおそれがある。 In Patent Document 1, although the polarization distribution is converted so that the polarization directions of laser light incident on adjacent pixels of the spatial light modulator are orthogonal to each other, the polarization direction of each pixel changes with the passage of time. In addition, since the polarization direction is the same as that of every other pixel or pixels in an oblique direction, speckle noise may occur between such pixels. In Patent Document 2, the polarization state is configured to change with time. However, since the half-wave plate is rotated by a motor to change the polarization state, a drive source is required, and the display optical system is There is a risk of enlargement.
特許文献3、4においては、液晶素子を用いてフレーム単位で偏光状態を変化させており、各フレームの描画中は偏光状態を変化させずにフレームの切り替えタイミングで偏光状態を変化させている。液晶素子を用いると装置の小型化が可能になるが、液晶素子の液晶分子の印加電圧に対する応答速度は遅く、現実にフレームの切り替えタイミングで偏光状態を変化させるのは困難である。フレーム単位での変更状態の切り替えができないと同じ偏光状態で複数のフレームが描画されるので、スペックルノイズの低減効果を十分に得ることができないおそれがある。 In Patent Documents 3 and 4, the polarization state is changed in units of frames using a liquid crystal element, and the polarization state is changed at the frame switching timing without changing the polarization state during drawing of each frame. When the liquid crystal element is used, the apparatus can be reduced in size, but the response speed of the liquid crystal element to the applied voltage of the liquid crystal molecules is slow, and it is difficult to actually change the polarization state at the frame switching timing. If the change state cannot be switched in units of frames, a plurality of frames are drawn in the same polarization state, so there is a possibility that the effect of reducing speckle noise cannot be obtained sufficiently.
また、例えば赤色、緑色、青色のように異なる色の光を発生する複数の光源がある場合、光の波長は色によって異なるので、液晶素子を透過する光は色により異なる旋光分散が発生し、印加電圧に対する偏光方向の特性も異なる。印加電圧に対する偏光方向の特性が異なると、投射画像中で同じ色を表示すべき複数の画素(パネル画素)で、光の色による偏光方向の特性の違いによって色の変化が生じてしまい、画像を見ている人間に違和感を与えてしまうおそれがある。 In addition, when there are a plurality of light sources that generate light of different colors such as red, green, and blue, for example, the wavelength of the light varies depending on the color, so that the light transmitted through the liquid crystal element has different optical rotation dispersion depending on the color, The polarization direction characteristics with respect to the applied voltage are also different. If the characteristics of the polarization direction with respect to the applied voltage are different, color changes occur in the plurality of pixels (panel pixels) that should display the same color in the projected image due to differences in the characteristics of the polarization direction depending on the color of the light. There is a risk of giving a strange feeling to the person who is watching.
このように、スペックルノイズを低減し、且つ、高品質な画像を表示することができるレーザ光を用いた投射装置が求められている。 Thus, there is a need for a projection device using laser light that can reduce speckle noise and display a high-quality image.
本発明に係るレーザ光を用いた投射装置の1つの実施形態は、波長の異なる複数のレーザ光を所定の偏光方向で発生する光源部と、前記複数のレーザ光を合成する合成光学部と、前記複数のレーザ光から投射画像を形成する画像形成部と、前記合成光学部から出射した前記複数のレーザ光の偏光状態を変化させる液晶素子と、を備え、前記液晶素子は一対の基板の間に液晶層を有し、前記液晶素子は前記複数のレーザ光の透過領域において単一の偏光状態を生成し、前記偏光状態は1つの前記投射画像の形成中に変化し、前記液晶層の液晶分子は前記一対の基板の間で螺旋構造を有しており、前記液晶分子の螺旋ピッチと前記液晶層の屈折率異方性との積が2500nm以上である。 One embodiment of a projection device using laser light according to the present invention includes a light source unit that generates a plurality of laser beams having different wavelengths in a predetermined polarization direction, a combining optical unit that combines the plurality of laser beams, An image forming unit that forms a projection image from the plurality of laser beams; and a liquid crystal element that changes a polarization state of the plurality of laser beams emitted from the combining optical unit, and the liquid crystal device is disposed between a pair of substrates. A liquid crystal layer, and the liquid crystal element generates a single polarization state in the transmission region of the plurality of laser beams, and the polarization state changes during formation of one projection image, and the liquid crystal of the liquid crystal layer The molecules have a spiral structure between the pair of substrates, and the product of the spiral pitch of the liquid crystal molecules and the refractive index anisotropy of the liquid crystal layer is 2500 nm or more.
このように、液晶分子の螺旋ピッチと液晶層の屈折率異方性の積が2500nm以上の関係を充足する液晶素子を備えた投射装置においては、フレーム単位で合成光の偏光方向が変化するので、スクリーン上に投射した表示画像におけるスペックルノイズが減少し、ノイズの少ない高品質の画像を表示することができる。また、液晶素子が波長の異なる複数のレーザ光の旋光分散が低減し偏光特性が同じになるように構成されているので、1つの投射画像の形成中に偏光方向が変化しても、印加電圧に対して波長の異なる複数のレーザ光の全ての偏光方向が同じように変化して、色の変化はほとんど生じない。従って、投射装置は、スペックルノイズが少なく高品質の画像を表示させることができる。 As described above, in the projection apparatus including the liquid crystal element that satisfies the relationship that the product of the spiral pitch of the liquid crystal molecules and the refractive index anisotropy of the liquid crystal layer is 2500 nm or more, the polarization direction of the synthesized light changes in units of frames. Speckle noise in the display image projected on the screen is reduced, and a high-quality image with little noise can be displayed. In addition, since the liquid crystal element is configured so that the optical rotation dispersion of a plurality of laser beams having different wavelengths is reduced and the polarization characteristics are the same, even if the polarization direction changes during the formation of one projection image, the applied voltage In contrast, all the polarization directions of a plurality of laser beams having different wavelengths are changed in the same manner, so that the color hardly changes. Therefore, the projection apparatus can display a high-quality image with little speckle noise.
該投射装置の1つの実施形態においては、前記屈折率異方性が0.25よりも大きい。 In one embodiment of the projection device, the refractive index anisotropy is greater than 0.25.
屈折率異方性が0.25よりも大きいと、螺旋ピッチと液晶層の屈折率異方性の積が2500nm以上となる螺旋ピッチ、すなわち液晶層の厚さを小さくすることができるので、液晶層の液晶分子の応答速度を速めることができ、液晶素子として偏光方向の変化を短時間で完了させることができる。 When the refractive index anisotropy is larger than 0.25, the helical pitch in which the product of the helical pitch and the refractive index anisotropy of the liquid crystal layer is 2500 nm or more, that is, the thickness of the liquid crystal layer can be reduced. The response speed of the liquid crystal molecules in the layer can be increased, and the change in the polarization direction of the liquid crystal element can be completed in a short time.
該投射装置の1つの実施形態においては、前記液晶層における前記液晶分子のねじれ角が90度である。 In one embodiment of the projection device, the twist angle of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer is 90 degrees.
このような構成とすれば、液晶層への電圧印加のオンとオフとで、液晶層を透過する光の偏光方向が90度変化する。これにより、偏光方向の変化によるスペックルノイズの低減効果を最大にすることができる。 With such a configuration, the polarization direction of light transmitted through the liquid crystal layer changes by 90 degrees depending on whether voltage application to the liquid crystal layer is turned on or off. Thereby, the effect of reducing speckle noise due to the change in the polarization direction can be maximized.
該投射装置の1つの実施形態においては、前記液晶層は、複数の層を積層して構成される。前記液晶層は第1層と第2層とを積層して構成され、前記第1層における前記ねじれ角及び前記第2層における前記ねじれ角はいずれも45度であると好適である。 In one embodiment of the projection device, the liquid crystal layer is formed by laminating a plurality of layers. Preferably, the liquid crystal layer is formed by laminating a first layer and a second layer, and the twist angle in the first layer and the twist angle in the second layer are both 45 degrees.
一般に、液晶素子の液晶層が複数であるN層の液晶層を積層して構成されている場合、液晶素子を通過する光の偏光方向をφ度変化させるためには、各液晶層への電圧印加を同電圧で同じタイミングで行うことで、印加電圧のオンとオフによる各液晶層での偏光方向の変化はφ/N度で済む。このとき、各液晶層における液晶分子のねじれ角はθ(=φ/N)度であればよく、各液晶層の液晶分子の螺旋ピッチpは各液晶層の厚さをdxとしたときに、p=dx×360/θとなる。 In general, when the liquid crystal element is composed of a plurality of N liquid crystal layers, in order to change the polarization direction of light passing through the liquid crystal element by φ degrees, the voltage applied to each liquid crystal layer By performing the application with the same voltage and at the same timing, the change of the polarization direction in each liquid crystal layer due to turning on and off of the applied voltage is only φ / N degrees. At this time, the twist angle of the liquid crystal molecules in each liquid crystal layer may be θ (= φ / N) degrees, and the helical pitch p of the liquid crystal molecules in each liquid crystal layer is dx when the thickness of each liquid crystal layer is dx. p = dx × 360 / θ.
複数ある各液晶層において、各液晶層の液晶分子の螺旋ピッチと各液晶層の屈折率異方性との積はいずれも2500nm以上であるとする。 In each of the plurality of liquid crystal layers, the product of the helical pitch of the liquid crystal molecules of each liquid crystal layer and the refractive index anisotropy of each liquid crystal layer is 2500 nm or more.
例えば、透過する光の偏光方向を90度変化させる場合、単層の液晶層を備えた液晶素子(単層素子)の螺旋ピッチと、単層の液晶層と同じ厚さの液晶層を積層して複数備えた液晶素子(複層素子)の螺旋ピッチとでは、複層素子の方が各液晶層の液晶分子のねじれ角が小さくて済む分、螺旋ピッチは大きくなる。単層素子の液晶素子の液晶分子の螺旋ピッチと液晶層の屈折率異方性との積が2500nmである場合において単層素子と複層素子とで屈折率異方性が同値であれば、複層素子の各液晶素子の液晶分子の螺旋ピッチと各液晶層の屈折率異方性との積は、単層素子より螺旋ピッチが大きくなる分だけ2500nmより大きくなる。これにより、波長の異なる複数のレーザ光の旋光分散が更に低減し偏光特性を同じにすることができる。 For example, when the polarization direction of transmitted light is changed by 90 degrees, a spiral pitch of a liquid crystal element (single layer element) having a single liquid crystal layer and a liquid crystal layer having the same thickness as the single liquid crystal layer are stacked. The spiral pitch of a plurality of liquid crystal elements (multi-layer elements) is larger because the multi-layer element has a smaller twist angle of the liquid crystal molecules of each liquid crystal layer. When the product of the spiral pitch of the liquid crystal molecules of the liquid crystal element of the single layer element and the refractive index anisotropy of the liquid crystal layer is 2500 nm, the refractive index anisotropy of the single layer element and the multilayer element is equal, The product of the helical pitch of the liquid crystal molecules of each liquid crystal element of the multi-layer element and the refractive index anisotropy of each liquid crystal layer is greater than 2500 nm as the helical pitch is larger than that of the single layer element. Thereby, the optical rotation dispersion of a plurality of laser beams having different wavelengths can be further reduced, and the polarization characteristics can be made the same.
また、各液晶層の液晶分子の螺旋ピッチと各液晶層の屈折率異方性との積が2500nmになるように複層素子を構成するのであれば、各液晶層の液晶分子の螺旋ピッチが単層素子の螺旋ピッチよりも大きくなる分だけ各液晶層の屈折率異方性の値を小さくすることができる。これにより、各液晶層に屈折率異方性の値が小さい液晶を使用することが可能になり、液晶材料選択の幅を広げることができる。 Further, if the multilayer device is configured so that the product of the spiral pitch of the liquid crystal molecules in each liquid crystal layer and the refractive index anisotropy of each liquid crystal layer is 2500 nm, the spiral pitch of the liquid crystal molecules in each liquid crystal layer is The value of the refractive index anisotropy of each liquid crystal layer can be reduced by an amount larger than the spiral pitch of the single layer element. As a result, it is possible to use a liquid crystal having a small value of refractive index anisotropy for each liquid crystal layer, and the range of liquid crystal material selection can be expanded.
さらに、各液晶層の液晶分子の螺旋ピッチと各液晶層の屈折率異方性との積が2500nmになるように複層素子を構成する場合において単層素子と複層素子とで屈折率異方性が同値であれば、複層素子において各液晶層の液晶分子のねじれ角を維持したまま螺旋ピッチが単層素子の螺旋ピッチと同値になるまで各液晶層の厚さを薄くすることができる。各液晶層の厚さが薄くなれば、各液晶層の液晶分子の応答速度を速めることができるので(連続体理論)、液晶素子として0度と90度の偏光方向の変化を短時間で完了させることができ、投射画像の形成中において偏光方向が0度と90度の時間を長くすることができる。その結果、投射装置は、スペックルノイズが少なく更に高品質の画像を表示させることができる。 Further, when the multilayer device is configured such that the product of the helical pitch of the liquid crystal molecules of each liquid crystal layer and the refractive index anisotropy of each liquid crystal layer is 2500 nm, the refractive index is different between the single layer device and the multilayer device. If the directionality is the same, the thickness of each liquid crystal layer can be reduced until the helical pitch is equivalent to the helical pitch of the single layer element while maintaining the twist angle of the liquid crystal molecules of each liquid crystal layer in the multilayer device. it can. If the thickness of each liquid crystal layer is reduced, the response speed of the liquid crystal molecules in each liquid crystal layer can be increased (continuum theory), so the change of the polarization direction between 0 degree and 90 degrees can be completed in a short time as a liquid crystal element. The time during which the polarization direction is 0 degree and 90 degrees can be lengthened during the formation of the projection image. As a result, the projection apparatus can display a higher quality image with less speckle noise.
この1つの実施形態のように、液晶素子が液晶層としてねじれ角がいずれも45度である第1層と第2層を備えると、交流電源による第1層、第2層への電圧印加を同電圧で同じタイミングで行うことで、印加電圧のオンとオフによる第1層、第2層を透過する光の偏光方向の変化はそれぞれ45度で済む。そのため、液晶素子として0度と90度の偏光方向の変化を短時間で完了させることができる。これにより、投射画像の形成中において偏光方向が0度と90度の時間を長くすることができるので、投射装置は、スペックルノイズが少なく更に高品質の画像を表示させることができる。 As in this one embodiment, when the liquid crystal element includes a first layer and a second layer having a twist angle of 45 degrees as a liquid crystal layer, a voltage is applied to the first layer and the second layer by an AC power source. By performing the same voltage at the same timing, the change in the polarization direction of the light transmitted through the first layer and the second layer due to turning on and off of the applied voltage is 45 degrees. Therefore, the change in the polarization direction of 0 degrees and 90 degrees can be completed in a short time as a liquid crystal element. As a result, the time during which the polarization direction is 0 degree and 90 degrees can be lengthened during the formation of the projection image, so that the projection apparatus can display a higher quality image with less speckle noise.
該投射装置の1つの実施形態においては、前記一対の基板の少なくとも前記光源部に近い側の基板の表面に反射防止膜が形成されている。前記反射防止膜は、無機材料からなる積層膜であると好適である。 In one embodiment of the projection apparatus, an antireflection film is formed on the surface of the pair of substrates at least near the light source unit. The antireflection film is preferably a laminated film made of an inorganic material.
このような構成とすれば、光源部から出射された光を有効に液晶素子に入射させることができるので、投射装置は、高輝度の画像を表示させることができる。 With such a configuration, since the light emitted from the light source unit can be effectively incident on the liquid crystal element, the projection apparatus can display a high-luminance image.
該投射装置の1つの実施形態においては、前記一対の基板の少なくとも前記光源部から遠い側の基板の表面に拡散膜が形成されている。拡散膜の代わりに前記複数のレーザ光を拡散させるための凹凸部が形成されていてもよい。 In one embodiment of the projection device, a diffusion film is formed on the surface of at least the substrate far from the light source unit of the pair of substrates. Irregularities for diffusing the plurality of laser beams may be formed instead of the diffusion film.
このような構成とすれば、液晶素子を透過した光のコヒーレンス性が低下するので、スクリーン上に投射される画像に現れるスペックルノイズを更に低減させることができる。また、スクリーン上に輝度むらの少ない均一輝度の画像を表示させることができる。 With such a configuration, the coherence of the light transmitted through the liquid crystal element is lowered, so that speckle noise appearing in the image projected on the screen can be further reduced. In addition, it is possible to display a uniform luminance image with little luminance unevenness on the screen.
該投射装置の1つの実施形態においては、前記光源部は、赤色光を発生する赤色レーザ光源と、緑色光を発生する緑色レーザ光源と、青色光を発生する青色レーザ光源とを含む。 In one embodiment of the projection apparatus, the light source unit includes a red laser light source that generates red light, a green laser light source that generates green light, and a blue laser light source that generates blue light.
このような構成とすれば、投射装置はカラー画像を投射することができる。 With such a configuration, the projection apparatus can project a color image.
該投射装置の1つの実施形態においては、前記画像形成部は、前記複数のレーザ光を走査する走査機構を含む。このとき、前記液晶素子は、前記合成光学部と前記画像形成部との間に配置される。 In one embodiment of the projection apparatus, the image forming unit includes a scanning mechanism that scans the plurality of laser beams. At this time, the liquid crystal element is disposed between the combining optical unit and the image forming unit.
このような構成とすれば、走査機構を用いて、画像を投射することができる。 With such a configuration, an image can be projected using the scanning mechanism.
該投射装置の1つの実施形態においては、前記画像形成部は、前記複数のレーザ光を画素ごとに変調する空間光変調素子を含む。このとき、前記画像形成部は、前記光源部と前記液晶素子との間に配置される。 In one embodiment of the projection apparatus, the image forming unit includes a spatial light modulation element that modulates the plurality of laser beams for each pixel. At this time, the image forming unit is disposed between the light source unit and the liquid crystal element.
このような構成とすれば、空間光変調素子を用いた投射装置を構成することができる。 With such a configuration, a projection apparatus using a spatial light modulation element can be configured.
本発明に係る車載用ヘッドアップディスプレイの1つの実施形態は、上記のレーザ光を用いた投射装置を備える。 One embodiment of an in-vehicle head-up display according to the present invention includes a projection device using the laser beam described above.
このような特徴構成とすれば、スペックルノイズが少なく高品質の画像を表示させることができるヘッドマウントディスプレイを得ることができる。 With such a characteristic configuration, it is possible to obtain a head mounted display that can display a high-quality image with little speckle noise.
〔第1実施形態〕
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。図1に第1実施形態に係る投射装置10の構成を表すブロック図を示す。投射装置10は、光源部100と、合成光学部200と画像形成部300と液晶素子400とを備えている。投射装置10は、光源部100で発生した光を合成光学部200で合成して合成光を生成し、液晶素子400で合成光の偏光状態(以下では、「偏光方向」とも称する)を変化させ、画像形成部300で合成光から投射画像を形成して、スクリーン500上に投射して画像(表示画像)を表示する。
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the
スペックルノイズはスクリーン500の表面の凹凸により、合成光の散乱光が互いに干渉して発生する。スペックルノイズはスクリーン500上の表示画像に明暗の斑点模様となって現れ、これにより表示画像の品質が低下する。本実施形態に係る投射装置10においては、液晶素子400を透過する合成光の偏光状態をフレーム単位で変化させ、スペックルノイズを低減している。詳細は後述する。
Speckle noise is generated by the scattered light of the synthesized light interfering with each other due to the unevenness of the surface of the
光源部100は、緑色光を発生するレーザダイオード(LD)110、青色光を発生するLD120と、赤色光を発生するLD130とを備える。各色の光は所定の直線偏光状態で、且つ、スクリーン500上に表示される画像の画素(パネル画素)に対応して変調されて出射される。LD110〜130を備えることにより、投射装置10はカラー画像を投射することができる。なお、LD110は緑色レーザ光源の一例、LD120は青色レーザ光源の一例、LD130は赤色レーザ光源の一例である。
The
本実施形態においては、3色の光源にそれぞれ専用のLDを用いたが、白色光を発生するLDからダイクロイックミラー等で分離して2色又は3色の光源を構成してもよい。本実施形態では、LD110〜130を用いたが、他の色を発生するLDを用いて光源部100を構成してもよい。また、光源部100から出射する光の数は3つに限らず2つでも、4つ以上であってもよい。
In the present embodiment, a dedicated LD is used for each of the three color light sources, but a two-color or three-color light source may be configured by separating the LD generating white light by a dichroic mirror or the like. In the present embodiment, the
合成光学部200は、LD110から発生した緑色光を反射するミラー210と、緑色光を透過しLD120から発生した青色光を反射するダイクロイックミラー220と、緑色光と青色光を透過しLD130から発生した赤色光を反射するダイクロイックミラー230とを備える。合成光学部200は緑色光と青色光と赤色光を合成して合成光を生成する。合成光の状態で緑色光、青色光、赤色光はいずれも同じ偏光方向を有している。
The combining
画像形成部300は、走査機構の一例である水平走査ミラー310と垂直走査ミラー320とを備えており、入射した合成光を2次元方向に走査する。本実施形態においては、水平走査ミラー310として、半導体製造技術等を用いて製作されたMEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラーであって、電磁力等を用いて往復揺動(共振振動)させることができるものを用いている。また、垂直走査ミラー320として、ガルバノミラーを用いている。水平走査ミラー310と垂直走査ミラー320は不図示の駆動源により駆動される。これにより、合成光は、スクリーン500上で上左端から、水平方向への走査及び垂直方向への走査を順次繰り返して下右端まで走査され、画像形成部300で形成された1フレームの画像が投射されて表示される。その後、再び走査位置は上記上左端へ戻り、次フレームの画像を投射、表示するための走査が始まる。なお、1フレームの投射画像は合成光が上右端から下左端まで走査されて表示される構成であってもよい。また、画像形成部300は、走査機構の他の一例として単一のミラーで水平方向と垂直方向を走査するように揺動させる構成であってもよい。
The
液晶素子400は、図2に示すように、透光性の基板411、412の間に透光性の液晶層441を設けると共に、液晶層441と基板411、412の間に液晶層441の液晶分子を配向させる透光性の配向層431、432と、ITO(Indium Tin Oxide)等の透光性材料からなり電圧を印加して液晶層441に作用させる電界を発生させる電極層421、422を備えている。液晶素子400は合成光学部200と画像形成部300との間に配置され、合成光学部200が出射した合成光を透過させて画像形成部300に入射させる。交流電源450により電極層421、422に電圧が印加されると、発生した電界により液晶素子400の液晶層441の液晶分子の配向状態が変化し、これにより、透過する合成光の偏光状態が変化する。なお、図2中のΔnは液晶層441の屈折率異方性を表し、dは液晶層441の厚さを表す。図中、左方から右方へ向かう矢印は合成光の進行方向を表す。
As shown in FIG. 2, the
図3に、電圧が印加されていないときの液晶素子400を透過する光の偏光状態の変化を示す。液晶素子400の配向層431、432は液晶分子を一定方向に配列させる機能を有しており、本実施形態においては直交する方向に液晶分子を配列させるように対向して配置されている。そのため、液晶層441の液晶分子は配向層431から配向層432に向かうにつれて90度ねじれて配列される螺旋構造を有している。液晶層441を透過する光の偏光方向は液晶分子の配列に沿って回転する。
FIG. 3 shows a change in the polarization state of light transmitted through the
図3に示すように、矢印Aで示す光Xの偏光方向が矢印Bで示す配向層431近傍の液晶分子の配列方向と同じ場合、光Xは配向層431を透過して液晶層441に入射する。光Xは、液晶層441を透過中に液晶分子の配列に沿って矢印Dのように偏光方向が90度回転し、矢印Dの偏光状態のまま矢印Cで示す配向層432を透過して出射する。
As shown in FIG. 3, when the polarization direction of the light X indicated by the arrow A is the same as the alignment direction of the liquid crystal molecules in the vicinity of the
一方、交流電源450により電極層421、422に電圧が印加されると、発生した電界の作用を受けて液晶分子は光Xの進行方向に沿って配列するため、液晶素子400の透過前後で光Xの偏光方向は矢印Aの方向のままで変化しない。このように、交流電源450による印加電圧のオンとオフとにより、液晶素子400を透過する光Xの偏光方向は90度変化する。この偏光方向の変化は合成光においても同様に発生する。
On the other hand, when a voltage is applied to the electrode layers 421 and 422 by the
本実施形態においては、合成光全体の偏光状態を同時且つ同様に変化させるため、液晶素子400の液晶層441は、単一の画素を形成する構造を有する。このような構成を有する液晶素子400によれば、透過する合成光の偏光状態は透過する場所によらずに同じであり、偏光状態の変化も同時且つ同様に発生する。換言すれば、液晶素子400は、合成光において一つの偏光状態のみを生成する。
In the present embodiment, the
本実施形態においては、図4に示すように、1フレームの投射画像の描画時間(以下、「フレーム期間T」と称し、個々のフレーム期間Tを表すときには、フレーム期間T1、フレーム期間T2等と称する)中、すなわち、画像形成部300における投射画像の形成時間中に合成光の偏光方向が変化する。図4に示すように、フレーム期間T1中の第1変化時間τrで偏光方向が0度から90度に変化し、次のフレーム期間T2中の第2変化時間τdで偏光方向が90度から0度に変化する。フレーム期間T1とフレーム期間T2の時間は同じで、第1変化時間τrと第2変化時間τdの和はフレーム期間Tよりも短い。フレーム期間T1の間は交流電源450により電圧が印加され、フレーム期間T2の間は電圧の印加が停止される。上述したように、印加電圧に対する液晶分子の応答速度は遅いため、交流電源450により電圧を印加しても第1変化時間τrが経過しないと液晶分子は合成光の進行方向に揃う配列とならず、電圧の印加を停止しても第2変化時間τdが経過しないと液晶分子は螺旋構造の配列に戻らない。すなわち、偏光方向が90度変化するのに第1変化時間τr、第2変化時間τdを要する。
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the drawing time of a projected image of one frame (hereinafter referred to as “frame period T”, when representing each frame period T, the frame period T1, the frame period T2, etc. In other words, the polarization direction of the combined light changes during the formation time of the projection image in the
このような構成にすることにより、スクリーン500上にはフレーム単位で偏光方向が0度の投射画像と90度の投射画像とが交互に表示されるので、フレーム単位でスペックルノイズの発生箇所も変化する。これにより、各フレームで発生したスペックルノイズが平滑化され、スクリーン500上に表示される画像に現れるスペックルノイズが減少する。本実施形態においては、偏光方向が90度変化するので、他の角度の変化と比較してスペックルノイズの低減効果が最大となる。フレーム期間Tの途中で偏光方向が変化したとしても、水平走査ミラー310と垂直走査ミラー320の走査方向は一方向(上左端から下右端)なので、同じパネル画素に同じ偏光方向の合成光が2フレーム連続して投射されることはない。
By adopting such a configuration, a projection image with a polarization direction of 0 degrees and a projection image with a 90 degree polarization are alternately displayed on the
上述したように、本実施形態の投射装置10においてはフレーム期間Tの途中で偏光方向が90度変化する。一般的に、光の色(波長)が異なると、液晶層441中では異なる旋光分散が発生し、印加電圧に対する偏光方向の特性(以下、「偏光特性」と称する)が異なる。図6に示すように、合成光の成分である緑色光、青色光、赤色光はそれぞれ波長が異なるため、旋光分散が異なり偏光特性も異なっている。偏光特性が異なっていると、本実施形態のようにフレーム期間T中に偏光方向を変化させたときに、印加電圧の値によっては投射画像中で同じ色を表示すべき複数のパネル画素で、緑色光、青色光、赤色光の偏光特性の違いによって色の変化が生じてしまい、画像を見ている人間に違和感を与えてしまうことがある。色の変化を生じさせないためには、緑色光、青色光、赤色光の偏光特性を同じにした上で投射画像を形成して投射する必要がある。
As described above, in the
そのため本実施形態においては、液晶素子400の液晶層441の液晶分子の螺旋構造の螺旋ピッチをpとしたとき、p×Δn≧2500nm(Δnは上述の液晶層441の屈折率異方性)を充足するように構成されている。螺旋ピッチpは、液晶分子のねじれ角をθとしたときに、p=d×360/θの関係を有する(dは上述の液晶層441の厚さ)。本実施形態においては、図3に示す矢印Bと矢印Cの関係より、ねじれ角θは90度である。
Therefore, in this embodiment, p × Δn ≧ 2500 nm (Δn is the refractive index anisotropy of the
液晶素子400がp×Δn≧2500nmの関係を充足すると、図5に示すように、緑色光、青色光、赤色光の旋光分散が低減し偏光特性が同じになる。これにより、本実施形態のようにフレーム期間T中に偏光方向が変化する構成であったとしても、印加電圧に対して緑色光、青色光、赤色光の全ての偏光方向が同じように変化するので、フレーム期間T中の投射画像において同じ色を複数のパネル画素に表示させても色の変化は生じない。
When the
厳密に言うと、液晶素子400がp×Δn≧2500nmの関係を充足した状態であっても、図5に示すように、緑色光、青色光、赤色光の偏光特性はわずかに異なる。そのため、フレーム期間T中の投射画像において同じ色を複数のパネル画素に表示させたときには、当該複数のパネル画素の間では色がわずかに変化している可能性がある。しかし、投射された表示画像を見る人間がその色の違いを認識できなければ、その人間には同じ色に見え、色の変化は生じていないものとして認識される。
Strictly speaking, even when the
以下、国際照明委員会(CIE)で1976年に規格化され、日本工業規格JIS Z8781−4で採用されているL*a*b*表色系に基づいて、投射装置10においては、複数のパネル画素の間での色の変化が表示画像を見る人間には認識されないことを説明する。L*a*b*表色系において、L*は明度、a*とb*は色相と彩度を示す色度を表す。a*とb*は色により一義的に定まる値で、彩度(c*)はc*=((a*)2+(b*)2)1/2により求められる。また、2つの色の彩度の差異(Δc*)はΔc*=((Δa*)2+(Δb*)2)1/2(Δa*は2つの色のa*の差異、Δb*は2つの色のb*の差異)により求められる。
Hereinafter, in the
図7はL*a*b*表色系における彩度差を表すグラフである。Δa*、Δb*は2つの色の差異の方向を示しており、+Δa*は赤方向、−Δa*は緑方向、+Δb*は黄方向、−Δb*は青方向を示している。2つの色に差異がないときは2つの色のa*とb*は同値なので、Δa*=0、Δb*=0となり、Δc*=0となる。これはΔa*軸とΔb*軸との交点である。本実施形態に係る投射装置10やプロジェクタ等の表示装置における信頼性評価や商取引においては、Δc*≦1.2であれば、すなわち、Δc*が図7において破線で示す円の内側にあれば人間はその2つの色の差異を判別することができず、同じ色に見えるとされている。
FIG. 7 is a graph showing the saturation difference in the L * a * b * color system. Δa * and Δb * indicate the direction of the difference between the two colors, + Δa * indicates the red direction, −Δa * indicates the green direction, + Δb * indicates the yellow direction, and −Δb * indicates the blue direction. When there is no difference between the two colors, since a * and b * of the two colors are the same value, Δa * = 0, Δb * = 0, and Δc * = 0. This is the intersection of the Δa * axis and the Δb * axis. In the reliability evaluation and the commercial transaction in the display device such as the
図7、図8に示すように、液晶素子400においてp×Δn=2500nmのときには、投射画像において同じ色を表示する2つのパネル画素間の色の差異はΔa*=−0.8、Δb*=0.9となり、Δc*=1.2となる。また、p×Δn=2550nmのときには、投射画像において同じ色を表示する2つのパネル画素間の色の差異はΔa*=−0.6、Δb*=0.6となり、Δc*=0.8となる。これらはいずれもΔc*≦1.2であり、投射装置10を用いてフレーム期間T中の投射画像において同じ色を複数のパネル画素に表示させたときには、スクリーン500に投射された表示画像を見る人間がその色の違いを認識できず、色の変化は生じていないものとして認識される。
As shown in FIGS. 7 and 8, when p × Δn = 2500 nm in the
一方、p×Δn=2000nmのときには、投射画像において同じ色を表示する2つのパネル画素間の色の差異はΔa*=1.3、Δb*=1.5となり、Δc*=2.0となるので、フレーム期間T中の投射画像において同じ色を複数のパネル画素に表示させたときには、投射された表示画像を見る人間がその色の違いを認識して、表示画像に色むらが存在する等の違和感を覚えることとなる。 On the other hand, when p × Δn = 2000 nm, the color difference between two panel pixels displaying the same color in the projected image is Δa * = 1.3, Δb * = 1.5, and Δc * = 2.0. Therefore, when the same color is displayed on the plurality of panel pixels in the projection image during the frame period T, the person who sees the projected display image recognizes the difference in color, and the display image has color unevenness. You will feel uncomfortable.
このように、p×Δn≧2500nmの関係を充足する液晶素子400を備えた投射装置10においては、フレーム単位で合成光の偏光方向が変化するので、スクリーン500上に投射した表示画像におけるスペックルノイズが減少し、ノイズの少ない高品質の画像を表示することができる。また、液晶素子400が緑色光、青色光、赤色光の旋光分散が低減し偏光特性が同じになるように構成されているので、フレーム期間T中に偏光方向が変化しても、印加電圧に対して緑色光、青色光、赤色光の全ての偏光方向が同じように変化して、色の変化はほとんど生じない。このときΔc*≦1.2となるので、色の変化が生じたとしても、スクリーン500に投射された表示画像を見る人間はその違いを認識することができず、色の変化は生じていないものとして認識される。従って、投射装置10は、スペックルノイズが少なく高品質の画像を表示させることができる。
As described above, in the
通常、投射装置10に用いられている液晶層の屈折率異方性Δnは0.11〜0.22程度であるが、Δnが0.25よりも大きいことが好ましい。Δnが0.25よりも大きいと、p×Δn≧2500nmを充足するp、すなわちdを小さくすることができるので、液晶層441の液晶分子の応答速度を速めることができ(連続体理論)、液晶素子400として0度と90度の偏光方向の変化を短時間で完了させることができる。従って、図4に示す、フレーム期間Tにおける第1変化時間τrと第2変化時間τdとを短くして偏光方向が0度と90度の時間を長くすることができるので、投射装置10は、スペックルノイズが少なく更に高品質の画像を表示させることができる。
Usually, the refractive index anisotropy Δn of the liquid crystal layer used in the
〔第1実施形態の変形例〕
以下、本発明の第1実施形態の変形例に係る投射装置10について図面に基づいて詳細に説明する。本変形例の説明においては、第1実施形態と同じ構成の箇所には同じ符号を付し、同様の構成に関する説明は省略する。
[Modification of First Embodiment]
Hereinafter, a
本変形例に係る投射装置10は、液晶素子400の構成が第1実施形態とは異なっている。具体的には、図9に示すように、液晶素子400が透光性の液晶層441と透光性の液晶層442とを備えている。液晶層441は透光性の基板411、413の間に設けられ、液晶層442は基板413、412の間に設けられている。液晶層441と液晶層442の屈折率異方性はいずれも同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。また、液晶層441の厚さはd1、液晶層442の厚さはd2である。図中、左方から右方へ向かう矢印は合成光の進行方向を表す。なお、本変形例において、液晶層441は第1層の一例であり、液晶層442は第2層の一例である。液晶層441の厚さd1と液晶層442の厚さd2とは同じ厚さである必要はないが、液晶層441と液晶層442の特性を同等にする場合には、液晶層441の厚さd1と液晶層442の厚さd2を同じ厚さにするのが望ましい。
In the
液晶層441の両側には液晶層441の液晶分子を配向させる透光性の配向層431と配向層433が備えられ、液晶層442の両側には液晶層442の液晶分子を配向させる透光性の配向層433と配向層432が備えられる。また、配向層431と配向層433の外側、及び、配向層433と配向層432の外側には、ITO等の透光性材料からなり液晶層441、442に電圧を印加する電極層421、422がそれぞれ備えられる。
A
図10に、電圧が印加されていないときの液晶素子400を透過する光の偏光状態の変化を示す。配向層433は液晶分子を配向層431、432に対して45度に液晶分子を配列させるように配置されている。図10に示すように、矢印Aで示す光Xの偏光方向が矢印Bで示す配向層431近傍の液晶分子の配列方向と同じ場合、光Xは配向層431を透過して液晶層441に入射する。光Xは、液晶層441を透過中に液晶分子の配列に沿って矢印Eのように偏光方向が45度回転し、その偏光状態のまま矢印Eで示す2つの配向層433を透過して液晶層442に入射する。そして液晶層442を透過中に液晶分子の配列に沿って偏光方向が更に45度回転し、矢印Dの偏光状態で矢印Cで示す配向層432を透過して出射する。すなわち、光Xが液晶素子400を透過すると、第1実施形態と同様に、光Xの偏光方向は90度回転している。
FIG. 10 shows a change in the polarization state of light transmitted through the
本変形例のように、液晶素子400が液晶層441、442を備えると、交流電源450による液晶層441、442への電圧印加を同電圧で同じタイミングで行うことで、印加電圧のオンとオフによる液晶層441、442を透過する光の偏光方向の変化はそれぞれ45度で済む。そのため、液晶素子400として0度と90度の偏光方向の変化を短時間で完了させることができる。従って、図4に示す、フレーム期間Tにおける第1変化時間τrと第2変化時間τdとを短くして偏光方向が0度と90度の時間を長くすることができるので、投射装置10は、スペックルノイズが少なく更に高品質の画像を表示させることができる。
When the
一般に、液晶素子の液晶層が複数であるN層の液晶層を積層して構成されている場合、液晶素子を通過する光の偏光方向をφ度変化させるためには、各液晶層への電圧印加を同電圧で同じタイミングで行うことで、印加電圧のオンとオフによる各液晶層での偏光方向の変化はφ/N度で済む。このとき、各液晶層における液晶分子のねじれ角はθ(=φ/N)度であればよく、各液晶層の液晶分子の螺旋ピッチpは各液晶層の厚さをdxとしたときに、p=dx×360/θとなる。 In general, when the liquid crystal element is composed of a plurality of N liquid crystal layers, in order to change the polarization direction of light passing through the liquid crystal element by φ degrees, the voltage applied to each liquid crystal layer By performing the application with the same voltage and at the same timing, the change of the polarization direction in each liquid crystal layer due to turning on and off of the applied voltage is only φ / N degrees. At this time, the twist angle of the liquid crystal molecules in each liquid crystal layer may be θ (= φ / N) degrees, and the helical pitch p of the liquid crystal molecules in each liquid crystal layer is dx when the thickness of each liquid crystal layer is dx. p = dx × 360 / θ.
複数ある各液晶層において、各液晶層はp×Δn≧2500nmの関係を充足するものとする。 In each of the plurality of liquid crystal layers, each liquid crystal layer satisfies the relationship of p × Δn ≧ 2500 nm.
例えば、透過する光の偏光方向を90度変化させる場合、厚さdxの単層の液晶層を備えた液晶素子(単層素子)の螺旋ピッチp1と、単層の液晶層と同じ厚さdxの液晶層を積層してN層備えた液晶素子(複層素子)の螺旋ピッチp2とでは、複層素子の方が各液晶層の液晶分子のねじれ角θが小さくて済む分、螺旋ピッチp2は螺旋ピッチp1よりも大きくなる。単層素子の液晶層がp1×Δn=2500nmの関係を充足する場合において単層素子と複層素子とで屈折率異方性Δnが同値であれば、複層素子の各液晶素子のp2×Δnは、単層素子より螺旋ピッチp2が大きくなる分だけ2500nmより大きくなる。これにより、波長の異なる複数のレーザ光の旋光分散が更に低減し偏光特性を同じにすることができる。 For example, when the polarization direction of transmitted light is changed by 90 degrees, the helical pitch p1 of a liquid crystal element (single layer element) having a single liquid crystal layer having a thickness dx and the same thickness dx as the single liquid crystal layer The spiral pitch p2 of the liquid crystal element (multi-layer element) having N layers by laminating the liquid crystal layers of the multi-layer element is that the twist angle θ of the liquid crystal molecules of each liquid crystal layer can be smaller. Becomes larger than the helical pitch p1. When the liquid crystal layer of the single layer element satisfies the relationship of p1 × Δn = 2500 nm and the refractive index anisotropy Δn is the same between the single layer element and the multilayer element, p2 × of each liquid crystal element of the multilayer element. Δn becomes larger than 2500 nm by the amount that the helical pitch p2 becomes larger than that of the single layer element. Thereby, the optical rotation dispersion of a plurality of laser beams having different wavelengths can be further reduced, and the polarization characteristics can be made the same.
また、複層素子の各液晶層がp2×Δn=2500nmの関係となるように構成するのであれば、各液晶層の液晶分子の螺旋ピッチp2が螺旋ピッチp1よりも大きくなる分だけ各液晶層の屈折率異方性Δnの値を小さくすることができる。これにより、各液晶層に屈折率異方性Δnの値が小さい液晶を使用することが可能になり、液晶材料選択の幅を広げることができる。 Further, if each liquid crystal layer of the multilayer element is configured to have a relationship of p2 × Δn = 2500 nm, each liquid crystal layer is increased by the amount that the helical pitch p2 of the liquid crystal molecules of each liquid crystal layer is larger than the helical pitch p1. The value of the refractive index anisotropy Δn can be reduced. As a result, it is possible to use liquid crystals having a small refractive index anisotropy Δn for each liquid crystal layer, and the range of liquid crystal material selection can be expanded.
さらに、複層素子の各液晶層がp×Δn=2500nmの関係を充足する場合において単層素子と複層素子とで屈折率異方性Δnが同値であれば、複層素子において各液晶層の液晶分子のねじれ角θを維持したまま螺旋ピッチp2が螺旋ピッチp1になるまで各液晶層の厚さdxを薄くすることができる。各液晶層の厚さdxが薄くなれば、各液晶層の液晶分子の応答速度を速めることができるので(連続体理論)、液晶素子として0度と90度の偏光方向の変化を短時間で完了させることができ、投射画像の形成中において偏光方向が0度と90度の時間を長くすることができる。その結果、投射装置は、スペックルノイズが少なく更に高品質の画像を表示させることができる。 Further, when each liquid crystal layer of the multilayer element satisfies the relationship of p × Δn = 2500 nm, if the refractive index anisotropy Δn is the same between the single layer element and the multilayer element, each liquid crystal layer in the multilayer element While maintaining the twist angle θ of the liquid crystal molecules, the thickness dx of each liquid crystal layer can be reduced until the helical pitch p2 becomes the helical pitch p1. If the thickness dx of each liquid crystal layer is reduced, the response speed of the liquid crystal molecules in each liquid crystal layer can be increased (continuum theory), so that the change in polarization direction between 0 degree and 90 degrees as a liquid crystal element can be achieved in a short time. It can be completed, and the time when the polarization direction is 0 degree and 90 degrees can be lengthened during the formation of the projection image. As a result, the projection apparatus can display a higher quality image with less speckle noise.
〔第1実施形態の他の変形例〕
図11に示すように、本変形例においては、液晶素子400の基板411の外側の表面に屈折率の異なる2種類の無機材料を交互に積層した反射防止膜460が形成されている。図中、左方から右方へ向かう矢印は合成光の進行方向を表す。このように基板411の表面に反射防止膜460を設けることにより、光源部100から出射された光を有効に液晶素子400に入射させることができるので、投射装置10は、高輝度の画像を表示させることができる。なお、反射防止膜460は基板411の内側の表面に設けてもよいし、基板411の両側の表面に設けてもよい。
[Other Modifications of First Embodiment]
As shown in FIG. 11, in this modification, an
〔第1実施形態の他の変形例〕
図12に示すように、本変形例においては、液晶素子400の基板412の外側の表面に拡散膜470が形成されている。若しくは、図13に示すように、基板412の外側の表面に凹凸部480が形成されている。図中、左方から右方へ向かう矢印は合成光の進行方向を表す。このように拡散膜470又は凹凸部480を設けることにより、液晶素子400を透過した光は拡散し、そのコヒーレンス性が低下するので、スクリーン500上に投射される画像に現れるスペックルノイズを更に低減させることができる。また、液晶素子400を透過した光を均一に画像形成部300に入射させて画像を形成することができるので、スクリーン500上に輝度むらの少ない均一輝度の画像を表示させることができる。なお、拡散膜470又は凹凸部480は基板412の内側の表面に設けてもよい。
[Other Modifications of First Embodiment]
As shown in FIG. 12, in this modification, a
〔第2実施形態〕
以下、本発明の第2実施形態に係る投射装置20について図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態の説明においては、第1実施形態及びその変形例と同じ構成の箇所には同じ符号を付し、同様の構成に関する説明は省略する。図14に本実施形態の投射装置20の構成を表すブロック図を示す。
[Second Embodiment]
Hereinafter, the
投射装置20は、光源部100と合成光学部200との間に画像形成部300を備え、合成光学部200の後段に液晶素子400と投射レンズ600を備えている。
The
本実施形態において、合成光学部200はダイクロイックプリズム240を備えている。また、画像形成部300は空間光変調素子330を備えている。光源部100のLD110、LD120、LD130はダイクロイックプリズム240の3方向に対向して配置され、空間光変調素子330は、LD110、LD120、LD130のそれぞれに対してダイクロイックプリズム240との間に配置されている。
In the present embodiment, the combining
本実施形態の投射装置20においては、LD110、LD120、LD130で発生した光は不図示のレンズ等で広げられ、各空間光変調素子330の全画素に均等に入射する。各空間光変調素子330では、画素ごとに変調して各色の画像を形成して出射する。空間光変調素子330から出射された光(各色の画像)は合成光学部200に入射し、そこで合成されて合成光(投射画像)が生成される。合成光学部200から出射された合成光は液晶素子400に入射する。合成光は液晶素子400を透過中にフレーム単位で偏光状態が変化する。液晶素子400から出射された合成光は投射レンズ600により拡大されて投射され、スクリーン500上に画像が表示される。
In the
本実施形態においても、第1実施形態と同様に、投射装置20は、p×Δn≧2500nmの関係を充足する液晶素子400を備えており、フレーム単位で合成光の偏光方向が変化するので、スクリーン500上に投射した表示画像におけるスペックルノイズが減少し、ノイズの少ない高品質の画像を表示することができる。また、液晶素子400が緑色光、青色光、赤色光の旋光分散が低減し偏光特性が同じになるように構成されているので、フレーム期間T中に偏光方向が変化しても、印加電圧に対して緑色光、青色光、赤色光の全ての偏光方向が同じように変化して、色の変化はほとんど生じない。このときΔc*≦1.2となるので、色の変化が生じたとしても、スクリーン500に投射された表示画像を見る人間はその違いを認識することができず、色の変化は生じていないものとして認識される。このように、投射装置20においても、スペックルノイズが少なく高品質の画像を表示させることができる。
Also in the present embodiment, as in the first embodiment, the
〔ヘッドアップディスプレイへの適用〕
図15は、第1実施形態に係る投射装置10をヘッドアップディスプレイ50に適用した状態を表す概略図である。ヘッドアップディスプレイとは、人間の視野内に重ねて情報を表示させる装置である。これにより、例えば、車両の運転者の視野内にあるフロントガラスに情報を表示して、運転者が運転しながら当該情報を認識することを可能にする。
[Application to head-up display]
FIG. 15 is a schematic diagram illustrating a state in which the
ヘッドアップディスプレイ50は、投射装置10に反射ミラー340を備えて構成される。本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ50は車両のダッシュボードに埋め込まれており、投射装置10の画像形成部300から投射された合成光が反射ミラー340で反射されて車両のフロントガラス700に投射される。
The head-up
投射された画像(情報)は無限遠の点に結像しており、運転者には遠方にある仮想スクリーン510に該情報が表示されているように見える。従って、運転者は、車両の運転中に進行方向の遠方を注視した状態で、該情報に焦点を合わせて該情報を認識することができる。
The projected image (information) is imaged at a point at infinity, and it appears to the driver that the information is displayed on a
なお、本実施形態においては、投射装置10のヘッドアップディスプレイ50への適用について説明したが、第1実施形態の変形例に係る投射装置10や第2実施形態に係る投射装置20をヘッドアップディスプレイ50に適用できることは言うまでもない。
In addition, in this embodiment, although the application to the head-up
投射装置10、20は、ヘッドアップディスプレイ50だけでなく、光源にレーザ光を用いるあらゆる投射装置や表示装置に適用することができる。例えば、プロジェクタ、プロジェクタテレビ、プロジェクションマッピング装置、デジタルサイネージ、ヘッドマウントディスプレイ、超小型プロジェクタ及びそれを内蔵した携帯情報端末等に適用することができる。
The
本発明は、レーザ光を用いた投射装置及び該投射装置を用いたヘッドアップディスプレイに利用することが可能である。 The present invention can be used for a projection device using laser light and a head-up display using the projection device.
10、20 投射装置
50 ヘッドアップディスプレイ
100 光源部
110 レーザダイオード(緑色レーザ光源)
120 レーザダイオード(青色レーザ光源)
130 レーザダイオード(赤色レーザ光源)
200 合成光学部
300 画像形成部
310 水平走査ミラー(走査機構)
320 垂直走査ミラー(走査機構)
330 空間光変調素子
400 液晶素子
411 基板
412 基板
441 液晶層(第1層)
442 液晶層(第2層)
460 反射防止膜
470 拡散膜
480 凹凸部
Δn 屈折率異方性
p 螺旋ピッチ
10, 20
120 Laser diode (blue laser light source)
130 Laser diode (red laser light source)
200 Synthetic
320 Vertical scanning mirror (scanning mechanism)
330
442 Liquid crystal layer (second layer)
460
Claims (15)
前記複数のレーザ光を合成する合成光学部と、
前記複数のレーザ光から投射画像を形成する画像形成部と、
前記合成光学部から出射した前記複数のレーザ光の偏光状態を変化させる液晶素子と、を備え、
前記液晶素子は一対の基板の間に液晶層を有し、
前記液晶素子は前記複数のレーザ光の透過領域において単一の偏光状態を生成し、
前記偏光状態は1つの前記投射画像の形成中に変化し、
前記液晶層の液晶分子は前記一対の基板の間で螺旋構造を有しており、
前記液晶分子の螺旋ピッチと前記液晶層の屈折率異方性との積が2500nm以上である、レーザ光を用いた投射装置。 A light source unit that generates a plurality of laser beams having different wavelengths in a predetermined polarization direction;
A combining optical unit for combining the plurality of laser beams;
An image forming unit that forms a projection image from the plurality of laser beams;
A liquid crystal element that changes a polarization state of the plurality of laser beams emitted from the combining optical unit, and
The liquid crystal element has a liquid crystal layer between a pair of substrates,
The liquid crystal element generates a single polarization state in the transmission region of the plurality of laser beams,
The polarization state changes during the formation of one of the projected images,
The liquid crystal molecules of the liquid crystal layer have a spiral structure between the pair of substrates,
A projection apparatus using laser light, wherein a product of the helical pitch of the liquid crystal molecules and the refractive index anisotropy of the liquid crystal layer is 2500 nm or more.
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JP2019164215A (en) * | 2018-03-19 | 2019-09-26 | 株式会社リコー | Image projection device and movable body |
CN111208696A (en) * | 2018-11-02 | 2020-05-29 | 中强光电股份有限公司 | Composite phase conversion element and projection device |
CN114503551A (en) * | 2019-10-23 | 2022-05-13 | 鲁姆斯有限公司 | Laser illuminated display with improved uniformity and/or eye safety |
DE102019114629B4 (en) | 2018-09-04 | 2024-07-25 | GM Global Technology Operations LLC | Tunable film device |
-
2015
- 2015-05-18 JP JP2015101204A patent/JP2016218181A/en active Pending
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