JPWO2016117278A1 - 映像表示装置 - Google Patents

Abstract

映像表示装置１は、レーザー光源部１０と、少なくとも２個の拡散部材からなるスクリーン１２と、少なくとも１個の拡散部材を振動させる振動機構１３と、レーザー光をスクリーン上の第１の方向（ｙ方向）とこれに直交する第２の方向（ｘ方向）に走査する走査素子１１と、を備える。走査素子１１による第２方向の走査速度は第１方向の走査速度よりも大きく、スクリーン上のレーザー光の第１方向の直径Ｄは、スクリーン上での第２方向の走査軌跡における第１方向の間隔Ｙｐより大きい。これにより、拡散部材を高速に振動させることなく、高輝度で低スペックルの映像を表示する映像表示装置を提供できる。

Description

本発明は、レーザー光を走査して映像を表示する映像表示装置に関するものである。

従来から、レーザー光をスクリーン上に走査して映像を表示するレーザー走査型映像表示装置が知られている。レーザー走査型方式は、発光ダイオードを光源として液晶パネル等の映像表示素子にて形成された映像光を投射する方式と比べて、色再現性が高く、黒浮きがないなどの特徴がある。しかし、レーザー光は可干渉性を有するため、スペックルと呼ばれるランダムな干渉模様が発生するという課題がある。

スペックルの発生を抑える技術として、例えば特許文献１には、少なくとも２個の拡散部材でスクリーンを構成し、少なくとも１個の拡散部材を揺動させることでスペックルノイズの影響を受けずに映像を視認する技術が開示されている。また、スクリーンとして用いる拡散部材の拡散角を大きくすることで、拡散角が小さい場合よりスペックルノイズを低減することができることが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−２７６７４２号公報 特開２０１２−１５９８２３号公報

特許文献１に開示される拡散部材を揺動（振動）させる方法では、拡散部材の振動に伴ってユーザが視認するスペックルパターンが変化する。このスペックルパターンの変化を、ユーザの目の時間分解能よりも速くすることで、スペックルパターンは平均化されユーザが視認するスペックルを低減することができる。しかしこれを実現するには、映像の表示速度（レーザー光の走査速度）よりも高速に拡散部材を振動させる必要がある。後述するように、具体的には、数ｋｍ／ｓｅｃ程度の高速度で拡散部材を振動させなければならず、実用的には困難となる。

特許文献２等に開示される拡散角を増大させる方法では、発生するスペックルパターンを多重化することで映像のスペックルを低減するものである。しかし、拡散角増大に伴って表示する映像の輝度が低下するという課題がある。

以上の課題に鑑み、本発明の目的は、拡散部材を高速に振動させることなく、高輝度で低スペックルの映像を表示する映像表示装置を提供することにある。

本発明による映像表示装置は、レーザー光を出射するレーザー光源部と、レーザー光を拡散し透過して映像光を生成する少なくとも２個の拡散部材からなるスクリーンと、拡散部材のうち少なくとも１個の拡散部材を振動させる振動機構と、レーザー光源が出射したレーザー光を、スクリーン上の第１の方向とこれに直交する第２の方向に走査する走査素子と、を備え、走査素子による第２方向の走査速度は第１方向の走査速度よりも大きく、スクリーン上のレーザー光の第１方向の直径は、スクリーン上での第２方向の走査軌跡における第１方向の間隔より大きいことを特徴とする。

本発明によれば、拡散部材を高速に振動させることなく、高輝度で低スペックルの映像を表示する映像表示装置を提供することができる。

本発明に係る映像表示装置の映像表示部の一構成例を示す図。 レーザー光源部１０の構成例を示す図。 振動機構１３の構成例を示す図。 映像表示装置１の全体構成を示す機能ブロック図。 スクリーン上を走査するレーザー光の軌跡を示す図。 ガウス型レーザー光源の光強度分布の例を示す図。 スクリーン内の画素が受けるレーザー光の照射パルスを示す図。 拡散部材の移動距離とスペックルパターンの類似度との関係を示す図。 レーザー光の各軌跡が、非平行である場合を示す図。 実施例２におけるスクリーン上を走査するレーザー光の軌跡を示す図。 実施例３におけるスクリーン上を走査するレーザー光の軌跡を示す図。 走査線変換処理を模式的に示す図。 スペックル低減効果を選択する複数の動作モードの例を示す図。 動作モードの選択に応じた振動機構の動作設定を示すフローチャート。 映像表示装置を車載用ヘッドアップディスプレイに適用した例。 映像表示装置を投射型映像表示装置に適用した例。

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は、本発明に係る映像表示装置の映像表示部の一構成例を示す図である。映像表示部１００は、レーザー光を出射するレーザー光源部１０と、出射されたレーザー光を走査する走査素子１１と、レーザー光を照射して映像を生成するスクリーン１２と、スクリーン１２を振動させる振動機構１３とを備えている。レーザー光源部１０は、表示する映像信号で変調されたレーザー可視光を出射する。走査素子１１は、レーザー光を反射するミラー面を２軸で回転させ、レーザー光をスクリーン１２上で２次元状（ｘ方向、ｙ方向）に走査させる。スクリーン１２は、複数個の拡散部材（図１の例では２個の拡散部材１２ａ，１２ｂ）で構成し、レーザー光を拡散して映像光とする。振動機構１３は、拡散部材１２ａ，１２ｂのうち、少なくとも一方をｘｙ面内で振動させる。スクリーン１２を透過した光は映像光１４として出力する。本発明に係る映像表示装置は、この映像光１４により、ユーザに映像を提供することができる。

次に、各部の構成と動作を説明する。
図２は、レーザー光源部１０の構成例を示す図である。レーザー光源部１０は、レーザー光源４０ａ，４０ｂ，４０ｃと、ダイクロイックミラー４１ａ，４１ｂと、ビーム成形器４２を備えている。レーザー光源４０ａ〜４０ｃは、それぞれ異なる色、例えば赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のレーザー光を出射する。光の三原色である赤色・緑色・青色のレーザー光を利用することで、フルカラーの映像表示が可能となる。なお、いずれの光源がいずれの色の光を出射しても構わない。レーザー光源部１０は、スクリーン１２上に生成する各画素位置の映像信号に応じて、レーザー光源４０ａ〜４０ｃから出射する各レーザー光の強度を変調する。

ダイクロイックミラー４１ａは、レーザー光源４０ａからの赤色光を透過し、レーザー光源４０ｂからの緑色光を反射することで、両者の光を合成する。ダイクロイックミラー４１ｂは、レーザー光源４０ａ，４０ｂからの赤色光と緑色光を透過し、レーザー光源４０ｃからの青色光を反射することで、両者の光を合成する。これにより、映像信号に対応し、３色光が合成されたカラーのレーザー光を出射する。

ビーム成形器４２は、出射するレーザー光のビーム形状を所定の形状に成形する光学素子である。例えば、ビーム径を所定の大きさに調整するために、レンズやプリズム、開口絞りやビームエキスパンダなどを用いる。

各レーザー光源４０ａ〜４０ｃと、ダイクロイックミラー４１ａ，４１ｂ、およびビーム成形器４２は、３色のレーザー光が同一光軸で同一方向に進行するように配置する。

上記構成では、３色（赤色・緑色・青色）のレーザー光を利用することでフルカラー表示を可能としたが、これに限定するものではない。光学系を簡略化して、１色あるいは２色のレーザー光を用いて表示してもよい。

上記構成では、ビーム形状を所定の形状に成形するために、ビーム成形器４２を用いたが、各レーザー光源４０ａ〜４０ｃが所定のビーム形状のレーザー光を出射する場合、ビーム成形器４２を用いなくてもよい。

次に、走査素子１１は、レーザー光源部１０から出射されたレーザー光をスクリーン１２へ反射するミラー面を有し、ミラー面を２軸方向に回転させることで、レーザー光をスクリーン１２上で２次元状に走査する。

ミラー面の回転機構として、レーザー光をスクリーン１２上でｙ方向（縦方向）に走査するための回転軸（以下、第１軸）と、ｘ方向（横方向）に走査するための回転軸（以下、第２軸）とを有する。当然ながら、第１軸と第２軸は直交している。なお、スクリーン１２上の走査パターンに応じて、前記回転軸（第１軸または第２軸）の回転方向を一方向のみ（例えば右回転のみ）とする場合と、両方向の繰り返し（例えば３６０度未満で左回転と右回転の繰り返し）とする場合がある。

表示する映像のフレームレートをｆ、ｘ方向の画素数をＨ、ｙ方向の画素数をＶとする。走査素子１１は、第１軸（ｙ方向走査用）を回転させ、１フレーム期間（１／ｆ）の間にレーザー光をｙ方向に１回走査する。また走査素子１１は、第２軸（ｘ方向走査用）を回転させ、１フレーム期間の間にレーザー光をｘ方向にＶ回走査する。ｙ方向およびｘ方向の走査開始タイミングは、レーザー光源１０を変調する映像信号のフレームに同期させる。これにより、ｘ方向Ｈ画素、ｙ方向Ｖ画素からなる１フレーム分の走査を完了し、これを繰り返す。

スクリーン１２は、２個の拡散部材１２ａ，１２ｂで構成している。拡散部材には、例えば拡散角が３０度程度の透過型拡散シートや透過型拡散板を利用する。これにより、規則正しい干渉パターンであるモアレの発生を抑制することができる。あるいは一方の拡散部材として、マイクロレンズアレイを利用する。マイクロレンズアレイの場合、拡散部材を透過する光の配向分布を制御できるので、ユーザの目に到達する光の強度を増加させ、到達しない光を減少させることで、映像の輝度を向上させることができる。

また、スクリーン１２における拡散部材１２ａ，１２ｂの拡散面間の距離（間隔）は３ｍｍ以下となるように配置する。これは、拡散部材を２個利用することによる映像の過度の解像度劣化を防ぐためである。３ｍｍ以下の範囲内における最適値は、スペックル低減と映像の解像度のトレードオフの下で決定する。これは、拡散面間の距離を大きくし映像をぼかすことでスペックルを低減する作用があるからである。つまり、スペックル低減を優先するなら３ｍｍに近い値に、解像度を優先するなら０ｍｍに近い値に設定する。

図３は、振動機構１３の構成例を示す図である。ここでは、スクリーン１２を構成する一方の拡散部材１２ｂを偏芯モーター５２にて振動させる場合を示す。拡散部材１２ｂは、弾性体５１を介して映像表示部１００（または映像表示装置１）の筐体５０に固定されている。また、拡散部材１２ｂの一辺には、偏芯モーター５２が取り付けられており、偏芯モーター５２は筐体５０に固定されている。偏芯モーター５２が回転していない状態では、拡散部材１２ｂは、弾性体５１の復元力の釣り合った位置で静止する。偏芯モーター５２を回転させると、復元力の釣り合いは破れ、拡散部材１２ｂは変位・振動する。これにより、拡散部材１２ｂを振動させることができる。ここでは一方の拡散部材１２ｂを振動させる場合を示したが、両方の拡散部材１２ａ，１２ｂを振動させる場合も、同様の構成で実現できる。

このようにして振動機構１３は、スクリーン１２の拡散部材１２ａ，１２ｂの少なくとも１つを振動させる。その際の振動する方向は、拡散部材の拡散面に平行な面内とする。拡散面に平行な面内で振動させることで、拡散部材の振動に伴う映像の解像度の変化を防ぐことができる。また、１軸方向の振動の場合、拡散部材が停止する瞬間が存在する。従って、２軸方向の振動（円状の軌跡又は楕円状の軌跡を描く振動）とし、拡散部材が停止する期間が発生しないようにするのがよい。

図４は、映像表示装置１の全体構成を示す機能ブロック図である。映像表示装置１は、前記した映像表示部１００の他に、制御部１０１、映像処理部１０２、情報記憶部１０３、通信処理部１０４、通信入出力部１０５、異常検出部１０６を備えている。

映像表示部１００は前記図１で説明した構成であり、情報記憶部１０３が記憶している映像、通信処理部１０４が外部装置から受信した映像、映像処理部１０２が生成した映像などを、映像処理部１０２から入力して表示する。制御部１０１は、ユーザの操作に基づき、表示する映像の取得や生成などを指示するとともに、映像表示部１００に対し、映像表示の動作モードを設定する。

異常検出部１０６は、映像表示装置１の動作に異常がないかを検出する。異常を検出した場合、検出結果を制御部１０１に送信する。制御部１０１は、検出結果に応じて、通信処理部１０４、映像処理部１０２、映像表示部１００に対して、各々の動作を制御する。

次に、レーザー光を用いた映像表示装置におけるスペックル（スペックルノイズ）の発生と、本実施例におけるスペックル低減方法について説明する。

図１においてレーザー光源部１０から出射された光は、スクリーン１２で拡散され、ユーザの目（網膜）に到達する。レーザー光源部１０からスクリーン１２を経てユーザの網膜に到達する光の経路は、ただ１つには決定されず、複数の経路が存在する。複数の経路間において光路長が異なるため、複数の経路を経てユーザの網膜に到達した光は干渉し、光の強め合いあるいは弱め合いが生じる。従って、映像表示部１００が、例えば全白の映像を表示している場合でもスペックルが発生し、ユーザは映像中にランダムな斑点模様を視認することになる。このスペックルの発生は、映像の品質を劣化させるものとなる。

スペックル発生の程度は、スペックルコントラスト＝(光強度の標準偏差)／(光強度の平均値)で定量化できる。スペックルが発生していない場合はスペックルコントラスト＝０となり、スペックル発生の程度が大きいほどスペックルコントラストは大きな値をとる。完全に発達したスペックルが発生している場合、スペックルコントラスト＝１となる。

ユーザが視認するスペックルを低減する一般的な方法として、特許文献１に開示されるスクリーン（拡散部材）を振動させる方法が知られる。スクリーンが振動すると、ユーザが視認するスペックルパターンが変化する。このスペックルパターンの変化が、ユーザの目の時間分解能よりも速い場合、ユーザは各々のスペックルパターンを識別することができず、複数のスペックルパターンが積算された状態で視認する。各々のスペックルパターンの相関が小さければ、スペックルパターンは平均化され、ユーザが視認するスペックルは低減する。

しかしながら、一般的なレーザー走査型映像表示装置では、スクリーンの振動によるスペックル低減は難しい。これは、ユーザの目の時間分解能よりもスペックルパターンの変化を速くすることが困難であるからである。以下、その理由を説明する。

スペックル低減のため、スクリーン内のある画素位置に注目し、そのスペックルパターンを変化させるために２つの手法を想定する。
第１の手法では、同一フレーム内の第１の画素を描いている時刻からｘ方向に隣接する第２の画素を描く時刻までの期間に、第１の画素においてユーザが視認するスペックルのパターンを変化させることを想定する。そのためには、隣接する画素間の描画速度（ｘ方向走査速度）よりも高速にスクリーンをｘ方向に移動（振動）させなければならない。

例えば、スクリーンを１枚の拡散部材とし、スクリーン１２上で表示する映像のフレームレートｆ＝６０フレーム／ｓ、ｘ方向（横方向）の画素数Ｈ＝１０２４、ｙ方向（縦方向）の画素数Ｖ＝７６８、スクリーンにおける１画素の大きさＰ＝０．１ｍｍ四方とする。

１フレーム内の１画素を描く時間は１／（ｆ×Ｈ×Ｖ）であり、この時間内に１画素分の距離Ｐを移動するための速度は、
Ｐ×ｆ×Ｈ×Ｖ＝０．１×６０×１０２４×７６８ｍｍ／ｓ＝５ｋｍ／ｓ
となる。すなわち、５ｋｍ／ｓの速度で拡散部材を振動させなければならない。なお、１フレームの期間（１／ｆ）のうち画素数（Ｈ×Ｖ）の映像を描画していない無効期間（ブランキング期間）が存在すると、必要な速度は５ｋｍ／ｓ以上となる。このような高速度でスクリーン（拡散部材）を振動させることは困難である。

第２の手法では、スクリーン内の注目画素位置において、第１のフレームで発生するスペックルパターンと、次の第２のフレームで発生するスペックルパターンを異なるものにすることを想定する。これにより、フレーム間でのスペックルパターンが重なり合う結果、スペックル低減が期待できる。この場合、１フレームの期間（１／ｆ）において１画素分の距離Ｐを移動すればよいから、上記の条件で速度を求めると、
Ｐ×ｆ＝０．１×６０ｍｍ／ｓ＝６ｍｍ／ｓ
以上となる。すなわち、６ｍｍ／ｓ以上の低速度で拡散部材を振動させればよい。しかしこの場合は、時間当たりのユーザの目に積算されるスペックルパターンの個数が少ないため（１フレーム当たり１個）、時間積分効果が低い。よって、スクリーン振動がない場合と比べてスペックルコントラストは１／２程度までとなり、スペックル低減効果は小さいものとなる。

また、ユーザが視認するスペックルを低減する別の一般的な手法として、特許文献２等に開示されるスクリーンとして用いる拡散部材の拡散角を大きくする方法が知られている。スクリーンの拡散角が小さい場合よりスクリーンの拡散角が大きい場合の方が、発生するスペックルパターンが多重化されるため、低スペックルである映像を生成可能となる。しかし、拡散角増大に伴って輝度が低下してしまうという問題点がある。

これらの課題に対し、本実施例では、スクリーンに照射するレーザー光のビーム径を画素サイズ（ｙ方向の走査間隔）よりも大きくすることで、１フレーム期間において同一の画素領域をレーザー光が複数回照射（すなわち、ｘ方向に複数回走査）するようにした。そして、スクリーンを構成する少なくとも１つの拡散部材を振動させて、レーザー光がｘ方向に１回走査する期間においてスペックルパターンを変化させるようにした。これにより、拡散部材の移動速度を下げても十分なスペックル低減効果を得ることができる。以下、本実施例のスペックル低減法を説明する。

図５は、走査素子１１によりスクリーン１２上を走査するレーザー光の軌跡を示す図である。スクリーン上のビームスポット（以下、ビーム）を符号２２で示し、その形状は、直径Ｄの円形とする。走査素子１１の走査によるビーム２２の中心の走査軌跡を符号２０で示す。走査軌跡２０は、ｘ軸を正方向（右方向）と負方向（左方向）に水平に往復しながら、ｙ軸を負方向（下方向）に進行する。ここでは、連続する３回分の走査による軌跡２０ａ，２０ｂ，２０ｃを示す。各軌跡２０ａ，２０ｂ，２０ｃの直線部は平行で等間隔であり、ｙ方向の走査間隔をＹｐとする。符号２１はスクリーン上に描画される画素位置を示し、１回のｘ方向走査によりｘ方向にＨ個の画素が描画される。

図５では、３つの軌跡２０ａ，２０ｂ，２０ｃ上にあって、スクリーン１２内のｘ方向位置が互いに等しい３個のビーム２２ａ，２２ｂ，２２ｃを示している。本実施例においては、ビーム径Ｄは走査間隔Ｙｐより大きくし、好ましくは１．３倍以上となるように構成している。言い換えれば、ビーム径Ｄは、画素２１のサイズよりも大きくしている。これにより、ビーム２２ａとビーム２２ｂには重なり部２４ａを、ビーム２２ｂとビーム２２ｃには重なり部２４ｂを持たせている。このようなビーム径Ｄを得るために、例えば図２のビーム成形器４２におけるレンズや開口絞りを調整する。

図５では重なり部２４ａ，２４ｂは明瞭な境界を持った領域で示しているが、実際にはこの境界は必ずしも明瞭とはならない。例えば、レーザー光源１０ａ〜１０ｃがガウス型光線を出射する場合、レーザー光の強度分布は、ビーム中心からの距離に応じてガウス関数的に減衰するため、ビーム径Ｄの外側においても重なりを持っている。

図６は、ガウス型レーザー光源の光強度分布の例を示す図である。縦軸に光強度を、横軸にビーム中心からの距離を示す。なお、出射特性は軸対称であり、スクリーン上の１画素に対するｘ方向の強度分布とｙ方向の強度分布は略同一である。光強度Ｅ（ｒ）はガウス分布の式で近似され、ビーム中心からの距離ｒに応じて減少し、
｜Ｅ（ｒ）｜^２＝Ｅ_０＊ｅｘｐ［−２＊ｒ^２／（ｄ／２）^２］
で表される。ここで、Ｅ_０はビーム中心における強度、ｄはガウス型ビームの直径である。ｒ＝ｄ／２においては光強度が１／ｅ^２に減衰し、この直径ｄを本実施例で用いるビーム径Ｄとみなすことができる。

次に、隣接するビームスポットに重なり部を持たせることによる効果を説明する。図５のように、各ビーム２２ａ，２２ｂ，２２ｃは重なり部２４ａと２４ｂを持っている。これにより、スクリーン１２内のある画素、例えば中央のビーム２２ｂにて描画される画素２１ｂは、画素２１ｂを描画するためのビーム２２ｂが照射されている時だけでなく、画素２１ｂに上下に隣接する画素を描画するためのビーム２２ａ，２２ｃによっても部分的に照射される。ただし、隣接するビーム２２ａ，２２ｃについてはｘ方向走査時間に応じた照射タイミングのずれが生じる。このようにして、スクリーン１２内の各画素２１は、１フレーム期間内に複数回（３回）のビーム照射を受けることになる。

図７は、スクリーン内の画素が受けるレーザー光の照射パルスを示す図である。横軸に時間を、縦軸に照射強度を示す。例えば図５における画素２１ｂでは、３回の照射パルス３１ａ，３１ｂ，３１ｃを受ける。中央の照射パルス３１ｂは、ビーム２２ｂによるものであり、これに先行する照射パルス３１ａと後行する照射パルス３１ｃは、それぞれ、隣接するビーム２２ａとビーム２２ｃによるものである。

これらの照射強度を比較すると、先行または後行する照射パルス３１ａ，３１ｃは、ビーム２２ａ，２２ｃの照射中心位置が隣接画素にあるため、注目画素２１ｂの受ける照射強度は、中央の照射パルス３１ｂより小さくなる。当然ながらこの強度比は、各ビーム２２ａ，２２ｂ，２２ｃの重なり部２４ａ，２４ｂの大きさに依存する。

各照射パルスの照射間隔Ｔ１、Ｔ２はレーザー光のｘ方向（水平方向）走査に要する時間で決まり、注目画素２１ｂのｘ方向位置によって異なる。ｘ方向中央位置での照射間隔（平均照射間隔）Ｔは、１水平走査期間である１／（ｆ×Ｖ）となる（ｆ：フレームレート、Ｖ：ｙ方向画素数）。また、各照射パルス３１ａ〜３１ｃの照射持続期間ΔＴは１／（ｆ×Ｈ×Ｖ）程度である（Ｈ：ｘ方向画素数）。なお、１フレーム期間のうち映像を描画していない無効期間が存在すると、これより短くなる。

上記の照射パルスの説明では、注目画素２１ｂがスクリーンの中央部に位置する場合を想定した。スクリーン（走査領域）の上端または下端に位置する画素においても、注目画素の片側（下側あるいは上側）に隣接する画素が存在するので、注目画素に対して、これらの隣接画素を描画するためのビームが照射される結果、１フレーム期間内に複数回（２回）の照射を受けることになる。

次に、スペックルを低減するための拡散部材の振動条件について説明する。ここでは、振動機構１３により一方の拡散部材１２ｂを振動させる場合とする。スペックルを低減するためには、図５、図７において、スクリーン１２上の注目画素２１ｂが、ビーム２２ｂ（照射パルス３１ｂ）により照射されているときにユーザが視認するスペックルパターン（第１のパターン）と、これに隣接するビーム２２ａ（照射パルス３１ａ）及びビーム２２ｃ（照射パルス３１ｃ）により照射されているときにユーザが視認するスペックルパターン（第２のパターン）を、拡散部材１２ｂを振動（移動）させることにより、異なるスペックルパターンに変えればよい。ユーザが異なったスペックルパターンであると視認するための拡散部材の最小移動距離をＳとし、注目画素２１ｂにおいてスペックルパターンを視認する時間間隔をＴとすれば、拡散部材の移動速度は、Ｓ／Ｔ以上とすればよい。

まず、拡散部材の最小移動距離Ｓについて説明するが、そのために、パターンの類似度Ｒを評価する。一般に類似度Ｒは、数式１で示される。

ここで、ｄ_１［ｉ，ｊ］及びｄ_２［ｉ，ｊ］は、それぞれ第１、第２のスペックルパターンの強度分布を表す配列であり、それぞれの平均値が＜ｄ_１＞及び＜ｄ_２＞である。２つのスペックルパターンが一致する場合は、類似度Ｒ＝１となり、２つのスペックルパターンが完全に独立（無相関）の場合は、Ｒ＝０となる。目視テストによれば、類似度Ｒが０．２以下であれば、相関が少なくほぼ独立しているとみなされる。

第１のパターンｄ_１［ｉ，ｊ］として、拡散部材１２ａ及び１２ｂを固定したときの強度分布を与え、第２のパターンｄ_２［ｉ，ｊ］として、拡散部材１２ａを固定して拡散部材１２ｂを距離ｘだけ移動させたときの強度分布を与える。そして、数式１から移動距離ｘと類似度Ｒとの関係を求める。

図８は、拡散部材の移動距離ｘとスペックルパターンの類似度Ｒとの関係を示す図である。シミュレーションでは、拡散部材１２ａ，１２ｂとして拡散角３０度の拡散シートを用いて、ユーザの観察位置での強度分布（配列）ｄ_１、ｄ_２を求めた。そして、拡散部材１２ｂの各移動距離毎にスペックルパターンの類似度Ｒ［％］の計算を５回行い、その平均値を示す。この結果より、拡散部材１２ｂをｘ＝１μｍ（＝０．００１ｍｍ）移動させることにより、２つのスペックルパターンの類似度Ｒが約２０％にまで低下し、両者のパターンはほぼ独立となることが分かる。これより、拡散部材の最小移動距離はＳ＝０．００１ｍｍに決定する。

一方、スペックルパターンを視認する時間間隔Ｔは、図７における照射パルス３１ａ，３１ｂ，３１ｃの照射間隔Ｔ１，Ｔ２であり、その平均値は１／（ｆ×Ｖ）である。ｆ＝６０／ｓ、Ｖ＝７６８の場合は、Ｔ＝１／４６０８０＝約０．０２ｍｓｅｃとなる。

従って、本実施例での拡散部材１２ｂの移動速度の下限値は、
Ｓ／Ｔ＝０．００１×ｆ×Ｖ［ｍｍ／ｓ]＝０．００１／０．０２＝５０ｍｍ／ｓ
となる。この速度は十分低速であり、実用的である。この速度で拡散部材１２ｂを振動させることにより、スクリーン１２上における１つの画素が１フレーム期間内に複数回の照射パルスを受けることで生じるスペックルパターンは、互いに相関がないパターンとすることができる。

２つのスペックルパターンを視認する間隔（約０．０２ｍｓｅｃ）は、ユーザの目の時間分解能よりも十分短いため、ユーザは各々のスペックルパターンを識別することができず、複数のスペックルパターンが積算された状態で視認する。各々のスペックルパターンの相関が小さいため、スペックルパターンが平均化される結果、ユーザが視認するスペックルは大幅に低減する。

スペックル低減効果は、拡散部材を振動させた状態でビーム径を大きくするほど効果が大きくなる。これは、隣接するビームの重なり部２４が大きいほどスペックルパターンの積算効果が増加するからである。本発明者らの実験結果によると、ビーム径Ｄを走査間隔Ｙｐの１．３倍以上にした上で、拡散部材１２ｂを上記の速度５０ｍｍ／ｓで振動させることにより、スクリーンを振動させない場合と比べてスペックルを１／３以下に低減することができた。

本実施例では、スクリーン１２を２枚の拡散部材で構成しているが、スクリーン１２を１枚の拡散部材のみとした場合には、スペックル低減に必要な拡散部材の移動速度が大幅に増加してしまう。その理由は、同一のスペックルパターンを移動させて、それらの類似度（相関）を下げるためには移動量を大きくしなければならないからである。例えば、フレームレートｆ＝６０、縦方向の画素数Ｖ＝７６８、スクリーンが拡散角３０度の１枚の拡散シートの場合、シミュレーションによれば、拡散シートを速度２ｍ／ｓ以上で振動させなければならない。本実施例では、スクリーン１２を２枚の拡散部材で構成することで、スペックル低減に必要な拡散部材の移動速度を実用的な速度まで下げることができた。

本実施例においては、１フレーム期間内に複数のスペックルパターンの重ね合わせが行われるだけでなく、隣接するフレーム間においてもスペックルパターンの重ね合わせが行われ、スペックル低減効果を増大させるものとなる。そのためには、ユーザの目の時間分解能程度の短期間において、異なるフレームに対し同一のスペックルパターンが発生するのを避けるようにする。具体的には、振動機構の振動周波数をフレームレートｆに同期させないように、例えばフレームレートｆに対して、ｆ×ｍ又はｆ／ｍ（ｍは整数）とならないように選択するのがよい。

以下、本実施例における変形例を示す。図５では、走査素子１１によるレーザー光の各軌跡２０ａ，２０ｂ，２０ｃが、互いに平行で等間隔であるとして説明した。しかし、走査パターンはこれに限定されない。

図９は、レーザー光の各軌跡２０ａ，２０ｂ，２０ｃが、非平行である場合を示す図である。ここでは、各軌跡が正弦波形状を有する場合である。この場合、各軌跡のｙ方向の走査間隔Ｙｐはスクリーン１２内のｘ方向位置によって変化する。よって、ビーム２２のビーム径Ｄと走査間隔Ｙｐの大小関係もｘ方向位置によって変化する。この場合には、スクリーンのｘ方向中央における平均走査間隔Ｙｐ０と比較し、ビーム径Ｄが平均走査間隔Ｙｐ０よりも大きく、好ましくは、１．３倍以上になるよう設定する。このようにすれば、スクリーンのｘ方向端部において走査間隔ＹｐがＹｐ０からずれても、上下方向に隣接するビームとの間には、上下の平均として一定のビーム重なり部を有することから、同様にスペックル低減効果が得られる。

上記実施例では、拡散部材の振動方向は拡散部材の拡散面に平行な面内（ｘｙ面内）とし、これによりスペックル低減効果を大きく得ることができる。これに対し、拡散部材を拡散面に垂直な方向に振動させる場合には、平行な面内での振動と比較して、約３倍以上の移動速度が必要になるとともに、拡散部材の振動に伴う映像の解像度変化が発生する。

本実施例において、さらに、偏光の多重度を用いたスペックル低減手法を併用することができる。すなわち、特定の偏光の光のみを反射又は透過する光学部材を含まない映像表示装置１において、偏光を多重化する光学部材を備えることで、スクリーンの振動によるスペックル低減効果に加えて、偏光の多重度を用いたスペックル低減効果を得ることが可能である。

以上のように本実施例によれば、ユーザの網膜上において多数のスペックルパターンが積算されるため、スクリーンの振動がない場合と比べて、スペックルが１／３以下にまで低減する映像表示装置を提供することができる。その際、レーザー光のビーム径を走査間隔よりも大きくし、２枚の拡散部材の少なくとも１枚の拡散部材を振動させることで、スペックルの低減効果を得るための拡散部材の移動速度を実用的な速度に下げることができる。また、拡散部材の拡散角は通常のもの（例えば３０度）を使用しているので、映像の輝度が低下することもない。

実施例２では、スクリーン１２に照射するレーザー光を、スクリーンに対して縦長の楕円形状とした。これにより、横方向（ｘ方向）の解像度を下げずにスペックル低減効果を得ることができる。

本実施例では、実施例１の図２で示したレーザー光源部１０のビーム成形器４２として、例えばシリンドリカルレンズのような、縦方向と横方向のビーム径を異なったものに成形する光学素子を利用する。あるいは、レーザー光源４０ａ〜４０ｃ自身が、楕円形状のビームを出射するものであってもよい。これにより、スクリーン１２に照射するレーザー光が、スクリーンに対して縦長のビーム形状を有するものとする。

図１０は、実施例２におけるスクリーン１２上を走査するレーザー光の軌跡を示す図である。走査パターンは実施例１の図５と同じで、各軌跡２０の直線部は平行で等間隔とする。スクリーン１２に照射するビームスポット（ビーム）２２は、縦方向（ｙ方向）の直径がＤｙ、横方向（ｘ方向）の直径がＤｘで、例えば、ＤｙがＤｘの１．３倍以上の縦長形状とする。その際、横方向ビーム径Ｄｘは、スクリーン上に描く画素２１のサイズにほぼ等しくして、縦方向ビーム径Ｄｙのみを大きくする。その結果、縦方向ビーム径Ｄｙは走査間隔Ｙｐより大きく１．３倍以上となり、上下の隣接ビームとの間で重なり部２４が生じ、実施例１と同様に、スペックルパターンの積算によりスペックル低減効果が得られる。一方、横方向ビーム径Ｄｘは、画素２１のサイズに等しいので、横方向に隣接する画素に対するビームとの重なり部は生じない。その結果、横方向の解像度を低下させずに、スペックル低減を図ることが可能となる。

実施例３では、スクリーン１２に照射するレーザー光のビーム径は変えずに、走査間隔をビーム径よりも小さくした。そのため、表示する映像の走査線数（縦方向の画素数）を増加させる走査線変換を行う。この場合も、ビーム径は縦方向の走査間隔より大きくなり、スペックル低減効果を得ることができる。

図１１は、実施例３におけるスクリーン１２上を走査するレーザー光の軌跡を示す図である。走査パターンは実施例１の図５と同じであるが、走査線変換処理の結果、各軌跡２０のｙ方向の走査間隔Ｙｐ’を狭くしている。よって、スクリーン１２上に描く画素２１の形状は横長となり、走査間隔Ｙｐ’は画素２１のｘ方向サイズよりも小さい。スクリーン上に照射するビーム２２はビーム径Ｄの円形とし、スクリーン上に描く画素２１のｘ方向サイズにほぼ等しくする。その結果、ビーム径Ｄは走査間隔Ｙｐ’より大きくなり、ｙ方向の隣接ビームの間に重なり部２４が生じる。この場合も、ビーム径Ｄは走査間隔Ｙｐ’の１．３倍以上とするのが好ましい。これにより、スペックル低減効果を得ることができる。

本実施例では表示する映像の走査線数（ｙ方向の画素数）を増加させているが、ｘ方向の画素数は変更しない。よって、スクリーン上の画素形状は横長となり、このような映像を得るため、図１２の映像処理部１０２において走査線変換処理を行う。

図１２は、走査線変換処理を模式的に示す図である。（ａ）は入力する映像、（ｂ）は拡大後の中間映像、（ｃ）は出力する映像であり、変換は２段階で行う。

（ａ）は入力する映像６１であり、縦方向（ｙ方向）の画素数をＶ_１、横方向（ｘ方向）の画素数をＨとする。符号６４は縦方向の画素列を示し、各画素は縦横サイズが等しい正方形状としている（簡単のために画素領域は矩形で示している）。映像６１の走査線数はＶ_１、走査間隔（画素間隔）はＹｐである。

（ｂ）は映像６１を縦方向にｅ倍だけ拡大した中間映像６２を示す。この処理では画素サイズは変えていないので、中間映像６２では縦方向の画素数（走査線数）をＶ_２に増加している（Ｖ_１＜Ｖ_２）。ここでの拡大倍率はｅ＝Ｖ_２／Ｖ_１となり、画素列６５は、拡大後の縦方向の画素列を示す。

（ｃ）は中間映像６２を縦方向に１／ｅ倍に縮小し、元の映像６１のサイズに戻した映像６３を示す。その際、縦方向の画素数（走査線数）Ｖ２を維持することで、走査間隔（画素間隔）はＹｐ’と狭くなる。これより、走査間隔はＹｐ’／Ｙｐ＝１／ｅに縮小される。画素列６６は、縮小後の縦方向の画素列を示し、各画素は横長の形状となる。このようにして、走査線数をｅ倍に増加させた（走査間隔を１／ｅに減少させた）映像６３を映像表示部１００に出力して表示する。

映像の拡大倍率ｅは、図１１におけるビーム径と走査間隔の比に合わせるよう設定する。すなわち、ビーム径Ｄを走査間隔Ｙｐ’の１．３倍以上とするためには、拡大倍率ｅ＝１．３倍以上とすればよい。なお、この変換により出力する映像６３の縦横サイズは、入力する映像６１のサイズと等しいので、スクリーン上に表示される映像のサイズには影響を与えない。

本実施例によっても、走査間隔Ｙｐ’を狭くすることで上下の隣接ビームとの間で重なり部２４が生じ、実施例１と同様に、スペックルパターンの積算によりスペックル低減効果が得られる。一方、ビーム径Ｄは、画素２１の横サイズに等しいので、横方向に隣接する画素に対するビームとの重なり部は生じない。その結果、横方向の解像度を低下させずに、スペックル低減効果を図ることが可能となる。

実施例４では、スペックル低減効果を選択する複数の動作モードについて説明する。実施例１で説明したように、スペックル低減効果は隣接ビームの重なり量と、拡散部材の移動速度に依存する。しかし、効果を増大させるために隣接ビームの重なり量を増加させると映像の解像度が低下し、また拡散部材の移動速度を高速化すると消費電力の増加をもたらす。よって、映像表示装置の使用状況に応じて、ユーザの優先度に従い動作モードを選択するようにした。

図１３は、スペックル低減効果を選択する複数の動作モードの例を示す図である。
動作モードとして、拡散部材の振動量（移動速度）を切り替えることによる「低スペックルモード」「低消費電力モード」「停止モード」と、レーザー光のビーム径の大きさ、または２枚の拡散部材の間隙の大きさを切り替えることによる「高解像モード」「平滑モード」が選択可能である。

「低スペックルモード」は、２種類以上の移動速度の中から高速の移動速度を選択し、スペックル低減効果を大きく発揮させる動作状態である。
「低消費電力モード」は、２種類以上の移動速度の中から低速の移動速度を選択し、低消費電力を考慮してスペックル低減効果を得る動作状態である。

「停止モード」は、振動機構１３を停止させ、拡散部材を振動させない状態である。当然ながら、このモードではスペックル低減効果は得られないので、「高解像モード」に移行させるのが望ましい。
映像表示装置１の異常振動検出部１０６は、拡散部材１２ｂが正常に振動しているか否かを判別する。拡散部材１２ｂが正常に振動していないことを検出した場合には、異常振動検出部１０６は振動機構１３に対し、「停止モード」で動作するように指示する。

「高解像モード」では、２枚の拡散部材１２ａ，１２ｂの間隔を狭くする。または、ビーム径Ｄと走査間隔（画素サイズ）の比を小さい値に変更する。これにより、スペックル低減効果は少なくなるが、高解像な映像を表示できる。

「平滑モード」では、２枚の拡散部材１２ａ，１２ｂの間隔を広くする。または、ビーム径Ｄと走査間隔（画素サイズ）の比を大きい値に変更する。これによりスペックル低減効果を増大するとともに、平滑化した映像を表示できる。
ユーザは、映像表示装置の使用状況に応じて動作モードを選択できるので、使い勝手の優れた装置を提供できる。

図１４は、動作モードの選択に応じた振動機構１３の動作設定を示すフローチャートである。振動機構１３は、前記した「低スペックルモード」、「低消費電力モード」、「停止モード」、の３つの動作モードに応じて拡散部材１２ｂの振動状態を決定する。

本フローチャートは、例えば、映像表示装置１の電源投入時や、ユーザ１７の指示入力時に開始される。Ｓ２０１では、選択された動作モードを判定する。
「低スペックルモード」が選択されている場合は、Ｓ２０２へ進み、振動機構１３は高速の移動速度（高振動量）で拡散部材を振動させる。「低消費電力モード」が選択されている場合は、Ｓ２０３へ進み、振動機構１３は低速の移動速度（低振動量）で拡散部材を振動させる。「停止モード」が選択されている場合は、Ｓ２０４へ進み、振動機構１３は拡散部材の振動を停止する。

「低スペックルモード」または「低消費電力モード」にて振動機構１３を稼働させている期間は、Ｓ２０５へ進み、異常検出部１０６により拡散部材が正常に振動しているか否かを判別する。正常であればそのまま振動を継続し、異常を検出した場合にはＳ２０４へ進み、拡散部材の振動を停止する。

これにより、振動機構は動作モードに応じて拡散部材を振動させ、また振動が異常時には振動を停止させるようにしたので、装置の安全性が向上する。

以上、本発明の様々な実施例を説明したが、本発明の映像表示装置は次のような装置・システムに適用できる。
図１５は、本発明の映像表示装置１を、車載用ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）に適用する場合の模式図である。映像表示装置１は車両ダッシュボード内に装着し、これから出射した映像光１４は、フロントガラスなどの反射面１５で反射して、ユーザ（運転者）１７の目に到達する。ユーザ１７は、映像表示装置１内のスクリーン１２にて生成した映像光１４を、反射面１５の前方位置に虚像１６として認識する。表示する映像に車速情報などを含めることで、運転を支援するシステムを構築できる。

その際、車両の運転状態に応じて映像表示装置１の動作モードを制御する。例えば、自動車が信号待ちなどの理由により停車している場合には、振動機構を「停止モード」に切り替えることで、より安全性が向上する。

また、図１６は、本発明の映像表示装置１を、投射型映像表示装置（プロジェクタ）に適用する場合の模式図である。映像表示装置１と投射レンズ１８を組み合わせて、投射面１９に映像を投射する。投射レンズ１８は、映像表示装置１内のスクリーン１２で生成された映像光１４が、投射面１９上で結像するように構成する。映像光１４は、投射レンズ１８を透過して投射面１９に到達し散乱する。ユーザ１７は、投射面１９で散乱した光を視認することで、映像を認識する。

以上述べた各実施例は、本発明を分かりやすく説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。従って、当業者であればこれらの各要素若しくは全要素をこれと同等なものに置換した実施形態を採用することが可能であり、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。

１：映像表示装置、
１０：レーザー光源部、
１１：走査素子、
１２：スクリーン、
１２ａ，１２ｂ：拡散部材、
１３：振動機構、
１４：映像光、
２０，２０ａ〜２０ｃ：走査軌跡、
２１：画素、
２２，２２ａ〜２２ｃ：ビームスポット（ビーム）、
２４，２４ａ，２４ｂ：ビーム重なり部、
３１ａ〜３１ｃ：照射パルス、
４０ａ〜４０ｃ：レーザー光源、
４１ａ，４１ｂ：ダイクロイックミラー、
４２：ビーム成形器、
５１：弾性体、
５２：偏芯モーター、
６１，６２，６３：映像、
６４，６５，６６：画素列、
１００：映像表示部、
１０１：制御部、
１０２：映像処理部、
１０３：情報記憶部、
１０４：通信処理部、
１０５：通信入出力部、
１０６：異常検出部、
Ｙｐ：走査間隔、
Ｄ，Ｄｘ，Ｄｙ：ビーム径。

表示する映像のフレームレートをｆ、ｘ方向の画素数をＨ、ｙ方向の画素数をＶとする。走査素子１１は、第１軸（ｙ方向走査用）を回転させ、１フレーム期間（１／ｆ）の間にレーザー光をｙ方向に１回走査する。また走査素子１１は、第２軸（ｘ方向走査用）を回転させ、１フレーム期間の間にレーザー光をｘ方向にＶ回走査する。ｙ方向およびｘ方向の走査開始タイミングは、レーザー光源部１０を変調する映像信号のフレームに同期させる。これにより、ｘ方向Ｈ画素、ｙ方向Ｖ画素からなる１フレーム分の走査を完了し、これを繰り返す。

図５では重なり部２４ａ，２４ｂは明瞭な境界を持った領域で示しているが、実際にはこの境界は必ずしも明瞭とはならない。例えば、レーザー光源４０ａ〜４０ｃがガウス型光線を出射する場合、レーザー光の強度分布は、ビーム中心からの距離に応じてガウス関数的に減衰するため、ビーム径Ｄの外側においても重なりを持っている。

「停止モード」は、振動機構１３を停止させ、拡散部材を振動させない状態である。当然ながら、このモードではスペックル低減効果は得られないので、「高解像モード」に移行させるのが望ましい。
映像表示装置１の異常検出部１０６は、拡散部材１２ｂが正常に振動しているか否かを判別する。拡散部材１２ｂが正常に振動していないことを検出した場合には、異常検出部１０６は振動機構１３に対し、「停止モード」で動作するように指示する。

Claims (8)

1. レーザー光を走査して映像を表示する映像表示装置において、
   レーザー光を出射するレーザー光源部と、
   レーザー光を拡散し透過して映像光を生成する少なくとも２個の拡散部材からなるスクリーンと、
   前記拡散部材のうち少なくとも１個の拡散部材を振動させる振動機構と、
   前記レーザー光源部が出射したレーザー光を、前記スクリーン上の第１の方向とこれに直交する第２の方向に走査する走査素子と、を備え、
   該走査素子による前記第２方向の走査速度は前記第１方向の走査速度よりも大きく、
   前記スクリーン上のレーザー光の前記第１方向の直径は、前記スクリーン上での前記第２方向の走査軌跡における前記第１方向の間隔より大きいことを特徴とする映像表示装置。
2. 請求項１に記載の映像表示装置において、
   前記スクリーン上のレーザー光の前記第１方向の直径は、前記スクリーン上での前記第２方向の走査軌跡における前記第１方向の間隔の１．３倍以上であることを特徴とする映像表示装置。
3. 請求項１に記載の映像表示装置において、
   前記スクリーン上のレーザー光の前記第１方向の直径は、前記第２方向の直径の１．３倍以上であることを特徴とする映像表示装置。
4. 請求項１に記載の映像表示装置において、
   前記スクリーン上での前記第２方向の走査軌跡における前記第１方向の間隔は、前記スクリーン上に生成される映像の１画素の前記第２方向の幅よりも小さいことを特徴とする映像表示装置。
5. 請求項４に記載の映像表示装置において、
   入力する映像に対し前記第２方向の走査線数を増加させる映像処理部を有することを特徴とする映像表示装置。
6. 請求項１に記載の映像表示装置において、
   前記振動機構は、前記拡散部材をその拡散面に平行な面内で振動させることを特徴とする映像表示装置。
7. 請求項６記載の映像表示装置において、
   前記スクリーン上に生成される映像のフレームレートをｆ、該映像の前記第１方向の画素数をＶとするとき、
   前記振動機構は前記拡散部材を、移動速度０．００１×ｆ×Ｖｍｍ／ｓ以上で振動させることを特徴とする映像表示装置。
8. 請求項１記載の映像表示装置において、
   前記スクリーンを構成する前記拡散部材の拡散面の間隔の切り替えと、
   前記振動機構による前記拡散部材の移動速度の切り替えが可能であり、
   該切り替えの組合せにより複数の動作モードを選択可能であることを特徴とする映像表示装置。

Images