WO2011037039A1

WO2011037039A1 - レーザー投射装置

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Publication number: WO2011037039A1
Application number: PCT/JP2010/065801
Authority: WO
Inventors: 賢治金野
Original assignee: コニカミノルタオプト株式会社
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2011-03-31
Also published as: US8960914B2; US20120182487A1; JP5673544B2; JPWO2011037039A1

Abstract

　レーザー光源１１０から出射されたレーザー光を２次元的に走査して１フレームを形成し各フレーム間にブランキング期間を有してスクリーン２０１に画像投影するレーザー投射装置であって、レーザー光源から出射される光の偏光状態を、上記ブランキング期間にて異ならせる駆動制御装置１３２を備えた。該構成により、フレーム毎に偏光状態が変化することでスペックルの低減を図ることができ、かつ１フレーム内では輝度の変化がないことから良好な画像投影を行うことができ、従来に比べて良好な画像品質を得ることが可能となる。

Description

レーザー投射装置

　本発明は、レーザー光を２次元に偏向走査して画像を投影するレーザー投射装置に関する。

　近年、レーザー光源を用いたプロジェクタが提案されており、従来の放電ランプ光源を用いたものと比較すると色再現範囲が大きく取れることから、次世代の高品質映像表示装置として注目されている。しかしながら、レーザーのように可干渉な光源を用いた場合、光の干渉に起因してコントラストの高い斑点状の模様であるスペックルが発生する。これにより投影画像が浮いたように見え、映像品質が低下してしまう。一方、スペックルの発生は、レーザーを使うこと自体に起因しているので、完全に除去することは原理的に難しい。従って、スペックルを除去するよりも、目立たない程度にまで低減する方法が望まれている。

　スペックルは、上述のようにレーザーの干渉性に起因するもので、その低減方法としては、レーザー光の干渉性を下げる方法、あるいは、時間的に異なるスペックル状態を投影することでスペックルを平均化する方法がある。

　一方、レーザー光は一般に偏光しており、その偏光状態によってスペックルの状態が異なることは知られている（特許文献１参照）。このことを利用して、レーザー光の偏光状態を変化させることで、スペックル状態を変化させ、このように時間的に変化したスペックル状態を重ね合わせることにより、スペックルを低減することが可能である。

　上述した、レーザー光の偏光状態を変化させる方法として、例えば特許文献１では、レーザー光源と走査ミラーとの間の光路中に偏光制御手段を配置し、該偏光制御手段に備わる波長板を回転させることで、時間経過とともに投射画像の偏光状態を変化させる。そして、変化された偏光状態を多重化することで、スペックルの低減を図るという手法が開示されている。

　また、特許文献２では、レーザービームを透過させる領域がマトリックス状に区画されており、それぞれの区画においてレーザービームの異なる偏光状態を生成し、さらに該偏光状態を時間的に変動させる方法でスペックルの低減を図っている。

特開２００６－４７４２２号公報国際公開第０５／６２１１４号

　しかしながら上記特許文献１、２のように、画像投射するレーザー光の偏光状態の変化によりスペックル低減を図る場合、画像投射面の全体が均一な偏光状態で投影されることは非常に重要である。即ち、上記特許文献１のように、投射面へ画像投射しながら、つまりフレームを形成しながら、偏光状態を変化させた場合には、特許文献１の図５に示されるように、投射面上の場所ごとで偏光状態が異なってしまう。よって、特許文献１の画像投射装置にて、例えば金属や、偏光保持スクリーンと呼ばれるような偏光依存性のある投射面に画像を投影した場合には、投射面内で輝度分布が発生し、映像品質が悪化してしまうという問題が発生する。さらに、上記波長板を回転駆動させる機構を要するため、振動、衝撃、騒音、及び耐久性という問題もある。

　また、上記特許文献２の発明では、レーザービームが透過する一つの領域に形成された複数の区画から複数の偏光状態が生成されるため、ビームの拡散性が生じてしまう。つまりビームの直進性が失われることから、ビームのスポット径が大きくなり、解像度の悪化、及びフォーカスフリー特性が失われるという問題が生じる。

　本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたもので、光の偏光状態を変化させてスペックルの低減を図る構成において、従来に比べて良好な画像品質を得ることができるレーザー投射装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。

　即ち、本発明の第１態様におけるレーザー投射装置は、レーザー光を発生し変調するレーザー光源と、前記レーザー光源から出射されたレーザー光を２次元的に走査して１フレームを形成し各フレーム間にブランキング期間を有してスクリーンに画像投影する走査機構と、前記レーザー光源が出射する光の偏光状態を異ならせて前記スクリーンへ出射する偏光変換部とを有するレーザー投射装置であって、
　１フレームを形成している間は前記偏光状態を変化させず、前記ブランキング期間に前記偏光変換部を作動させて前記偏光状態を異ならせる駆動制御装置をさらに備えたことを特徴とする。

　又、前記偏光変換部は、前記レーザー光の透過領域において単一の偏光状態を形成する液晶素子を有するように構成することができる。

　又、前記液晶素子における液晶は、スメクティック液晶又は強誘電液晶であってもよい。

　又、以下の条件式を満足するレーザー投射装置であってもよい。

　０．１＜ブランキング期間（秒）×フレーム周波数（Ｈｚ）＜０．４
　又、前記偏光変換部は、前記レーザー光源と前記走査機構との間に配置されてもよい。

　又、前記偏光変換部は、前記走査機構と前記スクリーンとの間に配置される光出射窓に備わるように構成してもよい。

　又、前記偏光変換部にて異ならせる前記偏光状態は、互いに直交する状態であってもよい。

　又、前記レーザー光源として波長の異なるレーザー光を射出する複数のレーザー光源と、前記複数のレーザー光源からのレーザー光を合成する光学系と、をさらに備えるレーザー投射装置であってもよい。

　又、前記複数のレーザー光源はそれぞれ、青色光、緑色光、赤色光の３つのレーザー光を発生し、前記偏光変換部は、緑色光又は赤色光のレーザー光に対して互いに直交する偏光状態となるように偏光を変換してもよい。

　又、前記偏光変換部は、前記光学系と前記走査機構との間に配置されていてもよい。

　上記第１態様におけるレーザー投射装置では、光の偏光状態を変化させる偏光変換部を備えフレーム間にブランキング期間を有して画像投影するレーザー投射装置において駆動制御装置を備え、ブランキング期間にて偏光変換部を作動させるようにした。ブランキング期間は、画面つまり１フレームの切替時間に相当するので、ブランキング期間に偏光変換部にて偏光状態を変更することで、１フレーム内では同じ偏光状態にて投影が行われる。よって、上記第１態様におけるレーザー投射装置によれば、それぞれのフレームでは偏光状態が変化しスペックルの状態が異なっておりこれらが多重化されることから、スペックルの低減を図ることができ、かつ１フレーム内では輝度の変化がないことから、良好な画像投影を行うことができる。したがって、従来に比べて良好な画像品質を得ることが可能となる。

　又、本第１態様のレーザー投射装置は走査型であるので、小型化及び低消費電力化を図ることができるという効果もある。

本発明の実施形態におけるレーザー投射装置の構成を示す図である。図１に示すレーザー投射装置に備わる走査機構に対する動作制御の一例を示すタイミングチャートである。図１に示すレーザー投射装置に備わる駆動制御装置が行う制御の一例を示すタイミングチャート、及び該制御により駆動される液晶素子の動作状態を示すグラフである。図１に示すレーザー投射装置に備わる液晶素子の平面図である。図１に示すレーザー投射装置において、液晶素子の前後におけるレーザー光の偏光状態の変化例を説明するための図である。（ａ）図１に示すレーザー投射装置において、液晶素子の前後におけるレーザー光の偏光状態の変化例を説明するための図である。（ｂ）図１に示すレーザー投射装置において、液晶素子の前後におけるレーザー光の偏光状態の変化例を説明するための図である。（ａ）図１に示すレーザー投射装置において、液晶素子の前後におけるレーザー光の偏光状態の変化例を説明するための図である。（ｂ）図１に示すレーザー投射装置において、液晶素子の前後におけるレーザー光の偏光状態の変化例を説明するための図である。図１に示すレーザー投射装置の変形例を示す図である。図１に示すレーザー投射装置に備わる走査機構に対する動作制御の変形例を示すタイミングチャートである。

　本発明の実施形態であるレーザー投射装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。

　超小型プロジェクタとして注目されているレーザー走査式プロジェクタでは、レーザー光源と、レーザー光を２次元的にスクリーン上に走査する走査手段とを有し、変調された、つまり映像情報を含むレーザー光を走査手段で走査して画像投影するレーザー投射装置である。一方、これとは別の、プロジェクタの方式であって、液晶パネルやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）といった２次元空間変調素子を照明し、変調された画像を投影レンズで投影する方式も存在する。これと比較すると、上記レーザー走査式プロジェクタは、投影レンズが不要であるため、小型化を図ることができ、また、レーザー光源を直接変調することにより、例えば、黒い画面のときにはレーザーの発光がなく、低消費電力化を図ることができるという利点がある。

　図１に示す本実施形態のレーザー投射装置１０１は、このようなレーザー走査式プロジェクタに相当し、上述した時間的に異なるスペックル状態を発生させることでスペックルの低減を図るという構成を採っている。まず、このような構成を有するレーザー投射装置１０１におけるスペックル低減作用の概略について、以下に説明する。

　本実施形態のレーザー投射装置１０１では、レーザー光をスクリーンに投射するとき、ラスター走査方式を採る。ラスター方式は、高速で走査する第１の方向（主走査方向）と、これに比して低速で走査する第２の方向（副走査方向）とを組み合わせて、スクリーンの上端から下端、あるいは、その逆方向に走査線を描いていくという方式である。つまり、ラスター方式は、副走査を１回行う間に主走査を複数回行う方式である。よって、走査方向を変更するときに対応して、レーザーが発光せず画面を表示しないブランキングと呼ばれる時間が存在する。尚、上記ブランキング時間としては、１フレーム内にて一水平方向（上記第１方向に相当）から次水平方向へ移動する間のものと、一フレームから次フレームに移る間のものとがあるが、本実施形態では、後者の各フレーム間に発生するブランキング時間を指す。よって、このブランキング時間は、画面の切替時間に相当し、１フレームの描画ごとにブランキング時間が存在する。

　そこで、レーザー光の偏光状態をフレーム単位で変化させるために、本実施形態では、上記ブランキング時間にレーザー光の偏光状態を変化させる。これにより、１フレーム内の画面では同じ偏光状態で投影され、一方、それぞれのフレームでは偏光状態が変化しスペックルの状態が異なっている。よって、これらが多重化されることで、スペックルの低減を図ることができ、かつ１フレーム内では輝度の変化がないことから、良好な画像投影を行うことが可能となる。

　このような概略作用を元に、以下に、レーザー投射装置１０１について具体的に説明する。

　レーザー投射装置１０１は、基本的構成部分として、レーザー光源１１０と、レーザー光源１１０からのレーザー光を合成する光学系１２０と、偏光変換部１３０と、光学系１２０から出射されたレーザー光を反射部１４１にて反射してスクリーン２０１に２次元的に走査する走査機構１４０とを備える。以下に、これらの各構成部分について詳しく説明する。尚、当該レーザー投射装置１０１によってスクリーン２０１に画像表示を行うため、当該レーザー投射装置１０１の動作制御を行う画像処理回路１０８が当該レーザー投射装置１０１に接続されている。あるいは、当該レーザー投射装置１０１が画像処理回路１０８を含んでいても良い。

　レーザー光源１１０は、Ｇ（緑色）光を発生するレーザー素子１１１Ｇと、Ｒ（赤色）光を発生するレーザー素子１１１Ｒと、Ｂ（青色）光を発生するレーザー素子１１１Ｂとを備える。レーザー素子１１１Ｇは、例えば、ＰＰＬＮ導波路による第２高調波発生を用いて、波長５３２ｎｍの光を発生する半導体励起の固体レーザーで構成される。レーザー素子１１１Ｒは、例えば、波長６３０ｎｍの光を発生する半導体レーザーで構成される。レーザー素子１１１Ｂは、例えば、波長４４５ｎｍの光を発生する半導体レーザーで構成される。

　レーザー素子１１１Ｒ及びレーザー素子１１１Ｂは、レーザーチップへの注入電流を直接変調してもよく、あるいはＡＯ（音響光学）素子等の光変調器を別途設けても構わない。レーザー素子１１１Ｇは、励起用レーザーチップへの注入電流を直接変調してもよく、あるいはＡＯ素子等の光変調器を別途設けても構わない。また、レーザーの変調を直接電流変調で行う際には、高周波重畳を行うことが好ましい。

　レーザー素子１１１Ｇ、レーザー素子１１１Ｒ、及びレーザー素子１１１Ｂは、レーザー駆動回路１０７にて上記変調が制御される。尚、当該レーザー投射装置１０１は、図１に示すように、レーザー駆動回路１０７を別設した構成であるが、含むように構成してもよい。

　光学系１２０は、各レーザー素子１１１Ｇ，１１１Ｒ，１１１Ｂに対応して設けたコリメートレンズ１２１Ｇ，１２１Ｒ，１２１Ｂと、各コリメートレンズ１２１Ｇ，１２１Ｒ，１２１Ｂに対応して設けたダイクロイックミラー１２２－１，１２２－２，１２２－３とを備える。

　コリメートレンズ１２１Ｇ，１２１Ｒ，１２１Ｂは、一実施例として、ＮＡ（開口数）が０．４で、焦点距離４ｍｍのレンズであり、通過しコリメートされたレーザー光のビーム径は、直径で３．２ｍｍとなる。

　ダイクロイックミラー１２２－３は、レーザー素子１１１Ｂにて発生しコリメートレンズ１２１Ｂを通過してコリメートされたＢ（青色）のレーザー光を反射するミラーである。ダイクロイックミラー１２２－２は、上記Ｂ（青色）のレーザー光を透過し、かつレーザー素子１１１Ｒにて発生しコリメートレンズ１２１Ｒを通過してコリメートされたＲ（赤色）のレーザー光を反射するミラーである。つまり、ダイクロイックミラー１２２－２は、上記Ｂ（青色）のレーザー光と、上記Ｒ（赤色）のレーザー光とを合成し出射する。ダイクロイックミラー１２２－１は、上記Ｂ（青色）及び上記Ｒ（赤色）のレーザー光と、レーザー素子１１１Ｇにて発生しコリメートレンズ１２１Ｇを通過してコリメートされたＧ（緑色）のレーザー光とを合成して白色の１本のレーザー光１２３として出射するミラーである。

　合成された上記白色の１本のレーザー光１２３は、直線偏光である。

　尚、上述した、レーザー素子１１１Ｇ、レーザー素子１１１Ｒ、及びレーザー素子１１１Ｂと、コリメートレンズ１２１Ｇ，１２１Ｒ，１２１Ｂと、ダイクロイックミラー１２２－１，１２２－２，１２２－３とは、それぞれ別個に構成しても良いし、レーザー光源ユニットとして一体的に構成しても良い。

　走査機構１４０は、光学系１２０から出射されたレーザー光１２３を走査光２１４として反射するミラーにて構成される反射部１４１と、スクリーン２０１に対して走査光２１４が走査するように反射部１４１を駆動する駆動部１４２とを備え、レーザー光をスクリーン２０１上で２次元的に走査する機構である。このような走査機構１４０は、主走査ミラーと副走査ミラーとを別個に設けた構成でも良いし、単一ミラーに主走査駆動機構及び副走査駆動機構を設けた構成でもよい。本実施形態では、走査機構１４０は、圧電素子によって水平方向及び垂直方向に振動する走査ミラーを備えたＭＥＭＳミラー機構にて構成している。

　このような走査機構１４０の駆動部１４２について、より詳しく説明する。

　本実施形態では、スクリーン２０１に対して走査光２１４がいわゆるラスター方式にて走査されるように、駆動部１４２は反射部１４１を駆動する。反射部１４１は、スクリーン２０１における水平方向（主走査方向）に対して直角な垂直方向（副走査方向）において、一実施例として＋６度と－６度との間で傾斜され、時間経過とともに傾斜角度が変化される。これにより、走査光２１４は、スクリーン２０１における上左端から、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、その後、再び上記上左端へ戻る。上記垂直方向における反射部１４１の傾斜角度の時間的変化をグラフ化すると、図２の鋸歯状波形１４３にて示される。

　一方、本実施形態では、フレーム周波数が６０Ｈｚであるので、１フレーム当たりの時間は、約１６．７ｍｓとなる。つまり図２に示す鋸歯状波形１４３の１周期Ｔが１６．７ｍｓである。又、本実施形態では、１周期Ｔの７０％が画面表示期間１４４、つまり上記上左端から上記下右端への走査期間であり、残りの３０％は、いわゆるブランキング期間１４５に相当し、本例では５ｍｓである。尚、反射部１４１の動作において、ブランキング期間１４５は、図２に示すように、走査光２１４を上記下右端から上記上左端へ戻す期間、並びに、傾斜駆動の開始時及び終了時を含む所定期間に相当する。

　尚、反射部１４１に対する駆動部１４２の動作は、上述した鋸歯状波形１４３に従う動作に限定するものではなく、ブランキング期間１４５を有する動作であればよい。例えば、図９に示す三角波形１４７に従う動作のように、スクリーン２０１における上左端から下右端まで走査され、その後、逆に下右端から上左端へ戻るような動作でもよい。三角波形１４７において、画面表示期間１４４及びブランキング期間１４５は図示するような期間となる。

　次に、偏光変換部１３０について説明する。

　偏光変換部１３０は、本実施形態のレーザー投射装置１０１において特徴的構成の一つであり、本実施形態では図１に示すように、光学系１２０と走査機構１４０との間に配置され、光学系１２０が出射するレーザー光１２３の偏光状態を異ならせて走査機構１４０へ出射する構成部分である。このような偏光変換部１３０は、基本的構成部分として駆動制御装置１３２を備え、又、本実施形態では、光学系１２０が出射するレーザー光１２３が透過し、駆動制御装置１３２にて動作制御される液晶素子１３１を有する。

　液晶素子１３１は、基本的構造として、透明な液晶材料を２枚の透明な基板間にサンドイッチした構造を有し、それぞれの上記基板において、液晶材料側の面には液晶材料に電圧を印加する透明電極が設けられ、また、各透明電極の内側には配向膜も備えている。このように構成された液晶素子１３１は、光学系１２０が出射したレーザー光１２３を通過させて、駆動制御装置１３２による上記液晶材料の配向状態の変更により、通過するレーザー光１２３の偏光状態を異ならせる作用を行う。

　レーザー光１２３全体の偏光状態を変更するため、当該液晶素子１３１は、単一の画素を形成する構造を有する。具体的には、例えば図４に示すように液晶素子１３１が正方形状であれば、正方形状に上記透明電極が形成される。このような構成を有する液晶素子１３１によれば、当該液晶素子１３１における上記レーザー光１２３の透過領域１３１ａ（図４）では、通過する上記レーザー光１２３の偏光状態は通過する場所によらずに一様、つまり一つのみである。換言すれば、液晶素子１３１は、レーザー光１２３の通過領域１３１ａでは一つの偏光状態のみを生成し、上記特許文献２に開示されるような複数の偏光状態を生成するものではない。

　このように単一の偏光状態を生成する液晶素子１３１によれば、複数の画素を形成した液晶素子では、電極による回折の影響、及び、上述した光ビームの直進性の悪化等による投影像の解像度の低下という問題が発生するのに対し、光ビームの品質には影響が生じず投影像における解像度の低下も発生しない。

　液晶素子１３１に備わる上記液晶材料は、以下に説明する、駆動制御装置１３２による動作制御との関係から、一般的に使用されるＴＮ液晶に比べて電圧応答時間が比較的短いスメクティック液晶又は強誘電液晶が良い。又、これらの液晶材料は、偏光状態の変化をＴＮ液晶材料のような旋光ではなく、複屈折で行う。液晶材料として強誘電性液晶を用いた場合、液晶素子への電圧印加の有無によって、分子配列を電圧印加方向と垂直方向にわずかに変化させ、それによって発生する複屈折の変化で位相差を発生させ、入射ビームの偏光状態を変化させることができる。例えば位相差をπとすると、偏光方向を９０度変化できる。液晶素子の厚みや、液晶材料、分子配列の向きを的確に定めることにより、変化させる複屈折量をコントロールすることができる。よって、本実施形態で用いられる液晶素子１３１の場合には、電圧印加の有無により、入射偏光が直交する２つの偏光状態に切り替わるように、液晶素子１３１の各種パラメータを設定すればよい。その結果、レーザー光の入射偏光状態と液晶材料の軸との調整がＴＮ液晶に比べてラフに行え、この点からも好ましい。また、複屈折性を有する偏光変換では、円偏光入射の場合にも利用でき、この場合、液晶材料の軸方向が任意に設定できるので好ましい。

　尚、偏光状態を変化させる素子として、液晶素子１３１に代えて、印加電圧で複屈折の大きさを変化できる光学結晶、例えばＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）を使用することもできる。

　上述のように構成された液晶素子１３１を駆動する駆動制御装置１３２について説明する。

　駆動制御装置１３２は、上記ブランキング期間１４５に液晶素子１３１を作動させて、光学系１２０が出射したレーザー光１２３の偏光状態を異ならせる装置である。本実施形態では、上記レーザー光１２３は直線偏光しており、駆動制御装置１３２は、液晶素子１３１へ電圧を印加して液晶材料の配向方向を変化させて複屈折を変化させ、上記直線偏光を、９０度異なる方向、つまり直交した方向の偏光状態に変換させる。尚、上記直交とは、ポアンカレ球上で偏光状態を表したときに、対極する２つの状態をいう。又、駆動制御装置１３２によるレーザー光１２３の偏光状態の変換は、上述の直交する方向に限定されず、例えば４５度異なる方向等であってもよい。本実施形態のように、複屈折性を利用して偏光状態の切り替えを行う場合は、駆動電圧の制御や液晶の向きによって偏光変換特性を変えることができる。但し、直交方向に変換したときには、スペックルパターンの相関を最も異なる状態にすることができ、スペックルを最も効果的に低減できることから、好ましい。

　駆動制御装置１３２による液晶素子１３１の駆動制御について説明する。

　概略説明で述べたように、スクリーン２０１に投影するときのブランキング期間１４５にて、駆動制御装置１３２は、液晶素子１３１に電圧を印加して液晶材料の配向を変更させる。具体的には、図３の（ａ）に示すように、駆動制御装置１３２は、ブランキング期間１４５の開始と同時に、液晶素子１３１に印加する電圧を変化させ、次のブランキング期間１４５の開始まで同電圧を維持する。同電圧を維持する期間は、本実施形態では上記鋸歯状波形１４３の１周期Ｔに相当する。よって、画面表示期間１４４内では、走査光２１４における偏光状態は変化しない。液晶素子１３１に対して、図３の（ａ）に示すようにプラス、０、マイナス、０、プラス、…の電圧を印加することで、液晶素子１３１を通過するレーザー光１２３における偏光状態は、例えば縦（横）、横（縦）、縦（横）、…のように交互に直交するように変化する。

　尚、図３の（ａ）において、プラスとマイナスの電圧を交互に印加するのは、液晶駆動による分極を平均化するためである。尚、駆動の効果としては、プラスもマイナスも同じである。

　図３の（ｂ）は、液晶素子１３１における液晶材料がスメクティック液晶である場合において、図３の（ａ）に示す駆動電圧変化に対する液晶材料の応答状態の時間的変化の概略をグラフ化したものである。上述のように本実施形態では、ブランキング期間１４５にて、液晶素子１３１の液晶材料の配向を変化させて複屈折の大きさを変更させる必要がある。即ち、本実施形態では、上記液晶材料には５ｍｓ以内の応答性が要求される。一方、液晶材料は、一般に、プラス又はマイナスに電圧を印加するとき（立上りとする）よりも、０Ｖの電圧に戻すとき（立下りとする）の方が応答に時間を要する。本実施形態では、液晶素子１３１にスメクティック液晶及び強誘電型液晶を用いることで、上記立上りはもちろん、上記立下りにおいても、ブランキング期間１４５内、つまり上記５ｍｓ内で、液晶素子１３１における液晶材料の配向状態を変換可能である。

　上述のように本実施形態では、画面表示が行われないブランキング期間１４５にて走査光２１４の直線偏光の向きを９０度変更することができ、かつ画面表示期間１４４内では走査光２１４の偏光状態を変化させない。よって、本実施形態のレーザー投射装置１０１では、偏光依存性のあるスクリーンにレーザー光を投射した場合でも、画面輝度が均一になり、投影像における解像度の低下は発生しない。

　本実施形態では、上述のように偏光変換部１３０は液晶素子１３１を備えるが、液晶素子１３１に代えて、位相板、あるいは旋光子等を用いることもできる。いずれの場合も、ブランキング期間１４５にて、駆動制御装置１３２により偏光状態が変化されるように動作制御されればよい。

　但し、上記位相板を用いた場合には、機械的駆動機構を含むことから、磨耗の懸念や騒音、振動や衝撃の影響等が懸念される。よって、機械的駆動機構を有しない液晶素子１３１が有利である。又、液晶材料は、比較的大きな分子が並んでいるため、液晶構造自体による若干の拡散がスペックルの低減に寄与して、偏光多重以外の効果もあるので好ましい。

　以上のように構成された本実施形態のレーザー投射装置１０１における動作について以下に説明する。

　それぞれのレーザー素子１１１Ｇ，１１１Ｒ，１１１Ｂで発生され変調されたレーザー光は、各コリメートレンズ１２１Ｇ，１２１Ｒ，１２１Ｂにてコリメートされた後、各ダイクロイックミラー１２２－１，１２２－２，１２２－３にて合成されて上記レーザー光１２３となり、偏光変換部１３０の液晶素子１３１に入射する。ここで、レーザー光１２３の偏光状態を、例えば縦方向（図１）とする。液晶素子１３１に入射したレーザー光１２３は、液晶素子１３１を透過し、ミラー１５１を介して走査機構１４０の反射部１４１に照射される。ここで、液晶素子１３１を透過することで、レーザー光１２３の偏光状態は、液晶材料の配向に応じて、上記縦方向、又はこれに直交する横方向に変換される。尚、本実施形態では、液晶素子１３１の通過前後において、レーザー光１２３は直線偏光である。但し、直線偏光の向きは上述のように変化する。

　尚、ミラー１５１は、液晶素子１３１を通過したレーザー光１２３を走査機構１４０へ導くために光路を調整するためのミラーであり、装置構成によっては不要となる。

　反射部１４１に照射されたレーザー光は、走査機構１４０の駆動部１４２により反射部１４１が駆動されることで、スクリーン２０１に対して水平方向及び垂直方向に走査される。これによって、スクリーン２０１上に１フレーム分の映像が投影される。

　ここでスクリーン２０１への画像表示は、入力画像データに基づいて、画像処理回路１０８がレーザー駆動回路１０７、及び走査機構１４０の駆動部１４２を同期させて駆動させることで入力画像が表示される。

　１フレームの画面表示が終了し、ブランキング期間１４５が開始した時点で、偏光変換部１３０の駆動制御装置１３２により電圧印加又は電圧０Ｖ印加がなされ、これにより液晶素子１３１を透過するレーザー光１２３の直線偏光の向きが前フレームの場合と９０度変化した直線偏光となる。尚、上述したように、ブランキング期間１４５では、レーザー光源１１０はレーザー光を発生していない。

　ブランキング期間１４５が終了し、再びレーザー光源１１０はレーザー光を発生し、次のフレームの走査が開始される。このとき、液晶素子１３１を透過したレーザー光１２３の偏光状態は、液晶素子１３１の液晶材料の配向の変化により、前フレームのときの偏光状態に比べて直交した状態となっている。よって、この直交した状態に偏光状態が変化した走査光２１４にて次のフレーム用の走査が行われる。

　このように本実施形態のレーザー投射装置１０１によれば、画面表示が行われないブランキング期間１４５にて偏光状態を変化させて、フレーム毎に偏光状態が変化した走査光２１４にて走査が行われ、一つのフレームの画面表示期間１４４内では走査光２１４の偏光状態は変化しない。このようにそれぞれのフレームでは、偏光状態が変化しスペックルの状態が異なっている。よって、これらが多重化されることで、スペックルの低減を図ることができ、かつ１フレーム内では輝度の変化がないことから良好な画像投影を行うことができる。したがって、従来に比べて良好な画像品質を得ることが可能となる。

　尚、ブランキング期間（秒）とフレーム周波数（Ｈｚ）との好ましい関係は次の関係式のようになる。

　０．１＜ブランキング期間（秒）×フレーム周波数（Ｈｚ）＜０．４
　上記式は良好なスペックル低減と画像投射を両立させるための条件式である。

　実施例では、ブランキング時間５ｍｓ、フレーム周波数６０Ｈｚであるので、ブランキング期間（秒）×フレーム周波数（Ｈｚ）は０．３となり、上記の条件式を満足する。

　三角波の場合（図９参照）では、ブランキング時間２ｍｓ、フレーム周波数１２０Ｈｚとすると、ブランキング期間（秒）×フレーム周波数（Ｈｚ）は０．２４となり、上記の条件式を満足する。

　上記の条件式の上限値を超えるとブランキング時間の割合が多すぎて、発光時間（走査時間）が短くなる。その結果、明るさが低下したり同じ明るさを得るために光源に大きな出力のものを使用したりする必要がある。また、ブランキング時間が大きいと画面の明滅（フリッカー）現象が見えてしまう。以上の点から、上記の条件式の上限値を超えることは好ましくない。

　条件式の下限値を超えると、ブランキング時間が短くなりすぎて、液晶素子の種類によっては偏光変換部１３０の応答が追いつかず、ブランキング時間中に偏光変換できない。その結果、走査時間に偏光が変わることで画面内で偏光状態が異なり、スクリーンの種類によっては明るさムラになってしまう。また、副走査方向の駆動制御（鋸歯状波や三角波の折り返し速度）が難しくなり、リニア駆動（直線的に副走査駆動が行われる）領域を作りだすことが難しくなる。その結果、画面の副走査方向での速度差による画面の歪みが発生するため良好な画像投影ができなくなる。以上の点から上記の条件式の下限値を超えることは好ましくない。

　尚、本実施形態のレーザー投射装置１０１では、上述したように、走査機構１４０の反射部１４１に入射する光は、直線偏光の光であったが、これに限定するものではない。例えば図５に示すように、液晶素子１３１と反射部１４１との間に波長板１６２を設け、液晶素子１３１を出射した直線偏光の光を波長板１６２にて円偏光の光に変換して反射部１４１へ入射してもよい。又、図６（ａ）に示すように、光学系１２０と液晶素子１３１との間に波長板１６１を設け、光学系１２０から出射され直線偏光しているレーザー光１２３を波長板１６１にて円偏光とし、液晶素子１３１に入射してもよい。この場合、液晶素子１３１における液晶材料の配向の変化に応じて、液晶素子１３１の出射光は、右円偏光及び左円偏光に変換されて反射部１４１へ入射される。又、図６（ｂ）に示すように、光学系１２０と液晶素子１３１との間に波長板１６１’を設け、直線偏光しているレーザー光１２３を波長板１６１’にて楕円偏光とし、液晶素子１３１に入射してもよい。この場合、液晶素子１３１の出射光は、右楕円偏光及び左楕円偏光に変換されて反射部１４１へ入射される。さらに又、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、図６（ａ）及び図６（ｂ）における構成にて生成された、上記右円偏光、上記左円偏光、上記右楕円偏光、及び上記左楕円偏光について、上記波長板１６２を通過させて直線偏光に変換して、反射部１４１へ入射するようにしてもよい。

　又、上述のレーザー投射装置１０１では、図１に示すように、液晶素子１３１は、光学系１２０と走査機構１４０との間に配置しているが、図８に示すレーザー投射装置１０２のように、走査機構１４０の反射部１４１の光出射側に液晶素子１３１を配置してもよい。詳しく説明すると、一般的にレーザー投射装置の走査光出射窓には、走査機構１４０における反射部１４１に対して防塵、及び空気による揺動を防止する等の目的から、保護ガラスが取り付けられている。そこで、レーザー投射装置１０２は、上記走査光出射窓１０５の保護ガラスを液晶素子１３１にて兼用した構成を有する。レーザー投射装置１０２におけるその他の構成は、上述したレーザー投射装置１０１における構成と同じである。

　尚、レーザー投射装置１０２に対しても、上述した種々の変形例を適用することができる。

　このようなレーザー投射装置１０２によれば、上記保護ガラスを液晶素子１３１にて兼用することから、レーザー投射装置１０１に比べて部品点数を削減できるという利点がある。

　一方、光学系１２０と走査機構１４０との間では、走査機構１４０の反射部１４１の光出射側に比べてビーム通過領域が比較的小さい。よって、図１に示すレーザー投射装置１０１のように、光学系１２０と走査機構１４０との間に液晶素子１３１を配置することで、比較的小さい液晶素子１３１ですみ、レーザー投射装置１０１は、レーザー投射装置１０２に比べて小型化が可能であり、又、上記Ｂ（青色）、上記Ｒ（赤色）、及び上記Ｇ（緑色）の３つのレーザー光を合成したレーザー光１２３に対して一つの液晶素子１３１で偏光変換が行えるので好ましい。尚、３色の各レーザー光では波長が異なることから、各色のレーザー光の全てに対して最大の偏光変換効果を得ることは、原理的に難しい。したがって、人の目の感度が高い、緑や赤のレーザー光に対して最大の偏光変換効果が得られるように液晶素子１３１の設計を行うことが好ましい。

　レーザー投射装置１０１（図１）やレーザー投射装置１０２（図８）の構成では、走査機構１４０に入射する入射ビームと走査機構１４０で反射された反射ビームとが空間的に分離するように、走査機構１４０へ斜め方向からビームを入射する構成、いわゆる角度分離方式の構成が採られている。

　一方、走査機構１４０への光路の直前に、走査機構１４０側から、往復光路でビームの偏光を９０度回転させる素子（例えば１／４波長板）と偏光ビームスプリッタとを配置し、走査機構１４０に対してビームの入射方向と反射方向とが略同じ方向となるように構成した、いわゆる偏光分離方式の構成を採用することも可能である。偏光分離方式の場合には、走査機構１４０へ向かう光路中に液晶素子１３１を配置すると、偏光ビームスプリッタへ入射するビームの偏光状態が変化してしまい、走査機構１４０に向かう光量が変化し好ましくない。偏光分離方式を採用する場合には、液晶素子１３１は、走査機構１４０からの反射ビームが偏光ビームスプリッタを出射した後の光路に配置する必要がある。

　本発明は、レーザー光を２次元に偏向走査して画像を投影するレーザー投射装置に適用することができる。

　１０１、１０２　レーザー投射装置
　１０５　走査光出射窓
　１１０　レーザー光源
　１２０　光学系
　１３０　偏光変換部
　１３１　液晶素子
　１３１ａ　透過領域
　１３２　駆動制御装置
　１４０　走査機構
　１４１　反射部
　１４２　駆動部
　１４５　ブランキング期間
　２０１　スクリーン
　２１４　走査光

Claims

　レーザー光を発生し変調するレーザー光源と、該レーザー光源から出射されたレーザー光を２次元的に走査して１フレームを形成し各フレーム間にブランキング期間を有してスクリーンに画像投影する走査機構と、前記レーザー光源が出射する光の偏光状態を異ならせて前記スクリーンへ出射する偏光変換部とを有するレーザー投射装置であって、
　１フレームを形成している間は前記偏光状態を変化させず、前記ブランキング期間に前記偏光変換部を作動させて前記偏光状態を異ならせる駆動制御装置をさらに備えたことを特徴とするレーザー投射装置。
　前記偏光変換部は、前記レーザー光の透過領域において単一の偏光状態を形成する液晶素子を有することを特徴とする請求項１記載のレーザー投射装置。
　前記液晶素子における液晶は、スメクティック液晶又は強誘電液晶であることを特徴とする請求項２記載のレーザー投射装置。
　以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザー投射装置。
　０．１＜ブランキング期間（秒）×フレーム周波数（Ｈｚ）＜０．４
　前記偏光変換部は、前記レーザー光源と前記走査機構との間に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザー投射装置。
　前記偏光変換部は、前記走査機構と前記スクリーンとの間に配置される光出射窓に備わることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザー投射装置。
　前記偏光変換部にて異ならせる前記偏光状態は、互いに直交する状態であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のレーザー投射装置。
　前記レーザー光源として波長の異なるレーザー光を射出する複数のレーザー光源と、前記複数のレーザー光源からのレーザー光を合成する光学系と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のレーザー投射装置。
　前記複数のレーザー光源はそれぞれ、青色光、緑色光、赤色光の３つのレーザー光を発生し、前記偏光変換部は、緑色光又は赤色光のレーザー光に対して互いに直交する偏光状態となるように偏光を変換することを特徴とする請求項８記載のレーザー投射装置。
　前記偏光変換部は、前記光学系と前記走査機構との間に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザー投射装置。