WO2016136060A1 - 投影光学系及びこれを有する画像投影装置 - Google Patents

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    • G03H2223/19—Microoptic array, e.g. lens array

Definitions

  • the present invention relates to a projection optical system used for a head-up display device and the like and an image projection apparatus having the same.
  • Patent Document 1 discloses a DMD (Digital Mirror Device) that emits display light constituting a display image, a transmissive screen that emits display light received from the DMD as diffused light having a substantially uniform light intensity distribution, and a transmissive type.
  • a head-up display device including a magnifying mirror that reflects light emitted from a screen is disclosed. The display light emitted from the magnifying mirror is reflected by the windshield, so that the driver can visually recognize the virtual image of the display image.
  • a microlens array is used as a transmissive screen.
  • a phase modulation element that phase-modulates laser light emitted from a light source, an FT lens that Fourier-transforms the light modulated by the phase modulation element, and an intermediate image formed by light emitted from the FT lens are formed.
  • a head-up display device including a diffuser as a transmissive screen and two magnifying mirrors that magnify an intermediate image is described.
  • JP 2014-149405 A Japanese Patent Application No. 2013-226792
  • one or two magnifying mirrors are arranged on the image side of the transmissive screen, and the intermediate image formed on the transmissive screen by these has a predetermined magnification. It is supposed to be expanded with.
  • a desired projection optical magnification is realized by one or two magnifying mirrors as in the configurations described in Patent Documents 1 and 2. Therefore, it is necessary to increase the enlargement ratio in each mirror. For this reason, there is a problem in that the visibility of the displayed image is lowered because the optical aberration in the mirror tends to increase.
  • Patent Documents 1 and 2 a microlens array or a diffuser is used as the transmission screen.
  • the angle of observation of the observer can be increased because the divergence angle of the light is increased.
  • spatial regularity occurs, it is caused by the laser beam.
  • speckle noise may occur.
  • an object of the present invention is to provide a projection optical system and an image projection apparatus capable of enlarging an intermediate image at a predetermined magnification while suppressing optical aberration and speckle noise.
  • an image projection apparatus of the present invention includes a light source that emits laser light, an image forming optical system that forms a predetermined intermediate image based on the laser light emitted from the light source, and an intermediate image.
  • a projection optical system that guides the projection surface while enlarging the image to a predetermined magnification.
  • the projection optical system diverges incident light by diverging incident light and a first optical element that reduces speckle noise included in the intermediate image.
  • a second optical element that emits light having a divergent angle, a first magnification optical system that magnifies the intermediate image, and a second magnification optical system that further magnifies the image magnified by the first magnification optical system. It is characterized by that.
  • the optical magnification can be shared with each other, so that optical aberrations in each magnifying optical system can be suppressed, As a result, a high-definition display image can be projected larger and further away.
  • the spatial regularity can be reduced and the speckle noise can be reduced. Light with a desired divergence angle can be obtained efficiently.
  • the transmission screen is sometimes displaced to reduce the speckle noise.
  • the speckle noise can be reduced by the first optical element. Therefore, a driving device or a control device for displacement or the like is not necessary.
  • a first optical element, a first magnifying optical system, a second optical element, and a second magnifying optical system are arranged in order from the image forming optical system side.
  • the size of the first optical element can be kept small, so that the component unit price can be reduced. Further, when the first optical element is disposed between the first magnifying optical system and the second optical element, it is necessary to increase the size of the second optical element in order to allow the scattered light from the first optical element to enter. Yes, the scattering of light in the first optical element may affect the generation of a divergent light beam in the second optical element. However, when the first optical element is arranged on the object side with respect to the first magnifying optical system, Such an influence can be suppressed.
  • the first magnifying optical system is a lens having a positive refractive power
  • the first optical element is disposed at the front focal position of the lens and the second optical element is disposed at the rear focal position. It is preferable that they are arranged. With such an arrangement, a high-definition image can be formed on the second optical element.
  • the second magnifying optical system is a mirror that reflects incident light.
  • the first optical element has a plurality of convex portions protruding in a direction perpendicular to the plane on at least one plane of the plane parallel plate, and the projection amount distribution of the plurality of convex portions is A random retardation plate set irregularly is preferable.
  • the second optical element is preferably a microlens array in which a plurality of microlenses are regularly arranged.
  • the image forming optical system includes: a phase modulation element that performs phase modulation on light emitted from a light source to generate phase modulation light; and a Fourier transform optical system that performs Fourier transform on the phase modulation light. It is preferable to have.
  • a hologram image can be formed as an intermediate image on the first optical element.
  • the projection optical system of the present invention is a projection optical system that guides an intermediate image formed based on laser light to a projection surface while enlarging the intermediate image to a predetermined magnification, and reduces speckle noise contained in the intermediate image. Enlarged by a first optical element, a second optical element that diverges incident light and emits it as divergent light having a predetermined divergence angle, a first magnifying optical system that magnifies an intermediate image, and a first magnifying optical system And a second enlarging optical system for further enlarging the image.
  • a projection optical system and an image projection apparatus capable of projecting a high-definition image further by enlarging an intermediate image at a predetermined magnification while suppressing optical aberration and speckle noise.
  • FIG. 1 It is a top view which shows the structure of the image projector which concerns on embodiment of this invention. It is a block diagram which shows the structure of the image projector shown in FIG.
  • FIG. 1 is a plan view showing the configuration of the image projection apparatus 10 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the image projection apparatus 10 shown in FIG.
  • the image projection apparatus 10 includes a laser light source 20, a laser driver 21, a collimator lens 22, an LCOS 30, an LCOS driver 31, an FT lens 32, a random phase difference plate 41, and the like. , A projection lens 42, a microlens array 43, a projection mirror 44, a control unit 70, and a memory 71.
  • the FT lens 32, the random phase difference plate 41, the projection lens 42, and the microlens array 43 are arranged in this order from the LCOS 30 side to the projection mirror 44 side. They overlap each other along the X-axis direction (FIG. 1).
  • the laser light source 20 is a light source that emits laser light having a wavelength in the visible region, and emits light having an intensity corresponding to the amount of current supplied from the laser driver 21.
  • the amount of current supplied from the laser driver 21 is controlled by the control unit 70.
  • the laser light I1 emitted from the laser light source 20 is converted into a parallel light beam I2 by the collimator lens 22 and enters the LCOS 30.
  • LCOS 30 is a reflective LCOS (Liquid Crystal On Silicon), and is a panel having a liquid crystal layer and an electrode layer such as aluminum.
  • the LCOS 30 includes a plurality of pixels in which electrodes for applying an electric field to the liquid crystal layer are regularly arranged.
  • the phase modulation element As the phase modulation element, the tilt angle in the thickness direction of the crystal layer in the liquid crystal layer changes due to the change in electric field strength applied to each electrode, and the reflected laser beam has a phase for each pixel. Modulated. Such a change in phase for each pixel is controlled by the LCOS driver 31.
  • An instruction signal corresponding to the image data is sent to the LCOS driver 31 from the control unit 70 that has read the image data stored in the memory 71 in advance, and according to this instruction signal, the LCOS driver 31 outputs the instruction signal for each pixel of the LCOS 30. By controlling the phase, a predetermined phase-modulated light I3 is generated.
  • the phase-modulated light I3 generated by the LCOS 30 enters an FT lens 32 as a Fourier transform optical system.
  • the FT lens 32 is, for example, a biconvex positive lens, and performs Fourier transform on incident light as a Fourier transform lens and generates image light I4 by collecting the incident light.
  • This image light I4 forms an image on the random phase difference plate 41 as an intermediate image (hologram image).
  • a positive refractive power lens having another shape or a positive refractive power optical system including a plurality of lenses is used instead of the FT lens 32. Also good. If phase modulation is possible, a transmissive LCOS or other modulation element may be used instead of the LCOS 30.
  • the collimator lens 22, the LCOS 30, and the FT lens 32 described above constitute an image forming optical system that forms a predetermined intermediate image based on the laser light emitted from the laser light source 20.
  • the random retardation plate 41 has a parallel flat plate shape, and is formed, for example, by resin molding.
  • the random retardation plate 41 has a plurality of convex portions (lenslets) formed on at least one of two planes (incident surface 41a and exit surface 41b) facing each other. These convex portions protrude in a direction (X direction) orthogonal to the plane, and are arranged so that the distribution of the protruding amount of the convex portions is irregular.
  • the protrusion amount of the convex portion for example, there are four types in which the phase shift is 0 (zero), ⁇ / 4, 2 ⁇ / 4, and 3 ⁇ / 4 with respect to the light with the wavelength ⁇ incident on the random retardation plate 41.
  • each light is generated at each convex portion.
  • the area occupied by each convex portion on the plane is approximately the same as or less than the pixels of the intermediate image formed on the random phase difference plate 41, and is, for example, 1/2 to 1/10 of the pixels. It is preferable.
  • the random retardation plate 41 can disturb the spatial regularity of the phase of the transmitted light as the first optical element. Therefore, the specifications included in the intermediate image generated by the FT lens 32 It is possible to emit image light I5 with reduced noise to the projection lens 42 side.
  • the random retardation plate 41 may have a configuration other than the above as long as a phase difference can be given to the transmitted light.
  • a configuration in which an isotropic transparent thin film is formed on a part of the plane or a birefringent plate can be used.
  • the projection lens 42 is, for example, a biconvex positive lens, and is made of glass, plastic, or other transparent material, and magnifies the intermediate image at a predetermined magnification as a first magnification optical system.
  • the image light I6 emitted from the projection lens 42 enters the microlens array 43.
  • the random retardation plate 41 is disposed at the front focal position of the projection lens 42 (the focal position on the LCOS 30 side), and the microlens array 43 is disposed at the rear focal position of the projection lens 42 (image side focal position). ing. Thereby, an enlarged image of the intermediate image formed on the random phase difference plate 41 is formed on the microlens array 43.
  • a positive refractive power lens having another shape or a positive refractive power optical system including a plurality of lenses may be used.
  • the microlens array 43 is formed by molding a resin, for example, and has a configuration in which a plurality of microlenses are regularly arranged on the incident surface 43a. In the microlens array 43, each microlens diverges the incident light I6 as a second optical element, whereby a divergent light beam I7 having a predetermined divergence angle is emitted.
  • the divergent light beam I7 emitted from the microlens array 43 is incident on the projection mirror 44.
  • the reflecting surface 44 a of the projection mirror 44 is a concave mirror (magnifying mirror), and the divergent light beam I 7 is magnified and reflected by the projection mirror 44. That is, the projection mirror 44 further magnifies the image magnified by the projection lens 42 as the second magnification optical system.
  • the reflected light from the projection mirror 44 is projected onto the display area of the windshield 45 of the vehicle. Since this display area functions as a semi-reflective surface, the incident image light is reflected toward the driver and a virtual image is formed in front of the windshield 45.
  • the second magnifying optical system may be composed of a plurality of projection mirrors in consideration of the size, configuration, aberration, and the like of the apparatus.
  • the random retardation plate 41, the projection lens 42, the microlens array 43, and the projection mirror 44 described above guide the intermediate image formed on the random retardation plate 41 to a projection surface while enlarging the intermediate image to a predetermined magnification.
  • a projection optical system is configured.
  • the optical magnification can be shared by these, so that the optical aberration that increases as the magnification increases, In particular, distortion, chromatic aberration, and luminance aberration can be suppressed. Accordingly, a high-definition display image can be projected larger and further away.
  • a random phase difference plate 41 and a microlens array 43 are provided, and the random phase difference plate 41 reduces speckle noise caused by the laser light, thereby reducing the microlens array.
  • divergent light having a predetermined divergence angle is generated.
  • the spatial regularity can be reduced by transmitting through the random phase difference plate 41 to reduce speckle noise, and the light having a desired divergence angle can be transmitted through the microlens array 43. Obtained efficiently.
  • the random retardation plate 41 and the microlens array 43 with high transmittance it is possible to suppress the loss of light intensity and the loss due to scattering of incident light as compared with the case of using a diffuser. High quality and high quality final images can be obtained.
  • the transmission screen is sometimes displaced to reduce speckle noise.
  • such operation and control are not necessary, so No drive device or control device is required.
  • the size of the random retardation plate 41 can be kept small compared to the case where it is arranged on the image side. Therefore, the unit price can be reduced. Further, when the random retardation plate 41 is disposed between the projection lens 42 and the microlens array 43, it is necessary to increase the size of the microlens array 43 in order to allow the scattered light from the random retardation plate 41 to enter. In addition, the scattering of light in the random phase difference plate 41 may affect the generation of divergent light beams in the microlens array 43. If the random phase difference plate 41 is arranged on the object side with respect to the projection lens 42, this may occur. Such an effect can be suppressed.
  • the collimator lens 22, the LCOS 30, and the FT lens 32 constitute an image forming optical system for forming an intermediate image.
  • the light from the laser light source 20 is scanned.
  • a configuration is also possible in which a scanning unit is provided, and an intermediate image is formed on the random retardation plate 41 by scanning light from the scanning unit.
  • the projection optical system and the image projection apparatus having the projection optical system according to the present invention are useful for a head-up display device for a vehicle and are suitable for displaying a high-definition and large-size image.

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Abstract

【課題】光学収差およびスペックルノイズを抑制しながら、中間画像を所定の倍率で拡大することが可能な投影光学系及び画像投影装置を提供する。 【解決手段】レーザ光を射出する光源と、光源から射出されるレーザ光に基づいて所定の中間像を形成する像形成光学系と、中間像を所定の倍率に拡大しつつ、被投影面に導く投影光学系とを有し、投影光学系は、中間像に含まれるスペックルノイズを低減させる第１光学素子と、入射光を発散させ、所定の発散角を有する発散光として射出させる第２光学素子と、中間像を拡大する第１拡大光学系と、第１拡大光学系で拡大された像をさらに拡大する第２拡大光学系とを備える。

Description

投影光学系及びこれを有する画像投影装置
　本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置等に用いる投影光学系及びこれを有する画像投影装置に関する。
　特許文献１は、表示画像を構成する表示光を出射するＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）と、ＤＭＤから受光した表示光を、光強度分布が略均一な拡散光として出射する透過型スクリーンと、透過型スクリーンからの出射光を反射する拡大ミラーとを備えたヘッドアップディスプレイ装置を開示している。拡大ミラーから出射された表示光は、ウインドシールドで反射させることによって運転者に表示画像の虚像を視認可能とされる。このヘッドアップディスプレイ装置においては、透過型スクリーンとしてマイクロレンズアレイを用いている。
　特許文献２には、光源から射出されたレーザ光を位相変調する位相変調素子と、位相変調素子で変調された光をフーリエ変換するＦＴレンズと、ＦＴレンズからの出射光による中間像が形成される透過型スクリーンとしてのディフューザと、中間像を拡大する２つの拡大ミラーとを備えるヘッドアップディスプレイ装置について記載されている。
特開２０１４－１４９４０５号公報 特願２０１３－２２６７９２号明細書
　特許文献１、２に記載の投影光学系の構造によると、透過型スクリーンよりも像側に拡大ミラーが１つまたは２つ配置され、これらによって透過型スクリーンに形成された中間像が所定の倍率で拡大されるようになっている。ここで、拡大ミラーの大きさや設置枚数は装置の大きさに制約されるため、特許文献１、２に記載の構成のように１～２枚の拡大ミラーによって所望の投影光学倍率を実現する場合には、それぞれのミラーにおける拡大率を高くする必要が生ずる。このため、ミラーにおける光学収差が大きくなりやすいことから、表示画像の視認性が低下してしまうという問題があった。
　また、特許文献１、２において、透過型スクリーンとしてマイクロレンズアレイやディフューザを用いている。このような光学素子を用いた場合、光の発散角が大きくなるために観察者の観察角度を大きく取ることができるが、空間的な規則性が発生してしまうことから、レーザ光に起因するスペックルノイズが発生する可能性があるなど、表示画像の視認性が低下してしまうという問題があった。
　そこで本発明は、光学収差およびスペックルノイズを抑制しながら、中間画像を所定の倍率で拡大することが可能な投影光学系及び画像投影装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の画像投影装置は、レーザ光を射出する光源と、光源から射出されるレーザ光に基づいて所定の中間像を形成する像形成光学系と、中間像を所定の倍率に拡大しつつ、被投影面に導く投影光学系とを有し、投影光学系は、中間像に含まれるスペックルノイズを低減させる第１光学素子と、入射光を発散させ、所定の発散角を有する発散光として射出させる第２光学素子と、中間像を拡大する第１拡大光学系と、第１拡大光学系で拡大された像をさらに拡大する第２拡大光学系とを備えることを特徴としている。
　拡大光学系を第１拡大光学系と第２拡大光学系の２つに分けることにより、光学倍率をそれぞれに分担させることができるため、それぞれの拡大光学系における光学収差を抑えることが可能となり、これによって、高精細な表示画像をより大きく、かつ、より遠くに投影させることが可能となる。
　さらに、スペックルノイズの低減と発散光の生成を、第１光学素子と第２光学素子のそれぞれで行うようにしたため、空間的な規則性を低減させてスペックルノイズを低減させることできるとともに、所望の発散角の光を効率的に得ることができる。
　また、従来の装置においては、スペックルノイズ低減のために透過型スクリーンを変位等させることがあったが、本発明では、第１光学素子によってスペックルノイズを低減できることから、透過型スクリーンの変位等の動作や制御が不要となるため、変位等のための駆動装置や制御装置が不要となる。
　本発明の画像投影装置において、像形成光学系側から順に、第１光学素子、第１拡大光学系、第２光学素子、及び、第２拡大光学系が配置されていることが好ましい。
　第１拡大光学系よりも物体側に第１光学素子を配置したことにより、第１光学素子のサイズを小さく抑えることができるため、部品単価の低減を図ることができる。さらに、第１光学素子を第１拡大光学系と第２光学素子の間に配置した場合、第１光学素子からの散乱光も入射させるためには、第２光学素子のサイズを大きくする必要があり、また、第１光学素子における光の散乱が第２光学素子における発散光束の生成に影響を及ぼすおそれがあるが、第１光学素子を第１拡大光学系よりも物体側に配置した場合はこのような影響を抑えることができる。
　本発明の画像投影装置において、第１拡大光学系は、正の屈折力を有するレンズであって、レンズの前側焦点位置に第１光学素子が配置され、後側焦点位置に第２光学素子が配置されていることが好ましい。
　このような配置により、第２光学素子上に高精細の画像を形成することができる。
　本発明の画像投影装置において、第２拡大光学系は、入射光を反射するミラーであることが好ましい。
　本発明の画像投影装置において、第１光学素子は、平行平面板の少なくとも一方の平面に、平面に直交する方向に突出する複数の凸部が形成され、複数の凸部の突出量の分布は不規則に設定されているランダム位相差板であることが好ましい。
　これにより、第１光学素子を透過する際の光強度の低下や入射光の散乱による損失を抑えることができ、このため、視認性が高く、品質の高い最終画像を得ることができる。
　本発明の画像投影装置において、第２光学素子は、複数の微小レンズが規則的に配列されたマイクロレンズアレイであることが好ましい。
　これにより、第２光学素子を透過する際の光強度の低下や入射光の散乱による損失を抑えることができ、これによって視認性が高く、品質の高い最終画像を得ることができる。
　本発明の画像投影装置において、像形成光学系は、光源からの出射光に対して位相変調を施して位相変調光を生成する位相変調素子と、位相変調光をフーリエ変換するフーリエ変換光学系と、を有することが好ましい。
　これにより、第１光学素子上に、中間像として、ホログラム画像を形成することができる。
　本発明の投影光学系は、レーザ光に基づいて形成された中間像を所定の倍率に拡大しつつ、被投影面に導く投影光学系であって、中間像に含まれるスペックルノイズを低減させる第１光学素子と、入射光を発散させ、所定の発散角を有する発散光として射出させる第２光学素子と、中間像を拡大する第１拡大光学系と、第１拡大光学系で拡大された像をさらに拡大する第２拡大光学系とを備えることを特徴としている。
　これにより、光学収差およびスペックルノイズを抑制しながら、中間画像を所定の倍率で拡大して高精細の画像を投影することができる。
　本発明によると、光学収差およびスペックルノイズを抑制しつつ、中間画像を所定の倍率で拡大することにより、高精細な画像をより遠くに投影することが可能な、投影光学系及び画像投影装置を実現することができる。
本発明の実施形態に係る画像投影装置の構成を示す平面図である。 図１に示す画像投影装置の構成を示すブロック図である。
　以下、本発明の実施形態に係る投影光学系及び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。本実施形態の画像投影装置１０は、本発明の画像投影装置をヘッドアップディスプレイ装置に適用した場合の例である。ここで、図１は本実施形態に係る画像投影装置１０の構成を示す平面図である。図２は、図１に示す画像投影装置１０の構成を示すブロック図である。
　画像投影装置１０は、図１又は図２に示すように、レーザ光源２０と、レーザドライバ２１と、コリメータレンズ２２と、ＬＣＯＳ３０と、ＬＣＯＳドライバ３１と、ＦＴレンズ３２と、ランダム位相差板４１と、投影レンズ４２と、マイクロレンズアレイ４３と、投影ミラー４４と、制御部７０と、メモリ７１とを備える。図１に示すように、ＦＴレンズ３２、ランダム位相差板４１、投影レンズ４２、及び、マイクロレンズアレイ４３は、ＬＣＯＳ３０側から投影ミラー４４側へこの順序で配置されており、それぞれの光軸がＸ軸方向（図１）に沿うように、互いに重なっている。
　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７０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はコリメータレンズ２２によって平行光束Ｉ２に変換されて、ＬＣＯＳ３０に入射する。
　ＬＣＯＳ３０は、反射型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、反射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によって制御される。ＬＣＯＳドライバ３１には、予めメモリ７１に格納された画像データを読み出した制御部７０から、画像データに対応する指示信号が送出され、この指示信号にしたがって、ＬＣＯＳドライバ３１は、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。
　ＬＣＯＳ３０で生成された位相変調光Ｉ３は、フーリエ変換光学系としての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とによりイメージ光Ｉ４を生成する。このイメージ光Ｉ４は、中間像（ホログラム画像）としてランダム位相差板４１上に結像する。
　なお、位相変調光Ｉ３のフーリエ変換が可能であれば、ＦＴレンズ３２に代えて、別の形状の正の屈折力のレンズや、複数枚のレンズからなる正の屈折力の光学系を用いても良い。また、位相変調が可能であれば、ＬＣＯＳ３０に代えて、透過型ＬＣＯＳ、その他の変調素子を用いても良い。
　以上述べた、コリメータレンズ２２、ＬＣＯＳ３０、及びＦＴレンズ３２は、レーザ光源２０から射出されるレーザ光に基づいて所定の中間像を形成する像形成光学系を構成する。
　ランダム位相差板４１は、平行平面板状をなしており、例えば樹脂の成形によって形成される。ランダム位相差板４１は、互いに対向する２平面（入射面４１ａと射出面４１ｂ）のうちの少なくとも一方の平面に複数の凸部（レンズレット）が形成されている。これらの凸部は、前記平面に直交する方向（Ｘ方向）に突出しており、その凸部の突出量の分布が不規則になるように配置されている。凸部の突出量としては、例えば、ランダム位相差板４１へ入射する波長λの光に対して、位相のずれが０（ゼロ）、λ／４、２λ／４、３λ／４となる４種の光が各凸部でそれぞれ生成されるように、４種類の突出量が設定される。また、それぞれの凸部が前記平面上で占める面積は、ランダム位相差板４１上に結像する中間像の画素と同程度又はそれ以下であり、例えば画素の１／２～１／１０であることが好ましい。このような構成により、ランダム位相差板４１は、第１光学素子として、透過光の位相の空間的規則性を乱すことが可能となるため、ＦＴレンズ３２によって生成された中間像に含まれるスペックルノイズを低減させたイメージ光Ｉ５を投影レンズ４２側へ射出することが可能となる。
　なお、透過光に位相差を与えることができれば、ランダム位相差板４１を、上記以外の構成としてもよい。例えば、前記平面の一部に等方性の透明薄膜を形成した構成や、複屈折板を用いることができる。
　投影レンズ４２は、例えば両凸正レンズであって、ガラス、プラスチックその他の透明材料によって構成し、第１拡大光学系として所定の倍率で中間像を拡大する。投影レンズ４２から射出されたイメージ光Ｉ６は、マイクロレンズアレイ４３に入射する。
　ここで、ランダム位相差板４１は投影レンズ４２の前側焦点位置（ＬＣＯＳ３０側の焦点位置）に配置され、マイクロレンズアレイ４３は、投影レンズ４２の後側焦点位置（像側焦点位置）に配置されている。これにより、ランダム位相差板４１上に形成された中間像の拡大像がマイクロレンズアレイ４３上に結像する。なお、投影レンズ４２に代えて、別の形状の正の屈折力のレンズや、複数枚のレンズからなる正の屈折力の光学系を用いても良い。
　マイクロレンズアレイ４３は、例えば樹脂の成形によって形成し、入射面４３ａにおいて複数の微小レンズが規則的に配列された構成を備える。マイクロレンズアレイ４３は、第２光学素子として、それぞれの微小レンズが入射光Ｉ６を発散させ、これにより所定の発散角を有する発散光束Ｉ７が射出される。
　マイクロレンズアレイ４３から射出された発散光束Ｉ７は、投影ミラー４４に入射する。投影ミラー４４の反射面４４ａは凹面鏡（拡大鏡）であって、発散光束Ｉ７は、投影ミラー４４で拡大・反射される。すなわち、投影ミラー４４は、第２拡大光学系として、投影レンズ４２で拡大された像をさらに拡大する。投影ミラー４４からの反射光は、車両のウインドシールド４５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４５の前方に虚像が形成される。ウインドシールド４５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の前方の所定位置Ｐ１に各種の情報が表示されているように見える。なお、第２拡大光学系は、装置のサイズや構成、収差等を考慮した上で、複数枚数の投影ミラーで構成してもよい。
　以上述べた、ランダム位相差板４１、投影レンズ４２、マイクロレンズアレイ４３、及び投影ミラー４４は、ランダム位相差板４１に結像する中間像を所定の倍率に拡大しつつ、被投影面に導く投影光学系を構成する。
　以上のように構成されたことから、上記実施形態によれば、次の効果を奏する。
（１）投影光学系において、拡大光学系を投影レンズ４２と投影ミラー４４の２つに分けることにより、光学倍率をこれらに分担させることができるため、倍率の増大にともなって増加する光学収差、特に歪曲収差、色収差、輝度収差を抑えることが可能となる。したがって、高精細な表示画像を、より大きく、かつ、より遠くに投影させることが可能となる。
（２）従来の透過型スクリーンに代えて、ランダム位相差板４１とマイクロレンズアレイ４３の２つを設け、ランダム位相差板４１では、レーザ光に起因するスペックルノイズを低減させ、マイクロレンズアレイ４３では、所定の発散角を有する発散光を生成させている。この構成においては、ランダム位相差板４１を透過させることによって空間的な規則性を低減させてスペックルノイズを低減させることできるとともに、マイクロレンズアレイ４３を透過させることによって所望の発散角の光を効率的に得られる。さらに、透過率の高い、ランダム位相差板４１とマイクロレンズアレイ４３を用いることにより、ディフューザを用いた場合よりも、光強度の低下や入射光の散乱による損失を抑えることができ、これによって視認性が高く、品質の高い最終画像を得ることができる。また、従来の装置においては、スペックルノイズ低減のために透過型スクリーンを変位等させることがあったが、本実施形態の構成においてはそのような動作や制御が不要であるため、変位等のための駆動装置や制御装置が不要となる。
（３）ランダム位相差板４１を投影レンズ４２に対して物体側（ＬＣＯＳ３０側）に配置しているため、像側に配置した場合に対してランダム位相差板４１のサイズを小さく抑えることができることから部品単価の低減を図ることができる。さらに、ランダム位相差板４１を投影レンズ４２とマイクロレンズアレイ４３の間に配置した場合、ランダム位相差板４１からの散乱光も入射させるためにはマイクロレンズアレイ４３のサイズを大きくする必要があり、また、ランダム位相差板４１における光の散乱がマイクロレンズアレイ４３における発散光束の生成に影響を及ぼすおそれがあるが、ランダム位相差板４１を投影レンズ４２よりも物体側に配置した場合はこのような影響を抑えることができる。
　以下に変形例について説明する。
　上述の実施形態においては、コリメータレンズ２２、ＬＣＯＳ３０、及びＦＴレンズ３２によって、中間像を形成するための像形成光学系を構成していたが、これに代えて、レーザ光源２０からの光を走査する走査手段を設け、この走査手段からの走査光によってランダム位相差板４１上に中間像を形成する構成も可能である。
　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、本発明に係る投影光学系及びこれを有する画像投影装置は、車両用のヘッドアップディスプレイ装置に有用であり、高精細でサイズの大きな画像を表示することに適している。
　１０　　画像投影装置
　２０　　レーザ光源
　２２　　コリメータレンズ（像形成光学系）
　３０　　ＬＣＯＳ（位相変調素子、像形成光学系）
　３２　　ＦＴレンズ（フーリエ変換光学系、像形成光学系）
　４１　　ランダム位相差板（第１光学素子、投影光学系）
　４２　　投影レンズ（第１拡大光学系、投影光学系）
　４３　　マイクロレンズアレイ（第２光学素子、投影光学系）
　４４　　投影ミラー（第２拡大光学系、投影光学系）

Claims (8)

  1. 　レーザ光を射出する光源と、
    　前記光源から射出されるレーザ光に基づいて所定の中間像を形成する像形成光学系と、
    　前記中間像を所定の倍率に拡大しつつ、被投影面に導く投影光学系とを有し、
    　前記投影光学系は、
    　前記中間像に含まれるスペックルノイズを低減させる第１光学素子と、
    　入射光を発散させ、所定の発散角を有する発散光として射出させる第２光学素子と、
    　前記中間像を拡大する第１拡大光学系と、
    　前記第１拡大光学系で拡大された像をさらに拡大する第２拡大光学系と
    を備えることを特徴とする画像投影装置。
  2. 　前記像形成光学系側から順に、前記第１光学素子、前記第１拡大光学系、前記第２光学素子、及び、前記第２拡大光学系が配置されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
  3. 　前記第１拡大光学系は、正の屈折力を有するレンズであって、前記レンズの前側焦点位置に前記第１光学素子が配置され、後側焦点位置に前記第２光学素子が配置されている
    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拡大光学系は、入射光を反射するミラーである
    ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の画像投影装置。
  5. 　前記第１光学素子は、平行平面板の少なくとも一方の平面に、前記平面に直交する方向に突出する複数の凸部が形成され、前記複数の凸部の突出量の分布は不規則に設定されているランダム位相差板である
    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. 　前記第２光学素子は、複数の微小レンズが規則的に配列されたマイクロレンズアレイである
    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. 　前記像形成光学系は、
    　前記光源からの出射光に対して位相変調を施して位相変調光を生成する位相変調素子と、
    　前記位相変調光をフーリエ変換するフーリエ変換光学系と、
    を有する
    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。
  8. 　レーザ光に基づいて形成された中間像を所定の倍率に拡大しつつ、被投影面に導く投影光学系であって、
    　前記投影光学系は、
    　前記中間像に含まれるスペックルノイズを低減させる第１光学素子と、
    　入射光を発散させ、所定の発散角を有する発散光として射出させる第２光学素子と、
    　前記中間像を拡大する第１拡大光学系と、
    　前記第１拡大光学系で拡大された像をさらに拡大する第２拡大光学系と
    を備えることを特徴とする投影光学系。
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