(57)【要約】  レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を二次元的に走査して右目用画像および左目用画像を交互に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、入射されるレーザ光の偏光状態を変化させる偏光変換部と、前記偏光変換部が出射するレーザ光の偏光状態を交互に直交させるよう前記ブランキング期間ごとに前記偏光変換部を駆動させる駆動制御装置と、を備えたレーザ投射装置とした。
2012039267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を二次元的に走査して右目用画像および左目用画像を交互に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、
入射されるレーザ光の偏光状態を変化させる偏光変換部と、
前記偏光変換部が出射するレーザ光の偏光状態を交互に直交させるよう前記ブランキング期間ごとに前記偏光変換部を駆動させる駆動制御装置と、を備えたことを特徴とするレーザ投射装置。
【請求項２】
前記偏光変換部は、液晶素子であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ投射装置。
【請求項３】
前記偏光変換部の応答時間は、前記ブランキング期間以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ投射装置。
【請求項４】
前記偏光変換部は、前記光学系と前記走査機構の間に配置されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のレーザ投射装置。
【請求項５】
前記偏光変換部は液晶素子であって、前記液晶素子が有する液晶はスメクティック液晶または強誘電液晶であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のレーザ投射装置。
【請求項６】
前記走査機構は、入射されるレーザ光を反射する反射部と、前記反射部を駆動する駆動回路とを有し、速度の異なる二つの走査方向で走査を行い、
前記駆動回路は、前記二つの走査方向のうち速度が遅い走査方向に対応する前記反射部の駆動を５０Ｈｚ以上の三角波駆動で行うことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のレーザ投射装置。
【請求項７】
右目用画像および左目用画像それぞれについて２回目のフレームにおける走査ラインを１回目のフレームにおける走査ラインとずらすことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載のレーザ投射装置。
【請求項８】
前記走査機構は、前記光学系から出射されたレーザ光を二次元的に走査して二次元表示用画像を１フレームごとに形成し各フレーム間にブランキング期間を有して前記スクリーンに画像投影し、
その際、前記駆動制御装置は、前記偏光変換部が出射するレーザ光の偏光状態を異ならせるよう前記ブランキング期間ごとに前記偏光変換部を駆動させることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載のレーザ投射装置。
【請求項９】
前記走査機構が右目用画像あるいは左目用画像を連続して前記スクリーンに投影させる場合、前記駆動制御装置は、前記ブランキング期間において前記偏光変換部が出射する偏光状態が変化しないよう前記偏光変換部を駆動させることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載のレーザ投射装置。
【請求項１０】
前記レーザ光源は、緑色光を発生する緑レーザ素子と、赤色光を発生する赤レーザ素子と、青色光を発生する青レーザ素子を有し、
当該レーザ投射装置は、さらに前記緑レーザ素子、前記赤レーザ素子、前記青レーザ素子からのそれぞれのレーザ光を同一光路に合成する合成光学系を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載のレーザ投射装置。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０のいずれかに記載のレーザ投射装置と、当該レーザ投射装置に入力させるための三次元表示用画像データを生成する画像生成装置と、偏光状態を保持するスクリーンと、左右の透過偏光状態が直交した偏光メガネと、を備えたことを特徴とする画像投影システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元画像を投影するレーザ投射装置および画像投影システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から液晶素子やＤＭＤ（Digital  Micromirror  Device）を用いた画素型プロジェクタが存在している。近年では、二次元画像に加えて三次元画像の投影に対応した画像投影装置も提案されている。例えば、特許文献１には、プロジェクタの前面に色消し偏光スイッチ（ＡＰＳ）を配置し、偏光メガネによって三次元画像感覚を得るといった画像投影装置が提案されている。【０００３】
また、近年では特許文献２のように、レーザ光源を用いたプロジェクタも提案されている。特許文献２のプロジェクタでは、レーザ光源と走査ミラーの間の光路中に偏光制御手段を備え、偏光制御手段が有する波長板を回転させることでレーザ光源から発せられた光の偏光状態を時間的に変化させ、レーザ光源特有の問題であるスペックルを低減させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００９−５２４１０６号公報
【特許文献２】特開２００６−４７４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１では、用いるプロジェクタが常時発光する画素型であり、偏光スイッチの動作速度があることにより、偏光状態の遷移状態でわずかながらクロストーク（二重像）が発生してしまうといった問題がある。【０００６】
また、上記特許文献２では、投影する画面の場所ごとに偏光状態を変化させるため、画面ごとに異なる偏光状態を得ることはできず、三次元画像表示に対応するものではない。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、耐久性および騒音といった課題もある。【０００７】
上記問題点を鑑み、本発明は、安価で携帯し易く、良好な三次元画像を投影することができるレーザ投射装置および画像投影システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明のレーザ投射装置は、レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を二次元的に走査して右目用画像および左目用画像を交互に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、
入射されるレーザ光の偏光状態を変化させる偏光変換部と、
前記偏光変換部が出射するレーザ光の偏光状態を交互に直交させるよう前記ブランキング期間ごとに前記偏光変換部を駆動させる駆動制御装置と、を備えた構成とする。【０００９】
このような構成によれば、画像投影をレーザ走査方式で行うので投影レンズ等が不要となり、また、偏光メガネでスクリーンを観察するいわゆる偏光方式で三次元画像を投影するので、いわゆるシャッター方式のように投射装置側にメガネと同期するための機構を設ける必要もなく、レーザ投射装置の小型化・低コスト化を図ることができる。さらに、ブランキング期間に偏光変換部を駆動させてレーザ光の偏光状態を変化させるので、１フレーム内で偏光状態をほぼ一定とすることができ、クロストークを抑えた良好な三次元画像を投影することができる。【００１０】
また、上記構成において、前記偏光変換部は、液晶素子であるようにしてもよい。【００１１】
また、上記いずれかの構成において、前記偏光変換部の応答時間は、前記ブランキング期間以下であるようにしてもよい。【００１２】
また、上記いずれかの構成において、前記偏光変換部は、前記光学系と前記走査機構の間に配置されるようにしてもよい。【００１３】
また、上記いずれかの構成において、前記偏光変換部は液晶素子であって、前記液晶素子が有する液晶はスメクティック液晶または強誘電液晶であるようにしてもよい。【００１４】
また、上記いずれかの構成において、前記走査機構は、入射されるレーザ光を反射する反射部と、前記反射部を駆動する駆動回路とを有し、速度の異なる二つの走査方向で走査を行い、
前記駆動回路は、前記二つの走査方向のうち速度が遅い走査方向に対応する前記反射部の駆動を５０Ｈｚ以上の三角波駆動で行うようにしてもよい。【００１５】
また、上記いずれかの構成において、右目用画像および左目用画像それぞれについて２回目のフレームにおける走査ラインを１回目のフレームにおける走査ラインとずらすようにしてもよい。【００１６】
また、上記いずれかの構成において、前記走査機構は、前記光学系から出射されたレーザ光を二次元的に走査して二次元表示用画像を１フレームごとに形成し各フレーム間にブランキング期間を有して前記スクリーンに画像投影し、
その際、前記駆動制御装置は、前記偏光変換部が出射するレーザ光の偏光状態を異ならせるよう前記ブランキング期間ごとに前記偏光変換部を駆動させるようにしてもよい。【００１７】
また、上記いずれかの構成において、前記走査機構が右目用画像あるいは左目用画像を連続して前記スクリーンに投影させる場合、前記駆動制御装置は、前記ブランキング期間において前記偏光変換部が出射する偏光状態が変化しないよう前記偏光変換部を駆動させるようにしてもよい。【００１８】
また、上記いずれかの構成において、前記レーザ光源は、緑色光を発生する緑レーザ素子と、赤色光を発生する赤レーザ素子と、青色光を発生する青レーザ素子を有し、
当該レーザ投射装置は、さらに前記緑レーザ素子、前記赤レーザ素子、前記青レーザ素子からのそれぞれのレーザ光を同一光路に合成する合成光学系を備えてもよい。【００１９】
また、本発明の画像投影システムは、上記いずれかの構成のレーザ投射装置と、当該レーザ投射装置に入力させるための三次元表示用画像データを生成する画像生成装置と、偏光状態を保持するスクリーンと、左右の透過偏光状態が直交した偏光メガネと、を備えた構成とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、安価で携帯し易く、良好な三次元画像を投影することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ投射装置の構成を示す図である。
【図２】走査機構の反射部を鋸歯状駆動した様子を示すタイミングチャートである。
【図３】駆動制御装置が行う液晶素子への電圧印加およびそのときの液晶素子の動作状態を示すタイミングチャートである。
【図４】液晶素子の一例の平面図である。
【図５】偏光状態を変換する方式の一例を示す図である。
【図６Ａ】偏光状態を変換する方式の一例を示す図である。
【図６Ｂ】偏光状態を変換する方式の一例を示す図である。
【図７Ａ】偏光状態を変換する方式の一例を示す図である。
【図７Ｂ】偏光状態を変換する方式の一例を示す図である。
【図８】本発明の別実施形態に係るレーザ投射装置の構成を示す図である。
【図９】走査機構の反射部を三角波駆動した様子を示すタイミングチャートである。
【図１０】駆動制御装置が行う液晶素子への電圧印加の別例を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に本発明の実施形態を図面も参照して説明する。まず、本発明の画像投影システムは、三次元画像表示の方式として偏光方式を採用しており、その利点について他の方式との比較をしつつ説明する。
【００２３】
三次元画像表示の一つの方法として、光の位相および振幅変調により立体物の正確な波面を形成するホログラフィックディスプレイが提案されているが、未だ実用レベルには達していない。実用レベルの方法としては、観察者の右目には第１の画像だけ、左目には第２の画像だけを見せることで、第１と第２の画像が形成する視差情報により観察者に立体感を提供する方法がある。その際に観察者は通常メガネ等を装着する必要がある。ここでいうメガネとは視力調整用のメガネではなく、裸眼または視力調整用メガネをかけた状態で眼の前に装着固定できるものを指す。
【００２４】
立体感を与えるために、両眼視差画像を投影する方法にもいくつかある。一つ目の方法としてアナグラフ方式と呼ばれる方法があり、左右で透過スペクトルの異なるメガネを装着する。そして、画像のスペクトルを分解し左右で別のスペクトル画像を投影する。一方の目で可視スペクトルの一部を観察し、他方の目で別のスペクトルを観察する。しかし、本方式ではそれぞれの目の観察力の違いにより眼の疲れを引き起こす課題がある。
【００２５】
二つ目の方法としてシャッター方式と呼ばれる方法があり、液晶シャッター等を備えたメガネを用いて、左右の目で交互にフレームを見る方式である。しかし、メガネに駆動素子を備えるため電池や回路が必要であり、さらに投影画像との同期を取るために赤外線の受光素子や回路を備える必要があるため、メガネが大型化し高価なものとなってしまうという課題がある。また、投影装置にも赤外線の発光素子等が必要となり大型化してしまう。
【００２６】
そして、本発明で採用されている方式であり偏光方式と呼ばれる方式がある。本方式では、左右で互いに直交する偏光状態選択特性を有する偏光フィルタを備えた偏光メガネを装着することで、一方の目で或る偏光状態を、他方の目でそれと直交する偏光状態を観察する。なお、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二つの状態をいう。偏光状態を保持するスクリーンが必要ではあるが、アルミホイル等の安価なものでも実現可能である上に、観察者は安価で軽量な偏光メガネをかけるだけなので、安価で携帯し易い三次元画像投影システムを実現できる。
【００２７】
次に、本発明の画像投影システムではレーザ走査式プロジェクタを使用しており、この利点について以下説明する。
【００２８】
レーザ走査式プロジェクタでは、レーザ光源と、レーザ光を二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光を走査手段で走査して画像投影するレーザ投射装置である。別のプロジェクタの方式として、液晶素子やＤＭＤ（Digital  Micromirror  Device）といった二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ある。これと比較すると、上記レーザ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る。
【００２９】
また、三次元画像投影として上述した偏光方式を採用するにあたり、レーザ走査式プロジェクタであればロスなく光を出力できるといった利点がある。偏光方式では、右目用画像と左目用画像で異なる偏光状態を作り出す必要があり、投影装置の射出光は偏光している必要がある。一般のランプやＬＥＤ（Light  Emitting  Diode）を用いた投影装置や、レーザ光源を用いても照明光学系に拡散板やロッドインテグレータ等を用いている投影装置では、偏光状態が一様ではなく一般には無偏光状態となる。従って、これらの投影装置を用いて偏光方式の三次元画像投影を行うには、一般に射出側に偏光板を配置する必要がある。
【００３０】
しかし、偏光板を配置すると、無偏光の光を偏光するために５０％の光しか利用できない（５０％の光は偏光板に吸収される）。また、偏光板は透過偏光状態であっても通常８０〜９０％の透過率しかないため、さらにエネルギーをロスしてしまう。そのため、偏光板透過後の光の明るさが透過前の半分以下になってしまったり、同じ明るさを得るためにより多くの電力を投入する必要があったりするので好ましくない。
【００３１】
その点、レーザ走査方式であれば、レーザ光源がそもそも偏光しているので、ＲＧＢ各色の偏光状態をそろえることで、ロスなく光を出力することができる。
【００３２】
また、本発明に係るレーザ走査式プロジェクタでは、走査方式としてラスター方式を用いる。ラスター方式とは、低速で走査する第１の走査方向（画面垂直方向）と高速で走査する第２の走査方向（画面水平方向）の組み合わせにより、画面の上端から下端の方向に、またはその逆方向に走査線を描いていくという方式である。往復走査のため、第１の走査方向の両端で速度がゼロになることや、下から上（またはその逆）に戻る時間が必要なことから、レーザを発光せず画面を表示しないブランキング時間と呼ばれる時間がある。このブランキング時間が画面の切替時間に相当し、つまり、１フレームの描画ごとにブランキング時間が存在する。
【００３３】
本発明では、レーザの偏光状態を１フレームごとに変化させるために、入射光の偏光状態を変化させる偏光変換部によりブランキング時間の間に偏光状態を変化させる。なお、偏光変換部としては、液晶素子や位相板、旋光子等を用いることができる。これにより、１フレーム内では同じ偏光状態で投影されるため、クロストークのない良好な三次元画像投影を行うことができる。
【００３４】
一般の投影装置（液晶素子やＤＭＤを用いた画素型）の場合は、常に光源は発光しているので、立体表示のために偏光状態を変化させている間も画像投影がされてしまい、偏光状態の変化は通常短いが一定の時間かかるため、遷移状態では両方の偏光状態が混在した画像となってしまい、クロストークが発生してしまう。また、クロストークの発生を防止するために、ブランキング時間において光源の発光を停止したり、黒画面表示状態にすることも可能ではあるが、コストアップや明るさの低下を招いてしまう。その点、レーザ走査方式ではもともと存在するブランキング時間を有効に活用するだけであるので、特にシステムの変更が必要ではないので好ましい。
【００３５】
以下、本発明のレーザ投射装置について具体的に説明する。本発明のレーザ投射装置１０１は、レーザ光源１１０と、レーザ光源１１０からのレーザ光を合成する光学系１２０と、偏光変換部としての液晶素子１３１と、液晶素子１３１を駆動する駆動制御装置１３２と、光学系１２０から出射されたレーザ光を反射部１４１にて反射してスクリーン２０１に二次元的に走査する走査機構１４０と、ミラー１５１とを備え、さらにレーザ駆動回路１０７と、画像処理回路１０８も備えている。画像処理回路１０８は、不図示のパーソナルコンピュータ等の画像生成装置から入力された画像データに基づいてレーザ駆動回路１０７と反射部駆動回路１４２を同期させて駆動させることで、スクリーン２０１に入力画像を投影させる。画像処理回路１０８には右目用画像データと左目用画像データが交互に入力され、スクリーン２０１に偏光状態が互いに直交する右目用画像と左目用画像が交互に投影され、偏光メガネを装着した観察者はスクリーン２０１を見ることで両眼視差により三次元画像感覚を得ることができる。以下、各構成部分について詳しく説明する。
【００３６】
レーザ光源１１０は、Ｇ（緑色）光を発生するレーザ素子１１１Ｇと、Ｒ（赤色）光を発生するレーザ素子１１１Ｒと、Ｂ（青色）光を発生するレーザ素子１１１Ｂとを備える。レーザ素子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で構成される。レーザ素子１１１Ｒは、例えば、波長６３８ｎｍの光を発生する半導体レーザで構成される。レーザ素子１１１Ｂは、例えば、波長４４５ｎｍの光を発生する半導体レーザで構成される。なお、緑色光源としては、波長５１０ｎｍの光を発生させる半導体光源であってもよい。
【００３７】
レーザ素子１１１Ｒおよびレーザ素子１１１Ｂは、レーザ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。レーザ素子１１１Ｇは、励起用レーザ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、レーザの変調を直接電流変調で行う際には、高周波変調を行うことが好ましい。
【００３８】
レーザ素子１１１Ｇ、レーザ素子１１１Ｒ並びにレーザ素子１１１Ｂは、レーザ駆動回路１０７にて上記変調が制御される。
【００３９】
光学系１２０は、各レーザ素子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。
【００４０】
コリメートレンズ１２１Ｇ、１２１Ｒ、１２１Ｂは、例えば、ＮＡ（開口数）が０．５で、焦点距離２ｍｍのレンズであり、通過しコリメートされたレーザ光のビーム径は、直径で約２ｍｍとなる。
【００４１】
ダイクロイックミラー１２２−３は、レーザ素子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）のレーザ光を透過し、かつレーザ素子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）のレーザ光と、上記Ｒ（赤色）のレーザ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）および上記Ｒ（赤色）のレーザ光と、レーザ素子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）のレーザ光とを合成して白色の１本のレーザ光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本のレーザ光１２３は、直線偏光である。
【００４２】
走査機構１４０は、光学系１２０から出射されミラー１５１で反射されたレーザ光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を駆動する反射部駆動回路１４２とを備え、レーザ光をスクリーン２０１上で二次元的に走査する機構である。本実施形態では、走査機構１４０を、圧電素子によって水平方向および垂直方向に振動する走査ミラーを備えたＭＥＭＳ（Micro  Electro  Mechanical  Systems）ミラー機構にて構成している。
【００４３】
ここで、走査機構１４０の反射部駆動回路１４２による駆動について、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、反射部駆動回路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、水平方向への走査およ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。
【００４４】
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。また、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、本例では約５ｍｓである。なお、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、走査を下端から上端へ戻す期間、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。
【００４５】
画面表示期間１４４ごとに交互に右目用画像および左目用画像が表示されることになるが、左右それぞれの周期が長いと三次元画像がちらついて見えるフリッカと呼ばれる現象が発生するが、通常５０Ｈｚ以上ではフリッカは発生しないと言われている。駆動周波数が６０Ｈｚの場合は左右それぞれ３０Ｈｚとなるのでフリッカが発生することになる。そのため、駆動周波数は１００Ｈｚ以上とすることが好ましい。例えば、駆動周波数を１２０Ｈｚとすれば、ブランキング期間は約２．５ｍｓとなる。
【００４６】
なお、反射部１４１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およびブランキング期間１４５は図示するような期間となる。画面表示期間１４４ごとに交互に右目用画像および左目用画像が表示される。ここで、駆動周波数が５０Ｈｚ以上（例えば６０Ｈｚ）である場合は、フレームレートは１００Ｈｚ以上（例えば１２０Ｈｚ）となり、フリッカが発生しにくくなるので好ましい。
【００４７】
さらにその際、例えば、下記のようにフレームごとに左右目用画像を反転しつつ、左右それぞれについて２回目の画像で走査するラインを１回目の画像で走査するラインとずらす、いわゆるインタレースを行うことが好ましい。高解像度でフリッカの小さい三次元画像を表示することができるからである。
例：
１フレーム目  右目用画像  ライン１、３、５、・・・・
２フレーム目  左目用画像  ライン７６８、７６６、７６４、・・・・
３フレーム目  右目用画像  ライン２、４、６、・・・・
４フレーム目  左目用画像  ライン７６７、７６５、７６３、・・・・
【００４８】
次に、偏光変換部としての液晶素子１３１について説明する。液晶素子１３１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が出射するレーザ光１２３の偏光状態を異ならせて走査機構１４０へ出射する。このような液晶素子１３１は、駆動制御装置１３２により動作制御される。
【００４９】
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挟みこんだ構造を有し、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、通過するレーザ光１２３の偏光状態を異ならせる作用を行う。
【００５０】
レーザ光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光１２３の透過領域１３１ａ（図４）では、通過する上記レーザ光１２３の偏光状態は一様、つまり一つのみである。換言すれば、液晶素子１３１は、レーザ光１２３の通過領域１３１ａでは一つの偏光状態のみを生成する。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、および、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。
【００５１】
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または強誘電液晶を用いることが好ましい。また、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。
【００５２】
なお、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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。なお、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。
【００５５】
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、プラスまた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および強誘電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更可能である。
【００５６】
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投射装置１０１では、クロストークのない良好な三次元画像表示が可能となる。
【００５７】
なお、図１０は液晶材料が強誘電液晶である場合の液晶駆動例を示すが、このように駆動電圧をプラス、マイナス交互に印加するようにしてもよい。
【００５８】
また、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。また、位相板は厳密には場所ごとに偏光状態が異なるので、上述した単一の画素を有した液晶素子であればレーザ光のどの部分も一様な偏光状態とする制御が行え有利である。
【００５９】
また、液晶素子１３１は光学系１２０と走査機構１４１の間に配置しているが、このようにするとＲＧＢのレーザ光が合成されたビーム状のレーザ光が入射角度を０度として液晶素子１３１に入射するので、液晶素子１３１を小型化でき好ましい。
【００６０】
また、画像処理回路１０８に入力される画像データが三次元画像データでなく通常の二次元画像データである場合、液晶素子１３１は一定電圧を印加しておいてもよいが、上述したような三次元画像表示の場合と同様に液晶素子１３１を駆動制御することが好ましい（この場合、当然に偏光メガネは不要である）。このようにすれば、フレームごとに偏光状態を変化させることでスペックル状態が変化し、その結果スペックル状態の時間的な重ね合わせによりスペックルを低減できる。また、一画面内で均一な偏光状態を実現できるので、反射率が偏光状態に依存するスクリーンに投影した場合でも一画面内の輝度分布が発生せず良好な二次元画像を表示できる。
【００６１】
また、レーザ投射装置１０１の表示フレーム周波数と入力される画像データの周波数が一致しない場合がある。例えば、表示フレーム周波数が６０Ｈｚ（即ち１秒間に６０枚）の場合に入力画像データの周波数が５９Ｈｚ（即ち１秒間に５９枚）の場合は、表示フレームが１枚不足することとなるので、同じ画像を２回続けて表示すればよいが、右目用画像あるいは左目用画像が連続することとなるので、その場合は偏光状態が変化しないよう液晶素子１３１に印加する電圧はブランキング期間で維持する必要がある。また、例えば、表示フレーム周波数が６０Ｈｚの場合に入力画像データの周波数が６１Ｈｚ（即ち１秒間に６１枚）の場合は、表示フレームが１枚余ることとなるので、その余った１枚は表示させないようにすればよいが、その結果やはり右目用画像あるいは左目用画像が連続することとなるので、その場合も偏光状態が変化しないよう液晶素子１３１に印加する電圧はブランキング期間で維持する必要がある。
【００６２】
また、上述のレーザ投射装置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。レーザ投射装置１０１（図１）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、および空気による揺動を防止する等の目的から、保護ガラス１０５が取り付けられているが、レーザ投射装置１０２（図８）は、上記走査光出射窓の保護ガラス１０５を液晶素子１３１にて兼用した構成を有する。レーザ投射装置１０２におけるその他の構成は、上述したレーザ投射装置１０１における構成と同様である。このようなレーザ投射装置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。但し、液晶素子１３１への入射角の違いにより偏光変換の程度が異なることでの画面周辺でのクロストーク発生のおそれはあるので、その点ではレーザ投射装置１０１のように液晶素子１３１を光学系１２０と走査機構１４０の間に配置し、液晶素子１３１への入射角を０度のみにすることが好ましい。
【００６３】
なお、上述したレーザ投射装置１０１、１０２において偏光状態を変化させる方式としては以下のようにしてもよい。例えば図５に示すように、液晶素子１３１の出射側に波長板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するようにしてもよい。
【００６４】
また、図６Ａに示すように、液晶素子１３１の入射側に波長板１６１を設け、直線偏光しているレーザ光１２３を波長板１６１にて円偏光に変換し、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、右円偏光および左円偏光に変換されて出射される。また、図６Ｂに示すように、液晶素子１３１の入射側に波長板１６１’を設け、直線偏光しているレーザ光１２３を波長板１６１’にて楕円偏光に変換し、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、右楕円偏光および左楕円偏光に変換されて出射される。さらに、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、図６Ａおよび図６Ｂ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、並びに上記左楕円偏光について、波長板１６２を通過させて直線偏光に変換して出射するようにしてもよい。
【００６５】
なお、上述したレーザ投射装置１０１、１０２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。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、レーザ光を二次元的に走査して画像を投影するレーザ投射装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１０１、１０２  レーザ投射装置
１０５  保護ガラス
１０７  レーザ駆動回路
１０８  画像処理回路
１１０  レーザ光源
１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂ  レーザ素子
１２０  光学系
１２１Ｒ、１２１Ｇ、１２１Ｂ  コリメートレンズ
１２２−１、１２２−２、１２２−３  ダイクロイックミラー
１２３  レーザ光
１３１  液晶素子
１３２  駆動制御装置
１４０  走査機構
１４１  反射部
１４２  反射部駆動回路
１５１  ミラー
２０１  スクリーン
２１４  走査光
【図１】
2012039267.tif 000003
【図２】
2012039267.tif 000004
【図３】
2012039267.tif 000005
【図４】
2012039267.tif 000006
【図５】
2012039267.tif 000007
【図６Ａ】
2012039267.tif 000008
【図６Ｂ】
2012039267.tif 000009
【図７Ａ】
2012039267.tif 000010
【図７Ｂ】
2012039267.tif 000011
【図８】
2012039267.tif 000012
【図９】
2012039267.tif 000013
【図１０】
2012039267.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成25年3月8日(2013.3.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を二次元的に走査して右目用画像および左目用画像を交互に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、
入射されるレーザ光の偏光状態を変化させる偏光変換部と、
前記偏光変換部が出射するレーザ光の偏光状態を交互に直交させるよう前記ブランキング期間ごとに前記偏光変換部を駆動させる駆動制御装置と、を備え、
前記走査機構は、入射されるレーザ光を反射する反射部と、前記反射部を駆動する駆動回路とを有し、速度の異なる二つの走査方向で走査を行い、
前記駆動回路は、前記二つの走査方向のうち速度が遅い走査方向に対応する前記反射部の駆動を５０Ｈｚ以上の三角波駆動で行うことを特徴とするレーザ投射装置。
【請求項２】
前記偏光変換部は、液晶素子であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ投射装置。
【請求項３】
前記偏光変換部の応答時間は、前記ブランキング期間以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ投射装置。
【請求項４】
前記偏光変換部は、前記レーザ光源と前記走査機構の間に配置されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のレーザ投射装置。
【請求項５】
前記偏光変換部は液晶素子であって、前記液晶素子が有する液晶はスメクティック液晶または強誘電液晶であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のレーザ投射装置。
【請求項６】
前記走査機構は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を二次元的に走査して二次元表示用画像を１フレームごとに形成し各フレーム間にブランキング期間を有して前記スクリーンに画像投影し、
その際、前記駆動制御装置は、前記偏光変換部が出射するレーザ光の偏光状態を異ならせるよう前記ブランキング期間ごとに前記偏光変換部を駆動させることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のレーザ投射装置。
【請求項７】
前記レーザ光源は、緑色光を発生する緑レーザ素子と、赤色光を発生する赤レーザ素子と、青色光を発生する青レーザ素子を有し、
当該レーザ投射装置は、さらに前記緑レーザ素子、前記赤レーザ素子、前記青レーザ素子からのそれぞれのレーザ光を同一光路に合成する合成光学系を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載のレーザ投射装置。
【請求項８】
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を二次元的に走査して右目用画像および左目用画像を交互に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、
入射されるレーザ光の偏光状態を変化させる偏光変換部と、
前記偏光変換部が出射するレーザ光の偏光状態を交互に直交させるよう前記ブランキング期間ごとに前記偏光変換部を駆動させる駆動制御装置と、を備え、
右目用画像および左目用画像それぞれについて２回目のフレームにおける走査ラインを１回目のフレームにおける走査ラインとずらすことを特徴とするレーザ投射装置。
【請求項９】
前記偏光変換部の応答時間は、前記ブランキング期間以下であることを特徴とする請求項８に記載のレーザ投射装置。
【請求項１０】
前記偏光変換部は、前記レーザ光源と前記走査機構の間に配置されることを特徴とする請求項８または請求項９に記載のレーザ投射装置。
【請求項１１】
前記走査機構は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を二次元的に走査して二次元表示用画像を１フレームごとに形成し各フレーム間にブランキング期間を有して前記スクリーンに画像投影し、
その際、前記駆動制御装置は、前記偏光変換部が出射するレーザ光の偏光状態を異ならせるよう前記ブランキング期間ごとに前記偏光変換部を駆動させることを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれかに記載のレーザ投射装置。
【請求項１２】
請求項８〜請求項１１のいずれかに記載のレーザ投射装置と、当該レーザ投射装置に入力させるための三次元表示用画像データを生成する画像生成装置と、偏光状態を保持するスクリーンと、左右の透過偏光状態が直交した偏光メガネと、を備えたことを特徴とする画像投影システム。
【請求項１３】
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を二次元的に走査して右目用画像および左目用画像を交互に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、
入射されるレーザ光の偏光状態を変化させる偏光変換部と、
前記偏光変換部が出射するレーザ光の偏光状態を交互に直交させるよう前記ブランキング期間ごとに前記偏光変換部を駆動させる駆動制御装置と、を備え、
前記走査機構が右目用画像あるいは左目用画像を連続して前記スクリーンに投影させる場合、前記駆動制御装置は、前記ブランキング期間において前記偏光変換部が出射する偏光状態が変化しないよう前記偏光変換部を駆動させることを特徴とするレーザ投射装置。
【請求項１４】
前記レーザ光源は、緑色光を発生する緑レーザ素子と、赤色光を発生する赤レーザ素子と、青色光を発生する青レーザ素子を有し、
当該レーザ投射装置は、さらに前記緑レーザ素子、前記赤レーザ素子、前記青レーザ素子からのそれぞれのレーザ光を同一光路に合成する合成光学系を備えたことを特徴とする請求項１３に記載のレーザ投射装置。
【請求項１５】
請求項１３または請求項１４に記載のレーザ投射装置と、当該レーザ投射装置に入力させるための三次元表示用画像データを生成する画像生成装置と、偏光状態を保持するスクリーンと、左右の透過偏光状態が直交した偏光メガネと、を備えたことを特徴とする画像投影システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
また、本発明の一態様に係るレーザ投射装置は、上記構成において更に、前記走査機構は、入射されるレーザ光を反射する反射部と、前記反射部を駆動する駆動回路とを有し、速度の異なる二つの走査方向で走査を行い、
前記駆動回路は、前記二つの走査方向のうち速度が遅い走査方向に対応する前記反射部の駆動を５０Ｈｚ以上の三角波駆動で行う構成としている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、本発明の他の態様に係るレーザ投射装置は、上記構成において更に、右目用画像および左目用画像それぞれについて２回目のフレームにおける走査ラインを１回目のフレームにおける走査ラインとずらす構成としている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
また、本発明の他の態様に係るレーザ投射装置は、上記構成において更に、前記走査機構が右目用画像あるいは左目用画像を連続して前記スクリーンに投影させる場合、前記駆動制御装置は、前記ブランキング期間において前記偏光変換部が出射する偏光状態が変化しないよう前記偏光変換部を駆動させる構成としている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
また、上記いずれかの構成において、前記偏光変換部は、液晶素子であることとしてもよい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また、上記いずれかの構成において、前記偏光変換部の応答時間は、前記ブランキング期間以下であることとしてもよい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
また、上記いずれかの構成において、前記偏光変換部は、前記レーザ光源と前記走査機構の間に配置されることとしてもよい。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
また、上記いずれかの構成において、前記偏光変換部は液晶素子であって、前記液晶素子が有する液晶はスメクティック液晶または強誘電液晶であることとしてもよい。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
また、上記いずれかの構成において、前記走査機構は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を二次元的に走査して二次元表示用画像を１フレームごとに形成し各フレーム間にブランキング期間を有して前記スクリーンに画像投影し、
その際、前記駆動制御装置は、前記偏光変換部が出射するレーザ光の偏光状態を異ならせるよう前記ブランキング期間ごとに前記偏光変換部を駆動させることとしてもよい。
【国際調査報告】
2012039267.tif 000015
2012039267.tif 000016
2012039267.tif 000017
2012039267.tif 000018