(57)【要約】【課題】  コリメートレンズで変換された平行光束が位相変換アレイに入射する構造において、位相変換アレイに入射する迷光を抑制することができる画像投影装置を提供する。【解決手段】  レーザ光源１２からコリメートレンズ１３までの光路にアパーチャー形成部材２０が設けられており、アパーチャー形成部材２０の複数の壁体２１，２２，２３によって、複段のアパーチャー２１ａ，２２ａ，２３ａが形成されている。それぞれのアパーチャー２１ａ，２２ａ，２３ａと有効光束Ｂ１の外面Ｂ１ａとの距離は、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の順に小さくなっている。この複段のアパーチャー２１ａ，２２ａ，２３ａを設けることで、位相変換アレイに入り込む迷光を抑制できるようになる。【選択図】図３
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【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発せられるレーザ光を平行光束に変換するコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通過した平行光束を位相変換してホログラム画像を生成する位相変換アレイと、前記位相変換アレイで生成されたホログラム画像を投影する投影部とを有する画像投影装置において、
前記レーザ光源と前記コリメートレンズとの間に、光軸に沿う方向に間隔を空けて複段のアパーチャーが配置されていることを特徴とする画像投影装置。
【請求項２】
前記レーザ光源から前記コリメートレンズに至る有効光束の外面と、それぞれの前記アパーチャーとの間に、光軸と垂直な方向の間隔が空けられており、前記間隔は前記コリメートレンズに接近するにしたがって短くなる請求項１記載の画像投影装置。
【請求項３】
前記レーザ光源と前記コリメートレンズとの間に、前記レーザ光源に向けられる複数の壁面が設けられて、それぞれの壁面の内縁部に前記アパーチャーが形成されており、前記レーザ光源から前記内縁部に至る仮想面と、前記壁面との成す角度が９０度±２０度以下である請求項１または２記載の画像投影装置。
【請求項４】
前記壁面が光反射防止構造または光吸収構造を有する請求項３記載の画像投影装置。
【請求項５】
前記コリメートレンズと前記位相変換アレイとの間に、光軸に沿う方向に間隔を空けて複段の第２のアパーチャーが配置されている請求項１ないし４のいずれかに記載の画像投影装置。
【請求項６】
前記コリメートレンズの有効径から延びる平行光束の外面と、それぞれの前記第２のアパーチャーとの間に、光軸と垂直な方向の間隔が空けられており、前記間隔は前記位相変換アレイに接近するにしたがって短くなる請求項５記載の画像投影装置。
【請求項７】
前記コリメートレンズと前記位相変換アレイとの間で、平行光束の外側に空間が形成されており、前記平行光束の外面から前記空間への広がり距離は、前記平行光束の外面の光強度をピーク値とするガウシアン強度分布を想定したときに、光強度が前記ピーク値から−２０ｄＢよりも低下するように設定される請求項１ないし４のいずれかに記載の画像投影装置。
【請求項８】
前記コリメートレンズの側面が、光反射防止構造または光吸収構造を有する請求項１ないし７のいずれかに記載の画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源からのレーザ光がコリメートレンズで平行光とされた後に位相変換アレイでホログラム画像に変換されて投影される画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１にはいわゆるヘッドアップディスプレイ装置に使用される画像表示装置が開示されている。
【０００３】
この画像表示装置は、Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれの波長のレーザ光を発する３つのレーザ光源を有している。それぞれのレーザ光源から発せられたレーザ光は、二次元変調素子に与えられて画像が生成され、その画像を含む光束がミラーで反射されて車両のウインドシールドに配置されたホログラム光学素子に与えられる。ホログラム光学素子はホログラムミラーであり、このホログラムミラーで反射された光が運転者に与えられる。その結果、運転者は、ウインドシールドの前方の虚像の画像を目視できるようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−９００７６号公報
【特許文献２】特開２００８−２１６６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された画像表示装置は、二次元変換素子として小型液晶パネルあるいはデジタルミラーデバイスが使用されている。これらはレーザ光の透過を画素ごとにＯＮ−ＯＦＦすることで二次元画像を生成するものであるため、レーザ光の利用効率が悪く、ウインドシールドの前方の虚像に映し出される画像のコントラストを向上するのに限界がある。
【０００６】
これに対し、本発明では、画像を生成するための素子として位相変換アレイを使用することを提案している。この位相変換アレイは、多数の変換ポイントを通過するレーザ光束の位相を変換し、隣接する変換ポイントを通過した光どうしを干渉させて、画像を表現するための多数の画素に光をドット状に集中させる。この方式では、位相変換アレイによるレンズ効果を発現可能で、かつ、従来の光スイッチアレイのようなドット毎の遮光を生じさせるものではなく、また光吸収成分が少ないため、レーザ光の利用効率が高くなって高輝度でかつ画像の補正が容易で、立体画像などのような付加機能を有する投影画像を生成することが可能になる。
【０００７】
ただし、前記レーザ光束は位相変換アレイに対して平行光束として予め決められた入射角度で入射させることが必要であり、想定していない入射角度の迷光が入射すると、生成すべき画素以外の部分に投影光が生成されることなどによって、表示画像の品質が低下し、特にコントラストに悪影響を与えるおそれがある。
【０００８】
一方で、前記特許文献２に記載されているように、画像形成装置において、レーザ光源とコリメートレンズとの間や、コリメートレンズの前方にアパーチャーを配置し、このアパーチャーで光の口径を制限することも行われている。しかし、このアパーチャーを、前記レーザ光源と前記位相変換アレイ素子との間に単に配置しただけでは、アパーチャーで回折された光が新たな迷光として、位相変換アレイに入射されてしまう新たな課題が生じる。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、レーザ光源から位相変換アレイに至る光路において迷光の発生を抑制できるようにした画像投影装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、レーザ光源と、前記レーザ光源から発せられるレーザ光を平行光束に変換するコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通過した平行光束を位相変換してホログラム画像を生成する位相変換アレイと、前記位相変換アレイで生成されたホログラム画像を投影する投影部とを有する画像投影装置において、前記レーザ光源と前記コリメートレンズとの間に、光軸に沿う方向に間隔を空けて複段のアパーチャーが配置されていることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の画像投影装置は、レーザ光源とコリメートレンズとの間に複段のアパーチャーが設けられているため、アパーチャーによる光の回折や光の反射によって生じる迷光を次段のアパーチャーで遮光できるようになり、迷光が位相変換アレイに至る確率を低下させることができる。
【００１２】
本発明の画像投影装置は、前記レーザ光源から前記コリメートレンズに至る有効光束の外面と、それぞれの前記アパーチャーとの間に、光軸と垂直な方向の間隔が空けられており、前記間隔は前記コリメートレンズに接近するにしたがって短くなることが好ましい。
【００１３】
上記のように間隔を設定することで、複段のアパーチャーによる迷光の遮光効果をさらに高めることが可能になる。
【００１４】
さらに、前記レーザ光源と前記コリメートレンズとの間に、前記レーザ光源に向けられる複数の壁面が設けられて、それぞれの壁面の内縁部に前記アパーチャーが形成されており、前記レーザ光源から前記内縁部に至る仮想面と、前記壁面との成す角度が９０度±２０度以下であることが好ましい。
【００１５】
壁面の角度を前記のように設定すると、壁面に照射されたレーザ光が迷光となるのを規制することができる。
【００１６】
本発明は、前記壁面が光反射防止構造または光吸収構造を有することが好ましい。
さらに、本発明の画像投影装置は、前記コリメートレンズと前記位相変換アレイとの間に、光軸に沿う方向に間隔を空けて複段の第２のアパーチャーが配置されていることが好ましく。
【００１７】
さらに、前記コリメートレンズの有効径から延びる平行光束の外面と、それぞれの前記第２のアパーチャーとの間に、光軸と垂直な方向の間隔が空けられており、前記間隔は前記位相変換アレイに接近するにしたがって短くなることが好ましい。
【００１８】
さらに、本発明の画像投影装置は、前記コリメートレンズと前記位相変換アレイとの間で、平行光束の外側に空間が形成されており、前記平行光束の外面から前記空間への広がり距離は、前記平行光束の外面の光強度をピーク値とするガウシアン強度分布を想定したときに、光強度が前記ピーク値から−２０ｄＢよりも低下するように設定されるものであってもよい。
【００１９】
また、前記コリメートレンズの側面が、光反射防止構造または光吸収構造を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の画像投影装置では、位相変換アレイを使用することで画像のコントラストを向上させることができるが、さらに、レーザ光源から位相変換アレイに至る光路の迷光を抑制することで、位相変換アレイで生成されるホログラム画像にゴーストなどが生じにくくなり、表示品質を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の画像投影装置の実施の形態として車両のヘッドアップディスプレイ装置を示す説明図、
【図２】画像投影装置の構成図、
【図３】レーザ光源からコリメートレンズまでの光路上の構造を示す断面図、
【図４】コリメートレンズから位相変換アレイまでの光路上の構造を示す断面図、
【図５】図３のＶ−Ｖ矢視の正面図、
【図６】コリメートレンズから位相変換アレイまでの光路上に遮蔽部材を設けた態様を示す断面図、
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に示す本発明の実施の形態の画像投影装置１０は、自動車に搭載されていわゆるヘッドアップディスプレイ装置として使用されている。
【００２３】
画像投影装置１０は、自動車１の車室内前方のダッシュボード２の内部に配置されている。画像投影装置１０からウインドシールド３の投影領域３ａにホログラム画像が投影される。この画像は、投影領域３ａにおいて運転者４に向けて反射されるが、虚像５がウインドシールド３の前方に結像することで、運転者４にウインドシールド３の前方の画像を目視しているように感じさせることができる。
【００２４】
図２に画像投影装置１０の構成の概略が示されている。
画像投影装置１０は光源装置１１を有している。光源装置１１にはレーザ光源１２と、その発光路の前方に位置するコリメートレンズ１３が設けられている。光源装置１１の光路の前方に位相変換アレイ１４が設けられている。位相変換アレイ１４は、コリメートレンズ１３の光軸Ｏ２に対して４５度の角度で対向している。位相変換アレイ１４の光路前方にフーリエ変換レンズ１５とディフューザ１６が配置され、さらに前方に投影光学系１７が配置されている。前記フーリエ変換レンズ１５とディフューザ１６ならびに投影光学系１７によって投影部が構成されている。
【００２５】
図３に示すように、レーザ光源１２はケースの内部に半導体レーザチップ１２ａが配置され、前方へレーザ光束が発せられる。図５（図３のＶ−Ｖ矢視図）に模式的に示すように、半導体レーザチップ１２ａから発せられるレーザ光束Ｂ０は、断面が楕円または長円形状となって前方に向かってビーム径が徐々に広がる放射光束である。
【００２６】
図３では、前記レーザ光束Ｂ０のうちのコリメートレンズ１３の有効径内に入射する有効光束Ｂ１が示されている。前記有効光束Ｂ１はコリメートレンズ１３によって焦点距離が無限大となる平行光束Ｂ２に変換される。図５に示すように、コリメートレンズ１３の有効径の形状は矩形状であり、左右方向（図３の紙面垂直方向）に長辺が向く長方形である。そのため、コリメートレンズ１３で変換された平行光束Ｂ２は、断面が長方形である。
【００２７】
位相変換アレイ１４は反射型であり、２つの基板の間に液晶材料が封入されている。２つの基板に設けられた電極の交叉部が変換ポイントであり、この変換ポイントが規則的に並んでいる。変換ポイントに与える電界によって、液晶層の結晶が液晶層の厚み方向へ傾き、これにより変換ポイントを通過したレーザ光の位相が変換される。隣り合う変換ポイントを通過した異なる位相のレーザ光の干渉により、表示したい画像の画素にレーザ光がドット状に集光させられ、所定のホログラム画像が生成される。
【００２８】
位相変換アレイ１４は、従来の液晶パネルやデジタルミラーデバイスなどのように、透過する光を画素ごとにＯＮ−ＯＦＦするものではなく、空間の光エネルギーを画素に集中させるものであるため、光エネルギーの効率が良く、コントラストが鮮明なホログラム画像を生成することができる。
【００２９】
図２に示すように、位相変換アレイ１４で反射され、フーリエ変換レンズ１５を通過させられた変換光束Ｂ３はディフューザ１６にデフォーカス（defocus）状態で結像される。ディフューザ１６を経た拡散光Ｂ４は、投影光学系１７で画像が調整されて調整光束Ｂ５となり、ウインドシールド３の投影領域３ａに投影される。
【００３０】
前記実施の形態では、光源装置１１が１個のみ設けられて、単一の波長のレーザ光が位相変換アレイ１４に入射されるが、例えばＲ（６２８ｎｍ）とＧ（５１５ｎｍ）の異なる波長のレーザ光を発生する２種の光源装置１１が図２において上下に並んで配置されていてもよい。この場合に、それぞれのレーザ光源から発せられるレーザ光が個別に設けられたコリメートレンズ１３によって断面が長方形の平行光に変換される。２つの波長のレーザ光の平行光束は、位相変換アレイ１４の異なる領域に入射されて、Ｒ（赤）とＧ（緑）の２つの波長の光がそれぞれ画像を構成する画素にドット状に集中させられる。そしてＲとＧの二色が混合した映像を含むホログラム画像が生成される。
【００３１】
さらには、Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれの色相となる３種類の波長のレーザ光を発する３組の光源装置が使用されてもよい。
【００３２】
図３に示すように、光源装置１１では、レーザ光源１２とコリメートレンズ１３との間にアパーチャー形成部材２０が配置されている。アパーチャー形成部材２０は、ステンレスなどの金属材料で形成され、または合成樹脂材料で形成されている。
【００３３】
アパーチャー形成部材２０の内部に、複段の壁体が設けられている。この実施の形態では、レーザ光源１２からコリメートレンズ１３に向けて、第１の壁体２１と第２の壁体２２ならびに第３の壁体２３の３段の壁体が設けられている。ただし、壁体の数は２以上であればいくつであってもよい。
【００３４】
第１の壁体２１の内縁部で第１のアパーチャー２１ａが形成され、第２の壁体２２の内縁部で第２のアパーチャー２２ａが形成され、第３の壁体２３の内縁部で第３のアパーチャー２３ａが形成されている。図５に示すように、第１と第２ならびに第３のアパーチャー２１ａ，２２ａ，２３ａは、コリメートレンズ１３の有効径の長方形と相似の長方形状である。
【００３５】
図３では、レーザ光源１２からコリメートレンズ１３の有効径の範囲に入る有効光束Ｂ１の外面が符号Ｂ１ａで示されている。さらに、第１のアパーチャー２１ａと外面Ｂ１ａとの距離がＬ１、第２のアパーチャー２２ａと外面Ｂ１ａとの距離がＬ２、第３のアパーチャー２３ａとの外面Ｂ１ａとの距離がＬ３で示されている。これらの距離Ｌ１，Ｌ２，ｌ３は、有効光束Ｂ１の光軸Ｏ１と垂直な向きに測定した距離である。そして、距離Ｌ１、距離Ｌ２、距離Ｌ３の順番で段階的に短くなっている（Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３）。
【００３６】
図３に、レーザ光源１２の発光点から第１のアパーチャー（内縁部）２１ａに至る第１の仮想面αと、発光点から第２のアパーチャー（内縁部）２２ａに至る第２の仮想面βと、発光点から第３のアパーチャー（内縁部）２３ａに至る第３の仮想面γが示されている。仮想面α，β，γは、レーザ光源１２から発せられるレーザ光束Ｂ０の一部の光成分の放射進行路を意味している。
【００３７】
第１の壁体２１のレーザ光源１２に向く第１の対向面２１ｂと前記仮想面αとが成す角度は、９０度±２０度以下である。同様に、第２の壁体２２のレーザ光源１２に向く第２の対向面２２ｂと前記仮想面βとが成す角度、ならびに第３の壁体２３のレーザ光源１２に向く第３の対向面２３ｂと前記仮想面γとが成す角度も９０度±２０度である。これら角度は９０度±１０度以下であることがさらに好ましい。最も好ましくは、前記角度は、図３に示すように９０度である。
【００３８】
それぞれの壁体２１，２２，２３の前記対向面２１ｂ，２２ｂ，２３ｂと光軸Ｏ１に垂直な面とが成す角度θ１，θ２，θ３は、θ１，θ２，θ３の順で小さくなっている（θ１＞θ２＞θ３）。
【００３９】
前記壁体２１，２２，２３の前記対向面２１ｂ，２２ｂ，２３ｂは、光反射防止構造または光吸収構造を有している。例えば、対向面２１ｂ，２２ｂ，２３ｂが、細かな凹凸を有する光散乱面を有している。または、対向面２１ｂ，２２ｂ，２３ｂに、薄膜を積層した反射防止膜が形成され、あるいは、カーボンを含んで光を吸収し熱エネルギーに変換する光吸収膜が形成されている。
【００４０】
図３に示す光源装置１１では、レーザ光源１２から発せられるレーザ光束Ｂ０が、複段のアパーチャー２１ａ，２２ａ，２３ａで段階的に絞られて、コリメートレンズ１３に与えられるため、有効光束Ｂ１よりも外側の光成分が迷光としてコリメートレンズ１３に入り込むのを防止できる。
【００４１】
特に、有効光束Ｂ１の外面Ｂ１ａと、複段のアパーチャー２１ａ，２２ａ，２３ａとの距離が、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の順番で段階的に短くなっている（Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３）ため、第１のアパーチャー２１ａで回折を受けるなどした迷光を第２のアパーチャー２２ａで遮光しやすくなり、さらに、第２のアパーチャー２２ａで回折を受けるなどした迷光を第３のアパーチャー２３ａで遮光しやすくなる。
【００４２】
また、有効光束Ｂ１の外側の仮想面αに沿って放射進行する光成分は、第１の対向面２１ｂのうちの第１のアパーチャー２１ａに近接する領域へ９０度に近い角度で入射するため、反射防止膜や光吸収膜に光が吸収されやすく、さらにレーザ光源１２への戻り光以外の方向への乱反射が生じにくくなる。これは、仮想面βに沿って放射進行する光成分と第２のアパーチャー２２ａとの関係、ならびに仮想面γに沿って放射進行する光成分と第３のアパーチャー２３ａとの関係においても同じである。
【００４３】
前記アパーチャー形成部材２０を有しているため、コリメートレンズ１３に対して有効光束Ｂ１の放射角度と異なる角度で入射する迷光を制限でき、コリメートレンズ１３で変換された平行光束Ｂ２に、光軸Ｏ２と平行とならない迷光成分が重畳するのを抑制できるようになる。
【００４４】
コリメートレンズ１３の側面（４つの側面）１３ａも、光反射防止構造または光吸収構造を有している。側面１３ａにこの構造を持たせることになり、コリメートレンズ１３を通過する光が側面１３ａで内部反射される現象を低減でき、この反射光による迷光が、平行光束Ｂ２に入り込むのを抑制できるようになる。
【００４５】
図４に示すように、コリメートレンズ１３と位相変換アレイ１４との間に、第２のアパーチャー形成部材３０が設けられている。
【００４６】
第２のアパーチャー形成部材３０は、複段の壁体３１，３２，３３，３４を有し、それぞれの壁体３１，３２，３３，３４の内縁部がアパーチャー３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａとなっている。アパーチャー３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａの開口形状は、平行光束Ｂ２の断面と相似の長方形である。それぞれのアパーチャー３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａと、平行光束Ｂ２の外面Ｂ２ａとの、光軸Ｏ２と垂直な面方向での距離Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄは、Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄの順で短くなっている（Ｌａ＞Ｌｂ＞Ｌｃ＞Ｌｄ）。
【００４７】
また、それぞれの壁体３１，３２，３３，３４のコリメートレンズ１３に向く対向面３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂは、光反射防止構造または光吸収構造を有している。
【００４８】
コリメートレンズ１３と位相変換アレイ１４との間に、複段のアパーチャー３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａが設けられ、これらアパーチャーと平行光束Ｂ２の外面Ｂ２ａとの距離をＬａ＞Ｌｂ＞Ｌｃ＞Ｌｄの関係とすることにより、コリメートレンズ１３と位相変換アレイ１４との間の光路で発生する迷光が位相変換アレイ１４に入射するのを抑制できるようになる。
【００４９】
位相変換アレイ１４は、複数の変換ポイントにおいて液晶材料の光軸方向への倒れを制御することで、この変換ポイントを通過する光の位相を変化させられる。隣り合う変換ポイントを通過した異なる位相の光成分が干渉し、表示したい画像の画素にレーザ光がドット状に集光させられてホログラム画像が生成される。そのため、それぞれの変換ポイントへ入射する光に予め決められた入射角度と大きく相違する入射角度となる迷光が入り込むと、ホログラム画像にゴーストが現れるなどして表示品質を低下させることになる。
【００５０】
図３と図４に示す実施の形態では、アパーチャー形成部材２０，３０を設けることによって、前記迷光が進行するのを抑制でき、ホログラム画像の表示品質を向上させることが可能である。
【００５１】
図６に示すように、図４に示す第２のアパーチャー形成部材３０を使用しない場合には、コリメートレンズ１３と位相変換アレイ１４に至る平行光束Ｂ２の外面Ｂ２ａの外側に比較的広いスペースを確保することで、迷光が位相変換アレイ１４に入射するのを抑制することが可能である。
【００５２】
図６では、平行光束Ｂ２の外側に角筒形状の遮蔽部材４０が設けられている。この場合には、平行光束Ｂ２の外面Ｂ２ａと、遮蔽部材４０の内面４０ａとの間の光軸Ｏ２に垂直な面方向での距離Ｓを次のように設定することで、平行光束Ｂ２に迷光が入り込むのを抑制しやすくなる。
【００５３】
図６に示すように、平行光束Ｂ２の外面Ｂ２ａにおける光強度をピーク値Ｐとするガウシアン強度分布Ｇを、前記外面Ｂ２ａに中心が位置するように想定する。このときに、前記距離Ｓは、ガウシアン強度分布においてピーク値Ｐから光強度が−２０ｄＢよりも低下した位置に内面４０ａが位置するように設定される。
【００５４】
平行光束Ｂ２の外面Ｂ２ａでの光強度に対して２０ｄＢよりも低下した位置に内面４０ａなどが位置することにより、この内面４０ａなどで反射される光の強度を低くでき、強度の大きい迷光が位相変換アレイ１４に入り込むのを抑制できるようになる。また、複数の異なる光源を前記位相変換アレイに投影する用途に適応しやすくなる。
【符号の説明】
【００５５】
１  自動車
３  ウインドシールド
３ａ  投影領域
４  運転者
１０  画像投影装置
１１  光源装置
１２  レーザ光源
１３  コリメートレンズ
１４  位相変換アレイ
２０  アパーチャー形成部材
２１，２２，２３  壁体
２１ａ，２２ａ，２３ａ  アパーチャー
２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ  対向面
３０  第２のアパーチャー形成部材
３１，３２，３３  壁体
３１ａ，３２ａ，３３ａ  アパーチャー
３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ  対向面
４０  遮蔽部材
Ｂ０  レーザ光束
Ｂ１  有効光束
Ｂ１ａ  外面
Ｂ２  平行光束
Ｂ２ａ  外面
Ｏ１，Ｏ２  光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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