(57)【要約】【課題】スペックルノイズを低減するためにフレーム単位で偏光方向を変化させた画像を偏光サングラスを通して視認したときに、可視光の範囲にある全ての波長の光に対してフリッカが発生しないレーザ光を用いた投射型表示装置を提供する。【解決手段】投射型表示装置１０は、波長の異なる複数のレーザ光を所定の偏光方向で発生させる光源部１００と、複数のレーザ光を合成する合成光学部２００と、複数のレーザ光から投射画像を形成する画像形成部３００と、合成光学部２００から出射した複数のレーザ光が透過する透過領域において単一の偏光状態を生成すると共に、該透過領域において複数のレーザ光の偏光方向を変化させる液晶素子４００と、液晶素子４００から出射した複数のレーザ光に位相差を与える高リタデーションフィルム５００と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長の異なる複数のレーザ光を所定の偏光方向で発生させる光源部と、
前記複数のレーザ光を合成する合成光学部と、
前記複数のレーザ光から投射画像を形成する画像形成部と、
前記合成光学部から出射した前記複数のレーザ光が透過する透過領域において単一の偏光状態を生成すると共に、該透過領域において前記複数のレーザ光の偏光方向を変化させる液晶素子と、
前記液晶素子から出射した前記複数のレーザ光に位相差を与える高リタデーションフィルムと、を備える、レーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項２】
前記高リタデーションフィルムの光学軸と前記単一の偏光状態における偏光軸とが４５度の角度をなしており、前記複数のレーザ光に４０００ｎｍ以上の位相差を与える請求項１に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項３】
前記液晶素子は、液晶層、及び、該液晶層を挟むように配置された一対の基板を有し、
前記一対の基板のうち少なくとも前記光源部から遠い側にある基板の表面に前記高リタデーションフィルムが形成されている、請求項１又は２に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項４】
前記光源部から見て前記画像形成部より遠い側に拡散機能を有する中間像部をさらに備え、該中間像部の少なくとも一方の表面に前記高リタデーションフィルムが形成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項５】
前記光源部から見て前記画像形成部より遠い側にハーフミラー機能を有する表示部をさらに備え、該表示部の前記光源部に近い側の表面に前記高リタデーションフィルムが形成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項６】
前記液晶素子は、液晶層、及び、該液晶層を挟むように配置された一対の基板を有し、
前記液晶層の液晶分子は前記一対の基板の間で螺旋構造を有しており、
前記液晶分子の螺旋ピッチと前記液晶層の屈折率異方性との積が２５００ｎｍ以上である、請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項７】
前記液晶層における前記液晶分子のねじれ角が９０度である、請求項６に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項８】
前記液晶層は第１層と第２層とを積層して構成され、前記第１層における前記ねじれ角及び前記第２層における前記ねじれ角はいずれも４５度である、請求項６に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項９】
波長の異なる複数のレーザ光を所定の偏光方向で発生させる光源部と、
前記複数のレーザ光を合成する合成光学部と、
前記複数のレーザ光から投射画像を形成する画像形成部と、
前記合成光学部から出射した前記複数のレーザ光が透過する透過領域において単一の偏光状態を生成すると共に、該透過領域において前記複数のレーザ光の偏光方向を変化させる液晶素子と、を備え、
前記液晶素子は、液晶層、及び、該液晶層を挟むように配置された一対の基板を有し、
前記液晶層の液晶分子は前記一対の基板の間で螺旋構造を有しており、
前記液晶素子における前記複数のレーザ光の偏光方向は、前記液晶素子の使用状態において水平方向に対して右に４５度変化した方向と左に４５度変化した方向に交互に変化するレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項１０】
前記液晶分子の螺旋ピッチと前記液晶層の屈折率異方性との積が２５００ｎｍ以上である、請求項９に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項１１】
前記液晶層における前記液晶分子のねじれ角が９０度である、請求項９又は１０に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項１２】
前記液晶層は第１層と第２層とを積層して構成され、前記第１層における前記ねじれ角及び前記第２層における前記ねじれ角はいずれも４５度である、請求項９又は１０に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項１３】
前記液晶素子から出射した前記複数のレーザ光に位相差を与える高リタデーションフィルムをさらに備え、
前記高リタデーションフィルムの光学軸と前記単一の偏光状態における偏光軸とが４５度の角度をなしており、前記複数のレーザ光に４０００ｎｍ以上の位相差を与える請求項９から１２のいずれか一項に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項１４】
前記一対の基板のうち少なくとも前記光源部から遠い側にある基板の表面に前記高リタデーションフィルムが形成されている、請求項１３に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項１５】
前記光源部から見て前記画像形成部より遠い側に拡散機能を有する中間像部をさらに備え、該中間像部の少なくとも一方の表面に前記高リタデーションフィルムが形成されている、請求項１３又は１４に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項１６】
前記光源部から見て前記画像形成部より遠い側にハーフミラー機能を有する表示部をさらに備え、該表示部の前記光源部に近い側の表面に前記高リタデーションフィルムが形成されている、請求項１３から１５のいずれか一項に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項１７】
前記合成光学部と前記液晶素子との間に、前記複数のレーザ光の透過率を変化させる液晶セルをさらに備える、請求項１から１６のいずれか一項に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項１８】
前記液晶セルは垂直配向ネマティック液晶層を有する請求項１７に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項１９】
前記光源部から見て前記液晶セルより遠い側に前記複数のレーザ光の色及び強度を検出する光検出部をさらに備える、請求項１７又は１８に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項２０】
前記光検出部の検出結果が入力される制御部をさらに備え、
前記光源部は、赤色光を発生する赤色レーザ光源と、緑色光を発生する緑色レーザ光源と、青色光を発生する青色レーザ光源とを含んでおり、
前記制御部は、前記光検出部の検出結果に基づいて、前記赤色レーザ光源、前記緑色レーザ光源、前記青色レーザ光源から出射される光の強度を変化させる制御を行う、請求項１９に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置。
【請求項２１】
請求項１から２０のいずれか一項に記載のレーザ光を用いた投射型表示装置を備えた、車載用ヘッドアップディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いた投射型表示装置及び該投射型表示装置を用いた車載用ヘッドアップディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型で高効率なレーザ光を光源として用いた投射型表示装置が開発されている。レーザ光は輝度が高く色再現性に優れており、広画角化、低消費電力化、高コントラスト化が可能なことから、投射型表示装置としてヘッドマウントディスプレイやヘッドアップディスプレイ等への適用も進んでいる。
【０００３】
レーザ光はコヒーレンス性が高いので、投射型表示装置で投射した面（投射面）の凹凸によりレーザ光が散乱されると、散乱光同士が干渉し、投射面に表示させた画像（表示画像）に明暗の斑点模様であるスペックルノイズが現れることがある。スペックルノイズにより表示画像の品質は著しく損なわれる。スペックルノイズは、レーザ光源を用いた投射型表示装置特有の問題であり、従来より種々の解決の試みが行われてきた。
【０００４】
スペックルノイズを低減する方法の一つとして、光源から出射されたレーザ光の偏光方向をフレーム単位で水平偏光と垂直偏光とに９０度変化させて画像を表示させる方法がある。これにより、各フレームでスペックルノイズが発生するものの、偏光方向によってスペックルノイズの発生する箇所が異なるので、表示画像全体としては発生したスペックルノイズが平滑化される。結果として、スペックルノイズが低減された状態で表示画像が視認される（例えば、特許文献１）。
【０００５】
一般に、偏光サングラスには水平偏光成分を吸収する偏光板が使用されている。従って、上記のように光源から出射されるレーザ光を水平偏光と垂直偏光とに切り換えて画像を表示させる投射型表示装置において、偏光サングラスをかけて表示画像を視認すると、垂直偏光の表示画像は視認可能であるが、水平偏光の表示画像は視認できない。よって、表示画像において視認できるフレームと視認できないフレームとが交互に現れるので、表示画像に明暗のちらつき、いわゆるフリッカが発生しているように認識される。
【０００６】
特許文献２には、偏光サングラスをかけた状態で水平偏光の表示画像を視認することができる車両用表示装置が開示されている。該車両用表示装置は、水平偏光面を有する出射表示光を出射する表示器と、該表示器を照明する照明光源と、表示器から出射された出射表示光の水平偏光面に対して４５度だけ高速軸が傾いた状態で表示部に臨むようにして設けられた１／４波長板と、を備えている。このように配置された１／４波長板を使用すると、水平偏光の出射表示光は１／４波長板の透過後に円偏光になるので、水平偏光成分を吸収する偏光サングラスのみならず、いずれの方向の偏光成分を吸収する偏光サングラスであっても表示画像を視認することができる。よって、視認者は頭や体を傾けた状態でも表示画像を視認することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０３７０３９号
【特許文献２】特開２０１３−０５７８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、現実の１／４波長板では、可視光の範囲にある全ての波長の光に対して１／４波長の位相差を与えることはできない。そのため、１／４波長の位相差とならない波長においては１／４波長板を透過した出射表示光は円偏光ではなく楕円偏光となるので、偏光サングラスをかけた状態で水平偏光の表示画像を視認できる効果は限定的となる。
【０００９】
このように、スペックルノイズを低減するためにフレーム単位で偏光方向を変化させた画像を偏光サングラスを通して視認したときに、可視光の範囲にある全ての波長の光に対してフリッカが発生しないレーザ光を用いた投射型表示装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るレーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態は、波長の異なる複数のレーザ光を所定の偏光方向で発生させる光源部と、前記複数のレーザ光を合成する合成光学部と、前記複数のレーザ光から投射画像を形成する画像形成部と、前記合成光学部から出射した前記複数のレーザ光が透過する透過領域において単一の偏光状態を生成すると共に、該透過領域において前記複数のレーザ光の偏光方向を変化させる液晶素子と、前記液晶素子から出射した前記複数のレーザ光に位相差を与える高リタデーションフィルムと、を備える。
【００１１】
高リタデーションフィルムを備えた投射型表示装置においては、直線偏光を有する複数のレーザ光が高リタデーションフィルムを透過することにより、透過後の複数のレーザ光に含まれる各波長の光は、様々な偏光方向、回転方向、及び、偏光の種類（直線偏光、円偏光、楕円偏光）の光を含むものとなり、水平偏光の光のみを含むものではない。そのため、偏光サングラスをかけた運転者がその画像を視認しても、フリッカは発生しない。
【００１２】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態は、前記高リタデーションフィルムの光学軸と前記単一の偏光状態における偏光軸とが４５度の角度をなしており、前記複数のレーザ光に４０００ｎｍ以上の位相差を与える。
【００１３】
高リタデーションフィルムの光学軸（進相軸と遅相軸）と直線偏光のレーザ光の偏光軸とが４５度の角度をなしていると、高リタデーションフィルムに入射した複数のレーザ光は進相軸に沿って透過する成分と遅相軸に沿って透過する成分とを有する。そして、透過後の合成光においては、進相軸に沿う成分と遅相軸に沿う成分との間には４０００ｎｍ以上の位相差が生じている。本実施形態に係る高リタデーションフィルムは、可視光の範囲にある全ての波長の光（赤色光、緑色光、青色光）に対して、位相差が４０００ｎｍ以上になる特性を有している。位相差が４０００ｎｍ以上あると、投射された画像に虹むらが発生することなく、高品質の画像を得ることができる。
【００１４】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態において、前記液晶素子は、液晶層、及び、該液晶層を挟むように配置された一対の基板を有し、前記一対の基板のうち少なくとも前記光源部から遠い側にある基板の表面に前記高リタデーションフィルムが形成されている。
【００１５】
このような構成を有すると、高リタデーションフィルムを保持するための部材が不要となり、投射型表示装置をより安価に構成することができる。
【００１６】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態は、前記光源部から見て前記画像形成部より遠い側に拡散機能を有する中間像部をさらに備え、該中間像部の少なくとも一方の表面に前記高リタデーションフィルムが形成されている。
【００１７】
このような構成を有すると、高リタデーションフィルムを保持するための部材が不要となる。また、中間像部は透過型のスクリーンであり、入射光を拡散させて出射させる機能を有する。投射型表示装置が中間像部を備えることにより、スクリーンへの投射に必要な出射角を有する合成光を得ることができる。
【００１８】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態は、前記光源部から見て前記画像形成部より遠い側にハーフミラー機能を有する表示部をさらに備え、該表示部の前記光源部に近い側の表面に前記高リタデーションフィルムが形成されている。
【００１９】
このような構成を有すると、高リタデーションフィルムを保持するための部材が不要となる。また、表示部に画像を投射することにより、フロントガラスの曲率に関係なく、歪みのない画像を表示させることができる。さらに、表示部を凹面にすることにより、画像の拡大倍率を大きくすることができる。
【００２０】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態において、前記液晶素子は、液晶層、及び、該液晶層を挟むように配置された一対の基板を有し、前記液晶層の液晶分子は前記一対の基板の間で螺旋構造を有しており、前記液晶分子の螺旋ピッチと前記液晶層の屈折率異方性との積が２５００ｎｍ以上である。
【００２１】
このような構成を有すると、液晶素子が波長の異なる複数のレーザ光の旋光分散が低減し偏光特性が同じになる。これにより、１フレームの投射画像の形成中に偏光方向が変化しても、印加電圧に対して波長の異なる複数のレーザ光の全ての偏光方向が同じように変化するので、１フレームの画像の描画中に同じ色を複数の画素に表示させても色の変化は生じない。
【００２２】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態は、前記液晶層における前記液晶分子のねじれ角が９０度である。
【００２３】
このような構成とすれば、液晶層への電圧印加のオンとオフとで、液晶層を透過する光の偏光方向を９０度変化させることができる。これにより、偏光方向の変化によるスペックルノイズの低減効果を最大にすることができる。
【００２４】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態において、前記液晶層は第１層と第２層とを積層して構成され、前記第１層における前記ねじれ角及び前記第２層における前記ねじれ角はいずれも４５度である。
【００２５】
液晶素子において、２層の液晶層を積層して液晶層を構成されている場合、液晶素子を通過する光の偏光方向を９０度変化させるためには、各液晶層への電圧印加を同電圧で同じタイミングで行うことで、印加電圧のオンとオフによる各液晶層での偏光方向の変化は４５度で済む。そのため、波長の異なる複数のレーザ光の旋光分散を小さくすることができると共に、短時間で偏光方向を変化させることができる。また、第１層と第２層の４５度のねじれ角は同じ方向にねじれていてもいいし、反対方向にねじれていてもいい。反対方向にねじれている場合には、各液晶層への電圧印加を同電圧で交互に印加するタイミングで行う。
【００２６】
本発明に係るレーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態は、波長の異なる複数のレーザ光を所定の偏光方向で発生させる光源部と、前記複数のレーザ光を合成する合成光学部と、前記複数のレーザ光から投射画像を形成する画像形成部と、前記合成光学部から出射した前記複数のレーザ光が透過する透過領域において単一の偏光状態を生成すると共に、該透過領域において前記複数のレーザ光の偏光方向を変化させる液晶素子と、を備え、前記液晶素子は、液晶層、及び、該液晶層を挟むように配置された一対の基板を有し、前記液晶層の液晶分子は前記一対の基板の間で螺旋構造を有しており、前記液晶素子における前記複数のレーザ光の偏光方向は、前記液晶素子の使用状態において水平方向に対して右に４５度変化した方向と左に４５度変化した方向に交互に変化するレーザ光を用いている。
【００２７】
このような構成を有する投射型表示装置においては、液晶素子により偏光方向を水平方向に対して右に４５度変化した方向と左に４５度変化した方向を交互に変化させた合成光で形成された画像がスクリーンに投射される。このような構成であれば、投射画像の偏光方向が変化するため、スクリーンに発生したスペックルノイズは全体として平滑化される。結果として、スペックルノイズは低減されて運転者に視認される。また、偏光サングラスをかけた運転者がその画像を視認しても、その画像は水平偏光の合成光で形成されたものではないため、フリッカは発生しない。
【００２８】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態は、前記液晶分子の螺旋ピッチと前記液晶層の屈折率異方性との積が２５００ｎｍ以上である。
【００２９】
このような構成を有すると、液晶素子が波長の異なる複数のレーザ光の旋光分散が低減し偏光特性が同じになる。これにより、１フレームの投射画像の形成中に偏光方向が変化しても、印加電圧に対して波長の異なる複数のレーザ光の全ての偏光方向が同じように変化するので、１フレームの画像の描画中に同じ色を複数の画素に表示させても色の変化は生じない。
【００３０】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態は、前記液晶層における前記液晶分子のねじれ角が９０度である。
【００３１】
このような構成とすれば、液晶層への電圧印加のオンとオフとで、液晶層を透過する光の偏光方向を９０度変化させることができる。これにより、偏光方向の変化によるスペックルノイズの低減効果を最大にすることができる。
【００３２】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態において、前記液晶層は第１層と第２層とを積層して構成され、前記第１層における前記ねじれ角及び前記第２層における前記ねじれ角はいずれも４５度である。
【００３３】
液晶素子において、２層の液晶層を積層して液晶層を構成されている場合、液晶素子を通過する光の偏光方向を９０度変化させるためには、各液晶層への電圧印加を同電圧で同じタイミングで行うことで、印加電圧のオンとオフによる各液晶層での偏光方向の変化は４５度で済む。そのため、波長の異なる複数のレーザ光の旋光分散を小さくすることができると共に、短時間で偏光方向を変化させることができる。また、第１層と第２層の４５度のねじれ角は同じ方向にねじれていてもいいし、反対方向にねじれていてもいい。反対方向にねじれている場合には、各液晶層への電圧印加を同電圧で交互に印加するタイミングで行う。
【００３４】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態は、前記液晶素子から出射した前記複数のレーザ光に位相差を与える高リタデーションフィルムをさらに備え、前記高リタデーションフィルムの光学軸と前記単一の偏光状態における偏光軸とが４５度の角度をなしており、前記複数のレーザ光に４０００ｎｍ以上の位相差を与える。
【００３５】
高リタデーションフィルムを備えた投射型表示装置においては、直線偏光を有する複数のレーザ光が高リタデーションフィルムを透過することにより、透過後の複数のレーザ光に含まれる各波長の光は、様々な偏光方向、回転方向、及び、偏光の種類（直線偏光、円偏光、楕円偏光）の光を含むものとなり、水平偏光の光のみを含むものではない。そのため、偏光サングラスをかけた運転者がその画像を視認しても、フリッカは発生しない。
【００３６】
また、高リタデーションフィルムの光学軸（進相軸と遅相軸）と直線偏光のレーザ光の偏光軸とが４５度の角度をなしていると、高リタデーションフィルムに入射した複数のレーザ光は進相軸に沿って透過する成分と遅相軸に沿って透過する成分とを有する。そして、透過後の合成光においては、進相軸に沿う成分と遅相軸に沿う成分との間には４０００ｎｍ以上の位相差が生じている。本実施形態に係る高リタデーションフィルムは、可視光の範囲にある全ての波長の光（赤色光、緑色光、青色光）に対して、位相差が４０００ｎｍ以上になる特性を有している。位相差が４０００ｎｍ以上あると、投射された画像に虹むらが発生することなく、高品質の画像を得ることができる。
【００３７】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態は、前記一対の基板のうち少なくとも前記光源部から遠い側にある基板の表面に前記高リタデーションフィルムが形成されている。
【００３８】
このような構成を有すると、高リタデーションフィルムを保持するための部材が不要となり、投射型表示装置をより安価に構成することができる。
【００３９】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態は、前記光源部から見て前記画像形成部より遠い側に拡散機能を有する中間像部をさらに備え、該中間像部の少なくとも一方の表面に前記高リタデーションフィルムが形成されている。
【００４０】
このような構成を有すると、高リタデーションフィルムを保持するための部材が不要となる。また、中間像部は透過型のスクリーンであり、入射光を拡散させて出射させる機能を有する。投射型表示装置が中間像部を備えることにより、スクリーンへの投射に必要な出射角を有する合成光を得ることができる。
【００４１】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態は、前記光源部から見て前記画像形成部より遠い側にハーフミラー機能を有する表示部をさらに備え、該表示部の前記光源部に近い側の表面に前記高リタデーションフィルムが形成されている。
【００４２】
このような構成を有すると、高リタデーションフィルムを保持するための部材が不要となる。また、表示部に画像を投射することにより、フロントガラスの曲率に関係なく、歪みのない画像を表示させることができる。さらに、表示部を凹面にすることにより、画像の拡大倍率を大きくすることができる。
【００４３】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態は、前記合成光学部と前記液晶素子との間に、前記複数のレーザ光の透過率を変化させる液晶セルをさらに備える。
【００４４】
レーザ光の発光強度を電流で制御する場合には、発光強度を強い状態から弱い状態に変化させていくと、ある電流値で発振が停止するので弱い状態のレーザ光を得ることができない。すなわち、発光強度のダイナミックレンジが小さい。そこで、液晶セルで内部を透過するレーザ光の透過率を変化させることにより、電流制御を行うことなく透過したレーザ光の発光強度を強い状態から弱い状態まで変化させることができるので、発光強度のダイナミックレンジを大きくすることができる。
【００４５】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態は、前記液晶セルは垂直配向ネマティック液晶層を有する。
【００４６】
垂直配向ネマティック液晶を用いて複数のレーザ光の透過率を変化させると、外光の強度に応じて液晶素子に入射するレーザ光の強度を制御することができる。また、液晶層に電圧が印加されていないときにレーザ光が透過しない（ノーマリーブラック）構成にすることにより、高いコントラスト比（消光比）が得られると共に、レーザ光に対する安全が確保される。
【００４７】
レーザ光を用いた投射型表示装置の１つの実施形態は、前記光源部から見て前記液晶セルより遠い側に前記複数のレーザ光の色及び強度を検出する光検出部をさらに備える。また、前記光検出部の検出結果が入力される制御部をさらに備え、前記光源部は、赤色光を発生する赤色レーザ光源と、緑色光を発生する緑色レーザ光源と、青色光を発生する青色レーザ光源とを含んでおり、前記制御部は、前記光検出部の検出結果に基づいて、前記赤色レーザ光源、前記緑色レーザ光源、前記青色レーザ光源から出射される光の強度を変化させる制御を行うと好適である。
【００４８】
液晶セルに垂直配向ネマティック液晶を用いた場合には、複数のレーザ光の強度を大きく変化させることができると共にレーザ光に対する安全が確保できるが、垂直配向ネマティック液晶では波長が異なる赤色光、緑色光、青色光により、液晶層に同じ電圧を印加したときの光が透過する際の変調率の差（波長分散）が大きい。そのため、液晶セルに入射する前の合成光の色、すなわち、画像に表示されるべき色と、液晶セルを透過した後の合成光の色が変化してしまい、投影された画像の色バランスが劣化してしまう。従って、このような構成を有することにより、外光の強度に応じて運転者が視認する画像の輝度と色バランスとを常に最適にすることができる。
【００４９】
上記いずれかのレーザ光を用いた投射型表示装置は、車載用ヘッドアップディスプレイに適用することができる。
【００５０】
このような特徴構成とすれば、スペックルノイズが少なく高品質の画像を表示させることができると共に、偏光サングラスをかけた運転者がその画像を視認しても、フリッカが発生しないヘッドマウントディスプレイを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１実施形態に係る投射型表示装置の構成を表すブロック図である。
【図２】第１実施形態に係る液晶素子の構成を表す断面図である。
【図３】第１実施形態に係る液晶素子を光が透過したときの偏光方向の変化を表す概略図である。
【図４】水平偏光の光が高リタデーションフィルムを透過した後の光の偏光方向、回転方向、及び、偏光の種類をポアンカレ球により表す図である。
【図５】高リタデーションフィルムを挟持する直交ニコル偏光板に直線偏光の赤色光、緑色光、青色光が入射したときの入射光の強度を表すグラフである。
【図６】高リタデーションフィルムを挟持する直交ニコル偏光板から直線偏光の赤色光、緑色光、青色光を出射したときの出射光の強度を表すグラフである。
【図７】高リタデーションフィルムを挟持する直交ニコル偏光板から直線偏光の赤色光、緑色光、青色光を出射したときの出射光の強度の近似曲線を表すグラフである。
【図８】水平偏光の光と垂直偏光の光が高リタデーションフィルムを透過した後の各光の偏光方向、回転方向、及び、偏光の種類をポアンカレ球により表す図である。
【図９】液晶分子の螺旋ピッチと液晶層の屈折率異方性との積が２５００ｎｍ以上であるねじれ角が９０度の液晶素子を赤色光、緑色光、青色光が透過したときの偏光特性を表すグラフである。
【図１０】第１実施形態の変形例１に係る投射型表示装置の構成を表すブロック図である。
【図１１】第１実施形態の変形例２に係る投射型表示装置の構成を表すブロック図である。
【図１２】第１実施形態の変形例３に係る液晶素子の構成を表す断面図である。
【図１３】第１実施形態の変形例３に係る液晶素子を光が透過したときの偏光方向の変化を表す概略図である。
【図１４】第１実施形態の変形例４に係る液晶素子の構成を表す断面図である。
【図１５】第１実施形態の変形例４に係る液晶素子を光が透過したときの偏光方向の変化を表す概略図である。
【図１６】第１実施形態の変形例４に係る液晶素子を光が透過したときの偏光方向の変化を表す概略図である。
【図１７】第１実施形態の変形例４に係る液晶素子の光学応答を表すグラフである。
【図１８】第１実施形態の変形例５に係る投射型表示装置の構成を表すブロック図である。
【図１９】垂直配向ネマティック液晶を用いた液晶層の印加電圧に対する赤色光、緑色光、青色光の透過率を表すグラフである。
【図２０】第２実施形態に係る投射型表示装置の構成を表すブロック図である。
【図２１】第２実施形態に係る液晶素子を光が透過したときの偏光方向の変化を表す概略図である。
【図２２】第２実施形態の変形例１に係る液晶素子の構成を表す断面図である。
【図２３】第２実施形態の変形例１に係る液晶素子を光が透過したときの偏光方向の変化を表す概略図である。
【図２４】第２実施形態の変形例１に係る液晶素子を光が透過したときの偏光方向の変化を表す概略図である。
【図２５】第２実施形態の変形例２に係る液晶素子の構成を表す断面図である。
【図２６】第２実施形態の変形例２に係る液晶素子を光が透過したときの偏光方向の変化を表す概略図である。
【図２７】第３実施形態に係る投射型表示装置の構成を表すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
１．第１実施形態
〔車載用ヘッドアップディスプレイの構成〕
以下、本発明の第１実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１に車載用ヘッドアップディスプレイ（以下、単に「ヘッドアップディスプレイ」と称する）５０の構成を表すブロック図を示す。ヘッドアップディスプレイ５０は、人間の視野内に重ねて情報を表示させる装置である。ヘッドアップディスプレイ５０は、第１実施形態に係る投射型表示装置１０、及び、反射ミラー３４０を備える。
【００５３】
〔投射型表示装置の全体構成〕
投射型表示装置１０は、光源部１００と、合成光学部２００と画像形成部３００と液晶素子４００と高リタデーションフィルム５００とを備えている。投射型表示装置１０は、光源部１００で発生した光を合成光学部２００で合成して合成光を生成し、液晶素子４００で合成光の偏光方向を変化させた後に高リタデーションフィルム５００を透過させ、画像形成部３００で合成光から投射画像を形成する。
【００５４】
形成された投射画像は、反射ミラー３４０で反射された後、車両のフロントガラス７００に投射される。この投射画像は運転者４０に認識させる情報を含んでいるので、以下では、投射画像のことを情報画像とも称する。
【００５５】
フロントガラス７００に投射された情報画像は無限遠の点に結像しており、運転者４０には遠方にある仮想スクリーン６００に該情報画像が表示されているように見える。従って、運転者４０は、車両の運転中に進行方向の遠方を注視した状態で、該情報画像に焦点を合わせて、そこに表示された情報を認識することができる。
【００５６】
〔光源部の構成〕
光源部１００は、緑色光を発生するレーザダイオード（ＬＤ）１１０、青色光を発生するＬＤ１２０と、赤色光を発生するＬＤ１３０とを備える。各色の光は同じ偏光方向の直線偏光で、且つ、フロントガラス７００上に表示される投射画像の画素に対応して変調されて出射される。各色の光は高いコヒーレンス性を有している。ＬＤ１１０〜１３０を備えることにより、投射型表示装置１０はカラー画像を投射することができる。なお、ＬＤ１１０は緑色レーザ光源の一例、ＬＤ１２０は青色レーザ光源の一例、ＬＤ１３０は赤色レーザ光源の一例である。
【００５７】
本実施形態においては、３色の光源にそれぞれ専用のＬＤを用いたが、白色光を発生するＬＤからダイクロイックミラー等で分離して２色又は３色の光源を構成してもよい。本実施形態では、ＬＤ１１０〜１３０を用いたが、他の色を発生するＬＤを用いて光源部１００を構成してもよい。また、光源部１００から出射する光の数は３つに限らず２つでも、４つ以上であってもよい。
【００５８】
〔合成光学部の構成〕
合成光学部２００は、ＬＤ１１０から発生した緑色光を反射するミラー２１０と、緑色光を透過しＬＤ１２０から発生した青色光を反射するダイクロイックミラー２２０と、緑色光と青色光を透過しＬＤ１３０から発生した赤色光を反射するダイクロイックミラー２３０とを備える。合成光学部２００は緑色光と青色光と赤色光を合成して合成光を生成する。合成光の状態で緑色光、青色光、赤色光はいずれも同じ偏光方向を有している。
【００５９】
〔画像形成部の構成〕
画像形成部３００は、走査機構の一例である水平走査ミラー３１０と垂直走査ミラー３２０とを備えており、入射した合成光を２次元方向に走査する。本実施形態においては、水平走査ミラー３１０として、半導体製造技術等を用いて製作されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーであって、電磁力等を用いて往復揺動（共振振動）させることができるものを用いている。また、垂直走査ミラー３２０として、ガルバノミラーを用いている。水平走査ミラー３１０と垂直走査ミラー３２０は不図示の駆動源により駆動される。これにより、合成光は、フロントガラス７００上での情報画像の表示範囲において上左端から、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、画像形成部３００で形成された１フレームの情報画像が投射されて表示される。その後、再び走査位置は上記上左端へ戻り、次フレームの情報画像を投射、表示するための走査が始まる。なお、１フレームの情報画像は合成光が上右端から下左端まで走査されて表示される構成であってもよい。また、画像形成部３００は、走査機構の他の一例として単一のミラーで水平方向と垂直方向を走査するように揺動させる構成であってもよい。
【００６０】
〔液晶素子の構成〕
液晶素子４００は、図２に示すように、透光性の基板４１１、４１２の間に透光性の液晶層４４１を設けると共に、液晶層４４１と基板４１１、４１２の間に液晶層４４１の液晶分子を配向させる透光性の配向層４３１、４３２と、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透光性材料からなり電圧を印加して液晶層４４１に作用させる電界を発生させる電極層４２１、４２２を備えている。液晶素子４００は合成光学部２００と画像形成部３００との間に配置され、合成光学部２００が出射した合成光を透過させて画像形成部３００に入射させる。交流電源４５０により電極層４２１、４２２に電圧が印加されると、発生した電界により液晶素子４００の液晶分子の配向状態が変化し、これにより、透過する合成光の偏光方向が変化する。なお、図２中のΔｎは液晶層４４１の屈折率異方性を表し、ｄは液晶層４４１の厚さを表す。図中、左方から右方へ向かう矢印は合成光の進行方向を表す。
【００６１】
図３に、電圧が印加されていないときの液晶素子４００を透過する光Ｘの偏光方向の変化を示す。液晶素子４００の配向層４３１、４３２は液晶分子を一定方向に配列させる機能を有している。本実施形態においては、配向層４３１は液晶分子を垂直方向に配列させるように配向しており（矢印Ｂ）、配向層４３２は液晶分子を水平方向に配列させるように配向している（矢印Ｃ）。そのため、液晶層４４１の液晶分子は配向層４３１から配向層４３２に向かうにつれて９０度ねじれて配列される螺旋構造を有している。液晶層４４１を透過する光Ｘの偏光方向は液晶分子の配列に沿って回転する。
【００６２】
図３に示すように、矢印Ａで示す光Ｘの偏光方向は垂直偏光であり、この偏光方向は矢印Ｂで示す配向層４３１近傍の液晶分子の配列方向と同じなので、光Ｘは配向層４３１を透過して液晶層４４１に入射する。光Ｘは、液晶層４４１を透過中に液晶分子の配列に沿って偏光方向が９０度変化し、矢印Ｄで示す水平偏光となって矢印Ｃで示す配向層４３２を透過して出射する。なお、本明細書の各実施形態及び変形例において、投射型表示装置１０における光源部１００及び液晶素子４００を使用している状態で、重力の方向に沿う方向（垂直方向）の偏光を垂直偏光、重力の方向に垂直な方向（地面に平行な方向、水平方向）の偏光を水平偏光と称する。
【００６３】
一方、交流電源４５０により電極層４２１、４２２に電圧が印加されると、発生した電界の作用を受けて液晶分子は光Ｘの進行方向に沿って配列するため、液晶素子４００の透過前後で光Ｘの偏光方向は矢印Ａに示す垂直偏光のままで変化しない。このように、交流電源４５０による印加電圧のオンとオフとにより、液晶素子４００を透過する光Ｘの偏光方向は垂直偏光から水平偏光に９０度変化する。この偏光方向の変化は合成光においても同様に発生する。本実施形態においては１フレームの情報画像の描画中に偏光方向を１回変化させる。
【００６４】
本実施形態においては、合成光全体の偏光方向を同時且つ同様に変化させるため、液晶素子４００の液晶層４４１は、単一の画素を形成する構造を有する。このような構成を有する液晶素子４００によれば、透過する合成光の偏光方向は透過する場所によらずに同じであり、偏光方向の変化も同時且つ同様に発生する。換言すれば、液晶素子４００は、合成光において一つの偏光状態のみを生成する。
【００６５】
〔高リタデーションフィルムの構成〕
高リタデーションフィルム５００は、図１に示すように、液晶素子４００と画像形成部３００との間に配設されており、不図示の保持部材により保持されている。高リタデーションフィルム５００は複屈折特性を有するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエステルやポリカーボネート等の高分子からなるフィルムである。本実施形態において、高リタデーションフィルム５００は、液晶素子４００から出射される合成波の水平偏光の偏光軸と垂直偏光の偏光軸に対して、光学軸（進相軸と遅相軸）が４５度の角度をなすように配置されている。
【００６６】
高リタデーションフィルム５００において進相軸と遅相軸のなす角度は９０度なので、偏光軸と光学軸とが直交または平行を除く角度をなすように高リタデーションフィルム５００に入射した合成光は進相軸に沿って透過する成分と遅相軸に沿って透過する成分とを有する。遅相軸に沿う成分は進相軸に沿う成分よりも相対的に遅い透過速度で高リタデーションフィルム５００を透過するため、透過後の合成光においては、進相軸に沿う成分と遅相軸に沿う成分との間には位相差（リタデーション）が生じている。この位相差は、進相軸を透過する光の屈折率と遅相軸を透過する光の屈折率との差に、高リタデーションフィルム５００の厚さを乗じて算出することができる。
【００６７】
高リタデーションフィルム５００は、可視光の範囲にある全ての波長の光（赤色光、緑色光、青色光）に対して、この位相差が４０００ｎｍ以上になる特性を有している。位相差が４０００ｎｍ以上あると、投射された情報画像に虹むらが発生することなく、高品質の情報画像を得ることができる。また、合成光の進相軸に沿う成分と遅相軸に沿う成分との間でこのような大きな位相差が発生しているため、透過後の合成光は、様々な偏光方向、回転方向、及び、偏光の種類（直線偏光、円偏光、楕円偏光）を含むものとなっている。
【００６８】
以下、高リタデーションフィルム５００を透過した後の合成光が様々な偏光方向、回転方向、及び、偏光の種類を含むものとなっていることについて、ポアンカレ球を用いて説明する。図４に、波長λの水平偏光の光が、その偏光方向となす角ψが４５度の光学軸を有し、且つ、リタデーション値（位相差の絶対値）がＲｅの高リタデーションフィルム５００に入射して透過することにより、点Ｐにある水平偏光の入射光が点Ｍの位置での偏光方向、回転方向、及び、偏光の種類に変換されて出射されることを表すポアンカレ球を示す。なお、ポアンカレ球を地球に例えると、（ｉ）赤道Ｈ上は全て直線偏光を表す、（ｉｉ）北極Ｎ及び南極Ｓは円偏光を表す、（ｉｉｉ）赤道Ｈ上、北極Ｎ、南極Ｓ以外は全て楕円偏光を表す、（ｉｖ）点Ｐからの経度の半分の角度が直線あるいは楕円偏光の方位角に相当し、同じ経度では方位角が同じ偏光を表す、（ｖ）北半球は右回転の偏光、南半球は左回転の偏光を表す、ものとする。
【００６９】
ポアンカレ球への作図は以下のように行う。（１）点Ｐ（水平偏光の入射光）から入射光の偏光方向と高リタデーションフィルム５００の光学軸のなす角ψ（＝４５度）の２倍の角度（２ψ＝９０度）でポアンカレ球の中心を通る回転軸を表す直線Ｌ１を引く。（２）直線Ｌ１に垂直でかつ点Ｐを通る直線Ｌ２を引く。（３）直線Ｌ２を含み赤道Ｈに垂直な断面によって作られるポアンカレ球上の円Ｃｒに沿って、直線Ｌ１を回転軸として点Ｐから角度δ（＝２π・Ｒｅ／λ）だけ回転した点Ｍを定める。
【００７０】
波長λの水平偏光の光が高リタデーションフィルム５００を透過することにより点Ｐから変換された点Ｍは、波長λ及び／又はリタデーション値Ｒｅにより角度δが変わることから、円Ｃｒ上のいずれかの位置をとる。例えば、点Ｍが赤道Ｈ上にあるときは出射光は水平偏光又は垂直偏光となり、点Ｍが北極Ｎにあるときは出射光は右回転の円偏光となり、点Ｍが赤道Ｈと北極Ｎ以外の北半球にあるときは出射光は右回転の楕円偏光となる。また点Ｍが南極Ｓにあるときは出射光は左回転の円偏光となり、点Ｍが赤道Ｈと南極Ｓ以外の南半球にあるときは出射光は左回転の楕円偏光となる。リタデーション値Ｒｅが一定の高リタデーションフィルム５００に合成光が入射する場合、合成光に含まれる赤色光、緑色光、青色光はそれぞれ波長幅を有していて波長λが異なるので、高リタデーションフィルム５００透過後の合成光に含まれる赤色光、緑色光、青色光は、それぞれ異なる偏光方向、回転方向、及び、偏光の種類の光になっていることが理解される。
【００７１】
一般に、直交ニコルの偏光板の間に偏光板の両偏光軸と光学軸とが４５度の角度をなすようにリタデーション値Ｒeの高リタデーションフィルム５００が配置されたものにおいて、波長λの直線偏光の光が強度Ｉoで入射側偏光板に偏光方向が平行な状態で入射し、高リタデーションフィルム５００を透過して強度Ｉで出射側偏光板から出射したときには、以下の関係が成り立つ。
Ｉ＝Ｉo・ｓｉｎ2（π・Ｒe／λ）・・・（１）
【００７２】
直交ニコルの偏光板のうち、入射側偏光板は水平偏光で入射する光をそのまま透過させる偏光板が使用され、出射側偏光板は水平偏光成分を吸収する偏光板が使用される。出射側偏光板は、運転者４０の偏光サングラス４２に相当する。ここで、直交ニコルの偏光板の間に高リタデーションフィルム５００が配置されていないと、水平偏光で入射する光は偏光サングラス４２に相当する出射側偏光板で吸収（ブラックアウト）され、表示画像は視認できない。したがって、（１）式から高リタデーションフィルム５００が配置されることで、偏光サングラス４２をかけた状態で水平偏光の表示を視認できる効果が理解される。
【００７３】
また、（１）式から分かるように、波長λが変化すると透過光強度Ｉが変化することから、高リタデーションフィルム５００を透過した合成光に含まれる異なる波長の光である赤色光、緑色光、青色光は高リタデーションフィルム５００の透過により偏光方向、回転方向、及び、偏光の種類（直線偏光、円偏光、楕円偏光）が異なるものになる。また、リタデーション値Ｒeが大きい（４０００ｎｍ以上）と、波長λの変化量が僅かであっても透過光強度Ｉは大きく変化する。
【００７４】
この直交ニコルの偏光板の間に高リタデーションフィルム５００を配置したものに同じ強度の直線偏光の赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ入射させたときの入射光の強度Ｉoを図５、透過光の強度Ｉを図６、透過光の強度の近似曲線を図７に示す。図５と図６から分かるように、透過光強度Ｉのスペクトルの包絡線は入射光強度Ｉoのスペクトルと同形になる。これは、リタデーション値Ｒｅが大きい（４０００ｎｍ以上）場合には、波長λの変化量が僅かであっても透過光強度Ｉは大きく変化する（図６の強度を示す波形の波長半値幅が狭くなる）ことによるものである。もし、リタデーション値Ｒｅが小さい（４０００ｎｍ未満）場合には、波長λの変化量が大きくても透過光強度Ｉは僅かに変化する（図６の強度を示す波形の波長半値幅が広くなる）に過ぎないので、透過光強度Ｉのスペクトルの包絡線と入射光強度Ｉoのスペクトルとは同形にならない。また、図７と図５を比較すると、透過光強度Ｉの近似曲線のピークは入射光強度Ｉoのピークの約半分であるが、近似曲線の赤色光、緑色光、青色光のピークはいずれも同等である。よって、４０００ｎｍ以上の位相差を有する高リタデーションフィルム５００を透過した光は入射光の色相から変化していないことが分かる。従って、この透過光を投射した情報画像では虹むらは観察されない。
【００７５】
上述したように、高リタデーションフィルム５００を透過した合成光は様々な偏光方向、回転方向、及び、偏光の種類の光を含んでいるが、これは高リタデーションフィルム５００の複屈折特性に従って位相差が生じたことに起因するものであり、透過後の合成光に含まれる各波長の光（赤色光、緑色光、青色光）は依然としてコヒーレンス性を有している。そのため、この合成光で形成された情報画像がフロントガラス７００に投射されると、フロントガラス７００の表面の凹凸により合成光に含まれる各波長の光の散乱光が互いに干渉してスペックルノイズが発生する。スペックルノイズはフロントガラス７００上の情報画像に明暗の斑点模様となって現れ、これにより情報画像の品質が低下する。
【００７６】
本実施形態においては、液晶素子４００により、合成光をフレーム単位で垂直偏光と水平偏光とに変化させている。垂直偏光と水平偏光は、それぞれ高リタデーションフィルム５００の光学軸に対して右上に４５度傾いた偏光方向と左上に４５度傾いた偏光方向とをなす。この場合、右上に４５度傾いた偏光方向と左上に４５度傾いた偏光方向とをなす光は、ポアンカレ球において、入射光の偏光方向と高リタデーションフィルム５００の光学軸とが角ψ（＝±４５度）をなす。これらの光が高リタデーションフィルム５００を透過すると、透過後の光は、図８に示すように、点Ｐ１（水平偏光）、点Ｐ２（垂直偏光）からそれぞれ角ψの２倍の角度（２ψ＝±９０度）でポアンカレ球の中心を通る直線Ｌ１を回転中心軸とし、円Ｃｒ上で点Ｐからそれぞれ同じ角度δ（δ＝２π・Ｒｅ／λ）だけ回転させた点Ｍ１、点Ｍ２の位置の偏光方向、回転方向、及び、偏光の種類の光となる。このように、点Ｐ１、点Ｐ２はそれぞれ点Ｍ１、点Ｍ２に示す北半球（右回転の偏光）又は南半球（左回転の偏光）に変換されることから、垂直偏光と水平偏光が高リタデーションフィルム５００を透過した後の出射光は、円偏光や楕円偏光で回転方向が反対（左旋性と右旋性）の光になることが理解される。
【００７７】
そのため、垂直偏光の合成光で形成された情報画像におけるスペックルノイズの発生場所と、水平偏光の合成光で形成された情報画像におけるスペックルノイズの発生場所は異なる。その結果、各フレームで異なる場所に発生したスペックルノイズは全体として平滑化され、フロントガラス７００上に表示される情報画像に現れるスペックルノイズは低減されて運転者４０に視認される。本実施形態においては、偏光方向が９０度変化するので、他の角度の変化と比較してスペックルノイズの低減効果が最大となる。
【００７８】
また、上述したように、高リタデーションフィルム５００を透過した合成光に含まれる各波長の光は様々な偏光方向、回転方向、及び、偏光の種類（直線偏光、円偏光、楕円偏光）の光を含んでおり水平偏光の合成光のみで形成されたものではないので、光の吸収軸が水平方向である偏光サングラス４２をかけた運転者４０がこの合成光で形成された情報画像を視認しても、フリッカは発生しない。
【００７９】
本実施形態において、高リタデーションフィルム５００は保持部材に保持されているが、これに限られるものではない。高リタデーションフィルム５００は、保持部材で保持される代わりに、液晶素子４００の基板４１２の表面に形成されていてもよい。このような構成にすることにより、保持部材が不要となり、投射型表示装置１０をより安価に構成することができる。
【００８０】
〔液晶層を透過する光の偏光特性〕
一般的に、光の色（波長）が異なると、波長に応じて液晶層４４１中で異なる旋光分散が発生し、印加電圧に対する偏光方向の特性（以下、「偏光特性」と称する）が異なる。偏光特性が異なっていると、本実施形態のように１フレームの情報画像の描画中に偏光方向を変化させたときに、印加電圧の値によっては投射画像中で同じ色を表示すべき複数の画素で、緑色光、青色光、赤色光の偏光特性の違いによって色の変化が生じてしまい、画像を見ている人間に違和感を与えてしまうことがある。色の変化を生じさせないためには、緑色光、青色光、赤色光の偏光特性を同じにした上で投射画像を形成して投射する必要がある。
【００８１】
そのため本実施形態においては、液晶素子４００の液晶層４４１の液晶分子の螺旋構造の螺旋ピッチをｐとしたとき、ｐ×Δｎ≧２５００ｎｍ（Δｎは上述の液晶層４４１の屈折率異方性）を充足するように構成されている。螺旋ピッチｐは、液晶分子のねじれ角をθとしたときに、ｐ＝ｄ×３６０／θの関係を有する（ｄは上述の液晶層４４１の厚さ）。本実施形態においては、図３に示す矢印Ｂと矢印Ｃの関係より、ねじれ角θは９０度である。
【００８２】
液晶素子４００がｐ×Δｎ≧２５００ｎｍの関係を充足すると、図９に示すように、緑色光、青色光、赤色光の全ての光において、電圧を同程度印加すると同程度だけ偏光方向が変化している。これにより、旋光分散が低減し偏光特性が同じになったことが理解される。これにより、本実施形態のように１フレームの情報画像の描画中に偏光方向が変化する構成であったとしても、印加電圧に対して緑色光、青色光、赤色光の全ての偏光方向が同じように変化するので、１フレームの情報画像の描画中に同じ色を複数の画素に表示させても色の変化は生じない。
【００８３】
２．第１実施形態の変形例
以下、本発明の第１実施形態の変形例に係る投射型表示装置１０について図面に基づいて詳細に説明する。各変形例の説明においては、第１実施形態と同じ構成の箇所には同じ符号を付し、同様の構成に関する説明は省略する。
【００８４】
〔変形例１〕
図１０に示すように、変形例１に係る投射型表示装置１０において、高リタデーションフィルム５００は、液晶素子４００と画像形成部３００との間にではなく、画像形成部３００と反射ミラー３４０の間に配設された中間像部３５０の画像形成部３００と対向する面に形成されている。中間像部３５０は透過型のスクリーンであり、ガラス基板や樹脂基板上に表面加工やコーティングにより光拡散層を設けて、光の透過率が低下するのを抑制しつつ光の拡散性は向上するように構成されている。中間像部３５０は、例えば、すりガラスやマイクロレンズアレイからなり、入射光を拡散させて出射させる機能を有する。中間像部３５０に高リタデーションフィルム５００が形成されていると、高リタデーションフィルム５００の透過により様々な偏光方向、回転方向、及び、偏光の種類（直線偏光、円偏光、楕円偏光）の光を含む合成光が中間像部３５０を透過して出射される。
【００８５】
変形例１の構成により、フロントガラス７００への投射に必要な出射角を有する合成光を得ることができると共に、スペックルノイズの発生が低減され、運転者４０が偏光サングラス４２を通して見てもフリッカが発生しない情報画像を得ることができる。なお、高リタデーションフィルム５００を中間像部３５０の画像形成部３００と対向する面にではなく、反射ミラー３４０と対向する面に形成してもよい。また、中間像部３５０の両面に形成してもよい。
【００８６】
〔変形例２〕
図１１に示すように、変形例２に係る投射型表示装置１０において、高リタデーションフィルム５００は、液晶素子４００と画像形成部３００との間にではなく、反射ミラー３４０とフロントガラス７００の間に配設されたハーフミラー機能を有するコンバイナ３６０の反射ミラー３４０と対向する面に形成されている。ヘッドアップディスプレイ５０がコンバイナ３６０を有すると、情報画像はフロントガラス７００でなく、コンバイナ３６０に投射される。運転者４０は、高リタデーションフィルム５００を透過してコンバイナ３６０の表面で反射された合成光により、コンバイナ３６０を通して車外の遠方にある仮想スクリーン６００に表示された情報画像を視認する。コンバイナ３６０に情報画像を投射することにより、フロントガラス７００の曲率に関係なく、歪みのない情報画像を表示させることができる。さらに、コンバイナ３６０を凹面にすることにより、情報画像の拡大倍率を大きくすることができる。
【００８７】
変形例２の構成によっても、スペックルノイズの発生が低減され、運転者４０が偏光サングラス４２を通して見てもフリッカが発生しない情報画像を得ることができる。なお、コンバイナ３６０は表示部の一例である。
【００８８】
〔変形例３〕
変形例３に係る投射型表示装置１０は、液晶素子４００の構成が第１実施形態とは異なっている。具体的には、図１２に示すように、液晶素子４００が透光性の液晶層４４１と透光性の液晶層４４２とを備えている。液晶層４４１は透光性の基板４１１、４１３の間に設けられ、液晶層４４２は基板４１３、４１２の間に設けられている。液晶層４４１と液晶層４４２の屈折率異方性はいずれも同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。また、液晶層４４１の厚さはｄ１、液晶層４４２の厚さはｄ２である。図中、左方から右方へ向かう矢印は合成光の進行方向を表す。なお、変形例３において、液晶層４４１は第１層の一例であり、液晶層４４２は第２層の一例である。液晶層４４１の厚さｄ１と液晶層４４２の厚さｄ２とは同じ厚さである必要はないが、液晶層４４１と液晶層４４２の特性を同等にする場合には、液晶層４４１の厚さｄ１と液晶層４４２の厚さｄ２を同じ厚さにするのが望ましい。
【００８９】
液晶層４４１の両側には液晶層４４１の液晶分子を配向させる透光性の配向層４３１と配向層４３３が備えられ、液晶層４４２の両側には液晶層４４２の液晶分子を配向させる透光性の配向層４３３と配向層４３２が備えられる。また、配向層４３１と配向層４３３の外側、及び、配向層４３３と配向層４３２の外側には、ＩＴＯ等の透光性材料からなり液晶層４４１、４４２に電圧を印加する電極層４２１、４２２がそれぞれ備えられる。
【００９０】
図１３に、電圧が印加されていないときの液晶素子４００を透過する光Ｘの偏光方向の変化を示す。配向層４３１は液晶分子を垂直方向に配列させるように配向しており（矢印Ｂ）、配向層４３２は液晶分子を水平方向に配列させるように配向している（矢印Ｅ）。配向層４３３は配向層４３１、４３２に対して液晶分子を４５度傾けて配列させるように配向している（矢印Ｃ）。図１３に示すように、矢印Ａで示す光Ｘの偏光方向は垂直偏光であり、この偏光方向は矢印Ｂで示す配向層４３１近傍の液晶分子の配列方向と同じなので、光Ｘは配向層４３１を透過して液晶層４４１に入射する。光Ｘは、液晶層４４１を透過中に液晶分子の配列に沿って矢印Ｃのように偏光方向が４５度変化し、矢印Ｄで示す偏光方向のまま矢印Ｃで示す２つの配向層４３３を透過して液晶層４４２に入射する。そして液晶層４４２を透過中に液晶分子の配列に沿って偏光方向が更に４５度変化し、矢印Ｆで示す水平偏光となって矢印Ｅで示す配向層４３２を透過して出射する。すなわち、光Ｘが液晶素子４００を透過すると、第１実施形態と同様に、光Ｘの偏光方向は９０度変化している。
【００９１】
一方、交流電源４５０により液晶層４４１を挟む電極層４２１、４２２、及び、液晶層４４２を挟む電極層４２１、４２２に同時に電圧が印加されると、発生した電界の作用を受けて液晶分子は光Ｘの進行方向に沿って配列するため、液晶素子４００の透過前後で光Ｘの偏光方向は矢印Ａに示す垂直偏光のままで変化しない。このように、交流電源４５０による印加電圧のオンとオフの切り換えにより、液晶素子４００を透過する光Ｘの偏光方向は垂直偏光と水平偏光とに９０度変化する。この偏光方向の変化は合成光においても同様に発生する。変形例３においては１フレームの情報画像の描画中に偏光方向を１回変化させる。
【００９２】
変形例３において、光Ｘの進行方向下流側（図１３の右側）から進行方向上流側（図１３の左側）を見たときに、液晶層４４１の配向層４３１に対して対向する配向層４３３は右に４５度傾いており、液晶層４４２の配向層４３３に対して対向する配向層４３２も右に４５度傾いている。すなわち、交流電源４５０に交流電圧が印加されていないとき、液晶層４４１と液晶層４４２の各液晶分子のねじれ角は４５度であって、いずれの液晶分子も光Ｘの入射側から出射側に向かって同じ方向にねじれて配列される螺旋構造を有している。
【００９３】
変形例３のように、液晶素子４００が液晶層４４１、４４２を備える構成であれば、交流電源４５０による液晶層４４１、４４２への電圧印加を同電圧で同じタイミングで行うことで、印加電圧のオンとオフによる液晶層４４１、４４２を透過する光の偏光方向の変化はそれぞれ４５度で済む。そのため、赤色光、緑色光、青色光の偏光分散を小さくすることができると共に、液晶素子４００として垂直偏光と水平偏光の偏光方向の変化を短時間で完了させることができる。また、変形例３の構成によっても、スペックルノイズの発生が低減され、運転者４０が偏光サングラス４２を通して見てもフリッカが発生しない情報画像を得ることができる。
【００９４】
一般に、投射型表示装置において、それを構成する光学系は、斜めの偏光方向の光が存在すると水平面上に配置するミラーなどの光学部品のアライメント調整が困難になるので、機構設計を容易にするために、光学部品を透過する、あるいは光学部品で反射する光の偏光方向を水平方向、又は、垂直方向にすることが多い。投射型表示装置１０においては、液晶層４４１におけるねじれ方向と液晶層４４２におけるねじれ方向とが同じ方向となる構成を有しているので、液晶素子４００への垂直偏光の入射光に対して出射光の偏光方向を水平偏光と垂直偏光とに交互に変化させることが容易に実現できる。なお、入射光の偏光方向が水平偏光の場合には、液晶素子４００を９０度回転させて配置することで、同様の効果を得ることができる。
【００９５】
なお、変形例３の液晶素子４００において、液晶層４４１の液晶分子の螺旋構造の螺旋ピッチをｐ１、屈折率異方性をΔｎ１とし、液晶層４４２の液晶分子の螺旋構造の螺旋ピッチをｐ２、屈折率異方性をΔｎ２としたとき、ｐ１×Δｎ１≧２５００ｎｍ、ｐ２×Δｎ２≧２５００ｎｍを充足するように構成されている。これにより、緑色光、青色光、赤色光の偏光特性を同じにすることができる（図９参照）。図９は、ねじれ角が９０度の液晶素子４００で偏光方向が９０度変化する偏光特性を同じにすることができること表しているが、ねじれ角が４５度である変形例３の液晶素子４００においても、偏光方向が４５度変化する偏光特性を同じにすることができるのは当然のことである。
【００９６】
〔変形例４〕
変形例４に係る投射型表示装置１０は、液晶素子４００の構成が第１実施形態とは異なっている。具体的には、図１４に示すように、液晶素子４００が透光性の液晶層４４１と透光性の液晶層４４２とを備えている。この液晶素子４００の構成は図１２に示す液晶素子４００と同様の構造を有しているが、液晶層４４１に印加する交流電源４５０と液晶層４４２に印加する交流電源４５０とが独立している点が異なる。また、液晶層４４１の両側には液晶層４４１の液晶分子を配向させる透光性の配向層４３３と配向層４３１が備えられ、液晶層４４２の両側には液晶層４４２の液晶分子を配向させる透光性の配向層４３３と配向層４３２が備えられる。
【００９７】
変形例４においては、液晶層４４１と液晶層４４２に交互に交流電圧を印加する。図１５に、液晶層４４１に電圧を印加し、液晶層４４２に電圧を印加しないときの液晶素子４００を透過する光の偏光方向の変化を示す。図１６に、液晶層４４２に電圧を印加し、液晶層４４１に電圧を印加しないときの液晶素子４００を透過する光の偏光方向の変化を示す。
【００９８】
図１５に示すように、変形例４において、液晶層４４１に入射する光Ｘの偏光方向は、矢印Ａで示すように水平方向に対して４５度傾いている。以下、光Ｘ及び合成光において、水平方向に対して矢印Ａで示す方向に４５度傾いた偏光方向を「右４５度偏光」、水平方向に対して矢印Ａで示す方向と反対方向に４５度傾いた偏光方向を「左４５度偏光」と称する。
【００９９】
図１５、図１６において、配向層４３３は液晶分子を右４５度傾けて配列させるように配向しており（矢印Ｂ）、配向層４３１は液晶分子を垂直方向に配列させるように配向している（矢印Ｃ）。配向層４３２は液晶分子を水平方向に配列させるように配向している（矢印Ｅ）。図１５において、矢印Ａで示す光Ｘの偏光方向は右４５度偏光であり、この偏光方向は矢印Ｂで示す配向層４３３近傍の液晶分子の配列方向と同じであり、光Ｘは配向層４３３を透過して液晶層４４１に入射する。液晶層４４１には電圧が印加されているので、発生した電界の作用を受けて液晶層４４１の液晶分子は光Ｘの進行方向に沿って配列し、液晶層４４１の透過前後で光Ｘの偏光方向は矢印Ａで示す右４５度偏光のままで変化することなく配向層４３１を透過して配向層４３３に入射する。
【０１００】
液晶層４４２には電圧が印加されていないので、光Ｘは、液晶層４４２を透過中に液晶分子の配列に沿って矢印Ｆのように偏光方向が４５度変化し、矢印Ｆで示す水平偏光となって矢印Ｅで示す配向層４３２を透過して出射する。すなわち、光Ｘが液晶素子４００を透過すると、光Ｘの偏光方向は右４５度偏光から水平偏光へと４５度変化している。
【０１０１】
図１６において、矢印Ａで示す光Ｘの偏光方向は右４５度偏光であり、この偏光方向は矢印Ｂで示す配向層４３３近傍の液晶分子の配列方向と同じであり、光Ｘは配向層４３３を透過して液晶層４４１に入射する。液晶層４４１には電圧が印加されていないので、光Ｘは、液晶層４４１を透過中に液晶分子の配列に沿って矢印Ｄのように偏光方向が４５度変化し、矢印Ｄで示す垂直偏光となって矢印Ｃで示す配向層４３１を透過して配向層４３３に入射する。
【０１０２】
液晶層４４２には電圧が印加されているので、発生した電界の作用を受けて液晶層４４２の液晶分子は光Ｘの進行方向に沿って配列し、液晶層４４２の透過前後で光Ｘの偏光方向は矢印Ｄで示す垂直偏光のままで変化することなく矢印Ｅで示す配向層４３２を透過して出射する。すなわち、光Ｘが液晶素子４００を透過すると、光Ｘの偏光方向は右４５度偏光から垂直偏光へと４５度変化している。
【０１０３】
このように、液晶層４４１と液晶層４４２の交流電源４５０を交互にオンとオフを切り換えることにより、液晶素子４００を透過した光Ｘの偏光方向は水平偏光と垂直偏光とに９０度変化する。この偏光方向の変化は合成光においても同様に発生する。変形例４においては１フレームの情報画像の描画中に偏光方向を１回変化させる。
【０１０４】
変形例４において、光Ｘの進行方向下流側（図１５の右側）から進行方向上流側（図１５の左側）を見たときに、液晶層４４１の配向層４３３に対して対向する配向層４３１は左に４５度傾いており、液晶層４４２の配向層４３３に対して対向する配向層４３２は右に４５度傾いている。すなわち、いずれの交流電源４５０にも交流電圧が印加されていないとき、液晶層４４１と液晶層４４２の各液晶分子のねじれ角は４５度であって、液晶層４４１の液晶分子と液晶層４４２の液晶分子は光Ｘの入射側から出射側に向かって互いに反対方向にねじれて配列される螺旋構造を有している。
【０１０５】
変形例４のように、液晶素子４００が液晶層４４１、４４２を備える構成であれば、交流電源４５０による液晶層４４１、４４２への電圧印加を交互に行うことで、印加電圧の切り換えによる液晶層４４１、４４２を透過する光の偏光方向の変化はそれぞれ４５度で済む。そのため、赤色光、緑色光、青色光の偏光分散を小さくすることができると共に、液晶素子４００として垂直偏光と水平偏光の偏光方向の変化を短時間で完了させることができる。また、変形例４の構成によっても、スペックルノイズの発生が低減され、運転者４０が偏光サングラス４２を通して見てもフリッカが発生しない情報画像を得ることができる。
【０１０６】
また、変形例４においては、図１７に示すように、印加電圧の切り換え時間には液晶層４４１の立ち上り応答時間ｔｒと液晶層４４２の立ち下り応答時間ｔｄ、及び、液晶層４４１の立ち下り応答時間ｔｄと液晶層４４２の立ち上り応答時間ｔｒがオーバーラップしている。そのため、各フレームにおいて、液晶層４４１が応答する立ち上り時間ｔｒと液晶層４４２が応答する立ち下り時間ｔｄの開始、及び、液晶層４４１の立ち下り応答時間ｔｄと液晶層４４２の立ち上り応答時間ｔｒの開始を同じタイミングにすることができる。すなわち、液晶層４４１と液晶層４４２のそれぞれの偏光方向を４５度変化させる時間が同じ程度になるので、時間的に隣接するフレームの情報画像の表示時間を同じにすることができる。その結果、情報画像に明暗が生じないので、運転者４０による情報画像の視認性を向上させることができる。
【０１０７】
なお、変形例４の液晶素子４００において、液晶層４４１の液晶分子の螺旋構造の螺旋ピッチをｐ１、屈折率異方性をΔｎ１とし、液晶層４４２の液晶分子の螺旋構造の螺旋ピッチをｐ２、屈折率異方性をΔｎ２としたとき、ｐ１×Δｎ１≧２５００ｎｍ、ｐ２×Δｎ２≧２５００ｎｍを充足するように構成されている。これにより、緑色光、青色光、赤色光の偏光特性を同じにすることができる（図９参照）。図９は、ねじれ角が９０度の液晶素子４００で偏光方向が９０度変化する偏光特性を同じにすることができること表しているが、ねじれ角が４５度である変形例４の液晶素子４００においても、偏光方向が４５度変化する偏光特性を同じにすることができるのは当然のことである。
【０１０８】
〔変形例５〕
変形例５に係る投射型表示装置１０は、図１８に示すように、第１実施形態の構成に加えて、合成光学部２００と液晶素子４００との間に液晶セル１４０、ハーフミラー１５０、光検出部１６０、制御部１７０を備えている。
【０１０９】
液晶セル１４０は、内部を透過する光の透過率を変化させる機能を有する。液晶セル１４０の構成は既知であるため省略するが、不図示の液晶層の両端に設けられた電極層に交流電圧を印加することにより液晶層内の液晶分子の配向状態を変化させて内部を透過する光の偏光方向を変化させ、それにより内部を透過する合成光の透過率を変化させる。液晶層は垂直配向ネマティック液晶層であり、単一の画素を形成する構造を有する。
【０１１０】
液晶セル１４０の透過率は車両の外光の強度により制御される。例えば、液晶セル１４０は、不図示のインバータを介して、車両の外光の強度に応じて電力を生成する不図示の太陽電池と接続されていてもよい。これにより車外の外光の強度に応じた交流電圧が液晶セル１４０に印加される。また、外光の強度（太陽電池で生成された電力）に応じた大きさの検出信号が制御部１７０に入力される。
【０１１１】
液晶セル１４０においては、外光の強度が大きいとき、すなわち、液晶層に印加される電圧値が大きいときに透過率が高くなり、外光の強度が小さいとき、すなわち、液晶層に印加される電圧値が小さいときに透過率が低くなるように構成されている。また、液晶セル１４０は、液晶層に電圧が印加されていないときは合成光が透過しない（ノーマリーブラック）ように構成されている。これにより、高いコントラスト比（消光比）が得られると共に、レーザ光に対する安全が確保される。
【０１１２】
ハーフミラー１５０は、液晶セル１４０を透過した合成光の一部を反射して、残りを透過する機能を有する。光検出部１６０は、ハーフミラー１５０で反射した合成光が入射して、合成光に含まれる赤色光、緑色光、青色光のそれぞれの強度と合成光としての色を検出する。その後、検出結果を表す信号が制御部１７０に向けて出力される。
【０１１３】
制御部１７０は、太陽電池からの検出信号と光検出部１６０からの検出信号に基づいて、ＬＤ１１０（緑色光）、ＬＤ１２０（青色光）、ＬＤ１３０（赤色光）からの出射光の強度を変化させる命令を出力して制御する。これにより、運転者４０が視認する情報画像の輝度と色バランスを最適にすることができる。
【０１１４】
運転者４０による情報画像の視認性を高めるために、例えば、晴天時など外光の強度が大きいときには、情報画像の輝度を大きくする必要がある。このとき、液晶セル１４０の透過率は高くなるので、液晶セル１４０を透過するＬＤ１１０〜１３０からの出射光の強度が大きくなり、情報画像の輝度は大きくなる。逆に、夜間など外光の強度が小さいときには、情報画像の輝度を小さくする必要がある。このとき、液晶セル１４０の透過率は低くなるので、液晶セル１４０を透過するＬＤ１１０〜１３０の出射光の強度が小さくなり、情報画像の輝度は小さくなる。
【０１１５】
液晶セル１４０の透過率は制御部１７０により制御できないが、制御部１７０は、光検出部１６０により検出された液晶セル１４０を透過した赤色光、緑色光、青色光のそれぞれの強度から、運転者４０が視認する情報画像の輝度を推定することはできる。よって、外光の強度に応じた最適な情報画像の輝度を得るために、光検出部１６０による赤色光、緑色光、青色光のそれぞれの強度の検出結果に基づいて、制御部１７０はＬＤ１１０〜１３０の出射光の強度を変化させるよう制御する。
【０１１６】
ＬＤ１１０〜１３０からの出射光の強度はＬＤ１１０〜１３０に通電する電流で制御することができるが、電流で制御する場合には出射光の強度を強い状態から弱い状態に変化させていくと、ある電流値で発振が停止するので弱い状態の出射光を得ることができない。すなわち、出射光の強度のダイナミックレンジが小さい。そこで、液晶セル１４０で内部を透過する光の透過率を変化させることにより、電流制御を行うことなく透過した合成光の強度を強い状態から弱い状態まで変化させることができるので、ダイナミックレンジを大きくすることができる。
【０１１７】
上述したように、液晶セル１４０に垂直配向ネマティック液晶を用いることで、出射光の強度を大きく変化させることができると共にレーザ光に対する安全が確保できるが、垂直配向ネマティック液晶では波長が異なる赤色光、緑色光、青色光により、液晶層に同じ電圧を印加したときの光が透過する際の変調率の差（波長分散）が大きい（図１９参照）。そのため、液晶セル１４０に入射する前の合成光の色、すなわち、情報画像に表示されるべき色と、液晶セル１４０を透過した後の合成光の色が変化してしまい、投影された情報画像の色バランスが劣化してしまう。そのため、液晶セル１４０を透過した合成光の色が本来表示される色になるように、光検出部１６０による合成光の色の検出結果に基づいて、制御部１７０は、現実の透過率が他の色の透過率より小さい色のＬＤに対し、出射光の強度を大きくするように制御するか、現実の透過率が他の色の透過率より大きい色のＬＤに対し、出射光の強度を小さくするように制御する。このように、液晶セル１４０を透過した合成光の色を光検出部１６０で検出して、ＬＤ１１０〜１３０の出射強度を変化させる制御を行うことにより情報画像の色バランスを良好に維持することができる。
【０１１８】
このように、変形例５においては、外光の強度の検出結果、及び、液晶セル１４０を透過した後の合成光に含まれる赤色光、緑色光、青色光のそれぞれの強度と合成光としての色の検出結果に基づいて、制御部１７０がＬＤ１１０、ＬＤ１２０、ＬＤ１３０の出射光の強度を変化させるように制御する。これにより、運転者４０が視認する情報画像の輝度と色バランスを常に最適にすることができると共に、スペックルノイズの発生が低減され、運転者４０が偏光サングラス４２を通して見てもフリッカが発生しない情報画像を得ることができる。
【０１１９】
３．第２実施形態
以下、本発明の第２実施形態に係る投射型表示装置２０について図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態の説明においては、第１実施形態及び各変形例と同じ構成の箇所には同じ符号を付し、同様の構成に関する説明は省略する。
【０１２０】
第２実施形態に係る投射型表示装置２０は、図２０に示すように、高リタデーションフィルム５００を備えていない。本実施形態における液晶素子４１０は図２に示す液晶素子４００と同様の構造を有している。ただし、第１実施形態とは異なり、配向層として、液晶層４４１の液晶分子を水平方向に対して共に４５度傾いた方向に配列させる配向層４３３、４３４が配置されている（図２１の矢印Ｃ、Ｂ参照）。ただし、配向層４３３と配向層４３４の配向方向は互いに直交している。そのため、液晶分子は、配向層４３４から配向層４３３に向かうにつれて９０度ねじれて配列される螺旋構造を有している。
【０１２１】
図２１に示すように、本実施形態において、液晶層４４１に入射する光Ｘの偏光方向は左４５度偏光であり、この偏光方向は矢印Ｂで示す配向層４３４近傍の液晶分子の配列方向と同じなので、光Ｘは配向層４３４を透過して液晶層４４１に入射する。光Ｘは、液晶層４４１を透過中に液晶分子の配列に沿って偏光方向が９０度変化し、矢印Ｄで示す右４５度偏光となって矢印Ｃで示す配向層４３３を透過して出射する。
【０１２２】
一方、交流電源４５０により電極層４２１、４２２に電圧が印加されると、発生した電界の作用を受けて液晶分子は光Ｘの進行方向に沿って配列するため、液晶素子４１０の透過前後で光Ｘの偏光方向は左４５度偏光のままで変化しない。このように、交流電源４５０による印加電圧のオンとオフとにより、液晶素子４１０を透過する光Ｘの偏光方向は左４５度偏光から右４５度偏光に９０度変化する。この偏光方向の変化は合成光においても同様に発生する。本実施形態においては１フレームの情報画像の描画中に偏光方向を１回変化させる。
【０１２３】
投射型表示装置２０においては、液晶素子４１０により偏光方向をフレーム単位で左４５度偏光方向と右４５度偏光方向とに変化させた合成光で形成された情報画像がフロントガラス７００に投射される。本実施形態においても、フレーム単位で偏光方向が異なるため、各フレームで異なる場所に発生したスペックルノイズは全体として平滑化され、フロントガラス７００上に表示される情報画像に現れるスペックルノイズは低減されて運転者４０に視認される。
【０１２４】
また、投射型表示装置２０においては、フロントガラス７００に投射される情報画像の偏光方向に水平偏光は含まれていない。そのため、偏光サングラス４２をかけた運転者４０がその情報画像を視認したときに、全てのフレームの情報画像が視認可能となるため、フリッカは発生しない。
【０１２５】
なお、本実施形態の液晶素子４１０において、液晶層４４１の液晶分子の螺旋構造の螺旋ピッチをｐ、屈折率異方性をΔｎとしたとき、ｐ×Δｎ≧２５００ｎｍを充足するように構成されている。これにより、緑色光、青色光、赤色光の偏光特性を同じにすることができる（図９参照）。
【０１２６】
４．第２実施形態の変形例
以下、本発明の第２実施形態の変形例に係る投射型表示装置２０について図面に基づいて詳細に説明する。各変形例の説明においては、第１実施形態、第２実施形態、各変形例と同じ構成の箇所には同じ符号を付し、同様の構成に関する説明は省略する。
【０１２７】
〔変形例１〕
変形例１に係る投射型表示装置２０は、液晶素子４１０の構成が第２実施形態とは異なっている。具体的には、図２２に示すように、液晶素子４１０が透光性の液晶層４４１と透光性の液晶層４４２とを備えている。この液晶素子４１０の構成は図１４に示す液晶素子４００と同様の構造を有しており、液晶層４４１に印加する交流電源４５０と液晶層４４２に印加する交流電源４５０とが独立している。また、液晶層４４１の両側には液晶層４４１の液晶分子を配向させる透光性の配向層４３２と配向層４３３が備えられ、液晶層４４２の両側には液晶層４４２の液晶分子を配向させる透光性の配向層４３２と配向層４３４が備えられる。
【０１２８】
変形例１においては、液晶層４４１と液晶層４４２に交互に交流電圧を印加する。図２３に、液晶層４４１に電圧を印加し、液晶層４４２に電圧を印加しないときの液晶素子４１０を透過する光の偏光方向の変化を示す。図２４に、液晶層４４２に電圧を印加し、液晶層４４１に電圧を印加しないときの液晶素子４１０を透過する光の偏光方向の変化を示す。
【０１２９】
図２３、図２４において、配向層４３２は液晶分子を水平方向に配列させるように配向しており（矢印Ｂ）、配向層４３３は液晶分子を右４５度傾けて配列させるように配向している（矢印Ｃ）。配向層４３４は液晶分子を左４５度傾けて配列させるように配向している（矢印Ｅ）。図２３において、矢印Ａで示す光Ｘの偏光方向は水平偏光であり、この偏光方向は矢印Ｂで示す配向層４３２近傍の液晶分子の配列方向と同じであり、光Ｘは配向層４３２を透過して液晶層４４１に入射する。液晶層４４１には電圧が印加されているので、発生した電界の作用を受けて液晶層４４１の液晶分子は光Ｘの進行方向に沿って配列し、液晶層４４１の透過前後で光Ｘの偏光方向は矢印Ａで示す水平偏光のままで変化することなく配向層４３３を透過して配向層４３２に入射する。
【０１３０】
液晶層４４２には電圧が印加されていないので、光Ｘは、液晶層４４２を透過中に液晶分子の配列に沿って矢印Ｆのように偏光方向が４５度変化し、矢印Ｆで示す左４５度偏光となって矢印Ｅで示す配向層４３４を透過して出射する。すなわち、光Ｘが液晶素子４１０を透過すると、光Ｘの偏光方向は水平方向から４５度変化している。
【０１３１】
図２４において、矢印Ａで示す光Ｘの偏光方向は水平偏光であり、この偏光方向は矢印Ｂで示す配向層４３２近傍の液晶分子の配列方向と同じであり、光Ｘは配向層４３２を透過して液晶層４４１に入射する。液晶層４４１には電圧が印加されていないので、光Ｘは、液晶層４４１を透過中に液晶分子の配列に沿って矢印Ｄのように偏光方向が４５度変化し、矢印Ｄで示す右４５度偏光となって矢印Ｃで示す配向層４３３を透過して配向層４３２に入射する。
【０１３２】
液晶層４４２には電圧が印加されているので、発生した電界の作用を受けて液晶層４４２の液晶分子は光Ｘの進行方向に沿って配列し、液晶層４４２の透過前後で光Ｘの偏光方向は矢印Ｄで示す右４５度偏光のままで変化することなく矢印Ｅで示す配向層４３４を透過して出射する。すなわち、光Ｘが液晶素子４１０を透過すると、光Ｘの偏光方向は水平方向から図２３で示す方向とは逆方向に４５度変化している。
【０１３３】
このように、液晶層４４１と液晶層４４２の交流電源４５０を交互にオンとオフを切り換えることにより、液晶素子４１０を透過した光Ｘの偏光方向は左４５度偏光方向から右４５度偏光方向に９０度変化する。この偏光方向の変化は合成光においても同様に発生する。変形例１においては１フレームの情報画像の描画中に偏光方向を１回変化させる。
【０１３４】
変形例１において、光Ｘの進行方向下流側（図２３の右側）から進行方向上流側（図２３の左側）を見たときに、液晶層４４１の配向層４３２に対して対向する配向層４３３は左に４５度傾いており、液晶層４４２の配向層４３２に対して対向する配向層４３４は右に４５度傾いている。すなわち、いずれの交流電源４５０にも交流電圧が印加されていないとき、液晶層４４１と液晶層４４２の各液晶分子のねじれ角は４５度であって、液晶層４４１の液晶分子と液晶層４４２の液晶分子は光Ｘの入射側から出射側に向かって互いに反対方向にねじれて配列される螺旋構造を有している。
【０１３５】
投射型表示装置２０においては、液晶素子４１０により偏光方向をフレーム単位で左４５度偏光と右４５度偏光とに変化させた合成光で形成された情報画像がフロントガラス７００に投射される。変形例１においても、フレーム単位で偏光方向が異なるため、各フレームで異なる場所に発生したスペックルノイズは全体として平滑化され、フロントガラス７００上に表示される情報画像に現れるスペックルノイズは低減されて運転者４０に視認される。
【０１３６】
また、投射型表示装置２０においては、フロントガラス７００に投射される情報画像の偏光方向に水平偏光は含まれていない。そのため、偏光サングラス４２をかけた運転者４０がその情報画像を視認したときに、全てのフレームの情報画像が視認可能となるため、フリッカは発生しない。
【０１３７】
変形例１のように、液晶素子４１０が液晶層４４１、４４２を備える構成であれば、交流電源４５０による液晶層４４１、４４２への電圧印加を交互に行うことで、印加電圧の切り換えによる液晶層４４１、４４２を透過する光の偏光方向の変化はそれぞれ４５度で済む。そのため、赤色光、緑色光、青色光の偏光分散を小さくすることができると共に、液晶素子４１０として左４５度偏光と右４５度偏光の偏光方向の変化を短時間で完了させることができる。
【０１３８】
また、変形例１においては、図１７に示すように、印加電圧の切り換え時間には液晶層４４１の立ち上り応答時間ｔｒと液晶層４４２の立ち下り応答時間ｔｄ、及び、液晶層４４１の立ち下り応答時間ｔｄと液晶層４４２の立ち上り応答時間ｔｒがオーバーラップしている。そのため、各フレームにおいて、液晶層４４１が応答する立ち上り時間ｔｒと液晶層４４２が応答する立ち下り時間ｔｄの開始、及び、液晶層４４１の立ち下り応答時間ｔｄと液晶層４４２の立ち上り応答時間ｔｒの開始を同じタイミングにすることができる。すなわち、液晶層４４１と液晶層４４２のそれぞれの偏光方向を４５度変化させる時間が同じ程度になるので、時間的に隣接するフレームの情報画像の表示時間を同じにすることができる。その結果、情報画像に明暗が生じないので、運転者４０による情報画像の視認性を向上させることができる。
【０１３９】
上述したように、投射型表示装置において、それを構成する光学系は、斜めの偏光方向の光が存在すると水平面上に配置するミラーなどの光学部品のアライメント調整が困難になるので、機構設計を容易にするために、光学部品を透過する、あるいは光学部品で反射する光の偏光方向を水平方向、又は、垂直方向にすることが多い。投射型表示装置２０においては、液晶層４４１におけるねじれ方向と液晶層４４２におけるねじれ方向とが互いに反対方向となる構成を有しているので、出射光の偏光方向を水平方向に対して右４５度偏光と左４５度偏光とに交互に変化させることが容易に実現できる。
【０１４０】
なお、変形例１の液晶素子４１０において、液晶層４４１の液晶分子の螺旋構造の螺旋ピッチをｐ１、屈折率異方性をΔｎ１とし、液晶層４４２の液晶分子の螺旋構造の螺旋ピッチをｐ２、屈折率異方性をΔｎ２としたとき、ｐ１×Δｎ１≧２５００ｎｍ、ｐ２×Δｎ２≧２５００ｎｍを充足するように構成されている。これにより、緑色光、青色光、赤色光の偏光特性を同じにすることができる（図９参照）。図９は、ねじれ角が９０度の液晶素子４００で偏光方向が９０度変化する偏光特性を同じにすることができること表しているが、ねじれ角が４５度である変形例１の液晶素子４１０においても、偏光方向が４５度変化する偏光特性を同じにすることができるのは当然のことである。
【０１４１】
〔変形例２〕
変形例２に係る投射型表示装置２０は、液晶素子４１０の構成が第２実施形態とは異なっている。具体的には、図２５に示すように、液晶素子４１０が透光性の液晶層４４１と透光性の液晶層４４２とを備えている。この液晶素子４１０の構成は図１２に示す液晶素子４００と同様の構造を有しており、１つの交流電源４５０により液晶層４４１と液晶層４４２とに電圧を印加する。また、液晶層４４１の両側には液晶層４４１の液晶分子を配向させる透光性の配向層４３３と配向層４３２が備えられ、液晶層４４２の両側には液晶層４４２の液晶分子を配向させる透光性の配向層４３２と配向層４３４が備えられる。
【０１４２】
図２６に、電圧が印加されていないときの液晶素子４１０を透過する光Ｘの偏光方向の変化を示す。配向層４３３は液晶分子を右４５度傾けて配列させるように配向しており（矢印Ｂ）、配向層４３４は液晶分子を左４５度傾けて配列させるように配向している（矢印Ｅ）。配向層４３２は液晶分子を水平方向に配列させるように配向している（矢印Ｃ）。図２６に示すように、矢印Ａで示す光Ｘの偏光方向は右４５度偏光であり、この偏光方向は矢印Ｂで示す配向層４３３近傍の液晶分子の配列方向と同じなので、光Ｘは配向層４３３を透過して液晶層４４１に入射する。光Ｘは、液晶層４４１を透過中に液晶分子の配列に沿って矢印Ｃのように偏光方向が４５度変化し、矢印Ｄで示す水平偏光のまま矢印Ｃで示す２つの配向層４３２を透過して液晶層４４２に入射する。そして液晶層４４２を透過中に液晶分子の配列に沿って偏光方向が更に４５度変化し、矢印Ｆで示す左４５度偏光となって矢印Ｅで示す配向層４３４を透過して出射する。すなわち、光Ｘが液晶素子４１０を透過すると、光Ｘの偏光方向は９０度変化している。
【０１４３】
一方、交流電源４５０により液晶層４４１を挟む電極層４２１、４２２、及び、液晶層４４２を挟む電極層４２１、４２２に同時に電圧が印加されると、発生した電界の作用を受けて液晶分子は光Ｘの進行方向に沿って配列するため、液晶素子４１０の透過前後で光Ｘの偏光方向は矢印Ａに示す右４５度偏光のままで変化しない。このように、交流電源４５０による印加電圧のオンとオフの切り換えにより、液晶素子４１０を透過する光Ｘの偏光方向は左４５度偏光と右４５度偏光とに９０度変化する。この偏光方向の変化は合成光においても同様に発生する。変形例２においては１フレームの情報画像の描画中に偏光方向を１回変化させる。
【０１４４】
変形例２において、光Ｘの進行方向下流側（図２６の右側）から進行方向上流側（図２６の左側）を見たときに、液晶層４４１の配向層４３３に対して対向する配向層４３２は右に４５度傾いており、液晶層４４２の配向層４３２に対して対向する配向層４３４も右に４５度傾いている。すなわち、交流電源４５０に交流電圧が印加されていないとき、液晶層４４１と液晶層４４２の各液晶分子のねじれ角は４５度であって、いずれの液晶分子も光Ｘの入射側から出射側に向かって同じ方向にねじれて配列される螺旋構造を有している。
【０１４５】
投射型表示装置２０においては、液晶素子４１０により偏光方向をフレーム単位で左４５度偏光と右４５度偏光とに変化させた合成光で形成された情報画像がフロントガラス７００に投射される。変形例２においても、フレーム単位で偏光方向が異なるため、各フレームで異なる場所に発生したスペックルノイズは全体として平滑化され、フロントガラス７００上に表示される情報画像に現れるスペックルノイズは低減されて運転者４０に視認される。
【０１４６】
また、投射型表示装置２０においては、フロントガラス７００に投射される情報画像の偏光方向に水平偏光は含まれていない。そのため、偏光サングラス４２をかけた運転者４０がその情報画像を視認したときに、全てのフレームの情報画像が視認可能となるため、フリッカは発生しない。
【０１４７】
変形例２のように、液晶素子４１０が液晶層４４１、４４２を備える構成であれば、交流電源４５０による液晶層４４１、４４２への電圧印加を同電圧で同じタイミングで行うことで、印加電圧のオンとオフによる液晶層４４１、４４２を透過する光の偏光方向の変化はそれぞれ４５度で済む。そのため、赤色光、緑色光、青色光の偏光分散を小さくすることができると共に、液晶素子４１０として左４５度偏光と右４５度偏光の偏光方向の変化を短時間で完了させることができる。
【０１４８】
なお、変形例２の液晶素子４１０において、液晶層４４１の液晶分子の螺旋構造の螺旋ピッチをｐ１、屈折率異方性をΔｎ１とし、液晶層４４２の液晶分子の螺旋構造の螺旋ピッチをｐ２、屈折率異方性をΔｎ２としたとき、ｐ１×Δｎ１≧２５００ｎｍ、ｐ２×Δｎ２≧２５００ｎｍを充足するように構成されている。これにより、緑色光、青色光、赤色光の偏光特性を同じにすることができる（図９参照）。図９は、ねじれ角が９０度の液晶素子４００で偏光方向が９０度変化する偏光特性を同じにすることができること表しているが、ねじれ角が４５度である変形例２の液晶素子４１０においても、偏光方向が４５度変化する偏光特性を同じにすることができるのは当然のことである。
【０１４９】
５．第３実施形態
以下、本発明の第３実施形態に係る投射型表示装置３０について図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態の説明においては、第１実施形態、第２実施形態、各変形例と同じ構成の箇所には同じ符号を付し、同様の構成に関する説明は省略する。
【０１５０】
本実施形態は、第１実施形態と第２実施形態を合せたもので、図２７に示すように、液晶素子として第２実施形態及びその変形例で用いた液晶素子４１０を備え、液晶素子４１０と画像形成部３００との間に第１実施形態及びその変形例で用いた高リタデーションフィルム５００を備えている。高リタデーションフィルム５００は不図示の保持部材に保持されている。
【０１５１】
本実施形態においては、液晶素子４１０により、合成光をフレーム単位で左４５度偏光方向と右４５度偏光方向とに変化させている。左４５度偏光方向の合成光と右４５度偏光方向の合成光は、それぞれ高リタデーションフィルム５００の光学軸に対して右上に４５度傾いた偏光方向と左上に４５度傾いた偏光方向とをなす。この場合、右上に４５度傾いた偏光方向の合成光と左上に４５度傾いた偏光方向の合成光は、ポアンカレ球において、入射光の偏光方向と高リタデーションフィルム５００の光学軸とが角ψ（＝±４５度）をなす。これらの光が高リタデーションフィルム５００を透過すると、透過後の光は、図８に示すように、点Ｐ１（水平偏光）、点Ｐ２（垂直偏光）からそれぞれ角ψの２倍の角度（２ψ＝±９０度）でポアンカレ球の中心を通る直線Ｌ１を回転中心軸とし、円Ｃｒ上で点Ｐからそれぞれ同じ角度δ（δ＝２π・Ｒｅ／λ）だけ回転させた点Ｍ１、点Ｍ２の位置の偏光方向、回転方向、及び、偏光の種類の光となる。このように、点Ｐ１、点Ｐ２はそれぞれ点Ｍ１、点Ｍ２に示す北半球（右回転の偏光）又は南半球（左回転の偏光）に変換されることから、垂直偏光と水平偏光が高リタデーションフィルム５００を透過した後の出射光は、円偏光や楕円偏光で回転方向が反対（左旋性と右旋性）の光になることが理解される。
【０１５２】
そのため、左４５度偏光方向の合成光で形成された情報画像におけるスペックルノイズの発生場所と、右４５度偏光方向の合成光で形成された情報画像におけるスペックルノイズの発生場所は異なる。その結果、各フレームで異なる場所に発生したスペックルノイズは全体として平滑化され、フロントガラス７００上に表示される情報画像に現れるスペックルノイズは低減されて運転者４０に視認される。本実施形態においては、偏光方向が９０度変化するので、他の角度の変化と比較してスペックルノイズの低減効果が最大となる。
【０１５３】
上述したように、投射型表示装置３０においては、液晶素子４１０を透過した合成光の偏光方向はフレーム単位で左４５度偏光方向と右４５度偏光方向とが切り替えられ、その偏光方向で高リタデーションフィルム５００を透過する。これにより、透過後の合成光に含まれる各波長の光は、様々な偏光方向、回転方向、及び、偏光の種類（直線偏光、円偏光、楕円偏光）の光を含むものとなり、水平偏光の光のみを含むものではない。この合成光で形成された情報画像がフロントガラス７００に投射されるため、偏光サングラス４２をかけた運転者４０がその情報画像を視認しても、フリッカは発生しない。
【０１５４】
本実施形態においても、第１実施形態と同様、高リタデーションフィルム５００は、保持部材で保持される代わりに、液晶素子４１０の基板４１２の表面に形成されていてもよい。このような構成にすることにより、保持部材が不要となり、投射型表示装置３０をより安価に構成することができる。
【０１５５】
なお、液晶素子として、第２実施形態の液晶素子４１０を用いた場合において、液晶層４４１の液晶分子の螺旋構造の螺旋ピッチをｐ、屈折率異方性をΔｎとしたとき、ｐ×Δｎ≧２５００ｎｍを充足するように構成されている。また、第２実施形態の変形例に係る液晶素子４１０を用いた場合においては、液晶層４４１の液晶分子の螺旋構造の螺旋ピッチをｐ１、屈折率異方性をΔｎ１とし、液晶層４４２の液晶分子の螺旋構造の螺旋ピッチをｐ２、屈折率異方性をΔｎ２としたとき、ｐ１×Δｎ１≧２５００ｎｍ、ｐ２×Δｎ２≧２５００ｎｍを充足するように構成されている。これらにより、緑色光、青色光、赤色光の偏光特性を同じにすることができる（図９参照）。
【０１５６】
また、第１実施形態の変形例１と同様に、投射型表示装置３０が中間像部３５０を備え、中間像部３５０に高リタデーションフィルム５００が形成されていてもよい。さらに、第１実施形態の変形例２と同様に、投射型表示装置３０がコンバイナ３６０を備え、コンバイナ３６０に高リタデーションフィルム５００が形成されていてもよい。
【０１５７】
なお、第２実施形態、その変形例、第３実施形態のいずれにおいても、第１実施形態の変形例４と同様に、液晶セル１４０、ハーフミラー１５０、光検出部１６０、制御部１７０を備えていてもよい。このような構成を備えることにより、運転者４０が視認する情報画像の輝度と色バランスを常に最適にすることができると共に、スペックルノイズの発生が低減され、運転者４０が偏光サングラス４２を通して見てもフリッカが発生しない情報画像を得ることができる。
【０１５８】
上記各実施形態、各変形例の構成は可能な限り組み合わせることができる。
【０１５９】
投射型表示装置１０、２０、３０は、車載用ヘッドアップディスプレイ５０に限らず、航空機や電車等、光源にレーザ光を用いるあらゆる輸送機器のヘッドアップディスプレイに適用することができる。また、光源にレーザ光を用いたあらゆる投射型表示装置や表示装置に適用することができる。例えば、プロジェクタ、プロジェクタテレビ、プロジェクションマッピング装置、デジタルサイネージ、ヘッドマウントディスプレイ、超小型プロジェクタ及びそれを内蔵した携帯情報端末等に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１６０】
本発明は、レーザ光を用いた投射型表示装置及び該投射型表示装置を用いた車載用ヘッドアップディスプレイに利用することが可能である。
【符号の説明】
【０１６１】
１０、２０、３０    投射型表示装置
５０          車載用ヘッドアップディスプレイ
１００        光源部
１１０        レーザダイオード（緑色レーザ光源）
１２０        レーザダイオード（青色レーザ光源）
１３０        レーザダイオード（赤色レーザ光源）
１４０        液晶セル
１６０        光検出部
１７０        制御部
２００        合成光学部
３００        画像形成部
３５０        中間像部
３６０        コンバイナ（表示部）
４００、４１０        液晶素子
４１１        基板
４１２        基板
４４１        液晶層（第１層）
４４２        液晶層（第２層）
５００        高リタデーションフィルム
Δｎ          屈折率異方性
ｐ            螺旋ピッチ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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