画像形成装置
【課題】機械的な構成を用いることなくスペックルノイズを低減する。
【解決手段】画像形成装置は、レーザー光を出射する光源１、レーザー光の光路上に配置されたプリズム素子３、プリズム素子を通過するレーザー光の光路上に配置されたホログラム素子４、光源とプリズム素子の間の光路上若しくはプリズム素子３とホログラム素子４の間の光路上又はホログラム素子４を通過するレーザー光の光路上に配置された光変調器５、プリズム素子３へ駆動信号を供給するプリズム素子駆動部７を含む。プリズム素子３は、相互に対向配置される第１基板及び第２基板、第１基板２１上に設けられた第１電極、第１基板上に設けられた複数のプリズムを有するプリズムアレイ、第１電極及びプリズムアレイの上側に設けられた第１配向膜、第２基板上に設けられた第２電極、第２電極の上側に設けられた第２配向膜、第１基板と第２基板の間に設けられた液晶層を有する。
【解決手段】画像形成装置は、レーザー光を出射する光源１、レーザー光の光路上に配置されたプリズム素子３、プリズム素子を通過するレーザー光の光路上に配置されたホログラム素子４、光源とプリズム素子の間の光路上若しくはプリズム素子３とホログラム素子４の間の光路上又はホログラム素子４を通過するレーザー光の光路上に配置された光変調器５、プリズム素子３へ駆動信号を供給するプリズム素子駆動部７を含む。プリズム素子３は、相互に対向配置される第１基板及び第２基板、第１基板２１上に設けられた第１電極、第１基板上に設けられた複数のプリズムを有するプリズムアレイ、第１電極及びプリズムアレイの上側に設けられた第１配向膜、第２基板上に設けられた第２電極、第２電極の上側に設けられた第２配向膜、第１基板と第２基板の間に設けられた液晶層を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光源を用いる画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）などの投影型の画像表示装置における光源としてレーザー光源が使われ始めている。このような先行例は、例えば特開２０１０−１３９６８８号公報（特許文献１）や特開２０１０−１３９９２７号公報（特許文献２）に開示されている。レーザー光は、単色性、高指向性の点においてディスプレイ用途として理想的な光源であるが、レーザー光の干渉性に起因するスペックルノイズが発生するという不都合がある。ここで、スペックルとは、レーザー光をスクリーンや紙や壁のような粗面に照射すると観察される細かい斑点模様のことをいう。このスペックルは不規則な凹凸形状を持つ粗面の各点で散乱した光が互いに干渉を起こすことによって生じるランダムな強度分布を持つ干渉パターンである。このスペックルパターンが画像ノイズとなって画質を低下させるため、レーザー光を用いたディスプレイではこれを低減することが重要になる。
【０００３】
これに対して、視認者がスペックルノイズの影響を受けずに明瞭な表示を視認することができるように改良したヘッドアップディスプレイの先行例は、例えば特開２０１０−２７６６８９号公報（特許文献３）や特開２０１０−２７６７４２号公報（特許文献４）に開示されている。特許文献３に係る先行例のヘッドアップディスプレイは、半導体レーザーから出射したレーザー光を光ファイバーで表示像生成手段に導くことによって表示像を生成している。そして、振動発生手段によって光ファイバーへ振動を与えることにより光ファイバーのモード分散を時間的に変化させており、これにより光ファイバーから出射するレーザー光のスペックルパターンを変化させてスペックルノイズを低減させている。また、特許文献４に係る先行例のヘッドアップディスプレイは、レーザー光をスクリーン上に走査して表示像を生成する表示像生成手段を備え、上記のスクリーンがレーザー光を拡散および透過する少なくとも２個の拡散部材を有して構成され、かつ表示像生成手段が拡散部材の少なくとも１つを揺動させる揺動手段を有して構成されており、拡散部材を揺動させることによりスペックルノイズの低減を図っている。
【０００４】
ところで、上記した特許文献３、４に開示された先行例は、スペックルノイズを低減するために、光ファイバーを振動させる振動発生手段または拡散部材を揺動させる揺動手段という、いずれも機械的な動作によって振動等を発生させる手段を必要としている。このため、ヘッドアップディスプレイ全体の装置構成が大型化し、消費電力も増加し、機械的な動作を用いることによるノイズ（騒音）も発生するという不都合がある。また、特に長期の信頼性という点でも不都合がある。また、スクリーンに拡散部材を設ける先行例では、例えば車載用ヘッドアップディスプレイにおいてスクリーンとしてフロントガラスを用いる場合には適用することが困難であるという不都合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１３９６８８号公報
【特許文献２】特開２０１０−１３９９２７号公報
【特許文献３】特開２０１０−２７６６８９号公報
【特許文献４】特開２０１０−２７６７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明に係る具体的態様は、機械的な構成を用いることなくスペックルノイズを低減することが可能な画像形成技術を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る一態様の画像形成装置は、（ａ）レーザー光を出射する光源と、（ｂ）レーザー光の光路上に配置されたプリズム素子と、（ｃ）プリズム素子を通過するレーザー光の光路上に配置されたホログラム素子と、（ｄ）光源とプリズム素子の間の光路上若しくはプリズム素子とホログラム素子の間の光路上又はホログラム素子を通過するレーザー光の光路上に配置された光変調器と、（ｅ）プリズム素子へ駆動信号を供給するプリズム素子駆動部を含み、上記のプリズム素子は、（ｆ）相互に対向配置される第１基板及び第２基板と、（ｇ）第１基板上に設けられた第１電極と、（ｈ）第１基板上に設けられた複数のプリズムを有するプリズムアレイと、（ｉ）第１電極及びプリズムアレイの上側に設けられた第１配向膜と、（ｊ）第２基板上に設けられた第２電極と、（ｋ）第２電極の上側に設けられた第２配向膜と、（ｌ）第１基板と第２基板の間に設けられた液晶層を有する。
【０００８】
上記の画像形成装置では、プリズム素子の液晶層に電圧を印加すると、液晶層の液晶分子の配列が変化し、それにより液晶層の屈折率値が変化するため、複数の微少な傾斜状の突起形状であるプリズムアレイと液晶層との界面を透過する光の屈折角が変化する（スネルの法則）。それにより、プリズム素子を通過するレーザー光の光路を時間的に変動させることができることから、結果として機械的な構成を用いた場合と同様にスペックルノイズを低減することができる。したがって、光変調器によって形成される画像をスクリーン等に投影している間、プリズム素子に対してプリズム素子駆動部から駆動信号を供給することにより、スペックルノイズの低減された鮮明な映像を得ることができる。
【０００９】
なお、同様な効果を奏する別の技術的手段としてポリゴンミラーを用いる光路変換手段が考えられる。しかしポリゴンミラーを用いる場合、次の問題が生じ得る。第一に、ポリゴンミラーはその面数が反射面の傾斜角範囲を定め、結果として走査角範囲を定める構造となっている。一般的な６から１２面程度では比較的狭い範囲の走査を行う場合、不要な範囲への走査を生じエネルギーロスを生じる。第二に、適正範囲への走査を行うポリゴンミラーを製作するとなると、非常に多数の面を有するポリゴンミラーの製作が必要となり、精度維持に困難を生じる。第三に、ポリゴンミラー自身の回転空間、場合によってはモータの冷却空路など光路以外に多くの空間を要し省スペースの要望に応え難い。
【００１０】
上記の画像形成装置において、ホログラム素子は、レーザー光を同じ方向に屈折しながら反射することが好ましい。
【００１１】
また、上記の画像形成装置において、プリズムアレイは、複数のプリズムの各々の高さをｈ、当該複数のプリズムの配置ピッチをＰとしたときに両者の比Ｐ／ｈが５〜２００の範囲であることがより好ましい。
【００１２】
また、上記の画像形成装置において、プリズム素子駆動部の供給する駆動信号は、例えば、所定周波数の電圧を印加する期間と印加しない期間を交互に繰り返した信号波形を有することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態の画像形成装置の構成を示す図である。
【図２】プリズム素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図３】プリズムアレイの模式的な斜視図である。
【図４】ラビング処理および光配向処理の方向について説明するための図である。
【図５】ホログラム素子の製造に用いる光学系を説明するための図である。
【図６】プリズム素子の他の構造例を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、一実施形態の画像形成装置の構成を示す図である。図１に示す画像形成装置は、レーザー光源１、コリメートレンズ２、プリズム素子３、ホログラム素子４、光変調器５、ミラー６およびプリズム素子駆動部７を含んで構成されており、スクリーン（コンバイナ）８へ画像を投影するものである。
【００１６】
レーザー光源１は、レーザー光を出射するものである。例えば本実施形態のレーザー光源１は、波長５３２ｎｍのレーザー光（グリーンレーザー）を出射する。
【００１７】
コリメートレンズ２は、レーザー光源１から出射するレーザー光の光路上に配置されており、レーザー光を集光して略平行光に変換する。
【００１８】
プリズム素子３は、レーザー光の光路上に配置されており、コリメートレンズ２によって略平行光に変換されたレーザー光の光路を微小に変化させる。このプリズム素子３は、プリズムアレイと液晶層を内蔵しており、液晶層の液晶分子の配向状態を電気的に制御することによって液晶層の屈折率を変化させることにより、プリズムアレイと液晶層の界面におけるレーザー光の屈折角を変化させるものである。
【００１９】
ホログラム素子４は、レーザー光の光路上に配置されており、プリズム素子３を通過して光路を変更されたレーザー光が都度異なる点に照射された場合でも光変調器５上の同じ位置に再生されるようにレーザー光を広げながら高効率（８０〜９０％以上）で反射する機能を有するものである。詳細には、ホログラム素子４は、プリズム素子３によってレーザー光の光路の方向が変更されたとしても所定の画像パターンがスクリーン８上の同じ位置に投影されるように設計されたホログラム（三次元像を記録した写真）を備えている。このようなホログラム素子４を用いた場合には、ホログラムの作製時に所望のエリアに所望の光強度分布（例えば光強度が均一になるような分布）を与えることが可能であるため、レンズアレイや自由曲面ミラー等の光学部品が不要になる利点がある。
【００２０】
光変調器５は、スクリーン８上に投影するための画像を生成する。この光変調器５は、例えば透過型の液晶表示装置からなり、ホログラム素子４から照射されるレーザー光を用いて画像を生成する。
【００２１】
ミラー６は、光変調器５によって形成され、入射する画像をスクリーン８の方向へ反射する。なお、光学系の設置状況等によってはこのミラー６は省略することができる。ミラー６によって反射された画像はスクリーン８上に投影される。
【００２２】
プリズム素子駆動部７は、プリズム素子３へ駆動信号を供給する。駆動信号の具体例については後述する。
【００２３】
スクリーン８は、画像を投影したい所望の位置に設置される。例えば本実施形態の画像形成装置を車載用のヘッドアップディスプレイとして用いる場合であれば、このスクリーン８は車両のフロントガラス上に設置される。
【００２４】
図２は、プリズム素子の構造を示す模式的な断面図である。なお、図２においては便宜上、一部構成を除いてハッチング記載を省略する。図２に示す本実施形態のプリズム素子３は、第１基板２１、第１電極２２、プリズムアレイ２３、第１配向膜２４、第２基板２５、第２電極２６、第２配向膜２７、液晶層２８を含んで構成される。
【００２５】
第１基板２１および第２基板２５は、相互に対向配置されており、それぞれ例えばガラス基板、プラスチック基板等の透明基板である。第１基板２１と第２基板２５との相互間には、例えば多数のスペーサー（粒状体）が分散して配置されており（図示せず）、それらのスペーサーによって第１基板２１と第２基板２５との相互間隔が保たれる。
【００２６】
第１電極２２は、第１基板２１の一面側に設けられている。同様に、第２電極２６は、第２基板２５の一面側に設けられている。第１電極２２および第２電極２６、それぞれ、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜を用いて構成される。例えば本実施形態では、第１電極２２、第２電極２６ともに、基板一面に形成されている。なお、第１電極２２、第２電極２６は、適宜パターニングされていてもよい。
【００２７】
プリズムアレイ２３は、複数の微少な傾斜状の突起形状(プリズム)を一方向に配列して構成されている。図３は、プリズムアレイの模式的な斜視図である。図３に示すように各プリズムの断面形状は直角三角形（例えば頂角８５°、底角が５°と９０°）である。また、各プリズムの配置ピッチＰは例えば８μｍ程度、高さｔは例えば２μｍ程度である。図３に示すように、プリズムアレイ２３は、上面から見るとスリット形状に形成されている。このプリズムアレイ２３は、例えば耐熱性および密着性に優れた樹脂材料を成形することにより得られる。プリズムアレイ２３の成形方法の詳細については後述する。
【００２８】
第１配向膜２４は、第１基板２１の一面側に、第１電極２２およびプリズムアレイ２３を覆うようにして設けられている。また、第２配向膜２７は、第２基板２５の一面側に、第２電極２６を覆うようにして設けられている。本実施形態においては、第１配向膜２４および第２配向膜２７として、液晶層２８の液晶分子の初期状態（電圧無印加時）における配向状態を垂直配向状態に規制するもの（垂直配向膜）が用いられている。これらの第１配向膜２４、第２配向膜２７に対しては、所定の表面処理（ラビング処理、光配向処理等）が施されている。
【００２９】
液晶層２８は、第１基板２１の一面と第２基板２５の一面の相互間に設けられている。本実施形態においては、誘電率異方性Δεが負のネマティック液晶材料を用いて液晶層２８が構成されている。液晶層２８に図示された太線は、液晶層２８内の液晶分子を模式的に示したものである。電圧無印加時における液晶分子は、第１基板２１および第２基板２５の各基板面に対して所定のプレティルト角を有してほぼ垂直に配向する。
【００３０】
本実施形態のプリズム素子３は一般的な液晶素子とは異なり偏光板が不要であるため原理的に高透過率である。具体的には、プリズム素子自体の透過率として９０％以上が見込まれ、プリズム素子３の表面に反射防止コート（ＡＲコート）を施した場合には９５％以上の透過率が見込まれる。
【００３１】
次に、プリズム素子３の基本的な動作について詳述する。プリズム素子３の第１電極２２および第２電極２６を介して液晶層２８に電圧を印加すると、液晶層２８の液晶分子の配列が変化し、それにより液晶層２８の屈折率値が変化する。このため、複数の微少な傾斜状の突起形状であるプリズムアレイ２３と液晶層２８との界面を透過する光の屈折角が変化する（スネルの法則）。屈折角の大きさは、プリズムアレイ２３の形状や液晶層２８の屈折率異方性の値等により一概にいえないが、諸条件を調整することにより現状で１８°程度までの屈折角を実現し得ることが確認できている。この屈折角は、プリズム素子３へ印加される電圧に応じて変化させることができる。
【００３２】
したがって、スクリーン８に映像を投影している間、プリズム素子３に対してプリズム素子駆動部７から交流の駆動信号を連続的に変化させながら印加することにより、スペックルノイズの低減された鮮明な映像を得ることができる。これは、プリズム素子３を通過するレーザー光の光路、具体的にはホログラム素子４に入射する位置を時間的に変動させることができることから、結果としてスクリーン８を振動させていることと同様の効果が得られるためである。なお、駆動信号としては、例えば、５００Ｈｚの交流波形を１秒間に５０回の割合でオン／オフさせた電圧を用いることができる。このとき、例えばオン電圧は８Ｖ、オフ電圧は０Ｖとすることができるが、駆動条件はこれに限らない。
【００３３】
ところで、レーザー光は干渉を起こしやすいため、プリズム素子３のプリズムアレイ２３の配置ピッチＰが細かいと干渉の影響が顕著になりやすい。これに対して、レーザー光の光路が複数に分岐してもホログラム素子４によって全ての光路は元の１点に戻されるため、多少干渉が生じても画像の鮮明度への影響は少ないが、スペックルノイズを低減させるという面では干渉が少ないほど効果は大きい。このため、なるべく干渉を起こしにくいようにプリズムアレイ２３を形成することが望ましく、配置ピッチＰを理想的にはレーザー光のスポット径（＜１ｍｍφ）以上とすることが望ましい。しかし、プリズムアレイ２３の配置ピッチＰが大きいと液晶層２８の層厚やレーザー光を曲げる角度に影響が出るため、これらを勘案すると、プリズムアレイ２３の配置ピッチＰはレーザー光の波長よりも十分に大きくすることが望ましいといえる。
【００３４】
より詳細には、レーザー光のスポット径（ビーム径）よりもプリズムアレイ２３の配置ピッチＰが小さい場合、基本的にはスポット光が発生する。プリズム素子３に電圧（駆動信号）を印加していないときにはレーザー光をそのまま素通しした方向のスポット光が最も明るく、プリズム素子３に電圧を印加したときにはこの最も明るいスポット光の位置を変えることができる。しかし、弱いながら別の位置に発生するスポット光を完全になくすことは難しい。プリズムアレイ２３の配置ピッチＰをレーザー光のスポット径（例えば５００μｍ〜１ｍｍφ）より大きくすればよいが、同じ角度（各プリズムの底角）を維持しようとすると各プリズムの高さが大きくなり、結果としてプリズム素子３のセル厚（液晶層２８の層厚）が大きくなり応答速度が低下する。プリズムアレイ２３の配置ピッチＰがレーザー光のスポット径より小さい場合でも、プリズムアレイ２３の配置ピッチＰはなるべく大きい方が干渉で現れるスポット光の強度を低くできる。したがって、必要とされるプリズム素子３の応答速度とレーザー光の移動量（角度）に応じて各プリズムの形状を最適化することが望ましい。
【００３５】
一例を挙げると、５０Ｈｚ（応答速度２ミリ秒以下）の高速応答が要求される場合はプリズムアレイ２３の各プリズムの高さを２〜３μｍとし、１０Ｈｚ（応答速度１０ミリ秒以下）程度の応答速度でよい場合には各プリズムの高さを５μｍとすればよい。プリズムアレイ２３の配置ピッチＰは、レーザー光の移動量（角度）が１°以下でよい場合には１００〜５００μｍ、１°以上必要な場合には１０〜１００μｍ程度が望ましい。したがって、各プリズムの高さｈ、配置ピッチＰとした場合、両者の比Ｐ／ｈは５〜２００程度であることが望ましい。ただし、Ｐ／ｈが大きくなるにつれプリズム素子３によるレーザー光の移動量（角度）が小さくなるため、光学系の光路長をより長くとる必要がある。
【００３６】
次に、プリズム素子３の製造方法の一例を説明する。
【００３７】
まず、第１基板２１および第２基板２５として用いるためのガラス基板を用意する。これらのガラス基板としては、予めＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透明導電材料からなる導電膜を有するものがより好ましい。例えば、厚さが１５００ÅのＩＴＯ膜を有し、板厚が０．７ｍｍ、ガラス材質が無アルカリガラスである一対のガラス基板を用意する。第１基板２１、第２基板２５のそれぞれについて、ＩＴＯ膜を適宜パターニングすることにより、第１電極２２、第２電極２６を形成する。
【００３８】
次に、第１基板２１の第１電極２２上にプリズムアレイ２３を形成する。ここでは、断面が三角形状であり、その配置ピッチＰが２０μｍ、高さｔが約１．８〜２μｍ、頂角８５°、底角が５°と９０°であり、上面から見るとスリット形状を有する金型を用いてプリズムアレイ２３を形成する。具体的には、第１基板２１上に所定量の光硬化性樹脂を滴下し、その上に金型を置き、かつ第１基板２１の裏面側を厚手の石英基板等で補強した状態でプレスを行う。プレス後にある程度の時間（例えば１分間以上）だけ放置し、光硬化性樹脂材料を十分に広げた後、第１基板２１側から光を照射することで光硬化性樹脂材料を硬化させる。光の照射量は光硬化性樹脂材料が硬化するのに十分な値（例えば２０Ｊ／ｃｍ２程度）を適宜に設定する。ここで、一般にプリズム用材料は耐熱性が低く、プリズムアレイ２３上に第１配向膜２４を形成する際の熱処理（例えば１８０℃以上）により特性が劣化してしまう場合が多い。これに対して、本実施形態では、熱処理前後での透過率特性の低下がほとんど生じない光硬化性（例えば紫外線硬化性）のアクリル系樹脂材料を用いる。以上により第１基板２１上に透明樹脂膜からなるプリズムアレイ２３が形成される。
【００３９】
次に、プリズムアレイ２３が形成された第１基板２１を洗浄機により洗浄する。洗浄は、例えば、アルカリ洗剤を用いたブラシ洗浄、純水洗浄、エアーブロー、紫外線（ＵＶ）照射、赤外線（ＩＲ）乾燥の順に行うことができるがこれに限定されない。高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄などを行ってもよい。
【００４０】
次いで、プリズムアレイ２３が形成された第１基板２１に第１配向膜２４を形成する。同様に、第２基板２５に第２配向膜２７を形成する。ここでは、例えば無機の垂直配向膜材料を用いる。なお、ポリイミド等の有機の垂直配向膜材料を用いることも可能であるが、プリズム素子３には比較的に強い光が入射するので、耐久性の観点からは無機の垂直配向膜材料を用いることがより好ましい。フレキソ印刷法、インクジェット法、スピンコート法、スリットコート法、スリット法とスピンコート法の組み合わせ等の適宜の方法で配向膜材料を第１基板２１上、第２基板２５上にそれぞれ適当な膜厚（例えば８００Å程度）で塗布し、熱処理（例えば２２０℃で１．５時間の焼成）を行う。そして、熱処理によって得られた第１配向膜２４、第２配向膜２７のそれぞれに対して配向処理を行う。この配向処理は、第１基板２１と第２基板２５とを重ね合わせたときに各基板上の液晶分子の配向方向がアンチパラレル配向になるように行う。
【００４１】
ここでは配向処理として、例えばラビング処理や光配向処理等を用いることができ、また複数種の配向処理を組み合わせて用いてもよい。本実施形態では、プリズムアレイ２３の形成された第１基板２１に対しては光配向処理を行い、第２基板２５にはラビング処理を行う。ラビング処理については、押し込み量を比較的大きく（例えば０．８ｍｍ）に設定したストロングアンカリング条件に設定して行われる。光配向処理については、例えば紫外線を偏光した光を第１基板２１に対して法線方向から照射する。このときの紫外線は、第１基板２１に対しては垂直方向から照射しているが、プリズムアレイ２３の各プリズムの斜面部分に対しては相対的に４５°傾いた方向から照射しているに等しいことになる。露光に用いる偏光フィルタの波長は例えば３１０ｎｍである。
【００４２】
図４は、ラビング処理および光配向処理の方向について説明するための図である。図４に示すように、例えば、偏光フィルタの偏光方向ａ１がプリズムアレイ２３の各プリズムの長手方向と略平行となるようにする。この場合、第１配向膜２４と接した液晶層２８における液晶分子の配向方向ａ２は図示のように偏光フィルタの偏光方向ａ１および各プリズムの長手方向と略直交する方向となる。また、ラビング処理の方向ａ３については図示のようにプリズムアレイ２３の各プリズムの傾斜方向に対してアンチパラレルとなるように設定される。
【００４３】
次に、一方の基板（例えば第１基板２１）上に、ギャップコントロール剤を適量（例えば２〜５ｗｔ％）含んだメインシール剤を形成する。メインシール剤の形成は、例えばスクリーン印刷やディスペンサーによる。また、ギャップコントロール剤の径は、プリズムアレイ２３のベース層とプリズムの高さを含め、液晶層２８の厚さが２〜４μｍ程度と比較的に薄くなるように材料を選ぶことができる。本実施形態では、ギャップコントロール剤としてその径が６μｍのプラスチックボールを用いる。また、他方の基板（例えば第２基板２５）上にはギャップコントロール剤を散布する。例えば本実施形態では、３．０μｍもしくは３．５μｍのプラスチックボールを乾式のギャップ散布機によって散布する。
【００４４】
次に、第１基板２１と第２基板２５とを重ね合わせ、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理することにより、メインシール剤を硬化させる。ここでは、例えば１５０℃で３時間の熱処理を行う。その後、第１基板２１と第２基板２５の間隙に液晶材料を充填することにより液晶層２８を形成する。液晶材料の充填は、例えば真空注入法によって行う。本実施形態では、誘電率異方性△εが負であり比較的に粘度の低く（例えば２０ｃｃｐ程度）、かつ屈折率異方性が比較的に大きい（例えばΔｎ＝０．２１程度）液晶材料を用いる。液晶材料の注入後、その注入口にエンドシール剤を塗布し封止する。そして、封止後に適宜熱処理（例えば１２０℃で１時間）を行うことにより、液晶層２８の液晶分子の配向状態を整える。以上のようにして本実施形態のプリズム素子３が得られる。
【００４５】
なお、液晶材料の注入から熱処理まではなるべく速やかに行うことが望ましい。なぜならば、プリズムアレイ２３上の光配向処理がなされた第１配向膜２４の配向規制力はそれほど強くなく、注入時の液晶材料の流れの影響を受け、流れる方向に配向する現象（流動配向現象）が生じやすいからである。これについては、高温での熱処理を行って液晶材料を一旦、等方相温度以上にすることで流動配向を消去し、本来の光配向処理による配向方向へ液晶分子を再配向させることができるが、注入後に長い時間が経過してしまうと流動配向状態が安定してしまい、多少の熱処理ではこれを消去し難くなるからである（これを配向のメモリー性という）。したがって、なるべく速やかに熱処理を行うことが望ましく、可能であれば３時間以内、遅くとも２４時間以内に熱処理を行うことが望ましい。
【００４６】
上記した条件にて製造されたプリズム素子３にレーザー光を入射した場合、液晶層２８への印加電圧が０Ｖのときを基準とすると、印加電圧が１０Ｖのときのレーザー光の角度θ（図１参照）は約１．５°となる。また、応答速度は数ミリ秒であり、比較的に高速応答が得られる。ここでの数値は、レーザー光の偏光方向と液晶層２８のプリズムアレイ２３側の界面付近における液晶分子の配向方向が略平行になるようにした場合のものである。
【００４７】
次に、ホログラム素子４の製造方法の一例を説明する。
【００４８】
図５は、ホログラム素子の製造に用いる光学系を説明するための図である。ホログラム素子４は、例えば感光性モノマーを用いて製造される。本実施形態では緑色の波長域に感度をもつ感光性モノマーを用いる。図５に示すように、レーザー光源５０から出射するレーザー光はハーフミラー５１によって分岐される。分岐されたレーザー光の一方は参照光として用いられる。上記した図１におけるプリズム素子３とホログラム素子４の位置関係と同じ配置（距離、角度θ）となるように凹レンズ５９の位置と感光性フィルム５７の位置を設定する。このとき、ミラー５８で反射され、凹レンズ５９を通った参照光６１が感光性フィルム５７に当たるときの角度θが図１におけるプリズム素子３とホログラム素子４の関係と同じになるようにする。また、参照光のロスを低減するためには凹レンズ５９の曲率を調整し、凹レンズ５９を通過して広がった参照光６１がちょうど感光性フィルム５７の大きさで照射されるか、もしくは感光性フィルム５７の大きさよりも少し大きい範囲で照射されるようにすることが望ましい。
【００４９】
ハーフミラー５１によって分岐される他方のレーザー光は物体光として用いられる。図１におけるホログラム素子４と光変調器５の位置関係と鏡面配置（線対称な距離と角度）になるように拡散レンズ５６の位置および感光性フィルム５７の位置を設定する。物体光のロスを低減するためには拡散レンズ５６の散乱度を調整し、拡散レンズ５６を通過して広がった物体光６０がちょうど感光性フィルム５７の大きさで照射されるか、もしくは感光性フィルム５７の大きさよりも少し大きい範囲で照射されるようにすることが望ましい。
【００５０】
また、ミラー５２で反射したレーザー光が２つの凸レンズ５３、５５およびピンホール５４を通過して拡散レンズ５６に照射されるとき、拡散レンズ５６上の光強度分布がなるべく均一になるように２つの凸レンズ５３、５５の曲率を調整することが望ましい。また、感光性フィルム５７上における参照光６１と物体光６０の光強度比は、２：１から１０：１程度の範囲であることが望ましく、参照光６１と物体光６０の光強度の和は例えば１ｍＪ／ｃｍ２程度、照射時間は例えば３０秒間程度とする。また、ここで用いた感光性フィルム５７は、１２０℃にて２時間程度の熱処理を行うことにより高回折効率化することができる。
【００５１】
このようにして作製されるホログラム素子４は、入射光を同じ方向に屈折しながら反射する機能を有しており、ある位置から入射される参照光の入射角度が変わってもその反射像（再生像）は同じ形状、同じ方向に形成される。ここでは光変調器５が配置される位置に光変調器５の形状で光強度が均一になるように再生像が形成される。
【００５２】
なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。
【００５３】
例えば、上記した実施形態では、プリズム素子における液晶層は垂直配向に設定されていたが、水平配向、９０°捩れ配向等の配向モードとしてもよい。また、液晶層にカイラル剤を添加することなどにより液晶分子の配列方向を変えてもよい。また、配向膜への配向処理法として光配向処理を併用していたが、ラビング処理のみでもよい。また、特に配向膜として垂直配向膜を用いて液晶層を垂直配向にした場合には、プリズムアレイの形状効果により液晶層の液晶分子の配向方向が電圧印加時に傾く方向はある程度制御されるため、配向処理を省略することも可能である。また、液晶層を形成する際の手法は真空注入にのみ限定されず、ＯＤＦ法を用いてもよい。
【００５４】
また、上記した実施形態では画像形成装置の適用例として四輪車両用のヘッドアップディスプレイを挙げていたが、これに限られず、二輪車両、農機、船舶、航空機に適用してもよいし、ゲーム機等に用いられるヘッドマウントディスプレイに適用してもよい。また、三次元スキャナなど、レーザーを用いた様々なセンサー等に適用してもよい。
【００５５】
また、上記した実施形態では、光変調器をホログラム素子とミラーの間に配置していたが、光変調器の配置はこれに限られず、ミラーとスクリーンの間に配置してもよいし、レーザー光源側（ホログラム素子とプリズム素子の間など）に配置してもよい。ただし、後者の場合にはホログラム像はスクリーン上に形成される必要がある。
【００５６】
また、上記した実施形態のプリズム素子では第１電極上にプリズムアレイが形成されていたが、配置を逆にしてもよい。図６は、プリズム素子の他の構造例を示す模式的な断面図である。図６に示すプリズム素子３ａは、第１基板２１、第１電極２２ａ、プリズムアレイ２３ａ、第１配向膜２４ａ、第２基板２５、第２電極２６、第２配向膜２７、液晶層２８を含んで構成される。上述した図２に示したプリズム素子３では第１電極２２の上側にプリズムアレイ２３が配置されていたが、図６に示す例のプリズム素子３ａはプリズムアレイ２３ａ上に第１電極２２ａが配置されている点が構造上の相違である。上記したような高い耐熱性を有する樹脂材料を用いて形成されたプリズムアレイ２３ａ上であれば、本例のようにプリズムアレイ２３ａの上側にＩＴＯ等の透明導電材料からなる第１電極２２ａを設けることもできる。なお、図示を省略するがプリズムアレイ２３ａと第１電極２２ａとの間に両者の密着性をより向上させるための酸化珪素（ＳｉＯ２）膜が設けられていることも好ましい。図６に例示するプリズム素子３ａにおいては、第１基板２１上の第１電極２２ａと液晶層２８との間にプリズムアレイ２３ａが存在することなく、第１電極２２ａから直接的に液晶層２８へ電圧を印加できることから、プリズム素子３ａを駆動するための電圧をより低下させることが可能になる。
【００５７】
また、プリズムアレイの断面形状は、上記した三角形状にのみ限定されない。断面形状は、例えば正弦波（サインカーブ）状でもよい。また、プリズムアレイの上面形状は、上記したストライプ状にのみ限定されない。上面形状は、例えば格子状、同心円状、楕円状、フレネルレンズ状、ドット状などでもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１：レーザー光源
２：コリメートレンズ
３、３ａ：プリズム素子
４：ホログラム素子
５：光変調器
６：ミラー
７：プリズム素子駆動部
８：スクリーン
２１：第１基板
２２、２２ａ：第１電極
２３、２３ａ：プリズムアレイ
２４、２４ａ：第１配向膜
２５：第２基板
２６：第２電極
２２：第２配向膜
２８：液晶層
５０：レーザー光源
５１：ハーフミラー
５２、５８：ミラー
５３、５５：凸レンズ
５４：ピンホール
５６：拡散レンズ
５７：感光性フィルム
５９：凹レンズ
６０：物体光
６１：参照光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光源を用いる画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）などの投影型の画像表示装置における光源としてレーザー光源が使われ始めている。このような先行例は、例えば特開２０１０−１３９６８８号公報（特許文献１）や特開２０１０−１３９９２７号公報（特許文献２）に開示されている。レーザー光は、単色性、高指向性の点においてディスプレイ用途として理想的な光源であるが、レーザー光の干渉性に起因するスペックルノイズが発生するという不都合がある。ここで、スペックルとは、レーザー光をスクリーンや紙や壁のような粗面に照射すると観察される細かい斑点模様のことをいう。このスペックルは不規則な凹凸形状を持つ粗面の各点で散乱した光が互いに干渉を起こすことによって生じるランダムな強度分布を持つ干渉パターンである。このスペックルパターンが画像ノイズとなって画質を低下させるため、レーザー光を用いたディスプレイではこれを低減することが重要になる。
【０００３】
これに対して、視認者がスペックルノイズの影響を受けずに明瞭な表示を視認することができるように改良したヘッドアップディスプレイの先行例は、例えば特開２０１０−２７６６８９号公報（特許文献３）や特開２０１０−２７６７４２号公報（特許文献４）に開示されている。特許文献３に係る先行例のヘッドアップディスプレイは、半導体レーザーから出射したレーザー光を光ファイバーで表示像生成手段に導くことによって表示像を生成している。そして、振動発生手段によって光ファイバーへ振動を与えることにより光ファイバーのモード分散を時間的に変化させており、これにより光ファイバーから出射するレーザー光のスペックルパターンを変化させてスペックルノイズを低減させている。また、特許文献４に係る先行例のヘッドアップディスプレイは、レーザー光をスクリーン上に走査して表示像を生成する表示像生成手段を備え、上記のスクリーンがレーザー光を拡散および透過する少なくとも２個の拡散部材を有して構成され、かつ表示像生成手段が拡散部材の少なくとも１つを揺動させる揺動手段を有して構成されており、拡散部材を揺動させることによりスペックルノイズの低減を図っている。
【０００４】
ところで、上記した特許文献３、４に開示された先行例は、スペックルノイズを低減するために、光ファイバーを振動させる振動発生手段または拡散部材を揺動させる揺動手段という、いずれも機械的な動作によって振動等を発生させる手段を必要としている。このため、ヘッドアップディスプレイ全体の装置構成が大型化し、消費電力も増加し、機械的な動作を用いることによるノイズ（騒音）も発生するという不都合がある。また、特に長期の信頼性という点でも不都合がある。また、スクリーンに拡散部材を設ける先行例では、例えば車載用ヘッドアップディスプレイにおいてスクリーンとしてフロントガラスを用いる場合には適用することが困難であるという不都合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１３９６８８号公報
【特許文献２】特開２０１０−１３９９２７号公報
【特許文献３】特開２０１０−２７６６８９号公報
【特許文献４】特開２０１０−２７６７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明に係る具体的態様は、機械的な構成を用いることなくスペックルノイズを低減することが可能な画像形成技術を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る一態様の画像形成装置は、（ａ）レーザー光を出射する光源と、（ｂ）レーザー光の光路上に配置されたプリズム素子と、（ｃ）プリズム素子を通過するレーザー光の光路上に配置されたホログラム素子と、（ｄ）光源とプリズム素子の間の光路上若しくはプリズム素子とホログラム素子の間の光路上又はホログラム素子を通過するレーザー光の光路上に配置された光変調器と、（ｅ）プリズム素子へ駆動信号を供給するプリズム素子駆動部を含み、上記のプリズム素子は、（ｆ）相互に対向配置される第１基板及び第２基板と、（ｇ）第１基板上に設けられた第１電極と、（ｈ）第１基板上に設けられた複数のプリズムを有するプリズムアレイと、（ｉ）第１電極及びプリズムアレイの上側に設けられた第１配向膜と、（ｊ）第２基板上に設けられた第２電極と、（ｋ）第２電極の上側に設けられた第２配向膜と、（ｌ）第１基板と第２基板の間に設けられた液晶層を有する。
【０００８】
上記の画像形成装置では、プリズム素子の液晶層に電圧を印加すると、液晶層の液晶分子の配列が変化し、それにより液晶層の屈折率値が変化するため、複数の微少な傾斜状の突起形状であるプリズムアレイと液晶層との界面を透過する光の屈折角が変化する（スネルの法則）。それにより、プリズム素子を通過するレーザー光の光路を時間的に変動させることができることから、結果として機械的な構成を用いた場合と同様にスペックルノイズを低減することができる。したがって、光変調器によって形成される画像をスクリーン等に投影している間、プリズム素子に対してプリズム素子駆動部から駆動信号を供給することにより、スペックルノイズの低減された鮮明な映像を得ることができる。
【０００９】
なお、同様な効果を奏する別の技術的手段としてポリゴンミラーを用いる光路変換手段が考えられる。しかしポリゴンミラーを用いる場合、次の問題が生じ得る。第一に、ポリゴンミラーはその面数が反射面の傾斜角範囲を定め、結果として走査角範囲を定める構造となっている。一般的な６から１２面程度では比較的狭い範囲の走査を行う場合、不要な範囲への走査を生じエネルギーロスを生じる。第二に、適正範囲への走査を行うポリゴンミラーを製作するとなると、非常に多数の面を有するポリゴンミラーの製作が必要となり、精度維持に困難を生じる。第三に、ポリゴンミラー自身の回転空間、場合によってはモータの冷却空路など光路以外に多くの空間を要し省スペースの要望に応え難い。
【００１０】
上記の画像形成装置において、ホログラム素子は、レーザー光を同じ方向に屈折しながら反射することが好ましい。
【００１１】
また、上記の画像形成装置において、プリズムアレイは、複数のプリズムの各々の高さをｈ、当該複数のプリズムの配置ピッチをＰとしたときに両者の比Ｐ／ｈが５〜２００の範囲であることがより好ましい。
【００１２】
また、上記の画像形成装置において、プリズム素子駆動部の供給する駆動信号は、例えば、所定周波数の電圧を印加する期間と印加しない期間を交互に繰り返した信号波形を有することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態の画像形成装置の構成を示す図である。
【図２】プリズム素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図３】プリズムアレイの模式的な斜視図である。
【図４】ラビング処理および光配向処理の方向について説明するための図である。
【図５】ホログラム素子の製造に用いる光学系を説明するための図である。
【図６】プリズム素子の他の構造例を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、一実施形態の画像形成装置の構成を示す図である。図１に示す画像形成装置は、レーザー光源１、コリメートレンズ２、プリズム素子３、ホログラム素子４、光変調器５、ミラー６およびプリズム素子駆動部７を含んで構成されており、スクリーン（コンバイナ）８へ画像を投影するものである。
【００１６】
レーザー光源１は、レーザー光を出射するものである。例えば本実施形態のレーザー光源１は、波長５３２ｎｍのレーザー光（グリーンレーザー）を出射する。
【００１７】
コリメートレンズ２は、レーザー光源１から出射するレーザー光の光路上に配置されており、レーザー光を集光して略平行光に変換する。
【００１８】
プリズム素子３は、レーザー光の光路上に配置されており、コリメートレンズ２によって略平行光に変換されたレーザー光の光路を微小に変化させる。このプリズム素子３は、プリズムアレイと液晶層を内蔵しており、液晶層の液晶分子の配向状態を電気的に制御することによって液晶層の屈折率を変化させることにより、プリズムアレイと液晶層の界面におけるレーザー光の屈折角を変化させるものである。
【００１９】
ホログラム素子４は、レーザー光の光路上に配置されており、プリズム素子３を通過して光路を変更されたレーザー光が都度異なる点に照射された場合でも光変調器５上の同じ位置に再生されるようにレーザー光を広げながら高効率（８０〜９０％以上）で反射する機能を有するものである。詳細には、ホログラム素子４は、プリズム素子３によってレーザー光の光路の方向が変更されたとしても所定の画像パターンがスクリーン８上の同じ位置に投影されるように設計されたホログラム（三次元像を記録した写真）を備えている。このようなホログラム素子４を用いた場合には、ホログラムの作製時に所望のエリアに所望の光強度分布（例えば光強度が均一になるような分布）を与えることが可能であるため、レンズアレイや自由曲面ミラー等の光学部品が不要になる利点がある。
【００２０】
光変調器５は、スクリーン８上に投影するための画像を生成する。この光変調器５は、例えば透過型の液晶表示装置からなり、ホログラム素子４から照射されるレーザー光を用いて画像を生成する。
【００２１】
ミラー６は、光変調器５によって形成され、入射する画像をスクリーン８の方向へ反射する。なお、光学系の設置状況等によってはこのミラー６は省略することができる。ミラー６によって反射された画像はスクリーン８上に投影される。
【００２２】
プリズム素子駆動部７は、プリズム素子３へ駆動信号を供給する。駆動信号の具体例については後述する。
【００２３】
スクリーン８は、画像を投影したい所望の位置に設置される。例えば本実施形態の画像形成装置を車載用のヘッドアップディスプレイとして用いる場合であれば、このスクリーン８は車両のフロントガラス上に設置される。
【００２４】
図２は、プリズム素子の構造を示す模式的な断面図である。なお、図２においては便宜上、一部構成を除いてハッチング記載を省略する。図２に示す本実施形態のプリズム素子３は、第１基板２１、第１電極２２、プリズムアレイ２３、第１配向膜２４、第２基板２５、第２電極２６、第２配向膜２７、液晶層２８を含んで構成される。
【００２５】
第１基板２１および第２基板２５は、相互に対向配置されており、それぞれ例えばガラス基板、プラスチック基板等の透明基板である。第１基板２１と第２基板２５との相互間には、例えば多数のスペーサー（粒状体）が分散して配置されており（図示せず）、それらのスペーサーによって第１基板２１と第２基板２５との相互間隔が保たれる。
【００２６】
第１電極２２は、第１基板２１の一面側に設けられている。同様に、第２電極２６は、第２基板２５の一面側に設けられている。第１電極２２および第２電極２６、それぞれ、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜を用いて構成される。例えば本実施形態では、第１電極２２、第２電極２６ともに、基板一面に形成されている。なお、第１電極２２、第２電極２６は、適宜パターニングされていてもよい。
【００２７】
プリズムアレイ２３は、複数の微少な傾斜状の突起形状(プリズム)を一方向に配列して構成されている。図３は、プリズムアレイの模式的な斜視図である。図３に示すように各プリズムの断面形状は直角三角形（例えば頂角８５°、底角が５°と９０°）である。また、各プリズムの配置ピッチＰは例えば８μｍ程度、高さｔは例えば２μｍ程度である。図３に示すように、プリズムアレイ２３は、上面から見るとスリット形状に形成されている。このプリズムアレイ２３は、例えば耐熱性および密着性に優れた樹脂材料を成形することにより得られる。プリズムアレイ２３の成形方法の詳細については後述する。
【００２８】
第１配向膜２４は、第１基板２１の一面側に、第１電極２２およびプリズムアレイ２３を覆うようにして設けられている。また、第２配向膜２７は、第２基板２５の一面側に、第２電極２６を覆うようにして設けられている。本実施形態においては、第１配向膜２４および第２配向膜２７として、液晶層２８の液晶分子の初期状態（電圧無印加時）における配向状態を垂直配向状態に規制するもの（垂直配向膜）が用いられている。これらの第１配向膜２４、第２配向膜２７に対しては、所定の表面処理（ラビング処理、光配向処理等）が施されている。
【００２９】
液晶層２８は、第１基板２１の一面と第２基板２５の一面の相互間に設けられている。本実施形態においては、誘電率異方性Δεが負のネマティック液晶材料を用いて液晶層２８が構成されている。液晶層２８に図示された太線は、液晶層２８内の液晶分子を模式的に示したものである。電圧無印加時における液晶分子は、第１基板２１および第２基板２５の各基板面に対して所定のプレティルト角を有してほぼ垂直に配向する。
【００３０】
本実施形態のプリズム素子３は一般的な液晶素子とは異なり偏光板が不要であるため原理的に高透過率である。具体的には、プリズム素子自体の透過率として９０％以上が見込まれ、プリズム素子３の表面に反射防止コート（ＡＲコート）を施した場合には９５％以上の透過率が見込まれる。
【００３１】
次に、プリズム素子３の基本的な動作について詳述する。プリズム素子３の第１電極２２および第２電極２６を介して液晶層２８に電圧を印加すると、液晶層２８の液晶分子の配列が変化し、それにより液晶層２８の屈折率値が変化する。このため、複数の微少な傾斜状の突起形状であるプリズムアレイ２３と液晶層２８との界面を透過する光の屈折角が変化する（スネルの法則）。屈折角の大きさは、プリズムアレイ２３の形状や液晶層２８の屈折率異方性の値等により一概にいえないが、諸条件を調整することにより現状で１８°程度までの屈折角を実現し得ることが確認できている。この屈折角は、プリズム素子３へ印加される電圧に応じて変化させることができる。
【００３２】
したがって、スクリーン８に映像を投影している間、プリズム素子３に対してプリズム素子駆動部７から交流の駆動信号を連続的に変化させながら印加することにより、スペックルノイズの低減された鮮明な映像を得ることができる。これは、プリズム素子３を通過するレーザー光の光路、具体的にはホログラム素子４に入射する位置を時間的に変動させることができることから、結果としてスクリーン８を振動させていることと同様の効果が得られるためである。なお、駆動信号としては、例えば、５００Ｈｚの交流波形を１秒間に５０回の割合でオン／オフさせた電圧を用いることができる。このとき、例えばオン電圧は８Ｖ、オフ電圧は０Ｖとすることができるが、駆動条件はこれに限らない。
【００３３】
ところで、レーザー光は干渉を起こしやすいため、プリズム素子３のプリズムアレイ２３の配置ピッチＰが細かいと干渉の影響が顕著になりやすい。これに対して、レーザー光の光路が複数に分岐してもホログラム素子４によって全ての光路は元の１点に戻されるため、多少干渉が生じても画像の鮮明度への影響は少ないが、スペックルノイズを低減させるという面では干渉が少ないほど効果は大きい。このため、なるべく干渉を起こしにくいようにプリズムアレイ２３を形成することが望ましく、配置ピッチＰを理想的にはレーザー光のスポット径（＜１ｍｍφ）以上とすることが望ましい。しかし、プリズムアレイ２３の配置ピッチＰが大きいと液晶層２８の層厚やレーザー光を曲げる角度に影響が出るため、これらを勘案すると、プリズムアレイ２３の配置ピッチＰはレーザー光の波長よりも十分に大きくすることが望ましいといえる。
【００３４】
より詳細には、レーザー光のスポット径（ビーム径）よりもプリズムアレイ２３の配置ピッチＰが小さい場合、基本的にはスポット光が発生する。プリズム素子３に電圧（駆動信号）を印加していないときにはレーザー光をそのまま素通しした方向のスポット光が最も明るく、プリズム素子３に電圧を印加したときにはこの最も明るいスポット光の位置を変えることができる。しかし、弱いながら別の位置に発生するスポット光を完全になくすことは難しい。プリズムアレイ２３の配置ピッチＰをレーザー光のスポット径（例えば５００μｍ〜１ｍｍφ）より大きくすればよいが、同じ角度（各プリズムの底角）を維持しようとすると各プリズムの高さが大きくなり、結果としてプリズム素子３のセル厚（液晶層２８の層厚）が大きくなり応答速度が低下する。プリズムアレイ２３の配置ピッチＰがレーザー光のスポット径より小さい場合でも、プリズムアレイ２３の配置ピッチＰはなるべく大きい方が干渉で現れるスポット光の強度を低くできる。したがって、必要とされるプリズム素子３の応答速度とレーザー光の移動量（角度）に応じて各プリズムの形状を最適化することが望ましい。
【００３５】
一例を挙げると、５０Ｈｚ（応答速度２ミリ秒以下）の高速応答が要求される場合はプリズムアレイ２３の各プリズムの高さを２〜３μｍとし、１０Ｈｚ（応答速度１０ミリ秒以下）程度の応答速度でよい場合には各プリズムの高さを５μｍとすればよい。プリズムアレイ２３の配置ピッチＰは、レーザー光の移動量（角度）が１°以下でよい場合には１００〜５００μｍ、１°以上必要な場合には１０〜１００μｍ程度が望ましい。したがって、各プリズムの高さｈ、配置ピッチＰとした場合、両者の比Ｐ／ｈは５〜２００程度であることが望ましい。ただし、Ｐ／ｈが大きくなるにつれプリズム素子３によるレーザー光の移動量（角度）が小さくなるため、光学系の光路長をより長くとる必要がある。
【００３６】
次に、プリズム素子３の製造方法の一例を説明する。
【００３７】
まず、第１基板２１および第２基板２５として用いるためのガラス基板を用意する。これらのガラス基板としては、予めＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透明導電材料からなる導電膜を有するものがより好ましい。例えば、厚さが１５００ÅのＩＴＯ膜を有し、板厚が０．７ｍｍ、ガラス材質が無アルカリガラスである一対のガラス基板を用意する。第１基板２１、第２基板２５のそれぞれについて、ＩＴＯ膜を適宜パターニングすることにより、第１電極２２、第２電極２６を形成する。
【００３８】
次に、第１基板２１の第１電極２２上にプリズムアレイ２３を形成する。ここでは、断面が三角形状であり、その配置ピッチＰが２０μｍ、高さｔが約１．８〜２μｍ、頂角８５°、底角が５°と９０°であり、上面から見るとスリット形状を有する金型を用いてプリズムアレイ２３を形成する。具体的には、第１基板２１上に所定量の光硬化性樹脂を滴下し、その上に金型を置き、かつ第１基板２１の裏面側を厚手の石英基板等で補強した状態でプレスを行う。プレス後にある程度の時間（例えば１分間以上）だけ放置し、光硬化性樹脂材料を十分に広げた後、第１基板２１側から光を照射することで光硬化性樹脂材料を硬化させる。光の照射量は光硬化性樹脂材料が硬化するのに十分な値（例えば２０Ｊ／ｃｍ２程度）を適宜に設定する。ここで、一般にプリズム用材料は耐熱性が低く、プリズムアレイ２３上に第１配向膜２４を形成する際の熱処理（例えば１８０℃以上）により特性が劣化してしまう場合が多い。これに対して、本実施形態では、熱処理前後での透過率特性の低下がほとんど生じない光硬化性（例えば紫外線硬化性）のアクリル系樹脂材料を用いる。以上により第１基板２１上に透明樹脂膜からなるプリズムアレイ２３が形成される。
【００３９】
次に、プリズムアレイ２３が形成された第１基板２１を洗浄機により洗浄する。洗浄は、例えば、アルカリ洗剤を用いたブラシ洗浄、純水洗浄、エアーブロー、紫外線（ＵＶ）照射、赤外線（ＩＲ）乾燥の順に行うことができるがこれに限定されない。高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄などを行ってもよい。
【００４０】
次いで、プリズムアレイ２３が形成された第１基板２１に第１配向膜２４を形成する。同様に、第２基板２５に第２配向膜２７を形成する。ここでは、例えば無機の垂直配向膜材料を用いる。なお、ポリイミド等の有機の垂直配向膜材料を用いることも可能であるが、プリズム素子３には比較的に強い光が入射するので、耐久性の観点からは無機の垂直配向膜材料を用いることがより好ましい。フレキソ印刷法、インクジェット法、スピンコート法、スリットコート法、スリット法とスピンコート法の組み合わせ等の適宜の方法で配向膜材料を第１基板２１上、第２基板２５上にそれぞれ適当な膜厚（例えば８００Å程度）で塗布し、熱処理（例えば２２０℃で１．５時間の焼成）を行う。そして、熱処理によって得られた第１配向膜２４、第２配向膜２７のそれぞれに対して配向処理を行う。この配向処理は、第１基板２１と第２基板２５とを重ね合わせたときに各基板上の液晶分子の配向方向がアンチパラレル配向になるように行う。
【００４１】
ここでは配向処理として、例えばラビング処理や光配向処理等を用いることができ、また複数種の配向処理を組み合わせて用いてもよい。本実施形態では、プリズムアレイ２３の形成された第１基板２１に対しては光配向処理を行い、第２基板２５にはラビング処理を行う。ラビング処理については、押し込み量を比較的大きく（例えば０．８ｍｍ）に設定したストロングアンカリング条件に設定して行われる。光配向処理については、例えば紫外線を偏光した光を第１基板２１に対して法線方向から照射する。このときの紫外線は、第１基板２１に対しては垂直方向から照射しているが、プリズムアレイ２３の各プリズムの斜面部分に対しては相対的に４５°傾いた方向から照射しているに等しいことになる。露光に用いる偏光フィルタの波長は例えば３１０ｎｍである。
【００４２】
図４は、ラビング処理および光配向処理の方向について説明するための図である。図４に示すように、例えば、偏光フィルタの偏光方向ａ１がプリズムアレイ２３の各プリズムの長手方向と略平行となるようにする。この場合、第１配向膜２４と接した液晶層２８における液晶分子の配向方向ａ２は図示のように偏光フィルタの偏光方向ａ１および各プリズムの長手方向と略直交する方向となる。また、ラビング処理の方向ａ３については図示のようにプリズムアレイ２３の各プリズムの傾斜方向に対してアンチパラレルとなるように設定される。
【００４３】
次に、一方の基板（例えば第１基板２１）上に、ギャップコントロール剤を適量（例えば２〜５ｗｔ％）含んだメインシール剤を形成する。メインシール剤の形成は、例えばスクリーン印刷やディスペンサーによる。また、ギャップコントロール剤の径は、プリズムアレイ２３のベース層とプリズムの高さを含め、液晶層２８の厚さが２〜４μｍ程度と比較的に薄くなるように材料を選ぶことができる。本実施形態では、ギャップコントロール剤としてその径が６μｍのプラスチックボールを用いる。また、他方の基板（例えば第２基板２５）上にはギャップコントロール剤を散布する。例えば本実施形態では、３．０μｍもしくは３．５μｍのプラスチックボールを乾式のギャップ散布機によって散布する。
【００４４】
次に、第１基板２１と第２基板２５とを重ね合わせ、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理することにより、メインシール剤を硬化させる。ここでは、例えば１５０℃で３時間の熱処理を行う。その後、第１基板２１と第２基板２５の間隙に液晶材料を充填することにより液晶層２８を形成する。液晶材料の充填は、例えば真空注入法によって行う。本実施形態では、誘電率異方性△εが負であり比較的に粘度の低く（例えば２０ｃｃｐ程度）、かつ屈折率異方性が比較的に大きい（例えばΔｎ＝０．２１程度）液晶材料を用いる。液晶材料の注入後、その注入口にエンドシール剤を塗布し封止する。そして、封止後に適宜熱処理（例えば１２０℃で１時間）を行うことにより、液晶層２８の液晶分子の配向状態を整える。以上のようにして本実施形態のプリズム素子３が得られる。
【００４５】
なお、液晶材料の注入から熱処理まではなるべく速やかに行うことが望ましい。なぜならば、プリズムアレイ２３上の光配向処理がなされた第１配向膜２４の配向規制力はそれほど強くなく、注入時の液晶材料の流れの影響を受け、流れる方向に配向する現象（流動配向現象）が生じやすいからである。これについては、高温での熱処理を行って液晶材料を一旦、等方相温度以上にすることで流動配向を消去し、本来の光配向処理による配向方向へ液晶分子を再配向させることができるが、注入後に長い時間が経過してしまうと流動配向状態が安定してしまい、多少の熱処理ではこれを消去し難くなるからである（これを配向のメモリー性という）。したがって、なるべく速やかに熱処理を行うことが望ましく、可能であれば３時間以内、遅くとも２４時間以内に熱処理を行うことが望ましい。
【００４６】
上記した条件にて製造されたプリズム素子３にレーザー光を入射した場合、液晶層２８への印加電圧が０Ｖのときを基準とすると、印加電圧が１０Ｖのときのレーザー光の角度θ（図１参照）は約１．５°となる。また、応答速度は数ミリ秒であり、比較的に高速応答が得られる。ここでの数値は、レーザー光の偏光方向と液晶層２８のプリズムアレイ２３側の界面付近における液晶分子の配向方向が略平行になるようにした場合のものである。
【００４７】
次に、ホログラム素子４の製造方法の一例を説明する。
【００４８】
図５は、ホログラム素子の製造に用いる光学系を説明するための図である。ホログラム素子４は、例えば感光性モノマーを用いて製造される。本実施形態では緑色の波長域に感度をもつ感光性モノマーを用いる。図５に示すように、レーザー光源５０から出射するレーザー光はハーフミラー５１によって分岐される。分岐されたレーザー光の一方は参照光として用いられる。上記した図１におけるプリズム素子３とホログラム素子４の位置関係と同じ配置（距離、角度θ）となるように凹レンズ５９の位置と感光性フィルム５７の位置を設定する。このとき、ミラー５８で反射され、凹レンズ５９を通った参照光６１が感光性フィルム５７に当たるときの角度θが図１におけるプリズム素子３とホログラム素子４の関係と同じになるようにする。また、参照光のロスを低減するためには凹レンズ５９の曲率を調整し、凹レンズ５９を通過して広がった参照光６１がちょうど感光性フィルム５７の大きさで照射されるか、もしくは感光性フィルム５７の大きさよりも少し大きい範囲で照射されるようにすることが望ましい。
【００４９】
ハーフミラー５１によって分岐される他方のレーザー光は物体光として用いられる。図１におけるホログラム素子４と光変調器５の位置関係と鏡面配置（線対称な距離と角度）になるように拡散レンズ５６の位置および感光性フィルム５７の位置を設定する。物体光のロスを低減するためには拡散レンズ５６の散乱度を調整し、拡散レンズ５６を通過して広がった物体光６０がちょうど感光性フィルム５７の大きさで照射されるか、もしくは感光性フィルム５７の大きさよりも少し大きい範囲で照射されるようにすることが望ましい。
【００５０】
また、ミラー５２で反射したレーザー光が２つの凸レンズ５３、５５およびピンホール５４を通過して拡散レンズ５６に照射されるとき、拡散レンズ５６上の光強度分布がなるべく均一になるように２つの凸レンズ５３、５５の曲率を調整することが望ましい。また、感光性フィルム５７上における参照光６１と物体光６０の光強度比は、２：１から１０：１程度の範囲であることが望ましく、参照光６１と物体光６０の光強度の和は例えば１ｍＪ／ｃｍ２程度、照射時間は例えば３０秒間程度とする。また、ここで用いた感光性フィルム５７は、１２０℃にて２時間程度の熱処理を行うことにより高回折効率化することができる。
【００５１】
このようにして作製されるホログラム素子４は、入射光を同じ方向に屈折しながら反射する機能を有しており、ある位置から入射される参照光の入射角度が変わってもその反射像（再生像）は同じ形状、同じ方向に形成される。ここでは光変調器５が配置される位置に光変調器５の形状で光強度が均一になるように再生像が形成される。
【００５２】
なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。
【００５３】
例えば、上記した実施形態では、プリズム素子における液晶層は垂直配向に設定されていたが、水平配向、９０°捩れ配向等の配向モードとしてもよい。また、液晶層にカイラル剤を添加することなどにより液晶分子の配列方向を変えてもよい。また、配向膜への配向処理法として光配向処理を併用していたが、ラビング処理のみでもよい。また、特に配向膜として垂直配向膜を用いて液晶層を垂直配向にした場合には、プリズムアレイの形状効果により液晶層の液晶分子の配向方向が電圧印加時に傾く方向はある程度制御されるため、配向処理を省略することも可能である。また、液晶層を形成する際の手法は真空注入にのみ限定されず、ＯＤＦ法を用いてもよい。
【００５４】
また、上記した実施形態では画像形成装置の適用例として四輪車両用のヘッドアップディスプレイを挙げていたが、これに限られず、二輪車両、農機、船舶、航空機に適用してもよいし、ゲーム機等に用いられるヘッドマウントディスプレイに適用してもよい。また、三次元スキャナなど、レーザーを用いた様々なセンサー等に適用してもよい。
【００５５】
また、上記した実施形態では、光変調器をホログラム素子とミラーの間に配置していたが、光変調器の配置はこれに限られず、ミラーとスクリーンの間に配置してもよいし、レーザー光源側（ホログラム素子とプリズム素子の間など）に配置してもよい。ただし、後者の場合にはホログラム像はスクリーン上に形成される必要がある。
【００５６】
また、上記した実施形態のプリズム素子では第１電極上にプリズムアレイが形成されていたが、配置を逆にしてもよい。図６は、プリズム素子の他の構造例を示す模式的な断面図である。図６に示すプリズム素子３ａは、第１基板２１、第１電極２２ａ、プリズムアレイ２３ａ、第１配向膜２４ａ、第２基板２５、第２電極２６、第２配向膜２７、液晶層２８を含んで構成される。上述した図２に示したプリズム素子３では第１電極２２の上側にプリズムアレイ２３が配置されていたが、図６に示す例のプリズム素子３ａはプリズムアレイ２３ａ上に第１電極２２ａが配置されている点が構造上の相違である。上記したような高い耐熱性を有する樹脂材料を用いて形成されたプリズムアレイ２３ａ上であれば、本例のようにプリズムアレイ２３ａの上側にＩＴＯ等の透明導電材料からなる第１電極２２ａを設けることもできる。なお、図示を省略するがプリズムアレイ２３ａと第１電極２２ａとの間に両者の密着性をより向上させるための酸化珪素（ＳｉＯ２）膜が設けられていることも好ましい。図６に例示するプリズム素子３ａにおいては、第１基板２１上の第１電極２２ａと液晶層２８との間にプリズムアレイ２３ａが存在することなく、第１電極２２ａから直接的に液晶層２８へ電圧を印加できることから、プリズム素子３ａを駆動するための電圧をより低下させることが可能になる。
【００５７】
また、プリズムアレイの断面形状は、上記した三角形状にのみ限定されない。断面形状は、例えば正弦波（サインカーブ）状でもよい。また、プリズムアレイの上面形状は、上記したストライプ状にのみ限定されない。上面形状は、例えば格子状、同心円状、楕円状、フレネルレンズ状、ドット状などでもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１：レーザー光源
２：コリメートレンズ
３、３ａ：プリズム素子
４：ホログラム素子
５：光変調器
６：ミラー
７：プリズム素子駆動部
８：スクリーン
２１：第１基板
２２、２２ａ：第１電極
２３、２３ａ：プリズムアレイ
２４、２４ａ：第１配向膜
２５：第２基板
２６：第２電極
２２：第２配向膜
２８：液晶層
５０：レーザー光源
５１：ハーフミラー
５２、５８：ミラー
５３、５５：凸レンズ
５４：ピンホール
５６：拡散レンズ
５７：感光性フィルム
５９：凹レンズ
６０：物体光
６１：参照光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を出射する光源と、
前記レーザー光の光路上に配置されたプリズム素子と、
前記プリズム素子を通過する前記レーザー光の光路上に配置されたホログラム素子と、
前記光源と前記プリズム素子の間の光路上若しくは前記プリズム素子と前記ホログラム素子の間の光路上又は前記ホログラム素子を通過する前記レーザー光の光路上に配置された光変調器と、
前記プリズム素子へ駆動信号を供給するプリズム素子駆動部、
を含み、
前記プリズム素子は、
相互に対向配置される第１基板及び第２基板と、
前記第１基板上に設けられた第１電極と、
前記第１基板上に設けられた複数のプリズムを有するプリズムアレイと、
前記第１電極及び前記プリズムアレイの上側に設けられた第１配向膜と、
前記第２基板上に設けられた第２電極と、
前記第２電極の上側に設けられた第２配向膜と、
前記第１基板と前記第２基板の間に設けられた液晶層、
を有する、画像形成装置。
【請求項２】
前記ホログラム素子は、前記レーザー光を同じ方向に屈折しながら反射する、請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項３】
前記プリズムアレイは、前記複数のプリズムの各々の高さをｈ、当該複数のプリズムの配置ピッチをＰとしたときに両者の比Ｐ／ｈが５〜２００の範囲である、請求項１又は２に記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記プリズム素子駆動部の供給する前記駆動信号は、所定周波数の電圧を印加する期間と印加しない期間を交互に繰り返した信号波形を有する、請求項１〜３の何れか１項に記載の画像形成装置。
【請求項１】
レーザー光を出射する光源と、
前記レーザー光の光路上に配置されたプリズム素子と、
前記プリズム素子を通過する前記レーザー光の光路上に配置されたホログラム素子と、
前記光源と前記プリズム素子の間の光路上若しくは前記プリズム素子と前記ホログラム素子の間の光路上又は前記ホログラム素子を通過する前記レーザー光の光路上に配置された光変調器と、
前記プリズム素子へ駆動信号を供給するプリズム素子駆動部、
を含み、
前記プリズム素子は、
相互に対向配置される第１基板及び第２基板と、
前記第１基板上に設けられた第１電極と、
前記第１基板上に設けられた複数のプリズムを有するプリズムアレイと、
前記第１電極及び前記プリズムアレイの上側に設けられた第１配向膜と、
前記第２基板上に設けられた第２電極と、
前記第２電極の上側に設けられた第２配向膜と、
前記第１基板と前記第２基板の間に設けられた液晶層、
を有する、画像形成装置。
【請求項２】
前記ホログラム素子は、前記レーザー光を同じ方向に屈折しながら反射する、請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項３】
前記プリズムアレイは、前記複数のプリズムの各々の高さをｈ、当該複数のプリズムの配置ピッチをＰとしたときに両者の比Ｐ／ｈが５〜２００の範囲である、請求項１又は２に記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記プリズム素子駆動部の供給する前記駆動信号は、所定周波数の電圧を印加する期間と印加しない期間を交互に繰り返した信号波形を有する、請求項１〜３の何れか１項に記載の画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１０９０２９（Ｐ２０１３−１０９０２９Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５１６８９（Ｐ２０１１−２５１６８９）
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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