JP2013130832A

JP2013130832A - 表示装置

Info

Publication number: JP2013130832A
Application number: JP2011282149A
Authority: JP
Inventors: Shun Sekiya; 俊関谷; Makoto Hata; 誠秦; Yasuhiro Yamakawa; 泰弘山川
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-07-04

Abstract

【課題】表示コントラストを改善した表示装置を提供する。
【解決手段】レーザー光源１１は、レーザー光を発する。走査手段２０は、レーザー光をスクリーン４０に走査する。出力制御手段８０は、レーザー光源１１の出力を制御する。出力制御手段８０は、出力制御手段８０は、走査手段２０によってレーザー光が表示エリアＥｐ外に照射されている所定期間に、レーザー光源１１に供給されるバイアス電流を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光源を備えた車両用ヘッドアップディスプレイ装置等の表示装置に関するものである。

車両の運転手が運転中に視線をほとんど動かさずに車両情報（速度、走行距離等）を読み取れるようにするため、フロントガラスの前方に情報を表示させるヘッドアップディスプレイ装置が、例えば特許文献１に提案されている。
車両用のヘッドアップディスプレイ装置１は、図１に示すように車両２のダッシュボード内に配置されており、この車両用のヘッドアップディスプレイ装置１が投射する表示光Ｊはウインドシールド３により反射され、車両運転者４は虚像Ｘを風景と重畳させて視認させることができる。

このような車両用ヘッドアップディスプレイ装置１では、半導体レーザーを光源としたものが提案されており、例えば特許文献２に開示されている。斯かるヘッドアップディスプレイ装置１は、半導体レーザーと走査系とスクリーンとを備え、半導体レーザーが出射したレーザー光を走査系でスクリーンに向け走査して表示画像を生成するものである。

ヘッドアップディスプレイ装置１では、運転手が昼間の明るい環境から夜間の暗い環境であっても、明瞭且つ、適切な輝度の表示を見ることができる必要がある。そのため、ヘッドアップディスプレイ装置１の外部の明るさ（外部照度）に合わせて表示画像の表示輝度を大きく変化させる必要がある。

昼間の明るい環境下でも表示が見えるためにヘッドアップディスプレイ装置１の表示する表示画像の輝度は、最大輝度で数千〜数万ｃｄ/ｍ^２以上が要求され、夜間の暗い環境下では、表示の眩しさが運転の妨げにならないような最小輝度として数ｃｄ/ｍ^２
が要求される。
ヘッドアップディスプレイ装置１には上記のような幅広いダイナミックレンジにおいても高視認性を維持し、運転手に必要な情報を提供する必要がある。

一方、走査型レーザーディスプレイは、ＭＥＭＳスキャナーでレーザービームをラスタースキャンし、映像信号に同期してレーザー光を変調することで描画する装置である。高精細な解像度での表示を実現するため、数１０ＭＨｚ程度の比較的早い周波数でパルス的に半導体レーザーを駆動する必要がある。半導体レーザーは、レーザー発振開始電流値（閾値電流値）以上の駆動電流を印加することによって、誘導放出によるレーザー発振を開始してレーザー光を発するものである。

上記、走査型レーザーディスプレイをヘッドアップディスプレイ装置の表示装置として用いる場合、特に数万ｃｄ/ｍ^２の輝度を実現する際には半導体レーザーの応答性が問題となる。閾値電流の大きな半導体レーザーを駆動する場合、入力信号に対応する駆動電流が印加されても、レーザー発振が可能な濃度のキャリアが生成されるまでにある程度の時間を要し、発光するまでに遅延が生じる。その結果、入力信号が発光遅延時間より十分大きく、発光遅延量が無視できる場合には問題ないが、走査型レーザーディスプレイにおける半導体レーザーを高速に駆動したい場合は、所望のパルス幅より小さいパルスしか得ることができない。その結果、表示画像によっては輝度ムラが生じる、または解像度が低下する等の虞がある。

光通信の分野では、駆動電流の急峻な立ち上がりを実現するために、レーザーダイオードにあらかじめ直流バイアス電圧を印加して、レーザー発振開始寸前の直流バイアス電流（レーザ発振開始電流よりも少し小さい電流）を流しておくことにより、駆動電流の立ち上がり速度を高速にすることが考えられている。

特開平５−１９３４００号公報特開平７−２７０７１１号公報

走査型レーザーディスプレイの場合にもレーザー発振開始寸前のバイアス電流を流すことで、駆動電流の立ち上がり時間を改善することができる。しかしながら、半導体レーザーはレーザー発振開始寸前のバイアス電流を流した場合、自然放出による非レーザー光（ＬＥＤ光）を発する。そのため、映像信号として完全に黒の場合でも、半導体レーザーはＬＥＤ発光することになり、コントラストが低下する。

また、通常、走査型レーザーディスプレイではミラー部を機械的に振らせることでレーザービームを往復走査していることから、必ずミラー部の動作が物理的に停止する期間が存在する。この場合、バイアス電流を流した状態ではミラー部の動作が停止する領域でレーザー照射光量が増加するためコントラストの悪さが強調され、さらに視認性を低下させるといった問題を有していた。

本発明は、レーザー光を発するレーザー光源と、前記レーザー光をスクリーンに走査する走査手段と、前記レーザー光源の出力を制御する出力制御手段と、を備え、前記出力制御手段は、前記レーザー光源に供給されるバイアス電流を所定期間に停止させるものである。

また、本発明は、前記出力制御手段は、前記走査手段によって前記レーザー光が表示エリア外に照射されている前記所定期間に、前記レーザー光源に供給されるバイアス電流を停止させるものである。

また、本発明は、前記所定期間は、前記走査手段によって走査される前記レーザー光の帰線期間である。

レーザー光源に供給されるバイアス電流を所定期間に停止させることにより、コントラストの低下を改善することできる。

ＨＵＤ装置の概観図。ＨＵＤ装置の断面図。合成レーザー光発生装置の説明図。半導体レーザーの電流―光強度特性図。表示エリアと表示可能エリアを示す概念図。ＭＥＭＳスキャナーの振幅を示す図。ＨＵＤ装置のブロック図。一定のバイアス電流を流した場合を示す概念図。水平/垂直方向のＭＥＭＳ振幅に対するバイアス電流の概念図。１フレーム当たりのバイアス電流のかけ方を示す概念図。

以下、添付の図面に基づいて、本発明の一実施形態について説明する。

（ＨＵＤ装置の構造）
ＨＵＤ装置１は、車両２のダッシュボード内に設けられ、生成した表示画像Ｄを表す表示光Ｊをウインドシールド３で反射させることにより、車両運転者４に車両情報を表す表示画像Ｄの虚像Ｘを視認させる装置である。これにより、車両運転者４は、運転中に前方から視線を逸らさずに車両情報を視認できる。

ＨＵＤ装置１は、合成レーザー光発生装置１０と、ＭＥＭＳスキャナー２０と、カラーセンサ３０と、透過スクリーン４０と、反射部５０と、ハウジング６０と、ライトセンサ７０と、ＨＵＤ装置１の電気的な制御を行う制御部８０と、を備える。

合成レーザー光発生装置１０は、Ｒ，Ｇ，Ｂの三原色のレーザー光を合波して１本の合成レーザー光Ｃを出射する装置であり、図３に示すように、レーザーダイオード（レーザー光源）１１と、集光光学系１２と、ダイクロイックミラー１５と、を備える。

レーザーダイオード１１は、半導体レーザーであり、赤色のレーザー光Ｒを発するレーザーダイオード１１ｒと、緑色のレーザー光Ｇを発する緑色レーザーダイオード１１ｇと、青色のレーザー光Ｂを発する青色レーザーダイオード１１ｂと、から構成されている。

一般的に半導体レーザーの電流−光強度特性は、図４に示すように、閾値電流値Ｉｔｈ以上と閾値電流値Ｉｔｈ未満の各領域において、特性が異なっている。閾値電流値Ｉｔｈ以上では誘導放出によるレーザー光が発振されるが、閾値電流値Ｉｔｈ未満では自然放出による非レーザー光が出射される。

レーザーダイオード１１ｒ，１１ｇ，１１ｂは、後述するレーザー光制御部８２からの駆動データに基づき、集光光学系１２の方向へレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを夫々出射する。

集光光学系１２は、レーザーダイオード１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々に対応する集光レンズ１２ｒ，１２ｇ，１２ｂを備える。

集光レンズ１２ｒは、レーザーダイオード１１ｒが出射するレーザー光Ｒの光路上に配置され、レーザー光Ｒを収束光にする。集光レンズ１２ｇと緑色レーザーダイオード１１ｇ、集光レンズ１２ｂと青色レーザーダイオード１１ｂの対応関係についても同様である。

ダイクロイックミラー１５は、誘電体の多層膜等の薄膜が鏡面に形成された鏡で構成され、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの夫々の光路上に配置されたダイクロイックミラー１５ｒ，１５ｇ，１５ｂで構成される。レーザーダイオード１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々が出射したレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを反射又は透過させ、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを１本の合成レーザー光Ｃに合波する。

具体的に説明すると、ダイクロイックミラー１５ｒは、集光レンズ１２ｒからのレーザー光Ｒの進行方向に位置し、光の進行方向に対して所定の角度をもって配設される。これにより、レーザー光Ｒを反射する。

また、ダイクロイックミラー１５ｇは、集光レンズ１２ｇとダイクロイックミラー１５ｒからの光の進行方向に位置し、各々の光の進行方向に対して所定の角度をもって配設される。これにより、レーザー光Ｒを透過し、レーザー光Ｇを反射する。即ち、ダイクロイックミラー１５ｇは、レーザー光ＲとＧを合波する。

また、ダイクロイックミラー１５ｂは、集光レンズ１２ｂとダイクロイックミラー１５ｇからの光の進行方向に位置し、各々の光の進行方向に対して所定の角度をもって配設される。これにより、合波されたレーザー光Ｒ，Ｇを透過し、レーザー光Ｂを反射する。即ち、ダイクロイックミラー１５ｂは、レーザー光Ｒ，Ｇとレーザー光Ｂをさらに合波する。

このように、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂは１本の合成レーザー光Ｃに合波される。なお、レーザーダイオード１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々が調整して配設されることにより、合波されたレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの各々の偏光角度は一致しており、ウインドシールド３の反射率の偏光依存性を考慮して決定される。合波された合成レーザー光Ｃは合成レーザー光発生装置１０を出射し、ＭＥＭＳスキャナー２０へ向かう。

図５は、スクリーン４０をＭＥＭＳスキャナー２０側から見た説明図であり、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）スキャナー２０は、合成レーザー光発生装置１０が出射した合成レーザー光Ｃを走査して、透過スクリーン４０に表示画像Ｄを生成する。

ＭＥＭＳスキャナー２０でラスタースキャンによって描画される表示画像Ｄは走査可能範囲Ｅｎよりも小さくなる。水平方向では、数１０ｋＨｚ程度の共振周波数で反射面を機械的に振らせるが、走査の往復の切り替わりポイント付近では反射面の動作速度が遅くなる、あるいは完全に停止する。そのため、走査可能範囲Ｅｎの全領域で一定のドットクロックにてレーザーダイオードを駆動し、描画した場合には、表示画像Ｄの画素ピッチに粗密が生じるため画像に歪みが生じる。また、画素ピッチが密になる領域では解像度が低下する虞がある。よって、走査の往復の切り替わりポイント付近は、表示エリアＥｐとして使用しない。

例えば、水平走査をＭＥＭＳスキャナー２０の共振特性を利用して行なった場合、ＭＥＭＳスキャナー２０の振幅と時間の関係はＳｉｎ関数状になる（図６参照）。このとき、表示エリアＥｐとして使用可能な振幅は、ＭＥＭＳスキャナー２０の走査速度がほぼリニアと見なせる領域であり、例えば最大振幅の８０％程度である。

一方、垂直方向の振幅と時間の関係はのこぎり波的で１周期が１フレームに相当し、フレームレートは約６０ｆｐｓである。表示期間では振幅をリニアに変化させ、１枚の描画が終了すると逆方向の駆動力を与え、直ちに走査開始位置まで振幅を移動させる。水平走査と比較すると振幅の挙動は異なるものの、往復の切り替わりポイント付近で反射面の動作速度が遅くなる、あるいは完全に停止するのは同様である。必要な走査線数、例えば６００本分が表示エリアＥｐに相当し、その前後は帰線期間として表示には利用されない。

カラーセンサ３０は、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂ夫々のレーザー光強度を検出し、レーザー光強度のアナログデータをマイコン８１に出力する。カラーセンサ３０は、透過スクリーン４０の下面の走査可能範囲Ｅｎ且つ表示エリアＥｐ外の非表示エリアにカラーセンサ３０を配置され、これにより表示画像Ｄに影響を及ぼすことなく、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂのレーザー光強度が検出可能である。
また、本実施形態では、カラーセンサ３０は、透過スクリーン４０の下面に設置されているが、設置場所は任意である。

透過スクリーン４０は、拡散板，ホログラフィックディフューザ，マイクロレンズアレイ等から構成され、ＭＥＭＳスキャナー２０で走査されたレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを下面で受光して上面に表示画像Ｄを表示する。

反射部５０は、透過スクリーン４０の上面に表示された表示画像Ｄが、所望の位置に、所望の大きさで、虚像Ｘとして結ばれるように、透過スクリーン４０とウインドシールド３の光路間に設けられる光学系である。
本実施形態では、反射部５０は、平面ミラー５１と拡大ミラー５２の２枚の鏡から構成されるが、その構成は任意である。

平面ミラー５１は、平面状の全反射ミラー等であり、透過スクリーン４０を透過した表示光Ｊを受ける位置に配置され、表示光Ｊを拡大ミラー５２に向かって反射させる。
拡大ミラー５２は、凹面鏡等であり、平面ミラー５１で反射された表示光Ｊを凹面で反射させることで、表示光Ｊをウインドシールド３に向かって出射する。これにより、結ばれる虚像Ｘの大きさは、表示画像Ｄが拡大された大きさのものになる。

ハウジング６０は、硬質樹脂等から箱状に形成され、上方に所定の大きさの窓部６１を備え、上記の各部１０〜５０を所定の位置に収納する。
窓部６１は、アクリル等の透光性樹脂から湾曲形状に形成されており、ハウジング６０の開口部に溶着等により取り付けられる。また、窓部６１は、拡大ミラー５２で反射された光を透過させる。また窓部６１は、その下面に、後述するライトセンサ７０を備える。

本実施形態では、ライトセンサ７０は、窓部６１の下面に設置されているが、設置場所は、外部照度測定値が所定値以上検出可能な範囲であれば任意である。

（ＨＵＤ装置の制御系統）
図７は、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置のブロック図である。
本発明におけるＨＵＤ装置１の制御系統は、合成レーザー光発生装置１０と、ＭＥＭＳスキャナー２０と、カラーセンサ３０と、ライトセンサ７０と、制御部８０と、から構成されている。

カラーセンサ３０は、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂ夫々のレーザー光強度を検出し、レーザー光強度のアナログデータである光強度測定値を制御部８０に出力する。
ライトセンサ７０は、ＨＵＤ装置１の外部照度を検出し、照度のアナログデータである外部照度測定値を制御部８０に出力する。

制御部８０は、マイコン８１と、レーザー光制御部８２と、バイアス制御部８３と、ＭＥＭＳドライバ９０と、を備える。

マイコン８１は、車両ＥＣＵ５から表示画像Ｄを表示するための画像データをＬＶＤＳ（ＬｏｗＶｏｌｔａｇｅＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＳｉｇｎａｌ）通信等によって供給され、この画像データに従い、レーザー光制御部８２を介してレーザーダイオード１１を制御し、さらにＭＥＭＳドライバ９０を介してＭＥＭＳスキャナー２０を制御することにより、所望の表示画像Ｄを透過スクリーン４０に投影させる。

また、マイコン８１は、ＭＥＭＳスキャナー２０の同期信号から合成レーザー光Ｃの走査位置を特定し、あらかじめ設置されているカラーセンサ３０の位置情報をメモリしておき、カラーセンサ３０の位置と走査位置が重なったタイミングでレーザー光制御部８２を介してレーザーダイオード１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを駆動する。

また、マイコン８１は、表示画像Ｄの表示輝度を調整する表示輝度調整手段８１ａと、表示画像Ｄのホワイトバランスを調整する画質補正手段８１ｂと、を備える。

表示輝度調整手段８１ａは、ライトセンサ７０から出力された外部照度測定値から適した表示画像の輝度である輝度目標値を算出し、その算出結果に基づき、レーザー光制御部８２を介しレーザーダイオード１１のレーザー光強度を制御する。

画質補正手段８１ｂは、カラーセンサ３０から出力されたレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの夫々の光強度測定値をもとに所望のホワイトバランスになるように、レーザーダイオード１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ夫々のレーザー光強度を調整する。
レーザー光制御部８２は、マイコン８１からのレーザー光源制御データに基づき、レーザーダイオード１１を駆動する。

バイアス制御部８３は、マイコン８１からのバイアス電流制御データに基づき、レーザーダイオード１１に流すバイアス電流値と所定のタイミングで、レーザー光制御部８２を介してレーザーダイオード１１に電流を供給する。

（バイアス電流制御方法）
次に図７乃至図１０を用いてバイアス電流制御方法について説明する。

バイアス制御部８３は、マイコン８１で決定される所定のバイアス電流値を、レーザー光制御部８２を介してレーザーダイオード１１に供給する。所定のバイアス電流値とは、少なくとも、レーザーダイオード１１のレーザー発振開始電流（閾値電流値）Ｉｔｈよりも小さい電流値である。バイアス電流をレーザーダイオード１１に流しておくことによって、駆動電流の立ち上がり時間を低減することが可能である。これにより、解像度の低下を招くことなく、描画することが可能となる。

しかしながら、常時バイアス電流を流し続けることは、表示コントラストに悪影響を及ぼすことになる。図８はＭＥＭＳスキャナー２０の動作に関わらず、常に一定のバイアス電流Ｉｂを流した場合を示した図である。

バイアス電流Ｉｂをレーザーダイオード１１に流した場合、レーザー発振はしないものの、自然放出による非レーザー光（ＬＥＤ光）が出射される。そのため、映像信号の表示色が完全に黒の場合であっても、レーザーダイオード１１はＬＥＤ発光することとなる。よって、バイアス電流Ｉｂを流すことで表示コントラストは低下する。

さらに、ＭＥＭＳスキャナー２０の動作が往復の切り替わりポイントで停止あるいは低速になる領域ではレーザー光Ｃの光量密度が上昇することから、他の走査領域に比べてコントラストの悪化がより顕著になる。そのため、視認性や表示品位を一層低下させる要因となる。

このようなコントラストの悪化を強調する枠状の高輝度部を取り除くために、例えば枠上の遮光部を設けて物理的に光を遮断する方法も考えられる。しかし、遮光部で反射または拡散された光が透過スクリーン４０に入射することで、コントラストが一層低下する虞もある。

図９は本実施形態のバイアス電流制御方法を示している。本実施形態ではバイアス制御部８３がレーザー光制御部８２を介して、所定のタイミングにてバイアス電流ＩｂをＯＮ/ＯＦＦする方法をとっている。所定のタイミングとは、例えば、マイコン８１があらかじめ格納しているテーブルデータに基づくタイミングである。具体的には、水平走査のみ考慮した場合は図９を参照して、ＭＥＭＳスキャナー２０の水平走査速度がほぼリニアと見なせる領域（例えば最大振幅の８０％程度）、即ち表示エリアＥｐでバイアス電流ＩｂをＯＮとする。

一方、表示エリアＥｐ外の領域をＭＥＭＳスキャナー２０が走査する期間はバイアス電流ＩｂをＯＦＦとする。より正確には、ＭＥＭＳスキャナー２０の走査位置が表示エリアＥｐに到達するよりも少なくとも１ドットクロック分以上早くバイアス電流Ｉｂを流し始める。表示開始位置からバイアス電流をかけ始めると、表示開始位置では立ち上がりが遅くなるためである。

垂直走査のみ考慮した場合は、図９を参照して、表示エリアＥｐとして使用される走査線数、例えば６００本分を走査している期間はバイアス電流ＩｂをＯＮとする。一方、それ以外の期間、即ち帰線期間ではバイアス電流ＩｂをＯＦＦとする。

図１０は、上記の垂直走査、水平走査の時間軸を合わせた際のバイアス電流のＯＮ/ＯＦＦタイミングを示している。このようなバイアス電流制御方法により、図９に示すように、コントラストの悪化を強調していた枠状の高輝度部を取り除くことが可能である。その結果、表示コントラストを改善することでき、視認性や表示品位の向上につながる。

本実施形態ではＭＥＭＳスキャナー２０でラスタースキャンによって描画する場合を例に説明したが、本発明は走査方法に拠らない。例えば、リサージュスキャンする場合であっても、物理的な反射部停止期間が存在することから、ラスタースキャンと同様の問題点を抱えるが、表示エリアＥｐのみでバイアス電流Ｉｂを流すことで改善できる。

１ＨＵＤ装置（ヘッドアップディスプレイ装置）
２車両
３ウインドシールド
４車両運転者
５車両ＥＣＵ
１０合成レーザー光発生装置
１１レーザーダイオード（レーザー光源）
１１ｒ赤色レーザーダイオード
１１ｇ緑色レーザーダイオード
１１ｂ赤色レーザーダイオード
１２集光光学系
１２ｒ集光レンズ
１２ｇ集光レンズ
１２ｂ集光レンズ
１５ダイクロイックミラー
２０ＭＥＭＳスキャナー（走査手段）
３０カラーセンサ
４０透過スクリーン
５０反射部
５１平面ミラー
５２拡大ミラー
６０ハウジング
６１窓部
７０ライトセンサ
８０制御部（出力制御手段）
８１マイコン
８１ａ表示輝度調整手段
８１ｂ画質補正手段
８２レーザー光制御部
８３バイアス制御部
９０ＭＥＭＳドライバ
Ｒ赤色レーザー光
Ｇ緑色レーザー光
Ｂ青色レーザー光
Ｃ合成レーザー光
Ｄ表示画像
Ｊ表示光
Ｘ虚像
Ｅｎ走査可能範囲
Ｅｐ表示エリア
Ａレーザー光強度
Ａｔｈ光強度閾値
Ａｂバイアス電流投入時の光強度
Ｉ駆動電流値
Ｉｔｈ閾値電流値
Ｉｂバイアス電流値

Claims

レーザー光を発するレーザー光源と、前記レーザー光をスクリーンに走査する走査手段と、前記レーザー光源の出力を制御する出力制御手段と、を備え、前記出力制御手段は、前記レーザー光源に供給されるバイアス電流を所定期間に停止させることを特徴とする表示装置。
前記出力制御手段は、前記走査手段によって前記レーザー光が表示エリア外に照射されている前記所定期間に、前記レーザー光源に供給されるバイアス電流を停止させることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記所定期間は、前記走査手段によって走査される前記レーザー光の帰線期間であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。