JP2015049266A - 画像形成装置、車両、及び画像形成装置の制御方法 - Google Patents

画像形成装置、車両、及び画像形成装置の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】画像の輝度を目標輝度に調整でき、かつ該目標輝度によらず光検出器でレーザ光を検出できる画像形成装置を提供する。【解決手段】 ＨＵＤ装置７は、３つのレーザダイオードを含む光源装置１５と、該光源装置１５からのレーザ光を被走査面及び光検出器に向けて偏向する光偏向器４０と、光源装置１５と光偏向器４０との間のレーザ光の光路上に偏光部材３２を位置させて該レーザ光の光量を調整する光量調整装置３０と、各レーザダイオードの発光強度を調整するＬＤ制御部５００と、光量の調整目標値及び光偏向器４０でレーザ光が被走査面に向けて偏向されるときの発光強度の調整目標値を画像の目標輝度に基づいて設定するとともに、光偏向器４０でレーザ光が光検出器に向けて偏向されるときの発光強度の調整目標値を光検出器の検出感度及び光量の調整目標値に基づいて設定するコントローラ３００と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、画像形成装置、車両、及び画像形成装置の制御方法に係り、更に詳しくは、レーザ光により被走査面を走査して画像を形成する画像形成装置、該画像形成装置を備える車両、及び前記画像形成装置の制御方法に関する。
従来、半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光の光路上に配置され、該レーザ光の光量を表示画像の目標輝度に基づいて調整する光量調整装置（液晶パネル）と、該光量調整装置で光量が調整されたレーザ光を被走査面（透過スクリーンの表面）及び光検出器（カラーセンサ）に向けて偏向する光偏向器（ＭＥＭＳスキャナ）と、を備えるヘッドアップディスプレイ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１に開示されているヘッドアップディスプレイ装置では、目標輝度によっては光検出器でレーザ光を検出できなかった。
本発明は、レーザ光により被走査面を走査して画像を形成する画像形成装置であって、少なくとも１つの半導体レーザを含む光源装置と、前記光源装置からのレーザ光を前記被走査面及び光検出器に向けて偏向する光偏向器と、前記半導体レーザと前記光偏向器との間のレーザ光の光路上に一部を位置させて該レーザ光の光量を調整する光量調整装置と、前記半導体レーザの発光強度を調整する発光強度調整部と、前記光偏向器でレーザ光が前記被走査面に向けて偏向されるときの前記発光強度の調整目標値である第１発光強度調整目標値及び前記光量の調整目標値を前記画像の目標輝度に基づいて設定するとともに、前記光偏向器でレーザ光が前記光検出器に向けて偏向されるときの前記発光強度の調整目標値である第２発光強度調整目標値を前記光量の調整目標値及び前記光検出器の検出感度に基づいて設定する制御部と、を備える画像形成装置である。
本発明によれば、画像の輝度を目標輝度に調整でき、かつ該目標輝度によらず光検出器でレーザ光を検出できる。
本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略的構成を示す図である。 図１の光偏向器及びレンズアレイを説明するための図である。 レンズアレイ上におけるレーザ光の移動軌跡を示す図である。 レンズアレイ上における有効走査領域（画像描画領域）と光検出器との位置関係を説明するための図である。 光量調整装置の偏光部材を説明するための図である。 レーザダイオードの駆動電流Ｉとレーザ光強度Ｐとの関係を示すグラフである。 ヘッドアップディスプレイの制御方法を説明するためのフローチャートである。 目標輝度、透過率の調整目標値及び駆動電流の調整目標値の関係を示す表である。 変形例１のヘッドアップディスプレイ装置を説明するための図である。 変形例１のヘッドアップディスプレイ装置の制御方法を説明するための図である。 プロジェクタ装置の一例を説明するための図である。 光偏向器の他の例を説明するための図である。 偏光部材の他の例を説明するための図である。 変形例２のヘッドアップディスプレイ装置を説明するための図である。
以下、一実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係る画像形成装置としてのヘッドアップディスプレイ装置７の概略構成が示されている。以下では、一例として、図１等に示される、Ｚ軸方向を鉛直方向とするＸＹＺ３次元直交座標系を用いて説明する。便宜上、ヘッドアップディスプレイ装置７を「ＨＵＤ装置７」とも称する。
ＨＵＤ装置７は、例えば車両、航空機、船舶等（以下では、車両等と称する）に搭載され、例えば運転者、操縦者等（以下では、運転者等と称する）に車両等の窓ガラス越しに運転、運行、運航等（以下では、運転等と称する）に関する情報を視認させるための装置である。
ＨＵＤ装置７は、一例として、図１に示されるように、光源装置１５、光量調整装置３０、光偏向器４０、レンズアレイ６０、半透明部材７０、光検出器１５０（図４参照）、制御装置１０００、操作パネル（不図示）などを備えている。
光源装置１５は、一例として、３つのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３、３つのコリメートレンズＣＲ１〜ＣＲ３、３つのダイクロイックミラーＤＭ１〜ＤＭ３などを含む。レーザダイオードは、いわゆる端面発光レーザであり、半導体レーザの一種である。
レーザダイオードＬＤ１は、一例として、赤色レーザであり、赤色光（波長６４０ｎｍ）を＋Ｚ方向に射出するように配置されている。
レーザダイオードＬＤ２は、一例として、青色レーザであり、青色光（波長４５０ｎｍ）を＋Ｚ方向に射出するように、レーザダイオードＬＤ１の＋Ｘ側に配置されている。
レーザダイオードＬＤ３は、一例として、緑色レーザであり、緑色光（波長５２０ｎｍ）を＋Ｚ方向に射出するように、レーザダイオードＬＤ２の＋Ｘ側に配置されている。
コリメートレンズＣＲ１は、一例として、レーザダイオードＬＤ１の＋Ｚ側に配置されており、レーザダイオードＬＤ１から射出された赤色光を略平行光とする。
コリメートレンズＣＲ２は、一例として、レーザダイオードＬＤ２の＋Ｚ側に配置されており、レーザダイオードＬＤ２から射出された青色光を略平行光とする。
コリメートレンズＣＲ３は、一例として、レーザダイオードＬＤ３の＋Ｚ側に配置されており、レーザダイオードＬＤ３から射出された緑色光を略平行光とする。
３つのダイクロイックミラーＤＭ１〜ＤＭ３は、それぞれ、例えば誘電体多層膜などの薄膜から成り、特定の波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過させる。
ダイクロイックミラーＤＭ１は、一例として、コリメートレンズＣＲ１の＋Ｚ側に、Ｘ軸及びＺ軸に対して例えば４５°傾斜して配置されており、コリメートレンズＣＲ１を介した赤色光を＋Ｘ方向に反射させる。
ダイクロイックミラーＤＭ２は、一例として、ダイクロイックミラーＤＭ１の＋Ｘ側、かつコリメートレンズＣＲ２の＋Ｚ側に、Ｘ軸及びＺ軸に対して例えば４５°傾斜して配置されており、ダイクロイックミラーＤＭ１を介した赤色光を＋Ｘ方向に透過させ、コリメートレンズＣＲ２を介した青色光を＋Ｘ方向に反射させる。
なお、ダイクロイックミラーＤＭ１を介した赤色光及びコリメートレンズＣＲ２を介した青色光は、それぞれダイクロイックミラーＤＭ２の中央付近に入射する。
ダイクロイックミラーＤＭ３は、一例として、ダイクロイックミラーＤＭ２の＋Ｘ側かつコリメートレンズＣＲ３の＋Ｚ側に、Ｘ軸及びＺ軸に対して例えば４５°傾斜して配置されており、ダイクロイックミラーＤＭ２を介した赤色光及び青色光を＋Ｘ方向に透過させ、コリメートレンズＣＲ３を介した緑色光を＋Ｘ方向に反射させる。
なお、ダイクロイックミラーＤＭ２を介した赤色光及び青色光、並びにコリメートレンズＣＲ３を介した緑色光は、それぞれダイクロイックミラーＤＭ３の中央付近に入射する。
ダイクロイックミラーＤＭ３を介した３つの光（赤色光、青色光及び緑色光）は、１つの光に合成される。この場合、３つのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３の発光強度の強弱のバランスにより、合成された光の色が表現されるようになっている。
結果として、光源装置１５は、３つのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３からの３つのレーザ光が合成されてなるレーザ光（合成光）を＋Ｘ方向に射出する。
光量調整装置３０は、一例として、光源装置１５からのレーザ光（合成光）の光路上（ここでは、ダイクロイックミラーＤＭ３の＋Ｘ側）に配置された偏光部材３２と、偏光部材３２をＹ軸方向に駆動するアクチュエータ３４とを有する。
偏光部材３２は、一例として、レーザ光の透過率が互いに異なり、Ｙ軸方向に並ぶ複数（例えば５つ）の光透過部３２ａ〜３２ｅを有する（図５参照）。ここでは、５つの光透過部３２ａ〜３２ｅは、レーザ光の透過率Ｔｎ（ｎは自然数）の大きさの順にＹ軸方向に並んでおり、それぞれの透過率Ｔｎは、Ｔ１〜Ｔ５（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４＜Ｔ５）とされている。
後述するコントローラ３００は、５つの光透過部３２ａ〜３２ｅのいずれかが光源装置１５からのレーザ光の光路上に位置するようにアクチュエータ３４を制御する。この場合、光源装置１５からのレーザ光は、偏光部材３２を透過後、透過前に比べて光量が低減される。コントローラ３００は、偏光部材３２のＹ軸方向の位置情報を検出する不図示のセンサからの検出情報に基づいて、アクチュエータ３４を制御する。
アクチュエータ３４としては、例えば送りねじ装置、ラック＆ピニオン装置、リニアモータ装置、シリンダ装置などの偏光部材３２を少なくとも一軸方向（ここでは、Ｙ軸方向）に駆動可能なものであれば良い。
光偏向器４０は、一例として、図２に示されるように、偏光部材３２を透過したレーザ光の光路上に配置されたミラー４０ａ（例えばＭＥＭＳミラー）を有し、該ミラー４０ａに入射されたレーザ光をレンズアレイ６０及び光検出器１５０（図４参照）に向けて偏向する。
ミラー４０ａは、一例として、互いに直交する二軸（ここでは、Ｙ軸に平行な第１軸及び該第１軸に直交する第２軸）周りに独立に揺動可能となっている。光偏向器４０は、ミラー４０ａに加えて、該ミラー４０ａを各軸周りに駆動するミラー駆動部（不図示）、及びミラー４０ａの各軸周りの振れ角を検出する角度検出器（不図示）を有している。この角度検出器は、ミラー４０ａの各軸周りの振れ角に応じた信号を、後述するミラー制御部４００（図１参照）に出力する。光偏向器４０は、例えば、半導体製造プロセスに準ずるＭＥＭＳプロセスによって作成される。
レンズアレイ６０は、一例として、光偏向器４０で偏向されたレーザ光の光路上（ここでは、光偏向器４０の＋Ｚ側）に配置され、該レーザ光により表面（被走査面）が互いに直交する主走査方向（第２軸周りに対応する方向）及び副走査方向（第１軸周り対応する方向）に２次元走査され、画像が形成される。ここでは、主走査方向はＹ軸方向とされ、副走査方向はＸ軸方向とされている。以下では、レンズアレイ６０の表面に形成される画像を「投影画像」とも称する。
詳述すると、レンズアレイ６０は、一例として、図２及び図３に示されるように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にマトリクス状（格子状）に配列された、＋Ｚ側に凸となる半球状の複数のマイクロレンズ６０ａ（図１参照）を含む。ここでは、各マイクロレンズ６０ａの直径は、レーザ光のビーム径よりも大きく設定されている。また、各マイクロレンズ６０ａは、投影画像の１画素に対応している。そこで、レンズアレイ６０は、投影画像の各画素に対応するレーザ光を拡散する拡散板として機能する。
図１に戻り、半透明部材７０は、コンバイナとも呼ばれ、一例として、レンズアレイ６０を介したレーザ光の光路上（ここでは、レンズアレイ６０の＋Ｚ側）に配置されている。半透明部材７０は、一例として、板状であり、ＸＹ平面に対して傾斜して配置されている。
そこで、レンズアレイ６０を介したレーザ光は、一部が半透明部材７０を透過し、残部が半透明部材７０で反射される。この結果、観察者は、半透明部材７０を介して、レンズアレイ６０の表面（被走査面）に形成された画像の拡大された虚像を視認することができる。
ここで、仮に拡散板としてのレンズアレイ６０を用いない場合には、半透明部材７０上でレーザ光が散乱し、その散乱光が観察者の網膜上で干渉することによるスペックルノイズが発生する。一方、レンズアレイ６０を用いることで、各マイクロレンズ６０ａによるレーザ光の拡散で観察者の視野が確保されるため、スペックルノイズの大幅な低減が可能になる。
光検出器１５０は、後に詳述するように、光偏向器４０で偏向されたレーザ光の光路上に配置されている。ここでは、光検出器１５０として、例えばフォトダイオード、フォトトランジスタなどが用いられている。光検出器１５０は、光偏向器４０で偏向されたレーザ光を検出すると、その検出結果（光量や色情報）を後述するコントローラ３００に出力する。
図１に戻り、制御装置１０００は、画像処理部１００、コントローラ３００、ミラー制御部４００、ＬＤ制御部５００などを含む。
画像処理部１００は、例えばパソコン、メモリ、ハードディスク、各種ディスクプレーヤ、テレビ会議端末、タブレット端末、スマートフォン等の画像データ出力機器からの画像情報に対して、例えば画素数や周波数に合わせた信号変換、色補正、歪補正、解像度変換、画像サイズ変換等の処理を施し、コントローラ３００に送る。なお、上記画像情報としては、例えば車両等の運転、運航に関する情報が挙げられる。
コントローラ３００は、画像処理部１００からの画像情報をＬＤ制御部５００に送る。また、コントローラ３００は、ミラー制御部４００からの振れ角に応じた信号に基づいて同期信号を生成し、ＬＤ制御部５００に出力する。
また、コントローラ３００は、後述する目標輝度入力部６００で入力された目標輝度及び光検出器１５０の検出感度に基づいて光量調整装置３０及びＬＤ制御部５００を制御し、投影画像の輝度を目標輝度に調整するとともに光検出器１５０に向けて偏向されるレーザ光の光量を光検出器１５０で検出可能な大きさに調整する。
すなわち、コントローラ３００は、投影画像の目標輝度に基づいて、光量調整装置３０による光量の調整目標値（偏光部材３２の透過率）、及び後述するＬＤ制御部５００による発光強度の調整目標値（各レーザダイオードの駆動電流値）を設定する。コントローラ３００は、投影画像の輝度を目標輝度Ｌｍに調整するため、及び光検出器１５０に向けて偏向されるレーザ光の光量を光検出器１５０で検出可能な大きさに調整するための、偏光部材３２の透過率Ｔｎ及び各レーザダイオードの駆動電流値Ｉｋの組み合わせを含むテーブル（表）が格納されたメモリ（記憶部）を内蔵している（図８参照）。
また、コントローラ３００は、レンズアレイ６０の表面に形成される画像（投影画像）のホワイトバランスの補正を行なう。詳述すると、コントローラ３００は、予め保存されたＲＧＢに対応する３つのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３の特性や偏光部材３２の特性に基づいた係数を含む補正用テーブル、及び光検出器１５０での検出結果（光量や色情報）に基づいて、投影画像のホワイトバランスを調整し、調整結果をＬＤ制御部５００に送り、ＬＤ制御部５００を介してホワイトバランスの補正を行う。
ミラー制御部４００は、上記角度検出器からのミラー４０ａの各軸周りの振れ角に応じた信号に基づいて、ミラー駆動部に供給する電力を調整する。また、ミラー制御部４００は、上記角度検出器からのミラー４０ａの各軸周りの振れ角に応じた信号をコントローラ３００に送る。
ＬＤ制御部５００は、３つのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３の発光強度（駆動電流値）を個別に調整可能であり、コントローラ３００からの画像情報に基づいて変調信号を生成し、コントローラ３００からの同期信号を受信した以後の所定タイミングで該変調信号に応じた駆動電流を各レーザダイオードに供給する。この結果、各レーザダイオードから、画像情報に応じて変調されたレーザ光がミラー４０ａの各軸周りの振れ角と同期した状態で射出される。
また、ＬＤ制御部５００は、コントローラ３００からの同期信号に基づいて、光偏向器４０でレーザ光がレンズアレイ６０の表面（被走査面）に向けて偏向されるときと光検出器１５０に向けて偏向されるときとで、各レーザダイオードの発光強度（駆動電流値）を独立に調整可能である。ここでは、レーザ光が画像描画領域に向けて偏向されるときの駆動電流値Ｉｋ（ｋは自然数）は、Ｉ１〜Ｉ４（Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ３＜Ｉ４）のいずれかに設定される（図８参照）。また、レーザ光が光検出器１５０に向けて偏向されるときの駆動電流値Ｉｋは、Ｉ４に設定される（図８参照）。
ここで、駆動電流値Ｉ４は、該駆動電流値Ｉ４の駆動電流が供給されたレーザダイオードから射出され、透過率Ｔ１の光透過部３２ａを透過したレーザ光が光検出器１５０で検出可能な最小値以上の値とされている。すなわち、駆動電流値Ｉ４は、透過率Ｔ１及び光検出器１５０の検出感度に基づいて設定されている。
また、ＬＤ制御部５００は、コントローラ３００からのホワイトバランスの調整結果に基づいて、各レーザダイオードの発光強度を微調整して、ホワイトバランスを補正する。ここでの微調整は、各レーザダイオードの駆動電流値が、設定された駆動電流値Ｉｋ近傍の値となるように少なくとも１つのレーザダイオードの駆動電流値を調整することで行われる。
ところで、レーザダイオードは、図６に示されるような駆動電流−レーザ光強度特性を持つ。ある電流値（閾値電流Ｉｔｈ）を閾値として、Ｉｔｈ以上の領域とＩｔｈ以下の領域とで特性が異なる。一般に、駆動電流値がＩｔｈ以上の場合は、駆動電流値及びレーザ光強度特性の関係は線形とみなして制御可能であるが、駆動電流値がＩｔｈ以下の場合はレーザ発振が行われておらず、また閾値電流Ｉｔｈの大きさや発振特性にもレーザ毎に固体差があるため、投影画像の適正なホワイトバランスを確保するのは困難である。
すなわち、目標輝度が所定値未満に設定されている場合に、レーザダイオードの発光強度調整のみで投影画像の輝度や色を適正に調整することは困難である。
そこで、本実施形態では、光量調整装置３０による光量調整とＬＤ制御部５００による発光強度調整を併用することで、目標輝度が低く（所定値未満に）設定されている場合でも、Ｉｔｈ以上の駆動電流を用いて輝度調整が可能であり、投影画像の輝度及び画質（例えばホワイトバランス）を適正に調整することが可能である。すなわち、駆動電流値Ｉ１≧閾値電流Ｉｔｈとされている（図６参照）。なお、閾値電流Ｉｔｈはレーザ毎に固体差（ばらつき）があるため、駆動電流Ｉ１は、余裕をみて、閾値電流Ｉｔｈ（設計値）よりも幾分高めに設定されることが好ましい。なお、投影画像の輝度を、レーザダイオードの発光強度のみで例えば数ｃｄ／ｍ２の低輝度領域で調整するためには、駆動電流を閾値電流Ｉｔｈ未満で制御する必要があり、投影画像の輝度や色を適正に調整することは、非常に困難である。
上記操作パネルには、各種設定のための操作部材の他、運転者等が目標輝度を手動で入力するための目標輝度入力部６００（図１参照）が設けられている。目標輝度入力部６００では、目標輝度は、ＨＵＤ装置７の周辺の明るさに応じて、複数段階（例えばＬ１〜Ｌ８の８段階）で設定可能となっている（図８参照）。すなわち、ここでの目標輝度は、目標となる輝度値そのものではなく、目標となる所定の輝度範囲を意味する。目標輝度は、投影画像の虚像の視認性の観点から、ＨＵＤ装置７の周辺が明るいほど高く設定されることが好ましい。目標輝度入力部６００で設定された目標輝度は、コントローラ３００に送られる。なお、目標輝度入力部で、目標輝度として、目標となる輝度値そのものを入力可能であっても良い。
ちなみに、車載用のＨＵＤ装置では、投影画像の虚像を視認するためには、昼間の明るい環境下では、数千〜数万ｃｄ／ｍ２の輝度が必要とされ、逆に夜やトンネル内といった暗い環境下では、輝度を数ｃｄ／ｍ２に抑える必要がある。
ここで、本実施形態では、一例として、図３に示されるように、レーザ光でレンズアレイ６０を主走査方向に高速で往復走査し、かつ副走査方向に低速で片道走査する。すなわち、主走査方向に延びる走査線が副走査方向に走査される、所謂ラスタスキャンが行われる。
詳述すると、光偏向器４０を制御して、レーザ光を、主走査方向（Ｙ軸方向）にミラー４０ａの共振を利用して高速で往復移動をさせ、かつ副走査方向（例えば−Ｘ方向）に非共振で等速移動させる。
ここで、光検出器１５０は、一例として、図４に示されるように、レンズアレイ６０における有効走査領域から主走査方向に関して外れた位置に位置するようにレンズアレイ６０と一体的に設けられている。なお、「有効走査領域」とは、実際に画像が描画（形成）される領域である画像描画領域、すなわちレンズアレイ６０の表面（被走査面）を意味する。
そして、ミラー制御部４００によって、光偏向器４０で偏向されたレーザ光が光検出器１５０の設置位置を含むマーカ領域に入射するようにミラー４０ａの振れ角が制御される。なお、光検出器１５０は、上述の如く、画像描画領域から外れた位置に配置されているため、レーザ光が光検出器１５０に向けて偏向されても投影画像に影響しない。
そこで、光検出器１５０でのレーザ光の検出タイミングに基づいて、投影画像の主走査方向（Ｙ軸方向）及び副走査方向（Ｘ軸方向）の振幅制御を行うことができる。また、光検出器１５０での検出結果（光量や色情報）に基づいて、上述したホワイトバランスの調整を行うことができる。なお、上記振幅制御は、例えばミラー４０ａの温度特性、上記ミラー駆動部の構造上のばらつき等の要因によって第１軸周り及び第２軸周りの最大振れ角が変動するため、この変動に対処するために行われる。
ところで、半透明部材７０を介しての投影画像の虚像の視認性を向上させるためには、投影画像の輝度を、ＨＵＤ装置７の周辺の明るさに応じた目標輝度に調整する必要がある。
そこで、以下に、ＨＵＤ装置７の制御方法の一例を、図７及び図８を参照して説明する。図７のフローチャートは、コントローラ３００の処理アルゴリズムに対応している。コントローラ３００は、内蔵するメモリから図８に示されるテーブルを適宜読み出し、該テーブルを参照して、光量調整装置３０及びＬＤ制御部５００を制御する。
この制御（フロー）は、例えば運転者等がＨＵＤ装置７の周辺の明るさに応じて目標輝度入力部６００で所望の目標輝度Ｌｍ（ｍは自然数）を入力（設定）したときに開始される。ここでは、図８に示されるように、目標輝度Ｌｍを８つの目標輝度Ｌ１〜Ｌ８（Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４＜Ｌ５＜Ｌ６＜Ｌ７＜Ｌ８）のいずれかに設定できる。
最初のステップＳ１では、入力された目標輝度Ｌｍが閾値ＴＨ以上であるか否かを判断する。ここでは、閾値ＴＨは、光検出器１５０が検出可能な輝度の最小値又は該最小値よりも幾分高い値に設定されている。すなわち、閾値ＴＨは、光検出器１５０の検出感度に基づいて設定されている。具体的には、Ｌ３＜閾値ＴＨ≦Ｌ４となっている。そこで、目標輝度ＬｍがＬ４〜Ｌ８のとき、ステップＳ１での判断が肯定され、ステップＳ３に移行する。一方、目標輝度ＬｍがＬ１〜Ｌ３のとき、ステップＳ１での判断が否定され、ステップＳ９に移行する。
ステップＳ３では、透過率Ｔｎ（光量の調整目標値）を目標輝度Ｌｍ（Ｌ４〜Ｌ８）に応じた値（透過率Ｔ１〜Ｔ５）に設定し、設定結果に基づいて光量調整装置３０を制御する。具体的には、図８に示されるように、目標輝度Ｌ４〜Ｌ８に対して透過率ＴｎがＴ１〜Ｔ５となるように、すなわち光透過部３２ａ〜３２ｅが光源装置１５からのレーザ光の光路上に位置するようにアクチュエータ３４を制御する。なお、透過率Ｔ１〜Ｔ５に対して、駆動電流値ＩｋがＩ４であれば、投影画像の輝度を目標輝度Ｌ４〜Ｌ８に調整でき、かつ光検出器１５０でレーザ光を検出可能である（図８参照）。
次のステップＳ５では、駆動電流値Ｉｋ（第１及び第２発光強度調整目標値）をＩ４に設定し、設定結果（Ｉ４）をＬＤ制御部５００に出力する。そこで、ＬＤ制御部５００は、各レーザダイオードにＩ４の駆動電流を供給する。この結果、光源装置１５からＩ４に応じた強度のレーザ光（合成光）が射出され、５つの光透過部３２ａ〜３２ｅのいずれかを透過し、光偏向器４０でレンズアレイ６０及び光検出器１５０に向けて偏向される。この結果、投影画像の輝度を目標輝度Ｌ４〜Ｌ８に調整できるとともに、光検出器１５０でレーザ光を検出できる。光検出器１５０は、レーザ光を検出したとき、検出結果（光量及び色情報）をコントローラ３００に出力する。
次のステップＳ７では、上述したように、補正用テーブル及び光検出器１５０からの検出結果（光量や色情報）に基づいてホワイトバランスを調整し、調整結果をＬＤ制御部５００に出力する。そこで、ＬＤ制御部５００は、ホワイトバランスの調整結果に基づいて、各レーザダイオードに供給する駆動電流値Ｉｋを微調整して、投影画像のホワイトバランスを補正する。
次のステップＳ８では、光検出器１５０でのレーザ光の検出タイミングに基づいて、光偏向器４０を制御し、投影画像の主走査方向及び副走査方向の振幅制御を行う。ステップＳ８が実行されると、フローは、終了する。
ステップＳ９では、透過率Ｔｎ（光量の調整目標値）をＴ１に設定し、設定結果（Ｔ１）に基づいて光量調整装置３０を制御する。具体的には、図８に示されるように、目標輝度Ｌ１〜Ｌ３に対して、透過率ＴｎがＴ１となるように、すなわち光透過部３２ａが光源装置１５からのレーザ光の光路上に位置するようにアクチュエータ３４を制御する。なお、透過率Ｔ１に対して、駆動電流値ＩｋがＩ１〜Ｉ３であれば、投影画像の輝度を目標輝度Ｌ１〜Ｌ３に調整できる（図８参照）。
次のステップＳ１１では、光偏向器４０でレーザ光が画像描画領域（被走査面）に向けて偏向されるときの駆動電流値Ｉｋ（第１発光強度調整目標値）を目標輝度Ｌ１〜Ｌ３に応じた値Ｉ１〜Ｉ３に設定し、ＬＤ制御部５００に出力する。そこで、ＬＤ制御部５００は、各レーザダイオードにＩ１〜Ｉ３の駆動電流を供給する。この結果、各レーザダイオードからＩ１〜Ｉ３に応じた強度のレーザ光が射出され、光透過部３２ａを介して、レンズアレイ６０に入射される。結果として、投影画像の輝度が目標輝度Ｌ１〜Ｌ３に調整される。
次のステップＳ１３では、光偏向器４０でレーザ光が光検出器１５０に向けて偏向されるときの駆動電流値Ｉｋ（第２発光強度調整目標値）をＩ４に設定し、設定結果（Ｉ４）をＬＤ制御部５００に出力する。そこで、ＬＤ制御部５００は、各レーザダイオードにＩ４の駆動電流を供給する。この結果、各レーザダイオードからＩ４に応じた強度のレーザ光が射出され、光透過部３２ａを透過し、光偏向器４０で光検出器１５０に向けて偏向される。結果として、光検出器１５０でレーザ光を検出することができる。光検出器１５０は、レーザ光を検出したとき、検出結果（光量や色情報）をコントローラ３００に出力する。ステップＳ１３が実行されると、ステップＳ７に移行する。
以上説明した一連の処理は、投影画像の目標輝度が変更（入力）されるごとに実施され、投影画像の輝度が所望の輝度に調整される。
以上説明した本実施形態のＨＵＤ装置７は、３つのレーザダイオードを含む光源装置１５と、該光源装置１５からのレーザ光を被走査面（レンズアレイ６０の表面）及び光検出器１５０に向けて偏向する光偏向器４０と、光源装置１５と光偏向器４０との間のレーザ光の光路上に偏光部材３２を位置させて該レーザ光の光量（光透過率）を調整する光量調整装置３０と、各レーザダイオードの発光強度（駆動電流値）を調整するＬＤ制御部５００と、光偏向器４０でレーザ光が被走査面に向けて偏向されるときの発光強度の調整目標値である第１発光強度調整目標値（駆動電流値Ｉｋ）及び前記光量の調整目標値（透過率Ｔｎ）を投影画像の目標輝度Ｌｍに基づいて設定するとともに、光偏向器４０でレーザ光が光検出器１５０に向けて偏向されるときの発光強度の調整目標値である第２発光強度目標値（駆動電流値Ｉｋ）を光検出器１５０の検出感度及び前記光量の調整目標値（透過率Ｔｎ）に基づいて設定するコントローラ３００と、を備えている。
この場合、光偏向器４０でレーザ光が被走査面に向けて偏向されるとき、ＬＤ制御部５００により各レーザダイオードの発光強度が調整目標値（Ｉ１〜Ｉ４）に調整され、光源装置１５からのレーザ光の光量が光量調整装置３０により調整目標値（Ｔ１〜Ｔ５）に調整される。この結果、投影画像の輝度を目標輝度Ｌ１〜Ｌ８に調整できる。また、光偏向器４０でレーザ光が光検出器１５０に向けて偏向されるとき、ＬＤ制御部５００により各レーザダイオードの発光強度が調整目標値（Ｉ４）に調整され、光源装置１５からのレーザ光の光量が光量調整装置３０により調整目標値（Ｔ１〜Ｔ５）に調整される。この結果、光検出器１５０でレーザ光を検出できる。
結果として、ＨＵＤ装置７では、投影画像の輝度を目標輝度に調整でき、かつ該目標輝度によらず光検出器でレーザ光を検出できる。
一方、特許文献１に開示されているヘッドアップディスプレイ装置では、光量調整装置（液晶パネル）で目標輝度に基づいて光量が調整されたレーザ光が光偏向器（ＭＥＭＳスキャナ）で被走査面（透過スクリーンの表面）及び光検出器（カラーセンサ）に向けて偏向されるため、目標輝度によっては（目標輝度が光検出器で検出可能な輝度の最小値未満になると）、光検出器でレーザ光を検出できなかった。この結果、画質の調整、画像の振幅制御等を行うことができなかった。
また、コントローラ３００は、目標輝度Ｌｍが光検出器１５０の検出感度に基づいて設定された閾値ＴＨ未満である場合、第２発光強度調整目標値を、第１発光強度調整目標値よりも大きくするため、目標輝度Ｌｍが低くても、光検出器１５０でレーザ光を検出できる。
また、コントローラ３００は、第１発光強度調整目標値を、各レーザダイオードにおけるレーザ発振の閾値電流Ｉｔｈでの発光強度以上に設定するため、該レーザダイオードを安定して発光させることができ、ひいては投影画像の輝度を安定して精度良く調整できる。
また、コントローラ３００は、光検出器１５０での検出結果に基づいて、投影画像のホワイトバランスを調整するため、目標輝度Ｌｍが低くても、ホワイトバランスの調整を確実に行うことができる。
また、コントローラ３００は、光検出器１５０でのレーザ光の検出タイミングに基づいて、光偏向器４０を制御するため、目標輝度Ｌｍが低くても、画像の振幅制御を確実に行うことができる。
また、光量調整装置３０は、レーザ光の透過率が互いに異なる５つの光透過部３２ａ〜３２ｅを有する偏光部材３２を含むため、５つの光透過部３２ａ〜３２ｅのいずれかを光源装置１５からのレーザ光の光路上に位置させるだけで、該レーザ光の光量を調整目標値（Ｔｎ）に調整できる。
また、ＨＵＤ装置７では、光源にレーザダイオードを用いているため、色域が拡大され、色再現性の向上が実現できる。また、光源としてランプなどを用いる場合と比べて、消費電力の大幅な低減、及び装置の小型化を図ることができる。
また、ＬＤ制御部５００では、３つのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３の発光強度を個別に調整可能であるため、所望のモノクロ画像及びカラー画像を形成でき、かつホワイトバランスの調整等の色補正を容易に行うことができる。
また、ＨＵＤ装置７は、光偏向器４０で偏向されたレーザ光の光路上に配置された、被走査面を有するレンズアレイ６０（光透過部材）を更に備えているため、被走査面に形成された画像光を拡散させつつ透過させることができる。この結果、運転者等は、被走査面に形成された画像の拡大された虚像を、半透明部材７０を介して視認することができる。また、半透明部材７０上でのスペッククルノイズの発生を低減することもできる。この結果、半透明部材７０を介しての虚像の視認性を向上させることができる。
そこで、ＨＵＤ装置７と、該ＨＵＤ装置７の光偏向器４０で偏向されレンズアレイ６０を透過した光の光路上（例えば図１における半透明部材７０の−Ｘ側）に配置された窓ガラス（光透過窓部）と、を備える車両（例えば自動車、列車等）を提供することができる。この車両によれば、周辺環境の明るさによらず、ＨＵＤ装置７によって視認性が良い虚像が窓ガラス越しに形成されるため、例えば運転者等は、運転等に関する情報を容易に視認することができる。なお、半透明部材７０を設けずに、車両の窓ガラスに半透明部材７０の機能を持たせても良い。
なお、レンズアレイ６０に代えて、例えば透過スクリーン（光透過部材）を用いても良い。また、例えばレンズアレイ６０、透過スクリーン等の光透過部材と半透明部材７０との間の光路上に例えば凹面鏡、平面鏡等のミラーを設けても良い。
以上の説明から分かるように、ＨＵＤ装置７によると、装置周辺の明るさによらず、光検出器１５０を用いた投影画像の画質調整・振幅制御を行うことができるとともに、投影画像の輝度を最適なホワイトバランスを保ちながら調整できる。
なお、上記実施形態では、例えば運転者等が目標輝度を手動で入力するための目標輝度入力部６００が設けられているが、これに代えて、図９に示される変形例１のＨＵＤ装置７７のように、装置周辺の照度を測定する照度センサ７００を設け、該照度センサ７００での測定結果をコントローラ３００に出力し、該コントローラ３００が目標輝度を設定するようにしても良い。すなわち、目標輝度を自動的に設定するようにしても良い。
ここでの制御は、一例として、図１０に示されるフローチャートに従って行われる。図１０は、図７のフローチャートにおけるステップＳ１の前に、照度センサ７００での測定結果に基づいて目標輝度を設定する処理（ステップＳ２１）が行われることを除いて、図７のフローチャートと同じである。
また、上記実施形態及び変形例１では、画像形成装置としてのＨＵＤ装置７、７７について説明したが、図１１に示されるように、ＨＵＤ装置７と同様の構成のプロジェクタ装置１０を提供することもできる。また、ＨＵＤ装置７７と同様の構成のプロジェクタ装置を提供することもできる。
詳述すると、プロジェクタ装置１０は、図１１から分かるように、レンズアレイ６０、半透明部材７０を有しておらず、例えばスクリーンＳの表面（被走査面）を走査して画像を形成する。
プロジェクタ装置１０によると、投影画像の輝度を目標輝度に調整でき、かつ該目標輝度によらず光検出器１５０でレーザ光を検出できる。
また、上記実施形態及び変形例では、光偏向器として、互いに直交する二軸周りに搖動可能なＭＥＭＳミラーを含むものが用いられたが、これに限らない。例えば、図１２に示されるように、１軸周りに搖動可能なＭＥＭＳミラーを含む光偏向器を複数組み合わせて被走査面を２次元走査するようにしても良い。また、例えば、１軸周りに揺動可能なＭＥＭＳミラーを含む光偏向器、１軸周りに搖動可能なガルバノミラーを含む光偏向器、１軸周りに回転可能なポリゴンミラーを含む光偏向器などを適宜組み合わせても良い。
また、上記実施形態及び変形例では、偏光部材として、レーザ光の透過率が互いに異なる複数の光透過部が一軸方向に配列されたものが採用されているが、これに限られない。例えば、図１３に示されるように、光透過率が一軸方向の位置に応じて徐々に（連続的に）変化する偏光部材を採用しても良いし、レーザ光の通過率が互いに異なる複数の光透過部が一軸周りに配列された偏光部材を採用し、該偏光部材を該一軸周りに回転させるようにしても良い。
また、上記実施形態及び変形例では、光量調整装置では、レーザ光の透過率が互いに異なる複数の光透過部が一軸方向に配列された偏光部材を該一軸方向に移動させるようにしているが、これに限られない。例えば、印加される電圧に応じてレーザ光の透過率が変化する光透過率可変部材（例えば印加される電圧に応じて偏光角度が変化する液晶パネル）を光源装置１５からレーザ光の光路上、もしくは各レーザダイオードからのレーザ光の光路上に配置することとしても良い。
また、上記実施形態及び変形例では、光量調整装置３０は、光源装置１５からのレーザ光（合成光）の光路上に偏光部材３２が配置されているが、これに限らない。例えば、図１４に示される変形例２のＨＵＤ装置の光量調整装置３３（アクチュエータは不図示）のように、各レーザダイオードと、対応するダイクロイックミラーとの間の光路上に偏光部材３２を例えばＹ軸方向に移動可能に設けても良い。この場合、光量調整装置は、３つのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３からのレーザ光の光量を個別に調整可能である。この結果、例えばホワイトバランスの調整を含む画質補正を、少なくとも１つのレーザダイオードの発光強度の微調整に代えて又は加えて、少なくとも１つのレーザダイオードからのレーザ光の光量の微調整によって行うことができる。
なお、上記実施形態では、レンズアレイとして、−Ｚ方向から見て外形が円形の複数のマイクロレンズがマトリクス状（格子状）に配列されたものが採用されているが、これに限られない。例えば、レンズアレイとして、−Ｚ方向から見て外形がＮ角形（Ｎは３以上）の複数のマイクロレンズが格子状又は千鳥状に配列されたものが採用されても良い。
また、上記実施形態及び各変形例では、主走査方向がＹ軸方向とされ、かつ副走査方向がＸ軸方向とされているが、これに限られない。例えば、主走査方向がＸ軸方向とされ、かつ副走査方向がＹ軸方向とされても良い。
また、上記実施形態及び各変形例における光源装置１５の構成は、適宜変更可能である。例えば、上記実施形態及び各変形例では、光源として、３つのレーザダイオードが用いられたが、２つ以下又は４つ以上用いられても良い。そして、レーザダイオードの数に応じて、ダイクロイックミラーの数（０を含む）を適宜変更しても良い。なお、レーザダイオードを１つ用いる場合には、ダイクロイックミラーは、必要ない。また、ダイクロイックミラーに代えて、光合成プリズムを用いても良い。
また、上記実施形態及び各変形例では、各レーザダイオードに対応してコリメートレンズが設けられているが、設けなくても良い。
また、光源装置は、ダイクロイックミラーＤＭ３と偏光部材３２との間のレーザ光の光路上及び偏光部材３２と光偏向器４０との間のレーザ光の光路上の少なくとも一方に例えばレンズ、ミラー等を有していても良い。
また、上記実施形態では、ＨＵＤ装置７は、画像データ出力装置から画像情報を取得しているが、これに代えて、画像情報が格納されたメモリ（記憶媒体）を内蔵していても良い。
また、上記実施形態では、光検出器を主走査方向に関して画像描画領域から外れた位置に配置しているが、これに限られない。例えば、光検出器は、副走査方向に関して画像描画領域から外れた位置に配置されても良いし、主走査方向及び副走査方向に関して画像描画領域から外れた位置（例えばレンズアレイ６０の角部付近）に配置されても良い。
また、上記実施形態では、半導体レーザとして、レーザダイオード（端面発光レーザ）を採用しているが、これに限らず、例えば、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を採用しても良い。
また、光検出器１５０は、レンズアレイ６０と一体的に設けられているが、別体であっても良い。
また、図７及び図１０のフローチャートにおいて、ステップＳ３、Ｓ５の順序は逆でも良く、ステップＳ７、Ｓ８の順序は逆でも良く、ステップＳ９、Ｓ１１、Ｓ１３の順序は適宜変更しても良い。
また、上記実施形態では、コントローラ３００には、図８に示されるテーブルが格納されたメモリが内蔵されているが、該メモリは、外付けのメモリ（外部メモリ）であっても良い。なお、図８におけるテーブルの各パラメータの数、値等は、一例であって、例えばＨＵＤ装置のスペック、ＨＵＤ装置が使用される環境等に応じて適宜変更されることが望ましい。
７…ヘッドアップディスプレイ装置（画像形成装置）、１０…プロジェクタ装置、１５…光源装置、１５…光源装置、３０…光量調整装置、３２…偏光部材（光量調整装置の一部）、４０…光偏向器、６０…レンズアレイ（被走査面を有する光透過部材）、１５０…光検出器、３００…コントローラ、５００…ＬＤ制御部（発光強度調整部）、７００…照度センサ（目標輝度設定手段の一部）、ＬＤ１〜ＬＤ３…レーザダイオード（半導体レーザ）、Ｓ…スクリーン（被走査面を有する部材）。
特開２０１３−１５７３８号公報

Claims (13)

  1. レーザ光により被走査面を走査して画像を形成する画像形成装置であって、
    少なくとも１つの半導体レーザを含む光源装置と、
    前記光源装置からのレーザ光を前記被走査面及び光検出器に向けて偏向する光偏向器と、
    前記半導体レーザと前記光偏向器との間のレーザ光の光路上に一部を位置させて該レーザ光の光量を調整する光量調整装置と、
    前記半導体レーザの発光強度を調整する発光強度調整部と、
    前記光偏向器でレーザ光が前記被走査面に向けて偏向されるときの前記発光強度の調整目標値である第１発光強度調整目標値及び前記光量の調整目標値を前記画像の目標輝度に基づいて設定するとともに、前記光偏向器でレーザ光が前記光検出器に向けて偏向されるときの前記発光強度の調整目標値である第２発光強度調整目標値を前記光量の調整目標値及び前記光検出器の検出感度に基づいて設定する制御部と、を備える画像形成装置。
  2. 前記制御部は、前記目標輝度が前記検出感度に基づいて設定された閾値未満である場合、前記第２発光強度調整目標値を、前記第１発光強度調整目標値よりも大きくすることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
  3. 前記制御部は、前記第１発光強度調整目標値を、前記半導体レーザにおけるレーザ発振の閾値電流での発光強度以上に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像形成装置。
  4. 前記制御部は、前記光検出器での検出結果に基づいて、前記画像のホワイトバランスを調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の画像形成装置。
  5. 前記制御部は、前記光検出器でのレーザ光の検出タイミングに基づいて、前記光偏向器を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の画像形成装置。
  6. 周辺の照度を測定し、その測定結果に基づいて前記目標輝度を設定する目標輝度設定手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の画像形成装置。
  7. 前記光量調整装置は、レーザ光の透過率が互いに異なる複数の光透過部を有する部材を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の画像形成装置。
  8. 前記光量調整装置は、印加される電圧に応じてレーザ光の透過率が変化する光透過率可変部材を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の画像形成装置。
  9. 前記少なくとも１つの半導体レーザは、複数の半導体レーザであり、
    前記光量調整装置は、前記複数の半導体レーザからのレーザ光の光量を個別に調整可能であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の画像形成装置。
  10. 前記少なくとも１つの半導体レーザは、複数の半導体レーザであり、
    前記発光強度調整部は、前記複数の半導体レーザの発光強度を個別に調整可能であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の画像形成装置。
  11. 前記光偏向器で偏向されたレーザ光の光路上に配置された、前記被走査面を有する光透過部材を更に備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の画像形成装置。
  12. 請求項１１に記載の画像形成装置と、
    前記画像形成装置の光偏向器で偏向され前記光透過部材を透過した光の光路上に配置された光透過窓部と、を備える車両。
  13. レーザ光により被走査面を走査して画像を形成する画像形成装置の制御方法において、
    前記画像形成装置は、少なくとも１つの半導体レーザを含む光源装置と、該光源装置からのレーザ光を前記被走査面及び光検出器に向けて偏向する光偏向器と、前記半導体レーザと前記光偏向器との間のレーザ光の光路上に一部を位置させて該レーザ光の光量を調整する光量調整装置と、前記半導体レーザの発光強度を調整する発光強度調整部と、を備え、
    前記光偏向器でレーザ光が前記被走査面に向けて偏向されるときの前記発光強度の調整目標値及び前記光量の調整目標値を前記画像の目標輝度に基づいて設定する工程と、
    前記光偏向器でレーザ光が前記光検出器に向けて偏向されるときの前記発光強度の調整目標値を前記光量の調整目標値及び前記光検出器の検出感度に基づいて設定する工程と、を含む画像形成装置の制御方法。
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