JP2016156908A - 画像描画装置、ヘッドアップディスプレイ及び画像輝度調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】描画画像の解像度を保持したまま輝度を低下させることができる画像描画装置及び画像輝度調整方法を提供すること。【解決手段】本発明の画像描画装置１００は、レーザ光を出射する光源部１０５と、主走査方向及び副走査方向に往復するようにレーザ光を走査する光スキャナ２００と、光スキャナ２００が主走査方向にレーザ光を走査する周波数を制御するスキャナ制御部１０８と、画像データに基づいて光源部１０５を駆動させる光源駆動部１０４と、を備え、スキャナ制御部１０８が、ｎを２以上の自然数として、ｎ倍に周波数を変更するとともに、光源駆動部１０４が、主走査方向の走査線上に画素を描画させる時間間隔をｎ分の１倍に変更し、かつ、主走査方向の走査をｎ回行う間に少なくとも１回、１本の走査線に相当する複数の画素を描画させるとともに、描画させた走査線以外の走査線において画素を描画させないように光源部１０５を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は画像描画装置、ヘッドアップディスプレイ及び画像輝度調整方法に関し、より具体的には、レーザ走査型の画像描画装置並びにそれを用いたヘッドアップディスプレイ及び画像輝度調整方法に関する。

走査ミラーを有する光スキャナを用いて、レーザ光をラスター走査することにより、投射面に画像を表示（描画）させる画像表示装置が知られている（例えば特許文献１）。すなわち、レーザ走査型の画像表示装置は、走査ミラーを左右に往復揺動させて水平方向の走査線を描くと同時に、画像を構成する走査線の数に合わせて走査ミラーを鉛直方向に往復揺動させる。

レーザ走査型の画像描画装置の利用形態として、例えば、車載用のヘッドアップディスプレイがある。車載用のヘッドアップディスプレイでは、運転者の前面にあるウィンドシールド又はコンバイナを介して映像を描画する。これにより、レーザ光源から出射された光線とウィンドシールドを透過してきた外界からの光とがオーバーレイ（重畳）して運転者の眼に入射する。したがって、運転者は、映像情報と共に前方の状況を同時に見ることができる。

車載用のヘッドアップディスプレイとしてレーザ走査型の画像描画装置を利用する場合、昼間の周囲が明るいときには、レーザ光の輝度を高くできるのでコントラストの高い画像を描画することができる。他方、夜間の周囲が暗いときには、運転者に画像を見やすくするために、低輝度な画像を描画することが望まれている。

特開２０１４−１３２２８６号公報

レーザ走査型の画像描画装置において光源として複数のレーザ光源を用いているときに、レーザ光源に流す電流を減少させることによりレーザ光の光量を低下させようとすると、キンク領域等の存在により、レーザ光源ごとの出力のばらつきが大きくなるという問題があった。

特許文献１に記載の画像表示装置は、主走査方向の往復走査のいずれか一方においてレーザ光源を発光させて、走査線を副走査方向に１本おきに間引いて画素を表示させることにより、表示画像の輝度を実質的に半分に低下させている。しかし、特許文献１に記載の画像表示装置は走査線を間引いているので、表示画像の副走査方向の解像度が低下してしまうという問題があった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、描画画像の解像度を保持したまま輝度を低下させることができる画像描画装置、ヘッドアップディスプレイ及び画像輝度調整方法を提供することを目的とする。

本発明に係る画像描画装置は、
レーザ光を出射する光源部と、
主走査方向及び副走査方向に往復するように前記レーザ光を走査する光スキャナと、
前記光スキャナが前記主走査方向に前記レーザ光を走査する周波数を制御するスキャナ制御部と、
画像データに基づいて前記光源部を駆動させる光源駆動部と、を備え、
前記スキャナ制御部が、ｎを２以上の自然数として、ｎ倍に前記周波数を変更するとともに、
前記光源駆動部が、前記主走査方向の走査線上に画素を描画させる時間間隔をｎ分の１倍に変更し、かつ、前記主走査方向の走査をｎ回行う間に少なくとも１回、１本の走査線に相当する複数の画素を描画させるとともに、描画させた走査線以外の走査線において画素を描画させないように前記光源部を制御する
ことにより描画画像の輝度を低下させる。

本発明に係るヘッドアップディスプレイは、
上述の画像描画装置を用いて、
前記画像描画装置が描画する画像を透明部材に反射させてユーザに描画画像を提示する。

本発明に係る画像輝度調整方法は、
レーザ光を出射する光源部と、
主走査方向及び副走査方向に往復するように前記レーザ光を走査する光スキャナと、
前記光スキャナが前記主走査方向に前記光を走査する周波数を制御するスキャナ制御部と、
画像データに基づいて前記光源部を駆動させる光源駆動部と、を備える画像描画装置を用いた画像輝度調整方法であって、
ｎを２以上の自然数として、ｎ倍に前記周波数を変更し、
前記主走査方向の走査線上に複数の画素を描画させる時間間隔をｎ分の１倍に変更し、
前記主走査方向の走査をｎ回行う間に少なくとも１回、１本の走査線に相当する複数の画素を描画させるとともに、描画させた走査線以外の走査線において画素を描画させない
ことにより描画画像の輝度を低下させる。

本発明によれば、描画画像の解像度を保持したまま輝度を低下させることができる画像描画装置、ヘッドアップディスプレイ及び画像輝度調整方法を提供することができる。

実施の形態１に係る画像描画装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る画像描画装置を用いた画像輝度調整方法を示すフロー図である。 実施の形態１に係る光スキャナと光源部を駆動するための波形を示す図である。 実施の形態１に係る画像描画装置により描画される画像を説明する図である。 実施の形態１に係る画像描画装置において描画画像の輝度を低下させるときの、光スキャナと光源部を駆動するための波形を示す図である。 実施の形態１に係る画像描画装置において輝度を低下させた描画画像を説明する図である。 実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイの構成を示す図である。

［実施の形態１］
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態の画像描画装置１００の構成を示すブロック図である。画像描画装置１００は、ＤＤＲ（Double Data Rate）メモリ１０１と、フラッシュメモリ１０２と、画像処理部１０３と、光源駆動部１０４と、光源部１０５と、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）１０６と、マイコン１０７と、スキャナ制御部１０８と、垂直スキャナドライバ１０９と、水平スキャナドライバ１１０と、光スキャナ２００と、を有する。なお、描画する画像の垂直方向をＶ（Vertical）軸方向とも称し、描画する画像の水平方向をＨ（Horizontal）軸方向とも称する。

ＤＤＲメモリ１０１は、画像処理部１０３に入力される画像データを一時的に保存するフレームバッファである。ＤＤＲメモリ１０１は、ＤＤＲ２やＤＤＲ３、その他のＳＤＲＡＭでもよい。フラッシュメモリ１０２は、画像処理部１０３の動作に必要なデータやプログラムなどを記憶する不揮発性記憶部である。

画像処理部１０３は、ＤＤＲメモリ１０１から入力された画像データに対してデータの並び替え等の処理を行って、光源駆動部１０４及びスキャナ制御部１０８に出力する。画像処理部１０３は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアで実現されてもよいし、フラッシュメモリ１０２に記憶されたプログラムとＣＰＵ（Central Processing Unit）とにより実現されてもよい。

光源駆動部１０４は、画像処理部１０３から供給される画像データに基づき、光源部１０５を駆動する。光源駆動部１０４は、画像処理部１０３が決定したタイミングで、入力画像データに基づき光源部１０５を駆動する。光源駆動部１０４は、走査線の主走査方向の画素数に対応する周波数を有するドットクロックに従って光源部１０５に複数の画素を描画させている。

光源部１０５は、光源駆動部１０４の駆動により、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のレーザ光を出射する。光源部１０５は、例えば、赤色レーザ光源、緑色レーザ光源、青色レーザ光源の３つのレーザ光源を有している。３つのレーザ光源から出射された光はダイクロイックミラー等により１本の光線に合成されてから、出射される。光源部１０５から出射されるレーザ光は、光源駆動部１０４によるＲＧＢ各色の発光強度と発光時間が画像処理部１０３によって制御されることにより、投影画像に用いられる種々の色や形態を作り出す。

マイコン１０７は、スキャナ制御部１０８を動作させるための駆動信号を生成し、生成された駆動信号をスキャナ制御部１０８に出力する。ＥＥＰＲＯＭ１０６は、スキャナ制御部１０８の動作に必要なデータやプログラムなどを記憶する不揮発性記憶部である。

スキャナ制御部１０８は、光スキャナ２００のミラーの振れ角及び走査の周波数等の制御を行う。スキャナ制御部１０８は、光スキャナ２００が所望の振れ角及び周波数等を得られるように、駆動電圧の波形の生成を行う。スキャナ制御部１０８は、ある周波数を有するラインカウンタに従って光スキャナ２００に主走査方向のレーザ光の走査をさせている。

スキャナ制御部１０８は、ＦＰＧＡ等のハードウェアで実現されてもよいし、フラッシュメモリ１０２に記憶されたプログラムとＣＰＵとにより実現されてもよい。スキャナ制御部１０８は、ミラーの振れ角及び走査の周波数等の現在の検出値に基づいて、光スキャナ２００のフィードバック制御を行う。

光スキャナ２００は、駆動電圧に応じたミラーの角度でレーザ光線を反射することにより、レーザ光線を走査する。光スキャナ２００は、例えばＭＥＭＳミラーであり、駆動電圧に応じた角度にミラーを傾けてレーザ光線を反射することにより、レーザ光線を走査する。光スキャナ２００は、主走査方向及び副走査方向の各々の方向で往復するようにレーザ光を走査する。光スキャナ２００は、水平スキャナ１１１と、垂直スキャナ１１２と、を有する。垂直スキャナ１１２は垂直方向に、水平スキャナ１１１は水平方向にレーザ光線を走査する。

垂直スキャナドライバ１０９は、スキャナ制御部１０８から供給される垂直駆動信号に応じて、垂直スキャナ１１２のミラーを揺動させる。水平スキャナドライバ１１０は、スキャナ制御部１０８から供給される水平駆動信号に応じて、水平スキャナ１１１のミラーを揺動させる。

垂直スキャナ１１２は、光源部１０５から照射されたレーザ光をミラーで反射し、垂直スキャナドライバ１０９からの信号に基づいてミラーを揺動させることにより垂直方向にレーザ光線を走査する光スキャナである。水平スキャナ１１１は、光源部１０５から照射されたレーザ光をミラーで反射し、水平スキャナドライバ１１０からの信号に基づいてミラーを揺動させることにより水平方向にレーザ光線を走査する光スキャナである。

この例では、水平スキャナ１１１が、光源部１０５からのレーザ光を反射し、垂直スキャナ１１２が、水平スキャナ１１１からの反射光をさらに反射することで、投影面へ投影画像を描画している。垂直スキャナ１１２及び水平スキャナ１１１が、垂直方向及び水平方向に往復走査する光スキャナ２００を構成しているとも言える。例えば、垂直スキャナ１１２と水平スキャナ１１１を１つの２軸（２次元）光スキャナとしてもよい。垂直スキャナ１１２及び水平スキャナ１１１は、圧電膜式、コイル駆動方式等の種々の方式を用いることができる。

図２から図６を用いて、画像描画装置１００を用いた画像輝度調整方法について説明する。図２に示すフローチャートに沿って説明していく。

まず、画像輝度調整を行う前の状態について説明しておく。図３に示すように、３２ｋＨｚのラインカウンタに合わせた３２ｋＨｚの駆動波形に従って、スキャナ制御部１０８が水平スキャナ１１１を駆動させることにより、光スキャナ２００にレーザ光を水平方向に走査させている。垂直スキャナ１１２の走査はランプ波形に従って行っている。

このとき、光源駆動部１０４が、１３３ＭＨｚのドットクロックに合わせて光源部１０５を点滅させることにより、図４に示すように、走査線上の画素を描画させている。水平スキャナ１１１の走査の往路で１本の走査線上の画素を描画し、復路の走査で次の１本の走査線上の画素を描画する。これを画像の垂直方向上端から下端まで続けていくことにより、レーザ光を走査して画像を描画することができる。この状態から、描画画像の輝度を低下させる。

まず、図５に示すように、タイミングＴ１において、スキャナ制御部１０８が、ラインカウンタの周波数を２倍の６４ｋＨｚに変更することにより、水平スキャナ１１１の周波数を２倍の６４ｋＨｚに変更する（ＳＴ４０１）。水平スキャナ１１１の周波数を２倍に変更することにより、レーザ光の主走査方向の走査速度が２倍になる。これにより、走査線の本数が、水平スキャナ１１１の周波数を変更する前に比べて２倍になる。

次に、タイミングＴ１において、光源駆動部１０４が、ドットクロックの周波数を２倍の２６６ＭＨｚに変更することにより、主走査方向の走査線上に画素を描画させる時間間隔を２分の１倍に変更する（ＳＴ４０２）。主走査方向の走査速度が２倍になるのに合わせて、画素を描画させる時間間隔を半分にすることにより、主走査方向の画素数を水平スキャナ１１１の周波数を変更する前と同じ数に維持することができる。

次に、図６に示すように、光源駆動部１０４は、主走査方向の走査を往路と復路の２回行う間に、往路の走査線に相当する複数の画素を描画させるとともに、復路の走査線において画素を描画させないように光源部１０５を制御する（ＳＴ４０３）。

画像描画装置１００は、主走査方向の走査速度を２倍にすることにより、描画画像の輝度を２分の１に低下させることができる。さらに、画像描画装置１００は、走査線の本数を２倍にしてから、半分の走査線のみで画素を描画しているので、描画画像の副走査方向の解像度は、輝度を低下させる前と変わらない。

光源駆動部１０４は、主走査方向の走査線であって光スキャナ２００の往路又は復路のいずれかに相当する画素を描画させないように光源部１０５を制御すればよく、画素を描画しない走査線は復路に限定されるものではない。

光源駆動部１０４は、ｎを２以上の自然数として、ｎ倍に水平スキャナ１１１の周波数を変更してもよい。水平スキャナ１１１の周波数をｎ倍に変更したときには、主走査方向の走査線上に画素を描画させる時間間隔をｎ分の１倍に変更することが好ましい。

水平スキャナ１１１の周波数をｎ倍に変更したときには、光源駆動部１０４は、主走査方向の走査をｎ回行う間に少なくとも１回、１本の走査線に相当する複数の画素を描画させる。それとともに、描画させた走査線以外の走査線において画素を描画させないように光源部１０５を制御することが好ましい。これにより描画画像の輝度をｎ分の１に低下させることができる。

光源駆動部１０４は、１本の走査線に相当する複数の画素を描画させると、１本の走査線に対応する走査に続くｎ−１回の走査では画素を描画させないように、光源部１０５を制御してもよい。

画像描画装置１００は、主走査方向の走査速度をｎ倍にすることにより、描画画像の輝度をｎ分の１に低下させることができる。さらに、画像描画装置１００は、走査線の本数をｎ倍にしてから、ｎ本に１本の走査線のみで画素を描画しているので、描画画像の副走査方向の解像度は、輝度を低下させる前と変わらない。

以上、説明したように、本実施の形態に係る画像描画装置１００によれば、描画画像の解像度を保持したまま輝度を低下させることができる画像描画装置を提供することができる。

レーザ光の光路上にＮＤフィルタを配置することにより画像の輝度を低減した場合、機構が増加するので、車載用途においては振動等により故障の原因となる。それに対して、本実施の形態に係る画像描画装置１００は、ＮＤフィルタを光路上に抜き差しするような機械的機構を有していないので、振動等による故障が少なく、信頼性が高い。

また、光源部１０５のレーザ光源の出力を低下させることにより画像の輝度を低減した場合、キンク領域の存在により、ＲＧＢの出力光量にばらつきが生じることがある。それに対して、本実施の形態に係る画像描画装置１００は、光源部１０５のレーザ光源の出力を低下させることなく画像の輝度を低減できるので、ＲＧＢの出力光量にばらつきが生じにくい。

本実施の形態に係る画像描画装置１００を用いたヘッドアップディスプレイ３００について説明する。まず、図７を用いて、ヘッドアップディスプレイ３００の構成を説明する。図７に示すように、ヘッドアップディスプレイ３００は、画像描画装置１００と、第１平面ミラー２と、スクリーン３と、第２平面ミラー４と、凹面ミラー５と、投影部６と、筐体８と、を有する。

図７を用いて、画像描画装置１００から出射された光線Ｌ１がユーザＵの目に到達するまでの光路を説明する。画像描画装置１００から出射された光線Ｌ１は、第１平面ミラー２に反射されることにより光路が曲げられて、スクリーン３に入射する。光線Ｌ１は、スクリーン３上に描画画像の中間像を形成する。スクリーン３は光透過型のものであり、例えば、拡散板やマイクロレンズアレイがスクリーン３として用いられる。マイクロレンズアレイは、マイクロレンズをマトリックス状に配列したものである。マイクロレンズアレイは、レーザ光のスペックルを低減する効果があり、放射角や色むらが最適になるように設計されている。

スクリーン３から出射された光線Ｌ１は、第２平面ミラー４に反射されることにより光路が曲げられて、凹面ミラー５に入射する。凹面ミラー５に反射された光線Ｌ１は、筐体８の外に出射されて、投影部６に入射する。投影部６は、入射した光線の一部を反射し、残りを透過させる。投影部６は、画像をユーザに提示するための透明部材であり、投影部６には、コンバイナを用いたり、自動車のウィンドシールドを用いることもできる。

ヘッドアップディスプレイ３００では、筐体８の開口から出射されて投影部６により反射された光線Ｌ１と、投影部６を透過した光線Ｌ２とが、投影部６により重ねられてユーザＵに向かう。ユーザＵから見ると、投影部６越しの景色に、画像描画装置１００が描画する画像が虚像として重ねられて見えることになる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、光スキャナ２００は、ＭＥＭＳミラーやガルバノミラー等の走査ミラーに限定されるものではなく、電気光学効果を用いた光スキャナであってもよい。

また、画像描画装置１００は、車載用のヘッドアップディスプレイに用いられるのみならず、ヘルメット内蔵型や眼鏡タイプなどのヘッドマウントディスプレイなどに用いてもよい。つまり、本発明は四輪の自動車に搭載された場合だけを想定しているわけではない。例えば、ヘルメット内蔵型の画像描画装置を想定し、オートバイの運転者がこのヘルメットを着用するとしてもよい。

２…第１平面ミラー ３…スクリーン ４…第２平面ミラー ５…凹面ミラー ６…投影部 ８…筐体 １００…画像描画装置 １０１…ＤＤＲメモリ １０２…フラッシュメモリ １０３…画像処理部 １０４…光源駆動部 １０５…光源部 １０６…ＥＥＰＲＯＭ １０７…マイコン １０８…スキャナ制御部 １０９…垂直スキャナドライバ １１０…水平スキャナドライバ １１１…水平スキャナ １１２…垂直スキャナ ２００…光スキャナ ３００…ヘッドアップディスプレイ

Claims (6)

1. レーザ光を出射する光源部と、
   主走査方向及び副走査方向に往復するように前記レーザ光を走査する光スキャナと、
   前記光スキャナが前記主走査方向に前記レーザ光を走査する周波数を制御するスキャナ制御部と、
   画像データに基づいて前記光源部を駆動させる光源駆動部と、を備え、
   前記スキャナ制御部が、ｎを２以上の自然数として、ｎ倍に前記周波数を変更するとともに、
   前記光源駆動部が、前記主走査方向の走査線上に画素を描画させる時間間隔をｎ分の１倍に変更し、かつ、前記主走査方向の走査をｎ回行う間に少なくとも１回、１本の走査線に相当する複数の画素を描画させるとともに、描画させた走査線以外の走査線において画素を描画させないように前記光源部を制御する
   ことにより描画画像の輝度を低下させる画像描画装置。
2. 前記光源駆動部は、１本の走査線に相当する複数の画素を描画させると、前記１本の走査線に対応する走査に続くｎ−１回の走査では画素を描画させないように、前記光源部を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像描画装置。
3. 前記光源駆動部は、自然数ｎ＝２のときに、前記主走査方向の走査線であって前記光スキャナの往路又は復路のいずれかに相当する画素を描画させないように前記光源部を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像描画装置。
4. 前記スキャナ制御部は、ある周波数を有するラインカウンタに従って前記光スキャナに前記主走査方向のレーザ光の走査をさせており、
   前記光源駆動部は、前記走査線の画素数に対応する周波数を有するドットクロックに従って前記光源部に前記複数の画素を描画させており、
   前記スキャナ制御部が前記ラインカウンタの周波数を増大させるとともに、前記光源駆動部が前記ドットクロックの周波数を前記ラインカウンタの周波数に合わせて増大させる
   ことにより描画画像の輝度を低下させる請求項１から３のいずれか１項に記載の画像描画装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の画像描画装置を用いて、
   前記画像描画装置が描画する画像を透明部材に反射させてユーザに描画画像を提示する、
   ヘッドアップディスプレイ。
6. レーザ光を出射する光源部と、
   主走査方向及び副走査方向に往復するように前記レーザ光を走査する光スキャナと、
   前記光スキャナが前記主走査方向に前記光を走査する周波数を制御するスキャナ制御部と、
   画像データに基づいて前記光源部を駆動させる光源駆動部と、を備える画像描画装置を用いた画像輝度調整方法であって、
   ｎを２以上の自然数として、ｎ倍に前記周波数を変更し、
   前記主走査方向の走査線上に複数の画素を描画させる時間間隔をｎ分の１倍に変更し、
   前記主走査方向の走査をｎ回行う間に少なくとも１回、１本の走査線に相当する複数の画素を描画させるとともに、描画させた走査線以外の走査線において画素を描画させない
   ことにより描画画像の輝度を低下させる画像輝度調整方法。

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