JP2018156061A - 表示装置、物体装置、画像形成ユニット及び表示方法 - Google Patents
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Abstract
Description
以下に、一実施形態のHUD装置100について図面を参照して説明する。なお、「HUD」は「ヘッドアップディスプレイ」の略称である。
ところで、ヘッドアップディスプレイの投射方式は、液晶パネル、DMDパネル(デジタルミラーデバイスパネル)、蛍光表示管(VFD)のようなイメージングデバイスで中間像を形成する「パネル方式」と、レーザ光源から射出されたレーザビームを2次元走査デバイスで走査し中間像を形成する「レーザ走査方式」がある。特に後者のレーザ走査方式は、全画面発光の部分的遮光で画像を形成するパネル方式とは違い、各画素に対して発光/非発光を割り当てることができるため、一般に高コントラストの画像を形成することができる。
図2には、HUD装置100の制御系のハードウェア構成を示すブロック図が示されている。HUD装置100の制御系は、図2に示されるように、FPGA600、CPU602、ROM604、RAM606、I/F608、バスライン610、LDドライバ6111、MEMSコントローラ615を備えている。
図3には、HUD装置100の機能を示すブロック図が示されている。HUD装置100は、図3に示されるように、車両情報入力部800、外部情報入力部802、画像データ生成部804及び画像描画部806を備えている。車両情報入力部800には、CAN等から車両の情報(速度、走行距離、対象物の位置、外界の明るさ等の情報)が入力される。外部情報入力部802には、外部ネットワークから車両外部の情報(例えば自動車に搭載されたカーナビからのナビ情報等)が入力される。画像データ生成部804は、車両情報入力部800、外部情報入力部802等から入力される情報に基づいて、描画すべき画像の画像データを生成し、画像描画部806に送信する。画像描画部806は、制御部8060を備え、受信した画像データに応じた画像を描画する。画像データ生成部804及び制御部8060は、FPGA600によって実現される。画像描画部806は、FPGA600に加えて、LDドライバ6111、MEMSコントローラ615、光走査装置10、スクリーン30、凹面ミラー40等によって実現される。
図4には、光源装置11の構成が示されている。光源装置11は、図4に示されるように、単数あるいは複数の発光点を有する複数(例えば3つの)の発光素子111R、111B、111Gを含む。各発光素子は、LD(レーザダイオード)であり、互いに異なる波長λR、λG、λBの光束を放射する。例えばλR=640nm、λG=530nm、λB=445nmである。以下では、発光素子111RをLD111R、発光素子111GをLD111G、発光素子111BをLD111Bとも表記する。LD111R、111G、111Bから放射された波長λR、λG、λBの光束は、対応するカップリングレンズ112R、112G、112Bにより後続の光学系にカップリングされる。カップリングされた光束は、対応するアパーチャ部材113R、113G、113Bにより整形される。各アパーチャ部材の開口形状は、光束の発散角等に応じて円形、楕円形、長方形、正方形等、様々な形状とすることができる。その後、対応するアパーチャ部材で整形された光束は、合成素子115により光路合成される。合成素子115は、プレート状あるいはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じて光束を反射/透過し、1つの光路に合成する。合成された光束は、レンズ119により光偏向器15の反射面に導かれる。レンズ119は、光偏向器15側に凹面が向くメニスカスレンズである。
図5には、光偏向器15の構成が示されている。光偏向器15は、半導体プロセスにて製造された2軸のMEMSスキャナであり、図5に示されるように、反射面を有するミラー150と、α軸方向に並ぶ複数の梁を含み、隣り合う2つの梁が折り返し部を介して蛇行するように接続された一対の蛇行部152とを有する。各蛇行部152の隣り合う2つの梁は、梁A(152a)、梁B(152b)とされ、枠部材154に支持されている。複数の梁には、複数の圧電部材156(例えばPZT)が個別に設けられている。各蛇行部の隣り合う2つの梁の圧電部材に異なる電圧を印加することで、該蛇行部の隣り合う2つの梁が異なる方向に撓み、それが蓄積されて、ミラー150がα軸周り(=垂直方向)に大きな角度で回転することになる。このような構成により、α軸を中心とした垂直方向の光走査が、低電圧で可能となる。一方、β軸を中心とした水平方向では、ミラー150に接続されたトーションバーなどを利用した共振による光走査が行われる。
図8(A)において、符号852はマイクロレンズアレイを示す。マイクロレンズアレイ852は、微細凸レンズ851を配列した微細凸レンズ構造を有する。符号853で示す「画素表示用ビーム」の光束径857は、微細凸レンズ851の大きさよりも小さい。すなわち、微細凸レンズ851の大きさ856は、光束径857よりも大きい。なお、説明中の形態例で、画素表示用ビーム853はレーザ光束であり、光束中心のまわりにガウス分布状の光強度分布をなす。従って、光束径857は、光強度分布における光強度が「1/e2」に低下する光束半径方向距離である。
図8(A)では、光束径857は微細凸レンズ851の大きさ856に等しく描かれているが、光束径857が「微細凸レンズ851の大きさ856」に等しい必要は無い。微細凸レンズ851の大きさ856を食み出さなければよい。
図8(A)において、画素表示用ビーム853は、その全体が1個の微細凸レンズ851に入射し、発散角855をもつ拡散光束854に変換される。なお、「発散角」は、以下において「拡散角」と呼ぶこともある。
図8(A)の状態では、拡散光束854は1つで、干渉する光束が無いので、干渉性ノイズは発生しない。なお、発散角855の大きさは、微細凸レンズ851の形状により適宜設定できる。
図8(B)では、画素表示用ビーム811は、光束径が微細凸レンズの配列ピッチ812の2倍となっており、2個の微細凸レンズ813、814に跨って入射している。この場合、画素表示用ビーム811は、入射する2つの微細凸レンズ813、814により2つの発散光束815、816のように拡散される。2つの発散光束815、816は、領域817において重なり合い、この部分で互いに干渉して干渉性ノイズを発生する。
図13には、マイクロレンズアレイのマイクロレンズ801への光束803の入射位置とマイクロレンズ801上の点像強度の関係が示されている。マイクロレンズ801において光学中心は幾何学中心に一致しているものとする。
図17(A)の(A−1)〜(A−3)は、ビーム径が互いに異なる3種類の走査ビームでそれぞれ走査線ピッチが一定となるように同一の平板上を走査したときの3つの描画画像を示している。走査ビームのビーム径は(A−1)<(A−2)<(A−3)の関係にあり、描画画像の明るさは(A−1)<(A−2)<(A−3)の関係にある。
図17(A)の(A−4)〜(A−6)から分かるように、走査線ピッチが一定の条件下では、ビーム径が大きくなるにつれ、描画画像のコントラストが低下する(輝度均一性が高くなる)。従って、ビーム径が大きくなるほど、モアレコントラストは低下する(輝度均一性が高くなる)。
結果として、視認性の高さは(A−4)<(A−5)<(A−6)となる。
図17(B)の(B−4)〜(B−6)から分かるように、ビーム径及び走査線ピッチが一定であるため、レンズピッチが大きくなるほど、横切る(通過する)走査線の数が増加するレンズが増える(暗部となるレンズが少なくなる)。従って、原理的に、レンズピッチ≧走査線ピッチの場合には、全てのレンズを走査線が通過するため、モアレコントラストは低下する(輝度均一性が高くなる。)
結果として、視認性の高さは(B−4)<(B−5)<(B−6)となる。
Claims (14)
- 光源部と、
前記光源部からの光を2次元的に偏向する光偏向器と、
前記光偏向器を介した光により主走査方向及び副走査方向に2次元走査される、複数の光学素子を含む光学素子アレイと、
前記光学素子アレイを介した光を投射する投光部と、を備え、
前記光学素子アレイ上における副走査方向のビームスポット径及び前記光学素子アレイにおける副走査方向の前記光学素子の配列ピッチは、前記光学素子アレイ上における走査線ピッチ以上であることを特徴とする表示装置。 - 前記光学素子の副走査方向の幅は、前記走査線ピッチ以上であることを特徴とする請求項1に記載の表示装置。
- 前記ビームスポット径をWbeam、前記配列ピッチをPlens、前記走査線ピッチをPscan、当該表示装置の副走査方向の画素密度をYcpd、モアレ周波数をfmoire、モアレコントラストをCmoireとしたとき、
fmoire=Ycpd(Plens-Pscan)/2Pscan、
Cmoire=-0.9×Wbeam/Pscan+1.6、
0.5/5.05×exp(-0.138fmoire)×(1.0-exp(-0.1)fmoire)≧Cmoireが成立することを特徴とする請求項1又は2に記載の表示装置。 - 前記配列ピッチをPlens、前記走査線ピッチをPscan、
当該表示装置の副走査方向の画素密度をYcpdとしたとき、
fmoire=Ycpd(Plens-Pscan)/2Pscanで求められるモアレ周波数fmoireが10cpd以上となるようにYppd、Plens、Pscanが設定されてい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表示装置。 - 前記ビームスポット径をWbeam、前記配列ピッチをPlens、前記走査線ピッチをPscan、
当該表示装置の副走査方向の画素密度をYcpdとしたとき、
fmoire=Ycpd(Plens-Pscan)/2Pscanで求められるモアレ周波数fmoireが10cpd未満となり、かつCmoire=-0.9×Wbeam/Pscan+1.6で求められるモアレコントラストCmoireが0.5以下となるようにYcpd、Plens、Pscan、Wbeamが設定されてい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表示装置。 - 前記光学素子アレイにおける主走査方向に互いに隣接する前記光学素子の光学中心は、副走査方向にずれてい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表示装置。
- 前記複数の光学素子それぞれは、平面視六角形状であり、
前記複数の光学素子は、ハニカム状に配列されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の表示装置。 - 前記光学素子アレイ上における主走査方向のビームスポット径及び前記光学素子アレイにおける主走査方向の前記光学素子の配列ピッチは、前記光学素子アレイ上における主走査方向に隣接するビームスポットの中心間隔以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の表示装置。
- 前記光学素子の主走査方向の幅は、前記中心間隔以上であることを特徴とする請求項8に記載の表示装置。
- 透過反射部材が設けられた物体と、
前記物体に搭載され、前記透過反射部材に光を投射する請求項1〜9のいずれか一項に記載の表示装置と、を備える物体装置。 - 前記物体は、移動体であることを特徴とする請求項10に記載の物体装置。
- 複数の光学素子を含む光学素子アレイを主走査方向及び副走査方向に2次元走査して画像を形成する画像形成ユニットにおいて、
前記光学素子アレイ上における副走査方向のビームスポット径及び前記光学素子アレイにおける副走査方向の前記光学素子の配列ピッチは、前記光学素子アレイ上における走査線ピッチ以上であることを特徴とする画像形成ユニット。 - 請求項12に記載の画像形成ユニットと、
前記画像形成ユニットからの前記画像を形成する光を投射する投光部と、を備える表示装置。 - 複数の光学素子を含む光学素子アレイを主走査方向及び副走査方向に2次元走査して画像を形成し、該画像を形成した光を投射して画像を表示する表示方法であって、
前記光学素子アレイ上における副走査方向のビームスポット径及び前記光学素子アレイにおける前記光学素子の副走査方向の配列ピッチが前記光学素子アレイ上における走査線ピッチ以上となるように前記光学素子アレイを2次元走査することを特徴とする表示方法。
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