JP2018156062A - 表示装置、物体装置及び表示方法 - 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。
光偏向器15を介した光束は、マイクロレンズアレイ852上を2次元走査する。
マイクロレンズアレイ852の長辺方向(X方向)を主走査方向、短辺方向(Y方向)を副走査方向とすると、光束は主走査方向に高速で偏向され、副走査方向に低速で偏向される。
主走査方向に関しては、マイクロレンズアレイ852上で往復走査が繰り返し行われ、往復走査毎の往路821と復路822で光源が点灯される。
画像描画部806の制御部8060は、マイクロレンズアレイ852上を光束により走査する際、画像データ生成部804からの画像データに基づいて光源毎(色毎)の変調信号を生成し、該変調信号をLDドライバ6111に出力して、各光源の発光強度を高速に変調する。変調信号の周波数である変調周波数(以下では「クロック周波数」とも呼ぶ)が高ければ高いほど、マイクロレンズアレイ852上に微細なパターンを描画することができる。瞬間に描画される点831の間の、最小の描画幅832(隣接する2つの点831の中心間隔)は、クロック周波数と走査線の描画速度の関係から決定される。なお、変調信号がハイレベル(1)のときに光源が点灯され、ローレベル(0)のときに光源が消灯される。なお、光源毎(色毎)の変調信号の強度は、画像データの画素毎の色情報に占める各色(赤又は緑又は青)の割合に依存する。
画素Aの各色の出力レベル=画素Aの各色の画素データ×出力モード(例えば、高出力モードまたは低出力モード)に応じた出力レベル
所望の色光を生成してカラー画像を形成する場合においても、画像が微細でなく単純なものであって、画像に対して描画点が十分確保できるならば、高出力モードと低出力モードを繰り返しつつカラー画像を形成しても、観察者にカラー画像を視認させるには特に不都合は生じない。以下、説明の単純化のため、色光調整のための出力レベル調整については言及せず、高出力モード及び低出力モード(点灯モード及び消灯モード)による出力パターンにのみ言及するものとする。
一方で、各レンズを走査中に光源の光量を変化させることに加えて輝度むらを抑制するために、該レンズの副走査方向の幅を小さくすることが好ましい。具体的には、各レンズの副走査方向の幅を、主走査方向の幅よりも小さくすることが好ましい。これにより、輝度ムラを抑制しつつ、減光率を高くすることができる。
Claims (20)
- 光源からの光により複数の光学素子を含む光学素子アレイを走査して画像を形成し、該画像を形成した光を投射する表示装置において、
各光学素子の走査中に前記光源の出力を可変な制御部を備えることを特徴とする表示装置。 - 光源と、
前記光源からの光を偏向する光偏向器と、
前記光偏向器を介した光により走査される、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、
前記光偏向器を介した光による各光学素子の走査中に前記光源の出力を可変な制御部と、を備える表示装置。 - 前記制御部は、前記走査中に前記光源の出力を変化させる際、前記光源の出力を相対的に高くする高出力モード及び前記光源の出力を相対的に低くする低出力モードを少なくとも1回ずつ前記走査中に実行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。
- 前記光学素子アレイ上に前記高出力モードで走査方向に並べて形成されるビームスポットのうち隣接する2つのビームスポットの中心間隔は、各光学素子の走査方向の幅よりも小さいことを特徴とする請求項3に記載の表示装置。
- 各光学素子上に前記高出力モードで少なくとも1つのビームスポットが形成されることを特徴とする請求項3又は4に記載の表示装置。
- 前記制御部は、前記高出力モード及び前記低出力モードを少なくとも1回ずつ含む出力パターンを繰り返し実行することを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載の表示装置。
- 前記出力パターンは、前記高出力モード及び前記低出力モードを1回ずつ含むことを特徴とする請求項6に記載の表示装置。
- 前記出力パターンは、前記高出力モードを1回含み、前記低出力モードを複数回含むことを特徴とする請求項6に記載の表示装置。
- 前記出力パターンは、複数の明るさ範囲に対応して複数あり、
前記制御部は、周囲の明るさ情報を取得し、前記複数の出力パターンのうち、取得した明るさ情報に応じた出力パターンを繰り返し実行することを特徴とする請求項6〜8のいずれか一項に記載の表示装置。 - 前記低出力モードは、前記光源の出力を0にするモードであることを特徴とする請求項3〜9のいずれか一項に記載の表示装置。
- 前記光源からの光の光量を検知する光量検知部を更に備え、
前記光量検知部は、前記出力パターンの繰り返し周期の整数倍の周期で前記光量を検知す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表示装置。 - 前記制御部は、前記走査中に前記光源の出力を変化させる際、各光学素子上で複数のビームスポットが走査方向に並ぶように前記光源の点灯タイミングを制御することを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の表示装置。
- 前記複数のビームスポットのうち任意の一のビームスポットは、少なくとも1つの他のビームスポットと部分的に重なり、
前記一のビームスポットと前記他のビームスポットの重なり部分が、当該光学素子の光学中心上に位置することを特徴とする請求項12に記載の表示装置。 - 前記複数のビームスポットのうち単一のビームスポットが、当該光学素子の光学中心上に位置することを特徴とする請求項12に記載の表示装置。
- 前記制御部は、走査方向に隣接するビームスポットの中心間隔の差が前記光学素子アレイの走査方向における中央部と端部とで小さくなるように前記光源の点灯タイミングを制御することを特徴とする請求項12〜14のいずれか一項に記載の表示装置。
- 各ビームスポットの走査方向の有効径は、走査方向に隣接するビームスポットの中心間隔の1.2倍よりも大きいことを特徴とする請求項12〜15のいずれか一項に記載の表示装置。
- 前記光学素子は、走査方向の幅が、走査方向に直交する方向の幅よりも大きいことを特徴とする請求項1〜16のいずれか一項に記載の表示装置。
- 光源からの光により複数の光学素子を含む光学素子アレイを走査して画像を形成し、該画像を形成した光を投射する表示装置において、
各光学素子の走査中に前記光源の点灯/消灯を切り替え可能な制御部と、を備える表示装置。 - 請求項1〜18のいずれか一項に記載の表示装置と、
前記表示装置が搭載される物体と、を備える物体装置。 - 複数の光学素子を含む光学素子アレイを走査光により走査し、前記光学素子アレイを介した光を投射して画像を表示する表示方法において、
前記走査光による各光学素子の走査中に前記走査光の光量を変化させることを特徴とする表示方法。
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