JP6137006B2 - 画像表示装置および画像表示方法 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示装置および画像表示方法に関する。

レーザ光を反射させて走査することで画像を投影表示するレーザスキャン方式の画像表示装置が知られている（例えば、特許文献１）。レーザスキャン方式の画像表示装置は、自動車のウィンドシールドやコンバイナなどに画像を投影表示するＨＵＤ（Head Up Display）やプロジェクター等として利用されている。レーザスキャン方式の画像表示装置では、光スキャナのミラーによりレーザ光を反射させ、ミラーの向きを水平方向及び垂直方向に変化させることにより、レーザ光を走査している。

レーザダイオードに一定の電流を流したときのレーザ光の発光強度は、周辺の温度変化に基づいて変化する。また、ＨＵＤでは、表示される画像の視認性をよくするために、前方車両の有無や昼夜の外光の変化等に合わせて、画像の明るさを変化させる。このように、画像表示装置においては、表示される画像の明るさを変化させるために、光源の出力を変化させることがある。

特開２０１３−１５６３１４号公報

画像表示中に画像の明るさまたは色調に、ユーザが判別可能な変化が生じると、ユーザが不快に感じることがある。特許文献１に記載の画像表示装置では、駆動式のミラーによりレーザ光が画像表示装置の外部に出射されない状態にしてから、レーザ光の出力を調整している。このため、画像を表示せずに明るさを調整することができる。しかし、レーザ光の出力調整を段階的に行う場合、調整期間中に表示される画像は、不自然な発色となることがあった。

このようなレーザ光の出力調整は、画像表示装置の周辺温度が低い場合に必要となることが多い。特に、ＲＧＢ等の３色のレーザダイオードを光源にする場合、各々のレーザダイオードの温度特性が異なるため、段階的な調整を行っている間は、所望の色調とは異なる色調となってしまうこともある。

本発明は、このような問題を解決するためなされたものであり、レーザ光の出力調整を行う場合であっても、ユーザに、表示する画像の明るさまたは色調に対して不自然さを感じさせないような出力調整を行うことを可能とする、画像表示装置および画像表示方法を提供することを目的とする。

本発明の画像表示装置（１００）は、光を出力する光源部（１１）と、前記光の強度を検出する検出部（１３）と、複数フレームにより構成される画像を表示させるために前記光を走査する光スキャナ（１２）と、前記画像を構成するフレームが黒フレームである期間中に、前記検出部の検出値が目標値となるように前記光源部の出力を調整する調整部（７４）と、前記画像を構成する画像データに応じた光を出力させるために前記調整部の調整結果に基づいて前記光源部を駆動する光源駆動部（７３）と、を備えることを特徴とする。

本発明の画像表示方法は、複数フレームにより構成される画像データに応じて光源部を駆動させて光を出力し、前記光を走査することにより画像を表示する画像表示装置における画像表示方法であって、前記複数のフレームに黒フレームが含まれていることを検出するステップと、検出された黒フレームの期間中に、前記光の強度が目標値となるように前記光の出力を調整するステップと、前記調整の結果に基づいて前記光源部を駆動するステップと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ユーザに、表示する画像の明るさまたは色調に対して不自然さを感じさせないような出力調整を行うことを可能とする、画像表示装置および画像表示方法を提供することができる。

実施の形態１に係る画像表示装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る光出射ユニットの構成を示す図である。 実施の形態１に係る画像表示装置のスキャンエリアを示す図である。 実施の形態１に係る制御ユニットにおける処理を示すブロック図である。 実施の形態１に係る画像表示装置におけるＡＰＣの動作を示す図である。 実施の形態１に係る画像表示装置における画像表示方法を示すフロー図である。 実施の形態１に係る画像表示装置におけるＡＰＣの動作の比較例を示す図である。 実施の形態１に係る画像表示装置の変形例における制御ユニットの処理を示すブロック図である。

［実施の形態１］
以下、図面を参照して本発明に係る画像表示装置の実施の形態について説明する。
まず、図１を用いて、本実施の形態の画像表示装置１００の構成を説明する。画像表示装置１００は、光出射ユニット１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、制御ユニット７と、筐体８と、を有する。

図１を用いて、光出射ユニット１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。光出射ユニット１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上に表示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、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。

画像表示装置１００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、画像表示装置１００が表示する画像が虚像として重ねられて見えることになる。

図２を用いて、本実施の形態の光出射ユニット１の構成を説明する。図２に示すように、光出射ユニット１は、レーザダイオード１１と、走査ミラー１２と、フォトダイオード１３と、遮光部１４と、を有する。

レーザダイオード１１は、入力された電流に応じてレーザ光を出力する。レーザダイオード１１は、光を出力する光源部である。レーザダイオード１１としては、例えば、半導体レーザが用いられる。レーザダイオード１１は、Ｒ、Ｇ、Ｂの３種類のレーザダイオードを有し、Ｒ、Ｇ、Ｂのレーザ光を出力することができる。もちろん、レーザダイオード１１は、Ｒ、Ｇ、Ｂ以外の色のレーザ光を出力するものでもよい。

レーザダイオード１１から出射された光線Ｌ１は、走査ミラー１２に入射する。走査ミラー１２は、揺動することによって、レーザダイオード１１が出力した光線Ｌ１の反射方向を変化させることにより光線Ｌ１を走査する。走査ミラー１２としては、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーが用いられる。走査ミラー１２は、光を走査する光スキャナである。

走査ミラー１２は、入射した光線の一部を反射し、残りを透過させる。走査ミラー１２は、例えば、入射光のうち約９８％を反射し、残りの約２％を透過する。走査ミラー１２に入射した光線Ｌ１の一部は透過して光線Ｌ３となり、残りは走査ミラー１２により反射されて、光出射ユニット１の外へと出射される。光線Ｌ１が、走査ミラー１２により反射されてから光出射ユニット１外に出るまでの間に、遮光部１４が設けられている。遮光部１４に遮られた光線は、光出射ユニット１の外には出ない。

フォトダイオード１３は、レーザダイオード１１から出力されて走査ミラー１２を透過したレーザ光（光線Ｌ３）の強度を検出する。フォトダイオード１３は、光源からの光の強度を検出する検出部として機能する。

図３に示すように、走査ミラー１２により光が走査されるスキャンエリア３０は、矩形状となっている。スキャンエリア３０は、画像が表示される描画エリア３１と、画像が表示されないブランキングエリア３２と、を有する。図３においては、矢印で示される方向にレーザ光が走査される。矢印中の二点鎖線の領域では、画像データに基づいてレーザダイオード１１が発光して、ユーザが描画エリア３１における画像を視認することができる。図３において、描画エリア３１は矩形形状となる。ブランキングエリア３２は、描画エリア３１を囲うように額縁状になっている。

ブランキングエリア３２内には、レーザダイオード１１の出力を調整するための調整エリア３３が設けられている。ここで、調整エリア３３はブランキングエリア３２の上端側に設けられている。描画エリア３１では、フレーム毎の画像データに基づいて、レーザダイオード１１を点滅させる。ブランキングエリア３２では、レーザダイオード１１を発光させないが、調整エリア３３内では、レーザダイオード１１を発光させる。図２に示した遮光部１４は、調整エリア３３に対応する光線を遮光するように設けられている。調整エリア３３内では、レーザダイオード１１の光が遮光部１４により遮光されるため、画像はユーザに視認されない。

画像表示装置１００は、フォトダイオード１３の検出値が一定になるようにレーザダイオード１１に入力する電流を調整するＡＰＣ（Auto Power Control）機能を有する。

図４を用いて、画像表示装置１００がＡＰＣを行うときの制御ユニット７における処理を説明する。制御ユニット７は、フレームバッファ７１と、黒フレーム検出部７２と、光源駆動部７３と、調整部７４と、を有する。制御ユニット７は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアで実現されてもよいし、外部の記憶装置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。

表示する画像データが、外部から制御ユニット７に入力され、フレームバッファ７１および黒フレーム検出部７２に送られる。画像データは、表示する画像のＲＧＢデータを有する。フレームバッファ７１は、画像データを一時的に保存する記憶装置であり、数フレーム分の画像データを蓄積してから、１フレームごとの画像データを光源駆動部７３へと送る。フレームバッファ７１としては、例えば、ＤＤＲ（Double Data Rate）メモリが用いられ、ＤＤＲ２やＤＤＲ３、その他のＳＤＲＡＭ（Synchronous Dynamic Random Access Memory）でもよい。また、フレームバッファ７１は、画像データが１フレーム入力されるのに合わせて、フレーム同期信号を調整部７４に送る。

黒フレーム検出部７２は、入力された画像データから、１フレームを構成するＲＧＢデータが全てゼロとなる黒フレームを検出する。黒フレームが所定の数、例えば数十フレーム連続する場合、黒フレーム検出部７２はデータ０検出信号を調整部７４に送る。

調整部７４は、フォトダイオード１３の検出値が目標値となるようにレーザダイオード１１の出力を調整する。黒フレーム検出部７２からはデータ０検出信号、フレームバッファ７１からはフレーム同期信号が、調整部７４に入力され、この２つの信号に基づいて調整部７４はＲＧＢパワー設定信号を光源駆動部７３へと送る。ＲＧＢパワー設定信号は、レーザダイオード１１へと入力する電流量を設定する信号である。

図３に示されるブランキングエリア３２内の調整エリア３３に照射されるレーザ光に基づき、調整部７４は、レーザダイオード１１へと入力する電流量を変化させることにより、レーザダイオード１１の出力を調整する。

光源駆動部７３は、画像データに応じた光を出力させるために、調整部７４の調整結果に基づいてレーザダイオード１１を駆動する。これにより、描画エリア３１では、画像データ中のＲＧＢデータを適切に表示する光強度でレーザダイオード１１が発光する。また、光源駆動部７３は、黒フレーム検出部７２が黒フレームの連続する区間を検出した場合に、黒フレームの期間中に、フォトダイオード１３の検出値が目標値になるように、レーザダイオード１１を発光させる。

レーザダイオード１１から出力された光はフォトダイオード１３の検出面に入射し、フォトダイオード１３は検出面に入射した光の強度を検出する。フォトダイオード１３により検出された光の強度は、レーザ発光レベル信号として調整部７４に送られる。

図５および図６を用いて、画像表示装置１００のＡＰＣの動作を説明する。図５に示すように、１フレームごとの画像データがフレームバッファ７１へと送られてきて、図中の左側から順番に画像データが表示されていく。すなわち、Ｄｍ〜Ｄｎはそれぞれ１つのフレームを表し、Ｄｍ、Ｄｍ＋１、…、Ｄｎ−１、Ｄｎの順番でフレームが表示される。

１フレームの画像データは、画像が表示される描画区間Ｔ１と、画像が表示されないブランキング区間Ｔ２とからなる。描画区間Ｔ１は描画エリア３１に対応し、ブランキング区間Ｔ２はブランキングエリア３２に対応している。描画区間Ｔ１とブランキング区間Ｔ２とは交互に繰り返される。

描画区間Ｔ１には、画像を表示しない黒フレームと、画像を表示する非黒フレームとがある。黒フレームは、画像データ中のＲＧＢデータが全てゼロとなり、描画エリア３１においてレーザダイオード１１を発光させないので、画像が表示されない。すなわち、黒フレームは、描画区間Ｔ１およびブランキング区間Ｔ２の双方でレーザ光を出力しない。非黒フレームでは、画像データ中のＲＧＢデータに応じて光源駆動部７３がレーザダイオード１１を発光させることにより、描画エリア３１に画像が表示される。

図５では、フレームバッファ７１を通過前のデータと通過後のデータを示しており、フレームバッファ７１を通過することで５フレームの遅れが生じている。１フレームごとに送られる画像データに合わせて、フレームバッファ７１から調整部７４へとフレーム同期信号が送られる。フレーム同期信号のＨレベルが描画区間Ｔ１、Ｌレベルがブランキング区間Ｔ２に対応する。

調整部７４は、ブランキング区間Ｔ２の中の調整エリア３３に相当する区間において、レーザダイオード１１の出力を調整する。レーザダイオード１１の出力の調整には２種類の方法があり、黒フレーム検出部７２から調整部７４に送られるデータ０検出信号の有無により切り替えられる。

図５では、フレームバッファ通過前データにおいて所定の数の黒フレームが連続している場合に、黒フレーム検出部７２は、黒フレームが連続していると判定する。ここでは、Ｄｍ〜Ｄｍ＋４が黒フレームになっていて、黒フレームが５個連続している。その後、フレームバッファ通過後データとして黒フレームの先頭Ｄｍが現れるタイミングで、黒フレーム検出部７２はデータ０検出信号を調整部７４に送る。

データ０検出信号を受けていないとき、調整部７４は、ブランキング区間Ｔ２において、フォトダイオード１３の検出値が設定値となるように、レーザダイオード１１へ入力する電流値を調整する。設定値は、フォトダイオード１３の検出値が現在の値から一定量増減するように定められる。この場合、レーザダイオード１１へ入力される電流値は、ブランキング区間Ｔ２が来る度に、一定量ずつ段階的に変化する。

一方、データ０検出信号を受けたとき、調整部７４は、前のフレームの設定値にかかわらず、フォトダイオード１３の検出値が目標値となるように、レーザダイオード１１へ入力する電流値を一気に調整する。目標値は予め定められており、前方車両の有無や昼夜の外光の変化に合わせて複数の目標値を定めてもよい。

そして、光源駆動部７３は、フォトダイオード１３の検出値が目標値となっているときの、レーザダイオード１１の電流を読み取る。これにより、温度変化によるレーザダイオード１１の光量変化を読み取ることができる。この光量変化によって、調整部７４はパワー設定信号を生成する。

例えば、フォトダイオード１３の検出値が目標値となっているときのレーザダイオード１１の電流値が基準よりも高い場合、レーザダイオード１１にはより高い電流が必要となる。反対に、フォトダイオード１３の検出値が目標値となっているときのレーザダイオード１１の電流値が基準よりも低い場合、レーザダイオード１１に高い電流が必要とならない。したがって、ＲＧＢデータが同じ場合でも、パワー設定信号が異なれば、光源駆動部７３からレーザダイオード１１に供給される電流が変化する。

より具体的に説明するため、描画エリア３１全体において、ＲＧＢデータが一定値になっている場合を考える。ＲＧＢデータに対応する光量で表示する場合に、レーザダイオード１１に流れる基準電流をＩｄとする。フォトダイオード１３の検出値が目標値となっているときのレーザダイオード１１の電流値が基準よりも高い場合、描画エリア３１では、基準電流Ｉｄより高い電流をレーザダイオード１１に供給する。一方、フォトダイオード１３の検出値が目標値となっているときのレーザダイオード１１の電流値が基準よりも低い場合、描画エリア３１では、基準電流Ｉｄより低い電流をレーザダイオード１１に供給する。

このように、あるＲＧＢデータに対応する光量がフレーム間で一定となるように、光源駆動部７３は、レーザダイオード１１に電流を供給する。すなわち、ＲＧＢデータが同じ値のときに、レーザダイオード１１の発光量が等しくなるように、調整部７４は、パワー設定信号を設定する。そして、光源駆動部７３は、パワー設定信号に応じて、ＲＧＢデータに応じた光量でレーザダイオード１１が発光するように、電流をレーザダイオード１１に供給する。これにより、温度変化によるレーザダイオード１１の発光量の変動を低減することができる。

図６を用いて、画像表示装置１００における画像表示方法を説明する。まず、黒フレーム検出部７２は、表示しているフレームの次以降に、所定の数の黒フレームが連続するか否かを検出する（ＳＴ６０１）。所定の数の黒フレームが連続しない場合（ＳＴ６０１ ＮＯ）には、調整エリア３３において、フォトダイオード１３の検出値が設定値となるように、レーザダイオード１１へ入力する電流値を変化させる（ＳＴ６０４）。その後、光源駆動部７３は、設定値に変化した電流値でレーザダイオード１１を発光させて、次のフレームの画像を表示させる（ＳＴ６０５）。

所定の数の黒フレームが連続する場合（ＳＴ６０１ ＹＥＳ）には、調整部７４は、調整エリア３３において、フォトダイオード１３の検出値が目標値となるようにレーザダイオード１１に入力する電流値を調整する（ＳＴ６０２）。調整部７４は、調整後の電流値でレーザダイオード１１を駆動する指示を行うために、パワー設定信号を光源駆動部７３に送る（ＳＴ６０３）。その後、光源駆動部７３は調整後の電流値でレーザダイオード１１を発光させて、黒フレーム以降の画像を表示させる（ＳＴ６０５）。黒フレーム以降の画像を表示させた後は、次のフレームについて、所定の数の黒フレームが連続するか否かの検出を行う（ＳＴ６０１）。レーザダイオード１１に入力する電流値の調整が不要である場合は、ステップＳＴ６０１の判断がいずれであっても、調整を必要としない。

本実施の形態の画像表示装置１００は、黒フレームが連続しているときに、レーザダイオード１１の出力を一気に目標値にまで変化させる。これにより、レーザダイオード１１の出力を段階的に変化させるよりも、迅速に目標とするレーザダイオード１１の出力が得られる。

また、黒フレームが連続するタイミングで、フォトダイオード１３の検出値が目標値となるようにレーザダイオード１１の出力を調整して、パワー設定信号を生成している。こうすることで、パワー設定信号が大きく変化したとしても、描画エリア３１に表示されている画像への影響を低減することができる。

例えば、非黒フレームを連続して表示している場合、パワー設定信号が大きく変わると、連続する２フレームで発色が大きく変わってしまう。連続する２フレームでは、描画エリアにおけるフレーム画像が類似しているため、ユーザに発色が変化したことが悟られやすい。一方、本実施の形態では、黒フレームが連続しているため、描画エリアでの発色が大きく変化することがない。よって、ユーザに発色の変化を悟られにくい表示を実現することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、簡素な構成で、かつ、画像の明るさを変化させたことがユーザに悟られにくい画像表示装置を提供することができる。

（比較例）
図７を用いて、画像表示装置１００のＡＰＣの動作の比較例を説明する。図５では、所定の数だけ連続する黒フレームを黒フレーム検出部７２が検出した場合に、一気に目標値にまでレーザダイオード１１の出力を変化させる。それに対して、図７では、次に表示されるのが黒フレームか否かは問わず、ブランキング区間Ｔ２に段階的にレーザダイオード１１の出力を変化させていく。すなわち、ブランキング区間Ｔ２に、レーザダイオード１１の出力を、現在の値から一定量離れた設定値に変化させる。そして、ブランキング区間Ｔ２が複数回繰り返されて、フォトダイオード１３の検出値が目標値に達したところで、ＡＰＣの動作を終了する。よって、レーザダイオード１１の出力の調整に長時間を要してしまう。

（変形例）
図８に示すように、画像表示装置１００は、黒フレーム検出部７２の代わりに黒フレームを生成する黒フレーム生成部７５を備えていてもよい。黒フレーム生成部７５が黒フレームを生成した場合、黒フレーム生成部７５はフレームバッファ７１に黒フレームの画像データを送るとともに、調整部７４にデータ０生成信号を送る。データ０生成信号を受けた調整部７４は、パワー設定信号を光源駆動部７３に送り、光源駆動部７３は、フォトダイオード１３の検出値が目標値になるように、レーザダイオード１１を発光させる。

変形例にかかる画像表示装置１００は、黒フレーム生成部７５により任意のタイミングで黒フレームを生成することができるので、非黒フレームの画像が続いているときであっても、任意のタイミングでレーザダイオード１１の出力を調整することができる。黒フレーム生成部７５は、例えば、画像表示装置１００の起動時やスリープ時に黒フレームを生成すればよい。

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。

１ 光出射ユニット
７ 制御ユニット
１１ レーザダイオード
１２ 走査ミラー
１３ フォトダイオード
１４ 遮光部
３０ スキャンエリア
３１ 描画エリア
３２ ブランキングエリア
３３ 調整エリア
７１ フレームバッファ
７２ 黒フレーム検出部
７３ 光源駆動部
７４ 調整部
７５ 黒フレーム生成部
１００ 画像表示装置

Claims (5)

1. 光を出力する光源部と、
   前記光の強度を検出する検出部と、
   複数フレームにより構成される画像を表示させるために前記光を走査する光スキャナと、
   前記画像を構成するフレームが黒フレームである期間中に、前記検出部の検出値が目標値となるように前記光源部の出力を調整する調整部と、
   前記画像を構成する画像データに応じた光を出力させるために前記調整部の調整結果に基づいて前記光源部を駆動する光源駆動部と、を備える
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記光スキャナにより光が走査されるスキャンエリアは、画像が表示される描画エリアと、画像が表示されないブランキングエリアと、を有し、
   前記検出部は、前記ブランキングエリア内の調整エリアに対して出力された光の強度を検出する
   ことを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１又は２に記載の画像表示装置であって、
   前記黒フレームを検出する黒フレーム検出部を備え、
   前記調整部は、前記黒フレーム検出部が黒フレームの連続することを検出した場合、連続した黒フレームの期間中に、前記検出部の検出値が前記目標値になるように、前記光源部の出力を調整する
   ことを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項１又は２に記載の画像表示装置であって、
   黒フレームを生成する黒フレーム生成部を備え、
   前記調整部は、前記黒フレーム生成部が生成した黒フレームの期間中に、前記検出部の検出値が前記目標値になるように、前記光源部の出力を調整する
   ことを特徴とする画像表示装置。
5. 複数フレームにより構成される画像データに応じて光源部を駆動させて光を出力し、前記光を走査することにより画像を表示する画像表示装置における画像表示方法であって、
   前記複数のフレームに黒フレームが含まれていることを検出するステップと、
   検出された黒フレームの期間中に、前記光の強度が目標値となるように前記光の出力を調整するステップと、
   前記調整の結果に基づいて前記光源部を駆動するステップと、を備える
   ことを特徴とする画像表示方法。

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