JP6355684B2 - 主観的スペックル形成の特徴付けのためのデバイス及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、主観的スペックル形成の特徴付けのための方法に関する。

スペックルパターンは、光学的に粗い投影表面が十分にコヒーレントな光、特にレーザ光、によって照明されるときに発生する、不規則で微粒状の光分布である。光学的に粗い投影表面は、光の波長の大きさのオーダの凹凸を有する。スペックルパターンは、投影表面上での光スポットの画像化において、また、投影表面の凹凸において散乱した光波の干渉によって、生じる。これは、反射用投影表面の確率的微細構造を有する、ランダムに分布した強度最大値及び強度最小値を有する空間的構造を生成する。スペックル粒のコントラストは、波長のコヒーレンス及び投影表面の粗さによって決定される。スペックルパターンは、光の波長が投影表面の平均粗さを下回って著しく減少するときに、消える。スペックル粒のサイズは、光スポットのサイズに依存する。光スポットが大きくなればなるほど、スペックルパターンの粒状が微細になる。

レーザは、光学的画像化方法用の光源として益々使用されており、その高い光学的効率のために、レーザは、大きなカラー空間及び高いコントラストを有する明るい映像を生成するときに特に有用である。無制限の映像サイズを有する高い画像品質を達成することが可能である。レーザビームは、表示される映像を示すために投影表面にわたって走査される。このいわゆるレーザ走査投影は、コンタクトアナログヘッドアップディスプレイ等の車両アプリケーションにおいて、映像生成ユニットすなわちＰＧＵ（ｐｉｃｔｕｒｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ）として使用するために非常に有望な技術である。

ヘッドアップディスプレイは、例えば、自動車のフロント防風ガラスの領域内に配置される。ヘッドアップディスプレイすなわちＨＵＤ（ｈｅａｄ−ｕｐ ｄｉｓｐｌａｙ）によって、以下のようなディスプレイシステム、すなわち、情報が視野内に投影されることにより表示情報を観察する時にユーザが自分の頭部の姿勢または観察方向を元々の方向に維持できる、というディスプレイシステムが意味される。ＨＵＤは、一般に、画像を生成する画像化ユニット、光学モジュール、及び投影表面を有する。光学モジュールは、光透過性ミラー反射防風ガラスとして構成される投影表面上に画像を向ける。車両の運転者は、画像化ユニットの反射情報、及び同時に、防風ガラスの背後の実際の周囲物を見る。

スペックルパターンは、レーザ又は他のコヒーレント光源を用いる投影方法中に生じ、絵素が小さいことにより、一般に、粗い粒度を持ち、観察者によって目障りなものとして知覚される。

従来技術は、スペックルパターンの形成を防止または減少させる少数の可能性を提供する。

１つの可能性は、画像投影ユニットにおいてスペックルパターンを低減するために、ＵＳ ２０１２ ０２００８３２ Ａ１に提示されている。ここでは、凸状レンズが、光源の前に配置され、光源から可変距離に設置される可能性がある。こうして調整可能なレンズの焦点距離に応じて、コヒーレント光は、スペックルパターンが減少するように変更される。

ＤＥ １０ ２０１０ ００２ １６１ Ａ１において、スペックルパターンを減少させるための別の方法が提案されている。ここでは、連続的に回転する散乱用ディスクが、コヒーレント光源の前に配置される。こうして、種々の統計的位相変動が光波に課されて、種々の主観的ノイズ成分が或る露出期間中に生成され、個々のノイズ成分の当該露出期間にわたる時間平均によるノイズ減少済み強度パターンが、２つのカメラによって検出される。

スペックル強度を客観的に定量化することの困難さは、使用される測定システムに対する測定結果の強い依存性に存在する。混乱を引き起こすスポットパターンに関して映像品質を客観的に評価することを可能にするスペックル定量化のための方法が、当該技術分野において未だ全く知られていない。

ＵＳ ２０１２ ０２００８３２ Ａ１ ＤＥ １０ ２０１０ ００２ １６１ Ａ１

本発明が解決しようと目論む問題は、主観的スペックル形成の特徴付けのための、特にはスペックルコントラストの定量化のための、デバイス及び方法を提供することである。デバイスは、光源としてレーザを用いて生成される画像を定量化すべきであり、設計が簡単であるべきであり、したがって、製造し動作するのが安価であるべきである。

当該問題は、独立請求項の特徴を有するデバイス及び方法によって解決される。修正は、従属請求項において示される。

当該問題は、主観的スペックル形成の特徴付けのための、特にはスペックルコントラストの定量化のための、本発明によるデバイスによって解決される。当該デバイスは、投影表面と、当該投影表面上に映像を投影するためのコヒーレントなまたは部分的にコヒーレントな光源と、前記投影表面上に投影された映像のスペックル画像を生成するための検出ユニットと、画像データを処理し評価するためのデータ収集及び解析ユニットと、を備える。

本発明の一構成によれば、光源はレーザ投影機として設計される。

検出ユニットは、好ましくはカメラとして構成される。

前記問題は、主観的スペックル形成の特徴付けのための、特にはスペックルコントラストの定量化のための、本発明による方法によって更に解決される。当該方法において、スペックルコントラストは最大値まで分解される。
当該方法において、画像が、コヒーレントなまたは少なくとも部分的にコヒーレントな光源を有する投影機によって投影表面上に投影される。コヒーレント光源及び投影表面の品質のおかげで、画像は、重ね合わされたスペックルパターンと共に生成される。カメラか光学センサかまたはその種類の何かによって形成される検出ユニットによって、スペックルパターンを有する投影表面が記録される。検出ユニットによって記録される投影表面の画像は、以降では、スペックル画像と呼ばれる。光源によって放出される光の波長及び検出ユニットのピクセルサイズに応じて、最初に、スペックル画像が生成され、スペックルのサイズが計算される。スペックルサイズは、絞り値を変動させることによって、カメラのピクセルサイズに適合され得る。重ね合わされたスペックルパターンに対して画像品質の定量化における精度を高くするため、スペックルの直径は５より大きな数のピクセルを占めるべきである。この場合でないときは、絞り値が調整されるべきでる。スペックルサイズが５より大きな数のピクセルサイズである場合、最適露出時間について探索が行われる。このために、投影表面は、カメラの異なる露出時間で記録され、検出ユニットの露出時間は、スペックルコントラストが最大値まで減少する最適露出時間が達成されるまで段階的なやり方で、変更される。最大値までのスペックルコントラストの分解は、スペックルコントラストの記録済みの測定結果において、プラトーを有する最大値が検出され、スペックルコントラストの値が当該プラトーの端でもう一度低下する、というようなものであると判定される。

最適露出時間によって、複数のスペックル画像が記録され、平均スペックル画像が形成される。同様に、最適露出時間によって、照明されないダーク投影表面が、数回記録され、平均ダーク画像が形成される。この後、平均ダーク画像は、平均スペックル画像から減算される。これは、背景照明ノイズの減少を可能にする。この後、スペックルパターンの強度ヒストグラムが計算され、その助けを借りて、レーザ投影機の画像品質が解析される。

本発明の一修正形態によれば、絞り値は、スペックル画像内で発生するスペックルサイズ及び検出ユニットに依存するピクセルサイズに依存して調整される。

データ収集及び解析ユニットの助けを借りて、スペックル画像からのデータ、特には強度値が、有利に処理され評価される。

スペックル画像を特徴付けるための先に提示した方法は、測定済みスペックル結果を異なる測定レイアウトを用いてシミュレートすることを可能にする。こうして、個々のレーザ投影機が、互いに比較され得て、また、異なる画像生成ユニットの画像品質の客観的評価のための前提条件が生成される。

本発明の実施形態の更なる詳細、特徴、及び利益が、対応する図面を参照して例示的な実施形態の以下の説明から明らかになる。

自動車内で仮想画像として情報を表示するための光学コンポーネントの配置構成を有する、画像を生成するためのシステムの図である。 スペックルコントラストの定量化のためのデバイスの図である。 スペックルコントラストの定量化のための方法のフローチャートである。

図１は、画像生成ユニット１、及び、自動車内で仮想画像７として情報を表示するための光学コンポーネント３の配置構成を有する、画像を生成するためのシステムを示す。仮想画像７は、フロント防風ガラス６を通して運転方向に見るとき、車両運転者２の観察方向に投影される。システムは、光学コンポーネント３、特に偏向ミラー、がダッシュボード５の内部にある状態で配置される。画像生成ユニット１によって放出される光線のビーム４は、光学コンポーネント３にわたって取得される。光線のビーム７は、グレアトラップ（図示せず）を通ってダッシュボード５から出る。グレアトラップに加えて設計される別の光トラップは、グレアトラップと共に、車両運転者２について苛立ち及び反射をもたらす場合がある光線の出現を防止する。

光線のビーム４は、画像を提示するためフロント防風ガラス６が光学コンポーネントを持って作られる、自動車の当該フロント防風ガラス６の所定の領域上に偏向される。画像生成ユニット１及び光学コンポーネント３は、ＨＵＤとして、フロント防風ガラス６上に構成される投影領域と連携して働く。

画像生成ユニット１は、仮想画像７を生成し、当該仮想画像７は、フロント防風ガラス６のミラー反射性で光透過性の領域上に投影される。車両運転者２は、フロント防風ガラス投影機のユーザとして、フロント防風ガラス６の背後の観察方向に、画像生成ユニット１の反射情報、また同時に、実際の周囲物を見る。

図２は、主観的スペックルコントラストの特徴付けのための、特に、スペックルコントラストの定量化のための、デバイス８を示す。画像生成ユニット１のレーザ投影機１０等のコヒーレントなまたは部分的にコヒーレントな光源１０によって、画像が、投影表面９上に投影される。この画像は、当該画像上にスペックルパターンが重ね合わされている。カメラ１１等の検出ユニット１１が、当該カメラ１１の飽和が達成されるまで異なる露出時間Ｔを用いて画像のスペックル画像１３を生成して、最適露出時間Ｔ_optを見出す。最適露出時間Ｔ_optは、スペックルパターンが最大値まで分解される限界値を示す。画像データ、特に、強度値Ｉは、コンピュータ等のデータ収集及び解析ユニット１２において処理される。

図３は、スペックルコントラストの定量化、したがって、主観的スペックルコントラストの特徴付けのための方法をフローチャートとして示す。レーザ投影機１０によって放出される光の波長λ及びカメラ１１の知られているピクセルサイズＰから始めて、最小絞り値ｆが計算される。カメラ１１及び調整済みの最小絞り値ｆを用いて、投影表面９のスペックル画像１３が生成され、こうして、スペックルサイズＤが計算される。スペックルサイズＤは、絞り値ｆを変動させることによってカメラ１１のピクセルサイズＰに適合される可能性がある。重ね合わされるスペックルパターンに関して画像品質の定量化の精度を高くするため、スペックルサイズＤであるスペックルの直径は、５つより多い数のピクセルＰを占めるべきである。この場合でない時、絞り値ｆは調整されるべきである。スペックルサイズＤが、５つより多い数のピクセルサイズＰである場合、最適露出時間Ｔ_optについて探索が行われる。このため、投影表面９は、カメラ１１が飽和するまで、カメラ１１の異なる露出時間Ｔによって記録される。露出時間の閾値または最適露出時間Ｔ_optにおいて、スペックルパターンは最大値まで分解される。

スペックルコントラストの分解の最大値は、スペックルコントラストの測定結果の記録済み曲線が、プラトー上に存在する最大値を有し、スペックルコントラストの値が、当該プラトーの端でもう一度低下する、というように決定される。

最適露出時間Ｔ_optによって、複数のスペックル画像１３が記録され、平均スペックル画像１４が形成される。同様に、最適露出時間Ｔ_optによって、照明されないダーク投影表面９が、数回記録され、平均ダーク画像１５が形成される。この後、ダーク投影表面９の平均ダーク画像１５は、平均スペックル画像１４から減算される。これは、背景照明ノイズの減少を可能にする。この後、強度ヒストグラムＩが計算され、その助けを借りて、レーザ投影機１０の画像品質が、強度Ｉの標準偏差σを有するスペックルコントラストＣ_speckleを計算することによって解析される。図３で提示する方法は、測定済みスペックル結果を異なる測定レイアウトを用いて再現（シミュレート）することを可能にする。こうして、例えば、個々のレーザ投影機が、互いに比較される可能性があり、それが、異なる画像生成ユニットの画像品質の客観的評価のための前提条件を生成する。

１ 画像生成ユニット
２ 車両運転者
３ 光学コンポーネント
４ 光線のビーム
５ ダッシュボード
６ フロント防風ガラス
７ 仮想画像
８ デバイス
９ 投影表面
１０ コヒーレントなまたは部分的にコヒーレントな光源、レーザ投影機
１１ 検出ユニット、カメラ
１２ データ収集及び解析ユニット
１３ スペックル画像（スペックルパターンを有する画像）
１４ 平均スペックル画像
１５ 平均ダーク画像
λ 波長
ｆ 絞り値
Ｄ スペックルサイズ
Ｐ ピクセルサイズ
Ｔ 露出時間
Ｔ_opt 最適露出時間
Ｉ 強度
Ｃ_speckle スペックルコントラスト
σ 強度Ｉの標準偏差

Claims (3)

1. 自動車内で仮想画像として情報を表示するためのフロント防風ガラスの画像品質の客観的評価のための、方法であって、
   −コヒーレントなまたは部分的にコヒーレントな光源（１０）によってフロント防風ガラス（６）の投影表面（９）上に画像を投影するステップと、
   −検出ユニット（１１）によって前記投影表面（９）のスペックル画像（１３）を生成するステップであって、前記検出ユニット（３）の露出時間（Ｔ）が、スペックルコントラスト（Ｃ_speckle）が最大値まで減少する最適露出時間（Ｔ_opt）まで段階的なやり方で変更される、というステップと、
   −前記最適露出時間（Ｔ_opt）によって複数のスペックル画像（１３）を生成し、平均スペックル画像（１４）を形成するステップと、
   −前記最適露出時間（Ｔ_opt）によって、前記コヒーレントなまたは部分的にコヒーレントな光源（１０）の投影画像がない状態で前記投影表面（９）の複数の画像を生成し、平均ダーク画像（１５）を形成するステップと、
   −背景照明ノイズを減少させるため前記平均ダーク画像（１５）を前記平均スペックル画像（１４）から減算するステップと、
   −画像品質の解析のために強度ヒストグラムを形成するステップと
   を備えたことを特徴とする方法。
2. 絞り値（ｆ）が、前記スペックル画像（１３）内で発生するスペックルサイズ（Ｄ）及び前記検出ユニット（１１）に依存するピクセルサイズ（Ｐ）に依存して調整される
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記スペックル画像（１３）からのデータが、データ収集及び解析ユニット（１２）において処理され評価される
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。

Images