JP6398494B2

JP6398494B2 - 画像投影装置

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Publication number: JP6398494B2
Application number: JP2014181712A
Authority: JP
Inventors: 長島　賢治; 賢治長島; 野上　豊史; 豊史野上; 伊東　達也; 達也伊東
Original assignee: Funai Electric Co Ltd
Current assignee: Funai Electric Co Ltd
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2018-10-03
Anticipated expiration: 2034-09-05
Also published as: JP2016057368A

Description

本発明は、画像投影装置に関し、特に、レーザ発光素子を光源に用いた画像投影装置に関する。

従来、レーザ発光素子を光源に用いた画像投影装置が、レーザプロジェクターや、車載用のＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）などとして用いられている。このような画像投影装置は、例えば、赤色光を出射するレーザ発光素子、緑色光を出射するレーザ発光素子、及び青色光を出射するレーザ発光素子を備え、これらのレーザ発光素子からそれぞれ出射される光をスクリーンに導くことにより、カラー画像を当該スクリーンに投影する。

画像投影装置の性能の１つとして、安定的に投影できる画像の輝度範囲（ダイナミックレンジとも言う）の広さが挙げられる。例えば、画像投影装置が車載用ＨＵＤに用いられる場合、ダイナミックレンジが広ければ、例えば快晴の日中から闇夜まで、外光の強度が極端に異なるどのような状況下でも、状況に応じて運転者が視認するために適した輝度で画像を表示できる。

周知のように、レーザ発光素子には、レーザ発振を安定的に行うために必要な最小の駆動電流（いわゆるしきい値電流）が存在する。レーザ発光素子は、当該しきい値以上の駆動電流が供給されるとき、駆動電流の量に応じた強度のレーザ光を安定的に出射する。他方、当該しきい値未満の電流が供給されるとき、レーザ光を安定的に出射することができない。

そこで、当該しきい値以上の振幅を有しかつパルス幅変調された駆動電流でレーザ発光素子をパルス発光させる技術が知られている（例えば、特許文献１）。この技術によれば、レーザ発光素子を連続発光させる場合と比べて実効的な強度が小さいレーザ光が安定的に得られる。

国際公開第２０１２／１０４９６７号

しかしながら、レーザ発光素子をパルス発光させる場合、パルス幅変調された駆動電流を生成するために、比較的大きな電流を、少なくともピクセル周波数以上の高周波でチョッピングするスイッチング回路が必要となり、回路を簡素化する上での不利がある。

また、駆動電流が高周波のパルス電流であることから、波形歪みを低減しかつ電磁雑音を抑制するために、例えば、駆動電流の供給経路を極力短く設けるなど、実装上の制約が生じ易い。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、レーザ発光素子を光源に用いた画像投影装置であって、当該レーザ発光素子の駆動電流をパルス幅変調することなく、かつ画像を広い輝度範囲で安定的に投影できる画像投影装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、開示される１つの態様に係る画像投影装置は、１つの色に属する波長の複数の第１レーザ光を出射する複数の発光点と前記複数の第１レーザ光を１つの第２レーザ光に結合するビーム整形器とを有するレーザ光源と、前記第２レーザ光の進行方向を周期的に変更するビーム偏向器と、可変の駆動電流を、前記複数の発光点のなかから選択される１つ以上の発光点に供給するドライバと、前記第２レーザ光の目標強度に応じて前記ドライバを制御し、前記目標強度が、全ての前記発光点に１つの駆動電流が分配されかつ１つ以上の前記発光点がモード競合領域を含むあらかじめ定められた不安定領域で動作する場合に得られる前記第２レーザ光の強度の範囲である管理範囲に含まれるか否かに応じて、１つの駆動電流を前記複数の発光点の一部に供給するか全てに分配するかを切り替えるコントローラと、を備える。
また、前記複数の発光点はそれぞれ異なるレーザ発光素子に設けられ、前記ビーム整形器は、前記複数の第１レーザ光を前記第２レーザ光に結合するビーム結合器と、前記第２レーザ光を略平行光に変換するコリメートレンズと、で構成されてもよい。
また、開示される１つの態様に係る画像投影装置は、単一のレーザ発光素子に設けられ、１つの色に属する波長の複数の第１レーザ光を出射する複数の発光点と、前記複数の第１レーザ光の各々を略平行光に変換するコリメートレンズと、略平行光に変換後の前記複数の第１レーザ光を各異なる領域で受けて略同一の進行方向に回折させる回折格子板とを有するレーザ光源と、前記第２レーザ光の進行方向を周期的に変更するビーム偏向器と、可変の駆動電流を、前記複数の発光点のなかから選択される１つ以上の発光点に供給するドライバと、前記第２レーザ光の目標強度に応じて前記ドライバを制御し、前記目標強度が、全ての前記発光点に１つの駆動電流が分配されかつ１つ以上の前記発光点がモード競合領域を含むあらかじめ定められた不安定領域で動作する場合に得られる前記第２レーザ光の強度の範囲である管理範囲に含まれるか否かに応じて、１つの駆動電流を前記複数の発光点の一部に供給するか全てに分配するかを切り替えるコントローラと、を備える。
また、開示される１つの態様に係る画像投影装置は、単一のレーザ発光素子に設けられ、１つの色に属する波長の複数の第１レーザ光を出射する複数の発光点と、前記複数の第１レーザ光を各異なる領域で受けて各異なる進行方向に回折させる回折格子板と、前記回折後の前記複数の第１レーザ光の各々を略平行光に変換するコリメートレンズと、を有し、前記回折格子板は、前記複数の第１レーザ光を前記コリメートレンズの光軸上の１点から出射されたとみなせる向きに回折させる、レーザ光源と、前記第２レーザ光の進行方向を周期的に変更するビーム偏向器と、可変の駆動電流を、前記複数の発光点のなかから選択される１つ以上の発光点に供給するドライバと、前記第２レーザ光の目標強度に応じて前記ドライバを制御し、前記目標強度が、全ての前記発光点に１つの駆動電流が分配されかつ１つ以上の前記発光点がモード競合領域を含むあらかじめ定められた不安定領域で動作する場合に得られる前記第２レーザ光の強度の範囲である管理範囲に含まれるか否かに応じて、１つの駆動電流を前記複数の発光点の一部に供給するか全てに分配するかを切り替えるコントローラと、を備える。

これにより、前記複数の発光点の全てを発光させて生成した場合に光強度が不安定になる懸念がある前記管理範囲の強度のレーザ光を、前記複数の発光点の一部を発光させて生成している。つまり、前記管理範囲の強度のレーザ光をより少ない個数の発光点を発光させて生成するので、個々の発光点で生成する光強度は、より大きくなる。その結果、個々の発光点が前記不安定領域を避けて動作することが可能になり、光強度が不安定になる懸念が緩和される。

また、前記コントローラは、前記第２レーザ光の複数の強度と駆動電流の量及び供給先との対応を示す対応情報を保持し、前記対応情報は、前記管理範囲に含まれる複数の強度の各々について、駆動電流の量として前記複数の発光点の前記一部に供給することによって当該強度の前記第２レーザ光が得られる電流量を示し、駆動電流の供給先として前記複数の発光点の前記一部を示し、前記管理範囲に含まれない複数の強度の各々について、駆動電流の量として前記複数の発光点の全てに分配することによって当該強度の前記第２レーザ光が得られる電流量を示し、駆動電流の供給先として前記複数の発光点の全てを示し、前記コントローラは、前記対応情報に従って前記ドライバを制御することにより、前記目標強度に対応する量の駆動電流を、前記目標強度に対応する供給先に供給してもよい。

これにより、前記コントローラは、前記対応情報に従って前記ドライバを制御することにより、前述の効果を得ることができる。

また、前記複数の発光点の各々には、レーザ発振を開始するために必要な動作電流の最小値である個別のしきい値があり、前記複数の発光点の各々の前記不安定領域は、当該発光点の前記しきい値の周りにあらかじめ定められる電流範囲によって規定されてもよい。

これにより、前記しきい値に基づいて前記ドライバを制御することにより、前述の効果を得ることができる。

また、前記コントローラは、前記目標強度が前記管理範囲に含まれる場合、前記ドライバを制御することにより、前記駆動電流を前記複数の発光点のうち前記しきい値が最も小さい１つの発光点に供給してもよい。

これにより、前記管理範囲内の光強度のレーザ光を、より小さい駆動電流で生成できる可能性が高まるので、前記画像投影装置の省電力性の点で有利である。

また、複数の色の各々に対応して前記レーザ光源が設けられ、前記画像投影装置は、色ごとの前記第２レーザ光を１つの第３レーザ光に結合するビーム結合器をさらに備え、前記ビーム偏向器は、前記第３レーザ光の進行方向を周期的に変更し、前記ドライバは、色ごとに可変の駆動電流を、当該色に対応する前記レーザ光源に含まれる前記複数の発光点のなかから選択される１つ以上の発光点に供給し、前記コントローラは、色ごとに、当該色の前記第２レーザ光の目標強度に対応する量の駆動電流を、当該色に対応する前記複数の発光点の一部に供給するか全てに分配するかを切り替えてもよい。

これにより、カラー画像投影装置が得られる。

なお、本発明は、このような画像投影装置として実現することができるだけでなく、このような画像投影装置において実行されるステップを含む画像投影装置の制御方法として実現することもできる。また、そのような制御方法を、コンピュータに実行させるプログラムとして実現することもできる。

本発明によれば、レーザ発光素子を光源に用いた画像投影装置であって、当該レーザ発光素子の駆動電流をパルス幅変調することなく、かつ画像を広い輝度範囲で安定的に投影できる画像投影装置が得られる。

実施の形態１に係る画像投影装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。実施の形態１に係るレーザ光源の機能的な構成の一例を示すブロック図である。実施の形態１に係るレーザドライバの機能的な構成の一例を示すブロック図である。実施の形態１に係る対応情報の一例を示す図である。実施の形態１に係るレーザドライバの主要な入出力信号の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。比較例に係る画像投影装置の制御方法の一例を説明するグラフである。実施の形態１に係る画像投影装置の制御方法の一例を説明するグラフである。実施の形態２に係るレーザ光源の機能的な構成の一例を示すブロック図である。実施の形態２に係る回折格子板の詳細な構成の一例を示す概念図である。実施の形態３に係るレーザ光源の機能的な構成の一例を示すブロック図である。実施の形態３に係る回折格子板の詳細な構成の一例を示す概念図である。実施の形態４に係るカーナビゲーションシステムにおける画像投影装置の使用例を示す図である。レーザダイオードの典型的な発光特性の一例を示すグラフである。

（本発明の基礎となった知見）
背景技術の欄で述べたように、本発明者は、レーザ発光素子をパルス幅変調により発光させる場合、回路を簡素化する上での不利があり、また、実装上の制約が生じやすいことを指摘した。そこで、本発明者は、レーザ発光素子を連続発光させながら、かつ強度のダイナミックレンジが広いレーザ光を得るための方策を検討した。

この検討において、本発明者は、まず、レーザ発光素子の発光特性を確認した。

図１１は、レーザ発光素子の一例としてのレーザダイオードの典型的な発光特性の一例を示すグラフである。図１１には、レーザダイオードの様々な駆動電流に対応して、当該レーザダイオードの動作モードと当該レーザダイオードから得られる光強度とが示されている。

図１１に示されるように、駆動電流が小さいＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）発光領域において、レーザダイオードは、発光ダイオードと同様、自然放出によって光ビームを出射する。ＬＥＤ発光領域で得られる光ビームは、インコヒーレントでスペクトルが広くかつ強度が小さいながらも、駆動電流とよく対応する安定した強度を持つ。

駆動電流がより大きい多モード発振領域において、レーザダイオードは、相異なる波長に対応する多数の発振モードで同時にレーザ発振を生じる。多モード発振領域で得られるレーザ光は、複数の波長に強度のピークがあり、各波長の光強度の総和として、駆動電流とよく対応する安定した強度を持つ。

駆動電流がさらに大きいモード競合領域において、レーザダイオードは、相異なる波長に対応する複数の発振モードのうちの１つを高速にホップしながらレーザ発振を生じる。モード競合領域で得られるレーザ光は、強度のピークが、レーザ発振している発振モードに対応する波長に高速に入れ替わる。そのため、当該レーザ光の強度は、時間平均では駆動電流と対応するものの、瞬時的には駆動電流に応じた範囲内で変動する。なお、レーザダイオードのしきい値は、モード競合領域に含まれる。

駆動電流がさらに大きい単一モード発振領域において、レーザダイオードは、単一の発振モードでレーザ発振を生じる。単一モード発振領域で得られるレーザ光は、コヒーレントでかつ単一の波長に強度のピークがあり、駆動電流とよく対応する安定した強度を持つ。

このような発光特性に基づき、従来、レーザダイオードは単一モード発振で動作させるのが常識的な考え方である。実効的な強度が小さいレーザ光を得るために、レーザダイオードを、しきい値以上の振幅を有しかつパルス幅変調された駆動電流で発光させる従来の技術も、この考え方に基づいている。

これに対し、本発明者は、例えば画像投影装置のように、レーザ光のインコヒーレント性や、スペクトルの多少の広がりが許容される用途では、単一モード発振領域のみならず、多モード発振領域やＬＥＤ発光領域をも用いて、レーザダイオードを連続発光させるとよいことに気付いた。ただし、その場合、レーザダイオードがモード競合領域で動作することを回避する必要がある。前述のとおり、モード競合領域で得られるレーザ光の強度には、時間的なゆらぎがあり、当該レーザ光でスクリーンを走査すると、投影される画像に輝度むらや色むらが生じる懸念があるためである。

しかしながら、モード競合領域を単純に除外しただけでは、モード競合領域に対応する強度範囲のレーザ光が得られないという問題が残る。

本発明者は、このような知見に基づき鋭意検討を重ねた結果、本発明の画像投影装置に到達した。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
実施の形態１に係る画像投影装置は、レーザ光源でピクセルごとに強度変調されたレーザ光を生成し、前記レーザ光でスクリーンを走査することにより、前記スクリーンに画像を投影する画像投影装置である。

前記レーザ光源には複数の発光点が設けられており、前記画像投影装置は、目標強度のレーザ光を得ようとするとき、前記目標強度が管理範囲に含まれるか否かに応じて、１つの駆動電流を前記発光点の一部に供給するか全てに分配するかを切り替える。前記管理範囲は、１つの駆動電流が全ての前記発光点に分配されかつ１つ以上の前記発光点が前記モード競合領域を含むあらかじめ定められた不安定領域で動作する場合に得られる前記レーザ光の強度の範囲として定義される。

図１は、実施の形態１に係る画像投影装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。図１に示されるように、画像投影装置１００は、レーザ光源１１０、１２０、１３０、ビーム結合器１５１、１５２、ビーム偏向器１６０、レーザドライバ１７０、偏向ドライバ１８０、コントローラ１９０、及び操作部１９１を備える。図１には、画像投影装置１００と共に、画像が投影されるスクリーン２００が示されている。

レーザ光源１１０、１２０、１３０は、例えば、赤、緑、青にそれぞれ対応して設けられ、対応する１つの色に属する波長の複数の第１レーザ光を１つの第２レーザ光Ｌ２に結合して出射するレーザ光源である。レーザ光源１１０、１２０、１３０の詳細については後述する。

ビーム結合器１５１、１５２は、レーザ光源１１０、１２０、１３０の各々から出射された色ごとの第２レーザ光Ｌ２を１つの第３レーザ光Ｌ３に結合する光学素子である。ビーム結合器１５１、１５２は、例えば、ダイクロイックプリズムで構成されてもよい。

ビーム偏向器１６０は、第２レーザ光Ｌ２が結合された第３レーザ光Ｌ３の進行方向を周期的に変更する光学素子である。ビーム偏向器１６０は、第３レーザ光Ｌ３を、スクリーン２００に向けて、スクリーン２００を走査するように偏向する。ビーム偏向器１６０は、例えば、２軸の可動ミラーと当該可動ミラーを動かすアクチュエータとで構成されてもよい。

レーザドライバ１７０は、コントローラ１９０による制御に基づいて、レーザ光源１１０、１２０、１３０に駆動電流を供給するドライバである。レーザドライバ１７０の詳細については後述する。

偏向ドライバ１８０は、コントローラ１９０による制御に基づいて、ビーム偏向器１６０の向きを制御するドライバである。

コントローラ１９０は、レーザドライバ１７０及び偏向ドライバ１８０を制御することにより、ピクセルごとに強度変調されたレーザ光を生成し、前記レーザ光でスクリーン２００を走査することにより、所望の画像をスクリーン２００に投影する。コントローラ１９０は、例えば、画像投影装置１００の外部から供給される映像信号（図示せず）で表される映像の各フレームをスクリーン２００に投影してもよい。

コントローラ１９０は、例えば、ＭＰＵ（ＭｉｃｒｏＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＡＭ（ＲａｍｄｏｍＡｃｅｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、Ｉ／Ｏ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）ポートなどを有するワンチップマイコンで構成されてもよい。コントローラ１９０の制御機能は、ＲＯＭに記録されているプログラムを、ＲＡＭを作業用のメモリとして用いて、ＭＰＵが実行することにより果たされるソフトウェア機能であってもよい。

操作部１９１は、画像投影装置１００の動作を指示するためのユーザによる操作を受け付ける部である。操作部１９１がユーザから受け付ける指示には、例えば、画像投影装置１００の電源を投入し切断する指示などが含まれ得る。操作部１９１は、画像投影装置１００の筐体に設けられたメカニカルスイッチやタッチパネルで構成されてもよく、画像投影装置１００とは別体のリモコンから送信される信号を受信するリモコンインターフェースで構成されてもよい。

次に、レーザ光源１１０、１２０、１３０の構成について説明する。

図２は、レーザ光源１１０、１２０、１３０の機能的な構成の一例を示すブロック図である。図２には、レーザ光源１１０、１２０、１３０と共に、ビーム結合器１５１、１５２が示されている。

レーザ光源１１０、１２０、１３０は、何れも同等の構成を有するため、以下では、レーザ光源１１０の構成を代表して説明する。なお、以下の説明は、対応する構成要素の符号を読み替えることにより、レーザ光源１２０、１３０についても成り立つ。

図２に示さるように、レーザ光源１１０は、発光点１１１、１１２、ビーム結合器１１３、及びコリメートレンズ１１４を有している。

発光点１１１、１１２の各々は、レーザ光源１１０に対応する色に属する波長の第１レーザ光Ｌ１を出射する。発光点１１１、１１２は、例えば、別々のパッケージに封入されたディスクリート部品としての単一ビーム出力型のレーザダイオードで構成されてもよい。発光点１１１、１１２から出射される第１レーザ光Ｌ１の波長は、厳密に一致している必要はなく、例えば、カラー画像投影装置で用いられる赤、緑、青のうちの何れか１色として視認される範囲での誤差があってもよい。

ビーム結合器１１３は、複数の第１レーザ光Ｌ１を１つの第２レーザ光Ｌ２に結合する光学素子である。ビーム結合器１１３は、例えば、偏光ビームスプリッタで構成されてもよい。

コリメートレンズ１１４は、第２レーザ光Ｌ２を略平行光に変換する光学素子である。第２レーザ光Ｌ２は、厳密な平行光であってもよく、また、光学系の精度に依存する誤差を含んだ平行光であってもよい。また、第２レーザ光Ｌ２を、意図的に、平行光からわずかにすぼむ収束光とし、スクリーン２００上で収束させてもよい。

ここで、ビーム結合器１１３及びコリメートレンズ１１４が、レーザ光源１１０におけるビーム整形器を構成する。

次に、レーザドライバ１７０の構成及び動作について説明する。

図３は、レーザドライバ１７０の機能的な構成の一例を示すブロック図である。図３には、レーザドライバ１７０と共に、レーザ光源１１０、１２０、１３０、及びコントローラ１９０が示されている。図３の例では、例えば、レーザ光源１１０において、発光点１１１、１１２はカソードコモンで接続されており、レーザ光源１２０、１３０についても同様である。

図３に示されるように、レーザドライバ１７０は、ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換器）１７１、ＡＮＤゲート１７２、ラッチ１７３、及びスイッチ１７４〜１７９を有している。

コントローラ１９０は、データ信号ＤＡＴＡ、選択信号ＳＥＬ、データクロック信号ＤＣＬＫ、及びピクセルクロック信号ＰＣＬＫを、レーザドライバ１７０に供給する。

ここで、データ信号ＤＡＴＡは、レーザ光源１１０、１２０、１３０のそれぞれに供給されるべき駆動電流の量をデジタル値で示す。選択信号ＳＥＬは、発光点１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２のそれぞれに駆動電流を供給するかしないかをバイナリ値で示す。データクロックＤＣＬＫは、データ信号ＤＡＴＡの同期を示す。ピクセルクロックＰＣＬＫは、ピクセルの同期を示す。

図４は、データ信号ＤＡＴＡ、選択信号ＳＥＬ、データクロック信号ＤＣＬＫ、及びピクセルクロック信号ＰＣＬＫの一例、並びに、これらの信号に応じて発光点（図中ではＬＤと略記）１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２に供給される電流量の一例を示すタイミングチャートである。

レーザドライバ１７０において、ＤＡＣ１７１は、データクロックＤＣＬＫに同期してデータ信号ＤＡＴＡを取得し、レーザ光源１１０、１２０、１３０それぞれについて、取得されたデータ信号ＤＡＴＡで示される量の駆動電流を、ピクセルクロックＰＣＬＫに同期して生成する。

ＡＮＤゲート１７２は、データクロックＤＣＬＫとピクセルクロックＰＣＬＫとの論理積を求めることによりラッチトリガ信号を生成する。

ラッチ１７３は、ラッチトリガ信号に従って、ピクセルクロックＰＣＬＫごとに選択信号ＳＥＬをラッチし、ラッチされた選択信号ＳＥＬを、スイッチ１７４〜１７９の制御信号として出力する。

スイッチ１７４〜１７９は、それぞれ発光点１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２の駆動電流の経路に設けられ、選択信号ＳＥＬに従って導通しまた非導通となることで、対応する発光点への駆動電流の供給と遮断とを切り替える。例えば、選択信号ＳＥＬに従ってスイッチ１７４、１７５の動作に応じて、レーザ光源１１０用に生成された１つの駆動電流が発光点１１１、１１２の一方に供給されるか両方に分配されるかが切り替わる。レーザ光源１２０、１３０についても、同様に、対応するスイッチの動作に応じて駆動電流の供給先が切り替わる。

次に、光強度と駆動電流の量及び供給先との対応について説明する。

図５は、光強度と駆動電流の量及び供給先との対応を示す対応情報の一例を示す図である。図５に示される対応情報は、レーザ光源１１０から出射されるレーザ光（前述の第２レーザ光Ｌ２）の異なる複数の強度に対応して、レーザ光源１１０に供給される駆動電流の量、及び当該駆動電流を発光点１１１、１１２の何れに供給するかを示している。レーザ光源１２０、１３０についても、同様の対応情報により、光強度と駆動電流の量及び供給先との対応が示される。このような対応情報は、数表や数式など、周知のどのような方法で表現されてもよい。

前記対応情報は、次のような考え方で、光強度と駆動電流の量及び供給先とを対応付ける。

まず、レーザ光源１１０、１２０、１３０の各々の光強度に関して、管理範囲が定義される。当該管理範囲は、１つの駆動電流が当該レーザ光源に含まれる２つの発光点の両方に分配されかつ少なくとも一方の前記発光点が前記モード競合領域を含むあらかじめ定められた不安定領域で動作する場合に、当該レーザ光源から得られるレーザ光の強度の範囲として定義される。

前記対応情報は、前記管理範囲に含まれる複数の光強度の各々について、駆動電流の量として前記複数の発光点の一方に供給することによって当該強度の前記第２レーザ光が得られる電流量を示し、駆動電流の供給先として前記複数の発光点の前記一方を示す。

また、前記対応情報は、前記管理範囲に含まれない複数の強度の各々について、駆動電流の量として前記複数の発光点の全てに分配することによって当該強度の前記第２レーザ光が得られる電流量を示し、駆動電流の供給先として前記複数の発光点の全てを示す。

このような不安定領域、管理範囲、駆動電流の電流量及び供給先の技術的な意義について、詳細な説明を続ける。

図６は、前記不安定領域及び前記管理範囲を説明するための図である。

図６の（ａ）、（ｂ）のグラフは、発光点１１１、１１２をそれぞれ単独で発光させたときの、駆動電流と光強度との関係を示すグラフである。先に図１１を参照して説明したとおり、これらの個別の発光特性にはモード競合領域が存在する。

そのようなモード競合領域を含む不安定領域があらかじめ定められる。不安定領域は、例えば、モード競合領域の幅を所定の安全余裕で広げた領域であってもよく、具体的には、発光点のしきい値の周りにあらかじめ定められる電流範囲によって規定されてもよい。そのような電流範囲は、例えば、しきい値電流に対する比率によって定められてもよい。一例として、しきい値電流が５０ｍＡであり、しきい値電流の±３０％を不安定領域とするとき、３５ｍＡ〜６５ｍＡの駆動電流の範囲が不安定領域として規定される。

図６の（ａ）、（ｂ）に示されるように、発光点１１１、１１２の不安定領域は、発光点１１１、１１２それぞれのしきい値Ｉｔｈ１、Ｉｔｈ２から上側に第１幅の電流範囲と下側に第２幅の電流範囲とを合わせた電流範囲によって規定されてもよい。なお、一般的には、しきい値Ｉｔｈ１としきい値Ｉｔｈ２とは異なり、図６の（ａ）、（ｂ）に示される例では、しきい値Ｉｔｈ２はしきい値Ｉｔｈ１よりも小さい。

図６の（ｃ）のグラフは、発光点１１１、１１２の両方に１つの駆動電流を分配する（全部点灯とも言う）ときの、当該駆動電流とトータルでの光強度との関係を示すグラフである。全部点灯において、当該駆動電流は、発光点１１１、１１２の特性に応じた比率で、発光点１１１、１１２の両方に分配される。この分配に応じて、前述した光強度の管理範囲が次のように特定される。

発光点１１１に不安定領域の上限の電流Ｉａ１を分配する駆動電流をＩａ１＋Ｉａ２とすると、そのような駆動電流Ｉａ１＋Ｉａ２に応じて発光点１１２には残りの電流Ｉａ２が分配される。電流Ｉａ１、Ｉａ２によって発光点１１１、１１２で得られる光強度をそれぞれＰａ１、Ｐａ２とすると、トータルの光強度Ｐａ１＋Ｐａ２によって、管理範囲の上限が特定される。

また、発光点１１２に不安定領域の下限の電流Ｉｂ２を分配する駆動電流をＩｂ１＋Ｉｂ２とすると、そのような駆動電流Ｉｂ１＋Ｉｂ２に応じて発光点１１１には残りの電流Ｉｂ１が分配される。電流Ｉｂ１、Ｉｂ２によって発光点１１１、１１２で得られる光強度をそれぞれＰｂ１、Ｐｂ２とすると、トータルの光強度Ｐｂ１＋Ｐｂ２によって、光強度の管理範囲の下限が特定される。

このようにして、発光点１１１、１１２の両方に１つの駆動電流が分配されかつ発光点１１１、１１２の少なくとも一方が前記不安定領域で動作する場合にトータルで得られる光強度の範囲（つまり、光強度ＰｂからＰａまでの範囲）である、前記管理範囲が特定される。

図６に示される電流Ｉｏ１、Ｉｏ２は、発光点１１１、１１２の定格電流をそれぞれ表し、光強度Ｐｏ１、Ｐｏ２は、発光点１１１、１１２の定格光強度をそれぞれ表している。

前述したように、前記管理範囲に含まれる光強度のレーザ光を、レーザ光源１１０で全部点灯によって生成すると、発光点１１１、１１２の少なくとも一方が前記不安定領域で動作する懸念がある。そこで、レーザ光源１１０で生成するレーザ光の目標強度が前記管理範囲に含まれる場合、発光点１１１、１１２の一方のみに駆動電流を供給（一部点灯とも言う）する。また、発光点１１１、１１２の当該一方の単独で前記目標強度のレーザ光が得られる量の駆動電流を供給する。

図７は、前記管理範囲に含まれる強度のレーザ光を一部点灯で生成するための駆動電流の量を説明するための図である。

図７の（ａ）、（ｂ）のグラフは、図６の（ａ）、（ｂ）のグラフと同一である。図７の（ｃ）の例では、前記管理範囲内の強度のレーザ光を得るために、発光点１１２のみを発光（一部点灯）させている。

図７の（ｂ）から、発光点１１２単独で前記管理範囲の下限Ｐｂ及び上限Ｐａの光強度を得るための駆動電流は、それぞれＩｂ、Ｉａである。そこで、図７の（ｃ）の一部点灯では、ＩｂからＩａまでの範囲の駆動電流を、発光点１１２のみに供給することによって、前記管理範囲に含まれる目標強度のレーザ光を生成している。

このような不安定領域、管理範囲、駆動電流の電流量及び供給先は、上記の考え方に基づいて特定される限り、例えば、実測により特定されてもよく、また、シミュレーション、論理計算、カタログスペックの参照など、周知のどのような方法で特定されてもよい。

このようにして特定された管理範囲と、駆動電流の量及び供給先とが、図５の対応情報として保持される。

コントローラ１９０は、例えば、図５に示される対応情報を、レーザ光源１１０、１２０、１３０のそれぞれについてあらかじめ保持していてもよい。コントローラ１９０は、保持している対応情報によって、ピクセルごとの光強度に対応付けられる駆動電流の電流量及び供給先を示すデータ信号ＤＡＴＡ及び選択信号ＳＥＬを生成して、レーザドライバ１７０に供給してもよい。

これにより、不安定領域での動作が回避され、その結果、前記管理範囲内の強度のレーザ光が安定的に得られる。

なお、上記では、例えば図７の（ｃ）に示されるように、一部点灯において、発光点１１２のみに駆動電流を供給している。このように、一部点灯において、しきい値がより小さい発光点を点灯することで、前記管理範囲内の光強度のレーザ光をより小さい駆動電流で生成できる可能性が高まるので、画像投影装置１００の省電力性の点で有利である。

また、上記では、レーザ光源１１０、１２０、１３０の各々に、発光点を２つずつ設けたが、１つのレーザ光源に設けられる発光点の個数は限定されない。発光点の数は、３つ以上でもよく、レーザ光源ごとに異なってもよい。１つのレーザ光源に設けられる発光点の個数は、例えば、必要とされるレーザ光の最大強度に応じて定められてもよい。

また、全部点灯では全ての発光点を点灯させ、一部点灯では、１つ以上でかつ全てではない発光点を点灯させてもよい。１つのレーザ光源に設けられる発光点の個数、及び一部点灯で点灯させる発光点の個数は、例えば、一部点灯によって得られる光強度が管理範囲の光強度と一致するように、個々の発光点の発光特性を勘案して定められてもよい。

（実施の形態２）
実施の形態２に係る画像投影装置は、実施の形態１に係る画像投影装置と比べて、レーザ光源の構成が異なる。

図８は、実施の形態２に係るレーザ光源の機能的な構成の一例を示すブロック図である。図８に示されるレーザ光源１４０は、実施の形態１に係る画像投影装置１００のレーザ光源１１０、１２０、１３０と置き換えられる。

レーザ光源１４０は、発光点１４１、１４２が形成された半導体チップ１４５と、コリメートレンズ１１４と、回折格子板１４３とを有する。

発光点１４１、１４２の各々は、レーザ光源１４０に対応する色に属する波長の第１レーザ光Ｌ１を出射する。発光点１４１、１４２は、例えば、単一のパッケージに封入されたディスクリート部品としてのマルチビーム出力型のレーザダイオードで構成されてもよい。

コリメートレンズ１１４は、前記複数の第１レーザ光Ｌ１の各々を略平行光に変換する光学素子である。

回折格子板１４３は、略平行光に変換後の複数の第１レーザ光Ｌ１を各異なる領域で受けて略同一の進行方向に回折させる光学素子である。

レーザ光源１４０は、回折格子板１４３によって進行方向が揃った複数の第１レーザ光Ｌ１を、第２レーザ光Ｌ２として出射する。

図９は、回折格子板１４３の詳細な構成の一例を示す概念図である。

図９に示されるように、回折格子板１４３は、領域１４３１で発光点１４２からの第１レーザ光Ｌ１を受け、領域１４３２で発光点１４１からの第１レーザ光Ｌ１を受ける。

領域１４３１には、発光点１４２から入射した第１レーザ光Ｌ１の−１次光を強く出射する回折格子が設けられ、領域１４３２には、発光点１４１から入射した第１レーザ光Ｌ１の＋１次光を強く出射する回折格子が設けられている。前記−１次光と前記＋１次光の進行方向とは略同一方向である。回折格子は、例えば、溝の断面形状が鋸歯状である面（ブレーズド化された面）によって構成されてもよい。

実施の形態２に係る画像投影装置では、このように構成されたレーザ光源１４０を、実施の形態１に係る画像投影装置１００のレーザ光源１１０、１２０、１３０の代わりに用いることで、実施の形態１の画像投影装置１００で説明した効果と同等の効果を得ることができる。

（実施の形態３）
実施の形態２では、レーザ光の進行方向に、発光点１４１、１４２、コリメートレンズ１１４、回折格子板１４３がこの順に配置されたレーザ光源１４０の例について説明したが、レーザ光源の構成要素の配置はこの例には限らない。実施の形態３では、構成要素の配置が異なるレーザ光源の例について説明する。

図１０は、実施の形態３に係るレーザ光源の構成の一例を示す図である。

図１０に示されるように、レーザ光源１５０は、図８に示すレーザ光源１４０と比べて、コリメートレンズ１１４と回折格子板１４３との並び順が逆になっている点が異なる。すなわち、レーザ光源１５０において、レーザ光の進行方向に、発光点１４１、１４２、回折格子板１４３、コリメートレンズ１１４がこの順に配置される。

図１１は、回折格子板１４３の詳細な構成の一例を示す概念図である。

図１１に示されるように、レーザ光源１５０における回折格子板１４３は、発光点１４１、１４２から出射された第１レーザ光Ｌ１を各異なる領域で受けて、コリメートレンズ１１４の光軸上の１点から出射されたとみなせる向きに回折させる。これにより、発光点１４１、１４２それぞれの虚像を一致させることができる。

実施の形態３に係る画像投影装置では、このように構成されたレーザ光源１５０を、実施の形態１に係る画像投影装置１００のレーザ光源１１０、１２０、１３０の代わりに用いることで、実施の形態１の画像投影装置１００で説明した効果と同等の効果を得ることができる。

（実施の形態４）
図１０は、実施の形態４に係る画像投影装置の使用例としてのＨＵＤの一例を示す図である。

図１０に示されるように、ＨＵＤ１は、実施の形態１、２、３に係る画像投影装置１００とスクリーン２００とで構成される。ＨＵＤ１は、例えば、自動車に搭載され、カーナビゲーションシステムの表示装置として用いられる。

画像投影装置１００は、ナビゲーション情報を含む画像をスクリーン２００に投影する。スクリーン２００は、投影された画像を、フロントガラスの先（車外の風景の中）にある虚像として運転者の視野中に映し出す。なお、ＨＵＤに用いられるスクリーン２００は、コンバイナとも呼ばれる。

前述したように、画像投影装置１００は、画像を広い輝度範囲で安定的に投影するために優れているので、例えば快晴の日中から闇夜まで、外光の強度が極端に異なるどのような状況下でも、状況に応じて運転者が視認するために適した輝度の画像で、カーナビゲーション情報を運転者に提示することができる。

以上、本発明の実施の形態に係る画像表示装置、及びその使用例としてのＨＵＤについて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施した形態は、本発明の範囲内に含まれ得る。

本発明はプロジェクタ装置として、例えば、自動車に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置などに適用できる。

１ＨＵＤ
１００画像投影装置
１１０、１２０、１３０、１４０、１５０レーザ光源
１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２発光点
１１３、１２３、１３３ビーム結合器
１１４、１２４、１３４コリメートレンズ
１４３回折格子板
１４５半導体チップ
１５１、１５２ビーム結合器
１６０ビーム偏向器
１７０レーザドライバ
１７１ＤＡＣ
１７２ＡＮＤゲート
１７３ラッチ
１７４〜１７９スイッチ
１８０偏向ドライバ
１９０コントローラ
１９１操作部
２００スクリーン

Claims

１つの色に属する波長の複数の第１レーザ光を出射する複数の発光点と前記複数の第１レーザ光を１つの第２レーザ光に結合するビーム整形器とを有するレーザ光源と、
前記第２レーザ光の進行方向を周期的に変更するビーム偏向器と、
可変の駆動電流を、前記複数の発光点のなかから選択される１つ以上の発光点に供給するドライバと、
前記第２レーザ光の目標強度に応じて前記ドライバを制御し、前記目標強度が、全ての前記発光点に１つの駆動電流が分配されかつ１つ以上の前記発光点がモード競合領域を含むあらかじめ定められた不安定領域で動作する場合に得られる前記第２レーザ光の強度の範囲である管理範囲に含まれるか否かに応じて、１つの駆動電流を前記複数の発光点の一部に供給するか全てに分配するかを切り替えるコントローラと、
を備える画像投影装置。
前記複数の発光点はそれぞれ異なるレーザ発光素子に設けられ、
前記ビーム整形器は、前記複数の第１レーザ光を前記第２レーザ光に結合するビーム結合器と、前記第２レーザ光を略平行光に変換するコリメートレンズと、で構成される、
請求項１に記載の画像投影装置。
単一のレーザ発光素子に設けられ、１つの色に属する波長の複数の第１レーザ光を出射する複数の発光点と、前記複数の第１レーザ光の各々を略平行光に変換するコリメートレンズと、略平行光に変換後の前記複数の第１レーザ光を各異なる領域で受けて略同一の進行方向に回折させる回折格子板と、を有するレーザ光源と、
前記第２レーザ光の進行方向を周期的に変更するビーム偏向器と、
可変の駆動電流を、前記複数の発光点のなかから選択される１つ以上の発光点に供給するドライバと、
前記第２レーザ光の目標強度に応じて前記ドライバを制御し、前記目標強度が、全ての前記発光点に１つの駆動電流が分配されかつ１つ以上の前記発光点がモード競合領域を含むあらかじめ定められた不安定領域で動作する場合に得られる前記第２レーザ光の強度の範囲である管理範囲に含まれるか否かに応じて、１つの駆動電流を前記複数の発光点の一部に供給するか全てに分配するかを切り替えるコントローラと、
を備える画像投影装置。
単一のレーザ発光素子に設けられ、１つの色に属する波長の複数の第１レーザ光を出射する複数の発光点と、前記複数の第１レーザ光を各異なる領域で受けて各異なる進行方向に回折させる回折格子板と、前記回折後の前記複数の第１レーザ光の各々を略平行光に変換するコリメートレンズと、を有し、前記回折格子板は、前記複数の第１レーザ光を、前記コリメートレンズの光軸上の１点から出射されたとみなせる向きに回折させる、レーザ光源と、
前記第２レーザ光の進行方向を周期的に変更するビーム偏向器と、
可変の駆動電流を、前記複数の発光点のなかから選択される１つ以上の発光点に供給するドライバと、
前記第２レーザ光の目標強度に応じて前記ドライバを制御し、前記目標強度が、全ての前記発光点に１つの駆動電流が分配されかつ１つ以上の前記発光点がモード競合領域を含むあらかじめ定められた不安定領域で動作する場合に得られる前記第２レーザ光の強度の範囲である管理範囲に含まれるか否かに応じて、１つの駆動電流を前記複数の発光点の一部に供給するか全てに分配するかを切り替えるコントローラと、
を備える画像投影装置。
前記コントローラは、
前記第２レーザ光の複数の強度と駆動電流の量及び供給先との対応を示す対応情報を保持し、
前記対応情報は、前記管理範囲に含まれる複数の強度の各々について、駆動電流の量として前記複数の発光点の前記一部に供給することによって当該強度の前記第２レーザ光が得られる電流量を示し、駆動電流の供給先として前記複数の発光点の前記一部を示し、前記管理範囲に含まれない複数の強度の各々について、駆動電流の量として前記複数の発光点の全てに分配することによって当該強度の前記第２レーザ光が得られる電流量を示し、駆動電流の供給先として前記複数の発光点の全てを示し、
前記コントローラは、
前記対応情報に従って前記ドライバを制御することにより、前記目標強度に対応する量の駆動電流を、前記目標強度に対応する供給先に供給する、
請求項１〜４の何れか１項に記載の画像投影装置。
前記複数の発光点の各々には、レーザ発振を開始するために必要な動作電流の最小値である個別のしきい値があり、
前記複数の発光点の各々の前記不安定領域は、当該発光点の前記しきい値の周りにあらかじめ定められる電流範囲によって規定される、
請求項１〜５の何れか１項に記載の画像投影装置。
前記コントローラは、前記目標強度が前記管理範囲に含まれる場合、前記ドライバを制御することにより、前記駆動電流を前記複数の発光点のうち前記しきい値が最も小さい１つの発光点に供給する、
請求項６に記載の画像投影装置。
複数の色の各々に対応して前記レーザ光源が設けられ、
前記画像投影装置は、色ごとの前記第２レーザ光を１つの第３レーザ光に結合するビーム結合器をさらに備え、
前記ビーム偏向器は、前記第３レーザ光の進行方向を周期的に変更し、
前記ドライバは、色ごとに可変の駆動電流を、当該色に対応する前記レーザ光源に含まれる前記複数の発光点のなかから選択される１つ以上の発光点に供給し、
前記コントローラは、色ごとに、当該色の前記第２レーザ光の目標強度に対応する量の駆動電流を、当該色に対応する前記複数の発光点の一部に供給するか全てに分配するかを切り替える、
請求項１〜７の何れか１項に記載の画像投影装置。