JP6509601B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示面に画像を投影表示する画像表示装置に関するものである。

従来より、ヘッドアップディスプレイなどの画像表示装置では、Ｒ，Ｇ，Ｂの光の三原色からなるレーザ光源を用い、それぞれの色を混ぜ合わせて多種多様な色を作成し、表示面にカラー画像を投影表示している。

この種の画像表示装置に関連する技術としては、例えば、半導体レーザの位置決めを行うにあたり、半導体レーザとは別に配置された位置決め用発光部が出射する光が別途備えられたフォトディテクタに対して照射される際、その受光位置や大きさに基づいて半導体レーザのずれ量を求めるレーザの位置決め方法が開示されている（特許文献１参照）。

特開２０００−１６４９６５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、フォトディテクタを用いて半導体レーザのずれ量を求める際、適用されるデバイスが車両用などの外光にさらされる用途に用いられる場合、フォトディテクタの検知結果が外乱光によって乱されてしまい、正しく検出できないという虞があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、外乱光の影響を受けることなく、投影画像の位置調整を行うことができる画像表示装置を提供することにある。

本発明に係る画像表示装置は、投影画像を表示するための光を出力する発光部と、前記発光部からの光に応じた投影画像の表示領域外に設けられ、前記投影画像の位置調整用の光を受光する受光部と、前記発光部から出射された光に応じた投影画像を形成する画像形成部と、前記発光部の光出力がオフの状態における前記受光部の第１の受光結果に基づいて前記投影画像の位置調整を行うか否かを判断する位置調整制御部とを有し、前記位置調整制御部は、前記第１の受光結果が示す受光強度が所定基準値以上の場合は前記位置調整を行わないと判断する。

この構成によれば、外乱光がある場合に、発光部の光出力がオフの状態において外乱光が受光部に入射した場合の第１の受光結果に基づいて位置調整を行うか否かを判断するので、外乱光の影響が強い場合に、投影画像の位置調整を行わないようにすることができる。これにより、投影画像が不適切に位置調整されることを回避できる。また、位置調整を行う場合は、発光部がオンの状態において前記画像形成部を制御することが可能になり、外乱光の影響が小さい場合に、投影画像の位置調整を正確に行うことができる。
また、この構成によれば、第１の受光結果が示す受光強度が所定基準値以上の場合は外光の強度が強過ぎると判断し、誤動作を防ぐため、位置調整機能を禁止とする。

好適には本発明の前記位置調整制御部は、前記第１の受光結果が示す受光強度が所定基準値以下の場合は、前記発光部がオンの状態において前記受光部に入射した場合の第２の受光結果から、前記第１の受光結果を差し引いた第３の受光結果を基に前記位置調整を行う。

第１の受光結果が示す受光強度が所定基準値以下の場合は、誤動作の虞はなく、投影画像の位置調整が可能な環境にある。したがって、この場合は、発光部がオンの状態において受光部に入射した場合の第２の受光結果から、第１の受光結果を差し引いた第３の受光結果を基に位置調整を行うことにより、外乱光の影響をキャンセルできる。

好適には本発明の前記位置調整制御部は、一定期間内における前記第３の受光結果の平均値を基に、前記位置調整を行う。この構成によれば、一定期間内における第３の受光結果の平均値を基に位置調整を行うので、誤動作判定の可能性を減らすことができる。

好適には本発明の前記位置調整制御部は、前記発光部がオンの状態における前記受光部の受光結果を基に、前記投影画像を位置調整するための位置設定情報を前記画像形成部に出力し、前記画像形成部は、前記発光部からの出射された光を、前記位置設定情報を基に位相変調する。
この構成によれば、画像形成部における光の位相変調を制御することで、投影画像の位置調整を行うことができる。

好適には本発明の前記受光部は、前記投影画像の表示位置に応じた受光強度を生じるように配置されている。
この構成によれば、受光部の受光強度を基に、簡単な構成で投影画像の位置調整を行うことができる。

好適には本発明の画像表示装置は、前記発光部の光出力をＰＷＭ制御する発光制御部
をさらに有する。
この構成によればＰＷＭ制御により、前記発光部の光出力がオフの状態を所定時間間隔で所持させることでき、位置調整を行うか否かの判断を定期的に行うことができる。

本発明によれば、外乱光の影響を受けることなく、投影画像の位置決めを行うことができる。

本発明の実施形態に係る画像表示装置の機能ブロック図である。 運転者が虚像を視認する原理を説明するための図である。 本実施形態に係る画像表示装置において、受光部の配置を説明するための図である。 本実施形態に係る画像表示装置において、外乱光の影響をキャンセルする機能を説明するための図である。 本実施形態に係る画像表示装置において、色毎の位置ずれを補正する機能を説明するための図である。

以下、図１から図３を参照して、本発明の実施形態に係る画像表示装置について説明する。
図１は本発明の実施形態に係る画像表示装置１の機能ブロック図である。図２は運転者が虚像を視認する原理を説明するための図である。図３は本実施形態に係る画像表示装置において、受光部の配置を説明するための図である。
本実施形態に係る画像表示装置１は、車両（移動体）に搭載されて用いられるヘッドアップディスプレイである。

図１に示すように、画像表示装置１は、例えば、発光部１１、画像形成部１３、フーリエ変換レンズ１５、光拡散部１７、光反射部１９、受光部３１、発光制御部３３、画像メモリ４１、パラメータメモリ４３、パラメータ設定部４５、画像情報生成部４７を有する。

発光部１１は、例えば、半導体に電流を流してレーザ発振させる素子としてのレーザデバイス（ＬＤ）である。半導体レーザは、半導体の構成元素によって発振する周波数、すなわちレーザ光の色が決まる。本実施形態の発光部１１は、例えば、虚像表示のためのＲ（赤）とＧ（緑）の２色のレーザで構成されている。発光部１１は、各レーザからの光を画像形成部１３に照射する。

発光部１１のレーザの光出力は発光制御部３３によって制御される。本実施形態の発光部１１は、発光制御部３３によってパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）制御される。
本実施形態の発光部１１は、ＰＷＭ制御されるので、レーザ光を発光（光出力）するオン状態と、レーザ光を発光しないオフ状態が存在する。本実施形態では、後述するように、発光部１１がオフ状態において投影画像の位置調整動作を行うか否かを判断する。

画像形成部１３は、画像情報生成部４７で生成された表示画像情報に基づいて、発光部１１からのレーザ光を位相変調し、ホログラム回折光をフーリエ変換レンズ１５に照射する。
画像形成部１３は、入力したパラメータを基にＬＣＯＳ上に仮想レンズを形成する機能を有している。画像形成部１３は、投影画像の位置調整情報を制御部３５から入力し、これをパラメータとして用いて投影画像の位置調整を行う。

本実施形態の画像形成部１３は、例えば、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）である。ここで、ＬＣＯＳは、一般的にはシリコンのＣＭＯＳ基板上にマトリクス状にＭＯＳ型トランジスタや画素電極を設け、このＣＭＯＳ基板と対向配置した基板の画素電極対向面に光学的に透明の共通電極を設け、これらの２枚の基板間に封入された液晶層からなる反射型液晶表示素子である。
画像形成部１３は、ＬＣＯＳに代えて透過型ＬＣＤ等を用いてもよい。

フーリエ変換レンズ１５は、画像形成部１３からのホログラム回折光をフーリエ変換して光拡散部１７に結像させる。

光拡散部１７は、フーリエ変換レンズ１５を介して入射したホログラム回折光を光拡散する。本実施形態の光拡散部１７は、例えば、光学用ディフューザである。光学用ディフューザは、光を面全体に均一に拡げ、ホットスポットを低減する。光学用ディフューザは、イメージングアプリケーションにおけるスクリーンやターゲットとして最適である。

光反射部１９は、拡大ミラーからなり、光拡散部１７からの光拡散された光線を拡大・歪補正してウィンドウシールドガラス５１に投影する。ウィンドウシールドガラス５１は車両のフロントガラスとして設けられている。

光反射部１９は、図１及び図２に示すように、光拡散部１７からの光に応じた表示像を拡大および歪補正を行って、ウィンドウシールドガラス５１に向けて投影し、この投影画像を運転者の目の方向に反射させることによって当該投影画像を虚像５７として運転者の前方に結像させて運転者に投影画像を視認させる。

受光部３１は、光拡散部１７の周囲に設けられ、画像情報生成部４７で生成された表示画像情報に含まれるイメージ位置調整用画像情報に応じた位置調整画像が照射される位置に設けられている。
受光部３１は、例えば、光を電気に変換する計測用デバイスとしてのフォトディテクタ（ＰＤ）である。代表的なフォトディテクタとしては、例えば、半導体のｐｎ接合を利用した光起電力型のフォトダイオードが挙げられる。

フォトダイオードは、半導体に光が吸収されて電子−ホール対が発生することを要する。したがって、フォトダイオードの材料は、測定したいレーザ光の波長にあった材料を選択することが重要である。
本実施形態の受光部３１は、図３に示すように、光拡散部（ディフューザ）１７の投影画像の表示領域１７Ａ外に設けられている。本実施形態では、Ｒ（赤）とＧ（緑）のレーザ光のそれぞれの波長に対応する２つの受光部３１Ａ，３１Ｂが光強度のフィードバックループ用（Auto Power Control:APC）、受光部３１Ｃがイメージ位置調整用に設けられている。

発光制御部３３は、受光部３１Ａ，３１Ｂから光強度を入力し、当該光強度が指定された光強度になるように発光部１１の出力をフィードバック制御する。発光制御部３３は、所定の光強度になるように、ＰＷＭ制御により発光部１１の光出力のオン／オフを制御する。当該光強度の指定は、受光部３１の出力信号に基づいて行われる。

位置調整制御部３５は、発光部１１がオンの状態における受光部３１Ｃの受光結果を基に、投影画像を位置調整するための位置設定情報を生成し、これを画像形成部１３に出力する。位置調整制御部３５の処理については後に詳細に説明する。

画像メモリ４１は、表示画像の原画像情報を記憶する。当該原画像情報は、例えばＪＰＥＧである。
パラメータメモリ４３は、原画像情報を輝度等を調整（設定）するためのパラメータデータの初期情報を記憶する。
画像メモリ４１及びパラメータメモリ４３としては、ＲＯＭが挙げられるが、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の他の形式の記憶装置であってもよい。

パラメータ設定部４５は、パラメータメモリ４３から読み出したパラメータ情報を基に設定し、これを画像情報生成部４７に出力する。

画像情報生成部４７は、パラメータ設定部４５から入力したパラメータを基に、画像メモリ４１から読み出した原画像情報の輝度情報等を調整して表示画像情報を生成し、これを画像形成部１３に出力する。

次に、図１から図５を参照して、本実施形態に係る画像表示装置１の動作を説明する。
図３は本実施形態に係る画像表示装置において、受光部の配置を説明するための図である。図４は本実施形態に係る画像表示装置において、外乱光の影響をキャンセルする機能を説明するための図である。図５は本実施形態に係る画像表示装置において、色毎の位置ずれを補正する機能を説明するための図である。

図１に示すように、画像表示装置１では、発光部１１からの光が画像形成部１３に入射する。
また、画像情報生成部４７において、パラメータ設定部４５から入力したパラメータを基に、画像メモリ４１から読み出した原画像情報を調整して表示画像情報が生成される。

そして、画像形成部１３が、画像情報生成部４７で生成された表示画像情報に基づいて、発光部１１からのレーザ光を位相変調し、ホログラム回折光をフーリエ変換レンズ１５に照射する。
そして、光拡散部１７において、ホログラム回折光が拡散され、光反射部１９で指向されてウィンドウシールドガラス５１に照射される。

図２に示すように、光反射部１９からウィンドウシールドガラス５１に投射された光は、ウィンドウシールドガラス５１で反射して運転者（搭乗者）の視点５５に到達する。運転者は、ウィンドウシールドガラス５１の前方の地点において、光反射部１９からの光に応じた画像を拡大した虚像（虚像表示像）５７として視認することができる。
ここで、画像形成部１３の表示面と、光拡散部１７の拡散領域上に形成される画像と、虚像５７とが共役関係にある。

ところで、温度等の要因によって、発光部１１で発光するレーザ光の波長変化や、光路軸を構成している複数の部品が温度係数をもっており、そのために光路軸が変化し像の表示位置に影響を与える。結果として、画像形成部１３の投影画像に位置ずれが生じることがある。よって、図３に示すように、撮像画像の表示領域の外には、位置ずれ調整のための調整イメージ６０が照射されるようになっている。調整イメージ６０は、Ｒ（赤）とＧ（緑）のそれぞれについて調整イメージ６０Ａ，６０Ｂが照射される（図４及び図５参照）。

受光部３１Ｃは、この調整イメージ６０の照射を受光する。
本実施形態の受光部３１は、上述したように、光拡散部（ディフューザ）１７の投影画像の表示領域外に設けられている。本実施形態では、１つの受光部３１ＣがＲ（赤）とＧ（緑）のレーザ光の位置判断を行っている。ＲとＧは時間差を持って照射されておりＲとＧそれぞれの単独ＯＮ期間中が必ず存在する。そのＲＧ単独のＯＮ中にそれぞれの位置ずれ調整を行う。
受光部３１Ｃが調整イメージ６０を受光すると、光の強度を測定することができる。実際には、フォトディテクタ（ＰＤ）の電圧として光の強度を把握する。

受光部３１Ｃが調整イメージ６０の照射を受けて位置ずれ調整を行う際、画像表示装置１が車両等の移動体に搭載される場合には、太陽光等の外乱光の影響を受けて位置ずれ調整に誤動作が生じる虞がある。

位置調整制御部３５は、発光部１１がオフの状態において外乱光が受光部に入射した場合の第１の受光結果に基づいて投影画像の位置調整を行うか否かを判断する。
発光部１１はＰＷＭ制御されており、発光部１１がオフの状態のときには、受光部３１Ｃはレーザ光を受光せず、受光部３１Ｃの出力は０の筈である。しかし、受光部３１Ｃが外乱光を受光すると、その外乱光に見合った出力が発生する（図４（ｂ）参照）。
この外乱光の入力に対しては、ノイズフィルタリング及び平均化処理を行わない。
したがって、発光部１１のオン状態における受光部３１Ｃの出力をも加味すると、図４（ａ）に示すような受光電圧が得られることになる。

位置調整制御部３５は、第１の受光結果が示す受光強度が所定基準値以上の場合は、投影画像の位置調整を行わない。すなわち、第１の受光結果が示す受光強度が所定基準値以上の場合は外光の強度が強過ぎると判断し、誤動作を防ぐため、位置調整機能を禁止とする。
所定基準値としては、図４（ａ）において、受光電圧が急峻変化する部分の中間部、例えば、３００ＬＳＢとする。所定基準値の３００ＬＳＢの値は例示であって、この値に限定されない。

他方、位置調整制御部３５は、第１の受光結果が示す受光強度が所定基準値以下（３００ＬＢＳ以下）の場合は、発光部１１がオンの状態において、受光部３１Ｃの受光結果を基に投影画像の位位置調整情報を生成し、これを画像情報生成部４７に出力する。第１の受光結果が示す受光強度が所定基準値以下の場合は、誤作動の虞はなく、投影画像の位置調整可能なる環境にある。

その際、位置調整制御部３５は、受光部３１Ｃに入射した場合の第２の受光結果（図４（ａ）参照）から、第１の受光結果（図４（ｂ）参照）を差し引いた第３の受光結果（図４（ｃ）参照）を基に位置調整を行うことが好ましい。発光部１１がオンの状態において受光部３１Ｃに入射した場合の第２の受光結果から、第１の受光結果を差し引いた第３の受光結果を基に位置調整を行うことにより、外乱光の影響をキャンセルできる。
調整イメージ６０が受光部３１Ｃに重なる量が多ければ（位置ずれが小さい）、受光部３１Ｃの出力（受光強度）が強く、調整イメージ６０が受光部３１Ｃに重なる量が少なければ（位置ずれが大きい）、受光部３１Ｃの出力（受光強度）が弱い。

位置調整制御部３５は、一定期間内における第３の受光結果（図４（ｃ）参照）を積算し、その平均値に基づいて、投影画像の位置調整を行うか否かの判断を行うことが好ましい。一定期間内における第３の受光結果の平均値をとることにより、誤動作判定の可能性を減らすことができる。

また、Ｒ（赤）とＧ（緑）の位置ずれ補正を行うことにより結果として色毎の位置ずれを補正することもできる（図３参照）。この場合には、図５（ａ）（ｂ）に示すように、位置調整制御部３５は、各色の第２の受光結果に基づいて、発光部１１の各色の投影画像の位置調整情報を生成し、これを画像形成部１２に出力する。画像形成部１２は、各色の位置調整情報を基に投影画像の各色の像の位置調整を行う。

以上説明したように、本実施形態に係る画像表示装置１によれば、発光部１１がオフの状態において外乱光が受光部３１Ｃに入射した場合の第１の受光結果に基づいて投影画像の位置調整を行うか否かを判断するので、外乱光の影響があるか否かを判断することができる。すなわち、画像表示装置１によれば、外乱光が強い場合は、投影画像の位置調整動作を行わないようにできる。

そして、外乱光が小さい場合は、投影画像の位置調整を行う。この場合は、発光部１１がオンの状態において、受光部３１Ｃの受光結果を基に、投影画像の位置調整を高精度に行うことができる。
また、画像表示装置１では、発光部１１がオフの状態において検出した光成分を外光として認識させ、認識結果を発光部１１がオン状態の調整作業にフィードバックすることで、外乱光の影響を受けることなく投影画像の位置調整を可能とする。

また、本実施形態に係る画像表示装置１によれば、第１の受光結果が示す受光強度が所定基準値以上の場合は外光の強度が強過ぎると判断し、投影画像の位置調整を禁止とするので、誤動作を防止することができる。

さらに、本実施形態に係る画像表示装置１によれば、第１の受光結果が示す受光強度が所定基準値以下の場合は、発光部１１の位置調整を行う。その際、発光部がオンの状態において受光部に入射した場合の第２の受光結果から、第１の受光結果を差し引いた第３の受光結果を基に位置調整を行うことにより、外乱光の影響をキャンセルでき、高精度な位置調整が可能になる。

そして、本実施形態に係る画像表示装置１によれば、一定期間内における第３の受光結果の平均値をとることにより、位置調整を行うか否かの判断を行うので、誤動作判定の可能性を減らすことができる。

また、本実施形態に係る画像表示装置１によれば、Ｒ（赤）とＧ（緑）のそれぞれについて受光部３１Ｃを設けることで、各色の像の位置ずれを高精度に調整できる。

本発明は上述した実施形態には限定されない。
すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。

例えば、上記実施形態では、Ｒ（赤）とＧ（緑）のレーザ光のそれぞれの波長に対応する２つの受光部３１Ａ，３１Ｂが設けられているが、ＲとＧ双方のレーザ光の波長を受光することが可能な素子であれば、受光部３１は１つでも構わない。

また、上記実施形態では、投影画像の上下方向の位置ずれを調整するように構成したが、左右方向（幅方向）の位置ずれを調整するように応用することができる。
また、上述した実施形態では、画像形成部１３において位置調整制御部３５から位置調整情報を基に位相変調を制御して投影画像の位置調整を行う場合を例示したが、その他の方法で位置調整を行うようにしてもよい。

本発明は、自動車のヘッドアップディスプレイに適用可能である。

１…画像表示装置
１１…発光部
１３…画像形成部
１７…光拡散部
１９…光反射部
３１…受光部
３３…発光制御部
３５…位置調整制御部
４１…画像メモリ
４３…パラメータメモリ
４５…パラメータ設定部
４７…画像情報生成部

Claims (6)

1. 投影画像を表示するための光を出力する発光部と、
   前記発光部からの光に応じた投影画像の表示領域外に設けられ、前記投影画像の位置調整用の光を受光する受光部と、
   前記発光部から出射された光に応じた投影画像を形成する画像形成部と、
   前記発光部の光出力がオフの状態における前記受光部の第１の受光結果に基づいて前記投影画像の位置調整を行うか否かを判断する位置調整制御部と
   を有し、
   前記位置調整制御部は、前記第１の受光結果が示す受光強度が所定基準値以上の場合は前記位置調整を行わないと判断する
   画像表示装置。
2. 前記位置調整制御部は、前記第１の受光結果が示す受光強度が所定基準値以下の場合は、前記発光部がオンの状態において前記受光部に入射した場合の第２の受光結果から、前記第１の受光結果を差し引いた第３の受光結果を基に前記位置調整を行う
   請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記位置調整制御部は、一定期間内の前記第３の受光結果の平均値を基に、前記位置調整を行う
   請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記位置調整制御部は、前記発光部がオンの状態における前記受光部の受光結果を基に、前記投影画像を位置調整するための位置設定情報を前記画像形成部に出力し、
   前記画像形成部は、前記発光部からの出射された光を、前記位置設定情報を基に位相変調する
   請求項１〜３のいずれかに記載の画像表示装置。
5. 前記受光部は、前記投影画像の表示位置に応じた受光強度を生じるように配置されている
   請求項１〜４のいずれかに記載の画像表示装置。
6. 前記発光部の光出力をＰＷＭ制御する発光制御部
   をさらに有する請求項１〜５のいずれかに記載の画像表示装置。