JP6667068B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示装置に関し、たとえば、乗用車等の移動体に搭載して好適なものである。

近年、ヘッドアップディスプレイと称される画像表示装置の開発が進められ、乗用車等の移動体に搭載されている。乗用車に搭載されるヘッドアップディスプレイでは、画像情報により変調された光がウインドシールド（フロントガラス）に向けて投射され、その反射光が運転者の目に照射される。これにより、運転者は、ウインドシールドの前方に、画像の虚像を見ることができる。たとえば、車速や外気温等が、虚像として表示される。最近では、ナビゲーション画像や、通行人を注意喚起する画像を虚像として表示することも検討されている。

上記ヘッドアップディスプレイでは、虚像を生成するための光源として、半導体レーザ等のレーザ光源が用いられ得る。この構成では、映像信号に応じてレーザ光が変調されつつ、レーザ光がスクリーンを走査する。スクリーンでは、レーザ光が拡散され、運転者の目に照射される光の領域が広げられる。これにより、運転者が多少頭を動かしても、目が照射領域から外れなくなり、運転者は、良好かつ安定的に画像（虚像）を見ることができる。

以下の特許文献１には、スクリーンを光軸方向に移動させて、虚像の結像位置を前後方向に変化させる構成が記載されている。この構成では、モータ、送りネジおよびラックを用いて、スクリーンが駆動される。

特開２００９−１５０９４７号公報

スクリーンの位置を光軸方向に高速で変化させながら、スクリーンに一連の画像を描画することにより、運転者に、奥行き方向に広がる画像を視認させることができる。また、スクリーンを所定の位置で停止させて画像を描画すれば、奥行き方向の所定の位置に立像を認識させることができる。これにより、たとえば、車両の進行方向を示す矢印等の奥行き方向に広がった画像（以下、「奥行き画像」という）を交差点に重ねて表示し、交差点より手前にある傷害物に危険を示す画像を重ねて表示することが可能となる。この場合、奥行き画像と固定距離の立像を１つの画像として運転者に視認させるためには、スクリーンを高速で移動させ、停止させる必要がある。

しかしながら、スクリーンを高速で往復させる場合、スクリーンの移動領域の前後において、停止状態から移動状態に変化する過渡応答、もしくは移動状態から停止状態に変化する過渡応答が急峻となる。そのため、スクリーンの移動領域の前後において、スクリーンの動きを急激に変化させるために大きなスクリーン駆動電流を必要としていた。その結果、スクリーンの移動制御において、その制御の安定性が損なわれるという問題が生じる場合があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、スクリーンを高速で移動させる場合であっても、スクリーンの移動制御を安定して行うことが可能な画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の画像表示装置は、光源と、前記光源からの光が照射されることにより画像が形成されるスクリーンと、前記スクリーンからの光により虚像を生成する光学系と、前記スクリーンを前記光源から照射された光の光軸方向に往復移動させるスクリーン駆動機構部と、前記スクリーンの移動に伴い奥行き画像を表示すると共に、前記スクリーンの位置を固定して鉛直画像を表示する画像処理回路と、前記スクリーンを移動させる際の目標となる移動プロファイルを、前記スクリーンを移動させる際の移動速度の変化が緩やかになるように平滑化し、この平滑化した移動プロファイルに前記スクリーンが追従するようにして生成されたスクリーン駆動波形情報が記憶された記憶部と、前記記憶部に記憶されたスクリーン駆動波形情報に基づいて、前記スクリーン駆動機構部を駆動するスクリーン駆動回路部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、スクリーンを移動させる際の目標となる移動プロファイルを、スクリーンを移動させる際の移動速度の変化が緩やかになるように平滑化し、この平滑化した移動プロファイルにスクリーンが追従するようにして生成されたスクリーン駆動波形情報が記憶された記憶部を備える。そして、この記憶部に記憶されたスクリーン駆動波形情報に基づいて、スクリーン駆動機構部を駆動するので、スクリーンを駆動する駆動電流もしくは駆動電圧を低減できる。その結果、スクリーンの移動制御を安定して行うことが可能となる。特に、スクリーンを移動状態から停止状態に変化させる際、もしくはスクリーンを停止状態から移動状態に変化させる際の安定性を向上できる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

図１（ａ）、（ｂ）は、実施形態に係る画像表示装置の使用形態を模式的に示す図、図１（ｃ）は、実施形態に係る画像表示装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、実施形態に係る画像表示装置の照射光生成部および照射光生成部に用いる回路の構成を示す図である。 図３は、実施形態に係るスクリーン駆動機構部の構成を示す斜視図である。 図４は、可動スクリーンおよび固定スクリーンに対するレーザ光の走査方法を模式的に示す図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態に係る可動スクリーンの移動範囲を模式的に示す図、および、可動スクリーンの駆動例を示すグラフである。 図６は、実施形態に係る画像の表示例を模式的に示す図である。 図７は、本実施の形態における電流波形データを生成するアルゴリズムを説明するためのフローチャートである。 図８（ａ）は、可動スクリーンの移動プロファイルの一例であり、図８（ｂ）は移動プロファイルを単純移動平均により平滑化した移動プロファイルを示す図である。 図９は、実施の形態に係る可動スクリーンの目標位置と、実際の位置と、駆動電流との関係を示す図である。 図１０は、比較例に係る可動スクリーンの目標位置と、実際の位置と、駆動電流との関係を示す図である。 図１１は、実施の形態に係る可動スクリーンの目標位置と、実際の位置と、駆動電圧との関係を示す図である。 図１２は、比較例に係る可動スクリーンの目標位置と、実際の位置と、駆動電圧との関係を示す図である。

請求項１記載の発明は、光源と、光源からの光が照射されることにより画像が形成されるスクリーンと、スクリーンからの光により虚像を生成する光学系と、スクリーンを、光源から照射された光の光軸方向に移動させるスクリーン駆動機構部と、を備える。さらに、スクリーンを移動させる際の目標となる移動プロファイルを、スクリーンを移動させる際の移動速度の変化が緩やかになるように平滑化し、この平滑化した移動プロファイルにスクリーンが追従するようにして生成されたスクリーン駆動波形情報が記憶された記憶部と、その記憶部に記憶されたスクリーン駆動波形情報に基づいて、スクリーン駆動機構部を駆動するスクリーン駆動回路部と、を備えたことを特徴とする。これにより、スクリーンを移動させる際の目標となる移動プロファイルを、スクリーンを移動させる際の移動速度の変化が緩やかになるように平滑化し、この平滑化した移動プロファイルにスクリーンが追従するようにして生成されたスクリーン駆動波形情報が記憶された記憶部を備え、この記憶部に記憶されたスクリーン駆動波形情報に基づいて、スクリーン駆動機構部を駆動するので、スクリーンを駆動する駆動電圧を低減できる。その結果、スクリーンの移動制御を安定して行うことが可能となる。特に、スクリーンを移動状態から停止状態に変化させる際、もしくはスクリーンを停止状態から移動状態に変化させる際の安定性を向上できる。

請求項２記載の発明は、記憶部が、移動プロファイルを、単純移動平均法もしくは荷重移動平均法を用いて平滑化し、この平滑化した移動プロファイルにスクリーンが追従するようにして生成されたスクリーン駆動波形情報を記憶していることを特徴とする。これにより、単純移動平均法もしくは荷重移動平均法を用いて平滑化するので、移動プロファイルの生成を容易にすることができる。

請求項３記載の発明は、スクリーン駆動波形情報が、スクリーンを駆動するためのスクリーン駆動電流波形情報であることを特徴とする。これにより、スクリーン駆動機構部を駆動するスクリーン駆動回路部の制御を容易にすることができる。

請求項４記載の発明は、スクリーン駆動波形情報が、スクリーンを駆動するためのスクリーン駆動電圧波形情報であることを特徴とする。これにより、スクリーン駆動機構部を駆動するスクリーン駆動回路部の制御を容易にすることができる。

請求項５記載の発明は、スクリーン駆動機構部が、スクリーンを移動可能に保持するホルダ部と、ホルダ部に支持された磁気コイル部と、ホルダ部を移動可能に保持するサスペンション部と、を備えたことを特徴とする。これにより、スクリーン駆動機構部の構成を最小構成として、スクリーン駆動回路部の制御を容易にすることができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。便宜上、各図には、適宜、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。本実施の形態は、車載用のヘッドアップディスプレイに本発明を適用したものである。

図１（ａ）、（ｂ）は、画像表示装置２０の使用形態を模式的に示す図である。図１（ａ）は、乗用車１の側方から乗用車１の内部を透視した模式図、図１（ｂ）は、乗用車１の内部から走行方向前方を見た図である。

図１（ａ）に示すように、画像表示装置２０は、乗用車１のダッシュボード１１の内部に設置される。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、画像表示装置２０は、映像信号により変調されたレーザ光を、ウインドシールド１２下側の運転席寄りの投射領域１３に投射する。レーザ光は、投射領域１３で反射され、運転者２の目の位置周辺の横長の領域（アイボックス領域）に照射される。これにより、運転者２の前方の視界に、虚像として所定の画像３０が表示される。運転者２は、ウインドシールド１２の前方の景色上に、虚像である画像３０を重ね合わせて見ることができる。すなわち、画像表示装置２０は、虚像である画像３０をウインドシールド１２の投射領域１３の前方の空間に結像させる。

図１（ｃ）は、画像表示装置２０の構成を模式的に示す図である。

画像表示装置２０は、照射光生成部２１とミラー２２とを備える。照射光生成部２１は、映像信号により変調されたレーザ光を出射する。ミラー２２は曲面状の反射面を有し、照射光生成部２１から出射されたレーザ光をウインドシールド１２に向けて反射する。ウインドシールド１２で反射されたレーザ光は、運転者２の目２ａに照射される。照射光生成部２１の光学系とミラー２２は、ウインドシールド１２の前方に虚像による画像３０が所定の大きさで表示されるように設計されている。

図２は、画像表示装置２０の照射光生成部２１の構成および照射光生成部２１に用いる回路の構成を示す図である。

照射光生成部２１は、光源１０１と、コリメータレンズ１０２ａ〜１０２ｃと、ミラー１０３と、ダイクロイックミラー１０４、１０５と、走査部１０６と、補正レンズ１０７と、可動スクリーン３０１と、固定スクリーン３０２と、スクリーン駆動機構３００とを備える。

光源１０１は、３つのレーザ光源１０１ａ、レーザ光源１０１ｂ、レーザ光源１０１ｃを備える。レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃは、それぞれ、青色波長帯、緑色波長帯および赤色波長帯のレーザ光を出射する。本実施形態では、画像３０としてカラー画像を表示するために、光源１０１が３つのレーザ光源１０１ａ〜１０１ｃを備えている。画像３０として単色の画像を表示する場合、光源１０１は、画像の色に対応する１つのレーザ光源のみを備えていてもよい。レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃは、たとえば、半導体レーザからなっている。

レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃから出射されたレーザ光は、それぞれ、コリメータレンズ１０２ａ、コリメータレンズ１０２ｂ、コリメータレンズ１０２ｃによって略平行光に変換される。このとき、レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃから出射されたレーザ光は、それぞれ、図示しないアパーチャによって、円形を含む所定の縦横比の楕円形状のビーム形状に整形される。なお、コリメータレンズ１０２ａ〜１０２ｃに代えて、レーザ光を円形のビーム形状に整形し且つ平行光化する整形レンズを用いてもよい。この場合、アパーチャは省略され得る。

その後、レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃから出射された各色のレーザ光は、ミラー１０３と２つのダイクロイックミラー１０４、ダイクロイックミラー１０５によって光軸が整合される。ミラー１０３は、コリメータレンズ１０２ａを透過した赤色レーザ光を略全反射する。ダイクロイックミラー１０４は、コリメータレンズ１０２ｂを透過した青色レーザ光を反射し、ミラー１０３で反射された青色レーザ光を透過する。ダイクロイックミラー１０５は、コリメータレンズ１０２ｃを透過した赤色レーザ光を反射し、ダイクロイックミラー１０４を経由した青色レーザ光および緑色レーザ光を透過する。ミラー１０３と２つのダイクロイックミラー１０４〜１０５は、レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃから出射された各色のレーザ光の光軸を整合させるように配置されている。

走査部１０６は、ダイクロイックミラー１０５を経由した各色のレーザ光を反射する。走査部１０６は、たとえば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーからなっており、ダイクロイックミラー１０５を経由した各色のレーザ光が入射されるミラー１０６ａを、駆動信号に応じて、Ｙ軸に平行な軸とＸ軸に平行な軸の周りに回転させる構成を備える。このようにミラー１０６ａを回転させることにより、レーザ光の反射方向が、Ｘ−Ｚ平面の面内方向およびＹ−Ｚ平面の面内方向において変化する。これにより、後述のように、各色のレーザ光によって可動スクリーン３０１が走査される。

なお、ここでは、走査部１０６が、２軸駆動方式のＭＥＭＳミラーにより構成されたが、走査部１０６は、他の構成であってもよい。たとえば、Ｙ軸に平行な軸の周りに回転駆動されるミラーと、Ｘ軸に平行な軸の周りに回転駆動されるミラーとを組み合わせて走査部１０６が構成されてもよい。

補正レンズ１０７は、走査部１０６によるレーザ光の振り角に拘わらず、各色のレーザ光をＺ軸正方向に向かわせるように設計されている。可動スクリーン３０１および固定スクリーン３０２は、それぞれ、レーザ光が走査されることにより画像が形成され、入射したレーザ光を運転者２の目２ａの位置周辺の領域（アイボックス領域）に拡散させる作用を有する。

スクリーン駆動機構３００は、可動スクリーン３０１をレーザ光の進行方向に平行な方向（Ｚ軸方向）に往復移動させる。固定スクリーン３０２は、スクリーン駆動機構３００によって移動されない。固定スクリーン３０２は、スクリーン駆動機構３００上の所定の位置に固定される。

画像処理回路２０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の演算処理ユニットやメモリを備え、入力された映像信号を処理してレーザ駆動回路２０２、ミラー駆動回路２０３およびスクリーン駆動回路２０４を制御する。レーザ駆動回路２０２は、画像処理回路２０１からの制御信号に応じて、レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃの出射強度を変化させる。ミラー駆動回路２０３は、画像処理回路２０１からの制御信号に応じて、走査部１０６のミラー１０６ａを駆動する。スクリーン駆動回路２０４は、画像処理回路２０１からの制御信号に応じて、可動スクリーン３０１を駆動する。

メモリ２０５は、可動スクリーン３０１を移動させる際の目標となる移動プロファイルを実現するために駆動電流プロファイルを記憶する。記憶された駆動電流プロファイルは、個々のスクリーン駆動機構３００の駆動特性が考慮されたものであり、画像表示装置２０の製造段階で取得された情報に基づき生成されている。また、メモリ２０５に記憶する駆動電流プロファイルは、歩行者Ｈ１および道路Ｒ１の位置に応じて、奥行き画像Ｍ１および鉛直画像Ｍ２の位置を選択できるように複数準備される。そして、これら複数の駆動電流プロファイルから、歩行者Ｈ１および道路Ｒ１の位置に応じて、１つの駆動電流プロファイルが選択される。スクリーン駆動回路２０４は、この選択された駆動電流プロファイルに基づき、スクリーン駆動機構３００を駆動する。

図３は、スクリーン駆動機構３００の構成を示す斜視図である。なお、以下では、ＸＹＺ軸により方向を規定する他、便宜上、平面視において、スクリーン駆動機構３００の中心に近い方を内側とし、スクリーン駆動機構３００の中心から離れた方を外側として構成の説明を行う。

スクリーン駆動機構３００は、ホルダ３０３と、カバー３０４と、２つのサスペンション３０５と、支持部材３０６と、ベース３０７と、ワッシャー３０８と、ネジ３０９と、磁気回路３１０とを備えている。可動スクリーン３０１は、ホルダ３０３に保持され、固定スクリーン３０２は、カバー３０４に保持されている。カバー３０４には、開口３０４ａが形成され、この開口３０４ａから可動スクリーン３０１が露出している。固定スクリーン３０２は、開口３０４ａのＹ軸正側の部分に設置されている。

ホルダ３０３は、サスペンション３０５によって、Ｚ軸方向に移動可能に支持されている。支持部材３０６がベース３０７に設置され、この支持部材３０６に、サスペンション３０５がワッシャー３０８とネジ３０９により固定されている。さらに、ベース３０７には磁気回路３１０が設置されている。ホルダ３０３に保持された磁気コイル（図示せず）に磁気回路３１０から磁界が印加される。コイルに電流を流すことにより、ホルダ３０３がＺ軸方向に駆動される。

また、スクリーン駆動機構３００は、ごく一般的なムービングコイル型の磁気駆動構造を採用している。図示されない磁気コイルおよびマグネットにより、磁気回路３１０が構成される。そして、ホルダ３０３と、このホルダ３０３に固定された磁気コイルと、同じくホルダ３０３に固定された可動スクリーン３０１等により可動部が構成され、この可動部はサスペンション３０５によって、Ｚ軸方向に移動可能に支持されている。これにより、スクリーン駆動機構部の構成を最小構成として、スクリーン駆動回路２０４の制御を容易にすることができる。

図４は、可動スクリーン３０１および固定スクリーン３０２に対するレーザ光の走査方法を模式的に示す図である。

可動スクリーン３０１は、各色のレーザ光が重ねられたビームＢ１によって、Ｘ軸正方向に走査される。可動スクリーン３０１に対して、予め、ビームＢ１が通る走査ラインＬ１１〜Ｌ１ｎが、Ｙ軸方向に一定間隔で設定されている。走査ラインＬ１１〜Ｌ１ｎの開始位置と終了位置は、Ｘ軸方向において一致している。したがって、走査ラインＬ１１〜Ｌ１ｎを囲む領域は長方形である。

こうして、可動スクリーン３０１が走査された後、可動スクリーン３０１のＹ軸負側に配置された固定スクリーン３０２がビームＢ１によってＸ軸正方向に走査される。固定スクリーン３０２にも、予め、ビームＢ１が通る走査ラインＬ２１〜Ｌ２ｍが、Ｙ軸方向に一定間隔で設定されている。走査ラインＬ２１〜Ｌ２ｍの開始位置と終了位置は、Ｘ軸方向において一致している。したがって、走査ラインＬ２１〜Ｌ２ｍを囲む領域は長方形である。

映像信号により各色のレーザ光が変調されたビームＢ１により走査ラインＬ１１〜Ｌ１ｎと走査ラインＬ２１〜Ｌ２ｍが高周波で走査されることにより、画像が構成される。こうして構成された画像が、可動スクリーン３０１および固定スクリーン３０２と、ミラー２２およびウインドシールド１２（図１（ｃ）参照）を介して、運転者２の目２ａの位置周辺の領域（アイボックス）に投射される。これにより、運転者２は、ウインドシールド１２の前方の空間に、虚像として画像３０を視認する。

図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、可動スクリーン３０１の移動範囲Ｄ１を模式的に示す図、および、可動スクリーン３０１の駆動例を示すグラフである。

図５（ａ）に示すように、本実施形態では、固定スクリーン３０２が可動スクリーン３０１に対してＺ軸正側およびＹ軸正側に変位した位置に固定されている。すなわち、固定スクリーン３０２は、可動スクリーン３０１よりも、光源１０１から光学的に離れた位置に配置され、可動スクリーン３０１の短辺に平行な方向に、可動スクリーン３０１から離れた位置に配置されている。

ここで、虚像として生成される画像３０は、可動スクリーン３０１がＺ軸負側（光源１０１側）にあるほど運転者の視点（目２ａの位置）から遠い位置に生成される。固定スクリーン３０２は可動スクリーン３０１よりもＺ軸正側にあるため、固定スクリーン３０２による画像は、可動スクリーン３０１による画像よりも、運転者の視点に近い位置に生成される。また、固定スクリーン３０２は、移動されないため、固定スクリーン３０２による画像は、常に、運転者の視点から一定の距離の位置に生成される。

図６は、可動スクリーン３０１と固定スクリーン３０２によって生成された画像の表示例を模式的に示す図である。

図６の表示例において、奥行き画像Ｍ１は、ナビゲーション機能により乗用車１が道路Ｒ１を曲がるべき方向を運転者２に示唆するための矢印であり、鉛直画像Ｍ２は、歩行者Ｈ１が居ることを運転者２に注意喚起するためのマーキングである。たとえば、奥行き画像Ｍ１と鉛直画像Ｍ２は、互いに異なる色で表示される。

可動スクリーン３０１と固定スクリーン３０２によって生成された画像が表示される領域Ｓ０は、上側の領域Ｓ１と下側の領域Ｓ２に区分される。上側の領域Ｓ１には、可動スクリーン３０１によって生成された画像が表示され、下側の領域Ｓ２には、固定スクリーン３０２によって生成された画像が表示される。

図６に示すように、領域Ｓ１には、奥行き画像Ｍ１や鉛直画像Ｍ２等、運転に応じて動的に変化する画像が表示される。領域Ｓ２には、車速や外気温等の静的な画像が表示される。上記のように、領域Ｓ２には、固定スクリーン３０２によって生成された画像が表示され、この画像は、運転者の視点（目の位置）からの距離が短い位置（たとえば、２ｍ程度の位置）に表示される。この距離は、通常の運転において運転者が眺める距離（たとえば、数１０ｍ〜１００ｍ程度）よりもかなり短い。よって、領域Ｓ２に表示された静的な画像は、通常の運転動作に支障を及ぼしにくい。また、この画像は、領域Ｓ０に下部に配置されており、運転者の視界に掛かりにくい。よって、領域Ｓ２に表示された静的な画像は、より一層、通常の運転動作に支障を及ぼしにくい。

図５（ｂ）は、図６に示すような動的な画像を領域Ｓ１に表示する際の可動スクリーン３０１の駆動例を示している。

可動スクリーン３０１は、時刻ｔ０〜ｔ４を１サイクルとして移動が繰り返される。時刻ｔ０〜ｔ１の間に、可動スクリーン３０１は、初期位置Ｐｓ０から最遠位置Ｐｓ１へと移動され、時刻ｔ１〜ｔ４の間に、可動スクリーン３０１は、最遠位置Ｐｓ１から初期位置Ｐｓ０へと戻される。可動スクリーン３０１の移動周期、すなわち、時刻ｔ０〜ｔ４の時間は、たとえば、１／６０秒（６０Ｈｚ）である。可動スクリーン３０１は予めメモリ２０５に記録された駆動電流プロファイルに応じた電流を上述のコイル３１５に印加することにより、図５（ｂ）に示すように移動される。

時刻ｔ０〜ｔ１は、図６において、奥行き方向に広がる奥行き画像Ｍ１を表示するための期間であり、時刻ｔ１〜ｔ４は、図６において、鉛直方向に広がる鉛直画像Ｍ２を表示するための期間である。

時刻ｔ０〜ｔ１において、可動スクリーン３０１は、初期位置Ｐｓ０から最遠位置Ｐｓ１まで略線形に移動される。可動スクリーン３０１が移動すると、これに伴い、ウインドシールド１２前方の虚像が結像する位置が前方に移動する。したがって、奥行き画像Ｍ１の奥行き方向の各位置に可動スクリーン３０１が在るときに、奥行き画像Ｍ１に対応する走査ライン上の、奥行き画像Ｍ１に対応するタイミングにおいて、レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃを発光させることにより、図６に示すような奥行き画像Ｍ１を領域Ｓ１に虚像として表示させることができる。

一方、鉛直画像Ｍ２は、奥行き方向には変化せず、鉛直方向のみに広がっているため、可動スクリーン３０１を、鉛直画像Ｍ２に対応する位置に固定して、虚像の生成を行う必要がある。図５（ｂ）の停止位置Ｐｓ２は、鉛直画像Ｍ２の奥行き位置に対応する可動スクリーン３０１の位置である。可動スクリーン３０１は、最遠位置Ｐｓ１から初期位置Ｐｓ０に戻る間に、停止位置Ｐｓ２において、時刻ｔ２〜ｔ３の間、停止される。この間に、鉛直画像Ｍ２に対応する走査ライン上の、鉛直画像Ｍ２に対応するタイミングにおいて、レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃを発光させることにより、ウインドシールド１２の投射領域１３の前方に、図６に示すような鉛直画像Ｍ２を虚像として表示させることができる。

以上の制御は、図２に示す画像処理回路２０１によって行われる。この制御により、時刻ｔ０〜ｔ４の間に、奥行き画像Ｍ１と鉛直画像Ｍ２が領域Ｓ１に虚像として表示される。上記の制御では、奥行き画像Ｍ１の表示タイミングと鉛直画像Ｍ２の表示タイミングにずれが生じるが、このずれは極めて短時間であるため、運転者２は、奥行き画像Ｍ１と鉛直画像Ｍ２を重ねた画像を認識する。こうして、運転者２は、映像信号に基づく画像（奥行き画像Ｍ１、鉛直画像Ｍ２）を、道路Ｒ１および歩行者Ｈ１を含む風景に重ねて見ることができる。

なお、図６の例では、鉛直画像Ｍ２が１つであったため、図５（ｂ）の工程において、可動スクリーン３０１の停止位置Ｐｓ２が１つに設定されたが、鉛直画像Ｍ２が複数あれば、それに応じて、図５（ｂ）の工程において、停止位置が複数設定される。ただし、図５（ｂ）の工程において、時刻ｔ０〜ｔ４の時間は一定であり、時刻ｔ４は不変であるため、停止位置の数の増減に応じて、停止位置前後の可動スクリーン３０１の移動速度（図５（ｂ）の波形の傾き）が変更されることになる。

図６に示すような奥行き画像Ｍ１と鉛直画像Ｍ２を表示する場合、可動スクリーン３０１を６０Ｈｚ程度で高速に移動させる必要がある。本実施形態の構成では、固定スクリーン３０２を設けることにより、可動スクリーン３０１の移動範囲Ｄ１を大幅に短くすることができる。

ここで、図３に示したスクリーン駆動機構３００が可動スクリーン３０１を駆動するときの運動方程式を次式に示す。

Ｆ＝ｍａ＋ｃｖ＋ｋｘ＝Ｋｔ・Ｉ
上記の式において、Ｆ：可動部を駆動するために必要な推力（Ｎ）、すなわち可動スクリーン３０１，可動スクリーン３０１を保持するホルダ３０３，およびホルダ３０３に保持された磁気コイルを駆動するために必要な推力（Ｎ）、ｍ：可動部（可動スクリーン３０１，可動スクリーン３０１を保持するホルダ３０３，およびホルダ３０３に保持された磁気コイル（図示せず）を示し、以下単に可動部と記す）の質量（ｋｇ）、ａ：可動部の加速度（ｍ／ｓ^２）、ｃ：可動部の粘性係数（Ｎｓ／ｍ）、ｖ：可動部の速度（ｍ／ｓ）、ｋ：サスペンション３０５のばね定数（Ｎ／ｍ）、ｘ：可動部の変位量（ｍ）、Ｋｔ：スクリーン駆動機構３００の推力定数（Ｎ／Ａ）、Ｉ：スクリーン駆動機構３００の駆動電流（Ａ）である。

本実施の形態では、可動スクリーン３０１を駆動するための駆動波形データを、以下の［１］〜［８］のアルゴリズムによって生成する。なお、理解を助けるため、図７のフローチャートを併用して説明する。

［１］
可動スクリーン３０１を駆動する際の移動目標とする移動プロファイルを実現するために駆動電流プロファイルを用意する。例えば、本実施の形態における移動プロファイルは図８に示すような波形である。同図に示すように、可動スクリーンの可動範囲（位置）が約＋１．２ｍｍ〜約−１．２ｍｍになっている。これは、可動スクリーン３０１が、図５（ａ）のＺ軸正側に１．２ｍｍ移動した位置から、Ｚ軸負側へ１．２ｍｍ移動した位置の間で駆動されることを示す。また、０．０ｍｍの位置は、可動スクリーン３０１が駆動されていないときの中立位置である。

すなわち、可動スクリーン３０１は、図８に示す移動プロファイルでは中立位置（位置０．０ｍｍ）を中心に約±１．２ｍｍの範囲で移動される。これは、可動スクリーン３０１を中立位置からＺ軸負側（あるいはＺ軸正側）へのみ移動させる仕様にした場合、可動スクリーン３０１を一方向にのみ大きな距離を移動させなければならず、機械的に大きな負担を与えることになるため、これを避ける目的で上記の如き可動範囲としている。

そして、図８（ａ）に示した移動プロファイルを、さらに単純移動平均法により平滑化する。平滑化された移動プロファイルは、図８（ｂ）に示す如きプロファイルとなる。なお、平滑化する手法は、単純移動平均法以外にも、加重移動平均法などの手法を用いてもよい。

このように、可動スクリーン３０１を移動させる際の目標となる移動プロファイルを、可動スクリーン３０１を移動させる際の移動速度の変化が緩やかになるように、平滑化することで、可動スクリーン３０１の移動制御を安定して行うことが可能となる。例えば、図８（ｂ）の領域Ａに示すような移動プロファイルに変更することで、特に可動スクリーン３０１を移動状態から停止状態に変化させる際、もしくは可動スクリーン３０１を停止状態から移動状態に変化させる際の安定性を向上できる。

そして、移動プロファイルを平滑化する際に、単純移動平均法もしくは荷重移動平均法を用いて平滑化することで、移動プロファイルの生成を容易にすることができる。

［２］
まず、可動スクリーン３０１を駆動する際の移動目標とする移動プロファイルを準備した後、時刻（ｔ）における可動スクリーン３０１の現在位置［Ｘ（ｔ）］と、移動プロファイルにおける目標位置［Ｘｔ（ｔ）］を利用して、スクリーン駆動機構３００の駆動電流［Ｉ（ｔ）］を計算する。その後、時刻（ｔ）におけるスクリーン駆動機構３００の駆動電流［Ｉ（ｔ）］＝［Ｇ（Ｘｔ（ｔ）−Ｘ（ｔ））］を計算する（Ｓ１０１）。

［３］
次に、上記［２］で算出したスクリーン駆動機構３００の駆動電流［Ｉ（ｔ）］を利用して、時刻（ｔ）におけるスクリーン駆動機構３００の磁気回路が発生する推力［Ｆ（ｔ）］＝［Ｋｔ・Ｉ（ｔ）］を計算する（Ｓ１０２）。すなわち、可動部（可動スクリーン３０１，可動スクリーン３０１を保持するホルダ３０３，およびホルダ３０３に保持された磁気コイルを示し、以下単に可動部と記す）を駆動する場合の運動方程式を計算する。ここで、Ｋｔはスクリーン駆動機構３００の推力定数を示し、１Ａ当たりに発生することができる力を算出して決定する。

［４］
上記［３］で算出したスクリーン駆動機構３００の磁気回路が発生する推力［Ｆ（ｔ）］を利用して、可動部の加速に寄与するスクリーン駆動機構３００の駆動力［Ｄ（ｔ）］＝［Ｆ（ｔ）−ｃ・Ｖ（ｔ）−ｋ・Ｘ（ｔ）］を計算する（Ｓ１０３）。ここで、ｃは可動部の粘性係数を示し、実験的に求められる。一例として、横軸を周波数、縦軸をゲインとする周波数応答特性図における共振点のＱ値の大きさから粘性係数を決定する方法がある。Ｖ（ｔ）は時刻（ｔ）における可動部の速度を示し、Ｖ（０）として０を用いることが多い。ｋは可動部を弾性的に支持するサスペンション３０５のばね定数を示し、実験的に求める。一例として、可動部分に荷重をかけたときの可動部分の変位からばね定数を求める方法がある。なお、Ｘ（ｔ）は、時刻（ｔ）における可動スクリーン３０１の現在位置である。

［５］
上記［４］で算出した可動部の加速に寄与するスクリーン駆動機構３００の駆動力［Ｄ（ｔ）］を利用して、時刻（ｔ）における可動部の加速度［Ａ（ｔ）］＝［Ｄ（ｔ）／ｍ］を計算する（Ｓ１０４）。ここで、ｍは可動部の質量を示す。

［６］
上記［５］で算出した時刻（ｔ）における可動部の加速度［Ａ（ｔ）］を利用して、単位時間経過後の可動部の速度［Ｖ（ｔ＋ｄｔ）］＝［Ｖ（ｔ）＋Ａ（ｔ）・ｄｔ］を計算する（Ｓ１０５）。ここで、ｄｔは単位時間を示す。なお、Ｖ（ｔ）は時刻（ｔ）における可動部の速度を示す。

［７］
次に、単位時間経過後の可動部の位置［Ｘ（ｔ＋ｄｔ）］＝［Ｘ（ｔ）＋Ｖ（ｔ）・ｄｔ］を計算する（Ｓ１０６）。なお、ｄｔは単位時間を示し、Ｘ（ｔ）は可動スクリーン３０１の現在位置を示し、Ｖ（ｔ）は時刻（ｔ）における可動部の速度を示す。

［８］
次に、単位時間経過後の可動部の速度［Ｖ（ｔ＋ｄｔ）］および単位時間経過後の可動部の位置［Ｘ（ｔ＋ｄｔ）］を連続的に求めるために、現在時刻（ｔ）に単位時間（ｄｔ）を加算する（Ｓ１０７）。本実施の形態では、単位時間［（ｄｔ）］を１μｓｅｃとした。

そして、可動スクリーン３０１を駆動する一周期分、すなわち図５（ｂ）に示す時刻ｔ０から時刻ｔ４までの期間を一周期として上記［２］〜［８］の計算を繰り返す（Ｓ１０８）。これにより、各時刻（ｔ）における可動部の駆動電流Ｉ（ｔ）、各時刻（ｔ）における可動部の加速度Ａ（ｔ）、各時刻（ｔ）における可動部の速度Ｖ（ｔ）、各時刻（ｔ）における可動部の位置Ｘ（ｔ）が求められる。なお、本実施の形態では、可動スクリーン３０１は６０Ｈｚで駆動されるため、その駆動の一周期は約１６．６ｍｓｅｃとなる。

以上のように、上記アルゴリズム［２］〜［８］を繰り返すことにより、スクリーン駆動機構３００の運動特性に基づいて生成される制御対象の数式モデルを算出し、目標とする移動プロファイルに可動スクリーン３０１を追従させる場合のスクリーン駆動電流波形情報、すなわち可動スクリーン３０１を駆動するためのスクリーン駆動波形情報が計算される。そして、このスクリーン駆動波形情報を、製造段階で予めメモリ２０５に格納しておく。その後、画像表示装置２０を使用する際に、メモリ２０５からスクリーン駆動波形情報を読み出して可動スクリーン３０１を駆動する。このように、スクリーン駆動波形情報が、スクリーンを駆動するためのスクリーン駆動電流波形情報であることにより、スクリーン駆動機構３００を駆動するスクリーン駆動回路２０４の制御を容易にすることができる。

また、このときに、スクリーン駆動機構３００が、可動スクリーン３０１を移動可能に保持するホルダ３０３と、そのホルダ３０３に支持された磁気コイル（図示せず）と、ホルダ３０３を移動可能に保持するサスペンション３０５と、を備えることで、スクリーン駆動機構３００の構成を最小構成として、スクリーン駆動回路２０４の制御をさらに容易にすることができる。

図９は、上記のようにして計算されたスクリーン駆動電流波形情報を用いて、可動スクリーン３０１を駆動した場合の状態を示した図である。すなわち、可動スクリーン３０１を移動させる際の目標となる移動プロファイルを、可動スクリーン３０１を移動させる際の移動速度の変化が緩やかになるように平滑化して可動スクリーン３０１を駆動した場合の状態を示した図である。また、比較例として、可動スクリーン３０１を移動させる際の目標となる移動プロファイルを平滑化せずに可動スクリーン３０１を駆動した場合の状態を図１０に示す。図９、図１０において、実線は電流波形を示し、一点差線は可動スクリーン３０１の目標位置であり、さらに破線は可動スクリーンの実際の位置を示している。図９に示すように、可動スクリーン３０１を駆動する駆動電流が低減できることが分かる。特に、図９の領域Ｂに示すように、可動スクリーン３０１を移動状態から停止状態に変化させる際、もしくは可動スクリーン３０１を停止状態から移動状態に変化させる際の駆動電流の低減に効果的である。

なお、電流波形の代わりに電圧波形によって可動スクリーン３０１を駆動する回路を採用した場合のスクリーン駆動電圧波形情報は次式で求めることが出来る。

Ｅ（ｔ）=Ｌ・ｄＩ（ｔ）／ｄｔ＋Ｒ・Ｉ（ｔ）＋Ｋｔ・Ｖ（ｔ）
上式において、Ｌ：コイルのインダクタンス（Ｈ）、ｄＩ（ｔ）は電流増分（Ａ）、ｄｔは単位時間（ｓ）、Ｒ：スクリーン駆動機構３００のコイル抵抗（Ω）、Ｉ（ｔ）はスクリーン駆動機構３００に通電する電流（Ａ）、Ｋｔ：スクリーン駆動機構３００の推力定数（Ｎ／Ａ）、Ｖ（ｔ）：スクリーン駆動機構３００の速度（ｍ／ｓ）である。

こうして求めたスクリーン駆動電圧波形情報、すなわち可動スクリーン３０１を駆動するためのスクリーン駆動波形情報を、スクリーン駆動電流波形情報のときと同様に製造段階で予めメモリ２０５に格納しておき、画像表示装置２０を使用する際に、メモリ２０５からスクリーン駆動波形情報を読み出して可動スクリーン３０１を駆動すればよい。このように、スクリーン駆動波形情報が、スクリーンを駆動するためのスクリーン駆動電圧波形情報であることにより、スクリーン駆動機構３００を駆動するスクリーン駆動回路２０４の制御を容易にすることができる。

図１１は、上記のアルゴリズムで求めたスクリーン駆動電圧波形情報を用いて、可動スクリーン３０１を駆動する際の状態を示した図である。すなわち、可動スクリーン３０１を移動させる際の目標となる移動プロファイルを、可動スクリーン３０１を移動させる際の移動速度の変化が緩やかになるように平滑化して可動スクリーン３０１を駆動した場合の状態を示した図である。また、比較例として、可動スクリーン３０１を移動させる際の目標となる移動プロファイルを平滑化せずに可動スクリーン３０１を駆動した場合の状態を図１２に示す。図１１、図１２において、実線は電圧波形を示し、一点差線は可動スクリーン３０１の目標位置であり、さらに破線は可動スクリーンの実際の位置を示している。図１１に示すように、可動スクリーン３０１を駆動する駆動電圧が低減できることが分かる。特に、図１１の領域Ｃに示すように、可動スクリーン３０１を移動状態から停止状態に変化させる際、もしくは可動スクリーン３０１を停止状態から移動状態に変化させる際に効果的である。

これまで、可動スクリーン３０１を高速で往復させる場合、可動スクリーン３０１の移動領域の前後において、停止状態から移動状態に変化する過渡応答、もしくは移動状態から停止状態に変化する過渡応答が急峻となっていた。そのため、可動スクリーン３０１の移動領域の両端部において、可動スクリーン３０１の動きを急激に変化させるために大きな駆動電流を必要としていた。その結果、スクリーンの移動制御において、その制御の安定性が損なわれるという問題が生じていた。

これに対し、本実施の形態では、可動スクリーン３０１を移動させる際の目標となる移動プロファイルを、可動スクリーン３０１を移動させる際の移動速度の変化が緩やかになるように平滑化し、この平滑化した移動プロファイルに可動スクリーン３０１が追従するようにして生成されたスクリーン駆動波形情報が記憶されたメモリ２０５を備える。そして、このメモリ２０５に記憶されたスクリーン駆動波形情報に基づいて、スクリーン駆動機構３００を駆動するので、可動スクリーン３０１を駆動する駆動電流もしくは駆動電圧を低減できる。その結果、可動スクリーン３０１の移動制御を安定して行うことが可能となる。特に、可動スクリーン３０１を移動状態から停止状態に変化させる際、もしくはスクリーンを停止状態から移動状態に変化させる際の安定性を向上できる。

本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

本発明は、スクリーンを高速で移動させる場合であっても、スクリーンの移動制御を安定して行うことができるので、乗用車等の移動体に搭載される画像表示装置などに適応可能である。

１ 乗用車
２ 運転者
２ａ 目
１１ ダッシュボード
１２ ウインドシールド
１３ 投射領域
２０ 画像表示装置
２１ 照射光生成部
２２ ミラー
３０ 画像
１０１ 光源
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ レーザ光源
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ コリメータレンズ
１０３ ミラー
１０４、１０５ ダイクロイックミラー
１０６ 走査部
１０６ａ ミラー
１０７ 補正レンズ
２０１ 画像処理回路
２０２ レーザ駆動回路
２０３ ミラー駆動回路
２０４ スクリーン駆動回路
２０５ メモリ
３００ スクリーン駆動機構
３０１ 可動スクリーン
３０２ 固定スクリーン
３０４ カバー
３０４ａ 開口
３０５ サスペンション
３０６ 支持部材
３０７ ベース
３０８ ワッシャー
３０９ ネジ
３１０ 磁気回路

Claims (5)

1. 光源と、
   前記光源からの光が照射されることにより画像が形成されるスクリーンと、
   前記スクリーンからの光により虚像を生成する光学系と、
   前記スクリーンを前記光源から照射された光の光軸方向に往復移動させるスクリーン駆動機構部と、
   前記スクリーンの移動に伴い奥行き画像を表示すると共に、前記スクリーンの位置を固定して鉛直画像を表示する画像処理回路と、
   前記スクリーンを移動させる際の目標となる移動プロファイルを、前記スクリーンを移動させる際の移動速度の変化が緩やかになるように平滑化し、この平滑化した移動プロファイルに前記スクリーンが追従するようにして生成されたスクリーン駆動波形情報が記憶された記憶部と、
   前記記憶部に記憶されたスクリーン駆動波形情報に基づいて、前記スクリーン駆動機構部を駆動するスクリーン駆動回路部と、
   を備えたことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記記憶部は、前記移動プロファイルを、単純移動平均法もしくは荷重移動平均法を用いて平滑化し、この平滑化した移動プロファイルに前記スクリーンが追従するようにして生成されたスクリーン駆動波形情報を記憶していることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記スクリーン駆動波形情報は、前記スクリーンを駆動するためのスクリーン駆動電流波形情報であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記スクリーン駆動波形情報は、前記スクリーンを駆動するためのスクリーン駆動電圧波形情報であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の画像表示装置。
5. 前記スクリーン駆動機構部は、
   前記スクリーンを移動可能に保持するホルダ部と、
   前記ホルダ部に支持された磁気コイル部と、
   前記ホルダ部を移動可能に保持するサスペンション部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の画像表示装置。

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