JP7024521B2 - 画像表示装置 - Google Patents
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Description
近年、ヘッドアップディスプレイを搭載した自動車であって、従来の自動車のインストゥルメントパネルの、速度計、回転数計、燃料計、水温計等の情報をフロントガラス越しに運転者に視認させる自動車が販売され始めている。ヘッドアップディスプレイは、車載カメラやナビゲーションシステムと連動して、運転者に情報を表示し、注意喚起を行っている。
しかし、ヘッドアップディスプレイのような虚像を表示する装置の場合、投影した画像をカメラで撮影してモニタリングするのは難しいという問題があった。
しかし、上述の技術においては、投影範囲内の画像ムラ等の投影状態の不具合を確実に把握し、緩和することはできなかった。
図1に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置500は、例えば、自動車400のウインドシールド、すなわちフロントガラス401等の付近に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置500から発せられる投射光Lが投影面であるフロントガラス401で反射され、ユーザーである観察者、すなわち運転者402に向かう。
これにより、運転者402は、ヘッドアップディスプレイ装置500によって投影された画像等を虚像として視認することが可能である。なお、ウインドシールドの内壁面にコンバイナを設置し、コンバイナによって反射する投射光によってユーザーに虚像を視認させる構成にしてもよい。
ヘッドアップディスプレイ装置500はまた、投影手段540とフロントガラス401との間の光路上に位置する光学部材としての中間スクリーン510と、中間スクリーン510を経たレーザ光が入射する投射ミラー511とを有している。
ヘッドアップディスプレイ装置500はまた、中間スクリーン510の投影手段540側に配置された撮像手段としてのカメラ520と、投影手段540の駆動を制御する制御手段としての駆動装置11とを有している。
投影手段540はまた、コリメータレンズ502、503を経たレーザ光が入射するダイクロイックミラー505と、コリメータレンズ504、ダイクロイックミラー505を経たレーザ光が入射するダイクロイックミラー506とを有している。
投影手段540はまた、ダイクロイックミラー506を経たレーザ光が入射する光量調整部507と、光量調整部507を経たレーザ光が入射する反射面14を有し反射面14に入射したレーザ光を偏向する光偏向器13とを有している。
投影手段540はまた、光偏向器13によって偏向されたレーザ光が入射する自由曲面ミラー509を有している。
コリメータレンズ502、503、504と、2つのダイクロイックミラー505、506と、光量調整部507とは、入射光学系を構成している。
自由曲面ミラー509と、中間スクリーン510と、投射ミラー511とは、投射光学系を構成している。
レーザ光源501R、501G、501Bから出射され、入射光学系を経て、光偏向器13によって偏向され、投射光学系を経たレーザ光は、フロントガラス401に投射される。
ヘッドアップディスプレイ装置500は、中間スクリーン510に表示される中間像を自動車400のフロントガラス401に投射することで、その中間像を運転者402に虚像として視認させる。
なお、本実施形態では、光偏向器13は圧電駆動方式であるが、静電駆動方式、電磁駆動方式等であってもよい。また、本実施形態では、光偏向器13は反射面14を2軸方向に往復駆動させるものであるが、1軸方向に往復駆動させるものを2つ組み合わせるなど少なくとも2軸駆動させるものであればよい。
本実施形態では、投影手段540はレーザ走査型であるが、液晶方式等の投影方式であってもよい。
図3に示すように、中間スクリーン510は、透過面510aと非透過面510bとを有している。
非透過面510bは、投影手段540から入射してくる投射光Lを反射する。非透過面510bにより反射された反射光は、図2に示すように、カメラ520の撮影レンズ521を経て、撮像素子522で電気信号に変換される。
そうすると、図5のような画像が運転者402に視認される。カメラ520には、図6で示されるような画像が取り込まれる。
自動で中間スクリーン510上の画像の位置を調整する機能が付いていれば、所望の位置に被検出画像Yが来るように、駆動装置11が画像の位置、反射面14の向きを調整する。振幅角度や投影位置がずれている場合は、駆動装置11が駆動信号を調整したり、レーザの発光タイミングを調整したりして、所定の位置に画像を投影させるようにする。それでも改善されない場合は、運転者402に修理を促す画像が投影画像Xとして表示される。
例えば、図7(a)に示すように、副走査方向すなわち上下方向である垂直方向の送り速度が一定であれば、投影画像Xに輝度ムラは生じない。しかし、図7(b)に示すように、等速で走査されない場合は、投影画面上すなわち中間スクリーン510上に単に均一な画像を投影しようとすると、運転者402によって実際に観察される投影画像Xには図8のように輝度ムラが生じてしまう。
副走査方向に走査速度ムラが生じている場合は、図12に示すように、上下方向に輝度ムラが生じる。水平方向すなわち主走査方向に走査速度ムラが生じている場合は、左右方向に輝度ムラが生じる。
輝度ムラが検出された場合は、駆動装置11により反射面14の駆動条件を調整したり、レーザの発光強度のバランスや発光タイミングを調整したりして、輝度ムラを低減させる。
中間スクリーン510の四隅に非透過面510bを設ける場合と同様に、振幅角度や投影位置ずれを検出することも併せて行われる。
ここで、車載用のヘッドアップディスプレイ装置500は、従来の自動車400のインストゥルメントパネルの、速度計、回転数計、燃料計、水温計等の情報をフロントガラス401越しに運転者402に視認させるものである。したがって、車載用のヘッドアップディスプレイ装置500の場合、投影画像Xのコンテンツの表示位置があらかじめ定位置に特定され、中間スクリーン510上の投影画像Xが投影されない領域をあらかじめ把握することが可能である。
なお、図13に示す中間スクリーン510の構成は一例であって、非透過面510bの形はこれとは異なるものであってもよい。
同図に示されているように、非透過面510bは、中間スクリーン510上に非連続に、複数設けることが可能である。中間スクリーン510上の特に重要な情報を投影する箇所は、投影する画像のできるだけ近くで、被検出画像Yを投影するとよい。
往復ずれが検出された場合は、パターン画像の色ずれがなくなるように駆動装置11がレーザの発光タイミングを調整する。パターン画像の色ずれがなくなれば、運転者402が視認する画像の歪みもなくなる。
不具合が改善され、不具合が検出されなくなった場合や基準値に収まった場合は、補正終了とする。不具合の改善はされたが、基準値に収まっていない場合は、先ほど信号を変化させた方向にさらに、信号を変化させる。例えば、駆動周波数を上げて振幅角が改善された場合は、駆動装置11によりさらに駆動周波数を上げるようにする。悪くなった場合は、先ほど変化させた方向と逆方向に信号を変化させる。例えば、駆動周波数を上げて振幅角が小さくなった場合は、駆動装置11により駆動周波数を下げるようにする。
レーザの発光タイミングや輝度調整など、光偏向器13の駆動だけで解決できないことに対しても、同様に補正を行うことが可能である。
ヘッドアップディスプレイ装置500に温度センサを設けて、あらかじめ駆動周波数を予想したあとで、駆動装置11が駆動周波数を微調整するようにしてもよい。
副走査方向の振幅角変動が検出された場合は、駆動装置11が光偏向器13の駆動電圧を調整して、必要な振幅角度となるようにする。少しずつ電圧を上げていくことで、運転者402に画像が変化していることを感じさせないようにすることが可能である。
レーザへの信号出力レベルが各色で同じであっても、いずれかの色の輝度が下がってきた場合は、その色のレーザへの信号出力レベルを上げるなどして、各色とも所定の輝度を維持するようにする。
図20に、副走査方向の輝度ムラの補正手順の一例を示す。
駆動装置11は、ステップS1において、撮像情報を解析し、ステップS2において、輝度ムラがあるかどうかを判定する。
ステップS2、ステップS5またはステップS9において輝度ムラが検出されない場合、駆動装置11は、補正を終了する。
ここで、プロジェクタからの投射光を反射するフロントタイプスクリーンは、大きく拡散型、回帰型、反射型の3種類に分けられる。拡散型すなわちマットスクリーンは完全拡散に近い反射をし、回帰型すなわちビーズスクリーンは入射と同一方向に反射し、反射型すなわちパールスクリーンは入射方向に対し正反対に反射する。
このような中間スクリーン510は、同図左右方向に対応する厚み方向すなわち前後方向二方割りの型によって量産することが可能である。塗装工程を入れることでコストアップになるが、確実な遮光が可能となり、中間スクリーン510の素材とは別の粒状の材料を含んだ塗料を使うことで、所望の拡散性能をより得られる可能性が上がる。
ただし、必要以上に段差を設けると、透過面510aと非透過面510bとで投影距離が変わってしまい、フォーカスずれなどが正しく検出できなくなってしまうので、この段差は必要最低限にするべきである。
また、透明樹脂で中間スクリーン510を成形した後で、ホットスタンプによって非透過面510bを形成してもよい。
そこで、ヘッドアップディスプレイ装置500の起動時に、投影手段540は、投影像Aとして、中間スクリーン510の透過面510aと非透過面510bとの位置関係を確認するための確認画像Zを中間スクリーン510上に投影する。確認画像Zは、透過面510aと非透過面510bとの境目を照射できればよく、最も簡単で確実な確認画像Zは、全面均一な画像である。中間スクリーン510に投影された確認画像Zをカメラ520が撮像することで、撮像範囲内での非透過面510bの位置やその特徴点が検出される。例えば、非透過面510bを図16に示したように形成する場合は、図22に示すように、非透過面510bの形状の特徴点を抽出し、それに水平方向と垂直方向との画素番号を関連付けるなどして特徴点が検出される。そうすることで、確実に非透過面510bの位置が把握される。
この初期設定では、撮像は1コマ撮影分の時間でよいので、運転者402にほとんど違和感を与えない。
そこで、図23に示すように、非透過面510bにカメラ520の焦点調整の適否を確認するための確認マークMを設ける。確認マークMは、非透過面510bが白地の場合には黒線にするなど、コントラストが出ていることが望ましい。
カメラ520は、ヘッドアップディスプレイ装置500の起動時に、投影像Aが投影されていない状態の中間スクリーン510全体を撮像し、確認マークMがクリアに撮像できているかどうかを確認する。
一方、図24のdやeに示すように、ピントがずれた、ボケが大きい画像が取得された場合、中間スクリーン510に対するカメラ520の位置、あるいはカメラ520における撮影レンズ521や撮像素子522の位置が適切でないと判定される。
また、図23に示すように非透過面510b上に複数の確認マークMを設けた場合、カメラ520により取得された画像において、確認マークMのボケが大きいものと小さいものとが混在していることがある。この場合は、撮影レンズ521または撮像素子522のどちらかが初期位置に対して傾いた片ボケの可能性があると判定される。
非透過面510bに被検出画像Yを投影する際には、透過面510aに被検出画像Yが映り込まないようにするため、透過面510aから一定の余裕を設けて被検出画像Yを投影する。そのため、確認マークMは、非透過面510bに投影された被検出画像Yと重ならない位置、例えば、図25に示すように透過面510aの際に設けると、投影状態のモニターに影響を与える可能性が小さくなる。
また、カメラ520は、ピントの調整を行うフォーカス調整機構を有していても良く、その場合、フォーカス調整機構によって、カメラ520が撮像した確認マークMに基づいてピントの調整を行うことが可能である。
カメラ520がフォーカス調整機構を有している場合は、フォーカス調整機構によってフォーカス調整を行い、ピントが合った位置でフォーカス調整機構をネジや接着剤などで固定する。
個々のカメラ520にバラツキがあったとしても、そのバラツキは確認マークMを用いた調整により吸収されるので、位置決めピンなどの機械的な位置決めよりもより正確なピント調整が行える。
そこで、図26または図27に示すように、投影手段540が非透過面510bに向けて投射した投射光Lを受光するフォトダイオード(PD)や位置検出素子(PSD)などの受光手段としての光センサ550を非透過面510bに配置する。
非透過面510bは、図15または図16に示すように、中間スクリーン510上に非連続に、複数設けられる場合もある。このような非連続な非透過面510bに光センサ550を配置する場合、光センサ550への配線は、透明電極を用いることなどが考えられる。
光センサ550は、局所的ながら繊細な時間的分解能を持つため、光センサ550が受光した投射光Lから、投射光Lが光センサ550を横切った時間情報などが正確に求められる。このため、光センサ550を配置することにより、カメラ520によって取得された画像情報と光センサ550による測定によって得られたデータとに基づいて投影手段540の制御を行うことができ、より画像の劣化を抑制することが可能となる。
そこで、図28に示すように、駆動装置11の一機能として実現される記憶手段11aによって、確認マークMの位置と光センサ550の位置との関係、すなわち確認マークMと光センサ550との相対位置情報が記憶されるようにする。
図29は、測定装置によって撮影された中間スクリーン510を示している。撮影した画像の解析は、以下のようにして行われる。
次に、同図に示す光センサ551の中心位置と光センサ552の中心位置とを計測する。寸法b、cはそれぞれ、確認マークM1の中心位置と光センサ551、552の中心位置との水平方向における距離を、寸法e、fはそれぞれ、鉛直方向における距離を示している。寸法eと寸法fとは本来同じ数値になっているはずであるが、実際はズレが生じているので、それぞれ測定する必要がある。中間スクリーン510ごとに寸法a~fを相対位置情報として管理する。
中間スクリーン510ごとのIDの設定は、投影像Aに影響を与えないように、中間スクリーン510の、投射光Lが入射する側とは反対側の非透過面510bに番号やバーコードなどを付すことによって行われる。
光センサ550の取り付けズレ量を記憶手段11aにあらかじめ記憶しておくことで、実際に得られたデータに対して補正処理を施すことができ、正確な測定を行うことが可能となる。
図30に示すように、中間スクリーン510を対称面として、投影手段540と面対称となる位置に、ミラーなどによる光路折り返しが無いと仮定した投影手段540aの光源を想定する。ホットスポットは、想定された光源がカメラ520の撮影範囲内に含まれていると発生し、想定された光源と撮影レンズ521の中心とを結んだ線と、中間スクリーン510との交点が、ホットスポット発生位置となる。
図30に示す位置関係の場合、図31に示すように、2点鎖線で示す円の中心がホットスポット発生位置となり、この円内は白とびが発生する可能性がある。この範囲に非透過面510bが設けられていると、カメラ520へのホットスポットの写り込みが生じる。
ホットスポットの写り込みを避ける手段としては、図32または図33に示すような位置関係で、投影手段540とカメラ520と中間スクリーン510とを配置することが考えられる。しかしながら、中間スクリーン510に対する投影手段540の入射角度またはカメラ520の撮影角度を大きくしなければならず、設計上の大きな制約となる。
そこで、非透過面510bが中間スクリーン510に設けられる箇所を、カメラ520へのホットスポットの写り込みが生じる箇所以外の箇所とする。言い換えると、カメラ520へのホットスポットの写り込みが生じる箇所は、透過面510aすなわち投影画像Xが投影される領域とする。
監視手段11bは、カメラ520が撮像した像の変化を観測し、いつも同じような形の影が写っていると、透過面510a、投射ミラー511またはカバーに不具合の可能性があると判断する。このとき、わずかではあるが、投影光Lの中間スクリーン510の裏面反射分もカメラ520に取り込まれ、フロントガラス401に表示している投影画像Xがカメラ520に写る可能性がある。このため、監視手段11bは、カメラ520が撮像した像と投影画像Xとを比較し、裏面反射による影響分を補正することで、透過面510a、投射ミラー511、またはカバーの不具合を検知する。
透過面510aや投射ミラー511の割れは、線のような像として現れるので、汚れよりも検知しやすいと考えられる。
カメラ520は、中間スクリーン510の表面にピントがあっているので、カメラ520が撮像した像のボケ具合から、中間スクリーン510、投射ミラー511、カバーのうち、どこに不具合があるかを予想するようにしても良い。
このように、カメラ520が取り込んだ画像のうち、透過面510aの範囲から取得された情報を用いて、透過面510a、投射ミラー511、またはカバーの不具合を検知することが可能となる。
例えば、図5のような運転者402への注意喚起を表示する第1モードでは、図23のような中間スクリーン510が望ましく、図37のような道案内を主たる投影情報として表示する第2モードでは、図38のような中間スクリーン510が望ましい。
そこで、図39に示す構成例では、複数の中間スクリーン5101、5102が備えられ、投影像Aに応じて複数の中間スクリーン5101、5102を切り替える切替手段560が備えられている。
運転者402の好みや使用目的によって投影画像Xを変更した際に、切替手段560が投影画像Xに応じた中間スクリーン510に切り替えるため、投影コンテンツのデザインの自由度を低下させずに済む。
この場合はまず、図40(a)に示すように、第1モードの投影画像Xも第2モードの投影画像Xも投影されない領域を非透過面510bとして、中間スクリーン510を成形する。そして、図40(b)に示すように、透過面510aの透過状態と非透過状態とを切り替える調光手段としての調光フィルム571、572を透過面510aに配置する。
調光フィルム571、572は、電気的制御によって透過面510aの透過状態と非透過状態との切り替えを行う。
運転者402によって図37に示すような第2モードが選択された場合、図42に示すように、調光フィルム571は透過状態に設定され、調光フィルム572は非透過状態に設定される。このとき、中間スクリーン510における非透過面510bの配置態様は、図38における非透過面510bの配置態様と同様になる。
図39に示す構成例では、中間スクリーン510を完全に入れ替えるため、使用していない中間スクリーン510の退避スペースが必要であったが、この構成であれば、切替手段560などの機械的な機構や中間スクリーン510の退避スペースを必要としない。また、調光フィルム571、572の配置によっては、3つ以上のモード切り替えも可能である。
確認画像Zを投影する時間は一瞬であるが、フロントガラス401に非透過面510bの形状が影となって表示されるため、運転者402に違和感を与える可能性がある。
ヘッドアップディスプレイ装置500の起動時に、例えば、全面が白となる確認画像Zを投影すると、非透過面510bの部分は影になるので、フロントガラス401には、そのまま図43のように表示される。
非透過面510bが設けられる位置は、中間スクリーン510の投影画像Xが投影されない領域であるため、実際の使用では、運転者402には図45または図46に示すような画像が提供され、非透過面510bの形状は認識されない。
このように、非透過面510bの少なくとも一部の形状を意匠的形状とすることで、投影状態のモニターに影響を与えることなく、運転者402に違和感を起こさせずに済む。
例えば、図47に示すような形状の非透過面510bが配置された中間スクリーン510を形成し、ヘッドアップディスプレイ装置500の起動時に、図48に示すような投影像Aを中間スクリーン510上に投影する。非透過面510bの部分は影になるので、非透過面510bの形状と投影像Aとが組み合わされると、図49に示すロゴのような画像がフロントガラス401上に形成され、運転者402に視認される。
また、非透過面510bと投影像Aとの位置関係から、投影像Aの投影位置のズレを検出できるので、その検出したズレ量に基づいて、投射光Lの走査の振幅角度や、投影像Aの投影倍率を調整することが可能となる。
ここで、何らかの原因で駆動装置11からの駆動信号がストップし、反射面14の駆動が停止してしまったと仮定する。このとき、反射面14の駆動は停止しているにもかかわらず、反射面14に入射するレーザ光の点灯が停止されない状況が発生すると、レーザ光のエネルギーが一点に集中し、この部分が透過面510aになっていると、レーザ光が装置外に出て行ってしまう。
駆動装置11からの駆動信号がストップした場合、光偏向器13は、初期の変形のない形状で停止することが多い。このため、光偏向器13に駆動信号を与えない状態で、停止した反射面14に投射光Lを投射し、反射面14によって反射された投射光Lの中間スクリーン510への入射位置を非透過面510bとする。
例えば、図50に示す場合、中間スクリーン510上の円で描いた位置が、光偏向器13の静止時に投射光Lが入射する位置に当たるため、この位置に非透過面510bを配置することによって投射光Lが反射されるようにする。
このように、光偏向器13の静止時におけるレーザ光の光路上に非透過面510bを配置しておくことで、レーザ光がヘッドアップディスプレイ装置500外に出て行くのを防ぐことが可能となる。
Claims (20)
- 投影面に画像を投影する投影手段と、
前記投影手段と前記投影面との間の光路上に位置し、透過面と非透過面とを有する光学部材と、
前記光学部材の前記投影手段側に配置され、前記非透過面に投影された前記投影手段の投影像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段が撮像した前記投影像に基づいて前記投影手段を制御する制御手段と、
を備えた画像表示装置。 - 請求項1記載の画像表示装置において、
前記非透過面は、前記光学部材の周縁に位置することを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1または2に記載の画像表示装置において、
前記非透過面は、前記光学部材の画像が投影される領域以外の領域に設けられることを特徴とする画像表示装置。 - 請求項3記載の画像表示装置において、
前記非透過面は、前記光学部材上に複数設けられることを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1ないし4のいずれか1つに記載の画像表示装置において、
前記投影手段は、画像の投影状態を検出するための被検出画像を投影することを特徴とする画像表示装置。 - 請求項5記載の画像表示装置において、
前記被検出画像は、所定のパターン画像であることを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1ないし6のいずれか1つに記載の画像表示装置において、
前記非透過面は、反射型拡散面であることを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1ないし7のいずれか1つに記載の画像表示装置において、
前記非透過面は、前記透過面に対して突出した位置にあることを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1ないし8のいずれか1つに記載の画像表示装置において、
前記投影手段は、当該画像表示装置の起動時に、前記透過面と前記非透過面との位置関係を確認するための確認画像を投影することを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1ないし9のいずれか1つに記載の画像表示装置において、
前記光学部材は、前記非透過面に前記撮像手段の焦点調整の適否を確認するための確認マークを有し、
前記撮像手段が撮像した前記確認マークに基づいて、前記光学部材に対する前記撮像手段の位置の適否を判定することを特徴とする画像表示装置。 - 請求項10記載の画像表示装置において、
前記確認マークは、当該画像表示装置の組み立て時に、前記撮像手段の位置の適否および/または前記焦点調整の適否の確認に用いられることを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1ないし11のいずれか1つに記載の画像表示装置において、
前記非透過面に配置され、前記投影手段が前記非透過面に向けて投射した投射光を受光する受光手段を備え、
前記制御手段は、前記投影像と前記受光手段が受光した前記投射光とに基づいて前記投影手段の制御を行うことを特徴とする画像表示装置。 - 請求項12記載の画像表示装置であって、請求項10または11に記載の画像表示装置において、
前記確認マークと前記受光手段との相対位置情報を記憶した記憶手段を備え、
前記相対位置情報に基づいて前記投射光から求められる情報の補正を行うことを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1ないし13のいずれか1つに記載の画像表示装置において、
前記非透過面が前記光学部材に設けられる箇所は、前記撮像手段へのホットスポットの写り込みが生じる箇所以外の箇所であることを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1ないし14のいずれか1つに記載の画像表示装置において、
前記撮像手段が撮像した像と前記投影像とに基づいて前記透過面の不具合を監視する監視手段を備えたことを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1ないし15のいずれか1つに記載の画像表示装置において、
前記非透過面の配置態様が互いに異なる前記光学部材を複数備え、
前記投影像に応じて複数の前記光学部材を切り替える切替手段を備えたことを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1ないし16のいずれか1つに記載の画像表示装置において、
前記透過面に配置され、透過状態と非透過状態とを切り替える調光手段を備えたことを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1ないし17のいずれか1つに記載の画像表示装置において、
前記非透過面は、少なくとも一部が意匠的形状であることを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1ないし18のいずれか1つに記載の画像表示装置において、
前記非透過面と前記投影像とを組み合わせて前記投影面上に画像を形成することを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1ないし19のいずれか1つに記載の画像表示装置において、
前記投影手段は、光源と、前記光源が投射した光を偏向する光偏向器とを有し、
前記非透過面は、前記光偏向器の静止時に、前記光偏向器により反射された光が入射する位置に設けられることを特徴とする画像表示装置。
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