JP2019164180A - 光走査装置、画像表示装置、ヘッドアップディスプレイ、及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】受光手段４、５に受光させるための光を迷光として走査光Ｌ２に混入させることによる映像ノイズを軽減することができるヘッドアップディスプレイ２００を提供する。【解決手段】光偏向器５０の複数の光源から発した光によって光走査しながら、少なくとも一つの光源から発した光を受光手段４、５に受光させたタイミングに基づいて走査位置を調整するヘッドアップディスプレイ２００であって、６００［ｎｍ］以上の波長の光を発する光源だけを用いて、受光手段４、５に受光させるようにした。【選択図】図４

Description

本発明は、光走査装置、画像表示装置、ヘッドアップディスプレイ、及び移動体に関するものである。

従来、複数の光源から発した光によって光走査しながら、少なくとも一つの光源から発した光を受光手段に受光させたタイミングに基づいて走査位置を調整する光走査装置や、これを用いる画像表示装置が知られている。

例えば、特許文献１に記載の画像表示装置は、Ｒ（赤色）光源、Ｇ（緑色）光源、Ｂ（青色）光源のそれぞれから発したＲ光、Ｇ光、Ｂ光を振動ミラーによって偏向させて走査光にする。そして、その走査光によってスクリーンなどの走査対象面を光走査して、走査対象面に画像を表示する。また、それら光源のうち、何れか一つを選択し、振動ミラーによって反射する光が装置内の受光素子に向かうであろうタイミングを予測し、そのタイミングを含む僅かな時間だけその光源を点灯させて受光素子に受光させる。その後、受光素子によって実際に受光されたタイミングに基づいて、走査位置を調整する。かかる構成によれば、温度変化に伴う振動ミラーの特性変化による画像の位置ずれを抑えることができるとされている。

しかしながら、この画像表示装置においては、受光素子に受光させるための光を装置内で乱反射させ、迷光として走査光に混入させて映像ノイズを発生させるおそれがあった。

上述した課題を解決するために、本発明は、複数の光源から発した光によって光走査しながら、少なくとも一つの光源から発した光を受光手段に受光させたタイミングに基づいて走査位置を調整する光走査装置であって、６００［ｎｍ］以上の波長の光を発する光源だけを用いて、前記受光手段に受光させることを特徴とするものである。

本発明によれば、受光手段に受光させるための光を迷光として走査光に混入させることによる映像ノイズを軽減することができるという優れた効果がある。

実施形態に係る自動車用ＨＵＤを搭載した自動車の構成を模式的に表した模式図。 同自動車用ＨＵＤによって表示される画像の一例を模式的に示す模式図。 同自動車用ＨＵＤと、自動車の一部とを示す概略構成図。 同自動車用ＨＵＤの内部構成を模式的に示す模式図。 同自動車用ＨＵＤの光出射装置の内部構成図。 同自動車用ＨＵＤの内部における各領域と、各光検知部との位置関係を説明するための模式図。 人の目の視感度と光の波長との関係を示すグラフ。

以下、本発明を適用した光走査装置、画像表示装置たる自動車用ヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤという）、及び移動体たる自動車の一実施形態について説明する。なお、本発明の適用範囲は、以下に説明する実施形態に限られるものではない。車両、船舶、航空機、移動式ロボットなどの移動体、あるいは、その場から移動せずにマニピュレータ等の駆動対象を操作する作業ロボットなどの非移動体に搭載される画像表示装置の光走査装置としても適用できる

まず、実施形態に係る自動車等の基本的な構成について説明する。図１は、実施形態に係る自動車用ＨＵＤを搭載した自動車の構成を模式的に表した模式図である。この自動車用ＨＵＤ２００は、例えば、自動車３０１のダッシュボード内に設置される。ダッシュボード内の自動車用ＨＵＤ２００から発せられる画像光である投射光Ｌ（後述する走査光Ｌ_２）がフロントガラス３０２で反射され、ユーザーである観察者（運転者３００）に向かう。これにより、運転者３００は、例えば、図２に示されるようなナビゲーション画像を虚像として視認することができる。なお、フロントガラス３０２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Ｌによってユーザーに虚像を視認させるようにしてもよい。

図２に示されるナビゲーション画像には、第一表示領域２２０Ａに、自動車３０１の速度（図示の例では「６０ｋｍ／ｈ」という画像）が表示されている。また、第二表示領域２２０Ｂには、カーナビゲーション装置によるナビゲーション画像が表示されている。図示の例では、次の曲がり角で曲がる方向を示す右折指示画像と、次の曲がり角までの距離を示す「あと４６ｍ」という画像が、ナビゲーション画像として表示されている。また、第三表示領域２２０Ｃには、カーナビゲーション装置による地図画像（自車両周囲の地図画像）が表示されている。

図３は、自動車用ＨＵＤ２００と、自動車の一部とを示す概略構成図である。自動車用ＨＵＤ２００は、自動車３０１のフロントガラス３０２の付近におけるダッシュボード３０３内等に設置される。

ダッシュボード３０３内には、自動車用ＨＵＤ２００の他に、コールドミラー３０４、凹面鏡からなる投写ミラー３０５、防塵窓３０６などが配設されている。自動車用ＨＵＤ２００で生成された投写光Ｌ_３が、コールドミラー３０４、投写ミラー３０５を介してフロントガラス３０２に入射し、フロントガラス３０２で反射されて使用者である観察者（運転者）に向かう。これにより、運転者は、自動車用ＨＵＤ２００によって投写された画像等を虚像Ｉとして視認することができる。

自動車用ＨＵＤ２００は、光出射装置２、光偏向器５０、自由曲面ミラー１０、中間スクリーン１１等を備えている。

図４は、自動車用ＨＵＤ２００の内部構成を模式的に示す模式図である。なお、同図では、電気信号を全て点線矢印で示している。また、便宜上、自由曲面ミラー（図３の１０）の描画を省略している。

同図において、光源制御部１は、光出射装置２から発せられる光の強度、点灯タイミング、波形などを制御するものである。光源制御部１によって制御される光出射装置２からは、光束Ｌ_１が射出される。

図５は、光出射装置２の内部構成図である。光出射装置２は、光源として、Ｒ（赤色）光を発する光源２１Ｒ、Ｂ（青色）光を発する光源２１Ｂ、及びＧ（緑色）光を発する２１Ｇの三つを有している。これらは何れも、レーザーダイオードからなる。レーザーダイオードは、いわゆる端面発光レーザであり、半導体レーザの一種である。なお、数字符号の末尾に付したＲ、Ｂ、Ｇという添字は、Ｒ、Ｂ、Ｇ用の部材であることを示すものである（以下、同様）。

この光出射装置２では、Ｒ用の光源２１Ｒとして波長６５０［ｎｍ］のＲ光を発するものを用いている。また、Ｂ用の光源２１Ｂとして、４５０［ｎｍ］のＢ光を発するものを用いている。また、Ｇ用の光源２１Ｇとして、５１５［ｎｍ］のＧ光を発するものを用いている。

光出射装置２は、上述した三つの光源の他に、コリメートレンズ２２Ｒ，２２Ｂ，２２Ｇや、ダイクロイックミラー２３Ｒ，２３Ｂ，２３Ｇなども有している。

コリメートレンズ２２Ｒ，２２Ｂ，２２Ｇは、光源２１Ｒ，２１Ｂ，２１Ｇから射出されたＲ光，Ｂ光，Ｇ光を略平行光にする。

ダイクロイックミラー２３Ｒ，２３Ｂ，２３Ｇのそれぞれは、例えば誘電体多層膜などの薄膜からなり、特定の波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過させる。

ダイクロイックミラー２３Ｒは、コリメートレンズ２２Ｒを透過してきたＲ光をダイクロイックミラー２３Ｂに向けて反射させる。

ダイクロイックミラー２３Ｂは、ダイクロイックミラー２３Ｒで反射したＲ光をダイクロイックミラー２３Ｇに向けて透過させる。また、コリメートレンズ２２Ｂを透過してきたＢ光をダイクロイックミラー２３Ｇに向けて反射させる。ダイクロイックミラー２３Ｒで反射したＲ光や、コリメートレンズ２２Ｂを透過したＢ光のぞれぞれは、それぞれダイクロイックミラー２３Ｂの中央付近に入射する。

ダイクロイックミラー２３Ｇは、ダイクロイックミラー２３Ｂを介したＲ光及びＢ光を光出射装置２からの光の出射方向に透過させつつ、コリメートレンズ２２Ｇを透過してきたＧ光を同出射方向に反射させる。ダイクロイックミラー２３Ｂを介したＲ光及びＢ光、並びに、コリメートレンズ２２Ｇで反射するＧ光のそれぞれは、ダイクロイックミラー２３Ｇの中央付近に入射する。

ダイクロイックミラー２３Ｒを介したＲ光，Ｂ光，Ｇ光は、一つの光束Ｌ_１に合成される。このとき、光源２１Ｒ，２１Ｂ，２１Ｇの発光強度の強弱のバランスにより、合成された光の色が様々に表現されるようになっている。

図４において、光偏向器５０としては、二次元的に振動または回転駆動する単一のＭＥＭＳミラーが用いられているが、一次元駆動のミラーを複数組み合わせて二次元走査するものでもよい。

光偏向器５０の光反射部５１は、第一枠部材５２に保持されており、この第一枠部材５２は、第二枠部材５３に保持されている。第一枠部材５２には、副走査方向（Ｙ）に延びる回転可能な第一トーションバー５４が取り付けられている。また、第二枠部材５３には、主走査方向に延びる回転可能な第二トーションバー５５が取り付けられている。

第一トーションバー５４が副走査方向（Ｙ）の軸心を中心にして回転すると、その軸心を中心にして光反射部５１が第一枠部材５２とともに揺動せしめられる。この揺動により、走査光Ｌ_２のビームスポットが走査対象面上を主走査方向（Ｘ）に移動する。また、第二トーションバー５５が主走査方向（Ｘ）の軸心を中心にして回転すると、その軸心を中心にして光反射部５１が第一枠部材５２及び第二枠部材５３とともに揺動せしめられる。この揺動により、走査光Ｌ_２のビームスポットが走査対象面上を副走査方向（Ｙ）に移動する。このような光走査を行う光偏向器５０の駆動は、光偏向器制御部３によって制御される。

光偏向器５０によって偏向される走査光Ｌ_２は、自由曲面ミラー（図３の１０）を介して、走査対象面としての中間スクリーン１１を主走査方向（Ｘ）、副走査方向（Ｙ）に走査する。

主走査方向では、２０〜４０［ｋＨｚ］程度の高周波数の超高速走査が行われる。また、副走査方向では、数十Ｈｚ程度の低周波数の高速走査が行われる。

光偏向器５０は、所定のタイミングで主走査方向における中間スクリーン１１の領域外にある第一受光部４や第二受光部５に受光させるように光を偏向する。第一受光部４や第二受光部５は、受光したタイミングで光偏向器制御部３に受光信号を送信する。

光偏向器５０の偏向特性は環境などで変動する。このため、光走査中には、光偏向器５０によって偏向された光を実際に検知し、そのタイミングに基づいて、ミラーの揺動角度や、各光源の発光タイミングなどを補正して、走査位置や画像サイズを調整する。これにより、走査光Ｌ２の往路方向の走査位置と復路方向の走査位置とを一致させる。 第一受光部４や第二受光部５は、光偏向器５０によって偏向された光を実際に検知するためのものである。

光偏向器５０を共振駆動させる主走査方向（Ｘ）においては温度に対する感度が高いため、精度よく走査位置を調整する必要がある。また、副走査方向（Ｙ）においても、温度特性を持つことから、高画質を得るためには走査位置を調整する必要がある。

光偏向器制御部３は、光偏向器５０の付近に設けられた温度検知部６による温度の検知結果に基づいて、光偏向器５０の特性変化を予測する。そして、第一受光部４及び第二受光部５からの受光信号と、温度検知部６からの温度情報とに基づいて、光偏向器５０への入力信号を設定する。

図６は、自動車用ＨＵＤ２００の内部における各領域と、各光検知部（４、５）との位置関係を説明するための模式図である。同図において、偏向領域４７は、光偏向器（５０）によって偏向された光が届く領域を示している。

中間スクリーン１１は、この例では、矩形状の領域になっているが、矩形である必要はなく、装置小型化のため、表示する図形に合わせて必要最小限にすることも可能である。

図示のように、第一受光部４や第二受光部５は、中間スクリーン１１よりも外側であって、且つ偏向領域４７の内側の領域に配設されている。光偏向器制御部（３）は、光偏向器（５０）による光の偏向方向が中間スクリーン１１の外側になり、且つ第一受光部４や第二受光部５の近くになるタイミングを測って、Ｒ、Ｇ、Ｂの光源（２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂ）のうち、何れか一つを点灯させる。これにより、第一受光部４や第二受光部５に確実に受光させる。以下、第一受光部４や第二受光部５に受光させるために点灯させた光源から発せられる光を、信号光という。

光偏向器制御部（３）は、次のような時間に基づいて、主走査方向（Ｘ）の走査速度や、副走査方向（Ｙ）の走査速度を算出する。即ち、第一受光部４から受光信号が送られてきてから、第二受光部５から受光信号が送られてくるまでの時間や、第二受光部５から受光信号が送られてきてから、第一受光部４から受光信号が送られてくるまでの時間である。

信号光は、画像を表示させるための光ではなく、それが直接的に光出射部４６から出射されるものではない。しかしながら、光偏向器（５０）内で乱反射した微弱な拡散光が迷光として走査光Ｌ_２に混入して映像ノイズを発生させることがあった。

次に、実施形態に係る光走査装置等の特徴的な構成について説明する。
図７は、人の目の視感度と光の波長との関係を示すグラフである。横軸は、光源から発せられる光の波長を示している。左側の縦軸は、明るい所で感じられる明所視比視感度を示している。また、右側の縦軸は、暗い所で感じられる暗所視の対明所視感度を示している。この対明所視感度は、明所視比視感度に対する暗所視比視感度の倍率を示すものである。

図示のように、波長５５０［ｎｍ］以下の光では、明るい場所に比べて、暗い場所の方が光を視認し易くなる。暗所視の対明所視感度、明所視比視感度の何れにおいても、波長が４００［ｎｍ］以下の光でゼロに近い値になっている。また、波長が６８０［ｎｍ］を超える光でもゼロに近い値になっている。但し、波長４００［ｎｍ］以下の光は青色ではないので、画像表示用のＢ光として利用することができない。また、波長が６８０を超える光は赤色ではないので、画像表示用のＲ光として利用することができない。

自動車用ＨＵＤ２００の光源２１Ｂから発せられる波長４５０［ｎｍ］のＢ光では、明所視比視感度は低い数値であるが、暗所視の対明所視感度が高い値になっている。このため、Ｂ光を信号光として用いると、暗い場所で映像ノイズが視認され易くなってしまう。自動車においては、昼間の運転では映像ノイズを視感しないものの、夜間の運転では映像ノイズが目立ってしまう。

自動車用ＨＵＤ２００の光源２１Ｇから発せられる波長５１５［ｎｍ］のＧ光では、暗所視の対明所視感度も、明所視比視感度も高い値になっている。特に、暗所視の対明所視感度はほぼピーク値である。Ｇ光を信号光として用いると、明るい場所でも、暗い場所でも映像ノイズが目立ってしまう。

自動車用ＨＵＤ２００の光源２１Ｒから発せられる波長６５０［ｎｍ］のＲ光では、暗所視の対明所視感度も、明所視比視感度も低い値になっている。よって、Ｒ光を信号光として用いることで、明るい場所でも、暗い場所でも映像ノイズを目立ち難くすることが可能である。

そこで、この自動車用ＨＵＤ２００では、光源２１Ｒだけを用いて、Ｒ光からなる信号光を第一受光部４、第二受光部５のそれぞれに受光させるようになっている。かかる構成では、信号光を迷光として走査光Ｌ_２に混入させることによる映像ノイズを軽減することができる。

信号光を発する光源の波長は６５０［ｎｍ］に限られるものではない。図示のように、６００［ｎｍ］以上であれば、明るい場所でも、暗い場所でも映像ノイズを目立たせ難くすることが可能である。但し、走査光Ｌ_２の光源として兼用する場合には、Ｒ光となる６２０［ｎｍ］以上の波長を選択する必要がある。また、画像表示に支障のない明るさを得るためには、６８０［ｎｍ］以下の波長を選択する必要がある。６２０［ｎｍ］〜６８０［ｎｍ］の範囲の波長を選択することで、画像表示用の光源２１Ｒを信号光の光源として兼用することができる。

なお、自動車用ＨＵＤ２００に限らず、一般的なディスプレイやプロジェクターであっても、暗い環境、明るい環境の両方で映像ノイズを目立ち難くするためには、６００［ｎｍ］以上の波長の光を信号光とすることが望ましい。

以上に説明したものは一例であり、次の態様毎に特有の効果を奏する。
［第１態様］
第１態様は、複数の光源（例えば、光源２１Ｒ，２１Ｂ，２１Ｇ）から発した光（例えばＲ光、Ｇ光、Ｂ光）によって光走査しながら、少なくとも一つの光源から発した光を受光手段（例えば第一受光部４、第二受光部５）に受光させたタイミングに基づいて走査位置を調整する光走査装置であって、６００［ｎｍ］以上の波長の光を発する光源（例えば光源２１Ｒ）だけを用いて、前記受光手段に受光させることを特徴とするものである。

第１態様においては、明所視比視感度、暗所視の対明所視感度の何れも低い値となる６００［ｎｍ］以上の波長の光を、受光手段に受光させる光として用いることで、明るい場所でも、暗い場所でも映像ノイズを視認され難くする。これにより、受光手段に受光させるための光を迷光として走査光に混入させることによる映像ノイズを軽減することができる。

［第２態様］
第２態様は、第１態様であって、前記波長が６２０［ｎｍ］以上、６８０［ｎｍ］以下であることを特徴とするものである。

第２態様においては、赤色光として視認される６２０〜６８０［ｎｍ］の波長の光を、受動手段に受光させる光として用いることで、その光の光源を画像表示用の走査光を発するＲ光源として兼用することができる。

［第３態様］
第３態様は、第２態様であって、画像表示用の光源（例えばＲ光源）から発した赤色の光で走査対象面（例えばフロントガラス３０２）を光走査して前記走査対象面に画像を表示しながら、前記光源から発した赤色の光を前記受光手段に受光させることを特徴とするものである。

第３態様においては、画像表示用のＲ光源を、受光手段に受光させる光を発する光源として兼用することで、低コスト化を図ることができる。

［第４態様］
第４態様は、光走査装置によって走査対象面を光走査して前記走査対象面に画像を表示する画像表示装置（例えば自動車用ＨＵＤ２００）において、前記光走査装置として、第１、第２又は第３態様を用いたことを特徴とするものである。

［第５態様］
第５態様は、光走査装置によって走査対象面を光走査して前記走査対象面に画像を表示するヘッドアップディスプレイ（例えば自動車用ＨＵＤ２００）において、前記光走査装置として、第１、第２又は第３態様を用いたことを特徴とするものである。

［第６態様］
第６態様は、画像表示装置又はヘッドアップディスプレイを搭載した移動体（例えば自動車３０１）において、前記画像表示装置として第４態様を用いるか、又は前記ヘッドアップディスプレイとして第５態様を用いたことを特徴とするものである。

１：光源制御部
２：光出射装置
３：光偏向器制御部
４：第一受光部（受光手段）
５：第二受光部（受光手段）
６：温度検知部
１１：中間スクリーン（走査対象面）
２１Ｒ：光源（６００ｎｍ以上の波長のＲ光を発する光源）
２１Ｂ：光源
２１Ｇ：光源
２２Ｒ，２２Ｂ，２２Ｇ：コリメートレンズ
２３Ｒ，２３Ｂ，２３Ｇ：ダイクロイックミラー
４６：光出射部
４７：偏向領域
５０：光偏向器
５１：光反射部
５２：第一枠部材
５３：第二枠部材
５４：第一トーションバー
５５：第二トーションバー
２００：自動車用ＨＵＤ
２２０Ａ：第一表示領域
２２０Ｂ：第二表示領域
２２０Ｃ：第三表示領域
３００：運転者
３０１：自動車（移動体）
３０２：フロントガラス（走査対象面）
Ｌ：投射光
Ｌ_１：光束
Ｌ_２：走査光

特許第６１５５９４３号

Claims (6)

1. 複数の光源から発した光によって光走査しながら、少なくとも一つの光源から発した光を受光手段に受光させたタイミングに基づいて走査位置を調整する光走査装置であって、
   ６００［ｎｍ］以上の波長の光を発する光源だけを用いて、前記受光手段に受光させることを特徴とする光走査装置。
2. 請求項１の光走査装置であって、
   前記波長が６２０［ｎｍ］以上、６８０［ｎｍ］以下であることを特徴とする光走査装置。
3. 請求項２の光走査装置であって、
   画像表示用の光源から発した赤色の光で走査対象面を光走査して前記走査対象面に画像を表示しながら、前記光源から発した赤色の光を前記受光手段に受光させることを特徴とする光走査装置。
4. 光走査装置によって走査対象面を光走査して前記走査対象面に画像を表示する画像表示装置において、
   前記光走査装置として、請求項１、２又は３の光走査装置を用いたことを特徴とする画像表示装置。
5. 光走査装置によって走査対象面を光走査して前記走査対象面に画像を表示するヘッドアップディスプレイにおいて、
   前記光走査装置として、請求項１、２又は３の光走査装置を用いたことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
6. 画像表示装置又はヘッドアップディスプレイを搭載した移動体において、
   前記画像表示装置として請求項４の画像表示装置を用いるか、又は前記ヘッドアップディスプレイとして請求項５のヘッドアップディスプレイを用いたことを特徴とする移動体。

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