JP2013015738A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents
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Abstract
夜間の暗い環境下でも表示を眩しく感じないような低輝度の表示を安定的に実現し、さらに輝度変化が連続的で車両運転者に違和感を与えず、全表示輝度範囲でホワイトバランスも良好なヘッドアップディスプレイ装置を提供する。
【解決手段】
外光の照度を検出する外光強度検出部70を備え、この外光強度検出部70により測定された外光照度Pに基づき表示する画像の表示輝度Bを調整するヘッドアップディスプレイ装置1において、表示画像を所定の輝度より低い低輝度領域で表示する場合、偏光制御素子11の偏光角度を制御し、偏光部14におけるレーザー光RGBの透過率Zを調整することにより、表示画像の表示輝度Bを低く調整する表示輝度調整手段81aを設ける。
【選択図】図3
Description
昼間の明るい環境下でも表示が見えるためにヘッドアップディスプレイ装置1の表示する表示画像の輝度は、最大輝度で数千〜数万cd/m2以上が要求され、夜間の暗い環境下では、表示の眩しさが運転の妨げにならないような最小輝度として数cd/m2が要求される。
すなわち、本発明は、外光強度検出部により外光の照度を検出し、この外光の照度に基づき、表示の輝度を調整するヘッドアップディスプレイ装置において、表示画像を所定の輝度より低い低輝度領域で表示する場合、偏光制御素子の偏光角度を制御し、偏光部におけるレーザー光の透過率を調整することにより、表示画像の表示輝度を低く調整する表示輝度調整手段を設けたことを、その要旨とする。
前記レーザー光を偏光する偏光制御素子と、前記偏光制御素子における前記レーザー光の偏光角度を任意に制御する偏光制御部と、
特定の偏光成分を透過する偏光部と、
前記レーザー光源から出射したレーザー光の光路上に位置し、到達したレーザー光を走査し、所望の表示画像を投影する走査部と、
前記レーザー光の光強度を検出するレーザー光検出部と、
外光の照度を検出する外光検出部と、
前記外光検出部により測定された外部照度測定値に基づき、前記表示画像の表示される輝度目標値を算出し、前記表示画像が前記輝度目標値で表示されるように前記レーザー光制御部と前記偏光制御部とを制御する表示輝度調整手段と、
を備えるヘッドアップディスプレイ装置において、
前記表示輝度調整手段は、
前記外部照度測定値が所定の境界外部照度以上の場合、
前記偏光制御部を介し、前記偏光制御素子の偏光角度を前記レーザー光が前記偏光部にて減光されない偏光角度になるように制御し、
前記外部照度測定値が前記境界外部照度未満の場合、
前記偏光制御部を介し、前記偏光制御素子の偏光角度を前記レーザー光が前記偏光部にて減光される偏光角度になるように制御するものであり、
斯かる構成により、夜間の暗い環境下でも表示を眩しく感じない低輝度の表示を安定的に実現し、昼間の明るい環境や夜間の暗い環境等の幅広い照度環境下において、明瞭且つ、適切な輝度の表示を見ることができるヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。
前記レーザー光を偏光する偏光制御素子と、前記偏光制御素子における前記レーザー光の偏光角度を任意に制御する偏光制御部と、
特定の偏光成分を透過する偏光部と、
前記レーザー光源から出射したレーザー光の光路上に位置し、到達したレーザー光を走査し、所望の表示画像を投影する走査部と、
前記レーザー光の光強度を検出するレーザー光検出部と、
外光の照度を検出する外光検出部と、
前記外光検出部により測定された外部照度測定値に基づき、前記表示画像の表示される輝度目標値を算出し、前記表示画像が前記輝度目標値で表示されるように前記レーザー光制御部と前記偏光制御部とを制御する表示輝度調整手段と、
を備えるヘッドアップディスプレイ装置において、
前記表示輝度調整手段は、
前記外部照度測定値が所定の境界外部照度以上の場合、
前記レーザー光制御部を介し、前記レーザー光源のレーザー光強度を制御することで、前記表示画像の輝度を前記輝度目標値に調整する高輝度制御モードと、
前記外部照度測定値が前記境界外部照度未満の場合、
前記偏光制御部を介し、前記偏光制御素子の偏光角度を制御することで、前記表示画像の輝度を前記輝度目標値に調整する低輝度制御モードとを備えるものであり、斯かる構成により、夜間の暗い環境下でも表示を眩しく感じない低輝度の表示を安定的に実現し、昼間の明るい環境や夜間の暗い環境等の幅広い照度環境下において、明瞭且つ、適切な輝度の表示を見ることができるヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置(HUD装置)1を、図面を参照して説明する。
本実施形態に係るHUD装置1は、図1に示すように、車両2のダッシュボード内に設けられ、生成した表示画像D(図2,6参照)を表す表示光Jをウインドシールド3で反射させることにより、車両運転者4に車両情報を表す表示画像Dの虚像Xを視認させる装置である。これにより、車両運転者4は、運転中に前方から視線を逸らさずに車両情報を視認できる。
集光レンズ12rは、レーザーダイオード11r,が出射するレーザー光Rの光路上に配置され、レーザー光Rを収束光にする。集光レンズ12gと緑色レーザーダイオード11g、集光レンズ12bと青色レーザーダイオード11bの対応関係についても同様である。
液晶パネル13は、各波長のレーザー光RGBに対応する液晶セル(偏光制御可能領域)131r,131g,131bを有しており、液晶セル131r,131g,131bは各々独立に制御することが可能である。
斯かる構成により、RGB等の異なる波長及びレーザーダイオード11の個体差による偏光制御素子13の偏光度や可視光線透過率を考慮し、レーザーダイオード11毎に偏光制御素子13の偏光角度を制御することができる。
また、本実施例において制御液晶パネル13は、例えば、TN(Twisted Nematic)液晶を用いる。以下、液晶パネル13をTN液晶と仮定して説明する。
図5は、液晶パネル13と偏光板14とを介し、レーザー光RGBが(a)透過されない場合と、(b)透過される場合とを表した図である。
図6(a)に示すように、レーザー光RGBの偏光角度は、液晶セル131r,131g,131b入射時と同様の偏光角度を維持したまま液晶セル131r,131g,131bを出射する。
出射したレーザー光RGBは、偏光板14に入射するが、このとき、レーザー光RGBの偏光角度は、偏光板14の透過軸に対し直交した状態のため、レーザー光RGBは、偏光板14を透過できない。即ち、液晶パネル13と偏光板14との組み合わせによって、レーザー光RGBの光強度は著しく低下する。
上記のように液晶パネル13を透過したレーザー光RGBの偏光角度が変化しないのは、液晶パネル13に電圧を印加し、液晶分子が完全に立ち上がった状態の場合である。
一方、図6(b)に示すように、レーザー光RGBの偏光角度は、液晶セル131r,131g,131b入射時に対して90°回転し液晶セル131r,131g,131bを出射する。
出射したレーザー光RGBは、偏光板14に入射するが、このとき、レーザー光RGBの偏光角度は、偏光板14の透過軸と一致するため、減光されることなく偏光板14を出射する。
上記のように液晶パネル13を透過したレーザー光RGBの偏光角度が90°回転するのは、液晶パネル13に電圧を印加していない、もしくは液晶分子の配列が変化しない程度の低電圧を印加した場合である。
図6において、液晶セル131r,131g,131bによる偏光角度を同様にしているが、液晶セル131r,131g,131bはそれぞれ独立して偏光角度を制御できる。
液晶パネル13の印加電圧の大きさVを制御することで、レーザー光の偏光角度を0〜90°の範囲で任意に制御でき、偏光部14におけるレーザー光の透過率Zを制御する。これにより、偏光板14を出射するレーザー光強度Aを任意に決定できる。(印加電圧の大きさVを制御した際の偏光部14の透過率Zの推移を図10(f)に表す。)
また、本実施例では、液晶パネル13の印加電圧VをOFF状態で使用した際にレーザー光が透過し、ON状態で使用した際にレーザー光が遮光されるNormally Whiteの液晶を例に説明したが、Normally Black液晶でもよい。
また、ダイクロイックミラー15gは、集光レンズ12gとダイクロイックミラー15rからの光の進行方向に位置し、各々の光の進行方向に対して所定の角度をもって配設される。これにより、レーザー光Rを透過し、レーザー光Gを反射する。即ち、ダイクロイックミラー15gは、レーザー光RとGを合波する。
また、ダイクロイックミラー15bは、集光レンズ12bとダイクロイックミラー15gからの光の進行方向に位置し、各々の光の進行方向に対して所定の角度をもって配設される。これにより、合波されたレーザー光R,Gを透過し、レーザー光Bを反射する。即ち、ダイクロイックミラー15bは、レーザー光R,Gとレーザー光Bをさらに合波する。
また、本実施形態では、カラーセンサ30は、透過スクリーン40の下面に設置されているが、設置場所は任意である。
本実施形態では、反射部50は、平面ミラー51と拡大ミラー52の2枚の鏡から構成されるが、その構成は任意である。
本実施形態では、ライトセンサ70は、窓部61の下面に設置されているが、設置場所は、外部照度測定値が所定値以上検出可能な範囲であれば任意である。
図7は、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置のブロック図である。
本発明におけるHUD装置1の制御系統は、合成レーザー光発生装置10と、MEMSスキャナ20と、カラーセンサ30と、ライトセンサ70と、制御部80と、から構成されている。
また、マイコン81は、MEMSスキャナ20の同期信号から合成レーザー光Cの走査位置を特定し、あらかじめ設置されているカラーセンサ30の位置情報をメモリしておき、カラーセンサ30の位置と走査位置が重なったタイミングでレーザー光制御部82を介してレーザーダイオード11r,11g,11bを駆動する。
また、マイコン81は、表示画像Dの表示輝度Bを調整する表示輝度調整手段81aと、表示画像Dのホワイトバランスを調整する画質補正手段81bと、を備える。
表示輝度調整手段81aは、ライトセンサ70から出力された外部照度測定値P1から適した表示画像の輝度である輝度目標値B1を算出し、その算出結果に基づき、レーザー光制御部82を介しレーザーダイオード11のレーザー光強度Aを制御するまたは、算出された輝度目標値B1に基づき、偏光制御部83を介し液晶パネル13の偏光角度を調整し、偏光板14の透過率Zを制御することにより、表示画像Dの表示輝度Bを調整する。
または、画質補正手段81bは、液晶セル131r,131g,131bそれぞれの偏光角度を調整し、偏光板14の透過率Zを制御することにより、表示画像Dのホワイトバランスの補正を行う。
ステップS1において、表示輝度調整手段81aは、ライトセンサ70が検出する外部照度Pが、メモリされている所定の境界外部照度Pm以上となった場合、高輝度モード(S1a)へ推移し、境界外部照度Pm未満となった場合、低輝度モード(S1b)へ推移する。
境界外部照度Pmは、あらかじめ定められた境界電流値Imから算出される値であり、レーザーダイオード11r,緑色レーザーダイオード11g,青色レーザーダイオード11bのいずれかがレーザー発振しなくなる閾値電流値Ithを基準に算出される外部照度閾値Pth以上の値である。
高輝度モードS1aは、図9のフロー図に沿って行われる。外部照度Pの測定データを外部照度測定値P1として、以下の説明を行う。
ステップS2において、表示輝度調整手段81aは、図10(a)に示すようにマイコン81にメモリされた外部照度−表示輝度テーブルO1に基づき、入力した外部照度測定値P1に適した表示画像の輝度である輝度目標値B1を算出し、
次に、図10(b)に示すように表示輝度−レーザー光強度データテーブルO2に基づき、輝度目標値B1に応じたレーザー光源11の光強度目標値A1を算出する。
(1)駆動電流−レーザー光強度特性データテーブルO3(図10(c))に基づき、光強度目標値A1に応じたレーザー光源11の目標電流値I1を算出する。または、
(2)光源デューティー比−レーザー光強度特性データテーブルO4(図10(d))に基づき、上記で算出された光強度目標値A1に応じたレーザー光源11の目標光源デューティー比Q1を算出する。
このようにして駆動されたそれぞれのレーザー光源11r、11g、11bのレーザー光RGBは合成され、合成レーザー光発生装置10から合成レーザー光Cが出射し、この合成レーザー光Cは走査部20により走査され、スクリーン40側に投射される。
1フレーム目において、表示輝度調整手段81aは、ライトセンサ70により測定された外部照度測定値P1より算出された光強度目標値A1になるように、目標電流値I1もしくは目標光源デューティー比Q1を算出する。(ステップS0、S2、S3)
これら目標電流値I1もしくは目標光源デューティー比Q1でレーザー光源11を駆動し、カラーセンサ30により測定された光強度測定値Mと光強度目標値A1が略一致するように、ホワイトバランスを考慮しつつ、前記目標電流値I1または目標光源デューティー比Q1を調整するフィードバック制御を行う。(ステップS4乃至S8)
2フレーム目において、上記1フレーム目で調整された目標電流値I1または目標光源デューティー比Q1でレーザー光源11を駆動し、走査部20にて走査し、2フレーム目の表示画像Dを投射し、カラーセンサ30により測定された光強度測定値Mと光強度目標値A1が略一致するように、レーザー光源11の目標電流値I1または目標光源デューティー比Q1を再び調整するフィードバック制御を行う。(ステップS4乃至S8)
60フレーム目まで、2フレーム目と同様に、カラーセンサ30に測定された光強度測定値Mと光強度目標値A1が略一致するように、レーザー光源11の目標電流値I1または目標光源デューティー比Q1を調整するフィードバック制御(ステップS4乃至S8)を繰り返す。
61フレーム目は、再び1フレーム目と同様にライトセンサ70により測定された外部照度測定値P1に基づき、光強度目標値A1を再度算出し、この算出された光強度目標値A1に応じた目標電流値I1または目標光源デューティー比Q1を算出する。
以下同様に、ステップS4乃至S8のフィードバック制御を繰り返す。
上記制御方法は本発明における一実施例であり、外部照度Pの読み込みタイミングやフィードバック制御の回数等は任意に決定してよい。
低輝度モードS1bは、図11のフロー図に沿って行われる。外部照度Pの測定データを外部照度測定値P2として、以下の説明を行う。
ステップS11において、表示輝度調整手段81aは、図10(a)に示すようにマイコン81にメモリされた外部照度−表示輝度テーブルO1に基づき、入力した外部照度測定値P2に適した表示画像の輝度である輝度目標値B2を算出し、図10(b)に示すように表示輝度−レーザー光強度データテーブルO2に基づき、輝度目標値B2に応じたレーザー光源11の光強度目標値A2を算出する。
また、図13(b)に示すように、複数の温度に対する光源デューティー比−レーザー光強度特性データテーブルを用いてもよい。
図14は、液晶セル131r,131g,131bの印加電圧Vを1フレーム辺りに5ステップの割合で緩やかに変化させた例である。図14(a)は、各フレームF毎の液晶セル131r,131g,131bの印加電圧Vの推移を表しており、1フレームあたりの印加電圧Vの変化量を5Vth/256に設定し、偏光板14の透過率Zが、目標透過率Z2になるための目標電圧値V2になるまで、連続的に変調する。目標電圧値V2に達した次のフレーム(図14の30フレーム目)以降で、カラーセンサ30に入力されるレーザーダイオード11の光強度測定値Mを測定し、フィードバック制御を行い、目標電圧値V2を修正する。
図14(b)は、図14(a)のように印加電圧Vを推移させた場合のフレームF毎の偏光板14のレーザー光RGBの透過率Zの推移を表している。本実施例のように偏光制御素子13として液晶パネルを用いた場合、分極現象が起こらないように、図14(c)に表すように、各フレーム毎に印加電圧Vを正負反転し、交流的に駆動する。
斯かる構成により、複数のステップで段階的に変化させると、運転手にとって違和感を生むような、急激な輝度変化を生じない。
本実施例では、液晶パネル13をレーザー光RGB用に3つの液晶セル(偏光制御可能領域)131r,131g,131bに分割し、各々のセルを制御したが、図15のように、液晶パネル13をレーザーダイオード11毎に設けてもよい。このように、レーザーダイオード毎に液晶パネルを独立して設けることにより、他のレーザーダイオードからの光の干渉を抑制し、より確実にレーザー光源毎のレーザー光強度やホワイトバランスの調整を行うことができる。
また、図16に示すように、レーザー光RGBをダイクロイックミラー15r,15g,15bで合成した合成レーザー光Cの光路上に偏光制御素子13を設ける構成としてもよい。斯かる構成により、複数のレーザー光源において、偏光制御素子と偏光部とを共有化でき、上記実施形態に対し、コストを低く抑えたヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。
また、上記第四実施形態のHUD装置1の構成において、図17に示すように1フレームを時間分割したサブフレームSF毎にレーザーダイオード11r,、11g、11bをそれぞれ駆動し、偏光制御素子は、入射してくるレーザーダイオード11r,、11g、11b毎に偏光角度を調整するような構成にしてもよい。
斯かる構成により、複数のレーザー光源に対し、1つの液晶制御素子を用い、レーザー光源の波長ごとまたは個体誤差に応じて偏光角度を調整することで、外部照度に適した表示輝度で画像表示でき、良好なホワイトバランスの制御をしつつも、コストを抑えたHUD装置を提供することができる。
2 車両
3 ウインドシールド
4 車両運転者
5 車両ECU
10 合成レーザー光発生装置
11 レーザー光源(レーザーダイオード)
11r 赤色レーザーダイオード
11g 緑色レーザーダイオード
11b 赤色レーザーダイオード
12 集光光学系
12r 集光レンズ
12g 集光レンズ
12b 集光レンズ
13 偏光制御素子(液晶パネル)
131r 偏光制御可能領域(液晶セル)
131g 偏光制御可能領域(液晶セル)
131b 偏光制御可能領域(液晶セル)
14 偏光部(偏光板)
15 ダイクロイックミラー
20 走査手段(MEMSスキャナ)
30 レーザー光検出部(カラーセンサ)
40 透過スクリーン
50 反射部
51 平面ミラー
52 拡大ミラー
60 ハウジング
61 窓部
70 外光検出部(ライトセンサ)
80 制御部
81 マイコン
81a 表示輝度調整手段
81b 画質補正手段
82 レーザー光制御部
83 偏光制御部
90 MEMSドライバ
R 赤色レーザー光
G 緑色レーザー光
B 青色レーザー光
C 合成レーザー光
D 表示画像
J 表示光
X 虚像
En 走査可能範囲
Ep 表示エリア
LH 高輝度領域
LL 低輝度領域
A レーザー光強度
A1 光強度目標値
Am 境界光強度
Ath 光強度閾値
B 表示輝度
B1 輝度目標値(高輝度領域)
B2 輝度目標値(低輝度領域)
Bm 境界表示輝度
I 駆動電流値
I1 目標電流値(高輝度領域)
Im 境界電流値
Ith 閾値電流値
M 光強度測定値
P 外部照度
P1 外部照度測定値(高輝度領域)
P2 外部照度測定値(低輝度領域)
Pm 境界外部照度
Pth 外部照度閾値
Q 光源デューティー比
Q1 目標光源デューティー比(高輝度領域)
Qm 境界光源デューティー比
V 印加電圧
V2 目標電圧
Z 透過率
Z2 目標透過率(低輝度領域)
Claims (13)
- レーザー光を出射するレーザー光源と、
前記レーザー光の光強度を制御するレーザー光制御部と、
前記レーザー光を偏光する偏光制御素子と、前記偏光制御素子における前記レーザー光の偏光角度を任意に制御する偏光制御部と、
特定の偏光成分を透過する偏光部と、
前記レーザー光源から出射したレーザー光の光路上に位置し、到達したレーザー光を走査し、所望の表示画像を投影する走査部と、
前記レーザー光の光強度を検出するレーザー光検出部と、
外光の照度を検出する外光検出部と、
前記外光検出部により測定された外部照度測定値に基づき、前記表示画像の表示される輝度目標値を算出し、前記表示画像が前記輝度目標値で表示されるように前記レーザー光制御部と前記偏光制御部とを制御する表示輝度調整手段と、
を備えるヘッドアップディスプレイ装置において、
前記表示輝度調整手段は、
前記外部照度測定値が所定の境界外部照度以上の場合、
前記偏光制御部を介し、前記偏光制御素子の偏光角度を前記レーザー光が前記偏光部にて減光されない偏光角度になるように制御し、
前記外部照度測定値が前記境界外部照度未満の場合、
前記偏光制御部を介し、前記偏光制御素子の偏光角度を前記レーザー光が前記偏光部にて減光される偏光角度になるように制御すること、を特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。 - レーザー光を出射するレーザー光源と、前記レーザー光の光強度を制御するレーザー光制御部と、
前記レーザー光を偏光する偏光制御素子と、前記偏光制御素子における前記レーザー光の偏光角度を任意に制御する偏光制御部と、
特定の偏光成分を透過する偏光部と、
前記レーザー光源から出射したレーザー光の光路上に位置し、到達したレーザー光を走査し、所望の表示画像を投影する走査部と、
前記レーザー光の光強度を検出するレーザー光検出部と、
外光の照度を検出する外光検出部と、
前記外光検出部により測定された外部照度測定値に基づき、前記表示画像の表示される輝度目標値を算出し、前記表示画像が前記輝度目標値で表示されるように前記レーザー光制御部と前記偏光制御部とを制御する表示輝度調整手段と、
を備えるヘッドアップディスプレイ装置において、
前記表示輝度調整手段は、
前記外部照度測定値が所定の境界外部照度以上の場合、
前記レーザー光制御部を介し、前記レーザー光源のレーザー光強度を制御することで、前記表示画像の輝度を前記輝度目標値に調整する高輝度制御モードと、
前記外部照度測定値が前記境界外部照度未満の場合、
前記偏光制御部を介し、前記偏光制御素子の偏光角度を制御することで、前記表示画像の輝度を前記輝度目標値に調整する低輝度制御モードとを備えること、を特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。 - 前記表示画像のホワイトバランスの補正処理を行う画質補正手段をさらに備えてなること、を特徴とする請求項1または請求項2に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記画質補正手段は、前記レーザー光制御部を介し、前記レーザー光源の光強度を制御することで、前記表示画像のホワイトバランスを補正すること、を特徴とする請求項3に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記画質補正手段は、前記偏光制御部を介し、前記偏光制御素子の偏光角度を制御することで、前記表示画像のホワイトバランスを補正すること、を特徴とする請求項3または請求項4に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記レーザー光源の駆動電流値は、前記レーザー光源の閾値電流値より大きい値に設定されてなること、を特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記レーザー光制御部は、前記レーザー光源をPAM駆動またはPWM駆動により、緩やかに所望の光強度になるように制御すること、を特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記偏光制御部は、前記偏光制御素子の印加電圧の大きさを緩やかに変化させること、を特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記レーザー光源は、波長の異なる複数のレーザー光源を備えること、を特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記偏光制御素子は、独立して制御可能な複数の偏光制御可能領域を備えてなること、を特徴とする請求項9に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記偏光制御素子と前記偏光部は、前記複数のレーザー光源の各々に対して備えられていること、を特徴とする請求項9に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記偏光制御素子と前記偏光部は、前記波長の異なる複数のレーザー光源から発せられたレーザー光が合成された合成レーザー光の光路上に備えられてなること、を特徴とする請求項9に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記合成レーザー光は、フレームを時間分割したサブフレーム毎に波長の異なるレーザー光源を発光させてなるものであり、前記偏光制御部は、前記サブフレーム毎に、前記偏光制御素子の偏光角度を制御すること、を特徴とする請求項9乃至12のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
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