JP2016173476A - 画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を変調してホログラム画像を生成させ、このホログラム画像に基づいて投影画像を生成する画像投影装置において、ホログラム画像及び投影画像の品質を低下させることなく、これらの画像の輝度を適切に制御する。【解決手段】集光光学系からの出射光の強度を検知する検知部と、入射光の強度を低減させるフィルタと、フィルタを、レーザ光源からの出射光の光路中の所定位置に挿入し、又は、所定位置から退避させる駆動部と、検知部による検知結果に基づいて駆動部の動作を制御し、フィルタを所定位置に挿入し、又は、所定位置から退避させる制御部とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、変調素子によって変調された光をスクリーンに結像させ、この像に基づいた投影画像を生成させる画像投影装置に関し、特に、車両用ヘッドアップディスプレイ装置などに用いる画像投影装置に関する。

特許文献１は、眼に対して過剰な負担をかけることを防ぐ観点から、射出瞳拡大器としてのマイクロレンズアレイの有無の検出結果に基づいて、装置外への出射光を遮断し、又は、出射光の光量を減少させることを目的として、光路に出入りするシャッタを配置した画像表示装置を開示している。

国際公開第ＷＯ２０１３／１４６０９６号公報

レーザ光を変調した光を集光レンズによってスクリーンに結像させてホログラム画像を生成させ、このホログラム画像に基づいて投影画像を生成する画像投影装置が提案されている。この装置においては、レーザ光の光源の駆動電流とパルス幅を制御することによって、投影画像の輝度をコントロールしている。ここで、レーザ光の出力特性においては、駆動電流の増加に対する輝度の変化量が急峻に変化する閾値が存在する。このため、特に前記閾値を含む範囲でレーザ光の輝度を精度良く制御することが難しい。さらに、輝度を低下させるためにレーザ光源の駆動信号のパルス幅を狭くしていくと、スペックルノイズが徐々に増大し、パルス幅を所定値以下とした低輝度範囲ではスペックルノイズが使用者に視認されやすくなって、投影画像の画質の劣化が顕著となる。

特許文献１に記載の画像表示装置においては、シャッタを、光源側から見て集光レンズの直後に配置している。このような配置を、上述の画像投影装置に適用した場合、スクリーンに到達する光の光量が減少してしまうことから、スクリーンに結像する画像の輝度が低下し、このようなホログラム画像に基づいて生成される投影画像の品質は低いものになりやすいという問題があった。このような画像劣化は、レーザ光を変調させて回折光を出射させる装置に顕著に現れやすい。

さらに、特許文献１に記載の画像表示装置では、フォトセンサをディフューザの直後に配置しているため、フォトセンサに入射する光は、集光レンズの直後に配置したシャッタやディフューザによって光量が減少したものとなっている。このため、フォトセンサが検知する光量はレーザ光源からの出射光の光量とは対応しづらくなることから、フォトセンサによる検知結果に基づいたレーザ光源に対する駆動制御は困難となる。また、すでにシャッタを通過した光によってシャッタの出し入れの判断を行うことは制御として適切とはいい難い。

そこで本発明は、レーザ光を変調してホログラム画像を生成させ、このホログラム画像に基づいて投影画像を生成する画像投影装置において、ホログラム画像及び投影画像の品質を低下させることなく、これらの画像の輝度を適切に制御することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の画像投影装置は、レーザ光源と、レーザ光源からの出射光に対して変調を施す変調素子と、変調素子による変調光をフーリエ変換するとともに集光させる集光光学系と、集光光学系によって集光された光による像が結ばれるスクリーンと、スクリーンで結像した像に基づいて投影位置に投影画像を生成させる投影光学系と備える画像投影装置であって、集光光学系からの出射光の強度を検知する検知部と、入射光の強度を低減させるフィルタと、フィルタを、レーザ光源からの出射光の光路中の所定位置に挿入し、又は、所定位置から退避させる駆動部と、検知部による検知結果に基づいて駆動部の動作を制御し、フィルタを所定位置に挿入し、又は、所定位置から退避させる制御部とをさらに備えることを特徴としている。

これにより、中間像としてレーザ光を変調させたホログラム画像を用いる画像投影装置において、投影画像の輝度を下げる際に、フィルタを用いることができるため、スペックルノイズを増加させる範囲までレーザ光源のパルス幅を狭くすることがなくなる。したがって、スペックルノイズの増大を抑えることができるため、投影画像の品質を低下させることなく輝度を制御することができ、かつ、使用者の眼に対して過剰な負担をかけることがなくなる。

本発明の画像投影装置において、制御部は、駆動部の動作制御に加えてレーザ光源の駆動信号を制御し、これらの制御により投影画像の輝度のダイナミックレンジを制御することが好ましい。

これにより、駆動信号のパルス幅の調整だけではスペックルノイズを増加させずに制御することが難しかった低輝度範囲でも輝度制御が容易となり、これにより投影画像の輝度のダイナミックレンジを広げることが可能となる。

本発明の画像投影装置において、制御部は、駆動信号のうち、少なくとも駆動電流値とパルス幅とを制御することが好ましい。

本発明の画像投影装置において、制御部は、所定値以上の範囲でパルス幅を制御可能なときは駆動信号のみを制御し、パルス幅が所定値以上の値に設定できないときには、駆動信号の制御に加えて駆動部の動作制御を行うことが好ましい。

これにより、高輝度範囲では従来の制御を行うことができ、低輝度範囲では投影画像の画質を低下させることなく、より低い輝度まで制御を行うことができる。

本発明の画像投影装置は、さらに、画像投影装置の周囲の明るさの判別を行う判別部を備え、制御部は、検知部による検知結果と判別部による判別結果とに基づいて、駆動信号及び駆動部の動作の制御を行うことが好ましい。

これにより、昼夜の違いや天候の変化によって変わる周囲の明るさに応じて、最適な輝度の投影画像を生成することが可能となる。

本発明の画像投影装置において、上記所定位置は、スクリーンと投影光学系との間であり、検知部は、集光光学系とスクリーンとの間に配置されていることが好ましい。

フィルタの位置をスクリーンと投影光学系の間とすることによって、スクリーンに到達する光の量を確保でき、かつ、高精細なホログラム画像をスクリーン上に形成することができ、このようなホログラム画像に基づいて形成する投影画像の画質も一定以上のものとすることができる。また、検知部を集光光学系とスクリーンの間に配置することにより、スクリーンの後方に置くことによってスクリーンによる発散光やフィルタによって光量の低減した光を検知する場合よりも、ホログラム画像を形成するイメージ光の光量を正確に検知することができるため、輝度制御を適切に行うことが可能となる。

本発明の画像投影装置において、集光光学系とスクリーンとの間に、変調素子からの出射光のうちの少なくとも０次回折光を遮る遮光壁が設けられ、検知部は遮光壁の集光光学系側に配置され、変調素子から出射された１次回折光の強度を検知することが好ましい。

このように、スクリーンに入射してホログラム画像の生成に寄与する１次回折光の光路の外側であって、ホログラム画像の生成に寄与しない１次回折光が到達する位置に検知部を配置することにより、ホログラム画像の画質を維持しつつ、１次回折光に対応する光量を正確に測定することができる。

本発明の画像投影装置において、上記所定位置は、スクリーンと投影光学系との間であり、検知部は、スクリーンの投影面と同じ平面内であって、スクリーンにおける像の生成に寄与しない１次回折光が入射する範囲に配置されていることが好ましい。

これにより、スクリーンに実際に入射する１次回折光の強度を検知することができるため、スクリーンで結ばれる像の輝度制御をより正確なものとすることができる。

本発明によると、レーザ光を変調してホログラム画像を生成させ、このホログラム画像に基づいて投影画像を生成する画像投影装置において、ホログラム画像及び投影画像の品質を低下させることなく、これらの画像の輝度を適切に制御することができる。

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の構成を示す平面図である。 図１に示すヘッドアップディスプレイ装置の機能ブロック図である。 図１に示すヘッドアップディスプレイ装置におけるホログラム画像の投影動作を示す説明図である。 １次回折光でホログラム画像を生成する機能を説明する説明図である。 投影光学系による投影画像の輝度特性の例を示す両対数グラフである。 図１に示すヘッドアップディスプレイ装置における輝度制御の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の画像投影装置を車両用のヘッドアップディスプレイ装置に適用した場合の実施形態について図面を参照しつつ詳しく説明する。図１は、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０の構成を示す平面図である。図２は、ヘッドアップディスプレイ装置１０の機能ブロック図である。図３は、ヘッドアップディスプレイ装置１０におけるホログラム画像の投影動作を示す説明図である。

図１〜図３に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、主要部材として、レーザ光源１５を有する発光部１２と、変調素子としてのＬＣＯＳ２１と、集光光学系としての集光レンズ２５と、スクリーン４１と、検知部４３と、投影光学系としての第１の投影ミラー４５及び第２の投影ミラー４６と、フィルタ５１と、駆動部５２と、判別部６０と、制御部６１とを備える。

発光部１２は、ベース部材１１上に固定され、放射冷却部１３と、コリメートレンズ１４（図３）と、レーザ光源１５（図２、図３）と、レーザドライバ１６（図２）とを有する。

レーザ光源１５は、可視領域のレーザ光を出射するレーザダイオードであり、レーザドライバ１６から供給される駆動信号に対応した光を出射する。この駆動信号は、制御部６１によって制御され、例えば駆動電流値とパルス幅とを制御することによって出射光の強度が調整される。レーザ光源１５から発せられる熱は放射冷却部１３から放熱される。レーザ光源１５から出射された光Ｂ０（図３）は、コリメートレンズ１４によって平行光Ｂ１とされ、ＬＣＯＳ２１へ入射する。

ＬＣＯＳ２１は、位置決め保持部２２に保持されており、位置決め保持部２２はベース部材１１上に固定されている。ＬＣＯＳ２１から発せられる熱は放射冷却部２３から放熱される。ＬＣＯＳ２１は、反射型ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）であって、液晶層とアルミニウムなどの電極層とを有するパネルである。ＬＣＯＳ２１は、液晶層に電界を与える電極が規則的に並んで複数のピクセルが構成されている。ＬＣＯＳ２１においては、それぞれの電極に与えられる電界強度の変化により、液晶層内の結晶の層の厚さ方向への倒れ角度が変化し、反射されるレーザ光はピクセル毎に位相が変調させられる。このようなピクセル毎の位相の変化は、ＬＣＯＳドライバ２４によって制御される。ＬＣＯＳドライバ２４には、予めメモリ６２に格納された画像データを読み出した制御部６１から、画像データに対応する指示信号が送出され、この指示信号にしたがって、ＬＣＯＳドライバ２４は、ＬＣＯＳ２１のピクセル毎に位相の変化を制御し、これにより所定の位相変調光Ｂ２（イメージ光）（図３）が生成される。

ＬＣＯＳ２１で生成された変調光Ｂ２は集光レンズ２５に入射する。集光レンズ２５は、ベース部材１１に固定されたレンズホルダ２６に保持されている。集光レンズ２５は、例えば両凸正レンズであって、フーリエ変換レンズとして変調光Ｂ２をフーリエ変換するとともに、入射光を集光した変調光Ｂ３を生成する。なお、集光光学系としては、集光レンズ２５のほか、正の屈折力を有するほかの形状のレンズ、複数のレンズからなる正の屈折力を有する光学系を用いることもできる。

図１に示すように、集光レンズ２５から出射された変調光Ｂ３は、平面ミラーである送光ミラー２７で反射され、この反射光Ｂ４は、第１のアパーチャー３１及び第２のアパーチャー３２を経て第１中間ミラー２８に入射する。ここで、送光ミラー２７は、集光レンズ２５の光軸に対して所定の角度をなすようにベース部材１１に固定されている。

第１中間ミラー２８と第２中間ミラー２９は、ともに平面ミラーであって、入射光を所定の角度で反射するようにベース部材１１に固定されている。送光ミラー２７からの反射光である変調光Ｂ４は、第１中間ミラー２８で反射され、この反射光Ｂ５は第２中間ミラー２９で反射され、変調光Ｂ６として第３のアパーチャー３３を経てスクリーン４１へ入射する。

第２中間ミラー２９で反射された変調光Ｂ６は、イメージ光として、スクリーン４１上に集光され、中間像（ホログラム画像）としてスクリーン４１上に結像する。スクリーン４１は、表面に細かな凹凸が形成された透過型のディフューザであって、所定の発散角を有する発散光を出射する。なお、スクリーン４１としては、微小凸レンズが複数並べられたマイクロレンズアレイを用いることもできる。

ここで、図３と図４を参照して、ホログラム画像の投影動作について説明する。図４は、１次回折光でホログラム画像を生成する機能を説明する説明図である。

反射型パネルであるＬＣＯＳ２１の光学面２１ａは、コリメートレンズ１４の光軸に対して傾斜しており、ピクセル毎に、液晶層内の結晶の層の厚さ方向への倒れ角度が変化する。これにより、ＬＣＯＳ２１の各ピクセルでは、Ｐ偏光成分の位相が変調されて１次回折光、２次回折光、などの多次回折光となり、Ｓ偏光成分は位相が変調されず０次回折光となって反射される。

図３は、レーザ光源１５から出射されたレーザ光の光路を単純化して示している。ＬＣＯＳ２１で位相変調を受けた変調光Ｂ２、すなわち１次回折光、２次回折光、などの多次回折光は、集光レンズ２５でフーリエ変換されるとともにスクリーン４１に向けて集光される。また、ＬＣＯＳ２１からの出射光には、ＬＣＯＳ２１で回折効果を受けずに反射された０次回折光も含まれる。集光レンズ２５は、０次回折光の焦点位置Ｆｐがスクリーン４１の投影面４１ａ（図３）に一致するように、位置ならびに焦点距離が設定されている。ここで、集光レンズ２５でフーリエ変換された変調光Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６に含まれる１次回折光の焦点位置も、０次回折光Ｄ０の焦点位置Ｆｐと同様にスクリーン４１の投影面４１ａに設定されるのが好ましい。

集光レンズ２５からスクリーン４１までの間に、光を遮るものが存在していないと仮定し、且つスクリーン４１が本実施形態よりもさらに広い面積を有していると仮定すると、スクリーン４１には、図４において模式的に示すように、０次回折光及び多次の回折光の像が投影される。

図４に示すように、広い面積を有するものと仮定したスクリーン４１には、ＬＣＯＳ２１で位相変調されずに回折を受けていない０次回折光Ｄ０が焦点位置Ｆｐに集光されるが、焦点位置Ｆｐと重複する領域に、ＬＣＯＳ２１で位相変調されて回折効果を受けた１次回折光Ｄ１による１次像Ｈ１が現れる。１次回折光Ｄ１は、ＬＣＯＳ２１の複数のピクセルの位相変調（空間位相変調）の制御によって、投影面４１ａに結像され、中間像としてのホログラム画像７０が生成される。このホログラム画像７０は、１次像Ｈ１内に現れるが、ホログラム画像７０は、０次回折光Ｄ０が集光する焦点位置Ｆｐを含むことなく、焦点位置Ｆｐから離れた場所に投影される。

図４に示すようにスクリーン４１の面積が限りなく広いと仮定すると、スクリーン４１の投影面４１ａでは、１次像Ｈ１の周囲に２次回折光Ｄ２による２次像Ｈ２が投影され、さらに外側の領域に３次回折光Ｄ３、４次回折光Ｄ４、・・・・と多次回折光Ｄｎによる像がそれぞれ現れる。これら多次回折光Ｄｎの像は、コリメート光Ｂ１がＬＣＯＳ２１で位相変調されることによって生成される。

本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０においては、集光レンズ２５からスクリーン４１までの光路上に、複数段のアパーチャー３１、３２、３３が順に形成されている。具体的には、図３に示すように、送光ミラー２７からの反射光の光路上に遮光壁３１ａが設けられ、遮光壁３１ａに矩形状の第１のアパーチャー３１が開口している。第１のアパ−チャー３１からの透過光の光路上には、遮光壁３２ａが設けられ、遮光壁３２ａに矩形状の第２のアパーチャー３２が開口している。第２のアパーチャー３２からの透過光は第１中間ミラー２８と第２中間ミラー２９で順に反射される。第２中間ミラー２９からの反射光の光路上であって、スクリーン４１に至るまでの間に、遮光壁３３ａが設けられており、この遮光壁３３ａに矩形状の第３のアパーチャー３３が開口している。遮光壁３１ａ、３２ａ、３３ａは、ベース部材１１にそれぞれ固定されている。

これらのアパーチャー３１、３２、３３によって、集光レンズ２５からスクリーン４１に進む光が制限され、スクリーン４１の投影面４１ａに、ホログラム画像７０を含む投影区画像Ｈｈのみが投影される。投影区画像Ｈｈは長方形であり、この投影区画像Ｈｈはホログラム画像７０を含み、０次回折光Ｄ０の焦点位置Ｆｐを含まず、焦点位置Ｆｐから面方向へ離れた位置に設定される。

変調光Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６の光成分のうち、０次回折光Ｄ０と、２次、３次・・・の多次回折光Ｄｎは、アパーチャー３１、３２、３３で制限されて、スクリーン４１に到達しない。すなわち、ホログラム画像７０を含む投影区画像Ｈｈの位置と形状は、複段のアパーチャー３１、３２、３３の開口位置と開口形状とで決定される。一方、１次回折光は、スクリーン４１における投影区画像Ｈｈに寄与しない部分の光がアパーチャー３１、３２、３３によって制限される。

図１と図３に示すように、遮光壁３３ａの集光レンズ２５側に検知部４３が設けられている。検知部４３は、入射光の強度を検知するセンサであり、例えばフォトダイオードである。検知部４３は、集光レンズ２５から出射され、送光ミラー２７、第１中間ミラー２８、及び第２中間ミラー２９で順に反射された１次回折光の強度を検知する。したがって、集光レンズ２５からの出射光としての１次回折光に対応する光量を検知することが可能である。この検知部４３は、遮光壁３３ａの平面上において第３のアパーチャー３３よりも外側であって、少なくとも１次回折光が到達する範囲に設けられている。

ここで、検知部４３は、スクリーン４１の投影面４１ａと同一平面内であって、ホログラム画像に寄与しない１次回折光が入射する範囲に配置されていることが好ましい。これにより、スクリーン４１に実際に入射する１次回折光の強度を検知することができるため、スクリーン４１において生成されるホログラム画像の輝度制御をより正確なものとすることができる。

検知部４３による検知結果は制御部６１へ出力される。制御部６１は、検知部４３による検知結果に基づいて、レーザ光源１５の駆動信号を制御する。この制御においては、レーザ光源１５の駆動信号のうち、少なくとも駆動電流値とパルス幅とを制御する。

図１と図３に示すように、スクリーン４１は第３の遮光壁３３ａの後側（出射側）に配置されている。スクリーン４１に結像したホログラム画像７０を含む投影区画像Ｈｈの光は、スクリーン４１を透過することによって発散光Ｂ７となり、遮光壁３２ａに設けられた第４のアパーチャー３４側へ出射される。

スクリーン４１と第４のアパ−チャー３４との間には、フィルタ５１の挿入位置５１ａが設定されている。フィルタ５１は、入射光の強度を低減させて出射させるフィルタであり、駆動部５２によって、挿入位置５１ａに挿入され、又は、挿入位置５１ａから退避位置５１ｂへ退避される。挿入位置５１ａは、スクリーン４１から出射する発散光Ｂ７の光路上に設定され、退避位置５１ｂは、発散光Ｂ７の光路の外側に設定されている。

駆動部５２は、フィルタ５１を挿入位置５１ａと退避位置５１ｂの間で移動又は回動させるためのモータである。駆動部５２は、検知部４３の検知結果と判別部６０の判別結果に基づいて制御部６１が出力する制御信号にしたがって動作する。駆動部５２の動作によってフィルタ５１を発散光Ｂ７の光路上に出し入れすることによって、第４のアパ−チャー３４に入射する光Ｂ８、Ｂ９の強度を調整することができる。なお、フィルタ５１の挿入位置５１ａは、スクリーン４１と第１の投影ミラー４５の間であれば、第４のアパーチャー３４よりも後側（第１の投影ミラー４５側）でもよい。また、フィルタ５１に代えて、複数枚のフィルタを用いることもできる。フィルタを複数枚用いる場合は、例えば、透過率の異なる複数のフィルタを円板上に等角度間隔で配置し、この円板を回転させて光路上に配置するフィルタを入れ替えることによって、透過する光の強度を複数段階に調整することができる。

図１に示すように、第４のアパーチャー３４を透過した光Ｂ８、Ｂ９は、投影光として、第１の投影ミラー４５へ入射する。第１の投影ミラー４５は、反射面４５ａを有する凹面鏡（拡大鏡）である。スクリーン４１で結像した画像を含む投影光は、第１の投影ミラー４５で拡大・反射される。第１の投影ミラー４５による反射光は第２の投影ミラー４６に入射する。第２の投影ミラー４６は、反射面４６ａを有する凹面鏡（拡大鏡）であり、第１の投影ミラー４５で拡大された投影光がさらに拡大・反射される。第２の投影ミラー４６における反射光は、車両のウインドシールドの表示領域に投影される。この表示領域は半反射面として機能するため、入射したイメージ光は、運転者に向けて反射されるとともに、ウインドシールドの前方位置に虚像が形成される。ウインドシールドの前方の虚像を目視することで、運転者の目には、ステアリングホイールの上方の前方に各種の情報が表示されているように見える。

ヘッドアップディスプレイ装置１０は、装置周囲の明るさの判別を行う判別部６０を備えている。判別部６０による判別結果は制御部６１へ出力される。この判別部６０としては、例えば、（１）装置周囲の明るさを検知する光センサを備え、光センサの検知結果によって明るさを判別する構成、（２）時刻計測部と位置取得部を備え、時刻計測部によって計測した時刻と、位置取得部がＧＰＳ（全地球測位システム）などから取得した現在地データとに基づいて、昼夜を判別する構成、（３）上記（１）、（２）の構成を併用する構成が挙げられる。上記（１）の構成において光センサを設ける場合は、発光部１２から出射して装置内部で進行する光の影響を受けない箇所に配置することが好ましい。

制御部６１は、検知部４３による検知結果及び判別部６０による判別結果に基づいて、レーザドライバ１６の駆動信号及び駆動部５２の動作の制御を行う。

制御部６１によるレーザドライバ１６の駆動信号の制御としては、レーザ光源１５の発光輝度を高める場合は、駆動電流値（駆動波形のピーク値）の増加、駆動波形のパルス幅の増加（デューティ比の増大）、駆動周波数の増加などがあり、レーザ光源１５の発光輝度を低減させる場合には、駆動電流値、駆動波形のパルス幅、及び／又は駆動周波数の減少がある。また、制御部６１による駆動部５２の動作の制御としては、スクリーン４１から出射された発散光の強度を低減させる場合は、フィルタ５１を挿入位置５１ａに挿入させてフィルタ５１を透過させる制御があり、スクリーン４１からの発散光の強度を高める場合は、フィルタ５１を退避位置５１ｂに退避させて、スクリーン４１からの出射光をフィルタ５１を透過させずに投影光学系側へ進ませる制御がある。

なお、本実施形態では、検知部４３による検知結果及び判別部６０による判別結果に基づいて、制御部６１はレーザドライバ１６と駆動部５２の制御の両方を行っているが、判別部６０を設けずに検知部４３による検知結果のみに基づいてレーザドライバ１６と駆動部５２の制御を行うこともできる。

制御部６１は、検知部４３による検知結果及び判別部６０による判別結果に応じて、レーザ光源１５の発光輝度と、スクリーン４１の後方の挿入位置５１ａ又は退避位置５１ｂへのフィルタ５１の出し入れとを組み合わせて実行する。これにより、スクリーン４１からの出射光の輝度を低くしたいときにはフィルタ５１で出射光の強度を低減することによって、レーザ光源１５の駆動波形のパルス幅を所定値以上に維持することが可能となる。このため、パルス幅が所定値より短いときに発生し易くなるスペックルノイズの増大を抑えることが可能となる。また、スクリーン４１からの出射光の輝度が低い範囲において、フィルタ５１の挿入とレーザ光源１５の駆動波形の制御を併用することによって、レーザ光源１５の駆動波形の制御のみによって輝度制御する場合よりも、さらに低い輝度範囲までダイナミックレンジを広げることが可能となる。一方、スクリーン４１からの出射光の輝度が、スペックルノイズの少ない、所定値以上の範囲である場合は、レーザ光源１５の駆動信号の制御のみによって輝度制御することが可能である。

図５は、投影光学系による投影画像の輝度特性の例を示す両対数グラフである。縦軸は、レーザ光源１５の駆動信号の設定値（％）であり、横軸は、投影画像の輝度（ｃｄ／ｍ^２）である。グラフ中において、実線Ｌａはフィルタ５１を退避させた状態でレーザ光源１５の駆動信号の制御のみで輝度を制御した場合を示し、点線Ｌｂは、フィルタ５１をスクリーン４１の後方に挿入した状態で、実線Ｌａで示す駆動信号制御を行って輝度を制御した場合を示している。さらに、間隔の長い破線Ｌｃは、レーザ光源１５の駆動信号の制御とフィルタの出し入れの制御を併用することによって、点線Ｌｂで示す輝度制御で得られる最低輝度から実線Ｌａで示す輝度制御で得られる最高輝度までの輝度制御を行った場合を示している。

図５の実線Ｌａに示すように、レーザ光源１５の駆動信号のみの制御によって、輝度９〜３０００ｃｄ／ｍ^２の範囲において輝度と設定値とは直線性（リニアリティ）を持った関係になっている。また、点線Ｌｂに示すように、フィルタ５１を挿入した場合も、輝度０．９〜３００ｃｄ／ｍ^２の範囲において輝度と設定値とは直線性を持った関係になっている。これに対して、破線Ｌｃに示すように、レーザ光源１５の駆動信号の制御とフィルタ５１の出し入れの制御を併用すると、輝度特性の直線性を確保しつつ、実線Ｌａや点線Ｌｂで示す場合よりも広い範囲の輝度を実現することができ、ダイナミックレンジの拡大に資することができることが分かる。

次に、図６を参照して、ヘッドアップディスプレイ装置１０における輝度制御の例を説明する。図６は、ヘッドアップディスプレイ装置１０における輝度制御の流れを示すフローチャートである。この例では、ヘッドアップディスプレイ装置１０の周囲の明るさが所定値以上か否かでフィルタ５１の挿入・退避を選択しているが、例えば周囲の明るさが所定値以上の場合にフィルタを挿入するような制御を行うこともできる。

図６に示す例では、ヘッドアップディスプレイ装置１０の起動とともに、判別部６０は光センサによってヘッドアップディスプレイ装置１０の周囲の明るさの検知を開始し、この検知結果に基づいて、周囲の明るさが所定値以上か否かを判別する（ステップＳ１）。この判別に用いる所定値としては、例えば、早朝や夕方の明るさに対応する輝度が好ましい。

ヘッドアップディスプレイ装置１０の周囲の明るさが所定値以上と判別された場合（ステップＳ１でＹＥＳ）、この判別結果を受けた制御部６１は、駆動部５２に対して、フィルタ５１を退避位置５１ｂに退避するように指示信号を送出し、これに従ってフィルタ５１がスクリーン４１の後方から退避される（ステップＳ２）。

つづいて、制御部６１は、レーザドライバ１６に対して、レーザ光源１５の駆動信号を制御するように指示する（ステップＳ３）。この制御は、例えば、検知部４３で検知する光強度の値（輝度値）が、予め定めた、ヘッドアップディスプレイ装置１０の周囲の明るさと投影画像の輝度の関係にしたがった輝度値になるように、レーザ光源１５の駆動信号の駆動電流値やパルス幅などを変更することによって行う。ヘッドアップディスプレイ装置１０の周囲の明るさと投影画像の輝度の関係は、テーブルデータとして予めメモリ６２に記憶されており、制御部６１がこれを読み出す。

次に、制御部６１は、上記ステップＳ３で設定した駆動信号をレーザ光源１５に与えて、発光を開始させる。レーザ光源１５から出射された光は、コリメートレンズ１４で平行光とされた後にＬＣＯＳ２１において変調が施され、ＬＣＯＳ２１による変調光は集光レンズ２５においてフーリエ変換される。フーリエ変換された光のうち、１次回折光はスクリーン４１上に集光される一方、ホログラム画像の生成に寄与しない１次回折光や、遮光壁３１ａ、３２ａ、３３ａで遮られた、０次回折光や、２次回折光等の多次回折光が検知部４３に入射する。検知部４３では、集光レンズ２５からの出射光の強度として、入射光の強度が検知される（ステップＳ４）。制御部６１は、検知部４３が検知した出射光強度が、上記のステップＳ３で設定した輝度値に対して所定範囲内にあるか否かを判別する（ステップＳ５）。ここで、所定範囲としては、例えば、設定した輝度値の±５％に設定する。

検知部４３で検知した光強度が所定範囲内の輝度である場合（ステップＳ５でＹＥＳ）は、レーザ光源１５からのレーザ光の出射と検知部４３による光強度の検知を継続する。これに対して、検知部４３で検知した光強度が所定範囲内にない場合（ステップＳ５でＮＯ）は、レーザ光源１５からのレーザ光の出射を停止するとともに、上記ステップＳ１にもどってヘッドアップディスプレイ装置１０の周囲の明るさの検知が再び実行される。

一方、判別部６０による判別（ステップＳ１）において、ヘッドアップディスプレイ装置１０の周囲の明るさが所定値未満であると判別された場合（ステップＳ１でＮＯ）、この判別結果を受けた制御部６１は、駆動部５２に対して、フィルタ５１を挿入位置５１ａに挿入するように指示信号を送出し、これに従ってフィルタ５１がスクリーン４１の後方に挿入される（ステップＳ６）。

次に、制御部６１は、上記ステップＳ３と同様に、レーザドライバ１６に対して、レーザ光源１５の駆動信号を制御するように指示する（ステップＳ７）。

さらに、制御部６１は、上記ステップＳ４と同様に、レーザ光源１５の発光を開始させ、レーザ光源１５から出射された光は、ＬＣＯＳ２１において変調が施され、集光レンズ２５においてフーリエ変換され、検知部４３において、集光レンズ２５からの出射光の強度として、入射光の強度が検知される（ステップＳ８）。制御部６１は、上記ステップＳ５と同様に、検知部４３が検知した出射光強度が、上記のステップＳ７で設定した輝度値に対して所定範囲内にあるか否かを判別する（ステップＳ９）。

検知部４３で検知した光強度が所定範囲内の輝度である場合（ステップＳ９でＹＥＳ）は、レーザ光源１５からのレーザ光の出射と検知部４３による光強度の検知を継続する。これに対して、検知部４３で検知した光強度が所定範囲内にない場合（ステップＳ９でＮＯ）は、上記ステップＳ１にもどってヘッドアップディスプレイ装置１０の周囲の明るさの検知が再び実行される。

以上のように構成されたことから、上記実施形態によれば、次の効果を奏する。
（１）ヘッドアップディスプレイ装置１０においては、集光レンズ２５からの出射光の強度を検知する検知部４３を、スクリーン４１の手前の遮光壁３３ａの集光レンズ２５側に設け、かつ、スクリーン４１の後方の近傍位置にフィルタ５１を出し入れ可能とし、さらに、検知部４３による検知結果に基づいてフィルタ５１を挿入位置５１ａと退避位置５１ｂのいずれか一方に配置させるように制御している。これにより、フィルタ５１の挿入によってスクリーン４１からの出射光の強度を低減できるため、投影画像の輝度を下げる際に、スペックルノイズを増加させる範囲までレーザ光源のパルス幅を狭くすることがなくなる。このため、スペックルノイズの増加による投影画像の品質の低下を防ぐことができ、投影画像の輝度を制御することができ、使用者の眼に対して過剰な負担をかけることがなくなる。

また、フィルタ５１の挿入位置をスクリーン４１の後方としたことによって、スクリーン４１に到達する光の量を確保し、かつ、高精細なホログラム画像をスクリーン４１上に形成することができ、このようなホログラム画像に基づいて形成する投影画像の画質も一定以上のものとすることができる。

さらにまた、検知部４３を集光レンズ２５とスクリーン４１との間に配置しているため、スクリーン４１による発散光やフィルタ５１によって光量の低減した光を検知する場合よりも、ホログラム画像を形成するイメージ光の光量を正確に検知することができる。

（２）駆動部５２の動作制御とレーザ光源１５の駆動信号の制御とを連携させて投影画像の輝度を制御するため、駆動信号のパルス幅の調整だけではスペックルノイズを増加させずに制御することが難しかった低輝度範囲でも輝度制御が容易となり、これにより投影画像の輝度のダイナミックレンジを広げることが可能となる。さらに、制御値と輝度値の関係を、図６に例示するような破線Ｌｂのような直線的なものとすることができ、この直線に沿うように駆動部５２の動作とレーザ光源１５の駆動信号を制御することによって、所望の輝度を正確に実現することが可能となる。

（３）検知部４３による検知結果と判別部６０による判別結果とに基づいて、駆動信号及び駆動部５２の動作の制御を行うことにより、昼夜の違いや天候の変化によって変わる周囲の明るさに応じて、最適な輝度の投影画像を生成することが可能となる。

（４）検知部４３を遮光壁３３ａに設けたことにより、スクリーン４１上のホログラム画像生成に寄与する１次回折光を検知部４３が遮ることがなくなる。このため、スクリーン４１に形成されるホログラム画像の画質を低下させることがなく、かつ、検知部４３においては、集光レンズ２５からの出射光に対応する光量を正確に測定することができる。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る画像投影装置は、レーザ光を変調してホログラム画像を形成し、このホログラム画像に基づいて投影画像を形成する構成に有用である。

１０ ヘッドアップディスプレイ装置
１１ ベース部材
１２ 発光部
１４ コリメートレンズ
１５ レーザ光源
１６ レーザドライバ
２１ ＬＣＯＳ
２２ 位置決め保持部
２３ 放射冷却部
２４ ＬＣＯＳドライバ
２５ 集光レンズ（集光光学系）
２７ 送光ミラー
２８ 第１中間ミラー
２９ 第２中間ミラー
３１、３２、３３、３４ アパーチャー
３１ａ、３２ａ、３３ａ 遮光壁
４１ スクリーン
４１ａ 投影面
４３ 検知部
４５ 第１の投影ミラー
４６ 第２の投影ミラー
５１ フィルタ
５１ａ 挿入位置
５１ｂ 退避位置
５２ 駆動部
６０ 判別部
６１ 制御部
６２ メモリ
Ｂ０ レーザ光
Ｂ１ コリメート光（平行光）
Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６ 変調光
Ｂ７ 発散光
Ｂ８、Ｂ９ 投影光
Ｄ０ ０次回折光
Ｄ１ １次回折光
Ｄｎ 多次回折光

Claims (8)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源からの出射光に対して変調を施す変調素子と、
   前記変調素子による変調光をフーリエ変換するとともに集光させる集光光学系と、
   前記集光光学系によって集光された光による像が結ばれるスクリーンと、
   前記スクリーンで結像した像に基づいて投影位置に投影画像を生成させる投影光学系と備える画像投影装置であって、
   前記集光光学系からの出射光の強度を検知する検知部と、
   入射光の強度を低減させるフィルタと、
   前記フィルタを、前記レーザ光源からの出射光の光路中の所定位置に挿入し、又は、前記所定位置から退避させる駆動部と、
   前記検知部による検知結果に基づいて前記駆動部の動作を制御し、前記フィルタを前記所定位置に挿入し、又は、前記所定位置から退避させる制御部とをさらに備えることを特徴とする画像投影装置。
2. 前記制御部は、前記駆動部の動作制御に加えて前記レーザ光源の駆動信号を制御し、これらの制御により前記投影画像の輝度のダイナミックレンジを制御することを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
3. 前記制御部は、前記駆動信号のうち、少なくとも駆動電流値とパルス幅とを制御することを特徴とする請求項２に記載の画像投影装置。
4. 前記制御部は、所定値以上の範囲で前記パルス幅を制御可能なときは前記駆動信号のみを制御し、前記パルス幅が前記所定値以上の値に設定できないときには、前記駆動信号の制御に加えて前記駆動部の動作制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の画像投影装置。
5. 前記画像投影装置の周囲の明るさの判別を行う判別部を備え、
   前記制御部は、前記検知部による検知結果と前記判別部による判別結果とに基づいて、前記駆動信号及び前記駆動部の動作の制御を行うことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の画像投影装置。
6. 前記所定位置は、前記スクリーンと前記投影光学系との間であり、
   前記検知部は、前記集光光学系と前記スクリーンとの間に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の画像投影装置。
7. 前記集光光学系と前記スクリーンとの間に、前記変調素子からの出射光のうちの少なくとも０次回折光を遮る遮光壁が設けられ、
   前記検知部は前記遮光壁の前記集光光学系側に配置され、前記変調素子から出射された１次回折光の強度を検知することを特徴とする請求項６に記載の画像投影装置。
8. 前記所定位置は、前記スクリーンと前記投影光学系との間であり、
   前記検知部は、前記スクリーンの投影面と同じ平面内であって、前記スクリーンにおける像の生成に寄与しない１次回折光が入射する範囲に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の画像投影装置。

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