JP5867225B2 - 画像表示装置、および、画像表示装置の制御方法 - Google Patents
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Description
光束を出力する光源部(130)と、
入力画像データに基づいて前記光源部(130)を駆動させる光源駆動部(116)と、
主走査方向及び副走査方向に駆動されることで、前記光源部(130)からの光束をラスター走査するよう反射する走査ミラー部(200)と、
前記光源部(130)から出力される光束の光路上に配設される射出瞳拡大器(152)と、
前記射出瞳拡大器(152)が前記光路上に存在するか否かを検出する検出手段(146)と、
前記検出手段(146)による前記射出瞳拡大器(152)の検出結果に応じて光路に出入りするシャッター(135)と、を備える
ことを特徴とする画像表示装置を提供する。
前記検出手段(146)によって前記射出瞳拡大器(152)の存在を検出できなかった場合には、前記シャッター(135)を光路に挿入する
ようにしてもよい。
前記光源部(130)は発光素子(132R、132G、132B)を発光させることによって前記光束を出力し、
前記シャッター(135)は、前記発光素子(132R、132G、132B)と前記走査ミラー(200)との間に配置される
ようにしてもよい。
前記シャッター(135)は、光を遮光する遮光部材である
ようにしてもよい。
前記シャッター(135)は、光の透過量を削減するフィルタである
ようにしてもよい。
前記シャッター(135)は、カラーフィルタである
ようにしてもよい。
前記検出手段(146)によって前記射出瞳拡大器(152)の存在を検出できた場合にのみ、前記シャッターを開状態にする
ようにしてもよい。
光源部(130)から出力される光束の光路上に配設される射出瞳拡大器(152)と、前記射出瞳拡大器(152)が前記光路上に存在するか否かを検出する検出手段(146)と、前記光路に出入りするシャッターと、を備えた画像表示装置の制御方法であって、
前記検出手段(146)が、前記射出瞳拡大器(152)が前記光路上に存在するか否かを検出し(ST103)、
前記射出瞳拡大器(152)の存在を検出できた場合には、前記シャッターを開状態にするとともに、前記光源部(130)からの光束を、走査ミラー部(200)を主走査方向および副走査方向に駆動することでラスター走査するように反射して入力画像に基づく画像を表示し、
前記射出瞳拡大器(200)の存在を検出できなかった場合には(ST104でNO)、シャッター(135)を光路に挿入する(ST108)
ことを特徴とする画像表示装置の制御方法を提供する。
(第1実施形態)
本発明の画像表示装置に係る第1実施形態について説明する。
図1は、本発明が想定する画像表示装置100の典型的使用例である。
画像表示装置100は、レーザー光を走査ミラーで反射させ、光線のラスター走査により投射面に画像を表示(描画)させるものである。
図1において、画像表示装置100は、一例として自動車10に搭載されている。画像表示装置100からは所望の画像を表示させるように調整された画像光束L1が発射(出力)される。この画像光束L1は、フロントガラス11での反射を介して運転者Pの眼に入射し、網膜上に像を結ぶ。同時に、フロントガラス11には外界からの光L2も入射して透過していく。したがって、外界からの光L2と画像表示装置100の画像光束L1とがオーバーレイ(重畳)し、運転者Pの視界には外界の実景と画像表示装置100によって発射された画像とが同時に見えることになる。
画像表示装置100は、画像信号処理部110と、光射出ユニット120と、結像光学系150と、タイミング処理部160と、中央制御部180と、を備える。
各機能部の構成および動作を以下に説明する。
ビデオデコーダ112は、画像種別に応じてその原画像信号をデコード処理する。例えば、原画像信号がアナログ画像信号(コンポーネント映像信号)である場合には、デコード処理により、原画像信号を、3色(RGB)のデジタル色信号で構成されるデジタル画像信号と、水平同期信号と垂直同期信号とを含む同期信号と、に分離する。
図3は、映像信号の処理の流れを示す図である。
書込み部113Wは、ビデオデコーダ112で処理した映像信号をフレームメモリ114に一旦書き込んでバッファさせる。そして、読出し部113Rは、指定されたドットクロックに基づいてフレームメモリ114から画像データを主走査線の一ラインずつ読み出す。このとき、読出し部113Rは、レーザー走査型のプロジェクションディスプレーに適したタイミングで画像データを読み出すとともに後段に出力する。すなわち、読出し部113Rは、タイミング処理部160で調整されたタイミング信号(ドットクロック、表示期間指示信号)に合わせて画像データを読み出す。
このように読み出された画像データはデータバッファ115に一時保持される。
光射出ユニット120の光源としては、RGB3色を得るため、赤色レーザーダイオード、青色レーザーダイオード、および、緑色レーザーダイオードが設けられている(具体的な構造は図5を参照)。
それに合わせて、光源駆動部116としても、赤色ドライバ116Rと、緑色ドライバ116Gと、青色ドライバ116Bと、を備えている。
それぞれのドライバ116R、116G、116Bはおのおの各画素の各色の情報に応じて半導体レーザーダイオードに電流を印加することで、色情報に応じた輝度で各半導体レーザーダイオードを発光させる。
図5は、光射出ユニット120の斜視図であり、光源部130と走査ミラー部200とは一例としてユニット化されている。
光源部130は、3色のレーザーダイオード132R、132G、132Bと、複数のミラー133A、133B、133C、133Dと、複数の集光レンズ134と、を有する。
レーザーダイードとしては、R(赤)、G(緑)、B(青)の各色のレーザー(レーザー光)をそれぞれ出力する、赤色レーザーダイオード132R、緑色レーザーダイオード132Gおよび青色レーザーダイオード132Bが設けられている。
なお、本実施形態は、3色より多いレーザーダイオードを用いた構成にも適用可能であるし、1色や2色のレーザーダイオードを用いた構成にも適用可能である。
光源部130が出力する光の経路を簡単に説明すると、第1ミラー133Aは緑色レーザーダイオード132Gが出力する緑色レーザーを直角に反射して反射光を赤色レーザーの光路に導く。
第2ミラー133Bは、赤色レーザーダイオード132Rが出力する赤色レーザーを透過させるとともに緑色レーザーを反射して両者を合波する。
第3ミラー133Cは、前記第2ミラー133Bからの光を透過させるとともに、青色レーザーダイオード132Bが出力する青色レーザーを反射する。
これにより三つのレーザー光を一軸に合波した光束として、最後に第4ミラー133Dによって前記光束を走査ミラー部200に所定の角度で入射させる。
なお、光路上に集光レンズ134が適宜配置されており、レーザー光を集光させる。
各集光レンズの光学特性および配置位置は、次段の結像光学系150との関係で決定される。
シャッター135は、光射出ユニット120において、光源部130と走査ミラー部200との間に配設されている。図5においては、第3ミラー133Cと第4ミラー133Dとの間で、揺動可能に設けられたシャッター135が光路に対して出入自在に設けられている例を図示している。図6は、シャッター135の周辺部分の拡大図である。
シャッター135は、軸136を中心として揺動可能であり、また、軸136に歯合したモータ(不図示)によって揺動駆動される。
シャッター135は光を遮光する部材で形成されている。
シャッターが光路に入っていない状態では、レーザー光は遮られずに光源部130から発射されるが、シャッターが光路に入った状態ではレーザー光が遮られ、光源部130から光が発射されない。仮にレーザーダイオード132R、132G、132Bに駆動電流が印加されてレーザーダイオード132R、132G、132Bから光が発射されていたとしても、シャッターを閉じていれば光は網膜に到達しない。
また、シャッター135が光路に入っていない状態を、シャッター135が開いている、と表現することもある。
シャッターの駆動タイミングについては後述する。
走査ミラー部200は、いわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスであって、半導体集積回路の加工技術を応用して製造される。走査ミラー部200は、互いに直交する二つの揺動軸を有する二軸駆動可能であって、一面にミラーを有する。ミラーを揺動させることにより、光源部130から出力された、三つのレーザー光を一軸に合波した光束である画像光束をラスタースキャン(ラスター走査)するよう反射する。
図7において、(A)は走査ミラー部200の平面図であり、(B)は断面模式図である。
なお、断面模式図においては、見易いように、誤解のない範囲でハッチングは省略した。
また、説明の都合上、図7(A)における上下方向をy軸方向、左右方向をx軸方向として説明する。
光偏向素子210は、Si(シリコン)ウェハから周知の半導体プロセスで作製される。
光偏向素子210は、図7(A)においてx軸方向の両端に配置された二つの支持部220L、220Rと、前記二つの支持部220L、220Rの間において全体として副走査方向に揺動する副走査揺動体部230と、二つ支持部220L、220Rと副走査揺動体部230とを繋ぐ二つのアーム240L、240Rと、を有する。
二つのアーム240L、240Rは、上下方向のほぼ中央で支持部220L、220Rと副走査揺動体部230とを繋ぎ、これにより、副走査揺動軸Xsを揺動軸として副走査揺動体部230が揺動可能になっている。
このとき、L型梁部233A、233B、233C、233Dは、主走査揺動片部232の左右中央に近接した位置において主走査揺動片部232と連結されている。これにより、主走査揺動軸Ysを揺動軸として主走査揺動片部232が揺動可能になっている。
ここまでの構造で明らかなように、ミラー235は、アーム240L、240Rによる支持によって副走査方向に揺動するとともに、L型梁部233A、233B、233C、233Dの支持によって主走査方向にも揺動できる。
4つの圧電素子234A、234B、234C、234Dが設けられているところ、二つの圧電素子234A、234Bで主走査揺動片部232に振動を誘起し、二つの圧電素子234C、234Dで主走査揺動片部232の振動を検出する。
すなわち、図7(A)において、主走査揺動軸Ysを間にして左側に配置されている二つの駆動用圧電素子234A、234Bには駆動信号を印加する。すると、左側の二つの駆動用圧電素子234A、234Bの振動がL型梁部233A、233Bを介して主走査揺動片部232に伝達され、主走査揺動片部232が主走査揺動軸Ysを揺動軸として揺動する。また、主走査揺動軸Ysを間にして右側に配置されている二つの検出用圧電素子234C、234Dで主走査揺動片部232の振動を検出する。ここで、検出用圧電素子234C、234Dから得られる振動検出信号に対して所定の位相差をもった駆動電圧信号を駆動用圧電素子234A、234Bにフィードバックすることにより、主走査揺動片部232を共振駆動させることができる。
これにより、電磁コイル252U、252Dと磁石236U、236Dとが反発および接近を交互に繰り返し、副走査揺動体部230が副走査揺動軸Xsを揺動軸として揺動する。副走査方向の揺動は、非共振駆動であり、画像データの垂直駆動の周期に合わせて調整される。
図8は、光射出ユニット120から発射された画像光束L1が見る人の眼に到達するまでの光路を概略的に示した図である。
なお、結像光学部150の構成は、光射出ユニット120から射出された画像光束L1を見る人の眼に導くものであればよく、特定の構成に限定されるものではない。
後述する射出瞳拡大器としてのマイクロレンズアレイ(MLA)152が配設される位置も光源部130から出力される光束の光路上であればよい。
つまり、画像光束L1に基づく画像を見ているユーザの眼と、光源部130との間の光路上であればよい。
結像光学部150は、平面ミラー151と、マイクロレンズアレイ152と、平面ミラー153と、凹面ミラー154と、を備える。
また、図8には、コンバイナ(combiner)としてのフロントガラス11と、を備える。
その後、平面ミラー153、凹面ミラー154、フロントガラス11での反射を介して画像光束L1は見る者の眼に届く。
また、コンバイナとしてのフロントガラス11において、画像光束L1と外界からの実景とがオーバーレイされる。
なお、マイクロレンズアレイ152における各マイクロレンズの配列形状については、一般的なマイクロレンズアレイにおける配列形状と同じような形状を用いることができるため、図示を省略している。
マイクロレンズアレイ152は、図9に示すように、フレーム構造体140によって支持されることにより、その位置および姿勢が固定される。
フレーム構造体140は、窓部142を有する前面フレーム部141と、二つの側壁部144、144と、底面部145と、を有する。
二つの側壁部144、144と底面部145とで囲まれた空間に光射出ユニット120の全体または一部を収納することで、モジュール化してもよい。
図9では、窓部142は、四角形の一辺を取り去ったコ字型であるが、窓部142の形状は円形でも四角形でも良いことは当然である。
また、図9では、窓部142を構成する3つの内側端面に溝条143を形成して、この溝条143にマイクロレンズアレイ152を嵌めているが、マイクロレンズアレイ152の固定方法も限定されるものではない。
検出手段は、ここでは、光学式センサ146である。
光学式センサ146は、図10に示すように、発光部146Eと受光部146Rとを備え、発光部146Eと受光部146Rとがマイクロレンズアレイ152を間にして互いに反対側に設置されている。そして、発光部146Eから光を発射すると、この光はマイクロレンズアレイ152を介して受光部146Rに到達する。このとき、マイクロレンズアレイ152が存在していれば、光が拡散されるので、受光部146Rで受光する光の強度が弱くなる。よって、受光強度が所定値以下であれば、マイクロレンズアレイ152が存在していると判断できる。
図11のようにマイクロレンズアレイ152が脱落してしまうと、発光部146Eからの光が直接に受光部146Rに入射する。よって、受光強度が所定値を超えていれば、マイクロレンズアレイ152が無いと判断できる。
タイミング処理部160は、ミラー駆動制御回路161と、振動検出部162と、タイミング調整部170と、を備える。
ここで、タイミング処理が必要な事項としては、走査ミラー部200の主走査駆動制御、走査ミラー部200の副走査駆動制御、および、画像信号処理部110での画像処理タイミングを走査ミラー部200の駆動に合わせるためのタイミング信号の生成、がある。
まず、読出し部113Rは、ドットクロックのタイミングで画像データを一ラインずつ読み出してRGBデータバッファ115に出力する。
このRGBデータバッファ115に一時保持された画像データが順送りに光源駆動部116に送られる。すると、各色の半導体レーザーダイオードそれぞれが画像データで指示された輝度で発光駆動される。各色の輝度、主走査、副走査の駆動が同期することにより、各画素が適切に描画され、これによって、所望の画像データが描画されることになる。
中央制御部180は、画像表示装置100全体の動作を制御している。
特に本実施形態においては、結像光学系150の状態を監視するとともに、結像光学系150の状態に応じてシャッター135の開閉動作およびレーザー発光のオン/オフ動作を管理する。
中央制御部180は、検出判定部181と、シャッター駆動制御部183と、光源駆動管理部182と、を有する。
マイクロレンズアレイ152が有ると判定された場合、シャッター駆動制御部183は、シャッター135を開いた状態にする。この状態で半導体レーザーダイオード132R、132G、132Bからレーザー光が発射されると、マイクロレンズアレイ152が有ると判定された場合の動作である通常動作になる。つまり、シャッター135を開いた状態で、例えば入力画像データに基づく画像をユーザが十分視認可能なように表示する。
光源駆動管理部182は、検出判定部181による判定結果に基づいて、光源駆動部116の動作を管理する。
マイクロレンズアレイ152が有ると判定された場合、光源駆動管理部182は光源駆動部116の動作を許可する。
この場合、画像表示装置100としては、通常動作を行うことになる。
すなわち、光源駆動部116から光源部130の半導体レーザーダイオード132R、132G、132Bに駆動電流が印加され、半導体レーザーダイオード132R、132G、132Bからの光がユーザの眼に入射して、ユーザは画像を見ることができる。
このように、通常動作においては、例えば入力画像データに基づく画像をユーザが十分視認可能なように表示する。
なお、図示しない振動センサを設け、その振動センサによって所定値以上の振動を検出した場合に、検出判定を行うようにしてもよい。
ユーザが画像表示装置100の電源をONにする(ST101)ことなどを契機として、まず、光学式センサ(検出手段)146が起動する(ST102)。
つまり、発光部146Eから光が発射され、その光が受光部146Rによって受光されることになる。
光電変換信号のレベルが閾値以下であれば(ST104:YES)、マイクロレンズアレイ152が存在していると判定し、シャッター駆動制御部183は、シャッターを開にし(ST105)、光路を開いた状態にする。
さらに、光源駆動管理部182は光源駆動部116の動作を許可する(ST105)。したがって、通常動作となり、半導体レーザーダイオード132R、132G、132Bからの光が眼に入射して像を形成する。
つまり、入力画像データに基づく画像を表示する。これによりユーザは画像を見ることができる。そして、終了条件(例えばユーザが電源をOFFにした等)が満たされるまでST103からST106のループを繰り返す(ST107)。
この場合、シャッター駆動制御部183は、シャッター135を閉じる(ST108)。
シャッターを閉じた状態を図13に示す。これにより、仮に半導体レーザーダイオード132R、132G、132Bからレーザーが発射されていても、シャッター135で即時に光を遮り、ユーザの眼に光が届かなくなる。さらに、光源駆動管理部182は光源駆動部116の動作を停止させてもよい(ST109)。すると、半導体レーザーダイオード132R、132G、132Bの発光が停止されることになる。また、半導体レーザーダイオード132R、132G、132Bをまだ発光させていない場合は、発光させることを許可しない。
本実施形態では、マイクロレンズアレイ152の有無を検出して、マイクロレンズアレイ152が無い場合にはシャッター135を閉じるようにする。
これにより、マイクロレンズアレイ152による拡散を経た光だけが眼に入射し、拡散を受けないレーザー光が眼に入射することがなくなる。
したがって使用態様によって万が一にもマイクロレンズアレイ152が外れてしまったような場合であっても、レーザー光が眼に過剰な負担を掛けることはない。
上記実施形態では、シャッターが揺動することによってシャッターが光路に出入りする構成を例示したが、シャッターの構造や駆動機構が限定されないのはもちろんである。
例えば、図14のようにスライド機構によってシャッターを開閉するようにしてもよい。さらには、図示しないが、一般的にカメラで使用されるシャッター機構や絞り機構を適用してもよいことはもちろんである。
このようなシャッター機構や絞り機構は、例えば、特開平6−98216号公報、特開2001−66659号公報、特開平8−220592号公報などに記載されている。
シャッターを設ける位置としては、半導体レーザーダイオード132R、132G、132Bから網膜までの光路上であればどこでもよいことはもちろんである。
走査ミラー部200とマイクロレンズアレイ152との間にシャッターを設けてもよく、結像光学系150の内部にシャッターを設けてもよい。図8でいうと、凹面ミラー154とフロントガラス11との間のように、レーザー光が外部に射出する直前にシャッターを設けてもよい。
なお、上記実施形態のように走査ミラー200の手前にシャッターを配置するようにするとシャッターを小さくできるので好ましいといえる。
上記実施形態では、シャッターは光を遮光するとしたが、完全に遮光しなくても、光を弱めるものであってもよい。光を弱めるものとしては、光を吸収して透過量を減少させるフィルタが例として挙げられる。
検出手段は、光学式センサ146に限られず、機械式センサ147であってもよいことはもちろんである。
例えば、図15に示すように、ロッド147Lをマイクロレンズアレイ152に当接させ、ロッド147Lの進退量に基づいてマイクロレンズアレイ152の有無を検出してもよい。
さらには、検出手段としては、光学式、機械式に限らず、マイクロレンズアレイ152の有無を検出するセンサであればよいのであり、その設置形態についても何ら限定されないのは明らかであろう。
上記実施形態においては、中央制御部180によってシャッターの開閉動作を管理する構成を説明した。
変形例5として、中央制御部180を介さずに、検出手段146からの出力信号で直接にシャッターの開閉動作をコントロールしてもよい。
例えば、図16に示すように、光学式センサ(検出手段)146の出力信号で直接にシャッター135を開閉するようにする。すなわち、光学式センサ(検出手段)146の出力信号で直接にシャッターの駆動モータを制御する。
そして、マイクロレンズアレイ152が存在することを検出できていない場合には、シャッターを閉じて光を遮光する。
上記実施形態では、マイクロレンズアレイ152が無い場合には光源駆動部116の動作を停止させるとした。
つまり、マイクロレンズアレイ152が無い場合には半導体レーザーダイオード132R、132G、132Bの発光が全て止まるとした。
ここで、マイクロレンズアレイ152が無い場合に、全ての半導体レーザーダイオード132R、132G、132Bの発光を止めてしまうのではなく、出力を弱くしてもよい。
例えば、光源駆動部116から光源部130への印加電流値を通常動作時よりも小さくしてもよく、例えば、半分にしてもよい。
例えば、マイクロレンズアレイ152が無い場合に緑色光および青色光の発光を停止させ、赤色光だけを発光させてもよい。
例えば、赤色半導体レーザーダイオード132Rだけを駆動し、かつ、その駆動電流も小さくする。
射出瞳拡大器としてはマイクロレンズアレイ152に限らず、同等の作用を有するものであればよいのであり、例えば、マイクロスフィアや、ナノスフィア、散光器、ホログラフィック拡大器、回折格子などであってもよく、さらには、これらの二つ以上を組み合わせてもよい。
また、射出瞳拡大器の設置態様も図9に限定されないのはもちろんである。
Claims (8)
- 光束を出力する光源部と、
入力画像データに基づいて前記光源部を駆動させる光源駆動部と、
主走査方向及び副走査方向に駆動されることで、前記光源部からの光束をラスター走査するよう反射する走査ミラー部と、
前記光源部から出力される光束の光路上に配設される射出瞳拡大器と、
前記射出瞳拡大器が前記光路上に存在するか否かを検出する検出手段と、
前記検出手段による前記射出瞳拡大器の検出結果に応じて光路に出入りするシャッターと、を備える
ことを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1に記載の画像表示装置において、
前記検出手段によって前記射出瞳拡大器の存在を検出できなかった場合には、前記シャッターを光路に挿入する
ことを特徴とする画像表示装置。 - 請求項2に記載の画像表示装置において、
前記光源部は発光素子を発光させることによって前記光束を出力し、
前記シャッターは、前記発光素子と前記走査ミラー部との間に配置されている
ことを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の画像表示装置において、
前記シャッターは、光を遮光する遮光部材である
ことを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の画像表示装置において、
前記シャッターは、光の透過量を削減するフィルタである
ことを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の画像表示装置において、
前記シャッターは、カラーフィルタである
ことを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1に記載の画像表示装置において、
前記検出手段によって前記射出瞳拡大器の存在を検出できた場合にのみ、前記シャッターを開状態にする
ことを特徴とする画像表示装置。 - 光源部から出力される光束の光路上に配設される射出瞳拡大器と、前記射出瞳拡大器が前記光路上に存在するか否かを検出する検出手段と、前記光路に出入りするシャッターと、を備えた画像表示装置の制御方法であって、
前記検出手段が、前記射出瞳拡大器が前記光路上に存在するか否かを検出し、
前記射出瞳拡大器の存在を検出できた場合には、前記シャッターを開状態にするとともに、前記光源部からの光束を、走査ミラー部を主走査方向および副走査方向に駆動することでラスター走査するように反射して入力画像に基づく画像を表示し、
前記射出瞳拡大器の存在を検出できなかった場合には、前記シャッターを光路に挿入する
ことを特徴とする画像表示装置の制御方法。
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