(57)【要約】【課題】ミラー回転角信号の伝送路の温度依存性を補償することで、より高精度に画像を表示するレーザ投射表示装置を提供すること。【解決手段】レーザ投射表示装置１は、レーザ光源１３から出射されたレーザ光を反射し２次元状に走査する走査ミラー１５と、走査ミラーの回転角を検出するセンサ２１ｈ、２１ｖとを有し、センサから出力されたセンサ信号に基づき走査ミラーの駆動を制御する。その際温度補償部７は、走査ミラー１５の近傍に配置した温度計１７で測定した温度により、センサ信号を伝送する信号伝送路２２の伝達特性の温度依存性を補償する。温度補償部７は、センサ信号から得られる走査ミラーの回転角の振幅と位相を補正するために、各温度に対する補正量を格納するルックアップテーブルを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像信号に応じたレーザ光を投射して画像を表示するレーザ投射表示装置において、
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源を駆動する光源駆動部と、
前記光源駆動部に表示用の画像信号を供給する画像処理部と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を反射し２次元状に走査する走査ミラーと、
前記走査ミラーを２軸方向に回転させる駆動信号を供給するミラー駆動部と、
前記走査ミラーの回転角を検出するセンサと、
前記センサから出力されたセンサ信号に基づき、前記画像処理部と前記ミラー駆動部を制御するシステム制御部と、
前記走査ミラーの近傍に配置した温度計で測定した温度により、前記センサ信号を伝送する信号伝送路の伝達特性の温度依存性を補償する温度補償部と、
を備えることを特徴とするレーザ投射表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ投射表示装置において、
前記レーザ光源と前記走査ミラーと前記センサは気密構造のハウジングに収納され、
前記温度計は前記ハウジング内の前記走査ミラーの近傍の空間の温度を測定することを特徴とするレーザ投射表示装置。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ投射表示装置において、
前記温度補償部は、前記センサ信号から得られる前記走査ミラーの回転角の振幅と位相を補正するものであって、各温度に対する振幅と位相の補正量を格納するルックアップテーブルを有することを特徴とするレーザ投射表示装置。
【請求項４】
請求項１に記載のレーザ投射表示装置において、
前記レーザ光源を加熱または冷却する加熱・冷却部と、
前記レーザ光源の近傍の温度が目標温度になるよう前記加熱・冷却部を駆動する温度調整部と、
を備えることを特徴とするレーザ投射表示装置。
【請求項５】
請求項１に記載のレーザ投射表示装置を有するヘッドアップディスプレイにおいて、
入力した情報をもとに表示する画像信号を生成するとともに、前記画像信号のレベルを調整して前記レーザ投射表示装置に出力する電子制御ユニットを備え、
前記レーザ投射表示装置から前記画像信号に応じたレーザ光を投射して画像を表示することを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を走査ミラーで２次元走査して画像表示を行うレーザ投射表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザとＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等を用いて画像を投射するレーザ投射表示装置が実用化されている。レーザ投射表示装置では、走査ミラーを水平及び垂直方向に走査すると同時にレーザ光源を変調することで、所望の画像を投射面に表示するものである。その際、ミラーの機械特性には温度依存性が存在するので、環境温度に応じてミラーの駆動条件を制御する構成が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−０２８５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、ミラーの共振周波数から環境温度を算出し、算出した環境温度に基づいてミラーの駆動信号（２つのカンチレバーの位相差）を調整している。これにより、ミラー機械特性の温度依存性を補償することが提案されている。
【０００５】
しかしながら本願発明者は、ミラー機械特性の温度依存性の補償だけでは、安定した画像を表示するには不十分であることを見出した。すなわち、ミラーの回転角をセンサで検出し、検出したミラー信号を制御回路へ伝送してミラーに対する駆動信号を生成する際、センサから制御回路へ至る信号伝送路の温度依存性も表示画像に影響することが判明した。つまり、信号伝送路の伝達特性が温度変化することで、ミラー回転角の振幅と位相情報が正確にフィードバックされず、表示画像に歪みや位置ずれが生じる原因となる。よって、ミラー機械特性の温度依存性だけでなく、ミラー回転角信号の伝達特性の温度依存性の温度補償を行う必要がある。このような課題は、特許文献１をはじめ従来技術では認識されていなかった。
【０００６】
本発明の目的は、ミラー回転角信号の伝送路の温度依存性を補償することで、より高精度に画像を表示するレーザ投射表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、画像信号に応じたレーザ光を投射して画像を表示するレーザ投射表示装置において、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源を駆動する光源駆動部と、前記光源駆動部に表示用の画像信号を供給する画像処理部と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を反射し２次元状に走査する走査ミラーと、前記走査ミラーを２軸方向に回転させる駆動信号を供給するミラー駆動部と、前記走査ミラーの回転角を検出するセンサと、前記センサから出力されたセンサ信号に基づき、前記画像処理部と前記ミラー駆動部を制御するシステム制御部と、前記走査ミラーの近傍に配置した温度計で測定した温度により、前記センサ信号を伝送する信号伝送路の伝達特性の温度依存性を補償する温度補償部と、を備える構成とした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、温度が変化してもミラーの回転角信号が正確に伝送されるので、より高精度に画像を表示するレーザ投射表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】レーザ投射表示装置の全体構成を示す図。
【図２】ＭＥＭＳの構成を示す図。
【図３】ＭＥＭＳの周波数特性の温度依存性を示す図。
【図４】温度補償部の内部構成を示す図。
【図５】ＭＥＭＳ走査信号の温度補償について信号波形で説明する図。
【図６】温度補償の効果を表示画像で説明する図。
【図７】ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【実施例１】
【００１１】
図１は、レーザ投射表示装置の全体構成を示す図である。レーザ投射表示装置１（以下、単に表示装置とも呼ぶ）の筐体５内には、制御系統として、システム制御部６、温度補償部７、画像処理部８、ミラー駆動部９、光源駆動部１０、温度調整部１１、を有する。また投射モジュール１２として、レーザ光源１３（以下、単に光源とも呼ぶ）、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）１４、走査ミラー（以下、単にミラーとも呼ぶ）１５、加熱・冷却部１６、温度計１７，１８を有する。投射モジュール１２と加熱・冷却部１６は、気密構造のハウジング２０に収納される。表示装置１は表示領域３にレーザ光２を投射し、水平方向及び垂直方向に２次元走査することで画像４を表示する。以下、各部の動作を説明する。
【００１２】
システム制御部６は、ミラー駆動部９に対し水平駆動情報(Hinfo)と垂直駆動情報(Vinfo)を送る。これらの駆動情報には、ミラーの水平／垂直走査を行う周波数、振幅、位相の情報が含まれる。ミラー駆動部９は、水平駆動情報(Hinfo)と垂直駆動情報(Vinfo)に従い、正弦波の水平駆動信号(Hdrive)と鋸歯状波の垂直駆動信号(Vdrive)を生成し、ＭＥＭＳ１４に供給する。これに従いＭＥＭＳ１４の走査ミラー１５は、水平軸と垂直軸の周りに揺動回転を行う。
【００１３】
ＭＥＭＳ１４では、走査ミラー１５の水平軸と垂直軸の回転角をセンサ（歪みセンサ）で検出し、それぞれセンサ信号(Hsens、Vsens)として温度補償部７へ送る。また、ＭＥＭＳ１４の近傍には温度計１７を配置し、ＭＥＭＳ近傍の空間の温度（内気温度）Ｔａを測定して温度補償部７へ送る。温度補償部７は、センサ信号(Hsens、Vsens)からミラー回転角の振幅(Hamp、Vamp)と位相(Hphase、Vphase)を求め、システム制御部６へ送る。その際温度補償部７は、温度計１７で測定したハウジング２０内の内気温度Ｔａにより、センサ信号伝送路の伝達特性の温度依存性を補償する。
【００１４】
画像処理部８は、外部から入力される画像信号(Video In)に各種補正を加えた投射用の画像信号を生成し、図示しないフレームメモリに一旦格納する。ここで行う補正には、走査ミラー１５の走査に伴う画像歪み補正、画像の階調調整などが含まれる。一方システム制御部６は画像処理部８に対し、ミラー回転に同期して水平同期信号(Hsync)と垂直同期信号(Vsync)を送る。画像処理部８は、同期信号(Hsync、Vsync)に同期してフレームメモリから画像信号を読出し、光源駆動部１０へ供給する。
【００１５】
光源駆動部１０は、画像処理部８から供給された画像信号に応じて、レーザ光源１３の駆動電流を変調する。光源１３は、例えばＲＧＢ用に３個の半導体レーザを有し、画像信号のＲＧＢ成分に対応したレーザ光を出射する。ＲＧＢの３つのレーザ光は、図示しないダイクロイックミラーにより合成され、走査ミラー１５に照射される。
【００１６】
光源１３から出射されたレーザ光２は、水平軸と垂直軸の周りに揺動回転する走査ミラー１５で反射されることにより表示領域３を２次元状に走査され、画像４を描画する。なお、水平方向の走査は往復走査(HscanA、HscanB)で描画される。
【００１７】
動作中の光源１３は高温になるため、加熱・冷却部１６により加熱または冷却される。加熱・冷却素子として、ペルチエ素子やヒータなどを用いる。光源１３の近傍には温度計１３を配置し、光源温度Ｔｂを測定して温度調整部１１へ送る。温度調整部１１は、システム制御部６から与えられた目標温度と温度計１８からの光源温度Ｔｂを比較し、加熱・冷却部１６を駆動する。
【００１８】
図２は、ＭＥＭＳ１４の構成を示す図である。ＭＥＭＳ１４は２軸（Ｈ軸、Ｖ軸）の回転機構を有し、走査ミラー１５で表示画像を走査する。ミラー駆動部９からの駆動信号(Hdrive、Vdrive)によって、ミラー１５を水平方向（Ｈ軸周り）と垂直方向（Ｖ軸周り）の２方向に揺動回転させる。例えば、水平方向は３０ｋＨｚの正弦波、垂直方向は６０Ｈｚの鋸歯状波で駆動する。ミラー１５の水平方向、垂直方向の回転角（揺動角）を±θｈ、±θｖとすると、反射されたレーザ光２の表示領域３上の走査角は２倍の±２θｈ、±２θｖとなる。
【００１９】
ＭＥＭＳ１４のＨ軸とＶ軸には、それぞれの回転角を検出するセンサ２１ｈ、２１ｖを取り付ける。各センサ２１ｈ、２１ｖは、Ｈ軸とＶ軸に発生する歪からミラーの回転角を示す信号(Hsens、Vsens)を生成し（以下、センサ信号と呼ぶ）、温度補償部７を介しシステム制御部６へ伝送する。当然ながら、センサ信号(Hsens、Vsens)は駆動信号(Hdrive、Vdrive)に連動しているが、ミラーの機械特性が周囲温度や周囲気圧で変化するので、振幅や位相の対応関係がくずれる。そこでシステム制御部６は、ミラーの実際の回転状態をフィードバックして、所定の回転状態となるようミラー駆動部９へ送る駆動情報(Hinfo、Vinfo)を補正する。
【００２０】
また、センサ信号(Hsens、Vsens)を伝送する信号伝送路２２は、配線パターンや中継ケーブル、図示しない処理回路で構成されるが、それらに含まれる配線抵抗や線間容量の値は周囲温度で変化する。また、センサ２１ｈ、２１ｖ自身も抵抗ブリッジ回路で構成されるので、センサ抵抗の温度特性の影響も受ける。その結果、センサ２１ｈ、２１Ｖから伝送されるセンサ信号(Hsens、Vsens)の伝達特性が変化する。
【００２１】
そこで本実施例では、温度計１７と温度補償部７を設けている。温度計１７はＭＥＭＳ１４の近傍に非接触状態で取り付ける。非接触としたのは、ＭＥＭＳ１４との熱伝導を避け、ハウジング２０内の信号伝送路２２の温度環境に近づけるためである。温度計１７で測定した内気温度Ｔａを温度補償部７へ送り、温度補償部７では、内気温度Ｔａに応じて信号伝送路２２の伝達特性を補償する。具体的には、センサ信号(Hsens、Vsens)から得られるミラー回転の振幅と位相を補正してシステム制御部６へ送る。
【００２２】
図３は、ＭＥＭＳ１４の周波数特性の温度依存性を示す図である。（ａ）はＨ軸の振幅特性を周波数を横軸に示している。周囲温度がＴ１からＴ２に変化すると（Ｔ１＜Ｔ２）、ミラーの共振周波数はｆ１からｆ２に変化する（ｆ１＜ｆ２）。（ｂ）はＨ軸の位相特性を周波数を横軸に示している。ここでの位相特性は、駆動信号とミラーの振れ角（回転角）の位相差を表す。周囲温度がＴ１からＴ２に変化すると、それぞれの温度での共振周波数ｆ１、ｆ２に連動して位相差（進み／遅れ）が切り替わる。
【００２３】
このようなＭＥＭＳの周波数特性の変化は、ミラーの機械特性の温度依存性によるものである。これ以外に、ミラーの機械特性は周囲気圧（空気密度）の影響も受ける。システム制御部６では、センサ２１ｈ、２１ｖで検出したミラーの回転角信号をもとに、所定の振幅と位相となるようミラー駆動部９に供給する駆動情報(Hinfo、Vinfo)を補正する。これにより、周囲温度や気圧の変化によるＭＥＭＳ特性の変動をなくすことができる。
【００２４】
図４は、温度補償部７の内部構成を示す図である。温度補償部７には、温度計１７からの内気温度Ｔａと、センサ２１ｈ、２１ｖからのセンサ信号(Hsens、Vsens)が入力する。温度補償部７では、温度Ｔａに応じた温度補償処理を行ってミラーの振幅(Hamp、Vamp)と位相(Hphase、Vphase)を算出し、システム制御部６へ出力する。各信号の処理について説明する。
【００２５】
Ｈ軸のセンサ信号(Hsens)はフィルタ回路３１ｈでノイズを除去された後、最大振幅検出回路３２ｈでミラー回転角の最大振幅(Hamp’)を検出する。また、２値化回路３３ｈは、ゼロクロス点を求めることで駆動信号に対する位相差(Hphase’)を検出する。次にこれらの温度補償を行う。振幅補正ＬＵＴ（ルックアップテーブル）３４ｈと位相補正ＬＵＴ３５ｈには、各温度Ｔａに対する信号伝送路２２における伝達特性を予め実測し、それに対する補償量、すなわち振幅の補正量αｈと位相の補正量βｈを格納している。
【００２６】
乗算器３６ｈは、最大振幅検出回路３２ｈで検出した最大振幅(Hamp’)に対して、振幅補正ＬＵＴ３４ｈから読み出した補正量αｈを乗算し、補償後の最大振幅(Hamp)をシステム制御部６へ送る。一方加算器３７ｈは、２値化回路３３ｈで検出した位相差(Hphase’)に対して、位相補正ＬＵＴ３５ｈから読み出した補正量βｈを加算（減算）し、補償後の位相差(Hphase)をシステム制御部６へ送る。
【００２７】
Ｖ軸のセンサ信号(Vsens)についてもＨ軸と同様の処理回路を備えており、乗算器３６ｖからは補償後の最大振幅(Vamp)を、加算器３７ｖからは補償後の位相差(Vphase)をシステム制御部６へ送る。
【００２８】
以上の温度補償処理により、センサ２１ｈ、２１ｖの信号伝送路２２における伝達特性の温度変化が補正され、センサ２１ｈ、２１ｖが検出したミラーの回転角の情報を忠実にシステム制御部６へ送ることができる。よってシステム制御部６では、ミラー駆動部９に供給する駆動情報(Hinfo、Vinfo)や、画像処理部８に供給する同期信号(Hsync，Vsync)が正確になり、表示する画像の精度が向上する。
【００２９】
図５は、ＭＥＭＳ走査信号の温度補償について信号波形で説明する図である。ここではＨ軸の走査信号について示している。
【００３０】
（ａ）はＨ軸駆動信号(Hdrive)を、（ｂ）はセンサ２１ｈによる検出時の走査ミラー１５のＨ軸回転角の信号(Hsens)を示している。このように、センサ信号(Hsens)は駆動信号(Hdrive)に対し、位相がほぼπ／２だけずれた関係となる。
【００３１】
（ｃ）は温度補償部７に伝送後のセンサ信号(Hsens)の波形を示す。センサ２１ｈから温度補償部７までの伝送路２２の伝達特性が内気温度で変化するため、温度補償部７に伝送するセンサ信号(Hsens)は（ｂ）の検出時の波形に比べ、振幅と位相が変化する。ここには、２つの温度Ｔ１，Ｔ２での変化の例を示している。
【００３２】
温度補償部７では、図４に示したように、ルックアップテーブル３４ｈ、３５ｈを参照して、温度Ｔ１，Ｔ２に応じた振幅補正αｈと位相補正βｈを施す。その結果、伝送したセンサ信号(Hsens)の振幅Hampは補正され、（ｂ）の検出時の値、すなわち真値が復元される。
【００３３】
（ｄ）は、（ｂ）に示した検出時のセンサ信号(Hsens)のゼロクロス点の位置、すなわち位相(Hphase)を示している。（ｅ）は、（ｃ）に示した伝送後のセンサ信号(Hsens)の位相(Hphase)を示し、伝送路２２の伝達特性の温度変化により、温度Ｔ１，Ｔ２において、伝達遅延ｄ１、ｄ２が発生している。温度補償部７では、温度Ｔ１、Ｔ２に応じた位相補正βｈを施すことで、伝送後の位相(Hphase)は（ｄ）の検出時の値、すなわち真値が復元される。
【００３４】
（ｆ）は画像処理部８からの画像信号の出力タイミングを示し、図１に示したＨ方向の往復走査(HscanA、HscanB)に対応する画像供給を行う。（ｇ）は温度補償後の走査軌跡を示している。往復走査(HscanA、HscanB)の描画開始／終了位置が縦方向に揃っているので、表示される画像は隣接する走査線間で水平方向のずれが生じない。一方（ｈ）は比較のために温度補償なしでの走査軌跡を示している。伝送路での位相遅延ｄ１，ｄ２のため、往復走査(HscanA、HscanB)の描画開始／終了位置が縦方向に揃っていない。よって、表示される画像は隣接する走査線間で水平方向のずれが生じることになる。
【００３５】
図６は、温度補償の効果を表示画像で説明する図である。  
（ａ）は温度補償なしで走査位相がずれた場合の表示画像を示す。図５（ｈ）で説明したように、往復走査(HscanA、HscanB)における画像の描画開始／終了位置が縦方向に揃わないので、往復走査で描画される画像４ａ、４ｂに水平方向に位相ずれが生じ、二重画像が表示される。
【００３６】
（ｂ）は温度補償なしで走査振幅が変化した場合の表示画像を示す。Ｈ走査幅、またはＶ走査幅が伸縮することになり、それに伴って表示領域は３ｃ、３ｄのように変形する。その結果、描画される画像は４ｃ、４ｄのように縦方向または横方向に歪んだ画像となる。また、表示面積が変化するので、表示画面の明るさも変化する。
【００３７】
（ｃ）は温度補償により走査位相と走査振幅を補正した表示画像を示す。往復走査(HscanA、HscanB)における画像の描画開始／終了位置が縦方向に揃っているので、往復走査で描画される画像４ａ、４ｂの位相が揃っており、１つの画像４となって表示される。また、Ｈ走査幅とＶ走査幅が一定であるので、表示面積は変化せず、表示画面の明るさが一定となる。
【００３８】
このように実施例１によれば、ハウジング内の内気温度が変化して、ミラーの回転角の検出信号を伝送する伝送路２２の特性が変化しても、温度補償部７により振幅と位相の補償処理を行うようにした。よって、システム制御部６からミラー駆動部９に供給する駆動情報や、画像処理部８に供給する同期信号が正確になり、表示する画像の精度が向上する効果がある。
【実施例２】
【００３９】
実施例２では、実施例１で述べたレーザ投射表示装置を有するヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）について説明する。ここでは、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）を自動車に搭載し、自動車の運転支援用の情報を表示する例について説明する。
【００４０】
図７は、ＨＵＤの構成を示す図である。ＨＵＤ１００は、レーザ投射表示装置１０１（図１の符号１に相当）と電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０２を有する。ＥＣＵ１０２には、車両内の各種センサの検出情報や、通信網を介して取得した情報を入力する。例えば、車両の運転状態を示す速度情報やギア情報、ＧＰＳ情報などが含まれる。ＥＣＵ１０１は入力した情報をもとに、運転者に提供する情報を含む画像信号を生成してレーザ投射表示装置１０１に出力する。その際、運転状態や車両の走行状態に応じて提供する情報を選択し、また外光の明るさに応じて画像信号のレベル（表示画像の明るさ）を調整する。
【００４１】
レーザ投射表示装置１０１は、実施例１で述べたように画像信号に応じたレーザ光２を自動車のフロントガラス１０３に向けて投射し、２次元状に走査する。フロントガラス１０３の内面には、半透過性の反射材料からなるコンバイナ１０４が貼り付けられており、このコンバイナ１０４にレーザ光２が投射されることで虚像１０５が表示される。
【００４２】
車載用ＨＵＤでは周囲温度の変化幅が大きく温度環境が苛酷となるが、実施例１で述べたように、レーザ投射表示装置１０１の信号伝送路の温度補償を行うことで、安定した画像を表示することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１，１０１：レーザ投射表示装置（表示装置）、２：レーザ光、３：表示領域、４：表示画像、５：筐体、６：システム制御部、７：温度補償部、８：画像処理部、９：ミラー駆動部、１０：光源駆動部、１１：温度調整部、１２：投射モジュール、１３：レーザ光源、１４：ＭＥＭＳ、１５：走査ミラー（ミラー）、１６：加熱・冷却部、１７：温度計、１８：温度計、２０：ハウジング、２１：センサ、２２：信号伝送路、３４：振幅補正ＬＵＴ、３５：位相補正ＬＵＴ、１００：ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、１０２：電子制御ユニット（ＥＣＵ）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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