JP6074964B2 - 車両用表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光源を備えた車両用表示装置に関し、例えば、ヘッドアップディスプレイなどの車両用表示装置に適用できる。

車両の運転手が運転中に視線をほとんど動かさずに車両情報（速度、走行速度等）を読み取れるようにするため、フロントガラスの前方に情報を虚像表示させるヘッドアップディスプレイ装置が、例えば、特許文献１に提案されている。

車両用のヘッドアップディスプレイ装置は、車両用のヘッドアップディスプレイ装置１は、図８に示すように車両２のダッシュボード内に配置されており、この車両用のヘッドアップディスプレイ装置１が投射する表示光Ｊはウインドシールド３により反射され、車両運転者４は虚像Ｘを風景と重畳させて視認させることができる。

このような車両用ヘッドアップディスプレイ装置１では、半導体レーザーを光源としたものが提案されており、例えば特許文献２に開示されている。斯かるヘッドアップディスプレイ装置１は、半導体レーザーと走査系とスクリーンとを備え、半導体レーザーが出射したレーザー光を走査系でスクリーンに向け走査して表示画像を生成するものである。

ヘッドアップディスプレイ装置１では、運転手が昼間の明るい環境から夜間の暗い環境であっても、明瞭且つ、適切な輝度の表示を見ることができる必要がある。そのため、ヘッドアップディスプレイ装置１の外部の明るさ（外部照度）に合わせて表示画像の表示輝度を大きく変化させる必要がある。

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/ｍ^２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/ｍ^２が要求される。ヘッドアップディスプレイ装置１には上記のような幅広いダイナミックレンジにおいても高視認性を維持し、運転手に必要な情報を提供する必要がある。

一方、走査型レーザーディスプレイは、ＭＥＭＳスキャナーでレーザービームをラスタースキャンし、映像信号に同期してレーザー光を変調することで描画する装置である。高精細な解像度での表示を実現するため、数１０ＭＨｚ程度の比較的早い周波数でパルス的に半導体レーザーを駆動する必要がある。半導体レーザーは、レーザー発振開始電流値（閾値電流値）以上の駆動電流を印加することによって、誘導放出によるレーザー発振を開始してレーザー光を発するものである。

特開平５−１９３４００号公報 特開平７−２７０７１１号公報

上記、走査型レーザーディスプレイをヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置と記す）の表示装置として用いる場合、昼間の明るい環境下での表示については、高輝度を実現でき有利であるものの、夜間の暗い環境下での低輝度な表示も両立するために改善の余地があった。

例えば、夜間用に別の光源や表示器を用意して切り替えたり、夜間時に光源からの輝度を低減するための光学フィルタを介するなど考えられるが、いずれも専用の部品や構造が必要となるだけでなく、表示切り替え時に違和感を与えてしまうという問題があった。

また、光源出力に対してパルス幅変調制御を行うことによって、ある程度の輝度調整を実現できるが、特に、夜間などの低輝度で照明する必要がある場合には、レーザー光を走査する際に、表示がチラついてしまうため、調整範囲に限界があった。

そこで本発明の目的は、上記課題に着目してなされたものであり、レーザー光を走査して表示する表示装置に関し、表示輝度の調整範囲を広くできる車両用表示装置を提供することにある。

本発明の車両用表示装置は、
レーザー光を発する複数のレーザー光源と、
前記レーザー光を合波した合成レーザー光をスクリーンに走査する走査手段と、
前記複数のレーザー光源からの夫々のレーザー光強度を検出するカラーセンサと、
このカラーセンサから出力される光強度値に基づいて、前記レーザー光源の出力を調整するとともに、所定条件に基づいて、前記合成レーザー光の走査範囲を可変するように促す制御手段と、を備えて車両に搭載する車両用表示装置であって、
前記カラーセンサは、前記スクリーンにおける可変する前記走査範囲のうち共通する位置で、且つ表示画像として用いられる表示エリアの外に配置された
ことを特徴とする。

また、前記制御手段は、前記所定条件として昼夜判定処理の判定結果を適用し、
前記昼夜判定処理によって、夜間であると判定した場合には、昼間よりも走査範囲を大きくしてなることを特徴とする。

また、前記制御手段は、前記車両の前照灯の点灯／消灯状態に基づいて判定してなることを特徴とする。

また、前記制御手段は、前記昼夜判定処理によって、夜間であると判定した場合に、前記走査手段は、前記車両外の撮影画像を前記スクリーンに表示することを特徴とする。

本発明は、レーザー光を走査して表示する車両用表示装置に関し、表示輝度の調整範囲を広くできる。

ＨＵＤ装置の断面図。 合成レーザー光発生装置の説明図。 昼間における表示エリアと表示可能エリアを示す概念図。 夜間における表示エリアと表示可能エリアを示す概念図。 ＨＵＤ装置のブロック図。 昼間における表示例を示す図。 夜間における表示例を示す図。 ＨＵＤ装置の概略図。

以下、添付の図面に基づいて、本発明の実施形態について説明する。

（ＨＵＤ装置の構造）
ＨＵＤ装置１は、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。

ＨＵＤ装置１は、図１に示すように、合成レーザー光発生装置１０と、ＭＥＭＳスキャナー２０と、カラーセンサ３０と、透過スクリーン（スクリーン）４０と、反射部５０と、ハウジング６０と、ライトセンサ７０と、ＨＵＤ装置１の電気的な制御を行う制御部８０と、を備える。

合成レーザー光発生装置１０は、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の三原色のレーザー光を合波して１本の合成レーザー光Ｃを出射する装置であり、図２に示すように、レーザーダイオード（レーザー光源）１１と、集光光学系１２と、ダイクロイックミラー１５と、を備える。

レーザーダイオード１１は、半導体レーザーであり、赤色のレーザー光Ｒを発するレーザーダイオード１１ｒと、緑色のレーザー光Ｇを発する緑色レーザーダイオード１１ｇと、青色のレーザー光Ｂを発する青色レーザーダイオード１１ｂと、から構成されている。

レーザーダイオード１１ｒ，１１ｇ，１１ｂは、後述するレーザー光制御部８２からの駆動データに基づき、集光光学系１２の方向へレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを夫々出射する。

集光光学系１２は、レーザーダイオード１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々に対応する集光レンズ１２ｒ，１２ｇ，１２ｂを備える。

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。

ダイクロイックミラー１５は、誘電体の多層膜等の薄膜が鏡面に形成された鏡で構成され、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの夫々の光路上に配置されたダイクロイックミラー１５ｒ，１５ｇ，１５ｂで構成される。レーザーダイオード１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々が出射したレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを反射又は透過させ、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを１本の合成レーザー光Ｃに合波する。

具体的に説明すると、ダイクロイックミラー１５ｒは、集光レンズ１２ｒからのレーザー光Ｒの進行方向に位置し、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を反射する。

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。

このように、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂは１本の合成レーザー光Ｃに合波される。なお、レーザーダイオード１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々が調整して配設されることにより、合波されたレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの各々の偏光角度は一致しており、ウインドシールド３の反射率の偏光依存性を考慮して決定される。合波された合成レーザー光Ｃは合成レーザー光発生装置１０を出射し、ＭＥＭＳスキャナー２０へ向かう。

図３は、透過スクリーン４０をＭＥＭＳスキャナー２０側から見た説明図であり、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）スキャナー２０は、合成レーザー光発生装置１０が出射した合成レーザー光Ｃを走査して、透過スクリーン４０に表示画像Ｄ１を生成する走査手段である。

ＭＥＭＳスキャナー２０でラスタースキャンによって描画される表示画像Ｄ１は走査可能範囲Ｅｎ１よりも小さくなる。水平方向では、数１０ｋＨｚ程度の共振周波数で反射面を機械的に振らせるが、走査の往復の切り替わりポイント付近では反射面の動作速度が遅くなる、あるいは完全に停止する。よって、走査の往復の切り替わりポイント付近は、表示エリアＥｐ１として使用しない。

また、図４に示すように、ＭＥＭＳスキャナー２０は、後述する制御部８０による制御によって、走査可能範囲Ｅｎ２内において、表示画像Ｄ１よりも大きな表示画像Ｄ２にて表示させることができる。
この際、水平方向では、前述と同様な共振周波数によって機械的に振らせる。また、上述と同様に、走査の往復の切り替わりポイント付近は、表示エリアＥｐ２として使用しない。なお、この場合、表示画像Ｄ１を描画する際に比べて、同じフレーム周波数（画像更新周期）にて、走査距離を長く設定できる（走査する動作を速くできる）ため、単位面積当たりの照射光量が低くなり、低輝度な表示画像Ｄ２を出力できる。

カラーセンサ３０は、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂ夫々のレーザー光強度を検出し、レーザー光強度のアナログデータをマイコン（制御手段）８１に出力する。カラーセンサ３０は、透過スクリーン４０の下面の走査可能範囲Ｅｎ１，Ｅｎ２、且つ表示エリアＥｐ１，Ｅｐ２外の非表示エリアにカラーセンサ３０を配置され、これにより表示画像Ｄ１，Ｄ２に影響を及ぼすことなく、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂのレーザー光強度が検出可能である。
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、表示に影響しないように表示画像Ｄ２を通過する光路を避けて、走査可能範囲Ｅｎ２を通過する光路に重なる位置であれば、設置場所は任意である。

透過スクリーン４０は、拡散板，ホログラフィックディフューザ，マイクロレンズアレイ等から構成され、ＭＥＭＳスキャナー２０で走査されたレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを下面で受光して上面に表示画像Ｄ１，Ｄ２を表示する。

反射部５０は、透過スクリーン４０の上面に表示された表示画像Ｄ１，Ｄ２が、所望の位置に、所望の大きさで、虚像Ｘとして結ばれるように、透過スクリーン４０とウインドシールド３の光路間に設けられる光学系部材である。

平面ミラー５１は、平面状の全反射ミラー等であり、透過スクリーン４０を透過した表示光Ｊを受ける位置に配置され、表示光Ｊを拡大ミラー５２に向かって反射させる。
拡大ミラー５２は、凹面鏡等であり、平面ミラー５１で反射された表示光Ｊを凹面で反射させることで、表示光Ｊをウインドシールド３に向かって出射する。これにより、結ばれる虚像Ｘの大きさは、表示画像Ｄが拡大された大きさのものになる。なお、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。

ハウジング６０は、硬質樹脂等から箱状に形成され、上方に所定の大きさの窓部６１を備え、上記の各部１０〜５０を所定の位置に収納する。
窓部６１は、アクリル等の透光性樹脂から湾曲形状に形成されており、ハウジング６０の開口部に溶着等により取り付けられる。また、窓部６１は、拡大ミラー５２で反射された光を透過させる。また窓部６１は、その下面に、後述するライトセンサ７０を備える。

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。

（ＨＵＤ装置の制御系統）
図５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スキャナー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。

カラーセンサ３０は、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂ夫々のレーザー光強度を検出し、レーザー光強度のアナログデータである光強度測定値を制御部８０に出力する。ライトセンサ７０は、ＨＵＤ装置１の外部照度を検出し、照度のアナログデータである外部照度測定値を制御部８０に出力する。

制御部８０は、マイコン（制御手段）８１と、レーザー光制御部８２と、バイアス制御部８３と、ＭＥＭＳドライバ９０と、を備える。

マイコン（マイクロコンピュータ）８１は、車両ＥＣＵ５から表示画像Ｄ１，Ｄ２を表示するための画像データをＬＶＤＳ（Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｉｇｎａｌ）通信等によって供給され、この画像データに従い、レーザー光制御部８２を介してレーザーダイオード１１を制御し、さらにＭＥＭＳドライバ９０を介してＭＥＭＳスキャナー２０を制御することにより、所望の表示画像Ｄ１，Ｄ２を透過スクリーン４０に投影させる。

また、マイコン８１は、ＭＥＭＳスキャナー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Ｄ１，Ｄ２の表示輝度を調整する表示輝度調整手段８１ａと、表示画像Ｄ１，Ｄ２のホワイトバランスを調整する画質補正手段８１ｂと、昼夜に応じて表示画像Ｄ１と表示画像Ｄ２とを切り替えるための切替手段８１ｃ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から適した表示画像の輝度である輝度目標値を算出し、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のレーザー光強度を制御する。

画質補正手段８１ｂは、カラーセンサ３０から出力されたレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの夫々の光強度測定値をもとに所望のホワイトバランスになるように、レーザーダイオード１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ夫々のレーザー光強度を調整する。
レーザー光制御部８２は、マイコン８１からのレーザー光源制御データに基づき、レーザーダイオード１１を駆動する。

切替手段８１ｃは、車両ＥＣＵからの情報のうち昼夜を判定するために必要な情報に基づいて、昼夜判定処理を行い、昼間であれば表示画像Ｄ１を表示させ、夜間であれば表示画像Ｄ１よりも表示サイズが大きな表示画像Ｄ２を表示させるようにレーザー光制御部８２やＭＥＭＳドライバ９０を制御する。

この場合、切替手段８１ｃは、前照灯の点灯／消灯状態に基づいて昼夜判定処理を行い、前照灯が消灯状態である場合には、昼間と判定し、例えば、図６に示すように車両の走行速度等の車両情報を示す表示画像Ｄ１を出力させる。この場合、表示画像Ｄ１として、走行速度１０１、区間走行距離１０２、ギアポジション１０３、路面制限速度１０４を文字（数字）表示して、背景部分については、車両前方の風景を透過するような画像を出力する。表示画像Ｄ１は、昼間、車外が明るい場合であっても、高輝度に表示出力でき、車外の視認性を損なわないように夜間よりも小さな範囲ながら、出力した文字の認識性を確保できる。

また、前照灯が点灯状態である場合には、夜間と判定し、例えば、図７に示すように、前記走行速度に加えて、車両前方側の撮影画像を表示画像Ｄ２として出力させる。この場合、表示画像Ｄ２として、車両の前方の撮影画像２０１を表示するとともに、路面形状の補助線２０２、人体認識結果を示す枠線２０３、図６と同様の走行速度２０４を重ねた画像を出力する。表示画像Ｄ２は、夜間、車外が暗い場合であっても、表示による眩しさを低減できる。また、大きな画像にて、車両前方の撮像画像を表示することで、広範囲の車外情報を表示でき、認識性を高めることで運転支援のための表示出力として有利である。

バイアス制御部８３は、マイコン８１からのバイアス電流制御データに基づき、レーザーダイオード１１に流すバイアス電流値と所定のタイミングで、レーザー光制御部８２を介してレーザーダイオード１１に電流を供給する。

かかる車両用表示装置は、レーザー光を発するレーザー光源Ｃと、レーザー光Ｃを透過スクリーン４０に走査するＭＥＭＳスキャナー（走査手段）２０と、所定条件に基づいて、レーザー光Ｃの走査範囲を可変するように促すマイコン（制御手段）８１と、を備える。

従って、レーザー光を走査して表示する車両用表示装置に関し、走査範囲を拡大することによって、表示輝度を所望の値まで低減したり、逆に縮小することで輝度を高めるなど、表示輝度の調整範囲を広く確保できるため、視認性の良い表示装置となる。
また、表示輝度を低輝度まで広く調整するために、新たな表示器や、輝度を低減するためのフィルタなど専用の光学部材などを必要としないため有利である。

また、マイコン８１は、前記所定条件として昼夜判定処理の判定結果を適用し、前記昼夜判定処理によって、夜間であると判定した場合には、昼間よりも走査範囲を大きくしてなることによって、夜間の暗い環境であっても、最適な表示輝度にて情報出力できるだけでなく、拡大表示によって視認性を高めることができる。

また、マイコン８１は、前記車両の前照灯の点灯／消灯状態に基づいて判定することによって、車両利用者の操作に基づいて、表示切り替えすることができるため、車両利用者に違和感を与えにくい。また、新たな操作を増やすことなく表示切り替えできるため、車両利用者にとって利便性がよい。

また、マイコン８１は、前記昼夜判定処理によって、夜間であると判定した場合に、ＭＥＭＳスキャナー２０は、前記車両外の撮影画像を透過スクリーン４０に表示することによって、車両外が暗い環境であっても、大きな表示にて車両外の状態を確認できるため、視認性を高めることができる。また、表示輝度についても眩しすぎない最適な輝度を実現できる。

なお、本発明の車両用表示装置を上述した実施の形態の構成にて例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の構成においても、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良、並びに設計の変更が可能なことは勿論である。例えば、表示輝度調整手段８１ａと、切替手段８１ｃとがそれぞれ制御することで、最適な輝度にて表示出力するものを示したが、ＭＥＭＳスキャナー２０による表示更新周期を可変することによって、更なる輝度調整を行うこともできる。

本発明は、車両用表示装置に関し、例えば、自動車やオートバイ、あるいは農業機械や建設機械を備えた移動体に搭載される車両用表示装置として適用できる。

１ ＨＵＤ装置（ヘッドアップディスプレイ装置）
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 レーザーダイオード（レーザー光源）
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
１５ ダイクロイックミラー
２０ ＭＥＭＳスキャナー（走査手段）
３０ カラーセンサ
４０ 透過スクリーン（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 ライトセンサ
８０ 制御部（出力制御手段）
８１ マイコン（制御手段）
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 バイアス制御部
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
Ｄ１，Ｄ２ 表示画像
Ｊ 表示光
Ｘ 虚像
Ｅｎ１，Ｅｎ２ 走査可能範囲
Ｅｐ１，Ｅｐ２ 表示エリア

Claims (4)

1. レーザー光を発する複数のレーザー光源と、
   前記レーザー光を合波した合成レーザー光をスクリーンに走査する走査手段と、
   前記複数のレーザー光源からの夫々のレーザー光強度を検出するカラーセンサと、
   このカラーセンサから出力される光強度値に基づいて、前記レーザー光源の出力を調整するとともに、所定条件に基づいて、前記合成レーザー光の走査範囲を可変するように促す制御手段と、を備えて車両に搭載する車両用表示装置であって、
   前記カラーセンサは、前記スクリーンにおける可変する前記走査範囲のうち共通する位置で、且つ表示画像として用いられる表示エリアの外に配置された
   ことを特徴とする車両用表示装置。
2. 前記制御手段は、前記所定条件として昼夜判定処理の判定結果を適用し、
   前記昼夜判定処理によって、夜間であると判定した場合には、昼間よりも走査範囲を大きくしてなることを特徴とする請求項１に記載の車両用表示装置。
3. 前記制御手段は、前記車両の前照灯の点灯／消灯状態に基づいて判定してなることを特徴とする請求項２に記載の車両用表示装置。
4. 前記制御手段は、前記昼夜判定処理によって、夜間であると判定した場合に、
   前記走査手段は、前記車両外の撮影画像を前記スクリーンに表示することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の車両用表示装置。