WO2016103869A1

WO2016103869A1 - 画像処理装置

Info

Publication number: WO2016103869A1
Application number: PCT/JP2015/079466
Authority: WO
Inventors: 大西　道久; 剛白坂
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2016-06-30
Anticipated expiration: 2017-06-26

Abstract

レーザ光源と、レーザ光源からの出射光の一部に対して位相変調を施して位相変調光を生成するとともに出射光のうち位相変調を施していない光に対して振幅変調を施して振幅変調光を生成する変調素子（３０）と、前記位相変調光をフーリエ変換し振幅変調光を集光する第１光学系（４０）と、前記第１光学系（４０）によってフーリエ変換された前記位相変調光に基づいて第１画像（Ｖ１）を生成し、前記第１光学系（４０）によって集光された振幅変調光に基づいて第２画像（Ｖ２）を生成する第２光学系（６０）とを備え、簡単な構成によりコストを抑えながら複数の表示位置に異なる画像（Ｖ１，Ｖ２）を表示することのできる、画像処理装置。

Description

画像処理装置

　本発明は、レーザ光を変調してホログラム画像を生成する画像処理装置に関する。

　特許文献１は、表示画像を構成する表示光を出射するＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）と、受光した表示光を拡散光として出射する出射面を有し、拡散光の光強度分布を略均一とする透過型スクリーンと、を備えた表示装置から出射された表示光をウインドシールドで反射させることによって運転者に表示画像の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置を開示している。

　特許文献２は、光源と、光源からの光を走査する走査手段と、走査手段からの走査光によって映像が形成されるスクリーンと、スクリーンに形成された映像を投影する投影手段とを備え、スクリーンから出射した映像光を投影手段で反射させることによって、運転者の前方に虚像を投影する車両用ヘッドアップディスプレイ装置を開示している。

特開２０１４－１４９４０５号公報特開２００９－１５０９４７号公報

　しかしながら、従来のヘッドアップディスプレイ装置において、複数の表示位置に異なる画像を表示するためには、投射光学系やスクリーンを複数設ける必要があるため、構造上複雑になると共に、コストが増大してしまうという問題があった。

　そこで本発明は、簡単な構成により、コストを抑えながら、複数の表示位置に異なる画像を表示することのできる画像処理装置を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明の画像処理装置は、レーザ光源と、レーザ光源からの出射光の一部に対して位相変調を施して位相変調光を生成するとともに、出射光のうち位相変調を施していない光に対して振幅変調を施して振幅変調光を生成する変調素子と、位相変調光をフーリエ変換し、振幅変調光を集光する第１光学系と、第１光学系によってフーリエ変換された位相変調光に基づいて第１画像を生成し、第１光学系によって集光された振幅変調光に基づいて第２画像を生成する第２光学系とを備えることを特徴としている。

　このため、共通の変調素子及び光学系を用いて構成することにより、構成を複雑化することなく、かつ、コストを増大させることなく、複数の表示位置に異なる画像を表示することが可能となる。

　本発明の画像処理装置において、第１光学系は、位相変調光をフーリエ変換して第１中間像を生成し、振幅変調光を集光して第２中間像を生成することが好ましい。

　位相変調光と振幅変調光を用いることにより、共通の変調素子及び光学系によって異なる画像を生成できるため、簡単な構成のままでコストを抑えることができる。

　本発明の画像処理装置において、第１中間像と第２中間像は、第１光学系の光軸方向において異なる位置に結像することが好ましい。

　これにより、共通の投影光学系としての第２光学系を用いて、第１中間像と第２中間像を別の位置に投影することが可能となる。

　本発明の画像処理装置において、変調素子は、第１領域と、第１領域とは別個の第２領域とを有し、第１領域では出射光に位相変調が施され、第２領域では出射光に振幅変調が施されることが好ましい。

　変調素子を２つの領域に分けてそれぞれの領域で異なる変調光を生成できるため、簡単かつコンパクトな構成を実現することができる。

　本発明の画像処理装置において、変調素子は、位相変調光の生成と振幅変調光の生成が所定時間ごとに切り替えて実行してもよい。ここで、ＲＧＢフルカラーの画像を表示させる場合は、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色については時分割駆動することが好ましい。

　変調素子の全ての領域を使って２つの変調光をそれぞれ生成することができるため、形成する画像の画素数に制約がないことから、所望の画像を設計することができる。

　本発明の画像処理装置において、変調素子は、出射光が透過または反射する際に位相変調又は振幅変調を施すＬＣＯＳであることが好ましい。

　ＬＣＯＳを用いることにより、位相変調と振幅変調の両方を１つの変調素子で実現することができる。

　本発明によると、簡単な構成により、コストを抑えながら、複数の表示位置に異なる画像を表示することのできる画像処理装置を提供することができる。

基本形態に係る画像処理装置の構成を示す平面図である。図１に示す画像処理装置の構成を示すブロック図である。基本形態に係る画像処理装置を車両用ヘッドアップディスプレイ装置に適用した例を示す平面図である。

　以下、本発明の実施形態に係る画像処理装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。

　図１は本実施形態の基本形態に係る画像処理装置１０の構成を示す平面図である。図２は、図１に示す画像処理装置１０の構成を示すブロック図である。

　図１又は図２に示すように、画像処理装置１０は、レーザ光源２０と、変調素子としてのＬＣＯＳ３０と、第１光学系としての第１レンズ４０と、第１スクリーン５１と、第２スクリーン５２と、第２光学系としての第２レンズ６０と、レーザドライバ２１と、ＬＣＯＳドライバ３１と、制御部７０と、メモリ７１とを備える。

　レーザ光源２０は、可視領域のレーザ光を出射する光源であって、レーザドライバ２１から供給される電流量に応じた強度の光を出射する。レーザドライバ２１から供給される電流量は制御部７０によって制御される。

　ＬＣＯＳ３０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。ＬＣＯＳ３０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。

　ＬＣＯＳ３０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、透過するレーザ光はピクセル毎に位相が変調させられる。また、レーザ光源２０から、ある特定の偏光状態にある光を入射すると、結晶の倒れ角度に応じてピクセル毎に振幅を変調させることができる。

　このようなピクセル毎の位相又は振幅の変化は、ＬＣＯＳドライバ３１によって制御される。ＬＣＯＳドライバ３１には、予めメモリ７１に格納された画像データを読み出した制御部７０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３１は、ＬＣＯＳ３０のピクセル毎に位相又は振幅の変化を制御し、これにより所定の位相変調光Ｉｐ又は振幅変調光Ｉａ（図１）が生成される。

　ここで、ＬＣＯＳ３０は、位相変調のための光が一部のピクセルにレーザ光源２０から照射され、残りのピクセルに振幅変調のための光がレーザ光源２０から照射される。具体的には、例えば、Ｙ－Ｚ面に沿って配置されたＬＣＯＳ３０において、Ｙ方向の右側半分の領域（第１領域）のピクセルに位相変調のためのレーザ光が照射され、左側半分の領域（第２領域）のピクセルに振幅変調のためのレーザ光が照射される。なお、位相変調のためのピクセルと振幅変調のためのピクセルの分け方は、これに限定されず、例えば、Ｚ方向で分けたり、千鳥格子状に分けても良い。このように、変調のための領域を２つに分けてそれぞれの領域で異なる変調光を生成できるため、簡単かつコンパクトな構成を実現することができる。

　これに対して、ＬＣＯＳ３０のピクセルを位相変調のためのピクセルと振幅変調のためのピクセルとに分けずに、全てのピクセルに対して、所定時間ごとに、位相変調のためのレーザ光と振幅変調のためのレーザ光を交互に照射し、位相変調光と振幅変調光を時系列で生成してもよい。これにより、ＬＣＯＳ３０の全ての領域を使って２つの変調光をそれぞれ生成することができるため、形成する画像の画素数に制約がないことから、所望の画像を設計することができる。

　図１に示すように、ＬＣＯＳ３０で生成された位相変調光Ｉｐ及び振幅変調光Ｉａは、第１レンズ４０に入射する。この第１レンズ４０は、両凸正レンズであって、位相変調光Ｉｐについては、フーリエ変換レンズ（ＦＴレンズ）として入射光をフーリエ変換するとともに、入射光を集光することにより、イメージ光を生成する。このイメージ光は、第１中間像（ホログラム画像）として第１スクリーン５１上に結像する。一方、第１レンズ４０は、集光レンズとして振幅変調光Ｉａを集光して、第２スクリーン５２上に第２中間像（ホログラム画像）としてイメージ光を結像させる。ここで、第１スクリーン５１と第２スクリーン５２は、第１レンズ４０の光軸４０ｃに直交し、かつ、この光軸４０ｃの方向において異なる位置に設けられている。

　なお、位相変調光Ｉｐのフーリエ変換と、振幅変調光Ｉａの集光が可能であれば、第１レンズ４０に代えて、別の形状の正の屈折力のレンズや、複数枚のレンズからなる正の屈折力の光学系を用いても良い。また、位相変調と振幅変調が可能であれば、ＬＣＯＳ３０に代えて、透過型ＬＣＯＳ、その他の変調素子を用いても良い。

　第１スクリーン５１に結像した第１中間像と第２スクリーン５２に結像した第２中間像は、投影レンズとしての第２レンズ６０によって異なる位置Ｖ１、Ｖ２にそれぞれ虚像が形成され、使用者はアイボックスＥ（虚像を視認できる範囲）において、位置Ｖ１、Ｖ２に投影された虚像を視認することができる。ここで、第２レンズ６０の光軸６０ｃは第１レンズ４０の光軸４０ｃの延長線上にあり、虚像が形成される位置Ｖ１、Ｖ２は、第１レンズ４０の光軸４０ｃ及び第２レンズ６０の光軸６０ｃの方向において異なるとともに、Ｙ－Ｚ面においても異なる位置である。なお、位相変調光に対応する虚像と振幅変調光に対応する虚像を異なる位置に形成できれば、第２レンズ６０に代えて、ミラー等の反射素子や、複数枚のレンズで構成してもよい。

　このような構成によれば、位相変調光と振幅変調光に基づくイメージ光を、共通のＬＣＯＳ３０、第１レンズ４０、及び第２レンズ６０を用いて、異なる位置に虚像としてそれぞれ形成することができるため、構成材料の数を増やすことがないことから、簡単な構成で、コストを抑えつつ、複数の表示位置に異なる情報を表示することが可能となる。

　次に、図１と図２に示す基本形態に係る画像処理装置を車両用ヘッドアップディスプレイ装置に適用した実施形態について説明する。

　図３は、基本形態に係る画像処理装置を車両用のヘッドアップディスプレイ装置１１０に適用した例を示す平面図である。図３に示すヘッドアップディスプレイ装置１１０における、レーザ光源１２０と、ＬＣＯＳ１３０と、第１レンズ１４０と、第１スクリーン１５１と、第２スクリーン１５２と、第１投影ミラー１６１及び第２投影ミラー１６２とは、図１と図２に示す画像処理装置のレーザ光源２０と、ＬＣＯＳ３０と、第１レンズ４０と、第１スクリーン５１と、第２スクリーン５２と、第２レンズ６０とにそれぞれ対応する。このヘッドアップディスプレイ装置１１０においては、生成されたイメージ光が第１投影ミラー１６１と第２投影ミラー１６２で反射・拡大されて車両のウインドシールドの表示領域に投影される。このイメージ光は表示領域において運転者に向けて反射され、これと同時に、ウインドシールドの前方に虚像が形成される。

　ヘッドアップディスプレイ装置１１０はケース（不図示）を備え、このケース内において、図３に示すように、光学ベース１１１上に、レーザ光源１２０と、ＬＣＯＳ１３０と、第１レンズ１４０（第１光学系）と、第１スクリーン１５１と、第２スクリーン１５２と、第１投影ミラー１６１及び第２投影ミラー１６２（第２光学系）とが配置されている。

　レーザ光源１２０には、レーザ光源１２０から発せられる熱を放熱する放熱冷却部１２１が隣接するように設けられている。

　ＬＣＯＳ１３０は、光学ベース１１１に固定された位置決め保持部１３１内に保持されており、レーザ光源１２０からの出射光が所定の入射角度で光学面１３０ａに入射する。ＬＣＯＳ１３０には、ＬＣＯＳ１３０で発生する熱を放熱する放熱冷却部１３２が設けられている。ＬＣＯＳ１３０においては、ＬＣＯＳ３０と同様に位相変調光Ｉｐと振幅変調光Ｉａが生成される。

　第１レンズ１４０は、光学ベース１１１に固定されたレンズホルダ１４１に保持されており、ＬＣＯＳ１３０で生成された位相変調光Ｉｐと振幅変調光Ｉａが入射する。第１レンズ１４０は、両凸正レンズであって、位相変調光Ｉｐについては、フーリエ変換レンズとしてフーリエ変換するとともに集光し、これによって変調光束Ｍ１が生成される。一方、第１レンズ１４０は、集光レンズとして振幅変調光Ｉａを集光して、変調光束Ｍ２を生成する。

　変調光束Ｍ１、Ｍ２は、光学ベース１１１に設けられた送光ミラー１４２で反射される。送光ミラー１４２からの反射光は、光学ベース１１１に固定された遮光壁１４３、１４４にそれぞれ設けられたアパーチャー１４３ａ、１４４ａを順に通過して第１の中間ミラー１４５に入射する。変調光束Ｍ１、Ｍ２は、第１の中間ミラー１４５及び第２の中間ミラー１４６に順に反射された後に、光学ベース１１１に固定された遮光壁１４７のアパーチャー１４７ａを通過し、スクリーン１５１には位相変調光Ｉｐの１次回折光によるホログラム画像が生成され、スクリーン１５２には振幅変調光Ｉａの結像による実像が表示される。１次回折光のうちホログラム画像の結像に寄与しない光成分、及び、０次回折光は、遮光壁１４３、１４４、１４７によって遮光されている。

　スクリーン１５１、１５２を透過した光は、それぞれ、発散光の投影光Ｐ１、Ｐ２となって、遮光壁１４４の第２アパーチャー１４４ｂを透過して第１投影ミラー１６１に入射する。第１投影ミラー１６１の反射面１６１ａは凹面鏡（拡大鏡）であって、スクリーン１５１、１５２で結像したホログラム画像を含む投影光Ｐ１、Ｐ２は、第１投影ミラー１６１でそれぞれ拡大・反射される。これらの反射光は、第２投影ミラー１６２にそれぞれ入射する。第２投影ミラー１６２の反射面１６２ａも凹面鏡（拡大鏡）であって、入射した投影光Ｐ１、Ｐ２はさらに拡大されて反射され、車両のウインドシールドの表示領域の異なる位置に投影される。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。

　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）ＬＣＯＳ３０において、レーザ光源２０からの出射光の一部に対して位相変調を施して位相変調光を生成するとともに、出射光のうち位相変調を施していない光に対して振幅変調を施して振幅変調光を生成し、さらに、第１レンズ４０において、位相変調光をフーリエ変換し、振幅変調光を集光している。このように共通の変調素子と光学系を用いて構成することにより、構成を複雑化することなく、かつ、コストを増大させることなく、複数の表示位置に異なる画像を表示することが可能となる。さらに、第１レンズ４０と第２レンズ６０の配置調整により、画像の内容に応じた最適な距離に各画像を表示させることができるため、視認性を高めることができ、使用者眼の負担を軽減することができる。また、画像の表示位置を調整することにより、人間の視覚特性を考慮したコンテンツ表示が可能となる。

（２）各画像を時系列において選択的に投影することにより、拡張現実感（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ　Ｒｅａｌｉｔｙ）を高めた映像を提供することが可能となる。

（３）ＬＣＯＳ３０を用いることにより、位相変調光と振幅変調光を生成することができることから、簡単な構成のままでコストを抑えつつ、異なる画像を異なる位置に表示することが可能となる。

（４）第１中間像と第２中間像が結像する、２つのスクリーン５１、５２を、第１レンズ４０の光軸４０ｃ方向において異なる位置に配置しているため、第１中間像と第２中間像を別の位置に投影することが可能となる。

　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、本発明に係る画像処理装置は、車両用のヘッドアップディスプレイ装置に有用であり、複数の表示位置に異なる画像を表示することに適している。

　１０　　　画像処理装置
　２０　　　レーザ光源
　３０　　　ＬＣＯＳ（変調素子）
　４０　　　第１レンズ（第１光学系）
　５１　　　第１スクリーン
　５２　　　第２スクリーン
　６０　　　第２レンズ（第２光学系）
　１１０　　ヘッドアップディスプレイ装置（画像処理装置）
　１２０　　レーザ光源
　１３０　　ＬＣＯＳ（変調素子）
　１４０　　第１レンズ（第１光学系）
　１５１　　　第１スクリーン
　１５２　　　第２スクリーン
　１６１　　　第１投影ミラー（第２光学系）
　１６２　　　第２投影ミラー（第２光学系）
Ｉａ　　　振幅変調光
Ｉｐ　　　位相変調光
Ｍ１、Ｍ２　変調光束
Ｐ１、Ｐ２　投影光

Claims

　レーザ光源と、
　前記レーザ光源からの出射光の一部に対して位相変調を施して位相変調光を生成するとともに、前記出射光のうち前記位相変調を施していない光に対して振幅変調を施して振幅変調光を生成する変調素子と、
　前記位相変調光をフーリエ変換し、前記振幅変調光を集光する第１光学系と、
　前記第１光学系によってフーリエ変換された前記位相変調光に基づいて第１画像を生成し、前記第１光学系によって集光された前記振幅変調光に基づいて第２画像を生成する第２光学系と
を備えることを特徴とする画像処理装置。
　前記第１光学系は、前記位相変調光をフーリエ変換して第１中間像を生成し、前記振幅変調光を集光して第２中間像を生成し、
　前記第１中間像と前記第２中間像は、前記第１光学系の光軸方向において異なる位置に結像する
ことを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
　前記変調素子は、第１領域と、前記第１領域とは別個の第２領域とを有し、
　前記第１領域では前記出射光に位相変調が施され、前記第２領域では前記出射光に振幅変調が施される
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像処理装置。
　前記変調素子は、前記位相変調光の生成と前記振幅変調光の生成が所定時間ごとに切り替えて実行する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像処理装置。
　前記変調素子は、前記出射光が透過または反射する際に位相変調又は振幅変調を施すＬＣＯＳである
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の画像処理装置。