JP2019164204A - 光源装置、表示装置、表示システムおよび移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】光検出器によって検出されるレーザ光の量子化誤差を低減させることで、ＡＰＣの精度を向上させることができる。【解決手段】光源装置１１Ａは、第１レーザ光を出力する光源素子１１１（ｒ）（第１光源の一例）と、第１レーザ光よりも波長の短い第２レーザ光を出力する光源素子１１１（ｂ）（第２光源の一例）と、第１レーザ光および第２レーザ光を検出する光検出器１１９と、光源素子１１１（ｒ）および光源素子１１１（ｂ）の出力を制御する制御回路３００（制御部の一例）と、を備える。そして、制御回路３００は、第１レーザ光のデューティ比が第２レーザ光のデューティ比よりも低くなるように、光源素子１１１（ｒ）および光源素子１１１（ｂ）の出力を制御する。【選択図】図１６

Description

本発明は、光源装置、表示装置、表示システムおよび移動体に関する。

車両等の移動体において、少ない視線移動で運転者（観察者）に各種情報（車両情報、警告情報、ナビゲーション情報等）を視認させるアプリケーションとして、ＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）等の表示装置が利用されている。このような表示装置において、観察者に視認させる画像を形成するため、波長の異なるレーザ光を出力するレーザ光源が用いられる。

レーザ光源の光量は、温度変化による変動が大きく、変動量は光源ごとに異なる。そのため、光検出器によって光量変動をモニタして光量制御（ＡＰＣ）を行う技術が知られている。例えば、特許文献１は、複数の光源を含む半導体レーザ光源を用いた画像表示装置における温度変化による白バランスの変化を低減させるため、光源ごとの温度変化に応じて、各光源の電流増幅率を制御する内容を開示している。

また、ＡＰＣは、光検出器によって検出されたレーザ光をデジタル変換し、変換したデジタル値を用いて光源光量を制御する。デジタル変換による量子化誤差は、１ｄｉｇｉｔあたりの検出光量が少ないほど小さくなる。

しかしながら、従来の方法は、光検出器により検出されるレーザ光の最大光量は光源ごとに異なるため、検出されるレーザ光の光量が少ない光源は、量子化誤差が大きくなる。そのため、光検出器によって検出されるレーザ光の量子化誤差が発生して、光量制御（ＡＰＣ）の精度が低下するという課題があった。

請求項１に係る光源装置は、第１レーザ光を出力する第１光源と、前記第１レーザ光よりも波長の短い第２レーザ光を出力する第２光源と、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を検出する光検出器と、前記第１光源および前記第２光源の出力を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１レーザ光のデューティ比が前記第２レーザ光のデューティ比よりも低くなるように、前記第１光源および前記第２光源の出力を制御する。

本発明によれば、光検出器によって検出されるレーザ光の量子化誤差を低減させることで、ＡＰＣの精度を向上させることができる。

実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。 実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。 実施形態に係る表示装置の機能構成の一例を示す図である。 実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。 実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。 マイクロレンズアレイにおいて、入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。 光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。 ２次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る光源装置の具体的構成の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る光源装置の構成の一例を概略的に示した図である。 第１の実施形態に係る光検出器の具体的構成の一例を示す図である。 （ａ）青色光源の平均光量と駆動電流の特性を示す図である。（ｂ）青色光源からレーザ光をデジタル変換したデジタル値と駆動電流の特性を示す図である。 （ａ）従来の光源装置における光源ごとの平均光量の一例を示す図である。（ｂ）青色のデジタル値と駆動電流の特性を示す図である。 第１の実施形態に係る光源装置において、赤色光源および青色光源から射出されるそれぞれのモニタ光の波形の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る光源装置において、赤色光源を青色光源とは異なるデューティ比で点灯させた場合におけるモニタ光の平均光量の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る光源装置において、異なるデューティ比で光源素子を点灯させた場合における平均光量と駆動電流の特性の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る制御回路の機能構成の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る光源装置における光量制御方法の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る光源装置におけるＡＰＣの一例を示すフローチャートである。 光検出器の分光感度特性を説明するための図である。 光検出器により検出されたモニタ光の光源ごとの平均光量の一例を示す図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）光検出器による検出信号の波形を説明するための図である。 第１の実施形態に係る光分岐素子にＳ偏向およびＰ偏向のビームが入射した場合の反射率の角度依存性の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る光源装置おける各素子の好適な配置を説明するための図である。 第１の実施形態の変形例に係る光源装置おける各素子の好適な配置を説明するための図である。 第２の実施形態に係る光源装置の具体的構成の一例を示す図である。 直前のレーザ光の光量を１００％とした場合に、直後のレーザ光の光量が１％となるような特性を有する光減衰素子の分光感度特性である。 第２の実施形態に係る光源装置における光源の波長と光量の関係を示す図である。 第２の実施形態に係る光検出器に対する入射光量と駆動電流の関係を示す図である。 光検出器が有する円形のセンサにモニタ光が入射した様子を示す図である。

以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

●実施形態●
●システム構成
まず、図１乃至図８を用いて、各実施形態における光源装置が適用されるシステムについて説明する。図１は、実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。表示システム１は、表示装置１０から投射される投射光を、透過反射部材に投射させることによって観察者３に表示画像を視認させるシステムである。表示画像は、観察者３の視界に虚像４５として重畳して表示する画像である。

表示システム１は、例えば、車両、航空機もしくは船舶等の移動体、または操縦シミュレーションシステムもしくはホームシアターシステム等の非移動体に備えられる。本実施形態は、表示システム１が、移動体の一例である自動車に備えられた場合について説明する。なお、表示システム１の使用形態は、これに限られるものではない。

表示システム１は、例えば、フロントガラス５０を介して車両の操縦に必要なナビゲーション情報（例えば車両の速度、進路情報、目的地までの距離、現在地名称、車両前方における物体（対象物）の有無や位置、制限速度等の標識、渋滞情報等の情報等）を、観察者３（操縦者）に視認可能にする。この場合、フロントガラスは、入射された光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材として機能する。観察者３の視点位置からフロントガラス５０までの距離は、数十ｃｍ〜１ｍ程度である。

表示システム１は、表示装置１０、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０を備える。表示装置１０は、例えば、移動体の一例である自動者に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ装置）である。表示装置１０は、自動車のインテリアデザインに準拠して任意の位置に配置される。表示装置１０は、例えば、自動車のダッシュボードの下方に配置されてもよく。ダッシュボード内に埋め込まれていてもよい。

表示装置１０は、光源装置１１、光偏向装置１３およびスクリーン１５を備える。光源装置１１は、光源から出射されたレーザ光を、装置外部へ照射するデバイスである。光源装置１１は、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のレーザ光を合成したレーザ光を照射してもよい。光源装置１１から射出されたレーザ光は、光偏向装置１３の反射面に導かれる。光源装置１１は、光源として、ＬＤ（Laser Diode）等の半導体発光素子を有する。なお、光源は、これに限られず、ＬＥＤ（light emitting diode）等の半導体発光素子を有してもよい。

光偏向装置１３は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等を利用してレーザ光の進行方向を変化させるデバイスである。光偏向装置１３は、例えば、直交する２軸に対して揺動する単一の微小なＭＥＭＳミラー、または１軸に対して揺動もしくは回転する２つのＭＥＭＳミラーからなるミラー系等の走査手段を利用して構成される。光偏向装置１３から射出したレーザ光は、スクリーン１５に走査される。なお、光偏向装置１３は、ＭＥＭＳミラーに限られず、ポリゴンミラー等を用いて構成されてもよい。

スクリーン１５は、レーザ光を所定の発散角で発散させる機能を有する発散部材である。スクリーン１５は、例えば、ＥＰＥ（Exit Pupil Expander）の形態として、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）または拡散板等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子によって構成される。なお、スクリーン１５は、マイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の光学素子によって構成されてもよい。スクリーン１５は、光偏向装置１３から射出されたレーザ光がスクリーン１５上に走査されることによって、スクリーン１５上に二次元像である中間像４０を形成する。

ここで、表示装置１０の投射方式は、液晶パネル、ＤＭＤパネル（デジタルミラーデバイスパネル）または蛍光表示管（ＶＦＤ）等イメージングデバイスで中間像４０を形成する「パネル方式」と、光源装置１１から射出されたレーザ光を走査手段で走査して中間像４０を形成する「レーザ走査方式」がある。

本実施形態に係る表示装置１０は、後者の「レーザ走査方式」を採用する。「レーザ走査方式」は、各画素に対して発光または非発光を割り当てることができるため、一般に高コントラストの画像を形成することができる。なお、表示装置１０は、投射方式として「パネル方式」を用いてもよい。

スクリーン１５から射出されたレーザ光（光束）によって、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０に投射された虚像４５は、中間像４０から拡大されて表示される。自由曲面ミラー３０は、フロントガラス５０の湾曲形状による画像の傾き、歪、位置ずれ等を相殺するように設計および配置されている。自由曲面ミラー３０は、所定の回転軸を中心として回転可能に設置されてもよい。これにより、自由曲面ミラー３０は、スクリーン１５から射出されたレーザ光（光束）の反射方向を調整し、虚像４５の表示位置を変化させることができる。

ここでは、自由曲面ミラー３０は、虚像４５の結像位置が所望の位置になるように、一定の集光パワーを有するように既存の光学設計シミュレーションソフトを用いて設計されている。表示装置１０は、虚像４５が観察者３の視点位置から例えば１ｍ以上かつ３０ｍ以下（好ましくは１０ｍ以下）の位置（奥行位置）に表示されるように、自由曲面ミラー３０の集光パワーが設定する。なお、自由曲面ミラー３０は、凹面ミラーやその他集光パワーを有する素子であってもよい。自由曲面ミラー３０は、結像光学系の一例である。

フロントガラス５０は、レーザ光（光束）の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる機能（部分反射機能）を有する透過反射部材である。フロントガラス５０は、観察者３に前方の景色および虚像４５を視認させる半透過鏡として機能する。虚像４５は、例えば、車両情報（速度、走行距離等）、ナビゲーション情報（経路案内、交通情報等）、警告情報（衝突警報等）等を観察者３に視認させるための画像情報である。なお。透過反射部材は、フロントガラス５０とは別途設けられたフロントウインドシールド等であってもよい。フロントガラス５０は、反射部材の一例である。

虚像４５は、フロントガラス５０の前方の景色と重畳するように表示されてもよい。また、フロントガラス５０は、平面でなく、湾曲している。そのため、虚像４５の結像位置は、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の曲面によって決定される。なお、フロントガラス５０は、部分反射機能を有する個別の透過反射部材としての半透過鏡（コンバイナ）を利用してもよい。

このような構成により、スクリーン１５から射出されたレーザ光（光束）は、自由曲面ミラー３０に向けて投射され、フロントガラス５０で反射される。観察者３は、フロントガラス５０で反射された光によって、スクリーン１５に形成された中間像４０が拡大された虚像４５を視認することができる。

●ハードウエア構成
図２は、実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。なお、図２に示すハードウエア構成は、必要に応じて構成要素が追加または削除されてもよい。

表示装置１０は、表示装置１０の動作を制御するためのコントローラ１７を有する。コントローラ１７は、表示装置１０の内部に実装された基板またはＩＣチップ等である。コントローラ１７は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）１００１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１００２、ＲＯＭ（Read Only Memory）１００３、ＲＡＭ（Random Access Memory）１００４、Ｉ／Ｆ（Interface）１００５、バスライン１００６、ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳドライバ１０１０およびモータドライバ１０１２を含む。

ＦＰＧＡ１００１は、表示装置１０の設計者による設定変更が可能な集積回路である。ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳドライバ１０１０、およびモータドライバ１０１２は、ＦＰＧＡ１００１からの制御信号に応じて駆動信号を生成する。ＣＰＵ１００２は、表示装置１０全体を制御するための処理を行う集積回路である。ＲＯＭ１００３は、ＣＰＵ１００２を制御するプログラムを記憶する記憶装置である。ＲＡＭ１００４は、ＣＰＵ１００２のワークエリアとして機能する記憶装置である。Ｉ／Ｆ１００５は、外部装置と通信するためのインターフェースである。Ｉ／Ｆ１００５は、例えば自動車のＣＡＮ（Controller Area Network）等に接続される。

ＬＤ１００７は、例えば、光源装置１１の一部を構成する半導体発光素子である。ＬＤドライバ１００８は、ＬＤ１００７を駆動する駆動信号を生成する回路である。ＭＥＭＳ１００９は、光偏向装置１３の一部を構成し、走査ミラーを変位させるデバイスである。ＭＥＭＳドライバ１０１０は、ＭＥＭＳ１００９を駆動する駆動信号を生成する回路である。モータ１０１１は、自由曲面ミラー３０の回転軸を回転させる電動機である。モータドライバ１０１２は、モータ１０１１を駆動する駆動信号を生成する回路である。なお、ＬＤドライバ１００８は、光源装置１１の一部として設けられてもよく、ＭＥＭＳドライバ１０１０は、光偏向装置１３の一部として設けられてもよい。

●機能構成
図３は、実施形態に係る表示装置の機能構成の一例を示す図である。表示装置１０により実現される機能は、車両情報受信部１７１、外部情報受信部１７２、画像生成部１７３および画像表示部１７４を含む。

車両情報受信部１７１は、ＣＡＮ等から自動車の情報（速度、走行距離等の情報）を受信する機能である。車両情報受信部１７１は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

外部情報受信部１７２は、外部ネットワークから自動車外部の情報（ＧＰＳからの位置情報、ナビゲーションシステムからの経路情報または交通情報等）を受信する機能である。外部情報受信部１７２は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像生成部１７３は、車両情報受信部１７１および外部情報受信部１７２により入力された情報に基づいて、中間像４０および虚像４５を表示させるための画像情報を生成する機能である。画像生成部１７３は、図２に示したＣＰＵ１００２の処理、およびＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像表示部１７４は、画像生成部１７３により生成された画像情報に基づいて、スクリーン１５に中間像４０を形成し、中間像４０を構成したレーザ光（光束）をフロントガラス５０に向けて投射して虚像４５を表示させる機能である。画像表示部１７４は、図２に示したＣＰＵ１００２、ＦＰＧＡ１００１、ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳドライバ１０１０およびモータドライバ１０１２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像表示部１７４は、制御部１７５、中間像形成部１７６および投影部１７７を含む。
制御部１７５は、中間像４０を形成するために、光源装置１１および光偏向装置１３の動作を制御する制御信号を生成する。また、制御部１７５は、虚像４５を所定の位置に表示させるために、自由曲面ミラー３０の動作を制御する制御信号を生成する。

中間像形成部１７６は、制御部１７５によって生成された制御信号に基づいて、スクリーン１５に中間像４０を形成する。投影部１７７は、観察者３に視認させる虚像４５を形成するために、中間像４０を構成したレーザ光を、透過反射部材（フロントガラス５０等）に投射させる。

●光偏向装置
図４は、実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。光偏向装置１３は、半導体プロセスにより製造されるＭＥＭＳミラーであり、ミラー１３０、蛇行状梁部１３２、枠部材１３４、および圧電部材１３６を含む。光偏向装置１３は、走査部の一例である。

ミラー１３０は、光源装置１１から射出されたレーザ光をスクリーン１５側に反射する反射面を有する。光偏向装置１３は、ミラー１３０を挟んで一対の蛇行状梁部１３２を形成する。蛇行状梁部１３２は、複数の折り返し部を有する。折り返し部は、交互に配置される第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとから構成されている。蛇行状梁部１３２は、枠部材１３４に支持されている。圧電部材１３６は、隣接する第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとを接続するように配置されている。圧電部材１３６は、第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとに異なる電圧を印加し、梁部１３２ａ，１３２ｂのそれぞれに反りを発生させる。

これにより、隣接する梁部１３２ａ，１３２ｂは、異なる方向に撓む。ミラー１３０は、撓みが累積されることによって、左右方向の軸を中心として垂直方向に回転する。このような構成により、光偏向装置１３は、垂直方向への光走査が低電圧で可能となる。上下方向の軸を中心とした水平方向の光走査は、ミラー１３０に接続されたトーションバー等を利用した共振により行われる。

●スクリーン
図５は、実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。スクリーン１５は、光源装置１１の一部を構成するＬＤ１００７から射出されたレーザ光を結像させる。また、スクリーン１５は、所定の発散角で発散させる発散部材である。スクリーン１５は、光学素子の一例である。図５に示すスクリーン１５は、六角形形状を有する複数のマイクロレンズ１５０が隙間なく配列されたマイクロレンズアレイ構造を有している。マイクロレンズ１５０のレンズ径（対向する２辺間の距離）は、２００μｍ程度である。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の形状を六角形とすることにより、複数のマイクロレンズ１５０を高密度で配列することができる。

なお、マイクロレンズ１５０の形状は、六角形に限られるものではなく、例えば四角形、三角形等であってもよい。また、複数のマイクロレンズ１５０が規則正しく配列された構造を例示しているが、マイクロレンズ１５０の配列は、これに限られるものではなく、例えば、各マイクロレンズ１５０の中心を互いに偏心させ、不規則な配列としてもよい。このように偏心させた配列を採用する場合、各マイクロレンズ１５０は、互いに異なる形状となる。

図６は、マイクロレンズアレイにおいて、入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。図６（ａ）において、スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０が整列して配置された光学板１５１によって構成される。光学板１５１上に入射光１５２を走査する場合、入射光１５２は、マイクロレンズ１５０により発散され、発散光１５３となる。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の構造により、入射光１５２を所望の発散角１５４で発散させることができる。マイクロレンズ１５０の周期１５５は、入射光１５２の径１５６ａよりも大きくなるように設計される。これにより、スクリーン１５は、レンズ間での干渉を起こさずに、干渉ノイズの発生を抑制する。

図６（ｂ）は、入射光１５２の径１５６ｂが、マイクロレンズ１５０の周期１５５の２倍大きい場合の発散光の光路を示す。入射光１５２は、二つのマイクロレンズ１５０ａ、１５０ｂに入射し、それぞれ発散光１５７、１５８を生じさせる。このとき、領域１５９において、二つの発散光が存在するため、光の干渉を生じうる。この干渉光が観察者の目に入った場合、干渉ノイズとして視認される。

以上を考慮して、干渉ノイズを低減するため、マイクロレンズ１５０の周期１５５は、入射光の径１５６よりも大きく設計される。なお、図６は、凸面レンズの形態で説明したが、凹面レンズの形態においても同様の効果があるものとする。

図７は、光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。光源装置１１の各光源素子は、ＦＰＧＡ１００１によって発光強度や点灯タイミング、光波形が制御される。光源装置１１の各光源素子は、ＬＤドライバ１００８によって駆動され、レーザ光を射出する。各光源素子から射出され光路合成されたレーザ光は、図７に示すように、光偏向装置１３のミラー１３０によってα軸周り、β軸周りに二次元的に偏向され、ミラー１３０を介して走査光としてスクリーン１５に照射される。すなわち、スクリーン１５は、光偏向装置１３による主走査および副走査によって二次元走査される。

走査範囲は、光偏向装置１３によって走査しうる全範囲である。走査光は、スクリーン１５の走査範囲を、２〜４万Ｈｚ程度の速い周波数で主走査方向（Ｘ軸方向）に振動走査（往復走査）しつつ、数十Ｈｚ程度の遅い周波数で副走査方向（Ｙ軸方向）に片道走査する。すなわち、光偏向装置１３は、スクリーン１５に対してラスタースキャンを行う。この場合、表示装置１０は、走査位置（走査光の位置）に応じて各光源素子の発光制御を行うことで、画素ごとの描画または虚像の表示を行うことができる。

一画面を描画する時間、すなわち１フレーム分の走査時間（二次元走査の１周期）は、
上記のように副走査周期が数十Ｈｚであることから、数十ｍｓｅｃとなる。例えば、主走査周期を２００００Ｈｚ、副走査周期を５０Ｈｚとした場合、１フレーム分の走査時間は、２０ｍｓｅｃとなる。

図８は、２次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。スクリーン１５は、図８に示すように、中間像４０が描画される（画像データに応じて変調された光が照射される）画像領域６１（有効走査領域）と、画像領域６１を取り囲むフレーム領域６２を含む。

走査範囲は、スクリーン１５における画像領域６１とフレーム領域６２の一部（画像領域６１の外縁近傍の部分）を併せた範囲とする。図８において、走査範囲における走査線の軌跡は、ジグザグ線によって示される。図８において、走査線の本数は、便宜上、実際よりも少なくしている。

スクリーン１５は、上述のように、マイクロレンズアレイ２００等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子で構成されている。画像領域６１は、矩形または平面である必要はなく、多角形または曲面であってもよい。また、スクリーン１５は、光拡散効果を持たない平板または曲板であってもよい。さらに、スクリーン１５は、装置レイアウトに応じて、例えば、マイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の光学素子とすることもできる。

スクリーン１５は、走査範囲における画像領域６１の周辺領域（フレーム領域６２の一部）に、受光素子を含む同期検知系６０を備える。図８において、同期検知系６０は、画像領域６１の−Ｘ側かつ＋Ｙ側の隅部に配置される。同期検知系６０は、光偏向装置１３の動作を検出して、走査開始タイミングや走査終了タイミングを決定するための同期信号をＦＰＧＡ１００１に出力する。

●第１の実施形態●
●光源装置
続いて、図９乃至図２３を用いて、第１の実施形態に係る光源装置１１Ａの構成について説明する。まず、図９乃至図１２を用いて、光源装置１１Ａの概略について説明する。

図９は、第１の実施形態に係る光源装置の具体的構成の一例を示す図である。光源装置１１Ａは、光源素子１１１（ｒ），１１１（ｇ），１１１（ｂ）（以下、区別する必要のないときは、光源素子１１１とする。）、カップリングレンズ１１２（ｒ），１１２（ｇ），１１２（ｂ）（以下、区別する必要のないときは、カップリングレンズ１１２とする。）、アパーチャ１１３（ｒ），１１３（ｇ），１１３（ｂ）（以下、区別する必要のないときはアパーチャ１１３とする。）、ミラー１１４，光合成素子１１５，１１６、光分岐素子１１７、集光素子１１８および光検出器１１９を含む。

３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の光源素子１１１（ｒ），１１１（ｇ），１１１（ｂ）は、例えば、それぞれ単数または複数の発光点を有するＬＤ（レーザダイオード）である。光源素子１１１（ｒ），１１１（ｇ），１１１（ｂ）は、互いに異なる波長λＲ，λＧ，λＢ（例えば、λＲ＝６５０ｎｍ，λＧ＝５１５ｎｍ，λＢ＝４５０ｎｍ）のレーザ光（光束）を射出する。光源装置１１Ａは、画像に必要な色生成のため、波長の異なる光束を放射する複数の光源素子１１１（１１１（ｒ）,１１１（ｇ）,１１１（ｂ））を有する。光源素子１１１を駆動させるための回路基板は、小型化や低コストを考え、各光源素子１１１（ｒ），１１１（ｇ），１１１（ｂ）を光源装置１１Ａの同じ面に配置することで共通化される。

放射された各光束は、それぞれ対応するカップリングレンズ１１２（ｒ），１１２（ｇ），１１２（ｂ）によりカップリングされる。光源素子１１１から射出されるレーザ光（光束）は、拡散光であるため、対応するカップリングレンズ１１２によって集光されて平行光となる。半導体レーザは、指向性が高い一方で出射端において拡がりを有するため、次第に減衰してしまう。光源装置１１Ａは、放射された光束の損失を小さくするため、カップリングレンズ１１２を用いて放射された光束を平行光にする。

カップリングされた各光束は、それぞれ対応するアパーチャ１１３（ｒ），１１３（ｇ），１１３（ｂ）により整形される。アパーチャ１１３は、光束の発散角等の所定の条件に応じた形状（例えば円形、楕円形、長方形、正方形等）を有する。アパーチャ１１３により整形された光束は、ミラー１１４と、２つの合成素子１１５，１１６とを用いて合成される。

ミラー１１４は、光源素子１１１（ｂ）から射出された光束を偏向して、光分岐素子１１７へ導光する。光合成素子１１５は、ミラー１１４により導光された光束と、光源素子１１１（ｇ）から射出された光束とを合成する。光合成素子１１６は、光合成素子１１５によって合成された光束と、光源素子１１１（ｒ）から射出された光束とをさらに合成する。光合成素子１１５，１１６は、プレート状またはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じて光束を反射または透過し、１つの光束に合成する。光源素子１１１（ｒ），１１１（ｇ）,１１１（ｂ）から射出された光束は、光合成素子１１５および光合成素子１１６によって合成され、同一の光路をたどるようになる。

光分岐素子１１７に入射した入射光の一部は、光分岐素子１１７を透過し、他の一部すなわち残部の少なくとも一部は、光分岐素子１１７で反射される。すなわち、光合成素子１１６によって合成された光束は、光分岐素子１１７によって透過光と反射光に分岐される。なお、光分岐素子１１７は、光合成素子１１６と光偏向装置１３との間の光路上に配置されていればよい。

透過光は、光偏向装置１３に照射され、スクリーン１５上での画像描画および虚像表示に用いられる。すなわち、透過光は、画像光として用いられる。一方で、反射光は、集光素子１１８を介して光検出器１１９に照射され、虚像の色や輝度を調整するためのモニタ光として用いられる。

集光素子１１８は、光分岐素子１１７によって分岐されたモニタ光を、光検出器１１９に適切なビーム径で入射させるため、集光する。光検出器１１９は、モニタ光の光量を検出する。光検出器１１９は、光源装置１１Ａの小型化のため、複数の光源素子１１１から射出されたレーザ光（光束）を一つの素子で検出することが好ましい。

各光源素子１１１によって射出されるレーザ光（光束）の光量は、温度によって変動する。そこで、光源装置１１Ａは、各光源素子１１１から射出されるレーザ光（光束）の光量変動を光検出器１１９で検出し、光源素子１１１によって射出されるレーザ光（光束）の光量制御（ＡＰＣ）を行う。光源装置１１Ａは、合成素子１１６で合成されたレーザ光の一部を光分岐素子１１７によって光検出器１１９へ分岐させる。なお、光源装置１１Ａは、光分岐素子１１７における分岐面をレーザ光（光束）の入射面とし、光分岐素子１１７によって反射されたレーザ光を光検出器１１９へ導光し、光分岐素子１１７を透過したレーザ光を光偏向装置１３へ導光するように、光分岐素子１１７が配置されている。

図１０は、第１の実施形態に係る光源装置の構成の一例を概略的に示した図である。光源装置１１Ａは、図９に示した構成に加えて、制御回路３００を含む。制御回路３００は、バスライン３０７を介して、光源素子１１１および光検出器１１９に接続されている。制御回路３００は、光源装置１１Ａの内部に実装された回路基板またはＩＣチップ等である。制御回路３００は、光検出器１１９によって検出された検出信号に基づいて、光源素子１１１の出力を制御する。

制御回路３００は、ＦＰＧＡ３０１、ＣＰＵ３０２、ＲＯＭ３０３、ＲＡＭ３０４、Ｉ／Ｆ３０５、ドライバ３０６およびバスライン３０７を含む。ＦＰＧＡ３０１は、光源装置１１Ａの設計者による設定変更が可能な集積回路である。ドライバ３０６は、ＦＰＧＡ３０１からの制御信号に応じて、光源素子１１１の駆動信号を生成する。ＣＰＵ３０２は、光源装置１１Ａ全体を制御するための処理を行う集積回路である。ＲＯＭ３０３は、ＣＰＵ３０２を制御するプログラムを記憶する記憶装置である。ＲＡＭ３０４は、ＣＰＵ３０２のワークエリアとして機能する記憶装置である。Ｉ／Ｆ３０５は、光検出器１１９と通信するためのインターフェースである。

図１１は、第１の実施形態に係る光検出器の具体的構成の一例を示す図である。光検出器１１９は、受光素子１６１、電流電圧変換回路１６２および信号処理回路１６３を有する。受光素子１６１は、光分岐素子１１７によって分岐された反射光（モニタ光）を受光し、受光した反射光を電流値に変換する。受光素子１６１は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）、フォトトランジスタ等を用いる。受光素子１６１は、変換した電流値を、電流電圧変換回路１６２へ出力する。

電流電圧変換回路１６２は、受光素子１６１から出力された出力電流を電圧値に変換する変換回路である。電流電圧変換回路１６２は、変換した電圧値を受光信号として、信号処理回路１６３へ出力する。

信号処理回路１６３は、電流電圧変換回路１６２によって変換された電圧値を、デジタル信号に変換する変換回路である。信号処理回路１６３は、例えば、ＡＤコンバータ等である。また、信号処理回路１６３は、変換されたデジタル信号を増幅させる増幅器を有する。信号処理回路１６３は、変換したデジタル信号を増幅させた検出信号を、図１０に示した制御回路３００へ出力する。

●光検出器により検出される平均光量
続いて、光源装置１１Ａによる光量制御について説明する。まず、図１２および図１３を用いて、光検出器１１９によって検出されるレーザ光（光束）の光量について説明する。なお、以下、図９および図１０に示した光源素子１１１（ｒ）を赤色光源、光源素子１１１（ｇ）を緑色光源、光源素子１１１（ｂ）を青色光源と称する。

図１２（ａ）は、青色光源の平均光量と駆動電流の特性を示す図である。光量制御（ＡＰＣ）において、光源から出力されるレーザ光の光量の値は、光検出器が受光するモニタ光の平均光量が代用される。図１２（ａ）に示すように、青色光源から出力されるレーザ光（光束）は、駆動電流Ｉが大きくなるにつれて、光検出器によって検出される平均光量Ｐ_ＬＤが大きくなる。なお、赤色光源および緑色光源から出力されるレーザ光（光束）も、同様の特性を有する。

ここで、光検出器は、受光したレーザ光をデジタル値に変換した検出信号を出力する。そのため、図１２（ｂ）に示すデジタル値と駆動電流の特性を得ることができる。図１２（ｂ）は、青色光源からレーザ光をデジタル変換したデジタル値と駆動電流の特性を示す図である。ここで、図１２（ｂ）は、青色光源から出力されたレーザ光の検出信号の最大値を１０ｂｉｔ（１０２４）となるように、光検出器の回路設計を行った場合の特性である。なお、デジタル値は、他のｂｉｔ数で処理してもよく、検出信号の最大値にマージンを有してもよい。光源装置１１Ａは、予め各光源の平均光量とデジタル値との相関関係を予め取得しておくことで、デジタル値に基づいて、それぞれの光源から出力されるレーザ光の光量を制御することができる。

一方、各光源（赤色光源、緑色光源、青色光源）から出力されるレーザ光を、同一のデューティ比で出力した場合、色のホワイトバランスや各光源の定格の違いから、平均光量は、光源ごとに差が生じてしまう。図１３（ａ）は、従来の光源装置における光源ごとの平均光量の一例を示す図である。複数の光源から出力されるレーザ光を１つの光検出器で検出する場合、光検出器１１９は、最も波長の長い光源（例えば、赤色光源）から出力されるレーザ光の平均光量の最大値（デジタル値）が１０２４となるように設計する必要がある。そのため、図１３（ａ）に示すように、赤色光源から出力されるレーザ光よりも波長の短いレーザ光を出力する緑色光源および青色光源の平均光量は、デジタル値としての最大値（ここでは、１０２４）に対して小さくなる。

この場合、青色光源のデジタル値と駆動電流の特性は、図１３（ｂ）に示すようになる。図１３（ｂ）に示すように、青色光源のデジタル値は、図１２（ｂ）の例と比較して低下してしまう。したがって、複数の光源から出力されるレーザ光を１つの光検出器で検出する場合、光検出器１１９は、青色光源の１digitあたりの分解能が小さくなり、光量制御（ＡＰＣ）の精度が低下してしまう。

そこで、第１の実施形態に係る光源装置１１Ａは、最も波長の長いレーザ光を出力する光源素子１１１（例えば、赤色光源）を、他の光源とは異なるデューティ比で点灯させる。例えば、赤色光源から射出されたモニタ光の平均光量が、青色光源から射出されたモニタ光の平均光量が５倍である場合、光源装置１１Ａは、青色光源のデューティ比の１／５倍となるデューティ比で赤色光源を点灯させる。

図１４は、第１の実施形態に係る光源装置において、赤色光源および青色光源から射出されるそれぞれのモニタ光の波形の一例を示す図である。図１４に示すように、光源装置１１Ａにおいて、赤色光源から射出されたモニタ光のパルス幅ｂは、青色光源から射出されるモニタ光のパルス幅ａの１／５である（ｂ＝ａ／５）。このように、光源装置１１Ａは、モニタ光の波形のパルス周期Ｔに対するパルス幅ａ,ｂを調整し、各光源のデューティ比を制御することで、それぞれの光源から出力されるモニタ光の平均光量を調整する。

図１５は、第１の実施形態に係る光源装置において、赤色光源を青色光源とは異なるデューティ比で点灯させた場合におけるモニタ光の平均光量の一例を示す図である。図１５に示すように、出力されるレーザ光の波長が最も長い赤色光源の平均光量と青色光源の平均光量との差は、小さくなる。なお、同様に、光源装置１１Ａは、赤色光源よりも高く、青色光源よりも低いデューティ比で緑色光源を点灯させることで、複数の光源から出力されたモニタ光の平均光量の差を小さくすることができる。

したがって、光源装置１１Ａは、複数の光源素子１１１を異なるデューティ比で点灯させることによって、光検出器１１９によって検出されるモニタ光の平均光量の差を小さくする。光源装置１１Ａは、複数の光源素子１１１を同一のパルス幅、かつそれぞれを最大出力で点灯させた場合の平均光量が高い光源（例えば、赤色光源）のデューティ比を低くするように、それぞれの光源素子１１１から出力されるレーザ光のパルス幅を変更する。これによって、光源装置１１Ａは、光検出器１１９によって検出されるモニタ光（検出信号）の量子化誤差を低減させることができるので、ＡＰＣの精度を向上させることができる。

図１６は、第１の実施形態に係る光源装置において、異なるデユーテイー比で光源素子を点灯させた場合における平均光量と駆動電流の特性の一例を示す図である。図１６において、デューティ比Ａ（ＤｕｔｙＡ）は、デューティ比Ｂ（ＤｕｔｙＢ）より高く設定されている。

図１６に示すように、デューティ比Ａ（ＤｕｔｙＡ）で点灯させた光源の平均光量は、デューティ比Ｂ（ＤｕｔｙＢ）で点灯させた光源の平均光量よりも高くなる。光源装置１１Ａは、異なるデューティ比で点灯させた場合の光量変動を取得しておくことによって、デューティ比を変更した場合に、所望の光量変動に変換することができる。例えば、光源装置１１Ａは、赤色光源をデューティ比Ａで点灯させた場合における平均光量と駆動電流の特性を、デューティ比Ｂにおける光量変動と駆動電流の特性に変換することができる。

光源装置１１Ａは、観察者３に視認させる画像の輝度を、色（階調）や外光照度等にあわせて調整するため、光源素子１１１を様々なデューティ比でパルス点灯させる。光源装置１１Ａは、光源素子１１１の駆動電流値を変化させることによって、光源素子１１１から出力するレーザ光の光量を増減させる。光源装置１１Ａは、温度変動等が生じても、光源素子１１１ごとのデューティ比を用いて適切な出力を設定するため、光検出器１１９によって検出される平均光量と駆動電流の特性（ＩＰ特性）から、光源素子１１１から出力されるレーザ光の光量を制御する。

●制御回路３００の機能構成
続いて、図１７を用いて、第１の実施形態に係る光源装置１１Ａが有する制御回路３００によって実現される機能を説明する。図１７は、第１の実施形態に係る制御回路の機能構成の一例を示す図である。図１７に示す制御回路３００によって実現される機能は、光量算出部３５１、決定部３５２、駆動制御部３５３、検知部３５４、記憶・読出部３５５および記憶部３５６を含む。は、例えば、図２に示したコントローラ１７が有するＦＰＧＡ１００１、ＬＤドライバ１００８およびＣＰＵ１００２の処理によって実現される。なお、光量算出部３５１、決定部３５２、駆動制御部３５３、検知部３５４、記憶・読出部３５５および記憶部３５６の機能は、光源装置１１Ａ専用に設けられた専用ＩＣによって設けられてもよい。

光量算出部３５１は、光検出器１１９によって検出されたレーザ光（光束）の平均光量を算出する機能である。光量算出部３５１は、例えば、光検出器１１９から出力される検出信号に基づいて、光源素子１１１から出力されるレーザ光の平均光量を算出する。光量算出部３５１は、光源素子１１１ごとにそれぞれから出力されるレーザ光の平均光量を算出する。光量算出部３５１は、主に、図１０に示したＦＰＧＡ３０１、ＣＰＵ３０２およびＩ／Ｆ３０５の処理によって実現される。

決定部３５２は、光量算出部３５１によって算出された平均光量に基づいて、光源素子１１１の駆動条件を決定する機能である。駆動条件は、例えば、光源素子１１１の発光量や駆動電流値等である。決定部３５２は、光源素子１１１ごとに設定されたデューティ比に基づいて射出されるレーザ光の、それぞれの駆動条件を決定する。決定部３５２は、主に、図１０に示したＦＰＧＡ３０１およびＣＰＵ３０２の処理によって実現される。

駆動制御部３５３は、決定部３５２によって決定された駆動条件に基づいて、光源素子１１１の出力を制御する機能である。駆動制御部３５３は、主に、図１０に示したＦＰＧＡ３０１、ＣＰＵ３０２およびドライバ３０６の処理によって実現される。

検知部３５４は、光源装置１１Ａによる各光源素子１１１から出力されるレーザ光の光量制御（ＡＰＣ）を行うタイミングを検出する機能である。検知部３５４は、例えば、光偏向装置１３からの同期信号によって、図１７に示した光量制御領域２１０に対する走査期間であることを検知する。また、検知部３５４は、光偏向装置１３による走査周期を予め記憶し、光量制御領域２１０の走査周期であることを検知してもよい。検知部３５４は、主に、図１０に示したＦＰＧＡ３０１、ＣＰＵ３０２の処理によって実現される。

ここで、図１８を用いて、光源装置１１Ａによって行われる光量制御のタイミングについて説明する。図１８は、第１の実施形態に係る光源装置における光量制御方法の一例を示す図である。

表示装置１０は、光源装置１１Ａから斜出された光束を、光偏向装置１３によって偏向させ、スクリーン１５上に二次元走査する。図１８に示すように、スクリーン１５は、画像光によって画像を形成するための画像形成領域２２０とは異なる位置に、光量制御領域（光量制御領域）２１０を有する。光源装置１１Ａは、光偏向装置１３によって画像光を光量制御領域２１０に走査させるタイミングで、各光源素子１１１から出力されるレーザ光の光量制御（ＡＰＣ）を行う。

観察者３に視認させる画像を形成する画像形成領域２２０で光量制御を行った場合、光量の変化に応じて、形成される画像に色ムラが生じてしまう。そのため、本実施形態に係る表示装置１０は、図１８に示すように、光量制御用のレーザ光を点灯させる光量制御領域２１０と画像形成領域２２０とを分離し、光量制御用のレーザ光を、画像形成領域２２０から遮光することによって、画像形成領域２２０に形成される画像の色ムラの発生を抑制することができる。

なお、図１８に示す光量制御領域２１０は、図８に示したフレーム領域６２の一部に対応し、画像形成領域２２０は、図８に示した画像領域６１（有効走査領域）に対応する。なお、光量制御領域２１０は、図１８に示した位置に限られず、図８に示したフレーム領域６２の一部、すなわち画像領域６１（有効走査領域）以外の位置に設けられていればよい。

記憶・読出部３５５は、記憶部３５６に各種データを記憶させ、または記憶部３５６から各種データを読み出す機能である。記憶・読出部３５５は、主に、図１０に示したＦＰＧＡ３０１、ＣＰＵ３０２の処理によって実現される。記憶部３５６は、主に、図１０に示したＦＰＧＡ３０１、ＣＰＵ３０２およびＲＯＭ３０３によって実現される。

●光量制御
図１９は、第１の実施形態に係る光源装置におけるＡＰＣの一例を示すフローチャートである。ＨＵＤ装置等の表示装置１０は、様々な照度に応じて、適切な輝度レベル（Ｄｉｍｍｉｎｇレベル）になるように、光源装置１１Ａを様々なデューティ比で発光させる。特定のＤｉｍｍｉｎｇレベルにおいて、各光源素子１１１から射出されたモニタ光の光検出器１１９における検出光量の差が小さくなるように、光源装置１１Ａは、各光源素子１１１のデューティ比を設計値として設定している。光源装置１１Ａは、例えば、赤色光源から射出されるレーザ光のデューティ比が青色光源から射出されるレーザ光のデューティ比よりも低く設定されている。

ステップＳ１０１において、光源装置１１Ａの検知部３５４は、光量制御（ＡＰＣ）のタイミングであることを検知した場合、処理をステップＳ１０２へ移行させる。具体的には、検知部３５４は、光偏向装置１３からの同期信号によって、図１８に示した光量制御領域２１０に対する走査期間であることを検知した場合、光量制御タイミングであることを検知する。また、検知部３５４は、光偏向装置１３による走査周期を予め記憶し、光量制御領域２１０の走査周期であることを検知した場合、光量制御タイミングであることを検知してもよい。一方で、光源装置１１Ａは、検知部３５４によって光量制御タイミングであることを検知されるまでステップＳ１０１の処理を繰り返す。

ステップＳ１０２において、光源装置１１Ａの光量算出部３５１は、光検出器１１９によって検出されたモニタ光の平均光量を算出する。光量算出部３５１は、ステップＳ１０２によって検出された光量制御のタイミングまでに光検出器１１９によって検出されたモニタ光の平均光量を算出する。光量算出部３５１は、光源素子１１１ごとの平均光量を算出する。

ステップＳ１０３において、光源装置１１Ａの決定部３５２は、光量算出部３５１によって算出された平均光量に基づいて、各光源素子１１１の駆動条件を決定する。駆動条件は、光源素子１１１から出力されるレーザ光の発光量や駆動電流値等である。具体的には、決定部３５２は、予め設定されたデューティ比によって各光源素子を点灯させた場合における駆動条件を決定する。ステップＳ１０４において、光源装置１１Ａの駆動制御部３５３は、決定された駆動条件を用いて、光源素子１１１からレーザ光を出力する。

●分光感度特性
次に、光検出器１１９の分光感度特性について説明する。図２０は、光検出器の分光感度特性を説明するための図である。一般的に、光検出器１１９は、図２０に示すように、長波長側の波長を有するレーザ光の感度が高い分光感度特性を有する。すなわち、光検出器１１９は、同じ平均光量のモニタ光が入射した場合でも、分光感度特性の影響によって、検出される平均光量に差が生じてしまう。

図２１は、光検出器によって検出される、光源素子ごとの平均光量の一例を示す図である。図２１において、例えば、赤色光源、緑色光源、青色光源のそれぞれから出力されるレーザ光の光検出器１１９に対する入射光量を、６０００μＷに揃えたとする。この場合、図２０に示した分光感度特性の影響によって、光検出器１１９で検出される光量は、赤色光源が１００％、緑色光源が８０％、青色光源が７０％程度となり、光検出器１１９は、入射光量を図２１のように感じる。図２１に示すように、赤色光源の検出光量の最大値が１０２４となるように設計した場合、青色光源の検出光量の最大値は７００程度となる。そのため、光源装置１１Ａは、青色光源の光量の最大値を１０２４とした場合と比較して分解能が低いため、ＡＰＣの精度が低下してしまう。

したがって、光源装置１１Ａは、上記のような光検出器１１９の分光感度特性の影響を低減させるため、各光源素子１１１を異なるデューティ比で点灯させる。これによって、光源装置１１Ａは、各光源素子１１１から出力させるモニタ光の検出信号の最大値の差を小さくすることができる。

●カットオフ周波数
続いて、図２２を用いて、光源装置１１Ａにおいて光源を点灯させる周波数について説明する。図２２（ａ）は、光検出器１１９に入射するモニタ光の波形を示す。光検出器１１９に入射するモニタ光は、点灯周波数Ｆｉｎを有し、図２２（ａ）で示す波形を有する。

ここで、光検出器１１９によって検出される検出信号について説明する。光検出器１１９は、上述のように検出信号を増幅させる増幅記を有し、増幅記のＧＢ積（利得帯域幅積）に支配されるカットオフ周波数を有する。図２２（ｂ）に示すように、カットオフ周波数を下回る周波数（Ｆｉｎ＜Ｆｃ）で光源を点灯させた場合、光検出器１１９による検出信号の波形は、図２２（ａ）に示した入射光に近い波形となる。

一方で、カットオフ周波数以上の周波数（Ｆｉｎ≧Ｆｉｎ）で光源を点灯させた場合、光検出器１１９による検出信号の波形は、図２２（ｃ）に示すような入射光の波形を平均化したような波形となる。

入射光の波形と近い検出信号の場合、検出信号の値は、検知部３５４によって検知された光量制御のタイミングによって大きく変動する。この場合、平均光量となるタイミングで検出信号を取得するためには、検知部３５４は、駆動制御部３５３による各光源の駆動制御処理と同期をとる必要があり、処理が複雑になる。

また、平均光量でないタイミングで検出信号を取得した場合、光源装置１１Ａは、平均光量との差分を補正する必要がある。しかしながら、入射光の波形は、温度やデューティ比によって異なる。そのため、光検出器１１９は、検出信号を取得するタイミングが一定であっても平均光量との差分が異なるので、複雑な補正処理が必要になる。

したがって、光源装置１１Ａは、ＡＰＣの精度を高めるため、光検出器１１９による検出信号が平均化された値であることが好ましい。そのため、光源装置１１Ａは、光源素子１１１を光検出器１１９のカットオフ周波数以上の周波数で点灯させる。

●分岐比率
次に、光分岐素子１１７における透過光（画像光）と反射光（モニタ光）の分岐比率について説明する。モニタ光の分岐比率を大きくした場合、画像光にとっては光量損失となるため、形成する画像の輝度が低下してしまう。そのため、光源装置１１Ａは、画像光に対するモニタ光の分岐比率をできるだけ小さくする。この場合、光分岐素子１１７の内部の多重干渉やリップル等の影響を考慮すると、モニタ光の分岐比率は、画像光に対して略５％程度にすることが好ましい。

素子の配置や多重干渉の影響を考える場合、光分岐素子１１７に対するレーザ光の入射角は、４５°付近が好ましい。ここで、光分岐素子１１７は、屈折率１．５の材質で構成され、両面がノンコートであるものとする。このような光分岐素子１１７に対して、Ｓ偏光、Ｐ偏光のレーザ光が入射した際の反射率の角度依存性は、フレネル反射の関係式から図２３に示すようになる。

図２３に示すように、Ｓ偏光のレーザ光は、入射角が大きくなるほど反射率も大きくなる。そのため、Ｓ偏光のレーザ光は、４５°付近の入射角を取る場合、反射率が１０％程度とかなりの光損失となってしまう。また、分岐比率５％のモニタ光を、入射角が４５°のＳ偏光反射や透過光で実現する場合、光分岐素子１１７は、膜層数の多い多層膜コートが必要となり、コストが高くなってしまう。

一方、Ｐ偏光のレーザ光は、入射角が６０°近傍になる角度で反射率が０％となる。すなわち、Ｐ偏光のレーザ光は、光分岐素子１１７に対する入射角が６０°近傍であれば所望の分岐比率を得ることができる。

したがって、光分岐素子１１７は、Ｐ偏光反射によりモニタ光を分岐させる。光分岐素子１１７は、Ｐ偏光のレーザ光を反射させることで、表面の白やけを防止するためのコーティングを数層行うのみで膜層数を削減させるでき、低コストとなる。また、光分岐素子１１７の膜層数が少ないほどリップルが小さくなるので、光源装置１１Ａは、リップルの影響を小さくすることができる。

以上の説明では、光分岐素子１１７に入射するレーザ光が光分岐素子１１７に対して完全なＰ偏光であることを前提とした。しかしながら、光分岐素子１１７に入射するレーザ光（光束）は、光源素子１１１の製造ばらつきや組みつけ、その他素子のばらつきに起因する偏光の楕円化や方位角の回転が生じる。そのため、光分岐素子１１７に入射するレーザ光は、光分岐素子１１７に対して完全なＰ偏光ではなく、Ｐ偏光とＳ偏光が混在するレーザ光であることが多いと考えられる。光源素子１１１の出射光も、実際には、偏光方向が互いに直交する二つの偏光が混在するレーザ光であることが多いと考えられる。そこで、本実施形態において、Ｐ偏光のレーザ光は、光分岐素子１１７に対するＰ偏光成分がＳ偏光成分よりも多いレーザ光であるものとする。同様に、Ｓ偏光のレーザ光は、光分岐素子１１７に対するＳ偏光成分がＰ偏光成分よりも多いレーザ光であるものとする。

ここで、図２４を用いて、光源装置１１Ａにおける各素子の好適な配置例を説明する。図２４に示す光源装置１１Ａは、複数の光源素子１１１の偏向方向（例えば、Ｙ軸方向）が同じであり、偏向方向と垂直な方向（例えば、Ｘ軸方向）に光源素子１１１が配置されている。また、光源装置１１Ａは、光源素子１１１の出射面（例えば、ＸＹ平面）と光検出器１１９の受光面（例えば、ＸＺ平面）とが直交するように、光源素子１１１と光検出器１１９が配置されている。さらに、光源装置１１Ａは、光源素子１１１と光分岐素子１１７の間のレーザ光の進行方向と光検出器１１９の受光面とが平行になるように光検出器１１９が配置されている。

このような各素子の配置を採用することで、光源装置１１Ａは、光分岐素子１１７によるＰ偏光反射（フレネル反射）によって、光検出器１１９へモニタ光を分岐させることができる。

●第１の実施形態の効果
以上説明したように、第１の実施形態に係る光源装置１１Ａは、複数の光源素子１１１からそれぞれ出力されたモニタ光の平均光量の差を小さくするため、複数の光源素子１１１を同一のパルス幅、かつそれぞれ最大出力で点灯させた場合に、平均光量が最も高い光源素子１１１のデューティ比が低くなるようにパルス幅を変更する。そのため、光源装置１１Ａは、光検出器１１９によって検出されるレーザ光の量子化誤差を低減させることで、ＡＰＣの精度を向上させることができる。

また、第１の実施形態に係る表示装置１０は、光源装置１１Ａを光源として用いることによって、表示させる画像の色ずれの発生を抑制することができる。

●第１の実施形態の変形例●
続いて、第１の実施形態の変形例に係る光源装置について説明する、図２５は、第１の実施形態の変形例に係る光源装置おける各素子の好適な配置を説明するための図である。図２５に示す光源装置１１Ｂは、光源装置１１Ａの構成に加えて、光分岐素子１１７によって反射された反射光（モニタ光）を偏光する光偏向素子１２０を備える。また、光源装置１１Ｂは、光検出器１１９を光源素子１１１と平行な平面（ＸＹ平面）上に配置している。

図２５に示す光源装置１１Ｂは、光偏向素子１２０を用いて、光分岐素子１１７によって反射された反射光（モニタ光）を偏光させ、光源方向に向けてモニタ光を導光する。光検出器１１９の受光面は、光源素子１１１の出射面と同じ方向を向くように配置されている。そのため、光検出器１１９は、光偏向素子１２０によって偏光されたモニタ光を検出することができる。

この構成によって、光源装置１１Ｂは、光検出器１１９と光源素子１１１を駆動させる回路基板を同一のものを用いることができるので、装置の小型化や低コスト化を実現することができる。

なお、光源装置１１Ｂは、光源素子１１１と同一の基板上に、光検出器１１９を配置してもよい。また、図２５において、集光素子１１８は、光分岐素子１１７の直前に配置されているが、光検出器１１９の直前に配置されてもよい。

●第２の実施形態●
続いて、図２６乃至図２９を用いて、第２の実施形態に係る光源装置１１Ｃについて説明する。なお、第１の実施形態と同一構成および同一機能は、同一の符号を付して、その説明を省略する。第２の実施形態に係る光源装置１１Ｃは、光源装置１１Ａの構成に、光減衰素子１４を追加することによって、光検出器１１９によって検出されるレーザ光の量試化誤差を低減させる構成である。

●光源装置
まず、図２６を用いて、第２の実施形態に係る光源装置１１Ｃの概略について説明する。図２６は、第２の実施形態に係る光源装置の具体的構成の一例を示す図である。図２６に示す光源装置１１Ｃは、第１の実施形態に示した光源装置１１Ａの構成に加えて、光減衰素子１４を備える。光減衰素子１４は、複数の光源素子１１１からの光量を一致させるような分光感度特性を有する。

光源装置１１Ｃは、光減衰素子１４を用いて、複数の光源素子１１１から出力され、光検出器１１９に入射する光量が等しくなるように減光する。具体的には、光源装置１１Ｃは、光検出器１１９によって検出される、赤色光源のレーザ光の光量が、他の光源のレーザ光の光量と等しくなるように、赤色光源のレーザ光を減光する機能を有する光減衰素子１４を設ける。

光源装置１１Ｃは、例えば、青色光源のレーザ光に比べて赤色光源のレーザ光の平均光量の最大値が５倍多い場合、赤色光源のレーザ光が青色光源のレーザ光の１／５倍となる光減衰素子１４を設ける。これによって、光検出器１１９によって検出される赤色光源と青色光源のモニタ光の平均光量は等しくなる。なお、同様に、光源装置１１Ｃは、緑色光源のレーザ光を減光させる光減衰素子１４を設けることで、複数の光源から出力されたモニタ光の平均光量の差を小さくすることができる。

●光減衰素子１４を用いた光量制御
ここで、光減衰素子１４は、通常、誘電体多層膜でコーティングされている。光減衰素子１４の分光感度特性は、波長に対して滑らかに変化しているわけではなく、リップルを有している。光減衰素子１４は、リップルが小さくなるような膜をコーティングしたとしても、リップルの影響が減衰率に対して±１％程度考慮する必要がある。図２７は、直前のレーザ光の光量を１００％とした場合に、直後のレーザ光の光量が１％となるような特性を有する光減衰素子の分光感度特性である。

また、図２８は、第２の実施形態に係る光源装置における光源の波長と光量の関係を示す図である。図２８に示すように、光源から出力されるレーザ光の波長は、光量の変化に応じて変化することがわかる。したがって、光源装置１１Ｃは、光量を変化させた場合、それに伴い波長も変化するので、光減衰素子１４によるリップルの影響を受けることとなる。そのため、光源装置１１Ｃは、図２９に示すように、光検出器１１９に対する入射光量と駆動電流の特性の線形性が悪くなり、ＡＰＣの精度が悪くなる。光減衰素子１４の直後の減衰率の割合が大きいほど、リップルの影響を多く受けてしまうため、光源装置１１Ｃは、光減衰素子１４を用いた減衰率を大きくしない方がよい。

このような光減衰素子１４によるリップルの影響を低減させるため、第２の実施形態に係る光源装置１１Ｃは、第１の実施形態で説明した「異なるデューティ比を用いる方法」と第２の実施形態に係る「光減衰素子１４を用いて所望のレーザ光を減衰させる方法」とを組み合わせることが好ましい。光源装置１１Ｃは、例えば、赤色光源を他の光源（緑色光源、青色光源）とは異なるデューティ比で点灯させるとともに、赤色光源から出力されるレーザ光を光減衰素子１４によって減衰させる。

図１６で説明したような所定のデューティ比のＩＰ特性から異なるデューティ比のＩＰ特性を取得するためには、ＩＰ特性における発振しきい値の駆動電流値が等しいことが好ましい。発振しきい値の駆動電流値は、光源素子１１１の放熱特性の変化に応じて変動する。光源素子１１１ごとのモニタ光の平均光量の差が大きい場合、その差が小さくなるよう特定のレーザ光のデューティ比を大きく変化させなければならず、光源素子１１１の放熱特性も変化してします。そのため、発振しきい値の駆動電流値の変動は、光源素子１１１や温度ごとに異なり、補正が複雑になってしまうため、デューティ比の変化は、少ない方が好ましい。

したがって、光源装置１１Ｃは、例えば、光検出器１１９によって検出されるレーザ光の平均光量の差が大きい場合、デューティ比の変更に加えて光減衰素子１４を組み合わせることで、平均光量の差を小さくすることができ、量子化誤差を低減させることができる。

●第２の実施形態の効果
以上説明したように、第２の実施形態に係る光源装置は、最も波長の長いレーザ光を知出力する光源素子１１１（ｒ）を、他の光源素子１１１（光源素子１１１（ｇ）、１１１（ｂ））のデューティ比よりも低いデューティ比で点灯させるとともに、光減衰素子１４を用いて、光源素子１１１（ｒ）から出力されるレーザ光を減光させる。そのため、光源装置１１Ｃは、光検出器１１９によるレーザ光の量子化誤差を低減させるとともに、光減衰素子１４のみを用いてＡＰＣを行う場合に比べて、光減衰素子１４によるリップルの影響を低減することができる。

●第２の実施形態の変形例●
続いて、第２の実施形態の変形例に係る光源装置について説明する、第２の実施形態の変形例に係る光源装置１１Ｄは、光減衰素子１４ではなく、レーザ光を減衰させる機能を有する減衰機能付きレンズ１４１を備える。光源装置１１Ｄは、減衰機能付きレンズ１４１を、光検出器１１９の直前に配置させる。

図３０は、光検出器１１９が有する円形のセンサにモニタ光が入射した様子を示す。図３０に示すように、光検出器１１９に対する入射光は、広がりを持った光束である。また、光検出器１１９に対する入射光（光束）の集光点は、光源素子１１１から出力されたレーザ光（主光線）の集光点と一致していない。そのため、光源素子１１１から出力されたレーザ光（主光線）の集光点に位置する光検出器1１９において、光検出器１１９に対する入射光（光束）は、完全には集光されていない。

そこで、光源装置１１Ｄは、減衰機能を有するレンズ１４１を用いて、光検出器１１９に所定値以上のビーム径を有するレーザ光を入射させる。光検出器１１９は、光検出器１１９に入射するビーム径は小さいほど、ほぼ全ての入射光を検出できる。一方で、光検出器１１９は、同じ光強度でも面積が小さくなるとパワー密度（電力密度）が高くなり、光検出器１１９の応答性が悪化する。そのため、光源装置１１Ｄは、パワー密度（電力密度）の観点から、所定値以上のビーム径を有するレーザ光を、光検出器１１９に入射させることが好ましい。そして、光源装置１１Ｄは、光減衰素子１４を設けるのではなく、減衰機能をレンズに付与することで、配置させる素子の数を削減するとともに、装置の小型化や低コスト化を実現することができる。

●まとめ●
以上説明したように、本発明の一実施形態に係る光源装置は、第１レーザ光を出力する光源素子１１１（ｒ）（第１光源の一例）と、第１レーザ光よりも波長の短い第２レーザ光を出力する光源素子１１１（ｂ）（第２光源の一例）と、第１レーザ光および第２レーザ光を検出する光検出器１１９と、光源素子１１１（ｒ）および光源素子１１１（ｂ）の出力を制御する制御回路３００（制御部の一例）と、を備える。そして、制御回路３００は、第１レーザ光のデューティ比が第２レーザ光のデューティ比よりも低くなるように、光源素子１１１（ｒ）および光源素子１１１（ｂ）の出力を制御する。そのため、光源装置１１Ａは、光検出器１１９によって検出されるレーザ光の量子化誤差を低減させることで、ＡＰＣの精度を向上させることができる。

また、本発明の一実施形態に係る光源装置は、制御回路３００（制御部の一例）が、光源素子１１１（ｒ）（第１光源の一例）から出力される第１レーザ光および光源素子１１１（ｂ）（第２光源の一例）から出力される第２レーザ光の周波数が、光検出器１１９のカットオフ周波数よりも小さくなるように、光源素子１１１（ｒ）および光源素子１１１（ｂ）の出力を制御する。そのため、光源装置１１Ａは、光検出器１１９への入射光が平均化された検出信号を取得することができるので、ＡＰＣの精度をより高めることができる。

また、本発明の一実施形態に係る光源装置は、光源素子１１１（ｒ）（第１光源の一例）から出力される第１レーザ光および光源素子１１１（ｂ）（第２光源の一例）から出力される第２レーザ光の偏光方向と略垂直、かつ光源素子１１１（ｒ）および光源素子１１１（ｂ）の出射面と光検出器１１９の受光面とが略直交するように光源素子１１１（ｒ）、光源素子１１１（ｂ）および光検出器１１９が配置されている。そして、光源装置１１Ａは、光分岐素子１１７に対する入射光のＰ偏光成分がＳ偏光成分よりも多い。そのため、光源装置１１Ａは、光分岐素子１１７から反射光を分岐するときにＰ偏光反射を用いることで、フルネル反射を利用することができるので、光分岐素子１１７の膜層を低減し、リップルの影響を小さくすることができる。

さらに、本発明の一実施形態に係る光源装置は、光分岐素子１１７によって分岐された反射光を偏向させる光偏向素子１２０を備える。そして、光源装置１１Ａは、反射光の偏光方向と略垂直、かつ光源素子１１１（ｒ）（第１光源の一例）および光源素子１１１（ｂ）（第２光源の一例）の出射面と光検出器１１９の受光面とが同じ方向を向くように光源素子１１１（ｒ）および光源素子１１１（ｂ）が配置される。そのため、光源装置１１Ｂは光検出器１１９と光源素子１１１を駆動させる回路基板を同一のものを用いることができるので、装置の小型化や低コスト化を実現することができる。

また、本発明の一実施形態に係る光源装置は、光源素子１１１（ｒ）（第１光源の一例）から出力される第１レーザ光を、光源素子１１１（ｂ）（第２光源の一例）から出力される第２レーザ光よりも高い減光率で減光させる光減衰素子１４（減衰素子の一例）を備える。そして、光検出器１１９は、光減衰素子１４によって減光された光を検出する。そのため、光源装置１１Ｃは、光検出器１１９によるレーザ光の量子化誤差を低減させるとともに、光減衰素子１４のみを用いてＡＰＣを行う場合に比べて、光減衰素子１４によるリップルの影響を低減することができる。

さらに、本発明の一実施形態に係る表示装置は、光源装置１１Ａと、光源装置１１Ａから射出された光を二次元走査する光偏向装置１３（走査部の一例）と、二次元走査によって画像光が照射されるスクリーン１５（光学素子の一例）と、を備え、スクリーン１５に照射された画像光をフロントガラス５０（反射部材の一例）で反射させることによって、所定の画像を表示させる。そのため、表示装置１０は、光源装置１１Ａを光源として用いることによって、表示させる画像の色ずれの発生を抑制することができる。

また、本発明の一実施形態に係る表示システムは、表示装置１０と、スクリーン１５に照射された画像光によって、所定の画像を結像させる自由曲面ミラー３０（結像光学系の一例）を備える。そのため、表示システム１は、観察者３に視認させる画像の色ずれの発生を抑制することができる。

●補足●
なお、本発明の一実施形態に係る光源装置、表示装置、表示システムおよび移動体について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到することができる範囲内で変更することができる。

また、本発明の一実施形態に係る光源装置を搭載した表示装置は、ＨＵＤ装置に限られず、例えば、ヘッドマウントディスプレイ装置、プロンプタ装置、プロジェクタ装置であってもよい。例えば、本発明の一実施形態に係る光源装置１１をプロジェクタ装置に適用する場合、プロジェクタ装置を表示装置１０と同様に構成することができる。すなわち、表示装置１０は、自由曲面ミラー３０を介した画像光を映写幕や壁面等に投影すればよい。なお、表示装置１０は、自由曲面ミラー３０を介さずに、スクリーン１５を介した画像光を映写幕や壁面等に投影してもよい。

１ 表示システム
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ 表示装置
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ 光源装置
１３ 光偏向装置（走査部の一例）
１４ 光減衰素子（減衰素子の一例）
１５ スクリーン（光学素子の一例）
３０ 自由曲面ミラー（結像光学系の一例）
５０ フロントガラス（反射部材の一例）
１１１ 光源素子（光源の一例）
１１７ 光分岐素子
１１９ 光検出器
３００ 制御回路（制御部の一例）

特開２０１４−１８６０７８号公報

Claims (11)

1. 第１レーザ光を出力する第１光源と、
   前記第１レーザ光よりも波長の短い第２レーザ光を出力する第２光源と、
   前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を検出する光検出器と、
   前記第１光源および前記第２光源の出力を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記第１レーザ光のデューティ比が前記第２レーザ光のデューティ比よりも低くなるように、前記第１光源および前記第２光源の出力を制御する光源装置。
2. 前記制御部は、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光の周波数が、前記光検出器のカットオフ周波数よりも小さくなるように、前記第１光源および前記第２光源の出力を制御する、請求項１に記載の光源装置。
3. 請求項１または２に記載の光源装置であって、更に、
   前記第１レーザ光と前記第２レーザ光とを合成した光を、透過光と反射光に分岐する光分岐素子を備え、
   前記光検出器は、前記光分岐素子によって分岐された前記反射光を検出する、光源装置。
4. 前記第１レーザ光および前記第２レーザ光の偏光方向と略垂直、かつ前記第１光源および前記第２光源の出射面と前記光検出器の受光面とが略直交するように前記第１光源、前記第２光源および前記光検出器が配置され、
   前記光分岐素子に対する入射光のＰ偏光成分がＳ偏光成分よりも多い、請求項３に記載の光源装置。
5. 請求項３または４に記載の光源装置であって、更に、
   前記光分岐素子によって分岐された前記反射光を偏向させる光偏向素子を備え、
   前記反射光の偏光方向と略垂直、かつ前記第１光源および前記第２光源の出射面と前記光検出器の受光面とが同じ方向を向くように前記第１光源および前記第２光源が配置される、光源装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光源装置であって、更に、
   前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を、それぞれ異なる減光率で減光させる減衰素子を備え、
   前記光検出器は、前記減衰素子によって減光された光を検出する、光源装置。
7. 前記減衰素子は、前記第１レーザ光を前記第２レーザ光よりも高い減光率で減光させる、請求項６に記載の光源装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光源装置であって、更に、
   前記光検出器は、
   前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を受光する受光素子と、
   前記受光された第１レーザ光および第２レーザ光を電圧に変換する変換回路と、
   前記変換された電圧をデジタル信号に変換して出力する信号処理回路と、
   を有する、光源装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置から射出された光を二次元走査する走査部と、
   前記二次元走査によって画像光が照射される光学素子と、を備え、
   前記光学素子に照射された前記画像光を反射部材で反射させることによって、所定の画像を表示させる表示装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の表示装置と、
    前記光学素子に照射された前記画像光によって、前記画像を結像させる結像光学系と、
    を備える表示システム。
11. 請求項１０に記載の表示システムと、
    前記反射部材としてのフロントガラスと、
    を備える移動体。