JP2014106378A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運用時の外部環境の明るさに適応したスペックルノイズ対策を実現する。
【解決手段】環境光検出部１３が、装置外部における環境光の光量を検出し、判断部１４が、環境光検出部１３により検出された光量に応じて、実施するスペックルノイズ対策の程度を判断（決定）する。このとき、外部環境が明るい場合（環境光の光量が多い場合）には、投影面Ａに対する投影画像の表示の明るさを優先することとし、環境光の光量が多いほどスペックルノイズの対策画素率を少なくする。また、外部環境が暗い場合（環境光の光量が少ない場合）には、スペックルノイズ対策を優先することとし、環境光の光量が少ないほどスペックルノイズの対策画素率を多くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光の走査によって画像を投影面に表示する画像表示装置に関する。
に関する。

例えばレーザプロジェクタに代表されるように、レーザ光源から出力されるレーザ光を走査して投影面上に画像を表示する各種の画像表示装置が実用化されている。

また、このような投影型の画像表示装置に関し、種々の発明が提案されている。
例えば、特許文献１には、変調電流を受けて駆動される半導体レーザと、上記半導体レーザの緩和振動が生じるような急峻なパルス状の立ち上がり波形を備え、かつ、緩和振動が収束する程度、あるいはそれより短いパルス幅の、矩形パルス状の変調電流を生成して上記半導体レーザに印加するレーザ変調駆動回路とを有する光源装置の発明が開示されている。

例えば、特許文献２には、表示器の輝度を参照光とする参照光源と、参照光源からの参照光を検出するセンサを含む参照光検出手段と、表示器の周囲光を一定比率減ずるフィルタと、フィルタを通過した周囲光を検出するセンサを含み、参照光検出手段と同一構成でかつ同一特性の周囲光検出手段と、参照光検出手段からの出力と周囲光検出手段よりの出力が等しくなるよう参照光源の輝度を制御する輝度制御手段とを備える発光輝度自動調整装置の発明が開示されている。

例えば、特許文献３には、レーザ光の縦モード波形が互いに異なる複数の周波数の高周波電流を順次発生し、直流電流に複数の周波数の高周波電流を順次重畳して複数の駆動電流を順次生成し、複数の駆動電流によってレーザダイオードを順次駆動するレーザ光源装置の発明が開示されている。

特開２００１−１８９５２０号公報 特開平０６−２５９０３０号公報 特開２００８−１０３５１５号公報

レーザ光の走査により投影面上に画像を表示する画像表示装置では、投影面上の画像にスペックルノイズと呼ばれる模様（白い点状のむら）が現れ、これにより表示にぎらつきが生じてしまい、見る者に不快感や目の疲労などを与えかねない。
このスペックルノイズは、安定した波長のレーザ光の干渉に起因して発生するため、これを抑制する対策として、画像中の画素単位でレーザ光を一時的に停止してレーザ光に緩和振動を発生させることが行われている。
このようなスペックルノイズ対策を行うと、スペックルノイズを低減できる反面、表示の明るさが低下してしまう。

ここで、外部環境が暗い条件でスペックルノイズ対策の最適化を行うと、運用時の外部環境が明るい場合には、暗く見づらい表示になってしまうという問題がある。また、外部環境が明るい条件でスペックルノイズ対策の最適化を行うと、運用時の外部環境が暗い場合には、スペックルノイズの抑制が足りず、スペックルノイズが目立ってしまうという問題がある。
本発明は、このような従来の事情に鑑みて為されたものであり、運用時の外部環境の明るさに適応したスペックルノイズ対策を実現することを目的とする。

本発明は、レーザ光源から出力されるレーザ光を走査して画像を投影する画像表示装置において、画像中の画素単位でレーザ光を一時的に停止してレーザ光に緩和振動を発生させる制御手段と、装置外部における環境光の光量を検出する検出手段と、検出手段により検出された環境光の光量に応じて、画像における緩和振動を発生させる画素の割合、又は、レーザ光の停止時間を少なくとも決定する決定手段と、を備え、制御手段は、決定手段による決定結果に従って、レーザ光の緩和振動に係る制御を行うようにした。
このような構成によれば、画像における緩和振動を発生させる画素の割合、又は、レーザ光の停止時間を、環境光の光量に応じて変化させることができ、運用時の外部環境の明るさに適応したスペックルノイズ対策を実現することが可能となる。

より具体的には、決定手段は、検出手段により検出された環境光の光量が多いほど、画像における緩和振動を発生させる画素の割合を少なくし、又は、レーザ光の停止時間を短くする。
すなわち、外部環境が明るい場合（環境光の光量が多い場合）には、画像の表示の明るさを優先することとし、環境光の光量が多いほどスペックルノイズ対策を弱める調整を施す。これにより、外部環境が明るい場合に暗く見づらい表示になってしまうことを防ぐことができる。

また、決定手段は、検出手段により検出された環境光の光量が少ないほど、画像における緩和振動を発生させる画素の割合を多くし、又は、レーザ光の停止時間を長くする。
すなわち、外部環境が暗い場合（環境光の光量が少ない場合）には、スペックルノイズ対策を優先することとし、環境光の光量が少ないほどスペックルノイズ対策を強める調整を施す。これにより、外部環境が暗い場合にスペックルノイズが目立ってしまうことを防ぐことができる。

なお、決定手段は、画像における緩和振動を発生させる画素の割合、又は、レーザ光の停止時間のいずれか一方の決定であってもよく、これら制御値の両方の決定であってもよい。
また、決定手段による制御値の決定の仕方は任意であり、例えば、環境光の光量と制御値とを対応付けた対応テーブルや、環境光の光量と制御値との関係を表す関係式を予め用意しておき、これを用いて制御値を決定する手法などが挙げられる。

本発明によれば、運用時の外部環境の明るさに適応したスペックルノイズ対策を実現することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す図である。 図１の画像表示装置におけるレーザ制御部の構成例を示す図である。 スペックルノイズ低減駆動時の出力電流と光出力との関係を説明する図である。 通常駆動時の出力電流と光出力との関係を説明する図である。 環境光の光量に応じて対策画素率を変化させる手法を説明する図である。 環境光の光量に応じて光出力ＯＦＦ時間を変化させる手法を説明する図である。 環境光の光量に応じて対策画素率及び光出力ＯＦＦ時間を変化させる手法を説明する図である。 スペックルノイズ対策に係る処理フローの例を示す図である。

本発明は、レーザ光源から出力されるレーザ光を走査して画像を投影する種々の画像表示装置に適用できるものであるが、以下では、本発明を適用した具体例として、レーザプロジェクタを例に説明する。

図１には、レーザプロジェクタ１の構成例を示してある。
本例のレーザプロジェクタ１は、レーザ光源２（２ａ〜２ｃ）、各種の光学素子３〜５、走査ミラー６、各種の駆動・制御ユニット７〜１１を主体に構成されている。
本例のレーザプロジェクタ１では、赤成分（Ｒ）、緑成分（Ｇ）、青成分（Ｂ）の各レーザ光を合成し、この合成光をスクリーンや壁などの投影面Ａに投影することによって、映像入力の信号に応じたカラー画像を投影面Ａ上に投影表示する。

各レーザ光源２は、互いに色成分の異なるレーザ光を出力するレーザダイオード（ＬＤ）であり、レーザ制御部１０による制御の下でレーザドライバ１１から個別に供給される駆動電流によって、互いに独立して駆動する。
ここで、各レーザ光源２は、レーザドライバ１１から発振しきい値電流以上の電流が供給された場合にレーザ光を出力し、供給される電流値が大きくなるに従って光量（輝度）の大きいレーザ光を出力する。また、各レーザ光源１１は、発振しきい値電流未満の電流が供給された場合には、レーザ光の出力を停止する。
これにより、レーザ光源２ａからは青成分（Ｂ）、レーザ光源２ｂからは緑成分（Ｇ）、レーザ光源２ｃからは赤成分（Ｒ）といったように、特定波長の単色成分レーザ光が、駆動電流に応じた光量で出射される。

ダイクロイックミラー３，４は、特定波長のレーザ光を反射し且つそれ以外を透過する性質のミラー素子であり、各々のレーザ光源２から出射された各色成分のレーザ光を合成する。具体的には、レーザ光源２ａ，２ｂから出射されたＢ，Ｇのレーザ光は、光路上流側のダイクロイックミラー３において合成された上で、光路下流側のダイクロイックミラー４に出射される。この出射された合成光は、ダイクロイックミラー４においてレーザ光源２ｃから出射されたＲのレーザ光と更に合成され、目標となる最終的なカラー合成光として出射される。
このように、ダイクロイックミラー３，４は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色成分のレーザ光を合成する光学部を形成しており、この合成されたカラー光はレンズ５を介して走査ミラー６に入射される。

また、ダイクロイックミラー４は、合成したカラーのレーザ光を分岐する分岐器としての役割も有しており、合成したレーザ光の一部を分岐して光検出器１２に導く。なお、本例ではダイクロイックミラー４を分岐器として用いているが、プリズム等の他の光学素子をダイクロイックミラー４の下流側に分岐器として設けるようにしてもよい。
光検出器１２は、自己に入射したレーザ光の光量を検出し、当該検出した光量を示す信号をレーザ制御部１０に出力する。この光量の信号は、レーザ制御部１０により、各レーザ光源２からのレーザ光出力を安定させるためのフィードバック制御などに用いられる。

走査ミラー６は、走査ミラー制御部８から駆動信号が入力される走査ミラードライバ７によって駆動走査され、自己に入射したカラー光をミラー面の振れ角に応じて反射して投影面Ａ上に投射する。この走査ミラー６は、投影面Ａの水平走査方向（Ｘ）および垂直走査方向（Ｙ）に対応した二次元的な自由度を有しており、その二次元的な変位に対応した線順次走査によって、投影面Ａ上にカラー画像を投影する。この線順次走査は、投射面Ａ上における或る水平走査ラインで一方向にレーザスポットｐを進め、次の水平走査ラインで逆方向にレーザスポットｐを戻すことの繰り返しによって、１画像フレーム内で連続して行われる。本例では、走査ミラー６として、小型化、低消費電力化、処理の高速化などで有利なＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）型の走査ミラーを用いている。

映像処理部９は、パーソナルコンピュータ等の外部からの入力映像信号（映像信号及び同期信号を含む）に基づいて、所定の時間間隔で映像データをレーザ制御部１０に転送し、これにより、レーザ制御部１０は所定の走査位置における画素情報を得る。この映像データ転送処理では、映像処理部９は、走査ミラー制御部８から水平／垂直同期信号（ＨＳＮＣ、ＶＳＮＣ）として入力される水平走査位置及び垂直走査位置の情報に応じた順序で、映像データをレーザ制御部１０に転送する。
レーザドライバ１１は、上記のレーザ制御部１０による制御に基づいて、各レーザ光源２ａ〜２ｃに駆動電流を与えて各色成分のレーザ光を出力させる。

ここで、レーザ制御部１０は、投影面Ａに表示される画像におけるスペックルノイズ（被投影部に現れる白い点状のむら）が低減するようにレーザ制御を行う機能を有する。
本例のレーザ制御部１０は、図２に構成例を示すように、スペックルノイズ低減画素選択部１０ａ、駆動選択部１０ｂ、レーザ駆動電流生成回路１０ｃを有しており、これらの機能部によりスペックルノイズ低減に係るレーザ制御を行う。

スペックルノイズ低減画素選択部１０ａは、指定された割合の画素が選択されるように１フレーム毎にランダムパターンを生成し、このランダムパターンに基づいてスペックルノイズを低減する対策を行う画素（以下、スペックル対策画素という）を選択する。すなわち、１フレーム毎にスペックル対策画素を変更する。これにより、複数フレームからなる長いフレーム期間においてスペックルノイズの発生が低減される領域を分散（平均化）することが可能となる。

駆動選択部１０ｂは、スペックルノイズ低減駆動を表す信号又は通常駆動を表す信号を選択的にレーザ駆動電流生成回路１０ｃへ出力する。具体的には、スペックルノイズ低減画素選択回路１０ａにより選択されたスペックル対策画素についてスペックルノイズ低減駆動の信号を出力し、他の画素（通常画素）について通常駆動の信号を出力する。

レーザ駆動電流生成回路１０ｃは、駆動選択回路１０ｂから出力された信号に応じたレーザ駆動電流波形をレーザドライバ１１へ出力する。これにより、スペックル対策画素については、スペックルノイズ低減駆動の信号に応じたレーザ駆動電流波形が出力され、レーザドライバ１１からレーザ光源２ａ〜２ｃに対して図３（ａ）に示すような波形の出力電流が供給される。一方、他の画素については、通常駆動の信号に応じたレーザ駆動電流波形が出力され、レーザドライバ１１からレーザ光源２ａ〜２ｃに対して図４（ａ）に示すような波形の出力電流が供給される。
このようなスペックルノイズ低減に係るレーザ制御により、スペックルノイズの低減を行う画素については、緩和振動（後述する）の領域を含むレーザ光が出力され、他の画素については、緩和振動の領域を含まないレーザ光が出力される。

具体的には、レーザドライバ１１は、緩和振動の領域を含むレーザ光を出力する場合には、レーザ光源２ａ〜２ｃに対して発振しきい値電流Ｉ_th以上の大きさの電流を供給する制御、及び、発振しきい値電流Ｉ_th未満の大きさに電流を下げる制御を繰り返し行うように構成されている（図３（ａ）参照）。すなわち、緩和振動の領域を含むレーザ光を出力する場合には、１つの画素につき発振しきい値電流Ｉ_th未満の大きさに電流を下げる制御を少なくとも１回行うことで、レーザ光の出力を一時的に停止させる。
また、レーザドライバ１１は、緩和振動の領域を含まないレーザ光を出力する場合には、レーザ光源２ａ〜２ｃに対して発振しきい値電流Ｉ_th以上の大きさの電流を供給し続ける制御を行うように構成されている（図４（ａ）参照）。すなわち、緩和振動の領域を含まないレーザ光を出力する場合には、レーザ光を継続的に出力させる。

ここで、レーザ光源２ａ〜２ｃから出力されるレーザ光は、図３（ｂ）に示すように、レーザの発振初期において、レーザ光出力の形状が波形形状になる振動現象を示す。この波形形状は、レーザ光を出力する時間が経過するのに従って徐々に減衰する形状を示し、このレーザの発振初期におけるレーザ光が不安定になる振動現象は、緩和振動と呼ばれている。この緩和振動は、所定の期間（約３ｎｓｅｃ）が経過すると一定の出力に収束する。また、緩和振動の領域は、レーザ光出力の形状が波形形状であることから、他のレーザ光との干渉を緩和することができ、その結果、スペックルノイズの発生を低減することが可能となる。

すなわち、スペックルノイズ対策として、１画素内で少なくとも１回光出力を停止することでレーザ光の出力に緩和振動を発生させ、これにより、レーザの波長スペクトラムをマルチモード化させて干渉を緩和させる。なお、光出力を停止することで低下する１画素あたりの光量は、レーザ光源２ａ〜２ｃに供給する電流値を上げて補正する。

ここで、本例のレーザプロジェクタ１は、運用時の外部環境の明るさに適応したスペックルノイズ対策を実現すべく、上記の機能部２〜１２に加えて環境光検出部１３及び判断部１４を有する。

環境光検出部１３は、装置外部における環境光の光量を検出し、当該検出した光量を表す信号を判断部１４に出力する。本例の環境光検出部１３では、単位面積当たりの光量を表す照度（ｌｕｘ）を測定するが、これに限定するものではなく、環境光の光量を把握可能な指標値を得ることができればよい。

判断部１４は、環境光検出部１３により検出された光量に応じて、実施するスペックルノイズ対策の程度を判断（決定）する。
すなわち、外部環境が明るい場合（環境光の光量が多い場合）には、投影面Ａに対する投影画像の表示の明るさを優先することとし、環境光の光量が多いほどスペックルノイズ対策を弱める調整を施す。これにより、投影面Ａに投影する画像を明るくすることができ、外部環境が明るい場合に暗く見づらい表示になってしまうことを防ぐことができる。
また、外部環境が暗い場合（環境光の光量が少ない場合）には、スペックルノイズ対策を優先することとし、環境光の光量が少ないほどスペックルノイズ対策を強める調整を施す。これにより、スペックルノイズをより低減することができ、外部環境が暗い場合にスペックルノイズが目立ってしまうことを防ぐことができる。

本例の判断部１４では、画像における緩和振動を発生させる画素の割合（以下、対策画素率という）を環境光の光量に応じて決定し、その結果をレーザ制御部１０に指示することで、スペックルノイズ対策の調整を行う。ここでは、環境光の光量が多いほど対策画素率を少なくし、環境光の光量が少ないほど対策画素率を多くする。
なお、対策画素率の決定は種々の手法により行うことができる。例えば、外部環境の明るさ（環境光の光量）と対策画素率とを対応付けた対応テーブルを予め用意しておき、この対応テーブルに従って対策画素率を決定する手法や、これらの関係を表す関係式を予め用意しておき、この関係式に従って対策画素率を決定する手法などが挙げられる。

図５（ａ）には、外部環境が明るい場合のスペックルノイズ対策の例を示してある。同図の例では、判断部１４により対策画素率を２５％とすることが決定され、その結果、レーザ制御部１０のスペックルノイズ低減画素選択部１０ａにより、スペックル対策画素として１フレーム中の２５％の画素がランダムに選択される。つまり、弱めのスペックルノイズ対策を施す。
図５（ｂ）には、外部環境が暗い場合のスペックルノイズ対策の例を示してある。同図の例では、判断部１４により対策画素率を７５％とすることが決定され、その結果、レーザ制御部１０のスペックルノイズ低減画素選択部１０ａにより、スペックル対策画素として１フレーム中の７５％の画素がランダムに選択される。つまり、強めのスペックルノイズ対策を施す。
なお、スペックル対策画素として選択された画素はフレーム間で関連がなく、或る程度のフレーム期間で見ればスペックル対策画素が分散することになり、画像全体に亘るスペックルノイズ対策を行なえる。

このように、本例では、環境光の光量に応じて対策画素率を決定し、当該決定された対策画素率に従ってフレーム毎にランダムにスペックル対策画素を選択し、当該スペックル対策画素のレーザ光に緩和振動を発生させてスペックルノイズ対策を行う。これにより、運用時の外部環境の明るさに適応したスペックルノイズ対策を実現することができる。

ここで、上記の説明では対策画素率を変化させる手法を挙げたが、対策画素率を固定にし、スペックル対策画素におけるレーザ光の停止時間（以下、光出力ＯＦＦ時間という）を変化させる手法により、運用時の外部環境の明るさに適応したスペックルノイズ対策を実現することもできる。

この場合、判断部１４では、スペックル対策画素における光出力ＯＦＦ時間を環境光の光量に応じて決定し、その結果をレーザ制御部１０に指示することで、スペックルノイズ対策の調整を行う。ここでは、環境光の光量が多いほど光出力ＯＦＦ時間を短くし、環境光の光量が少ないほど光出力ＯＦＦ時間を長くする。
なお、光出力ＯＦＦ時間の決定は種々の手法により行うことができる。例えば、外部環境の明るさ（環境光の光量）と光出力ＯＦＦ時間とを対応付けた対応テーブルを予め用意しておき、この対応テーブルに従って光出力ＯＦＦ時間を決定する手法や、これらの関係を表す関係式を予め用意しておき、この関係式に従って光出力ＯＦＦ時間を決定する手法などが挙げられる。

図６（ａ）には、外部環境が明るい場合のスペックルノイズ対策の例を示してある。同図の例では、判断部１４により光出力ＯＦＦ時間を１０％とすることが決定され、その結果、レーザ制御部１０のレーザ駆動電流生成回路１０ｃにより、スペックル対策画素におけるレーザ光の出力時間のうちの１０％を発振しきい値電流Ｉ_th未満とした駆動電流波形が出力される。つまり、弱めのスペックルノイズ対策を施す。
図６（ｂ）には、外部環境が暗い場合のスペックルノイズ対策の例を示してある。同図の例では、判断部１４により光出力ＯＦＦ時間を８０％とすることが決定され、その結果、レーザ制御部１０のレーザ駆動電流生成回路１０ｃにより、スペックル対策画素におけるレーザ光の出力時間のうちの８０％を発振しきい値電流Ｉ_th未満とした駆動電流波形が出力される。つまり、強めのスペックルノイズ対策を施す。
なお、図６の例では対策画素率を１００％（画像中の全画素をスペックル対策画素に選択）としているが、対策画素率は任意である。

また、対策画素率を変化させる手法と出力ＯＦＦ時間を変化させる手法とを組み合わせて、運用時の外部環境の明るさに適応したスペックルノイズ対策を実現してもよい。
すなわち、外部環境が明るい場合には、例えば図７（ａ）に示すように対策画素率を３３％、光出力ＯＦＦ時間を１０％にして弱めのスペックルノイズ対策を施す。また、外部環境が暗い場合には、例えば図７（ｂ）に示すように対策画素率を１００％、光出力ＯＦＦ時間を５０％にして強めのスペックルノイズ対策を施す。
これにより、外部環境の明るさの変化に対してより柔軟に対応することが可能となる。

図８には、スペックルノイズ対策に係る処理フローの例を示してある。
まず、判断部１４が、環境光検出部１３から環境光の光量を表す信号を取得し（ステップＳ１）、当該光量に応じて対策画素率又は光出力ＯＦＦ時間の少なくとも一方を決定し（ステップＳ２）、その結果をレーザ制御部１０に出力する。
レーザ制御部１０は、判断部１４により決定された対策画素率又は光出力ＯＦＦ時間に従ったスペックルノイズ対策を、一定時間が経過するまで実施する（ステップＳ３）。
一定時間が経過した場合（ステップＳ４）には、ステップＳ１に戻る。すなわち、一定時間毎に、対策画素率又は光出力ＯＦＦ時間の少なくとも一方を決定し直す。

ここで、本例では、比較的短い間隔（例えば１秒程度）で環境光の光量を検出して対策画素率や光出力ＯＦＦ時間の調整を行っており、これにより、照明の点灯・消灯やブラインドの開け閉め等によって環境光の光量が急激に変化する状況に速やかに適応させるようにしている。
なお、上記のように定期的に対策画素率や光出力ＯＦＦ時間の調整を行うのではなく、レーザプロジェクタ１にユーザから調整指示を受け付ける操作部を設け、ユーザから調整指示を受けたことに応じて対策画素率や光出力ＯＦＦ時間の調整を行うように構成してもよい。

本発明は、レーザ光の走査によって画像を投影面に表示する種々の画像表示装置に利用することが可能であり、例えば、レーザプロジェクタに利用することが可能である。

１：レーザプロジェクタ、 ２（２ａ〜２ｃ）：レーザ光源、 ３，４：ダイクロイックミラー、 ５：レンズ、 ６：走査ミラー、 ７：走査ミラードライバ、 ８：走査ミラー制御部、 ９：映像処理部、 １０：レーザ制御部、 １１：レーザドライバ、 １２：光検出器、 １３：環境光検出部、 １４：判断部、
１０ａ：スペックルノイズ低減画素選択部、 １０ｂ：駆動選択部、 １０ｃ：レーザ駆動電流生成回路

Claims (3)

1. レーザ光の走査によって画像を投影する画像表示装置において、
   前記画像中の画素単位で前記レーザ光を一時的に停止して前記レーザ光に緩和振動を発生させる制御手段と、
   装置外部における環境光の光量を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された環境光の光量に応じて、前記画像における緩和振動を発生させる画素の割合、又は、前記レーザ光の停止時間を少なくとも決定する決定手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記決定手段による決定結果に従って、前記レーザ光の緩和振動に係る制御を行う、
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記決定手段は、前記検出手段により検出された環境光の光量が多いほど、前記画像における緩和振動を発生させる画素の割合を少なくし、又は、前記レーザ光の停止時間を短くする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記決定手段は、前記検出手段により検出された環境光の光量が少ないほど、前記画像における緩和振動を発生させる画素の割合を多くし、又は、前記レーザ光の停止時間を長くする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。

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