JP2014132295A - レーザービーム表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
レーザービーム表示装置において、外光の強弱によらずに映像信号の再現性を確保する。
【解決手段】
複数のブロックに分割される調光ステップのいずれかの調光値が入力される調光設定入力部と、前記調光ステップのブロックのそれぞれについて、階調レベルをインデックスとして調光量を記憶する複数の調光ＬＵＴを有する第１の調光処理部と、前記ブロックごとの調光ステップに対応するゲインを保持するひとつのゲインＬＵＴと、前記映像信号に前記ゲインを乗じて前記調光ＬＵＴのインデックスを得る乗算器とを有する第２の調光処理部と、前記第1の第１の調光処理部の調光ＬＵＴの参照結果に基づいて半導体レーザを駆動する光源駆動部と、を備えるようにし、入力された調光設定に応じて、前記映像信号に対応した前記半導体レーザの出射ビームの輝度を調光する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザを光源として、偏向素子によりレーザビームの方向を走査すると共に、ビーム光のレーザ強度を入力画像に対応して変調する事で階調画像を表現するレーザービーム表示装置に関する。

近年の半導体レーザ技術の向上により、所望の波長成分を有する高出力な光出力を得られるようになってきた。さらに、半導体素子やパッケージング技術向上等による電気−光変換効率の効率向上と小型・低コスト化により、様々な用途に応用されている。例えば、特許文献１で開示される可視光の波長成分からなるレーザ光の発光量を映像信号で変調したビーム光を、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた１軸或いは２軸で振動する微小ミラーで反射させ、対象物にラスタースキャンする画像表示装置への応用も盛んである。

一方、光源とする半導体レーザ（ＬＤ）の駆動電流対光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）は、LED発光領域とレーザ発振領域から成りレーザ光の出力は所定の閾値電流を印加する必要がある。さらに、レーザ発振領域でも駆動電流に対して光出力は直線性がないことが知られている。また、この出力特性は、個々の素子に依存し、且つ温度・経時劣化等により変動する事が知られている。

特開2006-343397号公報

一般的に、表示装置の使用環境に明るさに応じて表示輝度を制御し、所定の映像ダイナミックレンジを維持している。本発明のレーザービーム表示装置も同様に、外光の強弱によらずに適切な明るさで画像を表示するために、画面の明るさを広いレンジで調整する必要がある。

例えば、車載ヘッドアップディスプレイなどに本発明のレーザービーム表示装置の適用を考えた場合には、日中においては太陽光の直接もしくは反射する光に対して充分な光量を確保する必要がある。また、夜間においては、運転者の幻惑が発生しないように充分に光量を抑制する必要がある。それらの中間的な状態においても適切な光量が調整できる必要がある。さらに、環境光の変化に追従して高速に表示輝度を制御することが求められる。

しかしながら、上記特性を有する半導体レーザの発光量を映像信号で変調する際、映像信号の再現性を確保すると同時に、白バランスを保ちつつ画面全体の明暗をダイナミック且つ精細に制御することは容易でなかった。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、上記特性を有する半導体レーザの発光量を映像信号で変調する際、外光の強弱によらずに映像信号の再現性を確保すると同時に、白バランスを保ちつつ画面全体の明暗をダイナミック且つ精細に制御が可能な技術を提供するものである。

上記課題を解決するために、半導体レーザを映像信号により変調駆動し、前記半導体レーザの出射ビームを走査して映像信号に対応する画像表示をおこなう本願発明のレーザービーム表示装置は、複数のブロックに分割される調光ステップのいずれかの調光値が入力される調光設定入力部と、前記分割された調光ステップのブロックのそれぞれについて、階調レベルをインデックスとして調光量を記憶する複数の調光ルックアップテーブルを有する第１の調光処理部と、前記ブロックごとの調光ステップに対応するゲインを保持するひとつのゲインルックアップテーブルと、前記映像信号に前記ゲインを乗じて前記調光ルックアップテーブルのインデックスを得る乗算器とを有する第２の調光処理部と、前記第１の調光処理部の調光ルックアップテーブルの参照結果に基づいて半導体レーザを駆動する光源駆動部と、を備えるようにし、前記調光設定入力部から入力された調光設定に応じて、前記映像信号に対応した前記半導体レーザの出射ビームの輝度が調光されるようにした。

本発明によれば、使用する環境照度の変化に追従してレーザ光のビーム輝度を調光制御できるので、使用環境の照度変化によらずに高品位な表示映像が投射可能となる。

本発明の実施例に係る調光処理の制御ブロック図である。 実施例における調光処理の概要を説明する図である。 実施例に係るレーザービーム表示装置のブロック構成図である。

本発明のレーザービーム表示装置は、所望の調光設定DS(DSは自然数)として制御範囲（例えばDS＝×1〜×1/5000）をNステップ（Nは整数）に分割し、調光値dim（dim＝0〜N）とした場合において、少なくとも２つの調光処理(Ａ、Ｂ）手段を組合せて0〜Nまで連続的な調光を行うようにした。

調光処理Ａでは、所望の調光設定DS毎に映像信号の各階調に対する調光量をレーザのI-L特性に合致するよう予め定めて保持する調光LUT（Look Up Table）を離散的(調光設定DS＝×1、×1/4、×1/16、×1/64、×1/512、×1/2048毎)に保持し、離散間の大きい側の調光LUT（Look Up Table）を参照する。

調光処理Bでは、所望の調光設定DSと成るよう調光値dimからゲインDGを予め定めたゲインLUTを有し、調光値dimが上記離散間に在る場合は、ゲインLUTを参照して得たゲインDGで映像信号を調光する。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を用いて説明する。尚、各図または各実施例において、同一の構成、機能または作用を有する要素には同じ番号を付し、重複した説明を省略するものとする。

なお、つぎの実施例では数値を限定して示したが、これに限らず、所望の調光設定DS、調光値dimや、調光LUTの数、等の大小はいずれでも良く、適用する装置や用途に応じ、上記方法にて定めれば良いことはいうまでもない。

まず、図１，２を参照して調光処理の動作概要を説明する。
所望の調光設定DSは，外部に取り付けられた照度センサの検出値や、ユーザによる設定値が入力される。本実施例では、調光設定DSが最大輝度の比率×1〜×1/5000に対し，調光値dimを543〜0に割り当てている。以下，×1〜×1/5000範囲の調光を連続的に行う動作を説明する。

詳細には、調光決定部３では，調光設定DSの設定範囲×1〜×1/5000をNステップ（Nは整数，本実施例ではN＝543ステップで以下説明する）のダイナミックレンジで分割し，調光設定DSより調光値dim（dim＝0〜N）を決定する。

調光分割部４は、調光値dimを得て，離散値(調光設定DS＝×1、×1/4、×1/16、×1/64、×1/512、×1/2048毎)の６点からステップ設定する部分と，離散間（SSステップ）からステップ設定する部分に分割する。例えば，調光設定DSが×1と×1/4の間の場合，調光値dimは543と455の間で、上記離散値は×1，上記離散間はSS＝88ステップの間である。また，×1/64から×1/512間は減衰比が8倍でありSS＝103ステップである。

さらに，調光分割部４は、光源駆動調光設定DSSとして，離散的(×1、×1/4、×1/16、×1/64、×1/512、×1/2048)ステップ設定に対する光源駆動２６のレーザの駆動条件を設定する。尚，駆動条件として閾値電流や最大駆動電流等である。

ここで、本実施例では、２のｎ乗分の１の比率で調光範囲を分割しているが、上記のとおり、この比に限定されるものではない。しかし、本実施例の比率とすることにより、後述のゲインＬＵＴ5の構成を簡単にすることができる。

調光処理Ａは、例えば，調光LUT（Look Up Table）８〜１３で構成し，図２の曲線カーブで示す様に，離散的(×1、×1/4、×1/16、×1/64、×1/512、×1/2048)の６ステップの調光設定DSに対し，光源駆動２６とレーザ素子のI-L特性に合致するよう，映像信号の各階調に対する調光量を予め定めたテーブル値をそれぞれ保持する。

調光処理Bは、ゲインLUT５と乗算器６で構成される。詳しくは、ゲインLUT５は調光値dimから分割した離散間（SSステップ）を示す各ステップ値に対するゲインDGを予め定めて保持し，乗算器６にて調光分割４による離散間のステップで参照して得たゲインDGと映像信号Dinの乗算により調光する。調光結果は，図２の曲線上に太線矢印で示す範囲の値となる。尚，図２のは映像信号Dinが8bitのデジタルデータの場合で示す。

さらに，調光分割部４の離散的(×1、×1/4、×1/16、×1/64、×1/512、×1/2048)ステップに対応する調光LUT８〜１３の参照結果を選択する事で調光映像信号video_dimを得る。ゲインDGとして例えば，2.2乗カーブを成すよう設定するものである。

例えば、調光設定DSが×1と×1/4の間であれば調光処理Bにて、×1から×1/4の範囲を88分割して定めたゲインDGで映像信号Dinをゲイン調光し、更に、調光処理Ａにて調光設定DS＝×1の調光LUT８の参照結果を選択する。

以上、数値を限定して示したが、これに限らず、所望の調光設定DS、調光値dimや、調光LUTの数、等の大小はいずれでも良く、適用する装置や用途に応じ、上記方法にて定めれば良い。

本発明によれば、LUT容量の最適化を図りつつ、何れの調光量であってもレーザのI-L特性に合致した調光を実現できる為、少ないLUT数であってもLD発光領域からLED発光領域へスムーズに調光を行うことができる。これにより映像信号の再現性を確保すると同時に、白バランスを保ちつつ画面全体の明暗をダイナミック且つ精細に制御が可能となる。

つぎに、図３を用いて、上記に説明した調光処理を適用した表示装置の構成を説明する。
詳しくは、２軸で揺動するMEMSミラーにレーザ光を当て、反射光を対象物にラスタースキャンンさせて投射表示するようにした表示装置に前述の調光制御を適用した構成である。

本実施例では、ビーム光且つ、高速で光量変調が容易なレーザ光源を光源に用いて説明する。もちろん、コヒーレント性の光源を、ビーム状に集光させる光学部品や、光量の変調部品とともに用いても良い。尚，本実施例では，揺動ミラー２３，２４の制御・駆動方法に言及するものではなく，電磁誘導、圧電駆動、静電駆動等、ミラーを揺動するものであれば何れであっても良く，詳細説明はおこなわない。

また、実施例は、説明の為、解像度ＸＧＡ（１０２４x７６８画素）の映像信号であって，揺動ミラー２３，２４はφL＝１.２mmの大きさで、３０kHzを共振周期とする１軸方向に揺動（H揺動）する構成とする。

揺動ミラー２３，２４は、ミラー制御駆動部２２の６０Hz低速揺動信号v_driveと，３０kHzの高速揺動信号h_driveにより揺動され、ミラーの揺動角は，本揺動信号により調整される。

アドレス生成部２１は，ミラー制御駆動部２２で検出した揺動位置信号H/V_sensorから，映像信号のフレーム開始信号VM_syncと，ライン開始信号HM_syncと，映像信号の画素クロック（６０MHz）と走査アドレスscan_addを生成する。

入力端子２０にて６０kHzの水平同期信号H_syncと６０Hの垂直同期信号V_syncと入力映像信号１９とを受けるが，フレーム開始信号VM_syncとライン開始信号HM_syncと非同期である場合，RAM２５を用いてタイミングの変換を行っても良い。映像信号Dinは，入力映像信号videoから，VM_syncとHM_syncを基準に読み出した画素毎の映像信号である。

一方，照度センサ１８で外光を検出し，実施例１で示した調光設定DSを定める。例えば，外光の明暗に応じ，調光設定DSの×1（明）〜×1/5000（暗）に割り当て，上述したように映像信号Dinを調光処理する。ＲＧＢの映像信号毎に、調光処理することは言うまでも無い。

光源駆動部２６（市販されるレーザ駆動ICを前提）では調光映像信号video_dimと，光源駆動調光設定DSSを得て，離散的(×1、×1/4、×1/16、×1/64、×1/512、×1/2048)ステップ設定に対し最適な閾値電流や最大駆動電流等のレーザの駆動条件を設定し，RGBレーザ光源２７r/g/bの発光量を変調駆動する。

波長λr＝６３０nm，λg＝５３０nm，λb＝４５０nmで発光した光束をコリメートレンズ２８で集光しφ１mm径の平行ビーム光とし，ダイクロイックミラー２９により同一軸上に合波して平行ビーム光を得て，２軸揺動ミラー２１，２２で反射し，ラスタースキャン軌跡３１で表示領域３０に投射表示する。

本発明によれば、LUT容量の最適化を図りつつ、何れの調光量であってもレーザのI-L特性に合致した調光を実現できる為、MEMSによる画像表示装置において、LD発光領域からLED発光領域へスムーズに調光を行うことができる。これにより映像信号の再現性を確保すると同時に、白バランスを保ちつつ画面全体の明暗をダイナミック且つ精細に制御が可能となる。さらに車載用HUD（Head Up Display）にて調光を行う際、信号処理のみの制御にて対応が可能となる。

１…映像信号Din、２…調光設定DS、３…調光決定部、４…調光分割部、５…ゲインLUT、６…乗算器、７…調光処理部B、１４…調光処理部A、８〜１３…調光LUT、１５…選択部、１６…調光映像信号video_dim、１７…光源駆動調光設定DSS、１８…照度センサ、１９…映像信号入力端子、２０…H_sync／V_sync、２１…アドレス生成部、２２…ミラー制御駆動部、２３…水平揺動ミラー、２４…垂直揺動部、２５…RAM、２６…光源駆動部、２７r/g/b…光源、２８…集光レンズ、２９…ダイクロイックミラー、Ｒ／Ｇ／Ｂ…ビーム光、３０…表示領域、３１…ラスタースキャン軌跡

Claims (1)

1. 半導体レーザを映像信号により変調駆動し、前記半導体レーザの出射ビームを走査して映像信号に対応する画像表示をおこなうレーザービーム表示装置において、
   複数のブロックに分割される調光ステップのいずれかの調光値が入力される調光設定入力部と、
   前記分割された調光ステップのブロックのそれぞれについて、階調レベルをインデックスとして調光量を記憶する複数の調光ルックアップテーブルを有する第１の調光処理部と、
   前記ブロックごとの調光ステップに対応するゲインを保持するひとつのゲインルックアップテーブルと、前記映像信号に前記ゲインを乗じて前記調光ルックアップテーブルのインデックスを得る乗算器とを有する第２の調光処理部と、
   前記第１の調光処理部の調光ルックアップテーブルの参照結果に基づいて半導体レーザを駆動する光源駆動部と、を備え、
   前記調光設定入力部から入力された調光設定に応じて、前記映像信号に対応した前記半導体レーザの出射ビームの輝度が調光される
   ことを特徴とするレーザービーム表示装置。

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