JP2015022096A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】MEMSとレーザ光源を用いた画像表示装置において、高輝度領域と低輝度領域を含め白バランスを改善する。【解決手段】当該装置の画像処理部は、第１の温度における光量の第１の測定値に基づく信号をレーザ光源に供給する映像信号の帰線期間に重畳し、さらに前記映像信号の有効走査期間に高周波信号を重畳する。第１の測定値に基づく信号においてレーザ光源が発生する光の光量を、第１の温度とは異なる第２の温度で測定した第２の測定値に基づき、第２の温度における第２の測定値が第１の温度における第１の測定値を目標値として近づくように、光源駆動部の増幅率を変化させる。前記高周波信号の重畳により、特に制御の難しい低輝度領域での白バランス制御が精度良く行われる。【選択図】図３

Description

本発明は、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）を用いた画像表示装置に関するものである。

画像表示装置の一つとして、近年はMEMSと半導体レーザ光源を用いた小型投射プロジェクタが普及している。例えば、特許文献１には、2軸のMEMSミラーを水平及び垂直方向にスキャンすると同時にレーザ光源を変調することで映像を投射するプロジェクタが開示されている。また、特許文献２には、投射プロジェクタにおける投影画像の輝度変化を補う方法が開示されている。

特開２００６−３４３３９７号公報 特開２００９−１５１２５号公報

小型投射プロジェクタに使用される半導体レーザは、その光量や順方向電流特性が温度により変化するため、表示画面の白バランスが変わるという問題がある。しかしながら、前記特許文献に開示される技術では、白バランスの調整までは言及していない。
低輝度では、光量が順方向電流の増加に伴い急峻に立ち上がる特性となっており、白バランスの温度特性を補償するのは特に難しい。このため、特に低輝度での白バランス調整の容易化が課題となっていた。
本発明は、低輝度での白バランス調整を容易にした画像表示装置としてのレーザ投射プロジェクタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明は、発生した光を外部に投射して映像を表示する画像表示装置であって、前記光を発生する光源と、供給された映像信号に高周波信号を重畳して前記光源を駆動し例えば前記光の光量を制御する光源駆動部と、前記光源が発生した光を反射して外部に投射し、当該の光を反射する方向は移動自在な反射ミラーと、供給された同期信号に基づき前記反射ミラーを駆動して前記光を反射する方向を制御する反射ミラー駆動部と、前記画像表示装置に入力された第１の映像信号を処理して、外部に表示する前記映像に係る第２の映像信号を前記光源駆動部に供給し、当該の第２の映像信号に係る同期信号を前記反射ミラー駆動部に供給する画像処理部と、前記光源が発生する光の光量を測定して測定値を前記画像処理部に供給する光センサと、前記光源の温度を測定して測定値を前記画像処理部に供給する温度センサと、を有し、前記画像処理部は、設定された第１の温度で前記光源駆動部が前記光源を駆動するために設定された状態における、前記光センサが測定した前記光量の第１の測定値に基づく信号を前記光源駆動部に供給する第２の映像信号に重畳し、前記第１の測定値に基づく信号において前記光源が発生する光の光量を、前記第１の温度とは異なる第２の温度で前記光センサが測定した第２の測定値に基づき、前記第２の温度における前記第２の測定値が前記第１の温度における前記第１の測定値を目標値として近づくよう、前記光源駆動部を制御することを特徴としている。

本発明によれば、低輝度での白バランス調整を容易にした画像表示装置を提供でき、高輝度から低輝度まで安定した白バランスが得られるレーザ投射プロジェクタを提供することができるという効果がある。

本実施例の投射型プロジェクタの基本構成を示したブロック図である。 本実施例における単色光源の光量と順方向電流の特性を示した特性図である。 本実施例の画像処理部2の内部構成を示したブロック図である。 本実施例の画像処理部2の動作を示したタイミング図である。 本実施例の基準光の表示位置を示した説明図である。 本実施例における低輝度の光量と順方向電流の特性を示した特性図である。 本実施例の画像処理部2の動作を示したタイミング図である。 本実施例における単色光源の光量と順方向電流の特性を示した特性図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１は、本実施例におけるMEMSを用いた投射型プロジェクタの構成例を示すブロック図である。投射型プロジェクタ1は画像処理部2、不揮発メモリ3、レーザドライバ4、レーザ光源5、反射ミラー6、MEMS7、MEMSドライバ8、光センサ9、温度センサ10、遮光板12を有する。なお、表示映像11は投射型プロジェクタ1がレーザ光を外部に投射して表示する映像を示す。画像処理部2は外部から入力される映像信号に各種補正を加えた画像信号を生成し、且つそれに同期した水平同期信号及び垂直同期信号を生成する。また光センサ9より取得した光量、及び温度センサ10より取得したレーザ光源5の温度に応じてレーザドライバ4を制御し、白バランスが一定となるよう調整する。その詳細は後述する。

ここで画像処理部2による各種補正とは、MEMS7の走査に起因する映像歪み補正などを行うことを意味する。詳しくは、映像歪みは投射型プロジェクタ1と投射面との相対角で異なってくることや、レーザ光源5とMEMS7の光軸ずれなどのために発生する。レーザドライバ4は画像処理部2から出力された画像信号を受け、画像信号のデータ値に基づきレーザ光源5へ供給する電流値を変調する。例えば高階調の映像を表示する場合はレーザ光源5への電流量を増加させ、低階調の映像を表示する場合はレーザ光源5への電流量を減少させる。

レーザ光源5は、例えば３原色のRed、Green、Blue用に３個のレーザ光源5a、5b、5cを有し、画像信号のＲＧＢ毎に光量の変調を行い、ＲＧＢのレーザ光を出力する。ＲＧＢのレーザ光は反射ミラー6により合成される。なお、反射ミラー6は特定の波長の光を反射しそれ以外の波長の光を透過するような特殊な光学素子を有しており、一般的にはダイクロイックミラーと呼ばれている。例えば反射ミラー6aは全てのレーザ光を反射、反射ミラー6bはレーザ光源5aのレーザ光を透過しレーザ光源5bのレーザ光を反射、反射ミラー6cはレーザ光源5a及び5bのレーザ光を透過しレーザ光源5cのレーザ光を反射する特性を有する。これによりＲＧＢのレーザ光を１本に合成することができる。合成されたレーザ光はMEMS7に入射される。MEMS7は一つの素子に２軸の回転機構があり、中央のミラー部をその２軸で水平方向と垂直方向に振動させることができる。ミラーの振動制御はMEMSドライバ8により行われる。なお、図１ではMEMS7は１素子２軸の例を示したが、１素子１軸のMESMを２個組み合わせることでも構成できる。

MEMSドライバ8は画像処理部2からの水平同期信号に同期して正弦波を生成し、また垂直同期信号に同期して鋸歯状波を生成してMEMS7を駆動する。MEMS7は前記正弦波を受けて水平方向に正弦波運動を行うと同時に前記鋸歯状波を受けて垂直方向の一方向に等速運動を行う。これにより、図１の表示映像11のような軌跡でレーザ光が走査され、その走査がレーザドライバ4による変調動作と同期することで、入力画像が投射され表示されることになる。

ここで光センサ9は反射ミラー6により合成されるＲＧＢのレーザ光の漏れ光を検出するよう配置されている。即ち、光センサ9をレーザ光源5cの反射ミラー6cに対する対向側に配置する。反射ミラー6cはレーザ光源5a及び5bのレーザ光を透過し、レーザ光源5cのレーザ光を反射する特性であるが、100%透過もしくは反射する特性には出来ず、一般的には数%の光は反射(レーザ光源5a及び5b)もしくは透過(レーザ光源5c)する。従って図１の位置に光センサ9を配置することで、レーザ光源5cの数%のレーザ光が透過、またレーザ光源5a及び5bのレーザ光の数%が反射され光センサ9に入射させることができる。光センサ9は入射されるレーザ光の光量を測定し、画像処理部2へ出力する。なお、光センサ9としては一般的にはフォトダイオードや光ディスクドライブ用のOEIC(Opto-Electronic Integrated Circuit)が利用できる。

また温度センサ10はレーザ光源5の温度を測定するため、レーザ光源5a、5b、5cを固定している(図示しない)構造機構の出来るだけ光源に近い箇所に密着されて、レーザ光源5の温度を測定する。温度センサ10としてはサーミスタ素子が利用できる。
次に画像処理部2による白バランス制御を図２、図３により説明する。
図２は、レーザの光量（縦軸）と順方向電流（横軸）の特性を示す。

半導体レーザは図２のように、その光量と順方向電流の特性が温度により変化する。図２では温度条件としてT1及びT2の２種類あり、T1＜T2の大小関係がある。図２のように一般的には温度が高くなると順方向電流の閾値電流が大きくなり（図２ではIth＜Ith’）、かつ傾きであるスロープ効率が小さくなる（図２ではη＞η’）傾向がある。従って駆動電流が一定の場合、温度が変わると光量も変わる。
例えば温度条件T1の時の電流特性において、電流I1の時は光量がP1、電流I2の時は光量がP2となるが、これが温度条件T2になると、電流I1の時は光量がP1’、電流I2の時は光量がP2’となり、同じ電流を流しても、光量が下がる。

さらにＲＧＢで閾値とスロープ効率の変化量が異なるため、温度が変わると輝度だけではなく白バランスも変化してしまう。
そこでT1時の電流I1及びI2の時のポイントP1,P2の光量L1及びL2を計測しておき、その光量L1及びL2が常に一定になるようフィードバック制御を行う。一般的にはこのような制御をAPC（Auto Power Control）と呼ぶ。RGBの光量が一定であれば、白バランスも変化しない。

具体的には、まず温度T1の時の２ポイント（P1及びP2）の光量L1及びL2を光センサ9にて計測し、画像処理部2にてその２点の間を直線で近似し、その近似直線のスロープ効率η、かつ近似直線の光量が0となるＸ軸と交差するポイントIthを算出する。同様に、温度T2の時の２ポイント（P1’及びP2’）の光量L1’及びL2’を計測し、η’及びIth’を算出する。このηとη’及びIthとIth’が温度により変化するわけであるが、最初の初期状態のη及びIthを不揮発メモリ3に記憶しておき、温度が変化した後のη’及びIth’に基づき、光量が一定になるよう、レーザ駆動電流の補正を行う。

即ち、光量が一定になるよう、ポイントP1’の光量をL1’からL1へ増加させてP1’’へ移動させるよう電流値をI1’に増加、またポイントP2’の光量をL2’からL2へ増加させてP2’’へ移動させるよう電流値をI2’に増加させる。電流値I1からI1’、及びI2からI2’の計算方法は、まず図２の１点鎖線T1’のように閾値電流の変動値(Ith’-Ith)をI1及びI2にオフセットとして加算し、さらにスロープ効率の変動値をI1及びI2に加算する。スロープ効率の変動値の途中の計算過程は単純な一次関数の方程式なので省略するが、計算結果はポイントP1’’がL1×｜1/η’-1/η｜、ポイントP2’’がL2×｜1/η’-1/η｜となる。なお、計算結果を絶対値表記したのは、温度条件がT1＞T2の場合は、T2におけるIth’がT1におけるIthよりも小さくなり、かつ傾きであるη’がηよりも大きくなって、(1/η’-1/η)が負の値になるためである。

図３は、画像処理部2の内部構成を示すブロック図である。画像処理部2は、レーザ駆動電流の補正を行う。
画像処理部2は入力される映像信号に対して、まず画質補正部20によるコントラスト調整やガンマ補正、映像歪み補正など一般的な画質補正処理を行う。同期処理部21は映像信号より水平及び垂直同期信号を分離し、基準光生成部22及びMEMSドライバ8へ供給する。なお、元々水平及び垂直同期信号が映像信号と分離されて画像処理部2へ入力される場合は、同期処理部21には単なる分配機能があればよいが、映像信号がLVDS(Low Voltage Differential Signaling)などの小振幅差動信号で入力され、且つ同期信号が映像信号など他の信号に重畳されて送られてくる場合は、差動信号をCMOSレベルのパラレル信号に変換し、さらに同期信号と映像信号を分離する機能が必要である。

基準光生成部22は、図２において温度T1の時の電流I1及びI2でのポイントP1及びP2における光量である基準光の光量L1及びL2を示す信号を、映像信号の水平又は垂直帰線期間に重畳するためのタイミング及び基準光レベルの生成回路である。ここで基準光の光量L1及びL2を示す信号は、一例として入力映像における映像レベルに対応したレベルを有することとする。なお、温度T1の時の電流I1及びI2での基準光の光量L1及びL2を示すデータは、不揮発メモリ3に保存される。
図４は、本実施例の画像処理部2の動作を示したタイミング図である。
図５は、本実施例の基準光の表示位置を示した説明図である。これら図４と図５は、基準光の光量を示す信号を映像信号の帰線期間に重畳するタイミングを示す。

図４の入力画像信号波形に示すように、基準光の光量L1及びL2を示す信号を重畳するポイントP1及びP2は有効表示期間内ではなく、帰線期間にある。これは有効表示期間内に重畳すると、例えば暗い画像の中に明るい基準光が見えてしまい、画質劣化となるからである。また帰線期間に重畳する場合でも、図５のように、帰線期間の中でもレーザ光が左端もしくは右端に来た時に基準光が発光するように、重畳するタイミングを調整する。さらに、有効表示期間での表示エリアが基準光を重畳するタイミングを外すように、画像処理部2で映像信号の水平方向を縮小処理すれば、基準光が有効表示エリアにくることはなくなる。さらにMEMS7の出射側で基準光の位置を図１に示す遮光板12にて物理的に遮光することで、基準光を見えなくすることもできる。

加算器23は基準光生成部22で生成されるタイミング及びレベルで基準信号を映像信号へ加算もしくは切り替え処理する。ラッチ回路24は基準光生成部22が生成するラッチ信号のタイミング（図４のA1及びA2）にて、光センサ9の出力をサンプリングし、そのタイミングでの実際の光量L1’及びL2’を不揮発メモリ3へ保存する。光センサ9の出力がアナログ出力の場合は、ラッチ回路24はアナログ・デジタル(AD)変換機能を有し、光センサ9のアナログ出力をデジタル信号に変換し、不揮発メモリ3へ保存する。光センサ9の出力がデジタル出力に対応している場合は、図４のA1及びA2のタイミングで光センサ9へデジタル出力を問い合わせ、そのデータを一旦取り込み、不揮発メモリ3へ保存する。

演算部25は前述の不揮発メモリ3へ保存された基準光データL1及びL2、光センサ9で測定された光量L1’及びL2’、及び温度センサ10で測定されたレーザ光源5の温度T1及びT2に基づいて、図２で説明した閾値電流の変動値(Ith’-Ith)やスロープ効率の変動値（L1×｜1/η’-1/η｜、L2×｜1/η’-1/η｜）を演算し、レーザドライバ4内のゲイン回路41とオフセット回路42を制御する。具体的にはスロープ効率の変動値でゲイン回路41を、閾値電流の変動値でオフセット回路42を制御する。このようにして求めた電流I1’とI2’をレーザドライバ4がレーザ光源5に供給することにより、光量が温度に依存しないようにされる。従って、温度の変化による白バランスの変動が抑えられる
基準信号を重畳する期間は光センサ9の応答時間、及びラッチ回路24でのAD変換時間などを考慮し、一般的には数10usから数100us程度でよい。なお、図３ではゲイン回路41とオフセット回路42の後段にHF（High Frequency）重畳回路43が設けられているが、これについては以下で説明する。

これまでは、例えば図２で示すようにレーザ光源５のドライブ電流が比較的大きい、即ち比較的高輝度な場合の白バランスの温度補償について述べてきた。しかし、ドライブ電流が小さい、即ち低輝度な領域ではさらに難しい問題がある。低輝度においては、例えば電流がIth又はIth’の近傍において、光量が順方向電流の増加に伴い急峻に立ち上がる特性となっている。このため、電流がIthの近傍、特にIthよりも小さい範囲では光量が小さいために光センサ９での測定値に誤差が大きく、また、二つの電流値における光量の差の値も誤差が大きい。さらには、電流がIthを挟んだ前後では、前記した光量の差の値が極端に異なって演算の精度が低下する。このため、精度の良い白バランスの温度補償が困難である。そこで、本実施例では低輝度における白バランスを改善するために、以下で述べるような方法を用いている。

次に、急峻であった低輝度における光量と順方向電流の特性を、以下で述べるように高周波重畳によって滑らかな特性にし、高輝度から低輝度まで白バランスを連続して安定させる方法を説明する。
図６は、本実施例における低輝度での光量と順方向電流の特性を示した特性図である。図２に対して、電流Ithの近傍を拡大して示している。
レーザドライバ4内に搭載されたHF重畳回路43は、画像処理部2から供給された映像信号に対して、演算部25により設定された値に基づき高周波重畳を行なう。これによって各電流値の前後の電流値における光量の値が積分され、Pa1、Pb1、Pc1と急峻に変化していた光量と順方向電流の関係が、図６の一点鎖線のPa2、Pb2、Pc2のように滑らかな変化になる。

例えば、HF重畳を行なわない場合には、電流値Ia、Ib、Icにおける光量La、Lb、LcはLa1、Lb1、Lc1、隣同士の光量の差はΔ L1、Δ L1’である。しかし、HF重畳を行なう場合には、各々はLa2、Lb2、Lc2、及びΔ L2、Δ L2’となる。
HF重畳を行なわない場合のΔ L1、Δ L1’は差が大きく演算の精度は非常に悪いが、HF重畳を行なう場合のΔ L2、Δ L2’は差が小さく安定しており演算の精度が改善され、白バランスの調整が容易になる。このときの高周波重畳は、表示する画像などに影響が出ない程度に、色毎に比較的少なめに行なう。

図７は、本実施例における高周波重畳を行なう場合の映像信号の動作を示したタイミング図である。
高周波重畳は、有効表示期間の信号にのみ行なう。これは、帰線期間の基準光P1、P2まで高周波重畳によって変化し、基準光にノイズが重畳されることを防止するためである。よって、映像信号の帰線期間では高周波重畳は行なわない。

図８は、本実施例における高周波重畳を行なう場合のレーザの光量と順方向電流の特性であり、図６と図７で示した高周波重畳を行った場合を示す。図２とは異なり高周波重畳を行ったことにより、電流Ith及びIth’の付近の特性は滑らかに立ち上がっており、低輝度から高輝度まで安定した白バランスが得られることが分かる。
高周波重畳を行う際に重畳する信号は、視覚的に目立ち難い周波数帯域である例えば50MHz以上の周波数を有することが望ましい。または、例えば水平同期周波数fhに対して、ｎを整数として（ｎ+1/2）fhで表わされるインタリブ周波数とすると良い。

また、図２又は図８で説明した温度変化に係る制御を、時間軸上で常に（例えばミリ秒毎に）行う必要はない。例えば、電源を投入した直後のように、短時間の内に温度変化が発生する場合は短い周期（例えばミリ秒、又は秒毎に）で行い、温度変化が安定した後は長い周期（例えば分単位）で行うなど、状況に応じた制御をしても良い。
また、重畳する信号は、ＲＧＢの三信号に対して異なる周波数、或いは振幅を有しても良い。周波数が異なっていれば、重畳する信号が表示する画像においてゼロビートを発生する恐れはない。振幅が異なっていれば、各光源の特性に応じた振幅の信号を重畳することができる。
ここまで示した実施形態は一例であって、本発明を限定するものではない。本発明の趣旨に基づきながら異なる実施形態を考えられるが、いずれも本発明の範疇にある。

1…投射型プロジェクタ装置、2…画像処理部、3…不揮発メモリ、4…レーザドライバ、5…レーザ光源、6…反射ミラー、7…MEMS、8…MEMSドライバ、9…光センサ、10…温度センサ、11…表示映像、12…遮光板、20…画質補正部、21…同期処理部、22…基準光生成部、23…加算器、24…ラッチ回路、25…演算部、41…ゲイン回路、42…オフセット回路、43…HF重畳回路。

Claims (7)

1. 発生した光を外部に投射して映像を表示する画像表示装置であって、
   前記光を発生する光源と、
   供給された映像信号に高周波信号を重畳して前記光源を駆動し例えば前記光の光量を制御する光源駆動部と、
   前記光源が発生した光を反射して外部に投射し、当該の光を反射する方向は移動自在な反射ミラーと、
   供給された同期信号に基づき前記反射ミラーを駆動して前記光を反射する方向を制御する反射ミラー駆動部と、
   前記画像表示装置に入力された第１の映像信号を処理して、外部に表示する前記映像に係る第２の映像信号を前記光源駆動部に供給し、当該の第２の映像信号に係る同期信号を前記反射ミラー駆動部に供給する画像処理部と、
   前記光源が発生する光の光量を測定して測定値を前記画像処理部に供給する光センサと、
   前記光源の温度を測定して測定値を前記画像処理部に供給する温度センサと、
   を有し、
   前記画像処理部は、
   設定された第１の温度で前記光源駆動部が前記光源を駆動するために設定された状態における、前記光センサが測定した前記光量の第１の測定値に基づく信号を前記光源駆動部に供給する第２の映像信号に重畳し、
   前記第１の測定値に基づく信号において前記光源が発生する光の光量を、前記第１の温度とは異なる第２の温度で前記光センサが測定した第２の測定値に基づき、前記第２の温度における前記第２の測定値が前記第１の温度における前記第１の測定値を目標値として近づくよう、前記光源駆動部を制御する
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置において、前記光源駆動部が前記光源を駆動するために設定された状態とは、前記光源駆動部が光源を駆動する電流値に係ることを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項２に記載の画像表示装置において、前記第１の温度における第１の測定値及び前記第２の温度における第２の測定値は、双方とも前記光源駆動部が光源を駆動する２箇所の電流値における測定値であることを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項２に記載の画像表示装置において、前記第２の温度における前記電流値は、前記第１の温度における二つの電流値において前記光センサが測定した光量の測定値に基づき、一次近似により設定されることを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１に記載の画像表示装置において、
   前記光源は赤色光源、緑色光源及び青色光源を含み、
   前記光源駆動部は、前記赤色光源、緑色光源及び青色光源の各々に対して、互いに異なる周波数又は振幅で前記高周波信号を重畳する
   ことを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項１に記載の画像表示装置において、前記光源駆動部における前記光センサが測定した前記光量の第１の測定値に基づく信号の重畳は前記第２の映像信号の帰線期間において行われ、前記光源駆動部における高周波信号の重畳は前記第２の映像信号の有効表示期間において行われることを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項１に記載の画像表示装置において、前記光源はレーザダイオードを用いた光源であることを特徴とする画像表示装置。

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