JP2017078811A - レーザ投射表示装置およびレーザ光源の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光の立ち上がり応答を改善し、高品質な画像を表示可能なレーザ投射表示装置を提供する。【解決手段】レーザ投射表示装置１は、レーザ光源５とこれを駆動するレーザドライバ４と、レーザドライバに表示用の画像信号を供給する画像処理部２と、を備える。画像処理部は、画像信号が黒画素継続期間を有するとき、黒画素から黒画素以外の信号に切り替わる直前の所定期間（ｔ０〜ｔ１）において、画像信号５０に対し予備発光を行うための予備発光信号５３を印加する。特にこの予備発光処理は、レーザ光源の最大光量を低下させて暗画像領域で動作させるときに行い、予備発光信号５３として、暗画像領域における最大光量Ｌａの１／１０以下に相当する信号Ｌ０を印加する。【選択図】図５

Description

本発明は、半導体レーザ等のレーザ光を２次元走査ミラー等で走査して画像表示を行うレーザ投射表示装置、およびこれに用いるレーザ光源の駆動方法に関する。

近年、半導体レーザとＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等を用いて画像を投射するレーザ投射表示装置が実用化され、例えば自動車の運転支援用のヘッドアップディスプレイとして使用されている。このようなレーザ投射表示装置では、２次元走査ミラーを水平及び垂直方向に走査すると同時にレーザ光源を変調することで、所望の画像を投射面に表示するものである。

例えば特許文献１には、レーザ光をラスタースキャンし画像をスクリーンに投影する画像投影装置において、スクリーン上に表示される投影画像の明度が均一になるように、水平方向のラスタースキャン速度の変化に対応してレーザ光の発光強度を調整する構成が記載されている。

また、特許文献２では、パルス駆動磁気変調オーバーライト方式の光磁気記録再生装置において、レーザ光源を矩形状のパルスで駆動したとき、レーザ発光波形はパルスの立ち上がりでオーバーシュートして振動する現象を課題としている。そしてその対策として、レーザが発光するが記録媒体の記録膜に影響を与えない範囲で、レーザ光の発光強度を記録パワーレベルに上げる前に予備的に発光させる構成が記載されている。

特開２００６−３４３３９７号公報 特開２００３−８５８４５号公報

本件発明者は、レーザ光の光強度が小さい領域で、画像信号の輝度がステップ状に増加する場とき、レーザ光の立ち上がり応答が劣化する現象を発見した。この現象を図面で説明する。

図４（ａ）は投射面に表示された画像４０の例を示し、黒背景４１の中央部に白窓４２を有する場合である。白窓４２の左右端部（明暗切替位置）において、本来の白色よりも輝度が低下する部分４３が発生している。本件発明者の検討によれば、この現象は、図５（ａ）に示すように、レーザドライバの駆動電流の立ち上がり特性が劣化することで発光波形がなまることが原因と推定され、特にレーザ光源をその閾値電流近傍で動作させる場合に生じやすいことが判明した。検討結果の詳細は後述する。

上記特許文献１，２では、図４（ａ）や図５（ａ）に示すレーザ光の立ち上がり応答の劣化については考慮されていない。なお、特許文献２に記載の技術もパルス発光時の立ち上がり特性に関するものであるが、オーバーシュートによる振動現象（リンギング）を抑制するものであって、図４（ａ）や図５（ａ）に示す現象とは異なるものである。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、レーザ光の立ち上がり応答を改善し、画像の明暗切替位置での画質劣化をなくし高品質な画像を表示可能なレーザ投射表示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は、画像信号に応じたレーザ光を投射して画像を表示するレーザ投射表示装置において、前記レーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光源を駆動するレーザ光源駆動部と、前記レーザ光源駆動部に表示用の画像信号を供給する画像処理部と、を備え、前記画像処理部は、前記画像信号が黒画素継続期間を有するとき、黒画素から黒画素以外の信号に切り替わる直前の所定期間において、前記画像信号に対し予備発光を行うための予備発光信号を印加する予備発光処理を行うことを特徴とする。

また本発明は、画像信号に応じたレーザ光を投射して画像を表示する際のレーザ光源の駆動方法において、前記画像信号が黒画素継続期間を有するか否かを判定するステップと、前記画像信号が前記黒画素継続期間を有するとき、黒画素から黒画素以外の信号に切り替わる直前の所定期間において、前記画像信号に対し予備発光を行うための予備発光信号を印加するステップと、前記予備発光信号が印加された前記画像信号をレーザ光源駆動部に供給し、該レーザ光源駆動部により前記レーザ光源を駆動して、前記画像信号に応じたレーザ光を発生させるステップと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、画像明暗切替位置での輝度低下や色むらを改善し、高品質な画像を表示可能なレーザ投射表示装置を提供できる。

実施例１におけるレーザ投射表示装置の基本構成を示すブロック図。 画像処理部およびレーザドライバの内部構成を示す図。 半導体レーザの光量−順方向電流特性の一例を示す図。 暗画像領域で表示した画像の一例を示す図。 半導体レーザの発光波形を示す図。 半導体レーザの立ち上がり応答を詳細に測定した結果を示す図。 黒画素判定処理（Ｓ１００）を示すフローチャート。 予備発光処理（Ｓ２００）を示すフローチャート。 実施例２における予備発光を追加したときの半導体レーザの発光波形を示す図。 実施例２における予備発光処理（Ｓ３００）を示すフローチャート。 実施例３におけるモニタ用発光とこれに印加する予備発光を示す図。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態を説明するためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。従って、当業者であればこれらの各要素若しくは全要素をこれと同等なものに置換した実施形態を採用することが可能であり、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。

図１は、実施例１におけるレーザ投射表示装置の基本構成を示すブロック図である。レーザ投射表示装置１は、画像処理部２、フレームメモリ３、レーザドライバ（レーザ光源駆動部）４、レーザ光源５、反射ミラー６、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）走査ミラー７、ＭＥＭＳドライバ８、増幅器９、光センサ１０、照度センサ１１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１２を有し、投射面に表示画像１３を表示する。各部の動作を説明する。

画像処理部２は、外部から入力される画像信号に各種補正を加えた投射用の画像信号を生成し、かつそれに同期した水平同期（Ｈ同期）信号及び垂直同期（Ｖ同期）信号を生成し、ＭＥＭＳドライバ８へ供給する。画像処理部２で行う各種補正には、ＭＥＭＳ走査ミラー７の走査に起因する画像歪み補正、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）による画像の階調調整などを含む。なお、画像歪みはレーザ投射表示装置１と投射面との相対角で異なること、レーザ光源５とＭＥＭＳ走査ミラー７の光軸ずれなどのために発生する。生成された画像信号は、フレームメモリ３に一旦格納され、水平同期信号と垂直同期信号に同期した読み出し信号で読み出され、レーザドライバ４に供給される。

また、画像処理部２では予備発光処理も行う。ここで予備発光処理とは、レーザ光の立ち上がり特性を改善するために、画像信号の所定の期間にレーザ光源５に対し所定の電流値が流れるよう予備発光用の画像信号を埋め込む処理である。また、予備発光処理を行う期間を設定するため、入力する画像信号に対し黒画素判定処理も行う。これらの詳細は後述する。

レーザドライバ４は、画像処理部２から出力される画像信号（予備発光用を含む）を受け、それに応じてレーザ光源５の駆動電流を変調する。レーザ光源５は、例えば３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）用に３個の半導体レーザ５ａ，５ｂ，５ｃを有し、画像信号のＲＧＢ毎に画像信号に対応したＲＧＢのレーザ光を出射する。

ＲＧＢの３つのレーザ光は反射ミラー６により合成され、ＭＥＭＳ走査ミラー７に照射される。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３つのダイクロイックミラー６ａ，６ｂ，６ｃを有し、ＲＧＢのレーザ光を１つのレーザ光に合成して、ＭＥＭＳ走査ミラー７に供給する。

ＭＥＭＳ走査ミラー７は２軸の回転機構を有する画像の走査部であって、中央のミラー部を水平方向（Ｈ方向）と垂直方向（Ｖ方向）の２方向に振動させる。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たノコギリ波を生成して、ＭＥＭＳ走査ミラー７の駆動を制御する。これにより、図１の表示画像１３に示すような軌跡でレーザ光は走査され、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、入力画像を投射面に２次元状に表示することができる。

光センサ１０は、レーザ光源５から出射されるレーザ光の強度を検出する。すなわち、反射ミラー６ｃからのレーザ光の数％の漏れ光（反射光及び透過光）を検出し、増幅器９に出力する。増幅器９は、光センサ１０の出力を画像処理部２により設定された増幅率に従い増幅した後、画像処理部２へ出力する。画像処理部２は、光センサ１０の検出出力を入力画像信号の輝度レベルと比較し、所定のレベルになるようレーザドライバ４を制御する。

照度センサ１１は、レーザ投射表示装置１の周囲の照度を検出しＣＰＵ１２へ出力する。ＣＰＵ１２は、照度センサ１１からの信号もしくは外部からの制御信号を受け、画像処理部２に対し、生成する表示画像１３の明るさを制御するための調光要求信号を供給する。

図２は、図１の画像処理部２およびレーザドライバ４の内部構成を示す図である。外部から入力される画像信号は、画像処理部２内の画像補正部２０に入力される。

画像補正部２０は、ＭＥＭＳ走査ミラー７の走査に起因する画像歪み補正、およびＬＵＴによる画像の階調調整、ならびに発光制御部２２からの予備発光制御信号２７に基づき予備発光処理を行う。なお、予備発光制御信号２７には、予備発光処理の実施を判定するための判定用閾値が含まれている。このように画像補正部２０は、外部から入力される画像信号に対し上記の画像調整や予備発光処理を行い、タイミング調整部２１へ補正後の画像信号２８を送出する。

タイミング調整部２１は、画像補正部２０から入力される補正後の画像信号２８から水平同期信号と垂直同期信号を生成し、ＭＥＭＳドライバ８および発光制御部２２に送出する。また、画像信号２８は、一旦フレームメモリ３に格納される。フレームメモリ３に格納された画像信号は、タイミング調整部２１で生成される水平同期信号と垂直同期信号に同期した読み出し信号で読み出される。またフレームメモリ３内の画像信号は、入力された画像信号に対して１フレーム分遅延させて読み出される。

読み出された画像信号は、ラインメモリ２３に入力される。ラインメモリ２３は１水平期間の画像信号を取り込み、次の水平期間で順次画像信号を読み出して、レーザドライバ４へ供給する。画像信号をラインメモリ２３で一旦中継させる理由は、フレームメモリ３の読出しクロック周波数と、レーザドライバ４側へ画像信号を伝送する時の伝送クロック周波数が異なる場合に、タイミングずれを調整するためである。両者のクロック周波数が一致していればラインメモリ２３は不要になる。

発光制御部２２は、光センサ１０が検出し増幅器９により増幅された光出力に基づき、レーザドライバ４内の電流ゲイン回路２４とオフセット電流回路２５を制御する。これにより、経時劣化によるレーザ光の強度不足や、周囲環境の温度変化によるレーザ光出力の変動などに対し、投射画像の明るさやホワイトバランスを補正する機能を有する。また発光制御部２２は、画像補正部２０に対して予備発光制御信号２７を送出する。

次に、レーザドライバ４内の電流ゲイン回路２４とオフセット電流回路２５について説明する。電流ゲイン回路２４は、ラインメモリ２３から入力される画像信号値に対して電流ゲインを乗算することで、半導体レーザ５ａ〜５ｃに流れる電流値を制御する。なお、電流ゲインは、発光制御部２２により設定される。また、オフセット電流回路２５は、発光制御部２２が設定するオフセット電流値に応じて、半導体レーザ５ａ〜５ｃが発光する下限値を決めるオフセット電流を調整する。よって、実際に半導体レーザ５ａ〜５ｃに流れる電流２６は、電流ゲイン回路２４で算出された画像信号と電流ゲインの乗算電流値と、オフセット電流回路２５で設定されたオフセット電流値との合計となる。

図３は、半導体レーザの光量−順方向電流特性の一例を示す図である。一般に半導体レーザは、ある閾値電流Ｉｔｈを境にして光量Ｌが急峻に増加する特性を有する。また、電流Ｉに対する光量の変化量は一定ではなく、非線形の特性を有する。

まず、明るい画像を表示する場合を説明する。例えば、レーザ投射表示装置１を車載表示装置（ヘッドアップディスプレイ）として使用した場合、昼間の明るい環境下ではレーザ投射表示装置が投射できる大きな光量を用いて明るい画像を表示するのがよい。

そこで、明るい画像を表示する際に用いる電流範囲は、閾値電流Ｉｔｈから最大光量Ｌｍが得られる電流Ｉｍまでの範囲（以下、明画像領域と呼ぶ）とする。つまり、画像信号を８ｂｉｔ（最大２５５階調）で表したとき、画像信号（階調値）が０もしくは１の場合は順方向電流を閾値電流Ｉｔｈに、画像信号（階調値）が２５５の場合は最大順方向電流Ｉｍとなるよう、電流ゲイン回路２４とオフセット電流回路２５を制御する。具体的には発光制御部２２は、電流ゲイン回路２４に対し電流ゲインを（Ｉｍ−Ｉｔｈ）／２５５に設定し、オフセット電流回路２５に対しオフセット電流値をＩｔｈに設定する。このように設定することで、半導体レーザに対し、画像信号が０の場合はＩｔｈの電流を、画像信号が２５５の場合はＩｍの電流を流すことができる。なお、画像信号が０の場合は、電流を０にすることでレーザを消灯し、コントラストを得るよう制御してもよい。

次に、暗い画像を表示する際に使用する場合を説明する。例えば、レーザ投射表示装置１を車載表示装置として使用した場合、夜間走行時やトンネル内走行時のように車両周囲が暗い環境下においては、最大光量Ｌｍの明るさで画像を表示すると、運転手に眩しい印象を与えてしまう。よって、レーザ投射表示装置１は、暗い画像に切り替えて表示する必要がある。

そこで、暗い画像を形成する際に用いる電流範囲として、閾値電流Ｉｔｈを含む範囲を使用し、電流０から光量Ｌａが得られる電流Ｉａまでの範囲（以下、暗画像領域と呼ぶ）とする。この光量Ｌａは暗画像領域での最大光量であるが、明画像領域の最大光量Ｌｍと比べ十分に低下させている。そのため発光制御部２２は、電流ゲイン回路２４に対し電流ゲインをＩａ／２５５に設定し、オフセット電流回路２５に対しオフセット電流値を０に設定する。このように設定することで、画像信号が０の場合は半導体レーザに電流は流れず、画像信号が２５５の場合はＩａの電流を流すようにして、暗画像領域の範囲で画像信号に応じて表示画像の明るさを変化させることができる。

なお図３には、後述する予備発光に用いる光量Ｌ０と、そのために流す電流Ｉ０を併せて示している。光量Ｌ０は光量Ｌａの１／１０以下のレベルである。

次に、暗画像領域におけるレーザ光の立ち上り応答の劣化と本実施例による改善について、図４〜図６を用いて説明する。まず、従来法における課題から説明する。

図４（ａ）は、上記の暗画像領域で表示した画像の一例を示す図である。表示する画像４０は、画像信号０の黒背景４１に画像信号２５５の白窓４２を有するパターンである。白窓４２のサイズは、画面全体に対し縦横共に５０％の大きさとしている。この場合、画像の白窓４２の左右端部において、本来の白色よりも輝度が低下する部分４３が発生することが、本件発明者の検討で明らかになった。この現象について、レーザ光の立ち上がり応答との関係を検討した。

図５（ａ）は、半導体レーザの発光波形を示す図であり、図４（ａ）中の鎖線４５で示す位置を左側から右側に向かって走査した場合である。時刻ｔ１およびｔ２は、白窓４２の両端を走査する時刻に対応する。暗画像領域でレーザを駆動するため、レーザ光の光量Ｌは最小値０と最大値Ｌａの間で変化する。破線で示した矩形の表示画像信号５０を与えたとき、本来であれば時刻ｔ１において光量がＬａに切り替わるべきであるが、レーザ光の立ち上がり応答波形５１はこれに追従できず波形なまりが生じている。この波形なまりが原因で、立ち上がり時の光量不足のため本来の白色よりも輝度が低下する部分４３が発生したと考えられる。この波形なまりはレーザ光の立ち上り時に見られる現象で、立ち下り時には生じない。

なお、図４（ａ）に示す画像ではレーザ光は左右に往復走査されており、操作が左向きとなる場合には時刻ｔ１とｔ２が入れ替わり、白窓４２の右側端部においても同様に輝度の低下する部分４３が発生している。

図６は、半導体レーザの立ち上がり応答を詳細に測定した結果であり、（ａ）は、光量−順方向電流特性、（ｂ）はレーザ光の立ち上がり時間−順方向電流特性を示す。なお、立ち上がり時間Δｔは目標強度の１０％から９０％まで遷移するのに必要な時間を測定した。この結果から明らかな通り、閾値電流Ｉｔｈ（この場合８０ｍＡ）近傍においてレーザ光の立ち上がり時間Δｔが増大している。このためレーザ光の立ち上がり波形になまりが生じて、図４（ａ）の符号４３に示したような白窓端部の輝度低下を引き起こしている。また、ＲＧＢの各色の半導体レーザの特性が均一でないことから、白色を表示する際には白窓端部に色むらを引き起こし、画質劣化の原因ともなる。このように、立ち上がり応答の劣化は、閾値電流Ｉｔｈ近傍、すなわち暗画像領域でレーザ発光させるときの特有の現象と言える。

その対策として本実施例では、レーザ発光の立ち上がり直前の所定期間に予備発光を追加する予備発光処理を導入した。

図４（ｂ）は、予備発光を追加して表示した画像の一例を示す図である。図４（ａ）と同一の画像パターンを表示しているが、白窓４２の左右端部には輝度が低下する部分は認められない。

また図５（ｂ）は、予備発光を追加したときの半導体レーザの発光波形を示す図である。立ち上がり直前の時刻ｔ０から時刻ｔ１にかけて、光量Ｌ０の予備発光５３を追加している。その結果、レーザ光応答波形５２は、時刻ｔ１において光量が急峻に立ち上がるようになった。この光量Ｌ０は、暗画像領域の最大光量Ｌａの１／１０以下が望ましい。また、予備発光を追加する期間（ｔ０〜ｔ１）は、略６００ｎｓ以下であることが望ましい。何故なら、予備発光の光量Ｌ０やその印加時間が大きすぎると、予備発光による輝線が視認され易くなるためである。このように予備発光を追加することで、レーザ光の立ち上がり応答を改善し、画像明暗切替部（白窓端部）の輝度低下および色むらを低減することができる。

ここで、上記したレーザ光の立ち上り応答の劣化原因と、上記の予備発光処理により改善した理由を考察する。レーザドライバ４にはスイッチ素子が内蔵されており、半導体レーザ５ａ〜５ｃに流れる電流をこのスイッチ素子により制御している。しかしながら、このスイッチ素子には寄生容量があるため、電流が全く流れていない状態から例えば１００ｍＡの電流を流そうとすると、ある時定数を有して電流が増加し最終的に１００ｍＡになる。つまり、電流は瞬時に１００ｍＡに到達できない。さらに、図３や図６に示す半導体レーザの非線形な発光特性が原因となって、特に閾値電流Ｉｔｈの近傍領域で電流を増加させる場合に、その光量の変化を鈍化させている。その結果、図５（ａ）において時刻ｔ１で得られる光量がＬａに達せず、符号５１に示す光出力応答波形となったと推測される。

これに対し本実施例では、予備発光５３を追加すること、すなわちレーザドライバ４を介して半導体レーザに僅かな電流を流すようにした。その結果、スイッチ素子の寄生容量の影響が小さくなり、電流増加時の時定数が小さくなって、図５（ｂ）のように、暗画像領域でのレーザ光の立ち上がり応答を改善させることが可能となる。

本実施例では予備発光を実施するため、表示する画像信号について半導体レーザに流す電流が０に近くなる黒画素の継続時間を検出する黒画素判定処理と、これに基づき予備発光を追加する予備発光処理を導入した。以下、それらの処理方法を説明する。

図７は、黒画素判定処理（Ｓ１００）を示すフローチャートである。画像処理部２内の画像補正部２０は、画像信号に黒画素が含まれているかを判定し、黒画素が所定期間継続している場合に予備発光が必要であることを示す「予備発光フラグ」をセットする処理である。

本フローは、予備発光フラグがリセットされる度に開始される（Ｓ１０１）。予備発光フラグのリセット後、画像補正部２０は、カウンタＣをリセットしてゼロ（０）とする（Ｓ１０２）。カウンタＣは、黒画素継続時間を計測するためのカウンタで、画素単位に計測する。カウンタＣをリセットした後、現在の画素における画像信号値Ｑを閾値Ｑｔｈと比較する（Ｓ１０３）。ここで閾値Ｑｔｈは、発光制御部２２から予備発光制御信号２７として与えられた黒画素判定閾値であり、閾値Ｑｔｈより小さい画像信号を黒画素と判定する。閾値Ｑｔｈの値は８ｂｉｔ階調値で１〜３程度が望ましいが、表示部の仕様に合わせて定める。

画像信号値が閾値Ｑｔｈよりも小さい場合（Ｙｅｓ）、画像補正部２０はカウンタＣをインクリメントして（Ｓ１０４）、Ｓ１０５へ移行する。画像信号値Ｑが閾値Ｑｔｈよりも大きい場合（Ｎｏ）は、Ｓ１０２に移行し、画像補正部２０はカウンタＣをリセットした後、次の画素の画像信号値Ｑを閾値Ｑｔｈと比較する（Ｓ１０３）。

Ｓ１０５において画像補正部２０は、カウンタＣを閾値Ｃｔｈと比較する。ここで閾値Ｃｔｈは、発光制御部２２から予備発光制御信号２７として与えられた黒画素継続時間閾値である。閾値Ｃｔｈは水平方向の走査幅で全幅の数％程度相当とする。カウンタＣが閾値Ｃｔｈより小さい場合（Ｎｏ）はＳ１０３に戻り、カウンタＣはそのままで次の画素の画像信号値Ｑを閾値Ｑｔｈと比較する。カウンタＣが閾値Ｃｔｈより大きい場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１０６に移行する。

Ｓ１０６では、使用する電流範囲が暗画像領域か否かを判定する。図３、図６で示した通り、レーザ光の立ち上がり応答が劣化するのは閾値電流Ｉｔｈの近傍であるため、予備発光を実施するのは暗画像領域の場合だけとする。判定の結果暗画像領域の場合（Ｙｅｓ）は、予備発光フラグをＯＮにセットする（Ｓ１０７）。暗画像領域でない場合（Ｎｏ）は、予備発光フラグをセットしない。このように黒画素判定処理（Ｓ１００）により、閾値Ｑｔｈより小さい画像信号の画素が閾値Ｃｔｈより長く継続した区間に対して、予備発光フラグをＯＮに設定する。

次に図８は、予備発光処理（Ｓ２００）を示すフローチャートである。図７の黒画素判定処理の結果を受け、画像補正部２０は、予備発光用の画像信号を生成する処理を行う。

予備発光は、図５（ｂ）における時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間印加するが、開始時刻ｔ０は、時刻ｔ１より所定時間（例えば、６００ｎｓ以下）だけ遡った時刻である。ここで時刻ｔ１は、黒画素期間が終了し、黒画素以外の画素に切り替わる時刻（黒画素終了時刻）であり、図７の黒画素判定処理から既知である。また、時刻ｔ１から時刻ｔ０を割り出すことは、シフトレジスタを用いたパイプライン処理などを用いることで時間的に遅らせる方法や、ラインバッファを用いて予め検出しておく方法により、容易に実現できる。

Ｓ２０１では、現在時刻が予備発光開始時刻ｔ０に至ったことを確認しＳ２０２へ進む。Ｓ２０２では、予備発光フラグがセット（ＯＮ）されているか否かを判定する。予備発光フラグがセット状態の場合（Ｙｅｓ）はＳ２０３に移行し、現在の画素の画像信号に応じて予備発光処理を行う。予備発光フラグがセットされていない場合（Ｎｏ）はＳ２０７に移行し、予備発光処理を行わず、予備発光フラグを再度リセットする。これは、図７の黒画素判定処理を開始させるためである。

Ｓ２０３では、当該画素の画像信号値Ｑが０か否かを判定する。画像信号値Ｑが０の場合（Ｙｅｓ）は、０以外の微小な画像信号値Ｑ０で置き換えて予備発光させる（Ｓ２０４）。つまり、予備発光とは、半導体レーザに微小な電流値Ｉ０（光量Ｌ０に対応）が流れるよう画像信号を埋め込むことである。Ｓ２０３で画像信号値Ｑが０でない場合（Ｎｏ）は、Ｓ２０５に移行し、現在時刻における画像信号Ｑのまま発光させる。

次に、Ｓ２０６において黒画素終了時刻ｔ１に達したか否かを判定する。時刻ｔ１に達していない場合（Ｎｏ）はＳ２０３に戻り、次の時刻の画素に対して同様の処理を行う。つまり、時刻ｔ０からｔ１までの間、Ｓ２０４またはＳ２０５の処理が実施され、入力画像信号に対して予備発光の信号が埋め込まれる。時刻ｔ１に達した場合（Ｙｅｓ）はＳ２０７へ進み、予備発光フラグをリセットする。

なお、上記の説明では時刻ｔ１の決定方法として、黒画素判定処理において黒画素期間が終了し黒画素以外の表示に切り替わる時刻としたが、それ以外でも構わない。例えば、半導体レーザに流す電流値が閾値電流Ｉｔｈの近傍である画素を表示する時刻を時刻ｔ１としてもよい。

また、本実施例では予備発光制御信号２７により予備発光処理の判定を行ったが、他の方法もある。例えば、黒画素判定処理において連続した黒画素が検出された後、次に発光する画像信号に対応する電流値が閾値電流Ｉｔｈの近傍であれば予備発光を実施し、そうでなければ予備発光を実施しないというように、入力される画像信号に応じて動的に切り替える構成にしてもよい。また、黒画素判定処理と予備発光処理は画像補正部２０で実施する例を記載したが、それ以外の箇所で実施してもよい。例えば、図２中のラインメモリ２３の後段で、レーザドライバ４側へ画像信号を伝送する時のクロック周波数に基づいて黒画素判定処理および予備発光処理を実施する構成でもよい。

また、本実施例では入力される画像信号に対して黒画素判定処理および予備発光処理を実施する例を記載したが、入力画像そのものに加工しても同様の効果が得られる。具体的には、時刻ｔ０から時刻ｔ１にかけて光量Ｌ０の光出力が追加されるように入力画像を加工してもよい。これにより、画像補正部２０による処理負荷を減らすことができる。

上記の通り実施例１によれば、黒画素継続時間を検出する黒画素判定処理と、予備発光を追加する予備発光処理により、レーザ光の立ち上がり応答（波形なまり）を改善することが可能となる。これにより、明暗画像の境界部での輝度低下や色むらを改善し、高品質な画像を表示可能なレーザ投射表示装置を提供できる。

実施例１では、予備発光を時刻ｔ０から時刻ｔ１まで連続的に実施したが、実施例２では、予備発光を間欠的に実施するようにした。予備発光を間欠的に実施することで、連続的に実施する場合に比べ、予備発光による輝線が視認されにくくなる効果がある。

図９は、実施例２における予備発光を追加したときの半導体レーザの発光波形を示す図である。図４（ｂ）中の鎖線４５で示す位置を左側から右側に向かって走査する場合である。なお、実施例１と同一の要素には同一の符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

時刻ｔ０から時刻ｔ１にかけて、光量Ｌ０の予備発光５４を間欠的に追加している。その結果、レーザ光応答波形５２は、時刻ｔ１において光量が急峻に立ち上がるようになる。ここで、光量Ｌ０は光量Ｌａの１／１０以下のレベルとする。このように、間欠動作の予備発光５４であっても、レーザドライバ４を介して半導体レーザに僅かに電流を流すことで、スイッチ素子の寄生容量の影響を小さくすることができ、レーザ光の立ち上がり応答を改善させることが可能となる。

これにより、画像明暗切替部（白窓端部）の輝度低下および色むらを低減することができる。この場合の予備発光５４は間欠動作であるので、見かけ上の光量はＬ０以下となり、予備発光による輝線はより視認されにくくなる。言い換えれば、見かけ上の光量の減少分だけ、予備発光の開始時刻ｔ０を実施例１（図５（ｂ））の場合よりも早めてもよいことになる。

図１０は、実施例２における予備発光処理（Ｓ３００）を示すフローチャートである。図７の黒画素判定処理の結果を受け、画像補正部２０は、間欠的な予備発光用の画像信号を生成する。実施例１（図８）と同一処理については同一符号を用いており、新たな処理の部分について説明する。

Ｓ２０２の判定で、予備発光フラグがセット状態（ＯＮ）の場合はＳ３０１に移行し、カウンタｊをリセットする。ここで、カウンタｊは間欠動作用の画素数カウンタである。その後Ｓ２０３では、現在の画素の画像信号に応じて予備発光処理を行う。まず、当該画素の画像信号値Ｑが０か否かを判定する。

画像信号値Ｑが０の場合は、Ｓ３０２にてカウンタｊをインクリメントした後、Ｓ３０３にてカウンタｊがパラメータｐの倍数か否かを判定する。このパラメータｐは、予備発光制御信号２７により予め与えられた整数である。カウンタｊがｐの倍数である場合（Ｙｅｓ）はＳ２０４へ移行し、０以外の微小な画像信号値Ｑ０で置き換えて予備発光させる。カウンタｊがｐの倍数でない場合（Ｎｏ）は予備発光なしにＳ２０６へ移行する。

その結果、例えばｐ＝３の場合は、カウンタｊ＝０，３，６，９・・・となるタイミングで予備発光を行い、他のタイミングには予備発光しないことで、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間のおよそ１／３の期間に予備発光を間欠動作させることができる。

実施例２においても、間欠的に予備発光を追加する予備発光処理により、レーザ光の立ち上がり応答（波形なまり）を改善することが可能となる。なお、実施例２では予備発光を間欠動作させるようにしたので、予備発光による輝線がより視認されにくくなる効果がある。

前記実施例１および２では、いずれも入力画像、つまり表示画像に予備発光を印加する構成を説明した。これに対し実施例３では、モニタ用発光に予備発光を印加する場合について説明する。レーザ投射表示装置では、表示画像用の発光以外にモニタ用発光を実施する。これは、経時劣化によるレーザ光の強度不足や、周囲環境の温度変化によるレーザ光出力の変動などに対応し、投射画像を一定のホワイトバランスにするために、モニタ用発光を行いレーザ光の発光条件を最適化するものである。そこで実施例３では、このモニタ用発光に予備発光を追加する。

ここで、モニタ用発光によるレーザ光の調整動作について説明する。モニタ用発光は、入力画像とは異なり、レーザ投射表示装置１の内部で生成したモニタ用信号をレーザドライバ４に直接与えることで実施する。例えば、図２における発光制御部２２から、モニタ用発光の信号をレーザドライバ４に与えることで、所定の電流量を半導体レーザに流しモニタ発光させる。光センサ１０はその光出力を検出し、増幅器９で増幅した後、その結果を発光制御部２２が受信する。発光制御部２２は、電流量に対する光出力の関係を検出し、この電流量に対する光出力の関係に基づきレーザドライバ４内の電流ゲイン回路２４とオフセット電流回路２５を制御する。これにより、レーザ光の発光条件を最適化するものである。

図１１は、実施例３におけるモニタ用発光とこれに印加する予備発光を示す図で、（ａ）は表示画像を、（ｂ）はレーザ光の発光波形を示す。（ａ）において、符号６０は表示画像領域であり、モニタ用発光６１は、表示画像領域６０の外側領域で行う。よって、モニタ用発光６１に輝線は視認されることはない。（ｂ）において、時刻ｔ４からｔ５の間に光量Ｌａのモニタ用発光６１を行う場合、その直前の時刻ｔ３からｔ４の期間に光量Ｌ０の予備発光６２を追加する。その結果、モニタ用発光波形６１の立ち上がり応答を改善させることができる。

本実施例の場合、発光制御部２２はレーザドライバ４に対し、モニタ用発光６１に対する予備発光６２の継続時間（ｔ３〜ｔ４）を、図５（ｂ）に示した表示画像用発光５２に対する予備発光５３の継続時間（ｔ０〜ｔ１）よりも長く与えている。これは、モニタ用発光６１は表示画像領域６０の外部で行われるので、予備発光６２の継続時間を長くしても視認されることがないからである。これにより、モニタ用発光に十分な予備発光が与えられ、モニタ用発光の立ち上がり応答が改善し、電流量に対する光出力の関係をより精度良く検出することができる。その結果、レーザ光の発光条件の調整を高精度に実施することで、高品質な画像を表示可能なレーザ投射表示装置を提供できる。

１…レーザ投射表示装置、２…画像処理部、３…フレームメモリ、４…レーザドライバ、５…レーザ光源、６…反射ミラー、７…ＭＥＭＳ走査ミラー、８…ＭＥＭＳドライバ、９…増幅器、１０…光センサ、１１…照度センサ、１２…ＣＰＵ、１３…表示画像、２０…画像補正部、２１…タイミング調整部、２２…発光制御部、２３…ラインメモリ、２４…電流ゲイン回路、２５…オフセット電流回路、２７…予備発光制御信号、４０，６０…表示画像、５３，５４，６２…予備発光。

Claims (13)

1. 画像信号に応じたレーザ光を投射して画像を表示するレーザ投射表示装置において、
   前記レーザ光を発生するレーザ光源と、
   前記レーザ光源を駆動するレーザ光源駆動部と、
   前記レーザ光源駆動部に表示用の画像信号を供給する画像処理部と、を備え、
   前記画像処理部は、前記画像信号が黒画素継続期間を有するとき、黒画素から黒画素以外の信号に切り替わる直前の所定期間において、前記画像信号に対し予備発光を行うための予備発光信号を印加する予備発光処理を行うことを特徴とするレーザ投射表示装置。
2. 請求項１に記載のレーザ投射表示装置において、
   前記画像処理部は、前記画像信号のレベルを閾値Ｑｔｈと比較して黒画素を検出し、該検出した黒画素の継続期間が閾値Ｃｔｈより大きいとき前記予備発光処理を行うことを特徴とするレーザ投射表示装置。
3. 請求項１に記載のレーザ投射表示装置において、
   前記画像処理部は、前記画像信号を表示するために前記レーザ光源の最大光量を低下させて暗画像領域で動作させるときに前記予備発光処理を行うことを特徴とするレーザ投射表示装置。
4. 請求項３に記載のレーザ投射表示装置において、
   前記画像処理部は、前記画像信号を表示するために前記レーザ光源をその閾値電流Ｉｔｈの近傍で動作させるときに前記予備発光処理を行うことを特徴とするレーザ投射表示装置。
5. 請求項３に記載のレーザ投射表示装置において、
   前記画像処理部は、前記予備発光信号として、前記レーザ光源の前記暗画像領域における最大光量の１／１０以下に相当する信号を印加することを特徴とするレーザ投射表示装置。
6. 請求項１に記載のレーザ投射表示装置において、
   前記画像処理部は、前記予備発光信号として、前記予備発光を間欠的に行う間欠信号を印加することを特徴とするレーザ投射表示装置。
7. 請求項１に記載のレーザ投射表示装置において、
   前記画像処理部は、さらに、前記レーザ光源駆動部にモニタ用の発光信号を供給するとともに、前記モニタ用の発光信号の直前の所定期間において、予備発光を行うための予備発光信号を印加することを特徴とするレーザ投射表示装置。
8. 請求項７に記載のレーザ投射表示装置において、
   前記モニタ用の発光信号に対し前記予備発光信号を印加する時間は、前記画像信号に対し前記予備発光信号を印加する時間よりも長いことを特徴とするレーザ投射表示装置。
9. 画像信号に応じたレーザ光を投射して画像を表示する際のレーザ光源の駆動方法において、
   前記画像信号が黒画素継続期間を有するか否かを判定するステップと、
   前記画像信号が前記黒画素継続期間を有するとき、黒画素から黒画素以外の信号に切り替わる直前の所定期間において、前記画像信号に対し予備発光を行うための予備発光信号を印加するステップと、
   前記予備発光信号が印加された前記画像信号をレーザ光源駆動部に供給し、該レーザ光源駆動部により前記レーザ光源を駆動して、前記画像信号に応じたレーザ光を発生させるステップと、
   を備えることを特徴とするレーザ光源の駆動方法。
10. 請求項９に記載のレーザ光源の駆動方法において、
    前記予備発光信号を印加するステップでは、前記画像信号のレベルを閾値Ｑｔｈと比較して黒画素を検出し、該検出した黒画素の継続期間が閾値Ｃｔｈより大きいとき前記予備発光信号を印加することを特徴とするレーザ光源の駆動方法。
11. 請求項９に記載のレーザ光源の駆動方法において、
    前記予備発光信号を印加するステップでは、前記画像信号を表示するために前記レーザ光源の最大光量を低下させて暗画像領域で動作させるときに前記予備発光信号を印加することを特徴とするレーザ光源の駆動方法。
12. 請求項１１に記載のレーザ光源の駆動方法において、
    前記予備発光信号を印加するステップでは、前記画像信号を表示するために前記レーザ光源をその閾値電流Ｉｔｈの近傍で動作させるときに前記予備発光信号を印加することを特徴とするレーザ光源の駆動方法。
13. 請求項１１に記載のレーザ光源の駆動方法において、
    前記予備発光信号を印加するステップでは、前記予備発光信号として、前記レーザ光源の前記暗画像領域における最大光量の１／１０以下に相当する信号を印加することを特徴とするレーザ光源の駆動方法。

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