JP2017173715A - レーザ投射表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザの非線形な発光領域での動作を回避し、投射画像の明るさを広範囲にかつ安定に調光できる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、レーザ光源が発生したレーザ光を走査して投射する走査部７と、レーザ光を所定の透過率で通過させる液晶素子１４と、液晶素子に電圧を印加して透過率を変化させる液晶ドライバ１７、を備える。レーザ光源４が発生するレーザ光の光量がレーザ光源が非線形領域で動作する場合のものであるときには、レーザドライバ４は、レーザ光源５の駆動レベルを所定量Ｇだけ増加させて非線形領域以外の領域にシフトさせるとともに、液晶ドライバ１７は、液晶素子１４の透過率を所定量１／Ｇだけ減衰させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ等の光源光を２次元走査ミラーで走査して映像表示を行うレーザ投射表示装置に関する。

近年、半導体レーザ光源とＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等の２次元走査ミラーを用いた小型投射プロジェクタが実用化され、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スキャン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投射するものである。ここに、投射画像の視認性を向上させるため、周囲の明るさに応じて投射光の強度を調整する調光機構が提案されている。

例えば特許文献１には、車載用のヘッドアップディスプレイが記載され、表示すべき情報を所定の位置に案内するコンバイナと、コンバイナの透過光量を、背景の明るさに基づいて変化する透過光量調整手段と、背景の明るさを検出する明るさ検出手段と、を有する構成となっている。

また特許文献２には、ヘッドアップディスプレイの調光機構が記載され、少なくとも液晶部材と透光性反射部材とが積層されて形成されたスクリーンと、所定の指示信号に従ってスクリーンに積層される液晶部材に電圧を印加し、スクリーンを透過する光の量を調整する制御手段と、を備える構成となっている。

特開２０１０−０７２３６５号公報 特開２００２−１０４０１７号公報

投射画像の明るさは、周囲の明るさに応じて投射光の強度を変更する調光動作を行うのが望ましい。例えば車載用のヘッドアップディスプレイにおいては、車両外部の明るさに応じてきめ細かに調光をする必要がある。例えば昼間走行時のように外部が明るいときは調光を最大にし、夜間走行時やトンネル内走行時のように外部が暗いときは調光を最小に調節する。そのため調光幅は極めて広範囲となる。

一方、光源となる半導体レーザの発光特性は、駆動電流に対して一様に発光強度が変化するのではなく、閾値電流を境界に光量が急峻に増加する性質（非線形特性）がある。よって、上記のように広範囲での調光を行う場合、閾値電流を跨いで動作すると、発光出力（画像明るさ）が不安定になるという課題がある。

上記特許文献１，２に記載の調光方式は、光源からの出射光の強度を背景の明るさ等に基づいて減衰させるものであるが、半導体レーザの有する非線形な発光特性については考慮されておらず、閾値電流近傍で発光させる場合に投射画像の明るさが不安定になるという現象は避けられない。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、半導体レーザの非線形な発光領域での動作を回避し、投射画像の明るさを広範囲にかつ安定に調光できる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前記画像信号に応じた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、前記レーザ光源を前記画像信号に応じたレベルでレーザ光を発生するよう駆動するレーザドライバと、前記レーザ光源が発生したレーザ光を前記画像信号に係る同期信号に応じて走査して投射する走査部と、前記レーザ光源が発生したレーザ光を所定の透過率で通過させる液晶素子と、前記液晶素子に電圧を印加して前記透過率を変化させる液晶ドライバと、前記画像信号を生成し、前記レーザドライバと前記液晶ドライバを制御する画像処理部と、を備える。前記画像処理部は、前記レーザ光源が発生するレーザ光の光量が該レーザ光源が非線形領域で動作する場合のものであるときには、前記レーザドライバに対し、前記レーザ光源の駆動レベルを所定量Ｇだけ増加させて前記非線形領域以外の領域にシフトさせるとともに、前記液晶ドライバに対し、前記液晶素子の透過率を所定量１／Ｇだけ減衰させるよう制御する。

本発明によれば、レーザ光源の動作が不安定となる非線形領域を回避して動作させことで、極めて広範囲の明るさで安定した調光動作が可能となるレーザ投射表示装置を提供できる。

レーザ投射表示装置の一構成例を示すブロック図である。 レーザ投射表示装置の他の構成例を示すブロック図である。 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。 半導体レーザの動作領域の一例を示す図である。 半導体レーザの動作領域の切り替えを説明する図である。 液晶素子の透過率−電圧特性の一例を示す図である。 レーザ投射動作のフローチャートを示す図である。

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。まず、本発明に係るレーザ投射表示装置の構成例を、図１、図２を用いて説明する。

図１は、レーザ投射表示装置の一構成例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１（１０）、照度センサ１１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１２、液晶素子１４、光センサ２（１５）、ミラー１６ａ、液晶ドライバ（液晶素子駆動部）１７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、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はＣＰＵ１２や増幅器９より取得した情報に応じて、レーザドライバ４と液晶ドライバ１７を制御し、レーザ光源５の出力調整と液晶素子１４の透過率の調整を行う。その詳細は後述する。

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を受け、それに応じてレーザ光源５に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（以下、ＬＤとも略す）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、液晶素子１４を透過して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、Ｒ，Ｇ，Ｂ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。

液晶ドライバ１７は、画像処理部２から出力される制御信号を受け、液晶素子１４に所定の電圧を印加する。液晶素子１４は、印加された電圧に応じて分子の向きを変化させ、これを通過するレーザ光の透過量を変化させる。すなわち、液晶素子１４をレーザ光の強度を減衰させる素子として用いている。液晶素子１４を通過したレーザ光は、ミラー１６ａを通過してＭＥＭＳ走査ミラー７に入射する。

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、入力画像を光学的に投射することができる。

光センサ１（１０）は、レーザ光源５から出射されるレーザ光の光量を測定する。すなわち、反射ミラー６ｃにおけるレーザ光の数％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。一方光センサ２（１５）は、液晶素子１４を通過したレーザ光の光量を測定する。すなわち、ミラー１６ａにおけるレーザ光の数％の漏れ光（反射光）を検出し、増幅器９に出力する。増幅器９は、光センサ１（１０）と光センサ２（１５）の出力を増幅し、画像処理部２へ出力する。

画像処理部２は、光センサ１（１０）の検出出力を入力画像信号の輝度レベルと比較し、所望のレベルになるようレーザドライバ４を制御する。また画像処理部２は、光センサ１（１０）と光センサ２（１５）の検出出力の差から、液晶素子１４の透過率を算出する。そして、液晶素子１４の透過率が所望の値になるよう液晶ドライバ１７を制御する。その際、後述するように、レーザ光源５から出射されるレーザ光の光量が特定の範囲（後述するように、レーザ光源５の動作が不安定となる非線形領域）となる場合には、画像処理部２はレーザドライバ４に対し、レーザ光源５に対する駆動レベルを所定のゲインだけ増加させて非線形領域以外の領域にシフトさせるとともに、液晶ドライバ１７に対し、液晶素子１４の透過率を所定量だけ減衰させるよう制御する。

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が生成する表示画像１３の明るさを制御するための調光要求信号を、画像処理部２に供給する。

このように本実施例のレーザ投射表示装置１は、液晶素子１４をレーザ光の減衰素子として用いることで、レーザ光源５の動作が不安定となる非線形領域を回避して動作させる構成としている。その際、レーザ光の減衰素子として非メカニカル部品である液晶素子を採用しているので、信頼性が高く、例えば車載用のヘッドアップディスプレイなどに好適となる。

図２は、レーザ投射表示装置の他の構成例を示すブロック図である。図１の構成との違いは液晶素子１４の配置である。すなわち、図２の例では、液晶素子１４をＭＥＭＳ走査ミラー７の出射側に配置する。また、液晶素子１４の出射側にガラス板１６ｂを配置して、液晶素子１４を通過後のレーザ光の一部を反射させ、光センサ２（１５）で検出する構成としている。

図２の構成においても、液晶素子１４をレーザ光の減衰素子として用いることで、レーザ光源５の動作が不安定となる領域を回避して動作させることができる。

図１と図２の構成を比較すると、図１のように液晶素子１４をＭＥＭＳ走査ミラー７の入射側に配置する構成では、液晶素子１４に対するレーザ光の入射角が一定であるため、液晶素子１４内の透過率は均一であり、表示画像１３の明るさは画面内で均一になるメリットがある。一方、図２のように液晶素子１４をＭＥＭＳ走査ミラー７の出射側に配置する構成では、液晶素子１４に対してレーザ光が走査して入射されるため、液晶素子１４へのダメージが少なくなるメリットがある。よって、レーザ投射表示装置の使用形態を考慮して、図１または図２の構成を選択すればよい。

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。横軸に電流Ｉ，縦軸に光量Ｌを示すが、半導体レーザでは、ある閾値電流Ｉｔｈを境にして光量Ｌが急峻に増加する非線形特性を有する。これを動作領域に分割すると、領域Ａは閾値電流Ｉｔｈより小さい電流で使用する領域で「ＬＥＤ領域」とも呼ばれ、領域Ｃは閾値電流Ｉｔｈより大きい電流で使用する領域で「ＬＤ領域」とも呼ばれ、これに挟まれた領域Ｂは閾値電流Ｉｔｈを跨いで使用する領域で「ＬＥＤ−ＬＤ領域」とも呼ばれる。

本実施例のレーザ投射表示装置は、例えば車載用のヘッドアップディスプレイとして適用することを想定する。その場合、車両外部の明るさに応じてきめ細かに調光をする必要がある。例えば昼間走行時のように外部が明るいときは調光を最大にし、夜間走行時やトンネル内走行時のように外部が暗いときは調光を最小に調節する。そのため出力する光量Ｌのダイナミックレンジが広く、全ての領域Ａ，Ｂ，Ｃに渡って動作させることを前提とする。

つまり、明るい画像を形成する際に半導体レーザに流れる電流の範囲は領域Ｃであり、暗い画像を形成する際に半導体レーザに流れる電流の範囲は領域Ａである。またその中間の明るさの場合には、半導体レーザに流れる電流の範囲は領域Ｂとなる。

領域Ｂで使用する場合、入力電流に対する光量の出力係数が閾値電流Ｉｔｈを境に大きく異なるため、明るさを線形に変化させることが困難である。その結果、調光性能が不安定になるとともに、ＲＧＢの色バランス（ホワイトバランス）がくずれて、配色性能も悪化する場合がある。このように調光性能が不安定となる閾値電流Ｉｔｈを跨いだ領域Ｂを「非線形領域、あるいは不安定領域」と呼ぶことにする。

本実施例では、領域Ｂの不安定領域では、印加電圧によって透過率が変化する液晶素子１４を併用して調光する。すなわち、半導体レーザを線形動作が可能な高輝度領域Ｃにシフトさせて動作させるとともに、液晶素子１４による光減衰作用を併用することで、領域Ｂでの所望の明るさを線形に実現させるものである。

次に、液晶素子１４を用いた半導体レーザの動作領域の切り替えについて説明する。
図４Ａと図４Ｂは、半導体レーザの動作領域の一例を示す図である。図４Ａは動作切り替えなしの場合、図４Ｂは動作切り替えありの場合である。

図４Ａにおいて、縦軸は画面明るさＹ（相対値）を対数目盛で示し、横軸はそれに対する明るさ設定値Ｓ（ステップ値）を示す。明るさ設定値Ｓ＝０のとき、画面明るさＹが最大値＝１（相対値）となり、設定値Ｓ＝６００のとき画面明るさＹが最小値＝０．０００１となる。この場合、画面明るさＹのダイナミックレンジを１００００倍で使用することを想定している。この中で、例えば明るさＹ＝０．０１〜０．００１の範囲（記号Ｐ−Ｑ間）を不安定領域（非線形領域）とする。この不安定領域は、図３で説明した領域Ｂ（ＬＥＤ−ＬＤ領域）に対応し、設定値Ｓ＝Ｓ１〜Ｓ２の区間では、明るさＹが線形に対応しないことになる。

図４Ｂは、図４Ａにおける不安定領域を回避するため、動作領域の切り替えを説明する図である。不安定領域（Ｐ−Ｑ間）においては、半導体レーザの動作レベルを縦軸上方向（明るい方向）にゲインＧだけシフトさせ、明るさＹ＝０．１〜０．０１の範囲（記号Ｐ’−Ｑ’間）で動作させるよう切り替える。そのためこの例では、明るさのゲインＧを１０倍だけ増加させている。言い換えれば、横軸の明るさ設定値Ｓについて、不安定動作区間Ｓ１〜Ｓ２についてはＳ１’〜Ｓ２’の区間にシフトさせ、半導体レーザの動作範囲を記号Ｒ−Ｐの区間にシフトさせる。一方、半導体レーザの動作レベルの切り替えに対応して、液晶素子の透過率を１／Ｇ、すなわち１／１０倍に減衰させる。その結果、液晶素子から出射されるレーザ光の強度、すなわち画面の明るさＹは所望の値（０．０１〜０．００１）を実現することができる。このような動作領域の切り替えにより、半導体レーザの不安定領域を回避して動作させることができる。

図５は、液晶素子の透過率−電圧特性の一例を示す図である。横軸は印加電圧振幅Ｖｐｐ（交流矩形波）を、縦軸は透過率Ｔを示す。この例では、印加電圧Ｖｐｐ＝０の時の透過率Ｔ＝約０．６であるからこれを基準とする。例えば透過率Ｔを０．０６（１／１０倍）に減衰させるには、印加電圧Ｖａ＝約２Ｖとすればよい。もちろん、液晶素子に常に０以外の電圧を印加しておき、透過率Ｔが所定量だけ減衰させるようにしてもよい。

図６は、レーザ投射動作のフローチャートを示す図である。画像処理部２は以下の処理を、画像信号のフレーム毎に実行する。処理単位は、表示する画像の種類・画質に応じて切り替えてもよい。以下、ステップ順に説明する。

Ｓ１０１では、画像処理部２は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する。
Ｓ１０２では、画像処理部２は生成した画像信号に基づき、半導体レーザ（ＬＤ）を駆動するための「明るさ設定値Ｓ」（図４Ｂの横軸）を決定する。

Ｓ１０３では、「明るさ設定値Ｓ」が半導体レーザの不安定領域（図４ＢのＳ１〜Ｓ２区間）を使用するか否かを判定する。使用する場合はＳ１０４へ、使用しない場合はＳ１０６へ進む。

Ｓ１０４では、液晶ドライバ１７を制御し、液晶素子１４に対して所定の電圧（図５に示すＶａ）を印加させて透過率を減衰させる。
Ｓ１０５では、レーザドライバ４に対し、半導体レーザの明るさ設定値Ｓを変更する。具体的には、図４Ｂのように設定値をＳ１’〜Ｓ２’の区間の対応位置にシフトさせる。

Ｓ１０６では、液晶ドライバ１７を制御し、液晶素子１４に対する印加電圧Ｖｐｐを０とする。

Ｓ１０７では、レーザドライバ４から半導体レーザへの電流を印加し、レーザ光源５から発光させる。これにより当該画像信号の投射表示が行われる。
以後、前記Ｓ１０１へ戻り、次の画像信号について同様の処理を繰り返す。

このように本実施例のレーザ投射表示装置は、液晶素子をレーザ光の減衰素子として用いることで、レーザ光源の動作が不安定となる非線形領域を回避して動作させる構成とした。これにより、極めて広範囲の明るさで安定した調光動作が可能となる。その際、レーザ光の減衰素子として非メカニカル部品である液晶素子を採用しているので、信頼性が高いレーザ投射表示装置が実現できる。

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、
５ａ，５ｂ，５ｃ…半導体レーザ（ＬＤ）、
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１、
１１…照度センサ、
１２…ＣＰＵ、
１３…表示画像、
１４…液晶素子、
１５…光センサ２、
１６ａ…ミラー、
１６ｂ…ガラス板、
１７…液晶ドライバ。

Claims (5)

1. 画像信号に応じたレーザ光を投射して前記画像信号に応じた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、
   前記レーザ光源を前記画像信号に応じたレベルでレーザ光を発生するよう駆動するレーザドライバと、
   前記レーザ光源が発生したレーザ光を前記画像信号に係る同期信号に応じて走査して投射する走査部と、
   前記レーザ光源が発生したレーザ光を所定の透過率で通過させる液晶素子と、
   前記液晶素子に電圧を印加して前記透過率を変化させる液晶ドライバと、
   前記画像信号を生成し、前記レーザドライバと前記液晶ドライバを制御する画像処理部と、を備え、
   前記画像処理部は、前記レーザ光源が発生するレーザ光の光量が該レーザ光源が非線形領域で動作する場合のものであるときには、前記レーザドライバに対し、前記レーザ光源の駆動レベルを所定量Ｇだけ増加させて前記非線形領域以外の領域にシフトさせるとともに、前記液晶ドライバに対し、前記液晶素子の透過率を所定量１／Ｇだけ減衰させるよう制御する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、
   前記レーザ光源は半導体レーザであり、
   前記レーザ光源の非線形領域とは、前記半導体レーザの光量が急峻に増加する閾値電流を跨いだ領域である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、
   前記レーザ光の前記液晶素子に対する入射側及び出射側の強度をそれぞれ検出する第１の光センサ及び第２の光センサを備え、
   前記画像処理部は、前記第１の光センサと前記第２の光センサの出力差により前記液晶素子の透過率を算出し、前記液晶ドライバを制御することを特徴とするレーザ投射表示装置。
4. 請求項１に記載のレーザ投射表示装置において、
   前記液晶素子は、前記レーザ光の前記走査部に対する入射側に配置したことを特徴とするレーザ投射表示装置。
5. 請求項１に記載のレーザ投射表示装置において、
   前記液晶素子は、前記レーザ光の前記走査部に対する出射側に配置したことを特徴とするレーザ投射表示装置。

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