JP5956949B2 - 画像表示装置 - Google Patents

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。
しかしながら、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。半導体レーザの温度変化を補う方法が特許文献２に開示されている。

特開２００６−３４３３９７号公報 特開２００９−１５１２５号公報

しかしながら、特許文献２に開示される技術では、投射プロジェクタのような画像表示装置は考慮しておらず、白バランスを調整できないという問題がある。
また、半導体レーザは温度により順方向電流特性だけでなく、発生するレーザ光の波長も変化するため、たとえ温度変化によらず光量を一定にできたとしても、白バランスがずれる可能性がある。
本発明は、温度変化による白バランスの変化を低減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、前記光を発生する多原色の半導体レーザ光源と、当該半導体レーザ光源を駆動して前記光の光量を制御する光源駆動部と、前記半導体レーザ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、当該の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て制御し、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、前記半導体レーザ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、前記半導体レーザ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半導体レーザ光源を駆動する電流値における、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、前記電流値において前記半導体レーザ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し、前記半導体レーザ光源は赤色光源、緑色光源及び青色光源を含み、前記画像処理部は、前記温度センサが測定した前記赤色光源の温度が上昇した場合には前記赤色光源の電流増幅率を上げ、前記緑色光源の温度が上昇した場合には前記緑色光源の電流増幅率を下げ、青色光源の温度が上昇した場合には前記青色光源の電流増幅率を下げるよう、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、温度変化による白バランスの変化を低減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。 本実施例における比視感度と温度の特性を示した特性図である。 本実施例における温度ゲインと温度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で構成される。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を用い、画像信号のＲＧＢ毎に変調が行われ、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は特定の波長を反射しそれ以外の波長を透過するような特殊な光学素子が用いられており、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である。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%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%が反射して光センサ9に入射させることができる。光センサ9は入射される各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レーザ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）の特性を示し、これが温度により変化することを示す。

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L1、電流I2の時は光量がL2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L1’、電流I2の時は光量がL2’となり、同じ電流を流しても、光量が下がる。

さらにＲＧＢで閾値電流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、まず温度条件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点より直線を近似し、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、T2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の順方向電流特性がT1に比べIthが小さくなり、かつ傾きであるηが大きくなる傾向があり、(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をまず画質補正部20により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が行われる。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は単なる分配機能であればよいが、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必要がある。

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,P2における光量である基準光の光量を示す信号を、映像信号の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生成回路である。ここで基準光の光量を示す信号は、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。
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垂直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、基準光の光量を示す信号を重畳するポイントP1,P2は有効表示期間内ではなく、垂直帰線期間にある。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。また垂直帰線期間に重畳する場合でも、図５のように、垂直帰線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ることで、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、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、光センサ9で測定された前記P1,P2における光量、及び温度センサ10で測定されたレーザ光源5の温度に基づいて、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。なお、基準信号を重畳する期間は光センサ9が応答時間、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。

次に温度によるレーザ波長変動の補正方法を説明する。
図６は、本実施例における比視感度と温度の特性を示した特性図である。
比視感度とは、人の目が光の各波長の明るさを感じる強さを数値で表したもので、国際照明委員会（CIE：Commission Internationale de l’Eclairage）にて規格化されている。波長が555nm付近の光を最も強く感じ、その強さを "1" として、他の波長の明るさを感じる度合いをその比となるよう、1以下の数で表しており、その分布はガウス分布に似た特性となっている。例えばGreenの波長を515nmとすると、その比視感度は0.6082、Redの波長を635nmとすると、その比視感度は0.217、Blueの波長を455nmとすると、その比視感度は0.048と定められている。

一方で、レーザ光源はその温度により発生するレーザ光の波長が変動する特性を持つ。一般的にはRedの変動が最も大きく、およそ0.2nm/℃とされる。GreenとBlueはそこまでではないものの、変動は生じる。また何れの色も、高温になると、長波長側へシフトし、逆に低温になると短波長側へシフトする。即ちレーザの動作温度範囲を0℃から50℃とした際は、Redの場合、0℃の630nmから50℃の640nmまで波長が変動する。GreenとBlueの変動をその半分程度とすると、Greenは0℃の513nmから50℃の517nmまで、Blueは0℃の453nmから50℃の457nmまで波長が変動する。

よって、Redの場合、比視感度は0℃の0.265(図６のR3)から50℃の0.175(図６のR2)まで変動し、中心の0.217(図６のR1)に対し、約20％も明るさが変動することになる。同様にGreenの場合、比視感度は0℃の0.5658から50℃の0.6501まで変動し、中心の0.6082に対し、約7％の変動、Blueの場合、比視感度は0℃の0.0437から50℃の0.0527まで変動し、中心の0.048に対し、約10％の変動がある。
上記の変動は波長の変動であって、光量の変動ではないため、光センサ9でその変化を検出することはできない。即ち、フォトダイオードなどの光センサ9の出力は、多少波長依存性はあるものの、10nm程度の波長変動では大きく変化しない。またその波長依存性は比視感度分布特性とは全く異なるため、光センサ9の出力を用いて波長変動による白バランスのばらつきを抑える制御は行えない。

そこで、温度センサ10にてレーザ光源5の温度を検出し、その温度にしたがって各レーザに補正係数を掛ける構成とした。
図７は、本実施例における温度ゲインと温度の特性を示した特性図であり、比視感度の温度特性を示した図でもある。その説明図で、例えばRedの場合、0℃では波長変動で20%輝度が上昇するため、その逆補正を行うため、レーザドライバ4のゲイン回路41にて20％減の係数0.8を乗算する。逆に50℃では20%輝度が減少するため、その逆補正を行うため、レーザドライバ4のゲイン回路41にて20％増の係数1.2を乗算する。その間は常温の25℃の係数1を中心軸とした直線補間とすることで、図７のような補正係数直線を元にRedのレーザをレーザドライバ4のゲイン回路41にて制御する。GreenとBlueも同様に、Greenは±7％の補正係数直線、Blueは±10％の補正係数直線を元にGreenとBlueのレーザをレーザドライバ4のゲイン回路41にて制御する。

また、GreenとBlueのレーザに関しては、Redとは逆側の比視感度の傾きであり、0℃では輝度が減少、50℃では輝度が上昇する特性となるため、図７のように補正係数直線の傾きはRedとは異なり、負の傾きになる。
但し、図７の補正係数直線の傾きは一例であり、温度による波長変動量は同一色であっても、レーザの個体差、材料、構造等により異なるため、レーザ毎に個別に特性を取得し、その補正係数直線を算出して不揮発メモリ3へ保存する必要がある。
なお、レーザ波長変動の補正係数と図２で説明したスロープ効率の変動値（Ｌ１×｜１／η’−１／η｜、Ｌ２×｜１／η’-1/η|）が両方とも存在する場合は、互いの係数を乗算し、その結果をレーザドライバ4のゲイン回路41へ設定すればよい。

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。

Claims (3)

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、
   前記光を発生する多原色の半導体レーザ光源と、
   当該半導体レーザ光源を駆動して前記光の光量を制御する光源駆動部と、
   前記半導体レーザ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、
   当該の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て制御し、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、
   前記半導体レーザ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、
   前記半導体レーザ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半導体レーザ光源を駆動する電流値における、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、
   前記電流値において前記半導体レーザ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し、
   前記半導体レーザ光源は赤色光源、緑色光源及び青色光源を含み、
   前記画像処理部は、前記温度センサが測定した前記赤色光源の温度が上昇した場合には前記赤色光源の電流増幅率を上げ、前記緑色光源の温度が上昇した場合には前記緑色光源の電流増幅率を下げ、青色光源の温度が上昇した場合には前記青色光源の電流増幅率を下げるよう、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. 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、
   前記光を発生する多原色の半導体レーザ光源と、
   当該半導体レーザ光源を駆動して前記光の光量を制御する光源駆動部と、
   前記半導体レーザ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、
   当該の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て制御し、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、
   前記半導体レーザ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、
   前記半導体レーザ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半導体レーザ光源を駆動する２箇所の電流値における、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２箇所の電流値において前記半導体レーザ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２箇所の電流値を増減させて前記光源駆動部を制御し、
   前記半導体レーザ光源は赤色光源、緑色光源及び青色光源を含み、
   前記画像処理部は、前記温度センサが測定した前記赤色光源の温度が上昇した場合には前記赤色光源の電流増幅率を上げ、前記緑色光源の温度が上昇した場合には前記緑色光源の電流増幅率を下げ、青色光源の温度が上昇した場合には前記青色光源の電流増幅率を下げるよう、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。
3. 請求項２に記載の画像表示装置において、前記電流増幅率は光源温度に対する一次関数を用いて設定されることを特徴とする画像表示装置。

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