JP6024331B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、色成分の異なる複数のレーザ光を合成してカラー画像を投影する画像表示装置に関する。

例えばレーザプロジェクタに代表されるように、赤成分（Ｒ）、緑成分（Ｇ）、青成分（Ｂ）のレーザ光を合成して投影面に投影することにより、投影面上にカラー画像を表示する各種の画像表示装置が実用化されている。
このような画像表示装置では、高い色再現性をもってカラー画像を投影表示するために、Ｒ、Ｇ、Ｂの各レーザ光を合成した光線のホワイトバランスをとる必要がある。

ここで、各色のレーザ光源として用いられるレーザダイオード（ＬＤ）は、駆動電流が閾値電流以上となった場合にレーザ光の出力が開始され、その後は駆動電流の増加に伴って光出力（レーザ光の光量）も増加していくという特性を有する。このように、ＬＤは駆動電流の供給量によって光出力が変動する発光素子であるが、光出力が変動する他の要因として、温度変化がある。これは、ＬＤの閾値電流が温度によって変化するためであり、ＬＤ自身の発熱によって閾値電流が変化して光出力が変動してしまう。これは、ホワイトバランスを崩す原因となる。

駆動電流と閾値電流と光出力の関係について、図７を参照して説明する。
図７（ａ）では、当初は駆動電流が閾値電流未満（例えばゼロ）であり、その後の期間Ｔａにおいて、閾値電流以上の一定量の駆動電流が継続的に供給され、その後の期間Ｔｂにおいて、期間Ｔａの駆動電流より低く且つ閾値電流以上の一定量の駆動電流が継続的に供給されている。このようなパターンの駆動電流をＬＤに供給すると、図７（ｂ）及び（ｃ）に示すように、期間Ｔａでは、ＬＤの閾値電流が時間経過とともに上昇していき、これに連れて光出力が次第に低下してしまい、目標に満たない光出力で安定することになる。また、その後の期間Ｔｂでは、ＬＤの閾値電流が時間経過とともに低下していき、これに連れて光出力が次第に増加するが、期間Ｔａと同様に、目標に満たない光出力で安定することになる。

このような光出力の変動を抑制する技術として、ＡＰＣ（Auto Power Control）がある。ＡＰＣでは、例えば、ＬＤからの光出力（レーザ光の光量）を検出して目標値と比較し、検出値が目標値に近づくように駆動電流の供給量を制御することで、光出力の変動の抑制を図る。

ここで、特許文献１には、光源のオン・オフ時の光出力変動特性を測定し、測定結果から減衰率、回復率を求め、ｍ＋１画素目の画像濃度データ及びｍ画素目までの累積データからｍ＋１画素目の補正データを決定する技術が記載されている。
この技術では、減衰率が収束することは考慮されていない。

また、特許文献２には、光強度の時間変化特性を測定し、変調信号が入力される時点での光強度の変化量を打ち消すように電流を補正する技術が記載されている。
この技術では、出力が低下することにのみ対応しており、出力が回復することは考慮されていない。

また、特許文献３には、ラインの前後で光出力変動を検出し、一定以上であれば電流を重畳し、一定以下であれば電流を重畳しないようにする技術が記載されている。
この技術では、画像データの変動に対しても一定電流で動作させた場合と同様の出力変動であるものとして処理している。

特開平９−５８０４８号公報 特開昭５９−１６３９５０号公報 特開２００２−２５４６９７号公報

例えば、水平方向（Ｘ）の１ラインを走査する毎にＡＰＣを実施すると、ユーザにとって不要な光を頻繁に発することになる。また、例えば、不要な光を極力抑えるためにフレーム周期毎にＡＰＣを実施すると、ＬＤからの光出力をオフにするブランキング期間を伴うので、ブランキング期間後の光出力が増加することを考慮する必要がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みて為されたものであり、画像形成装置において、レーザ光源からの光出力の変動を効果的に抑制して、ホワイトバランスの維持を図ることが可能な技術を提案することを目的とする。

本発明は、それぞれ異なる色成分のレーザ光を出力する複数のレーザ光源部と、前記複数の色成分のレーザ光を合成する光学部と、前記レーザ光源部の出力を制御する制御部と、を備えた画像表示装置において、前記レーザ光源部の閾値電流の変動を推定し、当該推定した閾値電流の変動に基づいて駆動電流を補正する駆動電流補正部を備えた。
すなわち、レーザ光源部の閾値電流の変動を推定し、これを反映した駆動電流の補正を行うことで、光出力の変動を効果的に抑制するようにした。

ここで、レーザ光源部の閾値電流の変動は種々の手法により推定することができるが、例えば、単位時間あたりの閾値電流の変化量（差分）を算出して総和する手法を用いれば、閾値電流の変動を精度よく推定することができ、光出力の変動の抑制に効果的である。
また、閾値電流の初期値として、例えば、１フレームの投影開始位置における閾値電流を用いるようにすれば、レーザ出力を停止するブランキング期間を経るため、閾値電流の推定誤差をフレーム単位で初期化することができる。

また、上記の画像表示装置に、所定の測定パターンを成す駆動電流で前記レーザ光源を動作させた場合における前記レーザ光源の出力変動を測定して、閾値電流の変動の推定に用いる変動特性を算出する変動特性算出部を備え、前記測定パターンに、駆動電流を増加させるパターンと、駆動電流を減少させるパターンを含めるようにすれば、光出力の低下と光出力の回復の両方に対応して駆動電流の補正を行うことができる。

ここで、本発明を構成する駆動電流補正部や変動特性算出部の機能は、電子部品を用いた回路構成とすることができるほか、コンピュータハードウェアとソフトウェアを用いて、ソフトウェアをコンピュータハードウェアが実行することで構成される機能モジュールとして構成することもできる。

本発明によれば、画像形成装置において、温度変化によりレーザ光源の閾値電流が変化する場合でも、レーザ光源からの光出力の変動を効果的に抑制することができ、ホワイトバランスの維持を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る画像表示装置の要部の構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る画像表示装置のレーザ制御部の内部及び関連する機能部の構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る画像表示装置における変動特性の算出手順を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る画像表示装置における変動特性を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る画像表示装置における補正閾値電流の算出フローの例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る画像表示装置における駆動電流補正の手順を説明する図である。 駆動電流と閾値電流と光出力の関係を説明する図である。

本発明は、複数のレーザ光源部から出力された異なる色成分のレーザ光を合成してカラー画像を表示する種々な画像表示装置に適用できるものであるが、以下では、本発明を適用した具体例として、レーザプロジェクタを例に説明する。このレーザプロジェクタは、赤成分（Ｒ）、緑成分（Ｇ）、青成分（Ｂ）の３つの色成分のレーザ光を合成し、この合成光を走査ミラーにより走査することで投影面にカラー画像を投影表示するものである。

図１には、レーザプロジェクタ１の要部の構成例を示してある。本例のレーザプロジェクタ１は、レーザ光源２ａ〜２ｃと、各種の光学素子３〜５と、走査ミラー６と、各種の駆動・制御ユニット７〜１２を主体に構成されている。
レーザプロジェクタ１は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分のレーザ光を合成した上で、スクリーンや壁などの投影面Ａに投影することによって、入力映像信号に応じたカラー画像を投影面Ａ上に表示する。

それぞれのレーザ光源２ａ〜２ｃは、互いに色成分の異なるレーザ光を出力するレーザダイオード（ＬＤ）であり、レーザドライバ１１から個別に供給される駆動電流によって互いに独立して駆動されて単色成分のレーザ光を出力する。これによって、レーザ光源２ａからは青成分（Ｂ）、レーザ光源２ｂからは緑成分（Ｇ）、レーザ光源２ｃからは赤成分（Ｒ）といったように、特定の波長の単色成分レーザ光が出射される。

ダイクロイックミラー３，４は、特定波長のレーザ光のみを透過し、それ以外を反射することによって、レーザ光源２ａ〜２ｃから出射された各色成分のレーザ光を合成する。具体的には、レーザ光源２ａ，２ｂから出射された青成分及び緑成分のレーザ光は、光路上流側のダイクロイックミラー３において合成された上で、光路下流側のダイクロイックミラー４に出射される。この出射された合成光は、ダイクロイックミラー４においてレーザ光源２ｃから出射された赤成分のレーザ光と更に合成され、目標となる最終的なカラー合成光として出射される。
ダイクロイックミラー３，４は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分のレーザ光を合成する光学部を形成しており、この合成されたカラー光はレンズ５を介して走査ミラー６に入射される。

走査ミラー６は、走査ミラー制御部８から駆動信号が入力される走査ミラードライバ７によって水平方向（Ｘ）及び垂直方向（Ｙ）で走査変位され、自己に入射したカラー光を自己の振れ角に応じて反射して投影面Ａ上に投射する。本例では、走査ミラー６として、小型化、低消費電力化、処理の高速化などで有利なＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）型の走査ミラーを用いている。

映像処理部９は、パーソナルコンピュータ等の外部から入力された映像信号に基づいて、所定の時間間隔で映像データをレーザ制御部１０に送信し、これにより、レーザ制御部１０は所定の走査位置における画素情報を得る。
レーザ制御部１０は、画像情報に基づいて投影範囲に複数の画素からなる映像を投影するために、駆動電流波形信号によりレーザドライバ１１を制御する。レーザ制御部１０による制御の詳細については後述する。

レーザドライバ１１は、上記のレーザ制御部１０による制御に基づいて、各レーザ光源２ａ〜２ｃを駆動して各色成分のレーザ光を出力させる。
各レーザ光源２ａ〜２ｃを構成するレーザダイオード（ＬＤ）は、レーザドライバ１１から閾値電流以上の駆動電流が供給された場合にレーザ光を出力し、駆動電流が増加するに従って光量の大きいレーザ光を出力する。また、各レーザ光源２ａ〜２ｃは、閾値電流未満の電流が供給された場合には、レーザ光の出力を停止する。

図２には、レーザ制御部１０の内部及び関連する機能部の構成例を示してある。
本例のレーザ制御部１０は、電流変換部２１、出力選択部２２、加算部２３、閾値電流補正部２４、変動特性算出部２７、Ｉ−Ｌ特性算出部２８を有する。また、本例のレーザプロジェクタ１には、レーザ光源２（２ａ〜２ｃ）からの光出力を検出してレーザ制御部１０にフィードバックするために、分岐器２５及び光検出器２６を設けてある。

分岐器２５は、レーザ光源２（２ａ〜２ｃ）から走査ミラー６に至る光路上（例えば、レンズ５と走査ミラー６との間）に設けてあり、レーザ光源２からのレーザ光を分岐して、一方を走査ミラー６へ出射し、他方を光検出器２６へ出射する。本例では、分岐器２５としてプリズムを用いている。
光検出器２６は、分岐器２５によって分岐されたレーザ光の光量（光出力）を検出し、その結果（光出力の検出値）の信号をレーザ制御部１０へフィードバックする。本例では、光検出器２６としてフォトダイオード（ＰＤ）を用いている。

電流変換部２１は、映像処理部９から供給される映像データに基づき、各画素のＲ、Ｇ、Ｂの画素値を、各々の色成分に対応するレーザ光源２に供給する駆動電流に変換して出力する。駆動電流への変換は、レーザ光源２毎（色成分毎）に予め算出されたＩ−Ｌ特性を参照して行なわれる。このＩ−Ｌ特性は、レーザ光源２に供給する駆動電流Ｉと当該レーザ光源２からの光出力（光量）Ｌとの関係を表す。

Ｉ−Ｌ特性算出部２８は、各色成分のレーザ光源２に対して駆動電流を所定の測定パターンに従って供給していき、その際の光検出器２６による検出結果と駆動電流の供給量とを比較することで、電流変換に用いるＩ−Ｌ特性を各色成分のレーザ光源２毎に算出して電流変換部２１へ出力する。本例のＩ−Ｌ特性算出部２８では、画像表示に影響が無いように、画像表示の期間外（例えば、走査ミラー６による走査位置が画像領域外となる期間）にＩ−Ｌ特性の算出を行う。

変動特性算出部２７は、各色成分のレーザ光源２に対して駆動電流を所定の測定パターンに従って供給していき、その際の光検出器２６による検出結果と駆動電流の供給量とに基づいて、電流補正に用いる変動特性を各色成分のレーザ光源２毎に算出して閾値電流補正部２４へ出力する。なお、変動特性の算出手順の詳細については後述する。本例の変動特性算出部２７では、画像表示に影響が無いように、画像表示の期間外（例えば、走査ミラー６による走査位置が画像領域外となる期間）に変動特性の算出を行う。

出力選択部２２は、電流変換部２１から出力される駆動電流（映像データを変換した電流）、変動特性算出部２７から出力される駆動電流（変動特性算出用の測定パターンを成す電流）、Ｉ−Ｌ特性算出部２８から出力される駆動電流（Ｉ−Ｌ特性算出用の測定パターンを成す電流）のいずれかを選択的に出力する。出力選択部２２による出力選択は、映像処理部９（或いは他の制御部）から入力される出力選択信号に基づいて行なわれる。

閾値電流補正部２４は、後述するように、レーザ光源２毎（色成分毎）に予め算出された変動特性を用いて各レーザ光源２の閾値電流の変動を推定し、当該推定した閾値電流の変動に基づいて補正電流差分を算出し、当該算出した補正電流差分を加算部２３へ出力する。
加算部２３は、電流変換部２１から出力選択部２２を介して出力される駆動電流に、閾値電流補正部２４から出力される補正閾値電流を加算し、その結果である補正後駆動電流をレーザドライバ１１へ出力する。

変動特性算出部２７による変動特性の算出手順について説明する。
変動特性算出部２７は、まず、所定の測定パターンを成す駆動電流でレーザ光源２を動作させ、その際に光検出器２６で検出される光出力の変動状態を測定する。
具体的には、例えば、図３（ａ）に示すようなパターンの駆動電流でレーザ光源２を動作させる。すなわち、駆動電流を閾値電流未満のＩ０（０ｍＡでもよい）から閾値電流以上のＩ１に上げて一定時間供給し、その後、駆動電流をＩ１から閾値電流以上のＩ２に下げて一定時間供給する。ここで、Ｉ１の閾値電流を供給する期間をＴａとし、Ｉ２の閾値電流を供給する期間をＴｂとする。なお、期間Ｔａ及び期間Ｔｂの長さである時間ｔは、光出力変動が一定の範囲内に収束するのに要する時間とし、１ラインの投影時間を最大とする。この結果、図３（ｂ）に示すような光出力が光検出器２６にて検出される。すなわち、駆動電流をＩ０からＩ１に上げた期間Ｔａでは、光出力が次第に低下する状態が測定され、駆動電流をＩ１からＩ２に下げた期間Ｔｂでは、光出力が次第に回復する状態が測定される。

その後、変動特性算出部２７は、光検出器２６による測定結果をレーザ光源２のＩ−Ｌ特性に基づいて閾値電流の変動関数に変換する。この結果、図３（ｃ）に示すような閾値電流の変動関数が得られる。すなわち、駆動電流をＩ０からＩ１に上げた期間Ｔａでは、閾値電流が次第に増加する様子を示す増加曲線となり、駆動電流をＩ１からＩ２に下げた期間Ｔｂでは、閾値電流が次第に減少する様子を示す減少曲線となる。

ここで、期間Ｔａの開始時点の閾値電流と期間Ｔａの終了時点の閾値電流との差分をＩｍａｘとする。そして、駆動電流の差分（Ｉ１−Ｉ０）と閾値電流の変動（Ｉｍａｘ）との関係をグラフ化すると、図４（ａ）に示すような定常電流特性が得られる。この定常電流特性は、駆動電流を増加させてから、光出力の変化率が一定の範囲内に収束するまでに変動する閾値電流を表す。

また、電流補正の単位となる所定長の時間Ｔについて、期間Ｔａの開始時点の閾値電流と期間Ｔａの開始から時間Ｔが経過した時点の閾値電流との差分をＩａｄｄとする。そして、駆動電流の差分（Ｉ１−Ｉ０）と閾値電流の変動（Ｉａｄｄ）との関係をグラフ化すると、図４（ａ）に示すような増加特性が得られる。この増加特性は、駆動電流の増加幅に対する時間Ｔ後の閾値電流の変化量を表す。

また、電流補正の単位となる所定長の時間Ｔについて、期間Ｔｂの開始時点の閾値電流と期間Ｔｂの開始から時間Ｔが経過した時点の閾値電流との差分をＩｓｕｂとする。そして、駆動電流の差分（Ｉ２−Ｉ１）と閾値電流の変動（Ｉｓｕｂ）との関係をグラフ化すると、図４（ａ）に示すような減少特性が得られる。この減少特性は、駆動電流の減少幅に対する時間Ｔ後の閾値電流の変化量を表す。
変動特性算出部２７は、上記のようにして算出される定常電流特性、増加特性及び減少特性を、変動特性として閾値電流補正部２４へ出力する。

図５には、駆動電流に加算する補正閾値電流の算出フローの例を示してある。
駆動電流補正に際して駆動電流に加算される補正閾値電流は、閾値電流補正部２４により、以下の手順で求められる。
閾値電流補正部２４は、まず、レーザ光源２に供給される駆動電流の一部を取り込み、時間Ｔに相当する数クロック分（数画素分）の駆動電流を平均して平均駆動電流を算出する（ステップＳ１）。ここで取り込む駆動電流は、前回の補正が反映された駆動電流（前回の補正後駆動電流）である。

次に、平均駆動電流を現状の定常電流（前回の補正が反映された定常電流）と比較して、閾値電流の変化量を表す補正電流差分を算出する（ステップＳ２）。ここで、定常電流とは、光出力変動が発生していない状態（光出力の変化率が一定の範囲内に収束している状態）の駆動電流であり、後述するステップＳ４にて算出される。
次に、補正電流差分を現状の補正閾値電流（前回の補正に用いた補正閾値電流）に加算して、補正閾値電流を更新する（ステップＳ３）。
すなわち、本例の閾値電流補正部２４では、時間Ｔ毎に補正電流差分（閾値電流の変化量）を算出して総和することで、閾値電流の変動を推定している。なお、閾値電流の初期値としては、例えば、１フレームの投影開始位置における閾値電流を用いればよく、これを基準にして補正電流差分を算出して総和することで、閾値電流の変動を推定できる。

この補正閾値電流は、加算部２３によって駆動電流に加算され、その結果である補正後駆動電流がレーザドライバ１１からレーザ光源２に供給される。また、閾値電流補正部２４は、現状の補正閾値電流（今回の補正に用いた補正閾値電流）と定常電流特性から、定常電流を更新する（ステップＳ４）。

補正電流差分の算出（ステップＳ２）について更に説明する。
まず、平均駆動電流（Ｉｄｒｖ）と定常電流（Ｉｓｔｄ）とを比較する（ステップＳ２１）。
そして、平均駆動電流の方が定常電流より大きいと判定された場合（Ｉｓｔｄ＜Ｉｄｒｖの場合）は、レーザ光源２はより加熱されたことになるため、定常電流Ｉｓｔｄと平均駆動電流Ｉｄｒｖとの差分に対する閾値電流の増加分（補正電流差分）を増加特性から算出する（ステップＳ２２）。

一方、平均駆動電流の方が定常電流より小さいと判定された場合（Ｉｓｔｄ＞Ｉｄｒｖの場合）は、レーザ光源２は冷却された（光出力が回復する）ことになるため、定常電流Ｉｓｔｄと平均駆動電流Ｉｄｒｖとの差分に対する閾値電流の減少分（補正電流差分）を減少特性から算出する（ステップＳ２３）。
なお、平均駆動電流と定常電流とが一致する場合（Ｉｓｔｄ＝Ｉｄｒｖの場合）は、光出力の変動が一定の範囲内に収まるため、駆動電流を補正する必要はない。すなわち、補正電流差分はゼロとなる。

図６には、駆動電流補正の様子を示してある。（ａ）は映像データの時間変化を表し、（ｂ）は光出力の時間変化を表し、（ｃ）は定常電流の時間変化を表し、（ｄ）は駆動電流の時間変化を表し、（ｅ）は補正電流差分の時間変化を表している。
すなわち、本例では、駆動電流と定常電流との関係から補正電流差分を算出し（ステップＳ２）、当該算出した補正電流差分をこれまでの補正電流差分の総和に加算して補正閾値電流を算出（閾値電流の変動を推定）し（ステップＳ３）、当該算出した補正閾値電流を用いて駆動電流を補正し、また、当該算出した補正閾値電流から次回の補正に用いる定常電流を算出するようにした（ステップＳ４）。
これにより、図６（ｂ）に示すように、光出力の変動を効果的に抑制することができ、良好なホワイトバランスを維持することが可能となる。

１：レーザプロジェクタ、 ２，２ａ〜２ｃ：レーザ光源、 ３，４：ダイクロイックミラー、 ５：レンズ、 ６：走査ミラー、 ７：走査ミラードライバ、 ８：走査ミラー制御部、 ９：映像処理部、 １０：レーザ制御部、 １１：レーザドライバ、 ２１：電流変換部、 ２２：出力選択部、 ２３：加算部、 ２４：閾値電流補正部、 ２５：分岐部、 ２６：光検出器、 ２７：変動特性算出部、 ２８：Ｉ−Ｌ特性算出部。

Claims (8)

1. それぞれ異なる色成分のレーザ光を出力する複数のレーザ光源部と、前記複数の色成分のレーザ光を合成する光学部と、前記レーザ光源部の出力を制御する制御部と、を備えた画像表示装置において、
   前記レーザ光源部の閾値電流の変動を推定し、当該推定した閾値電流の変動に基づいて前記レーザ光源部に供給する駆動電流を補正する駆動電流補正部を備え、
   前記駆動電流補正部は、単位時間あたりの閾値電流の変化量を算出して総和することで、閾値電流の変動を推定する、
   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、
   前記駆動電流補正部は、閾値電流の初期値として、１フレームの投影開始位置における閾値電流を用いる、
   ことを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の画像表示装置において、
   所定の測定パターンを成す駆動電流で前記レーザ光源を動作させた場合における前記レーザ光源の出力変動を測定して、閾値電流の変動の推定に用いる変動特性を算出する変動特性算出部を備え、
   前記測定パターンは、駆動電流を増加させるパターンと、駆動電流を減少させるパターンを含む、
   ことを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項３に記載の画像表示装置において、
   前記変動特性算出部は、レーザ光の走査位置が画像領域外となる期間に前記変動特性を算出する、
   ことを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項３に記載の画像表示装置において、
   前記変動特性算出部は、前記変動特性として、駆動電流の増加幅に対する単位時間経過後の閾値電流の変化量を表す増加特性と、駆動電流の減少幅に対する単位時間経過後の閾値電流の変化量を表す減少特性とを算出し、
   前記駆動電流補正部は、所定長の時間における駆動電流を平均した平均駆動電流と、光出力の変化率が一定の範囲内に収束した状態の駆動電流である定常電流との比較結果に応じて、前記増加特性又は前記減少特性のいずれかを用いて閾値電流の変動を推定する、
   ことを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項５に記載の画像表示装置において、
   平均駆動電流の方が定常電流より大きい場合に、前記増加特性を用いて閾値電流の変動を推定する、
   ことを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項５に記載の画像表示装置において、
   平均駆動電流の方が定常電流より小さい場合に、前記減少特性を用いて閾値電流の変動を推定する、
   ことを特徴とする画像表示装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の画像表示装置において、
   前記レーザ光源部に供給する駆動電流に、単位時間あたりの閾値電流の変化量を総和した補正閾値電流を加算することで、駆動電流の補正を行う、
   ことを特徴とする画像表示装置。

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