JP6024332B2 - 画像表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光を走査ミラーの揺動により水平及び垂直走査して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、レーザ光を投射面に投影することによって、投射面上に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は、レーザ光を垂直及び水平走査して画像をスクリーンなどの投影面に投影する。
画像を投影表示する画像表示装置では、例えば、投影光軸に対して傾いた投影面に画像を投影する場合、本来は矩形の輪郭の画像が台形の輪郭で表示されるといった歪みが生ずる。
このような投影画像の歪みに対して、これを補正する方法が種々考えられている。
特許文献1には、少なくとも映写面の傾きに関する画像の計算による歪み修正を通して得られる関数に従ってビデオ画像の画像ポイントを連続的に照射するための実質的に平行な光束を放射するための変調可能な光源と、光束を二次元で走査するための偏向装置と、光束及びその偏向の輝度変調を制御する制御装置を有する、ビデオ画像を傾いた映写面に表示するための装置が記載されている。
この装置は、線間隔、画像ポイント密度を再計算し、再計算された線間隔及び画像ポイント密度で画像を表示している。
特許文献2には、電子補正ユニットが入力画像データを受信し、あらかじめ歪められた画像データを生成し、画像プロジェクタが前記画像データを電子補正ユニットから受信し、あらかじめ歪められた画像データに対応するあらかじめ歪められた光学画像、または、投影光学歪みによって補償されたあらかじめ歪められた画像を投影し、光学反射アセンブリがあらかじめ歪められた光学画像の光路内に位置し、光学画像を投影スクリーン上に投影するシステムであって、電子補正ユニットは、画像プロジェクタと反射アセンブリ内の鏡に関連する光学歪みおよび幾何学歪みが表示された光学画像内で除去されるように、画像データが表示する画像の幾何形状をあらかじめ歪めるようにエンコードされるシステムが記載されている。
このシステムは、あらかじめ歪めた画像がプロジェクタを介してスクリーンに投影されたときに、光学的歪み及び幾何学的歪みが除去されるようにしている。
特許文献3には、レーザービームを放射するレーザーと、スキャナーと、振幅を有する駆動信号を用いて該第1のスキャンミラーを駆動する駆動回路と、各スキャンラインに対する該駆動信号の該振幅を決定するフィードバック回路と、画像の歪みを補正するコントローラとを備え、画像の各スキャンラインを形成するレーザービームを掃引するために用いられる駆動信号の振幅を調整することによって、投影された画像の複数のスキャンラインを、全て同一の長さにし、画像投影システムにおける画像の歪みを補正する装置が記載されている。
この装置は、スキャンラインの長さを調整することにより画像歪みを補正している。
特表2000−509522号公報 特開2006−350370号公報 特表2008−547054号公報
投影画像の歪みに対して、画像データを加工することで投影される画像を逆に歪ませることで投影画像の歪みを補正するなどの方法が提案されているが、従来では、画像データの補正演算処理の負担が増加するなどといった不具合があった。
本発明は、上記従来の事情に鑑みなされたものであり、走査動作を制御することにより、投影画像の歪みを簡易な方法で補正することを目的としている。
本発明は、レーザ光を走査ミラーの揺動により垂直走査及び水平走査して画像を投影する画像表示装置であって、投影画像の上側と下側との長さが相違する歪みに対して、当該短くなる側の走査ミラーの水平走査振れ幅を当該長くなる側に比べて相対的に大きくする走査制御部を備えた。
したがって、走査ミラーの水平走査振れ幅を制御することで、投影画像の短くなる側を長くなる側に比べて長くする、投影画像の長くなる側を短くなる側に比べて短くする、これらを組み合わせるなどといった方法で、投影画像の歪みを補正することができる。
また、本発明では、前記走査制御部は、画像の上側から下側への垂直走査と、画像の下側から上側への垂直走査とに切り替えて、前記走査ミラーを動作させる態様を採用することができる。
したがって、水平走査の制御に応じて、垂直走査をそれに適した方向とすることができる。
また、本発明では、前記走査制御部は、前記走査ミラーの水平走査振れ幅が相対的に小さくなる側から大きくなる側へ、当該走査ミラーを垂直走査させる態様を採用することができる。
例えばMEMS(Micro Electro Mechanical System)型などの走査ミラーでは、デバイスの印加電圧/電流の上限や、ドライバゲインの制限などにより、一般的に振れ幅を大きくするより小さくする方がレスポンスが良い特性を有するが、画像フレーム走査のブランキング期間において走査ミラーの水平走査振れ幅をレスポンス良く制御することができる。
また、本発明では、投影画像の映像データの転送順を垂直走査方向に応じて変更する映像処理部を備えた態様とすることができる。
本発明は、画像表示装置など種々な装置に用いられて、垂直走査及び水平走査により画像を表示する走査装置であって、画像の上側と下側との長さが相違する歪みに対して、当該短くなる側の水平走査ラインの幅を当該長くなる側に比べて相対的に長くする走査制御部を備えた。
ここで、本発明では、走査ミラーとして種々な形式の走査ミラー装置を用いることができるが、小型化、低消費電力化、処理の高速化などで有利なMEMS型の走査ミラーを用いるのが好ましい。
また、本発明を構成する走査制御部、映像処理部などの機能部は、電子部品を用いた回路構成とすることができる他、コンピュータハードウエアとソフトウエアを用いて、ソフトウエアをコンピュータハードウエ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ができる。
本発明によると、走査動作を制御することにより、投影画像の歪みを簡易な方法で補正することができる。
本発明の一実施形態に係る画像表示装置の要部の構成図である。 本発明の一実施形態に係るMEMSミラーを示す図である。 本発明の一実施形態に係る投影画像の補正を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る投影画像の補正を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る投影画像の補正を説明する概念図である。 本発明の一実施形態に係るMEMS走査ミラーのレスポンスを説明する図である。 本発明の一実施形態に係る投影画像の補正処理を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る投影画像の補正処理を説明する概念図である。
本発明は、垂直走査及び水平走査により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、特に走査駆動される走査ミラーを備えた画像表示装置に適用して好適である。本発明の一実施形態に係る画像表示装置として、MEMSミラーを備えたレーザプロジェクタの一構成例を図1及び図2を参照して説明する。
なお、MEMSミラーは、駆動電流波形信号に応じてレーザ光を反射するミラーがX軸方向及びY軸方向(水平走査方向及び垂直走査方向)へ走査駆動される装置である。
図1にその要部を示す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、MEMS走査ミラー6と、各種の駆動・制御ユニット7〜11を主体に構成されている。
レーザプロジェクタ1は、レーザ発光部であるB、G、Rの各レーザ光源2a〜2cが発光した青、緑、赤の各色成分のレーザ光を、光学素子3〜5による光学部で合成した上で、スクリーンや壁などの投射面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射面A上に表示する。
それぞれのレーザ光源2a〜2cは、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およ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光として出射される。この出射されたカラー光は、レンズ5を介してMEMS走査ミラー6に入射される。
MEMS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によって駆動走査されて、自己に入射したカラー光を、ミラー面の振れ角(振れ幅)に応じて反射して投射面A上に投射する。この走査ミラー6は、投射面Aの水平走査方向(X)および垂直走査方向(Y)に対応した二次元的な自由度を有しており、その二次元的な変位に対応した線順次走査によって、投射面A上にカラー画像を投影する。この線順次走査は、投射面A上におけるある水平走査ラインで一方向にレーザスポットpを進め、次の水平走査ラインで逆方向にレーザスポットpを戻すことの繰り返しによって、1画像フレーム内で連続して行われる。
本例のレーザプロジェクタ1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、カラー光を走査ミラー6により垂直走査及び水平走査して、スクリーンAにカラー画像を投影表示するものであり、その基本的な画像投影処理は次のようにしてなされる。
映像処理部9は、入力映像信号(映像信号及び同期信号等)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に転送し、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。この映像データ転送処理では、映像処理部9は、走査ミラー制御部8から水平/垂直同期信号(HSNC、VSNC)として入力される水平走査位置及び垂直走査位置の情報に応じた順序で、映像データをレーザ制御部10に転送する。
レーザ制御部10は、映像データの画素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。
本例では、発光されたレーザ光を検出するためにダイクロイックミラー4で反射された合成光を検出する光検出器12が設けられており、光検出器12はレーザ制御部10に接続されて、検出したレーザ光の光量(階調)をレーザ制御部10に出力する。レーザ制御部10は、光検出器12から入力された光量に基づいて、走査位置における画素情報と比較して正しい階調か否かを判断するとともに、正しい階調でない場合には、正しい階調になるように各レーザ光源2a〜2cの出力を調整する。
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を駆動して発光させる。
各レーザ光源2a〜2cは、レーザドライバ11から発振しきい値電流以上の電流が供給された場合にレーザ光を発光出力し、供給される電流値が大きくなるに従って光量(輝度)の大きいレーザ光を出力する。また、各レーザ光源2a〜2cは、発振しきい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。
走査ミラー6は、走査ミラードライバ7により直交する2軸回りに駆動変位され、そのミラー面を所定の振れ角で走査変位可能な小型の振動ミラー素子であり、反射光をX軸方向及びY軸方向(水平及び垂直方向)に走査できる。
走査ミラー制御部8は、水平/垂直同期信号に基づいて、走査ミラードライバ8を駆動信号により制御し、走査ミラー6は、走査ミラー制御部8による制御に基づいて、投影範囲全体にわたってジグザグに水平及び垂直方向で走査変位をして、レンズ5から入射された合成光を反射し、これによって、スクリーンAにカラー画像を投影させる。
走査ミラー制御部8は、走査ミラー6の水平走査方向の振れ角を制御して水平走査ラインの幅を変更し、また、走査ミラーの垂直走査方向を投影画像の上側から下側又は下側から上側に偏向する走査制御部13を有している。本例では、走査制御部13による制御は、ユーザの指示入力14に基づいてなされる。
なお、走査制御部13による制御の詳細は、図3〜図8に基づいて後述する。
図2にはMEMS走査ミラー6の一例を示してあり、矩形枠状の基板6aの内側に、外回転軸6cを介して、矩形枠状の外フレーム6dが揺動自在に取り付けられている。また、この外フレーム6dの内側には、内回転軸6eを介して、矩形状の内フレーム6fが揺動自在に取り付けられており、この内フレーム6fの中央にミラー6bが設けられている。
内外のフレーム6d、6fを介して基板6aに取り付けられたミラー6bの反射方向は、内回転軸6eを軸心とした内フレーム6fの回転量(振れ角)と、内回転軸6eと直交する外回転軸6cを軸心とした外フレーム6dの回転量(振れ角)とに基づいて一義的に特定される。
外フレーム6dには、ミラー6bの周囲を囲むように外コイル6gが配置されており、内フレーム6fには、ミラー6bの周囲を囲むように内コイル6hが配置されている。これらのコイル6g、6hは、互いに電気的に分離された状態で一対の電極6iにそれぞれ接続されており、これらの電極6iを介して、走査ミラードライバ7から駆動波形信号に応じてそれぞれに対する駆動電流の供給が個別に行われる。
また、基板6aの外側には、2セットの永久磁石対6j〜6kが互いに直交して配置されている。一方の永久磁石対6jは、外回転軸6cの軸線方向においてN極とS極とが対向して配置されており、他方の永久磁石対6kは、内回転軸6eの軸線方向においてN極とS極とが対向して配置されている。
ミラー6bの走査を電磁駆動にて行う場合の動作原理は以下の通りである。
まず、電極6iに水平走査用の駆動電流を供給した場合、この駆動電流が流れる内コイル6hと、一方の永久磁石対6jとの間に生じた電磁力によって、ミラー6bが内回転軸6e周りに揺動する。そして、この揺動周期の1/2に相当する1水平走査期間において、レーザ光源2a〜2cから経時的に出射された1水平方向分のレーザ光を順次反射することによって、投射面50上に1水平走査ライン分の画像が投射・表示される。
すなわち、走査ミラー制御部8が走査ミラードライバ7から供給する水平走査用の駆動電流を制御することで、ミラー6bが内回転軸6e周りに揺動する振れ角を変更するにより、水平走査ラインの幅が変更される。
これに対して、電極6iに垂直走査用の駆動電流を供給した場合、この駆動電流が流れる外コイル6gと、他方の永久磁石対6kとの間に生じた電磁力によって、ミラー6bが外回転軸6c周りに揺動する。そして、この揺動周期の1/2に相当する1垂直走査期間において、1水平走査ライン分のレーザ光の反射を水平走査ラインの個数分だけ繰り返すことによって、投射面A上に1フレームの画像が投射・表示される。
すなわち、走査ミラー制御部8が走査ミラードライバ7から供給する垂直走査用の駆動電流を制御することで、ミラー6bが外回転軸6c周りに揺動する開始点を変更して、投影画像の上側から下側への垂直走査と、投影画像の下側から上側への垂直走査とに変更される。
本例では、図3に示すように投影画像が上部拡がりに台形輪郭に歪んでいる場合(投影画像の上側が下側より長い台形に歪んでいる場合)には、次のように画像を補正して長方形や正方形の矩形輪郭の画像が投影されるようにする。
例えば、同図(a)に示すように、水平走査のミラー振れ角を画像の上部で縮め下部で拡げることにより、台形輪郭に歪んでいる画像を矩形輪郭に補正する。
また、例えば、同図(b)に示すように、水平走査のミラー振れ角を画像の上部で縮めることにより、台形輪郭に歪んでいる画像を矩形輪郭に補正する。
また、例えば、同図(c)に示すように、水平走査のミラー振れ角を画像の下部で拡げることにより、台形輪郭に歪んでいる画像を矩形輪郭に補正する。
このような補正は、画像を投影する垂直走査の方向と水平走査のライン幅(水平走査のミラー振れ角)を制御することで行なうことができる。
例えば、図3(d)に示すように、1フレーム走査の時間ととも、垂直走査位置(VPOS)を下げることで画像を上側から下側へ垂直走査し、水平走査のミラー振れ角(H−MEMS走査角)を徐々に大きくして走査ラインを長くすることにより、描画する画像を歪みと逆の台形輪郭として、投影画像を矩形輪郭に補正する。
すなわち、走査制御部13の制御により、投影画像の上側が下側より長い歪みに対して、下部の走査ミラーの水平走査振れ幅を上部に比べて相対的に大きくする。
他方、本例では、図4に示すように投影画像が下部拡がりに台形輪郭に歪んでいる場合(投影画像の下側が上側より長い台形に歪んでいる場合)には、次のように画像を補正して長方形や正方形の矩形輪郭の画像が投影されるようにする。
例えば、同図(a)に示すように、水平走査のミラー振れ角を画像の上部で拡げ下部で縮めることにより、台形輪郭に歪んでいる画像を矩形輪郭に補正する。
また、例えば、同図(b)に示すように、水平走査のミラー振れ角を画像の下部で縮めることにより、台形輪郭に歪んでいる画像を矩形輪郭に補正する。
また、例えば、同図(c)に示すように、水平走査のミラー振れ角を画像の上部で拡げることにより、台形輪郭に歪んでいる画像を矩形輪郭に補正する。
このような補正は、画像を投影する垂直走査の方向と水平走査のライン幅(水平走査のミラー振れ角)を制御することで行なうことができる。
例えば、図4(d)に示すように、1フレーム走査の時間ととも、垂直走査位置(VPOS)を上げることで画像を下側から上側へ垂直走査し、水平走査のミラー振れ角(H−MEMS走査角)を徐々に大きくして走査ラインを長くすることにより、描画する画像を歪みと逆の台形輪郭として、投影画像を矩形輪郭に補正する。
すなわち、走査制御部13の制御により、投影画像の下側が上側より長い歪みに対して、上部の走査ミラーの水平走査振れ幅を下部に比べて相対的に大きくする。
上記のような補正を時間経過で説明すると、図5に示すようになる。
すなわち、走査制御部13は、投影画像の上側と下側との長さが相違する歪みに対して、当該短くなる側の水平走査ラインの幅を当該長くなる側に比べ長くなるように制御している。
そして、このように1フレームの走査において、水平走査線(振れ幅)が相対的に小さくなる側から大きくなる側へ垂直走査することにより、ブランキング期間において、次のフレームの走査開始点に復帰するミラーの動作は、水平走査振れ幅を縮小する動作となる。
なお、垂直走査の方向を変更することに応じて、投影画像が反転しないように、映像処理部9は各フレームの映像データの転送順を逆にする。
走査ミラーの一般的な特性は、図6に示すように、デバイスの印加電圧/電流の上限や、ドライバゲインの制限などにより、水平走査振れ角を拡大する(a)より、水平走査振れ角を縮小する(b)方が、動作レスポンスが良い。水平走査振れ角の縮小は、駆動信号の供給停止や、通常のMEMS駆動時とは逆相の駆動信号を供給するなどの方法で、水平走査振れ角の拡大と比較して相対的に短い時間で実現できる。
画像フレーム間のブランキング期間は投影画像を鮮明にするなどのために極く短い期間に設定されるが、本例では、この短時間のブランキング期間において、MEMS走査ミラー6を支障なく走査動作させることができる。
上記のように、走査制御部13は、投影画像の歪み形状に応じて、歪み量を低減するように、1フレーム内において時間変動する駆動信号を生成して、走査ミラー6を走査動作させる。
例えば図7(a)(b)に示すように上部拡がりに歪んでいる投影画像を補正する場合、同図(b)に示す走査の各期間(t0、t1、t2)では、AM変調、PWM変調、FM変調、間欠信号の例を表す同図(c)〜(d)に示すような駆動信号を生成して、走査ミラー6の水平走査を制御する。
ここで、上記のように走査ミラー6は、水平走査振れ角を縮小する方が動作レスポンスが良いことから、水平走査振れ角を拡大させるための時間が短いと不都合が生ずる場合がある。
このため、垂直走査走行は、水平走査振れ角を拡大変動させる期間に縮小変動させる期間よりも多く時間が割り当たるように決定するのが好ましい。具体的には、ブランキング期間を含めた1フレーム期間中の目標走査振れ角の変化を調査し、変化が大きいところで縮小変動するように垂直走査方向を決定する、あるいは、単純に、画像を無補正時の走査線幅に応じてブランキング期間中に縮小変動させるように決定すればよい。
このような垂直走査方向の決定は、ユーザ入力14によってなされる他、走査制御部13が行なうようにすることもできる。
本発明は、ブランキング期間で走査ミラーの水平走査角を拡大させる態様も含むものであるが、走査制御部13は、走査ミラー制御部8から得られる走査情報に基づいて、ブランキング期間で必要な走査角の変動が所定の閾値を超える場合には、垂直走査方向を逆に変更し、これに合わせて、映像処理部9は、画面を下部側から上部側へ描画するように映像データの転送順を変えるようにしてもよい。
更には、上記の垂直走査方向を決定する閾値として、図8に示すように、ユーザ入力14で指示された補正の垂直走査方向に対して、個別な2つの値(thres1、thres2)を用意しておくと、垂直走査方向の変更を円滑に行なうことができる。
すなわち、垂直走査方向の終端側を拡大する場合には比較的大きな拡大(thres1)まで指示に従い、垂直走査方向の終端側を縮小する場合には比較的小さな縮小(thres2)で垂直走査方向を変更する。
1:レーザプロジェクタ、 2a〜2c:レーザ光源、
3、4:ダイクロイックミラー、 5:レンズ、
6:MEMS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、
12:光検出器、 13:走査制御部、
14:ユーザ入力、 X:水平走査方向、
Y:垂直走査方向、 A:投影面、

Claims (7)

  1. レーザ光を走査ミラーの揺動により第1方向及び第2方向に走査して画像を投影する画像表示装置において、
    前記画像の前記第1方向異なる歪みに対して、前記幅が狭くなる側の前記走査ミラーの前記第1方向の振れ幅を前記幅が広くなる側に比べて相対的に大きくする走査制御部を備え
    前記走査制御部は、画像フレーム間のブランキング期間に前記走査ミラーの前記第1方向の走査角の変動が所定の閾値を超える場合に、前記第2方向の走査方向を切り替え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、
    前記第1方向は水平方向であり、前記第2方向は垂直方向であることを特徴とする画像表示装置。
  3. 請求項1又は2に記載の画像表示装置において、
    前記所定の閾値として、前記第2方向の走査方向が所定の方向である場合に用いる第1の閾値と、前記第2方向の走査方向が前記所定の方向とは逆の方向である場合に用いる第2の閾値とを有することを特徴とする画像表示装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の画像表示装置において、
    前記走査制御部は、前記走査ミラーの前記第1方向の振れ幅が相対的に小さくなる側から大きくなる側へ、当該走査ミラーを前記第2方向に走査させることを特徴とする画像表示装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の画像表示装置において、
    記画像の映像データの転送順を前記第2方向の走査方向に応じて変更する映像処理部を備えたことを特徴とする画像表示装置。
  6. 請求項1乃至のいずれか1項に記載の画像表示装置において、
    前記走査ミラーはMEMS走査ミラーであることを特徴とする画像表示装置。
  7. レーザ光を走査ミラーの揺動により走査して画像を投影する画像表示装置に用いられ、前記走査ミラーの第1方向及び第2方向の走査を制御する走査装置において、
    前記画像の前記第1方向異なる歪みに対して、前記幅が狭くなる側の前記走査ミラーの前記第1方向の振れ幅を前記幅が広くなる側に比べて相対的に大きくする走査制御部を備え
    前記走査制御部は、画像フレーム間のブランキング期間に前記走査ミラーの前記第1方向の走査角の変動が所定の閾値を超える場合に、前記第2方向の走査方向を切り替えることを特徴とする画像走査装置。
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