JP6123877B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光の走査によって投射面上に画像を表示する画像表示装置に関する。

特許文献１には、レーザ光源から出射されたレーザ光を走査ミラーで反射し、投射面上に投影することによって、この投射面上に画像を表示するレーザプロジェクタが開示されている。走査ミラーは２軸方向に変位自在であり、ミラー固有の共振周波数でミラーを振動させることによってレーザ走査が行われる。このようなレーザプロジェクタでは、レーザ光固有のコヒーレンス性（可干渉性）に起因して、スペックルノイズと呼ばれる微小な斑点状のチラツキが問題となる。スペックルノイズを低減するために、従来から様々な手法が提案されているが、その一つとして、特許文献２にはレーザ光源の緩和振動を用いる手法が開示されている。この手法では、オンおよびオフを交互に繰り返す矩形状の波形パターンを用いて、レーザ光源を駆動させる。レーザ光源は、オフからオンへ立ち上がるタイミングで緩和振動を開始し、その後のオン期間において緩和振動を継続する。このオン期間は、緩和振動が収束する時間と同等、または、それよりも短く設定されている。したがって、オン期間の全域に亘って、レーザ光源の出力レベルが不安定に変動し、レーザ光のコヒーレンスが低下するので、スペックルノイズが低減される。

特許文献１のような共振周波数駆動によるレーザ走査では、投射面上に投射されるレーザスポットが走査方向に移動する速度、すなわち走査速度が一定ではなく、投射面上の画像領域によって走査速度が異なる。このような速度特性は、走査ミラー自体の単位時間当たりの振れ角（角速度）が周期的に変動することに起因する。走査ミラーは、共振周波数相当の駆動電流によって駆動し、時間軸上において正弦波状に振れ角が変化する。ミラーの角速度は、最小の振れ角の時が最も速く、最大の振れ角の時が最も遅くなる。したがって、ミラーの角速度と連動した走査速度も、最小の振れ角に相当する画像の中央領域で最も速く、最大の振れ角に相当する画像のサイド領域（左右端近傍）で最も遅くなる。このような走査速度の違いに起因して、同一階調を表示する場合であっても、高速な中央領域が暗く、低速なサイド領域が明るく見える傾向ある。なぜなら、ユーザが知覚する明るさは、レーザ光の出力強度を時間で積分した積分値に依存するからである。このような明るさの不均一性を解消すべく、特許文献３には、画像の表示位置に応じてレーザダイオードの駆動信号、すなわち電流レベル自体を補正して、中央領域の表示輝度を高める一方、サイド領域の表示輝度を低める画像表示装置が開示されている。

特開２００９−１７５４２８号公報 特開２００１−１８９５２０号公報 特開２００８−３０９９３５号公報

特許文献１に開示された走査速度の変動を伴うレーザ走査において、特許文献２のような波形パターンを一律に適用した場合、走査速度が遅い画素（画素表示期間が長い画素）の領域において、十分なスペックルノイズの低減効果が得られないという問題が生じる。波形パターンにおけるオフからオンへの立ち上がり回数が一定、換言すれば、緩和振動の回数が一定の場合、１画素の表示期間が長くなるほど、この期間に占める緩和振動の時間的な比率が相対的に低下するからである。その結果、スペックルノイズ対策を施しているにも関わらず、画像のサイド領域でスペックルノイズが局所的に残存し易い。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、走査速度の変動を伴うレーザ走査に起因して残存する局所的なスペックルノイズを有効に低減することである。

かかる課題を解決すべく、本発明に係る画像表示装置は、レーザ光の光源と、前記光源からのレーザ光を走査する走査部と、レーザ光の走査により投影領域に投影される画像における第１の画素の表示期間に、第１の制御信号を出力し、前記画像における第２の画素の表示期間に、前記第１の制御信号よりも前記光源のオンとオフの切り替え回数が多い第２の制御信号を出力するレーザ制御部を備え、前記画像の偶数フレームと奇数フレーム内での、前記制御信号の各々のオン期間の時間的位置が異なることを特徴とする。

ここで、本発明において、制御信号のオン期間の時間的位置が異なる２つの波形パターンを有し、この２つの波形パターンを偶数フレームと奇数フレームで交互に適用することが好ましい。

また、本発明において、偶数フレームのオン期間と奇数フレームのオン期間との時間的位置が部分的に重なるように設定されることが好ましい。
また、本発明において、同一の画素の表示期間におけるオン期間の時間総和は、偶数フレームと奇数フレームで略同一であることが好ましい。

また、本発明において、レーザ制御部は、第１の画素の表示期間および第２の画素の表示期間とは非同期な基準クロックに基づいて、第１の制御信号および第２の制御信号を出力することが好ましい。ここで、第１の制御信号および第２の制御信号におけるオン期間は、該当する画素の表示期間と、基準クロックによって規定される画素表示期間とが重複する期間内に設定される。

また、本発明において、光源は、第１の制御信号および第２の制御信号のオン期間において、該当する画素の表示階調に応じた電流レベルのレーザ光を出射し、第１の制御信号および第２の制御信号のオフ期間において、該当する画素の表示階調に関わりなく、自己のバイアス電流以下に設定される。

また、本発明において、走査部として、光源から出力されるレーザ光を、時間軸上で正弦波状に変位する自己の振れ角に応じて反射して投射面上に投射する走査ミラーを備えることが好ましい。
また、本発明において、第１の画素は、画像の中央部分に位置する画素であり、第２の画素は、画像の左右部分に位置する画素であることが好ましい。

本発明によれば、第１の制御信号および第２の制御信号を用いてレーザ光源の制御を行う。その際、走査速度の相違を補償するために画素の表示期間が長く設定された第２の画素に関しては、これが短く設定された第１の画素よりもオンとオフの切り替え回数が多い信号波形を用いることで、より多くの緩和振動が生じる。これにより、画素の表示期間が長くなったことに伴う緩和振動の時間的な比率の低下を抑制できる。その結果、画素の表示期間が短い画素（走査速度が速い画素）の領域のみならず、画素の表示期間が長い画素（走査速度が遅い画素）の領域におけるスペックルノイズも有効に低減できる。
また、偶数フレームと奇数フレームでオン期間の時間的位置が異なるため、偶数フレームのレーザスポットと奇数フレームのレーザスポットとの時間積分によって、理想スポットに近い形で合成スポットを形成することができる。これにより、より理想的な形状・配置で画素を形成することが可能になるとともに、パターンの平均化によるスペックルノイズの低減効果も期待できる。

レーザプロジェクタのブロック構成図 走査ミラーの外観斜視図 水平走査に関するミラーの振れ角の特性図 投射面に対するレーザ走査の説明図 レーザ制御・駆動系のタイミングチャート 非連続なレーザスポットによって形成される良好でない画素の説明図 比較例におけるレーザ制御・駆動系のタイミングチャート 連続したレーザスポットによって形成される良好な画素の説明図 レーザによる光強度分布の説明図 投射面上の光スポットの強度分布の説明図 画素形状を最適化する波形パターンのタイミングチャート 図１１に示す波形パターンによって形成される画素形状の説明図 フレーム単位で切り替えられる波形パターンのタイミングチャート 図１３に示す波形パターンによって形成される画素形状の説明図

図１は、本実施形態に係るレーザプロジェクタのブロック構成図である。こ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７〜１１を主体に構成されている。レーザプロジェクタ１は、赤青緑の各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射面Ａに投影することによって、映像信号に応じたカラー画像を投射面Ａ上に表示する。レーザプロジェクタ１は、指向性が極めて高いレーザ光を利用しているため、投射面Ａまでの距離に応じたフォーカス調整が不要といった優れた利点を有している。

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）といった如く、特定の波長のレーザ光が表示すべき階調に応じた出力レベルで出射される。ダイクロックミラー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を介して走査ミラー６に入射される。

走査ミラー６は、自己に入射したカラー光を、自己の振れ角（位相）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の水平方向Ｘおよび垂直方向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上に画像を形成する。この線順次走査は、投射面Ａ上におけるある水平ラインで一方向にレーザスポットｐを進め、次の直下の水平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フレーム内で連続して行われる。走査ミラー６には、その駆動の仕方に応じていくつかのタイプが存在し、いずれを用いてもよい。このタイプは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いたものが容易に入手可能であり、装置全体の小型化、低消費電力化および処理の高速化を図る上で有利である。

図２は、走査ミラー６の外観斜視図である。矩形枠状の基板６ａの内側には、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θh）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θv）とに基づいて一義的に特定される。一方、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、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、概ね次の通りである。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Ａ上に１水平ライン分の画像が投射・表示される（水平走査）。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水平ライン分のレーザ光の反射を水平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（垂直走査）。

図３は、水平走査に関するミラー６ｂの振れ角θhの特性図である。本実施形態において、水平走査に関してはミラー６ｂを共振周波数駆動させることによって、振れ角θhを連続的に変化させる。ここで、共振周波数とは、ミラー６ｂを振るために必要な電流値が最も小さくなる周波数をいい、ミラー６ｂの寸法、材料の密度、固さ等によって一義的に特定されるミラー固有の値である。共振周波数相当でミラー６ｂを振動させれば、小さな電流値で大きなミラー振幅（θh＝｜θ1｜）を得ることができる。ただし、共振周波数駆動と比べて大きな電流値を必要とするものの、共振周波数以外の周波数でミラー６ｂを振動させてもよい。

この場合、時間軸上における振れ角θhの変位が正弦波状になり、その１／２周期が１水平走査期間（１Ｈ）に相当する。ミラー６ｂの角速度ｄθh／dtは、θh＝0で最も速く、｜θh｜が増大するにつれて徐々に遅くなり、｜θh｜＝θ1（最大振れ角）で０になる。ただし、画像表示に実際に用いられる有効範囲としては、最大振れ角までの位相範囲（−｜θ1｜≦θ≦＋｜θ1｜）ではなく、これよりも狭い位相範囲（−｜θ2｜≦θ≦＋｜θ2｜）が用いられる。その理由は、最大振れ角｜θ1｜で角速度dθh／dtが０になるので、これを含めてしまうと、１画素の表示期間と走査速度の積分にて定まる投射面Ａ上の画素サイズ（水平方向の画素幅）が理論上０になってしまい、他の画素と同等のサイズを確保できないからである。

一方、垂直走査におけるミラー６ｂの振れ角θvは、上述した共振周波数駆動ではなくＤＣ駆動によって制御される。したがって、振れ角θvは、駆動電流のレベルに応じてステップ的に変化し、このレベル相当の振れ角θvで静止する。駆動電流のレベルの切り替えは、１垂直走査期間で水平ラインの本数分だけ繰り返され、これによって、表示すべき画像の高さ（水平ラインの本数）に相当する振れ角θvの位相範囲が確保される。この場合、水平走査の場合とは異なり、時間軸上における振れ角θvの変位は線形的になり、その角速度dθv／dtは一定になる。なお、電磁駆動型走査ミラーの中には、水平／垂直走査の双方を共振周波数駆動にて行うタイプも存在し、このタイプを走査ミラー６として用いてもよい。

走査ミラードライバ７は、走査ミラー６に駆動電流を供給することによって、所定の走査順序にしたがって走査ミラー６を駆動させる。それとともに、走査ミラードライバ７は、走査ミラー６におけるミラー６ｂの位置（振れ角θh，θv）を検出する。この検出された位置情報は、位置検出信号として走査ミラー制御部８に通知される。ミラー６ｂの位置検出は、例えば、基板６ａと外フレーム６ｄの間を連結する回転軸６ｃ、および、内外のフレーム６ｄ，６ｆ間を連結する回転軸６ｅのそれぞれにねじれセンサを設け、これらの回転軸６ｃ，６ｅのねじれ角をねじれセンサで個別に検出すればよい。また、ミラー６ｂの近傍に受光素子（フォトダイオード等）を配置し、ミラー６ｂの振れ角と連動する反射光の位置を受光素子で検出してもよい。

走査ミラー制御部８は、走査ミラー６に入射されるレーザ光が所定の画像領域を所定の周波数で走査するように、走査ミラー６を制御する。この制御は、走査ミラー制御部８が走査ミラードライバ７に駆動信号を出力することによって行われる。また、走査ミラー制御部８は、走査ミラードライバ７からの位置検出信号に基づいて、水平同期信号ＨＳＮＣおよび垂直同期信号ＶＳＮＣを生成し、これらを映像処理部９に出力する。レーザ光源２ａ〜２ｃからのレーザ光の出射タイミングは、走査ミラー６の位相制御と同期して行う必要があり、この同期を取るために水平／垂直同期信号ＨＳＮＣ，ＶＳＮＣが用いられる。すなわち、本レーザプロジェクタ１では、走査ミラー６の駆動が主体となり、内部生成された水平／垂直同期信号ＨＳＮＣ，ＶＳＮＣに基づいて、走査ミラー６の駆動と同期するようにレーザ光源２ａ〜２ｃが従動的に駆動する。

映像処理部９は、外部装置から供給された入力映像信号（映像データ）を、外部装置から供給された同期信号によって規定されたタイミングで、図示しないフレームバッファに随時書き込む。また、映像処理部９は、走査ミラー制御部８から供給された水平／垂直同期信号ＨＳＮＣ，ＶＳＮＣによって規定されたタイミングで、フレームバッファに格納された映像データを順次読み出し、これをレーザ制御部１０に転送する。

レーザ制御部１０は、映像処理部９から順次転送された映像データに基づいて、それぞれの画素に関する駆動電流Ｉd（電流レベル）と、これに適用すべき波形パターンＰＴとを決定する。それぞれのレーザ光源２ａ〜２ｃは、色成分毎に設定された駆動電流Ｉdおよび波形パターンＰＴに基づき、レーザドライバ１１を介して個別に制御・駆動される。本実施形態では、波形パターンＰＴが複数用意されており、画像平面上における画素の位置に応じて、適宜のものが選択的に適用される。また、レーザ制御部１０は、光検出器（図示せず）によって検出されたレーザ光の出射光量に基づいて、各階調における出射光量が安定するように、駆動電流のフィードバック制御を行う。これにより、レーザ光源２ａ〜２ｃの温度上昇によって光出力に変動が生じても、この変動に有効に対応することができる。

レーザドライバ１１は、それぞれの色成分に関して、レーザ制御部１０から出力された波形パターンＰＴを用いて駆動電流Ｉdを変調し、変調された駆動電流Ｉ'dをレーザ光源２ａ〜２ｃに個別に出力する。これにより、レーザ光源２ａ〜２ｃは、表示すべき階調に応じた出力レベルのレーザ光を波形パターンＰＴにしたがって出射する。各色成分の出射光を合成した最終的なカラー光は、レーザ光の出射と同期して位置制御される走査ミラー６に導かれて、投射面Ａ上の所望の画素位置に投射される。

図４は、図１に示した投射面Ａに対するレーザ走査の説明図である。レーザプロジェクタ１の出射点Ｂから出射されたレーザ光は投射面Ａに投射され、これによって、ある水平ラインＬの一端（例えば左端）にレーザスポットｐ（図１参照）が形成・表示される。このレーザスポットｐは、ミラー６ｂの振れ角θhの変位に応じて、水平ラインＬ上を例えば左から右に向かって移動する。ここで、レーザスポットｐの走査速度Ｖhは、ミラー６ｂの角速度dθh／dtと同様に変化する。具体的には、−｜θ2｜≦θh≦＋｜θ2｜の範囲内で画像表示が行われる場合、最大の振れ角（θh＝±｜θ2｜）に相当する両サイドの画素Ｐ0，Ｐ1023で最も低速で（Vh＝Vlow）、中央の画素Ｐ512に向かうにしがって連続的に速くなりながら（例えば画素Ｐ76，Ｐ947でＶh＝Ｖmid）、最小の振れ角（θh＝０）に相当する中央の画素Ｐ512で最も高速になる（Ｖh＝Vhigh）。この走査速度Ｖhの特性は、角速度dθv／dtと同様、画像中央を基準に左右対称になる。なお、この速度特性は、垂直方向に並んだすべてのラインＬ0〜Ｌ767において同様である。

図５は、レーザ制御・駆動系のタイミングチャートである。以下、同一水平ラインＬ上を順番に走査される画素Ｐ0，Ｐ512，Ｐ1023（図４参照）を例に、レーザ制御部１０およびレーザドライバ１１の動作について詳述する。なお、同図に示した画素表示期間Ｔ1，Ｔ2は、水平／垂直同期信号ＨＳＮＣ，ＶＳＮＣと同期したドットクロック信号によって規定される。

レーザプロジェクタ１では、物理的な構造として画素が形成される液晶ディスプレイ等とは異なり、レーザ光の照射によって光学的に画素が形成される。この場合、投射面Ａ上に表示される１画素のサイズ（水平方向の画素幅）は、１画素分のレーザ光を照射し続ける画素表示期間と、レーザスポットｐの走査速度Ｖlhとの積分に基づいて決定される。例えば、画像サイドに位置するサイド画素Ｐ0，Ｐ1023ではＶlow×T1、画像中央に位置する中央画素Ｐ512ではＶhigh×Ｔ2といった如くである。走査速度Ｖhが画素毎に異なる場合、すべての画素サイズを一定に保つためには、走査速度Ｖhの違いを画素表示期間にて調整する必要があり、理論上、走査速度Ｖhの逆比に基づいて設定すればよい。すなわち、走査速度Ｖhの比（Ｖlow：Vhigh）に対して、画素表示期間の比（T1：Ｔ2）を１／Ｖlow：１／Ｖhighに設定すれば、画素サイズを一様化できる。これにより、画素表示期間の関係はＴ1＞Ｔ2となり、中央画素Ｐ512からサイド画素Ｐ0，Ｐ1023に向かうにつれて徐々に長くなる。なお、本実施形態では、画像の最小単位である画素単位で画素表示期間が設定されるが、そこまでの時間的な精度が要求されないのであれば、画素単位よりも粗い分解能、すなわち複数の隣接画素を一纏めにしたエリア単位で行っても構わない。また、エリア単位で行う場合、各エリアの画素数は同一である必要はなく、走査速度Ｖhの変化が大きい領域ほど細分化して少ない画素数を割り当てるといった如く、エリア毎に画素数を相違させてもよい。

スペックルノイズの低減を図るためには、レーザ光源２ａ〜２ｃを緩和振動させて、レーザ光のコヒーレンスを低下させること（インコヒーレンス化）が有効である点は、上述した特許文献２に述べられている通りである。しかしながら、すべての画素に関して、同一回数または一定時間で緩和振動させた場合、走査速度が遅い画素（１画素の表示期間が長い画素）の領域で十分なノイズ低減効果が得られないという問題が生じる。例えば、図６に示す比較例では、オフからオンへの立ち上がりが２回ある波形パターンＰＴが全画素共通で用いられる。この場合、レーザ光源２ａ〜２ｃは、それぞれの画素表示期間において、波形パターンＰＴによって規定された２回の緩和振動を行う。この緩和振動によって、コヒーレンスが低下したレーザ光が出射されるので、スペックルノイズの低減効果が得られる。ここで、駆動電流Ｉdの急峻な立ち上がりによってレーザ光源２ａ〜２ｃが緩和振動し始めてから緩和振動が収束するまでの時間を「緩和振動時間ｔro」とすると、画素表示期間内における緩和振動時間ｔroの総和Σｔroは、すべての画素で一定値となる（Σｔro＝ｔro×２）。この場合、Ｔ3，Ｔ2，Ｔ1の順に画素表示期間が長くなるにつれて、画素表示期間に占める時間総和Σｔroの時間的な比率が低下する。これは、画素表示期間において、インコヒーレンス化されたレーザ光の出射比率が低下して、本来のコヒーレンスなレーザ光の出射比率が増大することを意味する。その結果、サイド画素Ｐ0，Ｐ1023に向かうにしたがって、ノイズ低減効果が弱くなり、スペックルノイズが局所的に残存する。

このような局所的なスペックルノイズの低減を図るためには、図５に示したように、走査速度Ｖhが遅くなるほど長く設定される画素表示期間内において、走査速度Ｖhが遅くなるほど多くの緩和振動を行えばよい。典型的には、内部生成された基準クロックＣＬＫを用いて、基準クロックＣＬＫと同期した波形パターンＰＴを所定の単位毎に生成し、これに基づいてレーザ光源２ａ〜２ｃを駆動させればよい。なお、本実施形態では、波形パターンＰＴを画素単位で設定することを想定しているが、それよりも粗いエリア単位で行ってもよい。

具体的には、レーザ制御部１０は、基準クロックＣＬＫに基づいて、水平ラインＬにおける画素の位置に応じた波形パターンＰＴ1，・・・，Ｐ2を生成する。それぞれの波形パターンＰＴ1，・・・，ＰＴ2は、画素表示期間Ｔ1，・・・，Ｔ2におけるレーザ光源２ａ〜２ｃのオン期間およびオフ期間を規定しており、画素表示期間Ｔが長くなるほど、波形パターンＰＴも長く設定される。オン期間では、表示階調に応じた駆動電流Ｉd（電流レベル）に設定され、オフ期間では、表示階調に関わりなく、レーザ光源２ａ〜２ｃのバイアス電流Ｉth（ＬＥＤ発光とレーザ発振の境界値）以下の電流Ｉoff（例えば０）に設定される。画素表示期間Ｔにおいて、隣接したオン期間の間に存在するオフ期間は、オフからオンに立ち上がるタイミングで緩和振動を開始させるために設けられており、その期間の長さ自体は適宜設定すればよい。また、画素表示期間の最後に存在するオフ期間は、次の画素表示期間における最初のオンへの立ち上げに備えるという意味もあるが、隣接した画素間における混色を抑制するブランキングとしての意味合いもある。

例えば、中央画素Ｐ512に関しては、最も短い画素表示期間Ｔ2として、例えば基準クロックＣＬＫの１６周期分が設定され、この期間相当の波形パターンＰＴ2が設定される。波形パターンＰＴ2は、１２周期分の時間総和を有するオン期間と、４周期分の時間総和を有するオフ期間とによって構成されている。ここで、オン期間は、１２周期分が連続しているのではなく、６周期分の２つのオン期間に分けられており、これらの間には１周期分のオフ期間が介在している。レーザ制御部１０は、それぞれのオン期間において、表示階調Ｄ512に対応する色成分毎の電流レベルＩdと、色成分共通の波形パターンＰＴ2とを生成する。この波形パターンＰＴ2は、レーザ光源２ａ〜２ｃに緩和振動を生じさせるべく、オフから立ち上がったオン期間を少なくとも一つ含む（本実施形態では２個）。レーザドライバ１１は、それぞれの色成分に関して、レーザ制御部１０から出力された波形パターンＰＴ2で駆動電流Ｉdを変調し、変調駆動電流Ｉ'dをレーザ光源２ａ〜２ｃに出力する。これにより、レーザ光源２ａ〜２ｃは、表示階調Ｄ400に応じた出力レベルのレーザ光を波形パターンＰＴ2にしたがって出射する。各色成分の出射光を合成した最終的なカラー光は、レーザ光の出射と同期して位置制御される走査ミラー６に導かれて、投射面Ａ上における中央画素Ｐ512の位置に投射される。中央画素Ｐ512の表示に際しては、画素表示期間Ｔ2内で２回の緩和振動が生じ、その時間総和Σｔroはｔro×２となる。緩和振動の回数を適切に設定することで、中央画素Ｐ512の表示領域において、スペックルノイズが有効に低減される。

一方、サイド画素Ｐ0（Ｐ1023）に関しては、最も長い画素表示期間Ｔ1として、例えば基準クロックＣＬＫの３２周期分が設定され、この期間相当の波形パターンＰＴ1が設定される。波形パターンＰＴ1は、１２周期分の時間総和を有するオン期間と、２０周期分の時間総和を有するオフ期間とによって構成されている。波形パターンＰＴ1のオン期間は、１周期分／２周期分の８つのオン期間に分けられており、上述した波形パターンＰＴ2よりも細分化されている。レーザ制御部１０は、それぞれのオン期間において、表示階調Ｄ0（Ｄ1023）に対応する色成分毎の電流レベルＩdＬcと、色成分共通の波形パターンＰＴ1とを生成する。この波形パターンＰＴ1は、中央画素Ｐ512よりも多い緩和振動を生じさせるべく、オフから立ち上がった８つのオン期間を有する。レーザドライバ１１は、それぞれの色成分に関して、レーザ制御部１０から出力された波形パターンＰＴ1で駆動電流Ｉdを変調し、変調駆動電流Ｉ'dをレーザ光源２ａ〜２ｃに出力する。これにより、レーザ光源２ａ〜２ｃは、表示階調Ｄ0（Ｄ1023）に応じた出力レベルのレーザ光を波形パターンＰＴ1にしたがって出射する。サイド画素Ｐ0（Ｐ1023）の表示に際しては、画素表示期間Ｔ1内で中央画素Ｐ512よりも多い８回の緩和振動が生じる。画素表示期間Ｔ1が長くなった分を見越して緩和振動の回数を多くし、その時間総和Σｔro（＝ｔro×８）を長くすることで、サイド画素Ｐ0（Ｐ1023）の表示領域においても、スペックルノイズが有効に低減される。

また、波形パターンＰＴ1，ＰＴ2の別の特徴として、波形パターンのオンデューティ、すなわち波形パターンに占めるオン期間の時間比率に関して、波形パターンＰＴ1の方が波形パターンＰＴ2よりも小さく設定されている点が挙げられる。図示した例では、波形パターンＰＴ1のオンデューティが３／８（＝１２周期分／３２周期分）であるのに対して、波形パターンＰＴ2のそれが３／４（＝１２周期分／１６周期分）になっている点で、この関係を満たしている。波形パターンのオンデューティは、中央画素Ｐ512からサイド画素Ｐ0，Ｐ1023に向かうにしたがって徐々に小さくなる。このようにオンデューティを変える理由は、画像の明るさの不均一性を解消するためである。上述したように、ユーザが知覚する明るさは、レーザ光の出力強度を時間で積分した積分値に依存する。したがって、すべての画素に対して光照射時間を一定にすると、走査速度Ｖhの違いに起因して、高速な中央領域が暗く、低速なサイド領域が明るく見えがちになる。これに対して、本実施形態のように、走査速度Ｖhの違いをオンデューティで補償すれば（すなわち、１画素当たりの光照射時間に差が生じないようにすれば）、上記時間積分を均一化することができるので、明るさの不均一性を解消することが可能になる。特に、波形パターンＰＴ1，ＰＴ2を含めて、すべての波形パターンにおけるオン期間の時間総和を略同一にすれば、同一階調の画素が位置によって異なった階調に見えることを理論上完全に解消できる。

つぎに、波形パターンＰＴの最適化による画素形状の改善に関して、いくつかの改善手法を提示する。第１の改善手法は、オフ期間の最適化による画素形状の改善である。図７（ａ）に示す波形パターンＰＴのように、前後のオン期間Ｐon1，ＯＰon2の間に介在するオフ期間Ｐoffが長い場合について考える。オフ期間Ｐoffが長くなると、同図（ｂ）に示すように、オン期間Ｐon1で形成されるレーザスポットｐ1と、オン期間Ｐon2で形成されるレーザスポットｐ2との距離が離れ、レーザスポットｐ1，ｐ2が不連続になる。その結果、投射面上に解像される画素の形状不良を招き、画質の低下に繋がる。なお、ここでいうレーザスポットｐ1，ｐ2とは、レーザ光をオン期間Ｐon1，Ｐon2だけ投射することによって投射面上に解像・形成されるレーザ光の形状をいう。このような形状不良を抑制するためには、図８（ａ）に示す波形パターンＰＴのようにオン期間を細分化し、基準クロックＣＬＫによって許容される分解能の範囲内で、前後のオン期間の間に介在するオフ期間を極力短くすればよい。オフ期間が短くなると、その前後に位置するオン期間で形成されるそれぞれのレーザスポットが近接する。同図（ｂ）に示すように、レーザスポットが連続して形成される程にオフ期間を短くすれば、投射面上に解像される画素の形状が良好になるので、画質の向上を図ることが可能になる。

ここで、互いに隣接したレーザスポットを連続形成するためには、オフ期間をスポット径の１／６移動時間（走査時間）相当に設定すればよい。図９に示すように、一般に、レーザ光源２ａ〜２ｃによる光スポットの強度分布は、ガウス分布になることが知られている。スポット径φの１／２の移動時間だけオフ期間を確保した場合、投射面Ａ上に形成された画素の水平方向の強度分布が図１０（ａ）のようになり、その強度変化からそれぞれが独立した点に見える。一方、これよりもオフ期間を短くして、スポット径φの１／６の移動時間に設定した場合、水平方向の強度分布が同図（ｂ）のようになり、強度変化が概ね抑制されて目立たなくなる。

第２の改善手法は、隣接した画素形状に関する不均一性の改善である。図１１（ａ）に示すように、ドットクロック信号等によって理想的な画素表示期間Ｔ660〜Ｔ663が規定されている前提において、これとは非同期な基準クロックＣＬＫ（同図（ｂ）参照）に基づいて、波形パターンＰＴが生成されるケースについて考える。画素表示期間Ｔ660〜Ｔ663と期間的に完全に一致するような波形パターンＰＴを生成する場合には、図１２（ａ）に示すように、投射面上に形成される各画素は形状的に理想的な均一になる。しかしながら、実際には、図１１（ｂ）に示すように、基準クロックＣＬＫに基づいて波形パターンＰＴを生成するため、基準クロックＣＬＫの周期の整数倍として規定される画素表示期間Ｔ'660〜Ｔ'663と、理想的な画素表示期間Ｔ660〜Ｔ663との間にずれが生じる。その結果、図１２（ｂ）に示すように、ある画素が本来の形状よりも小さくなり、その分だけ隣接した画素が大きくなってしまう。このような画素形状の不均一性を解消するためには、波形パターンの時間軸上におけるオン期間を、理想的な画素表示期間Ｔと、基準クロックＣＬＫによって規定される画素表示期間Ｔ'とが重複する期間内に設定すればよい。図１１（ｃ）の例は、波形パターンＰＴにおける最初の２つのオン期間は画素表示期間Ｔ660，Ｔ'660の重複期間内、次の２つのオン期間は画素表示期間Ｔ661，Ｔ'661の重複期間内、その次の２つのオン期間は画素表示期間Ｔ662，Ｔ'662の重複期間内、最後の２つのオン期間は画素表示期間Ｔ663，Ｔ'663の重複期間内といった如く、いずれも本条件を満たしている。このようにすることで、図１２（ｃ）に示すように、理想的な画素表示期間Ｔ660〜Ｔ663を跨がない形で隣接した画素が形成されるので、画素形状の均一化を図ることができる。

そのための具体的な手法としては、オン期間の個数およびオン期間の時間軸上の位置が異なる複数の波形パターンＰＴを予め用意しておき、テーブル参照方式（ＬＵＴ）でいずれかを選択することが好ましい。この場合、テーブルの入力として、（１）画素表示期間Ｔ，Ｔ'の開始タイミングの差であるスタート誤差、（２）画素表示期間Ｔ，Ｔ'の終了タイミングの差であるストップ誤差、および、（３）１画素当たりの基準クロックＣＬＫの個数を用いることができる。上記（１），（２）に応じて波形パターンＰＴを変更することで、画素描画位置のズレを低減できる。また、上記（３）に応じて波形パターンＰＴを変更することで、良好な形状の画素を形成できるとともに、画素描画位置のズレをより低減することも可能になる。

第３の改善手法は、複数種の波形パターンＰＴを所定の周期で切り替えることによる不均一性の改善である。図１３（ａ）に示すように、例えば、ある画素の画素表示期間Ｔ660において、オン期間の位置が異なる２つの波形パターンＰＴを用意し、これらを偶数フレーム（同図（ａ））と奇数フレーム（同図（ｂ））とで交互に適用する。これにより、図１４に示すように、偶数フレームのレーザスポット（同図（ｂ））と、奇数フレームのレーザスポット（同図（ｄ））との時間積分によって、理想スポット（同図（ａ））に近い形で合成スポット（同図（ｄ））が形成される。これにより、より理想的な形状・配置で画素を形成することが可能になるとともに、パターンの平均化によるスペックルノイズの低減効果も期待できる。なお、そのための具体的な手法としては、上述したテーブル参照方式（ＬＵＴ）において、（４）フレームの偶奇を入力とすればよい。

このように、本実施形態によれば、オン期間とオフ期間とを含む複数種の波形パターンＰＴ1，ＰＴ2を用いて、レーザ光源を緩和振動させる。その際、走査速度の相違を補償するために画素表示期間Ｔ1が長く設定された画素Ｐ0，Ｐ1023に関しては、これが短く設定された画素Ｐ512よりもオン期間を細分化することで、より多くの緩和振動が生じる。これにより、画素表示期間が長くなったことに伴う緩和振動の時間的な比率の低下を抑制できる。その結果、画素表示期間が短い画素Ｐ512（Ｖh＝Vhigh）の領域のみならず、画素表示期間が長い画素Ｐ0，Ｐ1023（Ｖh＝Ｖlow）の領域におけるスペックルノイズも有効に低減できる。また、波形パターンＰＴに占めるオン期間の時間比率であるオンデューティに関して、波形パターンＰＴ1を波形パターンＰＴ2よりも小さくすれば、走査速度が遅いがゆえにレーザ光の出力強度の時間積分が大きくなりがちな画素Ｐ0，Ｐ1023の明るさを抑制することができる。このように、レーザ光の出力強度の時間積分を均一化する方向に作用させることによって、画像の明るさの不均一性を解消することが可能となる。

以上のように、本発明は、走査ミラー型のレーザプロジェクタに代表されるように、走査速度の変動を伴うレーザ光の走査によって投射面上に画像を表示する画像表示装置に対して適用できる。

１ レーザプロジェクタ
２ａ〜２ｃ レーザ光源
３，４ ダイクロックミラー
５ レンズ
６ 走査ミラー
６ａ 基板
６ｂ ミラー
６ｃ，６ｅ 回転軸
６ｄ，６ｆ フレーム
６ｇ，６ｈ コイル
６ｉ 一対の電極
６ｊ 一方の永久磁石対
６ｋ 他方の永久磁石対
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
１０ａ 駆動モード判定回路
１０ｂ 駆動電流選択回路
１０ｃ 波形パターン選択回路
１１ レーザドライバ

Claims (8)

1. レーザ光の光源と、
   前記光源からのレーザ光を走査する走査部と、
   レーザ光の走査により投影領域に投影される画像における第１の画素の表示期間に、第１の制御信号を出力し、前記画像における前記第１の画素よりも遅い速度で走査される第２の画素の表示期間に、前記第１の制御信号よりも前記光源のオンとオフの切り替え回数が多い第２の制御信号を出力するレーザ制御部を備え、
   前記画像の偶数フレームと奇数フレーム内での、前記制御信号の各々のオン期間の時間的位置が異なることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記制御信号のオン期間の時間的位置が異なる２つの波形パターンを有し、前記２つの波形パターンを偶数フレームと奇数フレームで交互に適用することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 偶数フレームのオン期間と奇数フレームのオン期間との時間的位置が部分的に重なるように設定されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像表示装置。
4. 同一の画素の表示期間におけるオン期間の時間総和は、偶数フレームと奇数フレームで略同一であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
5. 前記レーザ制御部は、前記第１の画素の表示期間および前記第２の画素の表示期間とは非同期な基準クロックに基づいて、前記第１の制御信号および前記第２の制御信号を出力し、
   前記第１の制御信号および前記第２の制御信号におけるオン期間は、該当する画素の表示期間と、前記基準クロックによって規定される画素表示期間とが重複する期間内に設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
6. 前記光源は、前記第１の制御信号および前記第２の制御信号のオン期間において、該当する画素の表示階調に応じた電流レベルのレーザ光を出射し、前記第１の制御信号および前記第２の制御信号のオフ期間において、該当する画素の表示階調に関わりなく、自己のバイアス電流以下に設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
7. 前記走査部として、前記光源から出力されるレーザ光を、時間軸上で正弦波状に変位する自己の振れ角に応じて反射して投射面上に投射する走査ミラーを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
8. 前記第１の画素は、画像の中央部分に位置する画素であり、
   前記第２の画素は、画像の左右部分に位置する画素であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の画像表示装置。

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