画像表示装置及び方法
【課題】低い階調範囲において階調再現特性の浪打ちが発生する現象を緩和する技術を提供する。
【解決手段】画像表示装置の制御部は、画素信号の画素値に応じた駆動電流を光源素子に供給してビーム光を射出させる。この際、駆動電流の立上り時間が１画素期間の５〜３５％の範囲に収まるように駆動電流の立上りを調整する。或いは、カットオフ周波数が画素周波数の１〜５倍の範囲にあるカットオフ特性を有するフィルタ要素を用いて駆動電流の立上りを調整する。
【解決手段】画像表示装置の制御部は、画素信号の画素値に応じた駆動電流を光源素子に供給してビーム光を射出させる。この際、駆動電流の立上り時間が１画素期間の５〜３５％の範囲に収まるように駆動電流の立上りを調整する。或いは、カットオフ周波数が画素周波数の１〜５倍の範囲にあるカットオフ特性を有するフィルタ要素を用いて駆動電流の立上りを調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、画素信号に応じて変調されたビーム光を走査させることにより画像を表示する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビーム光を走査させて画像を表示する画像表示装置としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。この画像表示装置では、レーザ光をＰＷＭ変調することにより、階調を表現している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１４０００９号公報
【０００４】
本願の発明者は、レーザ光をＰＷＭ変調した場合に、低い階調範囲において階調の浪打ちが発生して、視聴者に違和感が感じさせることを見いだした。これは、レーザの緩和振動現象によるものであると推定される。緩和振動現象とは、ステップ状の駆動電流がレーザ素子に入力されたときに、レーザ光強度が減衰振動する現象を意味する。緩和振動現象は、通常は、半導体レーザに現れる現象である。
【０００５】
図１は、レーザの緩和振動現象の発生理由を説明するための説明図である。一般に、緩和振動現象は、レーザの駆動電流をステップ状に立ち上げた時に発生する。図１（Ａ）は、ステップ状の駆動電流によるレーザ発光量の振動を示している。ところで、ＰＷＭ変調による階調表現は、駆動電流の時間幅（駆動幅とも呼ぶ）を変えて発光時間の幅を変え、１画素当たりの平均発光量を変えることで階調を表現するものである。従って、暗い階調は、短い駆動幅で再現される。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す緩和振動の一つ目の光パルスを丁度含むような時間幅で駆動された電流波形を示しており、図１（Ｃ）はそのときの発光波形を示している。図１（Ｄ）は、図１（Ｃ）の発光波形から僅かに明るい階調を表現するために、やや長い時間幅で駆動した場合の駆動電流波形を示しており、図１（Ｅ）はそのときの発光波形を示している。図１（Ｃ）の駆動時間幅の終端は、一つ目と二つ目の光パルスの谷間に相当するため、図１（Ｂ）の発光量と図１（Ｄ）の発光量はほとんど同じものになってしまう。図１（Ｆ）は、さらに明るい階調を表現するために、さらに長い時間幅で駆動した場合の駆動電流波形を示しており、図１（Ｇ）はそのときの発光波形を示している。この場合には、二つ目の光パルスが発生するので、発光量がかなり増加する。これらの例から理解できるように、ＰＷＭ変調によって駆動幅を増加した場合には、発光量がほとんど増加しない階調範囲と、発光量がかなり増加する階調範囲とが生じるという問題がある。
【０００６】
図２は、図１で説明した駆動幅と発光量の関係をプロットしたグラフである。低い階調範囲ではグラフが波打っており、階調再現性が劣っていることが理解できる。この現象は、視覚上は、暗い階調のグラデーションが滑らかにならないものとして観察される。
【０００７】
このように、レーザ光をＰＷＭ変調した場合には、低い階調範囲において階調再現特性に浪打ちが発生するという問題があった。また、このような問題は、レーザ光のＰＷＭ変調に限らず、他の光源素子を用いて画素信号に応じて変調されたビーム光を発生させて画像を表示する技術にも共通する問題であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、画素信号に応じて変調されたビーム光を発生させて画像を表示する際に、低い階調範囲において階調再現特性の浪打ちが発生する現象を緩和する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【００１０】
［適用例１］
画素信号に応じて変調されたビーム光を走査させることにより画像を表示する画像表示装置であって、
ビーム光を射出する光源素子と、
前記光源素子から射出された前記ビーム光をスクリーン上で走査させる走査部と、
前記画素信号の画素値に応じた駆動電流を前記光源素子に供給して前記ビーム光を射出させる制御部と
を備え、
前記制御部は、前記駆動電流の目標値の１０％から９０％までに要する立上り時間が１画素期間の５〜３５％の範囲に収まるように前記駆動電流の立上りを調整する、画像表示装置。
この装置によれば、駆動電流の立上り時間が１画素期間の５％以上になるように駆動電流の立上りを調整したので、過度に短い立上り時間で駆動電流を立ち上げた場合に発生する階調再現特性の浪打ちを緩和することができる。また、駆動電流の立上り時間が１画素期間の３５％以下になるように駆動電流の立上りを調整したので、過度に長い立上り時間で駆動電流を立ち上げた場合に実質的な階調数が減少するという問題を緩和することができる。この結果、良好な階調再現性を実現することが可能である。
【００１１】
［適用例２］
適用例１記載の画像表示装置であって、
前記光源素子は、緩和振動現象を生じるレーザ素子である、画像表示装置。
【００１２】
［適用例３］
適用例１又は２記載の画像表示装置であって、
前記制御部は、
前記画素値に応じて矩形波状制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記制御信号生成部と前記光源素子との間の所定の位置に配置され、矩形波状の入力信号が供給されたときに矩形波状出力電流を発生する電流制御回路と、
前記矩形波発生回路と前記光源素子との間、又は、前記制御信号生成部と前記矩形波発生回路との間に設けられたフィルタ要素と、
を備え、
前記フィルタ要素によって前記駆動電流の立上り時間が調整される、画像表示装置。
【００１３】
［適用例４］
適用例３記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、ローパスフィルタである、画像表示装置。
【００１４】
［適用例５］
適用例３記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、同軸ケーブルである、画像表示装置。
【００１５】
［適用例６］
画素信号に応じて変調されたビーム光を走査させることにより画像を表示する画像表示方法であって、
（ａ）前記画素信号の画素値に応じた駆動電流を光源素子に供給してビーム光を射出させる工程と、
（ｂ）前記光源素子から射出された前記ビーム光をスクリーン上で走査させる工程と、
を備え、
前記工程（ａ）は、前記駆動電流の目標値の１０％から９０％までに要する立上り時間が１画素期間の５〜３５％の範囲に収まるように前記駆動電流の立上りを調整する工程を含む、画像表示方法。
【００１６】
［適用例７］
画素信号に応じて変調されたビーム光を走査させることにより画像を表示する画像表示装置であって、
ビーム光を射出する光源素子と、
前記光源素子から射出された前記ビーム光をスクリーン上で走査させる走査部と、
前記画素信号の画素値に応じた駆動電流を前記光源素子に供給して前記ビーム光を射出させる制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記画素値に応じて矩形波状制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記矩形波状制御信号に応じて矩形波状出力電流を発生する電流制御回路と、
前記矩形波発生回路と前記光源素子との間に設けられたフィルタ要素と、
を備え、
前記フィルタ要素は、カットオフ周波数が画素周波数の１〜５倍の範囲にあるカットオフ特性を有する、画像表示装置。
この装置によれば、カットオフ周波数が画素周波数の５倍以下になるようにしたので、カットオフ周波数が過度に大きい場合に発生する階調再現特性の浪打ちを緩和することができる。また、カットオフ周波数が画素周波数の１倍以上になるようにしたので、カットオフ周波数が過度に小さい場合に実質的な階調数が減少するという問題を緩和することができる。この結果、良好な階調再現性を実現することが可能である。
【００１７】
［適用例８］
適用例７記載の画像表示装置であって、
前記光源素子は、緩和振動現象を生じるレーザ素子である、画像表示装置。
【００１８】
［適用例９］
適用例７又は８記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、ローパスフィルタである、画像表示装置。
【００１９】
［適用例１０］
適用例７又は８記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、同軸ケーブルである、画像表示装置。
【００２０】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、画像表示方法および画像表示装置、光源素子の駆動方法及び装置、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
A．階調再現性の改善方法：
B．第１実施例：
C．第２実施例：
D．第３実施例：
E．変形例
【００２２】
A．階調再現性の改善方法：
従来技術で説明した緩和振動現象は、駆動電流がステップ状に立ち上がることに主な原因があると推定される。そこで、駆動電流の立上りを、ステップ状波形よりも緩やかな上昇波形に従って変化させるようにすれば、緩和振動を緩和することが可能である。例えば、駆動電流の電流波形を滑らかにしてその高周波成分を少なくすると、緩和振動の振幅が減ると考えられる。このような考え方に基づいて、駆動電流の立上り方と表示特性との関係を定量的に調べた結果、以下のことが判明した。
【００２３】
図３は、ステップ状入力とその２次応答波形の例を示すグラフである。横軸は時間、縦軸はレーザ電流である。２次応答波形は、高周波成分の少ない滑らかな駆動電流波形の典型例である。図３の右上に、２次応答の伝達関数Ｈ（ｓ）が示されている。ここでは、極周波数ｆ0を４０ＭＨｚとし、減衰比ζを０．７５と仮定している。
【００２４】
図４は、この２次応答波形の周波数スペクトルを示すグラフである。ここでは、２次応答波形のカットオフ周波数ｆcutoffをパラメータとした４本のグラフが描かれている。なお、本明細書において、「カットオフ周波数ｆcutoff」とは、−３ｄＢの減衰量を示す周波数を意味する。２次応答波形はステップ状波形に比べて高周波成分が小さく、また、そのカットオフ周波数ｆcutoffが小さいほど高周波成分が小さくなる。レーザ光源の緩和振動の周波数は１０００ＭＨｚ以上であると考えられるため、カットオフ周波数ｆcutoffが２００ＭＨｚ程度以下の電流波形で駆動すれば緩和振動の影響は小さくなると推定される。そこで、本願の発明者は、以下に示すレーザ動作モデルを作成し、ＰＷＭ駆動幅とレーザ光量の関係を求めた。
【００２５】
図５は、レーザ動作モデルの構成を示す説明図である。図５（Ａ）に示すように、このモデルは、レーザドライバ４４０と、フィルタ要素４５０と、レーザ素子（レーザダイオード）１００とを備えている。レーザドライバ４４０は、図５（Ｂ）に示す矩形波状の駆動電流を出力する。このドライバ出力は、１ピクセル期間（１画素期間）のうちの駆動幅ＤＷの期間では所定の電圧レベルＶccに維持され、他の期間では接地レベルに維持される。フィルタ要素４５０は、このようなドライバ出力をフィルタリングして、図５（Ｃ）に示すレーザ駆動電流を生成する。ここでは、フィルタ要素４５０として２次フィルタを用いた例が示されているが、１次フィルタを用いてもよい。なお、画素周波数（画素期間の逆数）は、ＶＧＡ表示デバイスを想定して、４０ＭＨｚ（画素時間は２５ｎｓ）とした。
【００２６】
図６は、図５のレーザ動作モデルを用いて算出した階調特性のグラフであり、図７はその拡大図である。横軸は駆動幅ＤＷであり、縦軸はレーザ光量である。また、シミュレーションのパラメータとして、フィルタ要素４５０のカットオフ周波数ｆcutoffを採用した。駆動幅ＤＷが小さい領域は、低階調領域に相当し、駆動幅ＤＷが１に近づくに従って階調が増大して光量が増加する。
【００２７】
図６，図７において、駆動幅ＤＷが１画素に等しい場合には、１画素期間（図５）の全体に渡って駆動電流が流れるので、カットオフ周波数ｆcutoffに拘わらず一定の発光量が得られる。一方、駆動幅ＤＷが小さくなると、フィルタ要素４５０のカットオフ周波数ｆcutoffによってレーザ光量（すなわち実際の階調）が異なっている。具体的には、図７に示すように、カットオフ周波数ｆcutoffが高いほど、低い階調領域においてグラフがより大きく波打っており、カットオフ周波数ｆcutoffが下がるに従い波打ちが少なくなっていることがわかる。さらに、カットオフ周波数ｆcutoffが下がるほど、レーザ光量を立ち上げるための駆動幅ＤＷが大きくなるという現象が発生している。後者の理由は、カットオフ周波数ｆcutoffが下がると駆動電流がゆっくりとしか上昇しないので、駆動幅ＤＷを広げないとレーザ素子１００が発光を始めないからである。
【００２８】
図８は、図６，図７の各階調特性の直線からのずれ量（実線で示す）と、発光量が０．２ｍＷとなる駆動幅（破線で示す）とを合わせてプロットしたグラフである。ここで、各階調特性の直線からのずれ量としては、各グラフを線形近似したときの残渣誤差（ＲＭＳ）を利用した。階調特性の直線からのずれ量は、カットオフ周波数ｆcutoffが大きいほど低下する。換言すれば、階調特性の直線性は、カットオフ周波数ｆcutoffが小さいほど改善される。これは、カットオフ周波数ｆcutoffが小さいほど、電流波形がよりなだらかになるので、緩和振動現象が抑制されるからである。より具体的には、カットオフ周波数ｆcutoffが約２００ＭＨｚ以下であれば、階調特性の直線からのずれ量は約４％以下であり、実用上十分に満足できる程度である。但し、階調特性の直線性は、カットオフ周波数ｆcutoffが約４０〜６０ＭＨｚで最小値となり、４０ＭＨｚを下回ると再び悪化する傾向がある。
【００２９】
一方、図８において、発光量が０．２ｍＷとなる駆動幅は、カットオフ周波数ｆcutoffが大きいほど小さくなる。図７からも理解できるように、発光量が０．２ｍＷとなる駆動幅の値は、発光が開始される駆動幅を実質的に示しているものと考えることができる。一般に、発光量の階調再現性に利用できる駆動幅の範囲は、発光が開始される駆動幅以上の駆動幅の範囲である。従って、発光が開始される駆動幅の値が大きい場合には、発光量の階調再現性に利用できる残りの駆動幅の範囲が小さくなり、再現可能な階調数が実質的に低下する。換言すれば、再現可能な階調数は、カットオフ周波数ｆcutoffが大きく、発光が開始される駆動幅が小さいほど増加するので好ましいことが理解できる。より具体的には、カットオフ周波数ｆcutoffが約４０ＭＨｚ以上であれば、発光量が０．２ｍＷとなる駆動幅は約０．３画素以下であり、実用上十分に満足できる程度である。
【００３０】
上述した階調特性の直線性と、再現可能な階調数とを考慮すると、図８において、カットオフ周波数ｆcutoffとして４０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚの範囲の値を採用するが好ましいことが理解できる。カットオフ周波数ｆcutoffが４０ＭＨｚよりも小さいと、発光が開始される駆動幅が過度に大きくなり、再現可能な階調数が過度に低下してしまう。一方、カットオフ周波数ｆcutoffが２００ＭＨｚよりも大きいと階調特性の直線性が過度に劣化してしまう。なお、図５〜図８におけるシミュレーションでは、画素周波数を４０ＭＨｚと仮定したので、図８におけるカットオフ周波数ｆcutoffの好ましい範囲（４０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚ）は、画素周波数の１倍〜５倍の範囲に相当することが理解できる。この関係は、他の画素周波数でも同様に成立するものと推定される。すなわち、一般に、カットオフ周波数ｆcutoffを画素周波数の１倍〜５倍の範囲に選べば、低い階調領域での階調特性の波打ちが無く、また、レーザ光量の立上りに要する駆動幅が十分に小さな駆動を実現可能である。
【００３１】
図９は、カットオフ周波数と駆動電流の立上り時間との関係を示すグラフである。ここでは、フィルタ要素４５０（図５）にステップ状のドライバ出力を入力した状態におけるフィルタ要素４５０の出力の立上り時間を計算した。ここで、「立上り時間」とは、ステップ状入力の目標値の１０％から９０％に至るまでに要する時間である。図９の縦軸は、立上り時間をピクセル時間（１画素幅の時間）で除した値である。図８において得られたカットオフ周波数ｆcutoffの好ましい範囲（４０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚ）は、立上り時間に換算すると、ピクセル時間の約５％〜約３５％の範囲にほぼ相当していることが理解できる。また、立上り時間の範囲としては、ピクセル時間の７％〜３５％がより好ましく、７％〜３２％がさらに好ましい。
【００３２】
図８又は図９に従ってフィルタ要素のカットオフ周波数ｆcutoffを設定すれば、階調再現性に優れたレーザスキャンディスプレイを実現することが可能である。なお、図５〜図９のシミュレーションでは、フィルタ要素４５０をレーザドライバ４４０とレーザ素子１００との間に設けていたが、この代わりに、フィルタ要素４５０をレーザドライバ４４０の前段に設けてもよい。後者の場合には、レーザドライバ４４０に非矩形状入力（フィルタ後信号）が供給されて、レーザドライバ４４０からレーザ素子１００に非矩形状の駆動信号が入力される。
【００３３】
B．第１実施例：
図１０は、第１実施例における画像表示装置の全体構成を示す説明図である。この画像表示装置は、レーザ素子１００と、水平走査部２００と、垂直走査部３００と、制御回路４００とを有している。水平走査部２００と垂直走査部３００は、それぞれのミラーを有しており、ミラーを水平方向及び垂直方向に揺動させてレーザ光を水平方向及び垂直方向にそれぞれ走査する機構である。レーザ光は、２つの走査部２００，３００の動作によってスクリーンＳＣ上を走査し、また、レーザ光の強さが画像の階調に従って変調されて、スクリーンＳＣ上に表示画像が形成される。なお、ここでは１色分の構成のみを示しているが、カラー画像を表示する場合には、同様の構成が各色毎に設けられる。
【００３４】
図１１は、制御回路４００の内部構成を示すブロック図である。制御回路４００は、フレームメモリ４１０と、ラインバッファ４２０と、ＰＷＭ回路４３０と、レーザドライバ４４０と、フィルタ要素４５０と、ミラー駆動回路４６０と、同期信号生成回路４７０とを備えている。フレームメモリ４１０は、外部の画像供給装置（例えばパーソナルコンピュータやＤＶＤプレーヤ）から供給された画素信号Ｄｍを格納する。この画素信号Ｄｍは、タイミング調整用のラインバッファ４２０に一旦格納された後に、ＰＷＭ回路４３０に順次供給される。ＰＷＭ回路４３０は、画素信号Ｄｍに対してＰＷＭ制御を行い、ＰＷＭ信号Ｓpwmを生成してレーザドライバ４４０に供給する。レーザドライバ４４０から出力される駆動信号は、フィルタ要素４５０を介してレーザ素子１００に供給される。ミラー駆動回路４６０は、画素信号Ｄｍに応じたレーザ素子１００の発光制御に同期して走査部２００，３００（図１０）を動作させる回路である。なお、同期信号生成回路４７０は、ＰＷＭ回路４３０やミラー駆動回路４６０に同期信号を供給している。
【００３５】
図１２は、ＰＷＭ回路４３０とレーザドライバ４４０の内部構成を示す図である。ＰＷＭ回路４３０は、階調調整用ルックアップテーブル４３２と、ＤＡ変換器４３４と、三角波発生回路４３６と、コンパレータ４３８とを有している。階調調整用ルックアップテーブル４３２と、ＤＡ変換器４３４と、三角波発生回路４３６には、同期信号生成回路４７０（図１１）から描画クロックＤＣＬＫ（画素クロック）が供給されている。レーザドライバ４４０は、電流制限用の抵抗４４２と、駆動トランジスタ４４４との直列接続を有している。電源電位Ｖccと抵抗４４２との間には、フィルタ要素４５０を介してレーザ素子１００が接続されている。なお、駆動トランジスタ４４４の制御電極（ゲート電極）には、ＰＷＭ信号Ｓpwmが入力されている。
【００３６】
図１３は、ＰＷＭ回路４３０とレーザドライバ４４０の動作を示すタイミングチャートである。画素データＤｍは、描画クロックＤＣＬＫに同期して階調調整用ルックアップテーブル４３２に供給され、ここで描画データＤｐに変換されて、ＤＡ変換器４３４に入力される。なお、ＬＵＴ４３２は、図６で説明した階調特性を考慮して、画素データＤｍと発光量の関係が直線性を維持するように、画素データＤｍを描画データＤｐに変換する機能を有している。例えば、画素データＤｍが８ビットであり、ＰＷＭ駆動信号の駆動幅（図６の横軸）が０．２画素のときにレーザ素子１００が発光を開始するものと仮定する。この場合には、Ｄｍ＝１（０．５％の階調値）の時に、この画素データＤｍが、ＰＷＭ駆動信号の駆動幅（図６の横軸）を０．２画素とする描画データＤｐに変換される。この描画データＤｐは、ＤＡ変換器４３４でアナログ描画信号Ｓdaに変換される。
【００３７】
コンパレータ４３８は、アナログ描画信号Ｓdaと、三角波発生回路４３６から供給された三角波信号Ｓtriとを比較して、Ｄp≦Ｓtriの場合にＨレベルとなり、Ｓtri＜Ｄpの場合にＬレベルとなるＰＷＭ信号Ｓpwmを生成する。なお、本実施例ではＤＡ変換器４３４の出力電圧Ｓdaが大きいほどＰＷＭ信号Ｓpwmの駆動幅は狭くなり、より暗い階調に対応した信号となる。このＰＷＭ信号Ｓpwmに応じてレーザドライバ４４０の駆動トランジスタ４４４がオン／オフ制御され、これに応じたレーザ電流Ｉdrが流れてレーザ光が発生する。
【００３８】
図１４は、第１実施例におけるフィルタ要素４５０の内部構成を示す回路図である。このフィルタ要素４５０は、コイル４５２とコンデンサ４５４とで構成された２次ローパスフィルタとしての特性を有している。一例では、コイル４５２のインダクタンスは１５ｎＨ、 コンデンサ４５４の容量は５６ｐＦである。このとき、フィルタ要素４５０のカットオフ周波数ｆcutoffは、約１７０ＭＨｚ≒１／（２π√（ＬＣ））である。なお、この周波数（１／（２π√（ＬＣ））は厳密には共振周波数であるが、カットオフ周波数ｆcutoffはこの共振周波数に近い値となる。
【００３９】
図１５は、レーザ素子１００のＩＶ特性の例を示すグラフである。このＩＶ特性を用いてシミュレーションを行ったところ、図１６に示すにように、立上り時間として７ｎｓが得られた。画素周波数が４０ＭＨｚの場合の１ピクセル時間は２５ｎＳなので、この立上り時間（７ｎｓ）は１ピクセル時間の２８％に相当する。従って、この立上り時間は、図８で説明した好ましい範囲（ピクセル時間の７％〜３５％）に収まっている。
【００４０】
以上のように、第１実施例では、レーザドライバ４４０とレーザ素子１００との間に２次ローパスフィルタを設けることによって、レーザ素子１００の駆動電流の立上り時間を好ましい範囲に収め、良好な階調再現性を実現することが可能である。すなわち、暗い階調領域においてはレーザの緩和振動による影響を抑制して滑らかな階調表現を実現するができ、また、比較的短い駆動幅からレーザを発光させて実質的に再現可能な階調数を増加させ、より明るい表示を実現することが可能である。
【００４１】
C．第２実施例：
図１７は、第２実施例におけるフィルタ要素４５０ａの構成を示す回路図である。このフィルタ要素４５０ａは、同軸ケーブルである。このフィルタ要素４５０ａも、２次ローパスフィルタとしての特性を有している。より具体的には、フィルタ要素４５０ａとして、特性インピーダンスが５０Ω、コードＮｏ．が１．５Ｄ−２Ｖである同軸ケーブルを使用した、このケーブルのインダクタンスは２６０ｎＨ／ｍ、容量は１００ｐＦ／ｍである。この同軸ケーブルの長さ５ｃｍとしてシミュレーションを行ったところ、図１８のように駆動電流の立上り時間は８ｎｓとなった。この立上り時間（８ｎｓ）は１ピクセル時間の３２％に相当する。従って、この立上り時間は、図８で説明した好ましい範囲（ピクセル時間の７％〜３５％）に収まっていることが理解できる。
【００４２】
以上のように、第２実施例においても、レーザドライバ４４０とレーザ素子１００との間に同軸ケーブルを設けることによって、レーザ素子１００の駆動電流の立上り時間を好ましい範囲に収め、良好な階調再現性を実現することが可能である。
【００４３】
D．第３実施例：
図１９は、第９実施例におけるフィルタ要素４５０ｂの構成を示す回路図である。このフィルタ要素４５０ｂは、抵抗４５６とコンデンサ４５８とで構成されたＲＣ積分回路である。このＲＣ積分回路は、１次ローパスフィルタとしての特性を有している。なお、第２実施例では、フィルタ要素４５０ｂがレーザドライバ４４０の入力側に設けられている点で、上述した第１，第２実施例と異なっている。すなわち、第３実施例では、ＰＷＭ駆動信号Ｓpwmがフィルタ要素４５０ｂにおいてフィルタリングされ、こうして得られた非矩形状の駆動信号がレーザドライバ４４０に入力されている。換言すれば、第３実施例では、駆動電流波形の制御が、レーザドライバ４４０の駆動トランジスタ４４４の制御端子の入力波形を制御することで行なっている。
【００４４】
一例として、抵抗４５６の抵抗値を１００Ωとし、コンデンサ４５８の容量を２７ｐＦとして、レーザ素子１００をレーザドライバ４４０に直接接続した状態でシミュレーションを行ったところ、図２０に示すように、駆動電流の立上り時間として６ｎｓが得られた。この立上り時間（６ｎｓ）は１ピクセル時間の２４％に相当する。従って、この立上り時間は、図８で説明した好ましい範囲（ピクセル時間の７％〜３５％）に収まっていることが理解できる。
【００４５】
以上のように、第３実施例においても、レーザドライバ４４０の入力側にフィルタ要素を設けることによって、レーザ素子１００の駆動電流の立上り時間を好ましい範囲に収め、良好な階調再現性を実現することが可能である。
【００４６】
なお、第３実施例において、１次フィルタの代わりに２次フィルタを利用することも可能である。また、第１，第２実施例において、２次フィルタの代わりに１次フィルタを設けることも可能である。
【００４７】
E．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４８】
E１．変形例１：
上記実施例では、駆動電流の立上り時間が１画素期間の５〜３５％の範囲に収まるように駆動電流の立上りを調整するか、或いは、カットオフ周波数が画素周波数の１〜５倍の範囲にあるカットオフ特性を有するフィルタ要素を用いて階調特性を改善していた。しかし、本発明は、これらの数値に限定されるものでは無く、一般に、駆動電流の立上りを、ステップ状波形よりも緩やかな上昇波形に従って変化させることによって階調特性を改善する方法や装置として実現可能である。
【００４９】
E２．変形例２：
上記実施例では、レーザ素子を用いた例を説明したが、本発明は、レーザ素子に限らず、他の光源素子（発光素子）を用いた表示装置に適用可能である。また、上記実施例では、表示装置としてプロジェクタを説明したが、本発明はプロジェクタ以外の表示装置にも適応可能である。
【００５０】
E３．変形例３：
上記実施例では、ＰＷＭ回路４３０を用いていたが、この代わりに、他の駆動方法でレーザドライバ４４０に制御信号を供給する制御信号生成部を利用してもよい。典型的な例では、画素値に応じて矩形波状制御信号を生成する制御信号生成部を利用することが可能である。ＰＷＭ回路４３０は、このような制御信号生成部の一例であることが理解できる。また、レーザドライバ４４０としては、矩形波状の入力信号が供給されたときに矩形波状出力電流を発生する任意の回路（電流制御回路）を利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】レーザの緩和振動現象の発生理由を説明するための説明図である。
【図２】駆動時間幅と発光量の関係をプロットしたグラフである。
【図３】ステップ状入力とその２次応答波形の例を示すグラフである。
【図４】２次応答波形の周波数スペクトルを示すグラフである。
【図５】レーザ動作モデルの構成を示す説明図である。
【図６】レーザ動作モデルを用いて算出した階調特性のグラフである。
【図７】図６の一部拡大図である。
【図８】階調特性の直線からのずれ量と、発光量が０．２ｍＷとなる駆動幅とを合わせてプロットしたグラフである。
【図９】カットオフ周波数と駆動電流の立上り時間との関係を示すグラフである。
【図１０】第１実施例における画像表示装置の全体構成を示す説明図である。
【図１１】制御回路の内部構成を示すブロック図である。
【図１２】ＰＷＭ回路とレーザドライバの内部構成を示す図である。
【図１３】ＰＷＭ回路とレーザドライバの動作を示すタイミングチャートである。
【図１４】第１実施例におけるフィルタ要素の構成を示す回路図である。
【図１５】レーザ素子のＩＶ特性の例を示すグラフである。
【図１６】第１実施例におけるレーザ駆動電流の立上り特性を示すグラフである。
【図１７】第２実施例におけるフィルタ要素の構成を示す回路図である。
【図１８】第２実施例におけるレーザ駆動電流の立上り特性を示すグラフである。
【図１９】第３実施例におけるフィルタ要素の構成を示す回路図である。
【図２０】第３実施例におけるレーザ駆動電流の立上り特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１００…レーザ素子
２００…水平走査部
３００…垂直走査部
４００…制御回路
４１０…フレームメモリ
４２０…ラインバッファ
４３０…ＰＷＭ回路
４３２…階調調整用ルックアップテーブル
４３４…ＤＡ変換器
４３６…三角波発生回路
４３８…コンパレータ
４４０…レーザドライバ
４４２…抵抗
４４４…駆動トランジスタ
４５０…フィルタ要素
４５２…コイル
４５４…コンデンサ
４５６…抵抗
４５８…コンデンサ
４６０…ミラー駆動回路
４７０…同期信号生成回路
【技術分野】
【０００１】
この発明は、画素信号に応じて変調されたビーム光を走査させることにより画像を表示する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビーム光を走査させて画像を表示する画像表示装置としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。この画像表示装置では、レーザ光をＰＷＭ変調することにより、階調を表現している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１４０００９号公報
【０００４】
本願の発明者は、レーザ光をＰＷＭ変調した場合に、低い階調範囲において階調の浪打ちが発生して、視聴者に違和感が感じさせることを見いだした。これは、レーザの緩和振動現象によるものであると推定される。緩和振動現象とは、ステップ状の駆動電流がレーザ素子に入力されたときに、レーザ光強度が減衰振動する現象を意味する。緩和振動現象は、通常は、半導体レーザに現れる現象である。
【０００５】
図１は、レーザの緩和振動現象の発生理由を説明するための説明図である。一般に、緩和振動現象は、レーザの駆動電流をステップ状に立ち上げた時に発生する。図１（Ａ）は、ステップ状の駆動電流によるレーザ発光量の振動を示している。ところで、ＰＷＭ変調による階調表現は、駆動電流の時間幅（駆動幅とも呼ぶ）を変えて発光時間の幅を変え、１画素当たりの平均発光量を変えることで階調を表現するものである。従って、暗い階調は、短い駆動幅で再現される。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す緩和振動の一つ目の光パルスを丁度含むような時間幅で駆動された電流波形を示しており、図１（Ｃ）はそのときの発光波形を示している。図１（Ｄ）は、図１（Ｃ）の発光波形から僅かに明るい階調を表現するために、やや長い時間幅で駆動した場合の駆動電流波形を示しており、図１（Ｅ）はそのときの発光波形を示している。図１（Ｃ）の駆動時間幅の終端は、一つ目と二つ目の光パルスの谷間に相当するため、図１（Ｂ）の発光量と図１（Ｄ）の発光量はほとんど同じものになってしまう。図１（Ｆ）は、さらに明るい階調を表現するために、さらに長い時間幅で駆動した場合の駆動電流波形を示しており、図１（Ｇ）はそのときの発光波形を示している。この場合には、二つ目の光パルスが発生するので、発光量がかなり増加する。これらの例から理解できるように、ＰＷＭ変調によって駆動幅を増加した場合には、発光量がほとんど増加しない階調範囲と、発光量がかなり増加する階調範囲とが生じるという問題がある。
【０００６】
図２は、図１で説明した駆動幅と発光量の関係をプロットしたグラフである。低い階調範囲ではグラフが波打っており、階調再現性が劣っていることが理解できる。この現象は、視覚上は、暗い階調のグラデーションが滑らかにならないものとして観察される。
【０００７】
このように、レーザ光をＰＷＭ変調した場合には、低い階調範囲において階調再現特性に浪打ちが発生するという問題があった。また、このような問題は、レーザ光のＰＷＭ変調に限らず、他の光源素子を用いて画素信号に応じて変調されたビーム光を発生させて画像を表示する技術にも共通する問題であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、画素信号に応じて変調されたビーム光を発生させて画像を表示する際に、低い階調範囲において階調再現特性の浪打ちが発生する現象を緩和する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【００１０】
［適用例１］
画素信号に応じて変調されたビーム光を走査させることにより画像を表示する画像表示装置であって、
ビーム光を射出する光源素子と、
前記光源素子から射出された前記ビーム光をスクリーン上で走査させる走査部と、
前記画素信号の画素値に応じた駆動電流を前記光源素子に供給して前記ビーム光を射出させる制御部と
を備え、
前記制御部は、前記駆動電流の目標値の１０％から９０％までに要する立上り時間が１画素期間の５〜３５％の範囲に収まるように前記駆動電流の立上りを調整する、画像表示装置。
この装置によれば、駆動電流の立上り時間が１画素期間の５％以上になるように駆動電流の立上りを調整したので、過度に短い立上り時間で駆動電流を立ち上げた場合に発生する階調再現特性の浪打ちを緩和することができる。また、駆動電流の立上り時間が１画素期間の３５％以下になるように駆動電流の立上りを調整したので、過度に長い立上り時間で駆動電流を立ち上げた場合に実質的な階調数が減少するという問題を緩和することができる。この結果、良好な階調再現性を実現することが可能である。
【００１１】
［適用例２］
適用例１記載の画像表示装置であって、
前記光源素子は、緩和振動現象を生じるレーザ素子である、画像表示装置。
【００１２】
［適用例３］
適用例１又は２記載の画像表示装置であって、
前記制御部は、
前記画素値に応じて矩形波状制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記制御信号生成部と前記光源素子との間の所定の位置に配置され、矩形波状の入力信号が供給されたときに矩形波状出力電流を発生する電流制御回路と、
前記矩形波発生回路と前記光源素子との間、又は、前記制御信号生成部と前記矩形波発生回路との間に設けられたフィルタ要素と、
を備え、
前記フィルタ要素によって前記駆動電流の立上り時間が調整される、画像表示装置。
【００１３】
［適用例４］
適用例３記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、ローパスフィルタである、画像表示装置。
【００１４】
［適用例５］
適用例３記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、同軸ケーブルである、画像表示装置。
【００１５】
［適用例６］
画素信号に応じて変調されたビーム光を走査させることにより画像を表示する画像表示方法であって、
（ａ）前記画素信号の画素値に応じた駆動電流を光源素子に供給してビーム光を射出させる工程と、
（ｂ）前記光源素子から射出された前記ビーム光をスクリーン上で走査させる工程と、
を備え、
前記工程（ａ）は、前記駆動電流の目標値の１０％から９０％までに要する立上り時間が１画素期間の５〜３５％の範囲に収まるように前記駆動電流の立上りを調整する工程を含む、画像表示方法。
【００１６】
［適用例７］
画素信号に応じて変調されたビーム光を走査させることにより画像を表示する画像表示装置であって、
ビーム光を射出する光源素子と、
前記光源素子から射出された前記ビーム光をスクリーン上で走査させる走査部と、
前記画素信号の画素値に応じた駆動電流を前記光源素子に供給して前記ビーム光を射出させる制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記画素値に応じて矩形波状制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記矩形波状制御信号に応じて矩形波状出力電流を発生する電流制御回路と、
前記矩形波発生回路と前記光源素子との間に設けられたフィルタ要素と、
を備え、
前記フィルタ要素は、カットオフ周波数が画素周波数の１〜５倍の範囲にあるカットオフ特性を有する、画像表示装置。
この装置によれば、カットオフ周波数が画素周波数の５倍以下になるようにしたので、カットオフ周波数が過度に大きい場合に発生する階調再現特性の浪打ちを緩和することができる。また、カットオフ周波数が画素周波数の１倍以上になるようにしたので、カットオフ周波数が過度に小さい場合に実質的な階調数が減少するという問題を緩和することができる。この結果、良好な階調再現性を実現することが可能である。
【００１７】
［適用例８］
適用例７記載の画像表示装置であって、
前記光源素子は、緩和振動現象を生じるレーザ素子である、画像表示装置。
【００１８】
［適用例９］
適用例７又は８記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、ローパスフィルタである、画像表示装置。
【００１９】
［適用例１０］
適用例７又は８記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、同軸ケーブルである、画像表示装置。
【００２０】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、画像表示方法および画像表示装置、光源素子の駆動方法及び装置、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
A．階調再現性の改善方法：
B．第１実施例：
C．第２実施例：
D．第３実施例：
E．変形例
【００２２】
A．階調再現性の改善方法：
従来技術で説明した緩和振動現象は、駆動電流がステップ状に立ち上がることに主な原因があると推定される。そこで、駆動電流の立上りを、ステップ状波形よりも緩やかな上昇波形に従って変化させるようにすれば、緩和振動を緩和することが可能である。例えば、駆動電流の電流波形を滑らかにしてその高周波成分を少なくすると、緩和振動の振幅が減ると考えられる。このような考え方に基づいて、駆動電流の立上り方と表示特性との関係を定量的に調べた結果、以下のことが判明した。
【００２３】
図３は、ステップ状入力とその２次応答波形の例を示すグラフである。横軸は時間、縦軸はレーザ電流である。２次応答波形は、高周波成分の少ない滑らかな駆動電流波形の典型例である。図３の右上に、２次応答の伝達関数Ｈ（ｓ）が示されている。ここでは、極周波数ｆ0を４０ＭＨｚとし、減衰比ζを０．７５と仮定している。
【００２４】
図４は、この２次応答波形の周波数スペクトルを示すグラフである。ここでは、２次応答波形のカットオフ周波数ｆcutoffをパラメータとした４本のグラフが描かれている。なお、本明細書において、「カットオフ周波数ｆcutoff」とは、−３ｄＢの減衰量を示す周波数を意味する。２次応答波形はステップ状波形に比べて高周波成分が小さく、また、そのカットオフ周波数ｆcutoffが小さいほど高周波成分が小さくなる。レーザ光源の緩和振動の周波数は１０００ＭＨｚ以上であると考えられるため、カットオフ周波数ｆcutoffが２００ＭＨｚ程度以下の電流波形で駆動すれば緩和振動の影響は小さくなると推定される。そこで、本願の発明者は、以下に示すレーザ動作モデルを作成し、ＰＷＭ駆動幅とレーザ光量の関係を求めた。
【００２５】
図５は、レーザ動作モデルの構成を示す説明図である。図５（Ａ）に示すように、このモデルは、レーザドライバ４４０と、フィルタ要素４５０と、レーザ素子（レーザダイオード）１００とを備えている。レーザドライバ４４０は、図５（Ｂ）に示す矩形波状の駆動電流を出力する。このドライバ出力は、１ピクセル期間（１画素期間）のうちの駆動幅ＤＷの期間では所定の電圧レベルＶccに維持され、他の期間では接地レベルに維持される。フィルタ要素４５０は、このようなドライバ出力をフィルタリングして、図５（Ｃ）に示すレーザ駆動電流を生成する。ここでは、フィルタ要素４５０として２次フィルタを用いた例が示されているが、１次フィルタを用いてもよい。なお、画素周波数（画素期間の逆数）は、ＶＧＡ表示デバイスを想定して、４０ＭＨｚ（画素時間は２５ｎｓ）とした。
【００２６】
図６は、図５のレーザ動作モデルを用いて算出した階調特性のグラフであり、図７はその拡大図である。横軸は駆動幅ＤＷであり、縦軸はレーザ光量である。また、シミュレーションのパラメータとして、フィルタ要素４５０のカットオフ周波数ｆcutoffを採用した。駆動幅ＤＷが小さい領域は、低階調領域に相当し、駆動幅ＤＷが１に近づくに従って階調が増大して光量が増加する。
【００２７】
図６，図７において、駆動幅ＤＷが１画素に等しい場合には、１画素期間（図５）の全体に渡って駆動電流が流れるので、カットオフ周波数ｆcutoffに拘わらず一定の発光量が得られる。一方、駆動幅ＤＷが小さくなると、フィルタ要素４５０のカットオフ周波数ｆcutoffによってレーザ光量（すなわち実際の階調）が異なっている。具体的には、図７に示すように、カットオフ周波数ｆcutoffが高いほど、低い階調領域においてグラフがより大きく波打っており、カットオフ周波数ｆcutoffが下がるに従い波打ちが少なくなっていることがわかる。さらに、カットオフ周波数ｆcutoffが下がるほど、レーザ光量を立ち上げるための駆動幅ＤＷが大きくなるという現象が発生している。後者の理由は、カットオフ周波数ｆcutoffが下がると駆動電流がゆっくりとしか上昇しないので、駆動幅ＤＷを広げないとレーザ素子１００が発光を始めないからである。
【００２８】
図８は、図６，図７の各階調特性の直線からのずれ量（実線で示す）と、発光量が０．２ｍＷとなる駆動幅（破線で示す）とを合わせてプロットしたグラフである。ここで、各階調特性の直線からのずれ量としては、各グラフを線形近似したときの残渣誤差（ＲＭＳ）を利用した。階調特性の直線からのずれ量は、カットオフ周波数ｆcutoffが大きいほど低下する。換言すれば、階調特性の直線性は、カットオフ周波数ｆcutoffが小さいほど改善される。これは、カットオフ周波数ｆcutoffが小さいほど、電流波形がよりなだらかになるので、緩和振動現象が抑制されるからである。より具体的には、カットオフ周波数ｆcutoffが約２００ＭＨｚ以下であれば、階調特性の直線からのずれ量は約４％以下であり、実用上十分に満足できる程度である。但し、階調特性の直線性は、カットオフ周波数ｆcutoffが約４０〜６０ＭＨｚで最小値となり、４０ＭＨｚを下回ると再び悪化する傾向がある。
【００２９】
一方、図８において、発光量が０．２ｍＷとなる駆動幅は、カットオフ周波数ｆcutoffが大きいほど小さくなる。図７からも理解できるように、発光量が０．２ｍＷとなる駆動幅の値は、発光が開始される駆動幅を実質的に示しているものと考えることができる。一般に、発光量の階調再現性に利用できる駆動幅の範囲は、発光が開始される駆動幅以上の駆動幅の範囲である。従って、発光が開始される駆動幅の値が大きい場合には、発光量の階調再現性に利用できる残りの駆動幅の範囲が小さくなり、再現可能な階調数が実質的に低下する。換言すれば、再現可能な階調数は、カットオフ周波数ｆcutoffが大きく、発光が開始される駆動幅が小さいほど増加するので好ましいことが理解できる。より具体的には、カットオフ周波数ｆcutoffが約４０ＭＨｚ以上であれば、発光量が０．２ｍＷとなる駆動幅は約０．３画素以下であり、実用上十分に満足できる程度である。
【００３０】
上述した階調特性の直線性と、再現可能な階調数とを考慮すると、図８において、カットオフ周波数ｆcutoffとして４０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚの範囲の値を採用するが好ましいことが理解できる。カットオフ周波数ｆcutoffが４０ＭＨｚよりも小さいと、発光が開始される駆動幅が過度に大きくなり、再現可能な階調数が過度に低下してしまう。一方、カットオフ周波数ｆcutoffが２００ＭＨｚよりも大きいと階調特性の直線性が過度に劣化してしまう。なお、図５〜図８におけるシミュレーションでは、画素周波数を４０ＭＨｚと仮定したので、図８におけるカットオフ周波数ｆcutoffの好ましい範囲（４０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚ）は、画素周波数の１倍〜５倍の範囲に相当することが理解できる。この関係は、他の画素周波数でも同様に成立するものと推定される。すなわち、一般に、カットオフ周波数ｆcutoffを画素周波数の１倍〜５倍の範囲に選べば、低い階調領域での階調特性の波打ちが無く、また、レーザ光量の立上りに要する駆動幅が十分に小さな駆動を実現可能である。
【００３１】
図９は、カットオフ周波数と駆動電流の立上り時間との関係を示すグラフである。ここでは、フィルタ要素４５０（図５）にステップ状のドライバ出力を入力した状態におけるフィルタ要素４５０の出力の立上り時間を計算した。ここで、「立上り時間」とは、ステップ状入力の目標値の１０％から９０％に至るまでに要する時間である。図９の縦軸は、立上り時間をピクセル時間（１画素幅の時間）で除した値である。図８において得られたカットオフ周波数ｆcutoffの好ましい範囲（４０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚ）は、立上り時間に換算すると、ピクセル時間の約５％〜約３５％の範囲にほぼ相当していることが理解できる。また、立上り時間の範囲としては、ピクセル時間の７％〜３５％がより好ましく、７％〜３２％がさらに好ましい。
【００３２】
図８又は図９に従ってフィルタ要素のカットオフ周波数ｆcutoffを設定すれば、階調再現性に優れたレーザスキャンディスプレイを実現することが可能である。なお、図５〜図９のシミュレーションでは、フィルタ要素４５０をレーザドライバ４４０とレーザ素子１００との間に設けていたが、この代わりに、フィルタ要素４５０をレーザドライバ４４０の前段に設けてもよい。後者の場合には、レーザドライバ４４０に非矩形状入力（フィルタ後信号）が供給されて、レーザドライバ４４０からレーザ素子１００に非矩形状の駆動信号が入力される。
【００３３】
B．第１実施例：
図１０は、第１実施例における画像表示装置の全体構成を示す説明図である。この画像表示装置は、レーザ素子１００と、水平走査部２００と、垂直走査部３００と、制御回路４００とを有している。水平走査部２００と垂直走査部３００は、それぞれのミラーを有しており、ミラーを水平方向及び垂直方向に揺動させてレーザ光を水平方向及び垂直方向にそれぞれ走査する機構である。レーザ光は、２つの走査部２００，３００の動作によってスクリーンＳＣ上を走査し、また、レーザ光の強さが画像の階調に従って変調されて、スクリーンＳＣ上に表示画像が形成される。なお、ここでは１色分の構成のみを示しているが、カラー画像を表示する場合には、同様の構成が各色毎に設けられる。
【００３４】
図１１は、制御回路４００の内部構成を示すブロック図である。制御回路４００は、フレームメモリ４１０と、ラインバッファ４２０と、ＰＷＭ回路４３０と、レーザドライバ４４０と、フィルタ要素４５０と、ミラー駆動回路４６０と、同期信号生成回路４７０とを備えている。フレームメモリ４１０は、外部の画像供給装置（例えばパーソナルコンピュータやＤＶＤプレーヤ）から供給された画素信号Ｄｍを格納する。この画素信号Ｄｍは、タイミング調整用のラインバッファ４２０に一旦格納された後に、ＰＷＭ回路４３０に順次供給される。ＰＷＭ回路４３０は、画素信号Ｄｍに対してＰＷＭ制御を行い、ＰＷＭ信号Ｓpwmを生成してレーザドライバ４４０に供給する。レーザドライバ４４０から出力される駆動信号は、フィルタ要素４５０を介してレーザ素子１００に供給される。ミラー駆動回路４６０は、画素信号Ｄｍに応じたレーザ素子１００の発光制御に同期して走査部２００，３００（図１０）を動作させる回路である。なお、同期信号生成回路４７０は、ＰＷＭ回路４３０やミラー駆動回路４６０に同期信号を供給している。
【００３５】
図１２は、ＰＷＭ回路４３０とレーザドライバ４４０の内部構成を示す図である。ＰＷＭ回路４３０は、階調調整用ルックアップテーブル４３２と、ＤＡ変換器４３４と、三角波発生回路４３６と、コンパレータ４３８とを有している。階調調整用ルックアップテーブル４３２と、ＤＡ変換器４３４と、三角波発生回路４３６には、同期信号生成回路４７０（図１１）から描画クロックＤＣＬＫ（画素クロック）が供給されている。レーザドライバ４４０は、電流制限用の抵抗４４２と、駆動トランジスタ４４４との直列接続を有している。電源電位Ｖccと抵抗４４２との間には、フィルタ要素４５０を介してレーザ素子１００が接続されている。なお、駆動トランジスタ４４４の制御電極（ゲート電極）には、ＰＷＭ信号Ｓpwmが入力されている。
【００３６】
図１３は、ＰＷＭ回路４３０とレーザドライバ４４０の動作を示すタイミングチャートである。画素データＤｍは、描画クロックＤＣＬＫに同期して階調調整用ルックアップテーブル４３２に供給され、ここで描画データＤｐに変換されて、ＤＡ変換器４３４に入力される。なお、ＬＵＴ４３２は、図６で説明した階調特性を考慮して、画素データＤｍと発光量の関係が直線性を維持するように、画素データＤｍを描画データＤｐに変換する機能を有している。例えば、画素データＤｍが８ビットであり、ＰＷＭ駆動信号の駆動幅（図６の横軸）が０．２画素のときにレーザ素子１００が発光を開始するものと仮定する。この場合には、Ｄｍ＝１（０．５％の階調値）の時に、この画素データＤｍが、ＰＷＭ駆動信号の駆動幅（図６の横軸）を０．２画素とする描画データＤｐに変換される。この描画データＤｐは、ＤＡ変換器４３４でアナログ描画信号Ｓdaに変換される。
【００３７】
コンパレータ４３８は、アナログ描画信号Ｓdaと、三角波発生回路４３６から供給された三角波信号Ｓtriとを比較して、Ｄp≦Ｓtriの場合にＨレベルとなり、Ｓtri＜Ｄpの場合にＬレベルとなるＰＷＭ信号Ｓpwmを生成する。なお、本実施例ではＤＡ変換器４３４の出力電圧Ｓdaが大きいほどＰＷＭ信号Ｓpwmの駆動幅は狭くなり、より暗い階調に対応した信号となる。このＰＷＭ信号Ｓpwmに応じてレーザドライバ４４０の駆動トランジスタ４４４がオン／オフ制御され、これに応じたレーザ電流Ｉdrが流れてレーザ光が発生する。
【００３８】
図１４は、第１実施例におけるフィルタ要素４５０の内部構成を示す回路図である。このフィルタ要素４５０は、コイル４５２とコンデンサ４５４とで構成された２次ローパスフィルタとしての特性を有している。一例では、コイル４５２のインダクタンスは１５ｎＨ、 コンデンサ４５４の容量は５６ｐＦである。このとき、フィルタ要素４５０のカットオフ周波数ｆcutoffは、約１７０ＭＨｚ≒１／（２π√（ＬＣ））である。なお、この周波数（１／（２π√（ＬＣ））は厳密には共振周波数であるが、カットオフ周波数ｆcutoffはこの共振周波数に近い値となる。
【００３９】
図１５は、レーザ素子１００のＩＶ特性の例を示すグラフである。このＩＶ特性を用いてシミュレーションを行ったところ、図１６に示すにように、立上り時間として７ｎｓが得られた。画素周波数が４０ＭＨｚの場合の１ピクセル時間は２５ｎＳなので、この立上り時間（７ｎｓ）は１ピクセル時間の２８％に相当する。従って、この立上り時間は、図８で説明した好ましい範囲（ピクセル時間の７％〜３５％）に収まっている。
【００４０】
以上のように、第１実施例では、レーザドライバ４４０とレーザ素子１００との間に２次ローパスフィルタを設けることによって、レーザ素子１００の駆動電流の立上り時間を好ましい範囲に収め、良好な階調再現性を実現することが可能である。すなわち、暗い階調領域においてはレーザの緩和振動による影響を抑制して滑らかな階調表現を実現するができ、また、比較的短い駆動幅からレーザを発光させて実質的に再現可能な階調数を増加させ、より明るい表示を実現することが可能である。
【００４１】
C．第２実施例：
図１７は、第２実施例におけるフィルタ要素４５０ａの構成を示す回路図である。このフィルタ要素４５０ａは、同軸ケーブルである。このフィルタ要素４５０ａも、２次ローパスフィルタとしての特性を有している。より具体的には、フィルタ要素４５０ａとして、特性インピーダンスが５０Ω、コードＮｏ．が１．５Ｄ−２Ｖである同軸ケーブルを使用した、このケーブルのインダクタンスは２６０ｎＨ／ｍ、容量は１００ｐＦ／ｍである。この同軸ケーブルの長さ５ｃｍとしてシミュレーションを行ったところ、図１８のように駆動電流の立上り時間は８ｎｓとなった。この立上り時間（８ｎｓ）は１ピクセル時間の３２％に相当する。従って、この立上り時間は、図８で説明した好ましい範囲（ピクセル時間の７％〜３５％）に収まっていることが理解できる。
【００４２】
以上のように、第２実施例においても、レーザドライバ４４０とレーザ素子１００との間に同軸ケーブルを設けることによって、レーザ素子１００の駆動電流の立上り時間を好ましい範囲に収め、良好な階調再現性を実現することが可能である。
【００４３】
D．第３実施例：
図１９は、第９実施例におけるフィルタ要素４５０ｂの構成を示す回路図である。このフィルタ要素４５０ｂは、抵抗４５６とコンデンサ４５８とで構成されたＲＣ積分回路である。このＲＣ積分回路は、１次ローパスフィルタとしての特性を有している。なお、第２実施例では、フィルタ要素４５０ｂがレーザドライバ４４０の入力側に設けられている点で、上述した第１，第２実施例と異なっている。すなわち、第３実施例では、ＰＷＭ駆動信号Ｓpwmがフィルタ要素４５０ｂにおいてフィルタリングされ、こうして得られた非矩形状の駆動信号がレーザドライバ４４０に入力されている。換言すれば、第３実施例では、駆動電流波形の制御が、レーザドライバ４４０の駆動トランジスタ４４４の制御端子の入力波形を制御することで行なっている。
【００４４】
一例として、抵抗４５６の抵抗値を１００Ωとし、コンデンサ４５８の容量を２７ｐＦとして、レーザ素子１００をレーザドライバ４４０に直接接続した状態でシミュレーションを行ったところ、図２０に示すように、駆動電流の立上り時間として６ｎｓが得られた。この立上り時間（６ｎｓ）は１ピクセル時間の２４％に相当する。従って、この立上り時間は、図８で説明した好ましい範囲（ピクセル時間の７％〜３５％）に収まっていることが理解できる。
【００４５】
以上のように、第３実施例においても、レーザドライバ４４０の入力側にフィルタ要素を設けることによって、レーザ素子１００の駆動電流の立上り時間を好ましい範囲に収め、良好な階調再現性を実現することが可能である。
【００４６】
なお、第３実施例において、１次フィルタの代わりに２次フィルタを利用することも可能である。また、第１，第２実施例において、２次フィルタの代わりに１次フィルタを設けることも可能である。
【００４７】
E．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４８】
E１．変形例１：
上記実施例では、駆動電流の立上り時間が１画素期間の５〜３５％の範囲に収まるように駆動電流の立上りを調整するか、或いは、カットオフ周波数が画素周波数の１〜５倍の範囲にあるカットオフ特性を有するフィルタ要素を用いて階調特性を改善していた。しかし、本発明は、これらの数値に限定されるものでは無く、一般に、駆動電流の立上りを、ステップ状波形よりも緩やかな上昇波形に従って変化させることによって階調特性を改善する方法や装置として実現可能である。
【００４９】
E２．変形例２：
上記実施例では、レーザ素子を用いた例を説明したが、本発明は、レーザ素子に限らず、他の光源素子（発光素子）を用いた表示装置に適用可能である。また、上記実施例では、表示装置としてプロジェクタを説明したが、本発明はプロジェクタ以外の表示装置にも適応可能である。
【００５０】
E３．変形例３：
上記実施例では、ＰＷＭ回路４３０を用いていたが、この代わりに、他の駆動方法でレーザドライバ４４０に制御信号を供給する制御信号生成部を利用してもよい。典型的な例では、画素値に応じて矩形波状制御信号を生成する制御信号生成部を利用することが可能である。ＰＷＭ回路４３０は、このような制御信号生成部の一例であることが理解できる。また、レーザドライバ４４０としては、矩形波状の入力信号が供給されたときに矩形波状出力電流を発生する任意の回路（電流制御回路）を利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】レーザの緩和振動現象の発生理由を説明するための説明図である。
【図２】駆動時間幅と発光量の関係をプロットしたグラフである。
【図３】ステップ状入力とその２次応答波形の例を示すグラフである。
【図４】２次応答波形の周波数スペクトルを示すグラフである。
【図５】レーザ動作モデルの構成を示す説明図である。
【図６】レーザ動作モデルを用いて算出した階調特性のグラフである。
【図７】図６の一部拡大図である。
【図８】階調特性の直線からのずれ量と、発光量が０．２ｍＷとなる駆動幅とを合わせてプロットしたグラフである。
【図９】カットオフ周波数と駆動電流の立上り時間との関係を示すグラフである。
【図１０】第１実施例における画像表示装置の全体構成を示す説明図である。
【図１１】制御回路の内部構成を示すブロック図である。
【図１２】ＰＷＭ回路とレーザドライバの内部構成を示す図である。
【図１３】ＰＷＭ回路とレーザドライバの動作を示すタイミングチャートである。
【図１４】第１実施例におけるフィルタ要素の構成を示す回路図である。
【図１５】レーザ素子のＩＶ特性の例を示すグラフである。
【図１６】第１実施例におけるレーザ駆動電流の立上り特性を示すグラフである。
【図１７】第２実施例におけるフィルタ要素の構成を示す回路図である。
【図１８】第２実施例におけるレーザ駆動電流の立上り特性を示すグラフである。
【図１９】第３実施例におけるフィルタ要素の構成を示す回路図である。
【図２０】第３実施例におけるレーザ駆動電流の立上り特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１００…レーザ素子
２００…水平走査部
３００…垂直走査部
４００…制御回路
４１０…フレームメモリ
４２０…ラインバッファ
４３０…ＰＷＭ回路
４３２…階調調整用ルックアップテーブル
４３４…ＤＡ変換器
４３６…三角波発生回路
４３８…コンパレータ
４４０…レーザドライバ
４４２…抵抗
４４４…駆動トランジスタ
４５０…フィルタ要素
４５２…コイル
４５４…コンデンサ
４５６…抵抗
４５８…コンデンサ
４６０…ミラー駆動回路
４７０…同期信号生成回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素信号に応じて変調されたビーム光を走査させることにより画像を表示する画像表示装置であって、
ビーム光を射出する光源素子と、
前記光源素子から射出された前記ビーム光をスクリーン上で走査させる走査部と、
前記画素信号の画素値に応じた駆動電流を前記光源素子に供給して前記ビーム光を射出させる制御部と
を備え、
前記制御部は、前記駆動電流の目標値の１０％から９０％までに要する立上り時間が１画素期間の５〜３５％の範囲に収まるように前記駆動電流の立上りを調整する、画像表示装置。
【請求項２】
請求項１記載の画像表示装置であって、
前記光源素子は、緩和振動現象を生じるレーザ素子である、画像表示装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の画像表示装置であって、
前記制御部は、
前記画素値に応じて矩形波状制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記制御信号生成部と前記光源素子との間の所定の位置に配置され、矩形波状の入力信号が供給されたときに矩形波状出力電流を発生する電流制御回路と、
前記矩形波発生回路と前記光源素子との間、又は、前記制御信号生成部と前記矩形波発生回路との間に設けられたフィルタ要素と、
を備え、
前記フィルタ要素によって前記駆動電流の立上り時間が調整される、画像表示装置。
【請求項４】
請求項３記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、ローパスフィルタである、画像表示装置。
【請求項５】
請求項３記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、同軸ケーブルである、画像表示装置。
【請求項６】
画素信号に応じて変調されたビーム光を走査させることにより画像を表示する画像表示方法であって、
（ａ）前記画素信号の画素値に応じた駆動電流を光源素子に供給してビーム光を射出させる工程と、
（ｂ）前記光源素子から射出された前記ビーム光をスクリーン上で走査させる工程と、
を備え、
前記工程（ａ）は、前記駆動電流の目標値の１０％から９０％までに要する立上り時間が１画素期間の５〜３５％の範囲に収まるように前記駆動電流の立上りを調整する工程を含む、画像表示方法。
【請求項７】
画素信号に応じて変調されたビーム光を走査させることにより画像を表示する画像表示装置であって、
ビーム光を射出する光源素子と、
前記光源素子から射出された前記ビーム光をスクリーン上で走査させる走査部と、
前記画素信号の画素値に応じた駆動電流を前記光源素子に供給して前記ビーム光を射出させる制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記画素値に応じて矩形波状制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記矩形波状制御信号に応じて矩形波状出力電流を発生する電流制御回路と、
前記矩形波発生回路と前記光源素子との間に設けられたフィルタ要素と、
を備え、
前記フィルタ要素は、カットオフ周波数が画素周波数の１〜５倍の範囲にあるカットオフ特性を有する、画像表示装置。
【請求項８】
請求項７記載の画像表示装置であって、
前記光源素子は、緩和振動現象を生じるレーザ素子である、画像表示装置。
【請求項９】
請求項７又は８記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、ローパスフィルタである、画像表示装置。
【請求項１０】
請求項７又は８記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、同軸ケーブルである、画像表示装置。
【請求項１】
画素信号に応じて変調されたビーム光を走査させることにより画像を表示する画像表示装置であって、
ビーム光を射出する光源素子と、
前記光源素子から射出された前記ビーム光をスクリーン上で走査させる走査部と、
前記画素信号の画素値に応じた駆動電流を前記光源素子に供給して前記ビーム光を射出させる制御部と
を備え、
前記制御部は、前記駆動電流の目標値の１０％から９０％までに要する立上り時間が１画素期間の５〜３５％の範囲に収まるように前記駆動電流の立上りを調整する、画像表示装置。
【請求項２】
請求項１記載の画像表示装置であって、
前記光源素子は、緩和振動現象を生じるレーザ素子である、画像表示装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の画像表示装置であって、
前記制御部は、
前記画素値に応じて矩形波状制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記制御信号生成部と前記光源素子との間の所定の位置に配置され、矩形波状の入力信号が供給されたときに矩形波状出力電流を発生する電流制御回路と、
前記矩形波発生回路と前記光源素子との間、又は、前記制御信号生成部と前記矩形波発生回路との間に設けられたフィルタ要素と、
を備え、
前記フィルタ要素によって前記駆動電流の立上り時間が調整される、画像表示装置。
【請求項４】
請求項３記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、ローパスフィルタである、画像表示装置。
【請求項５】
請求項３記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、同軸ケーブルである、画像表示装置。
【請求項６】
画素信号に応じて変調されたビーム光を走査させることにより画像を表示する画像表示方法であって、
（ａ）前記画素信号の画素値に応じた駆動電流を光源素子に供給してビーム光を射出させる工程と、
（ｂ）前記光源素子から射出された前記ビーム光をスクリーン上で走査させる工程と、
を備え、
前記工程（ａ）は、前記駆動電流の目標値の１０％から９０％までに要する立上り時間が１画素期間の５〜３５％の範囲に収まるように前記駆動電流の立上りを調整する工程を含む、画像表示方法。
【請求項７】
画素信号に応じて変調されたビーム光を走査させることにより画像を表示する画像表示装置であって、
ビーム光を射出する光源素子と、
前記光源素子から射出された前記ビーム光をスクリーン上で走査させる走査部と、
前記画素信号の画素値に応じた駆動電流を前記光源素子に供給して前記ビーム光を射出させる制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記画素値に応じて矩形波状制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記矩形波状制御信号に応じて矩形波状出力電流を発生する電流制御回路と、
前記矩形波発生回路と前記光源素子との間に設けられたフィルタ要素と、
を備え、
前記フィルタ要素は、カットオフ周波数が画素周波数の１〜５倍の範囲にあるカットオフ特性を有する、画像表示装置。
【請求項８】
請求項７記載の画像表示装置であって、
前記光源素子は、緩和振動現象を生じるレーザ素子である、画像表示装置。
【請求項９】
請求項７又は８記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、ローパスフィルタである、画像表示装置。
【請求項１０】
請求項７又は８記載の画像表示装置であって、
前記フィルタ要素は、同軸ケーブルである、画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１０−２０２１２（Ｐ２０１０−２０２１２Ａ）
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８２４１１（Ｐ２００８−１８２４１１）
【出願日】平成２０年７月１４日（２００８．７．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１４日（２００８．７．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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