JP2011523464A - レーザー投影システムの色彩及び輝度補償 - Google Patents

Abstract

多色レーザー源、レーザー投影光学系、光強度モニター、及び投影コントローラを有する多色レーザー投影システムが提供される。多色レーザー源は周波数変換光ビームλ_１及びネイティブ周波数光ビームλ_２を生成するよう構成されている。レーザー投影光学系は周波数変換光ビームλ_１及びネイティブ周波数光ビームλ_２を用いて画像を形成するよう構成されている。また、レーザー投影光学系は周波数変換光ビームλ_１の一部を光強度モニターに向けるよう構成されている。投影コントローラは、周波数変換光ビームλ_１の強度を関数としてネイティブ周波数光ビームλ_２の強度を変化させるようプログラムされている。更に別の実施の形態が開示され特許請求されている。

Description

優先権

本出願は、２００７年１１月２６日出願の米国特許出願第１１/９８６，７３３号の優先権を主張するものであり、その内容に依拠すると共に本引用によりその内容がそっくりそのまま本明細書に組み込まれたものとする。

本発明は多色レーザー投影システムに関し、特には、投影システムのレーザー源によって生成される少なくとも１つの光ビームを周波数変換した光ビームとする、レーザー投影システムの色補正及び輝度バランスに関するものである。

限定を意図するものではなく説明として、例えば、レーザー走査投影システムは、一般に赤色、緑色、及び青色光ビームを使用してレーザー走査画像を生成している。赤色及び青色光ビームは一般にネイティブ波長レーザー源によって生成されている。これに対し、緑色光ビームは、例えば、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザー、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザー、ファブリ・ペロー・レーザー、垂直キャビティ面発光（ＶＣＳＥＬ）レーザー等の赤色又は赤外ネイティブ半導体レーザーと第二高調波発生（ＳＨＧ）クリスタルのような光波長変換器とを組み合せて生成されることが多い。

例えば、１０６０ｎｍのＤＢＲ又はＤＦＢレーザーを、その波長を５３０ｎｍに変換するＳＨＧクリスタルのスペクトル中心に同調させることによって、基本レーザー信号の高次高調波を発生させることができる。しかし、ＭｇＯをドープした周期分極化ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）のようなＳＨＧクリスタルの波長変換効率はレーザーダイオードとＳＨＧクリスタルとの間の波長整合に強く依存する。ＰＰＬＮのＳＨＧ装置の帯域幅は一般に非常に狭く、一般的なＰＰＬＮのＳＨＧ波長変換器の半値全幅（ＦＷＨＭ）波長変換帯域幅は０．１６〜０．２ｎｍに過ぎず、多くの場合クリスタル長に依存する。半導体レーザーの動作中において、レーザーキャビティー内におけるモードホッピングや制御されない大きな波長変化によりその出力波長が許容帯域幅から外れることがある。半導体レーザーの波長が一旦ＰＰＬＮのＳＨＧ装置の最適変換波長から外れてしまうと対象波長における変換装置の出力が低下する。例えば、レーザー投影システムにおいて、モードホッピングにより、画像の特定の位置における欠陥として容易に視認できる瞬間的な出力変化が起きるため特に問題である。一般に、このような目に見える欠陥は、画像全体にわたり組織立ちパターン化された画像欠陥として現れる。その理由は形成される画像はレーザーの異なる部分における温度発展の特徴を示しているからである。

本発明者らはレーザー投影システム用半導体レーザー源の開発において、波長整合及び安定化に関連した課題に取り組み、投影システムのレーザー源によって生成される少なくとも１つの光ビームを周波数変換した光ビームとする、レーザー投影システムにおける色補正及び輝度バランスに関わる有益な方法を想到するに至った。

本発明の１つの実施の形態によれば、多色レーザー源、レーザー投影光学系、光強度モニター、及び投影コントローラを有して成る多色レーザー投影システムが提供される。前記多色レーザー源は、周波数変換光ビームλ_１、及び１つ以上のネイティブ周波数光ビームλ_２、λ_３等を生成するよう構成されている。前記レーザー投影光学系は、周波数変換光ビームλ_１及びネイティブ周波数光ビームλ_２、λ_３等を用いてレーザー走査画像を生成するよう構成されている。また前記レーザー投影光学系は、周波数変換光ビームλ_１の一部を前記光強度モニターに向けるよう構成されている。前記投影コントローラは、周波数変換光ビームλ_１の強度エラーを以下のように補償するようプログラムされている。

ここで、ΔＩλ_１は周波数変換光ビームλ_１における基準データ強度信号からの変化量を表し、ΔＩλ_２はネイティブ周波数光ビームλ_２における基準データ強度信号からの変化量を表し、ｆは少なくとも部分的に投影機の設計に依存する関数である。

本発明の概念は主に画像投影との関連において説明されているが、本発明の多様な概念は再現可能なレーザー波長の変動が問題となるあらゆるレーザー用途に適用可能である。

多色レーザー投影システムを示す図。 色補正を必要とするレーザー走査画像を示す図。 色補正を施したレーザー走査画像を示す図。 輝度バランス調整を必要とするレーザー走査画像を示す図。 輝度バランス調整を施したレーザー走査画像を示す図。

まず、多色レーザー源１０、レーザー投影光学系２０、光強度モニター３０、及び投影コントローラ４０を有して成る、図１に示す多色レーザー投影システム１００に基づき、本発明の特別な実施の形態について説明する。図示のように、例えば緑色レーザービームとして周波数変換光ビームλ_１、赤色及び青色レーザービームとしてネイティブ周波数光ビームλ_２、λ_３を発生するＲＧＢ走査投影機として動作するよう多色レーザー源１０を構成することができる。

前記レーザー投影光学系２０は、部分反射ビームスプリッター２２及び走査ミラー２４を含みこれに限定されない多様な光学素子から成ることができる。周波数変換光ビームλ_１及びネイティブ周波数光ビームλ_２、λ_３を用い、これらの光学素子が協働することにより、二次元のレーザー走査画像が投影スクリーンまたは画像面５０上に形成される。また、周波数変換光ビームλ_１の強度をモニターする１つの方法として、光ビームλ_１、λ_２、λ_３の一部を透過させ、周波数変換光ビームλ_１を光強度モニター３０に向けるよう部分反射ビームスプリッター２２を構成することができる。本発明の範囲を逸脱せずに、別の多くの構成を用いて周波数変換光ビームλ_１の強度をモニターすることができる。

前記光強度モニター３０は周波数変換光ビームλ_１の強度変化を示す電気信号又は光信号を生成するよう構成されている。光強度モニター３０と通信する前記投影コントローラ４０は光強度モニター３０に向けられた周波数変換光ビームλ_１の一部を受信またはサンプリングし、周波数変換光ビームλ_１の強度エラーを以下のように補償するようプログラムされている。

ここで、ΔＩλ_１は周波数変換光ビームλ_１における基準データ強度信号からの変化量を表し、ΔＩλ_２はネイティブ周波数光ビームλ_２における基準データ強度信号からの変化量を表し、ΔＩλ_３は別のネイティブ周波数光ビームλ_３における基準データ強度信号からの変化量を表し、ｆ及びｇは少なくとも部分的に投影機の設計に依存する関数である。一般に、ΔＩλ_１は投影画像の個々のピクセルの意図した強度とモニター強度信号によって示される実際の強度との差を示す。ΔＩλ_２及びΔＩλ_３の値は、ネイティブ周波数光ビームλ_２、λ_２の信号に意図的に導入される補正値である。

本発明の１つの実施の形態において、ネイティブ周波数光ビームλ_２、λ_２が周波数変換光ビームλ_１に対し時間遅延される。レーザー走査投影機においては、例えば、投影スクリーン上の画像の色に対応する多数の点を走査することにより画像が形成される。ビーム間に小さな角度のズレがある場合、各々の色が画像の各ピクセルに作用する時間が僅かに異なる。例えば、画像面５０上において、３つの光ビームλ_１、λ_２、λ_３を１つ又は２つの線で区切り、その線に沿って１つまたは２つのピクセルで区切ることができる。画像面５０の端部を少し且つ充分超えて延びる走査ミラー２４の走査パターンを与えることにより、画像面５０全体にわたり各ビームを走査することができるが、フレームの先頭において各々の色が時間的に僅かに異なり、その順でフレーム内を移動する。従って、各々のピクセルはそれぞれ３つのビームすべてを受けるが、それには特定の時間的順序が存在する。従って、後の２つのビームに加えられる信号に適切な時間遅延を与えることにより、ピクセル毎に画像を調整する。前記ビームの角度ズレを周波数変換光ビームλ_１が各フレームに入射する最初のビームとすることにより、即ち、各ピクセルにおける最初の色とすることにより、周波数変換光ビームλ_１の強度変化をモニターすることができ、事後、対応する補正値を別の色に適用することができる。

また、本明細書記載の色補正及び輝度バランス調整を比較的一般化された前記等式より幾分複雑にすることができる。例えば、画像の低空間周波数成分及び高空間周波数成分を判別し、低空間周波数部分及び高空間周波数部分に異なる種類の補正を施すことが好ましい。その関数にはローパスまたはハイパスフィルター関数を使用することができ、周波数２逓倍信号ΔＩλ_１を最適補正することができる。

本発明の説明及び範囲を明確にする意味において、本発明の投影システムは３色投影システムである必要はなく、例えば、周波数変換光ビームλ_１及びネイティブ波長光ビームλ_２、λ_３のいずれか一方を用いるだけでよい。更に別の選択肢として、３つ以上のネイティブ波長光ビームλ_２、λ_３及び２つ以上の周波数変換光ビームλ_１を使用することができる。また、“基準”データ強度信号は、特定の波長が投影されるときの投影画像の強度を示す画像データ部分である。

３色投影システムの場合、関数ｆとｇとは、投影画像の鑑賞又は外見に影響を与える内的及び外的条件に応じ、同等であっても僅かに異なっていてもよい。いずれにしても、投影画像の色補正又は輝度バランスの調整ができるようｆ及びｇを選択する必要がある。例えば、色補正を必要とするレーザー走査画像を図２に示す。図２において、個々のＲＧＢ強度値が座標（ｒ、ｇ、ｂ）として与えられ、それぞれ赤色、緑色、及び青色レーザービームの各基準データ強度信号に対する強度を表している。図示の画像において、緑色強度が画像全体にわたり約±５％の範囲で変化し、緑色が強過ぎたり（０，５，０）あるいは紫色が強過ぎたりする（０，−５，０）容易に認識できる領域が形成される。図２では色変化を離散的領域として示しているが、一般的な場合、実際には緑色の強度が基準データ強度から±５％変化する領域において緩やかな色傾斜を成している。その結果、目は比較的大きな表面領域における色変化に対し敏感であるため、緑色から紫色への色変化が歴然である明確に視認できる画像欠陥となる。

図３は、色補正関数ｆ及びｇを使用して、色補正ルーチンを実行することにより、周波数変換光ビームλ_１の強度エラーを以下のように補償するようプログラムされた投影コントローラ４０による色補正後の画像を示す図である。

例えば、図２の緑色出力の５％の変化に赤色及び青色出力の対応する５％の変化が追従し、画像全体にわたり一定の色を生成するよう関数ｆ及びｇを選択することができる。関数ｆ及びｇはレーザー走査画像において視覚的に明確な色強度の変化を補正するよう選択された値を有する色補正関数である。一般的なレーザー走査投影機において、かかる補正は色と色との間の時間遅延の導入及び時間の関数としての緑色出力のモニターにより容易に達成できる。関数ｆ及びｇの形態は主に投影機の動作特性に影響されることが多い。一般に、ネイティブ周波数光ビームλ_２、λ_２が周波数変換光ビームλ_１の周波数２逓倍出力を修正する際、グローバルな白色画像を維持するのにどれくらいの変化が必要かを測定することにより、このような関数を確立または近似することができる。
レーザー走査画像における視覚的に明らかな色強度変化を示す図２において、周波数変換光ビームλ_１による欠陥により投影画像に低空間周波数アーチファクトが生じる。他の色に補正を加えない場合、画像全体に色の低空間周波数変化が生じる。この低空間周波数変化により、一般に非常に目立つ画像欠陥が生じる。例として、一部が白く別の部分が紫又はシアンがかった雪景色のような画像は非常な困惑を与える。他の色の強度を調整して色のバランスを補正すれば、前記アーチファクトは灰色の強度変化となる。人間の知覚は低空間周波数の強度変化には敏感でないため、この種の欠陥を知覚することは遥かに困難である。このような人間の知覚の特徴は主に低空間周波数に当てはまるため、前記補正は通常低空間周波数画像にのみ適用する必要がある。従って、前記式を用いる前に、ΔIλ_１にローパスフィルターを適用することが考えられる。

ここで、ＬＰはローパスフィルターである。

前記色補正ルーチンは様々な実施の形態において実行できるが、投影コントローラ４０をプログラムして、図２及び図３に概略的に示す景色のように、比較的低い空間周波数の画像データが比較的高い空間周波数の画像データに対し優勢であるレーザー走査画像のときに前記色補正ルーチンを実行させることが考えられる。これに対し、図４及び図５において、テキストが多い画像のように、比較的高い空間周波数の画像データが支配的である場合、投影コントローラ４０をプログラムして輝度バランスルーチンを実行させることができる。輝度バランスルーチンにおいて、ネイティブ周波数光ビームλ_２、λ_２の強度が、輝度バランス関数ｈ及びｉを使用して周波数変換光ビームλ_１の強度と反対に以下のように変えられる。

前記輝度バランスルーチンは主に高空間周波数の画像に適用可能であるため、通常高空間周波数画像にのみ適用する必要がある。従って、前記式を用いる前に、ΔIλ_１にハイパスフィルターを適用することが考えられる。

ここで、ＨＰはハイパスフィルターである。

輝度バランス関数ｈ及びｉは、レーザー走査画像における視覚的に明らかな輝度変化をバランスさせるよう選択された形態を有している。図５に示すように、輝度バランスルーチンは（ｒ、ｇ、ｂ）座標を定め、画像全体の平均輝度を確保することにより、図４に示す輝度バランスが調整されていない個々の（ｒ、ｇ、ｂ）座標とは対照的に、画像の細部の視認性を高めている。画像の色強度が比較的低い場合又は正しい色バランスがあまり重要でない場合に、輝度バランスルーチンを実行することが好ましい。前記のように、関数ｈ及びｉは主として投影機の動作特性に影響を受けることが多く、周波数変換光ビームλ_１の強度を修正してグローバルな強度を一定にする際、他の色をどれくらい修正する必要があるかを測定することによりキャリブレートすることができる。

特定の投影において、画像データの空間周波数が比較的高い値から比較的低い値に変化する場合、レーザー走査画像の画像データの空間周波数に基づいて、前記色補正ルーチンの実行と前記輝度バランスルーチンの実行とを切り替えるよう前記コントローラをプログラムすることが好ましい。

どちらのルーチンを使用するかに関わらず、各ルーチンは周波数変換光ビームλ_１のモニター強度に依存しているため、ネイティブ周波数光ビームλ_２、λ_２に内在する画像データと周波数変換光ビームλ_１との間に時間遅延Δｔを設けるよう画像データ投影コントローラ４０をプログラムすることが一般的に必要である。前記時間遅延は、ネイティブ周波数光ビームλ_２、λ_２に内在する画像データと周波数変換光ビームλ_１との同期を乱すことなく、周波数変換光ビームλ_１のモニター強度変化を用いてネイティブ周波数光ビームλ_２、λ_２の強度を変化させることができるよう設定する必要がある。
本発明の説明及び範囲を明確にする意味において、本明細書において変数はパラメータの“関数”であり、別の変数の存在により、前記変数がリストされたパラメータの唯一の関数または変数であることを意味するものではない。むしろ、パラメータの“関数”である変数には制約がなく、１つのパラメータ又は複数のパラメータの関数であってよい。
本明細書において、特定の方法で“プログラムされた”、あるいは特定の特性又は機能を特定の方法で具体化するために“構成された”又は“プログラムされた”本発明の構成要素は、使用目的を記述したものではなく構造を記述したものである。具体的には、構成要素を“プログラムする”又は“構成する”方法の記述は、その構成要素の物理的状態を意味するものであり、その構成要素の構造的特性の明確な記述であると解釈されるべきである。

本明細書において、“好ましくは”、“通常”、及び“一般に”という用語は特許請求の範囲を限定するものではなく、また特定の特徴が特許請求した本発明の構造又は機能にとって非常に重要である、必須である、あるいは重要であることを暗示するものではない。むしろ、これらの用語は単に本発明の実施の形態における特定の特徴を明示すること又は本発明の特定の実施の形態に使用可能又は使用できない別の又は追加の特徴を強調することを意図したものに過ぎない。

本発明の説明及び範囲を明確にする意味において、本明細書において“約”という用語は量的比較、数値、測定値、あるいはその他の表記において、必然的に内在する不確かさを表すものである。また、“約”という用語は、当該対象の量的表記がその基本的機能の変化を伴うことなく記述した基準値から変化可能な程度を表すのにも使用される。

これまで特定の実施の形態を参照しながら本発明を詳細に説明してきたが、添付の請求項に規定する本発明の範囲を逸脱せずに種々の修正及び変更が可能であることは明白である。具体的には、本発明の特定の態様を好ましい又は特に有益であると説明したが、本発明は必ずしもこれらの好ましい態様に限定されるものではない。

以下の１つ以上の請求項において、移行句として“において”という用語が使用されている。本発明を規定する意味において、前記用語は構造の一連の特性を列挙するために制約のない移行句として請求項に使用されており、より一般的に使用される制約のない前文用語“から成り”と同等に解釈されるべきである。

１０ 多色レーザー源
２０ レーザー投影光学系
２２ 部分反射ビームスプリッター
２４ 走査ミラー
３０ 光強度モニター
４０ 投影コントローラ
５０ 画像面

Claims (5)

1. 多色レーザー源、レーザー投影光学系、光強度モニター、及び投影コントローラを有して成る多色レーザー投影システムであって、
   前記多色レーザー源が、周波数変換光ビームλ_１及び少なくとも１つのネイティブ周波数光ビームλ_２を生成するよう構成されて成り、
   前記レーザー投影光学系が、前記周波数変換光ビームλ_１及び前記ネイティブ周波数光ビームλ_２を用いて画像を生成するよう構成されて成り、
   前記レーザー投影光学系が、前記周波数変換光ビームλ_１の一部を前記光強度モニターに向けるよう構成されて成り、
   前記光強度モニター及び前記投影コントローラが、前記周波数変換光ビームλ_１の強度エラーを示す信号を発生するよう構成されて成り、
   前記投影コントローラが、前記周波数変換光ビームλ_１の前記強度エラーを補償するための補償信号を前記ネイティブ周波数光ビームλ_２に加えるようプログラムされて成ることを特徴とするシステム。
2. 前記投影コントローラが、前記ネイティブ周波数光ビームλ_２に内在する画像データと前記周波数変換光ビームλ_１との間に時間遅延Δｔを設けるようプログラムされて成り、
   前記時間遅延が、前記ネイティブ周波数光ビームλ_２に内在する画像データと前記周波数変換光ビームλ_１とのおおよその同期を乱すことなく、前記周波数変換光ビームλ_１のモニター強度変化を用いて、前記ネイティブ周波数光ビームλ_２の強度を変化させるのに充分であることを特徴とする請求項１記載の多色レーザー投影システム。
3. 前記投影コントローラが、前記周波数変換光ビームλ_１の前記強度エラーを以下のように補償するようプログラムされて成ることを特徴とする請求項１記載の多色レーザー投影システム。
   

   

   ここで、ΔIλ_１は前記周波数変換光ビームλ_１の基準データ強度信号からの変化量であり、ΔIλ_２は前記ネイティブ周波数光ビームλ_２の基準データ強度信号からの変化量であり、ｆは少なくとも部分的に投影機の設計に依存する関数である。
4. 前記投影コントローラが、前記投影画像における低空間周波数の強度変化を特定し、前記周波数変換光ビームλ_１の前記強度エラーを以下のように補償するようプログラムされて成ることを特徴とする請求項１記載の多色レーザー投影システム。
   

   

   ここで、ＬＰはローパスフィルターであり、ΔIλ_１は前記周波数変換光ビームλ_１の基準データ強度信号からの変化量であり、ΔIλ_２は前記ネイティブ周波数光ビームλ_２の基準データ強度信号からの変化量であり、ｆは少なくとも部分的に投影機の設計に依存する関数である。
5. 前記投影コントローラが、前記投影画像における高空間周波数の強度変化を特定し、前記周波数変換光ビームλ_１の前記強度エラーを以下のように補償するようプログラムされて成ることを特徴とする請求項１記載の多色レーザー投影システム。
   

   

   ここで、ＨＰはハイパスフィルターであり、ΔIλ_１は前記周波数変換光ビームλ_１の基準データ強度信号からの変化量であり、ΔIλ_２は前記ネイティブ周波数光ビームλ_２の基準データ強度信号からの変化量であり、ｈは少なくとも部分的に投影機の設計に依存する関数である。

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