JP5640420B2 - 投影型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のレーザ光源から変調されて射出された走査光により画像を形成する投影型画像表示装置に関する。

近年、小型で携帯容易化を図るために、複数のレーザ光源又はＬＥＤ光源から変調されて射出された走査光により画像を形成する投影型画像表示装置（プロジェクターともいう）の開発がさかんに行われている。
なかでも、３原色のレーザー光源とＭＥＭＳ（微小電気機械システム）ミラーとを組み合わせて構成された走査型の小型プロジェクターは、構成部品が少なくて、超小型化が可能な観点からとりわけ開発がさかんである。（例えば、特許文献１参照）。

この種の３原色のレーザー光源とＭＥＭＳミラーとからなる走査型プロジェクターの従来の光学系が図１５に示されている。
図１５において、１Ｒ、１Ｇ、１Ｂは、３原色のレーザー光源としてのそれぞれＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のレーザー光を放射する半導体レーザーである。その半導体レーザー１Ｒ、１Ｇ、１Ｂから変調されて射出された各レーザー光は、それぞれ集光レンズ２Ｒ、２Ｇ、２Ｂにより集光されて、ダイクロイックミラー３Ｒ、３Ｇ、３Ｂに導かれる。

ダイクロイックミラー３Ｒは赤色光を全反射し、ダイクロイックミラー３Ｇは緑色光を全反射しかつ他の色の光を透過させ、ダイクロイックミラー３Ｂは青色光を全反射しかつ他の色の光を透過させる。
赤色光はダイクロイックミラー３Ｒにより反射されて、ダイクロイックミラー３Ｇ、３Ｂを透過してＭＥＭＳミラー（Micro Electro Mechanical Systems）装置４に導かれる。緑色光はダイクロイックミラー３Ｇにより反射されてダイクロイックミラー３Ｂを透過してＭＥＭＳミラー装置４に導かれる。青色光はダイクロイックミラー３Ｂにより反射されてＭＥＭＳミラー装置４に導かれる。

そのＭＥＭＳミラー装置４は、図１６に示すように、矩形状の外枠５に一対のトーションバー６を介して矩形状の内枠７が支持され、この内枠７に微小ミラー８が一対のトーションバー９を介して支持される構造である。
一対のトーションバー６は揺動軸１０を形成し、一対のトーションバー９は揺動軸１１を形成し、揺動軸１０と揺動軸１１とは互いに直交している。
微小ミラー８は、一対のトーションバー６に捩れ力を与えることにより揺動軸１０を中心としてα方向に往復回動され、一対のトーションバー９に捩れ力を与えることにより揺動軸１１を中心としてβ方向に往復回動される。微小ミラー８は、この両トーションバー６、９に加える捩れ力によりその反射面の法線が二次元的に変位される。その結果、微小ミラー８に向かって入射するレーザー光の反射方向が変化し、レーザー光が二次元的に走査される。

各半導体レーザー１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ及びＭＥＭＳミラー装置４は制御回路１２によって制御される。その制御回路１２には元画像データ（入力ビデオ信号）ＶＩＮが入力される。制御回路１２は、光強度変調手段とミラー制御手段とを有する。光強度変調手段はその元画像データのＲ、Ｇ、Ｂデータに基づいて半導体レーザー１Ｒ、１Ｇ、１Ｂを光強度変調する。ミラー制御手段は元画像データの投影位置データに基づいてＭＥＭＳミラー装置４の微小ミラー８の傾斜角を制御する。
この制御回路１２による各半導体レーザー１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの光量制御及び微小ミラー８の角度制御により、スクリーンＳ上にカラー画像が形成される。

ところで、半導体レーザーは、温度変化により電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）が図１７に示すように変化する。半導体レーザーでは、温度が上昇するに伴って、レーザー発振が始まる駆動電流値が増大する。
例えば、温度が２５℃で、駆動電流Ｉ₀の時の光出力がＰ₁であるとき、温度が５０℃、８０℃と上昇するに伴って、光出力はＰ₂、Ｐ₃に減少する。
プロジェクターの内部温度は、電源投入直後から平衡状態に達するまで上昇し、各半導体レーザ１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの光出力の減少にはばらつきがあるので、これによりスクリーンＳ上における色のバランスが崩れ、元画像に忠実な色の再現がスクリーンＳ上で実現できなくなる。

そこで、従来から、プロジェクターの技術では、各半導体レーザー１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの発光強度をモニタしながら、常に所望の光出力が得られるように、駆動電流値を制御している（特許文献２、特許文献３参照）。
なお、光源の光出力をモニタし、その出力が一定になるように駆動電流を制御することをAuto Power Controlという（以下、 ＡＰＣ と略称する）。

しかし、特許文献２に開示のプロジェクターでは、図１８に示すように、スクリーンＳ上の画像形成領域Ｇ１以外の非画像形成領域Ｇ２でＡＰＣが実行される。この図１８において、実線ＲＬはスクリーンＳに画像を形成することを示す走査線である。破線ＢＬはスクリーンＳに画像を形成しないことを示す走査線である。
このスクリーンＳに画像を形成しないことを示す走査線ＢＬ（ＢＬｇ、ＢＬｂ、ＢＬｒ）の部分で、赤、緑、青の各半導体レーザー１Ｒ、１Ｇ、１ＢのＡＰＣ制御を行う。なお、実線ＲＫは走査線の帰線（復帰線）を示している。
このように、この特許文献２に開示のプロジェクターでは、画像の形成に寄与しない非画像形成領域Ｇ２でＡＰＣを行っている。従って、この非画像形成領域Ｇ２を走査している間は、画像形成領域Ｇ１は走査光により走査されないので、スクリーンＳに形成される画像は暗く感じられるものとなる。
また、特許文献２、３のいずれにも示されているように、非画像形成領域Ｇ２でAPCを実行する際にはスクリーンＳに光が投射されないように遮蔽物が必要となり、余分な部品が必要となるとともに、その遮蔽物と光線の相対位置関係を正確に組付ける必要があり、コストアップの要因となる。
また、半導体レーザーなどの光源は、温度により波長が変動するので、光束分離素子として多層膜などによる光束分離光学系を構成すると、多層膜の特性により、温度による波長変動で分離される光量が変化する可能性があり、安定した制御ができないと言う課題がある。

本発明の目的は、上記点に鑑みて為されたものであり、光源出力変動による、画像の色の変化を抑えるためにＡＰＣを行い、ＡＰＣを行う領域を画像形成領域として、光線により走査される領域を画像形成領域に限りなく近づけることを可能とし、画像の明るさを向上させることを目的とする。また、その際に、部品の増加、それに伴うコストアップを抑制することも目的とする。
更に、複数波長の光の受光素子の感度の差による制御信号レベルの差を抑え、簡単な制御回路で複数の光源のＡＰＣを実現することを目的とする。

請求項１に記載の投影型画像表示装置は、 複数のレーザー光源からの各レーザー光の光路を合成する光路合成素子と、
前記光路合成素子から射出された各レーザー光を分離する光束分離素子と、
該光束分離素子により分離された一方の各レーザー光を反射することにより各レーザー光を走査する走査ミラーと、
前記光束分離素子により分離された他方の各レーザー光を受光することにより複数のレーザー光源の各発光量を検出する光量モニタ用受光素子と、
元画像のデータに基づき、前記投影面の所定位置に各レーザー光のスポットが形成されるように前記走査ミラーを制御すると共に、元画像のデータに基づく色が再現されるように前記各レーザー光源を制御する制御回路とを備える投影型画像表示装置において、
前記制御回路は、前記投影面の画像形成領域内で、画像データに基づいて、前記複数のレーザー光源のうちの１個のみが発光されるタイミングで、順次、前記複数のレーザー光源の光量を前記光量モニタ用受光素子で検出し、
その検出された出力に基づいて前記複数の光源の発光量を調整し、前記複数のレーザー光源のそれぞれは、該レーザ光源の最大発光強度に対応する受光量が前記光量モニタ用受光素子に得られるべき時に、前記光量モニタ用受光素子で受光量を検出されることを特徴とする。
請求項２に記載の投影型画像表示装置は、前記複数のレーザー光源の波長をλ１、λ２、λ３（λ１＞λ２＞λ３）とし、前記光量モニタ用受光素子が受光する受光量を、波長λ１、λ２、λ３に対して、P１、P２、P３とした時、
Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３ ----------------------------------------------式１
の関係が成立するように、各レーザー光源の発光強度の光量レベルが選択されていることを特徴とする。
請求項３に記載の投影型画像表示装置は、前記複数のレーザー光源の波長をλ１、λ２、λ３（λ１＞λ２＞λ３）とし、各レーザー光源の発光強度が同一の場合に前記光量モニタ用受光素子が受光する受光量をＱ１、Ｑ２、Ｑ３とした時、
Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３ ----------------------------------------------式２
の関係が成立する光学特性を有するダイクロイックフィルタが前記光束分離素子と前記光量モニタ用受光素子との間に配置されていることを特徴とする。
請求項４に記載の投影型画像表示装置は、前記複数のレーザー光源の波長をλ１、λ２、λ３（λ１＞λ２＞λ３）とし、各レーザー光源の発光強度が同一の場合に前記光量モニタ用受光素子が受光する受光量をＱ１、Ｑ２、Ｑ３とした時、
Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３ ----------------------------------------------式２
の関係が成立するように、波長に対して屈折特性が異なる楔形光学素子が前記光束分離素子と前記光量モニタ用受光素子との間に配置されていること特徴とする。
請求項５に記載の投影型画像表示装置は、前記レーザー光源の発光時間幅が所定以上の時に、前記光量モニタ検出素子により受光量を検出することを特徴とする。
請求項６に記載の投影型画像表示装置は、前記レーザー光源の発光強度が所定値以上でかつ発光時間幅が所定以上の時に、前記光量モニタ用受光素子によって受光量を検出することを特徴とする。
請求項７に記載の投影型画像表示装置は、光束分離素子が各レーザー波長に対して透明な平板であることを特徴とする。

（請求項１に対する作用効果）
ＡＰＣ動作を行うタイミングを、画像形成領域内で光量検出を行うことにしたので、光量検出用の画像形成に寄与しない不必要な非画像形成領域を必要としなくなり、画像を最も明るい状態に維持しながらＡＰＣ動作が可能となる。
また、複数のレーザー光源の発光強度がそれぞれ最大光量レベルとなるタイミングで、光量モニタ用受光素子に入射した受光量を検出するので、Ｓ／Ｎの大きい信号が得られ、ＡＰＣの精度を上げることができる。
また、複数のレーザー光源のうちの１個が単独で発光されるタイミングで光量を順次検出する構成としたので、部品の増加、それに伴うコストアップを抑制することができ、更には、複数波長の光の受光素子の感度の差による制御信号レベルの差を押さえ、簡単な制御回路で複数の光源のＡＰＣを実現できる。
（請求項２に対する作用効果）
複数のレーザー光源の波長λ１、λ２、λ３（λ１＞λ２＞λ３）に対して、光量検出モニタ受光素子が受光する受光量をP１、P２、P３とした時、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３となるように、複数のレーザー光源の各発光強度が選択されているので、光量モニタ用受光素子の波長に対する感度に対応して、その出力電流値の差が小さくなるようにすることができ、検出回路のダイナミックレンジを大きくとる必要が無く、又は、ゲインの切換えを必要とせずに、簡易な検出回路でＡＰＣ動作が可能となる。
（請求項３、４に対する作用効果）
複数のレーザー光源の波長λ１、λ２、λ３（λ１＞λ２＞λ３）に対して、各レーザー光源の発光強度が同一の時の光量モニタ用受光素子が受光する受光量をＱ１、Ｑ２、Ｑ３とした時、Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３となるように、光学系が設計されているので、光量モニタ用受光素子の波長に対する感度に対応して、その出力電流値の差が小さくなるようにすることができ、Ｓ／Ｎの大きな信号が得られ、ＡＰＣの精度を上げることができる。
また、検出回路のダイナミックレンジを大きくとる必要が無く、あるいは、ゲインの切換を必要とせずに、簡易な検出回路でＡＰＣ動作が可能となる。
（請求項５に対する作用効果）
複数のレーザー光源の発光時間の長いタイミングで、光量モニタ用受光素子で、各波長のレーザー光の発光量を検出するので、高速の検出回路を必要とせず、発光強度の最大光量レベルの検出が可能となり、ＡＰＣの精度を上げることができる。
（請求項６に対する作用効果）
請求項１及び請求項４に記載の効果を兼ね備えた効果を有する。
（請求項７に対する作用効果）
光束分離素子をガラスの平行平板などの表面反射でモニタ光を分離できるので、環境変化により反射率の変動が小さく、安定した光量制御システムを構成することができる。また、特殊なコートをしなくとも、反射光を得ることができ、コストの低減が可能である。

図１は本発明の実施例１に係わる投影型表示装置の光学系を示す図である。 図２は図１に示すスクリーンに形成される画像形成領域の説明図である。 図３は図２に示す座標点Ｊの近傍を部分的に拡大して示した図である。 図４は、各光源の光量設定方法をフローチャートで示した図である。 図５は図１に示す光学系の変形例を示す部分拡大図である。 図６は本発明の実施例２に係わる投影型表示装置の各レーザー光源の発光タイミングと発光強度との関係を示すタイミングチャート図である。 図７は図１に示す光量モニタ用受光素子の波長に対する光電変換効率を示す特性曲線図である。 図８は本発明の実施例３に係わる投影型表示装置の各レーザー光源の発光タイミングと発光強度との関係を示すタイミングチャート図である。 図9は本発明の実施例４に係わる投影型表示装置の光学系の一部を示す部分拡大図である。 図１０は本発明の実施例４に係わる投影型表示装置に係わる説明図であって、図１０は（ａ）は本発明の実施例４に係わる投影型表示装置の別の光学系の一部を示す部分拡大図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示す楔形光学素子により光量受光用モニタ素子に形成される各レーザー光のビームスポットを示す図である。 図１１は本発明の実施例５に係わる投影型表示装置の各レーザー光源の発光タイミングと発光強度との関係を示すタイミングチャート図である。 図１２は本発明の実施例６に係わる投影型表示装置の各レーザー光源の発光タイミングと発光強度との関係を示すタイミングチャート図である。 図１３は本発明の実施例６に係わる投影型表示装置の各レーザー光源の発光タイミングと発光強度との別の関係を示すタイミングチャート図である。 図１４は図１に示す光学系の変形例を示す部分拡大図である。 図１５は従来の投影型表示装置の光学系の一例を示す図である。 図１６は図１５に示すミラーの構成の一例を示す説明図である。 図１７は図１５に示す半導体レーザー光源の温度と出力との関係を示す特性図である。 図１８は従来のＡＰＣ制御の一例を説明するための図である。

＜実施例１＞
図１は本発明に係わる投影型画像表示装置の光学系を示す図である。
この図１において、２０は赤色（波長λ１）のレーザー光ＲＰを発散光として射出するレーザー光源、２１は緑色（波長λ２）のレーザー光ＧＰを発散光として射出するレーザー光源、２２は青色（波長λ３）のレーザー光ＢＰを発散光として射出するレーザー光源、２３はＭＥＭＳミラー装置、２４は制御回路、２５は光路合成プリズム、２６は光量モニタ用受光素子、２７は光路分離用プリズム、２８は投射レンズとしての凹レンズである。

制御回路２４は、元画像データ（入力ビデオ信号のＲ、Ｇ、Ｂデータ、投影位置データ等）ＶＩＮが入力される。制御回路２４は、光強度変調手段とミラー制御手段とを有する。光強度変調手段はその元画像データのＲ、Ｇ、Ｂデータに基づいてレーザー光源２０、２１、２２を光強度変調する。ミラー制御手段は元画像データの投影位置データに基づいてＭＥＭＳミラー装置２３の微小ミラー２３ａの傾斜角を制御する。

光路合成プリズム２５は、各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰを一つの光路に合成する役割を果たす。この光路合成プリズム２５は全反射面２５ｂ、接合面２５ｇ、２５ｒを有する。接合面２５ｒには赤色（波長λ１）のレーザー光ＲＰを反射し、緑色（波長λ２）のレーザー光ＧＰ、青色（波長λ３）のレーザー光ＢＰを透過するダイクロイック膜が形成されている。接合面２５ｇには、緑色（波長λ２）のレーザー光ＧＰを反射し、青色（波長λ３）のレーザー光ＢＰを透過するダイクロイック膜が形成されている。

レーザー光源２０から射出されたレーザー光ＲＰはカップリングレンズ２９により収束光に変換されて光路合成プリズム２５に導かれる。その収束光は光路合成プリズム２５の接合面２５ｒにより反射されて光路分離用プリズム２７に導かれる。
レーザー光源２１から射出されたレーザー光ＧＰはカップリングレンズ３０により収束光に変換されて光路合成プリズム２５に導かれる。その収束光は光路合成プリズム２５の接合面２５ｇにより反射されかつ接合面２５ｒを透過して光路分離用プリズム２７に導かれる。
レーザー光源２２から射出されたレーザー光ＢＰはカップリングレンズ３１により収束光に変換されて光路合成プリズム２５に導かれる。その収束光は光路合成プリズム２５の全反射面２５ｂにより反射されかつ接合面２５ｇ、２５ｒを透過して光路分離用プリズム２７に導かれる。

光路分離用プリズム２７は、各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰをその接合面２７ａにおいて二方向に分離する。レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰの大部分である一方の光はこの光路分離用プリズム２７をそれぞれ透過し、レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰの一部である他方の光は光量モニタ用受光素子２６に向けてそれぞれ反射される。
この光路分離用プリズム２７として、ガラスもしくはプラスチックの平板を使用することもできる。その詳細は後述する。

その光路分離用プリズム２７を透過した各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰは微小ミラー２３ａの反射面２３ａ’に導かれる。各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰはその反射面２３ａ’でそれぞれ反射されて凹レンズ２８に導かれる。凹レンズ２８は収束光としての各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰをそれぞれ略平行光に変換する役割を果たす。その各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰはその凹レンズ２８を通過した後、この凹レンズ２８から所定距離Ｄだけ隔てて配置されているスクリーンＳに導かれる。
ここで、カップリングレンズ２９、３０、３１により、各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰが、略平行光とされる場合は、凹レンズ２８は無くても良い。

微小ミラー２３ａは、互いに直交するｘ軸とｙ軸とを中心に回動される。その図１にはｘ軸が紙面に直交するものとして示され、ｙ軸がこの紙面（ＺＹ平面）内でＺＹ軸に４５度方向に傾斜しているものとして示されている。なお、この図１には、Ｚ軸はスクリーンＳに対して垂直な方向として示され、X軸（スクリーンＳにおける横軸）はｘ軸に平行な方向、Ｙ軸（スクリーンＳにおける縦軸）はこのＸ軸、Ｚ軸に直交する方向として示されている。

微小ミラー２３ａが軸ｘを中心にα方向に回動され、軸ｙを中心にβ方向に回動されると、各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰの反射方向が変化する。制御回路２４は元画像データＶＩＮに基づいて、各レーザー光源２０、２１、２２を光変調すると共に、微小ミラー２３ａの傾斜角を制御する。これにより、スクリーンＳが走査され、スクリーンＳに二次元的な画像が描画形成される。

制御回路２４には光量モニタ用受光素子２６の出力が入力される。制御回路２４はその光量モニタ用受光素子２６の出力に基づいて、各レーザー光源２０、２１、２２の発光強度を増減調整する。

図２はスクリーンＳにその画像Ｇの形成状態を示す説明図である。この図２において、画像形成領域Ｇ１は太枠で示されている。また、ＳＣＬは走査線を示している。
スクリーンＳの画像形成領域Ｇ１の座標点Ｈから元画像のＲ、Ｇ、Ｂデータに対応して発光強度が変調されると共に元画像の投影位置データに基づいて走査が開始され、座標点Ｈから座標点Ｋに向かってジグザグにスクリーンＳが走査され、これにより、一個の画像ＧがスクリーンＳに形成される。
ついで、元画像データに対応して、座標点Ｋから反対方向に座標点Ｈに向かってジグザグにスクリーンＳが走査され、一個の画像ＧがスクリーンＳに形成される。
これらの走査を複数回繰り返し行うことによって、画像ＧがスクリーンＳにちらつきなく表示される。

ここで、スクリーンＳのＸ軸方向の走査は、図１に示すｙ軸を中心とする微小ミラー２３ａのβ方向の回転により実行され、スクリーンＳのＹ軸方向の走査は、ｘ軸を中心とする微小ミラー２３ａのα方向の回転により実行される。
図２に示す走査線ＳＣＬによると、スクリーンＳの画像形成領域Ｇ１内で走査されない領域が一見すると存在するかのように見えるが、α方向の回動周波数とβ方向の回動周波数とを、例えば、１個の画像Ｇを形成する走査毎に、微少量づつずらすことにより、画像形成領域Ｇ１内に想定している想定画素の全体を走査することができる。

ここで、座標点Ｊに着目して、赤色、緑色、青色の各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰのスクリーンＳ上での、すなわち、像面上でのビームスポット位置について考える。
画像Ｇの大きさをｘ×ｙ＝２４０×１８０（ｍｍ）とし、解像度がＶＧＡ相当とすると、スクリーンＳ上での１画素の大きさは、０．３７５×０．３７５（ｍｍ）である。

赤色のレーザー光ＲＰのビームスポットの形成位置ＲＰ１を座標原点（０、０）として、緑色のレーザー光ＧＰのビームスポットの形成位置ＧＰ１、青色のレーザー光ＢＰのビームスポットの形成位置ＢＰ１が図３に示されている。この図３において、四角形の線で囲まれた小領域は１個の画素ｇｅを表している。

微小ミラー２３ａの振れ角が小さくて、凹レンズ２８の光軸近傍を通って、スクリーンＳに入射する各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰは、同一の画素ｇｅに入射する。
しかしながら、微小ミラー２３ａの振れ角が大きくて、画像Ｇのエッジ部分、例えば、座標位置Ｈ、Ｉ近傍に到達する各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰは、同一の画素ｇｅには入射せず、数画素ｇｅだけ離れた位置に入射する。
というのは、凹レンズ２８の屈折率が光の波長により異なり、凹レンズ２８が倍率色収差特性を有しているからである。
すなわち、走査線ＳＣＬは、各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰ毎に異なる軌跡を描いている。従って、図３に示すように、画像Ｇのエッジ部分では、例えば、座標点Ｊでは、各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰによる各ビームスポットが互いに異なる画素ｇｅに形成されることとなる。
なお、図３には、例えば、レーザー光ＲＰのビームスポットの形成位置ＲＰ１を基準として、レーザー光ＧＰのビームスポットの形成位置ＧＰ１がＸ軸方向に１画素ずれかつＹ軸方向に３画素ずれた状態、レーザー光ＢＰのビームスポットの形成位置ＢＰ１がＸ軸方向に４画素ずれかつＹ軸方向に７画素ずれた状態が示されている。

画像Ｇを表示する際に、座標点Ｈ、Ｊ、Ｉ、Ｋの近傍では、各レーザー光源２０、２１、２２を同時に点灯させずに、同一の画素ｇｅを各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰによる走査線ＳＣＬが通過するタイミングで順次表示したい色に合わせて、その色のレーザー光源２０、２１、２２をそれぞれ所定の強度で発光させる。
その各レーザー光源２０、２１、２２の発光タイミングがずれていても、その発光タイミングのずれが小さい場合、人間の目の残像効果により、その同一画素ｇｅにおいて、３色が合成された所望の色として認識される。

そこで、各レーザー光源２０、２１、２２がそれぞれ単独で発光される画像エッジ部分としての座標点Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋの近傍で、光量モニタ用受光素子２６により各レーザー光源２０、２１、２２の発光量を検出する。
制御回路２４は、光量モニタ用受光素子２６により検出された各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰの光量が、元画像データに基づき各レーザー光源２０、２１、２２を発光させたときに検出されるべき所定光量からずれている場合には、この検出光量のずれが補正されるように、各レーザー光源２０、２１、２２の駆動電流を調整変更する。

その結果、各レーザー光源２０、２１、２２毎に温度変化に基づく出力変動が抑制される。その際に、制御回路２４が画素形成領域Ｇ１のエッジ部分を形成する各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰの検出光量に基づいて、各レーザー光源２０、２１、２２毎に温度変化に基づく出力変動を抑制するので、スクリーンＳに形成される画像Ｇを暗くすることなく、色バランスの確保を図ることができる。
なお、各色に対応するレーザー光源の発光タイミングと走査ミラーの角度との関係は、投影する画像の色によって決まるものである。例えば、座標点Ｊ近傍の画像が白画像の場合、座標（０、０）の画素ｇｅに赤のビームスポットが投影されるタイミングでレーザー光源２０を発光させ、座標点Ｈから座標点Ｋまでの走査によって形成される画像を１フレームとし、１フレームの走査に要する時間を例えば６０分の１秒として、数フレーム後に、座標（０、０）の画素ｇｅに緑のビームスポットが投影されるタイミングでレーザー光源２１を発光させ、同様に、数フレーム後に、座標（０、０）の画素ｇｅに青のビームスポットが投影されるタイミングでレーザー光源２２を発光させる。このように、タイミングをずらせて、各レーザー光源２０、２１、２２を発光させたとしても、人の目で見た場合は白く見えることになる。
また、図２に示す座標点Ｈが青色の画像、座標点Ｉが赤色の画像、座標点Ｋが緑の画像
の場合には、各座標点Ｈ、Ｉ、Ｋで、各色の光量をモニタする構成とすることもできる。

図４は、光量設定方法の他の実施例を示す各光源の光量設定方法をフローチャートで示した図である。カップリングレンズ２９、３０、３１により、各レーザー光が、略平行光とされる場合は、凹レンズ２８は必ずしも必要ではなく、凹レンズ２８がない場合には、既述の倍率色収差は発生せず、いずれの画素Ｇｅの位置でも色ずれは生じない。
図４はこのような場合の各レーザー光源の発光光量の光量検出及び光量設定手順を示している。
電源がオンされ、制御回路２４に元画像データＶＩＮが入力されると（Ｓ．１）、その入力された元画像データＶＩＮが、各レーザー光源２０、２１、２２を単独で光らせる画像データかどうかを判断する。
ここでは、制御回路２４は、元画像データＶＩＮが入力されると、赤色の単独データか否かを判断し（Ｓ．２）、赤色の単独データの場合には、光量モニタ用受光素子２６の出力を検出し（Ｓ．３）、制御回路２４は、その光量モニタ用受光素子２６の検出結果に基づいて、レーザー光源２０の光出力が所定の光出力となるように赤色光源電流を設定して（Ｓ．４）、光量設定を終了する。
Ｓ．２において、制御回路２４は、赤色の単独データでない場合には、ノーと判定して、Ｓ．５に移行し、緑色の単独データか否かを判断し（Ｓ．５）、緑色の単独データの場合には、光量モニタ用受光素子２６の出力を検出し（Ｓ．６）、制御回路２４は、その光量モニタ用受光素子２６の検出結果に基づいて、レーザー光源２１の光出力が所定の光出力となるように緑色光源電流を設定して（Ｓ．７）、光量設定を終了する。
Ｓ．５において、制御回路２４は、緑色の単独データでない場合には、ノーと判定して、Ｓ．８に移行し、青色の単独データか否かを判断し（Ｓ．８）、青色の単独データの場合には、光量モニタ用受光素子２６の出力を検出し（Ｓ．９）、制御回路２４は、その光量モニタ用受光素子２６の検出結果に基づいて、レーザー光源２２の光出力が所定の光出力となるように青色光源電流を設定して（Ｓ．１０）、光量設定を終了する。
制御回路２４は、Ｓ．８において、ノーの場合、Ｓ．１に戻って、次の元画像データＶＩＮが入力されるのを検出し、Ｓ．１以降の処理を繰り返す。
このようにして、いずれかのレーザー光源２０〜２２を単独で光らせる場合のみ、光量モニタ用受光素子２６の出力を検出し、その光量が所定の光量となるように、制御回路２４が、レーザー駆動電流値を設定する。

図５は楔形プリズムを用いて各レーザー光源２０、２１、２２からのレーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰの光路合成を行い、かつ、この楔形プリズムを用いて光量モニタ用受光素子に対する光路分離を行う構成を示す光学図である。
ここでは、レーザー光源２０とレーザー光源２２とは、同一パッケージ３０’内に収納されている。レーザー光源２０からのレーザー光ＲＰとレーザー光源２２からのレーザー光ＢＰとは、カップリングレンズ３１’により発散角度が変換されて楔形プリズム３２に導かれる。

楔形プリズム３２の表面３２ａと裏面３２ｂとにはダイクロイック膜が形成されている。その表面３２ａのダイクロイック膜は、レーザー光ＲＰの大部分を反射しかつ残りを透過する特性と、レーザー光ＢＰとレーザー光ＧＰとを全透過する特性とを有する。
その裏面３２ｂのダイクロイック膜は、レーザー光ＲＰを全透過する特性と、レーザー光ＢＰの大部分を反射しかつ残りを透過する特性と、レーザー光ＧＰの大部分を透過しかつ残りを反射する特性とを有する。
レーザー光源２０からのレーザー光ＲＰはその大部分が楔形プリズム３２の表面３２ａで反射されて微小ミラー２３ａに導かれる。そのレーザー光ＲＰの残りは裏面３２ｂを全透過して光量モニタ用受光素子２６に導かれる。
レーザー光源２２からのレーザー光ＢＰはその表面３２ａを全透過しかつ裏面３２ｂでその大部分が反射されて表面３２ａに導かれ、再度その表面３２ａを全透過した後、微小ミラー２３ａに導かれる。そのレーザー光ＢＰの残りは裏面３２ｂを透過して光量モニタ用受光素子２６に導かれる。

レーザー光源２１は楔形プリズム３２を境にして対称位置に配置されている。そのレーザー光源２１からのレーザー光ＧＰはカップリングレンズ３３により発散角度が変換されて楔形プリズム３２に導かれる。
レーザー光源２１からのレーザー光ＧＰはその大部分が裏面３２ｂを透過して表面３２ａを全透過した後、微小ミラー２３ａに導かれる。レーザー光源２１からのレーザー光ＧＰの残りは裏面３２ｂで反射されて光量モニタ用受光素子２６に導かれる。
ここでは、楔形プリズム３２のこの反射・透過特性により、例えば、各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰのうち微小ミラー２３ａに導かれる光束の光量は、９５％、光量モニタ用受光素子２６に導かれ光束の光量は、それぞれ約５％とされている。

＜実施例２＞
図６はその画像形成領域Ｇ１の座標点Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋの近傍における各レーザー光源２０、２１、２２の発光タイミングと発光強度との関係を示す説明図である。その図６において、横軸は時間ｔを示し、縦軸は発光強度ＰＯＷを示している。
座標点Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋの近傍では、既述したように、各レーザー光源２０、２１、２２を同じタイミングで発光させると、各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰのビームスポットが形成されるスクリーンＳ上の画素ｇｅが異なる。

そこで、同一画素ｇｅに各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰのビームスポットが形成されて、その画素ｇｅにおいて元画像データの色が再現されるように、各レーザー光源２０、２１、２２の発光タイミングがずらされている。

発光強度ＰＯＷは、元画像の色に合わせて、目の残像現象を考慮して各色の光を合成した時に、元画像の色が忠実に再現されるように決定すれば良いので、各レーザー光源２０、２１、２２の発光強度ＰＯＷの発光レベルは発光タイミングとの関係を考慮しつつ複数のレベルを適宜設定する。

この場合、光量モニタ用受光素子２６が受光する光量は、Ｓ／Ｎ（ノイズ）比が大きい信号を得るために、各レーザー光源２０、２１、２２の最大発光レベルＬ１、Ｌ２、Ｌ３の時点で得られる光量モニタ用受光素子２６の各受光信号に基づき、各レーザー光源２０、２１、２２の発光量を自動制御する。これにより、ＡＰＣの精度の向上を図ることができる。

例えば、画像形成領域Ｇ１の座標点Ｊのタイミングｔ１時点でのレーザー光源２０の最大発光強度ＰＯＷの最大発光レベルＬ１に対応する受光レベルＬ１’が光量モニタ用受光素子２６により得られるべきはずのところ、光量モニタ用受光素子２６により得られた受光レベルが受光レベルＬ１’に対してγ％減少した受光レベル（γ／１００）×Ｌ１’であった場合には、そのレーザー光源２０の発光強度ＰＯＷを座標点Ｈから座標点Ｋまでの一画像形成範囲内で、その受光レベルの減少に基づいて自動制御する。

他のレーザー光源２１、２２についても、タイミング時点ｔ２、ｔ３でそのレーザー光源２１、２２の最大発光レベルＬ２、Ｌ３に対応して得られる受光レベルＬ２’、Ｌ３’に基づいて各レーザー光源２１、２２を自動制御する。

＜実施例３＞
図７は、光量モニタ用受光素子２６の波長に対する光電変換効率を示している。光電変換効率は、図７に示すように波長に対して関数的に変化する曲線となっている。光電変換効率は、波長λ１＝６４０（ｎｍ）のＲＰ（赤の光）、波長λ２＝５３０（ｎｍ）のＧＰ（緑の光）、波長λ３＝４４５（ｎｍ）のＢＰ（青の光）に対して、それぞれ、０．４５、０．３３、０．２３（Ａ／Ｗ）である。

従って、光量モニタ用受光素子２６が、各波長λ１、λ２、λ３の光に対して同一の光量を受光すると仮定すると、光量モニタ用受光素子２６の出力電流は、ほぼ、赤：緑：青＝４：３：２となる。すなわち、赤色の光を受光したときは青色の光に対して２倍の受光電流を出力することになる。

実施例２では、各レーザー光源２０、２１、２２の最大発光レベルＬ１、Ｌ２、Ｌ３の各発光タイミング時点ｔ１、ｔ２、ｔ３で、光量モニタ用受光素子２６が各レーザ光源２０、２１、２２のレーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰを受光してＡＰＣ制御を実行している。

このために、各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰを受光するタイミングでゲインを切り替えるゲイン切り替え器を制御回路２４と光量モニタ用受光素子２６との間に設けて、異なるタイミングで発光される各レーザ光源２０、２１、２２の最大発光レベルＬ１、Ｌ２、Ｌ３の発光タイミングのときに光量モニタ用受光素子２６から出力される各受光電流が、光電変換効率が異なることに起因して異なるときでも、制御回路２４にフィードバックされる光量モニタ用受光素子２６からの受光電流が同レベルとなるように制御する必要がある。

しかしながら、このようなゲイン切り替え器を回路中に設ける構成とすると、回路が総じて複雑化する。そこで、回路構成の簡単化を図るために、以下に説明する工夫を行う。
すなわち、各波長λ１、λ２、λ３のレーザ光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰを光量モニタ用受光素子２６で検出した際に、この光量モニタ用受光素子２６から出力される各受光電流の値の差が小さくなるように、光量モニタ用受光素子２６が受光する各レーザー光源２０、２１、２２の発光光量レベルを選択する。
例えば、波長λ１、λ２、λ３に対して、光量モニタ用受光素子２６に入射する光量をP１、P２、P３とした場合、
Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３ ----------------------------------------------式１
の関係が得られるように、光量モニタ用受光素子２６に入射する光量Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を設定すれば、各色について光量モニタ用受光素子２６の各受光電流の値を互いに近づけることができる。

図８は図６と同じ画像Ｇのエッジ部分、すなわち、座標点Ｊの近傍におけるＲＰ（赤色の光）、ＧＰ（緑色の光）、ＢＰ（青色の光）の各レーザー光源２０、２１、２２の発光タイミングを示している。各レーザー光源２０、２１、２２の発光レベルで考えれば、式１の条件を満たすためには、赤色、緑色、青色の発光レベルＬ４、Ｌ５、Ｌ６（Ｌ４＜Ｌ５＜Ｌ６）のとき（図中、斜線部で示す発光時）に、光量モニタ用受光素子２６によって、各波長λ１、λ２、λ３の各レーザー光の発光量を検出することになる。
理想的には、Ｐ１：Ｐ２：Ｐ３＝２：３：４とすれば、各波長λ１、λ２、λ３の各色のレーザー光が光量モニタ用受光素子２６により検出された際に、この光量モニタ用受光素子２６から出力される受光電流の値はほぼ等しくなる。図８は、Ｌ４：Ｌ５：Ｌ６＝２：３：４の場合を示している。

＜実施例４＞
実施例３では、光量モニタ用受光素子２６が受光する各レーザー光源２０、２１、２２の発光レベルＬ４、Ｌ５、Ｌ６が互いに異なるように発光タイミングを選択して、光量モニタ用受光素子２６から出力される受光電流の値が各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰについて同一となるように設定したが、光量モニタ用受光素子２６が受光する各レーザー光源２０、２１、２２の発光レベルＬ１、Ｌ２、Ｌ３が互いに同一の図６に示す発光タイミングを選択して、光量モニタ用受光素子２６から出力される受光電流の値が各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰについてそれぞれ同一となるように光学系を構成することもできる。

例えば、図９に示すように、光束分離素子２７と光量モニタ用受光素子２６との間に、ダイクロイックフィルタ３４を配置する。
このダイクロイックフィルタ３４の波長λ１＝６４０（ｎｍ）、λ２＝５３０（ｎｍ）、λ３＝４４５（ｎｍ）に対する透過率をそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３で表したとき、各波長λ１、λ２、λ３に対する透過率がＴ１＜Ｔ２＜Ｔ３となるような透過率特性をこのダイクロイックフィルタ３４が有するように、ダイクロイックフィルタ３４を形成すれば、光量モニタ用受光素子２６に入射する各レーザ光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰの受光量をそれぞれＱ１、Ｑ２、Ｑ３とした場合、
Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３ ----------------------------------------------式２
となるようにすることができ、その結果、各色について光量モニタ用受光素子２６の各受光電流の値を互いに近づけることができる。各透過率をＴ１：Ｔ２：Ｔ３＝２：３：４に設定すれば、Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝２：３：４に設定できる。

また、例えば、光束分離素子２７と光量モニタ用受光素子２６との間に波長によって屈折特性の異なる楔形光学素子（楔形プリズム）３５を図１０（ａ）に示すように配置し、光束分離素子２７により反射されてかつ光量モニタ用受光素子２６の受光面２６ａに入射する各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰにより形成されるモニタ用ビームスポットＲＰ’、ＧＰ’、ＢＰ’（図１０（ｂ）参照）について、波長λ１のモニタ用ビームスポットＲＰ’は受光面２６ａにより半分が受光され、残りの半分が受光面２６ａにより受光されないようにし、波長λ２のモニタ用ビームスポットＧＰ’は、受光面２６ａにより一部を除いて半分以上が受光され、一部が受光面２６ａにより受光されないようにし、波長λ３のモニタ用ビームスポットＢＰ’は全部が受光面２６ａにより受光されるように光学系を構成すれば、光量モニタ用受光素子２６に入射する光量を、各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰについて、同様に、
Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３ ----------------------------------------------式２
となるようにすることができ、その結果、各色について光量モニタ用受光素子２６の各受光電流の値を互いに近づけることができる。この場合、各モニタ用ビームスポットＲＰ’、ＧＰ’、ＢＰ’の受光面２６ａにおける受光面積がそれぞれ２：３：４となるように光学系を構成すれば、Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝２：３：４となる。

＜実施例５＞
実施例２、実施例３では、各レーザー光源２０、２１、２２の発光強度ＰＯＷに基づいて、同一画素ｇｅの色を再現する場合について説明したが、色の再現方法には、各レーザー光源２０、２１、２２の発光時間差を利用して実現する方法がある。
図１１は各レーザー光源２０、２１、２２の発光時間差を利用して、画像形成領域Ｇ１内の座標点Ｊの近傍の同一画素ｇｅにおいて色を再現する発光タイミングパターンが示されている。
横軸は時間ｔ、縦軸は各レーザー光源２０、２１、２２の発光レベルＰＯＷである。この図１１に示す実施例では、各レーザー光源２０、２１、２２の発光レベルＰＯＷを同一にして、各レーザー光源２０、２１、２２の発光タイミングと発光時間幅とを変化させることによって、元画像の色に対応して、同一画素ｇｅにおいて色の再現性を図っている。

すなわち、発光時間幅を、元画像の色に対応させて、各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰの光を合成した時に所望の色が再現できるように互いに異なる複数の発光時間幅を選択して決定する。
そこで、赤色、緑色、青色の各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰの発光時間幅のうち、最も長い時間幅Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の発光タイミング中に、光量モニタ用受光素子２６により、各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰの発光量を検出することにすれば、高速検出回路を必要とせずに、発光量の検出が可能となり、ＡＰＣの精度を向上させることができる。

＜実施例６＞
図１２は各レーザー光源２０、２１、２２の発光時間差と各レーザー光源２０、２１、２２の発光強度の差とを組み合わせて各レーザー光ＲＰ、ＧＰ、ＢＰの光を合成した時に所望の色が再現できるようにしたときの光量モニタ用受光素子２６の光量検出タイミングを示す説明図である。
この図１２では、各レーザー光源２０、２１、２２の発光強度が所定値Ｌ７以上、Ｌ７＜Ｌ８＜Ｌ９で、かつ、発光時間幅Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６が所定時間幅以上のときの発光タイミングで各レーザー光源２０、２１、２２の発光量をモニタすることにより、ＡＰＣを行っている。
図１３は各レーザー光源２０、２１、２２の発光強度Ｌ１０、Ｌ１１、Ｌ１２が所定レベル以上で、かつ、発光時間幅Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９が所定時間以上のときの発光タイミングで、各レーザー光源２０、２１、２２の発光量をモニタすることにより、ＡＰＣを行っている。

＜実施例７＞
図１４は、図１で示した光路分離用プリズム２７に、ガラスもしくはプラスチックの平板３６を使用したものである。平板３６の表面３６ａにコーティングをしていなければ、ガラスもしくはプラスチックと空気の屈折率の違いによる表面反射が発生し、光束を分離することができる。その屈折率を1.5とすると、約４％の表面反射が発生する。平板３６の場合、表面３６ａと裏面３６ｂの２面で表面反射が発生するので、合計約８％の光が反射分離される。
モニタ光量が４％程度でよければ、表面３６ａと裏面３６ｂとのうち片面に反射防止コートを施した構成でもよい。また、ビームが平行光である場合、その平板３６が平行平板であればビームの収差発生が抑えられる。収束光または発散光であれば、適当な楔形にすることにより非点収差の発生を低減できる。
ガラスもしくはプラスチックで形成する平板３６によれば、誘電体多層膜等の光束分離膜を形成したキューブタイプのプリズムより安価に作成できる。

２０−２２ レーザー光源
２３ ＭＥＭＳミラー装置（走査ミラー）
２５ 光路合成プリズム（光路合成素子）
２６ 光量モニタ用受光素子
２７ 光束分離素子（光路分離用プリズム）
２８ 投射レンズ（凹レンズ）
Ｓ 投影面（スクリーン）

特許４０３１４８１公報 特開２００６−３１７６８１公報 特開２００３−５１１０公報

Claims (7)

1. 複数のレーザー光源からの各レーザー光の光路を合成する光路合成素子と、
   前記光路合成素子から射出された各レーザー光を分離する光束分離素子と、
   該光束分離素子により分離された一方の各レーザー光を反射することにより各レーザー光を走査する走査ミラーと、
   前記光束分離素子により分離された他方の各レーザー光を受光することにより複数のレーザー光源の各発光量を検出する光量モニタ用受光素子と、
   元画像のデータに基づき、前記投影面の所定位置に各レーザー光のスポットが形成されるように前記走査ミラーを制御すると共に、元画像のデータに基づく色が再現されるように前記各レーザー光源を制御する制御回路とを備える投影型画像表示装置において、
   前記制御回路は、前記投影面の画像形成領域内で、画像データに基づいて、前記複数のレーザー光源のうちの１個のみが発光されるタイミングで、順次、前記複数のレーザー光源の光量を前記光量モニタ用受光素子で検出し、その検出された出力に基づいて前記複数の光源の発光量を調整し、前記複数のレーザー光源のそれぞれは、該レーザー光源の最大発光強度に対応する受光量が前記光量モニタ用受光素子に得られるべき時に、前記光量モニタ用受光素子で受光量を検出されることを特徴とする投影型画像表示装置。
2. 前記複数のレーザー光源の波長をλ１、λ２、λ３（λ１＞λ２＞λ３）とし、前記光量モニタ用受光素子が受光する受光量を、波長λ１、λ２、λ３に対して、P１、P２、P３とした時、
   Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３ ----------------------------------------------式１
   の関係が成り立つように、各レーザー光源の発光強度の光量レベルが選択されていることを特徴とする請求項１に記載の投影型画像表示装置。
3. 前記複数のレーザー光源の波長をλ１、λ２、λ３（λ１＞λ２＞λ３）とし、各レーザー光源の発光強度が同一の場合に前記光量モニタ用受光素子が受光する受光量をＱ１、Ｑ２、Ｑ３とした時、
   Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３ ----------------------------------------------式２
   の関係が成立する光学特性を有するダイクロイックフィルタが前記光束分離素子と前記光量モニタ用受光素子との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の投影型画像表示装置。
4. 前記複数のレーザー光源の波長をλ１、λ２、λ３（λ１＞λ２＞λ３）とし、各レーザー光源の発光強度が同一の場合に前記光量モニタ用受光素子が受光する受光量をＱ１、Ｑ２、Ｑ３とした時、
   Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３ ----------------------------------------------式２
   の関係が成立するように、波長に対して屈折特性が異なる楔形光学素子が前記光束分離素子と前記光量モニタ用受光素子との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の投影型画像表示装置。
5. 前記レーザー光源の発光時間幅が所定幅以上の時に、前記光量モニタ検出素子により受光量を検出することを特徴とする請求項１に記載の投影型画像表示装置。
6. 前記レーザー光源の発光強度が所定値以上でかつ発光時間幅が所定以上の時に、前記光量モニタ用受光素子によって受光量を検出することを特徴とする請求項２に記載の投影型画像表示装置。
7. 光束分離素子が各レーザー波長に対して透明な平板であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の投影型画像表示装置。

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