CN103257517B

CN103257517B - 光源装置以及包括该光源装置的投影装置

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Publication number: CN103257517B
Application number: CN201310158974.8A
Authority: CN
Inventors: 村井俊晴
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: US20130201408A1; EP2624051A2; JP2013160894A; EP2624051A3; US9155161B2; CN103257517A

Abstract

一种光源装置，包括具有多个诸如LD的固态发光元件的LD模块，选择性地控制多个LD的开/关的控制装置，将从LD发出的光收集成一个收集光的第一光学系统，以及直接或通过光学处理发射该收集光作为光源光的第二光学系统。该控制装置通过控制选择性打开的LD的数目来保持光源的发光量恒定以获得光源装置的简单结构和图像的合适灰度表示。

Description

光源装置以及包括该光源装置的投影装置

技术领域

本发明涉及一种光源装置以及包括该光源装置的场序制投影装置。

背景技术

最近，具有大屏幕的显示装置已经迅速地普及，并且通常在会议、展览、培训等中使用这种显示器。

作为用于上述目的的显示装置，存在诸如液晶型显示器和等离子型显示器的各种装置。根据会场的大小或出席者适当地选择这些显示器。尤其是，投影装置(以下简称为“投影仪”)由于其相对便宜和便携(即它们轻、紧凑并且便于携带)是最流行的大屏幕显示装置。

在这种情况下，最近，要求沟通的情形已经增加，并且例如，在小会议室中或分区会议空间中使用投影仪的会议和集会经常在许多办公室中召开。

此外，一接到通知就需要举行会议的情形增加了，例如，如果无法获得会议室而在诸如通道这样的不能使用的空间举行会议，并且需要使用投影仪将信息投射到墙壁等上面。

作为投影仪的典型的例子，有一种由DLP(digitallightprocessing，数字光处理)型投影仪代表的场序制投影仪。在DLP型投影仪中，诸如数字微镜装置(digitalmicromirrordevice，DMD)的显示元件利用PWM(pulsewidthmodulation，脉宽调制)驱动通过快速切换设置在相应于图像数据的矩阵中的每一个像素的微镜的角度来调制光源光，实现灰度(gradation)表示。

这些DLP型投影仪的优点是能够易于缩小尺寸，并且由于DMD能够高速运转，通过及时切换来顺序显示R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)每个颜色。

另一方面，通常，用于投影仪的主要光源是一种诸如超高压汞灯的高强度放电灯。然而，最近，使用以下作为光源的产品已经投入到市场上：诸如红色、绿色和蓝色的LED和LD的固态发光元件或利用固态发光元件发出的光作为激励光而发射不同波长带的光的荧光体。

固态发光元件具有便利的优点，这表现在不像传统灯具那样在关闭后需要冷却时段并且在打开后直接发射合适亮度的光。

而且，固态发光元件因为未使用汞被认为是环保的。

然而，固态发光元件以及荧光体的发光量依赖于温度而改变，并且通常随温度升高而减少。也就是说，即使像普通的驱动方法那样提供恒定电流，固态发光元件由自身的热量产生导致从通电开始发光量就在减小，并且当固态发光元件热稳定时发光量才稳定。

荧光体，其通过激励光的照射产生荧光，并且同样即使照射恒定激励光，由其自身产生的热量也会减少发光量，并且当荧光体热稳定时发光量才稳定。

因此，当固态发光元件或荧光体应用于上述的DLP型投影仪时，存在一个问题：虽然为了实现由PWM驱动的灰度表示，该光源的发光量必须是恒定的，但如以上所见由于普通方法驱动时发光量改变，所以不能正确实现灰度(gradation)表示。

因此，例如，日本专利申请公开No.2006-349731(专利文献1)以及日本专利申请公开No.2010No.2010-085725(专利文献2)设法解决如上所述的问题。

在专利文献1中，公开了一种用于精细地控制经过发光元件的电流量以保持固态发光元件的发光量恒定的装置。

另外，在专利文献2中，公开了一种测量相对于原始灰度信号的实际灰度水平并且转换原始灰度信号以调节到实际灰度的装置。

发明内容

然而，在诸如专利文献1中的传统装置中，因为必须很快地控制驱动电流，所以存在的问题是驱动电路具有复杂的结构，并且由此，该装置的生产费用是昂贵的。

进一步，在诸如专利文献2中的传统装置中，因为能够显示的灰度水平减小，所以存在的问题是原则上不可能补偿至合适的灰度。

因此，期望维持光源的发光量恒定以简化装置结构并且获得图像的合适的灰度表示。

本发明考虑到前述问题而成，并且其目的是提供一种光源装置以及具有简单结构并且能够维持恒定的发光量以获得图像的合适的灰度表示的投影仪。

本发明是一种光源装置，其包括多个小光源，选择性控制多个小光源的发射的开/关的光源控制装置，将从小光源发出的光收集成收集光的第一光学系统，以及直接或在光处理后发射收集光作为光源光的第二光学系统。光源控制装置通过选择性地打开的小光源的数目控制光源光的发射量。

根据本发明，能够维持光源的发光量恒定以简化装置结构并且获得图像的合适的灰度表示。因此，可以获得不需要高速驱动电路的、低成本且高性能的光源装置。

附图说明

图1是示出了根据本发明的第一实施例的光源装置结构的方框图；

图2示出了安装在图1示出的LD模块13上的多个LC排列成矩阵图案；

图3是图1示出的轮15b的例子的示意图；

图4示出了控制装置12的结构的例子以及安装在图1示出的LD模块13上的LD的布线的例子；

图5示出了图1示出的LD模块13的排布的例子；

图6示出了用在图1示出的控制装置12中的控制信息的数据形成的例子；

图7是示出了在图4示出的结构中的光源装置的性能的例子的时序图；

图8是示出了在图7示出的时间段T2、T3或T4期间内保持以恒定水平发光的LD的数目时所发射光的输出特性的例子的图；

图9示出了存储在图4示出的存储器12d中的控制信息；

图10是示出了由LD模块13发射的发光量维持在恒定水平上的图；

图11是根据本发明的第二实施例的光源装置的结构的示意图；

图12示出了控制装置12的结构的例子以及安装在图11示出的LD模块13上的LD的布线的例子；

图13示出了根据本发明的第三实施例的投影仪的示意结构。

具体实施方式

本发明的实施例将参照附图在以下描述。

(第一实施例)

图1是示出了根据本发明的第一实施例的光源装置的结构的方框图。

光源装置11包括控制装置12、LD模块13、第一光学系统14以及第二光学系统15。

控制装置12输出LD驱动电流IL1至IL4，其与输入的控制信号LOUT和来自马达15a的索引(index)信号MX同步。响应于输入的控制信号MON，控制装置12通过输出马达驱动信号MD启动马达15a的驱动。

马达15a输出与连接至转动轴的轮15b的转动同步的索引信号MX，同时旋转该轮。

具体地，在图1中，当确认控制信号MON时(例如，为水平“H”)，控制光源的控制装置12通过输出马达驱动信号MD启动马达15a的驱动。

马达15a输出与连接于转动轴的轮15b的旋转同步的索引信号MX，同时旋转该轮。

当确认了控制信号LOUT(例如为水平“H”)时，控制装置12输出与索引信号MX同步的LD驱动电流IL1至IL4。

LD模块13包括多个(n个)激光二极管(LD)13a作为小光源，并且还具有作为散热器释放LD-13a至LD-13n中产生的热量的功能。

需注意的是，可以用具有多个LED的发光二极管(LED)模块代替LD模块13。

如上所述，用LD或LED作小光源能够获得紧凑的、可靠的光源装置。

而且，可以抑制被称为斑点噪声的屏幕上的闪光的产生，以及通过使用LD作为光源且LD发出的光不直接发射，由于能够减小LD光的方向性从而可以防止图像质量恶化。

为了易于安装在第一光学系统14上安装的准直透镜14a和LD13a，同时保持其位置的准确度，准直透镜14a和LD13a被一体安装在LD模块13上。

安装在LD模块13上的多个LD13a排列成矩阵图案，例如，图2中示出的。需注意的是，尽管这个实施例中的LD13a的数目是15，但不局限于这个数量。

每个LD13a由驱动电流IL1至IL4选择性驱动并且发射例如蓝光。

安装在LD模块13上的每个LD13a分别包括相应的准直透镜14a-1至14a-n，并且每一个准直透镜校准(collimate)从该LD发出的光。从每个LD发出的且被校准的光由收集透镜系统14b收集成一个光束，并在穿过分色镜15f后进一步的由收集透镜系统15e狭窄聚焦，并且照射到轮15b。

这里，分色镜15f具有如下特性：传输LD光的蓝色区域中的光并且反射等于或长于绿光的区域中的光。

图3是轮15b的例子的示意图。

在这个实施例中，轮15b在转动方向上被分成区域A(15ba)、区域B(15bb)和区域C(15bc)这3个区域。

在区域A(15ba)和区域B(15bb)中，具有不同于彼此的特性的荧光体层15d(见图1)形成在反射涂层基体(base)上。

例如，当由LD光作为激励光照射时，区域A(15ba)中的荧光体A发射波长带不同于LD光的绿光。同样地，当LD光作为激励光照射时，区域B(15bb)中的荧光体B发射波长带不同于LD光的红光。

这样，通过仅使用固态发光元件难以获得的低成本、高功率的绿光和红光可以容易地通过将从多个小光源发出的收集光照射到荧光体上来提供。

另一方面，区域C(15bc)由散射(diffusion)构件15c(见图1)组成，以传输LD光同时减少光的方向性。

这样，LD被用作多个小光源，并且从小光源收集的光在通过散射构件后发射。因此，可以获得即使光照射到人眼上也不会对人眼造成任何严重伤害的安全光源装置。而且，通过将该光源装置用于投影仪，能够获得没有称为斑点噪声的屏幕上闪光的图像质量。

如图1示出，从荧光体A或B发出的绿色或红色的荧光由基体反射并且在通过收集透镜系统15e后发射到分色镜15f的侧面。然后，这些光由如上所述的分色镜15f反射。

由分色镜15f反射的绿色或红色的荧光经过中继透镜系统15g、15i和反射镜15h被导向分色镜15n。

另一方面，透射通过轮15b的区域C(15bc)的LD光在由收集透镜系统15j收集后经过反射镜15k和中继透镜系统15m被导向分色镜15n。

分色镜15n通过透射绿色或红色的荧光和反射蓝色LD光将这些光组合进单个光路。然后，分色镜15n在该组合的光通过收集透镜系统15o后发射该组合的光作为光源光15p。

图4至图7示意性地示出了图1示出的控制装置12的结构和LD的驱动方法的例子。图4示出了控制装置12的结构的例子和安装在LD模块13上的LD的布线的例子。图5示出了如图4所示布线的LD模块13上的LD排列的例子。图6示出了控制信息的数据形成的例子。以及，图7是示出了具有图4示出的结构的光源装置的性能的例子的时序图。

在图4中，首先，当马达控制信号MON成为“H”时，电机驱动单元12a通过输出马达驱动信号MD启动马达的驱动。

当通过从马达15a接收索引信号MX检测到马达15a已经达到预定的转速时，处理装置12b进入能够接收控制信号LOUT的状态(称为“等待模式”)。

处理装置12b等待接收表示索引信号MX的预定转变的信号，例如，当控制信号LOUT在等待模式中成为“H”时，从“L”到“H”的转变。然后，一旦检测到该转变，处理装置12b开动定时器12c并且开始从存储器12d读取LD的控制信息。

现在，LD的控制信息是16位结构，例如，如图6所示，其中在MSB(最高有效位)侧的12位示出了从读取开始的经过的时间数据Dt，并且在LSB(最低有效位)侧的4位示出了相应于经过的时间数据Dt的LD驱动数据Di。

在定时器12c启动后，处理装置12b首先开始从存储器12d读取作为缺省位置的具有Dt的最小值的控制信息的，并且根据相应于Dt值的LD驱动数据Di的值输出LD驱动信号LDD1至LDD4。

然后，处理装置12b读取具有次最小Dt值的控制信息并且将该信息存储在内部寄存器(未示出)中，并且将Dt值与定时器12c上的经过时间相比较。处理装置12b根据上一个控制信息的Di值保持输出LD驱动信号LDD1至LDD4，直到Dt值符合定时器12c上的经过时间。一旦Dt值符合定时器12c上的经过时间，则处理装置12b将LD驱动信号LDD1至LDD4的输出改变为基于当前存储在内部寄存器中的控制信息的数据Di的输出。此外，处理装置12b重复从存储器12d读取具有次最小Dt值的控制信息、并且如前所述执行的处理。

这样，从发射的开始就保持光源光的恒定的发光量。所以，可以获得一种从发射开始光强度就稳定的高性能的光源装置。通过读取之前存储在存储器12d中的如何控制多个小光源的控制信息，光源光的发光量从发射开始就保持恒定。因此，可以容易地获得一种从发射开始光强度就稳定的高性能的光源装置。

在这个实施例中，光源装置11按照例如，红色、绿色和蓝色的次序发光，并且重复上述处理直到取消控制信号LOUT(变成“L”)。

当每一LD驱动电流LDD1至LDD4变成“H”时，LD驱动单元12e1至12e4通过施加电流IL1至IL4驱动分别连接的LD。现在，图2示出的15个LD按照每2(n＝1至4)被分组(见图5)，并且各自连接到相应的LD驱动单元12e1至12e4中的一个。

这里，发射的完整停息时段，就是，其中全部的LD13a都关闭的时段，被安排在来自LD的每个彩色发射之间(图7中的时间时段T5)。停息时段的目的是防止由于发射到轮15b的LD光的光点直径具有给定的大小，使得两个彩色光在区域A至C(15ba至15bc，见图3)的每个边界同时发射。结果，有可能取得保持作为光源光的LD光的色纯度的有利效果。

然而，因为LD自身和荧光体在LD13a关闭时冷却，因而LD和荧光体的温度上升梯度将在下次LD13a打开时再次产生。因此，如果发光的LD数目恒定，LD或荧光体的发光量根据LD或荧光体在发光时段(图7中的时间段T2，T3或T4)的持续时间的温度特性改变。

图8示出了当在图7的时间时段T2、T3或T4的持续时间内发光的LD的数目恒定时的发光的输出特性的例子。也就是说，LD和荧光体在LD开始发光后，具有高发光效率，因为它们仍然是冷的，由此具有最高的发光量。然后，光源的发光量随着由于LD和荧光体的温度上升引起的发光效率逐渐的降低而减少。并且当LD和荧光体的温度稳定时，光源的发光量变为恒定。

因此，例如如图9所示的控制信息是预先存储在存储器12d内的。处理装置12b基于上述方法以精确的定时执行来自存储器12d的控制信息的读取处理，并且通过利用处理的信息控制LD驱动电流IL1至IL4的开/关。结果，有可能控制发光量如图10(见图7示出的Fnld波形。这个波形示出了特性曲线中的被驱动的LD的数目)所示实质上恒定。

这样，有可能保持光源的发光量恒定以简化装置结构并且获得图像的适当的灰度表示。因此可以获得不需要高速驱动电路的低成本、高性能的光源装置。

(第二实施例)

图11是根据本发明的第二实施例的光源装置的结构的示意图，其中，相同的附图标记与图1示出的第一实施例的相似部分相联系并且其描述被省略掉。另外，图12示出了图11示出的控制单元的结构的例子，其中相同的附图标记与图4示出的第一实施例的相似部分相联系并且其描述被省略掉。

首先，图11中的光源装置配置如下：部分反射镜21被安装在收集透镜系统15o后面，并且发射的光源光15p的一部分被部分反射镜21反射并且被导向PMD(powermonitordevice，功率监视器装置)22。然后，导向PMD22的一部分光源光转换为模拟电信号PMO_A输出并且通过ADC(模拟-数字转换器)23转换为数字光信号PMO_D进入控制装置12。

其次，图12中的光源装置包括操作部分12f和连接于操作部分12f的存储器12g。操作部分12f顺序装载数字转换的光信号数据PMO_D并且将该数据首先存储进存储器12g。

然后，操作部分12f在存储器12g中存储光信号数据一段时间TO。接下来，操作部分12f顺序引导来自存储器12g的光信号数据并且计算该数据和为各个颜色单独设置的参考数据之间的差值。

然后，如果差值超过预定范围，操作部分12f产生来自LD驱动数据的修改的数据，并且在与经过时间数据Dt结合之后将该数据作为修改的控制信息输出到处理装置12b。

一旦从操作部分12f接收修改的控制信息，处理装置12b就用该信息更新存储器12d。

用这种方法，光源装置包括用于检测光源光的发光量的光强检测装置并且可以基于检测结果更新控制信息。因此，如果发光性质随着时间变化，可以通过调整发光性质来获得恒定发射希望的发光量的光源装置。

(第三实施例)

图13示出了根据本发明的第三实施例的投影仪的示意结构。

如图13所示，投影仪30包括图像控制单元31、光源装置11、DMD(数字微镜装置)32、照明光学系统33、反射镜35和投影光学系统36。

在图13中，光源装置11是图1或图11示出的光源装置，并且基于时分顺序地发射红色、绿色和蓝色波长带的光。

除以上结构之外，至少一个其他的光源装置(未示出)可以与光源装置11一起使用。

一旦图像控制单元31接收的外部视频信号VIN，其通过藉由根据信号的帧频率使控制信号MON变至“H”来驱动光源装置11中的马达15a而使得轮15b旋转。然后，一旦根据索引信号MX检测到电机驱动单元12a已经到达索引信号预定转速，则图像控制单元31通过将控制信号LOUT从“L”变为“H”开始发射光源光。

更进一步地，图像控制单元31产生相应于来自视频信号VIN的每个颜色的显示信号，并且另外输出被转换为用于驱动显示元件DMD32的驱动信号的信号。

另一方面，从光源装置11发出的光源光在由收集透镜系统33a收集之后被导向柱型积分器(rodintegrator)33b。然后，从柱型积分器33b发出的光源光通过照明透镜33c和反射镜35被发射到DMD32的显示元件区域。

进入DMD32的照明光由同步进入的相应于每个颜色的信号DMDD调制为显示信号的图像光。另外显示信号的图像光在经过投影光学系统36之后被投射到屏幕37等上并且图像在其上面显示。

用这种方法，光源装置发射来自多个小光源的光和来自荧光体的荧光，基于时分从一个切换为另一个。因此，能够以紧凑的低成本的方法获得能够发射多个波长带的光的光源装置。通过利用根据该实施例的、以PWM驱动能够灰度表示的光源装置作为投影仪的光源，可以得到易于使用的、因为未使用汞所以对环境无害的、并且具有高质量灰度表示能力的投影仪。

虽然已经描述了本发明的优选实施例，应当理解的是，本发明不限于这些实施例，本领域技术人员可以得到这些实施例的多种修改和变化，只要这样的修改和变化在所要求的本发明的权利要求限定的范围内。

Claims

1.一种光源装置，其包括∶

多个小光源；

光源控制装置，其选择性地控制多个小光源的发射的开/关；

第一光学系统，其将从小光源发出的光收集成一个收集光；以及

第二光学系统，其直接或者利用光学处理发射该收集光作为光源光，

该光源控制装置利用选择性地打开的小光源的数目控制光源光的发光量，

其中光源控制装置控制发光的小光源的数目，从而在发光量从零状态变化到现状态之后保持实质上恒定的发光量，

光源控制装置包括存储器，该存储器存储在发光量从零状态改变至现状态之后多个小光源的控制信息，并且基于该控制信息控制选择性地打开的小光源的数目，

控制信息包括经过的时间数据和相应于经过的时间数据的驱动数据。

2.根据权利要求1的光源装置，进一步包括检测光源光的发光量的功率监视装置，其中光源控制装置还包括控制信息处理装置，其基于功率监视装置的检测结果产生控制信息并且将控制信息存储在存储器中。

3.根据权利要求1的光源装置，其中小光源是激光二极管或发光二极管。

4.根据权利要求3的光源装置，其中第二光学系统包括减少收集光的方向性的散射构件，并且发射减少了方向性的收集光作为光源光。

5.根据权利要求3的光源装置，其中第二光学系统包括通过以收集光照射而发射波长带与照射光不同的光的荧光体，并且发射从荧光体发出的光作为光源光。

6.如权利要求5的光源装置，其中第二光学系统包括光开关装置，其在第一时段和第二时段的循环中重复，其中第一时段直接地或在通过散射构件后发射收集光作为光源光，第二时段发射通过向荧光构件照射收集光而产生的光作为光源光。

7.一种投影装置，其包括：

如权利要求1所述的光源装置；

通过基于输入的显示视频信号从照射光调制而产生图像光的显示元件；

将光源光收集进预定平面内并且用收集光照射该显示元件的照明光学系统；

将由显示元件产生的图像光投射到屏幕上的投影光学系统；以及

显示控制装置，基于时分切换从光源装置发出的光源光的波长带，同时输入该视频信号，并且通过产生与从光源装置发出的光源光的波长带同步的显示视频信号来控制该显示元件。

8.一种投影装置，包括：

如权利要求1所述的光源装置；

发射波长带与光源光不同的光的至少一个其他光源装置；

通过基于输入的显示视频信号从照射光调制产生图像光的显示元件；

将光源光和来自至少一个其他光源装置的光收集进预定平面内并且用该收集光照射该显示元件的照明光学系统；

将显示元件产生的图像光投射到屏幕上的投影光学系统；以及

显示控制装置，基于时分切换从每个光源装置发出的光源光的发射，同时输入该视频信号，并且通过产生对应于与从每个光源装置发出的光源光同步的每个波长带的显示视频信号来控制该显示元件。