CN103517511A - 半导体光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体光源装置，其使用多个半导体发光元件，将各半导体发光元件的发光波长和光量保持恒定。半导体光源装置（100）具有输出各色光的多个半导体发光元件（6R、6G、6B）、将半导体发光元件（6R、6G、6B）的输出光合成并进行输出的投影仪（9）以及运算部（2）。运算部（2）控制提供给半导体发光元件（6R、6G、6B）的驱动电流（If），使得光传感器（8R、8G、8B）的检测光量（Le）接近预定的目标光量（Li），并且计算半导体发光元件（6R、6G、6B）的目标温度（Tthi），控制调温部（5R、5G、5B），使得温度传感器（7R、7G、7B）的检测温度（Tth）接近目标温度（Tthi）。

Description

半导体光源装置

技术领域

本发明涉及使用多个半导体发光元件的半导体光源装置，尤其涉及将亮度和色度保持恒定的技术。

背景技术

作为照明装置和显示装置的光源，如今使用半导体激光器（激光二极管：LD）和发光二极管（LED）等半导体发光元件取代灯作为光源。关于这种用途，可使用与作为所谓光的三原色的红色、绿色、蓝色这三种颜色对应的发光元件。将这些各色光的光量比例控制为恒定的比率，然后进行混合，从而合成出白色光。为了实现良好的颜色再现性，需要将各颜色的光量比例维持为恒定，并且需要将各色光各自的波长保持为恒定。

而且，半导体发光元件具有以下性质：发光波长会由于驱动电流的变化或环境温度的变化引起的结温的变化而发生变化。因此存在以下问题：即便通过使驱动电流恒定来保持光量比例恒定，色度也会由于结温的变化而发生变化。

针对该问题，在专利文献1中公开了以下技术：通过调节各光源的冷却能力，即便结温发生变化也能够使各光源的光量比例保持于一定范围内而维持白平衡。当为了调节光量而使驱动电流变化时，发光波长也会发生变化，因而固定驱动电流而进行冷却能力的控制。

此外，在专利文献2中提出了以下内容：根据LED的环境温度计算结温，根据结温与基准温度的温度差计算不会破坏白平衡的目标光量。

【专利文献1】国际公开第2011/086682号公报

【专利文献2】日本专利第4525767号公报

专利文献1、2都是以维持白平衡（各颜色的光量比例）为目的，而并非防止因温度变化导致的各发光元件的发光波长的变化。此外，专利文献1中使驱动电流固定，因而即使能够维持光量比例，也无法将光输出值调节为任意的恒定值。

发明内容

本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于提供一种使用多个半导体发光元件，并能够将各半导体发光元件的发光波长和光量保持为期望的恒定值的光源装置。

本发明的半导体光源装置具有：多个半导体发光元件，它们分别输出不同颜色的光；合成部，其将多个半导体发光元件的输出光合成并进行输出；光传感器，其检测各半导体发光元件的输出光量；电流控制部，其向各半导体发光元件提供驱动电流；温度传感器，其检测各半导体发光元件的周围温度；调温部，其对各半导体发光元件进行冷却；以及运算部，其接收光传感器和温度传感器的输出以及预先准备的数据，控制电流控制部提供的驱动电流，使得光传感器的检测光量接近预定的目标光量，并且计算半导体发光元件的目标温度，控制调温部，使得温度传感器的检测温度接近目标温度。

本发明的半导体光源装置具有：多个半导体发光元件，它们分别输出不同颜色的光；合成部，其将多个半导体发光元件的输出光合成并进行输出；光传感器，其检测各半导体发光元件的输出光量；电流控制部，其向各半导体发光元件提供驱动电流；温度传感器，其检测各半导体发光元件的周围温度；调温部，其对各半导体发光元件进行冷却；以及运算部，其接收光传感器和温度传感器的输出以及预先准备的数据，控制电流控制部提供的驱动电流，使得光传感器的检测光量接近预定的目标光量，并且计算半导体发光元件的目标温度，控制调温部，使得温度传感器的检测温度接近目标温度。本发明能够通过调节驱动电流将各半导体发光元件的亮度保持恒定，并且能够通过温度调节将各半导体发光元件的发光波长保持为期望的恒定值。

附图说明

图1是本发明的光源装置的结构图。

图2是示出本发明的光源装置的动作的流程图。

标号说明

1：存储部；2：运算部；3：温度控制部；4：电流控制部；5R、5G、5B：调温部；6R、6G、6B：发光元件；7R、7G、7B：温度传感器；8R、8G、8B：光传感器；9：投影仪。

具体实施方式

<A．第1实施方式>

<A-1．结构>

图1是实施方式1的半导体光源装置100的结构图。半导体光源装置100具有存储部1、运算部2、温度控制部3、电流控制部4、调温部5R、5G、5B、发光元件6R、6G、6B、温度传感器7R、7G、7B、光传感器8R、8G、8B以及投影仪9。

发光元件6R、6G、6B是分别输出红色光、绿色光、蓝色光的半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）等半导体发光元件。发光元件6R、6G、6B的输出光被投影仪9合成为白色光。投影仪9还针对每个像素调制白色光，生成影像，并将影像投影到投影面。即，投影仪9具备合成部、光调制部和投影部的功能。

在发光元件6R、6G、6B的周围分别设有测定发光元件6R、6G、6B的周围温度Tth的温度传感器7R、7G、7B和接收发光元件6R、6G、6B的一部分输出光并测定光量的光传感器8R、8G、8B。此外，在发光元件6R、6G、6B的周围分别设有对发光元件6R、6G、6B进行冷却的调温部5R、5G、5B。调温部5R、5G、5B例如是风扇或珀耳贴元件等，其冷却能力由温度控制部3控制。此外，发光元件6R、6G、6B的驱动电流由电流控制部4进行调节。

运算部2从温度传感器7R、7G、7B取得发光元件6R、6G、6B的周围温度，将温度控制信号输出到调温部5R、5G、5B，以使得周围温度接近目标温度。此外，运算部2从光传感器8R、8G、8B取得发光元件6R、6G、6B的输出光量，将电流控制信号输出到电流控制部4，以使得输出光量接近目标光量。

为了使光源实现其功能，在存储部1中记录有在运算部2中进行各种设定/调节所需要的数据。

<A-2．工作>

在半导体发光元件中，当驱动电流或环境温度发生变化时结温也发生变化，由此输出光的亮度和波长会发生变化。因此，在半导体光源装置100中，将发光元件6R、6G、6B的结温保持恒定，从而将发光元件6R、6G、6B的输出光的亮度和波长保持恒定。其结果是，能够将合成各色光而得到的白色光的亮度和色度保持为恒定。虽然按照图2的流程图说明的亮度和波长的控制动作是分别对发光元件6R、6B、6G进行的，但为了简化说明，下面以发光元件6R的控制动作为代表进行说明。

首先，用户设定作为目标的画面亮度（步骤S1）。可以对画面亮度设定任意值，所设定的值被存储在存储部1中。

接着，在用户接通了半导体光源装置100的电源后（步骤S2），从电流控制部4提供驱动电流，发光元件6R、6G、6B发光（步骤S3）。

接下来对发光元件6R进行说明，运算部2从光传感器8R取得发光元件6R的输出光量Le（步骤S4）。运算部2计算用于实现在步骤S1中设定的画面亮度的发光元件6R的目标光量Li，并将Li与Le进行比较（步骤S5）。在Le与Li之差为阈值以上的情况下，调节驱动电流If，使得Le向接近Li的方向变化（步骤S6）。具体而言，若Le<Li则增大If，若Le＞Li则减小If。在If的调节结束后，返回步骤S4，重新取得Le。在步骤S5中Le与Li之差低于阈值的情况下，不调节If而直接返回步骤S4。在发光元件6R的发光过程中重复执行上述运算部2中的驱动电流If的控制动作。另外，以上说明了运算部2对驱动电流If进行调节，而具体地讲，是电流控制部4根据来自运算部2的电流控制信号使得驱动电流If发生变化，从而进行调节。

在运算部2中，还与驱动电流的控制（步骤S4～S6）并行地进行温度控制。在温度控制中，首先，运算部2从温度传感器7R取得发光元件6R的周围温度Tth（步骤S7）。接着，计算发光元件6R的目标周围温度Tthi（步骤S8）。下面说明目标周围温度Tthi的算式。

首先，下式表示发光元件6R的结温Tj。

【式1】

Tj＝Tth+θjth×Q···(1)

此处，θjth是周围温度Tth的测定部位与结区之间的热阻。Q是在发光元件6R中产生的热量，可通过下式表示。

【式2】

Q＝Vf×If-Po···(2)

此处，Vf是端子间电压，If是驱动电流，Po是输出光的热量。即，从发光元件6R内产生的热量中减去照射到外部的光产生的热量后的热量，作为热量Q被蓄积于发光元件6R。

根据式（1）和式（2），通过下式表示目标周围温度Tth。

【式3】

Tthi＝Tji-θjth×(Vf×If-Po)···(3)

在该式中，Tji是发光元件6R的目标结温，是设计上的最佳值。热阻θjth和端子间电压Vf是实测值，但由于几乎不存在个体差异，因而也可以使用预先存储于存储部1的固定值。在进行更高精度的控制时，可以将在制造阶段单独测定的实测值预先存储于存储部1。或者还可以在半导体光源装置100设置端子间电压测定部，使用该端子间电压测定部的测定值作为Vf。这种情况下，能够考虑因老化导致的Vf的变化来设定目标温度Tthi。If是用于实现目标光量Li的驱动电流，是在与温度控制并行执行的步骤S6中可随时调节的值。输出光的热量Po是对应于目标光量Li而确定的。如上所述，在运算部2中使用式（3）计算出目标周围温度Tthi。

接着，运算部2对周围温度Tth与目标周围温度Tthi进行比较（步骤S9）。在该差值低于阈值的情况下，调节调温部5R的冷却能力，使得Tth接近Tthi。在Tth＞Tthi的情况下提高冷却能力，在Tth＜Tthi的情况下降低冷却能力。在此，温度控制部3根据来自运算部2的温度控制信号使调温部5R的冷却能力发生变化。在发光元件6R的发光过程中与电流控制并行地重复执行上述运算部2的温度控制。

以上说明了对发光元件6R的电流控制和温度控制，在对发光元件6R进行这些控制的同时，也对发光元件6B、6G进行电流控制和温度控制。这样，各发光元件6R、6B、6G的光量被调节为目标光量，且色度被保持恒定。因此，能够将投影仪9合成各输出光而得到的白色光的白平衡保持恒定，并且能够任意地调节亮度。

<A-3．效果>

半导体光源装置100具有：分别输出不同颜色的光的多个发光元件6R、6G、6B（半导体发光元件）；将发光元件6R、6G、6B的输出光合成并进行输出的投影仪9（合成部）；检测各发光元件6R、6G、6B的输出光量Le的光传感器8R、8G、8B；向各发光元件6R、6G、6B提供驱动电流If的电流控制部4；检测发光元件6R、6G、6B的周围温度Tth的温度传感器7R、7G、7B；冷却各发光元件6R、6G、6B的调温部5R、5G、5B；以及运算部2，其接收光传感器8R、8G、8B和温度传感器7R、7G、7B的输出以及预先准备的数据，将电流控制部4提供的驱动电流If控制为使得光传感器8R、8G、8B的检测光量Le接近既定的目标光量Li，并且计算出发光元件6R、6G、6B的目标温度Tthi，将调温部5R、5G、5B控制为使得温度传感器7R、7G、7B的检测温度Tth接近目标温度Tthi。通过以上结构，由于进行驱动电流If的控制和调温部5R、5G、5B的控制，因此能够按照每个发光元件6R、6G、6B任意地调节输出光的光量和波长。

此外，运算部2根据以驱动电流If为参数的运算式，计算发光元件6R、6G、6B的结温Tj成为预定值时的周围温度Tth作为目标温度Tthi。因而，即便在为进行光量调节而使得驱动电流If发生变动的情况下，由于考虑驱动电流If的变动来确定目标温度Tthi，因此也能够将发光波长保持恒定。

此外，目标光量Li是与可以从外部任意地设定的亮度对应的值，因此与用户任意地设定的亮度相应地调节输出光的光量，该情况下发光波长也被保持恒定。

此外，半导体光源装置100也可以具备测定发光元件6R、6G、6B的端子间电压Vf的电压测定部。运算部2根据还将端子间电压Vf作为参数的运算式计算目标温度Tthi，因此能够校正元件老化所伴随的端子间电压的降低对结温的影响。

另外，本发明可以在该发明的范围内对实施方式适当进行变形和省略。

Claims (4)

1.一种半导体光源装置，其中，该半导体光源装置具有：

多个半导体发光元件，它们分别输出不同颜色的光；

合成部，其将所述多个半导体发光元件的输出光合成并进行输出；

光传感器，其检测各所述半导体发光元件的输出光量；

电流控制部，其向各所述半导体发光元件提供驱动电流；

温度传感器，其检测各所述半导体发光元件的周围温度；

调温部，其对各所述半导体发光元件进行冷却；以及

运算部，其接收所述光传感器和所述温度传感器的输出以及预先准备的数据，控制所述电流控制部提供的所述驱动电流，使得所述光传感器的检测光量接近预定的目标光量，并且计算所述半导体发光元件的目标温度，控制所述调温部，使得所述温度传感器的检测温度接近所述目标温度。

2.根据权利要求1所述的半导体光源装置，其中，

所述运算部根据将所述驱动电流作为参数的运算式，计算所述半导体发光元件的结温成为预定值时的所述周围温度，作为所述目标温度。

3.根据权利要求2所述的半导体光源装置，其中，

所述目标光量是与能够从外部任意地进行设定的亮度对应的值。

4.根据权利要求2或3所述的半导体光源装置，其中，

该半导体光源装置还具有测定所述发光元件的端子间电压的电压测定部，

所述运算部根据还将所述端子间电压作为参数的运算式，计算上述目标温度。

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