JP2006209054A - 照明装置及びこれを用いた表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 複数個からなるLEDを駆動して大輝度を得る様にした照明装置において、個々のLED発光特性が不均一である場合であっても、個々のLEDを高精度で均一な発光特性が得られるよう制御する照明装置並びに、それを用いた表示装置を提供することにある。
【解決手段】 大輝度LEDアレイにおいて、LEDに発電量検出手段と、個々の発電量検出手段から個々のLEDの発光量を判定する判定手段と、個々のLEDが所望の発光量となるように駆動電圧・期間を制御する発光量制御手段と発光駆動手段を有し、
判定手段にて、消灯期間中のLEDの発電量と配置位置関係による発光分布と、予め既知の個々のLED特性から、点灯期間中のLEDの光量を判定し、所望の発光量となるよう制御する。
【選択図】 図1
【解決手段】 大輝度LEDアレイにおいて、LEDに発電量検出手段と、個々の発電量検出手段から個々のLEDの発光量を判定する判定手段と、個々のLEDが所望の発光量となるように駆動電圧・期間を制御する発光量制御手段と発光駆動手段を有し、
判定手段にて、消灯期間中のLEDの発電量と配置位置関係による発光分布と、予め既知の個々のLED特性から、点灯期間中のLEDの光量を判定し、所望の発光量となるよう制御する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、光源からの光束を、透過型もしくは反射型の液晶パネルまたは微小な反射ミラー等の映像表示素子に照射して画像形成を行う画像表示装置に係り、特に表示装置に用いる光源としての照明装置に関する。
近年、発光ダイオード(以下LED(Light Emitting Diode))の発光効率向上に伴い、高輝度照明装置への応用が目覚ましい。しかしながら、LEDは、経時劣化による発光効率の変化や、LED素子間で発光特性バラツキが大きい。その為、均一な発光特性を維持する方法等が提案並びに実用化している。
例えば、下記特許文献1に記載の投写型表示装置では、半導体光源の通電劣化状況を、測定・検出・判別しそれを報知する手段、さらには測定・判断する方法を提供し、光源の交換を正しく知らせることを可能としている。
複数個からなるLEDを駆動して大輝度を得る様にした照明装置においては、個々のLED発光特性が不均一であった場合、個々のLEDの発光量を制御できることが望ましく、複数個の光電変換素子により、個々のLED毎に発光量を検出することで、補正が可能となる。
しかしながら、個々のLEDの発光量を高精度に検出しようとする場合、光電変換素子の数を増やす必要がある。これにより、部材コストの増大、配置方法、放熱性で新たな課題が発生する。
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたもので、その目的は、使用するLED個数が増大しても、安価で、配置問題に悩まされる事無く、個々のLEDを高精度で均一な発光特性が得られるよう制御する照明装置並びに、それを用いた表示装置を提供することにある。
表示装置用の照明装置であって、少なくとも1個の発光素子で構成される複数組の発光素子アレイと、前記複数組の発光素子アレイの各々をパルス駆動する駆動回路と、前記複数組の発光素子アレイ各々の駆動レベルを制御する駆動レベル制御手段と、消灯時の前記発光素子アレイを受光素子として、前記発光素子アレイ各々の発光量を求める処理手段と、を有し、少なくとも2個の前記発光素子アレイ間でパルス駆動の位相を異ならしめ、消灯時に前記処理手段により求めた発光中の前記発光素子アレイ各々の発光量に基づいて、発光中の前記発光素子アレイの駆動レベルを前記駆動レベル制御手段により制御するよう構成する。
本発明によれば、新たなフォトセンサが不要となり、低価格化を実現できる。さらに、近接するLED間での検出結果に基づいて制御することにより、LED発光量の均一化を実現できる。
以下、本発明を添付の図面に従い説明する。
図1は本発明の実施例1による照明装置を示すブロック図である。図2は本発明による照明装置で複数個からなる発光素子の配置方法の一例をしめす配置図である。図3は各処理部での動作タイミングと動作状態を示す波形図である。
ここで、本実施例で示す発光素子として、LEDの場合について示す。また、本実施例では、LEDの発光性能である発光効率、発光量は何ら限定するものではなく、装置に必要な発光量が得られるものであれば、何れであっても良い。また、本実施例では、LEDが発する光波長成分は特に限定するものではなく、照明装置の用途に応じて白色成分、赤、青、緑等の特定色成分を得るように構成すれば、何れであっても良い。
また、本実施例では、LEDを発光駆動する際、LEDを間欠的に駆動するパルス駆動の場合について示す。もちろん、パルス駆動する際の、駆動(ON)・停止(OFF)間隔は特に限定されるものではなく、LEDの発光立ち上がり、消灯時間性能に合わせた駆動間隔であれば、何れであっても適用可能である。
図1で、1は発光量制御回路、2は発光量判定回路、3は発光駆動回路、4、5、6、7はLED、8、9、10、11は発電量検出回路である。図2で12は4〜7のLEDで構成するLEDアレイを示す構成図と、発光中のLEDから消灯中のLEDへの光放出方向を示すものである。
発光量制御回路1は、外部から指示される目標発光量と、発光量判定回路2により判定した実際の発光量(実発光量)とを比較して、照度や色成分の差分量を求め、この差分量が減少するようにLED4〜7それぞれに対する駆動・停止並びに駆動電流量の指示信号を生成出力する。この場合、駆動電流量を振幅値AMP、駆動・停止期間を駆動周期PWMによりそれぞれ指示する。本処理制御を定期的あるいは不定期に繰り返し実行することで、徐々に目標発光量に近づける。もちろん本処理制御は、制御系が安定して応答する制御量や制御間隔を定めるものであり、本実施例では特に限定しない。
発光駆動回路3は、LEDが安定して発光応答・消灯応答並びに所望の発光量が十分に得られる時間並びに、検出・演算・補正処理に要する時間を満足する時間間隔を基準周期Tとして定めてタイミング信号を生成する。さらに、LED4〜7間での発光期間に対応するパルス幅、消灯期間中のLEDでの光電変換により得られる発電力を標本化するサンプリングタイミング信号S/Hと、標本対象を示すサンプル対象情報Noを生成する。ここで、本発明では、消灯時のLEDを受光素子として用い、光電変換出力である発電力を検出するものである。
振幅値AMPと駆動周期PWMに従い、LED4〜7それぞれの駆動信号波形3a〜3dを生成し、LED4〜7を点灯・消灯させる。ここで、点灯中のLEDの発光量は駆動電力で定まる。図3の駆動信号波形3a〜3dでは、パルス高の高低にて駆動電力、パルス高の期間で点灯期間を表している。
また、発電量検出回路8、9、10、11は、LED4〜7からの光電変換出力である電流量を検出するように、並列に電流検出用の抵抗を設け、抵抗に発生する電圧値8a〜11aを得る。もちろん、LEDが発する電流量を検出するものであれば他の検出手段でも良く、特に限定するものではない。また、検出結果は、電圧値換算によるアナログ信号、さらにはデジタル信号に置き換えても良く、発生電流量を示すものであれば限定されない。
ここで、LED4〜7の消灯期間にあるLEDが、他の発光期間中のLEDからの光を受けて光励起し、光電変換作用により電流が発生し、発電量検出回路8〜11によりそれぞれ電流量を変換出力する。
発光量判定回路2では、LED4〜7の特性として予め、(1)印加電力と発光量の関係を示す発光特性、(2)受光量-発生電流(電圧)の関係を示す光電変換特性、(3)LED4〜7のそれぞれの距離・位置関係から定まる到達受光比率、を事前に測定してテーブルデータとして記憶している。
サンプリングタイミング信号S/Hと、標本対象を示すサンプル対象情報Noから、LED4〜7で点灯期間中と消灯期間中の各LEDをそれぞれ特定する。発電量検出回路8、9、10、11による電圧値8a〜11aから消灯期間中のLEDの電圧値を取り出し、テーブルデータからの光電変換特性から受光量を特定し、さらに到達受光比率により距離・位置関係を補正することで発光期間中のLEDの発光量を算出・特定する。本動作をLED4〜7で順次切替えて行うことで各々の実発光量を得る。
例えば、図2に示すように点灯・消灯期間中のLEDの配置関係を定めた場合、光放出方向と到達距離が定まり、発光LEDと消灯LEDの関係を順次切替えて、それぞれのLEDの発光状態を検出する。
本実施例では、点灯期間中のLEDが1個の場合で示したが、LEDが複数点灯する場合であっても、LEDの配置位置関係から発光量を演算可能である。また、個々のLEDのPWM間隔、回数、位相を任意に変えて、消灯・点灯関係を多様化することで、LEDの配置位置関係の多様化を実現させて発光量を算出するように構成しても良い。すなわち、本発明では、LEDの点灯・消灯の組み合わせとして、時系列で異ならしめて、特定位置のLEDの発光状態を検出するように構成するものである。
もちろん、LEDの光電変換量は、LEDの製造方法や材料により定まるものであり、特に本発明では特に限定するものではない。
また、LED駆動条件と駆動特性と経時劣化特性の大まかな傾向は既知であり予めテーブルデータとして持つことで発光量の換算精度を向上するようにしても良い。
以上示した実施例1によれば、LEDを光電変換素子(フォトセンサ)として兼用することで、LEDアレイにおいて隣接するLED間の発光バラツキを精度良く検出し、高精度な発光量制御が可能であり、LEDアレイの発光量分布のバランスを容易に均一化できる。また、外部にフォトセンサを別途設ける場合に対して、フォトセンサが不要であるため、配置位置の制約も軽減でき、低コスト化が容易に可能となる。
以上説明した本実施例で、LEDアレイの構成を限定して示したが、もちろんこれに限らず、LEDの配置方法・個数や、消灯中の点灯駆動中のLEDの位置関係は、互いのLEDの発光状態を直接あるいは間接的に検出するように構成していれば、何れであっても良い。これにより、LEDの個々の発光状態の検出精度を上げることも、容易に可能となる。
また、それぞれの発電量検出回路のサンプル頻度は、同時に行うようにしても良いが、時分割に交互に行っても良く、検出回路の兼用が可能となり、電機部品の個数を低減するようにしても良い。また、LED接続を並列接続の場合で示したが、もちろん直列接続にて、列全体の発電量を検出する様にしても良く、各個々のLED毎に検出手段を設ける必要がなく、電流検出手段の個数を低減することが可能となる。
図4を用い、入力映像信号に応じて表示画素単位で光の透過量あるいは反射量を制御するようにした画像表示素子を有する表示装置の光源と光源制御部分に、実施例1で示した照明装置を適用した実施形態を説明する。
図4で、13は画像処理部、14は光の透過量(或いは反射量)を制御するようにした映像表示素子である。
画像処理部13では、入力された映像信号に各種画像処理や加工を施して映像表示信号を生成する。
映像表示素子14は、LED4、5、6、7により発生した光束を直接、あるいは、図示しない光学部品を用いて集光された光束を受けるように構成し、映像表示信号に応じて画素単位に光束の透過量(或いは反射量)を制御する。これにより、映像光を生成する。
上記により得られた映像光を直視、あるいは、図示しない光部品により光を導き、投射レンズ15によりスクリーン上に投射して光の濃淡を表示する。さらに、画像処理部13では、入力映像信号の明暗や色成分に連動して、発光量制御回路1への発光量を制御する様に動作する。
以上示した実施例2により、均一な発光輝度・色バランスを保つことが容易な、表示装置を実現できる。さらに入力映像信号の画面更新周期に同期して、LEDの発光量を補正制御することで、より映像信号と連動した違和感のない光量制御を実現できる。
また、図4の表示装置は、スクリーン等に投射表示するプロジェクタ装置に関して説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、直視液晶表示装置の照明装置のように、LEDを適用することが可能な表示装置であれば、本発明を適用可能である。
また、LED4、5、6、7が白色光を発生する場合、LED4、5、6、7が時間順次に赤緑青光を発生する場合、或いは、LED4、5、6、7が赤光、青光、緑光をそれぞれ発光するLEDアレイからなる場合、或いは、異なる色成分を発光するLEDアレイからなる場合の何れであっても良く、入力映像信号に合わせ、特定色の発光量を制御することで、所望の色配分による映像再現を高精度に行うことが容易に可能となる。
また、発光量の増減制御指示は、表示装置の外部や、別の制御手段から指示する構成としても良く、明るさ・温度等の環境条件や、観察者の主観条件に合わせて指示することが可能となる。
上記したように、LEDを光電変換素子(フォトセンサ)として兼用することで、LEDアレイにおいて隣接するLED間の発光バラツキを精度良く検出し、高精度な発光量制御が可能であり、LEDアレイの発光量分布を容易に均一化できる。また、別途外部にフォトセンサを設ける場合に対して、フォトセンサ数の低減、並びに、配置位置の制約も軽減でき、低コスト化が容易に可能である。また、本発明による照明装置を光源に持つことで、均一な発光輝度・色バランスを保つことが容易な表示装置を達成できる。
図5は本発明の実施例3による照明装置を示すブロック図である。図6、7は複数個からなる発光素子の配置方法の一例を示す配置図である。図8、9、10は各処理部での動作タイミングと動作状態を示す波形図である。尚、前述の実施例1、2と同一符号は、同様な機能を成す為、本実施例では説明の重複を避ける。ただし、LED4〜7は、1個以上のLED素子からなるLEDアレイ組4〜7と表現を改めて説明する。
図5、6、7で、16はLUT(Lock Up Table)、17はシーケンサ、18は増幅器とスイッチからなるAMP(増幅器)、19は発光駆動タイミング信号生成回路、20は発光量検出タイミング信号生成回路、21〜24は4〜7のLEDアレイ組各々のLED素子、25は発電量検出保持回路、26〜30はLED集合体である。
図6は、各々がN個(本実施例ではN=5)のLED21〜24で構成されるLEDアレイ組4〜7をM組(同M=4)配置したLEDアレイを示す構成図である。また本実施例では説明を簡単にする為に、直列接続したLEDを直線状に配置した各LEDアレイ組4〜7を、並列状に配置した場合で示す。尚、図中、発光中のLEDアレイ組から消灯中のLEDアレイ組への光放出方向は示していないが、図2の光放出方向と同様であるものとして述べる。
一方、図7は、図6と同様に直列接続したN個(N=5)のLEDで各LEDアレイ組4〜7(M=4)を形成するが、各LEDアレイ組4〜7を構成するLED素子21〜24を各1個単位で近接形成するLED群26〜30で構成するものである。尚、本実施例では、各LED群26〜30間の配置関係は、近接・遮光・遠方配置等の何れであっても良く、特に定めるものではない。また、N、Mの値も何ら限定されるものではなく、LED性能と必要とする光量により任意に定めても良いことは言うまでも無い。
LUT16では、目標発光量と後述する実発光量とを得て、実発光量との差分が小さくなるよう発光補正量を生成する。また予め、(1)印加電力と発光量の関係を示す発光特性、(2)受光量-発生電流(電圧)の関係を示す光電変換特性、(3)LEDアレイ組4〜7のそれぞれの距離・位置関係から定まる到達受光比率、を事前に測定してテーブルデータとして記憶し、各LEDアレイ組4〜7が目標発光量或いは後述する別途指定する発光量で発光した際に、消灯中のLEDアレイ組4〜7が光電変換効果により生成する発電量から、点灯中のLEDアレイ組4〜7の発光量を演算する際の、光電変換特性から受光量を特定する際の換算補正量、到達受光比率による距離・位置関係の補正量を、検出補正量として生成する。
本発光補正量と検出補正量は、使用するLEDにより特性が定まることから、予め特性を測定してテーブルデータに設定するものである。
発光量制御回路1では、目標発光量とLUT16からの発光補正量を得て、LEDアレイ組4〜7各々の駆動電力としてAMP量とPWM量を指示する。本AMP量とPWM量に応じて、発光駆動回路3内のシーケンサ17により、LEDアレイ組4〜7の各々駆動シーケンスを定める。この場合、AMP量AMP_1〜4、駆動タイミング、デューティ量、発光量検出対象と検出タイミングの時間配分をそれぞれ指示する。発光駆動タイミング信号生成回路19では、図8で示す基準周期T内で、各LEDアレイ組4〜7の駆動配分を定めたPWM_1〜4信号を生成する。AMP回路18により、各LEDアレイ組4〜7をPWM_1〜4のON/OFFタイミングとAMP量AMP_1〜4の電力で駆動・消灯させる。本実施例では、基準周期T毎に1回、光量検出期間S/Hを設けて光量検出する場合を示す。
発電量検出保持回路25では、前記の実施例1と同様に発電量検出回路8、9、10、11にて光電変換出力を換算した電圧値8a〜11aを得て、発光量検出期間S/Hの電圧値を発電量検出結果として保持・出力する。
発光量判定回路2では、光量検出の為に発光中であるLEDアレイ組の番号No.と、発光量検出期間S/Hと、LUT16よるLEDアレイ組4〜7の各々の検出補正量とを得て、LEDアレイ組4〜7それぞれの発電量検出結果を換算することで実発光量を判定する。
目標発光量と実発光量とに差分がある場合には、差分が小さくなるようにLUT16から発光制御回路1に発光補正量が供給される。以上の構成と処理により、目標発光量と実発光量の一致を図る。
先ず、図6の配置のように、点灯中のLEDアレイ組と消灯中のLEDアレイ組に距離差を設け、図8のタイミング図の様に、基本周期T毎に発光量の検出対象のLEDアレイ組を順次切り換える場合について説明する。例えばLEDアレイ組4が発光量検出対象である場合、発電量検出保持回路25により、LEDアレイ組5、6、7の光電変換出力V4a5、V4a6、V4a7が得られる。ここで、Vmanのうち、mは発光量検出対象のLEDアレイ組の番号を、nは検出するLEDアレイ組のばんごうを示す。この場合、配置距離に依存して、V4a5>V4a6>V4a7の関係にある。同様に、LEDアレイ組5、6、7がそれぞれ発光量検出対象時、V5a4≒V5a6>V5a7、V6a5≒V6a7>V6a4、V7a6>V7a5>V7a4の関係にある。本配置距離による発電量の大小は、LUT16による到達受光比率による距離・位置関係の補正量で正規化する。
次に、図9のタイミング図のように、発光量検出対象のLEDアレイ組を基本周期Tの所定数(本実施例では3)の期間で同一とし、LED駆動電力を変え、発電量検出結果の変化を計測する。LEDアレイ組4が発光量検出対象の場合、駆動電力AMP_1、AMP_1x、AMP_1y(AMP_1y>AMP_1>AMP_1x)と、配置距離に依存する発電量検出結果が得られる。本結果を、LUT16のテーブルデータと発光量判定回路2にて、駆動電力と発電量検出結果の位置補正を施し、実発光量を生成する。もちろんこの場合において、1つのS/H期間内で、駆動電力を切り換えるようにしても良い。
また、基本周期T毎にLEDアレイ組と、LED駆動電力を同時に変えるようにしても良い。
次に、図7の配置のように、点灯中のLEDアレイ組と消灯中のLEDアレイ組の距離差が均等、すなわち発光と受光の関係が最適になるよう配置する場合について説明する。この場合、図10のタイミング図のように、発光量検出対象のLEDアレイ組を順次切り替えても、光量検出出力は、V4a5=V4a6=V4a7、V5a6=V5a7=V5a4、V6a7=V6a4=V6a5、V7a4=V7a5=V7a6とほぼ同じ値で出力する。
図示しないが、図7の配置であっても、図9のタイミングと同様な処理により光量検出を行っても良い。
本実施例3では、同一素子を用いて発光と受光を成すことから、発光タイミング、受光タイミングの制御が容易であり、本来の発光期間とは別に、微少な光量検出期間を設けることで、光量検出精度を向上することが可能となる。また、駆動電力変化と発光量変化の相関を精度良く検出するため、LEDの発光量の高精度な制御が可能となる。
さらに、近接するLED間で相互に光量検出することから、光量検出精度の向上、LED特性変化への検出・追従が容易であり、LED発光量の安定化を実現できる。
図11は、実施例2と同様に、入力映像信号に応じて表示画素単位で光の透過量あるいは反射量を制御するようにした画像表示素子を有する表示装置における光源ならびに光源制御部分に、実施例3で示した照明装置を適用した実施形態を示すもので、同一符号を付した部位は、同一機能であり説明の重複を避ける。
本実施例4により、実施例2で示した効果に加え、図示しないスクリーン上に投射表示するに十分な光量を得るようにLEDアレイ組4〜7のLED素子数を増やした場合であっても、LEDアレイ組4〜7の各々の発光状態を検出できることから、均一な発光輝度・色バランスを保つことが容易な、表示装置を達成できる。
1…発光量制御回路、2…発光量判定回路、3…発光駆動回路、4、5、6、7…LED、8、9、10、11…発電量検出回路、12…4〜7のLEDで構成するLEDアレイ、13…画像処理部、14…映像表示素子、16…LUT(Lock Up Table)、17…シーケンサ、18…AMP(増幅器)、19…発光駆動タイミング信号生成回路、20…発光量検出タイミング信号生成回路、21〜24…LED素子、25…発電量検出保持回路、26〜30…LED集合体。
Claims (12)
- 表示装置用の照明装置であって、
少なくとも1個の発光素子で構成される複数組の発光素子アレイと、
前記複数組の発光素子アレイの各々をパルス駆動する駆動回路と、
前記複数組の発光素子アレイ各々の駆動レベルを制御する駆動レベル制御手段と、
消灯時の前記発光素子アレイを受光素子として、前記発光素子アレイ各々の発光量を求める処理手段と、を有し、
少なくとも2個の前記発光素子アレイ間での前記駆動回路でのパルスの位相を異ならしめて駆動し、消灯時に前記処理手段により求めた発光している前記発光素子アレイ各々の発光量に基づいて、発光している前記発光素子アレイの駆動レベルを前記駆動レベル制御手段により制御するように構成したことを特徴とする照明装置。 - 前記処理手段は、
消灯時の前記発光素子アレイからの光電変換出力を検出する検出手段と、
前記光電変換出力から前記発光素子アレイ各々の発光量を判定する判定手段と、
により構成され、
前記判定手段にて、非点灯時の前記発光素子アレイの光電変換出力量と配置位置関係による発光分布と、予め既知の前記発光素子アレイ各々の発光特性から、発光時の前記発光素子アレイの光量を判定するように構成したことを特徴とする請求項1に記載の照明装置。 - 前記駆動回路と前記駆動レベル制御手段により、所望の発光量となるように制御するように構成したことを特徴とする請求項1乃至請求項2の何れか1項に記載の照明装置。
- 前記駆動レベル制御手段は、前記発光素子アレイの駆動電力を制御するように構成したことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の照明装置。
- 前記発光素子アレイは、N(N≧1の整数)個単位で発光素子を接続した発光素子アレイ組をM(M≧1)組で構成したことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の照明装置。
- M組の前記発光素子アレイ組を、M個それぞれ並列に配置するように構成したことを特徴とする請求項5に記載の照明装置。
- 前記発光素子アレイは、M組の前記発光素子アレイ組から各組1個ずつ発光素子を選択して成るM個の発光素子群をN個配置するように構成したことを特徴とする請求項5に記載の照明装置。
- 前記発光素子アレイは、M組の各発光素子アレイ組単位で、前記駆動回路と前記駆動レベル制御手段により発光駆動し、発光量を求める処理手段により受光量を検出することを特徴とする請求項5乃至請求項7の何れか1項に記載の照明装置。
- M組の前記発光素子アレイ組のうちの1組を発光駆動し、残るM−1組の発光素子アレイ組に到達した受光量をそれぞれ検出するように構成すると共に、
前記発光素子アレイ組の各組の発光を、所定の時間間隔で順次切り換えるように構成したことを特徴とする請求項8に記載の照明装置。 - 前記発光素子アレイ組を駆動電力を切り換えて発光駆動させ、各駆動電力に対する発光量を検出して、各発光素子アレイ組の発光特性と受光特性の少なくとも一方を演算し、演算結果を記憶させる記憶手段を有することを特徴とする請求項9に記載の照明装置照明装置。
- 前記発光素子は、LED(Light Emitting Diode)により構成したことを特徴とする請求項1乃至請求項10の何れか1項に記載の照明装置。
- 請求項1乃至請求項11の何れか1項に記載の照明装置と、
前記照明装置からの光の透過量あるいは反射量を、入力映像信号に基づいて制御する映像表示素子と、
前記映像表示素子からの透過光或いは反射光を表示する表示手段と、
を有することを特徴とする表示装置。
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