JP2009212422A - 半導体発光素子の制御 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光源装置50は、半導体レーザ52と、画素データDに応じて半導体レーザ52を制御する制御回路54とを備える。制御回路54は、半導体レーザ52の発光量実測値に応じて階調電流指令値Dapc2を算出する微分効率調整部300と、階調電流指令値Dapc2と入力値Dと半導体発光素子の閾値電流Ithの推定値とに基づいて駆動電流Iを半導体発光素子52に供給する電流ドライバ110と、駆動電流Iと半導体発光素子52から射出される光の量に関する光量検出値Lと階調電流指令値Dapc2とを用いて電流ドライバ110で用いられる閾値電流Ithの推定値を求める閾値電流推定器150とを備える。
【選択図】図4
Description
光源装置であって、
半導体発光素子と、
入力値に応じて前記半導体発光素子を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記半導体発光素子に関する測定値に応じて、前記半導体発光素子の入出力特性を表す特性値を算出する特性値算出部と、
前記特性値と、前記入力値と、前記半導体発光素子の閾値電流の推定値とに基づいて、駆動電流を前記半導体発光素子に供給する電流供給部と、
前記駆動電流の値と、前記半導体発光素子から射出される光の量に関する光量検出値と、前記特性値とを用いて、前記電流供給部で用いられる前記閾値電流の推定値を求める推定部と、
を備える、光源装置。
適用例1記載の光源装置によれば、半導体発光素子の特性がその温度変化とともに変化する場合であっても、その特性を示す特性値や、特性とともに変化する閾値電流の推定値が求められ、それらに応じた駆動電流が半導体発光素子に供給される。従って、温度変化等に起因して半導体発光素子の特性が変化する場合にも、半導体発光素子に、入力値に応じた強度の光を正確に射出させることができる。
適用例1記載の光源装置であって、
前記特性値は、前記駆動電流の変化量に対する前記光量検出値の変化量で定義される微分効率であり、
前記特性値算出部は、
前記入力値に応じて前記半導体発光素子が出力すべき目標光量と、前記光量検出値との差を光量誤差として算出し、
前記微分効率を前記光量誤差と前記入力値との積の積算値により算出する、光源装置。
適用例2記載の光源装置によれば、半導体発光素子の微分効率をリアルタイムで検出することによって、その微分効率を反映した適切な駆動電流を半導体発光素子に供給することができる。
適用例2記載の光源装置であって、
前記電流供給部は、
前記閾値電流の推定値を用いて、前記駆動電流のうちの前記閾値電流を発生させるための第1の回路と、
前記特性値算出部が出力する電流指令信号に応じた電流値と前記入力値とを用いて、前記駆動電流のうちの前記閾値電流を超える電流を発生させるための第2の回路と、
を備え、
前記特性値算出部は、
前記微分効率に対応する第1の変数の今回値を、前記第1の変数の前回値から前記光量誤差と前記入力値との積の積算値に比例した数値を減算することで求め、前記第1の変数の今回値に応じた電流指令信号を前記電流供給部に出力する、光源装置。
適用例3記載の光源装置によれば、リアルタイムで検出される半導体発光素子の微分効率と、リアルタイムで推定される閾値電流とを反映した適切な駆動電流を半導体発光素子に供給することができる。
適用例2または適用例3記載の光源装置であって、
前記特性値算出部は、
前記光量誤差と前記入力値との積の積算値を算出する際に使用する演算用入力値として、
前記入力値の平均値、または、
予め設定された初期設定入力値、または、
最小入力値から最大入力値までの中間値と前記入力値との差
を用いる、光源装置。
適用例4記載の光源装置によれば、光量誤差と入力値との積の積算値を算出するときに、当該算出結果がほぼゼロとなってしまうことを抑制できる。
適用例2ないし適用例4のいずれかに記載の光源装置であって、
前記特性値算出部は、
より過去に発生した前記光量誤差と前記入力値との積の値ほどより小さくなる重み付け定数を乗算することにより、前記光量誤差と前記入力値との積の積算値を求める、光源装置。
適用例5記載の光源装置によれば、直近のデータを重視して半導体発光素子の微分効率を求めることができる。従って、より精度の高い制御が可能となる。
適用例2ないし適用例5のいずれかに記載の光源装置であって、
前記推定部は、オブザーバであり、
第1の状態変数の推定値として、前記閾値電流の推定値を求め、
前記駆動電流と前記閾値電流の推定値との差に前記微分効率に応じた値を乗じて前記半導体発光素子の推定発光量を求め、
前記推定発光量を用いて前記閾値電流の推定値を求める、光源装置。
適用例6記載の光源装置によれば、オブザーバによる閾値電流の推定に、半導体発光素子の特性変化を反映させるため、より精度の高い閾値電流の推定が可能となる。
適用例6記載の光源装置であって、
前記推定部は、さらに、第2の状態変数の推定値として、前記閾値電流の変化を示す1階微分方程式の定数項の値を求める、光源装置。
このように、2つの状態変数を利用すれば、第1の状態変数である閾値電流を正確に推定することができる。
適用例1ないし適用例7のいずれかに記載の光源装置であって、
前記推定部は、
前記駆動電流の値と、前記閾値電流の推定値と、を用いて、前記半導体発光素子から射出される光の量に関する推定値を求め、
前記光量検出値と前記光量に関する推定値との差分を、前記閾値電流の推定値を求めるために、前記推定部の入力側にフィードバックし、
前記制御部は、
前記半導体発光素子の発光が停止されると、前記差分の前記フィードバックを禁止する禁止部を備える、光源装置。
こうすれば、半導体発光素子の発光が停止された後に、オープンループで閾値電流の推定値を求めることができる。
適用例1ないし適用例8のいずれかに記載の光源装置であって、
前記制御部は、さらに、前記半導体発光素子に有意な発光を開始させる直前に、前記半導体発光素子を予備的に発光させる、光源装置。
こうすれば、半導体発光素子が有意な発光を開始した直後に、閾値電流の推定値を正確に求めることができる。
適用例1ないし適用例9のいずれかに記載の光源装置であって、
前記制御部は、さらに、
前記推定部で用いられる前記駆動電流の値を測定する測定部を備える、光源装置。
適用例1ないし適用例10のいずれかに記載の光源装置であって、
前記制御部は、さらに、
前記推定部で用いられる前記駆動電流の値を算出する算出部を備える、光源装置。
このように、推定部で用いられる駆動電流の値は、測定によって求められてもよいし、算出によって求められてもよい。
画像表示装置であって、
適用例1ないし適用例11のいずれかに記載の光源装置を備え、
前記入力値は、画像データに含まれる各画素データである、画像表示装置。
A.実施例:
A−1.プロジェクタの構成:
A−2.比較例:
A−3.光源装置の構成:
A−4.光源装置の動作:
A−5.閾値電流推定器:
A−6.微分効率調整部:
B.変形例:
A−1.プロジェクタの構成:
図1は、プロジェクタPJの概略構成を示す説明図である。このプロジェクタPJは、いわゆるラスタスキャン方式のリアプロジェクタである。プロジェクタPJは、光源装置50と、ポリゴンミラー62と、ミラー駆動部64と、スクリーン70と、を備えている。
図3は、比較例における光源装置の動作を示すタイミングチャートである。図3(A)は、光源装置に与えられる画素データを示す。図3(B)は、半導体レーザに供給される駆動電流を示す。図3(C)は、半導体レーザの温度を示す。図3(D)は、半導体レーザの閾値電流を示す。図3(E)は、半導体レーザから射出される光の強度(発光量)を示す。
図4は、光源装置50(図1)の概略構成を示す説明図である。図示するように、光源装置50は、半導体レーザ(LD)52と、半導体レーザ52の動作を制御する制御回路54と、を備えている。半導体レーザ52は、熱レンズ効果を利用する。制御回路54は、電流ドライバ110と、受光素子(PD)130と、電流−電圧(I/V)変換器140と、閾値電流推定器150と、微分効率調整部300とを備えている。
図7は、光源装置50の動作を示すタイミングチャートである。図7(A)は、電流ドライバ110に与えられる画素データDを示す。図7(B)は、発光電流決定部110cによって決定される画素データDに応じた発光電流Idを示す。図7(C)は、閾値電流推定器150によって推定される半導体レーザ52の閾値電流Ithを示す。図7(D)は、電流ドライバ110から半導体レーザ52に供給される駆動電流Iを示す。なお、図7(D)には、破線で図7(C)の閾値電流Ithが示されている。図7(E)は、半導体レーザ52の発光量Lを示す。
閾値電流推定器150を構築するために、まず、半導体レーザ52の動作モデルを考慮する。
図11は、微分効率調整部300の構成を示す概略ブロック図である。図5で説明したように、微分効率調整部300は、階調電流指令値Dapc2を適宜調整した上で設定するが、そのために画素データDに対応する目標光量Tと、実測値である発光量実測値Yとの光量誤差δ(=Y−T)を測定する。なお、この測定回数が少ない(例えば2〜3回程度の測定)と測定誤差による設定値の不正確さが生じるため、測定回数を増して逐次的に測定精度を改善することが望ましい。本実施形態では、光量誤差δの2乗和の最小値を逐次的に最速に探索可能な最急降下法を用いた最小2乗法を利用する。
また、Y=a・D+bと定義しているため、変数aは下記の式(32)で表され、階調電流指令値Dapc2は、式(33)で表される。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
上記実施例において、微分効率調整部300は、計測された半導体レーザ52の発光量と画素データDとに基づいて階調電流指令値Dapc2、即ち、微分効率ηの調整を実行していたが、他の計測値に基づいて微分効率ηの調整を実行するものとしても良い。例えば、一般に、半導体レーザの温度上昇に伴い、その微分効率ηは低下するため、制御部は、半導体レーザの温度に応じて電流ドライバの出力する電流が増加するように制御するものとしても良い。より具体的には、半導体レーザ52の発光時における温度を測定し、予め準備されたマップ等によって、微分効率調整部300が測定温度に応じた好適な階調電流指令値Dapc2を決定するものとしても良い。
上記実施例において、閾値電流推定器150はオブザーバによって構成されていたが、閾値電流推定器150は他の方法によって閾値電流を推定するものとしても良い。例えば、予め準備されたマップ等を用いて、駆動電流に対する半導体レーザ52の発光量実測値と微分効率調整部300が算出した微分効率との関係から閾値電流を推定して出力するものとしても良い。
上記実施例では、説明の便宜上、プロジェクタPJ(図1)が1つの光源装置50を備える場合について説明した。しかしながら、実際には、プロジェクタは、例えば、3種類の色光を射出する3つの光源装置と、3種類の色光を合成する合成光学系と、を備えている。そして、合成された光が、ポリゴンミラー62に導かれる。この結果、スクリーン70上にカラー画像が表示される。
上記実施例では、プロジェクタPJは、ポリゴンミラー62を備えており、スクリーン70上に表示される画像に含まれる各ライン画像は、常に、1方向に描かれる。しかしながら、これに代えて、スクリーン70上に表示される画像に含まれる隣接するライン画像が、逆方向に描かれてもよい。なお、このようなプロジェクタは、例えば、特開2006−227144号公報に開示されている。この場合にも、各ライン画像が描画される直前に、予備的な発光が行われる予備期間が設けられることが好ましい。
上記実施例では、表示動作中に光量補正を行っていたが、階調値に偏り、例えば非常に暗い画像があると正常に光量補正を行えない可能性がある。この対策として、画像表示を行わない期間に、所定の階調値(階調データ)や擬似的な画素同期クロック信号を発生することで半導体レーザを発光させて光量補正動作を行うようにしても良い。
上記実施例において、モーメントMTiの積算値Sakを計算する際、直近のデータ(光量誤差と階調値との積の値)を重視することが望ましいため、過去のデータの重みを低くするようにしても良い。具体的には、図13に示すフリップフロップ337の出力端子から加算器336に至るフィードバック経路に、重み付け定数乗算器を設ければ良い。この重み付け定数は、例えば7/8のように1より小さい値に設定する。これにより、積算値Sakを計算する際に、過去のデータから順次忘却されるため、直近のデータに重きを置くことができる。また、上記実施例において、光量誤差と階調値との積(モーメント)の積算値Sakに比例した値で、変数aを逐次的に補正していたが、積算値Sakの符号により一定値の補正を変数aに施してもよい。
上記実施例では、いわゆるラスタスキャン方式のプロジェクタに本発明の光源装置が適用されているが、これに代えて、液晶パネルやDMD(デジタル・マイクロミラー・デバイス:TI社の商標)などの光変調デバイスを備えるプロジェクタにも、本発明の光源装置を適用可能である。この場合には、例えば、信号Dとして、一定の値が与えられればよい。
上記実施例では、光源装置50は、プロジェクタPJに適用されているが、これに代えて、加工装置などの他の光学装置に適用されてもよい。
上記実施例では、光源装置50は、半導体レーザを備えているが、これに代えて、発光ダイオード(LED)などの他の固体光源(半導体発光素子)を備えていてもよい。
上記実施例において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。
52…半導体レーザ
54…制御回路
54…制御部
62…ポリゴンミラー
64…ミラー駆動部
70…スクリーン
110…電流ドライバ
110a…駆動電流決定部
110b…電流決定部
110c…発光電流決定部
111…乗算器
112,113…増幅器
114…加算器
119…D/A変換器
130…受光素子
140…I/V変換器
149…A/D変換器
150…電流推定器
150a…抽出器
151〜155…増幅器
156〜158…演算器
159…積分器
160…駆動電流測定部
161…差動増幅器
162…増幅器
171…比較器
172…スイッチ
180…駆動電流算出部
181…乗算器
182…増幅器
183…加算器
191…比較器
192…セレクタ
201〜205…差動増幅器
211〜215…増幅器
221〜222…積分器
261〜265…増幅器
271〜275…演算器
281〜282…遅延器
300…微分効率調整部
301…目標生成部
302…誤差計算部
303…モーメント算出部
304…モーメント積算部
305…微分効率算出部
306…階調指令値算出部
310…演算部
320…利得要素
321,323,325…遅延要素
320,322,324,326a〜326d…利得要素
327〜328,337,341…フリップフロップ
331…m乗算器
332,340…減算器
333…乗算器
334,335,338,312…利得要素
336…加算器
350…平均化回路
351…減算機
400…制御対象
PJ…プロジェクタ
Rs…抵抗器
S1,S2…定電流源
Sw1〜Sw4…スイッチ
Td1〜Td4…トランジスタ
Ti…トランジスタ
Tm1〜Tm2…トランジスタ
Claims (13)
- 光源装置であって、
半導体発光素子と、
入力値に応じて前記半導体発光素子を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記半導体発光素子に関する測定値に応じて、前記半導体発光素子の入出力特性を表す特性値を算出する特性値算出部と、
前記特性値と、前記入力値と、前記半導体発光素子の閾値電流の推定値とに基づいて、駆動電流を前記半導体発光素子に供給する電流供給部と、
前記駆動電流の値と、前記半導体発光素子から射出される光の量に関する光量検出値と、前記特性値とを用いて、前記電流供給部で用いられる前記閾値電流の推定値を求める推定部と、
を備える、光源装置。 - 請求項1記載の光源装置であって、
前記特性値は、前記駆動電流の変化量に対する前記光量検出値の変化量で定義される微分効率であり、
前記特性値算出部は、
前記入力値に応じて前記半導体発光素子が出力すべき目標光量と、前記光量検出値との差を光量誤差として算出し、
前記微分効率を前記光量誤差と前記入力値との積の積算値により算出する、光源装置。 - 請求項2記載の光源装置であって、
前記電流供給部は、
前記閾値電流の推定値を用いて、前記駆動電流のうちの前記閾値電流を発生させるための第1の回路と、
前記特性値算出部が出力する電流指令信号に応じた電流値と前記入力値とを用いて、前記駆動電流のうちの前記閾値電流を超える電流を発生させるための第2の回路と、
を備え、
前記特性値算出部は、
前記微分効率に対応する第1の変数の今回値を、前記第1の変数の前回値から前記光量誤差と前記入力値との積の積算値に比例した数値を減算することで求め、前記第1の変数の今回値に応じた電流指令信号を前記電流供給部に出力する、光源装置。 - 請求項2または請求項3記載の光源装置であって、
前記特性値算出部は、
前記光量誤差と前記入力値との積の積算値を算出する際に使用する演算用入力値として、
前記入力値の平均値、または、
予め設定された初期設定入力値、または、
最小入力値から最大入力値までの中間値と前記入力値との差
を用いる、光源装置。 - 請求項2ないし請求項4のいずれかに記載の光源装置であって、
前記特性値算出部は、
より過去に発生した前記光量誤差と前記入力値との積の値ほどより小さくなる重み付け定数を乗算することにより、前記光量誤差と前記入力値との積の積算値を求める、光源装置。 - 請求項2ないし請求項5のいずれかに記載の光源装置であって、
前記推定部は、オブザーバであり、
第1の状態変数の推定値として、前記閾値電流の推定値を求め、
前記駆動電流と前記閾値電流の推定値との差に前記微分効率に応じた値を乗じて前記半導体発光素子の推定発光量を求め、
前記推定発光量を用いて前記閾値電流の推定値を求める、光源装置。 - 請求項6記載の光源装置であって、
前記推定部は、さらに、第2の状態変数の推定値として、前記閾値電流の変化を示す1階微分方程式の定数項の値を求める、光源装置。 - 請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の光源装置であって、
前記推定部は、
前記駆動電流の値と、前記閾値電流の推定値と、を用いて、前記半導体発光素子から射出される光の量に関する推定値を求め、
前記光量検出値と前記光量に関する推定値との差分を、前記閾値電流の推定値を求めるために、前記推定部の入力側にフィードバックし、
前記制御部は、
前記半導体発光素子の発光が停止されると、前記差分の前記フィードバックを禁止する禁止部を備える、光源装置。 - 請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の光源装置であって、
前記制御部は、さらに、前記半導体発光素子に有意な発光を開始させる直前に、前記半導体発光素子を予備的に発光させる、光源装置。 - 請求項1ないし請求項9のいずれかに記載の光源装置であって、
前記制御部は、さらに、
前記推定部で用いられる前記駆動電流の値を測定する測定部を備える、光源装置。 - 請求項1ないし請求項10のいずれかに記載の光源装置であって、
前記制御部は、さらに、
前記推定部で用いられる前記駆動電流の値を算出する算出部を備える、光源装置。 - 画像表示装置であって、
請求項1ないし請求項11のいずれかに記載の光源装置を備え、
前記入力値は、画像データに含まれる各画素データである、画像表示装置。 - 入力値に応じた駆動電流を供給して半導体発光素子を制御する方法であって、
(a)前記半導体発光素子に関する測定値に応じて、前記半導体発光素子の入出力特性を表す特性値を算出する工程と、
(b)前記特性値と、前記入力値と、前記半導体発光素子の閾値電流の推定値とに基づいて、駆動電流を前記半導体発光素子に供給する工程と、
(c)前記駆動電流の値と、前記半導体発光素子から射出される光の量に関する光量検出値と、前記特性値とを用いて、前記電流供給部で用いられる前記閾値電流の推定値を求める工程と、
を備える、方法。
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