JP2010080621A - 光源装置、映像表示装置および発光素子の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス電流を発光素子に供給する光源装置において、発光素子からの出射光量の立ち上がりをより速くする。
【解決手段】光源装置３００に設けられた発光素子ＬＤには、発光素子ＬＤからの平均出射光量を調整するためにパルス電流が供給される。この発光素子ＬＤには、発光素子ＬＤを短絡する発光素子短絡部Ｑ２が並列に設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、発光素子をパルス駆動する発光素子の駆動技術に関する。

レーザスキャンディスプレイ（例えば、特許文献１参照）やレーザ式プロジェクタ等の映像表示装置では、映像を構成する画素毎に発光素子の出射光量を調整するため、各画素を表示する期間（画素時間）中において発光素子に電流を供給する時間を調整するパルス幅変調が行われる。

特開２００７−１４０００９号公報 特開平６−０１３６５９号公報

図１は、レーザダイオードを用いた映像表示装置における映像出力ユニット１０ａの構成を示す概略図である。映像出力ユニット１０ａは、階調調整部１００と、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号発生回路２００と、レーザダイオードＬＤを用いた光源回路３００ａとにより構成されている。

階調調整部１００は、表示階調を画素毎に指定する映像データが供給される。階調調整部１００は、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）として構成されている。このルックアップテーブルを参照することにより、レーザダイオードの出射光量を画素毎に指定する描画データが生成される。生成された描画データは、ＰＷＭ信号発生回路２００に供給される。ＰＷＭ信号発生回路２００は、レーザダイオードの出射光量を描画データで指定される値に調整するためのＰＷＭ信号を発生する。ＰＷＭ信号は、レーザダイオードに供給される電流のオン・オフを指定するＨレベルとＬレベルの２値の信号である。なお、階調調整部１００とＰＷＭ信号発生回路２００には、画素時間のタイミングを規定する描画クロックが供給されている。

光源回路３００ａは、レーザダイオードＬＤと、負荷抵抗Ｒａと、スイッチングトランジスタＱ１とを有している。レーザダイオードＬＤと、負荷抵抗Ｒａと、スイッチングトランジスタＱ１とは、この順に直列に接続されている。レーザダイオードＬＤのアノードは、レーザダイオードＬＤを駆動するための電源（図示しない）に接続され、電源電圧Ｖｃｃが印加されている。レーザダイオードＬＤは、駆動用接続線３０２を介して、電源電圧Ｖｃｃの供給部と、負荷抵抗Ｒａとに接続されている。なお、図１では、スイッチングトランジスタＱ１として、ｎ型のＭＯＳＦＥＴが使用されているが、スイッチングトランジスタＱ１としては、ｐ型のＭＯＳＦＥＴや、バイポーラトランジスタや接合形ＦＥＴ等、種々のスイッチング素子を用いることができる。

スイッチングトランジスタＱ１のゲート（Ｇ）は、ＰＷＭ信号発生回路２００に接続されている。ＰＷＭ信号発生回路２００から供給されるＰＷＭ信号がＨレベルとなり、ゲートが接地されたソース（Ｓ）よりも電圧が高くなると、スイッチングトランジスタＱ１のドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間が導通状態（オン状態）になる。そのため、レーザダイオードＬＤと、負荷抵抗Ｒａと、スイッチングトランジスタＱ１のドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間とを介して電流が流れ、レーザダイオードＬＤからは光が出射される。一方、ＰＷＭ信号がＬレベルとなり、ゲート（Ｇ）とソース（Ｓ）とがほぼ同電圧になると、スイッチングトランジスタＱ１のドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間が非導通状態（オフ状態）となる。これにより、レーザダイオードＬＤには電流が流れなくなり、レーザダイオードＬＤからは光が出射されなくなる。

図２は、図１に示す光源回路３００ａによりレーザダイオードＬＤを駆動したときの状態を示す説明図である。図２（ａ）は、光源回路３００ａに供給されるＰＷＭ信号を示すグラフである。図２（ｂ）は、レーザダイオードＬＤに流れる駆動電流Ｉ_LDを示すグラフである。図２（ａ）および図２（ｂ）の横軸は、それぞれ時間を表している。図２（ａ）の縦軸は、ＰＷＭ信号の電圧値を表し、図２（ｂ）の縦軸は、レーザダイオードＬＤの駆動電流Ｉ_LDを表している。

図２に示すように、ＰＷＭ信号がＨレベルになると、スイッチングトランジスタＱ１がオン状態になり、レーザダイオードＬＤに電流が流れる。しかしながら、図１に示すように、レーザダイオードＬＤは、駆動用接続線３０２を介して、電源電圧Ｖｃｃの供給部と、負荷抵抗Ｒａとに接続されている。この駆動用接続線３０２には幾分かのインダクタンスが存在するから、駆動用信号線３０２の電源電圧供給部側への印加電圧を矩形波としても、駆動電流Ｉ_LDの増加にはインダクタンスによる遅れが生じる。この結果、駆動電流Ｉ_LDの波形は、パルスの先端から後端に向かって徐々に増加するランプ波に近くなる。一般に、レーザダイオードＬＤの出射光量は駆動電流Ｉ_LDに比例するため、駆動電流Ｉ_LDの波形がランプ波になると、出射光量の波形もランプ波になる。

図３は、レーザダイオードの駆動特性が出射光量に与える影響を示す説明図である。図３（ａ）は、理想的なレーザダイオードの駆動特性を示し、図３（ｂ）は、図１に示す回路によるレーザダイオードの駆動特性を示している。図３（ｃ）は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す駆動特性でレーザダイオードが駆動された場合の、パルス幅ｔ_PWと、１画素時間当たりの平均出射光量Ｐａとの関係を示すグラフである。

図３（ａ）に示すように、矩形波のＰＷＭ信号は、１画素時間Ｔｐ中の平均出射光量Ｐａに相当する時間ｔ_PWだけＨレベルになる。そして、レーザダイオードの駆動が理想的に行われると、レーザダイオードの出射光量Ｐｏの波形は、ＰＷＭ信号と同じパルス幅ｔ_PWの矩形波となる。一方、上述のように、図１に示す駆動回路では、駆動電流Ｉ_LDの波形がランプ波となるため、図３（ｂ）に示すように出射光量Ｐｏの波形もランプ波となる。

１画素時間Ｔｐ中のレーザダイオードから出射される総光量は、出射光量Ｐｏを当該画素時間中において時間積分した値となる。そのため、図３（ｃ）の破線で示すように、レーザダイオードの駆動が理想的に行われた場合、平均出射光量Ｐａはパルス幅ｔ_PWに比例する。一方、図１に示す駆動回路を用いた場合、出射光量Ｐｏの波形がランプ波となるため、平均出射光量Ｐａはパルス幅ｔ_PWの２乗に従って変化する。このように、平均出射光量Ｐａとパルス幅ｔ_PWとの関係が非線形となると、映像データの階調に応じた平均出射光量Ｐａの調整が容易でなくなる。また、パルス幅ｔ_PWが１画素時間Ｔｐとなった場合の平均出射光量Ｐａ、すなわち平均出射光量Ｐａの最大値は、出射光量Ｐｏの波形がランプ波になることにより、理想的な矩形波となった場合の１／２になってしまう。

このように、駆動電流Ｉ_LDの立ち上がりが遅くなると、出射光量Ｐｏの立ち上がりが遅くなり、表示階調値に応じた平均出射光量Ｐａの調整（階調制御）が容易でなくなるとともに、平均出射光量Ｐａの最大値が低下する。この問題は、パルス電流を発光素子に供給して発光素子からの平均出射光量を調整する種々の光源装置に共通する問題である。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、パルス電流を発光素子に供給して発光素子からの平均出射光量を調整する光源装置において、出射光量の立ち上がりをより速くすることを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
発光素子を用いた光源装置であって、
前記発光素子からの平均出射光量を調整するために、前記発光素子にパルス電流を供給するパルス駆動部と、
前記発光素子に並列に設けられ、前記発光素子を短絡する発光素子短絡部と
を備える光源装置。

この適用例によれば、発光素子が短絡されている短絡状態から、発光素子が短絡されていない非短絡状態に切り替わると、短絡状態において発光素子短絡部に流れている電流が発光素子に速やかに供給される。このように、発光素子に流れる電流の立ち上がりを速くすることにより、発光素子からの出射光量の立ち上がりをより速くすることができる。

［適用例２］
適用例１記載の光源装置であって、
前記発光素子短絡部は、前記パルス電流の過渡期間において前記発光素子を短絡させる
光源装置。

この適用例によれば、パルス電流の過渡期間において発光素子が短絡される。そのため、過渡期間におけるパルス電流の立ち上がりがより速くなり、より早いタイミングで発光素子を非短絡状態に切り替えることができる。そのため、発光素子短絡部に電流が流れる短絡状態をより短時間にすることができ、光源装置の効率をより高くすることができる。

［適用例３］
適用例１または２のいずれか記載の光源装置であって、さらに、
前記発光素子への前記パルス電流の供給を前記パルス駆動部に指示するパルス信号を生成するパルス信号生成部と、
前記発光素子の短絡を前記発光素子短絡部に指示する短絡信号を生成する短絡信号生成部と
を備え、
前記短絡信号生成部は、前記パルス信号を反転および遅延させることにより前記短絡信号を生成する
光源装置。

この適用例によれば、パルス信号の遅延時間の間だけ発光素子短絡部に電流が流れる。そのため、発光素子短絡部における発熱量を低減することが可能となり、発光素子短絡部の小型化と、光源回路の効率の向上とを図ることができる。

［適用例４］
適用例３記載の光源装置であって、
前記パルス信号生成部は、前記平均出射光量を最大にする場合に、前記発光素子に連続した電流を流すように前記パルス信号を生成する
光源装置。

この適用例によれば、発光素子に連続した電流を流すようにパルス信号を生成することにより、出射光量を最大にした場合には、発光素子短絡部による発光素子の短絡が行われない。そのため、発光素子短絡部における発熱量をより低減することが可能となり、更なる発光素子短絡部の小型化と、光源回路の効率の向上とを図ることができる。

［適用例５］
適用例１ないし４のいずれか記載の光源装置であって、
前記パルス駆動部は、スイッチング用トランジスタのオン状態とオフ状態とを切り替えることにより前記発光素子にパルス電流を供給し、
前記発光素子短絡部は、前記スイッチング用トランジスタよりも許容損失が小さい短絡用トランジスタをオン状態とすることにより前記発光素子を短絡する
光源装置。

この適用例によれば、短絡用トランジスタとして、許容損失がスイッチング用トランジスタよりも小さいトランジスタを使用することにより、短絡用トランジスタをより小さくすることができる。そのため、短絡用トランジスタをより発光素子に近づけて、発光素子と短絡用トランジスタとの間の配線のインダクタンスやキャパシタンスの影響をより小さくすることができ、発光素子に流れる電流の立ち上がりをより速くすることが可能となる。

［適用例６］
適用例１ないし４のいずれか記載の光源装置であって、
前記パルス駆動部は、スイッチング用トランジスタのオン状態とオフ状態とを切り替えることにより前記発光素子にパルス電流を供給し、
前記発光素子短絡部は、前記スイッチング用トランジスタよりもオン抵抗が大きい短絡用トランジスタをオン状態とすることにより前記発光素子を短絡する
光源装置。

この適用例によれば、短絡用トランジスタとして、オン抵抗がスイッチング用トランジスタよりも大きいトランジスタを使用することにより、短絡用トランジスタをより小さくすることができる。そのため、短絡用トランジスタをより発光素子に近づけて、発光素子と短絡用トランジスタとの間の配線のインダクタンスやキャパシタンスの影響をより小さくすることができ、発光素子に流れる電流の立ち上がりをより速くすることが可能となる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、光源装置、映像表示装置および映像表示方法、光源装置や映像表示装置の制御装置および制御方法、これらの装置の機能および方法を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の種々の形態で実現することができる。

Ａ．映像出力ユニットの構成：
図４は、本発明の一実施例としての映像出力ユニット１０の構成を示す説明図である。映像出力ユニット１０は、光源回路３００の構成が図１の映像出力ユニット１０ａと異なっている。他の点は、図１に示す映像出力ユニット１０ａと同様である。図４に示すように、本実施例の光源回路３００は、図１に示す光源回路３００ａに、さらに、反転遅延回路３１０と、短絡トランジスタＱ２と、終端抵抗Ｒｔとが付加されている。なお、図４においては、短絡トランジスタＱ２として、ｎ型のＭＯＳＦＥＴを使用しているが、短絡トランジスタＱ２としては、ｐ型のＭＯＳＦＥＴや、バイポーラトランジスタや、接合型ＦＥＴ等、種々のスイッチング素子を使用することができる。

反転遅延回路３１０は、ＰＷＭ信号発生回路２００に接続されている。反転遅延回路３１０は、ＰＷＭ信号発生回路２００から供給されるＰＷＭ信号のＨレベルとＬレベルとを反転するとともに、所定の遅延時間ΔＴ（例えば、３ｎｓ）遅延させる。反転・遅延されたＰＷＭ信号には必要応じてレベルシフトが施され、短絡信号として短絡信号接続線３０４を介して終端抵抗Ｒｔおよび短絡トランジスタＱ２に供給される。

終端抵抗Ｒｔは、短絡トランジスタＱ２のゲート（Ｇ）−ソース（Ｓ）間に並列に接続されている。終端抵抗Ｒｔは、抵抗値が短絡信号接続線３０４の特性インピーダンスとほぼ同じに設定されている。このように、終端抵抗Ｒｔの抵抗値を特性インピーダンスとほぼ同じにすること（インピーダンスマッチング）により、短絡トランジスタＱ２のゲート（Ｇ）−ソース（Ｓ）間に加えられる短絡信号の波形は、反転遅延回路３１０が出力する短絡信号とほぼ同じ波形となる。

短絡信号がＨレベルとなり、短絡トランジスタＱ２のゲート電圧がソース電圧よりも高くなると、短絡トランジスタＱ２のドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間が導通状態（オン状態）となる。そのため、短絡信号がＨレベルでは、レーザダイオードＬＤのアノード−カソード間が短絡される。一方、短絡信号がＬレベルとなり、短絡トランジスタＱ２のゲート電圧がソース電圧とほぼ同じになると、短絡トランジスタＱ２のドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間は非導通状態（オフ状態）となる。これにより、レーザダイオードＬＤの接続状態は、図１に示す状態とほぼ同じとなる。

Ｂ．光源回路のモデル：
図５および図６は、短絡トランジスタＱ２がオフ状態の本実施例の光源回路３００、すなわち、図１に示す光源回路３００ａを模式的に示す説明図である。

図５（ａ）は、駆動用接続線３０２をインダクタンスＬおよびキャパシタンスＣでモデル化した光源回路３００ａを示している。図５（ｂ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオン状態での光源回路３００ａの等価回路を示している。図５（ｂ）の等価回路は、図５（ｃ）に示すレーザダイオードＬＤの端子間を流れる駆動電流Ｉ_LDと、端子間に加えられる端子間電圧Ｖ_LDとの関係（Ｉ−Ｖ特性）に基づいて決定される。

図５（ｃ）に示すように、端子間電圧Ｖ_LDが低い領域では、端子間電圧Ｖ_LDが上昇しても駆動電流Ｉ_LDはほとんど上昇しない。一方、端子間電圧Ｖ_LDがある電圧よりも高くなると、駆動電流Ｉ_LDは増加しはじめる。その後、駆動電流Ｉ_LDは、一点鎖線で示すように、端子間電圧Ｖ_LDに対して直線的に変化するようになる。そのため、レーザダイオードＬＤは、端子間電圧Ｖ_LDに対して駆動電流Ｉ_LDが直線的に変化する際の傾きに相当する等価抵抗（微分抵抗）Ｒｅと、等価抵抗Ｒｅに直列に接続された直流電圧源Ｖｔｈとで近似することができる。

また、スイッチングトランジスタＱ１がオン状態となっている場合、ドレイン−ソース間はオーム特性を有している。そのため、スイッチングトランジスタＱ１をオン抵抗Ｒｓで表すと、図５（ａ）に示す光源回路３００ａは、図５（ｂ）に示す等価回路で表すことができる。

図６（ａ）は、図５（ｂ）と同一の図であり、スイッチングトランジスタＱ１がオン状態の光源回路３００ａの等価回路を示している。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す等価回路を簡略化した等価回路を示している。図６（ｂ）の等価回路は、図６（ａ）に示す等価回路に流れる回路電流Ｉと、インダクタンスＬおよびキャパシタンスＣに蓄積されるエネルギε_L，ε_Cとの関係に基づいて決定される。なお、図１に示す光源回路３００ａと、短絡トランジスタＱ２がオフ状態（非短絡時）の光源回路３００（図４）とでは、レーザダイオードＬＤを流れない電流経路が存在しない。そのため、これらの場合においては、回路電流Ｉは、レーザダイオードＬＤの駆動電流Ｉ_LDと一致する。

ここで、スイッチングトランジスタＱ１（図５（ａ））がオン状態に定常的に維持された状態、すなわち、レーザダイオードＬＤが直流駆動された場合を考える。このとき、図６（ａ）に示す等価回路に流れる直流の回路電流Ｉ₀は、図６（ａ）の等価回路の各回路パラメータを用いて、次の式（１）で与えられる。

インダクタンスＬに蓄積されるエネルギε_Lと、キャパシタンスＣに蓄積されるエネルギε_Cとは、それぞれ、次の式（２）および（３）で与えられる。

ここで、図５（ｃ）のＩ−Ｖ特性から見積もられる閾値電圧Ｖｔｈは約１．２Ｖであり、等価抵抗Ｒｅは約１Ωである。また、駆動用接続線３０２（図１および図４を参照）として、長さが５０ｍｍで、特性インピーダンスが５０Ωの同軸ケーブルを使用した場合、インダクタンスＬは約１３ｎＨとなり、キャパシタンスＣは約６ｐＦとなる。従って、直流回路電流Ｉ₀と、インダクタンスＬとキャパシタンスＣとに蓄積されるエネルギε_L，ε_Cとの関係は、図６（ｃ）に示すようになる。

図６（ｃ）から分かるように、直流回路電流Ｉ₀がごく小さい場合には、インダクタンスＬに蓄積されるエネルギε_Lは、キャパシタンスＣに蓄積されるエネルギε_Cよりも小さい。インダクタンスＬに蓄積されるエネルギε_Lは、直流回路電流Ｉ₀が大きくなるに従って急激に増加する。そして、直流回路電流Ｉ₀がレーザダイオードＬＤの駆動に使用する数百ｍＡ程度になると、インダクタンスＬに蓄積されるエネルギε_Lは、キャパシタンスＣに蓄積されるエネルギε_Cよりも遙かに大きくなる。そのため、直流回路電流Ｉ₀がごく小さい場合には、光源回路３００ａの回路特性に対するキャパシタンスＣの影響が大きいものの、数百ｍＡでレーザダイオードＬＤを駆動した場合、すなわち、直流回路電流Ｉ₀を数百ｍＡとした場合には、インダクタンスＬが回路特性に大きな影響を与える。

このように、本実施例では、インダクタンスＬが回路特性に対して支配的に働くため、図６（ｂ）に示すように、図６（ａ）の等価回路のキャパシタンスＣを省略した等価回路を用いて、光源回路３００ａをモデル化することができる。

Ｃ．光源回路の応答特性（比較例）：
図７は、比較例としての光源回路３００ａ（図１）の応答特性を示す説明図である。ここで、応答特性とは、光源回路３００ａのスイッチングトランジスタＱ１に供給されるＰＷＭ信号がＬレベルからＨレベルに立ち上がった際の、回路電流Ｉの立ち上がりの特性のことを言う。

図６（ｃ）に示す等価回路の応答特性は、次の式（４）に示す時間ｔについての微分方程式で表される。

式（４）に示す微分方程式を、時間ｔ＝０の時の回路電流Ｉ（ｔ）を０とする条件（Ｉ（０）＝０）の下で解くことにより、回路電流Ｉ（ｔ）は、電流定常値（直流回路電流）Ｉ₀と時定数τとを用いて次の式（５）で与えられる。

ここで、電流定常値Ｉ₀と時定数τとは、次の式（６）および（７）で与えられる。

図７（ａ）は、上記の式（４）で表される回路電流Ｉの時間変化を示すグラフである。図７（ａ）に示すように、回路電流Ｉは、スイッチングトランジスタＱ１がオフ状態からオン状態に切り替わったタイミング（ｔ＝０）から徐々に上昇し、時間ｔが十分経過すると電流定常値Ｉ₀に到達する。

上記の式（７）から分かるように、負荷抵抗Ｒａを大きくすることにより、時定数τを小さくすることができる。このように、時定数τを小さくすることにより、回路電流Ｉの立ち上がりをより速くすることが可能となる。但し、負荷抵抗Ｒａを大きくすると、上記の式（６）にから分かるように、電流定常値Ｉ₀を同一にするためには電源電圧Ｖｃｃをより高くする必要がある。また、負荷抵抗Ｒａを大きくすることにより、消費電力も大きくなる。従って、電源電圧Ｖｃｃおよび消費電力を低減するためには、負荷抵抗Ｒａを設けない（すなわち、Ｒａ＝０Ωとする）のがより好ましい。

インダクタンスＬの両端電圧Ｅ_Lは、次の式（８）で与えられる。図７（ｂ）は、式（８）で表されるインダクタンス両端電圧Ｅ_Lの時間変化を示すグラフである。

上記の式（８）および図７（ｂ）に示すように、インダクタンスＬの両端には、スイッチングトランジスタＱ１がオフ状態からオン状態に切り替わったタイミング（ｔ＝０）において、電源電圧Ｖｃｃと閾値電圧Ｖｔｈとの差（Ｖｃｃ−Ｖｔｈ）の電圧が加わっている。そして、時間ｔの経過とともに、徐々に低下する。このように、回路電流Ｉの立ち上がりの遅れは、インダクタンスＬの両端の電圧Ｅ_Lが徐々に変化していくために発生している。

Ｄ．光源回路の応答特性（本実施例）：
図８は、本実施例の映像出力ユニット１０内の各信号のレベルと、２つのトランジスタＱ１，Ｑ２のオン・オフ状態の時間変化を示す説明図である。図８の各グラフの横軸は時間を表している。図８（ａ）の各グラフは、上から順に、ＰＷＭ信号と、ＰＷＭ信号を反転した反転信号と、遅延時間ΔＴで反転信号を遅延させた短絡信号とのそれぞれのレベルを示している。図８（ｂ）の各グラフは、上から順に、スイッチングトランジスタＱ１と、短絡トランジスタＱ２とのそれぞれのオン・オフ状態を示している。

上述のように、本実施例では、ＰＷＭ信号はスイッチングトランジスタＱ１のゲートに加えられ、ＰＷＭ信号を反転・遅延させた短絡信号は短絡トランジスタＱ２のゲートに加えられる。そのため、図８（ｂ）に示すように、短絡トランジスタＱ２は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ状態からオン状態に切り替わる前にオン状態となっている。そして、スイッチングトランジスタＱ１がオン状態に切り替わってから遅延時間ΔＴが経過した後、短絡トランジスタＱ２はオフ状態に切り替わる。

図９は、本実施例の光源回路３００の応答特性を示す説明図である。図９（ａ）は、駆動用接続線３０２をインダクタンスＬでモデル化した光源回路３００を示している。図９（ｂ）は、短絡トランジスタＱ２がオン状態の場合の光源回路３００の等価回路を示している。図９（ｃ）は、短絡トランジスタＱ２がオフ状態の場合の光源回路３００の等価回路を示しており、図６（ｂ）と同じ図である。図９（ｄ）は、本実施例における回路電流Ｉの時間変化を示すグラフである。

本実施例の光源回路３００では、図４に示すように、駆動用接続線３０２のレーザダイオードＬＤ側に、短絡トランジスタＱ２が設けられている。そのため、図９（ａ）に示すように、光源回路３００は、短絡トランジスタＱ２のドレイン（Ｄ）がインダクタンスＬとレーザダイオードＬＤのアノードとの間に接続され、ソース（Ｓ）がレーザダイオードＬＤのカソードと負荷抵抗Ｒａとの間に接続されたものとしてモデル化することができる。

レーザダイオードＬＤは、等価抵抗Ｒｅと直流電圧源Ｖｔｈとで表すことができ、オン状態の短絡トランジスタＱ２は、短絡抵抗Ｒｐで表すことができる。そのため、２つのトランジスタＱ１，Ｑ２がいずれもオン状態となっている光源回路３００は、図９（ｂ）に示す等価回路で表すことができる。

上述のように、レーザダイオードＬＤの端子間電圧Ｖ_LDが閾値電圧Ｖｔｈを越えるまで、レーザダイオードＬＤには、ほとんど電流が流れない。すなわち、この状態におけるレーザダイオードＬＤのインピーダンスは、極めて大きくなっている。一方、短絡トランジスタＱ２のインピーダンスは、短絡抵抗Ｒｐそのものであり、レーザダイオードＬＤのインピーダンスよりも遙かに小さい。そのため、回路電流Ｉの大部分は短絡トランジスタＱ２のドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間を流れる。なお、短絡状態とは、電位差がある回路において、２が所以上の点が、相対的に低い抵抗または低インピーダンスで意図的に接続された状態である。従って、本明細書においてレーザダイオードＬＤが短絡されている状態とは、短絡トランジスタＱ２のオン状態、すなわちレーザダイオードＬＤの両端の見かけのインピーダンスが小さくされている状態のことを言う。また、この状態は、レーザダイオードＬＤをバイパスするバイパス電流経路が形成されている状態とも捉えることができる。

このように、短絡トランジスタＱ２がオン状態になっている場合、レーザダイオードＬＤに流れる駆動電流Ｉ_LDを無視することができる。そのため、図９（ｂ）に示す等価回路の応答特性は、次の式（９）に示す時間ｔについての微分方程式で表される。

式（９）に示す微分方程式を、時間ｔ＝０の時の回路電流Ｉ（ｔ）を０とする条件（Ｉ（０）＝０）の下で解くことにより、回路電流Ｉ（ｔ）は、電流定常値Ｉ₁と時定数τ１とを用いて次の式（１０）で与えられる。

ここで、電流定常値Ｉ₁と時定数τ１とは、次の式（１１）および（１２）で与えられる。

式（１０）から分かるように、回路電流Ｉ（ｔ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ状態からオン状態に切り替わったタイミング（ｔ＝０）から、電流定常値Ｉ₁に向かって上昇する。次に、スイッチングトランジスタＱ１のオン状態に切り替わってから遅延時間ΔＴが経過すると、短絡トランジスタＱ２がオフ状態に切り替えられる。

短絡トランジスタＱ２がオフ状態に切り替えられた後の光源回路３００は、図９（ｃ）に示す等価回路で表される。従って、遅延時間ΔＴ以降の回路電流Ｉ（ｔ）は、式（４）に示す微分方程式で表される。式（４）の微分方程式を解くことにより、遅延時間ΔＴ以降の回路電流Ｉ（ｔ）は、上記の式（６）および（７）で与えられる電流定常値Ｉ₀および時定数τとを用いて、以下の式（１３）で与えられる。

式（１３）から分かるように、遅延時間ΔＴ以降において、回路電流Ｉ（ｔ）は、電流定常値Ｉ₀に向かって変化していく。そして、遅延時間ΔＴ以降では、短絡トランジスタＱ２がオフ状態となることにより、回路電流ＩがレーザダイオードＬＤを流れる。

ここで、図９（ｂ）および図９（ｃ）における回路パラメータとして、以下の表の値を用いた場合、短絡トランジスタＱ２がオフ状態の非短絡時においては、電流定常値Ｉ₀が５５０ｍＡとなり、時定数τが６．５ｎｓとなる。また、短絡トランジスタＱ２がオン状態の短絡時においては、電流定常値Ｉ₁が６５７ｍＡとなり、時定数τ１が３．７ｎｓとなる。なお、電流定常値Ｉ₀，Ｉ₁および時定数τ，τ１との関係から分かるように、短絡トランジスタＱ２としては、オン抵抗がスイッチングトランジスタＱ１よりも大きいものを使用することができる。

このように、短絡時の電流定常値Ｉ₁は非短絡時の電流定常値Ｉ₀よりも大きく（Ｉ₁＞Ｉ₀）、短絡時の時定数τ１は非短絡時の時定数τよりも小さい（τ１＜τ）。そのため、図９（ｄ）において実線で示す本実施例での回路電流Ｉ（ｔ）は、一点鎖線で示す比較例よりも、より高い電流定常値Ｉ₁に向かって速やかに上昇する。そして、遅延時間ΔＴが経過した際には、十分に高くなった回路電流Ｉ（ΔＴ）がレーザダイオードＬＤに流される。このように、本実施例では、レーザダイオードＬＤに並列に短絡トランジスタＱ２を接続することにより、レーザダイオードＬＤに流れる駆動電流Ｉ_LDの立ち上がりをより高速にすることができる。

Ｅ．レーザダイオードＬＤの駆動制御：
図１０は、本実施例におけるレーザダイオードＬＤの駆動制御の様子を示すタイミングチャートである。図１０の各グラフの横軸は、時間を表している。図１０に示すように、回路電流Ｉは、ＰＷＭ信号の立ち上がりにおいて立ち上がる。また、駆動電流Ｉ_LDは、短絡信号の立ち下がりにおいて立ち上がる。そして、レーザダイオードＬＤの出射光量は、駆動電流Ｉ_LDの立ち上がりから、遅れ時間ｔｄの後に立ち上がる。回路電流Ｉ、駆動電流Ｉ_LD、および、レーザダイオードＬＤの出射光量は、いずれも、ＰＷＭ信号の立ち下がりにおいて立ち下がる。

図１０に示すように、本実施例では、ＰＷＭ信号を反転・遅延させることによって短絡信号を生成し、生成した短絡信号で短絡トランジスタＱ２のオン・オフ状態を切り替えている。そのため、短絡トランジスタＱ２を流れる（レーザダイオードＬＤを流れない）短絡電流は、図１０においてハッチングで示す領域のみとなる。そのため、期間Ｔ３において最大光量で画素を表示した後の期間Ｔ４では、短絡電流が流れなくなる。従って、本実施例のように短絡信号を生成することにより、消費電力の増加が抑制される。

また、短絡電流は、各画素時間Ｔ１〜Ｔ５の最初の遅延時間ΔＴの間だけ流れる。この遅延時間ΔＴは、短絡時の回路電流Ｉが非短絡時の電流定常値Ｉ₀に到達する程度の時間であれば十分であり、各画素時間Ｔ１〜Ｔ５よりも十分に短くすることができる。このように、短絡電流が流れる遅延時間ΔＴを各画素時間Ｔ１〜Ｔ５よりも十分に短くすると、短絡トランジスタＱ２での発熱量が小さくなる。そのため、短絡トランジスタＱ２として、スイッチングトランジスタＱ１よりも許容損失が小さく、オン抵抗が大きいものを使用することができる。通常、トランジスタの大きさは、許容損失が小さいほど、また、オン抵抗が大きいほど小さくなる。そのため、短絡トランジスタＱ２として、スイッチングトランジスタＱ１よりも小型のものを使用することができるので、短絡トランジスタＱ２をレーザダイオードＬＤに近接して配置することが可能となる。

Ｆ．一適用例としてのレーザスキャンディスプレイ：
図１１は、本発明の一適用例としてのレーザスキャンディスプレイ２０の構造を示す概略図である。レーザスキャンディスプレイ２０は、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の３色のレーザビームを射出するレーザ光源２１ｒ，２１ｇ，２１ｂを備えている。レーザ光源２１ｒ，２１ｇ，２１ｂのそれぞれには、レーザダイオードＬＤと、短絡トランジスタＱ２と、終端抵抗Ｒｔとが組み込まれている。表示制御部２２は、ＲＧＢの各色毎に、階調調整部１００と、ＰＷＭ信号発生回路２００と、反転遅延回路３１０と、スイッチングトランジスタＱ１とが設けられている。レーザ光源２１ｒ，２１ｇ，２１ｂのそれぞれは、駆動用接続線３０２と短絡信号接続線３０４とにより、表示制御部２２に接続されている。上述のように、レーザ光源２１ｒ，２１ｇ，２１ｂからの出射光量は、各画素時間毎に調整される。

レーザスキャンディスプレイ２０は、また、２つのガルバノミラー２３，２４と、ファイバ導波路２５と、スクリーン２６とを備えている。ガルバノミラー２３，２４は、レーザ光源２１ｒ，２１ｇ，２１ｂから出射されたレーザビームをそれぞれ直交する方向に走査する。走査されたレーザビームは、ファイバ導波路２５の端面２５ａに入射する。ファイバ導波路２５に入射した光は、ファイバ導波路２５を構成する個々の光ファイバを通して、スクリーン２６に導かれる。このようにしてスクリーン２６に導かれた光により、スクリーン２６の前面２６ｂに映像が表示される。なお、ファイバ導波路２５を用いることなく、ガルバノミラー２３，２４で走査されたレーザビームを直接スクリーン２６に投写するものとしてもよい。

このレーザスキャンディスプレイ２０では、レーザ光源２１ｒ，２１ｇ，２１ｂのそれぞれに、レーザダイオードＬＤと短絡トランジスタＱ２と終端抵抗Ｒｔとを組み込むことによって、レーザダイオードＬＤの駆動電流Ｉ_LDの立ち上がりの高速化が図られている。これにより、レーザダイオードＬＤからの出射光量の立ち上がりが速くなる。そのため、スクリーン２６上に表示される映像の各画素の階調制御がより容易となり、また、スクリーン２６上に表示される映像の最大輝度をより高くすることができる。

Ｇ．変形例：
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。

Ｇ１．変形例１：
上記実施例では、ＰＷＭ信号を反転・遅延させることにより短絡信号を発生させているが、短絡信号は、種々の方法によって発生させることができる。短絡信号は、例えば、描画クロック単独、あるいは、描画クロックと描画データとを用いて生成することも可能である。一般に、短絡信号は、スイッチングトランジスタＱ１のオフ状態からオン状態への切替の後、回路電流が定常電流値になるまでの期間（過渡期間）の少なくとも一部において短絡トランジスタＱ２をオン状態にする信号であればよい。但し、回路電流の立ち上がりをより速くすることができる点で、スイッチングトランジスタＱ１のオン状態への切替タイミングにおいて、短絡トランジスタＱ２がオン状態となっているのがより好ましい。

Ｇ２．変形例２：
上記実施例では、光源回路３００（図４）に使用する発光素子として、レーザダイオードＬＤを使用しているが、レーザダイオードＬＤに換えて、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の種々の発光素子を使用することができる。

Ｇ３．変形例３：
上記実施例では、本発明をレーザスキャンディスプレイ２０に適用しているが、本発明は、パルス幅変調を行うことにより発光素子の平均出射光量を制御する装置であれば、種々の装置に適用することができる。本発明は、例えば、レーザ式プロジェクタや、レーザ式リアプロジェクション表示装置等、種々の映像表示装置に適用することができる。

レーザダイオードを用いた映像出力ユニットの構成を示す概略図。 図１の光源回路でレーザダイオードを駆動したときの状態を示す説明図。 レーザダイオードの駆動特性が出射光量に与える影響を示す説明図。 一実施例としての映像出力ユニットの構成を示す説明図。 短絡トランジスタがオフ状態の光源回路を模式的に示す説明図。 短絡トランジスタがオフ状態の光源回路を模式的に示す説明図。 比較例の光源回路の応答特性を示す説明図。 映像出力ユニットの各信号レベルと、トランジスタのオン・オフ状態の時間変化を示す説明図。 実施例の光源回路の応答特性を示す説明図。 レーザダイオードの駆動制御の様子を示すタイミングチャート。 レーザスキャンディスプレイの構造を示す概略図。

符号の説明

１０，１０ａ…映像出力ユニット
１００…階調調整部
２００…ＰＷＭ信号発生回路
３００，３００ａ…光源回路
３０２…駆動用接続線
３０４…短絡信号接続線
３１０…反転遅延回路
Ｃ…キャパシタンス
Ｌ…インダクタンス
ＬＤ…レーザダイオード
Ｑ１…スイッチングトランジスタ
Ｑ２…短絡トランジスタ
Ｒａ…負荷抵抗
Ｒｅ…等価抵抗
Ｒｐ…短絡抵抗
Ｒｓ…オン抵抗
Ｒｔ…終端抵抗
Ｖｃｃ…電源電圧
Ｖｔｈ…直流電圧源
２０…レーザスキャンディスプレイ
２１ｒ，２１ｇ，２１ｂ…レーザ光源
２２…表示制御部
２３，２４…ガルバノミラー
２５…ファイバ導波路
２５ａ…ファイバ導波路端面
２６…スクリーン
２６ｂ…スクリーン前面

Claims (9)

1. 発光素子を用いた光源装置であって、
   前記発光素子からの平均出射光量を調整するために、前記発光素子にパルス電流を供給するパルス駆動部と、
   前記発光素子に並列に設けられ、前記発光素子を短絡する発光素子短絡部と
   を備える光源装置。
2. 請求項１記載の光源装置であって、
   前記発光素子短絡部は、前記パルス電流の過渡期間において前記発光素子を短絡させる
   光源装置。
3. 請求項１または２記載の光源装置であって、さらに、
   前記発光素子への前記パルス電流の供給を前記パルス駆動部に指示するパルス信号を生成するパルス信号生成部と、
   前記発光素子の短絡を前記発光素子短絡部に指示する短絡信号を生成する短絡信号生成部と
   を備え、
   前記短絡信号生成部は、前記パルス信号を反転および遅延させることにより前記短絡信号を生成する
   光源装置。
4. 請求項３記載の光源装置であって、
   前記パルス信号生成部は、前記平均出射光量を最大にする場合に、前記発光素子に連続した電流を流すように前記パルス信号を生成する
   光源装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか記載の光源装置であって、
   前記パルス駆動部は、スイッチング用トランジスタのオン状態とオフ状態とを切り替えることにより前記発光素子にパルス電流を供給し、
   前記発光素子短絡部は、前記スイッチング用トランジスタよりも許容損失が小さい短絡用トランジスタをオン状態とすることにより前記発光素子を短絡する
   光源装置。
6. 請求項１ないし４のいずれか記載の光源装置であって、
   前記パルス駆動部は、スイッチング用トランジスタのオン状態とオフ状態とを切り替えることにより前記発光素子にパルス電流を供給し、
   前記発光素子短絡部は、前記スイッチング用トランジスタよりもオン抵抗が大きい短絡用トランジスタをオン状態とすることにより前記発光素子を短絡する
   光源装置。
7. 発光素子を表示用の光源とする映像表示装置であって、
   表示映像を構成する各画素の階調値に応じて前記発光素子からの平均出射光量を調整するために、前記発光素子にパルス電流を供給するパルス駆動部と、
   前記発光素子に並列に設けられ、前記発光素子を短絡する発光素子短絡部と、
   前記発光素子からの出射光を走査することにより表示映像を生成する走査部と
   を備える映像表示装置。
8. 発光素子の駆動方法であって、
   前記発光素子からの平均出射光量を調整するために、前記発光素子にパルス電流を供給し、
   前記パルス電流の過渡期間において前記発光素子を短絡させる
   発光素子の駆動方法。
9. 発光素子を用いた光源装置であって、
   前記発光素子からの平均出射光量を調整するために、前記発光素子にパルス電流を供給するパルス駆動部と、
   前記発光素子を短絡して前記パルス電流の立ち上がりを速くする立上加速部と
   を備える光源装置。

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