JP2013502060A

JP2013502060A - マイクロミラー装置用のｌｅｄを動作させるための回路装置、および、回路装置における少なくとも１つのｌｅｄを動作させるための方法

Info

Publication number: JP2013502060A
Application number: JP2012524177A
Authority: JP
Inventors: オスターリート、ヨーゼフ
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2013-01-17
Also published as: DE102009037576B4; EP2465328A1; DE102009037576A1; KR20120043112A; CA2770860A1; WO2011018325A1; CN102484915B; CN102484915A; KR101716235B1; US9125262B2; EP2465328B1; US20120146528A1

Abstract

【課題】マイクロミラー装置用のＬＥＤを動作させるための回路装置およびその動作方法を、良好な効率のもとで、実際に同じ明るさに描写すべき点のできるだけ少ない明るさ変動のもとで、かつできるだけ短い立上り時間のもとで、少なくとも１つのＬＥＤの動作が可能にされるように改良する。
【解決手段】本発明の装置は、マイクロミラー装置（１２）のための第１制御信号（Ｓ_a）を出力するように設計されていて、かつその第１制御信号（Ｓ_a）が第１クロック周波数（ｆ_c11）に同期化されている第１制御装置（１６）と、前記スイッチング調節器（１０）のスイッチ（Ｓ１）のための第２制御信号（Ｓ_b）を出力するように設計されている第２制御装置（１８）とを有する、少なくとも１つのＬＥＤを動作させるための回路装置において、第２制御信号（Ｓ_b）が、第２クロック周波数（ｆ_c12）に同期化されていて、ｆ_c12＝ｎ＊ｆ_c11、ｎ∈Ｉ（整数）が成り立つことを特徴とする回路装置である。
【選択図】図３

Description

本発明は、直流電源電圧に結合するための第１入力端子および第２入力端子を有する入力部と、少なくとも１つのＬＥＤに出力電流を供給するための第１出力端子および第２出力端子を有する出力部と、多数のマイクロミラーを含むマイクロミラー装置と、そのマイクロミラー装置のための第１制御信号を出力するように設計されており、その第１制御信号が第１クロック周波数に同期化されている第１制御装置と、入力側が前記第１入力端子および前記第２入力端子に、出力側が前記第１出力端子および前記第２出力端子に結合されており、かつスイッチを含むスイッチング調節器と、そのスイッチング調節器のスイッチのための第２制御信号を出力するように設計されている第２制御装置とを備えた、少なくとも１つのＬＥＤを動作させるための回路装置に関する。更に、本発明は、少なくとも１つのＬＥＤを動作させるための対応した方法に関する。

本発明は、特にビデオプロジェクタにおいて発生するような問題に取り組む。ビデオプロジェクタは、光源としてＬＥＤを使用し、画像形成要素としてマイクロミラーアクチュエータを使用する。マイクロミラーアクチュエータは、個々の可動ミラーの助けによって狙いどおりに光を誘導するために使用することができるマイクロマシンモジュールである。マトリクス状の配列の助けにより、マイクロミラーアクチュエータは、強い光源の光、即ちここではＬＥＤの光を、画像を投影すべく偏向することができる。この技術は、ディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）およびディジタルライトプロセシング（ＤＬＰ）と呼ばれる。

マイクロミラーアクチュエータは一般に、マトリクス状に配列された個別エレメントから構成され、個々のマイクロミラーはごく僅かのマイクロメータの辺長を有する傾斜可能な鏡面から構成されている。ＤＭＤチップ上のマイクロミラーは、例えば約１６μｍの辺長を有し、従って、人間の毛髪の５分の１の幅よりも小さい。その動きは、電界の力作用によって引き起こされる。各マイクロミラーは、角度が個別に調整可能であり、一般に２つの安定な終端状態を有し、両終端状態の間でこれらの終端状態が１秒内に５０００回まで交替可能である。

１０２４×７６８ピクセルのＸＧＡ解像度を有するＤＭＤチップは、７８６，４３２個の非常に小さなミラーの配列を含んでいる。時の流れにつれて、２０４８×１０８０ピクセルまでの解像度を有するＤＭＤチップが入手可能になった。

個々の画素の異なった明るさレベルが、ミラーの２値のパルス幅変調制御によって生じせしめられる。例えば、３２（＝２⁵）個の明るさレベルを表示するためには、５つの状態が必要となる。これらの状態は、ＤＭＤがどれくらい長く接続されるか、即ちオン状態にあるかによって、異なったものとなる。第１の状態（ビット０）では、ミラーが最小限の時間だけオン又はオフ（１又は０）である。次の状態（ビット１）では、その時間が２倍に増え、以下順次倍加する。従って、１サイクルの全体時間は、５ビットの場合、全部で４９６μｓである。

ＬＥＤを光源として動作するビデオプロジェクタの場合には、カラー画素を発生させるために３つのＬＥＤが使用される。即ち、赤色光を発生するＬＥＤと、緑色光を発生するＬＥＤと、青色光を発生するＬＥＤとが使用される。

初期段階の解決策では、画像書き換え周波数（フレームレート）が６０Ｈｚであり、従って３つのＬＥＤが動作させられる周波数は、３＊６０Ｈｚ、即ち１８０Ｈｚである。レインボー効果を回避するために、各画像が何重にも表示される。現在では、フレームごとに１６、１８又は２０個の部分画像が通例である。それによって、９６０、１０８０又は１２００ＨｚのＬＥＤオンオフ周波数が生じる。従って、１／３のオン時間の場合、パルス長、即ちＬＥＤごとの投入時間は約２７７μｓ〜３４７μｓである。関与する画像処理アルゴリズムは、その都度のパルス長の全体の期間中に光振幅が一定のままであることを前提としていることから、既に約１０μｓの過渡応答が否定的な面で重要となる。

ランプを光源として使用する場合には、ランプが電流をほぼ１００μｓの時定数で積分するので電流変動が殆ど発生しないのに対して、ＬＥＤを光源として使用する場合には、ＬＥＤから放出される光が殆ど遅れなしに駆動電流に追従するという問題が発生する。駆動電流が交流成分、いわゆるリップル電流を含んでいる場合、これは、本来等しい明るさであるべき画素が実際には異なった明るさで表示されるという結果を招く。ＬＥＤ電流の直流成分に重畳されているＬＥＤ電流の交流成分はリップル電流と呼ばれる。比較的大きい明るさを有する点の場合には、人間の目の積分能力がＬＥＤ電流の平均値変動を積分し、従って平均値変動は重要でないのに対して、表示すべき画素の明るさが低くなるほど、この問題は危機的になる。画素が短くしか投入されないので、人間の目の積分能力は利用されない。目は明るさ変動を感知する。

従って、それ相応のＬＥＤは、常にではなく、それ相応の画素の表示のためにそれぞれの色が必要とされるときにのみ、オン状態にある。従って、それぞれの色の過渡応答が、既に述べたように重要である。従って、第１レベルから第２レベルへの移行に関して短い時間が望まれ、上述の問題のゆえに、電流はこの時間内にできるだけ僅かな交流成分を有するべきであり、即ち目標値はできるだけ速やかにかつ取り立てて言うほどのオーバーシュートなしに、到達されなければならない。

ＤＭＤを画像形成要素として備えたビデオプロゼクタのＬＥＤのためのドライバとして、線形調節器又は非同期スイッチング調節器を使用することは、公知である。線形調節器は、立上り時間が短く、リップル電流、即ち交流成分が無視できるという利点を有する。しかし、この種のドライバの出力電圧は約７Ｖであり、ＬＥＤが一般的な３〜５Ｖの順電圧を有することを考慮するならば、約３０Ａという典型的なＬＥＤ電流の場合に、線形調節器のスイッチにおいて著しい損失電力が発生する。これは、一方では高価な冷却手段を必要とし、他方では効率悪化を招く。

電流経過がほぼ三角波状である非同期スイッチング調節器は、良好な効率という利点を有する。何故ならば、スイッチング調節器のスイッチがオンかオフかのいずれかであり、従って線形調節器におけるように半導通状態にならないからである。もちろん、立上り時間とリップル電流、即ち交流成分との間で常に妥協が必要である。短い立上り時間は相対的に高いリップル電流を意味し、少ないリップル電流は長い立上り時間を意味する。高いリップル電流からもたらされる欠点は、既に詳しく説明したとおりである。従って、要約すると、線形調節器の使用も非同期スイッチング調節器の使用も、要望を満たしていない。

従って、本発明の課題は、この種の回路装置およびこの種の方法を、良好な効率のもとで、実際に同じ明るさに描写すべき点のできるだけ少ない明るさ変動のもとで、かつできるだけ短い立上り時間のもとで、少なくとも１つのＬＥＤの動作が可能にされるように改良することにある。

この課題は、本発明によれば、第２の制御信号が第２のクロック周波数ｆ_c12に同期化されており、第１のクロック周波数がｆ_c11である場合に、
ｆ_c12＝ｎ＊ｆ_c11
ｎ∈Ｉ（整数）
であることによって、解決される。

スイッチング調節器がマイクロミラー装置と同じ周波数、又はそれの整数倍の周波数で動作することによって、ＬＥＤ電流中のリップル電流成分はもはや重要でない。ＬＥＤ電流の平均値は、マイクロミラー装置の１つのクロック内において、リップル電流に依存しない。何故ならば、リップル電流は、あらゆる条件下で平均化されて、相殺されるからである。

この同期化によって、一方では、非同期スイッチング調節器から公知であるのと同様の利点が維持され、他方では、スイッチング調節器が今や暗い画素においても一定の明るさをもたらし、立上り時間の最適化が可能である。

特に、安価な実施形態では、第２クロック周波数ｆ_cl2が第１クロック周波数Ｆ_cl1に等しく選定される。

第２クロック周波数が第１クロック周波数のｎ倍（ｆ_c12＝ｎ＊ｆ_c11）で、ｎ∈Ｉおよびｎ≧２である実施形態は、回路装置のインダクタンスおよびキャパシタンスを小さくすることができるという利点をもたらす。第２のクロック周波数のあまりにも高い選定は得策でない。何故ならば、その場合には、スイッチング損失が、小さいインダクタンスおよびキャパシタンスの利点を上回るからである。

好ましい実施形態においては、第１クロック周波数ｆ_c11が、５０〜２００ｋＨｚの範囲にある。

出力電流がリップル電流を重畳された定格電流を含む場合に、本発明による回路装置の好ましい実施例では、スイッチング調節器が次のように設計される。即ち、リップル電流が、定格電流の少なくとも３０％、好ましくは定格電流の少なくとも４０％、更に好ましくは定格電流の少なくとも５０％であるように設計される。この結果、非常に短い立上り時間がもたらされ、従って格別に高い画質がもたらされる。

スイッチング調節器がインダクタンスを含む場合に、インダクタンスおよび第２クロック周波数は、遮断過程後の出力電流の立上りが１０μｓ以下の時定数を有するように選定されていることが好ましい。この種の選定は、従来技術から公知の非同期スイッチング調節器の場合、画質の強い損失を我慢することなしには可能でなかった。

他の有利な実施形態は、従属請求項からもたらされる。

本発明による回路装置に関連して想起される実施形態およびそれらの利点は、適用可能である限り、本発明による方法に対して相応に当てはまる。

以下において、添付図面を参照しながら、本発明による回路装置の実施例を更に詳細に説明する。

図１は、３つの異なる明るさレベルを実現するためのマイクロミラー制御を示す概略図である。図２は、線形調節器（ａ）、強い平滑をともなう非同期スイッチング調節器（ｂ）、僅かな平滑をともなう非同期スイッチング調節器（ｃ）、強い平滑をともなう同期スイッチング調節器（ｄ）、ならびに僅かな平滑をともなう同期スイッチング調節器（ｅ）についてのＤＭＤクロック（１／ｆ_c11）に基づく光束の時間的経過図である。図３は、本発明による回路装置の実施例を示す概略図である。

図１は、ワンチップ装置において異なった明るさレベルを有する画素を発生させるための１つのマイクロミラーの制御の時間的経過を概略図で示している。それゆえ、図１の上方の表示では、１００％の明るさを有する画素を発生させるために、マイクロミラーは、赤色位相の期間中にも、緑色位相および青色位相の期間中にも、それぞれ全間隔にわたって投入される。画像書き換え速度が６０Ｈｚである場合、３つのカラーの各間隔は、５．５６ｍｓである。５０％の明るさを有する画素を発生させるためには、図１の真ん中の表示のように、マイクロミラーは各カラー位相において半分の期間だけ、従ってここではそれぞれ２．７８ｍｓの期間だけ投入される。８ビット系の場合に３．９‰である最も暗い明るさレベルは、図１の下方の表示に従って、マイクロミラーが各カラー位相において２１．７μｓの期間のみ投入されることによって発生させられる。異なる画素を同一の低い明るさレベルに制御する際に、１つのＤＭＤクロックに亘って積分されるＬＥＤ電流の振幅が変化するならば、当該画素は、実際には異なる明るさ（望みどおりに同一ではない明るさ）で表示される。

図２は、回路装置内において、少なくとも１つのＬＥＤのためのドライバとして使用される５つの異なる構成要素に対して生じる光束を示す。図２ａによれば、理想的な光束が生じる線形調節器が使用される。１つの時間窓（ＤＭＤクロック）内における平均の光束ＭＬは、長期の平均値ＬＭに等しい。図２ｂは強い平滑を伴う非同期スイッチング調節器を使用した場合の時間的経過を示す。実際の光束ＡＬの三角波状の経過がよく認識できる。１つの時間窓内の平均の光束ＭＬは、長期の平均値ＬＭと等しくない。図２ｃの表示の場合には、僅かな平滑を伴う非同期スイッチング調節器が使用された。この場合には、１つの時間窓内の平均の光束ＭＬが長期の平均値ＬＭに等しくなく、図２ｂによる強い平滑を伴う非同期スイッチの場合よりも偏差が大きい。図２ｂおよび図２ｃは、非同期スイッチング調節器の場合に、１つの時間窓内の平均の光束ＭＬが変動することを示す。理想値からの偏差は、出力電流の平滑に依存する。

図２ｄおよび図２ｅの表示の場合には、本発明によるスイッチング調節器、即ちスイッチング調節器のクロック周波数がＤＭＤクロックのクロック周波数に同期化されたスイッチング調節器が、使用されている。先ず図２ｄは、強い平滑の場合の時間的経過を示しており、そして図２ｅは、僅かな平滑の場合の時間的経過を示している。平滑度に関係なく１つの時間窓内の平均の光束ＭＬが長期の平均値ＬＭに等しいということが分かる。

図３は、本発明による回路装置の実施例を概略図で示す。この回路装置は、入力側において、第１入力端子Ｅ１と第２入力端子Ｅ２との間に接続されている直流電源電圧Ｕ_Gから給電される。この電圧を安定化するために、コンデンサＣ１が設けられている。このコンデンサＣ１には、１０にて示されたスイッチング調節器が接続されており、この調節器は、ここでは、好ましくはＭＯＳＦＥＴとして構成されたスイッチＳ１と、ダイオードＤ１と、コイルＬ１とを含み、そしてコイルＬ１と、任意選択的にコンデンサＣ２とを含む。この回路装置は、第１出力端子Ａ１と第２出力端子Ａ２とを有する出力部を備えており、この出力部において、両出力端子間に結合された少なくとも１つのＬＥＤのために、出力電流Ｉ_Aが供給される。出力電流Ｉ_Aは、リップル電流Ｉ_Rを重畳されている定格電流Ｉ_Nを含む。この回路装置は更に、マイクロミラー装置１２を含む。制御装置１６は、それの出力部にてマイクロミラー装置１２のために制御信号Ｓ_aを供給し、その制御信号Ｓ_aは、第１のクロック周波数ｆ_c11に同期化されている。更に、制御装置１６は、制御装置１８に結合されており、この制御装置１８は、その出力部にてスイッチング調節器１０のスイッチＳ１のために制御信号Ｓ_bを供給する。本発明によれば、制御信号Ｓ_bは、クロック周波数ｆ_c12に同期化されており、
ｆ_c12＝ｎ＊ｆ_c11
ｎ∈Ｉ（整数）
が当てはまる。

１０スイッチング調節器
１２マイクロミラー装置
１６制御装置
１８制御装置
Ａ₁ 第１出力端子
Ａ₂ 第２出力端子
ＡＬ実際の光束
Ｃ₁ コンデンサ
Ｃ₂ コンデンサ
Ｄ₁ ダイオード
Ｅ₁ 第１入力端子
Ｅ₂ 第２入力端子
ｆ_c11 クロック周波数
ｆ_c12 クロック周波数
Ｉ_A 出力電流
Ｌ₁ コイル
ＬＥＤＬＥＤ
ＬＭ長期の平均値
ＭＬ平均の光束
Ｓ₁ スイッチ
Ｓ_a 制御信号
Ｓ_b 制御信号
Ｕ_G 直流電源電圧

初期段階の解決策では、画像書き換え周波数（フレームレート）が６０Ｈｚであり、従って３つのＬＥＤが動作させられる周波数は、３×６０Ｈｚ、即ち１８０Ｈｚである。レインボー効果を回避するために、各画像が何重にも表示される。現在では、フレームごとに１６、１８又は２０個の部分画像が通例である。それによって、９６０、１０８０又は１２００ＨｚのＬＥＤオンオフ周波数が生じる。従って、１／３のオン時間の場合、パルス長、即ちＬＥＤごとの投入時間は約２７７μｓ〜３４７μｓである。関与する画像処理アルゴリズムは、その都度のパルス長の全体の期間中に光振幅が一定のままであることを前提としていることから、既に約１０μｓの過渡応答が否定的な面で重要となる。

この課題は、本発明によれば、第２の制御信号が第２のクロック周波数ｆ_c12に同期化されており、第１のクロック周波数がｆ_c11である場合に、
ｆ_c12＝ｎ×ｆ_c11
ｎ∈Ｉ（整数）
であることによって、解決される。

特に、安価な実施形態では、第２クロック周波数ｆ_cl2が第１クロック周波数ｆ _cl1に等しく選定される。

第２クロック周波数が第１クロック周波数のｎ倍（ｆ_c12＝ｎ×ｆ_c11）で、ｎ∈Ｉおよびｎ≧２である実施形態は、回路装置のインダクタンスおよびキャパシタンスを小さくすることができるという利点をもたらす。第２のクロック周波数のあまりにも高い選定は得策でない。何故ならば、その場合には、スイッチング損失が、小さいインダクタンスおよびキャパシタンスの利点を上回るからである。

Claims

直流電源電圧（Ｕ_G）に結合するための第１入力端子（Ｅ１）および第２入力端子（Ｅ２）を有する入力部と、
少なくとも１つのＬＥＤに出力電流（Ｉ_A）を供給するための第１出力端子（Ａ１）および第２出力端子（Ａ２）を有する出力部と、
多数のマイクロミラーを含むマイクロミラー装置（１２）と、
そのマイクロミラー装置（１２）のための第１制御信号（Ｓ_a）を出力するように設計されており、その第１制御信号（Ｓ_a）が第１クロック周波数（ｆ_c11）に同期化されている第１制御装置（１６）と、
入力側が、前記第１入力端子（Ｅ１）および前記第２入力端子（Ｅ２）に、出力側が、前記第１出力端子（Ａ１）および前記第２出力端子（Ａ２）に、それぞれ結合されており、かつ、
スイッチ（Ｓ１）を含むスイッチング調節器（１０）と、
前記スイッチング調節器（１０）のスイッチ（Ｓ１）のための第２制御信号（Ｓ_b）を出力するように設計されている第２制御装置（１８）とを有する、少なくとも１つのＬＥＤを動作させるための回路装置において、
第２制御信号（Ｓ_b）が、第２クロック周波数（ｆ_c12）に同期化されており、
ｆ_c12＝ｎ＊ｆ_c11
ｎ∈Ｉ（整数）
が成り立つ
ことを特徴とする回路装置。
ｆ_c12＝ｆ_c11が成り立つ
ことを特徴とする請求項１記載の回路装置。
ｆ_c12＝ｎ＊ｆ_c11
ｎ∈Ｉ
ｎ≧２
が成り立つ
ことを特徴とする請求項１記載の回路装置。
第１クロック周波数（ｆ_c11）が５０〜２００ｋＨｚの範囲にある
ことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の回路装置。
前記出力電流（Ｉ_A）がリップル電流（Ｉ_R）を重畳された定格電流（Ｉ_N）を含み、リップル電流（Ｉ_R）が定格電流（Ｉ_N）の少なくとも３０％、好ましくは定格電流（Ｉ_N）の少なくとも４０％、更に好ましくは定格電流（Ｉ_N）の少なくとも５０％であるように前記スイッチング調節器（１０）が設計されている
ことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の回路装置。
前記スイッチング調節器（１０）が少なくとも１つのインダクタンス（Ｌ１）を含み、そのインダクタンス（Ｌ１）および第２クロック周波数（ｆ_c12）は、遮断過程後の前記出力電流（Ｉ_A）の立上りが１０μｓ以下の時定数を有するように選定されている
ことを特徴とする請求項１から５の１つに記載の回路装置。
直流電源電圧（Ｕ_G）に結合するための第１入力端子（Ｅ１）および第２入力端子（Ｅ２）を有する入力部と、少なくとも１つのＬＥＤに出力電流（Ｉ_A）を供給するための第１出力端子（Ａ１）および第２出力端子（Ａ２）を有する出力部と、多数のマイクロミラーを含むマイクロミラー装置（１２）と、そのマイクロミラー装置（１２）のための第１制御信号（Ｓ_a）を出力するように設計されていて、かつその第１制御信号（Ｓ_a）が第１クロック周波数（ｆ_c11）に同期化されている第１制御装置（１６）と、入力側が前記第１入力端子（Ｅ１）および前記第２入力端子（Ｅ２）に、出力側が前記第１出力端子（Ａ１）および前記第２出力端子（Ａ２）に、それぞれ結合されており、かつスイッチ（Ｓ１）を含むスイッチング調節器（１０）と、そのスイッチング調節器（１０）のスイッチ（Ｓ１）のための第２制御信号（Ｓ_b）を出力するように設計されている第２制御装置（１８）とを有する回路装置における、少なくとも１つのＬＥＤを動作させるための方法において、
第２制御信号（Ｓ_b）を第２クロック周波数（ｆ_c12）に同期化するステップを有し、
ｆ_c12＝ｎ＊ｆ_c11
ｎ∈Ｉ（整数）
が成り立つ
ことを特徴とする方法。