JP2014239013A - 光源装置、プロジェクター、およびプロジェクションシステム - Google Patents

光源装置、プロジェクター、およびプロジェクションシステム Download PDF

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Abstract

【課題】電力差がある放電灯の駆動を行う場合において、放電灯の電極の消耗を抑制し、放電灯の寿命を向上できる光源装置、およびそのような光源装置を用いたプロジェクターを提供することを目的の一つとする。また、そのようなプロジェクターを用いたプロジェクションシステムを提供することを目的の一つとする。
【解決手段】光を射出する放電灯と、前記放電灯を駆動する駆動電流を前記放電灯に供給する放電灯駆動部と、前記放電灯駆動部を制御する制御部と、を備え、前記駆動電流の駆動電流波形は、第1期間と、第2期間と、を交互に有し、前記第1期間の前記駆動電流の絶対値は、前記第2期間の前記駆動電流の絶対値に対して相対的に小さく、前記第1期間では、前記駆動電流として750Hz以上の交流電流が前記放電灯に供給されることを特徴とする光源装置。
【選択図】図8

Description

この発明は、光源装置、プロジェクター、およびプロジェクションシステムに関する。
高圧水銀ランプなどの放電灯は、プラズマ化した気体内でアーク放電をすることにより発光している。このような放電灯を用いたものとして、立体映像表示を実現した3D対応のプロジェクターが実用化されている。3D対応プロジェクターの一つの方式では、入力信号を左目用信号と右目用信号とに分けて順次交互に送り、左目用映像と右目用映像とを交互に投射する。観察者は、2つのシャッターが交互に開閉するアクティブシャッターメガネを装着して左目用映像を左目で、右目用映像を右目で選択的に見る。これにより、観察者は、自身が見ている映像を立体映像として認識する。ところが、上記のアクティブシャッターメガネを装着すると、観察者の眼に入る映像は、略半分の期間シャッターに遮られることになる。そのため、映像が暗くなるという問題が発生する。
この問題に対して、アクティブシャッターメガネと同期して放電灯を調光する方式を採用したプロジェクターが提案されている(たとえば、下記の特許文献1)。これらのプロジェクターは、メガネのシャッターを開いたときに放電灯の輝度を上げ、シャッターを閉じたときに放電灯の輝度を下げるという調光動作を行う。言いかえると、シャッターを開いたときに放電灯に供給する電力を上げ、シャッターを閉じたときに放電灯に供給する電力を下げる。このような調光を行うと、放電灯の平均的な輝度を変えることなく、シャッターが閉じているときに輝度を低下させた分だけ、シャッターが開いているときの輝度を増加させることができる。これにより、観察者は明るい映像を視認することができる。
特開2012−32504号公報
ところで、アーク放電は、放電灯内部で様々な反応を生じさせ、放電灯の照度低下を引き起こしてしまうことが知られている。この放電灯の照度低下を抑制し、放電灯の寿命を伸ばすことが課題となっている。
一般的に、放電灯の照度低下の原因としては、アーク放電により蒸発した電極物質が放電灯の発光管内壁に付着する黒化、発光管内壁が高熱となることで結晶化し、白濁して透過率が低下してしまう失透、アーク放電による電極の消耗、の3つが主な原因として知られている。
上述した放電灯に供給する電力を変化させるような、電力差がある駆動では、放電灯の電極にかかる負荷が大きくなり、電極が消耗しやすい。その結果、電極の消耗によって放電灯の照度が低下し、結果として放電灯の寿命が短くなりやすいという問題があった。
本発明の一つの態様は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであって、電力差がある放電灯の駆動を行う場合において、放電灯の電極の消耗を抑制し、放電灯の寿命を向上できる光源装置、およびそのような光源装置を用いたプロジェクターを提供することを目的の一つとする。また、そのようなプロジェクターを用いたプロジェクションシステムを提供することを目的の一つとする。
本発明の一つの態様の光源装置は、光を射出する放電灯と、前記放電灯を駆動する駆動電流を前記放電灯に供給する放電灯駆動部と、前記放電灯駆動部を制御する制御部と、を備え、前記駆動電流の駆動電流波形は、第1期間と、第2期間と、を交互に有し、前記第1期間の前記駆動電流の絶対値は、前記第2期間の前記駆動電流の絶対値に対して相対的に小さく、前記第1期間では、前記駆動電流として750Hz以上の交流電流が前記放電灯に供給されることを特徴とする。
電力差がある放電灯の駆動における電極の消耗の原因の1つとして、アーク輝点の移動が考えられる。アーク輝点の移動は、放電灯に供給される電力が大きい状態から、小さい状態へと遷移した場合に生じやすい。アーク輝点の移動が生じると、電極における溶融する位置や、電極の溶融する量が変化する。その結果、電極の形状が不安定になり、電極が消耗しやすくなる。
これに対して、この構成によれば、駆動電流の絶対値が小さい、言いかえると、電力が小さい第1期間において、750Hz以上の高周波電流を用いている。そのため、放電灯に供給される電力が小さくなった場合に、アーク輝点の移動が抑制され、結果として電極の消耗が抑制される。したがって、放電灯の寿命を向上できる。
前記第1期間の前記駆動電流の絶対値が、前記第2期間の前記駆動電流の絶対値の80%以下であってもよい。
この構成によれば、3D対応プロジェクターに用いるのに好適な光源装置が得られる。
前記第2期間では、前記駆動電流として交流電流が前記放電灯に供給されてもよい。
この構成によれば、電極の消耗をより抑制できる。
時間的に1つの前記第2期間を挟む2つの前記第1期間では、前記駆動電流として互いに逆位相となる交流電流が前記放電灯に供給されてもよい。
この構成によれば、両電極の消耗が均一になるため、一方の電極が偏って消耗し、電極間距離が広がることを抑制できる。
時間的に1つの前記第1期間を挟む2つの前記第2期間では、前記駆動電流として互いに逆位相となる交流電流が前記放電灯に供給されてもよい。
この構成によれば、両電極の消耗が均一になるため、一方の電極が偏って消耗し、電極間距離が広がることを抑制できる。
本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の光源装置と、前記放電灯から射出される光を映像信号に応じて変調する光変調素子と、前記光変調素子により変調された光を被投射面上に投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、放電灯の寿命を向上できるため、信頼性に優れたプロジェクターが得られる。
本発明の一つの態様のプロジェクションシステムは、本発明の一つの態様のプロジェクターと、右目用シャッターと左目用シャッターとを有するアクティブシャッターメガネと、を備え、前記プロジェクターは、所定の切替タイミングで、右目用映像と左目用映像とを交互に切り替えて出力し、時間的に隣り合う前記切替タイミングに挟まれる期間は、前記第1期間で始まり、前記第2期間で終わることを特徴とする。
この構成によれば、放電灯の寿命を向上できるため、信頼性に優れたプロジェクションシステムが得られる。
本実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。 本実施形態における放電灯の断面図である。 本実施形態のプロジェクションシステムを示すブロック図である。 本実施形態の放電灯点灯装置の回路図である。 本実施形態の制御部の一構成例を示すブロック図である。 放電灯の電極先端の突起の様子を示す図である。 プロジェクションシステムの各種動作を示すタイミングチャートである。 駆動電流波形の一例を示す図である。 電極先端におけるアーク輝点の移動について説明する図である。 アーク輝点の移動について示す写真である。
以下、図1から図10を参照しながら、本発明の実施形態に係るプロジェクションシステムについて説明する。
なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせる場合がある。
図3は、本実形態のプロジェクションシステムを示すブロック図である。
本実施形態のプロジェクションシステム400は、図3に示すように、プロジェクター500と、アクティブシャッターメガネ410と、を備えている。プロジェクター500は、スクリーン700上に右目用映像と左目用映像とを時分割で交互に投射する。
アクティブシャッターメガネ410は、右目用シャッター412と、左目用シャッター414と、を備えている。観察者がアクティブシャッターメガネ410を装着した場合に、右目用シャッター412が閉じられることにより右目側の視野が遮られる。観察者がアクティブシャッターメガネ410を装着した場合に、左目用シャッター414が閉じられることにより左目側の視野が遮られる。右目用シャッター412および左目用シャッター414は、たとえば、液晶シャッターで構成される。
以下、プロジェクター500の光学系について説明する。
図1は、本実施形態のプロジェクター500を示す概略構成図である。
本実施形態のプロジェクター500は、図1に示すように、光源装置200と、平行化レンズ305と、照明光学系310と、色分離光学系320と、3つの液晶ライトバルブ330R,330G,330B(光変調素子)と、クロスダイクロイックプリズム340と、投射光学系350と、を備えている。
光源装置200から射出された光は、平行化レンズ305を通過して照明光学系310に入射する。平行化レンズ305は、光源装置200からの光を平行化する機能を有する。
照明光学系310は、光源装置200から射出される光の照度を、液晶ライトバルブ330R,330G,330B上において均一化するように調整する機能を有する。照明光学系310は、光源装置200から射出される光の偏光方向を一方向に揃える機能も有する。その理由は、光源装置200から射出される光を液晶ライトバルブ330R,330G,330Bで有効に利用するためである。
照度分布と偏光方向とが調整された光は、色分離光学系320に入射する。色分離光学系320は、入射光を赤色光(R)、緑色光(G)、青色光(B)の3つの色光に分離する。3つの色光は、各色に対応付けられた液晶ライトバルブ330R,330G,330Bによりそれぞれ変調される。液晶ライトバルブ330R,330G,330Bは、後述する液晶パネル560R,560G,560Bと、偏光板(図示せず)と、を備えている。
偏光板は、液晶パネル560R,560G,560Bのそれぞれの光入射側および光射出側に配置される。
変調された3つの色光は、クロスダイクロイックプリズム340により合成される。合成光は投射光学系350に入射する。投射光学系350は、入射光をスクリーン700(図3参照)に投射する。これにより、スクリーン700上に映像が表示される。なお、平行化レンズ305、照明光学系310、色分離光学系320、クロスダイクロイックプリズム340、投射光学系350の各々の構成としては、周知の種々の構成を採用することができる。
図2は、光源装置200の構成を示す断面図である。光源装置200は、光源ユニット210と、放電灯点灯装置(放電灯駆動装置)10と、を備えている。図2には、光源ユニット210の断面図が示されている。光源ユニット210は、主反射鏡112と、放電灯90と、副反射鏡50と、を備えている。
放電灯点灯装置10は、放電灯90に駆動電流(駆動電力)を供給して放電灯90を点灯させる。主反射鏡112は、放電灯90から放出された光を照射方向Dに向けて反射する。照射方向Dは、放電灯90の光軸AXと平行である。
放電灯90の形状は、照射方向Dに沿って延びる棒状である。放電灯90の一方の端部を第1端部90e1とし、放電灯90の他方の端部を第2端部90e2とする。放電灯90の材料は、たとえば、石英ガラス等の透光性材料である。放電灯90の中央部は球状に膨らんでおり、その内部は放電空間91である。放電空間91には、希ガス、金属ハロゲン化合物等を含む放電媒体であるガスが封入されている。
放電空間91には、第1電極92および第2電極93の先端が突出している。第1電極92は、放電空間91の第1端部90e1側に配置されている。第2電極93は、放電空間91の第2端部90e2側に配置されている。第1電極92および第2電極93の形状は、光軸AXに沿って延びる棒状である。放電空間91には、第1電極92および第2電極93の電極先端部が、所定距離だけ離れて対向するように配置されている。第1電極92および第2電極93の材料は、たとえば、タングステン等の金属である。
放電灯90の第1端部90e1に、第1端子536が設けられている。第1端子536と第1電極92とは、放電灯90の内部を貫通する導電性部材534により電気的に接続されている。同様に、放電灯90の第2端部90e2に、第2端子546が設けられている。第2端子546と第2電極93とは、放電灯90の内部を貫通する導電性部材544により電気的に接続されている。第1端子536および第2端子546の材料は、たとえば、タングステン等の金属である。導電性部材534,544の材料としては、たとえば、モリブデン箔が利用される。
第1端子536および第2端子546は、放電灯点灯装置10に接続されている。放電灯点灯装置10は、第1端子536および第2端子546に、放電灯90を駆動するための駆動電流を供給する。その結果、第1電極92および第2電極93の間でアーク放電が起きる。アーク放電により発生した光(放電光)は、破線の矢印で示すように、放電位置から全方向に向かって放射される。
主反射鏡112は、固定部材114により、放電灯90の第1端部90e1に固定されている。主反射鏡112は、放電光のうち、照射方向Dと反対側に向かって進む光を照射方向Dに向かって反射する。主反射鏡112の反射面(放電灯90側の面)の形状は、放電光を照射方向Dに向かって反射できる範囲内において、特に限定されず、たとえば、回転楕円形状であっても、回転放物線形状であってもよい。たとえば、主反射鏡112の反射面の形状を回転放物線形状とした場合、主反射鏡112は、放電光を光軸AXに略平行な光に変換することができる。これにより、平行化レンズ305を省略することができる。
副反射鏡50は、固定部材522により、放電灯90の第2端部90e2側に固定されている。副反射鏡50の反射面(放電灯90側の面)の形状は、放電空間91の第2端部90e2側の部分を囲む球面形状である。副反射鏡50は、放電光のうち、主反射鏡112が配置された側と反対側に向かって進む光を主反射鏡112に向かって反射する。これにより、放電空間91から放射される光の利用効率を高めることができる。
固定部材114,522の材料は、放電灯90からの発熱に耐え得る耐熱材料である範囲内において、特に限定されず、たとえば、無機接着剤である。主反射鏡112および副反射鏡50と放電灯90との配置を固定する方法としては、主反射鏡112および副反射鏡50を放電灯90に固定する方法に限らず、任意の方法を採用できる。たとえば、放電灯90と主反射鏡112とを、独立にプロジェクターの筐体(図示せず)に固定してもよい。副反射鏡50についても同様である。
以下、プロジェクター500の回路構成について説明する。
図3は、本実施形態のプロジェクター500の回路構成の一例を示す図である。プロジェクター500は、図1に示した光学系の他、画像信号変換部510と、直流電源装置80と、液晶パネル560R,560G,560Bと、画像処理装置570と、CPU(Central Processing Unit)580と、を備えている。
画像信号変換部510は、外部から入力された画像信号502(輝度−色差信号やアナログRGB信号など)を所定のワード長のデジタルRGB信号に変換して画像信号512R,512G,512Bを生成し、画像処理装置570に供給する。画像信号変換部510は、画像信号502として、所定の切替タイミングで右目用映像と左目用映像とが交互に切り替わる立体映像信号が入力された場合には、右目用映像と左目用映像との切替タイミングに基づいて、同期信号514をCPU580に供給する。
画像処理装置570は、3つの画像信号512R,512G,512Bに対してそれぞれ画像処理を行う。画像処理装置570は、液晶パネル560R,560G,560Bをそれぞれ駆動するための駆動信号572R,572G,572Bを液晶パネル560R,560G,560Bに供給する。
直流電源装置80は、外部の交流電源600から供給される交流電圧を一定の直流電圧に変換する。直流電源装置80は、トランス(図示しないが、直流電源装置80に含まれる)の2次側にある画像信号変換部510、画像処理装置570およびトランスの1次側にある放電灯点灯装置10に直流電圧を供給する。
放電灯点灯装置10は、起動時に放電灯90の電極間に高電圧を発生し、絶縁破壊を生じさせて放電路を形成する。以後、放電灯点灯装置10は、放電灯90が放電を維持するための駆動電流Iを供給する。
液晶パネル560R,560G,560Bは、前述した液晶ライトバルブ330R,330G,330Bにそれぞれ備えられている。液晶パネル560R,560G,560Bは、それぞれ駆動信号572R,572G,572Bに基づいて、前述した光学系を介して各液晶パネル560R,560G,560Bに入射される色光の透過率(輝度)を変調する。
CPU580は、プロジェクター500の点灯開始から消灯に至るまでの各種の動作を制御する。たとえば、図3の例では、通信信号582を介して点灯命令や消灯命令を放電灯点灯装置10に出力する。CPU580は、放電灯点灯装置10から通信信号584を介して放電灯90の点灯情報を受け取る。CPU580は、同期信号514に基づいて、画像信号502に同期してアクティブシャッターメガネ410を制御するための制御信号586を、有線または無線の通信手段を介してアクティブシャッターメガネ410に出力する。アクティブシャッターメガネ410の右目用シャッター412および左目用シャッター414は、制御信号586に基づいてそれぞれ開閉動作が制御される。
以下、放電灯点灯装置10の構成について説明する。
図4は、放電灯点灯装置10の回路構成の一例を示す図である。
放電灯点灯装置10は、図4に示すように、電力制御回路20と、極性反転回路30と、制御部40と、動作検出部60と、イグナイター回路70と、を備えている。
電力制御回路20は、放電灯90に供給する駆動電力を生成する。本実施形態においては、電力制御回路20は、直流電源装置80からの電圧を入力とし、該入力電圧を降圧して直流電流Idを出力するダウンチョッパー回路で構成されている。
電力制御回路20は、スイッチ素子21、ダイオード22、コイル23およびコンデンサー24を含んで構成される。スイッチ素子21は、たとえば、トランジスターで構成される。本実施形態においては、スイッチ素子21の一端は直流電源装置80の正電圧側に接続され、他端はダイオード22のカソード端子およびコイル23の一端に接続されている。
コイル23の他端にコンデンサー24の一端が接続され、コンデンサー24の他端はダイオード22のアノード端子および直流電源装置80の負電圧側に接続されている。スイッチ素子21の制御端子には、後述する制御部40から電流制御信号が入力されてスイッチ素子21のON/OFFが制御される。電流制御信号には、たとえば、PWM(Pulse Width Modulation)制御信号が用いられてもよい。
スイッチ素子21がONすると、コイル23に電流が流れ、コイル23にエネルギーが蓄えられる。その後、スイッチ素子21がOFFすると、コイル23に蓄えられたエネルギーがコンデンサー24とダイオード22とを通る経路で放出される。その結果、スイッチ素子21がONする時間の割合に応じた直流電流Idが発生する。
極性反転回路30は、電力制御回路20から入力される直流電流Idを所定のタイミングで極性反転させる。これにより、極性反転回路30は、制御された時間だけ継続する直流である駆動電流I、もしくは、任意の周波数を持つ交流である駆動電流Iを生成し、出力する。本実施形態において、極性反転回路30は、インバーターブリッジ回路(フルブリッジ回路)で構成されている。
極性反転回路30は、たとえば、トランジスターなどで構成される第1のスイッチ素子31、第2のスイッチ素子32、第3のスイッチ素子33、および第4のスイッチ素子34を含んでいる。極性反転回路30は、直列接続された第1のスイッチ素子31および第2のスイッチ素子32と、直列接続された第3のスイッチ素子33および第4のスイッチ素子34と、が互いに並列接続された構成を有する。第1のスイッチ素子31、第2のスイッチ素子32、第3のスイッチ素子33、および第4のスイッチ素子34の制御端子には、それぞれ制御部40から極性反転制御信号が入力される。この極性反転制御信号に基づいて、第1のスイッチ素子31、第2のスイッチ素子32、第3のスイッチ素子33および第4のスイッチ素子34のON/OFF動作が制御される。
極性反転回路30においては、第1のスイッチ素子31および第4のスイッチ素子34と、第2のスイッチ素子32および第3のスイッチ素子33と、を交互にON/OFFさせる動作が繰り返される。これにより、電力制御回路20から出力される直流電流Idの極性が交互に反転する。第1のスイッチ素子31と第2のスイッチ素子32との共通接続点、および第3のスイッチ素子33と第4のスイッチ素子34との共通接続点から、制御された時間だけ同一極性状態を継続する直流である駆動電流I、もしくは制御された周波数をもつ交流である駆動電流Iを生成し、出力する。
すなわち、極性反転回路30では、第1のスイッチ素子31および第4のスイッチ素子34がONのときには第2のスイッチ素子32および第3のスイッチ素子33がOFFであり、第1のスイッチ素子31および第4のスイッチ素子34がOFFのときには第2のスイッチ素子32および第3のスイッチ素子33がONであるように制御される。したがって、第1のスイッチ素子31および第4のスイッチ素子34がONのときには、コンデンサー24の一端から第1のスイッチ素子31、放電灯90、第4のスイッチ素子34の順に流れる駆動電流Iが発生する。第2のスイッチ素子32および第3のスイッチ素子33がONのときには、コンデンサー24の一端から第3のスイッチ素子33、放電灯90、第2のスイッチ素子32の順に流れる駆動電流Iが発生する。
本実施形態において、電力制御回路20と極性反転回路30とを合わせた部分が放電灯駆動部230に対応する。すなわち、放電灯駆動部230は、放電灯90を駆動する駆動電流Iを放電灯90に供給する。
制御部40は、放電灯駆動部230を制御する。図4の例では、制御部40は、電力制御回路20および極性反転回路30を制御することにより、駆動電流Iが同一極性を継続する保持時間、駆動電流Iの電流値、周波数等を制御する。制御部40は、極性反転回路30に対して、駆動電流Iの極性反転タイミングにより、駆動電流Iが同一極性で継続する保持時間、駆動電流Iの周波数等を制御する極性反転制御を行う。また、制御部40は、電力制御回路20に対して、出力される直流電流Idの電流値を制御する電流制御を行う。
制御部40の構成は、特に限定されない。本実施形態においては、制御部40は、システムコントローラー41、電力制御回路コントローラー42、および極性反転回路コントローラー43を含んで構成されている。なお、制御部40は、その一部または全てを半導体集積回路で構成してもよい。
システムコントローラー41は、電力制御回路コントローラー42および極性反転回路コントローラー43を制御することにより、電力制御回路20および極性反転回路30を制御する。システムコントローラー41は、動作検出部60が検出した駆動電圧Vlaおよび駆動電流Iに基づき、電力制御回路コントローラー42および極性反転回路コントローラー43を制御してもよい。
本実施形態においては、システムコントローラー41は、記憶部44を含んで構成されている。記憶部44は、システムコントローラー41とは独立に設けられてもよい。
システムコントローラー41は、記憶部44に格納された情報に基づき、電力制御回路20および極性反転回路30を制御してもよい。記憶部44には、たとえば、駆動電流Iが同一極性で継続する保持時間、駆動電流Iの電流値、周波数、波形、変調パターン等の駆動パラメーターに関する情報が格納されていてもよい。
電力制御回路コントローラー42は、システムコントローラー41からの制御信号に基づき、電力制御回路20へ電流制御信号を出力することにより、電力制御回路20を制御する。
極性反転回路コントローラー43は、システムコントローラー41からの制御信号に基づき、極性反転回路30へ極性反転制御信号を出力することにより、極性反転回路30を制御する。
制御部40は、専用回路を用いて実現され、上述した制御や後述する処理の各種制御を行うようにすることができる。これに対して、制御部40は、たとえば、CPU580が記憶部44に記憶された制御プログラムを実行することによりコンピューターとして機能し、これらの処理の各種制御を行うようにすることもできる。
図5は、制御部40の他の構成例について説明するための図である。図5に示すように、制御部40は、制御プログラムにより、電力制御回路20を制御する電流制御手段40−1、極性反転回路30を制御する極性反転制御手段40−2として機能するように構成されてもよい。
図4に示した例では、制御部40は、放電灯点灯装置10の一部として構成されている。これに対して、制御部40の機能の一部をCPU580が担うように構成されていてもよい。
動作検出部60は、たとえば、放電灯90の駆動電圧Vlaを検出し、制御部40に駆動電圧情報を出力する電圧検出部、駆動電流Iを検出し、制御部40に駆動電流情報を出力する電流検出部などを含んでいてもよい。本実施形態においては、動作検出部60は、第1の抵抗61、第2の抵抗62および第3の抵抗63を含んで構成されている。
本実施形態において、電圧検出部は、放電灯90と並列に、互いに直列接続された第1の抵抗61および第2の抵抗62で分圧した電圧により駆動電圧Vlaを検出する。また、本実施形態において、電流検出部は、放電灯90に直列に接続された第3の抵抗63に発生する電圧により駆動電流Iを検出する。
イグナイター回路70は、放電灯90の点灯開始時にのみ動作する。イグナイター回路70は、放電灯90の点灯開始時に放電灯90の電極間(第1電極92と第2電極93との間)を絶縁破壊して放電路を形成するために必要な高電圧(放電灯90の通常点灯時よりも高い電圧)を放電灯90の電極間(第1電極92と第2電極93との間)に供給する。本実施形態においては、イグナイター回路70は、放電灯90と並列に接続されている。
以下、駆動電流Iの極性と電極の温度との関係について説明する。
図6(A)〜図6(D)は、放電灯90に供給する駆動電流Iの極性と電極の温度との関係を示す説明図である。図6(A)および図6(B)は、第1電極92および第2電極93の動作状態を示している。これらの図には、第1電極92および第2電極93の先端部分が示されている。第1電極92および第2電極93の先端にはそれぞれ突起552p、562pが形成されている。第1電極92と第2電極93の間で生じる放電は、主として突起552pと突起562pとの間で生じる。本実施形態のように突起552p,562pがある場合には、突起が無い場合と比べて、第1電極92および第2電極93における放電位置(アーク輝点の位置)の移動を抑えることができる。
図6(A)は、第1電極92が陽極として動作し、第2電極93が陰極として動作する第1極性状態Ps1を示している。第1極性状態Ps1では、放電により、第2電極93(陰極)から第1電極92(陽極)へ電子が移動する。陰極(第2電極93)からは電子が放出される。陰極(第2電極93)から放出された電子は陽極(第1電極92)の先端に衝突する。
この衝突によって熱が生じ、陽極(第1電極92)の先端(突起552p)の温度が上昇する。
図6(B)は、第1電極92が陰極として動作し、第2電極93が陽極として動作する第2極性状態Ps2を示している。第2極性状態Ps2では、第1極性状態Ps1とは逆に、第1電極92から第2電極93へ電子が移動する。その結果、第2電極93の先端(突起562p)の温度が上昇する。
このように、電子が衝突する陽極の温度は、電子を放出する陰極の温度と比べて高くなりやすい。
図6(C)は、放電灯90に供給される駆動電流Iの一例を示すタイミングチャートである。横軸は時間Tを示し、縦軸は駆動電流Iの電流値を示している。駆動電流Iは、放電灯90を流れる電流を示す。正値は第1極性状態Ps1を示し、負値は第2極性状態Ps2を示す。
図6(C)に示す例では、駆動電流Iとして矩形波交流電流が利用されている。図6(C)に示す例では、第1極性状態Ps1と第2極性状態Ps2とが交互に繰り返されている。ここで、第1極性区間Tpは、第1極性状態Ps1が続く時間を示し、第2極性区間Tnは、第2極性状態Ps2が続く時間を示す。図6(C)に示す例では、第1極性区間Tpの平均電流値はIm1であり、第2極性区間Tnの平均電流値は−Im2である。放電灯90の駆動に適した駆動電流Iの周波数は、放電灯90の特性に合わせて、実験的に決定することができる(たとえば30Hz〜1kHzの範囲の値が採用される)。他の値Im1、−Im2、Tp、Tnも、同様に実験的に決定することができる。
図6(D)は、第1電極92の温度変化を示すタイミングチャートである。横軸は時間Tを示し、縦軸は温度Hを示している。第1極性状態Ps1では、第1電極92の温度Hが上昇し、第2極性状態Ps2では、第1電極92の温度Hが低下する。第1極性状態Ps1と第2極性状態Ps2が繰り返されるので、温度Hは最小値Hminと最大値Hmaxとの間で周期的に変化する。図示は省略するが、第2電極93の温度は、第1電極92の温度Hとは逆位相で変化する。すなわち、第1極性状態Ps1では、第2電極93の温度が低下し、第2極性状態Ps2では、第2電極93の温度が上昇する。
以下、プロジェクションシステム400における駆動電流Iの制御の具体例について説明する。
図7は、プロジェクションシステムの各種動作を示すタイミングチャートである。
図7に示すように、上から順に駆動信号572R,572G,572Bの内容、右目用シャッター412の開閉状態、左目用シャッター414の開閉状態、期間、切替タイミングの時間的関係が示されている。図7の横軸は時間である。
図7に示される例では、駆動信号572R,572G,572Bは、時刻t1から時刻t3までの間は右目用映像、時刻t3から時刻t5までの間は左目用映像、時刻t5から時刻t7までの間は右目用映像に対応する駆動信号となっている。したがって、図7に示される例では、プロジェクター500は、時刻t1、時刻t3、時刻t5、時刻t7を切替タイミングとして、右目用映像と左目用映像とを切り替えて交互に出力する。
時間的に隣り合う切替タイミングに挟まれる期間は、第1期間P1で始まり、第2期間P2で終わる。図7に示される例では、たとえば、切替タイミングとなる時刻t1と時刻t3とに挟まれる期間は、時刻t1から時刻t2までの間の第1期間P1で始まり、時刻t2から時刻t3までの間の第2期間P2で終わる。切替タイミングとなる時刻t3と時刻t5とに挟まれる期間、切替タイミングとなる時刻t5と時刻t7とに挟まれる期間についても同様である。
図7に示される例では、第1期間P1の長さと第2期間P2の長さとを同一に表しているが、第1期間P1の長さと第2期間P2の長さとは、必要に応じてそれぞれ適宜設定できる。また、第1期間P1と第2期間P2との間に、第3期間が存在していてもよい。第3期間においては、後述される第1期間P1および第2期間P2における駆動電流Iの制御とは異なる制御を行ってもよい。
また、図7に示すような場合においては、第1期間P1と第2期間P2とで、それぞれ1回ずつ、液晶ライトバルブ330R,330G,330Bに映像信号が書き込まれている。すなわち、液晶ライトバルブ330R,330G,330Bには、1回の片目用映像の期間において、計2回の映像信号の書き込みが行われている。このとき、片目用映像の期間(1フィールド)の長さが1/120sであるような場合には、液晶ライトバルブ330R,330G,330Bに、1/240s間に1回の割合で映像信号の書き込みが行われる。言い換えると、液晶ライトバルブ330R,330G,330Bの駆動周波数は240Hzである。
右目用シャッター412は、右目用映像に対応する駆動信号572R,572G,572Bが液晶パネル560R,560G,560Bに入力されている期間の少なくとも一部の期間で開いた状態となる。図7に示される例では、右目用シャッター412は、時刻t1から時刻t2までの間、すなわち第1期間P1では閉じた状態であり、時刻t2から時刻t3までの間、すなわち第2期間P2では開いた状態である。また、左目用映像に対応する駆動信号572R,572G,572Bが液晶パネル560R,560G,560Bに入力されている期間において、右目用シャッター412は、切替タイミング(時刻t3)から閉じ始め、第1期間P1(時刻t3と時刻t4との間)で閉じ終わり、第2期間P2(時刻t4から時刻t5まで)の間は閉じた状態である。時刻t5から時刻t7までの間における右目用シャッター412の開閉状態の変化は、時刻t1から時刻t5までの間の開閉状態の変化と同様である。
左目用シャッター414は、切替タイミング1つ分だけずれて、右目用シャッター412と同様の開閉動作を行う。すなわち、左目用シャッター414は、右目用映像が出力されている期間(たとえば、時刻t1から時刻t3までの期間)では、左目用映像が流れている期間(たとえば、時刻t3から時刻t5までの期間)における右目用シャッター412と同様の開閉動作を行う。また、左目用シャッター414は、左目用映像が出力されている期間(たとえば、時刻t3から時刻t5までの期間)では、右目用映像が流れている期間(たとえば、時刻t5から時刻t7までの期間)における右目用シャッター412と同様の開閉動作を行う。
図7に示される例では、第1期間P1においては、右目用シャッター412および左目用シャッター414のいずれのシャッターも閉じている期間が存在している。
図8は、駆動電流波形の一例を示すタイミングチャートである。
縦軸は、放電灯90に供給される駆動電流の電力比を示している。電力比は、定格ノーマルモード(2D表示時)の駆動電力を1としたときの駆動電力の相対値である。電極間距離が一定であれば、駆動電圧は一定と考えられる。このとき、駆動電流と駆動電力とは比例関係にあるため、図8は、定格ノーマルモード(2D表示時)の駆動電流を1としたときの駆動電流の相対値を示す波形とみなすことができる。図8においては、第1極性状態Ps1となる場合の電力比を正値、第2極性状態Ps2となる場合の電力比を負値として表す。
横軸は、時間を示しており、右目用シャッター412または左目用シャッター414が開いたタイミング、すなわち、第1期間P1から第2期間P2に移る境界(たとえば、図7における時刻t2,時刻t4,時刻t6)を0sとして表示している。
図8に示すように、本実施形態において、放電灯90に供給される駆動電流は、矩形波交流電流である。言いかえると、第1期間P1および第2期間P2において、放電灯90に供給される駆動電流は、矩形波交流電流である。
第1期間P1における交流電流は、高周波の交流電流である。第1期間P1における交流電流の周波数は、たとえば、750Hz以上、10kHz以下であり、具体的な一例として、図8においては、960Hzである。
第2期間P2における交流電流の周波数は、特に限定されず、放電灯の仕様や用途に応じて適宜設定できる。第2期間P2における交流電流の周波数は、図8に示すように、第2期間P2毎に異なっていてもよい。たとえば、図8では、第2期間P2における交流電流の周波数は、期間P2aでは320Hzに、期間P2bでは160Hzに、期間P2cでは960Hzに、それぞれ設定されている。
第1期間P1における電力比(駆動電流比)は、第2期間P2における電力比(駆動電流比)よりも小さく設定されている。言いかえると、第1期間P1における駆動電流の絶対値は、第2期間P2における駆動電流の絶対値に対して相対的に小さく設定されている。第1期間P1における電力比(駆動電流比)は、たとえば、第2期間P2における電力比(駆動電流比)の80%以下である。
第1期間P1と第2期間P2との電力比(駆動電流比)は、第1期間P1と第2期間P2との長さに応じて設定できる。すなわち、第1期間P1と第2期間P2とを合わせた期間の平均電力比が、定格ノーマルモードにおける平均電力比と同様になるように設定できる。以下、詳細に説明する。
まず、1つ目の例として、図8に示すような駆動電流波形の場合について説明する。
図8に示す駆動電流波形の一例においては、第1期間P1と第2期間P2とを合わせた長さ、すなわち、片目用映像の期間の長さは、1/120sに設定されている。これは、映像の1フレームの長さが1/60sに設定されており、1フレームを構成する右目用映像のフィールドと左目用映像のフィールドとが、それぞれ1フレームの半分の長さとなるためである。たとえば、図7では、1フレームは、時刻t1から時刻t5までの期間である。右目用映像のフィールドは、時刻t1から時刻t3までの期間であり、左目用映像のフィールドは、時刻t3から時刻t5までの期間である。
図8において、第1期間P1と第2期間P2との長さの比は、1:3に設定されている。すなわち、第1期間P1の長さは、1/480sであり、第2期間P2の長さは、1/160sである。このような場合、1回の片目用映像の期間において、液晶ライトバルブ330R,330G,330Bには、片目用映像信号が計4回書き込まれている。1回目の書き込みは、第1期間P1において行われ、2回目〜4回目の書き込みは、第2期間P2において行われる。この場合、液晶ライトバルブ330R,330G,330Bへの映像信号の書き込みは、1/480s間に1回行われる。言い換えると、液晶ライトバルブ330R,330G,330Bの駆動周波数は480Hzである。
上記のような場合において、たとえば、第2期間P2の電力比を定格ノーマルモードの電力比よりも15%高くすると、第1期間P1の電力比を第2期間P2の電力比の約48%と設定することで、第1期間P1と第2期間P2とを合わせた期間の平均電力比を、定格ノーマルモードの平均電力比と同様とできる。具体的には、たとえば図8に示すように、電力比が正値を取る場合には、第1期間P1の電力比は0.55、第2期間P2の電力比は1.15に設定されている。また、電力比が負値を取る場合には、第1期間P1の電力比は−0.55、第2期間P2の電力比は−1.15に設定されている。これにより、第1期間P1と第2期間P2とを合わせた期間の平均電力比を1(定格ノーマルモードの平均電力比)とできる。
次に、2つ目の例として、図7に示すように第1期間P1と第2期間P2との長さが同一に設定されている場合について説明する。
図8と同様にして片目用映像の期間の長さが1/120sに設定されている場合、第1期間P1と第2期間P2との長さが同一であるため、第1期間P1と第2期間P2との長さはそれぞれ1/240sとなる。この場合において、たとえば、第2期間P2の電力比を定格ノーマルモードの電力比よりも15%高くすると、第1期間P1の電力比を第2期間P2の電力比の約74%に設定することで、第1期間P1と第2期間P2とを合わせた期間の平均電力比を定格ノーマルモードの平均電力比と同様とできる。
具体的には、たとえば、電力比が正値を取る場合には、第1期間P1の電力比は0.85、第2期間P2の電力比は1.15となるように設定される。また、電力比が負値を取る場合には、第1期間P1の電力比は−0.85、第2期間P2の電力比は−1.15となるように設定される。これにより、第1期間P1と第2期間P2とを合わせた期間の平均電力比を1(定格ノーマルモードの平均電力比)とできる。なお、この場合においては、液晶ライトバルブ330R,330G,330Bの駆動周波数は240Hzである。
以上、例示して示したように右目用シャッター412と左目用シャッター414とのうちどちらか一方が開いている第2期間P2の電力比を1(定格ノーマルモードの平均電力比)より大きくし、右目用シャッター412と左目用シャッター414とが共に閉じている第1期間P1の電力比を1(定格ノーマルモードの平均電力比)より小さくして、放電灯90の平均的な輝度、すなわち、放電灯90に供給する平均電力を定格ノーマルモードと同様となるようにして、観察者の目に入る映像の輝度低下を低減することができる。
本実施形態によれば、放電灯90に供給される電力が小さい第1期間P1における交流電流の周波数が高周波であるため、第1電極92および第2電極93の消耗を抑制でき、放電灯90の寿命を向上できる。以下、詳細に説明する。
図9(A),(B),(C)は、第1電極92および第2電極93におけるアーク放電の様子を示した図である。図9(A)においては、第1極性状態Ps1を示している。すなわち、第1電極92が陽極であり、第2電極93が陰極である。図9(B),(C)においては、第2極性状態Ps2を示している。すなわち、第1電極92が陰極であり、第2電極93が陽極である。
図9(A)は、第2期間P2における放電の様子である。第1電極92と第2電極93との間には、アークAR1が生じている。第1電極92と第2電極93との表面に形成された各突起900a,900b上には、アーク輝点910が形成されている。第2期間P2においては、放電灯90に供給されている電力が大きいため、アーク輝点910は大きく形成される。これにより、陽極である第1電極92の表面に形成された突起900aは、溶融し、表面が平坦化されている。
次に、図9(B)は、第2期間P2から第1期間P1へと切り替わった瞬間であって、極性が反転して、第2極性状態Ps2となった状態を示す図である。図9(B)に示すように、第1電極92と第2電極93との間には、アークAR2aが生じている。第1期間P1においては、放電灯90に供給される電力は小さくなるため、各突起900a,900b上に形成されるアーク輝点920は小さくなる。
次に、図9(C)は、第1期間P1へと切り替わって所定時間後を示した図である。図9(C)に示すように、陰極側(第1電極92側)のアーク輝点920の位置が下方側に移動した状態となっている。第1期間P1におけるアーク輝点920は、第2期間P2におけるアーク輝点910に比べて小さく、第2期間P2において平坦化された、突起900aの表面上を移動しやすい状態となっているためである。アーク輝点の移動は、電子が放出される陰極側でのみ発生する。
アーク輝点920の位置が移動すると、アーク輝点間の距離が大きくなる。アーク輝点間の距離は、すなわち、電極間距離である。図9(B)では、第1電極92側のアーク輝点920の位置も、第2電極93側のアーク輝点の位置も、各突起900a,900b上の上下方向中央となっているため、アークAR2aは略水平に生じており、アーク輝点間距離W1も、各突起900a,900b間の略水平距離と等しくなっている。
これに対して、図9(C)では、陰極側(第1電極92側)のアーク輝点920が下方に移動しているため、アークAR2bは、水平よりも傾いた状態で生じ、アーク輝点間距離W2は、アーク輝点間距離W1に比べて大きくなる。
したがって、アーク輝点が電極上において移動することで、電極間距離が大きくなり、放電灯の照度低下が生じる。
また、アーク輝点の位置が移動することによって、電極における溶融する位置や、電極の溶融する量が変化する。その結果、電極の形状が不安定になり、電極が消耗しやすくなる。
図10(A),(B)は、実際のアーク輝点の移動を示した写真である。図10(A),(B)は、共に第2極性状態Ps2である場合を示している。
図10(A)は、第1期間P1となった瞬間(0s)を示している。図10(A)に示すように、第1期間P1となった直後においては、第1電極92A上に形成された突起900aAの上下方向中央にアーク輝点920Aが形成されていることが確認できる。
一方、図10(B)は、第1期間P1となって1/240s後の状態を示した図である。図10(B)に示すように、アーク輝点920Aは、突起900aA上を、下方側に移動していることが確認できる。
これに対して、本実施形態によれば、第1期間P1において高周波交流電流が供給されているため、各電極の極性は高速で切り替わり、各電極が陰極となっている時間が極めて短くなる。アーク輝点の移動速度は、加速を無視すると、約50mm/s程度である。そのため、各電極が陰極となっている時間が極めて短い場合においては、電極が陰極となっている間にアーク輝点が移動できる距離は極めて短く、結果としてアーク輝点の移動は抑制される。したがって、アーク輝点の移動が抑制されることで、電極の消耗が抑制され、放電灯の寿命を向上できる。
なお、本実施形態においては、下記の構成を採用することもできる。
第2期間P2において、放電灯90に供給される電流は直流電流であってもよい。
図8においては、すべての第1期間P1および第2期間P2は、第2極性状態Ps2から始まっている。言いかえると、すべての第1期間P1および第2期間P2における交流電流は同位相である。
これに対して、時間的に1つの第2期間P2を挟む2つの第1期間P1は互いに逆位相であってもよい。すなわち、1つの第1期間P1が第2極性状態Ps2から始まった場合には、次の第1期間P1は第1極性状態Ps1から始まってもよい。
また、時間的に1つの第1期間P1を挟む2つの第2期間P2は互いに逆位相であってもよい。すなわち、1つの第2期間P2が第2極性状態Ps2から始まった場合には、次の第2期間P2は第1極性状態Ps1から始まってもよい。
これらによれば、第1電極92と第2電極93との消耗を略均一にできるため、電極の消耗が偏ることによる電極間距離の広がりを抑制できる。
以下、実施例について説明する。
まず、実施例1について説明する。
第1期間における駆動電流の周波数と、第2期間における駆動電流の周波数と、を変化させた場合におけるアーク輝点の移動について実験を行った。
放電灯としては、定格電力が230Wの高圧水銀ランプを用いた。
駆動電流は、第1期間、第2期間ともに、矩形波交流電流を用いた。第1期間の周波数を、240Hz、480Hz、960Hzとしたそれぞれの場合について、第2期間における周波数を、160Hz、320Hz、640Hzと変化させた。
第2期間の周波数は、一回の実験毎に一定とした。言いかえると、図8に例示した駆動電流波形とは異なり、期間P2a、期間P2bおよび期間P2cにおける周波数が同一となるような駆動電流波形を用いた。第1期間についても同様とした。
第1期間における電力比の絶対値は、0.55とし、第2期間における電力比の絶対値は、1.15とした。すなわち、第1期間の電力比(駆動電流比)は、第2期間の電力比(駆動電流比)の約48%とした。
図8で例示した駆動電流波形と同様に、第1期間の長さは、1/480sとし、第2期間の長さは、1/160sとした。
アーク輝点の移動については、図10(A),(B)に示すのと同様に、電極を撮影した写真を用いて観察した。電極の撮影は、放電灯を点灯させてから所定時間経過した後において、言いかえると、放電灯の動作が安定した後において、第2期間から第1期間に切り替わった瞬間と、第1期間に切り替わってから1/960s後と、にそれぞれ行った。撮影した2つの写真におけるアーク輝点の位置から、アーク輝点が移動したかどうかについて評価した。結果を表1に示す。
表1においては、アーク輝点の移動が生じた場合を×印で示し、アーク輝点の移動が生じなかった場合を○印で示している。
表1から、第1期間の周波数が240Hz、480Hzの場合には、第2期間の周波数が160Hz、320Hz、640Hzのいずれの場合においてもアーク輝点の移動が生じていることが分かる。これに対して、第1期間の周波数が960Hzである場合には、第2期間の周波数がいずれの場合であっても、アーク輝点の移動が生じていないことが分かる。
これにより、第1期間の周波数を高周波にすることにより、第2期間の周波数に関わらず、アーク輝点の移動を抑制できることが確かめられた。
次に、実施例2について説明する。
第2期間の駆動電流波形パターンを変化させずに、第1期間の周波数を変化させた場合のアーク輝点の移動距離の計測を行った。第2期間における駆動電流波形パターンは、図8に例示するのと同様に、各期間(たとえば、期間P2a,P2b,P2c)で周波数が変化するように設定した。具体的には、第2期間の周波数が、期間毎に、160Hz、320Hz、960Hzの順で周期的に変化するように設定した。第1期間における駆動電流波形パターンは、実施例1と同様に、いずれの期間においても同一の周波数となるように設定した。
また、用いた放電灯、第1期間と第2期間の電力比、および第1期間と第2期間の長さは、実施例1と同様とした。
第1期間の周波数を、200Hz、240Hz、400Hz、480Hz、800Hz、960Hzと変化させた場合について、それぞれアーク輝点の移動距離の計測を行った。アーク輝点の移動距離の計測は、電極を撮影した写真を用いた画像計測により行った。電極の撮影は、実施例1と同様とした。結果を表2に示す。
表2に示すように、第1期間の周波数が大きくなるに従って、アーク輝点の移動距離が小さくなっていることが分かる。そして、第1期間の周波数が800Hz以上では、アーク輝点の移動距離が0mmとなり、アーク輝点の移動が抑制されていることが確認できる。また、200Hzから480Hzまでのアーク輝点の移動距離の減少傾向から、第1期間の周波数が約750Hz以上であれば、アーク輝点の移動を十分に抑制できると考えられる。
以上により、第1期間の周波数を750Hz以上に設定することで、アーク輝点の移動を抑制し、放電灯の電極の消耗を抑制できることが確かめられた。
10…放電灯点灯装置(放電灯駆動装置)、40…制御部、90…放電灯、200…光源装置、230…放電灯駆動部、330R,330G,330B…液晶ライトバルブ(光変調素子)、350…投射光学系、410…アクティブシャッターメガネ、500…プロジェクター、P1…第1期間、P2…第2期間

Claims (7)

  1. 光を射出する放電灯と、
    前記放電灯を駆動する駆動電流を前記放電灯に供給する放電灯駆動部と、
    前記放電灯駆動部を制御する制御部と、
    を備え、
    前記駆動電流の駆動電流波形は、第1期間と、第2期間と、を交互に有し、
    前記第1期間の前記駆動電流の絶対値は、前記第2期間の前記駆動電流の絶対値に対して相対的に小さく、
    前記第1期間では、前記駆動電流として750Hz以上の交流電流が前記放電灯に供給されることを特徴とする光源装置。
  2. 前記第1期間の前記駆動電流の絶対値が、前記第2期間の前記駆動電流の絶対値の80%以下である、請求項1に記載の光源装置。
  3. 前記第2期間では、前記駆動電流として交流電流が前記放電灯に供給される、請求項1または2に記載の光源装置。
  4. 時間的に1つの前記第2期間を挟む2つの前記第1期間では、前記駆動電流として互いに逆位相となる交流電流が前記放電灯に供給される、請求項1から3のいずれか一項に記載の光源装置。
  5. 時間的に1つの前記第1期間を挟む2つの前記第2期間では、前記駆動電流として互いに逆位相となる交流電流が前記放電灯に供給される、請求項1から4のいずれか一項に記載の光源装置。
  6. 請求項1から5のいずれか一項に記載の光源装置と、
    前記放電灯から射出される光を映像信号に応じて変調する光変調素子と、
    前記光変調素子により変調された光を被投射面上に投射する投射光学系と、
    を備えることを特徴とするプロジェクター。
  7. 請求項6に記載のプロジェクターと、
    右目用シャッターと左目用シャッターとを有するアクティブシャッターメガネと、
    を備え、
    前記プロジェクターは、所定の切替タイミングで、右目用映像と左目用映像とを交互に切り替えて出力し、
    時間的に隣り合う前記切替タイミングに挟まれる期間は、前記第1期間で始まり、前記第2期間で終わることを特徴とするプロジェクションシステム。
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