JP2017142451A - 光源装置、投射型表示装置及び光源装置の制御方法 - Google Patents

光源装置、投射型表示装置及び光源装置の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】精度よくフリッカーを抑制することが可能な光源装置を提供する。
【解決手段】光源装置10は、励起光を発する光源11と、所定の周期で回転しつつ、励起光により励起された蛍光を発する蛍光体ホイール12と、回転する蛍光体ホイール12の基準位置を検出する基準位置検出部13と、発した蛍光の光量を検出する光検出部14と、検出した基準位置及び光量に基づいて、蛍光体ホイール12において蛍光の光量が変動するギャップの位置を検出するギャップ検出部15と、検出したギャップの位置の光量を補正するギャップ補正部16と、を備えるものである。
【選択図】図1

Description

本発明は、光源装置、投射型表示装置及び光源装置の制御方法に関し、特に、蛍光体を用いる光源装置、投射型表示装置及び光源装置の制御方法に関する。
近年、投射型表示装置の光源として、レーザなどの固体光源が広く利用されている。レーザを使用する場合、青色光などから所望の白色光を生成するため、レーザ光を励起光として発光する蛍光体を組み合わせる手法が用いられる。関連する技術として、例えば特許文献1の光源装置および投射型映像表示装置が知られている。
特開2014−164289号公報
一般的に、励起光に対し反射媒体となる蛍光体が形成された蛍光体ホイールは、樹脂と混合された蛍光体をホイール上の反射部位に塗布し、あるいは平面状に加工した蛍光体をホイール上に貼付することで構成される。このため、蛍光体の塗ムラや加工品の貼り合わせのギャップ(隙間、重なり、カット面の不均一性等)が生じ、このギャップは励起光源が可視光化される際の発光を低下させ、光量が変動する要因となる。
関連する技術では、このような光量の変動する部位が、入力映像信号の垂直周波数やDMD(Digital Micromirror Device)のミラー駆動シーケンスのタイミングに同期する場合などに、出力映像にフリッカー(ちらつき)として現れるという課題があった。
本発明は、上述した課題に鑑み、精度よくフリッカーを抑制することが可能な光源装置、投射型表示装置及び光源装置の制御方法を提供することを目的とする。
本発明に係る光源装置は、励起光を発する光源と、所定の周期で回転しつつ、前記励起光により励起された蛍光を発する蛍光体ホイールと、前記回転する蛍光体ホイールの基準位置を検出する基準位置検出部と、前記発した蛍光の光量を検出する光検出部と、前記検出した基準位置及び光量に基づいて、前記蛍光体ホイールにおいて前記蛍光の光量が変動するギャップの位置を検出するギャップ検出部と、前記検出したギャップの位置の光量を補正するギャップ補正部と、を備えるものである。
本発明に係る投射型表示装置は、励起光を発する光源と、所定の周期で回転しつつ、前記励起光により励起された蛍光を発する蛍光体ホイールと、前記回転する蛍光体ホイールの基準位置を検出する基準位置検出部と、前記発した蛍光の光量を検出する光検出部と、前記検出した基準位置及び光量に基づいて、前記蛍光体ホイールにおいて前記蛍光の光量が変動するギャップの位置を検出するギャップ検出部と、前記検出したギャップの位置の光量を補正するギャップ補正部と、前記補正された光に基づいて画像光を投射する投射部と、を備えるものである。
本発明に係る光源装置の制御方法は、励起光を発する光源と、所定の周期で回転しつつ、前記励起光により励起された蛍光を発する蛍光体ホイールとを備える光源装置の制御方法であって、前記回転する蛍光体ホイールの基準位置を検出し、前記発した蛍光の光量を検出し、前記検出した基準位置及び光量に基づいて、前記蛍光体ホイールにおいて前記蛍光の光量が変動するギャップの位置を検出し、前記検出したギャップの位置の光量を補正するものである。
本発明によれば、精度よくフリッカーを抑制することが可能な光源装置、投射型表示装置及び光源装置の制御方法を提供することができる。
実施の形態に係る光源装置の概要を示す構成図である。 実施の形態1に係る投射型表示装置の概略構成を示す構成図である。 実施の形態1に係る光源部の簡易構成を示す構成図である。 実施の形態1に係る光源部の制御方法を示すフローチャートである。 実施の形態1に係る蛍光体ホイールを用いた制御方法を説明するための図である。 実施の形態1に係る蛍光体ホイールを用いた制御方法を説明するための図である。 実施の形態1に係る輝度データの例を示す図である。 実施の形態1に係る光センサの測定領域の例を示す図である。 実施の形態1に係る蛍光体ホイールの分割領域の例を示す図である。 実施の形態1に係る蛍光体ホイールの輝度データの例を示す図である。 実施の形態1に係る蛍光体ホイールの位置と輝度差分値との関係を示すグラフである。 実施の形態1に係る蛍光体ホイールの位置と輝度差分値との関係を示すグラフである。 実施の形態1に係る蛍光体ホイールの位置と輝度値との関係を示すグラフである。
(実施の形態の概要)
関連する技術では、光センサによる励起光計測構成は有しているが、このセンサの応答速度の制限からリアルタイムに輝度情報を得ることができなかったため、この部位を特定することが困難であった。例えば、特許文献1では、このセンサにリアルタイム検出タイプを用いていることから、測定対象の円周を1周期以上回転させた輝度データを検出することはできるが、円周上の補正すべきポイントを数値データとして得ることはできないため正確な補正が困難であった。
実施の形態では、励起光により蛍光体を発光させる光源装置において、出力映像のフリッカーの要因となる反射媒体の蛍光体ホイールの面不均一(ギャップ)の正確な位置を特定し、ギャップまたは光源の変動を光源の電力制御を正確に行うことによりフリッカー等を抑制する光源装置及び投射型表示装置を提供する。
図1は、実施の形態に係る光源装置の概要を示す構成図である。図1に示すように、実施の形態に係る光源装置10は、光源11、蛍光体ホイール12、基準位置検出部13、光検出部14、ギャップ検出部15、ギャップ補正部16を備えている。
光源11は、蛍光体を励起するための励起光を発する。蛍光体ホイール12は、蛍光体を有しており、所定の周期で回転しつつ、光源11の励起光により励起された蛍光を発する。基準位置検出部13は、回転する蛍光体ホイール12の基準位置を検出し、光検出部14は、蛍光体ホイール12から発した蛍光の光量を検出する。
ギャップ検出部15は、基準位置検出部13が検出した基準位置及び光検出部14が検出した光量に基づいて、蛍光体ホイール12において蛍光の光量が変動するギャップの位置を検出する。ギャップ補正部16は、ギャップ検出部15が検出したギャップの位置の光量を補正する。
このように、実施の形態では、蛍光体ホイールの基準位置と蛍光体ホイールからの蛍光の光量に基づいて、蛍光体ホイール上のギャップの位置を検出することとしたため、精度よくギャップの位置を検出することができ、効果的にフリッカーを抑制することができる。
(実施の形態1)
以下、図面を参照して実施の形態1について説明する。
<投射型表示装置の構成>
図2は、本実施の形態に係る投射型表示装置1の概略構成を示す構成図である。図2に示すように、本実施の形態に係る投射型表示装置(プロジェクタ)1は、光源部100、制御部210、光源駆動部220、画像処理部230、表示駆動部240、照明光学系250、表示部260、投射光学系270を備えている。
光源部100は、白色光を生成する光源であり、後述するように蛍光体励起用光源(レーザダイオード)110や青色照明用光源(レーザダイオード)120を備えている。制御部210は、投射型表示装置1の各部(画像処理部230、表示駆動部240、光源駆動部220及び光源部100)の動作を制御する制御部である。光源駆動部220は、制御部210からの制御に応じて、光源部100の蛍光体励起用光源110や青色照明用光源120を駆動する。
画像処理部230は、入力される映像信号に対し、映像を投射するために必要な画像処理を実行する。表示駆動部240は、画像処理された映像信号に基づいて、映像を表示するように表示部(DMD)260を駆動する。照明光学系250は、光源部100からの白色光を表示部260へ導く。表示部260は、光変調素子であるDMD261を備えており、表示駆動部240による駆動にしたがって画像光を生成する。投射光学系270は、投射レンズ271を備えており、DMD261からの画像光を投射する。
外部から入力される(表示用)映像信号は、画像処理部230から光変調素子DMD261を駆動する表示駆動部240に伝送される。光源部100は光源駆動部220にしたがって照明光学系250へ白色光を出力し、DMD261で変調された画像光は投射光学系270を経由しスクリーン上に映像として投射される。
<光源部の構成>
図3は、本実施の形態に係る光源部100の簡易構成を示す構成図である。図3に示すように、本実施の形態に係る光源部100は、主に、各色の光を生成するための蛍光体励起用レーザダイオード110、青色照明用レーザダイオード120、蛍光体ホイール130を備え、これらの光を合成するためのダイクロイックミラー151及び152を備えている。
また、蛍光体励起用レーザダイオード110とダイクロイックミラー151との間にレンズ111及び112を備え、青色照明用レーザダイオード120とダイクロイックミラー152との間にレンズ121及び122を備えている。蛍光体ホイール130とダイクロイックミラー151との間にレンズ153を備え、ダイクロイックミラー151とダイクロイックミラー152との間にレンズ154を備え、ダイクロイックミラー152と照明光学系250との間にレンズ155を備えている。さらに、蛍光体ホイール130とレンズ153との間に光センサ141を備え、蛍光体ホイール130の裏面(反射面と反対側の面)の駆動モータ132近傍にフォトインタラプタ142を備えている。
ダイクロイックミラー152は、青色照明用レーザ光と、蛍光体励起用レーザ光から蛍光体により励起された黄色蛍光とを合成する。光源部100は、この黄色蛍光光と青色レーザ光とをダイクロイックミラー152で合成することにより白色光を得て、照明光学系250へ出射する。
蛍光体励起用レーザダイオード110及び青色照明用レーザダイオード120は、高出力を得るために複数配列されたアレイ状であってよい。青色照明用レーザダイオード120は、青色の波長を有する青色レーザ光を出射するものであってよい。蛍光体励起用レーザダイオード110は、青色レーザ光であることが好ましい。蛍光体ホイール130上に形成された蛍光体131は、緑色の波長から赤色の波長にわたる波長帯域を持つ黄色の蛍光を発するものであってよい。
蛍光体励起用光源から発せられた青色レーザ光は、集光用レンズ112を透過しダイクロイックミラー151に入射する。ダイクロイックミラー151は青色波長を有する光を反射し、緑色の波長より長い波長の光を透過するため、青色レーザ光はダイクロイックミラー151から蛍光体ホイール130側へ反射する。ダイクロイックミラー151で反射した青色レーザ光はレンズ153を透過し蛍光体ホイール130上の蛍光体131へ照射する。蛍光体131は青色レーザ光によって励起され黄色の蛍光を放射する。蛍光体131は、蛍光体ホイール130上に円周状に形成されており、蛍光体ホイール130は駆動用モータ132により所定の周期で回転駆動されている。
蛍光体131から放射された黄色光はレンズ153とダイクロイックミラー151を透過し、この光を平行光または集光光にするためのレンズ154を透過した後、合成用ダイクロイックミラー152に入射する。このダイクロイックミラー152は、青色波長を有する光を透過し、緑色の波長より長い波長の光を透過するため、蛍光体励起光源からの黄色光を反射し、青色照明光源から発せられた青色レーザ光を透過する。したがって、このダイクロイックミラー152を透過することにより青色光と黄色光が合成され白色光を得ることになる。
<光源装置の構成>
図2に示すように、例えば、光源部100、制御部210及び光源駆動部220が、本実施の形態に係る光源装置300を構成する。
図2及び図3より、本実施の形態に係る光源装置300は、励起光を発する蛍光体励起用レーザダイオード(レーザモジュール)110と、励起光により励起され光を発する蛍光体131と、蛍光体131が設けられ所定の周期で回動する蛍光体ホイール130と、蛍光体ホイール130の位置情報を検出するフォトインタラプタ(基準位置検出部)142と、蛍光体ホイール130により励起された光を検出する光センサ(光検出部)141と、蛍光体励起用レーザダイオード110(光源)を駆動する電力を制御する制御部210及び光源駆動部220を有する光源装置300であって、制御部210は、蛍光体励起用レーザダイオード110、蛍光体131または蛍光体ホイール130を要因とする光量のギャップを検出し、ギャップを抑制するように光源駆動部220から蛍光体励起用レーザダイオード110へ供給する電力の制御を行う。
また、図2に示すように、制御部210は、CPU211と記憶部212を備えている。記憶部212は、本実施の形態に係る制御方法を行うための制御プログラムを格納し、制御方法の各動作は、記憶部212に格納された制御プログラムをCPU211で実行することにより実現される。例えば、制御部210で実現される機能には、検出した基準位置及び光量に基づいて、蛍光体ホイール上のギャップの位置を検出するギャップ検出部や、検出したギャップの位置の光量を補正するギャップ補正部などが含まれる。
制御プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD−ROM(Read Only Memory)、CD−R、CD−R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(random access memory))を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
CPU211は、図3の光センサ141およびフォトインタラプタ142と制御用インターフェイスで接続される。光センサ141は、取得した輝度データを積分値として得ることができる積分型光センサである。尚、光センサ141のデータ出力タイプはアナログ/デジタルいずれも問わない。
フォトインタラプタ142は、蛍光体ホイール130の位置情報取得用に用いる。例えば、フォトインタラプタ142は、蛍光体ホイール駆動用モータ132の表面に設けられたマーキングを検出し、ホイール1回転で1パルスをCPU211に対し出力する構成とし、これを位置情報として使用する。
<光源装置の動作>
本実施の形態では、制御部210は、蛍光体励起用レーザダイオード110から出射され蛍光体ホイール130で反射した黄色光のギャップを、光センサ141を介して検出する。特に、制御部210は、蛍光体ホイール130の全周分と所定領域(角度)内との各輝度値を比較することにより、蛍光面のギャップ位置とそのレベル特性を導く。
図4は、本実施の形態に係る光源装置の制御動作を示している。図4に示すように、まず、制御部210は、光源駆動部220を制御して光源(レーザダイオード110及び120)を発光させるとともに、駆動用モータ132を制御して蛍光体ホイール130を回転させる(S101)。
続いて、制御部210は、図5のように、蛍光体ホイール130の近傍に備えられた回転検出用フォトインタラプタ142より出力されるINDEXパルスから、蛍光体ホイール130上の基準位置Rを決定する(S102)。蛍光体ホイール130の1回転毎にINDEXパルスが検出されるため、INDEXパルスの位置を基準位置Rとし、基準位置Rから次のINDEXパルスまでを蛍光体ホイール130の1周(全周)の期間とする。
続いて、光センサ141は、蛍光体ホイール130の全周(360°)分の輝度データを測定する(S103)。輝度値を測定する光センサ141は、制御パルス期間分のデータを測定する積分タイプを用いる。このタイプは基準点からの正確な時間と間隔のデータを取得する制御ができるため、ギャップの正確な位置情報を得ることができる。
さらに、図6のように、蛍光体ホイール130の全周をn分割し、その各分割領域(角度)の輝度データを同様に光センサ141により測定する(S104)。分割数nはギャップを測定可能な分解能とし、n数を増やすことにより測定値精度を上げることができる。または、ギャップより照射光径が大きい場合はこの径を測定可能な分解能でもよい。なお、分割領域の輝度データを測定した後に、全周の輝度データを測定してもよいし、また、分割領域の輝度データを合計して全周の輝度データを求めてもよい。
続いて、制御部210は、蛍光体ホイール130の全周分の輝度値とn分割領域分の輝度値との差分から、蛍光体ホイール130上のギャップ位置とそのレベル特性を算出する(S105)。さらに、制御部210は、蛍光体ホイール130上のギャップ位置におけるレベルを均一化する様に光源駆動部220を制御し光源の発光量を調整する(S106)。
<光源装置の動作の具体例>
次に、図4で説明した本実施の形態に係る動作の具体例について説明する。ここでは、説明用として以下を概念上の数値とする。
まず、図7に示すように、ギャップのない部分の輝度データ値を1、ギャップのある部分のデータ値を0とする。また、図8に示すように、ギャップを含む測定範囲において、ギャップ部分を1測定単位とし同期間×10を1ブロックとする。この測定範囲に含まれ得るギャップは1つとすると、ギャップの有無による各ブロックの輝度データは以下となる。
ギャップ無ブロックの輝度データ=10(=輝度データ1×10)
ギャップ有ブロックの輝度データ=9(=輝度データ1×9+輝度データ0×1)
また、図9に示すように、蛍光体ホイール130の全周を12分割(n=12)し、分割された各分割領域の輝度データ値をYn1〜Yn12とする。例えば、Yn2のデータ測定領域を図8で示した1ブロックと仮定すると、ギャップが含まれるこのブロックの測定輝度データYn2は9となる。同様に、各測定領域の輝度データ値は図10の様になる。
全周分の輝度データ値をY0とすると、図10の各分割領域(ブロック)の輝度データの和からその値は「113」となる。ここで、全周分Y0からn分割領域分(ブロック)データの差分を次のように算出する。
Y0−Yn1=113−10=103
Y0−Yn2=113−9=104
Y0−Yn3=113−9=104
・・・・
これらの値から、図11の様に輝度差分値−位置情報として表すことができる。また、測定の分解数nを増やすと、図12の様により明確な情報を表すことができる。さらに、n数を増やすことにより、正確な位置情報を表すことができ、図12の差分値を輝度値として置き換えると、図13の様に蛍光面のギャップ位置とその輝度レベル特性を算出することができる。図13では、Yn2輝度データ取得期間中のドロップした部分が補正対象位置と表される。
この手法によりもたらされた蛍光体ホイール上の面不均一性のレベルと位置情報に対し、光源の出力レベル調整や入力映像レベルの調整などにより、局部的に輝度値を一定となる様に補正を行うことで、フリッカー現象を抑制することができる。
例えば、制御部210は、上記で取得したデータから、輝度値のバラつきが均一になる様に制御値を算出し、これにより光源駆動部220を制御する。本取得値または制御値は、制御部210にある記憶部212に装置固有の光源部制御用データとして格納され、装置動作時はこのデータにより光源駆動部220を制御する。但し、個体差が少ない場合などは固有化する必要はない。
本測定は、主に蛍光体のバラつきなどを補正するために製造工程にて実施するが、経時変化による光源の劣化等によるバラつきを再補正するために、出荷後にメンテナンスとして実施してもよい。
以上のように、本実施の形態では、蛍光体ホイールを有する光源装置において、蛍光体から発した光の輝度を測定し、この輝度データをもとに蛍光体ホイール上のギャップの位置を求めることとした。これにより、精度よくギャップの位置を検出でき、効果的にギャップを補正することができる。
関連する技術と比較して得られる特性データは概ね同等の場合もあり得るが、実施の形態を用いる場合は位置情報を取得するとともに、基準点から1ラジアン以下での測定も可能になることから情報量の粒度を高められる。この結果、ギャップに対する補正値を導く場合は正確かつ一度に算出することができ、ギャップ補正を行う電力制御も正確に行うことが可能となる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記実施の形態は、蛍光体を張り合わせて貼り付けた蛍光体ホイールだけでなく、塗布や印刷等の製法による塗りムラなどにも適用できる。また、蛍光体が著しく損傷した場合など、上記実施の形態を用いることにより不具合部品を断定できることから、メンテナンス時間の短縮にもつながる。
1 投射型表示装置
10 光源装置
11 光源
12 蛍光体ホイール
13 基準位置検出部
14 光検出部
15 ギャップ検出部
16 ギャップ補正部
100 光源部
110 蛍光体励起用レーザダイオード(蛍光体励起用光源)
111 レンズ
112 集光用レンズ
120 青色照明用レーザダイオード(青色照明用光源)
121 レンズ
130 蛍光体ホイール
131 蛍光体
132 駆動用モータ
141 光センサ
142 フォトインタラプタ
151、152 ダイクロイックミラー
153〜155 レンズ
210 制御部
211 CPU
212 記憶部
220 光源駆動部
230 画像処理部
240 表示駆動部
250 照明光学系
260 表示部
261 DMD
270 投射光学系
271 投射レンズ
300 光源装置

Claims (7)

  1. 励起光を発する光源と、
    所定の周期で回転しつつ、前記励起光により励起された蛍光を発する蛍光体ホイールと、
    前記回転する蛍光体ホイールの基準位置を検出する基準位置検出部と、
    前記発した蛍光の光量を検出する光検出部と、
    前記検出した基準位置及び光量に基づいて、前記蛍光体ホイールにおいて前記蛍光の光量が変動するギャップの位置を検出するギャップ検出部と、
    前記検出したギャップの位置の光量を補正するギャップ補正部と、
    を備える、光源装置。
  2. 前記光検出部は、測定期間の輝度を積分する積分型光センサである、
    請求項1に記載の光源装置。
  3. 前記光検出部は、前記蛍光体ホイールの全周の輝度と、前記蛍光体ホイールを分割した分割領域の輝度とを検出し、
    前記ギャップ検出部は、前記全周の輝度と前記分割領域の輝度に基づいて、前記ギャップの位置を検出する、
    請求項1または2に記載の光源装置。
  4. 前記分割領域は、前記光検出部が測定する複数の測定単位を含み、
    前記ギャップ検出部は、前記複数の測定単位の輝度の合計を前記分割領域の輝度とする、
    請求項3に記載の光源装置。
  5. 前記ギャップ検出部は、前記全周の輝度と前記分割領域の輝度との差分に基づいて、前記ギャップの位置を検出する、
    請求項3または4に記載の光源装置。
  6. 励起光を発する光源と、
    所定の周期で回転しつつ、前記励起光により励起された蛍光を発する蛍光体ホイールと、
    前記回転する蛍光体ホイールの基準位置を検出する基準位置検出部と、
    前記発した蛍光の光量を検出する光検出部と、
    前記検出した基準位置及び光量に基づいて、前記蛍光体ホイールにおいて前記蛍光の光量が変動するギャップの位置を検出するギャップ検出部と、
    前記検出したギャップの位置の光量を補正するギャップ補正部と、
    前記補正された光に基づいて画像光を投射する投射部と、
    を備える、投射型表示装置。
  7. 励起光を発する光源と、所定の周期で回転しつつ、前記励起光により励起された蛍光を発する蛍光体ホイールとを備える光源装置の制御方法であって、
    前記回転する蛍光体ホイールの基準位置を検出し、
    前記発した蛍光の光量を検出し、
    前記検出した基準位置及び光量に基づいて、前記蛍光体ホイールにおいて前記蛍光の光量が変動するギャップの位置を検出し、
    前記検出したギャップの位置の光量を補正する、
    光源装置の制御方法。
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