JP5880496B2 - 光源装置およびプロジェクタ - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、プロジェクタなどの光学装置において使用可能な、複数種類の異なる波長帯域の、半導体レーザなどの発光素子を用いた光源装置に関する。
例えば、DLP(TM)プロジェクタや液晶プロジェクタのような画像表示用のプロジェクタや、フォトマスク露光装置においては、これまで、キセノンランプや超高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプ(HIDランプ)が使用されてきた。
一例として、本発明のプロジェクタに係わる従来のプロジェクタの一種の一部の一形態を説明する図である、図8を用いてプロジェクタの原理について述べる(参考:特開2004−252112号など)。
前記したように、高輝度放電ランプ等からなる光源(SjA)からの光は、凹面反射鏡やレンズ等からなる集光手段(図示を省略)の助けを借りるなどして、光均一化手段(FmA)の入射端(PmiA)に入力され、射出端(PmoA)から出力される。
ここで、前記光均一化手段(FmA)として、例えば、光ガイドを使うことができ、これは、ロッドインテグレータ、ライトトンネルなどの名称でも呼ばれており、ガラスや樹脂などの光透過性の材料からなる角柱によって構成され、前記入射端(PmiA)に入力された光は、光ファイバと同じ原理に従って、前記光均一化手段(FmA)の側面で全反射を繰り返しながら、前記光均一化手段(FmA)の中を伝播することにより、仮に前記入射端(PmiA)に入力された光の分布にムラがあったとしても、前記射出端(PmoA)上の照度が十分に均一化されるように機能する。
なお、いま述べた光ガイドに関しては、前記した、ガラスや樹脂などの光透過性の材料からなる角柱によって構成されるものの他に、中空の角筒で、その内面が反射鏡になっており、同様に内面で反射を繰り返しながら光を伝播させ、同様の機能を果たすものもある。
前記射出端(PmoA)の四角形の像が、2次元光振幅変調素子(DmjA)上に結像されるよう、照明レンズ(Ej1A)を配置することにより、前記射出端(PmoA)から出力された光によって前記2次元光振幅変調素子(DmjA)が照明される。
ただし、図8においては、前記照明レンズ(Ej1A)と前記2次元光振幅変調素子(DmjA)との間にミラー(MjA)を配置してある。
そして前記2次元光振幅変調素子(DmjA)は、映像信号に従って、画素毎に光を投影レンズ(Ej2A)に入射される方向に向かわせる、あるいは入射されない方向に向かわせるように変調することにより、スクリーン(Tj)上に画像を表示する。
なお、前記したような2次元光振幅変調素子は、ライトバルブと呼ばれることもあり、図8の光学系の場合は、前記2次元光振幅変調素子(DmjA)として、一般にDMD(TM)(ディジタル・マイクロミラー・デバイス)が使われることが多い。
光均一化手段に関しては、前記した光ガイドの他に、フライアイインテグレータという名称で呼ばれるものもあり、この光均一化手段を使ったプロジェクタについて、一例として、本発明のプロジェクタに係わる従来のプロジェクタの一種の一部の一形態を説明する図である、図9を用いてその原理を述べる(参考:特開2001−142141号など)。
高輝度放電ランプ等からなる光源(SjB)からの光は、凹面反射鏡やレンズ等からなるコリメータ手段(図示を省略)の助けを借りるなどして、略平行光束として、フライアイインテグレータによる光均一化手段(FmB)の入射端(PmiB)に入力され、射出端(PmoB)から出力される。
ここで、前記光均一化手段(FmB)は、入射側の前段フライアイレンズ(F1B)と射出側の後段フライアイレンズ(F2B)と照明レンズ(Ej1B)の組合せで構成される。
前記前段フライアイレンズ(F1B)、前記後段フライアイレンズ(F2B)ともに、同一焦点距離、同一形状の四角形のレンズを、縦横それぞれに多数並べたものとして形成されている。
前記前段フライアイレンズ(F1B)の各レンズと、それぞれの後段にある、前記後段フライアイレンズ(F2B)の対応するレンズとは、ケーラー照明と呼ばれる光学系を構成しており、したがって、ケーラー照明光学系が縦横に多数並んでいることになる。
一般にケーラー照明光学系とは、2枚のレンズから構成され、前段レンズが光を集めて対象面を照明するに際し、前段レンズは、対象面に光源像を結像するのではなく、後段レンズ中央の面上に光源像を結像し、後段レンズが前段レンズの外形の四角形を対象面(照明したい面)に結像するよう配置することにより、対象面を均一に照明するものである。
後段レンズの働きは、もしこれが無い場合は、光源が完全な点光源でなく有限の大きさを持つとき、その大きさに依存して対象面の四角形の周囲部の照度が落ちる現象を防ぐためで、後段レンズによって、光源の大きさに依存せずに、対象面の四角形の周囲部まで均一な照度にすることができる。
ここで、図9の光学系の場合、前記光均一化手段(FmB)には略平行光束が入力されることを基本としているため、前記前段フライアイレンズ(F1B)と前記後段フライアイレンズ(F2B)との間隔は、それらの焦点距離に等しくなるように配置され、よってケーラー照明光学系としての均一照明の対象面の像は無限遠に生成される。
ただし、前記後段フライアイレンズ(F2B)の後段には、前記照明レンズ(Ej1B)を配置してあるため、対象面は、無限遠から前記照明レンズ(Ej1B)の焦点面上に引き寄せられる。
縦横に多数並んでいるケーラー照明光学系は、入射光軸(ZiB)に平行であり、それぞれの中心軸に対して略軸対称に光束が入力されるため、出力光束も略軸対称であるから、レンズ面に同じ角度で入射した光線は、レンズ面上の入射位置によらず、焦点面上の同じ点に向かうよう屈折される、というレンズの性質、即ちレンズのフーリエ変換作用により、全てのケーラー照明光学系の出力は、前記照明レンズ(Ej1B)の焦点面上の同じ対象面に結像される。
その結果、前記前段フライアイレンズ(F1B)の各レンズ面での照度分布が全て重ね合わされ、よって、ケーラー照明光学系が1個の場合よりも照度分布がより均一となった、1個の合成四角形の像が、前記入射光軸(ZiB)上に形成されることになる。
前記合成四角形の像の位置に2次元光振幅変調素子(DmjB)を配置することにより、前記射出端(PmoB)から出力された光によって、照明対象である前記2次元光振幅変調素子(DmjB)が照明される。
ただし、照明に際しては、前記照明レンズ(Ej1B)と前記2次元光振幅変調素子(DmjB)との間に偏光ビームスプリッタ(MjB)を配置して、これにより光が前記2次元光振幅変調素子(DmjB)に向けて反射されるようにしてある。
そして前記2次元光振幅変調素子(DmjB)は、映像信号に従って、画素毎に光の偏光方向を90度回転させる、あるいは回転させないように変調して反射することにより、回転させられた光のみが、前記偏光ビームスプリッタ(MjB)を透過して投影レンズ(Ej3B)に入射され、スクリーン(Tj)上に画像を表示する。
なお、図9の光学系の場合、前記2次元光振幅変調素子(DmjA)として、一般にLCOS(TM)(シリコン液晶デバイス)が使われることが多い。
このような液晶デバイスの場合、規定の偏光方向の光の成分しか有効に変調できないため、普通は、規定の偏光方向に平行な成分はそのまま透過させるが、規定の偏光方向に垂直な成分のみ偏光方向を90度回転させ、結果として全ての光を有効利用できるようにするための偏光整列機能素子(PcB)が、例えば前記後段フライアイレンズ(F2B)の後段に挿入される。
また、前記2次元光振幅変調素子(DmjB)には略平行光が入射されるよう、例えばその直前に、フィールドレンズ(Ej2B)が挿入される。
なお、2次元光振幅変調素子に関しては、図9に記載したような反射型のものの他に、透過型の液晶デバイス(LCD)も、それに適合する光学配置にして使用される(参考:特開平10−133303号など)。
ところで、通常のプロジェクタでは、画像をカラー表示するために、例えば、前記光均一化手段の後段にカラーホイールなどの動的色フィルタを配置して、R,G,B(赤および緑、青)の色順次光束として前記2次元光振幅変調素子を照明し、時分割によってカラー表示を実現したり、あるいは、前記光均一化手段の後段にダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムを配置してR,G,Bの3原色に色分解した光で各色独立に設けた2次元光振幅変調素子を照明し、ダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムを配置してR,G,Bの3原色の変調光束の色合成を行うための光学系を構成するが、複雑になることを避けるため、図8、図9においては省略してある。
しかしながら、前記した高輝度放電ランプは、投入電力から光パワーへの変換効率が低い、すなわち発熱損が大きい、あるいは寿命が短い、などの欠点を有していた。
これらの欠点を克服した代替光源として、近年、LEDや半導体レーザ等の固体光源が注目されている。
このうち、LEDについては、放電ランプと比較して発熱損が小さく、また長寿命であるが、放射される光に関しては、放電ランプと同様に指向性が無いため、前記したプロジェクタや露光装置等の、特定の方向の光のみが利用可能な用途においては、光の利用効率が低いという問題があった。
一方、半導体レーザについては、その高い可干渉性に起因してスペックルが発生するという欠点があるが、例えば拡散板を用いるなどの種々の技術的改良により克服が可能であり、LEDと同様に、発熱損が小さく、長寿命である上に、指向性が高いため、前記したプロジェクタや露光装置等の、特定の方向の光のみが利用可能な用途においても、光の利用効率が高いという利点がある。
また、高い指向性を活かして、光ファイバによる光伝送を高効率で行えるため、半導体レーザの設置場所と、プロジェクタなど、その光を利用する場所とを分離することが可能であり、装置設計の自由度を高めることができる。
ただし、半導体レーザは、同じ電流を流す場合でも、環境温度変化または自己発熱による温度上昇によって、さらに累積通電時間の増加に伴う劣化によって発光波長および発光強度が変化する。
プロジェクタの光源として、R,G,B3原色の一部または全部に半導体レーザを用いた場合、このような変化によって、画像全体の色や明るさが変化してしまうことになる。
したがって高忠実なプロジェクタに半導体レーザを応用する場合は、3原色それぞれの色の安定化、およびそれらの配合割合、すなわち白バランスの安定化、さらに明るさの安定化を行う必要がある。
R,G,B3原色の光源の光を混合して白色を作る場合、人間が手動で行うのであれば、普通は、色度計を用いて色度を測定しながら、正しい白色になるよう、3原色の混合比を調整すればよいが、プロジェクタにおいて、この調整動作を自動的に行うことを低コストで実現しようとすると困難を伴う。
前記した色度計は高価であり、プロジェクタに容易には組み込めないため、機器組込み用として好適な、安価な光センサを使わざるを得ないが、光センサのみを安価なものを使っても、色度計と同等の機能を作り込もうとすると、高コストな精密分光フィルタが必要になるため、簡易仕様の安価なフィルタで代替できる構成を実現する必要がある。
しかし、これまで、安価な光センサやフィルタを使って色度に相関する量を測定すること、および測定結果から効率的にR,G,Bそれぞれの半導体レーザへの投入電力を自動調整する技術が確立されていなかった。
また、特に連続発光する3原色のそれぞれの光源について、光の色を安定化する技術も確立されていなかった。
光源として半導体レーザあるいはLEDを応用する場合の、特に発光波長が変化してしまう現象に対し、従来より問題を回避するための技術が開発されて来た。
例えば、特開2006−252777号には、分光感度特性の傾きが、光源の発光波長帯域において正の光センサと負の光センサとを用いて光量検出を行うことによって、発光波長が長くなる方向に変化しているか、それとも短くなる方向に変化しているか、あるいは変化が無いかの何れであるかを判別し、その結果に基づき、R,G,B各色光源の投入電力制御の基準レベルを増減する技術が記載されている。
しかし、この技術の場合、発光波長の時間的変化の方向のみを検出して制御するものであるため、光源の点灯直後の、光源自身の発熱による温度変化に伴う、比較的速い色変化は補正できるかも知れないが、非常に緩慢な環境温度の変化や長期間に亘る光源の劣化に伴う色変化には対応できない問題がある。
また、複数色の光源が同時に独立に色変化を起こす場合の、各色光源それぞれを、如何にして投入電力制御すればよいかについて未解決のままであった。
さらに、例えば特開2007−156211号には、R,G,B各色の光源を色順次で発光させるものにおいて、R,G,B各色用光センサのそれぞれの分光感度特性を、CIE(国際照明委員会)の制定になるXYZ表色系における3個の等色関数それぞれと同じものとして、それぞれの光センサ出力について目標値からの誤差が小さくなるように制御することにより白バランスを補正する技術が記載されている。
しかし、この技術では、R,G,B各色の光源を色順次で発光させるという元来の動作様式の特徴をうまく利用して、R,G,Bそれぞれの光が単独でR,G,B各色用光センサに入力されて自動的に生成される、合計9種類の信号を活用することが前提となっている。
したがって、もし、R,G,B各色の光源を色順次で発光させるのではなく、R,G,B各色の光源を連続発光させる光源装置においてこの技術を利用しようとすると、R,G,B各色の帯域フィルタと3個の等色関数フィルタとの組合わせに対応した9個の光センサを設置するなど、何らかの方法により、前記した合計9種類の信号を生成する必要があり、装置の構造が複雑化する欠点があった。
また、例えば特開2008−134378号には、LED光源からの出力と色を検出する光検出センサの検出結果に基づきダイクロイックミラーの角度を変化させ、LEDからの発光のうちの不都合な波長成分を捨てて色を補正する技術が記載されているが、不都合な光を捨てるため低効率であり、色を検出する光検出センサの実現方法については未解決であった。
また、例えば、特開2010−152326号には、R,G,B各色のLED光源を色順次で発光させるプロジェクタにおいて、LEDへの供給電流が変化することに起因して、発光の色度も変化することに対応するため、例えばR色のフレームにおいても、G,B色の発光を混合し、色合成によってR色フレームのR色の色度を制御するものにおいて、今から生成しようとするR色フレームの色を、過去に生成したR色フレームの色度誤差が相殺補正されるような色度に、敢えて過剰補正設定することを、毎回のフレーム生成の度毎に行うことにより、人間の視覚刺激における残像効果を利用して、常に正しい色再現ができるようにする技術が記載されている。
しかし、この技術で相殺補正ができるためには、瞬間的には過剰補正を行う能力が必要になるため、各色の目標色度座標は、単色のものよりもかなり白側に設定する必要があり、色再現領域が狭くなってしまう欠点がある。
さらに、R,G,B各色の照度センサを用いて、どのようにすれば色合成された光の色度を測定可能なのかが示されていない。
なお、色順次方式でない、連続発光を必要とする場合に対し、この技術が応用可能であるか否かは記載されていない。
特開2006−252777号 特開2007−156211号 特開2008−134378号 特開2010−152326号
本発明が解決しようとする課題は、R,G,B3原色の出力光束が実用上必要な色相の安定性を有し、かつR,G,Bの出力光束の総合した色相が目標とする色相に維持されるようにした光源装置およびプロジェクタを提供することにある。
本発明における第1の発明の光源装置は、狭い波長帯域で発光する発光素子(Lr1,Lr2,…,Lra)と前記発光素子(Lr1,Lr2,…,Lra)を駆動する駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra)を具備するユニットを1個の要素光源(Ur1)として、該要素光源(Ur1,Ug1,Ub1,…)の複数個と、前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)を制御する制御回路(Mc)と、を有し、前記発光素子(Lr1,Lr2,…,Lra,Lg1,Lg2,…)からの放射光からなる、R,G,Bの3原色のR色出力光束(Fr)とG色出力光束(Fg)とB色出力光束(Fb)とを、それぞれ異なる光路を経由して分離して外部に放射する光源装置であって、
前記G色出力光束(Fg)は、G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)からの主成分光(Fgm)を含み、前記R色出力光束(Fr)は、R色の発光素子(Lr1,Lr2,…)からの主成分光(Frm)に加えて、前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)とは独立なG色の発光素子(Lra)からの付加光(Fra)を混合して生成されることが可能であり、かつ、前記B色出力光束(Fb)は、B色の発光素子(Lb1,Lb2,…)からの主成分光(Fbm)に加えて、前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)とは独立なG色の発光素子(Lba)からの付加光(Fba)を混合して生成されることが可能であり、
さらに前記光源装置は、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれが入射され、入射された光を測定して、光の色度座標と光の強度とに相関する光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)を生成する、R色光束特性測定手段(Ar)およびG色光束特性測定手段(Ag)、B色光束特性測定手段(Ab)を有しており、
前記制御回路(Mc)は、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについての前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)を少なくとも間欠的に取得し、前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)に基づき、前記付加光を混合して生成された出力光束についての、色度座標の少なくとも片方に相関する単色色相指示値を生成し、該単色色相指示値が目標値に一致するよう、前記主成分光の強度に対する前記付加光の強度の比率を決定し、
さらに前記制御回路(Mc)は、前記付加光を混合して生成された出力光束については取得した前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)に基づき、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光についての、色度座標に相関する総合色相指示値を生成し、該総合色相指示値に対して、定めた目標値との差異が小さくなるよう、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれの前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)をフィードバック制御することを特徴とするものである。
本発明における第2の発明の光源装置は、前記制御回路(Mc)は、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記制御回路(Mc)は、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光について、前記の色度座標に相関する総合色相指示値に加えて明るさに相関する明度指示値を生成し、前記明度指示値とその目標値の差異が小さくなるよう、前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)をフィードバック制御することを特徴とするものである。
本発明における第3の発明の光源装置は、前記G色出力光束(Fg)は、前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)からの前記主成分光(Fgm)に加えて、前記R色の発光素子(Lr1,Lr2,…)および前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)、前記B色の発光素子(Lb1,Lb2,…)とは独立なR色またはG色、B色の発光素子からの付加光を混合して生成されることが可能であることを特徴とするものである。
本発明における第4の発明の光源装置は、前記R色光束特性測定手段(Ar)および前記G色光束特性測定手段(Ag)、前記B色光束特性測定手段(Ab)それぞれは、入射された出力光束の前記主成分光(Frm,Fgm,Fbm)についての基準波長からの偏差および強度を測定し、前記付加光(Fra,Fga,Fba)を混合して生成された出力光束については、さらに前記付加光(Fra,Fga,Fba)についての強度を測定して、前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)を生成することを特徴とするものである。
本発明における第5の発明の光源装置は、前記R色光束特性測定手段(Ar)および前記G色光束特性測定手段(Ag)、前記B色光束特性測定手段(Ab)それぞれは、入射された出力光束の前記主成分光(Frm,Fgm,Fbm)についての基準波長からの偏差および強度を測定するために、少なくとも前記主成分光(Frm,Fgm,Fbm)の波長近傍で、波長の変化に対する感度の変化率が相異なる、第1光量検出器(Arm1)と第2光量検出器(Arm2)とを具備することを特徴とするものである。
本発明における第6の発明の光源装置は、前記制御回路(Mc)は、色度の計算に必要な等色関数それぞれについて、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)の前記主成分光(Frm,Fgm,Fbm)の基準波長における関数値と波長の変化に対する関数の変化率、および前記付加光(Fra,Fga,Fba)の基準波長における関数値とからなる局所帯域等色関数情報を保有しており、
前記付加光(Fra,Fga,Fba)を混合して生成された出力光束について、前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)と、前記局所帯域等色関数情報とを用いて、前記単色色相指示値に代わる単色色相指示値を生成するとともに、
前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光について、前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)と、前記局所帯域等色関数情報とを用いて、前記総合色相指示値に代わる総合色相指示値を生成することを特徴とするものである。
本発明における第7の発明の光源装置は、前記制御回路(Mc)は、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについて、前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)に基づき、前記単色色相指示値に代えて強度に相関する光束強度指示値を生成し、
さらに前記制御回路(Mc)は、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについての前記光束強度指示値を微小変化させたときの前記総合色相指示値の変化量を、前記した前記光束強度指示値の変化量を用いて、その線形演算で表すときの係数を決定し、前記係数を介して前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについての前記光束強度指示値の変化量を決定して前記したフィードバック制御を行うことを特徴とするものである。
本発明における第8の発明の光源装置は、前記第1光量検出器(Arm1)と前記第2光量検出器(Arm2)とは、それぞれ光センサ(Cr1,Cr2)を有し、前記光センサ(Cr1,Cr2)の少なくとも一方の前面に、波長の変化に対する分光透過率が変化する特性フィルタ(Ers1,Ers2)を設けることを特徴とするものである。
本発明における第9の発明の光源装置は、前記第1光量検出器(Arm1)と前記第2光量検出器(Arm2)とは、同じ光量検出器に対して交互に特性変化を与えることにより、時間分割によって実現するものであり、前記第1光量検出器(Arm1)と前記第2光量検出器(Arm2)とは、光センサ(Cr1,Cr2)を共有しており、前記第2光量検出器(Arm2)として働く場合は、前記第1光量検出器(Arm1)として働く場合とは異なる特性フィルタ(Ers1,Ers2)を設けることを特徴とするものである。
本発明における第10の発明の光源装置は、前記第1光量検出器(Arm1)と前記第2光量検出器(Arm2)とが有する前記光センサの少なくとも一方が撮像素子であることを特徴とするものである。
本発明における第11の発明のプロジェクタは、請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の光源装置を利用して画像を投影表示することを特徴とするものである。


R,G,B3原色の出力光束が実用上必要な色相の安定性を有し、かつR,G,Bの出力光束の総合した色相が目標とする色相に維持されるようにした光源装置およびプロジェクタを提供することができる。
本発明の光源装置を簡略化して示すブロック図を表す。 本発明の光源装置を簡略化して示すブロック図を表す。 本発明の光源装置の技術に関連する概念の概略図を表す。 本発明の光源装置の技術に関連する概念の概略図を表す。 本発明の光源装置の一部を簡略化して示すブロック図を表す。 本発明の光源装置の一部を簡略化して示す模式図を表す。 本発明のプロジェクタの実施例の一形態を簡略化して示す図を表す。 本発明のプロジェクタに係わる従来のプロジェクタの一種の一部の一形態を説明する図を表す。 本発明のプロジェクタに係わる従来のプロジェクタの一種の一部の一形態を説明する図を表す。
先ず、本発明の光源装置を簡略化して示すブロック図である図1を用いて、本発明を実施するための形態について説明する。
R色の要素光源(Ur1)には、主成分光(Frm)を発生させるためのR色の発光素子(Lr1,Lr2,…)と、付加光(Fra)を発生させるためのG色の発光素子(Lra)とを具備しており、前記主成分光(Frm)と前記付加光(Fra)とは混合されて、一つのR色出力光束(Fr)として光源装置から出力される。
なお、前記発光素子(Lr1,Lr2,…,Lra)、および後述する発光素子(Lg1,Lg2,…,Lra,Lb1,Lb2,…,Lba,…)の個々については、ここでは、例えば半導体レーザや、半導体レーザの放射光を、高調波発生・光パラメトリック効果などのような非線形光学現象を利用して波長変換する光源などであり、そのような光源の1個単独、または複数個の直列接続、複数個の並列接続、複数個の並列接続の複数個の直列接続などであって、それぞれが、1個の前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra)によって駆動できるものとしている。
前記発光素子(Lr1,Lr2,…,Lra)は、駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra)によって駆動される。
該駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra)については、ここでは、直流電源(図示を省略)によって給電される、例えば降圧チョッパや昇圧チョッパなど方式の回路によって構成された、DC/DCコンバータであり、前記発光素子(Lr1,Lr2,…,Lra)に規定の電力を投入できるものとしている。
制御回路(Mc)は、駆動回路制御信号(Jr1,Jr2,…,Jra)を介して前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra)毎に独立に制御し、それぞれの前記発光素子(Lr1,Lr2,…,Lra)に規定の電力を投入することができるように構成されている。
そして、前記R色出力光束(Fr)からは、例えば、ビームスプリッタ等を用いてその一部を分岐するなどの方法により、測定用光束(Fr’)を作り、R色光束特性測定手段(Ar)に入射する。
該R色光束特性測定手段(Ar)は、前記R色出力光束(Fr)に関する色度座標と強度とに相関する、光束色度強度相関データ(Dr)を生成し、前記制御回路(Mc)に送る。
なお、前記R色出力光束(Fr)については、必要に応じ、例えばコリメータレンズ等の光学系を挿入して無限遠像に向かう光束に変換するなど、その光の用途に適合するよう、光束形態の整合化が図れられるが、そのための光学系は図示を省略してある。
本発明の光源装置は、前記R色の要素光源(Ur1)に加え、G色の要素光源(Ug1)およびB色の要素光源(Ub1)を有しており、それぞれ主成分光(Fgm)および主成分光(Fbm)を発生するためのG色の発光素子(Lg1,Lg2,…)およびB色の発光素子(Lb1,Lb2,…)を具備し、G色出力光束(Fg)およびB色出力光束(Fb)を生成する。
特に前記B色の要素光源(Ub1)は、前記R色の要素光源(Ur1)と同様に、付加光(Fba)を発生するためのG色の発光素子(Lba)をさらに具備し、主成分光(Fbm)に混合される。
これらの要素光源は、前記要素光源(Ur1)と同様に、前記発光素子(Lg1,Lg2,…,Lra,Lb1,Lb2,…,Lba,…)を駆動する駆動回路(Pg1,Pg2,…,Pb1,Pb2,…,Pba,…)を具備し、また、前記制御回路(Mc)は、駆動回路制御信号(Jg1,Jg2,…,Jg1,Jg2,…,Jba,…)を介して前記駆動回路(Pg1,Pg2,…,Pb1,Pb2,…,Pba,…)毎に独立に制御し、それぞれの前記発光素子(Lg1,Lg2,…,Lra,Lb1,Lb2,…,Lba,…)に規定の電力を投入する。
そして、前記G色出力光束(Fg)および前記B色出力光束(Fb)についても、光束形態の整合化を図った上で、それぞれの一部を分岐して測定用光束(Fg’,Fb’)とし、G色光束特性測定手段(Ag)およびB色光束特性測定手段(Ab)に入射される。
これら光束特性測定手段は、それぞれの光束に関する色度座標と強度とに相関する、光束色度強度相関データ(Dg,Db)を生成し、前記制御回路(Mc)に送る。
前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)は、例えば前記したプロジェクタの場合、R,G,Bの各色毎に分けて各色独立に設けた2次元光振幅変調素子を照明し、ダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムを配置してR,G,Bの3原色の変調光束の色合成を行う使い方で利用可能である。
また、本発明の光源装置を簡略化して示すブロック図である図2のように、光ファイバを用いて光源装置を構成することができる。
本図は、主としてR色出力光束(Fr)を生成する部分のみを示しており、G色出力光束、B色出力光束を生成する部分については省略してある。
R色の要素光源(Ur1,Ur2,…)の発光素子(L1r1,L1r2,…,L1ra,L2r1,L2r2,…,L2ra,…)から発せられた光は、例えばレンズから成る集光光学系(Ecr1,Ecr2,…)によって光ファイバ(Efr1,Efr2,…)の入射端(Eir1,Eir2,…)に集光され、前記光ファイバ(Efr1,Efr2,…)のコアを伝播して出射端(Eor1,Eor2,…)から放射されるようにすることもできる。
要素光源(Ur1,Ur2,…)の光ファイバ(Efr1,Efr2,…)の出射端(Eor1,Eor2,…)からの放射光は、総合されて1個のR色出力光束(Fr)として本発明の光源装置から出力される。
なお、複数個の前記出射端(Eor1,Eor2,…)からの放射光の総合方法としては、最も簡単には、前記出射端(Eor1,Eor2,…)が同一平面上に位置するように揃えて、前記光ファイバ(Efr1,Efr2,…)の出射端部を束ね、ファイババンドル(Efr)を構成することにより実現することができる。
前記光ファイバ(Efr1,Efr2,…)のそれぞれが導光する前記R色出力光束(Fr)の光量に相関する量を測定できるよう、前記出射端(Eor1,Eor2,…)からの放射光の一部を抽出して総合した測定用光束(Fr’)を生成し、R色光束特性測定手段(Ar)に入力する構成とすることができる。
なお、ここでは、前記要素光源(Ur1,Ur2,…)からの、総合された前記R色出力光束(Fr)に対し、1個の前記R色光束特性測定手段(Ar)を設ける構成を示したが、図1に示したように、要素光源毎に光束特性測定手段を設けるように構成してもよい。
これは、具体的には、図2において、前記集光光学系(Ecr1,Ecr2,…)の直前または直後の位置から測定用光束を分岐させ、光束特性測定手段に入射させるようにすることにより実現可能である。
ここで、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれの色度座標と強度とに相関する、光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)を生成する前記R色光束特性測定手段(Ar)および前記G色光束特性測定手段(Ag)、前記B色光束特性測定手段(Ab)について説明する。
一般に、光源等から発せられる光の色は、CIEの制定になるXYZ表色系に基づく色度座標によって表される。
(参考文献:「色の性質と技術」1986年10月10日初版第1刷,応用物理学会・光学懇話会編,朝倉書店発行)
波長 λ をパラメータとするスペクトル S(λ) で表される被測定光束の三刺激値 X,Y,Z は、CIEにより定められている等色関数 xe(λ),ye(λ),ze(λ) を用いて、以下の式(式1)
X = ∫S(λ)・xe(λ)・dλ
Y = ∫S(λ)・ye(λ)・dλ
Z = ∫S(λ)・ze(λ)・dλ
の積分計算で求める。
ただし、積分は380nmから780nmの領域で行うとされている。
これらを用いて、被測定光束 S(λ) の色度座標 x,y は、以下の式(式2)
x = X/{X+Y+Z}
y = Y/{X+Y+Z}
のように求められる。
また、前記した被測定光束の強度 I は、以下の式(式3)
I = ∫S(λ)・dλ
により求めればよい。
なお、等色関数 xe(λ),ye(λ),ze(λ) の特性は、本発明の光源装置の技術に関連する概念の概略図である図3に示すようである。
(因みに、一般文献では、等色関数は、x,y,z 各文字の上に横棒を付した記号が使用されるが、本明細書では都合により前記したように表記する。)
本明細書では、主として前記したXYZ表色系に基づく三刺激値 X,Y,Z や色度座標 x,y 等の諸量を扱い、これらの値が所望の値になるよう制御する光源装置に関して述べるが、実際の光源装置の構成にあたっては、これらの諸量を忠実に扱う必要は無く、これらの諸量に相関する量や代替量を扱うようにしてもよい。
また、表色系については、光の色を特定できるものであれば、他の表色系、例えばRGB表色系やu'v'表色系などに基づくものであっても構わない。
結局、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれの色度座標と強度とに相関する、光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)としては、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれのスペクトル Sr(λ),Sg(λ),Sb(λ) を求めることのできるデータであればよいことが判る。
本発明の光源装置においては、前記発光素子(Lr1,Lr2,…,Lra,Lg1,Lg2,…)は狭い波長帯域で発光するものであるから、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれのスペクトル Sr(λ),Sg(λ),Sb(λ) を求めるためには、例えば、各出力光束の前記主成分光(Frm,Fgm,Fbm)についての基準波長からの偏差および強度を測定し、また、その出力光束が前記付加光(Fra,Fga,Fba)を混合して生成されたものである場合は、さらに前記付加光(Fra,Fga,Fba)についての強度を測定して、前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)とすればよい。
いま述べたように、前記付加光(Fra,Fga,Fba)については、基準波長からの偏差を測定しないものでも構わない。
その理由は、前記付加光(Fra,Fga,Fba)の強度は前記主成分光(Frm,Fgm,Fbm)に比して十分弱く、したがって前記付加光(Fra,Fga,Fba)の微小な基準波長からの偏差は、色度座標の値への寄与において2次の微小量となるため、通常は無視してよいからである。
図4は、色度座標と色の関係を表した色度図と呼ばれるものを概略図で示したもので、この表色系で表現可能な全ての色は、図の点線上もしくはその内部に位置し、赤色(R),緑色(G),青色(B),白色(W)の概略位置を記載してある。
ここで、図の点線のうち、BからGを経てRに至るU字曲線状の部分はスペクトル軌跡と呼ばれ、レーザ光のような単色光は、このスペクトル軌跡の点線上に位置する。
ただし、RからBに至る直線部は、純紫軌跡と呼ばれ、B色とR色の混合により生成される。
なお、純白の色度座標は 1/3,1/3 である。
いま、本光源装置に搭載する発光素子として、R,G,Bそれぞれの波長が640nm,532nm,465nmの半導体レーザ(R,B色)および第2高調波光源(G色)を想定すると、これらの色は、前記色度図において色度座標点(cr,cg,cb)のように表される。
因みに、このとき、本光源装置による色再現領域は、前記色度座標点(cr,cg,cb)を頂点とする3角形の内側の、図において網掛けした領域となる。
ここで、前記した温度変化等に起因して、前記R色出力光束(Fr)の前記主成分光(Frm)を構成する前記R色の発光素子(Lr1,Lr2,…)の波長が変化する場合を考えると、前記主成分光(Frm)の前記色度座標点(cr)は、それが乗るスペクトル軌跡の点線上を、G色の前記色度座標点(cg)に近づく、または遠ざかる方向に移動する。
したがって、例えば、前記色度座標点(cr)が前記色度座標点(cg)に最も近づく条件を基準色度座標条件として設定するならば、もし、前記R色の発光素子(Lr1,Lr2,…)の色が、前記した基準条件よりも前記色度座標点(cg)から遠ざかった位置にある場合は、前記R色出力光束(Fr)の前記付加光(Fra)を構成する前記G色の発光素子(Lra)を、前記R色の発光素子(Lr1,Lr2,…)の電力に対する適当な比率の電力で発光させることにより、前記主成分光(Frm)に前記付加光(Fra)が混合され、前記R色出力光束(Fr)の前記色度座標点(cr)を、前記した基準色度座標条件に維持させることができる。
また同様に、前記B色出力光束(Fb)の前記主成分光(Fbm)を構成する前記B色の発光素子(Lb1,Lb2,…)の波長が変化する場合を考えると、前記主成分光(Fbm)の前記色度座標点(cb)は、それが乗るスペクトル軌跡の点線上を、G色の前記色度座標点(cg)に近づく、または遠ざかる方向に移動する。
したがって、例えば、前記色度座標点(cb)が前記色度座標点(cg)に最も近づく条件を基準色度座標条件として設定するならば、もし、前記B色の発光素子(Lb1,Lb2,…)の色が、前記した基準条件よりも前記色度座標点(cg)から遠ざかった位置にある場合は、前記B色出力光束(Fb)の前記付加光(Fba)を構成する前記G色の発光素子(Lba)を、前記B色の発光素子(Lb1,Lb2,…)の電力に対する適当な比率の電力で発光させることにより、前記主成分光(Fbm)に前記付加光(Fba)が混合され、前記B色出力光束(Fb)の前記色度座標点(cb)を、前記した基準色度座標条件に維持させることができる。
ただし、R色の前記色度座標点(cr)の近傍では、スペクトル軌跡の点線の方向が、前記色度座標点(cr)とG色の前記色度座標点(cg)とを結ぶ方向と概ね一致しているが、B色の前記色度座標点(cb)の近傍では、スペクトル軌跡の点線の方向が、前記色度座標点(cb)とG色の前記色度座標点(cg)とを結ぶ方向とある角度を有している。
そのため、前記R色出力光束(Fr)については、色度座標の片方としての前記色度座標点(cr)のy座標のみに注目して、前記した基準色度座標条件のy座標と等しくなるよう前記G色の発光素子(Lra)の電力を調整すると、y座標はもちろん、x座標についても、良い精度で前記した基準色度座標条件が維持されるが、一方、前記B色出力光束(Fb)については、色度座標の片方としての前記色度座標点(cb)のy座標のみに注目して、前記した基準色度座標条件のy座標と等しくなるよう前記G色の発光素子(Lba)の電力を調整すると、当然、y座標については前記した基準色度座標条件が維持されるが、x座標については、厳密には多少の誤差が生じる可能性があるものの、実用上は、いま述べた調整方法にて十分である。
なお、前記R色出力光束(Fr)については、前記色度座標点(cr)近傍では、スペクトル軌跡の点線も、前記色度座標点(cr)とG色の前記色度座標点(cg)とを結ぶ方向も、x軸に対する傾きが約45度であるから、x座標もy座標に相関しており、よって前記色度座標点(cr)のx座標のみに注目して、前記した基準色度座標条件のx座標と等しくなるように調整しても構わない。
一方前記B色出力光束(Fb)については、前記色度座標点(cb)近傍では、スペクトル軌跡の点線も、前記色度座標点(cb)とG色の前記色度座標点(cg)とを結ぶ方向も、概ねy軸の方向を向いているから、前記したように前記色度座標点(cb)のy座標に注目して、前記した基準色度座標条件のy座標と等しくなるように調整することが好適である。
なお、単色色相指示値として、前記した式2に忠実な計算により、前記色度座標点(cr)および前記色度座標点(cb)それぞれのy座標を求めてもよいが、当然ながら、計算の都合に合わせ、前記色度座標点(cr)および前記色度座標点(cb)それぞれのy座標に相関する代替量を生成し、これが目標値に一致するよう、前記主成分光の強度に対する前記付加光の強度の比率を決定してもよい。
比率を決定する方法としては、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を発生している状態において、前記R色光束特性測定手段(Ar)および前記B色光束特性測定手段(Ab)によって生成された前記光束色度強度相関データ(Dr,Db)に基づき、R色の前記色度座標点(cr)およびB色の前記色度座標点(cb)の単色色相指示値を監視しながら、それらがその目標値に一致するよう、前記制御回路(Mc)が、前記R色出力光束(Fr)の前記付加光(Fra)を発する前記G色の発光素子(Lra)を駆動する駆動回路(Pra)および前記B色出力光束(Fb)の前記付加光(Fba)を発する前記G色の発光素子(Lba)を駆動する駆動回路(Pba)に対し、後述するように、それらの出力電力をフィードバック制御する方法を採用することができる。
あるいは、後述するように、フィードバック制御によらずに、計算によって決定するようにしてもよい。
前記したようにして、前記色度座標点(cr)および前記色度座標点(cb)について、前記した基準色度座標条件が維持されるよう、あるいは、より実際的に言えば、単色色相指示値がその目標値に一致するよう、前記R色出力光束(Fr)および前記B色出力光束(Fb)について、前記主成分光の強度に対する前記付加光の強度の比率が決定できても、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光の色について、それを確定させるために、さらなる制御が必要である。
そのために、前記制御回路(Mc)は、前記R色光束特性測定手段(Ar)および前記G色光束特性測定手段(Ag)、前記B色光束特性測定手段(Ab)によって生成された前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)に基づき、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した色度座標に相関する総合色相指示値を生成し、その目標値との差異が小さくなるよう、前記比率を維持しながら、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれの前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)をフィードバック制御する。
なお、総合色相指示値として、前記した式2に忠実な計算により、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した色度座標 x,y を求めてもよいが、当然ながら、計算の都合に合わせ、色度座標に相関する代替量を生成し、これが目標値との差異が小さくなるよう制御してもよい。
以下において、総合色相指示値たる前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した色度座標 x,y が、その目標値との差異が小さくなるようにするフィードバック制御について簡単に述べる。
ここで、色度座標の目標値は、白色付近に設定されているとする。
前記制御回路(Mc)は、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)から取得した前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)に基づいて色度座標を算出し、算出された色度座標のそれぞれの値 x,y と、それらそれぞれの目標値とを比較する。
図4において、白色の位置を基準に見ると、概ねRは右側、Gは上側、Bは下側に位置するから、白色光の色度座標は、R成分を増すと x 値が増加、G成分を増すと y 値が増加、B成分を増すと y 値が減少することになる。
したがって例えば、もし x が目標値より大きい場合は、前記制御回路(Mc)は、前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)のなかの前記R色出力光束(Fr)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Ptr を p %減少させ、かつ前記G色出力光束(Fg)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Ptg 、および前記B色出力光束(Fb)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Ptb それぞれを {p/2} %づつ増加させ、また、もし y が目標値より大きい場合は、前記した Ptg を q %減少させ、かつ Ptb を q %増加させるよう、前記駆動回路制御信号(Jr1,Jr2,…,Jra,Jg1,Jg2,…)を介して制御すればよいことが判る。
そして適当な時間をおいて、再度、前記した光量測定データを取得する箇所にシーケンスを戻すようにすることにより、フィードバック制御ループが構築される。
このフィードバック制御ループにより、強度をあまり変化させずに、色度座標とその目標値との差異が小さくなるよう常に制御が行われることになり、光の色の安定化を図ることができる。
ただし、値 x または y が目標値より小さい場合は、前記の記述における増加と減少の操作を逆にする。
また、値 p および q は、光の色の急激な変化が起きない程度に小さい値とすべきであるが、値 x と目標値との差異の大きさに対する値 p の大きさ、および値 y と目標値との差異の大きさに対する値 q の大きさの関係は、実験的に決めるとよい。
なお、前記した値 p に基づく出力電力の増減と、値 q に基づく出力電力の増減とは交互に行ってもよく、あるいは、値 p と q とをそれぞれ決定後、これら両方の値を反映させた出力電力の増減を行うようにしてもよい。
色度座標 x,y の目標値との差異を検出したときの、前記した Ptr,Ptg,Ptb に対する増減のさせ方について、ここで述べた、値 p,q に基づく方法は、必ずしも、最短経路で目標値に向かう仕方ではなく、試行錯誤的要素の強い仕方である。
しかし、フィードバック制御により、徐々に目標値に向けて系の状態を変化させて行けるため、前記した方法でも十分実用的である。
なお、最短経路で目標値に向かう仕方については後述する。
因みに、目標とする色度座標は、必ずしも純白に対応するものが良いとは限らない。
理由は、例えば、本光源装置をプロジェクタに応用する場合、プロジェクタ本体の光学系の光の利用効率が、R,G,B各色で同じであるとは限らないからである。
例えば、あるプロジェクタ本体の光学系ではB色の利用効率が低いとすると、目標とする色度座標は、B色成分が多めの、青色がかったものとするであろう。
したがって、目標とする色度座標は、本光源装置の前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した色ではなく、本光源装置を利用する装置の出力に合わせて決めればよい。
なお、ここでは、一つの色の出力光束を構成する発光素子を駆動する駆動回路の出力電力の総和 Ptr,Ptg,Ptb とその色の出力光束の光の強さとは、概ね比例的に相関する性質(本明細書では電力光量比例則と呼ぶ)、詳しく言えば、前記した、前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)のなかの、前記R色出力光束(Fr)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Ptr 、および前記G色出力光束(Fg)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Ptg 、前記B色出力光束(Fb)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Ptb それぞれが、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれの光の強さに対し、概ね比例的に相関する性質を利用しているが、その前提として、前記発光素子(Lr1,Lr2,…,Lra,Lg1,Lg2,…)それぞれについて、発光色の異なる発光素子の間では発光効率は異なっても構わないが、発光色の同じ発光素子は、全て同じ発光効率(より実際的に言えば同一メーカの同種製品)であることを仮定している。
したがって、もし、同じ色であっても発光効率の異なる複数種類が混在する等により、前記した前提が成り立たない場合は、例えば、ある発光色のもので、発光効率が高い、種類Aの発光素子と、それより発光効率が10%低い、種類Bの発光素子とがあったとして、前記駆動回路制御信号(Jr1,Jr2,…,Jra,Jg1,Jg2,…)を介して前記制御回路(Mc)からの電力設定指令を受信したとき、種類Bの発光素子を駆動する駆動回路は、内部的には、指令された設定電力に対し10%増しの電力を設定する、などとする構成上の工夫により、容易に解決することができる。
なお、前記した電力光量比例則における比例の精度、すなわち直線性があまり良くなくても、問題にならない。
その理由は、電力の増加と光量の増加とが相関している限り、それが直線的な関係になくても、少しづつ電力を変化させることにより、フィードバック制御により、徐々に目標値に向けて系の状態を変化させて行けるからである。
また、前記した一つの色の出力光束を構成する発光素子を駆動する駆動回路の出力電力の総和 Ptr,Ptg,Ptb を変化させるとき、対象駆動回路が複数存在する場合は、全ての駆動回路を同じ割合で変化させたり、異なる割合で変化させたり、特定のもののみを変化させたりなど、様々な形態が考えられるが、何れであっても構わない。
駆動回路に対する電力設定は、例えば設定データ長が8ビットであれば256階調であるなど、その細やかさが有限である。
したがって、一つの色の出力光束を構成する発光素子を駆動する駆動回路の出力電力を最小単位づつ増して行く場合、全ての駆動回路の電力設定を一斉に1LSBだけ増すのではなく、例えば、1番目の駆動回路の電力設定を1LSBだけ増し、次は2番目の駆動回路の電力設定を1LSBだけ増し、…、というように、駆動回路を分けて増し、最後の駆動回路の電力設定を1LSBだけ増したら、次はまた1番目の駆動回路の電力設定を1LSBだけ増し、…、という仕方で増すようにすれば、電力設定の階調数を、駆動回路の個数倍に増すことができる利点がある。
ただし、前記主成分光の強度に対する前記付加光の強度の比率について、決定した値を維持しながら出力電力の総和を増減する必要があるため、一つの色の出力光束を構成する主成分光の電力の総和と付加光の電力の総和について、制御の細やかさ、すなわちダイナミックレンジが同程度になるよう、付加光を発する発光素子を駆動する駆動回路の設定データ長、すなわちビット長さを決める必要がある。
例えば一つの色の出力光束を構成する主成分光の要素光源が10個、付加光の要素光源が1個あり、主成分光の各駆動回路の設定データ長が8ビットであるならば、付加光の駆動回路の設定データ長は、例えば12ビットとする必要がある。
ここまで述べてきたように、本発明によれば、前記R色出力光束(Fr)には、前記付加光(Fra)を混合するための、前記G色の発光素子(Lra)を追加し、また前記B色出力光束(Fb)には、前記付加光(Fba)を混合するための、前記G色の発光素子(Lba)を追加するだけで、前記した仕方で前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)の電力を制御すれば、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれに必要な光の色の安定化と、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光の色の安定化の両方を実現することができる。
前記したCIEの制定になるXYZ表色系は、前記した式1の Y の値が、含まれる波長帯域の全てを総合した明るさを表すように構成されている。
したがって光の色に相関する色相指示値に加えて、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した明るさをも安定化制御する場合には、前記制御回路(Mc)は、算出された Y の値を明度指示値として、これと目標値とを比較し、もし Y が目標値より大きい場合は、前記した電力光量比例則を前提として、前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)のなかの、前記R色出力光束(Fr)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Ptr 、および前記G色出力光束(Fg)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Ptg 、前記B色出力光束(Fb)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Ptb それぞれを Q %減少させるよう、前記駆動回路制御信号(Jr1,Jr2,…,Jra,Jg1,Jg2,…)を介して制御することにより、光の色を変化させないで、明るさとその目標値との差異が小さくなる方向へフィードバック制御することにより、明るさの安定化を図ることができる。
ただし、Y が目標値より小さい場合は、前記の記述における増加と減少の操作を逆にする。
また、値 Q は、明るさの急激な変化が起きない程度に小さい値とすべきであるが、値 Y と目標値との差異の大きさに対する値 Q の大きさの関係は、実験的に決めるとよい。
なお、ここで述べた明るさの安定化のための出力電力の増減と、前記した光の色の安定化のための出力電力の増減とは交互に行ってもよく、あるいは、前記した値 p,q,Q をそれぞれ決定後、これら3個の値を反映させた出力電力の増減を行うようにしてもよい。
色度座標 x,y と明るさ Y の目標値との差異を検出したときの、前記した Ptr,Ptg,Ptb に対する増減のさせ方について、ここで述べた、値 p,q,Q に基づく方法は、必ずしも、最短経路で目標値に向かう仕方ではなく、試行錯誤的要素の強い仕方である。
しかし、フィードバック制御により、徐々に目標値に向けて系の状態を変化させて行けるため、前記した方法でも十分実用的である。
なお、最短経路で目標値に向かう仕方については後述する。
ここまで述べた本光源装置においては、前記G色出力光束(Fg)は、前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)からの前記主成分光(Fgm)に加えて付加光を混合して生成されることを必須としなかった。
その理由は、色の僅かな変化があったときにそれを人間が識別する能力は、色度座標の位置に依存して違いがあり、変化を識別できない領域の大きさ、いわゆる MacAdam の等色楕円の大きさが、G色近傍では大きい、言い換えれば、前記G色出力光束(Fg)に僅かな波長の変化があっても、人間はそれを識別できないからである。
(参考文献:「カラーマッチングの基礎と応用」1991年11月30日,(財)日本色彩研究所編,日刊工業新聞社発行,(p46)図4.1「MacAdam の色識別実験の結果(JOSA 32 1942)」)
当然ながら、G色出力光束といえども、波長の変化が大きくなると識別可能となるため、光源装置としては、前記G色出力光束(Fg)についても、付加光を混合することにより、その色度座標が変化しないようにすることが望ましい。
ただし、これを実現する場合、混合する付加光(Fga)の色は、前記主成分光(Fgm)の波長に応じて選ぶ必要がある。
主成分光(Fgm)に関する色度座標が、図4における前記色度座標点(cg)のように、R色の前記色度座標点(cr)へと繋がる概ね直線状のスペクトル軌跡の点線上にある第1の場合では、R色の発光素子(Lga)からの光を、逆に色度座標点(cg’)のように、B色の前記色度座標点(cb)へと繋がる概ね直線状のスペクトル軌跡の点線上にある第2の場合では、B色の発光素子(Lga)からの光を、そして色度座標点(cg”)のように、スペクトル軌跡の点線の頂上付近の曲線部にある第3の場合では、R色およびB色両方の発光素子を備え、その何れかからの光を付加光(Fga)として混合することが好適である。
なお、それぞれの場合に該当する前記主成分光(Fgm)の波長範囲は、第1の場合は520nm以上、第2の場合は515nm以下、第3の場合は510〜525nmとすればよい。
ただし、記載した波長範囲が重なっている領域の波長については、何れの場合に対応させても構わない。
例えば、前記第1の場合に関しては、先に前記R色出力光束(Fr)の前記色度座標点(cr)を、前記した基準色度座標条件に維持させることについて述べたものと同様に、前記した温度変化等に起因して、前記G色出力光束(Fg)の前記主成分光(Fgm)を構成する前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)の波長が変化する場合を考えると、前記主成分光(Fgm)の前記色度座標点(cg)は、それが乗るスペクトル軌跡の点線上を、R色の前記色度座標点(cr)に近づく、または遠ざかる方向に移動する。
したがって、例えば、前記色度座標点(cg)が前記色度座標点(cr)に最も近づく条件を基準色度座標条件として設定するならば、もし、前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)の色が、前記した基準条件よりも前記色度座標点(cr)から遠ざかった位置にある場合は、前記G色出力光束(Fg)の前記付加光(Fga)を構成する前記R色の発光素子(Lga)を、前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)の電力に対する適当な比率の電力で発光させることにより、前記主成分光(Fgm)に前記付加光(Fga)が混合され、前記G色出力光束(Fg)の前記色度座標点(cg)を、前記した基準色度座標条件に維持させることができる。
この場合、前記色度座標点(cg)の近傍では、スペクトル軌跡の点線の方向が、前記色度座標点(cg)とR色の前記色度座標点(cr)とを結ぶ方向と概ね一致しているため、色度座標の片方としての前記色度座標点(cg)のy座標のみに注目して、前記した基準色度座標条件のy座標と等しくなるよう前記R色の発光素子(Lga)の電力を調整すると、y座標はもちろん、x座標についても、良い精度で前記した基準色度座標条件が維持される。
なお、前記色度座標点(cg)の近傍では、スペクトル軌跡の点線の方向も、前記色度座標点(cg)とR色の前記色度座標点(cr)とを結ぶ方向も、x軸に対する傾きが約45度であるから、x座標もy座標に相関しており、よって前記色度座標点(cg)のx座標のみに注目して、前記した基準色度座標条件のx座標と等しくなるように調整しても構わない。
また、前記第2の場合に関しては、前記G色出力光束(Fg)の前記主成分光(Fgm)を構成する前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)の波長が変化する場合を考えると、前記主成分光(Fgm)の前記色度座標点(cg’)は、それが乗るスペクトル軌跡の点線上を、B色の前記色度座標点(cb)に近づく、または遠ざかる方向に移動する。
したがって、例えば、前記色度座標点(cg’)が前記色度座標点(cb)に最も近づく条件を基準色度座標条件として設定するならば、もし、前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)の色が、前記した基準条件よりも前記色度座標点(cb)から遠ざかった位置にある場合は、前記G色出力光束(Fg)の前記付加光(Fga)を構成する前記B色の発光素子(Lga)を、前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)の電力に対する適当な比率の電力で発光させることにより、前記主成分光(Fgm)に前記付加光(Fga)が混合され、前記G色出力光束(Fg)の前記色度座標点(cg’)を、前記した基準色度座標条件に維持させることができる。
この場合、前記色度座標点(cg’)の近傍では、スペクトル軌跡の点線の方向が、前記色度座標点(cg’)とB色の前記色度座標点(cb)とを結ぶ方向と概ね一致しているため、色度座標の片方としての前記色度座標点(cg’)のy座標のみに注目して、前記した基準色度座標条件のy座標と等しくなるよう前記B色の発光素子(Lga)の電力を調整すると、y座標はもちろん、x座標についても、良い精度で前記した基準色度座標条件が維持される。
なお、前記色度座標点(cg’)の近傍では、スペクトル軌跡の点線の方向も、前記色度座標点(cg’)とB色の前記色度座標点(cb)とを結ぶ方向も、概ねy軸の方向を向いているから、前記したように前記色度座標点(cg’)のy座標に注目して、前記した基準色度座標条件のy座標と等しくなるように調整することが好適である。
一方前記第3の場合に関しては、前記G色出力光束(Fg)の前記主成分光(Fgm)を構成する前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)の波長が変化する場合を考えると、前記主成分光(Fgm)の前記色度座標点(cg”)は、それが乗るスペクトル軌跡の点線上を、R色の前記色度座標点(cr)に近づく、またはB色の前記色度座標点(cb)に近づく方向に移動する。
したがって、例えば、前記色度座標点(cg”)の移動範囲の中央を基準色度座標条件として設定するならば、もし、前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)の色が、前記した基準条件よりもR色の前記色度座標点(cr)から遠ざかった位置にある場合は、前記G色出力光束(Fg)の前記付加光(Fga)を構成する前記R色の発光素子を、前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)の電力に対する適当な比率の電力で発光させることにより、前記主成分光(Fgm)に前記付加光(Fga)が混合され、逆に、もし、前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)の色が、前記した基準条件よりもB色の前記色度座標点(cb)から遠ざかった位置にある場合は、前記G色出力光束(Fg)の前記付加光(Fga)を構成する前記B色の発光素子を、前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)の電力に対する適当な比率の電力で発光させることにより、前記主成分光(Fgm)に前記付加光(Fga)が混合され、よって前記G色出力光束(Fg)の前記色度座標点(cg”)を、前記した基準色度座標条件に維持させることができる。
このとき、前記色度座標点(cg”)の近傍では、スペクトル軌跡の点線の方向は、概ねx軸方向を向いているから、前記色度座標点(cg”)のx座標に注目して、前記した基準色度座標条件のx座標と等しくなるように調整することが好適である。
なお、以上においては、前記付加光(Fga)として前記R色の発光素子または前記B色の発光素子の何れか一方のみを発光させるものについて記載したが、これらを適当な配合割合で両方とも発光させ、前記色度座標点(cg”)のy座標についても前記した基準色度座標条件のy座標と等しくなるよう制御するようにしてもよい。
また、以上においては、前記G色出力光束(Fg)の前記付加光(Fga)を構成する発光素子として、R色の発光素子およびB色の発光素子を備えるものについて記載したが、R色の発光素子に代えて色度座標点(cg)に位置するG色の発光素子としたり、あるいはB色の発光素子に代えて色度座標点(cg’)に位置するG色の発光素子としたりすることが可能である。
さらに、前記主成分光(Fgm)は、色度座標点(cg)または色度座標点(cg’)、色度座標点(cg”)の3種類うちの何れかに位置するものについて記載したが、本発明は、これらのうちの2種類または全てを混合して前記主成分光(Fgm)とするものについても適用可能である。
なお、本発明においては、前記G色出力光束(Fg)に付加光(Fga)を混合しない形態も存在するが、その形態の場合は、付加光(Fga)に関する光束強度指示値や主成分光の強度に対する比率などの量を零とおき、それらの量の値を求めるための計算を省略すればよいことを前提として、以降の記述においては、前記G色出力光束(Fg)に前記付加光(Fga)を混合する形態を基本として述べる。
前記したように、前記R色光束特性測定手段(Ar)および前記G色光束特性測定手段(Ag)、前記B色光束特性測定手段(Ab)それぞれは、入射された出力光束の前記主成分光(Frm,Fgm,Fbm)については、基準波長からの偏差および強度を測定でき、前記付加光(Fra,Fga,Fba)については、強度を測定できればよい。
これを実現するための前記光束特性測定手段の構成について本発明の光源装置の一部を簡略化して示すブロック図である図5を用いて説明する。
図および以下の説明は、R色光束特性測定手段(Ar)について記載するが、G色光束特性測定手段(Ag)およびB色光束特性測定手段(Ab)についても同様である。
R色光束特性測定手段(Ar)に入射した測定用光束(Fr’)の一部は、前記付加光(Fra)近傍の帯域の光のみを通す付加光フィルタ(Erta)を通過して、R色の主成分光(Frm)を含まない付加光測定用光束(Frta)となって光センサ(Cra)に入射され、また前記測定用光束(Fr’)の他の一部は、前記主成分光(Frm)近傍の帯域の光のみを通す主成分光フィルタ(Ertm)を通過して、G色の付加光(Fra)を含まない主成分光測定用光束(Frtm)となって、少なくとも前記主成分光(Frm)の波長近傍で、波長の変化に対する感度の変化率が相異なる、第1光量検出器(Arm1)と第2光量検出器(Arm2)とに入射される。
前記第1光量検出器(Arm1)では、前記主成分光測定用光束(Frtm)は、ある分光透過率特性を有する第1の特性フィルタ(Ers1)に入力され、それを通過した主成分光測定用光束(Frs1)は、光センサ(Cr1)で受光するとともに、該光センサ(Cr1)からの光検出信号(Srm1)は、光量測定回路(Hr)によって増幅やAD変換等の必要な処理を行い、前記光束色度強度相関データ(Dr)の一部として、前記R色出力光束(Fr)の、前記第1の特性フィルタ(Ers1)の分光透過率特性に基づくR色主成分光第1光量データを生成する。
当然ながら、前記第1光量検出器(Arm1)の分光感度特性には、前記第1の特性フィルタ(Ers1)および前記主成分光フィルタ(Ertm)に起因するものに加えて、前記光センサ(Cr1)自身の分光感度特性が反映される。
前記第2光量検出器(Arm2)についても同様であるが、前記主成分光測定用光束(Frtm)は、前記第1の特性フィルタ(Ers1)とは前記主成分光(Frm)の波長近傍で波長の変化に対する透過率の変化率が異なる分光透過率特性を有する第2の特性フィルタ(Ers2)に入力され、それを通過した主成分光測定用光束(Frs2)は、光センサ(Cr2)で受光するとともに、該光センサ(Cr2)からの光検出信号(Srm2)は、光量測定回路(Hr)によって増幅やAD変換等の必要な処理を行い、前記光束色度強度相関データ(Dr)の一部として、前記R色出力光束(Fr)の、前記第2の特性フィルタ(Ers2)の分光透過率特性に基づくR色主成分光第2光量データを生成する。
また、前記光センサ(Cra)からの光検出信号(Srma)も光量測定回路(Hr)によって増幅やAD変換等の必要な処理を行い、前記光束色度強度相関データ(Dr)の一部として、前記R色出力光束(Fr)のR色付加光光量データを生成する。
当然ながら、前記第1光量検出器(Arm1)の前記第1の特性フィルタ(Ers1)と前記主成分光フィルタ(Ertm)とを分けずに、前記第1の特性フィルタ(Ers1)が前記主成分光フィルタ(Ertm)の機能をも併せ持つように構成してもよく、これは前記第2光量検出器(Arm2)の第2の特性フィルタ(Ers2)についても同様である。
また、前記第1光量検出器(Arm1)または前記第2光量検出器(Arm2)の何れか一方の前記特性フィルタが素通しであるようにしてもよい。
そして前記制御回路(Mc)は、前記前記光束色度強度相関データ(Dr)を受信して、前記R色主成分光第1光量データおよび前記R色主成分光第2光量データ、前記R色付加光光量データを読み取ることができる。
なお、R色主成分光第1光量データとR色主成分光第2光量データとの組が、前記主成分光(Frm)について、色度座標と強度とに相関するものであることは後述する。
以上、前記R色光束特性測定手段(Ar)の構成について述べ、前記光束色度強度相関データ(Dr)の生成について説明したが、前記したように、G色光束特性測定手段(Ag)およびB色光束特性測定手段(Ab)の構成、光束色度強度相関データ(Dg,Db)の生成についても同様である。
なお、前記R色光束特性測定手段(Ar)および前記G色光束特性測定手段(Ag)、前記B色光束特性測定手段(Ab)それぞれの、第1光量検出器が有する第1の分光感度特性と、第2光量検出器が有する第2の分光感度特性とは、それぞれの主成分光(Frm,Fgm,Fbm)の波長帯域において、波長の変化に対する感度の変化率、すなわち波長変化時の感度変化の傾きが相違している状態が実現できればよい。
詳細に言うと、後述する式8,式11,式12をそれぞれ Ψr と Ψr・Δλr , Ψg と Ψg・Δλg , Ψb と Ψb・Δλb に関する2元連立1次方程式と見たとき、各方程式の行列式が零でない状態が実現できればよい。
ただし、一つの波長帯域における波長の変化に対する感度の変化率の相違の仕方として、一方が正で他方が負、あるいは一方が実質的に零で他方が非零(有限の値)、さらに両方とも同じ符号であるが絶対値が相違する、などの形態があり得るが、その何れでもよい。
なお、このような波長の変化に対する感度の変化率の制約を課すことは、本光源装置に実装される前記主成分光のための発光素子(Lr1,Lr2,…,Lg1,Lg2,…,Lb1,Lb2,…)が有するバラツキ、および想定温度範囲における発光波長変動に起因する、波長変化の上限と下限で規定される帯域幅内に限定すればよく、この帯域幅の外における分光感度特性はどのようであっても構わない。
前記主成分光のための発光素子(Lr1,Lr2,…,Lg1,Lg2,…,Lb1,Lb2,…)のうち一つの波長帯域のために使用するものを、同じメーカの同じ型式の製品に統一するならば、前記した帯域幅は、通常は数ナノメートルから十ナノメートル程度に過ぎないが、前記した第1の分光感度特性、および前記した第2の分光感度特性それぞれについて、この帯域幅内における波長の変化に対する感度の変化率の変化は少ないことが望ましい。
前記光束特性測定手段の構成が図5に示したものの場合、前記制御回路(Mc)は、前記R色光束特性測定手段(Ar)および前記G色光束特性測定手段(Ag)、前記B色光束特性測定手段(Ab)それぞれの前記した第1光量検出器が有する第1の分光感度特性、および前記した第2光量検出器が有する第2の分光感度特性それぞれについて、少なくとも、基準波長における感度値と波長の変化に対する感度の変化率とからなる局所帯域分光感度情報を保有しておけばよい。
それにより、前記制御回路(Mc)は、後述するように、前記R色光束特性測定手段(Ar)および前記G色光束特性測定手段(Ag)、前記B色光束特性測定手段(Ab)それぞれの光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)のうちの、前記第1光量検出器および前記第2光量検出器から読み取った主成分光第1光量データと主成分光第2光量データとの組、すなわち、R色主成分光第1光量データとR色主成分光第2光量データとの組、G色主成分光第1光量データとG色主成分光第2光量データとの組、B色主成分光第1光量データとB色主成分光第2光量データとの組に基づき、前記局所帯域分光感度情報を利用して、前記R色の主成分光(Frm)および前記G色の主成分光(Fgm)、前記B色の主成分光(Fbm)のそれぞれ毎の強度に相関する光束強度指示値と基準波長からの偏差に相関する波長偏差指示値とを近似的に算出することができる。
また、前記制御回路(Mc)は、色度の計算に必要な等色関数それぞれについて、少なくとも、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)の前記主成分光(Frm,Fgm,Fbm)の基準波長における関数値と波長の変化に対する関数の変化率、および前記付加光(Fra,Fga,Fba)の基準波長における関数値とからなる局所帯域等色関数情報を保有しておけばよい。
それにより、前記制御回路(Mc)は、前記付加光(Fra,Fga,Fba)を混合して生成された出力光束について、さらに付加光を混合せずに生成された出力光束についても、後述するように、前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)たる、前記した前記R色の主成分光(Frm)および前記G色の主成分光(Fgm)、前記B色の主成分光(Fbm)のそれぞれ毎の強度に相関する光束強度指示値と基準波長からの偏差に相関する波長偏差指示値と、前記局所帯域等色関数情報とを用いて、前記単色色相指示値を生成することができ、さらに、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光について、前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)と、前記局所帯域等色関数情報とを用いて、前記総合色相指示値を生成することができる。
前記した光の色の安定化、および明るさの安定化のためのフィードバック制御の仕方に関しては、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについて、さらにそれらを総合した光について、値 x,y および Y を、統一的にそれぞれの目標値に向かわせるための、前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)の出力電力の変化量を定量的に決める指針が示されていなかったため、試行錯誤的なフィードバック制御にならざるを得なかった。
ここでは、この点が改善されたフィードバック制御を実現する指針を示す。
これを実現するために、前記制御回路(Mc)は、R色主成分光第1光量データとR色主成分光第2光量データとの組、G色主成分光第1光量データとG色主成分光第2光量データとの組、B色主成分光第1光量データとB色主成分光第2光量データとの組に基づき、前記局所帯域分光感度情報を利用して、前記R色の主成分光(Frm)および前記G色の主成分光(Fgm)、前記B色の主成分光(Fbm)のそれぞれ毎の強度に相関する光束強度指示値と基準波長からの偏差に相関する波長偏差指示値を生成する。
ここで、強度とは、前記発光素子(Lr1,Lr2,…,Lra,Lg1,Lg2,…)のなかの一つの波長帯域に属するもの全ての光パワーに相関するものであるが、同じ波長帯域に属する場合でも主成分光と付加光とは分けて定量化する。
なお、強度は人間の視感度とは無関係である。
一方、明るさは、人間が感じる明るさであるから、同じ光パワー(密度)であっても、波長が変われば、人間の視感度の影響をうけて大きさが変化する。
また、前記制御回路(Mc)は、前記した前記R色の主成分光(Frm)および前記G色の主成分光(Fgm)、前記B色の主成分光(Fbm)のそれぞれ毎の強度に相関する光束強度指示値と基準波長からの偏差に相関する波長偏差指示値、さらに前記R色出力光束(Fr)を構成する付加光(Fra)および前記G色出力光束(Fg)を構成する付加光(Fga)、前記B色出力光束(Fb)を構成する付加光(Fba)それぞれの強度に相関する光束強度指示値を用いて、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれの色度座標のy座標(またはx座標で、前記したように条件により好適な方)が、それぞれその目標値に等しくなるための、R色の主成分光(Frm)の強度に対するその付加光(Fra)の強度の比率 hr 、G色の主成分光(Fgm)の強度に対するその付加光(Fga)の強度の比率 hg 、B色の主成分光(Fbm)の強度に対するその付加光(Fba)の強度の比率 hb をそれぞれ決定する。
さらに、前記制御回路(Mc)は、前記R色の主成分光(Frm)および前記G色の主成分光(Fgm)、前記B色の主成分光(Fbm)それぞれの前記光束強度指示値を微小変化させたときに、前記色相指示値たる三刺激値または色度座標に生じる変化量を、前記した前記光束強度指示値の変化量を用いて、その線形演算で表すときの係数を、前記R色の主成分光(Frm)および前記G色の主成分光(Fgm)、前記B色の主成分光(Fbm)それぞれの前記光束強度指示値および前記波長偏差指示値、さらに前記したR色の主成分光(Frm)の強度に対するその付加光(Fra)の強度の比率 hr 、G色の主成分光(Fgm)の強度に対するその付加光(Fga)の強度の比率 hg 、B色の主成分光(Fbm)の強度に対するその付加光(Fba)の強度の比率 hb を用いて決定する。
そして前記制御回路(Mc)は、決定した前記係数を使用して、前記R色の主成分光(Frm)および前記G色の主成分光(Fgm)、前記B色の主成分光(Fbm)それぞれの前記光束強度指示値を微小変化させるための変化量を決定し、これに基づいて前記制御回路(Mc)は、前記駆動回路制御信号(Jr1,Jr2,…,Jra,Jg1,Jg2,…)を介して前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)の出力電力を設定する。
以上の動作を繰り返すことにより、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれの色度座標のy座標(またはx座標で、前記したように条件により好適な方)が、それぞれその目標値に等しく、かつ前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光についての三刺激値 X,Y,Z 、または色度座標 x,y および明るさ Y が、その目標値に維持されるようフィードバック制御ループを構築することができる。
なお、前記した電力光量比例則を前提として、前記R色の主成分光(Frm)および前記G色の主成分光(Fgm)、前記B色の主成分光(Fbm)それぞれの前記光束強度指示値は、前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)のなかの、前記R色の主成分光(Frm)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pr 、および前記G色の主成分光(Fgm)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pg 、前記B色の主成分光(Fbm)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pb それぞれと、独立に比例関係にあると考えてよい。
例えば、前記R色の主成分光(Frm)および前記G色の主成分光(Fgm)、前記B色の主成分光(Fbm)それぞれの前記光束強度指示値を全て1%増す場合、前記した出力電力の総和それぞれが、200W,300W,100Wであったならば、それぞれ202W,303W,101Wとすればよい。
以下において、前記した改善されたフィードバック制御を実現する指針について定量的に説明する。
なお、前記した式1等においては、一般的な光束のスペクトルの強度として記号 S を用いたが、以降においては、主成分光に対する強度には記号 Ψ を、付加光に対する強度には記号 ψ をそれぞれ用いて区別する。
先ず、波長 λ をパラメータとするスペクトル Ψr(λ) で表されるR色の被測定主成分光を、前記第1光量検出器(Arm1)および前記第2光量検出器(Arm2)を用いて測定した前記R色主成分光第1光量データおよび前記R色主成分光第2光量データから、前記光束強度指示値と、前記波長偏差指示値たる基準波長からの偏差とを求める計算方法について説明する。
前記R色光束特性測定手段(Ar)における前記第1光量検出器(Arm1)および前記第2光量検出器(Arm2)それぞれがR色の波長帯域における分光感度特性 rm(λ),rn(λ) を有するとすると、前記R色主成分光第1光量データおよび前記R色主成分光第2光量データに含まれる光量測定データ値 Rm,Rn は、以下の式(式4)
Rm = ∫Ψr(λ)・rm(λ)・dλ
Rn = ∫Ψr(λ)・rn(λ)・dλ
のように表せる
なお、これらの積分領域は、少なくとも被測定光束 Ψr(λ) のスペクトルが存在する波長帯域を覆う領域とする。
ここで、被測定光束が単色光であると近似すると、そのスペクトル Ψr(λ) は、デルタ関数 δ(λ) を用いて以下の式(式5)
Ψr(λ) = Ψr・δ(λ−λro −Δλr )
のように表せる。
ここで、R色の主成分光の基準波長を λro とし、前記波長偏差指示値たる基準波長からの偏差を Δλr 、また、前記R色の主成分光(Frm)の前記光束強度指示値を Ψr とした。
一般に、関数 f = f(λ) の変数 λ が Δλ だけ微小変化したときの関数の変化 Δf は、関数 f の微分係数 df/dλ を用いて以下の式(式6)
Δf = (df/dλ)・Δλ
で近似できる
よって λ が λro の近傍では、λ=λro +Δλr と書けば、前記した分光感度特性は、以下の式(式7)
rm(λ) = rm(λro+Δλr) = rm(λro) + Ermo・Δλr
rn(λ) = rn(λro+Δλr) = rn(λro) + Erno・Δλr
のように書ける
ただし Ermo および Erno は、rm(λ) および rm(λ) の微分係数の、λ が λro であるときの値である。
前記した式5,式7を前記した式4それぞれに適用すると、以下の式(式8)
Rm = Ψr・∫δ(λ−λro −Δλr)・rm(λ)・dλ
= Ψr・rm(λro +Δλr)
= Ψr・{ rm(λro) + Ermo・Δλr }
Rn = Ψr・{ rn(λro) + Erno・Δλr }
ただし、
Ermo = drm/dλ(λ=λro)
Erno = drn/dλ(λ=λro)
を得る。
これらは、以下のよう
Rm = rm(λro)・Ψr + Ermo・Ψr・Δλr
Rn = rn(λro)・Ψr + Erno・Ψr・Δλr
に書き改めれば判るように、Ψr と Ψr・Δλr に関する2元連立1次方程式であるから、それは初等計算によって解けて Ψr と Ψr・Δλr の値を、したがって Ψr と Δλr の値を求めることができる。
以上、前記R色の主成分光(Frm)について述べたが、G色の主成分光(Fgm)およびB色の主成分光(Fbm)についても同様である。
前記G色光束特性測定手段(Ag)におけるG色の波長帯域の分光感度特性 gm(λ),gn(λ) 、および前記B色光束特性測定手段(Ab)におけるB色の波長帯域の分光感度特性 bm(λ),bn(λ) を用いると、前記G色主成分光第1光量データと前記G色主成分光第2光量データ、および前記B色主成分光第1光量データと前記B色主成分光第2光量データに含まれる光量測定データ値 Gm,Gn および Bm,Bn は、以下の式(式9)
Gm = ∫Ψg(λ)・gm(λ)・dλ
Gn = ∫Ψg(λ)・gn(λ)・dλ
Bm = ∫Ψb(λ)・bm(λ)・dλ
Bn = ∫Ψb(λ)・bn(λ)・dλ
のように表せる。
上式に現れたG色の主成分光(Fgm)およびB色の主成分光(Fbm)のスペクトル Ψg(λ),Ψb(λ) についても、G,B色の主成分光それぞれの基準波長 λgo,λbo 、および前記波長偏差指示値たる基準波長からの偏差 Δλg,Δλb 、さらに前記光束強度指示値 Ψg,Ψb を用いてデルタ関数 δ(λ) で表せば、以下の式(式10)
Ψg(λ) = Ψg・δ(λ−λgo −Δλg )
Ψb(λ) = Ψb・δ(λ−λbo −Δλb )
のように表せる。
よって、前記した式8と同様に、以下の式(式11)
Gm = Ψg・{ gm(λgo) + Egmo・Δλg }
Gn = Ψg・{ gn(λgo) + Egno・Δλg }
ただし、
Egmo = dgm/dλ(λ=λgo)
Egno = dgn/dλ(λ=λgo)
および以下の式(式12)
Bm = Ψb・{ bm(λbo) + Ebmo・Δλb }
Bn = Ψb・{ bn(λbo) + Ebno・Δλb }
ただし、
Ebmo = dbm/dλ(λ=λbo)
Ebno = dbn/dλ(λ=λbo)
を得るから、これらによって Ψg と Δλg 、および Ψb と Δλb の値を求めることができる。
以上、光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)のうちの、前記R色光束特性測定手段(Ar)を用いて測定した前記R色主成分光第1光量データと前記R色主成分光第2光量データ Rm,Rn 、前記G色光束特性測定手段(Ag)を用いて測定した前記G色主成分光第1光量データと前記G色主成分光第2光量データ Gm,Gn 、前記B色光束特性測定手段(Ab)を用いて測定した前記B色主成分光第1光量データと前記B色主成分光第2光量データ Bm,Bn から、前記R色の主成分光(Frm)および前記G色の主成分光(Fgm)、前記B色の主成分光(Fbm)それぞれに関する、前記光束強度指示値たる Ψr,Ψg,Ψb と、前記波長偏差指示値たる基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb を求めるまでをまとめると、以下のようである。
先ず、前記R色光束特性測定手段(Ar)に関する局所帯域分光感度情報、すなわち前記R色の主成分光(Frm)の基準波長 λro における分光感度特性 rm(λ),rn(λ) の値 rm(λro),rn(λro) と分光感度特性の波長の変化に対する感度の変化率の値 Ermo,Erno 、前記G色光束特性測定手段(Ag)に関する局所帯域分光感度情報、すなわち前記G色の主成分光(Fgm)の基準波長 λgo における分光感度特性 gm(λ),gn(λ) の値 gm(λro),gn(λro) と分光感度特性の波長の変化に対する感度の変化率の値 Egmo,Egno 、前記B色光束特性測定手段(Ab)に関する局所帯域分光感度情報、すなわち前記B色の主成分光(Fbm)の基準波長 λbo における分光感度特性 bm(λ),bn(λ) の値 bm(λro),bn(λro) と分光感度特性の波長の変化に対する感度の変化率の値 Ebmo,Ebno を事前に準備しておく。
そして前記した光量測定データ値 Rm,Rn と Gm,Gn と Bm,Bn とが得られれば、前記した式8,式11,式12からなる方程式の解により、簡単に前記光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb と、前記波長偏差指示値たる基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb を求めることができる。
また、前記R色出力光束(Fr)を構成する付加光(Fra)および前記G色出力光束(Fg)を構成する付加光(Fga)、前記B色出力光束(Fb)を構成する付加光(Fba)それぞれに関する光束強度指示値たる ψr,ψg,ψb は、前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)に含まれる、主成分光に関する測定と並行して、前記R色光束特性測定手段(Ar)によって測定されたR色付加光光量データ、前記G色光束特性測定手段(Ag)によって測定されたG色付加光光量データ、前記B色光束特性測定手段(Ab)によって測定されたB色付加光光量データからそれぞれ取得すればよい。
前記した電力光量比例則に関して述べた前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)のなかの、前記R色の主成分光(Frm)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pr 、および前記G色の主成分光(Fgm)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pg 、前記B色の主成分光(Fbm)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pb それぞれは、前記R色の主成分光(Frm)および前記G色の主成分光(Fgm)、前記B色の主成分光(Fbm)それぞれの前記光束強度指示値たる Ψr,Ψg,Ψb の目標値 Ψrp,Ψgp,Ψbp に対し、それぞれ独立な比例係数 Kr,Kg,Kb で結んだ以下の式(式13)
Pr = Kr・Ψrp
Pg = Kg・Ψgp
Pb = Kb・Ψbp
のように表すことができる。
同様に、前記駆動回路(Pra,Pga,Pba,…)のなかの前記R色出力光束(Fr)を構成する前記付加光(Fra)を発する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 pr 、および前記G色出力光束(Fg)を構成する前記付加光(Fga)を発する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 pg 、前記B色出力光束(Fb)を構成する前記付加光(Fba)を発する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 pb それぞれは、前記R色出力光束(Fr)を構成する付加光(Fra)および前記G色出力光束(Fg)を構成する付加光(Fga)、前記B色出力光束(Fb)を構成する付加光(Fba)それぞれの前記光束強度指示値たる ψr,ψg,ψb の目標値 ψrp,ψgp,ψbp に対し、それぞれ独立な比例係数 kr,kg,kb で結んだ以下の式(式14)
pr = kr・ψrp
pg = kg・ψgp
pb = kb・ψbp
のように表すことができる。
ただし、目標値 ψrp,ψgp,ψbp と Ψrp,Ψgp,Ψbp とは、前記したR色の主成分光(Frm)の強度に対するその付加光(Fra)の強度の比率 hr 、G色の主成分光(Fgm)の強度に対するその付加光(Fga)の強度の比率 hg 、B色の主成分光(Fbm)の強度に対するその付加光(Fba)の強度の比率 hb を介して、以下の式(式15)
ψrp = hr・Ψrp
ψgp = hg・Ψgp
ψbp = hb・Ψbp
により結ばれる。
前記した前記R色光束特性測定手段(Ar)を用いて測定した前記R色主成分光第1光量データと前記R色主成分光第2光量データ Rm,Rn 、前記G色光束特性測定手段(Ag)を用いて測定した前記G色主成分光第1光量データと前記G色主成分光第2光量データ Gm,Gn 、前記B色光束特性測定手段(Ab)を用いて測定した前記B色主成分光第1光量データと前記B色主成分光第2光量データ Bm,Bn に基づいて、式8,式11,式12を解いて得た前記光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb それぞれの値と、前記した Pr,Pg,Pb との比から、前記した式13の比例係数 Kr,Kg,Kb を決定することができる。
最初、比例係数 Kr,Kg,Kb には、未確定ではあるが適当に定めた安全な初期値が設定されているとして、未確定な Kr,Kg,Kb に基づいて、光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb に対する適当に定めた安全な初期目標値 Ψrp,Ψgp,Ψbp を生ずるであろう Pr,Pg,Pb を、前記した式13によって仮決定する。
以降、その Pr,Pg,Pb の値にて実際に発光素子を駆動したときの、前記した光量測定データ値 Rm,Rn と Gm,Gn と Bm,Bn に基づいて、式8,式11,式12を解いて得た、前記光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb それぞれの値と、その元となった目標値 Ψrp,Ψgp,Ψbp との比を用いて、比例係数 Kr,Kg,Kb を、以下の式(式16)
Kr = Kr・Ψrp/Ψr
Kg = Kg・Ψgp/Ψg
Kb = Kb・Ψbp/Ψb
に従って補正すればよい。
この補正は、フィードバック制御ループにおける繰り返しのなかで、後述するように、Ψr,Ψg,Ψb の微小変化量 ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb を決め、以下の式(式17)
Ψrp = Ψr + ΔΨr
Ψgp = Ψg + ΔΨg
Ψbp = Ψb + ΔΨb
に従って目標値 Ψrp,Ψgp,Ψbp を更新し、前記した式13に従って電力を再設定して、前記した光量測定データ値 Rm,Rn と Gm,Gn と Bm,Bn を測定する度に行うことにすればよい。
このようにすることにより、前記したように、前記比例係数 Kr,Kg,Kb が真の比例定数ではなく、例えば飽和傾向を示すような、非直線的なものであっても、前記した式13で規定される、単なる比として補正が繰り返し行われるため、R,G,B各駆動回路の電力 Pr,Pg,Pb と、光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb (やその目標値 Ψrp,Ψgp,Ψbp )との正しい対応が維持される。
また、前記した付加光に関する電力 pr,pg,pb に対しても同様に、最初、比率 hr,hg,hb 、および比例係数 kr,kg,kb には、未確定ではあるが適当に定めた安全な初期値が設定されているとして、未確定な kr,kg,kb に基づいて、光束強度指示値 ψr,ψg,ψb に対する適当に定めた安全な初期目標値 ψrp,ψgp,ψbp を生ずるであろう pr,pg,pb を、前記した式14および式15によって仮決定する。
以降、その pr,pg,pb の値にて実際に発光素子を駆動したときの、前記R色付加光光量データおよび前記G色付加光光量データ、前記B色付加光光量データから得た前記光束強度指示値 ψr,ψg,ψb それぞれの値と、その元となった目標値 ψrp,ψgp,ψbp との比を用いて、比例係数 kr,kg,kb を、以下の式(式18)
kr = kr・ψrp/ψr
kg = kg・ψgp/ψg
kb = kb・ψbp/ψb
に従って補正すればよい。
この補正は、フィードバック制御ループにおける繰り返しのなかで、前記目標値 Ψrp,Ψgp,Ψbp と前記比率 hr,hg,hb が更新される度に行えばよい。
なお、前記した式16および式18における各式の等号は、その右辺の計算結果を左辺の変数に代入する、という意味で、一般的プログラミング言語、例えばCにおける計算命令の記法に従って表記している。
以降においては、具体的に求められた、主成分光に関する前記光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb と、前記波長偏差指示値たる基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb 、および付加光に関する前記光束強度指示値 ψr,ψg,ψb の値を用いて、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについて、色度座標のy座標の目標値が実現されるよう、前記比率 hr,hg,hb を決定する方法を説明する。
その後、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光について、三刺激値 X,Y,Z がその目標値に維持されるよう、あるいは色度座標 x,y および明るさ Y がその目標値に維持されるようフィードバック制御を行うために、前記光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb を微小変化させるときの変化量 ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb を決定する方法について説明する。
前記した等色関数 xe(λ),ye(λ),ze(λ) についても、同様に前記した式6を適用して、波長 λ が λro の近傍では、λ=λro +Δλr と書いて、以下の式(式20)
xe(λ) = xe(λro +Δλr) = xe(λro) + Fxro・Δλr
ye(λ) = ye(λro +Δλr) = ye(λro) + Fyro・Δλr
ze(λ) = ze(λro +Δλr) = ze(λro) + Fzro・Δλr
ただし、
Fxro = dxe/dλ(λ=λro)
Fyro = dye/dλ(λ=λro)
Fzro = dze/dλ(λ=λro)
を得る。
同様に λ が λgo の近傍では、λ=λgo +Δλg と書いて、以下の式(式21)
xe(λ) = xe(λgo +Δλg) = xe(λgo) + Fxgo・Δλg
ye(λ) = ye(λgo +Δλg) = ye(λgo) + Fygo・Δλg
ze(λ) = ze(λgo +Δλg) = ze(λgo) + Fzgo・Δλg
ただし、
Fxgo = dxe/dλ(λ=λgo)
Fygo = dye/dλ(λ=λgo)
Fzgo = dze/dλ(λ=λgo)
さらに λ が λbo の近傍では、λ=λbo +Δλb と書いて、以下の式(式22)
xe(λ) = xe(λbo +Δλb) = xe(λbo) + Fxbo・Δλb
ye(λ) = ye(λbo +Δλb) = ye(λbo) + Fybo・Δλb
ze(λ) = ze(λbo +Δλb) = ze(λbo) + Fzbo・Δλb
ただし、
Fxbo = dxe/dλ(λ=λbo)
Fybo = dye/dλ(λ=λbo)
Fzbo = dze/dλ(λ=λbo)
を得る。
前記R色出力光束(Fr)が、単色の主成分光(Frm)と単色の付加光(Fra)の混合であるとし、前記付加光(Fra)がG色で、その基準波長を λgo' と書くと、そのスペクトル Sr(λ) は、デルタ関数を用いて以下の式(式23)
Sr(λ) = Ψr・δ(λ−λro −Δλr) + ψr・δ(λ−λro')
のように表せるから、前記R色出力光束(Fr)の三刺激値 Xr,Yr,Zr として、以下の式(式24)
Xr = Ψr・xe(λro + Δλr) + ψr・xe(λgo')
= Ψr・{ xe(λro) + Fxro・Δλr } + ψr・xe(λgo')
Yr = Ψr・{ ye(λro) + Fyro・Δλr } + ψr・ye(λgo')
Zr = Ψr・{ ze(λro) + Fzro・Δλr } + ψr・ze(λgo')
を得る。
なお、前記したG色の付加光(Fra)の基準波長 λgo' と、G色出力光束(Fg)のG色の主成分光(Fgm)の基準波長 λgo とは、同じであっても相違しても構わない。
同様に、前記G色出力光束(Fg)が、単色の主成分光(Fgm)と単色の付加光(Fga)の混合であるとし、図4の前記色度座標点(cg)に対応して、前記付加光(Fga)がR色で、その基準波長を λro' と書くと、前記R色出力光束(Fr)の三刺激値 Xg,Yg,Zg として、以下の式(式25)
Xg = Ψg・xe(λgo + Δλg) + ψg・xe(λro')
= Ψg・{ xe(λgo) + Fxgo・Δλg } + ψg・xe(λro')
Yg = Ψg・{ ye(λgo) + Fygo・Δλg } + ψg・ye(λro')
Zg = Ψg・{ ze(λgo) + Fzgo・Δλg } + ψg・ze(λro')
を得る。
なお、前記したR色の付加光(Fga)の基準波長 λro' と、R色出力光束(Fr)のR色の主成分光(Frm)の基準波長 λro とは、同じであっても相違しても構わない。
また、図4の前記色度座標点(cg’)に対応して、前記付加光(Fga)をB色とする場合は、基準波長 λro' は λbo' に置換え、これと、B色出力光束(Fb)のB色の主成分光(Fbm)の基準波長 λbo とは、同じであっても相違しても構わない。
さらに、図4の前記色度座標点(cg”)に対応して、付加光(Fga)をR色とB色の両方とする場合は、光束強度指示値 ψg は、その時点で発光させる方の発光素子のものとすればよい。
なお、以降の説明においても、前記G色出力光束(Fg)の前記付加光(Fga)の基準波長 λro' の λbo' への置換えは、前記主成分光(Fgm)の色度座標点(cg,cg’,cg”)の別に応じて常に可能である。
さらに同様に、前記B色出力光束(Fb)が、単色の主成分光(Fbm)と単色の付加光(Fba)の混合であるとし、前記付加光(Fba)がG色で、その基準波長を λgo" と書くと、前記R色出力光束(Fr)の三刺激値 Xb,Yb,Zb として、以下の式(式26)
Xb = Ψb・xe(λbo + Δλb) + ψb・xe(λgo")
= Ψb・{ xe(λbo) + Fxbo・Δλb } + ψb・xe(λgo")
Yb = Ψb・{ ye(λbo) + Fybo・Δλb } + ψb・ye(λgo")
Zb = Ψb・{ ze(λbo) + Fzbo・Δλb } + ψb・ze(λgo")
を得る。
なお、前記したG色の付加光(Fba)の基準波長 λgo" と、G色出力光束(Fg)のG色の主成分光(Fgm)の基準波長 λgo とは、同じであっても相違しても構わない。
便宜上、三刺激値 X,Y,Z の和を T と書くことにして、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについてのそれを、以下の式(式27)
Tr = Xr + Yr +Zr
Tg = Xg + Yg +Zg
Tb = Xb + Yb +Zb
によって計算すれば、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについての色度座標のy座標は、R色出力光束については式24の Yr 、G色出力光束については式25の Yg 、B色出力光束については式26の Yb それぞれと式27の Tr,Tg,Tb とによって、以下の式(式28)
yr = Yr/Tr
yg = Yg/Tg
yg = Yg/Tg
のように表せる。
いま、これら yr,yg,yb が、その目標値 yrp,ygp,ybp に対し、それぞれ差異を有するとして、その差異を埋めるように、光束強度指示値 ψr,ψg,ψb を変化させることを考える。
先ずR色出力光束について考えると、yr が ψr を変数に持つ関数と見ると、ψr の変化に対して yr が変化するときの傾きは、式28の第1式を ψr で微分した、以下の式(式29)
dyr/dψr = { dYr/dψr・Tr − Yr・dTr/dψr }/{Tr・Tr}
= { ye(λgo')・Tr − Yr・{ xe(λgo') + ye(λgo') + ze(λgo') }
}/{Tr・Tr}
= { ye(λgo') − yr・{ xe(λgo') + ye(λgo') + ze(λgo') }
}/Tr
で与えられるから、yr の目標値 yrp に対する差異 Δyr に対し、それを埋めるために必要な ψr の変化量 Δψr は、ダンピング係数 D = 0〜1 を介して、以下の式(式30)
Δψr = Δyr/(dyr/dψr)
= D・{ yrp − yr }/(dyr/dψr)
のように求められる。
この Δψr を用いて、前記した Ψr に対する ψr の比率 hr は、以下の式(式31)
hr = ψr/Ψr → hr = { ψr + Δψr }/Ψr
のように更新すればよい。
また、G色出力光束についても同様に、ψg の変化に対して yg が変化するときの傾きを与える以下の式(式32)
dyg/dψg = { dYg/dψg・Tg − Yg・dTg/dψg }/{Tg・Tg}
= { ye(λro')・Tg − Yg・{ xe(λro') + ye(λro') + ze(λro') }
}/{Tg・Tg}
= { ye(λro') − yg・{ xe(λro') + ye(λro') + ze(λro') }
}/Tg
を、ダンピング係数 D を介して、y座標の目標値 ygp を実現するために必要な ψg の変化量 Δψg を与える以下の式(式33)
Δψg = Δyg/(dyg/dψg)
= D・{ ygp − yg }/(dyg/dψg)
に適用し、以下の式(式34)
hg = ψg/Ψg → hg = { ψg + Δψg }/Ψg
により、前記した Ψg に対する ψg の比率 hg を更新すればよい。
なお、前記した式32,式33,式34は、G色出力光束が図4の前記色度座標点(cg)である場合に対応して記載されている。
G色出力光束が前記色度座標点(cg’)である場合には、前記した式32,式33,式34において、基準波長 λro' を λbo' に置換えれば適用できる。
さらに、B色出力光束についても同様に、ψb の変化に対して yb が変化するときの傾きを与える以下の式(式35)
dyb/dψb = { dYb/dψb・Tb − Yb・dTb/dψb }/{Tb・Tb}
= { ye(λgo")・Tb − Yb・{ xe(λgo") + ye(λgo") + ze(λgo") }
}/{Tb・Tb}
= { ye(λgo") − yb・{ xe(λgo") + ye(λgo") + ze(λgo") }
}/Tb
を、ダンピング係数 D を介して、y座標の目標値 ybp を実現するために必要な ψb の変化量 Δψb を与える以下の式(式36)
Δψb = Δyb/(dyb/dψb)
= D・{ ybp − yb }/(dyb/dψb)
に適用し、以下の式(式37)
hb = ψb/Ψb → hb = { ψb + Δψb }/Ψb
により、前記した Ψb に対する ψb の比率 hb を更新すればよい。
一方、G色出力光束が、図4の前記色度座標点(cg”)に対応して、付加光(Fga)をR色とB色の両方とする場合は、前記したように、付加光の基準波長は λro' と λbo' との何れかであり、光束強度指示値 ψg は、その時点で発光させる方の発光素子のものとすればよい。
以下、付加光の基準波長が λro' の場合について記せば、このとき、前記した式25の Xg と、前記した式27の Tg とによって、前記G色出力光束(Fg)のx座標は、以下の式(式38)
xg = Xg/Tg
のように表せるから、これを ψg で微分することにより得られる、ψg の変化に対して xg が変化するときの傾きを与える以下の式(式39)
dxg/dψg = { dXg/dψg・Tg − Xg・dTg/dψg }/{Tg・Tg}
= { xe(λro')・Tg − Xg・{ xe(λro') + xe(λro') + ze(λro') }
}/{Tg・Tg}
= { xe(λro') − xg・{ xe(λro') + xe(λro') + ze(λro') }
}/Tg
を、ダンピング係数 D を介して、y座標の目標値 xgp を実現するために必要な ψg の変化量 Δψg を与える以下の式(式40)
Δψg = Δxg/(dxg/dψg)
= D・{ xgp − xg }/(dxg/dψg)
に適用し、前記した式34により、前記した Ψg に対する ψg の比率 hg を更新すればよい。
以上、前記R色の主成分光(Frm)および前記G色の主成分光(Fgm)、前記B色の主成分光(Fbm)それぞれに関する、前記光束強度指示値たる Ψr,Ψg,Ψb と、前記波長偏差指示値たる基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb と、前記R色出力光束(Fr)を構成する付加光(Fra)および前記G色出力光束(Fg)を構成する付加光(Fga)、前記B色出力光束(Fb)を構成する付加光(Fba)それぞれに関する光束強度指示値たる ψr,ψg,ψb が求められた後、これらの値を用いて前記した Ψr,Ψg,Ψb に対する ψr,ψg,ψb の比率 hr,hg,hb を更新するまでをまとめると以下のようである。
先ず、等色関数 xe(λ),ye(λ),ze(λ) に関する局所帯域等色関数情報として、前記R色の主成分光(Frm)および前記G色の主成分光(Fgm)、前記B色の主成分光(Fbm)それぞれの基準波長 λro,λgo,λbo における等色関数 xe(λ),ye(λ),ze(λ) の値、すなわち xe(λro),ye(λro),ze(λro) と xe(λgo),ye(λgo),ze(λgo) と xe(λbo),ye(λbo),ze(λbo) 、および前記した式20,式21,式22に基づく、波長の変化に対する関数の変化率 Fxro,Fyro,Fzro と Fxgo,Fygo,Fzgo と Fxbo,Fybo,Fzbo 、さらに、前記R色出力光束(Fr)を構成する付加光(Fra)および前記G色出力光束(Fg)を構成する付加光(Fga)、前記B色出力光束(Fb)を構成する付加光(Fba)それぞれの基準波長 λro,λgo,λbo における等色関数の値、すなわち xe(λgo'),ye(λgo'),ze(λgo') や xe(λgo"),ye(λgo"),ze(λgo") 、xe(λro'),ye(λro'),ze(λro') 、xe(λbo'),ye(λbo),ze(λbo) 等のうちの必要なものを事前に準備しておく。
以上の値を前記した式24,式25,式26に適用して、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれ毎に、三刺激値 Xr,Yr,Zr と Xg,Yg,Zg と Xb,Yb,Zb の値を求め、また前記した式28に適用して色度座標のy座標 yr,yg,yb の値を求める。
これらの値を前記した式29,式32,式35に適用して、ψr,ψg,ψb の変化に対して yr,yg,yb が変化するときの傾きの値を求め、適当なダンピング係数 D = 0〜1 を介して、前記した式30,式33,式36により、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれの色度座標のy座標の目標値 yrp,ygp,ybp を実現するに適した、光束強度指示値 ψr,ψg,ψb の変化量 Δψr,Δψg,Δψb を決定することにより、前記した式31,式34,式37前記した Ψr,Ψg,Ψb に対する ψr,ψg,ψb の比率 hr,hg,hb を更新する。
ただし、前記したG色出力光束が前記色度座標点(cg”)である場合は、前記した式40に基づき、目標値 xgp を実現する Δψg を決定する。
以上で述べた比率 hr,hg,hb の値の更新は、後述する前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光の色を目標値に維持するためのフィードバック制御ループのなかで実行され、目標からの差異が小さくなるよう常にフィードバック的に補正が行われる。
なお、前記したダンピング係数は、これを小さくするほど変化量 Δψr,Δψg,Δψb が全体的に小さく抑えられ、フィードバック制御の行き過ぎや発振などの不安定現象を防止する効果がある。
ただし、あまり小さくすると補正の完了までに過剰な時間が掛かるなどの不都合が生ずる可能性があるため、実験的に好適な値を決めるとよい。
ここまで、フィードバック制御により前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれの色度座標のy座標の目標値を実現する方法について述べたが、この方法の利点は、前記した、前記R色出力光束(Fr)の前記付加光(Fra)用発光素子への出力電力 pr と前記付加光(Fra)の光束強度指示値 ψr との関係、および前記G色出力光束(Fg)の前記付加光(Fga)用発光素子への出力電力 pg と前記付加光(Fga)の光束強度指示値 ψg との関係、前記B色出力光束(Fb)の前記付加光(Fba)用発光素子への出力電力 pb と前記付加光(Fba)の光束強度指示値 ψb との関係それぞれにおいて、仮に非線形性があっても、フィードバック的に補正が行われるため、正しく目標値が維持されることである。
しかし、各付加光用発光素子への出力電力の、定格電力に対する余裕度が十分大きいなどの理由により、前記した非線形性が無い、もしくは十分に弱い場合は、比率 hr,hg,hb の値を、フィードバック制御によらず、直接計算によって決定することも可能である。
以下においては、この直接計算による決定方法について述べる。
前記した式24の第2式、および式27の第1式、式28の第1式より、以下の式
yr・Ψr・{ xe(λro) + Fxro・Δλr
+ ye(λro) + Fyro・Δλr
+ ze(λro) + Fzro・Δλr }
+ yr・ψr・{ xe(λgo') + ye(λgo') + ze(λgo') }
= Ψr・{ ye(λro) + Fyro・Δλr } + ψr・ye(λgo')
が得られるから、これから主成分光(Frm)と付加光(Fga)の光束強度指示値の比率 ψr/Ψr を求めると、以下の式(式41)
hr = ψr/Ψr
= { ye(λro) + Fyro・Δλr
−yr・{ xe(λro) + Fxro・Δλr
+ ye(λro) + Fyro・Δλr
+ ze(λro) + Fzro・Δλr }
} / { yr・{ xe(λgo') + ye(λgo') + ze(λgo') } −ye(λgo') }
を得る。
G色出力光束が図4の前記色度座標点(cg)である場合、同様に、 ψg/Ψg を求めると、以下の式(式42)
hg = ψg/Ψg
= { ye(λgo) + Fygo・Δλg
−yg・{ xe(λgo) + Fxgo・Δλg
+ ye(λgo) + Fygo・Δλg
+ ze(λgo) + Fzgo・Δλg }
} / { yg・{ xe(λro') + ye(λro') + ze(λro') } −ye(λro') }
を得る。
G色出力光束が前記色度座標点(cg’)である場合には、この式において、基準波長 λro' を λbo' に置換えれば適用できる。
さらに同様に、 ψb/Ψb を求めると、以下の式(式43)
hb = ψb/Ψb
= { ye(λbo) + Fybo・Δλb
−yb・{ xe(λbo) + Fxbo・Δλb
+ ye(λbo) + Fybo・Δλb
+ ze(λbo) + Fzbo・Δλb }
} / { yb・{ xe(λgo") + ye(λgo") + ze(λgo") } −ye(λgo") }
を得る。
一方、前記したものと同様にG色出力光束が、図4の前記色度座標点(cg”)に対応して、付加光(Fga)をR色とB色の両方とする場合は、付加光の基準波長は λro' と λbo' との何れかであり、以下、付加光の基準波長が λro' の場合について記せば、前記した式25の第1式、および式27の第2式、さらに以下の式(式44)
xg = Xg/Tg
より ψg/Ψg を求めると、以下の式(式45)
hg = ψg/Ψg
= { xe(λgo) + Fxgo・Δλg
−yg・{ xe(λgo) + Fxgo・Δλg
+ ye(λgo) + Fxgo・Δλg
+ ze(λgo) + Fzgo・Δλg }
} / { xg・{ xe(λro') + ye(λro') + ze(λro') } −ye(λro') }
を得る。
次に、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光について、三刺激値 X,Y,Z がその目標値に維持されるよう、あるいは色度座標 x,y および明るさ Y がその目標値に維持されるようフィードバック制御を行うために、前記光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb を微小変化させるときの変化量 ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb を決定するについて述べる。
前記したように、光の色に相関する色相指示値として色度座標 x,y に注目し、また明るさに相関する明度指示値として Y に注目し、それらを安定化制御することについて述べた。
しかし x,y,Y の系と X,Y,Z の系とは、前記した式2と以下の式(式19)
X = Y・x/y
Z = Y・(1 − x − y)/y
によって互いに変換が可能であるため、三刺激値は色度座標に相関する量であり、したがって、光の色に相関する色相指示値として、色度座標または三刺激値の何れをも採用することができる。
当然、前記したように、これら以外の他の表色系の量であっても、色度座標に相関するものであれば同様に採用することができる。
そこで先ず、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光については、制御対象を三刺激値 X,Y,Z とし、これがその目標値 Xp,Yp,Zp に維持されるように制御する場合について説明する。
前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光についての三刺激値 X,Y,Z は、前記した式24,式25,式26に記載した、各色光束それぞれの X,Y,Z の各成分毎の和によって求められ、X については以下の式(式46)
X = Xr + Xg+ Xb
= Ψr・{ xe(λro) + Fxro・Δλr } + ψr・xe(λgo')
+ Ψg・{ xe(λgo) + Fxgo・Δλg } + ψg・xe(λro')
+ Ψb・{ xe(λbo) + Fxbo・Δλb } + ψb・xe(λgo")
= Hxr・Ψr + Hxg・Ψg + Hxb・Ψb
ただし、
Hxr = xe(λro) + Fxro・Δλr + hr・xe(λgo')
Hxg = xe(λgo) + Fxgo・Δλg + hg・xe(λro')
Hxb = xe(λbo) + Fxbo・Δλb + hb・xe(λgo")
また、Y については以下の式(式47)
Y = Yr + Yg+ Yb
= Ψr・{ ye(λro) + Fyro・Δλr } + ψr・ye(λgo')
+ Ψg・{ ye(λgo) + Fygo・Δλg } + ψg・ye(λro')
+ Ψb・{ ye(λbo) + Fybo・Δλb } + ψb・ye(λgo")
= Hyr・Ψr + Hyg・Ψg + Hyb・Ψb
ただし、
Hyr = ye(λro) + Fyro・Δλr + hr・ye(λgo')
Hyg = ye(λgo) + Fygo・Δλg + hg・ye(λro')
Hyb = ye(λbo) + Fybo・Δλb + hb・ye(λgo")
さらにZ については以下の式(式48)
Z = Zr + Zg+ Zb
= Ψr・{ ze(λro) + Fzro・Δλr } + ψr・ze(λgo')
+ Ψg・{ ze(λgo) + Fzgo・Δλg } + ψg・ze(λro')
+ Ψb・{ ze(λbo) + Fzbo・Δλb } + ψb・ze(λgo")
= Hzr・Ψr + Hzg・Ψg + Hzb・Ψb
ただし、
Hzr = ze(λro) + Fzro・Δλr + hr・ze(λgo')
Hzg = ze(λgo) + Fzgo・Δλg + hg・ze(λro')
Hzb = ze(λbo) + Fzbo・Δλb + hb・ze(λgo")
を得る。
前記した式46,式47,式48より、光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb を微小変化させたときの三刺激値 X,Y,Z の変化 ΔX,ΔY,ΔZ は、以下の式(式49)
ΔX = Hxr・ΔΨr + Hxg・ΔΨg + Hxb・ΔΨb
ΔY = Hyr・ΔΨr + Hyg・ΔΨg + Hyb・ΔΨb
ΔZ = Hzr・ΔΨr + Hzg・ΔΨg + Hzb・ΔΨb
のように表すことができる。
かくして前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについての前記光束強度指示値を微小変化させたときの前記総合色相指示値の変化量を、前記した前記光束強度指示値の変化量を用いて、その線形演算で表すことができ、また、そのときの係数を、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについての前記光束強度指示値および前記波長偏差指示値を用いて決定することができた。
フィードバック制御において、現在の三刺激値 X,Y,Z の値に対し、これらをその目標値 Xp,Yp,Zp に近づけるために、光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb に微小変化 ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb を与えると考えると、ダンピング係数 D = 0〜1 として、以下の式(式50)
ΔX = D・{Xp −X}
ΔY = D・{Yp −Y}
ΔZ = D・{Zp −Z}
によって ΔX,ΔY,ΔZ の値を決めれば、前記した式49は ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb に関する初等的な3元連立1次方程式と見ることができ、全ての係数が決まっているため、容易に解くことができて、前記光束強度指示値の微小変化量 ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb の値を求めることができる。
前記した式17に従って、求めた ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb を元の Ψr,Ψg,Ψb に加えて光束強度指示値の新しい目標値 Ψrp,Ψgp,Ψbp を算出し、前記した式13を介して、前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)の電力 Pr,Pg,Pb を更新することができる。
なお、Ψr,Ψg,Ψb は、前記したように前記R色の主成分光(Frm)および前記G色の主成分光(Fgm)、前記B色の主成分光(Fbm)それぞれに関する、前記光束強度指示値であって、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)の光束強度指示値ではないが、フィードバック制御ループのなかのあるステップにおいて、前記した Ψr,Ψg,Ψb に対する ψr,ψg,ψb の比率 hr,hg,hb を一旦決定すれば、次にその値を更新するまでは、前記した式15に従って前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)それぞれの出力電力を設定するため、その光束のスペクトルの形が決まることになり、よってある波長での強度の値を決めれば、その値がその光束全体の強度に相関することになる。
以上、前記した Ψr,Ψg,Ψb に対する ψr,ψg,ψb の比率 hr,hg,hb を更新した後、前記光束強度指示値たる Ψr,Ψg,Ψb を微小変化させたときの前記総合色相指示値たる X,Y,Z の変化量を、前記した前記光束強度指示値たる Ψr,Ψg,Ψb の変化量を用いて、その線形演算で表した式49を介したフィードバック制御の仕方についてまとめると以下のようである。
先ず、基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb や比率 hr,hg,hb に依存する係数 Hxr,Hxg,Hxb,Hyr,Hyg,Hyb,Hzr,Hzg,Hzb の値を、式46,式47,式48に従い事前に準備しておく。
光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb に基づき式46,式47,式48を介して算出した三刺激値 X,Y,Z と、その目標値 Xp,Yp,Zp とを式50に適用すると式49の左辺が決定されるから、これを3元連立1次方程式と見て解き、前記光束強度指示値の微小変化量 ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb の値を求める。
前記制御回路(Mc)は、前記光束強度指示値の現在の値 Ψr,Ψg,Ψb に対し、いま求めた ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb を式17に適用して光束強度指示値の新しい目標値 Ψrp,Ψgp,Ψbp を算出し、式13に従って前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pg1,…,Pb1,…)の電力 Pr,Pg,Pb を更新する。
また、既に決定済みの前記した比率 hr,hg,hb を前記した式15に適用して、ψr,ψg,ψb の目標値 ψrp,ψgp,ψbp を決定し、式14に従って前記駆動回路(Pra,Pga,Pba,…)の電力 pr,pg,pb を更新する。
そして前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)を取得する動作に戻り、以降、記載したシーケンスを繰り返すようにすることにより、フィードバック制御ループが構築される。
なお、前記したダンピング係数は、これを小さくするほど変化量 ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb が全体的に小さく抑えられ、フィードバック制御の行き過ぎや発振などの不安定現象を防止する効果がある。
ただし、あまり小さくすると補正の完了までに過剰な時間が掛かるなどの不都合が生ずる可能性があるため、実験的に好適な値を決めるとよい。
ところで、前記光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb のうちの一つ、例えば Ψr を、何らかの事情により別途決める場合(例えば定格に達した場合など)は、三刺激値の目標値 Xp,Yp,Zp を満足させることはできず、明るさを維持することを断念して、光の色を、目標とするものに維持するよう、制御の様式を変更する必要がある。
上において述べた三刺激値 X,Y,Z が、その目標値 Xp,Yp,Zp に維持されるように制御する方法の場合、光の色の目標を維持したまま、例えば Ψr が所定の値となるよう、明るさを小さくしたい場合は、三刺激値の目標値 Xp,Yp,Zp それぞれを、適当に決めた、ある同じ割合で縮小することを試行し、フィードバックループを実際に回してみて、Ψr が所定の値になるような適当な割合が見つかるまで、試行錯誤する必要がある。
これに対し、光の色に相関する色相指示値たる色度座標 x,y と、明るさに相関する明度指示値たる Y とを制御対象とし、x,y,Y をその目標値 xp,yp,Yp に維持する制御方式を実現できれば、例えば Ψr の値を不変にしたまま、色度座標 x,y のみを目標値に維持するフィードバック制御を行うことが可能となる。
以下において、制御対象を x,y,Y とし、これがその目標値 xp,yp,Yp に維持されるように制御する場合について説明する。
色度座標 x,y を計算するために、三刺激値 X,Y,Z に関する前記した式46,式47,式48を適用すれば、さらに X,Y,Z の和に関する以下の式(式51)
T = X+Y+Z
= { Hxr + Hyr + Hzr }・Ψr
+ { Hxg + Hyg + Hzg }・Ψg
+ { Hxb + Hyb + Hzb }・Ψb
= Ir・Ψr +Ig・Ψg +Ib・Ψb
ただし、
Ir = Hxr + Hyr + Hzr
Ig = Hxg + Hyg + Hzg
Ib = Hxb + Hyb + Hzb
を得る。
したがって、被測定光束 S(λ) に関する前記した式2の色度座標 x,y は、前記した式46,式47,式51を用いた以下の式(式52)
x = X/T
y = Y/T
の計算で求められる。
一般に、関数 f = f(u,v,w) の変数 u,v,w が微小変化したときの関数の変化は、f の偏微分係数 δf/δu,δf/δv,δf/δw を用いて、以下の式(式53)
Δf = (δf/δu)・Δu + (δf/δv)・Δv + (δf/δw)・Δw
のように近似できる。
色度座標 x,y および明るさ Y が、前記光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb を変数とする関数であると見て、以下の式(式54)
Jxr = δx/δΨr = { δX/δΨr・T − X・δT/δΨr }/{T・T}
= { Hxr・T − Ir・X }/{T・T}
= { Hxr − Ir・x }/T
Jxg = δx/δΨg = { Hxg − Ig・x }/T
Jxb = δx/δΨb = { Hxb − Ib・x }/T
Jyr = δy/δΨr = { Hyr − Ir・y }/T
Jyg = δy/δΨg = { Hyg − Ig・y }/T
Jyb = δy/δΨb = { Hyb − Ib・y }/T
のように偏微分係数の値を具体的に決めれば、Ψr,Ψg,Ψb を微小変化させたときの x,y,Y の変化量は、以下の式(式55)
Δx = Jxr・ΔΨr +Jxg・ΔΨg +Jxb・ΔΨb
Δy = Jyr・ΔΨr +Jyg・ΔΨg +Jyb・ΔΨb
ΔY = Hyr・ΔΨr +Hyg・ΔΨg +Hyb・ΔΨb
のように表すことができる。
かくして前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについての前記光束強度指示値を微小変化させたときの前記総合色相指示値の変化量を、前記した前記光束強度指示値の変化量を用いて、その線形演算で表すことができ、また、そのときの係数を、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについての前記光束強度指示値および前記波長偏差指示値を用いて決定することができた。
ただし、式55の3番目の( ΔY に関する)式は、式47から得られる次の関係に基づく。
δY/δΨr = Hyr
δY/δΨg = Hyg
δY/δΨb = Hyb
前記した式50に関して述べたものと同様に、フィードバック制御において、現在の x,y,Y の値に対し、これらをその目標値 xp,yp,Yp に近づけるために、Ψr,Ψg,Ψb を微小変化させると考えると、ダンピング係数 D = 0〜1 として、以下の式(式56)
Δx = D・{xp −x}
Δy = D・{yp −y}
ΔY = D・{Yp −Y}
によって Δx,Δy,ΔY の値を決めれば、前記した式55は ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb に関する初等的な3元連立1次方程式と見ることができ、全ての係数が決まっているため、容易に解くことができて、前記光束強度指示値の微小変化量 ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb の値を求めることができる。
以上、前記した Ψr,Ψg,Ψb に対する ψr,ψg,ψb の比率 hr,hg,hb を更新した後、前記光束強度指示値たる Ψr,Ψg,Ψb を微小変化させたときの前記総合色相指示値たる x,y,Y の変化量を、前記した前記光束強度指示値たる Ψr,Ψg,Ψb の変化量を用いて、その線形演算で表した式55を介したフィードバック制御の仕方についてまとめると以下のようである。
前記光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb と、前記波長偏差指示値たる基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb の値を、前記した式46,式47,式51に適用すれば、補助係数 Hxr,Hxg,Hxb と Hyr,Hyg,Hyb と Hzr,Hzg,Hzb と Ir,Ig,Ib を介して、三刺激値の X と Y そして T が求められ、そしてこれらを前記した式52に適用して色度座標 x,y の値を求めることができる。
値を求めた x,y,Y と、その目標値 xp,yp,Yp とを前記した式56に適用すると前記した式55の左辺が決定され、また前記した式54の Jxr,Jxg,Jxb と Jyr,Jyg,Jyb によって前記した式55の右辺の係数が決定されるから、これを3元連立1次方程式と見て解き、前記光束強度指示値の微小変化量 ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb の値を求める。
前記制御回路(Mc)は、前記光束強度指示値の現在の値 Ψr,Ψg,Ψb に対し、いま求めた ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb を式17に適用して光束強度指示値の新しい目標値 Ψrp,Ψgp,Ψbp を算出し、式13に従って前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pg1,…,Pb1,…)の電力 Pr,Pg,Pb を更新する。
また、既に決定済みの前記した比率 hr,hg,hb を前記した式15に適用して、ψr,ψg,ψb の目標値 ψrp,ψgp,ψbp を決定し、式14に従って前記駆動回路(Pra,Pga,Pba,…)の電力 pr,pg,pb を更新する。
そして前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)を取得する動作に戻り、以降、記載したシーケンスを繰り返すようにすることにより、フィードバック制御ループが構築される。
なお、前記光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb のうちの一つ、例えば ΔΨr を、何らかの事情により別途決める場合(例えば定格に達した場合など)は、これを前記した式55の方程式の未知数から定数に変更して、以下の式(式57)
Δx−Jxr・ΔΨr = Jxg・ΔΨg +Jxb・ΔΨb
Δy−Jyr・ΔΨr = Jyg・ΔΨg +Jyb・ΔΨb
のように組み換えた方程式を適用すればよく、これは初等的な2元連立1次方程式であるから容易に解くことができて、ΔΨg,ΔΨb を求めることができる。
ただし、このようにした場合は、明るさ Y を目標値に維持することはできなくなるが、色度座標 x,y を目標値に維持するフィードバック制御は実行することができる。
ここで、前記した式5,式10に記載した、被測定光束 S(λ) をデルタ関数で近似することの妥当性について補足しておく
同じ色であっても複数個の発光素子を集めた場合、発光波長のバラツキがあるため、それらを総合した光のスペクトル S(λ) は、正確には前記した式5,式10のようなデルタ関数にはならない。
しかし、発光波長のバラツキがあっても、同じ波長帯域に属する全ての発光素子を総合し、その波長の平均値に等しい波長を有する、仮想的な単色光源に置き換えると考えれば、前記した議論が成立する。
ただし、同じ波長帯域に属する全ての発光素子を総合した場合は、波長のバラツキに起因したスペクトル幅の拡がりが存在することになり、その結果、色度座標が少しだけ白色方向に移動する。
しかし、この移動量は僅かである上、本光源装置における色度座標等の計算の目的は、正確な絶対値を確定することではなく、発光素子の温度上昇などに起因して発光波長が変化し、白バランスが崩れるものを、フィードバック制御で補正することであり、波長のバラツキに起因したスペクトル幅の拡がりは、そのような発光波長の変化が生じる前から存在していたものであるから、前記した計算の目的に照らして、実用上の問題は無い。
また、フィードバック制御の目標値 xp,yp,Yp についても補足しておく。
前記したように本光源装置における色度座標等の計算の目的が正確な絶対値を確定することではないことを前提として、種々の近似計算を行っている。
そのため、目標値 xp,yp,Yp を数値で与えても、フィードバック制御によって達成される状態が所望のものになるかどうかは不明であり、このような使い方は適当ではない。
例えばプロジェクタに応用する場合で言えば、本光源装置をプロジェクタの実機に実際に搭載し、フィードバック制御を停止させた状態で、白色となるべき画像をスクリーンに投影させ、所望の白色が得られるよう、本光源装置のR,G,Bそれぞれの強度を手動で調整し、調整が完了したときの本光源装置自身による x,y,Y の測定値を、その目標値 xp,yp,Yp として記憶するとよい。
記憶された目標値の実際の値については無頓着でも構わず、それ以降は、フィードバック制御を実行すれば、所望の白色が得られる状態が達成される。
なお、ここで xp,yp,Yp について述べたことは、三刺激値の目標値 Xp,Yp,Zp に対しても同様である。
ここまで、前記した式8,式11,式12を解いて基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb を求め、その値を使ってその時点での三刺激値 X,Y,Z や色度座標 x,y を計算することについて述べた。
また、フィードバック制御のための線形方程式である前記した式49や式55の係数 Hxr,Hxg,Hxb,Hyr,Hyg,Hyb,Hzr,Hzg,Hzb および Jxr,Jxg,Jxb,Jyr,Jyg,Jyb の決定の際にも、求めた基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb の値を使用する計算方法を提示した。
図2においては、1種類の色の要素光源からの、総合された出力光束に対しては、1個の光束特性測定手段を設ける構成を示した。
この構成の場合は、前記制御回路(Mc)が算出する基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb は、各色毎に1個の値が決まるため、ここまで述べてきたような、前記した係数 Hxr,Hxg,Hxb,Hyr,Hyg,Hyb,Hzr,Hzg,Hzb および Jxr,Jxg,Jxb,Jyr,Jyg,Jyb が Δλr,Δλg,Δλb に依存する計算手法が直接に適用可能である。
しかし、図1に示した、要素光源毎に光束特性測定手段を設ける構成のように、1種類の色の出力光束に対して複数個の光束特性測定手段が存在する場合、それぞれの光束特性測定手段で測定された光束色度強度相関データに基づいて基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb を算出すると、普通は、その値は光束特性測定手段毎に異なったものとなる。
このような場合でも、前記した式1に従って、その色の出力光束の総合した三刺激値 X,Y,Z や色度座標 x,y は計算で定量化できるし、各色毎の三刺激値や色度座標が定量化できれば、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光についても三刺激値や色度座標が定量化できる。
また、平均値を採用することにすれば、その色の基準波長からの偏差も1個の値に決めることができるため、同様に前記した係数が Δλr,Δλg,Δλb に依存する計算手法が間接的に適用可能である。
しかしながら、例えば、三刺激値 X,Y,Z や色度座標 x,y の値を直接測定できるセンサを利用する場合などでは、前記した係数が Δλr,Δλg,Δλb に依存する計算手法は適用できない。
以降においては、このような場合にでも適用可能な、基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb を全て零とおく近似を行って値を決定する計算手法について説明する。
Δλr,Δλg,Δλb を全て零とおく近似を行うことにより、計算の精度は悪化するものの、この悪化の影響は、前記した式49や式55を解いて得るベクトル ΔX,ΔY,ΔZ および Δx,Δy,ΔY の方向が、近似しない場合のそれに対し、幾らかのズレを生ずるという形で現れるが、この計算は、フィードバック制御ループのなかで繰返し行われるため、ズレがあったとしても結局は、三刺激値 X,Y,Z や色度座標 x,y は、その目標値 Xp,Yp,Zp や xp,yp に漸近して行くことになるからである。
ただし、このような近似を行う場合は、目標への漸近の速さが劣る可能性があるが、係数の計算が簡略化される利点がある。
前記した基準波長からの偏差を零とおく近似の下での前記光束強度指示値を、近似しない場合のものと同じ記号で Ψr,Ψg,Ψb と書けば、三刺激値 X,Y,Z に関する前記した式46,式47,式48に対応するものは、以下の式(式58)
X = Hxro・Ψr + Hxgo・Ψg + Hxbo・Ψb
Y = Hyro・Ψr + Hygo・Ψg + Hybo・Ψb
Z = Hzro・Ψr + Hzgo・Ψg + Hzbo・Ψb
ただし、
Hxro = xe(λro) + hr・xe(λgo')
Hxgo = xe(λgo) + hg・xe(λro')
Hxbo = xe(λbo) + hb・xe(λgo")
Hyro = ye(λro) + hr・ye(λgo')
Hygo = ye(λgo) + hg・ye(λro')
Hybo = ye(λbo) + hb・ye(λgo")
Hzro = ze(λro) + hr・ze(λgo')
Hzgo = ze(λgo) + hg・ze(λro')
Hzbo = ze(λbo) + hb・ze(λgo")
のように表すことができる。
これより、前記した式49の代わりに、フィードバック制御ループのなかで解くべき方程式として、以下の式(式59)
ΔX = Hxro・ΔΨr + Hxgo・ΔΨg + Hxbo・ΔΨb
ΔY = Hyro・ΔΨr + Hygo・ΔΨg + Hybo・ΔΨb
ΔZ = Hzro・ΔΨr + Hzgo・ΔΨg + Hzbo・ΔΨb
を得る。
かくして前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについての前記光束強度指示値を微小変化させたときの前記総合色相指示値の変化量を、前記した前記光束強度指示値の変化量を用いて、その線形演算で表すことができ、また、そのときの係数を決定することができた。
これらの左辺の ΔX,ΔY,ΔZ の値は、三刺激値の目標値 Xp,Yp,Zp と、その時点での三刺激値 X,Y,Z の値とに基づき、前記した式50により計算すればよい。
なお、三刺激値 X,Y,Z の値は、前記R色光束特性測定手段(Ar)を用いて測定した前記R色主成分光第1光量データと前記R色主成分光第2光量データ Rm,Rn 、前記G色光束特性測定手段(Ag)を用いて測定した前記G色主成分光第1光量データと前記G色主成分光第2光量データ Gm,Gn 、前記B色光束特性測定手段(Ab)を用いて測定した前記B色主成分光第1光量データと前記B色主成分光第2光量データ Bm,Bn を取得して前記した式8,式11,式12からなる方程式を解き、前記光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb と、前記波長偏差指示値たる基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb とを求めた上で、前記した式46,式47,式48によって計算して決定すればよい。
また同じく、基準波長からの偏差を零とおく近似の下で、色度座標 x,y に関する前記した式51の Ir,Ig,Ib 、および式54に対応するものは、基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb を零とおいて、以下の式(式60)
Iro = Hxro + Hyro + Hzro
Igo = Hxgo + Hygo + Hzgo
Ibo = Hxbo + Hybo + Hzbo
および以下の式(式61)
Jxro = { Hxro − Iro・x }/T
Jxgo = { Hxgo − Igo・x }/T
Jxbo = { Hxbo − Ibo・x }/T
Jyro = { Hyro − Iro・y }/T
Jygo = { Hygo − Igo・y }/T
Jybo = { Hybo − Ibo・y }/T
のように表すことができる。
ただし、x,y および T は、前記したように、前記R色光束特性測定手段(Ar)を用いて測定した前記R色主成分光第1光量データと前記R色主成分光第2光量データ Rm,Rn 、前記G色光束特性測定手段(Ag)を用いて測定した前記G色主成分光第1光量データと前記G色主成分光第2光量データ Gm,Gn 、前記B色光束特性測定手段(Ab)を用いて測定した前記B色主成分光第1光量データと前記B色主成分光第2光量データ Bm,Bn を取得して前記した式8,式11,式12からなる方程式を解き、前記光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb と、前記波長偏差指示値たる基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb とを求めた上で、前記した式46,式47,式48によって計算された三刺激値 X,Y,Z の値を、前記した式51の最上段の表現、すなわち以下の式
T = X+Y+Z (再録)
および式52に適用して計算する。
そして、前記した式55の代わりに、フィードバック制御ループのなかで解くべき方程式として、以下の式(式62)
Δx = Jxro・ΔΨr +Jxgo・ΔΨg +Jxbo・ΔΨb
Δy = Jyro・ΔΨr +Jygo・ΔΨg +Jybo・ΔΨb
ΔY = Hyro・ΔΨr +Hygo・ΔΨg +Hybo・ΔΨb
を得る。
かくして前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについての前記光束強度指示値を微小変化させたときの前記総合色相指示値の変化量を、前記した前記光束強度指示値の変化量を用いて、その線形演算で表すことができ、また、そのときの係数を決定することができた。
これらの左辺の Δx,Δy,ΔY の値は、色度座標と明度指示値 Y の目標値 xp,yp,Yp と、その時点での x,y,Y の値とに基づき、前記した式56により計算すればよい。
当然、このように基準波長からの偏差を零とおく近似を行う場合でも、前記した式57を挙げて説明したものと同じ手法を用いることによって、前記光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb のうちの一つを方程式62から除外し、色度座標 x,y のみを目標値に維持するフィードバック制御を実行することが可能である。
なお、ここで述べた基準波長からの偏差を零とおく近似を行う場合でも、前記した前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)のなかの、前記R色出力光束(Fr)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Ptr 、および前記G色出力光束(Fg)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Ptg 、前記B色出力光束(Fb)を構成する発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Ptb それぞれの決定に関しては、前記した式13,式16,式17を有効に使用することができる。
前記した式59または式62を解いて変化量 ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb を求めたならば、前記制御回路(Mc)は、前記光束強度指示値の現在の値 Ψr,Ψg,Ψb に対し、いま求めた ΔΨr,ΔΨg,ΔΨb を式17に適用して光束強度指示値の新しい目標値 Ψrp,Ψgp,Ψbp を算出し、式13に従って前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pg1,…,Pb1,…)の電力 Pr,Pg,Pb を更新する。
また、既に決定済みの前記した比率 hr,hg,hb を前記した式15に適用して、ψr,ψg,ψb の目標値 ψrp,ψgp,ψbp を決定し、式14に従って前記駆動回路(Pra,Pga,Pba,…)の電力 pr,pg,pb を更新する。
そして前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)を取得する動作に戻り、以降、記載したシーケンスを繰り返すようにすることにより、フィードバック制御ループが構築される。
因みに、前記した式58のそれぞれの左辺の三刺激値 X,Y,Z の値は、前記したように、前記R色光束特性測定手段(Ar)を用いて測定した前記R色主成分光第1光量データと前記R色主成分光第2光量データ Rm,Rn 、前記G色光束特性測定手段(Ag)を用いて測定した前記G色主成分光第1光量データと前記G色主成分光第2光量データ Gm,Gn 、前記B色光束特性測定手段(Ab)を用いて測定した前記B色主成分光第1光量データと前記B色主成分光第2光量データ Bm,Bn を取得して前記した式8,式11,式12からなる方程式を解き、前記光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb と、前記波長偏差指示値たる基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb とを求めた上で、前記した式46,式47,式48によって計算するものとして、前記した式16,式17に適用するための光束強度指示値 Ψr,Ψg,Ψb については、前記した式58を方程式と見て、それを解いて求めた値を使うこともできる。
先に、前記第1光量検出器(Arm1)と前記第2光量検出器(Arm2)とを別体のものとして構成する例を説明したが、前記第1光量検出器(Arm1)と前記第2光量検出器(Arm2)とは、同じ光量検出器に対して交互に特性変化を与えることにより、時間分割によって実現することもできる。
この場合、前記第1光量検出器(Arm1)と前記第2光量検出器(Arm2)とは、光センサを共有しており、前記第2光量検出器(Arm2)として働く場合は、前記第1光量検出器(Arm1)として働く場合とは異なる特性フィルタ(Ers1,Ers2)を設けるようにすればよい。
例えば、本発明の光源装置の一部を簡略化して示す模式図である図6に記載のように、図5に関して説明したものと同様の共通光センサ(Cr0)の前面に、特性フィルタ(Ers1,Ers2)を装着したフィルタ枠(Kt)を配置し、矢印(Ka)のように前記フィルタ枠(Kt)を移動させることにより、前記共通光センサ(Cr0)の前面に前記第1の特性フィルタ(Ers1)が位置するときは前記第1光量検出器(Arm1)として働き、前記第2の特性フィルタ(Ers2)が位置するときは前記第2光量検出器(Arm2)として働くようにすることができる。
なお、前記主成分光フィルタ(Ertm)は、図5では前記第1の特性フィルタ(Ers1)および前記第2の特性フィルタ(Ers2)に対し前置してあったものを、図6では後置してあるが、この前後は何れでも構わない。
また図6では前記特性フィルタ(Ers1,Ers2)を往復させるものを記載したが、前記特性フィルタ(Ers1,Ers2)を配置した円板状の枠を設け、それを回転させるようにしてもよい。
本発明の光源装置は、前記第1光量検出器(Arm1)、前記第2光量検出器(Arm2)それぞれの前記特性フィルタ(Ers1,Ers2)が有する分光感度特性の相違に基づく、同じ波長の光に対する光検出信号の差によって前記光束強度指示値と前記波長偏差指示値を算出するものであるため、もし、前記第1光量検出器(Arm1)、前記第2光量検出器(Arm2)それぞれの光センサ素子において、経時変化や温度ドリフト等の変動によって相異なる感度変化を生ずれば、前記光束強度指示値と前記波長偏差指示値の算出に誤差が生ずる恐れがある。
しかし、このように光センサを共有させることにすれば、前記第1光量検出器(Arm1)と前記第2光量検出器(Arm2)とに切り換えての光量測定の時間間隔が、前記した変動の時間スケールより十分短い限り、前記した変動の影響を受けないようにできる利点が生まれる。
光センサとしては、光量の大小を検出するものだけでなく、撮像素子も使用可能であり、前記R色光束特性測定手段(Ar)および前記G色光束特性測定手段(Ag)、前記B色光束特性測定手段(Ab)が有する光センサの何れかを撮像素子とすることができる。
図2に関連して光ファイバを用いて光を伝送する構成について説明したが、光ファイバは石英などの脆弱なガラスを素材としているため、破断の危険性があるという欠点がある。
光ファイバが破断すると、破断箇所から光パワーが漏洩して光ファイバを機械的に保護するために設けた被覆材に吸収され、被覆材が焼損に至る可能性があるため、光ファイバの破断が起きれば、それを検知して発光素子を消灯する安全対策が必要となる。
全体として大きなパワーを伝送する場合は、同じ色の光に対しても複数本の光ファイバに分割することが、光学系の構成上も、安全性の面からも有利であるが、その場合は、全光ファイバからの総合光量を監視するだけではなく、光ファイバ1本づつの光量を監視し、個別に破断を検知できることが望ましい。
前記したように、前記出射端(Eor1,Eor2,…)が同一平面上に位置するように揃えて、前記光ファイバ(Efr1,Efr2,…)の出射端部を束ねたものの場合、前記出射端(Eor1,Eor2,…)が位置する平面の像を、レンズ等を用いて撮像素子に投影することにより、光ファイバ1本づつを識別して光量を監視し、個別に破断を検知することが可能となる。
次に、本発明のプロジェクタの実施例の一形態を簡略化して示す図である図7を用いて、本発明を実施するための形態として、本発明の光源装置を利用した、本発明のプロジェクタの、特に光ファイバおよびその出射端以降の、より具体的な構成について述べる。
本光源装置は、R,G,B3原色に対応する、各色複数本の光ファイバからなるファイババンドル、すなわちR色光源用のファイババンドル(Efr)、G色光源用のファイババンドル(Efg)、B色光源用のファイババンドル(Efb)それぞれは、それぞれの各光ファイバの出射端を揃えて束ねられて構成される。
なお、各ファイババンドルを含んでそれより前側の構成については、例えば図2に記載したようである。
これら3本のファイババンドルの出射端(Eor,Eog,Eob)の像を、それぞれコリメータレンズ(Esr,Esg,Esb)を用いて無限遠の像に変換することによって、R色出力光束(Fr)およびG色出力光束(Fg)、B色出力光束(Fb)を生成する。
これら各光束は、それぞれミラー(Hur,Hug,Hub)で反射され、それぞれ前段フライアイレンズ(F1r,F1g,F1b)および後段フライアイレンズ(F2r,F2g,F2b)、偏光整列機能素子(Pcr,Pcg,Pcb)、照明レンズ(Ejr,Ejg,Ejb)からなる、前記したフライアイインテグレータによる光均一化手段(Fmr,Fmg,Fmb)に入射される。
そして前記光均一化手段(Fmr,Fmg,Fmb)から出たそれぞれの光束によって、2次元光振幅変調素子たるR色画像用LCD(Dmr)およびG色画像用LCD(Dmg)、B色画像用LCD(Dmb)が照明され、その透過光束がダイクロイックプリズム(Mj)によって3色合成され、カラー画像を構成する光束(Fo)となる。
この光束は、投影レンズによってスクリーンに投影される(図示を省略)。
前記ミラー(Hur,Hug,Hub)は、それぞれに入射される前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれを構成する主成分光および付加光を効率的に反射するように作成される。
しかし、反射されない透過光が少なからず存在し、普通これらの光は迷光として捨てられるが、図7の本光源装置においては、これを有効利用して測定用光束(Fr’,Fg’,Fb’)を得るようにしてある。
そして前記測定用光束(Fr’,Fg’,Fb’)は、それぞれ前記R色光束特性測定手段(Ar)および前記G色光束特性測定手段(Ag)、前記B色光束特性測定手段(Ab)に入射される。
なお、本実施例は、フライアイインテグレータによる光均一化手段を用いたLCDプロジェクタについて記載したが、当然ながら、本発明のプロジェクタは、先に図9に関して述べたLCOS(TM)プロジェクタや、先に図8に関して述べた、光ガイドによる光均一化手段を用いたDMD(TM)プロジェクタにおいても適用できる。
本発明は、プロジェクタなどの光学装置において使用可能な、複数種類の異なる波長帯域の、半導体レーザなどの発光素子を用いた光源装置を設計・製造する産業において利用可能である。
Ab B色光束特性測定手段
Ag G色光束特性測定手段
Ar R色光束特性測定手段
Arm1 第1光量検出器
Arm2 第2光量検出器
B 青色
cb 色度座標点
cg 色度座標点
cg’ 色度座標点
cg” 色度座標点
cr 色度座標点
Cr0 共通光センサ
Cr1 光センサ
Cr2 光センサ
Cra 光センサ
Db 光束色度強度相関データ
Dg 光束色度強度相関データ
Dmb B色画像用LCD
Dmg G色画像用LCD
DmjA 2次元光振幅変調素子
DmjB 2次元光振幅変調素子
Dmr R色画像用LCD
Dr 光束色度強度相関データ
Ecr1 集光光学系
Ecr2 集光光学系
Efb ファイババンドル
Efg ファイババンドル
Efr ファイババンドル
Efr1 光ファイバ
Efr2 光ファイバ
Eir1 入射端
Eir2 入射端
Ej1A 照明レンズ
Ej1B 照明レンズ
Ej2A 投影レンズ
Ej2B フィールドレンズ
Ej3B 投影レンズ
Ejb 照明レンズ
Ejg 照明レンズ
Ejr 照明レンズ
Eob 出射端
Eog 出射端
Eor 出射端
Eor1 出射端
Eor2 出射端
Ers1 特性フィルタ
Ers2 特性フィルタ
Erta 付加光フィルタ
Ertm 主成分光フィルタ
Esb コリメータレンズ
Esg コリメータレンズ
Esr コリメータレンズ
F1B 前段フライアイレンズ
F1b 前段フライアイレンズ
F1g 前段フライアイレンズ
F1r 前段フライアイレンズ
F2B 後段フライアイレンズ
F2b 後段フライアイレンズ
F2g 後段フライアイレンズ
F2r 後段フライアイレンズ
Fb B色出力光束
Fb’ 測定用光束
Fba 付加光
Fbm 主成分光
Fg G色出力光束
Fg’ 測定用光束
Fga 付加光
Fgm 主成分光
FmA 光均一化手段
FmB 光均一化手段
Fmb 光均一化手段
Fmg 光均一化手段
Fmr 光均一化手段
Fo 光束
Fr R色出力光束
Fr’ 測定用光束
Fra 付加光
Frm 主成分光
Frs1 主成分光測定用光束
Frs2 主成分光測定用光束
Frta 付加光測定用光束
Frtm 主成分光測定用光束
G 緑色
Hr 光量測定回路
Hub ミラー
Hug ミラー
Hur ミラー
Jba 駆動回路制御信号
Jg1 駆動回路制御信号
Jg2 駆動回路制御信号
Jr1 駆動回路制御信号
Jr2 駆動回路制御信号
Jra 駆動回路制御信号
Ka 矢印
Kt フィルタ枠
L1r1 発光素子
L1r2 発光素子
L1ra 発光素子
L2r1 発光素子
L2r2 発光素子
L2ra 発光素子
Lb1 発光素子
Lb2 発光素子
Lba 発光素子
LCD 液晶デバイス
Lg1 発光素子
Lg2 発光素子
Lga 発光素子
Lr1 発光素子
Lr2 発光素子
Lra 発光素子
Mc 制御回路
Mj ダイクロイックプリズム
MjA ミラー
MjB 偏光ビームスプリッタ
Pb1 駆動回路
Pb2 駆動回路
Pba 駆動回路
PcB 偏光整列機能素子
Pcb 偏光整列機能素子
Pcg 偏光整列機能素子
Pcr 偏光整列機能素子
Pg1 駆動回路
Pg2 駆動回路
Pga 駆動回路
PmiA 入射端
PmiB 入射端
PmoA 射出端
PmoB 射出端
Pr1 駆動回路
Pr2 駆動回路
Pra 駆動回路
R 赤色
SjA 光源
SjB 光源
Srm1 光検出信号
Srm2 光検出信号
Srma 光検出信号
Tj スクリーン
Ub1 要素光源
Ug1 要素光源
Ur1 要素光源
Ur2 要素光源
W 白色
ZiB 入射光軸

Claims (11)

  1. 狭い波長帯域で発光する発光素子(Lr1,Lr2,…,Lra)と前記発光素子(Lr1,Lr2,…,Lra)を駆動する駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra)を具備するユニットを1個の要素光源(Ur1)として、該要素光源(Ur1,Ug1,Ub1,…)の複数個と、前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)を制御する制御回路(Mc)と、を有し、前記発光素子(Lr1,Lr2,…,Lra,Lg1,Lg2,…)からの放射光からなる、R,G,Bの3原色のR色出力光束(Fr)とG色出力光束(Fg)とB色出力光束(Fb)とを、それぞれ異なる光路を経由して分離して外部に放射する光源装置であって、
    前記G色出力光束(Fg)は、G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)からの主成分光(Fgm)を含み、前記R色出力光束(Fr)は、R色の発光素子(Lr1,Lr2,…)からの主成分光(Frm)に加えて、前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)とは独立なG色の発光素子(Lra)からの付加光(Fra)を混合して生成されることが可能であり、かつ、前記B色出力光束(Fb)は、B色の発光素子(Lb1,Lb2,…)からの主成分光(Fbm)に加えて、前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)とは独立なG色の発光素子(Lba)からの付加光(Fba)を混合して生成されることが可能であり、
    さらに前記光源装置は、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれが入射され、入射された光を測定して、光の色度座標と光の強度とに相関する光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)を生成する、R色光束特性測定手段(Ar)およびG色光束特性測定手段(Ag)、B色光束特性測定手段(Ab)を有しており、
    前記制御回路(Mc)は、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについての前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)を少なくとも間欠的に取得し、前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)に基づき、前記付加光を混合して生成された出力光束についての、色度座標の少なくとも片方に相関する単色色相指示値を生成し、該単色色相指示値が目標値に一致するよう、前記主成分光の強度に対する前記付加光の強度の比率を決定し、
    さらに前記制御回路(Mc)は、前記付加光を混合して生成された出力光束については取得した前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)に基づき、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光についての、色度座標に相関する総合色相指示値を生成し、該総合色相指示値に対して、定めた目標値との差異が小さくなるよう、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれの前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)をフィードバック制御することを特徴とする光源装置。
  2. 前記制御回路(Mc)は、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光について、前記の色度座標に相関する総合色相指示値に加えて明るさに相関する明度指示値を生成し、前記明度指示値とその目標値の差異が小さくなるよう、前記駆動回路(Pr1,Pr2,…,Pra,Pg1,Pg2,…)をフィードバック制御することを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
  3. 前記G色出力光束(Fg)は、前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)からの前記主成分光(Fgm)に加えて、前記R色の発光素子(Lr1,Lr2,…)および前記G色の発光素子(Lg1,Lg2,…)、前記B色の発光素子(Lb1,Lb2,…)とは独立なR色またはG色、B色の発光素子からの付加光を混合して生成されることが可能であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光源装置。
  4. 前記R色光束特性測定手段(Ar)および前記G色光束特性測定手段(Ag)、前記B色光束特性測定手段(Ab)それぞれは、入射された出力光束の前記主成分光(Frm,Fgm,Fbm)についての基準波長からの偏差および強度を測定し、前記付加光(Fra,Fga,Fba)を混合して生成された出力光束については、さらに前記付加光(Fra,Fga,Fba)についての強度を測定して、前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)を生成することを特徴とする請求項1から請求項のいずれか1項に記載の光源装置。
  5. 前記R色光束特性測定手段(Ar)および前記G色光束特性測定手段(Ag)、前記B色光束特性測定手段(Ab)それぞれは、入射された出力光束の前記主成分光(Frm,Fgm,Fbm)についての基準波長からの偏差および強度を測定するために、少なくとも前記主成分光(Frm,Fgm,Fbm)の波長近傍で、波長の変化に対する感度の変化率が相異なる、第1光量検出器(Arm1)と第2光量検出器(Arm2)とを具備することを特徴とする請求項1から請求項のいずれか1項に記載の光源装置。
  6. 前記制御回路(Mc)は、色度の計算に必要な等色関数それぞれについて、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)の前記主成分光(Frm,Fgm,Fbm)の基準波長における関数値と波長の変化に対する関数の変化率、および前記付加光(Fra,Fga,Fba)の基準波長における関数値とからなる局所帯域等色関数情報を保有しており、
    前記付加光(Fra,Fga,Fba)を混合して生成された出力光束について、前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)と、前記局所帯域等色関数情報とを用いて、前記単色色相指示値に代わる単色色相指示値を生成するとともに、
    前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)を総合した光について、前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)と、前記局所帯域等色関数情報とを用いて、前記総合色相指示値に代わる総合色相指示値を生成することを特徴とする請求項1から請求項のいずれか1項に記載の光源装置。
  7. 前記制御回路(Mc)は、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについて、前記光束色度強度相関データ(Dr,Dg,Db)に基づき、前記単色色相指示値に代えて強度に相関する光束強度指示値を生成し、
    さらに前記制御回路(Mc)は、前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについての前記光束強度指示値を微小変化させたときの前記総合色相指示値の変化量を、前記した前記光束強度指示値の変化量を用いて、その線形演算で表すときの係数を決定し、前記係数を介して前記R色出力光束(Fr)および前記G色出力光束(Fg)、前記B色出力光束(Fb)それぞれについての前記光束強度指示値の変化量を決定して前記したフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の光源装置。
  8. 前記第1光量検出器(Arm1)と前記第2光量検出器(Arm2)とは、それぞれ光センサ(Cr1,Cr2)を有し、前記光センサ(Cr1,Cr2)の少なくとも一方の前面に、波長の変化に対する分光透過率が変化する特性フィルタ(Ers1,Ers2)を設けることを特徴とする請求項に記載の光源装置。
  9. 前記第1光量検出器(Arm1)と前記第2光量検出器(Arm2)とは、同じ光量検出器に対して交互に特性変化を与えることにより、時間分割によって実現するものであり、前記第1光量検出器(Arm1)と前記第2光量検出器(Arm2)とは、光センサ(Cr1,Cr2)を共有しており、前記第2光量検出器(Arm2)として働く場合は、前記第1光量検出器(Arm1)として働く場合とは異なる特性フィルタ(Ers1,Ers2)を設けることを特徴とする請求項に記載の光源装置。
  10. 前記第1光量検出器(Arm1)と前記第2光量検出器(Arm2)とが有する前記光センサの少なくとも一方が撮像素子であることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の光源装置。
  11. 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の光源装置を利用して画像を投影表示することを特徴とするプロジェクタ。
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