JP6589141B2 - 投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

本開示は、複数の光源を備えたプロジェクタ等の投写型映像表示装置に関する。

特許文献１は、各ＲＧＢ色の発光ダイオードを位相差でパルス幅変調方式により発光駆動する駆動制御手段を備えたデータプロジェクタ装置を開示する。

この装置は、ＬＥＤアレイを複数群に分割し、各ＬＥＤアレイ群をカラーホイールの回転に同期させて所定の位相差でパルス幅変調により駆動する光源を備える。これにより、各ＲＧＢ色の輝度を制御したデータプロジェクタ装置が実現できる。

特開２０１０−１０２３００号公報

パルス幅変調信号により光源の駆動電流を制御すると、例えばパルス幅変調信号のデューティ比が５０％のときの光源駆動電流は、図７Ａに示すように光源駆動電流の立ち上がり時にリンギングＲが発生する。このために、平均電流は５０％にならず、例えば５３％になってしまう。

また、パルス幅変調信号のデューティ比が１０％のときの光源駆動電流も、図７Ｂに示すように光源駆動電流の立ち上がり時にリンギングＲが発生するため平均電流は１０％にならず、例えば１２％になってしまう。

図７Ｃはパルス幅変調信号のデューティ比が１００％のときの光源駆動電流を示す。この場合はリンギングが発生しないので平均電流は１００％になる。

また、図８Ａ及び図８Ｂは、パルス幅変調信号のデューティ比と光源駆動電流の立ち上がり時間との関係を示しており、図８Ａはパルス幅変調信号のデューティ比が５０％のときの光源駆動電流を示す。この場合、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が完全にオフしている飽和領域から動作するのでスイッチング速度が遅くなって光源駆動電流の立ち上がり時間が長くなり、光源駆動電流の平均値は５０％を下回る。

また、図８Ｂはパルス幅変調信号のデューティ比が９５％のときの駆動電流を示す。この場合、ＦＥＴが完全にオフしていない状態から動作するのでスイッチング速度が多少遅くなるだけであるが、ＦＥＴが完全にオフしていないため光源駆動電流の平均値は９５％を上回る。

このように、デューティ比によってスイッチング時間が異なると共に、電流の立ち上がり時に発生するリンギングＲにより、パルス幅変調信号のデューティ比と光源駆動電流の平均値との関係は図９に示すようになる。

図９に示す破線はパルス幅変調信号のデューティ比と光源駆動電流の平均値との理想的な直線関係を示しており、実線がパルス幅変調信号のデューティ比に対する実際の光源駆動電流の平均値である。図９に示すように、パルス幅変調制御では、特にパルス幅変調信号のデューティ比が２０％以下及び９０％以上の範囲で理想的な直線関係からのズレが大きい。この理由は、上記図７Ａ、図７Ｂに示すようなリンギングＲや図８Ａ、図８Ｂに示すＦＥＴなどの半導体スイッチ素子のスイッチング時間特性等により、光源駆動電流がパルス幅変調信号と同等の理想的な矩形波を生成できないことである。

光源の明るさは光源駆動電流の平均値に比例するため、パルス幅変調信号のデューティ比に対する光源駆動電流の平均値の比例関係が崩れてしまうと、パルス幅変調信号のデューティ比と光源の明るさとの比例関係も崩れてしまう。特に、光量の多いパルス幅変調信号のデューティ比が９０％〜１００％の範囲において、光源の明るさとの比例関係を改善することは重要である。

本開示は、パルス幅変調信号のデューティ比に対して光源の明るさが比例する投写型映像表示装置を提供する。

本開示の投写型映像表示装置は、複数の光源と、複数の光源から出射された光を合成する光合成部と、光合成部から出射された光を変調する光変調素子と、光変調素子から出射された映像を投写する投写光学系を備える。複数の光源の各光源はパルス幅変調信号により制御され、前記光合成部により合成される光の光量の設定範囲の少なくとも一部において、各光源に対するパルス幅変調信号のデューティ比は異なっている。

本開示における投写型映像表示装置は、パルス幅変調信号のデューティ比に対して光源の明るさを比例させることに有効である。

実施の形態１における投写型映像表示装置の構成を示す図 実施の形態１における投写型映像表示装置の制御部の構成を示す図 実施の形態１における定格に対する光量目標値の比率とパルス幅変調信号のデューティ比との関係を示す模式図 実施の形態１における合成された光源用パルス幅変調信号（低周波数）とＤＭＤ駆動タイミング信号との周波数の関係を示す模式図 実施の形態１における合成された光源用パルス幅変調信号（高周波数）とＤＭＤ駆動タイミング信号との周波数の関係を示す模式図 実施の形態１における光源用パルス幅変調信号とＤＭＤ駆動タイミング信号との周波数の関係を示す模式図 他の実施の形態における定格に対する光量目標値の比率とパルス幅変調信号のデューティ比との関係を示す模式図 先行技術におけるパルス幅変調信号（デューティ比：５０％）と光源駆動電流との関係を示す図 先行技術におけるパルス幅変調信号（デューティ比：１０％）と光源駆動電流との関係を示す図 先行技術におけるパルス幅変調信号（デューティ比：１００％）と光源駆動電流との関係を示す図 先行技術におけるパルス幅変調信号（デューティ比：５０％）と光源駆動電流の立ち上がり時間との関係を示す図 先行技術におけるパルス幅変調信号（デューティ比：９５％）と光源駆動電流の立ち上がり時間との関係を示す図 先行技術におけるパルス幅変調のデューティ比と光源駆動電流の平均値との関係を示す模式図

以下では、本開示に係る実施の形態について、図面を参照しつつ説明を行う。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

以下の実施の形態の説明では、投写型映像表示装置の一例としてプロジェクタを挙げて説明するが、実施の形態はそれに限定されず、投写型映像表示装置はテレビや他の表示装置などであってもよい。

（実施の形態１）
以下、図１〜図５を参照して、実施の形態１を説明する。

［１−１．構成］
［１−１−１．全体構成］
図１は、投写型映像表示装置１００の構成を示す図である。図２は、投写型映像表示装置１００の制御部３００の構成を示す図である。この例では、投写型映像表示装置１００はプロジェクタである。

投写型映像表示装置１００は、照明装置１０と、映像生成部９０と、図２に示す制御部３００によって生成された映像光を投写する投写レンズ９８とを備える。

照明装置１０は、映像生成部９０に、均一で略平行光化した光を照射する。照明装置１０と制御部３００の詳細については後述する。

映像生成部９０は、レンズ９２と、全反射プリズム９４と、１枚のＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）９６とを備える。レンズ９２は、ロッドインテグレータ７２の出射面の光をＤＭＤ９６に結像させる機能を有している。

レンズ９２を介して全反射プリズム９４に入射した光は、面９４ａによって反射され、ＤＭＤ９６へ導かれる。ＤＭＤ９６は、制御部３００によって、複数のミラーそれぞれに入射する各色光のタイミングに合わせ、かつ、入力される映像信号に応じて制御される。

ＤＭＤ９６によって変調されて出射された光（映像光）は、全反射プリズム９４を透過して投写レンズ９８へ導かれる。本実施の形態では、ＤＭＤ９６として対角サイズが例えば０．６７インチのＤＭＤを使用する。ＤＭＤ９６は光変調素子の一例である。

投写レンズ９８は、時間的に合成された映像光を、装置外部のスクリーン（図示せず）へ投写する。投写レンズ９８のＦナンバーは例えば１．７である。投写レンズ９８は、投写光学系の一例である。

［１−１−２．照明装置の構成］
図１に示すように、照明装置１０は、光源装置１２と、光源装置１２からの出射光を映像生成部９０へと導光する導光光学系７０と、フィルターホイール８０とを備える。

第１のレーザモジュール２０及び第２のレーザモジュール２６は、５×５のマトリクス状に配置され、波長４５０ｎｍの青色レーザ光を出射する第１の半導体レーザ素子２２及び第２の半導体レーザ素子２８と、半導体レーザ素子の一つ一つに設けられた第１のレンズ２４及び第２のレンズ３０とをそれぞれ備える。

第１のレンズ２４及び第２のレンズ３０は、半導体レーザ素子から広がり角を持って出射した光を平行な光束に集光する機能を有している。第１のレーザモジュール２０及び第２のレーザモジュール２６は、それぞれ光源の一例である。

各レーザモジュールからの出射光は、ミラー３２によって空間的に合成される。各レーザモジュールの半導体レーザ素子は、いずれも等間隔に配置されているが、第１のレーザモジュール２０からの出射光と第２のレーザモジュール２６からの出射光は、ミラー３２上で異なる位置に入射されるように、各レーザモジュールの位置が調整されている。

そこで、ミラー３２は、第１のレーザモジュール２０からの出射光が入射される領域ではレーザ光に対して高透過となるＡＲ（Ａｎｔｉ‐Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：反射防止）コーティングが施され、第２のレーザモジュール２６からの出射光が入射される領域ではレーザ光に対して高反射となるミラーコーティングが施されている。

ミラー３２によって合成されたレーザ光は、黄色の光を発光する蛍光体が塗布された蛍光体ホイール（図示せず）によって黄色と青色を含んだ光に変換される。変換された光はレンズ３４によって集光される。レンズ３４によって集光された光は、光源装置１２からの出射光となる。

光源装置１２からの出射光は、ロッドインテグレータ７２に入射する。ロッドインテグレータ７２は、入射面７２ａ及び出射面７２ｂを備えている。ロッドインテグレータ７２の入射面７２ａに入射した光源装置１２からの光は、ロッドインテグレータ７２内で照度がより均一化され、出射面７２ｂから出射した後、フィルターホイール８０を通過する。

フィルターホイール８０は、円板形状である。フィルターホイール８０は、円板面上に、所定の角度毎に分割された赤セグメント、緑セグメント、青セグメントを有している。赤セグメントは、赤色カラーフィルタを有している。緑セグメントは、緑色カラーフィルタを有している。青セグメントは、青色カラーフィルタを有している。

赤色カラーフィルタは、光源装置１２からの出射光のうち、波長５８０ｎｍ〜７００ｎｍ程度の光である赤色光を透過させる。緑色カラーフィルタは、光源装置１２からの出射光のうち、波長４８０ｎｍ〜５８０ｎｍ程度の光である緑色光を透過させる。青色カラーフィルタは、光源装置１２からの出射光のうち、波長４００ｎｍ〜４８０ｎｍ程度の光である青色光を透過させる。

フィルターホイール８０を出射した光は、レンズ７４及びレンズ７６にリレーされ、照明装置１０からの出力光となって、映像生成部９０に入射する。以上のように、照明装置１０は、各種のレンズ、ミラーなどの光学部品を備える。

［１−１−３．制御部の構成］
図２に示すように、制御部３００は、光源輝度制御部２００と、第１のパルス幅変調信号発生部２１０及び第２のパルス幅変調信号発生部２２０と、第１の光源駆動部２３０及び第２の光源駆動部２４０と、映像表示素子駆動部２５０とを有する。

ユーザによって輝度設定部４０により設定される光量目標値（目標輝度値）に基づき、光源輝度制御部２００は第１のパルス幅変調信号発生部２１０及び第２のパルス幅変調信号発生部２２０を制御する。

第１のパルス幅変調信号発生部２１０及び第２のパルス幅変調信号発生部２２０は、第１の光源駆動部２３０及び第２の光源駆動部２４０をオン、オフさせるスイッチング用のパルス信号をそれぞれ生成する。第１の光源駆動部２３０及び第２の光源駆動部２４０は、第１のパルス幅変調信号発生部２１０及び第２のパルス幅変調信号発生部２２０のパルス信号に基づき、第１のレーザモジュール２０及び第２のレーザモジュール２６をそれぞれ駆動する。映像表示素子駆動部２５０は、入力された映像信号と同期信号によりＤＭＤ９６を駆動する。なお、映像の輝度調整はユーザによるものだけではなく、例えば光源の温度変化に対する輝度変化の補正、光源の経時劣化に伴う輝度低下の補正、入力映像信号のシーンに応じた自動輝度制御等によるものであってもよい。

［１−２．動作］
以上のように構成された投写型映像表示装置１００について、その動作を以下説明する。

投写型映像表示装置１００において、照明装置１０は、赤色光、緑色光、青色光の３色の光を時分割に切り替えて出力する。映像生成部９０は、照明装置１０からの光から映像光を生成する。投写レンズ９８は、生成された映像光をスクリーンへ投写する。

制御部３００は、映像生成部９０のＤＭＤ９６と、照明装置１０のフィルターホイール８０とを同期して制御する。制御部３００は、入力される映像信号に基づいて、各色光に対応した映像光を生成するように、ＤＭＤ９６を制御する。これにより、スクリーンへは、時分割に各色の映像光が投写される。ユーザは、スクリーンに投写される映像光を連続的に見ることで映像として視認する。

ユーザによる輝度設定部４０により設定される光量目標値の定格輝度に対する比率をｄ０とし、第１のパルス幅変調信号発生部２１０のオンとオフのデューティ比をｄ１、第２のパルス幅変調信号発生部２２０のオンとオフのデューティ比をｄ２とすると、光源輝度制御部２００は式（１）及び式（２）により算出したｄ１及びｄ２を算出する。

ｄ０＜（１０００／１１）％のとき、ｄ１＝ｄ０×９０％、ｄ２＝ｄ０×１１０％
・・・（１）
ｄ０≧（１０００／１１）％のとき、ｄ１＝ｄ０×２−１００％、ｄ２＝１００％
・・・（２）
この式（１）及び式（２）はｄ１とｄ２の平均がｄ０になることを意味し、すなわち第１のレーザモジュール２０と第２のレーザモジュール２６の定格輝度に対する比率を平均した輝度比率が定格に対する光量目標値の比率ｄ０になることを意味する。

図３は、この特性をグラフに示したものであり、定格に対する光量目標値の比率ｄ０とパルス幅変調信号のデューティ比との関係を示す。図３に示す破線は第１の光源駆動部２３０に対するパルス幅変調信号のデューティ比ｄ１の設定であり、図３に示す一点鎖線は第２の光源駆動部２４０に対するパルス幅変調信号のデューティ比ｄ２の設定である。このように、本実施の形態では、各レーザモジュールを駆動する各光源駆動部に対して異なるパルス幅変調信号のデューティ比を設定する。各レーザモジュールを異なるデューティ比で駆動することにより、各レーザモジュールの合成された光は平均化され、光源装置１２における直線性の悪いデューティ比の特性は緩和される。図３に示す実線は第１のレーザモジュール２０と第２のレーザモジュール２６とを合成した光量特性を模式的に示したものであ、改善された直線性の良いデューティ比の特性を示している。

図４Ａ及び図４Ｂは、合成された光源用パルス幅変調信号とＤＭＤ駆動タイミング信号との周波数の関係を示す模式図である。図４Ａのように光源用パルス幅変調信号の周波数がＤＭＤ駆動タイミング信号の周波数よりも低い場合は、光源用パルス幅変調信号とＤＭＤ駆動タイミング信号との干渉によるフリッカが発生する。このフリッカを軽減するためには、図４Ｂのように光源用パルス幅変調信号の周波数をＤＭＤ駆動タイミング信号の周波数より高くする必要がある。

また、図５は第１の光源駆動部２３０と第２の光源駆動部２４０でパルス幅変調信号の位相を１８０度ずらしたときの第１のレーザモジュール２０と第２のレーザモジュール２６の合成光のパルスを示す。

第１のパルス幅変調信号発生部２１０及び第２のパルス幅変調信号発生部２２０で生成するパルス幅変調信号の位相を第１の光源駆動部２３０と第２の光源駆動部２４０で１８０度ずらすことにより、第１のレーザモジュール２０と第２のレーザモジュール２６の合成光の周波数は、もとのパルス幅変調信号の周波数の２倍になる。

これは、ＤＭＤ駆動タイミング信号の周波数に対する合成光のスイッチング周波数を一定にした場合、各光源駆動部用のパルス幅変調信号の周波数は半分となることを意味する。パルス幅変調信号の周波数を下げることは、上記図７Ａ〜図７Ｃ及び図８Ａ、図８Ｂで示した光源駆動電流のリンギングＲやスイッチング時間特性の改善につながり、パルス幅変調信号のデューティ比と光源の輝度との比例関係が改善される。

［１−３．効果等］
このように、光源の駆動部を２系統とし、各系統間でパルス幅変調信号のデューティ比及び位相を異なるようにすることにより、パルス幅変調信号のデューティ比と光源の輝度との比例関係が改善される。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

上記実施の形態１では、図３、式（１）及び式（２）に示すように、定格に対する光量目標値の比率ｄ０が約９０％のところを境に、第１の光源駆動部２３０及び第２の光源駆動部２４０に対するそれぞれのデューティ比ｄ１、ｄ２の制御を切替えている。しかしながら、例えば、図６に示すように、定格に対する光量目標値の比率ｄ０が約８０％のところを境に、デューティ比の制御を切替えてもよい。

また、上記実施の形態１では、図３、式（１）及び式（２）に示すように、定格に対する光量目標値の比率ｄ０の範囲の全体に渡って、第１の光源駆動部２３０に対するデューティ比ｄ１と第２の光源駆動部２４０に対するデューティ比ｄ２とを異なる値に設定している。しかしながら、例えば、図６に示すように、定格に対する光量目標値の比率ｄ０が５０％以上の範囲において、第１の光源駆動部２３０に対するデューティ比ｄ１と第２の光源駆動部２４０に対するデューティ比ｄ２とを異なる値に設定してもよい。このように、各レーザモジュールから出射する光の合成された光量の設定範囲の少なくとも一部において、デューティ比が異なるように各光源駆動部を制御する必要がある。特に、図９に示すように、パルス幅変調信号のデューティ比と光源駆動電流の平均値との比例関係のズレは９０％〜１００％の範囲で大きいので、少なくともこの範囲において第１の光源駆動部２３０に対するデューティ比ｄ１と第２の光源駆動部２４０に対するデューティ比ｄ２とを異なる値に設定する必要がある。そうすることにより、定格に対する光量目標値の比率ｄ０と実際に光源装置１２から出射される光量との比例関係が改善される。

上記実施の形態１では、光変調素子の一例としてＤＭＤ９６を説明した。光変調素子は、照明装置１０から出射された光を変調して映像光を出力する素子であればよい。したがって、光変調素子は、ＤＭＤ９６に限定されない。例えば、光変調素子は、反射型液晶パネルや、透過型液晶パネルで構成されていてもよい。

上記実施の形態１では、３色の光を時分割して１個のＤＭＤ９６を使用した構成を例示したが、１色の白色光をプリズムで赤色、緑色、青色に分離して３個のＤＭＤを使用した構成を用いてもよい。

上記実施の形態１では、２系統の光源駆動部と光源部により構成したが、３系統以上の光源駆動部と光源部の構成を用いてもよい。

上記実施の形態１では、５×５のマトリクス状に配置された半導体レーザ素子により構成されるレーザモジュールを例示したが、半導体レーザ素子の数及び配置はこれに限定されるものではない。レーザモジュールの構成は、半導体レーザ素子１つあたりの光強度や、光源装置１２に所望される出力などに応じて設定すればよい。

また、レーザ光の波長も４５０ｎｍに限定されるものではなく、例えば、４０５ｎｍの光を出射する紫色半導体レーザ素子や、４００ｎｍ以下の紫外線光を出射する半導体レーザ素子などを用いてもよい。

上記実施の形態１では、青色のレーザ光によって、蛍光体を励起し、黄色を主波長とする光を発光する構成を例示したが、赤色や緑色を主波長とする光を発光させる蛍光体を用いてもよい。

また、上記実施の形態１では、２５個の第１のレーザモジュール２０のパルス幅変調信号のデューティ比と２５個の第２のレーザモジュール２６のパルス幅変調信号のデューティ比とを異ならせたが、第１のレーザモジュール２０及び第２のレーザモジュール２６の中から選んだ任意の２５個のパルス幅変調信号のデューティ比と残りの２５個のパルス幅変調信号のデューティ比とを異ならせても良い。また、５０個のレーザモジュール全てのパルス幅変調信号のデューティ比を異ならせてもよい。

上記実施の形態では、各レーザモジュールからの出射光はミラー３２によって空間的に合成されるが、光合成部はミラー３２に限られない。例えば、ミラー３２を用いず、各レーザモジュールからの出射光を同じ方向から出射させ、ロッドインテグレータ７２により合成してもよい。

また、上記実施の形態１では、光源として半導体レーザを使用したが、ＬＥＤや光源ランプ等他の光源を使用してもよい。

本技術は、複数の光源を備えた投写型映像表示装置に適用可能である。具体的には、プロジェクタのほか、テレビなどに、本技術は適用可能である。

１０ 照明装置
１２ 光源装置
２０ 第１のレーザモジュール
２６ 第２のレーザモジュール
２２ 第１の半導体レーザ素子
２８ 第２の半導体レーザ素子
２４ 第１のレンズ
３０ 第２のレンズ
３４，７４，７６，９２ レンズ
３２ ミラー
４０ 輝度設定部
７２ ロッドインテグレータ
８０ フィルターホイール
９０ 映像生成部
９４ 全反射プリズム
９６ ＤＭＤ
９８ 投写レンズ
１００ 投写型映像表示装置
２００ 光源輝度制御部
２１０ 第１のパルス幅変調信号発生部
２２０ 第２のパルス幅変調信号発生部
２３０ 第１の光源駆動部
２４０ 第２の光源駆動部
２５０ 映像表示素子駆動部
３００ 制御部

Claims (3)

1. 同一波長の光を出射する半導体レーザ素子からなる複数の光源と、
   前記各光源に対して設けられ、前記光源を駆動する光源駆動電流を流す光源駆動部と、
   前記光源駆動部をオン／オフ駆動するパルス幅変調信号を供給するパルス幅変調信号発生部と、
   前記複数の光源から出射された光を合成する光合成部と、
   前記光合成部から出射された光を変調する光変調素子と、
   前記光変調素子から出射された映像を投写する投写光学系と、
   を備えた投写型映像表示装置において、
   前記複数の光源の各光源はパルス幅変調信号により制御され、前記光合成部により合成される光の光量の設定範囲の少なくとも一部において、前記光合成部により合成される光の光量特性が直線の特性となるように、各光源に対する前記パルス幅変調信号のデューティ比は異なっており、
   各光源に対する前記パルス幅変調信号のデューティ比による各光源の輝度の合計輝度値が、前記投写光学系から投写される映像の目標輝度値となるように、各光源の前記パルス幅変調信号のデューティ比は設定され、
   定格に対する前記目標輝度値の比率が、少なくとも９０％から１００％の範囲において、各光源を制御する前記パルス幅変調信号のデューティ比が異なる、
   投写型映像表示装置。
2. 前記投写型映像表示装置は、前記投写光学系から投写される映像の輝度を設定する輝度設定部を更に備え、
   各光源の前記パルス幅変調信号のデューティ比による各光源の輝度の合計輝度値が、前記輝度設定部により設定された映像の輝度値となるように、
   各光源の前記パルス幅変調信号のデューティ比は設定されている請求項１記載の投写型映像表示装置。
3. 前記各光源に対する前記パルス幅変調信号の位相は異なっている請求項１記載の投写型映像表示装置。

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