WO2015119184A1 - 光源装置およびプロジェクタ - Google Patents

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WO2015119184A1
WO2015119184A1 PCT/JP2015/053194 JP2015053194W WO2015119184A1 WO 2015119184 A1 WO2015119184 A1 WO 2015119184A1 JP 2015053194 W JP2015053194 W JP 2015053194W WO 2015119184 A1 WO2015119184 A1 WO 2015119184A1
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light
wavelength
band
source device
light source
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PCT/JP2015/053194
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昌士 岡本
貴紀 鮫島
小田 史彦
三浦 雄一
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ウシオ電機株式会社
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    • G03B21/14Details
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
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    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B45/20Controlling the colour of the light
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    • H05B45/37Converter circuits
    • H05B45/3725Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/38Switched mode power supply [SMPS] using boost topology

Definitions

  • the present invention relates to a light source device using light emitting elements such as semiconductor lasers of a plurality of different wavelength bands that can be used in an optical device such as a projector.
  • HID lamps high-intensity discharge lamps
  • TM DLP
  • TM liquid crystal projectors
  • photomask exposure apparatuses photomask exposure apparatuses.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining one form of a part of a conventional projector related to the projector of the present invention (reference: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-252112).
  • a light condensing means (not shown) composed of a concave reflecting mirror, a lens, or the like.
  • FmA is input to the incident end (PmiA) and output from the exit end (PmoA).
  • a light guide can be used as the light uniformizing means (FmA). This is also called a name such as a rod integrator or a light tunnel, and is constituted by a prism made of a light-transmitting material such as glass or resin.
  • a hollow square tube the inner surface of which is a reflecting mirror
  • the illumination lens (Ej1A) is arranged so that a square image of the emission end (PmoA) is formed on the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjA), and is output from the emission end (PmoA).
  • the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjA) is illuminated with light.
  • a mirror (MjA) is arranged between the illumination lens (Ej1A) and the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjA). Then, the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjA) modulates the light so as to be directed to the direction in which the light is incident on the projection lens (Ej2A) or not to be incident on each pixel according to the video signal. An image is displayed on the screen (Tj).
  • the two-dimensional light amplitude modulation element as described above is sometimes called a light valve.
  • a DMD digital micromirror
  • DmjA two-dimensional light amplitude modulation element
  • TM Device
  • FIG. 8 is a diagram for explaining one form of a part of a conventional projector related to the projector of the present invention (reference: JP 2001-142141 A).
  • the light from the light source (SjB) composed of a high-intensity discharge lamp or the like is made into a uniform light beam by a fly-eye integrator with the help of collimator means (not shown) composed of a concave reflecting mirror or lens.
  • the light uniformizing means (FmB) is configured by a combination of an incident-side front stage fly-eye lens (F1B), an exit-side rear stage fly-eye lens (F2B), and an illumination lens (Ej1B).
  • Both the front fly-eye lens (F1B) and the rear fly-eye lens (F2B) are formed by arranging a large number of rectangular lenses having the same focal length and the same shape in the vertical and horizontal directions.
  • Each lens of the front-stage fly-eye lens (F1B) and the corresponding lens of the rear-stage fly-eye lens (F2B) in the subsequent stage constitute an optical system called Koehler illumination.
  • a large number of optical systems are arranged vertically and horizontally.
  • the Kohler illumination optical system is composed of two lenses.
  • the front lens collects light and illuminates the target surface, the front lens does not form a light source image on the target surface, but the center of the rear lens.
  • a light source image is formed on this surface, and the rear lens is arranged so as to form an image of the quadrangle of the outer shape of the front lens on the target surface (surface to be illuminated), thereby uniformly illuminating the target surface.
  • the front fly-eye lens (F1B) and the rear fly-eye lens (F2B). ) are arranged so as to be equal to their focal lengths, so that an image of the target surface of uniform illumination as the Kohler illumination optical system is generated at infinity.
  • the illumination lens (Ej1B) is disposed at the rear stage of the rear fly-eye lens (F2B), the target surface is drawn toward the focal plane of the illumination lens (Ej1B) from infinity.
  • a number of Kohler illumination optical systems arranged in the vertical and horizontal directions are parallel to the incident optical axis (ZiB), and light beams are input substantially symmetrically with respect to the respective central axes, so that the output light flux is also substantially axially symmetric. For this reason, the light rays incident on the lens surface at the same angle are refracted toward the same point on the focal plane regardless of the incident position on the lens surface, that is, due to the Fourier transform action of the lens.
  • the outputs of all the Kohler illumination optical systems are imaged on the same object plane on the focal plane of the illumination lens (Ej1B).
  • a polarizing beam splitter (MjB) is disposed between the illumination lens (Ej1B) and the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjB), so that the light is two-dimensional light amplitude modulation element (DmjB).
  • the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjB) rotates the polarization direction of light by 90 degrees for each pixel according to the video signal, or modulates and reflects the light so that only the rotated light is reflected. Then, the light passes through the polarizing beam splitter (MjB) and is incident on the projection lens (Ej3B) to display an image on the screen (Tj).
  • LCOS silicon liquid crystal device
  • DmjA two-dimensional light amplitude modulation element
  • a polarization alignment functional element PcB
  • F2B rear fly-eye lens
  • the polarization alignment functional element PcB
  • a field lens (Ej2B) is inserted immediately before the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjB) so that substantially parallel light is incident thereon.
  • a transmissive liquid crystal device (LCD) is also used with an optical arrangement suitable for it (reference: No. 10-133303).
  • a dynamic color filter such as a color wheel is disposed after the light uniformizing means, and R, G, B (red and green, blue)
  • the two-dimensional light amplitude modulation element is illuminated as a color sequential light beam, and color display is realized by time division.
  • a dichroic mirror or a dichroic prism is arranged at the subsequent stage of the light uniformizing means to illuminate a two-dimensional light amplitude modulation element provided independently for each color with light separated into R, G, and B primary colors, and further dichroic.
  • An optical system for color synthesis of modulated light beams of the three primary colors R, G, and B is configured by arranging a mirror and a dichroic prism.
  • the optical member for displaying an image in color is omitted in order to avoid complexity.
  • the high-intensity discharge lamp described above has drawbacks such as low conversion efficiency from input power to optical power, that is, a large heat loss or a short life.
  • solid light sources such as LEDs and semiconductor lasers have attracted attention as alternative light sources that have overcome these drawbacks.
  • the LED has a smaller heat loss and a longer life than the discharge lamp, but the emitted light has no directivity like the discharge lamp.
  • the light use efficiency is low.
  • the semiconductor laser has a disadvantage that speckles are generated due to its high coherence, but it can be overcome by various technical improvements such as using a diffusion plate. Therefore, similar to the LED, since the heat loss is small, the lifetime is long, and the directivity is high, even in applications where only light in a specific direction can be used, such as the projectors and exposure apparatuses described above, There is an advantage that utilization efficiency is high.
  • the high directivity makes it possible to perform optical transmission with high efficiency, so it is possible to separate the installation location of the semiconductor laser from the location where the light is used, such as a projector. The degree of freedom can be increased.
  • the emission wavelength and emission intensity of the semiconductor laser change due to a temperature increase due to environmental temperature change or self-heating and further deterioration due to an increase in accumulated energization time.
  • a semiconductor laser is used as part of or all of the R, G, and B3 primary colors as the light source of the projector, the color and brightness of the entire image change due to such changes. Therefore, when applying a semiconductor laser to a high-fidelity projector, it is necessary to stabilize the color, that is, the white balance and the brightness.
  • the light emission wavelength becomes longer by detecting the amount of light using a positive light sensor and a negative light sensor in the light emission wavelength band of the spectral sensitivity characteristic. It is determined whether it is changing in the direction, changing in the direction of shortening, or not changing, and based on the result, the reference level of the input power control of the R, G, B color light sources Techniques to increase or decrease the are described.
  • this technology detects and controls only the direction of temporal change in the emission wavelength, so it corrects relatively fast color changes due to temperature changes due to the heat generated by the light source itself immediately after the light source is turned on. Although it may be possible, there is a problem that it cannot cope with a very slow environmental temperature change or a color change accompanying a deterioration of a light source over a long period of time. Further, it remains unsolved how to control the input power for each color light source when multiple color light sources cause color changes independently at the same time.
  • an inconvenient wavelength component of the light emitted from the LED is obtained by changing the angle of the dichroic mirror based on the output from the LED light source and the detection result of the light detection sensor for detecting the color.
  • a technique for correcting colors by throwing away is described.
  • it is inefficient because it throws away inconvenient light, and a method for realizing a light detection sensor for detecting color has not been solved.
  • the problem to be solved by the present invention is to quantitatively measure the hue of the output light beam without incorporating a high-cost chromaticity meter equipped with a filter having precise spectral characteristics, and to achieve the target hue by feedback control. It is an object of the present invention to provide a light source device and a projector that can maintain the above.
  • the light source device includes a light emitting element (Y1a, Y1b,%) That emits light in a narrow wavelength band and a drive circuit (P1a, P1b,%) That drives the light emitting elements (Y1a, Y1b,. Is a single element light source (U1, U2,%), A plurality of the element light sources (U1, U2,%) And the drive circuits (P1a, P1b,..., P2a, P2b, etc. And an integrated control circuit (Mc) for controlling the output light flux (Fo, Fo1, Fo2,%) That collects the radiated light from the light emitting elements (Y1a, Y1b,..., Y2a, Y2b,).
  • the light emitting elements (Y1a, Y1b,..., Y2a, Y2b, etc. Include elements whose emission wavelengths belong to a plurality of different wavelength bands
  • the light source device includes a measurement output light beam (Fo ′) comprising an amount of light that correlates with the light amount of the total output light beam (Fo, Fo1, Fo2,%) Of the output light beam (Fo, Fo1, Fo2,).
  • a wavelength deviation indication value correlated with a deviation from the reference wavelength for at least one wavelength band of the wavelength band.
  • Band optical characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB) for generating band optical characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB) for acquisition;
  • the integrated control circuit (Mc) at least intermittently acquires the band light characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB) generated by the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB), and the emission intensity instruction value. And the wavelength deviation indicating value,
  • the integrated control circuit (Mc) generates a hue instruction value that correlates to the overall light color of the output light beam (Fo, Fo1, Fo2,...), And the difference between the hue instruction value and its target value is determined.
  • the drive circuit (P1a, P1b,..., P2a, P2b,...) Is feedback-controlled by determining the amount of change in the emission intensity instruction value for each of the wavelength bands so as to decrease.
  • the integrated control circuit (Mc) sets the function value at the reference wavelength and the color matching function when the wavelength changes from the reference wavelength for each color matching function necessary for calculating the chromaticity. And possessing local band color matching function information consisting of information regarding changes in function values, and using the wavelength deviation indication value and the local band color matching function information for each of the wavelength bands described above, chromaticity coordinates
  • the hue instruction value is calculated based on an amount correlated with the above.
  • the integrated control circuit (Mc) has a hue indication value correlated with a total light color of the output light beam (Fo, Fo1, Fo2,%), A brightness instruction value correlated with the overall light brightness of the output luminous flux (Fo, Fo1, Fo2,%) Is generated, and in addition to the difference between the hue instruction value and its target value, the brightness instruction value and its target.
  • the drive circuit (P1a, P1b,..., P2a, P2b,...) Is feedback-controlled by determining the amount of change in the emission intensity instruction value for each of the wavelength bands where the difference in value is small. It is what.
  • the integrated control circuit (Mc) indicates a change amount of the hue instruction value when the emission intensity instruction value for each of the wavelength bands is slightly changed. Using the above-described change amount of the emission intensity instruction value, a coefficient when expressed by the linear calculation is determined, and the change amount of the emission intensity instruction value for each of the wavelength bands described above is determined via the coefficient. Thus, the feedback control described above is performed.
  • the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB) changes the traveling direction according to the wavelength of the light contained in the received measurement output light beam (Fo ′).
  • the band having a wavelength dispersive optical element (Eg) to be changed and an image pickup element (Ca) for detecting a distribution pattern formed behind by the light whose traveling direction has been changed by the wavelength dispersive optical element (Eg).
  • Optical characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB) is generated.
  • the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB) includes a light amount detector for detecting a light amount of the received measurement output light beam (Fo ′), and the light emission.
  • a temperature detector for detecting the temperature of the element is provided to generate the band light characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB), and the integrated control circuit (Mc) is based on the detected temperature of the light emitting element. The above-described wavelength deviation instruction value is estimated.
  • the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB) includes a light amount detector for measuring a light amount of the received measurement output light beam (Fo ′), and the light emission.
  • the band optical characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB) is generated by including a power detector that detects an amount correlated with the power input to the element, and the integrated control circuit (Mc)
  • the wavelength deviation instruction value is estimated based on the electric power supplied to the light emitting element.
  • a light source device is characterized in that the light amount detector is an image sensor.
  • the projector according to an eighth aspect of the present invention is characterized in that an image is projected and displayed using the light source device according to the first to seventh aspects.
  • Light source device and projector capable of quantitatively measuring the hue of the output light beam and maintaining the target hue by feedback control without incorporating a high-cost chromaticity meter equipped with a filter having precise spectral characteristics Can be provided.
  • the block diagram which simplifies and shows the light source device of this invention is represented.
  • the block diagram which simplifies and shows the light source device of this invention is represented.
  • the schematic diagram which simplifies and shows a part of light source device of this invention is represented.
  • the schematic of the concept relevant to the technique of the light source device of this invention is represented.
  • the schematic of the concept relevant to the technique of the light source device of this invention is represented.
  • the schematic diagram which simplifies and shows one form of the one part of the Example of the light source device of this invention is represented.
  • the schematic diagram which simplifies and shows one form of the one part of the Example of the light source device of this invention is represented.
  • the figure explaining one form of one part of the kind of the conventional projector concerning the projector of this invention is represented.
  • the figure explaining one form of one part of the kind of the conventional projector concerning the projector of this invention is represented.
  • FIG. 1 is a block diagram which simplifies and shows the light source device of this invention.
  • At least one light emitting element (Y1a, Y1b,%) Provided in the element light source (U1) is driven by a drive circuit (P1a, P1b,%) To emit light.
  • a drive circuit P1a, P1b, etc.
  • a semiconductor laser or a radiated light of the semiconductor laser is utilized by utilizing a nonlinear optical phenomenon such as harmonic generation or an optical parametric effect.
  • a light source for wavelength conversion, etc. which can be driven by one drive circuit (P1a, P1b,...) By connecting a plurality of such light sources in series, in parallel, or in series-parallel connection. It is said.
  • the driving circuits (P1a, P1b,...) are DC / DC converters configured by a circuit of a system such as a step-down chopper or a step-up chopper, which is powered by a DC power supply (not shown) here.
  • the integrated control circuit (Mc) individually outputs data for each of the drive circuits (P1a, P1b,..., P2a, P2b,...) Via drive circuit control signals (J1a, J1b,..., J2a, J2b,). It is configured to be able to send and receive and to control and to supply prescribed power to each of the light emitting elements (Y1a, Y1b,..., Y2a, Y2b,).
  • the light source device of the present invention has a plurality of element light sources similar to the element light source (U1), and the light emitting elements (Y1a, Y1b,..., Y2a, Y2b, etc. Included therein emit light. Wavelengths belonging to a plurality of different narrow wavelength bands are included, and the included wavelength bands are the three primary colors R, G, and B here. Therefore, in order to measure the overall light characteristics of the respective output light beams (Fo1, Fo2,%) Of these element light sources (U1, U2,...), The output light beams (Fo1, Fo2,.
  • a measurement output light beam (Fo ′) made up of a quantity of light that correlates with the light amount of the output light beam (Fo1, Fo2,%) Collected by extracting the parts is generated and provided for each of the wavelength bands described above. Further, the light is incident on the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB).
  • the total light characteristic is assumed to be a state in which all the output light beams (Fo1, Fo2,%) Are mixed, and the light of each wavelength band in the entire output light beam (Fo1, Fo2,). It refers to the characteristics of the entire output light beam (Fo1, Fo2,%) Such as the content rate and the color of light for each wavelength band.
  • the entire output light beam is output separately when the output light beam (Fo1, Fo2,%) Is a mixture of light in the R, G, and B wavelength bands. Even in this case, the light in the R, G, and B wavelength bands is finally mixed.
  • the light in the R, G, B wavelength band is finally subjected to image information on the light by two-dimensional light amplitude modulation for each wavelength band.
  • Correlation with the light amount of the output light beam means that if the measurement output light beam (Fo ′) is measured, it is possible to estimate the light amount and the hue for each wavelength band of the output light beam (Fo1, Fo2,). In this case, even if the correlation magnification (correlation coefficient) is different for each wavelength band, it can be measured and corrected in advance.
  • the band light characteristic acquisition unit acquires band light characteristic acquisition data for acquiring a light emission intensity instruction value correlated with light intensity and a wavelength deviation instruction value correlated with deviation from a reference wavelength
  • Any configuration can be used in the light source device of the present invention as long as it is a means for generating (ShR, ShG, ShB) and measuring and acquiring these quantities.
  • a part of each of the light fluxes extracted from the output light fluxes (Fo1, Fo2,...) Of each wavelength band is collectively used as a measurement output light flux (Fo ′), and the band light characteristic acquisition unit is collectively collected.
  • the single band light characteristic acquisition means set (Ax) is simply described for convenience, and the measurement light flux for each wavelength band is supplied to the band light characteristic acquisition means for each wavelength band.
  • (AiR, AiG, AiB) may be individually input.
  • the integrated control circuit (Mc) obtains band light characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB) including information for acquiring a light emission intensity instruction value and a wavelength deviation instruction value from the band light characteristic acquisition means (AiR, Read from AiG, AiB).
  • the output luminous flux (Fo1, Fo2,%) Illuminates a two-dimensional light amplitude modulation element provided separately for each color of R, G, and B, and a dichroic mirror
  • FIG. 2 is a block diagram showing the light source device of the present invention in a simplified manner
  • the light emitted from the light emitting elements (Y1a, Y1b,..., Y2a, Y2b,...) Is collected from, for example, a lens.
  • the light is focused on the incident end (Ei1, Ei2,%) Of the optical fiber (Ef1, Ef2,%) By the optical optical system (Ec1, Ec2,%) And propagates through the core of the optical fiber (Ef1, Ef2,. It is also possible to radiate from the emission ends (Eo1, Eo2,).
  • the radiated light from the emission ends (Eo1, Eo2,%) Of the optical fibers (Ef1, Ef2,%) Of the element light sources (U1, U2,%) are combined into one output light beam (Fo).
  • Output from the light source device As a comprehensive method of radiated light from a plurality of emission ends (Eo1, Eo2,%), The simplest method is to align the emission ends (Eo1, Eo2,%) On the same plane. This can be realized by bundling the emission ends of the optical fibers (Ef1, Ef2,). A part of the emitted light from the emission end (Eo1, Eo2,%) So that the amount correlated with the amount of the output light beam (Fo) guided by each of the optical fibers (Ef1, Ef2,%) Can be measured.
  • a combined output light flux (Fo ′) for measurement is extracted and a band light characteristic acquisition means set (Ax) in which band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB) are grouped together as in FIG. ).
  • band light characteristic acquisition means AiR, AiG, AiB
  • all the output ends of the optical fibers (Ef1, Ef2,...) are bundled to generate an output light beam (Fo) of white light.
  • the output ends (Eo1, Eo2,...) Are divided and bundled to generate output light fluxes for each wavelength band, which are individually input to the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB). You can also.
  • FIG. 3 which is a schematic diagram showing a part of the light source device of the present invention in a simplified manner, shows an example of configuring the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB).
  • This figure generates band light characteristic acquisition data (ShR) for acquiring a light emission intensity instruction value correlating with the light intensity in the R color wavelength band and a wavelength deviation instruction value correlating with a deviation from the reference wavelength.
  • band light characteristic acquisition means (AiR)
  • the same can be applied to wavelength bands of other colors.
  • the extracted light beam is converted by the collimator lens (Eb2) from the image of the pinhole (Ea) into a light beam forming an infinite image, and this light beam is used as the output light beam for measurement, and the wavelength of the light contained therein.
  • the imaging lens (Eb3) After reflecting with a wavelength dispersive optical element (Eg) using a diffraction grating or the like having a function of changing the traveling direction in accordance with the imaging lens (Eb3), the imaging lens (Eb3) passes through the imaging lens (Eb3). An image of the pinhole (Ea) subjected to spectral decomposition is generated on the output image plane.
  • an image pickup surface of an image pickup device (Ca) using, for example, a one-dimensional image sensor or the like is arranged at the position of this image so that this image can be picked up.
  • the arrangement direction of the pixels of the imaging element (Ca) coincides with the direction in which the angle of the emitted light changes depending on the wavelength change of the incident light to the wavelength dispersive optical element (Eg) and is projected.
  • the signal processing circuit (H) reads the brightness distribution pattern in the above-described spectrally resolved pinhole image acquired by the imaging device (Ca), and the brightness of each pixel. Is calculated to obtain the distribution pattern intensity.
  • the center-of-gravity position of the pattern is calculated, the amount of deviation from the pixel position corresponding to the reference wavelength is obtained, and the band light characteristic acquisition data (ShR) composed of the distribution pattern intensity and the amount of deviation can be generated.
  • the brightness of each pixel is calculated before the calculation of the sum of the brightness of each pixel and the calculation of the centroid position of the distribution pattern. Is preferably corrected depending on the position of each pixel.
  • the wavelength resolution is 0.1 nm / pixel and the slope of spectral sensitivity in the wavelength band (that is, the amount of increase in sensitivity when the wavelength is increased by 1 nm) is 2% / nm, it corresponds to the reference wavelength.
  • the signal processing circuit (H) can determine the distribution pattern intensity and the amount of deviation as described above, by combining the radiated light from all the optical fibers (Ef1,%) Related to the wavelength band.
  • the position in the z′-axis direction of the pinhole (Ea) needs to be set at a position where the radiated light from all of the optical fibers (Ef1,...) Is superimposed.
  • the central axis of the angular distribution of emitted light from each point of the core at the exit end of each of the optical fibers (Ef1,...) That is, the principal ray is the central axis of the core of the optical fiber (Ef1,. Since the entrance pupil of the condenser lens (Eb1) is at infinity, the pinhole (Ea) is placed at the center of the exit pupil of the condenser lens (Eb1). It is preferable to provide it.
  • the integrated control circuit (Mc) receives the band optical characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB) from the band optical characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB), thereby allowing each wavelength band of R, G, B
  • the distribution pattern intensity and the amount of deviation described above can be acquired for each of the above. Therefore, the integrated control circuit (Mc) calculates the emission intensity instruction values Sr, Sg, Sb correlated with the light intensity from the distribution pattern intensity described above for each of the R, G, B wavelength bands.
  • the wavelength deviation instruction values ⁇ r, ⁇ g, ⁇ b that correlate with the deviation from the reference wavelength can be calculated from the deviation amount of the center of gravity position of the distribution pattern from the pixel position corresponding to the reference wavelength.
  • the color of light emitted from a light source or the like is represented by chromaticity coordinates based on the XYZ color system established by CIE (Reference: “Color Properties and Technology”, October 10, 1986, first edition, first edition) (Published by the Japan Society of Applied Physics / Optical Society, published by Asakura Shoten).
  • the tristimulus values X, Y, Z of the light beam to be measured represented by the spectrum S ( ⁇ ) with the wavelength ⁇ as a parameter are the color matching functions xe ( ⁇ ), ye ( ⁇ ), ze () defined by the CIE.
  • the following integral calculation is performed.
  • the integration is supposed to be performed in the region from 380 nm to 780 nm.
  • the integrated control circuit (Mc) calculates the function value and wavelength at the reference wavelength for each of the color matching functions xe ( ⁇ ), ye ( ⁇ ), and ze ( ⁇ ) for each of the R, G, and B wavelength bands. It holds local band color matching function information consisting of information related to changes in the function value of the color matching function when the wavelength changes from the reference wavelength (for example, the rate of change of the function with respect to the wavelength change described later). Therefore, the integrated control circuit (Mc), as will be described later, is based on the emission intensity instruction value and the wavelength deviation instruction value calculated for each of the R, G, and B wavelength bands. Using the function information, it is possible to approximately calculate the tristimulus values X, Y, Z or the chromaticity coordinates x, y as the hue instruction values.
  • FIG. 4B is a schematic diagram showing what is called a chromaticity diagram representing the relationship between chromaticity coordinates and colors. All colors that can be expressed by this color system are either on the dotted line in the diagram or inside it. The approximate positions of red (R), green (G), blue (B), and white (W) are described. Note that monochromatic light such as laser light is located on the dotted line in the drawing (except for a straight line portion extending from R to B, so-called pure purple locus). The pure white chromaticity coordinates are 1/3 and 1/3. In the figure, when viewed from the white position as a reference, R is generally located on the right side, G is located on the upper side, and B is located on the lower side. Increasing the value increases the y value, and increasing the B component decreases the y value.
  • the integrated control circuit (Mc) has the emission intensity instruction values Sr, Sg, Sb correlated with the light intensity and the wavelength deviation instruction value ⁇ r, correlated with the deviation from the reference wavelength.
  • ⁇ g and ⁇ b are acquired to calculate chromaticity coordinates, and the respective values x, y of the calculated chromaticity coordinates are compared with their respective target values. And, for example, if x is larger than the target value, the sum of the output power of the driving circuit (P1a, P1b,..., P2a, P2b,.
  • the total output power of those driving the light emitting elements in the G wavelength band and the total output power of those driving the light emitting elements in the B wavelength band are increased by ⁇ p / 2 ⁇ %. If y is larger than the target value, the sum of the output powers of those driving the light emitting elements in the G wavelength band is reduced by q%, and the sum of the output powers of those driving the light emitting elements in the B wavelength band is reduced.
  • Control is performed via the drive circuit control signals (J1a, J1b,..., J2a, J2b,...) so as to increase q%.
  • a feedback control loop is constructed by returning the sequence to a place where the light quantity measurement data is acquired again after an appropriate time. By this feedback control loop, control is always performed so as to reduce the difference between the chromaticity coordinates and the target value without changing the light intensity so much, and the light color can be stabilized. .
  • the value x or y is smaller than the target value, the increase and decrease operations in the above description are reversed. Also, the values p and q are output to the extent that there is no sudden change in the color of the light, and due to the decrease or increase of p% or ⁇ p / 2 ⁇ % and the decrease or increase of q% as described above.
  • the difference between the chromaticity coordinates before the power change and the target value is reversed, and the sign of the difference between the chromaticity coordinates after the output power change and the target value is reversed and the absolute value does not increase.
  • the value should be small, the relationship between the magnitude of the value p relative to the magnitude of the difference between the value x and the target value, and the magnitude of the value q relative to the magnitude of the difference between the value y and the target value is It is good to decide experimentally.
  • the increase / decrease in the output power based on the value p and the increase / decrease in the output power based on the value q may be performed alternately, or after both the values p and q are determined, both values are reflected.
  • the output power may be increased or decreased.
  • the method based on the values p and q is not necessarily the method of moving toward the target value by the shortest path, but can be performed by gradually changing the state of the system toward the target value by feedback control. It is practical enough. Note that how to reach the target value on the shortest path will be described later.
  • the target chromaticity coordinates are not necessarily those corresponding to pure white. This is because, for example, when the light source device is applied to a projector, the light use efficiency of the optical system of the projector body is not always the same for each of the R, G, and B colors. For example, if the use efficiency of B color is low in an optical system of a projector main body, the target chromaticity coordinates will be blue with a large B color component. Therefore, the target chromaticity coordinates may be determined according to the output of the apparatus using the light source device, not the color of the output light beam (Fo, Fo1, Fo2,...) Of the light source device.
  • the total output power of the drive circuit that drives the light emitting element in one wavelength band and the light intensity of the component in that wavelength band are approximately proportionally correlated (in this specification, the amount of power proportional to the amount of power). Is called a law). More specifically, among the driving circuits (P1a, P1b,..., P2a, P2b,...), The total output power Pr of the light emitting elements in the R wavelength band and the light emitting elements in the G wavelength band are driven. The sum of the output powers of the driving elements Pg and the sum of the output powers Pb of those driving the light emitting elements in the B wavelength band are approximately proportional to the light intensity of the components in the R, G and B wavelength bands, respectively. Utilizing correlated properties.
  • the light emitting efficiency may be different between the light emitting elements having different emission colors. It is assumed that all have the same luminous efficiency (more practically, the same type of product from the same manufacturer). Therefore, if the above-mentioned premise is not satisfied due to a mixture of a plurality of types having different luminous efficiency even with the same color, the drive circuit control signals (J1a, J1b,..., J2a, J2b,.
  • a power setting command from the integrated control circuit (Mc) is received via the driving circuit that drives a light emitting element of a type having low luminous efficiency
  • a power larger than the commanded set power is set.
  • a constitutional device such as. For example, when there is a type A light emitting element having a certain emission color and a high luminous efficiency, and a type B light emitting element having a luminous efficiency 10% lower than that, a drive for driving the type B light emitting element.
  • the circuit may set power that is 10% higher than the commanded set power.
  • the power setting for the drive circuit is limited in its fineness, for example, 256 gradations if the setting data length is 8 bits. Therefore, when the power is increased by a minimum unit, the power setting of all the drive circuits is not increased by 1 LSB at the same time. For example, the power setting of the first drive circuit is increased by 1 LSB, and then the second drive.
  • the power setting of the circuit is increased by 1 LSB, the number of drive circuits is increased separately, and the power setting of the last drive circuit is increased by 1 LSB, then the power setting of the first drive circuit is increased by 1 LSB again. ..,..., There is an advantage that the number of gradations for power setting can be increased by a factor of the number of drive circuits.
  • the XYZ color system which is the establishment of the CIE, is configured such that the value of Y in (Equation 1) represents the brightness of light combining all the included wavelength bands. Therefore, in addition to the hue instruction value that correlates with the color of light, in the case of stabilizing and controlling the brightness of light that combines all the R, G, and B wavelength bands, the integrated control circuit (Mc) Using the calculated value of Y as the brightness instruction value, the total output power for each of the R, G, and B wavelength bands is determined so as to reduce the difference from the target value of the brightness instruction value. J1a, J1b,..., J2a, J2b,. That is, the calculated Y value is used as a brightness instruction value, and this is compared with the target value.
  • the drive circuit (P1a, P1b ,..., P2a, P2b,...), The total output power Pr of the light emitting elements in the R wavelength band and the total output power Pg The total output power Pb of the light-emitting element in the wavelength band is controlled to decrease by Q%.
  • the light brightness can be stabilized by performing feedback control in a direction in which the difference between the light brightness and the target value is reduced without changing the color of the light.
  • the value Q is such that there is no sudden change in the brightness of the light, and the difference between the light brightness before the output power change and its target value due to the decrease or increase in Q% as described above.
  • the sign of the difference between the brightness of the light after the output power change and the target value should be reversed, and the value Y should be small enough to prevent an event that the absolute value will increase.
  • the relationship between the magnitude of the difference Q and the value Q may be determined experimentally.
  • the increase / decrease in output power for stabilization of light brightness and the increase / decrease in output power for stabilization of light color described above may be performed alternately or as described above. After each of the values p, q, and Q is determined, the output power that reflects these three values may be increased or decreased.
  • the method based on the values p, q, and Q described here is not necessarily a method of moving toward the target value by the shortest path, but can gradually change the system state toward the target value by feedback control. Therefore, the above-described method is sufficiently practical. Note that how to reach the target value on the shortest path will be described later.
  • the values x, y and Y are unified to be directed to the respective target values by the shortest path. Since the guideline for quantitatively determining the amount of change in the output power of the drive circuit corresponding to each of the wavelength bands of R, G, and B was not shown, the number of feedback control steps approaching the target value could not be shortened .
  • a guideline for realizing feedback control in which this point is improved is shown.
  • the integrated control circuit (Mc) correlates with the light intensity based on the band light characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB) from the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB).
  • the emission intensity instruction value to be measured is measured.
  • the light intensity correlates with the optical power of all the light emitting elements (Y1a, Y1b,..., Y2a, Y2b,...) Belonging to one wavelength band, Is irrelevant.
  • the brightness of light is the brightness perceived by humans, even if the light power (density) is the same, the size changes under the influence of human visual sensitivity if the wavelength changes.
  • the integrated control circuit (Mc) calculates the amount of change that occurs in the tristimulus values or chromaticity coordinates that are the hue instruction values when the emission intensity instruction values of the R, G, and B wavelength bands are slightly changed. Using the amount of change in the emission intensity instruction value described above, the coefficient when expressed by the linear calculation is calculated using the emission intensity instruction value and the wavelength deviation instruction value in each of the R, G, and B wavelength bands. decide. Then, using the determined coefficient, a change amount for minutely changing the emission intensity instruction value of each of the R, G, and B wavelength bands is determined, and based on this, the integrated control circuit (Mc) is determined.
  • Tristimulus by setting the output power of the drive circuits (P1a, P1b,..., P2a, P2b,%) Via the drive circuit control signals (J1a, J1b,..., J2a, J2b,).
  • Feedback control can be performed so that the values X, Y, Z or the chromaticity coordinates x, y and the brightness Y of the light are maintained at their target values.
  • the emission intensity instruction values of the R, G, B wavelength bands are in the drive circuit (P1a, P1b,..., P2a, P2b,%) Sum of output powers Pr for driving light emitting elements in the R wavelength band, and sum of output powers Pg for driving light emitting elements in the G wavelength band, and sum of output powers for driving light emitting elements in the B wavelength band It may be considered that each Pb is proportional to each other independently. For example, when the emission intensity instruction values of the R, G, and B wavelength bands are all increased by 1%, if the total output power is 200 W, 300 W, and 100 W, respectively, 202 W, 303 W, 101W may be used.
  • the total output power Pr of the light emitting elements in the R wavelength band and the G wavelength The sum of the output powers of the light emitting elements driving the band Pg and the sum of the output powers of the light emitting elements driving the B wavelength band Pb are the respective emission intensity indication values of the R, G and B wavelength bands, respectively.
  • the emission intensity instruction values Sr, Sg, Sb calculated based on the band light characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB) acquired by the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB) From the ratios of Pr, Pg, and Pb, the proportional coefficients kr, kg, and kb of (Equation 3) can be determined.
  • the proportional coefficients kr, kg, and kb may be corrected according to the following (Equation 4) using the ratios of the target values Srp, Sgp, and Sbp that are the origins.
  • the equal sign of each expression in (Expression 4) is expressed in accordance with the notation of a calculation instruction in a general programming language, for example, C in the sense that the calculation result on the right side is substituted into the variable on the left side.
  • the tristimulus values X, Y are obtained by using the emission intensity instruction values Sr, Sg, Sb ⁇ specifically obtained and the deviations ⁇ r, ⁇ g, ⁇ b from the reference wavelength as the wavelength deviation instruction values.
  • Z is maintained at its target value, or in order to perform feedback control so that the chromaticity coordinates x, y and light brightness Y ⁇ are maintained at the target values, the emission intensity instruction values Sr, Sg, A method for determining the amount of change r ⁇ Sr, ⁇ Sg, ⁇ Sb when Sb is slightly changed will be described.
  • the integrated control circuit (Mc) As information on the change in the function value of the color matching function when the wavelength is changed from the reference wavelength, for example, each of the wavelength bands described above With respect to, the color matching function value at a discrete wavelength value appropriately selected in the vicinity of the reference wavelength is held, and the function value corresponding to the measured wavelength deviation indication value is obtained with the aid of an interpolation method. can do.
  • the change in wavelength of the light-emitting elements (Y1a, Y1b,..., Y2a, Y2b,...) Due to the temperature change or the like is, for example, on the order of several nanometers. Even if the function form is approximated to be a straight line, the practical accuracy can be sufficiently obtained.
  • the change rate of the function with respect to the change of the wavelength that is, the slope of the change of the function value at the time of the wavelength change is held.
  • ⁇ f (df / d ⁇ ) ⁇ ⁇
  • the coefficient at that time could be determined using the emission intensity instruction value and the wavelength deviation instruction value for each of the wavelength bands described above.
  • Equation 15 The following is a summary of the feedback control method through (Equation 15) in which the change amount of the hue instruction value is expressed by the linear calculation using the change amount of the light emission intensity instruction value.
  • the values of the coefficients Hxr, Hxg, Hxb, Hyr, Hyg, Hyb, Hzr, Hzg, and Hzb are prepared in advance according to (Expression 12), (Expression 13), and (Expression 14).
  • the integrated control circuit (Mc) determines appropriate initial target values Srp, Sgp, Sbp for Sr, Sg, Sb as the emission intensity instruction values of the R, G, B wavelength bands.
  • the emission intensity instruction values Sr, Sg, Sb calculated based on the band light characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB) acquired by the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB) and the original target value Srp, Sgp, and Sbp are applied to (Equation 4) to update the proportional coefficients kr, kg, and kb.
  • the integrated control circuit (Mc) applies the ⁇ Sr, ⁇ Sg, ⁇ Sb thus obtained to the current values Sr, Sg, Sb of the light emission intensity instruction values to (Equation 5) and a new target of the light emission intensity instruction values.
  • the values Srp, Sgp, Sbp are calculated, and the electric power Pr, Pg, Pb of the drive circuit (P1a, P1b,..., P2a, P2b,...) Is updated according to (Equation 3). Then, the operation returns to the operation of acquiring the band light characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB), and thereafter, the feedback control loop is constructed by repeating the described sequence.
  • the target values Xp, Yp, Zp of the tristimulus values are determined. Cannot be satisfied, and it is necessary to give up giving up the brightness of the light and change the control mode so that the color of the light is kept at the target.
  • Sr is a predetermined value while maintaining the light color target.
  • chromaticity coordinates x, y that are hue instruction values correlated with the color of light and Y, which is a lightness instruction value correlated with the brightness of light are controlled, and x, y, Y are the target values xp. If it is possible to realize a control method that maintains, yp, Yp, for example, it is possible to perform feedback control that maintains only the chromaticity coordinates x, y at the target values while keeping the value of Sr unchanged. In the following, a case will be described in which control objects are x, y, and Y, and control is performed so that these are maintained at the target values xp, yp, and Yp.
  • the amount of change in the hue indication value when the emission intensity indication value for each of the wavelength bands described above is slightly changed is expressed by a linear calculation using the amount of change in the emission intensity indication value.
  • the coefficient at that time could be determined using the emission intensity instruction value and the wavelength deviation instruction value for each of the wavelength bands described above.
  • the integrated control circuit (Mc) determines appropriate initial target values Srp, Sgp, Sbp for Sr, Sg, Sb as the emission intensity instruction values of the R, G, B wavelength bands. Further, appropriate initial values of the proportional coefficients kr, kg, kb are determined, and the power Pr, Pg, Pb of the drive circuit (P1a, P1b,..., P2a, P2b,...) Is set by (Equation 3) to emit light. The driving of the elements (Y1a, Y1b,..., Y2a, Y2b,...) Is started, and the device waits for a suitably determined warm-up period.
  • the emission intensity instruction values Sr, Sg, Sb calculated based on the band light characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB) acquired by the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB) and the original target value Srp, Sgp, and Sbp are applied to (Equation 4) to update the proportional coefficients kr, kg, and kb. Then, the values of the emission intensity instruction values Sr, Sg, and Sb and the deviations ⁇ r, ⁇ g, and ⁇ b from the reference wavelength that are the wavelength deviation instruction values are expressed in (Expression 12), (Expression 13), and (Expression 17).
  • the tristimulus values X, Y and T are obtained through the auxiliary coefficients Hxr, Hxg, Hxb and Hyr, Hyg, Hyb and Hzr, Hzg, Hzb and Ir, Ig and Ib. These values can be applied to (Equation 18) described above to determine the values of the chromaticity coordinates x, y.
  • Equation 18 the values of the chromaticity coordinates x, y.
  • the integrated control circuit (Mc) applies the ⁇ Sr, ⁇ Sg, ⁇ Sb thus obtained to the current values Sr, Sg, Sb of the light emission intensity instruction values to (Equation 5) and a new target of the light emission intensity instruction values.
  • the values Srp, Sgp, Sbp are calculated, and the electric power Pr, Pg, Pb of the drive circuit (P1a, P1b,..., P2a, P2b,...) Is updated according to (Equation 3). Then, the operation returns to the operation of acquiring the band light characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB), and thereafter, the feedback control loop is constructed by repeating the described sequence.
  • the target values xp, yp, Yp of the feedback control As described above, various approximate calculations are performed on the assumption that the purpose of calculation of chromaticity coordinates and the like in this light source device is not to determine an accurate absolute value. For this reason, even if the target values xp, yp, Yp are given numerically, it is unclear whether or not the state achieved by the feedback control becomes a desired one, and such usage is not appropriate. For example, in the case of application to a projector, this light source device is actually mounted on the actual projector, and an image that should be white is projected on the screen with feedback control stopped so that a desired white color can be obtained.
  • the light intensity of each of R, G, and B of the light source device is manually adjusted, and when the adjustment is completed, the measured values of x, y, Y by the light source device itself are set to the target values xp, yp, Yp. It is good to memorize as. The actual value of the stored target value may be neglected, and thereafter, a state in which a desired white color is obtained is achieved by executing feedback control.
  • xp, yp, Yp here is the same for the target values Xp, Yp, Zp of the tristimulus values.
  • the values of ⁇ X, ⁇ Y, ⁇ Z on these left sides are based on the target values Xp, Yp, Zp of the tristimulus values and the values of the tristimulus values X, Y, Z at that time (formula 16). It may be calculated by The values of the tristimulus values X, Y, and Z are determined based on the emission intensity indication based on the band light characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB) acquired by the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB).
  • the values Sr, Sg, and Sb and the deviations ⁇ r, ⁇ g, and ⁇ b from the reference wavelength, which are the wavelength deviation instruction values, are calculated and calculated according to the above (formula 12), (formula 13), and (formula 14). To decide.
  • the values of ⁇ x, ⁇ y, ⁇ Y on the left side are based on the chromaticity coordinates and the target values xp, yp, Yp of the lightness instruction value Y and the values of x, y, Y at that time (formula 22).
  • the emission intensity instruction values Sr, Sg, Sb are used. It is possible to remove one of the above from (Equation 28) and execute feedback control that maintains only the chromaticity coordinates x, y at the target value.
  • the light emitting element in the R wavelength band in the drive circuit (P1a, P1b,..., P2a, P2b,...) Described above.
  • the sum of the output power Pr of the light emitting element driving the light emitting element in the G wavelength band and the sum of the output power Pg of the light emitting element driving the B wavelength band Pb The above-described (Formula 3), (Formula 4), and (Formula 5) can be used effectively.
  • the integrated control circuit (Mc) is calculated based on the band light characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB) acquired by the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB).
  • the proportional coefficients kr, kg, kb are updated by applying the emission intensity instruction values Sr, Sg, Sb and the original target values Srp, Sgp, Sbp to (Equation 4). If the change amounts ⁇ Sr, ⁇ Sg, ⁇ Sb are obtained by solving the above-described (Equation 25) or (Equation 28), the integrated control circuit (Mc) determines the current values Sr, Sg, Sb of the emission intensity instruction values.
  • the values of the tristimulus values X, Y, Z on the left side of the above are the band light characteristics acquired by the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB). Based on the acquired data (ShR, ShG, ShB), the emission intensity instruction values Sr, Sg, Sb and deviations ⁇ r, ⁇ g, ⁇ b from the reference wavelength, which are the wavelength deviation instruction values, are obtained as described above ( The values calculated by Equation 12), Equation 13 and Equation 14 can also be used.
  • the above formula (24) is regarded as an equation, and a value obtained by solving it is obtained. It can also be used.
  • the band light characteristic acquisition means (AiR) for measuring the wavelength deviation indication value using the wavelength dispersive optical element (Eg) shown in FIG. 3 has been described, but as described regarding the background art, A light-emitting element composed of a semiconductor laser or the like can realize a simple configuration, that is, a low-cost band light characteristic acquisition means by utilizing the property that the emission wavelength changes due to a change in environmental temperature or a temperature increase due to self-heating. .
  • This band light characteristic acquisition means detects the temperature of the light emitting element that supplies light in the wavelength band in addition to the light amount detector that detects the light amount of the measurement output light beam (Fo ') for one wavelength band.
  • the band light characteristic acquisition data is generated so as to include light amount data detected by the light amount detector and temperature data detected by the temperature detector.
  • the integrated control circuit (Mc) is configured to hold correlation data between the temperature of the light emitting element and a change in the emission wavelength. Thereby, including the case where the correlation between the change in temperature and the change in emission wavelength is not linear, the integrated control circuit (Mc) is based on the band light characteristic acquisition data acquired from the band light characteristic acquisition means.
  • the emission intensity instruction value correlated with the light intensity and the estimated wavelength deviation instruction value correlated with the deviation from the reference wavelength can be acquired for the wavelength band. Needless to say, it is not necessary to integrally form the light amount detector and the temperature detector that constitute the band light characteristic acquisition means just described.
  • the light emitting element is configured to be held in thermal contact with a heat sink provided with an electric cooling mechanism such as an air-cooled type, a water-cooled type, or a Peltier element for releasing a self-heating amount by energization. It is preferable that a groove is provided in a part on the light emitting element side or the heat sink side of the surface where the element and the heat sink contact, and the temperature detector is housed in the groove.
  • a thermistor, a thermocouple, a semiconductor temperature sensor, or the like can be used as the temperature detector.
  • the light emission at a predetermined reference temperature is performed for the reason described for the variation in the light emission wavelength.
  • the temperature change from the average value of the total wavelength of all the light emitting elements belonging to the same wavelength band at the reference temperature depending on the emission wavelength of each element and the amount of change in temperature from the reference temperature for the light emitting element.
  • the change in the average value of the wavelengths can be calculated. Therefore, the total wavelength deviation instruction value can be estimated.
  • the wavelength deviation instruction value estimated based on the detected temperature of each temperature detector is in charge. It is desirable to calculate the total wavelength deviation instruction value by a weighted average calculation weighted by an amount correlated with the light emitting element power, for example, a current value. In the simplest case, it is possible to estimate the total wavelength deviation instruction value by calculating the average value of the detected temperatures of each of the temperature detectors (the weighted average weighted by the amount correlated with the light emitting element power).
  • the spectral sensitivity characteristic of the light quantity detector is not flat in the wavelength band, it is desirable to correct the light quantity data detected by the light quantity detector based on the total wavelength deviation instruction value just calculated. .
  • the slope of the spectral sensitivity in the wavelength band is 2% / nm and the calculated total wavelength deviation instruction value is 3 nm, the slope of the spectral sensitivity described above is included in this total wavelength deviation instruction value.
  • the light quantity data may be corrected by multiplying 0.94 calculated by subtracting the value obtained by multiplying by 1 from the light quantity data detected by the light quantity detector.
  • the main factor of the temperature change of the light emitting element is a temperature increase due to self-heating due to the input power from the drive circuit, and conversely, the temperature increase correlates with the power input to the light emitting element.
  • This band light characteristic acquisition means detects the power of the light emitting element that supplies light in the wavelength band in addition to the light amount detector that detects the light amount of the measurement output light beam (Fo ') for one wavelength band.
  • the band light characteristic acquisition data is generated so as to include light amount data detected by the light amount detector and power data detected by the power detector.
  • the integrated control circuit (Mc) is configured to hold correlation data between the power of the light emitting element and a change in the emission wavelength.
  • the integrated control circuit (Mc) is based on the band light characteristic acquisition data acquired from the band light characteristic acquisition means.
  • the emission intensity instruction value correlated with the light intensity and the estimated wavelength deviation instruction value correlated with the deviation from the reference wavelength can be acquired for the wavelength band.
  • each of the drive circuits (P1a, P1b,..., P2a, P2b,%) Can apply a prescribed power to the light emitting elements (Y1a, Y1b,..., Y2a, Y2b,). It has a function to control. Therefore, in the case where power detection means for detecting the input power to the light emitting element driven by itself is provided, it can also serve as a power detector for acquiring the above-described wavelength deviation instruction value. . Therefore, at this time, the drive circuits (P1a, P1b,..., P2a, P2b,...) Also serve as a part of the function of the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB).
  • (Mc) is a part of the band light characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB) via the drive circuit control signals (J1a, J1b,..., J2a, J2b,...) And the drive circuits (P1a, P1b). ,..., P2a, P2b,.
  • the current value that flows through the light emitting element and the voltage value that is generated when the current flows are also correlated with the electric power that is input to the light emitting element, these current value and voltage value are represented by the wavelength deviation indication value. Can be substituted as the value of the detected power to obtain
  • the detected power of the light emitting element is an alternative to the temperature of the light emitting element, the matters described in the case of estimating the total wavelength deviation indication value based on the temperature of the light emitting element described above are targeted. It is established directly from temperature to electric power.
  • the same wavelength in the reference power can be obtained by the emission wavelength of each of the light emitting elements at a predetermined reference power and the amount of change in the power from the reference power for the light emitting element. It can be said that the change in the average wavelength value accompanying the power change can be calculated from the average wavelength value of all the light emitting elements belonging to the band, and therefore the total wavelength deviation instruction value can be estimated.
  • the processing when the spectral sensitivity characteristic of the light quantity detector is not flat in the wavelength band may be performed in the same manner.
  • the light emitting element since the light emission wavelength of the light emitting element changes depending on the environmental temperature in addition to the self-heating amount, the light emitting element further includes a temperature detector for detecting the environmental temperature, and the detected temperature is used to estimate the wavelength deviation instruction value based on the power. Correction can be added. If the correlation between the power values of the plurality of light emitting elements and the wavelength deviation instruction value is linear, the total wavelength deviation instruction value may be estimated from the average value of the detected power values.
  • the temperature detector or power In addition to the detector, it is necessary to provide a light amount detector as described above.
  • the light amount detector not only a device that detects the amount of light but also an image sensor can be used.
  • the measurement output light beam (Fo ′) is white light in which R, G, B are mixed.
  • optical fiber is made of fragile glass such as quartz, there is a drawback that there is a risk of breakage.
  • the optical fiber breaks, the optical power leaks from the breakage point and is absorbed by the coating material provided to mechanically protect the optical fiber, and the coating material may burn out. If it happens, it will be necessary to take a safety measure to detect it and turn off the light emitting element.
  • dividing the light of the same color into a plurality of optical fibers is advantageous from the standpoint of safety and configuration of the optical system.
  • FIG. 5 and FIG. 6 which are schematic diagrams showing a part of one embodiment of the light source device according to the present invention in a simplified manner, are used as a mode for carrying out the present invention.
  • a specific configuration of the driving circuit and a specific configuration of the projector of the present invention using the light source device of the present invention, particularly after the optical fiber and its emission end will be described.
  • the drive circuit (P1a) shown in FIG. 5 has a specific configuration by exemplifying one of the drive circuits (P1a, P1b,..., P2a, P2b,...) Of the light source device of the present invention.
  • An example is shown.
  • the drive circuit (P1a) based on a step-down chopper circuit operates by receiving a voltage from a DC power supply (Uv) connected to the nodes (T10, T11), and supplies power to the light emitting element (Y1a). Make adjustments.
  • the light emitting element (Y1a) is assumed to be configured by connecting a plurality of semiconductor lasers in series.
  • a switching element (Qx) such as an FET is used to switch on and off the current from the DC power supply (Uv), and to the smoothing capacitor (Cx) via the choke coil (Lx). Charging is performed. This voltage is applied from the nodes (T20, T21) to the light emitting element (Y1a) so that a current can flow through the light emitting element (Y1a).
  • the smoothing capacitor (Cx) is directly charged by the current through the switch element (Qx) and the light emitting element (Y1a) as a load. Current is supplied, and energy is stored in the choke coil (Lx) in the form of magnetic flux.
  • current is supplied to the light emitting element (Y1a) by the energy stored in the form of magnetic flux in the choke coil (Lx) via the flywheel diode (Dx). And current supply to the light emitting element (Y1a) by discharging from the smoothing capacitor (Cx).
  • the light emitting element is obtained by the ratio of the period during which the switch element (Qx) is on to the operation cycle of the switch element (Qx), that is, the duty cycle ratio.
  • the amount of power supplied to (Y1a) can be adjusted.
  • a gate drive signal (Sg) having a certain duty cycle ratio is generated by the drive control circuit (Fx), and the gate terminal of the switch element (Qx) is controlled via the gate drive circuit (Gx).
  • the on / off of the current from the DC power source (Uv) is controlled.
  • the output current Io flowing through the light emitting element (Y1a) is configured to be detected by the output current detection means (Ix).
  • the output current detection means (Ix) can be easily realized by using a shunt resistor. it can.
  • the output voltage Vo applied to the light emitting element (Y1a) can be detected by the output voltage detecting means (Vx).
  • the output voltage detecting means (Vx) can be easily obtained by using a voltage dividing resistor. Can be realized.
  • the output current signal (Si) and the output voltage signal (Sv) respectively detected by the output current detection means (Ix) and the output voltage detection means (Vx) are read by the drive control circuit (Fx). .
  • the drive control circuit (Fx) transmits / receives data to / from the integrated control circuit (Mc) via a drive circuit control signal (J1a), and correlates with power to be input to the light emitting element (Y1a), or power. While maintaining the target value of the current passed through the light emitting element (Y1a), the power (the output current) of the light emitting element (Y1a) measured based on the output current signal (Si) and the output voltage signal (Sv). (Calculated based on the product of the signal (Si) and the output voltage signal (Sv)) or the current value and the above-mentioned target value, and the above-described duty cycle ratio is feedback-controlled so that the difference becomes small. .
  • the integrated control circuit (Mc) reads the power or current value of the light emitting element (Y1a) through the drive circuit control signal (J1a) and obtains the wavelength deviation instruction value. Use as
  • FIG. 6 shows the optical fiber of the projector of the present invention and the configuration after the emission end thereof.
  • the light source device corresponds to the R, G, B3 primary colors, and a plurality of optical fibers for each color, that is, R-color light source optical fibers (EfR1, EfR2,...), G-color light source optical fibers (EfG1, EfG2,. ),
  • the B-color light source optical fibers (EfB1, EfB2,...) Are each configured as a fiber bundle in which the emission ends are aligned and bundled.
  • Color composition is performed to generate an output light beam (Fo) of the light source device.
  • the output light beam (Fo) is input to the condenser lens (Eu), and the incident end (Pmi) of the light uniformizing means (Fm) by the rod integrator is passed through the diffusion element (Edm) for removing speckle. ).
  • the optical system after the emission end (Pmo) of the light uniformizing means (Fm) is the same as that described above with reference to FIG.
  • the light source device of the present invention can also be used in the projector described above with reference to FIG. 8 using light uniformizing means by a fly eye integrator.
  • the dichroic mirror (HuB) is formed so as to transmit as much R / G color light as possible and reflect as much B color light as possible. There is a considerable amount of transmitted light of B and B colors. Normally, these lights are discarded as stray light.
  • a measurement output light beam (Fo ′) is obtained by effectively using the light.
  • the measurement output light beam (Fo ′) is incident on an imaging optical system (Eh) including a lens, and the R emission end (EoR1, EoR2,...) And the G emission end (EoG1, EoG2,...) Of the fiber bundle.
  • a real image conjugate with the B-color emitting end (EoB1, EoB2,...) Is formed on the imaging surface of the color image sensor (C).
  • the image signals (Sf) of these images taken by the color image sensor (C) generate the light quantity data (ShR ′, ShG ′, ShB ′) in the R, G, B wavelength bands. Therefore, it is sent to the signal processing circuit (H ′).
  • the integrated control circuit (Mc) acquires the light amount data (ShR ′, ShG ′, ShB ′) and also the light emitting elements (Y1a, Y1b) from the drive circuits (P1a, P1b,..., P2a, P2b, etc ,..., Y2a, Y2b,...)), And the emission intensity instruction value correlated with the light intensity and the estimated wavelength deviation instruction value correlated with the deviation from the reference wavelength as described above. And generate Further, a hue instruction value correlated with the overall light color of the output light beam (Fo, Fo1, Fo2,...) Is generated, and feedback control is performed so that the difference between the hue instruction value and its target value is reduced.
  • the R color emitting end (EoR1, EoR2,%), The G color emitting end (EoG1, EoG2,%), The B color emitting end (EoB1,. EoB2,%) are individually measured for each light amount, and whether or not an abnormality in the light amount decrease occurs in any of them is monitored to monitor the breakage of the optical fiber.
  • band light characteristic acquisition means for measuring the emission intensity instruction value correlated with the light intensity and for measuring the wavelength deviation instruction value using the wavelength dispersive optical element (Eg)
  • the band light characteristic acquisition means for estimating the wavelength deviation instruction value based on the temperature of the light emitting element and the band light characteristic acquisition means for estimating the wavelength deviation instruction value based on the power of the light emitting element have been described.
  • the band light characteristic acquisition means is not limited to these methods and configurations, and as described above, any configuration can be used in the light source device of the present invention as long as the amount can be measured and acquired. But it can be used.
  • band optical characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB) for each wavelength band of R, G, B
  • the same band optical characteristic acquisition means may be used, or different band depending on the wavelength band You may mix and use an optical characteristic acquisition means.
  • the band light characteristic acquisition means (AiR, AiG, AiB) in at least one of the wavelength bands described above may be configured as follows. That is, a first light quantity measuring unit having a first spectral sensitivity characteristic with respect to a spectral sensitivity characteristic in the wavelength band, and a second light quantity measuring unit having a second spectral sensitivity characteristic, A configuration in which local band spectral sensitivity information including sensitivity values at the reference wavelength and the rate of change of sensitivity with respect to the change in wavelength described above is held for each of the first spectral sensitivity characteristic and the second spectral sensitivity characteristic described above.
  • the first spectral sensitivity characteristic and the second spectral sensitivity characteristic are different in sensitivity change rate with respect to wavelength change, that is, the slope of sensitivity change at the time of wavelength change.
  • the first light quantity measurement data generated by the first light quantity measurement means which is the band light characteristic acquisition data (ShR, ShG, ShB), and the band light characteristic acquisition data (ShR, ShG). , ShB)
  • the second light quantity measurement data generated by the second light quantity measurement means is acquired, and the first light quantity measurement data and the second light quantity measurement data are obtained using the local band spectral sensitivity information.
  • the light emission intensity instruction value and the wavelength deviation instruction value described above are generated and acquired.
  • a band light characteristic acquisition unit for the wavelength band May be for obtaining only the emission intensity indication value correlated with the light intensity.
  • the value of the wavelength deviation instruction values ⁇ r, ⁇ g, ⁇ b in the above (Expression 8) to (Expression 14) corresponding to the wavelength band may be set to zero.
  • the wavelength band is G color
  • a light sensor having sensitivity in the wavelength band is provided, and the emission intensity instruction value Sg obtained by measuring the light amount of the measurement output light beam (Fo ′),
  • the present invention can be used in an industry for designing and manufacturing a light source device using light emitting elements such as semiconductor lasers of a plurality of different wavelength bands that can be used in an optical device such as a projector.
  • AiB Band light characteristic acquisition means AiG Band light characteristic acquisition means AiR Band light characteristic acquisition means Ax Band light characteristic acquisition means set B Blue C Color image pickup element Ca Image pickup element Cx Smoothing capacitor DmjA Two-dimensional light amplitude modulation element DmjB Two-dimensional light Amplitude modulation element Dx Flywheel diode Ea Pinhole Eap Aperture plate Eb1 Condensing lens Eb2 Collimator lens Eb3 Imaging lens Ec1 Condensing optical system Ec2 Condensing optical system Edm Diffusing element Ef1 Optical fiber Ef2 Optical fiber EfB1 Optical fiber for B color light source EfB2 Optical fiber for B color light source EfG1 Optical fiber for G color light source EfG2 Optical fiber for G color light source EfR1 Optical fiber for R color light source EfR2 Optical fiber for R color light source Eg Wavelength dispersive optical element Eh Imaging optical system Ei1 Incident end Ei2 Emission end Ej

Abstract

出力光束の色相を定量的に測定し、フィードバック制御によって目標とする色相を維持できる光源装置およびプロジェクタを提供する。 光源装置は、発光波長が複数種類の異なる波長帯域に属するものを含む複数の発光素子(Y1a,Y1b,…)と、波長帯域毎に帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を生成する帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)と、発光強度指示値および波長偏差指示値を生成するとともに色相指示値を生成し、色相指示値とその目標値の差異が小さくなるよう、発光素子の駆動回路をフィードバック制御する統合制御回路(Mc)とを備えており、統合制御回路は、色度の計算に必要な等色関数それぞれについて、基準波長における関数値と波長が基準波長から変化したときの等色関数の関数値の変化に関する情報とからなる局所帯域等色関数情報を保有しており、色度座標に相関する量によって色相指示値を算出する。

Description

光源装置およびプロジェクタ
 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7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号公報など)。
 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る。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る。このような光ガイドにおいては、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。これにより、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7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7の光学系の場合は、2次元光振幅変調素子(DmjA)として、一般にDMD(ディジタル・マイクロミラー・デバイス)(TM)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る。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8を用いてその原理を述べる(参考:特開2001-142141号公報など)。
 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が生ずるが、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8の光学系の場合、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となる。このため、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により、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8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、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。ここに、偏光整列機能素子(PcB)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ものである。
 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8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号公報など)。
 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ている。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、さら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原色の変調光束の色合成を行うための光学系を構成している。しかし、図7、図8においては、複雑になることを避けるため、画像をカラー表示するための光学部材は、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る。したがって、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、色、すなわち白バランスの安定化および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。しかし、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。
 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号公報には、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号公報には、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各色の光センサの分光感度分布を、CIE(国際照明委員会)の制定になるXYZ表色系における等色関数と同じものとして、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、白バランスのフィードバック制御を行うに際して、3色それぞれの光源の投入電力を如何に変化させれば目標値に集束するかについて未解決のままであった。
 また、例えば特開2008-134378号公報には、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。しかし、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。
特開2006-252777号公報 特開2007-156211号公報 特開2008-134378号公報
 本発明が解決しようとする課題は、精密な分光特性を有するフィルタを備えた高コストな色度計を内蔵することなく、出力光束の色相を定量的に測定し、フィードバック制御によって目標とする色相を維持でき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(Y1a,Y1b,…)と前記発光素子(Y1a,Y1b,…)を駆動する駆動回路(P1a,P1b,…)を具備するユニットを1個の要素光源(U1,U2,…)として、該要素光源(U1,U2,…)の複数個と、前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)を制御する統合制御回路(Mc)と、を有し、前記発光素子(Y1a,Y1b,…,Y2a,Y2b,…)からの放射光を集めた出力光束(Fo,Fo1,Fo2,…)を外部に放射する光源装置であって、
 前記発光素子(Y1a,Y1b,…,Y2a,Y2b,…)は、発光波長が複数種類の異なる波長帯域に属するものを含んでおり、
 さらに前記光源装置は、前記出力光束(Fo,Fo1,Fo2,…)の総合的な出力光束(Fo,Fo1,Fo2,…)の光量に相関する量の光からなる測定用出力光束(Fo’)を受光して前記した波長帯域のそれぞれ毎に光の強度に相関する発光強度指示値および前記した波長帯域の少なくとも1個の波長帯域についての基準波長からの偏差に相関する波長偏差指示値を取得するための帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を生成する帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)を有しており、
 前記統合制御回路(Mc)は、前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)が生成する帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を少なくとも間欠的に取得して前記発光強度指示値と前記波長偏差指示値とを生成し、
 また前記統合制御回路(Mc)は、前記出力光束(Fo,Fo1,Fo2,…)の総合的な光の色に相関する色相指示値を生成し、前記色相指示値とその目標値の差異が小さくなるよう、前記した波長帯域のそれぞれについての前記発光強度指示値の変化量を決定して前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)をフィードバック制御するものであり、
 前記統合制御回路(Mc)は、前記色相指示値の生成に際しては、色度の計算に必要な等色関数それぞれについて、基準波長における関数値と波長が基準波長から変化したときの等色関数の関数値の変化に関する情報とからなる局所帯域等色関数情報を保有しており、前記した波長帯域のそれぞれについての前記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、色度座標に相関する量によって前記色相指示値を算出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、前記統合制御回路(Mc)は、前記出力光束(Fo,Fo1,Fo2,…)の総合的な光の色に相関する色相指示値に加えて、前記出力光束(Fo,Fo1,Fo2,…)の総合的な光の明るさに相関する明度指示値を生成し、前記色相指示値とその目標値の差異に加えて前記明度指示値とその目標値の差異が小さくなる、前記した波長帯域のそれぞれについての前記発光強度指示値の変化量を決定して前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)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、前記統合制御回路(Mc)は、前記した波長帯域のそれぞれについての前記発光強度指示値を微小変化させたときの前記色相指示値の変化量を、前記した前記発光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した波長帯域のそれぞれについての前記発光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4の発明の光源装置は、前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)は、受光した前記測定用出力光束(Fo’)に含まれる光の波長に応じて進行方向を変える波長分散性光学素子(Eg)と、該波長分散性光学素子(Eg)によって進行方向を変えられた光が後方で形成する分布パターンを検出する撮像素子(Ca)とを具備して前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)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、前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)は、受光した前記測定用出力光束(Fo’)の光量を検出する光量検出器と、前記発光素子の温度を検出する温度検出器を具備して前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を生成し、前記統合制御回路(Mc)は、検出された前記発光素子の温度に基づいて前記した波長偏差指示値を推定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、前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)は、受光した前記測定用出力光束(Fo’)の光量を測定する光量検出器と、前記発光素子に投入される電力に相関する量を検出する電力検出器を具備して前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を生成し、前記統合制御回路(Mc)は、検出された前記発光素子に投入される電力に基づいて前記した波長偏差指示値を推定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、前記光量検出器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8の発明のプロジェクタは、第1から7の発明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。
 精密な分光特性を有するフィルタを備えた高コストな色度計を内蔵することなく、出力光束の色相を定量的に測定し、フィードバック制御によって目標とする色相を維持でき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一部を簡略化して示す模式図を表す。 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実施例の一部の一形態を簡略化して示す模式図を表す。 本発明の光源装置の実施例の一部の一形態を簡略化して示す模式図を表す。 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。
 要素光源(U1)に設けられている、少なくとも1個の発光素子(Y1a,Y1b,…)は、駆動回路(P1a,P1b,…)によって駆動されて発光する。
 なお、前記発光素子(Y1a,Y1b,…)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、そのような光源の複数個を直列接続、あるいは並列接続、さらには直並列接続するなどして、1個の前記駆動回路(P1a,P1b,…)によって駆動できるものとしている。
 また、前記駆動回路(P1a,P1b,…)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(Y1a,Y1b,…)に規定の電力を投入できるものとしている。
 統合制御回路(Mc)は、駆動回路制御信号(J1a,J1b,…,J2a,J2b,…)を介して前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)毎に個別にデータを送受して制御し、それぞれの前記発光素子(Y1a,Y1b,…,Y2a,Y2b,…)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。
 本発明の光源装置は、前記要素光源(U1)と同様の要素光源の複数個を有しており、それらに含まれる発光素子(Y1a,Y1b,…,Y2a,Y2b,…)には、発光波長が複数種類の異なる狭い波長帯域に属するものを含んでおり、含まれる波長帯域を、ここではR,G,Bの3原色としている。
 したがって、これら要素光源(U1,U2,…)のそれぞれの出力光束(Fo1,Fo2,…)の総合的な光の特性を測定するために、出力光束(Fo1,Fo2,…)から、それぞれ一部づつを抽出して集めた、前記出力光束(Fo1,Fo2,…)の光量に相関する量の光からなる測定用出力光束(Fo’)を生成し、前記した波長帯域のそれぞれ毎に設けた、帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)に入射させる。
 ここで、総合的な光の特性とは、前記出力光束(Fo1,Fo2,…)全てを混合した状態を想定して、前記出力光束(Fo1,Fo2,…)全体における波長帯域別の光の含有率と各波長帯域毎の光の色合いなどの、前記出力光束(Fo1,Fo2,…)の全体に対する特性を指す。出力光束全体としたのは、前記出力光束(Fo1,Fo2,…)が、R,G,Bの波長帯域の光を混合して出力するものである場合はもちろん、別々に出力するものである場合であっても、R,G,Bの波長帯域の光は最終的に混合されるためである。例えば本発明の光源装置をプロジェクタに応用するならば、R,G,Bの波長帯域の光は、波長帯域毎に、2次元光振幅変調によって光に画像情報が乗せられた上で、最終的に混合される。
 また、出力光束の光量に相関するとは、前記測定用出力光束(Fo’)を測定すれば、前記出力光束(Fo1,Fo2,…)の、各波長帯域毎の光量と色合いを推定可能であることを指すが、その際、相関の倍率(相関の係数)は、各波長帯域別に相違していても、予めそれを測定して補正できるから構わない。
 前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)は、光の強度に相関する発光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取得するための帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を生成するものであり、それらの量が測定・取得できる手段であれば、本発明の光源装置においては、どのような構成のものでも使用することができる。
 ここで、各波長帯域の前記出力光束(Fo1,Fo2,…)から、それぞれ一部づつを抽出した光束をひとまとめにして測定用出力光束(Fo’)とし、また前記帯域光特性取得手段をひとまとめにして1個の帯域光特性取得手段セット(Ax)として記載してあるのは、単に便宜上の都合によるもので、各波長帯域毎の測定用出力光束を、それぞれ毎に前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)に個別に入力するように構成してもよい。
 前記統合制御回路(Mc)は、発光強度指示値と波長偏差指示値とを取得するための情報を含む帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を、前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)より読み取る。
 なお、前記出力光束(Fo1,Fo2,…)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や、前記出力光束(Fo1,Fo2,…)の全部を混合して、例えば白色光として、前記した高輝度放電ランプ等からなる光源(SjA)からの光の代替としての使い方をすることができる。
 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、前記発光素子(Y1a,Y1b,…,Y2a,Y2b,…)から発せられた光は、例えばレンズから成る集光光学系(Ec1,Ec2,…)によって光ファイバ(Ef1,Ef2,…)の入射端(Ei1,Ei2,…)に集光され、前記光ファイバ(Ef1,Ef2,…)のコアを伝播して出射端(Eo1,Eo2,…)から放射されるようにすることもできる。
 要素光源(U1,U2,…)の光ファイバ(Ef1,Ef2,…)の出射端(Eo1,Eo2,…)からの放射光は、総合されて1個の出力光束(Fo)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(Eo1,Eo2,…)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(Eo1,Eo2,…)が同一平面上に位置するように揃えて、前記光ファイバ(Ef1,Ef2,…)の出射端部を束ねる事により実現することができる。
 前記光ファイバ(Ef1,Ef2,…)のそれぞれが導光する前記出力光束(Fo)の光量に相関する量を測定できるよう、前記出射端(Eo1,Eo2,…)からの放射光の一部を抽出して総合した測定用出力光束(Fo’)を生成し、図1のものと同様に、帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)をひとまとめにした帯域光特性取得手段セット(Ax)に入力する構成とすることができる。
 なお、ここでは、前記光ファイバ(Ef1,Ef2,…)の全ての出射端部を束ね、白色光の出力光束(Fo)を生成するものを記載したが、R,G,B各波長帯域毎に前記出射端(Eo1,Eo2,…)を分けて束ね、波長帯域別の出力光束を生成し、それぞれを前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)に個別に入力するように構成することもできる。
 前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)を構成する際の一例を、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3に示す。
 本図は、R色の波長帯域に関する光の強度に相関する発光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取得するための帯域光特性取得データ(ShR)を生成する帯域光特性取得手段(AiR)として描いてあるが、他の色の波長帯域に関するものも同様で構わない。
 光ファイバ(Ef1,…)の出射端からの放射光は、コリメータレンズ(EsR)を介して無限遠像のR色の出力光束(FoR)に変換され、ミラー(HuR)で反射されて、z軸の方向に導かれる。
 一方、z’軸の方向には、僅かに存在する、前記ミラー(HuR)から透過光(FoR’)が漏れ出るため、これを集光レンズ(Eb1)で開口板(Eap)のピンホール(Ea)に集め、その通過光を後方に取出す。
 取出した光束は、コリメータレンズ(Eb2)によって前記ピンホール(Ea)の像を無限遠像を形成する光束に変換した上で、この光束を前記測定用出力光束として、これに含まれる光の波長に応じて進行方向を変える機能を有する、回折格子等を用いた波長分散性光学素子(Eg)で反射させた後、結像レンズ(Eb3)を通過させることにより、該結像レンズ(Eb3)の出力像面には、スペクトル分解された前記ピンホール(Ea)の像が生成される。
 そして、この像の位置に、例えば1次元イメージセンサ等を用いた撮像素子(Ca)の撮像面を配置することにより、この像を撮像することができるようにする。
 このとき、前記撮像素子(Ca)の画素の並び方向は、前記波長分散性光学素子(Eg)への入射光の波長変化に依存して出射光の角度が変化して投影される方向に一致させる。
 以上のように構成したことにより、信号処理回路(H)は、前記撮像素子(Ca)が取得した、前記したスペクトル分解されたピンホール像における明るさの分布パターンを読出し、各画素の明るさの総和を算出して分布パターン強度を求める。さらにそのパターンの重心位置を算出して基準波長に対応する画素位置からのズレ量を求め、これらの分布パターン強度とズレ量からなる前記帯域光特性取得データ(ShR)を生成することができる。
 ただし、前記撮像素子(Ca)の分光感度特性が当該波長帯域において平坦でない場合は、前記した各画素の明るさの総和の算出や分布パターンの重心位置の算出の前に、各画素の明るさを、各画素の位置に依存して補正することが望ましい。
 例えば、前記波長分散性光学素子(Eg)の特性と前記結像レンズ(Eb3)の焦点距離、前記撮像素子(Ca)の画素ピッチから決まる、前記帯域光特性取得手段(AiR)の1画素あたりの波長分解能が0.1nm/画素であり、当該波長帯域における分光感度の傾き(すなわち波長が1nm増加したときの感度の増加量)が2%/nmであるとするならば、基準波長に対応する画素から数えて長波長側にn番目の画素の実測された明るさに対しては、以下の式(a)
 式(a)  Kn = 1-0.002・n
で表される補正係数 Kn を乗じた値を真の明るさとして評価するよう補正すればよい。
 ただし、基準波長に対応する画素から数えて短波長側にn番目の画素については、nが負であると解釈して同じ式によって補正すればよい。
 なお、前記信号処理回路(H)が、当該波長帯域に係わる前記光ファイバ(Ef1,…)の全てからの放射光を総合した、前記した分布パターン強度とズレ量を求めることができるよう、前記ピンホール(Ea)のz’軸方向の位置は、前記光ファイバ(Ef1,…)の全てからの放射光が重畳される位置に設定する必要がある。
 そのためには、前記光ファイバ(Ef1,…)それぞれの出射端におけるコアの各点からの放射光の角度分布の中心軸、すなわち主光線は、前記光ファイバ(Ef1,…)のコアの中心軸に平行、すなわちz’軸に平行であるから、前記集光レンズ(Eb1)の入射瞳は無限遠にあるとして、該集光レンズ(Eb1)の射出瞳の中心に前記ピンホール(Ea)を設けることが好適である。
 前記統合制御回路(Mc)は、前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)から前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を入力することにより、R,G,B各波長帯域のそれぞれ毎に、前記した分布パターン強度とズレ量を取得することができる。
 したがって、前記統合制御回路(Mc)は、R,G,B各波長帯域のそれぞれ毎に、前記した分布パターン強度から光の強度に相関する発光強度指示値 Sr,Sg,Sb を算出し、また、前記した基準波長に対応する画素位置からの分布パターンの重心位置のズレ量から、基準波長からの偏差に相関する波長偏差指示値 Δλr,Δλg,Δλb を算出することができる。
 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1)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。
(式1)
  X = ∫S(λ)・xe(λ)・dλ
  Y = ∫S(λ)・ye(λ)・dλ
  Z = ∫S(λ)・ze(λ)・dλ
 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2)のように求められる。
(式2)
  x = X/{X+Y+Z}
  y = Y/{X+Y+Z}
 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4A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。
 前記統合制御回路(Mc)は、R,G,B各波長帯域のそれぞれ毎に、前記等色関数 xe(λ),ye(λ),ze(λ) それぞれについて、基準波長における関数値と波長が基準波長から変化したときの等色関数の関数値の変化に関する情報(例えば後述する波長の変化に対する関数の変化率)とからなる局所帯域等色関数情報を保有している。
 したがって前記統合制御回路(Mc)は、後述するように、R,G,B各波長帯域のそれぞれ毎に算出された前記発光強度指示値と前記波長偏差指示値とに基づき、前記局所帯域等色関数情報を利用して、前記色相指示値たる三刺激値 X,Y,Z または色度座標 x,y を近似的に算出することができる。
 図4B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。
 なお、レーザ光のような単色光は図の点線上に位置する(ただし、RからBに至る直線部、いわゆる純紫軌跡を除く。)。
 また、純白の色度座標は、1/3,1/3である。
 図において、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。
 この色度図の性質を利用するため、前記統合制御回路(Mc)は、光の強度に相関する発光強度指示値 Sr,Sg,Sb および基準波長からの偏差に相関する波長偏差指示値 Δλr,Δλg,Δλb を取得し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。
 そして例えば、もし x が目標値より大きい場合は、前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)のなかのRの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和を p %減少させ、かつGの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和、およびBの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和それぞれを {p/2} %づつ増加させる。また、もし y が目標値より大きい場合は、Gの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和を q %減少させ、かつBの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和を q %増加させるよう、前記駆動回路制御信号(J1a,J1b,…,J2a,J2b,…)を介して制御する。
 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、光の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、そして、前記した、p %あるいは {p/2} %の減少や増加、および q %の減少や増加による、出力電力変化前における色度座標とその目標値との差異に対し、出力電力変化後における色度座標とその目標値との差異の符号が逆転し、かつ絶対値が大きくなるような事象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、R,G,Bそれぞれの波長帯域の発光素子を駆動する駆動回路の出力電力の総和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いが、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。この理由は、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、本光源装置の出力光束(Fo,Fo1,Fo2,…)の色ではなく、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、一つの波長帯域の発光素子を駆動する駆動回路の出力電力の総和とその波長帯域の成分の光の強さとは、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)を利用している。詳しく言えば、前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)のなかの、Rの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pr 、およびGの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pg 、Bの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pb それぞれが、R,G,B各波長帯域の成分の光の強さに対し、概ね比例的に相関する性質を利用している。その前提として、前記発光素子(Y1a,Y1b,…,Y2a,Y2b,…)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、前記駆動回路制御信号(J1a,J1b,…,J2a,J2b,…)を介して前記統合制御回路(Mc)からの電力設定指令を受信したとき、発光効率が低い種類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より大きい電力を設定する、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。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場合には、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ればよい。
 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、前記した一つの波長帯域の発光素子を駆動する駆動回路の出力電力の総和を変化させるとき、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、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。
 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光の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、R,G,B各波長帯域の全てを総合した光の明るさをも安定化制御する場合には、前記統合制御回路(Mc)は、算出された Y の値を明度指示値として、明度指示値の目標値との差異が小さくなるよう、R,G,B各波長帯域のそれぞれについての出力電力の総和を、前記駆動回路制御信号(J1a,J1b,…,J2a,J2b,…)を介して制御する。すなわち、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(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)のなかの、Rの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pr 、およびGの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pg 、Bの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pb それぞれを Q %減少させるよう制御する。このように、光の色を変化させないで、光の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、光の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、光の明るさの急激な変化が起きない程度に、そして、前記した、Q %の減少や増加による、出力電力変化前における光の明るさとその目標値との差異に対し、出力電力変化後における光の明るさとその目標値との差異の符号が逆転し、かつ絶対値が大きくなるような事象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、ここで述べた光の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、R,G,Bそれぞれの波長帯域の発光素子を駆動する駆動回路の出力電力の総和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いが、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。
 前記した光の色の安定化、および光の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、値 x,y および Y を、統一的にそれぞれの目標値に最短経路で向かわせるための、R,G,Bそれぞれの波長帯域に対応する前記駆動回路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、目標値に漸近するフィードバック制御のステップ数を短縮できなかった。
 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。
 前記したように、前記統合制御回路(Mc)は、前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)からの前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)に基づき、光の強度に相関する発光強度指示値を測定している。
 ここで、光の強度とは、前記発光素子(Y1a,Y1b,…,Y2a,Y2b,…)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、人間の視感度とは無関係である。
 一方、光の明るさは、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。
 前記統合制御回路(Mc)は、R,G,B各波長帯域のそれぞれの前記発光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、前記した前記発光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、R,G,B各波長帯域のそれぞれの前記発光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。
 そして、決定した前記係数を使用して、R,G,B各波長帯域のそれぞれの前記発光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統合制御回路(Mc)は、前記駆動回路制御信号(J1a,J1b,…,J2a,J2b,…)を介して前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)の出力電力を設定することにより、三刺激値 X,Y,Z 、または色度座標 x,y および光の明るさ 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、R,G,B各波長帯域のそれぞれの前記発光強度指示値は、前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)のなかの、Rの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pr 、およびGの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pg 、Bの波長帯域の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、R,G,B各波長帯域のそれぞれの前記発光強度指示値を全て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。
 前記した電力光量比例則に関して述べた前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)のなかの、Rの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pr 、およびGの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pg 、Bの波長帯域の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、R,G,B各波長帯域のそれぞれの前記発光強度指示値たる Sr,Sg,Sb の目標値 Srp,Sgp,Sbp 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3)のように表すことができる。
(式3)
  Pr = kr・Srp
  Pg = kg・Sgp
  Pb = kb・Sbp
 前記した前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)が取得した前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)に基づいて算出した前記発光強度指示値 Sr,Sg,Sb それぞれの値と、前記した Pr,Pg,Pb との比から、前記した(式3)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、発光強度指示値 Sr,Sg,Sb に対する適当に定めた安全な初期目標値 Srp,Sgp,Sbp を生ずるであろう Pr,Pg,Pb を、前記した(式3)によって仮決定する。
 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帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)から得た前記発光強度指示値 Sr,Sg,Sb それぞれの値と、その元となった目標値 Srp,Sgp,Sbp との比を用いて、比例係数 kr,kg,kb を、以下の(式4)に従って補正すればよい。(式4)の各式の等号は、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。
(式4)
  kr = kr・Srp/Sr
  kg = kg・Sgp/Sg
  kb = kb・Sbp/Sb
 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、Sr,Sg,Sb の微小変化量 ΔSr,ΔSg,ΔSb を決め、以下の(式5)に従って目標値 Srp,Sgp,Sbp を更新し、前記した(式3)に従って電力を再設定して、前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)による測定の度に行うことにすればよい。
(式5)
  Srp = Sr + ΔSr
  Sgp = Sg + ΔSg
  Sbp = Sb + ΔSb
 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3)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、発光強度指示値 Sr,Sg,Sb (やその目標値 Srp,Sgp,Sbp )との正しい対応が維持される。
 以降においては、具体的に求められた前記発光強度指示値 Sr,Sg,Sb と、前記波長偏差指示値たる基準波長からの偏差 Δλr,Δλg,Δλb の値を用いて、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 および光の明るさ 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、前記発光強度指示値 Sr,Sg,Sb を微小変化させるときの変化量 ΔSr,ΔSg,ΔSb の決定方法について説明する。
 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、また光の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6)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。
(式6)
  X = Y・x/y
  Z = Y・(1 - x - y)/y
 当然、これら以外の他の表色系(例えばRGB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、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。
 前記統合制御回路(Mc)が保有する前記局所帯域等色関数情報のうちの、波長が基準波長から変化したときの等色関数の関数値の変化に関する情報として、例えば、前記した波長帯域のそれぞれについて、基準波長近傍において適当に選んだ離散的な波長値での等色関数値を保有しておき、測定された波長偏差指示値に相当する関数値を、補間法を援用して求めるようにすることができる。
 しかし、前記した温度変化などに起因する前記発光素子(Y1a,Y1b,…,Y2a,Y2b,…)の波長の変化は、例えば数ナノメートルの程度であるため、基準波長近傍での等色関数の関数形を直線であると近似して計算しても、実用上の精度は十分に得られる。
 よって以下においては、前記した波長が基準波長から変化したときの等色関数の関数値の変化に関する情報としては、波長の変化に対する関数の変化率、すなわち波長変化時の関数値変化の傾きを保有している場合を想定して説明する。
 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7)で近似できる。
(式7)
  Δf = (df/dλ)・Δλ
 前記した等色関数 xe(λ),ye(λ),ze(λ) についてこの式を適用して、波長 λ が λro の近傍では、λ=λro +Δλr と書いて、以下の(式8)を得る。
(式8)
  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)
 同様に λ が λgo の近傍では、λ=λgo +Δλg と書いて、以下の(式9)を得る。
(式9)
  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10)を得る。
(式10)
  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)
 ここで、被測定光束 S(λ) が、R,G,Bそれぞれ単色の3原色から成っていると近似すると、デルタ関数 δ(λ) を用いて以下の(式11)のように表せる。
(式11)
  S(λ) = Sr・δ(λ-λro -Δλr )
       + Sg・δ(λ-λgo -Δλg )
       + Sb・δ(λ-λbo -Δλb )
 従って、この(式11)と、前記した(式8),(式9),(式10)を、前記した(式1)の積分に適用することにより、三刺激値の X に関する以下の(式12)および Y に関する以下の(式13)並びにZ に関する以下の(式14)を得る。
(式12)
  X = Sr・{ xe(λro) + Fxro・Δλr }
     + Sg・{ xe(λgo) + Fxgo・Δλg }
     + Sb・{ xe(λbo) + Fxbo・Δλb }
    = Hxr・Sr + Hxg・Sg + Hxb・Sb
  ただし、
  Hxr = xe(λro) + Fxro・Δλr
  Hxg = xe(λgo) + Fxgo・Δλg
  Hxb = xe(λbo) + Fxbo・Δλb 
(式13)
  Y = Sr・{ ye(λro) + Fyro・Δλr }
     + Sg・{ ye(λgo) + Fygo・Δλg }
     + Sb・{ ye(λbo) + Fybo・Δλb }
    = Hyr・Sr + Hyg・Sg + Hyb・Sb
  ただし、
  Hyr = ye(λro) + Fyro・Δλr
  Hyg = ye(λgo) + Fygo・Δλg
  Hyb = ye(λbo) + Fybo・Δλb 
(式14)
  Z = Sr・{ ze(λro) + Fzro・Δλr }
     + Sg・{ ze(λgo) + Fzgo・Δλg }
     + Sb・{ ze(λbo) + Fzbo・Δλb }
    = Hzr・Sr + Hzg・Sg + Hzb・Sb
  ただし、
  Hzr = ze(λro) + Fzro・Δλr
  Hzg = ze(λgo) + Fzgo・Δλg
  Hzb = ze(λbo) + Fzbo・Δλb
 前記した(式12),(式13),(式14)より、発光強度指示値 Sr,Sg,Sb 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15)のように表すことができる。
(式15)
  ΔX = Hxr・ΔSr + Hxg・ΔSg + Hxb・ΔSb
  ΔY = Hyr・ΔSr + Hyg・ΔSg + Hyb・ΔSb
  ΔZ = Hzr・ΔSr + Hzg・ΔSg + Hzb・ΔSb
 かくして前記した波長帯域のそれぞれについての前記発光強度指示値を微小変化させたときの前記色相指示値の変化量を、前記した前記発光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、前記した波長帯域のそれぞれについての前記発光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、発光強度指示値 Sr,Sg,Sb に微小変化 ΔSr,ΔSg,ΔSb 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16)によって ΔX,ΔY,ΔZ の値を決めれば、前記した(式15)は ΔSr,ΔSg,ΔSb 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る。従って、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、前記発光強度指示値の微小変化量 ΔSr,ΔSg,ΔSb の値を求めることができる。
(式16)
  ΔX = D・{Xp -X}
  ΔY = D・{Yp -Y}
  ΔZ = D・{Zp -Z}
 前記した(式5)に従って求めた ΔSr,ΔSg,ΔSb を、元の Sr,Sg,Sb に加えて発光強度指示値の新しい目標値 Srp,Sgp,Sbp を算出し、前記した(式3)を介して、前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)の電力 Pr,Pg,Pb を更新することができる。
 以上、色相指示値の変化量を、発光強度指示値の変化量を用いて、その線形演算で表した(式15)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、係数 Hxr,Hxg,Hxb,Hyr,Hyg,Hyb,Hzr,Hzg,Hzb の値を、(式12),(式13),(式14)に従い事前に準備しておく。
 前記統合制御回路(Mc)は、R,G,B各波長帯域のそれぞれの前記発光強度指示値たる Sr,Sg,Sb に対し、適当な初期目標値 Srp,Sgp,Sbp を定める。また、比例係数 kr,kg,kb の適当な初期値を定め、(式3)によって前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)の電力 Pr,Pg,Pb を設定して発光素子(Y1a,Y1b,…,Y2a,Y2b,…)の駆動を開始し、適当に定めた暖機運転期間だけ待機する。
 前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)が取得した前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)に基づいて算出した前記発光強度指示値 Sr,Sg,Sb と、元の目標値 Srp,Sgp,Sbp を(式4)に適用して比例係数 kr,kg,kb を更新する。
 得られた発光強度指示値 Sr,Sg,Sb に基づき(式12),(式13),(式14)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16)に適用すると(式15)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、前記発光強度指示値の微小変化量 ΔSr,ΔSg,ΔSb の値を求める。
 前記統合制御回路(Mc)は、前記発光強度指示値の現在の値 Sr,Sg,Sb に対し、いま求めた ΔSr,ΔSg,ΔSb を(式5)に適用して発光強度指示値の新しい目標値 Srp,Sgp,Sbp を算出し、(式3)に従って前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)の電力 Pr,Pg,Pb を更新する。
 そして前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)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 ΔSr,ΔSg,ΔSb が全体的に小さく抑えられ、フィードバック制御の変化速度を低くして、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、前記発光強度指示値 Sr,Sg,Sb のうちの一つ、例えば Sr 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、光の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 Sr が所定の値となるよう、光の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、ある同じ比率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、Sr が所定の値になるような適当な比率が見つかるまで、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、光の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 Sr 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12),(式13),(式14)を適用すれば、さらに X,Y,Z の和に関する以下の(式17)を得る。
(式17)
  T = X+Y+Z
    = { Hxr + Hyr + Hzr }・Sr
     + { Hxg + Hyg + Hzg }・Sg
     + { Hxb + Hyb + Hzb }・Sb
    = Ir・Sr +Ig・Sg +Ib・Sb
  ただし、
  Ir = Hxr + Hyr + Hzr
  Ig = Hxg + Hyg + Hzg
  Ib = Hxb + Hyb + Hzb
 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12),(式13),(式17)を用いた以下の(式18)の計算で求められる。
(式18)
  x = X/T
  y = Y/T
 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19)のように近似できる。
(式19)
  Δf = (δf/δu)・Δu + (δf/δv)・Δv + (δf/δw)・Δw
 色度座標 x,y および光の明るさ Y が、前記発光強度指示値 Sr,Sg,Sb を変数とする関数であると見て、以下の(式20)のように偏微分係数の値を具体的に決めれば、Sr,Sg,Sb を微小変化させたときの x,y,Y の変化量は、以下の(式21)のように表すことができる。
(式20)
  Jxr = δx/δSr = { δX/δSr・T - X・δT/δSr }/{T・T}
     = { Hxr・T - Ir・X }/{T・T}
     = { Hxr - Ir・x }/T
  Jxg = δx/δSg = { Hxg - Ig・x }/T
  Jxb = δx/δSb = { Hxb - Ib・x }/T
  Jyr = δy/δSr = { Hyr - Ir・y }/T
  Jyg = δy/δSg = { Hyg - Ig・y }/T
  Jyb = δy/δSb = { Hyb - Ib・y }/T
(式21)
  Δx = Jxr・ΔSr +Jxg・ΔSg +Jxb・ΔSb
  Δy = Jyr・ΔSr +Jyg・ΔSg +Jyb・ΔSb
  ΔY = Hyr・ΔSr +Hyg・ΔSg +Hyb・ΔSb
 かくして前記した波長帯域のそれぞれについての前記発光強度指示値を微小変化させたときの前記色相指示値の変化量を、前記した前記発光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、前記した波長帯域のそれぞれについての前記発光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21)の3番目の ΔY に関する式は、(式13)から得られる次の関係に基づく。
  δY/δSr = Hyr
  δY/δSg = Hyg
  δY/δSb = Hyb
 前記した(式16)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、Sr,Sg,Sb 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22)によって Δx,Δy,ΔY の値を決めれば、前記した(式21)は ΔSr,ΔSg,ΔSb 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る。従って、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、前記発光強度指示値の微小変化量 ΔSr,ΔSg,ΔSb の値を求めることができる。
(式22)
  Δx = D・{xp -x}
  Δy = D・{yp -y}
  ΔY = D・{Yp -Y}
 以上、色相指示値の変化量を、発光強度指示値の変化量を用いて、その線形演算で表した(式21)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。
 等色関数 xe(λ),ye(λ),ze(λ) に関する局所帯域等色関数情報を事前に準備しておく。すなわちR,G,B各波長帯域の基準波長 λro,λgo,λbo における関数値 xe(λro),ye(λro),ze(λro) と xe(λgo),ye(λgo),ze(λgo) と xe(λbo),ye(λbo),ze(λbo) の値、さらに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 の値を事前に準備しておく。
 前記統合制御回路(Mc)は、R,G,B各波長帯域のそれぞれの前記発光強度指示値たる Sr,Sg,Sb に対し、適当な初期目標値 Srp,Sgp,Sbp を定める。また、比例係数 kr,kg,kb の適当な初期値を定め、(式3)によって前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)の電力 Pr,Pg,Pb を設定して発光素子(Y1a,Y1b,…,Y2a,Y2b,…)の駆動を開始し、適当に定めた暖機運転期間だけ待機する。
 前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)が取得した前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)に基づいて算出した前記発光強度指示値 Sr,Sg,Sb と、元の目標値 Srp,Sgp,Sbp を(式4)に適用して比例係数 kr,kg,kb を更新する。
 そして前記発光強度指示値 Sr,Sg,Sb 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12),(式13),(式17)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 が求められる。そしてこれらを前記した(式18)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22)に適用すると、前記した(式21)の左辺が決定される。また前記した(式20)の Jxr,Jxg,Jxb と Jyr,Jyg,Jyb によって前記した(式21)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、前記発光強度指示値の微小変化量 ΔSr,ΔSg,ΔSb の値を求める。
 前記統合制御回路(Mc)は、前記発光強度指示値の現在の値 Sr,Sg,Sb に対し、いま求めた ΔSr,ΔSg,ΔSb を(式5)に適用して発光強度指示値の新しい目標値 Srp,Sgp,Sbp を算出し、(式3)に従って前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)の電力 Pr,Pg,Pb を更新する。
 そして前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)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、前記発光強度指示値 Sr,Sg,Sb のうちの一つ、例えば ΔSr 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21)の方程式の未知数から定数に変更して、以下の(式23)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、ΔSg,ΔSb を求めることができる。ただし、このようにした場合は、光の明るさ 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。
(式23)
  Δx-Jxr・ΔSr = Jxg・ΔSg +Jxb・ΔSb
  Δy-Jyr・ΔSr = Jyg・ΔSg +Jyb・ΔSb
 ここで、前記した(式11)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11)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それぞれの光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、前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)が取得した前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)に基づ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15)や(式21)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。
 しかし、これら係数に関しては、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ことが可能である。
 この理由は、次に示すとおりである。すなわち、このように近似することにより、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15)や(式21)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。然るに、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。
 以下において、このように近似する場合の計算方法について説明する。
 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発光強度指示値を、近似しない場合のものと同じ記号で Sr,Sg,Sb と書けば、三刺激値 X,Y,Z に関する前記した(式12),(式13),(式14)に対応するものは、以下の(式24)のように表すことができる。
(式24)
  X = Hxro・Sr + Hxgo・Sg + Hxbo・Sb
  Y = Hyro・Sr + Hygo・Sg + Hybo・Sb
  Z = Hzro・Sr + Hzgo・Sg + Hzbo・Sb
  ただし、
  Hxro = xe(λro)
  Hxgo = xe(λgo)
  Hxbo = xe(λbo)
  Hyro = ye(λro)
  Hygo = ye(λgo)
  Hybo = ye(λbo)
  Hzro = ze(λro)
  Hzgo = ze(λgo)
  Hzbo = ze(λbo)
 これより、前記した(式15)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25)を得る。
(式25)
  ΔX = Hxro・ΔSr + Hxgo・ΔSg + Hxbo・ΔSb
  ΔY = Hyro・ΔSr + Hygo・ΔSg + Hybo・ΔSb
  ΔZ = Hzro・ΔSr + Hzgo・ΔSg + Hzbo・ΔSb
 かくして前記した波長帯域のそれぞれについての前記発光強度指示値を微小変化させたときの前記色相指示値の変化量を、前記した前記発光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16)により計算すればよい。
 なお、三刺激値 X,Y,Z の値は、前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)が取得した前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)に基づいて前記発光強度指示値 Sr,Sg,Sb 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12),(式13),(式14)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17)の Ir,Ig,Ib 、および(式20)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26)および以下の(式27)のように表すことができる。
(式26)
  Iro = Hxro + Hyro + Hzro
  Igo = Hxgo + Hygo + Hzgo
  Ibo = Hxbo + Hybo + Hzbo
(式27)
  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
 ただし、x,y および T は、前記したように、前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)が取得した前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)に基づいて前記発光強度指示値 Sr,Sg,Sb 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12),(式13),(式14)によって計算された三刺激値 X,Y,Z の値を、前記した(式17)の最上段の表現、すなわち以下の式および(式18)に適用して計算する。
 式  T = X+Y+Z  (再録)
 そして、前記した(式21)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28)を得る。
(式28)
  Δx = Jxro・ΔSr +Jxgo・ΔSg +Jxbo・ΔSb
  Δy = Jyro・ΔSr +Jygo・ΔSg +Jybo・ΔSb
  ΔY = Hyro・ΔSr +Hygo・ΔSg +Hybo・ΔSb
 かくして前記した波長帯域のそれぞれについての前記発光強度指示値を微小変化させたときの前記色相指示値の変化量を、前記した前記発光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22)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23)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、前記発光強度指示値 Sr,Sg,Sb のうちの一つを(式28)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(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)のなかの、Rの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pr 、およびGの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pg 、Bの波長帯域の発光素子を駆動するものの出力電力の総和 Pb それぞれの決定に関しては、前記した(式3),(式4),(式5)を有効に使用することができる。
 つまり、前記したように、前記統合制御回路(Mc)は、前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)が取得した前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)に基づいて算出した前記発光強度指示値 Sr,Sg,Sb と、元の目標値 Srp,Sgp,Sbp を(式4)に適用して比例係数 kr,kg,kb を更新する。
 前記した(式25)または(式28)を解いて変化量 ΔSr,ΔSg,ΔSb を求めたならば、前記統合制御回路(Mc)は、前記発光強度指示値の現在の値 Sr,Sg,Sb に対し、いま求めた ΔSr,ΔSg,ΔSb を(式5)に適用して発光強度指示値の新しい目標値 Srp,Sgp,Sbp を算出し、(式3)に従って前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)の電力 Pr,Pg,Pb を更新する。
 そして前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)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24)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、前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)が取得した前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)に基づいて前記発光強度指示値 Sr,Sg,Sb 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12),(式13),(式14)によって計算した値を使うこともできる。また、前記した(式4),(式5)に適用するための発光強度指示値 Sr,Sg,Sb については、前記した(式24)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、図3に記載の、波長分散性光学素子(Eg)を用いて波長偏差指示値を測定するための帯域光特性取得手段(AiR)について説明したが、背景技術に関して述べたように、半導体レーザ等からなる発光素子は、環境温度変化または自己発熱による温度上昇によって発光波長が変化する性質を利用して、簡単な構成の、すなわち低コストな帯域光特性取得手段を実現することができる。
 この帯域光特性取得手段は、一つの波長帯域について、前記測定用出力光束(Fo’)の光量を検出する光量検出器の他に、当該波長帯域の光を供給する前記発光素子の温度を検出する温度検出器を具備し、前記光量検出器によって検出された光量データと、前記温度検出器によって検出された温度データとを含むように前記帯域光特性取得データを生成する。一方、前記統合制御回路(Mc)は、前記発光素子の温度と発光波長の変化との相関データを保持するように構成する。これにより、温度の変化と発光波長の変化の相関が直線的でない場合も含め、前記統合制御回路(Mc)は、前記帯域光特性取得手段から取得した前記帯域光特性取得データに基づいて、当該波長帯域についての、光の強度に相関する発光強度指示値と基準波長からの偏差に相関する推定の波長偏差指示値とを取得することができる。
 当然ながら、いま述べた前記帯域光特性取得手段を構成する前記光量検出器と前記温度検出器とを一体に構成する必要はない。
 前記発光素子は、通電による自己発熱量を逃がすための、空冷式または水冷式、ペルチェ素子等による電気式の冷却機構を備えたヒートシンクに対し、熱的に接触させて保持する構造とし、前記発光素子と前記ヒートシンクとが接触する面の前記発光素子側または前記ヒートシンク側の一部に溝を設け、この溝に前記温度検出器を収納するように構成することが好適である。
 また前記温度検出器としては、サーミスタや熱電対、半導体温度センサ等を使用することができる。
 なお、一つの波長帯域に属する前記発光素子が1個または複数個あって、複数個の前記温度検出器を設ける場合、前記した発光波長のバラツキに関して説明した理由により、定めた基準温度における前記発光素子それぞれの発光波長と、その発光素子についての基準温度からの温度の変化量とによって、基準温度のおける同じ波長帯域に属する全ての発光素子を総合した波長の平均値からの、温度変化に伴う波長の平均値の変化を算出することができる。したがって総合の波長偏差指示値を推定することができる。
 ただし、前記温度検出器それぞれが温度検出を担当する発光素子の電力に、温度検出器毎に相違がある場合は、それぞれの温度検出器の検出温度に基づいて推定した波長偏差指示値を、担当発光素子電力に相関する量、例えば電流値によって重み付けした加重平均計算によって、総合の波長偏差指示値を算出することが望ましい。
 なお、最も簡単には、前記温度検出器それぞれの検出温度の平均値(発光素子電力に相関する量によって重み付けした加重平均)を算出して総合の波長偏差指示値を推定することができる。
 また、前記光量検出器の分光感度特性が当該波長帯域において平坦でない場合は、いま算出した総合の波長偏差指示値に基づいて、前記光量検出器によって検出された光量データに補正を加えることが望ましい。
 例えば、当該波長帯域における分光感度の傾きが2%/nmであり、算出された総合の波長偏差指示値が3nmであるとするならば、この総合の波長偏差指示値に前記した分光感度の傾きを乗じた値を1から減じて算出した0.94を、前記光量検出器によって検出された光量データに対して乗じることにより、光量データを補正すればよい。
 前記したように、発光素子の温度変化の主要因は、前記駆動回路からの投入電力に起因した自己発熱による温度上昇であるため、逆に温度上昇が前記発光素子に投入される電力に相関することに着目して、さらに簡単な構成の、すなわちさらに低コストな帯域光特性取得手段を実現することもできる。
 この帯域光特性取得手段は、一つの波長帯域について、前記測定用出力光束(Fo’)の光量を検出する光量検出器の他に、当該波長帯域の光を供給する前記発光素子の電力を検出する電力検出器を具備し、前記光量検出器によって検出された光量データと、前記電力検出器によって検出された電力データとを含むように前記帯域光特性取得データを生成する。一方、前記統合制御回路(Mc)は、前記発光素子の電力と発光波長の変化との相関データを保持するように構成する。これにより、電力の変化と発光波長の変化の相関が直線的でない場合も含め、前記統合制御回路(Mc)は、前記帯域光特性取得手段から取得した前記帯域光特性取得データに基づいて、当該波長帯域についての、光の強度に相関する発光強度指示値と基準波長からの偏差に相関する推定の波長偏差指示値とを取得することができる。
 当然ながら、いま述べた前記帯域光特性取得手段を構成する前記光量検出器と前記電力検出器とを一体に構成する必要はない。
 なお、前記したように、前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)のそれぞれは、前記発光素子(Y1a,Y1b,…,Y2a,Y2b,…)に規定の電力を投入できるように制御する機能を有している。そのために、自身が駆動する発光素子への投入電力を検出するための電力検出手段を備えている場合は、これによって、前記した波長偏差指示値を取得するための電力検出器を兼ねることができる。
 したがってこのときは、前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)は、前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)の機能の一部を兼ねており、前記統合制御回路(Mc)は、前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)の一部を前記駆動回路制御信号(J1a,J1b,…,J2a,J2b,…)を介して前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)から受け取る。
 当然ながら、前記発光素子に流される電流値や、電流を流した際に発生する電圧値も前記発光素子に投入される電力に相関するため、これらの電流値や電圧値を、波長偏差指示値を取得するために検出する電力の値として代替することができる。
 いま述べたように、発光素子の検出電力は、発光素子の温度の代替であるから、前記した発光素子の温度に基づいて総合の波長偏差指示値を推定する場合について記載した事項は、対象を温度から電力に替えてそのまま成立する。
 例えば、前記した発光波長のバラツキに関して説明した理由により、定めた基準電力における前記発光素子それぞれの発光波長と、その発光素子についての基準電力からの電力の変化量とによって、基準電力のおける同じ波長帯域に属する全ての発光素子を総合した波長の平均値からの、電力変化に伴う波長の平均値の変化を算出することができ、したがって総合の波長偏差指示値を推定することができると言えるし、前記光量検出器の分光感度特性が当該波長帯域において平坦でない場合の処理も同様に行えばよい。
 また、発光素子の発光波長は、自己発熱量に加えて環境温度によっても変化するため、環境温度を検出する温度検出器をさらに備え、この検出温度によって電力に基づく波長偏差指示値の推定値に補正を加えるようにすることができる。
 なお、複数ある前記発光素子の電力値と波長偏差指示値との相関関係が直線的であるならば、検出電力値の平均値によって総合の波長偏差指示値を推定すればよい。
 前記した発光素子の温度によって波長偏差指示値を推定するための帯域光特性取得手段、または発光素子の電力によって波長偏差指示値を推定するための帯域光特性取得手段においては、温度検出器または電力検出器の他に、前記したように光量検出器を備える必要がある。
 この光量検出器としては、光量の大小を検出するものだけでなく、撮像素子が使用可能である。
 特にカラー撮影用の撮像素子には、R,G,Bのカラーフィルタが画素に設けられているため、前記測定用出力光束(Fo’)がR,G,Bが混合された白色光であっても、分光フィルタを追加することなく、1個の撮像素子によって、R,G,B各波長帯域の光量データを生成することができる利点がある。
 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(Eo1,Eo2,…)が同一平面上に位置するように揃えて、前記光ファイバ(Ef1,Ef2,…)の出射端部を束ねたものの場合、前記出射端(Eo1,Eo2,…)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、本発明の光源装置の実施例の一部の一形態を簡略化して示す模式図である図5および図6を用いて、本発明を実施するための形態として、本発明の光源装置の駆動回路の具体的な構成、および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具体的な構成について述べる。
 図5に記載の駆動回路(P1a)は、本発明の光源装置の前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)のうちの1個を例示して、具体化された構成の一例を示すものである。
 降圧チョッパ回路を基本とした前記駆動回路(P1a)は、ノード(T10,T11)に接続されたDC電源(Uv)より電圧の供給を受けて動作し、前記発光素子(Y1a)への給電量調整を行う。
 なお、前記発光素子(Y1a)は、ここでは複数個の半導体レーザを直列接続して構成する場合を想定した。
 前記駆動回路(P1a)においては、FET等のスイッチ素子(Qx)によって前記DC電源(Uv)よりの電流のオン・オフの切換えを行い、チョークコイル(Lx)を介して平滑コンデンサ(Cx)に充電が行われる。この電圧がノード(T20,T21)から前記発光素子(Y1a)に印加され、前記発光素子(Y1a)に電流を流すことができるように構成されている。
 なお、前記スイッチ素子(Qx)がオン状態の期間は、前記スイッチ素子(Qx)を通じた電流により、直接的に前記平滑コンデンサ(Cx)への充電と、負荷である前記発光素子(Y1a)への電流供給が行われるとともに、前記チョークコイル(Lx)に磁束の形でエネルギーを蓄える。一方、前記スイッチ素子(Qx)がオフ状態の期間は、フライホイールダイオード(Dx)を介した前記チョークコイル(Lx)に磁束の形で蓄えられたエネルギーによる前記発光素子(Y1a)への電流供給、および前記平滑コンデンサ(Cx)からの放電による前記発光素子(Y1a)への電流供給が行われる。
 このような降圧チョッパ型の前記駆動回路(P1a)においては、前記スイッチ素子(Qx)の動作周期に対する、前記スイッチ素子(Qx)がオン状態の期間の比、すなわちデューティサイクル比により、前記発光素子(Y1a)への給電量を調整することができる。
 ここでは、あるデューティサイクル比を有するゲート駆動信号(Sg)が駆動制御回路(Fx)によって生成され、ゲート駆動回路(Gx)を介して、前記スイッチ素子(Qx)のゲート端子を制御することにより、前記DC電源(Uv)よりの電流のオン・オフが制御される。
 前記発光素子(Y1a)に流れる出力電流Ioは、出力電流検出手段(Ix)によって検出できるように構成するが、出力電流検出手段(Ix)についてはシャント抵抗を用いて、簡単に実現することができる。また、前記発光素子(Y1a)に印加される出力電圧Voは、出力電圧検出手段(Vx)によって検出できるように構成するが、出力電圧検出手段(Vx)については分圧抵抗を用いて、簡単に実現することができる。
 前記出力電流検出手段(Ix)と、前記出力電圧検出手段(Vx)とによってそれぞれ検出された出力電流信号(Si)と出力電圧信号(Sv)とは、前記駆動制御回路(Fx)によって読み取られる。
 前記駆動制御回路(Fx)は、駆動回路制御信号(J1a)を介して前記統合制御回路(Mc)とデータを送受して、前記発光素子(Y1a)に投入する電力、あるいは電力に相関する、前記発光素子(Y1a)に流す電流の目標値を保持するとともに、前記出力電流信号(Si)と前記出力電圧信号(Sv)とに基づき測定された前記発光素子(Y1a)の電力(前記出力電流信号(Si)と前記出力電圧信号(Sv)の積に基づき算出)あるいは電流の値と、前記した目標値とを比較して、その差異が小さくなるように前記したデューティサイクル比をフィードバック制御する。
 前記統合制御回路(Mc)は、前記した前記発光素子(Y1a)の電力あるいは電流の値を、前記駆動回路制御信号(J1a)を介して読み取り、前記した波長偏差指示値を取得するための量として利用する。
 一方、図6には、本発明のプロジェクタの光ファイバおよびその出射端以降の構成を描いてある。
 本光源装置は、R,G,B3原色に対応して、各色複数本の光ファイバ、すなわちR色光源用光ファイバ(EfR1,EfR2,…)、G色光源用光ファイバ(EfG1,EfG2,…)、B色光源用光ファイバ(EfB1,EfB2,…)は、それぞれ出射端を揃えて束ねられた、ファイババンドルとして構成されている。これら3本のファイババンドルの出射端から出射される、それぞれコリメータレンズ(EsR,EsG,EsB)で無限遠の像に変換した光束を、ミラー(HuR)およびダイクロイックミラー(HuG,HuB)を用いて色合成して、本光源装置の出力光束(Fo)を生成するように構成してある。
 そして、前記出力光束(Fo)は集光レンズ(Eu)に入力され、スペックルを除去するための拡散素子(Edm)を介して、ロッドインテグレータによる光均一化手段(Fm)の入射端(Pmi)に入射される。
 前記光均一化手段(Fm)の射出端(Pmo)以降の光学系については、先に図7に関して述べたものと同様である。
 当然ながら、本発明の光源装置は、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、先に図8に関して述べたプロジェクタにおいても利用できる。
 前記ダイクロイックミラー(HuB)は、R・G色の光を可能な限り多く透過し、かつB色の光を可能な限り多く反射するように作成されているが、R・G色の反射光、およびB色の透過光が少なからず存在する。普通これらの光は迷光として捨てられるが、図6の本光源装置においては、これを有効利用して測定用出力光束(Fo’)を得るようにしてある。
 前記測定用出力光束(Fo’)はレンズからなる結像光学系(Eh)に入射され、前記ファイババンドルのR色出射端(EoR1,EoR2,…)およびG色出射端(EoG1,EoG2,…)、B色出射端(EoB1,EoB2,…)と共役な実像がカラー映像用撮像素子(C)の撮像面上に結像される。
 前記カラー映像用撮像素子(C)によって撮影されたこれらの像の映像信号(Sf)は、前記したR,G,B各波長帯域の光量データ(ShR’,ShG’,ShB’)を生成するために、信号処理回路(H’)に送られる。
 統合制御回路(Mc)は、前記光量データ(ShR’,ShG’,ShB’)を取得するとともに、前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)から前記発光素子(Y1a,Y1b,…,Y2a,Y2b,…)の電力値または電流値を取得して、前記したようにして光の強度に相関する発光強度指示値と基準波長からの偏差に相関する推定の波長偏差指示値とを生成する。また、前記出力光束(Fo,Fo1,Fo2,…)の総合的な光の色に相関する色相指示値を生成し、前記色相指示値とその目標値の差異が小さくなるようフィードバック制御する。
 また、前記カラー映像用撮像素子(C)の映像に基づき、前記R色出射端(EoR1,EoR2,…),前記G色出射端(EoG1,EoG2,…),前記B色出射端(EoB1,EoB2,…)それぞれの光量を別々に測定し、何れかに光量低下の異常が発生しないかどうかを調べて光ファイバの破断を監視する。
 以上においては、それぞれ光の強度に相関する発光強度指示値を測定するためと、波長分散性光学素子(Eg)を用いて波長偏差指示値を測定するための帯域光特性取得手段(AiR)、および発光素子の温度によって波長偏差指示値を推定するための帯域光特性取得手段、さらに発光素子の電力によって波長偏差指示値を推定するための帯域光特性取得手段について説明した。しかし、帯域光特性取得手段は、これらの方式・構成に限らず、前記したように、それらの量が測定・取得できる手段であれば、本発明の光源装置においては、どのような構成のものでも使用することができる。
 また、R,G,B各波長帯域の前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)として、全て同じ方式の帯域光特性取得手段を使用してもよいし、波長帯域によって異なる方式の帯域光特性取得手段を混合して使用してもよい。
 前記した波長帯域のうちの少なくとも一つの波長帯域の前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)は、次のような構成とすることも考えられる。すなわち、当該波長帯域の分光感度特性についての第1の分光感度特性を有する第1光量測定手段と、第2の分光感度特性を有する第2光量測定手段と、によって構成され、当該波長帯域における前記した第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の、基準波長での感度値と前記した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させた構成とする。ここに、前記した第1の分光感度特性と前記した第2の分光感度特性とは、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するものである。
 このような構成のものにおいては、前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)たる、前記第1光量測定手段が生成する第1光量測定データと、前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)たる、前記第2光量測定手段が生成する第2光量測定データとを取得して、前記局所帯域分光感度情報を用いて、前記第1光量測定データと前記第2光量測定データとから前記した発光強度指示値と前記した波長偏差指示値とが生成されて取得される。
 さらに、本発明においては、前記した波長帯域のうちの何れかに、実質的に波長の変化が生じない、あるいは無視できる前記発光素子が含まれる場合、その波長帯域については、帯域光特性取得手段は光の強度に相関する発光強度指示値のみの取得のためのものでよい。このような場合には、前記した(式8)~(式14)における前記波長偏差指示値 Δλr,Δλg,Δλb のうちの当該波長帯域に対応するものの値を0とおいて計算すればよい。
 実際、発振波長が安定化された半導体レーザや、体積ブラッグ回折格子で構成された共振用反射器を有する半導体レーザや非線形光学高調波発振器などにおいて、このような取扱いが可能な発光素子が存在する。
 例えばその波長帯域がG色であるならば、その波長帯域で感度を有する光センサを設け、前記測定用出力光束(Fo’)の光量を測定して取得した前記発光強度指示値 Sg と、前記波長偏差指示値 Δλg =0とを前記した(式8)~(式14)に適用すればよい。
 なお、本明細書においては、「微小変化」なる用語が複数の箇所で現れているが、これは、前記した(式7)や(式19)などの近似式において、実際に近似が成立することを期待して与える λ や u,v,w の変化 Δλ や Δu,Δv,Δw を指しており、通常は、小さい値であるほど近似の精度は向上するが、要求する精度の低さによっては、相当大きな値であっても実用的である場合もあるため、本光源装置の用途に照らして許容できる大きさが決まるものである。
 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。
AiB  帯域光特性取得手段
AiG  帯域光特性取得手段
AiR  帯域光特性取得手段
Ax   帯域光特性取得手段セット
B    青色
C    カラー映像用撮像素子
Ca   撮像素子
Cx   平滑コンデンサ
DmjA 2次元光振幅変調素子
DmjB 2次元光振幅変調素子
Dx   フライホイールダイオード
Ea   ピンホール
Eap  開口板
Eb1  集光レンズ
Eb2  コリメータレンズ
Eb3  結像レンズ
Ec1  集光光学系
Ec2  集光光学系
Edm  拡散素子
Ef1  光ファイバ
Ef2  光ファイバ
EfB1 B色光源用光ファイバ
EfB2 B色光源用光ファイバ
EfG1 G色光源用光ファイバ
EfG2 G色光源用光ファイバ
EfR1 R色光源用光ファイバ
EfR2 R色光源用光ファイバ
Eg   波長分散性光学素子
Eh   結像光学系
Ei1  入射端
Ei2  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
Eo1  出射端
Eo2  出射端
EoB1 B色出射端
EoB2 B色出射端
EoG1 G色出射端
EoG2 G色出射端
EoR1 R色出射端
EoR2 R色出射端
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
Eu   集光レンズ
F1B  前段フライアイレンズ
F2B  後段フライアイレンズ
Fm   光均一化手段
FmA  光均一化手段
FmB  光均一化手段
Fo   出力光束
Fo’  測定用出力光束
Fo1  出力光束
Fo2  出力光束
FoR  出力光束
FoR’ 透過光
Fx   駆動制御回路
G    緑色
Gx   ゲート駆動回路
H    信号処理回路
H’   信号処理回路
HuB  ダイクロイックミラー
HuG  ダイクロイックミラー
HuR  ミラー
Ix   出力電流検出手段
J1a  駆動回路制御信号
J1b  駆動回路制御信号
J2a  駆動回路制御信号
J2b  駆動回路制御信号
Lx   チョークコイル
Mc   統合制御回路
MjA  ミラー
MjB  偏光ビームスプリッタ
P1a  駆動回路
P1b  駆動回路
P2a  駆動回路
P2b  駆動回路
PcB  偏光整列機能素子
Pmi  入射端
PmiA 入射端
PmiB 入射端
Pmo  射出端
PmoA 射出端
PmoB 射出端
Qx   スイッチ素子
R    赤色
Sf   映像信号
Sg   ゲート駆動信号
ShB  帯域光特性取得データ
ShB’ 光量データ
ShG  帯域光特性取得データ
ShG’ 光量データ
ShR  帯域光特性取得データ
ShR’ 光量データ
Si   出力電流信号
SjA  光源
SjB  光源
Sv   出力電圧信号
T10  ノード
T11  ノード
T20  ノード
T21  ノード
Tj   スクリーン
U1   要素光源
U2   要素光源
Uv   DC電源
Vx   出力電圧検出手段
W    白色
Y1a  発光素子
Y1b  発光素子
Y2a  発光素子
Y2b  発光素子
ZiB  入射光軸

Claims (14)

  1.  狭い波長帯域で発光する発光素子(Y1a,Y1b,…)と前記発光素子(Y1a,Y1b,…)を駆動する駆動回路(P1a,P1b,…)を具備するユニットを1個の要素光源(U1,U2,…)として、該要素光源(U1,U2,…)の複数個と、前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)を制御する統合制御回路(Mc)と、を有し、前記発光素子(Y1a,Y1b,…,Y2a,Y2b,…)からの放射光を集めた出力光束(Fo,Fo1,Fo2,…)を外部に放射する光源装置であって、
     前記発光素子(Y1a,Y1b,…,Y2a,Y2b,…)は、発光波長が複数種類の異なる波長帯域に属するものを含んでおり、
     さらに前記光源装置は、前記出力光束(Fo,Fo1,Fo2,…)の総合的な出力光束(Fo,Fo1,Fo2,…)の光量に相関する量の光からなる測定用出力光束(Fo’)を受光して前記した波長帯域のそれぞれ毎に光の強度に相関する発光強度指示値および前記した波長帯域の少なくとも1個の波長帯域についての基準波長からの偏差に相関する波長偏差指示値を取得するための帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を生成する帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)を有しており、
     前記統合制御回路(Mc)は、前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)が生成する帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を少なくとも間欠的に取得して前記発光強度指示値と前記波長偏差指示値とを生成し、
     また前記統合制御回路(Mc)は、前記出力光束(Fo,Fo1,Fo2,…)の総合的な光の色に相関する色相指示値を生成し、前記色相指示値とその目標値の差異が小さくなるよう、前記した波長帯域のそれぞれについての前記発光強度指示値の変化量を決定して前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)をフィードバック制御するものであり、
     前記統合制御回路(Mc)は、前記色相指示値の生成に際しては、色度の計算に必要な等色関数それぞれについて、基準波長における関数値と波長が基準波長から変化したときの等色関数の関数値の変化に関する情報とからなる局所帯域等色関数情報を保有しており、前記した波長帯域のそれぞれについての前記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、色度座標に相関する量によって前記色相指示値を算出することを特徴とする光源装置。
  2.  前記統合制御回路(Mc)は、前記出力光束(Fo,Fo1,Fo2,…)の総合的な光の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、前記した波長帯域のそれぞれについての前記発光強度指示値の変化量を決定して前記駆動回路(P1a,P1b,…,P2a,P2b,…)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.  前記統合制御回路(Mc)は、前記した波長帯域のそれぞれについての前記発光強度指示値を微小変化させたときの前記色相指示値の変化量を、前記した前記発光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した波長帯域のそれぞれについての前記発光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または請求項2に記載の光源装置。
  4.  前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)は、受光した前記測定用出力光束(Fo’)に含まれる光の波長に応じて進行方向を変える波長分散性光学素子(Eg)と、該波長分散性光学素子(Eg)によって進行方向を変えられた光が後方で形成する分布パターンを検出する撮像素子(Ca)とを具備して前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を生成す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。
  5.  前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)は、受光した前記測定用出力光束(Fo’)に含まれる光の波長に応じて進行方向を変える波長分散性光学素子(Eg)と、該波長分散性光学素子(Eg)によって進行方向を変えられた光が後方で形成する分布パターンを検出する撮像素子(Ca)とを具備して前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を生成することを特徴とする請求項3に記載の光源装置。
  6.  前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)は、受光した前記測定用出力光束(Fo’)の光量を検出する光量検出器と、前記発光素子の温度を検出する温度検出器を具備して前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を生成し、前記統合制御回路(Mc)は、検出された前記発光素子の温度に基づいて前記した波長偏差指示値を推定す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。
  7.  前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)は、受光した前記測定用出力光束(Fo’)の光量を検出する光量検出器と、前記発光素子の温度を検出する温度検出器を具備して前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を生成し、前記統合制御回路(Mc)は、検出された前記発光素子の温度に基づいて前記した波長偏差指示値を推定することを特徴とする請求項3に記載の光源装置。
  8.  前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)は、受光した前記測定用出力光束(Fo’)の光量を測定する光量検出器と、前記発光素子に投入される電力に相関する量を検出する電力検出器を具備して前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を生成し、前記統合制御回路(Mc)は、検出された前記発光素子に投入される電力に基づいて前記した波長偏差指示値を推定す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。
  9.  前記帯域光特性取得手段(AiR,AiG,AiB)は、受光した前記測定用出力光束(Fo’)の光量を測定する光量検出器と、前記発光素子に投入される電力に相関する量を検出する電力検出器を具備して前記帯域光特性取得データ(ShR,ShG,ShB)を生成し、前記統合制御回路(Mc)は、検出された前記発光素子に投入される電力に基づいて前記した波長偏差指示値を推定することを特徴とする請求項3に記載の光源装置。
  10.  前記光量検出器が撮像素子であることを特徴とする請求項6に記載の光源装置。
  11.  前記光量検出器が撮像素子であることを特徴とする請求項7に記載の光源装置。
  12.  前記光量検出器が撮像素子であることを特徴とする請求項8に記載の光源装置。
  13.  前記光量検出器が撮像素子であることを特徴とする請求項9に記載の光源装置。
  14.  請求項1乃至請求項13のいずれか一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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