JP2007328074A - 光源制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】個々の光源のばらつきや経時劣化が発生していても、任意の光量に高速かつ正確に変化させることが可能な光源制御装置を提供する。
【解決手段】異なる波長の光を出力する複数の光源１０１ないし１０３と、複数の光源の点灯期間および光量を制御する光源制御信号１１２を出力する光源制御手段１０４と、映像を投射する投射手段１０７と、複数の光源と投射手段１０７との間に配置され、複数の光源の光束を投射手段１０７へ導くか否かにより映像を生成する映像生成手段１０８と、光束を投射手段１０７の方向に導いていない期間に光源の光量を計測する光量計測手段１０９と、光源制御信号１１２の値と光量計測手段１０９により計測された光量計測値１１５とを保持する記憶手段１１０と、映像情報に基づき映像情報信号１１７および光量指示信号１１９および光源切替信号１２０を出力する映像処理手段１１１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤやレーザなどの光源制御装置に関し、より詳細には、プロジェクタなどによる映像表示に適した光源の光量変調の技術に関する。

近年、光量の大きなＬＥＤやレーザなどの半導体発光素子が開発されており、高速にオン・オフを切り替えたり、容易に光量を変化させたりすることができる特徴を生かして、様々な分野の機器に搭載され始めている。

映像を表示する機器に関しては、大画面化や機器の薄型化が進んでおり、特に液晶や微小なミラーを集積したデバイスを用いたプロジェクタが開発されている。

従来のプロジェクタの光源としては、ハロゲンランプやメタルハライドランプや超高圧水銀ランプなどが用いられている。これらのランプは、可視域全体にわたる発光スペクトルを持つので、カラーフィルタやダイクロイックミラーなどの光学素子により得られる赤、緑、青の光の三原色を用いて映像を表現することが多い。しかしながら、このようなランプは、点灯直後から輝度が安定するまでに時間がかかったり、光量調整の範囲が限定されたり、高速な光量調整が困難だったりする。そのため、光量を調整するために可動絞りを設けるなどしている。これにより、光学系で生じるもれ光や散乱光による黒浮き、あるいは暗部の高階調化などが実現できる（例えば、特許文献１参照）。

一方、上記のランプと比較すると、長寿命で、高速にオン・オフを切り替え可能で、容易に光量を変化させることも可能な半導体発光素子が光源として用いられるようになってきている。

しかしながら、プロジェクタなどの映像表示用の光源としては、まだ光量が充分でないため、複数の半導体発光素子を使用して、必要な光量を確保したりしている。

また、半導体発光素子に流す電流に対する発光光量は非線形な関係を持ち、一般に電流値を半分にしても光量は半分にならないという特性を持っている。

さらに、不純物濃度や結晶欠陥や電極形成などの製造過程のばらつきにより、個々の半導体発光素子の光量、発光スペクトル、経時劣化などに個体差が存在する。

上記のような半導体発光素子の特性により、映像の輝度や色度が変化してしまうので、常時光源をモニタリングして、正常な輝度および色度の映像を表示するようにしなければならない。例えば、各々の光源の光量を計測する共通の光電変換素子を設けて、赤、緑、青の光源光量が所定の値になるようにフィードバック制御するプロジェクタが提案されている。これにより安定した光量制御が実現できる（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−７２３６１号公報 特開２００４−１６３５２７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された技術では、可動絞りという高速に動作させる機械的な機構が必要で、部材コスト及び動作寿命の観点から代替となる光量制御手段が望まれている。また上記文献２に記載された技術では、所定の光源光量に保つことは可能であるが、例えば、光源の光量を半分にしたり、１０％変化させたりするために必要な駆動電流の設定値が分からないため、高速かつ正確に光量を変化させるような制御を実現することができず、高品位な映像表現を実現することが困難である。

本発明は、従来の課題を解決するもので、光源の光量を高速かつ正確に切り替えることが可能な光源制御装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の光源制御装置は、各々異なる波長の光を出力する複数の光源と、前記複数の光源の点灯期間および光量を制御する光源制御信号を出力する光源制御手段と、映像を装置内部もしくは外部に配置されたスクリーンへ投射する投射手段と、前記複数の光源と前記投射手段との間に配置され、前記複数の光源からの光束を前記投射手段へ導くか否かにより前記映像を生成する映像生成手段と、前記映像生成手段が前記光束を前記投射手段へ導いていない期間に前記複数の光源のうち少なくとも１つの光量を計測する光量計測手段と、前記光源制御信号の値と前記光量計測手段により計測された光量計測値とを保持する記憶手段と、外部からの映像情報に基づき、前記映像生成手段へ映像情報信号を出力し、前記光源制御手段へ光源の光量を指示する光量指示信号を出力し、前記光源制御手段および前記光量計測手段および前記記憶手段へ前記複数の光源の点灯を切り替える光源切替信号を出力する映像処理手段とを備えることを特徴とするものである。

さらに光源制御装置において、前記複数の光源は、ＬＥＤもしくはレーザであることを特徴とするものである。

さらに光源制御装置において、前記映像生成手段は、微小で角度を制御可能なミラーをマトリクス状に多数配置した反射型デバイスであり、前記ミラーが第１の角度で前記光束を反射する場合には前記画像生成手段が前記投射手段に前記光束を導き、前記ミラーが第２の角度で前記光束を反射する場合には前記画像生成手段が前記光束を前記光量計測手段へと導くことを特徴とするものである。

さらに光源制御装置において、前記光源制御手段は、前記光束を前記投射手段へ導いていない期間に、映像投影時とは異なる光源光量となる前記光源制御信号を出力し、前記記憶手段は、前記光源制御信号の値と前記光量計測値とを相関テーブルとして保持することを特徴とするものである。

さらに光源制御装置において、前記光源制御手段は、前記相関テーブルを用いて、映像投射時の前記光量指示信号に対応する光源光量が得られるような前記光源制御信号を出力することを特徴とするものである。

本発明の光源制御装置によれば、映像を投射していない期間に予め光源の光量特性を測定しておくので、個々の光源のばらつきや経時劣化が発生していても、任意の光量に高速かつ正確に切り替えることができ、高品位な映像表現を実現することができる。

以下に、本発明の光源制御装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

本発明の実施例１において、各々異なる波長の光を出力する複数の光源を順次切り替えながら点灯することによって、映像を投射する光源制御装置を想定している。

図１は、本発明の実施例１における光源制御装置の構成図である。図１において、１０１および１０２および１０３は光源であり、各々異なる波長の光を放射する。一般に映像を表現するためには、赤、緑、青の３色が用いられることが多く、ここでは１０１を赤色光源、１０２を緑色光源、１０３を青色光源とする。特に、高速に発光光量を切り替えることができるＬＥＤやレーザなどの半導体発光素子が望ましい。これにより、例えば、１フレームの映像を投射する期間に、赤、緑、青の３色を多数回切り替えることが可能となり、人間の眼が色の切り替わりを認識できないようにすることができる。また、個々の色の光量を自在に変更することにより、輝度の階調表現および色の階調表現を高めることができる。

１０４は光源制御手段であり、光源１０１、１０２、１０３に対して各々の発光光量を制御する光源制御信号１１２を出力する。光源制御信号１１２は光源１０１、１０２、１０３に印加する電圧値あるいは電流値を決定する設定値でも構わないし、光源１０１、１０２、１０３に印加する電流値そのものであってもよい。

１０５は光源１０１、１０２、１０３の光束をまとめるダイクロイックミラーである。ダイクロイックミラーの反射・透過特性により、３色の光束が同一方向に導かれる。なお、光ファイバを結合することによっても光束を同一方向に導くことは可能である。

１０６は映像が投射されるスクリーンであり、装置の内部に備えられる場合と、装置の外部に配置される場合とがある。

１０７は映像をスクリーン１０６に投射する投射手段であり、レンズやミラーにより構成される。映像のフォーカス調整機能や拡大率調整機能を有していることが多い。

１０８は映像生成手段であり、マトリクス状に多数の微小なミラーを配置した反射型デバイスである。光源１０１、１０２、１０３と投射手段１０７の間に配置され、光源１０１、１０２、１０３の光束を第１の角度または第２の角度で反射することにより投射手段１０７に導くか否かを切り替えることができる。投射手段１０７に導かれる光束を第一の反射光１１３、投射手段１０７には導かれない光束を第二の反射光１１４とする。

１０９は第二の反射光１１４の光量を計測し、光量計測値１１５を出力する光量計測手段である。光源１０１、１０２、１０３の発光スペクトル帯域に感度を有しており、例えばシリコンフォトディテクタで構成できる。必要であれば第二の反射光１１４を集光するレンズやミラーを有してもよい。

１１０は光源制御信号１１２と光量計測値１１５を記憶する記憶手段である。記憶している光源制御信号１１２と光量計測値１１５の相関値１１６が光源制御手段１０４により参照される。

１１１は映像処理手段である。投射する映像に基づき、映像生成手段１０８へ映像情報信号１１７および映像生成制御信号１１８を出力する。また、光源制御手段１０４へ光量指示信号１１９を出力する。さらに、光源制御手段１０４および光量計測手段１０９および記憶手段１１０へ光源切替信号１２０を出力する。

図２は、本発明の実施例１における光源制御装置の光量計測時の動作を示すタイミング図である。図２を用いて光源制御装置の詳細な動作について説明する。

映像をスクリーン１０６に投射するとき、映像処理手段１１１は、１フレームの映像の輝度および色情報を再現することができる赤、緑、青の３つの映像情報信号１１７を映像生成手段１０８へ出力する。映像生成手段１０８は、マトリックス状に配置された多数の微小なミラー全体の動作タイミングを表す映像生成制御信号１１８に基づき、映像情報信号１１７に対応した各微小なミラーを動作させて、光源１０１、１０２、１０３の光束を投射手段１０７へ導く。また、光源１０１、１０２、１０３が時分割で順次点灯するように、映像処理手段１１１は、映像生成制御信号１１８と同期した光源切替信号１２０を光源制御手段１０４へ出力する。

図２に示した映像生成手段１０８のオン・オフの波形は、微小なミラーの角度が第一の反射光１１３方向の状態をオン、第二の反射光１１４方向の状態をオフとし、高輝度に対応する微小なミラーは長時間オンとなり、低輝度に対応する微小なミラーは短時間オンとなることを示している。光源切替信号１２０は、１フレーム期間中に赤、緑、青と順次点灯するように変化し、すべての微小なミラーがオフとなる全オフ期間に光源を切り替えている。これにより３色の映像情報信号１１７と光源１０１、１０２、１０３とが連動して、スクリーン１０６へ映像を投射することができる。

ここで、全オフ期間は、投射手段１０７とは異なる方向に光束が導かれているため、スクリーン１０６には投射されない。そこで任意の光源を点灯することが許容される。例えば図２に示す赤色光源の光源制御信号のように、赤の映像を投射する期間については所定の光量で赤色光源１０１を点灯し、その後に続く全オフ期間には、段階的に赤色光源の光源制御信号を変化させることができる。緑および青についても同様である。また、１つの全オフ期間に、光源１０１、１０２、１０３を切り替えながら点灯することも可能である。

ところで、第二の反射光１１４の方向には光量計測手段１０９を配しているので、全オフ期間に点灯した光源１０１、１０２、１０３の光量を計測することができる。図２の光量計測値は一例である。赤色光源を点灯中は、投射される映像の赤色成分に応じて微小なミラーが動作して、オフの微小なミラーからの光束が計測される。全オフ期間になると変化させた光源制御信号に応じた光量が計測される。

図２に示す記憶手段の保持タイミングは、全オフ期間に切り替えた光源制御信号１１２に応じて得られる光量計測値１１５をサンプリングするパルス信号を示している。光源１０１、１０２、１０３を切り替えるタイミングは、光源切替信号１２０を基準として決定することが可能である。また、光源制御信号１１２の値は、外部から設定可能な値を用いることもできるし、予め決められた所定の手順に従って切り替えることもできる。

その結果、記憶手段１１０には、各々の光源１０１、１０２、１０３に対して、光源制御信号１１２と光量計測値１１５の相関テーブルが得られることになる。なお、図２では切り替えた光源制御信号のそれぞれに対して１回ずつサンプリングする例を示しているが、光量計測手段１０９の測定誤差を低減するために、複数回のサンプリングを行って、平均化することも可能である。また、全オフ期間に切り替える光源制御信号１１２の回数は、光源制御手段１０４の処理速度や、光量計測手段１０９の応答性や、記憶手段１１０への記憶に要する時間などを考慮して決定することができる。

表１は相関テーブルの一例を示したものであり、例えば赤色光源１０１については光源制御信号１１２が１のときに光量計測値１１５は１０００というように記憶されている。

ここで注目すべき点は、光源の特性が必ずしも線形ではないという点である。例えば、
赤色光源１０１についてみてみると、光量計測値１１５が８０００となるのは光源制御信号１１２が９のときであり、ちょうど半分の光量である４０００を得るためには光源制御信号１１２は４である。すなわち、光量を半分にしたいときに、光源制御信号１１２を半分にすれば済むものではないことが分かる。

表１のような相関テーブルを随時更新しておくことにより、任意の光量に切り替えるときに参照することが可能となる。できるだけ多くの光源制御信号１１２に対する光量計測値１１５を記憶しておくと高い精度で光量切り替えが実現できるが、一般的な補間技術や近似曲線の適用などにより、相関テーブルを削減することも可能である。

次に、２フレーム期間だけ光源１０１、１０２、１０３の光量を半分に切り替えたときの各信号のタイミング図を図３に示す。ここでも１フレーム期間に光源１０１、１０２、１０３を１回ずつ切り替える場合を示している。

光量指示信号１１９は、映像を投射するときの光源１０１、１０２、１０３の光量を指示する信号であり、通常の光量のときを１００％として、光量を２倍にしたいときは２００％、半分にしたいときは５０％などと設定することができるものとする。

例えば、映像処理手段１１１が映像の各フレームの輝度あるいは色度の特徴量に応じて、光源１０１、１０２、１０３の光量を切り替えたい場合には、図３の第２フレームおよび第３フレームのように、光量指示信号１１９を５０％とすることで、光源制御手段１０４が記憶手段１１０に記憶された相関値１１６を参照して、光量が半分になるような光源制御信号１１２を求め、光源１０１、１０２、１０３に対して光源制御信号１１２を出力することにより実現される。

予め第二の反射光１１４の光量を光量計測手段１０９で計測し、光量計測値１１５を記憶手段１１０に記憶しているので、正確に光源１０１、１０２、１０３の光量を切り替えることが可能である。

また、常時、光源１０１、１０２、１０３の光量を測定するための検出器を別途設けておいて、フィードバック制御する手段があるときでも、本発明により光量を切り替えた時の収束性が向上することは明らかである。

なお、図２および図３では、１フレームに対する映像投射用の光源として、赤、緑、青を１回ずつ切り替えた例を示していたが、１フレームに対して、赤、緑、青を多数回繰り返し切り替えても構わない。

また、光源を切り替える順番および点灯期間は一定である必要は無く、１フレーム内および多フレームにわたって、任意の順番および点灯時間で切り替えても構わない。

また、映像生成手段は反射型に限ったものではなく、液晶などを使用した透過型でも同様の効果が得られる。

上記のように、本発明の光源制御手段は、映像の１フレーム時間、あるいはそれよりも短い時間で光源１０１，１０２，１０３の光量を変更させることによって、輝度の階調表現および色の階調表現を高めることに有効である。

また、光源１０１，１０２，１０３の光量を減少している期間が長くなればなるほど、光学系で生じるもれ光や散乱光がスクリーンへ投射される割合が減少するので、暗部をより暗く表現することに有効である。

本発明にかかる光源制御装置は、予め映像を投射していない期間に光源の光量特性を測定しておくので、個々の光源のばらつきや経時劣化が発生していても、任意の光量に高速かつ正確に変化させることができ、高品位な映像表現を実現する際に有用である。

本発明の実施例１における光源制御装置の構成図 本発明の実施例１における光源制御装置の光量計測時の動作を示すタイミング図 本発明の実施例１における光源制御装置の光量切り替え時の動作を示すタイミング図

符号の説明

１０１ 赤色光源
１０２ 緑色光源
１０３ 青色光源
１０４ 光源制御手段
１０５ ダイクロイックミラー
１０６ スクリーン
１０７ 投射手段
１０８ 映像生成手段
１０９ 光量計測手段
１１０ 記憶手段
１１１ 映像処理手段
１１２ 光源制御信号
１１３ 第一の反射光
１１４ 第二の反射光
１１５ 光量計測値
１１６ 相関値
１１７ 映像情報信号
１１８ 映像生成制御信号
１１９ 光量指示信号
１２０ 光源切替信号

Claims (5)

1. 各々異なる波長の光を出力する複数の光源と、
   前記複数の光源の点灯期間および光量を制御する光源制御信号を出力する光源制御手段と、
   映像を装置内部もしくは外部に配置されたスクリーンへ投射する投射手段と、
   前記複数の光源と前記投射手段との間に配置され、前記複数の光源からの光束を前記投射手段へ導くか否かにより前記映像を生成する映像生成手段と、
   前記映像生成手段が前記光束を前記投射手段へ導いていない期間に前記複数の光源のうち少なくとも１つの光量を計測する光量計測手段と、
   前記光源制御信号の値と前記光量計測手段により計測された光量計測値とを保持する記憶手段と、
   外部からの映像情報に基づき、前記映像生成手段へ映像情報信号を出力し、前記光源制御手段へ光源の光量を指示する光量指示信号を出力し、前記光源制御手段および前記光量計測手段および前記記憶手段へ前記複数の光源の点灯を切り替える光源切替信号を出力する映像処理手段と、
   を備えることを特徴とする光源制御装置。
2. 前記複数の光源は、ＬＥＤもしくはレーザであることを特徴とする請求項１に記載の光源制御装置。
3. 前記映像生成手段は、微小で角度を制御可能なミラーをマトリクス状に多数配置した反射型デバイスであり、前記ミラーが第１の角度で前記光束を反射する場合には前記画像生成手段が前記投射手段に前記光束を導き、前記ミラーが第２の角度で前記光束を反射する場合には前記画像生成手段が前記光束を前記光量計測手段へと導く、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源制御装置。
4. 前記光源制御手段は、前記光束を前記投射手段へ導いていない期間に、映像投影時とは異なる光源光量となる前記光源制御信号を出力し、
   前記記憶手段は、前記光源制御信号の値と前記光量計測値とを相関テーブルとして保持することを特徴とする請求項１に記載の光源制御装置。
5. 前記光源制御手段は、前記相関テーブルを用いて、映像投射時の前記光量指示信号に対応する光源光量が得られるような前記光源制御信号を出力する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の光源制御装置。
   
   

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