(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体光源の光を蛍光体で波長変換し、その光を用いて映像を表示する映像表示システムにおいて、励起限界強度の異なる複数の蛍光体を切り替えて用いる際に、従来技術に比較してより高いエネルギー効率を達成しつつ映像を表示することが可能な、映像投影装置及び投写型映像表示装置を提供する。【解決手段】本開示に係る映像投影装置は、ＰＷＭ変調信号に従って駆動される半導体光源１１０と、第１の蛍光体及び第１の蛍光体よりも小さい強度の入力光で励起強度が飽和する第２の蛍光体を含む複数の蛍光体を順次選択的に切り替えながら、半導体光源の出力光を波長変換する時分割切替え波長変換素子１２０とを備え、第２の蛍光体が用いられる期間において前記半導体光源を駆動する電流をＰＷＭ変調するＰＷＭ変調信号の周波数は、第１の蛍光体が用いられる期間におけるＰＷＭ変調信号の周波数よりも高い。【選択図】図１
2020034695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＷＭ変調信号に従って駆動される半導体光源と、
第１の蛍光体と、前記第１の蛍光体よりも小さい強度の入力光で励起強度が飽和する第２の蛍光体とを含む複数の蛍光体を順次選択的に切り替えながら、前記半導体光源の出力光を波長変換する時分割切替え波長変換素子とを備え、
前記第２の蛍光体が用いられる期間において前記半導体光源を駆動する電流をＰＷＭ変調するＰＷＭ変調信号の周波数は、前記第１の蛍光体が用いられる期間におけるＰＷＭ変調信号の周波数よりも高い、
映像投影装置。
【請求項２】
前記時分割切替え波長変換素子は、外部から入力された垂直同期信号に同期して前記複数の蛍光体を順次選択的に切り替える、
請求項１に記載の映像投影装置。
【請求項３】
前記映像投影装置はさらに、
外部から入力された映像信号に従って、前記時分割切替え波長変換素子からの出力光を変調して出力する光変調素子と、
前記光変調素子からの出力光を投射するための投影レンズとを備える、
請求項１又は２に記載の映像投影装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の映像投影装置を備える、投写型映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体光源の光を蛍光体で波長変換し、その光を用いて映像を表示する映像表示システムの映像投影装置及び投写型映像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、発光素子と蛍光体との組み合わせにより、各色異なる発光効率を考慮して、できる限り明るく、かつ色再現性の高い画像を投影する光源装置、投影装置及び投影方法を開示する。
【０００３】
この光源装置、投影装置及び投影方法は、青色光を発光する半導体レーザーと、青色光を用いて青色光及び緑色光を発生するカラーホイール及びモータと、赤色光を発するＬＥＤと、青色光、緑色光及び赤色光が循環的に発生するように半導体レーザー、ＬＥＤ、カラーホイール及びモータを制御する投影光処理部及びＣＰＵと、画像信号を入力する入力部と、青色光、緑色光及び赤色光を用いて光像を形成して投影する投影系とを備える。
【０００４】
このカラーホイール及びモータは、より発光効率の高い青色光の発生時間が緑色光の発生時間よりも短くなるように設定される。また、投影光処理部及びＣＰＵは、青色光を発生する時の駆動電力が、緑色光を発生する時の駆動電力よりも大きくなるように設定される。これにより、明るくかつ色再現性の高い画像を投影する光源装置、投影装置及び投影方法を実現することができる。
【０００５】
しかしながら、このように半導体光源の光を蛍光体で波長変換し、その光を用いて映像を表示する投影装置において、励起限界強度が異なる複数の蛍光体を切り替えて用いる際に、低い励起限界強度を持つ蛍光体が発熱してエネルギー効率を低下させるという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−７０１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示は、従来技術に比較してより高いエネルギー効率を達成しつつ映像を表示することが可能な、映像投影装置及び投写型映像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示に係る映像投影装置は、ＰＷＭ変調信号に従って駆動される半導体光源と、並びに、第１の蛍光体及び第１の蛍光体よりも小さい強度の入力光で励起強度が飽和する第２の蛍光体を含む複数の蛍光体を順次選択的に切り替えながら、半導体光源の出力光を波長変換する時分割切替え波長変換素子とを備え、第２の蛍光体が用いられる期間におけるＰＷＭ変調信号の周波数は、第１の蛍光体が用いられる期間におけるＰＷＭ変調信号の周波数よりも高い。
【発明の効果】
【０００９】
本開示における映像投影装置及び投写型映像表示装置は、従来技術に比較してより高いエネルギー効率を達成しつつ、映像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１における映像投影装置の構成例を示すブロック図
【図２】図１の映像投影装置において、時分割切替え波長変換素子に含まれる蛍光体ホイールの構成例を示す平面図
【図３】図１の半導体光源駆動回路の構成例を示すブロック図
【図４】ＰＷＭ変調信号の周波数の変更を行わない従来例の半導体光源駆動回路において、半導体光源に流れる電流を示すタイミングチャート
【図５】ＰＷＭ変調信号の周波数の変更を行う図１の半導体光源駆動回路において、半導体光源に流れる電流を示すタイミングチャート
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、例えば既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明など、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００１２】
なお、発明者は、当業者による本開示の十分な理解を助けるために添付図面及び以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１３】
（実施の形態１）
以下、図１〜図５を参照して、実施の形態１を詳細に説明する。
【００１４】
［１−１．構成］
まず、図１〜図３を参照して、実施の形態１における映像投影装置及び、半導体光源駆動回路の構成を詳細に説明する。
【００１５】
［１−１−１．映像投影装置の構成］
図１は本開示の実施の形態１における映像投影装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、実施の形態１における映像投影装置は、半導体光源駆動回路１００と、半導体光源１１０と、時分割切替え波長変換素子１２０と、光変調素子１３０と、投影レンズ１４０と、ＰＷＭ変調器１５０と、波長変換素子駆動回路１６０を備えて構成される。
【００１６】
本開示の実施の形態１における映像投影装置は、色順次表示の投写型映像表示装置等に用いられる。半導体光源１１０の出力光を複数の蛍光体を切替えて波長変換することで、異なる色の映像光を生成する。さらにこの映像光を用いることで、入力された映像信号に従って、スクリーン１７０に映像１７１を投影して表示する。
【００１７】
ＰＷＭ変調器１５０は、外部回路から入力されるＰＷＭ設定値及び波長変換素子駆動回路１６０から入力される周波数切替え信号に従ってＰＷＭ変調信号を生成し、半導体光源駆動回路１００に供給する。生成するＰＷＭ変調信号の周波数は、波長変換素子駆動回路１６０からの周波数切替え信号により切替えられる。半導体光源駆動回路１００は、外部から入力される目標電流値及び、ＰＷＭ変調器１５０からのＰＷＭ変調信号に従って、半導体光源１１０に流す電流がＰＷＭ変調されるように半導体光源１１０を駆動する。
【００１８】
半導体光源駆動回路１００により駆動された半導体光源１１０は、青色光を発生して、時分割切替え波長変換素子１２０に出力する。波長変換素子駆動回路１６０は、外部回路から入力された垂直同期信号に同期して、波長変換素子駆動信号を生成し、時分割切替え波長変換素子１２０に供給する。また、波長変換素子駆動回路１６０は、上記の垂直同期信号に同期して周波数切替え信号を生成し、ＰＷＭ変調器１５０に供給する。
【００１９】
時分割切替え波長変換素子１２０は、波長変換素子駆動信号に従って波長変換に用いる蛍光体を順次切替えながら、半導体光源１１０の出力光を波長変換する。波長変換された出力光は、光変調素子１３０へ出力される。光変調素子１３０では外部から入力された映像信号に従って入力された光が強度変調され、映像光となる。映像光は投影レンズ１４０を通してスクリーン１７０に投射され、スクリーン１７０に映像１７１が表示される。
【００２０】
［１−１−２．時分割切替え波長変換素子１２０の構成］
図２を参照して、時分割切替え波長変換素子１２０の構成を説明する。図２は、時分割切替え波長変換素子１２０に含まれる蛍光体ホイール１２１の構成例を示す平面図である。時分割切替え波長変換素子１２０は、図２に示す蛍光体ホイール１２１及び蛍光体ホイール１２１を回転させるモータを備えて構成される。
【００２１】
蛍光体ホイール１２１は、その演習に沿った領域を分割するように、径方向に所定の幅を持って形成された透過領域１２２、緑色蛍光体領域１２３及び赤色蛍光体領域１２４からなる。蛍光体ホイール１２１はモータによって駆動されて回転することで、半導体光源１１０からの青色光を受ける領域１２２〜１２４を選択的に切り替える。透過領域１２２は、半導体光源１１０からの青色光を透過し、そのまま光変調素子１３０に出力する。緑色蛍光体領域１２３は緑色蛍光体で構成され、半導体光源１１０からの青色光を緑色光に変換して光変調素子１３０に出力する。赤色蛍光体領域１２４は赤色蛍光体で構成され、半導体光源１１０からの青色光を赤色光に変換して光変調素子１３０に出力する。
【００２２】
［１−１−３．半導体光源駆動回路の構成］
図３は、実施の形態１における半導体光源駆動回路１００の構成例を示すブロック図である。図３において、半導体光源駆動回路１００は、スイッチング電源２００、比較器２１０、コンデンサ２２０、平均化抵抗２３０、ＦＥＴ２４０及び検知抵抗２５０を備える。スイッチング電源２００、半導体光源１１０、ＦＥＴ２４０及び検知抵抗２５０は直列に接続される。
【００２３】
スイッチング電源２００は、比較器２１０からの比較結果信号に従って、半導体光源１１０への出力電圧を制御する。ＦＥＴ２４０は、ＰＷＭ変調器１５０からのＰＷＭ変調信号に従って導通のオンオフを切り替え、半導体光源１１０に流れる電流をオンオフ制御する。検知抵抗２５０は、検知抵抗２５０を流れる電流により電圧を発生する。発生した電圧は平均化抵抗２３０を通じてコンデンサ２２０を充電する。比較器２１０は、外部から入力された目標電流値を示す基準電圧と、コンデンサ２２０の出力電圧とを比較し、その差分を示す比較結果信号を生成し、スイッチング電源２００に出力する。これによりスイッチング電源２００は、半導体光源１１０に流れる電流の平均値と、目標電流値とが等しくなるように駆動制御される。
【００２４】
［１−２．動作］
以上のように構成された映像投影装置及び半導体光源駆動回路について、その動作を以下で詳細に説明する。
【００２５】
図１において、ＰＷＭ変調器１５０は、外部回路から入力されるＰＷＭ設定値及び波長変換素子駆動回路１６０から入力される周波数切替え信号に従ってＰＷＭ変調信号を生成し、半導体光源駆動回路１００に出力する。出力されるＰＷＭ変調信号の周波数は、波長変換素子駆動回路１６０からの周波数切替え信号により切替えられる。また、ＰＷＭ変調信号は、デューティサイクルが外部から入力されるＰＷＭ設定値（デューティサイクルの指示値）と等しくなるように生成される。
【００２６】
半導体光源駆動回路１００は、外部から入力される、目標電流値を示す基準電圧及び、ＰＷＭ変調器１５０からのＰＷＭ変調信号に従って、半導体光源１１０を駆動する。この時半導体光源１１０は、ＰＷＭ変調信号がオンである間のみ半導体光源１１０に電流が流れ、かつ上述のように、ＰＷＭ変調信号の１周期の間に半導体光源１１０に流れる電流の平均値が、目標電流値と等しくなるように駆動制御する。
【００２７】
半導体光源駆動回路１００により駆動された半導体光源１１０は、青色光を発生して、時分割切替え波長変換素子１２０に出力する。波長変換素子駆動回路１６０は、外部回路から入力された垂直同期信号に同期して、前述の波長変換素子駆動信号を生成し、時分割切替え波長変換素子１２０に出力する。また、波長変換素子駆動回路１６０は、ＰＷＭ変調器１５０のＰＷＭ変調信号の周波数を後述のように切り替えるための周波数切替え信号も生成し、ＰＷＭ変調器１５０に出力する。
【００２８】
時分割切替え波長変換素子１２０は、波長変換素子駆動回路１６０からの波長変換素子駆動信号に従って駆動される。時分割切替え波長変換素子１２０はモータにより半導体ホイール１２１を回転させ、波長変換に使用する領域１２２〜１２４を順次選択的に切り替える。
【００２９】
透過領域１２２が使用されている間、半導体光源１１０からの青色光はカラーホイール１２１を透過し、そのまま光変調素子１３０へと出力される。黄色蛍光体領域１２３が使用されている間、黄色蛍光体領域１２３の黄色蛍光体は半導体光源１１０からの青色光を受けて黄色光を発光し、光変調素子１３０に出力する。同様に、赤色蛍光体領域１２４の蛍光体は半導体光源１１０からの青色光を受けて赤色光を発光し、光変調素子１３０に出力する。
【００３０】
光変調素子１３０は、外部から入力された映像信号に従って、時分割切替え波長変換素子１２０からの出力光を強度変調し、映像光とする。映像光は投影レンズ１４０を通してスクリーン１７０に投射され、スクリーン１７０に映像１７１が表示される。
【００３１】
半導体光源１１０の出力光の強度は、半導体光源１１０に流れる電流の値が大きいほど増大する。半導体光源１１０の出力光の強度の増大に応じて、時分割切替え波長変換素子１２０の出力光の強度も増大する。しかしながら、蛍光体にはそれぞれの励起限界強度があり、それを超える強度の光を入力しても、発光の強度は一定のままである。励起限界強度を超えた分のエネルギーにより蛍光体は発熱してエネルギー効率を低下させ、ひいては映像投影装置のエネルギー効率を低下させる。励起限界強度は蛍光体の種類によって異なり、赤色蛍光体領域１２４の赤色蛍光体の励起限界強度は、緑色蛍光体領域１２３の緑色蛍光体の励起限界強度よりも小さい。
【００３２】
また、半導体光源１１０の温度は、半導体光源１１０に電流が流れる期間（以下では「オン期間」と表記する）の間に上昇し、半導体光源１１０に電流が流れない期間（以下では「オフ期間」と表記する）の間に急速に低下する。半導体光源１１０の順方向電圧は高温であるほど減少するため、スイッチング電源２００が一定の電圧を出力する場合において半導体光源１１０に流れる電流は、オン期間の間徐々に増加し、一定の値に飽和する。その後オフ期間に入ると半導体光源１１０の温度は急速に低下し、オン期間に入る前の温度まで戻る。従って、デューティサイクルの値によらず立ち上がりの波形は同一となる。
【００３３】
以下では、半導体光源１１０を流れる電流が飽和している時に半導体光源１１０が発光する光の強度が、緑色蛍光体の励起限界強度よりも小さく、赤色蛍光体の励起限界強度よりも大きい場合を想定する。図４は、ＰＷＭ変調信号の周波数の変更を行わない従来例の半導体光源駆動回路において、半導体光源１１０に流れる電流を示すタイミングチャートである。図４では、時分割切替え波長変換素子１２０において緑色蛍光体領域１２３を用いる期間をＴ１で示し、赤色蛍光体領域１２４を用いる期間をＴ２で示す。また、Ｔｃ１はＰＷＭ変調信号の周期を示す。
【００３４】
図４において、半導体光源１１０に流れる電流が飽和している時の電流値をＩｐで表す。また、半導体光源１１０が赤色蛍光体の励起限界強度に等しい強さの光を発する電流はＩｐｍで示される。図４における斜線部では、半導体光源１１０に過剰な電流が流れ、赤色蛍光体には励起限界強度を超える強度の光が入力されている。この入力光の過剰分は赤色蛍光体の内部で熱エネルギーに変換され、発熱した赤色蛍光体はエネルギー効率を低下させる。
【００３５】
図５は、図１の半導体光源駆動回路１００においてＰＷＭ変調信号の周波数を蛍光体の種類ごとに切り替える場合の、半導体光源１１０に流れる電流を示すタイミングチャートである。図５において、期間Ｔ１、Ｔ２及び周期Ｔｃ１は図４のものと同一である。期間Ｔ２におけるＰＷＭ変調信号の周波数は、期間Ｔ１におけるＰＷＭ変調信号の周波数よりも高く設定されている。従って、期間Ｔ２においてＰＷＭ変調信号の周期Ｔｃ２は、期間Ｔ１における周期Ｔｃ１よりも短い。
【００３６】
ここで周期Ｔｃ２は、半導体光源１１０に流れる電流が飽和するよりも早くオフ期間に入るように、充分短く設定される。こうすることで、半導体光源１１０に流れる電流の最大値が低下する。この電流の最大値がＩｐｍ以下であれば、半導体光源１１０の出力光は赤色蛍光体の励起限界強度を超えることはない。従って、半導体光源１１０に図４の斜線部に示す過剰な電流は流れず、エネルギー効率の低下が解決される。
【００３７】
なお、デューティサイクルが１００パーセントに近い値である場合にＰＷＭ変調信号の周波数を高くすると、半導体光源１１０に流れる電流の期間Ｔ２にわたっての積分値は減少する。これは、期間Ｔ２において半導体光源１１０の合計の出力が低下することを示している。従ってこの期間Ｔ２に関して、ＰＷＭ変調信号の周波数を切り替える場合における半導体光源１１０の出力は、周波数を切り替えない場合における半導体光源１１０の最大出力を達成できない。しかしながら、期間Ｔ２をより長く設定することで、出力の低下を補うことができるため、この出力の低下が問題となることはない。
【００３８】
［１−３．効果等］
以上のように、本実施の形態では、赤色蛍光体を用いる期間Ｔ２におけるＰＷＭ変調信号の周波数を、緑色蛍光体を用いる期間Ｔ１におけるＰＷＭ変調信号の周波数よりも高くする。これにより半導体光源１１０に流れる電流の最大値を所定の値よりも低下させ、半導体光源１１０の出力光の強度が赤色蛍光体の励起限界強度を超えないように調整できる。従って蛍光体におけるエネルギー損失が軽減され、光源装置全体の効率を高めることができる。
【００３９】
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術はこれに限定されず、適宜変更、置換、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下では他の実施の形態を例示する。
【００４０】
実施の形態１では、半導体光源駆動回路１００の検知抵抗２５０による電圧を平均化抵抗２３０とコンデンサ２２０によって時間軸で平均化する。そして、この平均化された電圧と、目標電流値が示す基準電圧とを比較器２１０によって比較し、スイッチング電源２００を制御している。これにより、半導体光源１１０を流れる電流は、入力されたＰＷＭ変調信号に従ってＰＷＭ変調されるように制御される。
【００４１】
しかしながら、検知抵抗２５０による電圧は、オフ期間も含めた期間で平均化される。オフ期間では半導体光源１１０に電流が流れていないため、検知抵抗２５０による電圧の値は０である。また、ＰＷＭ変調信号のデューティサイクルの値が例えば５％以下のように小さい場合、検知抵抗２５０による電圧の値が０であるオフ期間が全体の期間の大部分を占める。従ってその場合、比較器２１０が比較に用いる平均の電圧値は０に近い値となる。そのためノイズ又は素子性能のばらつき等の影響を強く受けて電流制御の精度が低下し、光出力の強度制御の精度も低下する。
【００４２】
そこで、平均化抵抗２３０の直前又は直後に直列にスイッチを挿入し、スイッチはＰＷＭ変調器１５０からのＰＷＭ変調信号によりオンオフ制御される構成を想定する。スイッチはＰＷＭ変調信号がオンの間に導通し、ＰＷＭ変調信号がオフの間は切断される。このような構成におけるコンデンサ２２０はオフ期間に充放電を行わず、従ってオフ期間の間、コンデンサ２２０の電荷が保存される。これにより、平均化抵抗２３０及びコンデンサ２２０は、オン期間の間のみの電圧を平均する。従ってコンデンサ２２０の出力電圧Ｖｃは、デューティサイクルの値が変化してもほぼ一定となる。これによりデューティサイクルが例えば５％以下のように小さい場合でも、比較器２１０が比較に用いる出力電圧Ｖｃが上記ほぼ一定のレベルに維持され、精度の高い制御が可能となる。
【００４３】
また、実施の形態１では、蛍光体ホイール１２１は緑色蛍光体及び、励起限界強度が緑色蛍光体よりも小さい赤色蛍光体の２種類の蛍光体から構成されている。しかしながら、時分割切替え波長変換素子に用いる複数の蛍光体はこれに限らず、第１の蛍光体及び、第１の蛍光体よりも励起限界強度が小さい第２の蛍光体を含むように構成してもよい。
【００４４】
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。
【００４５】
従って、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることを以て、直ちにそれらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【００４６】
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置換、付加、省略等を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本開示は、映像投影装置及び投写型映像表示装置に利用可能である。励起限界強度の異なる２種類以上の蛍光体を切替えて半導体光源の光を波長変換し、その光を用いて映像を表示する映像表示システムにおいて、半導体光源が出力する光の強度の最大値が各蛍光体の励起限界強度を超えないように調整し、効率を高めることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１００  半導体光源駆動回路
１１０  半導体光源
１２０  時分割切替え波長変換素子
１２１  蛍光体ホイール
１２２  透過領域
１２３  緑色蛍光体領域
１２４  赤色蛍光体領域
１３０  光変調素子
１４０  投影レンズ
１５０  ＰＷＭ変調器
１６０  波長変換素子駆動回路
２００  スイッチング電源
２１０  比較器
２２０  コンデンサ
２３０  平均化抵抗
２４０  ＦＥＴ
２５０  検知抵抗
【図１】
2020034695.tif 000003
【図２】
2020034695.tif 000004
【図３】
2020034695.tif 000005
【図４】
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【図５】
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