(57)【要約】【課題】本発明は、複数の半導体発光素子を用い、各半導体発光素子の発光波長と光量を一定に保つ光源装置の提供を目的とする。【解決手段】半導体光源装置１００は、各色光を出力する複数の半導体発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂと、半導体発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの出力光を合成出力するプロジェクター９と、演算部２を備える。演算部２は、光センサー８Ｒ，８Ｇ，８Ｂの検知光量Ｌｅが所定の目標光量Ｌｉに近づくように、半導体発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂに供給する駆動電流Ｉｆを制御すると共に、半導体発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの目標温度Ｔｔｈｉを算出し、温度センサー７Ｒ，７Ｇ，７Ｂの検知温度Ｔｔｈが目標温度Ｔｔｈｉに近づくように温調部５Ｒ，５Ｇ，５Ｂを制御する。【選択図】図１
2013258357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
夫々異なる色の光を出力する複数の半導体発光素子と、
前記複数の半導体発光素子の出力光を合成して出力する合成部と、
各前記半導体発光素子の出力光量を検知する光センサーと、
各前記半導体発光素子に駆動電流を供給する電流制御部と、
各前記半導体発光素子の周辺温度を検知する温度センサーと、
各前記半導体発光素子を冷却する温調部と、
前記光センサーと前記温度センサーの出力と、予め準備されたデータとを受け、前記光センサーの検知光量が所定の目標光量に近づくように前記電流制御部が供給する前記駆動電流を制御すると共に、前記半導体発光素子の目標温度を算出し、前記温度センサーの検知温度が前記目標温度に近づくように前記温調部を制御する演算部と、を備える、
半導体光源装置。
【請求項２】
前記演算部は、前記駆動電流をパラメータとした演算式により、前記半導体発光素子のジャンクション温度が所定の値となるときの前記周辺温度を前記目標温度として算出する、
請求項１に記載の半導体光源装置。
【請求項３】
前記目標光量は外部から任意に設定可能な輝度に応じた値である、
請求項２に記載の半導体光源装置。
【請求項４】
前記発光素子の端子間電圧を測定する電圧測定部をさらに備え、
前記演算部は、前記端子間電圧をもパラメータとした演算式により前記目標温度を算出する、
請求項２又は３に記載の半導体光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数の半導体発光素子を用いる半導体光源装置に関し、特に、輝度や色度を一定に保つ技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明装置や表示装置の光源として、ランプに代わり半導体レーザ（レーザダイオード：ＬＤ）や、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子が光源として使われるようになっている。この種の用途としては、いわゆる光の三原色である赤色、緑色、青色という三色に対応する発光素子が用いられる。これら各色光の光量の割合を一定の比率に制御した上で足し合わせることによって、白色光が合成される。良好な色再現性を実現するためには、各色の光量の割合を一定に維持すると共に、各色光それぞれの波長を一定に保つ必要がある。
【０００３】
ところで、半導体発光素子には、駆動電流の変化や環境温度の変化に起因するジャンクション温度の変化により、発光波長が変化するという性質がある。そのため、駆動電流を一定にすることにより光量の割合を一定に保っていても、ジャンクション温度の変化により色度が変化してしまうという問題があった。
【０００４】
この問題に対し、特許文献１には、各光源の冷却能力を調整することにより、ジャンクション温度が変化しても各光源の光量の割合を一定範囲内に収め、ホワイトバランスを維持する技術が開示されている。光量を調整しようとして駆動電流を変化させると発光波長も変化してしまうため、駆動電流を固定にして冷却能力の制御が行われる。
【０００５】
また、特許文献２では、ＬＥＤの周囲温度からジャンクション温度を算出し、ジャンクション温度と基準温度の温度差から、ホワイトバランスが崩れない目標光量を算出することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０８６６８２号
【特許文献２】特許第４５２５７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１，２は共に、ホワイトバランス（各色の光量の割合）の維持を目的としており、温度変化に起因する各発光素子の発光波長の変化を防ぐものではなかった。また、特許文献１では駆動電流を固定にしているため、光量の割合は維持できても光出力値を任意の一定値に調整することは出来なかった。本発明は上述の問題に鑑み、複数の半導体発光素子を用い、各半導体発光素子の発光波長と光量を所望の一定値に保つことが可能な光源装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る半導体光源装置は、夫々異なる色の光を出力する複数の半導体発光素子と、複数の半導体発光素子の出力光を合成して出力する合成部と、各半導体発光素子の出力光量を検知する光センサーと、各半導体発光素子に駆動電流を供給する電流制御部と、各半導体発光素子の周辺温度を検知する温度センサーと、各半導体発光素子を冷却する温調部と、光センサーと温度センサーの出力と、予め準備されたデータとを受け、光センサーの検知光量が所定の目標光量に近づくように電流制御部が供給する駆動電流を制御すると共に、半導体発光素子の目標温度を算出し、温度センサーの検知温度が目標温度に近づくように温調部を制御する演算部と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る半導体光源装置は、夫々異なる色の光を出力する複数の半導体発光素子と、複数の半導体発光素子の出力光を合成して出力する合成部と、各半導体発光素子の出力光量を検知する光センサーと、各半導体発光素子に駆動電流を供給する電流制御部と、各半導体発光素子の周辺温度を検知する温度センサーと、各半導体発光素子を冷却する温調部と、光センサーと温度センサーの出力と、予め準備されたデータとを受け、光センサーの検知光量が所定の目標光量に近づくように電流制御部が供給する駆動電流を制御すると共に、半導体発光素子の目標温度を算出し、温度センサーの検知温度が目標温度に近づくように温調部を制御する演算部と、を備える。駆動電流の調整によって各半導体発光素子の輝度を一定に保つと共に、温度調整によって各半導体発光素子の発光波長を所望の一定値に保つことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る光源装置の構成図である。
【図２】本発明に係る光源装置の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
図１は、実施の形態１に係る半導体光源装置１００の構成図である。半導体光源装置１００は、記憶部１、演算部２、温度制御部３、電流制御部４、温調部５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ、発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ、温度センサー７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ、光センサー８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ、プロジェクター９を備える。
【００１２】
発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂは、赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ出力する半導体レーザ（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子である。発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの出力光は、プロジェクター９で白色光に合成される。プロジェクター９はさらに、白色光を画素毎に変調して映像を作成し、さらに映像を投射面に投射する。すなわち、プロジェクター９は合成部と光変調部と投射部の機能を有している。
【００１３】
発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの周辺には、発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの周辺温度Ｔｔｈを測定する温度センサー７Ｒ，７Ｇ，７Ｂと、発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの出力光の一部を受光して光量を測定する光センサー８Ｒ，８Ｇ，８Ｂが夫々設けられている。さらに、発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの周辺には、発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂを冷却する温調部５Ｒ，５Ｇ，５Ｂが夫々設けられている。温調部５Ｒ，５Ｇ，５Ｂは例えばファンやペルチェ素子等であり、その冷却能力は温度制御部３により制御されている。また、発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの駆動電流は電流制御部４により調整されている。
【００１４】
演算部２は、温度センサー７Ｒ，７Ｇ，７Ｂから発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの周辺温度を取得し、周辺温度を目標温度に近づけるために温度制御信号を温調部５Ｒ，５Ｇ，５Ｂに出力する。また、演算部２は、光センサー８Ｒ，８Ｇ，８Ｂから発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの出力光量を取得し、出力光量を目標光量に近づけるために電流制御信号を電流制御部４に出力する。
【００１５】
記憶部１には、記憶部１には、光源が機能を果たすために、演算部２で種々の設定・調整をする上で必要なデータが記録されている。
【００１６】
＜Ａ−２．動作＞
半導体発光素子は、駆動電流や環境温度が変化するとジャンクション温度が変化し、これにより出力光の輝度と波長が変化してしまう。そこで、半導体光源装置１００では、発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂのジャンクション温度を一定に保つことにより、発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの出力光の輝度と波長を一定に保つ。その結果、各色光を合成した白色光の輝度と色度も一定に保たれる。以下、図２のフローチャートに沿って説明する輝度と波長の制御動作は、発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの夫々に対して行うものであるが、説明の簡単化のため代表して発光素子６Ｒの制御動作を説明する。
【００１７】
まず、ユーザーが目標とする画面輝度を設定する（ステップＳ１）。画面輝度には任意の値を設定可能であり、設定された値は記憶部１に格納される。
【００１８】
次いで、ユーザーが半導体光源装置１００の電源を投入すると（ステップＳ２）、電流制御部４から駆動電流が供給されて発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂが発光する（ステップＳ３）。
【００１９】
発光素子６Ｒについて説明すると、次に、演算部２は、光センサー８Ｒから発光素子６Ｒの出力光量Ｌｅを取得する（ステップＳ４）。演算部２は、ステップＳ１で設定された画面輝度を実現するための発光素子６Ｒの目標光量Ｌｉを算出し、ＬｉをＬｅと比較する（ステップＳ５）。ＬｅとＬｉの差が閾値以上である場合には、ＬｅがＬｉに近づく方向に駆動電流Ｉｆを調整する（ステップＳ６）。具体的には、Ｌｅ＜ＬｉであればＩｆを増加し、Ｌｅ＞ＬｉであればＩｆを減少する。Ｉｆの調整が終わると、ステップＳ４に戻りＬｅを再取得する。ステップＳ５でＬｅとＬｉの差が閾値未満である場合には、Ｉｆを調整することなくステップＳ４に戻る。以上に説明した演算部２における駆動電流Ｉｆの制御動作は、発光素子６Ｒの発光中に繰り返し行われる。なお、上記では、演算部２が駆動電流Ｉｆを調整すると説明しているが、具体的には、演算部２からの電流制御信号に基づいて電流制御部４が駆動電流Ｉｆを変化させることによって、調整が行われている。
【００２０】
駆動電流の制御（ステップＳ４〜Ｓ６）と並行し、演算部２では温度制御も行われる。温度制御において、演算部２はまず温度センサー７Ｒから発光素子６Ｒの周辺温度Ｔｔｈを取得する（ステップＳ７）。次に、発光素子６Ｒの目標周辺温度Ｔｔｈｉを算出する（ステップＳ８）。以下、目標周辺温度Ｔｔｈｉの算出式を説明する。
【００２１】
まず、発光素子６Ｒのジャンクション温度Ｔｊは以下の式で表される。
【００２２】
【数１】
2013258357.tif 000003
【００２３】
ここで、θｊｔｈは周辺温度Ｔｔｈの測定箇所とジャンクションの間の熱抵抗である。また、Ｑは発光素子６Ｒに発生する熱量であり、以下の式で表される。
【００２４】
【数２】
2013258357.tif 000004
【００２５】
ここで、Ｖｆは端子間電圧、Ｉｆは駆動電流、Ｐｏは出力光の熱量である。すなわち、発光素子６Ｒ内で発生した熱量のうち外部に照射した光による熱量を差し引いたものが、熱量Ｑとして発光素子６Ｒに蓄えられている。
【００２６】
式（１）と式（２）から、目標周辺温度Ｔｔｈｉは次の式で表される。
【００２７】
【数３】
2013258357.tif 000005
【００２８】
この式で、Ｔｊｉは発光素子６Ｒの目標ジャンクション温度であり、設計上の最適値である。熱抵抗θｊｔｈと端子間電圧Ｖｆは実測値であるが、個体差があまりないため記憶部１に予め記憶しておいた固定値を用いても良い。より精度の高い制御を行う場合には、製造段階で個別に測定した実測値を記憶部１に記憶しておいても良い。あるいは、Ｖｆについては、半導体光源装置１００に端子間電圧測定部を設け、その測定値を用いても良い。この場合には、経年劣化によるＶｆの変化を考慮して目標温度Ｔｔｈｉを設定することが出来る。Ｉｆは、目標光量Ｌｉを実現するための駆動電流であり、温度制御と並行して行われるステップＳ６で随時調整される値である。出力光の熱量Ｐｏは、目標光量Ｌｉに対応して定まる。以上により、演算部２では式（３）を用いて目標周辺温度Ｔｔｈｉが算出される。
【００２９】
次に、演算部２は周辺温度Ｔｔｈと目標周辺温度Ｔｔｈｉを比較する（ステップＳ９）。その差が閾値未満である場合は、ＴｔｈがＴｔｈｉに近づくように温調部５Ｒの冷却能力を調整する。Ｔｔｈ＞Ｔｔｈｉである場合には冷却能力を高くし、Ｔｔｈ＜Ｔｔｈｉである場合には冷却能力を低くする。ここでは、演算部２からの温度制御信号に基づき温度制御部３が温調部５Ｒの冷却能力を変化させる。以上に説明した演算部２における温度制御は、電流制御と並行して発光素子６Ｒの発光中に繰り返し行われる。
【００３０】
以上で発光素子６Ｒに対する電流制御と温度制御を説明したが、発光素子６Ｒに対すると同時に、発光素子６Ｂ，６Ｇに対しても電流制御と温度制御が行われる。こうして、各発光素子６Ｒ，６Ｂ，６Ｇの光量は目標光量に調整され、かつ色度が一定に保たれる。よって、各出力光をプロジェクター９で合成した白色光のホワイトバランスを一定に保ち、かつ輝度を任意に調整することが可能となる。
【００３１】
＜Ａ−３．効果＞
半導体光源装置１００は、夫々異なる色の光を出力する複数の発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ（半導体発光素子）と、発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの出力光を合成して出力するプロジェクター９（合成部）と、各発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの出力光量Ｌｅを検知する光センサー８Ｒ，８Ｇ，８Ｂと、各発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂに駆動電流Ｉｆを供給する電流制御部４と、発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの周辺温度Ｔｔｈを検知する温度センサー７Ｒ，７Ｇ，７Ｂと、各発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂを冷却する温調部５Ｒ，５Ｇ，５Ｂと、光センサー８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ及び温度センサー７Ｒ，７Ｇ，７Ｂの出力と、予め準備されたデータとを受け、光センサー８Ｒ，８Ｇ，８Ｂの検知光量Ｌｅが所定の目標光量Ｌｉに近づくように電流制御部４が供給する駆動電流Ｉｆを制御すると共に、発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの目標温度Ｔｔｈｉを算出し、温度センサー７Ｒ，７Ｇ，７Ｂの検知温度Ｔｔｈが目標温度Ｔｔｈｉに近づくように温調部５Ｒ，５Ｇ，５Ｂを制御する演算部２と、を備える。以上の構成により、駆動電流Ｉｆの制御と温調部５Ｒ，５Ｇ，５Ｂの制御が行われるので、発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂごとに出力光の光量と波長を任意に調整することが出来る。
【００３２】
また、演算部２は、駆動電流Ｉｆをパラメータとした演算式により、発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂのジャンクション温度Ｔｊが所定の値となるときの周辺温度Ｔｔｈを目標温度Ｔｔｈｉとして算出する。よって、光量調整を行うために駆動電流Ｉｆが変動する場合でも、駆動電流Ｉｆの変動を考慮して目標温度Ｔｔｈｉが定められるので、発光波長が一定に保たれる。
【００３３】
また、目標光量Ｌｉは外部から任意に設定可能な輝度に応じた値であるので、ユーザーは任意に設定した輝度に合わせて出力光の光量が調整され、その場合にも発光波長が一定に保たれる。
【００３４】
さらに、半導体光源装置１００は、発光素子６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの端子間電圧Ｖｆを測定する電圧測定部を備えても良い。演算部２は、端子間電圧Ｖｆをもパラメータとした演算式により目標温度Ｔｔｈｉを算出するので、素子の経年劣化に伴う端子間電圧の低下がジャンクション温度に与える影響を補正することが可能である。
【００３５】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  記憶部、２  演算部、３  温度制御部、４  電流制御部、５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ  温調部、６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ  発光素子、７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ  温度センサー、８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ  光センサー、９  プロジェクター。
【図１】
2013258357.tif 000006
【図２】
2013258357.tif 000007