CN111061118B - 半导体光源控制装置以及投射型影像显示装置 - Google Patents

半导体光源控制装置以及投射型影像显示装置 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种半导体光源控制装置以及投射型影像显示装置，能够使半导体光源中流动的电流的控制变得容易，从而能够实现稳定且可靠性高的光源驱动。本公开的半导体光源控制装置具备：半导体光源，通过电流而发光；检测电阻，通过流过半导体光源的电流而产生检测电压；以及电源电流控制装置，基于检测电压来控制流过半导体光源的电流，通过在多个颜色期间的各个颜色期间中对流过半导体光源的电流进行PWM调制，从而调整半导体光源的输出光的亮度和色调，仅在PWM调制的占空比的值最大的给定的颜色期间进行电源电流的控制。

Description

半导体光源控制装置以及投射型影像显示装置
技术领域
本公开涉及半导体光源控制装置以及投射型影像显示装置。
背景技术
专利文献1提供具备可实现蓝色成分光的色度的改善的光源装置的投射型影像显示装置。该投射型影像显示装置将来自光源单元的S偏振光的蓝色成分光变换为圆偏振光而入射到荧光体轮。荧光体轮将入射的蓝色成分光的一部分反射，使剩余部分透过。被反射的蓝色成分光被变换为P偏振光。通过透过的蓝色成分光而荧光体轮的荧光体膜发出包含蓝色成分光的发光。由此，通过对变换后的P偏振光的蓝色成分光以及发出的发光进行混色，可实现包含sRGB的色域。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-54667号公报
发明内容
发明要解决的课题
本公开提供一种半导体光源控制装置以及投射型影像显示装置，能够使半导体光源中流动的电流的控制变得容易，从而能够实现稳定且可靠性高的光源驱动。
用于解决课题的手段
本公开的半导体光源控制装置具备：半导体光源，通过电流而发光；检测电阻，利用流过半导体光源的电流而产生检测电压；以及电源电流控制装置，基于检测电压来控制电源电流，通过在多个颜色期间的各个颜色期间中对流过半导体光源的电流进行PWM调制，从而调整半导体光源的输出光的亮度和色调，仅在PWM调制的占空比的值最大的颜色期间进行电源电流的控制。
发明效果
根据本公开，能够使半导体光源中流动的电流的控制变得容易，从而能够实现稳定且可靠性高的光源驱动。
附图说明
图1是表示实施方式1所涉及的投射型影像显示装置10的结构例的框图。
图2是表示图1的投射型影像显示装置10中的荧光体轮100的结构例的俯视图。
图3是表示图1的投射型影像显示装置10中的色轮120的结构例的俯视图。
图4是表示图1的投射型影像显示装置10中的半导体光源控制装置20的结构例的框图。
图5是表示向图2的电源电流控制装置200输入的PWM同步信号的波形的例子的时序图。
图6是表示图2的电源电流控制装置200中的垂直同步信号、各颜色的定时脉冲以及PWM调制信号的波形的例子的时序图。
图7是用于说明图2的电源电流控制装置200中的电流值控制处理的动作的流程图。
符号说明
10：投射型影像显示装置
20：半导体光源控制装置
100：荧光体轮
110：棒状积分器
120：色轮
130：DMD
140：投射透镜
200：电源电流控制装置
210：DC/DC转换器
220：光源电流开关
230：半导体光源
240：检测电阻
250：放大器
具体实施方式
以下，一边适当参照附图，一边对实施方式进行详细说明。但是，有时省略不必要的详细说明。例如，有时省略已经众所周知的事项的详细说明、对实质上相同的结构的重复说明。这是为了避免以下的说明变得过分冗长，使本领域技术人员容易理解。
另外，发明者为了本领域技术人员充分理解本公开而提供附图以及以下的说明，并非意图通过这些来限定权利要求书所记载的主题。
(实施方式1)
以下，使用图1～图7，说明实施方式1。
[1-1.结构]
图1是表示实施方式1所涉及的投射型影像显示装置10的结构例的框图。在图1中，投射型影像显示装置10构成为具备半导体光源控制装置20、荧光体轮100、棒状积分器110、色轮120、DMD(数字微镜器件)130、投射透镜140。
在图1中，半导体光源控制装置20进行控制，使得例如激光光源等半导体光源230发出蓝色激光。蓝色激光透过透镜151、152、扩散板153，被分色镜154反射，由透镜155、156聚光，入射到荧光体轮100。荧光体轮100一边分时地依次选择性地切换其特性，一边对入射的蓝色激光的波长进行变换并输出。
荧光体轮100的输出光透过透镜157、158而被并行化，被反射镜159、160反射，透过透镜161以及扩散板162，被反射镜163以及分色镜154反射。被反射的光被透镜164聚光后，入射到棒状积分器110。
棒状积分器110是由玻璃等透明构件构成的实心的棒。棒状积分器110使从荧光体轮100入射的光均匀化，并向色轮120输出。另外，棒状积分器110也可以是内壁由反射镜面构成的中空的棒。色轮120一边分时地依次选择性地切换其特性，一边对来自棒状积分器110的光进行滤波并输出。
由色轮120变换后的光通过透镜165、166、167以及内部全反射棱镜168入射到DMD130。DMD130由多个微小的反射镜构成，微小反射镜为可动式。各微小反射镜相当于1个像素，基于影像信号的像素的信息，切换是否向投射透镜140侧反射光。由此，来自色轮120的光基于影像信号而被调制。由DMD130调制后的影像光通过内部全反射棱镜168入射到投射透镜140。投射透镜140将调制后的影像光放大投影到屏幕上(未图示)。
图2是表示荧光体轮100的结构例的俯视图。荧光体轮100由以分割沿着其圆周的区域的方式在径向上具有给定宽度而形成的透过区域101以及黄色区域102构成。荧光体轮100被马达等驱动而旋转，从而一边依次选择性地切换接受来自半导体光源230的蓝色光的区域101、102，一边对所输入的光进行颜色变换并输出。
图3是表示色轮120的结构例的俯视图。色轮120由以在径向上分割沿着其圆周的面的方式形成的红色滤光区域121、绿色滤光区域122以及透过区域123构成。色轮120被马达等驱动而旋转，从而一边依次选择性地切换接受来自棒状积分器110的光的区域121～123，一边对输入的光进行颜色变换并输出。
图4是表示图1的投射型影像显示装置10中的半导体光源控制装置20的结构例的框图。在图4中，半导体光源控制装置20构成为具备电源电流控制装置200、DC/DC转换器210、光源电流开关220、半导体光源230、检测电阻240以及放大器250。
在图4中，电源电流控制装置200输入从外部电路输入的光源通断信号、各颜色的电流值信息、各颜色的定时脉冲、PWM同步信号以及垂直同步信号、以及来自放大器250的实际电流值信号。电源电流控制装置200与所输入的垂直同步信号同步地执行后述的图7的电流值控制处理。由此，电源电流控制装置200生成电流控制信号，对DC/DC转换器210进行驱动控制。此外，电源电流控制装置200与PWM同步信号同步地生成占空比的值与通过图7的电流值控制处理决定的占空比的值相等的PWM调制信号，对光源电流开关220进行通断控制。即，通过PWM调制来调整亮度和色调(是指包含明度和饱和度的色调)。其中，PWM调制信号被生成为：在所输入的光源通断信号断开的期间，PWM调制信号始终断开。
DC/DC转换器210根据来自电源电流控制装置200的电流控制信号，产生流过半导体光源230的电流。此时，DC/DC转换器210被电流值控制处理决定的电流值控制，因此产生电流而使得流过半导体光源230的电流与目标电流(振幅)值相等。光源电流开关220根据来自电源电流控制装置200的PWM调制信号，切换导通的通断。由此，从DC/DC转换器210向半导体光源230的电流的导通/切断被切换。
半导体光源230例如是蓝色激光源，发出与流过的电流的值对应的强度的蓝色激光。半导体光源230流过由DC/DC转换器210产生且由光源电流开关220进行通断调制后的电流，因此其输出光被PWM调制。检测电阻240通过流过半导体光源230的电流而产生检测电压。由于该检测电压通常为(例如几mV这样)小的值，因此难以直接进行正确的检测以及反映。因此，放大器250对检测电阻240的检测电压进行放大，并作为实际电流值信号输出到电源电流控制装置200。
[1-2.动作]
以下，说明如上那样构成的投射型影像显示装置10和半导体光源控制装置20的动作。
[1-2-1.投射型影像显示装置10的动作]
在图1的投射型影像显示装置10中，与垂直同步信号同步地，按将1秒60等分的每个帧显示1帧量的影像。各帧被分割为3个子帧，各子帧还被分割为绿色(G)期间、红色(R)期间、蓝色(B)期间以及黄色(Ye)期间这4个颜色期间。在各颜色期间中，该子帧的影像的对应的颜色成分被投影显示。
图5是表示输入到图4的电源电流控制装置200的PWM同步信号的波形的例子的时序图。在图5中，Tpwm表示PWM同步信号的1个周期。PWM同步信号的1个周期例如被设定为135000分之一秒等非常短的期间。
通过半导体光源控制装置20从半导体光源230发出蓝色激光。该蓝色激光能够以PWM同步信号的周期Tpwm为单位进行通断切换，并根据接通期间在某期间中所占的比例(占空比)来决定该期间的光的强度。关于半导体光源控制装置20的动作，在后面的1-2-2节中进行详细说明。
来自半导体光源230的蓝色激光入射到荧光体轮100。荧光体轮的旋转与垂直同步信号同步，被设定为在1个子帧中旋转1周(在1秒钟内旋转180周)。由此，在1个子帧的蓝色(B)期间的期间，蓝色激光通过荧光体轮100的透过区域101，直接作为蓝色光输出。此外，在其他的红色(R)期间、绿色(G)期间以及黄色(Ye)期间，蓝色激光被荧光体轮100的黄色区域102变换为黄色光而输出。
荧光体轮100的输出光在通过棒状积分器110被均匀化后，向色轮120入射。色轮120的旋转与荧光体轮100的旋转同步，在荧光体轮100旋转1周的期间，色轮120也旋转1周。
在1个子帧的绿色(G)期间，来自荧光体轮100的黄色光被红色滤光区域121的滤光器变换为绿色光并输出。在红色(R)期间，来自荧光体轮100的黄色光被绿色滤光区域122的滤光器变换为红色光并输出。在蓝色(B)期间，透过了荧光体轮100的蓝色光透过色轮120的透过区域121，直接作为蓝色光输出。在黄色(Ye)期间，来自荧光体轮100的黄色光透过色轮120的透过区域121，直接作为黄色光输出。
这样，在各颜色期间，从色轮120输出与该期间对应的颜色的光。从色轮120输出的色光基于影像信号由DMD130按照每个像素进行调制，并通过投射透镜140投影到屏幕上。
[1-2-2.半导体光源控制装置20的动作]
以下，对图4的半导体光源控制装置20的动作进行说明。
在图4中，电源电流控制装置200输入从外部电路输入的光源通断信号、各颜色的电流值信息、各颜色的定时脉冲、PWM同步信号以及垂直同步信号、以及来自放大器250的实际电流值信号。电源电流控制装置200与所输入的垂直同步信号同步地执行后述的图7的电流值控制处理。由此，电源电流控制装置200生成电流控制信号，对DC/DC转换器210进行驱动控制。此外，电源电流控制装置200与PWM同步信号同步地生成占空比的值与通过图7的电流值控制处理决定的占空比的值相等的PWM调制信号，对光源电流开关220进行通断控制。其中，PWM调制信号被生成为：在所输入的光源通断信号断开的期间，PWM调制信号始终断开。
DC/DC转换器210根据来自电源电流控制装置200的电流控制信号，产生流过半导体光源230的电流。此时，DC/DC转换器210通过由电流值控制处理决定的电流值控制，因此产生电流而使得流过半导体光源230的电流与目标电流(振幅)值相等。光源电流开关220根据来自电源电流控制装置200的PWM调制信号，切换导通的通断。由此，从DC/DC转换器210向半导体光源230的电流被切换导通/切断。
半导体光源230例如是蓝色激光源，发出与流过的电流的值对应的强度的蓝色激光。半导体光源230流过由DC/DC转换器210产生且由光源电流开关220进行通断调制后的电流，因此其输出光被PWM调制。检测电阻240通过流过半导体光源230的电流而产生检测电压。由于该检测电压通常为(例如几mV这样)小的值，因此难以直接进行正确的检测以及反映。因此，放大器250对检测电阻240的检测电压进行放大，并作为实际电流值信号输出到电源电流控制装置200。
用于驱动控制DC/DC转换器210而使得流过上述半导体光源230的电流等于由定时脉冲表示的颜色的电流值信息的典型的技法如下。即，在电源电流控制装置200中，在目标电流(振幅)值与实际电流值信号表示的电流值不一致的情况下，使DC/DC转换器210的输出上升或者降低，以对电流值进行校正。然而，在该手法中，实际上在半导体光源230中流动的电流的波形的上升沿较迟缓，为具有斜率的波形，因此若在各颜色的定时使PWM调制信号的占空比的值变化，则振幅随之变化。
为了将振幅保持为恒定，需要使DC/DC转换器210的控制按照占空比值不同的每个颜色期间变化。然而，在占空比为小的值的情况下，由于放大器250的响应或者反馈控制***整体的响应的延迟等问题，难以进行高速且稳定的控制。进而，如上所述，流过半导体光源230的电流的波形是上升沿较迟缓的波形。因此，在占空比为小的值的情况下，为了使电流值与目标值一致，DC/DC转换器210被控制为输出上升。由此，在颜色期间的边界等占空比的值急剧上升的情况下，有时会向半导体光源230输出过剩的电力。通常，若半导体光源流过超过额定电流值的电流则有可能破损，因此不优选。此外，若在颜色期间的边界使DC/DC转换器210的输出变化，则有时会发生在半导体光源230中流动的电流的波形起伏那样的振动现象。这会导致画质以及可靠性的降低，因此不优选。
在本公开中的半导体光源控制装置20中，仅在绿色(G)期间进行DC/DC转换器的输出的控制。为了合成白色光而需要的各颜色光的强度，绿色光最大。因此，PWM调制信号的占空比的值也在绿色(G)期间最大。在占空比的值小的其他期间中，仅根据占空比的值相对于绿色(G)期间的比率来控制输出光的明亮度。由此，不需要在占空比小的值的期间进行控制，因此能够容易且稳定地控制流过半导体光源230的电流。
但是，由于根据占空比的值的变化而在半导体光源230中流动的电流的振幅发生变化，因此无法将所输入的各颜色的电流值之比直接作为占空比的值之比，需要进行其校正。这通过增加占空比来补偿振幅减少的量的输出的降低来解决。占空比相对于绿色(G)期间的值的比越小，越使占空比较大地增加，从而能够进行正确的输出。
图6是表示图4的电源电流控制装置200中的垂直同步信号、各颜色的定时脉冲以及PWM调制信号的波形的例子的时序图。通过各颜色的定时脉冲示出了各颜色期间。其中，黄色(Ye)期间通过绿色(G)以及红色(R)的定时脉冲的双方为高电平来表示。此外，可知PWM调制信号在绿色(G)期间的占空比值最大。
图7是表示图4的电源电流控制装置200的动作的例子的流程图。首先，在步骤S1中，从外部接收目标电流(振幅)值以及各颜色的占空比。在步骤S2中，判断是否仅红色(R)的定时脉冲为高电平，即当前是否是红色(R)期间，在“是”的情况下进入步骤S3，在“否”的情况下进入步骤S4。在步骤S3中，基于输入的红色(R)的占空比的信息，决定PWM调制信号的占空比的值。
在步骤S4中与步骤S2同样，判断当前是否是蓝色(B)期间，在“是”的情况下进入步骤S5，在“否”的情况下进入步骤S6。在步骤S5中与步骤S3同样，基于所输入的蓝色(B)的占空比的信息，决定PWM调制信号的占空比的值。
在步骤S6中，判断是否红色(R)的定时脉冲和绿色(G)的定时脉冲的双方为高电平，即当前是否是黄色(Ye)期间，在“是”的情况下进入步骤S7，在“否”的情况下进入步骤S8。在步骤S7中，基于所输入的红色(R)的占空比的信息以及绿色(G)的占空比的信息，决定PWM调制信号的占空比的值。该值的决定例如可以基于红色(R)的占空比的信息以及绿色(G)的占空比的信息的平均值来决定。
在步骤S8中，判断是否仅绿色(G)的定时脉冲为高电平，即当前是否是绿色(G)期间，在“是”的情况下进入步骤S9，在“否”的情况下进入从步骤S1反复进行动作。在步骤S9中，基于所输入的绿色(G)的占空比的信息，决定PWM调制信号的占空比的值。
在骤S10中，判断从放大器250输入的实际电流值信号所表示的检测电流值是否低于目标电流(振幅)值。在目标电流(振幅)值比检测电流值低或相等(否)的情况下进入步骤S11，基于检测电流值与目标电流(振幅)值之间的差分，使DC/DC转换器210的输出降低。在检测电流值比目标电流(振幅)值低(是)的情况下进入步骤S12，基于检测电流值与目标电流(振幅)值之间的差分，使DC/DC转换器210的输出上升。在步骤S11或者步骤S12的校正处理完成时，处理返回到步骤S8。
[1-3.效果等]
如上所述，在本实施方式中，投射型影像显示装置10具备半导体光源控制装置20、荧光体轮100、色轮120、DMD130以及投射透镜140。半导体光源控制装置20从半导体光源230发出蓝色激光。荧光体轮100以及色轮120与垂直同步信号同步地对来自半导体光源230的蓝色激光进行颜色变换。DMD130根据影像信号按每个像素来调制颜色变换后的影像光。投射透镜140将调制后的影像光投射到屏幕上。
此外，半导体光源控制装置20具备电源电流控制装置200、DC/DC转换器210、光源电流开关220、半导体光源230、检测电阻240以及放大器250。电源电流控制装置200仅在绿色(G)期间，控制DC/DC转换器的输出，使得流过半导体光源230的电流值与外部输入的电流值信息相等。
此外，电源电流控制装置200与PWM同步信号同步地驱动控制光源电流开关220。半导体光源230通过流动电流而发出蓝色激光。检测电阻240通过流过半导体光源230的电流而产生检测电压。放大器250对检测电压进行放大，并作为实际电流值信号输出到电源电流控制装置200。
由此，为了进行控制而使得电流值与目标值一致所使用的参数的数量减少，用于反馈的电流的时间宽度增加。因此，流过半导体光源230的电流的控制变得容易。进而，解决了由颜色期间的边界处的DC/DC转换器的输出的变化引起的多个问题，因此能够实现稳定且可靠性高的光源驱动。
(其他实施方式)
如上所述，作为在本申请中公开的技术的例示，对实施方式1进行了说明。然而，本公开中的技术并不限定于此，也能够应用于进行了适当的变更、置换、附加、省略等的实施方式。此外，也可以将在上述实施方式1中说明的各结构要素组合，作为新的实施方式。
因此，以下，对其他实施方式进行例示。
在实施方式1中，作为用于合成白色光的颜色光的一例，对红色(R)光、绿色(G)光、蓝色(B)光以及黄色(Ye)光的组合进行了说明。然而，只要能够合成白色光即可。因此，例如也可以是红色(R)光、绿色(G)光、蓝色(B)光这三种颜色的光的组合。
此外，在实施方式1中，作为占空比的值最大的颜色光的一例，说明了绿色(G)光。然而，在如上述那样通过其他颜色光的组合来合成白色光的情况下，绿色(G)光以外的占空比的值也可能最大。在该情况下，在与该颜色对应的期间进行电流控制即可。
进而，在实施方式1中，作为对蓝色激光进行颜色变换的手段的一例，对荧光体轮100以及色轮120的组合进行了说明。然而，它们只要能够转换为与各期间对应的颜色即可，例如也可以是具备红色荧光体、绿色荧光体以及黄色荧光体的单独的荧光体轮。
如上所述，作为本公开中的技术的例示，对实施方式进行了说明。为此，提供了附图以及详细的说明。
因此，在附图以及详细的说明所记载的结构要素中，不仅包含为了解决课题所必须的结构要素，还为了例示上述技术而包含不是为了解决课题所必须的结构要素。因此，不应该由于这些不是必须的结构要素记载在附图、详细的说明中而立即将这些不是必须的结构要素认定为是必须的。
此外，上述的实施方式是用于例示本公开中的技术的实施方式，因此能够在权利要求书或其等同的范围内进行各种变更、置换、附加、省略等。
产业上的可利用性
本公开能够应用于将半导体光源的光转换为各颜色光并投影的投射型影像显示装置，具体而言，本公开能够应用于投影仪等。

Claims (3)

1.一种半导体光源控制装置，具备：
半导体光源，通过电流而发光；
检测电阻，通过流过所述半导体光源的电流而产生检测电压；以及
电源电流控制装置，基于所述检测电压来控制流过所述半导体光源的电流，
通过在多个颜色期间的各个颜色期间中对流过所述半导体光源的电流进行PWM调制，从而调整所述半导体光源的输出光的亮度和色调，
所述电源电流控制装置仅在所述PWM调制的占空比的值最大的给定的颜色期间进行反馈控制，使得流过所述半导体光源的所述电流的振幅与目标值一致，在所述多个颜色期间中的所述给定的颜色期间以外的颜色期间不进行所述反馈控制。
2.根据权利要求1所述的半导体光源控制装置，其中，
所述多个颜色期间包含绿色期间，
所述PWM调制的占空比的值最大的所述给定的颜色期间为所述绿色期间。
3.一种投射型影像显示装置，具备半导体光源控制装置，
所述半导体光源控制装置具备：
半导体光源，通过电流而发光；
检测电阻，通过流过所述半导体光源的电流而产生检测电压；以及
电源电流控制装置，基于所述检测电压来控制流过所述半导体光源的电流，
通过在多个颜色期间的各个颜色期间中对流过所述半导体光源的电流进行PWM调制，从而调整所述半导体光源的输出光的亮度和色调，
所述电源电流控制装置仅在所述PWM调制的占空比的值最大的给定的颜色期间进行反馈控制，使得流过所述半导体光源的所述电流的振幅与目标值一致，在所述多个颜色期间中的所述给定的颜色期间以外的颜色期间不进行所述反馈控制。
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