JP2004012620A - 光源装置及び投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多数の発光ダイオードを使用して高輝度な光源装置を構成する際に、光源装置から発生する光束の径の増大を抑制して、効率のよい照明光束を得ることのできる光源装置、及び実用輝度が得られる投写型表示装置を提供する。
【解決手段】複数の発光ダイオードの配列から発生する光束を一旦集光する集光光学系と、集光後に発散した光束を再度略平行光束に変換する反射光学系とを備える。特に、集光光学系に入射する前の光束径をφ、反射光学系で略平行光束に変換された後の光束径をφ’としたときにφ＞φ’となるように集光光学系と反射光学系とを配置する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体光源で発生する光束を照明光として利用する投写型表示装置とその光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大画面で映像を手軽に楽しめる電子機器として投写型表示装置が知られている。投写型表示装置は、白色光源を用いて、液晶パネルやＤＭＤ（ディジタルミラーデバイス）といった２次元光変調器の画像を投写レンズを使ってスクリーン上に拡大投写するものであり、光源としては、従来、高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等の高輝度の放電ランプが使用されているのが一般的である。
【０００３】
しかしながら、これら放電ランプは波長４００ｎｍから７００ｎｍ超にわたる発光スペクトル特性を有しており、投写型表示装置においては、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）に相当する波長領域をダイクロイックフィルター等の光学部品で選択しており、この画像形成に必要のない波長成分の光、特に赤外領域の光は熱の発生を、また、紫外領域の光は２次元光変調器へのダメージ等の問題を引き起こす。さらに、可視光領域の光であっても、黄色の波長領域等は上記ダイクロイックフィルター等で選択されることがなく、光の利用効率という点で損失である。さらに、従来実用化されている放電ランプの寿命は１５００〜４０００時間程度であり、寿命特性の改善が望まれている。
【０００４】
一方、固体光源であるレーザーを光源に利用して、投写型表示装置を構成するという提案がある（特開平５−２１００８２号、特開２０００−１９４２７５号、特開２０００−１６２５４８号等）。しかしながら、半導体レーザーや発光ダイオードのような固体光源は、放電ランプに比べて光出力が低い（発光効率が小さい）という大きな問題があり、このため、投写型表示装置用の光源としては実用化されていない原因となっていたが、最近では発光ダイオード開発の進歩は目覚ましいものがあり、高輝度で高効率な青や緑の発光ダイオードも登場し始めた。これにより以前から比較的高輝度、高効率であった赤色発光ダイオードと組み合わせることで投写型表示装置の光源を実現できる可能性がでてきた。
【０００５】
とはいうものの、発光ダイオード素子単体の輝度は、放電ランプの輝度には依然及ばないので、発光ダイオードで光源装置を構成するには、複数の発光ダイオード素子を使用することが前提となる。複数の発光ダイオード素子を使用すれば、その数に応じて全体の輝度の増加が期待できるが、以下の問題も発生する。
【０００６】
発光ダイオード部品の大きさは、発光素子前方に取り付けられるドーム形状の樹脂レンズを含めると、φ３〜φ５が一般的である。一方、投写型表示装置に使われる２次元光変調器の大きさは、例えば透過型の高温ポリシコンＴＦＴ液晶パネルで０．７インチ〜１．８インチが一般的となっている。この２次元光変調器を効率よく照明しようとしたとき、光源装置で得られる照明光の光束の大きさ（径）は、２次元光変調器の大きさよりも大きく、しかも高輝度かつ平行性の高い光束であることが理想的である。
【０００７】
例えば、すでに実用化されている投写型液晶表示装置の例では、２次元光変調器として１．３インチ（縦１９．８１２ｍｍ×横２６．４１６ｍｍ）を用い、光源装置には６０ｍｍ×６０ｍｍ程度の光源反射鏡付きの高圧水銀ランプを使用しており、光源装置からは略平行光束を得ている。この光源装置を市販のφ５の大きさの高輝度発光ダイオードに置き換えることを考えると、６０ｍｍ×６０ｍｍの光源装置とするには、縦横で１２個×１２個＝１４４個の発光ダイオードを配列することになる。市販の高輝度発光ダイオードは、発光色にも依るが、緑色用で、１個当たり２Ｌｍ（ルーメン）程度の光束の大きさを持つものがある。１４４個用意しても光束は２８８Ｌｍにしかならない。これらをＲ、Ｇ、Ｂ各色用に使用しても８６４Ｌｍである。１００Ｗ級の高圧水銀ランプが有する光束は約８０００Ｌｍであるから、光束量が１ケタ少ない。従って、少しでも高圧水銀ランプの発光光束に近づけるには、光源装置を構成する発光ダイオードの数を大幅に増加させることが必要不可欠となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光源として使用する発光ダイオード素子の数を増加させると、照明光として利用できる光束は増加するが、２次元光変調器の大きさに比して光源装置からの射出光束径が大きくなり、２次元光変調器を効率良く照明することが難しくなるという問題が生じる。
【０００９】
本発明は、かかる問題点を解決するものであり、多数の発光ダイオード素子を用いて光源を構成しようとする場合においても、光源装置からの射出光束の光束径（面積）を増大させることなく平行性の高い照明光束を得られる光源装置並びにそれを用いた実用輝度の得られる投写型表示装置を提供することを目的としている。
【００１０】
なお、従来の光源装置の例として、例えば特開平８−２２７６０６号公報に開示の平行光光源装置があり、この技術では、２つの多重配列ミラーと開口パネルの配置によりランプからの非平行光成分を取り除いて平行光を得ている。この技術は、射出光束の径を変換することを目的として構成されているものではないので、例えば２つの放物面鏡の焦点距離を変えるなどすると光の遮蔽が生じたり連続光束が得られないなどの結果となってしまう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、複数の固体光源による配列と、固体光源配列から発生する略平行光束を一旦集光する集光光学系と、集光光学系において集光後に発散した光束を再度略平行光束に変換する反射光学系とを有することを特徴としている。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、集光光学系に入射する前の光束の径をφ、反射光学系で略平行光束に変換された後の光束の径をφ’としたときに、φ＞φ’となるように集光光学系と反射光学系が配置されることを特徴としている。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、固体光源が発光ダイオードであることを特徴としている。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、集光光学系ならびに反射光学系が放物面反射鏡で構成されることを特徴としている。
【００１５】
請求項５記載の発明は、複数の固体光源による球面状の配列と、球面状配列から発生しその球心に一旦収束して発散する光束を略平行光束に変換する反射光学系とを有することを特徴としている。
【００１６】
請求項６記載の発明は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各発光色用に請求項１から５のいずれか１項に記載の光源装置を備え、これら光源装置から発生する各色の略平行光束を照明光として、画像情報に応じて変調を行う少なくとも１つ以上の２次元光変調器と、２次元光変調器上の画像を拡大投写する投写レンズとを有することを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態における光源装置１の構成を示す図である。光源装置１は、複数の発光ダイオード１１の配列構造と、集光光学系としての集光素子１３と、反射光学系としての反射素子１４とを有して構成される。図２は、集光素子１３（放物面反射ミラー２１）について示す。図３は、反射素子１４（放物面反射ミラー３１）について示す。
【００１８】
図１は、光源装置１の断面図である。同図において横軸をＺ、縦軸をＹ、紙面に垂直な方向をＸ軸とすると、発光ダイオード１１は、ＸＹ平面上で２次元の配列構造を形成している。また、この２次元配列された各々の発光ダイオード１１は、各発光ダイオード１１の光軸がＺ軸に平行になるように構造体１２で支持されている。複数の発光ダイオード１１によるこの配列構造を発光ダイオード配列体１０とする。発光ダイオード配列体１０からの出射光束（１５）は略平行光束となる。
【００１９】
また、集光光学系を形成する集光素子１３として、図２に参照されるようにＺ軸２２回りに回転して得られる回転放物面を部分的に切り取った形状を有する反射ミラー２１を使用した。発光ダイオード１１からの射出光束１５は、集光素子１３に入射するが、放物面による反射作用を受けて放物面の焦点２３に収束する。
【００２０】
また、反射光学系を形成する反射素子１４として、図３に参照されるようにＺ軸３２回りに回転して得られる回転放物面を部分的に切り取った形状を有する（集光素子１３として用いる反射ミラー２１とは別の）反射ミラー３１を使用した。
【００２１】
光源装置１において、この反射素子１４としての反射ミラー３１の焦点３３と、集光素子１３としての反射ミラー２１の焦点２３とが一致するように両反射ミラーを配置してある。集光光学系（集光素子）１３の放物面状反射ミラーにより一旦収束された光束は、再度発散しはじめるが、収束点２３はその後配置されている反射光学系（反射素子）１４の放物面状反射ミラーの焦点３３に一致しているので、光束は反射光学系１４の反射面にて反射された後、再びＺ軸に平行な光束１６に変換される。
【００２２】
このとき、２次元配列された発光ダイオード１１の配列体１０からの光束の径をφ、集光光学系１３及び反射光学系１４を通過後の光束の径をφ’としたとき、φ＞φ’として反射後の光束径を元の光束径より小さくなるように変換する。このためには、集光光学系１３の放物面反射ミラー２１に関してその焦点をｆ１、特性パラメータである焦点距離をｐ１、反射光学系１４の放物面反射ミラーに関してその焦点をｆ２、特性パラメータである焦点距離をｐ２とすれば、ｐ１＞ｐ２の条件を満足させれば良い。この条件を満足するように発光ダイオード１１の配列数や形状を勘案し、照明対象となる２次元光変調器の大きさに応じて任意のφ’となるように、ｐ１、ｐ２をｐ１＞ｐ２の条件で所定値に設定することになる。その結果、２次元配列された発光ダイオード１１で発生する光束の径を、２次元光変調器の大きさに応じた光束径へ変換することできる。放物面反射ミラー２１，３１での反射率に依存する光量損失はあるものの、径変換前後の光束の光強度の変動は少なく、多数の発光ダイオード素子を使用しても、光強度が高く、光束径の小さい照明光束を得ることができる。なお放物線の方程式はｘ＾２＝２ｐｙ等で表される。
【００２３】
ここで、発光ダイオード１１としては、発光ダイオード素子としてＧａＰ系やＧａＡｓＰ系、ＧａＡｌＡｓ系等を用いることができる。また、発光ダイオード１１は、発光ダイオード素子からの光を射出するレンズ面を有する光透過性の熱硬化製樹脂で封止されており、このレンズを所定の形状とすることで射出光束に強い平行性を持たせることができる。これら発光ダイオードからの射出光束を平行化する技術としては従来技術として周知のものを利用すればよい。
【００２４】
＜数値実施例＞光源装置１において、集光光学系１３を構成する放物面反射鏡２１は焦点距離１００ｍｍのものを使用し、反射光学系１４を構成する放物面反射鏡３１は焦点距離２０ｍｍのものを使用した。一方、２次元光変調器は、φ５の大きさの発光ダイオード素子を縦２８個×横２８個に配列し、１４０ｍｍ×１４０ｍｍ（φ）とした。最終的に光束径変換された後の光束径φ’は２８ｍｍ×２８ｍｍ（φ’）となった。すなわち、φ５の発光ダイオード素子を縦６個×横６個に配列したのと同じ光束径で実に２０倍以上の光束の高密度化を達成した。
【００２５】
＜投写型表示装置＞次に、図４は、本発明の実施の形態における投写型表示装置１００の構成を示したものである。投射型表示装置１００は、上述した実施形態の光源装置１を用いて構成される。光源装置１を３つ用いて、赤（Ｒ）用、青（Ｂ）用、緑（Ｇ）用の各色用の光源装置（４１、４２、４３）を構成する。そして、これら各光源装置４１〜４３から発生する光束を合成するための合成素子としてのクロスダイクロイックプリズム４４と、このプリズム４４において合成後の照明光束に画像情報を与える光変調器４６と、光変調器４６で画像変調された光を不図示のスクリーン上に拡大投写するための投写レンズ４８とを備えている。点線枠で示した各光源装置４１〜４３内には、発光ダイオード配列体、集光光学系、反射光学系が示されている。同図中には各光束の向きの概要も矢印で示した。
【００２６】
なお、この実施例の投射型表示装置１００では、光変調器４６として透過型の液晶パネルを例に採っており、その前後に偏光子４５と検光子４７を備えている。光源装置４１，４２，４３からのＲ・Ｂ・Ｇのそれぞれ略平行な光束はクロスダイクロイックプリズム４４に入射して合成され、光変調器４６としての透過型液晶パネルを照明する。ここで、光源装置からの照明をより効率的に行うために、光源装置４１，４２，４３と液晶パネル４６との間には、一対のフライアイレンズからなるインテグレータ光学系を配置しても構わない。また、偏光変換光学素子を光源装置４１，４２，４３の後に配置しても良い。光源装置４１，４２，４３から発生する光束は非偏光の光束であるため、照明光束の偏光方向を揃えることにより照明の光利用効率が向上することは言うまでもなく、この偏光統一を行うための偏光変換素子は周知の光学素子である。
【００２７】
光変調器４６としての透過型液晶パネルで画像変調された光束は投写レンズ４８を介して不図示のスクリーン上に拡大投写され画像を表示する。なお、カラー表示を行う方法としては、フィールドシーケンシャル方式とすればよい。この場合、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光源装置４１，４２，４３を順次点灯させるだけでなく、Ｒ、Ｇ、Ｂを同時に点灯させるモードも使用して、明るさをさらに高めることも可能である。
【００２８】
このようにして、比較的多数の発光ダイオードを使用して光源装置を構成しても、光源装置から射出後の照明光束径の拡大を抑えて効率よく照明を行うことが可能となり、結果的に高輝度が達成できる。
【００２９】
なお、光変調器４６としてＤＭＤ（ディジタルミラーデバイス）や反射型の液晶パネルを用いることも可能である。また、光源装置も赤（Ｒ）用、青（Ｂ）用、緑（Ｇ）用に３個用いるのではなく白色の発光ダイオードランプを用いても構わない。
【００３０】
＜変形例＞次に、本発明の他の実施形態について示す。図５は、他の実施の形態における（投射型表示装置の）光源装置５を示す斜視図である。光源装置５は、赤（Ｒ）用、青（Ｂ）用、緑（Ｇ）用の３つの発光ユニット（５１、５２、５３）を備え、これら各発光ユニット５１〜５３からの出射光束を合成素子としてのクロスダイクロイックプリズムにより合成して照明光を得ている。図中の矢印は各ユニット５１〜５３における中心的な光軸を示す。各ユニット５１〜５３は、発光ダイオードによる球面形状の配列体と、この配列体からの光束群を反射してクロスダイクロイックプリズム方向に略平行光束として出射する放物面反射ミラーとから成る。
【００３１】
図６に、上記の発光ユニットについての縦断面図を示す。光源装置５においては、前述の実施形態の光源装置１の構成のように発光ダイオードを２次元平面的に配列する代わりに、丁度、光源装置１での集光光学系１３（放物面反射ミラー２１）が配置される位置に相当する位置において、発光ダイオード６１を球面形状で配列している。この発光ダイオード配列体６０は各発光ダイオード６１の光軸がその球面配列形状での球心を向くように配置する。この配置構成の場合、各発光ダイオード６１からの光束は一旦その球心に収束する。光源装置５では、発光ダイオード配列体６０の球心と、放物面反射ミラー６２の焦点とが一致するように配置する構成により、放物面反射ミラー６２の焦点から発散される光束群が反射ミラー６２面において反射され、略平行光束として出射される。この構成の場合、最初の実施形態のような集光光学系の集光素子としての放物面反射ミラーが不要となるので、その分、光源装置及びこれを搭載する投写型表示装置をより軽量化、小型化し、コストメリットが生じる。
【００３２】
以上により本発明の実施の形態について説明した。なお、上述した実施形態は、本発明の好適な実施形態の一例を示すものであり、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の光源装置によれば、多数の発光ダイオード素子を配列して照明光束の高輝度化を図る場合に、放物面鏡を成す集光素子と反射素子を各々の焦点が一致するように配置して発光ダイオードの配列体からの射出光束について光束径の変換を行うことにより、光束の平行性を保ちつつ照明対象に応じたより小さい径の光束に変換して照明光として射出することが可能となる。特に、変換前後の光束径をφ及びφ’、集光光学系と反射光学系のそれぞれの放物面鏡の焦点距離をｐ１，ｐ２としたときにｐ１＞ｐ２となるよう放物面鏡を配置することによりφ＞φ’を満足できる。本発明の光源装置では、多数の発光ダイオード素子を使用しても、得られる照明光束の光束径の増大を抑制して効果的に照明対象（光変調器等）を照明できるという効果があり、この光源装置を投写型表示装置の照明系として用いることにより、明るくかつ光利用効率の高い投写型表示装置を提供することができる。
【００３４】
特に、請求項１記載の発明の構成によれば、反射光学系の形状を所定にすることで、多数の固体光源から発生する光束の径を変換して平行性の高い照明光束を得ることが可能になる。
【００３５】
また、請求項２記載の発明の構成によれば、多数の固体光源を用いた場合にも照明光束径の増大を抑制し、２次元光変調器の大きさに対応した照明光束を得て効果的な照明を行うことが可能になる。
【００３６】
さらに、請求項３記載の発明の構成では、発光ダイオードは種々の電子機器で用いられており、他の固体光源と比してコストが安いので、多数使用しても安価に構成できる。
【００３７】
またさらに、請求項４記載の発明の構成では、集光光学系ならびに反射光学系が放物面反射鏡であることを特徴としており、このような構成とすることで、集光光学系と反射光学系の構成が比較的簡素なものになる。
【００３８】
また請求項５記載の発明の構成では、請求項１から４記載の構成とは異なり複数の発光ダイオードによる球面形状の配列により集光光学系を省いて構成できるので、光源装置をより小型化・軽量化することができる。
【００３９】
さらに、請求項６記載の発明の構成では、Ｒ（赤）用、Ｇ（緑）用、Ｂ（青）用の各々の光源として請求項１から５のいずれか１項に記載の光源装置を備えて投射型表示装置を構成しており、この構成とすることで、多数の発光ダイオードを使用して十分な輝度を持ち、光利用効率の高い投写型表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における光源装置１の構成を示す図（側面図）である。
【図２】集光光学系１３の構成を示す図である。
【図３】反射光学系１４の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における投射型表示装置１００の構成を示す図である。
【図５】本発明の他の実施の形態における光源装置５の構成を示す図である。
【図６】光源装置５の発光ユニットの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１　光源装置
１００　投写型表示装置
１０　発光ダイオード配列体
１１　発光ダイオード
１２　発光ダイオード支持体
１３　集光光学系（集光素子）
１４　反射光学系（反射素子）
１５　発光ダイオード配列体の射出光束（：径φ）
１６　光学系で変換後の射出光束（：径φ’）
１７　集光光学系１３と反射光学系１４の焦点
２１　放物面反射ミラー（：焦点ｆ１、焦点距離ｐ１）
３１　放物面反射ミラー（：焦点ｆ２、焦点距離ｐ２）
２２　Ｚ軸（集光光学系１３への入射軸）
３２　Ｚ軸（反射光学系１４からの出射軸）
２３　反射ミラー２１の焦点ｆ１
３３　反射ミラー３１の焦点ｆ２
４１、４２、４３　Ｒ・Ｂ・Ｇの各色の光源装置
４４　クロスダイクロイックプリズム
４５　偏光子
４６　光変調器（透過型液晶パネル）
４７　検光子
４８　投写レンズ
５　光源装置（他の実施形態）
５１、５２、５３　発光ユニット（Ｒ、Ｂ、Ｇ）
６０　発光ダイオード配列体
６１　発光ダイオード
６２　反射光学系（放物面反射ミラー）

Claims (6)

1. 複数の固体光源による配列と、
   前記固体光源配列から発生する略平行光束を一旦集光する集光光学系と、
   前記集光光学系において集光後に発散した光束を再度略平行光束に変換する反射光学系とを有することを特徴とする光源装置。
2. 前記集光光学系に入射する前の光束の径をφ、前記反射光学系で略平行光束に変換された後の光束の径をφ’としたときに、φ＞φ’となるように前記集光光学系と前記反射光学系が配置されることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
3. 前記固体光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記集光光学系ならびに反射光学系が放物面反射鏡で構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に項記載の光源装置。
5. 複数の固体光源による球面状の配列と、
   前記球面状配列から発生しその球心に一旦収束して発散する光束を略平行光束に変換する反射光学系とを有することを特徴とする光源装置。
6. Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各発光色用に請求項１から５のいずれか１項に記載の光源装置を備え、
   該光源装置から発生する各色の略平行光束を照明光として、画像情報に応じて変調を行う少なくとも１つ以上の２次元光変調器と、
   前記２次元光変調器上の画像を拡大投写する投写レンズとを有することを特徴とする投写型表示装置。

Images