JP2004111357A

JP2004111357A - 光源装置

Info

Publication number: JP2004111357A
Application number: JP2003173075A
Authority: JP
Inventors: Yuko Harumoto; 春本　祐子
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2004-04-08
Also published as: US6939027B2; US20040066651A1

Abstract

【課題】光源として発光ダイオードを用い白色光等所望の色の光を得る様にした光源装置を提供する。
【解決手段】発光色の異なる複数の発光ダイオード３，４，５の各色のダイオード毎の発光状態に基づき、投影光が所望の色の色度となる様な各色の発光ダイオードの個数比を求め、該発光ダイオードの総個数が前記個数比を満足する様に設定された。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプロジェクタ等の投影装置に使用される光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パーソナルコンピュータ等の画像出力をスクリーンに投影する投影装置としてはキセノンランプ、高圧水銀ランプ等の白色光を発する光源が使用され、単色光を得る場合は、カラーフィルタを用いて透過波長を制限することで行っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光源装置に於けるキセノンランプ、高圧水銀ランプでは消費電力が大きい。又、長時間使用する場合、高熱が発生すると共に、カットされた光による熱のこもりが生じるので、冷却は不可欠であり、冷却ファンが必要となると共に冷却ファン用の電源、電力が必要となる。更に、冷却ファンによる騒音も問題となっていた。更に、単色光を得る為に前記カラーフィルタを用いて不要な波長帯の光をカットする為、投光効率が著しく低下し、投影画面の輝度が不足気味になってしまった。
【０００４】
又、電子部品は温度が高くなると、動作異常、破損を招くことがあり、更に劣化も助長される。
【０００５】
本発明は斯かる実情に鑑み、光源として発光ダイオードを用い白色光等所望の色の光を得る様にした光源装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発光色の異なる複数の発光ダイオードの各色のダイオード毎の発光状態に基づき、投影光が所望の色の色度となる様な各色の発光ダイオードの個数比を求め、該発光ダイオードの総個数が前記個数比を満足する様に設定された光源装置に係り、又発光ダイオードは球曲面に配設された光源装置に係り、又発光ダイオードは楕円回転面、又は放物線回転面に配設された光源装置に係り、又発光ダイオードが同心多重円に配設された光源装置に係り、又前記同心多重円は、発光色の異なる発光ダイオードが配設された円により形成されている光源装置に係り、又前記同心多重円は、発光色の同じ発光ダイオードが配設された円により形成されている光源装置に係り、又各色毎に発光ダイオードの発光が制御される光源装置に係り、又入射した複数の単色光を、各単色光を混合した光として射出する混合器と、各発光ダイオードに於ける光を混合器に入射させる導光手段とを有する光源装置に係り、又前記導光手段は各発光ダイオードと集光レンズが１対１で対応している光源装置に係り、更に又前記集光レンズは前記発光ダイオードの配設面と同心の曲面に配設され、前記混合器は前記発光ダイオードを覆う円錐筒状の光源カバーの頂部に設けられた光源装置に係るものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【０００８】
発光ダイオードは規定の色度の単色のみを発する発光素子であり、一般的に赤色発光ダイオード、青色発光ダイオード、緑色発光ダイオードが知られている。
【０００９】
赤色、青色、緑色を混合することで白色光となるが、白色となる場合としては、赤色、青色、緑色の各色の色度が所定の条件を満たしていなければならない。
例えば、図１は色度図を示しているが、図中、赤色の純色はＲ、緑の純色はＧ、青色の純色はＢ、白色光はＷで示されている。従って、図１より、赤色発光ダイオードの色度が（ｘ：ｙ＝０．６２：０．３５）、青色発光ダイオードの色度が（ｘ：ｙ＝０．１５：０．０９）、緑色発光ダイオードの色度が（ｘ：ｙ＝０．２２：０．７１）と得られれば、白色光が得られる。
【００１０】
然し乍ら、実際には赤色発光ダイオード、青色発光ダイオード、緑色発光ダイオードによって得られる赤色光、青色光、緑色光では上記した関係の色度が得られないのが実情である。
【００１１】
而して、本発明者は赤色発光ダイオード、青色発光ダイオード、緑色発光ダイオードそれぞれの色度、輝度等発光状態を測定し、得られた色度、輝度から前記色度図でＷとなる為の条件を算出した。
【００１２】
条件としては、例えば赤色、青色、緑色の光量比が挙げられる。又、発光ダイオードの光量は発光ダイオードが特定された場合、発光条件により決定され、発光条件を同一とした場合、発光ダイオードの個数に比例する。従って、赤色発光ダイオード、青色発光ダイオード、緑色発光ダイオードの個数の比を前記算出した光量比と一致させることで、赤色発光ダイオード、青色発光ダイオード、緑色発光ダイオードを発光素子とする白色光を得ることができる。
【００１３】
ここで、現在入手できる赤色発光ダイオード、青色発光ダイオード、緑色発光ダイオードとして、
赤色発光ダイオード（６３０ｎｍ）：色度座標（ｘ：ｙ＝０．７：０．３）、光度（輝度）０．８０ｃｄ、
緑色発光ダイオード（５２０ｎｍ）：色度座標（ｘ：ｙ＝０．１７：０．７）、光度（輝度）１．００ｃｄ、
青色発光ダイオード（４５５ｎｍ）：色度座標（ｘ：ｙ＝０．１３：０．０７５）、光度（輝度）０．３０ｃｄ
を用いた場合に於ける、具体的な各色発光ダイオードの個数比の求め方の１つの例を示す。
【００１４】
まず、上記各色発光ダイオードの色度座標は各発光ダイオードの仕様により定まり、下記の様になる。
（１）各色発光ダイオードの色度座標
赤：ｘ１＝０．７０、ｙ１＝０．３００（図１のＲの位置）
緑：ｘ２＝０．１７、ｙ２＝０．７００（図１のＧの位置）
青：ｘ３＝０．１３、ｙ３＝０．０７５（図１のＢの位置）
【００１５】
（２）三刺激値としての光度（ｃｄ）は下記の様になる。基本的に単位は照度（ｌｘ）だが、ここでは便宜上光度（ｃｄ）を用いる。
赤：（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）Ｙ１＝０．８０（ｃｄ）
緑：（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）Ｙ２＝１．００（ｃｄ）
青：（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３）Ｙ３＝０．３０（ｃｄ）
【００１６】
（３）各色発光ダイオードに於ける刺激和を求める。
赤：Ｓ１＝Ｙ１／ｙ１＝０．８０／０．３００＝２．６６７
緑：Ｓ２＝Ｙ２／ｙ２＝１．００／０．７００＝１．４２９
青：Ｓ３＝Ｙ３／ｙ３＝０．３０／０．０７５＝４．０００
【００１７】
Ｘ１＝ｘ１×Ｓ１＝０．７０×２．６６７＝１．８６７
Ｘ２＝ｘ２×Ｓ２＝０．１７×１．４２９＝０．２４３
Ｘ３＝ｘ３×Ｓ３＝０．１３×４．０００＝０．５２０
【００１８】
Ｚ１＝（１−ｘ１−ｙ１）×Ｓ１＝（１−０．７０−０．３００）×２．６６７＝０
Ｚ２＝（１−ｘ２−ｙ２）×Ｓ２＝（１−０．１７−０．７００）×１．４２９＝０．１９
Ｚ３＝（１−ｘ３−ｙ３）×Ｓ３＝（１−０．１３−０．０７５）×４．０００＝３．１８
【００１９】
（４）所望の白色光の条件に基づき各色発光ダイオードの個数比を求める。
所望の白色光の条件を
ｘｗ＝０．３１、ｙｗ＝０．３１（図１のＷ）とし、
光度をＹｗ＝１００（ｃｄ）とする。
ここで、前記したのと同様に刺激和を求めると、
ｘｗ＝Ｘｗ／Ｓｗ、ｙｗ＝Ｙｗ／Ｓｗより、
Ｓｗ＝Ｙｗ／ｙｗ＝１００／０．３１＝３２２．５８
Ｘｗ＝ｘｗ×Ｓｗ＝０．３１×３２２．５８＝１００．００
Ｚｗ＝（１−ｘｗ−ｙｗ）×Ｓｗ＝（１−０．３１−０．３１）×３２２．５８＝１２２．５８
【００２０】
（５）ここで、各色発光ダイオードの発光光により所望の白色光を合成すると仮定すると、白色光に関する条件式として、下記の３つの式を満たすことが求められる。
Ｘｗ＝（Ｘ１×ｋ１＋Ｘ２×ｋ２＋Ｘ３×ｋ３）＝１００．００
Ｙｗ＝（Ｙ１×ｋ１＋Ｙ２×ｋ２＋Ｙ３×ｋ３）＝１００．００
Ｚｗ＝（Ｚ１×ｋ１＋Ｚ２×ｋ２＋Ｚ３×ｋ３）＝１２２．５８
※ｋ１は赤色、ｋ２は緑色、ｋ３は青色の各発光ダイオードの個数を示す。
【００２１】
上記３式から各発光ダイオードの個数、ｋ１、ｋ２、ｋ３は次の値が求められる。
赤色：ｋ１＝３６．０７
緑色：ｋ２＝６０．７８
青色：ｋ３＝３４．９２
従って、光度が１００（ｃｄ）の所望の白色光（ｘｗ＝０．３１、ｙｗ＝０．３１）を得る為に必要な各色発光ダイオードの構成は赤：３６個、緑：６１個、青：３５個となる。
【００２２】
ここで、実際には光軸を中心として各色発光ダイオードを配列する場合、得られる光束の条件への影響が大きくない範囲で各色発光ダイオードの個数を調整することも可能である。例えば、緑６１個を６０個、青３５個を３４個と各色ダイオードがそれぞれ偶数個となる様にすることで、光軸を中心とした点対称配列が容易となる。
【００２３】
従って、これらの各色発光ダイオードを用いた場所に所望の白色光を得る為の各色発光ダイオードの個数比は、赤：緑：青＝３６：６１：３５となる。
【００２４】
又、ｋ１＝１とすると、ｋ２＝１．６９、ｋ３＝０．９７と個数比を求めることができる。この個数比に基づいて、各色発光ダイオードの個数を調整することで、白色光の色度条件を変えることなく、光度を変更することが可能となる。
【００２５】
次に、図２により本発明に係る光源装置１が具備する発光ダイオードの配列の一例を説明する。
【００２６】
該光源装置１は、円状の基板２に赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５を同心多重に配設したものである。
【００２７】
前記赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５の配置の方法としては、一円毎に発光ダイオードの種類を変える。図２では、中心に赤色発光ダイオード３を配設し、順次青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５、赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５と配設する。尚、各円上でのダイオードの配設ピッチ、個数は上記した、赤３６個、緑６１個、青３５個の個数が満足される様に調整する。
【００２８】
又、発光ダイオードの配置分布を前記基板２の全面で均等とし、又前記赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５の配設もランダムとし、任意の範囲を選択した場合に個数比が赤：緑：青＝３６：６１：３５、又はこの値に近似する状態となっていればよい。
【００２９】
更に、前記基板２を矩形とし、発光ダイオードを多列に配置し、列毎に発光ダイオードの種類を変えてもよい。又、同心円の代りに同心三角形、同心多角形とし、三角形、多角形の辺上に発光ダイオードを配設してもよい。
【００３０】
又、光軸を含む平面との交線が楕円、又は放物線となる様に、即ち光軸に垂直な断面が円、光軸に沿った断面が楕円、又は放物線となる楕円回転面、放物線回転面に椀状に配設してもよい。
【００３１】
発光ダイオードを同心円に設けることで、前記光源装置１から発せられる光の光束断面の形状が円状となり、集光、投影等の光学的処理が容易になる。
【００３２】
又、上記実施の形態と同じ発光ダイオードを使用し、異なる光度の白色光を得ようとする場合は下記の様になる。
【００３３】
三刺激値としての光度（ｃｄ）は下記の様になる。
赤：Ｙ１＝０．８０（ｃｄ）
緑：Ｙ２＝１．００（ｃｄ）
青：Ｙ３＝０．３０（ｃｄ）
【００３４】
所望の白色光の条件を
ｘｗ＝０．３１、ｙｗ＝０．３１（図１のＷ）とし、
光度をＹｗ＝５００（ｃｄ）とすると、
Ｓｗ＝Ｙｗ／ｙｗ＝５００／０．３１＝１６１２．９０
Ｘｗ＝ｘｗ×Ｓｗ＝０．３１×１６１２．９０＝５００．００
Ｚｗ＝（１−ｘｗ−ｙｗ）×Ｓｗ＝（１−０．３１−０．３１）×１６１２．９０＝６１２．９０
【００３５】
各色発光ダイオードの発光光により所望の白色光を合成すると仮定すると、
Ｘｗ＝（Ｘ１×ｋ１＋Ｘ２×ｋ２＋Ｘ３×ｋ３）＝５００．００
Ｙｗ＝（Ｙ１×ｋ１＋Ｙ２×ｋ２＋Ｙ３×ｋ３）＝５００．００
Ｚｗ＝（Ｚ１×ｋ１＋Ｚ２×ｋ２＋Ｚ３×ｋ３）＝６１２．９０
※ｋ１は赤色、ｋ２は緑色、ｋ３は青色の各発光ダイオードの個数を示す。
【００３６】
上記３式から各発光ダイオードの個数、ｋ１、ｋ２、ｋ３は次の値が求められる。
赤色：ｋ１＝１８０．３５
緑色：ｋ２＝３０３．９０
青色：ｋ３＝１７４．６０
【００３７】
従って、光度が５００（ｃｄ）の所望の白色光（ｘｗ＝０．３１、ｙｗ＝０．３１）を得る為に必要な各色発光ダイオードの構成は赤：１８０個、緑：３０４個、青：１７５個となる。
【００３８】
一方、この時の各色発光ダイオードの個数比はｋ１：ｋ２：ｋ３＝１：１．６９：０．９７となり、光度Ｙｗ＝１００（ｃｄ）の場合と同じ個数比となる。
【００３９】
従って、ｘｗ＝０．３１、ｙｗ＝０．３１、（図１のＷ）、Ｙｗ＝５００（ｃｄ）の白色光を得る為の条件である個数比は、赤：緑：青＝１８０：３０４：１７５となる。従って赤１８０個、緑３０４個、青１７５個と構成することで、上記白色光を得ることができる。
【００４０】
図３は本発明の光源装置１を具備した投影装置６の一例を示している。
【００４１】
図３中、前記光源装置１の前記赤色発光ダイオード３は赤色発光制御部８によって、前記青色発光ダイオード４は青色発光制御部９によって、又前記緑色発光ダイオード５は緑色発光制御部１０によって、点灯が制御され、前記赤色発光制御部８、青色発光制御部９、緑色発光制御部１０は主制御部１１により点灯状態が制御される様になっている。
【００４２】
前記光源装置１によって射出された光は第１集光レンズ１２により集光されて混合器１３に入射され、該混合器１３から射出された投影光１４は赤色光、青色光、緑色光が均一に混合され、反射鏡１５、第２集光レンズ１６を経て投影される様になっている。
【００４３】
前記第１集光レンズ１２は、各発光ダイオードと集光レンズが１対１で対応する独立したレンズのレンズアレイ形状とすることもできる。
【００４４】
例えば、前記主制御部１１が前記赤色発光制御部８、青色発光制御部９、緑色発光制御部１０により全ての赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５を点灯すると白色光が得られ、更に前記混合器１３を透過させることで均一な白色光が得られる。
【００４５】
前記混合器１３は、導光部分が反射面で囲まれたカレイドスコープや、ロッドプリズム、又複数のファイバを組合わせた光ミキサ等を用いることができる。
【００４６】
又、前記主制御部１１が前記赤色発光制御部８により前記赤色発光ダイオード３のみを点灯した場合は、赤色光が前記第２集光レンズ１６を経て投影される。
【００４７】
更に、前記赤色発光制御部８により前記赤色発光ダイオード３の一部、前記青色発光制御部９により前記青色発光ダイオード４の一部、前記緑色発光制御部１０により前記緑色発光ダイオード５の一部が点灯される等、前記赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５の点灯個数を制御することで、種々の色を投影することが可能となり、又個数比を維持して点灯総個数を変化させることで、色の変化を伴わず前記投影光１４の明るさを制御することが可能となる。
【００４８】
尚、レンズ等光学部材を通過する際、波長により吸収率が異なるので、前記発光ダイオードの個数比は吸収率を考慮して決定してもよい。
【００４９】
又、白色光以外の光を得る場合についても、上記したのと同様に前記投影光１４が予定した色度となる様に前記赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５の個数比を決定すればよい。又、該赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５のいずれか２種類により前記光源装置１を構成してもよい。
【００５０】
上記した様に、本実施の形態では、投影光が発光ダイオードで得られるので、効率がよく、而も単色、或は所望の色を得る場合に、カラーフィルタを使用しないので、光量の損失がない。又、発熱量が少なく、冷却ファン等による冷却が必要なくなる。
【００５１】
図４は、本発明の他の光源装置１を具備した投影装置６を示しており、図４中、図２、図３に於いて示したものと同等のものには同符号を付しその説明を省略てある。
【００５２】
上記した様に、赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５が配設される基板２の面は、光軸を含む平面との交線が楕円、又は放物線となる様に、即ち光軸に垂直な断面が円、光軸に沿った断面が楕円、又は放物線となる楕円回転面、放物線回転面であってもよいとしたが、図４に示す基板１８は球曲面１９を有し、該球曲面１９に前記赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５が所要の配置で配列された例を示すものである。
【００５３】
前記球曲面１９に、前記赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５が同心多重に配設され、該赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５の発光面に対峙して、前記球曲面１９と同心の球曲面を有するレンズユニット２０が配設されている。
【００５４】
該レンズユニット２０は前記赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５のそれぞれに導光手段として１：１に対応する集光レンズ２１を球曲面内に配設した、レンズアレイ構造を有している。
【００５５】
前記基板１８には円錐筒形状の光源カバー２２が取付けられ、該光源カバー２２の頂部には混合器１３が取付けられている。
【００５６】
前記集光レンズ２１は個々に、前記赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５からの光線を前記混合器１３の入射面に集光させる様になっており、該混合器１３に入射され、該混合器１３から射出された投影光１４は赤色光、青色光、緑色光が均一に混合され、反射鏡１５、第２集光レンズ１６を経て投影される様になっている。
【００５７】
尚、本実施の形態に於いて、前記赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５の配列の態様、個数比の決定等は上記した実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００５８】
本実施の形態では、前記赤色発光ダイオード３、青色発光ダイオード４、緑色発光ダイオード５、集光レンズ２１、混合器１３が簡潔に構成されるので、光源装置１のコンパクト化が可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、発光色の異なる複数の発光ダイオードの各色のダイオード毎の発光状態に基づき、投影光が所望の色の色度となる様な各色の発光ダイオードの個数比を求め、該発光ダイオードの総個数が前記個数比を満足する様に設定されたので、発光効率がよく、省電力化が可能であり、バッテリ等による駆動も可能となり、又発熱量が少なく冷却装置が不要となり、又カラーフィルタ等を必要とせず構成が簡略化し、小型軽量化が可能であり、ファンが無くなるので騒音がなく静粛を要求される場所での使用が可能となる。
【００６０】
更に、発光ダイオードが同心多重円に配設されたので、投影光束の断面形状が円状となり、光学処理が容易になる。
【００６１】
更に又、各色毎に発光ダイオードの発光が制御されるので、色の変更、明度の変更が電気的、光学的な損失を伴わないで簡単に行える等種々の優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】色度図である。
【図２】本発明の実施の形態を示す説明図である。
【図３】本発明に係る光源装置が使用された投影装置の概略図である。
【図４】本発明に係る他の光源装置が使用された投影装置の概略図である。
【符号の説明】
１　　　　　光源装置
２　　　　　基板
３　　　　　赤色発光ダイオード
４　　　　　青色発光ダイオード
５　　　　　緑色発光ダイオード
８　　　　　赤色発光制御部
９　　　　　青色発光制御部
１０　　　　緑色発光制御部
１１　　　　主制御部
１２　　　　第１集光レンズ
１３　　　　混合器
１４　　　　投影光
１５　　　　反射鏡
１６　　　　第２集光レンズ
１８　　　　基板
２０　　　　レンズユニット
２１　　　　集光レンズ
２２　　　　レンズカバー

Claims

発光色の異なる複数の発光ダイオードの各色のダイオード毎の発光状態に基づき、投影光が所望の色の色度となる様な各色の発光ダイオードの個数比を求め、該発光ダイオードの総個数が前記個数比を満足する様に設定されたことを特徴とする光源装置。
発光ダイオードは球曲面に配設された請求項１の光源装置。
発光ダイオードは楕円回転面、又は放物線回転面に配設された請求項１の光源装置。
発光ダイオードが同心多重円に配設された請求項１の光源装置。
前記同心多重円は、発光色の異なる発光ダイオードが配設された円により形成されている請求項４の光源装置。
前記同心多重円は、発光色の同じ発光ダイオードが配設された円により形成されている請求項４の光源装置。
各色毎に発光ダイオードの発光が制御される請求項１の光源装置。
入射した複数の単色光を、各単色光を混合した光として射出する混合器と、各発光ダイオードに於ける光を混合器に入射させる導光手段とを有する請求項１の光源装置。
前記導光手段は各発光ダイオードと集光レンズが１対１で対応している請求項８の光源装置。
前記集光レンズは前記発光ダイオードの配設面と同心の曲面に配設され、前記混合器は前記発光ダイオードを覆う円錐筒状の光源カバーの頂部に設けられた請求項９の光源装置。