JP2004220015A - 照明装置及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【目的】 発光ダイオード等の固体発光素子を用いる実用的な照明装置及びこれを用いた投写型映像表示装置を提供する。
【構成】 照明装置１は、ＬＥＤチップ１１…がアレイ状に配置され且つ各ＬＥＤチップ１１の光出射側にレンズセル１４…を配置して成る光源１２と、各ＬＥＤチップ１１から出射されて前記レンズセル１４にて平行化された光を液晶表示パネル３へインテグレートして導くフライアイレンズ対１３とから成る。ＬＥＤチップ１１及びレンズセル１４は、方形状に形成されており、更に、液晶表示パネル３のアスペクト比に一致又は略一致したものとなっている。また、レンズセル１４は互いに離間して壁面（空気ギャップ）を有し、前記壁面が反射面をなしている。
【選択図】 図５

Description

この発明は、照明装置及び投写型映像表示装置に関する。

液晶プロジェクタなどに用いられる照明装置としては、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等のランプと、その照射光を平行光化するパラボラリフレクタから成るものが一般的である。また、かかる照明装置においては、照射面の光量むらを軽減するために、一対のフライアイレンズによるインテグレート機能( 光学デバイスにより平面内にサンプリング形成された所定形状の複数照明領域を照明対象物上に重畳集光する機能をいう）を持たせたものがある。更に、近年においては、軽量小型化等の観点から、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として用いることも試みられている（特許文献１参照）。
特開平１０−１８６５０７号

しかしながら、発光ダイオードを用いて実用的な照明装置を得るには至っていないのが実情である。

この発明は、上記事情に鑑み、発光ダイオードなどの固体発光素子を用いる実用的な照明装置及びこれを用いた投写型映像表示装置を提供することを目的とする。

この発明の照明装置は、上記の課題を解決するために、固体発光素子がアレイ状に配置された光源と、各固体発光素子から出射された光を照明対象物へインテグレートして導くインテグレート手段と、を備えたことを特徴とする。

上記の構成であれば、固体発光素子をアレイ状に配置した光源とするため、光量の増大を図ることができると共に、各固体発光素子から出射された光は照明対象物へインテグレートされて導かれるため、照明対象物上にアレイ状の明暗ができてしまうのを防止することができる。

各固体発光素子の光出射側にレンズセルを配置するのがよい。これによれば、固体発光素子から出射された光の発散を抑えた上でインテグレート手段に導くことが可能となる。前記レンズセルは各固体発光素子をモールドする樹脂にて一体的に成型されるか又は、前記モールド樹脂とは別個に形成され且つ当該モールド樹脂との間に樹脂層を介在させて設けられているのがよい。これによれば、光利用効率が向上する。

前記レンズセルは互いに離間して壁面を有し、前記壁面が反射面をなすのがよい。これによれば、前記反射面をなす壁面によって固体発光素子から出射された光が隣のレンズセルに導かれてしまうのを防止できると共に、当該反射した光を自身の側のレンズセルから出射させることができ、光利用効率が向上する。前記離間箇所に反射体が介在するのがよい。これにより、更に光利用効率を向上させることができる。

前記インテグレート手段は光を受けて集光する第１のレンズ群と集光点に設けられた第２のレンズ群とから成り、前記レンズセルは固体発光素子からの光を前記第１のレンズ群に導くように構成されていてもよい。前記レンズセルと前記第１のレンズ群とが密着しているのがよく、この密着によって空気ギャップが少なくなり、空気ギャップによる反射を抑えて光利用効率を高めることができる。

前記レンズセルは固体発光素子からの光を集光するように構成され、前記インテグレート手段は前記レンズセルを経た光の集光点に設けられたレンズ群を備えて成ることを特徴とする照明装置。これによれば、前述した第１のレンズ群に相当する光学部品を不要にして部品点数の削減が図れる。

各固体発光素子と各レンズセルとレンズ群の各レンズとが１対１で対応しているのがよい。

偏光ビームスプリッタアレイから成る偏光変換装置を、前記インテグレート手段の光出射側に設けるのがよい。前記偏光ビームスプリッタは四角柱形状を有し、その長手方向を固体発光素子の長手方向に一致させているのがよく、これによれば光利用効率が向上する。

前記インテグレート手段におけるレンズ群の各レンズを照明対象物のアスペクト比に一致又は略一致させるのがよい。また、前記レンズセルを照明対象物のアスペクト比に一致又は略一致させたるのがよい。また、各固体発光素子のアスペクト比を照明対象物のアスペクト比に一致又は略一致させるのがよい。これによれば、固体発光素子から出射された光を照明対象物の全面に無駄なく導き得ることになり、出射光の利用効率が向上する。

一方、アナモフィックレンズを備え、このアナモフィックレンズに導かれる光束のアスペクト比は照明対象物のアスペクト比と相違し、アナモフィックレンズから出射される光束のアスペクト比が照明対象物のアスペクト比に一致又は略一致するようにしてもよい。

前記インテグレート手段はロッドインテグレータから成っていてもよい。前記ロッドインテグレータの光出射面を照明対象物のアスペクト比に一致又は略一致させてもよい。前記ロッドインテグレータの光出射面側にアナモフィックレンズを備え、前記ロッドインテグレータの光出射面のアスペクト比は照明対象物のアスペクト比と相違し、アナモフィックレンズから出射される光束のアスペクト比が照明対象物のアスペクト比に一致又は略一致するようにしてもよい。

また、照明対象物としてマイクロレンズを有しない透過型の液晶表示パネルを備えるのがよい。そして、この発明の投写型映像表示装置は、上述したいずれかの照明装置を備え、入射光の光変調を行なう表示デバイスが前記照明対象物とされたことを特徴とする。

以上説明したように、この発明によれば、発光ダイオード等の固体発光素子を用いる実用的な照明装置及びこれを用いた投写型映像表示装置を提供できるという効果を奏する。

以下、この発明の実施例の照明装置及び投写型映像表示装置を図１乃至図９に基づいて説明していく。

図１は３板式の投写型映像表示装置の光学系を示した図である。この投写型映像表示装置は３つの照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを備える（以下、個々の照明装置を特定しないで示すときには、符号”１”を用いる）。照明装置１Ｒは赤色光を出射し、照明装置１Ｇは緑色光を出射し、照明装置１Ｂは青色光を出射する。各照明装置１から出射された光は、凸レンズ２によって各色用の透過型の液晶表示パネル３Ｒ，３Ｇ，３Ｂに導かれる（以下、個々の液晶表示パネルを特定しないで示すときには、符号”３”を用いる）。各液晶表示パネル３は、入射側偏光板と、一対のガラス基板（画素電極や配向膜を形成してある）間に液晶を封入して成るパネル部と、出射側偏光板とを備えて成る。透過型の液晶表示パネルとしては、各画素部分にマイクロレンズを配置したものが知られているが、この実施例では、マイクロレンズを有しない液晶表示パネルを用いている。照明装置１（点光源）を用いる構成では、マイクロレンズを有しない液晶表示パネルを用いる方が光利用効率が向上する。液晶表示パネル３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを経ることで変調された変調光（各色映像光）は、ダイクロイックプリズム４によって合成されてカラー映像光となる。このカラー映像光は、投写レンズ５によって拡大投写され、スクリーン上に投影表示される。

図２は液晶表示パネル３を示した正面図である。液晶表示パネル３は、横Ａ対縦Ｂのアスペクト比を有する。Ａ対Ｂは例えば４対３や１６対９である。

照明装置１は、ＬＥＤチップ１１…がアレイ状に配置され且つ各ＬＥＤチップ１１の光出射側にレンズセル１４…を配置して成る光源１２と、各ＬＥＤチップ１１から出射されて前記レンズセル１４にて平行化された光を液晶表示パネル３へインテグレートして導くフライアイレンズ対１３とから成る。このように、ＬＥＤチップ１１…をアレイ状に配置するため、光量の増大を図ることができる。フライアイレンズ対１３は、図５にも示しているように、一対のレンズ群１３ａ，１３ｂにて構成されており、個々のレンズ対が各ＬＥＤチップ１１から出射された光を液晶表示パネル３の全面へ導くようになっている。すなわち、ＬＥＤチップ１１から出射された光は液晶表示パネル３へインテグレートされて導かれることになるため、液晶表示パネル３上（スクリーンの映像上）にアレイ状の明暗ができてしまうのを防止することができる。特に、上記の例では、各ＬＥＤチップ１１と各レンズセル１４とレンズ群１３ａ，１３ｂの各レンズとを１対１で対応させている。

フライアイレンズ対１３と集光レンズ２との間に偏光変換装置を設けておいてもよい。図９に示すように、偏光変換装置２０は、偏光ビームスプリッタ２０ａを多数並べて成る偏光ビームスプリッタアレイ（以下、ＰＢＳアレイと称する）によって構成される。ＰＢＳアレイは、偏光分離膜と位相差板（１／２λ板）とを備える。ＰＢＳアレイの各偏光分離膜は、フライアイレンズ対１３からの光のうち例えばＰ偏光を通過させ、Ｓ偏光を９０°光路変更する。光路変更されたＳ偏光は隣接の偏光分離膜にて反射されてそのまま出射される。一方、偏光分離膜を透過したＰ偏光はその前側（光出射側）に設けてある前記位相差板によってＳ偏光に変換されて出射される。すなわち、この例では、ほぼ全ての光はＳ偏光に変換される。前記偏光ビームスプリッタ２０ａは、細長い四角柱形状を有する。この実施例では、ＬＥＤチップ１１の長手方向（レンズセル１４、レンズ群１３ａ，１３ｂの長手方向）と前記偏光ビームスプリッタ２０ａの長手方向とを一致させている。すなわち、前記偏光ビームスプリッタ２０ａをＬＥＤチップ１１の短辺方向に並べており、これにより、光の利用効率が向上する。

図３は、光源１２の一部を拡大して示した図であり、同図（ａ）は平面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。ＬＥＤチップ１１…は透明樹脂によりモールドされており、この透明樹脂が凸状に形成されたことで前記レンズセル１４…を構成している。ＬＥＤチップ１１及びレンズセル１４は、図３（ａ）に示しているように、方形状に形成されており、更に、液晶表示パネル３のアスペクト比に一致又は略一致したものとなっている。これにより、ＬＥＤチップ１１から出射された光を液晶表示パネル３の全面に無駄なく導くことができ、出射光の利用効率が向上する。

また、レンズセル１４は、図３（ｂ）に示しているように、互いに離間して壁面（空気ギャップ１５）を有し、前記壁面が反射面をなしている。前記反射面をなす壁面によってＬＥＤチップ１１から出射された光が隣のレンズセル１４に導かれてしまうのを防止できると共に、当該反射した光を自身の側のレンズセル１４から出射させることができ、光利用効率が向上する。

図４には、前記空気ギャップ１５に対応する箇所に反射体１６を配置した構成を示している。このように反射体１６を介在させる構成であれば、更に光利用効率が向上する。反射体１６は、樹脂モールドの段階で配置しておくこととしてもよいし、樹脂モールド後に前記空気ギャップ１５に挿入していくこととしてもよい。反射体１６は高反射率を有する金属板（箔）等を用いるのがよい。

図６には、照明装置１の変形例を示している。この図６に示しているレンズセル１４′は、ＬＥＤチップ１１からの光を平行化するのではなく、レンズ群１３ｂの各レンズの中心に導くように設計されている。かかる構成であれば、レンズ群１３ａを不要にして部品点数の削減が図れる。

図７及び図８には、インテグレート手段としてロッドインテグレータを用いた照明装置１を示している。図７に示す構成において、ロッドインテグレータ１８は、その光入射面１８ａよりも光出射面１８ｂの方が大きくされており、光入射面１８ａは液晶表示パネル３のアスペクト比に一致又は略一致し、光出射面１８ｂは液晶表示パネル３と略同じ大きさとなっている。ＬＥＤチップ１１の光はレンズセル１４によって平行化され、集光レンズ１７によってロッドインテグレータ１８の光入射面１８ａに導かれる。ロッドインテグレータ１８の光入射面１８ａに入射した光はインテグレートされて液晶表示パネル３に照射される。図８に示しているロッドインテグレータ１９は、その光入射面１９ａ及び光出射面１９ｂが同じ大きさとされ、且つ、液晶表示パネル３及び光源１２とも略同じ大きさとなっている。なお、図８では光源１２にレンズセル１４を形成していないが、レンズセル１４は勿論形成してもよい。

なお、以上の説明においては、レンズセル１４はモールド樹脂により光源１２において一体的に形成されていたが、かかる構成に限らず、レンズセルをモールド樹脂とは別個に樹脂やガラスにより作製することとしてもよい。この場合、レンズセルとモールド樹脂（ＬＥＤチップ１１の保護樹脂）との間に空間を形成せずに、透明樹脂層を介在させるのがよい。前記透明樹脂層の屈折率はレンズセルやモールド樹脂の屈折率に一致又は近似しているのがよい。

また、個々に作製されたモールド済みＬＥＤランプをアレイ状に配置して光源とすることとしてもよい。かかる構成において、モールド済みＬＥＤランプの外形状や素子部の形状は、液晶表示パネル３の形状（アスペクト比）に一致又は略一致しているのがよく、また、側壁部が反射面を成しているのがよい。

また、投写型映像表示装置においては、透過型の液晶表示パネルに限らず、反射型の液晶表示パネルを用いてもよいし、これら液晶表示パネルに代えて画素となる微小ミラーを個々に駆動するタイプの表示パネルを用いることとしてもよい。また、各色光を出射する３つの照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを備えたが、白色光を出射する照明装置とし、ダイクロイックミラー等で分光したり或いは分光せずに単板のカラー表示パネルに導く構成としてもよい。白色光を出射する照明装置とする場合、各固体発光素子が白色光を出射してもよいし、赤色光と青色光と緑色光を出射する固体発光素子を適宜に並べた構成としてもよい。また、固体発光素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）に限るものではない。

ところで、照明対象物である液晶表示パネル３に導く光束の形状は、光束形状関連要素（固体発光素子、レンズセル、フライアイレンズの各レンズ、ロッドインテグレータの断面）のアスペクト比の影響を受ける。上記の例では、照明対象物のアスペクト比を４：３とし、光束形状関連要素のアスペクト比も４：３とすることとしたが、これに限るものではない。例えば、前記光束形状関連要素のアスペクト比を４：４のごとく照明対象物のアスペクト比と異ならせ、この４：４のアスペクト比の光束を、アナモフィックレンズによって変化させ（上記の場合は垂直方向に幾分集光させ）、光束のアスペクト比が照明対象物に導かれる段階で当該照明対象物のアスペクト比（例えば、４：３）に一致又は略一致するようにしてもよい。

この発明の実施形態の投写型映像表示装置の光学系を示した説明図である。 液晶表示パネルを示した正面図である。 図１に示した照明装置の一部を拡大して示した図であって、同図（ａ）は正面図であり、同図（ｂ）はＣ−Ｃ矢視断面図である。 この発明の実施形態の他の照明装置の一部を拡大して示した図であって、同図（ａ）は正面図であり、同図（ｂ）はＣ−Ｃ矢視断面図である。 図１に示した照明装置の作用を示した説明図である。 この発明の他の実施形態の照明装置の作用を示した説明図である。 この発明の他の実施形態の照明装置の作用を示した説明図である。 この発明の他の実施形態の照明装置の作用を示した説明図である。 発光素子とＰＢＳアレイから成る偏光変換装置との配置関係を示した説明図である。

符号の説明

１ 照明装置
１１ ＬＥＤチップ
１２ 光源
１３ フライアイレンズ対
１４ レンズセル
１５ 空気ギャップ
１６ 反射体
１８ ロッドインテグレータ
１９ ロッドインテグレータ
３ 液晶表示パネル

Claims (20)

1. 固体発光素子がアレイ状に配置された光源と、各固体発光素子から出射された光を照明対象物へインテグレートして導くインテグレート手段と、を備えたことを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置において、各固体発光素子の光出射側にレンズセルを配置したことを特徴とする照明装置。
3. 請求項２に記載の照明装置において、前記レンズセルは各固体発光素子をモールドする樹脂にて一体的に成型されるか又は、前記モールド樹脂とは別個に形成され且つ当該モールド樹脂との間に樹脂層を介在させて設けられていることを特徴とする照明装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の照明装置において、前記レンズセルは互いに離間して壁面を有し、前記壁面が反射面をなすことを特徴とする照明装置。
5. 請求項４に記載の照明装置において、前記離間箇所に反射体を介在させたことを特徴とする照明装置。
6. 請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の照明装置において、前記インテグレート手段は光を受けて集光する第１のレンズ群と集光点に設けられた第２のレンズ群とから成り、前記レンズセルは固体発光素子からの光を前記第１のレンズ群に導くように構成されていることを特徴とする照明装置。
7. 請求項６に記載の照明装置において、前記レンズセルと前記第１のレンズ群とが密着していることを特徴とする照明装置。
8. 請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の照明装置において、前記レンズセルは固体発光素子からの光を集光するように構成され、前記インテグレート手段は前記レンズセルを経た光の集光点に設けられたレンズ群を備えて成ることを特徴とする照明装置。
9. 請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の照明装置において、各固体発光素子と各レンズセルとレンズ群の各レンズとが１対１で対応していることを特徴とする照明装置。
10. 請求項６乃至請求項９のいずれかに記載の照明装置において、偏光ビームスプリッタをアレイ状に配置して成る偏光変換装置を、前記インテグレート手段の光出射側に設けたことを特徴とする照明装置。
11. 請求項１０に記載の照明装置において、前記偏光ビームスプリッタは四角柱形状を有し、その長手方向を固体発光素子の長手方向に一致させていることを特徴とする照明装置。
12. 請求項２乃至請求項１１のいずれかに記載の照明装置において、前記インテグレート手段におけるレンズ群の各レンズを照明対象物のアスペクト比に一致又は略一致させたことを特徴とする照明装置。
13. 請求項２乃至請求項１２のいずれかに記載の照明装置において、前記レンズセルを照明対象物のアスペクト比に一致又は略一致させたことを特徴とする照明装置。
14. 請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の照明装置において、各固体発光素子のアスペクト比を照明対象物のアスペクト比に一致又は略一致させたことを特徴とする照明装置。
15. 請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の照明装置において、アナモフィックレンズを備え、このアナモフィックレンズに導かれる光束のアスペクト比は照明対象物のアスペクト比と相違し、アナモフィックレンズから出射される光束のアスペクト比が照明対象物のアスペクト比に一致又は略一致することを特徴とする照明装置。
16. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の照明装置において、前記インテグレート手段はロッドインテグレータから成ることを特徴とする照明装置。
17. 請求項１６に記載の照明装置において、前記ロッドインテグレータの光出射面を照明対象物のアスペクト比に一致又は略一致させたことを特徴とする照明装置。
18. 請求項１６に記載の照明装置において、前記ロッドインテグレータの光出射面側にアナモフィックレンズを備え、前記ロッドインテグレータの光出射面のアスペクト比は照明対象物のアスペクト比と相違し、アナモフィックレンズから出射される光束のアスペクト比が照明対象物のアスペクト比に一致又は略一致することを特徴とする照明装置。
19. 請求項１乃至請求項１８のいずれかに記載の照明装置において、照明対象物としてマイクロレンズを有しない透過型の液晶表示パネルを備えたことを特徴とする照明装置。
20. 請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載の照明装置を備え、入射光の光変調を行なう表示デバイスが前記照明対象物とされたたことを特徴とする投写型映像表示装置。

Images