JP2005084633A - 光源装置、投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化を実現することが可能で、しかも光の利用効率を高めることが可能な光源装置を提供する。
【解決手段】 光源装置１０は、複数の第１固体光源１４と、該第１固体光源１４の光軸１と交差する光軸２を備えた第２固体光源２１と、前記複数の第１固体光源１４のうち、隣合う各固体光源１４の光軸１の間に位置し、前記第２固体光源２１から射出される光の光軸方向を変換させる光軸変換部材４０と、を具備してなることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源装置、投射型表示装置に関し、特に半導体発光素子等の固体光源を備えた光源装置に関する。

光源装置から出射された光を液晶ライトバルブ等の光変調手段に入射させ、光変調手段にて変調された映像光を投射レンズ等によりスクリーンに拡大投射させて表示を行うプロジェクタ等の投射型表示装置が広く知られている。この投射型表示装置の光源装置に使用される光源として、ＬＥＤ光源等の固体光源が採用されている。このような固体光源は基板上に発光素子を載置させた構成を具備してなり、これらをアレイ状に２次元的に配列させて面光源を得ている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−５１６５１号公報

上記特許文献では、基板上に発光素子を載置させた固体光源を２次元的に配列させて光源装置を構成しているが、基板が発光素子に比べて比較的大きくしなければならない制約があるため、当該固体光源をアレイ状に複数配列させることにより、光源装置自体が大型化してしまう問題がある。その結果、ライトバルブに光を入射させる際に角度が大きくなってしまい、ひいては投射レンズの入射瞳による制約により光利用効率の低下も招く惧れがあった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、上述した固体光源自体の構成上の制約を変更することなく当該光源装置の小型化を実現することが可能で、しかも光の利用効率を高めることが可能な光源装置を提供することを目的としている。また、固定光源は発光により発熱を伴うが、このような場合にも該固体光源に対して冷却を容易に行うことが可能な構成を具備した光源装置を提供することを目的としている。さらに、本発明は、このような光源装置を具備した信頼性の高い投射型表示装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の光源装置は、複数の第１固体光源と、該第１固体光源の光軸と交差する光軸を備えた第２固体光源と、前記複数の第１固体光源のうち、隣合う各固体光源の光軸の間に位置し、前記第２固体光源から射出される光の光軸方向を変換させる光軸変換部材と、を具備してなることを特徴とする。

このような光源装置によると、第１固体光源の光軸間の隙間（照射量の少ない領域）に光軸変換部材を配設することで、光源装置内の領域を有効利用することができるようになり、しかも配設する光軸変換部材が第１固体光源とは射出する光の光軸の異なる第２固体光源の光軸を変換するものであるため、例えば第２固体光源からの光も当該光源装置の光源光として利用することが可能となる。その結果、従来の光源装置に比して、固体光源自体の構成を変更することなく、同じ輝度の光源光を得るのに小型の光源装置で済むこととなり、ひいては当該光源装置の小型化を図ることが可能となる。また、実質的に第１固体光源と第２固体光源とを異なる位置に配設することとなるため、各固体光源が分散配置され、それぞれの固体光源を冷却し易く、その結果、発光効率の低下を防止ないし抑制することができ、しかも該固体光源、ひいては光源装置の寿命を高めることが可能となる。

本発明の光源装置において、前記第１固体光源が、基板と、該基板上に載置された発光素子とを備えてなるものとすることができる。このように基板上に発光素子が載置されてなる固体光源は、発光素子よりも基板の方が大きくなる都合上、これを複数用いる場合には基板の大きさが発光効率の低下に繋がる場合がある。しかしながら、このような基板上に発光素子を具備する構成の場合にも、上述のような第２固体光源と光軸変換部材とを具備する構成を採用することで、いわゆる発光素子の光軸間の隙間を有効利用して、光利用効率を高めることができるのである。

前記複数の第１固体光源は、それぞれの光源から射出される光の光軸方向が略平行となるように配設されているものとすることができる。このように各第１固体光源から射出される光の光軸方向が略平行の場合には、上述した光軸間の隙間を一層有効利用することができるようになる。そして特に、前記複数の第１固体光源は、それぞれの光源が２次元のアレイ状に配列されているものとすれば、面光源の隙間部分を有効利用して、一層の光利用効率の向上を図ることが可能となる。

前記第２固体光源から射出された光の光軸は、前記光軸変換部材により前記第１固体光源の光軸方向と略同一の方向に変換されることを特徴とする。この場合、第１固体光源及び第２固体光源からの光をそれぞれ同一方向に指向させて光照射を行うことが可能となるため、光照射対象物（被光照射物）に対する照射効率が一層高いものとなる。

前記光軸変換部材は、例えば反射板にて構成することができる。この場合、例えば該反射板の反射面を曲面にて構成することで、光軸方向変換後の光を集光させることが可能となる。

また、前記光軸変換部材は、例えばダイクロイックミラーにて構成することもできる。この場合、前記第１固体光源と前記第２固体光源から射出される光の波長をそれぞれ異ならせ、例えば第１固体光源から射出される波長の光を透過する一方、第２固体光源から射出される波長の光を反射するダイクロイックミラーを適用することで、本発明の光軸変換部材を構成することが可能となる。また、上記反射板を用いた場合、当該反射板にて遮られる光が生じる可能性があるが、ダイクロイックミラーを適用した場合には遮られる光が実質的になくなり、当該光源装置の光利用効率を一層向上させることが可能となる。なお、ダイクロイックミラーを用いる場合、当該光源装置から射出される光源光は多少色純度が落ちることとなるが、明るさは第１固体光源のもの場合よりも遥かに向上させることができる。

さらに、前記光軸変換部材は、例えば回折格子にて構成することもできる。この場合、透過型又は反射型の回折格子のいずれをも採用可能で、該回折格子の回折特性に従って第２固体光源の配設位置を適宜設定すれば良い。

次に、本発明の投射型表示装置は、上述の光源装置を具備したことを特徴とする。具体的には、上記光源装置と、該光源装置から出射された光を変調する光変調装置と、該光変調装置により変調された光を投射する投射装置とを具備してなるものとすることができる。このような投射型表示装置は、光利用効率の優れた光源装置を具備してなるため、非常に明るい表示を実現することができる。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならせてある。

（光源装置）
図１は本発明の一実施形態としての光源装置について、その概略構成を示す模式図である。光源装置１０は、発光主体をなす主光源１１（アレイ状固体光源、固体光源群）と、該主光源１１の光軸１と交差する光軸２を備えた光を発光可能に配設された副光源２１とを備え、さらに副光源２１から射出された光の光軸２を、主光源１１の光軸１と略同一方向に変換するための反射板４０が具備されている。そして、このような各光源から射出された光はレンズアレイ６０を介して所定の被照明体（例えば液晶ライトバルブ等）に照射される構成とされている。

主光源１１は、複数のＬＥＤ固体光源（第１固体光源）１４がアレイ状に２次元的に配列されてなるもので、全体として面光源として機能している。各ＬＥＤ固体光源１４は、基板１２と、基板１２上に実装されたＬＥＤ発光素子１３とを備えて構成されており、各ＬＥＤ固体光源１４から射出される光の光軸１は略平行となるべく配列されている。

副光源２１は、第２固体光源（ＬＥＤ固体光源）として構成され、基板２２と、該基板２２上に実装されたＬＥＤ発光素子２３とを備えて構成されている。上述した通り、副光源２１は、自身が射出する光の光軸２が、主光源１１から射出される光の光軸１と交差するべく配置され、具体的には光軸１の外側であって、主光源１１の光照射方向と垂直に交わる方向に光照射方向を備える形にて、主光源１１の斜め前方側に２つ配設されている。

反射板４０は、主光源１１を構成する各ＬＥＤ固体光源１４のうち、隣合う光源１４，１４の光軸の間に配設され、副光源２１から射出される光の光軸２の方向を変換させる光軸変換部材として機能している。具体的には、副光源２１から射出された光の光軸２は、略９０°曲がって反射され、光軸２’となり、つまり主光源１１の光軸１と略平行となるように反射板４０が配設されている。なお、本実施の形態では、反射板４０の反射面が副光源２１の光軸２と略４５°交わる方向に指向するように配設されている。このような反射板４０としては、ガラス、樹脂、木板等の基材上にアルミニウム等の金属反射膜を形成したもの、そして更に該金属反射膜上にガラス等の透明板を積層した構成等の公知のものを採用することができる。

このような光源装置１０では、主光源１１の各ＬＥＤ固体光源１４の各光軸の間、すなわち主光源１１からの照射量の少ない領域に反射板４０を配設し、主光源１１と異なる領域に配設した副光源２１からの光を利用可能にした。その結果、従来の光源装置に比して、発光主体たる固体光源自体の構成を変更することなく、同じ輝度の光源光を得るのに小型の光源装置で済むこととなり、ひいては当該光源装置１０の小型化を図ることが可能となる。

つまり、各ＬＥＤ固体光源１４が基板１２上に発光素子１３を載置してなる構成であるため、発光素子１３よりも基板１２の方が大きくなる都合上、これを複数アレイ状に配列して用いる本実施形態では、基板１２が大きさが発光効率に影響を及ぼすこととなる。しかしながら、固体光源の設計上、基板１２の大きさを小さくするには限界があるため、これを解決すべく、本実施形態では主光源１１からの光の遮蔽を極力抑えることが可能な位置（すなわち各光軸１の間）に、副光源１２から射出される光を主光源１１の光軸方向に変換させる反射板４０を配設したことで、各ＬＥＤ固体光源１４の光軸間の隙間を有効利用して、光利用効率を高めることを可能としたのである。

なお、反射板４０は、主光源１１の各ＬＥＤ固体光源１４の光軸の間に配設されてなるため、主光源１１からの光を遮る効果は小さく（つまり主光源１１から反射板４０に向けて射出される光は少なく）、それ以上に、副光源２１からの光が、当該光源装置１０の照明効率を向上させている。

（投射型表示装置）
図２は本発明の一実施形態としての投射型表示装置について、その概略構成を示す拡大図であって、この図２に示した投射型表示装置７０は３板方式の例である。投射型液晶表示装置７０においては、赤色（Ｒ）の色光を発光し得るＬＥＤ光源をアレイ状に具備した主光源１１を備えるＬＥＤ光源１０ｒ、緑色（Ｇ）の色光を発光し得るＬＥＤ光源をアレイ状に具備した主光源１１を備えるＬＥＤ光源１０ｇ、青色（Ｂ）の色光を発光し得るＬＥＤ光源をアレイ状に具備した主光源１１を備えるＬＥＤ光源１０ｂの３個を別途光源として用いている。なお、各ＬＥＤ光源１０ｒ，１０ｇ，１０ｂとしては、それぞれ上述した実施形態の光源装置１０を採用しており、副光源１２及び反射板４０を備えて構成されている。

各ＬＥＤ光源１０ｒ，１０ｇ，１０ｂから射出された光は、レンズアレイ６０により集光され液晶ライトバルブ７５に照射される。つまり、レンズアレイ６０の出射側には、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色光を変調する液晶ライトバルブ７５がそれぞれ設けられている。そして、各液晶ライトバルブ７５によって変調された３つの色光が、クロスダイクロイックプリズム（色合成手段）７７に入射するように構成されている。このプリズム７７は４つの直角プリズムが貼り合わされたものであり、内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に形成されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光Ｌｒ、Ｌｇ、Ｌｂが合成されてカラー画像を表す光が形成される。色合成された光は投射レンズ７６によりスクリーン７９上に投射され、拡大された画像が表示される。

このような投射型表示装置７０においては、ＬＥＤ光源１０ｒ，１０ｇ，１０ｂについて、上記実施形態の光源装置１０を採用してなるため、発光効率が高く、小型化が図られ、信頼性の高い表示装置となる。

以下、光源装置の変形例について説明する。図３は、光軸変更部材として、その反射面を曲面状に構成した反射板４１を採用した光源装置１０１の概略構成図である。このような反射板４１を採用することで、光軸方向を変換した後の光を集光させることが可能となる。したがって、所定の領域に集中して光照射を行うことが可能となる。

次に、図４は、光軸変換部材として、ダイクロイックミラー４２を採用した光源装置１０２の概略構成図である。このようなダイクロイックミラー４２は、所定の波長領域の光を反射する一方、それ以外の波長領域の光を透過する特性を有しており、使用目的によって反射波長領域、透過波長領域を適宜設計することができるものである。そこで、本実施形態では、主光源１１からの光と副光源２１からの光とで、その波長を異ならせ、ダイクロ行くミラー４２において選択的に透過又は反射させることとしている。

具体的には、主光源１１から射出する光の波長を５０２ｎｍとし、副光源２１から射出する光の波長を５６０ｎｍとして、ダイクロイックミラー４２において主光源１１からの光を透過させ、副光源２１からの光を反射するものとしている。そして、ダイクロイックミラー４２にて反射した副光源２１からの光を、主光源１１からの光の光軸と略平行となるようにダイクロイックミラー４２の設置角度が設計されている。なお、この場合、当該光源装置１０２から射出される光源光は多少色純度が落ちることとなるが、明るさは主光源１１を単独で用いた光源装置よりも遥かに向上することとなる。

次に、図５は、光軸変換部材として、回折格子４５を採用した光源装置１０３の概略構成図である。この回折格子４５は透過型の回折格子であって、波長５５０ｎｍの光に対して屈折率１．５２を示すガラス製の回折格子である。また、格子周期は０．５９μｍ、格子深さは０．４７μｍ程度に設計されている。そして、当該回折格子４５の基板面を主光源１１の光軸１に対して２０°傾斜させる形にて配設し、該回折格子４５の基板裏面に対し基板法線方向から副光源２１からの光を入射させるものとしている。

このような回折格子４５を用いた場合にも、副光源２１から射出される光の光軸２を主光源１１から射出される光の光軸１の方向に屈折により変換することができるようになる。もちろん、この場合も回折格子４５は主光源１１から射出される光の各光軸１の間に配設するものとしているため、主光源１１から当該回折格子４５に入射する光は少なく、該主光源１１からの光が屈折して有効に利用できなくなることも殆どない。

次に、図６は、光軸変換部材として、回折格子４６を採用した光源装置１０４の概略構成図である。この回折格子４６は反射型の回折格子であって、波長５５０ｎｍの光に対して屈折率１．５２を示すガラス製の回折格子である。また、格子周期は０．５９μｍ、格子深さは０．２８μｍ程度に設計されている。そして、当該回折格子４６の基板面を主光源１１の光軸１に対して２０°傾斜させる形にて配設し、該回折格子４６の格子面側に対し法線方向から副光源２１からの光を入射させるものとしている。

このような回折格子４６を用いた場合にも、副光源２１から射出される光の光軸２を主光源１１から射出される光の光軸１の方向に屈折により変換することができるようになる。もちろん、この場合も回折格子４６は主光源１１から射出される光の各光軸１の間に配設するものとしているため、主光源１１から当該回折格子４６に入射する光は少なく、該主光源１１からの光が屈折して有効に利用できなくなることも殆どない。

以上、本発明の実施の形態を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。例えば、本実施形態では、ＬＥＤ光源に本発明の構成を採用したが、その他の固体光源に本発明の構成を採用することも可能で、また本発明の光源装置を３板式の投射型表示装置に採用する実施形態を示したが、単板式の投射型表示装置にも本発明の光源装置の構成を採用するも当然に可能である。

本発明の光源装置の一実施形態について概略構成を示す説明図。 本発明の投射型表示装置の一実施形態について概略構成を示す説明図。 図１の光源装置の一変形例を示す説明図。 図１の光源装置の一変形例を示す説明図。 図１の光源装置の一変形例を示す説明図。 図１の光源装置の一変形例を示す説明図。

符号の説明

１０…光源装置、１１…主光源（アレイ状固体光源、固体光源群）、１２…基板、１３…発光素子、１４…固体光源（第１固体光源）、２１…副光源（第２固体光源）、４０…反射板（光軸変換部材）

Claims (11)

1. 複数の第１固体光源と、
   該第１固体光源の光軸と交差する光軸を備えた第２固体光源と、
   前記複数の第１固体光源のうち、隣合う各固体光源の光軸の間に位置し、前記第２固体光源から射出される光の光軸方向を変換させる光軸変換部材と、
   を具備してなることを特徴とする光源装置。
2. 前記第１固体光源が、基板と、該基板上に載置された発光素子とを備えてなることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記複数の第１固体光源は、それぞれの光源から射出される光の光軸方向が略平行となるように配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記複数の第１固体光源は、それぞれの光源が２次元のアレイ状に配列されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光源装置。
5. 前記第２固体光源から射出された光の光軸は、前記光軸変換部材により前記第１固体光源の光軸方向と略同一の方向に変換されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光源装置。
6. 前記光軸変換部材が反射板にて構成されてなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光源装置。
7. 前記反射板の反射面が曲面にて構成されてなることを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
8. 前記光軸変換部材がダイクロイックミラーにて構成されてなり、前記第１固体光源と前記第２固体光源から射出される光の波長がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光源装置。
9. 前記光軸変換部材が回折格子にて構成されてなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光源装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光源装置を具備したことを特徴とする投射型表示装置。
11. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光源装置と、該光源装置から出射された光を変調する光変調装置と、該光変調装置により変調された光を投射する投射装置とを具備したことを特徴とする投射型表示装置。

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