JP2005183470A - 照明装置及びそれを用いた画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被照明領域を明るく照明すること。
【解決手段】光源からの光を被照明領域に照明する照明装置を、光源である複数の発光体としてのＬＥＤ１₁，１₂，１₃，１₄，１₅，…と、それら複数のＬＥＤそれぞれの発光量を制御する発光量制御手段１０と、上記ＬＥＤの出射光を上記被照明領域に伝達するそれぞれの光路の伝達率を変更可能な光伝達率変更手段１２とによって構成し、上記複数のＬＥＤの一部である所定数ｎのＬＥＤが所定期間Ｔにおいて定格駆動電流Ｉ-typで常時点灯する際の上記被照明領域における照明光量Ｐ-typよりも、上記所定数の発光体が上記所定期間Ｔにおいて上記定格電流より大きい駆動電流値で断続的に点灯する際の上記被照明領域における照明光量Ｐの方が大きくなるように、上記発光量制御手段１０は上記発光量を制御し且つ上記光伝達率変更手段１２は上記伝達率を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光体からの光を被照明領域に照明する照明装置、及び、そのような照明装置を用いた画像投影装置に関する。

従来、特定箇所に高率良く照明する集光照明装置、例えば車のヘッドライト、スタンド照明、スポットライト、懐中電灯、データプロジェクタ用照明ユニット等は、より点光源に近い発光源を反射形状が工夫された反射ユニットにより反射させ、また反射した光を光学レンズ等により光束の指向性を高め、効果的に集光照明を行おうとしているのが通常である。

一般照明と同様、これらの集光照明装置においても、装置そのもののサイズをさほど大きくせずに、より明るい照明光を得たいとする欲求は高い。より明るい照明光を得るためにサイズは大きくなる傾向にあるが、発光源の印加電力を大きくし出力を高め、同時にその集光性能を高めるために発光源に対し相対的に拡大した反射ユニット或いは光学レンズを適用するようにしている。従って、集光効率良く明るさを得ようとするには照明装置のサイズは必然的に発光源に対し大きくならざるを得ない。換言すれば、高出力で且つ点光源に近い小型発光源があれば、照明装置全体も小型化が可能となる。そのような要求から従来方式の発光源の小型化も進められており、特に高出力が可能な放電タイプによる小型発光源が現在有力な手段となっている。但し、小型放電タイプの発光源であっても回路規模を小さくすることが困難な高圧電源による駆動が必要であるなど、照明装置トータルとしての小型化に対する課題も多く、既にほぼ限界に近づいてきていると言われている。

一方、次世代小型発光源としてＬＥＤが昨今著しい注目を浴びている。これまでＬＥＤと言えば、小型、高耐性、長寿命などの長所はあるものの、その発光効率及び発光出力の制約から各種計器類用インジケータ照明や制御状態の確認ランプとしての用途が主であった。しかしながら近年発光効率が急速に改善されつつあり、従来最も高効率とされている放電タイプの高圧水銀ランプや蛍光燈ランプの発光効率を超えるのは時間の問題であると言われている。この高効率高輝度ＬＥＤの出現により、ＬＥＤによる高出力発光源が急速に実用性を帯びてきている。また最近になり従来の赤色、緑色に加えて青色ＬＥＤが実用段階を向かえたこともその応用を加速させている。事実、この高効率高輝度ＬＥＤを複数用いることにより、これまでは明るさ或いは効率の点で不可能であった交通信号灯、屋外用大型フルカラーディスプレイ、自動車の各種ランプ、携帯電話の液晶表示のバックライトへの実用化が始まっている。

集光性が求められる照明装置の有望な小型発光源としても、この高効率高輝度ＬＥＤの適用が考えられている。ＬＥＤは元来、寿命、耐久性、点灯速度、点灯駆動回路の簡易性の点で他の発光源とは優れた特徴を有している。とりわけ青色が加わり自発光の発光源として３原色が揃ったことは、フルカラー画像表示装置としての応用範囲が拡大された。集光性が求められる照明装置の典型例として例えば、これまで画像データから表示画像を形成し映し出すプロジェクタ表示装置（画像投影装置）では、白色系の発光源からカラーフィルタ等により所望する原色を分離し、各色毎に対応する画像データに対し、空間光変調を施し、それらを空間的または時間的に合成することによりカラー画像表示を可能にしてきた。白色系の発光源を用いる場合、所望する唯一の色を分離して利用するため、分離した色以外はフィルタによって無駄に捨てることになる場合も多い。その点、ＬＥＤは所望する色自体を発光するので必要なときに必要な量の発光が可能となり、従来の白色系発光源の場合に比して光を無駄にすることなく、効率良く発光源の光を利用することができる。

このようなＬＥＤの優れた適用条件に着目し、例えば、特許文献１や、特許文献２、特許文献３、等に、ＬＥＤを画像投影装置用の照明装置に適用した例が開示されている。これら公報に開示の技術では、複数のＬＥＤを構成することにより光量を確保し、個々の発光源からの一部の光束を光学レンズ等の光学素子により集光し、照射する変調デバイスとしての画像表示素子が許容する入射角に上手く納まるように光束制御するようにしている。一般に広く使われている液晶デバイスのような画像表示素子は、許容される入射角が小さいが故に、より平行性の高い光束を形成し照射されることが理想とされ、画像表示素子における光利用効率を高める上で非常に重要なポイントとなっている。

また、ＬＥＤの特性として、ＬＥＤの発光とともに発熱が生じて、この発熱の増加と反比例してＬＥＤの発光出力が低下するということが、一般的に知られている。そこで、特許文献４には、発熱防止として電流を制御することや、非発光時間を設ける駆動（パルス駆動）をして発光光量の維持を実現することが開示されている。
特開平１１−３２２７８号公報 特開平１１−３５２５８９号公報 特許第３１５９９６８号公報 特開平６−１３６５２号公報

しかしながら、ＬＥＤを照明装置の光源として使用する場合、そのＬＥＤの明るさは、ＬＥＤの最大定格電流であったり、ＬＥＤの集光特性であったり、発熱による発光光量の低下を生じる特性、等のＬＥＤ保有の特性に従って限界があり、照明装置の光源として使用するためには更なる改良改善が必要とされる。

また、前述のＬＥＤの集光特性に関しては、ＬＥＤが面発光源であり拡散光源と言う性質から、被照明領域（例えば画像表示素子）に照明するには、図１３（Ａ）又は（Ｂ）に示すように、ＬＥＤ１発光面から射出する光を、照明光学系２により集光して平行光とし又は集光レンズ３により集光して略平行光として、被照明領域４に照射することで光利用効率を上げることができるが、上述した特許文献１等に開示されているように複数のＬＥＤ光源を使用すると、各ＬＥＤに対応する照明光学系２又は集光レンズ３を備えなければならず、装置全体が大きくなってしまう課題が生ずる。

さらに、上述したような照明装置を使用して画像投影装置を構成した場合には、上述した照明装置の課題に加え、被照明領域となる上記画像表示素子の性能として、入射ＮＡと入射角度の制約がある。即ち、光利用効率を向上するためにＬＥＤの拡散光をできるだけ取り込む必要があり、これを行うためにはＬＥＤ光源に対応する照明光学系又は集光レンズの径を大きく構成することになるが、このように大きく構成した照明光学系又は集光レンズを複数化し並べて配置しようとすると、複数の集光光学系の面積が大きくなってしまい、上記画像表示素子の入射ＮＡと入射角度の制約により、性能を確保するためには、光利用効率と性能の両立が出来なくなり、そのため、ＬＥＤと集光光学系のセットの数を増やそうとしても限界が生じるという課題がある。

また、ＬＥＤの発熱による発光光量の低下を生じないために、上述した特許文献４に開示されているように、最大定格電流以下で発熱を感知しながら発光を行うことや、ＬＥＤを休ませながら発光させるということを行っているが、最大定格電流程度の発光光量を常時得られないという課題が生じる。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、集光性能が高く、高輝度且つ小型化を実現可能な照明装置、また、その照明装置を備えた同様の効果を得る画像投影装置を提供することを目的とする。

本発明の照明装置の一態様は、光源からの光を被照明領域に照明する照明装置において、光源である複数の発光体と、上記複数の発光体それぞれの発光量を制御する発光量制御手段と、上記発光体の出射光を上記被照明領域に伝達するそれぞれの光路の伝達率を変更可能な光伝達率変更手段とを具備し、上記複数の発光体の一部である所定数ｎの発光体が所定期間Ｔにおいて定格駆動電流Ｉ-typで常時点灯する際の上記被照明領域における照明光量Ｐ-typよりも、上記所定数の発光体が上記所定期間において上記定格電流より大きい駆動電流値で断続的に点灯する際の上記被照明領域における照明光量Ｐの方が大きくなるように、上記発光量制御手段は上記発光量を制御し且つ上記光伝達率変更手段は上記伝達率を制御することを特徴とする。

また、本発明の画像投影装置の一態様は、そのような照明装置と、上記照明装置の上記被照明領域に配設した画像表示素子と、上記画像表示素子の画像を拡大投影表示するための投影光学系とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、集光性能が高く、高輝度且つ小型化を実現可能な照明装置、また、その照明装置を備えた同様の効果を得る画像投影装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明するものであるが、その前に、本明細書中で使用する用語の定義をまず説明しておく。

即ち、用語「被照明領域」とは、画像投影装置（プロジェクタ）での照明装置における画像表示素子など、照明されるべき領域のことである。また、「光源」とは、光量を変更制御できる光源であり、主にＬＥＤなどの半導体光源を指す。「所定期間Ｔ」とは、画像投影装置での画像の変更周期などの所謂フレーム時間などを指し、照明装置において周期的な光量変動をした際に、視覚的に認識し難い周期の時間のことである。

一方、「光量」とは、所定期間Ｔあたりの積算した光量を示す。光源側で「発光量」、被照明領域の受光側で「照明光量」として使用する。但し、「照明光量」の場合、使用できる光量とし、例えば、ＬＣＤでは、入射光の入射ＮＡの制限があり、その制限の範囲にある光量を示すものとする。また、「明るさ」とは、光源の発光する光の瞬時的な強さを示し、上記「光量」とは識別して使用する。

次に、本発明の理解を助けるために、被照明領域を照明するＬＥＤの個数を増やしても明るい照明を得られないことについて、説明しておく。

複数のＬＥＤによって被照明領域を照明するにあたり、その照明光量が最大となる条件は、その複数のＬＥＤが発光する光が被照明領域に伝達する最適な位置にＬＥＤを固定し、それぞれ常時点灯で定格電流を供給することである。

しかし、画像投影装置などでＬＥＤ光源を使用した場合、現時点で販売されているＬＥＤでは、いくら並べても、画像投影装置として必要な５００ＡＮＳＩルーメン程度を得ることができない。

これは、ＬＥＤの発光量が得られないという理由の他に、以下に説明するような理由がある。

まず、光源としてのＬＥＤと光学手段との相対位置を固定した場合、ＬＥＤで変調デバイス（画像表示素子）などの被照明領域を照明する照明光学系は、図１４（Ａ）乃至（Ｃ）に示すような構成が考えられている。即ち、図１４（Ａ）では、被照明領域４に対して複数のＬＥＤ１で照明する場合で、光学手段は、途中の空気層である。図１４（Ｂ）では、光学手段として、ＬＥＤ１毎で直後のマイクロレンズ５と、各ＬＥＤ１の光を被照明領域４に重ね合わせる重ね合わせレンズ６とからなる。図１４（Ｃ）では、複数のＬＥＤ１を整列させ、その直後に全反射特性により側面で反射するガラス製のロッド７からなる光学手段を備えた例である。

これら図１４（Ａ）乃至図１４（Ｃ）の何れの例であっても、被照明領域４の光量は、光源（ＬＥＤ１）の明るさと、空気などを含めたすべての光路を含めた光学手段の伝達率とによって表すことができる。即ち、ＬＥＤ１の明るさをL_j、伝達率をＫ_j、所定期間をＴとしたとき、被照明領域４における所定期間Ｔあたりの照明総光量Ｐは、

と表すことができる。

また、具体的には、以下が比較的に明るく照明する方法である。即ち、ＬＥＤ１の明るさをL_j-typ（常時点灯によるＬＥＤの発光面での明るさ）、伝達率をＫ_j-stop（ＬＥＤを固定）、所定期間をＴとしたとき、被照明領域４における所定期間Ｔあたりの照明（総）光量Ｐ-typは、

である。

つまり、１つのＬＥＤ１が発光する光が被照明領域４に導かれる率をＫ_jとしたとき、被照明領域４での照明総光量Ｐは、各ＬＥＤ１が発光する光量Ｐ_j-typにそれぞれの伝達率Ｋ_jを乗じた光量Ｐ_jの合算である。

しかしながら、被照明領域４が画像表示素子としてのＬＣＤであった場合には、その被照明領域４で使用できる光は、当該被照明領域４に導かれる光の全てを利用することはできず、斜入射した光は利用できない場合がある。上記Ｋ_jは、被照明領域４に伝達する率として説明したが、このような場合には、光源が発光した光が、被照明領域４で有効に利用できる光の率ということになる。つまり、ＬＥＤ１を並べれば並べる程、被照明領域４で有効に使用できる光量が増えるということではなく、所定数以上並べても有効に使用できる光を得ることができないことになる。すると、その所定数並べたＬＥＤ１で被照明領域４を照明するにあたり、ＬＥＤ１を定格電流で常時点灯し、そのＬＥＤ１を固定した場合に、最も明るく照明することができるということになる。

以上は、常時点灯の場合であるが、ＬＥＤは、常時発光とパルス発光の両方に適応できる。ＬＥＤ１をパルス発光させた場合には、そのパルス発光の発光時間中は、常時点灯よりも明るい光を発光できる。しかしながら、パルス発光の周期以上の視覚的に安定して照明光量を視認できる所定期間Ｔで継続的に発光する場合には、常時発光時よりパルス発光時を明るくすることはほとんどできない。即ち、継続的に被照明領域４を照明するにあたり、所定期間Ｔの間の被照明領域４の照明光量が、ＬＥＤ１の定常発光よりパルス発光の方が明るくすることが難しい。

ＬＥＤを固定し且つ光路を固定した場合での被照明領域への照明において、ＬＥＤの発光量制御によって被照明領域を最大の光量を得ることができるのは、パルス発光の場合でなく、常時点灯で定格電流を供給して発光して照明した場合である。

一方、光源を移動させることで被照明領域４での光量を変化させることができる。即ち、光源の位置によって、被照明領域４に伝達する伝達率が変化する。例えば、図１４（Ｃ）のような構成において、同図に示すように３つのＬＥＤ１がロッド７の入射口位置にあるときには被照明領域４が最大光量となるが、それらＬＥＤ１を例えば図中上方向に移動させていくと、ロッド７に入射する一番上のＬＥＤからの光が減っていくので、被照明領域４の光量が減少していくことになる。

以上のように、発光するＬＥＤ１の数を増やして明るく照明しようとしても、そのＬＥＤ１の光を被照明領域４に有効に伝達するに相応しいＬＥＤ位置が限定されることより、増やしたＬＥＤの光を被照明領域４に伝達率を高くして導くことがし難くなるという課題がある。

本発明は、そのような課題を解決する上記「照明光量が最大となる条件」つまり「複数のＬＥＤが発光する光が被照明領域に伝達する最適な位置にＬＥＤを固定し、それぞれ常時点灯で定格電流を供給すること」で得られる被照明領域４での光量よりも、明るい照明を得る照明装置を提供しようとするものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係る照明装置の機能構成モデルを示す図である。

この照明装置は、光源である複数の発光体（ＬＥＤ１₁，１₂，１₃，１₄，１₅，…）と、該複数のＬＥＤそれぞれの発光量を制御する発光量制御手段１０と、上記ＬＥＤの出射光を被照明領域に伝達するそれぞれの光路の伝達率を変更可能な光伝達率変更手段１２とから構成されている。ここで、上記複数のＬＥＤ１₁，１₂，１₃，１₄，１₅，…の一部である所定数ｎのＬＥＤが所定期間Ｔにおいて定格駆動電流Ｉ-typで常時点灯する際の上記被照明領域における照明光量Ｐ-typよりも、上記所定数の発光体が上記所定期間Ｔにおいて上記定格電流より大きい駆動電流値で断続的に点灯する際の上記被照明領域における照明光量Ｐの方が大きくなるように、上記発光量制御手段１０は上記発光量を制御し且つ上記光伝達率変更手段１２は上記伝達率を制御する。そのため、上記発光量制御手段１０と上記光伝達率変更手段１２とは、同期信号により互いに同期して動作する。なお、この同期信号は、図では両方向の矢印で示したが、発光量制御手段１０と光伝達率変更手段１２とが同期するように制御できれば、一方向であっても良い。

ここで、上記発光量制御手段１０は、上記光伝達率変更手段１２が上記それぞれの光路の伝達率を周期的に制御した上記伝達率に応じて、上記ＬＥＤを断続的に発光させる際の発光タイミングと発光時間と駆動電流値との３つを連係して制御するものである。

また、上記光伝達率変更手段１２は、例えば、上記複数のＬＥＤ１₁，１₂，１₃，１₄，１₅，…に対して相対的に移動することで、光路の伝達率を変更するものであり、その相対移動のための駆動部１４を備えている。

図１（Ｂ）は、このような構成の照明装置を用いた、本発明の第１実施形態に係る投影表示装置の機能構成モデルを示す図である。

この投影表示装置は、上記複数の発光体（ＬＥＤ１₁，１₂，１₃，１₄，１₅，…）、発光量制御手段１０、及び光伝達率変更手段１２からなる照明装置と、該照明装置の被照明領域４に配設した画像表示素子としてのＬＣＤ１６と、該ＬＣＤ１６の画像を拡大投影表示するための投影光学系１８と、投影表示すべき影像信号に応じて上記発光量制御手段１０及びＬＣＤ１６を制御する表示制御手段２０とから構成されている。

図２は、上記照明装置における複数の発光体と光伝達率変更手段１２の具体的な構成例を示す図である。同図の構成例では、発光体として１８個の赤のＬＥＤ１₁，１₂，…，１₁₈と、それぞれのＬＥＤをリング状に並べた支持部材２２と、その支持部材２２を回転可能にするモータ２４とを備え、更に、該リング状に配置された所定の位置のＬＥＤが発光する光をレンズ２６によって被照明領域４のＬＣＤ１６に集光する構成となっている。なお、上記光伝達率変更手段１２は、上記支持部材２２と、モータ２４と、該モータ２４の駆動部（モータの回転制御も含む）と、光路としての、集光領域２８を被照明領域４に結像するレンズ２６とからなる。

このような構成において、上記１８個のＬＥＤ１₁，１₂，…，１₁₈を全て定格電流で常時点灯させた場合に、被照明領域４を最大に明るく照明するためには、上記レンズ２６が被照明領域４に集光できる集光領域２８である上記「該リング状に配置された所定の位置」に、１つのＬＥＤを配置することである。即ち、

となり、集光領域２８に固定した１つのＬＥＤを定格電流で常時点灯した際に、最大光量が得られる。なおここで、Ｋ₁-stopは、そのＬＥＤが発光した光がレンズ２６を介して被照明領域４に集光される伝達率を示す。

即ち、図３に示すような構成で、ＬＥＤ１を定格電流で定常発光した場合と同意である。

ＬＥＤに供給する電流に対する明るさは、常時発光時に定格電流Ｉ-typで発光する際の明るさＬ-typに対して大きな明るさＬ-pulseが得られる。その関係を図４に示す。このグラフは、横軸にデューティ比、縦軸にＬ-typに対する発光倍率を取り、
発光倍率×Ｌ-typ＝（Ｉ-pulse／Ｉ-typ）0.6
（但し、（I-pulse／Ｉ-typ）＜４０でそれ以上は４０に限定）
をグラフ化したものである。

即ち、供給電流倍率Ｉ-pulse／Ｉ-typは、ＬＥＤ個々のパルス発光の発光時間と周期の比を示すデューティによって、Ｉ-pulseの上限とするものとする。この上限は、ＬＥＤ個々の特性によって異なる。ここでは、デューティＴ_p／Ｔの逆数Ｔ／Ｔ_p＝Ｉ-pulse／Ｉ-typとして、Ｉ-pulseの上限を規定するものとする。また、Ｉ-pulse／Ｉ-typが４０倍以上の特性が示されていないのは、ＬＥＤを故障させるなどのために、供給できないものとする。そこで、デューティＴ_p／Ｔの逆数Ｔ／Ｔ_pが４０倍以上の際には、Ｉ-pulse／Ｉ-typ＝４０として、Ｉ-pulseを設定するものとする。

図２に示した構成で、上記照明光量Ｐ-typよりも明るい照明光量を得るため照明方法を以下に示す。

今、ＬＥＤのチップサイズを１ｍｍ角、リングの半径ｒをｒ＝５０ｍｍとすると、円周は２×π×ｒより３１４ｍｍであり、ＬＥＤ間ピッチは１７．４ｍｍとなる。また、回転速度を３６０ｒｐｍ（＝６０ｒｐｓ）とすると、ある１つのＬＥＤが集光領域２８に到達する周期Ｔ_fは、０．９３ｍＳ（＝１／（６０×１８））となる。

ここで、集光領域２８を１ｍｍ角とし、ＬＥＤはこの集光領域２８にかかる前後１ｍｍの間発光するとすると、図５に示すような発光タイミングで各ＬＥＤ１₁，１₂，…，１₁₈が発光されることとなる。即ち、各ＬＥＤの発光は、被照明領域４を照明する光の発光比率Ｔ_p／Ｔ_fが２／１７．４のパルス発光となる。その際の発光倍率は、ＬＥＤ個々のパルス発光のデューティが２／３１４であることより、図４に示す関係から、９倍となる。

よって、この場合には、

となり、上記照明光量Ｐ-typよりも暗くなってしまう。

そこで、ＬＥＤのチップサイズを１ｍｍ角、リングの半径をｒ＝１０ｍｍに構成する。この場合、円周は２×π×ｒより６２．８ｍｍで、ＬＥＤ間ピッチは３．５ｍｍとなる。なお、回転速度は３６０ｒｐｍ、集光領域２８にＬＥＤが到達する周期Ｔ_fは０．９３ｍＳのままとし、また、集光領域２８を１ｍｍ角、ＬＥＤはこの集光領域２８にかかる前後１ｍｍの間発光するとする。

このような場合には、図６に示すようなタイミングで発光が行われ、各ＬＥＤの発光は発光比率Ｔ_p／Ｔ_fが２／３．５のパルス発光となる。その際の発光倍率は、ＬＥＤ個々のパルス発光のデューティが２／６２．８であることより、図４の関係から７．９１倍となる。よって、被照明領域４での明るさは、

となり、上記照明光量Ｐ-typよりも明るくすることができる。

このように、ＬＥＤ１₁，１₂，…，１₁₈を支持する支持部材２２を小さくし、ＬＥＤ間隔を狭めることで、明るく照明することができる。

即ち、ＬＥＤを定格電流Ｉ-typよりも大きい電流でパルス発光させ、そのパルス発光するＬＥＤを順次移動させＬＥＤ毎の光を被照明領域４に伝達する伝達率を変更すると共に、発光するＬＥＤを切り替え、更に、そのＬＥＤの切り替える時間を所定時間より短くすることで、Ｐ-typよりも明るく照明することができる。

また、集光領域２８が２ｍｍ角である場合には、以下のようになる。

ここで、ＬＥＤは集光領域２８にかかる前後１ｍｍの間発光するとすると、発光比率Ｔ_p／Ｔ_fが３／３．５のパルス発光となる。その際の発光倍率は、ＬＥＤ個々のパルス発光のデューティが、３／６２．８であることより、図４の関係より７．９１倍となる。従って、被照明領域４での明るさは、

となり、上記照明光量Ｐ-typよりも明るくすることができる。

このように、集光領域２８が広い面積である伝達率がＫ-stopの大きさに近い領域が広い場合ほど、Ｐ-typよりも明るくすることができる。

但し、被照明領域４が所定面積、入射光の許容角度が所定角度である時に、集光領域２８を所定面積から広い面積にしたとしても、エタンデュを考慮すると、明るくなるということではない。即ち、ＬＥＤのチップ面積よりも広い集光領域２８に所定数のＬＥＤを固定して定格電流で常時点灯する際の被照明領域４での所定期間での光量Ｐ-typに対して、ＬＥＤを定格電流Ｉ-typよりも大きい電流でパルス発光させ、そのパルス発光するＬＥＤを順次移動させＬＥＤ毎の光を被照明領域４に伝達する伝達率を変更すると共に、発光するＬＥＤを切り替え、更に、該伝達率の変更する際の伝達率が高い状態の時間が長いほど、明るく照明することができる。

更に、図２のモータ２４をステッピングモータとして、支持部材２２がステップ的に高速に回転できるものとすると、図７（Ａ）又は（Ｂ）に示すように、ＬＥＤ毎の伝達率が高い位置での時間を長くすることができるため、明るくすることができることになる。

また、支持部材２２に支持されるＬＥＤの個数を３個とした場合には、以下のようになる。

即ち、この場合、３個のＬＥＤを全て定格電流で常時点灯させた場合において、被照明領域４を最大に明るくするためには、上記レンズ２６が被照明領域４に集光できる集光領域２８である上記「該リング状に配置された所定の位置」に１つのＬＥＤを配置することとなる。

即ち、

となり、集光領域２８に固定した１つのＬＥＤを定格電流で常時点灯した際に、最大光量が得られる。なおここで、Ｋ₁-stopは、そのＬＥＤが発光した光がレンズ２６を介して被照明領域４に集光される率を示す。

つまり、図３の構成で、ＬＥＤを定格電流で定常発光した場合と同意である。

このような３個のＬＥＤを配置した場合において、Ｐ-typよりも明るい照明光量を得るため照明方法を以下に示す。

即ち、ＬＥＤのチップサイズを１ｍｍ角、リングの半径をｒ＝４ｍｍとすると、円周は２×π×ｒより２５．１２ｍｍであり、ＬＥＤ間ピッチは８．３７ｍｍとなる。また、回転速度を３６０ｒｐｍとすると、集光領域２８にＬＥＤが到達する周期Ｔ_fは５．５６ｍＳとなる。

ここで、集光領域２８を２ｍｍ角とし、ＬＥＤはこの集光領域２８にかかる前後１ｍｍの間発光するとすると、図８に示すような発光タイミングで各ＬＥＤ１₁，１₂，１₃が発光されることとなる。即ち、各ＬＥＤの発光は、被照明領域４を照明する光の発光比率Ｔ_p／Ｔ_fが３／８．３７のパルス発光となる。その際の発光倍率は、ＬＥＤ個々のパルス発光のデューティが、３／２５．１２であることより、図４の関係から３．５８倍となる。

よって、被照明領域４での明るさは、

となり、Ｐ-typより暗くなる。

そこで、各ＬＥＤが集光領域２８の２ｍｍ角内でのみ発光するように、発光時間を減らす。

そのようにすると、図９に示すようなタイミングで発光が行われ、各ＬＥＤの発光は、被照明領域４を照明する光の発光比率が２／８．３７のパルス発光となる。その際の発光倍率は、ＬＥＤ個々のパルス発光のデューティが２／２５．１２であることより、図４の関係より４．５６倍となる。

従って、被照明領域４での明るさは、

となり、Ｐ-typより明るくすることができる。

これは、集光領域２８にＬＥＤのチップが全て収まるＬＥＤ位置でのみパルス発光することで伝達率の高い位置（時間）でのみ効率良く発光することと、個々のＬＥＤのパルス発光のデューティ（発光／周期）を小さく（非発光時間を長く）したことによる発光倍率を上げるようにしたこととによって、Ｐ-typよりも明るい照明を得ることができたというものである。

なお、光伝達率変更手段１２は、図２に示したような複数のＬＥＤを回転移動する構成に限定するものではない。

図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ＬＥＤを固定したまま順次パルス発光し、その点灯に応じて光伝達率変更手段であるミラーが回転し、被照明領域４を照明するようにしても良い。

即ち、同図に示す照明装置では、回転軸３０に連結したミラー３２が一体化されている。回転軸３０は回転軸受け３４によって支持され、モータ２４と連結されている。このモータ２４により、上記ミラー３２が図示矢印方向に高速に回転できる機構となっている。

一方、上記回転軸３０を共通の中心軸として、ドラム形状のドラム支持部材３６が図の如く固定化されて形成され、発光体としてのＬＥＤ１が該ドラム支持部材３６の内側の側面に沿って２段を成して密に配設されている。なお、図１０（Ａ）では、ＬＥＤ１それぞれの発光色の違いをハッチングを異ならせることで表わしており（従って、ハッチングして示す部分は断面を表わすものではない）、図１０（Ｂ）では、簡略化のため、ＬＥＤ１それぞれを描く代わりに、同一色を連続に配列し、円周が設定する色毎（異なる破線のハッチングにより示す）で区分され、一回転する過程で赤（Ｒ）色、緑（Ｇ）色、青（Ｂ）色の順に発光する光の色が切り替わるＬＥＤ列３８Ｒ，３８Ｇ，３８Ｂとして描いてある。

また、２セットの集光レンズ４０が、上記ミラー３２と連動して回転移動可能なように、上記回転軸３０と一体化された回転支持部材４２により支持されている。なお、ＬＥＤ１を配設する段数及び集光レンズ４０のセット数は同一であることが基本的であるが、その数についてはこの限りではなく、必要に応じて適切なる数が設定されれば良い。

このような構成において、上記ミラー３２の一回転に対し、１フレームのカラー画像に必要な３原色のフィールド画像を生成可能な照明光を得ることができるようになっている。つまり、ドラム支持部材３６に配設されたＬＥＤ１は、時分割に順次発光を繰り返し、内周の側面を周回するように連鎖的発光を行なう（発光ポイント４４が周回する）。この場合、ミラー３２が回転動作を行なうと、それに同期するようにして対応関係にあるＬＥＤ１が発光を行なうように、発光量制御手段１０により発光制御がなされる。即ち、発光したＬＥＤ１の光がミラー３２に反射され集光されて、光学レンズ４６を介して被照明領域４に射出される構成関係を成している。

即ち、上記ミラー３２が回転動作を行なうと、それに同期するようにして対応関係にあるＬＥＤ１が発光を行なうように発光制御がなされるが、発光するＬＥＤ１からの光を良好に取り込める配置関係に集光レンズ４０が設けられている。即ち、発光したＬＥＤ１の光が集光レンズ４０で一旦集光されて、ミラー３２に反射され光路を曲げ、光学レンズ４６を介して被照明領域４に射出される構成関係を成している。

このように、光伝達率変更手段１２は、ＬＥＤを回転させないで、ミラー３２やロッドなどの導光部材を回転させて伝達率を変更するようにしても良い。即ち、ＬＥＤと導光部材とを相対的に移動させるようにし、伝達率を変更するようにすれば良い。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。

上記第１実施形態では、光伝達率変更手段１２において、機械的な駆動により光伝達するＬＥＤを切り替えていたのに対し、本第２実施の形態では、電気的に切り替えるようにしたものである。

即ち、光伝達率変更手段１２は、モータ２４などの機械的な駆動によって、光源、或いは、導光部材を移動させるものに限定するものではない。液晶などの電気的な駆動と偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）やＸプリズムなどの光学的な合成手段とによって、光伝達率変更手段１２を構成するようにしても良く、以下で説明する。

即ち、本第２実施形態における光伝達率変更手段１２は、モータなどの機械的な回転機構を含まない例を示す。これは、光伝達率変更手段１２が、液晶などの反射と透過を切替可能なデバイスを備えていれば良い。その制御方法は、電気的に駆動する液晶に限られるものではない。例えば、光書き込み型変調デバイスなど、光学的に透過と反射を制御可能なものであっても良い。

図１１（Ａ）は、本発明の第２実施形態に係る照明装置の構成を示す図である。即ち、この照明装置は、２つのＬＥＤ１₁，１₂と、その２つのＬＥＤ１₁，１₂の光を集光するそれぞれの光学レンズ４６₁，４６₂と、各々の光を２つの異なった入り口から入射し、それぞれの入り口からの光のそれぞれ異なった方向の偏光光を被照明領域４の方向に導くＰＢＳ４８と、該ＰＢＳ４８から射出する異なった方向の偏光光を電気的な制御によって選択して透過する液晶５０と、該液晶５０を制御する液晶駆動部５２とから構成されている。

ここで、液晶５０は、一方の偏光光のみを透過する偏光板を含むものとする。また、ＰＢＳ４８と液晶５０とは、光伝達切替部５４として機能するものであり、光伝達率変更手段１２は、該光伝達切替部５４と光学レンズ４６₁，４６₂などの光学系とによって構成される。

また、図１１（Ｂ）は、このような構成の照明装置のタイミングチャートである。

ＬＥＤを隣接して配列しようとした場合、ＬＥＤチップ周辺のパッケージなどが邪魔して密に配列できないという課題があり、光伝達率変更手段１２が機械的な駆動の場合、ＬＥＤの切り替えに時間を要する。

それに対して、本第２実施形態では、そのようなＬＥＤの切り替え時間は液晶５０の応答速度で決定されるものであり、液晶５０の高速化に伴い、光伝達率の高い時間を維持した光伝達率変更手段１２によって、より明るい照明装置を得ることができる。なお、図１１（Ｂ）における被照明領域の明るさの波形で、ハッチングして示す部分が、液晶駆動の応答に伴う伝達率低下による光量損失を表しており、液晶５０の応答速度が高速になればなるほど、この光量損失部分を少なくすることができる。

図１２（Ａ）は、本第２実施形態の変形例として、４つのＬＥＤ１₁，１₂，１₃，１₄を使って被照明領域４を照明する照明装置の構成を示す図である。これは、図１１（Ａ）の構成で説明した光伝達切替部５４と光学系との組み合わせによって、４つのＬＥＤからの光を切り替えて被照明領域を照明するようにしたものである。即ち、光伝達切替部は５４₁，５４₂，５４₃の３つを備えるもので、２つのＬＥＤの光を切り替える２つ光伝達切替部５４₁，５４₂と、それぞれの出射光を切り替える１つの光伝達切替部は５４₁，５４₃の３つである。そして、それら光伝達切替部５４₁，５４₂，５４₃の液晶５０₁，５０₂，５０₃を制御して１つのＬＥＤの光を被照明領域４に導くようにしている。

図１２（Ｂ）は、このような構成の照明装置のタイミングチャートである。なお、ＬＥＤ１₃及びＬＥＤ１₄に関する波形は省略してある。

液晶５０₁、液晶５０₃をＰ設定に固定することで、ＬＥＤ１₁のＰ偏光光が被照明領域４を照明することになる。その際、他のＬＥＤ１₂，１₃，１₄を仮に発光したとしても、被照明領域４を照明することができない。即ち、それらについての伝達率は０である。

その設定において、被照明領域４を明るく照明する方法は、ＬＥＤ１₁のみ常時発光の定格電流Ｉ-typにて発光させ、照明することである。

即ち、ＬＥＤ１₁を定格電流Ｉ-typ（明るさＬ1-typ）で発光させ、レンズとＰＢＳ４８₁と液晶５０₁とＰＢＳ４８₃と液晶５０₃とを介して、伝達率Ｋ₁-stopで被照明領域４を照明する際に、液晶５０₁，５０₃の駆動なしに最も明るく照明することができ、その際の被照明領域４の明るさがＰ-typである。

それに対し、図１２（Ｂ）のように各液晶５０₁〜５０₃と各ＬＥＤ１₁〜１₄を制御することで、以下のような照明光量Ｐで被照明領域４を照明することができる。

即ち、被照明領域４での明るさは、

となり、上記Ｐ-typより明るくすることができる。

ここで、上記数１２を解説する。

発光倍率は、Ｔ／Ｔ_pが約４であることにより、Ｉ-pulse＝４×Ｉ-typに対応した図４より、２．３×Ｌ-typである。

発光比率Ｔ_p／Ｔ_fは、図１２（Ｂ）にあるように、０．９として、液晶駆動の応答に伴う伝達率低下の比は、図１２（Ｂ）の液晶５０₁，５０₂，５０₃の透過率の変化特性を考慮して、図中の光量損失分を約１／４として、損失分を除く３／４とし、Ｋ₁-stopに対して３／４であるとした。

本第２実施形態は、上記第１実施形態におけるモータ駆動によるＬＥＤの移動に伴う伝達率の低下と比較して、液晶の駆動に伴うその応答性能に係わる伝達率の低下に伴う光量低下と非照明時間による光量低下との両方による光量低下を上回ったパルス発光時における発光倍率による光量増加をするように制御するものである。

以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。

例えば、本発明の照明装置による画像投影装置を写真用露光装置、カラーコピー機、カラープリンタ、リライタブル電子ペーパー記録装置などにおける画像を投影する構成部分に応用すれば、カラー調整が容易であるが故に有効な画像形成手段となり得る。

（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る照明装置の機能構成モデルを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の照明装置を用いた本発明の第１実施形態に係る投影表示装置の機能構成モデルを示す図である。 第１実施形態に係る照明装置における複数の発光体と光伝達率変更手段の具体的な構成例を示す図である。 集光領域に固定した１つのＬＥＤを定格電流で常時点灯したときの等価的な光学的構成を示す図である。 デューティ比と常時発光時に定格電流Ｉ-typで発光する際の明るさＬ-typに対する発光倍率との関係を表すグラフを示す図である。 ＬＥＤ個数を１８個、ＬＥＤチップサイズを１ｍｍ角、リング半径を５０ｍｍ、回転速度を３６０ｒｐｍ、集光領域を１ｍｍ角、集光領域にかかる前後１ｍｍの間ＬＥＤが発光するとした場合のタイミングチャートを示す図である。 ＬＥＤ個数を１８個、ＬＥＤチップサイズを１ｍｍ角、リング半径を１０ｍｍ、回転速度を３６０ｒｐｍ、集光領域を１ｍｍ角、の集光領域にかかる前後１ｍｍの間ＬＥＤが発光するとした場合のタイミングチャートを示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれステッピングモータを用いた場合のタイミングチャートを示す図である。 ＬＥＤ個数を３個、ＬＥＤチップサイズを１ｍｍ角、リング半径を４ｍｍ、回転速度を３６０ｒｐｍ、集光領域を２ｍｍ角、集光領域にかかる前後１ｍｍの間ＬＥＤが発光するとした場合のタイミングチャートを示す図である。 ＬＥＤ個数を３個、ＬＥＤチップサイズを１ｍｍ角、リング半径を４ｍｍ、回転速度を３６０ｒｐｍ、集光領域を２ｍｍ角、集光領域にかかる前後２ｍｍの間ＬＥＤが発光するとした場合のタイミングチャートを示す図である。 （Ａ）は第１実施形態に係る照明装置における複数の発光体と光伝達率変更手段の具体的な構成の別の例を示す背面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢＢ’線矢視断面図である。 （Ａ）は本発明の第２実施形態に係る照明装置の構成を示す図であり、（Ｂ）はこの照明装置のタイミングチャートを示す図である。 （Ａ）は第２実施形態に係る照明装置の変形例の構成を示す図であり、（Ｂ）はこの照明装置のタイミングチャートを示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれＬＥＤを光源として用いた従来の照明装置の構成を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）はそれぞれＬＥＤと光学手段との相対位置を固定した場合の照明光学系の構成例を示す図である。

符号の説明

１，１₁〜１₁₈…ＬＥＤ、 ４…被照明領域、 １０…発光量制御手段、 １２…光伝達率変更手段、 １４…駆動部、 １６…ＬＣＤ、 １８…投影光学系、 ２０…表示制御手段、 ２２…支持部材、 ２４…モータ、 ２６…レンズ、 ２８…集光領域、 ３０…回転軸、 ３２…ミラー、 ３４…回転軸受け、 ３６…ドラム支持部材、 ３８Ｒ，３８Ｇ，３８Ｂ…ＬＥＤ列、 ４０…集光レンズ、 ４２…回転支持部材、 ４４…発光ポイント、 ４６，４６₁，４６₂…光学レンズ、 ４８，４８₁〜４８₃…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、 ５０，５０₁〜５０₃…液晶、 ５２…液晶駆動部、 ５４，５４₁〜５４₃…光伝達切替部。

Claims (10)

1. 光源からの光を被照明領域に照明する照明装置において、
   光源である複数の発光体と、
   前記複数の発光体それぞれの発光量を制御する発光量制御手段と、
   前記発光体の出射光を前記被照明領域に伝達するそれぞれの光路の伝達率を変更可能な光伝達率変更手段と、
   を具備し、
   前記複数の発光体の一部である所定数ｎの発光体が所定期間Ｔにおいて定格駆動電流Ｉ-typで常時点灯する際の前記被照明領域における照明光量Ｐ-typよりも、前記所定数の発光体が前記所定期間Ｔにおいて前記定格電流より大きい駆動電流値で断続的に点灯する際の前記被照明領域における照明光量Ｐの方が大きくなるように、前記発光量制御手段は前記発光量を制御し且つ前記光伝達率変更手段は前記伝達率を制御することを特徴とする照明装置。
2. 前記発光量制御手段は、前記光伝達率変更手段が前記それぞれの光路の伝達率を周期的に制御した前記伝達率に応じて、前記発光体を断続的に発光させる際の発光タイミングと発光時間と駆動電流値との３つを連係して制御することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記発光量制御手段は、同時発光する発光体の個数をｎ、同時発光するｎ個の各発光体の番号をｊ、ｎ個の各発光体のパルス時供給電流Ｉ_j-pulseでの明るさをＬ_j（ｔ）、ｎ個の各発光体の光が前記光伝達率変更手段を介して前記被照明領域に導かれる光量の比をＫ_j（ｔ）、ｎ個の各発光体の常時点灯における定格電流Ｉ_j-typでの明るさをＬ_j-typ、前記照明光量Ｐ-typを最大にする前記光路変更手段が時間的な変更をしない最適な光量の比をＫ_j-stop、所定期間をＴとしたとき、
   

   

   の条件式を満足するように、前記複数の発光体のそれぞれにおける前記発光タイミングと発光時間と駆動電流値とを制御することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記発光量制御手段は、前記定格電流Ｉ-typより大きい駆動電流で前記発光体を発光させた際の発光倍率によって増加する照明光量を、前記光伝達率変更手段に伴う光伝達率の低下によって減少する照明光量よりも大きくさせることで前記条件式を満足するように、前記発光タイミングと発光時間と駆動電流値との３つを連係して制御することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
5. 前記光伝達率変更手段は、前記複数の発光体が点灯し射出した光を、前記複数の発光体に対して相対的に移動しながら取り込む光取込部を有し、
   前記発光量制御手段は、前記所定数ｎ、前記複数の発光体の配置間隔、前記発光体の発光面の大きさ、前記光取込部の移動速度、及び前記出射光を取り込む範囲の大きさに応じて、前記発光タイミングと発光時間と駆動電流値との３つを連係して制御する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
6. 前記光伝達率変更手段に伴う光伝達率の低下は、前記光取込部が前記複数の発光体に対する相対的な移動に伴うものであることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
7. 前記光伝達率変更手段は、前記複数の発光体が点灯し射出した光を伝達する光伝達切替部を有し、
   前記発光量制御手段は、前記所定数ｎ、前記複数の発光体の配置間隔、前記発光体の発光面の大きさ、前記光伝達切替部の切替タイミングに応じて、前記発光タイミングと発光時間と駆動電流値との３つを連係して制御する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
8. 前記光伝達切替部は、
   前記複数の発光体が射出した出射光が入射する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタを透過または反射した光を所定の偏向方向となるように選択的に偏光する偏波面偏光手段と、
   からなることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
9. 前記光伝達率変更手段に伴う光伝達率の低下は、前記偏光ビームスプリッタによる光の伝達ロスと、前記偏波面偏光手段の前記切替タイミングに伴う光の伝達ロスとによるものであることを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
10. 請求項１乃至９の何れかに記載の照明装置と、
    前記照明装置の前記被照明領域に配設した画像表示素子と、
    前記画像表示素子の画像を拡大投影表示するための投影光学系と、
    を具備することを特徴とする画像投影装置。

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