JP2005202167A - 光源ユニットおよびそれを用いた投射型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
投射型映像表示装置において、限られた光源ユニットの出射開口面積内での光利用効率の低下を抑えて、充分な輝度を確保することが課題である。
【解決手段】
映像表示素子として透過型液晶や反射型液晶等を使用した投射型映像表示装置において、光源であるＬＥＤと対応するリフレクタを複数配列した光源ユニットを、Ｄをリフレクタの有効径、ｆをミラーの焦点距離、Ｚを光源の発光部とミラー中央部の頂点との距離としたとき、Ｄ ＜ ４×ｆ 或いは Ｄ ＜ ４×Ｚ を満足するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＬＥＤ等の光源を複数配列した光源ユニット、およびその光源ユニットからの光を透過型液晶や反射型液晶、あるいはＤＭＤ（微小ミラー）等の映像表示素子により光強度変調し、形成した光学像を投射する投射型映像表示装置に関する。

液晶パネル等の映像表示素子に、光源からの光を当てて、液晶パネル上の画像を拡大投射する液晶プロジェクタ等の投射型映像表示装置が知られている。

従来から、高輝度化を目的に、光源に大電力を供給できるランプ１個或いは複数個を適用した投射型映像表示装置が数多く製品化されているが、最近の動向としては、その色純度のよさ、長寿命であること、点灯性のよさを理由に、発光ダイオード、有機ＥＬ等の、いわゆるＬＥＤ光源の適用が検討されている。この場合、輝度の不足を補うために、多数のＬＥＤ光源を並べて用いることが多い。このようなＬＥＤ光源ユニットおよびそれを用いた投射型映像表示装置としては、例えば特許文献１に開示されている。

また最近、例えば特許文献２に開示されているように、ＬＥＤの光を凹状の反射鏡で反射させて前方へ出射させる反射型ＬＥＤが提案されている。また、この種の反射型ＬＥＤをマトリクス状に配設したＬＥＤ光源ユニットおよびそれを用いた投射型映像表示装置として、例えば特許文献３に開示されている。

特開２００２−３７４００４号公報

特開２００２−１５１７４６号公報 特開２００３−３２９９７８号公報

ＬＥＤ等の光源を複数配列して光源ユニットとした投射型映像表示装置を実現するにあたっては、従来から用いられている高圧水銀ランプ等に比較して、光源１個あたりの出射光束量が非常に小さいため、投射映像の十分な輝度を得ることが困難である。そこで、複数の光源を配列して形成する案が公開されている。しかし、投射型映像表示装置の照明光学系における、光源からの光束を取り入れるための入射開口サイズはその大きさが限られており、光源を多数配列できたとしても、有効に入射開口に光束を導ける光源の数には限界がある。すなわち、限られた面積内に配置した光源から、いかに多くの光束を出射するかが重要になってくる。

そこで、上記特許文献３等に見られるようにＬＥＤ光源を多数配列させることにより、また各々のＬＥＤ光源に上記特許文献２等で開示されているような反射型ＬＥＤを用いて高輝度化を狙っているが、限られた面積内で最大の光束を出射するような構成については考慮されていない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、所定面積内での光利用効率の低下を抑え高輝度化を実現させた光源ユニットおよびそれを用いた投射型映像表示装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するため、特許請求の範囲に記載のとおりに構成したものである。すなわち、所定面積あたりの出射光束を最大にするために、各々の光源の効率を最大にするのではなく、各光源の面積あたりの出射光束を最大にすることに着目している。

各光源の集光ミラーのサイズを請求項に記載した範囲とすることによって、各々の光源から出射する光束は最大の値にはなっていないが、その分、限られた面積内に光源を数多く配列することが可能となり、光源ユニットとしての出射光量を増加させることが可能になる。

本発明によれば、投射型映像表示装置での高輝度表示が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて詳細に説明する。なお、各図において、同一機能を有する構成要素には同一符号を付して示す。

本実施例では映像表示素子として透過型液晶パネルを適用した場合について説明するが、反射型液晶パネルや、ＤＭＤミラーデバイス等も本発明に適用可能であることは言うまでも無い。

図１は本発明による一実施例である投射型映像表示装置の概略構成図を示している。図１において、１は反射型ＬＥＤを複数配列した本発明による光源ユニットであり、光源ユニット１を構成する各反射型ＬＥＤには、それぞれ、ＬＥＤチップの発光部２１からの光束を効率よく続く光学系に照射するように、回転放物面形状の反射鏡であるリフレクタ５が設けられている。２Ｒ，２Ｇ，２ＢはそれぞれＲＧＢの３原色に対応する映像表示素子である透過型の液晶パネルで、図示しない映像信号駆動回路により光源ユニット１からの光束を映像信号に応じた光強度変調を行い光学像を形成する。３は投射レンズ、４はミラー、６と７は所謂インテグレータ光学系を構成する第１レンズアレイと第２レンズアレイ、８はインテグレータ光学系からの光束を所定の偏光方向に揃える偏光変換素子、９は集光レンズ、１０Ｒ，１０Ｇはコンデンサレンズ、１１は合成プリズム、１２，１３は色分離のためのダイクロイックミラー、１４はミラー、１５は第１リレーレンズ、１６は第２リレーレンズ、１７は第３リレーレンズ、１８はスクリーン、１９、２０はミラーを示している。また、これら以外に主な部品としては図示しない電源回路がある。

図１で、光源ユニット1の各反射型ＬＥＤ光源のＬＥＤチップの発光部２１から出射した白色光束は回転方物面形状のリフレクタ５で反射し、インテグレータ光学系をなす第１レンズアレイ６へと入射する。マトリックス状に配列された複数のレンズセルからなる第１レンズアレイ６は入射した光束を複数の光束に分割して、効率よく第２レンズアレイ７、偏光変換素子８を通過させるように導く。第１レンズアレイ６と同様にマトリックス状に配列された複数のレンズセルからなる第２レンズアレイ７は、構成するレンズセルそれぞれが、対応する第１レンズアレイ６のレンズセルの形状を、透過型の液晶パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ側に投影する。この時、偏光変換素子８は第２レンズアレイ７からの光束を所定の偏光方向に揃える。そして、これら第１レンズアレイ６の各レンズセルの投影像を集光レンズ９、及びコンデンサレンズ１０Ｒ，１０Ｇ、第１リレーレンズ１５、第２リレーレンズ１６、第３リレーレンズ１７により各液晶パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ上に重ね合わせる。

その過程で、色分離手段を構成するダイクロイックミラー１２と１３により、光源１より出射された白色光は赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３原色の色光に分離され、それぞれ対応する液晶パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに照射される。なお、ここでは、ダイクロイックミラー１２は赤透過緑青反射特性であり、ダイクロイックミラー１３は緑反射青透過特性である。

各液晶パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは、図示しない入出射偏光板とともに図示しない映像信号駆動回路により液晶パネルを透過する光量を制御して画素ごとに濃淡を変える光強度変調を行い、光学像を形成する。

さらに、明るく照射された液晶パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ上の各光学像は、合成プリズム１１によって色合成され、さらに、投射レンズ３によってスクリーン１８上へと投射され、大画面映像を得ることができる。

また、第１リレーレンズ１５、第２リレーレンズ１６、第３リレーレンズ１７は液晶パネル２Ｒ，２Ｇに対して液晶パネル２Ｂの光路長が長くなっていることを補うものである。

次に、本発明の特徴である、光源ユニット１のリフレクタ形状について詳細に説明する。図２は図１の光源ユニット１を構成する単位部分である反射型ＬＥＤの詳細を説明するために、光源ユニットの内のひとつの反射型ＬＥＤを取り出して、その光学的な概略構造を示した図である。

図２において、２１は反射型ＬＥＤのＬＥＤチップの発光部、５はＬＥＤチップの発光部２１からの光を反射する例えば回転方物面形状のリフレクタである。Ｄはリフレクタ５の直径、ｒはその半径、θは発光部２１の中心とリフレクタ２１の頂点とを結ぶ軸（以下、「光軸」と称す）を含む平面で切断した断面における発光部２１から出射した光束の光軸とのなす角度である。またｆは回転放物面形状のリフレクタ５の焦点距離であり、一般的に発光部２１はリフレクタ５の焦点位置に配置する。ＬＥＤ光源の発光部２１からは、周知のランベルト分布に従って、リフレクタ５に向けておよそ半球状に光束が出射され、図中のθの値で表現するなら９０度の広がりをもつ。角度θ方向の光の強度は、光軸上の光の強度をＩ_０とすると、Ｉ_０ｃｏｓθで表される。

ここで、発光部２１から出射した光束のうち、リフレクタ５で捕らえる光束の割合を開口効率と定義する。このとき、光束を可能な限りリフレクタ５で捕らえる、すなわち開口効率１００％とする場合には、次の関係が成り立つ。

Ｄ ＝ ４×ｆ … （数１）
また、リフレクタの開口形状を円形形状として、そのリフレクタ開口面積（以下、「リフレクタ面積」と省略する）をｓとすると、
ｓ ＝ π×Ｄ×Ｄ／４ … （数２）
とあらわすことができる。

このとき、光源を配置するのに有効な面積をＳとすると、光源最大数Ｎは
Ｎ ≒ Ｓ／ｓ … （数３）
とあらわすことができる。実際には、リフレクタ５の外形の形状が円形の場合は光源ユニットとしたときの配置に隙間ができるために、このＮは正確な値ではないが、この後の説明における相対的な比較には問題が無いため、単純化を目的としてこの値を用いることとする。

図３はｆ＝１としたときの図２に示したような光源単位における、リフレクタ半径に対する開口効率とリフレクタ面積の関係を示したものである。同図において、左側縦軸は光束の開口効率、右側縦軸はリフレクタ面積、横軸はリフレクタ半径である。Ｄ＝４×ｆにて開口効率は１００％を得ており、またリフレクタ面積も最大値になっている。ただし、リフレクタ面積と開口効率は必ずしも比例の関係には無く、面積あたりの開口効率という観点から見ると、リフレクタ面積が小さいほうが高い値を得ることができることは図４から明らかである。

図４は図３からリフレクタ面積に対する開口効率を求めたもので、横軸をリフレクタ面積として、縦軸に開口効率の変化を示している。図４から、リフレクタ面積が大きいほど傾きが小さく、リフレクタ面積を開口効率１００％の状態である最大値から小さくしていっても、そのわりには開口効率の低下が少ないことが分かる。すなわち、リフレクタ面積を小さくして、その分ＬＥＤの数を増加させ、密集させたほうが、総光束量の大きな光源ユニットを提供できるということである。

次に、これを確認するために、今度は複数の反射型ＬＥＤから成る光源ユニットの総光束量の変化を見てみる。

ここで、光源ユニットの総光束量を下記のように定義する。

総光束量＝ＬＥＤ光源発光部光束量×開口効率×ＬＥＤ光源数Ｎ…（数４）
また、全ＬＥＤ光源の発光部の光束量に対する、光源ユニットとして出射する光束量の割合（すなわち数４の総光束量の割合）を出射効率と定義する。さらに、以下では、説明を容易とするために、ＬＥＤ光源発光部からの総光束量を１として扱う。加えて、反射型ＬＥＤ光源の配置可能な面積Ｓを、リフレクタ半径を２（上述したようにｆ＝１としている）としたときのリフレクタ面積と同面積として、反射型ＬＥＤ光源数を考慮して総光束量を求める。その際の反射型ＬＥＤ光源数Ｎは数３から次式にて求められる。

Ｎ＝２×２×π／ｓ … （数５）
以上のような条件のもとで、横軸にリフレクタ半径をとって、複数の反射型ＬＥＤから成る光源ユニットの総光束量、出射効率を算出して図示したのが図５である。また、図５では、横軸のリフレクタ半径値の下に、そのリフレクタ値に対応した数５で求めたＬＥＤ光源数Ｎを示している。例えばリフレクタ半径が１の場合は、数５からＬＥＤ光源数Ｎは４となる。

前述の通り、リフレクタ面積あたりの出射効率は、リフレクタ半径を小さくしたほうが高く、その分ＬＥＤの総数を増やすことによって総光束量増加が可能であることを図５にて確認することができる。リフレクタ半径を小さくするほど総光束量が増加するので、本実施例ではリフレクタ半径を最大値の２ではなく、１とすることにより、２としたときよりも約２．５倍の総光束量が得られている。すなわち、
Ｄ ＜ ４×ｆ … （数６）
とすることにより、光源ユニットとしての出射光束量を増加することを可能にしている。

次に、第２の実施例について述べる。図５から明らかなように、例えばリフレクタ半径を１からさらに小さくすると、より総光束量の増加が見込まれるが、出射効率が極端に低下するために、放熱等の負担が大きくなり現実的な構成ではなくなってくる。そこで出射効率が５０％（リフレクタ半径が約０．８程度）を下回らない範囲でリフレクタの半径を定めるのがよい。また、その上限については、光源ユニットの明るさを示す総光束量が１．３倍（リフレクタ半径が約１．７５程度）以上であるのが望ましく、特に１．５倍（リフレクタ半径が約１．６程度）以上であるのが好ましい。

以上の点から、本実施例においては、リフレクタ半径として、数７に示す範囲を用いる。

１．６×ｆ ＜ Ｄ ＜ ３．２×ｆ … （数７）
ところで、以上述べた実施例では、リフレクタ形状を回転放物面形状として説明してきたが、発光部２１の大きさや形状に応じて、回転楕円面形状や回転放物面形状を多少変形させた非球面形状のリフレクタ５も考えられる。その場合も上記説明と同様の効果を提供することが可能であるが、その場合は上記の数６、数７の数式で形状規定ができないので、非球面形状に概略一致する回転楕円面形状や回転放物面形状の焦点距離を適用するか、これらの焦点距離におおよそ等しく設定される発光部２１とリフレクタ中心部の頂点との距離Ｚを用いて下記のように規定してもよいことはいうまでもない。

Ｄ ＜ ４×Ｚ … （数６’）
あるいは
１．６×Ｚ ＜ Ｄ ＜ ３．２×Ｚ … （数７’）
以上述べた実施例によれば、各々のＬＥＤ光源から出射する光束は最大の値にはなっていないが、その分、限られた面積内にＬＥＤ光源を数多く配列することが可能になり、光源ユニットとしての出射光量を増加させることが可能になる。即ち、限られた面積内で効率を考慮しながら高輝度を図ることができ、反射鏡を有するＬＥＤ等の光源を複数配列した光源ユニットおよびそれを備えた投射型映像表示装置を提供することができる。

なお、上記光源ユニットは、独立した各反射型ＬＥＤを配列したものであっても、一体にアレイ状に形成されたものであってもよいことはいうまでもない。

また、上記光源ユニットを構成する「ＬＥＤ光源」としては、順方向の電圧印加で光を放出する無機固体結晶（例えばＧａＰ，ＧａＡｓＰ，ＧａＡｌＡｓなどの化合物半導体結晶）でつくられたLight Emitting Diode（ＬＥＤ）や、二つの電極の間に挟まれた有機分子の発光層を有する有機ＥＬ（Electroluminescence）所謂ＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）を用いることができる。すなわち、「ＬＥＤ光源」はこれらの総称である。

また、上記実施例では、光源ユニットからは白色光束が出射されるとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、前記特許文献３の図６に記載されているような特定色光を出射する光源ユニットにも適用できることはいうまでもない。

本発明の実施の形態の一例を示す投射型映像表示装置の構成図である。 光源ユニットの１部を示す詳細図である。 単一ＬＥＤを用いた場合のリフレクタ半径に対する開口効率及びリフレクタ面積の関係を示す図である。 光源ユニットでのリフレクタ面積に対する開口効率を示す図である。 リフレクタ半径に対する光源ユニット全体の出射効率、総光測量の変化を示す図である。

符号の説明

１…光源、２Ｒ…液晶パネル、２Ｇ…液晶パネル、２Ｂ…液晶パネル、３…投射レンズ、４…ミラー、５…リフレクタ、６…第１レンズアレイ、７…第２レンズアレイ、８…偏光変換素子、９…集光レンズ、１０Ｒ…コンデンサレンズ、１０Ｇ…コンデンサレンズ、１１…合成プリズム、１２…ダイクロイックミラー、１３…ダイクロイックミラー、１４…ミラー、１５…第１リレーレンズ、１６…第２リレーレンズ、１７…第３リレーレンズ、１８…スクリーン、１９…ミラー、２０…ミラー、２１…発光部。

Claims (6)

1. 光を映像信号に基づいて変調する映像表示素子と、該映像表示素子からの出射光をスクリーン上に投射する投射レンズとを有する投射型映像表示装置に用いられる光源ユニットであって、
   少なくとも２個以上の光源を並べて配置し、各々の光源に対応した放物面形状、或いは放物面に近い非球面形状の集光ミラーを備えており、
   Ｄをリフレクタの有効径、ｆをミラーの焦点距離、Ｚを光源の発光部とミラー中央部の頂点との距離としたとき、
   Ｄ ＜ ４×ｆ 或いは Ｄ ＜ ４×Ｚ
   を満足するように構成したことを特徴とする光源ユニット。
2. 光を映像信号に基づいて変調する映像表示素子と、該映像表示素子からの出射光をスクリーン上に投射する投射レンズとを有する投射型映像表示装置に用いられる光源ユニットであって、
   少なくとも２個以上の光源を並べて配置し、各々の光源に対応した放物面形状、或いは放物面に近い非球面形状の集光ミラーを備えており、
   Ｄをリフレクタの有効径、ｆをミラーの焦点距離、Ｚを光源の発光部とミラー中央部の頂点との距離としたとき、
   １．６×ｆ ＜ Ｄ ＜ ３．２×ｆ 或いは １．６×Ｚ ＜ Ｄ ＜ ３．２×Ｚ
   を満足するように構成したことを特徴とする光源ユニット。
3. 前記光源は、ＬＥＤにより構成することを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れか一項に記載の光源ユニット。
4. 光源ユニットと該光源ユニットからの光束を映像信号に基づいて変調する映像表示素子と、該映像表示素子からの出射光をスクリーン上に投射する投射レンズとを有する投射型映像表示装置であって、
   前記光源ユニットは、少なくとも２個以上の光源を並べて配置し、各々の光源に対応した放物面形状、或いは放物面に近い非球面形状の集光ミラーを備えており、
   Ｄをリフレクタの有効径、ｆをミラーの焦点距離、Ｚを光源の発光部とミラー中央部の頂点との距離としたとき、
   Ｄ ＜ ４×ｆ 或いは Ｄ ＜ ４×Ｚ
   を満足するように構成したことを特徴とする投射型映像表示装置。
5. 光源ユニットと該光源ユニットからの光束を映像信号に基づいて変調する映像表示素子と、該映像表示素子からの出射光をスクリーン上に投射する投射レンズとを有する投射型映像表示装置であって、
   前記光源ユニットは、少なくとも２個以上の光源を並べて配置し、各々の光源に対応した放物面形状、或いは放物面に近い非球面形状の集光ミラーを備えており、
   Ｄをリフレクタの有効径、ｆをミラーの焦点距離、Ｚを光源の発光部とミラー中央部の頂点との距離としたとき、
   １．６×ｆ ＜ Ｄ ＜ ３．２×ｆ 或いは １．６×Ｚ ＜ Ｄ ＜ ３．２×Ｚ
   を満足するように構成したことを特徴とする投射型映像表示装置。
6. 前記光源は、ＬＥＤにより構成することを特徴とする請求項４乃至請求項５の何れか一項に記載の投射型映像表示装置。
   

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