JP2005283918A

JP2005283918A - 照明用光源装置

Info

Publication number: JP2005283918A
Application number: JP2004096875A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Inamoto; 雅之稲本
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-13
Also published as: US20050213344A1

Abstract

【課題】発光ダイオードを用いながらも高輝度な光を照射することができるプロジェクタを提供する。
【解決手段】白色ＬＥＤ３０はその発光点３０ａが、光入射開口５０ａよりも光出射開口５０ｂ側に位置するように光案内通路５０ｃ内に配置されている。すなわち、図５中で示す光入射開口５０ａと発光点３０ａとの距離ｔ１がｔ１＞０となるように白色ＬＥＤ３０は配置されている。これにより、白色ＬＥＤ３０の前方のみならず側方へ出射した照明光もロッドインテグレータ５０内に入射する前に拡散してしまうことがなくなり、白色ＬＥＤ３０の照明光を効率よく集光することが可能になる。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えばプロジェクタなどに用いられる照明用光源装置に関するものである。

画像などの情報が付与された光をスクリーンに投映してスクリーン上で画像を表示するプロジェクタとして、液晶パネルを用いたものやＤＭＤ（ディジタルマイクロミラーデバイス）を用いたものが知られている。液晶パネルを用いた液晶プロジェクタでは、液晶パネルに照射した照明光を透過させたり、あるいは、照射した照明光を液晶パネルで反射させることによって、液晶パネルに表示された画像情報をスクリーンに投映させる。スクリーン上では液晶パネルで表示された画像情報が拡大して表示される。

液晶プロジェクタには、液晶パネルに照明光を照射するための照明用光源装置が設けられ、照明用光源装置の前方には、照明用光源装置から照射された照明光を液晶パネルに均一に照射するための照明光学系が設けられている。照明光学系には、レンズや偏光変換素子等が含まれており、照明用光源装置から照射された照明光は照明光学系を介して液晶パネルに照射される。液晶パネルには明るく均一な光が照射されることが好ましく、そのためには、照明用光源装置から照射される照明光は高輝度で、かつその強度が均一であることが望まれる。このため、照明用光源装置の光源としては、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなど、液晶パネルの画像を投映させるのに必要な輝度（高輝度）の照明光を照射することが可能な高輝度放電ランプを用いるのが一般的であった。

ところが、高輝度放電ランプは発熱するため、ランプを冷却する大型の冷却装置を設ける必要があるが、冷却装置を設けると、照明用光源装置が大型化し、さらに、プロジェクタの製造コストが増加するという問題があった。また、高輝度の照明光を照射するために消費する電力の削減や高輝度放電ランプを使用することが可能な期間をさらに長期間にするなど、プロジェクタを使用する際のコストの削減が望まれている。

このため、最近では、高輝度放電ランプに換えて発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」と称する）を照明用光源装置の光源として用いることが考えられている。ＬＥＤは前述した高輝度放電ランプと比較して、小型で軽量、消費する電力が少ない、寿命が長い、低電圧でその駆動が可能、点灯の制御が行われた際に応答する速度が速いなどの面で有利である。しかし、ＬＥＤから照射される照明光は広範囲にわたって拡散されるため、例えば特許文献１では、ＬＥＤから照射された照明光をレンズで結像する、あるいは、例えば特許文献２ないし特許文献４では、ＬＥＤから照射される照明光の照射方向を所定方向に変化させるなど、拡散されるＬＥＤの光を効率良く集光するために様々な方法が提案されている。

特開２００３−１８６１１０号公報特開２００３−１７７３５３号公報特開２００３−３０２７０２号公報特許３３１９４３８号公報

しかしながら、特許文献１〜４で示された方法では、いずれも、ＬＥＤから照射された照明光をＬＥＤの前方で集光しているので、ＬＥＤの前方に照射される照明光は集光は行うことができるが、広範囲にわたって拡散されるＬＥＤの光を充分に集光できず、高輝度の光を照射するには充分な強度の光を得ることができないという問題があった。

本発明は、発光ダイオードを用いながらも高輝度な照明光を照射することができる照明用光源装置を提供することを目的とする。

本発明の照明用光源装置は、発光ダイオードからの照明光が入射する光入射開口及び前記光入射開口から入射した前記照明光が出射する光出射開口を有し、前記照明光を画像投影用の照明光学系に導く筒状のライトガイドを備えた照明用光源装置において、前記光出射開口に向けて前記照明光を照射するとともに、前記照明光の発光点が前記光入射開口よりも前記光出射開口側に位置するように前記発光ダイオードを配置したものである。

なお、前記光出射開口に、柱状のライトガイドを光入射面側から挿入することによって、前記筒状のライトガイドと前記柱状のライトガイドとを一体にすることが好ましい。

また、発光ダイオードからの照明光が入射する光入射面及び前記光入射面から入射した前記照明光が出射する光出射面を有し、前記照明光を画像投影用の照明光学系に導く柱状のライトガイドを備えた照明用光源装置において、前記光入射面を球面状に凹ませ、前記発光ダイオードを、前記光出射面に向けて前記照明光を照射するとともに、前記照明光の発光点が前記球面の曲率半径の中心点よりも前記光入射面側に位置するように配置してもよい。

なお、前記発光ダイオードは、前記発光点が前記光入射面で囲まれた光入射領域内に位置するように配置されていることが好ましい。

なお、前記ライトガイドとして、光入射開口又は光入射領域から入射した照明光を内面反射により混合しながら光出射開口又は光出射領域に導くロッドインテグレータを用いることが好ましい。これにより、ほぼ均一な強度の光を出射することが可能になる。

本発明の照明用光源装置によれば、光出射開口に向けて照明光を照射するとともに、照明光の発光点が光入射開口よりも光出射開口側に位置するように発光ダイオードを配置したので、発光ダイオードから照射された照明光が拡散することを防止することが可能になり、発光ダイオードを用いながらも高輝度で面内輝度分布の均一な光を照射することができる。

また、前記光出射開口に、柱状のライトガイドを光入射面側から挿入することによって、前記筒状のライトガイドと前記柱状のライトガイドとを一体にしたので、柱状のライトガイドでは物理的に１００％の反射率を得ることが可能になり、入射した照明光をより効率よく利用することができる。

光入射面を球面状に凹ませ、発光ダイオードを、光出射面に向けて照明光を照射するとともに、照明光の発光点が前記球面の曲率半径の中心点よりも光入射面側に位置するように配置したので、拡散する照明光を光入射面に効率よく入射させることが可能になり、高輝度で面内輝度分布の均一な光を照射することができる。

また、発光ダイオードは、発光点が光入射面で囲まれた光入射領域内に位置するように配置されているので、拡散する照明光を光入射面に効率よく入射させることが可能になり、高輝度で面内輝度分布の均一な光を照射することができる。

図１に示すように、液晶プロジェクタ１０には、画像投映用の照明光学系１１、照射された照明光の照射方向を変化させるためのミラー１２、ダイクロイックミラー１３，１４、３枚の透過型の液晶パネル１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂ、クロスダイクロイックプリズム１６、投映レンズ１７、スクリーン１８、本発明の照明用光源装置１９が設けられている。

照明光学系１１は、レンズ２０、偏光変換素子２１を備えている。照明用光源装置１９からは、赤色光（Ｒ光）、緑色光（Ｇ光）、青色光（Ｂ光）を含む白色の光が下流側に照射される。照明用光源装置１９から照射された照明光はレンズ２０に入射する。レンズ２０に入射した光は平行光となってレンズ２０の下流側に照射される。偏光変換素子２１は、レンズ２０の下流側に配置されている。偏光変換素子２１は、照明用光源装置１９から照射された照明光を透過させることによって、特定の偏波面を持たないＲ光、Ｇ光、Ｂ光をＳ偏光に変換する。偏光変換素子２１を透過した各色光は、ミラー１２で反射してダイクロイックミラー１３に入射する。

ダイクロイックミラー１３は、白色光に含まれるＢ光を透過し、Ｒ光及びＧ光を反射することによりＢ光を分離する。分離されたＢ光はミラー１２で反射して液晶パネル１５Ｂに入射する。ダイクロイックミラー１３を反射したＲ光及びＧ光は、ダイクロイックミラー１４に入射する。ダイクロイックミラー１４はＲ光を透過し、Ｇ光を反射してＲ光とＧ光を分離する。ダイクロイックミラー１４を透過したＲ光はミラー１２で反射して液晶パネル１５Ｒに入射する。ダイクロイックミラー１４で反射したＧ光は、液晶パネル１５Ｇに入射する。

液晶パネル１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂでは、入射したＲ光、Ｇ光、Ｂ光のそれぞれに画像情報が付与される。液晶パネル１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂを透過したＲ光、Ｇ光、Ｂ光の光束は、クロスダイクロイックプリズム１６に入射する。クロスダイクロイックプリズム１６は、４つの直角プリズムを組み合わせからなる。クロスダイクロイックプリズム１６は、Ｒ光を反射するＲ光反射面１６ａと、Ｂ光を反射するＢ光反射面１６ｂの２種類のダイクロイック面を有しており、Ｒ光反射面１６ａとＢ光反射面１６ｂが互いに直交するように直交プリズムは配置されている。

液晶パネル１５Ｒを透過したＲ光がＲ光反射面１６ａで反射すると、その照射方向が投映レンズ１７に向かうように液晶パネル１５Ｒを透過した方向と直交する方向に変化する。これにより、Ｒ光は投映レンズ１７に入射する。液晶パネル１５Ｇを透過したＧ光は、Ｒ光反射面１６ａ及びＢ光反射面１６ｂを透過して直進し、投映レンズ１７に入射する。液晶パネル１５Ｂを透過したＢ光がＢ光反射面１６ｂで反射すると、その照射方向が投映レンズ１７に向かうように液晶パネル１５Ｂを透過した方向と直交する方向に変化する。これにより、Ｂ光は投映レンズ１７に入射する。投映レンズ１７は、クロスダイクロイックプリズム１６によって合成された各色の光束を拡大投映して図示しないスクリーン１８上に結像させる。これにより、スクリーン１８上に画像情報が表示される。

図２に示すように、照明用光源装置１９は白色ＬＥＤ３０と後述するロッドインテグレータ（ライトガイド）４０を備えている。白色ＬＥＤ３０の発光点３０ａは、照明光の強度分布の中心となり、かつ照明光の照射範囲の中心となり、白色ＬＥＤ３０では発光点３０ａから照明光が照射される。白色ＬＥＤ３０から照射された照明光は、照明光の強度分布の中心を通る主照射光軸３０ｂ上で最も強度が強く、主照射光軸３０ｂからその周辺に向かうにつれて次第に強度が弱くなる特性がある（図中の太線で囲まれた部分が照明光の強度分布を示す）。このため、白色ＬＥＤ３０から照射された照明光をロッドインテグレータ４０を用いずに利用すると、スクリーン１８上に画像情報は、中心部が明るく周辺部に向かうにつれて暗くなってしまう。よって、液晶プロジェクタ１０では、白色ＬＥＤ３０に加えてロッドインテグレータ４０（図３参照）を照明用光源装置１９に備えさせることにより、均一な明るさの画像情報を得ることを可能にしている。なお、白色ＬＥＤ３０としては、単体で紫外線と蛍光物質を利用して白色の光を照射するもの、あるいは、Ｒ光，Ｇ光，Ｂ光を混合して白色の光を照射するもののいずれを用いてもよい。

図３に示すように、ロッドインテグレータ４０は透明な材料を用いて四角柱形状に形成されている。ロッドインテグレータ４０は、その長手方向の一端側の面が、白色ＬＥＤ３０からの照明光が入射する光入射面４０ａとなっている。光入射面４０ａは球面状に凹ませて形成されている。ロッドインテグレータ４０は、光入射面４０ａで囲まれた領域が光入射領域４０ｂ、光入射面４０ａとは反対側の面が光入射面４０ａから入射した照明光が出射する光出射面４０ｃとなっている。

そして、白色ＬＥＤ３０はその発光点３０ａが光入射面４０ａの曲率半径の中心点４１よりも光入射面４０ａ側で、さらに、光入射領域４０ｂ内に位置するように配置されている。これにより、白色ＬＥＤ３０から照射された照明光はロッドインテグレータ４０内でより大きな入射角で内面反射するため、高い反射率を得られ、白色ＬＥＤ３０の照明光を効率よく集光することが可能になる。光入射面４０ａから入射した照明光は、ロッドインテグレータ４０で混合されて光出射面４０ｃから出射し、照明光学系１１に導かれる。なお、ロッドインテグレータ４０を形成する材料としては、例えばガラスやアクリルなどの透明な樹脂など、光の屈折率が空気と異なる透明な材料であれば適宜の材料を用いてよい。

次に、上記のように構成された本発明の照明用光源装置を有する液晶プロジェクタの作用について説明する。白色ＬＥＤ３０から照明光が照射されると、照射された照明光がロッドインテグレータ４０内で内面反射により混合され、略均一な強度の光となって光出射面４０ｃから外部に照射される。これにより、白色ＬＥＤ３０から照射された照明光の照射方向が変化して所定の範囲に略均一な明るさで照射される。ロッドインテグレータ４０から照射された照明光はクロスダイクロイックプリズム１６や投映レンズ１７を経てスクリーン１８上に投映される。

次に、ロッドインテグレータを筒状に形成した場合の例について説明する。図４に示すように、筒状に形成されたロッドインテグレータ５０は、一端側の開口が、外部からの照明光が入射する光入射開口５０ａ、光入射開口５０ａとは反対側の開口が、入射した照明光が出射する光出射開口５０ｂとなっている。また、光入射開口５０ａと光出射開口５０ｂとは光案内通路５０ｃを介して連通しており、光入射開口５０ａから入射した光は光案内通路５０ｃを通過して光出射開口５０ｂから外部に照射される。白色ＬＥＤ３０はその発光点３０ａが、光入射開口５０ａよりも光出射開口５０ｂ側に位置するように光案内通路５０ｃ内に配置されている。すなわち、図５中で示す光入射開口５０ａと発光点３０ａとの距離ｔ１がｔ１＞０となるように白色ＬＥＤ３０は配置されている。これにより、白色ＬＥＤ３０の前方のみならず側方へ出射した照明光もロッドインテグレータ５０内に入射する前に拡散してしまうことがなくなり、白色ＬＥＤ３０の照明光を効率よく集光することが可能になる。また、筒状ロッド６２を用いた場合には、柱状のロッドインテグレータ３１を用いた場合よりも照明光が内面反射する回数が増えるので、光が照射面から照射されたときに、より均一な強度の照明光を得ることが可能になる

次に、筒状のロッドインテグレータと柱状のロッドインテグレータとを組み合わせた場合の例について説明する。図５及び図６に示すように、ロッドインテグレータ６０は、四角柱形状の柱状ロッド６１と筒状ロッド６２とを一体にすることによって形成されている。柱状ロッド６１は一端側が光入射面６１ａ、他端側が光出射面６１ｂとなっている。

筒状ロッド６２は、４枚の透明な透明板６２ａから構成されている。各透明板６２ａは、柱状ロッド６１の光入射面６１ａ側に突出するように、その一部が柱状ロッド６１の各面に貼り付けられている。透明板６２ａが貼り付けられると、各板の端縁同士が当接して筒状となる。筒状ロッド６２は、柱状ロッド６１が挿入されているほうの開口が光出射開口（光出射領域）６２ｂ、反対側の開口が光入射開口（光入射領域）６２ｃとなっている。このため、柱状ロッド６１と筒状ロッド６２とが一体となった状態では、柱状ロッド６１が、その光入射面６１ａ側から光出射開口６２ｂに挿入された状態となっている。

筒状ロッド６２内の中空な部分は光案内通路６２ｄになっている。光入射開口６２ｂは光案内通路６２ｄに連通しており、光入射開口６２ｂから入射した照明光は光案内通路６２ｄを通過して光入射面６１ａに入射する。光入射面６１ａに入射した光は光出射面６１ｂから外部に出射される。白色ＬＥＤ３０はその発光点３０ａが、光入射開口６２ｃよりも光出射開口６２ｂ側に位置するように光案内通路６２ｄ内に配置されている。すなわち、図７中で示す光入射開口６２ｂと発光点３０ａとの距離ｔ２がｔ２＞０となるように白色ＬＥＤ３０は配置されている。これにより、白色ＬＥＤ３０から照射された照明光はロッドインテグレータ６０内でより大きな入射角で内面反射するため、高い反射率を得られ、白色ＬＥＤ３０の照明光を効率よく集光することが可能になる。

なお、図７に示すように、筒状ロッド６２を柱状ロッド６１の両端側に取り付けるようにしてもよい。この場合、柱状ロッド６１の光出射面６１ｂから出射した照明光を、筒状ロッド６２で内面反射させるので、光出射面６１ｂへのゴミの付着や光出射面６１ｂに傷がつくことを防止できる。

上記実施形態では、白色の光を照射する白色ＬＥＤ３０のみを設けて画像情報の投映を行ったが、発光色が互いに異なる少なくとも二種類のＬＥＤを設けてもよい。例えば、Ｒ光，Ｇ光，Ｂ光を照射するＬＥＤを設け、これらのＬＥＤから照射される照明光の色を所定時間後に切り替えれば、単板の時分割カラー方式を実現することができる。この場合、ダイクロイックミラー１３，１４やクロスダイクロイックプリズム１６などを省略でき、用いる液晶パネルも１つでよいため、液晶プロジェクタを製造する際のコストを削減することが可能になる。また、白色ＬＥＤと赤色のＬＥＤを少なくとも一つづつ設けてこれらを同時に点灯してもよい。この場合、白色ＬＥＤのみを用いた場合に不足しがちな赤みを加えることができ、投映される画像情報の色再現性が増す。

上記実施形態では、本発明は、液晶パネルに照射した光を透過させる透過型の液晶プロジェクタ１０に限らず、例えば液晶パネルに照射した光を反射させる反射型の液晶プロジェクタやＤＭＤを用いたプロジェクタなど、他のプロジェクタに適用してよい。

プロジェクタの概略的な構成を示す説明図である。白色ＬＥＤから照射された照明光の強度分布を示す説明図である。入射面を球面状に凹ませた場合ロッドインテグレータの断面図である。筒状のロッドインテグレータの断面図である。筒状のロッドインテグレータと柱状のロッドインテグレータとを組み合わせたロッドインテグレータの分解斜視図である。筒状のロッドインテグレータと柱状のロッドインテグレータとを組み合わせたロッドインテグレータの断面図である。筒状のロッドインテグレータと柱状のロッドインテグレータとを組み合わせたロッドインテグレータの変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０液晶プロジェクタ（プロジェクタ）
１１照明光学系
１９照明用光源装置
３０白色ＬＥＤ（発光ダイオード）
３０ａ発光点
４０，５０，６０ロッドインテグレータ（ライトガイド）
４０ａ光入射面
４０ｂ光入射領域
４０ｃ光出射面
４１中心点
５０ａ，６２ｂ光入射開口
５０ｂ，６２ｃ光出射開口

Claims

発光ダイオードからの照明光が入射する光入射開口及び前記光入射開口から入射した前記照明光が出射する光出射開口を有し、前記照明光を画像投影用の照明光学系に導く筒状のライトガイドを備えた照明用光源装置において、
前記光出射開口に向けて前記照明光を照射するとともに、前記照明光の発光点が前記光入射開口よりも前記光出射開口側に位置するように前記発光ダイオードを配置したことを特徴とする照明用光源装置。
前記光出射開口に、柱状のライトガイドを光入射面側から挿入することによって、前記筒状のライトガイドと前記柱状のライトガイドとを一体にしたことを特徴とする請求項１記載の照明用光源装置。
発光ダイオードからの照明光が入射する光入射面及び前記光入射面から入射した前記照明光が出射する光出射面を有し、前記照明光を画像投影用の照明光学系に導く柱状のライトガイドを備えた照明用光源装置において、
前記光入射面を球面状に凹ませ、前記発光ダイオードを、前記光出射面に向けて前記照明光を照射するとともに、前記照明光の発光点が前記球面の曲率半径の中心点よりも前記光入射面側に位置するように配置したことを特徴とする照明用光源装置。
前記発光ダイオードは、前記発光点が前記光入射面で囲まれた光入射領域内に位置するように配置されていることを特徴とする請求項３記載の照明用光源装置。