JP2006039330A - 照明装置及び投写型映像装置 - 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１０は、ＬＥＤアレイ１、第１集光レンズ群２１、第２集光レンズ群２２、第１フライアイレンズ３、及びこれらを固定するための固定部材１５とからなる。また、固定部材１５は、ＬＥＤアレイ１及び第１集光レンズ群２１を固定するための基板１５１と、第２集光レンズ群２２を固定するための基板１５２と、第１フライアイレンズ３を固定するための基板１５３とを有している。基板１５１にはＬＥＤアレイ１を構成する個々のＬＥＤチップを嵌め込むための嵌合穴と、この嵌合穴の外側に、嵌合穴と同心円状に設けられた第１集光レンズ群２１を構成する個々の集光レンズを嵌めこむための嵌合溝を有している。
【選択図】 図３

Description

この発明は、照明装置及び投写型映像装置に関する。

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。

請求項１の照明装置は、単位光源の群が配列してなる光源と、前記単位光源の群に対向して配列した集光レンズの群と、前記集光レンズの群に対向して配列した単位レンズの群と、前記光源と、前記集合レンズの群と、前記単位レンズの群を固定する、固定部材とを有する。

請求項２の照明装置は、請求項１の照明装置であって、前記単位レンズの群の各々は、対向する前記単位光源が発生し対向する前記集光レンズを透過した光を集光することを特徴とする。

請求項３の照明装置は、請求項１又は２に記載の照明装置であって、前記固定部材は、前記単位光源を嵌め込むための嵌合穴と、前記嵌合穴と同心円状に設けられた前記集光レンズを嵌め込むための嵌合部とを、有する。

請求項４の照明装置は、単位光源の群が配列してなる光源と、前記単位光源の群に対向して配列した第１の集光レンズの群と、前記第１の集光レンズの群に対向して配列した第２の集光レンズの群と、前記第２の集光レンズの群に対向して配列した単位レンズの群と、前記光源と前記第１の集合レンズの群と前記第２の集合レンズの群と前記単位レンズの群を固定する固定部材とを有する。前記固定部材は、前記単位光源を嵌め込むための嵌合穴と、前記嵌合穴と同心円状に設けられた前記第１の集光レンズを嵌め込むための嵌合部とを有する。

請求項５の照明装置は、請求項１ないし４のいずれかに記載の照明装置であって、前記単位レンズの群の各々は、矩形であることを特徴とする。

請求項６の照明装置は、請求項１ないし５のいずれかに記載の照明装置であって、前記固定部材は、熱伝導率の高い材料を使用して作製されたことを特徴とする。

請求項７の照明装置は、請求項６に記載の照明装置であって、前記固定部材は、銅、又はアルミニウムを使用して作製されたことを特徴とする。

請求項８の投写型映像表示装置は、請求項１ないし７のいずれかに記載の照明装置と、前記単位レンズの群の各々を通過した前記光源の光を、照射面へ重なり合って入射するように集光する照射光学系と、前記照射光学系の前記照射面に配置された液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルからの出射光を投写する投写光学系とを備え、前記照明装置は、前記照射光学系に対して、位置調整が可能であることを特徴とする。

この投写型映像装置の一例としては、赤色、緑色、青色の複数のＬＥＤを光源としたプロジェクタがある。このようなプロジェクタにおいては、ＬＥＤ光源と集光系光学部品とを一体構造することで、赤色、緑色、青色の照明光を簡単に、かつ精度良く、照明対象物である液晶表示パネルに照射することができる。

請求項９の投写型映像装置は、請求項８に記載の投写型映像装置であって、前記照射光学系は、前記単位レンズの群に対向して配列した第２の単位レンズの群と、前記第２の単位レンズの群に対向して配置したコンデンサレンズと、を有することを特徴とする。

請求項１０の投写型映像装置は、請求項９に記載の投写型映像装置であって、前記単位レンズと、前記第２の単位レンズは、前記液晶表示パネルの形状に対応して矩形をなしていることを特徴とする。

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。
具体的には、投写型映像表示装置において、ＬＥＤ光源と集光系光学部品とを一体構造としたことにより、照明光を簡単に、かつ精度良く、照明対象物に照射させることができる。更には、ＬＥＤ光源を固定する部材に熱伝導率の高い材料を用いることにより、熱に弱いＬＥＤ光源を用いた照明装置の長時間動作を可能とする。

以下、この発明の実施形態の照明装置及び投写型映像表示装置を図１ないし図４に基づいて説明していく。

図１は本発明の一実施の形態による投写型映像表示装置１００の外観を示した図であり、図２は、その光学系を示した図である。

この投写型映像表示装置１００は、ＬＥＤ（発光ダイオード）アレイ１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ、第１集光レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ、第２集光レンズ群２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ、第１フライアイレンズ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ、ダイクロイックプリズム４、第２フライアイレンズ５、コンデンサレンズ６、液晶表示パネル７、投写レンズ８を備えている。

ＬＥＤアレイ１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの全体、又は各々は本発明の光源の具体例に該当する。第１集光レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂと、第２集光レンズ群２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは、本発明の集光レンズの具体例に該当する。第１フライアイレンズ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂは、本発明の単位レンズの群の具体例に該当する。又、第１フライアイレンズ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂを通過した光が液晶表示パネル７へ到達するまでの経路を形成するダイクロイックプリズム４、第２フライアイレンズ５、コンデンサレンズ６は、本発明の照射光学系の具体例に該当する。また、投写レンズ８は、本発明の投写光学系の具体例に該当する。

以下、個々のＬＥＤチップアレイを特定しないで示すときには、符号"１"を用い、個々の第１集光レンズ群を特定しないで示すときには、符号"２１"を用い、個々の第２集光レンズ群を特定しないで示すときには、符号"２２"を用い、個々の第１フライアイレンズを特定しないで示すときには、符号"３"を用いる。

ＬＥＤアレイ１Ｒ、１Ｇ、１Ｂは、それぞれ赤色（以下、Ｒと略記）、緑色（以下、Ｇと略記）、青色（以下、Ｂと略記）の光を生成するＬＥＤがマトリクス状に配列されたものである。

第１集光レンズ群２１は、ＬＥＤアレイ１に対向するように配置され、対向するＬＥＤアレイ１が発生する発散光を幅広く集光するものである。第１集光レンズ群２１を構成する個々のレンズは、ＬＥＤアレイ１を構成するＬＥＤに個別に対向している。なお、ＬＥＤアレイ１を構成する個々のＬＥＤチップは、本発明の単位光源の具体例に該当する。

第２集光レンズ群２２は、ＬＥＤアレイ１に対向するように配置され、対向するＬＥＤアレイ１が発生する発散光を更に集光するものである。第２集光レンズ群２２を構成する個々のレンズは、ＬＥＤアレイ１を構成するＬＥＤに個別に対向している。

第１フライアイレンズ３は、同じくそれぞれＬＥＤアレイ１に対向するように配置され、対向するＬＥＤアレイ１が発生し、前記第１集光レンズ群２１、及び前記第２集光レンズ群２２を透過した光を集光するものである。第１フライアイレンズ３は何れも、マトリクス状に配列された単位レンズを有しており、各単位レンズは各ＬＥＤチップに一対一に対向している。また、各単位レンズは、液晶表示パネル７の形状に対応して矩形をなしており、各単位レンズを通過した矩形の光束が、下流の光学系により液晶表示パネル７へ導かれる。

第２フライアイレンズ５は、第１フライアイレンズ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂと同様に、マトリクス状に配列された矩形の単位レンズを有しており、各単位レンズは第１フライアイレンズ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂの各単位レンズを透過した光を個別に集束する。従って、第２フライアイレンズ５の単位レンズは、第１フライアイレンズ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂの各々の単位レンズとは、サイズ及び配列において相似となるように設定されている。好ましくは設計上の容易さの観点から、図１に示すように、第２フライアイレンズ５の単位レンズの群は、第１フライアイレンズ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂの各々の単位レンズの群とサイズ及び配列において同一に設定される。なお、第１フライアイレンズ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ及び第２フライアイレンズ５において、各単位レンズは単一の凸レンズとして描かれているが、本発明はこれに限定されるものではない。

第２フライアイレンズ５を透過した光は、コンデンサレンズ６で集束させられ、液晶表示パネル７へ導かれる。コンデンサレンズ６は、第２フライアイレンズ５の単位レンズを透過した光束を液晶表示パネル７へ重ねて照射させるものである。

液晶表示パネル７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。液晶表示パネル７を経ることで変調された変調光（映像光）は、投写レンズ８によって拡大投写され、（図示しない）スクリーン上に投影表示される。

上記のような、フライアイレンズ対と、コンデンサレンズとを用いた、いわゆるフライアイインテグレータにより、スクリーンでは、照度ムラのない、かつ隅々まで明るい照度分布の光を得ることができる。

図３は、照明装置１０の構成を示した図である。照明装置１０は、ＬＥＤアレイ１、第１集光レンズ群２１、第２集光レンズ群２２、第１フライアイレンズ３、及びこれらを固定するための固定部材１５とからなる。また、固定部材１５は、ＬＥＤアレイ１及び第１集光レンズ群２１を固定するための基板１５１と、第２集光レンズ群２２を固定するための基板１５２と、第１フライアイレンズ３を固定するための基板１５３とを有している。

照明装置１０を構成する各光学部品であるＬＥＤアレイ１、第１集光レンズ群２１、第２集光レンズ群２２、第１フライアイレンズ３は、固定部材１５に固定されており、一体的な構造となっている。また、照明装置１０は、光軸に対して垂直な平面内において一体的に動かすことができる。また、照明装置１０は、光軸に対し、回転することもできる。このように、赤色、緑色、青色の複数のＬＥＤを光源としたプロジェクタにおいて、ＬＥＤ光源と集光系光学部品とを一体構造としたことにより、赤色、緑色、青色の照明光を簡単に、かつ精度良く、照明対象物である液晶表示パネルに照射させることができる。

図４は、照明装置１０の固定部材１５を構成する基板１５１と、基板１５１に固定されたＬＥＤアレイ１、及び第１集光レンズ群２１を示したものである。

照明装置１０の光学系においては、各光学部品の光軸を一致させることが重要であるが、特にＬＥＤアレイ１を構成する各ＬＥＤチップと、これに対向する第１集光レンズ群２１を構成する個々の集光レンズとの光軸を一致させることが重要である。この光軸が一致しない場合、第２フライアイレンズ５を構成する各単位レンズは、第１フライアイレンズ３の各単位レンズを透過した光を効率よく集束することができない。その結果、液晶表示パネル７、ひいてはスクリーンに到達する光の光量が減少してしまう。

そこで、本実施形態の照明装置１０においては、ＬＥＤアレイ１を構成する個々のＬＥＤチップと、第１集光レンズ群２１を構成する個々の集光レンズを、同一の基板１５１に固定している。

基板１５１にはＬＥＤアレイ１を構成する個々のＬＥＤチップを嵌め込むための嵌合穴を有している。また、この嵌合穴の外側には、嵌合穴と同心円状に設けられた嵌合溝が設けられていて、この嵌合溝には、第１集光レンズ群２１を構成する個々の集光レンズを嵌めこむことができる。前記の嵌合穴、及び、嵌合溝は、ＬＥＤアレイ１を構成するＬＥＤの数（即ち、第１集光レンズ群２１を構成する集光レンズの数）と同数設けられている。このような構成の基板１５１に、ＬＥＤと第１集光レンズとを固定することにより、ＬＥＤと、第１集光レンズとの光軸を精度良く、かつ、より容易に一致させることができる。

また、ＬＥＤチップは熱に弱く、例えば、１３５℃を超えると熱により破壊されてしまう。したがって、ＬＥＤチップの熱破壊を防ぐため、基板１５１には銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）といった熱伝導性の良い材料が使用される。これにより、ＬＥＤチップから発生した熱が基板１５１へ放熱されるので、照明装置１０を長時間稼動させることが可能となる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

例えば、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、第１集光レンズ群２１を構成する個々の集光レンズは、基板１５１の嵌合溝に嵌めこむことで基板１５１に固定するものとしたが、これ以外の方法により基板１５１に固定しても良い。

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。

また上記例では、照明装置１０を構成する各光学部品であるＬＥＤアレイ１、第１集光レンズ群２１、第２集光レンズ群２２、第１フライアイレンズ３は、固定部材１５に固定され、一体的な構造となっていた。そして、ＬＥＤアレイ１を構成する個々のＬＥＤチップと、第１集光レンズ群２１を構成する個々の集光レンズを、同一の基板１５１に固定していた。これに対し、第２集光レンズ群２２を有さない照明装置であって、前記照明装置を構成する各光学部品であるＬＥＤアレイ、第１集光レンズ群、第１フライアイレンズとを、固定部材に固定し、ＬＥＤアレイを構成する個々のＬＥＤチップと、前記第１集光レンズ群を構成する個々の集光レンズを、同一の基板に固定することを特徴とした照明装置であっても良い。

投写型映像表示装置１００の外観を示した図である。 投写型映像表示装置１００の光学系を示した図である。 照明装置１０の構成を示した図である。 照明装置１０の固定部材１５を構成する基板１５１と、基板１５１に固定されたＬＥＤアレイ１、及び第１集光レンズ群２１を示した図である。

符号の説明

１ ＬＥＤアレイ
２１ 第１集光レンズ群
２２ 第２集光レンズ群
３ 第１フライアイレンズ
４ ダイクロイックプリズム
５ 第２フライアイレンズ
６ コンデンサレンズ
７ 液晶表示パネル
８ 投写レンズ

Claims (10)

1. 単位光源の群が配列してなる光源と、
   前記単位光源の群に対向して配列した集光レンズの群と、
   前記集光レンズの群に対向して配列した単位レンズの群と、
   前記光源と、前記集合レンズの群と、前記単位レンズの群を固定する、固定部材とを有することを特徴とする照明装置。
2. 前記単位レンズの群の各々は、対向する前記単位光源が発生し対向する前記集光レンズを透過した光を集光することを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記固定部材は、
   前記単位光源を嵌め込むための嵌合穴と、前記嵌合穴と同心円状に設けられた前記集光レンズを嵌め込むための嵌合部とを、有することを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 単位光源の群が配列してなる光源と、
   前記単位光源の群に対向して配列した第１の集光レンズの群と、
   前記第１の集光レンズの群に対向して配列した第２の集光レンズの群と、
   前記第２の集光レンズの群に対向して配列した単位レンズの群と、
   前記光源と、前記第１の集合レンズの群と、前記第２の集合レンズの群と、前記単位レンズの群を固定する、固定部材とを有し、
   前記固定部材は、
   前記単位光源を嵌め込むための嵌合穴と、前記嵌合穴と同心円状に設けられた前記第１の集光レンズを嵌め込むための嵌合部とを、有することを特徴とする照明装置。
5. 前記単位レンズの群の各々は、矩形であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の照明装置。
6. 前記固定部材は、熱伝導率の高い材料を使用して作製されたことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の照明装置。
7. 前記固定部材は、銅、又はアルミニウムを使用して作製されたことを特徴とする、請求項６に記載の照明装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の照明装置と、
   前記単位レンズの群の各々を通過した前記光源の光を、照射面へ重なり合って入射するように集光する照射光学系と、
   前記照射光学系の前記照射面に配置された液晶表示パネルと、
   前記液晶表示パネルからの出射光を投写する投写光学系とを備え、
   前記照明装置は、前記照射光学系に対して、位置調整が可能であることを特徴とする、投写型映像装置。
9. 前記照射光学系は、
   前記単位レンズの群に対向して配列した第２の単位レンズの群と、
   前記第２の単位レンズの群に対向して配置したコンデンサレンズと、を有することを特徴とする請求項８に記載の投写型映像装置。
10. 前記単位レンズと、前記第２の単位レンズは、
    前記液晶表示パネルの形状に対応して矩形をなしていることを特徴とする請求項９に記載の投写型映像装置。
    

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