JP2006084962A - 照明装置及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトな構成で射出光の照度分布を均一化する。
【解決手段】 電流が供給されることによって発光する光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂと、光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから射出された射出光を光学変換して照明光として射出する光学素子とを備える照明装置であって、上記光学素子として、上記射出光の照明領域内において相対的に輝度の低い領域に相対的に輝度の高い領域から光を分配することによって上記照明光の照度分布を均一化する角度変換レンズ８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、照明装置及び画像表示装置に関するものである。

従来のプロジェクタ等の画像表示装置では、その光源装置として、古くはハロゲンランプ、近年は高輝度高効率である高圧水銀ランプ（ＵＨＰ）が多く用いられてきた。放電型のランプであるＵＨＰを用いた光源装置は高圧の電源回路を要し、大型で重く、プロジェクタ等の画像表示装置の小型軽量化の妨げになっていた。また、ハロゲンランプよりは寿命が長いものの依然短寿命である他、光源装置の制御（高速の点灯、消灯、変調）が略不可能で、また立ち上げに数分という長い時間を要していた。

そこで最近、新しい光源装置としてＬＥＤ発光体を用いたＬＥＤ光源装置が注目されている。ＬＥＤは超小型・超軽量、長寿命である。また、駆動電流の制御によって、点灯・消灯、出射光量の調整が自由にできる。この点でプロジェクタ等の画像表示装置の光源装置としても有望であり、既に小型・携帯用の小画面プロジェクタへの応用開発が始まっている（例えば、特許文献１）。

ここで、図１４及び図１５を参照して、従来のＬＥＤを用いた光源装置１００について説明する。なお、図１４は、緑色・青色光源装置１００ＧＢの概略構成図であり、（ａ）が断面図、（ｂ）がチップ１６０の上面図である。また、図１５は、赤色光源装置１００Ｒの概略構成図であり、（ａ）が断面図、（ｂ）がチップ１１０の上面図である。
図１４に示すように、緑色・青色光源装置１００ＧＢは、電流が供給されることによって発光するチップ１６０と、このチップ１６０の出射面に配置される透明電極１７０と、チップ１６０の発光層を削り取るようにして平行に複数形成された溝１６０ａの底部に配置される電極１８０とを備えている。このような緑色・青色光源装置１００ＧＢは、電極１８０から電流が供給されることによって発光する。
また、図１５に示すように、赤色光源装置１００Ｒは、電流が供給されることによって発光するチップ１１０と、このチップ１１０の出射面に配置される放射状の電極１２０と、チップ１１０を挟んで電極１２０と対向配置される対向電極１４０を備えており、電極１２０とボンディングワイヤ１３０とが半田１５０によって固着されている。このような赤色光源装置１００Ｒは、ボンディングワイヤ１３０を介して電極１２０から電流が供給されることによって発光する。
特開２０００−１１２０３１号公報

しかしながら、緑色・青色光源装置１００ＧＢをプロジェクタの光源装置として用いた場合には、溝１６０ａに発光層が存在しないためにスクリーン上に溝１６０ａの影が生じてしまう。また、赤色光源装置１００Ｒをプロジェクタの光源装置として用いた場合には、電極１２０の影がスクリーン上に投影されてしまう。
このため、従来のプロジェクタ等の画像表示装置では、光源装置からの射出光の照度分布をロッドレンズ等によって均一化した後に投射している。しかしながら、緑色・青色光源装置１００ＧＢ及び赤色光源装置１００Ｒからの射出光の照度分布を均一化するためには、長いロッドレンズが必要となるため、プロジェクタ等の画像表示装置が大型化してしまうという問題が生じる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、コンパクトな構成で射出光の照度分布を均一化することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の照明装置は、電流が供給されることによって発光する光源装置と、上記光源装置から射出された射出光を光学変換して照明光として射出する光学素子とを備える照明装置であって、上記光学素子として、上記射出光の照明領域内において相対的に輝度の低い領域に相対的に輝度の高い領域から光を分配することによって上記照明光の照度分布を均一化する角度変換レンズを備えることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明の照明装置によれば、光学素子として用いられる角度変換レンズによって、射出光が光学変換され照明光として射出される。そして、光源装置からの射出光は、角度変換レンズによって光学変換される際に、射出光の照明領域内において相対的に輝度の低い領域に相対的に輝度の高い領域から光が分配されることによって照度分布が均一化された照明光として射出される。
このように、本発明の照明装置によれば、照明光の照度分布を均一化するためにロッドレンズのように長い光路長を必要としないため、コンパクトな構成で射出光の照度分布を均一化して照明光として射出することが可能となる。

また、本発明の照明装置においては、上記角度変換レンズが、上記射出光の結像位置に配置されるという構成を採用することが好ましい。
射出光は、非結像位置では像がぼやけるため、相対的に輝度の低い領域と相対的に輝度の高い領域との区別がはっきりとしない。このため、角度変換レンズの設計が困難性を増す。これに対し、射出光は、結像位置では像がはっきりとするため、相対的に輝度の低い領域と相対的に輝度の高い領域との区別がはっきりとする。このため、角度変換レンズの設計が容易となる。

なお、本発明の照明装置においては、上記角度変換レンズが、複数の台形プリズムを備えて構成されるという構成を採用することができる。
また、上記角度変換レンズが、複数の三角プリズムを備えて構成されるという構成を採用することもできる。
また、上記角度変換レンズが、複数のシリンダー形状のレンズを備えて構成されるという構成を採用することもできる。

また、本発明の照明装置においては、上記光源装置として、電流が供給されることによって発光し発熱する発光チップを備えるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源装置を備えるという構成を採用することができる。

次に、本発明の画像表示装置は、本発明の照明装置を備えることを特徴とする。
本発明の照明装置によれば、コンパクトな構成で射出光の照度分布が均一化され照明光として射出されるため、この本発明の照明装置を備える画像表示装置によれば、小型であり、かつ、優れた表示特性を発揮することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る照明装置及び画像表示装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態に係るプロジェクタ（画像表示装置）の全体構成を示す概略図である。この図に示すように、本実施形態のプロジェクタは３板式の液晶プロジェクタであり、色合成手段としてのダイクロイッククロスプリズム４０の３つの光入射面４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂには、それぞれ光変調装置としての液晶ライトバルブ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂが対向して配置され、各液晶ライトバルブ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂの背面側（クロスダイクロイックプリズム４０と反対側）にはそれぞれＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の色光を発光する発光チップを備える光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂが配置されている。

図２は、緑色・青色光源装置１０Ｇ，１０Ｂの概略構成図である。また、図３は、緑色・青色光源装置１０Ｇ，１０Ｂが備える発光チップ３１付近を拡大した模式図であり、（ａ）が断面図、（ｂ）が上面図である。これらの図に示すように、緑色・青色光源装置１０Ｇ，１０Ｂは、２極の素子であり、ｐ層３１ａ，発光層３１ｂ，ｎ層３１ｃを順に積層した発光チップ３１が金属材からなる伝熱部３７の上部に実装されている。この発光チップ３１には、発光層３１ｂを削り取るようにして複数の溝３１ｄが平行に形成されており、この溝３１ｄの底部にチップ３１のｎ層３１ｃと直接接触される電極３２が配置されている。また、発光チップ３１のｐ層３１ａ上には、透明電極３３が配置されている。そして、これらの電極３２及び透明電極３３は、外部接続端子であるリードフレーム３４，３５に各々発光チップ３１の出射面を遮らないリード線によって電気的に接続されている。

伝熱部３７には、発光チップ３１の実装面を囲む位置に壁部３７ａが設けられている。壁部３７ａは、先端部側が基端部側よりも細いテーパ状の形状を有しており、そのチップ３１に対向する側面３７ｂがチップ３１に対して外側に傾いた傾斜面となっている。この傾斜面３７ｂには、アルミニウムや銀等の高反射率の金属膜或いは金属粉からなる光反射面が形成されており、チップ３１から等方的に出射された光を実装面に対して略垂直な方向に反射して、照明に寄与させるようになっている。

伝熱部３７，リードフレーム３４，３５は樹脂フレーム３８と一体に形成されており、この樹脂フレーム３８の上にはチップ３１を内包するようにレンズ体３９が設けられている。そして、レンズ体３９とフレーム３８との間にはシリコン・ジェル等の熱伝導性の高い流体Ｂが充填され、放熱効率を一層高めるようになっている。

図４は、赤色光源装置１０Ｒの概略構成図である。また、図５は、赤色光源装置１０Ｒが備える発光チップ１２の付近を拡大した模式図であり、（ａ）が断面図、（ｂ）が上面図である。これらの図に示すように、赤色光源装置１０Ｒは２極の素子であり、この図に示すように、ｐ層１２ａ，発光層１２ｂ，ｎ層１２ｃを順に積層した発光チップ１２が金属材からなる伝熱部１１の上部に実装されている。そして、発光チップ１２の上面（出射面）には放射状に電極１６が形成されており、電極１６と、外部接続端子であるリードフレーム１３とを接続するために、電極１６からボンディングワイヤ１５が引き出されている。また、伝熱部１１は、チップ１２において発生した熱量を外部に放熱する機能を担うと共に電極１６の対向電極として用いられる。

伝熱部１１には、チップ１２の実装面（チップ１２と伝熱部１１との接続面）を囲む位置に壁部１１ａが設けられている。壁部１１ａは、先端部側が基端部側よりも細いテーパ状の形状を有しており、そのチップ１２に対向する側面１１ｂがチップ１２に対して外側に傾いた傾斜面となっている。この傾斜面１１ｂには、アルミニウムや銀等の高反射率の金属膜或いは金属粉からなる光反射面が形成されており、チップ１２から等方的に出射された光を実装面に対して略垂直な方向に反射して、照明に寄与させるようになっている。

伝熱部１１，リードフレーム１３は樹脂フレーム１９と一体に形成されており、この樹脂フレーム１９の上にはチップ１２やボンディングワイヤ１５を内包するようにレンズ体１７が設けられている。そして、レンズ体１７とフレーム１９との間にはシリコン・ジェル等の熱伝導性の高い流体Ａが充填され、放熱効率を一層高めるようになっている。

図１に戻り、液晶ライトバルブ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂは、光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから射出される射出光の結像位置に配置されている。そして、各液晶ライトバルブ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂの光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０ｂ側には、角度変換レンズ８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂ（光学素子）が重ねて配置されている。すなわち、これらの角度変換レンズ８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂは、液晶ライトバルブ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂと重ねて配置されることによって、光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから射出される射出光の結像位置に配置されている。

角度変換レンズ８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂは、光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから射出される射出光を光学変換することによって照明光として射出するものであり、射出光を光学変換する際に、射出光の照明領域内において相対的に輝度の低い領域に相対的に輝度の高い領域から光を分配することによって照明光の照度分布を均一化する光学素子である。

図６は、角度変換レンズ８０Ｇ，８０Ｂの斜視図である。この図に示すように、角度変換レンズ８０Ｇ，８０Ｂは、複数のシリンダー形状のレンズ８１を備えて構成されている。そして、各シリンダー形状のレンズ８１の繋ぎ部分８１ａは、緑色・青色光源装置１０Ｇ，１０Ｂが備える発光チップ３１の溝３１ｄに対応して配置されている。
図７は、角度変換レンズ８０Ｒの斜視図である。この図に示すように、角度変換レンズ８０Ｒには、溝８２が形成されており、この溝８２は、赤色光源装置１０Ｒが備える発光チップ１２の電極１６に対応して形成されている。

図１に戻り、ダイクロイッククロスプリズム４０は、４つの直角プリズムが貼り合わされた構造を有し、その貼り合わせ面４０ａ，４０ｂには誘電体多層膜からなる光反射膜（図示略）が十字状に形成されている。具体的には、貼り合わせ面４０ａには、液晶ライトバルブ３０Ｒで形成された赤色の画像光を反射し、それぞれ液晶ライトバルブ３０Ｇ，３０Ｂで形成された緑色及び青色の画像光を透過する光反射膜が設けられ、貼り合わせ面４０ｂには、液晶ライトバルブ３０Ｂで形成された青色の画像光を反射し、それぞれ液晶ライトバルブ３０Ｒ，３０Ｇで形成された赤色及び緑色の画像光を透過する光反射膜が設けられている。そして、ダイクロイッククロスプリズム４０の光出射面４０Ｅに導光された各色の画像光は投射レンズ５０によってスクリーン６０上に投射されるようになっている。

なお、本第１実施形態において、本発明の照明装置は、光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂと角度変換レンズ８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂとを備えて構成されている。

このような構成を有する本第１実施形態のプロジェクタにおいて、光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂに電流が供給されると、各光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂが備える各発光チップ１２，３１に電流が供給されることによって発光チップ１２，３１が発光し、光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから射出光が射出される。

ここで、緑色・青色光源装置１０Ｇ，１０Ｂから射出された射出光の照明領域における照度分布には、図８の模式図に示すように、紙面上下方向に延在する輝度が低い領域Ａ１と輝度が高い領域Ｂ１とが交互に存在する。これは、上述のように、発光チップ３１に非発光領域である溝３１ｄが存在しているためであり、この溝３１ｄに対応する箇所が図７に示す輝度が低い領域Ａ１として現れるためである。
そして、このような照度分布を有する射出光が光源装置１０Ｇ，１０Ｂから射出されると、射出された射出光は、角度変換レンズ８０Ｇ，８０Ｂに入射する。角度変換レンズ８０Ｇ，８０Ｂに入射した射出光は、角度変換レンズ８０Ｇ，８０Ｂにおいて光学変換されて照明光として射出される。ここで、角度変換レンズ８０Ｇ，８０Ｂは、上述のように、繋ぎ部分８１ａが、緑色・青色光源装置１０Ｇ，１０Ｂが備える発光チップ３１の溝３１ｄに対応して配置されているため、図９に示すように、輝度が高い領域Ｂ１における光の一部が、シリンダー形状のレンズ８１によって屈折され、輝度が低い領域Ａ１に分配される。この結果、照明光の照度分布が均一化される。その後、照明光は、液晶ライトバルブに３０Ｇ，３０Ｂによって画像光に変調され、投射レンズ５０によってスクリーン６０上に投射される。

また、赤色光源装置１０Ｒから射出された射出光も、赤色光源装置１０Ｒが備える発光チップ１２上に形成された電極１６に起因して照度分布のばらつきが生じる。具体的には、赤色光源装置１０Ｒから射出された射出光の照明領域においては、電極１６の形状と同様の形状の輝度の低い領域とそれを囲む輝度の高い領域とが生じる。
そして、このような赤色光源装置１０Ｒから射出された射出光が角度変換レンズ８０Ｒに入射すると、角度変換レンズ８０Ｒに形成された溝８２によって輝度の高い領域から低い領域に光が分配され、照度分布が均一化された照明光として射出される。その後、照明光は、液晶ライトバルブ３０Ｒによって画像光に変調され、投射レンズ５０によってスクリーン６０上に投射される。

このような本第１実施形態のプロジェクタによれば、光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂからの射出光は、角度変換レンズ８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂによって、光学変換される際に、射出光の照明領域内において相対的に輝度の低い領域に相対的に輝度の高い領域から光が分配されることによって照度分布が均一化された照明光として射出される。したがって、コンパクトな構成で射出光の照度分布を均一化して照明光として射出することが可能となり、小型であり、かつ、優れた表示特性を発揮することが可能となる。

また、本第１実施形態のプロジェクタによれば、角度変換レンズ８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂが射出光の結像位置に配置されているため、角度変換レンズの設計を容易化することができる。
射出光は、図１０に示すように、結像位置から遠ざかるほど像がぼやけるため、相対的に輝度の低い領域と相対的に輝度の高い領域との区別がはっきりとしない。このため、角度変換レンズの設計が困難性を増す。これに対し、射出光は、結像位置では像がはっきりとするため、相対的に輝度の低い領域と相対的に輝度の高い領域との区別がはっきりとする。このため、角度変換レンズの設計が容易となる。

なお、光源装置としては、サファイア等の透明基板上に発光層を成長させることによって発光チップを形成し、この発光チップを裏返して実装するフリップチップ実装タイプの、ＬＥＤ光源装置を用いることもできる。このような光源装置から射出される射出光の照度分布も、発光チップに形成された電極に起因してばらつく。このような光源装置であっても、本実施形態と同様に、角度変換レンズを配置することによって、射出光を、照度分布が均一な照明光として射出することが可能となり、本第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、図１１を参照して説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

上記第１実施形態のプロジェクタにおいては、本発明の照明装置が光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ及び角度変換レンズ８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂを備えて構成されていた。これに対し、本第２実施形態のプロジェクタにおいては、本発明の照明装置が光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ、角度変換レンズ８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂ及びロッドレンズ９０Ｒ，９０Ｇ，９０Ｂを備えて構成されている。

ロッドレンズ９０Ｒ，９０Ｇ，９０Ｂは、入射面９１から入射した照明光を内部において重畳反射することによって、照明光の照度分布をさらに均一化して射出面９２から射出するものであり、入射面９１が光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから射出される射出光の結像位置に位置するように配置されている。そして、このロッドレンズ９０Ｒ，９０Ｇ，９０Ｂの入射面に角度変換レンズ８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂが重ねて配置されることによって、本第２実施形態においても、角度変換レンズ８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂが射出光の結像位置に位置するように配置されている。

このような構成を有する本第２実施形態のプロジェクタによれば、角度変換レンズ８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂから射出された照明光の照度分布をさらに均一化することができるため、より優れた表示特性を発揮することが可能となる。なお、本第２実施形態のように角度変換レンズ８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂにさらにロッドレンズロッドレンズ９０Ｒ，９０Ｇ，９０Ｂを備えることによって、上記第１実施形態と比較すると、プロジェクタが大型化する。しかしながら、従来のロッドレンズのみによって照明光の照度分布を均一化する場合に用いられるロッドレンズの長さよりも短いロッドレンズで十分に照明光の照度分布を均一化することができるため、従来のプロジェクタよりも本第２実施形態のプロジェクタを小型化することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る照明装置及び画像表示装置の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、角度変更レンズ８０Ｇ，８０Ｂとして、シリンダー形状のレンズ８１を複数備えて構成されるものを用いた。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、図１２に示すような複数の台形プリズムを備えて構成されるもの、あるいは、図１３に示すような複数の三角プリズムを備えて構成されるものを用いても良い。

本発明の画像表示装置として、３板式の液晶プロジェクタを挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、単板式の液晶プロジェクタ、光変調素子として微小ミラーアレイデバイスを用いたプロジェクタあるいはスクリーンが一体形成された直視型の画像表示装置等に適用することが可能である。

本発明の第１実施形態であるプロジェクタの概略構成図である。 緑色・青色光源装置の断面図である。 緑色・青色光源装置の部分拡大図である。 赤色光源装置の断面図である。 赤色光源装置の部分拡大図である。 角度変換レンズの斜視図である。 角度変換レンズの斜視図である。 本発明の第１実施形態であるプロジェクタの動作を説明するための図である。 本発明の第１実施形態であるプロジェクタの動作を説明するための図である。 本発明の第１実施形態であるプロジェクタの動作を説明するための図である。 本発明の第２実施形態であるプロジェクタについて説明するための図である。 角度変換レンズの変形例を示す図である。 角度変換レンズの変形例を示す図である。 従来の光源装置について説明するための図である。 従来の光源装置について説明するための図である。

符号の説明

１０Ｒ，１０Ｂ，１０Ｇ……光源装置、８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂ……角度変換レンズ（光学素子）、９０Ｒ，９０Ｇ，９０Ｂ……ロッドレンズ、Ａ１……輝度の低い領域、Ｂ１……輝度の高い領域

Claims (7)

1. 電流が供給されることによって発光する光源装置と、前記光源装置から射出された射出光を光学変換して照明光として射出する光学素子とを備える照明装置であって、
   前記光学素子として、前記射出光の照明領域内において相対的に輝度の低い領域に相対的に輝度の高い領域から光を分配することによって前記照明光の照度分布を均一化する角度変換レンズを備えることを特徴とする照明装置。
2. 前記角度変換レンズは、前記射出光の結像位置に配置されることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 前記角度変換レンズは、複数の台形プリズムを備えて構成されることを特徴とする請求項１または２記載の照明装置。
4. 前記角度変換レンズは、複数の三角プリズムを備えて構成されることを特徴とする請求項１または２記載の照明装置。
5. 前記角度変換レンズは、複数のシリンダー形状のレンズを備えて構成されることを特徴とする請求項１または２記載の照明装置。
6. 前記光源装置として、電流が供給されることによって発光し発熱する発光チップを備えるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源装置を備えることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の光源装置。
7. 請求項１〜６いずれかに記載の照明装置を備えることを特徴とする画像表示装置。
   
   
   

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