JP2006171662A - 投射型表示装置の面光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】球面収差、色収差の抑制を実現する投射型表示装置の面光源装置
【解決手段】発光ダイオードを多数集積した面光源装置の光束を球面レンズで集光した場合に発生する球面収差、色収差を、発光ダイオードの設置間隔により球面収差を抑制し、発光ダイオードの赤、青、緑各色の設置分布により色収差を抑制することを可能にする面光源装置
【選択図】図２

Description

本発明は、発光ダイオードを使用した投射型表示装置用の光源装置に関するものである。

大画面の映像を表示する表示機器として投射型表示装置が知られている。投射型表示装置は、光源が放射した光を液晶パネルに照射し、映像信号に応じて液晶パネルで変調した光を投射レンズから投射するものであり、従来、光源には高輝度の放電ランプである超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプを使用することが主流になっていた。

超高圧水銀ランプやメタルハライドランプの発光スペクトルは、４００ｎｍ〜７００ｎｍにわたり、必要のない波長成分の光を含んでいる。特に、紫外領域の光は、レンズ等の光学部品の劣化によるダメージを引き起こす。さらに、赤外領域の光は、レンズ等の光学部品に発熱による劣化を引き起こす。このため、従来はこれら光学部品に特別な耐熱、耐紫外線加工処理を施していたため、部品コストが高くなっていた。

さらに、超高圧水銀ランプやメタルハライドランプの寿命は短く、１０００〜９０００時間程度である。そのため、光源の交換が頻繁に発生し、メンテナンス性が悪かった。

一方、固体光源である発光ダイオードを光源に利用して、投射型表示装置を構成するという提案がある。発光ダイオードは、連続数万時間の点滅点灯が可能であり、光源の寿命を放電ランプに比べて大幅に長くすることができるため、従来の放電ランプを使用する方式に比べてメンテナンス性が向上する。

さらに、発光ダイオードの発光スペクトルは、紫外領域と赤外領域を含まないため、光学部品に劣化によるダメージを考慮した特別な加工処理を必要としないため、部品コストを低減でき、且つ、部品の寿命を長くすることができる。

しかし、発光ダイオード素子単体の輝度は、放電ランプに比べて光量が少ないため、発光ダイオードで光源装置を構成するには、複数の発光ダイオードを使用することが前提となる。複数の発光ダイオードを使用する場合、使用個数に応じて全体の輝度の増加が期待できるが、個数が多くなると光源の面積が大きくなるため、高効率の集光を実現しなければならないという問題が発生する。

投射型表示装置に使用する液晶パネルのサイズは、一般的に、透過型の高温ポリシリコンＴＦＴ液晶パネルの場合で対角０．５インチ〜１．４インチである。例えば、既に実用化されている投射型表示装置では、液晶パネルに１．３インチ（縦横比：４対３、面積：５２３平方ミリメートル）を使用している。一方、光源に使用する放射ランプは、１２０Ｗ〜３００Ｗである。例えば、１５０Ｗのメタルハライドランプを使用した場合、光源の全光束は、１５０００ルーメンとなる。

前記投射型表示装置の光源を、市販で入手可能な発光ダイオードに置き換えることを考える。現在の高輝度白色発光ダイオードは青色発光素子に黄色蛍光体を併用して白色光を実現しているためにスペクトルに偏りがあり、投射型表示装置の光源としては適当ではないため、赤、青、緑の３原色の発光ダイオードを適切な比率で組み合わせて使用する必要がある。さらに、投射型表示装置において、色階調を表現する方式は、赤、青、緑の各色発光ダイオードの点滅点灯であるため、赤、青、緑の３原色の発光ダイオードを適切な比率で組み合わせて、面光源を構成する必要がある。

市販で入手可能な高輝度発光ダイオードで、１個当たりの光束が６７ルーメン（緑色の場合）、直径９．４ミリメートルがあるため、これを使用して光源を構成する。前記メタルハライドランプと同程度の光束を得るために、合計２２５個の発光ダイオードが必要となり、縦１５個（１４１ミリメートル）、横１５個（１４１ミリメートル）、面積１９８８１平方ミリメートルの面光源となり、これは、１．３インチの液晶パネルに対して３８倍の大きさとなる。

投射型表示装置は、光源から出る光束を集光し、液晶パネルに照射しなければならない。光源に発光ダイオードを使用すると、上記のように３８倍以上の高効率で集光しなければならない。

高効率の集光方式として下記に説明するアレイ状レンズと集光レンズを使用した集光方式がある。この方式は発光面全体を覆う大口径の球面凸形状の集光レンズを使用する必要があり、前記大口径球面レンズの球面収差による集光効率の低下が無視できない。さらに、高い屈折率のレンズを使用する場合、レンズを通る光の赤色波長光はレンズから遠くに焦点を結び、青色波長光はレンズから近くに焦点を結ぶ色収差が大きくなる

前記、球面収差、色収差を補正する解決手段の一つとして非球面レンズの使用が挙げられるが、大口径非球面レンズは高コストであり、発光ダイオード光源の優位性の一つである低コストを損なう。また、二枚以上の球面レンズを組み合わせて色収差を低減する方式もあるが、使用するレンズ枚数が増えるため、前記解決手段と同様に低コストを損なう。

本発明は、かかる問題を解決するものであり、複数の発光ダイオードを使用して光源を構成し、大口径レンズで集光する場合の球面収差と色収差を低減する低コストの手段を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は複数の発光ダイオードを面上に配置した面光源装置と、球面凸形状の集光レンズを持つことを特長としている。特に球面収差を補正できるように、面光源装置の発光ダイオードと球面凸形状の集光レンズの間に発光ダイオードと同数の小型レンズを設置し、面光源装置の発光ダイオードの設置間隔を、面光源装置の中心部から周辺部につれて狭くし、前記小型レンズと発光ダイオードの光軸がずれるように設置する特長を持つ。

更に、色収差を補正させるために、面光源装置の中心部から周辺部までを同心円状に分割し、中心部につれて青色が強くなり、周辺部になるにつれて赤色が強くなるように、発光ダイオードを配置することを特長としている。

以下、本発明の実施例について説明する。

実施例では、複数の発光ダイオードで構成する面光源装置と、球面凸形状の集光レンズの間に、発光ダイオードと同数の小型レンズを面上に組み合わせたアレイ状レンズを使用している。これは、面光源装置の球面収差を補正すると同時に、発光ダイオードから放射した光束を、平行光化し高効率で集光するためである。また、本発明に使用される発光ダイオードの数は、本発明の所望の効果が得られれば特に限定はないが、例えば２〜２００００個、好適には、１０〜２０００個、特に好適には２０〜１０００個が例示される。

球面収差とは図１に示すように球面凸レンズに平行光が入射する場合、レンズ周辺部に入射した光がレンズの焦点位置より手前に結像する現象を言い、入射光の屈折角度が大きい場合、即ち曲率が大きく焦点距離の短いレンズほど、周辺部の球面収差は顕著になる。
また色収差とは図３に示すように入射した光が球面凸形状の集光レンズで屈折する際に分光し、各波長の光が異なる焦点距離で結像する現象を言い、球面収差と同様に入射光の屈折角度が大きい場合ほど顕著になる。

本発明における球面収差を補正する手段は、光源が複数の発光ダイオードから成り、集光レンズの中心部と周辺部に入射する光がそれぞれ異なる発光ダイオードから発し、対応するアレイ状レンズによって平行化されている点に着目する。即ち、図２に示すようにアレイ状レンズは固定したまま、光源周辺部の発光ダイオードの取りつけ位置を集光レンズ中心軸方向にずらす事により、集光レンズ周辺部に入射する光の角度を傾けて周辺部から出た光が正しい焦点に結像する様に補正する。

色収差の低減手段は光源に三原色の発光ダイオードを複数個使用している点に着目し、図４に示すように集光レンズ中心軸から周辺部にかけて青、緑、赤の発光ダイオードの個数を同心円状に偏在させる。即ち、屈折率の大きい青色光を中心軸に多く配置し、屈折率の小さい赤色光を周辺部に多く配置する事で色収差と球面収差を相殺する。この場合、各色を完全に分離して配置してしまうと映像投影時に同心円状の色むらが発生する可能性が高いので各色は混在させて配置する必要がある。

発明の効果

以上の説明から明らかなように球面凸形状の集光レンズの使用に合わせた発光ダイオードの取り付け位置の微調整、及び色別配置によって、複数の発光ダイオードを使用した大面積の面光源から発する光の高効率な集光が可能になる。つまり、本発明の方式を使用することで、球面凸形状のレンズを使用する低コストで、且つ高効率の集光が実現できる。

また、以上の例では液晶パネルを使用した単板式の投射型表示装置に本発明を適用しているが、本発明は、光源光を高効率で集光することを目的としているため、集光した光の使用方法は問わない。つまり、反射型液晶パネルに限らず、投写型液晶パネル、空間光変調素子であるＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）の装置にも本発明を適用してもよい。さらに、単板式の投射型表示装置に限らず、３板式の投射型表示装置に本発明を適用してもよい。

通常の光源配列において周辺部の発光ダイオードから発する光束が集光レンズの球面収差によって焦点と正しく交差しない状態を示す。発光ダイオードは全て等間隔に配置（図中９は、発光ダイオードの設置間隔） 本発明の実施の形態における面光源装置の平面図である。周辺部の発光ダイオードの取り付け位置をアレイ状レンズと同軸の位置から集光レンズの中心軸方向へ僅かに移動させる事により、アレイ状レンズから出る光束が集光レンズの軸線に対して外側へ傾いた状態で集光レンズに入射し、結果として球面収差が補正されて全ての光束が焦点の位置で交差する。個々の発光ダイオードの設置間隔は発光ダイオードから集光レンズ中心軸までの間隔と集光レンズの焦点距離によって決定する。（図中９、１０、１１は発光ダイオードの設置間隔。間隔が長いものより９、１０、１１の順となる） 赤、青、緑の光束が集光レンズ周辺部を通過した場合、集光レンズの色収差によって屈折率が高い青色光は焦点の手前、屈折率が低い赤色光は焦点の奥で交差する状態を示す。 本発明の実施の形態における面光源装置の平面図である。赤、青、緑各色の発光ダイオードの個数分布をそれぞれ集光レンズの周辺、中間、中心部に偏らせて設置する。結果として色収差が補正されて、全ての光束が焦点の位置で交差する。各分布の発光ダイオードの個数は、使用する発光ダイオードの個数、発光ダイオードから集光レンズ中心軸までの間隔と集光レンズの焦点距離によって決定する。（図中１８、１９、２０は発光ダイオードの色分布を示し、１８は赤色波長光が強い分布、１９は緑色波長光が強い分布、２０は青色波長光が強い分布となる）

符号の説明

１ 発光ダイオード
２ アレイ状レンズ
３ 集光レンズ
４ 焦点
５ 発光ダイオードが放射する光束
６ 平行化された光束
７ レンズ中央部で集光された光束
８ レンズ周辺部で集光された光束
９ アレイ状レンズと発光ダイオードを同軸に配置した場合の間隔
１０ 球面収差を補正するためにアレイ状レンズと軸をずらした発光ダイオードの間隔１
１１ 球面収差を補正するためにアレイ状レンズと軸をずらした発光ダイオードの間隔２
１２ 取り付け位置を集光レンズ中心軸方向にずらした周辺部発光ダイオード
１３ 位置をずらした発光ダイオードから出る光束
１４ レンズ周辺部で集光された光束
１５ 赤色光
１６ 緑色光
１７ 青色光
１８ 赤色波長光が強い分布
１９ 緑色波長光が強い分布
２０ 青色波長光が強い分布

Claims (3)

1. 複数個の発光ダイオードを面状に集積配置し、標準的な球面凸形状の集光レンズを使用しながら球面収差及び色収差を補正し、高効率な集光を可能とする面光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置において、複数個の発光ダイオードと球面凸形状の集光レンズの間に、発光ダイオードと同数の小型レンズを有し、面光源装置の中心部から周辺部につれて、発光ダイオードの設置間隔が狭くなることを特長とする面光源装置。
3. 請求項１に記載の光源装置において、面光源装置の中心部から周辺部までの距離を同心円状に分割し、中心部につれて青色が強くなり、外周部につれて赤色が強くなるように発光ダイオードの色を組み合わせることを特長とする面光源装置。

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