JP2006285043A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＥＤを用いて高い照度を得るとともに、照射対象面を均一に照射する。
【解決手段】 全てのＬＥＤ５から出力された光がロッドインテグレータ１１１の端面に集合して入射され、これらの光がロッドインテグレータ１１１内においてミキシングされる。したがって、光量を多くすることができ、明るい表示画面を得ることができる。また、リフレクタ９を用いている為、発光素子の光軸からみて、広い角度で放射される光も捨てずに利用可能であるため、光利用効率を高くすることができる。また、光がロッドインテグレータ１１１の側面内面により全反射されつつ伝播されることによってミキシングされ、その光量が出力側の端面においてはほぼ均一になる。表示画面全体の明るさが均一になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プロジェクタ用電源などに用いて好適な光源装置の技術に関する。

プロジェクタにおいては、多くの光量が必要になるため、その光源としてはアークランプなどの高輝度ランプが用いられる。しかしながら、アークランプ（キセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプなど）は寿命が短く、例えば、メタルハライドランプでは、１０００時間程度の使用時間で、光の中心強度が５０％低下してしまう。
このために、長寿命の光源が求められている。特許文献１に記載の装置は、発光ダイオードを用いた光源装置が記載されている。発光ダイオードを用いれば、光源としての寿命は著しく長くなり、好適である。
特開平１１−３２２７８号公報

ところで、特許文献１に記載の光源にあっては、ＬＥＤ群を構成する一つひとつのＬＥＤの出射光を平行にして、この平行光を照射対象に導いている。この場合、照射対象のある点に対して一つのＬＥＤの光が導かれるという構成であるため、いずれかのＬＥＤの光量が落ちたり、あるいは故障したりすると、その点が暗くなってしまうという問題があった。また、照射対象のある点に対して一つのＬＥＤが対応するという構成であるために、照度を高くすることが難しいという問題があった。すなわち、この場合に照度を高くするには、ＬＥＤそのものの輝度を高くしなければならないが、それには物性的な限界がある。
また、特許文献１に記載の装置にあっては、各ＬＥＤに光量のばらつきがあると、照射対象面の照度もこれに対応してばらついてしまうという欠点があった。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、ＬＥＤを用いて高い照度を得るとともに、照射対象面を均一に照射することができる光源装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明は、複数の発光素子によって構成される発光素子アレイと、前記発光素子アレイの各発光素子の出力光を平行光化する光学構造体と、入力端面から出力端面に向けて伸びる柱状の本体を有し、前記入力端面に光が入射されると前記本体の内部で反射しながら前記出力端面に向うよう構成され、前記入力端面に入射された光をミキシングして出力する光ミキシング部材と、前記光学構造体から出力される平行光を、前記光ミキシング部材の入力端面に照射されるように集光する集光手段とを具備することを特徴とする光源装置を提供する。
また、前記光学構造体は、放物面鏡、レンズ、あるいは、放物面鏡と前記放物面鏡で反射された光の経路に設けられるレンズによって構成してもよい。
また、前記発光素子アレイを構成している各発光素子は出力波長が異なる複数のグループに分かれているように構成してもよい。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態を説明する。
＜第１実施形態＞
図１の（ａ）は、この発明の第１実施形態である光源装置１を有するＤＭＤ（登録商標）（Digital Micromirror Device）を用いたＤＬＰ（登録商標）（Digital Light Processing（登録商標））方式のプロジェクタの構成を示している。光源装置１は、複数の発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」という）５と、コンデンサレンズ１３と、ロッドインテグレータ１１１とを備えている。

図１の（ａ）は側面図のために３個のＬＥＤ５が示されているが、正面からみた場合は図１の（ｂ）に示すように３×３のマトリクス状に配置されている。マトリクスを構成するＬＥＤ５は、図１の（ｂ）に示すようにＲ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の各波長を出力するグループに分かれており、全体が点灯したときは白色となるように構成されている。また、各ＬＥＤ５には、放物面を有したリフレクタ９が設けられており、ＬＥＤ５の出力光はリフレクタ９によって反射されて平行光になる。

図２の（ａ）は、本実施形態におけるＬＥＤ５付近の拡大図であり、図２の（ｂ）は、ＬＥＤ５から出射される照明光の光路を点線で図示したものである。図において、５１は、ＬＥＤ５の発光点であり、この発光点５１から出射される照明光をリフレクタ９によりほぼ平行光線にしてコンデンサレンズ１３に出射する。なお、ＬＥＤ５の出力光のうち光軸に近いものは、リフレクタ９を介さずにコンデンサレンズ１３に出射する。

ここで、図３は、ＬＥＤ５から出射される照明光の配光強度分布の一例を示す図である。図において、−α〜αの範囲の光量はやや少なく、それ以外（−９０°〜−α，α〜９０°）の範囲の光量が多くなっていることがみてとれる。一般的なＬＥＤの配光分布は図３のようになっているものもあり、そのため、中心部の出力光のみを用いると光利用効率が悪くなってしまうという問題がある。図２に示すように、ＬＥＤ５にリフレクタ９を設けることによって、光量の多い範囲（−９０°〜−α，α〜９０°）の照明光を有効に用いることができ、光利用効率を高くすることが可能となる。

図１の説明に戻る。図において、１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃは、リレーレンズであり、コンデンサレンズ１３との間にロッドインテグレータ１１１を挟み、コンデンサレンズ１３と光軸を一致させた状態で固定されている。

ロッドインテグレータ１１１は、ガラスや樹脂等で形成された直方体形状の透明な導光路である。全てのＬＥＤ５の照明光は、コンデンサレンズ１３を通過することにより収束され、ロッドインテグレータ１１１の一方の端面に入射し、ロッドインテグレータ１１１の側面により全反射されつつ伝播し、ロッドインテグレータ１１１の他方の端面からリレーレンズ１２０ａに向けて出射される。

ロッドインテグレータ１１１の出射光は、リレーレンズ１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃを通過することにより平行光となる。

次に、２２は、リレーレンズ１２０ｃより出射される照明光を反射型表示デバイス２３に向けて出射する全反射（ＴＩＲ）プリズムである。

図４（ａ）は、反射型表示デバイス２３の構成を示す図である。反射型表示デバイス２３は、全反射プリズム２２からの照明光に空間変調を画素毎に施すものであり、１３μｍ程度の正方形状の複数のマイクロミラー１０１が２次元アレイ状に配列されて構成されている。ロッドインテグレータ１１１から出射されてリレーレンズ１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃを通過することにより平行光となった光は、２次元アレイ状のマイクロミラー１０１を照射する。本実施形態におけるロッドインテグレータ１１１の端面形状は、２次元アレイの形状と相似形になっており、ロッドインテグレータ１１１の出射光は、２次元アレイにほぼ重なるように照射されるようになっている。より詳細に言えば、マイクロミラー１０１の２次元アレイの部分（有効画素エリア）よりも少し大きい範囲に照射されるようになっている。
図４（ｂ）は、マイクロミラー１０１の動作を示す図である。マイクロミラー１０１は、反射型表示デバイス２３の半導体基板１０３上にピボット１０５によって支持されている。各マイクロミラー１０１は、半導体基板１０３にアレイ状に形成されたトランジスタ（図示省略）がオンして発生する静電力に基づいて偏向し、照射された光を有効反射光（外部へ照射される光）とする場合は、マイクロミラー１０１を図４の実線で示す状態にし、照明光を投射レンズ２４に向けて順次反射させる。一方、無効反射光（外部へ照射されない光）とする場合は、マイクロミラー１０１を図４の破線で示す状態にし、照明光がストッパー１０２によって吸収されるようにする。また、マイクロミラー１０１は、画素信号の大きさに応じて投射レンズ２４への反射時間が制御され、例えば、画素信号が８ビットならば、反射光量は２５６階調で変化する。つまり、各マイクロミラー１０１の反射時間が制御されることによって画素毎の階調が表現されるようになっている。

投射レンズ２４は、反射型表示デバイス２３から出射されて全反射プリズム２２を透過する映像光を外部のスクリーン等に投射する。

以上説明した本実施形態によれば、全てのＬＥＤ５から出力された光がロッドインテグレータ１１１の端面に集合して入射され、これらの光束がロッドインテグレータ１１１内においてミキシングされる。したがって、光量を多くすることができ、明るい表示画面を得ることができる。
また、リフレクタを用いている為、発光素子の光軸からみて、広い角度で放射される光も捨てずに利用可能であるため、光利用効率を高くすることができる。
ＬＥＤ５の照明光は図３に示したように、出射角度によってその強さが異なり、さらにＬＥＤ個々に特性のばらつきがあるから、ロッドインテグレータ１１１の端面に入射される照明光は、同一の光束内において強度の分布が異なり、また、他の光束との間では光量のばらつきもある。しかしながら、これらの光束は、ロッドインテグレータ１１１の側面内面により全反射されつつ伝播されることによって、ミキシングされ、その光量が出力側の端面においてはほぼ均一になる。したがって、表示画面全面にわたって均一の明るさが得られる。
そして、上述した構成において、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色のＬＥＤ５を順次色毎に時分割駆動してゆき、各色についての像をマイクロミラー１０１が形成することにより、カラー画像が形成される。

なお、上述した実施形態においては、中実のロッドインテグレータ１１１を用いたが、図５に示すような中空のロッドインテグレータ１１１´を用いてもよい。中空のロッドインテグレータ１１１´は、内面がミラーになっており、入射された光はこの内面ミラーによって反射される。中空のロッドインテグレータ１１１´も前述の中実のロッドインテグレータ１１１と同様の作用を行う。

なお、上述した実施形態においては、３×３個のＬＥＤ５をマトリクス状に配置するようにしたが、ＬＥＤの個数はこれに限定されるものではなく、より多数のＬＥＤを用いて構成することも勿論可能である。

＜第２実施形態＞
図６は、この発明の第２実施形態である光源装置を有するプロジェクタの構成を示す図である。上記第１実施形態では、複数のＬＥＤ５により照明光を出射した。これに対し、本実施形態では、複数のＬＥＤ５を１つの光源ユニット７として複数の光源ユニット７Ｒ，７Ｇ，７Ｂが設けられている。なお、実際にはより多くの光源ユニットが用いられることも勿論可能であるが、説明の簡略化のために３つの光源ユニット７Ｒ，７Ｇ，７Ｂだけを示している。

光源ユニット７Ｒに備えられたＬＥＤ５は、赤色光を発光するＬＥＤであり、光源ユニット７Ｂに備えられたＬＥＤ５は、青色光を発光するＬＥＤであり、光源ユニット７Ｇに備えられたＬＥＤ５は、緑色光を発光するＬＥＤである。また、８は、ダイクロイックプリズムであり、光源ユニット７Ｒ，７Ｇ，７Ｂのそれぞれから出射される照明光をコンデンサレンズ１３に出射する。

光源ユニット７Ｒ，７Ｇ，７Ｂは、順次時分割に点灯されるようになっており、それぞれの光源ユニット７Ｒ，７Ｇ，７Ｂから出射された赤色光，青色光，緑色光は、コンデンサレンズ１３に出射され、ロッドインテグレータ１１１でミキシングされてリレーレンズ１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃおよび全反射プリズム２２を介して反射型表示デバイス２３に出射される。反射型表示デバイス２３は、それぞれの照明光（赤色光，青色光，緑色光）に対して画素毎に空間変調を施し、これにより各色（赤，青，緑）毎の階調が表現される。これにより、フルカラー画像が投射レンズ２４によって投射される。

＜他の実施形態＞
（１）上記各実施形態では、ＤＬＰ方式のプロジェクタに適用する場合を例に光源装置を説明した。しかし、プロジェクタには、ＤＬＰ方式以外にも、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）方式のプロジェクタや、透過型ＬＣＤプロジェクタなど各種のものがある。本発明に係る光源装置は、プロジェクタの方式に合わせて必要な変形を加えることにより、表示素子や光学方式を問わず、各種のプロジェクタに適用可能である。

（２）上記各実施形態では、ＬＥＤ５からの照明光を平行光線にするためにリフレクタ９を用いたが、図７に示すように、リフレクタ９とコリメートレンズ１０とを併用して平行光を生成するようにしてもよい。
図７において、コリメートレンズ１０は、図３に示した配光分布の−α〜αの範囲の照明光を平行光線とする光学構造体である。このコリメートレンズ１０とリフレクタ９とを併用することによって、−α〜αの範囲の照明光はコリメートレンズ１０によって平行光線となり、また、それ以外の範囲の照明光はリフレクタ９によって平行光線となる。これにより、ＬＥＤ５から出射される照明光の大部分を平行光線とすることが可能となり、光利用効率を向上させることが可能となる。
なお、ＬＥＤ５からの照明光を平行光線とする光学構造体として、リフレクタを用いずにコリメートレンズのみを用いるようにすることも勿論可能である。

また、図８に示すように、ガラス又は樹脂等の塊で構成されたプリズム１１を用いて、プリズム１１と外界（空気等）との境界面を利用（内面全反射や屈折）して平行光を生成するようにしてもよい。
図示のように、プリズム１１は、−α〜αの範囲の照明光を屈折させて平行光線とし、それ以外の範囲の照明光を内面全反射させて平行光線とする。このプリズム１１を用いることによって、ＬＥＤ５から出射される照明光のほぼ全てを平行光線とすることが可能となり、光利用効率を向上させることが可能となる。

この発明の第１実施形態である光源装置を有するプロジェクタの構成を示す図である。 同実施形態におけるＬＥＤ付近の構成を示す図である。 同実施形態におけるＬＥＤの配光分布の一例を示す図である。 同実施形態における反射型表示デバイスの構成を示す図である。 同実施形態におけるロッドインテグレータ１１１の構成の一例を示す図である。 この発明の第２実施形態である光源装置を有するプロジェクタの構成を示す図である。 変形例におけるＬＥＤ付近の構成を示す図である。 変形例におけるＬＥＤ付近の構成を示す図である。

符号の説明

１…光源装置、５…ＬＥＤ、１３…コンデンサレンズ、９…リフレクタ、１０…コリメートレンズ、１１１…ロッドインテグレータ、１２０…リレーレンズ、２２…全反射プリズム、２３…反射型表示デバイス、２４…投射レンズ。

Claims (5)

1. 複数の発光素子によって構成される発光素子アレイと、
   前記発光素子アレイの各発光素子の出力光を平行光化する光学構造体と、
   入力端面から出力端面に向けて伸びる柱状の本体を有し、前記入力端面に光が入射されると前記本体の内部で反射しながら前記出力端面に向うよう構成され、前記入力端面に入射された光をミキシングして出力する光ミキシング部材と、
   前記光学構造体から出力される平行光を、前記光ミキシング部材の入力端面に照射されるように集光する集光手段と
   を具備することを特徴とする光源装置。
2. 前記光学構造体は、放物面鏡であることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
3. 前記光学構造体は、レンズであることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
4. 前記光学構造体は、放物面鏡と前記放物面鏡で反射された光の経路に設けられるレンズによって構成されることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
5. 前記発光素子アレイを構成している各発光素子は出力波長が異なる複数のグループに分かれていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光源装置。

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