JP2006301620A - 照明ユニット及びそれを採用した画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の集光効率を高めた照明ユニット及びそれを採用した画像投射装置を提供する。
【解決手段】入射される光を反射させて進行させる第１反射面と、照明光を生成して出射する発光素子と、発光素子から出射される光を反射させて、この反射光を、発光素子を備える光源面に誘導させる第２反射面と透明なボディーの光コレクタを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、光源の集光効率を高め得る照明ユニット及びそれを採用した画像投射装置に関する。

一般的に、照明ユニットは、光を照射する光源と、この光源から照射された光を伝達する照明光学系とから構成されるものであって、それ自体に発光能力のない液晶表示素子やマイクロミラーが２次元アレイに形成されたパネル、いわゆる、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）パネルなどの画像形成素子を利用して画像を具現する画像投射装置などに広く採用される。

照明ユニットの光源として、通常的に使用されるメタルハライドランプや超高圧水銀ランプ等は、その寿命がせいぜい数千時間程度であるので、ランプを頻繁に交換しなければならないという不便さがある。このような問題を解決するために、相対的に寿命の長いＬＥＤ（発光ダイオード）などの小型発光素子を光源として使用しようとする研究が進められている。ＬＥＤ光源からは発散光が出射されるため、照明ユニットは、ＬＥＤから照射された光を集光させて、一方向に進むようにコリメーティング機能を含むことが要求される。

一方、ＬＥＤ光源は、一般的にメタルハライドランプや超高圧水銀ランプに比べて光量が少ない。したがって、画像投射装置の光源として使用されるには、ＬＥＤ光源をアレイ化したＬＥＤモジュールアレイが必要である。

ＬＥＤ光源から出射された発散光をコリメーティングするには一般的にレンズを使用してＬＥＤモジュールを構成するが、このように、一般的なレンズを使用するＬＥＤモジュールのアレイは光効率が低いという問題点がある。その理由をさらに具体的に説明すれば、次の通りである。

ＬＥＤ光源の発光面積と発光角度の立体角との積が保存量となり、これをエテンデュという。エテンデュが保存されるには、ＬＥＤ光源の発光面積と、それから出射される光の発光角度の立体角との積が、画像形成素子の面積とそれに入射される光の入射角度の立体角との積が同じでなければならない。画像形成素子のエテンデュは、幾何学的に定められる。

複数のＬＥＤモジュールをアレイ化して使用する場合には、ＬＥＤモジュールアレイの発光面積は、一つのＬＥＤモジュールを使用する場合の発光面積よりＬＥＤモジュール数に比例して大きくなる。

このとき、各ＬＥＤモジュールとＬＥＤモジュールアレイとの発光角度の立体角が同一であり、画像形成素子の面積は定められている。したがって、エテンデュ保存によって、ＬＥＤモジュールアレイを使用する場合に画像形成素子に入射される光の入射角度の立体角は、一つのＬＥＤモジュールを使用する場合に比べて大きくなる。これにより、投射レンズにより有効に投射され得る角度範囲を超える光が存在して、投射レンズにより有効に投射され得ない光損失が発生する。このような光効率の低下は、結果的にＬＥＤ光源数の増加にもかかわらず、画像投射装置の輝度の上昇幅を制限する。
特開２００４−０５３９４９号公報 特開２００４−１７０６３０号公報

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであって、光源の集光効率を高め得る照明ユニット及びそれを採用した画像投射装置を提供するところにその目的がある。

前記目的を解決するための本発明に係る照明ユニットは、入射される光を反射させて進行させる第１反射面と、照明光を生成して出射する発光素子と、前記発光素子から出射される光を反射させて、この反射光を、前記発光素子を備える光源面に誘導させる第２反射面とを備えることを特徴とする。

前記第１反射面は、焦点を有し、前記発光素子は、前記第１反射面の焦点またはその付近に位置し得る。第１反射面及び第２反射面のうち少なくとも何れか一つは、放物反射面、球面反射面、楕円反射面のうち何れか一つでありうる。

一例として、前記第１反射面は、放物反射面であり、前記第２反射面は、球面反射面でありうる。この場合、前記第２反射面の球面の中心と前記第１反射面の焦点とは互いに一致することが望ましい。

前記発光素子は、ＯＬＥＤ及びＬＥＤのうち何れか一つでありうる。前記発光素子から光が入射される入光面の一部の領域に前記第２反射面が形成され、一側の外側面に前記第１反射面が形成された透明なボディーの光コレクタを備え得る。

ここで、前記光コレクタは、前記第１反射面で反射されて進む光をガイドする光ガイド部をさらに備えることが望ましい。

前記光コレクタの入光面は、凹状に形成されてあり、前記発光素子と前記光コレクタの入光面との間には、所定の光学媒質が存在するか、または空気層が存在し得る。前記光コレクタの入光面は、ドーム状に凹状に形成され得る。

前記光コレクタの２次元配列と、各光コレクタに対応する複数の発光素子とを備え得る。

前記目的を解決するための本発明に係る画像投射装置は、本発明に係る少なくとも一つの照明ユニットと、前記照明ユニット側から照射される光から入力された映像信号に対応する画像を形成する画像形成素子と、前記画像形成素子から形成された画像をスクリーンに拡大投射させる投射レンズユニットと、を備えることを特徴とする。

前記照明ユニットは、複数個が備えられており、この複数の照明ユニットは、相異なる色光を照射し、前記複数の照明ユニットから出射される色光を合成して、一つの光路に統合する色合成プリズムと、をさらに備え得る。

前記複数の照明ユニットから出射された光を均一光にする光インテグレーターをさらに備え得る。

前記画像形成素子は、前記照明ユニットから照明された光を選択的に反射させて画像を形成する反射型の画像形成素子であって、複数のマイクロミラーがアレイに配列されてなる素子及び反射型の液晶表示素子及び透過型の液晶表示素子のうち何れか一つを備え得る。

前記照明ユニットは、ドーム状に凹状に形成された入光面と、前記第１反射面で反射された光をガイドする光ガイド部とを有する透明なボディーの光コレクタを備え、前記光コレクタの前記発光素子から光が入射される前記入光面の一部の領域に前記第２反射面が形成され、前記光コレクタの一側の外側面に前記第１反射面が形成されており、前記発光素子と前記光コレクタの入光面との間には、所定の光学媒質が存在するか、または空気層が存在し、前記照明ユニットは、複数備えられ、この複数の照明ユニットは、相異なる色光を照射し、前記複数の照明ユニットから出射される色光を合成して一つの光路に統合する色合成プリズムと、前記複数の照明ユニットから出射された光を均一光にする光インテグレーターと、をさらに備え、前記画像形成素子として前記照明ユニットから照明された光を選択的に反射させて画像を形成する反射型の画像形成素子であって、複数のマイクロミラーがアレイに配列されてなる素子及び反射型の液晶表示素子及び透過型の液晶表示素子のうち何れか一つを備えることを特徴とする。

前記のような本発明に係る照明ユニット及びそれを採用した画像投射装置によれば、レンズを利用せずに、発光素子側から入射される光を反射させる第１反射面と、発光素子から出射されて第１反射面から逸脱する領域へ進む光を反射させて、発光素子に当たってから第１反射面側に誘導させる第２反射面と、を備える構造により、発光素子に出射された光のほとんどをほぼ平行光にコリメーティングできるので、優れた集光効率を有し得る。

以下、添付された図面を参照して、本発明に係る照明ユニット及びそれを採用した画像投射装置の望ましい実施形態を詳細に説明する。

本発明に係る照明ユニットは、本出願人により提案された米国特許出願１１／１１９,９１８号（発明の名称：ＬＥＤを採用した照明ユニット及びそれを採用した画像投射装置）の発明での照明ユニットに比べて集光効率をさらに高め得る構造を有する。

図１は、米国特許出願１１／１１９,９１８号に開示された照明ユニット５０の斜視図の概略図であり、図２は、図１のII−II線による断面図である。

図１及び図２に示すように、照明ユニット５０は、ＬＥＤモジュール１０と、透明な素材のロッド２０とを備える。ロッド２０は、放物反射面２１と、放物反射面２１で反射された光をガイドする光ガイド部２４とを備える。ロッド２０の入光面には凹部２３が形成されている。光ガイド部２４は、四角形の断面を有する。

ＬＥＤモジュール１０は、光を放出するＬＥＤチップ１１を備える。ＬＥＤモジュール１０は、ドームレンズ（または、キャップ）１２をさらに備え得る。ＬＥＤモジュール１０は、放物反射面２１の焦点に位置する。

ＬＥＤチップ１１から出射されて放物反射面２１に入射される光は、その放物反射面２１により反射されつつ、ほぼ平行光にコリメーティングされ、光ガイド部２４によりガイドされて出射される。

このような照明ユニット５０によれば、ＬＥＤチップ１１から出射された光のうち、放物反射面２１に直ぐ入射される光Ｌａは、ほぼ平行光にコリメーティングされる。この光は、光ガイド部２４に沿ってロッド２０の光出射面２０’まで導かれる。ところが、ＬＥＤチップ１１から出射されて放物反射面２１から逸脱する領域（図１でＬＥＤチップ１１の右側部）へ進む発散光Ｌｂは、放物反射面２１を経ずに直ぐ光ガイド部２４へ進むので、平行光にコリメーティングされ得ない。したがって、この領域へ発散された光は集光し難く、集光効率が低下する。

これに比べて、本発明に係る照明ユニットは、放物反射面２１から逸脱する領域へ進む光もコリメーティングでき、照明ユニット５０に比べて集光効率を向上させうる。

図３は、本発明に係る照明ユニットの主要構成を概略的に示す概念図であり、図４は、図３の斜視図である。図３及び図４に示すように、本発明に係る照明ユニット１００は、入射される光を反射させて進行させる第１反射面１２０と、照明光を生成して出射する発光素子１３０と、発光素子１３０から出射されて第１反射面１２０から逸脱する領域へ進む光Ｌｂを反射させて、発光素子１３０を含む光源面（図５及び図６の１３１を参照）に再び到達させる第２反射面１４０とを備えて構成される。

第１反射面１２０は、曲面状に形成されて焦点を有する。第１反射面１２０は、放物反射面、球面反射面及び楕円反射面のうち何れか一つの形態に形成され得る。このとき、第１反射面１２０は、発光素子１３０側から入射される発散光を反射させつつ、ほぼ平行光にコリメーティングするように備えられる。

発光素子１３０は、第１反射面１２０の焦点またはその付近に位置することが望ましい。発光素子１３０としては、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード、有機ＥＬとも言う）またはＬＥＤなどの発散光を出力する発光素子チップを備え得る。

発光素子１３０は、反射特性を有して、外部から入射される光を反射させるものが望ましい。一般的なＬＥＤなどの発光素子チップは、公知のように、その表面が滑らかなので、ある程度反射率を有する。発光素子１３０は、このような発光素子チップの基本的な反射特性を有するように備えられ得る。

他例として、発光素子１３０は、発光素子チップの基本的な反射特性を有し、これに付加して入射される外部光に対する反射率をさらに高め得るように、反射層（図示せず）をさらに備え得る。例えば、反射層は、発光素子１３０の基板とその上に積層される半導体層との間に形成され得る。発光素子１３０にこのような反射特性を付加すれば、第２反射面１４０により反射されて発光素子１３０に再び到達した光が発光素子１３０により反射された後、第１反射面１２０側に再び進む比率をさらに高め得る。

一方、発光素子１３０は、点光源ではなく、実質的に面光源に該当するので、第２反射面１４０で反射された光の一部は、発光素子１３０に入射されずにその外側に入射されてもよい。したがって、発光素子１３０は、後述する図５及び図６に図示された実施形態と同様に、ベース１３５に設置されてもよいが、このとき、このベース１３５の面は、第２反射面１４０で反射されて、そのベース１３５に入射された光を反射させて、第１反射面１２０へ誘導できるように反射面であることが望ましい。図５及び図６に示すように、光源面１３１は、発光素子１３０の発光領域１３０ａ自体、またはこの発光素子１３０の発光領域１３０ａとベース１３５の入射光を反射させる領域１３５ａとを合わせたものに該当し得る。

第２反射面１４０は、第１反射面１２０から逸脱する領域へ進む光Ｌｂを反射させて、この反射光を、発光素子１３０を含む光源面１３１に当ててから第１反射面１２０へ誘導させる。図３で点線は、第２反射面１４０のないときに予想される第１反射面１２０から逸脱する領域へ進んで、平行ビームとして誘導され得ない一部の光の経路を示す。

第２反射面１４０も、第１反射面１２０と同様に、放物反射面、球面反射面及び楕円反射面のうち何れか一つの形態に形成され得る。

第２反射面１４０により反射されて発光素子１３０に当たってから第１反射面１２０へ誘導された光は、第１反射面１２０により相当量が平行光にコリメーティングされる。

したがって、前記のような本発明に係る照明ユニット１００は、第１反射面１２０から逸脱する領域へ進む光Ｌｂを反射させて発光素子１３０側にフィードバックさせるように、第２反射面１４０を備えることにより米国特許出願１１／１１９，９１８号に開示された照明ユニット５０に比べて高い集光効率を有しうる。

第１反射面１２０及び第２反射面１４０の多様な実施形態について、照明ユニット１００からほぼ平行光が出るようにコリメーティングする観点で光の進行過程を説明すれば、次の通りである。

例えば、第１反射面１２０は、放物反射面、第２反射面１４０は、球面反射面に形成され得る。このとき、発光素子１３０は、第１反射面１２０の焦点またはそれに近接して位置することが望ましい。また、発光素子１３０は、第２反射面１４０の球面中心に位置することが望ましい。したがって、理想的には、第１反射面１２０の焦点と第２反射面１４０の球面との中心が互いに一致し、発光素子１３０が第１反射面１２０の焦点（第２反射面１４０の球面の中心）に位置することが望ましい。

この場合、第１反射面１２０の焦点に位置した発光素子１３０から出射されて放物反射面形態である第１反射面１２０側へ進む光Ｌａは、この第１反射面１２０により反射されつつ、ほぼ平行光にコリメーティングされて進む。発光素子１３０から出射されて球面反射面の形態である第２反射面１４０側へ進む発散光Ｌｂは、この第２反射面１４０で反射された後、発光素子１３０上にフォーカシングされる。このフォーカシングされた光は、発光素子１３０で反射されて発散光の形態で第１反射面１２０側に進み、この発散光は、第１反射面１２０によりほぼ平行光にコリメーティングされて、発光素子１３０から出射されて第１反射面１２０に直ぐ入射される光Ｌａと同じ方向に進む。

前記のように、第１反射面１２０が放物反射面、第２反射面１４０が球面反射面に形成される場合には、発光素子１３０から出射された発散光がほぼ平行光にコリメーティングされて出射される比率を最大化できる。

ここで、第１反射面１２０が放物反射面であり、第１反射面１２０の焦点に発光素子１３０が位置する場合にも、発光素子１３０から出射されて第１反射面１２０によりコリメーティングされた光が完全に平行光ではなくほぼ平行光となる理由は、発光素子１３０が点光源ではなく実質的に面光源であるためである。同様に、発光素子１３０は面光源であるため、第２反射面１４０が球面反射面であるときにも、この第２反射面１４０により反射された全ての光が発光素子１３０上の一つの点にフォーカシングされるのではない。しかし、相当量の光が発光素子１３０上にフォーカシングされる。

さらに、本発明に係る照明ユニット１００では、発光素子１３０で生成されて出射された発散光がほぼ平行光にコリメーティングされて進むと表現できるが、このときのほぼ平行な光は、本物の平行光だけでなく、後続する光学部品によって集光され得る範囲内の発散角または収斂角を有するほぼ平行光に近い光も含むという意味を有する。

一方、他の例として、第１反射面１２０が放物反射面、球面反射面及び楕円反射面のうち何れか一つの形態に形成され、第２反射面１４０が放物反射面、球面反射面及び楕円反射面のうち何れか一つの形態に形成される組み合わせの範囲内で多様な実施形態が可能である。

例えば、第１反射面１２０は、球面反射面であって、この第１反射面１２０の焦点またはその付近に位置する発光素子１３０側から入射される発散光を反射させて、ほぼ平行光にコリメーティングするように形成され得る。

また、第１反射面１２０は、楕円反射面であって、この第１反射面１２０の焦点またはその付近に位置する発光素子１３０側から入射される発散光を反射させて、ほぼ平行光にコリメーティングするように形成され得る。

公知のように、楕円は、二つの焦点を有する。したがって、一つの焦点に位置した発光素子１３０から楕円反射面に発散光が入射されれば、この発散光は、楕円反射面により反射されて、楕円反射面の他の焦点にフォーカシングされる。

したがって、第１反射面１２０を二つの焦点の間の距離が非常に遠い楕円反射面に形成すれば、第１反射面１２０により反射された光は、平行光に近接した光にコリメーティングされ得る。また、第１反射面１２０を放物反射面に近い楕円反射面に形成しても、第１反射面１２０により反射された光は、ほぼ平行光にコリメーティングされ得る。また、第１反射面１２０は、球面反射面に近い楕円反射面に形成しても、第１反射面１２０により反射された光は、ほぼ平行光にコリメーティングされ得る。ここで、球面反射面は、楕円反射面の特別な場合であり、球面反射面は二つの焦点が重なり合う楕円反射面に該当する。

このように、第１反射面１２０を楕円反射面に形成する場合にも、発光素子１３０側から入射される光をほぼ平行光にコリメーティングできる。第１反射面１２０を何なる楕円度を有する楕円反射面に形成するかによって集光され得るほぼ平行な光に変わる比率が変わるだけである。

一方、第２反射面１４０は、球面反射面である場合が最も望ましく、第２反射面１４０を放物反射面または楕円反射面に形成することも可能である。第２反射面１４０を放物反射面または楕円反射面に形成する場合、球面反射面に形成する場合に比べて、第２反射面１４０で反射された後、発光素子１３０を含む光源面１３１に当たってから第１反射面１２０へ誘導され、この第１反射面１２０により反射されてほぼ平行光にコリメーティングされる比率が低くなり得るが、第２反射面１４０を備えない場合に比べては全体的な集光効率が大きく向上し得るということは明らかである。

以上、放物反射面は、円錐係数Ｋ＝−１である厳密な放物面のみを意味することではない。本発明に係る照明ユニット１００で使用される放物反射面は、Ｋが−０.４ないし−２.５の範囲、望ましくは、−０.７ないし−１.６の範囲の非球面を意味する。放物反射面のためのＫ値は、発光素子１３０から放射される光を照明しようとする対象体に有効に照明され得る放射角度の範囲にコリメーティングさせるために、前記の範囲内で適切に選定され得る。

前記のような本発明の照明ユニット１００によれば、発光素子１３０から出射されて第１反射面１２０側へ進む発散光Ｌａは、第１反射面１２０で反射されつつコリメーティングされる。前記反射される光は、第１反射面１２０の構造によって平行光に形成される。

発光素子１３０から出射され、第１反射面１２０を経ずに進む光Ｌｂは平行光として使用できないため、集光効率が低いという点を改善するために、本発明に係る照明ユニット１００によれば、第２反射面１４０を形成して、前記光を第２反射面１４０へ誘導させ、この第２反射面１４０で反射された光を、光源面１３１で反射させて第１反射面１２０側に誘導して、この第１反射面１２０により平行光に形成させる。

本発明に係る照明ユニット１００は、前記光Ｌｂのように平行光に誘導できなかった光の少なくとも一部を第２反射面１４０で反射させて、この反射光を光源面１３１に再び到達させるので、光の集光効率が高まる。

前記のように、発明に係る照明ユニット１００は、本出願人により提案された米国特許出願１１／１１９,９１８号に開示された照明ユニット１００に比べて高い集光効率特性を有し得る。

図５及び図６は、本発明に係る照明ユニット１００の一実施形態及び他の実施形態を示す図である。図５及び図６に示すように、本発明に係る照明ユニット１００は、発光素子１３０から光が入射される入光面１２５を有する透明ボディーの光コレクタ１１０を備え得る。この光コレクタ１１０の入光面１２５の一部の領域には第２反射面１４０が形成され、一側の外側面には第１反射面１２０が形成され得る。

入光面１２５は凹状に形成される。この入光面１２５は、ドーム状に凹状に形成され得る。入光面１２５を凹状に形成することによって、例えば、第１反射面１２０の焦点に発光素子１３０を配置し、入光面１２５の一部の領域にドーム状の第２反射面１４０を形成することが可能となる。発光素子１３０は、ベース１３５に設置され、このベース１３５が光コレクタ１１０に結合され得る。ベース１３５は、前述のように、第２反射面１４０で反射されて入射される光を第１反射面１２０側に誘導できる反射面でありうる。このベース１３５の面は、反射コーティングされ得る。

本発明に係る照明ユニット１００で、発光素子１３０と入光面１２５との間は、図５に示すように、空気より屈折率の大きな所定の光学媒質１３７が位置し得る。また、発光素子１３０と入光面１２５との間には、図６に示すように、空気層１３７’が存在し得る。

ここで、光学媒質１３７は、発光素子１３０のためのドームレンズまたはキャップでありうる。また、前記光学媒質は、発光素子１３０と入光面１２５との間に追加的に充填された光学媒質であってもよい。発光素子１３０がドームレンズまたはキャップを備えるタイプであり、かつ光学媒質１３７が存在する構造であれば、光学媒質１３７の屈折率は、光コレクタ１１０の透明なボディーの屈折率と同一であるか、またはドームレンズ（または、キャップ）の屈折率と光コレクタ１１０の透明なボディーの屈折率との間であることが望ましい。

一方、本発明に係る照明ユニット１００において、光コレクタ１１０は、その透明なボディーから延びた光ガイド部１５０をさらに備え得る。光ガイド部１５０は、第１反射面１２０で反射されつつ、ほぼ平行光にコリメーティングされた光を導く。光ガイド部１５０は、四角形の断面を有することが望ましい。

このとき、光ガイド部１５０は、光コレクタ１１０の発光素子１３０が結合される部分に対して、光ガイド部１５０の断面のサイズを縮少する方向に段差を有するように形成されたことが望ましい。すなわち、光コレクタ１１０は、発光素子１３０が光ガイド部１５０に比べて下方に突出するように結合されて形成されたことが望ましい。これは、第２反射面１４０により光ガイド部１５０側に光が進むことを遮断する領域が存在するので、光ガイド部１５０の出射面での光量の分布が、その出射面の中心から上側に偏った形態ではなく、出射面の中心に集中させるためのものである。

このとき、光コレクタ１１０の発光素子１３０が結合される部分に対する光ガイド部１５０の段差量は、第２反射面１４０による光遮断領域のサイズを考慮して、その光ガイド部１５０の出射面で均一な光量の分布が得られる範囲内で適切に調節され得る。

前記のように、光ガイド部１５０を光コレクタ１１０の発光素子１３０が結合される部分に比べて上側に段差を有するように形成すれば、発光素子１３０及び光コレクタ１１０のモジュールをアレイ化する場合、アレイ化がさらに容易であり、光コレクタ１１０のアレイの出射面でさらに均一化された光量の分布が得られるという利点がある。

一方、発光素子１３０として使用されるＬＥＤ等は、一般的に、メタルハライドランプや超高圧水銀ランプに比べて光量が少ないため、光源として使用されるときにはアレイ状として使用されることが望ましい。

したがって、図７に示すように、本発明に係る照明ユニット１００も、例えば、アレイ状に形成され得る。このとき、本発明に係る照明ユニット１００は、発光素子１３０及び光コレクタ１１０のモジュールの２次元アレイ配列でなり、２次元で配列された複数の光コレクタ１１０と、各光コレクタ１１０に対応する複数の発光素子１３０と、を備えて構成される。ここで、発光素子１３０及びベース１３５は、発光素子モジュールをなす。

前記のような本発明に係る照明ユニット１００は、第２反射面１４０の使用により発光素子１３０から出射された光のうち、消失され得る光の少なくとも一部をリサイクルすることにより、発光素子１３０から出射された光のほとんどをほぼ平行光にコリメーティングできるので、優れた集光効率を有し、多様なシステムの照明用の光源として使用され得る。例えば、本発明に係る照明ユニット１００は、画像投射装置用の照明光源または自動車のヘッドライトとして使用され得る。

以下では、本発明に係る照明ユニット１００を照明用光源として使用する画像投射装置の多様な実施形態について説明する。

図８は、本発明に係る照明ユニット１００を適用した画像投射装置の一実施形態を示す図である。図８に示すように、本発明の一実施形態に係る画像投射装置は、第１照明ユニット１００Ｒ、第２照明ユニット１００Ｇ及び第３照明ユニット１００Ｂと、第１照明ユニット１００Ｒ、第２照明ユニット１００Ｇ及び第３照明ユニット１００Ｂ側から入射された光から入力された映像信号に対応する画像を形成する画像形成素子と、前記画像形成素子から形成された画像をスクリーンｓに拡大投射させる投射レンズユニット２５０とを備えて構成される。

本実施形態で、第１照明ユニット１００Ｒ、第２照明ユニット１００Ｇ及び第３照明ユニット１００Ｂとしては、それぞれ図７に示すような本発明に係るアレイ構造の照明ユニット１００を備え得る。すなわち、第１照明ユニット１００Ｒ、第２照明ユニット１００Ｇ及び第３照明ユニット１００Ｂは、それぞれ２次元アレイで配列された複数の光コレクタ１１０と、各光コレクタ１１０に対応する複数の発光素子１３０と、を備えて構成され得る。

このように、ＬＥＤなどの発光素子は、一般的にメタルハライドランプや超高圧水銀ランプに比べて光量が少ないため、これを光源として使用するときにはアレイ状に使用されることが望ましい。

第１照明ユニット１００Ｒ、第２照明ユニット１００Ｇ及び第３照明ユニット１００Ｂは、例えば、赤色、緑色、青色の光を照射するように設けられ得る。

相異なる色光を照射する第１照明ユニット１００Ｒ、第２照明ユニット１００Ｇ及び第３照明ユニット１００Ｂを備える場合、この第１照明ユニット１００Ｒ、第２照明ユニット１００Ｇ及び第３照明ユニット１００Ｂから出射される色光を合成して単一光景に統合するための色合成プリズム２０１、例えば、Ｘキューブプリズムをさらに備えることが望ましい。ここで、本発明に係る画像投射装置は、白色光を照射する単一照明ユニットを備えてもよいが、その場合には、色合成プリズム２０１は不要である。

一方、本発明に係る画像投射装置は、入射される光を均一光にする光インテグレーターをさらに備え得る。前記光インテグレーターは、第１照明ユニット１００Ｒ、第２照明ユニット１００Ｇ及び第３照明ユニット１００Ｂ側から同一光路に統合されて入射される光ビームを均一光にする。

この光インテグレーターとしては、図８に示すような直六面体状のライトトンネル２０５を備え得る。ライトトンネル２０５は、中空の構造であるか、直六面体状の光学媒体ブロックでありうる。ここで、前記光インテグレーターとしてライトトンネル２０５の代りに一対のフライアイレンズ（図９の３２０）を備えてもよい。

第１照明ユニット１００Ｒ、第２照明ユニット１００Ｇ及び第３照明ユニット１００Ｂは、出射面を有し、ライトトンネル２０５は、入射面を有するが、第１照明ユニット１００Ｒ、第２照明ユニット１００Ｇ及び第３照明ユニット１００Ｂの光出射面とライトトンネル２０５の入射面とは、類似した形状であることが望ましい。このとき、第１照明ユニット１００Ｒ、第２照明ユニット１００Ｇ及び第３照明ユニット１００Ｂの光出射面とライトトンネル２０５の入射面とは、画像形成素子２００の横縦比と同じ長方形の構造であることが望ましい。

このために、第１照明ユニット１００Ｒ、第２照明ユニット１００Ｇ及び第３照明ユニット１００Ｂで光コレクタ１１０の光ガイド部１５０は、ライトトンネル２０５の横縦比と同じ長方形の構造を有するように２次元アレイに配列される。

一方、本発明に係る画像投射装置は、色合成プリズム２０１とライトトンネル２０５との間の光路上に、第１光源ユニット１００ａ、第２光源ユニット１００ｂ及び第３光源ユニット１００ｃから出射されて色合成プリズム２０１により単一光路に統合された光ビームのサイズが縮少して、ライトトンネル２０５に入射させるようにコンデンサーレンズ２０３をさらに備え得る。

本実施形態で、画像形成素子は、反射型の画像形成素子であって、入射された均一な照明光を画素単位で制御して画像を形成する。

図８では、反射型の画像形成素子であり、マイクロミラーがアレイに形成されたディバイスパネル、いわゆる、ＤＬＰパネル２００（または、ＤＭＤとも言う）を使用する例を示す図である。他例として、後述する実施形態のように、反射型の画像形成素子として反射型の液晶表示素子を使用してもよい。また、画像形成素子として透過型の液晶表示素子を使用してもよい。

ＤＬＰパネル２００は、独立的に駆動される２次元配列構造のマイクロミラーアレイを含むものであって、入力された画像信号によって各画素別の反射光の角度を変えることで画像を形成する。

一方、画像形成素子として反射型の画像形成素子を備える場合には、ライトトンネル２０５と反射型の画像形成素子との間にライトトンネル２０５から入射される光を反射型の画像形成素子に向わせ、反射型の画像形成素子で反射された画像情報を表す光は、投射レンズユニット２５０側へ進むように、入射光の進路を変換する光路変換器をさらに備えることが望ましい。反射型の画像形成素子としてＤＬＰパネル２００を備える場合には、図８に示すように、光路変換器として内部全反射（ＴＩＲ）プリズム７０を使用できる。

一方、光インテグレーター及び光路変換器、すなわち、ライトトンネル２０５とＴＩＲプリズム７０との間の光路上には、光インテグレーターから出射される光を画像形成素子の有効面積に合わせて拡大または縮少させるリレイレンズ２０７をさらに備えることが望ましい。

前記のような構成を有する本発明の一実施形態に係る画像投射装置で、ＤＬＰパネル２００で形成された画像情報を含む光は、ＴＩＲプリズム７０を透過して投射レンズユニット２５０に向い、投射レンズユニット２５０は、ＤＬＰパネル２００で形成された画像をスクリーンｓに拡大投射する。

図９は、本発明に係る照明ユニット１００を適用した画像投射装置の他の実施形態を示す図である。ここで、前述の実施形態と実質的に同一または類似した機能を行う部材は、同じ参照符号で表示してその反復的な説明を省略する。図９に示すように、本発明の他の実施形態に係る画像投射装置は、図８の画像投射装置と比較すると、画像形成素子として反射型の液晶表示素子３００を備える。このとき、本実施形態に係る画像投射装置は、光インテグレーターとして、凸レンズまたは円筒形のレンズ状の複数のレンズセルアレイを有する一対のフライアイレンズ３２０を備えることが望ましい。代案として、光インテグレーターとして、フライアイレンズ３２０の代りにライトトンネル（図８の２０５）を備えてもよい。

反射型の液晶表示素子３００は、入射される均一な照明光を画素単位で選択的に反射させて画像を形成する。この反射型の液晶表示素子３００は、画像信号によって画素単位で入射光の偏光を変化させて、反射光をオン・オフさせることによって画像を形成する。

画像形成素子として反射型の液晶表示素子３００を適用する場合、入射光の進路を変換するための光路変換器として偏光ビームスプリッタ３１０を備えることが望ましい。偏光ビームスプリッタ３１０は、第１照明ユニット１００Ｒ、第２照明ユニット１００Ｇ及び第３照明ユニット１００Ｂ側から入射された一偏光の光を反射型の液晶表示素子３００側に向わせ、反射型の液晶表示素子３００で反射されて入射される他の偏光の光は、投射レンズユニット２５０側に向うように入射光の経路を変換する。

フライアイレンズ３２０と偏光ビームスプリッタ３１０との間の光路上には、光効率を高めるために、第１照明ユニット１００Ｒ、第２照明ユニット１００Ｇ及び第３照明ユニット１００Ｂから照射された光が単一偏光の光となって、偏光ビームスプリッタ３１０に入射させる偏光変換素子３３０をさらに備えることが望ましい。この偏光変換素子３３０は、複数の小型偏光ビームスプリッタにより光を偏光によって分離し、所定の偏光の光の経路上にのみ半波長板を配置することによって、偏光変換素子３３０に入射された無偏光の光のほとんどを特定の偏光の光に変える。このような偏光変換素子については、本技術分野で公知されている。

図１０は、本発明に係る照明ユニット１００を適用した画像投射装置のさらに他の実施形態を示す図である。図１０に示すように、本実施形態に係る画像投射装置は、図９の画像投射装置と比較すると、画像形成素子として透過型の液晶表示素子３８０を備える点で異なる。画像形成素子として透過型の液晶表示素子３８０を備える場合、光路変換器としての機能を行う偏光ビームスプリッタ（図９の３１０）は不要である。

前記透過型の液晶表示素子３８０は、画像信号によって画素単位で入射される均一な照明光の偏光を変化させて、透過光をオン・オフさせることによって画像を形成する。

前記のように、本発明に係る照明ユニット１００は、多様な実施形態の画像投射装置に適用され得る。

本発明は、画像投射に関連した技術分野に好適に適用され得る。

米国特許出願１１／１１９,９１８号に開示された照明ユニットの斜視図の概略図である。 図１のII−II線による断面図である。 本発明に係る照明ユニットの主要構成を概略的に示す概念図である。 図３の斜視図である。 本発明に係る照明ユニットの一実施形態を示す図である。 本発明に係る照明ユニットの他の実施形態を示す図である。 本発明に係る照明ユニットがアレイ状に形成された実施形態を示す図である。 本発明に係る照明ユニットを適用した画像投射装置の実施形態を示す図である。 本発明に係る照明ユニットを適用した画像投射装置の実施形態を示す図である。 本発明に係る照明ユニットを適用した画像投射装置の実施形態を示す図である。

符号の説明

１００ 照明ユニット
１２０ 第１反射面
１３０ 発光素子
１４０ 第２反射面

Claims (25)

1. 入射される光を反射させて進行させる第１反射面と、
   照明光を生成して出射する発光素子と、
   前記発光素子から出射される光を反射させて、この反射光を、前記発光素子を備える光源面に誘導させる第２反射面とを備えることを特徴とする照明ユニット。
2. 前記第２反射面は、前記第１反射面から逸脱する領域へ進む光を前記発光素子を備える光源面に誘導させることを特徴とする請求項１に記載の照明ユニット
3. 前記照明ユニットは、前記第２反射面により反射された反射光が前記光源面に当たってから前記第１反射面に誘導されることを特徴とする請求項１に記載の照明ユニット。
4. 前記第１反射面は、焦点を有し、
   前記発光素子は、前記第１反射面の焦点またはその付近に位置することを特徴とする請求項１に記載の照明ユニット。
5. 第１反射面及び第２反射面のうち少なくとも何れか一つは、放物反射面、球面反射面、楕円反射面のうち何れか一つであることを特徴とする請求項４に記載の照明ユニット。
6. 前記第１反射面は、放物反射面であり、前記第２反射面は、球面反射面であることを特徴とする請求項４に記載の照明ユニット。
7. 前記第２反射面の球面の中心と前記第１反射面の焦点とは互いに一致することを特徴とする請求項６に記載の照明ユニット。
8. 前記発光素子は、ＯＬＥＤ及びＬＥＤのうち何れか一つであることを特徴とする請求項１に記載の照明ユニット。
9. 前記発光素子は、ＯＬＥＤ及びＬＥＤのうち何れか一つであることを特徴とする請求項７に記載の照明ユニット。
10. 前記発光素子から光が入射される入光面の一部の領域に前記第２反射面が形成され、一側の外側面に前記第１反射面が形成された透明なボディーの光コレクタを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項９のうち何れか一項に記載の照明ユニット。
11. 前記光コレクタは、前記第１反射面で反射されて進む光をガイドする光ガイド部をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の照明ユニット。
12. 前記光コレクタの入光面は、凹状に形成されてあり、
    前記発光素子と前記光コレクタの入光面との間には、所定の光学媒質が存在するか、または空気層が存在することを特徴とする請求項１０に記載の照明ユニット。
13. 前記光コレクタの入光面は、ドーム状に凹状に形成されたことを特徴とする請求項１２に記載の照明ユニット。
14. 前記光コレクタの２次元配列と、各光コレクタに対応する複数の発光素子と、を備えることを特徴とする請求項１０に記載の照明ユニット。
15. 請求項１ないし請求項９のうち何れか一項に記載の少なくとも一つの照明ユニットと、
    前記照明ユニット側から照射される光から入力された映像信号に対応する画像を形成する画像形成素子と、
    前記画像形成素子から形成された画像をスクリーンに拡大投射させる投射レンズユニットと、を備えることを特徴とする画像投射装置。
16. 前記照明ユニットは、前記発光素子から光が入射される入光面の一部の領域に前記第２反射面が形成され、一側の外側面に前記第１反射面が形成された透明なボディーの光コレクタを備えることを特徴とする請求項１５に記載の画像投射装置。
17. 前記光コレクタは、前記第１反射面で反射されて進む光をガイドする光ガイド部をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の画像投射装置。
18. 前記光コレクタの入光面は、凹状に形成されており、
    前記発光素子と前記光コレクタの入光面との間には、所定の光学媒質が存在するか、または空気層が存在することを特徴とする請求項１６に記載の画像投射装置。
19. 前記光コレクタの入光面は、ドーム状に凹状に形成されたことを特徴とする請求項１８に記載の画像投射装置。
20. 前記光コレクタの２次元配列と、各光コレクタに対応する複数の発光素子と、を備えることを特徴とする請求項１６に記載の画像投射装置。
21. 前記照明ユニットは、複数個が備えられており、
    この複数の照明ユニットは、相異なる色光を照射し、
    前記複数の照明ユニットから出射される色光を合成して、一つの光路に統合する色合成プリズムとをさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の画像投射装置。
22. 前記複数の照明ユニットから出射された光を均一光にする光インテグレーターをさらに備えることを特徴とする請求項２１に記載の画像投射装置。
23. 前記画像形成素子は、前記照明ユニットから照明された光を選択的に反射させて画像を形成する反射型の画像形成素子であって、複数のマイクロミラーがアレイに配列されてなる素子及び反射型の液晶表示素子及び透過型の液晶表示素子のうち何れか一つを備えることを特徴とする請求項２０に記載の画像投射装置。
24. 前記照明ユニットは、
    ドーム状に凹状に形成された入光面と、前記第１反射面で反射された光をガイドする光ガイド部と、を有する透明なボディーの光コレクタを備え、
    前記光コレクタの前記発光素子から光が入射される前記入光面の一部の領域に前記第２反射面が形成され、前記光コレクタの一側の外側面に前記第１反射面が形成されており、前記発光素子と前記光コレクタの入光面との間には、所定の光学媒質が存在するか、または空気層が存在し、
    前記照明ユニットは、複数備えられ、この複数の照明ユニットは、相異なる色光を照射し、
    前記複数の照明ユニットから出射される色光を合成して一つの光路に統合する色合成プリズムと、
    前記複数の照明ユニットから出射された光を均一光にする光インテグレーターとをさらに備え、
    前記画像形成素子として前記照明ユニットから照明された光を選択的に反射させて画像を形成する反射型の画像形成素子であって、複数のマイクロミラーがアレイに配列されてなる素子及び反射型の液晶表示素子及び透過型の液晶表示素子のうち何れか一つを備えることを特徴とする請求項１５に記載の画像投射装置。
25. 前記照明ユニットのそれぞれは、前記光コレクタの２次元配列と、各光コレクタに対応する複数の発光素子とを備えることを特徴とする請求項２４に記載の画像投射装置。

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