JP2006308714A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【目的】 複数のＬＥＤ光源と、光インテグレータを有する照明装置において、高輝度化と照明むらの低減の両方を実現する。
【構成】 光源部１は、基板１２上に形成された赤色ＬＥＤ素子１１Ｒ１〜２、青色ＬＥＤ素子１１Ｂ１〜２、緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ１〜５を有する。各色のＬＥＤ素子は、基板１２の中心に対して点対称に配置される。例えば、緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ１は、基板１２のほぼ中央に配置され、１１Ｇ２〜５は、１１Ｇ１を中心として対角線状に配置される。赤色ＬＥＤ素子１１Ｒ１〜２、青色ＬＥＤ素子１１Ｂ１〜２は、それぞれ１１Ｇ１を挟んで配置される。光源部１から出射された光は、ロッドインテグレータ２により強度分布が均一化されて、照明対象物である液晶表示パネル３へ導かれる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、照明装置に関する。

液晶プロジェクタなどに用いられる照明装置としては、近年においては、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として用いることが試みられている（例えば、特許文献１参照）。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、ロッドインテグレータ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。

ロッドインテグレータに入射した光束は、ロッドインテグレータの側面で反射を繰り返しながら、均一な面光源となって出射される。これによって照明むらを少なくすることができる。
特開２００２−１８９２６３号

このようなロッドインテグレータを用いた照明装置を実現する場合、ロッドインテグレータの前方で３色の光を合成するか、ロッドインテグレータの後方で３色の光を合成するか、いずれかの構成を採用する必要がある（白色光源を用いない場合）。ロッドインテグレータの後方で３色の光を合成する場合、ロッドインテグレータを３つ要し、照明装置が大型になる。一方、ロッドインテグレータの前方で３色の光を合成する場合、ロッドインテグレータは１つで済むが、ダイクロイックミラー等を用いた色合成の光学系が必要になる。

そこで、照明装置を更に小型化するため、同一基板上に３色のＬＥＤ素子を配置した光源部を、ロッドインテグレータの入射開口側に設けることが考えられる。

しかしながら、上記のように１つの基板上に複数色のＬＥＤ素子を配置した場合、各色のＬＥＤ素子はそれぞれが間引いて配置された形となる。したがって、各色光の強度分布を均一化するためにはロッドインテグレータの筒長を長くする必要がある。このことが、照明装置の小型化を実現するためのボトルネックとなりうる。

そこで、本願発明は上記の事情に鑑み、小型化を実現する照明装置を提供することを目的とする。

本願発明の照明装置は、複数色の光源を備えて構成される光源アレイと、前記光源アレイから出射された光の強度を均一化する光インテグレータを備え、色毎に前記光源の個数が設定され、少なくともいずれかの色光の光源群は、それぞれが前記光源アレイの中心に対して点対称に配置される。

一例として、照明装置は、図２のように、複数色（３色：赤、青、緑）の光源（ＬＥＤ素子１１）を備え、光源は色毎に個数が設定され（赤：２個、青：２個、緑：５個）、各色（赤、青、緑）群の光源は、それぞれ光源アレイの中心（同図においては、緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ２が配置される位置）に対して点対称に配置される。

このように光源を配置することにより、照度むら、色むらといった性能を確保した上で、照明装置の小型化を実現することができる。

好ましくは、人間の視感度が高い色の光源を、点対称に配置すると良い。例えば、赤、青、緑の３色で光源を構成するならば、この３色の中で最も視感度が高い緑色光源のそれぞれを光源アレイの中心に対して点対称になるように配置するのが好ましい。
視感度の高い色の照度むらは、色合成後の光における色むらが目立ってしまう。そこで、色むらへの寄与が大きい、視感度が高い色の光源を光源アレイの中心に対して点対称に配置することで色むらを抑えることができる。

光源アレイは、少なくとも赤色光源と、青色光源と、緑色光源とを有するのが好ましい。即ち、この光源アレイにより白色光が出射可能であることが好ましい。

また、この照明装置は、前記光源アレイの光出射側に配置され、光源アレイからの出射光を集光して前記光インテグレータへ導く集光手段を備えてもよい。これにより、より多くの光源アレイからの出射光が、光インテグレータに入射するので、照明装置の光利用（光取り込み）効率を高めることができ、高輝度化に寄与する。

また、前記の光インテグレータは、例えば、ロッドインテグレータ、或いは、フライアイレンズで構成される。

好ましくは、光源は固体光源である。

また、上記照明装置は、例えば、照明中は各色光が常時出射されるように構成されている。本発明の一の投写型映像表示装置は、このような照明装置の出射側に設けられた１つのフルカラーライトバルブと、前記フルカラーライトバルブを経て光変調された映像光を投写する投写手段と、を備える。

また、上記照明装置は、照明中は各色光が時分割に出射されるように構成されていても良い。そして本発明の他の投写型映像表示装置は、このような照明装置の出射側に設けられた１つのライトバルブと、色光の出射タイミングに同期して前記ライトバルブに各色用の映像信号を供給する手段と、前記ライトバルブを経ることで得られた映像光を投写する投写手段と、を備える。

この発明の照明装置によれば、照度むら、色むらといった性能を確保した上で、小型化を実現することができる。

以下、本願発明の照明装置、及び、この照明装置を用いた投写型映像表示装置の実施形態を説明する。

（本願発明の照明装置、投写型映像表示装置の構成例）
図１は、投写型映像表示装置１０の構成を示す図である。投写型映像表示装置１０は、光源部１、ロッドインテグレータ２、液晶表示パネル３、投写レンズ４などで構成される。なお、光源部１と、ロッドインテグレータ２により本願発明の照明装置が構成される。

図２は、光源部１の構成を示したものである。光源部１は、基板１２と、基板１２上に形成された赤色ＬＥＤ素子１１Ｒ１〜２、青色ＬＥＤ素子１１Ｂ１〜２、緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ１〜５などを有し、これらのＬＥＤ素子がアレイ状に配置されてなる。

基板１２は、絶縁性の基板である。基板１２の裏面には、ヒートシンク１３が装着されており、ＬＥＤ素子の熱をこのヒートシンク１３から放熱するように構成されている。

各色のＬＥＤ素子は、基板１２の中心に対して点対称に、アレイ状に配置される。緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ１は、基板１２のほぼ中央に配置される。緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ２、１１Ｇ３、１１Ｇ４、１１Ｇ５は、それぞれ基板１２の四隅付近に配置される。緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ２、１１Ｇ１、１１Ｇ５は対角線状に配置される。緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ３、１１Ｇ１、１１Ｇ４は対角線状に配置される。

赤色ＬＥＤ素子１１Ｒ１、１１Ｒ２は、基板１２の中心に配置される緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ１を挟んで配置される。赤色ＬＥＤ素子１１Ｒ１は、緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ２と、１１Ｇ４の間に配置され、赤色ＬＥＤ素子１１Ｒ２は、緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ３と、１１Ｇ５の間に配置される。

青色ＬＥＤ素子１１Ｂ１、１１Ｂ２もまた、緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ１を挟んで配置される。青色ＬＥＤ素子１１Ｂ１は、緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ２と、１１Ｇ３の間に配置され、青色ＬＥＤ素子１１Ｂ２は、緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ４と、１１Ｇ５の間に配置される。

再び図１を参照して、ロッドインテグレータ２は、内面がミラー面とされた四角筒構造（中空構造）を有している。或いは、ロッドインテグレータ３は、四角柱構造、円柱構造、或いは多角柱構造を有するガラスロッドであっても良い。このロッドインテグレータ２は、光源部１から出射された光の強度を照明対象物である液晶表示パネル３上で均一化させる。ロッドインテグレータ２に入射した光束は、ロッドインテグレータ２の側面で反射を繰り返しながら、均一な面光源となって出射される。ロッドインテグレータ２の出射側の開口は、液晶表示パネル３の縦横比に対応、又は略対応した長方形となっている。

ロッドインテグレータ２を出射した光は、液晶表示パネル３、投写レンズ４などからなる、投写光学系を経て、スクリーンに投写される。液晶表示パネル３を透過することで変調された光（映像光）は、投写レンズ４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。

液晶表示パネル３は、ＲＧＢカラーフィルタを備えた構造、或いはＲＧＢカラーフィルタを備えない構造を有する。

ＲＧＢカラーフィルタを備える構造の液晶表示パネル３を用いる場合には、光源部１の全ＬＥＤ素子（赤色ＬＥＤ素子１１Ｒ１〜２、青色ＬＥＤ素子１１Ｂ１〜２、緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ１〜５）を同時点灯して白色光を液晶表示パネル３に導く。

前記ＲＧＢカラーフィルタを備えない構造の液晶表示パネル３を用いる場合、赤色ＬＥＤ素子（１１Ｒ１、１１Ｒ２）と、緑色ＬＥＤ素子（１１Ｇ１、１１Ｇ２、１１Ｇ３、１１Ｇ４、１１Ｇ５）と、青色ＬＥＤ素子（１１Ｂ１、１１Ｂ２）は、図示しない点灯制御回路によって、時分割で順次に点灯される。図示しない液晶表示パネルドライバは、上記、赤色ＬＥＤ素子（１１Ｒ１、１１Ｒ２）と、緑色ＬＥＤ素子（１１Ｇ１、１１Ｇ２、１１Ｇ３、１１Ｇ４、１１Ｇ５）と、青色ＬＥＤ素子（１１Ｂ１、１１Ｂ２）が時分割で順次に点灯させるタイミングに同期して、液晶表示パネル３に各色の映像信号を供給する。

本願発明の照明装置においては、上記のように、各色のＬＥＤ素子をそれぞれ基板１２の中心（光源アレイの中心）に対して点対称に配置することにより、ロッドインテグレータ２が短い場合であっても、その出射開口における各色光の光強度分布を均一化することができる。

また、上記の照明装置によれば、ロッドインテグレータ２からの出射光の出射角（ここで「出射角」とは、出射光線の主光線（或いはロッドインテグレータ２の中心軸）に対する角度のことを指すものとする）分布を、ロッドインテグレータ２の出射開口の中心に対して点対称な分布にすることができる。したがって、ロッドインテグレータ２の後段（後方）に配置される液晶表示パネル３における透過率分布を液晶表示パネル３の中心に対して点対称にすることができ、スクリーン面における各色光の照度むらを減らすことができる、という効果も上記の照明装置は有している。

また、上記では、直方体状のロッドインテグレータ２を例に説明したが、これに代えて、入射開口と出射開口の大きさが異なるテーパ型のロッドインテグレータを用いてもよい。

なお、以後では、上記の光源部１の各ＬＥＤ素子を特に区別しない場合は、「ＬＥＤ素子１１」と呼ぶことにする。

（ＬＥＤ素子１１の様々な配置例）
各色のＬＥＤをどのように配置するかについては、上記（図２）で説明したもの以外にも様々なパターンが考えられる。図３ないし図１３は、光源部１におけるＬＥＤ素子の他の配置例を示したものである。ＬＥＤ素子の他の配置例は、ＬＥＤ素子の数や、色数に応じた様々な配置が考えられる。

図３は、３色４個の光源からなる光源アレイの例である。この光源アレイは、第１色光源を１個、第２色光源を１個、第３色光源を２個配置してなる。２個の第３色光源は、それぞれ光源アレイの中心に対して点対称に配置される。

図４は、３色５個の光源からなる光源アレイの例である。(ａ)は、第１色光源を１個、第２色光源を２個、第３色光源を２個配置してなる光源アレイである。第１色光源は、光源アレイの中心に配置される。２個の第２色光源、第３色光源は、それぞれ光源アレイの中心に対して点対称に配置される。(ｂ)は、第１色光源を１個、第２色光源を１個、第３色光源を３個配置してなる光源アレイである。３個の第３光源のうち、１個は光源アレイの中心に配置され、残り２つの第３光源はぞれぞれが光源アレイの中心に対して点対称に配置される。

図５は、３色６個の光源からなる光源アレイの例である。いずれも、第１色光源を２個、第２色光源を２個、第３色光源を２個配置してなる光源アレイである。(ａ)は、縦２個、横３個に配置したものであり、各色の光源は、それぞれ光源アレイの中心に対して点対称に配置される。(ｂ)は、光源を六角形状に配置したものである。この場合においても、各色の光源は、それぞれ光源アレイの中心に対して点対称に配置される。

図６は、３色７個の光源からなる光源アレイの例である。 (ａ)は、第１色光源を２個、第２色光源を２個、第３色光源を３個配置してなる光源アレイである。３個の第３色光源のうち、１つは光源アレイの中心に配置され、残り２個の第３色光源は光源アレイの中心に対してそれぞれ点対称に配置される。また、２個の第１色光源、２個の第２色光源もまた、光源アレイの中心に対してそれぞれ点対称に配置される。(ｂ)は、第１色光源を３個、第２色光源を１個、第３色光源を３個配置してなる光源アレイである。第１色光源は光源アレイの中心に配置される。３個の第２色光源、３個の第３色光源は、光源アレイの中心に対してそれぞれ点対称に配置される。

図７は、３色８個の光源からなる光源アレイの例である。 (ａ)は、第１色光源を２個、第２色光源を３個、第３色光源を３個配置してなる光源アレイである。(ｂ)及び（ｃ）は、第１色光源を２個、第２色光源を２個、第３色光源を４個配置してなる光源アレイである。

図８は、３色９個の光源からなる光源アレイの例である。 (ａ)及び（ｂ）は、第１色光源を２個、第２色光源を２個、第３色光源を５個配置してなる光源アレイである。 (ｃ）は、第１色光源を２個、第２色光源を３個、第３色光源を４個配置してなる光源アレイである。(ｄ）は、第１色光源を１個、第２色光源を４個、第３色光源を４個配置してなる光源アレイである。何れの場合においても、各色光源は光源アレイの中心に対して点対称に配置されている。

上記図３ないし図８では、３色光源による光源アレイの例を説明した。上記の第１色光源とは、例えば赤色ＬＥＤ素子である。第２色光源とは、例えば青色ＬＥＤ素子である。第３色光源とは、例えば緑色ＬＥＤ素子である（勿論、その他の色をそれぞれ第１色〜第３色としても良い）。即ち、図３ないし図８の配置による光源アレイは、白色光が生成可能なものである。

これらの３色に加えて、他の色の光源を備えても良い。これにより、照明装置の色再現性を向上させたり、照明光の輝度を向上させたりするものであっても良い。例えば、黄色の光源を更に備えても良い。

図９は、４色５個の光源からなる光源アレイの例である。 これは、第１色光源を１個、第２色光源を１個、第３色光源を２個、第４色光源を１個配置してなる光源アレイである。 ２個の第３色光源は、それぞれ光源アレイの中心に対して点対称に配置されている。

図１０は、４色６個の光源からなる光源アレイの例である。 (ａ)及び（ｂ）は、第１色光源を１個、第２色光源を２個、第３色光源を２個、第４色光源を１個配置してなる光源アレイである。（ａ)は光源アレイを六角形状に配置した場合である。第２色光源を２個、第３色光源を２個は、光源アレイの中心に対して点対称に配置される。（ｂ）は２×３に配置した場合である。２個の第３色光源は、それぞれ光源アレイの中心に対して点対称に配置されている。第２色光源を２個、第３色光源を２個は、光源アレイの中心に対して点対称に配置される。

図１１は、４色７個の光源からなる光源アレイの例である。 (ａ)は、第１色光源を２個、第２色光源を２個、第３色光源を２個、第４色光源を１個配置してなる光源アレイである。（ｂ)は第１色光源を１個、第２色光源を１個、第３色光源を４個、第４色光源を１個配置してなる光源アレイである。

図１２は、４色８個の光源からなる光源アレイの例である。第１色〜第４色光源をそれぞれ２個有してなる光源アレイである。各色光源はそれぞれ光源アレイの中心に対して点対称に配置される。

図１３は、４色９個の光源からなる光源アレイの例である。(ａ)は、第１色光源を２個、第２色光源を２個、第３色光源を４個、第４色光源を１個配置してなる光源アレイである。（ｂ）は第１色光源を２個、第２色光源を２個、第３色光源を２個、第４色光源を３個配置してなる光源アレイである。（ｃ）は第１色光源を２個、第２色光源を３個、第３色光源を３個、第４色光源を１個配置してなる光源アレイである。

なお、上記の第４色光源とは、例えば黄色ＬＥＤ素子であるが、その他の色を第４色としても良い。

また、上記では３色の光源からなる光源アレイ、４色の光源からなる光源アレイを例に挙げたが、５色以上であっても良い。

また、上記では様々なパターンの光源配置を挙げたが、好適な光源配置の指針として、例えば、（１）人間の視感度が高い色のＬＥＤ素子を特に優先的に点対称に配置する、（２）照度が弱い色のＬＥＤ素子を光源アレイの中心部に配置するようにする、といったようなことが考えられる。

また、上記の光源の配置は、ロッドインテグレータ２のサイズ（四角筒又は四角柱の長さ）に応じて適宜最適化されても良い。

（光源部１の他の例 −その１）
図１４は、光源部１の他の例を示したものである。光源部１は、ＬＥＤ素子１１の出射側に指向性改善手段（例えば集光レンズ１４）を備えていても良い。この集光レンズ１４は、放射状に出射されるＬＥＤ素子１１からの出射光が、なるべく前方から出射されるようにするためのものである。これにより、ロッドインテグレータ２の入射開口でけられる光（取り込まれない光）を減らすことができるので、光利用効率を向上させることができる。

なお、各ＬＥＤ素子１１に備え付けられるそれぞれの集光レンズ１４は、ロッドインレグレータ２での出射光の光強度分布が均一となるよう、最適な形状に設計されることが好ましい。

（光源部１の他の例 −その２）
図１５もまた、光源部１の他の例を示したものである。光源部１の基板１２は、基板の中心部に対して基板面が傾斜した傾斜面１２１を有してもよい。この傾斜面１２１は、基板１２の中心から遠い側が高くなっている。ＬＥＤ素子１１は、基板面が傾斜していない中心部と、基板面が傾斜した傾斜面１２１を有する外周部とに配置される。

傾斜部１２１に配置されるＬＥＤ素子１１からの出射光の主光線は、平坦部（基板１２の中心部）に配置されるＬＥＤ素子１１からの出射光の主光線に近づいていく方向へ進む。このような傾斜部を設けた基板上にＬＥＤ素子１１を配置することで、ロッドインテグレータ２の入射開口でけられる光を減らすことができ、光利用効率（光の取り込み効率）を向上させることができる。

今回開示された実施の形態、及び実験例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

例えば、上記の実施形態では、各ＬＥＤ素子は、同一の基板上に配置されるものとして説明したが、別々の基板上に配置されるものであっても良い。

上記では本願発明の「光インテグレータ」の実施例としてロッドインテグレータを挙げたが、光インテグレータとしては、フライアイレンズ（群）であっても良い。

上記では本願発明の「光源」の実施例としてＬＥＤ素子を挙げたが、ＬＥＤ素子以外の固体光源素子であっても良い。或いは、固体光源素子以外の小型の光源であっても良い。

本願発明の照明装置を用いた投写型映像表示装置１０の構成を示す図である。 投写型映像表示装置１０における光源部１の構成を示す図である。 ３色４個の光源からなる光源アレイの例である。 ３色５個の光源からなる光源アレイの例である。 ３色６個の光源からなる光源アレイの例である。 ３色７個の光源からなる光源アレイの例である。 ３色８個の光源からなる光源アレイの例である。 ３色９個の光源からなる光源アレイの例である。 ４色５個の光源からなる光源アレイの例である。 ４色６個の光源からなる光源アレイの例である。 ４色７個の光源からなる光源アレイの例である。 ４色８個の光源からなる光源アレイの例である。 ４色９個の光源からなる光源アレイの例である。 光源部１の他の例を示したものである。 光源部１の他の例を示したものである。

符号の説明

１ 光源
２ ロッドインテグレータ
１１Ｒ１〜２ 赤色ＬＥＤ素子
１１Ｇ１〜５ 緑色ＬＥＤ素子
１１Ｂ１〜２ 青色ＬＥＤ素子
１３ 基板

Claims (11)

1. 複数色の光源を備えて構成される光源アレイと、
   前記光源アレイから出射された光の強度を均一化する光インテグレータを備え、
   色毎に前記光源の個数が設定され、少なくともいずれかの色光の光源群は、それぞれが前記光源アレイの中心に対して点対称に配置される、照明装置。
   
2. 前記点対称に配置される光源は、視感度が高い色光の光源である、請求項１記載の照明装置。
   
3. 前記光源アレイは、少なくとも赤色光源と、青色光源と、緑色光源とを有する、請求項１又は２記載の照明装置。
   
4. 前記光源アレイの光出射側に配置され、光源アレイからの出射光を集光して前記光インテグレータへ導く集光手段を備えた、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の照明装置。
   
5. 前記光インテグレータは、ロッドインテグレータにより構成される、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の照明装置。
   
6. 前記光インテグレータは、フライアイレンズにより構成される、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の照明装置。
   
7. 前記光源は固体光源である、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の照明装置。
   
8. 照明中は各色光が常時出射されるように構成されている、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の照明装置。
   
9. 照明中は各色光が時分割に出射されるように構成されている、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の照明装置。
   
10. 請求項８記載の照明装置と、
    前記照明装置の出射側に設けられた１つのフルカラーライトバルブと、
    前記フルカラーライトバルブを経て光変調された映像光を投写する投写手段と、を備えたことを特長とする、投写型映像表示装置。
    
11. 請求項９記載の照明装置と、
    前記照明装置の出射側に設けられた１つのライトバルブと、
    色光の出射タイミングに同期して前記ライトバルブに各色用の映像信号を供給する手段と、
    前記ライトバルブを経ることで得られた映像光を投写する投写手段と、を備えたことを特徴とする投写型映像表示装置。
    

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