JP2007048714A - 照明装置、及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【目的】 高輝度化、及び光利用効率の改善が両立できる照明装置を提供する。
【構成】 光源部１は、２つの緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ、１つの赤色ＬＥＤ素子１１Ｒ、１つの青色ＬＥＤ素子１１Ｂと、透明光学部材１２、反射部材１３、反射部材１４、反射部材１５などを備えている。透明光学部材１２は、ガラス若しくはプラスチックで形成された部材である。この透明光学部材１２は、四角柱の底面側に四角錐状の凹部を備えた形状となっている。上面１２ａは光出射面である。側面１２ｂは、上面１２ａ側の辺が底面側の辺よりも長い台形状となっている。
【選択図】 図５

Description

この発明は、複数の光源を用いた照明装置に関する。

液晶プロジェクタなどに用いられる照明装置としては、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等のランプと、その照射光を平行光化するパラボラリフレクタから成るものが一般的である。更に、近年においては、三原色のＬＥＤ素子を光源として用いることも試みられている（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を持たせたものがある。このロッドインテグレータを採用した照明装置においては、ＬＥＤ素子からなる光源部を、ロッドインテグレータの入射開口側に設けたものがある（特許文献２参照）。
特開平１０−１８６５０７号 特開２００３−３３０１０９号

しかし、上記のようなＬＥＤ素子を光源に用いた照明装置においては、スクリーンに投写される光量が不足するという問題がある。ハロゲンランプ等との光源と比較して、ＬＥＤ素子は発光量が少ないからである。

そこで、高輝度化を図るための方法として、光源部に使用するＬＥＤ素子の数を増やすことが、まず考えられる。しかし、単にＬＥＤ素子を並列に配置（アレイ化）するだけでは、光源部の出射部の面積が増大し、後段の光学系における光利用効率が低下してしまうという問題がある。例えば、アレイ状に配置したＬＥＤ素子からなる光源部をロッドインテグレータの入射開口側に設ける場合、ロッドインテグレータの入射開口部の面積を大きくしなくてはならない。この場合、ロッドインテグレータの手前に集光レンズを設けることにより、ロッドインテグレータの入射開口部の面積を小さくすることもできる。しかし、光線の拡散角が大きくなってしまうという問題がある。光線の拡散角が大きいものは、後段に配置される投写レンズ等に取り込まれなくなるため、光利用効率が低下するという問題もある。したがって、光源部の出射部の面積は増大させない方が望ましい。

そこで、本願発明は上記の事情に鑑み、光源部の出射部の面積を増大させることなく、光源部の光量を増大させることができる照明装置を提供することを目的とするものである。これにより、照明装置の高輝度化、及び光利用効率の改善の両方が実現できる。

本願発明の照明装置は、底部側に凹部が形成された透光性部材と、透光性部材の側面側に設けられた光源及び第１反射要素と、透光性部材の底部側の凹部に接して、又は底部側の凹部に挿入するように設けられた第２反射要素と、を備え、照明対象物への照明光が透光性部材の上面から出射する。

なお、上記の多角柱状の透光性部材は、側面と上面とのなす角が垂直であるようなものに限らない。上面部と底面部で大きさが異なっても良い。

光源は複数あっても良く、また、透光性部材の上面の面積は、全光源の発光面積の総和よりも小さいことが好ましい。光源の発光面積とは、例えばＬＥＤ光源であれば、ＬＥＤの光出射面の面積である。このような特徴を有することにより、複数の光源光を合成して出射させることができ、かつ、発光面積が実質的に小さい照明装置を実現することができる。

好ましくは、透光性部材の屈折率は、上面と接する媒質の屈性率よりも高く、透光性部材内から上面へ向かう光のうち、上面となす角が所定値よりも大きい光は上面から出射し、上面となす角が所定値以下の光は上面で全反射する。

好ましくは、透光性部材の上面で全反射した光は、第１反射部材、及び第２反射部材での反射を経て、再び前記上面に導かれる。

上記照明装置は、更に、透光性部材の上面から出射された光を入射し、入射した光の照度を均一化する光インテグレート手段を備えても良い。

光源は複数個あって、各光源はそれぞれ透光性部材の異なる側面側に設けられていても良い。また、一例として、透光性部材の側面の数と、光源の数は同数である。

少なくとも何れかの第１反射要素と何れかの光源は、透光性部材の同一側面側に設けられ、前記第１反射要素は前記光源の周辺部に配置されていても良い。

光源の出射側と反対側に設けられ、入射した光（例えば、前記光源と対峙する側面から出射された光など）を反射させて再び透光性部材へ導く第３反射要素をさらに備えても良い。

透光性部材の底部側に形成される多角錐状の凹部は複数であっても良い。また、第２反射要素は、例えば、底部の各凹部に非透過性の金属膜を蒸着して成る。或いは、各凹部に凸状の非透過性物質を挿入したような態様で成る。

透光性部材は、一例として、ガラス若しくはプラスチックで形成される。また、低屈折率媒質とは、例えば、空気、若しくは透光性部材よりも屈折率が低い接着部材である。

ある態様の照明装置は、白色光又は白色になる光を出射する。例えば、１つ或いは複数の白色光源を備えたものであったり、例えば、赤色光源、青色光源、緑色光源とを備えていて白色になる光を出射するものであったりする。また、本願発明のある態様の投写型映像表示装置は、このような照明装置と、一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ものである。

ある態様の照明装置は、所定の色光又は白色ではない光を出射する。例えば、１つ或いは複数の（白色ではない）同色光源を備えたものであったり、例えば、赤色光源、青色光源のみを備えたものであったりする。また、本願発明のある態様の投写型映像表示装置は、このような照明装置を複数備え、各照明装置からの色光をそれぞれ受けるように設けられたライトバルブと、各ライトバルブを経た各色映像光を合成して投写する投写手段と、を備えている。

本願発明によれば、高輝度化、及び光利用効率の改善が両立できる照明装置を提供することができる。

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。

（投写型映像表示装置１０の構成）
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。投写型映像表示装置１０のうち、光源部１、ロッドインテグレータ２は、本願発明の照明装置の一実施形態に相当する。

光源部１は、光出射方向が異なる複数のＬＥＤ光源と、これら複数のＬＥＤ光源からの光を合成する手段などを備えている。また、この光源部１は、少なくとも三原色のＬＥＤ光源を備えている。光源部１の構成については後で詳しく述べる。

ロッドインテグレータ２は、光源部１からの光の強度分布を均一化する。ロッドインテグレータ２は、側面を反射面とした角柱状の構造を有している。本実施形態においては、入射開口と出射開口のサイズが異なるテーパ状のものである。ロッドインテグレータ２に入射した、光源部１からの光線は、ロッドインテグレータ２の側面で全反射を繰り返すことで低分散角化された光が出射する。

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光源を常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を用いる場合には、光源部１の各色ＬＥＤ光源を時分割で色毎順次に所定時間点灯させると共に、この所定時間点灯のタイミングに同期させて液晶表示パネル３に各色の映像信号を供給する。

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。

（光源部１の構成）
以下、光源部１の構成について説明する。図２は、光源部１を側面側から見た図である。図３は、光源部１の底面図である。図４は、光源部１を側面から見たときの透視図である。図５は、光源部１の断面図である。

光源部１は、２つの緑色ＬＥＤ素子１１Ｇ、１つの赤色ＬＥＤ素子１１Ｒ、１つの青色ＬＥＤ素子１１Ｂと、透明光学部材１２、反射部材１３、反射部材１４、反射部材１５などを備えている。

透明光学部材１２は、ガラス若しくはプラスチックで形成された部材であり、光を透過させるものである。この透明光学部材１２は、図４に示すように、四角柱の底面側に四角錐状の凹部を備えたような形状となっている。上面１２ａは光出射面である。側面１２ｂは４つあり、いずれの側面１２ｂも、上面１２ａ側の辺が底面側の辺よりも長い台形状となっている。また、好ましくは上面１２ａの面積は、４つのＬＥＤ素子１１の発光面積の総和、或いはチップ面積の総和よりも小さいことが望ましい。

各色のＬＥＤ素子１１は、透明光学部材１２の各側面１２ｂ上の中央部に配置される。反射部材１３は、各側面１２ｂ上のＬＥＤ素子１１の周辺部に配置される。反射部材１３は、例えば、金属膜であり、側面１２ｂ上に蒸着される。

反射部材１４は、光を反射する金属膜等が表面に蒸着等された四角錐状の部材であり、透明光学部材１２の前記底面側の凹部に挿入するように配置される。

反射部材１５は、ＬＥＤ素子１１の光出射側と反対側に配置される。反射部材１５は、ＬＥＤ素子１１の基板を兼ねるものでも良く、非透明なプラスチック、もしくは金属などである。透明光学部材１２の側面１２ｂから出射し、ＬＥＤ素子１１に入射した光は、反射部材１５で反射して再び側面１２ｂから透明光学部材１２に入射する。

透明光学部材１２の上面１２ａ側には、ロッドインテグレータ２が配置される。上面１２ａと、ロッドインテグレータ２の間は、少なくとも透明光学部材１２よりも屈折率の低い媒質、例えば、空気、或いは低屈折率の接着剤で満たされている。透明光学部材１２との屈折率の差により、透明光学部材１２の上面１２ａとなす角度が大きな光線のみが出射する（図６（ａ）参照）。また、上面１２ａとなす角度が小さな光線は、上面１２ａで反射し、上面１２ａからは出射しない（図６（ｂ）参照）。

より具体的には、光線と上面１２ａとがなす角度をα、透明光学部材１２の屈折率をｎ１、透明光学部材の上面１２ａと接する媒質の屈折率をｎ２、としたとき、
(sin (π/2-α) / sin (π/2)) < (n2 / n1)
の条件を角度で上面１２ａへ入射した光のみが上面１２ａから出射する。例えば、透明光学部材１２がガラス（屈折率１．７）であり、透明光学部材１２の上側にある媒質が空気（屈折率１）としたとき、透明光学部材１２の上面１２ａとなす角度αがおよそ３６[ｄｅｇ]以下の光線は、上面１２ａで全反射し、上面１２ａからは出射しない。

上面１２ａで反射し、上面１２ａからは出射しなかった光は、図７で示すように、反射部材１３、１５、反射部材１４等で反射して再び上面１２ａへ向かう。上面１２ａに再度到達した光は、上面１２ａとなす角度が所定値よりも大きければ透明光学部材１２から出射する。上面１２ａとなす角度が所定値よりもまだ小さければ、再度反射部材１３、１５、反射部材１４等で反射して再び上面１２ａへ入射し、入射角が所定値よりも小さくなれば上面１２ａから出射する。

ここで、反射部材１３、１５、反射部材１４での反射時における光損失が殆ど無視できるものと仮定すれば、原理的には各ＬＥＤ素子から出射される光のほぼ全てが、透明光学部材１２から低い出射角で出射する。また、透明光学部材１２からの出射角が小さければ、後段の液晶表示パネル３、投写レンズ４などでの光損失も少なくできる。したがって、上記説明したような照明装置の採用により、高輝度化、及び光利用効率の改善が両立できる。

今回開示された実施の形態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。

＜変形例＞
（第２反射要素の他の例）
本願発明の第２反射要素の一実施形態である反射部材１４は、図８、図９のようにアレイ状に配置された複数の四角錐からなるものであっても良い。

また、第２反射要素は、反射部材１４に代えて、光を反射する反射部材１６を透明光学部材１２の底面側に配置するものであっても良い（図１０参照）。この反射部材１６は、透明光学部材１２の底面側の凹部にアルミ等の金属膜を蒸着するという、簡単な構成により実現しても良い。

（光源部の他の例）
上記実施形態の光源部１は、側面を４つ有する（＝上面が四角形である）透明光学部材１２を用いたものであるが、側面を６つ有する（＝上面が六角形である）透明光学部材を用いるものであっても良い。このとき、三原色の光源は２つずつ設けられ、各側面側に一つずつ配置される。

光源部１の光源の個数は、透明光学部材１２の側面１２ｂの数と同数であるとしたが、異なっていても良い。例えば４つある側面１２ｂのうち３面にのみＬＥＤ素子１１を配置しても良い。或いは、１つの側面１２ｂ上に複数のＬＥＤ素子を配置しても良い。

上記実施形態の透明光学部材１２はガラス、或いはプラスチックで構成されているが、単に空気であっても良い。

図１１のように、反射部材１４の表面は鋸歯状に形成されていても良い。或いは、図１０のような反射部材１６を採用するのであれば、透明光学部材１２の底面側の凹部を鋸歯状に形成しても良い。鋸歯の形状を変化させることで、透明光学部材１２の上面１２ａからの出射光の出射角分布を変えることが可能である。

或いは、反射部材１４の表面は、なるべく多くの反射光が上面１２ａに向かうよう、曲面状に形成されていても良い。或いは、図１０のような反射部材１６を採用するのであれば、透明光学部材１２の底面側の凹部を曲面状に形成しても良い。曲面形状を変化させることで、透明光学部材１２の上面１２ａからの出射光の出射角分布を変えることが可能である。

また、反射部材１５は、本願発明の第３反射要素の一例であるが、この反射部材１５に代えて、ＬＥＤ素子１１の発光層に対して光出射側とは反対側に設けられた反射層を本願発明の第３反射要素としても良い。即ち、ＬＥＤ素子１１自体に第３反射要素を備えるものであっても良い。

なお、第２反射要素として反射部材１６を用いた例においても（図１０参照）、上記と同様の技術的効果を達成できるよう、透明光学部材１２底面側の凹部の大きさ、形状は設計されるべきである。

また、上記の光源部１は、ＬＥＤ素子を用いたものであったが、ハロゲンランプでも良い。また、本願発明の第３反射要素（反射部材１５など）の他の実施形態としては、凹面鏡で成るリフレクタを光源の後方に配置するものであっても良い。

（投写型映像表示装置の他の構成例１）
図１２は、投写型映像表示装置２０の構成を示す図である。投写型映像表示装置２０は、赤色光を出射する照明装置（光源部１Ｒ、ロッドインテグレータ２、液晶表示パネル３Ｒ）と、青色光を出射する照明装置（光源部１Ｂ、ロッドインテグレータ２、液晶表示パネル３Ｂ）と、緑色光を出射する照明装置（光源部１Ｇ、ロッドインテグレータ２、液晶表示パネル３Ｇ）と、これら３つの照明装置からの光を同一方向へ導くダイクロキューブ５と、投写レンズ４などで構成される。

光源部１Ｒは、１つ又は複数の赤色ＬＥＤ素子が、透明光学部材１２の側面側に配置されて成る。光源部１Ｂは、１つ又は複数の青色ＬＥＤ素子が、透明光学部材１２の側面側に配置されて成る。光源部１Ｇは、１つ又は複数の緑色ＬＥＤ素子が、透明光学部材１２の側面又は各側面に配置されて成る。

液晶表示パネル３（３Ｒ、３Ｂ、３Ｇ）は、ＲＧＢカラーフィルタを備えない構造である。光源１（１Ｒ、１Ｂ、１Ｇ）の各色ＬＥＤ光源は常時点灯され、映像信号に応じて各色の液晶表示パネル３が駆動される。

（投写型映像表示装置の他の構成例２）
図１３は、投写型映像表示装置３０の構成を示す図である。投写型映像表示装置２０と同様、投写型映像表示装置３０は、赤色光を出射する照明装置（光源部１Ｒ、ロッドインテグレータ２）と、青色光を出射する照明装置（光源部１Ｂ、ロッドインテグレータ２）と、緑色光を出射する照明装置（光源部１Ｇ、ロッドインテグレータ２）と、これら３つの照明装置からの光を同一方向へ導くダイクロキューブ５と、映像信号に基づいてダイクロキューブ５からの出射光を変調する液晶表示パネル３F、投写レンズ４などで構成される。

液晶表示パネル３F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３Fを用いる場合には、光源部１の全ＬＥＤ光源を常時点灯して白色光を液晶表示パネル３F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３Fを用いる場合には、光源部１の各色ＬＥＤ光源を時分割で色毎順次に所定時間点灯させると共に、この所定時間点灯のタイミングに同期させて液晶表示パネル３Fに各色の映像信号を供給する。

（投写型映像表示装置の他の構成例３）
図１４は、投写型映像表示装置４０の構成を示す図である。投写型映像表示装置４０は、緑色光を出射する照明装置（光源部１Ｇ、ロッドインテグレータ２）と、赤色光及び青色光、或いは赤色光と青色光の合成光を出射する照明装置（光源部１ＢＲ、ロッドインテグレータ２）と、これら２つの照明装置からの光を同一方向へ導くダイクロイックミラー６と、映像信号に基づいてダイクロキューブ６からの出射光を変調する液晶表示パネル３F、投写レンズ４などで構成される。

この投写型映像表示装置４０においても、液晶表示パネル３F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３Fを用いる場合には、光源部１の全ＬＥＤ光源を常時点灯して白色光を液晶表示パネル３F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３Fを用いる場合には、光源部１の各色ＬＥＤ光源を時分割で色毎順次に所定時間点灯させると共に、この所定時間点灯のタイミングに同期させて液晶表示パネル３Fに各色の映像信号を供給する。

なお、上記の投写型映像表示装置４０では、色合成手段であるダイクロキューブ６の後段に１つの液晶表示パネルが設けられていたが、これに代えて、図１５の投写型映像表示装置５０のごとく、ダイクロキューブ６の前段、即ち各照明装置の出射側に液晶表示パネル３ｇ、３ｂｒをそれぞれ設けても良い。液晶表示パネル３ｇは、Ｇのカラーフィルタを備えた構造、或いはカラーフィルタを備えない構造を有する。液晶表示パネル３ｂｒは、Ｂ及びＲのカラーフィルタを備えた構造、或いはカラーフィルタを備えない構造を有する。カラーフィルタを備える構造の液晶表示パネル３ｇ、３ｂｒを用いる場合には、光源部１の全ＬＥＤ光源を常時点灯し、映像信号に応じて液晶表示パネルの各カラーフィルタがオン／オフ変調される。カラーフィルタを備えない構造の液晶表示パネル３ｇ、３ｂｒを用いる場合には、光源部１の各色ＬＥＤ光源を時分割で色毎順次に所定時間点灯させると共に、この所定時間点灯のタイミングに同期させて液晶表示パネル３ｇ、３ｂｒに各色の映像信号が供給される。

（透明光学部材１２の配置について）
上記では、透明光学部材１２の光出射面を上面１２ａとしているが、透明光学部材１２は必ずしも上面１２ａを上側にして配置する必要はない。

投写型映像表示装置１０の構成を示す図である。 光源部１の側面図である。 光源部１の底面図である。 光源部１を側面から見たときの透視図である。 光源部１の断面図である。 透明光学部材１２の上面１２ａからの出射光を示す図である。 透明光学部材１２内の光の進路例を示す図である。 反射部材１４の他の構成例を示す図である。 他の構成の反射部材１４を備えた光源部１の構成を示す図である。 光源部１の他の例を示す図である。 光源部１の他の例を示す図である。 投写型映像表示装置２０の構成を示す図である。 投写型映像表示装置３０の構成を示す図である。 投写型映像表示装置４０の構成を示す図である。 投写型映像表示装置５０の構成を示す図である。

符号の説明

１ 光源部
２ ロッドインテグレータ
３ 液晶表示パネル
４ 投写レンズ
１１Ｒ 赤色ＬＥＤ素子
１１Ｇ 緑色ＬＥＤ素子
１１Ｂ 青色ＬＥＤ素子
１２ 透明光学部材
１３、１４、１５ 反射部材

Claims (16)

1. 底部側に凹部が形成された透光性部材と、
   透光性部材の側面側に設けられた光源、及び第１反射要素と、
   透光性部材の底部側の凹部に接して、又は底部側の凹部に挿入するよう設けられた第２反射要素と、を備え、
   照明対象物への照明光が透光性部材の上面から出射する、照明装置。
   
2. 透光性部材の屈折率は、上面と接する媒質の屈性率よりも高く、
   透光性部材内から上面へ向かう光のうち、上面となす角が所定値よりも大きい光は上面から出射し、上面となす角が所定値以下の光は上面で全反射する、請求項１記載の照明装置。
   
3. 透光性部材の上面で全反射した光は、第１反射部材、及び第２反射部材での反射を経て、再び前記上面に導かれる、請求項２記載の照明装置。
   
4. 透光性部材の上面から出射された光を入射し、入射した光の照度を均一化する光インテグレート手段を備えた、請求項１ないし３の何れか１項に記載の照明装置。
   
5. 光源は複数個あって、各光源はそれぞれ透光性部材の異なる側面側に設けられた、請求項１ないし４の何れか１項に記載の照明装置。
   
6. 少なくとも何れかの第１反射要素と何れかの光源は、透光性部材の同一側面側に設けられ、前記第１反射要素は前記光源の周辺部に配置された、請求項５記載の照明装置。
   
7. 透光性部材の側面の数と、光源の数は同数である、請求項１ないし６の何れか１項に記載の照明装置。
   
8. 光源の出射側と反対側に設けられ、入射した光を反射させて再び透光性部材へ導く第３反射要素を備えた、請求項６又は７記載の照明装置。
   
9. 透光性部材の底部側には複数の多角錐状の凹部が形成された、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の照明装置。
   
10. 透光性部材は、ガラス若しくはプラスチックで形成され、低屈折率媒質は空気、若しくは透光性部材よりも屈折率が低い接着部材である、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の照明装置。
    
11. 透光性部材の上面の面積は、全光源の発光面積の総和よりも小さい、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の照明装置。
    
12. 白色光又は白色になる光を出射する、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の照明装置。
    
13. 所定の色光又は白色ではない光を出射する、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の照明装置。
    
14. 請求項１２記載の照明装置と、一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。
    
15. 赤色光を出射する請求項１３記載の照明装置と、青色光を出射する請求項１３記載の照明装置と、緑色光を出射する請求項１３記載の照明装置と、各照明装置からの色光をそれぞれ受けるように設けられたライトバルブと、各ライトバルブを経た各色映像光を合成して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。
    
16. 第１色光源を備えた請求項１３記載の照明装置と、第２及び第３色光源を備えた請求項１３記載の照明装置と、各照明装置からの色光をそれぞれ受けるように設けられたライトバルブと、各ライトバルブを経た各色映像光を合成して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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