JP2007127955A - 照明装置及び投写型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】白色の半導体発光素子を含む半導体発光素子を複数個用いることにより、長寿命、省電力、小型軽量で、かつコントラストを向上させることができる照明装置及び投写型画像表示装置を提供する。
【解決手段】複数の半導体発光素子１を光源とした照明装置であって、複数の半導体発光素子１は、赤色、緑色、青色、白色の半導体発光素子１が混在している。照明光源として、半導体発光素子１を用いているので、低電力消費率になり、寿命が長くなり、発生する熱量もが少なくなる。さらに、白色の半導体発光素子を加えているので、白色の輝度を向上させることができ、コントラスト感を向上させることができる。また、低電力消費率となるので、電源も小さくでき、カラー表示のためのカラーホイールも省くことができ、小型軽量になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置及びそれを用いた投写型画像表示装置に関する。

従来、大画面映像を表示する方法として、映像信号に応じた画像を表示する小型のライトバルブを照明し、その画像を投写レンズにより拡大投写する投写型画像表示装置が知られている。照明光源は、メタルハライドランプ、超高圧水銀灯、又はキセノン等のいわゆる熱光源が使用される。

ライトバルブには、透過型又は反射型の液晶パネルを用いたものや、微細なミラーの集合体であるデジタルミラーデバイス（以下、「ＤＭＤ」という。）を用いたものがあり、これらを用いた投写型画像表示装置が実用化されている。以下、従来の投写型画像表示装置について説明する。

図６は、従来の超高圧水銀灯をランプとして用いた投写型画像表示装置の一例を示す概略図である。図中、１００はランプ、２００は楕円凹面鏡、３００はカラーホイール、４はロッドインテグレータ、５はリレーレンズ系、６は全反射ミラー、７は反射型ライトバルブ、８は全反射プリズム、９は投写レンズである。

次に動作について説明する。ランプ１００の発光中心は楕円凹面鏡２００の第１焦点近傍に配置され、ランプ１００より射出する光束は、楕円凹面鏡２００で反射された後、楕円凹面鏡２００の第２焦点近傍に集光される。ロッドインテグレータ４の入射面は、楕円凹面鏡２００の第２焦点近傍に配置されている。入射した光束は、ロッドインテグレータ４の側面で適宜全反射され、ロッドインテグレータ４より射出する。

ロッドインテグレータ４の入射面近傍に配置されたカラーホイール３００は、カラー表示を可能にさせるものである。また、カラーホイール３００は、少なくとも赤、青、緑の３原色を透過させるダイクロイックフィルターからなり、かつ回転することにより白色光を時分割で色分解することができる。

ロッドインテグレータ４から射出された光束は、カラーホイール３００、少なくとも１枚から構成されるリレーレンズ系５、全反射ミラー６及び全反射プリズム８を経て反射型ライトバルブ７を照明する。反射型ライトバルブ７により、光学像を形成する変調光が射出される。反射型ライトバルブ７からの光束は、全反射プリズム８を経て投写レンズ９に至り、投写レンズ９は、反射型ライトバルブ７の形成した光学像を投写することになる。

また、反射型ライトバルブ７は、微細なミラーの集合体であるＤＭＤからなり、駆動回路（図示せず）から出力される電気信号によって画像を表示する。反射型ライトバルブ７に表示された画像は、全反射プリズム８及び投写レンズ９を介して拡大投写されスクリーン（図示せず）に投写される。

また、ロッドインテグレータ４の特徴として、入射する光線の角度が異なれば、ロッドインテグレータ４の側面で適宜全反射される回数が異なることになる。これらは射出面で混合されるため、入射面では不均一な照度分布であっても射出面で重畳されることになる。

その結果、ロッドインテグレータ４の射出面では均一性に優れ、かつ所望の照明領域と略等しい形状の照明光束を得ることが可能となる。但し、反射回数が多いほど均一性に優れることからロッドインテグレータ４の長さは十分にとられていることはいうまでもない。

また、特許文献１には、照明光源として、半導体発光素子を用いた投射型画像表示装置が提案されている。この構成は、赤色、青色、緑色の３原色の半導体発光素子を照明光源としている。
特開２００３−１８６１１０

図６を用いて説明した従来の投写型画像表示装置のランプには、いわゆる熱光源であるメタルハライドランプ、超高圧水銀灯、キセノンランプが使用されてきたが、近年は発光効率が他のランプに比べて優れていることから超高圧水銀灯が主流となっている。

しかしながら、超高圧水銀灯は入力電力から光への変換効率が低く、そのため入力電力が大きくなり、電源及びランプ（反射凹面鏡付き）の寸法が大きくなり、さらに冷却ファンが必要であった。

また、超高圧水銀灯の４００ｎｍ以下の波長領域の紫外光の影響によるライトバルブそのものの劣化を防止するために、ランプからライトバルブまでの光学経路間に、紫外線を遮断するＵＶカットフィルタが必要であった。

さらに、ＤＭＤを反射型ライトバルブとして使用した従来の投写型画像表示装置では、カラー表示のためカラーホイールを備えている。この構成は、カラーホイール回転とＤＭＤの各画素のオン・オフを同期させて、時分割カラー表示を行い、眼の残像効果と合わせて通常のカラー画像を表示するというものである。この構成では、カラーホイールを回転させるモータの駆動音が一つの騒音源となっていた。

一方、前記特許文献１のように、赤色、青色、緑色の３原色の半導体発光素子を複数個用いた投射型画像表示装置によれば、前記のような問題は解消できる。しかしながら、この構成は、半導体発光素子は、赤色、青色、緑色の３色のみであり、十分なコントラストが得られない場合があった。

本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、白色の半導体発光素子を含む半導体発光素子を複数個用いることにより、長寿命、省電力、小型軽量で、かつコントラストを向上させることができる照明装置及び投写型画像表示装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の照明装置は、複数の半導体発光素子を光源とした照明装置であって、前記複数の半導体発光素子は、赤色、緑色、青色、白色の半導体発光素子が混在していることを特徴とする。

本発明の投写型画像表示装置は、赤色、緑色、青色、白色の半導体発光素子が混在して配置された光源と、光束を変調し、画像を形成するライトバルブと、投写レンズとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、白色の半導体発光素子を含む半導体発光素子を複数個用いることにより、長寿命、省電力、小型軽量で、かつコントラストを向上させることができる。

本発明の照明装置又は投写型画像表示装置によれば、光源に半導体発光素子を用いているので、長寿命、省電力、小型軽量が可能になる。さらに、白色の半導体発光素子を含んでいるので、白色の表示の輝度を向上させることができ、コントラストを向上させることができる。また、白色の色温度を蛍光色、電球色といった好みのものに変えることもできる。

前記本発明の照明装置又は投写型画像表示装置においては、ロッドインテグレータ又はアレー型インテグレータと、リレーレンズ系とをさらに備えたことが好ましい。この構成によれば、このため、均一性の良好な照明光を得ることができる。

また、前記ロッドインテグレータは、４面の反射面で囲まれた内部が中空部になっていることが好ましい。この構成によれば、中実で同じ長さのロッドインテグレータに比べ、反射回数を増やすことができ、照明光の均一性向上に有利になる。

また、前記半導体発光素子は、発光ダイオード素子、エレクトロルミネセンス素子、又は半導体レーザ素子であることが好ましい。

（実施の形態１）
図１を用いて実施の形態１に係る投写型画像表示装置の構成及び動作について説明する。図１は、実施の形態１に係る投写型画像表示装置の概略図である。図１に示した投写型画像表示装置は、半導体発光素子１と、光学部材２と、集光レンズ系３と、ロッドインテグレータ４と、ロッドインテグレータ４から射出された光束を導くリレーレンズ系５と、全反射ミラー６と、リレーレンズ系５から導かれた光束を変調し、画像を形成する反射型ライトバルブ７と、全反射プリズム８と、反射型ライトバルブ７の形成した画像を投写する投写レンズ９とを備えている。

図１において、半導体発光素子１は光学部材２との一体型である。本図の例では、光学部材２は光を集光する砲弾型レンズである。光学部材２は、半導体発光素子１と密着して一体型で構成されていることが好ましい。この構成によれば、半導体発光素子１の信頼性を保持することができる。

半導体発光素子１及び光学部材２は、光軸を中心として、２次元に複数個配置されている。また、集光レンズ系３は、２次元に配置された半導体発光素子１の全てを包括するように１枚で構成されている。

集光レンズ系３は、プラスチックの材料を用い単レンズで構成している。レンズの材料は、ガラス等の材料で構成することもできる。図１の例では、集光レンズ系３を１枚で構成しているが、集光効率を向上させるために光軸方向に２枚以上配置して構成することもある。

また、ロッドインテグレータ４は、耐熱性の良好なガラス材料で形成している。ロッドインテグレータ４は、アルミ増反射ミラー又は誘電体ミラーを組み合わせた中空型のロッドインテグレータを用いることもできる。

リレーレンズ系５は、ロッドインテグレータ４の射出面の後段と、全反射ミラー６の後段の２枚で構成されている。図１の例では２枚で構成しているが、枚数を制限するものではない。

図２は、半導体発光素子１の色及びその数の配置概念図であり、光軸上に白色半導体発光素子１Ｗを１個配置し、光軸を囲む円周上に、緑色半導体発光素子１Ｇ、青色半導体発光素子１Ｂ、赤色半導体発光素子１Ｒをそれぞれ２個配置している。

ここで、半導体発光素子１は、ロッドインテグレータ４に入射する光の最大角度（通常は光軸に対して±３０度程度）以内に配置すればよい。これは、ロッドインテグレータから射出される光束を集光する通常のリレーレンズの集光角が、±３０度程度であるためである。このため、半導体発光素子の数は、図２の例に限るものではなく、明るさ出力に合わせて決めればよい。

カラー表示は、図２に示した赤色半導体発光素子１Ｒ、青色半導体発光素子１Ｂ、緑色半導体発光素子１Ｇの３原色を時分割発光させることで可能としている。さらに、図２の構成では、白色の半導体発光素子１Ｗを加えているので、白色の輝度を向上させることができ、コントラスト感を向上させることができる。

また、半導体発光素子１としては、例えば発光ダイオード素子、エレクトロルミネセンス素子、又は半導体レーザ素子を用いることができる。

図３は、赤色半導体発光素子１Ｒ、緑色半導体発光素子１Ｇ、青色半導体発光素子１Ｂを時分割駆動したときの各色の輝度を表す概念図である。縦軸の発光強度を１として規格化している。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示したように、横軸の時間軸の１フィールドを各色ともに、１／３に時分割している。つまり、１フィールドにおいて、赤色半導体発光素子１Ｒ、緑色半導体発光素子１Ｇ、青色半導体発光素子１Ｂの輝度を表すトータルの面積を１として白表示を示している。

但し、１フィールド内の各色の発光時間は、説明の都合上、それぞれ１／３としているが、これに限るものではない。また、投入できる電流値及びその冷却の制限から各色の発光強度の上限を１とし、各色の輝度を表す面積は１／３を上限としている。

図４は、図３の構成に白色半導体発光素子１Ｗを加えたときの輝度を表す概念図である。図４は、図２のように、赤、緑、青の３色の半導体発光素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂに、白色半導体発光素子１Ｗを追加して配置した構成に対応している。

縦軸の発光強度は、１として規格化している。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示したように、横軸の時間軸の１フィールドにおいて、赤色半導体発光素子１Ｒ、緑色半導体発光素子１Ｇ、青色半導体発光素子１Ｂともに、３／１０に時分割している。このときの発光したトータル面積は９／１０になる。１フィールドの残りの１／１０の時分割の部分において、赤色、緑色、青色の半導体発光素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂをそれぞれ１／３の発光強度で発光する。このときの発光したトータル面積は１／１０になる。

前記のトータル面積９／１０とトータル面積１／１０とを加算すると、トータル面積が１になり、図３と同様の輝度の白表示をすることになる。

さらに、図４（ｄ）に示したように、１フィールドの残りの１／１０の時分割の部分において、白色半導体発光素子１Ｗを発光強度１で発光する。このときの発光したトータル面積は１／１０になる。このことにより、図３に示す白表示よりも、図４に示した白表示は、発光強度つまり投写される輝度が向上する。

また、赤色１Ｒ、緑色１Ｇ、青色１Ｂの半導体発光素子１の発光強度を減少させて調整し、白色１Ｗの半導体発光素子１と合成して白表示することにより、白の色温度を蛍光色、電球色等に変えることができる。

なお、赤色半導体発光素子１Ｒ、緑色半導体発光素子１Ｇ、青色半導体発光素子１Ｂの１フィールド内の発光時間は、説明の都合上３／１０とし、白色半導体発光素子１Ｗの１フィールド内の発光時間を１／１０としているが、これに限るものではない。

また、投入できる電流値及びその冷却の制限により、各色の発光強度の上限を１とし、各色が発光した輝度を表す面積は１／３を上限としている。

次に、図１に戻り、投写型画像表示装置の動作を説明する。半導体発光素子１から射出された光は、砲弾型レンズで構成された光学部材２により集光され、さらにその後段に配置された集光レンズ系３により、ロッドインテグレータ４の入射面近傍に集光される。

ロッドインテグレータ４に入射した光は、ロッドインテグレータ４の側面で適宜全反射され、射出される。ロッドインテグレータ４から射出された光束は、リレーレンズ系５、全反射ミラー６及び全反射プリズム８を介して反射型ライトバルブ７を照明する。

このとき、ロッドインテグレータ４に入射する光線の角度が各々異なり、ロッドインテグレータ４の垂直方向及び水平方向の一対の側面で適宜全反射される回数が異なることになる。このため、入射面では不均一な照度分布であっても射出面で重畳され、結果としてロッドインテグレータ４の射出端面では均一性に優れ、かつ所望の照明領域とほぼ等しい形状の照明光束を得ることが可能となる。

また、反射回数が多いほど均一性に優れることからロッドインテグレータの長さは十分にとられていることが好ましい。このことにより、赤色、青色、緑色、白色の半導体発光素子１を複数個混在して配置してあっても各色で均一な照明光を得ることができる。

反射型ライトバルブ７は駆動回路（図示せず）から出力される電気信号によって画像を表示する。反射型ライトバルブ７に表示された画像は、全反射プリズム８を透過し投写レンズ９を介して拡大投写されスクリーン（図示せず）に投写される。

また、カラー表示については、図２に示す１の赤色半導体発光素子１Ｒ、青色半導体発光素子１Ｂ、緑色半導体発光素子１Ｇの３原色を時分割発光させることで可能としている。図２の構成は、白色半導体発光素子１Ｗを備えている。このため、前記のように、白色の輝度を向上させることができるので、コントラストを向上させることができる。

本実施の形態は、照明光源として、半導体発光素子１を用いている。半導体発光素子は、低電力消費率であり、寿命が長く、発生する熱量が少ないという利点がある。しかも複数個の半導体発光素子１を使用しているので、光源の寿命を飛躍的に延長することができるとともに、高輝度を実現できる。

また、本実施の形態は、騒音の要因であったカラーホイールを用いずに半導体発光素子１の赤色、青色、緑色の３原色を時分割発光させることでカラー表示を可能としており、静音性が良好になる。

また、本実施の形態は、前記のように低電力消費率となるので、電源も小さくでき、冷却ファンも省くことができる。さらにカラー表示のためのカラーホイールも省くことができる。このため、本実施の形態は小型軽量が容易に実現できる。

なお、本実施の形態では、投写型画像表示装置の例で説明したが、光の進行順に半導体発光素子１からリレーレンズ系５までの構成を少なくとも備えた装置を照明装置として用いれば、小型軽量でかつ均一な光を照射できる照明装置を実現できる。このことは、実施の形態２、３についても同様である。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る投写型画像表示装置の概略図である。本実施の形態は、前記実施の形態１において、ロッドインテグレータに代えてアレー型インテグレータを用いた実施の形態である。前記実施の形態１において。図２を例として説明した半導体発光素子１の配置の説明、図３、４を例として説明したカラー表示の説明については、本実施の形態でも同様である。

図５に示した投写型画像表示装置は、半導体発光素子１と、光学部材２と、半導体発光素子１から射出した光を略平行光化する集光レンズアレー３０とを備えている。さらに、一対のレンズアレーからなるアレー型インテグレータ４０と、アレー型インテグレータ４０から射出された光束を導くリレーレンズ系５と、リレーレンズ系５から導かれた光束を変調し、画像を形成する透過型ライトバルブ７０と、透過型ライトバルブ７０の形成した画像を投写する投写レンズ９とを備えている。本実施の形態においても、半導体発光素子１の構成は、前記実施の形態１と同様である。

集光レンズアレー３０は、図２のように２次元に配置された半導体発光素子１の各素子に一対になるように構成されている。集光レンズアレー３０は、プラスチックの材料を用いた単レンズで構成しているが、レンズの材料は、ガラス等の材料でもよい。また、図５の例では、集光レンズアレー３０を１枚で構成しているが、集光効率を向上させるために光軸方向に２枚以上配置して構成することもある。

次に、投写型画像表示装置の動作を説明する。半導体発光素子１から射出された光は、砲弾型レンズで構成された光学部材２により集光される。この光は、光学部材２の後段に配置された集光レンズアレー３０により、アレー型インテグレータ４０に略平行光化されて入射する。

この入射光は、アレー型インテグレータ４０の各レンズアレーで分割されて射出し、リレーレンズ系５を介して透過型ライトバルブ７０を照明することになる。より具体的には、集光レンズアレー３０からの入射光は、透過型ライトバルブ７０と略同じ縦横比の矩形レンズで構成されるアレー型インテグレータ４０の各レンズアレーで分割されることになる。

分割された光線の一つ一つが不均一な照度分布であっても、被照射面すなわち透過型ライトバルブ７０で重畳され、結果として均一性に優れ、かつ所望の照明領域とほぼ等しい形状の照明光束を得ることが可能となる。

また、分割数が多いほど均一性に優れることから、分割数は製造上問題ない限り十分な数をとることが好ましい。このことにより、赤色、青色、緑色、白色の半導体発光素子１を複数個混在して配置してあっても各色で均一な照明光を得ることができる。

透過型ライトバルブ７０は、駆動回路（図示せず）から出力される電気信号によって画像を表示する。透過型ライトバルブ７０に表示された画像は、投写レンズ９を介して拡大投写されスクリーン（図示せず）に投写される。

（実施の形態３）
本実施の形態は、実施の形態１において、ロッドインテグレータ４を中空のロッドインテグレータとした実施の形態である。このロッドインテグレータは、内部の４面の反射面で囲まれた部分が中空部になっている。

硝子等で形成した中空でないロッドインテグレータ、すなわち中実のロッドインテグレータは、中空で同じ長さのロッドインテグレータに比べ、内部での全反射回数は少なくなる。これは、屈折率の作用により入射面での屈折により、入射光の角度が緩くなる（スネルの法則）ためである。

このため、中空のロッドインテグレータは、中実で同じ長さのロッドインテグレータに比べ、反射回数を増やすことができ、均一性向上に有利になる。また、同じ均一性を確保するには、中空のロッドインテグレータは、中実のものに比べ長さを短くできることになる。

ただし、全反射では理論上のロスはないが、中空タイプでは、硝子板への反射コートの反射率（誘電体の多層膜タイプで１回反射すると１〜２％程度ロス）と内部反射の回数によってロスが大きくなる。

ＬＥＤ（発光ダイオード）の発光にはＵＶ（紫外光）、ＩＲ（赤外光）がないため、中空ロッドインテグレータを構成する硝子板へのコート（アルミ増反射コート、誘電体多層コート等）を劣化させる要因とはならない。一方、通常の超高圧水銀灯等では、ＵＶをカットしないとライトバルブ（液晶パネル、ＤＭＤ）、各種光学デバイスの信頼性に大きな影響を及ぼすことになる。

また、リレーレンズは通常、ロッド射出面とライトバルブ（例えば、ＤＭＤ）とが共役になるように設計されている。このため、中実の硝子ロッドでは、射出面にゴミ等が付くと、射出面とライトバルブとが共役になっているため、あたかもライトバルブにゴミが付いているようにスクリーンに投写されることになる。中空タイプでは射出面に実体がなく、このような問題は起こらない。

以上のように、本発明によれば、長寿命、省電力、小型軽量で、かつコントラストを向上させることができ、特にロッドインテグレータを備えた照明装置及び投写型画像表示装置に有用である。

本発明の実施の形態１に係る投写型画像表示装置の概略図。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の配置構成図。 ３色の半導体発光素子を時分割駆動したときの各色の輝度を表す概念図。 図３の構成に白色半導体発光素子１Ｗを加えたときの輝度を表す概念図。 本発明の実施の形態２に係る投写型画像表示装置の概略図。 従来の投写型画像表示装置の一例の概略図。

符号の説明

１ 半導体発光素子
１Ｒ 赤色半導体発光素子
１Ｇ 緑色半導体発光素子
１Ｂ 青色半導体発光素子
１Ｗ 白色半導体発光素子
２ 光学部材
３ 集光レンズ系
４ ロッドインテグレータ
５ リレーレンズ系
６ 全反射ミラー
７ 反射型ライトバルブ
８ 全反射プリズム
９ 投写レンズ
３０ 集光レンズアレイ
４０ アレー型インテグレータ
７０ 透過型ライトバルブ

Claims (8)

1. 複数の半導体発光素子を光源とした照明装置であって、
   前記複数の半導体発光素子は、赤色、緑色、青色、白色の半導体発光素子が混在していることを特徴とする照明装置。
2. ロッドインテグレータ又はアレー型インテグレータと、リレーレンズ系とをさらに備えた請求項１に記載の照明装置。
3. 前記ロッドインテグレータは、４面の反射面で囲まれた内部が中空部になっている請求項２に記載の照明装置。
4. 前記半導体発光素子は、発光ダイオード素子、エレクトロルミネセンス素子、又は半導体レーザ素子である請求項１から３のいずれかに記載の照明装置。
5. 赤色、緑色、青色、白色の半導体発光素子が混在して配置された光源と、
   光束を変調し、画像を形成するライトバルブと、
   投写レンズとを備えたことを特徴とする投写型画像表示装置。
6. ロッドインテグレータ又はアレー型インテグレータと、リレーレンズ系とをさらに備えた請求項５に記載の投写型画像表示装置。
7. 前記ロッドインテグレータは、４面の反射面で囲まれた内部が中空部になっている請求項６に記載の投写型画像表示装置。
8. 前記半導体発光素子は、発光ダイオード素子、エレクトロルミネセンス素子、又は半導体レーザ素子である請求項５から７のいずれかに記載の投写型画像表示装置。
   
   

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