JP2007172997A - 光源装置、及びこれを用いたプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】均一な明るさの照明光をスクリーン上に照射する。
【解決手段】支持基板１２ａと正対する方向から複数のＬＥＤ２１を見た場合に、半導体チップ２１ａの光放射面２１ｅとアノード２１ｃとを繋げる給電用ワイヤ２１ｄの位置が周囲のＬＥＤ２１の給電用ワイヤ２１ｄの位置とは異なるように配置した。これにより、照明装置１２が照射した照明光を使用してスクリーンに画像を投影する際に、スクリーンには均一な明るさの照明光を照射することが可能になる。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数の発光ダイオードを使用し、均一な明るさの照明光によりスクリーンに画像を投影することができる光源装置、及びこれを用いたプロジェクタに関する。

光源から照射された光を、照明光学系を通して透過型の液晶パネルに照射し、液晶パネルに表示された画像をスクリーンに投影する液晶プロジェクタが知られている。このような液晶プロジェクタの光源としては、従来はメタルハライドランプやキセノンランプ等が用いられていた。これらのランプの周囲には、通常は反射鏡が位置付けられており、ランプが放射した照明光を反射鏡で反射させて、より多くの照明光を照明光学系に入射させるような構成になっていた。

しかし、上述したランプは、照明光学系の光軸方向と直交する方向に光を放射するため、より多くの照明光を照明光学系に入射させるためには、反射鏡の形状を大型化しなければならなかった。一方、近年は液晶プロジェクタを小型化・軽量化することが行われている。このため、光源をいかに小型化・軽量化するかが大きな問題となっていた。

そこで、このような問題点を解決するため、光源から照明光学系に向かう方向に光を放射する発光ダイオード（以下、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）という。）を光源に使用して、光源を小型化・軽量化することが考えられている（例えば、特許文献１）。
特開２００３−３０２７０２号公報

しかしながら、複数のＬＥＤを使用した従来の光源装置の場合には、個々のＬＥＤの発光強度にばらつきが生じた時に、スクリーン上に照射される明るさにムラが生じる恐れがあった。この恐れは、照明光学系にマイクロレンズを使用し、照明光が照射されるエリアに対して各ＬＥＤから照射される照明光が重畳的に照射されるようにして解消していたが、この場合には次のような問題点があった。

図７に示すように、ＬＥＤ９１は、半導体チップ９２から給電用ワイヤ９３が引き出されるように構成されている。ＬＥＤ９１に電力が供給されると半導体チップ９２の光放射面９２ａから光が放射される。この時、給電用ワイヤ９３は、光放射面９２ａを跨ぐように配置されているため、給電用ワイヤ９３が隠す部分の光の量が低下するという問題点があった。

この問題点は、複数のＬＥＤ９１を光源として用いた場合にも生じる場合がある。例えば、光放射面９２ａから引き出される給電用ワイヤ９３の方向が全て同じになるように複数のＬＥＤ９１を配列した場合には、給電用ワイヤ９３が光放射面９２ａを跨ぐ場所が同じになる。したがって、各ＬＥＤ９１から放射される光を重畳させると、スクリーン上に投射される照明光の分布は、例えば図８に示すようになる。すなわち、スクリーン９５の中央部分のエリア（図８においては、曲線９６で囲まれている部分）では最も明るく、その周囲へ行くにつれて次第に暗くなるほか、給電用ワイヤ９３が光放射面９２ａを跨いでいる部分に相当する箇所（図８においては、中央部から右下部の箇所）が極端に暗くなるように分布する照明光がスクリーン９５に投射される。このため、このような光源装置を使用した液晶プロジェクタでスクリーン上に画像を投影すると、投影した画像の一部（図８においては中央部から右下部）に影ができ、画像が見難くなるという問題があった。この問題点は、マイクロレンズとフライアイレンズとのピッチを変更する等のように光学系を改良することで低減させることはできるものの、これを完全に除去することは困難であるという問題点があった。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、スクリーン上に画像を投影した時に、均一な明るさの照明光をスクリーン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する。

上述した問題点を解決するため、本発明の光源装置は、半導体チップに給電用ワイヤの一端がボンディングされた発光ダイオードを支持基板上に複数個配列し、これらの発光ダイオードを点灯させて照明光を得る光源装置において、前記複数個の発光ダイオードからそれぞれ放射された光を所定サイズの照明エリア上に重畳させる照明光学系が設けられ、前記発光ダイオードの各々の給電用ワイヤの他端側が前記支持基板の面上で互いにランダムな方向に引き出されたことを特徴とする。

なお、前記照明光学系は、前記複数個の発光ダイオードに各々の入射面が対面するようにマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズの各々から出射した光を前記照明エリア上に重畳するインテグレータレンズ系とを備えたことが好ましい。

また、本発明のプロジェクタは、請求項１又は２記載の光源装置が設けられ、前記照明エリアにスクリーンへの投射画像が表示される光バルブが配置されたことを特徴とする。

本発明の光源装置によれば、半導体チップに給電用ワイヤの一端がボンディングされた発光ダイオードを支持基板上に複数個配列し、これらの発光ダイオードを点灯させて照明光を得る光源装置において、前記複数個の発光ダイオードからそれぞれ放射された光を所定サイズの照明エリア上に重畳させる照明光学系が設けられ、前記発光ダイオードの各々の給電用ワイヤの他端側が前記支持基板の面上で互いにランダムな方向に引き出されているので、各発光ダイオードからの光が照明光学系によって照射エリア上に重畳されて照射される。このため、給電用ワイヤが光放出面を跨ぐことによって光量が減少している箇所を各発光ダイオードで異なるようにすることができ、スクリーン上に照明光を照射した場合に一部分のみが暗くなるというような不都合を解消することが可能になる。また、チップが円形でないことによる光放出方向に依存した不均一な強度分布も均一化することが可能になる。

本発明の光源装置を適用した液晶プロジェクタ装置の概略的な構成について説明する。図１に示すように、液晶プロジェクタ装置（プロジェクタ）１１には、照明装置（光源装置）１２、偏光変換素子１３、液晶パネル１４、投影レンズ１５が設けられている。照明装置１２は、液晶パネル１４の背面全体に平均化した照明光を照射する。照明装置１２と液晶パネル１４との間には、偏光変換素子１３が配置されている。偏光変換素子１３は、照明装置１２から照射された照明光を直線偏光に変換する。

周知のように、液晶パネル１４は透明板の光源装置１２側に偏光子、投影レンズ１５側に検光子が設けられて構成されており、透明板に封入された液晶の配列方向を制御するとともに、検光子から出射する光の量を偏光面の回転量によって調整する。液晶パネル１４には、マトリクス状に配列された画素毎に、Ｒ，Ｇ，Ｂのカラーフィルタを配置することで、いずれかの基本色光が割り当てられている。そして、液晶パネル１４は、投影される画像データに基づいて画素毎の光透過率を制御する。撮影レンズ１５は、液晶パネル１４を透過した照明光をスクリーン１６に投影させる。このとき、スクリーン１６には、液晶パネル１４に表示された画像が映し出されるようになる。

図２に示すように、照明装置１２は、光源アレイ１７、第１レンズアレイ（照明光学系）１８、第２レンズアレイ（照明光学系）１９及び第３レンズアレイ（照明光学系）２０から構成されている。光源アレイ１７には、白色光を発光する複数の発光ダイオード２１（以下、ＬＥＤという。）が支持基板１２ａの基板上に縦横に並べて配列されている。また、光源アレイ１７は、液晶プロジェクタ装置１１によって制御される駆動回路２２に接続されている。

第１レンズアレイ１８にはフライアイレンズが用いられている。第１レンズアレイ１８を構成する各レンズは、光源アレイ１７の各ＬＥＤ２１と１対１で対応するように配列されている。各レンズには対応するＬＥＤ２１から放射された光が入射する。レンズは、入射した光を屈折して略平行光とした後、後述する第２レンズアレイ１９へ向けて出射させる。

第２レンズアレイ１９には、第１レンズアレイ１８と同様にフライアイレンズが用いられている。第１レンズアレイ１８を透過して略平行光となった照明光は第２レンズアレイ１９に入射する。第２レンズアレイ１９は、第１レンズアレイ１８で屈折された照明光を各レンズによって更に屈折させて、第３レンズアレイ２０に向けて前面側から出射させる。

第３レンズアレイ２０には、第１レンズアレイ１８及び第２レンズアレイ１９と同様にフライアイレンズが用いられている。第３レンズアレイ２０を構成する各レンズは、第２レンズアレイ１９を構成する各レンズと１対１で対応するように配列されている。また、各レンズは、それぞれの軸が液晶パネル１４の中心を向くように傾けて配置されている。第２レンズアレイ１９を透過した照明光は、第３レンズアレイ２０に入射する。第３レンズアレイ２０は、入射した照明光を屈折させた後、屈折された照明光を液晶パネル１４に向けて出射させる。

図３に示すように、各ＬＥＤ２１は、半導体チップ２１ａ、カソード２１ｂ、アノード２１ｃ、及び給電用ワイヤ２１ｄを備えている。半導体チップ２１ａは、電圧が印加されると発光する。この光は、光放射面２１ｅから放射される。光放射面２１ｅのほぼ中央には給電用ワイヤ２１ｄの一端がボンディングされている。給電用ワイヤ２１ｄは、他端がアノード２１ｃの上端面にボンディングされており、半導体チップ２１ａに給電するようになっている。半導体チップ２１ａの下部にはカソード２１ｂが設けられている。これらの半導体チップ２１ａ、カソード２１ｂ、アノード２１ｃ、及び給電用ワイヤ２１ｄは、エポキシ樹脂等の樹脂材で封止されている。駆動回路２２がＬＥＤ２１に順方向電流を流すと半導体チップ２１ａは光放射面２１ｅから光を放射する。光源アレイ１７から照射された光は、各ＬＥＤ２１の光放射面２１ｅから放射される白色光の集合によって構成される。

支持基板１２ａは、それぞれカソード２１ｂ及びアノード２１ｃが挿通可能な挿通孔１２ｂ，１２ｃを備えている。これらの挿通孔１２ｂ，１２ｃは位置決め部として機能しており、ＬＥＤ２１を図中Ａ方向に移動させて、カソード２１ｂを孔１２ｂに、アノード２１ｃを孔１２ｃにそれぞれ挿通させることによって、光源アレイ１７の光軸と直交する方向における給電用ワイヤ２１ｄの位置決めが行われる。

図４に示すように、複数のＬＥＤ２１が配列されている支持基板１２ａの面と正対する方向からこの面を見ると、複数のＬＥＤ２１が縦横に並べて配置されている。各ＬＥＤ２１は、アノード２１ｃにボンディングされている給電用ワイヤ２１ｄの他端側が支持基板１２ａの面上で互いにランダムな方向に引き出されるように配列されている。例えば、ＬＥＤ２１の中心から真上の方向における角度を０°とし、時計方向の角度の符号をプラスとした時に、最上段に配列されているＬＥＤ２１の給電用ワイヤ２１ｄの位置は次のようになっている。すなわち、上述した基準の位置に対して、左側のＬＥＤ２１から順に、１８０°、３０°、２１０°、９０°及び１２０°だけ傾けた位置に給電用ワイヤ２１ｄが引き出されるように配列されている。他の段も同様で、各ＬＥＤ２１は、給電用ワイヤ２１ｄがランダムな方向に引き出されるように支持基板１２ａに配置されている。なお、ＬＥＤ２１を上述したように配列するために、支持基板１２ａには、基準の位置と給電用ワイヤ２１ｄとがなす角に相当する位置に挿通孔１２ｂ，１２ｃが設けられている。

複数のＬＥＤ２１を図４のように配列した光源アレイ１７から出力された光を用いてスクリーンに投射画像を表示させた時の照明光の分布を図５に示す。図５において、符号１６はスクリーンを表している。図５に示すように、本発明の光源装置を適用した液晶プロジェクタの場合、各ＬＥＤにおいて給電用ワイヤが跨る箇所における光量の減少は、他のＬＥＤによって補完されるようになる。このため、スクリーン１６には中央部（曲線１６ａで囲まれた部分）の光が最も明るく、その周囲へ行くにつれて次第に暗くなるように分布する照明光が投射される。したがって、スクリーン１６上に画像を投影した場合にも、図８に示すように給電用ワイヤが跨る箇所に相当する部分が極端に暗くなり、投影した画像に影が生じるような不都合を解消することができる。

なお、本実施形態では、光源装置に白色ＬＥＤを使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、赤、青、緑のＬＥＤを有する光源を備えてもよい。この場合には、赤、青、緑のＬＥＤを別個の支持基板上に配列しておき、赤色のＬＥＤから放射される光を液晶パネルに案内する光学系、青色のＬＥＤから放射される光を液晶パネルに案内する光学系、及び緑色のＬＥＤから放射される光を液晶パネルに案内する光学系をそれぞれ別個に設けるようにしても良いし、一つの支持基板上に赤、青、緑のＬＥＤを配列しておき、上述した色の光を一つの光学系で液晶パネルに案内するようにしてもよい。

また、本実施形態では、３枚のフライアイレンズを使用して光源アレイが出射させた照明光を均一化しているが、均一化させる方法はこれ以外でもよい。例えば、フライアイレンズの使用枚数を増やしてもよいし、ロッドインテグレータを配置させて、それにより照明光を均一化させてもよい。

また、本実施形態では、アノード及びカソードが挿通可能な挿通孔を基板に設けておき、アノード及びカソードを挿通孔に挿通させてＬＥＤの位置決めを行うこととしているが、ＬＥＤの位置決めはこれ以外の方法で行ってもよい。例えば、図６に示すように、支持基板１２ａに設けた孔３１の側面に垂直方向から水平方向に屈曲する溝３１ａを数箇所に設け、ＬＥＤ３３にはこれらの溝３１ａと対応する位置に突起３３ａを設けておくようにしてもよい。この場合には、突起３３ａを溝３１ａに案内させながら支持基板１２ａの厚み方向（図６中のＢ方向）に移動させ、溝３１ａの最下端まで突起３３ａが到達したら水平方向（図６中のＣ方向）にＬＥＤ３３を回転させてＬＥＤ３３を固定する。このような方法によってもＬＥＤ３３の位置決めを行うことができる。なお、この形態は一例であって、これ以外の方法でＬＥＤの位置決めを行っても良いのは勿論である。また、本実施形態では、光バルブに透過型液晶パネルを用いた例について説明しているが、DMD（デジタルミラーデバイス）等の照明に用いてもよい。

また、本実施形態では、基板に縦横にＬＥＤを並べて規則的に配列させているが、ＬＥＤの配列のさせ方はこれ以外のものでもよく、配列のさせ方は適宜変更してもよい。例えば、ＬＥＤを縦横に配列させず、隣接する列同士で半ピッチずらして配列させてもよい。

本発明の光源装置を適用した液晶プロジェクタ装置の概略的な構成を表した構成図である。 照明装置の構成を表した構成図である。 ＬＥＤの構成、及びＬＥＤを取り付ける際の支持基板との関係を表した説明図である。 ＬＥＤが配列されている面と正対する方向からみた場合における給電用ワイヤと半導体チップとの位置関係を表した説明図である。 液晶プロジェクタ装置でスクリーンに照明光を照射したときの光の分布を表した説明図である。 本実施形態の変形例におけるＬＥＤの構成、及びＬＥＤを取り付ける際の支持基板との関係を表した説明図である。 ＬＥＤが配列されている面と正対する方向から見た場合における給電用ワイヤと半導体チップとの従来の位置関係を表した説明図である。 従来のように給電用ワイヤ及び半導体チップを配列した液晶プロジェクタ装置でスクリーンに照明光を照射したときの光の分布を表した説明図である。

符号の説明

１１ 液晶プロジェクタ装置（プロジェクタ）
１２ 照明装置（光源装置）
１２ａ 支持基板
１８ 第１レンズアレイ（照明光学系）
１９ 第２レンズアレイ（照明光学系）
２０ 第３レンズアレイ（照明光学系）
２１ ＬＥＤ（発光ダイオード）
２１ａ 半導体チップ
２１ｄ 給電用ワイヤ
２１ｆ 光放射面

Claims (3)

1. 半導体チップに給電用ワイヤの一端がボンディングされた発光ダイオードを支持基板上に複数個配列し、これらの発光ダイオードを点灯させて照明光を得る光源装置において、
   前記複数個の発光ダイオードからそれぞれ放射された光を所定サイズの照明エリア上に重畳させる照明光学系が設けられ、前記発光ダイオードの各々の給電用ワイヤの他端側が前記支持基板の面上で互いにランダムな方向に引き出されたことを特徴とする光源装置。
2. 前記照明光学系は、前記複数個の発光ダイオードに各々の入射面が対面するようにマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズの各々から出射した光を前記照明エリア上に重畳するインテグレータレンズ系とを備えたことを特徴とする請求項１記載の光源装置。
3. 請求項１又は２記載の光源装置が設けられ、前記照明エリアにスクリーンへの投射画像が表示される光バルブが配置されたことを特徴とするプロジェクタ。

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