JP2008090016A - 照明装置及び投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多数の固体発光素子を用い光束径の増大を抑制し、高効率で高輝度な照明光束を発する。
【解決手段】複数の固体発光素子３２は放物面リフレクタ３１の焦点ｆを中心とした球面上に、各固体発光素子３２の主光軸を焦点ｆに向けて配置する。集光レンズ３３は複数の固体発光素子３２のそれぞれに対応して設けられると共に、その光軸は固体発光素子３２の主光軸に一致し、各固体発光素子３２の光束を焦点ｆに集光させる。焦点ｆに集光した固体発光素子３２からの光束は、放物面リフレクタ３１で反射され被投射面方向に略平行光として照射される。
【選択図】図２

Description

本発明は、空間光変調素子を照明し被投射面に投射するための照明装置及び投射型画像表示装置に関するものである。

一般に投射型画像表示装置は、液晶表示パネルやマイクロミラーアレイデバイスを空間光変調素子として利用し、光の透過と遮断又は偏光を制御して選択された光パターンをスクリーンに投射することで、スクリーン上に映像を表示する。

従来から、投射型画像表示装置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高輝度放電ランプと、これらの光源からの照明光を平行化する放物面リフレクタから成るものが一般的である。しかし、高輝度放電ランプには放熱のための冷却装置の設置により、照明装置が大型化し、寿命が数千時間と短いなどの課題がある。

そこで近年では、新しい光源として半導体を用いた光源が注目されており、中でもＬＥＤ（発光ダイオード）の改良はめざましく、照明用途に耐え得る高輝度で高効率な製品が開発されつつある。例えば、特許文献１による図６に示すようなＬＥＤ１の背部に凹面状反射面２を配置した反射型ＬＥＤパッケージや、特許文献２による図７に示すようなＬＥＤ３の周囲を合成樹脂材４によりレンズ状にモールドした砲弾型ＬＥＤパッケージが知られている。ＬＥＤは前述した高輝度放電ランプと比較して、小型、軽量、低消費電力、長寿命、点灯の高速応答等の点で有利である。

しかし現在のところ、ＬＥＤを光源とする投射型画像表示装置において、画面で十分な輝度を得ることは難しい。その理由は、ＬＥＤは発光効率の点で未だ超高圧水銀ランプに及ばず、定格限界までの電流を注入しても１つのＬＥＤから得られる光量が小さいからである。そのため、光量を稼ぐために複数のＬＥＤを平面上に並べてアレイ化する方法がある。

しかし、単に平面状に複数のＬＥＤを並べてしまうと、照明光束径が増大（エテンデュが増大）してしまい、光学系としての照明効率が低下し、大きな光量で空間光変調素子を照射し難いという問題がある。

そこで、例えば特許文献３では複数のＬＥＤを円筒状に配列し、ＬＥＤから照射された照明光を円錐状の反射素子で所定方向に反射させ、照明光束径の増大を抑制している。或いは、特許文献４ではリング状に配置したＬＥＤからの光束を、ロッドレンズにより放物状反射面の焦点に導き、更に焦点に配置された方向変換素子によって光束を放物状反射面方向に導き、反射面での反射により照明光束径が抑制された平行光を得ている。また、特許文献５では複数の凹面状に配置されたＬＥＤの主光軸がほぼ一点で交叉しており、その交点にライトガイドの入射面を配置し、照明光束径を抑制しながら所定の方向に導光している。

特開２００１−１８５７６０号公報 特開２００３−２３４５１３号公報 特開２００３−３４７５９５号公報 特開２００５−２５０３９４号公報 特開２００５−２７４８３６号公報

しかし、特許文献３の方法では円錐状の反射面を用いているため、ＬＥＤからの照明光の一部の光だけを所定の方向に変化させることが可能で、大部分の照明光は発散してしまうので、十分な光量で空間光変調素子を照明できない。また特許文献４では、放物状反射面を用いており略平行光を得ることができるが、ＬＥＤからの照明光を導くためのロッドレンズや方向変換素子によって光束の大部分を損失してしまい、高輝度な照明装置を実現することは困難である。更に、特許文献５の手法では、照明光束径は抑制できるが、ライトガイド射出面での光束の発散角が大のままであるため、光学系として照明効率の低下を招いてしまう。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、照明光束径の増大を抑制し、高輝度の照明光束を射出することができる照明装置及び投射型画像表示装置を提供することにある。

上述の目的を達成するための本発明に係る照明装置の技術的特徴は、焦点を持つ凹面状反射面と、複数の固体発光素子と、これら複数の固体発光素子から発し前記凹面状反射面を経た光束により被照明面を照明する照明装置であって、前記複数の固体発光素子の主光軸が前記焦点の位置を通るように前記複数の固体発光素子が配置されていることにある。

また、本発明に係る投射型画像表示装置の技術的特徴は、空間光変調素子と、焦点を持つ凹面状反射面と、少なくとも赤色光、緑色光、青色光の波長を含む光束を発し前記焦点の位置を主光軸が通るように配置された複数の固体発光素子と、これら複数の固体発光素子から発し前記凹面状反射面を経た光束により前記空間光変調素子を照明し、前記空間光変調素子からの画像光を投射光学系により投射することにある。

本発明に係る照明装置及び投射型画像表示装置によれば、光学系を大型化することなく、高輝度の照明を行うことができる。

本発明を図１〜図５に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は投射型画像表示装置の構成図を示し、照明光学系１１の前方には、ダイクロイックミラー１２、偏光ビームスプリッタ１３が配列され、ダイクロイックミラー１２の反射方向には偏光ビームスプリッタ１４が設けられている。偏光ビームスプリッタ１３の側面には、緑色光（略５００〜６００ｎｍの波長領域光）に対応する反射型液晶パネルから成る空間光変調素子１５が配置されている。また、偏光ビームスプリッタ１４の２つの側面には、青色光（略４００〜５００ｎｍの波長領域光）、赤色光（略６００〜７００ｎｍの波長領域光）に対応する空間光変調素子（ここでは反射型液晶パネル）１６、１７が配置されている。これらの空間光変調素子１５は前述の照明光学系１１によって照明される被照明面に相当する。偏光ビームスプリッタ１３、１４の出射方向には、合成用の偏光ビームスプリッタ１８が配置され、その前方に画像光を被投射面に投射する投射光学系１９が設けられている。

なお、ここではダイクロイックミラー１２から偏光ビームスプリッタ１８との間の光路については、反射型液晶表示素子を用いた公知の色分解合成系を用いればよい。例えば、ダイクロイックミラー１２と偏光ビームスプリッタ１４との間には、特定の波長領域の光、例えば赤、緑、青等のみの偏光方向を回転させる機能を持つ素子である波長選択性位相差板を配置することが望ましい。また、偏光ビームスプリッタ１４と偏光ビームスプリッタ１８との間にも波長選択性位相差板を配置してもよい。また、ダイクロイックミラー１２と偏光ビームスプリッタ１３との間や、偏光ビームスプリッタ１３と偏光ビームスプリッタ１８との間に、偏光板を配置することもできる。

また、投射光学系１９はここでは簡略化して１つのレンズしか図示していないが、複数のレンズで構成してもよいし、複数のミラーで構成することもできるし、複数のレンズと複数の回転非対称反射面等のミラーで構成しても支障はない。なお、回転非対称反射面（自由曲面）を用いる場合は、複数面以上であることが望ましく、好ましくは４面かそれ以上の面数であることが望ましい。また、これらの複数の回転非対称反射面は１つの図示しない支持構造に一体的に支持されており、その支持構造が画像表示装置の筐体に保持されるような構成であることが望ましい。

照明光学系１１においては、照明手段２１の前方に、インテグレータレンズ２２、偏光変換素子２３、コンデンサレンズ２４、リレーレンズ２５が配列されている。

図２は照明手段２１の構成図である。凹面状反射面である放物面リフレクタ３１、白色ＬＥＤ（発光ダイオード）から成る複数個の固体発光素子３２、固体発光素子３２からの光束を放物面リフレクタ３１の方向に集光する複数の集光レンズ３３から成っている。固体発光素子３２は図３に示すように放物面リフレクタ３１の焦点ｆを中心とする球面３４上に環状に複数列配置され、種々の角度からの固体発光素子３２の主光軸が集光レンズ３３を介して放物面リフレクタ３１の焦点ｆの一点で交叉するようにされている。なお、球面３４の中央には照明光束を出射するための開口部３５が設けられている。

ここで、固体発光素子３２の主光軸とは、固体発光素子３２の発光部の中心から発する光束のうち、最も光強度が強い光線が通る方向のこと、或いは固体発光素子３２から出射する光束に含まれる光線のうち、立体角度の中心の方向のことを指す。また、個々の固体発光素子３２に対して集光レンズ３３を配置する場合には、主光軸を各集光レンズ３３の光軸とすることもできる。

なお、本実施例では、固体発光素子３２の主光軸と、それぞれの固体発光素子３２に対応する各集光レンズ３３の光軸とを一致させるように、固体発光素子３２と集光レンズ３３を配置している。また、本実施例では集光レンズ３３を有する例を開示しているが、集光レンズ３３は省略してもよい。

また、ここで、固体発光素子３２の主光軸は、放物面リフレクタ３１の焦点位置から、放物面リフレクタ３１の焦点距離（放物面の頂点から焦点までの距離）の１／５（好ましくは１／１０）以内の範囲を通っていれば、焦点に集光しているものと見なす。また、後述する実施例３の楕円リフレクタを用いた場合には、楕円の焦点から、楕円の長軸側の頂点とその頂点に近い側の焦点との距離の１／５（好ましくは１／１０）以内の範囲を主光軸が通っていれば、焦点に集光しているものと見なす。

なお、集光レンズ３３は図３に示すように各固体発光素子３２と一体で成形すれば、取り付けが簡易化でき、製造コストを抑制することもできる。このように、固体発光素子３２と集光レンズ３３を球面状に配列し、球面の中心と略一致した位置に焦点ｆを持つ放物面リフレクタ３１により、複数の固体発光素子３２からの照明光束を照明光学系１１の光軸Ｏに沿って略平行化する。また、インテグレータレンズ２２により照度の均一化を行う。

更に、偏光変換素子２３で照明光の偏光方向を揃え、コンデンサレンズ２４、リレーレンズ２５によってダイクロイックミラー１２や偏光ビームスプリッタ１３、１４、１８等の色分離合成系や空間光変調素子１５、１６、１７に照明光束を導く。偏光ビームスプリッタ１３、１４では空間光変調素子１５、１６、１７の反射光により像が得られ、これらの像を偏光ビームスプリッタ１８で合成し、投射光学系１９は合成像を被投射面に拡大投影する。

従って、同じ出射光束面積の光源を平面状に単純に配列するよりも、多数の固体発光素子３２により照明手段２１を構成し、この照明手段２１から発生する光束を増加させて高輝度を達成することができる。更に、放物面リフレクタ３１の反射面からインテグレートレンズ２２の間の照明光の伝播経路に、光束を大きく損失させるような光学素子や遮光物が存在しないので、高い照明効率を実現することができる。

図４は実施例２の照明手段の構成図を示し、照明手段４１は放物面リフレクタ４２、複数の固体発光素子４３、複数の集光レンズ４４、放物面リフレクタ４２の頂点近傍に配置した固体発光素子４５から構成されている。

白色ＬＥＤから成る複数の固体発光素子４３は、放物面リフレクタ４２の焦点ｆを中心とする球面上に複数列に配置され、固体発光素子４３の主光軸が集光レンズ４４を介して放物面リフレクタ４２の焦点ｆのほぼ一点で交叉するようにされている。また、別の少なくとも１個の固体発光素子４５が放物面リフレクタ４２の頂点近傍に、その主光軸つまり主照射光軸が照明光学系の光軸Ｏと同方向を向くように配置されている。ここで、もしリフレクタ４２が楕円面である場合には、主光軸が楕円面の焦点を通るように固体発光素子４３を配置することが望ましい。

この実施例２においては、実施例１と同様の照明光束が得られ、更に放物面リフレクタ４２の頂点近傍に固体発光素子４５が配置されていることにより、照明手段４１から発生する照明光束の光量を増加させることができ、更なる高輝度化を図ることができる。また、図示は省略しているが、固体発光素子４５にも集光レンズを用いて照明光を略平行化することが好適である。更に、固体発光素子４５は複数個設置することも可能であり、その場合に集光レンズも個々の固体発光素子４５に対応させて設置することが好ましい。

図５は実施例３の照明手段の構成図を示し、照明手段５１は楕円面リフレクタ５２、複数の固体発光素子５３、複数個の集光レンズ５４から構成されている。固体発光素子５３は白色ＬＥＤにより構成され、複数の固体発光素子５３の主光軸が楕円面リフレクタ５２の第１焦点ｆ１でほぼ一点で交叉するように、第１焦点ｆ１を中心とする球面上に複数列配置されている。

集光レンズ５４は複数の固体発光素子５３のそれぞれに対応し各固体発光素子５３の主光軸上に配置され、各固体発光素子５３からの照明光を楕円面リフレクタ５２の第１焦点ｆ１に集光する。

固体発光素子５３と集光レンズ５４を球面状に配列し、球面中心と略一致した焦点ｆ１を持つ楕円面リフレクタ５２により、複数の固体発光素子５３からの光束を収束光としインテグレートレンズ２２の方向に導く。また、図示は省略しているが、この楕円面リフレクタ５２を用いる場合に、楕円面リフレクタ５２とインテグレートレンズ２２の間に照明光束を略平行化する光学素子を配置することが好ましい。

上述の各実施例では、白色光を照射する白色ＬＥＤのみを用いて構成したが、発光色が異なるＬＥＤをこれらの光が混合するように設置してもよい。例えば、蛍光体を用いた白色ＬＥＤに不足する赤色を補うために赤光ＬＥＤを混合することもできる。また、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂをそれぞれ照射するＬＥＤを混合して配置してもよい。ＲＧＢ３色のＬＥＤを混合して構成する場合に、その混合比率によりスクリーン上での色度をその混合比によって調整することもできる。

また、ＲＧＢ３色のＬＥＤの発光を所定時間毎に切換えるようにすれば、ダイクロイックミラー１２や偏光ビームスプリッタ１３、１４、１８等の分離合成系を省略することが可能となる。つまり、空間光変調素子も１つで済むので、投射型画像表示装置の製造コストが削減できる。

また上述の実施例では、投射型画像表示装置として空間光変調素子として反射型液晶パネルを用いた構成としているが、本発明の照明装置はこの構成に限るものではない。空間光変調素子として透過型の液晶パネルやＤＭＤを投射型画像表示装置に用いることも可能である。

更には、１つの投射型画像表示装置に１つの照明手段を有している構成としたが、１つの投射型画像表示装置に対して複数の照明手段を設けることも可能であり、その場合にはより高輝度な投射型画像表示装置を実現することができる。

本発明に係る照明装置及び投射型画像表示装置によれば、照明光束径を増大させることなく、高輝度の照明を行うことができる。また、複数の固体発光素子の主光軸を凹面状反射面の焦点で略一致させているので、凹面状反射面を放物面形状とすれば照明光は略平行光となり、凹面状反射面を楕円形状とすれば照明光は収束光となる。

それぞれの固体発光素子からの光束を、凹面状反射面の焦点に集光させるので、凹面状反射面に対して焦点で光束が略点光源状態となり、複数の固体発光素子からの光束を照明光束として効率良く空間光変調素子に導くことができる。

更に、複数の固体発光素子をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色を発光するＬＥＤ又は白色発光のＬＥＤとすれば、従来の高輝度放電ランプとリフレクタの組み合わせの照明装置と置換が可能である。従って、従来の照明光学系の高輝度放電ランプとリフレクタ以外の部品は従来のものをそのまま使用でき、製造コストを削減することができる。

また、凹面状反射面の頂点近傍にも固体発光素子を配置することにより、更に高輝度な照明装置を実現することができる。勿論、本実施例に記載した実施例１、２、３は矛盾しない範囲で任意に組み合わせることもできる。

実施例１の投射型画像表示装置の構成図である。 照明手段の構成図である。 固体発光素子の配列状態の斜視図である。 実施例２の照明手段の構成図である。 実施例３の照明手段の構成図である。 従来例のＬＥＤパッケージの構成図である。 従来例のＬＥＤパッケージの構成図である。

符号の説明

１１ 照明光学系
１２ ダイクロイックミラー
１３、１４、１８ 偏光ビームスプリッタ
１５、１６、１７ 空間光変調素子
１９ 投射光学系
２１、４１、５１ 照明手段
２２ インテグレータレンズ
２３ 偏光変換素子
３１、４２ 放物面リフレクタ
３２、４３、４５、５３ 固体発光素子
３３、４４、５４ 集光レンズ
３４ 球面
５２ 楕円面リフレクタ

Claims (10)

1. 焦点を持つ凹面状反射面と、複数の固体発光素子と、これら複数の固体発光素子から発し前記凹面状反射面を経た光束により被照明面を照明する照明装置であって、前記複数の固体発光素子の主光軸が前記焦点の位置を通るように前記複数の固体発光素子が配置されていることを特徴とする照明装置。
2. 前記凹面状反射面は放物面又は楕円面であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記複数の固体発光素子は前記焦点の位置を中心とした球面上に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記複数の固体発光素子の前記主光軸上にそれぞれ集光レンズを配置し、前記各固体発光素子からの光束を前記凹面状反射面の焦点に集光することを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の照明装置。
5. 前記凹面状反射面の頂点近傍に少なくとも１つの固体発光素子を設けた請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の照明装置。
6. 空間光変調素子と、焦点を持つ凹面状反射面と、少なくとも赤色光、緑色光、青色光の波長を含む光束を発し前記焦点の位置を主光軸が通るように配置された複数の固体発光素子と、これら複数の固体発光素子から発し前記凹面状反射面を経た光束により前記空間光変調素子を照明し、前記空間光変調素子からの画像光を投射光学系により投射することを特徴とする投射型画像表示装置。
7. 前記凹面状反射面は放物面又は楕円面としたことを特徴とする請求項６に記載の投射型画像表示装置。
8. 前記複数の固体発光素子は前記焦点の位置を中心とした球面上に配置されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の投射型画像表示装置。
9. 前記複数の固体発光素子の主光軸上にそれぞれ集光レンズを配置し、各固体発光素子からの照明光束を前記凹面状反射面の焦点に集光することを特徴とする請求項６〜８の何れか１つの請求項に記載の投射型画像表示装置。
10. 前記凹面状反射面の頂点近傍に少なくとも１つの固体発光素子を設けたことを特徴とする請求項６〜９の何れか１つの請求項に記載の投射型画像表示装置。

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