JP2011023117A - 照明装置および投影表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な調芯作業を必要とせず、小型な構成で出射光の強度分布を一様化することを可能とする照明装置およびこの照明装置を用いた投影表示装置を提供する。
【解決手段】照明装置１０は、互いに異なる波長の光を発光する複数のＬＥＤからなる光源部１と、各ＬＥＤの側面から発光する光を反射する第１リフレクタ２０１と、各ＬＥＤで発光した光を混色するライトトンネル２０２と、ライトトンネル２０２で混色された光を出射する第２リフレクタと２０３を備える。一のＬＥＤの上面から発光した光が、第１リフレクタ２０１、ライトトンネル２０２および第２リフレクタ２０３で反射しないで出射する領域を第１の領域としたとき、該ＬＥＤの側面から発光する主な光は、第１リフレクタ２０１、ライトトンネル２０２および第２リフレクタ２０３で反射し、第１の領域以外の第２の領域から出射する。
【選択図】図２

Description

本発明はＬＥＤを光源とする照明装置および投影表示装置に関する。

ＬＥＤ（発光ダイオード）は、消費電力が少ない、長寿命、応答速度が速い、省スペースであるなどの特徴を有することから、投影表示装置（プロジェクタ）に用いられる照明用装置への応用が進んでいる。

またプロジェクタでは、光の強度分布を一様化させるために、フライアイレンズの組合せにより光束を分割し光変調素子上で重畳させる構成、ライトパイプにて光源像を重畳させる構成（例えば、特許文献１参照）がある。

図１０は、特許文献１に記載の投影表示装置の構成を示す説明図である。図１０に示すように、特許文献１に記載の投影表示装置は、ランプ１０６と、ランプ１０６から出射された光束を分割するライトパイプ１０７とを備える。また特許文献１に記載の投影表示装置は、ライトパイプからの出射光束をライトバルブ１０３に集光させる第１の集光レンズ１０８および第２の集光レンズ１０９を備える。

特開２０００−２０６４６４号公報（第５頁、図１）

しかし、上述した従来技術では、以下のような問題がある。
ＬＥＤは面発光光源であるため、点光源のように凹面反射鏡により容易に平行性の高い出射光を作り出すことが困難である。また、ＬＥＤを点光源として扱い多くの光を取りし平行性良く使うためには、ＬＥＤに対して十分大きな光学レンズを用いる必要があり、装置が大型化してしまう。

さらに、ライトパイプからの出射光束の平行性をあげるため、ライトパイプからの出射光束をライトバルブに集光させる集光レンズを複数用いる必要があり、組み立て時に複雑な調芯作業が必要となる問題がある。

そこで本発明は、上記課題を解決し、複雑な調芯作業を必要とせず、小型な構成で出射光の強度分布を一様化することを可能とする照明装置およびこの照明装置を用いた投影表示装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる照明装置および投影表示装置は、下記記載の構成を採用するものである。

本発明にかかる照明装置は、互いに異なる波長の光を発光する複数のＬＥＤと、各ＬＥＤの側面から発光する光を反射する第１リフレクタと、各ＬＥＤで発光した光を混色するライトトンネルと、ライトトンネルで混色された光を出射する第２リフレクタと、を備え、一のＬＥＤの上面から発光した光が、第１リフレクタ、ライトトンネルおよび第２リフレクタで反射しないで出射する領域を第１の領域としたとき、該ＬＥＤの側面から発光す
る主な光は、第１リフレクタ、ライトトンネルおよび第２リフレクタで反射し、第１の領域以外の第２の領域から出射することを特徴とする。

また、本発明にかかる照明装置は、上述した構成に加えて、各ＬＥＤは、それぞれの中心がライトトンネルの中心線から離れて位置し、一のＬＥＤにおいて、ライトトンネルの中心線から離れた側の側面から発光する主な光が、第１リフレクタ、ライトトンネルおよび第２リフレクタで反射し、第２の領域から出射することを特徴とする。

また、本発明にかかる投影表示装置は、上述した照明装置と、照明装置からの出射光を変調するライトバルブと、ライトバルブで変調された光を投影する投影レンズと、を備えることを特徴とする。

本発明の照明装置は、第１リフレクタ、ライトトンネルおよび第２リフレクタにより各ＬＥＤから発光する光を反射することで、各ＬＥＤから発光した光を混色するとともに、平行光として出射する。よって、平行光に変換するためにレンズを用いる従来技術に比べて、複雑な調芯作業を必要とせず、容易に組み立てを行うことが可能となる。

また、本発明の照明装置は、一のＬＥＤの上面から発光した光が第１の領域から出射し、該ＬＥＤの側面から発光する主な光が第１の領域以外の第２の領域から出射する。これにより、ＬＥＤの上面から発光する光とＬＥＤの側面から発光する光とが補完し合い、出射する光の強度分布の不均一を低減し、一様化することが可能となる。

本発明の実施形態の照明装置を備える投影型表示装置の構成の説明図である。 本発明の実施形態の照明装置の構成の説明図である。 本発明の実施形態の照明装置の光源部の近傍の構成の説明図である。 本発明の実施形態の照明装置の動作の説明で用いる面についての説明図である。 第２リフレクタの入射面の中心より入射する光線の経路を示す説明図である。 本発明の実施形態の照明装置の出射光の角度分布を示す説明図である。 光源部を構成する一つのＬＥＤから出射する光線の経路を示す説明図である。 本発明の実施形態の照明装置の第２リフレクタの出射面の強度分布を示す説明図である。 本発明の実施形態の照明装置における混色状態を示す図面である。 従来の投影型表示装置の構成の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
＜構成の説明：図１−図３＞
本実施形態の照明装置および投影表示装置の構成について、図面を用いて説明する。図１は、本実施形態の照明装置１０を備える投影表示装置２０の全体構成を示す図面である。

図１に示す投影表示装置２０は、ＬＥＤ１と、ＬＥＤ１から発光する光を反射するリフレクタ２とを有する本実施形態の照明装置１０を備える。さらに図１に示す投影表示装置２０は、照明装置１０からの光を画像パターンに応じて変調するライトバルブ３と、ライ
トバルブ３により形成された画像パターンをスクリーン５上に映し出す投影レンズ４を備える。

図１に示す例では、ライトバルブとして透過型液晶デバイスを用いている。透過型液晶デバイスは透明な駆動基板と透明な対向基板との間に液晶を封入して構成されている。駆動基板の表面には複数の画素電極がマトリクス状に配置されており、この各画素へ任意の駆動電圧が印加されることにより光量調整を行い、画像を生成する。また透過型液晶デバイス以外に、ライトバルブとして反射型液晶デバイスやデジタルマイクロミラーなどの画像形成方法を用いても良い。

次に、本実施形態の照明装置１０の構成について詳細に説明する。図２は照明装置１０の構成を示す図面である。図２に示すように、照明装置１０は、複数のＬＥＤを有する光源部１と、光源部１の各ＬＥＤからの出射光を反射するリフレクタ２とを備える。

光源部１の各ＬＥＤはリフレクタ２の底面２００に配置される。またリフレクタ２は、第１リフレクタ２０１、ライトトンネル２０２および第２リフレクタ２０３を備える。リフレクタ２は樹脂材料などで成型し鏡面に仕上げられ、その内部にはＡｇやＡｌなどを蒸着した反射膜が形成されている。
図２に記載された寸法および角度は、設計例を示す。図２に示す例では、第２リフレクタ２０３は、２０°、１０°、５°と傾斜の異なる反射部分を３箇所備えて形成される。

図３は光源部１の近傍の構成を示す図面である。図３（ａ）は、光源部１の各ＬＥＤの配置を示す平面図である。図３（ｂ）は、光源部１、第１リフレクタ２０１およびライトトンネル２０２の断面図である。
図３（ａ）に示すように、光源部１として、青色ＬＥＤ１０１、緑色ＬＥＤ１０２および赤色ＬＥＤ１０３が、リフレクタ２の底面２００に配置される。図３（ａ）に示す例では、各色のＬＥＤは同色が対となるように配置されている。各色のＬＥＤの出力は調整され、ホワイトバランスが最適化されている。

図示していないが各ＬＥＤはダイボンド材により接着され、各ＬＥＤのアノード、カソードへワイヤーボンディングなどの方法により適切に電力が供給されている。
図２の設計例に示すリフレクタ２に用いられるＬＥＤのサイズの例を、以下に、長さ×幅×高さで示す。
青色ＬＥＤ１０１（０．３ｍｍ×０．３ｍｍ×０．１ｍｍ）、緑色ＬＥＤ１０２（０．３ｍｍ×０．３ｍｍ×０．１ｍｍ）、赤色ＬＥＤ１０３（０．２３ｍｍ×０．２３ｍｍ×０．２ｍｍ）

また図３（ｂ）に示すように、各ＬＥＤは上面および側面から発光する。図３（ｂ）では、ＬＥＤの上面の中心部から、ＬＥＤの上面に垂直な方向に発光した光の光線を実線の矢印で示している。また、ＬＥＤの側面の中心部から、ＬＥＤの側面に垂直な方向に発光した光の光線を破線の矢印で示している。
図３（ｂ）に示すように、ＬＥＤの側面の中心部からＬＥＤの側面に垂直な方向に発光した光は、第１リフレクタ２０１で反射し、ライトトンネル２０２で反射した後、第２リフレクタ２０３の方向へ向かう。
＜動作の説明：図４−図9＞

次に、本実施形態の照明装置の動作について、図面を用いて説明する。
図４は、本実施形態の照明装置の動作の説明で用いる面についての説明図である。以下の説明では、第１リフレクタ２０１の出射面、ライトトンネル２０２の出射面、第２リフレクタ２０３の出射面、および仮ライトバルブ面（第２リフレクタ２０３の出射面から５
ｍｍ離れた面）について、光の指向性、光の強度分布および混色性について説明する。

［出射光の指向性について：図５−図６］
まず、照明装置１０から出射する光の指向性の向上（角度分布の狭帯化）について説明する。第２リフレクタ２０３の入射面（ライトトンネル２０２の出射面）の中心から、１０°、２０°、３０°、５０°、７０°、９０°で入射する光線を考える。

図５は、図２に示す本実施形態の照明装置１０において、第２リフレクタ２０３の入射面の中心Ｐより入射する光線の経路を示す図面である。
図５（ａ）は、第２リフレクタ２０３の入射面の中心Ｐより、１０°で入射する光線の経路Ｌａ１および２０°で入射する光線の経路Ｌａ２を示す。図５（ｂ）は、第２リフレクタ２０３の入射面の中心Ｐより、３０°で入射する光線の経路Ｌａ３および５０°で入射する光線の経路Ｌａ４を示す。図５（ｃ）は、第２リフレクタ２０３の入射面の中心Ｐより、７０°で入射する光線の経路Ｌａ５および９０°で入射する光線の経路Ｌａ６を示す。

図２に示す本実施形態の照明装置１０は、第２リフレクタ２０３が２０°、１０°、５°と傾斜の異なる反射部分を３箇所備えて形成され、出射する光の多くが−１０°〜＋１０°の範囲内となるように設計されている。

図５（ａ）のＬａ１に示すように、第２リフレクタ２０３の入射面の中心Ｐより０°〜１０°で入射する光線は、第２リフレクタ２０３で反射することなく、第２リフレクタ２０３の出射面より出射する。この光線の経路Ｌａ１により、第２リフレクタ２０３の出射面の大きさおよび第２リフレクタ２０３の長さが定まる。

図５（ａ）のＬａ２に示すように、１０°〜２０°の光線は第２リフレクタ２０３の５°の反射面により１回反射され、０°〜−１０°の角度分布となり出射される。また、図５（ｂ）のＬａ３に示すように、２０°〜３０°の光線は第２リフレクタ２０３の１０°の反射面により１回反射され、０°〜１０°の角度分布となり出射される。さらに、図５（ｂ）のＬａ４に示すにように、３０°以上の光線は、第２リフレクタ２０３の２０°の反射面により反射され、０°〜１０°の角度分布となり出射される。

さらに、図５（ｃ）のＬａ５およびＬａ６に示すように、第２リフレクタ２０３の入射面中心から、７０°〜９０°で入射する光線は、第２リフレクタ２０３の反射面で複数回反射され、０°〜−１０°の角度分布となり第２リフレクタ２０３の出射面から出射される。

図６は、図２および図３に示す設計例の照明装置の出射光の角度分布のシミュレーション結果を示す図面であり、第１リフレクタ２０１の出射面、ライトトンネル２０２の出射面、第２リフレクタ２０３の出射面での出射光の角度分布を示す。

図６に示すように、第１リフレクタ２０１の出射面、ライトトンネル２０２の出射面において、出射光は広い角度分布を持っている。しかし、上述した構成の第２リフレクタ２０３により、第２リフレクタ２０３の出射面では非常に狭帯化された角度分布が得られた。図２に示す設計例では、第２リフレクタ２０３の出射面において±１０°以内に９０％の光線が得ることが確認できた。

［出射光の強度分布について：図７−図８］
次に、本実施形態の照明装置１０から出射する光の強度分布の一様化について説明する。図７は、光源部１を構成するＬＥＤの一つに着目し、このＬＥＤから発光する光の光線の経路を示す説明図である。図７では、ＬＥＤの上面から発光した光の光線を実線の矢印で示し、ＬＥＤの側面の中心部からＬＥＤの側面に垂直な方向に発光した光の光線を破線の矢印で示している。

図７（ａ）は、ＬＥＤの上面から発光した光の光線を示し、図７（ｂ）は、ＬＥＤの側面の中心部からＬＥＤの側面に垂直な方向に発光した光の光線を示す。図７（ｃ）は、ＬＥＤの上面から発光した光の光線およびＬＥＤの側面の中心部からＬＥＤの側面に対して垂直方向に発光した光の光線を示す。

図７（ａ）に示すように、第２リフレクタ２０３の出射面で、ＬＥＤの上面から発光した光がリフレクタ２（第１リフレクタ２０１、ライトトンネル２０２および第２リフレクタ２０３）で反射しないで出射する領域を第１の領域Ａ１とする。また、第２リフレクタ２０３の出射面で、第１の領域Ａ１以外を第２の領域Ａ２とする。

図７（ａ）に示すように、図２に示す設計例では、−４°（経路Ｌｂ１）から８°（経路Ｌｂ２）の範囲の角度の光線が、リフレクタ２で反射することなく第２リフレクタ２０３の出射面の第１の領域Ａ１から出射する。
また、図７（ｂ）に示すように、ＬＥＤの側面の中心部からＬＥＤの側面に垂直な方向に発光した光は、第１リフレクタ２０１、ライトトンネル２０２および第２リフレクタ２０３で反射し、第２リフレクタ２０３の第２の領域Ａ２から出射する。このような構成とすることにより、ＬＥＤの側面から発光する主な光は、第１リフレクタ２０１、ライトトンネル２０２および第２リフレクタ２０３で反射し、第２リフレクタ２０３の第２の領域Ａ２から出射する。

よって、図７（ｃ）に示すように、ＬＥＤの上面から発光する光とＬＥＤの側面から発光する光とが補完し合い、第２リフレクタ２０３の出射面から出射する光の強度分布の不均一を低減し、一様化することができる。

図８は、図２および図３に示す設計例の照明装置において、角部に配置された一つのＬＥＤに着目し、このＬＥＤから発光する光の第２リフレクタ２０３の出射面の強度分布のシミュレーション結果を示す説明図である。
図８（ａ）は、ＬＥＤの上面から発光した光の強度分布であり、図８（ｂ）は、ＬＥＤの側面から発光した光の強度分布である。図８（ｃ）は、ＬＥＤの上面から発光した光および側面から発光した光の強度分布である。

図８（ａ）のＢａで示すように、ＬＥＤの上面から発光した光に着目すると、図７の領域Ａ２（ＬＥＤの上面から出射した光がリフレクタ２で反射しないで出射する領域以外の領域）では、出射光の強度が弱い。
これに対して、ＬＥＤの側面から発光した光に着目すると、本実施形態の照明装置では、ＬＥＤの側面の中心部からＬＥＤの側面に垂直な方向に出射した光が図７の領域Ａ２から出射するため、図８（ｂ）のＢｂに示すように、図７の領域Ａ２で出射光の強度は弱くならない。

よって、図８（ｃ）のＢｃに示すように、ＬＥＤの上面から発光する光とＬＥＤの側面から発光する光とが補完し合い、第２リフレクタ２０３の出射面から出射する光の強度分布の不均一を低減し、一様化することができる。

また、上述したＬＥＤの上面から発光する光とＬＥＤの側面から発光する光とが補完し合う構成に加えて、図３（ａ）に示すように各色のＬＥＤの同色が対となるように配置されることで、各色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）において強度分布をより一様化することができる。

［出射光の混色性について：図９］
次に、本実施形態の照明装置１０から出射する光の混色性についいて説明する。
図９は、図２および図３に示す設計例の照明装置における混色のシミュレーション結果を示す図面である。図９（ａ）は第１リフレクタ２０１の出射面の混色状態を示し、図９（ｂ）はライトトンネル２０２の出射面の混色状態を示す。図９（ｃ）は第２リフレクタ２０３の出射面の混色状態を示し、図９（ｄ）は仮想ライトバルブ面の混色状態を示す。

図９（ａ）に示すように、第１リフレクタ２０１の出射面では、各ＬＥＤから発光した光は混色されず、出射光は、各ＬＥＤの配置がほぼそのまま反映された状態である。これに対して、各ＬＥＤのから発光した光がライトトンネル２０２で混色されることにより、図９（ｂ）−（ｄ）に示すように、ライトトンネル２０２の出射面、第２リフレクタ２０３の出射面および仮ライトバルブ面では、出射光は十分に混色された状態となる。

なお、上述した設計例では、図３（ａ）に示すように、同色のＬＥＤが対となるように配置されることで、ライトトンネル２０２で十分に混色された状態となる。
また、図２に示す第１リフレクタ２０１の角度を小さくし過ぎると、第１リフレクタ２０１の反射光の指向性が上がりすぎ、ライトトンネル２０２による混色が起こらなくなるため、注意が必要である。

上述したように、本発明の照明装置は、第１リフレクタ、ライトトンネルおよび第２リフレクタにより各ＬＥＤから発光する光を反射することで、各ＬＥＤから発光した光を混色するとともに、平行光として出射する。よって、平行光に変換するためにレンズを用いる従来技術に比べて、複雑な調芯作業を必要とせず、容易に組み立てを行うことが可能となる。また、レンズを使用しないため、小型化が可能になるとともに、部材費が削減され低コスト化かが可能となる

また、本発明の照明装置は、一のＬＥＤの上面から発光した光が、第２リフレクタの出射面の第１の領域から出射し、該ＬＥＤの側面から発光する主な光が第１の領域以外の第２の領域から出射する。これにより、ＬＥＤの上面から発光する光とＬＥＤの側面から発光する光とが補完し合い、出射する光の強度分布の不均一を低減し、一様化することが可能となる。

さらに、上述した照明装置を用いることで、投影画像の光の強度むらおよび色むらを抑えた投影表示装置（プロジェクタ）を小型に構成することが可能となる。

１ 光源部
１０１ 青色ＬＥＤ
１０２ 緑色ＬＥＤ
１０３ 赤色ＬＥＤ
２ リフレクタ
２００ 底面
２０１ 第１リフレクタ
２０２ ライトトンネル
２０３ 第２リフレクタ
３ ライトバルブ
４ 投影レンズ
５ スクリーン
１０ 照明装置
２０ 投影表示装置
１０３ ライトバルブ
１０４ 投影レンズ
１０５ スクリーン
１０６ ランプ
１０７ ライトパイプ
１０８ 第１の集光レンズ
１０９ 第２の集光レンズ

Claims (3)

1. 互いに異なる波長の光を発光する複数のＬＥＤと、
   前記各ＬＥＤの側面から発光する光を反射する第１リフレクタと、
   前記各ＬＥＤで発光した光を混色するライトトンネルと、
   前記ライトトンネルで混色された光を出射する第２リフレクタと、を備え、
   一の前記ＬＥＤの上面から発光した光が、前記第１リフレクタ、前記ライトトンネルおよび前記第２リフレクタで反射しないで出射する領域を第１の領域としたとき、
   該ＬＥＤの側面から発光する主な光は、前記第１リフレクタ、前記ライトトンネルおよび前記第２リフレクタで反射し、前記第１の領域以外の第２の領域から出射する
   ことを特徴とする照明装置。
2. 前記各ＬＥＤは、それぞれの中心が前記ライトトンネルの中心線から離れて位置し、
   一の前記ＬＥＤにおいて、前記ライトトンネルの中心線から離れた側の側面から発光する主な光が、前記第１リフレクタ、前記ライトトンネルおよび前記第２リフレクタで反射し、前記第２の領域から出射する
   ことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 請求項１または２に記載の照明装置と、
   前記照明装置からの出射光を変調するライトバルブと、
   ライトバルブで変調された光を投影する投影レンズと、を備える
   ことを特徴とする投影表示装置。

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