JP2012069386A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ光源からの放射される光を無駄なく利用するため、光利用効率を向上させた投射型表示装置用の照明装置を実現する。
【解決手段】拡散光を放射する光源部２ａと、該光源部が設けられる基板１と、前記基板上に位置し、前記光源部より放射される光を集光する回転対称形状の集光レンズ３と、前記基板の前方に位置し前記集光レンズからの光を反射する第一反射鏡である楕円リフレクタ４と、前記基板上に位置し前記第一反射鏡からの光を反射する第二反射鏡５とからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置に関し、特に投射型表示装置の光源部にＬＥＤを使用した照明装置に関する。

投射型表示装置の照明装置には、ＬＥＤ光源を搭載するものがある。ＬＥＤ光源から放出される光は拡散光であり、集光しなければ装置内の光路や各ユニットに発光光が導かれず無駄となる光が多くなる。このため、ＬＥＤ光源周辺にリフレクタや集光レンズを配置して集光性を上げ、発光光の利用効率を高めている。

たとえば、特許文献１記載の照明装置は、４つのＬＥＤから発光された光を４つの放物リフレクタで光軸方向に反射させ、１つの集光レンズによって集光させる方式を用いている。

図７は、特許文献１に記載の実施例の図面である。図７の照明装置は、ＬＥＤ４１、放物面リフレクタ４２、集光レンズ４３、ロッドレンズ４４、放熱板４５、集合体５０、冷却ファン５５で構成されている。４個の放熱板４５の裏側には、それぞれＬＥＤが取り付けられており、ＬＥＤの光軸は放熱板裏面に対し鉛直方向である。ＬＥＤから放射された光は、放物面の一部を切り取り開口させた形状の放物面リフレクタ４２によって反射され、集光レンズ４３により、ロッドレンズ４４の入射面に集光するよう配置されている。

特開２００７−１１５５４１号公報（平成１９年５月１０日公開）

しかしながら、特許文献１記載の照明装置は、ＬＥＤ光源からリフレクタ４２で反射された光のみを集光レンズ４３に集光させるように設計されているが、光源から放射される光の一部はリフレクタ４２の反射面に到達せず、ロスとなる光量も多い設計となっている。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＬＥＤ光源からの放射される光を無駄なく利用して、光利用効率を向上させた投射型表示装置用の照明装置を実現することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る照明装置は、拡散光を放射する光源部と、該光源部が設けられる基板と、前記基板上に位置し、前記光源部より放射される光を集光する回転対称形状の集光レンズと、前記基板の前方に位置し前記集光レンズからの光を反射する第一反射鏡である楕円リフレクタと、前記基板上に位置し前記第一反射鏡からの光を反射する第二反射鏡とからなることを特徴とする。

本発明に係る照明装置は、前記第二反射鏡が平面リフレクタであることを特徴とする。

本発明に係る照明装置は、前記第一反射鏡が前記集光レンズによるＬＥＤ素子中心の虚像位置と同じ位置を楕円第１焦点とし、前記集光レンズから出射した光を反射し、前記平面リフレクタに進行し反射した光が光軸上に楕円第２焦点位置相当に集光する反射面を有する楕円リフレクタであることを特徴とする。

本発明に係る照明装置は、複数の前記照明装置と、クロスダイクロイックプリズムから構成される投影用照明装置であって、前記照明装置は緑用の光、赤用の光、青用の光を放射し、前記クロスダイクロイックプリズムで前記放出された光を前記クロスダイクロイックプリズムで合成することを特徴とする。

本発明に係る照明装置は、複数の前記照明装置と、凹レンズとクロスダイクロイックプリズムから構成される投影用照明装置であって、前記照明装置は緑用の光、赤用の光、青用の光を放射し、前記凹レンズによって、前記緑用の光、前記赤用の光、前記青用の光をテレセントリック光に変換し、前記クロスダイクロイックプリズムで前記放出された光を前記クロスダイクロイックプリズムで合成することを特徴とする。

本発明に係る照明装置は、前記照明装置と、凸レンズから構成される照明装置であって、前記照明装置の集光点が前記凸レンズの焦点となるよう前記凸レンズを配置することを特徴とする。

本発明に係る照明装置は、前記照明装置と、放物線リフレクタから構成される照明装置であって、前記照明装置の集光点が前記放物線リフレクタの焦点となるように前記放物線リフレクタを配置することを特徴とする。

本発明に係る照明装置は、ＬＥＤ光源からの放射される光を無駄なく利用して、光利用効率を向上させた投射型表示装置用の照明装置を実現することができる。

本発明の第１の実施例に関する照明装置の概略構成を断面形状で示した図である。 本発明の第１の実施例に関する単色照明装置を拡大表示した図である。 図２の照明装置について楕円光軸より上側半分を拡大した図である。 本発明の第２の実施例に関する照明装置の概略構成を断面形状で示した図である。 本発明の第３の実施例に関する照明装置の概略構成を断面形状で示した図である。 本発明の第４の実施例に関する照明装置の概略構成を断面形状で示した図である。 特許文献１に記載の実施例の図面である。

本発明のいくつかの実施例について、以下に図面を用いて詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について、図１ないし図３を参照し説明する。本実施例では赤用緑用、青用の単色ＬＥＤ素子を、それぞれ単色の照明装置に搭載し、それら単色の照明装置を組み合わせたＤＬＰ（デジタルライトプロセッシング）方式プロジェクタに好適な投影用照明装置について説明する。なお、現在、ＬＥＤの発光輝度は、単色用ＬＥＤ素子（赤用、緑用、青用）を合成した方式の方が、白色用ＬＥＤ素子を３つ使用するよりも単位電力当りで明るいため、本実施例では好適に用いられるＲＧＢの３色ＬＥＤを用いた例について説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に関する投影用照明装置の概略構成を断面形状で示した図であり、１００ａ、１００ｂ、１００ｃは、それぞれ単色の照明装置である。照明装置１００ａには赤色光を発するＬＥＤ素子２ａ、照明装置１００ｂには緑色光を発するＬＥＤ素子２ｂ、照明装置１００ｃには青色光を発するＬＥＤ素子２ｃを搭載している。１はＬＥＤ基板、３は集光レンズ、４は楕円リフレクタ、５は平面リフレクタである。また、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは各々ダイクロイックプリズムであり、全体でクロスダイクロイックプリズムを構成し、透過光路は緑色光、反射光路は赤色光と青色光である。なお、ダイクロイックプリズム７ｄの光の出射方向より伸びる破線を、照明系光軸Ｚと称する。また、６はロッドレンズであり本照明装置の外に設けられている。

各単色の照明装置１００ａ、１００ｂ、１００ｃで発せられた光は、クロスダイクロイックプリズムによって透過または反射されて合成され、ロッドレンズ６の入射面で焦点を結ぶ構造となっている。なお、図１は、３つの照明装置が水平に配置されているが、この配置に限定されるものではない。また、ダイクロイックプリズム７ｄは、他のダイクロイックプリズムと比べ小さいが、これは本実施例における単色照明装置の焦点位置を短く設定している為であり、この大きさに限定されるものではない。

図２は、本発明の第１の実施例に関する単色照明装置を拡大表示した図であり、１はＬＥＤ基板、２はＬＥＤ素子、３は集光レンズ、４は楕円リフレクタ、５は平面リフレクタを示しており、１００は単色の照明装置全体を示している。なお、Ｖは単色照明装置における出射光の中心軸であり、光路中心軸と称する。この光路中心軸ＶはＬＥＤ素子２より鉛直方向に伸びる。

図３は、図２の照明装置の楕円光軸より上側半分を拡大した図であり、３は集光レンズ、４は第一反射鏡である楕円リフレクタ、５は第二反射鏡である平面リフレクタである。また、ＡはＬＥＤ素子中心の位置を示し、Ｆ１は楕円リフレクタの第１焦点であると同時に集光レンズによるＬＥＤ素子中心の虚像位置（以下、第１焦点）を示す。さらに、Ｆ２は楕円リフレクタの第２焦点（以下、第２焦点）、ｆ１は楕円リフレクタの第１焦点距離（以下、第１焦点距離）、ｆ２は楕円リフレクタ第２焦点距離（以下、第２焦点距離）を示している。またさらに、Ｗは集光レンズ光軸、Ｙは楕円リフレクタ光軸、また、ＬＥＤ素子中心位置Ａから鉛直方向に伸びた破線を光路中心軸Ｖと称する。θは集光レンズ光軸Ｗから照明系光軸Ｚまでの角度、δは光路中心軸Ｖから楕円光軸Ｙまでの角度を示す。ｄは、楕円リフレクタの第１焦点Ｆ１から光路中心軸Ｖ上までの距離（以下、虚像位置ずれ量）を示している。

まず、図２に示すようにＬＥＤ基板１にＬＥＤ素子２を配置する。次に、図２および図３に示すように、ＬＥＤ素子２の近くに集光レンズ３を配置する。集光レンズ３は図３に示すような凸レンズの断面形状をしており、光路中心軸Ｖに対して回転対称形状である。また、集光レンズ３の集光レンズ光軸Ｗから光路中心軸Ｖまでの角度θは概略４５度である。ここで、集光レンズ光軸Ｗとは、集光レンズ３のレンズ入射側の曲率Ｒの中心と、レンズ出射側の楕円形状の中心を結ぶ直線を指す。なお、集光レンズ３のレンズ形状は凸レンズの機能を有するものであればよい。さらに、この集光レンズ３は光量ロスを最小限とするため、レンズ表面には反射防止膜（図示せず）を形成している。図３に示すように、ＬＥＤ素子を点光源と仮定し、ＬＥＤ素子２の光はＬＥＤ素子中心位置Ａから放射されるものとする。図面上、ＬＥＤ素子中心位置Ａを中心に片側９０度の角度で照射された光は、集光レンズ３により、集光レンズ光軸Ｗを中心とした９０度より小さい光束になり、次の楕円リフレクタ４の反射面に当たるようにする。

楕円リフレクタ４は、図３の楕円リフレクタの第１焦点Ｆ１に示すように集光レンズ３によるＬＥＤ素子中心の虚像位置と、楕円リフレクタ第1焦点を一致させる。また、楕円リフレクタの第２焦点Ｆ２はＬＥＤ基板よりさらに奥に位置する。すなわち、楕円リフレクタ外形は光路中心軸Ｖの進行側よりもＬＥＤ素子２側の開口サイズが大きくなるような形状である。この楕円リフレクタの第２焦点Ｆ２が光路中心軸Ｖ上にくるように、楕円光軸は少し光路中心軸Ｖより傾斜（図３のδ）させている。この傾斜角度δは、図３に示すように、集光レンズ３による楕円リフレクタの第１焦点Ｆ１と光路中心軸Ｖの間に生じる虚像位置ずれ量ｄ、第１焦点距離ｆ１、第２焦点距離ｆ２を用いて、計算式ｓｉｎδ＝ｄ／（ｆ２−ｆ１）より求められる。ここで、楕円リフレクタ光軸Ｙとは楕円長軸のことであり、この楕円長軸上に楕円リフレクタの第１焦点Ｆ１と楕円リフレクタの第２焦点Ｆ２とが位置する。このように決められた楕円形状を、光路中心軸Ｖを中心に回転させたものが楕円リフレクタ４の反射面形状であり、全反射膜を形成している。集光レンズ３から楕円リフレクタ４に進行した光束は反射し、楕円リフレクタの第２焦点Ｆ２に向け進行する。

次にＬＥＤ基板１に平行に配置された（光路中心軸Ｖに垂直に配置された）平面リフレクタ５によって、楕円リフレクタ４から進行してくる光束を全て反射させる。ここで、平面リフレクタ５は、楕円側の表面に反射膜を形成している。この平面リフレクタ５で反射させた光束が、楕円リフレクタ４の後方開口と前方開口を通過し、光路中心軸Ｖ上に集光する。なお、必要に応じ、光量ロスの発生が最小限となるように、集光レンズ形状、楕円形状を最適化する事や、ＬＥＤ素子の経年劣化を防ぐ目的でＬＥＤ素子表面に、光学特性に影響を与えない範囲で樹脂モールド等を加えても良い。また、単色の照明装置１００ａ、１００ｂ、１００ｃに搭載のＬＥＤ素子は、赤色ＬＥＤ素子、緑色ＬＥＤ素子、青色ＬＥＤ素子に限定するものではない。またさらに、単色の照明装置を単独で投影用照明装置として使用する事も可能であり、白色光が必要な場合は、集光レンズ３やＬＥＤ素子表面に青色光を白色光に変換するための蛍光物質を含ませる事で対応できる。

本発明の第２の実施例について、図４を参照して説明する。本実施例は、ＬＣＤ方式プロジェクタに好適に用いられる投影用照明装置であって、平面形状であるＬＣＤパネルに効率よく光を届けるためにテレセントリック照明（光軸と主光線が平行とみなせるような照明）を実現するものである。

図４は投影用照明装置の概略構成を断面形状で示した図であり、１００ａ、１００ｂ、１００ｃは、第１の実施例と同様の単色の照明装置である。７ａ、７ｂ、７ｃ、７eは各々ダイクロイックプリズムであり、全体でクロスダイクロイックプリズムを構成し透過光路は緑色光、反射光路は赤色光と青色光である。８ａ、８ｂ、８ｃは凹レンズ、である。Ｚは照明系光軸であり、ダイクロイックプリズム７eの鉛直方向に伸びている。９はフライアイレンズであり本投影用照明装置の外に設けられている。

本実施例では、図４に示すように各単色の照明装置とクロスダイクロイックプリズムの間にそれぞれ凹レンズ８ａ、８ｂ、８ｃを設けている。各凹レンズ８ａ、８ｂ、８ｃを透過した光はテレセントリック光となってクロスダイクロイックプリズムを透過し３色合成されて、フライアイレンズ９に入射するよう構成されている。

本発明の第３の実施例について、図５を参照し具体的に説明する。本実施例は、小型のＬＣＤ方式プロジェクタの好適に用いられる照明装置であって、テレセントリック照明を実現するものである。

図５は、本発明の第３の実施例に関する照明装置の概略構成を断面形状で示した図であり、１００ｄは照明装置、１０は凸レンズを示す。また、凸レンズ１０の光軸より伸びる破線を、照明系光軸Ｚと称す。

本実施例では照明装置１００ｄから白色光を取り出す為、実施例１の単色の照明装置１００のＬＥＤ素子２を青色ＬＥＤ素子に変更し、集光レンズ３ａに青色光を白色光に変換する目的で蛍光体物質を含ませている。また、照明系光軸Ｚ上に凸レンズ１０を設ける事で照明系光軸Ｚ上の焦点を通過した拡散光をテレセントリック光に変換している。すなわち、照明装置１００ｄから発せされた光束は、照明系光軸上Ｚの集光点Ｂで集光する。この集光点Ｂが焦点となるように凸レンズ１０を配置し、照明装置１００ｄから照射された光は凸レンズ１０を透過する事でテレセントリック光が放射されテレセントリック照明として機能する。なお、本実施例で説明したように照明装置１００ｄから照射される光は、白色光であるが、ＬＥＤ素子を他の色に変更し、他の色の発光光を照射する事も実施可能である。また、本実施例は車載用の前照灯にも使用が可能である。

本発明の第４の実施例について、図６を参照し具体的に説明する。本実施例は、小型のＬＣＤ方式プロジェクタの好適に用いられる照明装置であって、テレセントリック照明を実現するものである。

図６は本発明の第４の実施例に関する照明装置の概略構成を断面形状で示した図であり、１００ｄは実施例３と同じ照明装置、１１は放物線リフレクタを示す。また、Ｘは放物線リフレクタ１１の放物線光軸である。本実施例はＬＣＤ方式プロジェクタなどの仕様に適したテレセントリック照明の発明である。

本実施例は、第５の実施例の凸レンズ１０に替えて、放物線リフレクタ１１を配置している。放物線リフレクタ１１の設置位置は、放物線リフレクタ１１の放物線光軸Ｘ上に照明装置１００ｄの集光点Ｂを配置する。

照明装置１００ｄから放射された光は集光点Ｂで集光し、放物線リフレクタ１１によってテレセントリック光が放射され、テレセントリック照明として機能する。なお、本実施例および第３の実施例で説明したように、照明装置１００ｄから照射される光は、白色光であるが、ＬＥＤ素子を他の色のＬＥＤ素子に変更して、他の色の発光光を照射する事も可能である。また、本実施例は車載用の前照灯にも使用が可能である。

本発明は、光源部から放射された光の光利用効率の向上が図れるため、投射型表示装置に有用である。

１ ＬＥＤ基板
２、２ａ、２ｂ、２ｃ ＬＥＤ素子
３、３ａ、７ 集光レンズ
４ 楕円リフレクタ
５ 平面リフレクタ
６ ロッドレンズ
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ ダイクロイックプリズム
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｅ 凹レンズ
９ フライアイレンズ
１０ 凸レンズ
１１ 放物線リフレクタ
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ 照明装置
Ａ ＬＥＤ素子中心位置
Ｂ 集光点
Ｆ１ 第１焦点
Ｆ２ 第２焦点
Ｖ 光路中心軸
Ｗ 集光レンズ光軸
Ｘ 放物線光軸
Ｙ 楕円リフレクタ光軸
Ｚ 照明系光軸
ｄ 虚像位置ずれ量
ｆ１ 第１焦点距離
ｆ２ 第２焦点距離
θ 集光レンズ光軸から照明系光軸までの角度
δ 照明系光軸から楕円光軸までの角度

Claims (7)

1. 拡散光を放射する光源部と、
   該光源部が設けられる基板と、
   前記基板上に位置し、前記光源部より放射される光を集光する回転対称形状の集光レンズと、
   前記基板の前方に位置し前記集光レンズからの光を反射する第一反射鏡である楕円リフレクタと、
   前記基板上に位置し前記第一反射鏡からの光を反射する第二反射鏡と
   からなることを特徴とする照明装置。
2. 前記第二反射鏡は、平面リフレクタであることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 前記第一反射鏡は、前記集光レンズによるＬＥＤ素子中心の虚像位置と同じ位置を楕円第１焦点とし、前記集光レンズから出射した光を反射し、前記第二反射鏡に進行し反射した光が光軸上に楕円第２焦点位置相当に集光する反射面を有する楕円リフレクタであることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
4. 請求項１ないし３記載の複数の照明装置と、クロスダイクロイックプリズムから構成される投影用照明装置であって、
   前記照明装置は緑用の光、赤用の光、青用の光を放射し、前記クロスダイクロイックプリズムで前記放出された光を前記クロスダイクロイックプリズムで合成することを特徴とする照明装置。
5. 請求項１ないし４に記載の複数の照明装置と、凹レンズとクロスダイクロイックプリズムから構成される投影用照明装置であって、
   前記照明装置は緑用の光、赤用の光、青用の光を放射し、前記凹レンズによって、前記緑用の光、前記赤用の光、前記青用の光をテレセントリック光に変換し、前記クロスダイクロイックプリズムで前記放出された光を前記クロスダイクロイックプリズムで合成することを特徴とする投影用照明装置。
6. 請求項１ないし４に記載の照明装置と、凸レンズから構成される照明装置であって、
   前記照明装置の集光点が前記凸レンズの焦点となるよう前記凸レンズを配置することを特徴とする照明装置。
7. 請求項１ないし５に記載の照明装置と、放物線リフレクタから構成される照明装置であって、
   前記照明装置の集光点が前記放物線リフレクタの焦点となるように前記放物線リフレクタを配置することを特徴とする照明装置。