JP2012141483A - Ｌｅｄ光源装置の設計方法及びｌｅｄ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】解像度やアスペクト比が異なる種々の反射型光変調素子に対応可能なＬＥＤ光源装置の設計方法及びＬＥＤ光源装置の提供を目的とする。
【解決手段】本発明は、各原色光を出射する複数のＬＥＤ素子１と、複数のＬＥＤ素子１の出射光を夫々平行光に変調する複数のコリメーターレンズ群２と、複数のコリメーターレンズ群２が出力する平行光を合成するダイクロイックミラー群３と、ダイクロイックミラー群３の合成光を集光するコンデンサーレンズ群４と、コンデンサーレンズ群４で集光された光の光量分布を均一にするライトトンネル５とを有するＬＥＤ光源装置と、ライトトンネル５の出力光を光変調する反射型光変調素子とを備える画像投射装置における前記ＬＥＤ光源装置の設計方法で、（ａ）前記画像投射装置に搭載可能な前記反射型光変調素子の中で最もエタンデュの大きい素子にあわせて、コンデンサーレンズ群４を調整する工程を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクタの光源としてＬＥＤ素子を備えたＬＥＤ光源装置に関する。

近年、プロジェクタの光源として従来用いられているメタルハライドランプや高圧水銀ランプに換わり、固体発光素子、特に発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ素子」と称する）を用いることが提案されている。ＬＥＤ素子は、プロジェクタの小型化や低消費電力化を可能にすることに加え、メタルハライドランプや高圧水銀ランプに比べて長寿命であるなどの長所がある。

その一方で、発光量が小さいという短所があるため、例えば特許文献１に示すように複数のＬＥＤ光源をアレイ状に配置することにより十分な光量を確保する構成が提示されている。また、ＬＥＤ光源を、そのアスペクト比がＤＭＤ（登録商標）などの反射型光変調素子のアスペクト比と略同等になるように、複数配置する構成が主流となりつつある。反射型光変調素子は、ＬＥＤ光源から射出された光束を画像情報に応じて光変調するものである。

特許第３５８５０９７号公報

しかしながら、反射型光変調素子には解像度やアスペクト比の異なる様々な製品が展開されており、プロジェクタの開発も、搭載する反射型光変調素子に合わせてその都度行っているのが現状である。従来では、反射型光変調素子に対応させるべく、インテグレーター素子の最適化による部品変更程度の開発が行われていたが、アレイ状に配置されたＬＥＤ光源を採用するにあたり、ＬＥＤ光源の光利用効率を最適化するためにはＬＥＤ合成光学系をその都度開発する必要がある。

そのため、設計に要する時間や開発費、イニシャル費が増大し、製品ラインナップの充実化が困難になり、あるいは発売までに時間がかかってしまうという問題点がある。

そこで、本発明は上述の問題点に鑑み、プロジェクタにおいて、解像度やアスペクト比が異なる種々のＤＭＤ（登録商標）に対応可能なＬＥＤ光源装置の設計方法及びＬＥＤ光源装置の提供を目的とする。

本発明に係るＬＥＤ光源装置の設計方法は、各原色光を出射する複数のＬＥＤ素子と、複数の前記ＬＥＤ素子の出射光を夫々平行光に変調する複数のコリメーターレンズ群と、前記複数のコリメーターレンズ群が出力する平行光を合成するダイクロイックミラー群と、前記ダイクロイックミラー群の合成光を集光するコンデンサーレンズ群と、前記コンデンサーレンズ群で集光された光の光量分布を均一にするライトトンネルとを有するＬＥＤ光源装置と、前記ライトトンネルの出力光を光変調する反射型光変調素子とを備える画像投射装置における前記ＬＥＤ光源装置の設計方法であって、（ａ）前記画像投射装置に搭載可能な前記反射型光変調素子の中で最もエタンデュの大きい素子にあわせて、前記コンデンサーレンズ群を調整する工程を備える。

本発明に係るＬＥＤ光源装置の設計方法は、（ａ）画像投射装置に搭載可能な前記反射型光変調素子の中で最もエタンデュの大きい素子にあわせて、コンデンサーレンズ群を調整する工程を備えるので、解像度やアスペクト比が異なる様々な反射型光変調素子に対応した画像投射装置を開発するにあたり、ＬＥＤ光源装置としては、完全流用、ＬＥＤ素子のみの入れ替え、又はコンデンサーレンズ群の調整や入れ替え程度の開発で対応することが可能である。

本実施の形態に係るＬＥＤ光源装置の構成図である。 順次ミラー方式のダイクロイックミラー群を用いた本実施の形態に係るＬＥＤ光源装置の構成図である。 ＬＥＤ素子とコリメーターレンズを示す図である。

（実施の形態１）
＜構成＞
以下に、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同様の機能を有する部分には同一の参照符号を付し、繰り返しの説明は省略する。

図１は、本実施の形態に係るＬＥＤ光源装置の構成の一例を示す概略図である。本実施の形態に係るＬＥＤ光源装置は、ＤＭＤ（登録商標）を用いるプロジェクタに搭載されるＬＥＤ光源装置であり、３原色の各色光を発光するＬＥＤ素子１、ＬＥＤ素子１の出射光を平行光に変換するコリメーターレンズ群２、コリメーターレンズ群２で変換された平行光のうち特定波長を次段に反射するダイクロイックミラー群３、ダイクロイックミラー群３の反射光をライトトンネル５の入射面に集光させるコンデンサーレンズ４、照度分布を均一にする手段としてのライトトンネル５を備えている。

図１では、ダイクロイックミラー群３にクロスミラータイプのものを用いた場合を示しているが、図２に示すようにミラー順次タイプのダイクロイックミラー群３を用いても良い。

図示しないが、ライトトンネル５の後段には光変調を行うＤＭＤ（登録商標）や、投写光学系が設けられ、プロジェクタを構成する。なお、ライトトンネル５の開口寸法はＤＭＤ（登録商標）の受光面積に対応しており、ＤＭＤ（登録商標）と同一のアスペクト比に設計される。

ＬＥＤ素子１からは略放射状の光が出射されるが、全ての光をＤＭＤ（登録商標）で有効利用することはできず、有効利用できる光の範囲は、ＤＭＤ（登録商標）の寸法、Ｆ値及びライトトンネル５の寸法により制限される（エタンデュの保存則）。

例えば、０．９６インチＷＵＸＧＡのＤＭＤ（登録商標）では、ライトトンネル５における取り込み角度が８０°に制限されるが、０．７インチＸＧＡ（振れ角１２°）のＤＭＤ（登録商標）では、ライトトンネル５における取り込み角度が５０°に制限される。

本実施の形態に係るＬＥＤ光源装置の設計方法では、プロジェクタに搭載可能な幾つかのＤＭＤ（登録商標）の中から最もエタンデュの大きいものを基準として、コンデンサーレンズ群４の設計を行う。

例えば、０．９６インチＷＵＸＧＡ（解像度１９２０×１２００、アスペクト比１２：１０）のＤＭＤ（登録商標）を基準として、ライトトンネル５におけるコンデンサーレンズ群４の透過光の取り込み角度が略８０°となるよう設計する。ＷＵＸＧＡのアスペクト比は１６：１０であるため、ライトトンネル５開口寸法のアスペクト比も同様に１６：１０とする。一方、ＬＥＤ素子のアスペクト比は１６：９とする。そして、ライトトンネル５の入射面におけるコンデンサーレンズ群４の結像の長手方向寸法が、ライトトンネル５の開口の長手方向寸法と一致するようにコンデンサーレンズ群４の結像倍率を設計し、短手方向の結像倍率は長手方向と同一とする。すなわち、ライトトンネル５入射面での結像面のアスペクト比は１６：９となる。また、ライトトンネル５出射面での結像面アスペクト比は１６：１０となる。これにより、０．９６インチＷＵＸＧＡのＤＭＤ（登録商標）に対して理想的な結像寸法となる。

また、ＤＭＤ（登録商標）を０．９５インチ１０８０Ｐ（解像度１９２０×１０８０、アスペクト比１２：９）に替える場合は、１０８０Ｐのアスペクト比にあわせてライトトンネル５開口寸法のアスペクト比も１６：９とする。コンデンサーレンズ群４は０．９６インチＷＵＸＧＡのＤＭＤ（登録商標）を基準とした設計のままで良い。ライトトンネル５入射面及び出射面での結像面アスペクト比はともに１６：９となる。ＷＵＸＧＡと１０８０Ｐでは長手方向寸法が同じであるため、０．９５インチ１０８０ＰのＤＭＤ（登録商標）に対しても理想的な結像寸法となる。

このように、本実施の形態のＬＥＤ光源装置の設計方法によれば、プロジェクタに搭載可能なＤＭＤ（登録商標）の中で最もエタンデュの大きい素子にあわせて、ライトトンネル５におけるコンデンサーレンズ群４からの光の取り込み角度に関してコンデンサーレンズ群４を調整するので、０．９６インチＷＵＸＧＡと０．９５インチ１０８０Ｐという２種類のＤＭＤ（登録商標）に対して、ライトトンネル５の寸法を調整するものの、コンデンサーレンズ群４をそのまま流用することが可能である。

さらに、ＤＭＤ（登録商標）を０．７インチＸＧＡ（振れ角１４°、解像度１０２４×７６８、アスペクト比４：３）に替える場合は、ＸＧＡのアスペクト比にあわせてライトトンネル５開口寸法のアスペクト比も４：３とする。コンデンサーレンズ群４は０．９６インチＷＵＸＧＡのＤＭＤ（登録商標）を基準とした設計のままで、ＬＥＤ素子１をアスペクト比１６：９の素子から４：３の素子に変更すると、ライトトンネル５入射面での結像寸法は約７．９×５．９ｍｍとなる。これは、ライトトンネル５の開口寸法に対して約５％程度のオーバースキャンとなる。しかし、元々エタンデュの保存則により、０．７インチＸＧＡ（振れ角１４°）のＤＭＤ（登録商標）を搭載する場合は、約６１度の取り込み角の範囲の入射光しか有効な光として利用する事が出来ないことを考えると、結果的には略理想的に光を取込んでいるといえる。

このように、本実施の形態のＬＥＤ光源装置の設計方法によれば、ＬＥＤ素子１として、そのアスペクト比がプロジェクタに現に搭載するＤＭＤ（登録商標）のアスペクト比と略同等のものを採用することもできるので、ＤＭＤ（登録商標）を０．９６インチＷＵＸＧＡや０．９５インチ１０８０Ｐから０．７インチＸＧＡに替える場合にも、ＬＥＤ素子１の変更のみでコンデンサーレンズ群４の調整を行うことなく、略理想的な光利用効率を達成できる。

なお、０．７インチＸＧＡのＤＭＤ（登録商標）に対して更に理想的に光を取込む為には、ライトトンネル５の入射面におけるコンデンサーレンズ４群の結像面が、約６１度の取込角でライトトンネル５の開口寸法と略等価となるように、コンデンサーレンズ群４を最適設計したものに入れ替えれば良い。若しくは、現状のコンデンサーレンズ群４の設置位置を光軸方向に調整し、結像寸法をライトトンネル５の開口寸法に近づけるようにしても良い。但し、後者の方法を用いる場合、集光Ｆ値も変化する為、ライトトンネル５へ集光された光を有効利用する為には、ライトトンネル５以降の照明光学系の方に工夫が必要となる。

このように、本実施の形態のＬＥＤ光源装置の設計方法によれば、プロジェクタに現に搭載するＤＭＤ（登録商標）にあわせてコンデンサーレンズ群４を変更することもできるので、ＤＭＤ（登録商標）を０．９６インチＷＵＸＧＡや０．９５インチ１０８０Ｐから０．７インチＸＧＡに替える場合に、ＬＥＤ素子１の変更を行うと共に、コンデンサーレンズ群４を最適設計したものに入れ替えるか、光軸方向に調整を行うことにより、ＬＥＤ素子１からの光を理想的な効率で利用することができる。

また、０．９５インチＳＸＧＡ＋（解像度１４００×１０５０，アスペクト比４：３）のＤＭＤ（登録商標）を搭載する場合には、ＳＸＧＡ＋のアスペクト比にあわせてライトトンネル５開口寸法のアスペクト比も４：３とする。また、コンデンサーレンズ群４は０．９６インチＷＵＸＧＡのＤＭＤ（登録商標）を基準とした設計のままで、ＬＥＤ素子１をアスペクト比１６：９の素子から４：３の素子に変更する。この場合、ライトトンネル５入射面での結像寸法が、約７．９×５．９ｍｍとなるため、ライトトンネル５の開口寸法内に収めることができ、ＬＥＤ素子１からの光を理想的な効率で利用することができる。

このように、本実施の形態のＬＥＤ光源装置の設計方法によれば、ＤＭＤ（登録商標）を０．９６インチＷＵＸＧＡや０．９５インチ１０８０Ｐから０．９５インチＳＸＧＡ＋に替える場合にも、ＬＥＤ素子１の変更のみでコンデンサーレンズ群４の調整を行うことなく、略理想的な光利用効率を達成できる。

以上の説明において、アスペクト比１６：９のＬＥＤ素子１としてＰＴ１２０、アスペクト比４：３のＬＥＤ素子１としてＰＴ１２１（共にルミナス・デバイセズ製）を用い、コンデンサーレンズ群４後段のライトトンネル５の取り込み角度が約８０°となるようにコンデンサーレンズ群４を設計している。ＬＥＤ素子１をＯｓｒａｍ製のものに変更しても、コンデンサーレンズ４群を同様に設計することにより、略理想的に光を取り込むことが出来る。

＜シミュレーション結果＞
以下に、０．７インチＸＧＡ（振れ角１４°）のＤＭＤ（登録商標）をプロジェクタに搭載した場合に、当該ＤＭＤ（登録商標）上で有効に利用出来るエネルギーについてのシミュレーション結果を示す。ＬＥＤ素子１の出射光のエネルギーを１００％とした場合にＤＭＤ（登録商標）上で有効に利用できるエネルギーを、以下に示す夫々の条件でＬＥＤ光源装置を設計した場合について比較した。尚、ＬＥＤ素子１には、ルミナス・デバイセズ製のＰＴ１２０（アスペクト比１６：９）とＰＴ１２１（アスペクト比４：３）を想定している。

（条件１）：ＬＥＤ素子１にＰＴ１２１を用い、ライトトンネル５への取り込み角度を８０°とする。また、ライトトンネル５の入射面におけるコンデンサーレンズ群４の結像の長手方向寸法が、ライトトンネル５の開口の長手方向寸法と一致するようにコンデンサーレンズ群４の結像倍率を設計し、短手方向の結像倍率は長手方向と同一とする。この設計は、０．９６インチＷＵＸＧＡ／０．９５インチ１０８０Ｐ／０．９５インチＳＸＧＡ＋／０．７インチＸＧＡ（振れ角１４°）に対応しており、光利用効率は約６３．５％であった。

（条件２）：条件１をベースに、ライトトンネル５への取り込み角度が６１°となるようコンデンサーレンズ群４を設計する。この設計は、特に０．７インチＸＧＡ（振れ角１４°）に対応しており、光利用効率は約６５．１％であった。

（条件３）：ＬＥＤ素子１にＰＴ１２１を用い、０．７インチＸＧＡ（振れ角１４°品）に専用の設計を行う。ここで専用の設計とは、コンデンサーレンズ群４に加えてコリメーターレンズ群２も最適設計することにより、ＬＥＤ素子１からの取り込み角度をコリメーターレンズ群２の時点で６１°までとしたものである。光利用効率は約６７．０％であった。

（条件４）：条件１においてＬＥＤ素子１をＰＴ１２０に変更した。光利用効率は約５９．５％であった。

（条件５）：条件２でＬＥＤ素子１をＰＴ１２０に変更した。光利用効率は約６１．０％であった。

条件１，３及び条件２，４の比較より、ＤＭＤ（登録商標）のアスペクト比と同じアスペクト比のＬＥＤ素子１を用いることにより光利用効率が上昇していることが分かる。また、条件１，２の比較より、コンデンサーレンズ群４を０．７インチＸＧＡにあわせて設計することにより、光利用効率が上昇するものの、条件１でも十分高い光利用効率を実現している。

以上の結果より、本実施の形態のＬＥＤ光源装置の設計方法によれば、プロジェクタに搭載可能な幾つかのＤＭＤ（登録商標）の中から最もエタンデュの大きいものを基準として、コンデンサーレンズ群４の設計を行うことにより、解像度やアスペクト比が異なるＤＭＤ（登録商標）に対してＬＥＤ素子１を適宜変更するものの、コンデンサーレンズ群４を完全流用しても高い光利用効率を得ることが出来るため、設計に要する時間や開発費、イニシャルコストを低減することが可能である。

また、０．７インチＸＧＡ（振れ角１４°）のＤＭＤ（登録商標）を用いる場合でさらに高い光利用効率を求める場合は、コンデンサーレンズ群４の再設計や、光軸上の位置調整によって実現することが可能である。

尚、ＬＥＤ素子１から出射されているエネルギーを約８０度まで取込む際、ＬＥＤ素子１とコリメーターレンズ群２間の距離を最大限近づける事で、ＬＥＤ光源装置の大型化を防止する事も可能である。図３は、ＬＥＤ素子１の発光部とコリメーターレンズ群の第１レンズ６間の距離を示す図であり、両者の距離は０．９５ｍｍ以下にする事が望ましい。

＜効果＞
本実施の形態のＬＥＤ光源装置の設計方法は、各原色光を出射する複数のＬＥＤ素子１と、複数のＬＥＤ素子１の出射光を夫々平行光に変調する複数のコリメーターレンズ群２と、複数のコリメーターレンズ群２が出力する平行光を合成するダイクロイックミラー群３と、ダイクロイックミラー群３の合成光を集光するコンデンサーレンズ群４と、コンデンサーレンズ群４で集光された光の光量分布を均一にするライトトンネル５とを有するＬＥＤ光源装置と、ライトトンネル５の出力光を光変調する反射型光変調素子とを備える画像投射装置における前記ＬＥＤ光源装置の設計方法であって、（ａ）前記画像投射装置に搭載可能な前記反射型光変調素子の中で最もエタンデュの大きい素子にあわせて、コンデンサーレンズ群４を調整する工程を備える。よって、解像度やアスペクト比が異なる様々な反射型光変調素子に対応した画像投射装置（プロジェクタ）を開発するにあたり、ＬＥＤ光源装置としてはコンデンサーレンズ群４を変更することなく対応することが可能である。

また、本実施の形態のＬＥＤ光源装置の設計方法において、工程（ａ）は、ライトトンネル５におけるコンデンサーレンズ群４からの光の取り込み角度に関してコンデンサーレンズ群４を調整する工程であるので、解像度やアスペクト比が異なる様々な反射型光変調素子に対応した画像投射装置を開発するにあたり、ＬＥＤ光源装置としてはコンデンサーレンズ群４を変更することなく対応可能である。

また、本実施の形態のＬＥＤ光源装置の設計方法は、（ｂ）前記画像投射装置に現に搭載する前記反射型光変調素子にあわせて、コンデンサーレンズ群４を変更する工程をさらに備えるので、当初に調整したコンデンサーレンズ群４を変更して、より理想的な光利用効率を実現することができる。

また、本実施の形態のＬＥＤ光源装置の設計方法において、（ｃ）ＬＥＤ素子１として、そのアスペクト比が、画像投射装置に現に搭載する反射型光変調素子のアスペクト比と略同等のものを採用する工程をさらに備えるので、解像度やアスペクト比が異なる様々な反射型光変調素子に対応した画像投射装置を開発するにあたり、ＬＥＤ素子１の変更により対応することができる。

また、本実施の形態のＬＥＤ光源装置の設計方法によって設計されたＬＥＤ光源装置は、画像投射装置に搭載する反射型光変調素子を解像度やアスペクト比が異なる別のものに変更する場合でも、簡易な調整で対応することが可能である。

１ ＬＥＤ素子、２ コリメーターレンズ群、３ ダイクロイックミラー群、４ コンデンサーレンズ群、５ ライトトンネル、６ コリメーターレンズ群第１レンズ。

Claims (5)

1. 各原色光を出射する複数のＬＥＤ素子と、前記複数のＬＥＤ素子の出射光を夫々平行光に変調する複数のコリメーターレンズ群と、前記複数のコリメーターレンズ群が出力する平行光を合成するダイクロイックミラー群と、前記ダイクロイックミラー群の合成光を集光するコンデンサーレンズ群と、前記コンデンサーレンズ群で集光された光の光量分布を均一にするライトトンネルとを有するＬＥＤ光源装置と、前記ライトトンネルの出力光を光変調する反射型光変調素子とを備える画像投射装置における前記ＬＥＤ光源装置の設計方法であって、
   （ａ）前記画像投射装置に搭載可能な前記反射型光変調素子の中で最もエタンデュの大きい素子にあわせて、前記コンデンサーレンズ群を調整する工程を備える、
   ＬＥＤ光源装置の設計方法。
2. 前記工程（ａ）は、前記ライトトンネルにおける前記コンデンサーレンズ群からの光の取り込み角度に関して前記コンデンサーレンズ群を調整する工程である、
   請求項１に記載のＬＥＤ光源装置の設計方法。
3. （ｂ）前記画像投射装置に現に搭載する前記反射型光変調素子にあわせて、前記コンデンサーレンズ群を変更する工程をさらに備える、
   請求項１又は２に記載のＬＥＤ光源装置の設計方法。
4. （ｃ）前記ＬＥＤ素子として、そのアスペクト比が、前記画像投射装置に現に搭載する前記反射型光変調素子のアスペクト比と略同等のものを採用する工程をさらに備える、
   請求項１〜３のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置の設計方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置の設計方法によって設計されたＬＥＤ光源装置。

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