JP2017208347A - 固体光源装置とこれを用いた車両用灯具、映像表示装置、及び固体光源装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率が高くて色温度を自在に制御可能な固体光源装置を提供すること。
【解決手段】固体光源装置は、複数の固体光源セルをマトリクス状に配列したＮ（Ｎは２以上の整数）組の固体光源集合体と、Ｎ組の固体光源集合体に対向し各固体光源セルから発せられた光をマトリクス状のマルチレンズセルを介して入射するＮ個の入射面と、Ｎ個の入射面から入射した光を合成してマトリクス状のマルチレンズセルを介して出射する１個の出射面とを有するマルチレンズブロックと、マルチレンズブロック内で各入射面に斜交して配置され、入射する光の波長により選択的に反射又は透過するダイクロイックフィルタを備える。各固体光源セルに供給する電力の割合を制御することで、マルチレンズブロックの出射面から受光部に向けて照射する光の配光特性と色温度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の固体光源装置及びこれを用いた車両用灯具、映像表示装置、及び固体光源装置の駆動方法に関する。

近年、光学応用装置の１つである映像表示装置の光源や自動車の前照灯に電力消費効率に優れ製品寿命が長いＬＥＤ光源やレーザ光源が使用されている。特にレーザ光源に比べてＬＥＤ光源は、動作環境（温度、湿度）の制約が小さく動作が安定し、主流となっている。

映像表示装置の光源として、高光出力のＬＥＤの光源は一般には面発光光源であり、照明光学系に使用する場合にはエタンデュー（Etendue＝光源の発光面積×発散角度）の保存則から、受光部である映像表示素子へ効率良く集光できない。このため発光部分の面積が小さく直進性に優れたレーザ光源を１次光源とし蛍光体に照射し励起して光を得る新しい構成の光源方式が提案されている（特許文献１、２参照）。

他方、近年の車両用灯具では、光源にＬＥＤを使用し、プラスチック製の光学レンズ及リフレクタ（反射鏡）を用いて配光特性を制御する構成が主流となりつつある（特許文献３参照）。

特開２０１１−１５８５０２号公報 特開２０１３−１１４９８０号公報 特開２００８−４１５５７号公報

特許文献１及び特許文献２に記載された映像表示装置は、映像表示素子と、光源装置の光を映像表示素子に照射する照明光学系と、光学像を拡大して投影する投射レンズとを有する。ここに照明光学系は、複数の光源からの光束を１つの光束に集光したあと後段の照明系に照射する光源装置を使用した際に、光源装置の大型化を招かないように工夫している。

具体的には、特許文献１（図１）では、励起用の光源として偏光度が５０％より大きな１つ以上の光源（レーザ光源）３００Ｐ，３００Ｓと、一方の偏光光を透過し他方の偏光光を反射する１つ以上の偏光子２３を有し、２組の偏光方向の異なるレーザ光を組み合わせることでコンパクトで大出力の励起光源を形成し、後段の透明基材１９０上に塗布された蛍光体に、集光レンズ１４０で集光させている。この結果、蛍光体からの発光光束を効率よく、即ち前述したエタンデューを増加させることなく、後段の照明光学系に入射させることができる。

同様に特許文献２（図１）では、励起用の光源として偏光方向が異なる光源部（レーザ光源）１０，２０と、一方の偏光光を透過し他方の偏光光を反射する合成部３０を有し、２組の偏光方向の異なるレーザ光を組み合わせることでコンパクトで大出力の励起光源を形成し、後段の発光素子８０上に塗布された蛍光体に、重畳光学系７０で集光させている。

しかしながら特許文献１、２に開示される技術では、光源としてレーザ光源を使用しているため、動作環境（温度、湿度）の制約を受け、動作が安定しない場合がある。また、照射光の配光特性や色温度を自由に制御することは考慮されていない。

他方、特許文献３（図２）では、車両用灯具として、発光部８（白色ＬＥＤ）と複数の反射面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４から成るリフレクタ及びシェード面Ｓから成るプラスチック製の灯具ユニットが開示されている。ここで示されている発光部８は、面積を持った光源であり前述したエタンデューの値が大きく、４つの反射面を有していながら最適な配光特性を容易に制御することは困難である。また、発光部８は白色ＬＥＤであり灯具からの光の色温度を自在に制御することができない。

本発明は上記した課題に鑑みなされたもので、その目的は、発光効率が高くて色温度を自在に制御可能な固体光源を提供することである。また、所望の配光特性を容易に得ることができる車両用灯具を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の固体光源装置は、複数の固体光源セルをマトリクス状に配列したＮ（Ｎは２以上の整数）組の固体光源集合体と、Ｎ組の固体光源集合体に対向し、各固体光源セルから発せられた光をマトリクス状のマルチレンズセルを介して入射するＮ個の入射面と、Ｎ個の入射面から入射した光を合成してマトリクス状のマルチレンズセルを介して出射する１個の出射面とを有するマルチレンズブロックと、マルチレンズブロック内で各入射面に斜交して配置され、入射する光の波長により選択的に反射又は透過するダイクロイックフィルタを備え、各固体光源セルに供給する電力の割合を制御することで、マルチレンズブロックの出射面から受光部に向けて照射する光の配光特性と色温度を制御する構成とした。

また本発明は、固体光源装置を用いた車両用灯具において、固体光源装置からの出射光を反射するリフレクタを備え、固体光源装置は、発光点である複数の固体光源セルをマトリクス状に配列した固体光源集合体を有し、固体光源セルは、光の三原色を含む発光色を有する固体光源セルを組み合わせてなり、複数の固体光源セルから出射される光がリフレクタの異なる位置に入射する構成とした。

また本発明は、固体光源装置を用いた映像表示装置において、固体光源装置からの出射光を照射して映像光を形成する映像表示素子と、映像表示素子で形成した映像光を拡大投写する投写レンズを備え、固体光源装置は、発光点である複数の固体光源セルをマトリクス状に配列した固体光源集合体を有し、固体光源セルは、光の三原色を含む発光色を有する固体光源セルを組み合わせて構成した。

また本発明は、固体光源を発光体として用いる固体光源装置の駆動方法であって、固体光源装置から照射される光により所望の受光部で得られる照度が１７０ルクス以上で、固体光源の駆動電流はパルス波形であって、パルスの周波数は６０Ｈｚ以上とした。

本発明によれば、発光効率が高くて色温度を自在に制御可能な固体光源を提供することができる。また、所望の配光特性を容易に得ることができる車両用灯具を提供することができる。また、駆動電流を抑えたままフリッカを感じず、視覚的に明るく感じる固体光源の駆動が可能となる。

第１の実施例としての固体光源装置を示す斜視図。 第１の実施例としての固体光源装置を示す平面図。 第２の実施例としての固体光源装置を示す斜視図。 第２の実施例としての固体光源装置を示す平面図。 第３の実施例としての固体光源装置を示す平面図。 第４の実施例としての固体光源装置を示す平面図。 第５の実施例としての固体光源装置を示す平面図。 第６の実施例としての固体光源装置を示す平面図。 第７の実施例としての固体光源装置を示す平面図。 第８の実施例としての固体光源装置を示す平面図。 第９の実施例として固体光源装置を用いた車両用灯具を示す構成図。 第１０の実施例として固体光源装置を用いた車両用灯具を示す構成図。 第１１の実施例として固体光源装置を用いた車両用灯具を示す構成図。 第１２の実施例として固体光源装置を用いた車両用灯具を示す構成図。 第１３の実施例として固体光源装置を適用した映像表示装置を示す平面図。 偏光変換素子の構成を示す図。 偏光変換素子のＰＢＳ面でのＰ波とＳ波の透過率を示す図。 各材料の入射角に対する反射率を示す特性図。 点灯時間と人間が感じる明るさ感の関係を示す図。 点灯周波数と人間が感じるちらつき感の関係を示す図。 パルス駆動による視覚評価の結果を示す図。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。

図１及び図２は、本発明による第１の実施例としての固体光源装置を示す構成図であり、図１は斜視図、図２は平面図である。以下、同様に機能する部品には同一の符号を付している。
固体光源装置１は、緑色に対応した複数の固体光源セルを配列した固体光源集合体１１と、青色と赤色に対応した複数の固体光源セルを配列した固体光源集合体１２と、複数のマルチレンズセルをマトリクス状に配列した２つのマルチレンズブロック２１、２２とを有する。マルチレンズブロック２１、２２は直角二等辺三角形の断面を有し、その斜辺同士をダイクロイックフィルタ２５を介して接合している。固体光源集合体１１と固体光源集合体１２は、マルチレンズブロック２１、２２の２つの側面に対向して配置する。

固体光源集合体１１は、複数（ここでは４個）の固体光源セル１１１、１１２、１１３、１１４をマトリクス状（２×２）に配置し、各固体光源セルは緑発光のＬＥＤで構成する（固体光源セル１１４は図示せず）。エタンデューを小さくするために、各固体光源セルの発光部面積は０．５ｍｍ^２以下とする。好ましくは、０．１ｍｍ^２以下とすれば照明効率をさらに高めることができる。また、発光部からの発散光束を所望の方向に集光するため、固体光源の近傍には集光のための光学素子（図２には凸レンズとして表示）を設けている。

一方、固体光源集合体１２は、複数（４個）の固体光源セル１２１、１２２、１２３、１２４をマトリクス状（２×２）に配置し、固体光源セル１２１、１２４は青色発光のＬＥＤで、固体光源セル１２２、１２３は赤色発光のＬＥＤで構成する。これについても、エタンデューを小さくするために、各固体光源セルの発光部面積は０．５ｍｍ^２以下（好ましくは、０．１ｍｍ^２以下）とする。

マルチレンズブロック２１は固体光源集合体１１に対向し、各固体光源セル１１１〜１１４に対向する位置に、マルチレンズセル２１１〜２１４をマトリクス状に配置する（２１３，２１４は図示せず）。マルチレンズブロック２２は固体光源集合体１２に対向し、各固体光源セル１２１〜１２４に対向する位置に、マルチレンズセル２２１〜２２４をマトリクス状に配置する（２２３，２２４は図示せず）。マルチレンズブロック２２の出射面には、さらにマルチレンズセル２２５〜２２８をマトリクス状に配置する。

ダイクロイックフィルタ２５は、入射する光の波長により選択的に反射又は透過するもので、ここでは緑色波長領域の光が透過し赤色と青色波長領域の光を反射する。このダイクロイックフィルタ２５は、それぞれのマルチレンズブロック２１，２２に設けても良く、片側のマルチレンズブロックに単独で設けてもよい。いずれの場合でも、２つのマルチレンズブロックに挟まれて、その入射面（側面）に斜交して配置される。２つのマルチレンズブロック２１，２２は、組立精度が向上することや反射面が減るなどのメリットが大きい接合構造としたが、それぞれ分離されていても良い。

固体光源集合体１１の各固体光源セル１１１〜１１４から出射した緑色光束は、マルチレンズブロック２１のマルチレンズセル２１２〜２１４から入射し、ダイクロイックフィルタ２５を透過し、マルチレンズブロック２２のマルチレンズセル２２５〜２２８から出射する。
固体光源集合体１２の各固体光源セル１２１〜１２４から出射した赤色／青色光束は、マルチレンズブロック２２のマルチレンズセル２２２〜２２４から入射し、ダイクロイックフィルタ２５を反射し、マルチレンズセル２２５〜２２８から出射する。

マルチレンズブロック２２のマルチレンズセル２２５〜２２８から出射された光束は、受光部９０に拡大照射される。マルチレンズセル２２５〜２２８は、受光部９０で所望の矩形形状となるようなアスペクト比で形成される。固体光源集合体１１と固体光源集合体１２から出射された光束は、ダイクロイックフィルタ２５により合成される。例えば、固体光源セル１１１からの光束は、固体光源セル１２１からの光束と合成され、合成光束Ａとなって受光部９０の領域９０ａに照射される。固体光源セル１１２からの光束は、固体光源セル１２２からの光束と合成され、合成光束Ｂとなって受光部９０の領域９０ｂに照射される。同様に、合成光束Ｃ，Ｄ（図示せず）は受光部９０の領域９０ｃ、９０ｄに照射される。

受光部９０では、それぞれの合成光束に対応して領域９０ａ〜９０ｄに個別に拡大像が得られるので、同一受光部９０内で明るさや色度を個別に変化させることが可能となる。例えば、固体光源集合体１１の発する緑色光と、固体光源集合体１２の発する青色／赤色光を、所定の混色比で受光部９０で重畳することで、各領域で白色光を得ることができる。またこの混色比を変化させることで、色度図上で３色単独で示した座標範囲の内側に示されたさまざまな色（色温度）を表現することが可能となる。

本実施例によれば、固体光源の発光面を０．５ｍｍ^２以下とすることでエタンデューを小さく発光効率を向上することが可能となる。さらに複数の発光色を有するＬＥＤ（固体）光源を組み合わせ光の混合比を変えることで、照射光束の色温度を自在に制御できる。

なお、本実施例では、固体光源集合体１２は、青色発光の固体光源セルと、赤色発光の固体光源セルを組み合わせて構成したが、全てをマゼンダを発光色とする固体光源セルとしても良い。

図３及び図４は、本発明による第２の実施例としての固体光源装置を示す構成図であり、図３は斜視図、図４は平面図である。前記実施例１との違いは、マルチレンズブロック２２と受光部９０の間に偏光変換素子３０を設け、マルチレンズブロック２２からの出射光の偏光方向を揃えた後に受光部９０に光束を重畳する構成とした点である。

例えば、固体光源集合体１１の固体光源セル１１１から出射した緑色光束は、対向配置されたマルチレンズブロック２１のマルチレンズセル２１１により集光され、対応するマルチレンズブロック２２に設けられたマルチレンズセル２２５から拡大されて出射する。マルチレンズ２２５から拡大出射した光束は、偏光変換素子３０に入射し、偏光方向の揃った光として受光部９０に拡大投写される。

図１６は、偏光変換素子３０の構成を示す図である。偏光変換素子３０は各マルチレンズセル２２５〜２２８から出射した光束Ａ〜Ｄの偏光状態を揃えるもので、各マルチレンズセル２２５〜２２８と１対１で対応させ、複数の偏光変換セル３００を並列に並べて構成している。マルチレンズセル２２５〜２２８を出射した光束（固体光源の二次光源像）は、対応する偏光変換セル３００の入射領域３０１に入射する。

各偏光変換セル３００には、偏光分離膜として偏光ビームスプリッタ膜３０２（以下、ＰＢＳ膜）及び位相差板３０３を有する。入射領域３０１に入射した無偏光状態の光束（Ｐ波とＳ波が混在）に対し、ＰＢＳ膜３０２は、Ｐ波を透過しＳ波を反射させることで分離する。Ｐ波はＰＢＳ膜３０２を透過し、位相差板３０３で偏光方向をＳ波に変換されて出射する。一方、Ｓ波はＰＢＳ膜３０２で反射し、略平行に配置された隣のＰＢＳ膜３０２で再び反射してＳ波のまま出射する。結果として、偏光方向がＳ波に揃った光束を得ることができる。

図１７は、一般的な偏光変換素子のＰＢＳ面でのＰ波とＳ波の透過率を示す図である。Ｐ波とＳ波の透過率（または反射率）は、入射角度と波長に依存する。緑色波長領域のＰ波の透過率は、入射角度４５度に対して±２度ずれるだけで透過率が大きく低下する。一方、青色波長領域のＳ波の透過率は、入射角度４５度に対して±２度変化するだけで同様に大きく変化する。このため本実施例では、ＰＢＳ膜３０２を設けた反射面への光線入射角度が所望の範囲となるよう、テレセントリックな光学系を使用している。

実施例２では、１つのマルチレンズセルを出射した光束は、偏光変換素子３０によりＰ波とＳ波とで光路が分離する。よって受光部９０においては、マルチレンズセルで拡大した光束の全てが重畳され（合成光束Ｅで表示）、受光部９０の全面に対し均一な明るさの照明光を得ることができる。
その際、固体光源セルに対応して複数のレンズ作用を有するマルチレンズセルをマトリクス状に配置したマルチレンズブロックを複数組み合わせることで、偏光変換素子３０の光線通過率を低下させることなく、偏光方向を一定方向に揃えることが可能となる。

なお、実施例２においても、緑色を発光する固体光源集合体１１と青及び赤色を発光する固体光源集合体１２の光を所定の混色比で受光部で重畳することで、白色光を得ることができる。また、この混色比を変化させることで、色度図上で３色単独で示した座標範囲の内側に示されたさまざまな色（色温度）を表現することが可能となることは、言うまでもない。

図５は、本発明による第３の実施例としての固体光源装置を示す平面図である。本実施例は前記実施例２（図４）の構成において、固体光源セルの出射側に遮光板４１，４２を追加している。遮光板４１，４２を設けることで、固体光源セルへの戻り光（迷光）を低減し、固体光源の寿命の確保と迷光による光源光に対する悪影響を軽減するという効果を得ることができる。

図６は、本発明による第４の実施例としての固体光源装置を示す平面図である。本実施例は前記実施例２（図４）の構成において、各固体光源セル１１１，１１２、・・・に対し、集光用の光学素子として凸レンズではなく回折レンズを設けている。回折レンズは、光源の波長領域が狭帯域の場合にはそれぞれ最適設計が可能で、回折ロスを抑えて比較的自由に屈折力を制御できるため、固体光源の指向性を制御するのに適している。

図７は、本発明による第５の実施例としての固体光源装置を示す平面図である。本実施例は前記実施例１（図２）の構成において、各固体光源セル１１１，１１２、・・・を複数の固体光源から構成している。図７に示した固体光源セルは、それぞれ３×３＝９個の固体光源を含む構成としている。これに応じてマルチレンズブロック２１，２２でも、各個体光源に対向するようにマルチレンズセルを配置している。その結果受光部９０では、固体光源数に応じた複数の合成光束が照射される。

図８は、本発明による第６の実施例としての固体光源装置を示す平面図である。本実施例は前記実施例１（図２）の構成において、３つの固体光源集合体１１，１２，１３を備える。固体光源集合体１１は緑色発光の固体光源セル１１１，１１２、・・・、固体光源集合体１２は赤色発光の固体光源セル１２１，１２２、・・・、固体光源集合体１３は青色発光の固体光源セル１３１，１３２、・・・から構成される。これらの固体光源集合体に対向するよう３つのマルチレンズブロック２１，２２，２３と、出射側のマルチレンズブロック２４を設けている。そして４つのマルチレンズブロックの接合面には、２つのダイクロイックフィルタ２５，２６を設けている。各固体光源集合体１１，１２，１３から出射された３色光は、マルチレンズブロック２１，２２，２３，２４で合成されて受光部９０に照射される。

この時、緑色固体光源集合体１１、赤色固体光源集合体１２、及び青色固体光源集合体１３の発光量を制御し、所定の混色比で受光部９０で重畳することで、各領域ごとに所望の白色光を得ることができる。また、混色比を変化させることで、色度図上で３色単独で示した座標範囲の内側に示されたさまざまな色（色温度）を表現することが可能となる。また受光部９０では、実施例１と同様に、それぞれの合成光束に対応して各領域に個別に拡大像が得られるので、同一受光部９０内で明るさや色度を個別に変化させることができる。

図９は、本発明による第７の実施例としての固体光源装置を示す平面図である。本実施例は前記実施例６（図８）の構成において、マルチレンズブロック２４と受光部９０の間に重畳レンズ５０を設けている。重畳レンズ５０は、マルチレンズブロック２４からの出射光を、偏光変換素子３０と受光部９０に効率良く重ねることができる。よって、映像表示装置などの光源装置として好適である。

図１０は、本発明による第８の実施例としての固体光源装置を示す平面図である。本実施例は前記実施例７（図９）の構成において、マルチレンズブロック２４と偏光変換素子３０の間に光束変換ミラー５５を設け、偏光変換素子３０から受光部９０までの光路を直交方向に変換している。

光束変換ミラー５５は、マルチレンズブロック２４から出射する光束を集光する作用を有する。そのため光束変換ミラー５５の表面形状は、偏光変換素子３０の長軸方向（図面の奥行方向）に円筒軸を有する断面が凹面（円筒面）形状としている。この結果、偏光変換素子３０の光線通過率が向上するため、光利用効率の高い光源装置とすることができる。

さらに、偏光変換素子３０と受光部９０の間に配置した重畳レンズ５０により、受光部９０への光線入射角度を制御する。特に受光部９０として透過型映像表示素子（液晶素子）を用いる場合には、表示画面周辺においても光線入射角度を小さくすることができ、コントラスト性能が優れた明るい映像を得ることができる。

前記実施例１〜８の固体光源装置は、以下に述べる車両用灯具（ヘッドライト）や映像表示装置の光源に適用できる。

図１１は、本発明による第９の実施例として固体光源装置を用いた車両用灯具を示す構成図である。車両用灯具２は、固体光源装置１からの光束をリフレクタ７０により反射し、所望の配光特性が得られるように構成する。

固体光源装置１からの光源光束はリフレクタ７０に対し斜め前方から入射し（光軸Ｌ１）、リフレクタ７０で反射して照射光束として前方へ出射する（光軸Ｌ２）。よってリフレクタ７０の反射面の形状は、光軸Ｌ１，Ｌ２に対して対称な球面や非球面形状よりも設計自由度が大きい自由曲面形状を選ぶのが良い。

リフレクタ７０は、固体光源装置１が発光し車両が走行していない場合、炎天下で温度が１００°Ｃ近くになる。よって、リフレクタ７０の材料は、耐熱性が高い熱硬化性の樹脂を用いるのが良い。あるいは、リフレクタ７０の反射面形状の金型からの転写性に優れた熱可塑性の樹脂を用いても良い。

従来の車両用灯具では、使用される光源の発光点が単一であるため、配光特性はリフレクタの形状だけに依存し、また反射光（照射光）の色度は単一光源の発光色で決まっていた。これに対して本実施例の車両用灯具では、発光点である固体光源セルが複数存在し、それぞれの固体光源セルとリフレクタ７０との相対位置（入射位置）が異なるため、配光特性を制御する自由度が飛躍的に増大する。また、光源色は、緑、赤、青の光の三原色を含む固体光源セルを組み合わせて作るため、所望の配光色分布が得られ、従来技術にない効果を得ることができる。

一方、固体光源装置１の出射側に偏光変換素子３０を設けることで、出射光の偏光方向を揃え、リフレクタ７０の反射面での反射率を高める結果、照射光の強度を向上することができる。

図１８は、各材料の入射角に対する反射率を示す特性図である。金属反射面の反射率は、偏光方向（Ｓ波、Ｐ波）によりそれぞれ入射角度依存性がある。図１８で示されるように、材料で言えばアルミニウム（Ａｌ）が反射率が高く、偏光方向はＰ偏光よりもＳ偏光が反射率が高い。よって、リフレクタ７０の反射膜としてＡｌ膜を使用し、また偏光方向をＳ偏光に揃えることで、車両用灯具２からの反射光束が増大し、電力消費効率の良い車両用灯具が実現できる。

また図１８から分かるように、銅（Ｃｕ）などの金属やガラス（ＢＳＣ−７）においても、Ｓ偏光に対する反射率が高い。これは、対向車の車体（金属面やフロントガラス）からの反射光が強いことを意味し、法令に準じた光束量においても視認性に優れた照明光を得ることができる。
さらに、車両を運転するドライバーが前述の偏光が通過する偏光サングラスを装着することで、路面のぎらつきや対向車のヘッドライトによる視覚障害を軽減しつつ、自前の灯具（ヘッドライト）により良好な視界が得られるという付帯的な効果も得ることができる。

図１２は、本発明による第１０の実施例として固体光源装置を用いた車両用灯具を示す構成図である。本実施例の車両用灯具２は、固体光源装置１からの光束を２つのリフレクタ７１，７２により反射して照射するように構成している。

固体光源装置１からの光源光束を、第１リフレクタ７１の反射面形状により所望の光束分布を持つ１次反射光束とした後、第２リフレクタ７２にて反射させ２次反射光束（照射光束）とする。この構成では反射面を２面使用できるので、実施例９（図１１）に比べて設計自由度が増え、配光特性を細かく制御できさらに良好な特性が得られる。

この場合も、第１リフレクタ７１からの１次反射光束は第２リフレクタ７２に対し斜め前方から入射し（光軸Ｌ２）、第２リフレクタ７２で反射して照射光束として前方へ出射する（光軸Ｌ３）。よって第２リフレクタ７２の反射面の形状は、設計自由度が大きい自由曲面形状を選ぶのが良い。また本実施例においては、固体光源装置１を第２リフレクタ７２の紙面奥行方向に配置することが可能となるため、車両用灯具２の全体形状設計の自由度が増す。

図１３は、本発明による第１１の実施例として固体光源装置を用いた車両用灯具を示す構成図である。本実施例の車両用灯具２は、実施例９（図１１）の車両用灯具２において、リフレクタ７０の反射面を複数の反射面を含む複合体で形成している。複数の反射面は、固体光源装置１から出射する複数の光束に対応させている。

固体光源装置１から出射された複数の光束（図中矢印で示す）は、リフレクタ７０の対応する反射面７０ａ〜７０ｄにそれぞれ入射する。または、１つの固体光源セルからの光束を複数の反射面に入射させても良い。反射面７０ａ〜７０ｄで反射した複数の照射光束（光軸Ｌａ〜Ｌｄで示す）は前方に照射される。これにより、所望の配光特性を持つ照射光を得ることができる。

それぞれの反射面７０ａ〜７０ｄからの照射方向（光軸Ｌａ〜Ｌｄ）は一定の方向を向いても良いが、特定の配光特性（光分布）を得るために異なる方向を向かせる場合もある。特に、固体光源装置１に近い位置に設けられた反射面７０ｃ，７０ｄでは、固体光源装置１から出射する光束の広がる範囲が狭く単位面積当たりの光量が大きいため、配光特性の大まかな制御がやり易く照射光束の幅を広げるのに適している。さらに、これらの反射光の光軸Ｌｃ及びＬｄを異なる方向に向けることで、所望の配光特性を得ることができる。例えば、車両の外側に位置する反射面７０ｄにより、光軸Ｌｄを車両の外側に向けるような光分布とすれば、車両斜め前方を効率良く照明することができる。

一方、固体光源装置１から遠い位置に設けられた反射面７０ａ，７０ｂでは、固体光源装置１から出射する光束の広がる範囲が広く単位面積当たりの光量が小さいため、配光特性の細かな制御がやり易く、光束の幅を狭めてスポット的に配光するのに適している。さらに、これらの反射光の光軸Ｌａ及びＬｂを異なる方向に向けることで、所望の配光特性を得る。

さらに本実施例では、固体光源装置１とリフレクタ７０を外部雰囲気から保護するため、灯具カバー８０を設けて反射面を覆うようにしている。灯具カバー８０の形状は均一肉厚なプラスチック形状としても良いが、レンズ作用を持たせてリフレクタ７０で形成した配光特性をさらに制御しても良い。

図１４は、本発明による第１２の実施例として固体光源装置を用いた車両用灯具を示す構成図である。本実施例の車両用灯具２は、実施例１０（図１２）の車両用灯具２において、第２リフレクタ７２の反射面を複数の反射面を含む複合体で形成している。複数の反射面は、第１リフレクタ７１から反射する複数の光束に対応させている。

固体光源装置１からの光束を、第１リフレクタ７１の反射面形状により所望の光束分布を持つ１次反射光束とした後、第２リフレクタ７２にて反射させ２次反射光束（照射光束）とする。この構成では設計自由度が１面増えるので、実施例１１（図１３）に比べて配光特性を細かく制御できさらに良好な特性が得られる。

第２リフレクタ７２の反射面形状は、実施例１１（図１３）と同様に複数の反射面７２ａ〜７２ｄを有している。その場合、複数に分割された光が入射する独立した反射面７２ａ〜７２ｄを連続的に繋いだ自由曲面形状とし、それぞれの反射面の反射方向を示す光軸Ｌａ〜Ｌｄが複数の反射面で異なる方向を向くように配置する。これより、複数の照射光束の照射方向が変わり、所望の配光特性を実現することができる。
本実施例は、実施例１０（図１２）と実施例１１（図１３）を組み合わせた構成であるから、前述した両者の利点を有していることは言うまでもない。

図１５は、本発明による第１３の実施例として固体光源装置を適用した映像表示装置を示す平面図である。ここではその一例として、液晶型投写装置の構成を示す平面図である。ここに示す液晶型投写装置３では、固体光源装置１で発生した照明光を、偏光変換素子６１、重量レンズ６２を介して、ダイクロイックミラー６３，６４に導く。ダイクロイックミラー６３，６４は、照明光を青色、緑色、及び赤色に分離し、映像表示素子である３枚の液晶パネル６５，６６，６７に照射する。青色、緑色、及び赤色の映像光は、クロスプリズム６８で合成され、投写レンズ６９から拡大投写される。映像表示素子には、反射型液晶パネルを用いることもできる。本実施例では光源の発光効率が良いため、高性能の映像表示装置を実現する。

さらに、高効率な偏光変換素子を光学系内に備えた固体光源の他の利用形態として、車両用の映像表示装置として近年注目されているヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）用の光源として用いることができる。その場合には、映像光は偏波の方向により、コンバイナやフロントガラスなどの映像表示部分で反射率が大きく異なることから、コントラスト比が大きく鮮明な映像表示が可能となり、視認性に優れたディスプレイを実現できる。

実施例１４では、固体光源装置の好適な駆動方法について述べる。ここでは、光源に対する人間の眼の視覚特性として、（１）点灯時間と明るさ感の関係、（２）点灯周波数とちらつき感の関係、について検討し、駆動電流を低減しつつ、ちらつき感のないパルス駆動法を提案するものである。人間の眼の視覚特性として、明るい光源からの光は、点灯時間の長さによって相対的に明るいと感じる感じ方が異なることが知られている。また、点灯周波数（点滅周期）によって人間が感じるちらつき感が変化することも知られている。

図１９は、点灯時間と人間が感じる明るさ感の関係を示す図である。パラメータとして網膜上の照度値を変えている。同じ照度であっても、点灯時間が変わると人間が感じる明るさ感が異なる。例えば、照度１７０ルクスの照明光が相対的に最も明るく見える点灯時間は０．０５秒である。また、照度が増加するほど、点灯時間が短い方が明るく感じる。映像表示装置や車両用灯具の照明光としては、点灯時間が０．０５秒以下の場合が明るく見えることになる。

図２０は、点灯周波数と人間が感じるちらつき感の関係を示す図である。パラメータとして網膜上の明るさ（trolands）を変えている。点灯周波数ｆが５〜２０Ｈｚのときちらつき感が大きく、周波数は６０Ｈｚ以上ではちらつき感がほとんどなくなる。この傾向は、照るさに依存しない。

以上の知見から、ちらつき（フリッカ）を感じず明るく感じられるのは、光源の点滅周波数が６０Ｈｚ以上である。このような条件で固体光源装置を駆動すれば、平均電流を抑えながら視覚的に明るく感じる駆動が可能となる。すなわち、ＬＥＤの駆動電流を直流駆動からパルス駆動（ＨｉとＬｏｗの切り替え駆動）とすることで、平均電流を抑えて視覚的に明るく感じる駆動方法が存在すると考え、その検証を行った。

図２１は、パルス駆動による視覚評価の結果を示す図である。ここには、固体光源に流すドライブ電流をパルス駆動した場合、直流駆動する場合と視覚上差異のない条件、すなわち視覚的にフリッカを感じることなく同等の明るさに感じることができる事例をいくつか示している。パラメータとして、比視感度が低い発光色が青色の場合（ａ１〜ａ３）と、比視感度が高い発光色が緑色及び赤色の場合（ｂ１〜ｂ３）に分け、それぞれ、点灯周波数ｆ、Ｈｉ／Ｌｏｗの電流比率、Ｈｉ／Ｌｏｗの時間比率（デューティ）を変化させている。なお、直流駆動時の電流値を１００％としている。

（ａ１）発光色が青色で、駆動周波数ｆ＝５０Ｈｚ、Ｈｉ：Ｌｏｗの電流比率＝１２０％：６０％、Ｈｉ：Ｌｏｗの時間比率＝５０：５０の場合、フリッカ感がなく直流駆動時と同等の明るさ感であった。
（ａ２）駆動周波数ｆ＝６５Ｈｚ、Ｈｉ：Ｌｏｗの電流比率＝１３０％：５０％、時間比率＝５０：３０の場合、上記と同様の評価結果であった。
（ａ３）駆動周波数ｆ＝７２Ｈｚ、Ｈｉ：Ｌｏｗの電流比率＝１５０％：４０％、時間比率＝５０：２０の場合、同様であった。

（ｂ１）発光色が緑色で、駆動周波数ｆ＝６０Ｈｚ、Ｈｉ：Ｌｏｗの電流比率＝１２０％：７０％、Ｈｉ：Ｌｏｗの時間比率＝５０：５０の場合、フリッカ感がなく直流駆動時と同等の明るさ感であった。
（ｂ２）駆動周波数ｆ＝７５Ｈｚ、Ｈｉ：Ｌｏｗの電流比率＝１３０％：７０％、時間比率＝５０：３０の場合、同様であった。
（ｂ３）駆動周波数ｆ＝８５Ｈｚ、Ｈｉ：Ｌｏｗの電流比率＝１５０％：７０％、時間比率＝５０：２０の場合、同様であった。
（ｂ１）〜（ｂ３）については、発光色が赤色の場合も、ほぼ同様の結果であった。

以上の結果は、パルス駆動時にＨｉの電流により発光させると、眼の残光特性により視感的にはほぼ一定の明るさが継続するように感じるからと推測される（言い換えればフリッカを感じることがない）。よって、固体光源を直流電流で駆動する場合に比べ、電流効率を向上させることができる。上記の例では、電流効率の改善度は、（ａ１）で約１０％、（ａ２）で２７％、（ａ３）で２１％、（ｂ１）で約５％、（ｂ２）で２４％、（ｂ３）で１８％、であった。

パルス駆動の好適な条件は、駆動周波数が６０Ｈｚ以上で、Ｈｉ：Ｌｏｗの電流比率が６０：４０以上であれば、ＨｉとＬｏｗの時間比率が５０：５０であっても視覚的にフリッカを感じることなく明るく感じることができる。

１…固体光源装置、
２…車両用灯具、
３…映像表示装置、
１１，１２，１３…固体光源集合体、
１１１〜１１４，１２１〜１２４，１３１〜１３４…固体光源セル、
２１，２２，２３，２４…マルチレンズブロック、
２１１〜２１４，２２１〜２２４，２４１〜２４４…マルチレンズセル、
２５，２６…ダイクロイックフィルタ、
３０…偏光変換素子、
４１，４２…遮光板、
５０…重畳レンズ、
５５…光束変換ミラー、
６５〜６７…液晶パネル、
６９…投写レンズ、
７０〜７２…リフレクタ、
８０…灯具カバー、
９０…受光部。

Claims (14)

1. 固体光源を発光体として用いる固体光源装置において、
   複数の固体光源セルをマトリクス状に配列したＮ（Ｎは２以上の整数）組の固体光源集合体と、
   前記Ｎ組の固体光源集合体に対向し、前記各固体光源セルから発せられた光をマトリクス状のマルチレンズセルを介して入射するＮ個の入射面と、該Ｎ個の入射面から入射した光を合成してマトリクス状のマルチレンズセルを介して出射する１個の出射面とを有するマルチレンズブロックと、
   Ｐ偏光の光を透過しＳ偏光の光を反射する偏光ビームスプリッタ膜と、透過したＰ偏光の光をＳ偏光に変換する位相差板を有する偏光変換素子と、を備え、
   前記マルチレンズブロックの出射面から照射する光の配光特性と色温度を制御することを特徴とする固体光源装置。
2. 請求項１記載の固体光源装置において、
   前記固体光源集合体の数Ｎは２であって、
   一方の固体光源集合体は緑色を発光色とする固体光源セルで構成され、他方の固体光源集合体は赤色を発光色とする固体光源セルと青色を発光色とする固体光源セルを組み合わせて構成したことを特徴とする固体光源装置。
3. 請求項１記載の固体光源装置において、
   前記固体光源集合体の数Ｎは３であって、
   第１の固体光源集合体は緑色を発光色とする固体光源セルで構成され、第２の固体光源集合体は赤色を発光色とする固体光源セルで構成され、第３の固体光源集合体は青色を発光色とする固体光源セルで構成され、
   前記第２の固体光源集合体と前記第３の固体光源集合体は、前記マルチレンズブロックを介して対向して配置したことを特徴とする固体光源装置。
4. 請求項１記載の固体光源装置において、
   前記マルチレンズブロックの出射面から出射する光は、複数に分離されて受光部の異なる領域にそれぞれ照射され、前記受光部の領域ごとに照射する光の配光特性と色温度を制御することを特徴とする固体光源装置。
5. 請求項１記載の固体光源装置において、
   前記マルチレンズブロック内で各入射面に斜交して配置され、入射する光の波長により選択的に反射又は透過するダイクロイックフィルタを備えることを特徴とする固体光源装置。
6. 請求項１記載の固体光源装置において、
   前記マルチレンズブロックの出射面と前記偏光変換素子の間に光束変換ミラーを配置し、
   前記光束変換ミラーは、前記偏光変換素子の長軸方向に円筒軸を有する断面が凹面形状としたことを特徴とする固体光源装置。
7. 請求項１記載の固体光源装置において、
   前記固体光源セルとして、発光点面積が０．５ｍｍ２以下のＬＥＤ光源を用いたことを特徴とする固体光源装置。
8. 請求項１記載の固体光源装置を用いた車両用灯具であって、
   前記マルチレンズブロックからの出射光を反射するリフレクタを備え、
   前記マルチレンズブロックに設けた前記複数のマルチレンズセルから出射される光が、前記リフレクタの異なる位置に入射することを特徴とする車両用灯具。
9. 請求項１記載の固体光源装置を用いた車両用灯具であって、
   前記マルチレンズブロックからの出射光を反射する第１のリフレクタと、前記第１のリフレクタで分割された反射光をさらに反射する第２のリフレクタを有し、
   前記第２のリフレクタの反射面は、前記複数に分割された光が入射する独立した反射面を連続的に繋いだ自由曲面形状とし、それぞれの反射面の照射方向を示す光軸が前記複数の反射面で異なる方向を向くように配置したことを特徴とする車両用灯具。
10. 請求項８記載の車両用灯具であって、
    前記固体光源装置は前記リフレクタに対して斜め方向に配置し、かつ前記リフレクタの反射面形状はそれぞれの反射面の光線反射方向を示す光軸に対して偏心させた非球面形状もしくは自由曲面形状としたことを特徴とする車両用灯具。
11. 請求項１記載の固体光源装置を用いた映像表示装置において、
    前記固体光源装置からの出射光を照射して映像光を形成する映像表示素子と、
    前記映像表示素子で形成した映像光を拡大投写する投写レンズを備えることを特徴とする映像表示装置。
12. 請求項１１記載の映像表示装置であって、
    前記映像表示素子において前記光の配光特性と色温度を制御することを特徴とする映像表示装置。
13. 請求項１記載の固体光源装置の駆動方法であって、
    前記固体光源装置から照射される光により所望の受光部で得られる照度が１７０ルクス以上で、前記固体光源の駆動電流はパルス波形であって、前記パルスの周波数は６０Ｈｚ以上としたことを特徴とする固体光源装置の駆動方法。
14. 請求項１３に記載の固体光源装置の駆動方法であって、
    前記パルス波形は、Ｈｉレベルの電流値とＬｏｗレベルの電流値の比率が６０：４０以上で、その時間比率は５０％以下であることを特徴とする固体光源装置の駆動方法。

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