JP4003488B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子を用いたカラー表示用の照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
カラー表示可能なプロジェクタでは、回転式のカラーフィルタ等で白色光を３原色に時分割し、それに同期してライトバルブを駆動し、色毎の光を変調してカラー画像を形成する方式が採用されている。この方式では、高輝度キセノン、メタルハライド、高圧水銀灯ランプなどの白色光を照射する光源が用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この方式では、カラーフィルタで、白色光を３原色に時分割し、各色の光束を出力するため、混色が起こり易く、それを防止するために色切り換えの部分を遮光するとコントラストが低下する。また、カラーバランスを取るのが難しく、輝度の変更や、カラーバランスをユーザの好みに合わせて調整することが難しい。
【０００４】
さらに、アーク光源は、高圧電源の印加が必要なため、大きな電源ユニットが必要であり、プロジェクタの小型化を図る際の障害となっている。また、アーク光源は、寿命が１５００時間程度であり、ランプ交換の頻度が高く、ランニングコストが高い。さらに、劣化によって出力が変化するため画面の明るさをその都度、調整する必要もある。
【０００５】
これに対し、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、発光ダイオード）素子やＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ、エレクトロルミネセンス）素子などの半導体素子を光源とすると、赤色、緑色、青色をそれぞれ所望のタイミングで、所望の時間だけ間歇発光できる照明装置を提供することができる。しかしながら、現状では、半導体光源は万能ではなく、色により特性およびコストの点で偏差があり、例えば、比視感度などを考慮すると、他の色に比べて緑色の半導体素子は輝度や出力（光量）が不足する。
これを補うために、個数を増やしたり、あるいは点灯時間を長くすることも可能であるが、個数を増やすと、その色の半導体光源の面積が大きくなって光路のバランスが狂ったり、コストが大幅にアップする要因となる。また、点灯時間を延ばせば、他の色の点灯時間が削減されることになるので、明るい画像を得られ難くなったり、解像度が低下する要因となる。
【０００６】
そこで、本発明においては、長寿命で、ランニングコストが低く、さらに十分な光量で照射でき、明るく高画質なカラー画像を表示できる照明装置およびプロジェクタを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明においては、光源寿命が長く、色によっては十分な輝度の光を出力可能な半導体発光素子と、望む色の光を十分な強度あるいは光量で供給可能なアーク光源とを組み合わせたハイブリッド型の照明装置を提供する。すなわち、本発明の照明装置は、特定の色の光束を出力する少なくとも１種類の半導体発光素子を備えた第１の光源と、アーク光源を備え、当該アーク光源から少なくとも１種類の色の光束を出力する第２の光源と、第１および第２の光源から出力された光束を合成する手段と、第１または第２の光源から出力される赤色、緑色および青色の光束を異なるタイミングで照射可能な制御部とを有することを特徴としている。
【０００８】
この照明装置であれば、アーク光源により、半導体発光素子では輝度や光量が確保し難い色の光を補うことで、全ての色の光を十分な強度で出力することができる。その一方で、緑色のように、比視感度が低い色の光を含めた全ての色の光を半導体発光素子により供給しようとする照明装置よりも、低コストで製造できる可能性があり、緑色の光量も十分に確保することができる。なぜなら、アーク光源は、緑色の単色か、あるいは限られた色の光を出力（照射）できれば良いので、波長領域の狭いアーク光源であっても本発明のハイブリッド型の照明装置を構成するのに十分だからである。さらに、波長領域の狭いアーク光源であれば、種々のアーク光源の中から選択できる幅が広がる。また、アーク光源の長波長側の出力は、半導体光源でカバーできるので、低圧ランプにすることが可能であり、アーク光源の耐久性を向上でき、ランニングコストを抑えられる。さらに、短波長側の出力も半導体光源でカバーできるので、短波長側の出力も削減したり、フィルタなどによりカットすることができる。したがって、照明装置によって照らされるライトバルブの耐久性を向上できる。このように、照明装置をハイブリッド化し、アーク光源から出力が要求される色を限定することによるアーク光源のメリットは多い。
【０００９】
一方、アーク光源と半導体発光素子とをハイブリッド化することにより、半導体光源としてのメリットは十分に活かすことができる。すなわち、半導体発光素子の点灯時間を調整することにより、照明装置から出力される光のカラーバランスを変更することは極めて容易となる。したがって、アーク光源の出力が低下した場合でも、半導体発光素子の側で所望の色バランスを実現できる。また、半導体発光素子の発光周波数を３００Ｈｚ程度あるいはそれ以上に高くすることにより、サッケード現象時のカラーブレイクアップも低減することができる。
【００１０】
また、ライトバルブがオン時間内においても、半導体発光素子を間歇発光させることで、光源の側の温度上昇を抑える制御も可能となる。間歇発光させても、光量積分により十分な輝度を確保でき、輝度が不足する色についてはアーク光源からの出力を利用できる。
【００１１】
このように、本発明の照明装置は、間歇発光によりカラーバランスや光量の高精度な制御が可能な半導体発光素子を備えた第１の光源と、高レベルな制御は不可能であるが、所望の色の強い光を供給可能なアーク光源を備えた、連続発光（常時発光）タイプの第２の光源とを組み合わせたハイブリッドの照明装置である。そして、単に、半導体発光素子で十分な強度が得られない色の光をアーク光源で補償するだけでなく、アーク光源の寿命を延ばし、また、ライトバルブの寿命を延ばすという、効果を得ることができる照明装置である。したがって、種類の異なる光源を備えたことによるコストアップに対し、比視感度の低い色の半導体発光素子の数を低減できるコストダウンの効果や、アーク光源などの耐久性を向上できることによるコストダウンの効果を加味すると、ハイブリッド化により、所望のカラーバランスで明るい光を出力することができる低コストの照明装置を提供することが可能となる。
【００１２】
したがって、本発明の照明装置を用いて、この照明装置から出力される各色の光束に基づいて画像を形成するライトバルブと、形成された画像を投射する投射レンズとを設けることで、明るく高画質なカラー画像を表示でき、低コストなプロジェクタを提供できる。
【００１３】
ハイブリッド型の照明装置においては、第１の光源と第２の光源から各々異なる色の光束を出力するようにしても良い。半導体発光素子がＬＥＤであれば、第２の光源から、ＬＥＤ素子では比視感度が低い緑色の光を出力することにより、低コストでカラーバランスの良い光を出力する照明装置を提供できる。また、半導体発光素子を備えた第１の光源と、アーク光源を備えた第２の光源とから、少なくとも１つの同じ色の光束を出力するように構成することも可能である。例えば、ＬＥＤ素子では比視感度が低い緑色の光をアーク光源と、半導体発光素子により出力することにより、緑色の光の強度も半導体発光素子で制御し、より高度にカラーバランスを調整でき、また、アーク光源の光量の変化も半導体発光素子で制御できる。その一方で、比視感度が低い色の光を半導体発光素子からも、アーク光源からの光に影響を与える程度は出力する必要があるので、コストは増加する。
【００１４】
アーク光源は、単色の光源でも良いが、白色光源を用いて、出力された白色光を色フィルタにより各色の光に時分解しても良い。白色光源から単色を得ようとすれば、特定のタイミングで特定の色の光束を出力し、他のタイミングでは遮断するフィルタを採用できる。色フィルタとして回転駆動されるフィルタを採用する場合は、特定の色の光束を通過するフィルタ部と、遮光部とを配置することで、上述した制御部を介して、所望の色のみを、所望のタイミングで出力することができる。これにより、半導体発光素子では不足する色の光を、半導体発光素子で制御可能な範囲で適当な量だけバックアップすることにより、上述した半導体発光素子のメリットを活かしたハイブリッドな照明装置を提供できる。
【００１５】
さらに、アーク光源の光量の変動を積極的に半導体発光素子で補償する場合は、制御部で、第１および第２の光源の出力をモニタリングして出力調整することができる。これにより、さらに良好なカラーバランスを維持できる。
【００１６】
上述したように、第１の光源の半導体発光素子としては、ＬＥＤ素子が現状では最も一般的であり、本発明の照明装置により、ＬＥＤ素子のうち、比視感度の高い赤色および青色のＬＥＤ素子を有効に活用した照明装置を提供できる。すなわち、ＬＥＤ素子を用いた照明装置は、緑色のＬＥＤ素子の比視感度が低いために、赤色および青色のＬＥＤ素子は十分な性能を備えているにも関わらず実用化が難しかったが、本発明においてハイブリッド化することにより、プロジェクタの光源などとして、実際に利用することができるＬＥＤ素子を光源として用いた照明装置を提供できる。また、半導体発光素子は、ＬＥＤ素子に限らず、有機ＥＬ素子または無機ＥＬ素子を用いることも有用である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明の照明装置１０と、それを備えたプロジェクタ１の概略構成を示してある。このプロジェクタ１は、照明装置１０と、この照明装置１０から出射される赤色の光束７１Ｒ、緑色の光束７１Ｇおよび青色の光束７１Ｂを合成するダイクロイックプリズム４０と、各々の色の光を画像信号により変調する透過型の液晶パネル（ＬＣＤ）のライトバルブ６０と、このライトバルブ６０により変調された光束７３をスクリーン６５に投射し、カラー画像をスクリーン６５の上に形成する投射レンズ６２とを備えている。
【００１８】
照明装置１０は、ＬＥＤ素子を用いた第１の光源２０と、アーク光源を用いた第２の光源３０とを有するハイブリッド型である。さらに、これらの光源２０および３０から出力された光束を共通の光路上に導く光合成プリズム（キュービックプリズム）４０と、この光合成プリズム４０へ光源２０および３０から出力される各色の光束のタイミングを制御する制御部５０とを備えている。
【００１９】
第１の光源２０は、半導体発光素子としてＬＥＤ素子を採用しており、赤色の光束７１Ｒを出力する複数のＬＥＤ素子２１Ｒと、青色の光束７１Ｂを出力する複数のＬＥＤ素子２１Ｂとが光合成プリズム４０の入力面４１および４２にそれぞれ対向するように平面的に配置されている。
【００２０】
第２の光源３０には、白色光７１を出力するキセノンアークランプ３１を光源として採用し、このランプ３１と光合成プリズム４０の入力面４３との間に白色の光束７０を時分解して特定の色の光束を取り出す色フィルタ３２が設けられている。色フィルタ３２は、図２に示すように、円盤状で中心３３をモータ３８により回転駆動することにより光束を色分解するフィルタである。本例では、白色光７０から緑色の光束７１Ｇを取り出すフィルタ部３４Ｇと、光束７０を遮断する遮光部３５とが設けられており、この色フィルタ３２が回転する周期の一定期間にわたり、第２の光源３０からは緑色の光束７１Ｇが出力される。
【００２１】
制御部５０は、第１の光源２０のＬＥＤ素子２１ＲおよびＬＥＤ素子２１Ｂの点灯または点滅するタイミングをコントロールするドライバ５１と、このドライバ５１と色フィルタ３２を回転駆動するモータ３８のドライバ３７とに同期信号φ２を出力するタイミングジェネレータ５３が設けられている。このタイミングジェネレータ５３からの同期信号φ２は、ライトバルブ６０のドライバ６１にも供給されている。
【００２２】
したがって、このタイミングジェネレータ５３によりライトバルブ６０、第１の光源２０および第２の光源３０が同期して制御される。このため、第１の光源２０から出力される光束７１Ｒおよび７１Ｂ、および第２の光源３０から出力される光束７１Ｇのタイミングに合わせてライトバルブ６０は各色の画像データφ１で駆動され、各色の光７１Ｒ〜７１Ｂを変調する。その結果、各々の色の画像がスクリーン６５に投影され、フルカラーの画像が出力されることになる。
【００２３】
本例の照明装置１０は、さらに、合成プリズム４０で合成された光束７１Ｒ〜７１Ｂが出力されライトバルブ６０に至る光路上に配置されたフォトセンサー５８を備えている。このセンサー５８はライトバルブ６０に入力される光束７１Ｒ〜７１Ｂの強度をモニタすることが可能であり、その結果によりコントローラ５９を介して第１の光源２０および第２の光源３０をフィードバック制御する。このため、所望のカラーバランスを設定しておけば、そのカラーバランスに設定されるように第１の光源１０および／または第２の光源２０から出力される各色の光束７１Ｒ〜７１Ｂの光量を自動的に調整できる。たとえば、第１の光源２０であれば、ＬＥＤ素子２１Ｒまたは２１Ｂでは、それぞれの発光時間（開口時間）、発光パワーまたは発光個数を調整することができる。第２の光源３０であれば、キセノンアークランプ３１の電圧を、ランプ用電源のバラスト３９などの手段により調整することで強度を制御できる。
【００２４】
本例の照明装置１０は、第１の光源２０ではＬＥＤ素子２１Ｒおよび２１Ｂを用い、第２の光源３０ではアーク光源３１を用いているので、２種類の光源を使したハイブリッドタイプの照明装置である。そして、第１の光源２０および第２の光源３０から全ての色の光束を出力するのではなく、第１の光源２０からは赤色の光束７１Ｒと、青色の光束７１Ｂとを出力し、第２の光源３０からは緑色の光束７１Ｇを出力している。したがって、アーク光源３１から、ＬＥＤ素子では輝度や光量が確保し難い緑色の光束７１Ｇを補うことができる。このため、本例の照明装置１０は主にＬＥＤ素子を利用した照明装置であるが、全ての色の光を十分な強度で出力することができる照明装置となっている。
【００２５】
また、第２の光源３０では、アーク光源３１から、緑色の単色光７１Ｇを出力すればよいので、白色光源であるとしても、緑色の帯域の強度が十分であれば、他の色の帯域の強度は要求されない。したがって、アーク光源３１として、緑色の波長領域の出力が高ければ良い光源を選択することが可能である。このため、青色から赤色までの可視領域全体に渡り十分な強度を要求される通常の照明装置用の光源と比較すると、遥かにスペックは緩くなる。このため、十分な発光強度を備えたアーク光源を、低コストで選択できる。本例のキセノンアークランプ３１はその一例であり、さらに、赤色の波長を含む長波長領域は不要なので、低圧タイプ、例えば１００気圧以下程度のタイプのランプを採用することができる。低圧タイプを採用することにより、ランプ３１の劣化を回避でき、ランプ３１の寿命を大幅に延長できる。したがって、アーク光源３１を用いた照明装置であるといっても、従来のアーク光源のみを利用した照明装置と比較するとランプの寿命は長く、ランプの交換頻度は非常に低くなる。このため、ランニングコストは大幅に低減される。
【００２６】
さらに、アーク光源３１の発光周波数帯が限られるということは、短波長側も完全にカットできることを意味する。このため、ライトバルブ６０に液晶デバイスなど有機系変調素子を用いている場合には、ライトバルブの光劣化を防止でき、ライトバルブの耐久性の向上も実現できる。アーク光源の場合、ＬＥＤ素子などの半導体発光素子と比較すると、出射される光束の波長領域は非常にブロードであり、十分な青色の光を出力しようとすると、それに付随して紫外線あるいは近紫外線の強度も高くなりやすい。したがって、光劣化という問題が発生する。これに対し、本例のハイブリッドタイプの照明装置１０であれば、青色の光束７１は出力波長領域の狭いＬＥＤ素子２１Ｂが担当するので、紫外線の出力を極力抑えることができる。
【００２７】
このように、本例のハイブリッド型の照明装置１０は、従来のアークランプだけを用いた照明装置と比較すると多くのメリットを備えている。さらに、ハイブリッド型であるので、ＬＥＤ素子を用いた照明装置としてのメリットも備えている。すなわち、第１の光源２０のＬＥＤ素子２１Ｒおよび２１Ｂは点灯時間を個別にフレキシブルに制御できる。したがって、第１の光源２０では、ＬＥＤ素子２１Ｒおよび２１Ｂが、ライトバルブ６０の画像データφ１に同期して点灯するので、間歇発光となり、照明装置の温度上昇を抑制できる。
【００２８】
また、本例の照明装置１０は、カラーブレイクアップに対しても対処し易い。カラーブレイクアップは、動画のときに移動画像の残像が虹色に色分解されて見える現象であるが、これを防止するには分割時間を短くすることが有効であり、少なくともＬＥＤ素子２１Ｒおよび２１Ｂで対応している赤色および青色については光のロスとは無関係に時分割を増やし、あるいは分割時間を短くすることができる。したがって、ＬＥＤ素子の発光周波数を３００Ｈｚ程度あるいはそれ以上に高くすることにより、サッケード現象時のカラーブレイクアップを低減することができる。
【００２９】
また、照明装置から出力される光のカラーバランスを変更することは極めて容易となる。すなわち、まず、ＬＥＤ素子のうち、比視感度が低い緑色のＬＥＤに代わってアーク光源３１からの光束７１Ｇを得ているので、比視感度の高い赤色のＬＥＤ素子２１Ｒおよび青色のＬＥＤ素子２１Ｂからの光束７１Ｒおよび７１Ｂと同程度の光量の光束を簡単に得ることができる。したがって、ＲＧＢ各色の光量を十分に確保でき、本例の照明装置１０をプロジェクタ１の光源とすれば、鮮やかな自然色を表現することができる。そして、ＬＥＤ素子２１Ｒあるいは２１Ｂの発光時間、発光量さらには発光する個数は、フレキシブルに変更できるので、アーク光源３１から出力される緑色の光束７１Ｇの可変量は少ないとしても、他の赤色の光束７１Ｒおよび青色の光束７１Ｂの光量を調整することにより、全体のカラーバランスをフレキシブルに設定できる。
【００３０】
さらに、このハイブリッド型の照明装置１０であると、ＬＥＤ素子２１Ｒおよび２１Ｂを緑色の光束７１Ｇが出力される時間内に同時点灯することにより、所望の時間だけ高輝度の白色を出力することが可能となる。したがって、プロジェクタ１の光源として採用することにより、明るい画面が要求されるプレゼンテーションモードにおいても十分な性能を発揮できる。したがって、本例の照明装置１０を採用することにより、シネマモードでは鮮やかな自然色を表現でき、プレゼンテーションモードでは白を交えた、明るい画像を投影することができるプロジェクタ１を提供することが可能となる。
【００３１】
なお、第２の光源３０のアーク光源は、上記に示したアーク光源であるキセノンアークランプ３１に限らず、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、白熱ランプ、ハロゲンランプなどであっても良い。さらに、上記では、第１の光源２０としてＬＥＤ素子を例に説明しているが、これに限らず、半導体発光素子として実用化されている無機ＥＬ、有機ＥＬなども同様に用いることができる。
【００３２】
さらに、上記ではライトバルブ６０に透過型の液晶デバイスを例に説明しているが、これに限らず、エバネセント光を抽出する光スイッチングデバイスや、マイクロミラーデバイス等と本発明の照明装置を組み合わせることにより、同様に、低コストで、明るい高品質なカラー画像を、高速で表示できるプロジェクタを提供できる。
【００３３】
また、上記のハイブリッド型の照明装置１０においては、第１の光源２０と第２の光源３０からそれぞれ異なる色の光束を出力しているが、半導体発光素子を備えた第１の光源１０と、アーク光源を備えた第２の光源２０とから、同じ色の光束を出力するように構成することも可能である。例えば、比視感度は低いが適当な量の緑色のＬＥＤ素子を第１の光源１０に用意し、緑色の光束７１Ｇの強度も半導体発光素子にて制御し、より高度にカラーバランスを調整できるようにすることが可能である。また、アーク光源のエージングによる強度低下の補償もし易くなり、全体の光量が低下してしまうことを防止できる。しかしながら、比視感度が低いので、アーク光源からの光束に十分に影響を与える程度にＬＥＤ素子を用意する必要があるためコストは増加する。
【００３４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の照明装置は、光源寿命が長く、輝度の高い、さらに光量の制御が容易な半導体発光素子と、半導体光源では比視感度が低く十分な強度が得られない色の光を出力することができるアーク光源とを組み合わせたハイブリッドタイプの照明装置である。このため、半導体光源の特性を活かしながら、全ての色の光を十分な強度で出力できる照明装置を提供できる。さらに、アーク光源の負荷が限定されるので、アーク光源の寿命を延ばすことができる等、ハイブリッド化により多くのメリットを持った照明装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の照明装置を用いたプロジェクタの概要を示す図である。
【図２】図１に示す第２の光源の色フィルタを模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ プロジェクタ
１０ 照明装置
２０ 第１の光源
２１Ｒ 赤色のＬＥＤ素子、２１Ｂ 青色のＬＥＤ素子
３０ 第２の光源
３１ アーク光源
３２ 色フィルタ
３３ シャフト、３４ フィルタ部、３５ 遮光部、３８ モータ
４０ 光合成プリズム
５０ 制御部
５１ ＬＥＤドライバー
５３ タイミングジェネレータ
５８ センサー、５９ コントローラ
６０ ライトバルブ
７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂ 各色の光束

Claims (12)

1. 特定の色の光束を出力する少なくとも１種類の半導体発光素子を備えた第１の光源と、
   アーク光源を備え、当該アーク光源から少なくとも１種類の色の光束を出力する第２の光源と、
   前記第１および第２の光源から出力された前記光束を合成する手段と、
   前記第１または第２の光源から出力される赤色、緑色および青色の光束を異なるタイミングで照射可能な制御部とを有する照明装置。
2. 請求項１において、前記第１の光源と前記第２の光源からそれぞれ異なる色の光束が出力される照明装置。
3. 請求項１において、前記第１の光源と前記第２の光源から少なくとも１つの同じ色の光束が出力される照明装置。
4. 請求項１において、前記アーク光源は白色光源であり、前記第２の光源は、白色光を各色の光に時分解する色フィルタを備えている照明装置。
5. 請求項１において、前記アーク光源は白色光源であり、前記第２の光源は、特定のタイミングで特定の色の光束を出力し、他のタイミングでは光束を遮断する色フィルタを備えている照明装置。
6. 請求項５において、前記色フィルタは回転駆動されるフィルタであり、特定の色の光束を通過するフィルタ部と、遮光部とが配置されている照明装置。
7. 請求項１において、前記第２の光源は特定の色の光だけを出射する照明装置。
8. 請求項１において、前記第１の光源の半導体発光素子は、ＬＥＤ素子である照明装置。
9. 請求項８において、前記ＬＥＤ素子は赤色および青色の光束を出力する２種類のＬＥＤを備えている照明装置。
10. 請求項１において、前記半導体発光素子は、有機ＥＬ素子または無機ＥＬ素子である照明装置。
11. 請求項１において、前記制御部は、前記第１および第２の光源の出力をモニタリングし、出力を調整する照明装置。
12. 請求項１に記載の照明装置と、
    この照明装置から出力される各色の前記光束に基づいて画像を形成するライトバルブと、
    前記形成された画像を投射する投射レンズとを有するプロジェクタ。

Images