JP4411923B2 - 照明装置、表示装置及びプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、照明装置、特に固体発光素子を光源とする照明装置、この照明装置を備える表示装置及びプロジェクタに関する。

近年、プロジェクタの光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）等の固体発光素子を用いることが提案されている。固体発光素子は、特定の波長領域の光を放射するため、色純度の高い光を得ることができる。固体発光素子をプロジェクタに用いると、各々の固体発光素子の発光輝度特性のばらつきや発光部の形状のばらつきにより、スクリーン上に投写された画像に色むらを生じてしまう。このような色むらを低減する方法が、例えば、以下の特許文献に開示されている。

特開２０００−１５５５４５号公報 特開２００１−２０９３４２号公報

しかしながら、特許文献１では、特殊なカライドスコープを必要としてしまう。また、特許文献２に開示された構成では、光源の駆動信号を補正する制御系を設けている。このように何れの文献においても、簡便な構成で色むらを低減することはできないので問題である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡便な構成で被照射面の色むらを低減した照明装置、この照明装置を備える表示装置及びプロジェクタ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に、第１の発明によれば、異なる波長領域の照明光を供給する少なくとも２つの発光部と、各発光部ごとに設けられ、所定面において発光部の像の大きさと形状との少なくとも一方が略同一となるように発光部を結像させる結像光学系とを有することを特徴とする照明装置を提供できる。

発光部として、例えばＬＥＤ等の固体発光素子を用いることができる。発光部は、異なる波長領域の光を供給する。本照明装置をプロジェクタの光源として用いる場合、少なくとも２つの発光部からの、異なる波長領域の光を所定面又はその共役面である被照射面に照射する。このとき、固体発光素子は、発光チップの電極パターンの形状や大きさ、ボンディングワイヤの形状や大きさ、ボンディングパッドの形状や大きさなどがそれぞれ異なっている場合がある。ここで、形状とは、形及び位置を含めたものをいう。この場合、所定面における複数の発光部の像は、相互に電極パターン等の大きさや形状が異なったものとなる。このため、例えば、赤色光（以下、「Ｒ光」という。）を供給する発光部の像と、緑色光（以下、「Ｇ光」という。）を供給する発光部の像との形状や大きさが異なってしまう。これにより、色むらが生ずる。これに対して、第１の発明では、各発光部ごとに設けられ、所定面において発光部の像の大きさと形状との少なくとも一方が略同一となるように発光部を結像させる結像光学系を設けている。この結果、所定面又はその共役面である被照射面において、各発光部の像の大きさと形状との少なくとも一方を略一致させることができる。好ましくは、各発光部の像の大きさと形状との両方を略一致させることが望ましい。これにより、簡便な構成で、所定面又はその共役面である被照射面において色むらの低減された照明光を得ることができる。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、発光部は、赤色光を供給する第１色光用発光部と、緑色光を供給する第２色光用発光部と、青色光を供給する第３色光用発光部とからなることが望ましい。Ｒ光を供給する第１色光用発光部と、Ｇ光を供給する第２色光用光源部と、青色光（以下、「Ｂ光」という。）を供給する第３色光用発光部との３つの発光部を用いることで、高い色純度のフルカラー照明を行うことができる。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、所定面を複数の領域に分割し、各領域ごとに発光部と結像光学系とが設けられていることが望ましい。これにより、色むらの低減された照明光を大きな所定面に供給できる。また、結像光学系を調整することで、各領域ごとに明るさ（照度）を変化させることもできる。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、入射端面より入射した照明光を内壁又は外壁に反射させて射出端面より射出させるロッドをさらに有し、ロッドは、所定面と入射端面とが略一致する位置に設けられていることが望ましい。本態様のロッドは、いわゆるロッドインテグレータとして機能する。このため、ロッドの射出端面又はその共役面では、重畳的に均一な色むらの低減された照明光を得ることができる。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、照明光を複数の部分光に分割してそれぞれ集光する複数のフライアイレンズからなるレンズアレイと、部分光を被照射面に重畳させる重畳レンズとをさらに有し、レンズアレイは、フライアイレンズと所定面とが略一致する位置に設けられていることが望ましい。本態様のレンズアレイは、いわゆるフライアイインテグレータとして機能する。このため、レンズアレイの被照射面では、重畳的に均一な色むらの低減された照明光を得ることができる。

また、第２の発明によれば、上述の照明装置と、所定面、又は所定面の共役面の位置に設けられ、入射光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置とを有することを特徴とする表示装置を提供できる。これにより、例えば、直視型の表示装置において、簡便な構成で色むらの低減された表示像を得ることができる。

また、第３の発明によれば、上述の表示装置と、変調された光を投写する投写レンズとを有することを特徴とするプロジェクタを提供できる。これにより、簡便な構成で色むらの低減された投写像を得ることができる。

以下、添付図面に基づいて、本発明の実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る照明装置１００の概略構成を示す。発光部１０１は、Ｒ光を供給する第１色光用発光部であるＲ光用ＬＥＤ１０１Ｒと、Ｇ光を供給する第２色光用発光部であるＧ光用ＬＥＤ１０１Ｇと、Ｂ光を供給する第３色光用発光部であるＢ光用ＬＥＤ１０１Ｂとから構成される。また、各色光用ＬＥＤ１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂごとに結像光学系１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂがそれぞれ設けられている。図１においては、結像光学系１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂは正屈折力の両凸単レンズであるが、これに限られず複数枚のレンズからなる光学系でも良い。結像光学系１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂは、所定面である被照射面１０３において、Ｒ光用ＬＥＤ１０１Ｒと、Ｇ光用ＬＥＤ１０１Ｇと、Ｂ光用ＬＥＤ１０１Ｂとの像の大きさと形状（位置を含む）との少なくとも一方が略同一となるように結像させる。

さらに、各色光用ＬＥＤ１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂは、被照射面１０３において、その像が相互に略同一となるように配置されている。例えば、Ｒ色光用ＬＥＤ１０１ＲとＢ色光用ＬＥＤ１０１Ｂとは、Ｇ色光用ＬＥＤ１０１Ｇを中心として対称な位置に設けられている。さらに、各色光用ＬＥＤ１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂそれぞれについて、電極パターン、電極形状、ボンディングワイヤの位置等が同一方向に揃うように配置されている。

図２は、Ｒ光用ＬＥＤ１０１Ｒの被照射面１０３における像を示す。被照射面１０３においては、図２に示すように、Ｒ光用ＬＥＤ１０１Ｒの電極パターン１０５やボンディングワイヤ１０４が結像光学系１０２Ｒにより結像される。Ｇ光用ＬＥＤ１０１ＧやＢ光用ＬＥＤ１０１Ｂの電極パターン１０５やボンディングワイヤ１０４も、Ｒ光用ＬＥＤ１０１Ｒの像に略重なって結像する。このように、各色用ＬＥＤ１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂの電極パターンやボンディングワイヤの像の大きさと形状（位置を含む）が相互に略同一となる。このため、被照射面１０３における色むらを低減できる。

また、照明装置１００は、Ｒ光用ＬＥＤ１０１ＲとＧ光用ＬＥＤ１０１ＧとＢ光用ＬＥＤ１０１Ｂとの３つの固体発光素子を用いて照明する。これにより、高い色純度のフルカラー照明を行うことができる。

図３は、本発明の実施例２に係る照明装置３００の概略構成を示す。本実施例では、所定面である被照射面１０３は、３つの領域１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃに分割されている。そして、各領域１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃごとに、それぞれ発光部１０１Ｘ、１０１Ｙ、１０１Ｚが設けられている。さらに、各発光部１０１Ｘ、１０１Ｙ、１０１Ｚは、上記実施例１と同様に３つの各色光用ＬＥＤ１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂと、結像光学系１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂとから構成されている。

ロッドレンズ３０１は、被照射面１０３を所定の位置へリレーして結像する。これにより、被照射面１０３と共役な面において色むらの低減された照明を行うことができる。本実施例の構成は、特に大きな領域の被照射面１０３を照明する場合に好適である。また、各発光部１０１Ｘ、１０１Ｙ、１０１Ｚごとに結像光学系１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂの調整を行うことで、各領域ごとの明るさ（照度）を変化させることができる。さらに、各発光部１０１Ｘ、１０１Ｙ、１０１Ｚからの照明光は、照明領域の周辺部で光量が低下する場合がある。このため、図３に示すように、各発光部１０１Ｘ、１０１Ｙ、１０１Ｚは、それぞれ各領域１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃよりも多少大きめの領域を照明することが望ましい。これにより、例えば、領域１０３ａと領域１０３ｂとの境界部分では、発光部１０１Ｘと発光部１０１Ｙとの両方の照明光が重複して照射される。この結果、各発光部１０１Ｘ、１０１Ｙ、１０１Ｚからの照明光の周辺光量が低下している場合でも、各領域１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃの境界部分では、照明光量の低下を低減できる。

図４は、本発明の実施例３に係る直視型の表示装置４００の概略構成を示す。上記実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。表示装置４００は、発光部１０１と、ロッド４０１と、リレーレンズ４０２と、液晶ライトバルブ４０３とから構成される。ロッド４０１は、所定面である被照射面１０３と入射端面４０１ａとが略一致する位置に設けられている。Ｒ光用ＬＥＤ１０１ＲとＧ光用ＬＥＤ１０１ＧとＢ光用ＬＥＤ１０１Ｂとからの各色光は、ガラス材料（ＢＫ７、石英等）からなる四角柱の形状をしたロッド４０１の入射端面４０１ａより入射する。そして、ロッド４０１の外壁における界面の全反射条件を利用して外壁に反射しながら照明光を射出端面４０１ｂより射出する。このように、導光路が中空ではなく特定の光学部材が充填されている、いわゆるソリッド型ロッドインテグレータは、全反射条件（ＴＩＲ条件）に従って反射させて導光する。このため、界面において略１００％の反射率を得ることができる。従って、中空のロッドインテグレータに比較して光の伝達効率が向上する。なお、ロッド４０１は、四角柱の形状に限らず、内面を反射膜で形成した中空のロッドであっても構わない。

ロッド４０１は、いわゆるロッドインテグレータとして機能するため、ロッド４０１の射出端面４０１ｂ又はその共役面では、重畳的に均一な照明光を得ることができる。リレーレンズ４０２は、ロッド４０１の射出端面４０１ｂを共役面に結像する。そして、この共役面に空間光変調装置である透過型の液晶ライトバルブ４０３が設けられている。液晶ライトバルブは、照明光を画像信号に応じて変調して射出する。各色光用ＬＥＤ１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂは、それぞれ順番に点灯して、液晶ライトバルブ４０３を照明する。観察者は、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の変調光を時間的に積分してフルカラー像を観察する。

この構成において、ロッド４０１の射出端面４０１ｂ又はその共役面では、重畳的に均一な色むらの低減された照明光を得ることができる。また、ロッド４０１の入射端面４０１ａでは、各色光用ＬＥＤ１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂの大きさと形状（位置を含む）が相互に略同一となる。このため、被照射面１０３における色むらを低減できるので、観察者は矢印Ａ方向から高品質な表示画像を観察できる。

また、Ｒ光とＧ光とＢ光とを順次投写して、全体として白色の投写画像を得るためには、Ｇ光の光束量を全体の光束量に対して６０％から８０％程度にする必要がある。このため、Ｒ光用、Ｂ光用、及びＧ光用の各ＬＥＤを同数量ずつ配列した場合は、Ｇ光用ＬＥＤ１０１Ｇの点灯時間を、Ｒ光用、Ｂ光用のＬＥＤの点灯時間よりも長くすること、又はＧ光用ＬＥＤ１０１Ｇの駆動電流を大きくしてＲ光用、Ｂ光用のＬＥＤよりも発光強度を大きくすることが望ましい。

図５は、本発明の実施例４に係るプロジェクタ５００の概略構成を示す。上記実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。プロジェクタ５００は、発光部１０１と、平行化レンズ５０１と、フライアイレンズ５０２、５０３と、重畳レンズ５０４と、透過型の液晶ライトバルブ５０５と、投写レンズ５０６とから構成される。

平行化レンズは、発光部１０１からのＲ光、Ｇ光、Ｂ光を略平行光に変換してフライアイレンズ５０２へ導く。フライアイレンズ５０２、５０３は、矩形状の輪郭を有する微小レンズをマトリックス状に配列したレンズアレイである。各微小レンズの外形形状は、光軸方向から見た場合には、照明光を電気的信号に基づいて変調して画像光を形成する空間光変調器である液晶ライトバルブ５０５の画像形成領域の外形形状とは略同一の形状となるように構成されている。

フライアイレンズ５０２は、発光部１０１から放射された照明光を複数の部分光に分割して、部分光毎にフライアイレンズ５０３の各微小レンズに集光させる。フライアイレンズ５０３は、複数に分割された部分光を各部分光毎に射出して、重畳レンズ５０４に入射させる。そして、重畳レンズ５０４は、複数に分割された部分光を重畳させて、液晶ライトバルブ５０５に照射する。さらに、重畳レンズ５０４は、液晶ライトバルブ５０５の画像形成領域のみならず、画像形成領域に共役な面上に照明光を重畳させても良い。画像形成領域に共役な面に照明光を重畳させた場合は、リレー光学系又はリレー結像手段を用いて重畳された照明光を画像形成領域上に結像させる。そして、各色光用ＬＥＤ１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂは、それぞれ順番に点灯して、液晶ライトバルブ４０３を照明する。投写レンズ５０６は、液晶ライトバルブ５０５で変調された光をスクリーン５０７へ投写する。観察者は、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の変調光を時間的に積分して認識するためフルカラー像を観察できる。

ここで、フライアイレンズ５０２は、所定面である被照射面１０３に略一致する位置に設けられている。フライアイレンズ５０２、５０３とからなるレンズアレイは、いわゆるフライアイインテグレータとして機能する。このため、レンズアレイからの照明光の重畳面では、均一な照明光を得ることができる。さらに、フライアイレンズ５０２の入射端面では、各色光用ＬＥＤ１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂの大きさと形状（位置を含む）が相互に略同一となる。このため、被照射面１０３及びその共役面である重畳面における色むらを低減できる。これにより、観察者は、スクリーン５０７において、色むらの低減された高品質な投写画像を観察できる。

最後に、本発明の実施例として示してきたレンズアレイ、重畳レンズ、ロッド、結像光学系、液晶ライトバルブ等における配置、形状、形態、大きさ等は、各実施例で使われた光学系の適用に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で他の光学系に適用しても構わない。また、空間光変調装置も液晶ライトバルブに限られるものではなく、例えば、ＤＭＤ（テキサスインスツルメント社製）を用いることもできる。

以上のように、本発明に係る照明装置は、固体発光素子を用いる装置に有用であり、特に、直視形の表示装置やプロジェクタに適している。

実施例１の照明装置の概略構成を示す図。 実施例１の照明装置の光源像を示す図。 実施例２の照明装置の概略構成を示す図。 実施例３の表示装置の概略構成を示す図。 実施例４のプロジェクタの概略構成を示す図。

符号の説明

１００ 照明装置、１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂ、各色光用ＬＥＤ、１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂ 結像光学系、１０３ 被照射面、１０１Ｘ、１０１Ｙ、１０１Ｂ 発光部、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ 各領域、１０４ ボンディングワイヤ、１０５ 電極パターン、３００ 照明装置、３０１ ロッドレンズ、４００ 表示装置、４０１ ロッド、４０１ｂ 射出端面、４０１ａ 入射端面、４０２ リレーレンズ、４０３ 液晶ライトバルブ、５００ プロジェクタ、５０１ 平行化レンズ、５０２ フライアイレンズ、５０３ フライアイレンズ、５０４ 重畳レンズ、５０５ 液晶ライトバルブ、５０６ 投写レンズ、５０７ スクリーン

Claims (6)

1. 異なる波長領域の照明光を供給する少なくとも２つの発光部（１０１）と、
   前記各発光部（１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂ）ごとに設けられ、所定面（１０３）において前記各発光部（１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂ）の像の大きさと形状との少なくとも一方が略同一となるように前記各発光部（１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂ）を結像させる結像光学系（１０２）とを有し、
   前記所定面（１０３）を複数の領域に分割し、前記各領域（１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ）ごとに前記発光部（１０１）と前記結像光学系（１０２）とが設けられ、
   前記各領域（１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ）ごとに設けられた前記各発光部（１０１Ｘ、１０１Ｙ、１０１Ｚ）は、それぞれ前記各領域（１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ）よりも大きい領域を照明することを特徴とする照明装置。
2. 前記発光部（１０１）は、赤色光を供給する第１色光用発光部（１０１Ｒ）と、緑色光を供給する第２色光用発光部（１０１Ｇ）と、青色光を供給する第３色光用発光部（１０１Ｂ）とからなることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 入射端面より入射した前記照明光を内壁又は外壁に反射させて射出端面より射出させるロッド（４０１）をさらに有し、
   前記ロッド（４０１）は、前記所定面と前記入射面とが略一致する位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記照明光を複数の部分光に分割してそれぞれ集光する複数のフライアイレンズからなるレンズアレイ（５０２、５０３）と、
   前記部分光を被照射面に重畳させる重畳レンズ（５０４）とをさらに有し、
   前記レンズアレイ（５０２、５０３）は、前記フライアイレンズと前記所定面（１０３）とが略一致する位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の照明装置と、
   前記所定面（１０３）、又は前記所定面（１０３）の共役面の位置に設けられ、入射光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置（５０５）とを有することを特徴とする表示装置。
6. 請求項５に記載の表示装置と、
   変調された光を投写する投写レンズ（５０６）とを有することを特徴とするプロジェクタ。

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