JP4590647B2 - 光源装置およびプロジェクタ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＥＤなどの半導体光源を用いた、プロジェクタなどに利用される光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＥＤ素子（発光ダイオード）は、バブルランプと比較して一般的に長寿命であり、さらに、光への変換効率が高いなどの利点がある。このため、近年、多くの照明応用分野において光源をバブルランプからＬＥＤ素子を利用したものに取り替えることが検討されている。
【０００３】
ＬＥＤ素子は単体では発光量が小さい。このため、プロジェクタ装置の光源など比較的大きな光量が要求される応用分野では、図１２に示す光源装置９０のように、多数のＬＥＤ素子９１を面状に分布して配置することにより必要とされる光量を確保している。さらに、特にプロジェクタ装置においては、光源の絶対発光量（光束量（luminous flux: Q）が大きな光源装置であって、それと共に単位立体角あたりの光束量、すなわち光度（luminous intensity: I）、さらには、特定方向の単位面積あたりの光度である輝度（luminance）の高い光源装置が要求される。したがって、このような応用分野においては、発光源である多数のＬＥＤ素子９１から出射された光束をレンズを用いた集光光学系９５によって集光して断面積の細い光束とすることにより輝度を高くする必要がある。たとえば、図１２に示した光源装置９０では、ＬＥＤ素子９１の各々の直前にマイクロレンズ９２を配置して発散するのを防止し、さらに、こうして得られた各光束を集光用の正レンズ９３で集光し、負レンズ９４により平行光束化する集光光学系９５を設けている。そして、このような多数枚のレンズを用いて高輝度の集光光束にした後に、その光束９７をＬＣＤ（液晶パネル）９６あるいはＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）などのライトバルブに照射して変調し、投影用の画像を形成するようにしている。
【０００４】
ＬＥＤは、その特性上、ピーク波長を中心とした比較的バンド幅の狭い単色の光束を出射する発光素子であり、オンオフの応答性も高く、オンオフを繰り返すことによっても寿命には影響がほとんどない。したがって、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）の光束をそれぞれ出射するＬＥＤを配置して３原色の光源を設け、各々の色の画像を生成するＬＣＤを介して投写することによりカラー画像をスクリーンに投影するプロジェクタを構成することができる。あるいは、３原色の光源により時分割で１つのＬＣＤを照射することによってもカラー画像を生成することができる。
【０００５】
そして、ＬＥＤ光源を採用することにより、電球切れ等というトラブルは解消するので、メンテナンスフリーのプロジェクタ装置を実現することができる。また、ＬＥＤ光源であれば、輝度調整も簡単に行えるので、性能の安定したプロジェクタ装置を提供することができる。
【０００６】
さらに、ハロゲンランプに比べ熱の発生量は多くないので、光源の冷却構造は非常に簡素化される。このように、プロジェクタ装置において光源をハロゲンランプなどからＬＥＤ光源に変えることによって得られるメリットは非常に大きい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、多数のＬＥＤ素子を照明光（集光光束）の光軸に垂直な面に沿って分布あるいは分散配置することにより必要とされる大きな光量（光束量）は確保でき、また、集光光学系を採用することにより輝度を上げることができる。しかしながら、光量および輝度に応じて多数のＬＥＤ素子を平面的に配置するために光源装置は大きなものになってしまう。ＬＥＤ素子の改良により発光量が増加すればこの傾向は改善されるが、現状のハロゲンランプなどと等価な光量を得ようとすると多数のＬＥＤ素子が必要であり、これらを基板などに配置することを考えるとハロゲンランプなどより大きな面積が必要となってしまう。
【０００８】
そして、上述したように、個々のＬＥＤ素子の発光量は小さいので、ＬＥＤ素子を平面的に並べても発光部分の輝度は低いので複数のレンズあるいはマイクロレンズなどを用いた集光光学系を使って輝度を上げる必要がある。このため、光学系を含めた光源装置のサイズは大きくなる。また、マイクロレンズあるいはその他のレンズを付加することによりコストも高くなり、ハロゲンランプなどの光源装置に対するコスト競争力を得ることができない。
【０００９】
さらに、ＬＥＤ素子から出射された光束を光学系などで集光していく段階で様々なロスが発生するので、光の利用効率も下がってしまう。
【００１０】
したがって、ＬＥＤ素子自体は、小型で低コストでありながら、長寿命で発光効率も高い単色の発光源であり、上述したように、プロジェクタなどには優れた特性を備えているにも関わらず、それを実際にプロジェクタあるいはその他の照明系の光源として一般的に利用する段階には至っていない。
【００１１】
そこで、本発明においては、このような利点の多いＬＥＤ素子などの半導体発光素子を用いて、実用に足る充分な光量と輝度の単一原色の光を出射できるコンパクトな光源装置を提供することを目的としている。そして、本発明の光源装置を用いて、低コストでコンパクトでありながら、高輝度の白色の光源装置を実現することを目的としている。また、本発明の光源装置を用いてコンパクトでメンテナンスもいらないプロジェクタ装置を提供することも本発明の目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、人の肉眼が単一の光の原色と感じる程度の光スペクトル領域内で発光する、発光スペクトル域の僅かに異なる複数種のＬＥＤ素子などの半導体発光源を用意する。そして、それらの半導体発光源から出射された光束を、それらの隣接する発光スペクトル域を分離可能なダイクロイックミラーなどの波長選択性のある光学素子により合成することにより、光源装置から出射される投射照明光束の断面積の増加を防ぐようにしている。
【００１３】
本発明の装置は、可視光の特定の波長領域の光を反射し、他の波長領域の光を透過する光学素子と、この光学素子の反射率特性が急変する境界波長の近傍で該境界波長を挟む第１および第２の波長をピーク波長とする第１および第２の光束をそれぞれ出射する第１および第２の半導体発光源とをそれぞれ有し、これら第１および第２の光束を光学素子により合成して出射する第１、第２および第３の光源装置を含む。
【００１４】
ＬＥＤなどの半導体光源においては、その成分などを変えることによりピーク波長および半値幅の異なる光源を製造することができる。したがって、人間がほぼ単一の色として捉える、たとえば赤色では約１００ｎｍ程度の波長範囲（光スペクトル領域）内で、複数のピーク波長を持った光源を用意することが可能である。本発明においては、このような半導体光源の特性に着目し、中心波長（ピーク波長）の微妙な差を利用して複数の光源から出射された光束を合成するようにしている。したがって、波長選択性のある光学素子で複数の光束を一つに合成することが可能となる。このため、本発明の光源装置においては、半導体光源の配置は、複数のグループに分割して立体的に配置することが可能となり、光源配置の自由度が増し集積度を大幅に向上できる。
【００１５】
さらに、例えば、ダイクロイックミラーなどの波長選択性のある光学素子により光束の輝度を上げられるので、光束の断面積を小さくするために従来用いられている複数のレンズを組み合わせた複雑で設置スペースの必要な集光光学系を用いなくても良い。もちろん、ダイクロイックミラーなどの光学素子に対して入出力する光束を集光するためにレンズシステムを用いることはあり、そのような光源装置も本発明に含まれるが、本発明においては、レンズシステムだけで光束の輝度を上げるのではなく、波長選択性のある光学素子によって光束を合成して輝度を上げている。このため、本発明の光源装置においては、半導体光源の配置は、レンズの焦点距離などの集光光学系（屈折光学系あるいは幾何光学系）のシステムに合うように制限されることはなく、光源の配置の自由度が増し集積度を大幅に向上できる。したがって、コンパクトで発光量が大きく、高輝度の光束を出射できる光源装置を提供できる。また、複数のレンズを組み合わせた集光光学系を省く、あるいは簡略化できるので、コストも低くできる。そして、多数枚のレンズを組み合わせた集光光学系を省いたりあるいは簡略化できるのでそれに伴うロスも削減することができ、光の利用効率の高い光源装置を提供できる。
【００１６】
したがって、コンパクトで発光量が大きく、高輝度の光束を出射できる第１、第２および第３の光源装置を提供できる。そして、これらの光源装置の発光源の物理的な広がりが小さくてすむので、これらの光源装置から出射された光束を集光照明光学系などにより利用する際の光の利用効率は高くできる。
【００１７】
このように、これらの光源装置においては、光学素子の境界波長を挟むピーク波長の異なる狭い発光スペクトル領域の光束を合成して出射することができるので、その境界波長前後のスペクトル域を合成したほぼ単色、特に、単一原色で輝度の高い光束を出射する光源装置を提供できる。そして、境界波長を、赤色、緑色または青色のスペクトル領域に相当する波長に設定することにより、３原色の高輝度の光束を出射する光源装置をそれぞれ提供することができる。
【００１８】
これらの光源装置では輝度を高くすることができるので、半導体光源は、低コストなＬＥＤ（発光ダイオード）を用いた光源装置に適している。さらには、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード、超放射発光ダイオード）を採用すると、この発光素子は出射光の指向性が強いので、出射光束の輝度をいっそう向上できる。また、ピーク波長の近い光源を選択しても発光スペクトル幅が狭いので、ダイクロイックミラーなどの波長選択性の光学素子によってロスとなる成分を少なくすることができる。さらに、第１および第２の半導体光源は、単一の半導体発光素子で構成しても良いが、多くの場合は、十分な光量を得るために複数の同一のピーク波長をもった半導体発光素子を並べて各々の半導体光源を構成することが望ましい。このような同一の波長特性を備えた光源を簡単に得ることができるのも半導体光源を採用している本発明の光源装置のメリットの１つである。
【００１９】
また、波長選択性があり、光束を合成できる光学素子としては、ダイクロイックミラーまたはダイクロイックプリズムが適している。これらの光学素子により、一方の波長の光束を透過し、他方の波長の光束を反射することにより、出射光束（合成光束）の断面積を増やさずに複数の光束を合成することができる。さらに、この種の光学素子は１つに限らず、複数の光学素子を用いてスペクトル領域の狭い範囲で３つ以上の波長の異なる光束を合成することも可能である。
【００２０】
このように、これらの光源装置においては、ＬＥＤなどの半導体発光素子を用いて光学素子の境界波長に相当する、あるいは近傍の単色、特に単一原色で高輝度の光束を出射することができる。したがって、境界波長が赤色、緑色および青色に各々が相当する第１、第２および第３の光源装置を設け、これらから出射された光束を合成して出射することにより白色光を出射する光源装置を提供できる。第１、第２および第３の光源装置はコンパクトでありながら高光量で高輝度の光束が出射されるので、これらを合成して白色光とすることにより、コンパクトでありながら、高光量で高輝度の光線を出射する光源装置を提供できる。この光源装置は、さらに、ハロゲンランプに近い強力な光を発することができると共に、ＬＥＤが発光源であるので、発熱量が小さく、低消費電力であり、さらに、寿命が長いといった特性を持つ光源であるので、自動車のヘッドライトなど、様々な用途に用いることができる。
【００２１】
さらに、プロジェクタにおいては、これら第１、第２および第３の光源装置をライトバルブを介して投写する投写光の光源として採用することが可能である。
そして、本発明の半導体光源を用いた光源装置は、コンパクトで高輝度の光を出射できるので、半導体光源を用いたコンパクトで明るく、さらに、玉切れがなくメンテナンスの不用なプロジェクタを提供することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１に、本発明に係る光源装置を示してある。図１に示した光源装置１０Ｒは、赤色Ｒの光束２０Ｒを出射する光源装置である。そのため、眼に赤色光Ｒとして見える可視光スペクトル領域内（一般的には約６００〜７００ｎｍ程度の範囲）の僅かに異なるピーク波長λ１とλ２の光を出射する２種類のＬＥＤ素子（以降においてはＬＥＤ）１１および１２と、これらのＬＥＤ１１および１２から出射された光束２１および２２を合成して出射光束２０Ｒを得るダイクロイックミラー１９とを備えている。
【００２３】
本例の光源装置２０Ｒにおいては、ダイクロイックミラー１９が波長λ１とλ２のほぼ中間の波長λ０で透過率が急激に変動する特性を備えており、波長λ１の光を反射し、波長λ２の光を透過する。したがって、ＬＥＤ１１からの光束２１はダイクロイックミラー１９で反射され、ＬＥＤ１２からの光束２２はダイクロイックミラー１９を透過する。このため、ＬＥＤ１１とＬＥＤ１２とをたとえば相対的に９０度回転した位置に配置し、ダイクロイックミラー１９を図１に示すように４５度傾けた状態で配置することにより、ＬＥＤ１１からの光束２１とＬＥＤ１２からの光束２２をダイクロイックミラー１９で合成し出射光束２０Ｒを得ることができる。本例の光源装置２０Ｒは、さらに、各ＬＥＤ１１および１２から出射される光束を平行光束にしてからダイクロイックミラー１９に供給するためのコリメータレンズ１５が各々のＬＥＤ１１および１２の前方に配置されている。
【００２４】
図２に、本例の光源装置１０Ｒに用いた２種類のＬＥＤ１１および１２の波長特性を示してある。まず、ＬＥＤ１１から出射される光束２１の波長特性（発光スペクトル曲線）は、実線２１ａで示すように、ピーク波長λ１が６２３ｎｍ、半値幅が１５ｎｍである。他方のＬＥＤ１２から出射される光束２２の波長特性（発光スペクトル曲線）は、実線２２ａで示すように、ピーク波長λ２が６６０ｎｍ、半値幅が２５ｎｍである。このようなＬＥＤ１１および１２としては、たとえば、（株）東芝製のＴＬＳＥシリーズＬＥＤ（ＩｎＧａＡｌＰ系）と、同社製のＴＬＵＲシリーズＬＥＤ（ＧａＡｌＡｓ系）を用いることができる。したがって、これらのＬＥＤ１１および１２を用いると、ほぼ単一の赤色として視覚されるスペクトル領域に入り、その光量はほぼ各ＬＥＤの発光量の和となる光源が得られる。
【００２５】
ダイクロイックミラー１９の透過特性は、図２に一点鎖線１９ａで示してある。このように、本例のダイクロイックミラー１９は、その透過特性（或いは反射率特性）が急激に変わる境界波長（選択境界波長）λ０が、光束２１および２２の中心波長λ１およびλ２のほぼ中間であり、半値幅よりも外側となる６４０ｎｍになるように設計されている。したがって、光束２１は、そのほとんどがダイクロイックミラー１９により反射され、光束２２は、そのほとんどがダイクロイックミラー１９を透過する。ただし、各々の光束２１および２２の裾の部分では、ダイクロイックミラー１９の透過率曲線１９ａと交差するので、この部分よりピーク波長λ１およびλ２に対する反対側のスペクトル域部分は、ダイクロイックミラー１９によりカットされる。しかしながら、ダイクロイックミラー１９によりカットされる部分は非常に小さく、また、ダイクロイックミラー１９の透過率(或いは反射率)は９０数％程度と非常に高くできるので、ダイクロイックミラー１９によるロスは非常に小さいと考えて良い。
【００２６】
したがって、ダイクロイックミラー１９により光束２１および２２は合成され、図３に曲線２０ａで示すようなツインピークの波長特性を備えた出射光束２０Ｒを得ることができる。すなわち、ダイクロイックミラー１９の選択境界波長λ０（６４０ｎｍ）の近傍を中心波長とし、両側にそれぞれ幅が２０ｎｍ程度の発光スペクトルの山を２つ備えた光束２０Ｒを得ることができる。そして、本例の光源装置１０Ｒでは、ＬＥＤ１２から出射される光束２２を基準にすれば、投射照明光（出射光束）２０Ｒの光軸方向から見たＬＥＤ１２からの放射の断面積を変えずにＬＥＤ１１の光束２１を合成することができる。したがって、光束の断面積を変えずに光量を約２倍にできるので、出射される光束２０Ｒの輝度は、ＬＥＤ１２だけの場合に対し約２倍にすることができる。したがって、本例の光源装置１０Ｒから出射される光束２０Ｒを赤色の画像を生成するＬＣＤ８Ｒに供給することにより、高輝度の投写画像を形成することができる。
【００２７】
さらに、本例の光源装置１０Ｒにおいては、発光源であるＬＥＤ１１および１２を平面ではなく９０度旋回した位置に配置している。したがって、出射光束２０Ｒの軸方向から見たときの発光源の設置面積（配置面積）は、ＬＥＤ１１および１２を同一平面上に配置したときの半分程度になる。
【００２８】
また、本例の光源装置１０Ｒでは、コリメータレンズ１５を除くと、ＬＥＤ１１および１２からの光束２１および２２を合成するために、多数枚のレンズを組み合わせた集光光学系は用いられておらず、ダイクロイックミラー１９だけで複数の光束２１および２２を合成している。このように、光束を合成するためには集光光学系を省くことができ、集光光学系は一般的に複雑で高価であり、さらにスペースを取りやすいので、本例の光源装置１０Ｒは、コンパクトに纏めることが可能であり、さらに、低コストで提供することができる。
【００２９】
また、光源装置１０Ｒの内部では、これらのＬＥＤ１１および１２から出射された光をレンズシステムによって集光および合成しなくて良いので、その過程におけるロスもなくなり、ＬＥＤ１１および１２から出射された光束の利用効率も高くできる。したがって、本例の光源装置１０Ｒにより、コンパクトで低コストであり、さらに実用に足りる充分な光量と輝度の単色の光を出射できるＬＥＤを用いた光源装置を提供することが可能となる。
【００３０】
図１では、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２を各々１個づつ配置した例を参考に示してあるが、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２として同一の特性の複数のＬＥＤを平面的に、あるいはコリメータレンズなどの特性に合わせて湾曲した状態で配置しても良いことはもちろんである。また、図１に示した例ではＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２を９０度旋回した位置に配置してあるが、各々のＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２の成す角度、あるいはＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２を代表として示した複数のＬＥＤからなるグループのなす角度（相対的な角度）は９０度に限らず、ダイクロイックミラー１９により反射された光束が、ダイクロイックミラー１９を透過した他の光束と重なる角度で配置されていれば良い。
【００３１】
たとえば、図４に示すように、ダイクロイックミラー１９の角度θがＬＥＤ１２の光束２２の軸方向に対し４５度より大きくした場合は、ＬＥＤ１１とＬＥＤ１２の成す相対的な角度は９０度より大きくなり、さらに、ＬＥＤ１１の光束２１がダイクロイックミラー１９を透過した光束２２の方向に投影される面積は小さくなる。このため、複数のＬＥＤ１１を配置する面積を大きくすることができ、光束２１の出射時点での光量を高くできると共に、合成するポイントにおいて出射されたポイントよりも輝度を高くすることができる。したがって、ダイクロイックミラー１９で合成される合成光束２０Ｒにおける光束２１の強度（輝度あるいは集光度）は光束２２よりも大きくなる。一方、ダイクロイックミラー１９の角度θが光束２２の軸方向に対し４５度より小さくすると、ＬＥＤ１１とＬＥＤ１２の成す相対的な角度は９０度より小さくなり、さらに、ＬＥＤ１１の光束２１が光束２２の方向に投影される面積は大きくなる。したがって、光束２１の輝度は光束２２に対して低く合成される。このように、ダイクロイックミラー１９の角度を変えることにより、ＬＥＤ１１および１２あるいはこれらが代表する複数のＬＥＤの配置は自由にデザインすることができ、また、ダイクロイックミラー１９の角度によって合成する際にＬＥＤ１１および１２からの光束２１および２２の輝度調整も可能となる。
【００３２】
また、ダイクロイックミラー１９に対するＬＥＤ１１および１２の位置関係が変わるので、光源装置１０Ｒのサイズにも影響する。たとえば、ダイクロイックミラー１９の角度θを４５度より大きくするとＬＥＤ１１および１２を光束２０Ｒの出射方向に対し後方に配置できるので、光源装置１０Ｒを出射方向に対し短くすることができるであろう。
【００３３】
さらに、図５に示すように、ＬＥＤ１１を上下２つ、すなわち、ＬＥＤ１２に対しプラス９０度およびマイナス９０度の方向に配置された２つのグループに分けて配置し、これらから出射された光束をそれぞれの方向に４５度に傾いたダイクロイックミラー１９でＬＥＤ１２からの光束と合成することも可能である。このような配置を採用することにより、光源装置１０Ｒを光束２０Ｒの出射方向に対して短くできる。
【００３４】
また、ダイクロイックミラー１９と同様に境界波長λ０を備えた光学素子としてダイクロイックプリズムが知られており、ダイクロイックミラー１９の代わりにダイクロイックプリズムを採用しても本発明の光源装置を実現できる。多層干渉膜（ダイクロイック膜）などによって波長選択性が与えられたこれらの光学素子を利用することによりＬＥＤをフレキシブルに配置することができる。
【００３５】
本発明における光源装置においては、ＬＥＤ１１および１２、さらには、これらに代表されるＬＥＤグループの配置は上記の例に限定されることはない。しかしながら、上述した例からもわかるようにＬＥＤの配置は非常にフレキシブルになり、従来の照明装置のように平面に限定されることはなくなる。したがって、所望の光量および輝度の光束を得るために要求される数のＬＥＤを高い集積度でアレンジすることが可能であり、コンパクトで高光量および高輝度の出射光の得られる半導体光源を提供することができる。
【００３６】
また、上記の例は、赤色Ｒの光束を出射する照明装置であるが、同様に他の原色、すなわち、緑色Ｇの光束あるいは青色Ｂの光束を出射する照明装置も構成できる。たとえば、緑色Ｇを放射する光源装置では、半導体発光源として、約４９０〜５５０ｎｍの領域で僅かに異なるピーク波長を備えた複数のタイプのＬＥＤ素子を選択し、それらのピーク波長の間に境界波長λ０を持つダイクロイックミラーを用いることにより、同様に、放射輝度の高い緑色の合成光束光を得ることができる。また、青色光Ｂを放射する光源装置では、発光源として、約４３０〜４６０ｎｍの領域で僅かに異なる波長ピークを備えた複数のタイプのＬＥＤ素子を選択することで、同様に放射輝度の高い青色の合成光束を得ることができる。
【００３７】
さらに、上記では、２種類のＬＥＤから出射される光束を合成しているが、適当な放射スペクトルのＬＥＤがあれば、３種類以上のＬＥＤから出射される光束を同様に合成することが可能である。図６ないし図８に３種類のＬＥＤから出射された光束を合成する光源装置を示してある。本例の光源装置１０Ｒも赤色Ｒの光束を出射する光源装置である。この光源装置１０Ｒでは、半導体光源としてピーク波長λ１１が６３６ｎｍで半値幅１７ｎｍのＬＥＤ１１１と、ピーク波長λ１２が６１２ｎｍで半値幅１５ｎｍのＬＥＤ１１２と、先の光源装置にも用いたピーク波長λ２が６６０ｎｍで半値幅２５ｎｍのＬＥＤ１２が用いられている。そして、境界波長λ０１が約６４５ｎｍのダイクロイックミラー１９１と、境界波長λ０２が約６２０ｎｍのダイクロイックミラー１９２とを用いてこれらのＬＥＤ１２、１１１および１１２から出射される光束２２、２１１および２１２を合成するようにしている。このような放射スペクトルを備えたＬＥＤとして、ＬＥＤ１１１には（株）東芝製のＴＬＳＵシリーズＬＥＤを、ＬＥＤ素１１２には、同社製ＴＬＯＵシリーズＬＥＤを、さらに、ＬＥＤ１２には同社製ＴＬＵＲシリーズＬＥＤを用いることができる。
【００３８】
図７に示すように、この光源装置１０Ｒでは、ピーク波長の差Δλが４８ｎｍに収まる３種類の光束２２（スペクトル２２ａ）、２１１（スペクトル２１１ａ）および２１２（スペクトル２１２ａ）を合成し、図８に示すようなスペクトルの出射光束２０Ｒ（スペクトル２０ａ）を、その断面積を増加させずに得ることができる。したがって、それぞれのＬＥＤ１２、１１１および１１２の出射光量にも依存するが、単一のＬＥＤを平面的に並べた光源装置と比較し、３倍弱程度の輝度の光束を得ることができる。上記のような具体的なＬＥＤを選択した光源装置においては、ＬＥＤ１２を単体で用いた場合と比較し、出射される光束の断面（投射照明光束の光路に垂直な断面積）を変えずに、半導体光源からの放射光量を全体で約２．５倍にできるので、出射光束の放射輝度も約２．５倍となる。
【００３９】
もちろん、同一原色と見なせる波長領域内で４つ以上の異なるピーク波長を備えた適当なＬＥＤを選択できれば、上記と同様にそれらのＬＥＤあるいはＬＥＤグループから出射される光束を合成して高輝度でコンパクトな光源装置を実現することができる。また、これらの３つ以上のタイプのＬＥＤから光束を合成する光源装置においても、それらのＬＥＤを配置する自由度は大きく、上述したような配置のバリエーションはもちろん可能である。
【００４０】
さらに、半導体光源はＬＥＤに限らず、ＳＬＤ素子（超放射発光ダイオード素子、以降においてはＳＬＤ）を採用することもできる。図９に示すようにＳＬＤは、通常のＬＥＤに比べ発光スペクトルの帯域幅が狭い。したがって、狭いスペクトル領域内でＬＥＤよりも多くの異なるピーク波長を備えたタイプを選択できる可能性があり、単一原色を僅かに発光スペクトル域に差のある、より多数の半導体光源から出射された光束で合成することができる。このため、さらに高輝度の光束を出射できる光源装置を提供することができる。
【００４１】
さらに、ＳＬＤは発光の発散角が狭いので、それから出射される光束自体の集光および伝送効率を高くしやすい。したがって、光源装置自体を更にコンパクトにできる。また、個々のＳＬＤの発光スペクトル帯域幅が狭いので、ダイクロイックミラーあるいはダイクロイックプリズムの境界波長λ０を挟んで、これに隣接したピーク波長のＳＬＤからの光束を合成したときにダイクロイックミラーなどによってカットされるスペクトル領域が非常に小さくなる。したがって、光の利用効率もさらに向上する。
【００４２】
このように、本発明により、高輝度の単色光を出射することができる、コンパクトな半導体光源を用いた光源装置を実現できる。半導体光源は、光への変換効率が高く熱出力は小さい。さらに長寿命であり、また、制御応答性が良いなどの利点を多く備えている反面、高輝度を求めようとすると、エネルギー密度を上げにくいという欠点があったが、本発明により、このような問題も解決できた。したがって、ハロゲンランプなどを光源として採用している応用分野、特に、発熱が少なく、高輝度の光源を必要としている分野の全てに本発明に係る光源装置を適用することができる。
【００４３】
図１０には、本発明により赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂの出射光２０Ｒ、２０Ｇおよび２０Ｂを放射可能な３つの光源装置１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂを用いた白色光源装置２を示してある。本発明における光源装置は、これらの３原色以外の色の光束であっても、高輝度の光を出射することが可能である。しかしながら、加法混色によって、白色あるいはその他の全ての色を表現できることを考えると、これら３原色の単色光を出射する光源装置が本発明を適用した光源装置として最も有用なものである。
【００４４】
本例の白色光源装置２においては、これら３原色の光源装置１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂからの光束を赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｂの波長の間の適当な波長を境界波長としてもつダイクロイックプリズム７により合成し、出射レンズ５を介して外部に放射するようにしている。もちろん、その他の光学系によって光源装置１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂからの光束を合成することも可能である。たとえば、２つのダイクロイックミラーあるいはプリズムを用いれば、シーケンシャルにこれらの光源装置からの光束を合成することができる。本発明に係る白色光源装置は、一般照明などにももちろん適用できるが、コンパクトで高輝度の白色光束を得ることができるので、スポットライト、車のヘッドランプ、さらには液晶ディスプレイのバックライトなどに適している。
【００４５】
図１１は、本発明により赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂの出射光２０Ｒ、２０Ｇおよび２０Ｂを放射可能な３つの光源装置１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂを用いた液晶プロジェクタ１を示してある。図１１に示したプロジェクタ１は、３板式のものであり、光源装置１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂから出射された光束２０Ｒ、２０Ｇおよび２０Ｂを、それぞれに対応したライトバルブ、本例ではＬＣＤ８Ｒ、８Ｇおよび８Ｂで変調し、ダイクロイックプリズム７で合成した後に投影レンズあるいはレンズシステム６により出射し、スクリーン９にカラー画像を投影する。
【００４６】
近年、プレゼンテーション用の機器あるいは大画面のテレビ用の機器などとして、コンパクトで明るく、さらに静かなプロジェクタ装置が要望されている。本発明の光源装置はコンパクトで高輝度の単一原色の光束を出射することができるので、このような要望のプロジェクタ装置には好適である。さらに、半導体光源を採用しているので、光変換効率が高く、発熱量が小さいので、冷却ファンなどによる騒音も小さくすることができる。そして、長寿命であるので、ハロゲンランプのような玉切れの心配はなく、メンテナンスフリーのプロジェクタを提供できる。したがって、本発明の光源装置を採用することにより、家庭用あるいは携帯用に適したコンパクトで低コストのプロジェクタ装置を提供できる。
【００４７】
本発明に係る光源装置を採用したプロジェクタは、図１１に示したものに限らない。たとえば、図１０に示した白色光源とほぼ同様に３原色の光源装置１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂを並べて共通のＬＣＤに出射光束を導き、これらの光源装置１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂの点灯を時分割で制御すると共に、ＬＣＤではそれに同期して各色毎の画像を表示するようにすれば単板式のプロジェクタを構成することができる。また、ＬＣＤ（液晶パネル）に代わり、マイクロマシン技術を用いて機械的に光の反射方向を変えて画像を形成するＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）をライトバルブとして用いたプロジェクタに本発明の光源装置を提供することも可能である。ＤＭＤは、ＬＣＤよりも応答速度が速く、明るい画像が得られるので、さらに小型で高輝度、高画質のプロジェクタを実現するのに適している。
【００４８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る光源装置は、ＬＥＤ素子などの半導体発光素子から得られるピーク波長が僅かに異なる複数の光束を、それらピーク波長の僅かな差を利用してダイクロイックミラーなどの波長選択性のある光学素子により合成している。このため、ＬＥＤ素子などの半導体光源を平面的な配置から集積度が高くなるように立体的に配置することが可能となり、高輝度、大出力のコンパクトな半導体光源装置を提供できる。さらに、ＬＥＤ素子の代わりにＳＬＤ素子を用いることにより、より高輝度の光源がコンパクトに構成できる。
【００４９】
このように、本発明により、小型で低コストでありながら、長寿命で発光効率も高い単色の発光源である半導体発光素子を用いて、実用に足る充分な光量と輝度の単一原色の光を出射できるコンパクな光源装置を実現できるので、さらに、本発明により、高輝度の白色の光源装置、また、コンパクトでメンテナンスもいらないプロジェクタ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光源装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示した単色光源装置の波長特性を示す図である。
【図３】図２の２つの光源からの光をダイクロイックミラーで合成したスペクトルを示す図である。
【図４】光源装置の異なる例を示す図である。
【図５】光源装置のさらに異なる例を示す図である。
【図６】光源装置の更に異なる例を示す図である。
【図７】図６に示した光源装置の波長特性を示す図である。
【図８】図７の３つの光源からの光をダイクロイックミラーで合成したスペクトルを示す図である。
【図９】ＬＥＤとＳＬＤの特性差を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の光源装置を用いた白色光源装置の一例を示す図である。
【図１１】本発明の光源装置を用いたプロジェクタの一例を示す図である。
【図１２】従来のＬＥＤ素子を用いた光源装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ プロジェクタ
２ 白色光源装置
６ 投影レンズ（投写レンズシステム）
７ ダイクロイックプリズム
８ 液晶ライトバルブ（ＬＣＤ）
９ スクリーン
１０ 光源装置
１１、１２ ＬＥＤ素子
１９ ダイクロイックミラー
２０ 出射光束（合成光束）
２１、２２ ＬＥＤの光束
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＥＤなどの半導体光源を用いた、プロジェクタなどに利用される光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＥＤ素子（発光ダイオード）は、バブルランプと比較して一般的に長寿命であり、さらに、光への変換効率が高いなどの利点がある。このため、近年、多くの照明応用分野において光源をバブルランプからＬＥＤ素子を利用したものに取り替えることが検討されている。
【０００３】
ＬＥＤ素子は単体では発光量が小さい。このため、プロジェクタ装置の光源など比較的大きな光量が要求される応用分野では、図１２に示す光源装置９０のように、多数のＬＥＤ素子９１を面状に分布して配置することにより必要とされる光量を確保している。さらに、特にプロジェクタ装置においては、光源の絶対発光量（光束量（luminous flux: Q）が大きな光源装置であって、それと共に単位立体角あたりの光束量、すなわち光度（luminous intensity: I）、さらには、特定方向の単位面積あたりの光度である輝度（luminance）の高い光源装置が要求される。したがって、このような応用分野においては、発光源である多数のＬＥＤ素子９１から出射された光束をレンズを用いた集光光学系９５によって集光して断面積の細い光束とすることにより輝度を高くする必要がある。たとえば、図１２に示した光源装置９０では、ＬＥＤ素子９１の各々の直前にマイクロレンズ９２を配置して発散するのを防止し、さらに、こうして得られた各光束を集光用の正レンズ９３で集光し、負レンズ９４により平行光束化する集光光学系９５を設けている。そして、このような多数枚のレンズを用いて高輝度の集光光束にした後に、その光束９７をＬＣＤ（液晶パネル）９６あるいはＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）などのライトバルブに照射して変調し、投影用の画像を形成するようにしている。
【０００４】
ＬＥＤは、その特性上、ピーク波長を中心とした比較的バンド幅の狭い単色の光束を出射する発光素子であり、オンオフの応答性も高く、オンオフを繰り返すことによっても寿命には影響がほとんどない。したがって、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）の光束をそれぞれ出射するＬＥＤを配置して３原色の光源を設け、各々の色の画像を生成するＬＣＤを介して投写することによりカラー画像をスクリーンに投影するプロジェクタを構成することができる。あるいは、３原色の光源により時分割で１つのＬＣＤを照射することによってもカラー画像を生成することができる。
【０００５】
そして、ＬＥＤ光源を採用することにより、電球切れ等というトラブルは解消するので、メンテナンスフリーのプロジェクタ装置を実現することができる。また、ＬＥＤ光源であれば、輝度調整も簡単に行えるので、性能の安定したプロジェクタ装置を提供することができる。
【０００６】
さらに、ハロゲンランプに比べ熱の発生量は多くないので、光源の冷却構造は非常に簡素化される。このように、プロジェクタ装置において光源をハロゲンランプなどからＬＥＤ光源に変えることによって得られるメリットは非常に大きい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、多数のＬＥＤ素子を照明光（集光光束）の光軸に垂直な面に沿って分布あるいは分散配置することにより必要とされる大きな光量（光束量）は確保でき、また、集光光学系を採用することにより輝度を上げることができる。しかしながら、光量および輝度に応じて多数のＬＥＤ素子を平面的に配置するために光源装置は大きなものになってしまう。ＬＥＤ素子の改良により発光量が増加すればこの傾向は改善されるが、現状のハロゲンランプなどと等価な光量を得ようとすると多数のＬＥＤ素子が必要であり、これらを基板などに配置することを考えるとハロゲンランプなどより大きな面積が必要となってしまう。
【０００８】
そして、上述したように、個々のＬＥＤ素子の発光量は小さいので、ＬＥＤ素子を平面的に並べても発光部分の輝度は低いので複数のレンズあるいはマイクロレンズなどを用いた集光光学系を使って輝度を上げる必要がある。このため、光学系を含めた光源装置のサイズは大きくなる。また、マイクロレンズあるいはその他のレンズを付加することによりコストも高くなり、ハロゲンランプなどの光源装置に対するコスト競争力を得ることができない。
【０００９】
さらに、ＬＥＤ素子から出射された光束を光学系などで集光していく段階で様々なロスが発生するので、光の利用効率も下がってしまう。
【００１０】
したがって、ＬＥＤ素子自体は、小型で低コストでありながら、長寿命で発光効率も高い単色の発光源であり、上述したように、プロジェクタなどには優れた特性を備えているにも関わらず、それを実際にプロジェクタあるいはその他の照明系の光源として一般的に利用する段階には至っていない。
【００１１】
そこで、本発明においては、このような利点の多いＬＥＤ素子などの半導体発光素子を用いて、実用に足る充分な光量と輝度の単一原色の光を出射できるコンパクトな光源装置を提供することを目的としている。そして、本発明の光源装置を用いて、低コストでコンパクトでありながら、高輝度の白色の光源装置を実現することを目的としている。また、本発明の光源装置を用いてコンパクトでメンテナンスもいらないプロジェクタ装置を提供することも本発明の目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、人の肉眼が単一の光の原色と感じる程度の光スペクトル領域内で発光する、発光スペクトル域の僅かに異なる複数種のＬＥＤ素子などの半導体発光源を用意する。そして、それらの半導体発光源から出射された光束を、それらの隣接する発光スペクトル域を分離可能なダイクロイックミラーなどの波長選択性のある光学素子により合成することにより、光源装置から出射される投射照明光束の断面積の増加を防ぐようにしている。
【００１３】
本発明の装置は、可視光の特定の波長領域の光を反射し、他の波長領域の光を透過する光学素子と、この光学素子の反射率特性が急変する境界波長の近傍で該境界波長を挟む第１および第２の波長をピーク波長とする第１および第２の光束をそれぞれ出射する第１および第２の半導体発光源とをそれぞれ有し、これら第１および第２の光束を光学素子により合成して出射する第１、第２および第３の光源装置を含む。
【００１４】
ＬＥＤなどの半導体光源においては、その成分などを変えることによりピーク波長および半値幅の異なる光源を製造することができる。したがって、人間がほぼ単一の色として捉える、たとえば赤色では約１００ｎｍ程度の波長範囲（光スペクトル領域）内で、複数のピーク波長を持った光源を用意することが可能である。本発明においては、このような半導体光源の特性に着目し、中心波長（ピーク波長）の微妙な差を利用して複数の光源から出射された光束を合成するようにしている。したがって、波長選択性のある光学素子で複数の光束を一つに合成することが可能となる。このため、本発明の光源装置においては、半導体光源の配置は、複数のグループに分割して立体的に配置することが可能となり、光源配置の自由度が増し集積度を大幅に向上できる。
【００１５】
さらに、例えば、ダイクロイックミラーなどの波長選択性のある光学素子により光束の輝度を上げられるので、光束の断面積を小さくするために従来用いられている複数のレンズを組み合わせた複雑で設置スペースの必要な集光光学系を用いなくても良い。もちろん、ダイクロイックミラーなどの光学素子に対して入出力する光束を集光するためにレンズシステムを用いることはあり、そのような光源装置も本発明に含まれるが、本発明においては、レンズシステムだけで光束の輝度を上げるのではなく、波長選択性のある光学素子によって光束を合成して輝度を上げている。このため、本発明の光源装置においては、半導体光源の配置は、レンズの焦点距離などの集光光学系（屈折光学系あるいは幾何光学系）のシステムに合うように制限されることはなく、光源の配置の自由度が増し集積度を大幅に向上できる。したがって、コンパクトで発光量が大きく、高輝度の光束を出射できる光源装置を提供できる。また、複数のレンズを組み合わせた集光光学系を省く、あるいは簡略化できるので、コストも低くできる。そして、多数枚のレンズを組み合わせた集光光学系を省いたりあるいは簡略化できるのでそれに伴うロスも削減することができ、光の利用効率の高い光源装置を提供できる。
【００１６】
したがって、コンパクトで発光量が大きく、高輝度の光束を出射できる第１、第２および第３の光源装置を提供できる。そして、これらの光源装置の発光源の物理的な広がりが小さくてすむので、これらの光源装置から出射された光束を集光照明光学系などにより利用する際の光の利用効率は高くできる。
【００１７】
このように、これらの光源装置においては、光学素子の境界波長を挟むピーク波長の異なる狭い発光スペクトル領域の光束を合成して出射することができるので、その境界波長前後のスペクトル域を合成したほぼ単色、特に、単一原色で輝度の高い光束を出射する光源装置を提供できる。そして、境界波長を、赤色、緑色または青色のスペクトル領域に相当する波長に設定することにより、３原色の高輝度の光束を出射する光源装置をそれぞれ提供することができる。
【００１８】
これらの光源装置では輝度を高くすることができるので、半導体光源は、低コストなＬＥＤ（発光ダイオード）を用いた光源装置に適している。さらには、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード、超放射発光ダイオード）を採用すると、この発光素子は出射光の指向性が強いので、出射光束の輝度をいっそう向上できる。また、ピーク波長の近い光源を選択しても発光スペクトル幅が狭いので、ダイクロイックミラーなどの波長選択性の光学素子によってロスとなる成分を少なくすることができる。さらに、第１および第２の半導体光源は、単一の半導体発光素子で構成しても良いが、多くの場合は、十分な光量を得るために複数の同一のピーク波長をもった半導体発光素子を並べて各々の半導体光源を構成することが望ましい。このような同一の波長特性を備えた光源を簡単に得ることができるのも半導体光源を採用している本発明の光源装置のメリットの１つである。
【００１９】
また、波長選択性があり、光束を合成できる光学素子としては、ダイクロイックミラーまたはダイクロイックプリズムが適している。これらの光学素子により、一方の波長の光束を透過し、他方の波長の光束を反射することにより、出射光束（合成光束）の断面積を増やさずに複数の光束を合成することができる。さらに、この種の光学素子は１つに限らず、複数の光学素子を用いてスペクトル領域の狭い範囲で３つ以上の波長の異なる光束を合成することも可能である。
【００２０】
このように、これらの光源装置においては、ＬＥＤなどの半導体発光素子を用いて光学素子の境界波長に相当する、あるいは近傍の単色、特に単一原色で高輝度の光束を出射することができる。したがって、境界波長が赤色、緑色および青色に各々が相当する第１、第２および第３の光源装置を設け、これらから出射された光束を合成して出射することにより白色光を出射する光源装置を提供できる。第１、第２および第３の光源装置はコンパクトでありながら高光量で高輝度の光束が出射されるので、これらを合成して白色光とすることにより、コンパクトでありながら、高光量で高輝度の光線を出射する光源装置を提供できる。この光源装置は、さらに、ハロゲンランプに近い強力な光を発することができると共に、ＬＥＤが発光源であるので、発熱量が小さく、低消費電力であり、さらに、寿命が長いといった特性を持つ光源であるので、自動車のヘッドライトなど、様々な用途に用いることができる。
【００２１】
さらに、プロジェクタにおいては、これら第１、第２および第３の光源装置をライトバルブを介して投写する投写光の光源として採用することが可能である。
そして、本発明の半導体光源を用いた光源装置は、コンパクトで高輝度の光を出射できるので、半導体光源を用いたコンパクトで明るく、さらに、玉切れがなくメンテナンスの不用なプロジェクタを提供することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１に、本発明に係る光源装置を示してある。図１に示した光源装置１０Ｒは、赤色Ｒの光束２０Ｒを出射する光源装置である。そのため、眼に赤色光Ｒとして見える可視光スペクトル領域内（一般的には約６００〜７００ｎｍ程度の範囲）の僅かに異なるピーク波長λ１とλ２の光を出射する２種類のＬＥＤ素子（以降においてはＬＥＤ）１１および１２と、これらのＬＥＤ１１および１２から出射された光束２１および２２を合成して出射光束２０Ｒを得るダイクロイックミラー１９とを備えている。
【００２３】
本例の光源装置２０Ｒにおいては、ダイクロイックミラー１９が波長λ１とλ２のほぼ中間の波長λ０で透過率が急激に変動する特性を備えており、波長λ１の光を反射し、波長λ２の光を透過する。したがって、ＬＥＤ１１からの光束２１はダイクロイックミラー１９で反射され、ＬＥＤ１２からの光束２２はダイクロイックミラー１９を透過する。このため、ＬＥＤ１１とＬＥＤ１２とをたとえば相対的に９０度回転した位置に配置し、ダイクロイックミラー１９を図１に示すように４５度傾けた状態で配置することにより、ＬＥＤ１１からの光束２１とＬＥＤ１２からの光束２２をダイクロイックミラー１９で合成し出射光束２０Ｒを得ることができる。本例の光源装置２０Ｒは、さらに、各ＬＥＤ１１および１２から出射される光束を平行光束にしてからダイクロイックミラー１９に供給するためのコリメータレンズ１５が各々のＬＥＤ１１および１２の前方に配置されている。
【００２４】
図２に、本例の光源装置１０Ｒに用いた２種類のＬＥＤ１１および１２の波長特性を示してある。まず、ＬＥＤ１１から出射される光束２１の波長特性（発光スペクトル曲線）は、実線２１ａで示すように、ピーク波長λ１が６２３ｎｍ、半値幅が１５ｎｍである。他方のＬＥＤ１２から出射される光束２２の波長特性（発光スペクトル曲線）は、実線２２ａで示すように、ピーク波長λ２が６６０ｎｍ、半値幅が２５ｎｍである。このようなＬＥＤ１１および１２としては、たとえば、（株）東芝製のＴＬＳＥシリーズＬＥＤ（ＩｎＧａＡｌＰ系）と、同社製のＴＬＵＲシリーズＬＥＤ（ＧａＡｌＡｓ系）を用いることができる。したがって、これらのＬＥＤ１１および１２を用いると、ほぼ単一の赤色として視覚されるスペクトル領域に入り、その光量はほぼ各ＬＥＤの発光量の和となる光源が得られる。
【００２５】
ダイクロイックミラー１９の透過特性は、図２に一点鎖線１９ａで示してある。このように、本例のダイクロイックミラー１９は、その透過特性（或いは反射率特性）が急激に変わる境界波長（選択境界波長）λ０が、光束２１および２２の中心波長λ１およびλ２のほぼ中間であり、半値幅よりも外側となる６４０ｎｍになるように設計されている。したがって、光束２１は、そのほとんどがダイクロイックミラー１９により反射され、光束２２は、そのほとんどがダイクロイックミラー１９を透過する。ただし、各々の光束２１および２２の裾の部分では、ダイクロイックミラー１９の透過率曲線１９ａと交差するので、この部分よりピーク波長λ１およびλ２に対する反対側のスペクトル域部分は、ダイクロイックミラー１９によりカットされる。しかしながら、ダイクロイックミラー１９によりカットされる部分は非常に小さく、また、ダイクロイックミラー１９の透過率(或いは反射率)は９０数％程度と非常に高くできるので、ダイクロイックミラー１９によるロスは非常に小さいと考えて良い。
【００２６】
したがって、ダイクロイックミラー１９により光束２１および２２は合成され、図３に曲線２０ａで示すようなツインピークの波長特性を備えた出射光束２０Ｒを得ることができる。すなわち、ダイクロイックミラー１９の選択境界波長λ０（６４０ｎｍ）の近傍を中心波長とし、両側にそれぞれ幅が２０ｎｍ程度の発光スペクトルの山を２つ備えた光束２０Ｒを得ることができる。そして、本例の光源装置１０Ｒでは、ＬＥＤ１２から出射される光束２２を基準にすれば、投射照明光（出射光束）２０Ｒの光軸方向から見たＬＥＤ１２からの放射の断面積を変えずにＬＥＤ１１の光束２１を合成することができる。したがって、光束の断面積を変えずに光量を約２倍にできるので、出射される光束２０Ｒの輝度は、ＬＥＤ１２だけの場合に対し約２倍にすることができる。したがって、本例の光源装置１０Ｒから出射される光束２０Ｒを赤色の画像を生成するＬＣＤ８Ｒに供給することにより、高輝度の投写画像を形成することができる。
【００２７】
さらに、本例の光源装置１０Ｒにおいては、発光源であるＬＥＤ１１および１２を平面ではなく９０度旋回した位置に配置している。したがって、出射光束２０Ｒの軸方向から見たときの発光源の設置面積（配置面積）は、ＬＥＤ１１および１２を同一平面上に配置したときの半分程度になる。
【００２８】
また、本例の光源装置１０Ｒでは、コリメータレンズ１５を除くと、ＬＥＤ１１および１２からの光束２１および２２を合成するために、多数枚のレンズを組み合わせた集光光学系は用いられておらず、ダイクロイックミラー１９だけで複数の光束２１および２２を合成している。このように、光束を合成するためには集光光学系を省くことができ、集光光学系は一般的に複雑で高価であり、さらにスペースを取りやすいので、本例の光源装置１０Ｒは、コンパクトに纏めることが可能であり、さらに、低コストで提供することができる。
【００２９】
また、光源装置１０Ｒの内部では、これらのＬＥＤ１１および１２から出射された光をレンズシステムによって集光および合成しなくて良いので、その過程におけるロスもなくなり、ＬＥＤ１１および１２から出射された光束の利用効率も高くできる。したがって、本例の光源装置１０Ｒにより、コンパクトで低コストであり、さらに実用に足りる充分な光量と輝度の単色の光を出射できるＬＥＤを用いた光源装置を提供することが可能となる。
【００３０】
図１では、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２を各々１個づつ配置した例を参考に示してあるが、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２として同一の特性の複数のＬＥＤを平面的に、あるいはコリメータレンズなどの特性に合わせて湾曲した状態で配置しても良いことはもちろんである。また、図１に示した例ではＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２を９０度旋回した位置に配置してあるが、各々のＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２の成す角度、あるいはＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２を代表として示した複数のＬＥＤからなるグループのなす角度（相対的な角度）は９０度に限らず、ダイクロイックミラー１９により反射された光束が、ダイクロイックミラー１９を透過した他の光束と重なる角度で配置されていれば良い。
【００３１】
たとえば、図４に示すように、ダイクロイックミラー１９の角度θがＬＥＤ１２の光束２２の軸方向に対し４５度より大きくした場合は、ＬＥＤ１１とＬＥＤ１２の成す相対的な角度は９０度より大きくなり、さらに、ＬＥＤ１１の光束２１がダイクロイックミラー１９を透過した光束２２の方向に投影される面積は小さくなる。このため、複数のＬＥＤ１１を配置する面積を大きくすることができ、光束２１の出射時点での光量を高くできると共に、合成するポイントにおいて出射されたポイントよりも輝度を高くすることができる。したがって、ダイクロイックミラー１９で合成される合成光束２０Ｒにおける光束２１の強度（輝度あるいは集光度）は光束２２よりも大きくなる。一方、ダイクロイックミラー１９の角度θが光束２２の軸方向に対し４５度より小さくすると、ＬＥＤ１１とＬＥＤ１２の成す相対的な角度は９０度より小さくなり、さらに、ＬＥＤ１１の光束２１が光束２２の方向に投影される面積は大きくなる。したがって、光束２１の輝度は光束２２に対して低く合成される。このように、ダイクロイックミラー１９の角度を変えることにより、ＬＥＤ１１および１２あるいはこれらが代表する複数のＬＥＤの配置は自由にデザインすることができ、また、ダイクロイックミラー１９の角度によって合成する際にＬＥＤ１１および１２からの光束２１および２２の輝度調整も可能となる。
【００３２】
また、ダイクロイックミラー１９に対するＬＥＤ１１および１２の位置関係が変わるので、光源装置１０Ｒのサイズにも影響する。たとえば、ダイクロイックミラー１９の角度θを４５度より大きくするとＬＥＤ１１および１２を光束２０Ｒの出射方向に対し後方に配置できるので、光源装置１０Ｒを出射方向に対し短くすることができるであろう。
【００３３】
さらに、図５に示すように、ＬＥＤ１１を上下２つ、すなわち、ＬＥＤ１２に対しプラス９０度およびマイナス９０度の方向に配置された２つのグループに分けて配置し、これらから出射された光束をそれぞれの方向に４５度に傾いたダイクロイックミラー１９でＬＥＤ１２からの光束と合成することも可能である。このような配置を採用することにより、光源装置１０Ｒを光束２０Ｒの出射方向に対して短くできる。
【００３４】
また、ダイクロイックミラー１９と同様に境界波長λ０を備えた光学素子としてダイクロイックプリズムが知られており、ダイクロイックミラー１９の代わりにダイクロイックプリズムを採用しても本発明の光源装置を実現できる。多層干渉膜（ダイクロイック膜）などによって波長選択性が与えられたこれらの光学素子を利用することによりＬＥＤをフレキシブルに配置することができる。
【００３５】
本発明における光源装置においては、ＬＥＤ１１および１２、さらには、これらに代表されるＬＥＤグループの配置は上記の例に限定されることはない。しかしながら、上述した例からもわかるようにＬＥＤの配置は非常にフレキシブルになり、従来の照明装置のように平面に限定されることはなくなる。したがって、所望の光量および輝度の光束を得るために要求される数のＬＥＤを高い集積度でアレンジすることが可能であり、コンパクトで高光量および高輝度の出射光の得られる半導体光源を提供することができる。
【００３６】
また、上記の例は、赤色Ｒの光束を出射する照明装置であるが、同様に他の原色、すなわち、緑色Ｇの光束あるいは青色Ｂの光束を出射する照明装置も構成できる。たとえば、緑色Ｇを放射する光源装置では、半導体発光源として、約４９０〜５５０ｎｍの領域で僅かに異なるピーク波長を備えた複数のタイプのＬＥＤ素子を選択し、それらのピーク波長の間に境界波長λ０を持つダイクロイックミラーを用いることにより、同様に、放射輝度の高い緑色の合成光束光を得ることができる。また、青色光Ｂを放射する光源装置では、発光源として、約４３０〜４６０ｎｍの領域で僅かに異なる波長ピークを備えた複数のタイプのＬＥＤ素子を選択することで、同様に放射輝度の高い青色の合成光束を得ることができる。
【００３７】
さらに、上記では、２種類のＬＥＤから出射される光束を合成しているが、適当な放射スペクトルのＬＥＤがあれば、３種類以上のＬＥＤから出射される光束を同様に合成することが可能である。図６ないし図８に３種類のＬＥＤから出射された光束を合成する光源装置を示してある。本例の光源装置１０Ｒも赤色Ｒの光束を出射する光源装置である。この光源装置１０Ｒでは、半導体光源としてピーク波長λ１１が６３６ｎｍで半値幅１７ｎｍのＬＥＤ１１１と、ピーク波長λ１２が６１２ｎｍで半値幅１５ｎｍのＬＥＤ１１２と、先の光源装置にも用いたピーク波長λ２が６６０ｎｍで半値幅２５ｎｍのＬＥＤ１２が用いられている。そして、境界波長λ０１が約６４５ｎｍのダイクロイックミラー１９１と、境界波長λ０２が約６２０ｎｍのダイクロイックミラー１９２とを用いてこれらのＬＥＤ１２、１１１および１１２から出射される光束２２、２１１および２１２を合成するようにしている。このような放射スペクトルを備えたＬＥＤとして、ＬＥＤ１１１には（株）東芝製のＴＬＳＵシリーズＬＥＤを、ＬＥＤ素１１２には、同社製ＴＬＯＵシリーズＬＥＤを、さらに、ＬＥＤ１２には同社製ＴＬＵＲシリーズＬＥＤを用いることができる。
【００３８】
図７に示すように、この光源装置１０Ｒでは、ピーク波長の差Δλが４８ｎｍに収まる３種類の光束２２（スペクトル２２ａ）、２１１（スペクトル２１１ａ）および２１２（スペクトル２１２ａ）を合成し、図８に示すようなスペクトルの出射光束２０Ｒ（スペクトル２０ａ）を、その断面積を増加させずに得ることができる。したがって、それぞれのＬＥＤ１２、１１１および１１２の出射光量にも依存するが、単一のＬＥＤを平面的に並べた光源装置と比較し、３倍弱程度の輝度の光束を得ることができる。上記のような具体的なＬＥＤを選択した光源装置においては、ＬＥＤ１２を単体で用いた場合と比較し、出射される光束の断面（投射照明光束の光路に垂直な断面積）を変えずに、半導体光源からの放射光量を全体で約２．５倍にできるので、出射光束の放射輝度も約２．５倍となる。
【００３９】
もちろん、同一原色と見なせる波長領域内で４つ以上の異なるピーク波長を備えた適当なＬＥＤを選択できれば、上記と同様にそれらのＬＥＤあるいはＬＥＤグループから出射される光束を合成して高輝度でコンパクトな光源装置を実現することができる。また、これらの３つ以上のタイプのＬＥＤから光束を合成する光源装置においても、それらのＬＥＤを配置する自由度は大きく、上述したような配置のバリエーションはもちろん可能である。
【００４０】
さらに、半導体光源はＬＥＤに限らず、ＳＬＤ素子（超放射発光ダイオード素子、以降においてはＳＬＤ）を採用することもできる。図９に示すようにＳＬＤは、通常のＬＥＤに比べ発光スペクトルの帯域幅が狭い。したがって、狭いスペクトル領域内でＬＥＤよりも多くの異なるピーク波長を備えたタイプを選択できる可能性があり、単一原色を僅かに発光スペクトル域に差のある、より多数の半導体光源から出射された光束で合成することができる。このため、さらに高輝度の光束を出射できる光源装置を提供することができる。
【００４１】
さらに、ＳＬＤは発光の発散角が狭いので、それから出射される光束自体の集光および伝送効率を高くしやすい。したがって、光源装置自体を更にコンパクトにできる。また、個々のＳＬＤの発光スペクトル帯域幅が狭いので、ダイクロイックミラーあるいはダイクロイックプリズムの境界波長λ０を挟んで、これに隣接したピーク波長のＳＬＤからの光束を合成したときにダイクロイックミラーなどによってカットされるスペクトル領域が非常に小さくなる。したがって、光の利用効率もさらに向上する。
【００４２】
このように、本発明により、高輝度の単色光を出射することができる、コンパクトな半導体光源を用いた光源装置を実現できる。半導体光源は、光への変換効率が高く熱出力は小さい。さらに長寿命であり、また、制御応答性が良いなどの利点を多く備えている反面、高輝度を求めようとすると、エネルギー密度を上げにくいという欠点があったが、本発明により、このような問題も解決できた。したがって、ハロゲンランプなどを光源として採用している応用分野、特に、発熱が少なく、高輝度の光源を必要としている分野の全てに本発明に係る光源装置を適用することができる。
【００４３】
図１０には、本発明により赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂの出射光２０Ｒ、２０Ｇおよび２０Ｂを放射可能な３つの光源装置１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂを用いた白色光源装置２を示してある。本発明における光源装置は、これらの３原色以外の色の光束であっても、高輝度の光を出射することが可能である。しかしながら、加法混色によって、白色あるいはその他の全ての色を表現できることを考えると、これら３原色の単色光を出射する光源装置が本発明を適用した光源装置として最も有用なものである。
【００４４】
本例の白色光源装置２においては、これら３原色の光源装置１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂからの光束を赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｂの波長の間の適当な波長を境界波長としてもつダイクロイックプリズム７により合成し、出射レンズ５を介して外部に放射するようにしている。もちろん、その他の光学系によって光源装置１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂからの光束を合成することも可能である。たとえば、２つのダイクロイックミラーあるいはプリズムを用いれば、シーケンシャルにこれらの光源装置からの光束を合成することができる。本発明に係る白色光源装置は、一般照明などにももちろん適用できるが、コンパクトで高輝度の白色光束を得ることができるので、スポットライト、車のヘッドランプ、さらには液晶ディスプレイのバックライトなどに適している。
【００４５】
図１１は、本発明により赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂの出射光２０Ｒ、２０Ｇおよび２０Ｂを放射可能な３つの光源装置１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂを用いた液晶プロジェクタ１を示してある。図１１に示したプロジェクタ１は、３板式のものであり、光源装置１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂから出射された光束２０Ｒ、２０Ｇおよび２０Ｂを、それぞれに対応したライトバルブ、本例ではＬＣＤ８Ｒ、８Ｇおよび８Ｂで変調し、ダイクロイックプリズム７で合成した後に投影レンズあるいはレンズシステム６により出射し、スクリーン９にカラー画像を投影する。
【００４６】
近年、プレゼンテーション用の機器あるいは大画面のテレビ用の機器などとして、コンパクトで明るく、さらに静かなプロジェクタ装置が要望されている。本発明の光源装置はコンパクトで高輝度の単一原色の光束を出射することができるので、このような要望のプロジェクタ装置には好適である。さらに、半導体光源を採用しているので、光変換効率が高く、発熱量が小さいので、冷却ファンなどによる騒音も小さくすることができる。そして、長寿命であるので、ハロゲンランプのような玉切れの心配はなく、メンテナンスフリーのプロジェクタを提供できる。したがって、本発明の光源装置を採用することにより、家庭用あるいは携帯用に適したコンパクトで低コストのプロジェクタ装置を提供できる。
【００４７】
本発明に係る光源装置を採用したプロジェクタは、図１１に示したものに限らない。たとえば、図１０に示した白色光源とほぼ同様に３原色の光源装置１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂを並べて共通のＬＣＤに出射光束を導き、これらの光源装置１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂの点灯を時分割で制御すると共に、ＬＣＤではそれに同期して各色毎の画像を表示するようにすれば単板式のプロジェクタを構成することができる。また、ＬＣＤ（液晶パネル）に代わり、マイクロマシン技術を用いて機械的に光の反射方向を変えて画像を形成するＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）をライトバルブとして用いたプロジェクタに本発明の光源装置を提供することも可能である。ＤＭＤは、ＬＣＤよりも応答速度が速く、明るい画像が得られるので、さらに小型で高輝度、高画質のプロジェクタを実現するのに適している。
【００４８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る光源装置は、ＬＥＤ素子などの半導体発光素子から得られるピーク波長が僅かに異なる複数の光束を、それらピーク波長の僅かな差を利用してダイクロイックミラーなどの波長選択性のある光学素子により合成している。このため、ＬＥＤ素子などの半導体光源を平面的な配置から集積度が高くなるように立体的に配置することが可能となり、高輝度、大出力のコンパクトな半導体光源装置を提供できる。さらに、ＬＥＤ素子の代わりにＳＬＤ素子を用いることにより、より高輝度の光源がコンパクトに構成できる。
【００４９】
このように、本発明により、小型で低コストでありながら、長寿命で発光効率も高い単色の発光源である半導体発光素子を用いて、実用に足る充分な光量と輝度の単一原色の光を出射できるコンパクな光源装置を実現できるので、さらに、本発明により、高輝度の白色の光源装置、また、コンパクトでメンテナンスもいらないプロジェクタ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光源装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示した単色光源装置の波長特性を示す図である。
【図３】図２の２つの光源からの光をダイクロイックミラーで合成したスペクトルを示す図である。
【図４】光源装置の異なる例を示す図である。
【図５】光源装置のさらに異なる例を示す図である。
【図６】光源装置の更に異なる例を示す図である。
【図７】図６に示した光源装置の波長特性を示す図である。
【図８】図７の３つの光源からの光をダイクロイックミラーで合成したスペクトルを示す図である。
【図９】ＬＥＤとＳＬＤの特性差を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の光源装置を用いた白色光源装置の一例を示す図である。
【図１１】本発明の光源装置を用いたプロジェクタの一例を示す図である。
【図１２】従来のＬＥＤ素子を用いた光源装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ プロジェクタ
２ 白色光源装置
６ 投影レンズ（投写レンズシステム）
７ ダイクロイックプリズム
８ 液晶ライトバルブ（ＬＣＤ）
９ スクリーン
１０ 光源装置
１１、１２ ＬＥＤ素子
１９ ダイクロイックミラー
２０ 出射光束（合成光束）
２１、２２ ＬＥＤの光束
Claims (6)
- 可視光の特定の波長領域の光を反射し、他の波長領域の光を透過する光学素子であって、反射率特性が急変する境界波長を備えた光学素子と、前記境界波長を挟む第１および第２の波長をピーク波長とする第１および第２の光束をそれぞれ出射する第１および第２の半導体発光源とをそれぞれ含む、第１の光源装置と、第２の光源装置と、第３の光源装置とを有し、
前記第１の光源装置の前記境界波長、および前記第１および第２の波長は赤色の領域に含まれ、前記第１の光源装置は、赤色の領域に含まれる前記第１および第２の光束を前記光学素子により合成して出射し、
前記第２の光源装置の前記境界波長、および前記第１および第２の波長は緑色の領域に含まれ、前記第２の光源装置は、緑色の領域に含まれる前記第１および第２の光束を前記光学素子により合成して出射し、
前記第３の光源装置の前記境界波長、および前記第１および第２の波長は青色の領域に含まれ、前記第３の光源装置は、青色の領域に含まれる前記第１および第２の光束を前記光学素子により合成して出射し、
さらに、前記第１、第２および第３の光源装置から出射された光束を合成して白色光を出射する光学系を有する装置。 - 請求項１において、前記半導体発光源は、発光ダイオードまたは超放射発光ダイオードである装置。
- 請求項１または２において、前記光学素子は、ダイクロイックミラーまたはダイクロイックプリズムである装置。
- 可視光の特定の波長領域の光を反射し、他の波長領域の光を透過する光学素子であって、反射率特性が急変する境界波長を備えた光学素子と、前記境界波長を挟む第１および第２の波長をピーク波長とする第１および第２の光束をそれぞれ出射する第１および第２の半導体発光源とをそれぞれ含む、第１の光源装置と、第２の光源装置と、第３の光源装置とを有し、
前記第１の光源装置の前記境界波長、および前記第１および第２の波長は赤色の領域に含まれ、前記第１の光源装置は、赤色の領域に含まれる前記第１および第２の光束を前記光学素子により合成して出射し、
前記第２の光源装置の前記境界波長、および前記第１および第２の波長は緑色の領域に含まれ、前記第２の光源装置は、緑色の領域に含まれる前記第１および第２の光束を前記光学素子により合成して出射し、
前記第３の光源装置の前記境界波長、および前記第１および第２の波長は青色の領域に含まれ、前記第３の光源装置は、青色の領域に含まれる前記第１および第２の光束を前記光学素子により合成して出射し、
さらに、前記第１、第２および第３の光源装置から出射された光束をそれぞれ変調する少なくとも１つのライトバルブと、
このライトバルブによって変調された光をスクリーンに投射する投射レンズとを有するプロジェクタ装置。 - 請求項４において、前記半導体発光源は、発光ダイオードまたは超放射発光ダイオードであるプロジェクタ装置。
- 請求項４または５において、前記光学素子は、ダイクロイックミラーまたはダイクロイックプリズムであるプロジェクタ装置。
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