JP4632715B2

JP4632715B2 - 照明装置及び投射型表示装置

Info

Publication number: JP4632715B2
Application number: JP2004230886A
Authority: JP
Inventors: 厚志加藤
Original assignee: NEC Display Solutions Ltd
Current assignee: Sharp NEC Display Solutions Ltd
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2004-08-06
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2024-08-06
Also published as: JP2006047830A

Description

本発明は、プロジェクタに代表される投射型表示装置に関するものであり、特に、照明装置の改良に関するものである。

投射型表示装置は、照明装置から出力された光によって表示デバイスとしてのライトバルブを照明することによって画像光を形成し、形成された画像光をスクリーンに向けて投射する。従来、照明装置の光源としは、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ又はキセノンランプといった放電ランプが用いられていた。放電ランプは、高輝度の白色光を発するので、明るい画像を表示する観点からは望ましい光源であったが、投射型表示装置の小型化や低消費電力化を実現すべく、新たな光源が模索されており、発光ダイオードがその有力候補として注目されている。より具体的には、青色及び緑色の発光ダイオードの近年の発展は目ざましく、既に高効率での発光が可能となっている赤色発光ダイオードと組み合わせれば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色が揃い、上記照明装置の光源としての利用が可能になると考えられている。例えば、特許文献１には、発光ダイオードを光源とする光源ユニットと導光板とを有し、導光板の光導出面には拡散体が隣接配置されている照明装置を備えた投射型表示装置が開示されている。この投射型表示装置では、導光板の光導出面から出射し、拡散体によって拡散された光によってライトバルブが照明される。

ところで、発光ダイオードの高効率化が進んでいるとはいえ、発光ダイオード１個当たりの発光光束量は、従来の放電ランプとは比べものにならないほど小さい。従って、発光ダイオードを光源とする照明装置を実現するためには、多数の発光ダイオードを使用して全体としての発光光束量を増大させなくてはならない。しかし、特許文献１に開示されている構成では、導光板の光導入面と対向する平面内に発光ダイオードがアレイ状に配置されているので、発光ダイオードの個数を増やして発光光束量を増大させようとすると、発光ダイオードの配置面積が大きくなり、これに伴って導光板の光導入面の面積も拡大する必要が生じ、照明装置の大型化を招く結果となる。

この点、特許文献２に開示されている照明光学系構造によれば、上記のような不都合は回避される。特許文献２に開示されている照明光学系構造は、緑色発光ダイオードを光源とする第１の緑色光源、赤色発光ダイオードを光源とする第１の赤色光源、及び青色発光ダイオードを光源とする第１の青色光源を備えた第１の照明光出力手段と、緑色発光ダイオードを光源とする第２の緑色光源、赤色発光ダイオードを光源とする第２の赤色光源、及び青色発光ダイオードを光源とする第２の青色光源を備えた第２の照明光出力手段とを有する。第１の照明光出力手段から出力された照明光は、偏光変換素子によってＰ偏光光方向に偏光変換された後に偏光プリズムに入射し、第２の照明光出力手段から出力された光は、偏光変換素子によってＳ偏光方向に偏光変換された後に偏光プリズムに入射する。ここで偏光プリズムは、Ｐ偏光光をそのまま透過させ、Ｓ偏光光を反射する分光特性を有する。従って、第１の照明光出力手段から出力された照明光と、第２の照明光出力手段から出力された照明光とが、偏光プリズムによって合成される。このように、特許文献２に開示された照明光学系構造では、全ての発光ダイオードを同一平面内に配置する必要がないので、発光ダイオードの個数増加に伴う上記不都合は回避される。
特開２００３−３３０１１０号公報特開２００４−７００１７号公報

しかし、特許文献２に開示されている照明光学系構造には次のような課題があった。すなわち、特許文献２に開示されている照明光学系構造では、２つの照明光出力手段から出力された光を偏光プリズムによって合成している。従って、各出力手段から出力された光の偏光方向を偏光プリズムに入射させる前に所定方向に揃えておく必要があり、そのためには偏光変換素子が不可欠となる。具体的には、第１照明光出力手段から出力された光をＰ偏光光に偏光変換する偏光変換素子と、第２照明光出力手段から出力された光をＳ偏光光に偏光変換する偏光変換素子が不可欠となる。

しかし、偏光変換素子の透過率は１００％ではないので、偏光変換素子を透過することによって、光は多少なりとも減衰を受ける。また、ライトバルブがデジタルマイクロミラー等である場合、照明光をＰ偏光光又はＳ偏光光のいずれかに揃える必要がないことは広く知られている。従って、ライトバルブにデジタルマイクロミラーを用いた投射型表示装置では、偏光変換素子を設ける必要がないことが利点の一つとして挙げられる。しかし、特許文献２の照明光学系構造を採用する場合には、ライトバルブの種類に関係なく、常に偏光変換素子を設ける必要がある。

本発明の目的は、発光ダイオードを光源とする２以上の光源部から出射された光を偏光変換等の処理をすることなく合成して高輝度の照明光を出力可能な照明装置と、その照明装置を備えた投射型表示装置を提供することである。

本発明の照明装置は、発光ダイオードを光源する第１光源部及び第２光源部と、第１光源部及び第２光源部から出射された光を合成する合成手段としてのプリズムと、プリズムによって合成された光を照明対象に導くための導光部材とを有し、プリズムは、第１光源部から出射された光が入射する第１の面と、第２光源部から出射された光が入射する第２の面と、第１の面から入射した光をそのまま透過させると共に、第２の面から入射した光をその偏光状態に関わらず全反射させる第３の面と、第３の面を透過した光及び第３の面によって全反射された光の双方を出射させる第４の面とを備え、導光部材は、プリズムの出射面から出射された光が入射する光導入面と、光導入面から入射した光が出射される光導出面とを備える。

或いは、上記合成手段としてのプリズムが第１光源部から出射された光が入射する第１の面と、第２光源部から出射された光が入射する第２の面と、第１の面及び第２の面から入射した光が出射される第３の面とを備え、第２の面は、第１の面から入射した光をその偏光状態に関わらず第３の面に向けて全反射させる。

上記構成を有する本発明の照明装置は、２つの光源部から出射された光束をプリズムを利用して合成するので、異なる平面上に設けられた光源部からそれぞれ出射された光束を所望の照明対象に導くことができる。従って、所望の明るさを得るために必要な個数の発光ダイオードを２つの光源部に分散させることが可能である。また、プリズムの全反射作用によって光束を合成するものであって、光束を合成するために前もって偏光変換等の処理を行なう必要がない。従って、光束の偏光状態を変換するための光学系が不要となり、また、そのような光学系の挿入に伴う損失も発生しない。

本発明の照明装置によれば、小型で低消費電力でありながら十分な明るさを有する照明装置が実現される。また、本発明の照明装置を投射型表示装置の照明装置に用いれば、小型で低消費電力でありながら高輝度の画像を表示可能な投射型表示装置が実現される。

以下、本発明の照明装置の実施形態の一例について図面を参照しながら詳細に説明する。図１に示すように、本例の照明装置は、第１光源部１０、第２光源部２０、プリズム３０、及び導光部材４０から構成されている。

図１に示す第１光源部１０は、光源として複数の発光ダイオード１１を備えており、第２光源部２０も光源として複数の発光ダイオード２１を備えている（便宜上、図１には発光ダイオード１１、２１を１つずつ図示してある）。本例では、一般に市販されている砲弾型の発光ダイオードが用いられているが、発光ダイオード１１、２１の形態は図示されているものに限られない。また、各光源部１０、２０を構成する発光ダイオード１１、２１は、同一の発光色及び発光特性を有するものであっても、異なる発光色及び発光特性を有するものであってもよい。さらには、第１光源部１０を構成する発光ダイオード１１と第２光源部２０を構成する発光ダイオード２１とが同一の発光色及び発光特性を有していても、異なる発光色及び発光特性を有していてもよい。ここで、一般的な発光ダイオードは、発光素子がレンズ形状を有する樹脂よって封止された構造を有しており、この樹脂のレンズ作用によって、出射光はある程度の指向性を有する。しかし、発光ダイオード１１、２１から出射された光束をなるべく効率良くプリズムに入射させるべく、本例では、第１光源部１０及び第２光源部２０に、補助光学素子として凸レンズ１２、２２をそれぞれ配置してある。

図１に示す導光部材４０は、光学樹脂によって形成された断面略楔形の部材である。もっとも、導光部材自体は、バックライトの光を液晶に均一に照射するための部材として既に実用化されている周知の技術であるので、詳しい説明は省略する。本例の照明装置においては、導光部材４０の光導入面４１から入射した光は、該部材４０内で内面反射を繰り返しながら進行し、斜面４２に形成された所定形状の微小プリズム４３（図２参照）によって偏向され、光導出面４４から出射する。

図１に示すプリズム３０は、図３に示すように、ガラスを素材とする第１プリズム３１及び第２プリズム３２によって構成されている。第１プリズム３１の面３３と第２プリズム３２の面３４とは、微小な間隔を置いて対向している。すなわち、面３３と面３４との間には、空気層３５が存在している。また、第１プリズム３１の面３６と第２プリズム３２の面３７とは、連続面を形成している。

再び図１を参照すると、以上の構造を有するプリズム３０は、上記連続面を形成している第１プリズム３１の面３６と第２プリズム３２の面３７とが導光部材４０の光導入面４１と平行になり、かつ、第１プリズム３１の面３８が光源部１０から出射される光束の光軸１３と略直交し、第２プリズム３２の面３９が光源部２０から出射される光束の光軸２３と略直交するように配置されている。

次に、上記構成を有する本例の照明装置の動作について説明する。第１光源部１０の発光ダイオード１１が発光すると、該発光ダイオード１１から発せられた光束は、凸レンズ１２の収束作用を受け、図３に示す第１プリズム３１の面３８からプリズム３０に入射する。プリズム３０に入射した光束は、面３３から面３４へと進行し、第２プリズム３２を透過し、面３７から出射して導光部材４０の光導入面４１に入射する。一方、第２光源部２０の発光ダイオード２１が発光すると、該発光ダイオード２１から発せられた光束は、凸レンズ２２の収束作用を受け、図３に示す第２プリズム３２の面３９からプリズム３０に入射する。プリズム３０に入射した光束は、第２プリズム内を進行するが、第２プリズム３２の面３４に達したときに、該面３４による全反射作用を受けて反射され（偏向され）、第２プリズム３２の面３７から出射して導光部材４０の光導入面４１に入射する。すなわち、第１プリズム３１の面３８は、第１光源部１０から出射された光束が入射する第１の入射面として機能し、第２プリズム３２の面３９は、第２光源部２０から出射され光束が入射する第２の入射面として機能する。また、第２プリズム３２の面３４は、第１光源部１０から出射された光束については、その偏光状態に関わらず透過させる入出射面として機能するが、第２光源部２０から出射された光束については、その偏光状態に関わらず反射させる全反射面として機能する。さらに、第１プリズム３１の面３６と第２プリズム３２の面３７とによって形成された連続面は、全反射面を透過した光束及び全反射面によって反射された光束の双方が出射される出射面として機能する。

再び図１を参照すると、導光部材４０に入射した光束は、該部材４０内を進行する過程の中で、斜面４２に形成された微小プリズム４３（図２）の作用によって、進行方向が光導出面４４側に変換され、光導出面４４から出射する。

以上の説明から明らかなように、本例の照明装置では、２つの光源部１０、２０から出射された光束が低損失で合成される。特に、第２光源部２０から出射された光束は、第２プリズム３２の面（全反射面）３４によって進行方向が変換されるので、ほとんど損失を受けることなくプリズム３０から出射する。また、各光源部１０、２０に発光ダイオード１１、２１をより高密度に配置することによってさらに高輝度での照明を実現することもできる。ここで、導光部材４０の光導入面４１は、図２に示すＸ方向を長辺とする長方形である。従って、図１に示す各光源部１０、２０を構成する発光ダイオード１１、２１の数を増やす場合には、紙面に対して垂直な方向に発光ダイオード１１、２１を追加配置することが望ましい。

次に、本例の照明装置を適用した投射型表示装置の一例について図４を参照しながら説明する。この投射型表示装置は、ライトバルブとして、赤色用（Ｒ）、緑色用（Ｇ）、青色用（Ｂ）の３枚の液晶パネル５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂを有し、それぞれの液晶パネル５０Ｒ，５０Ｇ及び５０Ｂによって形成されたＲ、Ｇ、Ｂの画像光をクロスダイクロイックプリズム５１によって合成し、合成されたフルカラーの画像光を投射レンズ５２を通して投射するものである。本例の照明装置は、各液晶パネル５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂごとに配置されている。具体的には、各液晶パネル５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂを挟んでクロスダイクロイックプリズムの反対側に照明装置６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂがそれぞれ配置されている。このように、各色用のライトバルブを備える投射型表示装置においては、対応する照明装置がＲ、Ｇ、Ｂの各色光をできるだけ高輝度で出力することが望ましい。そこで、赤色用の液晶パネル５０Ｒを照明する照明装置６０Ｒの第１光源部１０及び第２光源部２０では、光源である発光ダイオード１１、２１を全て赤色発光ダイオードとしてある。また、緑色用の液晶パネル５０Ｇを照明する照明装置６０Ｇの第１光源部１０及び第２光源部２０では、光源である発光ダイオード１１、２１を全て緑色発光ダイオードとしてある。さらに、青色用の液晶パネル５０Ｂを照明する照明装置６０Ｂの第１光源部１０及び第２光源部２０では、光源である発光ダイオード１１、２１を全て青色発光ダイオードとしてある。尚、図４では省略されているが、各液晶パネル５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂの前後には偏光板が配置されている。

次に、本例の照明装置を適用した投射型表示装置の他例について図５を参照しながら説明する。この投射型表示装置は、２つの照明装置７０、７１を備え、それぞれの照明装置７０、７１から出力された光束をクロスダイクロイックプリズム７２で合成し、合成された光束を単一のライトバルブ７３に照射して単色の画像光を形成し、形成された画像光を投射レンズ７４を通して投射する単板式の投射型表示装置である。単板式の投射型表示装置でフルカラーの画像を表示するためには、Ｒ、Ｇ、Ｂの照明光が例えば時分割でライトバルブに照射される必要がある。そこで、照明装置７０の第１光源部１０及び第２光源部２０では、光源である発光ダイオード１１、２１を全て緑色発光ダイオードとしてある。一方、照明装置７１の第１光源１０では、光源である発光ダイオード１１を赤色発光ダイオードとし、第２光源２０では、光源である発光ダイオード２１を青色発光ダイオードとしてある。もっとも、照明装置７１の第１光源１０の光源を青色発光ダイオードとし、第２光源２０の光源を赤色発光ダイオードとすることもできる。

いずれにしても、図５に示す２つの照明装置７０、７１の各光源部１０、２０を駆動するタイミングを制御することによって、Ｒ、Ｇ、Ｂの各照明光が順次ライトバルブ７３に照射され、これに応じてライトバルブ７３の駆動を同期制御することによって、フルカラーの画像が表示される。尚、図５に示すクロスダイクロイックプリズム７２の波長選択膜７５は、緑の波長領域の光を透過させ、青及び赤の波長領域の光を反射させる特性を有することは勿論である。

これまでは２以上の光源部から出射された光束を合成させる合成手段として、２つのプリズムが空気層を隔てて配置された複合プリズムを用いることを前提として本発明の照明装置の実施形態を説明してきた。しかし、２以上の光源部から出射された光束を合成させる手段としてのプリズムは、複合プリズムに限られず、単一のプリズムであってもよい。例えば図６に示すように、第１光源部８０、第２光源部８１及び三角形状のプリズム８２の三者を、第１光源部８０から出射された光束がプリズム８２の斜面８３に略垂直に入射し、第２光源部８１から出射された光束が斜面８３で全反射されるように、プリズム８２の面８４に略垂直に入射するように配置する。すなわち、斜面８３が、第１光源部８０から出射された光束に対しては入射光をそのまま透過させる入出射面として機能するが、第２光源部８１から出射された光に対しては全反射面として機能するように配置する。

かかる配置によって、単一のプリズム８２を用いて２つの光源部８０、８１から出射された光束を合成し、効率良く導光部材８５の光導入面８６に入射させることができる。もっとも、本発明の照明装置を構成する導光部材は、図示されているような楔形状に限定されるものではなく、例えば、周知技術として実用化されている平面形状の導光部材であってもよい。

また、これまでは第１光源部及び第２光源部がそれぞれ１つずつ設けられている照明装置について説明してきた。しかし、本明細書では、プリズムの一面に入射する光束を出射する光源部を全て包含する意味で第１光源部との語を用い、プリズムの他の一面に入射する光束を出射する光源部を全て包含する意味で第２光源部との語を用いている。すなわち、第１光源部及び第２光源部はそれぞれ１つとは限らない。

本発明の照明装置の実施形態の一例を示す模式図である。図１に示す導光部材の拡大模式図である。図１に示すプリズムの拡大模式図である。本発明の投射型表示装置の一例を示す模式図である。本発明の投射型表示装置の他例を示す模式図である。本発明の照明装置の実施形態の他例を示す模式図である。

符号の説明

１０第１光源部
１１発光ダイオード
１２凸レンズ
１３光軸
２０第２光源部
２１発光ダイオード
２２凸レンズ
２３光軸
３０プリズム
３１第１プリズム
３２第２プリズム
３３、３４面
３５空気層
３６〜３９面
４０導光部材
４１光導入面
４２斜面
４３微小プリズム
４４光導出面
５０Ｒ液晶パネル
５０Ｇ液晶パネル
５０Ｂ液晶パネル
５１、７３クロスダイクロイックプリズム
５２、７４投射レンズ
６０Ｒ照明装置
６０Ｇ照明装置
６０Ｂ照明装置
７０、７１照明装置

Claims

発光ダイオードを光源とする第１光源部及び第２光源部と、
隣接する第１プリズムと第２プリズムとからなるプリズムと、
前記第１光源部から出射された光を収束させて前記第１プリズムの第１の面に入射させる第１の凸レンズと、
前記第２光源部から出射された光を収束させて前記第２プリズムの第２の面に入射させる第２の凸レンズと、
前記プリズムから出射された光が入射する光導入面と、前記光導入面から入射した光が出射される光導出面とを備えた導光部材と、を有し、
前記第１の凸レンズの光軸は、前記第１プリズムの前記第１の面と直交し、
前記第２の凸レンズの光軸は、前記第２プリズムの前記第２の面と直交し、
前記第２プリズムは、前記第１プリズムの前記第１の面から入射した光をそのまま透過させると共に、前記第２プリズムの前記第２の面から入射した光をその偏光状態に関わらず全反射させる第３の面と、前記第３の面を透過した光及び前記第３の面によって全反射された光の双方を出射させる第４の面とを有し、該第４の面から出射された光が前記導光部材の前記光導入面に入射する照明装置。
発光ダイオードを光源とする第１光源部及び第２光源部と、
第１の面および第２の面と、前記第１の面および前記第２の面から入射した光が出射される第３の面とを備えたプリズムと、
前記第１光源部から出射された光を収束させて前記プリズムの前記第１の面に入射させる第１の凸レンズと、
前記第２光源部から出射された光を収束させて前記プリズムの前記第２の面に入射させる第２の凸レンズと、
前記プリズムの前記第３の面から出射された光が入射する光導入面と、前記光導入面から入射した光が出射される光導出面とを備えた導光部材とを有し、
前記第１の凸レンズの光軸は、前記第１プリズムの前記第１の面と直交し、
前記第２の凸レンズの光軸は、前記第２プリズムの前記第２の面と直交し、
前記プリズムの前記第２の面は、前記第１の面から入射した光をその偏光状態に関わらず前記第３の面に向けて全反射させる照明装置。
前記第１光源部の光源である発光ダイオードと、前記第２光源部の光源である発光ダイオードとが、同色の光を発する請求項１又は請求項２記載の照明装置。
前記第１光源部の光源である発光ダイオードと、前記第２光源部の光源である発光ダイオードとが、異色の光を発する請求項１又は請求項２記載の照明装置。
前記第１光源部及び第２光源部の双方または一方が、異色の光を発する２種以上の発光ダイオードを光源として有する請求項１又は請求項２記載の照明装置。
照明装置から出射された光をライトバルブによって変調して画像光を形成し、形成された画像光を投射レンズを介して投射する投射型表示装置であって、前記照明装置が請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の照明装置である投射型表示装置。