JP4681098B2 - 映像プロジェクタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオードを用いた映像プロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオード（light emitting diode：以下、ＬＥＤ）は、キセノンやメタルハライドなどのバブルランプと比較すると、一般に、長寿命、高効率、高耐Ｇ性、単色発光などの利点を有している。このために、近年、多くの照明分野への応用において、発光源としてバブルランプからＬＥＤへと移行する動向が見られている。
【０００３】
しかしながら、一般に、ＬＥＤは単位素子での発光量が小さい。そこで、比較的大きな光量が要求される照明分野への用途では、例えば、特願昭５９−１６２９６４号や特願平９−６９８０３号の明細書に示されているように、多数のＬＥＤ素子を一つの平面または曲面上に集積して配置することで必要とされる光量を確保していた。
【０００４】
ところで、映像プロジェクタ等の映像投射照明装置では、投射照明光源装置には、絶対光量とともに輝度の高さが要求される。そこで、例えば、上記明細書に示されているように、発光源であるＬＥＤ素子をできるだけ集積密度が高くなるように寄せ集め、各ＬＥＤ素子から放射された光束を一つの凸コンデンサレンズと一つのフィールドレンズとからなる光学系を用いて、映像表示素子を投射照明していた。
また、必要とされる大きな光量を確保するために、多数のＬＥＤ素子は投射照明光源装置の照明光の光軸にほぼ直交する面上に分布させていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようにＬＥＤ素子を配置すると、必要とされる大きな光量を確保することができても、発光部の面積がＬＥＤ素子の個数に比例して増加するため、光学系全体としての輝度を上げることができなかった。特に、対角１インチ程度の小型の映像表示素子を効率良く投射照明し、かつ、該映像表示素子からの反射又は透過光を投射レンズへと効率良く入投射させることができなかった。
【０００６】
本発明の課題は、高い輝度の投射照明光束が得られ、小型の映像表示素子に対しても効率良く投射照明することができ、長寿命で高効率な発光ダイオードを用いた映像プロジェクタを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、請求項１記載の発明は、例えば、図１に示すように、
平面１８内に複数の発光ダイオード（例えば、ＬＥＤ素子１１ａ…）を離散的に分布させた面状の光源（例えば、面状の光源１１）と、前記平面と直交するように光軸が配置される集光レンズ（例えば、凸コンデンサレンズ１２）を有する集光系Ａと、を備えた投射照明光源装置１０と、
前記投射照明光源装置から放射される投射照明光束に映像情報を与える映像表示素子１６と、
映像情報が与えられた投射照明光束をスクリーン１９へと投影する投射レンズ１７と、
前記投射照明光束を映像表示素子へと照射するとともに、映像表示素子で映像情報を受け取った投射照明光束を投射レンズへと入射させる偏光ビームスプリッタ１５と、から構成された映像プロジェクタであって、
前記面状の光源の光の放射の光軸方向に直交する方向の長さが、前記投射レンズの口径よりも長く、
前記発光ダイオードの光の放射の光軸方向が、前記集光レンズの光軸から前記発光ダイオードまでの距離に依存して決められる角度で、前記集光レンズの光軸方向に対して前記集光レンズの外側方向へ傾けられていることを特徴とする。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、発光ダイオードの光軸が、集光レンズの光軸から発光ダイオードまでの距離に依存して決められる角度で、集光レンズの光軸方向に対して集光レンズの外側方向へ傾けて配置されている。このような配置では、複数の発光ダイオードからの放射光を集光レンズと成形レンズで１本の光束にまとめる際、発光ダイオード光軸が集光レンズ光軸と平行な場合に比べ、該光束の広がりをより抑えることができ、発散角度の小さな投射照明に適した光束を得ることができる。すなわち、面状の光源の外周部分の発光ダイオード光軸を外側に傾けることで、集光レンズによる集光に際して角度発散を押さえることができる。
そして、このように、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることで、投射照明光束がレンズ枠などにあたってしまう場合のような、全体光学系の有限サイズによるケラレ損失を抑制することができる。従って、例えば、本発明の投射照明光源装置を映像プロジェクタの光源として適用したときに、発光ダイオードからの放射光を、映像を投影する投射レンズへと有効に導くことができる。
従って、投射照明光束の高輝度化を図ることができ、小型の映像表示素子に対しても効率良く入投射させることができる投射照明光源装置を得ることができる。
【０００９】
また、本発明の投射照明光源装置は、光源として発光ダイオードを用いているので、従来のようにバブルランプを用いる場合と比較して、長寿命、高効率、高耐Ｇ性などの特性を与えることができる。従って、本発明の投射照明光源装置を用いることで、メンテナンスフリーで長寿命な映像プロジェクタを得ることができる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の映像プロジェクタにおいて、例えば、図５に示すように、
前記発光ダイオード（例えば、ＬＥＤ素子２１ａ…）の放射の方向を調整する放射方向調整手段（例えば、小径凸レンズ２１ｂ…）を備え、
該放射方向調整手段により、少なくとも一部の前記発光ダイオードの光の放射の光軸方向が傾けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、発光ダイオードからの放射方向を調整する放射方向調整手段が備えられているので、集光系の集光レンズへと入射する放射光を請求項１と同様に傾けることができる。従って、請求項１と同様の効果を奏することができる。
【００１２】
なお、放射方向調整手段としては、例えば、前記のような個々の発光ダイオードの先端に、個々に凸レンズを配置する構成としても良い。
この場合には、凸レンズを配置する際に、発光ダイオードの放射の方向を所望に調整するためには、例えば、発光ダイオードの中心軸と凸レンズの中心軸とを所定の量だけ平行移動してずらして配置する構成としても良いし、発光ダイオードの前方で、発光ダイオードの光軸と凸レンズの光軸とが、所定の角度をなすように回転させて配置する構成としても良い。また、平行移動と回転とを組み合わせて、発光ダイオードからの放射が所望の方向となるように凸レンズを配置しても良い。
また、放射方向調整手段としては、凸レンズ以外の光学素子を用いても良い。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の映像プロジェクタにおいて、例えば、図５に示すように、
前記発光ダイオードの放射発散全角を狭める放射発散狹角手段（例えば、小径凸レンズ２１ｂ…）を備えていることを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または２と同様の効果を奏することができるとともに、発光ダイオードの放射発散全角を狭める放射発散狹角手段が備えられているので、さらに、発光ダイオードからの放射光を、角度発散を抑えて集光することができる。
これにより、もともとある程度大きな放射発散全角をもつ発光ダイオードを用いる場合においても、好適に、角度発散を抑えて集光することができ、本発明に適用できる発光ダイオードの選択範囲を広げることができる。
【００１５】
なお、放射発散狹角手段として、例えば、個々の発光ダイオードの前方に凸レンズを配置する構成とすれば、好適に、放射発散全角を狭めることができる。
また、この場合には、凸レンズの配置を所望に調整することで、放射の方向を調整することができるので、前記放射方向調整手段の役割も併せ持つことができる。従って、部品点数の削減や構成の簡素化を図ることができるために好ましい。
また、用途や目的に応じて、適宜、凸レンズを選択することで、発光ダイオードからの放射光の放射方向や集光度合いを所望に調整することが好ましい。
また、放射発散狹角手段としては、凸レンズ以外の光学素子を用いても良い。
【００１６】
請求項４記載の発明は、例えば、図１に示すように、請求項１〜３のいずれか一つに記載の映像プロジェクタにおいて、
前記発光ダイオード自体の放射発散全角が８°以内であることを特徴とする。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３と同様の効果を奏することができるとともに、（放射発散狹角化後の）放射発散全角が８°以内の発光ダイオードを用いるので、面状の光源から放射される光束を角度発散を抑えて、好適に、集光することができる。
【００１８】
請求項５記載の発明は、例えば、図１に示すように、請求項１〜４のいずれか一つに記載の映像プロジェクタにおいて、
前記集光系には、前記集光レンズで集光された光束を、投射に際して所定の光束に成形する成形レンズ（例えば、凹レンズ１３）が設けられていることを特徴とする。
【００１９】
請求項５記載の発明によれば、請求項１〜４と同様の効果を奏することができるとともに、集光レンズで集光された光束を、投射に際して、成形レンズにより所定の光束に成形することができる。従って、例えば、本発明の投射照明光源装置を映像プロジェクタの光源として適用した場合に、スクリーンへと映像を投影する投射レンズにあわせた所定の光束となるように成形することができる。
これにより、さらに、光学系の有限サイズにより投射照明光束がケラれることが抑制され、発光ダイオードからの放射光を効率良く利用することができ、投射照明光源の高輝度化に寄与することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜６を参照して、本発明の実施の形態の投射照明光源装置を詳細に説明する。
本実施の形態の投射照明光源装置は、映像プロジェクタが所定の映像をスクリーン１９へ投影するための光源として用いられる。
【００２１】
〔第１の実施の形態〕
まず、構成を説明する。
図１に示すように、映像プロジェクタの全体光学系は、第１の実施の形態の投射照明光源装置１０と、投射照明光源装置１０から放射される投射照明光束に映像情報を与える映像表示素子１６と、映像情報が与えられた投射照明光束をスクリーン１９へと投影する投射レンズ１７と、投射照明光源装置１０からの投射照明光束を映像表示素子１６へと照射するとともに、映像表示素子１６で映像情報を受け取った投射照明光束を投射レンズ１７へと入射させる偏光ビームスプリッタ１５と、等を主体に構成されている。
【００２２】
投射照明光源装置１０は、図１に示すように、平面１８上に配置されたＬＥＤ素子１１ａ…からなる面状の光源１１と、面状の光源１１からの放射光を集光する集光系Ａと、を主体に構成されている。
また、集光系Ａは、凸コンデンサレンズ１２（集光レンズ）と、凸コンデンサレンズ１２で集光された光束を必要な特性を満たす投射照明光束に成形する凹レンズ１３（成形レンズ）と、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光を所定の偏光に揃えて偏光ビームスプリッタ１５に入射させる偏光変換素子１４と、等を主体に構成されている。
【００２３】
ＬＥＤ素子１１ａ…は、ＲＧＢ各色のものが平面１８上に集積して備えられている。そして、このように離散的に配置された個々のＬＥＤ素子１１ａ…からＲＧＢ各色の放射光が放射され、このＲＧＢ各色の放射光が時分割的に混合されて、白色光の面状の光源１１として機能するようになっている。本実施の形態においては、平面１８上には、７×７個（計４９個）のＬＥＤ素子１１ａ…が備えられている。また、図１においては、７×７個配置されるＬＥＤ素子１１ａ…のうちの一列分（７個）のみを図示している。
また、第１の実施の形態で用いるＬＥＤ素子１１ａ…の放射発散全角は８°である。
【００２４】
また、個々のＬＥＤ素子１１ａ…の光軸の方向は、平面１８上で、凸コンデンサレンズ１２の光軸に対して、所定の向きとなるように配置されている。この向きは、凸コンデンサレンズ１２の光軸からＬＥＤ素子１１ａ…までの距離に依存して決められており、本実施の形態においては、凸コンデンサレンズ１２の光軸から遠い位置にあるＬＥＤ素子１１ａ…ほど、大きな角度で、凸コンデンサレンズ１２の光軸から外側を向くように配置されている。
そして、このように個々のＬＥＤ素子１１ａ…を傾けて配置することで、映像表示素子１６を照明した投射照明光束が、投射レンズに入射する際大きな角度発散を伴って幅広く広がることを抑制することができる。これにより、投射照明光源が投射レンズ１７へと効率的に導かれることになり、高輝度化を図ることができる。
【００２５】
本実施の形態では、以下の関係式（ａ）で、各ＬＥＤ素子１１ａ…の光軸と凸コンデンサレンズ１２の光軸とのなす角を定めている。
θ＝Ａ・ｒ（ただし、Ａ＝π／１８００） …（ａ）
ここで式（ａ）中、ｒ：ＬＥＤ素子１１ａ…の凸コンデンサレンズ１２の光軸からの距離（ｍｍ単位）、θ：ＬＥＤ素子１１ａ…の光軸と凸コンデンサレンズ１２の光軸とのなす角度（ラディアン単位）である。
そして、ＬＥＤ素子１１ａ…は、光を放射するＬＥＤ素子先端を全体の光軸から離れる外側方向に傾けられている。
【００２６】
なお、ＬＥＤ素子１１ａ…を平面１８上に配置するときに、適用可能な関係式は式（ａ）に限定されない。すなわち、凸コンデンサレンズ１２の光軸からＬＥＤ素子１１ａ…までの距離に依存して角度を決めることができ、投射照明光束の角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができれば、式（ａ）の他の関係式を適用しても良い。
【００２７】
また、ＬＥＤ素子１１ａ…を平面１８上で配置するには、例えば、ＲＧＢ（３原色）各色のＬＥＤが分散されるように配置する構成としても良いし、ＲＧＢ各色ごとに発光する面状光源を各々独立して設けるように配置する構成としても良い。なお、３原色を合成して白色光源を得るには、例えば、前者の場合には、ＲＧＢ各色のＬＥＤ素子１１ａ…からの発光が十分に混色されるように、各ＬＥＤ素子１１ａ…を分散配置すれば良い。また、後者の場合には、各色を合成することができるフィルタ（例えば、ダイクロイックフィルタなど）を設けることが好ましい。
【００２８】
また、凸コンデンサレンズ１２は、図１に示すように、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光を集光する周知のレンズであり、その光軸が平面１８と直交するように配置されている。本実施の形態では、凸コンデンサレンズとして、口径１００ｍｍ、焦点距離１４４ｍｍのものを用いている。
また、凹レンズ１３は、凸コンデンサレンズからの投射照明光束を、投射レンズ１７にあわせた所定の光束となるように成形する。これにより、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができ、ＬＥＤからの放射光を効率良く利用することができる。本実施の形態では、凹レンズ１３として、口径４０ｍｍ、焦点距離９０ｍｍのものを用いている。
【００２９】
また、偏光変換素子１４は、凹レンズ１３で成形された投射照明光束を、所定の偏光の成分に揃える周知の素子である。本実施の形態においては、偏光変換素子１４としては、ＬＥＤ素子１１ａ…から放射されるランダム偏光の放射光をＳ偏光に揃える素子を用いている。
【００３０】
また、偏光ビームスプリッタ１５は、図１に示すように、入射光のＳ偏光の成分を９０°反射させるとともにＰ偏光の成分を透過させる面１５ａが備えられている。従って、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光が、偏光変換素子１４でＳ偏光に揃えられ、面１５ｂを介して偏光ビームスプリッタ１５へと入射すると、面１５ａで映像表示素子１６に向かって反射されることになる。これにより、所定の偏光（Ｓ偏光）に揃えられた投射照明光束が映像表示素子１６へと入射される。
【００３１】
映像表示素子１６は、本実施の形態では、周知の反射型液晶表示素子を用いており、その対角サイズは１インチの小型のものである。この映像表示素子１６は、偏光ビームスプリッタ１５の面１５ｃの近傍で、面１５ｃとほぼ平行に配置されている。
そして、偏光ビームスプリッタ１５からの反射光（Ｓ偏光）が、映像表示素子１６に入射すると、映像表示素子１６の表面側の部分で投射レンズ１７の方向に反射されるとともに、このときにＳ偏光からＰ偏光へと変えられる。これにより、偏光ビームスプリッタ１５の面１５ａを透過して投射レンズ１７へと導かれるようになっている。
【００３２】
また、投射レンズ１７は、映像表示素子１６で映像情報を得た投射照明光束を、前方のスクリーン１９へと投影するレンズであり、本実施の形態では、口径４０ｍｍ、Ｆ２のものを用いている。
【００３３】
以下、図１、２を参照して、第１の実施の形態の投射照明光源装置１０の放射光の進み方を説明する。
始めに、図１を参照して、第１の実施の形態の投射照明光源装置１０を備える映像プロジェクタの全体光路を説明する。
すなわち、式（ａ）に基づいて傾けて配置されたＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光は、凸コンデンサレンズ１２により集光されつつ、凹レンズ１３へと導かれる。そして、凹レンズ１３において所定の投射照明光束となるように成形され、偏光変換素子１４においてＳ偏光に揃えられる。
次いで、偏光変換素子１４でＳ偏光に揃えられた投射照明光束は、偏光ビームスプリッタ１５へと導かれる。この投射照明光束は、面１５ｂを介して偏光ビームスプリッタ１５へと入射され、偏光ビームスプリッタ１５の面１５ａで、映像表示素子１６に向う方向に９０°反射される。
次いで、面１５ｃを介して偏光ビームスプリッタ１５から出たのちに、映像表示素子１６へと導かれて映像情報が与えられる。この際に、映像表示素子１６で投射レンズ１７に向う方向に反射されるとともに、Ｓ偏光からＰ偏光へと変えられる。こうして、再度、面１５ｃを介して、偏光ビームスプリッタ１５へと入射されると、Ｐ偏光に揃えられているので面１５ａを通過して、投射レンズ１７へと向う。そして、面１５ｄを通過して投射レンズ１７へと導かれる。
次いで、投射レンズ１７により、映像情報を与えられた投射照明光束１Ａが前方のスクリーン１９へと投影され、スクリーン１９に所定の映像が投影される。
【００３４】
以下、図２を参照して、第１の実施の形態の投射照明光源装置１０において、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光が投射レンズ１６に入射するまでの光の進み方を説明する。
なお、図２においては、一列分（７個）のＬＥＤ素子１１ａ…のうちの、真中と両端に配置される３個のＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光の光路を示している。また、投射照明光束を直進的に把握できるように図示するために、偏光ビームスプリッタ１５を通過するところの光路については、映像表示素子１６での反射前後の光路を分離して等価的に示している。また、投射レンズ１７は、主点位置と、主点位置における口径のみ図示している。
【００３５】
図２に示すように、中央に配置されるＬＥＤ素子１１ａからの放射光は、凸コンデンサレンズ１２で集光された後に、凹レンズ１３で所定の光束となるように成形され、偏光変換素子１４でＳ偏光に揃えられる。次いで、偏光スプリッタ１５を介して映像表示素子１６の映像情報を得るとともに、投射レンズ１７へと入射される。
また、両端に配置されるＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光は、ＬＥＤ素子１１ａ…の光軸が、式（ａ）に基づいて凸コンデンサレンズ１２の光軸から外側を向く所定の方向に傾けられているので、凸コンデンサレンズ１２で内側を向く方向に集光し、凹成形レンズ１３で１本の光束にまとめる際、各発光ダイオードからの放射の光軸は全体光学系の光軸により平行に近づくよう曲げられる。これにより、ＬＥＤ素子１１ａ…から得られる投射照明光束が幅広くひろがることが抑制されている。
【００３６】
以上により、図２に示すように、ＬＥＤ素子１１ａ…からの投射照明光束は、凹レンズ１３を出てから投射レンズ１７に入射するまで、その断面形状が、映像表示素子１６より少し広い程度に保ったまま伝播されている。これにより、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射を投射レンズ１７へと有効に導くことができる。
すなわち、ＬＥＤ素子１１ａ…を上述のように式（ａ）に基づいて傾けて配置することで、投射レンズ１７に導かれる投射照明光束の角度発散を抑えることができ、発光輝度の高い投射照明光束を得ることができる。
【００３７】
以上の第１の実施の形態の投射照明光源１０によれば、放射発散全角８°のＬＥＤを用いて、式（ａ）に基づいて、ＬＥＤの光軸を凸コンデンサレンズ１２の光軸から外側に向けて上記の通りに配置することで、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができる。
従って、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光を、映像を投影する投射レンズ１７に有効に導くことができ、投射照明光束の高輝度化を図ることができる。これにより、小型の映像表示素子１６についても効率良く入投射することができる。
また、発光ダイオードの特性から、長寿命、高効率、高耐Ｇ性などを投射照明光源に与えることができる。
【００３８】
また、本実施の形態においては、映像表示素子１６として反射型液晶表示素子を用いており、偏光変換素子１４により、ＬＥＤ素子１１ａ…からの偏光を揃えて偏光ビームスプリッタ１５に入射させることで、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光を効率的に利用することができる。
【００３９】
〔比較例１〕
以下、比較例１として、図３に、放射発散全角８°のＬＥＤ素子１１ａ…を用い、各ＬＥＤ素子１１ａ…の光軸を凸コンデンサレンズ１２の光軸と平行に配置した場合の一例を示す。従って、図２と図３とは、ＬＥＤ素子１１ａ…の配置の仕方のみが異なっている。
図２の光の進み方の様子と比較すると、凹レンズ１３で成形されたあとの投射照明光束は、投射レンズ１７に入射する前にすでに拡大し始めており、所定の光路から外れて、光源として利用できない投射照明光束の割合が増加している。
すなわち、同じ放射発散全角（８°）のＬＥＤ素子１１ａ…を用いたときに、ＬＥＤ素子１１ａ…の光軸を凸コンデンサレンズ１２の光軸に対して外側に傾けることで、投射レンズ１７に入射する投射照明光束のケラレ損失や、投射レンズ１７内での投射照明光束のケラレ損失を抑制することができ、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光を有効に利用することができる。
【００４０】
〔比較例２〕
以下、比較例２として、図４に、放射発散全角１０°のＬＥＤ素子１１ｂ…を用い、かつ、その光軸を、式（ａ）に基づいて凸コンデンサレンズ１２の光軸に対し外側へ傾けて（図２と同様）設置した場合の一例を示す。従って、図２と図４とは、ＬＥＤ素子１１ａ…の放射発散全角のみが異なっている。
図４に示されるように、ＬＥＤ素子１１ａ…の放射発散全角を１０°まで大きくすると、各ＬＥＤ素子１１ｂ…の光軸を式（ａ）に基づいて傾けても、凹レンズ１３により成形された投射照明光束のうち、投射レンズ１７に入射するまでに所定の光路から外れてしまい、光学系の有限サイズのためにケラレてしまう成分の割合が増大している。
すなわち、本実施の形態で用いるＬＥＤ素子１１ａ…の放射発散全角としては８°以下のものを用いることが好ましい。
【００４１】
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態の投射照明光源装置２０は、図５に示すように、個々のＬＥＤ素子２１ａ…の前方に、ＬＥＤ素子２１ａ…の放射光の方向を調整する小径凸レンズ２１ｂ…（放射方向調整手段）が備えられている。また、ＬＥＤ素子２１ａ…の取り付け方は、ＬＥＤ素子２１ａ…の光軸が、凸コンデンサレンズ１２の光軸と平行とされている。
なお、上記の点以外は、第１の実施の形態と同様の構成である。そこで、以下の説明においては、ＬＥＤ素子２１ａ…の種類と取り付け方を主体に説明するものとし、同様の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４２】
小径凸レンズ２１ｂ…は、図５に示すように、小径凸レンズ２１ｂ…の光軸とＬＥＤ素子２１ａ…の光軸とを、凸コンデンサレンズ１２の光軸から離れる方向に平行移動して、微小距離だけずらして配置されている。このときの微小距離は、個々のＬＥＤ素子２１ａ…の凸コンデンサレンズ１２の光軸からの距離に、ほぼ比例する大きさとなっている。
これにより、個々のＬＥＤ素子２１ａ…からの放射光は、小径凸レンズ２１ｂ…により、凸コンデンサレンズ１２の光軸から離れるほど外側を向く角度で放射されるように調整されている。
そして、小径凸レンズ２１ｂ…を上述のように配置することで、第１の実施の形態と同様に、凸コンデンサレンズ１２に入射する放射光の上下側が、凸コンデンサレンズ１２の光軸側に向くように集光され、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができる。これにより、投射照明光束の高輝度化を図ることができるとともに、投射照明光束を投射レンズ１７へと有効に入射させることができる。
【００４３】
また、小径凸レンズ２１ｂ…は、ＬＥＤ素子２１ａ…からの放射光を集光して放射する（放射発散狹角手段）。従って、ＬＥＤ素子２１ａ…の放射発散全角を狭めることができ、さらに、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができる。すなわち、本実施の形態において、小径凸レンズ２１ｂ…は、放射方向調整手段となるとともに放射発散狹角手段としての役割も併せ持っている。
なお、第２の実施の形態においては、ＬＥＤ素子２１ａ…として放射発散全角１５°のものを用いており、小径凸レンズ２１ｂ…により、ＬＥＤ素子２１ａからの放射光が発散全角が８°に狭められている。
【００４４】
以上の構成に基づいて、第２の実施の形態の投射照明光源装置２０を備える映像プロジェクタが映像を投影する際の光路は、基本的に、第１の実施の形態と同様である。すなわち、ＬＥＤ素子２１ａ…の放射光が、小径凸レンズ２１ｂ…を介して、凸コンデンサレンズ１２の光軸に対して外側を向くように放射されることを除いては、第１の実施の形態と同様の光路をたどる。
【００４５】
次に、第２の実施の形態の投射照明光源装置２０において、各ＬＥＤ素子２１ａ…からの投射照明光束が、投射レンズ１７に入射するまでの光の進み方は、ＬＥＤ素子２１ａ…からの放射光が小径凸レンズ２１ｂ…により所定の方向となるように調整されるので、基本的に、第１の実施の形態と同様となる。
【００４６】
以上の第２の実施の形態の投射照明光源装置２０によれば、小径凸レンズ２１ｂ…により、ＬＥＤ素子２１ａ…からの放射方向が調整され、凸コンデンサレンズ１２に入射する放射光を、凸コンデンサレンズ１２の光軸からの距離に依存して、外側を向くようにすることができる。従って、第１の実施の形態の投射照明光源１０と同様の効果を奏することができる。
【００４７】
〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態の投射照明光源３０は、図６に示すように、第２の実施の形態の投射照明光源２０の変形例であり、ＬＥＤ素子３１ａ…の先端の小径凸レンズ３１ｂ…の光軸を傾けることによって、ＬＥＤ素子３１ａ…の光軸を傾けているところが異なっている。このときの光軸を傾ける角度は、個々のＬＥＤ素子３１ａ…の凸コンデンサレンズ１２の光軸からの距離に、ほぼ比例する大きさとなっている。
これにより、個々のＬＥＤ素子３１ａ…からの放射光は、各々の先端に配置された小径凸レンズ３１ｂ…により、所定の角度で放射されるようになる。従って、映像表示素子１６を照射した後に、放射光の角度発散が抑えられて効率良く投射レンズ１７へと入射する発光輝度が高い投射照明光束を得ることができる。
【００４８】
次に、第３の実施の形態の投射照明光源３０において、各ＬＥＤ素子３１ａ…からの放射光が、投射レンズ１７に入射するまでの光の進み方は、基本的に、第２の実施の形態と同様となる。
【００４９】
以上の第３の実施の形態の投射照明光源によれば、小径凸レンズ３１ｂ…により、第１の実施の形態の投射照明光源１０と同様の効果を奏することができる。
【００５０】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
例えば、本実施の形態においては、映像表示素子として反射型液晶表示素子を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、透過型液晶表示素子やＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）などを用いても良い。
また、具体的に示した細部構成や方法等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、適宜に変更可能であることは勿論である。
【００５１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、離散的に分布された複数の発光ダイオードの放射光から、角度発散を抑えた１つの投射照明光束を得ることができる。従って、投射照明光束の高輝度化を図ることができ、小型の映像表示素子に対しても効率良く投射できる投射照明光源装置を得ることができる。
また、放射光源として発光ダイオードを用いるので、長寿命、高効率、高耐Ｇ性などの性質を投射照明光源装置に与えることができ、メンテナンスフリーで長寿命な映像プロジェクタを得ることができる。
【００５２】
請求項２記載の発明によれば、放射方向調整手段により集光レンズに入射する放射光を請求項１と同様となるように調整することができる。従って、請求項１と同様の効果を奏することができる。
【００５３】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または２と同様の効果を奏することができるとともに、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができる。
【００５４】
請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３と同様の効果を奏することができるとともに、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができる。
【００５５】
請求項５記載の発明によれば、請求項１〜４と同様の効果を奏することができるとともに、さらに、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができ、発光ダイオードからの放射光を効率良く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施の形態の投射照明光源装置１０を備える映像プロジェクタの全体光路を示す図である。
【図２】図１の投射照明光源装置１０の投射レンズ１７までの光の進み方を示す図である。
【図３】比較例１の投射レンズ１７までの光の進み方を示す図である。
【図４】比較例２の投射レンズ１７までの光の進み方を示す図である。
【図５】本発明を適用した第２の実施の形態の投射照明光源装置２０の面状の光源２１の拡大図である。
【図６】本発明を適用した第３の実施の形態の投射照明光源装置３０の面状の光源３１の拡大図である。
【符号の説明】
１０、２０、３０ 投射照明光源装置
１１、２１、３１ 面状の光源
１１ａ、２１ａ、３１ａ ＬＥＤ素子（発光ダイオード）
１２ 凸コンデンサレンズ（集光レンズ）
１３ 凹レンズ（成形レンズ）
１８ 平面
２１ｂ、３１ｂ 小径凸レンズ（放射方向調整手段）（放射狹角調整手段）
Ａ 集光系
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオードを用いた映像プロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオード（light emitting diode：以下、ＬＥＤ）は、キセノンやメタルハライドなどのバブルランプと比較すると、一般に、長寿命、高効率、高耐Ｇ性、単色発光などの利点を有している。このために、近年、多くの照明分野への応用において、発光源としてバブルランプからＬＥＤへと移行する動向が見られている。
【０００３】
しかしながら、一般に、ＬＥＤは単位素子での発光量が小さい。そこで、比較的大きな光量が要求される照明分野への用途では、例えば、特願昭５９−１６２９６４号や特願平９−６９８０３号の明細書に示されているように、多数のＬＥＤ素子を一つの平面または曲面上に集積して配置することで必要とされる光量を確保していた。
【０００４】
ところで、映像プロジェクタ等の映像投射照明装置では、投射照明光源装置には、絶対光量とともに輝度の高さが要求される。そこで、例えば、上記明細書に示されているように、発光源であるＬＥＤ素子をできるだけ集積密度が高くなるように寄せ集め、各ＬＥＤ素子から放射された光束を一つの凸コンデンサレンズと一つのフィールドレンズとからなる光学系を用いて、映像表示素子を投射照明していた。
また、必要とされる大きな光量を確保するために、多数のＬＥＤ素子は投射照明光源装置の照明光の光軸にほぼ直交する面上に分布させていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようにＬＥＤ素子を配置すると、必要とされる大きな光量を確保することができても、発光部の面積がＬＥＤ素子の個数に比例して増加するため、光学系全体としての輝度を上げることができなかった。特に、対角１インチ程度の小型の映像表示素子を効率良く投射照明し、かつ、該映像表示素子からの反射又は透過光を投射レンズへと効率良く入投射させることができなかった。
【０００６】
本発明の課題は、高い輝度の投射照明光束が得られ、小型の映像表示素子に対しても効率良く投射照明することができ、長寿命で高効率な発光ダイオードを用いた映像プロジェクタを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、請求項１記載の発明は、例えば、図１に示すように、
平面１８内に複数の発光ダイオード（例えば、ＬＥＤ素子１１ａ…）を離散的に分布させた面状の光源（例えば、面状の光源１１）と、前記平面と直交するように光軸が配置される集光レンズ（例えば、凸コンデンサレンズ１２）を有する集光系Ａと、を備えた投射照明光源装置１０と、
前記投射照明光源装置から放射される投射照明光束に映像情報を与える映像表示素子１６と、
映像情報が与えられた投射照明光束をスクリーン１９へと投影する投射レンズ１７と、
前記投射照明光束を映像表示素子へと照射するとともに、映像表示素子で映像情報を受け取った投射照明光束を投射レンズへと入射させる偏光ビームスプリッタ１５と、から構成された映像プロジェクタであって、
前記面状の光源の光の放射の光軸方向に直交する方向の長さが、前記投射レンズの口径よりも長く、
前記発光ダイオードの光の放射の光軸方向が、前記集光レンズの光軸から前記発光ダイオードまでの距離に依存して決められる角度で、前記集光レンズの光軸方向に対して前記集光レンズの外側方向へ傾けられていることを特徴とする。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、発光ダイオードの光軸が、集光レンズの光軸から発光ダイオードまでの距離に依存して決められる角度で、集光レンズの光軸方向に対して集光レンズの外側方向へ傾けて配置されている。このような配置では、複数の発光ダイオードからの放射光を集光レンズと成形レンズで１本の光束にまとめる際、発光ダイオード光軸が集光レンズ光軸と平行な場合に比べ、該光束の広がりをより抑えることができ、発散角度の小さな投射照明に適した光束を得ることができる。すなわち、面状の光源の外周部分の発光ダイオード光軸を外側に傾けることで、集光レンズによる集光に際して角度発散を押さえることができる。
そして、このように、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることで、投射照明光束がレンズ枠などにあたってしまう場合のような、全体光学系の有限サイズによるケラレ損失を抑制することができる。従って、例えば、本発明の投射照明光源装置を映像プロジェクタの光源として適用したときに、発光ダイオードからの放射光を、映像を投影する投射レンズへと有効に導くことができる。
従って、投射照明光束の高輝度化を図ることができ、小型の映像表示素子に対しても効率良く入投射させることができる投射照明光源装置を得ることができる。
【０００９】
また、本発明の投射照明光源装置は、光源として発光ダイオードを用いているので、従来のようにバブルランプを用いる場合と比較して、長寿命、高効率、高耐Ｇ性などの特性を与えることができる。従って、本発明の投射照明光源装置を用いることで、メンテナンスフリーで長寿命な映像プロジェクタを得ることができる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の映像プロジェクタにおいて、例えば、図５に示すように、
前記発光ダイオード（例えば、ＬＥＤ素子２１ａ…）の放射の方向を調整する放射方向調整手段（例えば、小径凸レンズ２１ｂ…）を備え、
該放射方向調整手段により、少なくとも一部の前記発光ダイオードの光の放射の光軸方向が傾けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、発光ダイオードからの放射方向を調整する放射方向調整手段が備えられているので、集光系の集光レンズへと入射する放射光を請求項１と同様に傾けることができる。従って、請求項１と同様の効果を奏することができる。
【００１２】
なお、放射方向調整手段としては、例えば、前記のような個々の発光ダイオードの先端に、個々に凸レンズを配置する構成としても良い。
この場合には、凸レンズを配置する際に、発光ダイオードの放射の方向を所望に調整するためには、例えば、発光ダイオードの中心軸と凸レンズの中心軸とを所定の量だけ平行移動してずらして配置する構成としても良いし、発光ダイオードの前方で、発光ダイオードの光軸と凸レンズの光軸とが、所定の角度をなすように回転させて配置する構成としても良い。また、平行移動と回転とを組み合わせて、発光ダイオードからの放射が所望の方向となるように凸レンズを配置しても良い。
また、放射方向調整手段としては、凸レンズ以外の光学素子を用いても良い。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の映像プロジェクタにおいて、例えば、図５に示すように、
前記発光ダイオードの放射発散全角を狭める放射発散狹角手段（例えば、小径凸レンズ２１ｂ…）を備えていることを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または２と同様の効果を奏することができるとともに、発光ダイオードの放射発散全角を狭める放射発散狹角手段が備えられているので、さらに、発光ダイオードからの放射光を、角度発散を抑えて集光することができる。
これにより、もともとある程度大きな放射発散全角をもつ発光ダイオードを用いる場合においても、好適に、角度発散を抑えて集光することができ、本発明に適用できる発光ダイオードの選択範囲を広げることができる。
【００１５】
なお、放射発散狹角手段として、例えば、個々の発光ダイオードの前方に凸レンズを配置する構成とすれば、好適に、放射発散全角を狭めることができる。
また、この場合には、凸レンズの配置を所望に調整することで、放射の方向を調整することができるので、前記放射方向調整手段の役割も併せ持つことができる。従って、部品点数の削減や構成の簡素化を図ることができるために好ましい。
また、用途や目的に応じて、適宜、凸レンズを選択することで、発光ダイオードからの放射光の放射方向や集光度合いを所望に調整することが好ましい。
また、放射発散狹角手段としては、凸レンズ以外の光学素子を用いても良い。
【００１６】
請求項４記載の発明は、例えば、図１に示すように、請求項１〜３のいずれか一つに記載の映像プロジェクタにおいて、
前記発光ダイオード自体の放射発散全角が８°以内であることを特徴とする。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３と同様の効果を奏することができるとともに、（放射発散狹角化後の）放射発散全角が８°以内の発光ダイオードを用いるので、面状の光源から放射される光束を角度発散を抑えて、好適に、集光することができる。
【００１８】
請求項５記載の発明は、例えば、図１に示すように、請求項１〜４のいずれか一つに記載の映像プロジェクタにおいて、
前記集光系には、前記集光レンズで集光された光束を、投射に際して所定の光束に成形する成形レンズ（例えば、凹レンズ１３）が設けられていることを特徴とする。
【００１９】
請求項５記載の発明によれば、請求項１〜４と同様の効果を奏することができるとともに、集光レンズで集光された光束を、投射に際して、成形レンズにより所定の光束に成形することができる。従って、例えば、本発明の投射照明光源装置を映像プロジェクタの光源として適用した場合に、スクリーンへと映像を投影する投射レンズにあわせた所定の光束となるように成形することができる。
これにより、さらに、光学系の有限サイズにより投射照明光束がケラれることが抑制され、発光ダイオードからの放射光を効率良く利用することができ、投射照明光源の高輝度化に寄与することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜６を参照して、本発明の実施の形態の投射照明光源装置を詳細に説明する。
本実施の形態の投射照明光源装置は、映像プロジェクタが所定の映像をスクリーン１９へ投影するための光源として用いられる。
【００２１】
〔第１の実施の形態〕
まず、構成を説明する。
図１に示すように、映像プロジェクタの全体光学系は、第１の実施の形態の投射照明光源装置１０と、投射照明光源装置１０から放射される投射照明光束に映像情報を与える映像表示素子１６と、映像情報が与えられた投射照明光束をスクリーン１９へと投影する投射レンズ１７と、投射照明光源装置１０からの投射照明光束を映像表示素子１６へと照射するとともに、映像表示素子１６で映像情報を受け取った投射照明光束を投射レンズ１７へと入射させる偏光ビームスプリッタ１５と、等を主体に構成されている。
【００２２】
投射照明光源装置１０は、図１に示すように、平面１８上に配置されたＬＥＤ素子１１ａ…からなる面状の光源１１と、面状の光源１１からの放射光を集光する集光系Ａと、を主体に構成されている。
また、集光系Ａは、凸コンデンサレンズ１２（集光レンズ）と、凸コンデンサレンズ１２で集光された光束を必要な特性を満たす投射照明光束に成形する凹レンズ１３（成形レンズ）と、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光を所定の偏光に揃えて偏光ビームスプリッタ１５に入射させる偏光変換素子１４と、等を主体に構成されている。
【００２３】
ＬＥＤ素子１１ａ…は、ＲＧＢ各色のものが平面１８上に集積して備えられている。そして、このように離散的に配置された個々のＬＥＤ素子１１ａ…からＲＧＢ各色の放射光が放射され、このＲＧＢ各色の放射光が時分割的に混合されて、白色光の面状の光源１１として機能するようになっている。本実施の形態においては、平面１８上には、７×７個（計４９個）のＬＥＤ素子１１ａ…が備えられている。また、図１においては、７×７個配置されるＬＥＤ素子１１ａ…のうちの一列分（７個）のみを図示している。
また、第１の実施の形態で用いるＬＥＤ素子１１ａ…の放射発散全角は８°である。
【００２４】
また、個々のＬＥＤ素子１１ａ…の光軸の方向は、平面１８上で、凸コンデンサレンズ１２の光軸に対して、所定の向きとなるように配置されている。この向きは、凸コンデンサレンズ１２の光軸からＬＥＤ素子１１ａ…までの距離に依存して決められており、本実施の形態においては、凸コンデンサレンズ１２の光軸から遠い位置にあるＬＥＤ素子１１ａ…ほど、大きな角度で、凸コンデンサレンズ１２の光軸から外側を向くように配置されている。
そして、このように個々のＬＥＤ素子１１ａ…を傾けて配置することで、映像表示素子１６を照明した投射照明光束が、投射レンズに入射する際大きな角度発散を伴って幅広く広がることを抑制することができる。これにより、投射照明光源が投射レンズ１７へと効率的に導かれることになり、高輝度化を図ることができる。
【００２５】
本実施の形態では、以下の関係式（ａ）で、各ＬＥＤ素子１１ａ…の光軸と凸コンデンサレンズ１２の光軸とのなす角を定めている。
θ＝Ａ・ｒ（ただし、Ａ＝π／１８００） …（ａ）
ここで式（ａ）中、ｒ：ＬＥＤ素子１１ａ…の凸コンデンサレンズ１２の光軸からの距離（ｍｍ単位）、θ：ＬＥＤ素子１１ａ…の光軸と凸コンデンサレンズ１２の光軸とのなす角度（ラディアン単位）である。
そして、ＬＥＤ素子１１ａ…は、光を放射するＬＥＤ素子先端を全体の光軸から離れる外側方向に傾けられている。
【００２６】
なお、ＬＥＤ素子１１ａ…を平面１８上に配置するときに、適用可能な関係式は式（ａ）に限定されない。すなわち、凸コンデンサレンズ１２の光軸からＬＥＤ素子１１ａ…までの距離に依存して角度を決めることができ、投射照明光束の角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができれば、式（ａ）の他の関係式を適用しても良い。
【００２７】
また、ＬＥＤ素子１１ａ…を平面１８上で配置するには、例えば、ＲＧＢ（３原色）各色のＬＥＤが分散されるように配置する構成としても良いし、ＲＧＢ各色ごとに発光する面状光源を各々独立して設けるように配置する構成としても良い。なお、３原色を合成して白色光源を得るには、例えば、前者の場合には、ＲＧＢ各色のＬＥＤ素子１１ａ…からの発光が十分に混色されるように、各ＬＥＤ素子１１ａ…を分散配置すれば良い。また、後者の場合には、各色を合成することができるフィルタ（例えば、ダイクロイックフィルタなど）を設けることが好ましい。
【００２８】
また、凸コンデンサレンズ１２は、図１に示すように、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光を集光する周知のレンズであり、その光軸が平面１８と直交するように配置されている。本実施の形態では、凸コンデンサレンズとして、口径１００ｍｍ、焦点距離１４４ｍｍのものを用いている。
また、凹レンズ１３は、凸コンデンサレンズからの投射照明光束を、投射レンズ１７にあわせた所定の光束となるように成形する。これにより、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができ、ＬＥＤからの放射光を効率良く利用することができる。本実施の形態では、凹レンズ１３として、口径４０ｍｍ、焦点距離９０ｍｍのものを用いている。
【００２９】
また、偏光変換素子１４は、凹レンズ１３で成形された投射照明光束を、所定の偏光の成分に揃える周知の素子である。本実施の形態においては、偏光変換素子１４としては、ＬＥＤ素子１１ａ…から放射されるランダム偏光の放射光をＳ偏光に揃える素子を用いている。
【００３０】
また、偏光ビームスプリッタ１５は、図１に示すように、入射光のＳ偏光の成分を９０°反射させるとともにＰ偏光の成分を透過させる面１５ａが備えられている。従って、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光が、偏光変換素子１４でＳ偏光に揃えられ、面１５ｂを介して偏光ビームスプリッタ１５へと入射すると、面１５ａで映像表示素子１６に向かって反射されることになる。これにより、所定の偏光（Ｓ偏光）に揃えられた投射照明光束が映像表示素子１６へと入射される。
【００３１】
映像表示素子１６は、本実施の形態では、周知の反射型液晶表示素子を用いており、その対角サイズは１インチの小型のものである。この映像表示素子１６は、偏光ビームスプリッタ１５の面１５ｃの近傍で、面１５ｃとほぼ平行に配置されている。
そして、偏光ビームスプリッタ１５からの反射光（Ｓ偏光）が、映像表示素子１６に入射すると、映像表示素子１６の表面側の部分で投射レンズ１７の方向に反射されるとともに、このときにＳ偏光からＰ偏光へと変えられる。これにより、偏光ビームスプリッタ１５の面１５ａを透過して投射レンズ１７へと導かれるようになっている。
【００３２】
また、投射レンズ１７は、映像表示素子１６で映像情報を得た投射照明光束を、前方のスクリーン１９へと投影するレンズであり、本実施の形態では、口径４０ｍｍ、Ｆ２のものを用いている。
【００３３】
以下、図１、２を参照して、第１の実施の形態の投射照明光源装置１０の放射光の進み方を説明する。
始めに、図１を参照して、第１の実施の形態の投射照明光源装置１０を備える映像プロジェクタの全体光路を説明する。
すなわち、式（ａ）に基づいて傾けて配置されたＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光は、凸コンデンサレンズ１２により集光されつつ、凹レンズ１３へと導かれる。そして、凹レンズ１３において所定の投射照明光束となるように成形され、偏光変換素子１４においてＳ偏光に揃えられる。
次いで、偏光変換素子１４でＳ偏光に揃えられた投射照明光束は、偏光ビームスプリッタ１５へと導かれる。この投射照明光束は、面１５ｂを介して偏光ビームスプリッタ１５へと入射され、偏光ビームスプリッタ１５の面１５ａで、映像表示素子１６に向う方向に９０°反射される。
次いで、面１５ｃを介して偏光ビームスプリッタ１５から出たのちに、映像表示素子１６へと導かれて映像情報が与えられる。この際に、映像表示素子１６で投射レンズ１７に向う方向に反射されるとともに、Ｓ偏光からＰ偏光へと変えられる。こうして、再度、面１５ｃを介して、偏光ビームスプリッタ１５へと入射されると、Ｐ偏光に揃えられているので面１５ａを通過して、投射レンズ１７へと向う。そして、面１５ｄを通過して投射レンズ１７へと導かれる。
次いで、投射レンズ１７により、映像情報を与えられた投射照明光束１Ａが前方のスクリーン１９へと投影され、スクリーン１９に所定の映像が投影される。
【００３４】
以下、図２を参照して、第１の実施の形態の投射照明光源装置１０において、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光が投射レンズ１６に入射するまでの光の進み方を説明する。
なお、図２においては、一列分（７個）のＬＥＤ素子１１ａ…のうちの、真中と両端に配置される３個のＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光の光路を示している。また、投射照明光束を直進的に把握できるように図示するために、偏光ビームスプリッタ１５を通過するところの光路については、映像表示素子１６での反射前後の光路を分離して等価的に示している。また、投射レンズ１７は、主点位置と、主点位置における口径のみ図示している。
【００３５】
図２に示すように、中央に配置されるＬＥＤ素子１１ａからの放射光は、凸コンデンサレンズ１２で集光された後に、凹レンズ１３で所定の光束となるように成形され、偏光変換素子１４でＳ偏光に揃えられる。次いで、偏光スプリッタ１５を介して映像表示素子１６の映像情報を得るとともに、投射レンズ１７へと入射される。
また、両端に配置されるＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光は、ＬＥＤ素子１１ａ…の光軸が、式（ａ）に基づいて凸コンデンサレンズ１２の光軸から外側を向く所定の方向に傾けられているので、凸コンデンサレンズ１２で内側を向く方向に集光し、凹成形レンズ１３で１本の光束にまとめる際、各発光ダイオードからの放射の光軸は全体光学系の光軸により平行に近づくよう曲げられる。これにより、ＬＥＤ素子１１ａ…から得られる投射照明光束が幅広くひろがることが抑制されている。
【００３６】
以上により、図２に示すように、ＬＥＤ素子１１ａ…からの投射照明光束は、凹レンズ１３を出てから投射レンズ１７に入射するまで、その断面形状が、映像表示素子１６より少し広い程度に保ったまま伝播されている。これにより、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射を投射レンズ１７へと有効に導くことができる。
すなわち、ＬＥＤ素子１１ａ…を上述のように式（ａ）に基づいて傾けて配置することで、投射レンズ１７に導かれる投射照明光束の角度発散を抑えることができ、発光輝度の高い投射照明光束を得ることができる。
【００３７】
以上の第１の実施の形態の投射照明光源１０によれば、放射発散全角８°のＬＥＤを用いて、式（ａ）に基づいて、ＬＥＤの光軸を凸コンデンサレンズ１２の光軸から外側に向けて上記の通りに配置することで、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができる。
従って、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光を、映像を投影する投射レンズ１７に有効に導くことができ、投射照明光束の高輝度化を図ることができる。これにより、小型の映像表示素子１６についても効率良く入投射することができる。
また、発光ダイオードの特性から、長寿命、高効率、高耐Ｇ性などを投射照明光源に与えることができる。
【００３８】
また、本実施の形態においては、映像表示素子１６として反射型液晶表示素子を用いており、偏光変換素子１４により、ＬＥＤ素子１１ａ…からの偏光を揃えて偏光ビームスプリッタ１５に入射させることで、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光を効率的に利用することができる。
【００３９】
〔比較例１〕
以下、比較例１として、図３に、放射発散全角８°のＬＥＤ素子１１ａ…を用い、各ＬＥＤ素子１１ａ…の光軸を凸コンデンサレンズ１２の光軸と平行に配置した場合の一例を示す。従って、図２と図３とは、ＬＥＤ素子１１ａ…の配置の仕方のみが異なっている。
図２の光の進み方の様子と比較すると、凹レンズ１３で成形されたあとの投射照明光束は、投射レンズ１７に入射する前にすでに拡大し始めており、所定の光路から外れて、光源として利用できない投射照明光束の割合が増加している。
すなわち、同じ放射発散全角（８°）のＬＥＤ素子１１ａ…を用いたときに、ＬＥＤ素子１１ａ…の光軸を凸コンデンサレンズ１２の光軸に対して外側に傾けることで、投射レンズ１７に入射する投射照明光束のケラレ損失や、投射レンズ１７内での投射照明光束のケラレ損失を抑制することができ、ＬＥＤ素子１１ａ…からの放射光を有効に利用することができる。
【００４０】
〔比較例２〕
以下、比較例２として、図４に、放射発散全角１０°のＬＥＤ素子１１ｂ…を用い、かつ、その光軸を、式（ａ）に基づいて凸コンデンサレンズ１２の光軸に対し外側へ傾けて（図２と同様）設置した場合の一例を示す。従って、図２と図４とは、ＬＥＤ素子１１ａ…の放射発散全角のみが異なっている。
図４に示されるように、ＬＥＤ素子１１ａ…の放射発散全角を１０°まで大きくすると、各ＬＥＤ素子１１ｂ…の光軸を式（ａ）に基づいて傾けても、凹レンズ１３により成形された投射照明光束のうち、投射レンズ１７に入射するまでに所定の光路から外れてしまい、光学系の有限サイズのためにケラレてしまう成分の割合が増大している。
すなわち、本実施の形態で用いるＬＥＤ素子１１ａ…の放射発散全角としては８°以下のものを用いることが好ましい。
【００４１】
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態の投射照明光源装置２０は、図５に示すように、個々のＬＥＤ素子２１ａ…の前方に、ＬＥＤ素子２１ａ…の放射光の方向を調整する小径凸レンズ２１ｂ…（放射方向調整手段）が備えられている。また、ＬＥＤ素子２１ａ…の取り付け方は、ＬＥＤ素子２１ａ…の光軸が、凸コンデンサレンズ１２の光軸と平行とされている。
なお、上記の点以外は、第１の実施の形態と同様の構成である。そこで、以下の説明においては、ＬＥＤ素子２１ａ…の種類と取り付け方を主体に説明するものとし、同様の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４２】
小径凸レンズ２１ｂ…は、図５に示すように、小径凸レンズ２１ｂ…の光軸とＬＥＤ素子２１ａ…の光軸とを、凸コンデンサレンズ１２の光軸から離れる方向に平行移動して、微小距離だけずらして配置されている。このときの微小距離は、個々のＬＥＤ素子２１ａ…の凸コンデンサレンズ１２の光軸からの距離に、ほぼ比例する大きさとなっている。
これにより、個々のＬＥＤ素子２１ａ…からの放射光は、小径凸レンズ２１ｂ…により、凸コンデンサレンズ１２の光軸から離れるほど外側を向く角度で放射されるように調整されている。
そして、小径凸レンズ２１ｂ…を上述のように配置することで、第１の実施の形態と同様に、凸コンデンサレンズ１２に入射する放射光の上下側が、凸コンデンサレンズ１２の光軸側に向くように集光され、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができる。これにより、投射照明光束の高輝度化を図ることができるとともに、投射照明光束を投射レンズ１７へと有効に入射させることができる。
【００４３】
また、小径凸レンズ２１ｂ…は、ＬＥＤ素子２１ａ…からの放射光を集光して放射する（放射発散狹角手段）。従って、ＬＥＤ素子２１ａ…の放射発散全角を狭めることができ、さらに、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができる。すなわち、本実施の形態において、小径凸レンズ２１ｂ…は、放射方向調整手段となるとともに放射発散狹角手段としての役割も併せ持っている。
なお、第２の実施の形態においては、ＬＥＤ素子２１ａ…として放射発散全角１５°のものを用いており、小径凸レンズ２１ｂ…により、ＬＥＤ素子２１ａからの放射光が発散全角が８°に狭められている。
【００４４】
以上の構成に基づいて、第２の実施の形態の投射照明光源装置２０を備える映像プロジェクタが映像を投影する際の光路は、基本的に、第１の実施の形態と同様である。すなわち、ＬＥＤ素子２１ａ…の放射光が、小径凸レンズ２１ｂ…を介して、凸コンデンサレンズ１２の光軸に対して外側を向くように放射されることを除いては、第１の実施の形態と同様の光路をたどる。
【００４５】
次に、第２の実施の形態の投射照明光源装置２０において、各ＬＥＤ素子２１ａ…からの投射照明光束が、投射レンズ１７に入射するまでの光の進み方は、ＬＥＤ素子２１ａ…からの放射光が小径凸レンズ２１ｂ…により所定の方向となるように調整されるので、基本的に、第１の実施の形態と同様となる。
【００４６】
以上の第２の実施の形態の投射照明光源装置２０によれば、小径凸レンズ２１ｂ…により、ＬＥＤ素子２１ａ…からの放射方向が調整され、凸コンデンサレンズ１２に入射する放射光を、凸コンデンサレンズ１２の光軸からの距離に依存して、外側を向くようにすることができる。従って、第１の実施の形態の投射照明光源１０と同様の効果を奏することができる。
【００４７】
〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態の投射照明光源３０は、図６に示すように、第２の実施の形態の投射照明光源２０の変形例であり、ＬＥＤ素子３１ａ…の先端の小径凸レンズ３１ｂ…の光軸を傾けることによって、ＬＥＤ素子３１ａ…の光軸を傾けているところが異なっている。このときの光軸を傾ける角度は、個々のＬＥＤ素子３１ａ…の凸コンデンサレンズ１２の光軸からの距離に、ほぼ比例する大きさとなっている。
これにより、個々のＬＥＤ素子３１ａ…からの放射光は、各々の先端に配置された小径凸レンズ３１ｂ…により、所定の角度で放射されるようになる。従って、映像表示素子１６を照射した後に、放射光の角度発散が抑えられて効率良く投射レンズ１７へと入射する発光輝度が高い投射照明光束を得ることができる。
【００４８】
次に、第３の実施の形態の投射照明光源３０において、各ＬＥＤ素子３１ａ…からの放射光が、投射レンズ１７に入射するまでの光の進み方は、基本的に、第２の実施の形態と同様となる。
【００４９】
以上の第３の実施の形態の投射照明光源によれば、小径凸レンズ３１ｂ…により、第１の実施の形態の投射照明光源１０と同様の効果を奏することができる。
【００５０】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
例えば、本実施の形態においては、映像表示素子として反射型液晶表示素子を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、透過型液晶表示素子やＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）などを用いても良い。
また、具体的に示した細部構成や方法等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、適宜に変更可能であることは勿論である。
【００５１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、離散的に分布された複数の発光ダイオードの放射光から、角度発散を抑えた１つの投射照明光束を得ることができる。従って、投射照明光束の高輝度化を図ることができ、小型の映像表示素子に対しても効率良く投射できる投射照明光源装置を得ることができる。
また、放射光源として発光ダイオードを用いるので、長寿命、高効率、高耐Ｇ性などの性質を投射照明光源装置に与えることができ、メンテナンスフリーで長寿命な映像プロジェクタを得ることができる。
【００５２】
請求項２記載の発明によれば、放射方向調整手段により集光レンズに入射する放射光を請求項１と同様となるように調整することができる。従って、請求項１と同様の効果を奏することができる。
【００５３】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または２と同様の効果を奏することができるとともに、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができる。
【００５４】
請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３と同様の効果を奏することができるとともに、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができる。
【００５５】
請求項５記載の発明によれば、請求項１〜４と同様の効果を奏することができるとともに、さらに、角度発散を抑えた投射照明光束を得ることができ、発光ダイオードからの放射光を効率良く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施の形態の投射照明光源装置１０を備える映像プロジェクタの全体光路を示す図である。
【図２】図１の投射照明光源装置１０の投射レンズ１７までの光の進み方を示す図である。
【図３】比較例１の投射レンズ１７までの光の進み方を示す図である。
【図４】比較例２の投射レンズ１７までの光の進み方を示す図である。
【図５】本発明を適用した第２の実施の形態の投射照明光源装置２０の面状の光源２１の拡大図である。
【図６】本発明を適用した第３の実施の形態の投射照明光源装置３０の面状の光源３１の拡大図である。
【符号の説明】
１０、２０、３０ 投射照明光源装置
１１、２１、３１ 面状の光源
１１ａ、２１ａ、３１ａ ＬＥＤ素子（発光ダイオード）
１２ 凸コンデンサレンズ（集光レンズ）
１３ 凹レンズ（成形レンズ）
１８ 平面
２１ｂ、３１ｂ 小径凸レンズ（放射方向調整手段）（放射狹角調整手段）
Ａ 集光系
Claims (5)
- 平面内に複数の発光ダイオードを離散的に分布させた面状の光源と、前記平面と直交するように光軸が配置される集光レンズを有する集光系と、を備えた投射照明光源装置と、
前記投射照明光源装置から放射される投射照明光束に映像情報を与える映像表示素子と、
映像情報が与えられた投射照明光束をスクリーンへと投影する投射レンズと、
前記投射照明光束を映像表示素子へと照射するとともに、映像表示素子で映像情報を受け取った投射照明光束を投射レンズへと入射させる偏光ビームスプリッタと、から構成された映像プロジェクタであって、
前記面状の光源の光の放射の光軸方向に直交する方向の長さが、前記投射レンズの口径よりも長く、
前記発光ダイオードの光の放射の光軸方向が、前記集光レンズの光軸から前記発光ダイオードまでの距離に依存して決められる角度で、前記集光レンズの光軸方向に対して前記集光レンズの外側方向へ傾けられていることを特徴とする映像プロジェクタ。 - 前記発光ダイオードの放射の方向を調整する放射方向調整手段を備え、
該放射方向調整手段により、少なくとも一部の前記発光ダイオードの光の放射の光軸方向が傾けられていることを特徴とする請求項１記載の映像プロジェクタ。 - 前記発光ダイオードの放射発散全角を狭める放射発散狹角手段を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の映像プロジェクタ。
- 前記発光ダイオード自体の放射発散全角が８°以内であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の映像プロジェクタ。
- 前記集光系には、前記集光レンズで集光された光束を、投射に際して所定の光束に成形する成形レンズが設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の映像プロジェクタ。
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