JP4823898B2

JP4823898B2 - 小型光源モジュール及びそれを採用した投射型画像表示装置

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Publication number: JP4823898B2
Application number: JP2006516911A
Authority: JP
Inventors: リー，ヨン−チョル; 靖規蔵富; キム，ドン−ハ; ムン，イル−クォン
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2004-06-05
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2024-06-05
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Description

本発明は、小型光源モジュール及びそれを採用する投射型画像表示装置に係り、特にＬＥＤ（発光ダイオード）などの小型光源を利用した小型光源モジュール及びそれを採用する投射型画像表示装置に関する。

図１は、従来の投射型画像表示装置の一例を図示した構成図である。図１を参照するに、光変調素子である３枚の液晶パネル２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂと、その液晶パネル２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂに光を照射する照明ユニット１０、及び変調された画像を拡大投射する投射レンズ４０が図示されている。

液晶パネル２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂは、カラー画像表示のために赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）光を各色相の画像データに対応して変調させる。参照符号３０は、それぞれ液晶パネル２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂにより変調された光を合成して投射レンズ４０に照射する色合成プリズムを表す。

照明ユニット１０は、光源１、インテグレータ３、コンデンサレンズ４、複数のミラー５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ、及び複数のリレイレンズ７、８で構成される。

光源１は、メタルハライドランプや超高圧水銀ランプなどを使用し、平行光を得るために放物鏡面を持つ反射鏡２の焦点に位置する。インテグレータ３は、液晶パネル２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂを均一に照明するために使われるものであり、一般的には、微小レンズを２次元アレイ化した２枚のフライアイレンズを使用する。インテグレータ３を通過した光は、コンデンサレンズ４により集束される。ミラー５Ｒ、５Ｇ、５Ｂはそれぞれ赤色光、緑色光、青色光を反射させ、残りは透過させる選択的反射ミラーである。ミラー５Ｒ、５Ｇ、５Ｂを通過しつつ光は赤色光、緑色光、及び青色光に分離されて、リレイレンズ７、８を通過して液晶パネル２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂにそれぞれ入射される。

液晶パネル２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂは、入射された光を変調してそれぞれＲ、Ｇ、Ｂ画像に該当する原色画像を出力する。各液晶パネル２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂから出力される光は、色合成プリズム３０により合成されて投射光学系４０を通じて拡大投射される。

ところが、このような従来の投射型画像表示装置で光変調素子を照明するための照明光源として使われるランプは、その寿命がせいぜいして数時間程度である。したがって、家庭用として使われる場合にランプを頻繁に交換せねばならないという不便さがある。また、光源装置が大型化するという問題点がある。このような問題を解決するために、照明光源として相対的に寿命の長いＬＥＤなどの小型光源を使用しようとする研究が進んでいる。特開２００１−４２４３１号公報にはＬＥＤを使用するプロジェクション装置が開示されている。

図２は、一般的なＬＥＤの構造であって、ＬＵＭＩＬＥＤＳ社のＬｕｘｅｏｎＥｍｉｔｔｅｒの構造を図示したものである。図２を参照するに、光が発生するＬＥＤチップ６１の上方には、一次光学系としてドームレンズ６２が設置される。ＬＥＤチップ６１から発散された光はドームレンズ６２により集光される。

ドームレンズ６２を通過した光は、普通図３のＣ１及びＣ２で表示されたような発光分布を持つ。図３に図示されたグラフで、横軸は放射角、縦軸は相対光度である。Ｃ１及びＣ２を見れば、放射角０〜±９０°範囲にかけて翼状または緩やかなドーム状の発光分布を示している。ところが、光変調素子２０を照明するための光の角度範囲は、約０〜±１５°範囲である。したがって、この範囲を超える光、すなわち、Ｃ１及びＣ２で放射角０〜±１５°範囲以外の光は、光変調素子２０を照明せずに捨てられて、光利用効率が低下する。

それを防止するために、投射型画像表示装置では、ＬＥＤから放出された光が光変調素子２０に照射される前に光を集光させて、図３のＣ３で表示されたような発光特性を持たせるための二次光学系が備わる。このように、ＬＥＤを照明光源として使用するために二次光学系を別途に用意すれば、投射型画像表示装置の照明光学系の構成が複雑になってコストアップになる。

ＬＥＤは、一般的にメタルハライドランプや超高圧水銀ランプに比べて光量が少ない。したがって、投射型画像表示装置の照明光源としては、複数のＬＥＤがアレイ化されたＬＥＤアレイが使われる。ＬＥＤアレイが使われる場合にももちろん二次光学系が必要であるが、この場合には、レンズを使用する光学系の原理的な制約により集光効率が低下するという問題点がある。図４Ａ及び図４Ｂを参照してそれをさらに詳細に説明する。

近軸領域では、像のサイズと角度との積が保存される。したがって、ＬＥＤの発光面積と発光角度の立体角との積が保存量になり、これをエタンデュという。この保存量が、液晶パネルの面積と投射レンズのＦ値から計算される立体角との積より小さな場合に集光効率が高まる。

図４Ａに示すように、一つのＬＥＤを使用する場合、ＬＥＤの発光面積Φ_Ｌと立体角Ｕ_Ｌとの積は、液晶パネルの発光面積Φ_Ｐと立体角Ｕ_Ｐとの積と同様にすることができる。

複数のＬＥＤをアレイ化して使用する場合には、図４Ｂに示すように、ＬＥＤアレイの発光面積ΣΦ_Ｌが図４Ａに図示された一つのＬＥＤを使用する場合の発光面積Φ_Ｌより大きくなる。この時、ＬＥＤとＬＥＤアレイとの発光角度の立体角Ｕ_Ｌが同一であり、液晶パネルの面積Φ_Ｐは同一である。したがって、エタンデュが保存されるためには、ＬＥＤアレイを使用する場合に液晶パネルの発光角度の立体角Ｕ_Ｐ’は、一つのＬＥＤを使用する場合に比べて大きくなる。したがって、図４Ｂに示すような損失が発生して集光効率を低下させ、結果的に投射型画像表示装置の輝度が低下する。

本発明は、前記問題点を鑑みてなされたものであり、ＬＥＤなどの小型光源から放射される光を照明する対象体に有効に照射できる放射角度範囲でコリメートさせるコリメート部材が備わった小型光源モジュール及びそれを採用した投射型画像表示装置を提供するところにその目的がある。

前述した目的を達成するための本発明の小型光源モジュールは、小型光源と、前記小型光源から入射される光の放射角度を狭めて側方に出射させる放物面形態の第１反射面と、前記第１反射面の下方に位置して前記小型光源から光が入射される入光部が設けられた第２反射面と、を備えるコリメート部材と、を備え、前記小型光源は、前記第１反射面の焦点付近に位置することを特徴とする。

前述した目的を達成するための本発明の投射型画像表示装置は、照明ユニット、前記照明ユニットから入射された光を画像データに合せて変調する光変調素子、前記光変調素子から出射された光を拡大投射する投射光学系を備える投射型画像表示装置において、前記照明ユニットは、小型光源と、前記小型光源から入射される光の放射角度を狭めて側方に出射させる放物面形態の第１反射面と、前記第１反射面の下方に位置して前記小型光源から光が入射される入光部が設けられた第２反射面を備えるコリメート部材と、を備える少なくとも一つの小型光源モジュールと、を備え、前記小型光源は、前記第１反射面の焦点付近に位置することを特徴とする。

本発明の一特徴による小型光源モジュールは、小型光源と、前記小型光源から入射される光の放射角度を狭めて側方に出射させる放物面形態の第１反射面を備えるコリメート部材と、を備え、前記小型光源は、前記第１反射面の焦点付近に位置することを特徴とする。

本発明の一特徴による投射型画像表示装置は、照明ユニット、前記照明ユニットから入射された光を画像データに合せて変調する光変調素子、前記光変調素子から出射された光を拡大投射する投射光学系を備える投射型画像表示装置において、前記照明ユニットは、小型光源と、前記小型光源から入射される光の放射角度を狭めて側方に出射させる放物面形態の第１反射面を備えるコリメート部材と、を備え、前記小型光源は、前記第１反射面の焦点付近に位置することを特徴とする。

本発明による小型光源モジュールによれば、非球面曲面形態の第１反射面を備えることによって、小型光源から放射される光を照明しようとする対象体に有効に照明できる放射角度範囲を持つようにコリメートさせて出射できる。第２反射面を備えることによって、損失される光量を最小化して光利用効率を向上させることができる。第３反射面を備えることによって、小型光源から第１反射面に入射されない角度で放射される光を反射させて第１反射面に入射させることによって、コリメート効率を向上させることができる。また、第２反射面を傾けて配置することによって小さな開口を持つ小型光源モジュールを具現でき、この小型光源モジュールをアレイ化すれば、与えられた空間内にさらに多くの小型光源モジュールを配置できて、さらに明るい照明光を得られる。

また、コリメート部材の内側を冷媒で充填することによって、熱による小型光源の発光特性の低下を防止できる。コリメート部材を透光体で形成することによって、屈折率マッチング効果を得ることができ、小型光源モジュールをアレイ化する時にコリメート部材を一体に形成するか、光変調素子の横縦比に合せることができる。本発明による小型光源モジュールは、投射型画像表示装置のみならず電光板、平板表示装置のバックライトなど多様な照明分野に適用できる。

前述したような小型光源モジュールを採用した投射型画像形成装置によれば、二次光学系を備える必要がなくて照明ユニットの構成が非常に簡素化され、光利用効率を向上させることができる。また、従来のメタルハライドランプや超高圧水銀ランプに比べて寿命が相対的に長い小型光源を使用することによって、光源の交替周期を長くすることができ、装置の小型化が可能である。

図５は、本発明による小型光源モジュールの一実施形態を図示した分解斜視図であり、図６は図５のI−I’断面図である。

図５及び図６を参照するに、小型光源の一例としてＬＥＤ２００が図示されており、ＬＥＤ２００の上方にはコリメート部材１０１が設けられる。ＬＥＤ２００は、光を放出するＬＥＤチップ２０１を備える。その他に図面に詳細に図示されていないが、ＬＥＤ２００には、ＬＥＤチップ２０１で発生する熱を放出するための熱放出体や、ＬＥＤチップ２０１に電流を供給するための正極及び負極電極などが設けられる。特に、本発明に適用されるＬＥＤ２００は、図２に示すようなドームレンズ６２を備えないことが望ましいが、これによって、本発明の範囲が限定されるものではない。ＬＥＤ２００の構成は、当業者には公知のものであるので、詳細な説明は省略する。

コリメート部材１０１は、側方１２０が開放された扇形の部材である。コリメート部材１０１の内側面には、光を反射させる第１反射面１３０及び第２反射面１５０が設けられる。第１反射面１３０は、放物面の形態である。第２反射面１５０は、第１反射面１３０の下方に位置し、第２反射面１５０には光が入射される入光部１１０が形成される。本実施形態の第２反射面１５０は平面形態であるが、これによって本発明の範囲が限定されるものではない。入光部１１０は、例えば、図５及び図６に示すように、第２反射面１５０が形成される平板部材１７０を貫通して形成できる。

第１反射面１３０を定義するにおいて、“放物面形態”という用語を使用している。“放物面形態”は、円錐係数Ｋ＝１である厳密な放物面のみを意味するものではない。少なくとも本明細書で使われる“放物面形態”という用語は、Ｋが−０．４ないし−２．５範囲、望ましくは−０．７ないし−１．６範囲の非球面を意味する。第１反射面１３０のためのＫ値は、小型光源から放射される光を照明しようとする対象体に有効に照明できる放射角度範囲を持つようにコリメートさせるために、前記の範囲内で適当に選定できる。以下では、主軸１４０を含む任意の断面形状が放物線形状（Ｋ＝１）である第１反射面１３０を例として説明する。

ＬＥＤ２００は、ＬＥＤチップ２０１が第１反射面１３０の焦点Ｆ１付近に位置するように配置される。これは、ＬＥＤチップ２０１の発光点を焦点Ｆ１に位置させようとする意図でＬＥＤ２００を配置するということを意味する。ＬＥＤ２００は、その光軸２０２を主軸１４０とほぼ垂直配置することが望ましいが、これによって本発明の範囲が限定されるものではない。

図６を参照するに、ＬＥＤ２００から約０〜１８０°程度の放射角Ａで放射された光は、第１反射面１３０に入射される。本実施形態では、説明の便宜のために主軸１４０を基準にして反時計回り方向に放射角Ａを定義する。図５及び図６に図示された実施形態で、第１反射面１３０は放物面である。したがって、その焦点Ｆ１付近に位置したＬＥＤ２００から放射された光のうち、その放射角Ａが側方１２０の開口角Ｂより大きい光Ｌ１は、第１反射面１３０で反射されて主軸１４０に平行な光となって、側方１２０に出射される。ＬＥＤ２００から放射された光のうち、その放射角Ａが開口角Ｂより小さな光Ｌ２は、第１反射面１３０に入射されずに直ちに側方１２０を通じて出射される。したがって、コリメート部材１０１の側方１２０を通じて出射される光は、０〜開口角Ｂ範囲の出射角Ｃを持つ。このように、コリメート部材１０１は、ＬＥＤ２００から約０〜１８０°程度の放射角Ａに入射された光を、０〜開口角Ｂ範囲の出射角Ｃを持つようにコリメートさせて出射させる。開口角Ｂは、本実施形態の小型光源モジュールが照明する対象体で要求される照明角度に合わせて調節できる。

前記の説明は、ＬＥＤ２００が発光点を持つ点光源であって、あらゆる光が焦点Ｆ１から放射されると仮定したものである。しかし、厳密に言えば、ＬＥＤ２００は点光源ではなく、一定の発光面積を持つ面光源であって、ＬＥＤ２００から放射される光は焦点Ｆ１付近で放射されると言える。このように厳密に光を経路を追跡すれば、ＬＥＤ２００から放射された光の一部は、第１反射面１３０で反射されて側方１２０に出射されずに第２反射面１５０側に進むことがある。第２反射面１５０は、このような光を側方１２０に出射されるように反射させることによって光利用効率を向上させる。

図７は、本発明による小型光源モジュールの他の実施形態を図示した断面図である。図７を参照するに、コリメート部材１０２は、第３反射面１６０をさらに備える。第３反射面１６０は、入光部１１０のエッジに形成されて放射角Ａが開口角Ｂより小さな光を反射させる。ＬＥＤ２００から開口角Ｂより小さな放射角Ａ１で出射された光Ｌ３は、第３反射面１６０で反射されて第１反射面１３０に入射される。この光Ｌ３は、たとえ第１反射面１３０の焦点Ｆ１付近で放射されたとしても、第３反射面１６０で反射されて第１反射面１３０に入射されるので、焦点から放射されたものではなく第３反射面１６０との交点Ｅから放射されたと言える。したがって、光Ｌ３は第１反射面１３０から主軸１４０に平行に反射されないが、少なくとも最初の放射角Ａ１よりは小さな出射角Ｃ１で出光される。したがって、コリメート効率が向上する。

図７に図示された実施形態で、平板部材１７０を透光性材料で形成し、ＬＥＤ２００から光が入射される入光部１１０を除外した外面または内面を反射処理することによって、第２及び第３反射面１５０、１６０を形成できる。光が、屈折率の低い媒質から屈折率の高い媒質に進む時には、屈折率差により臨界角より入射角が大きい光は全反射される。全反射される光量は二媒質間の屈折率の差が大きいほどさらに多くなる。図７に図示された実施形態で、コリメート部材１０２の内部は空気で充填されている。平板部材１７０を、空気より屈折率が高くてＬＥＤチップ２０１をなす物質よりは屈折率の低い透光性プラスチックまたはガラスなどで形成することによって、平板部材１７０は、ＬＥＤチップ２０１と空気との屈折率差を減らす屈折率マッチング物質の役割を行える。

図８は、本発明による小型光源モジュールの他の実施形態を図示した断面図である。図８を参照するに、第２反射面１５０が第１反射面１３０の主軸１４０に対して角度Ｄほど傾いている。小型光源２００は、その光軸２０２が第２反射面１５０に対してほぼ垂直になるように設置される。結果的に小型光源２００の光軸２０２は第１反射面１３０の主軸１４０に対して角度Ｄほど傾いている。かかる構成によれば、コリメート部材１０３の開口サイズを小さくする効果がある。図８を参照するに、参照符号ＡＰ２は、コリメート部材１０３の開口サイズを表示したものであり、参照符号ＡＰ１は、第２反射面１５０が主軸１４０に対して平行な図５ないし図７に図示されたコリメート部材１０１、１０２の開口サイズを表示したものである。図８で分かるように、コリメート部材１０３の開口サイズＡＰ２がコリメート部材１０１、１０２の開口サイズＡＰ１より小さいということは明白である。このように開口サイズを小さくすれば、複数の小型光源モジュールをアレイ化する時に有利である。

図５ないし図８に図示された実施形態で、コリメート部材１０１、１０２の内部空間には空気が充填された状態である。ＬＥＤ２００が光を放出する過程で熱が発生する。熱は、ＬＥＤ２００の発光特性に否定的な影響をおよぼすことがある。

図９は、本発明による小型光源モジュールの他の実施形態を図示した断面図である。図９を参照するに、コリメート部材１０４の内部空間に冷媒が充填される。このために、ＬＥＤ２００は、コリメート部材１０４と気密を維持するように設置される。光が出射される側方には、透光性材質のカバーガラス１９０が設置されることが望ましい。冷媒として、例えば、ベンゼン、グリセリン、メチルアルコールなどが使われうる。

図１０ないし図１２は、本発明による小型光源モジュールの他の実施形態を図示した断面図である。図１０ないし図１２に図示された実施形態は、コリメート部材の形成時に透光体を利用したところにその特徴がある。

図１０を参照するに、放物面形態の外周面３０１と平面形態の下面３０２及び側面３０３を持つ透光体３１０が図示されている。下面３０２は、主軸１４０を備える平面であることが望ましい。ＬＥＤ２００は、ＬＥＤチップ２０１が外周面３０１の焦点Ｆ１に位置するように配置される。外周面３０１は、ＬＥＤ２００から入射される光を反射させるように反射処理されることによって、第１反射面１３０と同じ役割を行う。下面３０２は、光が入射される領域Ｇを除いて反射処理されることによって、第２反射面１５０と同じ役割を行う。領域Ｇは、入光部１１０となる。かかる構成により透光体３１０は、図５に図示された実施形態のコリメート部材１０１と同じ作用をする。以下では、透光体３１０をコリメート部材３１０という。

図１１を参照するに、放物面形態の外周面３０１及び平面形態の側面３０２を備える透光体３２０が図示されている。透光体３２０の下側面には、互いに段差がある第１面３２１と第２面３２２、及び第１面３２１と第２面３２２との境界をなす傾いた傾斜面３２３が設けられる。外周面３０１は、ＬＥＤ２００から入射される光を反射させるように反射処理されることによって、第１反射面１３０と同じ役割を行う。第１面３２１は、ＬＥＤ２００から光が入射される領域Ｇを除いては反射処理される。第２面３２２及び傾斜面３２３は反射処理される。第１面３２１及び第２面３２２は第２反射面１５０と同じ役割を行う。領域Ｇは、入光部１１０となる。傾斜面３２３は、図７に図示された実施形態の第３反射面１６０と同じ役割を行う。したがって、透光体３２０は、図７に図示されたコリメート部材１０２と同じ作用をする。以下では、透光体３２０をコリメート部材３２０という。

図１２に図示されたコリメート部材３４０は、図８に図示されたコリメート部材１０３を透光体で形成したものであって、第２反射面１５０の役割を行う第１面３２１及び第２面３２２が、外周面３０１の主軸に対して角度Ｄほど傾いている。かかる構成により、コリメート部材３４０の側面３０４は、図１０及び図１１に図示されたコリメート部材３１０、３２０の側面３０３より小さくなる。

図１０ないし図１３に図示されたコリメート部材３１０、３２０、３３０、３４０とＬＥＤ２００との間には、屈折率マッチング部材（図示せず）が介在できる。屈折率マッチング部材は、その屈折率がＬＥＤ２００の屈折率よりは低く、コリメート部材３１０、３２０、３３０、３４０の屈折率よりは高い。

照明光源として複数の小型光源モジュールがアレイ化されて使われてもよい。この時、複数のコリメート部材が互いに密着して配列されることが望ましい。このために、図１３に示すように、外周面３０１に平面状の密着面３３１が設けられたコリメート部材３３０が使われうる。照明光源としてコリメート部材３３０を採用した小型光源モジュールが使われる場合に、長方形に近い照明光を得ることができるという長所がある。かかる密着面３３１は、図５ないし図１２に図示されたコリメート部材にも適用できる。

図１４は、図１１に図示されたコリメート部材３２０の側面３０３を通じて放出される光の出射角度に対する光度分布をシミュレーションした結果を図示したグラフであって、光度が出射角±２０°範囲内に集中分布されたことが分かる。図１４に図示されたグラフを図３のグラフＣ１、Ｃ２と比較すれば、本実施形態によるコリメート部材３２０のコリメート効果が確認できる。

このように小型光源から放射される光の放射角度を照明する対象面に有効に入射できる角度に変換することによって、光利用効率を向上させることができる。また、小型光源モジュールを使用する照明装置で別途の二次光学系を設置する必要がなく、二次光学系による光損失を防止でき、シンプルな照明装置の具現が可能である。

前述した実施形態では、小型光源としてＬＥＤを使用する場合について説明しているが、これによって本発明の範囲が限定されるものではない。小型光源としては、有機ＥＬ素子、レーザーなど多様な小型発光素子が使われうる。

図１５は、本発明による投射型画像表示装置の一実施形態を図示した概略的な構成図である。照明光を画像情報に合せて変調する光変調素子は、透過型光変調素子と反射型光変調素子とに大別されるが、本実施形態による投射型画像表示装置は、透過型光変調素子を採用する投射型画像表示装置である。

図１５を参照するに、透過型光変調素子である液晶パネル４１０、この液晶パネル４１０を照明するための照明ユニット４００、液晶パネル４１０により変調された光を拡大投射する投射光学系４２０が図示されている。本実施形態による投射型画像表示装置は、Ｒ、Ｇ、Ｂ光をそれぞれ変調するために３個の液晶パネル４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂを備える。参照符号４２１は、各液晶パネル４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂにより変調された３色の光を合成する色合成プリズムである。投射型画像表示装置に使われる液晶パネル４１０は、普通そのサイズが横、縦それぞれ１インチ程度の小型液晶パネルである。照明ユニット４００は、液晶パネル４１０を照明するためのものであり、各液晶パネル４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂに対して一つずつ設けられる。３つの照明ユニット４００は、それぞれＲ、Ｇ、Ｂ照明光を照射することが望ましい。

図１６は、本発明による投射型画像表示装置の他の実施形態を図示した概略的な構成図である。本実施形態による投射型画像表示装置は、反射型光変調素子を採用する投射型画像表示装置である。

図１６を参照するに、反射型光変調素子であるＤＭＤ４３０、ＤＭＤ４３０を照明するための照明ユニット４００、ＤＭＤ４３０により変調された光を拡大投射する投射光学系４４０が図示されている。本実施形態による投射型画像表示装置は、一つのＤＭＤ４３０を使用してＲ、Ｇ、Ｂ映像信号を順次に変換する。この場合に、照明ユニット４００は、Ｒ、Ｇ、Ｂ光を順次にＤＭＤ４３０に照射する。参照符号４４１は、照明ユニット４００から出射される光は反射させてＤＭＤ４３０に入射させ、ＤＭＤ４３０で変調された光は透過させて投射光学系４４０に入射させるＴＩＲ（トータルインターナルリフレクション）プリズムである。

図１５及び図１６に図示された照明ユニット４００は、光源４０３と、光変調素子４２０、４３０の全域を均一な輝度で照明できるように光源４０３から出る光の強度を均一にするインテグレータ４０１とを備える。また、インテグレータ４０１から出射された光を光変調素子４２０、４３０に案内するリレイレンズ４０２をさらに備えることもある。インテグレータ４０１としては、図面に詳細に図示されていないが、フライアイレンズ、四角の断面形状を持つガラスロッド、四角の断面形状を持ってその内部に反射面が備わった光トンネルなどが使われうる。

光源４０３として、図５ないし図１３に図示された小型光源モジュールが使われうる。発光量が投射型画像表示装置に使われる程度に十分であれば、光源４０３として一つの小型光源モジュールのみ使われうる。しかし、一般的には小型光源モジュールはその発光量が通常のメタルハライドランプや超高圧水銀ランプより少ない。したがって、複数の小型光源モジュールを２次元アレイ化した光源アレイが光源４０３として使われることが望ましい。以下では、説明の便宜のために図１１及び図１３に図示された小型光源モジュール５０１または５０２を使用する場合を例として説明する。

図１７ないし図２０は、光源アレイの配列例を図示したものである。図１７を参照するに、各３個ずつの小型光源モジュール５０１が配置された４列でなる光源アレイが図示されている。光源アレイの開口の横縦比は、光変調素子４２０、４３０の開口の横縦比と同一になるように配列されることが望ましい。

図１８を参照するに、いずれか一列に配置される小型光源モジュール５０１は、隣接する他の列の小型光源モジュール５０１間に位置するように配列されている。すなわち、小型光源モジュール５０１が互いにジグザグに配列されている。かかる構成によれば、均一な照明光を得ることができる。

図１９を参照するに、上側の二列Ｍ１、Ｍ２及び下側の二列Ｍ３、Ｍ４は、コリメート部材３２０の第１反射面３０１が互いに対向して配置される。このような構成によれば、照明光の均一度を向上させることができる。さらに、曲面形状の第１反射面３０１側を光源アレイの内側に向かわせ、平面形状の第２面３２２を外側に向かわせることによって、光変調素子４２０、４３０の横縦比と同じ横縦比を持つ照明光を得るにも有利である。

図２０を参照するに、図１３に図示されたコリメート部材３３０を備える小型光源モジュール５０２が各３個ずつ配置された６列でなる光源アレイが図示されている。各列の小型光源モジュール５０２は、コリメート部材３３０の密着面３３１同士で互いに密着するように配置される。また、曲面形状の第１反射面３０１側を光源アレイの内側に向かわせ、平面形状の第２面３２２を外側に向かわせるように配置される。かかる構成によれば、光源アレイの上辺及び下辺には平面形態の第２面３２２が位置し、左右辺には密着面３３１が位置して、光源アレイの全体的な形状が長方形に近くなる。したがって、光変調素子４２０、４３０の開口の横縦比と同じ横縦比を持つ照明光を得るのに有利である。

前述した図１７ないし図２０に図示された実施形態で、同じ列に配置される小型光源モジュールのコリメート部材は一体に形成されることもある。この場合に図２０に示すような形態になることが望ましい。また、図８及び図１２に図示された小型光源モジュールは、その開口が図５、６、７、９、１０、１１、１３に図示された小型光源モジュールより小さい。したがって、光源アレイの開口サイズが同一であれば、図８及び図１２に図示された小型光源モジュールを使用して光源アレイを形成すれば、図５ないし図７、図９ないし図１１、図１３に図示された小型光源モジュールを使用して光源アレイを形成する場合に比べてさらに多くの小型光源モジュールを配列できて、さらに明るい照明光を得ることができる。

図２１は、図２０に図示された光源アレイから出射される照明光の出射角度に対する光度分布をシミュレーションした結果を図示したグラフであり、相対光度が約２５％以上の光が約±１５°範囲内に集中していることが分かる。かかる照明光によれば、コリメートのための別途の二次光学系を備える必要がほとんどない。

このように小型光源モジュールを備える投射型画像形成装置によれば、小型光源モジュールから出射される光が、既に光変調素子４２０、４３０に有効に照明できる有効な放射角を持つように変換された状態である。したがって、従来の投射型画像形成装置のように、コリメートのための二次光学系を備える必要がないので、照明ユニットの構成が非常に簡素化する。また、レンズを使用する光学系の原理的な制約による集光効率の低下が発生しない。したがって、光利用効率を向上させうる。

本発明は、光源としてＬＥＤのような小型光源を使用する小型光源モジュール及びそれを採用した投射型画像表示装置に関する。本発明の投射型画像表示装置は、２次光学系を必要としない。したがって、照明ユニットが単純になり、光利用効率が向上する。光源の寿命がメタルハライドランプや超高圧水銀ランプに比べて長いために、光源を頻繁に交替する必要がない。したがって、投射型画像表示装置の構造が単純になる。

本発明は前記に説明されて図面に例示されたものにより限定されるものではなく、特許請求の範囲内でさらに多くの変形及び変容例が可能であるということは言うまでもない。

従来の投射型画像表示装置の一例を図示した構成図である。従来のＬＥＤの構造を簡略に図示した図である。ＬＥＤの放射角と光度との関係を図示したグラフである。レンズを使用する照明光学系の集光効率を説明する図である。レンズを使用する照明光学系の集光効率を説明する図である。本発明による小型光源モジュールの一実施形態を図示した分解斜視図である。図５のI−I’線の断面図である。本発明による小型光源モジュールの他の実施形態を図示した断面図である。本発明による小型光源モジュールの他の実施形態を図示した断面図である。本発明による小型光源モジュールの他の実施形態を図示した断面図である。透光体を利用した本発明による小型光源モジュールの実施形態を図示した断面図である。透光体を利用した本発明による小型光源モジュールの実施形態を図示した断面図である。透光体を利用した本発明による小型光源モジュールの実施形態を図示した断面図である。透光体を利用した本発明による小型光源モジュールの実施形態を図示した断面図である。図１１に図示された小型光源モジュールから出射される光の出射角度に対する光度分布をシミュレーションした結果を図示したグラフである。本発明による投射型画像形成装置の一実施形態であって、透過型光変調素子及び反射型光変調素子を利用した実施形態を図示した概略的な構成図である。本発明による投射型画像形成装置の一実施形態であって、透過型光変調素子及び反射型光変調素子を利用した実施形態を図示した概略的な構成図である。小型光源モジュールの多様な配置例を図示した図である。小型光源モジュールの多様な配置例を図示した図である。小型光源モジュールの多様な配置例を図示した図である。小型光源モジュールの多様な配置例を図示した図である。図２０に図示された光源アレイから出射される照明光の出射角度に対する光度分布をシミュレーションした結果を図示したグラフである。

Claims

小型光源と、
前記小型光源から入射される光の放射角度を狭めて側方に出射させる放物面形態の第１反射面と、前記第１反射面の下方に位置して前記小型光源から光が入射される入光部が設けられた第２反射面と、を備えるコリメート部材と、を備え、
前記小型光源は、前記第１反射面の焦点付近に位置し、かつ
前記コリメート部材は、前記入光部のエッジに傾いて形成されて前記小型光源から放射された光のうち、放射角度が前記第１反射面の側方の開口角より小さな光を反射させて前記第１反射面に入射させる第３反射面をさらに備える、
ことを特徴とする小型光源モジュール。
前記小型光源は、該光源の光軸が前記第１反射面の主軸に対して垂直配置されることを特徴とする請求項１に記載の小型光源モジュール。
前記第２反射面は、前記第１反射面の主軸に対して前記側方の開口が小さくなる方向に傾いて設けられ、前記小型光源は、該光源の光軸が前記主軸に対して前記第２反射面の前記主軸に対する傾斜角度と同じ傾斜角度で設けられることを特徴とする請求項１に記載の小型光源モジュール。
前記第１反射面と前記第２反射面間の内部空間には冷媒が充填されたことを特徴とする請求項１に記載の小型光源モジュール。
前記コリメート部材は、前記放物面形態の外面と前記平面形態の下面及び光が出射される側面を持つ透光体で形成され、前記外面及び前記下面の前記入光部を除外した部分は反射処理によって前記第１及び第２反射面を形成し、かつ前記コリメート部材は、前記入光部のエッジに傾いて形成されて前記小型光源から放射された光のうち、放射角度が前記第１反射面の側方の開口角より小さな光を反射させて、前記第１反射面に入射させる前記第３反射面を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の小型光源モジュール。
前記コリメート部材の両側部には、平面形態の密着面が形成されたことを特徴とする請求項５に記載の小型光源モジュール。
前記コリメート部材と前記小型光源との間には、屈折率が前記コリメート部材の屈折率よりは高くて、前記小型光源の屈折率よりは低い屈折率マッチング部材が介在されたことを特徴とする請求項１に記載の小型光源モジュール。
照明ユニット、前記照明ユニットから入射された光を画像データに合せて変調する光変調素子、前記光変調素子から出射された光を拡大投射する投射光学系を備える投射型画像表示装置において、前記照明ユニットは、
小型光源と、
前記小型光源から入射される光の放射角度を狭めて側方に出射させる放物面形態の第１反射面と、前記第１反射面の下方に位置して前記小型光源から光が入射される入光部が設けられた第２反射面を備えるコリメート部材と、を備える少なくとも一つの小型光源モジュールと、を備え、
前記小型光源は、前記第１反射面の焦点付近に位置し、かつ
前記コリメート部材は、前記入光部のエッジに傾いて形成されて前記小型光源から放射された光のうち、放射角度が前記第１反射面の側方の開口角より小さな光を反射させ前記第１反射面に入射させる第３反射面をさらに備える、
ことを特徴とする投射型画像表示装置。
前記小型光源は、該光源の光軸が前記第１反射面の主軸に対して垂直配置されることを特徴とする請求項８に記載の投射型画像表示装置。
前記第２反射面は、前記第１反射面の主軸に対して前記側方の開口が小さくなる方向に傾いて設けられ、前記小型光源は、該光源の光軸が前記主軸に対して前記第２反射面の前記主軸に対する傾斜角度と同じ傾斜角度で設置されることを特徴とする請求項８に記載の投射型画像表示装置。
前記第１反射面と前記第２反射面間の内部空間には、冷媒が充填されたことを特徴とする請求項８に記載の投射型画像表示装置。
前記コリメート部材は、前記放物面形態の外面と前記平面形態の下面及び光が出射される側面を持つ透光体で形成され、前記外面及び前記下面の前記入光部を除外した部分は反射材料をコーティングする処理によって前記第１及び第２反射面を形成し、前記コリメート部材は、前記下面と前記入光部との境界をなす傾いた傾斜面をさらに備え、前記傾斜面は反射処理されて、前記小型光源から放射された光のうち、放射角度が前記第１反射面の側方の開口角より小さな光を反射させて、前記第１反射面に入射させる前記第３反射面を形成する、ことを特徴とする請求項８に記載の投射型画像表示装置。
前記コリメート部材の両側部には、平面形態の密着面が形成されたことを特徴とする請求項１２に記載の投射型画像表示装置。
前記コリメート部材と前記小型光源との間には、屈折率が前記コリメート部材の屈折率よりは高くて、前記小型光源の屈折率よりは低い屈折率マッチング部材が介在されたことを特徴とする請求項１２に記載の投射型画像表示装置。
２次元配列された複数の小型光源モジュールを備えることを特徴とする請求項８に記載の投射型画像表示装置。
前記複数の小型光源モジュールの開口の横縦比は、前記光変調素子の開口の横縦比と一致するように配列されることを特徴とする請求項１５に記載の投射型画像表示装置。
いずれか一列に配置される小型光源モジュールは、隣接する他の列の小型光源モジュール間に位置するように配列されることを特徴とする請求項１５に記載の投射型画像表示装置。
一列をなす複数の小型光源モジュールのコリメート部材は一体に形成されることを特徴とする請求項１５に記載の投射型画像表示装置。