JP5322331B2

JP5322331B2 - 照明光学系および投写型表示装置

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Publication number: JP5322331B2
Application number: JP2012517068A
Authority: JP
Inventors: 厚志加藤
Original assignee: NEC Display Solutions Ltd
Current assignee: Sharp NEC Display Solutions Ltd
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2030-05-28
Also published as: CN103348288B; US20130033685A1; JPWO2011148499A1; EP2579097A1; EP2579097A4; CN103348288A; US9110361B2; WO2011148499A1

Description

本発明は、投写型表示装置と投写型表示装置に搭載される照明光学系とに関する。

近年、投写型表示装置の光源としてＬＥＤ（Light-Emitting Diode）や半導体レーザなどの固体光源が注目されている。固体光源を備えた投写型表示装置は、固体光源と該固体光源から出射された光を案内する光学素子とを含む照明光学系と、照明光学系によって案内された光を画像信号に基づいて変調する画像形成素子と、画像形成素子によって変調された光を投射する投射光学系とを有する。

固体光源の発光効率は年々向上しており、例えば、発光効率が150[lm/W]を超えるＬＥＤも知られている。しかし、高輝度画像の投写が求められる投写型表示装置の光源に関しては、発光効率のみでなく、発光量も重要な要素である。

この点、ＲＧＢの各色ごとにＬＥＤモジュールを１つずつ用意しても、それら３つのＬＥＤモジュールの発光量の総和は、従来の放電ランプの発光量には及ばない。また、消費電力が数十Ｗを超えるＬＥＤモジュール（“ハイパワーＬＥＤ”と呼ばれる場合もある。）も知られている。しかしながら、ＲＧＢの各色ごとにハイパワーＬＥＤを１つずつ用意しても、それら３つのハイパワーＬＥＤの発光量の総和は、やはり従来の放電ランプの発光量には及ばない。

そこで、ＲＧＢの各色ごとに複数のＬＥＤモジュールを用意することによって、発光量の総和を増大させることが考えられる。

特開２００６−１０６６８３号公報特開２００６−１０６６８２号公報

しかし、ＲＧＢの各色ごとに複数のＬＥＤモジュールを用意した場合、次のような問題が発生する。

上記ハイパワーＬＥＤを含むＬＥＤモジュールは、図１Ａに示すように、銅やアルミからなる金属基板１００と、金属基板１００の略中央に搭載された発光素子（ＬＥＤチップ１０１）と、ＬＥＤチップ１０１を保護するためのカバーガラス（不図示）と、金属基板１００から延びる一対の電極１０２ａ、１０２ｂとを有する。すなわち、ＬＥＤチップ１０１は、該ＬＥＤチップ１０１よりも大きな金属基板１００の上に搭載されている。

よって、図１Ｂに示すように、２つのＬＥＤモジュールを並べて配置すると、一方のＬＥＤモジュール上のＬＥＤチップ１０１の中心と、他方のＬＥＤモジュール上のＬＥＤチップ１０１の中心とは距離Ｔだけ離間する。すなわち、２つのＬＥＤチップ（光源）の中心を一致させることができない。換言すれば、全ての光源の中心を光軸上に配置することができない。その結果、１つの画像形成素子に対して複数の光源が離散的に存在することになる。尚、ここでの“光軸”とは、画像形成素子表面の中心における法線を意味する。

そのため、各ＬＥＤモジュールと画像形成素子との間にそれぞれ光学系を配置する必要が生じ、部品点数の増加や照明光学系の大型化を招く。

さらに、各ＬＥＤモジュールと画像形成素子との間に光学系を配置した場合であっても、離散的に配置された複数の光源から出射された光は、画像形成素子に対して斜めに入射するので、光の利用効率が低下する。

また、図１Ｂに示すように並べられた２つのＬＥＤチップ１０１の発光面を含む領域をカバー可能な大きさ導光体によって単一の２次光源を形成することも考えられる。しかし、２つのＬＥＤチップ１０１は上記のように離れているので、非常に大きな導光体が必要になり、照明光学系の大型化を招く。

ここで、ＬＥＤモジュールを構成する金属基板は、ＬＥＤチップから発せられる熱を放熱する放熱板としての機能も有する。よって、金属基板には十分な表面積が求められる。特に、発熱量の大きなハイパワーＬＥＤを構成する金属基板にはより大きな表面積が求められる。結果、ハイパワーＬＥＤを構成する金属基板は、通常のＬＥＤモジュールを構成する金属基板よりも大きくなる。従って、２つのハイパワーＬＥＤを並べて配置した場合、上記距離Ｔが拡大し、上記課題がより顕著になる。

１つの画像形成素子に対して離散的に配置された複数の光源から出射された光を共通の導光体に導いて単一の２次光源を形成する。さらに、複数の光源から出射された光を共通の導光体に導くための光路変換に、光損失のない全反射を利用する。

複数の光源から出射された光を１つの光学系によって画像形成素子に導くことができる。また、複数の光源から出射された光を真っすぐに画像形成素子に入射させることができる。

図１Ａは、ＬＥＤモジュールの平面図である。図１Ｂは、隣接して配置された２つのＬＥＤモジュールの平面図である。図２は、第１の実施形態に係る投写型表示装置の内部構造を示す模式図である。図３は、図２に示す第１の照明光学系の平面図である。図４は、図２に示す第１の照明光学系の斜視図である。図５は、図３、図４に示す反射部の拡大図である。図６は、図３、図４に示す照明光学系における光の動きを示す模式図である。図７は、図３、図４に示す照明光学系の変形例を示す平面図である。図８は、第２の実施形態に係る照明光学系の平面図である。

（第１の実施形態）
本発明の投写型表示装置の第１の実施形態について説明する。図２は、本実施形態に係る投写型表示装置の内部構造の一部を示す模式図である。本実施形態に係る投写型表示装置は、ＲＧＢの各色ごとに用意された画像形成素子（液晶パネル１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）と、各液晶パネルごとに用意された第１〜第３の照明光学系２Ｒ、２Ｇ、２Ｂと、各液晶パネルによって形成された画像光を合成するクロスダイクロイックプリズム（ＸＤＰ３）と、ＸＤＰ３によって合成されたフルカラーの画像光を投射する投射光学系４とを有する。

尚、本実施形態に係る投写型表示装置は、図２に示されている構成要素の他に、入力された画像信号に基づいて画像を形成し、形成された画像を投写するために必要な不図示の構成要素も備えていることは勿論である。

次に、本実施形態に係る投写型表示装置の特徴である照明光学系について詳細に説明する。もっとも、図２に示す３つの照明光学系２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは、実質的に同一の構成を有する。そこで、第１の照明光学系２Ｒについてのみ説明し、他の照明光学系２Ｇ、２Ｂについての説明は省略する。

図３は、第１の照明光学系２Ｒの平面図である。図４は、第１の照明光学系２Ｒの斜視図である。

図３に示すように、第１の照明光学系２Ｒは、全体として略Ｔ字形の平面形状を有する。具体的には、第１の照明光学系２Ｒは、対向配置された第１のＬＥＤモジュール１１と、第２のＬＥＤモジュール１２とを含んでいる。第１のＬＥＤモジュール１１と第２のＬＥＤモジュール１２との間には、第１の導光体２１と第２の導光体２２が間をあけて一列に配置されている。第１の導光体２１と第２の導光体２２との間には、第１の光路変換部３１および第２の光路変換部３２が配置されている。第１の光路変換部３１と第２の光路変換部３２との間には、反射部４０が配置されている。光路変換部３１、３２を挟んで、反射部４０の反対側には、第３の導光体５０が配置されている。

第１のＬＥＤモジュール１１および第２のＬＥＤモジュール１２は、図１Ａに示すＬＥＤモジュールと同一の構造を有するハイパワーＬＥＤである。すなわち、ＬＥＤモジュール１１、１２は、金属基板１３と、金属基板１３に搭載されたＬＥＤチップ１４と、ＬＥＤチップ１４を覆うカバーガラス（不図示）とを有する。さらに、金属基板１３の一辺から一対の電極１５ａ、１５ｂ（図４）が延びている。なお、第１のＬＥＤモジュール１１および第２のＬＥＤモジュール１２の発光色は赤色である。

第１のＬＥＤモジュール１１（ＬＥＤチップ１４）の発光面は、微小な隙間を介して第１の導光体２１の光入射面２１ａと対向している。一方、第２のＬＥＤモジュール１２（ＬＥＤチップ１４）の発光面は、微小な隙間を介して第２の導光体２２の光入射面２２ａと対向している。光の損失をなるべく少なくするためには、ＬＥＤチップの発光面と導光体の光入射面との間の隙間はなるべく狭い方が好ましい。但し、導光体への入射時に屈折を生じさせるために、上記隙間は、光の波長よりは大きくしておく必要がある。

第１の導光体２１の光出射面２１ｂには第１の光路変換部３１が接合されている。一方、第２の導光体２２の光出射面２２ｂには第２の光路変換部３２が接合されている。

具体的には、第１の光路変換部３１は、直交する２つの面（第１面３１ａ、第二面３１ｂ）と、第１面３１ａと第２面３１ｂとに跨る斜面（第３面３１ｃ）とを有する直角プリズムである。そして、第一面３１ａが第１の導光体２１の光出射面２１ｂに光学接着剤によって接合されている。

また、第２の光路変換部３２は、直交する２つの面（第１面３２ａ、第２面３２ｂ）と、第１面３２ａと第２面３２ｂとに跨る斜面（第３面３２ｃ）とを有する直角プリズムである。そして、第一面３２ａが第２の導光体２２の光出射面２２ｂに光学接着剤によって接合されている。

さらに、第１の光路変換部３１の第２面３１ｂおよび第２の光路変換部３２の第２面３２ｂは、第３の導光体５０の光入射面５０ａに光学接着剤によって接合されている。

すなわち、第１の導光体２１、第２の導光体２２、第１の光路変換部３１、第２の光路変換部３２および第３の導光体５０は一体化されている。

次に、反射部４０について説明する。図５は、反射部４０の拡大斜視図である。反射部４０は、三角柱状のベース部材４１と、ベース部材４１の連続する二つの側面４１ａ、４１ｂに蒸着された反射膜としての金属膜（不図示）を有する。要するに、反射部４０は、２つの反射面４１ａ、４１ｂを備えている。そして、反射部４０は、一方の反射面４１ａが第１の光路変換部３１の第３面３１ｃと微小な隙間を介して対向し、他方の反射面４１ｂが第２の光路変換部３２の第３面３２ｃと微小な隙間を介して対向するように、第１の光路変換部３１と第２の光路変換部３２との間に配置されている（図３）。換言すれば、第１の光路変換部３１の第３面３１ｃと反射面４１ａとの間には空気層６１が存在し、第２の光路変換部３２の第３面３２ｃと反射面４１ｂとの間には空気層６２が存在している。

次に、第１の照明光学系２Ｒの作用について図３および図６を参照して説明する。第１のＬＥＤモジュール１１から出射された光は、光入射面２１ａから第１の導光体２１に入射する。第１の導光体２１に入射した光は、全反射を繰り返しながら第１の導光体２１内を進行し、光出射面２１ｂから出射する。換言すれば、第１のＬＥＤモジュール１１から出射された光は、第１の導光体２１によって第１の方向（図６中の矢印ａ方向）に案内される。

第１の導光体２１の光出射面２１ｂから出射した光は、光出射面２１ｂに接合されている第１の光路変換部３１に入射する。具体的には、光出射面２１ｂから出射した光は、第１の光路変換部３１の第１面３１ａから第１の光路変換部３１に入射し、次いで、第１の光路変換部３１の第３面３１ｃに入射する。

ここで、第１の光路変換部３１の第３面３１ｃと反射部４０の反射面４１ａとの間には空気層６１が存在している。すなわち、第１の光路変換部３１の第３面３１ｃは、屈折率が異なる２つの媒質間の境界面である。よって、臨界角以上の角度で第３面３１ｃに入射した光は、第３面３１ｃによって全反射される。

第１の光路変換部３１の第３面３１ｃによって全反射された光は、第１の光路変換部３１の第２面３１ｂから出射して第３の導光体５０に入射する。

一方、臨界角未満の角度で第３面３１ｃに入射した光は、第３面３１ｃを透過する。第３面３１ｃを透過した光は、反射部４０の反射面４１ａで反射され、第１の光路変換部３１に再入射する。第１の光路変換部３１に再入射した光は、第３面３１ｃによって全反射された光と同様に、第２面３１ｂから出射して第３の導光体５０に入射する。

すなわち、第１の導光体２１に案内されて第１の光路変換部３１に入射した光の全てが最終的には第３の導光体５０に導かれる。第３の導光体５０に入射した光は、全反射を繰り返しながら第３の導光体５０内を進行し、光出射面から出射する。換言すれば、第３の導光体５０に入射した光は、第３の導光体５０によって第３の方向（図６中の矢印ｃ方向）に案内される。

一方、第２のＬＥＤモジュール１２から出射された光は、光入射面２２ａから第２の導光体２２に入射する。第２の導光体２２に入射した光は、全反射を繰り返しながら第２の導光体２２内を進行し、光出射面２２ｂから出射する。換言すれば、第２のＬＥＤモジュール１２から出射された光は、第２の導光体２２によって第２の方向（図６中の矢印ｂ方向）に案内される。

第２の導光体２２の光出射面２２ｂから出射した光は、光出射面２２ｂに接合されている第２の光路変換部３２に入射する。その後は上記と同様の原理により、第２の導光体２２に案内されて第２の光路変換部３２に入射した光の全てが最終的には第３の導体体５０に導かれる。第３の導光体５０に入射した光は、全反射を繰り返しながら第３の導光体５０内を進行し、光出射面から出射する。換言すれば、第３の導光体５０に入射した光は、第３の導光体５０によって第３の方向（図６中の矢印ｃ方向）に案内される。

要するに、２つの固体光源から出射された光が共通の導光体に導かれ、単一の２次光源が形成される。

本実施形態における第１の導光体２１および第２の導光体２２は、角柱であるが、角筒であってもよい。また、第１の導光体２１および第２の導光体２２の材料には、ＢＫ７などの光学ガラスの他、光学樹脂を用いることもできる。また、第１の光路変換部３１、第２の光路変換部３２および反射部４０のベース部材４１の材料にも、ＢＫ７などの光学ガラスの他、光学樹脂を用いることもできる。但し、光路変換部３１、３２の材料には、導光体２１、２２、５０の材料よりも高屈折率の材料を用いることが好ましい。また、３つの導光体２１、２２、５０には同一屈折率の材料を用いることが好ましい。

冒頭に述べたように、図２に示す３つの照明光学系２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは実質的に同一の構成を有する。但し、第２の照明光学系２Ｇを構成している２つのＬＥＤモジュールの発光色は緑色であり、第３の照明光学系２Ｂを構成している２つのＬＥＤモジュールの発光色は青色である。もっとも、発光色の異なる２つのＬＥＤモジュールを用いて１つの照明光学系を構成することもできる。

反射部４０の反射面４１ａ、４１ｂを形成する金属膜としては、反射効率の高いアルミ膜、金膜および銀膜が好ましい。もちろん、誘電体多層膜であってもよい。

また、図７に示すように、プレート状のベース部材４１の表面に蒸着された金属膜によって反射面４１ａ、４１ｂを形成してもよい。プレート状のベース部材４１は、１枚であっても、複数枚であってもよい。また、複数枚のプレート状のベース部材４１を用いる場合、複数枚のベース部材４１は一体化されていてもよく、それぞれ独立していてもよい。

本実施形態では、第１の光路変換部３１と第２の光路変換部３２が、第３の導光体５０を介して一体化されている。しかし、第１の光路変換部３１と第２の光路変換部３２を一体成形し、一体成形された第１の光路変換部３１および第２の光路変換部３２を第３の導光体５０に接合してもよい。
（第２の実施形態）
図２に示す３つの照明光学系２Ｒ、２Ｇ、２Ｂの少なくとも１つを図８に示す照明光学系２に置換することも可能である。

以下、図８に示す照明光学系について説明する。図８に示す照明光学系２は、図３に示す照明光学系２Ｒと基本的に同一の構成を有する。

しかし、図８に示す照明光学系２と図３に示す照明光学系２Ｒでは、第１のＬＥＤモジュール１１と第２のＬＥＤモジュール１２の相対的位置関係が異なる。換言すれば、図８に示す照明光学系２と図３に示す照明光学系２Ｒでは、第２のＬＥＤモジュール１２と第３の導光体５０の相対的位置関係が異なる。

すなわち、図３に示す照明光学系２Ｒでは、第１のＬＥＤモジュール１１と第２のＬＥＤモジュール１２とが対向していた。一方、図８に示す照明光学系２では、第１のＬＥＤモジュール１１と第２のＬＥＤモジュール１２とは対向していない。具体的には、図８に示す照明光学系２では、第２のＬＥＤモジュール１２の発光面は、第３の導光体５０の光入射面と対向している。よって、第２のＬＥＤモジュール１２から出射された光を第３の導光体５０に入射させるために、第２のＬＥＤモジュール１２から出射された光の進行方向を変換する必要はない。そこで、図８に示す照明光学系２では、図３に示す第２の光路変換部３２が省略されている。図８に示す照明光学系２では、第２の導光体２２の光出射面２２ｂが第３の導光体５０の光入射面５０ａに接合されている。

図８に示す照明光学系２では、第１のＬＥＤモジュール１１から出射された光は、第１の導光体２１によって第１の方向（図８中の矢印ａ方向）に案内される。そして、第１の導光体２１によって第１の方向へ案内された光の全てが、最終的には第３の導光体５０に入射し、第３の方向（図８中の矢印ｃ方向）に案内される。第１の導光体２１によって案内された光の全てが第３の導光体５０に入射する理由は既述の通りである。

一方、第２のＬＥＤモジュール１２から出射された光は、第２の導光体２２によって第２の方向（図８中の矢印ｂ方向）に案内される。第２の導光体２２によって第２の方向へ案内された光は、第２の導光体２２の光出射面２２ｂから出射する。第２の導光体２２の光出射面２２ｂから出射した光の全ては、光出射面２２ｂに接合されている第３の導光体５０の光入射面５０ａから第３の導光体５０に入射する。第３の導光体５０に入射した光は、第３の導光体５０によって第３の方向へ案内される。

すなわち、図８に示す照明光学系２では、第２の導光体２２による光の案内方向と第３の導光体５０による光の案内方向とは同一であり、第１の導光体２1による光の案内方向と第３の導光体５０による光の案内方向とは異なる。

しかし、図８に示す照明光学系２においても、２つの固体光源から出射された光が共通の導光体に導かれ、単一の２次光源が形成される。

本発明における固体光源には、半導体レーザや有機ＥＬが含まれる。本発明における画像形成素子には、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）が含まれる。

１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ液晶パネル
２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ照明光学系
１１、１２ＬＥＤモジュール
２１、２２５０導光体
３１、３２光路変換部
３１ｃ、３２ｃ第３面（全反射面）
４０反射部
４１ａ、４１ｂ反射面

Claims

２つの固体光源と、
前記２つの固体光源の一方から出射された光を第１の方向へ導く第１の導光体と、
前記２つの固体光源の他方から出射された光を前記第１の方向とは異なる第２の方向へ導く第２の導光体と、
前記第１の導光体および前記第２の導光体によって導かれた光を全反射して第３の導光体へ入射させる全反射面を備えた光路変換部と、
前記全反射面に対して空気層を介して対向し、前記全反射面を透過した光を前記光路変換部へ再入射させる反射面と、を有する照明光学系。
請求項１に記載の照明光学系であって、
前記２つの固体光源が互いに対向して配置されており、
前記第１の方向と前記第２の方向が正反対の方向である照明光学系。
請求項１または請求項２に記載の照明光学系であって、
前記２つの固体光源の一方から出射される光の色と、前記２つの固体光源の他方から出射される光の色とが異なる、照明光学系。
請求項１または請求項２に記載の照明光学系であって、
前記第１の導光体から出射された光を全反射する第１の全反射面を備えた第１の光路変換部と、
前記第２の導光体から出射された光を全反射する第２の全反射面を備えた第２の光路変換部と、を有する照明光学系。
請求項４に記載の照明光学系であって、
前記第１の全反射面に対して空気層を介して対向し、前記第１の全反射面を透過した光を前記第１の光路変換部へ再入射させる第１の反射面と、
前記第２の全反射面に対して空気層を介して対向し、前記第２の全反射面を透過した光を前記第２の光路変換部へ再入射させる第２の反射面と、を有する照明光学系。
２つの固体光源と、
前記２つの固体光源の一方から出射された光を第１の方向へ導く第１の導光体と、
前記２つの固体光源の他方から出射された光を前記第１の方向とは異なる第２の方向へ導いて第３の導光体に入射させる第２の導光体と、
前記第１の導光体から出射された光を全反射して前記第３の導光体へ入射させる全反射面を備えた光路変換部と、を有する照明光学系。
請求項６に記載の照明光学系であって、
前記全反射面に対して空気層を介して対向し、前記全反射面を透過した光を前記光路変換部へ再入射させる反射面を有する照明光学系。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
前記光路変換部の屈折率が前記第１の導光体の屈折率および前記第２の導光体の屈折率のいずれよりも高い照明光学系。
請求項８に記載の照明光学系であって、
前記第１の導光体の屈折率と前記第２の導光体の屈折率とが同一である照明光学系。
画像形成素子と、前記画像形成素子を照明する照明光学系と、該照明光学系で照明された前記画像形成素子によって形成された画像光を投射する投射光学系と、を有する投写型表示装置であって、
前記照明光学系が請求項１乃至９のいずれか１項に記載された照明光学系である投写型表示装置。