JP6302997B2 - 固体光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、光利用効率を向上させた固体光源装置に関する。

近年、光学応用装置の１つである映像表示装置や車両用灯具の光源に、電力消費効率に優れ製品寿命が長いＬＥＤ光源やレーザ光源が使用されている。特にレーザ光源に比べてＬＥＤ光源は、動作環境（温度、湿度）の制約が小さく動作が安定し、主流となっている。光源から特定色（例えば赤、黄色）の光を得る場合、従来技術では白色光源からの出射光を顔料が含まれた塗料を表面に塗装または、顔料を含む外装部品で一旦光源光を遮光し必要な波長の光を選択的に透過させることで所望の透過特性を有する光を得ていた。（例えば、特許文献１参照）

特開平６−２３１６０２号公報

映像表示装置や車両用灯具に用いられる高出力のＬＥＤ光源は、一般には面発光光源であり、照明光学系に使用する場合にはエタンデュー（Etendue＝光源の発光面積×発散角度）の保存則から、受光面（表示素子部）へ効率良く集光できないという課題がある。

また、特許文献１のような従来技術では、
（１）顔料による光の吸収で光源光が有効に利用できず光利用効率が低下する。
（２）灯具不点灯時（未使用状態）においても顔料による外光の吸収により外装部品が着色されるため、意匠性が大幅に低下する。
（３）白色光源と灯具装置の位置関係に制約あり、デザイン上の制約が生じる。
等の解決すべき課題があった。

本発明の目的は、上記した課題を鑑み、光利用効率が高く、所望色の光を選択的に取り出す機能を有した固体光源装置を提供することである。

本発明の固体光源装置は、固体光源からなる複数の光源セルと、複数の光源セルから出射された光を合成して出射する光合成装置を備え、光合成装置は、表面に反射面を有し、内部は出射方向に沿って分割された複数の柱状領域を有し、各柱状領域の境界面には波長選択性の反射面を有する。さらに、光源セルから出射した光を反射し光合成装置へ出射する光反射合成部を備え、光反射合成部は、表面に反射面を有する略放物面状の形状とした。

本発明によれば、光利用効率が高く、所望色の光を選択的に取り出す機能を有した固体光源装置を提供することができる。

実施例１に係る固体光源装置の全体構成を示す斜視図。 光合成装置２０の構成を示す斜視図（出射面が正方形）。 光合成装置２０の構成を示す斜視図（出射面が長方形）。 １つの光合成器の形状を示す斜視図。 光合成装置２０の断面構成を示す図。 波長選択性光学面２１の反射特性を示す図。 光反射合成部３０の構成を示す断面図。 固体光源装置内の全体光線図。 光合成装置の他の構成を示す断面図（実施例２）。 固体光源装置を用いた映像投写装置の例を示す図（実施例３）。 固体光源装置の発光タイミングの一例を示す図。 固体光源装置を用いた車両用灯具の例を示す図（実施例４）。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。

図１は、実施例１に係る固体光源装置の全体構成を示す斜視図である。本実施例の固体光源装置１は、光源セル１０と、光合成装置２０と、光反射合成部３０とを備えて構成される。光源セル１０は、固体光源であるＬＥＤ光源素子を面状に配置したもので、光合成装置２０または光反射合成部３０の上下面及び両側面に取り付ける。光合成装置２０は、表面に反射面を有する四角柱状の外形となっており、光源セル１０から出射した光を合成して出射方向に導光する役目を果たす。光合成装置２０の内部は、出射方向に沿って分割された複数の柱状領域からなり、後述するようにダイクロイックプリズムを用いた構造としている。光反射合成部３０は、表面に反射面を有し光合成装置２０に向って開口部を有する形状、例えば略放物面状の構造となっており、光源セル１０から出射した光を反射する。光合成装置２０と光反射合成部３０は、両者の外形（断面）が連続するように接合面２４で接合されている。光源セル１０から出射された光は、光反射合成部３０の略放物面状の反射面で反射されるとともに、光合成装置２０により合成されて出射面２５から矢印方向に出射する。

図２Ａと図２Ｂは、光合成装置２０の構成を示す斜視図である。図２Ａは出射面２５が正方形の場合、図２Ｂは出射面２５が長方形の場合である。光合成装置２０は、４片の光合成器２０ａ〜２０ｄを組み合わせて構成する。各光合成器２０ａ〜２０ｄは、波長選択性膜をクロス状に配したダイクロイックプリズムを用いて構成している。光合成器２０ａ〜２０ｄの三角柱の形状、すなわちプリズムの形状を適宜変更することで、出射面２５の面積や縦横比を所望の形状とすることができる。ここに、接合面２４よりも出射面２５の面積を大きくした形状とすることで、光合成装置２０内で多重反射した光の発散角を小さくできるという特有の効果をもたらす。

図３Ａは、１つの光合成器の形状を示す斜視図であり、図２Ａにおける光合成器２０ａの場合を示す。光合成器２０ａは三角柱状のダイクロイックプリズムであり、光合成装置２０の表面となる上面２１ｍは反射面である。他の側面２１ａ、２１ｂはダイクロイック特性を示す波長選択性光学面である。

図３Ｂは、光合成装置２０の断面構成を示す図である。４片の光合成器２０ａ〜２０ｄが組み合わされて四角形の外形となり、各光合成器の外面にはそれぞれ光源セル１０ａ〜１０ｄを取り付ける。各光合成器の境界には、ダイクロイック特性を示す波長選択性光学面２１ａ〜２１ｄを配する。光源セル１０ａ〜１０ｄから出射した光は、波長選択性光学面２１ａ〜２１ｄで反射または透過することで、所望の色の光を選択的に取り出したり、あるいは複数色の光を混合させることができる。

図４は、波長選択性光学面２１の反射特性を示す図である。Ｇ光反射面は、Ｇ領域の波長の光を反射し、他の波長領域の光を透過する。同様に、Ｂ光反射面はＢ領域の波長の光を反射し、Ｒ光反射面はＲ領域の波長の光を反射する。

光合成装置２０の一例を述べる。光源セル１０ａと光源セル１０ｂを緑色光（Ｇ）、光源セル１０ｃを青色光（Ｂ）、光源セル１０ｄを赤色光（Ｒ）とする。また、波長選択性光学面２１ａをＧ光反射／Ｂ光反射／Ｒ光透過、波長選択性光学面２１ｂをＲ光反射／Ｂ光反射／Ｇ光透過、波長選択性光学面２１ｃをＧ光反射／Ｒ光反射／Ｂ光透過、波長選択性光学面２１ｄをＢ光反射／Ｒ光反射／Ｇ光透過、とする。これにより、光合成装置２０の内面に反射面を設けた場合に比べ、内部での多重反射の回数をおおよそ２倍に増やすことができるという特有の効果が得られる。

あるいは、波長選択性光学面２１ａの反射／透過特性を反転させれば、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光が混合された白色光を出射面２５から取り出すことができる。

図５は、光反射合成部３０の構成を示す断面図である。光反射合成部３０は全体として略放物面状であり、出射方向に沿った断面形状が略放物線状となっている。また、出射方向に垂直な断面形状は、中央部３１では略楕円形（または円形）、光合成装置２０との接合位置３２では長方形（または正方形）とし、光合成装置２０と連続的につながる形状としている。光反射合成部３０の表面は反射面であり、光源セル１０から出射した光を光合成装置２０の方向に反射する。

図５は、光源セル１０を光反射合成部３０に取り付けた場合において、各発光点１０１〜１０５から出射した光の光反射合成部３０内の伝搬方向を示している。光反射合成部３０を略放物面状とすることで、各発光点１０１〜１０５からの出射光は光反射合成部３０内で反射を繰り返すことで混合され、光合成装置２０には均一化された光束が出射する。

図６は、固体光源装置内の全体光線図である。光源セル１０を光反射合成部３０に取り付けた場合において、光反射合成部３０から光合成装置２０に入射した光束は、光合成装置２０の表面で反射されながら出射面２５から出射する。その際、光合成装置２０を構成する光合成器２０ａ〜２０ｄを通過することで、特定の波長の光は波長選択性光学面２１ａ〜２１ｄで反射される。つまり、波長選択性光学面２１ａ〜２１ｄを設けることで、光合成装置２０の表面の反射面のみで反射させる場合と比較し、光利用効率が向上する。例えば反射膜がアルミニウム膜の場合には、反射ロス（約５％／反射１回）が発生する。これに対し波長選択性光学面２１ａ〜２１ｄを用いることで、反射せず透過する光についても、その後出射光束として利用できるので、全体としての光利用効率は低下しない。

また、光合成装置２０内での反射回数が増加し、出射光束の強度分布をより均一化することができる。言い換えれば、出力光束の均一度を一定とした場合、光合成装置２０の長さを短縮することができる。さらに、光合成装置２０の入射側（接合面２４）よりも出射面２５の面積を大きくしているので、出射光線の角度が光軸方向に近づき、指向特性を狭域に絞ることができる。なお、光源セル１０を光合成装置２０の側面に取り付けた場合においても、上述した光反射合成部３０の作用でそれぞれの光が混合し、同様の効果が得られることは言うまでもない。

本実施例によれば、光利用効率が高く、所望色の光を選択的に取り出す機能を有する固体光源装置を実現することができる。

図７は、光合成装置の他の構成を示す断面図である。本実施例の光合成装置２０’は、光合成器２０ａ〜２０ｄとして、波長選択性光学板２２ａ〜２２ｄをクロス状に配置し、波長選択性光学板２２ａ〜２２ｄ以外の領域は、空間（中空構造）である。波長選択性光学板２２ａ〜２２ｄの特性は、前記図３Ｂにおける波長選択性光学面２１ａ〜２１ｄと同様である。また、各光合成器２０ａ〜２０ｄに対し複数個（ここでは２個）の光源セル１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１２ｂ，・・・を配置している。本実施例の光合成装置２０’は中空構造であるので、装置の軽量化が可能であり、光源セルを多数個配置する大型の固体光源装置に好適である。

図８は、本発明の固体光源装置を用いた映像投写装置の例を示す図である。映像投写装置２は、前記した固体光源装置１に、映像表示素子９０と偏光分離素子９１と投写レンズ９２を組み合わせて構成する。映像表示素子９０は映像を表示する例えば反射型液晶表示パネルであり、偏光分離素子９１は入射光の偏光状態により反射／透過を切り替える素子である。

固体光源装置１は、光合成装置２０の出射面側に位相差発生部４０と重畳レンズ５０を設けている。位相差発生部４０は出射光の偏光状態を変換し、重畳レンズ５０は映像表示素子９０に光学像を一致させる。なお、重畳レンズ５０は省略することもできる。

固体光源装置１から出射する偏光光は偏光分離素子９１にて反射され、映像表示素子９０に照射されて映像光が生成される。映像光は偏光分離素子９１を透過して、投写レンズ９２によりスクリーン等に拡大投影される。

図９は、固体光源装置の発光タイミングの一例を示す図である。固体光源装置１の各光源セル１０は、互いに異なる波長の光、例えばＧ光、Ｂ光、Ｒ光の３色を発光する素子で構成する。そして、各光源セル１０からの発光タイミングを時分割制御する。これにより、固体光源装置１から、Ｇ光、Ｂ光、Ｒ光を時分割で出射させる。

なお、図９に示すように、光の３原色光のうち２色光を同時に発光させ、シアン、マゼンタ、黄色などの光を出射させることができる（図中ではＧ光とＢ光をＴ０期間に同時に発光させている）。また、光源セルそのものに３原色光以外を使用すれば、多種類の色光を実現できるという効果もある。

以上述べた固体光源装置を図８の映像投写装置２に適用すると、映像表示素子９０には照射光としてＧ光、Ｂ光、Ｒ光を時分割で照射される。これと同期して映像表示素子９０では、Ｇ光、Ｂ光、Ｒ光成分の映像を時分割に表示する。これにより、Ｇ光、Ｂ光、Ｒ光の映像光を時分割で投影することで、カラー映像の表示を行う。なお、Ｇ光、Ｂ光、Ｒ光の各光源セル１０を同時に発光させれば、白色光の照明となり、白黒映像を表示することもできる。

本実施例では、本発明による光利用効率が高く均一な照明光を出射する固体光源装置を用いることで、明るく高画質の映像投写装置が実現できる。

図１０は、本発明の固体光源装置を用いた車両用灯具の例を示す図である。車両用灯具３は、固体光源装置１からの光束をリフレクタ７０により反射し、所定方向に照射する。固体光源装置１からの光源光束はリフレクタ７０に対し斜め前方から入射し（光軸Ｌ１）、リフレクタ７０で反射して照射光束として前方へ出射する（光軸Ｌ２）。よってリフレクタ７０の反射面の形状は、光軸Ｌ１，Ｌ２に対して対称な球面や非球面形状よりも設計自由度が大きい自由曲面形状を選ぶのが良い。

本実施例の車両用灯具では、光源セルからの光を少ない損失で導光し、所望の波長の光をリフレクタ上の所望の位置で反射させることが可能となる。このため、光源と灯具（外装品）の位置関係に制約がなく、照射光の配光特性の自由度が飛躍的に増大する。また、所望の配色を得るために顔料を使用していないので、顔料による光の吸収がないだけでなく、外光（太陽光）が灯具に入射した場合でも反射光（透過光）によって灯具の外装部に色付くことがない。

１…固体光源装置、
２…映像投写装置、
３…車両用灯具、
１０，１０ａ〜１０ｄ，１１，１２…光源セル、
２０…光合成装置、
２０ａ〜２０ｄ…光合成器、
２１ａ〜２１ｄ…波長選択性光学面、
２２ａ〜２２ｄ…波長選択性光学板、
２４…接合面、
２５…出射面、
３０…光反射合成部。

Claims (4)

1. 固体光源を発光体として用いる固体光源装置において、
   固体光源からなる複数の光源セルと、
   前記複数の光源セルから出射された光を合成して出射する光合成装置を備え、
   前記複数の光源セルは前記光合成装置の周囲に配置され、
   前記光合成装置は、表面に反射面を有し、内部は出射方向に沿って分割された複数の柱状領域を有し、各柱状領域の境界面には波長選択性の反射面を有するものであって、
   前記光合成装置として、内部にダイクロイック特性を示す波長選択性光学面をクロス状に配するダイクロイックプリズムを用いたことを特徴とする固体光源装置。
2. 固体光源を発光体として用いる固体光源装置において、
   固体光源からなる複数の光源セルと、
   前記複数の光源セルから出射された光を合成して出射する光合成装置と、
   前記光源セルから出射した光を反射し前記光合成装置へ出射する光反射合成部を備え、
   前記複数の光源セルは前記光反射合成部の周囲に配置され、
   前記光反射合成部は、表面に反射面を有し前記光合成装置に向って開口部を有する形状とし、
   前記光合成装置は、表面に反射面を有し、内部は出射方向に沿って分割された複数の柱状領域を有し、各柱状領域の境界面には波長選択性の反射面を有するものであって、
   前記光合成装置として、内部にダイクロイック特性を示す波長選択性光学面をクロス状に配するダイクロイックプリズムを用いたことを特徴とする固体光源装置。
3. 請求項２に記載の固体光源装置において、
   前記光反射合成部は、略放物面状の形状としたことを特徴とする固体光源装置。
4. 請求項１または２に記載の固体光源装置において、
   前記各光源セルは互いに異なる波長の光を時分割で出射することを特徴とする固体光源装置。

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