CN1641410A - 光源单元及使用该光源单元的投影型图像显示装置 - Google Patents

Abstract

在使用透射型液晶或反射型液晶作为图像显示元件的投影型图像显示装置中，构成配列有与光源LED相对应的多个反射镜的光源单元，其中D表示反射镜的有效直径，f表示透镜的焦距，Z表示光源的发光部与镜中央部顶点之间的焦距，满足D＜4×f或D＜4×Z关系。在该投影型图像显示装置中，能够抑制光源单元的射出开口面积内的光的利用效率的降低，确保充分的亮度。

Description

光源单元及使用该光源单元的投影型图像显示装置

技术领域

本发明是涉及配置有多个LED等的光源的光源单元，以及将来自该光源单元的光由透射型液晶及反射型液晶，或DMD(微小镜)等图像显示元件进行光强度调制，将形成的光学像加以投影的投影型图像显示装置。

背景技术

已知的有来自光源的光照射到液晶面板等图像显示元件，将液晶面板上的图像放大投影的液晶投影仪等投影型图像显示装置。

历来，以高亮度为目的，采用了可对光源提供高电力的一个或多个灯的投影型图像显示装置大多数已经制品化，但最近的目标是提高色纯度及延长寿命、提高点亮性，研究开发了发光二极管，有机EL等所谓LED光源。在这种情况下，为了补充亮度的不足，大多是采用多个LED光源并用的方法。作为这样的LED光源单元及使用该光源单元的投影型图像显示装置，例如在特开2002-374004号公报中公开。

而且，最近，例如在特开2002-151746号公报中给出了LED的光由凹状的反射镜反射而向前方射出的反射型LED。而且，作为将这种反射型LED配置为矩阵状的光源单元及使用该光源单元的投影型图像显示装置，例如在特开2003-329978号公报中公开。

在实现配列多个LED等的光源作为光源单元的投影型图像显示装置中，与历来所使用的高压水银灯等相比，由于每一个光源所射出的光束量非常小，所以难以得到投影型图像的足够的亮度。因此给出了配置形成多个光源的提案，但是，在投影型图像显示装置的照明光学***中，用于获取来自光源的光束的入射开口尺寸的大小受到限制，即使是可配置多个光源，将光束有效地导入入射开口的光源数目也有限制。就是说，从配置在有限的面积内的光源射出的光要保证尽量多，这一点很重要。

因此，虽然通过如在特开2003-329978号公报中所见到的那样配置多个LED光源，而且在各LED光源中使用上述专利文献2等所公开的反射型LED，以达到高亮度的目的，但是，没有考虑在有限的面积***出尽量多的光束的结构。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而提出，其目的在于提供能够抑制在既定的面积内的光的利用率的下降、实现高亮度化的光源单元及使用该光源单元的投影型图像显示装置。

为了解决上述问题，本发明具有发明特征所述的结构。就是说，为了使单位规定的面积中所射出的光束最大，不是以使各个光源的效率最大为目的，而是以各个光源的单位面积的射出光束最大为目的。

通过将各光源的聚光镜的尺寸设定为发明特征所述的范围，虽然不能使从各个光源所射出的光束达到最大值，但却能够在有限的面积内配置多个光源，可增加作为光源单元的射出光的量。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的一例的投影型图像显示装置的结构图。

图2是表示光源单元的一部分的详细说明图。

图3是表示对于使用单一LED情况下的反射半径的开口效率与反射面积关系的图。

图4是表示对于光源单元的反射面积的开口效率的图。

图5是表示光源单元整体对于反射半径的射出效率、总的光量的变化图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施方式。还有，各图中对于具有同一功能的构成要素都赋予同样的符号。

本实施例中是对使用透射型液晶面板作为图像显示元件的情况所进行的说明，当然本发明也可以适用于反射型液晶，或DMD镜器件等。

实施例1

图1是表示本发明的一个实施例的投影型图像显示装置的概略结构图。在图1中，1是根据本发明而配置了多个反射型LED的光源单元，构成光源单元1的各反射型LED，分别设置有旋转抛物面状的反射镜、即反射镜5，使来自LED芯片发光部21的光有效、连续地照射到光学***。2R、2G、2B分别是与RGB三原色相对应的图像显示元件的透射型液晶面板，由未图示的图像信号驱动电路将来自光源单元1的光束进行对应于图像信号的光强度调制，形成光学像。3是投影透镜，4是镜子，6与7是构成所谓综合光学体系的第一透镜阵列与第二透镜阵列，8是将来自综合光学体系的光束在既定的偏光方向上对齐的偏光转换元件，9是聚光镜，10R、10G是聚光透镜，11是合成棱镜，12、13是用于色分离的分色镜，14是镜子，15是第一中继透镜，16是第二中继透镜，17是第三中继透镜，18是屏幕，19、20是镜子。而且，除了这些以外，作为主要部件有未图示的电源电路。

在图1中，从光源单元1的各反射型LED光源的LED芯片的发光部21所射出的白色光束，由旋转抛物面状的反射镜5所反射，入射到成为综合光学体系的第一透镜阵列6。由配列为矩阵状的多个透镜单元所构成的第一透镜阵列6将入射的光束分割为多个光束，高效率地传导以通过第二透镜阵列7及偏光转换元件8。与第一透镜阵列6同样由配列为矩阵状的多个透镜单元所构成的第二透镜阵列7的构成透镜单元，分别将对应的第一透镜阵列6的透镜单元的形状投影到投射型液晶面板2R、2G、2B一侧。此时，偏光转换元件8将来自第二透镜阵列7的光束在既定的偏光方向上聚集。而且，这些第一透镜阵列6的各透镜单元的投影像通过聚光镜9、聚光透镜10R、10G、第一中继透镜15、第二中继透镜16、及第三中继透镜17重合在各液晶面板2R、2G、2B上。

在该过程中，由构成色分离装置的分色镜12、13，将从光源射出的白色光分离为红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色的色光，分别照射到对应的液晶面板2R、2G、2B上。还有，这里的分色镜12具有透过红光、反射绿光蓝光的特性，而分色镜13具有透过蓝光、反射绿光的特性。

各液晶面板2R、2G、2B与未图示的入射出射偏光板一起，由未图示的图像信号驱动电路控制透过液晶面板的光量，并对每个象素进行明暗改变的光强度变换，形成光学像。

进而，明亮地所照射的液晶面板2R、2G、2B上的各光学像，由合成棱镜11进行色合成，进而由投影透镜3投射到屏幕18，得到大画面的图像。

而且，第一中继透镜15、第二中继透镜16、及第三中继透镜17是对液晶面板2B相对于液晶面板2R、2G的光路变长所作的补充。

接着，对本发明的特性、光源单元1的反射形状进行详细的说明。图2是为了详细说明构成图1的光源单元1的单位部分的反射型LED，而将光源单元内的一个反射型LED取出，表示其光学概略结构的图。

在图2中，21是反射型LED的LED芯片的发光部，5是对来自LED芯片的发光部21的光进行反射的例如旋转抛物面状的反射镜。D是反射镜5的直径，r是其半径，θ是与利用包含连接发光部21的中心与反射镜21的顶点的轴(以下称“光轴”)的平面所切的截面中的从发光部21所射出的光束的光轴所成的角度。而且，f是旋转抛物面状的反射镜5的焦距，发光部21一般配置在反射镜5的焦点位置。从LED光源的发光部21射出遵循朗伯分布规律的、向着反射镜5的大体半圆状的光束，如用图中的θ值表示则具有90度的广度。设光轴上光的强度为I₀，则角度θ上的光的强度用I₀cosθ表示。

这里，将从发光部21所射出的光束中被反射镜5所捕捉的光束的比例定义为开口效率。此时，在光束尽可能地被反射镜5所捕捉，即开口效率为100％的情况下，有下式成立：

D＝4×f            (式1)

而且，设反射镜的开口形状为圆形，该反射镜的开口面积(以下称为反射镜面积)为s时，s可由下式表示：

s＝π×D×D/4      (式2)

此时，设配置光源的有效面积为S，则光源最大数N由下式表示：

NS/s             (式3)

实际上，由于反射镜5的外形为圆形的情况是在形成光源单元时的配置中可有间隙，所以该N不是正确的值，但由于在后面的说明中相对没有出现较大的问题，所以为了简化而使用该值。

图3是表示在f＝1时的如图2所示的光源单位中、对于反射半径的开口效率与反射面积的关系。在该图中，左侧的纵坐标是光束的开口效率，右侧的纵坐标是反射面积，横坐标是反射半径。在D＝4×f时开口效率达到100％，且反射面积也达到最大值。但是，反射面积与开口效率并不一定有比例关系，从单位面积的开口效率来看，反射面积越小越能够得到高的值，这一点从图4可以看出。

图4是从图3求出的对于反射面积的开口效率，横坐标表示反射面积，纵坐标表示开口效率的变化。从图4可知，反射面积越大倾斜越小，即使将反射面积是从开口效率为100％的状态的最大值减小，对于其比例，开口效率的下降也小。即，减少反射面积，增加相应的LED的数目，使其密集，能够提供总光束量大的光源单元。

接着，为了对此进行确认，下面考察由多个反射型LED所构成的光源单元的总光束量。

这里，对光源单元的总光束量定义如下。

总光束量＝LED光源发光部的光束量×开口效率×LED光源数N(式4)

而且，将对于全体LED光源发光部的光束量、作为光源单元所射出的光束量的比例(即式4的总光束量的比例)定义为射出效率。进而，以下为了简化说明，将来自LED光源发光部的总光束量作为1来处理。此外，将能够配置LED光源的面积S作为与反射镜半径为2(如上所述f＝1)时的反射面积相同的面积，考虑反射型LED的光源数从而求出总光束量，这时的反射型的LED光源数N根据式3利用下式可以求出。

N＝2×2×π/s                (式5)

基于以上的条件，横坐标为反射半径，计算出由多个反射型LED构成的光源单元的总光束量、射出效率，示于图5。而且，在图5中，在横坐标的反射镜半径值的下面，表示了与该反射镜值相对应的式5所求出的LED光源数N。例如反射镜半径为1的情况，根据式5，LED光源数为4。

如上所述，反射半径较小时，单位反射面积的射出效率高，通过增加相应的LED总数能够增加总光束量，这已经在图5中得到了确认。由于反射镜半径越小，总光束量越大，所以通过在本实施例中反射镜半径不是最大值2，而是1，可以得到与反射镜半径为2时相比约2.5倍的总光束量。即，根据下式，

D＜4×f          (式6)

能够增加作为光源单元的射出光束量。

实施例2

接着，对实施例2加以叙述。由图5可知，例如反射镜半径从1逐步减小时，能够预测总光束量会逐步增加，但由于射出效率非常低，所以放热等负担增加，不可能成为现实的结构。所以，在射出效率不低于50％(反射镜半径约为0.8)以下的范围内确定反射镜半径较好。而且，关于该上限，希望表示光源单元的亮度的总光束量为1.3倍(反射镜半径约为1.75)以上，特别优选为1.5倍(反射镜半径约为1.6)以上。

根据以上的观点，在本实施方式中，使用式7所示的范围作为反射镜半径。

1.6×f＜D＜3.2×f         (式7)

然而，在上述实施例中，是以旋转抛物面的形状对反射镜形状作的说明，但也可以考虑对应于发光部21的大小及形状，对旋转椭圆面形状及旋转抛物面形状进行若干变形的非球面形状的反射镜5。在这种情况下虽然也可以达到与上述说明同样的效果，但由于在这种情况下不能根据式6、式7来规定形状，所以可以使用与非球面形状大体一致的旋转椭圆面形状及旋转抛物面的焦距，或使用与这些焦距大体相等而设定的发光部21与反射镜中心部的顶点的距离Z，从而进行下述的规定。

D＜4×Z                (式6′)

或者是，

1.6×Z＜D＜3.2×Z      (式7′)

根据上述实施例，虽然从各个LED光源所射出的光束没有达到最大值，但能够相应地在有限的空间内配置多个LED光源，能够增大作为LED光源单元的射出光的量。就是说，能够在有限的面积内考虑高效率的同时达到高亮度，提供配置多个具有反射镜的LED等光源的光源单元及设置有该单元的投影型图像显示装置。

还有，上述光源单元当然可以是配置有独立的各反射型LED的单元，也可以是一体形成阵列状的单元。

而且，作为构成所述光源单元的“LED光源”，可以使用由在顺方向施加电压而放出光的无机固体晶体(例如GaP、GaAsP、GaAlAs等化合物半导体晶体)而制造的发光二级管LED，或具有夹持在两个电极之间的有机分子发光层的有机EL(电致发光)的所谓OLED(有机发光二级管)等。就是说LED光源是这些光源的总称。

而且，在上述实施例中，是从光源单元射出白色光，但本发明并不限于此，当然也可以适用于上述专利文献3的图6中记述的射出特定色光的光源单元。

Claims (8)

1.一种光源单元，用于投影型图像显示装置，该投影型图像显示装置具有：基于图像信号而调制光的图像显示元件；和将来自该图像显示元件的射出光投影到屏幕的投影透镜，其特征在于：

并排配置至少两个以上的光源，具有与各光源相对应的抛物面形状或接近抛物面形状的非球面的聚光镜，

在D表示反射镜的有效直径，f表示镜子的焦距，Z表示光源的发光部与镜子中央部顶点之间的距离时，满足下式：

D＜4×f或D＜4×Z。

2.根据权利要求1所述的光源单元，其特征在于：

所述光源由LED所构成。

3.一种光源单元，用于投影型图像显示装置，该投影型图像显示装置具有：基于图像信号而调制光的图像显示元件；和将来自该图像显示元件的射出光投影到屏幕的投影透镜，其特征在于：

并排配置至少两个以上的光源，具有与各光源相对应的抛物面形状或接近抛物面形状的非球面的聚光镜，

在D表示反射镜的有效直径，f表示镜子的焦距，Z表示光源的发光部与镜子中央部顶点之间的距离时，满足下式：

1.6×f＜D＜3.2×f或1.6×Z＜D＜3.2×Z。

4.根据权利要求3所述的光源单元，其特征在于：

所述光源由LED所构成。

5.一种投影型图像显示装置，具有：光源单元；基于图像信号而调制来自该光源单元的光束的图像显示元件；和将来自该图像显示元件的射出光投影到屏幕的投影透镜，其特征在于：

所述光源单元并排配置至少两个以上的光源，具有与各光源相对应的抛物面形状或接近抛物面形状的非球面形状的聚光镜，

在D表示反射镜的有效直径，f表示镜子的焦距，Z表示光源的发光部与镜子中央部顶点之间的距离时，满足下式：

D＜4×f或D＜4×Z。

6.根据权利要求5所述的光源单元，其特征在于：

所述光源由LED所构成。

7.一种投影型图像显示装置，具有：光源单元；基于图像信号而调制来自该光源单元的光束的图像显示元件；和将来自该图像显示元件的射出光投影到屏幕的投影透镜，其特征在于：

所述光源单元并排配置至少两个以上的光源，具有与各光源相对应的抛物面形状或接近抛物面形状的非球面形状的聚光镜，

在D表示反射镜的有效直径，f表示镜子的焦距，Z表示光源的发光部与镜子中央部顶点之间的距离时，满足下式：

1.6×f＜D＜3.2×f或1.6×Z＜D＜3.2×Z。

8.根据权利要求7所述的光源单元，其特征在于：

所述光源由LED所构成。

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