JP2006114451A - 照明装置及び投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点状光源を光源とし、高輝度で集光効率の高い照明層装置を提供する。
【解決手段】出射端面１０４と、出射端面１０４を形成する辺と共通の辺を有する第１の入射面１０５及び第２の入射面１０６とを備えた導光部材１０１と、第１の入射面１０５及び第２の入射面１０６のそれぞれに配置された複数の発光ダイオード１０２、１０３とを有し、第１の入射面１０５と出射端面１０４とが共通にする辺と、第２の入射面１０６と出射端面１０４とが共通にする辺とが異なり、第１の入射面１０５と第２の入射面１０６とは、出射端面１０４に近づくに従って互いの間隔が広がるように傾斜している。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードに代表される点状光源を光源とする照明装置と、その照明装置を備えた投写型表示装置とに関するものである。

投写型表示装置は、照明装置から出力された光によって表示デバイスとしてのライトバルブを照明することによって画像光を形成し、形成された画像光をスクリーンに向けて投写する。従来、照明装置の光源としは、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプといった高圧放電ランプが用いられていた。これら高圧放電ランプは、高輝度の白色光を発するので、明るい画像を表示する観点からは望ましい光源であった。しかし、投写型表示装置の小型化や低消費電力化を実現すべく、新たな光源が模索されており、発光ダイオードがその有力候補として注目されている。より具体的には、青色及び緑色の発光ダイオードの近年の発展は目ざましく、既に高効率での発光が可能となっている赤色発光ダイオードと組み合わせれば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色が揃い、上記照明装置の光源としての利用が可能になると考えられている。

しかしながら、発光ダイオードは一個当たりの発光光量が小さく、照明装置の光源として使用するためには、多数の発光ダイオードを配置して光源全体としての発光光束量を大きくしなくてはならない。このとき重要なことは、なるべく多くの発光ダイオードを配置し、かつ、それら多数の発光ダイオードから発せられた大量の光が効率良くライトバルブに照射されるようにすることである。そこで特許文献１には、図７に示すような光源装置が開示されている。図７に示す光源装置は、中空の棒状部材４００と、その棒状部材４００の内面４０１に該部材４００の長手方向に沿って配置された多数の発光ダイオード４０２とを有する。さらに、発光ダイオード４０２が配置されている棒状部材４００の内面４０１は反射面とされている。特許文献１には、各発光ダイオード４０２から発せられた光束は、棒状部材４００の内面（反射面）４０１による反射を受けながら該棒状部材４００の長手方向一端４０３に向けて進行し、最終的に該一端４０３から出射する、と述べられている。また、棒状部材４００を細くして光の出射面の面積を小さくすれば、高輝度かつ集光効率の高い光源装置を実現することができる、とも述べられている。
特開２００４−６３３３５号公報

しかし、特許文献１に開示されているような光源装置には次のような課題がある。すなわち、発光ダイオードから発せられる光は発散光である。よって、図７に示す各発光ダイオード４０２の発光面に対して垂直に近い発光成分ほど、より小さな入射角度で設置面と反対側の内面４０１に入射する。ここで、棒状部材４００の対向する内面４０１同士は互いに平行なので、対向する内面４０１間で反射を繰り返しながら棒状部材４００の長手方向に向けて進行する光のこれら内面４０１に対する入出射角度はその進行中に変化しない。よって、発光ダイオード４０２の発光面に対して垂直に近い発光成分ほど、棒状部材４００の一端４０３から出射するときの角度が大きくなる。

しかし、光利用効率や画像品質の観点からは、なるべく小さな角度成分の光によってライトバルブを照射することが望ましく、平行光によってライトバルブを照明することが理想である。例えば、大きな角度成分の光によってライトバブル（液晶パネル）を照明すると、液晶の視野角特性の影響によって表示画像のコントラストが低下するといった問題がある。さらには、ライトバルブを通過した光を最終的にスクリーンに投写するためのレンズの大型化を招き、投写型表示装置の大型化やコスト高の要因となる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、なるべく多く点状光源を配備することによって十分な発光光束量を確保しつつ、なるべく小さな角度成分の光によってライトバルブを照明可能な照明装置を提供することを目的とする。

本発明の照明装置は、出射端面と、出射端面を形成する辺と共通の辺を有する第１の入射面及び第２の入射面とを備えた導光部材と、第１の入射面及び第２の入射面のそれぞれに配置された複数の点状光源とを有し、第１の入射面と出射端面とが共通にする辺が第２の入射面と出射端面とが共通にする辺とは異なり、第１の入射面と第２の入射面とは、出射端面に近づくに従って互いの間隔が広がるように傾斜していることを特徴する。

従って、本発明の照明装置を構成する導光部材は２つの入射面を有し、導光部材の大型化を回避しつつ該導光部材の周囲により多くの光源を配置することできる。さらに、入射面と出射端面との面積比を大きくすれば、集光効率をさらに高めることもできる。また、導光部材の第１の入射面と第２の入射面との間隔が出射端面に近づくに従って広がっているので、導光部材内に入射し、反射を繰り返しながら出射端面に向けて進行する光は、その進行の過程で反射角度が次第に緩和される。よって、出射面端からは相対的に角度成分が小さな光が出射される。

本発明によれば、高輝度で、かつ、角度成分が小さな照明光によって照明対象を照明可能な照明装置と、そのような照明装置を備えた投写型表示装置が実現される。

（実施形態１）
以下、本発明の照明装置の実施形態の一例について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、本例の照明装置の構成を示す模式的側面図である。図２は、本例の照明装置を構成する導光部材の形状を示す模式的斜視図である。

図１に示すように、本例の照明装置は、導光部材１０１と、複数の点状光源（発光ダイオード１０２、１０３）を有する。導光部材１０１は、矩形の出射端面１０４と、出射端面１０４の対向する一対の辺のそれぞれに連なる第１の入射面１０５及び第２の入射面１０６と、出射端面１０４の他の一対の辺のそれぞれに連なる２つの側面とを有する。さらに、第１の入射面１０５及び第２の入射面１０６は、出射面面１０４よりも面積が大きく、かつ、出射端面１０４から遠ざかるに従って次第に近接するように傾斜し、最終的に交わっている。換言すれば、第１の入射面１０５と第２の入射面１０６との間の間隔は、出射端面１０４に近づくほど広がっている。すなわち、導光部材１０１は、全体として略楔形の外観を呈している。尚、出射端面１０４の形状は、該出射端面１０４から出射された光が照射される不図示の照明対象と相似の形状を有することが望ましい。

導光部材１０１の材料は特に限定されるものではなく、光学樹脂、光学ガラス、透光性セラミックスなどを用いて導光部材１０１を製造することができる。もっとも、加工の容易性を考慮すると、光学樹脂が導光部材１０１の材料として適している。導光部材１０１の材料となる光学樹脂の一例として、光散乱導光ポリマーが挙げられる。光散乱導光ポリマーとは、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）やＰＣ（ポリカーボネイト）といった樹脂材料に、これら樹脂材料とは屈折率の異なるミクロンオーダの大きさの粒子状物質、例えばシリコン系樹脂粉体が所定の体積分率で混練されたものである。この光散乱導光ポリマーは、光の吸収を伴わないミクロな不均一構造の相対屈折率と上記粒子状物質の粒径とを制御することによって得られる多重散乱作用によって、光を減衰させることなく、特定方向に均一に出射させることができる。

導光部材１０１の第１の入射面１０５には、複数の発光ダイオード１０２がアレイ状に配置され、第２の入射端面１０６には、複数の発光ダイオード１０３がアレイ状に配置されている。発光ダイオード１０２、１０３は、発光素子とレンズ作用を有するドーム形の樹脂とが一体化されたものである点で共通する。しかし、第１の入射面１０５に配置されている発光ダイオード１０２は、赤色の光を発する赤色発光ダイオードである。一方、第２の入射面１０６に配置されている発光ダイオード１０３のうちの幾つかは緑色の光を発する緑色発光ダイオード１０３ｇであり、残りの幾つかは青色の光を発する青色発光ダイオード１０３ｂである。そして、赤色発光ダイオード１０２が配置されている第１の入射面１０５には、緑色及び青色の光を反射する特性を有する薄膜１１０が形成され、緑色発光ダイオード１０３ｇ及び青色発光ダイオード１０３ｂが配置されている第２の入射面１０６には、赤色の光を反射する特性を有する薄膜１１１が形成されている。もっとも、第１の入射面１０５及び第２の入射面１０６と、そこに配置される発光ダイオード１０２、１０３の種類との関係は、上記関係に限定されるものではない。例えば、第１の入射面１０５に赤色発光ダイオード１０２及び青色発光ダイオード１０３ｂを配置し、第２の入射面１０６に緑色発光ダイオード１０３ｇを配置することもできる。この場合、第１の入射面１０５には、赤色及び青色の光を透過し、緑色の光を反射する特性の薄膜が形成される。一方、第２の入射面１０６には、緑色の光を透過し、赤色及び青色の光を反射する特性の薄膜が形成される。いずれの場合も、各発光ダイオード１０２、１０３は、その光軸が対応する入射面１０２、１０３に対して所定の角度をなすようにして配置されている。なぜなら、上記構造の発光ダイオード１０２、１０３は、レンズ作用を有する樹脂によって出射光の発散角がある程度制御されているとはいえ、出射光の発散は皆無ではないからである。

次に、本例の照明装置の作用について図３を参照しながら説明する。赤色発光ダイオード１０２から発せられた赤色光１３１は、第１の入射面１０５から導光部材１０１内に入射し、第２の入射面１０６によってその殆どが全反射される。ここで、第２の入射面１０６で全反射を起こさない光成分も存在するが、この光成分は第２の入射面１０６に形成されている薄膜１１１によって反射される。すなわち、赤色発光ダイオード１０２から発せられた赤色光１３１は、実質的にその全てが第２の入射面１０６によって反射され、以後第１の入射面１０５と第２の入射面１０６との間での全反射を繰り返しながら出射端面１０４に到達し、該出射端面１０４から出射する。ここで重要なことは、第２の入射面１０６に形成されている薄膜１１１によって反射された光成分も、それ以後は第１の入射面１０５と第２の入射面１０６との間での全反射を繰り返すことである。なぜなら、第１の入射面１０５と第２の入射面１０６は、出射端面１０４に近づくに従って互いの間隔が広がるように傾斜しているので、光の次の入射面（第１の入射面１０５又は第２の入射面１０６）への入射角度が反射の度に大きくなるからである。

一方、緑色発光ダイオード１０３ｇから発せられた緑色光１３２及び青色発光ダイオード１０３ｂから発せられた青色光１３３は、第２の入射面１０６から導光部材１０１内に入射し、第１の入射面１０５によってその殆どが全反射される。ここでも、第１の入射面１０５で全反射を起こさない光成分が存在する。しかし、この光成分は第１の入射面１０５に形成されている薄膜１１０によって反射される。すなわち、緑色発光ダイオード１０３ｇから発せられた緑色光１３２及び青色発光ダイオード１０３ｂから発せられた青色光１３３は、実質的にその全てが第１の入射面１０５によって反射され、以後第２の入射面１０６と第１の入射面１０５との間での全反射を繰り返しながら出射端面１０４に到達し、該出射端面１０４から出射する。ここでも、第１の入射面１０５に形成されている薄膜１１０によって一度反射された光成分は、それ以降第２の入射面１０６と第１の入射面１０５との間での全反射を繰り返す。その理由は上記と同一である。

以上のようにして、発光ダイオード１０２及び１０３から出射された赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光１３１、１３２、１３３が導光部材１０１の出射端面１０４から効率よく出射される。さらに、これら色光１３１、１３２、１３３は、全反射を繰り返しながら導光部材１内を進行する過程でその角度が次第に緩和される。これは、出射端面１０４から出射される光の角度成分が相対的に小さくなり、照明対象に対して相対的に浅い角度で入射することを意味している。

尚、発光ダイオード１０２、１０３の点灯タイミングを制御すれば、導光部材１０１の出射端面１０４から出射される光の色を例えばＲ−Ｇ−Ｂ−Ｒ−Ｇ−Ｂの順で繰り返し変化させることが可能であることは、これまでの説明から自明である。

次に、本例の照明装置を用いた投写型表示装置の一例について図４を参照しながら説明する。ここで説明する投写型表示装置は、単一のライトバルブ（液晶パネル）を有する単板型の液晶プロジェクタであり、図４は、この液晶プロジェクタの概略構造を示す模式図である。

この液晶プロジェクタは、本例の照明装置１５０の他に、レンズ１５１、液晶パネル１５２、及び投写レンズ１５３を備えている。もっとも、レンズ１５１は、照明装置１５０から出射された光（照明光）を効率良く液晶パネル１５２に照射する目的で配置されており、必ずしも必須の構成ではない。また、液晶パネル１５２の前後には、偏光子と検光子が配置されているが、図示は省略されている。

照明装置１５０の発光ダイオード１０２、１０３の点灯タイミングは不図示の制御部によって制御されており、Ｒ−Ｇ−Ｂ−Ｒの順で照明光が繰り返し出射される。照明装置１５０から出射された照明光は、該照明装置１５０による照明光の出射タイミングと同期して駆動される液晶パネル１５２に照射され、液晶パネル１５２上に形成された画像は投写レンズ１５３を介して不図示のスクリーンに拡大投写される。

この液晶プロジェクタは、ライトバルブとして単一の透過型液晶パネル１５２を用いているので、投写レンズ１５３と液晶パネル１５２とを近接配置可能であり、装置全体が非常に小型となるという利点を有する。また、極めてシンプルな構造でありながらフルカラーの画像表示が可能であるといった利点も有する。

尚、図４に示す構成以外にも液晶プロジェクタとしての機能を実現するために必要な光学系、制御系、駆動系などを備えていることは勿論である。もっとも、図示が省略されている光学系、制御系、駆動系などは、既存の液晶プロジェクタが備えているそれらと実質的に同一なので、説明は省略する。
（実施形態２）
以下、本発明の照明装置の実施形態の他例について図５を参照しながら説明する。本例の照明装置の基本構成は、図１に示す照明装置と同一である。そこで、実施形態１において既に説明した構成と同一の構成については、図５中に同一の符合を付して説明を省略する。

本例の照明装置が図１に示す照明装置と異なるのは、図１に示す薄膜１１０、１１１が導光部材１０１の第１の入射面１０５、第２の入射面１０６に直接形成されていない点である。具体的には、薄膜１１０と同一特性の薄膜が蒸着されたガラス基板２０１が第１の入射面１０５と赤色発光ダイオード１０２との間に配置されている。また、薄膜１１１と同一特性の薄膜が蒸着されたガラス基板２０２が第２の入射面１０６と緑色発光ダイオード１０３ｇ及び青色発光ダイオード１０３ｂとの間に配置されている。もっとも、発光ダイオード１０２、１０３から発せられた光の振る舞いは、実施形態１で説明した振る舞いと同一である。

図５に示すガラス基板２０１、２０２と入射面１０５、１０６との間には、それぞれ隙間が設けられているが、ガラス基板２０１、２０２と入射面１０５、１０６とをそれぞれ密着させてもよい。上記薄膜が形成されたガラス基板２０１、２０２は、市販されているダイクロイックミラーを利用して容易に製造することができる。また、形状や寸法が合致すれば、市販のダイクロイックミラーをそのまま流用することもできる。尚、図４に示す照明装置１５０は、本例の照明装置によって代替可能である。
（実施形態３）
以下、本発明の照明装置の実施形態のさらに他例について図６を参照しながら説明する。本例の照明装置の基本構成は、図１に示す照明装置と同一である。そこで、実施形態１において既に説明した構成と同一の構成については、図６中に同一の符合を付して説明を省略する。

本例の照明装置が図１に示す照明装置と異なるのは、発光ダイオード１０２及び１０３と第１の入射面１０５及び第２の入射面１０６との間に、光学素子が介在している点である。具体的には、発光ダイオード１０２と第１の入射面１０５との間、及び発光ダイオード１０３と第２の入射面１０６との間に、ロッドインテグレータ３００がそれぞれ配置されている。ロッドインテグレータ３００は、細長い柱状の光学ガラス部材又は光学樹脂部材であって、長手方向一方の端面３０１から入射した光は、全反射を繰り返しながらロッドインテグレータ３００内を進行し、他方の端面３０２から出射する。本例の照明装置では、ロッドインテグレータ３００が各発光ダイオード１０２、１０３ごとに設けられ、各発光ダイオード１０２、１０３から発せられた光が対応するロッドインテグレータ３００の端面３０１から入射すると共に、該ロッドインテグレータ３００の他方の端面３０２から出射した光が導光部材１０１の第１の入射面１０５又は第２の入射面１０６に入射するように配置されている。かかるロッドインテグレータ３００の作用によって、発光ダイオード１０２、１０３から発せられた光の発散がさらに抑制され、導光部材１０１に進入した後の全反射効率が向上する。かかる観点からは、ロッドインテグレータ３００の形状が図６に示すような形状であることが望ましい。すなわち、入射側の端面３０１から出射側の端面３０２に向けて次第に太くなるテーパー形状であることが望ましい。もっとも、光の進行方向における太さが一様のロッドインテグレータによっても上記作用は得られる。ここでテーパー形状が望ましいとは、テーパー形状であれば、上記作用がより一層顕著になるという意味であって、テーパー形状以外の形状を排斥する意味ではない。また、図６に示すロッドインテグレータ３００に代えて凸レンズを上記位置に配置しても同様の作用効果が得られる。尚、図４に示す照明装置１５０は、本例の照明装置によって代替可能である。

本発明の照明装置の実施形態の一例を示す模式的側面図である。 図１の導光部材の形状を示す模式的斜視図である。 図１の照明装置の作用を示す模式図である。 図１の照明装置を用いた投写型表示装置の構造を示す模式図である。 本発明の照明装置の実施形態の他例を示す模式的側面図である。 本発明の照明装置の実施形態のさらに他例を示す模式的側面図である。 従来の光源装置の一例を示す図である。

符号の説明

１０１ 導光部材
１０２、１０３ 発光ダイオード
１０４ 出射端面
１０５ 第１の入射面
１０６ 第２の入射面
１１０、１１１ 薄膜
１３１ 赤色光
１３２ 緑色光
１３３ 青色光
２０１、２０２ ガラス基板
３００ ロッドインテグレータ

Claims (6)

1. 出射端面と、前記出射端面を形成する辺と共通の辺を有する第１の入射面及び第２の入射面とを備えた導光部材と、
   前記第１の入射面及び第２の入射面のそれぞれに配置された複数の点状光源と、を有し、
   前記第１の入射面が前記出射端面と共通にする辺と、前記第２の入射面が前記出射端面と共通にする辺とが異なり、前記第１の入射面と第２の入射面とは、前記出射端面に近づくに従って互いの間隔が広がるように傾斜している照明装置。
2. 前記第１の入射面と、該第１の入射面に配置された点状光源との間に、第１の波長選択膜が設けられ、
   前記第２の入射面と、該第２の入射面に配置された点状光源との間に、第２の波長選択膜が設けられ、
   前記第１の波長選択膜は、前記第１の入射面に配置された点状光源から発せられた光を透過し、前記第２の入射面に配置された点状光源から発せられた光を反射する特性を有し、
   前記第２の波長選択膜は、前記第２の入射面に配置された点状光源から発せられた光を透過し、前記第１の入射面に配置された点状光源から発せられた光を反射する特性を有する請求項１記載の照明装置。
3. 前記第１の波長選択膜が前記第１の入射面の表面に形成され、前記第２の波長選択膜が前記第２の入射面の表面に形成されている請求項２記載の照明装置。
4. 前記第１の波長選択膜が形成された透光性部材が前記第１の入射面と該第１の入射面に配置された点状光源との間に介在し、
   前記第２の波長選択膜が形成された透光性部材が前記第２の入射面と該第２の入射面に配置された点状光源との間に介在している請求項２記載の照明装置。
5. 前記第１の入射面に設置された点状光源が赤色発光ダイオードであり、前記第２の入射面に配置された点状光源が緑色発光ダイオード及び青色発光ダイオードである請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の照明装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の照明装置と、前記照明装置から出射された照明光が照射されるライトバルブと、前記ライトバルブ上に形成された画像をスクリーンに拡写する投写レンズとを少なくとも有する投写型表示装置。
   
   

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