JP2006128041A - 発光装置および液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光の利用効率を向上させることが可能な集光体を備えた発光装置および液晶表示装置を提供する。
【解決手段】 発光装置１は、光反射鏡付き支持体２上に、光源３および集光体４を備えている。集光体４は略円錐台形状をなし、その上底側（図では下側）が入射側端面４１、下底側（図では上側）が出射側端面４２となっている。側面４３の形状は、中心線ＬＣを含む断面において入射側端面４１の端点ａ，ｂをそれぞれ焦点とする放物線Ａ，Ｂの一部である放物面となっている。光源３から発せられた光は、集光体４に入射側端面４１から入射し、側面４３においてそのほとんどが集光され、出射側端面４３から出射される。よって、発光装置１における光の利用効率を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源が発した光を集光して出射する発光装置およびこの発光装置を有する液晶表示装置に関する。

従来、例えば液晶プロジェクタなどにおける照明光学系では、光源から発せられた光（光束）は、レンズ等によって集光および結像され、スクリーン等に投影されるようになっている。しかしながら、レンズを通過することができる光束量は、レンズの焦点および瞳大きさ（Ｆ値）により制限されており、光源から発せられた光の全てが通過することはできない。したがって、照明光学系において光束量が制限されることにより、最終的な投影像の輝度が低下してしまうこととなる。

また、通常、光源から発せられる光の輝度は、空間的に不均一な分布を有する。したがって、そのような輝度分布の不均一さに起因し、照明光学系を通過してスクリーン等に投影された像においても、そのままでは輝度の不均一な分布が生じてしまうこととなる。そこで、このような輝度分布の不均一さを解消するため、一般的には、フライ−アイ（Ｆｌｙ−ｅｙｅ）レンズが用いられる。しかしながら、Ｆｌｙ−ｅｙｅレンズを用いた場合、構成するレンズ群のＦ値により、レンズを通過することができる光束量がさらに制限されてしまう。このように、照明光学系としてＦｌｙ−ｅｙｅレンズを用いた場合、投影像の輝度分布を一様にすることは可能となるが、最終的な投影像の輝度をさらに減少させてしまうこととなる。

そこで、照明光学系として上記のレンズ等の代わりに、光源から発せられた光を集光する集光器を用いることが考えられる。このような集光器は、従来より用途に応じて様々なものが提案されている。

例えば、特許文献１には、光の反射率の高い反射体の形状が受光側より受光面積が減少し、断面が二次曲線の回転面もしくは多角形の角錐状で構成され、焦点または焦点より二次曲線頂点方向に反射体が対向する面を平行に構成して、焦点位置および焦点位置平面または平行部および平行部底面を集光面とする形状の集光器が開示されている。

また、特許文献２には、後端側から先端側に向けて収径する高反射性の内周面を有する集光部と、この集光部の後端部に先端部を連通させると共に、この先端部から後端部に向けて拡径しかつ、その拡径率が集光部の後端部における収径率よりも大きくされた内周面を有する光軸合わせ部とが組み合わされた形状の集光器が開示されている。

また、特許文献３には、相対向する一対の開口部を有する中空管からなり、一方の開口部はレーザ光導入口として機能すると共に、他方の開口部はレーザ光射出口として機能し、レーザ光導入口の直径をレーザ光射出口の直径よりも大きくした形状のレーザ集光器が開示されている。

特開２００３−１４９５８６号公報 特開２００３−９８４０５号公報 特開２００４−５５８１９号公報

しかしながら、これらの技術では、集光器を光源に直接接続した場合、光源の光放出角度によっては、照明光学系の基本原理であるエタンデュの関係式（以下に示した式（１））により、一部の光が集光器に入射することができなくなってしまう。

Ｓin・Ωin ＜ Ｓout・Ωout …（１）
（式中、Ｓinは集光器における光入射口の面積、Ωinは光入射口から入り得る光の発散角、Ｓoutは集光器における光出射口の面積、Ωoutは光出射口から出射する光の発散角をそれぞれ表す。）

このような理由から、上記特許文献１〜３の技術では、例えば、特許文献１中の図１、特許文献２中の図２、および特許文献３中の図１に示されているように、集光器に対する光の入射角がある一定の範囲内に制限されている。すなわち、光源から発せられた光のうち集光器に入射することができるのは、集光器に対する入射角がある一定の範囲内であるものに限られてしまい、その結果、照明光学系の光利用効率が低下してしまうこととなる。

このように、集光器に対する光の入射角がある一定の範囲内に制限されている従来の技術では、光源から発せられた光の利用効率を向上させるのが困難であった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光の利用効率を向上させることが可能な集光体を備えた発光装置および液晶表示装置を提供することにある。

本発明の発光装置は、入射側端面、この入射側端面の中心線と同軸上に対向すると共に入射側端面よりも面積の大きな出射側端面、および上記中心線を含む断面において入射側端面の端点を焦点とする放物線を１または２種以上含む放物面からなる側面を有し、入射側端面を介して入射した光を集光し、出射側端面から一定の出射角度の範囲内で出射する集光体と、この集光体に対して光を発する光源とを備えたものである。

本発明の液晶表示装置は、上記集光体と、上記光源と、集光体から出射した光を映像信号に基づいて変調する液晶パネルとを備えたものである。

本発明の発光装置および液晶表示装置では、光源から発せられた光は、集光体に入射側端面から任意の角度で入射し、所定の放物面からなる側面において集光され、入射側端面よりも面積の大きな出射側端面から、一定角度の範囲内で出射される。すなわち、所定の形状を有する集光体により、光源から発せられた光のほとんどが集光され、出射される。

本発明の発光装置によれば、集光体を所定の形状から構成し、光源から発せられた光のほとんどを集光して出射するようにしたので、光の利用効率を向上させることができる。

また、本発明の液晶表示装置によれば、上記のような発光装置を用いて構成するようにしたので、光の高利用効率化により、装置の輝度を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る発光装置の断面構造を表すものである。この発光装置１は、光反射鏡付き支持体２上に光源３と集光体４とを備えたものである。

光反射鏡付き支持体２は、光源３および集光体４の支持体であると共に、光源３から発せられた光の一部を反射し、集光体４の方向へ導くためのものである。この光反射鏡付き支持体２は、例えばアルミ膜などにより構成される。

光反射鏡付き支持体２上に配置された光源３は、点光源または面光源のどちらから構成してもよい。前者としては、例えば冷陰極管（ＣＣＦＬ；Cold Cathode Fluorescent Lamp）などが挙げられ、後者としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）などが挙げられる。

集光体４は、光源３からの入射光を集光すると共に、後述するように、これらの光を一定の出射角度の範囲内で出射するものである。この集光体４は、光源３上に配置され、例えば、ガラス（ＢＫ７）、プラスチック（ＰＭＭＡ）、または石英などより構成される。

次に、図２および図３を参照して、集光体４の構造の詳細について説明する。図２は、集光体４の構造の一例を斜視図で表すものである。この集光体４は略円錐台形状をなし、その上底側（図では下側）が入射側端面４１、下底側（図では上側）が出射側端面４２となっている。

入射側端面４１は光源３に対向しており、図２に示した例では、その形状が点Ｃ１を中心とする円形となっている。

入射側端面４１からの入射光ＬＩは、この集光体４の側面４３において集光される。側面４３の形状は、中心線ＬＣを含む断面において入射側端面４１の端点を焦点とする放物線である放物面となっている。

側面４３において集光された光は、出射側端面４２から出射される（出射光ＬＯ）。図２に示した例では、その形状が、中心Ｃ１を含む中心線ＬＣ上の点Ｃ２を中心とし、入射側端面４１よりも面積の大きな円形となっている。

図３は、図２に示した集光体４を、上記のように中心線ＬＣを含む断面図で表すものである。集光体４は、入射側端面４１の一部である入射側端線ａ−ｂと、出射側端面４２の一部である出射側端線ａ₀−ｂ₀と、一対の放物線ａ−ｂ₀，ｂ−ａ₀とから構成される。

一対の放物線ａ−ｂ₀，ｂ−ａ₀はそれぞれ、入射側端線ａ−ｂ上の両端点ｂ，ａを焦点とする放物線Ｂ，Ａの一部から構成される。また、図３中の直線Ａ１，Ｂ１はそれぞれ、これら放物線Ａ，Ｂの対称軸を表し、角度θは、これら対称軸Ａ１，Ｂ１同士がなす角度を表している。

ここで、この集光体４に、例えば光源３からの発光光線Ｌ１が入射した場合、その光は放物線ｂ−ａ₀上で全反射され、出射側端線ａ₀−ｂ₀から出射される。また、例えば入射側端線ａ−ｂにほぼ沿った方向から発光光線Ｌ２が入射した場合にも、その光は放物線ａ−ｂ₀もしくはｂ−ａ₀上の焦点ａもしくは焦点ｂの近傍で全反射され（発光光線Ｌ２の例では、焦点ａの近傍で全反射され）、出射側端線ａ₀−ｂ₀上の端点ａ₀もしくは端点ｂ₀の近傍から出射される（発光光線Ｌ２の例では、端点ａ₀の近傍から出射される）。その際の発光光線Ｌ２の光路は、対称軸Ｂ１もしくは対称軸Ａ１に平行になる（発光光線Ｌ２の例では、対称軸Ｂ１に平行になる）ので、以下の式（２）の関係が成り立つ。

（対称軸同士がなす角度）＝（出射側端面からの出射光の最大出射角度）＝θ…（２）

よって、光源３が発する光の出射角度が１８０°未満であれば、その光源３を図１に示したように集光体４の下部に配置し、その光を入射側端面４１から入射させることで、光のほとんどを側面４３において集光し、出射側端面４２から最大出射角度θの範囲内で出射させることができる。このようにして、発光装置１における光の利用効率を大幅に向上させることができる。

なお、図３の例では、入射側端面４１の直径をＲin、出射側端面４２の直径をＲout、出射光の最大出射角度をθとすると、Ｒin、Ｒoutおよびθは、以下の式（３）の関係を満たす。

Ｒout＝Ｒin／ｓｉｎθ …（３）

よって、上記のように出射光の出射角度は１８０°未満であるので、出射側端面４２の直径Ｒoutの方が、入射側端面４１の直径Ｒinよりも大きくなる。すなわち、前述のように、出射側端面４２の面積のほうが、入射側端面４１の面積よりも大きくなる。

このような構成によって本実施の形態の発光装置１では、光源３から発せられた光が、集光体４に入射側端面４１から入射し、所定の放物面からなる側面４３において集光され、入射側端面４１よりも面積の大きな出射側端面４３から出射される。その際、側面４３の形状が、中心線ＬＣを含む断面において入射側端面４１の端点ａ，ｂをそれぞれ焦点とする放物線Ａ，Ｂの一部（放物線ａ−ｂ₀，ｂ−ａ₀）である放物面となっていることで、放物線Ａ，Ｂの対称軸Ａ１，Ｂ１同士がなす角度と、集光体４からの出射光の最大出射角度とが等しくなる（角度θ）。したがって、光源３が発する光の出射角度が１８０°未満であれば、その光源３を図１に示したように集光体４の下部に配置し、その光を入射側端面４１から入射させることで、光のほとんどが側面４３において集光されると共に、出射側端面４２から最大出射角度θの範囲内で出射される。

次に、発光装置１における光利用効率について説明する。発光装置１における光利用効率は、例えば、光源３が発した光の光束量と集光体４が出射した光の光束量とを比較することにより求められる。光束量の測定には、例えば積分球が用いられる。

図４は、発光装置１（光源３として、３ｍｍ×３ｍｍの大きさのＬＥＤを使用）の光束量を、上記のような積分球を用いて測定した結果を表すものである。この図において、縦軸は単位波長あたりの光束量（ｌｍ／ｎｍ）を表し、横軸は発光装置１からの出射光の波長（ｎｍ）を表す。また、図中の波形Ｐ１は、光源３からの出射光の光束量を表し、波形Ｐ２は、発光装置１からの出射光、つまり集光体４において集光後の光の光束量を表す。

このように、波形Ｐ１と波形Ｐ２とでは、波形がほとんど同じであることが分かる。また、これらの波形における光束量の差を求めると約２（ｌｍ／ｎｍ）であり、集光体４は、ＬＥＤよりなる光源３からの出射光のうち、約９４％、すなわちほとんどの光を集光していることが分かる。したがって、この発光装置１における光利用効率も約９４％となり、光利用効率が向上することが分かる。

以上のように、本実施の形態では、集光体４を、所定の放物面からなる側面４３を含む所定の形状から構成し、光源３から発せられた光のほとんどを集光して出射するようにしたので、発光装置１における光の利用効率を向上させることができる。

また、集光した光を、集光体４の側面４３の中心線ＬＣを含む断面における放物線の対称軸同士がなす角度θと等しい角度である最大出射角度θの範囲内で出射させることができるので、設計時などにあらかじめ出射光の最大出射角度を把握することが可能になる。

また、入射側端面４１および出射側端面４２の形状についても、前述の式（３）を満たすように設定すればよいので、容易に形成することができる。

さらに、光源３についても、例えば点光源または面光源のどちらから構成してもよく、様々な構成をとることができるので、設計の自由度を向上させることができる。

以上説明した本実施の形態の発光装置は、例えば図５および図６に示したようにそれぞれ、直視型や投射型の液晶表示装置などに適用することができる。前者の場合、例えば、本発明の発光装置１の出射側に、集光体４からの出射光を映像信号に基づいて変調する液晶パネル６を配置するようにすればよい（図５に示した液晶表示装置５）。一方、後者の場合、例えば、本発明の発光装置１の出射側に上記のような液晶パネル６を配置し、さらに、この液晶パネル６により変調された光をスクリーン７２などに投影する投影手段（例えば、図６中のレンズ７１）を備えるようにすればよい（図６に示した液晶プロジェクタ７）。このように、本発明の発光装置１を用いて直視型や投射型の液晶表示装置を構成した場合、発光装置１における光の高利用効率化に伴い、液晶表示装置の高輝度化を図ることができる。なお、発光装置１と液晶パネル６との間に例えば前述のＦｌｙ−ｅｙｅレンズ等を配置し、発光装置１からの出射光の輝度分布を均一化してから液晶パネル６へ入射させるように構成してもよい。

また、本発明は以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、図７に示したように、光源３と集光体４における入射側端面４１との間の接合部に、その屈折率が集光体４の屈折率と整合する整合層８を設けるようにしてもよい。この整合層８は、例えば、エマージョンオイル、または水などにより構成される。例えば、前述のように集光体４をガラス（ＢＫ７；屈折率１．４９）またはプラスチック（ＰＭＭＡ；屈折率１．５０）より構成した場合、整合層８としては、例えばその屈折率が１．５０程度であるアクリル溶液などを適用することができる。また、図８に示したように、発光装置１の光源を面光源であるＬＥＤ光源９により構成した場合でも、発光領域９１と集光体４との間の接合部に、上記のような整合層８を設けることができる。このような整合層８を設けることで、例えば光源と集光体４との間に隙間があるような場合でも、整合層８と集光体４との界面において、光源からの入射光が反射されたり大きく屈折されたりすることなく集光体４に入射され、発光装置１における光の利用効率をより向上させることができる。

また、上記実施の形態では、集光体４全体が、前述した材料で充填されている場合について説明してきたが、例えば図９に示したように、集光体４の内部を中空にするように構成してもよい。このような場合でも上記実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態では、集光体４における入射側端面４１および出射側端面４２の形状が、中心線ＬＣとの交点Ｃ１，Ｃ２を中心とする円形である場合の例について説明してきたが、必ずしも円形である必要はなく、例えば、交点Ｃ１，Ｃ２を中心とする楕円形や多角形であってもよい。つまり、側面４３の形状が、中心線ＬＣを含む断面において、入射側端面４１の端点を焦点とする放物線を１または２種以上含むような放物面により構成されていればよく、このような場合でも上記実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態において説明した各構成要素の材料および厚み、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、また他の成膜方法および成膜条件としてもよい。

本発明の一実施の形態に係る発光装置の構成を表す断面図である。 図１に示した集光体の構成を説明するための斜視図である。 図１に示した集光体の構成を説明するための断面図である。 光束量の測定結果を表す特性図である。 本発明の発光装置を用いた液晶表示装置の一例を表す概略構成図である。 本発明の発光装置を用いた液晶表示装置の他の例を表す概略構成図である。 発光装置の他の構成例を表す断面図である。 発光装置の他の構成例を表す断面図である。 集光体の他の構成例を表す斜視図である。

符号の説明

１…発光装置、２…光反射鏡付き支持体、３…光源、４…集光体、４１…入射側端面、４２…出射側端面、４３…側面、５…液晶表示装置、６…液晶パネル、７…液晶プロジェクタ、７１…レンズ、７２…スクリーン、８…整合層、９…ＬＥＤ光源、９１…発光領域、ＬＣ…中心線、Ｃ１，Ｃ３…入射側端面の中心、Ｃ２，Ｃ４…出射側端面の中心、ＬＩ…入射光、ＬＯ…出射光、Ｌ１，Ｌ２…発光光線、Ａ，Ｂ…放物線、Ａ１，Ｂ１…対称軸、ａ，ｂ…焦点、θ…対称軸同士がなす角度（出射光の最大出射角度）。

Claims (15)

1. 入射側端面、この入射側端面の中心線と同軸上に対向すると共に入射側端面よりも面積の大きな出射側端面、および前記中心線を含む断面において前記入射側端面の端点を焦点とする放物線を１または２種以上含む放物面からなる側面を有し、前記入射側端面を介して入射した光を集光し、前記出射側端面から一定の出射角度の範囲内で出射する集光体と、
   前記集光体に対して光を発する光源と
   を備えたことを特徴とする発光装置。
2. 前記入射側端面および前記出射側端面の形状はそれぞれ、前記中心線との交点を中心とする楕円形である
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記入射側端面および前記出射側端面の形状はそれぞれ、円形である
   ことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
4. 前記出射角度は、前記中心線を含む断面において、前記入射側端面の両端点を焦点とする２つの放物線の対称軸同士がなす角度である
   ことを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
5. 前記入射側端面の直径をＲin、前記出射側端面の直径をＲout、前記出射角度をθとしたとき、
   Ｒin、Ｒoutおよびθは、以下の数１の関係を満たす
   ことを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
   （数１）
   Ｒout＝Ｒin／ｓｉｎθ
6. 前記集光体は、ガラス（ＢＫ７）、プラスチック（ＰＭＭＡ）、または石英により構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
7. 前記光源と前記入射側端面との間の接合部に、その屈折率が前記集光体の屈折率と整合する整合層を備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
8. 前記整合層は、アクリル溶液、または水により構成される
   ことを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
9. 前記光源が、発光ダイオードよりなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
10. 入射側端面、この入射側端面の中心線と同軸上に対向すると共に入射側端面よりも面積の大きな出射側端面、および前記中心線を含む断面において前記入射側端面の端点を焦点とする放物線を１または２種以上含む放物面からなる側面を有し、前記入射側端面を介して入射した光を集光し、前記出射側端面から一定の出射角度の範囲内で出射する集光体と、
    前記集光体に対して光を発する光源と、
    前記集光体から出射した光を映像信号に基づいて変調する液晶パネルと
    を備えたことを特徴とする液晶表示装置。
11. 前記液晶パネルにより変調された光をスクリーンに投射する投射手段を備え、液晶プロジェクタとして構成されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の液晶表示装置。
12. 前記入射側端面および前記出射側端面の形状はそれぞれ、前記中心線との交点を中心とする楕円形である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の液晶表示装置。
13. 前記入射側端面および前記出射側端面の形状はそれぞれ、円形である
    ことを特徴とする請求項１２に記載の液晶表示装置。
14. 前記出射角度は、前記中心線を含む断面において、前記入射側端面の両端点を焦点とする２つの放物線の対称軸同士がなす角度である
    ことを特徴とする請求項１３に記載の液晶表示装置。
15. 前記入射側端面の直径をＲin、前記出射側端面の直径をＲout、前記出射角度をθとしたとき、
    Ｒin、Ｒoutおよびθは、以下の数２の関係を満たす
    ことを特徴とする請求項１３に記載の液晶表示装置。
    （数２）
    Ｒout＝Ｒin／ｓｉｎθ
    
    

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