JP2011085741A - 照明装置及び投写型映像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】LED光源を用いながら発光面積が小さく発散角の小さい照明装置を実現すること。
【解決手段】照明装置1は、LED素子からなる発光部22を有するLED光源2と、LED光源2からの光を入射しボックス状の内面で反射させて小面積に集光して出射する反射ボックス3と、反射ボックス3から出射された光を全反射して略平行な光に変換する全反射レンズ4とを備える。ここに反射ボックス3は、入射側と出射側に開口部31,32を有する略立方体形状とし、その内面を高反射率の部材で形成する。
【選択図】図1
【解決手段】照明装置1は、LED素子からなる発光部22を有するLED光源2と、LED光源2からの光を入射しボックス状の内面で反射させて小面積に集光して出射する反射ボックス3と、反射ボックス3から出射された光を全反射して略平行な光に変換する全反射レンズ4とを備える。ここに反射ボックス3は、入射側と出射側に開口部31,32を有する略立方体形状とし、その内面を高反射率の部材で形成する。
【選択図】図1
Description
本発明は、LED光源を用いた照明装置及び投写型映像表示装置に関する。
液晶パネル等の映像表示素子に形成された映像を拡大投写する投写型映像表示装置(プロジェクタ)においては、液晶パネルを照射する照明装置として、一般には高圧水銀ランプが用いられている。水銀ランプは十分な光量が得られる反面、寿命の短さや水銀を含有することによる環境問題も課題となっている。これに対しLED(発光ダイオード)光源を用いた方式は、水銀を必要とせず長寿命であり、また色純度が高いというメリットがあり、近年の製品に採用されている。しかしながらLED光源は、水銀ランプと比べ明るさ(輝度)がネックとなり、主にモバイル用途の小型プロジェクタに限られている。
例えば特許文献1には、LED光源等の固体光源を用いた照明装置が開示されている。その構成は、二次元状に配列された複数の発光部を有し実質的に赤外光を射出しない固体光源と、光路後段に向けて細くなるような略円錐形状又は略角錐形状を有し、前記固体光源からの光を集光して略点光源となる小面積の光射出面から当該集光した光を射出する導光部材を備える。このように、複数の発光部を有することで固体光源からの光量を増やし、高輝度な照明装置を実現することが述べられている。
LED光源は、水銀ランプと比べて明るさ(発光量)が少ないことと、光源から照射面(液晶パネルなど)までの伝達効率(照明効率)が低い。その理由は、LED光源は発光面積が大きいことと、出射光の発散角が大きいことによる。
上記特許文献1では、複数の発光部(LED光源)を配列することでトータルの発光量を増加させることができる。また、光源から出射された光を略円錐状の導光部材により集光して略点光源とすることができる。しかし、特許文献1の手法では、導光部材の取り込み時の損失がある。また導光部材は、光の進行方向に対して外形形状を絞りつつその内面で多重反射させるものであるため、全反射角以下の光線は内部反射せず、外部に射出しロスが大きくなる。特にLED光源は、発散角分布が大きいため、全反射角以下の光線量が多く、外部射出によるロスが顕著である。よって、照明効率の観点からは改善の余地がある。
本発明はかかる課題を鑑みてなされたものであって、その目的は、LED光源を用いながら発光面積が小さく発散角の小さい照明装置を実現し、これを用いて、光利用効率の高い投写型映像表示装置を提供することである。
本発明による照明装置は、LED素子からなる発光部を有するLED光源と、LED光源からの光を入射しボックス状の内面で反射させて小面積に集光して出射する反射ボックスと、反射ボックスから出射された光を全反射して略平行な光に変換する全反射レンズとを備える。ここに反射ボックスは、入射側と出射側に開口部を有する略立方体形状とし、その内面を高反射率の部材で形成する。
また本発明の投写型映像表示装置は、複数個の前記照明装置と、照明装置からの光が照射される映像表示素子と、映像表示素子で形成された映像光を拡大投影する投写レンズとを備える。
本発明によれば、LED光源を用いる照明装置において照明効率を向上させ、より高輝度の投写型映像表示装置を実現することができる。
図1は、本発明による照明装置の一実施例を示す構成図である。
照明装置1は、LED光源2と反射ボックス3と全反射レンズ4で構成する。LED光源2は、LED基板21上にLED発光部(LED素子)22を矩形状に形成したものである。なお、LED発光部22は白色光を発光する素子を用いたが、赤色光を発光する素子と、緑色光を発光する素子と、青色光を発光する素子とを交互に配置しても良い。反射ボックス3は、LED発光部22から発せられた光を入射しボックス状の内面で反射させ、小面積の開口部32から集光して取り出すものである。全反射レンズ4は、開口部32から出射された光を全反射して略平行な光に変換する。全反射レンズに設けた凹部41は、開口部32から周辺方向への出射光を捕獲するためのものである。
照明装置1は、LED光源2と反射ボックス3と全反射レンズ4で構成する。LED光源2は、LED基板21上にLED発光部(LED素子)22を矩形状に形成したものである。なお、LED発光部22は白色光を発光する素子を用いたが、赤色光を発光する素子と、緑色光を発光する素子と、青色光を発光する素子とを交互に配置しても良い。反射ボックス3は、LED発光部22から発せられた光を入射しボックス状の内面で反射させ、小面積の開口部32から集光して取り出すものである。全反射レンズ4は、開口部32から出射された光を全反射して略平行な光に変換する。全反射レンズに設けた凹部41は、開口部32から周辺方向への出射光を捕獲するためのものである。
図2Aと図2Bは、反射ボックスの一例を示す構造図で、図2Aは断面図、図2Bは斜視図である。
反射ボックス3は外形が略立方体形状で中空の金属材(アルミ)で、2つの開口部31,32を有する。大面積の開口部31はLED発光部22からの光を取り入れる部分で、その寸法はLED発光面積(例えば3×3mm2程度)に合わせて決定する(a=3mm)。また小面積の開口部32は、ボックス内での反射光を取り出す部分で、その面積は、現状水銀ランプの発光部サイズ(アーク長)1mmにあわせて、1×1mm2程度とする(s=1mm)。ボックスの長さbは約3mm、板厚tは0.5mm程度である。
反射ボックス3は外形が略立方体形状で中空の金属材(アルミ)で、2つの開口部31,32を有する。大面積の開口部31はLED発光部22からの光を取り入れる部分で、その寸法はLED発光面積(例えば3×3mm2程度)に合わせて決定する(a=3mm)。また小面積の開口部32は、ボックス内での反射光を取り出す部分で、その面積は、現状水銀ランプの発光部サイズ(アーク長)1mmにあわせて、1×1mm2程度とする(s=1mm)。ボックスの長さbは約3mm、板厚tは0.5mm程度である。
反射ボックス3の一製法を述べる。アルミダイキャスト法により、反射ボックスの原形となる一対のボックス半体3a,3bを成形する。次にボックス半体3a,3bの内面に反射膜30としてアルミ膜を蒸着する。そして一対のボックス半体3a,3bを接合面33で接合することで完成する。ここで反射膜30としてアルミ膜を用いることで、反射率が高い(98%以上が可能)反射ボックス3が得られる。
図2Cは、反射ボックス3の他の例を示す構造図(断面図)である。反射ボックス3の内面に、金属膜や誘電体多層膜などの反射膜30を蒸着した硝子基板34を、接着剤や難燃性テープで貼り付ける。硝子基板34は安価な青板、白板、ボロフロートなどが望ましい。硝子基板の板厚tgは0.7mm程度が一般的である。硝子基板34aは反射ボックスの側面、硝子基板34bはLEDに対向する面、硝子基板34cは開口部32の側面に貼り付ける。反射ボックス3内部の全面を反射面にするために、硝子基板34cには二面に反射膜30を蒸着する。以上の構成により、反射ボックス3の内面反射率を98%以上にすることが可能である。
図3は、反射ボックスの取付構造を示す図である。
ボックス固定枠51は、接合された反射ボックス3の周囲を取り巻くように固定する。これにより、ボックス半体3a,3bをより確実に接合する。固定枠支持部52は、ボックス固定枠51をネジ53で支持するとともに、ヒートシンク54に接続する。ヒートシンク54は、LED光源2のLED基板21に接合され、LED光源2を冷却するものである。ボックス固定枠51、固定枠支持部52、ヒートシンク54は、アルミ材が好ましい。このような取付構造により、反射ボックス3とLED光源2を確実に接続することができる。
ボックス固定枠51は、接合された反射ボックス3の周囲を取り巻くように固定する。これにより、ボックス半体3a,3bをより確実に接合する。固定枠支持部52は、ボックス固定枠51をネジ53で支持するとともに、ヒートシンク54に接続する。ヒートシンク54は、LED光源2のLED基板21に接合され、LED光源2を冷却するものである。ボックス固定枠51、固定枠支持部52、ヒートシンク54は、アルミ材が好ましい。このような取付構造により、反射ボックス3とLED光源2を確実に接続することができる。
さらに本実施例では、LED光源2からの出射光は反射ボックス内で反射され集光されるので、反射ボックス3は発熱しやすい。反射ボックス3の発熱は、ボックス固定枠51と固定枠支持部52を介してヒートシンク54に伝達されるので、反射ボックス3を効率良く冷却することができる。
次に本実施例の照明装置の効果について説明する。
図4Aは、本実施例の照明装置における出射光線を示す図である。また図4Bは比較例として従来の照明装置の出射光線を示す図である。いずれも同一のLED光源2(発光面積3×3mm2)を用いているが、比較例では反射ボックス3がなく、全反射レンズ4の代わりに2個の凸レンズ61,62を用いた場合である。
図4Aは、本実施例の照明装置における出射光線を示す図である。また図4Bは比較例として従来の照明装置の出射光線を示す図である。いずれも同一のLED光源2(発光面積3×3mm2)を用いているが、比較例では反射ボックス3がなく、全反射レンズ4の代わりに2個の凸レンズ61,62を用いた場合である。
図4A(本実施例)では、LED光源2から出射された光は、ほぼ全てが反射ボックス3に取り込まれる。そして、反射ボックス3の内面で反射を繰り返し、開口部32の狭い領域(1×1mm2)に集束する。すなわち、反射ボックス3を設けることで、LED光源2からの光を損失することなく、見かけの発光面積をほぼ点光源とすることができる。また、全反射レンズ4は、開口部32から出射される光をほぼ平行な光に変換し、発散角を小さくすることができる。全反射レンズ4は、光の進行方向に対して外形形状を大きくすることで、光線を常に全反射角以上にすることができ、全反射面での外部への光損失がない。
これに対し図4B(比較例)では、LED光源2の発光面積(3×3mm2)のまま光が出射されるので、周囲(凸レンズ61の外側)に向かう損失成分が生じ、また凸レンズ61,62を用いても発散角を小さくすることができない。
図5Aは、本実施例の照明装置(図4A)における出射光の輝度分布を示す図である。また図5Bは比較例として従来の照明装置(図4B)における出射光の輝度分布を示す図である。いずれも、出射方向の輝度分布を示している。
図5A(実施例)では、輝度半減角(輝度が最大値から半減する角度幅)は約10度であるのに対し、図5B(比較例)では、輝度半減角は約24度である。これより、本実施例の構造により発散角をより小さくできることが分かる。
図6は、本実施例の照明装置の照射強度を示す図である。パラメータとしてLED光源2の反射率RLEDをパラメータとし、液晶パネル面における照射強度をシミュレーションにて求めた。照射強度は、比較例(図4B)の場合を基準(相対値=1)としている。なお、反射ボックス3の内面の寸法は1辺が3mmの立方体とし、反射率RBOXは98.0%とした。
照射強度はLED光源2の反射率RLEDに依存する。反射率RLEDが60%以上であれば、照射強度は1以上となり改善効果が見られる。さらに反射率RLEDが90%であれば、照射強度は2倍に増大する。LED光源2の反射率RLEDはLED発光部22の材料で決まり、少なくとも60%以上を示す材料を用いれば照明効率の効果が期待できる。
以上のように、本実施例の照明装置によれば、LED光源2に反射ボックス3と全反射レンズ4を組み合わせることにより、発光面積と発散角が小さく、照明効率の高い照明装置を実現できる。
図7は本実施例の照明装置を用いた投写型映像表示装置の光学系の概略構成図である。投写型映像表示装置100はその照明系として、前記実施例で述べた照明装置を複数個搭載する。ここでは二次元状に2×2=4個配置した。各照明装置101a〜101dはLED光源、反射ボックス、全反射レンズを有し、LED光源を複数個備えることで発光量を増大し、実用レベルの明るさを提供するものである。
照明装置101a〜101dから出射した光は、偏光変換インテグレータ102、ダイクロイックミラー106,107、反射ミラー108,109,110を経て、3枚の液晶パネル111R,111G,111Bに照射される。液晶パネルを透過した映像光は光合成プリズム112、投写レンズ113を経てスクリーン114へ投影される。
偏光変換インテグレータ102は、2枚のアレイレンズ103,104と偏光変換素子105で構成される。アレイレンズ103,104は複数のレンズセルがマトリクス状に配置されたもので、複数の照明装置101a〜101dから入射した照明光を均一化し、偏光変換素子105は、照明光の偏光方向を所定偏光方向に揃える。
ダイクロイックミラー106,107は、照明光をR光(赤色帯域の光)、G光(緑色帯域の光)、B光(青色帯域の光)に分離する。例えばダイクロイックミラー106はB光を反射しG光とR光を透過し、ダイクロイックミラー107はG光を反射しR光を透過する。分離されたR光、G光、B光はそれぞれレンズで集光され、液晶パネル111R,111G,111Bに入射される。
液晶パネル111R,111G,111BはR,G,Bの各映像信号に応じた光学像を形成する。これを透過したR,G,Bの各映像光は、光合成プリズム112によってカラー映像として合成され、投写レンズ113によりスクリーン114へ拡大投影される。
本実施例の投写型映像表示装置では、LED光源からなる照明装置101a〜101dを搭載しているので、長寿命で広色域の表示装置を実現できる。その際、LED光源の課題とされていた輝度を増大し、照明効率を向上したので、実用上問題のない表示装置を実現できる。
上記実施例では、映像表示素子として透過型の液晶パネルを用いたが、本発明はこれに限定されない。映像表示素子は、反射型の液晶パネルや、微小ミラーを複数個配列した構造の素子(Digital Micromirror Device)(米国テキサス・インスツルメンツ社の商標)でも良い。
1…照明装置
2…LED光源
3…反射ボックス
3a,3b…ボックス半体
4…全反射レンズ
21…LED基板
22…LED発光部
30…反射膜
31,32…開口部
33…接合面
34…硝子基板
51…ボックス固定枠
52…固定枠支持部
54…ヒートシンク
61,62…凸レンズ
100…投写型映像表示装置
101a〜101d…照明装置
102…偏光変換インテグレータ
106,107…ダイクロイックミラー
111R,111G,111B…液晶パネル
112…光合成プリズム
113…投写レンズ
114…スクリーン。
2…LED光源
3…反射ボックス
3a,3b…ボックス半体
4…全反射レンズ
21…LED基板
22…LED発光部
30…反射膜
31,32…開口部
33…接合面
34…硝子基板
51…ボックス固定枠
52…固定枠支持部
54…ヒートシンク
61,62…凸レンズ
100…投写型映像表示装置
101a〜101d…照明装置
102…偏光変換インテグレータ
106,107…ダイクロイックミラー
111R,111G,111B…液晶パネル
112…光合成プリズム
113…投写レンズ
114…スクリーン。
Claims (8)
- LED素子からなる発光部を有するLED光源と、
該LED光源からの光を入射しボックス状の内面で反射させて小面積に集光して出射する反射ボックスと、
該反射ボックスから出射された光を全反射して略平行な光に変換する全反射レンズとを備えたことを特徴とする照明装置。 - 請求項1に記載の照明装置において、
前記反射ボックスは入射側と出射側に開口部を有する略立方体形状とし、その内面を高反射率の部材で形成したことを特徴とする照明装置。 - 請求項2に記載の照明装置において、
前記反射ボックスは、アルミダイキャスト法にて成形した一対のボックス半体にアルミ膜を蒸着し、該ボックス半体を接合したものであることを特徴とする照明装置。 - 請求項2に記載の照明装置において、
前記反射ボックスは、その内面に、金属反射膜あるいは誘電体多層膜を蒸着した硝子基板を貼り付けたものであることを特徴とする照明装置。 - 請求項2ないし4のいずれか1項に記載の照明装置において、
前記LED光源を冷却するヒートシンクと、
前記LED光源と前記反射ボックスを接続する支持部を有し、
該支持部は前記反射ボックスで発生した熱を前記ヒートシンクに伝達することを特徴とする照明装置。 - 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の照明装置において、
前記LED光源の発光部の反射率を60%以上、前記反射ボックスの内面の反射率を98%以上としたことを特徴とする照明装置。 - 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の照明装置と、
該照明装置からの光が照射される映像表示素子と、
該映像表示素子で形成された映像光を拡大投影する投写レンズとを備えたことを特徴とする投写型映像表示装置。 - 請求項7に記載の投写型映像表示装置において、
前記照明装置を複数個備えたことを特徴とする投写型映像表示装置。
Priority Applications (1)
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JP2009238233A JP2011085741A (ja) | 2009-10-15 | 2009-10-15 | 照明装置及び投写型映像表示装置 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009238233A JP2011085741A (ja) | 2009-10-15 | 2009-10-15 | 照明装置及び投写型映像表示装置 |
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Publication Number | Publication Date |
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ID=44078737
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPWO2015186290A1 (ja) * | 2014-06-03 | 2017-04-20 | ソニー株式会社 | 光源装置、及び画像表示装置 |
WO2018120573A1 (zh) * | 2016-12-26 | 2018-07-05 | 京东方科技集团股份有限公司 | 透镜及其制作方法、背光面板和显示装置 |
CN109764312A (zh) * | 2017-11-06 | 2019-05-17 | 丹阳市佳洮车辆附件厂 | 一种客车灯具用透镜 |
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2009
- 2009-10-15 JP JP2009238233A patent/JP2011085741A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPWO2015186290A1 (ja) * | 2014-06-03 | 2017-04-20 | ソニー株式会社 | 光源装置、及び画像表示装置 |
WO2018120573A1 (zh) * | 2016-12-26 | 2018-07-05 | 京东方科技集团股份有限公司 | 透镜及其制作方法、背光面板和显示装置 |
US11156870B2 (en) | 2016-12-26 | 2021-10-26 | Boe Technology Group Co., Ltd. | Lens and manufacturing method thereof, backlight panel and display device |
CN109764312A (zh) * | 2017-11-06 | 2019-05-17 | 丹阳市佳洮车辆附件厂 | 一种客车灯具用透镜 |
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