JP2011085741A - 照明装置及び投写型映像表示装置 - Google Patents

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

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。

特開２００７−３３５１８３号公報

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。

本発明による照明装置の一実施例を示す構成図。 反射ボックスの一例を示す構造図（断面図）。 反射ボックスの一例を示す構造図（斜視図）。 反射ボックスの他の例を示す構造図（断面図）。 反射ボックスの取付構造を示す図。 本実施例の照明装置における出射光線を示す図。 従来の照明装置における出射光線を示す図。 本実施例の照明装置における出射光の輝度分布を示す図。 従来の照明装置における出射光の輝度分布を示す図。 本実施例の照明装置の照射強度を示す図。 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。

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。

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３×３ｍｍ^２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、１×１ｍｍ^２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。

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３×３ｍｍ^２）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（１×１ｍｍ^２）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（３×３ｍｍ^２）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Ｒ_ＬＥＤ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Ｒ_ＢＯＸは９８．０％とした。

照射強度はＬＥＤ光源２の反射率Ｒ_ＬＥＤに依存する。反射率Ｒ_ＬＥＤ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Ｒ_ＬＥＤ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Ｒ_ＬＥＤ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。

Claims (8)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。

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