JP2019114325A - 固体光源装置とそれを利用した電子装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱的および配線抵抗等の制約を解消しつつ、かつ、ＬＥＤの結像間の暗線の発生などがなく、光分布の均一性にも優れた固体光源装置を提供する。【解決手段】固体発光素子を備えた固体光源装置であって、少なくとも単数または複数の固体発光素子を１つ面に搭載した基板と、前記基板表面と平行な面の所定の領域内において、人間の目の時間分解能内の所定の時間内で、前記基板上の前記固体発光素子の位置が、前記面内において異なる位置に移動した後に元の位置に戻る運動を繰り返す運動を、前記基板に対して付与する運動機構と、を備えている。【選択図】 図１

Description

本発明は、ＬＥＤ等の固体発光源を利用した固体光源装置に関し、特に、自動車のヘッドライト、更には、サイネージ用光源やプロジェクター等の光源として好適な固体光源装置に関する。
従来、自動車のヘッドライトの光源としては、一般的に、例えば、以下の特許文献１によれば、ＬＥＤ等の固体発光素子を、複数個、互いに近接した状態でマトリクス状に、高密度に配列して（３行×８列等）所望の明るさを得ると共に、これらＬＥＤの前面にレンズなどの光学素子を配置することにより、所望の配光特性を得る電子制御による灯具が既に知られている。
特表２００３−５０３８１５号公報
上述した従来技術になる灯具によれば、発光源であるＬＥＤのサイズには限界があり、また、その熱的な制約や配線抵抗の制約があることから、複数のＬＥＤ間には隙間を設ける必要がある。しかしながら、この隙間は個々のＬＥＤの結像の間に暗い線ができることにもつながり、全体として得られる光分布は、ＬＥＤの間隔が広いと不均一性を有する可能性があった。
また、高解像度化を図る際には、当該ＬＥＤの個数が２次元的に増加してしまい、光源のみでなく装置全体のコスト増につながるという課題もあった。
本発明は、熱的および配線抵抗等の制約を解消しつつ、かつ、ＬＥＤの結像間の暗線の発生などがなく、光分布の均一性にも優れた固体光源装置と、それを利用した電子装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明によれば、まず、固体発光素子を備えた固体光源装置であって、少なくとも単数または複数の固体発光素子を１つの面に搭載した基板と、前記基板表面と平行な面の所定の領域内において、人間の目の時間分解能内の所定の時間内で、前記基板上の固体発光素子の位置が、前記面内において異なる位置に移動した後に元の位置に戻る運動を繰り返す運動を、前記基板に対して付与する運動機構とを備えている固体光源装置が提供される。なお、本発明の固体光源装置は、例えば、車両のヘッドランプや車両用の映像投射装置、更には、ヘッドアップディスプレイやプロジェクターの光源等に広く利用することができる。
本発明によれば、従来技術における熱的および配線抵抗等の制約を解消しつつ、かつ、ＬＥＤの結像間の暗線の発生などがなく、光分布の均一性にも優れた固体光源装置と、それを利用した電子装置を提供することを可能にするという優れた効果を発揮する。
本発明の一実施の形態に係る固体光源装置の原理を説明する図である。 本発明の一実施の形態に係るヘッドライト用の固体光源装置の発光素子の配列を説明する図である。 本発明の一実施の形態に係る固体光源装置の直線運動機構の構成の一例を説明する図である。 本発明の一実施の形態に係る固体光源装置の直線運動機構の動作の一例を説明する図である。 本発明の一実施の形態に係る固体光源装置を車両用のヘッドランプとして組み込んだ場合の断面構造を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る固体光源装置を車両用のヘッドランプとして組み込んだ状態を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る固体光源装置の発光素子の他の配列構成を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る固体光源装置の発光素子の更に他の配列構成を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る固体光源装置の発光素子の更に他の変形例を示す図である。 上記図９の変形例の動作を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る固体光源装置の直線運動機構の構成の他の例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る固体光源装置の直線運動機構の構成の更に他の例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る固体光源装置をヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ）に応用した例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る固体光源装置をプロジェクターに応用した例を示す図である。
以下、本発明の一実施の形態に係る固体光源装置とそれを利用した電子装置について、添付の図面を参照しながら、詳細に説明するが、その前に、本発明の一実施の形態に係る固体光源装置の原理について説明する。
＜本発明の固体光源装置の原理＞
まず、図１には、本発明の一実施の形態に係る固体光源装置の原理が示されており、この図からも明らかなように、例えば、単数または複数の外形が矩形の発光素子１１（本例では、４個）を並べ、これらの素子を発光させた状態で、光の射出面に平行な面上の所定の領域内で移動した場合を考える。すなわち、図１（Ａ）に示す状態から（ｔ１時）、図１（Ｂ）に矢印で示すように、下方に移動し（ｔ２時）、更に、図１（Ｃ）に矢印で示すように、下方に移動し（ｔ３時）、その後、再び、図１（Ｄ）に示すように、上記図１（Ａ）の状態に戻る（ｔ４＝ｔ１時）。かかる移動を、単数または複数の発光素子１１が、人の目の時間分解能である約５０ｍｓ〜１００ｍｓ以下の時間で繰り返すことによれば、上記の例では、人の目には、全体で４×３＝１２個の素子が同時に点灯しているように知覚されることとなる。
すなわち、ＬＥＤである発光素子１１を、運動機構により、上述したような直線運動を含む移動（揺動）をさせることによれば、発光素子１１の数、すなわち、画素数を疑似的に増加させることができる。そこで、本発明では、上記の原理に基づいて固体光源装置を構成するものである。
＜発光素子の配列の一例＞
図２は、本発明の一実施の形態に係る固体光源装置の発光素子基板１０を示しており、発光素子基板１０上における発光素子１１の配列の一例を示している。
図２において、外形矩形状の発光素子基板１０上には、外形が正方形の複数（本例では、４×３＝１２個）のＬＥＤからなる発光素子１１が、互いに隣接して、但し、その間に素子１個分の隙間を空けて（ＬＥＤのサイズと同じピッチ（ｄ）で）、縦方向および横方向に配置されている（ｔ１時：図２（Ａ）を参照）。そして、これらの発光素子１１は、以下に述べる直線運動機構により、人の目の時間分解能である約５０ｍｓ〜１００ｍｓ以下の周期で、横（右）方向へ（ｔ２時：図２（Ｂ）を参照）、縦（下）方向へ（ｔ３時：図２（Ｃ）を参照）、そして、横（左）方向へ（ｔ４時：図２（Ｄ）を参照）、順次、直線運動（揺動）を繰り返している。
すなわち、ＬＥＤである発光素子１１の上述のような直線運動（揺動）によれば、発光素子の数、すなわち、画素数を、疑似的に、４×３＝１２個から８×６＝４８個に増加させることが可能となる。
また、上記からも明らかなように、４×３＝１２個の発光素子１１は、発光素子基板１０上において、互いに同じ幅だけ間隔（ｄ）をおいて、互いに密着することなく配置することが可能であることから、従来技術において課題であった、熱的な問題や配線抵抗等の制約を解消することが可能となる。特に、固体光源装置を、以下にも述べる自動車のヘッドライトとして利用する場合、高光出力の光源が必要とされるが、その場合においても、高光出力の発光素子を、互いに密接することなく、離散的に配置することにより、その放熱性を十分に確保することができる。また、ＬＥＤを移動させることで、発光素子であるＬＥＤ間の隙間でも発光を可能にし、配光の不均一性を改善すると共に、少ない数のＬＥＤ画素により光源を構成することで、装置のコストダウンおよび回路の簡素化が可能となる。
＜直線運動機構＞
続いて、上記の発光素子基板１０に直線運動を与えて発光素子１１に上述した直線運動（揺動）をもたらすための機構である、いわゆる、直線運動機構２０の一例を、図３および図４に示す。
図３は、上述した発光素子基板１０をその裏側からみた斜視図であり、図からも明らかなように、発光素子基板１０の裏面の略中央部には、正方形の枠２１が形成されており、その枠２１の内部には、略三角形状のカム２２が回転可能に挿入されて配置されている。なお、カム２２は、例えば、モータ２３の回転軸２４により回転駆動される。かかる構造の直線運動機構２０によれば、図４（Ａ）〜（Ｄ）からも明らかなように、モータ２３の回転運動を、上記枠２１やカム２２を含むカム機構を介して、上述した四角運動（正方形軌跡）に変換することが可能となり、もって、前記のような発光素子（ＬＥＤ）１１の動き（図のｄ（＝素子間の間隔）を参照）を実現することができる。
続いて、図５（Ａ）および（Ｂ）には、本発明の一実施の形態に係る固体光源装置１００を車両用のヘッドランプとして組み込んだ場合の断面図を示しており、図５（Ａ）の例では、固体光源装置１００からの光は投射レンズ３０を介して、図５（Ｂ）の例では、固体光源装置１００からの光を、一旦、曲面（例えば、放物面）反射鏡４０を介して車両の前方に投光する。なお、固体光源装置１００は、その発光素子１１と共に、発光素子１１に直線運動（揺動）をもたらす直線運動機構２０を制御するための制御装置５０に接続されている。
更に、上述したヘッドランプを、自動車２００の２つのヘッドライト２０１に適用した例を図６に示す。なお、この例では、横方向に２個、縦方向に４個（２×４＝８個）のＬＥＤ画素である発光素子１１を、発光素子基板１０上に、上記と同様、１つ置きに並べて発光素子基板１０とし、上述した直線運動機構２０によって直線運動（揺動）を発生した。その結果、左右のヘッドライト２０１からは、それぞれ、横４個×縦８個＝３２個の画素数が疑似的に得られ、また、隣接する画素の間に暗い線ができることもなく、全体として均一な光分布特性を有する良好な照明光が得られた。
＜発光素子の配列や運動機構の他の例＞
上記の例では、特に、自動車のヘッドライトとして利用する高光出力の光源として、図２にも示したように、発光素子１１を横方向と縦方向に並べた例を示したが、しかしながら、本発明はそれにのみ限定されるものではなく、発光素子を以下に述べるように配列することによっても、上記と同様の効果が得られる。
まず、既に、図１（Ａ）〜（Ｄ）にも示したように、発光素子１１を、横方向にのみ離散的に配置し、これらの発光素子１１を縦方向（すなわち、発光素子の配列方向に直交する方向）に、順次、移動する。これによっても、４個の発光素子により、４×３＝１２個の発光素子を縦横に配置した場合と同様の出力光が得られる。
また、図７（Ａ）〜（Ｄ）に示す発光素子の配列の例では、発光素子１１を、横方向にのみ、互いに密接して配置し、これらの発光素子１１を縦方向（すなわち、発光素子の配列方向に直交する方向）に、順次、移動する。これによっても、本例では、８個の発光素子により、８×３＝２４個の発光素子を縦横に配置した場合と同様の出力光が得られることとなる。
更に、図８（Ａ）〜（Ｄ）に示す発光素子の配列の例では、発光素子１１を、横方向において、互いに上下に隔離しながら、いわゆる、千鳥状に配置し、これらの発光素子１１を縦方向（すなわち、発光素子の配列方向に直交する方向）に、順次、移動する。これによっても、上記と同様に、８個の発光素子により、８×３＝２４個の発光素子を縦横に配置した場合と同様の出力光が得られることとなる。
加えて、図９に示す発光素子の配列の例では、発光素子基板１０上に複数（本例では、６個）の発光素子１１を配置し、発光素子基板１０を矢印で示すように縦方向（すなわち、発光素子１１の配列方向に直交する方向）に移動すると共に、これら発光素子１１の発光面の前方には、いわゆる、シリンドリカルレンズ８０を配置したものである。このような発光素子の配列をもつ固体光源装置１００によれば、図１０（Ａ）〜（Ｄ）からも明らかなように、発光素子１１の縦方向の移動に伴って、発光面の前方のシリンドリカルレンズ８０の働きにより、ＬＥＤの直線運動機構による上下の搖動を小さくしつつ、ＬＥＤ発光点の面積を確保することもできる。言い換えれば、ＬＥＤの移動方向に対して曲率を持つシリンドリカルレンズ８０を配置することで、実際の移動距離以上にＬＥＤ発光面を拡大して投映することが可能となる。
続いて、上記の発光素子基板１０に直線運動を与えて発光素子１１に上述した直線運動（揺動）をもたらすための機構である、直線運動機構２０の他の例について、図１１および図１２に示す。
図１１に示す直線運動機構２０’は、上記の図３や図４に示したカム機構に代えて、印加される電圧により伸縮する積層の圧電素子２５を採用したものである。より具体的には、方形の枠２７内に、その表面に発光素子１１を配置した発光素子基板１０の隣接する２つの辺に圧電素子２５を取り付けると共に、残りの２つの辺には、いわゆる、コイルバネ２６を取り付けたものである。かかる構成において、上記圧電素子２５に、順次、電圧を印加することにより、上記発光素子基板１０に対して上記と同様の直線運動（揺動）を付与することができる。
また、図１２に示す直線運動機構２０”では、上述したカム機構や圧電素子に代えて、電磁コイル２８を利用することにより、所望の直線運動（揺動）を得るものである。なお、この例でも、図のＸ軸駆動回路２９やＹ軸駆動回路２９’により、順次、電磁コイル２８に電流を流すことにより、上記と同様の直線運動（揺動）を付与することができる。
なお、上記に示した直線運動機構２０’、２０”では、いずれも、発光素子基板１０を、その表面上に配置された発光素子１１に対して平行および垂直な方向に移動可能な構造を示したが、しかしながら、発光素子基板１０の表面上に配置される発光素子１１によっては、１つの方向にのみ移動すれば足りる場合には、適宜、その駆動素子の数や配置などを変更すればよいことは、当業者であれば当然であろう。
＜その他の応用例＞
なお、上記の実施の形態では、固体光源装置を、主に、車両のヘッドランプ等の光源として採用した例について述べたが、その他の表示デバイスの光源として利用した代表的な一例として、ＨＵＤおよび超小型プロジェクターに搭載した例を以下に示す。
図１３（Ａ）は、上述した本実施の形態の光源装置である固体光源装置１００をＨＵＤに適応した例を示している。なお、この図において、ヘッドアップディスプレイ装置３００では、プロジェクターやＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などからなる映像表示装置３１０に表示された映像を、ミラー３２０やその他のミラー３３０（例えば、自由曲面ミラーや光軸非対称の形状を有するミラー等）により反射させて、自動車２００のウィンドシールド２１０に投射する。一方、運転者Ｄは、ウィンドシールド２１０に投射された映像を見ることで、透明のウィンドシールド２１０を通してその前方に虚像として上記映像を視認する。
図１３（Ｂ）は、上記ヘッドアップディスプレイ装置３００、特に、その映像表示装置３１０の内部構成の一例を示している。この図からも明らかなように、映像表示装置３１０がプロジェクターである場合を示しており、映像表示装置３１０は、例えば、光源３１１、照明光学系３１２、および表示素子３１３などの各部を有する。なお、光源３１１として、上述した本発明の光源装置である固体光源装置１００を採用することによれば、高い光出力を有し、かつ、配光が均一な、投射用に良好な照明光を発生することが可能となる。
なお、上記の映像表示装置３１０から射出した光は、更に、表示距離調整機構４００やミラー駆動部５００を介して自動車２００のウィンドシールド２１０に投射されることは、当業者であれば明らかであろう。
図１４は、上述した本発明の固体光源装置１００をプロジェクターに適応した例を示している。図からも明らかなように、プロジェクターは、符号Ｇ１〜Ｇ３で示す複数枚のレンズ群と、符号Ｍ１３で示す１枚のミラーから構成されている。なお、図には、投射光を実線と破線の矢印で示す。
また、図中には、プリズム光学素子の対向面には、光源Ｐ０と映像表示素子Ｐ１（反射型映像表示素子）が配置されており、そこで、光源Ｐ０として上述した本発明の固体光源装置１００を採用することによれば、高い光出力を有し、かつ、配光が均一な、良好な照明光を発生することが可能となる。
以上に詳細に述べたように、本発明の一実施の形態に係る固体光源装置１００を、表示デバイスの照明用光源として利用することによれば、高出力で光分布の均一性に優れた画像を実現することが可能となる。
以上、本発明の種々の実施の形態に係る画像表示デバイスを備えた電子装置に用いるのに適した面状の光源装置について述べた。しかしながら、本発明は、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するためにシステム全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１０…発光素子基板、１１…発光素子（ＬＥＤ）、２０…直線運動機構、２１…枠、２２…カム、２３…モータ、２４…回転軸、１００…固体光源装置。

Claims (9)

  1. 固体発光素子を備えた固体光源装置であって、
    少なくとも単数または複数の固体発光素子を１つの面に搭載した基板と、
    前記基板表面と平行な面の所定の領域内において、人間の目の時間分解能内の所定の時間内で、前記基板上の固体発光素子の位置が、前記面内において異なる位置に移動した後に元の位置に戻る運動を繰り返す運動を、前記基板に対して付与する運動機構と、
    を備えている、固体光源装置。
  2. 請求項１に記載の固体光源装置において、
    前記固体発光素子は、複数個であり、互いに、少なくとも前記固体発光素子の１個の幅の隙間を空けて、前記基板の前記１つの面上に配置されている、固体光源装置。
  3. 請求項２に記載の固体光源装置において、
    前記固体発光素子は、少なくとも４個またはそれ以上であり、前記固体発光素子の各々は、前記基板の前記１つの面に沿う第一の方向と、前記第一の方向に直交する第二の方向において、互いに、前記固体発光素子の１個の幅の隙間を空けて配置されており、
    前記運動機構は、前記基板を、前記第一の方向および前記第二の方向において運動を付与するように構成されている、固体光源装置。
  4. 請求項１に記載の固体光源装置において、
    前記固体発光素子は、複数個であり、前記基板の前記１つの面に沿った第一の方向において、互いに隣接して配置されており、
    前記運動機構は、前記基板を、前記第一の方向に直交する第二の方向に前記運動を付与する、固体光源装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体光源装置を、発光源として採用した、電子装置。
  6. 請求項５に記載の電子装置において、
    前記電子装置は、車両のヘッドランプである、電子装置。
  7. 請求項５に記載の電子装置において、
    前記電子装置は、車両用の映像投射装置である、電子装置。
  8. 請求項５に記載の電子装置において、
    前記電子装置は、ヘッドアップディスプレイである、電子装置。
  9. 請求項５に記載の電子装置において、
    前記電子装置は、プロジェクターである、電子装置。
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