JP2006039338A - 照明装置及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【目的】 発光ダイオード等の固体発光素子を用いる実用的な照明装置及びこれを用いた投写型映像表示装置を提供する。
【構成】 照明装置１は、ＬＥＤチップ（発光ダイオードチップ）１１…と、レンズセル１２…と、ライトガイド１３…と、第１フライアイレンズ１４と、第２フライアイレンズ１５と、コンデンサレンズ１６と、から成る。ライトガイド１３は、内面がガラスブロック又は鏡面の筒状物からなり、レンズセル１２からの出射光の分散角を低下させると共に、レンズセル１２の各レンズからの出射光が、第１フライアイレンズ１４の対応するレンズ以外のレンズに入射するのを防ぐことにより、光利用効率を向上させる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、照明装置及び投写型映像表示装置に関する。

液晶プロジェクタなどに用いられる照明装置としては、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等のランプと、その照射光を平行光化するパラボラリフレクタから成るものが一般的である。また、かかる照明装置においては、照射面の光量むらを軽減するために、一対のフライアイレンズによるインテグレート機能(光学デバイスにより平面内にサンプリング形成された所定形状の複数照明領域を照明対象物上に重畳集光する機能をいう）を持たせたものがある。更に、近年においては、軽量小型化等の観点から、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として用いることも試みられている（特許文献１参照）。
特開平１０−１８６５０７号

しかしながら、発光ダイオードを用いて実用的な照明装置を得るには至っていないのが実情である。

この発明は、上記事情に鑑み、発光ダイオードなどの固体発光素子を用いる実用的な照明装置及びこれを用いた投写型映像表示装置を提供することを目的とする。

請求項１の照明装置は、単位光源の群が配列してなる光源と、前記単位光源の群に対向して配列した集光レンズの群と、前記集光レンズの群に対向して配列した光ガイド手段の群と、前記光ガイド手段の群に対向して配列した単位レンズの群と、前記単位レンズの群の各々を通過した前記光源の光を、照射面へ重なり合って入射するように集光する照射光学系とを有し、前記光ガイド手段の群の各々は、対向する前記単位光源が発生し対向する前記集光レンズを透過した光の分散角を低下させることを特徴とする。

単位光源とは、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、或いはＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などのことである。

単位レンズ群とは、例えばフライアイレンズのことである。照明光学系は、例えば前記のフライアイレンズと対になるフライアイレンズと、コンデンサレンズとで構成される、いわゆるフライアイインテグレータなどである。また、照明面には液晶表示パネルが配置される。

上記の構成によれば、単位光源の群を配列させたものを光源とするため、光量の増大を図ることができる。また、各単位光源から出射された光は、照射光学系により照射面へインテグレートされて集光されるため、照射面における照度を均一な分布とすることができる。

更には、請求項１の照明装置は、光ガイド手段の群を有しており、各単位光源からの出射光を光ガイド手段の内部で反射させることにより、各単位光源から出射される拡散光の分散角を低下させることができる。このことにより、各単位光源から出射される光を照射面へより効率的に導くことが可能となる。

請求項２の照明装置は、単位光源の群が配列してなる光源と、前記単位光源の群に対向して配列した第１の集光レンズの群と、前記第１の集光レンズの群に対向して配列した光ガイド手段の群と、前記光ガイド手段の群に対向して配列した第２の集光レンズの群と、前記第２の集光レンズの群に対向して配列した単位レンズの群と、前記単位レンズの群の各々を通過した前記光源の光を、照射面へ重なり合って入射するように集光する照射光学系と、を有し、前記光ガイド手段の群の各々は、対向する前記単位光源が発生し対向する前記集光レンズを透過した光の分散角を低下させることを特徴とする。

即ち、光ガイド手段の群は、必ずしも請求項１にように、集光レンズの群と、単位レンズの群との間に配置する必要はなく、第１の集光レンズの群と、第２の集光レンズの群の間に配置しても良い。このような配置であっても、各単位光源から出射される拡散光の分散角を低下させることができ、各単位光源から出射される光を照射面へより効率的に導くことできる。

請求項４の照明装置は、請求項１ないし３のいずれかに記載の照明装置であって、前記光ガイド手段は、ガラスブロック又は内面が鏡面の筒状物からなる、ことを特徴とする。

請求項５の照明装置は、請求項１ないし４のいずれかに記載の照明装置であって、前記光ガイド手段は、光入射面の面積よりも光出射面の面積が大である、ことを特徴とする。

請求項６の照明装置は、請求項１ないし５のいずれかに記載の照明装置であって、前記照射光学系は、前記単位レンズの群に対向して配列した第２の単位レンズの群と、前記第２の単位レンズの群に対向して配置したコンデンサレンズと、を有することを特徴とする。

請求項７の投写型映像装置は、請求項１ないし６のいずれかに記載の照明装置と、前記照射光学系の前記照射面に配置された液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルからの出射光を投写する投写レンズと、を含むことを特徴とする投写型映像装置である。

請求項８の投写型映像装置は、請求項７に記載の投写型映像装置であって、前記単位レンズと、前記第２の単位レンズは、前記液晶表示パネルの形状に対応して矩形をなしていることを特徴とする。

この発明によれば、発光ダイオード等の固体発光素子を用いる実用的な照明装置及びこれを用いた投写型映像表示装置を提供できるという効果を奏する。

より具体的には、アレイ状の光源とフライアイレンズの間にアレイ状のライトガイドを設けることにより、光源から出射される拡散光を平行光化させ、当該照明装置が照明する対象物（例えば液晶表示パネル）における光量を向上させることができ、ひいては光利用効率を向上させることができる。

以下、この発明の実施形態の照明装置及び投写型映像表示装置を図１ないし図９に基づいて説明していく。

図１は３板式の投写型映像表示装置の光学系を示した図である。この投写型映像表示装置は３つの照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを備える（以下、個々の照明装置を特定しないで示すときには、符号"１"を用いる）。照明装置１Ｒは赤色光を出射し、照明装置１Ｇは緑色光を出射し、照明装置１Ｂは青色光を出射する。各照明装置１から出射された光は、各色用の液晶表示パネル３Ｒ，３Ｇ，３Ｂに導かれる（以下、個々の液晶表示パネルを特定しないで示すときには、符号"３"を用いる）。各液晶表示パネル３は、入射側偏光板と、一対のガラス基板（画素電極や配向膜を形成してある）間に液晶を封入して成るパネル部と、出射側偏光板とを備えて成る。液晶表示パネル３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを経ることで変調された変調光（各色映像光）は、ダイクロイックプリズム４によって合成されてカラー映像光となる。このカラー映像光は、投写レンズ５によって拡大投写され、スクリーン上に投影表示される。

図２は、照明装置１を拡大して示したものである。照明装置１は、２次元アレイ状に配置されたＬＥＤチップ（発光ダイオードチップ）１１…と、各ＬＥＤチップ１１の光出射側に２次元アレイ状に配置されたレンズセル１２…と、前記レンズセル１２…の光出射側に２次元アレイ状に配置されたライトガイド（ライトパイプ）１３…と、前記ライトガイド１３…の光出射側に配置された第１フライアイレンズ１４と、前記第１フライアイレンズ１４の光出射側に配置された第２フライアイレンズ１５と、前記第２フライアイレンズ１５の光出射側に配置されたコンデンサレンズ１６と、から成る。

ＬＥＤチップ１１…は、本発明の光源の具体例に該当し、ＬＥＤチップ１１は、本発明の単位光源の具体例に該当する。レンズセル１２…は、本発明の集光レンズの群の具体例に該当し、レンズセル１２は、本発明の集光レンズの具体例に該当する。ライトガイド１３…は、本発明の光ガイド手段の群の具体例に該当し、ライトガイド１３は、本発明の光ガイド手段の具体例に該当する。第１フライアイレンズ１４は、本発明の単位レンズの群の具体例に該当する。第２フライアイレンズ１５と、コンデンサレンズ１６は、本発明の照射光学系の具体例に該当する。また、ダイクロイックプリズム４と、投写レンズ５は、本発明の投写光学系の具体例に該当する。

レンズセル１２は、前記ＬＥＤチップ１１から出射された拡散光を集光するレンズである。なお、この実施形態では、各ＬＥＤチップ１１と各レンズセル１２は１対１で対応している。

図５は、ライトガイド１３…を示した図である。ライトガイド１３は、ガラスブロック、又は、その内面が鏡面である中空構造（筒状物）でなっている。

また、図６（ａ）は、ライトガイド１３…をレンズセル１２…側から見たときの正面図である。同図（ｂ）は、ライトガイド１３…を第１フライアイレンズ１４側から見たときの正面図である。同図（ｃ）及び（ｄ）は、側面図である。図６に示されているように、本実施形態のライトガイド１３はその光入射面（前記レンズセル１２側）よりも光出射面（前記第１フライアイレンズ１４側）の方の面積を大きくしている。このような構造にした理由について以下に説明する。

上述したように、レンズセル１２の各レンズは、前記ＬＥＤチップ１１から出射された光を集光、低分散角化するものであったが、レンズセル１２のみにより、ＬＥＤチップ１１からの出射光の取り込み効率と低分散角化とを両立させることは、設計上容易ではない。そこで、レンズセル１２のみで低分散角化を図るのではなく、ライトガイド１３も併せ用いることにより第１フライアイレンズ１４への入射光の低分散角化を図ると共に、ＬＥＤチップ１１からの出射光の取り込み効率の向上とを実現する。即ち、ライトガイド１３は、レンズセル１２からの出射光をその内部で反射させることにより、分散角を低下させる。光軸に対してなす角が大きいレンズセル１２の出射光を、ライトガイド１３の内面で反射させることにより、光軸となす角を低下させ、レンズセル１２からの出射光を構成する光速が光軸に対してなす角の平均値を低下させるのである。

以上説明したような機能をライトガイド１３が果たすためには、図７を参照して、光入射面の１辺の長さをａ、光出射面の１辺の長さをｂ、ライトガイド１３の厚さ（光入射面と、光出射面との距離）をｃ、レンズセル１２の出射光の拡散角（レンズセル１２の外縁からの出射光と光軸のなす角）をΘとしたとき、
（数１）
Ａｒｃｔａｎ（（ｂ−ａ）／２ｃ） ＞ Θ
とする必要がある。

再び図２を参照して、第１フライアイレンズ１４は、ＬＥＤチップ１１…に対向するように配置され、対向するＬＥＤチップ１１…が発生し、ライトガイド１３…を通過した光を集光するものである。第１フライアイレンズ１４は、マトリクス状に配置された単位レンズを有しており、各単位レンズは、各ＬＥＤチップ１１に一対一に対向するように配置されている。また、各単位レンズは、液晶表示パネル３の形状に対応して矩形をなしており、各単位レンズを通過した矩形の光束が、下流の照明光学系（第２フライアイレンズ１５、コンデンサレンズ１６）により液晶表示パネル３へ導かれる。

第２フライアイレンズ１５は、第１フライアイレンズ１４と同様にマトリクス状に配列された矩形の単位レンズを有しており、各単位レンズは第１フライアイレンズ１４の各単位レンズを透過した光を個別に集束する。好ましくは、第２フライアイレンズ１５の単位レンズは、第１フライアイレンズ１４の単位レンズとはサイズ及び配列において相似となるように設定される。なお、第１フライアイレンズ１４、及び、第２フライアイレンズ１５において、各単位レンズは単一の凸レンズとして描かれているが、本発明はこれに限定されるものではない。

第２フライアイレンズ１５を透過した光は、コンデンサレンズ１６で集束させられ、液晶表示パネル３へ導かれる。コンデンサレンズ１６は、第２フライアイレンズ１５の単位レンズを透過した光束を液晶表示パネル３へ重ねて照射させるものである。

上記のような、フライアイレンズと、コンデンサレンズとを用いた、いわゆるフライアイインテグレータの採用により、照明装置１の照明対象物である液晶表示パネル３では、照度ムラのない均一照明が実現される。

ところで、レンズセル１２からの出射光が、前記レンズセル１２に対応する第１フライアイレンズ１４の単位レンズに到達しなかった場合、例えば前記単位レンズの隣にある第１フライアイレンズ１４の単位レンズに入射した場合、その光は液晶表示パネル３に到達しない。そこで、ライトガイド１３…を、レンズセル１２…の各レンズと、フライアイレンズ１３の各レンズの間に配置すれば、レンズセル１２の各レンズからの出射光が、対応する第１フライアイレンズ１４の単位レンズ以外の単位レンズに入射するのを防ぐことができる。このことにより、液晶表示パネル３に到達する光量を向上させることができ、ひいては光利用効率を向上させることができる。

図３は液晶表示パネル３を示した正面図である。液晶表示パネル３は、横Ａ対縦Ｂのアスペクト比を有する。Ａ対Ｂは例えば４対３や１６対９である。

図４は、照明装置１の正面図である。同図（ａ）は平面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。図（ａ）を参照して、ＬＥＤチップ１１は正方形状に形成されている。レンズセル１２は真円形となっているが、第１フライアイレンズ１４を構成する各レンズの口径は、液晶表示パネル３のアスペクト比に対応して、その大きさが方向によって異なる。第１フライアイレンズ１４のアスペクト比を液晶表示パネル３のアスペクト比に対応させることにより、ＬＥＤチップ１１から出射された光を液晶表示パネル３の全面に導くことができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

例えば、上記実施形態の照明装置１では、ライトガイド１３…はレンズセル１２…と、第１フライアイレンズ１４の間に配置されていた。この照明装置１に代えて、図８のように、レンズセル１２…と、第１フライアイレンズ１４の間に第２のレンズセル１７…を設け、前記レンズセル１２…と、前記第２のレンズセル１７…との間にライトガイド１３…を配置するような照明装置であっても良い。

或いは、照明装置１に代えて、レンズセル１２…を有さない照明装置に本願のライトガイドを適用しても良い。このとき、ＬＥＤチップ１１…と第１フライアイレンズ１４の間にライトガイド１３…を配置しても良い。

投写型映像表示装置においては、透過型の液晶表示パネルに限らず、反射型の液晶表示パネルを用いてもよいし、これら液晶表示パネルに代えて画素となる微小ミラーを個々に駆動するタイプの表示パネルを用いることとしてもよい。

また、各色光を出射する３つの照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを備えたが、白色光を出射する照明装置とし、ダイクロイックミラー等で分光したり或いは分光せずに単板のカラー表示パネルに導く構成としてもよい。白色光を出射する照明装置とする場合、各固体発光素子が白色光を出射してもよいし、赤色光と青色光と緑色光を出射する固体発光素子を適宜に並べた構成としてもよい。また、固体発光素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）に限るものではない。

また、ライトガイド１３は、図９のように、入射面を底面、出射側を背面とした四角柱のガラスブロックにより構成されてもよい。このとき、底面の面積は、背面の面積よりも小である。ライトガイド１３への入射光のうち、分散角が大きなものは、ライトガイド１３の側面で内部反射されるので、レンズセル１２からの出射光は、必ずこれに対応する第１フライアイレンズ１４のレンズに入射する。

また、上記例では、第１フライアイレンズ１４及び第２フライアイレンズ１５の各単位レンズは、液晶表示パネル３の形状に対応して矩形をなしている、としたが、前記各単位レンズは矩形でなくても良く、例えば、光利用効率は矩形の場合と比較して劣るものの、楕円形であっても良い。

３板式の投写型映像表示装置の光学系を示した説明図である。 照明装置１を示した図である。 液晶表示パネル３を示した正面図である。 （ａ）照明装置１の正面図であり、（ｂ）は図（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。 ライトガイド１３を示した図である。 （ａ）はライトガイド１３をレンズセル１２…側から見たときの正面図であり、（ｂ）ライトガイド１３を第１フライアイレンズ１４側から見たときの正面図であり、（ｃ）及び（ｄ）は、側面図である。 ライトガイド１３を示す図である。 照明装置１の他の実施形態を示す図である。 ライトガイド１３の他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 照明装置
１１ ＬＥＤチップ
１２ レンズセル
１３ ライトガイド
１４ 第１フライアイレンズ
１５ 第２フライアイレンズ
１６ コンデンサレンズ
３ 液晶表示パネル

Claims (8)

1. 単位光源の群が配列してなる光源と、
   前記単位光源の群に対向して配列した集光レンズの群と、
   前記集光レンズの群に対向して配列した光ガイド手段の群と、
   前記光ガイド手段の群に対向して配列した単位レンズの群と、
   前記単位レンズの群の各々を通過した前記光源の光を、照射面へ重なり合って入射するように集光する照射光学系と、を有し、
   前記光ガイド手段の群の各々は、対向する前記単位光源が発生し対向する前記集光レンズを透過した光の分散角を低下させることを特徴とする照明装置。
2. 単位光源の群が配列してなる光源と、
   前記単位光源の群に対向して配列した第１の集光レンズの群と、
   前記第１の集光レンズの群に対向して配列した光ガイド手段の群と、
   前記光ガイド手段の群に対向して配列した第２の集光レンズの群と、
   前記第２の集光レンズの群に対向して配列した単位レンズの群と、
   前記単位レンズの群の各々を通過した前記光源の光を、照射面へ重なり合って入射するように集光する照射光学系と、を有し、
   前記光ガイド手段の群の各々は、対向する前記単位光源が発生し対向する前記集光レンズを透過した光の分散角を低下させることを特徴とする照明装置。
3. 前記単位レンズの群の各々は、矩形であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記光ガイド手段は、ガラスブロック又は内面が鏡面の筒状物からなる、ことを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の照明装置。
5. 前記光ガイド手段は、光入射面の開口面積よりも光出射面の開口面積が大であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の照明装置。
6. 前記照射光学系は、
   前記単位レンズの群に対向して配列した第２の単位レンズの群と、
   前記第２の単位レンズの群に対向して配置したコンデンサレンズと、を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の投写型映像装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の照明装置と、
   前記照射光学系の前記照射面に配置された液晶表示パネルと、
   前記液晶表示パネルからの出射光を投写する投写光学系と、を含むことを特徴とする投写型映像装置。
8. 前記単位レンズと、前記第２の単位レンズは、
   前記液晶表示パネルの形状に対応して矩形をなしていることを特徴とする請求項７に記載の投写型映像装置。
   

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